WO2017141760A1 - 多電極サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

多電極サブマージアーク溶接方法 Download PDF

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篤史 石神
早川　直哉
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Definitions

  • the present invention relates to multi-electrode submerged arc welding of thick steel plates, and is suitable for seam welding of not only flat thick steel plates but also large-diameter steel pipes such as UOE steel pipes and spiral steel pipes formed from tubular steel plates. It is about.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for performing submerged arc welding with five electrodes
  • Patent Document 3 discloses a technique for performing submerged arc welding with six electrodes.
  • the electrodes are arranged at positions close to each other so that the molten metal formed by the electrodes is not separated, so that welding is performed for each electrode, particularly in high current welding. Even if the current is adjusted, it is inevitable that the magnetic interference between the adjacent electrodes becomes strong. In addition, as the number of electrodes increases, not only the electrodes adjacent to each other but also the magnetism of a plurality of electrodes interferes in a complicated manner. In addition, in multi-electrode submerged arc welding with five or more electrodes, it is difficult to control the penetration shape of the weld metal, and the penetration width may become narrow particularly near the penetration center. Such a penetration shape may cause a pear-shaped crack of the weld metal, and is desirably avoided.
  • the present invention eliminates the problems of the prior art, and in multi-electrode submerged arc welding performed with 5 electrodes or 6 electrodes, by supplying a large current, deep penetration and high welding amount can be obtained, and By suppressing magnetic interference, a stable arc is generated from each electrode to prevent weld defects, and thus a well-shaped bead can be obtained, and an increase in welding speed can be achieved.
  • An object is to provide a welding method.
  • the inventor conducted multi-electrode submerged arc welding of thick steel plates with 5 or 6 electrodes, and investigated the shape of the obtained beads and the presence or absence of welding defects. Then, it has been found that by properly adjusting the arrangement of each electrode and the welding current to be supplied, preferably the arc voltage to be applied, the arc is stabilized, welding defects are prevented, and a bead having a good shape can be obtained. .
  • the present invention has been made based on such knowledge.
  • the first electrode is arranged at the head in the welding progress direction, and the second electrode is used as the first electrode.
  • the third electrode is arranged behind the second electrode, the fourth electrode is arranged behind the third electrode, and the fifth electrode is arranged adjacent to the fourth electrode.
  • the distance L 12 (mm) between the positions where the welding wire of the first electrode and the welding wire of the second electrode are in contact with the surface of the thick steel plate, and the welding wire of the second electrode and the third electrode The distance L 23 (mm) between the positions where the welding wire contacts the surface of the thick steel plate, and the distance L 34 (mm) between the positions where the welding wire of the third electrode and the welding wire of the fourth electrode contact the surface of the thick steel plate, And the welding wire of the fourth electrode and the welding wire of the fifth electrode are in contact with the surface of the thick steel plate.
  • the distance between L 45 (mm) is satisfied (1) to (4) below, and the current density J 1 of the first electrode (A / mm 2), and the second electrode current density J 2 ( A / mm 2 ), current density J 3 of the third electrode (A / mm 2 ), current density J 4 of the fourth electrode (A / mm 2 ), and current density J 5 of the fifth electrode (A / mm 2 ) satisfies the following formulas (6) to (9), and the total welding current of the first electrode to the fifth electrode is 4000 to 6000 A, and the welding wire of the first electrode is connected to the thick steel plate.
  • the distance L 56 (mm) between the positions where the fifth electrode welding wire and the sixth electrode welding wire contact the surface of the thick steel plate satisfies the following expression (5), and the current density J 6 of the sixth electrode: (A / mm 2 ) satisfies the following formula (10), and the total welding current of the first electrode to the sixth electrode is 4000 to 6000 A, so that an AC welding current can be supplied to the sixth electrode. preferable. Further, it is preferable to supply a direct current to the first electrode with a reverse polarity. Furthermore, it is preferable that the arc voltage E 1 (V) of the first electrode and the arc voltage E 2 (V) of the second electrode satisfy the following expression (12). 12mm ⁇ L 56 ⁇ 25mm (5) 0.60 ⁇ J 6 / J 5 ⁇ 1.00 (10) 0 ⁇ E 2 ⁇ E 1 ⁇ 3 (12)
  • the present invention in multi-electrode submerged arc welding performed with 5 electrodes or 6 electrodes, by supplying a large current, deep penetration and high welding amount can be obtained, and magnetic interference can be suppressed. A stable arc is generated from each electrode to prevent welding defects, and thus a bead having a good shape can be obtained, and further, the welding speed can be increased, thereby producing a remarkable industrial effect.
