JPH07323380A

JPH07323380A - 鋼材の溶接方法

Info

Publication number: JPH07323380A
Application number: JP12141894A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Horii; 行彦堀井; Kunio Koyama; 邦夫小山; Tadashi Kasuya; 正糟谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-02
Filing date: 1994-06-02
Publication date: 1995-12-12

Abstract

(57)【要約】【目的】スラブ等極厚材の溶接、また高強度で、厚板
のボックス柱のダイヤフラムの取付け溶接の品質向上を
図る鋼材の溶接方法を提供する。【構成】板厚が３３mm以上の鋼材の溶接で、２つの鋼
材間に、仕切板を設け、複数の空間を形成し、それぞれ
を非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接する溶接方法
で、極厚スラブ溶接方法、また引張強度５７０MPa 以上
の鋼材を使用したボックス柱のダイヤフラムの取付け溶
接に適用したボックス柱の溶接方法。【効果】極厚鋼材の非消耗ノズル式エレクトロスラグ
溶接を可能にすると共に、引張強度が５７０MPa 以上の
高強度鋼の溶接で問題となる溶接部の靭性向上、また残
留応力の低減等で割れ防止を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極厚鋼材の製造のための
溶接方法あるいは建築等に使用される鉄柱の溶接方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、建築等の構造物は大型化して、こ
れに使用される鉄柱も板厚が１００mmを超えたもの、ま
たその強度も５７０MPa クラスから７８０MPa クラスの
ものの使用も開始されようとしている。一方近年の鋼材
の製造は転炉あるいは電気炉等で鋼を溶解し、これを連
続鋳造したスラブを圧延する工程で製造される。しか
し、連続鋳造で製造できるスラブの厚さは現実には２５
０mm程度までである。１００mmを超え、かつ高品質の鋼
材の製造には５００mmを超えるようなスラブ厚さが要求
されるものも少量であるがある。この鋼材のため、旧時
代の造塊と呼ばれる工程が残されている。この工程は生
産性が低いと共に稼働率が低く、現在の製鉄業界で大き
な負担になっている。

【０００３】連続鋳造で製造した、例えば図１に示すよ
うに通常スラブと呼ばれる鋼材１，１ａを、重ね合わせ
接合する等で大型スラブが製造できれば造塊工程は必要
なく、大きな経済効果が期待できる。この接合方法にエ
レクトロスラグ溶接（以下ＣＥＳと記す）の適用が考え
られる。しかし、この場合溶接幅は１０００mmを超える
ような長さになるが、１００mmを超えるような溶接幅の
ＣＥＳ溶接は片方の端を溶接している間に他方は凝固す
る等のため、安定して溶接できない。

【０００４】また建築に使用される鉄柱、例えば図２に
示すような角柱は通常ボックス柱と呼ばれ、４枚の鋼材
５，５ａ，５ｂ，５ｃをそれぞれ溶接７して角柱にす
る。このとき、梁８取付け部の内側にダイヤフラム６が
取付けられる。このダイヤフラム取付け溶接はＣＥＳが
使用されている。これは、ボックス柱を製造するとき、
角柱に加工してからのダイヤフラム６の取付け溶接は困
難なため、角柱にする前にダイヤフラム６を取付ける。
まず鋼材５，５ｂの２枚を向き合わせて、間にダイヤフ
ラム６を取付け、その後残り２枚の板５ａ，５ｃを取付
ける。あるいは鋼材５，５ｂ，５ｃの３枚で溝形を作
り、これにダイヤフラム６を取付け、その後、残り１枚
を取付ける。このため、少なくともダイヤフラム６の１
辺は角柱に加工してから溶接することになる。これの溶
接にＣＥＳが使用される。

