JPH11320104A - フラッシュバット溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接部の硬化を抑制して、溶接部の品質を向
上できるフラッシュバット溶接を可能にする。 【解決手段】 突き合わせてフラッシュバット溶接を行
う被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを
供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット溶接
装置において、前記ガス排出ポートに供給する可燃性ガ
スの供給系統に可燃性ガスの種類および流量の調整手段
を備える。また、可燃性ガスのガス排出ポートを被溶接
材幅方向に分割して複数配設し、また可燃性ガスの供給
系統に被溶接材幅方向のガス排出ポートに供給する可燃
性ガス流量と投入熱量を制御する手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素鋼（軟鋼）、
合金鋼、高張力鋼、耐熱鋼などの溶接に使用するフラッ
シュバット溶接装置および溶接方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】フラッシュバット溶接は、 被溶接材をクランプし、その両端に電圧を印加した状
態で、突き合わせ端面を適切な速度で接近させ、局部的
な接触部を生じさせる過程、 この接触部に流れる高電流密度の短絡電流による抵抗
発熱と、接触短絡部の溶融破断に伴い発生するアークに
よって端面を局部的に集中加熱する。この時、アークに
よって、端面の溶融金属が飛散する過程［フラッシュ過
程］、 このフラッシングによって端面全面の温度を上昇さ
せ、突き合わせ端面の全面にほぼ一様な溶融層を形成さ
せた時点で、急速に加圧・変形させる過程［アプセット
過程］、 から構成される溶接方法である。

【０００３】鋼板の製造ラインでは、鋼板がフラッシュ
バット溶接で接合されることが多い。冷間圧延などの製
造ラインでは、溶接部は母材部と同様の処理を受けるの
で、溶接部の強度が十分に得られない場合、製造ライン
内で破断を生じる。破断が発生した場合、製造効率の大
幅な低下や破断材による圧延ロールなどの設備損傷によ
る製造コストの大幅な増加を引き起こすため、溶接部の
強度低下を防ぐことが必須である。

【０００４】このような強度低下を生じる主な原因とし
ては、次の２点を挙げることができる。 Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ等の酸化介在物を形成しやすい合金
成分を含有した鋼板を溶接する場合、溶接界面に介在物
が残留し、そこを起点として割れが生じ、溶接部の強度
が低下する。 高炭素鋼、合金鋼などでは、溶接界面近傍が硬化し、
靭性が劣化するために溶接部の強度が低下する。

【０００５】溶接部の強度低下を防ぐためには、の要
因に対しては介在物の溶接界面への残存を如何に回避す
るか、またの要因に対しては溶接部の硬化を如何に抑
制するかが重要となる。

【０００６】介在物の溶接界面への残存を回避する方法
としては、溶接時における介在物の生成、特に介在物中
最も容易に生成する酸化物の生成を抑制し、介在物の残
存を回避する方法が提案されている。特開昭４９−９６
９４７号公報では溶接部近傍で還元性ガスを含むガスを
燃焼させることにより大気中酸素を遮断する方法、特開
昭５６−５０７８９号公報では突き合わせ溶接部分を気
密化し不活性ガスでシールドして溶接する方法が提案さ
れている。

【０００７】また、特開昭５９−１１８２８２号公報で
は溶接部近傍に炭素重合体、有機化合物、有機珪素化合
物や亜鉛、亜鉛粉末含有物、カルシウム、マグネシウム
合金やその含有物などの保護ガス発生物質、特開昭６２
−２７５５８１号公報ではグリースを溶接部近傍に塗布
して溶接時の熱により保護ガスを発生させる方法、特開
昭６３−２０３２８１号公報ではその塗布方法が提案さ
れている。