  • the multi-electrode submerged arc welding method of the present invention is a technique for performing submerged arc welding by arranging five or six electrodes in a row in the welding progress direction.
  • the electrode arranged at the head in the welding direction is the first electrode
  • the electrodes arranged behind the second electrode are the second electrode
  • the third electrode is the fourth electrode
  • Five electrodes are the last.
  • the sixth electrode is the last because the sixth electrode is arranged behind the fifth electrode.
  • the welding speed can be increased as compared with the conventional case.
  • the total welding current supplied to each electrode is set to 4000 A or more. Further, in order to prevent the deterioration of the bead shape caused by supplying an excessive welding current, the total welding current supplied to each electrode is set to 6000 A or less. In other words, when five electrodes are used, the total welding current supplied to the first to fifth electrodes is 4000 to 6000 A, and when six electrodes are used, the first to sixth electrodes are used. The total welding current to be supplied is 4000-6000A.
  • 5 to 6 electrodes are arranged in a line, but if the distance between adjacent electrodes (the distance between adjacent electrodes) is too small, the electrodes mounted on the electrodes, particularly the contact chips, contact each other. Since the arc is disturbed, various problems such as generation of welding defects and deterioration of the bead shape occur. On the other hand, if the distance between the electrodes adjacent to each other is too large, the molten metal formed by each electrode is separated, and welding becomes unstable.
  • the distance L 12 (mm) between the positions at which the welding wire of the first electrode and the welding wire of the second electrode are in contact with the surface of the thick steel plate, and the welding wire of the second electrode and the third electrode is the surface of the thick steel plate.
  • the distance L 23 (mm) between the positions in contact with the third electrode, the distance L 34 (mm) between the positions where the third electrode welding wire and the fourth electrode welding wire contact the surface of the thick steel plate, the fourth electrode welding wire and the second electrode The distance L 45 (mm) between the positions where the five-electrode welding wire contacts the surface of the thick steel plate, and the distance L 56 (mm) between the positions where the fifth electrode welding wire and the sixth electrode welding wire contact the surface of the thick steel plate ) are arranged so as to satisfy the following expressions (1) to (5), respectively.
  • the current density of the welding current supplied to each electrode affects the arc pressure. Therefore, in order to keep the arc pressure suitably, the ratio of the current densities of the electrodes adjacent to each other is properly maintained. Specifically, the current density J 1 (A / mm 2 ) of the first electrode, the current density J 2 (A / mm 2 ) of the second electrode, the current density J 3 (A / mm 2 ) of the third electrode, current density J 4 of the fourth electrode (a / mm 2), the current density J 5 of the fifth electrode (a / mm 2), the current density J 6 of the sixth electrode (a / mm 2), respectively below ( Supply the welding current to satisfy the formulas (6) to (10).
  • the current density J n (A / mm 2 ) of the nth electrode is a value calculated by the following equation (11).
  • J n I n ⁇ [ ⁇ ⁇ (D n 2 ⁇ 4)] (11)
  • I n welding current to be supplied to the n electrode (A)
  • D n Diameter of the welding wire of the nth electrode (mm)
  • n integer of 1 to 6
  • either the DC or AC welding current may be supplied to the first electrode, but in order to increase the penetration depth, DC welding It is preferable to supply a current (DC current).
  • a welding current (so-called reverse polarity) with the welding wire as the + (plus) electrode and the thick steel plate as the-(minus) electrode.
  • a direct current welding current with a reverse polarity, melting of the thick steel plate is promoted, so that the effect of increasing the penetration depth is further enhanced.
  • the large welding current increases the backward flow of the molten metal, and the arc after the second electrode is likely to be disturbed, but the above equations (6) to (10)
  • the arc can be stabilized by supplying a welding current to satisfy the above condition.
  • the arc voltage of the second electrode when the arc voltage of the second electrode is lower than the arc voltage of the first electrode, the arc voltage of the second electrode becomes unstable, but when the arc voltage of the second electrode is too high, it is formed by the first electrode. The penetration formed by the second and subsequent electrodes is separated, and a constriction is generated near the center of the penetration.
  • the welding wire of the first electrode is preferably arranged perpendicular to the thick steel plate or inclined with a receding angle ⁇ .
  • the reason is that deep penetration is obtained.
  • the receding angle ⁇ in the first electrode is preferably in the range of 0 to 15 °.
  • the welding wires after the second electrode may be disposed perpendicular to the thick steel plate or may be disposed at an inclination.
