JPH0630819B2 - スパイラル鋼管の高速サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高速度でしかもアンダーカット，ポックマー
ク等の溶接欠陥発生の無い良好なビードを得るための、
スパイラル鋼管の多電極サブマージアーク溶接方法に関
するものである。

（従来の技術） サブマージアーク溶接方法は比較的大電流を用いること
が可能で、かつ溶接効率が良好であり、パイプや船舶，
海洋構造物，鉄骨，橋梁等、鋼構造物の溶接分野で広く
用いられている。スパイラル鋼管の製造もそのひとつで
あるが、スパイラル鋼管の製造においては、溶接速度の
増加は直接生産性の向上につながるため、従来よりその
高速化の検討が行われている。

一般にスパイラス鋼管では、溶接作業性，ビード形状を
考慮して内面溶接は上り傾斜位置、外面溶接は下り傾斜
位置で行われるが、単に上り，下り傾斜溶接ではなく、
アーク発生位置では内面は上り、外面は下り傾斜、溶接
金属およびスラグは凝固過程で内面は下り傾斜、外面は
上り傾斜となって急傾斜位置まで連なり、重力により次
第に垂れ下がる。このため内面溶接ではコンケーブが増
大し凹型ビードとなり易く、アンダーカット，オーバー
ラップが発生し易い。一方外面溶接では凸型ビードとな
り易く、アンダーカットが発生し易い。

このような欠陥発生状況は溶接速度の増加にともない増
加し、特に内面溶接において著しくなる傾向がある。こ
れは、溶接が高速化するほど、同一溶接入力では溶込み
及び溶接線単位長さ当りの余盛量が必然的に減少し、溶
込み不足や余盛不足となるためである。したがって、所
要溶込み及び余盛量を確保するには、単位時間当りのワ
イヤ溶融量、母材溶融量を増す必要があるが、溶融量を
高めるためには溶接電流を高める以外に手段がなく、溶
接入力の増大が必須の条件となる。

しかし、溶接電流を高め溶接入力の増大を図ると溶融プ
ール長さとアーク力が増大し、それにともなって溶融プ
ールの変動も大となり、高速溶接においてはアンダーカ
ットの発生やビード形状のコンケーブ化、さらにはスラ
グ巻き込み等の溶接欠陥が発生する。これらの問題点の
改善を目的として、従来は主にフラックス成分、物性値
を調整して、スラグの流れを抑制していた。

即ち特開昭58-176098 号公報，特開昭59-104290号公報
では、フラックスの成分を規定した傾斜溶接用メルトフ
ラックスが提案され、また特開昭59-47069号公報ではフ
ラックス成分、物性値を規定し、溶接位置と組み合わせ
た溶接方法を、特開昭59-66979号公報ではフラックス成
分，粒度構成を規定したボンドフラックスに溶接条件を
組み合わせた溶接方法が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらフラックスの粘性を高めてスラグの流れを
抑制しようとした場合、ビード形状のコンケーブ化など
の防止には効果は認められるものの、通常のソリッドワ
イヤとの組合せではスラグの粘性増大のためビード表面
にポックマークが発生する。さらに高速溶接性も阻害さ
れ、またこれらのフラックスはそれぞれ５m/min 未満の
溶接速度において対応するものであり、５m/min 以上の
高速溶接では欠陥発生は避けられない。

特開昭59-66979号公報で提案されたボンドフラックスで
は、ポックマークの発生を抑えるに有効な脱散剤が添加
できるとともに、その中で５m/min に近い速度で溶接が
なされているが、フラックスの回収、再利用が繰り返し
行われるスパイラル鋼管の溶接では、粉化傾向の大きい
ボンドフラックスは溶接作業性の劣化あるいは偏析等の
問題もあり、実際の使用は困難である。

本発明はスパイラル鋼管の高速サブマージアーク溶接に
関し、５m/min 以上で高速溶接する際にコーケーブ，ア
ンダーカット，ポックマーク等の欠陥が生じず、良好な
ビード形状を得ることができるサブマージアーク溶接方
法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明が要旨とするところは、ニッケルスラグを30〜80
重量％、メルトフラックスを20〜70重量％含有する混合
型フラックスを用い、ワイヤ径ｄが1.0 〜1.6 mmの溶接
ワイヤ２本を同一の溶接電源とワイヤ送給機構によって
並列アークを発生させる１対の電極とし、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
於て独立した溶接アークを保つよう配置し、かつその使
用電流範囲を300 〜1000Ａとし、さらに溶接ワイヤの１
本以上に複合ワイヤを用いることを特徴とするスパイラ
ル鋼管の高速サブマージアーク溶接方法にある。

