JPH04361876A - 高疲労強度ガスシールドアーク溶接方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接部の疲労強度を改
善する高疲労強度ガスシールドアーク溶接方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】シールドガスを使用する溶接用複合ワイ
ヤは、溶接能率が良好であることから造船、橋梁あるい
は鉄塔などの各種構造物などの高張力鋼に適用されてい
る。その中でも、特にＣＯ２　ガスをシールドガスとす
る溶接用複合ワイヤ（以下複合ワイヤという）の使用が
大半を占めている。

【０００３】しかし、近年、主に疲労強度に対する配慮
から、ビード形状に対する要求が非常に厳しくなってき
ている。ところが、ＣＯ２　ガスをシールドガスとする
複合ワイヤは、水平すみ肉ビード止端部の形状が凸型に
なりやすい。また、ＣＯ２　ガスシールド複合ワイヤは
スパッタが多いため、ビード止端部にスパッタが噛み込
んだりすることがある。この様なビード止端部ではビー
ド止端部への応力集中が大きくなり、繰り返し荷重に対
する疲労強度を低下させる原因となっている。即ち、図
１は鋼板１と水平すみ肉ビード２の断面とビード止端部
における曲率半径ρと接触角θを拡大して示した図であ
って、曲率半径ρと接触角θが小さい程ビード止端部に
一種の切欠効果を生じ、ここに応力集中が起こるため、
疲労強度が低下するのである。

【０００４】この水平すみ肉ビード止端部の曲率半径ρ
と接触角θを大きくする対策として、■機械的に手直し
する方法、■施工法、■溶接材料の選定等が実施または
検討されている。しかし、上記■〜■には次の様な問題
がある。

【０００５】■機械的に手直しする方法：この方法は溶
接後に溶接ビードの止端部をグラインダー研削したり、
ドレッシングビードを異なる溶接材料で置いたり、また
ＴＩＧで再溶融させたりする方法であるが、かなりのコ
スト高となるという問題がある。

【０００６】■施工法：この方法は鋼板の開先形状を変
えたり、自動ウィービング溶接を行う方法であるが、す
み肉巻き溶接の様な施工場所への適用は難しいという問
題がある。

【０００７】■溶接材料：複合ワイヤとしては、特開平
２−９９２９７号公報でスラグ形成剤のうちＺｒＯ２　
及びＳｉＯ２　についてＴｉＯ２　に対する配合比や、
全酸化物量、ワイヤ中の水素量を規定する等の構成で水
平すみ肉のビード形状を改善する方法が提案されている
が、ビード止端部の曲率半径ρと接触角θについてはま
だ十分に検討されていない。

【０００８】この様に、あらゆる方向からビード止端部
の形状を改善する対策が試みられているが、根本的対策
がないのが現状であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、水平すみ肉
ビード止端部の曲率半径ρと接触角θを大きくし、疲労
強度に対して優れた高疲労強度ガスシールドアーク溶接
方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、フラッ
クス成分として、ワイヤ重量比でＴｉＯ２　：３．５〜
７．０％、Ｆ：０．０１〜０．２０％、Ｓ：０．００５
〜０．０３％、且つ、ワイヤ中の全水素量：８０ｐｐｍ
以下、フラックス充填率：８〜２０％の溶接用複合ワイ
ヤを使用し、ＣＯ２　ガスを５〜２０体積％含有するＡ
ｒ＋ＣＯ２　混合ガスでシールドして溶接することを特
徴とする高疲労強度ガスシールドアーク溶接方法である
。

【００１１】

【作用】以下、本発明に至った過程と構成について述べ
る。

【００１２】まず、ＣＯ２　ガスをシールドガスとした
複合ワイヤのビード止端部の曲率半径ρ、接触角θと疲
労強度の関係を知るために、厚さ１２ｍｍのＨＴ６０鋼
を用いて、リブ十字継手試験をＪＩＳ　　ＹＦＷ２４で
規定される１．２ｍｍ径の複合ワイヤを用いて水平すみ
肉姿勢で行った。また、曲率半径ρ、接触角θと疲労強
度との関係をより明確にするため、溶接後のビード止端
部をグラインダーにて研削し、後処理を施した。溶接条
件は、電流：２７０Ａ、電圧：３０Ｖ、溶接速度：４０
ｃｐｍ（自動）、シールドガス：ＣＯ２　２５ｌ／ｍｉ
ｎ、ワイヤ突き出し長さ：２５ｍｍとした。

