JPH0481280A - 高電流密度溶接方法 - 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、ガスシールドアーク溶接方法に係るものであ
り、さらに詳しくは、高電流密度溶接において高溶着で
、溶接作業性に優れ、かつ良好な溶込み形状が得られる
高能率・高品質な溶接方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年各種溶接構造物の建造において、ガスシールドアー
ク溶接法が溶接能率の向上が図れることから各分野で急
速にその適用が増大している。中でも鉄骨、橋梁、造船
分野における厚板溶接の高溶着・高能率化、下向大脚長
溶接及び溶接施工を含めたトータルコスト低減が現在の
最大の課題となっている。

高能率化の手段として電流密度を高めてワイヤの溶融速
度を増加させることが−・数的に採られている。しかし
、高電流密度溶接では、スパッタの多発、耐気孔性、耐
割れ性、融合不良等多くの問題が生ずる。

まず、細径ソリッドワイヤを炭酸ガスで溶接するカスシ
ールドアーク溶接で、溶接電流が２５０Ａ程度（電流密
度としては約１８０Ａ／ｍｍ２）のいわゆる短絡移行領
域では、ワイヤ径より小さい粒の溶滴移行でスパッタ粒
も小さく安定したショートアーク溶接が出来る。順次溶
接電流を上げ２００〜４０〇八（電流密度としては約１
８０〜約３５０八／ｍｍ２）ではアークは短絡せず、ワ
イヤ径より若干大きい粒の溶滴が母材に移行し、スパッ
タ粒も大きく発生量も増加し、溶接作業＋１゛も劣化す
る。さらに溶接電流が４０ＯＡ　（電流密度としては約
３５０八／ｍｍ２）を越える大電流域では、アークは極
端に不安定となり、ワイヤ径以上の大きな粒のスパッタ
が多発し、作業性が非常に悪く、ビード外観及び止端の
不揃えが発生する。そこてシールドカスにＡｒをベース
にＣ０２または０２を含有する混合ガスを使用すると、
スパッタ発生の少ないビード外観の良好な溶接が行える
が、ピンチ力によってビード中央部に１１の狭い過大な
溶込み、いわゆる°゛フィンガー状°′の溶込みを呈す
る。また、積層溶接や突合せ継手溶接では、溶込み巾が
小さいため、しばしば融合不良などの形状欠陥が発生す
るなどの問題があった。

このフィンガー状溶込み形状を円形状の溶込みに改善す
る手段としてシールドガスにＨｅを添加した、例えば特
開昭５９−４５０８４号公報の八ｒ　−Ｈｅ　−ＣＯ２
−０２の４種類混合ガスによる溶接方法が提案されてい
る。しかしこの方法は、溶融状態にあるワイヤ先端が回
転するため微小な溶滴がビード両端に飛散し付着してし
まい、その除去が難しいことと特殊なシールドカスを使
用するためガスコストか高くなることから実用上に課題
を残すものである。

そこで、シールドガスは炭酸ガスでワイヤはフラックス
入りワイヤを用いた高電流密度溶接が例えば特開昭５３
−９１０４１、特開昭５５−６８１８４及び特開昭５６
−１６０８７８〜５６−］１ｉ０８８０号公報で提案さ
れている。しかし、これらの方法はエレクトロガス溶接
方法に関するもので、ワイヤ全断面積に対するフラック
ス＋鉄粉の合計断面積が３０〜３５％と高値に限定され
たもので、このような薄肉のフラックス入りワイヤにす
ることでアーク安定性や溶滴移行性を良くし、高溶融速
度を得ようとするため、ワイヤの突出し長さも通常溶接
で使用している２０〜３０ｍｍを越えた３５〜７０ｍｍ
と非常に長く設定して溶接する方法である。そのためス
パッタ発生も非常に多く、ワイヤ製造上も非常に薄肉の
フラックス入りワイヤであるため、細径への線引が非常
に困難であるという問題が残っている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、このような事情に着目し、高電流密度溶接の
諸問題を解決したもので、高溶着量が得られ、大電流域
でもアークがソフトで溶滴も小さく安定した移行性をボ
し、スパッタも小粒で発生量も少なく、良好なビード外
観並びに円形状溶造みでかつ溶接作業＋＋１：に優れた
高電流密度溶接方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］ 本発明の要旨は、炭酸ガスをシールドガスとし゛Ｃ１鉄
粉を含むフラックスが占める断面積がワイヤ全断面積に
対して５〜３０％未満としたフラックス入りワイヤを用
い、３００　（Ａ／ｍｍ２）以上の高電流密度で溶接す
ることを特徴とする高電流密度ガスシールドアーク溶接
方法である。

