JP7388969B2 - タンデムガスシールドアーク溶接方法及び溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、タンデムガスシールドアーク溶接方法及び溶接装置に関する。

造船の分野におけるロンジ材（補強材）のすみ肉溶接においては、近年、溶接の高速化を目的として、ツインタンデム１プール法や、３電極を用いた高速すみ肉溶接法が開発されている。ツインタンデム１プール法とは、立板に対して両側に電極を配置し、電極数を２として、２電極で１つの溶融池を形成させる溶接方法であり、両電極に同一のフラックス入りワイヤを用いる方法が広く実用化されている。

一方、このような２電極を用いる溶接方法として、特許文献１には、橋梁や船舶等の分野で用いられるタンデムガスシールドアーク溶接方法が開示されている。上記溶接方法は、先行極にソリッドワイヤを使用し、後行極にフラックス入りワイヤを使用して、シールドガス、トーチ角度、アーク電圧、溶接電流及びワイヤ突出し長さ等を調整したものである。これにより、スパッタ発生量が少なく、アンダカットが発生せず、深溶込み化が可能となることが記載されている。

また、特許文献２には、特に厚板部材に対して使用される２電極水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法が提案されている。特許文献２に記載の溶接方法も、先行極にソリッドワイヤを使用し、後行極にフラックス入りワイヤを使用して、先行極と後行極との電極間距離、ワイヤ狙い位置及びワイヤ径を調整したものである。これにより、耐気孔性に優れ、スパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性及びビード形状等が良好で、溶込み不足等の溶接欠陥がない大脚長のすみ肉溶接部が高能率に得られることが記載されている。

特許第６０２５６２７号公報 特許第６１８８６２６号公報

ところで、橋梁や造船の分野においては、鋼板の錆び発生を防止するために、被溶接物である鋼板の表面に、防錆塗料であるプライマが塗布されることが多い。このプライマは、アーク熱で気化し、ガスが発生して溶融池に侵入する。このとき、ガスが溶融池から外気へ抜けられなかった場合には、気孔欠陥が発生して、外観が著しく劣化し、手直し工程が必要になる。このため、橋梁や造船分野で適用される水平すみ肉ガスシールドアーク溶接においては、耐気孔性に優れることも要求される。

しかしながら、上記特許文献１に記載の溶接方法は、上記プライマに起因する気孔欠陥に関して、十分に考慮されていない。また、上記溶接方法においては、先行極のトーチ角度θ_Ｌが５≦θ_Ｌ＜４０°であり、溶接時に溶接トーチが下板に近づく体勢となる。したがって、例えば、船舶の外板にロンジ材を溶接する際に、隣り合うロンジ材の間隔が小さい場合には、溶接トーチの角度が小さいことにより、隣り合うロンジ材を溶接するトーチ群と干渉してしまい、溶接トーチの配置が困難になるという課題がある。さらに、この溶接方法を造船のロンジ材のすみ肉溶接に適用した場合に、立板と下板の間に数ｍｍ程度のギャップが開いていると、裏抜けしやすいという課題がある。このため、比較的大きなギャップが存在しても、溶接欠陥を発生させることがない特性（以下、このような特性を「耐ギャップ性」という）を満足する溶接方法が望まれている。

また、上記特許文献２に記載の溶接方法は、例えば、厚さが３０ｍｍ以上の板材の溶接を想定し、脚長が８ｍｍ以上の溶接部を得る溶接方法であって、これをロンジ材のすみ肉溶接に適用しても、優れたビード形状と、気孔欠陥の低減とを同時に実現することはできない。したがって、上記いずれの溶接方法を使用しても、上記プライマに起因したブローホールやピット等の気孔欠陥が発生し、溶接後に気孔欠陥の手直しが必要となる。

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、優れた耐気孔性及び耐ギャップ性を有し、ビード形状が良好であって、高速で溶接することができる、すみ肉溶接用のタンデムガスシールドアーク溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意研究を行った結果、先行極にソリッドワイヤを用い、溶融池を深く掘り下げてルート面の溶け残りを少なくするとともに、アーク直下からプライマガスを外部へ放出することができれば、気孔欠陥が大幅に低減されることを見出した。また、本発明者らは、ワイヤの狙い位置を適切に定め、先行極の溶接電流とアーク電圧との関係を適切に制御することにより、耐ギャップ性を確保すると共に、アンダカット等の溶接欠陥の発生を抑制することができることも見出した。

