JP7126080B1 - ガスシールドアーク溶接方法、溶接継手および溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
〔1〕 狭開先の多層溶接により鋼材を接合するガスシールドアーク溶接方法であって、
鋼材の開先角度θを20°以下の開先とし、該開先の下部の隙間であるルートギャップG(mm)を7~15mmとし、
初層溶接では、セラミック製の裏当て材を用い、
かつ、溶接電流I(A)を250~400Aおよび溶接電圧V(V)を25~45Vとし、溶接入熱Q(kJ/mm)を前記ルートギャップG(mm)で割った値〔Q/G〕が0.32~0.70の範囲として、1パスで行う、
ガスシールドアーク溶接方法。
ここで、前記溶接入熱Qは、Q=I×V/S/1000 であり、
式中に示す、I:溶接電流(A)、V:溶接電圧(V)、S:溶接速度(mm/秒)である。
〔2〕 接合される前記鋼材の端部外側に鋼製タブを取り付け、該鋼製タブでアークを発生させる、〔1〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔3〕 前記開先の内部のアークの発生部に溶接ワイヤを切断したカットワイヤを散布した後、アークを発生させる、〔1〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔4〕 前記初層溶接では、CO2ガスを20体積%以上と不活性ガスとからなる溶接シールドガスを用いる、〔1〕~〔3〕のいずれか1つに記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔5〕 前記溶接シールドガスのガス流量は、15~25L/分である、〔4〕に記載のガスシールドアーク溶接方法。
〔6〕 〔1〕~〔5〕のいずれか1つに記載のガスシールドアーク溶接方法を用いて初層溶接された、溶接継手。
〔7〕 〔1〕~〔5〕のいずれか1つに記載のガスシールドアーク溶接方法の初層溶接を用いた、溶接継手の製造方法。
具体的には、狭開先の多層溶接により鋼材を接合するガスシールドアーク溶接方法であって、鋼材の開先角度θを20°以下の開先とし、該開先の下部の隙間であるルートギャップGを7~15mmとする。更に、初層溶接では、セラミック製の裏当て材を用い、かつ、溶接電流Iを250~400Aおよび溶接電圧Vを25~45Vとし、溶接入熱Q(kJ/mm)を上記ルートギャップGで割った値〔Q/G〕が0.32~0.70の範囲となるように制御して、1パスで行う。
本発明で適用される鋼材は、建築物や船舶などの鉄鋼構造物に用いられる厚鋼板である。鋼種としては、低炭素鋼であれば、とくに限定する必要は無い。例えば、400MPa級鋼材、490MPa級鋼材、550MPa級鋼材、590MPa級鋼材、780MPa級鋼材などが挙げられる。
図5には、一例として、2枚の鋼材を突き合わせた開先形状の板厚方向断面図を示す。図5に示すように、突き合わせた鋼材1同士の開先面のなす角度が開先角度θ(°)である。本発明においては、開先角度θが20°以下の開先を対象としている。本発明では、この開先角度θが20°以下の開先を「狭開先」と称する。θが20°を超えると、狭開先としての利点である効率化が減殺されるからである。
なお、厚鋼板の開先は小さいほどより高能率な溶接を可能とすることから、開先角度θは0°でも本発明の効果を得られる。開先角度θは、より好ましくは5°以上であり、さらに好ましくは10°以上である。
図5に示すように、本発明では、突き合わせた鋼材1の開先部分の最も狭い下部隙間であるルートギャップを、G(mm)で表わしている。本発明におけるルートギャップGは、7~15mmとする。Gが7mm未満では、開先内に溶接トーチを入れることが困難であり、一方、Gが15mmを超えると狭開先としての利点である効率化が減殺されるからである。したがって、Gは、7~15mmとする。Gは、好ましくは8mm以上であり、好ましくは13mm以下である。
本発明にかかるガスシールドアーク溶接においては、溶け落ちを防止するための裏当て材として、溶接後に取り外しが可能なセラミック製の裏当て材を使用する。セラミック製の裏当て材としては、溶け落ちを防止し、裏波ビードを形成できるものであれば、特に限定する必要は無い。セラミック製の裏当て材は、例えば、質量%で、SiO2:30~70%、Al2O3:10~50%、MgO:3~20%、ZrO2:0~10%、NaO、K2O3およびLi2Oのうちから選択された1種以上:合計で0.3~5%の組成のものが使用できる。
さらに、セラミック製の裏当て材の上にガラス繊維を積層したものも使用することができる。