【００１３】疲労試験は、試験片を幅５０ｍｍで切り出
し、５０ｔｏｎｆのアムスラー型疲労試験機を使用し、
軸力で最小応力１ｋｇｆ／ｍｍ２　、繰り返し速度６０
０ｃｐｍで行った。なお、曲率半径ρ及び接触角θは、
図１に示す様にすみ肉ビード止端部の断面について測定
する。即ち、ビード止端部を２０倍に拡大し、拡大図に
おいてビード止端部Ａよりビード側へ１０ｍｍ離れたＢ
点を求め、Ａ〜Ｂ内でＡ点を含む最適の曲率半径ρを求
め、つぎにＢ点近傍における接線を引き、鋼板となす角
、即ち接触角θを求める。この様にして得られた結果を
図２〜４に示す。図２はビード止端部の曲率半径ρと接
触角θの関係を示した図であり、曲率半径ρの増加に対
して接触角θも増加することが分かった。図３は曲率半
径ρと疲労強度との関係を示した図であり、曲率半径ρ
の増加に伴い疲労強度は向上するが、ＣＯ２　溶接のま
までは曲率半径ρは１．０ｍｍ未満であり、疲労強度は
低い。これに対して、後処理を行い曲率半径ρが１．０
ｍｍ以上になると明らかに疲労強度が向上することが分
かった。図４は接触角θと疲労強度との関係を示した図
であり、接触角θの増加に伴い疲労強度は向上している
。接触角θは、ＣＯ２　溶接のままでは１４０度未満で
あり、疲労強度は低い。これに対して、後処理を行い、
接触角θが１４０度を超えると疲労強度の向上が認めら
れた。

【００１４】この様に、曲率半径ρを１．０ｍｍ以上、
接触角θを１４０度以上とすれば疲労強度を大幅に向上
できることが明らかとなった。そこで本発明者等は、目
標値を曲率半径ρ≧１．０ｍｍ、接触角θ≧１４０度に
設定し、これら目標値を満足させるために次の４点、即
ち、■スラグを均一にビード全体に被包させること、■
スラグの粘性を低下させ、スラグをビード止端部まで均
一に被包させること、■溶接金属の表面張力を低下させ
、ビードと鋼板とのぬれ性を高めること、■アークを広
げビードと鋼板のなじみを良好にさせることを考慮し、
検討した。

【００１５】その結果、スラグを均一にビード全体に被
包させるためには、スラグ形成剤の基本成分であるＴｉ
Ｏ２　を３．５〜７．０％添加する必要があることが分
かった。３．５％未満ではスラグの被包性が不十分であ
り、ビード止端部までスラグが被包しないため曲率半径
ρ、接触角θが小さくなる。一方、７．０％を超えて添
加するとスラグ量が過剰となり、スラグ巻き込み発生の
原因となる。

【００１６】次に、スラグの粘性を低下させ、スラグを
ビード止端部まで均一に被包させるためにＦを０．０１
〜０．２０％添加する。０．０１％未満ではスラグの粘
性低下に効果がなく、ビード止端部までスラグが被包し
ないため曲率半径ρ、接触角θが小さい。一方、０．２
０％を超えるとスラグの粘性が極端に低下し、溶接し難
く、ビードが揃いにくくなり、カットが発生しやすい。 尚、Ｆ源としてはＬｉＦ、ＮａＦ、Ｋ２　ＳｉＦ６　、
ＭｇＦ２　、ＣａＦ２　などのフッ化物が挙げられ、こ
れらを１種以上添加する。

【００１７】次に、溶接金属の表面張力を低下させ、ビ
ードと鋼板とのぬれ性を高め、ビード止端部の形状を良
好にさせるためにＳを０．００５〜０．０３％添加する
。Ｓは表面張力低下元素であり、微量添加でぬれ性を改
善できる。０．００５％未満ではこれら効果が発揮され
ないため、ビード止端部の曲率半径ρと接触角θが向上
しない。一方、０．０３％を超えて添加すると溶接金属
が先行し、溶接し難く、ビードが揃いにくくなる。 尚、Ｓは充填フラックスまたは外皮鋼中に添加する。

