JP2749968B2 - 高電流密度溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガスシールドアーク溶接方法に係るもので
あり、さらに詳しくは、高電流密度溶接において高溶着
で、溶接作業性に優れ、かつ良好な溶込み形状が得られ
る高能率・高品質な溶接方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年各種溶接構造物の建造において、ガスシールドア
ーク溶接法が溶接能率の向上が図れることから各分野で
急速にその適用が増大している。中でも鉄骨、橋梁、造
船分野における厚板溶接の高溶着・高能率化、下向大脚
長溶接及び溶接施工を含めたトータルコスト低減が現在
の最大の課題となっている。

高能率化の手段として電流密度を高めてワイヤの溶接
速度を増加させることが一般的に採られている。しか
し、高電流密度溶接では、スパッタの多発、耐気孔性、
耐割れ性、融合不良等多くの問題が生ずる。

まず、細径ソリッドワイヤを炭酸ガスで溶接するガス
シールドアーク溶接で、溶接電流が250A程度（電流密度
としては約180A/mm²）のいわゆる短絡移行領域では、ワ
イヤ径より小さい粒の溶滴移行でスパッタ粒も小さく安
定したショートアーク溶接が出来る。順次溶接電流を上
げ200〜400A（電流密度としては約180〜約350A/mm²）で
はアークは短絡せず、ワイヤ径より若干大きい粒の溶滴
が母材に移行し、スパッタ粒も大きく発生量も増加し、
溶接作業性も劣化する。さらに溶接電流が400A（電流密
度としては約350A/mm²）を越える大電流域では、アーク
は極端に不安定となり、ワイヤ径以上の大きな粒のスパ
ッタが多発し、作業性が非常に悪く、ビード外観及び止
端の不揃えが発生する。そこでシールドガスにArをベー
スにCO₂またはO₂を含有する混合ガスを使用すると、ス
パッタ発生の少ないビード外観の良好な溶接が行える
が、ピンチ力によってビード中央部に巾の狭い過大な溶
込み、いわゆる“フィンガー状”の溶込みを呈する。ま
た、積層溶接や突合せ継手溶接では、溶込み巾が小さい
ため、しばしば融合不良などの形状欠陥が発生するなど
の問題があった。

このフィンガー状溶込み形状を円形状の溶込みに改善
する手段としてシールドガスにHeを添加した、例えば特
開昭59−45084号公報のAr−He−CO₂−O₂の４種類混合ガ
スによる溶接方法が提案されている。しかしこの方法
は、溶融状態にあるワイヤ先端が回転するため微小な溶
滴がビード両端に飛散して付着してしまい、その除去が
難しいことと特殊なシールドガスを使用するためガスコ
ストが高くなることから事実上に課題を残すものであ
る。

そこで、シールドガスは炭酸ガスでワイヤはフラック
ス入りワイヤを用いた高電流密度溶接が例えば特開昭53
−91041、特開昭55−68184及び特開昭56−160878〜56−
160880号公報で提案されている。しかし、これらの方法
はエレクトロガス溶接方法に関するもので、ワイヤ全断
面積に対するフラックス＋鉄粉の合計断面積が30〜35％
と高値に限定されたもので、このような薄肉のフラック
ス入りワイヤにすることでアーク安定や溶滴移行性を良
くし、高溶融速度を得ようとするため、ワイヤの突出し
長さも通常溶接で使用している20〜30nmを越えた35〜70
mmと非常に長く設定して溶接する方法である。そのため
スパッタ発生も非常に多く、ワイヤ製造上も非常に薄肉
のフラックス入りワイヤであるため、細径への線引が非
常に困難であるという問題が残っている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、このような事情に着目し、高電流密度溶接
の諸問題を解決したもので、高溶着量が得られ、大電流
域でもアークがソフトで溶滴も小さく安定した移行性を
示し、スパッタも小粒で発生量も少なく、良好なビード
外観並びに円形状溶込みでかつ溶接作業性に優れた高電
流密度溶接方法を提供することを目的とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、炭酸ガスをシールドガスとして、鉄
粉を含むフラックスが占める断面積がワイヤ全断面積に
対して５〜30％未満としたフラックス入りワイヤを用
い、300（A/mm²）以上の高電流密度で溶接することを特
徴とする高電流密度ガスシールドアーク溶接方法であ
る。

