JPS61212480A - 多電極サブマ−ジア−ク溶接法 - 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】 （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？グマ
ーゾ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！ビー
ム、・中イブなど、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他のアーク溶接法
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シである。

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ア〕、工場規模の大小、製品サイ
ズと品種の構成などくよりて相当な違いがみられるが、
大きく分けると従莱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ＩＰ：溶接装置は比較的
安価で、かつフレキシビリティの高い１〜２電極の？グ
マーソ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、力
、トワイヤや鉄粉のような補助溶加材などｋよシ溶着効
率を高めるか、あるいは溶接ワイヤのゾ、−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ｌ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。

伽）　少品種多量生産の製造分ｌｙ＝溶接加工工程の設
備費の占めるウェ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
３〜５Ｂの大径で、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シ、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） 本発明が解決しよりとするのは上記（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
ク溶接をよシ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着速度
あるいは母材の溶融量を増大し表ければならない。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シＡ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、す１マーゾ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シの溶
着量も減シ、のど厚あるいは余盛シネ足のビード形成と
々る。

本発明法はす１マニゾ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５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４１１１１が１．０〜１．６
ｍ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、と
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り配置し
、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ｌ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２５０　ｄ２〜５００　ｄ２アンーア、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−）：Ｌ−ル熱忙よる予熱効果が無視
しえなくなシ、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１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２ｎφ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シ
多電極で安定な溶接を行うことは困難であったＯ ■　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再点弧時のアー
ク切れを起しゃすく、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１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シ嵐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、本発明忙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電極サツマーゾアーク
溶接法の場合の例を模式化した正面図である。

図中、ｌは１．０〜１．６襲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によりて高速送給される。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、ｌ電極台と同様のものである。ｌ電極台は直流の
定電圧特性の電源４ａＫ、また２〜３電極目は交流の垂
下特性の溶接電源４ｂＫ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、スコツト結線あるいは逆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、とぐ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２３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７’５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。とのツインワイヤの間隔は安定がクソ
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シ、
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、ビード形成が中挟の凸状傾向となシ好ま
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ａｉｏａ
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シ、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１ｏｉｎ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シ良好
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１０〜５０１ｍ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＜Ｋｌ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１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り九一定速度のワイヤ
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シ
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を適轟な範囲に設
定すればサブマー・ゾ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２５０ｄ〜５００ｄ　アンイ
アで、同時にワイヤ突出し長さも１５４〜４０ｄの範囲
に設定する必要がある。溶接電流が２５０ｄアンペア未
満ではアーク電圧の変動が大きく良好なピｄ２アン（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シすぎてビード形状の不整が起シ
やすくなるとともに１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１５４よシ短いとアーク
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１ワイヤ突出し長さが４０ｄ以上ではア
ークスタートでステラ午ング現龜が起シやすくなるとと
もに１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
適度に大きくなシ、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１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対以下ではそれぞれ各電極の並列アークの入力を可能
なかぎシ高めても、高速条件下では余盛シ量が不足しア
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、６　
ｔｍとしたのは、１．０　ａｓ未満ではワイヤか細すぎ
てツインワイヤを高速送給するうえにおいてワイヤの全
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１．６ｆｌ超ではワイヤが太すぎてジュール
熱効果が少なくなυ、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８１Ｅｌ１％外径
９１４ｍの鋼管を局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％Ｍｓの市販材をまた７ラツクスとしては市販品
のＭｎ０−８　ｉ　ＯＺ系溶融形をそれぞれ使用した。

溶接条件は第１表と第２表に示すとおシで、並列アーク
のワイヤ間隔は５ｍ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働
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。

第　　　３　　　表 本発明法に相当するＡ、Ｂ、Ｃは溶接時のアーク電圧が
安定しておシ溶接速度３００　僑ｔ１ｍ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謡
と本発明法の適正条件範囲値為へ外れ舟場をや、固１−
（鵞条件のよりに３雷極月の溶接電流３００アンイアと
本発明法の適正条件範囲よシ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、大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ンダー力、トの発生
がみられ、３　ｍ／ｍ１ｎ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
４）１６ｉｍ厚、立板１０絽の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何重と同一銘柄のものである。溶接
条件は第４〜５表に示すとおシで、並列アークのワイヤ
間隔は５．５ｆｉ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領斜度１１を４０’に設
定し念。

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、に、Ｌ、Ｍ、Ｎは溶接時のアー
ク電圧が安定しておシ、溶接速度２７５ＣＩＴＥ／’Ｉ
ｎ　１　ｎ　＠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、０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
安定なアークとなシ良好なビード形成が得られなかった
・ 第　　　６　　　表 さらＫＳＰ条件のように第３電極と第４電極の極間を６
鵡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、と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〕良好な溶接ビードが形成されなかった。

また、大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
た横板側ではオーパーラ、デが発生し、２７５ａし’ｍ
１ｎｅ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？プマーゾアーク溶接
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ヤス／ぐイ２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１溶込みよ）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Ｋ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、省工ネルギー効
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、グ 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
　　　　ｌＯ：ワイヤ突出し長さ１１：電極の横領斜度
　１２：仮付は溶接Ｂ：母　材　　　　　　Ｆ：溶接７
ラツクスＳニスラグ　　　　　　Ｍ＝溶接金属 Ｗ：溶接方向　　　　　Ｂ、　：　Ｔ型継手の立板Ｂｆ
　：　Ｔ型継手の横板 第３図 １：ＭＢ径牙竪ネ牝ワイイ ふ暖、ｔｉ−＋、、ブ ｎ　ＩＩ極の槽傾＃爽 Ｌｚ：仮不ｒｒ丁シ≧１ネ艷 ｂｗ：丁Ｊ！！維李ｄ′）直］瓦 Ｂ」２丁１Ｊ凰季の１１訳

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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２５０ｄ＾２〜５
   ００ｄ＾２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。