JP5228846B2 - タンデムアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、２本の溶接用ワイヤを電極として溶接の進行方向に平行に配置して行なうガスシールドアーク溶接方法（以下、タンデムアーク溶接方法という）に関し、特に十分な溶込み深さが得られ、平滑な溶接金属が形成され、かつスラグの生成を抑制できるタンデムアーク溶接方法に関する。

ガスシールドアーク溶接は、能率に優れた溶接技術として、鉄鋼材料の溶接に広く利用されている。特に自動溶接の急速な普及によって、造船，建築，橋梁，自動車，建設機械等の種々の分野で使用されている。造船，建築，橋梁の分野では、厚板の高電流多層溶接に使用され、自動車，建設機械の分野では、薄板の隅肉溶接に使用されることが多い。
ガスシールドアーク溶接は、使用するシールドガスの種類に応じて、ＣＯ₂ガスを主成分（すなわち99体積％以上）とするガスをシールドガスとして用いる炭酸ガスアーク溶接法，ArガスとＣＯ₂ガスの混合ガスをシールドガスとして用いる混合ガスアーク溶接法（いわゆるＭＡＧ溶接法），ArガスとHeガスの混合ガスをシールドガスとして用いる混合ガスアーク溶接法（いわゆるＭＩＧ溶接法）等に分類される。

これらの溶接法は、それぞれ長所と短所がある。炭酸ガスアーク溶接法は、ＣＯ₂ガスの解離吸熱反応によってアークが緊縮するので、アーク点が集中して深い溶込みが得られるという利点を有する一方で、ＣＯ₂ガスによる酸化反応によって溶接金属の表面に酸化物（いわゆるスラグ）が形成されるという欠点がある。そのため、炭酸ガスアーク溶接法で多層溶接を行なう場合は、上層の溶接を行なう前に下層の溶接金属のスラグを除去しなければならない。

ＭＩＧ溶接法は、スラグの生成を抑制でき、かつアークの広がりによって平滑な溶接金属が得られるという利点を有する一方で、アーク点が不安定になるので、十分な溶込みが得られないという欠点がある。
なおＭＡＧ溶接法では、炭酸ガスアーク溶接法とＭＩＧ溶接法の特性がシールドガスのＣＯ₂含有量に応じて現われる。

また、ガスシールドアーク溶接法（すなわち炭酸ガスアーク溶接法，ＭＡＧ溶接法，ＭＩＧ溶接法）の施工能率を一層高めるために、複数の電極を使用した溶接技術が検討されている。
たとえば特許文献１には、２本以上の溶接用ワイヤを電極として用いる多電極ガスシールドアーク溶接において、溶接用ワイヤの成分と電極の極性とを規定することによって、アークを安定させ、かつ施工能率を高める技術が開示されている。しかし、いずれの電極においてもＣＯ₂を含有するシールドガスを使用するので、ＣＯ₂の酸化反応によって溶接金属の表面にスラグが生成するのは避けられず、スラグの巻込みに起因する溶接欠陥が生じる惧れがある。

つまり特許文献１に開示された技術は、溶接金属表面のスラグ生成を抑制する観点から改善の余地が残されていた。
特開2005-246478号公報

本発明は、２本の溶接用ワイヤを電極として用い、十分な溶込み深さが得られ、平滑な溶接金属が形成され、かつスラグの生成を抑制できるタンデムアーク溶接方法を提供することを目的とする。

発明者らは、多電極ガスシールドアーク溶接において溶接金属表面のスラグ生成を抑制する技術について調査研究した。その結果、電極の数を２本とし、各電極で異なる成分のシールドガスを使用することによって、炭酸ガスアーク溶接法，ＭＡＧ溶接法，ＭＩＧ溶接法のそれぞれの利点を活用できることが判明した。
さらに、電極として使用する溶接用ワイヤの成分を規定し、各電極の極性を規定することによって、十分な溶込み深さが得られ、平滑な溶接金属が形成され、かつスラグの生成を抑制できる効果が向上することが分かった。また、電極の間隔を規定すれば、効果が一層改善されることが分かった。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、２本の溶接用ワイヤを電極に用いた消耗電極式のタンデムアーク溶接方法において、先行極の溶接用ワイヤがREMを0.015〜0.100質量％含有し、かつ先行極を正極性とし、さらに先行極のシールドガスとして不活性ガスと80体積％以上のＣＯ ₂ ガスからなる活性ガスまたは炭酸ガスを用い、後行極の溶接用ワイヤがREMを0.015〜0.100質量％含有し、かつ後行極を逆極性とし、さらに後行極のシールドガスとしてArガス，HeガスおよびＨ₂ガスの中から選ばれる１種または２種以上を合計99.5体積％以上含有する不活性ガスを用いるとともに、先行極で生じた溶融メタルが凝固する前に後行極でスラグのクリーニングを行なうタンデムアーク溶接方法である。

