WO2018235701A1 - 多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置 - Google Patents

Abstract

すみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置において、先行極４の極性が逆極性であり、先行極４のトーチ角度θＬが５°≦θＬ≦４５°、後行極５のトーチ角度θＴが４０°≦θＴ≦６０°、且つ、θＬ≦θＴであり、先行極４の電流密度ＪＬ［Ａ／ｍｍ２］とアーク電圧ＶＬ［Ｖ］が、５．０≦ＪＬ／ＶＬ≦１８．５の条件を満足する。これにより、母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を実施可能とする。

Description

多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置

　本発明は、多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置に関し、より詳細には、粉粒状溶接フラックスの内部に２本以上の電極ワイヤを送り込んで溶接を行う多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置に関する。

　造船分野における水平すみ肉溶接において、防錆用塗料の気化に基づく気孔欠陥を低減することが要求されている。例えば、特許文献１では、先行極にソリッドワイヤを用いるとともに、後行極にフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）を用いた水平すみ肉溶接用のタンデムガスシールドアーク溶接方法が開示されている。この特許文献１では、深溶込み効果が得られ、気化した防錆用塗料の排出を可能とすることで気孔欠陥の低減が可能であるとしている。

　また、粉粒状溶接フラックスの中に２本の電極ワイヤを送り込んで溶接するタンデムサブマージアーク溶接として、例えば、特許文献２には、電極ワイヤ径、先行電極及び後行電極の電流、電圧、極間距離、先行電極と後行電極の動作角などの各種溶接条件を特定の範囲とし、塩基度が特定の範囲にある溶融フラックスを用いて、溶接速度が１６０～２００ｃｍ／ｍｉｎの水平すみ肉姿勢で溶接することが開示されている。

　また、特許文献３においても、先行電極及び後行電極の電極ワイヤの直径、各電極ワイヤと溶接線とのなす角度、極間距離などを、それぞれ特定の範囲に設定して溶接する大脚長水平すみ肉サブマージアーク溶接方法が開示されている。

日本国特開２０１４－１８０６９２号公報 日本国特開２０１４－５０８５４号公報 日本国特開昭６３－１６８７０号公報

　特許文献１に記載の方法は、シールドガスを用いるタンデムガスシールドアーク溶接法である。板厚が大きいものに対しては、深溶込み効果を十分確保するために、先行極と後行極の電流、電圧の値を増大させなければならない。しかしながら、このタンデムガスシールドアーク溶接法で電流および電圧の値を過度に増大させると、溶融金属量増加に伴うビードの垂れ、先行極と後行極間の溶融金属流動現象に起因するアーク長変動、または溶接中に発生する過大な電磁気力に起因したアーク不安定等が生じる。このため、特許文献１に記載の方法では、板厚が１２ｍｍを超えるものに対しては、アーク長変動やアーク不安定の影響で深溶込み効果が不十分であるために気孔欠陥を抑制することは考慮されていない。さらに、特許文献１に記載のタンデムガスシールドアーク溶接法は、先行極にソリッドワイヤ、後行極にＦＣＷを用いる必要があり、ワイヤの種類や線径の条件が変わる他の溶接方法には適さない。
　また、特許文献１に記載の方法では、アークの安定と先行極及び後行極間の溶融金属の安定とを両立しつつ、良好なビード形状かつ十分な深溶込み効果を確保するためには、溶接速度が、実用上１２０ｃｍ／ｍｉｎ程度までに限られるという課題がある。

　また、特許文献２に記載の水平すみ肉タンデムサブマージアーク溶接方法では、１６０～２００ｃｍ／ｍｉｎでの高速溶接を可能としているものの、対象としている鋼板はボイラ火炉壁のような板厚８ｍｍ未満の鋼板であり、板厚が１２ｍｍを超える厚鋼板に対しては、十分な深溶込み効果を得ることができず、気孔欠陥を低減することができない。

