JP2013081985A - 鋼材のサブマージアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低入熱で十分な溶け込みを得ながら美麗なビード外観を得ることが可能な、鋼材を内外面一層溶接する多電極サブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】３電極以上のサブマージアーク溶接を用いた鋼材の内外面一層溶接であって、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方を第１電極の電流密度Ｄ_１を２２０（Ａ／ｍｍ^２）以上で、第２電極の電流密度Ｄ_２を８５（Ａ／ｍｍ^２）、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離を２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下とする。但し、電流密度（Ａ／ｍｍ^２）＝溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ^２）。さらに好ましくは上記条件とする内面溶接または外面溶接において、最後尾電極の電極角度を４０度以上、開先角度を５０度以上７０度以下とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関し、ＵＯＥ鋼管、スパイラル鋼管などの大径鋼管の造管溶接に用いて好適なものに関する。

大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には２電極以上のサブマージアーク溶接が適用されている。パイプ生産能率向上の観点から鋼管の内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する両面一層盛り溶接が一般的で、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１、２）。

両面一層溶接では内面溶接金属と外面溶接金属が重なり未溶融部がないように十分な溶け込み深さを確保するため、１０００Ａ以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であるが、能率と欠陥抑制を重視することで、溶接入熱が過剰となりやすく、溶接部、特に溶接熱影響部の靭性が劣化する傾向にある。

溶接部の高靭性化のためには、溶接入熱を低減するのが有効で、特に板厚の大きな鋼管の造管溶接では必要な入熱が大きくなるため、可能な限り入熱を低減することが課題となっている。しかしながら、入熱を低減すると溶込み不足が生じやすくなるので、入熱低減と深溶け込みの両立を目的としたサブマージアーク溶接方法が種々提案されている。

例えば、特許文献３は高電流密度で溶接するサブマージアーク溶接方法を提案するもので、アークエネルギーを板厚方向に投入することにより、必要な溶け込み深さは確保するが、鋼材幅方向の母材の溶解は抑制して溶接入熱が過剰となることを防止した、入熱低減と深溶け込みを両立したサブマージアーク溶接方法が記載されている。

特許文献４および特許文献５には高電流密度のサブマージアーク溶接法の欠点であるスラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生しやすい点を、電極配置を適切に制御することで抑制するサブマージアーク溶接方法が記載されている。

特開平１１−１３８２６６号公報 特開平１０−１０９１７１号公報 特開２００６−２７２３７７号公報 特開２００９−１９５９５７号公報 特開２００９−２０８１１４号公報

ところで、溶接条件の選定においては、溶接部の靭性、溶け込み形状の他に、ビード外観を考慮することが必要であるところ、特許文献４および５記載のサブマージアーク溶接方法ではビード幅を大きくすることが困難で、アンダーカットが発生しやすいという問題があった。

そこで、本発明は低入熱で深溶込みを得ながらアンダーカットのない美麗なビード外観を得ることが可能な、鋼材を内外面一層で溶接する多電極サブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋼材の内外面一層溶接継手を種々の溶接条件による３電極以上のサブマージアーク溶接法で作製し、溶接金属断面形状およびビード外観について調査した。

その結果、第１電極の電流密度、第２電極の電流密度、第１電極と第２電極とのワイヤ中心間距離、最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間距離を適正に設定することで、低入熱で深溶込みを得ながらアンダーカットのない美麗なビード外観が得られることを見出した。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下の通りである。
１．３電極以上のサブマージアーク溶接を用いた鋼材の内外面一層溶接において、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方が下記の条件を満足することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
記
第１電極の電流密度が下記の（１）式を満足し、第２電極の電流密度が下記の（２）式を満足し、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離が２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下とする。
Ｄ_１≧２２０ （１）
Ｄ_２≧８５ （２）
ここで、
電流密度（Ａ／ｍｍ^２）＝溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ^２）
Ｄ_１：第１電極の電流密度（Ａ／ｍｍ^２）、Ｄ_２：第２電極の電流密度（Ａ／ｍｍ^２）
２．更に、最後尾電極の電極角度が４０度以上であることを特徴とする１に記載の鋼材のサブマージアーク溶接方法。
３．更に、開先角度が５０度以上７０度以下であることを特徴とする１または２に記載の鋼材のサブマージアーク溶接方法。

本発明によれば、溶接部靭性に優れる美麗なビード外観の内外面一層溶接部を得ることが可能で、産業上きわめて有効である。また、開先角度が小さくてもこの効果が得られることから、溶接ワイヤ消費量の削減効果もある。

開先形状各部の名称を説明する図。 内外面一層溶接部のマクロ断面を説明する模式図。 電極角度を説明する図で（ａ）は前進角、（ｂ）後退角を説明する図。

本発明では、１．深い溶け込みを得るため、第１電極と第２電極の電流密度を規定する。電流密度（Ａ／ｍｍ^２）は溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ^２）で求める。

２．梨型割れやスラグ巻き込みの溶接欠陥を防止するため、第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離（ｍｍ）を規定する。

３．アンダーカットのない美麗なビード外観を得るため、最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間距離（ｍｍ）を規定し、更に、ビード外観を向上させる場合は、最後尾電極の電極角度を規定する。

４．更に、入熱低減および溶接ワイヤ使用量削減の効果を得る場合は、開先角度は５０度以上７０度以下とする。開先角度を小さくすることで必要なワイヤ溶着量が減るが、小さくしすぎると溶込みを得るために大きな入熱が必要になるため、５０度以上７０度以下とする。以下、具体例によって本発明を説明する。

