JPH04147770A - 多電極使用の高速サブマージアーク溶接方法 - 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、ラインパイプや構造用パイプ等の如き大径
溶接鋼管を製造する際の溶接法として好適な、高速サブ
マージアーク溶接方法に関するものである。

〈従来技術とその課題〉 大径溶接鋼管の製造に用いられるＵＯミルラインでは、
ＵＯプレスに続く仮付溶接の後に実施される鋼管内外面
の本溶接には一般にサブマージアク溶接が適用されてお
り、現状は内外面溶接とも３〜４極の電極を組み合わせ
た（外面溶接には５極を使用する例もある）多電極での
溶接が実施されている。なぜなら、溶接速度は溶着金属
の供給量、溶融プールのコントロール、母材金属のガウ
ジング力によって決定され、これらの能力は電極の数に
比例して増加することが知られていたからである。

具体的には、内面溶接では第１極に直流（Ｄ　Ｃ）或い
は交流（ＡＣ）を源を、第２極目以降にはＡＣ電源を接
続し、各種の電流値を１５００Ａ以下に設定して４〜５
ライン操業で実施されており、この際の結線方式は、例
えば“ＤＣ−ＡＣ−ＡＣ”なる組み合わせの場合では例
えば第３極が第２極に対して６０″遅れの■結線が採用
される。また、外面溶接でも内面溶接の場合と同様の電
極配置が通用されているが、この場合の結線方式は、例
えば“ＤＣ−ＡＣ−ＡＣ−ＡＣ″なる組み合わせの場合
では第３極が第２．４極に比べ１２０°遅れとなる逆Ｖ
結線が採用され、操業は４ラインにて実施されるのが普
通である。

しかしながら、上述のように３〜５電極を適用した高速
化サブマージアーク溶接であっても、多電極にすると溶
着量、ガウジングカ、溶融プール等のコントロールが難
しくなることから、内面溶接、外面溶接を問わず確保で
きる最高溶接速度は３．６ｍ／ｌ１ｌｉｎが限度となっ
ていた。つまり、それ以上に溶接速度を上げようとする
と、良好なビード形成が困難になって溶接欠陥であるア
ンダーカットやネッキングを発生し、著しくビード外観
を損なうなど溶接品質上好ましくない事態が生じるのを
避は得なかったのである。

ところで、大径溶接鋼管ミルの生産能率は主として溶接
ラインの能力で規定され、この溶接ラインの能力は溶接
速度、アイドルタイム、ライン数により決定されてしま
う。従って、生産能率向上と生産コスト低減を図るには
、溶接速度を大幅に上げると共にライン数を削減するこ
とが最も実際的な方策であると考えられる。ところが、
溶接速度の改善を極く単純に思いつく　“電極数の増加
”と言う手段により達成しようとして５極にまで電極数
を増やしたとしても、上述した如く現状技術では改善さ
れる溶接速度に限界があり、大径溶接鋼管ミルの生産能
率を飛躍的に改善することが叶わないばかりか、ライン
数の削減にまで結び付けるような成果を期待することは
無理であった。

このように、電極数が多くなるほど溶接アークの安定性
やビード形状のコントロールが困難となることから、精
々５極までが実用の限度とされていた電極数を６極以上
に増やして溶接速度の大幅な向上を達成すことは、現状
の技術レベルからして未だ未だ遠い先のことであるとさ
れていた。

しかし、大径溶接鋼管のコスト低減、生産能率改善に対
する要求が日々厳しさを増してきている状況を受けて、
本発明が目的としたのは、製品品質を落とすことなくサ
ブマージアーク溶接の溶接速度を大幅に向上させ得る方
法を見出し、大径溶接鋼管ミルにおける必要ライン数を
削減してもなお十分な生産能率の改善が達成できる手段
を確立することであった。

く課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねる
過程で「サブマージアーク溶接時の溶接速度向上にはや
はり使用電極数を増やすのが最も現実的であり１．現状
を超える溶接速度を達成した上で満足できる品質の製品
を得るためには、６極以上の多電極を使用する安定した
溶−接法の開発が欠かせない」との結論に達し、様々な
条件の組み合わせパターンからシミュレーション計算に
より最適なものを算出しつつ、その妥当性を１つ１つ実
験にて立証する研究を続けた結果、「サブマージアーク
溶接において６極以上の多電極を使用する場合でも、 イ）電極の結線方法。

