JPH09206934A - アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 三電極を用いた溶接を行うにあたり、外観の
美しい溶接ビードを得ると共に、効率的な溶接が行える
アーク溶接方法を提供する。 【解決手段】 溶接開先４の中央を第１電極１で第１層
溶接し、この第１電極１の後方において、第１電極１に
よる溶接ビードＢを挟む両側の二箇所に夫々設置した第
２電極２と第３電極３とで第２層溶接するアーク溶接方
法であって、第２電極２と第３電極３との間でアークを
発生させるアーク溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多電極を用いたアー
ク溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のアーク溶接方法として
は、例えば、特公昭６０−１６３０４号に示すものがあ
った。つまり、当該技術は、三つの電極を用いてスパイ
ラル鋼管を溶接する際に、ビード形状を美しく仕上げる
ために、第１電極で溶接した後、この溶接箇所を挟む両
側位置を、他の第２電極および第３電極で夫々溶接する
ものである。スパイラル鋼管を形成する場合には、溶接
開先も螺旋状となるから、スパイラル鋼管をその軸芯が
水平となるように設置したとしても、溶接開先はスパイ
ラル鋼管の最下点および最上点を除いて上り勾配か下り
勾配になる。当該従来技術では、下り溶接を行うことと
している。一般的には、下り溶接を行うと、溶融池のう
ち凝固の遅れるビード中央付近の溶融金属が傾斜に沿っ
て流れ、中窪み形状のビードとなるのが一般的である。
この従来技術では、第２電極と第３電極とを上記のごと
く配置し、溶融池の幅方向の温度分布を平均化して溶融
金属の流れを阻止することにより、中窪みビードの発生
防止を図るとしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の溶
接方法によれば、次のような問題があった。つまり、第
２電極と第３電極とは単に並列に配置されているだけで
あって、二本の電極を用いて並列な二箇所の溶接を行っ
ているに過ぎない。しかも、両者の極性は同じであるか
ら、双方の電極を近付け過ぎると、夫々の電極から発生
しているアーク間に電磁的なピンチ効果が働いて両アー
クが引き合い、あたかも単一のアークが発生している状
態となる。このため、両極を分離して並列配置した意味
がなくなる。つまり、当該従来技術においては、両極間
に電磁的ピンチ効果が作用しない程度に両極を離間させ
る必要がある。しかし、その結果、溶接条件によっては
第２電極による溶接ビードと第３電極による溶接ビード
とが完全に分離したものとなり、さらには、双方のビー
ドが第１電極による溶接ビードからも離間したものとな
って、健全な溶接が行えない場合があった。さらに、当
該従来技術では、溶接効率を向上させるべく多電極を用
いて溶接を行うものであるが、これは単に電極の数を増
やしたに過ぎない。よって、原則として電極数に応じた
電源等が必要であり、あるいは、電極数に応じて電力の
消費量も増加するから、溶接速度のみならず総合的に溶
接の効率化を実現するためには改善の余地があった。

【０００４】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を解消し、三電極を用いた溶接を行うにあたり、外観
の美しい溶接ビードを得ると共に、効率的な溶接が行え
るアーク溶接方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

（構成１）この目的を達成するための本発明のアーク溶
接方法の特徴構成は、請求項１に記載したごとく、溶接
開先の中央を第１電極で第１層溶接し、この第１電極の
後方において、前記第１電極による溶接ビードを挟む両
側の二箇所に夫々設置した第２電極と第３電極との間で
アークを発生させて第２層溶接する点にある。 （作用・効果）つまり、本発明の方法は三つの電極を用
いるのであるが、発生するアークは、第１電極・母材間
のもの、および、第２電極・第３電極間のものの二つで
ある。従来の溶接方法では、アークは電極と母材との間
に発生するから、アークが有する熱エネルギーの一部は
母材を溶融させるために消費される。しかし、本発明の
方法中、第２電極と第３電極とについては、アーク発生
に伴う熱の殆どが両電極の溶融に用いられる。仮に、従
来の溶接方法では、母材の溶融に際してアークの熱エネ
ルギーの半分が消費されるとすれば、本発明の方法にお
いては従来方法に比べて二倍の熱エネルギーを利用でき
ることとなる。つまり、本発明の方法においては、後行
アークを発生させるために第２電極および第３電極の二
つの電極を用いるが、後行アークによる溶融金属量は、
従来方法のおよそ二倍である。換言すれば、本発明に係
るアーク溶接方法は、従来の三電極を用いた溶接に匹敵
する溶融金属量を得るものでありながら、その消費エネ
ルギーは、従来の二電極を用いた方法と同等でよく、極
めて効率的なアーク溶接方法であるといえる。一方、後
行アークは、第２電極と第３電極との間に発生するか
ら、従来のアークが有する母材を掘り下げる効果は期待
できない。しかし、第２電極と第３電極との間の広い範
囲に亘って溶融金属を移行させるから、溶融池の形状を
幅広とし、浅溶込みに形成する効果がある。つまり、母
材の単位面積当たりに対する入熱量が小さくなる。この
結果、溶融池の凝固を早めることとなるから、仮に、開
先が傾斜している場合であっても、溶融金属の流れが抑
制され、外観形状の美しいビードを得ることができる。

