JP4952892B2

JP4952892B2 - 極厚鋼板の溶接方法

Info

Publication number: JP4952892B2
Application number: JP2006143924A
Authority: JP
Inventors: 真治岩田; 頼義山形
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: JP2007313524A

Description

本発明は、極厚鋼板を低入熱・高能率かつ経済的に溶接する方法に関するものである。

近年、建築構造物は高層化と大スパン化の傾向にあり、これに伴って建築用鋼板の高強度化へのニーズが高まっている。特に、高層建築物の柱部材のような重要な部位に用いられる鋼板には強度維持とコンパクト化とが要求されることから、引張り強度４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の極厚鋼板が必要とされ、最近では引張強度５９０Ｎ／ｍｍ^２級の鋼板が開発・採用されるに至っている。
そして、高層建築物の柱部材としては、図７に示すような高強度極厚鋼板を溶接によって接合してＢＯＸ構造とした溶接接合材が採用されている。
従って、前記のニーズに応える溶接接合材を提供するには、靱性と溶接性を高めた鋼材（高ＨＡＺ靭性鋼及び高ＨＡＺ靭性鋼用の溶接材料）を用いることは勿論であるが、溶接方法についても適切な方法を選択する必要がある。

一般に鋼板の溶接には、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ:submerged arc welding）、エレクトロスラグ溶接（ＥＳＷ：electroslag welding）、炭酸ガスを用いたガスシールドアーク溶接（ＧＭＡＷ:gas-shielded metal arc welding）等が用いられているが、４面ＢＯＸ構造の鋼管柱の角部の溶接には、主に、サブマージアーク溶接及びガスシールドアーク溶接が採用されている。

特に、サブマージアーク溶接は大電流・大電圧で溶接効率がよく角溶接に最も適した溶接方法であるため、ＢＯＸ構造鋼管柱の角継手の角溶接に用いられ、高能率が得られる鉄粉添加フラックスを用いた片面１パス大入熱サブマージアーク溶接方法が広く適用されている。
特許文献１には、鉄粉添加フラックスを用いて板厚２８〜６０ｍｍの厚鋼板の角継手を１パスサブマージアーク溶接で溶接する方法が記載されている。
しかしながら、この方法は板厚増大に伴い溶接に必要な溶着量が著しく増大するため、適用可能な板厚が溶接機溶接電源の電流容量などにより制限されるという問題がある。

前記のような１パス溶接では極厚鋼板の溶接が困難であるため、サブマージアーク溶接を多層で行うことも行われており、特許文献２には、板厚４０ｍｍ以上のボックス柱角継手を多層サブマージアーク溶接するに際して完全溶け込みが必要な部分を２段開先とし、部分溶け込みが許容される部分をＹ開先とすることが記載されている。
しかしながら、この方法は開先内で多層溶接を行うため、各層ごとのスラグ除去に手間がかかるため効率の点で問題がある。

特許文献３には厚板金属板の突合わせ溶接方法について開示されており、これは、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、まず金属板１１、１２の被圧接部に、開先加工によって傾斜面が板厚の２分の１で終わり、傾斜面の角度が９０〜１２０°である開先部４を形成し、まず板厚２分の１の圧接部３を近づけて高周波溶接を行って溶接し、溶接後に張り出したビードを除去して均し、次に開先部４にサブマージ溶接を行って溶接部５を形成するというものである。
この方法は板厚が１６ｍｍを超える低炭素鋼の溶接を行う際に、板厚の２分の１を高周波溶接で仮付けし、残りの２分の１を１パスのサブマージとして行うことにより多層のサブマージ溶接を行わなくてすむようにしたものである。
しかしながら、この方法は、板厚が５０ｍｍを超える極厚鋼板の溶接については有効なものではなく、また、板材が相応の長さを有する場合には経済的な方法ではない。