本発明のタンデムアーク溶接方法においては、先行極と後行極との間隔は15〜40mmの範囲内が好ましい。

本発明によれば、十分な溶込み深さが得られ、平滑な溶接金属が形成され、かつスラグの生成を抑制できるので、健全な溶接継手が得られる。また、スラグの生成を抑制することによって、スラグの巻込みに起因する溶接欠陥を防止できる。しかも多層溶接を行なう場合に下層の溶接金属のスラグを除去する必要がないので、多層溶接の施工能率を向上できる。

本発明では、電極として２本の溶接用ワイヤを用いて、ガスシールドアーク溶接を行なう。１パスで２本の電極を使用することによって、ガスシールドアーク溶接の施工能率を高めることができる。
電極となる溶接用ワイヤは、フラックスを内装していないソリッドワイヤと呼ばれるものを使用する。また２本の電極は、溶接の進行方向に対して平行に配置する。ここでは、２本の電極を溶接の進行方向に対して平行に配置して行なうガスシールドアーク溶接をタンデムアーク溶接と記す。また２本の電極のうち、溶接の進行方向の前方に配置される電極を先行極と記し、後方に配置される電極を後行極と記す。

従来のタンデムアーク溶接や多電極ガスシールドアーク溶接では、アークが互いに干渉して、スパッタの発生量が増大するので、アークの安定化に有効なシールドガス（たとえば80体積％Ar−20体積％ＣＯ₂）を用いるＭＡＧ溶接が採用されている。しかしＭＡＧ溶接では、シールドガスに含有されるＣＯ₂の酸化反応によって溶接金属の表面にスラグが生成するので、多層溶接には適用されず、厚鋼板の隅肉溶接を１パスで行なう技術として開発されてきた。

これに対して本発明では、タンデムアーク溶接を多層溶接に適用するために、２本の電極がそれぞれ異なる役割を担うことによって、タンデムアーク溶接における融合不良およびスラグ巻込みを防止する。
まず、先行極では融合不良を防止する観点から、溶込みの深さを増大させる。ただし、ＭＩＧ溶接では溶込み深さの増大は期待できないので、先行極では炭酸ガスアーク溶接またはＭＡＧ溶接を採用する。つまり、不活性ガスと80体積％以上のＣＯ₂ガスとを混合した活性ガスまたは炭酸ガス（すなわちＣＯ₂ガス）をシールドガスとして使用する。その不活性ガスはArガスを使用することが好ましい。先行極のシールドガスのＣＯ₂含有量が80体積％未満では、十分な溶込み深さは得られず、多層溶接における融合不良を防止できない。したがって先行極では、不活性ガスと80体積％以上のＣＯ₂ガスとを混合した活性ガスまたは炭酸ガス（すなわちＣＯ₂ガス）をシールドガスとして使用して、ＭＡＧ溶接を行なう。シールドガスのＣＯ₂含有量は100体積％（すなわち炭酸ガスアーク溶接）であっても良い。

