JPH07256456A - 片面サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３本又はそれ以上の電極を使用して板継ぎ溶
接する片面サブマージアーク溶接において、１００乃至
２００ｃｍ／分の高速の溶接速度で、それ以下の速度で
得られる溶接ビードと同等の安定性を有し、健全な溶込
みの高品質な溶接ビードが得られる高能率の片面サブマ
ージアーク溶接方法を提供する。 【構成】 少なくとも３つの電極を使用し、先行する第
１電極のワイヤ径を４．０乃至４．８ｍｍ、その後行の
第２電極のワイヤ径を４．８乃至６．４ｍｍ、第３電極
以降の電極のワイヤ径を６．４乃至８．０ｍｍにする。
また、開先形状は開先角度が４５°乃至８０°、ルート
部長さが３乃至７ｍｍのＹ型である。そして、メタル系
フラックス入りワイヤ、ソリッドワイヤ又は被覆アーク
溶接棒を使用して、仮付けビード長さが２０ｍｍ以上、
ビード高さｈ（ｍｍ）が３．０≦ｈ≦３００／Ｖ＋５
［但しＶは溶接速度（ｃｍ／分）］の条件で前記開先内
を仮付け溶接した後、前記開先内を１００乃至２００
（ｃｍ／分）の速度で溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３本又はそれ以上の電
極を使用し、裏当にフラックスを使用して行う片面サブ
マージアーク溶接方法に関し、特に溶接速度が１００乃
至２００ｃｍ／分と高い高能率な片面サブマージアーク
溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】サブマージアーク溶接の
片面溶接施工法において、溶接速度が１００ｃｍ／分未
満である場合は、比較的、表及び裏ビードを安定して形
成することができ、また、図５に示すように、溶込み形
状も良好な溶接金属が得られる。また、突合わせ溶接で
は、本溶接に先立ち、開先内に仮付け溶接を点在的に施
すことが必要となるが、この仮付け溶接ビードの高さ及
び溶接状態に依存して、片面サブマージアーク溶接によ
る本溶接で得られる溶接ビードの品質が著しく損なわれ
るというような自体は生じない。

【０００３】ところで、近年、片面サブマージアーク溶
接に対する高能率化の要望が強く、それに伴い高速片面
溶接の研究がなされている。そして、溶接における裏ビ
ードの安定形成と溶着量の確保を目的として、速度と溶
接条件についての研究報告及び提案が多数なされている
（例えば、特開平３−２３８１７４号、特開平５−３３
７６５１号公報）。

【０００４】これらの研究報告又は公報においても指摘
されているように、溶接入熱（Ｊ／ｃｍ）を（溶接電流
×溶接電圧）／溶接速度で表すとすると、高速溶接（１
００〜２００ｍｍ／分）においては、必然的に溶接入熱
が低下する。このことは、開先内の単位面積当たりの溶
接入熱の低減を示すわけだから、開先内に不連続な部分
とか、大きく熱を奪うような仮付け溶接ビードが存在す
ると、１００ｃｍ／分未満の速度では特に問題にはなら
ないにも拘わらず、仮付けビードが特に本溶接における
裏ビードの安定形成に大きな影響を及ぼすという難点が
ある。

【０００５】また、図６に示すように、仮付け高さｈの
仮付けビード上をアークが通過する際、通常のアーク長
よりも高さｈの分だけ、アーク先端位置が高くなるの
で、大きな仮付けビードを形成することは裏ビードの安
定形成上好ましくない。このため、図７に示すようにア
ンダーカットが発生したり、ビードのふらつきが発生し
たりする。更には、スラグ巻き込みが発生したり、表ビ
ードの余盛りが過多となるような問題点が発生する。

【０００６】また、仮付けビードによる不連続部位にお
いて、特に先行電極のアークが止まってしまうことがあ
る。そうすると、高速溶接であるにも拘わらず、裏ビー
ドの不安定形成及びアークストップ等の不都合が生じる
ため、溶接作業能率が低下し、逆に従来速度の溶接の場
合より手直し工数が増えてしまうことになる。

