JP4707949B2 - 多電極片面サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、３電極または４電極の電極を用いて行う高能率な片面サブマージアーク溶接方法に関する。

従来より、厚鋼板の高能率溶接方法として、片面サブマージアーク溶接方法が造船を中心に盛んに適用されている。近年さらに効率化の要求は高くなり、フラックスを裏当に使用した３電極以上の電極を用いて、溶接速度が１００ｃｍ／ｍｉｎ以上の高速度で溶接可能な技術が開発されている。例えば特開平６−２５４６８３号公報においては、第１電極に直流電流を流し低電圧としてアークを集中させ、第２電極の電圧を高くして安定且つ健全な裏ビードを形成する。また特開平８−９９１７８号公報においては、各電極のワイヤ径、第１電極と第２電極の溶接電流、電極間距離および裏当てフラックスの散布厚と嵩密度を限定して高速溶接で裏ビードの幅および高さが安定した滑らかな裏ビードを得ている。さらに特開平５−３３７６５１号公報には、４電極で、各電極のワイヤ径、各電極の溶接電流、電極間距離、裏フラックス成分、表フラックス成分およびワイヤのＣ量を限定して健全な欠陥のない溶接金属を得る技術の開示がある。

しかしながら、最近の造船における国際競争力の激化からさらに高能率化が要望されており、前述の技術でさらに溶接速度を早くして高能率化を図るには問題がある。すなわち、溶接電流を高くすると裏ビードが出過ぎてビードが不均一になり、かつ裏当銅板からの冷却により溶接金属の凝固が早く、図３の溶接部のマクロ組織の概念図に示すように溶接金属２１がビード幅中央部でデンドライト（樹枝状晶）が会合した組織となって、この個所で非常に割れやすくなる。したがって、これ以上の高速化は不可能であり、他の手段からの能率向上が望まれる。

図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、ここでいう片面サブマージアーク溶接方法の例を示す断面図である。図１（ａ）においては、突き合わされた被溶接材１の裏面から、銅当金２上に層状に散布した裏フラックス４をエアーホース５等の押し上げ機構により被溶接材１の裏面に押圧して、表面よりワイヤ３、表フラックス６を用いてサブマージアーク溶接を行なう。また図１（ｂ）においては銅当金を使用せず、耐火性キャンバス７内に収納された裏フラックス４をエアーホース５等の押し上げ機構により被溶接材１の裏面に押圧している。これらの方法により被溶接材１の表側と裏側に同時に溶接ビードが形成される。
特開平６−２５４６８３号公報 特開平８−９９１７８号公報 特開平５−３３７６５１号公報

本発明は、３電極または４電極の電極を用いて鋼板の板厚全体を１ランで溶接する片面サブマージアーク溶接において、高能率に健全な溶接金属を得る溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、粒状または粉状フラックスを裏当に使用し、３電極または４電極の電極を使用して板厚全体を１ランで行う片面サブマージアーク溶接方法において、被溶接材の開先角度を３５〜６０°のルート面を有しないＶ形状の開先とし、該開先内に鋼粒または鉄粉を被溶接材板厚の１／３から被溶接材表面の高さまで充填し、各電極のワイヤ径は４．８ｍｍ以上で、第１電極の電流（Ｉ１）を１２００〜２０００Ａとし、また第２電極の電流（Ｉ２）および第３電極の電流（Ｉ３）はＩ１＞Ｉ２≧Ｉ３とすると共に、Ｉ１＋Ｉ２を２４５０〜３４００Ａとし、かつ第１電極と第２電極の電極間距離を２０〜７０ｍｍ、第２電極と第３電極の電極間距離を３電極溶接の場合１００〜１５０ｍｍ、４電極溶接の場合１５０〜３００ｍｍで溶接することを特徴とする多電極片面サブマージアーク溶接方法にある。
また、第４電極の電流（Ｉ４）は、第３電極の電流（Ｉ３）以下（Ｉ３≧Ｉ４）であることも特徴とする。

本発明の多電極片面サブマージアーク溶接方法によれば、被溶接材の開先形状をＶ形状の開先とすることにより、溶接前処理の開先加工工程を１工程省略でき、開先内に鋼粒または鉄粉を充填して各電極のワイヤ径、溶接電流および電極間距離を適正にすることによって高能率に健全な溶接金属を得ることができる。

