JPS63154267A - 高速ガスシ−ルドア−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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば、軟鋼、高張力鋼及び高合金鋼を対象
とするガスシールドアーク溶接において、高速度溶接が
回旋で、スパッタ発生が少なく、かつ、融合不良等のな
い高品質の溶接品を提供しうる高速ガスシールドアーク
溶接方法に関するものである。

［従来技術］ （背景） ガスシールドアーク溶接方法は、溶接鋼管、各種鋼構造
物の溶接作業において、溶接施工の旋率向上及び省略化
のうえで有利なために多用されている。

特に、溶接鋼管の溶接開先部仮付は溶接では、そのほと
んどがガスシールドアーク溶接によってなされているや このような溶接鋼管の仮付は溶接は。

■溶接線が比較的長い ■中厚板が主体であり大電流による溶接を必要とする ■下向き溶接が基本である 等の特長を有している。

（従来技術の構成） ところで、従来のガスシールドアーク溶接方法としては
次の技術が知られている ■ソリッドワイヤを用いる方法 ■フラックス入りワイヤを用いる方法（例えば特開昭６
１−１８０６９６号公報） ［発明が解決しようとする問題点〕 しかし、上記従来技術には次のような問題点がある。

■ソリッドワイヤを用いる方法 ■ソリッドワイヤを用いる方法における実用上の溶接速
度は概ね６ｍ／ｍｉｎ未満てあり、前記のような溶接作
業を実施する場合、溶接線が長いことから、各製品１個
当りの作業時間は長く、他工程との旋率バランスを確保
し、所定の生産性を達成するためには機械の多設が必要
である。

このような製管設備等の複雑な大型機械の一！ｍりの建
設コストは高く、多大な投資を必要とする結果を招いて
いる。

■また、スパッタの発生量が多い、特にシールドガスと
してＣＯ２等の活性ガスを選択した場合にその傾向は著
しい。

かかるスパッタの発生を招くと溶着量の損失のみならず
、スパッタを除去しなけらばならないため作業性を悪化
させる。

そこで、かかるスパッタの発生量を抑制すべく、シール
ドガスとして不活性ガスを主体とするものを選択するこ
とが行なわれている。

しかし、シールドガスとして不活性ガスを用いた場合に
は、アーク柱に、強いプラズマ気流の発生が生じ、高速
溶接の阻害要因となる。特に６　ｍ　／　ｍ　ｉ　ｎを
越えるような高速溶接を行なうと著しい融合不良を生じ
やすくなる。

■フラックス入りワイヤを用いる方法 ソリッドワイヤの上記問題点を改善するためにフラック
ス入りワイヤの使用が提唱されているが、フラックス入
りワイヤにおいては溶接速度としてはせいぜい２　ｍ　
／　ｍ　ｉ　ｎ程度であり、高速溶接の条件等について
はなお未知であり、その有用性を見出すにはいたってい
ない。

本発明はこのような点に着目して提案するものであり、
その目的は、高速度溶接が可ス走で、スパッタ発生が少
なく、作業性に優れ、溶接品質の優れた溶接品を提供し
うる溶接方法を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段コ 本発明方法は、ワイヤ径がφ１．６ｍｍ〜φ６．４ｍｍ
の１本のフラックス入りワイヤ又はワンプールを形成す
べく近設装置した複数本のフラックス入すワイヤを用い
、溶接速度６　ｍ　／　ｍ　ｉｎ以Ｌ、溶接電流２００
〜２０００Ａの条件で鋼材の溶接を行なうことを特徴と
する。

［作用］ 本発明者は、高速溶接時のアーク現象及びそれに伴なう
スパッタ発生機構、溶融金属の挙動を観察し、数々の検
討を加えた。

その結果、安定な高速ガスシールドアーク溶接を得るに
は （１）プラズマ気流の発生の抑制 （２）溶滴移行のうもれアーク化 が必要であることを知った。

以下に実験結果に基づく詳細な説明を述べる。

第１図は、不活性ガス主体のシールドガス気中における
アークの発生状況を模式的に示したものである。

このようなシールドガスは単原子分子を主体とする為、
電位傾度が小さく棒端より離れた位置でのアーク柱は広
がる傾向にある。その結果、アーク柱各部の７１１流密
度は棒端部Ａ点に比して母材付近Ｂ点の方が小さくなる
。

