(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材同士を互いに突き合わせ、（１）式で示される溶接金属の表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ（２）式を満たすように前記鋼材同士をＭＡＧ溶接する溶接工程と、
前記溶接工程の前に、溶接ワイヤ中の硫黄量および酸素量に基づいて、前記溶接金属に含有される硫黄および酸素の各含有比率を算出する算出工程と、
該算出工程の算出結果に基づいて、前記表面張力推定値γが（２）式を満たすか否かを判定する判定工程と、を有し、
前記判定工程の際、否と判定した場合には、前記溶接工程の際、前記表面張力推定値γが（２）式を満たすように、硫黄および酸素のうちの少なくとも一方を溶融池に補充することを特徴とする溶接方法。
【数１】
0005785745.tif 000010
ただし、（１）式中のＳは、溶接金属中の硫黄の含有比率（重量％）を表すとともに、
（１）式中のＯは、溶接金属中の酸素の含有比率（重量％）を表し、Ｓ＞０．００１、かつＯ＞０．０１とする。
【請求項２】
請求項１記載の溶接方法であって、
前記溶接工程の際、前記鋼材同士を全姿勢溶接するとともに、姿勢に応じて前記溶融池に補充する前記少なくとも一方の補充量を異ならせることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の溶接方法であって、
前記溶接工程の際、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させることで、前記溶融池に酸素を補充することを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＡＧ溶接による溶接方法、および該溶接方法により鋼材が溶接されてなる被溶接体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の溶接方法として、例えば下記特許文献１に示されるような方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５３８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の溶接方法では、溶接ビード形状が凸形状となり易く、このように凸形状の溶接ビード上に次層を溶接した場合、融合不良などの欠陥が発生し易いという問題がある。そこで上記の特許文献１では、溶接ワイヤ中の硫黄量（Ｓ量）を増量させることで溶融池の表面張力を下げ、溶接ビード形状を平滑にしている。
しかしながら、例えばパイプラインの現地円周溶接の用に固定された鋼管同士の突き合わせ溶接等においては時々刻々溶接姿勢が変わり、特に立向き姿勢で溶融池内の溶融メタルが垂れて溶接欠陥が発生し易いため、高品質な溶接金属を提供することが困難である。
【０００５】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接金属に欠陥が発生するのを抑制することができる溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本願の請求項１に係る溶接方法は、鋼材同士を互いに突き合わせ、（１）式で示される溶接金属の表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ（２）式を満たすように前記鋼材同士をＭＡＧ溶接する溶接工程と、前記溶接工程の前に、溶接ワイヤ中の硫黄量および酸素量に基づいて、前記溶接金属に含有される硫黄および酸素の各含有比率を算出する算出工程と、該算出工程の算出結果に基づいて、前記表面張力推定値γが（２）式を満たすか否かを判定する判定工程と、を有し、前記判定工程の際、否と判定した場合には、前記溶接工程の際、前記表面張力推定値γが（２）式を満たすように、硫黄および酸素のうちの少なくとも一方を溶融池に補充することを特徴とする。
【数１】
0005785745.tif 000002
ただし、（１）式中のＳは、溶接金属中の硫黄の含有比率（重量％）を表すとともに、
（１）式中のＯは、溶接金属中の酸素の含有比率（重量％）を表し、Ｓ＞０．００１、かつＯ＞０．０１とする。
【０００７】
この発明によれば、溶接工程の際、表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ前記（２）式を満たすように鋼材同士をＭＡＧ溶接するので、溶接金属となる溶融池の表面張力が、溶接金属の凸形状化が好適に抑えられる程度に小さく抑制された状態で、溶融池内の溶融メタルの垂れを抑えながらＭＡＧ溶接することができる。
すなわち、前記（２）式における右辺の値が０．２５以上となると、前記溶融池の表面張力が大きくなりすぎて、溶接金属に欠陥が生じる程度、溶接金属が凸形状化するおそれがある。また表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍよりも小さいと、溶融池内の溶融メタルが垂れることにより、溶接金属に欠陥が生じるおそれがある。
【０００８】
ここで前記表面張力推定値γは、本願発明者が新規に検討したパラメータであり、当該溶接方法では、この表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ前記（２）式を満たすという明確な条件下で鋼材同士をＭＡＧ溶接することで、前述の作用効果を奏功させることができる。