  • FIG. 1 (a) is an example in which the tip of the welding wire 3 is inclined so as to be located behind the electrode tip 2 in the traveling direction, and is formed by a line perpendicular to the thick steel plate 1 and the welding wire 3.
  • the angle ⁇ is called the receding angle.
  • FIG. 1 (b) is an example in which the tip of the welding wire 3 is tilted so as to be positioned in front of the electrode tip 2 in the traveling direction, and is formed by a line perpendicular to the thick steel plate 1 and the welding wire 3.
  • the angle ⁇ is called the advance angle.
  • An arrow W in FIG. 1 indicates the traveling direction of welding.
  • a thick steel plate having a thickness of 15 mm or more can prevent welding defects and obtain a bead having a good shape, and can be welded at a high welding speed.
  • the plate thickness exceeds 45 mm, the groove is wide, so the molten metal does not spread sufficiently and the groove tends to remain. Therefore, the present invention is applied to a thick steel plate having a thickness of 15 to 45 mm.
  • the present invention is applied to a thick steel plate having a thickness of 30 mm or more, which is a major issue in improving the welding speed, a great effect can be obtained.
  • the wire diameter (wire diameter) of the welding wire used for each electrode is preferably within the range of 3.2 to 4.8 mm. Further, as the welding flux, both a melt type flux and a fired type flux can be used.
  • the present invention is a welding method suitable not only for seam welding of large-diameter steel pipes such as UOE steel pipes and spiral steel pipes performed by butting the ends of thick steel plates formed into a tubular shape, but also for butt welding of flat thick steel plates. . Moreover, it can apply to the groove
  • a single-sided Y groove was formed on thick steel plates with a thickness of 19.1 mm and 38.1 mm, and multielectrode submerged arc welding (one pass) was performed to create a welded joint.
  • the thickness and groove shape of the thick steel plate are as shown in Table 1.
  • the welding conditions are as shown in Tables 2, 3, and 4.
  • the electrodes the electrode arranged at the head in the traveling direction is the first electrode, and the electrodes arranged behind the first electrode are the second electrode, the third electrode, the fourth electrode, the fifth electrode, and the sixth electrode.
  • the types of welding current supplied to the first electrode are shown in Table 4, and an AC welding current was supplied to electrodes other than the first electrode. “Welding heat input” in Table 2 was obtained by dividing the sum of “welding current ⁇ arc voltage” obtained for each electrode by “welding speed”.
  • the observed steady portion of the welded joint was visually observed to check for weld defects. Furthermore, the width of the bead was measured over a length of 1000 mm of the steady portion of the welded joint, and the difference between the maximum value and the minimum value was obtained.
  • the penetration narrowing indicates that the penetration width M CENTER in the vicinity of the penetration center is smaller than the penetration width M BOTTOM on the penetration tip side.
  • the arc voltage E 1 (V) of the first electrode and the arc voltage E 2 (V) of the second electrode satisfy the equation (12), so that the penetration constriction occurs. It is an example that did not.
  • symbols 6 and 16 are examples in which a welded joint of a steel plate having a thickness of 38.1 mm is made by using a thin wire (3.2 mm) for the first electrode, and symbol 18 is the first electrode.
  • a welded joint of a thick steel plate with a plate thickness of 19.1 mm was prepared using a welding wire with a small diameter (3.2 mm).
  • the current density was increased by using a small-diameter welding wire, and as a result, deeper penetration was obtained than in the other inventive examples having the same plate thickness.
  • Symbols 2 and 16 are examples in which a welded joint of a steel plate with a plate thickness of 38.1 mm is created by supplying a DC welding current to the first electrode.
  • Symbols 18, 21, and 24 are direct current applied to the first electrode. This is an example in which a welding current is supplied to produce a welded joint of a thick steel plate having a thickness of 19.1 mm. In these inventive examples, the penetration became deeper than other inventive examples having the same plate thickness by supplying a direct current welding current to the first electrode.
  • symbols 3, 4, and 20 as comparative examples produced welded joints with four electrodes, so that underfilling and insufficient penetration occurred when welding was performed at the same welding speed as in the inventive examples.
  • Symbols 7, 8, 9, 10, and 19 indicate that the current density of the welding current does not satisfy the expressions (6) to (10), so that the arc is disturbed and the width of the bead greatly fluctuates.

