JPS63154266A - 高速ガスシ−ルドア−ク仮付溶接方法 - 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〕 この発明は、溶接鋼管を溶接によって製造する際の、溶
接鋼管のガスシールドアーク仮付溶接方法に係り、詳し
くは、高速度且つ優れた溶接品質で、スパッタを発生す
ることなく作業性良く溶接鋼管を仮付溶接することがで
きる、高速ガスシールドアーク仮付溶接方法に関するも
のである。

〔従来技術〕

溶接鋼管を溶接によって製造する際の仮付溶接作業に於
て、溶接施工の能率向上、及び省力化の為にガスシール
ドアーク溶接方法を採用する例が多い。

この様な溶接鋼管の仮付溶接は、 （１）溶接線が比較的長い、 （２）中厚板が主体であり大電流による溶接を必要　　
゛とする、 （３）下向溶接が基本である、 等の特長を有している。

従来の仮付溶接は１電極ガスシールドアーク溶接方法を
採用しているのが一般的であって、その実用上の速度は
概ね６ｍ／ｍｉｎ　以下であり、前記のような溶接作業
を実施する場合溶接線が長いことから、各製品１個当り
の作業時間は長く、他工程との能率バランスを確保し所
定の生産性を達成する為には製管機械の多設が必要とな
っている。

製管設備の様な複雑な大型機械の一基当りの建設コスト
は高く、多大な投資を必要とする結果を招いている。加
えて、機械操作者も多人数？要している。

このような仮付溶接において、８ｍ／ｍｉｎ　以上の高
速度で溶接を実施しようとした場合には、溶着堵の観点
からシングル電極での溶接は無理であり、ワンブールを
形成すべく電極を比較的近接配置したタンデム電極化を
図る必要がある。

しかしながら、通常のガスシールドアーク溶接は、直流
電源を使用しており、このままタンデム化金図るとアー
クの相互干渉が生じ安定な溶接を維持できない。そこで
、電源特性としてスイッチング特性を有した溶接電源が
要求される。ここでいうスイッチング特性とは、交流の
ように電流が正負の変化を燥返すもの、全波あるいは半
波整流のように正あるいは負の領域で変化を繰返すもの
で、波形としては通常の正弦波のほかに人為的に波形加
工を行った矩形波、鋸歯状波等の波形を有するものをさ
す。

通常のガスシールドアーク溶接にスイッチング特性を有
した溶接電源を直ちに採用するにはつぎなる問題点の解
決が必要である。すなわちアークの再点弧性の問題であ
る。

スイッチング特性を有した溶接電源を使用した場合、電
流が零レベルを通過する時に、アークが一旦消弧する。

引き続いて生じる電流の立上りに応じてのアークの再点
弧は、通常のガスシールドアーク溶接においては起こり
にくい。

このガスシールドアーク溶接における再点弧・註の改善
方法としてつぎのような方法が提案されている。すなわ
ち、 （１）　　フラックス入りワイヤの使用、（２）電源の
位相差の発生、 でちる。

マｆ（１）のフラックス入りワイヤの使用についてであ
るが、特開昭５６−６６３７６、特開昭５６７７０９４
にみられるように、アーク安定剤を添加したフラックス
を包含したフラックス入りワイヤを使用して再点弧性を
維持する方法が提案されている。しかしながら、その実
施例にみるように、溶接速度においては１ｍ／ｍｉｎ以
下であり、８ｍ／ｍｉｎ以上の高速性は達しえていない
。本発明者らの実験においては、８ｍ／ｍｉｎ　以上の
高速溶接時には電源の位相が一致しているため、電圧の
ノ・ンチングが激しく連続的なビードは得られなかった
。

また（２）の電源の位相差の発生についてであるが、４
［￥開昭６１−６０２７１にみられるように、電源に位
相差を設けることにより溶融金属場面のコントロール全
行うとともに、片方の電極が消弧してももう一方の極が
点弧状態にあるため再点弧性が維持されており、１０　
ｍ／ｍｉｎ　　の溶接・注を得られる方法が提案されて
いるが、本発明者らの実験においては連続的なピードは
得られるものの、融合不良の内部的品質不良金起こすば
かりでなく、著しいスパッタリングを生じ溶接作業性の
低下を招くとともに、母板へのスパッタ付着が７・−ト
スポットとなるなどの問題を起すことが確認された。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のように、従来のガスシールドアーク仮付溶接方法
では、溶接鋼管を高速度で仮付溶接することが不可能で
あったり、あるいは、溶接部の品質不良やスパッタリン
グによる作業性の低下を生じる等の問題があった。

