JPH0445270B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は軟鋼、高張力鋼等の片面ガスシールド
アーク溶接法の高能率化・自動化を可能にする方
法に関するものである。 （従来の技術） 各種製造部門の溶接工程では合理化及び高能率
化のために種々の高能率法が採用されている。中
でも、片面溶接の高能率化・自動化は溶接工程の
流れ作業化に欠くことのできない組立工程の一要
素となつており、従来より、サブマージアーク溶
接法やガスシールドアーク溶接法を主体とした高
能率片面自動溶接法が盛んに研究されている。 このうち、サブマージアーク溶接法による片面
自動溶接は、造船、鉄骨等の長尺継手を中心に既
に実用化されており、組立工程と合理化に大きく
寄与している。しかし乍ら、サブマージアーク溶
接法の場合は、 (a) フラツクスの散布、回収機構が必須であり、
大型化する、 (b) フラツクスの管理が煩雑で、自動化機構が複
雑となる、 等の問題点があり、特に狭い箇所、短尺継手等へ
の適用については、未だガスシールドアーク溶接
法による半自動施工が採用されている。 以上のような状況から、簡易な片面自動溶接法
の開発が強く望まれており、最近ではガスシール
ドアーク溶接法を基本とする研究が主流となつて
きている。 （発明が解決しようとする課題） ところで、ガスシールドアーク溶接法を用いた
片面溶接（特に短尺継手）の高能率・自動化を図
るには、以下に示す３条件を満たすことが必要で
ある。 (1) 面内仮付け（一般に施工されている仮付けで
は、のど厚＝５〜６mm、長さ＝100mm程度）を
十分溶融し、健全な裏波ビードが得られるこ
と、 (2) スパツタ発生量が少ないこと、 (3) スラグ発生量が少なく、スラグ除去なしで連
続多層溶接が可能なこと。 しかし乍ら、現在、ガスシールド用溶接材料は
フラツクス入りワイヤ（チタニア系、鉄粉系）と
ソリツドワイヤに大別されるが、いずれのワイヤ
においても、耐高温割れ性の面より、初層溶接時
の使用電流が制限されるため、面内仮付け部分が
溶融できず、グラインダー等による処理が必要と
されている。このことが自動化に際しての最大の
課題となつている。 更に、フラツクス入りワイヤのうちでも、チタ
ニア系フラツクス入りワイヤの場合には、スラグ
量が多いという課題があり、ソリツドワイヤの場
合にはスパツタが多いなどの課題がある。 本発明は、ガスシールドアーク溶接法における
上記従来技術の課題を解決するためになされたも
のであつて、スパツタ及びスラグ発生が少なく、
面内仮付けを十分溶融して均一な裏波ビードが安
定して得られ、自動化が可能な高能率片面ガスシ
ールドアーク溶接法を提供することを目的とする
ものである。 （課題を解決するための手段） 前記目的を達成するため、本発明者らは、ま
ず、片面溶接にて高能率化・自動化を図るうえで
は鉄粉系フラツクス入りワイヤで太径のものを使
用する方法が好ましいことに着眼した。そして、
この方法の場合においては、面内仮付けを十分溶
融して均一な裏波ビードを得るには大きな溶接電
流を必要とするが、その場合の種々の問題点を解
決するべく鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明
をなすに至つたものである。 すわなち、本発明に係る高能率片面ガスシール
ドアーク溶接法は、裏当材を用いた片面ガスシー
ルドアーク溶接法において、要するに、鋼外皮内
に、以下の組成を有するフラツクス 金属粉：90％以上 TotalMn＋TotalSi：15〜30％ TotalMn／TotalSi：3.5〜７％ Ni：２〜12％ を充電し、且つ、フラツクス率が10〜30％である
太径（ワイヤ径：1.6〜3.2mmφ）の鉄粉系フラツ
クス入りワイヤを用い、電流：350〜700A、溶接
速度：10〜30cm／minに設定し、鉄粉を主体とす
る金属粉からなる充電剤の散布量を開先断面積の
20〜80％に制御しつつ溶接し、健全なる裏波ビー
