JPH0747218B2

JPH0747218B2 - 高速片面サブマージアーク溶接法

Info

Publication number: JPH0747218B2
Application number: JP2035918A
Authority: JP
Inventors: 展之大浜; 育雄浅田; 繁男大山; 隆一元松
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-16
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: JPH03238174A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、３電極以上の多電極を用いて行う片面サブマ
ージアーク溶接法に係わり、更に詳しくは、溶接速度10
0cm/min以上の高速で行う高能率な片面サブマージアー
ク溶接法に関するものである。

（従来の技術）従来より、厚板の高能率溶接法として、片面サブマージ
アーク溶接法が造船を中心にさかんに適用されてきた。
ところが、効率化追求のレベルは増々高くなり、従来の
溶接速度に比べ1.5〜２倍の高速性を加味した溶接法が
要望されている。

しかしながら、従来の片面サブマージアーク溶接法は、
特公昭48−22572号公報や特公昭49−38420号公報等に開
示されているが如く、いずれも溶接速度100cm/min未満
である。

一方、表側および裏側より、各々溶接する通常の継手溶
接においては、溶接速度100cm/min以上の多電極溶接
が、数多く開示されているが、この技術をそのまま片面
サブマージアーク溶接法に適用することは困難である。
通常の多電極溶接においては、溶け込みおよび溶着量を
確保するため、かなり強引に電流を上げても溶け落ちの
心配がなく、また、裏ビード形成のための特別の配慮が
必要でないため、高速化も比較的容易に達成できる。し
かし、片面サブマージアーク溶接においては、表ビード
はもちろんのこと、健全な裏ビードをも同時に形成する
ことが要求されるので、高速化を達成するために、いた
ずらに電流を上げると、裏ビードが出すぎてビードが不
均一になり、極端な場合には横割れが発生することにな
る。さらに、溶接速度が速いとビードが細くなり、裏ビ
ード端部にアンダーカットが発生し易くなる。加えて、
高速ゆえに溶接金属の凝固が速く、第６（ａ）図に示す
が如く、結晶の成長方向（デンドライト）が突合せにな
り、非常に割れ易い組織となる。

従って、片面サブアージアーク溶接においては、溶接速
度100cm/min以上に踏み込んだ技術は、未だ達成されて
いないのが現状である。

尚、ここでいう片面サブマージアーク溶接法とは、第５
図（ａ），（ｂ）に示すように、突合された被溶接材1,
1′の裏面から、銅当金２上に層状に散布したバッキン
グフラックス４、または耐火性キャンバス７内に収納さ
れたバッキングフラックス４をエアーホース５等の押上
機構により被溶接材1,1′の裏面に押圧しておき表側よ
りワイヤ３、フラックス６を用いてサブマージアーク溶
接を行い、被溶接材の表側と裏側に同時にビード形成す
る溶接方法である。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記高速片面サブマージアーク溶接法におい
て、健全な裏ビードを形成する溶接法を提供することを
第１の目的とするとともに、あわせて満足できる表ビー
ドをも形成する溶接法を提供することを目的としたもの
である。

（課題を解決するための手段）本発明者らは上記事情に鑑み、種々検討した結果、以下
の知見を得た。即ち、高電流・高速の片面サブマージア
ーク溶接において健全な裏ビードおよび表ビードを得る
ためには、（１）裏ビードは、第1,第２電極によってのみ形成
し、高電流による電流密度増加に伴うアークの集中性を
ソフトにするため、所定以上の太さを有するワイヤを用
いること。

（２）第1,第２電極の電流和と溶接速度が、特別な関
係を満足した時のみ裏ビードが形成できること。

（３）溶接金属のデンドライトの方向を上向きに制御し
て割れを防止するため、第３電極は第1,第２電極により
形成される溶融池（プール）の外側に配置する必要があ
ること。