　さらに、特許文献３に記載の水平すみ肉サブマージアーク溶接方法では、先行極ワイヤ直径を１．２～２．０ｍｍとし、先行極の立板からの傾斜角が４０°未満に設定されているため、深溶込み効果を好適に得ることができず、気孔欠陥を低減することができない。

　本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を実施可能とするすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置を提供することにある。

　本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
　即ち、先行極と後行極の２電極を用いたすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、前記先行極の極性が逆極性（ＤＣＥＰ）であり、前記先行極のトーチ角度θ_Ｌが５°≦θ_Ｌ≦４５°であり、前記後行極のトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°であり、且つ、θ_Ｌ≦θ_Ｔであり、前記先行極の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２］とアーク電圧Ｖ_Ｌ［Ｖ］が式（１）の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５・・・式（１）

　また、３以上の電極を備えるすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、溶接方向に対し、最も先方に位置する先行極の極性が逆極性であり、前記先行極のトーチ角度θ_Ｌが５°≦θ_Ｌ≦４５°であり、溶接方向に対し、最も後方に位置する後行極のトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°であり、且つ、θ_Ｌ≦θ_Ｔであり、前記先行極の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２］とアーク電圧Ｖ_Ｌ［Ｖ］が式（１）の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５・・・式（１）

　また、上述した２電極または３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、溶接速度Ｓ［ｃｍ／ｍｉｎ］が、式（２）の条件を満足してもよい。
５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ・１００／Ｓ・・・式（２）

　また、上述した２電極または３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
　前記先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌ及び前記先行極の突出し長さＥ_Ｌが、式（３）の条件を満足してもよい。
６．０≦Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ≦１２．５・・・式（３）

　また、上述した２電極または３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
　前記後行極の溶接電流を交流としてもよい。

　また、上述した２電極または３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
　前記先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌが、１．２～２．０ｍｍであってもよい。

　また、上述した２電極または３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
　前記後行極のワイヤ直径Ｒ_Ｔが、１．６～６．４ｍｍであってもよい。

　また、上述した２電極または３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
　前記先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌと、前記後行極のワイヤ直径Ｒ_Ｔが、式（４）の関係を満足してもよい。
０．８≦Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌ・・・式（４）

　また、本発明の溶接装置は、上述した多電極サブマージアーク溶接方法により溶接するものである。

　本発明に係るすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置によれば、先行極（３電極以上の場合は溶接方向に対し、最も先方に位置する電極）の極性を逆極性とすることで、深溶込み効果が得られ、また、先行極のトーチ角度θ_Ｌを５°≦θ_Ｌ≦４５°とすることで溶込み方向を鋼板突合せ部に向けることができ、より好適な溶込みが得られる。また、後行極（３電極以上の場合は溶接方向に対し、最も先方に位置する電極）のトーチ角度θ_Ｔを４０°≦θ_Ｔ≦６０°とし、且つθ_Ｌ≦θ_Ｔとすることで、先行極により形成されるビードを平坦化して良好なビード形状に整形することができる。さらに、電流密度Ｊ_Ｌ[Ａ/ｍｍ^２]と、アーク電圧Ｖ_Ｌ[Ｖ]が５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５の条件を満足することで、アークの集中性が向上し、鋼板表面よりも溶接ワイヤが内側に潜り込んだ状態でアークを発生させ、適正なワイヤ溶融量で深溶込み効果を得ることがさらに可能となる。なお、３電極以上の場合において、中間に位置する電極はワイヤ溶融量を適正な範囲に調整するために用いる。そのため、この中間に位置する電極は深溶込み効果ならびにビード整形効果に直接的な影響を及ぼさないことから、トーチ角度や溶接条件等について特に問わない。
　これにより、母材の板厚が厚い場合であっても、十分な深溶込み効果を得ることで気孔欠陥を低減しつつ、溶融金属の安定化によって好適なビード形状を保ったまま高速溶接を行うことができる。

