JP5954433B2 - 狭開先ガスシールドアーク溶接継手 - Google Patents
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Description
本発明において、「狭開先」とは、開先角度が20°以下でかつ被溶接材となる鋼材間の最小開先幅が、当該鋼材の板厚の50%以下であることを意味する。
この溶接方法では、イナートガスを用いた1層当たり1パスの積層溶接を行っている。しかしながら、このような1層当たり1パスの溶接では、熱が開先の中央部に集中するので、鋼材の開先面は溶融が不足して溶融深さが小さくなる。これを補うため、溶接ワイヤのウイービング方向を常に一定の方向とすることにより、開先面における溶融深さを確保し、溶け込み不良等による溶接欠陥を少なくしている。
このサブマージ溶接用チップは、溶接ワイヤの巻きぐせを利用し、チップから溶接ワイヤを屈曲した状態で送給することにより、開先面に近い位置でアークを発生させ、開先面における溶融深さを確保して、溶け込み不良等による溶接欠陥を少なくしている。
一方、高付加価値の鋼構造物を除く、建築、橋梁および造船等の一般構造物では、コスト等の面から、ガス切断やプラズマ切断等による開先加工を行い、それをそのまま溶接に供するのが通常である。ガス切断やプラズマ切断等による開先加工は、低コストで施工も容易である。しかしながら、ガス切断やプラズマ切断等による開先加工は、開先面の表面が粗くなる、つまり表面の凹凸が大きくなる傾向にあり、機械加工のような高精度の加工を行うことは難しい。
このため、建築、橋梁および造船等の一般構造物については、特許文献1および2に記載の技術を適用することが困難であった。
その結果、上記したような厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接継手においては、
(a)厚鋼材の底部における開先面からの溶融深さを1.5mm以上とし、さらに
(b)溶接金属中に含有される酸素(O)および硫黄(S)の合計量を400質量ppm以上1000質量ppm以下の範囲に制御することにより、ガス切断やプラズマ切断等による開先加工を施した厚鋼材を使用して高能率の狭開先ガスシールドアーク溶接を行う場合であっても、高温割れや融合不良等による欠陥を有効に防止できるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
1.底部開先角度:10°以下、底部開先ギャップ:7mm以上15mm以下の開先形状とした、板厚が22mm以上である厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接継手であって、
上記狭開先ガスシールドアーク溶接継手は、複数層からなる溶接金属を有し、
上記厚鋼材の底部における溶融深さが1.5mm以上4mm以下であり、さらに溶接金属中に含有される酸素(O)および硫黄(S)の合計量が400質量ppm以上1000質量ppm以下の範囲であり、
上記狭開先ガスシールドアーク溶接継手の初層の溶接金属における溶接盛り高さが、上記底部開先ギャップの0.4倍以上1.0倍以下である狭開先ガスシールドアーク溶接継手。
そして、このようにして得られた狭開先ガスシールドアーク溶接継手は、従来の溶接継手と比較して製造コストが大幅に低減するので、特に建築、橋梁および造船等の一般構造物に適用して極めて有用である。
まず、本発明の溶接継手において、鋼材の板厚、厚鋼材の底部における溶融深さおよび溶接金属中に含有される酸素(O)および硫黄(S)の合計量を、前記の範囲に限定した理由について説明する。
鋼材の板厚は22mm以上とする。というのは、鋼材の板厚が22mm未満であれば、従来のレ形開先において開先角度を大きくする一方、開先ギャップを小さくすることで、場合によっては本発明の狭開先ガスシールド溶接継手よりも開先断面積が小さくなるからである。
例えば、板厚tが20mmの場合、開先角度:0°、開先ギャップ:7mmのI形開先から得た狭開先ガスシールド溶接継手では開先断面積が140mm2であるのに対して、開先角度:25°、開先ギャップ:2mmのレ形開先から得た溶接継手では開先断面積が133mm2であり、レ形開先から得た溶接継手の方が溶着量の小さい高能率な溶接を行うことになる。
なお、一般の圧延鋼材を対象とする場合、板厚は一般に100mmが上限である。よって、本発明で対象とする鋼材の板厚の上限は100mm以下とすることが好ましい。
