JP3836071B2 - 単電極片面サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板厚５乃至１０ｍｍの鋼板を単電極で片面サブマージアーク溶接する方法において、鋼板の歪みを抑制し、安定した表ビード及び裏ビードを得ることができる低歪みの単電極片面サブマージアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
片面サブマージアーク溶接方法は、溶接長が長い鋼板の継手溶接に多く適用されているが、例えば客船等の造船において、適用する板厚が薄い場合には、片面ガスシールドアーク溶接が一般的に適用されている。これは、片面ガスシールドアーク溶接の方が、サブマージアーク溶接に比べて溶接入熱が小さいため、歪みが小さいと考えられているからである。
【０００３】
しかし、片面ガスシールドアーク溶接は、鋼板表面にスパッタが付着したり、溶接箇所によっては風によるシールド不良が発生し、溶接品質が損なわれるという問題点がある。また、片面ガスシールドアーク溶接は、溶接熱による鋼板の歪み量が大きく、歪み取り作業に多大の時間を費やすなどの問題があった。
【０００４】
一方、特公平６−３０８２０号公報（特許文献１）には、板厚１．５ｍｍ〜３．５ｍｍの薄鋼板を片面サブマージアーク溶接する方法が開示されている。この公報には、銅裏当材を使用し、ワイヤ径２．０〜２．４ｍｍの溶接棒を使用して、板厚に対する電流値を規定することによって高速片面サブマージアーク溶接する方法が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公平６−３０８２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来の薄鋼板の片面サブマージアーク溶接方法においては、ワイヤ径が細いため、溶接条件範囲が狭く、安定した表ビード及び裏ビードを形成できないという難点がある。また、銅裏当材を使用しているため、溶接する前に鋼板に歪みがある継手には裏当材の密着性が確保できず、裏ビードのバリ及び溶け落ち等の問題が生じる場合がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接条件によって溶接熱による被溶接板（鋼板）の歪み量を低減し、安定した表ビード及び裏ビードを得ることができると共に、裏当材との密着性が優れた単電極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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る単電極片面サブマージアーク溶接方法は、板厚ｔ（ｍｍ）が５乃至１０ｍｍの被溶接材を、ワイヤ径が３．２乃至４．８ｍｍのワイヤにより、裏当材にフラックスバッキングを使用し、溶接速度ｖ（ｍｍ／分）が１２００−６０ｔ≦ｖ≦１５００−６０ｔを満足し、溶接入熱Ｑ（電流（Ａ）×電圧（Ｖ）×６０／ｖ）が３０≦Ｑ／ｔ^２≦４０を満足する溶接条件で、単電極で片面サブマージアーク溶接することを特徴とする。
【０００９】
この単電極片面サブマージアーク溶接方法において、前記裏当材は、裏当材全質量あたり、ＭｇＯを１０乃至２５質量％、ＳｉＯ_２を１０乃至３０質量％含有し、更にＺｒＯ_２：５乃至１５質量％、ＣａＦ_２：５乃至１５質量％及びＴｉＯ_２：１乃至２５質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有するフラックスであることが好ましい。
【００１０】
