JPH0155072B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、垂直面内に固定された鋼材の横向円
周継手の溶接方法に関し、たとえば肉厚容器にパ
イプフランジを溶接するような場合に適するもの
である。

第１図は本発明の対象となる横向円周継手の一
例を示し、ａは正面図、ｂはそのｘ−ｘ断面図、
ｃは溶着金属の積層パターンを示す図である。図
中、１０１は溶接母材、１０２は水平軸を中心と
する円周上に横向に設けられた開先であり、１〜
16の数字はパス順序を示している。溶接姿勢とし
ては、同図ａの時計回り（矢印ｙ）の方向に溶接
を行なう場合、12時および６時付近では横向（水
平）姿勢、１時〜５時は立向下進姿勢、７時〜11
時は立向上進姿勢となる。

従来、このような１層が複数パスで形成される
横向円周継手の多層溶接〔第１図ｃの３層目以
降〕には、第２図Ａ〜Ｃに示すような方法が採用
されていた。Ａは全体を４つのブロツクに分けて
積層する方法、Ｂは全体を２つのブロツクに分け
て積層する方法、Ｃは１周連続であるが、途中２
個所でビードを交差させて積層する方法であり、
１０３〜１０８はビードの継ぎ目、１０９，１１
０はビードの交差部を示している。

このような方法を採用するのは、横向姿勢（12
時および６時付近）では第１図ｃに示すように複
数パスで形成される各層の下から上へビードを盛
るようにしてビード垂れによる溶接欠陥（詳細後
述）を防止するためであり、回転中心Ｏから見た
場合、12時と６時では各層のパス順序が非対称
（上下反対）になる。

しかし、このようにするとビードの継ぎ目ある
いはビードの交差部で溶接欠陥が生じやすく、ま
たビードの継ぎ目がビードの交差部が多いという
ことは溶接の自動化を困難にし、作業能率、信頼
性の面でも不利である。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を
解決し、自動化が容易で高品質の溶接を能率良く
行なうことができる横向円周継手の溶接方法を提
供することにある。

本発明では、第２図に示したような回転途中で
の溶接の停止、ビードの交差などは行なわず、ガ
スシールドアーク溶接法により各パスとも１周連
続し、かつ同一回転半径で溶接を行ない、パスの
変化時（第１図中４パスから５パス、あるいは７
パスから８パス等への移行時）にのみ回転半径を
変更して積層を行なう。第３図はその状況を図示
したもので、図中の数字１〜11はパス順序を示し
ており、12時の位置では通常の横向溶接と同様
に、開先の下側からビード盛りを開始するが、６
時の位置では逆に、開先の上側からビード盛りを
開始するようになる。３時の位置では立向下進溶
接、９時の位置では立向上進溶接になることは通
常と変わらない。

この場合懸念される溶接欠陥を防止するため本
発明では、溶着金属の１層を形成する複数パスの
それぞれのウイービング幅を０〜15mmの範囲内の
所定値に定め、横向円周継手の溶接進行に伴い横
向姿勢、立向下進姿勢、立向上進姿勢、横向姿勢
と溶接姿勢が変化しても、それぞれの積層厚が、
2.5〜5.0mmの一定値となるように前記の各溶接姿
勢に応じた溶接電流値を選定し、この選定値に対
応した一義的に定まる溶接電圧値および溶接速度
値を演算し、同一パスを溶接する間は前記選定さ
れた溶接電流値、前記演算された溶接電圧値およ
び溶接速度値に基づき、かつ同一回転半径で溶接
する。

次に、上記した溶接条件選定の理由を説明す
る。本発明者らは、１層が複数パスで形成される
横向円周継手の多層溶接において、各パスとも１
周連続し、かつ同一回転半径で溶接を行なうため
に必要な溶接施工条件について、次のような考察
ならびに実験を行なつた。

横向円周継手の多層溶接を行なう場合、横向溶
接において開先上側からビード盛りを開始する
と、第４図ａに示すように、ビードの重なり部に
溶け込み不良、スラグ巻き込み等の溶接欠陥１１
１が生じやすいと言われている。これらの欠陥は
ビードの垂れ下がりが原因であり、同図ｂのよう
に積層厚ｈを薄く、ビード幅Ｗを狭くした積層す
ると欠陥の発生を防止できる。

立向上進溶接では、第５図ａに示すようにビー
ド重なり部に溶接欠陥１１２が生じやすい。この
原因は、ビードが幅狭く盛り上がつた凸形ビード
になりやすく、ビード重なり部の溶着不完全、ビ
ード表面でのアークの不安定を生じやすいためで
ある。これに対しては、同図ｂのように積層厚ｈ
を薄く、ビード幅ｗを広めにすることで欠陥の発
生を防止できる。