本発明の溶接継手における鋼材の開先加工では、ガス切断やプラズマ切断、レーザ切断等による加工を行う。ただし、機械加工を拒否するものではない。一方、狭開先ガスシールドアーク溶接における開先面に必要な溶融深さは、開先面の表面性状(特に、凹部深さや清浄度)によって主に決定される。
最も一般的なガス切断による開先加工では、特殊鋼やステンレス鋼等を除き、ガス切断時のガス流量や火口の選択により、切断面の仕上がりに大きな差が生じる。例えば、ガス流量や火口の調整が良好な場合における開先面表面の凹部深さは0.2mm程度以下となるが、特殊な場合、例えば、火口の摩耗などにより火炎流速が通常より落ちた場合などには、1mmを超える凹部深さが生じるおそれがある。しかしながら、このような凹部が生じても、一般構造物等では手入れなしにそのまま溶接に供されることとなる。このため、高温割れや融合不良等による欠陥を有効に防止するには、溶接施工の際に開先面、特に溶接時の温度が低く、溶融深さが小さくなる傾向にある厚鋼材の底部を、より深く溶融する必要がある。また、切断面は加工熱により生じた厚い酸化膜で覆われているため、溶接施工の際にはやはり開先面をより深く溶融する必要がある。
以上のことから、本発明では、厚鋼材の底部における溶融深さPは1.5mm以上としたのである。好ましくは2.0mm以上である。ただし、溶融深さが4mmを超えると、開先面の溶接ビード上部にアンダーカットが生じ、溶接欠陥の要因となるので、溶融深さは4mm以下とすることが好ましい。
溶接部の溶け込みは、アークそのものによるガウジング効果と高温状態にある溶接金属の対流によって支配されている。溶接金属の対流が内向きとなる場合、高温の溶接金属が上から下方向に対流するのでアーク直下の溶け込みが増す。一方、溶接金属の対流が外向きとなる場合、高温の溶接金属が中央から左右方向に対流し、溶接ビードが広がりを持つとともに開先面の溶け込みが増す。従って、上記した厚鋼材の底部における溶融深さ:1.5mm以上を達成するには、溶接金属の対流を外向きとすることが望ましい。このような観点から、溶接金属の湯流れを支配する酸素(O)と硫黄(S)を合計量で400質量ppm(以下、単にppmという)以上にする必要がある。一方、酸素(O)と硫黄(S)の合計量が1000ppmを超えると、溶接金属の靭性確保が困難となる。
以上のことから、溶接金属中に含有される酸素(O)および硫黄(S)の合計量は400ppm以上1000ppm以下の範囲とする必要がある。好ましくは500ppm以上1000ppm以下の範囲である。
なお、溶接金属中のS量は、溶接ワイヤのS量と鋼材のS量で制御できる。また、溶接金属中のO量は、溶接ワイヤのO量と鋼材のO量、さらには、シールドガスに含まれるCO2やO2等の活性ガスの比率によって制御できる。
同図で示したように、本発明の溶接継手を得るのに好適な開先形状はV形開先(I形開先を含む)およびY形開先のいずれとすることも可能であり、また図1(c)に示すように多数段のY形開先とすることも可能である。
底部開先を上記のように定義したことに関連して、底部開先角度をθで、底部開先ギャップをGで、底部開先高さをhで示すものとしたのである。なお、V形開先の場合には、底部開先高さhを板厚tの20%として定義する。
ここでは、V形の開先形状を例に用いたが、他の開先形状でもφおよびdは同様である。
ここでは、V形の開先形状を例に用いたが、他の開先形状でもPおよびHは同様である。
鋼材の開先部は小さいほどより早く高能率な溶接を可能とする反面、融合不良等の欠陥が生じやすい。また、底部開先角度が10°を超える場合の溶接は、従来の施工方法でも実施可能である。このため、底部開先角度は、従来の施工方法では施工が困難であり、かつ一層の高能率化が見込まれる10°以下とすることが好ましい。
なお、V形開先において、底部開先角度が0°の場合はいわゆるI形開先と呼ばれ、溶着量の面からはこの0°の場合が最も効率的であるが、溶接熱ひずみにより溶接中に開先が閉じてくるため、これを見込んで、板厚t(ただし、Y形開先の場合には底部開先高さh)に応じた底部開先角度を設定することがより好ましい。
具体的には、底部開先角度は(0.5×t/20)〜(2.0×t/20)°の範囲とすることがより好ましく、さらに好ましくは(0.8×t/20)〜(1.2×t/20)°の範囲である。例えば、板厚tが100mの場合、底部開先角度は2.5〜10°の範囲がより好ましく、さらに好ましくは4〜6°の範囲である。
ただし、板厚tが100mmを超えると、上限が10°を超えるようになるが、この場合の上限は10°とする。
