JP3775051B2

JP3775051B2 - フラッシュバット溶接装置および溶接方法

Info

Publication number: JP3775051B2
Application number: JP12559598A
Authority: JP
Inventors: 広志松田; 守章小野; 英幸鶴丸; 清文渋谷; 安利中山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: JPH11320104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素鋼（軟鋼）、合金鋼、高張力鋼、耐熱鋼などの溶接に使用するフラッシュバット溶接装置および溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フラッシュバット溶接は、
▲１▼被溶接材をクランプし、その両端に電圧を印加した状態で、突き合わせ端面を適切な速度で接近させ、局部的な接触部を生じさせる過程、
▲２▼この接触部に流れる高電流密度の短絡電流による抵抗発熱と、接触短絡部の溶融破断に伴い発生するアークによって端面を局部的に集中加熱する。この時、アークによって、端面の溶融金属が飛散する過程［フラッシュ過程］、
▲３▼このフラッシングによって端面全面の温度を上昇させ、突き合わせ端面の全面にほぼ一様な溶融層を形成させた時点で、急速に加圧・変形させる過程［アプセット過程］、
から構成される溶接方法である。
【０００３】
鋼板の製造ラインでは、鋼板がフラッシュバット溶接で接合されることが多い。冷間圧延などの製造ラインでは、溶接部は母材部と同様の処理を受けるので、溶接部の強度が十分に得られない場合、製造ライン内で破断を生じる。破断が発生した場合、製造効率の大幅な低下や破断材による圧延ロールなどの設備損傷による製造コストの大幅な増加を引き起こすため、溶接部の強度低下を防ぐことが必須である。
【０００４】
このような強度低下を生じる主な原因としては、次の２点を挙げることができる。
▲１▼Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ等の酸化介在物を形成しやすい合金成分を含有した鋼板を溶接する場合、溶接界面に介在物が残留し、そこを起点として割れが生じ、溶接部の強度が低下する。
▲２▼高炭素鋼、合金鋼などでは、溶接界面近傍が硬化し、靭性が劣化するために溶接部の強度が低下する。
【０００５】
溶接部の強度低下を防ぐためには、▲１▼の要因に対しては介在物の溶接界面への残存を如何に回避するか、また▲２▼の要因に対しては溶接部の硬化を如何に抑制するかが重要となる。
【０００６】
介在物の溶接界面への残存を回避する方法としては、溶接時における介在物の生成、特に介在物中最も容易に生成する酸化物の生成を抑制し、介在物の残存を回避する方法が提案されている。特開昭４９−９６９４７号公報では溶接部近傍で還元性ガスを含むガスを燃焼させることにより大気中酸素を遮断する方法、特開昭５６−５０７８９号公報では突き合わせ溶接部分を気密化し不活性ガスでシールドして溶接する方法が提案されている。
【０００７】
また、特開昭５９−１１８２８２号公報では溶接部近傍に炭素重合体、有機化合物、有機珪素化合物や亜鉛、亜鉛粉末含有物、カルシウム、マグネシウム合金やその含有物などの保護ガス発生物質、特開昭６２−２７５５８１号公報ではグリースを溶接部近傍に塗布して溶接時の熱により保護ガスを発生させる方法、特開昭６３−２０３２８１号公報ではその塗布方法が提案されている。
【０００８】
溶接部の硬化を抑制する方法としては、溶接後の冷却速度を低下させるもしくは溶接前後に予熱処理、後熱処理を行うことにより溶接部を軟化させるなどの対策が行われている。予熱処理には、例えばフラッシュ過程前に被溶接材の接触と引き離しを繰り返し行って電気的に被溶接材を加熱する方法がある。後熱処理には、高周波加熱または溶接機の電源を用いて直接通電を行うことにより溶接部を加熱する方法があり、例えば特開昭５５−３６０１７号公報、特開昭５５−３６０１８号公報には溶接電源を用いて、溶接機内で後熱処理を行う方法が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から行われてきた方法には以下に述べる問題点がある。まず、界面への介在物の抑制方法に関しては、次のような問題がある。
【００１０】