（４）第1,第２電極により形成された裏ビードへ悪影響
を及ぼさないため、第３電極の電流は第1,第２電極電流
の電流和の一定割合以下であること。

の４点が重要である。

即ち、本発明の要旨とするところは、３電極以上を用い
る片面多電極サブマージアーク溶接法において、第１電
極および第２電極のワイヤ径を4.8mmφ以上とし、か
つ、第１電極の電流をI₁（Ａ）、第２電極の電流をI
₂（Ａ）、溶接速度をＳ（cm/min）とした時、 100≦Ｓ≦200 かつ、４（Ｓ＋575）≦I₁＋I₂≦４（Ｓ＋725）とし、さらに第２電極と第３電極との距離を150〜300mm
とし、かつ、第３電極の電流をI₃（Ａ）とする時、 I₃≦0.65（I₁＋I₂）を満足し、裏ビードのデンドライトの方向が上向きに制
御されていることを特徴とする高速片面サブマージアー
ク溶接法である。

また、更に表ビードの溶着量を確保するために、ワイヤ径が1.2〜2.4mmφの溶接ワイヤ２本を一対として
同一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、この電極を第３電極以降の少なくとも
１つの電極に用いることを特徴とする高速片面サブマー
ジアーク溶接法である。

（作用）以下に、本発明について詳細に説明する。まず、本発明
においては３本以上の電極を用いることが必要である。
これにより、第1,第２電極で裏ビードを形成し、第３電
極以降で表ビードを形成し、必要な溶着量を確保するこ
とが可能となる。

〔ワイヤ径の限定理由〕

まず、第1,第２電極のワイヤ径について述べる。溶着量
を増やすためには電流密度を上げることが効果があり、
そのためワイヤ径を小さくすることが考えられるが、本
発明のように高速の片面溶接の場合、ビードが非常に細
くなり易い。また、細径の場合アークが集中し、ビード
が凸になり、アンダーカットが発生し易い。従って、ア
ークをソフトにし、ビードを広げるために第1,第２電極
のワイヤ径を太くする必要がある。この場合、4.8mm未
満では効果がなく、4.8mm以上にする必要がある。

〔溶接速度と第1,第２電極の電流和の関係〕ところで、一般に電流が増加すると溶融池（プール）が
大きくなるため、裏ビードが出やすくなるが、極端な場
合割れが発生し易くなる。一方、速度が速くなると溶融
池が細長くなるが、溶着量が減少するので、溶融金属の
供給が不足し、その結果裏ビードが出にくくなり、極端
な場合はアンダーカットになる。従って、単純に電流を
増加し、速度を上げるだけでは裏ビードが出すぎるかあ
るいは全く出ない状況となりバランスのよいビード形成
は困難であった。

このような高電流・高速片面サブマージアーク溶接の問
題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、第１電極の電
流I₁（Ａ）と第２電極の電流I₂（Ａ）との和（I₁＋I₂）
と溶接速度Ｓ（cm/min）が特別な関係を満足した時の
み、非常に良好な裏ビードを形成できることが判明し
た。

第１図は第1,第２電極の電流和と溶接速度が裏ビード形
成に及ぼす影響を調査したものである。溶接は、第４図
に示すように板厚ｔ＝16mm、ルートフェースｄ＝5mm、
開先角度θ＝50゜で実施した。また、第1,第２電極の距
離は35mmとした。この場合、余盛高さ1.5〜3.5mmを良好
な範囲とし、1.5mm未満を余盛不足、3.5mm超は出すぎと
判断した。第１図において、○に付属した数字は裏ビー
ドの余盛り高さを表し、●は全く裏ビードが出ていない
場合である。溶接速度が200cm/minを超えると電流の如
何にかかわらず裏ビードを出すことはできなかった。そ
の結果、本発明者らは、 100≦Ｓ≦200、かつ、４（Ｓ＋575）≦I₁＋I₂≦４（Ｓ＋725）であれば、アンダーカットも割れもない健全な裏ビード
が得られることを新規に知見した。

本発明においては、以上の如く３電極以上の高速片面サ
ブマージアーク溶接で、特定の太さを有するワイヤを第
1,第２電極に配置し、かつ、この場合の第1,第２電極の
電流和と溶接速度の関係を特定することが必須条件であ
る。

第２図に本発明の電極の配置の一例を示した。図中８は
第１電極、９は第２電極、10は第３電極、11は被溶接材
１の開先底面、12は被溶接材１の表面、13は第１〜第２
電極間距離、14は第２〜第３電極間距離を示す。