すなわち、本発明の上記目的は、タンデムガスシールドアーク溶接方法に係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ 主面を有する下板と、該下板の主面に対して交差する方向に配置された立板とを、先行極と後行極とを用いてすみ肉溶接するタンデムガスシールドアーク溶接方法であって、
前記先行極としてソリッドワイヤを使用し、
前記先行極としてソリッドワイヤを使用し、
前記先行極のシールドガスとして炭酸ガスを使用し、
前記主面と溶接トーチとがなす前記先行極のトーチ角度θ_Ｌが４０°≦θ_Ｌ≦６０°、
前記先行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｌが１０ｍｍ≦Ｅ_Ｌ≦２０ｍｍ、
前記立板側におけるルート部から前記先行極のワイヤ狙い位置までの距離Ｈ_Ｌが１ｍｍ≦Ｈ_Ｌ≦３ｍｍであり、
前記先行極の溶接電流Ｉ_Ｌ（Ａ）とアーク電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ）が下記式（１）を満たすとともに、
前記後行極としてフラックス入りワイヤを使用し、
前記後行極のシールドガスとして炭酸ガスを使用し、
前記主面と前記後行極の溶接トーチがなすトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°、
前記後行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｔが２０ｍｍ≦Ｅ_Ｔ≦３０ｍｍ、
前記下板側におけるルート部から前記後行極のワイヤ狙い位置までの距離Ｗ_Ｔが１ｍｍ≦Ｗ_Ｔ≦５ｍｍであり、
前記先行極と前記後行極との電極間距離Ｄが２５ｍｍ≦Ｄ≦４５ｍｍ、
溶接速度が８００ｍｍ／ｍｉｎ以上である、タンデムガスシールドアーク溶接方法。
５０≦Ｖ_Ｌ×１０００／Ｉ_Ｌ≦７０・・・式（１）

また、タンデムガスシールドアーク溶接方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］及び［３］に関する。
［２］ 前記先行極の溶接電流Ｉ_Ｌが３５０Ａ≦Ｉ_Ｌ≦５３０Ａ、
前記先行極のアーク電圧Ｖ_Ｌが２２Ｖ≦Ｖ_Ｌ≦３３Ｖである、［１］に記載のタンデムガスシールドアーク溶接方法。
［３］ 前記後行極の溶接電流Ｉ_Ｔが２５０Ａ≦Ｉ_Ｔ≦４００Ａ、
前記後行極のアーク電圧Ｖ_Ｔが２５Ｖ≦Ｖ_Ｔ≦３８Ｖである、［１］又は［２］に記載のタンデムガスシールドアーク溶接方法。

また、本発明の上記目的は、溶接装置に係る下記［４］の構成により達成される。
［４］ ［１］～［３］のいずれか１つに記載のタンデムガスシールドアーク溶接方法に用いられる溶接装置。

本発明によれば、優れた耐気孔性及び耐ギャップ性を有し、スパッタ発生量を低減することができるとともに、ビード形状が良好であって、高速で溶接することができる、すみ肉溶接用のタンデムガスシールドアーク溶接方法及び溶接装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法を示す斜視図である。 図２は、先行極側溶接トーチのトーチ角度を小さくした場合のタンデムガスシールドアーク溶接方法の一例を示す斜視図である。 図３は、先行極側の溶接トーチ角度θ_Ｌを４５°、ワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌをルート部として、すみ肉溶接した場合の溶接金属の状態を示す断面図である。 図４は、先行極側の溶接トーチ角度θ_Ｌを４５°、立板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌまでの距離Ｈ_Ｌを２ｍｍとして、すみ肉溶接した場合の溶接金属の状態を示す断面図である。 図５は、本発明の実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法において、後行極のトーチ角度θ_Ｔ及びワイヤ狙い位置Ｐ_Ｔを説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明の便宜上、図面中で部材の大きさや形状を誇張して示している場合があるとともに、一部の構成の描写を省略している場合がある。

まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法について説明する。

本実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法は、主面１ａを有する下板１と、該下板１の主面１ａに対して交差する方向に配置された立板２との間に形成されたルート部３に対して、不図示のシールドガスを噴射しながら、すみ肉溶接を行う方法である。なお、図１に示すように本実施形態では、水平に配置された下板１と、下板１の主面１ａに対して垂直に配置された立板２を例として説明するが、本発明は、立板２が、下板１の主面１ａに対して交差する方向に配置されるものであればよく、必ずしもこれらが垂直であるものに限定されない。

