JPH0630817B2 - 多電極サブマ−ジア−ク溶接法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、土木、建築などの鋼構造部材の多電極サブマ
ージアーク溶接法に関するものである。

（従来の技術） 土木、建築などに使用される鋼構造部材としてはＩビー
ム、パイプなど、使用目的に応じて種々の断面形状の鋼
材二次加工製品が溶接加工によって製作されている。こ
れらの大部分は厚板、熱延コイルあるいは平鋼などを所
定のサイズに切断した素材をもとにして、工場内で開先
加工、成形、仮付けなどの前処理が必要に応じてほどこ
された後、サブマージアーク溶接をはじめとした各種高
能率自動溶接法によって製品として仕上げられている。
とくに、サブマージアーク溶接法は多のアーク溶接法に
比べ品質面での信頼性が高く、かつ溶接能率の面でも比
較的生産性が高いので、現在でも鋼構造部材の工場内溶
接法として多用されているのは周知のとおりである。

ところで、現在実施されているサブマージアーク溶接法
としては種々の方法があり、工場規模の大小、製品サイ
ズと品種の構成などによって相当な違いがみられるが、
大きく分けると従来の技術は下記の二つに大別される。

(a) 多品種少量の製造分野：溶接装置は比較的安価
で、かつフレキシビリテイの高い１〜２電極のサブマー
ジアーク溶接法を用い、高能率化が必要なときは溶接施
工技術の工夫によって対処されている。例えば、カット
ワイヤや鉄紛のような補助溶加材などにより溶着効率を
高めるか、あるいは溶接ワイヤのジュール熱効果を利用
するためワイヤの細径化や突出し長さを長くする方法が
採用されている。なお、後者に類する１電極法として細
径ワイヤをツイン配置した並列アークを採用する方法も
提案されているが、安定なアークを維持するため使用溶
接電源は定電圧の直流電源を用い定速のワイヤ送給方式
との組合せの場合に限られている。

(b) 少品種多量生産の製造分野：溶接加工工程の設備
費の占めるウエイトが小さくなるため、高価な３〜４電
極の専用サブマージアーク溶接装置を使用する例が多
い。この場合使用される溶接ワイヤはほとんどの場合が
３〜５mmの太径で、それぞれ比較的高電流条件を採用し
合計で３０００〜４０００Ａの大電流によって高能率な
サブマージアーク溶接が行われておい、比較的厚手の鋼
構造部材に対してはその溶接生産性は高い。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明が解決しようとするのは上記(2)の分野に関連す
るもので、現在実施されている多電極サブマージアーク
溶接をより高品質かつ高速に行うためのものである。と
ころで、サブマージアーク溶接に限らずアーク溶接法で
高速化を図ろうとした場合、溶接継手部の有効のど厚を
確保するため、溶接速度に比例してワイヤの溶接速度あ
るいは母材の溶融量を増大しなければならない。アーク
溶接の場合、この溶融量を高めるためには溶接電流を高
める以外に決定的な手段はなく、結果として溶接入力の
増大が必須の要件となる。しかしながら、溶接電流を高
め溶接入力の増大を図るとアーク力が増大しかつ溶融プ
ール長さも長くなるため、良好なビード形成を維持させ
ることは困難となる。とくに重力の影響を受ける回転管
の円周溶接や水平隅肉溶接などにおいてはビード不整と
なり易く、終端溶接部の凝固割れも発生しやすくなると
いう問題がある。したがって、サブマージアーク溶接の
高速化を狙って多電極化を図るという従来のアプローチ
を進めるにおいても、できるだけ低電流低入力で高溶融
な溶接法が有効である。この場合、通常の多電極サブマ
ージアーク溶接法でただ単に溶接入力を低減させると溶
接線単位長さ当りの溶着量も減り、のど厚あるいは余盛
り不足のビード形成となる。