（作 用） 以下本発明の作用について詳細に説明する。

先ず本発明におけるフラックスの形態は、ニッケルスラ
グとメルトフラックスとを機械的に混合して製造され
る。これはメルトフラックスのように溶解可能な組成の
原料を選択する必要がなく、比較的自由なフラックス設
計が可能であり、またボンドフラックスのように水ガラ
ス等の固着剤により造粒されていないため、吸湿や繰り
返し使用による粉化の問題が無いことによる。更に製造
工程は、全原料を溶解する必要はなく安価に製造するこ
とが可能である。

ここでニッケルスラグとは、ニッケルの精練工程におい
てニッケル鉱石より溶解還元によりニッケルを取り去ら
れた後のスラグであり、組成としてはSiO₂：50〜60％、
MgO ：30〜40％を主成分とし、他にAl₂O₃ ：５％以下、
CaO ：５％以下、T,Fe：10％以下から構成されるもので
ある。

本発明におけるフラックスは、上記のニッケルスラグを
30〜80％含有するものであるが、これはSiO₂とMgO がフ
ラックス成分として極めて重要であることによる。即ち
SiO₂は、溶融スラグ中においてスラグの粘性を上げ平滑
でなじみの良いビード形状を生成するのに有用な成分で
あり、特に高速溶接におけるビード形状の改善に有効で
ある。

一方 MgOは溶融点が高く、スラグの耐火性を上げスラグ
の垂れ落ちを防ぎ、ビード形状に均一性をもたらすのに
有効であるばかりでなく、塩基性酸化物であるため溶接
金属中の酸素量を低減し、溶接金属の靭性向上に有効な
成分である。この場合、MgO を単一酸化物で添加すると
その融点は2800℃と極めて高く、MgO を単一酸化物で添
加するボンドフラックスは、溶接時フラックスが溶け難
くなるためスラグの流動性が阻害され、馬の背状のビー
ド形状、趾端部のなじみ不良等の欠陥が生ずる。

一方メルトフラックスにおいては、MgO を多量に含有し
た場合やはり溶け難くなり、フラックスの製造自体が困
難あるいは不可能となる。

ところが本発明においては、多くの MgOはニッケルスラ
グより添加される。このニッケルスラグ中の MgOは、Si
O₂と共晶組成を生成しているため大幅に溶融点が低下
し、1600℃程度になり、ボンドフラックスに見られる上
記のような欠陥発生を防止できる。またメルトフラック
スのような問題もない。更にニッケルスラグは、メルト
フラックスに比べ溶融点が高いため、これらの混合型フ
ラックスはベースとなるメルトフラックスより溶融点が
高くなる。このためスパイラル鋼管の溶接時の凝固過程
における急傾斜位置での垂れ下がり現象を防ぎ、コーン
ケーブの増大，アンダーカット、オーバーラップの防止
効果が得られる。加えてニッケルスラグは精選された鉱
石を溶融して得られたスラグであり、有害な不純物の含
有量が極めて少なく、結晶水のごとき水分も含有されて
いない。

本発明ではニッケルスラグ30〜80％に限定しているが、
30％未満では上記のような効果が得られない。ニッケル
スラグが80％を超えると、ビード表面にポックマークが
発生する傾向がある。そこでニッケルスラグの量は30〜
80％とし、残りは主にメルトフラックスにしなければな
らない。

本発明で言うメルトフラックスは、通常サブマージアー
ク溶接に適用されているフラックスであれば特定の組成
に規定しなくてもよく、ほとんど全てのフラックスが適
用可能である。これは既述の如くほとんどのメルトフラ
ックスが適度な融点と粘性を持って製造されているため
で、ニッケルスラグ30〜80％に対して20〜70％のメルト
フラックスを混合すれば、スパイラルのようなけ傾斜溶
接に適合したスラグ特性が得られる。

尚ここで耐ポックマーク対策として、上記混合型フラッ
クスにCa，Mg，Al，Si，Mnの如き脱酸剤、CaCO₃，MgCO₃
の如きガス発生剤、あるいは溶接金属の靭性を向上させ
るNi，Mo，Cr の如き合金剤等を混合する場合もある。