［作用］ 本発明；と等は、フラックス入りワイヤによる高電流密
度ガスシールドアーク溶接のビード形成について種々実
験を重ねた結果、次のような知見を得て本発明を完成し
たものである。

■高電流密度３００　（Ａ／ｍｍ２）以−トで溶接を行
った時のビード形状とシールドガス組成の関係は、第１
図に示すように、シールドガスが純Ａｒ（第１図（イ）
　　）、　　Ａｒ　−６０２（Ｉ司（ロ）　　）　　、
　　Ａｒ−０２（同（ハ）　）Ａｒ　　　ＣＯ２０２（
１”Ｉ　（ホ））、　　八ｒ−Ｈｅ−ｃｏ２−０２　（
同（ニ））等各種混合ガスのいずれを用いても溶込み形
状はフィンガー状を呈し、場合によっては、溶接金属に
融合不良を発生するが、第１図（へ）に示すＣ０２ガス
を用いた場合のみ安定した円形状の溶込みが得られる、
。

■炭酸ガスによる溶接においては、アーク状況、溶滴の
移行性、ビード外観、形状及びスパッタ発生の観点から
、フラックス入りワイヤの適用が最も好ましい。

■さらにフラックス入りワイヤの鉄粉を含むフラックス
の占める断面積がワイヤ全断面積に対する割合を限定す
ることにより、高電流において溶滴移行性が安定し、ワ
イヤ突出し長さを長くすることなく高溶着量が得られる
。

本発明は上記知見に基づいて完成したものであり、以下
に本発明の構成理由について詳細に説明する。

シールドガスとしては、炭酸ガスを使用するが、使用す
るワイヤかソリッドワイヤの場合、安定した溶滴移行性
が得られず、スパッタ発生も多く良好なビード外観及び
形状が得られない。そこでフラックス入りワイヤを使用
すれば、若干のアーク安定剤やスラグ剤も含まれている
ため、ビード外観、形状及び安定なアーク状態が得られ
、優れた溶接作業性が得られる。

電流密度については、３１１０（Ａ／ｍｍ２）未満では
所定の効果、特に［［１広の円形状溶造みや高溶着量が
得られず、ひいては溶接能率の向上も図れないため、３
００（Ａ／ｍｍ２）以−ヒと限定した。

なお、電流密度の算出は次式で行う。

電流÷ワイヤの鋼製性皮部断面積＝電流密度ところで、
ソリッドワイヤのワイヤ断面積は単に（πＸ（ワイヤ直
径）２）／４で算出できるが、フラックス入すワイヤの
場合、電流を流す鋼製外皮部と見掛士電流を流さないフ
ラックス部に区別されるため、同一ワイヤ径であっても
、フラックスの充填率及び充填フラックスの比重の大小
によって、電流を流す鋼製外皮の厚さが変わるため、そ
れに基づいて面積も変化する。そのため、フラックス入
すワイヤのワイヤ断面積はソリッドワイヤに比べ実質的
に小さくなり、電流密度も高くなる。そこで本発明の溶
接方法で規定する電流密度算出のためのワイヤ断面積は
、第２図に示す鋼製外皮の断面積を使用する。

高電流密度ガスシールドアーク溶接方法で溶滴移行性の
安定性、良好なビード形状及びワイヤ突出し長さを３５
ｍｍ以トとしても、高溶着量が得られるためにはフラッ
クス入りワイヤの鉄粉を含むフラックスが占める断面積
とワイヤ全断面積の比を限定する必要がある。

すなわち、鉄粉を含むフラックスが占める断面積がワイ
ヤ全断面積の５〜３０％未満に限定する理由は、５％未
満ではフラックス入すワイヤが本来具備すべきワイヤ成
分たとえばフラックスを構成するアーク安定剤、スラグ
生成剤、合金剤、脱酸剤を所定量含有することが出来ず
、ワイヤの溶融速度が遅くなり電流密度も減少し、高溶
着量が得られないだけでなく、アーク状態及びスパッタ
発生はソリッドワイヤを使用した場合に非常に類似した
ものとなる。また、３０％以上では、アーク状態や溶滴
移行性は良くなるものの、高電流密度溶接では、第３図
に示すように、鋼製外皮２が先に急激に溶融し母材に移
行してしまい、未溶融フラックスＬが長くなり、これか
溶融池に突っこみ、スパッタ発生も多くなり、さらには
ワイヤ製造上通常使用されている細径まで線引すること
が困難となる。従って、鉄粉を含むフラックスか占める
断面積とワイヤ全断面積の比率を５〜３０％未満に限定
した。