本発明の実施形態に係る多電極サブマージアーク溶接方法のうち、２電極のサブマージアーク溶接を説明するための正面模式図である。 図１に示す２電極サブマージアーク溶接方法を説明するための側面模式図である。 本発明の実施形態に係る多電極サブマージアーク溶接方法のうち、３電極以上の電極を有するサブマージアーク溶接を説明するための正面模式図である。 図３に示す多電極サブマージアーク溶接方法を説明するための側面模式図である。

　以下、本発明を実施するための一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

　本実施形態に係る多電極サブマージアーク溶接方法において、２電極のサブマージアーク溶接方法は、図１及び図２に示すように、下板１、及び立板２からなる母材に対して、不図示のホッパーから供給される粉粒状溶接フラックス３の内部に、先行極４と後行極５を構成する２本のワイヤ（消耗式電極）４０，５０を送り込んで溶接を行う方法である。

　具体的に、これらのワイヤ４０，５０は、溶接トーチの内部に挿通され、各トーチの先端から突き出しており、母材上で、後述する所定の極間距離Ｇ、所定のトーチ角度θ_Ｌ、θ_Ｔ、所定の傾斜角で配置される。また、先行極４と母材との間、後行極５と母材との間、先行極４と後行極５との間がそれぞれ溶接フラックス３で満たされている。

　先行極４及び後行極５のワイヤ４０，５０は、ソリッドワイヤ、またはＦＣＷのいずれかでもよく、また、特にいずれかに限定されるものではないが、深溶込み効果をより好適に得る為には、先行極４のワイヤ４０としてソリッドワイヤが好ましい。加えて、ワイヤ４０，５０は、希土類元素などの高価な元素を含有しない安価なソリッドワイヤであっても適用できる。また、溶接フラックス３は、すみ肉溶接用の一般的なフラックスである。

　先行極４及び後行極５のワイヤ４０、５０は、それぞれが不図示の溶接用電源と接続され、母材である下板１及び立板２との突合せ部（下板１の上面と立板２の側面との間の隅部）に所定のアーク電圧及び溶接電流の電力が供給される。これにより、先行極４と母材との間、及び後行極５と母材との間にそれぞれアークが発生し、そのアーク熱により先行極４及び後行極５のワイヤ４０，５０と、母材とが溶融して溶融金属７ａとなる。また、溶融金属７ａ上には、溶接フラックス３が溶融して溶融スラグ８ａが形成される。そして、先行極４、後行極５及びホッパーを、溶接方向Ｘに前進させると、これらの後方では、溶融金属７ａ及び溶融スラグ８ａが凝固し、ビード（溶接金属）７ｂ及びその上部の凝固スラグ８ｂが形成される。

　なお、３電極を有するサブマージアーク溶接については、図３および図４に示す。この場合、溶接方向に対し、最も先方に位置する先行極４と、溶接方向に対し、最も後方に位置する後行極５との間に、中間極６が配置され、中間極６を構成するワイヤ６０もワイヤ４０，５０と共に溶接フラックス３内に送り込まれて、溶接が行われる。なお、中間極６のワイヤ６０も、ソリッドワイヤ、ＦＣＷのいずれでもよい。

　ここで、本実施形態では、母材の板厚が厚い場合であっても、ピットやブローホールのような気孔欠陥を低減すべく、十分な深溶込み効果が得られるとともに、良好なビード形状を与え、且つ、高速のすみ肉溶接を行うことができるように、各種溶接条件を設定した。
　以下、各種溶接条件について、その理由と共に説明する。

　［先行極４及び後行極５のトーチ角度θ_Ｌ、θ_Ｔ］
　トーチ角度は、図２に示すように、先行極及び後行極４，５の中心線（ワイヤ４０、５０の先端部である突き出し部の中心線）と、下板１の上面とがなす角度で表される。本実施形態では、先行極４のトーチ角度θ_Ｌが、５°≦θ_Ｌ≦４５°であり、後行極５のトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°であり、且つθ_Ｌ≦θ_Ｔに設定されている。また、溶接線を軸とし、下板１が水平面との間に角度を持って配置されている場合（母材傾斜）であっても重力の作用方向が深溶込み効果を阻害しない場合には本発明の効果を得ることができる。