本発明者等は、多電極片面サブマージアーク溶接方法において、さらなる高能率化について、溶接工程前後の工程および溶接施工条件等種々検討した結果、以下の知見を得た。

本発明のサブマージアーク溶接は３電極または４電極で行なうが、第１、第２電極と第３電極以降の電極とは、後に詳細に説明するように別のプールを形成する条件で溶接する。これにより図２の本発明の方法による溶接部のマクロ組織の概念図に示すように、第１、第２電極による溶接金属２２が凝固した後に第３電極以降の電極による溶接金属２３が凝固した組織になる。このためデンドライトは図２に示すように上方に成長した形になり、図３のようなビード幅中央部でデンドライトが会合した組織と異なり割れが発生し難い。なおサブマージアーク溶接においては凝固した溶接金属はスラグで覆われるが、スラグが溶融状態であるか凝固しても未だ高温の状態であればスラグは導電性があり、後の電極によるアーク発生に対して障害にはならない。

また本発明の溶接方法は鋼板の板厚全体を１ランで溶接するものであるが、板厚１０ｍｍ程度から４０ｍｍ程度まで適用できる。また３電極で溶接するか４電極で溶接するかは板厚２０ｍｍ程度まではどちらでも良く、４電極にすれば溶接速度をより高速にできる。また板厚が２０ｍｍ程度より大きい場合には４電極にして溶着すべき金属量の増大に対処し、表ビードの余盛り不足の発生を確実を防止することが好ましい。

本発明は被溶接材の開先形状としてルート面を有しないＶ形開先を採用することを特徴とする。すなわち従来からの多電極片面サブマージアーク溶接方法における被溶接材の開先形状は、仮組の容易性および溶接施工条件範囲の広さから、Ｙ形開先が採用されていた。なお、この後の説明においてＶ開先ないしはＶ形開先、Ｖ形状の開先とはルート面を有しないものを指し、この点でＹ開先と区別している。図４（ａ）、（ｂ）は仮組工程の前工程に位置する開先加工工程を説明する図であって、（ａ）図はＹ開先、（ｂ）図はＶ開先の場合であり、図中符号Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ切断トーチの方向を示している。図４（ａ）に示すように、Ｙ形開先の場合は被溶接材端部を目標の板幅になるようにＡ方向に垂直切断した後、所定の開先角度になるようにＢ方向に切断するという、一つの端面に対して２度の切断工程が必要である。これに対してＶ形開先を採用することによって図４（ｂ）に示すようにＣ方向の切断を１回するだけで板幅の決定と開先切断ができることになる。

しかしＶ形開先を採用した場合Ｙ形開先と異なり開先にルート面２４（図４（ａ））が無いので、図５の開先断面図に示すように仮組溶接時に開先の突き合わせ部が上下にずれるという問題が生じた。そこで本発明者等が先に提案した特許第３２１５３１２号公報および特許第３２１５３１３号公報に記載の２枚の板体の相対位置決め装置を用いることによって、被溶接材の開先面にずれがないように固定でき、仮組溶接が容易となった。

上記のようにＶ形開先を採用した場合ルート面が無いので、従来からのサブマージアーク溶接方法では裏ビードが出過ぎてビードが不均一になり、低電流、低速度での溶接施工条件を余儀なくされる。本発明においては開先内に鋼粒または鉄粉を被溶接材板厚の１／３から被溶接材表面の高さまで充填することにしたので、溶接施工条件の許容範囲を広くできる。このさい開先内への鋼粒または鉄粉の充填厚さが板厚の１／３未満であると、裏ビードが出過ぎてビードが不均一となる。このため裏ビードの幅および高さを均一にしようとすると、低電流で低速度の溶接施工条件を採用することになり能率が悪くなる。逆に開先内への鋼粒または鉄粉の充填厚さが被溶接材の表面を超えると、裏ビードが出難くなる。このため高電流で高速度の溶接施工条件を採用した場合に裏ビードが不均一で溶接金属の凝固が早く、溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。

