JPS5948705B2

JPS5948705B2 - 低入熱サブマ−ジア−ク溶接方法

Info

Publication number: JPS5948705B2
Application number: JP56186988A
Authority: JP
Inventors: 成夫新; 誠乾; 実今井; 雄一小島
Original assignee: NIPPON UERUDEINGUROTSUTO KK
Current assignee: NIPPON UERUDEINGUROTSUTO KK
Priority date: 1981-11-24
Filing date: 1981-11-24
Publication date: 1984-11-28
Also published as: JPS5890382A

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
溶接に特に適した低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、銅合金などの金属の溶接は、主に、被覆
アーク溶接法、テイグ（ＴＩＧ）溶接法及びミグ（ＭＩ
Ｇ）溶接法により行なわれてきた。

しかしながら、被覆アーク溶接法及びテイグ溶接法は溶
接能率が悪＜、また、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け易く、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
ールやプロ−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
デンドライトに沿つて液体のまま集まり、冷却中の収縮
応力などによりか・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・高入熱であるため、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り、し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、軟鋼や低合金鋼への肉盛溶接においては、溶込
みが大きくなつ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響
を与えている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、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、銅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アーク溶接方法を
提供することを目白勺とする。

本発明によれば、消耗電極として直径が０．８乃至２．
０ｍｍ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３５０Ａ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つて、図中、１は被
溶接材、２は溶接ワイヤ、３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はフラツクスホ
ツパ、５はホツパ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・精錬するフラツクス、６は
ビード巾を調節するためのオンレート装置、７は溶接ト
ーチ、８はワイヤ２に通電するためのチツプ、９はワイ
ヤの突出し長さである。

フラツクスとしては従来のサブマージアーク溶接に使用
されてきたフラ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
よつて変わるが、本発明では約２５乃至４５ｍｍである
。本発明で使用されるワイヤ２は、０．８乃至２．０ｍ
ｍの直径を有することが望ましい。

径が２ｍｍ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。また、径が．
０．８ｍｍより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０．
８ｍｍであるところから、最小径を０．８ｍｍとするの
が望ましい。パルスアーク溶接電源３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流
（平均値）は１００乃至３５０Ａの範囲とするのが望ま
しい。溶接電流が３５０Ａを越えると、高溶接入熱によ
り溶接金属の中央部での溶接割れやリツプルラインに直
角な溶接割れが発生し始め、４００Ａ以上で発生が顕著
となる。また、溶接電流が１００Ａよりも小さくなると
、次第に作業性が悪くなり、かつ、溶接能率が低下する
。従つて、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、電流を制ノ御しているにも拘
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、しかもノ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。

溶融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ほど電流密度が大と
なつて溶着速度が増大するからである。また、一般に、
溶接ワイヤの突出し部の抵抗効果による溶融速度の増大
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、フラツ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ミグ溶接法の１５乃至２５ｍ
ｍに対し２５乃至４５ｍｍと長くして溶接することがで
き、従つて、溶接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。

従つて、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。また、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程度とすることがで
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つてい
るので、従来のミ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、溶接入熱の大部分がワイヤの溶融に使われるため、
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を得ることができる。
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を利用して溶融ス
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、トーチ廻りの軽量化
を図ることができる。

従つて、ストリンカービードの溶接及びオンレートビー
ドの溶接が容易になり、被溶接物の開先形状に合わせて
オンレート巾を調節し、その形状に見合つたビード巾の
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、フラツクスのタイプによつて
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、パルス印加毎に周期的に
溶滴移行を行なう安定したアーク状態が得られる。

従つて、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
挨つて、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。また、アーク安定性に寄与するパルス印加の
効果が大きいため、アーク安定剤などを添加した特殊な
フラツクスを必要とせず、従来の焼結型や溶融型のフラ
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、本発明の一の実施に使用したパルスアーク溶
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１３０Ａ、アーク電圧は１９
乃至２０Ｖ、パルス周波数は１００Ｈｚであつた。パル
スピーク電流は約６００Ａに達し、このパルス電流印加
ごとに溶滴は周期的に被溶接物に向つて移行する安定し
たアーク状態を得ることができた。実施例１１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
、本発明の溶接法により炭素鋼のＵ形開先内に溶接を行
なつた。

その結果をそれぞれ第４Ａ及び４Ｂ図並びに第５Ａ及び
５Ｂ図に示す。モネルメタル及び９／１キユプロニツケ
ルのいずれも、直径が２．０ｍｍ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３５０Ａを鎗えると第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
なリツプルラインに直角な割れが発生し始め、４００Ａ
以上では顕著となつた。