特開昭４９−９６９４７号公報は、介在物抑制には比較的有効であるが、還元性ガスを含むガスの燃焼のみでは溶接部の急冷を抑制する効果が小さく、溶接部の品質を改善できない場合が多い。特開昭５６−５０７８９号公報は、気密化に伴う設備改造やその運用によるコスト増加、溶接機にこれら設備を取り付けることにより微妙な調整を必要とする突き合わせ部周辺の保守作業に支障がでるといった問題が生じる。特開昭５９−１１８２８２号公報、特開昭６２−２７５５８１号公報、特開昭６３−２０３２８１号公報に開示されている方法は、鋼板へのグリースなどの塗布工程が増えることになり、効率面の低下、設備コストの増加を引き起こす。
【００１１】
また、これらの方法を使用した場合、グリースが溶接機などに付着、残存するため、スパッタなどが容易に付着する。スパッタが電極表面に付着した場合、電極と鋼板の接触が局部的になり、ダイバーンなどの溶接欠陥を発生させる。また、鋼板通板中にスパッタが鋼板上に落下すると、鋼板表面に傷を生じるため、グリースなどを除去する煩雑な清掃を行わねばならない。
【００１２】
また、溶接部の予熱処理、後熱処理に関しては、次のような問題がある。フラッシュ過程前に被溶接材の接触と引き離しを繰り返し行って電気的に被溶接材を加熱する予熱処理方法では、電圧を印加しながら接触・引き離しを繰り返し行うため、温度の制御が難しく安定した予熱処理を行えない。また、特開昭５５−３６０１７号公報、特開昭５５−３６０１８号公報の後熱処理方法では、電極で溶接部をクランプしたまま、１次側の電圧を制御するのみであり、後熱処理時の２次側の電流、温度、発熱を正確に制御することはできない。
【００１３】
さらに、鋼板の場合、上記のような通電加熱では、電極の方が鋼板より幅が大きく、通電点は鋼板の全幅にわたるため、鋼板両端部の温度が中央に比べ著しく高くなるという特性がある。これは、電流経路や鋼板端部の熱反射等の熱伝導の影響によるものであるが、前記の方法では鋼板両端部の高温化を抑制することができず、端部と内部で溶接部の組織や強度に差が生じるという問題がある。
【００１４】
特開平８−１１８０３４号公報には、このような問題を解決するために、フラッシュバット溶接後に出側電極のみをアンクランプし、鋼板よりも幅の狭い金属板を出側電極と先行鋼板の間に挿入して通電を行うことにより、鋼板幅方向の温度分布を均一化する方法が提案されている。しかしながら、この方法では金属板の挿入装置が必要となり設備上複雑なものとなるのみでなく、連続使用時に金属板が劣化し通電性が悪くなるため、ダイバーンなどの溶接不良が発生するという欠点を有する。
【００１５】
本発明は、前記問題点を考慮して、溶接部の硬化を抑制して、溶接部の品質を向上できるフラッシュバット溶接装置と溶接方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
【００１７】
（１）突き合わせてフラッシュバット溶接を行う被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット溶接装置であって、ガス排出ポートは被溶接材幅方向に分割して複数配設され、可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給系統と、空気を供給する空気供給系統と、前記可燃性ガス供給系統から供給される可燃性ガスと前記空気供給系統から供給される空気を混合してガス排出ポートに供給する混合気供給系統とを備え、さらに、前記可燃性ガス供給系統と前記空気供給系統の各々に、混合気供給系統に供給する可燃性ガス流量と空気流量をそれぞれ個別に制御してガス排出ポートに供給するガスの種類と流量を調整するための流量調整手段を備え、前記混合気供給系統に被溶接材幅に応じてガス排出ポートから噴射するガスの噴射幅を調整する手段を備えることを特徴とするフラッシュバット溶接装置。
【００１８】
（２）被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット溶接装置を用いて、被溶接材をクランプ後その端部を突き合わせ、フラッシュ過程、アプセット過程を経て溶接し、その後、後熱処理を行うフラッシュバット溶接方法において、フラッシュ過程〜アプセット過程は、被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを供給して被溶接材の接合部近傍で可燃性ガスを燃焼させて溶接部周辺に形成した還元性雰囲気で被溶接部のシールドを行い、後熱処理過程は、被溶接部の上方および下方に燃焼効率の高い燃焼ガスを供給して溶接部近傍の後熱処理を行うとともに可燃性ガスの燃焼幅を被溶接材幅に応じて制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００１９】
