JPS6246275B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は３本以上の複数電極を用いるサブマー
ジアーク溶接法に係り、更に詳しくは上記手段に
より溶接金属および母材熱影響部の靭性劣化を防
止することを目的としたサブマージアーク溶接法
に関するものである。 近年、石油掘削装置あるいはLPGタンク、LPG
船等低温靭性が必要とされる構造物の建造が活発
となり、低温用鋼、高張力鋼を高能率で溶接し、
かつ優れた継手性能が得られる溶接法が要望され
ている。 ところで、鋼の溶接法としては主に被覆アーク
溶接法、ガスシールドアーク溶接法およびサブマ
ージアーク溶接法が用いられるが、このうちとり
わけサブマージアーク溶接法は溶接電流を高くす
る事が出来、又多電極溶接も適用し易いので、高
能率な１層又は少層溶接に用いられている。 しかしながら、高電流あるいは多電極の適用は
溶接入熱を高め、溶接金属および母材熱影響部の
結晶粒を粗大化させ、靭性を著しく劣化させるの
で、低温靭性が必要とされる溶接の場合には用い
る事が出来ない。 従つて低温靭性の要求される場合には、溶接材
料および母材の特性に応じて、溶接入熱量の制限
を設け、多層盛溶接を行なわざるを得ないのが実
状で、能率的には極めて不満足な状況である。 ところが最近このような問題の解決策として、
多電極アーク溶接における電極間の距離を300mm
以上程度に大ならしめ、溶融入熱を分散する事に
より、溶接部の靭性劣化を防止し得る溶接法が特
公昭53−9571号公報等で提案されている。これは
各電極を大きく離す事により多電極溶接による多
大な入熱を、各々独立した各電極毎の小さな入熱
に分散し、溶接金属および母材熱影響部の結晶粒
の粗大化を防止すると共に、後続極の再加熱効果
により、先行電極による溶接金属および熱影響部
をより微細化し得る効果も期待し得るのである。
而してかゝる溶接法は、多電極法による溶接能率
の向上と溶接部靭性の確保の両者を満足し得るも
のであり、画期的とも言える方法である。 ところがこのような方法は、ガスシールド溶接
の如く、スラグが生じない溶接の場合は容易に実
現し得るが、サブマージアーク溶接の如く、フラ
ツクスが溶融して多量のスラグが生じる場合にお
いては大きな問題点がある。 即ちサブマージアーク溶接の場合、電極間の距
離を大にすると先行電極によつて生じた溶融スラ
グが凝固した後に後続電極が走行する事になる。
従つて後続電極の先端と先行電極の溶接金属は、
凝固スラグにより絶縁されるため、アークを保持
する事が不可能となる。 通常の多電極サブマージアーク溶接において
は、後続電極は先行電極によつて生じたスラグ
が、溶融又は半溶融で通電性を有している程度の
距離で配置されており、具体的にはそれらの間隔
は200mm以内である。 従つてサブマージアーク溶接において、電極間
距離を300mm以上に大きくするためには、先行電
極によるスラグが凝固していても、後続極のアー
クを接続し得るような特別な対策を講ずる事が必
要である。 このような点の解決策として特開昭54−92536
号、特開昭55−161595号の各公報に、スラグ成分
を特定する事により凝固スラグに通電性をもた
せ、これにより後続極のアークを接続せしめる方
法が提案されている。しかしながら、これらは通
電性をもたせる手段としてスラグ組成を極めて特
異な成分としており、サブマージアーク溶接本来
の特性が損なわれ、溶接ビード外観が不整になる
等の欠点がある。又極間距離を大にすることにも
限度があり、後者は500mmが限界である。 又特開昭55−40002号公報により、開先幅およ
