厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法
【課題】ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管などの大径鋼管の造管溶接に用いて好適な、厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下で、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比が下式を満たし、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とし、電極数が４電極の場合は、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離を鋼材表面位置において２０ｍｍ以下とする。Ｉ２／Ｉ１≧０．５ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
【解決手段】第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下で、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比が下式を満たし、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とし、電極数が４電極の場合は、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離を鋼材表面位置において２０ｍｍ以下とする。Ｉ２／Ｉ１≧０．５ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚鋼板の多電極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ものに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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とする、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１，２）。
【０００３】
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るため、１０００Ａ以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であるが、能率と欠陥抑制を重視して、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傾向にある。
【０００４】
溶接部の高靭性化には、溶接入熱を低減するのが有効であるが、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減させなければ、その靭性向上効果は明確とならず、大幅に入熱を低減させると溶着量も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。そのため、一層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、溶け込み不足が生じる危険性が増大する。
【０００５】
従って、溶接部の高靭性化は、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なければならず、従来より種々の提案がなされているがその達成は極めて困難である。
【０００６】
例えば、上記特許文献２では電極径に応じて電流密度を高め、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、最近の仕様に対しては、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。
【０００７】
特許文献３には高電流で更なる高電流密度でのサブマージアーク溶接方法が提案されており、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、鋼材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いて、入熱低減と深溶け込みの両立が図られている。
【特許文献１】特開平１１−１３８２６６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０９１７１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７２３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３に記載の技術では、板厚が一定以上となる厚鋼板を溶接する際に溶融スラグが浮上しにくく、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生しやすい傾向があった。
【０００９】
そこで、本発明は、低入熱であっても、スラグ巻き込みの溶接欠陥が発生しにくい厚鋼板の多電極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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、板厚２５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の厚鋼板を３電極以上のサブマージアーク溶接で溶接する場合について詳細に検討し、溶融池を溶接方向に長い形状として溶融スラグが浮上するための時間を確保することで溶融スラグ巻き込みの溶接欠陥を抑制できることを見出した。本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、
１．厚鋼板の3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法であって、第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下で、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比が下式を満たし、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とすることを特徴とする厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｉ２／Ｉ１≧０．５
ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
２．更に、多電極サブマージアーク溶接方法における電極数が４電極で、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において２０ｍｍ以下であることを特徴とする1記載の厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶接能率を低下させずに、低入熱で溶融スラグ巻き込みが抑制されるので、健全な溶接ビードを備えた溶接部の靭性に優れた大径溶接鋼管の製造が可能で、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の要件限定理由について説明する。
【００１３】
本発明は、３電極以上の多電極サブマージアーク溶接を対象とし、第１電極から第３電極までの電極の中心間距離と第１電極と第２電極の電流値を規定する。ここで、溶接進行方向での先行電極を第１電極、以下、順に、第２電極、第３電極とする。
【００１４】
第１電極から第３電極までの電極の中心間距離が４０ｍｍ未満の場合、スラグが浮上するまでの時間が短くなり、スラグ巻き込みが発生しやすい。一方、６０ｍｍを超えると各電極で形成される溶融池の連結性が低下し、ビードが不整となりやすいため、６０ｍｍ以下とする。尚、電極間距離は鋼材表面位置における値とする。
【００１５】
また、溶け込みが深く鋼材幅方向の母材の溶融量を抑制した溶接を行うため、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比を式（１）を満たすように設定し、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とする。
Ｉ２／Ｉ１≧０．５・・・・・・・・（１）
ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
更に、溶接部の断面形状を、鋼板表層側で溶け込み幅が広く、ＢＯＮＤが傾斜した形状とする場合、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離を鋼材表面位置において２０ｍｍ以下とする。
【００１６】
このような断面形状の溶接部の場合、切欠き位置をＢＯＮＤとするシャルピー衝撃試験では、ＢＯＮＤが直立した溶接部と比較して良好な靭性値が得られる。
