JP2013237103A - 鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接条件や電極配置の大幅な変更を行なうことなくビード幅をコントロールし、またビード幅を拡大してアンダーカット等の表面欠陥を防止し良好な形状のビードを溶接線の両側に均等に形成することができる多電極サブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接進行方向の最後尾に配置される第Ｎ電極とその第Ｎ電極の直前に配置される第Ｎ−１電極とを溶接線の左右両側に配置し、第Ｎ電極の鋼板表面におけるワイヤ先端位置と溶接線との距離、および第Ｎ−１電極の鋼板表面におけるワイヤ先端位置と溶接線との距離をいずれも５〜15mmの範囲内とし、かつ第Ｎ電極と第Ｎ−１電極の溶接進行方向の電極間距離を０〜20mmの範囲内とするとともに、第Ｎ−１電極の直前に配置される第Ｎ−２電極と第Ｎ−１電極との位相差θ₁、第Ｎ−１電極と第Ｎ電極との位相差θ₂、第Ｎ−２電極と第Ｎ電極との位相差θ₃をいずれも60〜300°の範囲内とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板の多電極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多電極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、アンダーカット等の表面欠陥が発生し易くなるという問題がある。
アンダーカット等の表面欠陥を抑制するためには、広いビード幅を得ることが必要であり、そのための溶接条件が検討されている。たとえば特許文献３には、１本のトーチに２本のワイヤを溶接線方向に直角に配置されるように供給して溶接を行なうことによって、ビード幅を広げる技術が開示されている。しかしこの技術では、大幅なビード幅の拡大は難しく、板厚が20mmを超えるような厚肉材の溶接においてはビード幅を十分に拡大することが困難である。

特許文献４には、溶接施工中に未凝固の溶接金属に磁場を印加してビード形状を調整する技術が開示されている。しかしこの技術では、溶接装置に加えて、磁場を印加する装置を併用しなければならないので、構成が複雑になり、装置のメンテナンス負荷が増大する。
特許文献５、６には、複数の電極を溶接線から間隔を設けて配置して溶接を行なうことによって、ビード幅を広げる技術が開示されている。しかし特許文献５、６に開示された技術では、溶接全長で溶接線の両側に均等にビード幅を拡大することが困難であった。特に大入熱溶接においては溶接熱影響部の靭性が課題となるにも関らず、片側に偏ったビードが形成されることにより、溶接熱影響部の靭性評価試験であるシャルピー衝撃試験の試験片をビード左右のいずれから採取するかによって吸収エネルギーが大きくばらつき、安定した機械的性能が得られないという問題があった。

特開平11-138266号公報 特開平10-109171号公報 特開平7-266047号公報 特開2002-120068号公報 特公昭63-39350号公報 特開平8-257752号公報

本発明は、溶接条件や電極配置の大幅な変更を行なうことなくビード幅をコントロールし、またビード幅を拡大してアンダーカット等の表面欠陥を防止するとともに、良好な形状のビードを溶接線の両側に均等に形成することが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。

発明者は、３本以上の電極を用いてサブマージアーク溶接を行ない、種々の溶接条件で鋼板の溶接継手を作製した。そして、得られたビードの形状と溶接条件との関係を調査した結果、
(a)溶接進行方向の先頭に配置される第１電極が通過する軌跡（以下、溶接線という）の両側に、最後尾の第Ｎ電極とその直前の第Ｎ−１電極とを配置することによって、ビード幅を拡大できる、
(b)第Ｎ電極，第Ｎ−１電極およびその第Ｎ−１電極の直前に配置される第Ｎ−２電極に交流電流を供給し、その位相差を調整することによって、良好な形状のビードを溶接線の両側に均等に形成できる
という知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。ここで、Ｎは３以上の整数であり、電極の本数を示す。