本発明においては、更に、表フラックスを使用し、前記表フラックスは、表フラックス全質量あたり、ＳｉＯ_２：３０乃至３５質量％、ＭｇＯ：ｌ０乃至１５質量％、ＣａＦ_２：１０乃至１５質量％を含有し、更にＡｌ_２Ｏ_３：５乃至１５質量％、ＭｎＯ：５乃至１５、ＣａＯ：１０乃至２０質量％及びＴｉＯ_２：１乃至５質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有する溶融フラックスであることが好ましい。
【００１１】
更に、前記溶融フラックスは、前記表フラックスの嵩密度が１．４乃至２．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。
【００１２】
これにより、板厚５乃至１０ｍｍにおいて、鋼板の歪み量を従来の溶接条件に比して例えば２／３以下（１０ｍｍ以下）に抑制できる。
【００１３】
図１は、この歪み量の測定方法を示す図である。溶接線の始端及び終点側の端縁を拘束した状態で、片面サブマージアーク溶接し、溶接線の中央から溶接線に垂直に２０ｍｍ離隔した位置の変形量（拘束した端縁からの変形量）を歪み量という。
【００１４】
なお、適用する電源の極性は、ＡＣ（交流）及びＤＣ（直流）のいずれでも対応可能であるが、裏ビードの安定性の点ではＤＣ極性がＡＣに比較して優れている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明者等は、板厚が５ｍｍ〜１０ｍｍの薄板を片面サブマージアーク溶接する方法において、溶接品質を安定化し、溶接後の鋼板の歪みを小さくできる溶接方法を開発すべく種々実験研究した。その結果、溶接品質については、溶接中に発生する鋼板の歪みが、溶接方向についてアーク点より先行した場合に、溶接態様はアーク点近傍で登り溶接となり、更にその後、下り溶接となる。このため、表ビード及び裏ビード形状が著しく不安定となる。
【００１６】
（１）溶接速度１２００−６０ｔ≦ｖ（ｍｍ／分）≦１５００−６０ｔ
これに対して、下記表１及び表２に示す２電極を用いた溶接条件で検討した結果、溶接中に発生する鋼板の歪みがアーク点を先行せず、安定したビード形状が得られる速度領域があることを見いだした。但し、表１及び表２において、Ｌは先行電極、Ｔは後行電極である。
【００１７】
図２は横軸に板厚をとり、縦軸に溶接速度をとって、被溶接板の板厚と、溶接速度と、歪みが発生する領域との関係を示すグラフ図である。溶接速度をｖ、板厚をｔとしたとき、ｖ＝１２００−６０ｔの線分よりも溶接速度が低い領域では、鋼板の歪みがアーク点を超えて先行して発生するので、安定した表ビード及び裏ビードを形成できなくなる。図中●は、表ビード及び裏ビードの形状が共に不安定になったことを示す。また、ｖ＝１５００−６０ｔの線分よりも溶接速度が高い領域では、図中▲で示すように、ビード形状が不良となる。即ち、溶接速度が（１５００−６０ｔ）ｍｍ／分を超える場合は、表ビード形状が不安定となる。従って、溶接速度は１２００−６０ｔ≦ｖ（ｍｍ／分）≦１５００−６０ｔの範囲とすることが必要である。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
しかしながら、この２電極を使用した片面サブマージアーク溶接においては、溶接後の鋼板の歪み量が大きくなるという問題点が存在する。この歪み量が大きい原因は、溶接入熱が過大であることである。そこで、本発明者等は、上記溶接速度範囲を満足する溶接条件で、単電極で片面サブマージアーク溶接する方法を検討した。その結果、下記表３に示す低入熱条件で歪みが小さくなることを見いだした。
【００２１】
【表３】
単電極片面サブマージアーク溶接条件

