JPH02200381A - スパイラル鋼管の高速サブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高速度でしかもアンダーカット。

ポックマーク等の溶接欠陥発生の無い良好なビードを得
るための、スパイラル鋼管の多電極サブマージアーク溶
接方法に関するものである。

（従来の技術） サブマージアーク溶接法は比較的大電流を用いることが
可能で、かつ溶接効率が良好であり、パイプや船舶、海
洋構造物、鉄骨、橋梁等、鋼構造物の溶接分野で広く用
いられている。スパイラル鋼管の製造もそのひとつであ
るが、スパイラル鋼管の製造においては、溶接速度の増
加は直接生産性の向上につながるため、従来よりその高
速化の検討が行われている。

一般にスパイラル鋼管では、溶接作業性、ビード形状を
考慮して内面溶接は上り傾斜位置、外面溶接は下り傾斜
位置で行われるが、単に上り、下り傾斜溶接ではなく、
アーク発生位置では内面は上り、外面は下り傾斜、溶接
金属およびスラグは凝固過程で内面は下り傾斜、外面は
上り傾斜となって急傾斜位置まで連なり、重力により次
第に垂れ下がる。このため内面溶接ではコンケープが増
大し凹型ビードとなり易く、アンダーカット。

オーバーラツプが発生し易い。一方外面溶接では凸型ビ
ードとなり易く、アンダーカットが発生し易い。

このような欠陥発生状況は溶接速度の増加にともない増
加し、特に内面溶接において著しくなる傾向がある。こ
れは、溶接が高速化するほど、同一溶接入力では溶込み
及び溶接線単位長さ当りの余盛量が必然的に減少し、溶
込み不足や余盛不足となるためである。したがって、所
要溶造み及び余盛量を確保するには、単位時間当りのワ
イヤ溶融量、母材溶融量を増す必要があるが、溶融量を
高めるためには溶接電流を高める以外に手段がなく、溶
接入力の増大が必須の条件となる。

しかし、溶接電流を高め溶接入力の増大を図ると溶融プ
ール長さとアーク力が増大し、それにともなって溶融プ
ールの変動も大となり、高速溶接においてはアンダーカ
ットの発生やと一ド形状のコンケープ化、さらにはスラ
グ巻き込み等の溶接欠陥が発生する。これらの問題点の
改善を目的として、従来は主にフラックス成分、物性値
を調整して、スラグの流れを抑制していた。

即ち特開昭５８−１７６０９８号公報、特開昭５９−１
０４２９０号公報では、フラックスの成分を規定した傾
斜溶接用メルトフラックスが提案され、また特開昭５９
−４７０６９号公報ではフラックス成分、物性値を規定
し、溶接位置と組み合わせた溶接方法を、特開昭５９−
６６９７９号公報ではフラックス成分９粒度構成を規定
したボンドフラックスに溶接条件を組み合わせた溶接方
法が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらフラックスの粘性を高めてスラグの流れを
抑制しようとした場合、ビード形状のコンケープ化など
の防止には効果は認められるものの、通常のソリッドワ
イヤとの組合せではスラグの粘性増大のためビード表面
にポックマークが発生する。さらに高速溶接性も阻害さ
れ、またこれらのフラックスはそれぞれ５■／閣ｉｎ未
満の溶接速度において対応するものであり、５ｍ／ｗｉ
ｎ以上の高速溶接では欠陥発生は避けられない。

特開昭５９−６６９７９号公報で提案されたポンドフラ
ックスでは、ポックマークの発生を抑えるに有効な脱酸
剤が添加できるとともに、その中で５ｍ／ａ＋ｔｎに近
い速度で溶接がなされているが、フラックスの回収、再
利用が繰り返し行われるスパイラル鋼管の溶接では、粉
化傾向の大きいボンドフラックスは溶接作業性の劣化あ
るいは偏析等の問題もあり、実際の使用は困難である。