すなわち本発明は、３電極以上のサブマージアーク溶接で鋼板を溶接する多電極サブマージアーク溶接方法において、溶接進行方向の最後尾に配置される第Ｎ電極とその第Ｎ電極の直前に配置される第Ｎ−１電極とを溶接線の左右両側に配置し、第Ｎ電極の鋼板表面におけるワイヤ先端位置と溶接線との距離、および第Ｎ−１電極の鋼板表面におけるワイヤ先端位置と溶接線との距離をいずれも５〜15mmの範囲内とし、かつ第Ｎ電極と第Ｎ−１電極の溶接進行方向の電極間距離を０〜20mmの範囲内とするとともに、第Ｎ−１電極の直前に配置される第Ｎ−２電極と第Ｎ−１電極との位相差θ₁、第Ｎ−１電極と第Ｎ電極との位相差θ₂、第Ｎ−２電極と第Ｎ電極との位相差θ₃をいずれも60〜300°の範囲内とする多電極サブマージアーク溶接方法である。

本発明の多電極サブマージアーク溶接方法においては、３電極以上のサブマージアーク溶接の溶接入熱を合計7.0kJ／mm以上とすることが好ましい。より好ましくは合計7.0〜10.0kJ／mmである。また、溶接進行方向の先頭に配置される第１電極のワイヤ径を2.4〜3.2mmとすることが好ましい。

本発明によれば、溶接条件や電極配置の大幅な変更を行なうことなく、ビード幅をコントロールすることができ、その結果として、多電極サブマージアーク溶接にて、ビード幅を拡大してアンダーカット等の表面欠陥を防止でき、しかも良好な形状のビードを溶接線の両側に均等に形成することで、ビード左右のいずれの溶接熱影響部においても高い靭性が得られるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明の多電極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１中の電極と鋼板の側面図である。 図１中の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。 開先形状の例を示す断面図である。 溶接継手の例を示す断面図である。 シャルピー衝撃試験片の採取位置を示す断面図である。

図１は、本発明の多電極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。以下に、図１〜３を参照して、本発明の多電極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４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多電極サブマージアーク溶接方法であり、電極を４本に限定するものではない。

図１に示すように、４本の電極を用いる場合（Ｎ＝４）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の先端位置が通過する鋼板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の後方に配置する。溶接進行方向Ａの３番目の第３電極（第Ｎ−１電極）３の先端位置と４番目の第４電極（第Ｎ電極）４の先端位置とを溶接線の左右両側にそれぞれ配置する。なお、各電極のトーチ11、21、31、41には、それぞれワイヤ12、22、32、42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に供給する電流は、溶込み深さを確保するために、直流電流を供給することができる。ただし、３本の電極を用いて本発明を適用する場合（Ｎ＝３）には、この第１電極１に交流電流を供給する。
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（すなわち最後尾の電極側）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５〜10°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。

加えて、第１電極のワイヤ径を2.4〜3.2mmとすることにより、電流密度が増加するので、アーク圧力が増加して、深い溶込みが得られるようになり好ましい。
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。第２電極２のワイヤ22に供給する電流は、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。

３本の電極を用いて本発明を適用する場合には、この第２電極２のワイヤ22の先端位置23を溶接線６上に配置せず、第２電極２と最後尾の第３電極とを溶接線６の左右両側にそれぞれ配置する。
また、５本以上の電極を用いて本発明を適用する場合は、第２電極２の後方に第３電極〜第Ｎ−２電極を溶接線６上に配置し、第Ｎ−１電極２と最後尾の第Ｎ電極とを溶接線６の左右両側にそれぞれ配置する。ここで、Ｎは電極の本数を示す。

次に、最後尾の第４電極およびその直前の第３電極について説明する。
第３電極と第４電極は、図３に示すように、ワイヤ32、42の鋼板表面における先端位置33、43が溶接線６の左右両側にそれぞれ配置されるように設定する。
第３電極３のワイヤ32の先端位置33と溶接線６との距離Ｗ_R、および第４電極４のワイヤ42の先端位置43と溶接線６との距離Ｗ_Lが５mm未満では、ビードの幅を広げる効果が得られない。距離Ｗ_Rと距離Ｗ_Lが15mmを超えると、第３電極３と第４電極４の溶接金属が、第１電極１と第２電極２による溶接金属と分離するので、ビードが分離して形成され、ビードの外観が損なわれる。したがって、距離Ｗ_Rと距離Ｗ_Lは、いずれも５〜15mmとする。距離Ｗ_Rと距離Ｗ_Lは必ずしも同一とする必要はないが、良好な形状のビードを形成して、アンダーカットを防止するために、Ｗ_R＝Ｗ_Lとすることが好ましい。