（３）前記（２）において、前記後熱処理過程は、可燃性ガスの燃焼による加熱に加えて溶接電源を用いて溶接部に直接通電して加熱を行うことを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２０】
（４）前記（２）または（３）において、クランプ後フラッシュ過程の前に可燃性ガスを供給して燃焼させて接合部近傍を予熱することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
【００２３】
本発明によれば、溶接中、溶接後、あるいはさらに溶接前に、溶接部近傍でガスを燃焼させることにより、(1)大気中の酸素から溶接部を遮断し、(2)溶接部近傍の鋼板温度を上昇させてアプセット量を容易に増加させ、さらに(3)溶接部の後熱処理を燃焼ガスを利用して効率よく適正に行うことにより溶接部の硬化を抑制することを可能とし、溶接部の品質を格段に向上することができる。あるいはさらに(4)溶接前に被溶接部の予熱処理を燃焼ガスを利用して効率よく適正に行うことにより予熱処理温度を適正化できるので、前記効果をより向上できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施の形態に係るフラッシュバット溶接装置において、鋼板クランプ時のクランプダイアセンブリーの要部断面を示す図、図２は図１の装置において、クランプダイとガス供給装置の接続状態の一例を示す図である。図１、図２において、１はクランプダイ、２はガス排出口（ガス排出ポート）、３は電極、４は鋼板、５ａ、５ｂは遮蔽弁、６は可燃性ガス流量調整弁、７は空気流量調整弁、８は可燃性ガス供給配管、９は空気供給配管である。
【００２６】
本装置では、ガス排出口２がクランプダイ１の溶接部側の鋼板幅方向に複数配設されている。可燃性ガス供給配管８から供給される可燃性ガスと空気供給配管９から供給される燃焼用空気は、図示されていないフラッシュバット溶接機の制御装置からの指令に基づいて、可燃性ガス流量調整弁６と空気流量調整弁７によって、所定流量に調整され混合され、混合ガスは混合気配管１１、分岐配管１２を経て、鋼板幅方向に複数配設されているガス排出口２に送られ、ガス排出口２から噴射されて燃焼されるようになっている。
【００２７】
また、図示されていないフラッシュバット溶接機の制御装置からの指令に基づいて、鋼帯幅に応じて各混合気配管１１に配設されている遮蔽弁５ａおよび各分岐管１２に配設されている遮蔽弁５ｂを開閉し、ガス排出口２から噴射される混合ガスの噴射幅すなわち燃焼幅を調整できるようになっている。
【００２８】
また、図示されていないフラッシュバット溶接機の制御装置からの指令に基づいて、鋼板４をクランプ後接合部近傍を予熱処理する際の可燃性ガス流量と燃焼用空気流量、フラッシュ過程〜アプセット過程における可燃性ガス流量と燃焼用空気流量、その後の後熱処理における可燃性ガス流量と燃焼用空気流量をそれぞれ個別に制御できるようになっている。
【００２９】
本装置を用いて、所定の初期間隔（ｄ）で鋼板４を上下の電極３、３でクランプ後、上下の電極３、３間に電圧を印加し、鋼帯端部を突き合わせて、フラッシュ過程、アプセット過程を経て溶接し、さらに後熱処理を行う。また必要に応じて、クランプ後フラッシュ過程の前に予熱処理を行う。前記各工程において、可燃性ガスの供給、燃焼を以下のように行う。
【００３０】
フラッシュ過程では、突き合わせ溶接部近傍で可燃性ガスを燃焼させて溶接部周辺に還元雰囲気を形成させる。その結果、接合界面に残存する酸化物等の割れの起点となる介在物が低減される。さらに、ガス燃焼時の鋼板への入熱を利用して接合界面近傍の鋼板温度を上昇させてアプセット過程におけるアプセット量を増加させることができる。これにより、接合界面が拡大し、介在物の密度はさらに低減されて、割れの起点となる欠陥が大幅に低減する。
【００３１】
さらに、アプセット過程の後可燃性ガスを燃焼させて、溶接界面近傍の後熱処理を行い、溶接界面近傍の硬化、靭性劣化を抑制し、切欠き感受性を低下させることにより、欠陥部がある程度拡大しても相互につながって最終的に大きな割れに至ることがなくなる。このように燃焼ガスによるシールドと熱処理を組み合わせた方法による溶接部の機械的性質の改善効果は、これらを用いなかった場合と比較して著しく大きな効果がある。
【００３２】
