JP3539828B2 - 鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は造船、橋梁及び鉄骨等の構造物の製造時に適用されるエレクトロガスアーク溶接方法に関し、特に、Ｔ継手の開先部における溶接表面側及び溶接裏面側に表当材及び裏当材を当てて溶接する鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロガスアーク溶接は溶接能率が高いので、コストを低減する等の目的により、造船及び橋梁等の裏当材を使用するＶ形開先の片面突合せ溶接において広く使用されている。図７はＶ形開先の片面突合せ継手の従来のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図である。傾斜した端面１ａ及び２ａを有する２枚の鋼板１及び２を垂直に立て、その端面１ａと端面２ａとを突き合わせて配置することにより、垂直方向に延びる開先部３を形成する。この開先部３は、溶接表面側が開いたＶ形状となっており、溶接裏面側も若干離間している。そして、この溶接裏面側には、鋼板１と２との間隙を覆うように、例えば、セラミック製の裏当材４を配置する。
【０００３】
溶接時においては、開先部３の溶接表面側に銅板５を当て、裏当材４、銅板５並びに鋼板１及び２により囲まれた開先部３に対して、上部より溶接ワイヤを送給し、開先部３の上方に向かって溶接金属６を積層すると共に、銅板５を開先部３の上方に向かって摺動させる。
【０００４】
また、エレクトロガスアーク溶接法は、炭酸ガスシールドアーク溶接法等と比較して溶接入熱が高くなるので、鋼板１及び２が厚板である場合には、従来より、開先角度を狭くして開先断面積を小さくすることにより溶接入熱を低減していた。
【０００５】
更に、鋼板１及び２の板厚が３０ｍｍ以上である場合には、表面側及び裏面側にアーク熱が十分に届かず、溶接ビードの形状が不安定となるので、溶接トーチをウィービングさせることも実施されていた。即ち、溶接ワイヤの先端を、開先部３内において表面側停止位置７ａと裏面側停止位置７ｂとの間で往復させる。
【０００６】
この場合、ウィービング幅を板厚の約半分とし、溶接トーチの角度は、ウィービングさせないときと同様に０乃至１０°とし、表面側停止位置７ａにおける停止時間Ｓaと裏面側停止位置７ｂにおける停止時間Ｓbとの比率（Ｓa：Ｓb）は１：１とするのが一般的であった。
【０００７】
一方、鉄骨及び橋梁等の溶接においては、図７に示すＶ形開先を有する突合せ継手の他に、レ形開先を有するＴ継手が多く使用されており、これらの開先を溶接する場合においても、溶接の高能率化を図るために、エレクトロガスアーク溶接を適用することが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｔ継手のレ形開先に対して、突合せ継手のＶ形開先と同様の溶接条件でエレクトロガスアーク溶接すると、以下に示す種々の問題点が発生する。図８は従来のエレクトロガスアーク溶接方法によりＴ継手を溶接した場合の溶接欠陥を示す平面図である。なお、図８（ａ）は鋼製の裏当材を使用した例であり、図８（ｂ）は水冷式の銅製裏当材を使用した例である。
【０００９】
図８に示すように、垂直に立てられた鋼板１１の表面に、垂直に立てられた鋼板１２の傾斜した端面を向けて配置することによりＴ継手が形成され、鋼板１１と鋼板１２との間には、垂直方向に延びるレ形開先部１３が形成されている。
【００１０】
図８（ａ）に示すように、レ形開先部１３の溶接裏面側に鋼製の裏当材１４ａを当て、突合せ継手のＶ形開先と同様の溶接条件で溶接すると、鋼板１１と裏当材１４とにより形成される角部（止端部）において、溶込み深さが浅くなって溶接金属１６に溶込み不良１８が発生することがある。また、溶接金属１６の溶接表面側においては、鋼板１１の表面にアンダカット１９ａ等の欠陥が発生しやすくなるという問題点がある。
【００１１】
また、図８（ｂ）に示すように、鋼製の裏当材１４ａの代わりに水冷式の銅製裏当材１４ｂを使用した場合、鋼板１１と裏当材１４ｂとにより形成される角部（止端部）にアンダカット２０が発生すると共に、溶接金属１６の溶接表面において、鋼板１１の表面側にもアンダカット１９ｂが発生しやすくなる。この現象はセラミック製の裏当材を使用した場合も同様であり、溶接金属の溶接表面側及び裏面側にアンダカットが発生して、良好な止端形状を得ることができなくなる。そして、これらの問題は、開先断面積を狭くした場合に特に顕著に発生する傾向があるので、溶接入熱の低減を図るためにも、最適な溶接条件の選択が要求されている。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ｔ継手の溶接に適用され、表ビード及び裏ビード形状を向上させることができると共に、良好な溶込み深さを得ることができる鋼板の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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法は、第１鋼板の表面に、１５ｍｍ以上の板厚を有する第２鋼板の端面を向け、開先角度を０乃至４０°、ルート間隔Ｌを３乃至１５ｍｍ、溶接表面側の開先幅を４５ｍｍ以下として配置されたＴ継手に対して、溶接表面側及び溶接裏面側に表当材及び裏当材を当て、直径が１．４乃至２．０ｍｍであるフラックス入りワイヤを使用して３００乃至６００Ａの溶接電流で第２鋼板の板厚方向に単振動ウィービング溶接するエレクトロガスアーク溶接方法において、
トーチ角度をλ（°）、開先角度をθ（°）、溶接表面側におけるワイヤ停止時間をＳa（秒）、溶接裏面側におけるワイヤ停止時間をＳb（秒）、溶接表面側の開先幅をＷ（ｍｍ）、ワイヤ径をＰ（ｍｍ）、ウィービング幅をＺ（ｍｍ）、第２鋼板の板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、
トーチ角度λを（λz−５）乃至３０、（但し、λz＝−０．５θ＋２７．５）溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓaを（Ｓaz−０．５）乃至（Ｓaz＋１．０）、（但し、Ｓaz＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７）
溶接表面側におけるワイヤ停止時間に対する溶接裏面側におけるワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）を０．４乃至０．７、
ウィービング幅Ｚを（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）として第１鋼板と第２鋼板とを溶接することを特徴とする。
【００１４】
このフラックス入りワイヤは、フラックス中にＴｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有することが好ましい。
【００１５】
前記表当材は水冷式の摺動銅板とすることができ、前記裏当材は鋼製当材、セラミック製当材、水冷式の銅製当材又は空冷式の銅製当材とすることができる。
【００１６】
また、前記開先角度θが５乃至４０°であるとき、トーチ角度λを（λz−５）乃至（λz＋５）とすることが好ましい。
【００１７】
なお、本発明方法において、単振動ウィービングの方向は、正確に第２鋼板の板厚方向に平行である必要はなく、開先角度等に応じて、第２鋼板の板厚方向から適宜傾けることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本願発明者等が前記課題を解決するために鋭意実験研究を重ねた結果、溶接条件を厳密に規定することにより、ビード形状が向上すると共に、良好な溶込み深さを得ることができることを見い出した。
【００１９】
図１は本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法において、鋼板及び当て材の配置方法を示す平面図であり、図２は本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。図１に示すように、第１及び第２鋼板２１、２２を垂直に立て、第１鋼板２１の表面に、第２鋼板２２の傾斜した端面２２ａを向けて配置することにより、平面視でＴ形の継手が形成されており、鋼板２１と鋼板２２との間には、垂直方向に延びるレ形開先部２３が形成されている。そして、レ形開先部２３の溶接裏面側にこの開先部２３を覆うサイズの裏当材２４を当てると共に、溶接表面側に表当材２５を当て、表当材２５の上にシールドガスを供給するガス供給口３０を配置する。