また、ワイヤの断面形状は特に制限はなく、第２図（ａ
）〜（ｄ）に示したいずれの形状も採用できるか（２は
鋼製外皮、３はフラックスを示す）、アークの安定性、
ワイヤの送給性及び直進性に優れたシームレスタイプ（
第２図（ｄ））が高電流密度溶接には最適である。なお
、本発明の鋼製外皮の材質は特に限定しないが軟鋼材や
合金鋼材が使用できる。

［実施例］ 以下に本発明を実施例により、更に具体的に説明する。

（実施例１） ソリッドワイヤ及び鉄粉を含むフラックスが占める断面
積とワイヤ全断面積の割合を種々変えたフラックス入り
ワイヤを用い、シールドガスにへｒ−Ｈｅ−ＧＯ□−〇
□混合ガス（以下４種混合と略す）、Ａｒ−６０２混合
ガス（以下２種混合と略す）及び炭酸ガス（以ＦＣ０２
と略す）の３種類を使用し、第１表に示す溶接条件でビ
ードオンプレート溶接を行った。なお、シールドガスの
流量は２５４２／ｍｉｎ、使用した鋼板は５Ｍ−５０Ｂ
（板厚２５ｍｍ）で実施した。この溶接結果を第２表に
示す。

ここでアーク安定性は溶接中にアークがシャープで乱れ
ることなく安定した溶滴が移行するものを非常に良好と
し◎、アークが乱れることはないか溶滴が若干大きな形
で移行するものを良好とし○、アークが若干でもバタツ
キ溶滴もその分不規則に移行するものを不良とし×とし
た。

また、溶込み形状は第４図に示すように、最大溶造み深
さ（Ｐ）の１７２位置（Ｐ／２）におけるビード巾（Ｗ
ｌ）が最大ビート巾（Ｗ）の６０％以上を良好と判定し
た。すなわちこの６０％より小さければいわゆるフィン
ガー状溶込みとなり、大きな値になるほど広巾の円形状
溶造みとなる。

ワイヤ番号１４〜１８はソリッドワイヤを用いた場合の
結果であり、中でも番号１４〜】６はワイヤ送給速度が
３Ｑ■／ｍｉｎと速い高電流密度での溶接結果で、番号
１７〜１８は従来から用いられているワイヤ送給速度が
ＩＯｍ／ｍｉｎ程度の溶接結果である。

さて、ワイヤ番号１５〜１６はシールドガスとして２種
又は４種の混合ガスを使用しており、アークの安定性及
びビード形成とも良好であるものの、ガスコストが高く
、スパッタ発生自体少ないものの、ビート両端に微小な
溶滴が付着し、除去が困難である。

ワイヤ番号１４ではアーク状態は劣化し、スパッタの多
発を起こしビード外観も不均一なものとなる。同様にワ
イヤ番号１７においてもアーク状態の劣化、スパッタの
多発とビード外観不良が発生ずるとともに電流密度も本
発明範囲以下と低いため高溶着が得られない。

ワイヤ番号１８はワイヤ番号１５〜１６に比ベワイヤ送
給速度が１７３と遅く電流密度も本発明範囲以下と低く
、溶接電流も３００Ａと低いため、ビード両端に微小な
溶滴が付着することはないものの、高溶着が得られず混
合ガスを使用するためガスコストが高くなる。

次に、ワイヤ番号９〜１３及び１９．２０はフラックス
入りワイヤを用いた場合の結果である。

ワイヤ番号１３はシールドガス組成以外本発明範囲内に
あるが、シールドガスに４種混合ガスを使用すると、ア
ークの安定性、スパッタの発生も少なく溶接作業性は良
好なものの、ビード外観が不均一で両端不揃いとなり、
溶込み形状はフィンガー状を呈し、ガスコストも高くず
べてに問題かある。

ワイヤ番号９は鉄粉を含むフラックスか占める断面積と
ワイヤ全断面積の割合が本発明範囲を超える３２％と薄
肉のフラックス入りワイヤで、なおかつワイヤの突出し
長さが非常に長い５０ｍｍの結果であり、アークの安定
性も悪く、未溶融フラックス社長さも長くスパッタも多
く溶込み形状、ビード外観とも不良となる。

ワイヤ番号１０は鉄粉を含むフラックスが占める断面積
とワイヤ全断面積の割合が本発明範囲以下の２％と非常
に厚内のフラックス入りワイヤで、さらに電流密度も本
発明範囲風ドの場合て、アーク状態はソリッドワイヤの
場合と同じくアークの吹付けが強く不安定て、スパッタ
発生及びビード外観の点でも不良となる。さらにワイヤ
番号ＩＩはワイヤ番′＋１０のフラックス入りワイヤを
本発明範囲内の高電流密度で使用した場合で、ワイヤ番
号１０と同様でアーク状態、スパッタ発生、ビード外観
等の不良に加え、溶込み形状はソリッドワイヤの場合と
同様なフィンガー状溶込み形状に類似し不良となる。

