JP5103424B2

JP5103424B2 - 片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法

Info

Publication number: JP5103424B2
Application number: JP2009048942A
Authority: JP
Inventors: 勇木本; 大輔大村
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: JP2010201456A

Description

本発明は、橋梁における構造物のうち特にＵトラフ形リブの片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に係り、仮付け溶接ビードが有る箇所においても深い溶け込みが得られ、スパッタ発生量の少ない片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法に関する。

橋梁の分野において鋼床版の補強材として図４（ａ）に示すような閉断面形式のＵトラフ形リブ１（以下、Ｕリブという。）が、図４（ｂ）に示す開断面形式の縦リブ７に比べてその使用量が増加している。これはＵリブが縦リブに比べて強度および防錆上好ましく、鋼床版全体の軽量化や溶接長の低減が図れるなどのメリットがあることによる。

しかし、図４（ｂ）に示すような縦リブの溶接においては縦リブ７の両側から水平すみ肉溶接が可能なため溶け込み量が確保できるが、図４（ａ）に示すようなＵリブ１の場合片側のみからの水平すみ肉溶接になるので溶け込み量の確保が容易ではない。さらに、Ｕリブを鋼床版に溶接する場合、取り付け精度を得るために本溶接の前にすみ肉部に仮付け溶接するが、この仮付け溶接部の水平すみ肉溶接においては溶け込み量を確保するのが困難である。

一般に、Ｕリブの片側水平すみ肉溶接はソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接が、溶接の自動化が容易で高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属部と良好なビード形状が得られることから広く適用されている。しかしながら、前述のように仮付け溶接部では安定した溶け込み確保が難しく、また適正な溶接ができる溶接条件が非常に狭い範囲となる。

また、Ｕリブと鋼床版の水平すみ肉溶接継手部には品質特性面からスパッタの発生量を軽減して部材への付着を少なくすることも要求される。しかしソリッドワイヤを用いて深い溶け込みを得るために高電流の溶接条件で水平すみ肉溶接すると、スパッタ発生量が非常に多くなるという問題もある。

スパッタ発生量が少なくビード外観が良好な片側水平すみ肉溶接部を得るために、フラックス入りワイヤを用いた技術が特開平８−２８１４７６号公報（特許文献１）にある。しかし、フラックス入りワイヤはソリッドワイヤに比べて溶け込み深さが浅く、仮付け溶接部においては溶け込み量を確保するのが困難である。また、スラグを除去する作業も必要となる。

一方、パルスＭＡＧによるＵリブの溶接技術が特開２００７−１１８０３２号公報（特許文献２）にあるが、特許文献２に記載の技術においても仮付け溶接部の片側水平すみ肉溶接においては安定した溶け込み深さを得ることができないという問題があった。

特開平８−２８１４７６号公報特開２００７−１１８０３２号公報

本発明は、仮付け溶接ビードが有る箇所においても深い溶け込みが得られ、スパッタ発生量の少ない片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、下板および立板からなる水平すみ肉溶接用部材の該立板が傾斜した、すみ肉角度が９０°超の水平すみ肉部の溶接を行う片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、ソリッドワイヤを用いて、ワイヤ送給速度：１５〜１７ｍ／ｍｉｎ、パルスピーク電流（Ｉｐ）：４８０〜６００Ａ、パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａ、パルス周波数：２００〜３００Ｈｚで、かつパルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）が下記（１）式を満足するパルスを付加して溶接を行うことを特徴とする。
また、パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）までの立上り時間（Ｔｕ）が０．８ｍｓｅｃ以下、パルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）までの立下り時間（Ｔｄ）が０．８ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする。
さらに、ワイヤ狙い位置が立板のエッジ部から上方に１〜２ｍｍであることも特徴とする片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法にある。
４８０≦Ｉｐ［Ａ］×Ｔｐ［ｍｓｅｃ］≦９００・・・・（１）

本発明によれば、仮付け溶接ビードが有る箇所においても深い溶け込みが得られ、スパッタ発生量が少なく高能率な溶接が可能な片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法を提供することができる。

本発明が対象とする傾斜した立板のすみ肉溶接部を示す断面図である。本発明における溶け込み率算出の説明図である。本発明における仮付け無し部（ａ）および仮付け有り部（ｂ）のワイヤ狙い位置を示す断面図である。閉断面形式のＵトラフ形リブの断面図（ａ）および開断面形式の縦リブ（ｂ）を示す断面図である。