第３電極３と第４電極４との電極間距離Ｇが20mmを超えると、ビード幅のバラツキが大きくなる。したがって、第３電極３と第４電極４との電極間距離Ｇは20mm以下とする。ここで、電極間距離は、ワイヤの先端位置の溶接進行方向の間隔である。
また、ワイヤ32、42に供給する電流は、電極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。第２電極（第Ｎ−２電極）と第３電極（第Ｎ−１電極）との位相差θ₁、第３電極（第Ｎ−１電極）と第４電極（第Ｎ電極）との位相差θ₂、第２電極（第Ｎ−２電極）と第４電極（第Ｎ電極）との位相差θ₃が60°未満では、溶接線６の片側に偏ったビードが形成される。位相差θ₁、θ₂、θ₃が300°を超えても、溶接線６の片側に偏ったビードが形成される。したがって位相差θ₁、θ₂、θ₃は、いずれも60〜300°とする。

さらに、第３電極３と第４電極４は、図２に示すように、ワイヤ32、42の先端がトーチ31、41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、42を傾斜させて設定することが好ましい。そのワイヤ32、42と鉛直線とのなす角β（以下、前進角という）を10〜50°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。

以上に、４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４本に限定するものではなく、３本以上の電極を用いる多電極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。それら各電極の溶接入熱の総和が合計7.0kJ／mm以上の大入熱溶接に本発明を適用すると、溶接熱影響部の靭性が低下するという従来の大入熱溶接の問題を解消して、溶接熱影響部の靭性を改善できるので好ましい。

また、本発明は、種々の板厚や開先形状に適用でき、片面溶接にも両面溶接にも適用できる。
さらに、サブマージアーク溶接ではソリッドワイヤを用いるのが一般的であるが、本発明は、ソリッドワイヤのみならず、金属粉等を充填材として内包するメタルコアードワイヤにも適用できる。

図４に示すように、板厚Ｔが31.8mmの鋼板５に開先角度γを70°、開先深さＤを13.5mmとして開先加工を施した後、３〜５本の電極を用いて多電極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に鋼板の成分、表２に開先形状、表３に溶接条件、表４に電極の配置、表５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幅Ｂ（mm）、およびビードの幅方向中央と開先の中央との間隔Ｑ（mm）、溶込み深さ（mm）を測定した。さらに、定常部からシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ規格Z3111に規定する４号試験片）を採取し、ＪＩＳ規格Z2242の金属材料衝撃試験方法に準拠してシャルピー衝撃試験を行ない、吸収エネルギー（Ｊ）を求めた。シャルピー衝撃試験は、各溶接継手について試験温度−30℃で20本ずつ行ない、吸収エネルギーの最低値を評価した。

シャルピー衝撃試験片の採取位置は、図６に示す通りである。つまり、鋼板表層から７mmの位置がシャルピー衝撃試験片７の板厚方向中央位置となるように採取し、試験片の２mmＶノッチが板厚方向と平行で、かつノッチ底における溶接金属と母材（溶接熱影響部）の比率が50％ずつとなる位置とした。
また、各溶接継手から採取した20本のシャルピー衝撃試験片のうち、10本はビードの溶接進行方向左側から採取し、10本は右側から採取した。表６に、ビード幅、ビードの幅中央と開先の中央との間隔、溶込み深さ、シャルピー衝撃試験によって測定した吸収エネルギーの最低値、ビード外観の評価を示す。

表６に示す通り、発明例の溶接記号１〜12（Ｎ＝３〜５）は、広いビード幅が得られ、かつビードの偏りが抑制された。特に、溶接記号〔１、２〕〔３、４〕〔５、６〕〔７、８〕〔９、10〕〔11、12〕のそれぞれは、位相差制御のみでビード幅を変えることができた例を示すものであり、上記６組ともビード幅を２mm以上変化させることができた。
また、溶接記号３、４、５、６、９、10、11、12は、第１電極にワイヤ径2.4mmまたは3.2mmのワイヤを用いたので、特に深い溶込みが得られた。