初層溶接の溶接電流I(A)が250Aより低いとアーク圧力が低くなり、開先底部に溶け残りが生じることで、アンダーカットが生じる。一方、初層溶接の溶接電流I(A)が400Aより高いとアーク圧力が強くなり、通導性を確保するための溶融池を押しのけてしまい、アークを維持することができなくなる。そのため、初層溶接の溶接電流I(A)は、250~400Aとする。上記溶接電流I(A)は、好ましくは270A以上であり、より好ましくは280A以上である。また上記溶接電流I(A)は、好ましくは380A以下であり、より好ましくは360A以下であり、さらに好ましくは350A以下である。
また、初層溶接の溶接電圧V(V)が25Vより低いと安定してアークを維持することが出来ず、溶接が不安定になるとともに溶接ビードが凸形状になる。一方、初層溶接の溶接電圧V(V)が45Vより高いとアークが高い位置から発生し、溶融池の熱が開先底部に届きにくくなる。その結果、開先底部に溶け残りが生じ、アンダーカットとなる。そのため、初層溶接の溶接電圧V(V)は、25~45Vとする。上記溶接電圧V(V)は、好ましくは28V以上であり、より好ましくは30V以上である。また上記溶接電圧V(V)は、好ましくは40V以下であり、より好ましくは38V以下である。
初層溶接の溶接速度Sの範囲は、1~8mm/秒が好ましい。
溶接速度Sが上記範囲を外れる場合、適正電流と適正電圧であっても、過大な入熱、または過少な入熱となり、その結果、溶接欠陥が生じたり、アークの持続が困難となる。上記溶接速度Sは、より好ましくは1.2mm/秒以上である。上記溶接速度Sは、より好ましくは6mm/秒以下である。
上記溶接速度Sは、溶接電流Iと溶接電圧Vとのバランスにより、この範囲で適宜選定することができる。
さらに、アーク直下に通電性を確保するための溶融池を確保し、アンダーカットを防止するためには、ルートギャップG(mm)によって溶接入熱Q(kJ/mm)を調整することが必要である。そのため、溶接入熱QをルートギャップGで割った値〔Q/G〕は0.32~0.70の範囲に調整する。
初層溶接の溶接時の極性は、正極性(鋼材をプラス極とし、溶接ワイヤをマイナス極として接続すること)および逆極性(鋼材をマイナス極とし、溶接ワイヤをプラス極として接続すること)のいずれも選択することができる。
本発明における溶接ワイヤは、種々の規格のワイヤを用いることができる。例えば、JIS Z 3312で分類されるYGW11、YGW18、G59JA1UC3M1T、G78A2UCN4M4T、G49AP3M1T、G59JA1UMC1M1T、G78A4MN5CM3Tなどが挙げられる。ワイヤ径φは、1.0~1.4mmが好ましい。
溶接シールドガスの組成としては、アークを安定させるために、CO2ガスを20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。溶接シールドガスのコストを考慮すると、より好ましくは、CO2ガス100体積%である。なお、ガス流量は、アークを安定させたり、溶接欠陥発生を防止する観点から、15~25L/分で行うことが好ましい。
アークスタート時の通電性を確保するために、例えば、次の2通りの方法が挙げられる。1つは、接合される鋼材の溶接線方向の端部(端部外側)に鋼製タブを取り付け、該鋼製タブでアークを発生させる方法である。もう1つは、開先の内部のアークの発生部に溶接ワイヤを切断したカットワイヤを散布した後、アークを発生させる方法である。
上記の「鋼製タブ2」とは、図1および図2に示す例のように、1つの鋼製裏当て材3の上面に所定間隔を設けて2つの鋼製タブ2を配置する構成とする。2枚の鋼材1の溶接線方向の始端部に鋼製タブ2をそれぞれ配置する。なお、図2に示すように、1対の鋼製タブ2の裏面には、鋼製裏当て材3を配置し、これに隣接してセラミック製の裏当て材4が配置される。
なお、本発明は、セラミック製の裏当て材を用いた狭開先の初層溶接に適用するものであり、本発明を実施するにあたり、初層溶接以降の後続パスの溶接条件は、適宜設定されるものである。初層溶接に続く2層目以降の溶接の層数については、鋼材の板厚などに拠るが、前述した板厚である20~100mmであれば、3~16層が好ましい。また、初層溶接以降の溶接条件は、例えば、溶接電流:180~400A、溶接電圧:24~45V、溶接速度:1~10mm/秒とすることが好ましい。
本発明の溶接継手の製造方法は、2枚の鋼材の開先面を所定の開先角度θとし、かつ、開先の下部のルートギャップGを所定の距離となるように鋼材を配置して突き合せる工程と、上記の溶接ワイヤを用いて、該鋼材に特定の溶接条件で多層溶接を行い、溶接ビードを形成する溶接工程と、を備える。これにより、突き合わせた2枚の鋼材を接合し、溶接継手を製造する。この製造方法における、溶接工程での多層溶接の初層溶接に、上述のガスシールドアーク溶接方法を適用する。
初層溶接以降の後続パスの溶接条件は、適宜設定されるものであり、例えば初層溶接の溶接条件と同様としてもよいし、あるいは上記多層溶接の項目で説明した溶接条件としてもよい。なお、厚鋼板や溶接条件等の説明は上述の説明と同様であるため、省略する。