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Abstract

５電極または６電極で行なう多電極サブマージアーク溶接において、大電流を供給することによって、深い溶込みおよび高溶着量を得ることができ、かつ磁気の干渉を抑制することによって、各電極から安定したアークを発生させて、溶接欠陥を防止し、ひいては良好な形状のビードを得ることができ、しかも溶接速度の増加を達成できる多電極サブマージアーク溶接方法を提供する。　板厚15～45mmの厚鋼板の突き合わせ溶接を多電極で行なう多電極サブマージアーク溶接方法において、電極間の距離、溶接電流の電流密度、電極の角度を適正に設定する。

Description

多電極サブマージアーク溶接方法
　本発明は、厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接に関し、平坦な厚鋼板のみならず、厚鋼板を管状に成形した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多電極サブマージアーク溶接に関するものである。
　平坦な厚鋼板の突き合わせ溶接や、管状に成形した厚鋼板の端部を突き合わせて行なうＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管のシーム溶接では、溶接の進行方向に２電極以上を一列に配置して溶接を行なうサブマージアーク溶接（以下、多電極サブマージアーク溶接という）が普及している。そして大径鋼管の生産性向上の観点から、３電極あるいは４電極を用い、溶接電流として1000Ａを超える大電流を供給することによって、溶接速度を増加させる技術が実用化されている。
　また、電極を更に増やして、溶接速度の更なる増加を図る技術が検討されている。たとえば特許文献１、２に５電極でサブマージアーク溶接を行なう技術、特許文献３に６電極でサブマージアーク溶接を行なう技術が開示されている。
　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、溶接部の靭性を向上させるためには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、溶込み不足や溶着量不足が発生する危険性が高まるので、未溶融部が生じ易くなり、その結果、ビードに溶接欠陥（たとえばアンダーフィル等）が発生し易くなるという問題が生じる。
　さらに多電極サブマージアーク溶接においては、多数の電極の溶接ワイヤに夫々供給される溶接電流から発生する磁気が互いに干渉して、アークが不安定になる現象（いわゆる磁気吹き）が発生する。そして、このような磁気の干渉が原因となって、ビード不整やスラグ巻き込み等の溶接欠陥が発生する。そこで、各電極に交流の溶接電流を制御して供給することによって、磁気の干渉を抑制する技術が検討されている。
　ところが多電極サブマージアーク溶接では、各電極によって形成される溶融メタルが分離しないように、夫々の電極を互いに近接した位置に配置するので、特に大電流の溶接においては、夫々の電極に供給する溶接電流を調整しても、互いに隣接する電極の磁気の干渉が強くなるのは避けられない。ましてや電極が増えることによって、互いに隣接する電極のみならず、複数の電極の磁気が複雑に干渉するようになる。加えて、５電極以上の多電極サブマージアーク溶接では溶接金属の溶込み形状を制御することが困難であり、特に溶込み中央付近で溶込み幅が狭くなることがあった。このような溶込み形状は溶接金属の梨型割れを引き起こす惧れがあり、回避することが望ましい。
　３電極あるいは４電極で行なう多電極サブマージアーク溶接の場合は、磁気の複雑な干渉を抑制できる溶接条件を得るために、今まで種々の研究がなされている。
　しかし、５電極または６電極で行なう多電極サブマージアーク溶接においては、磁気の干渉が一層複雑になるので、その磁気の干渉を抑制するための溶接技術の研究は、未だ進んでいない。
特許第４８２８４８８号公報 特開２０１４－７３５２３号公報 特開平５－５０２３５号公報
　本発明は、従来の技術の問題点を解消し、５電極または６電極で行なう多電極サブマージアーク溶接において、大電流を供給することによって、深い溶込みおよび高溶着量を得ることができ、かつ磁気の干渉を抑制することによって、各電極から安定したアークを発生させて、溶接欠陥を防止し、ひいては良好な形状のビードを得ることができ、しかも溶接速度の増加を達成できる多電極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。
　本発明者は、５電極または６電極で厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接を行ない、得られたビードの形状や溶接欠陥の有無を調査した。そして、各電極の配置および供給する溶接電流、好ましくは付加するアーク電圧を適正に調整することによって、アークを安定させて、溶接欠陥を防止し、良好な形状のビードが得られることを見出した。
