立向姿勢溶接方法
【課題】厚板鋼板であってもコスト増を抑え且つ小入熱化により強度維持を図りながら効率よく高品質な溶接を実現可能な立向姿勢溶接方法を提供する。
【解決手段】立向姿勢の一対の厚板鋼板の端縁間に所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先を形成し、定電圧特性を有するアーク溶接機の溶接トーチから突き出した溶接ワイヤを厚板鋼板の板厚方向に対し斜め上方からＩ形開先内に挿入する。そして、溶接トーチを上下に揺動させることで該溶接トーチの先端から送出される溶接ワイヤの先端をＩ形開先内で板厚方向に往復動させるが、この際、溶接電流Ｉwが目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度Ｖfを可変させつつ溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量Ｌを伸長または短縮させ、さらに溶接トーチの揺動方向に応じて溶接ワイヤの送給速度Ｖfを加減算補正する（実線）。
【解決手段】立向姿勢の一対の厚板鋼板の端縁間に所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先を形成し、定電圧特性を有するアーク溶接機の溶接トーチから突き出した溶接ワイヤを厚板鋼板の板厚方向に対し斜め上方からＩ形開先内に挿入する。そして、溶接トーチを上下に揺動させることで該溶接トーチの先端から送出される溶接ワイヤの先端をＩ形開先内で板厚方向に往復動させるが、この際、溶接電流Ｉwが目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度Ｖfを可変させつつ溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量Ｌを伸長または短縮させ、さらに溶接トーチの揺動方向に応じて溶接ワイヤの送給速度Ｖfを加減算補正する（実線）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立向姿勢溶接方法に係り、詳しくは、一対の厚板鋼板の端縁同士を立向姿勢で突き合わせ溶接する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
造船、橋梁等の分野では、一対の鋼板同士を立向姿勢で突き合わせて溶接する立向姿勢溶接法が一般に採用されている。
このような立向姿勢溶接法としては、一対の鋼板同士を板幅方向に１パス施工で溶接完了するエレクトロガスアーク溶接法が知られている（特許文献１、非特許文献１参照）。
また、一般的な方法として、一対の鋼板同士をＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法により板幅方向で多パス溶接を行う多層盛溶接法も知られている。
【特許文献１】特開平１１−２５４１３１号公報
【非特許文献１】特許庁「技術分野別特許マップ」：機械３アーク溶接技術１．３．６エレクトロガスアーク溶接法
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年、上記造船、橋梁等の鋼構造物に使用される鋼板は鋼構造物の大型化に伴い厚板化の傾向にある。
このように鋼板が厚板化すると、上記エレクトロガスアーク溶接法では、もともと入熱が大きいうえにさらに大入熱となり、溶接部分の性能劣化が広範囲に生じ、当該溶接部分の靱性、即ち強度を十分に確保できないという問題がある。
【０００４】
これより、厚板鋼板に対してエレクトロガスアーク溶接法を適用する場合においては、厚板鋼板として大入熱溶接用の特殊な鋼材を使用し、強度を保証することが考えられている。
しかしながら、このような大入熱溶接用の特殊な鋼材を使用することは大幅なコスト増に繋がり好ましいことではない。
【０００５】
また、ＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法による多層盛溶接法の場合には、大入熱にならず一般の鋼板を好適に使用できる一方、開先が一般にＶ形開先であるために開先断面積が大きく鋼構造物の生産に時間を要し、甚だ生産効率が悪いという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、厚板鋼板であってもコスト増を抑え且つ小入熱化により強度維持を図りながら効率よく高品質な溶接を実現可能な立向姿勢溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１の立向姿勢溶接方法は、定電圧特性を有するアーク溶接機を用いてアーク溶接を施す立向姿勢溶接方法であって、一対の厚板鋼板を互いに立向姿勢としてこれら一対の厚板鋼板の端縁間に所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先を形成し、溶接ワイヤが送出される前記アーク溶接機の溶接トーチから突き出した溶接ワイヤのみを前記厚板鋼板の板厚方向に対し斜め上方から前記Ｉ形開先内に挿入し、前記溶接トーチを前記厚板鋼板に沿い上下方向に揺動させ、溶接電流が目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸縮させて該溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させることにより前記Ｉ形開先内に前記溶接金属を積層し、前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、該溶接ワイヤの先端を前記溶接トーチの揺動方向に応じて適正な位置に制御することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の立向姿勢溶接方法では、請求項１において、前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、前記溶接トーチの揺動方向に応じて溶接ワイヤの送給速度を加減算補正することを特徴とする。
また、請求項３の立向姿勢溶接方法では、請求項２において、前記板厚方向に前記溶接ワイヤの先端を前記アーク溶接機から離間する側の開口に向けて往動させる際には前記溶接トーチの上方への上昇速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を加算補正し、前記板厚方向に前記アーク溶接機側の開口に向けて復動させる際には前記溶接トーチの下方への下降速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を減算補正することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４の立向姿勢溶接方法では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記溶接電流が一定となりアーク長さが一定となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させることを特徴とする。