【０００５】しかし、ＣＥＳは大入熱溶接のため高能率
であるが、溶接部の材質が特開平５−２７７７２５号公
報に示されているように問題となる場合がある。特に高
強度鋼あるいは板厚が厚い場合に問題となる。そこで、
ＣＥＳの材質改善方法として、特開平５−２７７７２５
号公報に、一部を炭酸ガス溶接して残りをＣＥＳする溶
接方法、さらに、このとき水やガスを吹付けて冷却する
ことがよいと提案されている。さらに特開平５−２７７
７２６号公報に梁フランジの端面と柱との間に、端面幅
方向の略中央位置に沿い断面長方形の連結板を挟み込
み、この連結板を介して柱とフランジを溶接、仮付け
し、柱とフランジとの間の外側面に水冷銅板を添え付け
て、空間を形成し、この空間をＣＥＳする方法が提案さ
れている。

【０００６】すなわち、これらの提案は溶接方法の組合
わせ、あるいは１つの溶接部を２回に分けて溶接して、
入熱を小さくする溶接方法であり、溶接部の品質は向上
する。前述した大型スラブ製造の溶接もこのように１つ
の溶接部を複数に分けて溶接すればＣＥＳが適用できる
可能性がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの提案
は大型スラブ製造の溶接やボックス柱のダイヤフラムの
溶接には適用できない。なぜなら、特開平５−２７７７
２６号公報の提案のＣＥＳは水冷銅板を使用する溶接方
法で、その概要を図３に示す。図３（Ａ）は比較的溶接
長さの長い場合の溶接方法で、移動式水冷銅板９ａで溶
鋼を保持し、溶接の進行と共に、ノズル１２（溶接ワイ
ヤ送給ガイド兼給電極）、銅板９ａが移動して溶接する
方法である。また図３（Ｂ）は比較的溶接長さが短い場
合に使用するもので、固定銅板９ｂと消耗ノズル１６を
使用して溶接する方法である。しかし、銅板９を使用す
る溶接は図１に示したような複数に分割した溶接での適
用は困難であり、また図２に示したボックス柱のダイヤ
フラムの取付け溶接のような閉じられたところでの使用
も困難である。

【０００８】また、特開平５−２７７７２５号公報の提
案も図２に示したボックス柱のダイヤフラムの溶接のよ
うな閉じられた角柱内では炭酸ガス溶接が困難で、また
その周辺部の水冷等も困難で適用できない。そこで、本
発明は大型スラブの製造のための溶接や、ダイヤフラム
の溶接のような閉じられた部分のＣＥＳにおいて、高強
度鋼あるいは板厚が厚い鋼材の優れた溶接方法を提供す
るものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる溶接方法
は、それぞれの板厚が３３mm以上の２つの鋼材１，１ａ
の溶接において、２つの鋼材１，１ａを１３〜３０mm離
して向き合わせ、その両側を挟むように２枚の当板２，
２ａを取付け、また少なくとも１枚以上の仕切板３を１
３〜１００mmの間隔をおいて設け、複数の空間４を形成
し、この複数の空間４をそれぞれ非消耗ノズル式エレク
トロスラグ溶接することを特徴とする厚鋼部材の溶接方
法であり、また、引張強度５７０MPa 以上の板厚３０〜
１５０mmの鋼材５と板厚３３〜１５０mmのダイヤフラム
６とを使用したボックス柱のダイヤフラム６の取付け溶
接において、１３〜３０mm離した鋼材５とダイヤフラム
６の両側を挟むように２枚の当板２，２ａを取付け、ま
た少なくとも１枚以上の仕切板３を設け、複数の空間４
を形成し、この複数の空間４をそれぞれ非消耗ノズル式
エレクトロスラグ溶接することを特徴とするボックス柱
の溶接方法にある。

【００１０】

【作用】図１，図２は本発明の実施態様である。図１は
２枚の鋼材１，１ａを合わせ溶接する事例で、２枚の鋼
材１，１ａを１３〜３０mm離すと共に、その両端側を挟
むように２枚の当板２，２ａを当接して設け、前記鋼材
１，１ａ間隔に少なくとも１枚の仕切板３を設けて複数
の空間４を作り、この複数の空間４をそれぞれ非消耗ノ
ズル式エレクトロスラグ溶接をする。