【００１７】
本発明によれば、３電極以上の多電極サブマージアーク溶接で、溶接欠陥がなく、良好なビード外観の溶接部が得られる。具体的溶接条件は、溶接部靭性など客先仕様に求められる特性値を満足するように、試験材を用いて予め選定し、データベース化しておくと実生産における溶接条件の選定が容易となり好ましい。
【００１８】
表６に溶接条件のデータベースの一例としてワイヤ径と電流密度の関係を示す。小径ワイヤで溶接電流を大きくした場合、ワイヤの高速送給が可能なように、適切なイナーシャとトルクを有する送給モータを備えた溶接機を使用する。
【００１９】
なお、本発明で規定する電流密度を得るためにはワイヤ径を３．２ｍｍ以下、好ましくは２．４ｍｍ以下、とすることが望ましい。
【００２０】
【表６】
【実施例】
【００２１】
図１に示す大径鋼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鋼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。表１に開先寸法を示す。
【００２２】
表２、表３に、内面溶接の溶接条件および溶接部の観察結果を、表４、表５に外面溶接の溶接条件および溶接部の観察結果を示す。
【００２３】
本発明範囲内の内面溶接条件Ｎ１〜Ｎ３で得られた溶接部はいずれも溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。
【００２４】
外面溶接条件記号１〜４はいずれも４電極サブマージアーク溶接の場合の発明例で、得られた溶接部はいずれも溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。外面溶接条件記号５は３電極サブマージアーク溶接の場合の本発明例で、溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。
【００２５】
外面溶接条件記号６は４電極サブマージアーク溶接の第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において２０ｍｍを越えており、請求項２の発明範囲外であるが請求項１の本発明例で、溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。
【００２６】
以上の実施例において、外面溶接条件記号１〜４までは請求項２記載の発明を満足し、請求項２記載の発明を満足しない外面溶接条件記号６と比較すると、シャルピー衝撃試験（切欠き位置ＢＯＮＤ，試験片採取位置：外面側表面２ｍｍ）で良好な靭性が得られた。
【００２７】
一方、外面溶接条件７は鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が小さく、スラグ巻き込みの溶接欠陥が生じた。外面溶接条件８は鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が大きく、ビードが不整となった。
【００２８】
外面溶接条件９は第１電極の電流密度が小さく、外面溶接条件１０は第２電極の電流密度が小さく、いずれも溶け込み不足が生じた。
【００２９】
外面溶接条件１１は３電極サブマージアーク溶接の場合で鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が小さく、スラグ巻き込みの溶接欠陥が生じた。外面溶接条件１２は３電極サブマージアーク溶接の場合で鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が大きく、ビードが不整となった。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例（開先形状）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚鋼板の多電極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ものに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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とする、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１，２）。
【０００３】
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るため、１０００Ａ以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であるが、能率と欠陥抑制を重視して、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傾向にある。
【０００４】
溶接部の高靭性化には、溶接入熱を低減するのが有効であるが、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減させなければ、その靭性向上効果は明確とならず、大幅に入熱を低減させると溶着量も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。そのため、一層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、溶け込み不足が生じる危険性が増大する。
【０００５】
従って、溶接部の高靭性化は、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なければならず、従来より種々の提案がなされているがその達成は極めて困難である。
【０００６】
例えば、上記特許文献２では電極径に応じて電流密度を高め、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、最近の仕様に対しては、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。
【０００７】
特許文献３には高電流で更なる高電流密度でのサブマージアーク溶接方法が提案されており、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、鋼材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いて、入熱低減と深溶け込みの両立が図られている。
【特許文献１】特開平１１−１３８２６６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０９１７１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７２３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３に記載の技術では、板厚が一定以上となる厚鋼板を溶接する際に溶融スラグが浮上しにくく、スラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生しやすい傾向があった。
【０００９】
そこで、本発明は、低入熱であっても、スラグ巻き込みの溶接欠陥が発生しにくい厚鋼板の多電極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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、板厚２５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の厚鋼板を３電極以上のサブマージアーク溶接で溶接する場合について詳細に検討し、溶融池を溶接方向に長い形状として溶融スラグが浮上するための時間を確保することで溶融スラグ巻き込みの溶接欠陥を抑制できることを見出した。本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、
１．厚鋼板の3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法であって、第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下で、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比が下式を満たし、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とすることを特徴とする厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｉ２／Ｉ１≧０．５
ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