【００２２】
（３）溶接入熱３０≦Ｑ／ｔ ^２ ≦４０
更に、歪み量を抑制できる溶接入熱範囲と、板厚との間には、相関関係が存在する。図３は横軸に板厚ｔの２乗値ｔ^２をとり、縦軸に溶接入熱をとって、溶接入熱と、板厚と、歪みと、ビード形状との関係を示すグラフ図である。
【００２３】
溶接入熱Ｑは、溶接電圧（Ｖ）、溶接電流（Ａ）、溶接速度ｖ（ｍｍ／分）から下記数式１で表される。
【００２４】
【数１】
Ｑ＝電流（Ａ）×電圧（Ｖ）×６０／ｖ
【００２５】
図３に示すように、Ｑ＝ｔ^２×３０で表される線分よりも溶接入熱が低い領域では、表ビードの形成が困難であり、ビード形状が不良となる。また、Ｑ＝ｔ^２×４０で表される領域よりも溶接入熱が高い領域では、溶接熱による鋼板の歪み量が大きくなり、歪み量が１０ｍｍを超えてしまう。そして、ｔ^２×３０≦Ｑ≦ｔ^２×４０で表される領域においては、歪みが小さく、歪みの発生を抑制できると共に、ビード形状も良好である。この図３に示すように、ｔ^２に応じて歪みの発生を抑制できる溶接入熱の範囲が決まる。従って、溶接条件としては、３０≦Ｑ／ｔ^２≦４０を満足することが必要である。
【００２６】
（３）ワイヤ径：直径３．２乃至４．８ｍｍ
更に、ビード形状を安定化するためには、ワイヤ径を３．２乃至４．８ｍｍにすることが必要である。ワイヤ径が３．２ｍｍ未満では、アークの集中性が良いため、低電流城でも裏ビードを形成することは可能であるものの、適切な溶接条件範囲の特に電流及び電圧範囲が極めて狭い。また、ワイヤ径が３．２ｍｍ未満では、表ビード形状が凸になりやすいという問題点がある。
【００２７】
ワイヤ径が４．８ｍｍを超えると、裏ビードを形成するためには、電流を上げるか、又は電圧を低下させる必要があるが、電流を上げると溶接入熱が高くなり、歪みが大きくなるという問題点があり、電圧を低下させると、表ビード形状が凸となるという問題点がある。従って、ワイヤ径としては、３．２乃至４．８ｍｍにすることが必要である。
【００２８】
（４）裏当材にフラックスバッキングを使用する
また、溶接前に存在する被溶接材の歪みに対しては、被溶接板の裏面に対する密着性が良いフラックスバッキング法を適用することにより、この歪みを吸収して、適切な溶接が可能となる。
【００２９】
（５）裏当フラックスの成分
次に、本発明の単電極による片面サブマージアーク溶接方法において、裏当材として使用するフラックスバッキングについて、詳細に説明する。
▲１▼ＭｇＯ：１０乃至２５質量％
ＭｇＯはスラグを形成するための主要な成分であり、これが１０質量％未満ではスラグ量が不足し、裏ビードの余盛が過大となり、ＭｇＯが２５質量％を超えると、スラグ量が過剰となり、裏ビード高さが不安定となる。従って、ＭｇＯ含有量は１０乃至２５質量％にする。
▲２▼ＳｉＯ _２ ：１０乃至３０質量％
ＳｉＯ_２はＭｇＯと同様にスラグを形成するための主要成分であり、ＳｉＯ_２が１０％未満ではスラグ量が不足して、裏ビード余盛が過大となる。一方、ＳｉＯ_２が３０％を超えると、スラグ量が過剰となり、裏ビード高さが不安定となる。従って、ＳｉＯ_２含有量は１０乃至３０質量％にする。
▲３▼他の成分
裏当材のフラックス成分として、溶接作業性の観点から、ＺｒＯ_２：５乃至１５質量％、ＣａＦ_２：５乃至１５質量％、ＴｉＯ_２：１乃至２５質量％を添加しても良い。
【００３０】
ＺｒＯ_２が５質量％未満では、スラグの流動性が不足して裏ビード高さが不安定になる。一方、ＺｒＯ_２が１５質量％を超えると、スラグの流動性が過大となるため、裏ビード幅が広がりやすく、形状が不安定となる。また、ＣａＦ_２が５質量％未満では、スラグの流動性が不足して裏ビード高さが不安定になる。一方、ＣａＦ_２が１５質量％を超えると、スラグの流動性が過大となるため、裏ビード幅が広がりやすく、形状が不安定となる。ＴｉＯ_２が１質量％未満又は２５質量％を超えると、スラグ剥離性が劣化する。