本発明はスパイラル鋼管の高速サブマージアーク溶接に
関し、５　ｍ／ｓｉｎ以上で高速溶接する際にコーンケ
ープ、アンダーカットポックマーク等の欠陥が生じず、
良好なビード形状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） 本発明が要旨とするところは、ニッケルスラグを３０〜
８０重量％、メルトフラックスを２０〜７０重量％含有
する混合型フラックスを用い、ワイヤ径ｄが１．０〜１
．６ｍｍの溶接ワイヤ２本を同一の溶接電源とワイヤ送
給機構によって並列アークを発生させる１対の電極とし
、この電極を溶接進行方向に３〜５対それぞれが同一の
溶融プール内に於て独立した溶接アークを保つよう配置
し、かつその使用電流範囲を３００〜１００ＯＡとし、
さらに溶接ワイヤの１本以上に複合ワイヤを用いること
を特徴とするスパイラル鋼管の高速サブマージアーク溶
接方法にある。

（作　用） 以下本発明の作用について詳細に説明する。

先ず本発明におけるフラックスの形態は、ニッケルスラ
グとメルトフラックスとを機械的に混合して製造される
。これはメルトフラックスのように溶解可能な組成の原
料を選択する必要がなく、比較的自由なフラックス設計
が可能であり、またボンドフラックスのように水ガラス
等の固着剤により造粒されていないため、吸湿や繰り返
し使用による粉化の問題が無いことによる。更に製造工
程は、全原料を溶解する必要はなく安価に製造すること
が可能である。

ここでニッケルスラグとは、ニッケルの精練工程におい
てニッケル鉱石より溶解還元によりニッケルを取り去ら
れた後のスラグであり、組成としては５ｉｆｔ　：　５
０〜６０％、ＭｇＯ：３０〜４０％を主成分とし、他に
ａｔｔｏｓ　　：　５％以下、ＣａＯ：５％以下、Ｔ。

Ｆｅ　：　１０％以下から構成されるものである。

本発明におけるフラックスは、上記のニッケルスラグを
３０〜８０％含有するものであるが、これは５ｉｆｔと
ＭｇＯがフラックス成分として極めて重要であることに
よる。即ちＳｉｎｇは、溶融スラグ中においてスラグの
粘性を上げ平滑でなじみの良いビード形状を生成するの
に有用な成分であり、特に高速溶接におけるビード形状
の改善に有効である。

一方ＭｇＯは溶融点が高く、スラグの耐火性を上げスラ
グの垂れ落ちを防ぎ、ビード形状に均一性をもたらすの
に有効であるばかりでなく、塩基性酸化物であるため溶
接金属中の酸素量を低減し、溶接金属の靭性向上に有効
な成分である。この場合、ＭｇＯを単一酸化物で添加す
るとその融点は２８００°Ｃと極めて高（、ＭｇＯを単
一酸化物で添加するボンドフラックスでは、溶接時フラ
ックスが溶は難くなるためスラグの流動性が阻害され、
馬の背状のビード形状、踵端部のなじみ不良等の欠陥が
生ずる。

一部メルトフラックスにおいては、ＭｇＯを多量に含有
した場合やはり溶は難くなり、フラックスの製造自体が
困難あるいは不可能となる。

ところが本発明においては、多くのＭｇＯはニッケルス
ラグより添加される。このニッケルスラグ中のＭｇＯは
、ＳｉＯ□と共晶組成を生成しているため大幅に溶融点
が低下し、１６００°Ｃ程度になり、ボンドフラックス
に見られる上記のような欠陥発生を防止できる。またメ
ルトフラックスのような問題もない、更にニッケルスラ
グは、メルトフラックスに比べ溶融点が高いため、これ
らの混合型フラックスはベースとなるメルトフラックス
より溶融点が高くなる。このためスパイラル鋼管の溶接
時の凝固過程における急傾斜位置での垂れ下がり現象を
防ぎ、コーンケープの増大、アンダーカット、オーバー
ラツプの防止効果が得られる。加えてニッケルスラグは
精選された鉱石を溶融して得られたスラグであり、有害
な不純物の含有量が極めて少なく、結晶水のごとき水分
も含有されていない。