〔第３電極の条件ならびに第２〜第３電極間距離の限定
理由とデンドライトの方向〕次に、表ビード形成を担う第３電極以降について検討し
た。

第３電極以降は、融合不良およびスラグ巻き込み等の内
部欠陥の発生を防止し、必要な溶着量を確保するために
用いるのであるが、同時に第1,第２電極で形成された溶
接金属を溶融し、第６図（ｂ）に示す如くデンドライト
の方向を上向きに制御する役割もある。このデンドライ
トの方向が第６図（ａ）のような突き合わせになると会
合部に高温割れが発生する。特に、第1,第２電極で形成
される裏ビードは、裏面の裏フラックスや銅当金から急
冷されるためデンドライトは突き合わせになり易い。従
って、第２〜３電極の極間と第３電極の電流値を制御し
会合部を溶融しながら、デンドライトを上向きに制御す
る必要がある。しかし、第1,第２電極で形成される溶融
池（プール）内に第３電極が配置されると、いわゆるワ
ンプールとなり第３電極によるアークが裏ビード下端ま
で到達し、ビードが出すぎ、第６図（ａ）に示すよう
に、デンドライトも突合せとなり非常に割れ易い組織と
なる。従って、第３電極は第1,第２電極により形成され
るプールの外側に配置する必要がある。

本発明者等は、第1,第２電極で形成されるプールの長さ
を第１図斜線で囲まれた領域で調べた結果、プールの長
さは最大約140mmであった。従って、第２電極と第３電
極の距離は150mm以上必要である。しかし、この長さが3
00mmを超えると溶融スラグが完全に凝固して、安定した
アークを発生することができない。従って、第２電極と
第３電極の距離は150〜300mmに限定した。なお、この場
合電極の距離とは、第２図に示すように開先底面11にお
けるワイヤ中心間の距離14をいう。

また、融着量を確保するため、第３電極の電流が高くな
りすぎると溶け込みが深くなり、第1,第２電極によって
形成された裏ビードに悪影響を及ぼす。この場合、第３
電極の電流は第1,第２電極の電流和の65％を超えると裏
ビードが出すぎたり、割れが発生する。従って、第３電
極の電流をI₃（Ａ）とした時、I₃≦0.65（I₁＋I₂）と限
定した。

〔細径ワイヤ適用の理由〕

ところで、片面溶接の適用される板厚は多種多様で板厚
が大きくなると、溶着量の確保が非常に難しくなってく
る。電極数を増やせばよいが、これでは装置が大形化
し、かつコストが上昇するので、自ずから限界がある。
従って、できるだけ効率よく溶着量を確保する工夫が必
要である。

そこで、電流密度を上げ溶着量を増加するため、細径ワ
イヤを適用することが考えられる。しかし、表ビードは
ある程度の広がりが必要であり、単なる細径ワイヤでは
ビードが細く、ビード両端にアンダーカットや融合不良
を引き起こす。

そこで、溶け込みが浅く、ビードが広がり、溶着量を確
保できる方法を検討した結果、細径ワイヤ２本を一対と
して同一のワイヤ送給機構によって並列アークを発生さ
せると効果があることが判明した。

このワイヤ送給機構は、第３図（ａ）に示すように２本
のワイヤ15,15′を１個の電動式モータ16で加圧ローラ
（省略）および送給ローラ17を経てノズル18に送給して
いる。本送給機構によれば、電流が２本のワイヤに分散
され、その結果アークがソフトになり、電流を増加して
も溶込みは深くならない。第３図（ｂ）に本発明冷を第
３電極10、第４電極19に適用した具体例を示す。ワイヤ
は、溶接線に平行に２本配置する。この場合、ワイヤ径
が1.2mm未満では十分なビード広がりが得られず、逆
に、2.4mmを超えると電流密度が低くなり溶着量の確保
が困難である。従って、ワイヤ径は1.2〜2.4mmに限定し
た。

ところで、本発明溶接法は片面サブマージアーク溶接法
であり、溶接材料として表側フラックス、バッキングフ
ラックスおよび電極ワイヤを必要とするものであるが、
これら溶接材料に関しては、目的に応じた適正な溶接金
属を得ることのできるものであればそれらの組成につい
ては特に限定されるものではない。