ドを得ることを特徴とするものである。 以下に本発明を更に詳細に説明する。 まず、本発明者らは、ガスシールドアーク溶接
法を用いた片面溶接の高能率化・自動化に際し、
前記必要条件(1)〜(3)のうちの最大の課題である必
要条件(1)について、これを満たし得る解決方向を
求めて予備試験を行つた結果、以下(a)、(b)のよう
な結果を得た。 (a) 片面溶接で高能率化・自動化（高溶着、低ス
ラグ、低スパツタ等）を実用化するうえで最も
好ましいワイヤは鉄粉系フラツクス入りワイヤ
である、 (b) 面内仮付けを十分溶融し、裏波ビードを得る
ためにはかなり大きな溶接電流が必要である。 しかし、従来から汎用されている鉄粉系フラツ
クス入りワイヤを用いて高能率片面自動溶接化を
図ろうとした場合、次の２点の問題が把握され
た。 (1) 大電流で使用すると初層溶接法に高温割れが
発生する、 (2) 面内仮付けの有無及び開先ギヤツプ精度等に
より裏波ビードが不均一となる。 そこで、上記２点の問題を解決するべく、ワイ
ヤ組成、施工条件等について種々検討した結果、 (1) 鉄粉系フラツクス入りワイヤとしてフラツク
ス組成の調整（Mn／Si比、Ni量）を図り、溶
接条件面では溶接速度を管理する、 (2) 充填剤を開先内に散布することにより、アー
クの安定仮を期し、溶融池の先行を防止し、裏
波ビードの安定化を図る、 等が有効であることが判明したのである。 これらの結果を第１図及び第２図に示す。な
お、その溶接条件（初層溶接時）は以下の如くで
ある。 （供試ワイヤ） ワイヤ径：1.6mmφ 外皮金属；軟鋼 断面形状：第３図の形状Ｄ フラツクス：鉄粉系（第１表中のNo.１） （但し、第１図においてはMn、Si、Ni量のみを
種々変化させた。） フラツク率：17％ （供試裏当材） 第５図のａ （溶接条件） 極性：DC ワイヤ 溶接電流：450A 〃電圧：適正（アーク長約１mm） 〃速度：５〜40cm／min シールドガス：100％CO₂（25／min） （割れ、裏波ビードの判定法） 後述の実施例の場合と同一。 （供試鋼板） 材質：SM50A、板厚：25mm 開先形状寸法：第４図にて開先角度θ＝40°、ル
ートギヤツプＧ＝３mm 第１図より明らかなように、(1)初層溶接部の耐
割れ性向上には、鉄粉系フラツクス入りワイヤと
してフラツクス中のMn／Si比を向上させると共
にNi量を増加すべきであり、しかし溶接条件面
で溶接速度の管理が必須であり、(2)更に第２図よ
り、裏波ビードの均一化には、溶接速度の管理の
もとで充填剤の散布が有効であることがわかる。 このような基本的な考え方に基づき、本発明の
構成は以下の如く決定したのである。 まず、フラツクス入りワイヤの限定理由につい
て説明する。 金属粉：90％以上 鉄粉系フラツクス入りワイヤのフラツクスとし
て、鉄粉は主要成分であり、高能率溶接に不可欠
である。しかし、鉄粉を主体とする金属粉が90％
未満では能率性が低下し、更にスラグ発生量が増
え、スラグ除去なしの連続多層溶接が不可能とな
るため、自動化が難しい。よつて、金属粉の量は
90％以上とする。 なお、ここでいう金属粉とは後記するMn、Si、
Ni等も含めたものを指し、これらを合計で90％
以上とするものである。したがつて、金属粉以外
のもの（例えば、アーク安定剤、スラグ形成剤
等）をフラツクス中に含有する場合は、フラツク
ス重量当たり10％未満となる。 TotalMn＋TotalSi：15〜30％ Mn、Siは主として単体或いはフエロマンガン、
フレェロシリコン等の合金の形で脱酸剤として添
加する。しかし、TotalMnとTotalSiの合計量が
15％未満では脱酸不足となり、×線性能（プロー
ホール発生等の防止）が大幅に低下する。また30
％を超えると溶接金属の靭性が低下する。よつ
て、TotalMn＋TotalSiの量は15〜30％の範囲と
する。 なお、こここでいうTotalMn、TotalSiとは
Mn、Siの酸化物等をフラツクス中に含んでいる
