JPS5890382A - 低入熱サブマ−ジア−ク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、低入熱サブマージアーク溶接方法、より詳し
く云うと、完全オーステナイトステンレス鋼、ニッケル
及びニッケル合金並びに銅合金の肉盛溶接及び突合わせ
溶接に特に適し次像入熱サブマージアーク・溶接方法に
関する。

従来、完全オーステナイトステンレス鋼、ニッケル及び
ニッケル合金、鋼合金などの金属の溶接は、主に、被覆
アークｆ＃接法、ティグ（ＴＩＧ）！接法及びミグ（Ｍ
ＩＧ）溶接法によシ行なわれてきた・しかしなから、［
ｆｌアータ香蛍汰及びディグ溶接法は溶接能率が悪く、
を九、ミグ溶接法は溶接能率は比較的良好であるが、溶
接アークが外気に曝されるため、被溶接物の材質や開先
形状などの周囲の影響を受は易く、溶接アークの安定性
に欠けるとともに溶接金属部に酸化スケールやブローホ
ールが発生するなどの欠点がある。

一方、サブマージアーク溶接は、上記した金属では、イ
ンコネルのような高ニッケル合金の一部で実施されてい
るが、溶接入熱が大きいため溶接金属の結晶粒の粗大化
が起り、しばしば溶接割れを生ずるという重大な欠点を
有している。一般に、これらの溶接材料に発生する溶接
割れは偏析割れと云われており、拘束の強い条件下で、
溶接金属中の硫黄やリンなどの低融点物質が、凝固過程
で結晶粒界やデンドライトに沿って液体のｔま集まり、
冷却中の収縮応力などによシか＼る低融点物質から発生
するものである。しかるに、太径のワイヤを使用する従
来のサブ−マージアーク溶接は、大電流・高入熱である
逢め、溶接金属の結晶粒やデンドライトが粗大化して溶
接金属の中心部に低融点物質が集中し易くなＣ，Ｌかも
凝固時の収縮応力が大きくなるので、溶接割れ感受性が
著しく増大する。また、軟鋼や低置金鋼への肉感溶接に
おいては、溶込みが大きくなって溶接金属中に過剰の鉄
が混入し、溶接割れ感受性が更に高くなる。

更に、上記したような金属に対する従来のサブマージア
ーク溶接は、ビード形状が悪くなりスラグがこげつくな
ど溶接作業性にも悪影譬を与えている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされた奄ので、特に完全
オーステナイトステンレス鋼、ニッケル及びニッケル合
金、鋼合金などの金属の溶接を、溶接割れ、融合不良、
ブローホールなどの溶接欠陥及びアーク不安定、外観不
良などの溶接作業上の問題を起すことなく、効率良く行
なうことのできる低入熱サブマージ７−り溶接方法ｔ−
提供することを目的とする。

本発明によれば、消耗電極として直径がαａ乃至２．０
−のワイヤを用い、パルスアーク溶接電源を使用して、
溶接電流を１００乃至５５０　Ａの範囲に保持して溶融
スラグの中でパルスアークを発生させながら溶接する低
入熱サブマージアーク溶接方法が提供されている。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明に係る低入熱サブマージアーク溶接方
法の実施の一態様を示す概略図であって、図中、１は被
溶接材、２は溶接ワイヤ、６は溶滴を周期的にかつ的確
に移行させるパルスアーク溶接電源、４は７ラツクスホ
ツパ、５はホッパ４から供給され、溶接アークを外気か
ら遮蔽して溶接金属を保護・精銖する７ラツクス、６は
ビード巾を調節する九めのオシレート装置、７は溶接ト
ーチ、８はワイヤ２に通電するためのチップ、９はワイ
ヤの突出し長さである。フラックスとしては従来のサブ
マージアーク溶接に使用されてきた７２ツクスを使用す
ることができる。また、ワイヤ突出し長さは、ワイヤの
径及び被溶接材の形状によって変わるが、本発明では約
２５乃至４５ｍである。

本発明で使用されるワイヤ２は、０．８乃至２．０ｍの
直径を有することが望ましい。径が２ｍを越えるワイヤ
を使用すると、２００Ａ以下の低電流域で作業性が不良
となり、作業性が良好となる高電流域では溶接割れが発
生し易くなる。１次、径が（ＬＳＩよシも小さいワイヤ
は製造に困難が伴ない、かつ、日本工業規格に規定の溶
接ワイヤの最小径はα８■であるところから、−最小径
をα８ｍとするのが望ましい。

