JPH0729206B2 - 多電極使用の高速サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、ラインパイプや構造用パイプ等の如き大径
溶接鋼管を製造する際の溶接法として好適な、高速サブ
マージアーク溶接方法に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 大径溶接鋼管の製造に用いられるUOミルラインでは、UO
プレスに続く仮付溶接の後に実施される鋼管内外面の本
溶接には一般にサブマージアーク溶接が適用されてお
り、現状は内外面溶接とも３〜４極の電極を組み合わせ
た（外面溶接には５極を使用する例もある）多電極での
溶接が実施されている。なぜなら、溶接速度は溶着金属
の供給量，溶融プールのコントロール，母材金属のガウ
ジング力によって決定され、これらの能力は電極の数に
比例して増加することが知られていたからである。

具体的には、内面溶接では第１極に直流（DC）或いは交
流（AC）電源を、第２極目以降にはAC電源を接続し、各
極の電流値を1500A以下に設定して４〜５ライン操業で
実施されており、この際の結線方式は、例えば“DC-AC-
AC"なる組み合わせの場合では例えば第３極が第２極に
対して60°遅れのＶ結線が採用される。また、外面溶接
でも内面溶接の場合と同様の電極配置が適用されている
が、この場合の結線方式は、例えば“DC-AC-AC-AC"なる
組み合わせの場合では第３極が第2,4極に比べ120°遅れ
となる逆Ｖ結線が採用され、操業は４ラインにて実施さ
れるのが普通である。

しかしながら、上述のように３〜５電極を適用した高速
化サブマージアーク溶接であっても、多電極にすると溶
着量，ガウジング力，溶融プール等のコントロールが難
しくなることから、内面溶接，外面溶接を問わず確保で
きる最高溶接速度は3.6m/minが限度となっていた。つま
り、それ以上に溶接速度を上げようとすると、良好なビ
ード形成が困難になって溶接欠陥であるアンダーカット
やネッキングを発生し、著しくビード外観を損なうなど
溶接品質上好ましくない事態が生じるのを避け得なかっ
たのである。

ところで、大径溶接鋼管ミルの生産能率は主として溶接
ラインの能力で規定され、この溶接ラインの能力は溶接
速度，アイドルタイム，ライン数により決定されてしま
う。従って、生産能率向上と生産コスト低減を図るに
は、溶接速度を大幅に上げると共にライン数を削減する
ことが最も実際的な方策であると考えられる。ところ
が、溶接速度の改善を極く単純に思いつく“電極数の増
加”と言う手段により達成しようとして５極にまで電極
数を増やしたとしても、上述した如く現状技術では改善
される溶接速度に限界があり、大径溶接鋼管ミルの生産
能率を飛躍的に改善することが叶わないばかりか、ライ
ン数の削減にまで結び付けるような成果を期待すること
は無理であった。

このように、電極数が多くなるほど溶接アークの安定性
やビード形状のコントロールが困難となることから、精
々５極までが実用の限度とされていた電極数を６極以上
に増やして溶接速度の大幅な向上を達成すことは、現状
の技術レベルからして未だ未だ遠い先のことであるとさ
れていた。

しかし、大径溶接鋼管のコスト低減，生産能率改善に対
する要求が日々厳しさを増してきている状況を受けて、
本発明が目的としたのは、製品品質を落とすことなくサ
ブマージアーク溶接の溶接速度を大幅に向上させ得る方
法を見出し、大径溶接鋼管ミルにおける必要ライン数を
削減してもなお十分な生産能率の改善が達成できる手段
を確立することであった。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねる
過程で「サブマージアーク溶接時の溶接速度向上にはや
はり使用電極数を増やすのが最も現実的であり、現状を
超える溶接速度を達成した上で満足できる品質の製品を
得るためには、６極以上の多電極を使用する安定した溶
接法の開発が欠かせない」との結論に達し、様々な条件
の組み合わせパターンからシミュレーション計算により
最適なものを算出しつつ、その妥当性を１つ１つ実験に
て立証する研究を続けた結果、「サブマージアーク溶接
において６極以上の多電極を使用する場合でも、 イ）電極の結線方法， ロ）電極角度，電極間隔，チップ高さのセッティング， ハ）使用フラックス， に工夫を凝らすことにより、溶接アークを十分に安定化
することができてビード形状の安定したコントロールが
可能となる上、良好なスラグ剥離性も確保されて、十分
な溶込みの下で良好な内部品質と外観の良好なビード形
成のなされる高速溶接（最高溶接速度4.5m/min以上）が
実現される」との知見が得られたのである。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたもので、 「サブマージアーク溶接を実施する際、６本以上の電極
を使用すると共に、 ａ）少なくとも先行極には直流電流を適用する、 ｂ）上記以外の電極への交流電源の位相差を、最終極の
アークに作用する力が平均的に溶接進行方向へ向くよう
に設定する、 ｃ）先行極には後退角を、他の電極には前進角をそれぞ
れ持たせると共に、各電極間距離を25mm以内に設定す
る、 ｄ）ｎ本の電極の溶接電流バランスを 第 １ 極:1, 第２極〜第（ｎ−２）極：各0.7〜1.10, 第（ｎ−１）極:0.6〜0.80, 第 ｎ 極:0.5〜0.75 の範囲に設定する、 ｅ）SiO₂:5〜25％（以降、成分割合を表わす％ は重量％とする）， Al₂O₃:2〜20％， MnO:0.5〜15％， TiO₂:2〜10％， CaO:5〜25％， BaO:1〜５％， MgO:3〜15％， CaF₂:25〜60％，B₂O₃:2％以下 を含むと共に残部が不可避的不純物から成り、かつ （CaO＋MgO）/SiO₂＝1.5〜3.0 を満足する化学組成で、しかも60％以上がJIS Z 8801で
規定される呼び寸法300〜100μｍ（48〜145メッシュ）
の領域に入る粒度を有した溶融型フラックスを用いる、 なる各条件を満足させて溶接を行うことにより、高品質
製品の高速溶接を可能とし、製品生産能率の大幅な向
上，溶接ラインの削減を実施し得るようにした点」 に特徴を有している。