非特許文献１、特許文献４には厚板の突合わせ溶接に用いられるナローギャップ溶接法（狭開先溶接法）についての開示がある。この溶接法は溶接断面積が少なく、装置化された溶接機を活用できる点で有利であるが、極厚鋼板の全厚をＮＧＷで施工するのは溶接機の性能上無理があり、また板厚が厚くなるほど変形量が大きくなるという問題がある。
特許文献５には厚板をナローギャップ溶接で溶接する際に、開先底面から所要の厚さ領域までの開先面の角度を大きめに設定し、その上方の厚さ領域の開先面の角度を小さめに設定して２段開先とすることにより継手の品質を向上させることが記載されている。特許文献５には溶接方法としてどのような方法を採用するかについては具体的な記載がないが、これは、一つの溶接方法で多層溶接するものであり、５０ｍｍを超える極厚鋼板の溶接を行う場合には作業効率の点で大いに問題がある。

高品質の溶接接合材を製造するための溶接方法は以下の４条件を満たすことが要求されるが、上記した従来の方法はいずれもこれらの４条件を満たすものではなかった。
（１）鋼材は高級鋼からできており、通常、溶接は容易でないため、高級鋼溶接に対応できる溶接方法であること。
（２）高級鋼の溶接時の組織変化による強度低下を避けるために溶接時の入熱が限界値以下であること(即ち入熱制限に耐えるものであること)
（３）製品は非常に過酷な強度環境におかれるので、溶接部の強度が高く溶接強度保証が高い溶接であること
（４）溶接効率が高いこと

特開平８−２４３７５１号公報特開平８−１３３８号公報特開昭５７−１２４５８８号公報特開昭５７−１６５１７９号公報特開２００１−２８７０７８号公報（社団法人溶接学会溶接法研究委員会偏「ナロウギャップ溶接（狭開先溶接）−日本における現状−」黒木出版社、昭和５９年６月２０日）５３頁

本発明は、極厚鋼板の溶接を高い作業効率で行なって高品質の極厚鋼板溶接接合材を製造することを可能とする溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、種々の溶接法及びその組み合わせについて検討した結果、突合わせ部の下方部においてテーパー付きのナローギャップ部を形成し、これに続く上方部に開先部を設けて、前記ナローギャップ部を回転アーク溶接した後に、前記開先部をサブマージアーク溶接するという溶接方法を採用することにより、上記の課題が解決できることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載する通りの極厚鋼板の溶接方法及び該溶接方法により製造された極厚鋼板溶接部材である。

（１）４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の引張り強度を有する板厚が５０ｍｍ以上の極厚鋼板の溶接方法であって、突き合わせた際に開先部とこの開先部に続くテーパー付のナローギャップ部とが形成されるようにした二つの極厚鋼板部材を直交もしくは並べて配置し、前記ナローギャップ部のテーパーの面とナローギャップの中心面との成す角が１．５°〜２．５°であり、前記ナローギャップの底面にはナローギャップ側の面に窪み部が形成された裏当金を配置し、該ナローギャップ部を底から回転アーク溶接を行なった後、該開先部をサブマージアーク溶接することを特徴とする極厚鋼板の溶接方法。
（２）前記ナローギャップ部の深さが［板厚−３０ｍｍ］を超えることを特徴とする上記（１）記載の極厚鋼板の溶接方法。
（３）上記（１）または（２）に記載の溶接方法によって得られる極厚鋼板溶接部材。
（４）上記（３）に記載の極厚鋼板溶接部材からなることを特徴とする土木・建築用ボックス柱。

本発明の溶接方法は、ＮＧＷとＳＡＷを組み合わせて、それぞれの溶接法の利点を最大限に活かすことにより、高価な溶接材料の使用量を低減し、かつ、優れた溶接品質の溶接部材を得ることができるので、高能率かつ経済的な溶接方法である。
従来のＣＯ_２半自動溶接に比べて溶接開先断面積が少なくなることから、溶接ワイヤーの所要量が約６５％削減され、溶接にかかわる作業時間は、溶接機を一人２台使用可能なことも考慮すると約８０％の削減が図れる。また冶金学的に問題となるＣＯ_２半自動溶接とＳＡＷの境界面が小さくなるので、溶接部の機械的性能の確保が容易になる効果がある。