また、請求項５の立向姿勢溶接方法では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記Ｉ形開先の前記所定の狭開先ギャップが１５mm以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６の立向姿勢溶接方法では、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記一対の厚板鋼板は、それぞれ板厚が２０mm以上の厚板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の立向姿勢溶接方法によれば、厚板鋼板同士を立向姿勢溶接する場合において、所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先内に溶接トーチから突き出した溶接ワイヤのみを挿入し、溶接トーチを厚板鋼板に沿い上方または下方に揺動させてアーク溶接機の定電圧特性に基づくアーク長の自己復元機能に基づき溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させつつ溶接ワイヤの先端を板厚方向に往復動させて下向き溶接を繰り返し行うことで溶接金属をＩ形開先内に積層するようにし、この際、溶接電流が目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させ、さらに溶接ワイヤの先端を溶接トーチの揺動方向に応じて適正な位置に制御するようにしたので、Ｉ形開先の開先ギャップが狭いことと相俟って、板幅方向に１パス施工する上記従来のエレクトロガスアーク溶接法に比べて板厚の増大に拘わらず入熱を十分に小さく抑えることができ、大入熱溶接用の特殊な鋼材の使用を必要とせずにコスト増を抑えることができるのみならず、目標値に対する溶接電流の変動を防止してアーク長のばらつきを抑え、上記従来のエレクトロガスアーク溶接と同等の強度を確保しつつ効率よく安定した高品質の溶接を実現できる。これにより、特に低温での破壊靱性を飛躍的に改善することができる。
【００１１】
請求項２、３の立向姿勢溶接方法によれば、溶接ワイヤの先端を板厚方向に往動させる際には溶接トーチの上方への上昇速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を加算補正し、板厚方向に復動させる際には溶接トーチの下方への下降速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を減算補正するようにしたので、目標値に対する溶接電流の変動を適切に防止してアーク長のばらつきを抑えることができ、より効率よく安定した高品質の溶接を実現できる。
【００１２】
請求項４の立向姿勢溶接方法によれば、溶接電流が一定となりアーク長さが一定となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させて溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させるようにしたので、アーク長を約一定に保持し、板厚方向の溶け込み分布、即ち溶接ワイヤの溶融量を一定にでき、より安定した高品質の溶接を実現することができる。
【００１３】
請求項５の立向姿勢溶接方法によれば、厚板鋼板であってもＩ形開先の所定の狭開先ギャップを１５mm以下と狭くできるので、十分な小入熱化を図ることができ、効率よく溶接を実現しつつ溶接部分の強度を十分に確保することができる。
請求項６の立向姿勢溶接方法によれば、鋼構造物の大型化により厚板鋼板の板厚が特に２０mm以上と厚い場合であっても、小入熱化を図り、効率よく溶接を実現しつつ溶接部分の強度を十分に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２には、本発明に係る立向姿勢溶接方法に適用される一対の厚板鋼板１、１とアーク溶接用の自動溶接ユニット１０とが、立向姿勢溶接の途中の状態で示されている。詳しくは、厚板鋼板１、１はこれら厚板鋼板１、１の端縁間に開先ギャップＧ（所定の狭開先ギャップ）を有してＩ形開先を形成するよう立向姿勢に端縁同士を突き合わせて設置されており、一方自動溶接ユニット１０は溶接ワイヤ３０を送出する溶接トーチ２０を備えて構成されており、図１には、Ｉ形開先内に溶接ワイヤ３０のみを挿入した状態の厚板鋼板１と自動溶接ユニット１０とがＩ形開先内に形成された溶接金属の縦断面図として示され、図２には、図１の矢視Ａ方向から視た一対の厚板鋼板１、１と自動溶接ユニット１０とが上視図として示されている。
【００１５】
一対の厚板鋼板１、１は例えば造船用、橋脚用の大型の鋼構造物に使用されるような板厚の大きな鋼板であり、ここでは、上記従来のエレクトロガスアーク溶接法では入熱が大きくなり溶接部分の性能が劣化して部材強度を確保できなくなってしまうような大きな板厚寸法（例えば、２０mm以上）の鋼板が使用される。
厚板鋼板１、１間に形成されるＩ形開先の開先ギャップＧは、Ｉ形開先内に溶接ワイヤ３０のみが挿入されることから、ここでは、溶接ワイヤ３０の外径寸法（例えば、φ１．２mmまたはφ１．６mm）よりも若干幅広程度の小さな寸法（例えば、φ１．２mm：７〜１０mm、φ１．６mm：８〜１２mm）に設定される。
【００１６】
自動溶接ユニット１０は、一般的な定電圧特性の電源を使用したもので、厚板鋼板１、１に沿って上下方向に延設されたレール１２と当該レール１２上を移動可能な走行ユニット１４とを有して構成されており、溶接トーチ２０は走行ユニット１４上に配設されている。
溶接トーチ２０は溶接ワイヤ３０のワイヤ送り装置を介して溶接ワイヤコイル（共に図示せず）に接続されており、これにより、溶接ワイヤ３０を溶接トーチ２０に送り、溶接ワイヤ３０の先端を溶接トーチ２０から常時突き出し可能である。
【００１７】
溶接トーチ２０は、送出される溶接ワイヤ３０が斜め上方からＩ形開先内に挿入されるよう、板厚方向（水平方向）に対し所定の挟角θ（例えば、１０°〜４５°）を有し、且つ、スライドユニット１６を介して上下方向に揺動可能に構成されている。
このように溶接ワイヤ３０が所定の挟角θを有してＩ形開先内に挿入され、溶接トーチ２０が上下方向に揺動可能であると、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で上下方向に揺動させることにより、溶接トーチ２０を一切板厚方向（水平方向）に移動させなくても溶接トーチ２０からの溶接ワイヤ３０の突き出し量を伸縮させるだけで、溶接ワイヤ３０の先端を少なくとも厚板鋼板１の板厚寸法以上の距離の範囲で板厚方向に往復動可能である。
【００１８】
つまり、溶接トーチ２０を板厚方向（水平方向）に対し所定の挟角θを有し且つ上下方向に揺動可能に構成することにより、小さな開先ギャップＧのＩ形開先内に常に溶接ワイヤ３０だけを挿入して溶接作業を行うことが可能である。これより、溶接トーチ２０を特に細身に設定する必要がない。
走行ユニット１４には、自動溶接ユニット１０側に位置して当て板４０が設けられており、当該当て板４０内には溶接部分にシールドガス（炭酸ガス、ＭＡＧガス等）を供給するシールドガス通路４２が形成されている。シールドガス通路４２の入口部にはガスホース４４が接続されており、これより、シールドガスが、ガスホース４４を介してガス源（図示せず）からシールドガス通路４２に供給され、シールドガス通路４２の出口部から溶接部分に向け供給される。ここに、当て板４０としては耐熱性部材（例えば、セラミック板）が採用される。
【００１９】
なお、ここでは、当て板４０に形成したシールドガス通路４２を介してシールドガスを供給するようにしたが、溶接トーチ２０にシールドガス通路を設け、従来同様に溶接トーチ２０からシールドガスを供給するようにしてもよい。
さらに、走行ユニット１４上には、溶接制御装置１８が設置されており、当該溶接制御装置１８によりアーク溶接のための種々の制御、例えば通電制御、ワイヤ送り装置による溶接ワイヤ送り制御、シールドガス制御、溶接トーチ２０のスライドユニット１６上での揺動制御、走行ユニット１４のレール１２上でのリフト制御等が行われる。
【００２０】
図１及び図２中の符号５０は、自動溶接ユニット１０から離間する側のＩ形開先の開口を塞いで溶接金属の流出を防止するための裏当て板を示し、当該裏当て板５０としては当て板４０と同様に耐熱性部材（例えば、セラミック板）が採用される。また、図示していないが、Ｉ形開先の下端の開口については、通常は他の厚板鋼板１或いは溶接金属で塞がれている。
【００２１】
以下、本発明に係る立向姿勢溶接方法について説明する。