パルスアーク溶接電源るとしては、第２Ａ図に示すよう
な殆んど平滑な波形の直流に第２Ｂ図に示すように尖頭
波をもつパルス電流を重加させるパルスアーク溶接電源
が用いられるが、市販の通常のパルスアーク溶接電源を
用いることができるのは勿論である。か＼るパルスアー
ク溶接電源から供給される溶接電［（千＊燭は１０Ｇ乃
至５５０　Ａの範囲とするのが望ましい、＊接電流が５
５ＯＡを越えると、高溶接入熱によシ溶接金ｉの中央部
での溶接割れやリップルラインに直角な溶接割れが福生
じ始め、４００Ａ以上で発生が顕著となる。鷹た、溶接
電流が１００Ａよシも小さくなると、次第に作業性が悪
くなり、かつ、溶接能率が低下する。

従って、本発明においては、細径ワイヤの高電流密度を
利用していることになり、これにより溶・融速度の増大
を図ることができるので、電流を制御しているにも拘ら
ず従来のサブマージアーク溶接法に匹敵した溶着量を得
ることができ、しかも低希釈で溶接割れ感受性の低い良
好な溶着金属部を得ることができる。溶接速度は電流密
度に比例し、電流密度は溶接電流をワイヤ断面積で除し
た値で示されるので、与えられた溶接電流に対してはワ
イヤ径の細いもの＃１ど電流密度が大となって溶着速度
が増大するからである。

ま九、一般に、溶接ワイヤの突出し部の抵抗効果による
溶接速度ａ増大は、ワイヤの突出し長さに比例するとと
もに、電流密度が高いほどその効果は大きくなることが
知られているが、本発明においては、フラックスを散布
し溶融、スラグの中でアークを発生させながら溶接を行
なうので、溶接ワイヤの突出し長さを通常のきグ溶接法
の１５乃至２５■に対し２５乃至４５曾と長くして溶接
することかでき、従って、ｌ普ワイヤの突出部の抵抗発
熱を利用して溶着量の増大を図ることができる。従って
、本発明においては、溶融速度をミグ溶接法の２倍近く
大きくすることができ、溶接電流の最も大きい従来のサ
ブマージアーク溶接法に匹敵した溶着量を得ることが可
能となる。ｔ７’ｈ、溶込み率については、溶接電流の
最も小さいパルスミグ溶接法と同穆度とすることができ
る。

このように、本発明においては、溶接ワイヤ内部の抵抗
による発熱を利用して溶融速度の増大を図っているので
、従来の々グ溶接やサブマージアーク溶接に比し、溶接
アークによる熱量及び溶滴の保有する熱量が小さく、＊
接入熱の大部分がワイヤの溶融に使われる九め、効率良
く被溶接物へ溶滴移行するようになる。その結果、結晶
粒やデンドライトが微細化し、溶接割れ感受性゛の低い
高性能な溶接金属部管得ることができる。

更に、本発明においては、上記のように、細径の溶接ワ
イヤを使用し、ワイヤ内部の抵抗発熱１利用して溶融ス
ラグの中でワ°イヤを溶融させているので、シールドガ
スを流出させるためのノズルやトーチを水冷するための
循環装置を必要とすることがなく、トーチ廻シの軽量化
を図ることができる。従って、ストリンガ−ビードの溶
接及びオシレートビードの溶接が容易になり、被溶接物
の開先形状に合わせてオシレート巾を調節し、その形状
に見合つ九ビード巾の溶接金属を開先内に置くことがで
きる。

また、従来のサブマージアーク溶接では、７ラツクスの
タイプによっては不規則なアーク移行が見られたが、本
発明ではパルスを印加して溶接を行なうため、パルス印
加毎に同期的に溶滴移行を行なう安定したアーク状態が
得られる。従って、従来のサブマージアーク溶接法やミ
グ溶接法にみられるような磁気吹きや溶接ビードの不均
一性が防止され、溶融スラグによる溶融金属の表面張力
の低下と相俟って、目的とする箇所に良好な溶接ビード
を置くことができる。ま友、アーク安定性に寄与するパ
ルス印加の効果が大きい次め、アーク安定剤などを添加
した特殊な７ツツクスを必要とせず、従来の焼結型や溶
融証の７ラツクスを使用することができるのである。