　先行極４のトーチ角度θ_Ｌを、５°以上、且つ４５°以下としたのは、トーチ角度θ_Ｌが５°未満であると、ビード７ｂがオーバーラップしてしまい、形状として不適になることに加え、先行極４のワイヤ４０が、下板１の表面に近接しているため、アーク点が不安定となる場合がある。

　また、トーチ角度θ_Ｌが４５°を超えると、溶込み方向が下板１側に偏向してしまい、鋼板突合せ部への深溶込み効果を得られず、気孔欠陥を低減できない虞がある。
　なお、先行極４のトーチ角度θ_Ｌとしては、２０°≦θ_Ｌ≦３５°とするのが好ましい。

　また、後行極５のトーチ角度θ_Ｔは、４０°≦θ_Ｔ≦６０°とすることで、先行極４により形成されるビード７ｂの凸形状が平坦化して良好なビード形状に整形される。

　［先行極４及び後行極５の傾斜角］
　また、傾斜角は、先行極４および後行極５の中心線と溶接方向Ｘを法線とする面とがなす角度で表される。本実施形態では、この先行極４及び後行極５の溶接方向Ｘに対する傾斜角は、特に限定されるものではないが、ビード形状を考慮して、それぞれ０°以上かつ１５°以下の後退角又は前進角となるように設定することが好ましい。
　なお、電極が後退角の場合は、溶込みが深くなる傾向があり、前進角の場合は、溶込みが浅くビードが広がる傾向がある。

　［極間距離Ｇ］
　各電極間の距離である極間距離Ｇは、特に限定されるものではないが、１０～４５ｍｍとすることが好ましい。極間距離Ｇを１０ｍｍ以上に設定する事によって、電極間のアーク干渉を防ぎつつ好適なビード整形効果を得ることができる。また、極間距離Ｇを４５ｍｍ以内とする事で、設備の大型化や不良部発生の抑制により効果的である。

　［先行極４及び後行極５のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌ、Ｒ_Ｔ］
　先行極４のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌは、１．２～２．０ｍｍとするのが好ましい。先行極４のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌが１．２ｍｍ未満であると、電流を増大させる際にワイヤ送給速度を過剰に高速にしなければならず、送給装置が大型化する。一方、先行極４のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌが２．０ｍｍを超えると、後述する電流密度Ｊ_Ｌ[Ａ／ｍｍ^２]の値を大きくするために電流を増大させる必要があり、溶着金属量の増大を招く。そのため、後行極５によるビード整形効果を好適に得られず、のど厚の増大やオーバーラップ等の外観不良を生じる虞がある。

　したがって、先行極４のワイヤ直径Ｒ_Ｌを、１．２～２．０ｍｍとすることで、適正な電流を供給し、過大なワイヤ送給速度や、溶着金属量の増大を防止することができ、後行極５による好適なビード整形効果により外観不良を防止することができる。

　また、後行極５のワイヤ５０の直径Ｒ_Ｔは、１．６～６．４ｍｍとするのが好ましい。これにより、後行極５による溶着量をより好適に確保するとともに、先行極４による凸ビード形状を整形することが可能となる。なお、一般的なガスシールドアーク溶接では、ワイヤ直径が２．０ｍｍを超えるものを送給する事は考慮されておらず、好適なビード整形効果と溶着金属量を両立する事が困難となる場合がある。

　さらに、先行極４のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌと、後行極５のワイヤ５０の直径Ｒ_Ｔとの比（Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌ）は、０．８以上に設定するのがよい。これによって、先行極４と後行極５による溶着金属の総量を好適に確保するとともに、後行極５によるビード整形の効果がより好適に得られ、良好なビード形状とすることが可能となる。

　Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌが０．８未満であると、後行極５のワイヤ５０の直径Ｒ_Ｔが、先行極４のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌよりも過度に細く、アークの広がりが不十分となって、ビード整形効果を好適に得ることができない。

　Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌのより好ましい範囲は、１．０≦Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌ≦５．０である。即ち、先行極４と後行極５を同径化すれば、ワイヤの管理が容易となる。また、後行極５のワイヤ５０の直径Ｒ_Ｔの過度な太径化による脚長増加を抑止することができる。

　［先行極４の突出し長さＥ_Ｌ］
　また、先行極４のワイヤ４０の直径Ｒ_Ｌと、先行極４のワイヤ４０の突出し長さＥ_Ｌとの比（Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ）は、６．０≦Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ≦１２．５に設定されるのが好ましい。Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌが６．０未満だと、突出し長さＥ_Ｌが過度に短く、溶接終了地点などでコンタクトチップの融着を招く虞がある。また、Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌが１２．５を超えると、突出し長さＥ_Ｌが過度に長く、電流が低下するために送給速度の増加が必要となるほか、ワイヤ狙い位置のズレを生じやすくなるために溶込み方向のズレやビード外観の劣化を引き起こす場合がある。

　したがって、先行極４のワイヤ直径Ｒ_Ｌ及び先行極４の突出し長さＥ_Ｌが、６．０≦Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ≦１２．５の条件を満足することで、溶接終了地点などでのコンタクトチップの融着を防止し、溶込み方向のズレやビード外観の劣化を抑制することができる。

　［先行極４及び後行極５の極性］
　なお、電力を供給する際の先行極４及び後行極５の極性は、深溶込み効果が得られ易く気泡の排出が容易であることや、溶着金属量及びビード形状を考慮して、先行極４は、逆極性（ＤＣＥＰ）とし、後行極５は交流（ＡＣ）とするのがよい。後行極５の溶接電流を交流とすることで、溶接中の先行極４と後行極５の電磁気的な干渉を抑制することができ、好適なビード形状を得ることができる。また、電極数が３以上の場合には、先行極４との電磁気的な干渉を抑制するために、中間極６の溶接電流をＡＣとすることがよい。

　［先行極４の電流密度Ｊ_Ｌとアーク電圧Ｖ_Ｌとの比（Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ）]
　先行極４に供給される電力の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２]、及びアーク電圧Ｖ_Ｌ[Ｖ]は、５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５の条件を満足するように、不図示の制御装置により制御される。

　先行極４の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２]と、アーク電圧Ｖ_Ｌ[Ｖ]との比（Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ）が、５．０以上、且つ１８．５以下の条件を満足することで、アークの集中性が向上し、ワイヤ４０が鋼板表面よりも内側に潜り込んだ状態でアークが発生し、適正なワイヤ溶融量で深溶込み効果を得ることが可能となる。

　Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌが５．０未満であると、ワイヤ４０が鋼板表面より内側に潜り込んでアークを発生させることができず、深溶込み効果が得られない。また、Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌが１８．５を超えると、先行極４によるワイヤ溶融量が過度に増加するため、後行極５によってビード外観を十分に整形することができず、ビード外観が不適となる。

　なお、深溶込み効果及びビード整形効果をより好適に得るためには、先行極４の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２]とアーク電圧Ｖ_Ｌ[Ｖ]との比（Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ）を８．５≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１３．０とすることが望ましい。
　特に、上述した先行極４のトーチ角度θ_Ｌを２０°≦θ_Ｌ≦３５°とし、先行極４の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２]とアーク電圧Ｖ_Ｌ[Ｖ]との比（Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ）を８．５≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１３．０とすることで、溶込み方向が母材の突合せ部に集中するほか、後行極５によるビード整形効果が好適に得られ、適切な溶接ビードが得られる。