このようにして先行極ではＣＯ₂を含有するシールドガスを使用するので、溶融メタルの表面が酸化されてスラグが生じる。
そこで後行極では、溶融メタル表面のスラグを再び溶解（以下、クリーニングという）させるために、ＭＩＧ溶接を採用する。つまり後行極では、Arガス，HeガスおよびＨ₂ガスの中から選ばれる１種または２種以上を混合したシールドガスを使用する。ただしシールドガスに含有されるAr，HeおよびＨ₂の中から選ばれる１種または２種以上の合計が99.5体積％未満では、クリーニング効果が得られず、スラグ巻込みを防止できない。したがって後行極では、Ar，HeおよびＨ₂の中から選ばれる１種または２種以上を合計99.5体積％以上含有するシールドガスを用いて、ＭＩＧ溶接を行なう。なお、シールドガスのAr，HeおよびＨ₂の中から選ばれる１種または２種以上の含有量は合計99.9体積％以上が好ましい。

また後行極のＭＩＧ溶接では、アークが広がるという本来のＭＩＧ溶接の特性に加えて、先行極にて発生したスラグが陰極点（すなわち溶融メタルのアーク点）となってアークを安定させるので、平滑な形状の溶接金属が得られる。
以上に説明した通り、本発明のタンデムアーク溶接方法において、先行極では炭酸ガスアーク溶接またはＭＡＧ溶接を採用し、後行極ではＭＩＧ溶接を採用することは、融合不良およびスラグ巻込みを防止する上で重要な意味を持っている。

次に、本発明のタンデムアーク溶接にて使用する溶接用ワイヤの成分と電極の極性について説明する。
先行極では、既に説明した通り、溶込み深さを増大させるために炭酸ガスアーク溶接またはＭＡＧ溶接を採用する。そこで、電極の極性を正極性（すなわち溶接用ワイヤをマイナス極）として、アークを集中させる。使用する溶接用ワイヤの希土類元素（以下、REMという）の含有量が0.015質量％未満では、正極性でアークを集中させる効果が得られない。一方、0.100質量％を超えると、溶接用ワイヤの製造工程における加工性が劣化するので、製造コストの上昇を招く。したがって先行極で使用する溶接用ワイヤのREM含有量は、0.015〜0.100質量％の範囲内とする。

後行極では、既に説明した通り、先行極で生じた溶融メタル表面のスラグをクリーニングするためにＭＩＧ溶接を採用する。そこで、電極の極性を逆極性（すなわち溶接用ワイヤをプラス極）として、アークを安定させる。使用する溶接用ワイヤのREM含有量が0.015質量％未満では、逆極性でアークを安定させる効果が得られない。一方、0.100質量％を超えると、溶接用ワイヤの製造工程における加工性が劣化するので、製造コストの上昇を招く。したがって後行極で使用する溶接用ワイヤのREM含有量は、0.015〜0.100質量％の範囲内とする。より好ましくは0.025〜0.050質量％である。

なおREMは電子放出能が高いので、後行極にてクリーニングが進行し、スラグが減少した状態においても、陰極点を安定させる作用を有する。そのため、後行極では、アークが広がり、かつ安定するので、平滑な形状の溶接金属が得られる。
先行極で使用する溶接用ワイヤと後行極で使用する溶接用ワイヤは、いずれも上記したREMの他に、Ca，Ｏ，Ｎの含有量を規定することが好ましい。Ca，Ｏ，Ｎは、いずれも溶接用ワイヤの素材となる溶鋼を溶製する工程、および得られた線材を伸線加工する工程で不可避的に混入する元素である。

Ca含有量が0.0008質量％を超えると、アークの安定性が阻害される。したがって、Ca含有量は0.0008質量％以下とすることが好ましい。
Ｏは、溶滴の移行形態を微細化する作用を有する。Ｏ含有量が0.0010質量％未満では、溶滴を微細化する効果が得られない。一方、0.010質量％を超えると、アークの安定性が阻害される。したがって、Ｏ含有量は0.0010〜0.010質量％の範囲内が好ましい。より好ましくは0.0010質量％以上0.0080質量％未満である。

Ｎは、溶滴の移行形態を微細化する作用を有する。Ｎ含有量が0.0010質量％未満では、溶滴を微細化する効果が得られない。一方、0.010質量％を超えると、アークの安定性が阻害される。したがって、Ｎ含有量は0.0010〜0.010質量％の範囲内が好ましい。より好ましくは0.0010質量％以上0.0080質量％未満である。
次に、本発明のタンデムアーク溶接における先行極と後行極との間隔について説明する。