図７に示される高層建築物用の４面ＢＯＸ構造の柱には引張り強度が４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の極厚鋼板が用いられるが本発明はこのような極厚鋼板を溶接する溶接方法として特に好適である。このような鋼板としては板厚が５０ｍｍ以上であるＳＮ４９０、ＳＭ４９０、ＳＭ５２０、ＴＭＣＰ３２５、ＴＭＣＰ３５５、ＴＭＣＰ３８５、ＳＡ４４０等を例示することができる。

本発明の溶接方法においては、溶接される２つの極厚鋼板１、２を、図１に示すように、テーパー付きのナローギャップ部Ａとこれに続く所定の開先角度及び深さを有する開先部Ｂとが形成されるように突き合わせると共に、ナローギャップ部の底面に裏当金３を配置する。この裏当金のナローギャップ側の面には切削加工等により窪み４が形成されている。
本発明ではこのナローギャップ部Ａを回転アーク溶接（以下、「ＮＧＷ」という。）で溶接し、開先部Ｂをサブマージアーク溶接（以下、「ＳＡＷ」という。）で溶接する。

まず、ナローギャップ部Ａの溶接について述べる。
溶接に際しては、突き合わせる二つの極厚鋼板部材の上面は同一レベルとする。なお、本明細書で言う同一レベルとは５０ｍｍまでの段差がある場合をも含む。建築用ＢＯＸ柱は断面の有効活用の面から突合わせ部の上面を同一レベルとすることが好ましいことは勿論である。

ＮＧＷは多層溶接であるため、溶接を重ねるたびに溶接収縮によりフランジ（通し方向の鋼板）が倒れてきて開先が狭まってしまう。そこで、所定の開先形状を常に確保するためにＮＧＷを行う部分にテーパー付きのナローギャップを設ける。このテーパーの角度は種々の試験を行った結果、垂直１．５°〜２．５°であることが好ましいことがわかった。
ナローギャップ部の開先深さは「板厚−ＳＡＷ開先深さ」で決まるが、ＳＡＷ開先深さは３０ｍｍ以下とすることが好ましいので、ナローギャップ部の開先深さは「板厚−３０ｍｍ」以上であることが好ましい。またＳＡＷ開先の最小深さは約１５ｍｍとすることが好ましい。

ナローギャップは、ＢＯＸ柱においては、断面方向については「板厚−ＳＡＷ開先深さ」の部分に設け、長さ方向についてはＣＦＴ構造の場合は全長にわたって設けるが、完全溶け込み/部分溶け込みを使い分ける場合も施工性を考えると全長にわたって設けることが好ましい。

本発明においてはナローギャップ部の溶接は回転アーク溶接によって行う。極厚板のナローギャップ溶接では、開先側壁の溶け込みを均一に確保することが重要な条件であり、そのためには開先内でアークを効果的に揺動させる必要があるが、本発明においてはこれを可能にする方法として回転アーク溶接法を採用する。

回転アーク溶接の原理図を示すと図２の通りである（前記非特許文献１参照）。
この装置は、溶接ワイヤが電極ノズルを介して通電チップに供給され、通電チップの偏心孔により偏心し、回転モータによって電極ノズル・通電チップが高速回転して溶接を行うものである。この溶接法によるナローギャップ溶接は、Ｉ形開先の狭開先溶接であるため、溶接作業の省力化が図れる。また、アルゴンガス８０％、炭酸ガス２０％の混合ガスをシールドガスに使用するか又は低スパッタワイヤを用いて炭酸ガス溶接をするとビード表面が平滑となり、スパッタの発生が少なく、スラグの除去も容易となる。また、Ｉ形開先の１層１パスの狭開先溶接で偏心孔を有するチップの回転によって溶接するので、側壁部の溶け込みが深く、均一かつ安定であり、高能率かつ高密度の溶接が可能である。