［作用］ 本発明者等は、フラックス入りワイヤによる高電流密
度ガスシールドアーク溶接のビード形成について種々実
験を重ねた結果、次のような知見を得て本発明を完成し
たものである。

高電流密度300（A/mm₂）以上で溶接を行った時のビー
ド形状とシールドガス組成の関係は、第１図に示すよう
に、シールドガスが純Ar（第１図（イ））、Ar−CO
₂（同（ロ））、Ar−O₂（同（ハ））Ar−CO₂−O₂（同
（ホ））、Ar−He−CO₂−O₂（同（ニ））等各種混合ガ
スのいずれを用いても溶込み形状はフィンガー状を呈
し、場合によっては、溶接金属に融合不良を発生する
が、第１図（ヘ）に示すCO₂ガスを用いた場合のみ安定
した円形状の溶込みが得られる。

炭酸ガスによる溶接においては、アーク状況、溶滴の
移行性、ビード外観、形状及びスパッタ発生の観点か
ら、フラックス入りワイヤの適用が最も好ましい。

さらにフラックス入りワイヤの鉄粉を含むフラックス
の占める断面積がワイヤ全断面積に対する割合を限定す
ることにより、高電流において溶滴移行性が安定し、ワ
イヤ突出し長さを長くすることなく高溶着量が得られ
る。

本発明は上記知見に基づいて完成したものであり、以
下に本発明の構成理由について詳細に説明する。

シールドガスとしては、炭酸ガスを使用するが、使用
するワイヤがソリッドワイヤの場合、安定した溶滴移行
性が得られず、スパッタ発生も多く良好なビード外観及
び形状が得られない。そこでフラックス入りワイヤを使
用すれば、若干のアーク安定剤やスラグ剤も含まれてい
るため、ビード外観、形状及び安定なアーク状態が得ら
れ、優れた溶接作業性が得られる。

電流密度については、300（A/mm²）未満では所定の効
果、特に巾広の円形状溶込みや高溶着量が得られず、ひ
いては溶接能率の向上も図れないため、300（A/mm²）以
上と限定した。

なお、電流密度の算出は次式で行う。

電流÷ワイヤの鋼製外皮部断面積＝電流密度 ところで、ソリッドワイヤのワイヤ断面積は単に｛π
×（ワイヤ直径）^２｝/4で算出できるが、フラックス入
りワイヤの場合、電流を流す鋼製外皮部と見掛上電流を
流さないフラックス部に区別されるため、同一ワイヤ径
であっても、フラックスの充填率及び充填フラックスの
比重の大小によって、電流を流す鋼製外皮の厚さが変わ
るため、それに基づいて面積も変化する。そのため、フ
ラックス入りワイヤのワイヤ断面積はソリッドワイヤに
比べ実質的に小さくなり、電流密度も高くなる。そこで
本発明の溶接方法で規定する電流密度算出のためのワイ
ヤ断面積は、第２図に示す鋼製外皮の断面積を使用す
る。

高電流密度ガスシールドアーク溶接方法で溶滴移行性
の安定性、良好なビード形状及びワイヤ突出し長さを35
mm以下としても、高溶着量が得られるためにはフラック
ス入りワイヤの鉄粉を含むフラックスが占める断面積と
ワイヤ全断面積の比を限定する必要がある。

すなわち、鉄粉を含むフラックスが占める断面積がワ
イヤ全断面積の５〜30％未満に限定する理由は、５％未
満ではフラックス入りワイヤが本来具備すべきワイヤ成
分たとえばフラックスを構成するアーク安定剤、スラグ
生成剤、合金剤、脱酸剤を所定量含有することが出来
ず、ワイヤの溶融速度が遅くなり電流密度も減少し、高
溶着量が得られないだけでなく、アーク状態及びスパッ
タ発生はソリッドワイヤを使用した場合に非常に類似し
たものとなる。また、30％以上では、アーク状態や溶滴
移行性は良くなるものの、高電流密度溶接では、第３図
に示すように、鋼製外皮２が先に急激に溶融し母材に移
行してしまい、未溶融フラックスＬが長くなり、これが
溶融池に突っこみ、スパッタ発生も多くなり、さらには
ワイヤ製造上通常使用されている細径まで線引すること
が困難となる。従って、鉄粉を含むフラックスが占める
断面積とワイヤ全断面積の比率を５〜30％未満に限定し
た。