立向下進溶接でも、積層厚ｔを厚くすると溶融
池が先行してビードが垂れ気味となり、欠陥を発
生するため、積層厚ｈを薄くする必要がある。

本発明者らの実験結果によると、良好な溶接結
果を得るためには、溶接姿勢によつてビード幅ｗ
積層厚ｈに次のような制限がある。なお、ビード
幅については、トーチのウイービング幅に比例し
たものであるから、ここではウイービング幅BW
にて表示する。

11時〜１時（開先下側から始まる横向溶接） Ｏ≦BW≦ｄ Ｃ≦ｈ≦Ｇ １時〜５時（立向下進溶接） ａ≦BW≦ｅ Ａ≦ｈ≦Ｅ ５時〜７時（開先上側から始まる横向溶接） Ｏ≦BW≦ｃ Ｂ≦ｈ≦Ｆ ７時〜11時（立向上進溶接） ｂ≦BW≦ｆ Ｄ≦ｈ≦Ｈ ここで、ａ〜ｆ、Ａ〜Ｈの間には次のような関
係がある。

Ｏ≦ａ≦ｂ＜ｃ＜ｄ＜ｅ≦ｆ Ａ≦Ｂ≦Ｃ≦Ｄ＜Ｅ≦Ｆ＜Ｇ＜Ｈ 実験により求めたａ〜ｆ、Ａ〜Ｈの具体的数値
を示せば次のとおりである。

ａ＝０〜３mm ｂ＝０〜５mm ｃ＝15mm ｄ＝20mm ｅ＝30mm ｆ＝40mm Ａ＝1.5mm Ｂ＝2.0mm Ｃ＝2.5mm Ｄ＝2.5mm Ｅ＝5.0mm Ｆ＝5.0mm Ｇ＝8.0mm Ｈ＝10.0mm 上記数値は、一例としてCO₂30〜50％、残り
Arの混合ガスを用いた消耗電極式ガスシールド
アーク溶接法により、テストピース（溶接構造用
圧延鋼材）を用い、各溶接姿勢について行なつた
溶接実験から得られたもので、100％Arまたは
100％CO₂を用いた消耗電極式ガスシールドアー
ク溶接法、あるいは非消耗電極を用いたガスシー
ルドアーク溶接法についても適用できる裕度を持
つた数値である。

さて、第３図に示した横向円周継手の多層溶接
においては、１層を形成する各パスのビード幅、
積層厚は全周にわたり同一でなければならない。
そこで、各溶接姿勢に共通なウイービング幅BW
積層厚ｈの適正範囲を求めると次のようになる。

ウイービング幅BWについては、 ｂ≦BW≦ｃ すなわちBW＝０〜15mm 積層厚ｈについては、 Ｄ≦ｈ≦Ｅ すなわちｈ＝2.5〜5.0mm よつて、各パスのそれぞれのウイービング幅を
０〜15mmの範囲内の所定値に定め、横向円周継手
の溶接進行に伴に溶接姿勢が変化しても、それぞ
れの積層厚が、2.5〜5.0mmの一定値となるように
各溶接姿勢に応じた溶接電流値を選定し、この選
定値に対応して一義的に定まる溶接電圧値および
溶接速度値を演算し、同一パスを溶接する間は前
記選定された溶接電流値、前記演算された溶接電
圧値および溶接速度値に基づき、かつ同一回転半
径で溶接することにより、全周同一パターンで、
溶接欠陥のない良質な多層溶接を行なうことがで
きる。

横向円周継手の多層溶接においては、溶接電流
にも溶接姿勢によつて最良のビード形状を得るた
めの最適電流値がある。その一例を第６図に示
す。

このように溶接電流を変化させた場合、溶接速
度を一定にしておくと積層厚にアンバランスが生
じる。一般に、溶接電流Ｉ、溶接速度WSおよび
積層厚ｈの間には、 ｆ（Ｉ）＝WS・ｇ（ｈ） ここで、ｆ（Ｉ）はワイヤ溶融量で、電流Ｉの
関数 ｇ（ｈ）は溶着金属の断面積で、開先形状によ
つて決まる積層厚ｈの関数 の関係があるので、電流の変化に対して積層厚ｈ
を一定に保つため、第７図に示すように溶接速度
を変化させ、積層厚のアンバランスを防止するこ
とが必要である。第９図は溶着部の溶着金属のモ
デル斜視図で、溶接速度WS、溶着断面積Ｓ、溶
着量Ｖの間には Ｖ＝Ｓ・WS …… の関係がある。また溶着断面積Ｓは、前層ビード
幅Ｗ、積層圧ｈ、開先角度θ₁、θ₂から次式によつ
て求めることができる。

Ｓ＝ｈ／２｛2W＋ｈ（tanθ₁＋tanθ₂）｝…… 溶着効率をη、ワイヤ溶融量をWF（mm³／ｍin）
とすると Ｖ＝η・WF …… である。よつて式に式、を代入すると η・WF＝ｈ／２｛2W＋ｈ（tanθ₁＋tanθ₂）｝・WS …… となる。