立板２の一方の面（主面）２ａ側には、先行極側溶接トーチ４ａと後行極側溶接トーチ５ａが配置される。また、立板２の他方の面２ｂ側にも同様に、先行極側溶接トーチ４ｂと後行極側溶接トーチ５ｂとが配置される。先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂ及び後行極側溶接トーチ５ａ、５ｂは、それぞれが不図示の溶接電源と接続され、所定のトーチ角度で保持される。そして、母材である下板１及び立板２との間の所定の狙い位置に、所定のアーク電圧及び溶接電流で電力が供給されることにより、それぞれの電極のワイヤ６ａ、６ｂ、７ａ及び７ｂとワイヤ狙い位置との間にアークが形成される。

ここで、トーチ角度θ_Ｌとは、下板１の主面１ａと、先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂの中心線、すなわちワイヤ６ａ、６ｂの先端部である突出し部の中心線とがなす角度である。同様に、トーチ角度θ_Ｔとは、下板１の主面１ａと、後行極側溶接トーチ５ａ、５ｂの中心線、すなわちワイヤ７ａ、７ｂの先端部である突出し部の中心線とがなす角度である。

母材である下板１及び立板２は、アークによって溶融され、ワイヤ６ａ、６ｂ、７ａ及び７ｂは、アークのアーク熱とともに、ワイヤ６ａ、６ｂ、７ａ及び７ｂを流れる溶接電流によって生じるジュール熱により溶融される。そして、溶融したワイヤ６ａ、６ｂ、７ａ及び７ｂは、溶融した溶接金属と融合することにより、溶接部が形成される。

ここで、本発明者らは鋭意検討の結果、すみ肉溶接用のタンデムガスシールドアーク溶接において、優れた耐気孔性及び耐ギャップ性を有し、ビード形状が良好となる溶接方法を得るためには、
（ａ）立板２の端面２ｃと下板１の主面１ａとが対向する領域Ｓにおける未溶接部分を小さくすること、
（ｂ）立板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌまでの距離Ｈ_Ｌを１～３ｍｍと設定し、立板と下板の間にギャップが開いていたとしても裏抜けしないこと、
（ｃ）溶接トーチの狙い位置Ｐ_Ｌをルート部よりも上方に設定しても、アンダカットが発生しないアーク電圧、及び溶接電流の範囲を調整すること、
（ｄ）後行極によりビードを整形すべく、狙い位置や電極間距離を適正化すること、
が極めて重要であることを見出した。

まず、先行極における各条件について詳細に説明する。
［先行極］

＜シールドガスとして炭酸ガスを使用したソリッドワイヤ＞
先行極のワイヤ６ａ及び６ｂは、希土類元素などの高価な元素を含有しない安価なソリッドワイヤを用い、シールドガスとして、高価なアルゴンガスなどの不活性ガスを含有しない１００％炭酸ガスを用いる。タンデム溶接法においては、先行極によって溶込みの深さを確保し、後行極によってビード形状を整えるというように、２つの電極で役割を分担している。したがって、本実施形態では、先行極として、深い溶込みを得ることができるソリッドワイヤを使用する。なお、すみ肉溶接において、溶込みが深い又は浅いとは、特に断らない限り、水平方向、すなわち立板２の厚さ方向の溶込みについていうものとする。

また、後に詳細に説明するが、本実施形態においては、先行極のアーク電圧と溶接電流との関係及びその他の溶接条件についても適切に制御しているため、１００％炭酸ガス溶接を用いてもスプレー移行させることができ、低スパッタ化を実現しつつアンダカットを発生させることはない。

＜トーチ角度θ_Ｌ：４０°≦θ_Ｌ≦６０°、立板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌまでの距離Ｈ_Ｌ：１ｍｍ≦Ｈ_Ｌ≦３ｍｍ＞
図２～図４を参照して、タンデムガスシールドアーク溶接方法における先行極のトーチ角度θ_Ｌ及びワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌの限定理由について説明する。なお、図２～図４において、図１と同一内容については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図２は、先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂのトーチ角度を小さくした場合のタンデムガスシールドアーク溶接方法の一例を示す斜視図である。図３は、先行極側の溶接トーチ角度θ_Ｌを４５°、ワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌをルート部（距離Ｈ_Ｌ：０ｍｍ）として、すみ肉溶接した場合の溶接金属の状態を示す断面図である。図４は、先行極側の溶接トーチ角度θ_Ｌを４５°、立板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌまでの距離Ｈ_Ｌを２ｍｍとして、すみ肉溶接した場合の溶接金属の状態を示す断面図である。

本願明細書において、ルート部とは、下板１の主面１ａと、立板２の主面２ａ又は主面に対向する面２ｂとの接線を示し、ルート部は溶接の進行方向に延びている。また、下板１と立板２との間にルートギャップが存在する場合は、立板２の主面２ａ又は主面に対向する面２ｂを下板１まで延長させた際の下板１の主面１ａとの接線をルート部とする。