【００２０】
溶接時においては、図２及び３に示すように、裏当材２４、表当材２５並びに鋼板２１及び２２により囲まれたレ形開先部２３に対して、ガス供給口３０からシールドガスを供給すると共に、第２鋼板２２の板厚方向に溶接トーチをウィービングさせる。即ち、溶接チップ３１に保持されたワイヤ３２の先端を、開先部２３内において表面側停止位置２７ａと裏面側停止位置２７ｂとの間で往復させる。そして、ワイヤ３２の先端でアーク３３を発生させることにより、開先部２３にその上方に向かって溶接金属２６を積層すると共に、溶接金属２６の積層に伴って、表当材２５及びガス供給口３０を開先部２３の上方に向かって摺動させる。なお、溶接チップ３１を支持する溶接トーチ３４は、垂直軸３５に対してトーチ角度λ（°）で溶接表面側に傾斜させている。
【００２１】
本発明においては、図４に示すように、第２鋼板２２の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ及びワイヤ径Ｐ等を規定し、これらの値により、図３に示すトーチ角度λ、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳb並びに図２に示すウィービング幅Ｚの適切な範囲を算出している。
【００２２】
そこで、先ず、本発明におけるエレクトロガスアーク溶接方法について、第２鋼板の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ、ワイヤ径Ｐ及び溶接電流の数値限定理由について説明する。
【００２３】
板厚Ｔ：１５ｍｍ以上
第２鋼板の板厚Ｔが１５ｍｍ未満であると、溶接金属を形成する領域の溶接表面側から溶接裏面側までの距離が短くなり、溶接表面側及び溶接裏面側に熱が十分に届くので、ウィービングをすることなく良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができる。従って、第２鋼板の板厚Ｔは１５ｍｍ以上とする。
【００２４】
開先角度θ：０乃至４０°
開先角度θが４０°を超えると、溶接裏面側に十分に熱が届くので、トーチ角度等を規定することなく良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができる。また、溶接表面側においては、板厚が厚い場合には開先幅が広くなるので、溶接表面側停止位置においてワイヤの停止時間Ｓaを長くしても、良好な表ビード形状を得ることができなくなる等の問題が発生する。従って、開先角度θは０乃至４０°とする。
【００２５】
ルート間隔Ｌ：３乃至１５ｍｍ
ルート間隔Ｌが３ｍｍ未満であると、間隔が狭くなりすぎて、本発明において規定する範囲では、良好な裏ビード形状及び溶込み深さを得ることができない。また、ルート間隔Ｌが１５ｍｍを超えると、溶接裏面側にも十分に熱が届くので、トーチ角度等を規定することなく良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができる。したがって、ルート間隔Ｌは３乃至１５ｍｍとする。
【００２６】
溶接表面側の開先幅Ｗ：４５ｍｍ以下
溶接表面側の開先幅Ｗが４５ｍｍを超えると、表面側停止位置においてワイヤの停止時間を長くしてもビード止端部に熱が十分に届かなくなり、溶接金属と母材（鋼材２１及び２２）とが十分に溶け合わないので、アンダカットが発生してしまう。従って、溶接表面側の開先幅Ｗは４５ｍｍ以下とする。
【００２７】
ワイヤ径Ｐ：１．４乃至２．０ｍｍ
ワイヤ径Ｐが１．４ｍｍ未満であると、アークの広がりが不足するので、溶接表面側においてはビード止端部まで熱を十分に伝えることができず、溶接金属と母材である鋼板とが十分になじまないので、良好なビード形状を得ることができない。また、溶接裏面側においてもアーク熱が不足することにより、ビード形状が不良になると共に、溶込み不足等が発生する。一方、ワイヤ径Ｐが２．０ｍｍを超えると、アークの広がりは十分に得られるが、溶接入熱が高くなるので、母材である鋼板の熱影響部及びボンド部の衝撃性能が劣化し、継手品質が低下してしまう。従って、ワイヤ径Ｐは１．４乃至２．０ｍｍとする。
【００２８】
溶接電流：３００乃至６００Ａ
溶接電流が３００Ａ未満であると、アーク熱が不足するため、溶接金属と母材である鋼板とを十分になじませることができず、溶接能率も低下する。また、溶接電流が６００Ａを超えると、溶接速度が速くなりすぎるので、高温割れ及び融合不良等が発生しやすくなる。従って、溶接電流は３００乃至６００Ａとする。但し、溶接作業性を考慮すると、ワイヤ径Ｐに対応させることが好ましく、ワイヤ径Ｐが１．４ｍｍの場合は溶接電流を３００乃至５００Ａとし、ワイヤ径Ｐが１．６ｍｍの場合は溶接電流を３５０乃至５５０Ａとし、ワイヤ径Ｐが２．０ｍｍの場合は溶接電流を４００乃至６００Ａとすることが望ましい。
【００２９】
次に、上述の如く規定された第２鋼板２２の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ及びワイヤ径Ｐ等により算出されるトーチ角度λ、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳb並びにウィービング幅Ｚの算出方法及び数値限定理由について説明する。
【００３０】
トーチ角度λ：（λ z −５）乃至３０、但し、λ z ＝−０．５θ＋２７．５
図３に示す垂直軸３５と溶接トーチ３４から延出するワイヤ３２とがなす角（トーチ角度λ）は、セラミック製又は銅製の裏当材を使用した場合の裏ビード形状（特に、第１鋼板側の止端形状）又は鋼製の裏当材を使用した場合の溶込み深さに影響を与える。また、前述の如く、開先角度θが狭くなるほど、セラミック製又は銅製の裏当材を使用した場合には、アンダカットが発生しやすくなり、鋼製の裏当材を使用した場合には、溶込み不足となる傾向がある。即ち、開先角度θが狭くなるほど、トーチ角度λを大きくする必要がある。そこで、本願発明者等は、経験的に最適なトーチ角度の基準値λz（°）を下記数式１によって規定した。
【００３１】
【数１】
λz＝−０．５θ＋２７．５
しかしながら、実際のトーチ角度λは、最適なトーチ角度の基準値λzを含み、ビード形状及び溶込み深さに影響を与えない範囲で設定する必要がある。トーチ角度λが（λz−５）°未満であると、良好な裏ビード形状又は溶込み深さを得ることができない。一方、トーチ角度λが３０°を超えると、アーク点を表面側の表当材に接近させることが困難になると共に、左右方向（ウィービング方向に直交する方向）へのアークの広がりが小さくなるので、良好な表ビードを得ることができない。従って、トーチ角度λは（λz−５）乃至３０（°）とする。このλzは上記数式１により算出される。
【００３２】
但し、開先角度θが５°以上と大きい場合、不必要にトーチ角度λを大きくすることは好ましくない。従って、開先角度θが５°以上である場合、トーチ角度λは（λz−５）乃至（λz＋５）とすることが好ましい。
【００３３】
溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓ a ：（Ｓ az −０．５）乃至（Ｓ az ＋１．０）、但し、Ｓ az ＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７
ワイヤは開先部内において表面側停止位置２７ａと裏面側停止位置２７ｂとの間でウィービング動作をする。このとき、開先幅が広くなるほど、開先止端部に熱を伝えるための時間が必要となるので、表面側停止位置２７ａにおける停止時間Ｓaを長くする必要がある。そこで、本願発明者等は、トーチ角度λが０°で、ワイヤ径が１．６ｍｍであるワイヤを使用した場合の表面側停止位置２７ａにおける停止時間の基準値Ｓ1z（秒）を開先幅Ｗを使用して下記数式２によって規定した。
【００３４】
【数２】
Ｓ1z＝Ｗ／１０−０．５