図３には、本発明に係る立向姿勢溶接方法における溶接手順が（１）〜（６）まで時系列的に示されており、図４には、当該立向姿勢溶接方法の全体概念図がそれぞれ斜視図（ａ）と正面図（ｂ）で示されており、以下、上記図１及び図２をも参照しながら、図３、図４に基づき本発明に係る立向姿勢溶接方法について説明する。
【００２２】
先ず、厚板鋼板１、１を開先ギャップＧを有してＩ形開先を形成するよう立向姿勢に設置するとともに自動溶接ユニット１０及び裏当て板４０を設置し、溶接トーチ２０から突き出した溶接ワイヤ３０の先端をＩ形開先内に図１及び図２に示したように挿入する。
そして、Ｉ形開先の下端のうち自動溶接ユニット１０側のＩ形開先の開口近傍において、予め溶接ワイヤ３０の外径寸法に応じて設定した電流値（例えば、φ１．２mm：１２０〜３５０Ａ、φ１．６mm：１６０〜５００Ａ）及び電圧値（例えば、φ１．２mm：２５〜４０Ｖ、φ１．６mm：２７〜４５Ｖ）の下、溶接制御装置１８により通電制御を開始する。即ち、溶接ワイヤ３０の先端から厚板鋼板１、１に向けてアーク放電を行い、アーク溶接を開始する（図３の（１）に対応）。これにより、溶接ワイヤ３０及び一対の厚板鋼板１、１の各端縁の溶融が開始され、Ｉ形開先内において溶接金属の生成が開始される。
【００２３】
アーク溶接を開始したら、溶接制御装置１８により、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で上下に揺動制御し（図１中に矢印で示す）、詳しくはここでは溶接トーチ２０を上方に定速（例えば、５〜１５０cm/minの範囲）で移動させ、自動溶接ユニット１０の定電圧特性に基づくアーク長の自己復元機能により溶接トーチ２０からの溶接ワイヤ３０の突き出し量を伸長させつつ、溶接ワイヤ３０の先端を徐々に自動溶接ユニット１０から離間する側に移動（往動）させながら溶接を行う（図３の（２）に対応）。
【００２４】
ところで、溶接ワイヤ３０の先端での溶接電流Ｉwと溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌと溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmとの間には下記式で示す関係があることが知られている（Welding Journal Vol.37 No.8 P343-353 (1958) "Control of Melting Rate and Metal Transfer in Gas-shielded Metal-Arc Welding, Part 1 Control of Electrode Melting Rate" by A. Lesnewich 参照)。
【００２５】
Ｖm＝ａ・Ｉw＋ｂ・Ｌ・Ｉw２ …(1)
ここに、ａ、ｂは実験等に基づき任意に設定される定数である。
同式(1)によれば、溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌを変化させないような通常の溶接では、溶接電流Ｉwの目標値を定めてアーク長のばらつきを抑えるようにすることにより、板厚方向の溶け込み分布、即ち溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmを安定させ、高い溶接品質を実現することが可能である。具体的には、例えば溶接電流Ｉwを一定にしてアーク長を約一定に保持することで、板厚方向の溶け込み分布、即ち溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmを一定にし、安定した高い溶接品質を実現することが可能である。
【００２６】
また、このような溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌが変化しない通常の溶接において、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmは溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfに等しいと考えることができる。
これより、上記の如く溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌを変化させる場合であっても、安定した高い溶接品質を実現するためには溶接電流Ｉwを例えば一定にしてアーク長を約一定に保持するのがよいといえ、ここでは、上記式(1)と溶融量Ｖmと送給速度Ｖfとの関係に基づき、溶接電流Ｉwが一定となるように溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを可変制御する。
【００２７】
具体的には、上記式(1)に基づき、溶接電流Ｉwが一定となるよう突き出し量Ｌの伸長に応じて溶融量Ｖmひいては送給速度Ｖfを増大させるようにする。
しかしながら、このように突き出し量Ｌの伸長に応じて溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを増大させるようにしても、実際には溶接トーチ２０はスライドユニット１６上を定速で上方に移動するため、その上昇速度に対応する分だけ溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfに不足が生じることになる。つまり、図５（ａ）には、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で定速Ｖtで上昇させつつ（＋Ｖt）送給速度Ｖfで溶接ワイヤ３０を送出したときの時間Ｔから微小時間ΔＴ後（Ｔ＋ΔＴ）における溶接ワイヤ３０の突き出し増加量ΔＬと、溶接トーチ２０の定速Ｖtでの上昇に伴い溶融池面との間で幾何学的に生じる突き出し量の偏差Δｄ（Δｄ＝Δｗ／sinθ、Δｗ＝Ｖt・ΔＴ）との関係が模式的に図示されているが、同図に示すように、突き出し増加量ΔＬの一部が溶接に寄与しない偏差Δｄに占められて不足し、安定した溶接に必要な突き出し増加量ΔＬを確保できないという問題がある。
【００２８】
従って、ここでは、次式(2)に示すように、上記式(1)に基づく溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfに溶接トーチ２０の上昇速度Ｖtに対応した送給速度（Ｖt／sinθ）を加算するようにして、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを補正する。
Ｖm＝Ｖf＋α・Ｖt／sinθ …(2)
ここに、αは実験等に基づき任意に設定される定数である（例えば、０．５〜１．０）。
【００２９】
これにより、溶接トーチ２０の上昇に拘わらず、溶接電流Ｉwを一定にしてアーク長を良好に約一定に保持でき、安定した高い溶接品質を確保することが可能となる。
溶接トーチ２０の揺動制御により、溶接ワイヤ３０の先端が自動溶接ユニット１０から離間する側のＩ形開先の開口近傍に達し、溶接金属の層が形成されたら（図３の（３）に対応）、今度は溶接トーチ２０を下方に定速（例えば、５〜１５０cm/minの範囲）で移動させ、上記定電圧特性に基づくアーク長の自己復元機能に基づいて溶接トーチ２０からの溶接ワイヤ３０の突き出し量を短縮させつつ、溶接ワイヤ３０の先端を徐々に自動溶接ユニット１０側に移動（復動）させながら溶接を継続する（図３の（４）、（５）に対応）。この場合にも、上記同様、溶接ワイヤ３０の送給速度については溶接電流が一定となるように可変制御する。
【００３０】
即ち、上記式(1)に基づき、溶接電流Ｉwが一定となるよう溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌの短縮に応じて溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを減少させるようにし、さらに、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを溶接トーチ２０の下降速度Ｖtに対応した送給速度（Ｖt／sinθ）で補正する。