び溶接条件を特定し、電極間の距離を大にしよう
とする方法も提案されているが、単純な条件選定
のみでは、凝固スラグが安定して溶融する事が困
難で実用的ではない。 そこで本発明者らはスラグ組成にかゝわりな
く、充分安定なアークを保持出来る方法について
種々検討したのであるが、その結果後続する溶融
池を60mm以内の距離で配置した少くとも２本の電
極で形成し、かつ金属粉を含有したフラツクスを
用いれば、後続極のアークを安定して接続する事
が可能である事を見出した。 本発明はこのような検討結果に基づいてなされ
たものであつて、その要旨は２以上の溶融池を形
成して行なうサブマージアーク溶接法であつて、
各溶融池を形成する電極あるいは電極群の相互の
間隔を300mm以上とし、かつ後続する溶融池を60
mm以内の距離で配置した少くとも２本の電極で形
成し、さらにフラツクス全体に対し、10〜70％の
鉄粉及び／又は合金粉を含有するフラツクスを用
いて溶接することを特徴とするサブマージアーク
溶接法にある。 以下に本発明について詳述する。 本発明は、溶接の高能率化を計るため多電極サ
ブマージアーク溶接法を用い、かつ溶接金属およ
び母材熱影響部の結晶粒粗大化を防止し、低温靭
性を確保するため電極間の距離を大にし、２つ以
上の溶融池を形成せしめるものである。そして各
溶融池を形成する電極あるいは電極群の相互の間
隔は、少くとも300mm以上である事が必要であ
り、この距離が300mm未満では、多電極による入
熱が短い範囲の溶接部に濃厚に供給されるため、
溶接金属および熱影響部の靭性が劣化する傾向に
ある。 又、本発明に用いるサブマージアーク溶接法フ
ラツクスは、フラツクス全体に対し10〜70％の鉄
粉及び／又は合金粉を含有する事が必須である。
即ち本発明では、各溶融池を形成する電極間の距
離を300mm以上にするが、これにより後続電極と
先行溶接金属の間に凝固スラグが存在し、後続電
極のアークが保持されない状態になる。ところが
フラツクス中に10％以上の金属粉を添加すると、
アークの安定性および持続性が著しく改善され、
前面に凝固スラグが存在してもアークが消失しが
たく、凝固スラグを強制的に溶融し、一応ビード
を形成し得る事を見出した。 本発明におけるフラツクスの鉄粉及び／又は合
金粉はこのようなアークの持続に対して必要なも
のである。 しかしながら単に金属粉の添加のみでは適正な
溶接は期待出来ず、溶接長全長に亘つてアークの
完全な持続は困難であり、又ビードが蛇行しスラ
グ巻込み等の欠陥も発生する。そこで本発明は、
その電極の後方にさらにもう一方の電極を配する
事により、この問題を解消するものである。 即ち追加した電極は、その前方に不安定ではあ
るが一応持続しているアークにより、溶融した通
電性のあるスラグ上に配されるものであり、従つ
て安定したアークを生ずる事が出来る。 この場合追加した電極と、凝固スラグ直後の電
極との距離がある一定範囲以内なら、両者の溶融
プールが合体し、大きな溶融池が形成し、これに
より両電極とも安定したアークを継続する事が可
能となる。 フラツクス中の鉄粉及び／又は合金粉の合計
が、10％未満では凝固スラグ直後の電極のアーク
が消失し、たとえその後に電極を配しても、アー
クを維持する事が出来ない。 又、鉄粉及び／又は合金粉の合計が70％を超え
ると、アークの継続については充分な効果を有す
るが、一方スラグ生成剤が不足するようになり、
安定したサブマージアーク溶接が困難となる。
又、凝固スラグ直後の電極と、追加した電極との
間隔は、開先底部又は前層溶接金属の表面におい
て、60mm以下である事が必要であり、これを超え
るとたとえ追加した電極のアークが安定して得ら