また、表面側の停止時間Ｓaはトーチ角度λによっても影響される。即ち、トーチ角度λが大きいほどアーク点を表当材に接近させることが困難になると共に、左右方向（ウィービング方向に直交する方向）へのアークの広がりが小さくなるので、良好な表ビードを得るための停止時間Ｓaを長くする必要がある。本発明においては、トーチ角度λが０°である場合に対して、トーチ角度λが大きくなった場合に表面側の停止時間Ｓaを長くする割合をｂとしたとき、ｂを下記数式３によって規定する。
【００３５】
【数３】
ｂ＝０．０５λ
更に、表面側の停止時間Ｓaはワイヤ径Ｐによっても影響される。即ち、ワイヤ径Ｐが太くなるほど溶接入熱が大きくなるので、停止時間Ｓaを短くする必要がある。例えば、ワイヤ径が２．０ｍｍである場合には、ワイヤ径が１．６ｍｍである場合と比較して、停止時間Ｓaを約０．８秒短くする必要があり、ワイヤ径が１．４ｍｍである場合には、ワイヤ径が１．６ｍｍである場合と比較して、停止時間Ｓaを約０．４秒長くする必要がある。従って、本発明においては、ワイヤ径Ｐが１．６ｍｍである場合を基準にして、ワイヤ径Ｐが他の値である場合に表面側の停止時間Ｓaを変化させる割合をｃとしたとき、ｃを下記数式４によって規定する。
【００３６】
【数４】
ｃ＝−２（Ｐ−１．６）
上記数式２乃至４より、表面側停止位置２７ａにおける最適な停止時間の基準値Ｓaz（秒）は下記数式５によって表される。
【００３７】
【数５】
Ｓaz＝Ｓ1z＋ｂ＋ｃ
＝Ｗ／１０−０．５＋０．０５λ−２（Ｐ−１．６）
＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７
しかしながら、表面側停止位置２７ａにおける実際の停止時間Ｓaは、最適な停止時間の基準値Ｓazを含み、ビード形状及び溶込み深さに影響を与えない範囲で設定する必要がある。停止時間Ｓaが（Ｓaz−０．５）秒未満であると、アーク熱の広がりを十分に得ることができず、溶着金属と母材である鋼板とが十分になじまないので、アンダカット等を防止することができず、良好な止端形状を得ることができない。一方、停止時間Ｓａが（Ｓaz＋１．０）秒を超えると、溶着金属と母材である鋼板とのなじみ性は良好となるが、表面側停止位置２７ａに停止する時間を長くすることは溶接裏面側のビード形状が劣化するか、又は溶込み不足となる原因になるので、停止時間Ｓaを必要以上に長くすることは好ましくない。従って、表面側停止位置２７ａにおける停止時間Ｓaは（Ｓaz−０．５）乃至（Ｓaz＋１．０）とする。このＳazは上記数式５により算出される。
【００３８】
なお、溶接電流の停止時間Ｓaに対する影響については、同一ワイヤ径の場合、電流値が高くなるほど単位時間あたりのアーク熱は増大するが、同時に溶接速度も速くなるので、単位溶接長当たりに与えられる溶接入熱は殆ど増加しない。従って、溶接電流の停止時間Ｓaに対する影響は、本発明において規定する３００乃至６００Ａの範囲においては、殆ど無視することができる。
【００３９】
溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓ a に対する溶接裏面側におけるワイヤ停止時間Ｓ b の比（Ｓ b ／Ｓ a ）：０．４乃至０．７
前述の如く、本発明において、ワイヤは開先部内において表面側停止位置２７ａと裏面側停止位置２７ｂとの間でウィービング動作をする。裏面側停止位置２７ｂにおける停止時間Ｓbが長くなるほど、溶接裏面側のビード形状及び溶込み深さを良好にすることができるが、長くなりすぎると、溶接表面側と溶接裏面側との熱量のバランスが崩れるので、溶接表面側にアンダカット等の溶接欠陥が発生する。表面側の停止時間Ｓaに対する裏面側の停止時間Ｓbの比率（Ｓb／Ｓa）が０．４未満であると、良好な裏ビード形状又は溶込み深さを得ることができない。一方、（Ｓb／Ｓa）が０．７を超えると、溶接裏面側と溶接表面側との熱量のバランスが崩れ、表面側の熱量が不足するので、溶接表面側において、良好なビード形状を得ることができなくなる。従って、溶接表面側における停止時間Ｓaに対する溶接裏面側における停止時間Ｓbの比率（Ｓb／Ｓa）は０．４乃至０．７とする。
【００４０】
ウィービング幅Ｚ：（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）
本発明においては、第２鋼板の板厚方向にワイヤをウィービングさせながら鋼板を溶接する。このときのウィービング幅Ｚが第２鋼板の板厚Ｔに対して広すぎると、作業性が悪化するか、又は表当材を損傷してしまう。即ち、使用する裏当材がセラミック製又は鋼製の場合、ウィービング幅Ｚが（Ｔ−３）ｍｍを超えてアークが直接裏当材に当たると、アークが不安定になって、多量のスパッタが発生する。また、使用する裏当材が銅製である場合においては、ウィービング幅Ｚが（Ｔ−３）を超えてアークが直接裏当材に当たると、裏当材を損傷する。一方、ウィービング幅Ｚが（Ｔ−１５）ｍｍ未満であると、溶接表面側及び溶接裏面側にアーク熱が十分に届かないので、良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができない。従って、ウィービング幅Ｚは（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）とする。
【００４１】
なお、本発明において、ウィービング速度については特に規定しないが、ワイヤが表面側停止位置２７ａから裏面側停止位置２７ｂに移動する時間は１．５秒以内であることが好ましい。即ち、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳbを０秒とした場合のウィービング回数は、２０（回／分）以上であることが望ましい。
【００４２】
次いで、本発明において使用するフラックス入りワイヤ中のフラックスに含有される成分について説明する。
【００４３】
フラックス中にＴｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有する
Ｔｉ及びＢは溶接金属の組織を微細化し、溶接金属の衝撃性能を向上させる効果を有することは公知である。しかしながら、溶接金属中の酸素量が多いと、Ｔｉ及びＢが溶接金属中の酸素と結合して酸化物となるので、金属組織の微細化効果を得ることができず、衝撃性能を向上させることも困難となる。Ｍｇは強い脱酸力を有しており、フラックス中に添加することにより溶接金属中の酸素量を低減することができるので、Ｔｉ及びＢの添加効果を高めることができる。しかし、Ｍｇはアークを不安定にするので、フラックス中にＭｇを添加すると、スパッタ発生量が増加すると共に、Ｍｇが酸化することによって生じたＭｇＯはスラグの流動性を低下させる。これにより、Ｍｇの添加はビード外観等にも悪影響を及ぼす。従って、フラックス中にＭｇを多量に添加することは好ましくない。一方、希土類元素はＭｇと同様に強い脱酸力を有しており、アークを安定化すると共にスラグの流動性を向上させる効果も有している、そこで、Ｍｇと共に希土類元素をフラックス中に添加することにより、アークの安定性及びスラグの流動性を低下させることなく、溶接金属中の酸素量を低減することができるので、Ｔｉ及びＢの添加効果を高めることができる。従って、本発明において使用するフラックス入りワイヤのフラックスには、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有することが好ましい。
【００４４】
なお、本発明において、使用する裏当材の形状は特に規定しないが、この裏当材が鋼製又はセラミック製である場合、例えば、図５（ａ）に平面図で示すように、切欠きが形成されてない四角柱形状の裏当材２４ａとすることができる。また、使用する裏当材が銅製である場合、図５（ｂ）に平面図で示すように、溶接金属が形成される面の第１鋼板２１側に切欠きを設け、斜面３７が形成された裏当材２４ｂを使用する。これは、銅製の裏当材は、鋼製又はセラミック製の裏当材と異なり、基本的にはアーク熱によって溶融させない（非消耗）ものであるので、裏ビードの形状に合わせて切欠きを設ける必要があるからである。但し、裏当材が鋼製又はセラミック製である場合においても、図５（ｂ）に示すような切欠きを設けた裏当材を使用することができる。
【００４５】