【０００８】溶接部の硬化を抑制する方法としては、溶
接後の冷却速度を低下させるもしくは溶接前後に予熱処
理、後熱処理を行うことにより溶接部を軟化させるなど
の対策が行われている。予熱処理には、例えばフラッシ
ュ過程前に被溶接材の接触と引き離しを繰り返し行って
電気的に被溶接材を加熱する方法がある。後熱処理に
は、高周波加熱または溶接機の電源を用いて直接通電を
行うことにより溶接部を加熱する方法があり、例えば特
開昭５５−３６０１７号公報、特開昭５５−３６０１８
号公報には溶接電源を用いて、溶接機内で後熱処理を行
う方法が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら行われてきた方法には以下に述べる問題点がある。ま
ず、界面への介在物の抑制方法に関しては、次のような
問題がある。

【００１０】特開昭４９−９６９４７号公報は、介在物
抑制には比較的有効であるが、還元性ガスを含むガスの
燃焼のみでは溶接部の急冷を抑制する効果が小さく、溶
接部の品質を改善できない場合が多い。特開昭５６−５
０７８９号公報は、気密化に伴う設備改造やその運用に
よるコスト増加、溶接機にこれら設備を取り付けること
により微妙な調整を必要とする突き合わせ部周辺の保守
作業に支障がでるといった問題が生じる。特開昭５９−
１１８２８２号公報、特開昭６２−２７５５８１号公
報、特開昭６３−２０３２８１号公報に開示されている
方法は、鋼板へのグリースなどの塗布工程が増えること
になり、効率面の低下、設備コストの増加を引き起こ
す。

【００１１】また、これらの方法を使用した場合、グリ
ースが溶接機などに付着、残存するため、スパッタなど
が容易に付着する。スパッタが電極表面に付着した場
合、電極と鋼板の接触が局部的になり、ダイバーンなど
の溶接欠陥を発生させる。また、鋼板通板中にスパッタ
が鋼板上に落下すると、鋼板表面に傷を生じるため、グ
リースなどを除去する煩雑な清掃を行わねばならない。

【００１２】また、溶接部の予熱処理、後熱処理に関し
ては、次のような問題がある。フラッシュ過程前に被溶
接材の接触と引き離しを繰り返し行って電気的に被溶接
材を加熱する予熱処理方法では、電圧を印加しながら接
触・引き離しを繰り返し行うため、温度の制御が難しく
安定した予熱処理を行えない。また、特開昭５５−３６
０１７号公報、特開昭５５−３６０１８号公報の後熱処
理方法では、電極で溶接部をクランプしたまま、１次側
の電圧を制御するのみであり、後熱処理時の２次側の電
流、温度、発熱を正確に制御することはできない。

【００１３】さらに、鋼板の場合、上記のような通電加
熱では、電極の方が鋼板より幅が大きく、通電点は鋼板
の全幅にわたるため、鋼板両端部の温度が中央に比べ著
しく高くなるという特性がある。これは、電流経路や鋼
板端部の熱反射等の熱伝導の影響によるものであるが、
前記の方法では鋼板両端部の高温化を抑制することがで
きず、端部と内部で溶接部の組織や強度に差が生じると
いう問題がある。

【００１４】特開平８−１１８０３４号公報には、この
ような問題を解決するために、フラッシュバット溶接後
に出側電極のみをアンクランプし、鋼板よりも幅の狭い
金属板を出側電極と先行鋼板の間に挿入して通電を行う
ことにより、鋼板幅方向の温度分布を均一化する方法が
提案されている。しかしながら、この方法では金属板の
挿入装置が必要となり設備上複雑なものとなるのみでな
く、連続使用時に金属板が劣化し通電性が悪くなるた
め、ダイバーンなどの溶接不良が発生するという欠点を
有する。

【００１５】本発明は、前記問題点を考慮して、溶接部
の硬化を抑制して、溶接部の品質を向上できるフラッシ
ュバット溶接装置と溶接方法を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の要旨は以下の通りである。

【００１７】（１）突き合わせてフラッシュバット溶接
を行う被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガ
スを供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット
溶接装置において、前記ガス排出ポートに供給する可燃
性ガスの供給系統に可燃性ガスの種類および流量の調整
手段を備えることを特徴とするフラッシュバット溶接装
置。