ワイヤ番号１２は、鉄粉を含むフラックスが占める断面
積とワイヤ全断面積の割合が本発明範囲を超える３３％
であるためワイヤ製造上何度となく断線が発生したもの
の良好な部分を用いて溶接した結果、アークの安定性及
び溶込み形状は良好なものの、未溶融フラックス入が長
く溶融池に未溶融フラックス柱が溶込みぎみとなり、ス
パッタ発生も多くビート外観も不良となる。

ワイヤ番号１９はワイヤ番号１１の場合と同様でワイヤ
径が１．４ｍｍと太いものであるか、アークの安定性、
スパッタ発生、ビード外観、溶込み形状ともいずれも不
良となる。

ワイヤ番号２０はワイヤ径１．２ｍｍで鉄粉を含むフラ
ックスの占める断面積とワイヤ全断面積の割合で本発明
範囲内にあるものの、電流密度は本発明範囲以下と低い
ものであるため、ビード形状はやや凸ビートとなり、溶
込みも浅く溶込み形状は不良となる。またこのように電
流密度が本発明範囲以下であると高溶着量が１１すられ
す、多層盛溶接時には、数多くの溶接パスでないと積層
出来なく、そのため溶接時間か長くコストの面でも不利
となる。

これに対し、ワイヤ番号１〜８に示す各種ワイヤ径での
本発明例によれば、アーク安定性、溶滴移行性、アーク
の吹付は及びビート形状が良好でカスコストも安く、い
ずれの項目においても良好で格段に高安定性で高電流密
度ガスシールドアーク溶接ができる。

（実施例２） 第１表のワイヤの内、ワイヤ番号１，６，９゜１１のワ
イヤを用い、第５図に示す鋼板（鋼種５Ｍ−５０Ｂ　、
　　ｔ＝２５ｍｍ、　　Ｄ＝Ｉ００ｍｍ　、　　Ｈ＝１
００ｍｍ　、長さ５００ｍｍ　）を第１表で示す溶接電
流、アーク電圧、チップ母材間距離で溶接速度４５ｃｍ
／ｍｉｎ、下板側からのトーチ角度４５度、溶接方向に
対するトーチ角度０度として大脚長水平すみ肉溶接を実
施した。

なお鋼板表面には無機ジンクプライマーを塗装した鋼板
（膜厚３０μｍ）を使用した。

なお、アークの安定性及び溶込み形状は実施例１と同様
に評価した。その試験結果を第３表に示す。

鉄粉を含むフラックスが占める断面積とワイヤ全断面積
の割合が本発明範囲を超えるワイヤ番号９、同じくこの
割合が本発明範囲未満のワイヤ番号１１のものはアーク
が不安定であるため、下板側でのアンダーカットやビー
ド外観劣化を引き起こしていて到底採用出来ない。一方
、本発明例のワイヤ番号１及び６ではアーク状態、スパ
ッタ発生状況やビード外観、溶込み形状、特に鋼板との
なじみも良好でビットなどの溶接欠陥も発生しない優れ
たワイヤであることが明らかになった。

第　　３　　表 ［発明の効果］ 以−１−説明したように本発明の高電流密度溶接方法に
よれば、安価な炭酸ガスを用いて高溶着量か得られ、ア
ークが安定でソフト・、溶滴も小さくスパッタも小粒で
発生量も少ない溶接作業性に優れた溶接ができ、さらに
良好なビート外観並びに円形状溶造みの溶接部が得られ
る。この溶接方法は高能率化や省力化に大きく寄与する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種シールドガス組成によるビード形状を示す
模式図、第２図はフラックス入りワイヤの断面図、第３
図はワイヤ溶融状況を示す模式図、第４図は溶込み形状
を示す図、第５図は試験片断面図である。 １・・・融合不良部、２・・・鋼製外皮、３・・・フラ
・ンクス、４・・・溶滴、５・・・アーク、６・・・ト
ーチ、７・・・鋼板表面、８・・・ワイヤ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、炭酸ガスをシールドガスとして、鉄粉を含むフラッ
   クスが占める断面積がワイヤ全断面積に対して５〜３０
   ％未満としたフラックス入りワイヤを用い、３００（Ａ
   ／ｍｍ＾２）以上の高電流密度で溶接することを特徴と
   する高電流密度ガスシールドアーク溶接方法。