WFは電流IAを用いて WF＝AI＋BI² …… で表わすことができる。これは文献〈益本他；半
自動・自動アーク溶接、産報出版、溶接全書、
（1978）、８、P58〜60〉に記載されている。また
式においてAIはアーク熱による溶融量、BI²は
抵抗発熱による溶融量とされている。なお係数Ａ
はアーク熱による溶融等価電圧、Ｂはワイヤ突出
部の抵抗値であり、これらの値はワイヤの材質、
ワイヤ径、ワイヤ突出し長さによつて決まる。ま
たウイービング幅BWは通常前層ビード幅と等し
く設定されるから、 Ｗ＝BW …… である。式に式、を代入すると η（AI＋BI²）＝ｈ／２｛2W＋ｈ （tanθ₁＋tanθ₂）｝・WS …… となる。

また溶接電流Ｉに対する最適の溶接電圧V_aは一
義的に決定することができる。これは特公昭50−
3259号、特公昭51−38302号発明に開示されおり、
概ね V_a＝aI＋ｂ …… である。

ここでａ、ｂは溶接電源やシールドガス、ワイヤ
などによつて定まる定数である。

式、を整理すると WS＝2η（AI＋BI²）／ｈ｛2BW＋ｈ（tanθ₁＋tanθ₂）
｝ V_a＝aI＋ｂ となる。

η、Ａ、Ｂ、ａ、ｂは溶接方法、ワイヤ、電源な
どによつて定まる定数、θ₁、θ₂はワーク形状によ
つて定まる定数である。すなわち所定の溶接方法
とワークにおいて、積層厚ｈとウイービング幅
BWを与えると、溶接電流Ｉ、溶接電圧V_a、溶接
速度WSは一義的に決定される。

このようにして選定された溶接施工条件の一例
を第８図に示す。ここで、溶接法はCO₂30〜50
％、残りArの混合ガスを用いた消耗電極式ガス
シールドアーク溶接法（12mmφソリツドワイヤ使
用）、母材材質は溶接構造用圧延鋼材（SM−
50）、板厚35mm、開先はＶ形（ルートギヤツプ３
mm）であり、図中に示した溶接電流、溶接電圧、
溶接速度は、積層厚ｈが各パスとも3.5mm一定と
なるように溶接実験により求めた数値である。

本発明は、ステンレス鋼を除く鋼材の横向円周
継手の多層溶接全般に適用でき、溶接は半自動、
全自動いずれでも行なえるが、プログラム制御に
よる全自動溶接によることが望ましい。

以上説明したように本発明によれば、垂直面内
に固定された鋼材の横向円周継手の多層溶接にお
いて生じやすいビード重なり部の溶け込み不良、
スラグ巻き込み等の溶接欠陥の発生を防止し、か
つ欠陥の発生率が高い回転途中での溶接の停止、
ビードの交差をなくして各パスとも同一回転半径
で１周連続溶接ができるので、高品質の溶接継手
が容易に得られる。また、溶接トーチの運動は単
純な円運動のみでよいため、溶接装置の機構およ
び制御装置を簡略化できて、溶接の自動化が容易
となり、作業能率および信頼性の向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となる横向円周継手の説
明図、第２図は従来の溶接方法の説明図、第３図
は本発明による溶接方法の説明図、第４図は横向
溶接における溶接欠陥の説明図、第５図は立向上
進溶接における溶接欠陥の説明図、第６図は溶接
電流と溶接位置の関係を例示した図、第７図は溶
接速度と溶接位置の関係を例示した図、第８図は
本発明による溶接施工条件の一例を示す図、第９
図は溶着部の溶着金属のモデル斜視図である。 １〜１６；パス順序、１０１；溶接母材、１０
２；開先、１０３〜１０８；ビードの継ぎ目、１
０９，１１０；ビードの交差部、１１１，１１
２；溶接欠陥。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスシールドアーク溶接法による鋼材の横向
   円周継手を多層に周溶接する横向円周継手の溶接
   方法において、溶着金属を形成する複数のパスの
   それぞれのウイービング幅を０〜15mmの範囲内の
   所定値に定め、前記横向円周継手の溶接に伴う複
   数の溶接姿勢においても、それぞれの積層厚が、 ２ ５〜5.0mmの一定値となるように前記複数の
   溶接姿勢に応じた溶接電流値を選定し、前記選定
   値に対応して一義的に定まる溶接電圧値および溶
   接速度値を演算し、同一パスを溶接する間は前記
   選定された溶接電流値、前記演算された溶接電圧
   値および溶接速度値に基づき、かつ同一回転半径
   で溶接することを特徴とする横向円周継手の溶接
   方法。