従って、この発明は、上述の現状に鑑み、例えば８ｍ／
ｍｉｎ以上の高速度且つ優れた溶接品質で、スパッタリ
ング全発生することなく作業性良く溶接鋼管を仮付溶接
することができる、高速ガスシールドアーク仮付溶接方
法を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

この発明においては、ガスシールドアーク仮付溶接方法
を、 先行電極として３．２１以上の径ケ有するメタル系フラ
ンクス入すワイヤを後退角０〜２０度の範囲で、後行電
極として１．６ｍ以上の径を有するメタル系フラックス
入りワイヤを前進角０〜２０度の範囲で、その先端間が
１０〜４０ｍｍの範囲となるように配置して、前記先行
電極および後行電極に２００〜２０００Ａの溶接電流を
前記各電極間に位相差を持たせて供給し、そして、Ｃｏ
２を５０係以上含有するＡｒ　−Ｃｏ。混合ガスをシー
ルドガスとして供給して、被溶接材を仮付溶接すること
を特徴とする構成とすることによって、従来技術の問題
点を解決するものである。

以下、この発明の高速ガスシールドアーク仮付溶接方法
について詳述する。

本発明者らは、高速仮付溶接時のアーク現象、及びそれ
に伴うヌパッタ発生機構、溶融金属の挙動を観察し種々
の検討を加えた。

その結果、安定な高速ガスシールドアーク仮付溶接を得
るには、 （１）　　高溶着性を得るための電極のタンデム化、（
２）　　ワンブール近接タンデム溶接時のアークの相互
干渉を避けるための溶接電源のヌイツチング特注化、 （３）　　アークの高速性を維持するための溶接電源の
位相差付加、 （４）　　アークの再点弧性を維持するためのフラック
ス入りワイヤ使用、 （５）　　高速溶接時の品質確保のための活性シールド
ガスとフラックス入りワイヤの組合せ使用、 （６）　　フラックス入りワイヤ溶着量確保およびスラ
グレヌ化のためのワイヤ内包フラックスのメタル系フラ
ックス化、 が必要であることが判った。

以下に実験結果に基づき説明する。

溶着量確保はワイヤの大径化によりすすめるのが良いが
、溶接条件の鋼板厚に対する汎用性の問題、送給系の問
題、取扱いの問題から６．４φ程度の外径以下で使用す
ることが理想的と考えられる。

このようなワイヤ外径制限の中で、８　ｍ　７ｍ　１　
ｎ以上の高速溶接に於ても所定の溶着量を確保すること
は７ングル電極では困難であることは従来の例を見ても
明らかであり、ワンブールを形成すべく電極を近接配置
するタンデム化が必要となる。

ここで、タンデム時のアークの相互干渉を防止する意図
でスイッチング特性を有する溶接電源を用いることは有
効であり、先にしめしたように位相差？つけることは高
速化のためには良いことが考えられている。しかしなが
ら、この方法であると品質不良を避けえない。以下にそ
の理由を示す。

前述した方法は、シールドガスとして不活性ガス主体の
ものを選択し、通常のソリッドワイヤを使用している。

このような不活性ガス主体のシールドガス気中に於いて
ソリッドワイヤを使用した場合、強いプラズマ気流が発
生し易いことはよく知られている。すると、強いプラズ
マ気流により溶融金属は吹き飛ばされる状況を呈し、母
板の乾いた表面が露出する現象が生じる。この為溶融金
属の伶却時母板金属に完全に溶着せず融合不良が発生す
る。

以上の様な現象を防止する為にはプラズマ気流を絞る必
要があることがわかった。

プラズマ気流の発生原因は棒端がら母板までのアーク柱
内の電流密度差である。従って、前記の現象を防止する
方法としてはこの電流密度差を抑制することが有効であ
る。

抑制する方法としては、 （１）フラックス入りワイヤの使用、 （２）活性ガス（例えばＣｏ２）の組成比率を増加させ
たものの使用、 が有効であるとの知見を得た。

まず最初に、上記（１）に示すフラックス入りワイヤの
使用についての説明を行う。

第１図（Ａ）〜（Ｄ）に、フラックス入りワイヤの断面
形状の例を示す。ここで、上はフラックス入りワイヤの
金属外皮部、２は同じく包含されるフラックスを示す。

この様なフラックス入りワイヤは空隙部を有しているた
めに、金属外皮部から発生するアークの電流密度をソリ
ッドワイヤと同等とした場合、ワイヤ外径に対する見掛
けの電流密度は低くなる。