以下、本発明を実施例に基づいて更に説明する。

実施例Ｉ。

第３図は、本発明の−の実施に使用したノくルスアーク
溶接電源の電圧及び電流波形の一例を示すもので、Ａが
電圧波形、Ｂが電流波形である。このときの平均溶接電
流は１５０Ａｓアーク電圧は１９乃至２０ｖ１パルス周
波数は、１００＆であつ九。

パルスピーク電流は約６００Ａｖｃ違し、このパルス電
流印加ごとに溶滴は同期的に被溶接物に向って移行する
安定したアーク状態を得ることができたり実施例扇 種々のワイヤ径を有する市販のスプール巻きモネルメタ
ル及びスプール巻き９／１キユプロニツケルをそれぞれ
用いて、本発明のｉ接法により炭素鋼のＵ形開先内に溶
接を行なった。その結果をそれぞれ第４Ａ及び４Ｂ図並
びに第５Ａ及び５ＢＩＩに示す。

モネルメタル及び９／１キユプロニツケルのいずれも為
直径が２・ＯＷを越えるワイヤでは、２００Ａ以下の低
電流域においてワイヤ供給量が小さいために作業性不良
となり、一方、作業性が良好となる高電流域では５５０
Ａを越えると第５Ａ図に示すような溶接ビード中央部の
割れ、あるいは、第５Ｂ図に示すようなリップルライン
に直角な割れが発生し始め、４ＧＯＡ以上では顕著とな
った。

また、溶接電流が５５ＯＡを越えると、径が１．２５ｍ
ｍ以下のワイヤでは作業性が不良と碌り、それ以上の径
のワイヤでは溶接ビードの中央部の割れ（第５Ａ図）あ
るいはリップルラインに直角な割れ（第５Ｂ図）の発生
が見受けられ九。また、溶接電流が１００＾よりも小さ
くなると作業性が悪化するとともに、溶接能率の低下が
見られた。

実施例ＩＩＩ 直径が１．２蛎のインコネル６２５ワイヤを、本発明の
溶接法により、炭素鋼のＵ・形開先内に２０ＯＡの溶接
電流にて溶接を施こした後、浸透試験を行なった。その
結果を第６Ａ図の外観写真及び第６Ｂ図の断面！クロ組
織図に示す。図中、１ｏは被溶接物の炭素鋼、１１は開
先内第１層目の、溶接金属部である。第１層目を充填し
次ときの溶接入熱は１１．５　ＫＪ／ＣＩ４と低く、図
に示すように溶接金属の結晶粒は微細化し溶接割れのな
い良好な溶接金属部が得られている。

比較の恵め、直径が１０−のインコネル６２５ワイヤを
用いて従来のサブマージアーク溶接法により、炭素鋼の
Ｕ形開先内に’−４０ＯＡの溶接電流で溶接を行ない、
浸透試験を行なったがその結果を第７Ａ図の外観写真及
び第７Ｂ図の断面マクロ組織図に示す。図に示すように
、溶接金属の結晶粒は粗大化し、溶接金属の中央部には
着しい割れ１２が発生していたが、これは、開先内の１
１１層を充填するのに２４　ＫＪ／ｃｍという大きな溶
接入熱があった几めと考えられる。

実施例■ モネルメタルを炭素鋼板上へ溶接したときの溶着速度及
θ溶込み重圧ついて、本発明の溶接法と従来のサブマー
ジアーク溶接法及びミグ溶接法とσ比較を行なった。本
実施例においては、パルスミグオシレート溶接は直径が
１．２■のワイヤを用い１７０Ａの溶接電流で行ない、
ミグストレート溶接は直径が１．２６Ｈのワイヤを用い
て２５０Ａの溶接電流で行ない、サブマージアーク溶接
は直径が４、０　ｗｇのワイヤを用い５００Ａの溶接電
流で行ない、また、本発Ｆ！ＡＫよる溶接は直径が１．
２　ｗ＋のワイヤを使用し２７０Ａの溶接電流で行なっ
た。その結果を第８図に示す。

本発明の溶接法によれば、溶着速度は、溶接電流が同程
度のミグストレート溶接法に比べて約２倍となっており
、溶接電流が約２倍大きいサブマージアーク溶接法に匹
敵した溶着量が得られている。また、溶込み率は溶接電
流の最も小さいパルスミグオシレート溶接法と同程度で
、サブマージアーク溶接法の１／２以下となっていた。