【０００６】（構成２）本発明のアーク溶接方法は、請
求項２に記載したごとく、前記溶接開先が、その長手方
向に傾斜している場合であって、特に、上り溶接となる
場合に美しくかつ健全な溶接ビードを得ることができ
る。 （作用・効果）上り溶接の場合には、溶融金属がアーク
発生点から後方に効果的に排出され、開先底部における
溶込み深さを大きく確保することができる。しかし、溶
融池中央においては溶融金属の凝固が遅れるから、未凝
固の金属が傾斜に沿って後方に流れてしまう。この流れ
た溶融金属はビード後方の未凝固の部分、つまり、ビー
ド中央部に集中するから、結果としてビード中央部だけ
が極端に盛り上がり、かつ、その両側では肉盛り量の不
足がちなビードが形成されることとなる。しかし、本発
明のアーク溶接方法においては、第２電極と第３電極と
の間にアークが発生し、溶融金属は、主にこれら電極の
先端部下方に移行する。よって、アーク長を適宜設定し
て溶融金属の移行位置を制御することで、先行ビード中
で肉盛り量の少ない両側部分に溶融金属を補充すること
ができる。また、アークは主に第２電極と第３電極との
間に発生しているとはいえ、当該アークによっても先行
ビードを多少は加熱し、あるいは、アークの一部は母材
との間に発生していると考えられる。つまり、先行ビー
ドの凸状部分をある程度溶融させ、凸形状を矯正する効
果が期待できる。さらに、前述のごとく、単位面積当た
りの入熱量が小さいから、溶融池の流れ傾向そのものを
抑制できる。以上のごとく、本発明のアーク溶接方法に
よれば、上り溶接の場合にも美麗な溶接ビード外観を得
ることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。本発明のアーク溶接方法は、例えば、
図１に示すごとくサブマージアーク溶接方法に適用する
ことが可能である。

【０００８】まず、先行電極として第１電極１を配置す
る。当該第１電極１は、通常のサブマージアーク溶接方
法と比べて特段変わる点はない。当該第１電極１は、溶
接開先４の幅方向中央部を狙うように位置設定されてい
る。前記第１電極１は、融合不良等の欠陥を防止するた
めに、前記溶接開先４の底部を確実に溶融させる必要が
ある。このため、後行電極に比べて大電流を用いて溶接
する。前記第１電極１の溶接電源としては、通常の直流
溶接電源あるいは交流溶接電源を用いる。前記第１電極
１において、アークは当該第１電極１と母材５との間に
発生する。

【０００９】本発明のアーク溶接方法においては、後行
極に特徴がある。つまり、後行極として前記第２電極２
と前記第３電極３とを用いるが、通常のサブマージアー
ク溶接方法のごとく、これらの電極２，３を前記溶接開
先４の長手方向に沿って縦列配置し、各電極２，３の方
向を前記母材５側に向けるのではなく、前記第２電極２
と前記第３電極３とを互いに対向させて配置する。即
ち、図１に示すごとく、前記第２電極２および前記第３
電極３は、前記第１電極１に対して溶接後方に略等距離
であって、前記溶接開先４を挟む両側に配置する。前記
第２電極２の電極方向と前記第３電極３の電極方向と
は、互いの電極方向に向き合い、双方の電極方向の延長
線は、前記溶接開先４中央部の上部空間において交わ
る。この場合、アークは、前記第２電極２および前記第
３電極３の間に亘って発生し、各電極２，３は互いの方
向に向かって送給される状態が維持される。この場合の
アーク長は、主に、両電極２，３間の電圧により決定さ
れる。前記第２電極２および前記第３電極３の電源とし
ては、交流溶接電源を用いる。これにより、双方の電極
２，３の極性が一定サイクルごとに入れ代わるから、両
電極２，３の溶融条件を等しくできる。このように、前
記第２電極２と前記第３電極３との間でアークが発生す
る結果、通常のアーク溶接方法と比べて、前記母材５側
に移行する溶融金属の量、即ち、溶着金属量が増加す
る。通常の溶接方法であれば、アークは、電極と母材と
の間に発生するから、アークの熱エネルギーの一部は母
材の溶融に消費される。これは、単に母材を溶かすだけ
であるから新たに溶融金属を加えるものではない。つま
り、残りの熱エネルギーだけが電極たるワイヤを溶融す
るために消費されるのである。しかし、本発明の場合に
は、アークは前記第２電極２と前記第３電極３との間に
発生するから、その熱エネルギーの殆どが双方の電極
２，３の溶融に用いられる。よって、従来のアーク溶接
と比べて電流・電圧条件が同様であっても、前記溶接開
先４の面積を大きく設定できることができ、この結果、
１パスで溶接可能な前記母材５の板厚範囲が広がること
となる。さらには、開先面積が等しい場合には、溶着金
属量の多い分だけ溶接速度を向上させることもできる。