また、フラックス入りワイヤの場合、同一外径、同−電
流でのワイヤ送給速度は、ソリッドワイヤに比して高く
、アーク電圧を低く抑えることが出来る。これにより、
うもれアーク化が実現可能となりプラズマ気流が抑制さ
れる。

さら−に不発明者らは前記（２）に示すシールドガス組
成について検討を加えた。

従来行なわれてきた溶接方法、すなわち大電流大径ソリ
ッドワイヤ使用による溶接方法であると、活性ガス主体
のシールドガス環境下ではスパッタの発生が著しく、溶
接作業性の低下を引き起こしていた。これは同一電流領
域において活性ガス環境下での溶滴移行がスプレー化出
来ないことに起因する。また短絡により生じるスパッタ
も無視出来ない。

フラックス入りワイヤにおいては、そのワイヤ外径に比
して金属外皮実断面積が小さい為小径ソリッドワイヤと
同じ効果が得られるわけであり、溶滴移行の臨界電流を
低く出来る。第２図に、ソリッドワイヤとフラックス入
りワイヤの臨界電流の較差を示す。更に、フラックス入
りワイヤに包含する添加物としてスパッタ発生を抑制す
る効果を持たせたものを選択することにより、一層のス
パッタ抑制が可能となる。

第３図に、シールドガス組成を変化させた場合の高速溶
接性と溶接部内部品質（溶造性）とを示す。第３図に示
されるように、Ａｒ　−Ｃｏ。混合ガス中のＣＯ２の比
率が５０％を下廻ると、Ｃｏ２１００チのときに比べて
、高速溶接性および溶接部品品質が可成り低下し、溶接
品質の良好な仮付溶接を高速度で行なうことが困難にな
る。従って、ＣＯ７を５０条以上含有するＡｒ　−Ｃｏ
。混合ガスｔ７−ルドガスとして用いる。

溶接電流は、所要量のビードを形成させて良好な溶接部
品品質を得ために、２００八以上必要である。しかし、
溶接電流が２００ＯＡ’ｉ超えると、スパッタが発生し
て作業性が悪化する。従って、溶接電流は２００〜２０
０ＯＡの範囲内とする。

上述したように、フラックス入りワイヤと活性シールド
ガスを組合せることにより安定な高速溶接を実現できる
ことが判った。また、ＣＯ□のような安価なシールドガ
スを用いる事ができる為、フラックス入りワイヤ使用に
よる材５料費の増加を相殺しうる。

しかしながら、通常のフラックス入りワイヤにはつぎの
ような問題点がある。

０）溶着量の不足、 （２）フラックスにより生じるスラグの影響イ）タンデ
ム時の後行アーク不安定、 口）外面本溶接のヌラグ巻き込み。

この解決方法として、内包するフラックスに６０チ以−
ヒの鉄粉を加えたメタル系フラックス入りワイヤを使用
することが有効であることが確認された。

次に、タンデム化における電極の配置について検討を加
えた。

高速溶接を目指す場合、溶着量確保の面から、電極を極
めて接近させ、１プール化を図る必要が有ることは先に
も述べた通りである。

ここでタンデム化した場合の谷電極の役割について説明
を別えると、先行電極の主たる役割は、（１）母材の開
拓、 （２）ある範囲の溶着量の維持 であり、後行電極の役割は、 （１）平滑なビードの形成、 （２）不足分の溶着量の確保、 と言える。

先行極の上記役割（１）より、ワイヤ外径として３．２
φ以上のものを選択するのが適当である。

また、後行極ワイヤは高速溶接時に、かなりの高速で送
給されるため、送給の安定・荘を確保する意味から１．
６φ以上の径を必要とする。先行極と後行極光端間の極
間隔はビード形成の上で重要な点である。第４図に先行
極に外径４．０φのフラックス入すワイヤ、後行極に外
径２．０φのフラックス入すワイヤを用いた場合の、先
行電極に対する適正極間隔を示す。

第４図に示されるように、先行極と後行極の適正極間隔
は１０−４０−の範囲となっており、極間隔が１０罷未
満または４０−超となると、ビードのハンピング乃至ア
ークの短絡が発生する。即ち、極間が１０８以下である
と先行プールのほぼ中央に後行電極ワイヤが供給される
為、後行電極による溶融金属表面の押えがきかなくなリ
ピート形状はハンピング状を示す。同時に極間が近い為
アークの相互干渉を生じ易くなって、アークの短絡を生
じる。逆に、極間が４０謂を超えると後行アークが既に
固まった金属上に発生する為、アークの短絡を生じ、そ
して連続したビードを形成しない。