鋼材の開先部は小さいほどより早く高能率な溶接を可能とする反面、融合不良等の欠陥が生じやすい。また、底部開先ギャップが15mmを超える溶接は、従来の施工方法でも実施可能である。このため、底部開先ギャップは、従来の施工方法では施工が困難であり、かつ一層の高能率化が見込まれる15mm以下とすることが好ましい。一方、底部開先ギャップが7mm未満では、後述する1層あたり2パス以上の溶接施工が困難となる。このため、底部開先ギャップは7mm以上15mm以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは8mm以上12mm以下の範囲である。
狭開先の多層溶接では、1層当たり1パスとすることが一般的である。しかしながら、1層当たり1パスとする場合、熱が開先中央に集中するため、鋼材の開先面の溶融が不足し、融合不良(コールドラップ)、開先面に付着したスパッタおよびスラグ巻き込みによる欠陥が生じ易い。特に、初層溶接は鋼材の温度が低く、溶融深さが小さくなるため、融合不良による欠陥が生じ易い。
従って、初層溶接で必要な溶融深さおよび溶着量を確保し、融合不良等による欠陥を抑制するため、初層溶接を2パス以上とし、さらに両側の開先面を溶融し易くなるように、各パスを底部開先ギャップの両側に振り分けることが好ましい。
一方、初層溶接が4パス以上になると、1パス当たりの入熱が低下し、溶融量そのものが減少することから、初層溶接は2パスまたは3パスとすることがより好ましい。また、高入熱化による溶融量の確保と高能率化のためには、初層溶接は2パスとすることが最適である。
なお、アークおよび溶け込み形状の安定化には、ウイービングや回転などの溶接トーチおよび電極(溶接ワイヤ)の動きを抑制することが好ましい。
アークには指向性があり、電極(溶接ワイヤ)先端が指す方向に向きやすい性質がある。このアークの指向性を開先面の溶融に有効に活かすためには、電極先端が指す方向を開先面に向ける必要があり、この電極先端が指す方向は溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度により大きく変化する。
ここに、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度が垂線に対して5°未満では、電流がより抵抗の小さい経路に流れてしまう。その結果、アークが電極であるワイヤを這い上がり(アークの這い上がり)、狙いとする開先面、特に底部での溶融を維持することが困難となる。一方、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度が垂線に対して15°を超えると、アークが開先面に向き過ぎるために溶接ビード形状が凸となり、次パスのアークでの溶融が不十分となって溶接欠陥を生じさせる。従って、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度は、垂線に対して5°以上15°以下とすることが好ましい。より好ましくは6°以上12°以下である。
なお、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度は、給電チップ、特に給電チップ先端の傾きと同じになるため、この給電チップ先端の傾きによりこの溶接ワイヤの供給角度を制御することができる。
厚鋼材の底部における溶融深さをより深く安定して得るには、底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離を0.5mm以上2.0mm以下とすることが好ましい。
というのは、底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離が0.5mm未満では、アークがワイヤ上部と開先面との間で発生し、厚鋼材底部の開先面を効率良く溶融できない。一方、2.0mmを超えるとアークが開先面から離れてしまい、開先面を効率良く溶融できないからである。より好ましくは0.5〜1.0mmの範囲である。
なお、ここで言う溶接ワイヤの先端の側端部とは、各パスで溶融させようとする厚鋼材の開先面に近い側の側端部を指すものとする。
溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度の制御には、先端を曲げた給電チップを使用することができる。この場合、溶接ワイヤが先端を曲げた給電チップを通ることになるが、よりスムーズに通過させるためには、いわゆる3点ローラー等を用いて溶接ワイヤを予め湾曲させておくことが好ましい。