本発明ではニッケルスラグを３０〜８０％に限定してい
るが、３０％未満では上記のような効果が得られない。

一方ニッケルスラグが８０％を超えると、ビード表面に
ポックマークが発生する傾向がある。

そこでニッケルスラグの量は３０〜８０％とし、残りは
主にメルトフラックスにしなければならない。

本発明で言うメルトフラックスは、通常サブマージアー
ク溶接に適用されているフラックスであれば特定の組成
に規定しなくてもよく、はとんど全てのフラックスが適
用可能である。これは既述の如くほとんどのメルトフラ
ックスが適度な融点と粘性を持って製造されているため
で、ニッケルスラグ３０〜８０％に対して２０〜７０％
のメルトフラックスを混合すれば、スパイラルのような
傾斜溶接に適合したスラグ特性が得られる。

尚ここで耐ポツクマーク対策として、上記混合型フラッ
クスにＣａ、　Ｍｇ＋　ａｌ、　Ｓｔ、　Ｍｎの如き脱
酸剤、ＣａＣ０，、Ｍｇｃｏ、の如きガス発生剤、ある
いは溶接金属の靭性を向上させるＮｉ、　ＮＯ，Ｃｒの
如き合金剤等を混合する場合もある。

第１図は、本発明をスパイラル内面溶接に適用した３電
極サブマージアーク溶接の、一実施態様を模式化して示
した側面図であり、溶接部は理解を容易にするため一部
を断面図としている。

図中１は１３０〜１．６　ｗｍの細径ワイヤであり、高
速回転のワイヤ送給機２に直結されたツインワイヤ用送
給ローラ３によって高速送給され、ツインワイヤ用の電
極チップ４によって所定のワイヤ間隔５を保持させなが
ら並列アーク７を発生させる。

なお図において、６は電極間距離、８はスラグ。

９は溶融プール、　１０は溶接金属、１１は溶接フラッ
クス、　１２は母材であり、またＷは溶接方向をあられ
す。

このツインワイヤの間隔５は、安定かつソフトな溶接ア
ークを形成させるに際して影響し、この間隔５が小さす
ぎると集中性の高い不安定なアークとなり、高速条件下
で良好なビード形成が得られなくなる。一方この間隔５
が大きすぎると、それぞれが独立した溶接アークとなる
ため、ビード形成が幅狭の凸状傾向となり好ましくない
、適切な間隔は溶接条件によって異なるが、ワイヤ径を
ｄＩＩｌｌとすると、ワイヤ中心間の距離にして２ｄ〜
５ｄが適切である。

本発明者らは、Ｘ線透視装置を用いて多電極溶図に示す
如＜Ｘｍ”の増加とともにアンダーカットが多発する傾
向があるとの知見を得た。ここで溶融プール後退距離Ｘ
ｍ”とは、最終電極ワイヤ先端と溶融プール９の前面が
母材の表面と接する位置までの水平距離である。溶融プ
ール後退距離Ｘｍ”は、アークプラズマ気流の強さと溶
融プールヘッド（溶融プール底面と上面との距離）との
バランスで定まるものと考えられ、ビード形成作用をす
べき最終電極およびその直前電極の溶接電流が高くなっ
てアークプラズマ気流が強力になったり、高速化し溶接
線単位長さ当りの溶融量が減少して溶融プールヘッドが
小さくなったりするとＸｍ’が大となり、ガウジング作
用で掘られた母材壁面を溶融プールが十分に満たさない
位置から凝固が開始することによって、アンダーカット
が発生するものと推察される。

一般に単位アーク当りのプラズマ気流の強さは、その溶
接電流に比例すると考えられており、並列アーク７によ
ってアークプラズマ気流がソフトになる。これは単位電
極に投与された電流が、それぞれの溶接ワイヤに分流し
て並列アークが点弧するため、集中性の低いプラズマ気
流となり、全体としてのアークプラズマ気流が大径ワイ
ヤに比し小さくなるものと考えられる。

