JPWO2013080523A1

JPWO2013080523A1 - 鋼板のサブマージアーク溶接方法

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Publication number: JPWO2013080523A1
Application number: JP2013546994A
Authority: JP
Inventors: 篤史石神; 早川　直哉; 直哉早川; 矢埜　浩史; 浩史矢埜
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2015-04-27
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: EP2786830A1; KR20190043638A; RU2592335C2; US20140346149A1; KR20170018972A; RU2014125804A; EP2786830A4; CN108788409A; EP2786830B1; CN103958109A; JP5772977B2; KR20140094579A; WO2013080523A1

Abstract

低入熱で、溶接部の高靭性化を図るとともに、ワイヤの必要量を超える溶融を抑制して余盛り高さの低減を図り、かつ深い溶込みと広いビード幅を得ることができるサブマージアーク溶接方法を提供する。溶接進行方向の先頭の第１電極のワイヤ径が2.0〜3.2mm、電流密度が145Ａ／mm2以上であり、第１電極の後方に第２電極以降を１列に配置し、かつ鋼板に形成する開先の形状が、底層側開先角度をθB、表層側開先角度をθTとしてθB＜θTを満足する２段開先であるサブマージアーク溶接方法。

Description

本発明は、鋼板のサブマージアーク溶接に関し、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管のシーム溶接に好適なサブマージアーク溶接に関するものである。

ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管のシーム溶接には、２電極以上を用いるサブマージアーク溶接（たとえば特許文献１，２参照）が普及しており、大径鋼管の生産性向上の観点から、内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する高能率な両面一層盛り溶接が広く採用されている。

両面一層盛り溶接では、内面側の溶接金属と外面側の溶接金属とが十分に重なり、未溶融部が生じないように、溶込み深さを確保する必要があるので、1000Ａ以上の大電流を供給して溶接を行なうのが一般的である。

一方で、大径鋼管のシーム溶接では、溶接部とりわけ熱影響部の靭性が劣化するという問題があり、溶接部の靭性向上のためには可能な限り溶接入熱を低減する必要がある。しかし、溶接入熱を低減すれば、溶込み不足を生じる危険性が高まり、未溶融部が生じ易くなり、かつアンダーカット（undercut）等の表面欠陥が発生しやすくなるという問題がある。

そのため、大径鋼管のシーム溶接における溶込み深さの確保と溶接部の靭性向上とを両立させる溶接技術が検討されている。

たとえば特許文献３には、高電流密度のサブマージアーク溶接方法が開示されており、アークエネルギーを板厚方向に投入し、必要な溶込み深さを確保するとともに鋼板幅方向の母材の溶解を抑制することで、過剰な溶接入熱の投入を防止して、溶接入熱の低減と溶込み深さの確保との両立を図っている。

しかしながら、特許文献３に開示された技術では、アークエネルギーを板厚方向に投入して、鋼板幅方向の溶解を抑制することから、ビード幅が狭くなり、アンダーカット等の表面欠陥が生じ易くなるという問題がある。

特許文献４には、多電極で両面１層盛り溶接を行なうサブマージアーク溶接方法が開示されており、各電極に供給される電流を適正に制御することによって、ビード幅を広げてアンダーカット等の表面欠陥の防止を図っている。

しかしながら、特許文献４に開示された技術では、ビード幅を広げる効果は得られるものの、ビード幅を顕著に拡大するためには、大電流を供給しなければならず、その結果、溶接入熱が増加して、溶接部とりわけ熱影響部の靭性が劣化するという問題がある。また、大電流を供給することによって、ワイヤの溶融量が増加して、余盛り高さ（reinforcement height）が高くなるので、開先形状を新たに設計しなおす必要がある。

特開平11-138266号公報特開平10-109171号公報特開2006-272377号公報特開2010-172896号公報

本発明は、低入熱で、溶接部の高靭性化を図るとともに、ワイヤの過剰な溶融を抑制して余盛り高さの低減を図り、かつ深い溶込みと広いビード幅を得ることができるサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。

発明者らは、多電極のサブマージアーク溶接にて電極の配置や使用するワイヤを種々変更して、得られる溶接継手を調査し、その結果、溶接進行方向の先頭の第１電極に細径ワイヤを使用して電流密度を高め、鋼板に形成する開先の形状を２段開先とすることによって、低入熱で十分な溶込みが得られ、かつ余盛り高さが低く抑えられ、しかもビード幅の広い溶接継手が得られることを見出した。