【００１８】（２）前記（１）において、可燃性ガスの
ガス排出ポートを被溶接材幅方向に分割して複数配設
し、また可燃性ガスの供給系統に被溶接材幅方向のガス
排出ポートに供給する可燃性ガス流量と投入熱量を制御
する手段を備えることを特徴とするフラッシュバット溶
接装置。

【００１９】（３）被溶接材を突き合わせてフラッシュ
バット溶接を行うにあたって、被溶接材のクランプ終了
時からアプセット終了もしくはその後の後熱処理終了に
至る過程において、被溶接材の接合部近傍で可燃性ガス
を燃焼させることによって、被溶接部の大気中酸素から
の遮蔽および後熱処理あるいはまたクランプ終了後予熱
処理を行うことを特徴とするフラッシュバット溶接方
法。

【００２０】（４）前記（３）において、可燃性ガスを
燃焼させる際に、各過程において供給する可燃性ガスの
種類および流量を調整することを特徴とするフラッシュ
バット溶接方法。

【００２１】（５）前記（３）又は（４）において、フ
ラッシュバット溶接後の後熱処理の際に、可燃性ガスの
燃焼に加えて溶接電源を用いて溶接部に直接通電を行う
ことを特徴とするフラッシュバット溶接方法。

【００２２】（６）前記（３）〜（５）において、可燃
性ガスを供給するためのガス排出ポートを被溶接材幅方
向に複数配設し、被溶接材幅に応じて被溶接材幅方向の
ガス排出ポートに供給する可燃性ガス流量を制御するこ
とを特徴とするフラッシュバット溶接方法。

【００２３】本発明によれば、溶接中、溶接後、あるい
はさらに溶接前に、溶接部近傍でガスを燃焼させること
により、大気中の酸素から溶接部を遮断し、溶接部
近傍の鋼板温度を上昇させてアプセット量を容易に増加
させ、さらに溶接部の後熱処理を燃焼ガスを利用して
効率よく適正に行うことにより溶接部の硬化を抑制する
ことを可能とし、溶接部の硬化を抑制することを可能と
し、溶接部の品質を格段に向上することができる。ある
いはさらに溶接前に被溶接部の予熱処理を燃焼ガスを
利用して効率よく適正に行うことにより予熱処理温度を
適正化できるので、前記効果をより向上できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。

【００２５】図１は本発明の実施の形態に係るフラッシ
ュバット溶接装置において、鋼板クランプ時のクランプ
ダイアセンブリーの要部断面を示す図、図２は図１の装
置において、クランプダイとガス供給装置の接続状態の
一例を示す図である。図１、図２において、１はクラン
プダイ、２はガス排出口（ガス排出ポート）、３は電
極、４は鋼板、５ａ、５ｂは遮蔽弁、６は可燃性ガス流
量調整弁、７は空気流量調整弁、８は可燃性ガス供給配
管、９は空気供給配管である。

【００２６】本装置では、ガス排出口２がクランプダイ
１の溶接部側の鋼板幅方向に複数配設されている。可燃
性ガス供給配管８から供給される可燃性ガスと空気供給
配管９から供給される燃焼用空気は、図示されていない
フラッシュバット溶接機の制御装置からの指令に基づい
て、可燃性ガス流量調整弁６と空気流量調整弁７によっ
て、所定流量に調整され混合され、混合ガスは混合気配
管１１、分岐配管１２を経て、鋼板幅方向に複数配設さ
れているガス排出口２に送られ、ガス排出口２から噴射
されて燃焼されるようになっている。

【００２７】また、図示されていないフラッシュバット
溶接機の制御装置からの指令に基づいて、鋼帯幅に応じ
て各混合気配管１１に配設されている遮蔽弁５ａおよび
各分岐管１２に配設されている遮蔽弁５ｂを開閉し、ガ
ス排出口２から噴射される混合ガスの噴射幅すなわち燃
焼幅を調整できるようになっている。