図６は本発明方法を使用して溶接した溶接金属の形状例を示す平面図である。但し、図６（ａ）は鋼製の裏当材２４ａを使用した例であり、図６（ｂ）はセラミック製の裏当材を使用した例である。図６に示すように、形成された溶接金属２６ａ及び２６ｂは、表ビード及び裏ビードが共に優れた形状となっており、溶込み不良及びアンダカット等は発生しなかった。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法の実施例についてその比較例と比較して具体的に説明する。
【００４７】
先ず、下記表１に示すフラックス組成を有するフラックス入りワイヤと、下記表２に示す組成を有する鋼板を準備し、図２及び３に示す方法により、下記表３乃至６に示す種々の条件で鋼板のエレクトロガスアーク溶接を実施した。但し、ワイヤ突出し長さは３０乃至４０ｍｍとし、１００％ＣＯ2のシールドガスを使用して、その流量を３０乃至３５（リットル／分）とした。
【００４８】
そして、得られた溶接金属について、表ビード形状、裏ビード形状及び溶込み深さを観察することによりビード形状を評価すると共に、衝撃性能を評価した。これらの評価結果を下記表７及び８に示す。なお、下記表７及び８に示すビード形状の評価結果欄においては、ビード形状が良好であると共に、良好な溶込み深さが得られたものを○（良好）とし、ビード形状が不良であるか又は溶込み不良が発生したものを×（不良）とした。また、衝撃性能は試験温度を０℃として、溶接金属から採取した１０ｍｍ角の試験材にＶノッチを形成したシャルピー衝撃試験片により評価し、２７Ｊ以上の値を示したものを○、２７Ｊ未満の値であったものを×とした。また、ワイヤ記号Ｂのワイヤを使用した場合に２７Ｊ以上の値を示すと共に、同一の条件（板厚、開先形状、電流及び電圧）でワイヤ記号Ａのワイヤを使用して溶接した場合の２倍以上の値であったものを◎とした。
【００４９】
【表１】
【００５０】
【表２】
【００５１】
【表３】
【００５２】
【表４】
【００５３】
【表５】
【００５４】
【表６】
【００５５】
【表７】
【００５６】
【表８】
【００５７】
上記表３乃至８に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１０はエレクトロガスアーク溶接時の種々の条件が適切に規制されているので、溶接表面側及び裏面側のビード形状が優れていると共に、良好な溶込み深さを得ることができた。特に、実施例Ｎｏ．３及び６は使用したフラックス入りワイヤのフラックス中に、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素が含有されているので、衝撃性能がより一層優れたものとなった。
【００５８】
一方、比較例Ｎｏ．１１はトーチ角度が本発明範囲の下限未満であるので、溶込み不良が発生した。比較例Ｎｏ．１２はトーチ角度が本発明範囲の下限未満であると共に、ワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．１３は表面側の停止時間が本発明範囲の上限を超えているので、裏ビード形状が劣化すると共に、衝撃性能が低下した。比較例Ｎｏ．１４は表面側の停止時間及びワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側及び裏面側のビード形状が劣化すると共に、衝撃性能が低下した。
【００５９】
また、比較例Ｎｏ．１５はトーチ角度が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．１６はトーチ角度及び溶接表面側のワイヤ停止時間が本発明範囲の上限を超えているので、表面側のビード形状が劣化すると共に、溶込み不足が発生した。比較例Ｎｏ．１７は表面側のワイヤ停止時間が本発明範囲の下限未満であるので、表面側のビード形状が劣化した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．１８はウィービング幅が本発明範囲の下限未満であり、比較例Ｎｏ．１９はウィービング幅が本発明範囲の下限未満であると共に、溶接表面側のワイヤ停止時間が本発明範囲の上限を超えているので、いずれも表面側のビード形状が劣化すると共に、溶込み不良が発生した。比較例Ｎｏ．２０はウィービング幅が本発明範囲の上限を超えているので、表面側及び裏面側のビード形状が劣化すると共に、表当材として使用した銅板が損傷した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．２１はウィービング幅が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタが発生すると共に、表当材として使用した銅板が損傷し、表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．２２はワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．２３はワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の下限未満であるので、溶接裏面側に溶込み不足が発生した。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、鋼板により形成されたＴ継手のエレクトロガスアーク溶接において、鋼板の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ及びワイヤ径Ｐ等により、最適なトーチ角度λ、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳb並びにウィービング幅Ｚを算出し、これにより種々の条件を規定しているので、裏当材の種類に拘わらず、表ビード及び裏ビード形状を向上させることができると共に、良好な溶込み深さを得ることができる。また、使用するフラックス入りワイヤのフラックス組成を適切に規定すると、得られた溶接金属の衝撃性能が優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法において、鋼板及び当て材の配置方法を示す平面図である。
【図２】本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。
【図４】本発明に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法において、第２鋼板の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ及び溶接表面側の開先幅Ｗを示す平面図である。
【図５】裏当材の形状の例を示す平面図である。
【図６】本発明方法を使用して溶接した溶接金属の形状例を示す平面図である。
【図７】Ｖ形開先の片面突合せ継手の従来のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図である。
【図８】従来のエレクトロガスアーク溶接方法によりＴ継手を溶接した場合の溶接欠陥を示す平面図である。
【符号の説明】
１、２、１１、１２、２１、２２；鋼板
３、１３、２３；開先部
４、１４、２４、２４ａ、２４ｂ；裏当材
５；銅板
６、１６、２６、２６ａ、２６ｂ；溶接金属
７ａ、７ｂ、２７ａ、２７ｂ；停止位置
２５；表当材
３０；ガス供給口
３１；溶接チップ
３２；ワイヤ
３３；アーク
３４；溶接トーチ
【発明の属する技術分野】
本発明は造船、橋梁及び鉄骨等の構造物の製造時に適用されるエレクトロガスアーク溶接方法に関し、特に、Ｔ継手の開先部における溶接表面側及び溶接裏面側に表当材及び裏当材を当てて溶接する鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロガスアーク溶接は溶接能率が高いので、コストを低減する等の目的により、造船及び橋梁等の裏当材を使用するＶ形開先の片面突合せ溶接において広く使用されている。図７はＶ形開先の片面突合せ継手の従来のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図である。傾斜した端面１ａ及び２ａを有する２枚の鋼板１及び２を垂直に立て、その端面１ａと端面２ａとを突き合わせて配置することにより、垂直方向に延びる開先部３を形成する。この開先部３は、溶接表面側が開いたＶ形状となっており、溶接裏面側も若干離間している。そして、この溶接裏面側には、鋼板１と２との間隙を覆うように、例えば、セラミック製の裏当材４を配置する。