本発明は、上記知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）溶接進行方向の先頭の第１電極のワイヤ径が2.0〜3.2mm、電流密度が145Ａ／mm²以上であり、前記第１電極の後方に第２電極以降を１列に配置し、かつ被溶接鋼板に形成する開先の形状が、底層側開先角度をθ_B、表層側開先角度をθ_Tとしてθ_B＜θ_Tを満足する２段開先である、３電極以上を用いた鋼板のサブマージアーク溶接方法。

（２）前記底層側開先角度θ_Bが40〜70°であることを特徴とする上記（１）に記載のサブマージアーク溶接方法。

（３）前記表層側開先角度θ_Tが120°以下であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のサブマージアーク溶接方法。

（４）前記開先の底層側開先角度θ_Bの部位の深さをＨ_B、表層側開先角度θ_Tの部位の深さをＨ_TとしてＨ_B≧Ｈ_Tを満足することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のサブマージアーク溶接方法。

（５）前記第１電極に直流電流を供給し、前記第２電極以降に交流電流を供給することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一に記載のサブマージアーク溶接方法。

（６）前記第２電極以降のワイヤ径が3.2mm以上であることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか一に記載のサブマージアーク溶接方法。

本発明によれば、溶接入熱の低減と溶込み深さの確保を両立することができる。さらに余盛り高さを低くすることができ、しかも広いビード幅を得ることができるので、サブマージアーク溶接に有利であり、産業上格段の効果を奏する。

図１は本発明のサブマージアーク溶接方法の例を模式的に示す斜視図である。図２は図１中の電極と鋼板の側面図である。図3は図１中の各電極のワイヤ先端の鋼板表面における位置を示す平面図である。図４は本発明を適用する開先形状の例を模式的に示す断面図である。図５は溶接継手の例を模式的に示す断面図である。

図１は、本発明のサブマージアーク溶接方法を適用して鋼板の溶接を行なう例を模式的に示す斜視図であり、図２はその側面図である。図３は、図１中の各ワイヤの鋼板表面における先端位置を示す平面図である。また、図４は、本発明を適用する開先形状の例を模式的に示す断面図であり、図５は、その開先を有する鋼板の溶接継手の例を模式的に示す断面図である。

まず、図１〜３を参照して、本発明のサブマージアーク溶接方法について説明する。なお、図１〜３には３本の電極を用いる例を示すが、本発明は、３本以上の電極を用いるサブマージアーク溶接方法であり、電極を３本に限定するものではない。

図１に示すように、３本の電極を用いる場合は、矢印Ａで示す溶接進行方向の先頭の電極を第１電極１とし、その第１電極１のワイヤ12の先端位置が進行する鋼板５表面上の軌跡を溶接線６とする。溶接進行方向Ａの２番目の電極を第２電極２として、第１電極１の後方に配置し、さらに第２電極２の後方に第３電極３を一列に配置する。なお、各電極のトーチ11，21，31には、それぞれワイヤ12，22，32を１本ずつ供給する。

まず、第１電極について説明する。

第１電極１のワイヤ12を細くすることによって、電流密度を増加させ、小さい溶接入熱でも深い溶込みを得ることができるので、ワイヤ12のワイヤ径は3.2mm以下とする。しかし、ワイヤ径が2.0mm未満では、ワイヤ12が細すぎるので、溶接金属の必要量を確保するためにワイヤ送給速度を増速せざるを得ず、その結果、送給性(wire feed speed)が不安定となり、安定した溶接ができなくなる。したがって、第１電極１のワイヤ12のワイヤ径は2.0〜3.2mmの範囲内とする。

第１電極１のワイヤ12に供給される電流の電流密度は、上記のように、ワイヤ径の小さいワイヤ12を用いることによって増加させることが可能であるが、145Ａ／mm²未満では、十分な深さの溶込みが得られない。したがって、第１電極１のワイヤ12の電流密度は145Ａ／mm²以上とする。また、第１電極１のワイヤ12の電流密度が大きすぎると、ワイヤ送給速度を増加せざるを得ず、結果として安定した溶接ができなくなるので、電流密度は310Ａ／mm²以下が好ましい。