つまり、図５（ｂ）には、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で定速で下降させつつ（−Ｖt）送給速度Ｖfで溶接ワイヤ３０を送出したときの時間Ｔから微小時間ΔＴ後（Ｔ＋ΔＴ）における溶接ワイヤ３０の突き出し増加量ΔＬと、溶接トーチ２０の定速Ｖtでの下降に伴い溶融池面との間で幾何学的に生じる突き出し量の偏差Δｄ（Δｄ＝Δｗ／sinθ、Δｗ＝Ｖt・ΔＴ）との関係が模式的に図示されているが、溶接トーチ２０を下降させる場合には、同図に示すように、突き出し増加量ΔＬに加えて偏差Δｄの部分が溶接に寄与し、溶接ワイヤ３０の突き出し量が過剰となってしまう問題がある。
【００３１】
従って、ここでは、次式(3)に示すように、上記式(1)に基づく溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfから溶接トーチ２０の下降速度Ｖtに対応した送給速度（Ｖt／sinθ）を減算するようにして、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを補正する。
Ｖm＝Ｖf−β・Ｖt／sinθ …(3)
ここに、βは実験等に基づき任意に設定される定数である（例えば、０．５〜１．０）。なお、βは上記式(2)のαと同値であってもよい。
【００３２】
これにより、溶接トーチ２０の下降に拘わらず、溶接電流Ｉwを一定にしてアーク長を良好に約一定に保持でき、安定した高い溶接品質を確保することが可能となる。
なお、溶接ワイヤ３０の先端がＩ形開先内を往復動する間は、生成される溶接金属の往復二層の厚み分だけ溶接トーチ２０ともども走行ユニット１４をレール１２上で上方に移動させるようにする。詳しくは、溶接制御装置１８により、走行ユニット１４をレール１２上で上方（図１中に矢印で示す）に積層厚さに応じた速度（例えば、溶接ワイヤ３０の外径寸法により、φ１．２mm：２〜８m/min、φ１．６mm：２〜１０cm/min）で連続的にリフト制御する。また、走行ユニット１４を断続的にリフト制御するようにしてもよい。
【００３３】
そして、溶接トーチ２０の揺動制御により、溶接ワイヤ３０の先端が往復動して自動溶接ユニット１０側のＩ形開先の開口近傍に達したら（図３の（６）に対応）、以降、図４（ａ）、（ｂ）に矢印で示すように、上述した一連の操作を繰り返す。これにより、溶接金属をＩ形開先内に積層させ、溶接を完了させる。
ここで、図６を参照すると、上述の如く溶接ワイヤ３０の送給速度を溶接トーチ２０の上下方向の揺動に応じて補正しつつ可変制御した場合の溶接位置（図３の（１）〜（６））に応じた溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfと溶接電流Ｉwと突き出し量Ｌとの関係がそれぞれ実線で示され、比較として補正を行わなかった場合の溶接ワイヤ３０の送給速度が併せて破線で示されているが、溶接ワイヤ３０の送給速度を溶接トーチ２０の上下方向の揺動に応じて補正して可変制御することにより、溶接ワイヤ３０の突き出し量の変化に依らず溶接電流の変動を好適に防止してアーク長を約一定に保持することができ、安定した高い溶接品質を実現することが可能である。
【００３４】
このように、本発明に係る立向姿勢溶接方法では、厚板鋼板１、１を立向姿勢溶接するに際し、開先ギャップＧを極力小さくしてＩ形開先を形成し、当該Ｉ形開先内に溶接トーチ２０から突き出した溶接ワイヤ３０のみを挿入し、溶接トーチ２０を水平方向に動かすことなく上下方向に揺動させて下向き溶接を繰り返し行うようにし、この際、溶接電流Ｉwが一定となるようにし、さらに溶接トーチ２０の上下方向の揺動に応じて溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを補正するようにしている。
【００３５】
従って、本発明に係る立向姿勢溶接方法によれば、Ｉ形開先の開先ギャップＧを狭くできることと相俟って、板幅方向に１パス施工する上記従来のエレクトロガスアーク溶接法に比べて板厚の増大に拘わらず入熱を十分に小さく抑えることができ（約１／１０以下）、厚板鋼板１として大入熱溶接用の特殊な鋼材を必要とせずコスト増を抑えながら、従来のエレクトロガスアーク溶接と同等の強度を確保しつつ安定した高い溶接品質の立向姿勢溶接構造を効率よく実現できる。これにより、大型の鋼構造物であっても低温での破壊靱性を飛躍的に改善することができる。
【００３６】
以上で本発明に係る実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、溶接電流Ｉwの目標値を一定にしてアーク長を約一定に保持するようにしたが、これに限られるものではなく、安定した高い溶接品質を実現可能であれば、状況に応じ、溶接電流Ｉwの目標値は任意に可変設定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る立向姿勢溶接方法に適用される厚板鋼板と自動溶接ユニットとを示す縦断面図である。
【図２】図１の矢視Ａ方向から視た上視図である。
【図３】本発明に係る立向姿勢溶接方法の溶接手順を示す図である。
【図４】立向姿勢溶接方法の全体概念図である。
【図５】時間Ｔから微小時間ΔＴ後における溶接ワイヤの突き出し増加量ΔＬと溶接トーチの上昇に伴い溶融池面との間で幾何学的に生じる突き出し量の偏差Δｄとの関係を示す模式図である。
【図６】本発明に係る溶接ワイヤの送給速度と溶接電流と溶接ワイヤの突き出し量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 厚板鋼板
１０ 自動溶接ユニット
１６ スライドユニット
１２ レール
１４ 走行ユニット
１８ 溶接制御装置
２０ 溶接トーチ
３０ 溶接ワイヤ
４０ 当て板
４２ シールドガス通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立向姿勢溶接方法に係り、詳しくは、一対の厚板鋼板の端縁同士を立向姿勢で突き合わせ溶接する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
造船、橋梁等の分野では、一対の鋼板同士を立向姿勢で突き合わせて溶接する立向姿勢溶接法が一般に採用されている。
このような立向姿勢溶接法としては、一対の鋼板同士を板幅方向に１パス施工で溶接完了するエレクトロガスアーク溶接法が知られている（特許文献１、非特許文献１参照）。
また、一般的な方法として、一対の鋼板同士をＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法により板幅方向で多パス溶接を行う多層盛溶接法も知られている。
【特許文献１】特開平１１−２５４１３１号公報
【非特許文献１】特許庁「技術分野別特許マップ」：機械３アーク溶接技術１．３．６エレクトロガスアーク溶接法
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年、上記造船、橋梁等の鋼構造物に使用される鋼板は鋼構造物の大型化に伴い厚板化の傾向にある。
このように鋼板が厚板化すると、上記エレクトロガスアーク溶接法では、もともと入熱が大きいうえにさらに大入熱となり、溶接部分の性能劣化が広範囲に生じ、当該溶接部分の靱性、即ち強度を十分に確保できないという問題がある。
【０００４】
これより、厚板鋼板に対してエレクトロガスアーク溶接法を適用する場合においては、厚板鋼板として大入熱溶接用の特殊な鋼材を使用し、強度を保証することが考えられている。
しかしながら、このような大入熱溶接用の特殊な鋼材を使用することは大幅なコスト増に繋がり好ましいことではない。
【０００５】