場合、当該酸化物等をそれぞれMn、Siに換算し
た値を加えたものを示す。例えば、金属Mnが10
％、MnOが５％を含む場合、TotalMnは10＋
（Mn／MnO）×５＝10＋（54.9／70.9）×５＝13.87
％となる。 TotalMn／TotalSi：3.5〜７％ 上記TotalMnとTotalSiの比の調整は、第１図
に示したように、片面初層溶接部の耐割れ性の向
上に重要である。しかし、その比が3.5％未満で
はそのような効果がなく、７％を超えるとスパツ
タ量が増加し、ヒユーム量も増えるので好ましく
ない。よつて、TotalMn／TotalSi比は3.5〜７
％の範囲とする。 なお、ここでいうTotalMn、TotalSiとは、
Mn、Siの酸化物等をフラツクス中に含んでいる
場合は、当該酸化物等をMn、Siにそれぞれ換算
した値を加えたものを示す。 Ni：２〜12％ Niも、第１図に示したように、片面初層溶接
部の耐割れ性の向上に重要である。しかし、Ni
量が２％未満ではそのような効果がなく、12％を
超えるとアークの安定性が劣化し、スパツタ量が
増加するので好ましくない。よつて、Ni量は２
〜12％の範囲とする。 フラツクス率：10〜30％ フラツクス率が10％未満では溶接作業性（アー
クの安定性、スパツタ）が劣悪となる。一方、３
０％を超えると外皮金属肉厚が薄くなり、送給不
安定となり、またワイヤ製造時（伸線加工）に断
線等の問題が発生する。よつて、フラツクス率は
10〜30％の範囲とする。 ワイヤ径：1.6〜3.2mmφ 本発明では高能率化という主旨から太径のワイ
ヤを主眼とするものである。しかし、1.6mmφ未
満では適正使用電流範囲が低く、面内仮付け部を
溶解できず、更に本発明の目標である高能率化が
達成できない。また、極端に電流を高くするとビ
ード形状が凸となり、次層溶接時に解合不良等の
欠陥となり易く、またヒユームも増大する。一
方、3.2mmφを超えるとワイヤの剛性が高くなり
すぎるため、送給性及び取扱い性が劣悪となり、
実用的でなくなる。よつて、ワイヤ径は1.6〜3.2
mmφの範囲とする。 次に、溶接条件の限定理由について説明する。 溶接電流：350〜700A 面内仮付けを十分溶融し、均一な裏波ビードを
得るには大電流を必要とする。しかし、溶接電流
が350A未満ではアークの吹き付け力が不足する
ので、面内仮付け部分において裏波ビードが出な
い。一方、700Aを超えるとアークの吹き付け力
が強くなりすぎて、裏ビードが出すぎ、またスパ
ツタ、ヒユームも増大する。よつて、溶接電流は
350〜700Aの範囲とする。 溶接速度：10〜30cm／min 高能率溶接としては溶接速度が大きいほど望ま
しいが、溶接速度は裏波ビードの均一化、耐割れ
性の向上のために適切に管理することが必要であ
る。溶接速度が10cm／min未満では溶融池が先行
し、裏波ビードが出にくい（第２図参照）。一方、
30cm／minを超えると耐割れ性が劣化する（第１
図参照）。よつて、溶接速度は10〜30cm／minの
範囲とする。 充填剤の散布量：開先断面積の20〜80％ 均一な裏波ビードを安定して得るには開先内に
充填剤を散布することが必要である（第２図参
照）。しかし、20％未満では溶融池が先行し易く、
裏波ビードが不均一となる。一方、80％を超える
と充填剤が極端に多くなりすぎ、それがアーク力
を低下させるため、裏波ビードが出にくくなる。
また未溶融の充填剤が残存し、解合不良等の欠陥
が発生し易い。よつて、開先内に散布する充填剤
の量は、開先断面積の20〜80％の範囲とする。 なお、ここで云う充填剤とは、鉄粉を主体とし
た金属粉を指しており、一部Mn、Si、Ni等の合
金元素を添加してもよい。 また、開先断面積とは、初層溶接金属部の断面
積を指しており、第６図にて説明すると、充填剤
の散布量（％）＝｛Ｂ／Ａ｝×100となる。但し、
Ａ：初層溶接金属部の断面積（充填剤は含まな
い）、Ｂ：充填剤散布断面積である。Ａは、開先