口）電極角度、電極間隔、チップ高さのセッティング。

ハ）使用フラックス。

に工夫を凝らすことにより、溶接アークを十分に安定化
することができてビード形状の安定したコントロールが
可能となる上、良好なスラグ剥離性も確保されて、十分
な溶込みの下で良好な内部品質と外観の良好なビード形
成のなされる高速溶接（最高溶接速度４．５ｍ／ｍｉｎ
以上）が実現される」　との知見が得られたのである。

本発明は、上記知見事項等に基づいてなされたもので、 「サブマージアーク溶接を実施する際、６本以上の電極
を使用すると共に、 ａ）少なくとも先行極には直流電流を適用する、ｂ）上
記以外の電極への交流電源の位相差を、最終極のアーク
に作用する力が平均的に溶接進行方向へ向くように設定
する、 Ｃ）先行極には後退角を、他の電極には前進角をそれぞ
れ持たせると共に、各電極間距離を２５顛以内に設定す
る、 ｄ）　　ｎ本の電極の溶接電流バランスを第１極：１゜ 第２極〜第（ｎ−２）極　：　各０．７〜１．１０゜第
（ｎ−１）極：０．６〜０．８０゜ 第ｎ極：０．５〜０．７５ の範囲に設定する、 ｅ）　Ｓｉｎｇ　：　５〜２５％（以降、成分割合を表
わす％は重量％とする）。

ＡｌｚＣｈ　：　２〜２０％、　　ＭｎＯ：　０．５〜
１５％。

Ｔｉ　Ｏｔ　：　２〜１０％、　　　ＣａＯ：　５〜２
５％。

ＢａＯ：１〜５％、　　　　ＭｇＯ：　３〜１５％。

Ｃａ　Ｆ　ｔ　：　２５〜６０％、　　　ＢｚＯ３：２
％以下を含むと共に残部が不可避的不純物から成り、つ か （ＣａＯ十Ｍｇ０）／５ｉＯｚ＝１．５〜３．０を満足
する化学組成で、しかも６０％以上がＡＳ　Ｔ　Ｍ４Ｂ
／１４５メツシュ域に入る粒度を有した溶融型フラック
スを用いる、 なる各条件を満足させて溶接を行うことにより、高品質
製品の高速溶接を可能とし、製品生産能率の大幅な向上
、溶接ラインの削減を実施し得るようにした点」 に特徴を有している。

即ち、本発明は、 （ａ）　　電極数の６電極以上への多極化。

（ｂｌ　　最適結線方法の確立。

（Ｃ１電極角度、電極間隔、チップ高さの最適セツティ
ング。

（ｄ）　　高速性フラックスの開発。

の４点の技術課題を解決することにより、最高溶接速度
４．５ｍ／ｗｉｎ以上（現状の１．５倍以上）の高速サ
ブマージアーク多電極溶接を可能とし、能率の向上、ラ
イン数の削減を実施可能としたもので、複雑な６電極技
術或いはそれ以上の多電極技術のキーポイントとなり、
また同時に、良好なと一ド外観、溶込み、スラグ剥離性
、内部品質を得るための電極設定方法、高速性確保のた
めのフラックス物性のコントロール技術を提供するもの
でもあるが、以下、図面を参照しつつ本発明をその作用
及び効果と共により詳細に説明する。

く作用及び効果〉 第１図は、６本の電極を使用した本発明に係るサブマー
ジアーク多電極溶接法の１例を示す概念図である。

第１図で示されるように、本発明法では６本或いはそれ
以上の電極を配すると共に、適正で安定したガウジング
を図るため少なくとも先行極にＤＣ（直流）電源が適用
され、その他の極（第１図の例では第２極以降）には工
業的優位性を確保すべくＡＣ（交流）電源が適用される
。ただ、特に６電極又はそれ以上の多電極サブマージア
ーク溶接においては、結線方式は各種に働く磁力、アー
クの方向をコントロールし、溶接アークの安定性、ビー
ド形状、高速性を支配する重要な因子となる。

そこで、結線方法については、下記前提の下でのシュミ
レーション計算と、実ラインでの結線方式の決定・検証
を行って確定された。

即ち、シュミレーション計算を １）一般に、多電極溶接では最終極がビード形状に大き
く影響するため、最終極に作用するヵのみを検討する。

２）最終極に作用する力は、各種の溶接電流。

位相差、電極間の距離、チップ高さ（ｅｘｔｅｎｔｉｏ
ｎ）　。

透磁率（μ）によって決定されるものとする。

３）最終極のアークに作用する力の平均値は、ｓｓ＋ｏ
ｏｔｈｉｎｇ　ａｃｔｉｏｎ及び形成されるビード外観
の検討結果から望ましいとされた約０．ｌＸ２ＯＮ／ｍ
にする。