図２に示す溶接では、先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂのトーチ角度θ_Ｌをいずれも２０°、後行極側溶接トーチ５ａ、５ｂのトーチ角度θ_Ｔをいずれも４５°とし、ワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌ、Ｐ_Ｔをいずれもルート部としている。
ここで、本実施形態は、造船の分野におけるロンジ材のすみ肉溶接に好適であるタンデムガスシールドアーク溶接を想定している。したがって、先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂのトーチ角度θ_Ｌが４０°未満、例えば、２０°であると、隣り合うロンジ材（図２の立板２に相当）の間隔が小さい場合には、隣り合うロンジ材を溶接するトーチ群と干渉してしまい、溶接トーチの配置が困難になる。また、立板２と下板１との間に数ｍｍ程度のギャップが開いた場合に、裏抜けしやすくなる。

一方、先行極のトーチ角度θ_Ｌが６０°を超えると、ワイヤの狙い位置Ｐ_Ｌにかかわらず、深い溶込みを得ることができない。したがって、本実施形態に係る溶接方法においては、先行極のトーチ角度θ_Ｌを４０°以上６０°以下とする。

なお、図３に示すように、先行極のトーチ角度θ_Ｌを例えば４５°とした場合であっても、深い溶込みを得ようとして、ワイヤ６ａ、６ｂの狙い位置Ｐ_Ｌをルート部３に設定すると、立板２の端面２ｃと下板１の主面１ａとが対向する領域Ｓで溶け残りが発生し、この領域Ｓに存在するプライマが気化して、溶接金属８中に気孔欠陥９が発生してしまう。

そこで、本実施形態では更に、ワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌを適切に選択することが必要となる。すなわち、図４に示すように、トーチ角度θ_Ｌを上記の通り設定するとともに、立板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌまでの距離（高さ）Ｈ_Ｌを１ｍｍ以上３ｍｍ以下とする。これにより、立板２の端面２ｃと下板１の主面１ａとが対向する領域Ｓで溶け残りを小さくすることができ、溶接金属８中に気孔欠陥等が発生することを防止することができる。

なお、先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂの溶接方向に対する傾斜角、すなわち先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂの中心線と溶接方向を法線とする面とが成す角度φ_Ｌは、特に限定されるものではないが、スパッタの発生量やビード形状を考慮して、０°以上１５°以下の後退角となるように設定することが好ましい。

＜溶接電流Ｉ_Ｌ（Ａ）とアーク電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ）との関係：式（１）を満たすこと＞
一般的に、１００％炭酸ガスを用いた溶接では、溶融したワイヤの先端に形成される溶滴の下からアークが発生するため、溶滴がワイヤから離脱しにくく、粗大になってしまう。このため、溶融金属が揺れ動きながら移行するグロビュール移行となる。グロビュール移行が生じると、スパッタが多量に発生し、溶滴移行に応じて溶接電流Ｉ_Ｌも大きく変動するため、アーク力も時々刻々と変動する。また、ワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌをルート部よりも上方に設定すると、通常の溶接条件で溶接した場合には、立板２の表面にアンダカットが発生しやすくなる。

そこで、本実施形態では、アーク電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ）と溶接電流Ｉ_Ｌ（Ａ）との比が、下記式（１）を満たす範囲に制御することにより、深い溶込みを確保しながら、低スパッタ溶接が可能となり、アンダカットが発生しない溶接方法を実現する。すなわち、式（１）を満たすことにより、溶滴の下ではなく、溶滴の周りを包むようにアークを形成させることが可能となり、１００％炭酸ガス溶接でもスプレー移行となり、極低スパッタ溶接が実現でき、アンダカットも発生しない。
５０≦Ｖ_Ｌ×１０００／Ｉ_Ｌ≦７０・・・式（１）

上記式（１）の各パラメータと溶接の特性には、次のような関係がある。
（Ａ）アーク電圧Ｖ_Ｌが高過ぎる場合は、スプレー移行の維持ができなくなってグロビュール移行となり、多量のスパッタが発生すること。また、アンダカットも発生しやすくなること。
（Ｂ）溶接電流Ｉ_Ｌが低過ぎる場合は、先行極のアーク力が弱くなり、溶込みも浅くなること。
（Ｃ）アーク電圧Ｖ_Ｌが低過ぎる場合は、アークが安定に維持できなくなり、良好なビード形状を得ることが困難となること。
（Ｄ）溶接電流Ｉ_Ｌが高過ぎる場合は、アーク力が過大になり過ぎ、良好なビード形状を得ることが困難となること。
そこで、本実施形態では、上記式（１）により得られる値を７０以下とし、好ましくは６５以下とする。また、上記式（１）により得られる値を５０以上とする。これによりスプレー移行を維持してスパッタを低減するとともに、アンダカットの発生を抑制して、良好なビード形状を維持しつつ、深い溶込みを得ることができる。