【００１０】
また、判定工程の際、否と判定した場合には、溶接工程の際、表面張力推定値γが前記（２）式を満たすように、前記少なくとも一方を溶融池に補充するので、溶接工程の際に用いられる溶接ワイヤ中の硫黄量および酸素量によらず、溶接金属の凸形状化を抑えることができる。
【００１１】
また、本願の請求項２に係る溶接方法は、前記溶接工程の際、前記鋼材同士を全姿勢溶接するとともに、姿勢に応じて前記溶融池に補充する前記少なくとも一方の補充量を異ならせることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、鋼材同士を全姿勢溶接するとともに、姿勢に応じて溶融池に補充する前記少なくとも一方の補充量を異ならせるので、前述の作用が顕著に奏功されることとなる。
すなわち、鋼材同士を全姿勢溶接する場合には、溶接金属のうち、例えば上向姿勢で形成される部分などは、特に凸形状化し易い。しかしながら、溶接工程の際、姿勢に応じて溶融池に補充する前記少なくとも一方の補充量を異ならせ、溶融池のうち、凝固して溶接金属となったときに凸形状化し易い部分への前記少なくとも一方の補充量を増やすことで、この部分の凸形状化を抑えることができる。
【００１３】
また、本願の請求項３に係る溶接方法は、前記溶接工程の際、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させることで、前記溶融池に酸素を補充することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本願の請求項１に係る溶接方法によれば、溶融池内の溶融メタルの垂れを抑制するとともに、溶接金属の凸形状化を抑えることが可能になり、溶接金属に欠陥が発生するのを抑制することができる。
また、本願発明者が新規に検討した表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ前記（２）式を満たすという明確な条件下で鋼材同士をＭＡＧ溶接するので、前述の作用効果を容易かつ確実に奏功させることができる。
【００１６】
また、本願の請求項１に係る溶接方法によれば、溶接工程の際に用いられる溶接ワイヤ中の硫黄量および酸素量によらず、溶接金属の凸形状化を抑えることができるので、多様な溶接ワイヤを採用することが可能になり、例えば既製品の溶接ワイヤを採用することで低コスト化を図ることができる。
【００１７】
また、本願の請求項２に係る溶接方法によれば、鋼材同士を全姿勢溶接するとともに、姿勢に応じて溶融池に補充する前記少なくとも一方の補充量を異ならせるので、前述の作用効果が顕著に奏功されることとなる。
【００１８】
また、本願の請求項３に係る溶接方法によれば、溶接工程の際、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させることで、溶融池に酸素を補充するので、溶接金属の凸形状化を抑えつつ、溶接工程において作業が煩雑になるのを抑えることができる。
【００１９】
また、互いに突き合わされ、溶接金属を介してＭＡＧ溶接された鋼材を備える被溶接体であって、前記鋼材は、前記溶接方法で溶接された被溶接体によれば、溶接金属に欠陥が発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る被溶接体を示す縦断面図である。
【図２】鉄の表面張力に及ぼす種々の非金属元素の影響（Ｂｅｅｒ  １９７２）を示したグラフである。
【図３】表面張力推定値γと凸形状指数Ａとの関係について示したグラフである。
【図４】第２の検証試験の結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態を説明する。
【００２２】
（被溶接体）
図１に示すように、本実施形態に係る被溶接体１は、互いに突き合わされ、溶接金属Ｍを介してＭＡＧ溶接された一対の鋼管（鋼材）２を備えており、これらの鋼管２は、後述する溶接方法で溶接されている。なお、一対の鋼管２は同軸に配置され、これらの鋼管２の中心軸線は共通軸上に位置している。以下ではこの共通軸を軸線といい、軸線に直交する方向を径方向という。
【００２３】
一対の鋼管２間に設けられた開先３は、Ｖ字開先となっている。
溶接金属Ｍは、後述する溶融池が凝固されてなり、径方向に沿った縦断面視において、前記開先３における径方向の内側部分に配設されている。またこの溶接金属Ｍは、径方向の外側に向けて突出する凸形状部Ｍ１を備えている。凸形状部Ｍ１のうち、径方向の内端における軸線方向の両端は、一対の鋼管２の開先面に各別に固着されている。
なお図１では、図面の見易さのため、凸形状部Ｍ１を径方向の外側に向けて鋭く凸にして表している。
【００２４】
そして溶接金属Ｍは、下記（３）式に示す凸形状指数Ａが、０．２５より小さくなっている。
【００２５】
【数２】
0005785745.tif 000003
【００２６】
なお、前記（３）式中のＨは、溶接金属Ｍの径方向の外端である凸形状部Ｍ１の突端と、溶接金属Ｍの径方向の内端と、の間の径方向に沿った距離であるビード高さＨを意味する。
また、前記（３）式中のＨｌは、凸形状部Ｍ１の径方向の内端における軸線方向の一方側（図１に示す左側）の端部と、溶接金属Ｍの径方向の内端と、の間の径方向に沿った距離であるビード左端高さＨｌを意味する。