４）最終極のア〜りに作用する力が溶接進行方向に向い
ている時間は、上記ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ　ａｃｔｉｏｎ
及び形成されるビード外観の検討結果から、望ましいこ
とが明らかとなった“できるだけ長い時間”となるよう
に位相差を決定する。

５）最終第ｎ極に作用する力（Ｆｎ）は、式％式％ との前提条件を指標としてなされた結果と、実機テスト
の結果とからも、少なくとも先行極にＤＣ電源を用いる
上で他極にＡＣ電源を適用することは可能であるとの結
論に達した。そして、特に第１図で示される６電極サブ
マージアーク溶接では、下記のような極性と位相差の結
線方法が各極間に働く磁力を好適にコントロールし、溶
接アークの安定性、ビード形状に最適であることも確認
した。

ＤＣ−ＡＣ−ＡＣ−ＡＣ−ＡＣ−ＡＣ Ｏ＠　＋６０°　＋１２０°　−９０”　　＋１２０″
（ここで、＋は位相差の進みを、−は遅れを示しており
、第２極を基準とした場合の位相差を示す）。

なお、第１表に、上記結論が得られた“６電極サブマー
ジアーク溶接におけるＡＣＣ極相相差組み合わせと溶接
状況の検討結果”の一部を示したが、この時の溶接条件
は 試験材：肉厚１．００インチのビードオンプレート、溶
接電流及び電圧： 第１極・１２００Ａ、３０Ｖ、 第２極・・・１００ＯＡ、３３Ｖ、 第３極−９００Ａ、３６Ｖ、 第４極・８５０Ａ、４０Ｖ、 第５極・７００Ａ、　４２Ｖ、 第６極・６００Ａ、　４４Ｖ、 溶接速度：　４．Ｏｍ／＋ｉｎ、 であった。

更に、この結線方法を適用し実ラインの６電極サブマ一
ジ溶接機にて溶接テストした結果からは、肉厚：０．２
５〜２．００インチの大径鋼管の溶接において、従来の
４電極サブマージアーク溶接を適用した場合には溶接速
度が６１．０〜２．８ｍ／ｓｉｎであったのに対し、杢
発明に係る６、雇−極サブマージアーク溶接では総電流
：５０００Ａ以上、溶接速度：３．０〜５．０ｍ／ｓｉ
ｎの範囲で安定したアークと美麗なビード外観が得られ
ていることが確認され、その優位性と計算結果の正当性
が立証されている。

ところで、本発明法においては、先行ＤＣ極には後退角
を、他の電極には前進角を持たせているが、先行極には
後退角を持たせる理由は先行極によるガウジング力の拡
大を図るためである。そして、この先行ＤＣ極の後退角
は一２０°までとし、電極容量は最高２０００Ａまでと
するのが良い。

先行ＤＣ極に０″以上の前進角を持たせた場合には、ｓ
ｍｏｏｔｈｉｎｇ　ａｃｔｉｏｎによりビード幅方向の
渦流れは助長され外観向上に有効であるが、ｄｉｇｇｉ
ｎｇａｃｔｉｏｎが著しく減少し、溶は込み深さの不足
により十分な溶接速度を達成し得ない。これに対し、先
行ＤＣ極に一２０＠を超える後退角を持たせると、必要
以上に溶融プールが攪拌され、溶接欠陥のアンダカット
やスラグ巻き込みを多発する傾向が懸念される。一方、
後行ＡＣ極の前進角は溶融プール内での溶湯の後方への
流れを塞ぎ止め、美麗なビード外観を形成するために付
与されるものであり、この前進角は０〜＋４５６の範囲
とするのが良い。

なお、第２表は板厚１．００イシチのビードオンプレー
トによる溶接試験結果を示しているが、この第２表から
も、先行ＤＣ極に後退角を、そして後行ＡＣ極に前進角
を持たせると良好な溶接結果を得られることが確認でき
る。

