JP2008221305A - １電極エレクトロガスアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでの被溶接鋼板であっても、融合不良が発生することなく、健全な溶接継手が得られると共に、アーク安定性が優れており、高電流条件にする必要がなく、立向１パスの溶接が可能である１電極エレクトロガスアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】開先が垂直に延び、表面側が裏面側より幅広となる開先形状を有し、被溶接板の表面側に摺動銅板を当て、裏面側に固定された裏当材を当てる。１本の溶接ワイヤを被溶接板の板厚方向にオシレートさせる。オシレート速度が１０乃至５５ｍｍ／秒、表面側での停止時間が１．５乃至２．５秒、裏面側での停止時間が０．５乃至１．５秒、オシレート幅は（板厚（両被溶接板に板厚差がある場合は厚い方の板厚）−２５ｍｍ）以上（板厚−１０ｍｍ）以下、電極の折り返し位置は、被溶接板の表面及び裏面から５乃至１５ｍｍの位置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでの被溶接鋼板に対する立向１パス溶接が可能な１電極エレクトロガスアーク溶接方法に関する。

エレクトロガスアーク溶接は、高能率立向溶接方法として、船舶、石油貯蔵タンク及び橋梁等の幅広い分野で適用されている。近年、中国及び東アジア諸国の経済、産業の発展が著しく、物流量の増加に伴い、コンテナ貨物の効率的な輸送を目的に、コンテナ船の大型化が急速に進んでいる。

コンテナ船の大型化に伴い、船側外板及びハッチコーミング等の厚肉化が進んでおり、板厚が５０ｍｍを超える鋼板が使用されている。このような厚鋼板を高能率に溶接できる施工法としてエレクトロガスアーク溶接法による大入熱１パス溶接化の要求が高まっている。

このように厚鋼板になると、従来の溶接方法では施工面で不具合が生じる場合もあった。１電極エレクトロガスアーク溶接の場合、表ビード及び裏ビードとも、良好なビード外観を得るために、板厚が厚くなると、板厚方向にオシレートを行う必要が生じ、そのオシレートの幅も大きくなる。

従来、振動数及びオシレートの幅を限定し、良好な溶接継手が得られるような工夫がなされており、例えば、特許文献１においては、母材板厚方向に６０〜１０００回／分で溶接ワイヤを単振動させることが提案されている。

また、特許文献２においては、母材板厚の６０％の範囲内で電極ワイヤを前後にウィービングさせる方法が提案されているが、ワイヤの直径が４〜６．４ｍｍと太径で、かつ、高電流範囲で溶接が行われている。

更に、特許文献３においては、オシレートに応じて溶接電流を変化させて、アークの熱源範囲が表面側の方が裏面側より大きくなるようにして溶接する方法が提案されている。

特開昭５４−１４８１５５号公報 特開平１１−２５４１３１号公報 特開平８−１８７５７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、板厚が厚くなるとオシレート幅が長くなり、アーク点が高速で長い距離を移動する必要が生じ、このため、アーク安定性に問題点がある。

また、特許文献２に記載の従来技術においては、ワイヤ径が太いワイヤを使用する必要があり、また、高電流範囲で溶接条件を設定する必要があるという問題点がある。

更に、特許文献３に記載の従来技術においては、装置が複雑になるうえ、溶接電流が変化し、従ってワイヤ送給量が変化する結果、溶接速度も変化してしまうという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでの被溶接鋼板であっても、融合不良が発生することなく、健全な溶接継手が得られると共に、アーク安定性が優れており、高電流条件にする必要がなく、立向１パスの溶接が可能である１電極エレクトロガスアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る１電極エレクトロガスアーク溶接方法は、板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでの１対の被溶接板を、その開先が垂直に延びるように突き合わせ、水平断面において、前記被溶接板の表面側が裏面側より幅広となる開先形状を形成し、前記被溶接板の表面側に摺動銅板を当てて溶接の進行と共に前記摺動銅板を前記被溶接板に相対的に上方に摺動させ、裏面側に前記被溶接板に対して固定された裏当材を当てると共に、前記開先内に１本の溶接ワイヤを挿入し、この溶接ワイヤを被溶接板の板厚方向にオシレートさせて、前記開先を立向突合せ溶接する１電極エレクトロガスアーク溶接方法において、オシレート速度が１０乃至５５ｍｍ／秒であり、表面側での停止時間が１．５乃至２．５秒、裏面側での停止時間が０．５乃至１．５秒、オシレート幅は（板厚（両被溶接板に板厚差がある場合は厚い方の板厚）−２５ｍｍ）以上（板厚−１０ｍｍ）以下であり、オシレート時の電極の折り返し位置は、被溶接板の表面及び裏面から５乃至１５ｍｍの位置であることを特徴とする。