＜ワイヤ突出し長さＥ_Ｌ：１０ｍｍ≦Ｅ_Ｌ≦２０ｍｍ＞
ワイヤ突出し長さＥ_Ｌは、溶接電流Ｉ_Ｌ及びワイヤ溶融速度に影響を及ぼす。ここで、ワイヤ突き出し長さＥ_Ｌとは、例えば、図４に示す先行極側溶接トーチ４ａの先端部において、ワイヤ６ａに電流を供給するためのコンタクトチップ１１ａから母材までの長さである。
例えば、溶接電流Ｉ_Ｌを一定とした場合、ワイヤ突き出し長さＥ_Ｌが短いほど、ワイヤ溶融速度が小さくなり、深溶込みに有利となる。しかし、溶接電流Ｉ_Ｌを可変とした場合には、ワイヤ突き出し長さＥ_Ｌが１０ｍｍ未満であると、先行極のアーク力が強くなりすぎるため、ビード形状も悪くなる。一方、ワイヤ突き出し長さＥ_Ｌが２０ｍｍを超えると、ワイヤ溶融速度が過大となり、溶込みが浅くなる。したがって、先行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｌは１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下とする。なお、好ましくは１２ｍｍ以上１８ｍｍ以下とする。

＜溶接電流Ｉ_Ｌ：３５０Ａ≦Ｉ_Ｌ≦５３０Ａ、アーク電圧Ｖ_Ｌ：２２Ｖ≦Ｖ_Ｌ≦３３Ｖ＞
本実施形態では、先行極のアーク電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ）と溶接電流Ｉ_Ｌ（Ａ）との比を、上記式（１）を満たす範囲とすることにより、所望の効果を得ることができるが、アーク電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ）及び溶接電流Ｉ_Ｌ（Ａ）のそれぞれを適切に制御すると、より一層優れた耐気孔性及びビード形状を得ることができる。

溶接電流Ｉ_Ｌが３５０Ａ以上であると、溶込みがより一層深くなり、溶け残り又は気孔欠陥の発生を抑制する効果が高くなる。また、溶接電流Ｉ_Ｌが５３０Ａ以下であると、先行極のアーク力を適切に調整することができ、より優れたビード形状を得ることができる。したがって、溶接電流Ｉ_Ｌは３５０Ａ以上５３０Ａ以下とすることが好ましい。

また、アーク電圧Ｖ_Ｌが２２Ｖ以上であると、より一層優れたビード形状を得ることができ、アーク電圧Ｖ_Ｌが３３Ｖ以下であると、スパッタの発生量を適切に抑制でき、アンダカット等の発生を防止する効果が高くなる。したがって、アーク電圧Ｖ_Ｌは２２Ｖ以上３３Ｖ以下とすることが好ましい。

続いて、後行極における各条件について詳細に説明する。
［後行極］

＜シールドガスとして炭酸ガスを使用したフラックス入りワイヤ＞
図１に示すように、本実施形態では、後行極のワイヤ７ａ及び７ｂとしてフラックス入りワイヤを用い、シールドガスとして１００％炭酸ガスを用いる。フラックス入りワイヤを用いた後行極による溶接は、先行極によって得られた溶接金属のビード形状を整える効果を有する。

＜トーチ角度θ_Ｔ：４０°≦θ_Ｔ≦６０°、下板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｔまでの距離Ｗ_Ｔ：１ｍｍ≦Ｗ_Ｔ≦５ｍｍ＞
図５を参照して、タンデムガスシールドアーク溶接方法における後行極のトーチ角度θ_Ｔ及びワイヤ狙い位置Ｐ_Ｔについて説明する。なお、図５において、図１と同一内容には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
本実施形態では、後行極側溶接トーチ５ａ、５ｂのトーチ角度θ_Ｔを、４０°以上６０°以下、好ましくは４５°以上５５°以下の角度とする。これにより、先行極によって形成されるビードを平坦化し、良好なビード形状に整形することができる。

なお、後行極の溶接方向に対する傾斜角、すなわち後行極の中心線と溶接方向を法線とする面とが成す角度φ_Ｔは、特に限定されるものではないが、スパッタの発生量やビード形状を考慮して、０°以上２５°以下の前進角となるように設定することが好ましい。