【００１８】更に、アークを広げ、ビードと鋼板のなじ
みを良好にするためには、シールドガスにＡｒ＋ＣＯ２
　混合ガスを使用する。ＣＯ２　ガスはアーク柱の冷却
作用が強く、アークが広がらず、ビードと鋼板のなじみ
が悪い。これに対して、Ａｒ＋ＣＯ２　混合ガスは、ア
ークがＣＯ２　ガスに比べ広がるためビード止端部のな
じみ性が良好となり、曲率半径ρと接触角θが大きくな
る。しかし、ＣＯ２　ガス濃度が５体積％未満ではアー
クの吹き付け力が弱いため、ビードのなじみが悪くなる
。また、溶融プールの攪拌作用に乏しく、スラグの浮上
分離が悪くなり、スラグ巻き込みが発生しやすい。一方
、ＣＯ２　ガス濃度が２０体積％を超えるとＣＯ２ガス
のアーク冷却作用が強まり、アークの広がりがなくなり
、ビード止端部のなじみ改善効果がない。従って、ＣＯ
２　ガス濃度が５〜２０体積％のＡｒ＋ＣＯ２　混合ガ
スをシールドガスとして使用する。

【００１９】しかし、上記Ａｒ＋ＣＯ２　混合ガスをシ
ールドガスに使用しても、複合ワイヤの全水素量が８０
ｐｐｍを超えると、ビード止端部のなじみが劣化する。 この理由は、水素はアーク雰囲気中においてアークの冷
却作用が大きく、アークの断面が収縮するいわゆる熱的
ピンチ効果をもたらし、アークが集中する結果、アーク
が広がらないためであると考えられる。従って、複合ワ
イヤの全水素量は８０ｐｐｍ以下にしなければならない
。 尚、複合ワイヤの全水素量とは、充填フラックス、鋼外
皮及びワイヤ表面付着物に含有される水素の総量であり
、その測定は不活性ガス雰囲気中で２０００℃以上に加
熱して抽出して行う。

【００２０】複合ワイヤ中のＴｉＯ２　量、Ｆ量、Ｓ量
、全水素量を限定したが、更にフラックス充填率もビー
ド止端部の形状を良好にするために限定する。すなわち
、フラックス充填率は８〜２０％とする。８％未満では
生成スラグの絶対量が不足するため、スラグの被包性が
低下するとともに、ビードが不揃いになり、ビード止端
部の曲率半径ρと接触角θが小さい。また、２０％を超
えると生成スラグが過大となり、スラグ巻き込み等の溶
接欠陥が発生しやすくなる。

【００２１】図５に本発明の要件を満たす１．２ｍｍ径
の複合ワイヤを、ＣＯ２　ガスとＡｒ＋１０％ＣＯ２　
混合ガスの２種類と厚さ１２ｍｍのＨＴ６０鋼を用いて
水平すみ肉溶接を行い、ビード止端部の曲率半径ρと接
触角θを測定した結果を示す。また、比較にＪＩＳ　　
ＹＦＷ２４　　１．２φの複合ワイヤをＣＯ２　ガスで
溶接した結果も図中に示す。溶接条件は、電流：２７０
Ａ、アーク電圧：２８〜３０Ｖ、速度：４０ｃｐｍ（自
動）、シールドガス：Ａｒ＋１０％ＣＯ２　：２５ｌ／
ｍｉｎ、ＣＯ２　：２５ｌ／ｍｉｎ、ワイヤ突き出し長
さ：２５ｍｍである。

【００２２】図５で、＋記号は本発明の溶接法で溶接し
た結果、□記号は本発明の要件を満たす複合ワイヤをＣ
Ｏ２　ガスでシールドして溶接した結果、◇記号はＪＩ
Ｓ　　ＹＦＷ２４で示される複合ワイヤをＣＯ２　ガス
でシールドして溶接した結果である。

【００２３】図５より、曲率半径ρ≧１．０ｍｍ、接触
角θ≧１４０度を満足するのは、本発明の要件を全て満
たす＋記号のものであることが分かる。また、本発明の
要件の一部である複合ワイヤのみを満たす□記号のもの
は、部分的に目標範囲を満足する。しかし、疲労による
切欠発生点は曲率半径ρと接触角θの小さい部分から発
生するから、測定点において目標値からはずれる値があ
る場合は、疲労強度に対して十分ではないと考えられる
。尚、ＪＩＳ　　ＹＦＷ２４の複合ワイヤは、曲率半径
ρ、接触角θとも目標範囲外であった。