　本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
　すなわち本発明は、板厚15～45mmの厚鋼板の突き合わせ溶接を多電極で行なう多電極サブマージアーク溶接方法において、溶接の進行方向の先頭に第１電極を配置し、第２電極を第１電極に隣接して後方に配置し、第３電極を第２電極に隣接して後方に配置し、第４電極を第３電極に隣接して後方に配置し、第５電極を第４電極に隣接して後方に配置して、第１電極の溶接ワイヤと第２電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ12（mm）、および第２電極の溶接ワイヤと第３電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ23（mm）、および第３電極の溶接ワイヤと第４電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ34（mm）、および第４電極の溶接ワイヤと第５電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ45（mm）が下記の(1)～(4)式を満足し、かつ、第１電極の電流密度Ｊ1（Ａ／mm2）、および第２電極の電流密度Ｊ2（Ａ／mm2）、および第３電極の電流密度Ｊ3（Ａ／mm2）、および第４電極の電流密度Ｊ4（Ａ／mm2）、および第５電極の電流密度Ｊ5（Ａ／mm2）が下記の(6)～(9)式を満足するとともに、第１電極～第５電極の溶接電流の総和が4000～6000Ａであり、第１電極の溶接ワイヤを厚鋼板に対して垂直に配設または後退角を持たせて傾斜して配設し、第２電極～第５電極に交流の溶接電流を供給する多電極サブマージアーク溶接方法である。
12mm≦Ｌ12≦25mm　　　・・・(1)
12mm≦Ｌ23≦25mm　　　・・・(2)
12mm≦Ｌ34≦25mm　　　・・・(3)
12mm≦Ｌ45≦25mm　　　・・・(4)
0.40≦Ｊ2／Ｊ1≦0.95　　　・・・(6)
0.60≦Ｊ3／Ｊ2≦0.95　　　・・・(7)
0.60≦Ｊ4／Ｊ3≦1.00　　　・・・(8)
0.60≦Ｊ5／Ｊ4≦1.00　　　・・・(9)
　本発明の多電極サブマージアーク溶接方法においては、第１電極～第５電極に加えて、第６電極を第５電極に隣接して後方に配置することもできる。第５電極の溶接ワイヤと第６電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ56（mm）が下記の(5)式を満足し、かつ、第６電極の電流密度Ｊ6（Ａ／mm2）が下記の(10)式を満足するとともに、第１電極～第６電極の溶接電流の総和が4000～6000Ａであり、第６電極に交流の溶接電流を供給することが好ましい。また、第１電極に直流電流を逆極性で供給することが好ましい。さらに、第１電極のアーク電圧Ｅ1（Ｖ）と第２電極のアーク電圧Ｅ2（Ｖ）が下記の(12)式を満足することが好ましい。
12mm≦Ｌ56≦25mm　　　・・・(5)
0.60≦Ｊ6／Ｊ5≦1.00　　　・・・(10)
０≦Ｅ2－Ｅ1≦３　　　・・・(12)
　本発明によれば、５電極または６電極で行なう多電極サブマージアーク溶接において、大電流を供給することによって、深い溶込みおよび高溶着量を得ることができ、かつ磁気の干渉を抑制することによって、各電極から安定したアークを発生させて、溶接欠陥を防止し、ひいては良好な形状のビードを得ることができ、しかも溶接速度を増加することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。
溶接ワイヤを傾斜させる例を模式的に示す側面図である。 溶込み括れの例を模式的に示す溶接部の断面図である。
　本発明の多電極サブマージアーク溶接方法は、溶接の進行方向に５個または６個の電極を一列に配置してサブマージアーク溶接を行なう技術である。５個の電極を使用する場合は、溶接の進行方向の先頭に配置される電極を第１電極とし、その後方に配置される電極を順に第２電極、第３電極、第４電極とし、第５電極が最後尾となる。６個の電極を使用する場合は、第５電極の後方に第６電極を配置するので、第６電極が最後尾となる。
　このように、使用する電極を増やすことによって、溶接速度を従来よりも増加することが可能となる。
　そして、溶接速度の増加に伴う溶込み不足や溶着量不足の発生を防止するために、各電極に供給する溶接電流の総和を4000Ａ以上とする。また、過大な溶接電流を供給することによって発生するビード形状の悪化を防止するために、各電極に供給する溶接電流の総和を6000Ａ以下とする。つまり、５個の電極を使用する場合は、第１電極～第５電極に供給する溶接電流の総和を4000～6000Ａとし、６個の電極を使用する場合は、第１電極～第６電極に供給する溶接電流の総和を4000～6000Ａとする。