即ち、表側フラックスとしては、SiO₂,Al₂O₃,TiO₂,MnO,
MgO等の金属酸化物、CaF₂,MgF₂等の金属弗化物、CaCO₃
等の金属炭酸塩、Si,Mn等の脱酸剤、Ni,Mo等の合金剤あ
るいは鉄粉を適宜配合して作製されたフラックスを用い
ればよい。フラックスタイプとしては、メルト形、ボン
ド形フラックスのいずれでもよい。バッキングフラック
スについても同様である。

電極ワイヤはフラックス組成との関連で選択されるもの
であるが、Mn:0.3〜3.2％、Mo:0.15〜0.75％の一種また
は二種以上を含有するワイヤが強度および靭性を確保す
る上で好ましい。

以上本発明について詳述したが、本発明効果をさらに明
確にするため、如何実施例について述べる。

（実施例）第１表に示す鋼板に対し、第２表のワイヤ、第３表のフ
ラックス、第４表のバッキングフラックスを用いて、12
種類の片面サブマージアーク溶接を行なった。

第３表のフラックスは、原料粉を水ガラスを用いて造粒
した後、400℃×120minの条件でロータリーキルンで焼
成したボンドフラックスで仕上がりフラックスの粒度は
12×100メッシュで整粒した。また、第４表のバッキン
グフラックスは第５図（ａ）に示した銅当金併用型のバ
ッキングフラックスでボンド形フラックスである。尚、
フェノール樹脂は水およびアルコールをそれぞれ溶媒と
して溶解し、粘液とした後、フラックス粒子に被覆し
た。

本発明実施例における溶接結果を第５表に示す。本発明
例であるNo.1〜６は何れも良好な裏ビードを形成し、い
ずれもすぐれた溶接部を得ることができたが、一方、比
較例のNo.7〜12の場合、溶接結果の欄に記入してあるよ
うに、満足できる裏ビードの形成ができなかった。

尚、第５表において、開先形状は第４図に示す形状を用
いた。ｔは試験板の板厚、ｄはルートフェース、θは開
先角度である。

（発明の効果）以上説明したように、本発明は高速の片面サブマージア
ーク溶接法によって極めて健全で良好な裏ビードを得る
とともに表ビードも良好に形成でき、高効率溶接が可能
となってその実用的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】第１図は、第1,第２電極の電流和と溶接速度が裏ビード
形成に及ぼす影響を説明するための図、第２図および第
３図（ａ），（ｂ）は本発明溶接法の実施態様を示す側
面図、第４図は本発明実施例に用いた開先形状を示す正
面図、第５図（ａ），（ｂ）は片面サブマージアーク溶
接法を説明するための正面図、第６図（ａ），（ｂ）は
溶接金属のデンドライトの方向を説明するための正面図
である。 1,1′：被溶接材、2:銅当金 3:電極ワイヤ 4:バッキングフラックス 5:エアーホース、6:フラックス 7:耐火性キャンパス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者元松隆一神奈川県相模原市淵野辺５―10―１新日本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献特開昭53−119250（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３電極以上を用いる片面多電極サブマージ
アーク溶接法において、第１電極および第２電極のワイ
ヤ径を4.8mmφ以上とし、かつ、第１電極の電流をI
₁（Ａ）、第２電極の電流をI₂（Ａ）、溶接速度をＳ（c
m/min）とした時、 100≦Ｓ≦200 かつ、４（Ｓ＋575）≦I₁＋I₂≦４（Ｓ＋725）となり、さらに第２電極と第３電極との距離を150〜300
mmとし、かつ、第３電極の電流をI₃（Ａ）とする時、 I₃≦0.65（I₁＋I₂）を満足し、裏ビードのデンドライトの方向が上向きに制
御されていることを特徴とする高速片面サブマージアー
ク溶接法。
【請求項２】ワイヤ径が1.2〜2.4mmφの溶接ワイヤ２本
を一対として同一の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、この電極を第３電極以
降の少なくとも１つの電極に用いることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の高速片面サブマージアーク溶
接法。