第１図は、本発明をスパイラル内面溶接に適用した３電
極サブマージアーク溶接の、一実施態様を模式化して示
した側面図であり、溶接部は理解を容易にするため一部
を断面図としている。

図中１は 1.0〜1.6 mmの細径ワイヤであり、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送給ローラ
３によって高速送給され、ツインワイヤ用の電極チップ
４によって所定のワイヤ間隔５を保持させながら並列ア
ーク７を発生させる。

なお図において、６は電極間距離，８はスラグ，９は溶
融プール、10は溶接金属，11は溶接フラックス，12は母
材であり、またＷは溶接方向をあらわす。

このツインワイヤの間隔５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５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５
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、ビード形成が幅狭の凸状傾向となり好ましくな
い。適切な間隔は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
が適切である。

本発明者らは、Ｘ線透視装置を用いて多電極溶接時の現
象観察を行ない、溶融プール後退距離Ｘｍ′とアンダー
カット発生率ＵＣとの間には、第２図に示す如くＸｍ′
の増加とともにアッダーカットが多発する傾向があると
の知見を得た。ここで溶融プール後退距離Ｘｍ′とは、
最終電極ワイヤ先端と溶融プール９の前面が母材の表面
と接する位置までの水平距離である。溶融プール後退距
離Ｘｍ′は、アークプラズマ気流の強さと溶融プールヘ
ッド（溶融プール底面と上面との距離）とのバランスで
定まるものと考えられ、ビード形成作用をすべき最終電
極およびその直前電極の溶接電流が高くなってアークプ
ラズマ気流が強力になったり、高速化し溶接線単位長さ
当りの溶融量が減少して溶融プールヘッドが小さくなっ
たりするとＸｍ′が大となり、ガウジング作用で掘られ
た母材壁面を溶融プールが十分に満たさない位置から凝
固が開始することによって、アンダーカットが発生する
ものと推察される。

一般に単位アーク当りのプラズマ気流の強さは、その溶
接電流に比例すると考えられており、並列アーク７によ
ってアークプラズマ気流がソフトになる。これは単位電
極に投与された電流が、それぞれの溶接ワイヤに分流し
て並列アークが点弧するため、集中性の低いプラズマ気
流となり、全体としてのアークプラズマ気流が太径ワイ
ヤに比し小さくなるものと考えられる。

また細径ワイヤを使用するため、同一溶接電流値で比較
した場合ワイヤ溶融効率が太径に比べ高く、同一溶着量
を得るのにより低い電流値ですむことになり、Ｘｍ′に
働くアークプラズマ気流をより低く抑制できる効果もあ
る。

各電極の並列アーク７は、溶接線方向に直列状あるいは
千鳥状に配置されるが、これは溶接目的により適宜変え
ればよく、溶け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、またビード幅を広くし浅溶け込みの
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６を接近させすぎると、各電極の
並列アーク７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。

このため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、ワイヤ中心間距離を示される極間６を少な
くとも10mm以上に設定しなければならない。しかし極間
６が50mm以上になると、溶融プール９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。従って本発明でいう独立したアークとは、極間
６が10〜50mmの状態にあることを意味する。

溶接電流の適正な範囲は、300 〜1000Ａに設定する必要
がある。これは溶接電流300 Ａ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1000Ａ超では、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
の不整が起こり易くなるとともに、ワイヤの送給速度が
極めては早くなるため、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、高速条件下で十分な溶着量と良好なビード形状を
得るためである。２対以下では各電極の並列アークの人
力を高めても、高速条件下では余盛量が不足し、アンダ
ーカットなどが発生し易くなる。一方６対以上になる
と、第１電極と最終電極までの総電極間距離が必然的に
大きくなり、電極配置を適正な傾斜位置内いに収めるこ
とが難しくなり、スパイラル溶接では湯流れ現象を起こ
すため好ましくない。

ツインワイヤの径を 1.0〜1.6 mmとしたのは、1.0 mm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
上においてワイヤの坐屈など送給不良を起こし易く、安
定な、溶接が困難になる。一方1.6 mm超では、ワイヤが
太いため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。

