多電極サブマージアーク溶接方法
【課題】本発明では、低入熱かつ高溶接速度で深い溶込みを得ながら、低い余盛で十分に広いビード幅を得ることができる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。
【解決手段】３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、第１電極の溶接ワイヤの径を２．０〜３．２（ｍｍ）とし、溶接電流密度を１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とし、その他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給して、溶接することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
【解決手段】３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、第１電極の溶接ワイヤの径を２．０〜３．２（ｍｍ）とし、溶接電流密度を１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とし、その他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給して、溶接することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関し、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等大径鋼管の造管溶接に用いて好適な多電極サブマージアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には２電極以上のサブマージアーク溶接が適用されている。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が一般化しており、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１、２）。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り、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。鋼管のシーム溶接においては溶接部、特に熱影響部の靭性が劣化する問題があり、溶接部の高靭性化のためには可能な限り入熱を低減することが課題となっている。
【０００３】
しかし、入熱を低減すると溶け込み不足を生じる危険性が増大するという問題がある。これらの課題に対して、従来、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば特許文献３には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。
【０００５】
また、特許文献４には後行極の電流密度を制御することで、ビード幅の増加が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【特許文献４】特開２０１０−１７２８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献３に記載の技術では、低入熱量の溶接で深い溶込みが得られるものの、ビード幅が狭くなりやすく、アンダーカットなどの欠陥が発生しやすい。また、特許文献４に記載の技術では、ビード幅増加の効果が得られるものの、溶接速度が十分ではない。
【０００８】
本発明では、低入熱かつ高溶接速度で深い溶込みを得ながら、低い余盛で十分に広いビード幅を得ることができる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】
【０００９】
本発明者らは、多電極サブマージアーク溶接で種々の溶接条件下において鋼材の溶接継手を作製し、溶接金属断面形状について調査した。その結果、第１電極に細径の溶接ワイヤを適用して電流密度を高め、第２電極以降において２本の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する機構を適用することで、低入熱で十分な溶込みを得ながら広いビード幅が得られることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
【００１０】
［１］３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
第１電極の溶接ワイヤの径を２．０〜３．２（ｍｍ）とし、溶接電流密度を１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とし、
第１電極を除くその他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給して、
溶接することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
［２］ 前記１本の溶接トーチ内に送給された２本の溶接ワイヤは、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置され溶接することを特徴とする［１］に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
［３］ 第１電極の電流が直流逆極性であり、その他のすべての電極の電流は交流であることを特徴とする［１］または［２］に記載の鋼材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、多電極サブマージアーク溶接において第１電極を高電流密度とし、第２電極以降において２本の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する機構を適用することにより、低入熱で十分な溶込みを得ながら広いビード幅が得られる。また、ワイヤ溶着速度が上がり、溶接速度が増加し溶接作業の効率向上の効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の開先形状を示す正面図である。
【図２】本発明の電極配置を示す平面図である。
