JP3815600B2 - 片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁における構造物の内、特にＵトラフ形リブ片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に係り、フラックス入りワイヤを用いてアーク状態がきわめて良好で、スパッタが少なく、深溶込みの溶接部が得られる片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、橋梁の分野において鋼床版の補強材として図３（ａ）に示すような閉断面形式のＵトラフ形リブ（以下、Ｕリブという。）が、図３（ｂ）に示す開断面形式の縦リブ（以下、縦リブという。）に比べてその使用量が増加している。これはＵリブが縦リブに比べ強度および防錆上好ましく、鋼床版全体の軽量化や溶接長の低減が図れる等のメリットがあるからである。しかし、縦リブの溶接では図３（ｂ）に示すように縦リブの両側から溶接が行えるため溶け込み量が確保できるが、Ｕリブの場合、図３（ａ）に示すように片側のみの溶接になるため、溶け込み量の確保が容易ではない。
【０００３】
水平すみ肉ガスシールドアーク溶接が可能なフラックス入りワイヤとして、例えば、特開平９−９４６９２号公報に、充填フラックスを含めたワイヤ成分を限定することにより、溶接速度１ｍ／ｍｉｎの条件下にてビード形状、ビードのなじみ性およびスラグ剥離性を改善する技術の開示がある。また、特開平６−２３４０７５号公報では、フラックス入りワイヤの成分組成を限定すると共に、２電極で１プール溶接方法を採用することで、アークが安定し、スパッタが少なく、ビード形状が良好な溶接部が得られる技術の記載がある。
【０００４】
しかし、前述の特開平９−９４６９２号公報記載のフラックス入りワイヤを用いて、高速度かつ高電流の溶接条件で水平すみ肉溶接を行った場合、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなると共に、深い溶込みを得ることができない。
また、特開平６−２３４０７５号公報に記載の２電極溶接による方法は、溶接速度は高速化されるが、２電極であるので溶接施工上、溶接トーチ周りの設備が大型化し、設備投資が高価になる。さらに深い溶込みが得られない等の問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、高電流で高速度の溶接条件においてもアークが安定で、スパッタ発生量が少なく、さらに深い溶込みが得られる片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、鋼製外皮にフラックスを充填したワイヤのワイヤ全質量％で、Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍｎ：０．８〜４．０％、アーク安定剤としてＮａ ₂ ＯとＴｉＯ ₂ を含む合成物が１．８％以下、Ｎａ ₂ ＯとＴｉＯ ₂ を含む合成物とは別に、Ｎａ ₂ Ｏ源をＮａ ₂ Ｏ換算値で０．６％以下、ＴｉＯ ₂ 源をＴｉＯ ₂ 換算値で１．８％以下の１種または２種以上：０．０５〜１．８％を含み、フラックス充填率が３〜９．５％であるフラックス入りワイヤを用いて、下板および立板からなる水平すみ肉部材の該立板が傾斜したすみ肉角度θが９０°超の水平すみ肉部の溶接を行うことを特徴とする。
【０００７】
また、溶接電流がワイヤ径１．２ｍｍの場合３００〜５００Ａ、１．４ｍｍの場合３２０〜５２０Ａ、１．６ｍｍの場合３４０〜５４０Ａであることも特徴とする片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示すＵリブに代表される立板の傾斜によるすみ肉角度θが９０°超のすみ肉溶接部の片側すみ肉肉ガスシールドアーク溶接方法においては、図２に示すように構造物の強度の確保立から板の板厚Ｔに対する溶け込み深さｔ１が溶け込み率（（ｔ１／Ｔ）×１００）で７０％以上要望される。そこで本発明者らは、高電流で高速度の溶接条件で行う片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に用いるフラックス入りワイヤの成分組成などについて詳細に検討した。
【０００９】
その結果、フラックス入りワイヤに充填するフラックスに適正な範囲のＳｉ、Ｍｎからなる脱酸剤にＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物、Ｎａ₂Ｏ、ＴｉＯ₂の単独、または複合添加したアーク安定剤を含有させることにより、溶接時の溶滴の離脱を促進して溶滴の細粒化および移行回数を増加させてアーク安定化させると共に低スパッタ化を図り、さらにフラックス充填率を低くすることにより、フラックス入りワイヤの欠点である溶込み深さが浅いという問題を解決し得るという知見を得た。
【００１０】
以下に本発明の片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に用いるフラックス入りワイヤの成分組成等限定理由を述べる。
