JPS6253268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、多電極サブマージアーク溶接法に
関し、とくに溶接線を挾む１対の電極又はこれら
も含めて複数の電極を、溶接線をまたぐ横間隔を
おいて並進させる間に、これら溶接電極に通じた
溶接電流のアーク作用により形成される溶融池に
対し強制磁界をかけることによつて、この磁界と
溶融池中を流れる溶接電流の相互作用による電磁
力にて溶融金属の流れを制御し、もつて溶接能率
の改善と溶接品質の向上を図つた多電極サブマー
ジアーク溶接法を提案するものである。 従来、サブマージアーク溶接の能率を改善する
目的で、溶接電流および溶接速度の増大などの手
段が用いられている。 しかし、溶接電流をむやみに増大すると、プラ
ズマ気流が強力になり、それにより溶融池内の溶
融金属が押下げ力を受けてアンダカツトがスラグ
まき込みを誘発するおそれがあることはよく知ら
れていた事実であり、一方、一定電流のもとで、
溶接速度を増大してゆくと、ある限界速度以上で
アンダカツトをはじめとする溶接欠陥が多発する
こともよく知られている。 このように、電流および速度を増大して溶接の
高能率化を企図しても、おのずから限界があり、
その限界を打破するには、他の方法に頼らざるを
得ない。 たとえば多電極タンデム法、とくにその最後尾
の電極に溶接ビードの修正機能を持たせる方法に
より、ある程度の高能率化は達成されつつあるが
なお充分な満足は、得られていない。 この発明は、上記のようなサブマージアーク溶
接の現状を打破して、とくにより大幅な高速化を
アンダカツトやスラグ巻込みなどの溶接欠陥を伴
うことなく達成するとともに、従来法においては
余り顧みられることのなかつた、溶接ビードの内
質、−たとえば、凝固組織や凝固偏析など−の改
善をも同時に達成することを目的とする。 この目的は、次の事項を骨子とする手順にて有
利に成就される。 すなわちこの発発明は溶接線を挾む１対の電極
又はこれらも含め複数の溶接電極を、電極ワイヤ
径の1.9〜9.4倍の横間隔をおいて並進させるこ
と、この間、各溶接電極に通じた溶接電流のアー
ク作用により形成される溶融池の表面にこれと直
交する向きの強制磁界をかけて、溶融池内を流れ
る溶接電流との相互作用によつて溶融池のビード
止端部で、溶接進行方向に向う溶融金属の流動を
生起されることから成る多電極サブマージアーク
溶接法である。 さて発明者らは従来法の欠点を解決して溶接能
率の向上と溶接品質の改善を達成するため種々の
実験を行つたがその間、正、逆各磁性とした１対
の溶接電極を溶接線と直角に適切な電極間横間隔
を設定して並進させ、溶接電極に通じた溶接電流
のアーク作用によつて形成される溶融池近傍にコ
イルを設けて該コイルに電流を流し溶融池にその
表面に対し直角な磁界を作用させると、この磁界
と、溶融池内を流れる溶接電流との相互作用によ
る溶融池の全体または部分的な溶融金属の流動を
生じ、これを凝固現象の制御要因として利用する
ことに着想した。 ここで溶融池に対してこれと直角方向の磁力線
を作用させること自体、これまでにも比較的小電
流での単電極溶接に適用した事例が知られてはい
る。発明者らは、大電流域における単電極溶接に
対し磁力線を作用させたところ、磁力線の向きに
依存して溶融金属流の１方向回転運動を生じ、た
とえば第１図ａ，ｂの溶融池の平面とビード断面
とを示したように矢印αで示す溶融金属の回転運
動のために溶接ビードの断面形状が左右非対称と
なつて、溶融金属流が、図の下から上へ向う溶接
進行方向と一致する側（図の右側）は極めてなめ
らかな余盛形状を呈するが、その反対側、即ち溶
鋼流が溶接進行方向と逆方向に流れる側（図の左
側）には、著しいアンダカツトが発生した。図に
おいて１は溶接電極、２は溶融池、３はビードで
あり、４はアンダカツトを示す。 単電極大電流溶接におけるこのような欠点を回
避するため、発明者らは、溶接線を挾んで正、逆
極性をなす１対の電極により第２図ａ，ｂのごと
く広幅ビード３′を形成する間、溶融池２のビー
ド止端部において溶接進行方向への矢印β_１，β
_２で示した溶融金属の流れを誘起すべき向きを定
めて磁気コイルを励磁したところアンダカツトの
ない溶接ビードを得た。 ここに、アンダカツト発生の原因としては、ア
ークにより掘下げられた溝内の溶融金属が、アー
ク力によりビード後方へ押しやられてしまうた
め、溝壁の一部が溶融金属におおわれることなく
凝固してしまうことが有力な原因と一般に考えら
れている。電磁力を利用して溶融金属を止端部に
おいて溶接進行方向に押し戻してやれば、溝壁を