角度θを考慮し、溶接条件（電流、速度）及び使
用するワイヤの溶着速度から容易に計算できる。 裏当材 本発明においては、裏当材の使用を必須とする
が、裏当材の構成（構造、材料等）は特に制限さ
れない。裏当材としては、例えば、ガラステー
プ、固形フラツクス等により構成されるものを挙
げることができ、第５図に示すような種々の形状
のものを使用できる。第５図中、ａはダンボール
パツト３の上に耐火材４及び固定フラツクス５を
順次重ね、この固形フラツクス上に溝６を設ける
と共にガラステープ７で覆い、更に溝６の両側に
両面接着テープ８を貼り付け、被包フイルム９に
て覆つた構成の裏当材である。ｂはアルミ箔１０
の上に、その中央部に耐火材１１及びガラス繊維
テープ１２を重ね、両側に接着剤１３を介して剥
離紙１４を設けた構成の裏当材である。また、ｃ
はメタルケース１５の中に耐火フラツクス１６及
び裏波形成用フラツクス１７を順次充填した構成
の裏当材である。 以上、本発明におけるフラツクス入りワイヤ、
溶接条件について説明したが、本発明の構成はあ
くまでも片面初層溶接に関するものであり、した
がつて、２層目以降は溶接条件を任意に選定して
差し支えない。 また、本発明で使用される太径フラツクス入り
ワイヤの断面形状は、何ら制限がなく、例えば、
第３図Ａ〜Ｄに示すような継目あり、継目なしの
種々の断面形状のものが使用でき、防錆或いは通
電性改善のためにCu、Ａ、Ni等のメツキ処理
を施したものであつても、勿論かまわない。 そして、シールドガスの種類としては炭酸ガス
が主体であるが、Ar、He等でもよく、それらの
混合物でも適用できる。 また、適用鋼種は軟鋼、高張力鋼であるが、用
途により低合金鋼、高合金鋼などに拡大しても差
し支えない。 次に本発明の実施例を示す。 （実施例） 第１表及び第２表に示す成分組成の充填用フラ
ツクスを作成し、同表に示すフラツクス率にて軟
鋼に外皮金属に充填し、第３図Ａの断面形状を有
し、ワイヤ径（mm）がそれぞれ1.4φ、1.6φ、
3.2φ、4.0φの供試ワイヤを作成した。 得られた各ワイヤを使用し、以下の条件で片面
ガスシールドアーク溶接を行い、裏波ビードの良
否、初層溶接部の割れの有無等を調査した。それ
らの結果を第３表に示す。 （供試鋼板） SM50A（25t×600mm） 開先形状は、第４図に示す開先角度θとルー
トギヤツプＧがそれぞれθ＝40゜、Ｇ＝３mmの
場合ａと、θ＝50゜、Ｇ＝０mmの場合ｂの２通
りとし、試験板１８は、第４図に示す形状寸法
（mm）で、拘束板１９にて拘束した。２０は面
内仮付け部（６mm×100mm）である （供試裏当材） 第５図ａ，ｂ，ｃの３種類を使用。 （供試充填剤） Fe粉：98％、Mn：２％の組成の金属粉を使用
し、散布量を変化させた。 （溶接条件） 極性：DCワイヤ 溶接法：下向自動溶接 溶接電圧：適正（アーク長約１mm） シールドガス：CO₂（25／min） トーチ角度：後退角10゜ 初層溶接条件：第１表及び第２表に示す溶接電
流、溶接速度

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 第３表より、以下のことが考察される。 (1) 実験No.１〜No.15は本発明の要件を満足する実
施例であり、面内仮付け部においても健全なる
裏ビードが得られ、且つスパツタ発生量、スラ
グ発生量も極めて少なくなつている。 (2) 実験No.16、No.30はワイヤ径が本発明の範囲外
にある比較例である。ワイヤ径が細すぎるとビ
ードが凸となり、次層溶接で欠陥が生じ易く、
且つ、スパツタ、ヒユームが増える。一方、太
すぎると、本発明の目的は達成し得るものの、
過大なワイヤ径のために鋼性が強くなりすぎて
取扱いが困難となるばかりでなく、送給性も不
安定となり、実用的でない。 (3) 実験No.17、No.18は溶接電流が本発明の範囲外
にある比較例である。溶接電流が低すぎると面
内仮付け部において裏ビードが出ない。一方、
高すぎると、アーク吹き付け力が過大となり、