れても、凝固スラグ後の電極の溶融池と合体する
事が出来ず、凝固スラグ直後の電極のアーク安定
化の効果が得られない。 本発明において多量の鉄粉及び／又は合金粉を
含有するフラツクスを用いるのは、そのアーク安
定化作用を利用するのが第一目的であるが、この
他に(1)鉄粉、合金粉が溶融する事によりアーク熱
を奪い、溶接部への実質的な入熱を軽減し得る事
(2)鉄粉、合金粉の溶融によりそれだけ溶着速度が
向上するため、溶接入熱を低く設定できる事(3)鉄
粉、合金粉の添加により生成するスラグ量がそれ
だけ少なくなり凝固スラグの後に走行する電極の
アーク持続を容易にし得る事の３点の利点があ
り、これらの点も本発明の効果に充分寄与してい
るものである。 第１図ａ，ｂは本発明における基本的な電極配
置を説明するためのものであり、ａは３電極溶接
により２つの溶融池を形成する場合ｂは５電極溶
接により３つの溶融池を形成する場合の例であ
る。溶接方法は矢印１６，１６′の方向である。
又図において８，８′は先行電極３，３′による溶
融池であり、これ以外の溶融池９，９′，１０は
後続する溶融池である。これら後続溶融池は少く
とも２本の電極４と５、４′と５′、および６と７
により形成されるものである。 第１図ａの場合、母材１をフラツクス２、電極
３，４，５を用いてサブマージアーク溶接するも
のであり、第１電極ワイヤ３と第２電極ワイヤ４
は開先底部で300mm以上、第２電極ワイヤ４と第
３電極ワイヤ５との距離は60mm以内である事が必
要である。この場合の距離はワイヤの中心間の距
離である。又、開先内でワイヤ４と５が交叉する
か又は接触する状態であつてもよい。 第１電極により生じた溶融スラグ１１は電極３
と４の距離が大きいので、凝固して凝固スラグ１
４となる。この凝固スラグは前述の如く、鉄粉及
び／又は合金粉を含有するフラツクス２と、電極
ワイヤ４，５の組み合わせ効果により再び溶融さ
れて一つの溶融池９が形成される。 第１図ｂは母材１′をフラツクス２′、電極ワイ
ヤ３′，４′，５′，６，７を用いて行なう本発明
の溶接の場合であり、溶融プール８′，９′溶融ス
ラグ１１′、凝固スラグ１４′の挙動およびワイヤ
４′，５′の位置関係および作用は第１図ａの場合
と全く同様である。さらに第１図ｂの場合は、ワ
イヤ５′より300mm以上後方に、さらにワイヤ６，
７が配置され溶融池１０が形成される。ワイヤ
６，７の位置関係、作用はワイヤ４′，５′と全く
同様である。 本発明の電極配置は以上同様の関係をもとに、
さらに後方に適宜の数の電極を配する事が出来
る。又第１図の場合先行溶融池を１本の電極、後
続溶融池を２本の電極で形成する例であるが、本
発明の趣旨である入熱分散の目的を逸脱しない範
囲で、各溶融池に対しそれ以上の電極数を用いて
もよい。 ところで本発明に用いるフラツクス中の鉄粉の
種類は、還元鉄粉、アトマイズ鉄粉等鉄粉であれ
ばいずれでもよい。又合金粉とは、通常サブマー
ジアーク溶フラツクスに添加されるSi、Mn、Al
等の脱酸剤あるいはそれらの鉄合金、又はNi、
Mo、Cr等の合金剤を意味するものである。 以上の如き金属粉の粒度は、微細なもの程アー
ク安定化の効果を向上させるため、粒径が210μ
以下のものを用いるのが好ましい。フラツクス中
のその他の成分としては、通常のフラツクス原料
として用いられるSiO₂、Al₂O₃、TiO₂、MnO、
MgO等の金属酸化物、CaF₂、MgF₂等の金属弗
化物、CaCO₃等の金属炭酸塩を適宜配合して用
いればよい。しかして、本発明に用いるフラツク
スの鉄粉及び／又は合金粉以外の適正な組成とし
ては、フラツクス全体に対してSiO₂5〜20％、