なお、鋼粒または鉄粉の粒度分布は、粒径１．５ｍｍ以下であることがアークの安定性および裏ビードの形状を良好にすることから好ましい。また、成分は主にＦｅからなるが、耐割れ性からＣは０．１０質量％以下、ＳおよびＰは０．０２０質量％以下が好ましく、他の成分は、溶接金属の強度および靭性を考慮してＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、その他脱酸剤や合金剤を含有させることもできる。以上の粒度と成分を満足すれば、各種サイズの鋼ワイヤをカットした粒状体でも良い。

Ｖ形開先の開先角度は、裏ビードおよび表ビードの形成、溶け込み形状および溶着量に影響するので３５〜６０°とする。開先角度が３５°未満であると、アークが発生する点が高くなるので裏ビードが安定して形成できない。また溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。一方、開先角度が６０°を超えると開先断面積が大きく、溶着金属量を確保するために溶接速度を遅くする必要が生じて溶接能率が悪くなる。なおＶ開先のルート間隔は原則的にはゼロ、すなわち斜めに切断された板の端部同士を接触させた状態にするが、３ｍｍ程度までは許容できる。

次に、溶接施工条件についての好ましい範囲について説明する。まず、各電極のワイヤ径は４．８ｍｍ以上とする。本発明は溶接速度を遅くすることなく高能率に被溶接材を片面溶接するために高電流の溶接条件で第１電極および第２電極によって健全な裏ビードを形成するが、ワイヤ径が４．８ｍｍ未満であるとアークが集中して裏ビードが凸状になりアンダーカットが発生する。したがってアークをソフトにして裏ビードを広げるために、ワイヤ径を４．８ｍｍ以上とする。第３電極および必要に応じて使用する第４電極は、割れ、融合不良およびスラグ巻き込み欠陥等の内部欠陥の発生を防止し、適度な余盛りの表ビードを形成するために必要な溶着量を確保する。第３電極および第４電極のワイヤ径が４．８ｍｍ未満であると、アークが集中して広がらず、溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。さらには融合不良が生じたり、溶着量が不足して表ビードの余盛り不足を生じる場合がある。

第１電極の電流（Ｉ１）は、健全な裏ビードを形成するために１２００〜２０００Ａとする。第１電極の電流（Ｉ１）が１２００Ａ未満であると、裏ビードが安定して形成できない。逆に、２０００Ａを超えると、裏ビードが出過ぎてビードが不均一になる。また第２電極の電流（Ｉ２）および第３電極の電流（Ｉ３）は、第１電極の電流（Ｉ１）を基準として、Ｉ１＞Ｉ２≧Ｉ３とすると共に、Ｉ１＋Ｉ２を２４５０〜３４００Ａとする。第２電極の電流（Ｉ２）は裏ビードの形成をコントロールするために第１電極の電流（Ｉ１）未満とする。第２電極の電流（Ｉ２）が第１電極の電流（Ｉ１）以上（Ｉ１≦Ｉ２）になると、裏ビードが出過ぎてビードが不均一になる。

また図６は溶接線方向における電極の配置を示す図であるが、第１電極８と第２電極９の電極間距離１２は裏ビード形状をコントロールするために２０〜７０ｍｍとする。第１電極８と第２電極９の電極間距離１２が２０ｍｍ未満であると、裏ビードが出過ぎとなる。逆に７０ｍｍを超えると裏ビードに広がりがなく、アンダーカットが発生する。

第３電極以降は融合不良やスラグ巻き込み等内部欠陥の発生を防止し、必要な溶着量を確保し、同時に第１電極および第２電極で形成された溶接金属を溶融し、図２に示すように溶接金属のデンドライトを上方に成長した形に制御して高温割れを防止する。先に述べた条件に反して第３電極の電流（Ｉ３）が第２電極の電流（Ｉ２）を超える（Ｉ２＜Ｉ３）と、溶着量は多くなるが溶け込みが深くなり、溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になるので割れやすくなる。