また、溶接電流が３５０Ａを越えると、径が１．２ｍｍ
以下のワイヤでは作業性が不良となり、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
いはリツプルラインに直角な割れ（第５Ｂ図）の発生が
見受けられた。また、溶接電流が１００Ａ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１１１直径が１．２ｍｍ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２００Ａの溶接
電流にて溶接を施こした後、浸透試験を行なつた。

その結果を第６Ａ図の外観写真及び第６Ｂ図の断面マク
ロ組織図に示す。図中、１０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
したときの溶接入熱は１１．５ＫＪ／Ｃｍ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。比較のため、直径が
４．０ｍｍ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４
００Ａの溶接電流で溶接を行ない、浸透試験を行なつた
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
属の中央部には著しい割れ１２が発生していたが、これ
は、開先内の第１層を充填するのに２４ＫＪ／Ｃｍとい
う大きな溶接入熱があつたためと考えられる。実施例
ＩＶ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
び溶込み率について、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の比較を行なつた。

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１．２ｍｍ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１．２ｍｍ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４．０ｍｍのワイヤを用い５００Ａの溶
接電流で行ない、また、本発明による溶接は直径が１．
２ｍｍのワイヤを使用し２７０Ａの溶接電流で行なつた
。・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倍となつており、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以下となつていた。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１．２ｍｍの完全オーステナイトステンレス鋼Ｅ
Ｒ３２Ｏ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つた。

その結果を第９Ａ及び９Ｂ図に示す。図中、１３は被溶
接物の炭素鋼、１４はオンレート溶接ビードである。図
から明らかなように、本発明方法によれば、炭素鋼板上
への溶込みは少なく、また、結晶粒が微細化し溶接割れ
のない健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
いるため溶接アークは完全なプラズマ状態にはなつてお
らず、アークの温度がかなり低くなつていること、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Ｊ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られているパルスミグオシレート
溶接法により、直径が１．２ｍｍの完全オーステナイト
ステンレス鋼ＥＲ３２Ｏのワイヤを炭素鋼上に１６０Ａ
の溶接電流で肉盛溶接を行なつた。

その結果を第１０Ａ及び１０Ｂ図に示すｊが、オンレー
ト溶接ビード１４の再加熱部には、粗大化した結晶粒の
粒界に沿つて多数の割れ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
つており、アーク柱の温度は数万度Ｋの高温に達してい
る。ま・た、ワイヤ先端には強力なピンチカが働くため
、溶滴はかなりの高エネルギーを有し、その保有熱量も
大となつている。そのため、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、本発明は、従来の溶接法では溶接の
自動化が不可能とされていたＥＲ３２Ｏに対し良好な自
動溶接を行なうことができる。

実施例ＶＩ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４５ｍｍの炭素鋼板に設けた巾Ｄが約２０
ｍｍで深さＥが約２０ｍｍ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線透過試験を実施するとともに、その判
定をＪＩＳＺ３ｌＯ６に基づいて行なつた。

その結果を第１表に示す。本発明の方法により得られた
溶接金属部は、第１表に示す通りであり、また、第１２
Ａ及び１２Ｂ図に示すように、溶接ビードは波形の揃つ
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つた。実施例
１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、炭素鋼板上にニツケルの肉盛溶
接を行ない、溶接金属のビード外観及び断面のマタロ観
察を行なつた。

その結果を第１３乃至１５図にそれぞれ示す。パルスミ
グ溶接では、第１３Ａ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
部が不揃であつた。

従つて、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。また、溶接アークが不安定であつたり、スパ
ツタが発生するなど溶接作業上の難点があつた。サブマ
ージアーク溶接では、第１１．Ａ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１５Ｂ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つた。

【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つて第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
流を重畳した電流の波形図、第３図Ａ，Ｂは本発明の一
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つた場合の結果
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タロ組織図、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ＥＲ３２Ｏ肉盛溶
接金属の断面マクロ図及び顕微鏡組織写真（倍率１００
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ＥＲ３２Ｏ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１２Ａ図及び第１２Ｂ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１３Ａ図は従来のパルスミグ溶接によるニツ
ケル溶接金属部の外観写真、第１３Ｂ図は第１３Ａ図の
断面写真、第１４Ａ図は従来のサブマージアーク溶接に
よるニツケル溶接金属部の外観写真、第１４Ｂ図は第１
４Ａ図の断面写真、第１５Ａ図は本発明によるニツケル
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
ラツクス、８・・・・・・チツプ、９・・・・・・ワイ
ヤ突出し長さ、１０・・・・・・炭素鋼被溶接材、１］
・・・・・・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。

Claims

【特許請求の範囲】

１消耗電極として直径が０．８乃至２．０ｍｍ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３５０Ａ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マージアーク溶接方法。