本発明法はサブマージアーク溶接の高速化に対し、とく
に重力の影響を受けやすい応用分野において溶接ビード
の品質を損わないような低電流低入力化を狙った多電極
サブマージアーク溶接法の提供を目的とするものであ
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明の要旨は、ワイヤ径ｄmmが１．０〜１．６mmの溶
接ワイヤ２対を同一の溶接電源とワイヤ送給機構によっ
て発生させる並列アークを１単位の電極とし、この電極
を溶接進行方向に３〜５対それぞれが同一の溶融プール
内において独立した溶接アークを保つように配置し、か
つ隣接する電極同志が直流アークとならぬよう先行極以
外の他電極の少なくとも１電極以上を交流の垂下特性あ
るいは定電流特性の溶接電源に接続し、該溶接電流を２
５０d²〜５００d²アンペア、該溶接ワイヤの突出し長さ
を１５ｄ〜４０ｄの範囲に設定して、高速低入熱溶接条
件下で高溶融な溶接ビードを得ることを特徴とする多電
極サブマージアークの溶接法にある。

サブマージアーク溶接のように使用溶接電流が比較的高
い溶接法においては、給電点からアーク点に至るまでの
ワイヤ突出し部のジュール熱による予熱効果が無視しえ
なくなり、同一の電流でも、ワイヤ突出し部の電気抵抗
の大きいほどワイヤの溶着速度が増大することはよく知
られている。例えば突出し長さを長くするとか、使用す
るワイヤ径を細くするなどは効果的な方法で、サブマー
ジアーク溶接の高能率施工法に応用されている。このよ
うな考え方のもとに、比較的静かなアークでワイヤ突出
し部の予熱効果を与える手段として２mmφ以下の細径ワ
イヤをツインにして同一電源同一送給機構で発生させる
並列アーク方式がある。しかしながら、この方法には下
記のような問題点があり多電極で安定な溶接を行うこと
は困難であった。

細径ワイヤが高速送給となるため溶接ワイヤ溶融の
時定数がきわめて短く、アーク長さを一定に制御する方
法として従来のアーク電圧フィードバック送給速度制御
方式の採用はハンチング現象が問題となる。したがっ
て、溶接ワイヤは定速で送給し、アーク長の変動に応じ
て入力電流が変化する定電圧特性の溶接電源を組み合わ
せて、安定なアークを得る方法が一般的に採用されてい
る。ところで、この定電圧特性の電源は無負荷電圧が低
いため、再点弧現象が生じる交流電源では採点弧時のア
ーク切れを起しやすく、従来はかかる問題のない直流電
源との組合せに限られていた。

さらに、このような直流電源の組合せで多電極化を
図るとなると、溶接アークの電流方向が一致し、電極間
での電磁的相互干渉が顕著となり良好な溶接ビード形成
はきわめて困難となる。

本発明は以上に述べた細径ワイヤの並列アークを多電極
化した場合に問題となるアークの不安定現象を解決する
ものである。

（作用） 以下、本発明について詳細に説明する。第１図は本発明
の一実施態様例を示す図である３電極サブマージアーク
溶接法の場合の例を模式化した正面図である。

図中、１は１．０〜１．６mmの細径溶接ワイヤであっ
て、高速回転のワイヤ送給機２に直結されたツインワイ
ヤ用の送給ローラ３によって高速送給される。なお、図
では２電極目、３電極目のワイヤ送給部は図示されてい
ないが、１電極目と同様のものである。１電極目は直流
の定電圧特性の電源４ａに、また２〜３電極目は交流の
垂下特性の溶接電源４ｂに接続されている。これら２つ
の交流電源は一次側電源として通常３相交流を使用する
ので、スコット結線あるいは逆Ｖ結線などを選択し、電
極間の相互干渉を軽減させることも可能で、全極直流溶
接電源を使用する場合や隣接する電極同志が直流溶接電
源の場合に比べて安定な溶接アークを形成することがで
きる。