【０００３】
溶接時においては、開先部３の溶接表面側に銅板５を当て、裏当材４、銅板５並びに鋼板１及び２により囲まれた開先部３に対して、上部より溶接ワイヤを送給し、開先部３の上方に向かって溶接金属６を積層すると共に、銅板５を開先部３の上方に向かって摺動させる。
【０００４】
また、エレクトロガスアーク溶接法は、炭酸ガスシールドアーク溶接法等と比較して溶接入熱が高くなるので、鋼板１及び２が厚板である場合には、従来より、開先角度を狭くして開先断面積を小さくすることにより溶接入熱を低減していた。
【０００５】
更に、鋼板１及び２の板厚が３０ｍｍ以上である場合には、表面側及び裏面側にアーク熱が十分に届かず、溶接ビードの形状が不安定となるので、溶接トーチをウィービングさせることも実施されていた。即ち、溶接ワイヤの先端を、開先部３内において表面側停止位置７ａと裏面側停止位置７ｂとの間で往復させる。
【０００６】
この場合、ウィービング幅を板厚の約半分とし、溶接トーチの角度は、ウィービングさせないときと同様に０乃至１０°とし、表面側停止位置７ａにおける停止時間Ｓaと裏面側停止位置７ｂにおける停止時間Ｓbとの比率（Ｓa：Ｓb）は１：１とするのが一般的であった。
【０００７】
一方、鉄骨及び橋梁等の溶接においては、図７に示すＶ形開先を有する突合せ継手の他に、レ形開先を有するＴ継手が多く使用されており、これらの開先を溶接する場合においても、溶接の高能率化を図るために、エレクトロガスアーク溶接を適用することが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｔ継手のレ形開先に対して、突合せ継手のＶ形開先と同様の溶接条件でエレクトロガスアーク溶接すると、以下に示す種々の問題点が発生する。図８は従来のエレクトロガスアーク溶接方法によりＴ継手を溶接した場合の溶接欠陥を示す平面図である。なお、図８（ａ）は鋼製の裏当材を使用した例であり、図８（ｂ）は水冷式の銅製裏当材を使用した例である。
【０００９】
図８に示すように、垂直に立てられた鋼板１１の表面に、垂直に立てられた鋼板１２の傾斜した端面を向けて配置することによりＴ継手が形成され、鋼板１１と鋼板１２との間には、垂直方向に延びるレ形開先部１３が形成されている。
【００１０】
図８（ａ）に示すように、レ形開先部１３の溶接裏面側に鋼製の裏当材１４ａを当て、突合せ継手のＶ形開先と同様の溶接条件で溶接すると、鋼板１１と裏当材１４とにより形成される角部（止端部）において、溶込み深さが浅くなって溶接金属１６に溶込み不良１８が発生することがある。また、溶接金属１６の溶接表面側においては、鋼板１１の表面にアンダカット１９ａ等の欠陥が発生しやすくなるという問題点がある。
【００１１】
また、図８（ｂ）に示すように、鋼製の裏当材１４ａの代わりに水冷式の銅製裏当材１４ｂを使用した場合、鋼板１１と裏当材１４ｂとにより形成される角部（止端部）にアンダカット２０が発生すると共に、溶接金属１６の溶接表面において、鋼板１１の表面側にもアンダカット１９ｂが発生しやすくなる。この現象はセラミック製の裏当材を使用した場合も同様であり、溶接金属の溶接表面側及び裏面側にアンダカットが発生して、良好な止端形状を得ることができなくなる。そして、これらの問題は、開先断面積を狭くした場合に特に顕著に発生する傾向があるので、溶接入熱の低減を図るためにも、最適な溶接条件の選択が要求されている。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ｔ継手の溶接に適用され、表ビード及び裏ビード形状を向上させることができると共に、良好な溶込み深さを得ることができる鋼板の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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法は、第１鋼板の表面に、１５ｍｍ以上の板厚を有する第２鋼板の端面を向け、開先角度を０乃至４０°、ルート間隔Ｌを３乃至１５ｍｍ、溶接表面側の開先幅を４５ｍｍ以下として配置されたＴ継手に対して、溶接表面側及び溶接裏面側に表当材及び裏当材を当て、直径が１．４乃至２．０ｍｍであるフラックス入りワイヤを使用して３００乃至６００Ａの溶接電流で第２鋼板の板厚方向に単振動ウィービング溶接するエレクトロガスアーク溶接方法において、
トーチ角度をλ（°）、開先角度をθ（°）、溶接表面側におけるワイヤ停止時間をＳa（秒）、溶接裏面側におけるワイヤ停止時間をＳb（秒）、溶接表面側の開先幅をＷ（ｍｍ）、ワイヤ径をＰ（ｍｍ）、ウィービング幅をＺ（ｍｍ）、第２鋼板の板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、
トーチ角度λを（λz−５）乃至３０、（但し、λz＝−０．５θ＋２７．５）溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓaを（Ｓaz−０．５）乃至（Ｓaz＋１．０）、（但し、Ｓaz＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７）
溶接表面側におけるワイヤ停止時間に対する溶接裏面側におけるワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）を０．４乃至０．７、
ウィービング幅Ｚを（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）として第１鋼板と第２鋼板とを溶接することを特徴とする。
【００１４】
このフラックス入りワイヤは、フラックス中にＴｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有することが好ましい。
【００１５】
前記表当材は水冷式の摺動銅板とすることができ、前記裏当材は鋼製当材、セラミック製当材、水冷式の銅製当材又は空冷式の銅製当材とすることができる。
【００１６】
また、前記開先角度θが５乃至４０°であるとき、トーチ角度λを（λz−５）乃至（λz＋５）とすることが好ましい。
【００１７】
なお、本発明方法において、単振動ウィービングの方向は、正確に第２鋼板の板厚方向に平行である必要はなく、開先角度等に応じて、第２鋼板の板厚方向から適宜傾けることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本願発明者等が前記課題を解決するために鋭意実験研究を重ねた結果、溶接条件を厳密に規定することにより、ビード形状が向上すると共に、良好な溶込み深さを得ることができることを見い出した。
【００１９】
図１は本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法において、鋼板及び当て材の配置方法を示す平面図であり、図２は本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。図１に示すように、第１及び第２鋼板２１、２２を垂直に立て、第１鋼板２１の表面に、第２鋼板２２の傾斜した端面２２ａを向けて配置することにより、平面視でＴ形の継手が形成されており、鋼板２１と鋼板２２との間には、垂直方向に延びるレ形開先部２３が形成されている。そして、レ形開先部２３の溶接裏面側にこの開先部２３を覆うサイズの裏当材２４を当てると共に、溶接表面側に表当材２５を当て、表当材２５の上にシールドガスを供給するガス供給口３０を配置する。
【００２０】
溶接時においては、図２及び３に示すように、裏当材２４、表当材２５並びに鋼板２１及び２２により囲まれたレ形開先部２３に対して、ガス供給口３０からシールドガスを供給すると共に、第２鋼板２２の板厚方向に溶接トーチをウィービングさせる。即ち、溶接チップ３１に保持されたワイヤ３２の先端を、開先部２３内において表面側停止位置２７ａと裏面側停止位置２７ｂとの間で往復させる。そして、ワイヤ３２の先端でアーク３３を発生させることにより、開先部２３にその上方に向かって溶接金属２６を積層すると共に、溶接金属２６の積層に伴って、表当材２５及びガス供給口３０を開先部２３の上方に向かって摺動させる。なお、溶接チップ３１を支持する溶接トーチ３４は、垂直軸３５に対してトーチ角度λ（°）で溶接表面側に傾斜させている。