本実施形態では更に、後行極のワイヤ狙い位置Ｐ_Ｔを適切に選択することが必要となる。すなわち、図５に示すように、下板側におけるルート部３からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｔまでの距離Ｗ_Ｔを１ｍｍ以上５ｍｍ以下とする。これにより、先行極において形成されたビードを平坦化して、良好なビード形状に成形することができる。

＜ワイヤ突出し長さＥ_Ｔ：２０ｍｍ≦Ｅ_Ｔ≦３０ｍｍ＞
ワイヤ突出し長さＥ_Ｔは、溶接電流Ｉ_Ｔ及びワイヤ溶融速度に影響を及ぼす。先行極と同様に、後行極のワイヤ突き出し長さＥ_Ｔとは、図５に示す後行極側溶接トーチ５ａの先端部において、ワイヤ７ａに電流を供給するためのコンタクトチップ１２ａから母材までの長さである。
後行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｔが２０ｍｍ未満であると、ワイヤ溶融量が不足する。
また、後行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｔが３０ｍｍを超えると、アークが不安定となりやすい。
したがって、ワイヤ突出し長さＥ_Ｔは２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とし、好ましくは、２３ｍｍ以上２８ｍｍ以下とする。

＜溶接電流Ｉ_Ｔ：２５０Ａ≦Ｉ_Ｔ≦４００Ａ、アーク電圧Ｖ_Ｔ：２５Ｖ≦Ｖ_Ｔ≦３８Ｖ＞
後行極についても、アーク電圧Ｖ_Ｔ（Ｖ）及び溶接電流Ｉ_Ｔ（Ａ）のそれぞれを適切に制御すると、より一層優れた形状のビードを形成することができるとともに、溶接欠陥の発生を抑制することができる。
溶接電流Ｉ_Ｔが２５０Ａ以上４００Ａ以下であると、より一層アークを安定化することができ、優れたビード形状を得ることができる。また、アーク電圧Ｖ_Ｔが２５Ｖ以上であると、より一層優れたビード形状を得ることができ、３８Ｖ以下であると、スパッタ発生量を適切に抑制することができ、溶接欠陥の発生を防止することができる。したがって、溶接電流Ｉ_Ｔは２５０Ａ以上４００Ａ以下とすることが好ましく、アーク電圧Ｖ_Ｔは２５Ｖ以上３８Ｖ以下とすることが好ましい。
［先行極と後行極との電極間距離Ｄ：２５ｍｍ≦Ｄ≦４５ｍｍ］
本実施形態では更に、電極間距離を適切に設定する必要がある。すなわち、電極間距離が２５ｍｍ未満と小さい場合、先行極が式（１）を満たす条件においては、それぞれのアーク間に形成される湯溜りの形状が変動してしまい、最終的なビード形状も不安定なものとなり、深溶込み効果も得られなくなる。また、電極間距離が４５ｍｍを超える場合、先行極の溶融池が凝固した後に後行極のアークが通過することになるため、２つのアークによる溶融池がそれぞれ分離してしまう。その結果、後行極によるビード形状の整形作用が失われ、高速度溶接が不可能となる。
したがって、先行極と後行極との電極間距離Ｄは２５ｍｍ以上４５ｍｍ以下とする。

［溶接速度：８００ｍｍ／ｍｉｎ以上］
本実施形態では、片側２電極ですみ肉溶接を行うため、溶接速度を８００ｍｍ／ｍｉｎ以上の高速で溶接することができ、優れた施工能率を得ることができる。なお、溶接速度が８００ｍｍ／ｍｉｎ未満であると、溶接金属量が過度に増加し、ビード外観が劣化するとともに、深溶込み効果が得られない。したがって、溶接速度は８００ｍｍ／ｍｉｎ以上とする。

本実施形態において、溶接電源については特に限定されず、直流電源又は交流電源のいずれであっても良い。ただし、汎用的な観点から、定電圧特性を持つ直流電源が好ましい。また、下板及び立板の材質は限定されず、プライマ等の塗料が塗装されていても良い。さらに、立板の板厚についても特に限定されないが、一般的に使用される板厚範囲は６～１６ｍｍであるため、上限を１６ｍｍ、下限を６ｍｍとすることが好ましい。さらにまた、溶接ワイヤの径も特に限定されないが、本実施の形態において好ましくは、上限は１．６ｍｍ、下限は１．２ｍｍである。

以上、本発明の実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に係るタンデムガスシールドアーク溶接方法に用いられる溶接装置にも適用される。