　５～６個の電極は一列に配置されるが、互いに隣り合う電極の間隔（隣接して配置される電極の間隔）が小さすぎると、電極に装着される電極同士、特にコンタクトチップ同士が接触して、アークが乱れるので、溶接欠陥の発生やビード形状の悪化等、様々な問題が発生する。一方で、互いに隣り合う電極の間隔が大きすぎると、各電極によって形成される溶融メタルが分離して、溶接が不安定になる。
　そこで、第１電極の溶接ワイヤと第２電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ12（mm）、第２電極の溶接ワイヤと第３電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ23（mm）、第３電極の溶接ワイヤと第４電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ34（mm）、第４電極の溶接ワイヤと第５電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ45（mm）、第５電極の溶接ワイヤと第６電極の溶接ワイヤが厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ56（mm）が、それぞれ下記の(1)～(5)式を満足するように配置する。
12mm≦Ｌ12≦25mm　　　・・・(1)
12mm≦Ｌ23≦25mm　　　・・・(2)
12mm≦Ｌ34≦25mm　　　・・・(3)
12mm≦Ｌ45≦25mm　　　・・・(4)
12mm≦Ｌ56≦25mm　　　・・・(5)
　つまり、５個の電極を使用する場合は(1)～(4)式を満たすように配置し、６個の電極を使用する場合は(1)～(5)式を満たすように配置する。
　各電極に供給する溶接電流の電流密度は、アーク圧力に影響を及ぼす。そこで、アーク圧力を好適に保つために、互いに隣り合う電極の電流密度の比を適正に維持する。具体的には、第１電極の電流密度Ｊ1（Ａ／mm2）、第２電極の電流密度Ｊ2（Ａ／mm2）、第３電極の電流密度Ｊ3（Ａ／mm2）、第４電極の電流密度Ｊ4（Ａ／mm2）、第５電極の電流密度Ｊ5（Ａ／mm2）、第６電極の電流密度Ｊ6（Ａ／mm2）が、それぞれ下記の(6)～(10)式を満足するように溶接電流を供給する。
0.40≦Ｊ2／Ｊ1≦0.95　　　・・・(6)
0.60≦Ｊ3／Ｊ2≦0.95　　　・・・(7)
0.60≦Ｊ4／Ｊ3≦1.00　　　・・・(8)
0.60≦Ｊ5／Ｊ4≦1.00　　　・・・(9)
0.60≦Ｊ6／Ｊ5≦1.00　　　・・・(10)
　つまり、５個の電極を使用する場合は(6)～(9)式を満たすように溶接電流を供給し、６個の電極を使用する場合は(6)～(10)式を満たすように溶接電流を供給することによって、アーク圧力を好適に保つことができ、その結果、溶接欠陥の防止、および良好な形状を有するビードの形成が可能となる。なお、第ｎ電極の電流密度Ｊn（Ａ／mm2）は下記の(11)式で算出される値である。
Ｊn＝Ｉn÷〔π×（Ｄn 2÷４）〕　　　・・・(11)
Ｉn：第ｎ電極に供給される溶接電流（Ａ）
Ｄn：第ｎ電極の溶接ワイヤの直径（mm）
ｎ：１～６の整数
　５～６個の電極のうち、第１電極には、直流、交流いずれの溶接電流を供給しても良いが、溶込み深さを増大させるために、直流の溶接電流（直流電流）を供給するのが好ましい。そして、溶接ワイヤを＋（プラス）極、厚鋼板を－（マイナス）極として溶接電流を供給（いわゆる逆極性）することが好ましい。逆極性で直流の溶接電流を供給することによって、厚鋼板の溶融が促進されるので、溶込み深さを増大させる効果が一層高められる。
　第１電極による溶込みが深くなると同時に、その大溶接電流によって、溶融メタルの後方への流れが強くなり、第２電極以降のアークが乱れやすくなるが、上記の(6)～(10)式を満たすように溶接電流を供給することによって、アークを安定させることができる。
　さらには、第２電極以降には、交流の溶接電流を供給することによって、磁気の干渉を防止する。こうして、溶接欠陥を防止し、良好な形状を有するビードを形成することが可能となる。なお、交流の場合は、「電流」は「実効電流」を意味し、「電圧」は「実効電圧」を意味する。
　また、第１電極のアーク電圧と比べて第２電極のアーク電圧が低いと、第２電極のアーク電圧が不安定となるが、第２電極のアーク電圧が高すぎると、第１電極によって形成される溶込みと第２電極以降によって形成される溶込みとが分離して、溶込み中央部付近にくびれが生成される。これを回避するために、第１電極のアーク電圧Ｅ1（Ｖ）と第２電極のアーク電圧Ｅ2（Ｖ）が下記の(12)式を満足するように設定することが好ましい。より好ましくは(13)式の範囲である。