充分に濡らすことが可能となつて、アンダカツト
の生成を抑制できるわけである。 この事例では直流２電極溶接を１個の直流磁気
コイルにより一括制御することとし、溶接電極１
ａを直流正極性、溶接電極１ｂを直流逆極性とし
てこれら２電極の周囲に磁気コイルを設置し、第
３図に破線矢印で示した励磁電流を通じた。 溶接電流は各電極１ａ，１ｂを中心として、溶
融池に対し放射状に流入（電極１ａ）又は流出
（電極１ｂ）するため、各電極下の溶融金属はフ
レミングの左手の法則に従い、白抜き矢印で示し
たように互いに逆方向の回転運動を起す。 つまり溶融池内で回転運動する溶融金属の流れ
が溶融池２のビード止端部において第２図、第３
図のように溶接進行方向を指向するように、励磁
電流の方向と各電極の配置を選定すれば、所期の
目的を達成し得るのであり、従つて両電極１ａ，
１ｂの極性が同一のとき、各電極に対応した数の
磁気コイルを用いてそれぞれの励磁電流の向きを
上記に準じて考慮すればよい。 ここに電極間の横間隔は、アーク点弧前に母板
表面において測定するものとして、使用ワイヤ径
の1.9〜9.4倍に設定する必要がある。この理由は
該横間隔に依存してビード幅が狭くなりすぎると
溶接線に関する溶融金属の左右対称な流動を誘起
することが困難になるからで、逆に過大な横間隔
では、そのワイヤ径に対する溶接電流の上限値を
用いたとしても、各電極で形成される溶融池がも
はや一体化せずに分離状ビードが形成され、これ
を防ぐために溶接速度を著しく低下せねばならな
いので、高速化という本来の目的を達成し得なく
なる。 上記のようにして直流多電極サブマージアーク
溶接を１個又は複数弧の磁気コイルで制御するこ
とで有利に高速化を図ることが可能であり、その
ほか、また交流多電極によるサブマージアーク溶
接の場合でも交流磁気コイルを利用すれば、直流
の場合と同じ原理により溶融池溶融金属の流れの
制御が可能なのは勿論である。 なお、上述のように、横間隔をおいて複数電極
を並進させる磁気制御多電極サブマージアーク溶
接法は、適切な横間隔にてそれ自体高速溶接への
適用が可能であるが、より深い溶込みを得ると共
に、更に高速化を達成するには、別途の溶接電極
を先行極とするタンデム溶接の手法にて、該先行
極に大電流条件を設定し深溶込みを形成した上
で、その時必然的に発生する溶接欠陥の修正にも
寄与するように、最後尾の電極群をこの発明に従
い配備することは、極めて有効である。 次に、実施例を掲げてこの発明の方法について
更に詳細に述べる。 表１は、直流２電極サブマージアーク溶接を、
１コイルの直流磁場で制御した場合の実施例を、
従来法（単電極法）と比較している。

【表】

【表】 供試ワイヤは、0.1％Ｃ、2.0％Mnを主成分と
する高マンガン系のワイヤで、フラツクスは、
CaO−SiO₂−Ａ₂O₃系の溶融型フラツクスを用
いた。 この例では第３図のように溶接線を挾んで溶接
進行方向に向つて左側の電極１ａをDCSP（直流
正極性）、右側の電極１ｂをDCRP（直流逆極性
とし、両電極の溶接条件は、常に同一になるよう
に設定した。 表１に見るごとく、いずれのワイヤ径において
も、電極の横間隔がワイヤ径の1.25倍のように狭
すぎる設定をした場合には溶融金属の流れを安定
に制御することが不可能になり、ビード蛇行や、
非対称の溶込みが発生するに至つた。また、横間
隔がワイヤ径の10倍をこえる程にも大きすぎる
と、たとえ、溶融池のビード止端部において溶接
進行方向の溶融金属の流れを誘起させても溶接ビ
ードが中央部で左右に分離した形状になり、一体
化したビードが得られなかつた。 ここに各電極の横間隔をワイヤ径の1.9〜9.4倍
の範囲内でビード分離を来さぬ適切な範囲に設定
し、かつ、溶融金属の流れが溶融池のビード止端
部において溶接進行方向を指向するように第３図
の破線矢印に示す向きに励磁電極を流して磁気制
御した場合（表１のＡ）には、余盛形状が極めて
平坦で、アンダカツトのない良好なビードが得ら
れた。しかしながら、同じ電極横間隔であつて
も、溶融金属の流れが第３図の白抜き矢印と反対
の向きに回転運動するような逆向きの励磁電流で
磁気制御した場合（表１のＢ）にあつては、ビー
ドの両止端部に著しいアンダカツトが発生し、ま
たビードが凸状になつた。 なお従来の単電極法では、1000A，35Vの条件
にて溶接速度50cm／minが上限で、そ以上高速化
すると著しいアンダカツトが発生するにいたつた
が、同一径のワイヤおよび同一溶接条件を用いた
この発明の方法では、175cm／minまでの高速化
が実現でき、アンダカツトの発生は皆無であつ
