JP5283306B2 - 鋼材のサブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関し、詳しくは、ＵＯＥ鋼管およびスパイラル鋼管といった大径鋼管の造管溶接に用いて好適な、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関する。本発明の適用鋼材としては、厚さ１０〜５０mmのものが好ましい。

大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には二電極以上のサブマージアーク溶接が適用されている。パイプ生産能率向上の観点から内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する両面一層盛り溶接が一般化しており、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１，２）。
両面一層溶接では内面溶接金属と外面溶接金属が重なり未溶融部がないように十分な溶け込み深さを確保する必要があり、1000A以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であり、能率と欠陥抑制を重視するため、溶接入熱が高くなりすぎ、溶接部特に熱影響部の靭性が劣化する問題がある。

溶接部の高靭性化のためには、溶接入熱を低減するのが有効である。しかし、通常行われているシーム溶接の入熱に対して大幅に入熱を低下させなければ、明確な低入熱化による靭性向上効果を得ることができない。そして、そのように入熱を下げた場合、溶着量は減少するため開先断面積を溶着量減少分に合わせて減らす必要が生じる。そうするとこれまでよりいっそうの深溶け込み溶接を行わなければ、内外面の溶接金属は重ならず、溶け込み不足を生じてしまう。したがって、投入入熱の大幅な低減と溶け込み深さの増大を両立させるという極めて困難な課題を克服する必要がある。

例えば特許文献２には電極径に応じて電流密度を高めることにより溶け込み深さを増大させるサブマージアーク溶接方法が提案されているが、その方法では電流および電流密度が不十分で入熱の大幅な低減と溶け込み深さの増大の両立は困難である。
特開平１１−１３８２６６号公報 特開平１０−１０９１７１号公報

これまで大径鋼管の造管溶接では、高能率でかつ欠陥のない健全な溶接部を得るため、大電流大入熱でシーム溶接が実施されている。板厚方向だけでなく板幅方向にも母材を溶解し、結果的に熱エネルギーが溶解不要な母材部分の溶解にも大量に消費されて、溶接入熱が増大し溶接金属や溶接熱影響部の靭性の劣化を生じさせている。
本発明者らは、上記の問題点に鑑み、従来どおりの溶け込みを確保しながら溶接入熱を低減し、さらには溶接熱影響部の靭性劣化を抑制しうる鋼材のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討し、アークエネルギーをできるだけ板厚方向に投入することにより、必要な溶け込み深さだけを確保し、板幅方向の母材の溶解を抑制することで過剰な溶接入熱を省き、入熱低減効果により溶接熱影響部の靭性向上が可能であることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。（発明項１）鋼材を２電極以上の多電極でサブマージアーク溶接するにあたり、直流で逆極性の第１電極のワイヤ径を2.0〜2.4mmとしかつ電流を800A以上としかつ下記電流密度を243〜350A/mm²とし、隣り合う電極の鋼材表面位置でのワイヤ中心間距離を25mm以下とし、下記電極角度を、第１電極では−10〜10°とし、第２電極以降の各電極では直前先行電極の電極角度＋（5〜20°）として、135〜250cm/minの溶接速度で溶接することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
記
電流密度＝電流/ワイヤ断面積
電極角度：電極のワイヤが溶接進行方向に垂直な平面に対してなす角度であり、ワイヤが前記平面上にある場合を0°、ワイヤの先端側が後端側よりも溶接進行方向の上流側にある場合を負の角度、その逆の場合を正の角度とする。

（発明項２）前記鋼材は、片面当りの開先深さが鋼材厚さ×0.3以下の開先加工を施されてなることを特徴とする発明項１に記載の鋼材のサブマージアーク溶接方法。
（発明項３）鋼材を２電極以上の多電極で両面を各面一層盛りにサブマージアーク溶接するにあたり、該両面の各面側を発明項１または２に記載の溶接方法で溶接することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。