【００３１】
（６）表フラックスの成分
▲１▼Ｓｉ０ _２ ：３０乃至３５質量％
表フラックスを使用する場合には、ＳｉＯ_２が３０質量％未満では、溶融スラグの凝固温度が高くなりすぎ、安定した表ビード形状を得ることができなくなり、ＳｉＯ_２が３５質量％を超えた場合には、溶融スラグの粘性が増加し、アンダーカットが発生しやすくなる。従って、ＳｉＯ_２含有量は３０乃至３５質量％にする。
▲２▼Ｍｇ０：１０乃至１５質量％
表フラックス中のＭｇＯが１０質量％未満では、溶融スラグの流動性を高める効果が得られず、表ビードにアンダーカットが発生しやすくなる。また、ＭｇＯが１５質量％を超えた場合には、溶融スラグの凝固温度が高くなりすぎ、表ビードを安定して得ることができない。従って、ＭｇＯ含有量は１０乃至１５質量％にする。
▲３▼ＣａＦ _２ ：１０乃至１５質量％
ＣａＦ_２はフラックスの溶融性を良くする成分であるが、ＣａＦ_２が１０質量％未満では、フラックスの溶融性改善の効果がない。一方、ＣａＦ_２が１５質量％を超えた場合は、スラグ生成量が過剰となり、表ビード形状の不安定と共に、裏側にスラグがまわりやすく、裏ビードが不安定になる。従って、ＣａＦ_２含有量は１０乃至１５質量％にする。
▲４▼その他成分
溶接作業性の観点から、Ａｌ_２Ｏ_３：５乃至１５質量％、ＭｎＯ：５乃至１５質量％、ＣａＯ：１０乃至２０質量％、ＴｉＯ_２：１乃至５質量％を添加しても良い。
【００３２】
Ａｌ_２Ｏ_３が５質量％未満では、生成スラグが粘性不足になってアンダーカットが発生したり、スラグの剥離性が劣化する。一方、Ａｌ_２Ｏ_３が１５質量％を超えると、スラグ粘性が高くなりすぎるため、スラグの巻き込み等が発生しやすくなる。また、ＭｎＯが５質量％未満であると、スラグがビード表面に焼き付いたり、アンダーカットが発生しやすくなる。一方、ＭｎＯが１５質量％を超えると、ビードが蛇行したり、溶接金属の酸素量が増加し、靭性が低下する。更に、ＣａＯが１０質量％未満であると、スラグ粘性が低下し、ビードの蛇行が生じやすくなる。一方、ＣａＯが２０質量％を超えると、スラグの剥離性が劣化すると共に、ビード表面にポックマークが発生しやすくなる。ＴｉＯ_２が１質量％未満であると、溶接金属中のＴｉ量が低下し、耐衝撃性能が劣化する。一方、ＴｉＯ_２が５質量％を超えると、スラグの剥離性が著しく劣化する。
【００３３】
（７）表フラックスの嵩密度：１．４乃至２．０ｇ／ｃｍ ^３
表フラックスの嵩密度が１．４ｇ／ｃｍ^３未満では、溶込み深さが浅くなり、安定した裏ビードが形成できなくなり、２．０ｇ／ｃｍ^３超では、フラックスの自重により表ビード形状が潰され、表ビードを安定して形成することができない。従って、表フラックスの嵩密度は１．４乃至２．０ｇ／ｃｍ^３とすることが必要である。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明の実施例について、その効果を本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図１に示す開先形状の被溶接板を単電極片面サブマージアーク溶接した。なお、被溶接板は１５０ｍｍ×６００ｍｍを２枚使用して突合せ、溶接長は６００ｍｍとした。下記表４はその溶接条件を示し、表５は表フラックスの組成、表６は裏当材フラックスの組成を示す。その結果を下記表７及び表８に示す。
【００３５】
【表４】