　［溶接速度Ｓ］
　また、深溶込み効果を維持するため、溶接速度Ｓ［ｃｍ／ｍｉｎ]は、５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ・１００／Ｓの条件を満足するように、不図示の制御装置により制御される。

　これにより、先行極４による深溶込み効果と、後行極５のビード整形効果により、ビード外観を好適なものとすることができる。Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ・１００／Ｓが５．０未満だと、溶接速度Ｓが速すぎるために溶込み形状が浅くなり、気孔欠陥が増加すると共に、アンダーカットなどの欠陥も生じやすくなる。また、溶接速度Ｓが低速だと、溶着金属量が過度に増加し、ビード外観が劣化すると共に、施工能率が低下する。このため、Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ・１００／Ｓの上限値を２６．０とすることが好ましい。

　以上説明したように、本実施形態の多電極サブマージアーク溶接方法及び溶接装置によれば、各種溶接条件を設定することで、深溶込み効果により気孔欠陥の低減を可能にしつつ、例えば、母材の板厚が２０ｍｍまでのすみ肉溶接を、溶接速度が２５０ｃｍ／ｍｉｎ、好ましくは２００ｃｍ／ｍｉｎまでの高速で行うことができる。

　特に、本実施形態では、少なくとも、先行極４の極性を逆極性とし、先行極４のトーチ角度θ_Ｌを５°≦θ_Ｌ≦４５°、後行極５のトーチ角度θ_Ｔを４０°≦θ_Ｔ≦６０°、且つ、θ_Ｌ≦θ_Ｔとし、先行極４の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２］とアーク電圧Ｖ_Ｌ［Ｖ］を、５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５の条件を満足するようにすることで、母材の板厚が厚い場合であっても、良好なビード形状を維持しつつ、深溶込み効果を有するすみ肉溶接を高速で行うことができる。

　なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。さらに、本発明は、これらの記載に基づいて、適宜、変形、改良等が可能である。

　例えば、本実施形態に係る多電極サブマージアーク溶接方法は、先行極４及び後行極５により１つの溶融池を形成する１プール溶接であっても、先行極４及び後行極５により２つの溶融池を形成する２プール溶接のいずれであってもよい。また、本発明の溶接方法では、ウィービングが行われてもよい。さらに、溶接姿勢は特に問わず、水平すみ肉溶接としてよいし、下向きすみ肉溶接としてもよい。

　本発明の有効性を立証するため、先行極及び後行極のそれぞれについて、ワイヤ直径、溶接電流、アーク電圧、電流密度、溶接速度、トーチ角度、前進角又は後退角、ワイヤ突出し長さ、及び極性を変更した各種溶接条件において、サブマージアークによるすみ肉溶接試験を行った。なお、後行極のワイヤはソリッドワイヤを用い、極間距離は１５ｍｍとして溶接試験を行っている。

　使用した下板及び立板の鋼板の化学組成を表１に、先行極及び後行極に用いたソリッドワイヤの化学組成を表２に、先行極に用いたＦＣＷの化学組成を表３に、溶接フラックスの化学組成を表４に、それぞれ示す。なお、表２及び表３のソリッドワイヤの化学組成における残部は、Ｆｅ及び不可避不純物である。また、表４の溶接フラックスの化学組成における残部は、酸化物、フッ化物と不可避的不純物で構成されている。例えば、酸化物としては、ＣａＯ，ＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＦｅＯ，ＢａＯ，Ｋ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏのうち一種以上を含有し、その酸化物の含有量は合計で０．０１～３．００％の範囲である。また、フッ化物としては、ＣａＦ_２、ＮａＦ_２、Ｋ_２ＳｉＦ_２のうち一種以上を含有し、合計で０．０１～５．００％程度の範囲である。さらに、各試験において、下板及び立板に使用された母材の板厚は、１２ｍｍである。また、３電極の場合には、先行極と後行極を除く中間極の溶接条件を表５の条件としている。