従って、アーク柱内のガス圧力はＡ点が高くＢ点が低く
なる。

この圧力差により、高圧力域より低圧力域に向かってプ
ラズマ気流が発生することになる。電流密度が大きけれ
ば大きい程このプラズマ気流は強くなる。

第２図は、このような強いプラズマ気流を発生するアー
ク状態におけるアーク柱及び゛その直下の母材溶融部の
状況を模式的に表したものである。

強いプラズマ気流により溶融金属は一時的に押しのけら
れ、母板の乾いた表面が露出する現象が生じる。

特に高速溶接速度域では押しのけられた溶融金属がプラ
ズマ直下を離脱して自重で底面へ復帰しようとした時に
母板側の熱勾配が大きく冷却が速いため完全には溶着せ
ず融合不良が発生する。

以上のような現象を防止する為にはプラズマ気流を絞る
必要があることが判明した。

前述したようにブラズ→気流の発生原因は棒端から母板
までのアーク柱内の電流密度差である。

従って前記の現象を防止する方法としてはこの電流密度
差を制御することにある。

アーク柱の下方数がりを少なくし、アーク柱の断面積変
化を制御するには、 （１）中空断面形状またはそれに類する断面形状を有し
、空隙部適宜のアーク安定材を添加したフラックスを包
含したフラックス入りワイヤの使用。

（２）電位傾度の高いシールドガスっまり活性ガス（例
えばＣＯ２ガス）の組成比率を増加させたものの使用、 が有効であるとの知見を得た。

まず最初に、上記（１）に示すフラックス入りワイヤの
使用についての説明を行なう。

第３図にフラックス入りワイヤの断面形状の例を示す、
ここで１は金属外皮部を、２は包含されるフラックスを
示す。

このようなフラックス入りワイヤは空隙間部を有してい
るために、金属外皮部１から発生するアークの電流密度
をソリッドワイヤと同等とした場合、ワイヤ外縁に対す
る見掛けの電流密度は低くなる。また、フラックス入り
ワイヤの場合、同一外径、同一電流でのワイヤ送給速度
は、ソリッドワイヤに比して高くアーク電圧を低く抑え
ることが出来る。これにより、うもれアーク化が実現可
能となり、プラズマ気流が抑制される。

例えば、製管の仮付は溶接においては、溶着量確保の面
からはワイヤの大径化を進めれば良く、そのためには、
φ１．８ｍｍ以上の外径のワイヤが必要とされる。一方
、溶接条件の鋼板厚に対する汎用性の問題、送給性の問
題、取扱いの問題からφ６．４ｍｍ程度の外径以下で使
用することが理想的と考えられる。

このようなワイヤ外径制限の中で厚鋼板に於ても所定の
溶着量を確保するためには、電極数の増設がよい０例え
ば、第５図に示すようにワンプールを形成すべく複数本
のフラックス入りワイヤを近設配置して溶接を行なえば
よい、なお、第５図には２木の例を示したがもちろん３
本以上でもよい。

本発明においては、溶接電流は２００〜２０００Ａの範
囲で溶接を行なう、２００Ａ未満では、スパッタの発生
量が多くなり作業性を損なう（表２Ｎｏ、３１参照）、
逆に、２０００Ａを超えるとビード形状が悪化する（表
ＩＮｏ、１９〜Ｎｏ　、２２参照）。

さらに本発明者らは前記（２〕に示すシールガス組成に
ついて検討を加えた。

従来性なわれていた溶接方法すなわち大ソリッドワイヤ
使用による溶接方法であると、活性ガス主体のシールド
ガス環境下ではスパッタの発生が著しく、溶接作業性の
低下を引き起こしていた。

これは同一電流領域において活性ガス環境下での溶滴移
行がスプレー化出来ないことに起因する。

また短絡により生じるスパッタも無視できない。

フラックス入りワイヤにおいては、そのワイヤ外径に比
して金属外皮実断面桔が小さい為、電流密度は高く維持
できる。従って、アーク現象としては小形ソリッドワイ
ヤと同じ効果が得られるわけであり、溶滴移行の限界電
流を低く出来る。更に、フラックス入りワイヤに包含す
る添加物としてスパッタ発生を抑制する効果を持たせた
ものを選択することにより、一層のスパッタ抑制が可１
＠どなる。

このように、フラックス入りワイヤは活性シールドガス
環境Ｆにおいても安定な溶滴移行形態を実現できるため
、ＣＯ２のような安価なシールドガスを用いることもで
きる。すなわち、本発明においてはシールドガスとして
は、活性ガス、不活性ガスのいずれでもよいが、安価な
ことから００２ガスが好ましい、つまり、本発明におい
ては、活性ガスを用いても従来例とは異なり、スパッタ
の発生が増加したりはせず、また、不活性ガスを用いて
も従来例とは異なり、融合不良を招く等の問題は生じな
い。