【００２１】
本発明においては、図４に示すように、第２鋼板２２の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ及びワイヤ径Ｐ等を規定し、これらの値により、図３に示すトーチ角度λ、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳb並びに図２に示すウィービング幅Ｚの適切な範囲を算出している。
【００２２】
そこで、先ず、本発明におけるエレクトロガスアーク溶接方法について、第２鋼板の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ、ワイヤ径Ｐ及び溶接電流の数値限定理由について説明する。
【００２３】
板厚Ｔ：１５ｍｍ以上
第２鋼板の板厚Ｔが１５ｍｍ未満であると、溶接金属を形成する領域の溶接表面側から溶接裏面側までの距離が短くなり、溶接表面側及び溶接裏面側に熱が十分に届くので、ウィービングをすることなく良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができる。従って、第２鋼板の板厚Ｔは１５ｍｍ以上とする。
【００２４】
開先角度θ：０乃至４０°
開先角度θが４０°を超えると、溶接裏面側に十分に熱が届くので、トーチ角度等を規定することなく良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができる。また、溶接表面側においては、板厚が厚い場合には開先幅が広くなるので、溶接表面側停止位置においてワイヤの停止時間Ｓaを長くしても、良好な表ビード形状を得ることができなくなる等の問題が発生する。従って、開先角度θは０乃至４０°とする。
【００２５】
ルート間隔Ｌ：３乃至１５ｍｍ
ルート間隔Ｌが３ｍｍ未満であると、間隔が狭くなりすぎて、本発明において規定する範囲では、良好な裏ビード形状及び溶込み深さを得ることができない。また、ルート間隔Ｌが１５ｍｍを超えると、溶接裏面側にも十分に熱が届くので、トーチ角度等を規定することなく良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができる。したがって、ルート間隔Ｌは３乃至１５ｍｍとする。
【００２６】
溶接表面側の開先幅Ｗ：４５ｍｍ以下
溶接表面側の開先幅Ｗが４５ｍｍを超えると、表面側停止位置においてワイヤの停止時間を長くしてもビード止端部に熱が十分に届かなくなり、溶接金属と母材（鋼材２１及び２２）とが十分に溶け合わないので、アンダカットが発生してしまう。従って、溶接表面側の開先幅Ｗは４５ｍｍ以下とする。
【００２７】
ワイヤ径Ｐ：１．４乃至２．０ｍｍ
ワイヤ径Ｐが１．４ｍｍ未満であると、アークの広がりが不足するので、溶接表面側においてはビード止端部まで熱を十分に伝えることができず、溶接金属と母材である鋼板とが十分になじまないので、良好なビード形状を得ることができない。また、溶接裏面側においてもアーク熱が不足することにより、ビード形状が不良になると共に、溶込み不足等が発生する。一方、ワイヤ径Ｐが２．０ｍｍを超えると、アークの広がりは十分に得られるが、溶接入熱が高くなるので、母材である鋼板の熱影響部及びボンド部の衝撃性能が劣化し、継手品質が低下してしまう。従って、ワイヤ径Ｐは１．４乃至２．０ｍｍとする。
【００２８】
溶接電流：３００乃至６００Ａ
溶接電流が３００Ａ未満であると、アーク熱が不足するため、溶接金属と母材である鋼板とを十分になじませることができず、溶接能率も低下する。また、溶接電流が６００Ａを超えると、溶接速度が速くなりすぎるので、高温割れ及び融合不良等が発生しやすくなる。従って、溶接電流は３００乃至６００Ａとする。但し、溶接作業性を考慮すると、ワイヤ径Ｐに対応させることが好ましく、ワイヤ径Ｐが１．４ｍｍの場合は溶接電流を３００乃至５００Ａとし、ワイヤ径Ｐが１．６ｍｍの場合は溶接電流を３５０乃至５５０Ａとし、ワイヤ径Ｐが２．０ｍｍの場合は溶接電流を４００乃至６００Ａとすることが望ましい。
【００２９】
次に、上述の如く規定された第２鋼板２２の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ及びワイヤ径Ｐ等により算出されるトーチ角度λ、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳb並びにウィービング幅Ｚの算出方法及び数値限定理由について説明する。
【００３０】
トーチ角度λ：（λ z −５）乃至３０、但し、λ z ＝−０．５θ＋２７．５
図３に示す垂直軸３５と溶接トーチ３４から延出するワイヤ３２とがなす角（トーチ角度λ）は、セラミック製又は銅製の裏当材を使用した場合の裏ビード形状（特に、第１鋼板側の止端形状）又は鋼製の裏当材を使用した場合の溶込み深さに影響を与える。また、前述の如く、開先角度θが狭くなるほど、セラミック製又は銅製の裏当材を使用した場合には、アンダカットが発生しやすくなり、鋼製の裏当材を使用した場合には、溶込み不足となる傾向がある。即ち、開先角度θが狭くなるほど、トーチ角度λを大きくする必要がある。そこで、本願発明者等は、経験的に最適なトーチ角度の基準値λz（°）を下記数式１によって規定した。
【００３１】
【数１】
λz＝−０．５θ＋２７．５
しかしながら、実際のトーチ角度λは、最適なトーチ角度の基準値λzを含み、ビード形状及び溶込み深さに影響を与えない範囲で設定する必要がある。トーチ角度λが（λz−５）°未満であると、良好な裏ビード形状又は溶込み深さを得ることができない。一方、トーチ角度λが３０°を超えると、アーク点を表面側の表当材に接近させることが困難になると共に、左右方向（ウィービング方向に直交する方向）へのアークの広がりが小さくなるので、良好な表ビードを得ることができない。従って、トーチ角度λは（λz−５）乃至３０（°）とする。このλzは上記数式１により算出される。
【００３２】
但し、開先角度θが５°以上と大きい場合、不必要にトーチ角度λを大きくすることは好ましくない。従って、開先角度θが５°以上である場合、トーチ角度λは（λz−５）乃至（λz＋５）とすることが好ましい。
【００３３】
溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓ a ：（Ｓ az −０．５）乃至（Ｓ az ＋１．０）、但し、Ｓ az ＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７
ワイヤは開先部内において表面側停止位置２７ａと裏面側停止位置２７ｂとの間でウィービング動作をする。このとき、開先幅が広くなるほど、開先止端部に熱を伝えるための時間が必要となるので、表面側停止位置２７ａにおける停止時間Ｓaを長くする必要がある。そこで、本願発明者等は、トーチ角度λが０°で、ワイヤ径が１．６ｍｍであるワイヤを使用した場合の表面側停止位置２７ａにおける停止時間の基準値Ｓ1z（秒）を開先幅Ｗを使用して下記数式２によって規定した。
【００３４】
【数２】
Ｓ1z＝Ｗ／１０−０．５
また、表面側の停止時間Ｓaはトーチ角度λによっても影響される。即ち、トーチ角度λが大きいほどアーク点を表当材に接近させることが困難になると共に、左右方向（ウィービング方向に直交する方向）へのアークの広がりが小さくなるので、良好な表ビードを得るための停止時間Ｓaを長くする必要がある。本発明においては、トーチ角度λが０°である場合に対して、トーチ角度λが大きくなった場合に表面側の停止時間Ｓaを長くする割合をｂとしたとき、ｂを下記数式３によって規定する。
【００３５】
【数３】
ｂ＝０．０５λ
更に、表面側の停止時間Ｓaはワイヤ径Ｐによっても影響される。即ち、ワイヤ径Ｐが太くなるほど溶接入熱が大きくなるので、停止時間Ｓaを短くする必要がある。例えば、ワイヤ径が２．０ｍｍである場合には、ワイヤ径が１．６ｍｍである場合と比較して、停止時間Ｓaを約０．８秒短くする必要があり、ワイヤ径が１．４ｍｍである場合には、ワイヤ径が１．６ｍｍである場合と比較して、停止時間Ｓaを約０．４秒長くする必要がある。従って、本発明においては、ワイヤ径Ｐが１．６ｍｍである場合を基準にして、ワイヤ径Ｐが他の値である場合に表面側の停止時間Ｓaを変化させる割合をｃとしたとき、ｃを下記数式４によって規定する。
【００３６】
【数４】