【００１０】本発明のアーク溶接方法によれば、前記溶
接開先４が長手方向に傾斜している場合であっても、ビ
ード形状を美麗に仕上げることができる。従来のアーク
溶接方法では、例えば、傾斜している前記溶接開先４を
上り方向に溶接する、いわゆる上り溶接を行う場合に
は、図２（イ）（ロ）に示すごとく、溶接ビードＢの中
央部が極端に凸状になることがある。これは、アーク直
下から溶接後方に延出する溶融池６の凝固速度に起因す
る。すなわち、前記溶融池６の両側部分は、前記母材５
に熱を奪われて早く冷却されるから凝固も早い。よっ
て、前記溶接開先４が傾斜していても溶融金属が流れ出
す前に凝固してしまう。しかし、前記溶融池６の中央部
分においては凝固が遅れ、溶融金属は傾斜に沿って後方
に流れてしまう。この流れた溶融金属は前記溶接ビード
Ｂ後方の未凝固の部分、つまり、ビード中央部に集中す
るから、結果としてビード中央部だけが極端に盛り上が
った凸状の溶接ビードＢが形成される。後方に流れたこ
の溶融金属は、本来は、前記溶接ビードＢの両側に充填
されるべき金属である。このため、前記溶接ビードＢの
両側においては、前記溶接開先４を埋めることができ
ず、いわゆるアンダーカットが発生することとなる。一
方、下り溶接の場合には、図３（イ）（ロ）に示すごと
く、逆に前記溶接ビードＢの中央部が凹状に窪んだ形状
になり易い。この場合には、溶融金属はアークの直下に
溜まり易くなる。電極が溶融し、溶融金属が前記母材５
側に移行した直後は、アークの勢いで溶接方向後方へ押
しやられる。しかし、前記溶接開先４の傾斜により、溶
融金属は再びアークの方向に戻ろうとする。この結果、
溶融金属は、両効果の釣合った位置に滞留することとな
り、主に、アークの近傍であって前記溶接開先４の両外
側付近に集中する。よって、下り溶接による溶接ビード
Ｂは、両側が盛り上がった中窪みの形状になり易い。

【００１１】本発明のアーク溶接方法では、特に、上り
溶接に係る凸状ビードの発生を抑制する効果が大きい。
つまり、本溶接方法においては、前記第２電極２と前記
第３電極３との間にアークが発生するから、図４に示す
ごとく、特に、前記第２電極２の先端部下方、および、
前記第３電極３の先端部下方に移行する溶融金属の量が
多くなる。そこで、溶接電圧を適切に設定し、両電極
２，３の先端部を前記第１電極１による先行ビードＢ１
の両側に位置させることで、前記先行ビードＢ１中で肉
盛り量の少ない両側部分に溶融金属を補充できるからで
ある。前記母材５側に移行した溶融金属は、その保有熱
により前記先行ビードＢ１を再溶融し、これと融合す
る。一方、アークは主に前記第２電極２と前記第３電極
３との間に発生しているとはいえ、当該アークによって
も前記先行ビードＢ１を多少は加熱し、あるいは、アー
クの一部は前記母材５との間に発生していると考えられ
る。つまり、前記先行ビードＢ１の凸状部分をある程度
溶融させ、凸形状を緩和させたうえで新たに溶融金属を
充填するから、最終的に形成される後行ビードＢ２の外
観は、あたかも一つの電極を用いて溶接されたごとく美
しいものとなる。さらに、本発明のアーク溶接方法によ
れば、前記溶融池６の流れ傾向そのものをも抑制でき
る。つまり、前記第２電極２および前記第３電極３によ
る溶融金属は、主に、夫々の電極下方に移行するもの
の、アークの勢いによって両電極２，３間の広い範囲に
亘って移行する。これは、通常の溶接方法における溶融
金属の移行が、殆どアーク直下に対して行われるのと比
べて、著しく広い範囲であるといえる。換言すれば、前
記母材５の単位面積当たりに対する入熱量が通常の溶接
方法より小さくなっている。よって、溶融金属の凝固速
度が高まり、前記溶接開先４が傾斜していても、溶融金
属は流れ出る前に凝固するから、凸状ビードの発生を防
止して美麗な溶接ビード外観を得ることができる。