Ｕリブの接合においては、図１に示すように立板１の傾斜によってすみ肉角度θが９０°超のすみ肉溶接となる。このような片側すみ肉ガスシールドアーク溶接方法においては、図２に示すように構造物の強度の確保面から立板１の板厚Ｔに対する溶け込み深さｔが、溶け込み率（（ｔ／Ｔ）×１００）として７５％以上を要望される。そこで本発明者らは、ソリッドワイヤを用いて図３（ａ）に示す仮付け無しは勿論、図３（ｂ）に示す仮付け溶接部５を有するすみ肉部においても、所要の溶け込み率が得られる片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接の施工条件について詳細に検討した。

その結果、特定の条件を満たしたパルスＭＡＧ溶接で片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接すると良好な溶接継手が得られることが判明した。すなわち、ワイヤ供給量、パルスピーク電流（Ｉｐ）、パルスベース電流（Ｉｂ）、パルス周波数およびパルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）との積、ならびにパルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）期間の立上がり時間（Ｔｕ）およびパルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）期間の立下り時間（Ｔｄ）、さらにワイヤの狙い位置を限定することによりアークが安定してスパッタ発生量が少なく、仮付け溶接部においても深い溶け込みが得られることを見出した。

パルスＭＡＧ溶接はパルス電源により平均溶接電流より高電流となるピーク電流と平均電流より低電流としたベース電流を周期的に付加する溶接方法である。このようにしてピーク電流期間でワイヤを溶融しベース電流期間で溶滴を溶融池に移行させることにより、平均のアーク電圧が低い場合でも溶滴が溶融池と短絡することなく溶滴を移行させることができる。パルスＭＡＧ溶接においてはワイヤの溶融エネルギーを適正にすることにより１回のパルスピーク電流時に１個の溶滴を生成させ、ベース電流期間に溶滴を移行させる。このような１パルス−１ドロップ移行となるパルス条件により、溶滴はスムーズに溶融池に移行しスパッタ発生量が低減される。以下に本発明の片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法について詳細に説明する。

［ワイヤ送給速度：１５〜１７ｍ／ｍｉｎ］
ワイヤ送給速度は、溶け込み率およびアークの安定性に大きく影響する。ワイヤ送給速度が１５ｍ／ｍｉｎ未満であると、特に仮付け溶接部での溶け込み率が得られない。一方、ワイヤ送給速度が１７ｍ／ｍｉｎを超えると、アークが不安定となる。また、ビードが下脚側に垂れてビード外観が不良になる。さらに、溶融金属が立板を貫通して溶け落ちして溶接できなくなる場合がある。したがって、ワイヤ送給速度は１５〜１７ｍ／ｍｉｎとする。

［パルスピーク電流（Ｉｐ）：４８０〜６００Ａ］
パルスピーク電流（Ｉｐ）は、溶滴の生成および溶滴の移行性に大きく影響する。パルスピーク電流（Ｉｐ）が４８０Ａ未満であると、溶滴の生成が不安定になり溶滴が１パルス１ドロップとならずスパッタ発生量が多くなる。一方、パルスピーク電流（Ｉｐ）が６００Ａを超えると、アークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。したがって、パルスピーク電流（Ｉｐ）は４８０〜６００Ａとする。

［パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａ］
パルスベース電流（Ｉｂ）はベース期間でアークを保持できる電流値が必要となる。パルスベース電流（Ｉｂ）が３０Ａ未満であると、溶滴の移行性が不安定となりスパッタ発生量が多くなる。一方、パルスベース電流（Ｉｂ）が８０Ａを超えると、溶滴の離脱が速やかに行われずアークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。また、平均電流が高くなってビードが下脚側に垂れてビード外観が不良になる。したがって、パルスベース電流（Ｉｂ）は３０〜８０Ａとする。

［パルス周波数：２００〜３００Ｈｚ］
パルス周波数は溶滴を１パルス１ドロップの移行とするのに重要である。パルス周波数が２００Ｈｚ未満および３００Ｈｚ超であると、溶滴が１パルス１ドロップの移行とならずアークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。また、溶け込み率も不安定となり仮付け溶接部では溶け込み率が得られない。したがって、パルス周波数は２００〜３００Ｈｚとする。

［パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積：４８０≦Ｉｐ［Ａ］×Ｔｐ［ｍｓｅｃ］≦９００］
下記（１）式で示すパルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）で得られる値を限定することによって、短いピーク時間の領域でワイヤを溶融しベース電流時に溶滴を移行させる１パルス１ドロップがスムーズになる。パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）が４８０［Ａ・ｍｓｅｃ］未満であると、ピーク電流期間で溶滴を形成するためのエネルギーが不足して十分な溶滴の形成ができずスパッタ発生量が多くなる。また、溶け込み率も不安定となり仮付け溶接部では溶け込み率が得られない。一方、９００［Ａ・ｍｓｅｃ］を超えると、過度に成長した溶滴が短絡しやすくなり再点弧時のアーク力で溶融池から溶融金属が吹き飛ばされスパッタ発生量が多くなる。したがって、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）は４８０〜９００［Ａ・ｍｓｅｃ］とする。
４８０≦Ｉｐ［Ａ］×Ｔｐ［ｍｓｅｃ］≦９００・・・・（１）

［パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）までの立上り時間（Ｔｕ）：０．８ｍｓｅｃ以下、パルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）までの立下り時間（Ｔｄ）：０．８ｍｓｅｃ以下］
パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）期間の立上がり時間（Ｔｕ）およびパルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）期間の立下り時間（Ｔｄ）が０．８ｍｓｅｃを超えると、１パルス１ドロップのパルス条件が得難い。特に立下り時間（Ｔｄ）が０．８ｍｓｅｃを超えると溶滴の移行が円滑でなく溶け込み特性も不安定となり、さらにはスパッタ発生量も多くなる。したがって、パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）期間の立上がり時間（Ｔｕ）およびパルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）期間の立下り時間（Ｔｄ）は０．８ｍｓｅｃ以下とする。なお、パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）期間の立上がり時間（Ｔｕ）およびパルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）期間の立下り時間（Ｔｄ）の下限は０．２ｍｓｅｃ以上であれば１パルス１ドロップのパルス条件が得られる。

［ワイヤ狙い位置：立板エッジ部から上方に１〜２ｍｍ］
ワイヤ狙い位置は溶け込み率に影響する。図３（ａ）に示すワイヤ狙い位置の立板エッジ部から上方への距離ｈが１ｍｍ未満であると、溶接金属の溶け込み中央部が下板側となり、仮付けがない部分でも必要とする溶け込み率が得られない。一方、ワイヤ狙い位置の立板エッジ部から上方への距離ｈが２ｍｍを超えると、立板側の脚長が大きくなりビード外観が不良となる。また、溶融金属が立板を貫通して溶接できなくなる場合がある。したがって、ワイヤ狙い位置は立板エッジ部から上方への距離ｈとして１〜２ｍｍとする。

本発明における立板の傾斜角度θは９０°超とするが、溶け込み率および溶着量の確保から９５〜１２０°であることが望ましい。
なお、仮付け溶接の脚長は溶け込み率の確保から４ｍｍ未満であることが好ましい。また、立板端部を開先加工して溶接すれば溶け込み率は大きくなるが、溶着量が不足して多層盛り溶接にしなければならず溶接能率が悪くなる。

本発明におけるシールドガスは、溶け込み率の確保およびスパッタ発生量の低減からＡｒ−５〜３０％ＣＯ_２の混合ガスであることが好ましい。またワイヤ径は、溶け込み率および良好なビード外観の確保から１．２ｍｍまたは１．４ｍｍであることが好ましい。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。

図１に示すような立板１および下板２からなり立板１を傾斜したすみ肉試験体（鋼種：ＳＭ４９０Ｂ、縦板：板厚６および９ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ５００ｍｍ、下板：板厚２０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ）に、表１に示す各種溶接条件で図２に示すように水平すみ肉溶接をした。

ワイヤはＪＩＳＺ３３１２ＹＧＷ１２の１．２ｍｍを用いた。また、試験板の長さ中央に長さ１００ｍｍ、脚長４ｍｍの仮付け溶接をした。溶接速度は、立板の板厚が６ｍｍの場合４０ｃｍ／ｍｉｎ、９ｍｍの場合は３５ｃｍ／ｍｉｎとし、溶接は同一条件で繰り返して３体行った。