【００１１】溶接方法は非消耗ノズル式エレクトロスラ
グ溶接に限定することで溶接が可能である。非消耗ノズ
ル式エレクトロスラグ溶接は特開昭５７−１５６８８４
号公報に提案されているが、図３（Ｂ）に示したエレク
トロスラグ溶接の１種で、消耗ノズル１６の代わりに、
移動可能なノズルを使用して、ノズルが溶接の進行と共
に待避移動する方法である。消耗ノズル式エレクトロス
ラグ溶接は、消耗ノズル１６に塗布されているフラック
スの溶融したスラグ１３が水冷銅板９ｂと凝固金属１４
との間で凝固スラグ１５を形成することで、常に一定の
溶融スラグ１３が確保できる。しかし、当板２が鋼の場
合は、当板も溶融するため、スラグが凝固する場所がな
く、溶融スラグは次第に増加し、ある程度以上になると
溶接できなくなる。非消耗ノズル式のノズルは溶接の進
行と共に待避するため、スラグの増加はない。また通電
性のよい材料を使用し、フラックスがないことでノズル
を細くできる。すなわち狭い空間でも溶接できる。この
ため、入熱を小さくできる、溶接材料が少ない、溶接時
間を短くできる等の利点がある。

【００１２】鋼材１，１ａの厚さは３３mm以上とした。
３３mmより小さいと仕切板３を入れる必要はなく、また
仕切板を入れると空間４が小さく溶接できない。これ以
上厚いものは仕切板を増やすことで対応できる。両端側
の当板２，２ａは２０〜３０mm厚の鋼板で、鋼材１，１
ａとの重なり代ｃは１０mm以上にすることが好ましい。
非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は溶け込み５〜１
０mm程度の条件が安定しており、当板があまり薄いある
いは重ね代ｃが少ないと溶け落ちすることがある。当板
は３０mmを超えても溶接はできるが、経済的でない。ま
た、当板２，２ａは仕切板３を兼ねるものでもよく、こ
のとき外側になる部分はＳＭＡＷや炭酸ガス溶接で固定
すればよい。

【００１３】２枚の鋼材１，１ａの間隔ａは１３〜３０
mmとする。１３mmより狭いと非消耗式ノズルと鋼材１，
１ａとの間隔ａが狭くなりすぎ、溶接スパッタが鋼材
１，１ａに付着したときノズルの移動が困難になり好ま
しくない。３０mmを超えると溶接空間が大きくなりすぎ
経済的でない。

【００１４】仕切板の間隔ｂは１３〜１００mmとする。
間隔ａと同様に１３mmより少ないとスパッタ付着による
ノズルの移動ができなくなる等のトラブルが発生する。
間隔ｂが３０mmを超えるような大きさになるとノズルを
往復移動させ溶接する。１本のノズルでの往復移動で溶
接できる範囲は６０mm程度までであり、これ以上の場合
は複数のノズルを使用する。しかし複数のノズルを使用
しても間隔ｂがあまり大きくなると溶融スラグが安定し
ない等で安定した溶接ができなくなり、１００mm以下と
する。

【００１５】仕切板３は板厚７〜１５mm程度が好まし
い。非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は前述したよ
うに溶け込み５〜１０mm程度の条件が安定して溶接でき
る。このため、仕切板があまり薄いと溶けて仕切りの作
用ができない。また仕切板が１５mmを超えるようになる
と未溶接部ができる場合がある。未溶接部分が残っても
よい設計の場合は１５mm以上厚くてもよい。また、仕切
板３は別個に作製し、これを溶接やネジ止めする。溶接
の場合は極力余盛りを小さくする。このような溶接は通
常隅肉溶接するが、余盛りが大きいと非消耗ノズル式エ
レクトロスラグ溶接はコーナー部の溶け込みが小さいこ
とも加わり、未溶融部ができる、あるいは未溶融部が大
きくなる。また、仕切板は鋼材１，１ａの一方あるいは
両方を切削等で加工したものでもよい。