０≦Ｅ2－Ｅ1≦３　　　・・・(12)
０≦Ｅ2－Ｅ1≦２　　　・・・(13)
　第１電極の溶接ワイヤは、図１に示すように、厚鋼板に対して垂直または後退角αを持たせて傾斜して配設することが好ましい。その理由は、深い溶込みが得られるからである。なお、第１電極における後退角αは０～15°の範囲内が好ましい。
　また、第２電極以降の溶接ワイヤは、厚鋼板に対して垂直に配設しても良いし、傾斜して配設しても良い。
　図１(a)は、溶接ワイヤ３の先端が電極チップ２よりも進行方向の後方に位置するように傾斜させた例であり、厚鋼板１に対して垂直な線と溶接ワイヤ３とのなす角αは後退角と呼ばれる。図１(b)は、溶接ワイヤ３の先端が電極チップ２よりも進行方向の前方に位置するように傾斜させた例であり、厚鋼板１に対して垂直な線と溶接ワイヤ３とのなす角βは前進角と呼ばれる。図１中の矢印Ｗは、溶接の進行方向を示す。
　また、本発明においては、板厚が15mm以上の厚鋼板であっても、溶接欠陥を防止し良好な形状のビードを得ることができ、しかも高溶接速度で溶接することができる。ただし、板厚が45mmを超えると、開先が広いので、溶融メタルが十分に広がらず、開先が残りやすい。したがって本発明は、板厚15～45mmの厚鋼板に適用するものとする。
　本発明は、特に溶接速度の向上が大きな課題となる板厚30mm以上の厚鋼板に適用すれば、多大な効果が得られる。
　各電極で使用する溶接ワイヤのワイヤ径（ワイヤの直径）は、3.2～4.8mmの範囲内が好ましい。また、溶接フラックスは、溶融型フラックスならびに焼成型フラックス、いずれも使用できる。
　さらに、本発明は、管状に成形した厚鋼板の端部を突き合わせて行なうＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管のシーム溶接のみならず、平坦な厚鋼板の突き合わせ溶接に好適な溶接方法である。また、様々な形状の開先に適用でき、しかも、片面溶接および両面溶接に適用できる。
　板厚19.1mm、38.1mmの厚鋼板に、片面Ｙ開先を形成して、多電極サブマージアーク溶接（１パス）を行なって溶接継手を作成した。厚鋼板の板厚と開先形状は表１に示す通りである。また、溶接条件は表２、３、４に示す通りである。電極は、進行方向の先頭に配置される電極を第１電極とし、その後方に配置される電極を順に第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極とする。なお、第１電極に供給する溶接電流の種類は表４に記載し、第１電極以外の電極には交流の溶接電流を供給した。表２の「溶接入熱」は、各電極について求めた「溶接電流×アーク電圧」の総和を、「溶接速度」で割ることにより求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　得られた溶接継手の定常部を目視で観察して、溶接欠陥の有無を調査した。さらに、溶接継手の定常部の長さ1000mmにわたってビードの幅を測定し、その最大値と最小値の差を求めた。
　次に、溶接継手の定常部から断面マクロ試料を３個ずつ採取して、厚鋼板の表面から溶込みの先端までの距離を測定し、溶込み深さとして３断面の平均値を評価した。また、同様に断面マクロ試料の観察により、溶込み括れの有無を確認した。ここで溶込み括れとは、図２に示すように、溶込み中央付近における溶込み幅ＭCENTERが、それよりも溶込み先端側の溶込み幅ＭBOTTOMよりも小さくなることを示す。
　これらの結果を表５に示す。表５中の＊３は、ビード幅の最大値と最小値の差が2.5mmを超えた溶接継手であり、溶接が不安定であったことが分かる。表５中の＊２は、溶込み深さが板厚の0.65倍未満であり、溶込みが浅かった溶接継手である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５から明らかなように、本発明を適用した例である発明例（記号１、２、５、６、11、13、14、16、17、18、21、23、24、25）は、いずれも深い溶込みおよび高溶着速度を得ることにより、1200mm／分以上の速い溶接速度で溶接欠陥を防止しながら良好な形状のビードを得ることができた。
　発明例のうち、記号18、25を除くものは第１電極のアーク電圧Ｅ1（Ｖ）と第２電極のアーク電圧Ｅ2（Ｖ）が(12)式を満たすため、溶込み括れが発生しなかった例である。
　発明例のうち、記号６、16は、第１電極に細径（3.2mm）の溶接ワイヤを使用して、板厚38.1mmの厚鋼板の溶接継手を作成した例、記号18は第１電極に細径（3.2mm）の溶接ワイヤを使用して、板厚19.1mmの厚鋼板の溶接継手を作成した例である。これらの発明例は、細径の溶接ワイヤを使用することで電流密度が上昇し、その結果、同じ板厚の他の発明例よりも深い溶込みが得られた。