また、ワイヤの断面形状は特に制限はなく、第２図
（ａ）〜（ｄ）に示したいずれの形状も採用できるが
（２は鋼製外皮、３はフラックスを示す）、アークの安
定性、ワイヤの送給性及び直進性に優れたシームレスタ
イプ（第２図（ｄ））が高電流密度溶接には最適であ
る。なお、本発明の鋼製外皮の材質は特に限定しないが
軟鋼材や合金鋼材が使用できる。

［実施例］ 以下に本発明を実施例により、更に具体的に説明す
る。

（実施例１） ソリッドワイヤ及び鉄粉を含むフラックスが占める断
面積とワイヤ全断面積の割合を種々変えたフラックス入
りワイヤを用い、シールドガスにAr−He−CO₂−O₂混合
ガス（以下４種混合と略す）、Ar−CO₂混合ガス（以下
２種混合と略す）及び炭酸ガス（以下CO₂と略す）の３
種類を使用し、第１表に示す溶接条件でビードオンプレ
ート溶接を行った。なお、シールドガスの流量は25/m
in、使用した鋼板はSM−50B（板厚25mm）で実施した。
この溶接結果を第２表に示す。

ここでアーク安定性は溶接中にアークがシャープで乱
れることなく安定した溶滴が移行するものを非常に良好
とし◎、アークが乱れることはないが溶滴が若干大きな
形で移行するものを良好とし○、アークが若干でもバタ
ツキ溶滴もその分不規則に移行するものを不良とし×と
した。

また、溶込み形状は第４図に示すように、最大溶込み
深さ（Ｐ）の1/2位置（P/2）におけるビード巾（W₁）が
最大ビード巾（Ｗ）の60％以上を良好と判定した。すな
わちこの60％より小さければいわゆるフィンガー状溶込
みとなり、大きな値になるほど広巾の円形状溶込みとな
る。

ワイヤ番号14〜18はソリッドワイヤを用いた場合の結
果であり、中でも番号14〜16はワイヤ送給速度が30m/mi
nと速い高電流密度での溶接結果で、番号17〜18は従来
から用いられているワイヤ送給速度が10m/min程度の溶
接結果である。

さて、ワイヤ番号15〜16はシールドガスとして２種又
は４種の混合ガスを使用しており、アークの安定性及び
ビード形成とも良好であるものの、ガスコストが高く、
スパッタ発生自体少ないものの、ビード両端に微小な溶
滴が付着し、除去が困難である。

ワイヤ番号14ではアーク状態は劣化し、スパッタの多
発を起こしビード外観も不均一なものとなる。同様にワ
イヤ番号17においてもアーク状態の劣化、スパッタの多
発とビード外観不良が発生するとともに電流密度も本発
明範囲以下と低いため高溶着が得られない。

ワイヤ番号18はワイヤ番号15〜16に比べワイヤ送給速
度が1/3と遅く電流密度も本発明範囲以下と低く、溶接
電流も300Aと低いため、ビード両端に微小な溶滴が付着
することはないものの、高溶着が得られず混合ガスを使
用するためガスコストが高くなる。

次に、ワイヤ番号９〜13及び19、20はフラックス入り
ワイヤを用いた場合の結果である。

ワイヤ番号13はシールドガス組成以外本発明範囲内に
あるが、シールドガスに４種混合ガスを使用すると、ア
ークの安定性、スパッタの発生も少なく溶接作業性は良
好なものの、ビード外観が不均一でビード両端不揃いと
なり、溶込み形状はフィンガー状を呈し、ガスコストも
高くすべてに問題がある。

ワイヤ番号９は鉄粉を含むフラックスが占める断面積
とワイヤ全断面積の割合が本発明範囲を超える32％と薄
肉のフラックス入りワイヤで、なおかつワイヤの突出し
長さが非常に長い50mmの結果であり、アークの安定性も
悪く、未溶融フラックス柱（第３図Ｌ）長さも長くスパ
ッタも多く溶込み形状、ビード外観とも不良となる。

ワイヤ番号10は鉄粉を含むフラックスが占める断面積
とワイヤ全断面積の割合が本発明範囲以下の２％と非常
に厚肉のフラックス入りワイヤで、さらに電流密度も本
発明範囲以下の場合で、アーク状態はソリッドワイヤの
場合と同じくアークの吹付けが強く不安定で、スパッタ
発生及びビード外観の点でも不良となる。さらにワイヤ
番号11はワイヤ番号10のフラックス入りワイヤを本発明
範囲内の高電流密度で使用した場合で、ワイヤ番号10と
同様でアーク状態、スパッタ発生、ビード外観等の不良
に加え、溶込み形状はソリッドワイヤの場合と同様なフ
ィンガー状溶込み形状に類似し不良となる。