先行極で溶込み深さを増大させるためには、先行極の溶接電流を高く設定する必要がある。ところが、先行極と後行極との間隔が15mm未満では、先行極のアークと後行極のアークが干渉し、アークが不安定となる。そして先行極の溶接電流が過剰に高くなると、先行極のアークと後行極のアークが一体化するので、タンデムアーク溶接の効果が得られない。一方、電極の間隔が40mmを超えると、先行極の溶接電流を高く設定してもアークの干渉は生じないが、先行極で生じた溶融メタルが後行極の手前で凝固してしまうので、タンデムアーク溶接の効果が得られない。したがって、先行極と後行極との間隔は15〜40mmの範囲内が好ましい。より好ましくは20〜30mmである。

以上に説明した通り、本発明によれば、溶接用ワイヤとして安価なソリッドワイヤを使用しても、十分な溶込み深さが得られ、平滑な溶接金属が形成され、かつスラグの生成を抑制できる。しかも、ガスシールドアーク溶接の施工能率を向上できる。

表１に示す成分の溶接用ワイヤを用いて、鋼板（厚さ40mm）の突合せ継手をタンデムアーク溶接で作製した。開先はレ形（角度35°）とし、ルートギャップは７mmとした。タンデムアーク溶接の設定条件は表２に示す通りである。なおシールドガスの流量は、いずれの条件においても先行極，後行極ともに20〜25 liter／分とした。

表２中の発明例のうち、継手番号１は先行極でＭＡＧ溶接を行ない、後行極でＭＩＧ溶接を行なう例であり、継手番号２〜５は先行極で炭酸ガスアーク溶接を行ない、後行極でＭＩＧ溶接を行なう例である。一方、比較例のうち、継手番号６は先行極で炭酸ガスアーク溶接，後行極でＭＡＧ溶接を行なう例であり、継手番号７は先行極のシールドガスの成分が本発明の範囲を外れる例である。

また、継手番号１，２，３は４層５パスの多層溶接、継手番号４，５は７層12パスの多層溶接を行なった。いずれの突合せ継手も、多層溶接の途中では溶接金属表面のスラグ除去を行なわず、最終パスが終了した後で最上層の溶接金属のスラグを除去して、Ｘ線透過試験に供した。
Ｘ線透過試験では、スラグ巻込みに起因する内部欠陥を想定して１mm以上の幅を有する欠陥の個数を測定した。その結果を表３に示す。なお表３では、突合せ継手の長さ方向300mm当たりの個数に換算して、幅１mm以上の欠陥が２個未満の突合せ継手を優（○），２個以上５個未満の突合せ継手を良（△），５個以上の突合せ継手を不可（×）として評価した。

表３から明らかなように、発明例（継手番号２〜５）では内部欠陥の評価が優または良（すなわち内部欠陥の個数は５個未満）であった。一方、比較例（継手番号６，７）では内部欠陥の評価が不可（すなわち内部欠陥の個数が５個以上）であった。
また溶接金属の外観を目視で検査したところ、発明例では平滑な溶接金属が形成されていた。

つまり本発明を適用すれば、スラグの生成を抑制して内部欠陥を抑制でき、かつ平滑な溶接金属が得られることが確かめられた。

Claims (2)

1. ２本の溶接用ワイヤを電極に用いた消耗電極式のタンデムアーク溶接方法において、先行極の溶接用ワイヤがREMを0.015〜0.100質量％含有し、かつ前記先行極を正極性とし、さらに前記先行極のシールドガスとして不活性ガスと80体積％以上のＣＯ₂ガスからなる活性ガスまたは炭酸ガスを用い、後行極の溶接用ワイヤがREMを0.015〜0.100質量％含有し、かつ前記後行極を逆極性とし、さらに前記後行極のシールドガスとしてArガス、HeガスおよびＨ₂ガスの中から選ばれる１種または２種以上を合計99.5体積％以上含有する不活性ガスを用いるとともに、前記先行極で生じた溶融メタルが凝固する前に前記後行極でスラグのクリーニングを行なうことを特徴とするタンデムアーク溶接方法。
2. 前記先行極と前記後行極との間隔を15〜40mmとすることを特徴とする請求項１に記載のタンデムアーク溶接方法。