ここで、溶接速度：４゜５ｍ／ｌｌ１ｉｎにて十分な溶
着量。

ビード外観、アーク安定性を確保するためには、溶接ワ
イヤとして４．０〜６．４ｍφの大径ソリッドワイヤを
通用するのが好ましい。

また、各電極先端部の間隔は、溶融型フラックス（ｆｕ
ｓｅｄ　ｆｌｕｘ）を用いる本発明法では何れも２５■
以内に設定する必要があり、これによってアーク安定、
溶接欠陥防止に効果を上げることができる。電極間距離
が２５■を上回ると、ビード外観が悪化する上に、半凝
固状態になって浮上したスラグが電極により干渉を受け
てスラグひっかけの原因となるなど、製品品質及び作業
性の点で不利を招く。

第３表には、板厚１．０’０４ンチのビードオンプレー
トを使用し、電極間距離を変えて溶接試験を行った結果
の一部が示されているが、この第３表からも、電極間距
離は２５ｍ以内に設定した場合に良好な結果が得られる
ことを６！認できる。

電流バランスについては、先行極から後行へ移るに従っ
て、通常０．１〜０．０５程度ずつ配分を減少すること
により、後行極アークの硬直性を和らげ、高速溶接（ｖ
　＞　３　ｍ／ｌ１ｌｉｎ）においても広幅で滑らかな
ビード外観が得られる。しかし、特に薄肉時、溶込み深
さをそれほど必要としない溶接で、第１極に対し第２極
の電流を高くすることによってより良好なビード外観が
得られることを見出した。

そして、電流バランスを特に 第１極・・・１゜ 第２極・・・０．７〜１．１０゜ ・・・同　上。

・・・同　上。

第ｎ−１極−０，６〜０．８０゜ 第ｎ極・・・０．５〜０゜７５ の配分で設定した場合には、良好なビード外観のより安
定した確保が可能となる。

さて、以上に示したような条件で高速サブマジアーク溶
接を実施した場合でも、高速溶接化に伴いやはり溶接ビ
ード形状と溶接金属の性能劣化と言う問題を十分に拭え
なくなる。そこで、本発明者等は、上記問題点を解消す
べく研究を行い、まず、 （Ａ）フラックス成分としてＡｌｚ　Ｏｆｆ＋　Ｓｉ　
Ｏ□の適量を添加すると、ＣａＦｚとの共存下で適正な
融点・粘性のスラグを生成するようになる。

（Ｂ）フラックス粒度のＡ　Ｓ　Ｔ　Ｍ４８／１４５メ
ソシュ域を常時６０％以上に維持するとアンダーカット
やスラグ巻き込みが極力減少する。

ことを見出して、このような方策を講じることにより溶
接速度：５．Ｏｍ／ｍｉｎの大電流（大入熱）溶接にお
いても良好なビード外観、スラグ剥離性が得られ、溶接
作業性と溶接欠陥防止効果の向上が図れることを確認し
た。そして、更に検討を重ね、前記Ａ１ｚＣｈ−Ｓｉｎ
ｇ　　ＣａＦｚ成分系のフラックスにおいて５ｉ０２．
ＭｎＯ，Ｃａｂ、ＣａＦ２．Ａｆ２０３．ＭｇＯ。

ＴｉＯ□、ＢａＯ並びにＢ２Ｏ３の成分バランスを５ｉ
Ｏｚ　：　５〜２５％、ｋｉｌｚ　Ｏｚ　：　２〜２０
％。

ＭｎＯ：　０．５〜１５％、　　Ｔｉ０ｚ　：　２〜１
０％。

ＣａＯ：５〜２５％、　　　ＢａＯ：１〜５％。

Ｍｇ０＝３〜１５％、　　　Ｃａ　Ｆ　ｚ　：　２５〜
６０％。

ＢｚＯｚ：２％以下 で、かつ （ＣａＯ＋Ｍｇ０）／５ｉＯｚ＝１．５〜３．０を満足
するようにコントロールすることで、塩基度が常時高い
値に保たれ、電極数を増加した溶接においても酸素量の
低減効果が効果的に発揮されて、形成される溶接金属中
の酸素量を　３５０ｐｐｍ以下に抑制することも十分に
可能となり、一般に大径ラインパイプに要求される低硬
度・高靭性スペックをも十分クリアーできる高速溶接用
溶融型フラックスを実現した訳である。