即ち、本発明は、 （ａ）電極数の６電極以上への多極化， （ｂ）最適結線方法の確立， （ｃ）電極角度，電極間隔，チップ高さの最適セッティ
ング， （ｄ）高速性フラックスの開発， の４点の技術課題を解決することにより、最高溶接速度
4.5m/min以上（現状の1.5倍以上）の高速サブマージア
ーク多電極溶接を可能とし、能率の向上，ライン数の削
減を実施可能としたもので、複雑な６電極技術或いはそ
れ以上の多電極技術のキーポイントとなり、また同時
に、良好なビード外観，溶込み，スラグ剥離性，内部品
質を得るための電極設定方法，高速性確保のためのフラ
ックス物性のコントロール技術を提供するものでもある
が、以下、図面を参照しつつ本発明をその作用及び効果
と共により詳細に説明する。

〈作用及び効果〉 第１図は、６本の電極を使用した本発明に係るサブマー
ジアーク多電極溶接法の１例を示す概念図である。

第１図で示されるように、本発明法では６本或いはそれ
以上の電極を配すると共に、適正で安定したガウジング
を図るため少なくとも先行極にDC（直流）電源が適用さ
れ、その他の極（第１図の例では第２極以降）には工業
的優位性を確保すべくAC（交流）電源が適用される。た
だ、特に６電極又はそれ以上の多電極サブマージアーク
溶接においては、結線方式は各極に働く磁力，アークの
方向をコントロールし、溶接アークの安定性，ビード形
状，高速性を支配する重要な因子となる。そこで、結線
方法については、下記前提の下でのシュミレーション計
算と、実ラインでの結線方式の決定・検証を行って確定
された。

即ち、シュミレーション計算を １）一般に、多電極溶接では最終極がビード形状に大き
く影響するため、最終極に作用する力のみを検討する， ２）最終極に作用する力は、各極の溶接電流，位相差，
電極間の距離，チップ高さ（extention），透磁率
（μ）によって決定されるものとする， ３）最終極のアークに作用する力の平均値は、smoothin
g action及び形成されるビード外観の検討結果から望ま
しいとされた約0.1×20N/mにする， ４）最終極のアークに作用する力が溶接進行方向に向い
ている時間は、上記smoothing action及び形成されるビ
ード外観の検討結果から、望ましいことが明らかとなっ
た“できるだけ長い時間”となるように位相差を決定す
る， ５）最終第ｎ極に作用する力〔Fn〕は、式 Fn＝Fn₁＋Fn₂＋…＋Fni＋…＋Fnn_-1＋Fnn＋Fn₀ で示される， との前提条件を指標としてなされた結果と、実機テスト
の結果とからも、少なくとも先行極にDC電源を用いる上
で他極にAC電源を適用することは可能であるとの結論に
達した。そして、特に第１図で示される６電極サブマー
ジアーク溶接では、下記のような極性と位相差の結線方
法が各極間に働く磁力を好適にコントロールし、溶接ア
ークの安定性，ビード形状に最適であることも確認し
た。

DC-AC-AC-AC-AC-AC ０°＋60°＋120°−90°＋120° （ここで、＋は位相差の進みを、−は遅れを示してお
り、第２極を基準とした場合の位相差を示す）。

なお、第１表に、上記結論が得られた“６電極サブマー
ジアーク溶接におけるAC極位相差の組み合わせと溶接状
況の検討結果”の一部を示したが、この時の溶接条件は 試験材：肉厚1.00インチのビードオンプレート、 溶接電流及び電圧： 第１極……1200A,30V、 第２極……1000A,33V、 第３極……900A,36V、 第４極……850A,40V、 第５極……700A,42V、 第６極……600A,44V、 溶接速度:4.0m/min、 であった。