溶接時にスパッタ発生量の測定、高速度カメラによる溶滴の移行状態の観察、アーク状態の観察を行い、溶接後にビード外観の観察および溶け込み率の測定を行った。なお、スパッタ発生量は捕集量が０．５ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。溶け込み率は仮付け有りおよび仮付け無しの部分からそれぞれ６個の断面マクロ試験片を採取し、図２に示すように各断面で溶け込み深さｔを測定し、立板の板厚Ｔに対する溶け込み率を算出した。溶け込み率は各断面間の最低値が７５％以上を良好とした。それらの結果を表２にまとめて示す。

表１および表２中試験Ｎｏ．１〜１０は本発明例、試験Ｎｏ．１１〜２０は比較例である。
本発明例である試験Ｎｏ．１〜１０は、ワイヤ送給量、パルスピーク電流（Ｉｐ）、パルスベース電流（Ｉｂ）、パルス周波数、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）との積およびパルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）期間の立上がり時間（Ｔｕ）、パルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）期間の立下り時間（Ｔｄ）、さらにワイヤの狙い位置が適正であるので、スパッタ発生量が少なく、溶滴の移行状態、アーク状態およびビード外観が良好で、仮付け有り無し部ともに十分な溶け込み率得られるなど、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．１１は、ワイヤ送給速度が遅いので、仮付け有り部での溶け込み率が低かった。また、パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）期間の立上がり時間（Ｔｕ）が長いので、溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量もやや多かった。

試験Ｎｏ．１２は、ワイヤ送給速度が速いので、アークが不安定で下脚側にビードが垂れて脚長が大となりビード外観が不良で、一部溶融金属が立板を貫通した。また、パルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）期間の立下がり時間（Ｔｄ）が長いので、溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量も多く、仮付け有り部は溶け込み率が低かった。

試験Ｎｏ．１３は、パルスピーク電流（Ｉｐ）が低いので、溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量も多かった。また、ワイヤ狙い位置が立板のエッジ部から上方へ離れすぎているので、立板側の脚長が大きくなりビード外観が不良で、一部溶融金属が立板を貫通した。

試験Ｎｏ．１４は、パルスピーク電流（Ｉｐ）が高いので、アークが不安定でスパッタ発生量も多かった。また、ワイヤ狙い位置が立板のエッジ部であるので、下板側の脚長が大きくなりビード外観が不良で、仮付け無し部および仮付け有り部ともに溶け込み率が低かった。

試験Ｎｏ．１５は、パルスベース電流（Ｉｂ）が低いので、溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量も多かった。
試験Ｎｏ．１６は、パルスベース電流（Ｉｂ）が高いので、溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量が多く、下板側の脚長が大きくなりビード外観もであった。

試験Ｎｏ．１７はパルス周波数が低く、試験Ｎｏ．１８はパルス周波数が高いので、いずれも溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量が多く、仮付け有り部の溶け込み率が低かった。

試験Ｎｏ．１９は、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積が低いので、溶滴移行状態が不良でスパッタ発生量も多かった。また、仮付け有り部の溶け込み率が低かった。
試験Ｎｏ．２０は、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積が高いので、スパッタ発生量が多かった。

１立板（Ｕリブ）
２下板
３溶接金属
４溶接用ワイヤ
５仮付けビード
７立板（開断面形式の縦リブ）
Ｔ立板の板厚
ｔ溶け込み深さ
ｈ立板エッジ部からのワイヤ狙い位置までの距離

Claims

下板および立板からなる水平すみ肉溶接用部材の該立板が傾斜した、すみ肉角度が９０°超の水平すみ肉部の溶接を行う片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法において、ソリッドワイヤを用いて、ワイヤ送給速度：１５〜１７ｍ／ｍｉｎ、パルスピーク電流（Ｉｐ）：４８０〜６００Ａ、パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａ、パルス周波数：２００〜３００Ｈｚで、かつパルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）が下記（１）式を満足するパルスを付加して溶接を行うことを特徴とする片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。
４８０≦Ｉｐ［Ａ］×Ｔｐ［ｍｓｅｃ］≦９００・・・・（１）
パルスベース電流（Ｉｂ）からパルスピーク電流（Ｉｐ）までの立上り時間（Ｔｕ）が０．８ｍｓｅｃ以下、パルスピーク電流（Ｉｐ）からパルスベース電流（Ｉｂ）までの立下り時間（Ｔｄ）が０．８ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１に記載の片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。
ワイヤ狙い位置が立板のエッジ部から上方に１〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の片側水平すみ肉ガスシールドアーク溶接方法。