た。 次に表２は、交流３電極横置サブマージアーク
溶接における、両端２電極の周囲に、それぞれ交
流磁場発生用コイルを設けて、溶鋼流を制御した
場合の実施例を示している。 なおこの、横置式の３電極化により、２電極の
場合より広幅の溶接ビードが高速度で得られるの
で、肉盛溶接などに対して有利に適用できる。

【表】 ３電極アークそれぞれの電流位相の関係は、両
端の電極１ａ，１ｂが同相、中間電極１ｃが他の
２電極１ａ，１ｂに対して90゜の位相差をもつよ
うに電源の配線を行ない、また励磁用交流電流の
位相は、位相制御装置により溶接電流位相に同期
させるか、又は180゜位相差とし、常に一方向の
電磁力が発生するようにした。 実験に用いた溶接ワイヤおよびフラツクスは、
前記直流２電極溶接と同じであり、ここに溶融金
属の流れの方向は第４図イ，ロ，ハに区別したと
おりである。 表２に見るごとく、用いたワイヤ径に対して電
極間の横間隔が狭すぎる場合は、溶融金属の流れ
の制御が不完全になつて凹凸ビードや、左右非対
称のビードしか得られなかつた。逆に電極間の横
間隔が広すぎる場合は３本の溶接ビードが完全に
１本化せず、分離状ビードとなつた。 これに対して、電極間の横間隔が適正で、かつ
溶融池２のビード止端部での溶融金属の流れの方
向を溶接進行方向に一致させた場合においては、
余盛形状のなめらかな欠陥のないビードが得られ
た。 しかしながら、適正な電極間の横間隔を設定し
ても溶融金属の流れの方向が溶接進行方向とは逆
方向を指向している場合にはビード両端にアンダ
カツトが発生し凸状ビードになつた。 さらに表３は、この発明に基づく並進式の電極
群を、従来の、溶接線方向に２電極を配するタン
デム溶接における後行極として利用し、溶込みが
深くかつ溶接欠陥のないビードを高速度で形成さ
せる場合の実施例を示している。この実施例は、
電極数が３である点では、第４図に示したものと
類似であるが、第４図の場合はビード幅の拡大を
目的としたのに対して本実施例では、溶込み深さ
の拡大を主な目的としている。 すなわち、表３においては、交流１電極を先行
電極とし、その60mm後方にて第２図、第３図につ
いてさきに詳しく説明をした直流２電極と直流磁
気コイルとにより溶融池の溶融金属の流れを一括
制御した場合の実施例を示している。この例は、
先行電極に大電流を流して、できるだけ深い溶込
みを得、それに伴ない必然的に発生するアンダカ
ツト、スラグまき込みなどの溶接欠陥を、後行２
電極で補修しようとするもので、高品質の深溶込
みビードを高速度で得るのに適している。

【表】 この例で後行２電極の配置、極性は表１につ
き、Ａ，Ｂを区別したところと同様である。先行
電極として4.8mmワイヤを用いた場合にこの発明
によれば溶融池両端での溶融金属流の運動方向が
溶接進行方向を指向するように磁気制御をすれ
ば、同一溶接条件での従来法（タンデム法）で
高々175mm／minにすぎないのに反し220cm／min
までの高速化が達成できた。 この発明によればアンダカツトやスラグまき込
みなどの溶接欠陥の発生が防止でき、同時に溶接
の大幅に高速化が可能になり、しかも電磁力によ
り溶融金属が強制的に撹拌されるので、擬固偏
析、ひけ巣状欠陥の抑制ならびに結晶粒の微細
化、ひいては溶融金属の靭性改善に極めて有効で
ある。とくにこの発明は、タンデム溶接の後行極
に適用することにより、深込みであつてしかも欠
陥の抑制と高速化とが同時に達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは、溶融金属を１方向に強制的に
回転流動させた場合のビード外観ならびにビード
断面形状を示す平面図と断面図、第２図は溶融金
属の流動方向が溶融池のビード止端部において溶
接進行方向に一致するように制御した場合のビー
ド外観ならびにビード断面形状を示す平面図と断
面図であり、第３図は溶融金属の流動方向（電磁
力の方向）を示す説明図、第４図は表２の試験の
際の溶融金属の流動方向の区別を示す説明図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接線を挾む１対の電極又はこれらも含め複
   数の溶接電極を、電極ワイヤ径の1.9〜9.4倍の横
   間隔をおいて並進させること。 この間、各溶接電極に通じた溶接電流のアーク
   作用により形成される溶融池の表面にこれと直交
   する向きの強制磁界をかけて、溶融池内を流れる
   溶接電流との相互作用によつて溶融池のビード止
   端部で、溶接進行方向に向う溶融金属の流動を生
   起させること から成る多電極サブマージアーク溶接法。