更に、この結線方法を適用し実ラインの６電極サブマー
ジ溶接機にて溶接テストした結果からは、肉厚:0.25〜
2.00インチの大径鋼管の溶接において、従来の４電極サ
ブマージアーク溶接を適用した場合には溶接速度が1.0
〜2.8m/minであったのに対し、本発明に係る６電極サブ
マージアーク溶接では総電流:5000A以上，溶接速度:3.0
〜5.0m/minの範囲で安定したアークと美麗なビード外観
が得られていることが確認され、その優位性と計算結果
の正当性が立証されている。

ところで、本発明法においては、先行DC極には後退角
を、他の電極には前進角を持たせているが、先行極には
後退角を持たせる理由は先行極によるガウジング力の拡
大を図るためである。そして、この先行DC極の後退角は
−20°までとし、電極容量は最高2000Aまでとするのが
良い。先行DC極に０°以上の前進角を持たせた場合に
は、smoothing actionによりビード幅方向の湯流れは助
長され外観向上に有効であるが、digging actionが著し
く減少し、溶け込み深さの不足により十分な溶接速度を
達成し得ない。これに対し、先行DC極に−20°を超える
後退角を持たせると、必要以上に溶融プールが撹拌さ
れ、溶接欠陥のアンダカットやスラグ巻き込みを多発す
る傾向が懸念される。一方、後行AC極の前進角は溶融プ
ール内での溶湯の後方への流れを塞ぎ止め、美麗はビー
ド外観を形成するために付与されるものであり、この前
進角は０〜＋45°の範囲とするのが良い。

なお、第２表は板厚1.00インチのビードオンプレートに
よる溶接試験結果を示しているが、この第２表からも、
先行DC極に後退角を、そして後行AC極に前進角を持たせ
ると良好な溶接結果を得られることが確認できる。

ここで、溶接速度:4.5m/minにて十分な溶着量，ビード
外観，アーク安定性を確保するためには、溶接ワイヤと
して4.0〜6.4mmφの太径ソリッドワイヤを適用するのが
好ましい。

また、各電極先端部の間隔は、溶融型フラックス（fuse
d flux）を用いる本発明法では何れも25mm以内に設定す
る必要があり、これによってアーク安定，溶接欠陥防止
に効果を上げることができる。電極間距離が25mmを上回
ると、ビード外観が悪化する上に、半凝固状態になって
浮上したスラグが電極により干渉を受けてスラグひっか
けの原因となるなど、製品品質及び作業性の点で不利を
招く。

第３表には、板厚1.00インチのビードオンプレートを使
用し、電極間距離を変えて溶接試験を行った結果の一部
が示されているが、この第３表からも、電極間距離は25
mm以内に設定した場合に良好な結果が得られることを確
認できる。

電流バランスについては、先行極から後行へ移るに従っ
て、通常0.1〜0.05程度ずつ配分を減少することによ
り、後行極アークの硬直性を和らげ、高速溶接（υ＞3m
/min）においても広幅で滑らかなビード外観が得られ
る。しかし、特に薄肉時、溶込み深さをそれほど必要と
しない溶接で、第１極に対し第２極の電流を高くするこ
とによってより良好なビード外観が得られることを見出
した。そして、電流バランスを特に 第 １ 極……1, 第 ２ 極……0.7〜1.10, ・ ……同上， ・ ……同上， 第ｎ−１極……0.6〜0.80, 第 ｎ 極……0.5〜0.75 の配分で設定した場合には、良好なビード外観のより安
定した確保が可能となる。

さて、以上に示したような条件で高速サブマージアーク
溶接を実施した場合でも、高速溶接化に伴いやはり溶接
ビード形状と溶接金属の性能劣化と言う問題を十分に拭
えなくなる。そこで、本発明者等は、上記問題点を解消
すべく研究を行い、まず、 （Ａ）フラックス成分としてAl₂O₃,SiO₂の適量を添加す
ると、CaF₂との共存下で適正な融点・粘性のスラグを生
成するようになる， （Ｂ）フラックス粒度のJISで規定される呼び寸法300〜
100μｍの領域を常時60％以上に維持するとアンダーカ
ットやスラグ巻き込みが極力減少する，ことを見出し
て、このような方策を講じることにより溶接速度:5.0m/
minの大電流（大入熱）溶接においても良好なビード外
観，スラグ剥離性が得られ、溶接作業性と溶接欠陥防止
効果の向上が図れることを確認した。そして、更に検討
を重ね、前記Al₂O₃-SiO₂-CaF₂成分系のフラックスにお
いてSiO₂,MnO,CaO,CaF₂,Al₂O₃,MgO,TiO₂,BaO並びにB₂O₃
の成分バランスを SiO₂:5〜25％，Al₂O₃:2〜20％， MnO:0.5〜15％，TiO₂:2〜10％， CaO:5〜25％， BaO:1〜５％， MgO:3〜15％， CaF₂:25〜60％， B₂O₃ :2％以下 で、かつ （CaO＋MgO）/SiO₂＝1.5〜3.0 を満足するようにコントロールすることで、塩基度が常
時高い値に保たれ、電極数を増加した溶接においても酸
素量の低減効果が効果的に発揮されて、形成される溶接
金属中の酸素量を350ppm以下に抑制することも十分に可
能となり、一般に大径ラインパイプに要求される低硬度
・高靱性スペックをも十分クリアーできる高速溶接用溶
融型フラックスを実現した訳である。