加えて本発明に用いる混合型フラックスは、前述の通り
スパイラル鋼管の溶接時の凝固過程における急傾斜位置
での垂れ下がり現象を防ぐ目的で、メルトフラックスよ
り溶融点が高いものを用い、かつ溶融プール後退距離Ｘ
ｍ′に働くアークプラズマ気流を低く抑制するため溶接
電流を低く抑える等、ビード表面にポックマークが発生
し易い条件下で溶接は行われる。混合型フラックスに脱
酸剤を添加することによりポックマークの発生数は減少
するが、溶融プールに直接脱酸剤を添加できる複合ワイ
ヤを用いればより効果的である。

本発明の方法においては、複合ワイヤは原則的には何れ
の電極に用いても良いが、複合ワイヤ１本使用の時は第
１電極の先行ワイヤに使用し、２本使用の時は第１電極
２本に使用するように、先行電極から順に複合ワイヤを
用いる形で使用することを推奨する。

（実施例） 本発明を実際の溶接に適用した結果を以下に説明する。

第１図に示す３電極法を使用し、板厚12.7mmの帯鋼（SM
−41Ｂ材）を用いて外形800 mmφのスパイラル鋼管の内
面溶接に、第１表に示す溶接条件でサブマージアーク溶
接を行った。なおソリッドワイヤは２％Ｍｎ系の市販材
を用い、またフラックスの成分は第２表に、複合ワイヤ
の成分は第３表にそれぞれ示す、第４表にそれらの溶接
結果を示す。

本発明例のＡ〜Ｃでは、溶接時のアークの状態が安定し
ており、５m/min の高速溶接においてもビード形状が良
好で、欠陥の無いビードが得られた。

これに対して比較例Ｄのように、全極ソリッドワイヤを
用いた場合、本発明例のＢと同一フラックスを用いても
ビード表面にポックマークが多発した。

比較例Ｅは、第１電極の電流値が本発明の上限を超えて
いるためワイヤ送給速度が高速となり、アーク切れ等の
アーク不安定によりアンダーカットが発生し、ビード形
状も不均一となった。

比較例Ｆは、第３電極の電流値が本発明の下限より低い
ためアーク電圧の変動が大きく、良好なビード形状が得
られなかった。

比較例Ｇは、フラックス中のニッケルスラグ量が本発明
の上限を超え、またメルトフラックス量が下限より低い
ためアンダーカットが発生し、 ポットマークも多発した。

比較例Ｈは、フラックス中のニッケルスラグ量が本発明
の下限より低く、またメルトフラックス量が上限を超え
ていたためスラグの粘性が不足し、コーンケーブが深く
なるとともにポックマークが多発した。

比較例Ｉは、ワイヤ径が本発明の上限を超えているため
溶接電圧変動が大きく、アンダーカットが発生し、ハン
ピングビードとなった。

比較例Ｊは、太径ワイヤのシングルアークであったた
め、溶接線全長に渡りアンダーカットが発生した。

尚、実施例では第１図に示す本発明の３電極の電極配置
について述べたが、４電極，５電極溶接の場合について
も本発明と同様な効果が得られている。

（発明の効果） 以上説明したごとく本発明は、従来多電極サブマージア
ーク溶接法では、入力の増大により従来困難であったス
パイラル鋼管の高速溶接が容易となるとともに、良好な
ビード形状を得ることができ、また本発明法は、低入力
の溶接条件下でも高溶融な溶接が可能であり、鋼構造物
の溶接分野に広く適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施態様を模式化して示した部
分断面側面図、第２図は溶融プール後退距離Ｘｍ′およ
びアンダーカットと溶接速度との関係を示す図面であ
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、４……電極チップ、５……ツ
インワイヤのワイヤ間隔、６……電極間距離、７……並
列アーク、８……スラグ、９……溶融プール、10……溶
接金属、11……溶接フラックス、12……母材、Ｗ……溶
接方向、Ｘｍ′……溶融プール後退距離、ＵＣ……アン
ダーカット発生率、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ニッケルスラグを30〜80重量％、メルトフ
   ラックスを20〜70重量％含有する混合型フラックスを用
   い、ワイヤ径ｄが 1.0〜1.6 mmの溶接ワイヤ２本を同一
   の溶接電源とワイヤ送給機構によって並列アークを発生
   させる１対の電極とし、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於て独立した溶接
   アークを保つよう配置し、かつその使用電流範囲を 300
   〜1000Ａとし、さらに溶接ワイヤの１本以上に複合ワイ
   ヤを用いることを特徴とするスパイラル鋼管の高速サブ
   マージアーク溶接方法。