このように、本発明の溶接法は、低入熱であるにも拘ら
ず、高能率で低希釈な溶接法であることがわかる。

実施例Ｖ 直径が１．２−の完全オーステナイトステンレス鋼Ｅ　
Ｈｓ’ｉｏのワイヤを本発明の溶接法により炭素鋼板上
に１４０Ａの溶接電流で肉盛溶接を行なった。

そ（Ｄ結’果’ｆ：第９Ａ及び？ＢＩＩＫ示す０図中、
１６は被溶接物の炭素鋼、１４はオシレート溶接ビード
であや。図から明らかなように１、本発明方法によれば
、炭素鋼板上への溶込みは少なく、ｔた、結晶粒が微細
化し溶接割れのない傭全な溶接金属部が得られている。

これは、本発明の溶接法では、溶融スラグの中でアーク
を発生させている丸め溶接アークは完全なプラズマ状態
にはなっておらず、アークの温度がかなり低くなってい
ること、及び、溶接ワイヤの突出し長さを長くしている
ため、溶接入熱の大部分がワイヤの溶融に消費され溶滴
の保有熱量が小さく、効率良く被溶接物へ溶滴移行する
ことによるものと考えられる。

また、比較のため、溶接入熱及び母材からの鉄の希釈が
比較的小さいなどの点から溶接割れ感受性の高い材料の
溶接にしばしば用いちれているパルスミグオシレート溶
接法により、直径が１−２−の完全オーステナイトステ
ンレス鋼Ｅ　Ｒ５２０のワイヤを炭素鋼上に１６ＯＡの
溶接電流で肉盛溶接を行なった。その結果を第１０Ａ及
び１０Ｂ図に示すが、オシレート溶接ビード１４の再加
熱部には、粗大化した結晶粒の粒界に沿って多数の割れ
１５が発生していた。パルスミグ溶接ではスプレーアー
クは完全なプラズマの状態になっており、アーク柱の温
度は数万度にの高温に達している。また、ワイヤ先端に
は強力なピンチ力が働くため、溶滴はかなシの高エネル
ギーを有し、その保有熱量も大となっている。その友め
、溶接アークに曝される溶接金属の再加熱部は、瞬間的
にかなりの入熱を受けることになり、図示のような溶接
割れが発生するものと考えられる。

このように、本発明社、従来の溶接法では溶接の自動化
が不可能とされていたＥ　Ｒ３２０に対し良好な自動溶
接を行なうことができる。

実施例■ モネルメタルの溶接ワイヤを用い、第１１図に示すよう
な板厚Ｃが約４５１の炭素鋼板に設は九巾りが約２０Ｉ
ＩＩＩ＋で深さＥが約２０舗の狭開先１６内に、従来の
パルスミグ溶接法及びサブマージアーク溶接法並びに本
発明の溶接法により、それぞれ多層盛溶接を行ない、各
溶接部についてＸ＊透過試験を実施するとともに、その
判定をＪ　Ｉ　５Ｚ５１０６に基づいて行なった。その
結果を第１表に示す。

第　　１　　表 ＮＤ：溶接欠陥なく健全なＩＷ接部 ＢＨ：溶接金属にプローホールが存在 ＬＦ：溶接金属に融合不良が存在 ＣＲ：溶接金属に割れが存在 本発明の方法により得られ次溶接金属部は、第１表に示
す通りであり、また、第１２人ｉび１′２Ｂ図に示すよ
うに、溶接ビードは波形の揃った美しい外観を呈し、溶
接金属部断面にも融合不良や溶接割れなどの溶接欠陥が
全く認められなかった。

実施例■ 従来のパルスミグ溶接法及びサブマージアーク−溶接法
並びに本発明方法により、炭素鋼板上にニッケルの肉感
溶接を行ない、溶接金属のビード外観及び断面のマクロ
観察を行なった。その結果を第１５乃至１５図にそれぞ
れ示す。

パルスミグ溶接では、第１５Ａ図にみられるように、溶
接ビード表面には強固な酸化皮膜が形成され、かつ、ビ
ード止端部が不揃であった。従って、次の層の溶接を行
なうのにグラインダ処理が必要となる。１＊、溶接アー
クが不安定であったり、スパッタが発生するガど溶接作
業上の難点があった。サブマージアーク溶接では、第１
４Ａ及び１４Ｂ図に示すように、ビード表面でのスラグ
のこげつきや大入熱による溶接金属部の性能の劣化がみ
られた。