比較例の溶接記号13（Ｎ＝５）は、電極を全て溶接線上に配置した例であり、ビード幅が最も狭くなった。
溶接記号14（Ｎ＝５）は、最後尾から２番目の第Ｎ−１電極（すなわち第４電極）の鋼板表面におけるワイヤ先端位置が５mm未満であるから、広いビード幅が得られなかった。
溶接記号15（Ｎ＝５）は、最後尾の第Ｎ電極（すなわち第５電極）と最後尾から２番目の第Ｎ−１電極（すなわち第４電極）の鋼板表面におけるワイヤ先端位置が、いずれも15mmを超えるので、ビードが分離して形成された。

また、上記の溶接記号16、17、18、19は、溶接熱影響部において高い吸収エネルギーが得られなかった。
溶接記号16（Ｎ＝５）は、最後尾から３番目の第Ｎ−２電極（すなわち第３電極）と最後尾から２番目の第Ｎ−１電極（すなわち第４電極）との位相差θ₁が60°未満であるから、ビードの偏りが大きくなった。溶接記号17（Ｎ＝５）は、位相差θ₁が300°を超えるので、ビードの偏りが大きくなった。

溶接記号18（Ｎ＝５）は、最後尾から３番目の第Ｎ−２電極（すなわち第３電極）と最後尾の第Ｎ電極（すなわち第５電極）との位相差θ₃が60°未満であるから、ビードの偏りが大きくなった。溶接記号19（Ｎ＝５）は、位相差θ₃が300°を超えるので、ビードの偏りが大きくなった。
溶接記号20、21（Ｎ＝５）は、最後尾から２番目の第Ｎ−１電極（すなわち第４電極）と最後尾の第Ｎ電極（すなわち第５電極）との位相差θ₂が60°未満であるから、２mm以上ビード幅を変えることができなかった。溶接記号22、23（Ｎ＝５）は、位相差θ₂が300°を超えるので、同じく、２mm以上ビード幅を変えることができなかった。

溶接記号24（Ｎ＝５）は、最後尾から２番目の第Ｎ−１電極（すなわち第４電極）と最後尾の第Ｎ電極（すなわち第５電極）の電極間距離Ｇが20mmを超えるので、ビード幅が不均一となり、溶接熱影響部において高い吸収エネルギーが得られず、また美麗なビード外観が得られなかった。

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
４ 第４電極
41 第４電極のトーチ
42 第４電極のワイヤ
43 第４電極のワイヤの先端位置
５ 鋼板
６ 溶接線
７ ２mmＶノッチシャルピー衝撃試験片

Claims (3)

1. ３電極以上のサブマージアーク溶接で鋼板を溶接する多電極サブマージアーク溶接方法において、溶接進行方向の最後尾に配置される第Ｎ電極と該第Ｎ電極の直前に配置される第Ｎ−１電極とを溶接線の左右両側に配置し、前記第Ｎ電極の鋼板表面におけるワイヤ先端位置と前記溶接線との距離、および前記第Ｎ−１電極の鋼板表面におけるワイヤ先端位置と前記溶接線との距離をいずれも５〜15mmの範囲内とし、かつ前記第Ｎ電極と前記第Ｎ−１電極の溶接進行方向の電極間距離を０〜20mmの範囲内とするとともに、前記第Ｎ−１電極の直前に配置される第Ｎ−２電極と前記第Ｎ−１電極との位相差、前記第Ｎ−１電極と前記第Ｎ電極との位相差、前記第Ｎ−２電極と前記第Ｎ電極との位相差をいずれも60〜300°の範囲内と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。
2. 前記３電極以上のサブマージアーク溶接の溶接入熱を合計7.0kJ／mm以上と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。
3. 前記溶接進行方向の先頭に配置される第１電極のワイヤ径を2.4〜3.2mmと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。

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