ＮＧＷはＳＡＷに比べると溶接能率は劣るが、ＣＯ_２半自動溶接に比べると溶接断面積が少なく装置化された溶接機を活用できるため有利である。また狭開先であるため、溶接量が圧倒的に少なく、高価な溶接材料の使用量を低減することができ、かつ、溶接入熱が少ないため品質の確保が容易である。
また、本発明においてはＮＧＷにおいて一番溶接欠陥の出やすい初層の溶接性を確保するためにナローギャップの底面には密閉用の裏当金を用いる。また板/板の交差部の欠陥発生を防ぐため裏当金に図１に示すように切削加工を施して窪み４を形成しておき、欠陥が万一発生しても板厚外にとどまるようにすることが好ましい。この窪みの深さは０〜４ｍｍであることが好ましい。
図３に本発明で用いる裏当金の例を示す。
図３（ａ）は裏当金の窪みの深さを２ｍｍ、幅を１５ｍｍ、角を２ｍｍＲとした例であり、図３（ｂ）は裏当金の窪みの深さを２ｍｍ、幅を１５ｍｍ、角を５ｍｍＲとした例である。

次に開先部Ｂの溶接について述べる。
開先部Ｂの溶接はＳＡＷによって行う。ＳＡＷは太径ワイヤを用い大電流の通電が可能であるので溶融能率が高く、また深溶け込みが得やすいため、厚板の高速・高能率溶接法として従来から角溶接に適した溶接方法として広く採用されている。特に中詰めコンクリート充填鋼管（ＣＦＴ：Concrete-Filled Steel Tube）のように柱全長にわたって完全溶け込み溶接（超音波探傷検査対象）となる場合には溶け込みが深いため裕度が高く有利である。
この溶接法の原理を図４に示す。粒状のフラックス中において通電チップを介して供給される溶接ワイヤと母材間にアークを発生させ、そのアーク熱で母材、ワイヤ及びアークの周囲のフラックスが溶融し、精製したスラグにより溶融金属を精錬して溶接する方法である。

ＳＡＷは前記したようにナローギャップ部に続く開先深さ３０ｍｍ以下の開先部において行う。このＳＡＷは１パスで行うことが好ましい。多層溶接で行っても良いが、多層溶接では各層ごとのスラグ除去に手間がかかり、また、既溶接部に重ねて溶接する難しさがあるので効率的ではない。
この溶接法は、溶接入熱が高すぎると溶接部の強度および衝撃値が低下することから適切な最大入熱を設定して管理する必要がある（「建築構造用高性能５９０Ｎ／ｍｍ^２（ＳＡ４４０）設計・施工指針」では４００ＫＪ／ｃｍと定められている。）

本発明は、上記のようにＮＧＷ及びＳＡＷのそれぞれの利点を生かして、ナローギャップ部をＮＧＷで溶接し、開先部をＳＡＷで溶接することにより、高品質の溶接を能率的に行うことを可能にしたものである。
本発明の溶接法を用いてナローギャップ部をＮＧＷで溶接している状態を図５に示す。
ＮＧＷの最終層はＳＡＷ開先の底部となるのでゲージにより精度確認を行うことが必要であるが、ＣＯ_２溶接とＳＡＷとを組み合わせた場合に比べると、本発明のようにＮＧＷとＳＡＷとを組み合わせたものは、はＣＯ_２溶接とＳＡＷとを組み合わせた場合に比べて溶接境界部を極小化できるので有利である。

また、ＮＧＷにおいてもＳＡＷにおいても、溶接入熱が高すぎると、溶接部の強度及び衝撃値が低下することから、適切な最大入熱を設定し、管理する必要がある。最大入熱は各々の溶接工法について溶接設備、適用溶接材料の条件を勘案して設定する必要がある。

溶接入熱量が高い場合は徐冷されてボンド部に粗い組織が生じてじん性が低下する。
また、溶接入熱量が極端に小さい場合は溶接部が急冷され割れが発生しやすくなるため予熱管理等が重要となることがある。パス間温度が低い場合も同様である。
溶接部性能に影響を及ぼすのは入熱やパス間温度だけではなく、溶接方法、鋼種、板厚、溶接構造物の寸法などによる冷却時間の違いも影響を及ぼすので、所定の予熱温度をキープする必要がある。