また、ＭＡＧ溶接法やＭＩＧ溶接法による多層盛溶接法の場合には、大入熱にならず一般の鋼板を好適に使用できる一方、開先が一般にＶ形開先であるために開先断面積が大きく鋼構造物の生産に時間を要し、甚だ生産効率が悪いという問題がある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、厚板鋼板であってもコスト増を抑え且つ小入熱化により強度維持を図りながら効率よく高品質な溶接を実現可能な立向姿勢溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１の立向姿勢溶接方法は、定電圧特性を有するアーク溶接機を用いてアーク溶接を施す立向姿勢溶接方法であって、一対の厚板鋼板を互いに立向姿勢としてこれら一対の厚板鋼板の端縁間に所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先を形成し、溶接ワイヤが送出される前記アーク溶接機の溶接トーチから突き出した溶接ワイヤのみを前記厚板鋼板の板厚方向に対し斜め上方から前記Ｉ形開先内に挿入し、前記溶接トーチを前記厚板鋼板に沿い上下方向に揺動させ、溶接電流が目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸縮させて該溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させることにより前記Ｉ形開先内に前記溶接金属を積層し、前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、該溶接ワイヤの先端を前記溶接トーチの揺動方向に応じて適正な位置に制御することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の立向姿勢溶接方法では、請求項１において、前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、前記溶接トーチの揺動方向に応じて溶接ワイヤの送給速度を加減算補正することを特徴とする。
また、請求項３の立向姿勢溶接方法では、請求項２において、前記板厚方向に前記溶接ワイヤの先端を前記アーク溶接機から離間する側の開口に向けて往動させる際には前記溶接トーチの上方への上昇速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を加算補正し、前記板厚方向に前記アーク溶接機側の開口に向けて復動させる際には前記溶接トーチの下方への下降速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を減算補正することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４の立向姿勢溶接方法では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記溶接電流が一定となりアーク長さが一定となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させることを特徴とする。
また、請求項５の立向姿勢溶接方法では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記Ｉ形開先の前記所定の狭開先ギャップが１５mm以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６の立向姿勢溶接方法では、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記一対の厚板鋼板は、それぞれ板厚が２０mm以上の厚板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の立向姿勢溶接方法によれば、厚板鋼板同士を立向姿勢溶接する場合において、所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先内に溶接トーチから突き出した溶接ワイヤのみを挿入し、溶接トーチを厚板鋼板に沿い上方または下方に揺動させてアーク溶接機の定電圧特性に基づくアーク長の自己復元機能に基づき溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させつつ溶接ワイヤの先端を板厚方向に往復動させて下向き溶接を繰り返し行うことで溶接金属をＩ形開先内に積層するようにし、この際、溶接電流が目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させ、さらに溶接ワイヤの先端を溶接トーチの揺動方向に応じて適正な位置に制御するようにしたので、Ｉ形開先の開先ギャップが狭いことと相俟って、板幅方向に１パス施工する上記従来のエレクトロガスアーク溶接法に比べて板厚の増大に拘わらず入熱を十分に小さく抑えることができ、大入熱溶接用の特殊な鋼材の使用を必要とせずにコスト増を抑えることができるのみならず、目標値に対する溶接電流の変動を防止してアーク長のばらつきを抑え、上記従来のエレクトロガスアーク溶接と同等の強度を確保しつつ効率よく安定した高品質の溶接を実現できる。これにより、特に低温での破壊靱性を飛躍的に改善することができる。
【００１１】
請求項２、３の立向姿勢溶接方法によれば、溶接ワイヤの先端を板厚方向に往動させる際には溶接トーチの上方への上昇速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を加算補正し、板厚方向に復動させる際には溶接トーチの下方への下降速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を減算補正するようにしたので、目標値に対する溶接電流の変動を適切に防止してアーク長のばらつきを抑えることができ、より効率よく安定した高品質の溶接を実現できる。
【００１２】
請求項４の立向姿勢溶接方法によれば、溶接電流が一定となりアーク長さが一定となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させて溶接ワイヤの溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させるようにしたので、アーク長を約一定に保持し、板厚方向の溶け込み分布、即ち溶接ワイヤの溶融量を一定にでき、より安定した高品質の溶接を実現することができる。
【００１３】
請求項５の立向姿勢溶接方法によれば、厚板鋼板であってもＩ形開先の所定の狭開先ギャップを１５mm以下と狭くできるので、十分な小入熱化を図ることができ、効率よく溶接を実現しつつ溶接部分の強度を十分に確保することができる。
請求項６の立向姿勢溶接方法によれば、鋼構造物の大型化により厚板鋼板の板厚が特に２０mm以上と厚い場合であっても、小入熱化を図り、効率よく溶接を実現しつつ溶接部分の強度を十分に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２には、本発明に係る立向姿勢溶接方法に適用される一対の厚板鋼板１、１とアーク溶接用の自動溶接ユニット１０とが、立向姿勢溶接の途中の状態で示されている。詳しくは、厚板鋼板１、１はこれら厚板鋼板１、１の端縁間に開先ギャップＧ（所定の狭開先ギャップ）を有してＩ形開先を形成するよう立向姿勢に端縁同士を突き合わせて設置されており、一方自動溶接ユニット１０は溶接ワイヤ３０を送出する溶接トーチ２０を備えて構成されており、図１には、Ｉ形開先内に溶接ワイヤ３０のみを挿入した状態の厚板鋼板１と自動溶接ユニット１０とがＩ形開先内に形成された溶接金属の縦断面図として示され、図２には、図１の矢視Ａ方向から視た一対の厚板鋼板１、１と自動溶接ユニット１０とが上視図として示されている。
【００１５】
一対の厚板鋼板１、１は例えば造船用、橋脚用の大型の鋼構造物に使用されるような板厚の大きな鋼板であり、ここでは、上記従来のエレクトロガスアーク溶接法では入熱が大きくなり溶接部分の性能が劣化して部材強度を確保できなくなってしまうような大きな板厚寸法（例えば、２０mm以上）の鋼板が使用される。