２．更に、多電極サブマージアーク溶接方法における電極数が４電極で、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において２０ｍｍ以下であることを特徴とする1記載の厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶接能率を低下させずに、低入熱で溶融スラグ巻き込みが抑制されるので、健全な溶接ビードを備えた溶接部の靭性に優れた大径溶接鋼管の製造が可能で、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の要件限定理由について説明する。
【００１３】
本発明は、３電極以上の多電極サブマージアーク溶接を対象とし、第１電極から第３電極までの電極の中心間距離と第１電極と第２電極の電流値を規定する。ここで、溶接進行方向での先行電極を第１電極、以下、順に、第２電極、第３電極とする。
【００１４】
第１電極から第３電極までの電極の中心間距離が４０ｍｍ未満の場合、スラグが浮上するまでの時間が短くなり、スラグ巻き込みが発生しやすい。一方、６０ｍｍを超えると各電極で形成される溶融池の連結性が低下し、ビードが不整となりやすいため、６０ｍｍ以下とする。尚、電極間距離は鋼材表面位置における値とする。
【００１５】
また、溶け込みが深く鋼材幅方向の母材の溶融量を抑制した溶接を行うため、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比を式（１）を満たすように設定し、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とする。
Ｉ２／Ｉ１≧０．５・・・・・・・・（１）
ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
更に、溶接部の断面形状を、鋼板表層側で溶け込み幅が広く、ＢＯＮＤが傾斜した形状とする場合、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離を鋼材表面位置において２０ｍｍ以下とする。
【００１６】
このような断面形状の溶接部の場合、切欠き位置をＢＯＮＤとするシャルピー衝撃試験では、ＢＯＮＤが直立した溶接部と比較して良好な靭性値が得られる。
【００１７】
本発明によれば、３電極以上の多電極サブマージアーク溶接で、溶接欠陥がなく、良好なビード外観の溶接部が得られる。具体的溶接条件は、溶接部靭性など客先仕様に求められる特性値を満足するように、試験材を用いて予め選定し、データベース化しておくと実生産における溶接条件の選定が容易となり好ましい。
【００１８】
表６に溶接条件のデータベースの一例としてワイヤ径と電流密度の関係を示す。小径ワイヤで溶接電流を大きくした場合、ワイヤの高速送給が可能なように、適切なイナーシャとトルクを有する送給モータを備えた溶接機を使用する。
【００１９】
なお、本発明で規定する電流密度を得るためにはワイヤ径を３．２ｍｍ以下、好ましくは２．４ｍｍ以下、とすることが望ましい。
【００２０】
【表６】
【実施例】
【００２１】
図１に示す大径鋼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鋼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。表１に開先寸法を示す。
【００２２】
表２、表３に、内面溶接の溶接条件および溶接部の観察結果を、表４、表５に外面溶接の溶接条件および溶接部の観察結果を示す。
【００２３】
本発明範囲内の内面溶接条件Ｎ１〜Ｎ３で得られた溶接部はいずれも溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。
【００２４】
外面溶接条件記号１〜４はいずれも４電極サブマージアーク溶接の場合の発明例で、得られた溶接部はいずれも溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。外面溶接条件記号５は３電極サブマージアーク溶接の場合の本発明例で、溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。
【００２５】
外面溶接条件記号６は４電極サブマージアーク溶接の第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において２０ｍｍを越えており、請求項２の発明範囲外であるが請求項１の本発明例で、溶接欠陥がなく、ビード外観も良好であった。
【００２６】
以上の実施例において、外面溶接条件記号１〜４までは請求項２記載の発明を満足し、請求項２記載の発明を満足しない外面溶接条件記号６と比較すると、シャルピー衝撃試験（切欠き位置ＢＯＮＤ，試験片採取位置：外面側表面２ｍｍ）で良好な靭性が得られた。
【００２７】
一方、外面溶接条件７は鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が小さく、スラグ巻き込みの溶接欠陥が生じた。外面溶接条件８は鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が大きく、ビードが不整となった。
【００２８】
外面溶接条件９は第１電極の電流密度が小さく、外面溶接条件１０は第２電極の電流密度が小さく、いずれも溶け込み不足が生じた。
【００２９】
外面溶接条件１１は３電極サブマージアーク溶接の場合で鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が小さく、スラグ巻き込みの溶接欠陥が生じた。外面溶接条件１２は３電極サブマージアーク溶接の場合で鋼材表面位置における第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が大きく、ビードが不整となった。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例（開先形状）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚鋼板の3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法であって、第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下で、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比が下式を満たし、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とすることを特徴とする厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｉ２／Ｉ１≧０．５
ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
【請求項２】
更に、多電極サブマージアーク溶接方法における電極数が４電極で、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項1記載の厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項１】
厚鋼板の3電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法であって、第１電極から第３電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下で、第１電極（Ｉ１）と第２電極（Ｉ２）の電流比が下式を満たし、且つ第１電極の電流密度を２５０Ａ／ｍｍ２以上、第２電極の電流密度を１５０Ａ／ｍｍ２以上とすることを特徴とする厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｉ２／Ｉ１≧０．５
ここで、Ｉ１：第１電極電流（Ａ），Ｉ２：第２電極電流（Ａ）
【請求項２】
更に、多電極サブマージアーク溶接方法における電極数が４電極で、第３電極から第4電極までのワイヤ中心間距離が鋼材表面位置において２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項1記載の厚鋼板の多電極サブマージアーク溶接方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−２０８１１４（Ｐ２００９−２０８１１４Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３３２７（Ｐ２００８−５３３２７）
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月４日（２００８．３．４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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