　溶接品質は、ピット、ビード外観については目視による外観検査で、ブローホールについてはＸ線透過試験により評価した。ピットについては、ピット無しは○、ピット有りは×（不合格）とした。また、ブローホールについては、溶接長１００ｍｍに対してブローホールが３個未満は◎、溶接長１００ｍｍに対してブローホールが３個以上、６個未満は○、溶接長１００ｍｍに対してブローホールが６個以上は×（不合格）とした。ビード外観については、ビード形状良好なものは◎、外観不良はないが、表面波目模様が粗いものは○、ビード蛇行、アンダーカット、オーバーラップなどの外観不良があるものは×（不合格）とした。
　試験結果を、各溶接条件と共に表６に示す。

　表６に示すように、先行極の極性、先行極のトーチ角度θ_Ｌ（５°≦θ_Ｌ≦４５°）、後行極のトーチ角度θ_Ｔ（４０°≦θ_Ｔ≦６０°）、トーチ角度θ_Ｌ、θ_Ｔの大きさ（θ_Ｌ≦θ_Ｔ）、先行極の電流密度Ｊ_Ｌとアーク電圧Ｖ_Ｌの比（Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ）のいずれの５つの条件が、本発明で規定する範囲内である各試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．４７では、いずれのワイヤ径、溶接速度、前進角又は後進角、突出し長さ、後行極の極性、極間距離、母材傾斜、３電極目の有無においても、ピット、ブローホール、及びビード外観が合格レベルを満たした。

　一方、先行極の極性が正極性である試験Ｎｏ．４８では、ピット、ブローホール、及びビード外観が合格レベルに達せず、先行極の溶接電流を交流とした試験Ｎｏ．４９では、ブローホールが合格レベルに達しなかった。

　また、先行極のトーチ角度θ_Ｌが本発明で規定する下限値未満である試験Ｎｏ．５０では、ビード外観が合格レベルに達せず、上限値を超える試験Ｎｏ．５１では、ピット、及びブローホールが合格レベルに達しなかった。また、後行極のトーチ角度θ_Ｔが本発明で規定する下限値未満である試験Ｎｏ．５２、及び上限値を超える試験Ｎｏ．５３では、いずれもビード外観が合格レベルに達しなかった。

　さらに、先行極の電流密度Ｊ_Ｌとアーク電圧Ｖ_Ｌの比が、本発明で規定する下限値未満である試験Ｎｏ．５４では、ピット、ブローホール、及びビード外観が合格レベルに達せず、先行極の電流密度Ｊ_Ｌとアーク電圧Ｖ_Ｌの比が、本発明で規定する上限値を超える試験Ｎｏ．５５では、ビード外観が合格レベルに達しなかった。

　また、先行極のトーチ角度θ_Ｌと後行極のトーチ角度がθ_Ｔがθ_Ｌ≦θ_Ｔを満たさない試験Ｎｏ．５６ではビード外観が合格レベルに達しなかった。

　なお、試験Ｎｏ．１～４を比較すると、Ｎｏ．１及びＮｏ．３では、上述した５つの条件を満たし、特に、先行極のトーチ角度θ_Ｌを２０°≦θ_Ｌ≦３５°とすることで、ビード外観が向上することがわかる。

　また、試験Ｎｏ．１１～１４を比較すると、Ｎｏ．１１及びＮｏ．１２では、上述した５つの条件を満たしつつ、先行極のワイヤ径を好ましい範囲（１．２～２．０ｍｍ）とすることで、ブローホールが低減し、及びビード外観が向上していることがわかる。

　さらに、試験Ｎｏ．１７～２１を比較すると、Ｎｏ．１７及びＮｏ．１８では、上述した５つの条件を満たしつつ、先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌと後行極のワイヤ直径Ｒ_Ｔの比（Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌ）を好ましい範囲（０．８～５．０）とすることで、ブローホールが低減し、及びビード外観が向上していることがわかる。