【００１２】尚、本発明のアーク溶接方法をサブマージ
アーク溶接方法に適用する場合には、図１に示すごと
く、前記第１電極１の前方にフラックス７を散布しなが
ら溶接することはいうまでもない。また、本発明のアー
ク溶接方法を、例えば、ガスシールド溶接方法に適用す
る場合には、図示は省略するが、各電極の周囲を炭酸ガ
スあるいはアルゴンガス等でシールドすることが必要で
ある。

【００１３】（実施例）図５には、本発明のアーク溶接
方法をスパイラル鋼管の製造に適用する場合の模式図を
示し、図６には、溶接開先および各電極の配置条件を示
す。製造するスパイラル鋼管８は、ＪＩＳ Ａ ５５２
５に規定されているＳＫＫ４００、あるいは、ＳＫＫ４
９０であって、管径Ｄが６００ｍｍφ、板厚ｔが９ｍｍ
のものとする。鋼板９をスパイラル状に巻付ける際の接
合点１０の位置は、最下点１１から溶接上手側に前記ス
パイラル鋼管８の中心角θ１でおよそ２４°である。前
記溶接開先４の形状は、開先角度θ２が１０°のＶ開先
であり、ルートギャップＲＧは０ｍｍである。溶接方法
は、サブマージアーク溶接方法とする。前記第１電極
１、前記第２電極２、前記第３電極３は、何れも４．８
ｍｍのソリッドワイヤを使用する。前記第１電極１は、
上り溶接となる位置であって、前記最下点１１から前記
スパイラル鋼管８の中心角θ３にして約１０°以内に設
置する。この角度範囲は前記スパイラル鋼管８の管径Ｄ
・板厚ｔにより変動するが、要は、前記溶融池６が前記
スパイラル鋼管８の最下点１１付近に位置するように各
電極を設置するのが望ましい。前記第１電極１の第１電
極チップＣ１先端と前記母材５との距離ｈ１は約３０ｍ
ｍとした。前記第２電極２および前記第３電極３は、前
記第１電極１から溶接後方に約３０ｍｍ離間させてい
る。この距離が短か過ぎると前記第１電極１と前記第２
電極２との間で、あるいは、前記第１電極１と前記第３
電極３との間でアークが発生してしまう。この場合、前
記第１電極１で所定の溶込み深さが得られず、溶込み不
良が発生するおそれがある。逆に、前記第２電極２およ
び前記第３電極３を前記第１電極１から離し過ぎると、
前記第１電極１による溶融スラグが凝固してしまうた
め、前記第２電極２および前記第３電極３によっては当
該スラグを再溶融させることができず、スラグ巻込みが
発生するおそれが生じる。前記第２電極２の第２電極チ
ップＣ２先端と前記母材５との距離ｈ２、および、前記
第３電極３の第３電極チップＣ３先端と前記母材５との
距離ｈ３は、共に約３０ｍｍである。溶接電流は、前記
第１電極１が１７００Ａ、前記第２電極２および前記第
３電極３が共に７００Ａであり、溶接電圧は、前記第１
電極１が２８Ｖ、前記第２電極２および前記第３電極３
が共に４０Ｖである。溶接速度は、約４ｍ／分である。

【００１４】以上の溶接条件を用いて上記スパイラル鋼
管８を製造した結果、前記溶融池６の凝固が従来のサブ
マージアーク溶接方法に比べて早いこと、および、溶着
金属量が多くなったこと等の効果により、外観形状の美
しい溶接ビードを高能率で得ることができた。

【００１５】尚、特許請求の範囲の項に、図面との対照
を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明
は添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアーク溶接方法の説明図

【図２】上り溶接において形成される凸状ビードを示す
模式図

【図３】下り溶接において形成される凹状ビードを示す
模式図

【図４】後行ビードの形成要領を示す模式図

【図５】本発明のアーク溶接方法をスパイラル鋼管の製
造に適用する場合の模式図

【図６】スパイラル鋼管の溶接開先および各電極の配置
条件を示す模式図

【符号の説明】

１ 第１電極 ２ 第２電極 ３ 第３電極 ４ 溶接開先 Ｂ 溶接ビード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接開先（４）の中央を第１電極（１）
   で第１層溶接し、この第１電極（１）の後方において、
   前記第１電極（１）による溶接ビード（Ｂ）を挟む両側
   の二箇所に夫々設置した第２電極（２）と第３電極
   （３）との間でアークを発生させて第２層溶接するアー
   ク溶接方法。
2. 【請求項２】 前記溶接開先（４）が，その長手方向に
   傾斜しており、上り溶接することを特徴とする請求項１
   に記載のアーク溶接方法。