Ｓｉはワイヤ質量％（以下、％という。）で、０．３〜１．８％とする。Ｓｉは脱酸剤として使用し、溶接金属中の酸素量を低減させる効果がある。しかし、０．３％未満では溶接金属の粘性が低くなってビードが下板側に垂れる。さらに脱酸力が不足して溶接金属にブローホールが発生するようになる。また、１．８％を超えると溶接金属中へのＳｉ成分の歩留りが過大となって溶接金属の強度が高まり、割れが発生しやすくなる。
【００１１】
Ｍｎは０．８〜４．０％とする。Ｍｎは溶接金属の脱酸を促進するとともに、溶融金属の流動性を高め、溶接ビード形状を改善する。Ｍｎが０．８％未満ではビード形状が凸状になるとともにブローホールが発生する。また、４．０％を超えると溶滴が大きくなり、スパッタ低減効果が無くなり、溶着金属への歩留りが過大となって溶接金属の強度が高まり、割れが発生しやすくなる。
ＳｉおよびＭｎ含有量は鋼製外皮のＳｉおよびＭｎ、金属Ｓｉ、金属ＭｎまたはＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ等鉄合金のＳｉ、Ｍｎの換算値である。
【００１２】
次にアーク安定剤の添加量とその効果について記述する。
充填フラックスにアーク安定剤を０．０５〜１．８％添加することによって、アーク状態が良好で溶滴が小さく安定し、スパッタ発生量が極めて少なくなる。アーク安定剤が０．０５％未満であると溶滴が移行した瞬間に発生するアーク切れが阻止できない。また、アーク長の変動が大きく、さらに溶滴移行回数が少なく溶滴が大きくなり、アークが不安定でスパッタ発生量も多くなる。アーク安定剤が１．８％を超えるとアークが必要以上に長くなり、スパッタ発生量が増加するととともにアンダーカットが発生する。なお、アーク安定剤はＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物、Ｎａ₂Ｏ源をＮａ₂Ｏ換算値およびＴｉＯ₂源をＴｉＯ₂換算値の１種または２種以上を用いる。
【００１３】
充填フラックスのアーク安定剤であるＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物は１．８％以下とする。Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物は、溶滴が移行した瞬間に発生するアーク切れを防止し、アーク状態を良好とし、スパッタ発生量を少なくする。Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物が１．８％を超えると、アーク切れは防止できるが、アーク長が必要以上に長くなり、スパッタ発生量が増加し、ヒュームの発生量も増加し、さらにアンダーカットも発生する。
【００１４】
Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物は、ＳｉＯ₂を含む三元系の合成物、Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂の割合が種々変化した合成物であっても同様な効果が得られ、本発明技術思想に含まれる。Ｎａ₂ＯおよびＴｉＯ₂を含む合成物はチタン酸ソーダであり、例えば、水酸化ナトリウムとルチールを所望の割合で配合して高温処理する方法で得られることができるが、Ｎａ₂Ｏが１０〜５０％で、ＴｉＯ₂が５０〜９０％の範囲内での割合の合成物とすることが望ましい。例えば、１３Ｎａ₂Ｏ−８０ＴｉＯ₂、２０Ｎａ₂Ｏ−７３ＴｉＯ₂、４２Ｎａ₂Ｏ−５３ＴｉＯ₂、あるいは１３Ｎａ₂Ｏ−２５ＳｉＯ₂−５８ＴｉＯ₂を主要成分とする合成物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１５】
アーク安定剤のＮａ₂Ｏ源をＮａ₂Ｏ換算値で０．６％以下とする。Ｎａ₂Ｏ源はＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂またはＳｉＯ₂を含む合成物以外の添加成分であり、溶接中のアーク長変動を少なくし、溶滴移行回数の増加、即ち、溶滴の細粒化を促進させる効果を持つ。しかしながら、０．６％を超えると溶滴移行回数は減少し、アーク長のみが長くなる傾向があり、その結果、スパッタ発生量が増加するとともにアンダーカットも発生する。Ｎａ₂Ｏ源には炭酸ソーダ、ソーダガラスがある。
【００１６】
アーク安定剤のＴｉＯ₂源をＴｉＯ₂換算値で１．８％以下とする。ＴｉＯ₂源はＮａ₂ＯおよびＴｉＯ₂またはＳｉＯ₂を含む合成物以外の添加成分であり、アーク安定剤として溶滴先端に発生するアークの発生面積を拡大させることにより、溶滴移行を安定させる下向きの電磁ピンチ効果を促進させる効果を有する。しかしながら、１．８％を超えると下向きの電磁ピンチ力が過大となり、溶滴移行を不安定にする。ＴｉＯ₂源には酸化チタン、ルチール、チタンスラグ、イルミナイト等がある。
【００１７】
本発明に使用するフラックス入りワイヤの充填フラックス充填率は３〜９．５％とする。フラックス充填率が３％未満であると、フラックス充填および成形が困難となり、生産性が悪くなる。また、フラックス充填率が９．５％を超えるとスラグ発生量、スパッタ発生量が増え、さらに溶接金属溶込みが浅くなり溶け込み率７０％以上が得られなくなる。しかし、より高い生産性と、低スラグ発生量、低スパッタ、および安定した深い溶込みを得ることを考慮した場合、フラックス充填率は４〜８％が望ましい。