板厚が５０ｍｍを超えると、オシレートの幅は２５ｍｍ以上となるため、板厚中央近傍の溶込みが不十分であり、融合不良が発生する場合がある。これに対し、本発明においては、主として、オシレート速度、オシレートの折り返し時の停止時間及びオシレート幅を適正に管理することにより、表ビード側及び裏ビード側の融合不良を防止し、アンダカットの発生を防止することができる。これにより、健全な溶接継手が得られる。

本発明によれば、板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでにおいて、融合不良及びアンダカットが発生することなく、健全な溶接継手が得られる。

以下、本発明について詳細に説明する。本発明者等が、板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでにおいて、融合不良及びアンダカットが発生することなく、健全な溶接継手が得られる溶接方法を鋭意実験研究した結果、オシレート速度範囲、停止時間、オシレート幅を適切に規定することにより、上記課題を解決できることを見出した。

被溶接鋼板の厚肉化に伴って、１電極エレクトロガスアーク溶接におけるオシレート幅も増大し、従来技術では板厚中央近傍で融合不良が発生しやすくなった。板厚中央近傍での融合不良を防止するために、オシレート幅を小さくしたり、オシレート速度を単純に遅くするたけでは、ビード外観の劣化並びに表ビード及び裏ビードの融合不良が発生するため、停止時間及びオシレート幅の適正な管理が重要である。

そこで、本発明者等が鋭意研究した結果、オシレート速度、オシレートの折り返し時の停止時間、及びオシレート幅を適正に管理することにより、板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまででも健全な溶接継手が得られることを見出した。

以下、これらのオシレート速度、オシレートの折り返し時の停止時間、及びオシレート幅の数値限定理由について説明する。

「オシレート速度が１０乃至５５ｍｍ／秒」
オシレート速度は、板厚中央近傍の溶込みに影響を及ぼし、速度が速すぎると、融合不良が発生しやすくなる。オシレート速度が５５ｍｍ／秒を超えると、融合不良が発生しやすくなる。一方、オシレート速度が１０ｍｍ／秒未満であると、ビードの波目が粗くなり、場合によっては、表ビード又は裏ビード側にアンダカットが発生しやすくなる。

「表面側でのオシレート折り返し時の停止時間が１．５乃至２．５秒、裏面側での折り返し時の停止時間が０．５乃至１．５秒」
オシレートの停止時間は表ビード及び裏ビード近傍の溶込みに影響を及ぼす。従来は、オシレート速度が速く、停止時間が無いか又は停止時間が短いような溶接施工であったが、このような溶接条件では、板厚が厚くなると、表面側及び裏面側の溶込みが少なくなり、融合不良が発生しやすくなる。本発明者等は、板厚が５０ｍｍを超えるような場合でも、オシレート速度を制御することにより、板厚中央近傍での溶込みを確保したが、前述のとおり、表面側及び裏面側の停止時間が短いと、表ビード及び裏ビードに融合不良が発生しやすくなる。一方で、停止時間が長いと、溶接ビードの上昇長さが長くなるため、反対側のビードの波目が粗くなり、場合によってはアンダカットが発生しやすくなる。なお、開先幅の広い方は、停止時間を長くしないと、溶込みが不十分となる。本発明においては、開先形状が表面側の方が裏面側より幅広であるので、停止時間は表面側を１．５乃至２．５秒、裏面側を０．５乃至１．５秒とする。これにより、融合不良がなく、十分に溶け込みを確保することができる。