【００３６】
【表５】

【００３７】
【表６】

【００３８】
【表７】

【００３９】
【表８】

【００４０】
なお、表７及び表８において、歪み量が１０ｍｍ以下の場合を◎、１０ｍｍを超える場合を×とし、表ビード及び裏ビードが極めて良好な場合を◎、良好な場合を○、やや不良の場合を△、不良の場合を×で表した。また、総合評価は、極めて良好な場合を◎、良好な場合を○、やや不良の場合を△、不良である場合を×で表した。
【００４１】
表４に記載のＮｏ．Ｗ１〜Ｗ１２の溶接条件は、本発明の請求項１を満足するものであり、Ｎｏ．Ｗ１３〜Ｗ２１は本発明の請求項１から外れるものである。表５に記載のＦＦ１〜ＦＦ４の表フラックスは、本発明の請求項３及び請求項４を満足するが、表フラックスＦＦ５〜ＦＦ１０は本発明の請求項３又は請求項４から外れる。また、表６に記載の裏当材フラックスＢＦ１〜ＢＦ２は、本発明の請求項２を満足し、裏当材フラックスＢＦ３〜ＢＦ６は、本発明の請求項２から外れる。従って、表７のＡ１〜Ａ２２は本発明の請求項１を満足する実施例であり、表８のＢ１〜Ｂ１９は本発明の請求項１から外れる比較例である。
【００４２】
表７に示すように、本発明の請求項１乃至４の全ての構成要件を満たしている実施例Ａ１〜Ａ１２の場合は、歪み量を小さく、安定した表ビード及び裏ビードを得ることができた。本発明の請求項１を満足するが、請求項２乃至４のいずれかを満足しない実施例Ａ１３〜Ａ２２は、表ビード又は裏ビードの形状が若干不安定であるものの、歪み量は小さいものであった。
【００４３】
一方、比較例Ｂ１、Ｂ６は、Ｑ／ｔ^２が４０を超えているので、本発明の請求項１を満足しておらず、歪み量が大きくなった。比較例Ｂ２、Ｂ４は、３０≦Ｑ／ｔ^２≦４０を満足するが、溶接速度が１２００−６０ｔ未満であるので、溶接中に発生した歪がアーク点を先行し、ビード形状が不安定となった。比較例Ｂ３、Ｂ５は、Ｑ／ｔ^２が３０未満であるので、歪量は小さいものの、ビード外観が不良となった。
【００４４】
比較例Ｂ７、Ｂ１３は、Ｑ／ｔ^２が４０を超え、更に請求項３の表フラックスの組成範囲を満足しないため、歪量が大きく、表ビード外観も不良となった。比較例Ｂ８、Ｂ１２は、溶接速度ｖが１２００−６０ｔ未満で、かつＱ／ｔ^２が４０を超えているため、歪量が大きく、ビード外観も不良となった。比較例Ｂ９、Ｂ１４及び比較例Ｂ１０、Ｂ１６は、ワイヤ径が夫々２．４ｍｍ，６，４ｍｍで、Ｑ／ｔ^２が４０を超え、溶接速度ｖが１２００−６０ｔ未満であるので、歪量が大きく、ビード外観も不良となった。
【００４５】
比較例Ｂ１１，Ｂ１５は、Ｑ／ｔ^２が３０未満で、歪量が小さいが、溶接入熱が小さいため、ビード形成が困難であった。比較例Ｂ７，Ｂ１３は、Ｑ／ｔ^２が４０を超えたため、歪量が大きく、更に表フラックス及び裏フラックスの組成範囲が請求項３，２を満足していないため、外観が不良となった。比較例Ｂ１８は、溶接速度ｖが１２００−６０ｔ未満で、Ｑ／ｔ^２が４０を超えたため、歪量が大きく、ビード外観も不良となった。比較例Ｂ１９は、溶接速度ｖが１２００−６０ｔを超えているため、歪量は小さいものの、ビード形成が困難であった。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明により、単電極片面サブマージアーク溶接することにより、歪みが小さく、また表ビード及び裏ビードの形状が安定して良好である溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歪み量の測定方法を示す図である。
【図２】板厚及び溶接速度と、歪み及びビード形状との関係を示すグラフ図である。
【図３】板厚及び溶接入熱と、歪み及びビード形状との関係を示すグラフ図である。

Claims (4)

1. 板厚ｔ（ｍｍ）が５乃至１０ｍｍの被溶接材を、ワイヤ径が３．２乃至４．８ｍｍのワイヤにより、裏当材にフラックスバッキングを使用し、溶接速度ｖ（ｍｍ／分）が１２００−６０ｔ≦ｖ≦１５００−６０ｔを満足し、溶接入熱Ｑ（電流（Ａ）×電圧（Ｖ）×６０／ｖ）が３０≦Ｑ／ｔ^２≦４０を満足する溶接条件で、単電極で片面サブマージアーク溶接することを特徴とする単電極片面サブマージアーク溶接方法。
2. 前記裏当材は、裏当材全質量あたり、ＭｇＯを１０乃至２５質量％、ＳｉＯ_２を１０乃至３０質量％含有し、更にＺｒＯ_２：５乃至１５質量％、ＣａＦ_２：５乃至１５質量％及びＴｉＯ_２：１乃至２５質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有するフラックスであることを特徴とする請求項１に記載の単電極片面サブマージアーク溶接方法。
3. 更に、表フラックスを使用し、前記表フラックスは、表フラックス全質量あたり、ＳｉＯ_２：３０乃至３５質量％、ＭｇＯ：ｌ０乃至１５質量％、ＣａＦ_２：１０乃至１５質量％を含有し、更にＡｌ_２Ｏ_３：５乃至１５質量％、ＭｎＯ：５乃至１５、ＣａＯ：１０乃至２０質量％及びＴｉＯ_２：１乃至５質量％からなる群から選択された少なくとも１種を含有する溶融フラックスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の単電極片面サブマージアーク溶接方法。
4. 前記溶融フラックスは、前記表フラックスの嵩密度が１．４乃至２．０ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項３に記載の単電極片面サブマージアーク溶接方法。

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