【００１８】
溶接電流は、ワイヤ径１．２ｍｍの場合３００〜５００Ａ、１．４ｍｍの場合３２０〜５２０Ａ、１．６ｍｍの場合３４０〜５４０Ａとする。溶接電流がワイヤ径１．２ｍｍの場合３００Ａ未満、１．４ｍｍの場合３２０Ａ未満および１．６ｍｍの場合３４０Ａ未満の場合、アークが不安定でスパッタ発生量多くなる。また、溶込み深さが浅くなり溶け込み率７０％以上が得られなくなる。溶接電流がワイヤ径１．２ｍｍの場合５００Ａ超、１．４ｍｍの場合５２０Ａ超および１．６ｍｍの場合５４０Ａ超になると、溶け込み率は大きくなるが、アークの吹きつけが過大となりスパッタ発生量が多くなるとともにアンダーカットが生じやすくなりビード形状が劣化する。
【００１９】
以上が本発明の構成であるが、充填フラックスに添加できる成分にはＡｌ、Ｍｇ、Ｚｒなどの脱酸剤を通常のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤと同様に、溶接金属の脱酸不足によるブローホールの発生および、または機械的性質の調整のため含有させる。しかし、これらが過剰に含有されるとスラグ焼き付きによるスラグ剥離性不良、ビード外観不良、または溶接金属の強度が過大となり耐割れ性が劣化する。なお、脱酸剤は溶接金属中に歩留り合金剤として働く以外にもスラグ化し、溶融スラグの組成および生成量にも影響し、本発明の目的効果を損なう場合があるので、種類、含有量は適宜制限することが望ましい。
本発明は溶接ビードを覆っているスラグの剥離性を向上させる成分として、Ｂｉ、Ｓ等を本発明の基本的な技術思想に影響を与えない範囲で適宜添加できる。
また、鋼種により強度および靱性の調整としてＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ等の添加も可能である。
【００２０】
本発明に用いるフラックス入りワイヤのワイヤ径は、高電流で高速度の溶接条件で水平すみ肉溶接に用いられるので、ワイヤ送給速度の安定性やワイヤ先端の狙い位置ずれを考慮して１．２〜１．６ｍｍとする。
なお、立板端部を開先加工して溶接すれば溶け込み率は大きくなるが、溶着量が不足して多層溶接となって、溶接能率が悪くなる。一方、本発明においては開先加工しなくとも、十分な溶け込み率が得られる。
【００２１】
また、本発明における立板の傾斜角度は９０°超とするが、溶け込み率および溶着量の確保から立板の傾斜角度は９５〜１２０°であることが望ましい。
本発明にて使用するアーク溶接用シールドガスは、ＣＯ₂ガスを使用して十分な溶接作業性が得られるが、さらに溶接作業性時の環境面から考慮し、ヒューム発生量が少なくなるＡｒ−ＣＯ₂混合ガスを使用してもよい。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００２２】
【実施例】
表１に本発明例および比較例に使用するために試作したフラックス入りワイヤを示す。なお、ワイヤ外皮はＣ：０．０４％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．３０％、Ｐ：０．０２０％、Ｓ：０．０１５％の帯鋼を用い、成形工程でフラックスを充填し、Ｏ字型に成形して溶接後ワイヤ径１．２〜１．６ｍｍまで伸線して試作した。これらの試作ワイヤを用いて、図１に示す立板および下板からなり立板を傾斜したすみ肉試験体（鋼種：ＳＭ４９０Ｂ、立板：板厚６および９ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、下板：厚さ２０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に表２に示す溶接条件（溶接電圧：２５〜４０Ｖ、チップ・母材間距離：２５ｍｍ、シールドガス：ＣＯ₂ ２５リットル／ｍｉｎ）で図２に示すように水平すみ肉溶接した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
溶接時にスパッタ発生量の測定、アーク状態の観察を行い、溶接後にビード外観の観察、溶け込み深さの測定およびブロホール発生の有無を調べた。
なお、スパッタ発生量は捕集量が１．５０ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。溶け込み率は溶接後の試験体から断面マクロを５個採取し、図２に示すように各断面マクロの溶け込み深さｔ１を測定し、立板の板厚Ｔに対する溶け込み率を算出した。溶け込み率は７０％以上を良好とした。
また、ブロホールの有無は断面マクロを採取した残りの試験片につき、ビード表面にスリットを入れてビード縦方向に割って破面観察で有無を調べた。それらの結果を表２にまとめて示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