【００２４】以上の様に、本発明の溶接法によれば、曲
率半径ρと接触角θを各々１．０ｍｍ以上、１４０度以
上にすることができる。

【００２５】

【実施例】表１に示す複合ワイヤとシールドガスを用い
てリブ十字継手試験を水平すみ肉姿勢で行った。試験鋼
板はＨＴ６０、厚さ１２ｍｍとした。溶接条件は、溶接
電流２７０Ａ、電圧２８〜３０Ｖ、溶接速度４０ｃｍ／
ｍｉｎ、ワイヤ突き出し長さ２０ｍｍとした。曲率半径
ρと接触角θは、溶接ビード５００ｍｍの中から等間隔
で１０ヶ所測定し、その平均値を求めた。尚、表２には
曲率半径ρと接触角θの最小値〜最大値、平均値と疲労
強度、ビード形状及びスラグ巻き込み有無の調査結果を
示した。疲労試験は、溶接ビードを幅５０ｍｍで切出し
、５０ｔｏｎｆのアムスラー型疲労試験機を使用し、軸
力で最小応力１ｋｇｆ／ｍｍ２　、繰り返し速度６００
ｃｐｍで行った。

【００２６】表１、２において、実験Ｎｏ．１〜９は本
発明例、実験Ｎｏ．１０〜１７は比較例である。

【００２７】実験Ｎｏ．１〜９は本発明の要件を全て満
足するため、ρ≧１．０ｍｍ、θ≧１４０度の目標値を
測定点１０点全てで満たし、疲労強度も良好な結果を示
した。

【００２８】これに対し、実験Ｎｏ．１０は複合ワイヤ
中にＦを入れない比較例であり、曲率半径ρ、接触角θ
とも測定点において目標値を下回る値となった結果、疲
労強度は低い値となった。

【００２９】実験Ｎｏ．１１は複合ワイヤ中のＦ量が多
い比較例で、溶接ビードにカットが発生し、曲率半径ρ
、接触角θとも目標値を下回る値となり、疲労強度も低
くなった。

【００３０】実験Ｎｏ．１２は複合ワイヤ中のＳ量が少
ない比較例で、ビード止端部の形状が悪く、疲労強度が
低くなった。

【００３１】実験Ｎｏ．１３は複合ワイヤ中のＳ量が多
い比較例で、溶接ビードが不揃いでカットが発生し、曲
率半径ρ、接触角θとも目標値を下回る値となり、疲労
強度も低くなった。

【００３２】実験Ｎｏ．１４は複合ワイヤ中の全水素量
が多い比較例であり、アークが広がらず、ビード止端部
の曲率半径ρ、接触角θとも小さくなり、疲労強度も低
くなった。

【００３３】実験Ｎｏ．１５はＣＯ２　ガス濃度が低い
比較例で、アークが弱くビードと鋼板のなじみが悪いた
め曲率半径ρ、接触角θとも小さく、疲労強度が低くな
った。

【００３４】実験Ｎｏ．１６はＣＯ２　ガス濃度が高い
比較例で、ＣＯ２　ガス成分の影響によりアークが強く
なり、広がらないため、ビードと鋼板のなじみが劣った
。 従って、曲率半径ρ、接触角θとも小さく、疲労強度が
低くなった。

【００３５】実験Ｎｏ．１７はＣＯ２　ガスをシールド
ガスに使用した比較例で、アークが冷却されるため広が
らず、ビードと鋼板のなじみが劣化した。その結果、ビ
ード止端部の曲率半径ρと接触角θが小さくなり、疲労
強度が低くなった。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】以上の様に、本発明の溶接法によれば水
平すみ肉ビード止端部の曲率半径ρ、接触角θが拡大し
、疲労強度の良好な溶接ビードを得ることができるため
、造船、橋梁、鉄塔などの各種構造物に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼板と水平すみ肉ビードの断面と、ビード止端
部での曲率半径ρと接触角θを拡大して示す図である。

【図２】曲率半径ρと接触角θとの関係を示す図である
。

【図３】曲率半径ρと疲労強度との関係を示す図である
。

【図４】接触角θと疲労強度との関係を示す図である。

【図５】曲率半径ρと接触角θの目標範囲と本発明の効
果を比較して示す図である。

【符号の説明】

１　　鋼板 ２　　水平すみ肉ビード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　フラックス成分として、ワイヤ重量比
   でＴｉＯ２　：３．５〜７．０％、Ｆ：０．０１〜０．
   ２０％、Ｓ：０．００５〜０．０３％、且つ、ワイヤ中
   の全水素量：８０ｐｐｍ以下、フラックス充填率：８〜
   ２０％の溶接用複合ワイヤを使用し、ＣＯ２　ガスを５
   〜２０体積％含有するＡｒ＋ＣＯ２　混合ガスでシール
   ドして溶接することを特徴とする高疲労強度ガスシール
   ドアーク溶接方法。