MgO8〜30％、Al₂O₃15％以下、CaF₂3〜15％、
CaCO₃5〜15％を含有し、かつTiO₂20％以下、
MnO10％以下、MgF₂8％以下うち１種以上を含
有するのが適切である。これらにより適正なスラ
グ組成が形成され、ビード形状を良好ならしめる
ものであり、その上溶接金属の内質に関し、
MgO、CaF₂は溶接金属中の酸素量の低減、
CaCO₃はアーク雰囲気中で分解してCOガスを発
生し、溶接金属中の拡散性水素の低減に有効であ
る。又TiO₂は、Tiが溶接金属中に還元添加さ
れ、溶接金属組織の微細化に寄与する。フラツク
スのタイプとしては鉄粉、合金粉を添加する関係
上、焼成型フラツクスが好ましいが、メルト型フ
ラツクスに上記金属粉を混合して用いるのも有効
である。 又、ワイヤとしては通常のサブマージアーク溶
接用ワイヤを用いればよいが、後続溶融池に対
し、管状ワイヤ中にフラツクス粉および金属粉を
充填したフラツクス入りワイヤを用いるのも、ア
ーク安定性の観点から好ましい事である。 ところで後続溶融池の電極のアークを安定させ
るには、先行電極による生成するスラグを少くす
るのが好ましいが、実際の溶接施工において、ア
ーク電圧を低くし、アーク長を短かくする事が極
めて有効である。従つて本発明において、先行溶
融池を形成する電極のアーク電圧を低くする事が
好ましく、交流の場合30〜35V程度に保つのが適
正である。又、直流を用いるとさらに電圧を低く
する事が可能で、24〜30V迄下げる事が出来る。
一方、後続する溶融池の電極の場合は、電圧を余
り低くすると凝固スラグの溶融に支障があるの
で、35〜45Vに保つのがよい。 本発明においては、鉄粉、合金粉を添加したフ
ラツクスを用いる事により、溶着速度を向上し溶
接入熱の低減を計つているが、さらにその上に後
続溶融池に配置するワイヤのワイヤ突出し長さを
大きくする事が、溶接入熱の低減に有効である。 一般にワイヤ突出し長さを大きくすると、突出
されたワイヤ中に抵抗発熱が起こり、これにより
ワイヤが加熱され、ワイヤ溶融速度が向上する効
果がある。一方本発明においては、一つの後続溶
融池に少くとも２本の電極が必要であり、先行溶
融池に比し、後続溶融池への入熱が大きくなる傾
向がある。従つて、これら入熱をバランスするた
め後続溶融池の電極による入熱を低くする事が、
溶接部の靭性にとつて肝要であり、そのためには
ワイヤの溶融速度を上げる事がより効果的であ
る。後続溶融池のワイヤの突出し長さとしては、
70〜250mmの範囲がよく、250mmを超えるとワイが
過熱されアークが不安定となる。 又ワイヤ突出し長さを大にする時は、第２図に
示したようなワイヤガイドを用い、ワイヤの振れ
を防止する事が好ましい。第２図において、ワイ
ヤ１８は電極チツプ１７から送り出され、絶縁ガ
イド１９を通して開先部に送給される。電極チツ
プ１７の先端と、開先底部又は前層溶接金属表面
２１との距離２０が、ワイヤ突出し長さである。 以上本発明について詳述したが、以下に本発明
の実施例について述べ、本発明の効果を明らかに
する。 第１表に示すような鋼板に対し、第２表に示す
ワイヤおよび第３表に示すフラツクスを用いて、
９種類の溶接を行なつた。第３表のフラツクスは
すべて焼成型フラツクスである。これらの組み合
わせ、適用した溶接方法、溶接条件等の溶接要領
は第４表に示す通りである。 第４表のうちNo.1〜No.6が本発明例であり、
No.7〜９は本発明の効果を明らかにするための
比較例である。No.1、２は本発明法を両面１層
溶接に、No.3〜５は片面１層溶接に、さらに
No.6は片面２層溶接にそれぞれ適用した例であ
る。又、No.3の第１電極には電流の種類として