裏ビードが出すぎる。更にスパツタ、ヒユーム
も増大する。 (4) 実験No.19、No.20は溶接速度が本発明の範囲外
にある比較例である。溶接速度が遅すぎると溶
融池が先行し、裏ビードが出にくくなる。一
方、速すぎると割れが発生する。 (5) 実験No.21はフラツクス中の金属粉が本発明の
範囲外にある比較例である。スラグ発生量が多
く、スラグ除去なしの連続多層溶接が不可能で
ある。 (6) 実験No.22、No.23はフラツクス中の（Mn＋Si）
％が本発明の範囲外にある比較例である。少な
すぎると脱酸不足となり、Ｘ線性能が低下（ブ
ローホールの発生）し、且つスパツタ量も増大
する。一方、多すぎると溶接金属の靱性が低下
し問題がある。 (7) 実験No.24、No.25はフラツクス中の（Mn／Si）
比が本発明の範囲外にある比較例である。小さ
すぎると割れが発生する。一方、大きすぎると
スパツタ、ヒユーム等が増大し、作業性が悪化
する。 (8) 実験No.26、No.27は充填剤の散布量が本発明の
範囲外にある比較例である。少なすぎると溶融
池が先行し易く、裏ビードが不均一となる。一
方、多すぎると裏ビードが出にくくなり、且つ
融合不良等の欠陥が発生し易くなる。 (9) 実験No.28、No.29はフラツクス中のNiの量が
本発明の範囲外にある比較例である。Ni量が
少なすぎると割れが発生する。一方、多すぎる
とアークが不安定となり、スパツタが増大す
る。 (10) 実験No.31、No.32はフラツクス率が本発明の範
囲外にある比較例である。フラツクス率が低す
ぎるとスパツタが増大し、溶接作業性が悪化す
る。一方、高すぎると送給が不安定となる。ま
たワイヤ製造時に断線等の問題が生じる。 （発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、ガスシ
ールドアーク溶接による高能率片面自動溶接の課
題である面内仮付け部の十分な溶融、スパツタ、
ヒユーム量の減少等を解決でき、健全で均一な裏
波ビードが安定して得られ、スラグ除去なしで自
動化が可能となる。また溶接継手性能の点でも問
題がない。

【図面の簡単な説明】

第１図はフラツクス組成（TotalMn／TotalSi
比、Ni量）及び溶接速度と耐割れ性の関係を示
す図であり、第２図は充填剤の散布量及び溶接速
度と裏波ビードの関係を示す図であり、第３図Ａ
〜Ｄはフラツクス入りワイヤの横断面図であり、
第４図Ａ，Ｂは試験板の形状並びに拘束状態を示
す図であつて、Ａは平面図、Ｂは横断面図であ
り、第５図ａ〜ｃは裏当材の構成を示す一部切欠
き部を有する斜視図であり、第６図は開先断面積
と初層溶接金属部の断面積を説明する図である。 １……充填フラツクス、２……外皮金属、３…
…ダンボールパツト、４……耐火材、５……固形
フラツクス、６……溝、７……ガラステープ、８
……両面接着テープ、９……被包フイルム、１０
……アルミ箔、１１……耐火材、１２……ガラス
繊維テープ、１３……接着剤、１４……剥離紙、
１５……メタルケース、１６……耐火フラツク
ス、１７……裏波形成用フラツクス、１８……試
験板、１９……拘束板、２０……面内仮付け部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 裏当材を用いた片面ガスシールドアーク溶接
   法において、鋼外皮内に下記組成（wt％）のフ
   ラツクスを充填し、且つ、フラツクス率が10〜30
   ％である太径（ワイヤ径1.6〜3.2mmφ）のフラツ
   クス入りワイヤを用い、溶接電流：350〜700A、
   溶接速度：10〜30cm／minに設定し、鉄粉を主体
   とした金属粉からなる充填剤の散布量を開先断面
   積の20〜80％に制御しつつ溶接することを特徴と
   する片面ガスシールドアーク溶接法。 記 金属粉：90％以上 TotalMn＋TotalSi：15〜30％ TotalMn／TotalSi：3.5〜７％ Ni：２〜12％