【０００７】更に、これらの問題点を、仮付けビードの
高さを可及的に低くして解決しようとすると、以下に示
す問題点がある。即ち、本溶接に際し、仮付けビードは
溶接線に垂直の方向に引張り力となる熱応力を受ける
が、仮付けビードの高さが低いと、本溶接時に受ける熱
応力によって、仮付けビードが破断する。高速溶接にお
いては、通常速度での溶接の場合よりも溶接入熱量が低
くなるため、熱応力が低くなるものの、それでも仮付け
ビードの高さを低くしすぎると、仮付けビードの破断が
生じる。この仮付けビードの破断が、片面サブマージア
ーク溶接で形成された溶接金属中に割れを生じさせる要
因となる。

【０００８】このように、従来の高速サブマージアーク
溶接方法においては、高速溶接に伴う種々の問題点を解
決するには至っておらず、安定したビードの形成及び健
全な溶接ビードを得るためには、不十分である。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、３本又はそれ以上の電極を使用する片面サ
ブマージアーク溶接において、１００乃至２００ｃｍ／
分の高速の溶接速度で、１００ｃｍ／分未満の速度で得
られる溶接ビードと同等の安定性を有し、健全な溶込み
の高品質な溶接ビードが得られる高能率の片面サブマー
ジアーク溶接方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る片面サブマ
ージアーク溶接方法は、少なくとも３つの電極を使用
し、先行する第１電極のワイヤ径を４．０乃至４．８ｍ
ｍ、その後行の第２電極のワイヤ径を４．８乃至６．４
ｍｍ、第３電極以降の電極のワイヤ径を６．４乃至８．
０ｍｍとし、４５°乃至８０°の開先角度と３乃至７ｍ
ｍのルート部を有するＹ型の開先形状の板継ぎ溶接をす
る片面サブマージアーク溶接方法において、メタル系フ
ラックス入りワイヤ、ソリッドワイヤ又は被覆アーク溶
接棒等を使用して、仮付けビード長さが２０ｍｍ以上、
ビード高さｈ（ｍｍ）が３．０≦ｈ≦３００／Ｖ＋５
［但しＶは溶接速度（ｃｍ／分）］の条件で前記開先内
を仮付け溶接した後、前記開先内を１００乃至２００
（ｃｍ／分）の速度で溶接することを特徴とする。

【００１１】

【作用】本願発明者等は、上述の従来技術の問題点を解
決すべく種々実験研究を繰り返した結果、以下の知見を
得た。

【００１２】３電極又はそれ以上の電極を使用し、特に
裏当てにフラックスを使用する片面サブマージアーク溶
接においては、溶接速度が１００〜２００ｃｍ／分とい
う高速の場合、安定且つ健全な表ビード及び裏ビードを
得るためには、従来技術（例えば、特開平３−２３８１
７４号、特開平３−２６８８７６号）のように、溶接条
件を選定しただけでは不十分であり、開先内の仮付けビ
ードの形状により影響を受けてしまう。

【００１３】これに対し、開先内の仮付けビードの高さ
ｈを請求項１のように規定することにより、安定して健
全な溶接ビードが得られることを見い出した。即ち、溶
接速度Ｖとの関係から仮付けビード高さｈの上限を３０
０／Ｖ＋５に限定し、仮付けビードの強度確保の点から
仮付けビード高さの下限を３．０ｍｍに限定することに
より、高速溶接においても従来の溶接速度で得られる溶
接ビードと同等の安定且つ健全な高品質の溶接ビードが
得られる。

【００１４】また、仮付けビードの形状は、仮付けビー
ドのスタート側を滑らかなものとすることにより、連続
的な溶接が可能となり、アークストップという不都合が
解消される。これらの仮付けビードの高さ及び形状の調
節は、溶接条件により行う方法と、仮付けビードの不要
箇所をグラインダー等によって除去する方法とにより行
うことができる。請求項２はこの仮付けビードの形状を
滑らかなものとしてアークストップを解消するための条
件を規定するものである。