また細径ワイヤを使用するため、同一溶接電流値で比較
した場合ワイヤ溶融効率が大径に比べ高く、同一溶着量
を得るのにより低い電流値ですむことになり、Ｘｍ’に
働くアークプラズマ気流をより低く抑制できる効果もあ
る。

各電極の並列アーク７は、溶接線方向に直列状あるいは
千鳥状に配置されるが、これは溶接目的により適宜変え
ればよく、溶は込みと高速性が優先される場合は直列状
の配置が好ましく、またビード幅を広くし浅溶は込みの
溶接に対しては千鳥状配列が好ましい、ただしこのよう
な場合に、電極間距離６を接近させすぎると、各電極の
並列アーク７が独立した状態を維持できず、各電極間の
アーク干渉が激しい不安定な一体アークとなり、溶融プ
ール９の流動状況が不規則となって良好な溶接ビード形
状が得られない。

このため各電極の並列アークを独立状態に維持すること
が不可欠で、ワイヤ中心間距離で示される極間６を少な
くとも１０ｍ以上に設定しなければならない。しかし極
間６が５０■以上になると、溶融プール９がそれぞれ電
極毎の独立した溶融プールとなり、良好なビード形成が
困難となる。従って本発明でいう独立したアークとは、
極間６が１０〜５０園の状態にあることを意味する。

溶接電流の適正な範囲は、３００−１００ＯＡに設定す
る必要がある。これは溶接電流が３００　Ａ未満では、
アーク電圧の変動が大きく良好なと一ド形成が得られな
い、一方溶接電流が１００ＯＡ超では、並列アーク特有
のソフトなアーク性質が失われ、アーク力が大きくなり
すぎてビード形状の不整が起こり易くなるとともに、ワ
イヤの送給速度が極めては早くなるため、ツインワイヤ
の送給トラブルも頻発し好ましくない。

さらに並列アークを溶接進行方向に３〜５対必要とする
のは、高速条件下で十分な溶着量と良好なビード形状を
得るためである。２対以下では各電極の並列アークの入
力を高めても、高速条件下では余盛量が不足し、アンダ
ーカットなどが発生し易くなる。一方６対以上になると
、第１電極と最終電極までの総電極間距離が必然的に大
きくなり、電極配置を適正な傾斜位置内Ｃ１に収めるこ
とが難しくなり、スパイラル溶接では湯流れ現象を起こ
すため好ましくない。

ツインワイヤの径を１．０〜１．６閣としたのは、１．
０閣未満ではワイヤか細すぎて、ツインワイヤを高速送
給する上においてワイヤの坐屈など送給不良を起こし易
く、安定な溶接が困難になる。−方１．６ｍ超では、ワ
イヤが太いためジュール熱効果が少なくなり、低入力高
溶融特性とアーク自体の自己制御作用が失われる。

加え゛ζ本発明に用いる混合型フラックスは、前述の通
りスパイラル鋼管の溶接時の凝固過程における急傾斜位
置での垂れ下がり現象を防ぐ目的で、メルトフラックス
より溶融点が高いものを用い、かつ溶融プール後退路＠
　Ｘ　ｍ　’に働くアークプラズマ気流を低く抑制する
ため溶接電流を低く抑える等、ビード表面にポックマー
クが発生し易い条件下で溶接は行われる。混合型フラッ
クスに脱酸剤を添加することによりポックマークの発生
数は減少するが、溶融プールに直接脱酸剤を添加できる
複合ワイヤを用いればより効果的である。

本発明の方法においては、複合ワイヤは原則的には何れ
の電極に用いても良いが、複合ワイヤ１本使用の時は第
１電極の先行ワイヤに使用し、２本使用の時は第１電極
２本に使用するように、先行電極から順に複合ワイヤを
用いる形で使用することを推奨する。