　また、記号２、16は、第１電極に直流の溶接電流を供給して、板厚38.1mmの厚鋼板の溶接継手を作成した例、記号18、21、24は、第１電極に直流の溶接電流を供給して、板厚19.1mmの厚鋼板の溶接継手を作成した例である。これらの発明例は、直流の溶接電流を第１電極に供給することによって、同じ板厚の他の発明例よりも溶込みが深くなった。
　一方、比較例である記号３、４、20は、４電極で溶接継手を作成したので、発明例と同じ溶接速度で溶接を行なうことによって、アンダーフィルの発生や溶込み不足が発生した。
　記号７、８、９、10、19は、溶接電流の電流密度が(6)～(10)式を満たさないので、アークが乱れて、ビードの幅が大きく変動した。
　記号12は、溶接電流の総和が6000Ａを超えるので、ビードの幅が大きく変動した。
　記号22は、溶接電流の総和が4000Ａ未満であるから、溶込み不足が発生し、かつ電流密度が(9)式を満たさないので、ビードの幅が大きく変動した。
　１　厚鋼板
　２　電極チップ
　３　溶接ワイヤ
　４　溶接金属

Claims (4)

  1. 　板厚15～45mmの厚鋼板の突き合わせ溶接を多電極で行なう多電極サブマージアーク溶接方法において、溶接の進行方向の先頭に第１電極を配置し、第２電極を前記第１電極に隣接して後方に配置し、第３電極を前記第２電極に隣接して後方に配置し、第４電極を前記第３電極に隣接して後方に配置し、第５電極を前記第４電極に隣接して後方に配置して、前記第１電極の溶接ワイヤと前記第２電極の溶接ワイヤが前記厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ12（mm）、および前記第２電極の溶接ワイヤと前記第３電極の溶接ワイヤが前記厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ23（mm）、および前記第３電極の溶接ワイヤと前記第４電極の溶接ワイヤが前記厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ34（mm）、および前記第４電極の溶接ワイヤと前記第５電極の溶接ワイヤが前記厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ45（mm）が下記の(1)～(4)式を満足し、かつ、前記第１電極の電流密度Ｊ1（Ａ／mm2）、および前記第２電極の電流密度Ｊ2（Ａ／mm2）、および前記第３電極の電流密度Ｊ3（Ａ／mm2）、および前記第４電極の電流密度Ｊ4（Ａ／mm2）、および前記第５電極の電流密度Ｊ5（Ａ／mm2）が下記の(6)～(9)式を満足するとともに、前記第１電極～前記第５電極の溶接電流の総和が4000～6000Ａであり、前記第１電極の溶接ワイヤを前記厚鋼板に対して垂直に配設または後退角を持たせて傾斜して配設し、前記第２電極～前記第５電極に交流の溶接電流を供給することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
    12mm≦Ｌ12≦25mm　　　・・・(1)
    12mm≦Ｌ23≦25mm　　　・・・(2)
    12mm≦Ｌ34≦25mm　　　・・・(3)
    12mm≦Ｌ45≦25mm　　　・・・(4)
    0.40≦Ｊ2／Ｊ1≦0.95　　　・・・(6)
    0.60≦Ｊ3／Ｊ2≦0.95　　　・・・(7)
    0.60≦Ｊ4／Ｊ3≦1.00　　　・・・(8)
    0.60≦Ｊ5／Ｊ4≦1.00　　　・・・(9)
  2. 　前記第１電極～前記第５電極に加えて、第６電極を前記第５電極に隣接して後方に配置し、前記第５電極の溶接ワイヤと前記第６電極の溶接ワイヤが前記厚鋼板の表面に接する位置間の距離Ｌ56（mm）が下記の(5)式を満足し、かつ、前記第６電極の電流密度Ｊ6（Ａ／mm2）が下記の(10)式を満足するとともに、前記第１電極～前記第６電極の溶接電流の総和が4000～6000Ａであり、前記第６電極に交流の溶接電流を供給することを特徴とする請求項１に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
    12mm≦Ｌ56≦25mm　　　・・・(5)
    0.60≦Ｊ6／Ｊ5≦1.00　　　・・・(10)
  3. 　前記第１電極に直流電流を逆極性で供給することを特徴とする請求項１または２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
  4. 　前記第１電極のアーク電圧Ｅ1（Ｖ）と前記第２電極のアーク電圧Ｅ2（Ｖ）が下記の(12)式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多電極サブマージアーク溶接方法。
    ０≦Ｅ2－Ｅ1≦３　　　・・・(12)
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