ここで、溶接部の熱処理方法はいくつかに分類することができる。大きく分けると、一つはオーステナイト変態点（Ａ₃点）を越えて昇温するアニール処理を行う方法、もう一つは２００℃以上Ａ₁変態点以下の温度で行うテンパー処理である。これら両方法では、それぞれ利点・欠点がある。アニール処理では高温に一定時間保持した後、冷却速度を管理して冷却する必要があり、最終組織の硬さを低く押さえるには長い冷却時間を必要とする。テンパー処理の場合、不安定相であるマルテンサイトをフェライトと炭化物とに分解することにより溶接部の硬さを低下するが、加熱後の冷却速度を管理する必要がない。また、処理温度もＡ₁変態点以下で行うのでアニール処理と比べて低い温度で可能である。
【００３３】
しかしながら、成分系によってはテンパー処理でも十分でない、もしくは長時間かかる場合があり、成分系によって処理方法等も自由に選択できる方がよい。例えば、フラッシュ過程に必要な電源容量は、直接通電による熱処理に必要なものよりも小さく、板厚が厚いもしくは板幅が広い場合は容量不足となる場合や、前述したように板幅方向の温度分布に差が生じて適切な熱処理が行えない場合がある。
【００３４】
本発明によれば、後熱処理の温度、時間を何れも自由に選択できる。また、溶接用電源を用いた直接通電とガス燃焼による熱処理を組み合わせることにより、効率的でかつ安定した熱処理が可能である。
【００３５】
また、本発明においては、フラッシュ過程の前に被溶接部の予熱処理を燃焼ガスを利用して行うことにより予熱処理温度を適正化できるので、前記効果をより向上できる。
【００３６】
本発明では、各工程における燃焼ガスの種類と流量を調整することにより、フラッシュ過程〜アプセット過程においては還元性ガスを含むガスを供給して接合界面のシールドを行い、予熱処理と後熱処理時には燃焼効率の高いガスを供給し、短時間で効率よく熱処理を行うことが可能となる。
【００３７】
なお、フラッシュ過程〜アプセット過程では、シールド効果を高めるために可燃性ガスの燃焼を連続して行う必要があるが、予熱処理又は後熱処理においては、所要の加熱ができるなら断続して燃焼してもよい。
【００３８】
本発明では、燃焼ガスの排出ポートを板幅方向に分割して燃焼ガス流量を調整し、投入熱量を制御することにより、ガス燃焼による加熱を鋼板中央部のみとしてエッジ部との温度差を補正することができるので、板幅方向の温度分布を均一にしてより適切な熱処理ができる。
【００３９】
以上述べた方法は、すべてを行う必要はなく、必要に応じて適宜適用すればよい。
【００４０】
【実施例】
重量％で、Ｃ：０．０８％、Ｓｉ：１．５％、Ｍｎ：１．７％を主要成分として含む板厚５．０ｍｍ、板幅１６００ｍｍ、引張強さ８００ＭＰａの炭素鋼熱延鋼板に対し、図１、図２に示したフラッシュバット溶接装置を用いて溶接試験を行った。なお、ガス排出ポートはその径が３ｍｍφで板幅方向に３０ｍｍピッチで配置されている。
【００４１】
溶接試験に際しては、予熱処理、フラッシュ過程〜アプセット過程、後熱処理の各過程で本発明に規定する可燃性ガスを燃焼させた場合、燃焼させない場合について試験を行い、更に後熱処理については直接通電を行った場合、行わない場合についても試験した。なお、本実施例では、予熱処理、フラッシュ過程〜アプセット過程については、全てのガス排出ポートを使用して可燃性ガスを燃焼し、後熱処理については鋼板両端部から５０ｍｍ内側の範囲内で可燃性ガスを燃焼した。
【００４２】
溶接条件は、各処理方法の適用時における最適な条件とし、曲げ試験での溶接部の割れ長さ率と溶接に要する時間（溶接所要時間）に基いて、溶接部の性能と溶接効率を評価した。燃焼ガスはプロパンを使用し、シールド時にはプロパンのみ、また熱処理時にはプロパンの２０倍の空気を混合して燃焼させた。
【００４３】
曲げ試験については、１６００ｍｍ幅の溶接部から５０ｍｍ幅の試験片を３０片取り出し、６Ｒのポンチで１８０度曲げ試験を行い、試験後に溶接部に発生した割れ長さを測定し、割れ長さが溶接部全体の長さに占める割合を、割れ長さ率（％、割れ長さ（ｍｍ）／５０×１００）として求めた。これまでの経験的な知見から、この割れ長さが１０％以下であればライン通板時に破断が生じないことから、１０％以下を良好な溶接部と判断した。また、溶接に要する時間は、クランプ開始から溶接工程（熱処理を含む）終了までの時間とした。
【００４４】
表１に溶接試験条件及び溶接所要時間、溶接部の性能をまとめて示す。
なお、表１において、予熱処理の「有無」は、本発明に規定する可燃性ガス燃焼による予熱処理の有無、ガスシールドの「有無」は、フラッシュ過程〜アプセット過程の過程で本発明に規定する可燃性ガス燃焼による接合部近傍の還元雰囲気によるシールの有無を示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