なお、ＣＯ２に８０％以下のＡｒを添加したシールドガ
スを用いてもよい、ただ、８０％を超えると、８０％以
下の場合に比べて融合不良等の欠陥の発生が増加するの
で８０ｚ以下が好ましい。

引き続いて本発明者は、多層溶接性に着目してフラック
ス入りワイヤに含まれるフラックスの成分についても検
討を進めた。

通常のフラックス入りワイヤであると、溶接後のビード
表層にスラグが付着し、次層の溶接時にアーク出を悪く
する等の悪影！を与える。従って次層の溶接前にブラシ
等によるスラグの除去作業が必要となる。

さらに、スラグ量が多いと、高速度溶接においてはビー
ド形成状態が不安定となり、ビード外観の形状が悪化す
る。また、近設装置した複数本のワイヤを用いた場合、
先行極のスラブが後行様の溶融池の移動を妨げ、スラグ
移行巻き込みなどの欠陥の発生を引き起こす、従って、
スラブ量は少ないほうが望ましい、これらの観点より、
フラックス入りワイヤに含まれるフラックスの成分をメ
タル系にすることが本発明の効果をより一層高めるので
より好ましい。

なお、メタル系フラックス中りワイヤにおいても、低ス
ラブ状態での作業性を確保するために、鉄粉、脱酸剤、
アーク安定剤等のフラックス構成成分を規定する必要が
ある。特に望ましいメタル系フラッグス入りワイヤは、
鉄粉＝６０〜９５％（フラックス中のｗｔ％、以下同じ
）、脱酸剤：５〜１５％、アーク安定剤：１〜１５％を
各々含有するフラックスを外皮金属（鋼製）中に、ワイ
ヤ重量当り１０〜２５％充填してなるワイヤである。

以下にメタル系フラッグス入りワイヤの成分限定理由を
述べる。

鉄粉二６０〜９５％ 鉄粉は、フラックス全体に占める割合として６０〜９５
％の範囲に設定しなければならない。

鉄粉の含有率が６０％未満では、メタル系ワイヤの特徴
である、低スラグ、高溶接速度の効果を十分に達成でき
ず、一方９５％を超えるとフラックス中の他の成分、例
えば、脱酸剤、アーク安定剤等の絶対量が不十分となり
、アーク不安定によるスパッタ発生の増加あるいは脱酸
不足による欠陥の発生がある。

脱酸　：５〜１５％ フラックス全体に占める割合として５〜１５％の範囲に
限定しなければならない、その理由は、脱酸剤の含有率
が５％未満では脱酸不足となり、Ｘ線性能が大幅に低下
するばかりでなく、ビード形状が悪化する。

一方１５％を超えると溶接金属の靭性や耐密性を低下さ
せるなどの弊害が出てくる。また、第４図に示すごとく
高速性の面からも脱酸剤の量は少ない方がよい、これは
脱酸剤量の低減により、溶融金属粘性のが低下し、高速
溶接時における金属の追従性が向上するためである。

ここで、脱酸剤とは、溶接金属中の酸素と結合しこれを
除去する作用があるものであり、具体的には、マンガン
、ケイ素、アルミニウム、チタン等の金属粉末あるいは
これらと鉄の合金などが例示される。これらの脱酸剤は
単独で使用してもよく、また２種以上を結合させて使用
してもよい。

アーク　　剤：１〜１５０ アーク安定剤含有量は１−１５％の範囲とすることが好
ましい。

１％未満では、アーク不安定によるスパッタの発生、あ
るいは高速溶接性の悪化などがある。

一方、１５％を越えた場合には、スパッタ発生量は少な
くなるものの、スラグ量が増加し、メタル系ワイヤの特
長である低スラグが損なわれる。

ここで、アーク安定剤とは、アーク放電に関与してアー
クを安定化させる作用を有するものを意味し、例えば、
ナトリウム、カリウム等のアルカリ（アルカリ土類金属
の化合物があげられ、より具体的にはこれらの金属の酸
化物、炭酸塩、珪酸塩、チタン酸塩、弗化物が例示され
る。

このうちで、特に好ましいものとしては、Ｋ２　Ｔｉ４
０ｇ　　、に２　ＳｉＯ３，に２　ＳｉＦ６゜ＮａＦ、
ＬｉＦｅＯ２などが推奨される。

また水ガラス処理原料（鉄粉などを水ガラスと混合し乾
燥したものもここのアーク安定剤のａｌｌである。

７７−二と乙」ヨーＬ立：２１％ フラックス率の範囲は１０〜２５％が望ましい、１０％
未満ではスパッタ発生量の増加あるいは溶接速度の低下
による高速溶接性の悪化などの問題がある。