勿論、このフラックスにおいてＳｉＯ２，ＭｎＯ。

Ｃａｂ、ＣａＦｘ＋　ｕｚｏｓ＋　ＭｇＯ，ＴｉＣｈ、
ＢａＯ並びにＢ、０．の成分バランスが前記範囲を外れ
ると上述した効果を安定して確保することができなくな
る。

また、上記フラックスのＡ　Ｓ　Ｔ　Ｍ４８／１４５メ
ソシュ域が６０％未満であった場合には、多電極高速溶
接において溶接欠陥が目立つようになり、粗粒域が増加
したときはアンダーカットが、そして細粒域が増加した
ときはスラグ巻き込みが多発することとなる。

上述のように、本発明は、更なる高速化を図ろうとした
場合に数々の未解決の難問が続出したサブマージアーク
溶接に関し、［電極数の更なる多極化］、［最適結線方
法の確立Ｊ、［電極角度、電極間隔、チップ高さの最適
セツティング」及び［高速性フラックスの開発」　と言
う困難な技術課題を総合的見地から解決することによっ
て上記障害を乗り越え、安定した高速サブマージアーク
溶接法を確立したが、以下、実施例によってその効果を
より具体的に説明する。

〈実施例〉 ６本の電極を第２図に示すようにセットすると共に、そ
の第２極以降のＡＣ極の位相差をθ″＋６０°、　　＋
１２０°、−９０°、　　＋１２０°に設定し、その他
は第４表に示す如き条件で鋼板のサブマーアーク溶接試
験を実施した。

なお、このとき使用されたフラックスは、実質的にＣａ
Ｏ：１８．０％、　ＭｇＯ：　６．０％、　Ｓｉ　Ｏｚ
　：　１４．０％。

ＣａＦｚ：３７％、ｕ！０３：Ｉｓ％、　ＭｎＯ：　３
％、ＴｉＯｚ：３％、　ＢａＯ：　３％及びＢｏｏ、：
　１％から成り、かツ（（ＣａＯ＋Ｍｇ０）／５ｉＯｚ
＝１．７）なる成分バランスで、その粒度はＡ　Ｓ　Ｔ
　Ｍ４８／１４５メフシュ域を６５％含むものであった
。また、使用ワイヤは４．０鶴φのソリッドワイヤで、
その成分組成は第５表の通りであった。

第　　　５　　　表 そして、試験後に溶接ビードの外観評価を実施したとこ
ろ、何れも良好な外観を呈していることが確認された。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、最高溶接速度：
４．５ｍ／ｍｉｎ以上の高速サブマージアーク溶接法が
確立され、ラインパイプや構造用パイプと言った大径溶
接鋼管等の製造能率を大幅に向上できるほか、溶接ライ
ン数の削減を実施したとしても増産に対応することが可
能となるなど、産業上極めて有用な効果がもたらされる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、６本の電極を使用した本発明に係るサブマー
ジアーク多電極溶接法の１例を示す概念図である。 第２図は、本発明の実施例における電極セフ）条件の概
略説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ６本以上の電極を使用し、かつ下記ａ）〜ｅ）の条件を
   満足させて溶接を行うことを特徴とする、高速サブマー
   ジアーク溶接方法。 ａ）少なくとも先行極には直流電流を適用する、 ｂ）上記以外の電極への交流電源の位相差を、最終極の
   アークに作用する力が平均的に溶接進行方向へ向くよう
   に設定する、 ｃ）先行極には後退角を、他の電極には前進角をそれぞ
   れ持たせると共に、各電極間距離を２５ｍｍ以内に設定
   する、 ｄ）ｎ本の電極の溶接電流バランスを 第１極：１、 第２極〜第（ｎ−２）極：各０．７〜１．１０、第（ｎ
   −１）極：０．６〜０．８０、 第ｎ極：０．５〜０．７５ の範囲に設定する、 ｅ）重量割合にて ＳｉＯ＿２：５〜２５％、Ａｌ＿２Ｏ＿３：２〜２０％
   、ＭｎＯ：０．５〜１５％、ＴｉＯ＿２：２〜１０％、
   ＣａＯ：５〜２５％、ＢａＯ：１〜５％、 ＭｇＯ：３〜１５％、ＣａＦ＿２：２５〜６０％、Ｂ＿
   ２Ｏ＿３：２％以下 を含むと共に残部が不可避的不純物から成り、かつ （ＣａＯ＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ＿２＝１．５〜３．０を満
   足する化学組成で、しかも６０％以上がＡＳＴＭ４８／
   １４５メッシュ域に入る粒度を有した溶融型フラックス
   を用いる。