【００１６】図２は建築用ボックス柱の概要を示す。図
２（Ａ）に示すように４枚の鋼材５，５ａ，５ｂ，５ｃ
を溶接７し、角柱にする。このとき、梁８を取付けると
ころの内側にダイヤフラム６を取付ける。ダイヤフラム
の取付けは図２（Ｂ）に示すように鋼材５とダイヤフラ
ム６との間に１３〜３０mmの間隔をおき、両側に挟むよ
うに当板２，２ａを取付ける。また、仕切板３を設け、
複数の空間４をそれぞれ非消耗ノズル式エレクトロスラ
グ溶接する。

【００１７】引張強度が５７０MPa を超える鋼の溶接は
さらに難しくなる。溶接後の冷却速度が遅いと溶接金属
またその熱影響部（以下ＨＡＺと記す）の結晶粒が粗大
化して靭性が低下する。空間４を分割して溶接すること
で、入熱が分散低減できるため、溶接部、特に鋼材ＨＡ
Ｚの靭性が向上する。

【００１８】また、引張強度が５７０MPa を超えるよう
な鋼材の溶接は合金材が多くなる。あるいは溶接後の残
留応力が高くなるため、高温割れや低温割れが発生しや
すくなる。特に最終に溶接する辺は周辺がすでに溶接さ
れていることにより残留応力が特に高くなり、割れが発
生しやすい。分割して溶接することで、個々の溶接金属
量が小さく、凝固収縮量が小さくなることで高温割れを
防止し、残留応力も低下する。また、冷却速度が速くな
ることで溶接金属の合金量を減らすことができ、これも
高温割れ防止に効果がある。また、分割溶接することで
先に溶接した部分の一部が再溶融または再加熱されるた
め残留応力が低減し、また、再加熱あるいは溶接金属量
が小さく拡散性水素放出が容易になることで、低温割れ
を防止できる。これらの効果で靭性の向上と共に割れの
発生も防止でき、引張強度５７０MPa を超える鋼材溶接
の高温割れ、低温割れ防止に著しい効果がある。

【００１９】鋼材５，５ａ，５ｂ，５ｃの厚さは３０〜
１５０mmにする。３０mmより薄い場合は分割溶接しても
鋼材の熱伝導が小さく分割した効果が認められない。ま
た１５０mmを超えるような鋼材は、鋼材への熱伝導が充
分大きく、分割した効果が認められない。ダイヤフラム
６の厚さは３３〜１５０mmにする。３３mmより薄い場合
は仕切板３を設けると空間４が小さく溶接できない。ま
た１５０mmを超える厚さになると当然鋼材５，５ａ，５
ｂ，５ｃも厚くなり、分割しても残留応力等が大きく、
分割の効果が出ない。

【００２０】鋼材５とダイヤフラム６の間隔は１３〜３
０mmとする。１３mmより狭いと非消耗式ノズルと鋼材
５、またダイヤフラム６との間隔が狭くなりすぎ、溶接
スパッタが鋼材５やダイヤフラムに付着したときノズル
の移動が困難になり好ましくない。３０mmを超えると溶
接空間が大きくなりすぎ経済的でない。５７０MPa を超
えるような高強度鋼の溶接では仕切板で分割した空間４
の間隔は一般鋼の溶接に比較し小さい１３〜５０mm以
下、より好ましくは４０mm以下が好ましい。４０mmを超
えると、入熱の低減効果が小さくなる。

【００２１】ダイヤフラム６の溶接の場合、図４に示す
ようにダイヤフラム６と仕切板を一体とした場合には仕
切板に相当する部分の板厚は１５mmを超える厚さでよ
く、かえって厚い方が溶接面積が減少して好ましいこと
もある。しかし、このときも鋼材５側（図４の６ｄ部）
に未溶接部を残さないことを前提とした場合はこの部分
の厚さ６ｂは７〜１５mmにする必要がある。また図１ま
たは図２における場合も仕切板３の板厚が７〜１５mmで
あれば非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は溶け込み
５〜１０mm程度の条件で安定して溶接できる。