ｃ＝−２（Ｐ−１．６）
上記数式２乃至４より、表面側停止位置２７ａにおける最適な停止時間の基準値Ｓaz（秒）は下記数式５によって表される。
【００３７】
【数５】
Ｓaz＝Ｓ1z＋ｂ＋ｃ
＝Ｗ／１０−０．５＋０．０５λ−２（Ｐ−１．６）
＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７
しかしながら、表面側停止位置２７ａにおける実際の停止時間Ｓaは、最適な停止時間の基準値Ｓazを含み、ビード形状及び溶込み深さに影響を与えない範囲で設定する必要がある。停止時間Ｓaが（Ｓaz−０．５）秒未満であると、アーク熱の広がりを十分に得ることができず、溶着金属と母材である鋼板とが十分になじまないので、アンダカット等を防止することができず、良好な止端形状を得ることができない。一方、停止時間Ｓａが（Ｓaz＋１．０）秒を超えると、溶着金属と母材である鋼板とのなじみ性は良好となるが、表面側停止位置２７ａに停止する時間を長くすることは溶接裏面側のビード形状が劣化するか、又は溶込み不足となる原因になるので、停止時間Ｓaを必要以上に長くすることは好ましくない。従って、表面側停止位置２７ａにおける停止時間Ｓaは（Ｓaz−０．５）乃至（Ｓaz＋１．０）とする。このＳazは上記数式５により算出される。
【００３８】
なお、溶接電流の停止時間Ｓaに対する影響については、同一ワイヤ径の場合、電流値が高くなるほど単位時間あたりのアーク熱は増大するが、同時に溶接速度も速くなるので、単位溶接長当たりに与えられる溶接入熱は殆ど増加しない。従って、溶接電流の停止時間Ｓaに対する影響は、本発明において規定する３００乃至６００Ａの範囲においては、殆ど無視することができる。
【００３９】
溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓ a に対する溶接裏面側におけるワイヤ停止時間Ｓ b の比（Ｓ b ／Ｓ a ）：０．４乃至０．７
前述の如く、本発明において、ワイヤは開先部内において表面側停止位置２７ａと裏面側停止位置２７ｂとの間でウィービング動作をする。裏面側停止位置２７ｂにおける停止時間Ｓbが長くなるほど、溶接裏面側のビード形状及び溶込み深さを良好にすることができるが、長くなりすぎると、溶接表面側と溶接裏面側との熱量のバランスが崩れるので、溶接表面側にアンダカット等の溶接欠陥が発生する。表面側の停止時間Ｓaに対する裏面側の停止時間Ｓbの比率（Ｓb／Ｓa）が０．４未満であると、良好な裏ビード形状又は溶込み深さを得ることができない。一方、（Ｓb／Ｓa）が０．７を超えると、溶接裏面側と溶接表面側との熱量のバランスが崩れ、表面側の熱量が不足するので、溶接表面側において、良好なビード形状を得ることができなくなる。従って、溶接表面側における停止時間Ｓaに対する溶接裏面側における停止時間Ｓbの比率（Ｓb／Ｓa）は０．４乃至０．７とする。
【００４０】
ウィービング幅Ｚ：（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）
本発明においては、第２鋼板の板厚方向にワイヤをウィービングさせながら鋼板を溶接する。このときのウィービング幅Ｚが第２鋼板の板厚Ｔに対して広すぎると、作業性が悪化するか、又は表当材を損傷してしまう。即ち、使用する裏当材がセラミック製又は鋼製の場合、ウィービング幅Ｚが（Ｔ−３）ｍｍを超えてアークが直接裏当材に当たると、アークが不安定になって、多量のスパッタが発生する。また、使用する裏当材が銅製である場合においては、ウィービング幅Ｚが（Ｔ−３）を超えてアークが直接裏当材に当たると、裏当材を損傷する。一方、ウィービング幅Ｚが（Ｔ−１５）ｍｍ未満であると、溶接表面側及び溶接裏面側にアーク熱が十分に届かないので、良好なビード形状及び溶込み深さを得ることができない。従って、ウィービング幅Ｚは（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）とする。
【００４１】
なお、本発明において、ウィービング速度については特に規定しないが、ワイヤが表面側停止位置２７ａから裏面側停止位置２７ｂに移動する時間は１．５秒以内であることが好ましい。即ち、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳbを０秒とした場合のウィービング回数は、２０（回／分）以上であることが望ましい。
【００４２】
次いで、本発明において使用するフラックス入りワイヤ中のフラックスに含有される成分について説明する。
【００４３】
フラックス中にＴｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有する
Ｔｉ及びＢは溶接金属の組織を微細化し、溶接金属の衝撃性能を向上させる効果を有することは公知である。しかしながら、溶接金属中の酸素量が多いと、Ｔｉ及びＢが溶接金属中の酸素と結合して酸化物となるので、金属組織の微細化効果を得ることができず、衝撃性能を向上させることも困難となる。Ｍｇは強い脱酸力を有しており、フラックス中に添加することにより溶接金属中の酸素量を低減することができるので、Ｔｉ及びＢの添加効果を高めることができる。しかし、Ｍｇはアークを不安定にするので、フラックス中にＭｇを添加すると、スパッタ発生量が増加すると共に、Ｍｇが酸化することによって生じたＭｇＯはスラグの流動性を低下させる。これにより、Ｍｇの添加はビード外観等にも悪影響を及ぼす。従って、フラックス中にＭｇを多量に添加することは好ましくない。一方、希土類元素はＭｇと同様に強い脱酸力を有しており、アークを安定化すると共にスラグの流動性を向上させる効果も有している、そこで、Ｍｇと共に希土類元素をフラックス中に添加することにより、アークの安定性及びスラグの流動性を低下させることなく、溶接金属中の酸素量を低減することができるので、Ｔｉ及びＢの添加効果を高めることができる。従って、本発明において使用するフラックス入りワイヤのフラックスには、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有することが好ましい。
【００４４】
なお、本発明において、使用する裏当材の形状は特に規定しないが、この裏当材が鋼製又はセラミック製である場合、例えば、図５（ａ）に平面図で示すように、切欠きが形成されてない四角柱形状の裏当材２４ａとすることができる。また、使用する裏当材が銅製である場合、図５（ｂ）に平面図で示すように、溶接金属が形成される面の第１鋼板２１側に切欠きを設け、斜面３７が形成された裏当材２４ｂを使用する。これは、銅製の裏当材は、鋼製又はセラミック製の裏当材と異なり、基本的にはアーク熱によって溶融させない（非消耗）ものであるので、裏ビードの形状に合わせて切欠きを設ける必要があるからである。但し、裏当材が鋼製又はセラミック製である場合においても、図５（ｂ）に示すような切欠きを設けた裏当材を使用することができる。
【００４５】
図６は本発明方法を使用して溶接した溶接金属の形状例を示す平面図である。但し、図６（ａ）は鋼製の裏当材２４ａを使用した例であり、図６（ｂ）はセラミック製の裏当材を使用した例である。図６に示すように、形成された溶接金属２６ａ及び２６ｂは、表ビード及び裏ビードが共に優れた形状となっており、溶込み不良及びアンダカット等は発生しなかった。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法の実施例についてその比較例と比較して具体的に説明する。
【００４７】
先ず、下記表１に示すフラックス組成を有するフラックス入りワイヤと、下記表２に示す組成を有する鋼板を準備し、図２及び３に示す方法により、下記表３乃至６に示す種々の条件で鋼板のエレクトロガスアーク溶接を実施した。但し、ワイヤ突出し長さは３０乃至４０ｍｍとし、１００％ＣＯ2のシールドガスを使用して、その流量を３０乃至３５（リットル／分）とした。
【００４８】