以下、発明例及び比較例を挙げて本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［タンデムガスシールドアーク溶接］
図１に示すように、水平に配置された下板１の主面１ａに対して、立板２を垂直に設置し、先行極側溶接トーチ４ａ、４ｂと後行極側溶接トーチ５ａ、５ｂを用いて、シールドガスを噴射しながら、種々の溶接条件ですみ肉溶接した。先行極及び後行極について、トーチ前進角及び後退角はいずれも７°、ワイヤ径はいずれも１．６ｍｍとし、シールドガスとしては、１００％ＣＯ_２ガスを使用した。また、ソリッドワイヤとしては、ワイヤ中の化学成分としてＣ≦０．１０質量％、Ｐ≦０．０２５質量％、Ｓ≦０．０２５質量％を満たすワイヤを使用した。また、フラックス入りワイヤとしては、ワイヤ中の化学成分として３．５質量％≦ＴｉＯ_２≦９．０質量％、０．１質量％≦ＺｒＯ_２≦２．５質量％を満たすワイヤを使用した。さらに、母材（下板１及び立板２）の板厚はいずれも１２ｍｍとし、材質はいずれもＳＭ４９０Ａを用いた。さらに、母材表面に平均膜厚３０μｍでプライマを塗布した。

先行極及び後行極のそれぞれにおける、溶接条件、電極間距離及び溶接速度を下記表１～表４に示す。なお、下記表１において、「ワイヤの種類」欄に記載のＦＣＷは、フラックス入りワイヤ（Ｆｌｕｘ Ｃｏｒｅｄ Ｗｉｒｅ）を示す。また、ルート部から狙い位置までの距離の項目に記載の立板側とは、立板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｌまでの距離Ｈ_Ｌを示し、下板側とは、下板側におけるルート部からワイヤ狙い位置Ｐ_Ｔまでの距離Ｗ_Ｔを示す。

［評価試験］
比較例Ｎｏ．１～２５及び発明例Ｎｏ．２６～５０について、気孔欠陥、耐ギャップ性及びビード形状の評価試験を実施した。各評価試験の試験方法及び評価基準について以下に示し、評価結果を下記表５及び表６に示す。

＜気孔欠陥＞
気孔欠陥は、日本工業規格ＪＩＳ Ｚ ３１０４－１９９５で定められる放射線透過試験に準拠して透過写真を撮影し、溶融金属中に気泡が発生しているかどうかを確認することにより評価した。評価基準としては、欠陥が確認されなかった場合を○（良好）とし、気泡が発生しており、欠陥が確認された場合を×（不良）とした。

＜耐ギャップ性＞
耐ギャップ性は、下板１と立板２とを、２ｍｍのギャップで配置し、上記タンデムガスシールドアーク溶接条件で溶接して、得られた溶接金属を観察することにより評価した。評価基準としては、裏抜け等がなく、母材間が充分に架橋されていたものを〇（良好）とし、裏抜け等が発生するか、又は母材間が充分に架橋されていなかったものを×（不良）とした。

＜ビード形状＞
ビード形状は、スラグを剥離した後の表面外観を目視で確認し、溶接欠陥がなく、ビード形状が良好であったものを○（良好）とし、溶接欠陥が発生した場合又はビード形状が不安定であったものを×（不良）とした。

上記表２、表４及び表６に示すように、発明例Ｎｏ．２６～５０は、先行極及び後行極のワイヤの種類、トーチ角度、狙い位置及びワイヤ突出し長さが、本発明の範囲内であるとともに、先行極の溶接電流とアーク電圧との関係が式（１）を満足しており、更に電極間距離及び溶接速度が本発明の範囲内であるため、高速で溶接することができ、優れた耐気孔性及び耐ギャップ性が得られ、ビード形状が良好であった。

一方、表１、表３及び表５に示すように、比較例Ｎｏ．１及び２は、式（１）の値が大きいとともに、先行極の狙い位置が下板側５～６ｍｍであるため、領域Ｓの溶け残りが極めて大きくなり、気孔欠陥が多量に発生した。なお、これらは電極間距離Ｄが１００ｍｍと大きいため、２つのアークによる溶融池がそれぞれ分離してしまう。その結果、高速溶接が不可能となり、比較例Ｎｏ．２では溶接速度が速いため、気孔欠陥の多量発生だけでなく、正常ビードが形成されなかった。

比較例Ｎｏ．３～６は、先行極のトーチ角度が本発明範囲の下限未満であるとともに、先行極のワイヤ狙い位置がルート部（０ｍｍ）であり、特に比較例Ｎｏ．３については、更に後行極のワイヤ狙い位置もルート部（０ｍｍ）であるため、いずれも耐ギャップ性が不良となった。