ここに、溶接ワイヤの曲率半径が150mm未満ではワイヤの送給抵抗が大きくなって、安定して溶接ワイヤを送給することができず、アークを維持することが困難となる。一方、溶接ワイヤの曲率半径が300mmを超えると、給電チップ先端が曲がった状態でのワイヤの送給抵抗軽減に効果がないため、やはり安定して溶接ワイヤを送給することができず、アークを維持することが困難となる。
従って、給電チップに送給する溶接ワイヤの曲率半径は150mm以上300mm以下とすることが好ましい。より好ましくは175mm以上275mm以下である。
開先ギャップに対する1層当りの溶接盛り高さを適正に管理することにより、各パスでの溶け込みを含めた溶接ビード形状が一定となり、また開先面の安定した溶け込みを確保することが可能となる。さらに、より深い溶け込みを得るためにはより高い入熱が有効であるが、入熱が高くなりすぎると、溶接盛り高さが大きくなって、両側の開先面を均等に溶融することが困難になる。
ここで、1層当りの溶接盛り高さが底部開先ギャップGの0.4倍未満では、入熱が不足し、開先面の深い溶融が困難になるだけでなく、1パス当りの溶着量が不足して各層での溶接ビード形状が変化してしまう。一方、1層当りの溶接盛り高さが底部開先ギャップGの1.0倍を超えると、1パス当りの溶着量が多くなりすぎ、両側の開先面を均等に溶融することができない。
従って、溶接盛り高さ、特に初層の溶接盛り高さは、底部開先ギャップGの0.4倍以上1.0倍以下とすることが好ましい。より好ましくは底部開先ギャップGの0.5倍以上0.8倍以下である。
シールドガス組成は、溶接金属中の酸素量に大きく影響する。このため、シールドガス組成としては、CO2ガスを60体積%以上、残りをAr等の不活性ガスとして含有する混合ガスを使用することが好ましい。特に好ましくはCO2ガス:100体積%である。
なお、本発明の溶接継手において、必要な厚鋼材の底部における溶融深さを確保するには、特に初層溶接が重要となる。また、初層以外の層では、必ずしもこれらの条件を満足させなくてもよいが、基本的には上記した溶接条件と同様とすればよい。
なお、鋼材の開先加工には、ガス切断を用い、開先面には研削等の手入れは行わなかった。また、開先面の最大凹部深さはレーザ変位計を用いて測定した。
すなわち、図4に示すように、測定点の最も高い凸部と最も低い凹部をそれぞれ通り、全ての測定点をその間に含む2本の平行線とその中間線を引く。ここで、凹部とはこの中間線より低い部分であり、開先面の凹部深さとは、凹部と中間線との距離とした。開先面の最大凹部深さとは、この凹部深さの最大値である。
測定結果を表1に併せて示す。
◎:検出欠陥なし
○:欠陥長さが3mm以下の合格欠陥のみを検出
×:欠陥長さが3mmを超える欠陥を検出
これらの結果も併せて表2に示す。
一方、比較例であるNo.13〜17はいずれも、鋼材の底部における溶融深さが1.5mmに満たず、また超音波探傷検査においては、欠陥長さが3mm超の欠陥が検出された。
2:厚鋼材の開先面
3:底部開先
4:溶接トーチの給電チップ
5:溶接ワイヤ
6:裏当て材
7:溶接ビード
θ:底部開先角度
G:底部開先ギャップ
h:底部開先高さ
t:板厚
φ:溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度
d:底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離
P:厚鋼材の底部における溶融深さ
H:溶接平均盛り高さ
Claims (1)
- 底部開先角度:10°以下、底部開先ギャップ:7mm以上15mm以下の開先形状とした、板厚が22mm以上である厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接継手であって、
上記狭開先ガスシールドアーク溶接継手は、複数層からなる溶接金属を有し、
上記厚鋼材の底部における溶融深さが1.5mm以上4mm以下であり、さらに溶接金属中に含有される酸素(O)および硫黄(S)の合計量が400質量ppm以上1000質量ppm以下の範囲であり、
上記狭開先ガスシールドアーク溶接継手の初層の溶接金属における溶接盛り高さが、上記底部開先ギャップの0.4倍以上1.0倍以下である狭開先ガスシールドアーク溶接継手。
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