また、第１電極１のワイヤ12に供給する電流は、溶込み深さをさらに増加させるために、直流電流を供給することが好ましい。

さらに、第１電極１は、図２に示すように、ワイヤ12の先端がトーチ11よりも溶接進行方向Ａの後方（すなわち第２電極側）に位置するように、ワイヤ12を傾斜させて設定することが好ましい。そのワイヤ12と鉛直線とのなす角α（以下、後退角という）を15°以下とすれば、溶込み深さを増加する効果が顕著に現われるので好ましい。なお、第１電極１のワイヤ12は垂直（後退角α＝０°）であっても良い。

次に、第２電極について説明する。

第２電極２は、図３に示すように、ワイヤ22の鋼板表面における先端位置23が溶接線６上に配置されるように設定する。ワイヤ22のワイヤ径が細すぎると、余盛りが高くなり易いので、ワイヤ22のワイヤ径は3.2mm以上とすることが好ましい。一方、ワイヤ22のワイヤ径が太すぎると、スラグ巻き込みが発生し易くなるので、ワイヤ22のワイヤ径は4.0mm以下が好ましい。

また、ワイヤ22に供給される電流は、他の電極との間でアークの干渉が生じるのを防止するために、交流電流を供給することが好ましい。

さらに、第２電極２は、図２に示すように、ワイヤ22の先端がトーチ21よりも溶接進行方向Ａの前方（すなわち第１電極側）に位置するように、ワイヤ22を傾斜させて設定することが好ましい。そのワイヤ22と鉛直線とのなす角β（以下、前進角という）を５°以上とすれば、ビードの幅を広げる効果が顕著に現われるので好ましい。前進角が大きすぎると、トーチを非常に長くせざるを得なくなるので、設備上の制約から第２電極２の前進角は25°以下が好ましい。

次に、第３電極について説明する。

第３電極３は、図３に示すように、ワイヤ32の鋼板表面における先端位置33が溶接線６上に配置されるように設定する。ワイヤ32のワイヤ径が細すぎると、余盛りが高くなり易いので、ワイヤ32のワイヤ径は3.2mm以上とすることが好ましい。一方、ワイヤ32のワイヤ径が太すぎると、ワイヤ溶着量が減少するため、ワイヤ32のワイヤ径は4.0mm以下が好ましい。

また、ワイヤ32に供給される電流は、他の電極との間でアークの干渉が生じるのを防止するために、交流電流を供給することが好ましい。

さらに、第３電極３は、図２に示すように、ワイヤ32の先端がトーチ31よりも溶接進行方向Ａの前方（すなわち第１電極側）に位置するように、ワイヤ32を傾斜させて設定することが好ましい。その前進角γを20°以上とすれば、ビードの幅を広げる効果が顕著に現われるので好ましい。前進角が大きすぎると、トーチを非常に長くせざるを得なくなるので、４電極以上の溶接の際には、設備上の制約から第３電極３の前進角は30°以下が好ましい。

以上に、３本の電極を用いる例について説明したが、本発明は電極数を３本に限定するものではなく、３本以上の電極を用いるサブマージアーク溶接に適用でき、とりわけ３〜５本の電極を用いる場合に顕著な効果が得られる。６本以上の電極にすると溶接入熱が過大になり溶接熱影響部の靭性が劣化するおそれがあるので好ましいとはいえない。
なお、第３電極３の後方に第４電極以降を配置する場合は、ワイヤの鋼板表面における先端位置が溶接線６上に配置されるように一列に設定する。使用するワイヤのワイヤ径および前進角は上記の第３電極と同様とし、交流電流を供給することが好ましい。次いで、図４，５を参照して、本発明を適用する開先形状、およびその開先形状から得られる溶接継手の形状について説明する。

本発明を適用する開先形状は、図４に示すように、２種の開先角度を組み合わせた２段開先であり、その２段開先のうち、鋼板５の底面側の開先角度（以下、底層側開先角度）をθ_Bとし、鋼板５の表面側の開先角度（以下、表層側開先角度）をθ_Tとする。

底層側開先角度θ_Bが40°未満では、溶接時にスラグを巻込み易く、かつ余盛りが高くなり、70°を超えると、開先断面積が大きくなり、必要なワイヤ溶着量が多くなって、溶接入熱を高く設定する必要がある。そのため、底層側開先角度θ_Bは40〜70°の範囲内が好ましい。

また、表層側開先角度θ_Tが90°未満では、ビード幅を広げる効果が小さく、120°を超えると、開先幅が広がりすぎて、アンダーカットが発生し易くなる。そのため、表層側開先角度θ_Tは90〜120°の範囲内が好ましい。