１電極目は通常常温鋼材の固体面を急激に加熱溶融させ
るため、再点弧現象のない直流の溶接アークを先行させ
るのが好ましく、とくに高速かつ低入熱の条件下ではそ
の作用効果が大きい。送給ローラ３を経由してきた溶接
ワイヤはツインワイヤ用の電極チップ５によって所定の
ワイヤ間隔６を保持させながら、溶接電源からの入力の
給電を受ける。このツインワイヤの間隔は安定かつソフ
トな溶接アークを形成させるに際して影響し、この間隔
が小さすぎると集中性の高い不安定なアークとなり、高
速条件下で良好なビード形成が得られなくなる。一方、
この間隔が大きすぎるとそれぞれが独立した溶接アーク
となるため、ビード形成が巾狭の凸状傾向となり好まし
くない。適当な間隔はフラックスの種類、電流、電圧な
どの溶接条件によって異なるが、ワイヤ径をｄmmとする
とワイヤ中心間の距離にして２ｄ〜５ｄが適当である。

このようにして得られる各電極の並列アークは、溶接線
方向に直列状あるいは千鳥状に配置させるが、これは溶
接目的に応じて任意に変えればよく、溶込みと高速性が
優先される場合は直列状の配置が好ましく、またビード
巾を広くし浅溶込みの溶接に対しては千鳥状配列が好ま
しい。ただし、このような場合に電極間距離７を接近さ
せ過ぎると、電源特性の異なる各電極の並列アーク８が
独立した状態を維持できず、各電極間のアーク干渉が激
しい不安定な一体アークとなり、溶融プール９の流動状
況が不規則となって良好な溶接ビード形状が得られな
い。この問題を生じさせないためには各電極の並列アー
クを独立状態に維持することが不可欠で、ワイヤ中心間
距離で示される極間７を少なくとも１０mm以上に設定し
なければならない。しかしながらこの極間が５０mm以上
になると、溶融プールがそれぞれ電極毎の独立した溶融
プールとなり良好なビード形成が困難となる。したがっ
て、本発明でいう独立したアークとは極間７が１０〜５
０mmの状態にあることを意味する。

次に２〜３電極目の作用について、とくに１電極目と相
違する点を以下に説明する。前述のように図では２，３
電極目とも交流溶接電源の垂下特性に接続した例を示す
が、定電流特性の交流電源でも差支えない。また、２電
極目を交流溶接電源に接続し、３電極目を直流溶接電源
と組合せてもよく、基本的には隣接する電極同志が直流
アークにならぬよう選択すればよい。既述のごとく、細
径の溶接ワイヤを高速送給するアーク溶接法ではワイヤ
溶融の時定数が短かすぎるので、溶接ワイヤ送給制御の
考え方からいえば、溶接条件によって決まるワイヤの溶
融速度に見合った一定速度のワイヤ送給方式とし、定電
圧特性の溶接電源と組合せてアーク長さを一定に保つこ
とが基本となることは周知のとおりである。ところで、
交流溶接電源の場合、極めて短時間ではあるが必然的に
周波数×２の頻度でアークがいったん消失し再点弧する
ため、アーク切れを防止するためには溶接電源の無負荷
電圧をある程度高くしなければならないが、定電圧特性
では溶接電圧に比べてこの無負荷電圧を大きくすること
は本質的に困難である。一方、垂下特性や定電流特性の
交流溶接電源はその電流、電圧の特性曲線からいっても
無負荷電圧が高くなるが、定電圧特性のような電源の自
己制御作用がほとんど期待できない。