【００２２】

【実施例】実施例の概要を表１に示す。実施No．１〜３
は本発明例で、No．４〜６は比較例である。非消耗ノズ
ル式エレクトロスラグ溶接は商品名ＳＥＳＮＥＴ溶接機
を使用し、ワイヤはＪＩＳＹＧＷ１７の１．６mm、フ
ラックスはＭｎＯ−ＳｉＯ₂系溶融型フラックスを溶融
プール厚４０mm目標で使用した。電流は３６０Ａ、電圧
は３３〜３８Ｖで溶接した。ノズルは間隔ｂ−２０mmの
範囲で往復運動、すなわち間隔ｂが５０mmのときは３０
mmの往復運動を行った。試験項目は溶接途中の異常の有
無、溶接後の超音波試験と断面マクロ観察による欠陥の
有無、ＨＡＺ部の０℃でのシャルピー衝撃試験での材質
調査等である。

【００２３】実施No．１は本発明例で、図１に示すよう
な構成で、溶接幅は１０００mm、溶接長さは５００mm、
板幅は２５０mmのＳＭ−４９０Ｂクラスのスラブを使用
し、間隔ａは３０mm、仕切板は厚さ１５mmを１１枚使用
し、間隔ｂは３０，５５，６５，７０，８０，９０mmの
それぞれ２個、計１２個の溶接空間、当板の厚さは３０
mm、当板の重ね代ｃは１５mmで行った。なお、仕切板３
の取付けはＭＩＧの隅肉溶接とした。間隔溶接は両側か
ら１個ずつ、交互に、中央部に向け溶接した。また、間
隔ｂが６５mm以上のものは２本のノズルで溶接した。ま
た、溶接後室温まで冷却してから次の溶接を実施した。
いずれの溶接部も溶接途中のトラブル、また溶接後の欠
陥もなく、大きな鋼材の溶接ができた。

【００２４】実施No．２も本発明例で図２に示すボック
ス柱のダイヤフラムの溶接をした。鋼材５，５ａ，５
ｂ，５ｃはＨＴ−７８０の３０mm材、ダイヤフラムはＳ
Ｍ−４９０Ｂの３３mm材で５００×５００mmの角形の柱
を製造した後、ダイヤフラムを溶接した。間隔ａは１４
mm、間隔ｂは１３mmで仕切板は７mmのもの１枚を中央に
設け、当板は２５mmを使用した。溶接のトラブルなく、
欠陥もなく、ＨＴ−７８０のＨＡＺのシャルピー衝撃値
も４０Ｊを超える良好な値であった。

【００２５】実施No．３も本発明例で図２に示すボック
ス柱のダイヤフラムを溶接した。鋼材５，５ａ，５ｂ，
５ｃはＨＴ−５７０の１４０mmで、ダイヤフラムはＳＭ
−４９０Ｂの１４０mm材で、間隔ａは２５mm、仕切板は
１５mm厚を２枚使用し、間隔ｂは２０，４０，５０mmと
した。これもなんら問題なく溶接できた。但し、ＨＴ−
５７０のＨＡＺ部の靭性は間隔ｂが狭い程良好で５０mm
は２７Ｊのものもあったが、これも建築用としては現状
水準である。

【００２６】実施No．４は比較例で、鋼材５はＨＴ−７
８０の２５mm材を使用して、間隔ａは１２mmとし、他は
実施No．２と同じ構成とした。間隔ａが狭いことによる
溶接欠陥が認められ、ＨＴ−７８０のＨＡＺ靭性も実施
No．２に比較して低かった。これは板厚が薄いため分割
しても充分な冷却速度が確保できなかったためと考えら
れる。実施No．５も比較例で、実施No．２と同様の構成
としたが、仕切板は使用しなかった。溶接はなんら問題
なかったが、ＨＴ−７８０のＨＡＺ靭性は２０Ｊを下回
るものもあり、No．２に比較して劣るものであった。こ
れは入熱が大きく、充分な冷却速度が確保できなかった
ためと考えられる。