【００１５】以下、本発明の請求項１、２にて規定した
数値条件の限定理由について説明する。 （１）溶接速度と仮付けビード高さ 高速溶接においては、溶接する開先内に施す仮付け溶接
を従来速度の場合と同様な条件で処理してしまうと、特
に裏ビードの安定性を著しく悪化させる。そして、本願
発明者等は、この裏ビードの不安定箇所と開先内の仮付
け箇所がほぼ一致しており、裏ビードの不安定が仮付け
ビードによるアーク熱の吸熱、再溶融及びアーク長の変
動により生じることを見い出した。このため、安定した
ビード形状及び健全な継ぎ手を得るためには、仮付けビ
ードの形状を適切にすることが必要である。

【００１６】溶接速度と仮付け高さを種々変えて溶接品
質を調べた結果、溶接速度及び仮付け高さと溶接品質と
の間には相関関係が認められた。即ち、図１は溶接速度
が１００乃至２００ｃｍ／分の場合に、横軸に溶接速度
をとり、縦軸に仮付けビードの高さをとって、安定した
ビード形状と健全な溶け込みが得られたものを○で表
し、そうでないものを×で表したグラフ図である。図１
に示すように、仮付け高さｈが、ｈ＝３００／Ｖ＋５で
表される線分か、それ以下であると、安定したビード形
状と健全な溶込み形状を呈した溶接金属が得られる。こ
の仮付け高さの上限を超えると、裏ビードのアンダーカ
ットが発生し、またビードのふらつきが発生し、更には
先行電極で形成される溶接金属が鋼板表面付近まで上昇
してしまい、後行電極での溶込が十分得られず、スラグ
巻き込み及び割れが発生する。

【００１７】一方、仮付け高さｈの下限は、熱応力に耐
えられるだけの仮付けビード高さが必要であり、その結
果３．０ｍｍが仮付け高さの下限となる。

【００１８】なお、溶接条件については、第１電極と第
２電極の電流値の総和が２０００〜３０００（Ａ）の範
囲であることが望ましい。

【００１９】（２）仮付けビード形状 開先内に設ける仮付けビードは、作業者によってビード
のスタート側又は端部の処理が異なる。図３に示す仮付
けビードにおいて、仮付け溶接の溶接長Ｌｌに対する仮
付けビート上部の平行部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が
０．８を超えると、仮付けビードの両端部が急激に立ち
上がることとなり、極めて不連続な溶接線となる。この
ため、先行電極のアークが不安定になると共に、急激な
アーク変動により、アークが停止することがある。従っ
て、滑らかな仮付けビード形状とするためには、比Ｌ２
／Ｌ１を０．８以下とすることが好ましい。

【００２０】なお、仮付けビードの断面形状は、図４に
示すように、このビードの頂点と、ビードが開先面と接
触する点との間の高低差ｈ１が１．５ｍｍ以下となるも
のであることが望ましい。

【００２１】また、仮付溶接はメタル系フラックス入り
ワイヤ、ソリッドワイヤ、被覆アーク溶接棒又はチタニ
ヤ系フラックス入りワイヤ等のいずれを使用してもよい
が、特にメタル系フラックス入りワイヤ、ソリッドワイ
ヤ又は被覆アーク溶接棒を使用すると、スラグ量が少な
いため好ましい。

【００２２】（３）開先形状（ルート部長さ及び開先角
度） 突合せ部の開先形状は、片面サブマージアーク溶接によ
って形成される表ビード及び裏ビードの安定性並びに溶
込みに大きな影響を与える。

【００２３】片面サブマージアーク溶接においては、安
定した表ビード及び裏ビード並びに健全な溶込みを得る
ために、Ｙ型の開先形状が最も好ましい。図２に示すよ
うに、Ｙ型開先のルート部は、先行電極の電流・電圧・
速度に影響するので、ルート部が７ｍｍを超えると安定
した裏ビード形成は困難となる。一方、ルート部を極力
低くおさえることはルート部の精度を確保できなくな
り、同様に安定した裏ビードの形成が困難となる。この
ため、ルート部を３乃至７ｍｍに限定することが必要で
あり、これにより安定した裏ビードが形成される。