厚板鋼板１、１間に形成されるＩ形開先の開先ギャップＧは、Ｉ形開先内に溶接ワイヤ３０のみが挿入されることから、ここでは、溶接ワイヤ３０の外径寸法（例えば、φ１．２mmまたはφ１．６mm）よりも若干幅広程度の小さな寸法（例えば、φ１．２mm：７〜１０mm、φ１．６mm：８〜１２mm）に設定される。
【００１６】
自動溶接ユニット１０は、一般的な定電圧特性の電源を使用したもので、厚板鋼板１、１に沿って上下方向に延設されたレール１２と当該レール１２上を移動可能な走行ユニット１４とを有して構成されており、溶接トーチ２０は走行ユニット１４上に配設されている。
溶接トーチ２０は溶接ワイヤ３０のワイヤ送り装置を介して溶接ワイヤコイル（共に図示せず）に接続されており、これにより、溶接ワイヤ３０を溶接トーチ２０に送り、溶接ワイヤ３０の先端を溶接トーチ２０から常時突き出し可能である。
【００１７】
溶接トーチ２０は、送出される溶接ワイヤ３０が斜め上方からＩ形開先内に挿入されるよう、板厚方向（水平方向）に対し所定の挟角θ（例えば、１０°〜４５°）を有し、且つ、スライドユニット１６を介して上下方向に揺動可能に構成されている。
このように溶接ワイヤ３０が所定の挟角θを有してＩ形開先内に挿入され、溶接トーチ２０が上下方向に揺動可能であると、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で上下方向に揺動させることにより、溶接トーチ２０を一切板厚方向（水平方向）に移動させなくても溶接トーチ２０からの溶接ワイヤ３０の突き出し量を伸縮させるだけで、溶接ワイヤ３０の先端を少なくとも厚板鋼板１の板厚寸法以上の距離の範囲で板厚方向に往復動可能である。
【００１８】
つまり、溶接トーチ２０を板厚方向（水平方向）に対し所定の挟角θを有し且つ上下方向に揺動可能に構成することにより、小さな開先ギャップＧのＩ形開先内に常に溶接ワイヤ３０だけを挿入して溶接作業を行うことが可能である。これより、溶接トーチ２０を特に細身に設定する必要がない。
走行ユニット１４には、自動溶接ユニット１０側に位置して当て板４０が設けられており、当該当て板４０内には溶接部分にシールドガス（炭酸ガス、ＭＡＧガス等）を供給するシールドガス通路４２が形成されている。シールドガス通路４２の入口部にはガスホース４４が接続されており、これより、シールドガスが、ガスホース４４を介してガス源（図示せず）からシールドガス通路４２に供給され、シールドガス通路４２の出口部から溶接部分に向け供給される。ここに、当て板４０としては耐熱性部材（例えば、セラミック板）が採用される。
【００１９】
なお、ここでは、当て板４０に形成したシールドガス通路４２を介してシールドガスを供給するようにしたが、溶接トーチ２０にシールドガス通路を設け、従来同様に溶接トーチ２０からシールドガスを供給するようにしてもよい。
さらに、走行ユニット１４上には、溶接制御装置１８が設置されており、当該溶接制御装置１８によりアーク溶接のための種々の制御、例えば通電制御、ワイヤ送り装置による溶接ワイヤ送り制御、シールドガス制御、溶接トーチ２０のスライドユニット１６上での揺動制御、走行ユニット１４のレール１２上でのリフト制御等が行われる。
【００２０】
図１及び図２中の符号５０は、自動溶接ユニット１０から離間する側のＩ形開先の開口を塞いで溶接金属の流出を防止するための裏当て板を示し、当該裏当て板５０としては当て板４０と同様に耐熱性部材（例えば、セラミック板）が採用される。また、図示していないが、Ｉ形開先の下端の開口については、通常は他の厚板鋼板１或いは溶接金属で塞がれている。
【００２１】
以下、本発明に係る立向姿勢溶接方法について説明する。
図３には、本発明に係る立向姿勢溶接方法における溶接手順が（１）〜（６）まで時系列的に示されており、図４には、当該立向姿勢溶接方法の全体概念図がそれぞれ斜視図（ａ）と正面図（ｂ）で示されており、以下、上記図１及び図２をも参照しながら、図３、図４に基づき本発明に係る立向姿勢溶接方法について説明する。
【００２２】
先ず、厚板鋼板１、１を開先ギャップＧを有してＩ形開先を形成するよう立向姿勢に設置するとともに自動溶接ユニット１０及び裏当て板４０を設置し、溶接トーチ２０から突き出した溶接ワイヤ３０の先端をＩ形開先内に図１及び図２に示したように挿入する。
そして、Ｉ形開先の下端のうち自動溶接ユニット１０側のＩ形開先の開口近傍において、予め溶接ワイヤ３０の外径寸法に応じて設定した電流値（例えば、φ１．２mm：１２０〜３５０Ａ、φ１．６mm：１６０〜５００Ａ）及び電圧値（例えば、φ１．２mm：２５〜４０Ｖ、φ１．６mm：２７〜４５Ｖ）の下、溶接制御装置１８により通電制御を開始する。即ち、溶接ワイヤ３０の先端から厚板鋼板１、１に向けてアーク放電を行い、アーク溶接を開始する（図３の（１）に対応）。これにより、溶接ワイヤ３０及び一対の厚板鋼板１、１の各端縁の溶融が開始され、Ｉ形開先内において溶接金属の生成が開始される。
【００２３】
アーク溶接を開始したら、溶接制御装置１８により、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で上下に揺動制御し（図１中に矢印で示す）、詳しくはここでは溶接トーチ２０を上方に定速（例えば、５〜１５０cm/minの範囲）で移動させ、自動溶接ユニット１０の定電圧特性に基づくアーク長の自己復元機能により溶接トーチ２０からの溶接ワイヤ３０の突き出し量を伸長させつつ、溶接ワイヤ３０の先端を徐々に自動溶接ユニット１０から離間する側に移動（往動）させながら溶接を行う（図３の（２）に対応）。
【００２４】
ところで、溶接ワイヤ３０の先端での溶接電流Ｉwと溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌと溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmとの間には下記式で示す関係があることが知られている（Welding Journal Vol.37 No.8 P343-353 (1958) "Control of Melting Rate and Metal Transfer in Gas-shielded Metal-Arc Welding, Part 1 Control of Electrode Melting Rate" by A. Lesnewich 参照)。
【００２５】
Ｖm＝ａ・Ｉw＋ｂ・Ｌ・Ｉw２ …(1)
ここに、ａ、ｂは実験等に基づき任意に設定される定数である。
同式(1)によれば、溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌを変化させないような通常の溶接では、溶接電流Ｉwの目標値を定めてアーク長のばらつきを抑えるようにすることにより、板厚方向の溶け込み分布、即ち溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmを安定させ、高い溶接品質を実現することが可能である。具体的には、例えば溶接電流Ｉwを一定にしてアーク長を約一定に保持することで、板厚方向の溶け込み分布、即ち溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmを一定にし、安定した高い溶接品質を実現することが可能である。
【００２６】
また、このような溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌが変化しない通常の溶接において、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmは溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfに等しいと考えることができる。