　また、試験Ｎｏ．１と試験Ｎｏ．２２、２３とを比較すると、後行極の溶接電流を交流とするほうが、直流（ＤＣＥＰ、ＤＣＥＮ）とするよりもブローホールが低減し、ビード外観が良好であることがわかる。

　また、試験Ｎｏ．２４～２７を比較すると、Ｎｏ．２４及びＮｏ．２５では、上述した５つの条件を満たしつつ、先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌと先行極の突出し長さＥ_Ｌとの比（Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ）を好ましい範囲（６．０≦Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ≦１２．５）とすることで、より良好なビード外観が得られることがわかる。

　さらに、試験Ｎｏ．３２～３９を比較すると、Ｎｏ．３２及びＮｏ．３４のように、上述した５つの条件を満たしつつ、先行極の傾斜角を前進角又は後進角で１５°の範囲内とすることで、ビード外観が向上することがわかる。

　また、試験Ｎｏ．４０～４３を比較すると、Ｎｏ．４０及びＮｏ．４１のように、上述した５つの条件を満たしつつ、極間距離を１０～４５ｍｍの範囲内とすることでブローホールが低減することがわかる。
　なお、本出願は、２０１７年６月１９日出願の日本特許出願２０１７－１１９４２７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

４    　先行極
５    　後行極
Ｅ_Ｌ  　先行極の突出し長さ
Ｊ_Ｌ  　先行極の電流密度
Ｒ_Ｌ  　先行極のワイヤ直径
Ｒ_Ｔ  　後行極のワイヤ直径
Ｓ    　溶接速度
Ｖ_Ｌ  　先行極のアーク電圧
θ_Ｌ  　先行極のトーチ角度
θ_Ｔ  　後行極のトーチ角度

Claims (9)

1. 　先行極と後行極の２電極を用いたすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、
   　前記先行極の極性が逆極性であり、
   　前記先行極のトーチ角度θ_Ｌが５°≦θ_Ｌ≦４５°であり、前記後行極のトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°であり、且つ、θ_Ｌ≦θ_Ｔであり、
   　前記先行極の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２］とアーク電圧Ｖ_Ｌ［Ｖ］が式（１）の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
   ５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５・・・式（１）
2. 　３以上の電極を備えるすみ肉溶接用の多電極サブマージアーク溶接方法であって、
   　溶接方向に対し、最も先方に位置する先行極の極性が逆極性であり、
   　前記先行極のトーチ角度θ_Ｌが５°≦θ_Ｌ≦４５°であり、溶接方向に対し、最も後方に位置する後行極のトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°であり、且つ、θ_Ｌ≦θ_Ｔであり、
   　前記先行極の電流密度Ｊ_Ｌ［Ａ／ｍｍ^２］とアーク電圧Ｖ_Ｌ［Ｖ］が式（１）の条件を満足する、多電極サブマージアーク溶接方法。
   ５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ≦１８．５・・・式（１）
3. 　溶接速度Ｓ［ｃｍ／ｍｉｎ］が、式（２）の条件を満足する、請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
   ５．０≦Ｊ_Ｌ／Ｖ_Ｌ・１００／Ｓ・・・式（２）
4. 　前記先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌ及び前記先行極の突出し長さＥ_Ｌが、式（３）の条件を満足する、請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
   ６．０≦Ｅ_Ｌ／Ｒ_Ｌ≦１２．５・・・式（３）
5. 　前記後行極の溶接電流を交流とする、請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
6. 　前記先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌが、１．２～２．０ｍｍである、請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
7. 　前記後行極のワイヤ直径Ｒ_Ｔが、１．６～６．４ｍｍである、請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
8. 　前記先行極のワイヤ直径Ｒ_Ｌと、前記後行極のワイヤ直径Ｒ_Ｔが、式（４）の関係を満足する、請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
   ０．８≦Ｒ_Ｔ／Ｒ_Ｌ・・・式（４）
9. 　請求項１又は２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法により溶接することを特徴とする溶接装置。

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