板厚２５．４ｍｍ、３１．８ｍｍ、３８．１ｍｍの鋼板（長さ１０００ｍｍ）に、開先加工を施した後、内外面一層溶接の３または４電極サブマージアーク溶接を施して溶接継手を作製し、溶込み状態、溶接欠陥の有無およびビード外観を調査した。

ビード外観の調査は、溶接継手のビード外観を目視観察し、鋼板表層におけるビード幅を測定した。溶込み状態と溶接欠陥の調査はビード定常部を等分して採取した３個のマクロ断面を目視観察して行った。表１に鋼板の化学成分を、表２に溶接に用いた開先形状の各部の寸法（図１参照）を、表３に溶接条件を示す。表３において電極角度は鉛直方向と電極との成す角度を示し、前進角の場合を正、後退角の場合を負とする（図３参照）。

各板厚毎に、開先形状では、内外面において開先角度と開先深さを変化させ、溶接条件では、内外面溶接のそれぞれにおいて、第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離と最後尾電極と最後尾より１つ前の電極（３電極の場合は、第３電極と第２電極、４電極の場合は、第４電極と第３電極）とのワイヤ中心間の距離を変化させた。また、第１電極と第２電極の各電極の電流密度と溶接速度を変化させた。

表４に、溶接結果を示す。表において、内面溶接金属と外面溶接金属との会合部から外面溶接金属の溶込み先端までの板厚方向の距離を測定した値Ｌ（図２参照）が板厚の０．０５倍未満となる場合は溶込み不足とした。また、内面ビード幅は板厚の０．６５倍未満、外面ビード幅は板厚の０．８０倍未満をビード幅過小とした。

内面溶接および／または外面溶接で第１電極の電流密度Ｄ_１が２２０（Ａ／ｍｍ^２）以上で、第２電極の電流密度Ｄ_２が８５（Ａ／ｍｍ^２）、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離が２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下として、内面溶接および／または外面溶接を行ったＮｏ．１〜５、Ｎｏ．１０〜１２の内面溶接部および／または外面溶接部では梨型割れやスラグ巻き込みの溶接欠陥が無く、美麗なビード外観が得られている。尚、Ｎｏ．１０〜１２のうち、最後尾電極の電極角度（前進角）４０度以上として溶接したものはビード外観が特に良好であった。

Ｎｏ．６は内面溶接と外面溶接ともに第１電極と第２電極とのワイヤ中心間距離が２１ｍｍ未満であり、内面溶接ではスラグが発生し、外面溶接では梨型割れが発生した。
Ｎｏ．７は内面溶接と外面溶接ともに最後尾電極とその１つ前の電極とのワイヤ中心間距離が１９ｍｍを超える場合であり、内面溶接と外面溶接ともにビード幅が小さかった。

Ｎｏ．８は内面溶接と外面溶接ともに第１電極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ^２未満の場合であり、溶込み不足が生じた。
Ｎｏ．９は内面溶接と外面溶接ともに第２電極の電流密度が８５Ａ／ｍｍ^２未満の場合であり、溶込み不足が生じた。

Ｎｏ．１３は外面溶接のみ第１電極の電流密度Ｄ_１が２２０（Ａ／ｍｍ^２）以上で、第２電極の電流密度Ｄ_２が８５（Ａ／ｍｍ^２）、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離が２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下の条件を満足する場合であり、内面溶接は最後尾電極とその１つ前の電極とのワイヤ中心間距離が１９ｍｍを超えるためビード幅が小さかった。

Ｎｏ．１４は内面溶接の第１電極の電流密度が２２０Ａ／ｍｍ^２未満であるが、外面溶接は第１電極の電流密度Ｄ_１が２２０（Ａ／ｍｍ^２）以上で、第２電極の電流密度Ｄ_２が８５（Ａ／ｍｍ^２）、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離が２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下のため低入熱で欠陥を発生させずに深い溶込みを得ながら内面と外面ともに大きなビード幅が得られた。

以上より、本発明では、３電極以上のサブマージアーク溶接を用いた鋼材の内外面一層溶接において、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方を第１電極の電流密度Ｄ_１を２２０（Ａ／ｍｍ^２）以上で、第２電極の電流密度Ｄ_２を８５（Ａ／ｍｍ^２）、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離を２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下とする。但し、電流密度（Ａ／ｍｍ^２）＝溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ^２）。

１ 鋼材
２ 内面溶接部
３ 外面溶接部
Ｌ 距離
ｔ 板厚

Claims (3)

1. ３電極以上のサブマージアーク溶接を用いた鋼材の内外面一層溶接において、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方が下記の条件を満足することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
   記
   第１電極の電流密度が下記の（１）式を満足し、第２電極の電流密度が下記の（２）式を満足し、鋼板表層位置で測定した第１電極と第２電極とのワイヤ中心間の距離が２１ｍｍ以上で、かつ鋼板表層位置で測定した最後尾電極と最後尾より１つ前の電極とのワイヤ中心間の距離を１９ｍｍ以下とする。
   Ｄ_１≧２２０ （１）
   Ｄ_２≧８５ （２）
   ここで、
   電流密度（Ａ／ｍｍ^２）＝溶接電流（Ａ）÷ワイヤ断面積（ｍｍ^２）
   Ｄ_１：第１電極の電流密度（Ａ／ｍｍ^２）、Ｄ_２：第２電極の電流密度（Ａ／ｍｍ^２）
2. 更に、最後尾電極の電極角度が４０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋼材のサブマージアーク溶接方法。
3. 更に、開先角度が５０度以上７０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材のサブマージアーク溶接方法。

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