「オシレート幅：（板厚−２５ｍｍ）以上、（板厚−１０ｍｍ）以下」
「オシレート時の電極の折り返し位置：被溶接板の表面及び裏面から５乃至１５ｍｍの位置」
オシレート速度及び表面・裏面側の停止時間を管理するだけでは、健全な溶接継手は確保できず、オシレート幅を板厚により適正なオシレート幅に管理する必要がある。オシレート幅が小さいと、健全な表ビード及び裏ビードが得られない。一方で、オシレート幅が大きすぎると、表面側の場合は摺動銅板が焼損し、裏面側ビードの余盛が過大となる。なお、オシレート時の電極の折り返し位置は、被溶接鋼板の表面側及び裏面側とも、鋼板表面から５乃至１５ｍｍの範囲内の位置とする。表面側の場合、電極の折り返し位置が鋼板表面から５ｍｍ未満であると、摺動銅板が焼損する。電極の折り返し位置が１５ｍｍを超えると、表ビードが融合不良となる。裏面側の場合、電極の折り返し位置が５ｍｍ未満であると、裏ビードの余盛が過大となる。また、電極の折り返し位置が１５ｍｍを超えると、裏ビードが融合不良となる。

なお、板厚差がある溶接継手の場合は、板厚の厚い方を基準にオシレート幅を管理する。

以下、本発明の実施例について、その特性を比較例と対比して説明する。供試鋼板は、降状強度が３９０Ｎ／ｍｍ^２以上であって、板厚が５２〜７０ｍｍ、幅が５００ｍｍ、長さが７００ｍｍの大きさを有する。表１は供試鋼板の組成（質量％）を示す。また、表２は供試ワイヤの組成（質量％）を示す。そして、表３（溶接試験条件）及び表４（溶接施工条件）に示す溶接条件で１パス溶接を行った。

溶接終了後、外観検査を行い、ビード形状及び欠陥の有無を調査した。その後、日本海事協会鋼船規則にある側曲げ試験片（ＵＢ−２号試験片）を３本採取し、側曲げ試験を行い、欠陥の有無を調査した。

ビード形状の評価は、溶接長７００ｍｍのうち、非定常部のスタート部の１００ｍｍと、クレータ側エンド部の１００ｍｍを除く総長５００ｍｍの部分で評価した。

アンダカットは、表ビード及び裏ビードの両止端部総距離２０００ｍｍのうち、１ｍｍ以上のアンダカットが２００ｍｍ以上にわたって発生したものを、アンダカット発生とした。なお、長さ７００ｍｍの供試鋼板から、スタート側１００ｍｍ及びクレータ側エンド部１００ｍｍを除いた５００ｍｍの部分について、表ビード及び裏ビードの止端部を検査した。止端部は母材の面と溶接ビードの表面とが交わる点であるから、溶接方向に直交する断面において止端部は表ビード及び裏ビードの総数４箇所となり、止端部の検査長は、溶接方向５００ｍｍの４ラインの部分となり、全検査長は、５００×４＝２０００ｍｍであった。

融合不良は、表ビード及び裏ビードの両止端部検査距離２０００ｍｍのうち、深さが２ｍｍ以上のアンダカット又は溶け残しが、２００ｍｍ以上にわたって発生したものを、融合不良発生とした。

余盛過大は、余盛が５ｍｍ以上のものを余盛過大とした。

側曲げ試験は、側曲げ試験後、３本中１本でも長さが３ｍｍ以上の欠陥が認められたものは不合格とした。

図１のオシレート図に示すオシレート条件及び表５−１乃至表５−３に示す板厚、開先角度、ギャップ、オシレート条件にて溶接を行った。

その結果、表５-１に示すように、本実施例Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．２６の溶接方法においては、溶接作業性は良好で、ビード外観及びビード形状も良好であった。また、側曲げ試験でも欠陥は認められなかった。