また、第１電極および第２電極で形成される溶融池（プール）内に第３電極が配置されると、いわゆるワンプールとなり第３電極によるアークが裏ビードまで達し、裏ビードが出過ぎるとともに溶接金属がビード幅中央でデンドライトが会合した組織になり、割れやすくなる。したがって、図６に示すように第２電極９と第３電極１０の電極間距離１３は３電極溶接の場合１００〜１５０ｍｍ、４電極溶接の場合１５０〜３００ｍｍとする。第２電極９と第３電極１０の電極間距離が３電極溶接の場合１００ｍｍ未満、４電極溶接の場合１５０ｍｍ未満であると、溶融池はワンプールとなり、裏ビードが出過ぎるとともにビード幅中央でデンドライトが会合した組織になり割れやすくなる。逆に、第２電極９と第３電極１０の電極間距離１３が３電極溶接の場合１５０ｍｍ超、４電極溶接の場合３００ｍｍ超であると、第１電極８および第２電極９で生成した溶融スラグが完全に凝固してしまい、アークが不安定となり表ビード形状が不良になるとともに融合不良やスラグ巻き込み欠陥が生じる。なお本発明における各電極間距離１２、１３、１４とは、開先底面１５におけるワイヤの中心間距離をいう。

また第４電極を使用する場合、第４電極の電流（Ｉ４）は第３電極の電流（Ｉ３）以下（Ｉ３≧Ｉ４）とする。第４電極は第３電極での溶着量の不足分を補うとともに、表ビードを広げてアンダーカットの発生を抑制する。第４電極の電流（Ｉ４）が第３電極の電流（Ｉ３）を超える（Ｉ３＜Ｉ４）と、表ビードが凸状になりアンダーカットが生じる。なお、第３電極１０と第４電極１１の電極間距離１４は、表ビードの幅を広げるために２０〜７０ｍｍであることが好ましい。

表１に示す鋼材（材質ＪＩＳ ＳＭ４００）をＶ形状の開先に切断し、表２に示すワイヤ、表３に示す裏フラックスおよび表４に示す表フラックスを用いて、表５および表６に示す溶接条件で、溶接長２０００ｍｍの片面サブマージアーク溶接を図１（ａ）に示す装置で実施した。なお開先内に充填した鋼粒は、成分がＣ：０．０５質量％、Ｓｉ：０．０１質量％、Ｍｎ：１．５１質量％、Ｐ：０．００８質量％、Ｓ：０．００６質量％の１ｍｍ径の鋼ワイヤを長さ１ｍｍに切断したものを用いた。

表５に示した試験Ｎｏ．１〜４が本発明例で、表６に示した試験Ｎｏ．５〜８が比較例である。それぞれの試験例について、溶接後の裏ビードおよび表ビードの外観を調査した後、Ｘ線透過試験で溶接金属の内部欠陥の有無を調査した。それらの結果もそれぞれ表５および表６にまとめて示す。

本発明例である試験Ｎｏ．１〜４は、いずれもＶ形状の開先角度および開先内への鋼粒充填厚さが適正であるので、裏ビードおよび表ビードともビード形状が良好で均一であり溶接金属内部にも欠陥がなく、高能率に溶接でき、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．５は、開先内への鋼粒充填高さが板厚に対して低いので、裏ビードが出過ぎてビードが不均一であった。
試験Ｎｏ．６は、開先内への鋼粒充填高さが板厚に対して高いので、裏ビードが出なかった。
試験Ｎｏ．７は、開先角度が広いので、開先断面積が大きく溶接金属の溶着量が不足した。
試験Ｎｏ．８は、開先角度が狭いので、裏ビードが出ない所があり、また一部高温割れも生じた。

実施例１に用いたものとそれぞれ同じの、表１に示す鋼材をＶ形状の開先に切断し、表２に示すワイヤ、表３に示す裏フラックスおよび表４に示す表フラックスを用いて、溶接長２０００ｍｍの片面サブマージアーク溶接を図１（ａ）に示す装置で実施した。開先内に充填した鋼粒は実施例１で用いたものと同一である。溶接条件を表７ないし表９に示すように、この溶接試験においてはワイヤ径、各電極の溶接電流および電極間距離を変えた溶接条件で行なった。

表７に示した試験Ｎｏ．９〜１２が本発明例で、表８および表９に示した試験Ｎｏ．１３〜２０が比較例である。それぞれの試験例についての調査は実施例１と同様に行った。それらの結果もそれぞれ表７ないし表９にまとめて示す。