表２中、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は本発明例、Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．２４は比較例である。本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．９は、使用したワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ９の、成分（アーク安定剤、ＳｉおよびＭｎの量）およびフラックス充填率が適正で、かつ溶接電流も適正であるので、アークが安定しスパッタ発生量が少なく、ビード外観が良好で、深い溶け込みが得られ、さらにブロホールの発生もなく極めて満足な結果であった。
【００２７】
比較例中、Ｎｏ．１０は、使用したワイヤ記号Ｗ１０のアーク安定剤であるＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成物が低いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなった。また、Ｓｉが低いので、溶接金属の粘性が低くなってビードが下板側に垂れ、ブロホールも発生した。
Ｎｏ．１１は使用したワイヤ記号Ｗ１１のアーク安定剤であるＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成物とＴｉＯ₂源のＴｉＯ₂換算値との合計が高いので、スパッタ発生量が多く、アンダーカットも発生した。また、Ｓｉが高いので、クレータ部に高温割れが発生した。
【００２８】
Ｎｏ．１２は使用したワイヤ記号Ｗ１２のアーク安定剤であるＮａ₂ＯとＴｉＯ₂を含む合成物が高いので、ヒューム発生量およびスパッタ発生量が多く、さらにアンダーカットも発生した。また、Ｍｎが低いので、ビード外観が凸ビードになりブロホールも発生した。
Ｎｏ．１３は使用したワイヤ記号Ｗ１３のアーク安定剤であるＮａ₂Ｏ源のＮａ₂Ｏ換算値が高いので、スパッタ発生量が多くアンダーカットも発生した。また、Ｍｎが高いのでクレータ部に高温割れが発生した。
【００２９】
Ｎｏ．１４は使用したワイヤ記号Ｗ１４のアーク安定剤であるＴｉＯ₂源のＴｉＯ₂換算値が高いのでスパッタ発生量が多くアンダーカットも発生した。
Ｎｏ．１５は使用したワイヤ記号Ｗ１５のフラックス充填率が低いので、ワイヤ製造時の生産性が悪くフラックスの充填率にバラツキがあり、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなり、アンダーカットも発生した。
【００３０】
Ｎｏ．１６は使用したワイヤ記号Ｗ１６のフラックスの充填率が高いのでスラグ生成量が多く、スパッタ発生量が多くなり、さらに溶け込み率も低くなった。Ｎｏ．１７およびＮｏ．１９は溶接電流が低いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなった。また、溶け込み率も低くなった。
Ｎｏ．１８およびＮｏ．２０は、溶接電流が高いので、アークの吹きつけが過大となりスパッタ発生量が高く、さらにアンダーカットが生じた。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法によればアーク状態がきわめて良好で、スパッタ発生量が少なく、深い溶け込みが得られ、溶接の高能率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象とする傾斜した立板すみ肉溶接部を示す断面図である。
【図２】本発明における溶け込み率算出の説明図である。
【図３】閉断面形式のＵトラフ形リブの断面図（ａ）および開断面形式の縦リブ（ｂ）を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 立板
２ 下板
３ 溶接金属
Ｔ 立板の板厚
ｔ１ 溶け込み深さ
θ すみ肉角度

Claims (2)

1. 片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、鋼製外皮にフラックスを充填したワイヤのワイヤ全質量％で、Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍｎ：０．８〜４．０％、アーク安定剤としてＮａ ₂ ＯとＴｉＯ ₂ を含む合成物が１．８％以下、Ｎａ ₂ ＯとＴｉＯ ₂ を含む合成物とは別に、Ｎａ ₂ Ｏ源をＮａ ₂ Ｏ換算値で０．６％以下、ＴｉＯ ₂ 源をＴｉＯ ₂ 換算値で１．８％以下の１種または２種以上：０．０５〜１．８％を含み、フラックス充填率が３〜９．５％であるフラックス入りワイヤを用いて、下板および立板からなる水平すみ肉部材の該立板が傾斜したすみ肉角度θが９０°超の水平すみ肉部の溶接を行うことを特徴とする片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。
2. 溶接電流が下記範囲であることを特徴とする請求項１記載の片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。
   ワイヤ径、１．２ｍｍの場合 ３００〜５００Ａ
   １．４ｍｍの場合 ３２０〜５２０Ａ
   １．６ｍｍの場合 ３４０〜５４０Ａ

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