比較例Ｎｏ．７及び８は、先行極のトーチ角度が本発明範囲の下限未満であるうえ、立板側２～３ｍｍ狙いのため、領域Ｓの溶け残りが大きくなり、気孔欠陥が多量発生した。この場合、電極間の湯溜り形状が安定に維持されず、ビード形状も悪くなった。

比較例Ｎｏ．９及び１０は、先行極のワイヤ狙い位置がルート部（０ｍｍ）であるため、領域Ｓの溶け残りが大きくなり、気孔欠陥が発生した。

比較例Ｎｏ．１１及び１２は、先行極のワイヤ突出し長さが本発明の範囲から外れており、比較例Ｎｏ．１３及び１４は、電極間距離が本発明の範囲から外れており、比較例Ｎｏ．１５は、溶接速度が本発明範囲の下限未満であるため、いずれも、ビード形状が不良となった。

比較例Ｎｏ．１６～１８は、式（１）の値が本発明の範囲を超えて大きくなっており、領域Ｓの溶け残りが大きくなるため、気孔欠陥が発生するとともに、アンダカットも発生したため、ビード形状が不良となった。

比較例Ｎｏ．１９～２５は、先行極のトーチ狙い位置がルート部（０ｍｍ）であるとともに、ワイヤ突出し長さが本発明範囲の上限を超えており、式（１）により得られる値についても、本発明範囲の上限を超えている。中でも、比較例Ｎｏ．１９、２０及び２３は、後行極のワイヤ狙い位置がルート部（０ｍｍ）であり、比較例Ｎｏ．２３～２５は、先行極のワイヤの種類がフラックス入りワイヤである。したがって、いずれも領域Ｓの溶け残りが大きくなるため、気孔欠陥が発生した。

１ 下板
２ 立板
３ ルート部
４ａ，４ｂ 先行極側溶接トーチ
５ａ，５ｂ 後行極側溶接トーチ
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ ワイヤ
８ 溶接金属
９ 気孔欠陥

Claims (4)

1. 主面を有する下板と、該下板の主面に対して交差する方向に配置された立板とを、先行極と後行極とを用いてすみ肉溶接するタンデムガスシールドアーク溶接方法であって、
   前記先行極としてソリッドワイヤを使用し、
   前記先行極のシールドガスとして炭酸ガスを使用し、
   前記主面と溶接トーチとがなす前記先行極のトーチ角度θ_Ｌが４０°≦θ_Ｌ≦６０°、
   前記先行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｌが１０ｍｍ≦Ｅ_Ｌ≦２０ｍｍ、
   前記立板側におけるルート部から前記先行極のワイヤ狙い位置までの距離Ｈ_Ｌが１ｍｍ≦Ｈ_Ｌ≦３ｍｍであり、
   前記先行極の溶接電流Ｉ_Ｌ（Ａ）とアーク電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ）が下記式（１）を満たすとともに、
   前記後行極としてフラックス入りワイヤを使用し、
   前記後行極のシールドガスとして炭酸ガスを使用し、
   前記主面と前記後行極の溶接トーチがなすトーチ角度θ_Ｔが４０°≦θ_Ｔ≦６０°、
   前記後行極のワイヤ突出し長さＥ_Ｔが２０ｍｍ≦Ｅ_Ｔ≦３０ｍｍ、
   前記下板側におけるルート部から前記後行極のワイヤ狙い位置までの距離Ｗ_Ｔが１ｍｍ≦Ｗ_Ｔ≦５ｍｍであり、
   前記先行極と前記後行極との電極間距離Ｄが２５ｍｍ≦Ｄ≦４５ｍｍ、
   溶接速度が８００ｍｍ／ｍｉｎ以上である、タンデムガスシールドアーク溶接方法。
   ５０≦Ｖ_Ｌ×１０００／Ｉ_Ｌ≦７０・・・式（１）
2. 前記先行極の溶接電流Ｉ_Ｌが３５０Ａ≦Ｉ_Ｌ≦５３０Ａ、
   前記先行極のアーク電圧Ｖ_Ｌが２２Ｖ≦Ｖ_Ｌ≦３３Ｖである、請求項１に記載のタンデムガスシールドアーク溶接方法。
3. 前記後行極の溶接電流Ｉ_Ｔが２５０Ａ≦Ｉ_Ｔ≦４００Ａ、
   前記後行極のアーク電圧Ｖ_Ｔが２５Ｖ≦Ｖ_Ｔ≦３８Ｖである、請求項１又は２に記載のタンデムガスシールドアーク溶接方法。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載のタンデムガスシールドアーク溶接方法に用いられる溶接装置。

Images