本発明によれば、従来の溶け込み深さ（ここでは鋼材表面から溶接金属下端までの距離の鋼材厚さ方向成分）を維持しながら溶接入熱を低減することが可能であり、溶接金属および溶接熱影響部で優れた靭性を得ることが可能となる。製造者側からは靭性が十分でなかったコストの低い鋼材を使用することが可能になり、製造コストの低減も可能になる。

以下、本発明の要件限定理由について説明する。
本発明者らが多電極溶接実験を重ねて検討した結果、第１電極が800A以上の大電流で、かつ電流密度（＝溶接電流／ワイヤ断面積）が高い場合に溶け込みが深く、鋼材幅方向の母材（被溶接材料）溶解が抑制された溶接が実施可能であることを見出した。800Aより低い電流では鋼材厚さ方向への深い溶け込みを得るのが困難である。また、電流密度が180A/mm²より低い場合では、アークエネルギーの密度が不十分で、鋼材厚さ方向への十分な溶け込みを得ることができない。一方、400A/mm²超は高電流条件となり、ワイヤ送給速度が高くなりすぎる。そのため、ワイヤ送給装置に負担がかかりすぎ、現実的でない。好ましくは180〜350A/mm²の範囲である。本発明では243〜350A/mm ² の範囲とする。こうした高電流密度溶接を行うためには、ワイヤ径を細くする必要があり、さらに高電流溶接を行うには、通常のサブマージアーク溶接機では溶接困難であり、ワイヤを高速で送給できる溶接機を使用する必要がある。なお、前記電流密度を得るためにワイヤ径を2.4mm以下とする。

第１電極の電源特性は、交番がなく溶接条件を安定に保つことができる直流（定電圧）電源とすることで、安定な深い溶け込みを得ることが可能となる。極性は溶け込みが深い逆極性（母材側をマイナス）とする。
隣り合う電極の鋼材表面位置でのワイヤ中心間距離（以下、極間距離という）は、25mm以下とする。また、第ｉ電極の電極角度α_ｉを、図４に示すように、第１電極Ｗ_１ではα_１＝−10〜10°とし、第２電極以降の各電極Ｗ_ｉではα_ｉ＝α_ｉ−１（直前先行電極Ｗ_ｉ−１の電極角度）＋Δαとして、Δα＝５〜20°とする。ただし、ｉは２以上の整数で、ｉ＝２〜４が一般的である。

第１電極は極めてエネルギー密度の高い溶接を行うものであるため、アーク圧力が高く、第１電極後方の溶融金属が激しく後方に流れ、溶融池を振動させるが、極間距離を25ｍｍ以下とすることにより振動を緩和させ、さらに、第１電極の電極角度を−10〜10°とし、かつ後行電極の電極角度を直前先行電極の電極角度＋(５〜20°)とする（すなわち後行電極は直前先行電極に対しワイヤ先端側から見て５〜20°後傾させる）ことにより第１電極からの溶融金属の流れを緩和し、溶融池の動きを安定化させ、欠陥の少ない高品質なビードとすることができる。

また、母材の開先深さを鋼材厚さ×0.3以下とすることで、過大な溶接入熱を回避できる。開先深さが鋼材厚さ×0.3を超える開先形状にすると、入熱低減のためには開先角度を小さくする必要が生じるが、スラグ巻き込みや割れなどの溶接欠陥が発生しやすく、溶け込み深さの変動も大きくなり、溶け込み不足を生じるため好ましくない。
本発明は、両面一層盛り溶接のいずれか一面側だけに適用した場合には、本発明の効果（深溶け込み溶接が可能になる効果）が発現しにくいので、両面側に適用するのが好ましい。

表１に示す板厚、組成および引張特性を有する鋼板に、図１および表２に示す大径管造管シーム溶接用開先形状の開先加工を施した後、多電極サブマージアーク溶接にて内外面一層盛りの大径管造管シーム溶接相当の溶接を施して溶接継手を作製した。