【００２８】また、図示されていないフラッシュバット
溶接機の制御装置からの指令に基づいて、鋼板４をクラ
ンプ後接合部近傍を予熱処理する際の可燃性ガス流量と
燃焼用空気流量、フラッシュ過程〜アプセット過程にお
ける可燃性ガス流量と燃焼用空気流量、その後の後熱処
理における可燃性ガス流量と燃焼用空気流量をそれぞれ
個別に制御できるようになっている。

【００２９】本装置を用いて、所定の初期間隔（ｄ）で
鋼板４を上下の電極３、３でクランプ後、上下の電極
３、３間に電圧を印加し、鋼帯端部を突き合わせて、フ
ラッシュ過程、アプセット過程を経て溶接し、さらに後
熱処理を行う。また必要に応じて、クランプ後フラッシ
ュ過程の前に予熱処理を行う。前記各工程において、可
燃性ガスの供給、燃焼を以下のように行う。

【００３０】フラッシュ過程では、突き合わせ溶接部近
傍で可燃性ガスを燃焼させて溶接部周辺に還元雰囲気を
形成させる。その結果、接合界面に残存する酸化物等の
割れの起点となる介在物が低減される。さらに、ガス燃
焼時の鋼板への入熱を利用して接合界面近傍の鋼板温度
を上昇させてアプセット過程におけるアプセット量を増
加させることができる。これにより、接合界面が拡大
し、介在物の密度はさらに低減されて、割れの起点とな
る欠陥が大幅に低減する。

【００３１】さらに、アプセット過程の後可燃性ガスを
燃焼させて、溶接界面近傍の後熱処理を行い、溶接界面
近傍の硬化、靭性劣化を抑制し、切欠き感受性を低下さ
せることにより、欠陥部がある程度拡大しても相互につ
ながって最終的に大きな割れに至ることがなくなる。こ
のように燃焼ガスによるシールドと熱処理を組み合わせ
た方法による溶接部の機械的性質の改善効果は、これら
を用いなかった場合と比較して著しく大きな効果があ
る。

【００３２】ここで、溶接部の熱処理方法はいくつかに
分類することができる。大きく分けると、一つはオース
テナイト変態点（Ａ₃点）を越えて昇温するアニール処
理を行う方法、もう一つは２００℃以上Ａ₁変態点以下
の温度で行うテンパー処理である。これら両方法では、
それぞれ利点・欠点がある。アニール処理では高温に一
定時間保持した後、冷却速度を管理して冷却する必要が
あり、最終組織の硬さを低く押さえるには長い冷却時間
を必要とする。テンパー処理の場合、不安定相であるマ
ルテンサイトをフェライトと炭化物とに分解することに
より溶接部の硬さを低下するが、加熱後の冷却速度を管
理する必要がない。また、処理温度もＡ ₁変態点以下で
行うのでアニール処理と比べて低い温度で可能である。

【００３３】しかしながら、成分系によってはテンパー
処理でも十分でない、もしくは長時間かかる場合があ
り、成分系によって処理方法等も自由に選択できる方が
よい。例えば、フラッシュ過程に必要な電源容量は、直
接通電による熱処理に必要なものよりも小さく、板厚が
厚いもしくは板幅が広い場合は容量不足となる場合や、
前述したように板幅方向の温度分布に差が生じて適切な
熱処理が行えない場合がある。

【００３４】本発明によれば、後熱処理の温度、時間を
何れも自由に選択できる。また、溶接用電源を用いた直
接通電とガス燃焼による熱処理を組み合わせることによ
り、効率的でかつ安定した熱処理が可能である。

【００３５】また、本発明においては、フラッシュ過程
の前に被溶接部の予熱処理を燃焼ガスを利用して行うこ
とにより予熱処理温度を適正化できるので、前記効果を
より向上できる。