【００２４】開先角度は表ビードの形成、溶込み形状及
び溶着量に影響するため、角度が８０°を超える開先は
開先内断面積が大きく、より多くの溶着量が必要とな
り、高速溶接には不向きである。また、４５°を下回る
狭角度になると、アークが発生する点が高くなりすぎて
しまうので裏ビードの安定形成及び健全な溶込み形状を
確保する上で好ましくない。このため、開先角度は４５
乃至８０°にする必要があり、これにより安定した裏・
表ビード及び健全な溶込みが得られる。

【００２５】（４）第１電極、第２電極、第３電極及び
存在する場合はこの第３電極に続く電極のワイヤ径 本発明に係る高速片面サブマージアーク溶接方法におい
ては、第１電極及び第２電極によって健全な裏ビードを
確保すると共に、必要な溶着量を得る。しかし、先行す
る第１電極のワイヤ径が４．０ｍｍ未満の場合は、適正
に使用することができる電流範囲が狭いことから、１０
０ｃｍ／分以上の高速溶接において、鋼板裏面側まで安
定して溶融させることが難しい。また、逆に第１電極の
ワイヤ径が４．８ｍｍを超えると、鋼板裏面側まで溶融
させるために、極めて高い電流が必要になると共に、ア
ークが広がり過ぎることから、流れ込み幅が広くなり、
結果的に裏ビード幅が過大になる。従って、第１電極の
ワイヤ径は４．０乃至４．８ｍｍにする必要がある。

【００２６】第２電極のワイヤ径が４．８ｍｍ未満の場
合は、アークの集中性が良過ぎるため、裏ビードの余盛
りが過大になることと、アークの広がりが悪いことか
ら、健全なビード幅を確保できず、また、ビード幅が安
定しなくなる。一方、第２電極のワイヤ径が６．４ｍｍ
を超えると、アークの集中性が悪くなり、適正な裏ビー
ドの余盛り高さを確保できないことと、アークが広がり
過ぎるため、アンダーカットが発生しやすくなる。従っ
て、第２電極のワイヤ径は４．８乃至６．４ｍｍにする
必要がある。

【００２７】第３電極と、この第３電極に続く電極が存
在する場合はこれらの第３電極以降の電極を含めて、こ
れらの電極のワイヤ径は６．４乃至８．０ｍｍにする。
これらの電極のワイヤ径が６．４ｍｍ未満の場合、高速
溶接において、アークの広がりが悪いために健全な表ビ
ード幅を確保できないと共に、ビードの安定性が悪い。
また、これらの電極のワイヤ径が８．０ｍｍを超える場
合、アークの集中性が悪くなることから、縦割れが発生
する危険性のない十分な溶け込み深さを確保することが
できない。従って、第３電極とこの第３電極に続く電極
のワイヤ径は６．４乃至８．０ｍｍにすることが必要で
ある。

【００２８】（５）仮付けビード長さ 開先内の仮付け溶接ビードは、突き合わせる板のギャッ
プを小さくし、片面サブマージアーク溶接において、健
全なビード形状及び溶込みを得るために行われる。この
仮付け溶接ビードは、その形状によっては、片面サブマ
ージアーク溶接（本溶接）における邪魔者となるが、仮
付け溶接後ブラインダによりそのビード形状を適切なも
のに成形するか、又は仮付け溶接方法の条件を適切に制
御して、仮付けビードを所定の形状に処理することによ
りこの問題は解消される。

【００２９】一方、仮付けビードを施す長さは仮に片面
サブマージアーク溶接を行う溶接線の全長に仮付けビー
ドを施しても、その形状が適切なものであれば何も不都
合な点は生じない。しかし、仮付けビード長が２０ｍｍ
より短い場合は、片面サブマージアーク溶接（本溶接）
で発生する熱応力（溶接線に直角方向の引張力）によっ
て仮付けビードが破壊されることがある。そうすると、
この仮付けビードの破壊時に、板は急激な変形を受ける
ため、溶接金属に割れが発生する。このため、開先内の
仮付けビード長を２０ｍｍ以上とすることが必要であ
る。なお、仮付けビードの間隔は２０００ｍｍ以下が望
ましい。