ワイヤ番号12は、鉄粉を含むフラックスが占める断面
積とワイヤ全断面積の割合が本発明範囲を超える33％で
あるためワイヤ製造上何度となく断線が発生したものの
良好な部分を用いて溶接した結果、アークの安定性及び
溶込み形状は良好なものの、未溶融フラックス柱が長く
溶融池に未溶融フラックス柱が溶込みぎみとなり、スパ
ッタ発生も多くビード外観も不良となる。

ワイヤ番号19はワイヤ番号11の場合と同様でワイヤ径
が1.4mmと太いものであるが、アークの安定性、スパッ
タ発生、ビード外観、溶込み形状ともいずれも不良とな
る。

ワイヤ番号20はワイヤ径1.2mmで鉄粉を含むフラック
スの占める断面積とワイヤ全断面積の割合で本発明範囲
内にあるものの、電流密度は本発明範囲以下と低いもの
であるため、ビード形状はやや凸ビードとなり、溶込み
も浅く溶込み形状は不良となる。またこのように電流密
度が本発明範囲以下であると高溶着量が得られず、多層
盛溶接時には、数多くの溶接パスでないと積層出来な
く、そのため溶接時間が長くコストの面でも不利とな
る。

これに対し、ワイヤ番号１〜８に示す各種ワイヤ径で
の本発明例によれば、アーク安定性、溶滴移行性、アー
クの吹付け及びビード形状が良好でガスコストも安く、
いずれの項目においても良好で格段に高安定性で高電流
密度ガスシールドアーク溶接ができる。

（実施例２） 第１表のワイヤの内、ワイヤ番号1,6,9,11のワイヤを
用い、第５図に示す鋼板（鋼種SM−50B、ｔ＝25mm、Ｄ
＝100mm、Ｈ＝100mm、長さ500mm）を第１表で示す溶接
電流、アーク電圧、チップ母材間距離で溶接速度45cm/m
in、下板側からのトーチ角度45度，溶接方向に対するト
ーチ角度０度として大脚長水平すみ肉溶接を実施した。
なお鋼板表面には無機ジンクプライマーを塗装した鋼板
（膜厚30μｍ）を使用した。

なお、アークの安定性及び溶込み形状は実施例１と同
様に評価した。その試験結果を第３表に示す。

鉄粉を含むフラックスが占める断面積とワイヤ全断面
積の割合が本発明範囲を超えるワイヤ番号９、同じくこ
の割合が本発明範囲未満のワイヤ番号11のものはアーク
が不安定であるため、下板側でのアンダーカットやビー
ド外観劣化を引き起こしていて到底採用出来ない。一
方、本発明例のワイヤ番号１及び６ではアーク状態、ス
パッタ発生状況やビード外観、溶込み形状、特に鋼板と
のなじみも良好でピットなどの溶接欠陥も発生しない優
れたワイヤであることが明らかになった。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の高電流密度溶接方法によ
れば、安価な炭酸ガスを用いて高溶着量が得られ、アー
クが安定でソフト、溶滴も小さくスパッタも小粒で発生
量も少ない溶接作業性に優れた溶接ができ、さらに良好
なビード外観並びに円形状溶込みの溶接部が得られる。
この溶接方法は高能率化や省力化に大きく寄与するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種シールドガス組成によるビード形状を示す
模式図、第２図はフラックス入りワイヤの断面図、第３
図はワイヤ溶融状況を示す模式図、第４図は溶込み形状
を示す図、第５図は試験片断面図である。 １……融合不良部、２……鋼製外皮、３……フラック
ス、４……溶滴、５……アーク、６……トーチ、７……
鋼板表面、８……ワイヤ

フロントページの続き (72)発明者 山下 礦三 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新 日本製鐵株式会社第２技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭56−160880（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−160878（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−35881（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−169485（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭酸ガスをシールドガスとして、鉄粉を含
   むフラックスが占める断面積がワイヤ全断面積に対して
   ５〜30％未満としたフラックス入りワイヤを用い、300
   （A/mm²）以上の高電流密度で溶接することを特徴とす
   る高電流密度ガスシールドアーク溶接方法。