【図３】本発明のビード断面形状を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を実施するための形態を以下に述べる。まず、本発明の要件限定理由について説明する。
【００１４】
本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接方法によれば、第１電極のワイヤ径を細くすることで電流密度を増加させ、小さい入熱でも深い溶込みを得ることができるが、ワイヤ径が細すぎるとワイヤ送給速度が速くなり安定なワイヤ送給が可能な電流域が低くなるため、深い溶込みが得られなくなる。よって、第１電極のワイヤ径は２．０〜３．２（ｍｍ）が好ましく、深い溶込みを得るために電流密度は１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とする。
ここで、電流密度（Ａ／ｍｍ２）は、溶接電流（Ａ）をワイヤ断面積（ｍｍ２）で除して求める。すなわち、電流密度（Ａ／ｍｍ２）＝溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ２）である。
【００１５】
また、第１電極を除くその他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する。この構成を採用することにより、溶接トーチの本数を増加させずに溶接ワイヤの本数を増加させることができ、溶接装置構成を複雑にすること無くワイヤ溶着速度を増加させることができる。さらに、溶接速度の高速化を図ることが可能となり、余盛高さが低く広いビード幅が得られやすくなる。
【００１６】
また、ビード幅はビード定常部から３箇所の溶接部断面サンプルを採取し、鋼板表層におけるビード幅を測定して、その平均値を評価した。
【００１７】
さらに、１本の溶接トーチ内に送給された２本の溶接ワイヤは、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置され溶接することが好ましい。これは、１本の溶接トーチ内に２本の溶接ワイヤを送給する機構において、当該ワイヤの内の一方をワイヤ先端位置が溶接線に対して溶接進行方向右側になるよう配置し、他方をワイヤ先端位置が溶接進行方向左側になるよう配置することで、アークがビード幅方向に分散され、さらにビード幅が広がりやすくなるからである。図２に５電極サブマージアーク溶接方法の場合の電極配置と１本の溶接トーチ内に２本の溶接ワイヤを送給する機構を有する例を示す。この場合第４電極と第５電極が１本の溶接トーチ内に配置され、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置されている。
【００１８】
また、さらに、第１電極の電流が直流逆極性であり、その他のすべての電極の電流は交流であることが好ましい。第１電極に直流逆極性が好ましいのは、溶込み深さを増加させるためであり、第１電極を除く電極は交流電流が好ましいのは、電極間のアーク干渉を防ぐためだからである。
【００１９】
本発明の効果は電極数に拘わらず得られるが、４電極乃至６電極でのサブマージアーク溶接において効果が特に大きい。また、板厚や開先形状、溶接速度、電極配置に拘わらず本発明の効果は得られ、片面溶接にも両面溶接にも適用できる。
【実施例】
【００２０】
板厚３１．８ｍｍの鋼板に、図１に示す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を施して図３に示す溶接継手を作製し、ビード外観を目視観察後、ビード定常部を切断し、マクロ断面の観察により溶込み深さ９、ビード幅１０の目視確認を行った。溶込み深さ９はビード定常部から３箇所の溶接部断面サンプルを採取し、鋼板表層から溶込み先端までの距離を測定して、その平均値を評価した。ビード外観の評価は、ビード幅１０の最大値と最小値との差が５ｍｍ以下で均一なビード幅が得られたものを良好とし、ビード幅１０の最大値と最小値との差が５ｍｍを超える場合をビード不整とした。表１〜表３にそれぞれ開先形状、溶接条件、電極配置を示し、母材−チップ間距離は全ての電極で一定の３０．０ｍｍとし、全ての溶接条件でビード外観が良好となるようにした。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
表４にそれぞれのビード形状測定結果を示す。ここで、溶込み深さ９は２０ｍｍ未満を溶込み不足とし、ビード幅１０は２８ｍｍ未満をビード幅不足とする評価を行った。
【００２５】
【表４】
【００２６】
記号１、２、３、４は本発明例であり、低い入熱で深い溶込みと広いビード幅を両立させることができた。記号５、６、７、８、９も本発明例であり、特に溶込み深さ、ビード幅が大きくビード外観も良好であった。記号１０は第１電極のワイヤ径が４．０ｍｍで本発明の構成を満たさない比較例であり、溶込み不足が生じた。記号１１は第１電極のワイヤ径が１．６ｍｍであり、本発明の構成を満たさない比較例であり、溶込み不足が生じた。記号１２は第１電極の電流密度が低い比較例であり、溶込み不足が生じた。記号１３は２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する機構を持たない比較例であり、ビード幅不足が生じた。
【符号の説明】
【００２７】
１ 母材
２ 板厚
３ 開先角度
４ 開先深さ
５ 溶接線
６ 溶接トーチ
６Ａ ２本のワイヤ用の溶接トーチの例
７ 溶接ワイヤ
８ 溶接金属
９ 溶込み深さ
１０ ビード幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関し、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等大径鋼管の造管溶接に用いて好適な多電極サブマージアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には２電極以上のサブマージアーク溶接が適用されている。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が一般化しており、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１、２）。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り、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。鋼管のシーム溶接においては溶接部、特に熱影響部の靭性が劣化する問題があり、溶接部の高靭性化のためには可能な限り入熱を低減することが課題となっている。