このような底層側開先角度θ_Bと表層側開先角度θ_Tを組み合わせた２段開先に本発明のサブマージアーク溶接方法を適用して、深い溶込みと広いビード幅を得るとともに、余盛り高さを低減するためには、θ_B＜θ_Tを満足させる必要がある。

また、図４に示すように、２段開先の底層側開先角度θ_Bの部位の深さ（以下、底層部開先深さという）をＨ_Bとし、表層側開先角度θ_Tの部位の深さ（以下、表層部開先深さという）をＨ_Tとして、Ｈ_B＜Ｈ_Tであれば、開先断面積が大きくなり、必要なワイヤ溶着量が多くなって、溶接入熱を高く設定する必要がある。そのため、底層部開先深さＨ_Bと表層部開先深さＨ_Tは、Ｈ_B≧Ｈ_Tを満足することが好ましい。

以上に説明したように、本発明によれば、図５に示すように、溶接入熱の低減と溶込み深さＤの確保を両立するとともに、余盛り高さＭを低くすることができ、しかも広いビード幅Ｗを得ることができる。

また、本発明は、片面溶接にも両面溶接にも適用できるが、特に板厚が30mmを超えるような厚鋼板を溶接する場合に適用すれば、深い溶込みと広いビード幅を得るとともに溶接入熱の低減を図ることができるので、熱影響部の靭性向上およびアンダーカットの防止に有効である。

さらに、サブマージアーク溶接の溶接ワイヤには、ソリッドワイヤが用いられるのが一般的であるが、本発明にはソリッドワイヤのみでなく、メタルコアードワイヤも適用できる。

図４に示すように、板厚Ｔが31.8mmの鋼板５に２段開先を形成した後、３〜５本の電極を用いてサブマージアーク溶接を行なって、１パスで図５に示すような溶接継手を作製した。表１に開先形状、表２に溶接条件、表３に電極の配置、表４に溶接電流の設定を示す。

得られた溶接継手のビード外観を目視で観察し、さらにビード定常部の断面を観察して溶込み深さＤ（mm），ビード幅Ｗ（mm），余盛り高さＭ（mm）を測定した。その結果を表５に示す。

表５に示す通り、本願発明に係る発明例では低い入熱で深い溶込み（18.4〜22.2mm）と広いビード幅（24.4〜30.6mm）を両立させることができる。

特に、記号1〜３、１３，１４はビード外観も良好で欠陥は認められず、余盛り高さも低く（1.0〜2.5mm）なっている。

これに対し比較例の記号４は、第１電極のワイヤ径が1.6mmであるため、溶け込み深さ、ビード幅は十分であるものの、高い電流を供給できず、深い溶込みが得られなかった。記号５は、第１電極のワイヤ径が4.0mmであるため、高い電流密度を設定できず、深い溶込みが得られなかった。記号６は、２段開先を使用せず、Ｖ開先を使用したため、広いビード幅が得られなかった。

１第１電極
11 第１電極のトーチ
12 第１電極のワイヤ
13 第１電極のワイヤの先端位置
２第２電極
21 第２電極のトーチ
22 第２電極のワイヤ
23 第２電極のワイヤの先端位置
３第３電極
31 第３電極のトーチ
32 第３電極のワイヤ
33 第３電極のワイヤの先端位置
５鋼板
６溶接線

Claims

溶接進行方向の先頭の第１電極のワイヤ径が2.0〜3.2mm、電流密度が145Ａ／mm²以上であり、前記第１電極の後方に第２電極以降を１列に配置し、かつ被溶接鋼板に形成する開先の形状が、底層側開先角度をθ_B、表層側開先角度をθ_Tとしてθ_B＜θ_Tを満足する２段開先である、３電極以上を用いた鋼板のサブマージアーク溶接方法。
前記底層側開先角度θ_Bが40〜70°であることを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接方法。
前記表層側開先角度θ_Tが120°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のサブマージアーク溶接方法。
前記開先の底層側開先角度θ_Bの部位の深さをＨ_B、表層側開先角度θ_Tの部位の深さをＨ_TとしてＨ_B≧Ｈ_Tを満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のサブマージアーク溶接方法。
前記第１電極に直流電流を供給し、前記第２電極以降に交流電流を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のサブマージアーク溶接方法。
前記第２電極以降のワイヤ径が3.2mm以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のサブマージアーク溶接方法。