これより、上記の如く溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌを変化させる場合であっても、安定した高い溶接品質を実現するためには溶接電流Ｉwを例えば一定にしてアーク長を約一定に保持するのがよいといえ、ここでは、上記式(1)と溶融量Ｖmと送給速度Ｖfとの関係に基づき、溶接電流Ｉwが一定となるように溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを可変制御する。
【００２７】
具体的には、上記式(1)に基づき、溶接電流Ｉwが一定となるよう突き出し量Ｌの伸長に応じて溶融量Ｖmひいては送給速度Ｖfを増大させるようにする。
しかしながら、このように突き出し量Ｌの伸長に応じて溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを増大させるようにしても、実際には溶接トーチ２０はスライドユニット１６上を定速で上方に移動するため、その上昇速度に対応する分だけ溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfに不足が生じることになる。つまり、図５（ａ）には、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で定速Ｖtで上昇させつつ（＋Ｖt）送給速度Ｖfで溶接ワイヤ３０を送出したときの時間Ｔから微小時間ΔＴ後（Ｔ＋ΔＴ）における溶接ワイヤ３０の突き出し増加量ΔＬと、溶接トーチ２０の定速Ｖtでの上昇に伴い溶融池面との間で幾何学的に生じる突き出し量の偏差Δｄ（Δｄ＝Δｗ／sinθ、Δｗ＝Ｖt・ΔＴ）との関係が模式的に図示されているが、同図に示すように、突き出し増加量ΔＬの一部が溶接に寄与しない偏差Δｄに占められて不足し、安定した溶接に必要な突き出し増加量ΔＬを確保できないという問題がある。
【００２８】
従って、ここでは、次式(2)に示すように、上記式(1)に基づく溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfに溶接トーチ２０の上昇速度Ｖtに対応した送給速度（Ｖt／sinθ）を加算するようにして、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを補正する。
Ｖm＝Ｖf＋α・Ｖt／sinθ …(2)
ここに、αは実験等に基づき任意に設定される定数である（例えば、０．５〜１．０）。
【００２９】
これにより、溶接トーチ２０の上昇に拘わらず、溶接電流Ｉwを一定にしてアーク長を良好に約一定に保持でき、安定した高い溶接品質を確保することが可能となる。
溶接トーチ２０の揺動制御により、溶接ワイヤ３０の先端が自動溶接ユニット１０から離間する側のＩ形開先の開口近傍に達し、溶接金属の層が形成されたら（図３の（３）に対応）、今度は溶接トーチ２０を下方に定速（例えば、５〜１５０cm/minの範囲）で移動させ、上記定電圧特性に基づくアーク長の自己復元機能に基づいて溶接トーチ２０からの溶接ワイヤ３０の突き出し量を短縮させつつ、溶接ワイヤ３０の先端を徐々に自動溶接ユニット１０側に移動（復動）させながら溶接を継続する（図３の（４）、（５）に対応）。この場合にも、上記同様、溶接ワイヤ３０の送給速度については溶接電流が一定となるように可変制御する。
【００３０】
即ち、上記式(1)に基づき、溶接電流Ｉwが一定となるよう溶接ワイヤ３０の突き出し量Ｌの短縮に応じて溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを減少させるようにし、さらに、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを溶接トーチ２０の下降速度Ｖtに対応した送給速度（Ｖt／sinθ）で補正する。
つまり、図５（ｂ）には、溶接トーチ２０をスライドユニット１６上で定速で下降させつつ（−Ｖt）送給速度Ｖfで溶接ワイヤ３０を送出したときの時間Ｔから微小時間ΔＴ後（Ｔ＋ΔＴ）における溶接ワイヤ３０の突き出し増加量ΔＬと、溶接トーチ２０の定速Ｖtでの下降に伴い溶融池面との間で幾何学的に生じる突き出し量の偏差Δｄ（Δｄ＝Δｗ／sinθ、Δｗ＝Ｖt・ΔＴ）との関係が模式的に図示されているが、溶接トーチ２０を下降させる場合には、同図に示すように、突き出し増加量ΔＬに加えて偏差Δｄの部分が溶接に寄与し、溶接ワイヤ３０の突き出し量が過剰となってしまう問題がある。
【００３１】
従って、ここでは、次式(3)に示すように、上記式(1)に基づく溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfから溶接トーチ２０の下降速度Ｖtに対応した送給速度（Ｖt／sinθ）を減算するようにして、溶接ワイヤ３０の溶融量Ｖmひいては溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを補正する。
Ｖm＝Ｖf−β・Ｖt／sinθ …(3)
ここに、βは実験等に基づき任意に設定される定数である（例えば、０．５〜１．０）。なお、βは上記式(2)のαと同値であってもよい。
【００３２】
これにより、溶接トーチ２０の下降に拘わらず、溶接電流Ｉwを一定にしてアーク長を良好に約一定に保持でき、安定した高い溶接品質を確保することが可能となる。
なお、溶接ワイヤ３０の先端がＩ形開先内を往復動する間は、生成される溶接金属の往復二層の厚み分だけ溶接トーチ２０ともども走行ユニット１４をレール１２上で上方に移動させるようにする。詳しくは、溶接制御装置１８により、走行ユニット１４をレール１２上で上方（図１中に矢印で示す）に積層厚さに応じた速度（例えば、溶接ワイヤ３０の外径寸法により、φ１．２mm：２〜８m/min、φ１．６mm：２〜１０cm/min）で連続的にリフト制御する。また、走行ユニット１４を断続的にリフト制御するようにしてもよい。
【００３３】
そして、溶接トーチ２０の揺動制御により、溶接ワイヤ３０の先端が往復動して自動溶接ユニット１０側のＩ形開先の開口近傍に達したら（図３の（６）に対応）、以降、図４（ａ）、（ｂ）に矢印で示すように、上述した一連の操作を繰り返す。これにより、溶接金属をＩ形開先内に積層させ、溶接を完了させる。
ここで、図６を参照すると、上述の如く溶接ワイヤ３０の送給速度を溶接トーチ２０の上下方向の揺動に応じて補正しつつ可変制御した場合の溶接位置（図３の（１）〜（６））に応じた溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfと溶接電流Ｉwと突き出し量Ｌとの関係がそれぞれ実線で示され、比較として補正を行わなかった場合の溶接ワイヤ３０の送給速度が併せて破線で示されているが、溶接ワイヤ３０の送給速度を溶接トーチ２０の上下方向の揺動に応じて補正して可変制御することにより、溶接ワイヤ３０の突き出し量の変化に依らず溶接電流の変動を好適に防止してアーク長を約一定に保持することができ、安定した高い溶接品質を実現することが可能である。
【００３４】
このように、本発明に係る立向姿勢溶接方法では、厚板鋼板１、１を立向姿勢溶接するに際し、開先ギャップＧを極力小さくしてＩ形開先を形成し、当該Ｉ形開先内に溶接トーチ２０から突き出した溶接ワイヤ３０のみを挿入し、溶接トーチ２０を水平方向に動かすことなく上下方向に揺動させて下向き溶接を繰り返し行うようにし、この際、溶接電流Ｉwが一定となるようにし、さらに溶接トーチ２０の上下方向の揺動に応じて溶接ワイヤ３０の送給速度Ｖfを補正するようにしている。
【００３５】
従って、本発明に係る立向姿勢溶接方法によれば、Ｉ形開先の開先ギャップＧを狭くできることと相俟って、板幅方向に１パス施工する上記従来のエレクトロガスアーク溶接法に比べて板厚の増大に拘わらず入熱を十分に小さく抑えることができ（約１／１０以下）、厚板鋼板１として大入熱溶接用の特殊な鋼材を必要とせずコスト増を抑えながら、従来のエレクトロガスアーク溶接と同等の強度を確保しつつ安定した高い溶接品質の立向姿勢溶接構造を効率よく実現できる。これにより、大型の鋼構造物であっても低温での破壊靱性を飛躍的に改善することができる。
【００３６】