本発明者らは、このような溶接アークの再点弧特性が優
れているが電源の自己制御作用のない交流溶接電源の有
効利用を図るため検討を重ね、その結果、ワイヤ径に応
じて溶接電流とワイヤ突出し長さ１０を適当な範囲に設
定すればサブマージアーク溶接として利用できる安定な
アーク状態が得られることを明らかにしたものである。
溶接電流の適正な範囲は２５０d²〜５００d²アンペア
で、同時にワイヤ突出し長さも１５ｄ〜４０ｄの範囲に
設定する必要がある。溶接電流が２５０d²アンペア未満
ではアーク電圧の変動が大きく良好なビード形成が得ら
れない。一方、溶接電流が５００d²アンペア以上では並
列アーク特有のソフトなアーク性質が失われ、アーク力
が大きくなりすぎてビード形状の不整が起りやすくなる
とともに、ワイヤの送給速度が極めて早くなるためツイ
ンワイヤの送給トラブルも頻発し好ましくない。さらに
また、溶接電流が上記適正範囲に設定されていても、ワ
イヤの突出し長さが１５ｄより短いとアーク電圧が変動
しとくに高速条件下で良好なビード形成が得られない。
逆に、ワイヤ突出し長さが４０ｄ以上ではアークスター
トでステッキング現象が起りやすくなるとともに、溶接
ビードの蛇行も発生し好ましくない。以上に説明したご
とく、交流の垂下特性の溶接電源を使用しても溶接電
流、ワイヤ突出し長さを上記適正範囲に設定すれば、細
径ワイヤ高速送給の並列アークでも安定なアークが得ら
れるのは、ワイヤ突出し部のジュール熱効果が適度に大
きくなり、溶接アーク自体の自己制御現象が顕著に作用
してくるためと考えられる。

次に、本発明法において並列アークを溶接進行方向に３
〜５対必要とするのは、高速条件下で十分溶着量と良好
なビード形状を得るためである。２対以下ではそれぞれ
各電極の並列アークの入力を可能なかぎり高めても、高
速条件下では余盛り量が不足しアンダーカットなどの溶
接欠陥も発生しやすく好ましくない。一方、６対以上に
なると、溶着量を増やすには効果があるものの、全体の
溶接入力レベルが高くなって溶融プール長さが長大化す
るため、良好なビード形成が得られにくくなるとともに
重力の影響のある溶接個所に対して湯流れ現象を起すの
で好ましくない。

なお、本発明法でツインワイヤの径を１．０〜１．６mm
としたのは、１．０mm未満ではワイヤが細すぎてツイン
ワイヤを高速送給するうえにおいてワイヤの坐屈など送
給不良を起しやすく、安定な溶接が困難になるのと、一
方１．６mm超ではワイヤが太すぎてジュール熱効果が少
なくなり、低入力高溶融特性とアーク自体の自己制御作
用が失われるためによる。

（実施例） 本発明を鋼構造部材の溶接に適用した結果を以下に説明
する。

実施例１ 第１図に示す３電極法を用いて、板厚８mm、外径９１４
mmの鋼管を周方向に回転させながら、管内面のサブマー
ジアーク溶接を行なった。溶接ワイヤの組成は１．９５
％Mnの市販材をまたフラックスとしては市販品のMnO-Si
O₂系溶融形をそれぞれ使用した。溶接条件は第１表と第
２表に示すとおりで、並列アークのワイヤ間隔は５mmと
し、また電極配置は溶接線方向直列配置とした。

また溶接電源としては直流には定電圧特性を交流には垂
下特性のものを使用した。第３表はそれらの溶接結果を
示す。

本発明法に相当するＡ，Ｂ，Ｃは溶接時のアーク電圧が
安定しており、溶接速度３００cm／min においても溶接
欠陥のない良好なビード形成が得られた。これに対し
て、Ｄ条件のように３電極目のワイヤ突出し長さが１５
mmと本発明法の適正条件範囲から外れた場合や、同じく
Ｅ条件のように３電極目の溶接電流３００アンペアと本
発明法の適正条件範囲よりも低過ぎる場合においては、
アーク電圧の変動が大きく良好なビード形成が得られな
かった。また、太径ワイヤを使用する従来の３電極溶接
法Ｆでは溶接線全長にわたってアダーカットの発生がみ
られ、３ｍ／min の溶接速度では良好な溶接結果が得ら
れなかった。