一方、２５％を越えると外皮金属の肉厚が薄くなり過ぎ
てワイヤ製造時（特に伸線加工時）に断線等のトラブル
が発生したり、溶接作業に際し、送給不安定となるとい
った恐れが生じる。

なお、ワイヤの形状については特段の制限はなく、例え
ば第３図に示したいずれの断面形状を有するものもであ
ってもよく、また他の断面形状を有するワイヤであって
もよい。

さらに、伸線時の送給性を良好たらしめる等のために表
面にアルミニウムや銅をめっきしたワイヤであってもも
ちろん本発明の範囲内に含まれる。

［発明の実施例］ 表１の（ａ）〜（Ｃ）に示す組成を有するワイヤを用い
て表２−１〜表２−３に示す各種溶接条件にて高速性１
作業性、溶接品質等を調査した。

その結果を表２に併記した。

表２において、先行順に、Ｌは第１電極を示し、Ｍは第
２電極を示しく電極を２本又は３本使用する場合）、Ｍ
は第３電極を示す（電極を３本使用する場合）、また、
Ｌ−Ｍは第１電極と第２電極との電極間距離を示しく電
極を２本又は３本使用する場合）、Ｍ−Ｔは第２電極と
第３電極との電極間距離を示す（電極を３本使用する場
合）。

また、作業性とは、スパッタ発生に伴なうスパッタ除去
作業、アーク安定性に伴なう溶接作業性等の作業性であ
り、Ｏは作業性が優れていることを、Δは作業性が良好
なことを、×は作業性が悪いことをそれぞれ意味する。

また、外観とは、ビード形状であり、品質とは溶接金属
におけるスラブ巻込み、融合不良の有無等であり、Ｏは
外観・品質が優れていることを、Δは外観・品質が良好
なことを、×は外観・品質が悪いことをそれぞれ意味す
る。

なお、溶接は下向姿勢（１パス）で行ない、使用した母
材は１２ｍｍｔＸ３００ｍｍｗＸ１５０００ｍｍＭ　（
４５°Ｙ型、深さ８ｍｍ（７）開先付き合せ）　（７）
ＡＰ　Ｉ　５　Ｌ−Ｘ７０−ｃ’アル。

［発明の効果］ 本発明は以上のように構成されており、従来のガスシー
ルドアーク溶接法では成しえなかった高速溶接を実現で
きた。

その結果、特に溶接鋼管の開先部仮付は溶接において大
幅な作業時間の短縮を図れ、製管設備に見るような大型
設備に対する投資を最小限にとどめることが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、不活性ガスシールド雰囲気下のアーク発生状
況を示す模式図である。第２図は、プラズマ気流の溶融
池への影響を示す模式図である。 第３図はフラックス入りワイヤの断面図である。 第４図は高速溶接性と脱酸剤量との関係を示すグラフで
ある。第５図は複数本のワイヤをプールさせた形態図で
ある。 １・φ外皮金属、２１１１１フラツグス、３・・ワイヤ
、４・・プラズマ気流、５拳・アーク、６・・溶融金属
。 第１図 １　　　母板 第３図 （Ｃ）　　　　　　　　　（Ｄ） 第４図 □脱酸剤）（％）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ワイヤ径がφ１．６ｍｍ〜φ６．４ｍｍの１本の
   フラックス入りワイヤ又はワンプールを形成すべく近設
   配置した複数本のフラックス入りワイヤを用い、溶接速
   度６ｍ／ｍｉｎ以上、溶接電流２００〜２０００Ａの条
   件で鋼材の溶接を行なうことを特徴とする高速ガスシー
   ルドアーク溶接法。
2. （２）シールドガスとしてＣＯ＿２ガス又はＣＯ＿２に
   ８０体積％以下のＡｒガスを添加したガスを用いる特許
   請求の範囲第（１）項記載の高速ガスシールドアーク溶
   接方法。
3. （３）フラックス入りワイヤがメタル系フラックス入り
   ワイヤである特許請求の範囲第（１）項又は第（２）項
   記載の高速ガスシールドアーク溶接方法。
4. （４）鉄粉：６０〜９５重量％、脱酸剤：５〜１５重量
   ％、アーク安定剤：１〜１５重量％をそれぞれ含有する
   フラックスを鋼外皮中にワイヤ重量当り１０〜２５％充
   填してなる特許請求の範囲第（１）項乃至第（３）項の
   いずれかに記載の高速ガスシールドアーク溶接方法。