【０００３】
しかし、入熱を低減すると溶け込み不足を生じる危険性が増大するという問題がある。これらの課題に対して、従来、種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば特許文献３には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。
【０００５】
また、特許文献４には後行極の電流密度を制御することで、ビード幅の増加が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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
【特許文献４】特開２０１０−１７２８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献３に記載の技術では、低入熱量の溶接で深い溶込みが得られるものの、ビード幅が狭くなりやすく、アンダーカットなどの欠陥が発生しやすい。また、特許文献４に記載の技術では、ビード幅増加の効果が得られるものの、溶接速度が十分ではない。
【０００８】
本発明では、低入熱かつ高溶接速度で深い溶込みを得ながら、低い余盛で十分に広いビード幅を得ることができる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】
【０００９】
本発明者らは、多電極サブマージアーク溶接で種々の溶接条件下において鋼材の溶接継手を作製し、溶接金属断面形状について調査した。その結果、第１電極に細径の溶接ワイヤを適用して電流密度を高め、第２電極以降において２本の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する機構を適用することで、低入熱で十分な溶込みを得ながら広いビード幅が得られることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
【００１０】
［１］３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
第１電極の溶接ワイヤの径を２．０〜３．２（ｍｍ）とし、溶接電流密度を１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とし、
第１電極を除くその他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給して、
溶接することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
［２］ 前記１本の溶接トーチ内に送給された２本の溶接ワイヤは、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置され溶接することを特徴とする［１］に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
［３］ 第１電極の電流が直流逆極性であり、その他のすべての電極の電流は交流であることを特徴とする［１］または［２］に記載の鋼材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、多電極サブマージアーク溶接において第１電極を高電流密度とし、第２電極以降において２本の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する機構を適用することにより、低入熱で十分な溶込みを得ながら広いビード幅が得られる。また、ワイヤ溶着速度が上がり、溶接速度が増加し溶接作業の効率向上の効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の開先形状を示す正面図である。
【図２】本発明の電極配置を示す平面図である。
【図３】本発明のビード断面形状を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を実施するための形態を以下に述べる。まず、本発明の要件限定理由について説明する。
【００１４】
本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接方法によれば、第１電極のワイヤ径を細くすることで電流密度を増加させ、小さい入熱でも深い溶込みを得ることができるが、ワイヤ径が細すぎるとワイヤ送給速度が速くなり安定なワイヤ送給が可能な電流域が低くなるため、深い溶込みが得られなくなる。よって、第１電極のワイヤ径は２．０〜３．２（ｍｍ）が好ましく、深い溶込みを得るために電流密度は１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とする。
ここで、電流密度（Ａ／ｍｍ２）は、溶接電流（Ａ）をワイヤ断面積（ｍｍ２）で除して求める。すなわち、電流密度（Ａ／ｍｍ２）＝溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ２）である。
【００１５】
また、第１電極を除くその他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する。この構成を採用することにより、溶接トーチの本数を増加させずに溶接ワイヤの本数を増加させることができ、溶接装置構成を複雑にすること無くワイヤ溶着速度を増加させることができる。さらに、溶接速度の高速化を図ることが可能となり、余盛高さが低く広いビード幅が得られやすくなる。
【００１６】
また、ビード幅はビード定常部から３箇所の溶接部断面サンプルを採取し、鋼板表層におけるビード幅を測定して、その平均値を評価した。
【００１７】