本発明例である試験Ｎｏ．９〜１２は、いずれもＶ形状の開先角度、開先内への鋼粒充填厚さ、各電極のワイヤ径、第１電極の電流、各電極の電流バランス、第１電極と第２電極の電極間距離および第２電極と第３電極の電極間距離が適正であるので、裏ビードおよび表ビードともビード形状が良好で均一であり溶接金属内部にも欠陥がなく、高能率に溶接でき、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．１３は、第１電極のワイヤ径が細いので、裏ビードが凸状となりアンダーカットが生じた。
試験Ｎｏ．１４は、第３電極のワイヤ径が細いので、溶接金属内部に融合不良および高温割れが生じた。

試験Ｎｏ．１５は、第１電極の溶接電流が高いので、裏ビードが出過ぎて不均一であった。
試験Ｎｏ．１６は、第１電極の電流が低いので、裏ビードが出ない所があり不均一であった。また、第２電極と第３電極との電極間距離が長いので、表ビードの形状が不良でスラグ巻き込み欠陥も生じた。

試験Ｎｏ．１７は、第２電極の電流が第１電極の電流以上であるので、裏ビードが出過ぎて不均一であった。また、第２電極と第３電極との電極間距離が長いので、表ビードの形状が不良でスラグ巻き込み欠陥も生じた。
試験Ｎｏ．１８は、第３電極の電流が第２電極の電流を超えているので、高温割れが発生した。また、第１電極と第２電極の電極間距離が長いので、裏ビードに広がりがなくアンダーカットが生じた。

試験Ｎｏ．１９は、第１電極と第２電極の電極間距離が短いので、裏ビードが出過ぎて不均一であった。
試験Ｎｏ．２０は、第４電極の電流が第３電極の電流を超えているので、表ビードが凸状になりアンダーカットが生じた。また、第２電極と第３電極との電極間距離が短いので、裏ビードが出過ぎ、さらに高温割れも生じた。

（ａ）、（ｂ）はそれぞれ片面サブマージアーク溶接方法の例を示す断面図 本発明の方法による溶接部のマクロ組織の概念図 従来の方法による溶接部のマクロ組織の概念図 開先加工工程を説明する図であって、（ａ）図はＹ開先、（ｂ）図はＶ開先の場合 鋼板位置のずれを説明する開先断面図 溶接線方向における電極の配置を示す図

符号の説明

１ 被溶接材
２ 銅当金
３ ワイヤ
４ 裏フラックス
５ エアーホース
６ 表フラックス
７ 耐火性キャンバス
８ 第１電極
９ 第２電極
１０ 第３電極
１１ 第４電極
１２ 第１電極と第２電極の電極間距離
１３ 第２電極と第３電極の電極間距離
１４ 第３電極と第４電極の電極間距離
１５ 開先底部
２１ 溶接金属
２２ 第１、第２電極による溶接金属
２３ 第３電極以降の電極による溶接金属
２４ ルート面

Claims (2)

1. 粒状または粉状フラックスを裏当に使用し、３電極または４電極の電極を使用して板厚全体を１ランで行う片面サブマージアーク溶接方法において、被溶接材の開先角度を３５〜６０°のルート面を有しないＶ形状の開先とし、該開先内に鋼粒または鉄粉を被溶接材板厚の１／３から被溶接材表面の高さまで充填し、各電極のワイヤ径は４．８ｍｍ以上で、第１電極の電流（Ｉ１）を１２００〜２０００Ａとし、また第２電極の電流（Ｉ２）および第３電極の電流（Ｉ３）はＩ１＞Ｉ２≧Ｉ３とすると共に、Ｉ１＋Ｉ２を２４５０〜３４００Ａとし、かつ第１電極と第２電極の電極間距離を２０〜７０ｍｍ、第２電極と第３電極の電極間距離を３電極溶接の場合１００〜１５０ｍｍ、４電極溶接の場合１５０〜３００ｍｍで溶接することを特徴とする多電極片面サブマージアーク溶接方法。
2. 第４電極の電流（Ｉ４）は、第３電極の電流（Ｉ３）以下（Ｉ３≧Ｉ４）であることを特徴とする請求項１記載の多電極片面サブマージアーク溶接方法。

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