これに対し、表５-２．表５−３に示すように、比較例Ｎｏ．２７、Ｎｏ．３８、Ｎｏ．５４では、オシレート速度が１０ｍｍ／秒未満であり、両面とも波目が粗くなり、アンダカットが発生した。比較例Ｎｏ．２８、Ｎｏ．４１、Ｎｏ．４６では、裏面側の停止時間が０．５秒未満であり、裏ビードに融合不良が発生した。比較例Ｎｏ．２９、Ｎｏ．５２では裏面側の電極位置が５ｍｍ未満であり、裏ビードの余盛が過大となった。比較例Ｎｏ．３０及び４７では、裏面側の停止時間が１．５秒を超えており、表ビードの波目が粗くなり、アンダカットが発生した。比較例Ｎｏ．３１、Ｎｏ．４４では、表面側の停止時間が１．５秒未満であり、表ビード側に融合不良が発生した。比較例Ｎｏ．３２、Ｎｏ．３７、Ｎｏ．４９ではオシレート幅が板厚に対して大きいうえ、裏面側の電極位置が５ｍｍ未満であり、裏ビードの余盛が過大となった。比較例Ｎｏ．３３では、表面側の電極位置が５ｍｍ未満であり、摺動鋼板が焼損し途中で溶接を中止した。比較例Ｎｏ．３４では、オシレート幅が板厚に対して小さいうえ、裏面側の電極位置も１５ｍｍを超えており、両面とも融合不良が発生した。比較例Ｎｏ．３５、Ｎｏ．４３、Ｎｏ．５５ではオシレート速度が５５ｍｍ／秒を超えており、側曲げ試験で欠陥が認められた。比較例Ｎｏ．３６、Ｎｏ．３９、Ｎｏ．４５では、表面側の停止時間が２．５秒を超えており、裏ビードの波目が粗くなり、アンダカットが発生した。比較例Ｎｏ．４０、Ｎｏ．４８ではオシレート幅が板厚に対して小さく、両面とも融合不良が発生した。比較例Ｎｏ．４２、Ｎｏ．５１では、表面側電極位置が１５ｍｍを超えており、表ビード側に融合不良が発生した。比較例Ｎｏ．５０では、オシレート幅が板厚に対して大きく、表面側の電極位置が５ｍｍ未満であり、摺動銅板が焼損し途中で溶接を中止した。比較例Ｎｏ．５３では、裏面側の電極が１５ｍｍを超えており、裏ビード側に融合不良が発生した。

なお、表１において、Ｃｅｑは炭素当量を示しており、この炭素当量は下記数式により表される。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｕ＋Ｎｉ）／１５＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５

オシレート方法を示す模式図である。

Claims (1)

1. 板厚が５０ｍｍを超え７０ｍｍまでの１対の被溶接板を、その開先が垂直に延びるように突き合わせ、水平断面において、前記被溶接板の表面側が裏面側より幅広となる開先形状を形成し、前記被溶接板の表面側に摺動銅板を当てて溶接の進行と共に前記摺動銅板を前記被溶接板に相対的に上方に摺動させ、裏面側に前記被溶接板に対して固定された裏当材を当てると共に、前記開先内に１本の溶接ワイヤを挿入し、この溶接ワイヤを被溶接板の板厚方向にオシレートさせて、前記開先を立向突合せ溶接する１電極エレクトロガスアーク溶接方法において、オシレート速度が１０乃至５５ｍｍ／秒であり、オシレートの折り返し時の表面側での停止時間が１．５乃至２．５秒、裏面側での停止時間が０．５乃至１．５秒、オシレート幅は（板厚（両被溶接板に板厚差がある場合は厚い方の板厚）−２５ｍｍ）以上（板厚−１０ｍｍ）以下であり、オシレート時の電極の折り返し位置は、被溶接板の表面及び裏面から５乃至１５ｍｍの位置であることを特徴とする１電極エレクトロガスアーク溶接方法。

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