さらに、１本の溶接トーチ内に送給された２本の溶接ワイヤは、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置され溶接することが好ましい。これは、１本の溶接トーチ内に２本の溶接ワイヤを送給する機構において、当該ワイヤの内の一方をワイヤ先端位置が溶接線に対して溶接進行方向右側になるよう配置し、他方をワイヤ先端位置が溶接進行方向左側になるよう配置することで、アークがビード幅方向に分散され、さらにビード幅が広がりやすくなるからである。図２に５電極サブマージアーク溶接方法の場合の電極配置と１本の溶接トーチ内に２本の溶接ワイヤを送給する機構を有する例を示す。この場合第４電極と第５電極が１本の溶接トーチ内に配置され、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置されている。
【００１８】
また、さらに、第１電極の電流が直流逆極性であり、その他のすべての電極の電流は交流であることが好ましい。第１電極に直流逆極性が好ましいのは、溶込み深さを増加させるためであり、第１電極を除く電極は交流電流が好ましいのは、電極間のアーク干渉を防ぐためだからである。
【００１９】
本発明の効果は電極数に拘わらず得られるが、４電極乃至６電極でのサブマージアーク溶接において効果が特に大きい。また、板厚や開先形状、溶接速度、電極配置に拘わらず本発明の効果は得られ、片面溶接にも両面溶接にも適用できる。
【実施例】
【００２０】
板厚３１．８ｍｍの鋼板に、図１に示す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を施して図３に示す溶接継手を作製し、ビード外観を目視観察後、ビード定常部を切断し、マクロ断面の観察により溶込み深さ９、ビード幅１０の目視確認を行った。溶込み深さ９はビード定常部から３箇所の溶接部断面サンプルを採取し、鋼板表層から溶込み先端までの距離を測定して、その平均値を評価した。ビード外観の評価は、ビード幅１０の最大値と最小値との差が５ｍｍ以下で均一なビード幅が得られたものを良好とし、ビード幅１０の最大値と最小値との差が５ｍｍを超える場合をビード不整とした。表１〜表３にそれぞれ開先形状、溶接条件、電極配置を示し、母材−チップ間距離は全ての電極で一定の３０．０ｍｍとし、全ての溶接条件でビード外観が良好となるようにした。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
表４にそれぞれのビード形状測定結果を示す。ここで、溶込み深さ９は２０ｍｍ未満を溶込み不足とし、ビード幅１０は２８ｍｍ未満をビード幅不足とする評価を行った。
【００２５】
【表４】
【００２６】
記号１、２、３、４は本発明例であり、低い入熱で深い溶込みと広いビード幅を両立させることができた。記号５、６、７、８、９も本発明例であり、特に溶込み深さ、ビード幅が大きくビード外観も良好であった。記号１０は第１電極のワイヤ径が４．０ｍｍで本発明の構成を満たさない比較例であり、溶込み不足が生じた。記号１１は第１電極のワイヤ径が１．６ｍｍであり、本発明の構成を満たさない比較例であり、溶込み不足が生じた。記号１２は第１電極の電流密度が低い比較例であり、溶込み不足が生じた。記号１３は２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給する機構を持たない比較例であり、ビード幅不足が生じた。
【符号の説明】
【００２７】
１ 母材
２ 板厚
３ 開先角度
４ 開先深さ
５ 溶接線
６ 溶接トーチ
６Ａ ２本のワイヤ用の溶接トーチの例
７ 溶接ワイヤ
８ 溶接金属
９ 溶込み深さ
１０ ビード幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
第１電極の溶接ワイヤの径を２．０〜３．２（ｍｍ）とし、溶接電流密度を１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とし、
第１電極を除くその他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給して、
溶接することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項２】
前記１本の溶接トーチ内に送給された２本の溶接ワイヤは、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置され溶接することを特徴とする請求項１に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項３】
第１電極の電流が直流逆極性であり、その他のすべての電極の電流は交流であることを特徴とする請求項１または２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項１】
３電極以上の多電極サブマージアーク溶接方法において、
第１電極の溶接ワイヤの径を２．０〜３．２（ｍｍ）とし、溶接電流密度を１４５（Ａ／ｍｍ２）以上とし、
第１電極を除くその他の電極のうちいずれか２本の電極の溶接ワイヤを１本の溶接トーチ内に送給して、
溶接することを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項２】
前記１本の溶接トーチ内に送給された２本の溶接ワイヤは、溶接線を挟むように溶接進行方向に左右に対向配置され溶接することを特徴とする請求項１に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項３】
第１電極の電流が直流逆極性であり、その他のすべての電極の電流は交流であることを特徴とする請求項１または２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１１１６２２（Ｐ２０１３−１１１６２２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１０８７（Ｐ２０１１−２６１０８７）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【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２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【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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