勿論、このフラックスにおいてSiO₂,MnO,CaO,CaF₂,Al₂O
₃,MgO,TiO₂,BaO並びにB₂O₃の成分バランスが前記範囲を
外れると上述した効果を安定して確保することができな
くなる。

また、上記フラックスのJISで規定される呼び寸法300〜
100μｍの領域が60％未満であった場合には、多電極高
速溶接において溶接欠陥が目立つようになり、粗粒域が
増加したときはアンダーカットが、そして細粒域が増加
したときはスラグ巻き込みが多発することとなる。

上述のように、本発明は、更なる高速化を図ろうとした
場合に数々の未解決の難問が続出したサブマージアーク
溶接に関し、「電極数の更なる多極化」，「最適結線方
法の確率」，「電極角度，電極間隔，チップ高さの最適
セッティング」及び「高速性フラックスの開発」と言う
困難な技術課題を総合的見地から解決することによって
上記障害を乗り越え、安定した高速サブマージアーク溶
接法を確立したが、以下、実施例によってその効果をよ
り具体的に説明する。

〈実施例〉 ６本の電極を第２図に示すようにセットすると共に、そ
の第２極以降のAC極の位相差を０°，＋60°，＋120
°，−90°，＋120°に設定し、その他は第４表に示す
如き条件で鋼板のサブマージアーク溶接試験を実施し
た。

なお、このとき使用されたフラックスは、実質的にCaO:
18.0％,MgO:6.0％,SiO₂:14.0％,CaF₂:37％,Al₂O₃:15％,
MnO:3％,TiO₂:3％,BaO:3％及びB₂O₃:1％から成り、かつ
〔（CaO＋MgO）/SiO₂＝1.7〕なる成分バランスで、その
粒度はJISで規定される呼び寸法300〜100μｍの領域を6
5％含むものであった。また、使用ワイヤは4.0mmφのソ
リッドワイヤで、その成分組成は第５表の通りであっ
た。

そして、試験後に溶接ビードの外観評価を実施したとこ
ろ、何れも良好な外観を呈していることが確認された。

〈効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、最高溶接速度:
4.5m/min以上の高速サブマージアーク溶接法が確立さ
れ、ラインパイプや構造用パイプと言った大径溶接鋼管
等の製造能率を大幅に向上できるほか、溶接ライン数の
削減を実施したとしても増産に対応することが可能とな
るなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、６本の電極を使用した本発明に係るサブマー
ジアーク多電極溶接法の１例を示す概念図である。 第２図は、本発明の実施例における電極セット条件の概
略説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】６本以上の電極を使用し、かつ下記ａ）〜
   ｅ）の条件を満足させて溶接を行うことを特徴とする、
   高速サブマージアーク溶接方法。 ａ）少なくとも先行極には直流電流を適用する、 ｂ）上記以外の電極への交流電源の位相差を、最終極の
   アークに作用する力が平均的に溶接進行方向へ向くよう
   に設定する、 ｃ）先行極には後退角を、他の電極には前進角をそれぞ
   れ持たせると共に、各電極間距離を25mm以内に設定す
   る、 ｄ）ｎ本の電極の溶接電流バランスを 第 １ 極:1, 第２極〜第（ｎ−２）極：各0.7〜1.10, 第（ｎ−１）極:0.6〜0.80, 第 ｎ 極:0.5〜0.75 の範囲に設定する、 ｅ）重量割合にて SiO₂:5〜25％， Al₂O₃:2〜20％， MnO:0.5〜15％， TiO₂:2〜10％， CaO:5〜25％， BaO:1〜５％， MgO:3〜15％， CaF₂:25〜60％， B₂O₃:2％以下 を含むと共に残部が不可避的不純物から成り、かつ （CaO＋MgO）/SiO₂＝1.5〜3.0 を満足する化学組成で、しかも60％以上がJISで規定さ
   れる呼び寸法300〜100μｍの領域に入る粒度を有した溶
   融型フラックスを用いる。