そして、得られた溶接金属について、表ビード形状、裏ビード形状及び溶込み深さを観察することによりビード形状を評価すると共に、衝撃性能を評価した。これらの評価結果を下記表７及び８に示す。なお、下記表７及び８に示すビード形状の評価結果欄においては、ビード形状が良好であると共に、良好な溶込み深さが得られたものを○（良好）とし、ビード形状が不良であるか又は溶込み不良が発生したものを×（不良）とした。また、衝撃性能は試験温度を０℃として、溶接金属から採取した１０ｍｍ角の試験材にＶノッチを形成したシャルピー衝撃試験片により評価し、２７Ｊ以上の値を示したものを○、２７Ｊ未満の値であったものを×とした。また、ワイヤ記号Ｂのワイヤを使用した場合に２７Ｊ以上の値を示すと共に、同一の条件（板厚、開先形状、電流及び電圧）でワイヤ記号Ａのワイヤを使用して溶接した場合の２倍以上の値であったものを◎とした。
【００４９】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
上記表３乃至８に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１０はエレクトロガスアーク溶接時の種々の条件が適切に規制されているので、溶接表面側及び裏面側のビード形状が優れていると共に、良好な溶込み深さを得ることができた。特に、実施例Ｎｏ．３及び６は使用したフラックス入りワイヤのフラックス中に、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素が含有されているので、衝撃性能がより一層優れたものとなった。
【００５８】
一方、比較例Ｎｏ．１１はトーチ角度が本発明範囲の下限未満であるので、溶込み不良が発生した。比較例Ｎｏ．１２はトーチ角度が本発明範囲の下限未満であると共に、ワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．１３は表面側の停止時間が本発明範囲の上限を超えているので、裏ビード形状が劣化すると共に、衝撃性能が低下した。比較例Ｎｏ．１４は表面側の停止時間及びワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側及び裏面側のビード形状が劣化すると共に、衝撃性能が低下した。
【００５９】
また、比較例Ｎｏ．１５はトーチ角度が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．１６はトーチ角度及び溶接表面側のワイヤ停止時間が本発明範囲の上限を超えているので、表面側のビード形状が劣化すると共に、溶込み不足が発生した。比較例Ｎｏ．１７は表面側のワイヤ停止時間が本発明範囲の下限未満であるので、表面側のビード形状が劣化した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．１８はウィービング幅が本発明範囲の下限未満であり、比較例Ｎｏ．１９はウィービング幅が本発明範囲の下限未満であると共に、溶接表面側のワイヤ停止時間が本発明範囲の上限を超えているので、いずれも表面側のビード形状が劣化すると共に、溶込み不良が発生した。比較例Ｎｏ．２０はウィービング幅が本発明範囲の上限を超えているので、表面側及び裏面側のビード形状が劣化すると共に、表当材として使用した銅板が損傷した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．２１はウィービング幅が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタが発生すると共に、表当材として使用した銅板が損傷し、表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．２２はワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の上限を超えているので、溶接表面側のビード形状が劣化した。比較例Ｎｏ．２３はワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）が本発明範囲の下限未満であるので、溶接裏面側に溶込み不足が発生した。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、鋼板により形成されたＴ継手のエレクトロガスアーク溶接において、鋼板の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ、溶接表面側の開先幅Ｗ及びワイヤ径Ｐ等により、最適なトーチ角度λ、停止位置２７ａ及び２７ｂにおける停止時間Ｓa及びＳb並びにウィービング幅Ｚを算出し、これにより種々の条件を規定しているので、裏当材の種類に拘わらず、表ビード及び裏ビード形状を向上させることができると共に、良好な溶込み深さを得ることができる。また、使用するフラックス入りワイヤのフラックス組成を適切に規定すると、得られた溶接金属の衝撃性能が優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法において、鋼板及び当て材の配置方法を示す平面図である。
【図２】本発明の実施例に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う模式的断面図である。
【図４】本発明に係る鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法において、第２鋼板の板厚Ｔ、開先角度θ、ルート間隔Ｌ及び溶接表面側の開先幅Ｗを示す平面図である。
【図５】裏当材の形状の例を示す平面図である。
【図６】本発明方法を使用して溶接した溶接金属の形状例を示す平面図である。
【図７】Ｖ形開先の片面突合せ継手の従来のエレクトロガスアーク溶接方法を示す平面図である。
【図８】従来のエレクトロガスアーク溶接方法によりＴ継手を溶接した場合の溶接欠陥を示す平面図である。
【符号の説明】
１、２、１１、１２、２１、２２；鋼板
３、１３、２３；開先部
４、１４、２４、２４ａ、２４ｂ；裏当材
５；銅板
６、１６、２６、２６ａ、２６ｂ；溶接金属
７ａ、７ｂ、２７ａ、２７ｂ；停止位置
２５；表当材
３０；ガス供給口
３１；溶接チップ
３２；ワイヤ
３３；アーク
３４；溶接トーチ
Claims (5)
- 第１鋼板の表面に、１５ｍｍ以上の板厚を有する第２鋼板の端面を向け、開先角度を０乃至４０°、ルート間隔Ｌを３乃至１５ｍｍ、溶接表面側の開先幅を４５ｍｍ以下として配置されたＴ継手に対して、溶接表面側及び溶接裏面側に表当材及び裏当材を当て、直径が１．４乃至２．０ｍｍであるフラックス入りワイヤを使用して３００乃至６００Ａの溶接電流で第２鋼板の板厚方向に単振動ウィービング溶接するエレクトロガスアーク溶接方法において、
トーチ角度をλ（°）、開先角度をθ（°）、溶接表面側におけるワイヤ停止時間をＳa（秒）、溶接裏面側におけるワイヤ停止時間をＳb（秒）、溶接表面側の開先幅をＷ（ｍｍ）、ワイヤ径をＰ（ｍｍ）、ウィービング幅をＺ（ｍｍ）、第２鋼板の板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、
トーチ角度λを（λz−５）乃至３０、（但し、λz＝−０．５θ＋２７．５）溶接表面側におけるワイヤ停止時間Ｓaを（Ｓaz−０．５）乃至（Ｓaz＋１．０）、（但し、Ｓaz＝Ｗ／１０＋０．０５λ−２Ｐ＋２．７）
溶接表面側におけるワイヤ停止時間に対する溶接裏面側におけるワイヤ停止時間の比（Ｓb／Ｓa）を０．４乃至０．７、
ウィービング幅Ｚを（Ｔ−１５）乃至（Ｔ−３）として第１鋼板と第２鋼板とを溶接することを特徴とする鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法。 - 前記フラックス入りワイヤは、フラックス中にＴｉ、Ｂ、Ｍｇ及び希土類元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記表当材は水冷式の摺動銅板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記裏当材は鋼製当材、セラミック製当材、水冷式の銅製当材又は空冷式の銅製当材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法。
- 前記開先角度θが５乃至４０°であるとき、トーチ角度λを（λz−５）乃至（λz＋５）とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鋼板のエレクトロガスアーク溶接方法。
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