溶接する鋼材として、鋼材Ａ（板厚：９５ｍｍ、鋼種：ＳＡ４４０、引張強度：５９０Ｎ／ｍｍ２）と鋼材Ｂ（鋼材Ａと同板厚、同鋼種、同強度）とを用いた。
図６に示すように、板厚９５ｍｍの２枚の鋼板１、２をそれぞれの溶接部を対向させて配置した。溶接部の上方には深さ３０ｍｍ、開先角度３５°で、開先の底のギャップが約１８ｍｍとなる開先部を設け、溶接部の下方には前記開先部に続いて深さ６５ｍｍ、垂直２°のテーパーが付いたナローギャップ部を設けた。また、ナローギャップ部の底部の１５ｍｍのギャップに厚さ２５ｍｍの電炉材（ＳＮ４９０Ｂ）を裏当金３として設けた。この裏当金のギャップと当接する部分の表面には２ｍｍの窪み部４を機械加工により形成した。
次にナローギャップ部の底から回転アーク溶接を施して、１パス毎にスラグを除去して、１５回のパスでナローギャップ部Ａの溶接を終えた。
次に、サブマージアーク溶接をフラックスとしてＫＢ−６０ＩＡＤを、ワイヤーとしてＫＷ−１０１Ｂ／ＫＷ−５５を用い、入熱を５３３ＫＪ／ｃｍに制御して実施し、１パスで開先部Ｂを溶接した。
得られた溶接部について超音波探傷検査を行うと優れた溶接品質を有していた。また溶接部の引張強さ、靱性も確保されていることが確認された。同様な方法にて板厚：８０ｍｍ・９０ｍｍ、鋼種：ＳＡ４４０、引張強度：５９０Ｎ／ｍｍ^２および板厚：７０ｍｍ・７５ｍｍ、鋼種：ＴＭＣＰ３５５、引張強度：５２０Ｎ／ｍｍ^２でも良好な結果が得られた。

本発明の溶接方法は、高能率かつ経済的に極厚鋼板を溶接することができるので、高層建築物の柱部材のような高強度が要求される部位に使用されるＢＯＸ構造の柱を極厚鋼板から製造する際の溶接方法として好適に使用することができる。

本発明の溶接方法の一例を示す図である。本発明の溶接方法の一例を示す図である。本発明で用いる裏当金の例を示す図である。本発明で用いるナローギャップ回転アーク溶接の原理を示す図である。本発明で用いるサブマージアーク溶接の原理を示す図である。本発明の溶接方法を実施している様子を示す図である。ＢＯＸ構造の鋼管を示す図である。従来の溶接方法を示す図である。

符号の説明

１極厚鋼板
２極厚鋼板
３裏当金
４窪み部
５回転トーチ軸
６偏心チップ
７溶接ワイヤ
８回転アーク
１１鋼板
１２鋼板
１３圧接部
１４開先部
１５溶接部

Claims

４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の引張り強度を有する板厚が５０ｍｍ以上の極厚鋼板の溶接方法であって、突き合わせた際に開先部とこの開先部に続くテーパー付のナローギャップ部とが形成されるようにした二つの極厚鋼板部材を直交もしくは並べて配置し、前記ナローギャップ部のテーパーの面とナローギャップの中心面との成す角が１．５°〜２．５°であり、前記ナローギャップの底面にはナローギャップ側の面に窪み部が形成された裏当金を配置し、該ナローギャップ部を底から回転アーク溶接を行なった後、該開先部をサブマージアーク溶接することを特徴とする極厚鋼板の溶接方法。
前記ナローギャップ部の深さが［板厚−３０ｍｍ］を超えることを特徴とする請求項１記載の極厚鋼板の溶接方法。
請求項１または２に記載の溶接方法によって得られる極厚鋼板溶接部材。
請求項３に記載の極厚鋼板溶接部材からなることを特徴とする土木・建築用ボックス柱。