ガスシールドを行わない場合、ガスシールドを行っても後処理を行わない場合（比較例１〜３）、割れ長さ率が著しく悪い。ガスシールドを行っても、後熱処理を従来の直接通電で行った場合（比較例４）、溶接部の性能は依然として不十分である。図３に比較例４の場合の後熱処理時の温度変化を示す。この図に示すように、直接通電による後熱処理を行う従来の後熱処理方法では鋼板の幅方向の温度上昇が不均一であり、端部に比べて中央部での温度上昇が不十分である。十分な溶接部の性能が得られない原因は、このような不均一加熱によるものである。
【００４７】
一方、ガスシールド及び本発明に規定するガス加熱により後熱処理を行った場合（発明例１〜３）は、良好な溶接部性能が得られている。図４に、発明例２の後熱処理時の温度変化を示す。ガス加熱により、直接通電と比較して、溶接部の温度上昇を効率よく、かつ鋼帯の幅方向全体を均一に加熱でき、その結果、溶接部の性能が優れたものとなる。
【００４８】
また、直接通電とガス燃焼による加熱を同時に行うことにより、溶接の所要時間がより短縮される（発明例２）。さらに、クランプ後すぐにガス燃焼して予熱処理を行うことにより、前記効果をさらに向上できる（発明例３）。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、難溶接材に対しても効率よくかつ溶接部性能に優れた溶接が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るフラッシュバット溶接装置において、鋼板クランプ時のクランプダイアセンブリーの要部断面を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るフラッシュバット溶接装置において、クランプダイとガス供給装置の接続状態の一例を示す図である。
【図３】従来法による後熱処理時の幅方向の温度分布と通電時間の関係を示す図である。
【図４】本発明法による後熱処理時の幅方向の温度分布と通電時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
１クランプダイ
２ガス排出口（ガス排出ポート）
３電極
４鋼板
５ａ、５ｂ遮蔽弁
６可燃性ガス流量調整弁
７空気流量調整弁
８可燃性ガス供給配管
９空気供給配管
１１混合気配管
１２分岐配管

Claims

突き合わせてフラッシュバット溶接を行う被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット溶接装置であって、ガス排出ポートは被溶接材幅方向に分割して複数配設され、可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給系統と、空気を供給する空気供給系統と、前記可燃性ガス供給系統から供給される可燃性ガスと前記空気供給系統から供給される空気を混合してガス排出ポートに供給する混合気供給系統とを備え、さらに、前記可燃性ガス供給系統と前記空気供給系統の各々に、混合気供給系統に供給する可燃性ガス流量と空気流量をそれぞれ個別に制御してガス排出ポートに供給するガスの種類と流量を調整するための流量調整手段を備え、前記混合気供給系統に被溶接材幅に応じてガス排出ポートから噴射するガスの噴射幅を調整する手段を備えることを特徴とするフラッシュバット溶接装置。
被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット溶接装置を用いて、被溶接材をクランプ後その端部を突き合わせ、フラッシュ過程、アプセット過程を経て溶接し、その後、後熱処理を行うフラッシュバット溶接方法において、フラッシュ過程〜アプセット過程は、被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを供給して被溶接材の接合部近傍で可燃性ガスを燃焼させて溶接部周辺に形成した還元性雰囲気で被溶接部のシールドを行い、後熱処理過程は、被溶接部の上方および下方に燃焼効率の高い燃焼ガスを供給して溶接部近傍の後熱処理を行うとともに可燃性ガスの燃焼幅を被溶接材幅に応じて制御することを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
前記後熱処理過程は、可燃性ガスの燃焼による加熱に加えて溶接電源を用いて溶接部に直接通電して加熱を行うことを特徴とする請求項２に記載のフラッシュバット溶接方法。
クランプ後フラッシュ過程の前に可燃性ガスを供給して燃焼させて接合部近傍を予熱することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のフラッシュバット溶接方法。