直流逆極性を用いた。その他の場合はすべて交流
である。なお、交流の場合の電流は、３相交流電
源を用い、それぞれの電極間の位相差が120゜に
なるように結線した。但し、No.4の５電極の場
合は、第１−第２、第２−第３、第３−第４電極
間の位相差を120゜、第３−第４電極を同相にな
るように結線した。No.5の場合は後続溶融池の
電極である第２、３電極のワイヤ突出し長さを
150mmにした。 なお、片面溶接における裏当法としては、フラ
ツクスバツキング法とフラツクス−銅バツキング
法を用いたが、バツキングフラツクスとして、前
者にはTiO₂−ZrO₂−SiO₂系専用裏フラツクス、
後者にはCaO−MgO−SiO₂系専用裏フラツクス
を用いた。開先形状は第３図および第４表に示す
通りである。 溶接結果については第４表に示してあるが、
No.1〜６については、本発明効果によりいずれ
も優れた溶接部を得る事が出来た。 一方、比較例のうちNo.7は、用いたフラツク
ス中の金属粉が不足し、溶接が不能であつた。又
No.8は第２電極と第３電極の間の距離が過大
で、ビード形状およびＸ線性能が不満足であつ
た。No.9は各電極間の距離が、従来の多電極サ
ブマージアーク溶接法と同様であり、多大の溶接
入熱が一挙に供給されたため、溶接継手の靭性が
不満足であつた。なお、靭性を評価するための衝
撃試験片の採取位置は第４図ａ，ｂに示す通り
で、ａは両面溶接の場合でフイニツシユング側
（FP）より、ｆ＝１mmにて、ｂは片面溶接の場合
で板厚中央よりそれぞれ採取した。又、ｇおよび
ｈはそれぞれ１mmおよび２mmである。第４表およ
び第４図のＤは溶接金属、Ｂは融合部、Ｈ１，Ｈ
３は融合部より、それぞれ１mmおよび３mm離れた
熱影響部にノツチ加工を施した事を意味する。 又第４表に示した衝撃値は３個の値の平均値で
ある。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは本発明における基本的な電極配
置を示す側面図、第２図はワイヤ突出し長さを大
きくする場合に用いるワイヤガイドを示す側面
図、第３図は本発明の実施例に用いた開先形状を
示す正面図、第４図は実施例において溶接部から
採取した衝撃試験片の位置を示すための正面図で
ある。 １，１′……母材、２，２′……フラツクス、
３，３′，４，４′，５，５′，６，７，１８……
電極ワイヤ、８，８′……先行溶融池、９，９′，
１０……後続溶融池、１１，１１′，１２，１
２′，１３……溶融スラグ、１４，１４′，１５，
１５′……凝固スラグ、１６，１６′……溶接方
向、１７……電極チツプ、１９……絶縁ガイド、
２０……ワイヤ突出し長さ、２１……開先底部又
は前層溶接金属面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２以上の溶融池を形成して行なうサブマージ
   アーク溶接法であつて、各溶融池を形成する電極
   あるいは電極群の相互の間隔を300mm以上とし、
   かつ後続する溶融池を60mm以内の距離で配置した
   少くとも２本の電極で形成し、さらにフラツクス
   全体に対し、10〜70％の鉄粉及び／又は合金粉を
   含有するフラツクスを用いて溶接することを特徴
   とするサブマージアーク溶接法。 ２ 先行溶融池を形成する電極に直流電源を用
   い、かつ該電極のアーク電圧を24〜30Vにする特
   許請求の範囲第１項記載のサブマージアーク溶接
   法。 ３ 後続する溶融池を形成する電極ワイヤの突出
   し長さを70〜250mmとする特許請求の範囲第１項
   記載のサブマージアーク溶接法。