【００３６】本発明では、各工程における燃焼ガスの種
類と流量を調整することにより、フラッシュ過程〜アプ
セット過程においては還元性ガスを含むガスを供給して
接合界面のシールドを行い、予熱処理と後熱処理時には
燃焼効率の高いガスを供給し、短時間で効率よく熱処理
を行うことが可能となる。

【００３７】なお、フラッシュ過程〜アプセット過程で
は、シールド効果を高めるために可燃性ガスの燃焼を連
続して行う必要があるが、予熱処理又は後熱処理におい
ては、所要の加熱ができるなら断続して燃焼してもよ
い。

【００３８】本発明では、燃焼ガスの排出ポートを板幅
方向に分割して燃焼ガス流量を調整し、投入熱量を制御
することにより、ガス燃焼による加熱を鋼板中央部のみ
としてエッジ部との温度差を補正することができるの
で、板幅方向の温度分布を均一にしてより適切な熱処理
ができる。

【００３９】以上述べた方法は、すべてを行う必要はな
く、必要に応じて適宜適用すればよい。

【００４０】

【実施例】重量％で、Ｃ：０．０８％、Ｓｉ：１．５
％、Ｍｎ：１．７％を主要成分として含む板厚５．０ｍ
ｍ、板幅１６００ｍｍ、引張強さ８００ＭＰａの炭素鋼
熱延鋼板に対し、図１、図２に示したフラッシュバット
溶接装置を用いて溶接試験を行った。なお、ガス排出ポ
ートはその径が３ｍｍφで板幅方向に３０ｍｍピッチで
配置されている。

【００４１】溶接試験に際しては、予熱処理、フラッシ
ュ過程〜アプセット過程、後熱処理の各過程で本発明に
規定する可燃性ガスを燃焼させた場合、燃焼させない場
合について試験を行い、更に後熱処理については直接通
電を行った場合、行わない場合についても試験した。な
お、本実施例では、予熱処理、フラッシュ過程〜アプセ
ット過程については、全てのガス排出ポートを使用して
可燃性ガスを燃焼し、後熱処理については鋼板両端部か
ら５０ｍｍ内側の範囲内で可燃性ガスを燃焼した。

【００４２】溶接条件は、各処理方法の適用時における
最適な条件とし、曲げ試験での溶接部の割れ長さ率と溶
接に要する時間（溶接所要時間）に基いて、溶接部の性
能と溶接効率を評価した。燃焼ガスはプロパンを使用
し、シールド時にはプロパンのみ、また熱処理時にはプ
ロパンの２０倍の空気を混合して燃焼させた。

【００４３】曲げ試験については、１６００ｍｍ幅の溶
接部から５０ｍｍ幅の試験片を３０片取り出し、６Ｒの
ポンチで１８０度曲げ試験を行い、試験後に溶接部に発
生した割れ長さを測定し、割れ長さが溶接部全体の長さ
に占める割合を、割れ長さ率（％、割れ長さ（ｍｍ）／
５０×１００）として求めた。これまでの経験的な知見
から、この割れ長さが１０％以下であればライン通板時
に破断が生じないことから、１０％以下を良好な溶接部
と判断した。また、溶接に要する時間は、クランプ開始
から溶接工程（熱処理を含む）終了までの時間とした。

【００４４】表１に溶接試験条件及び溶接所要時間、溶
接部の性能をまとめて示す。なお、表１において、予熱
処理の「有無」は、本発明に規定する可燃性ガス燃焼に
よる予熱処理の有無、ガスシールドの「有無」は、フラ
ッシュ過程〜アプセット過程の過程で本発明に規定する
可燃性ガス燃焼による接合部近傍の還元雰囲気によるシ
ールの有無を示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】ガスシールドを行わない場合、ガスシール
ドを行っても後処理を行わない場合（比較例１〜３）、
割れ長さ率が著しく悪い。ガスシールドを行っても、後
熱処理を従来の直接通電で行った場合（比較例４）、溶
接部の性能は依然として不十分である。図３に比較例４
の場合の後熱処理時の温度変化を示す。この図に示すよ
うに、直接通電による後熱処理を行う従来の後熱処理方
法では鋼板の幅方向の温度上昇が不均一であり、端部に
比べて中央部での温度上昇が不十分である。十分な溶接
部の性能が得られない原因は、このような不均一加熱に
よるものである。