実施例２ 第２図の模式正面図に示す４電極法を用いて、横板
（B_f）１６mm厚、立板１０mmのＴ型鉄骨材の隅肉継手に
対し水平姿勢のサブマージアーク溶接を行なった。使用
した溶接材料は実施例１と同一銘柄のものである。溶接
条件は第４〜５表に示すとおりで、並列アークのワイヤ
間隔は５．５mmとし、また電極配置は溶接線方向に対し
千鳥配置とし、水平隅肉溶接のため第３図の側面図に示
すよう全電極を立板に対し横傾斜度１１を４０゜に設定
した。また、溶接電源としては直流には定電圧特性を、
交流電源には定電流特性のものを使用した。

第６表はそれらの溶接結果を示す。

本発明法に相当するＪ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎは溶接時のアー
ク電圧が安定しており、溶接速度２７５cm／min.におい
ても溶融メタルの垂れのない良好なビード形成が得られ
た。これに対して、Ｏ条件のように第１電極と第２電極
に直流溶接電源を使用した場合は、隣接同志が直流アー
クとなるため相互干渉の激しい不安定なアークとなり良
好なビード形成が得られなかった。

さらに、Ｐ条件のように第３電極と第４電極の極間を６
mmにした場合はそれぞれが安定した独立のアークを維持
できず、これら電極間でアーク干渉の激しい不安定な１
体アークとなり良好な溶接ビードが形成されなかった。
また、太径ワイヤを使用する従来の４電極溶接法Ｑで
は、溶接線全長にわたって立板側ではアンダーカットが
また横板側ではオーバーラップが発生し、２７５cm／mi
n.では良好な溶接結果が得られなかった。

（発明の効果） 本発明法によって、従来の多電極サブマージアーク溶接
法では入力の増大によって高速溶接が困難であった重力
の影響場におけるビード形成が容易となった。例えば、
実施例に示す鋼管の円周溶接やスパイラル鋼管の造管溶
接に対しては効果的である。さらに、鉄骨加工分野で多
用されている隅肉溶接のように、溶込みよりも脚長のよ
うな溶着量を多く必要とする用途にも適合している。さ
らにまた、本発明法は比較的低入力の溶接条件下でも高
溶融な溶接を行うことができるので、省エネルギー効果
も期待でき工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は本発明方法の実施態様例を示す模式的
正面図、第３図は、第２図に示す実施態様例における側
面図である。 １：細径溶接ワイヤ、２：ワイヤ送給機 ３：ツインワイヤ用送給ローラ 4a：定電圧特性直流溶接電源 4b：垂下特性交流溶接電源 4c：定電流特性交流溶接電源 ５：電極チップ ６：ツインワイヤのワイヤ間隔 ７：電極間距離、８：並列アーク ９：溶融プール、10：ワイヤ突出し長さ 11：電極の横傾斜度、12：仮付け溶接 Ｂ：母材、Ｆ：溶接フラックス Ｓ：スラグ、Ｍ：溶接金属 Ｗ：溶接方向、B_w：Ｔ型継手の立板 B_f：Ｔ型継手の横板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワイヤ径ｄmmが１．０〜１．６mmの溶接ワ
   イヤ２対を同一の溶接電源とワイヤ送給機構によって発
   生させる並列アークを１単位の電極とし、この電極を溶
   接進行方向に３〜５対それぞれが同一の溶融プール内に
   おいて独立した溶接アークを保つよう配置し、かつ隣接
   する電極同志が直流アークとならぬよう先行極以外の他
   電極の少なくとも１電極以上を交流の垂下特性あるいは
   定電流特性の溶接電源に接続し、該溶接電流を２５０d²
   〜５００d²アンペア、該溶接ワイヤの突出し長さを１５
   ｄ〜４０ｄの範囲に設定して、高速低入熱溶接条件下で
   高溶融な溶接ビードを得ることを特徴とする多電極サブ
   マージアーク溶接法。