図5に示すように、2枚の厚鋼板(鋼材1)を、突き合わせて開先を形成し、開先底面にセラミック製の裏当て材4を配置し、片面ガスシールドアーク溶接により溶接継手を製造した。溶接シールドガスは、100体積%CO2ガスを用いた。溶接シールドガスの流量は、20L/分とした。
溶接ワイヤは、JIS Z 3312で分類されるYGW11、YGW18、G59JA1UC3M1T、G78A2UCN4M4Tのφ1.2mmのワイヤを用いた。鋼材1の板厚t、開先角度θおよびルートギャップGは、それぞれ表1に示す条件とした。片面ガスシールドアーク溶接の初層溶接は、表1に示す条件で行った。2層目以降の溶接は、溶接電流:250~300A、溶接電圧:28~35V、溶接速度:6~8mm/秒の範囲で実施した。セラミック製の裏当て材4には、上述のとおり、質量%で、SiO2:30~70%、Al2O3:10~50%、MgO:3~20%、ZrO2:0~10%、NaO、K2O3およびLi2Oのうちから選択された1種以上:合計で0.3~5%の組成のものを用いた。表1に示す「極性」は溶接時の極性を示し、「ワイヤマイナス」とは上述の正極性であることを指し、「ワイヤプラス」は上述の逆極性であることを指す。
〔溶接安定性〕
溶接安定性は、次のように評価した。初層溶接(1パス)において、溶接長400mmを途中で停止せずに最後まで溶接できたものは「可」とし、最後まで溶接できなかったものは「不可」とした。
また、得られた溶接継手の溶接線方向中央位置から断面マクロを採取し、この断面マクロを用いて初層ビードの溶接欠陥の有無について、光学顕微鏡で観察し、評価した。光学顕微鏡の倍率は10倍とした。初層ビードに溶接欠陥(JIS Z 3001-4:2013を参照)がないものは「無」とし、アンダカットやオーバラップ、融合不良(JIS Z 3001-4:2013を参照)の溶接欠陥があるものは「有」とした。
なお、表1の継手No.14のアークスタート方法は次の通りとした。具体的には、開先の片側下端部にて280A-32Vでアークを発生させ、1秒保持し、導電性確保のための溶融池を確保し、その後、トーチを開先中央部に移動させ、溶接速度3.0mm/秒で溶接した。
一方、Q/Gが上記範囲内にはあったが、初層溶接の溶接電流Iまたは溶接電圧Vが本発明の範囲を外れる比較例では、溶接安定性に劣るか、溶接欠陥が発生した。
また、Q/Gが上記範囲外となる比較例では、溶接安定性に劣るか、溶接欠陥が発生した。
実施例2では、表2に示す板厚tとなる厚鋼板を2枚用い、表2に示す溶接シールドガスおよび条件で片面ガスシールドアーク溶接の初層溶接を行い、溶接継手を製造した。なお、その他の条件および評価方法等は、実施例1と同様のため、説明を省略する。
2 鋼製タブ
3 鋼製裏当て材
4 セラミック製の裏当て材
5 カットワイヤ
Claims (7)
- 狭開先の多層溶接により鋼材を接合するガスシールドアーク溶接方法であって、
鋼材の開先角度θを20°以下の開先とし、該開先の下部の隙間であるルートギャップG(mm)を7~15mmとし、
初層溶接では、セラミック製の裏当て材を用い、
かつ、溶接電流I(A)を250~400Aおよび溶接電圧V(V)を25~45Vとし、溶接入熱Q(kJ/mm)を前記ルートギャップG(mm)で割った値〔Q/G〕が0.32~0.70の範囲として、1パスで行う、
ガスシールドアーク溶接方法。
ここで、前記溶接入熱Qは、Q=I×V/S/1000 であり、
式中に示す、I:溶接電流(A)、V:溶接電圧(V)、S:溶接速度(mm/秒)である。 - 接合される前記鋼材の端部外側に鋼製タブを取り付け、該鋼製タブでアークを発生させる、請求項1に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 前記開先の内部のアークの発生部に溶接ワイヤを切断したカットワイヤを散布した後、アークを発生させる、請求項1に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 前記初層溶接では、CO2ガスを20体積%以上と不活性ガスとからなる溶接シールドガスを用いる、請求項1~3のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 前記溶接シールドガスのガス流量は、15~25L/分である、請求項4に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接方法を用いて初層溶接された、溶接継手。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接方法の初層溶接を用いた、溶接継手の製造方法。
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