これに対し、本発明による溶接法では、第１５Ａ及び１
５ｇ図に示すように溶接外観及びビード形状のいずれも
良好であグた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施の一態様を示す概略構成図、第２
図はパルスアーク溶接電源の電流波形図であって第２Ａ
図は基定電流の波形図で第２Ｂ図は基定電流にパルス電
流を重畳し要電流の波形図、第５図囚、＠は本発明の−
の実施に使用したパルスアーク溶接電源の電圧・電流波
形の一例を示す波形図、第４Ａ図及び第４Ｂ図はそれぞ
れモネルメタル及び９／１キユプロニツケルを使用し、
ワイヤ径と溶接電流を変えて溶接を行なった場合の結果
を示すワイヤ径と溶接電流との相関図、第５Ａ図及び第
５Ｂ図は溶接金属部の割れを示す概略斜視図、第６Ａ図
及び第６Ｂ図はそれぞれ本発明によるインコネル６２５
溶接金属部の外観写真及び断面マクロ組織図、第７Ａ図
及び第７Ｂ図は従来のサブマージアーク溶接によるイン
コネル６２５溶接金属部の外観写真及び断面マクロ組織
図、第８図はモネルメタルの溶融速度及び溶込み率につ
いて従来のミグ溶接法及びサブマージアーク法と本発明
の溶接法とを比較するグラフ図、第９Ａ図及び第９Ｂ図
はそれぞれ本発明によるステンレス鋼Ｅ　Ｒ３２０肉盛
溶接金属の断面マクロ図及び顕微鏡組織写真（倍率１０
０倍）、第１０Ａ図及び第１０Ｂ図はそれぞれ従来のパ
ルスミグ溶接によるステンレス鋼Ｅ　Ｒ５２０肉盛溶接
金属部の断面マクロ図及び顕微鏡組織写真（倍率１００
倍）、第１１図は炭素鋼板に設けた狭開先の形状と寸法
を説明するための概略断面図、第１２　ＡＣＩＩ７び第
１２３３図はそれぞれ第１１図に示す開先内に本発明に
より溶接を施こしたモネルメタル溶接金属部の外観写真
及び断面マクロ写真、第１５Ａ図は従来のパルスミグ溶
接によるニッケル溶接金属部の外観写真、第１３Ｂ図は
第１５Ａ図の断面写真、第１４Ａ図は従来のサブマージ
アーク溶接によるニッケル溶接金属部の外観写真、第１
４Ｂ図は第１４Ａ図の断面写真、第１５Ａ図は本発明に
よるニッケル溶接金属部の外観写真、第１５Ｂ図は、第
１５Ａ図の断面写真である。 １・・・被溶接材、２・・・溶接ワイヤ、３・・・パル
スミグ溶接電源、５・・・フラックス、８・・・チップ
、９・・・ワイヤ突出し長さ、１０・・・炭素鋼被溶接
材、１１・・・溶接金属部、１２・・・割れ、１３・・
・炭素鋼被溶接材、１４・・・溶接ビード、１５・・・
割れ。 第２Ａ図 −一う間開（ｈｒ） 一一一−−−う−Ｂ寺聞（ｈｒ） 第３図 一一一一時闇（ｈす ０．８　１．０　１．２　　　＋、６　２．０　２．ｊ
ワイヤ怪（′ｆｎす 第８図 手続補正書（自発） 昭和５７年１２月　８日 特許庁長官若杉和夫　殿 ２、発明の名称　低入熱サブラージアーク溶接方法日本
ウェルディング・ロッド株式会社 ４、代　　理　人　〒１０５東京都港区新橋４丁目３１
番６号　文山ビル６階明細書の発明の詳細な説明の橢 ＆　補正の内容 （２１１１頁第１４行の「溶接速度」を「溶融速度」に
訂正する。 （３）　　第８真ｗ４１２行の「同期的」を「周期的」
に訂正する０ （４１Ｍ９頁Ｗ４１１行の「同期的」を「周期的」に訂
正する０ 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 消耗電極として直径がＣＬ８乃至ＺＯＷのワイヤを使用
   するとともにパルスアーク溶接電源を用い、溶接電流を
   １００乃至５５０Ａの範囲に保持して溶融スラグの中で
   パルスアークを発生させながら溶接することを特徴とす
   る低入熱サブージアーク溶接方法。