（実施例） 本発明を実際の溶接に適用した結果を以下に説明する。

第１図に示す３電極法を使用し、板厚１２．７ａｎｓの
帯１４　（ＳＭ−４１Ｂ材）を用いて外形８００閣φの
スパイラル鋼管の内面溶接に、第１表に示す溶接条件で
サブマージアーク溶接を行った。なおソリッドワイヤは
２％Ｍｎ系の市販材を用い、またフラックスの成分は第
２表に、複合ワイヤの成分は第３表にそれぞれ示す、第
４表にそれらの溶接結果を示す。

本発明例のＡ−Ｃでは、溶接時のアークの状態が安定し
ており、５　ｍ／ｉ＋ｉｎの高速溶接においてもビード
形状が良好で、欠陥の無いビードが得られた。

これに対して比較例りのように、全極ソリッドワイヤを
用いた場合、本発明例のＢと同一フラックスを用いても
と一ド表面にポックマークが多発した。

比較例Ｅは、第１電極の電流値が本発明の上限を超えて
いるためワイヤ送給速度が高速となり、アーク切れ等の
アーク不安定によりアンダーカットが発生し、ビード形
状も不均一となった。

比較例Ｆは、第３電極の電流値が本発明の下限より低い
ためアーク電圧の変動が大きく、良好なビード形状が得
られなかった。

比較例Ｇは、フラックス中のニッケルスラグ置が本発明
の上限を超え、またメルトフラックス量が下限より低い
ためアンダーカットが発生し、ポットマークも多発した
。

比較例Ｈは、フラックス中のニッケルスラグ量が本発明
の下限より低く、またメルトフラックス量が上限を超え
ていたためスラグの粘性が不足し、コーンケープが深く
なるとともにポックマークが多発した。

比較例■は、ワイヤ径が本発明の上限を超えているため
溶接電圧変動が大きく、アンダーカットが発生し、ハン
ピングビードとなった。

比較例Ｊは、大径ワイヤのシングルアークであったため
、溶接線全長に渡りアンダーカットが発生した。

尚、実施例では第１図に示す本発明の３電極の電極配置
について述べたが、４電極、５電極溶接の場合について
も本発明と同様な効果が得られている。

（発明の効果） 以上説明したごとく本発明は、従来多電極サブマージア
ーク溶接法では、入力の増大により従来困難であったス
パイラル鋼管の高速溶接が容易となるとともに、良好な
ビード形状を得ることができ、また本発明法は、低入力
の溶接条件下でも高溶融な溶接が可能であり、鋼構造物
の溶接分野に広く適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施態様を模式化して示した部
分断面側面図、第２図は溶融プール後退距離Ｘｍ’およ
びアンダーカットと溶接速度との関係を示す図面である
。 ｌ・・・細径溶接ワイヤ、２・・・ワイヤ送給機、３・
・・ツインワイヤ用送給ローラ、４・・・電極チップ、
５・・・ツインワイヤのワイヤ間隔、６・・・電極間距
離、７・・・並列アーク、８・・・スラグ、９・・・溶
融プール、ｌＯ・・・溶接金属、１１・・・溶接フラッ
クス、１２・・・母材、Ｗ・・・溶接方向、Ｘｍ’・・
・溶融プール後退距離、ＵＣ・・・アンダーカット発生
率、 代理人　弁理士　　秋　沢　政　光 他１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ニッケルスラグを３０〜８０重量％、メルトフラックス
   を２０〜７０重量％含有する混合型フラックスを用い、
   ワイヤ径ｄが１．０〜１．６ｍｍの溶接ワイヤ２本を同
   一の溶接電源とワイヤ送給機構によって並列アークを発
   生させる１対の電極とし、この電極を溶接進行方向に３
   〜５対それぞれが同一の溶融プール内に於て独立した溶
   接アークを保つよう配置し、かつその使用電流範囲を３
   ００〜１０００Ａとし、さらに溶接ワイヤの１本以上に
   複合ワイヤを用いることを特徴とするスパイラル鋼管の
   高速サブマージアーク溶接方法。