【００３０】

【実施例】次に、本発明の実施例について、その比較例
と比較して説明する。下記表１に示す鋼板を、下記表２
に示すワイヤ及び下記表３に示すフラックスを使用して
片面サブマージアーク溶接した。その溶接試験条件を下
記表４（実施例）及び表５（比較例）に示す。また、こ
の溶接試験により得られた溶接部の品質を下記表６（実
施例）及び表７（比較例）に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】 （＊）ＣＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ等

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】

【表６】

【００３７】

【表７】

【００３８】但し、表４及び表５において、開先形状の
欄は、Ｙ型であると共に、開先角度及びルート部の長さ
を示す。表６及び表７において、◎は極めて安定してい
る場合、○は安定している場合、△はやや安定している
場合、×は不安定の場合である。

【００３９】表５において、比較例１は仮付け高さが７
ｍｍと高すぎる場合、比較例２は開先角度が８５°と大
きい場合、比較例３は仮付け長さが１５ｍｍと短すぎる
場合、比較例４は開先角度が４０°と小さい場合、比較
例５は仮付け高さが２．８ｍｍと低い場合、比較例６は
第２電極径が４．０ｍｍと小さい場合、比較例７は溶接
速度が速すぎてかつＬ１／Ｌ２の比が０．９と大きい場
合、比較例８は仮付け高さが７ｍｍと高すぎる場合、比
較例９は第２電極及び第３電極の径が小さい場合のもの
である。

【００４０】表６及び表７に示すように、本願の請求項
１に規定する条件を満足することにより、表ビード形
状、第２電極以降の電極による溶け込み深さ及び裏ビー
ドの安定性のいずれも優れており、割れ及びアークスト
ップも生じなかった。これに対し、本願の請求項１から
外れる比較例の場合には、表ビード形状、第２電極以降
の電極による溶け込み深さ及び裏ビードの安定性のいず
れかが劣るものであった。また、比較例３、５において
は、割れが発生した。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極径、開先形状、仮付けビードの長さ及び高さを適切
に設定したから、３本又はそれ以上の電極を使用する片
面サブマージアーク溶接において、１００乃至２００ｃ
ｍ／分の高速溶接を、従来と同等以上の溶接ビードの安
定性で且つ健全な溶け込みを得て行うことができ、しか
も、割れ及びアークストップ等の不都合も回避すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】横軸に溶接速度をとり、縦軸に仮付けビードの
高さをとり、本発明にて規定する仮付け高さの要件を説
明するグラフ図である。

【図２】開先形状の要件を説明する図である。

【図３】仮付けビードの要件を説明する図である。

【図４】同じく仮付けビードの要件を説明する図であ
る。

【図５】溶接部のビード形状を示す模式図である。

【図６】仮付けビードの形状による問題点を説明する図
である。

【図７】アンダーカット及びスラグの巻込みを説明する
模式図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも３つの電極を使用し、先行す
   る第１電極のワイヤ径を４．０乃至４．８ｍｍ、その後
   行の第２電極のワイヤ径を４．８乃至６．４ｍｍ、第３
   電極以降の電極のワイヤ径を６．４乃至８．０ｍｍと
   し、４５°乃至８０°の開先角度と３乃至７ｍｍのルー
   ト部を有するＹ型の開先形状の板継ぎ溶接をする片面サ
   ブマージアーク溶接方法において、仮付けビード長さが
   ２０ｍｍ以上、ビード高さｈ（ｍｍ）が３．０≦ｈ≦３
   ００／Ｖ＋５［但しＶは溶接速度（ｃｍ／分）］の条件
   で前記開先内を仮付け溶接した後、前記開先内を１００
   乃至２００（ｃｍ／分）の速度で溶接することを特徴と
   する片面サブマージアーク溶接方法。
2. 【請求項２】 前記仮付け溶接は、仮付け溶接の溶接長
   Ｌｌに対する仮付けビート上部の平行部の長さＬ２との
   比Ｌ２／Ｌ１が０．８以下の条件で行うことを特徴とす
   る片面サブマージアーク溶接方法。