【００２７】実施No．６も比較例で、図２に示す構成
で、鋼材５，５ａ，５ｂ，５ｃはＨＴ−７８０の１６０
mm材、ダイヤフラム６はＳＭ−４９０Ｂの１６０mm材
で、間隔ａは３３mm、仕切板３の厚さは２５mmで、間隔
ｂを１１０mmと２５mmとした。また、当板は３５mmとし
た。間隔ｂは２５mmの溶接を先に、１１０mmを後にし
た。なお、間隔ｂが１１０mmの溶接は２本のノズルを使
用した。仕切板の未溶融部分があり、また、間隔ｂが１
１０mmの溶接では溶接途中、異常にスパッタが出る等の
溶接乱れが観察された。また、溶接部に割れも観察され
た。これは、仕切板が厚く、完全な溶接ができなかっ
た。また間隔ｂが広く不安定な溶接でスパッタの異常発
生が生じたものと考えられる。割れもまた間隔ｂが広い
ことにより高温割れあるいは低温割れが発生したものと
考えられる。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【発明の効果】本発明は、製鉄スラブのような極厚材の
溶接が可能になると共にボックス柱のダイヤフラムの取
付け溶接のような、閉じられた箇所の溶接で、引張強度
が５７０MPa 以上の高強度鋼の溶接で問題となる溶接部
の靭性が向上する、また残留応力の低減ができ、高温割
れ、低温割れを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼材の溶接の概要を示す斜視図である。

【図２】ボックス柱の概要を示す斜視図で（Ａ）は全
体、（Ｂ）はダイヤフラムの取付け部を拡大して示す。

【図３】エレクトロスラグ溶接の概要を示す斜視図で、
（Ａ）は移動式水冷銅板を使用する方法、（Ｂ）は消耗
ノズルを使用する方法を示す。

【図４】ダイヤフラムと仕切板が一体化した例の斜視図
を示す。

【符号の説明】

１，１ａ鋼材２，２ａ当板３仕切板４溶接する空間５，５ａ，５ｂ，５ｃ鋼材６ダイヤフラム６ｄ仕切板３と鋼材５の接点７板の溶接線８梁９ａ，９ｂ水冷銅板１０ワイヤ送給装置１１ワイヤ１２ノズル（ワイヤガイド兼給電
極）１３溶融スラグ１４凝固金属１５凝固スラグ１６消耗ノズルａ２枚の鋼材１，１ａの間隔ｂ分割した溶接空間の幅ｃ鋼材１と当板２の重ね代

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれの板厚が３３mm以上の２つの鋼
材（１，１ａ）の溶接において、２つの鋼材（１，１
ａ）を１３〜３０mm離して向き合わせ、その両側を挟む
ように２枚の当板（２，２ａ）を取付け、また少なくと
も１枚以上の仕切板（３）を１３〜１００mmの間隔をお
いて設け、複数の空間（４）を形成し、この複数の空間
（４）をそれぞれ非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接
することを特徴とする鋼材の溶接方法。
【請求項２】引張強度５７０MPa 以上の板厚３０〜１
５０mmの鋼材（５）と板厚３３〜１５０mmのダイヤフラ
ム（６）とを使用したボックス柱のダイヤフラム（６）
の取付け溶接において、１３〜３０mm離した鋼材（５）
とダイヤフラム（６）の両側を挟むように２枚の当板
（２，２ａ）を取付け、また少なくとも１枚以上の仕切
板（３）を設け、複数の空間（４）を形成し、この複数
の空間（４）をそれぞれ非消耗ノズル式エレクトロスラ
グ溶接することを特徴とするボックス柱の溶接方法。