次に、電極の傾きであるが、先行極はＯ０〜２０゜の範
囲で後退角を持たせた方が良い。これは、先行アーク力
により後方へ押しのけられる溶融金属の流動状態を層流
に保つ必要があるからである。

又、後行極については０°〜２０°の範囲でｔＭＴ進角
を持たせる必要がある。これは、後行のアークで先行極
により生じる溶融池端部を押え、溶融金属を一時的にせ
きとめ形成されるビードの表面高さを均一に保つ必要が
あるからである。第５図に、谷電極角度と高速溶接性と
の関係を示す。

〔実施例〕

この発明の範囲内の条件で母材板を仮付溶接した。そし
て、そのときの溶接速度、作業性および溶接品質を調べ
た。比較のために、溶接ワイヤまたはその他の溶接条件
をこの発明の範囲外として、同様に母材板を仮付溶接し
、溶接速度等を調べた。

使用した母材板は、厚さ１２朋、幅３ｏｏ、、長さ１５
０００膿で、４５°Ｙ型、深さ６間の開先付き突合せの
ＡＰＩ−Ｘ７０であった。溶接は下向姿勢、１パスで行
なった。

溶接ワイヤは、この発明の範囲外のワイヤとして、第１
表に主要成分を示したソリッドワイヤ（ＪＩＳ　ＹＧＷ
　１５　）　、第２表にフラックス成分等を示したチタ
ニア系フラックス入すワイヤ（ＪＩｓＹＦＷ２４）を使
用し、この発明の範囲内のワイヤとして、第３表にフラ
ックス成分等を示したメタル系フラックス入すワイヤを
使用した。なお、第２〜３表において、ワイヤ断面形状
の項の（Ａ）は、前述した第１図（Ａ）に示す断面形状
であることを示している。

使用した溶接ワイヤの種類およびその他の溶接条件と、
そのときの溶接速度等の結果とを、第４表に示す。第４
表において、○印は優秀、Δ印は良好、　Ｘ印は不良を
示す。

第４表に示されるように、この発明の範囲内の条件で仮
付溶接を行なった本発明Ｎ１１Ｌ６〜Ｂ、１０〜１１、
コ４〜］５、および１８〜１９においては、いずれも、
溶接速度１２　ｍ／ｍｉｎ　　の高速溶接によって、優
良な溶接部品質で母材板を仮付溶接できており、その作
業性も優れている。

これに対し、この発明の範囲外の条件で仮付溶接を行な
った比較例醜１〜５，９．１２〜〕３゜１６〜１７およ
び２０〜２１においては、第４表に示されるように、溶
接速度、作業性および溶接部品質のうちの少なくとも１
つが不良であり、これ等の全てを満足するものはなかっ
た。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明の仮付溶接方法によれば
、従来のガスシールドアーク仮付溶接法では成し得なか
った１２ｍ／ｍｉｎ以上の高速仮付溶接を実現できる。

その結果、大幅な作業時間の短縮を図れ、特に製管設備
に見るような大型設備に対する投資を最少限に留めると
共に、操業に必要な人員を削減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフラックス入りワイ
ヤの断面形状の例を示す断面図、第２図は、ソリッドワ
イヤとフラックス入りワイヤの臨界電流の較差を示すグ
ラフ、第３図は、シールドガス組成と高速溶接性および
溶接部内部品質との関係を示すグラフ、第４図は、極間
隔と溶接長１２７７１当りのハンピング、短絡発生回数
との関係を示すグラフ、第５図は、電極角度と最高溶接
速度との関係金示すグラフである。図面において、 １・・・金属外皮部、　　　　２・・フラックス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 先行電極として３．２ｍｍ以上の径を有するメタル系フ
   ラックス入りワイヤを後退角０〜２０度の範囲で、後行
   電極として１．６ｍｍ以上の径を有するメタル系フラッ
   クス入りワイヤを前進角０〜２０度の範囲で、その先端
   間が１０〜４０ｍｍの範囲となるように配置して、前記
   先行電極および後行電極に２００〜２０００Ａの溶接電
   流を前記各電極間に位相差を持たせて供給し、そして、
   ＣＯ＿２を５０％以上含有するＡｒ−ＣＯ＿２混合ガス
   をシールドガスとして供給して、被溶接材を仮付溶接す
   ることを特徴とする、高速ガスシールドアーク仮付溶接
   方法。