【００４７】一方、ガスシールド及び本発明に規定する
ガス加熱により後熱処理を行った場合（発明例１〜３）
は、良好な溶接部性能が得られている。図４に、発明例
２の後熱処理時の温度変化を示す。ガス加熱により、直
接通電と比較して、溶接部の温度上昇を効率よく、かつ
鋼帯の幅方向全体を均一に加熱でき、その結果、溶接部
の性能が優れたものとなる。

【００４８】また、直接通電とガス燃焼による加熱を同
時に行うことにより、溶接の所要時間がより短縮される
（発明例２）。さらに、クランプ後すぐにガス燃焼して
予熱処理を行うことにより、前記効果をさらに向上でき
る（発明例３）。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
難溶接材に対しても効率よくかつ溶接部性能に優れた溶
接が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るフラッシュバット溶
接装置において、鋼板クランプ時のクランプダイアセン
ブリーの要部断面を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るフラッシュバット溶
接装置において、クランプダイとガス供給装置の接続状
態の一例を示す図である。

【図３】従来法による後熱処理時の幅方向の温度分布と
通電時間の関係を示す図である。

【図４】本発明法による後熱処理時の幅方向の温度分布
と通電時間の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ クランプダイ ２ ガス排出口（ガス排出ポート） ３ 電極 ４ 鋼板 ５ａ、５ｂ 遮蔽弁 ６ 可燃性ガス流量調整弁 ７ 空気流量調整弁 ８ 可燃性ガス供給配管 ９ 空気供給配管 １１ 混合気配管 １２ 分岐配管

フロントページの続き (72)発明者 渋谷 清文 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 中山 安利 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 突き合わせてフラッシュバット溶接を行
   う被溶接材の被溶接部の上方および下方に可燃性ガスを
   供給するガス排出ポートを備えるフラッシュバット溶接
   装置において、前記ガス排出ポートに供給する可燃性ガ
   スの供給系統に可燃性ガスの種類および流量の調整手段
   を備えることを特徴とするフラッシュバット溶接装置。
2. 【請求項２】 可燃性ガスのガス排出ポートを被溶接材
   幅方向に分割して複数配設し、また可燃性ガスの供給系
   統に被溶接材幅方向のガス排出ポートに供給する可燃性
   ガス流量と投入熱量を制御する手段を備えることを特徴
   とする請求項１に記載のフラッシュバット溶接装置。
3. 【請求項３】 被溶接材を突き合わせてフラッシュバッ
   ト溶接を行うにあたって、被溶接材のクランプ終了時か
   らアプセット終了もしくはその後の後熱処理終了に至る
   過程において、被溶接材の接合部近傍で可燃性ガスを燃
   焼させることによって、被溶接部の大気中酸素からの遮
   蔽および後熱処理あるいはまたクランプ終了後予熱処理
   を行うことを特徴とするフラッシュバット溶接方法。
4. 【請求項４】 可燃性ガスを燃焼させる際に、各過程に
   おいて供給する可燃性ガスの種類および流量を調整する
   ことを特徴とする請求項３に記載のフラッシュバット溶
   接方法。
5. 【請求項５】 フラッシュバット溶接後の後熱処理の際
   に、可燃性ガスの燃焼に加えて溶接電源を用いて溶接部
   に直接通電を行うことを特徴とする請求項３又は請求項
   ４に記載のフラッシュバット溶接方法。
6. 【請求項６】 可燃性ガスを供給するためのガス排出ポ
   ートを被溶接材幅方向に複数配設し、被溶接材幅に応じ
   て被溶接材幅方向のガス排出ポートに供給する可燃性ガ
   ス流量を制御することを特徴とする請求項３乃至請求項
   ５のいずれかの項に記載のフラッシュバット溶接方法。