溶接条件は板厚ごとに設定し、内面側は表３−１、表３−２に示す溶接条件で施工し、外面側は表４−１、表４−２に示す溶接条件で施工した。内外面ともフラックスにはSiO₂‐CaO‐CaF₂を主成分とする溶融型フラックスを用い、ワイヤにはmass％で0.07％C、0.05％Si、1.5％Mn、0.5％Moを含む鋼組成の溶接ワイヤを適用した。溶接部の観察結果を表３−２、表４−２に示す。

表３−１、表３−２に示した内面側の条件N1〜N3はいずれも発明項１〜２を満たす実施例であり、良好な溶接がなされた。
表４−１、表４−２に示した外面側の条件１〜５、条件７はいずれも発明項１〜２を満たし、したがって発明項３も満たす実施例であり、良好な溶接結果が得られた。一方、条件８は内面側では発明項１〜２を満たすが外面側では第１電極の電流および電流密度が不足し発明項１を満たさない比較例であり、溶け込み不足が生じた。条件９は内面側では発明項１〜２を満たすが外面側では第１電極の電流密度が不足し発明項１を満たさない比較例であり、溶け込み不足が生じた。

条件10は第１電極の電源を交流電源とした比較例であることから、第１電極の電流および電圧が安定せず、ビードが不整となり、スラグ巻き込みも多数発生した。また、条件11は第２電極の電極角度が過大で、かつ極間距離が長い比較例であることから、スラグ巻き込みが発生すると共にビード幅が不整となった。

表４−１、表４−２中の条件５で溶接した継手について外面側ボンド部の位置（図３に示す）から採取したシャルピー衝撃試験片２（JIS Z 3111に規定する４号試験片）を用い、JIS Z 2242の金属材料衝撃試験方法に準拠してシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーおよび延性破面率を求めた。その結果を図２に示す。同図より、広い温度範囲にわたって非常に高い溶接熱影響部靭性が得られていることがわかる。

本発明は、大径鋼管の造管溶接に限らず、多電極サブマージアーク溶接を用いて鋼材の溶接施工を行うあらゆる産業に利用できる。

開先形状の例を示す断面図である。 実施例の溶接継手外面側ボンド部靭性の一例を示すシャルピー衝撃特性図である。 シャルピー衝撃試験片採取位置を示す断面図である。 電極角度の好適範囲を示す模式図である。

符号の説明

１ 鋼材（母材、例：鋼板）
２ シャルピー衝撃試験片
３ ノッチ
４ 溶接金属
５ ボンド部
Ｗ_ｉ 第ｉ電極
α_ｉ 第ｉ電極の電極角度

Claims (3)

1. 鋼材を２電極以上の多電極でサブマージアーク溶接するにあたり、直流で逆極性の第１電極のワイヤ径を2.0〜2.4mmとしかつ電流を800A以上としかつ下記電流密度を243〜350A/mm²とし、隣り合う電極の鋼材表面位置でのワイヤ中心間距離を25mm以下とし、下記電極角度を、第１電極では−10〜10°とし、第２電極以降の各電極では直前先行電極の電極角度＋（5〜20°）として、135〜250cm/minの溶接速度で溶接することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
   記
   電流密度＝電流/ワイヤ断面積
   電極角度：電極のワイヤが溶接進行方向に垂直な平面に対してなす角度であり、ワイヤが前記平面上にある場合を0°、ワイヤの先端側が後端側よりも溶接進行方向の上流側にある場合を負の角度、その逆の場合を正の角度とする。
2. 前記鋼材は、片面当りの開先深さが鋼材厚さ×0.3以下の開先加工を施されてなることを特徴とする請求項１に記載の鋼材のサブマージアーク溶接方法。
3. 鋼材を２電極以上の多電極で両面を各面一層盛りにサブマージアーク溶接するにあたり、該両面の各面側を請求項１または２に記載の溶接方法で溶接することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
   

Images