以上で本発明に係る実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
例えば、上記実施形態では、溶接電流Ｉwの目標値を一定にしてアーク長を約一定に保持するようにしたが、これに限られるものではなく、安定した高い溶接品質を実現可能であれば、状況に応じ、溶接電流Ｉwの目標値は任意に可変設定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る立向姿勢溶接方法に適用される厚板鋼板と自動溶接ユニットとを示す縦断面図である。
【図２】図１の矢視Ａ方向から視た上視図である。
【図３】本発明に係る立向姿勢溶接方法の溶接手順を示す図である。
【図４】立向姿勢溶接方法の全体概念図である。
【図５】時間Ｔから微小時間ΔＴ後における溶接ワイヤの突き出し増加量ΔＬと溶接トーチの上昇に伴い溶融池面との間で幾何学的に生じる突き出し量の偏差Δｄとの関係を示す模式図である。
【図６】本発明に係る溶接ワイヤの送給速度と溶接電流と溶接ワイヤの突き出し量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 厚板鋼板
１０ 自動溶接ユニット
１６ スライドユニット
１２ レール
１４ 走行ユニット
１８ 溶接制御装置
２０ 溶接トーチ
３０ 溶接ワイヤ
４０ 当て板
４２ シールドガス通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電圧特性を有するアーク溶接機を用いてアーク溶接を施す立向姿勢溶接方法であって、
一対の厚板鋼板を互いに立向姿勢としてこれら一対の厚板鋼板の端縁間に所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先を形成し、
溶接ワイヤが送出される前記アーク溶接機の溶接トーチから突き出した溶接ワイヤのみを前記厚板鋼板の板厚方向に対し斜め上方から前記Ｉ形開先内に挿入し、
前記溶接トーチを前記厚板鋼板に沿い上下方向に揺動させ、溶接電流が目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸縮させて該溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させることにより前記Ｉ形開先内に前記溶接金属を積層し、
前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、該溶接ワイヤの先端を前記溶接トーチの揺動方向に応じて適正な位置に制御することを特徴とする立向姿勢溶接方法。
【請求項２】
前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、前記溶接トーチの揺動方向に応じて溶接ワイヤの送給速度を加減算補正することを特徴とする、請求項１記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項３】
前記板厚方向に前記溶接ワイヤの先端を前記アーク溶接機から離間する側の開口に向けて往動させる際には前記溶接トーチの上方への上昇速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を加算補正し、前記板厚方向に前記アーク溶接機側の開口に向けて復動させる際には前記溶接トーチの下方への下降速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を減算補正することを特徴とする、請求項２記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項４】
前記溶接電流が一定となりアーク長さが一定となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項５】
前記Ｉ形開先の前記所定の狭開先ギャップが１５mm以下であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項６】
前記一対の厚板鋼板は、それぞれ板厚が２０mm以上の厚板であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項１】
定電圧特性を有するアーク溶接機を用いてアーク溶接を施す立向姿勢溶接方法であって、
一対の厚板鋼板を互いに立向姿勢としてこれら一対の厚板鋼板の端縁間に所定の狭開先ギャップを有したＩ形開先を形成し、
溶接ワイヤが送出される前記アーク溶接機の溶接トーチから突き出した溶接ワイヤのみを前記厚板鋼板の板厚方向に対し斜め上方から前記Ｉ形開先内に挿入し、
前記溶接トーチを前記厚板鋼板に沿い上下方向に揺動させ、溶接電流が目標値となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸縮させて該溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させることにより前記Ｉ形開先内に前記溶接金属を積層し、
前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、該溶接ワイヤの先端を前記溶接トーチの揺動方向に応じて適正な位置に制御することを特徴とする立向姿勢溶接方法。
【請求項２】
前記溶接ワイヤの先端を前記板厚方向に往復動させる際、前記溶接トーチの揺動方向に応じて溶接ワイヤの送給速度を加減算補正することを特徴とする、請求項１記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項３】
前記板厚方向に前記溶接ワイヤの先端を前記アーク溶接機から離間する側の開口に向けて往動させる際には前記溶接トーチの上方への上昇速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を加算補正し、前記板厚方向に前記アーク溶接機側の開口に向けて復動させる際には前記溶接トーチの下方への下降速度に応じて溶接ワイヤの送給速度を減算補正することを特徴とする、請求項２記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項４】
前記溶接電流が一定となりアーク長さが一定となるよう溶接ワイヤの送給速度を可変させつつ溶接ワイヤの前記溶接トーチからの突き出し量を伸長または短縮させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項５】
前記Ｉ形開先の前記所定の狭開先ギャップが１５mm以下であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の立向姿勢溶接方法。
【請求項６】
前記一対の厚板鋼板は、それぞれ板厚が２０mm以上の厚板であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の立向姿勢溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１７３６６４（Ｐ２００８−１７３６６４Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９０８７（Ｐ２００７−９０８７）
【出願日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年９月１日 社団法人 溶接学会発行の「溶接学会全国大会講演概要 第７９集」に発表
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１８年９月１日 社団法人 溶接学会発行の「溶接学会全国大会講演概要 第７９集」に発表
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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