【００２７】
さらに、前記（３）式中のＨｒは、凸形状部Ｍ１の径方向の内端における軸線方向の他方側（図１に示す右側）の端部と、溶接金属Ｍの径方向の内端と、の間の径方向に沿った距離であるビード右端高さＨｒを意味する。
さらにまた、前記（３）式中のＢは、開先面同士の間のうち、凸形状部Ｍ１の径方向の内端が固着された部分同士の間の軸線方向に沿った距離である開先残り幅Ｂを意味する。
【００２８】
ここで、前記凸形状指数Ａが大きいほど、凸形状部Ｍ１が径方向の外側に向けて鋭い凸であり溶接金属Ｍが凸形状化されることとなる。そして凸形状指数Ａが、０．２５より小さいと、溶接金属Ｍの凸形状化を好適に抑え、溶接金属Ｍにおける欠陥の発生を抑制することができる。すなわち、凸形状指数Ａが０．２５以上となると、溶接金属Ｍとなる溶融池の表面張力が大きくなりすぎて、溶接金属Ｍに欠陥が生じる程度、溶接金属Ｍが凸形状化するおそれがある。
【００２９】
次に、本実施形態に係る溶接方法の説明の前に、本方法に用いる指標である溶接金属の表面張力推定値γ、および表面張力推定値γと前記凸形状指数Ａとの関係について説明する。
【００３０】
（表面張力推定値γについて）
図２に示すグラフは、鉄の表面張力に及ぼす種々の非金属元素の影響（Ｂｅｅｒ  １９７２）を示したグラフであり、グラフの横軸は、溶質濃度（重量％）を示し、グラフの縦軸は、融点直上での表面張力（Ｎ／ｍ）を示している。
【００３１】
このグラフにおいて、硫黄を示す硫黄グラフ線１１と、酸素を示す酸素グラフ線１２において溶質濃度が０．０１よりも大きい直線部分１２ａと、から、下記（１）式に示す表面張力推定値γが求められる。
【００３２】
【数３】
0005785745.tif 000004
ただし、（１）式中のＳは、溶接金属Ｍ中の硫黄の含有比率（重量％）を表すとともに、（１）式中のＯは、溶接金属Ｍ中の酸素の含有比率（重量％）を表し、Ｓ＞０．００１、かつＯ＞０．０１とする。
【００３３】
前記（１）式の右辺のうち、１項目は、前記グラフにおける硫黄グラフ線１１と縦軸との交点の値を意味し、２項目は、前記グラフにおける硫黄グラフ線１１を意味し、３項目は、前記グラフにおける酸素グラフ線１２の前記直線部分１２ａを意味する。
【００３４】
なお前記表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上であると、溶融池内の溶融メタルの垂れを抑えながらＭＡＧ溶接することができる。すなわち、表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍよりも小さいと、溶融池内の溶融メタルが垂れることにより、溶接金属Ｍに欠陥が生じるおそれがある。
【００３５】
（表面張力推定値γと凸形状指数Ａとの関係について）
図３に示すグラフは、表面張力推定値γと凸形状指数Ａとの関係について示したグラフであり、グラフの横軸は、表面張力推定値γ（Ｎ／ｍ）を示し、グラフの縦軸は、凸形状指数Ａ（無次元値）を示している。
【００３６】
このグラフの作成にあたり、一対の鋼管２をＭＡＧ溶接する複数回の事前実験を行っており、グラフにおける各プロットは、複数回の事前実験のうちの一実験における表面張力推定値γと凸形状指数Ａとの関係を表している。
各事前実験では、ワイヤ径を０．９ｍｍ、開先３の形状をＶ型開先、開先角度を４０度、ルートギャップを５．５ｍｍとし、鋼管２として、ＡＰＩ規格に定められたＡＰＩ  ５Ｌ  Ｘ６５材で、かつ板厚が１５．８ｍｍのものを用いた。そして各事前実験で、溶接金属Ｍ中の酸素の含有比率を異ならせることで、表面張力推定値γを異ならせた。
【００３７】
前記グラフにおいて、複数のプロットから、表面張力推定値γと凸形状指数Ａとの関係が該グラフ中のグラフ線２１のように表される。そして、グラフ線２１において表面張力推定値γが１．１より大きい部分２１ａは、最小二乗法により下記（４）式で直線近似される。
【００３８】
【数４】
0005785745.tif 000005
ただし、γ＞１．１とする。
【００３９】
ここで前述のように、凸形状指数Ａが０．２５より小さいと、溶接金属Ｍの凸形状化を好適に抑えることができるので、図３に示すグラフの前記グラフ線２１から、表面張力推定値γが下記（２）式を満たすと、溶接金属Ｍの凸形状化を好適に抑えることができることとなる。
【００４０】
【数５】
0005785745.tif 000006
【００４１】
（溶接方法）
次に、前記一対の鋼管２をＭＡＧ溶接する溶接方法について説明する。
はじめに、後述する溶接工程の際に用いられる図示しない溶接ワイヤ中の硫黄量および酸素量に基づいて、溶接金属Ｍに含有される硫黄および酸素の各含有比率を算出する算出工程を行う。なお溶接ワイヤ中の硫黄量の含有比率は、例えば０．０１５％よりも小さいことが好ましく、さらに例えば０．０１３％よりも小さいことがより好ましい。
その後、該算出工程の算出結果に基づいて、前記（２）式を満たすか否かを判定する判定工程を行う。
【００４２】
そして、前記一対の鋼管２同士を互いに突き合わせてＭＡＧ溶接により全姿勢溶接する溶接工程を行う。このとき、前記（２）式を満たすように前記一対の鋼管２同士をＭＡＧ溶接する。
ここで本実施形態では、判定工程の際、否と判定した場合には、溶接工程の際、表面張力推定値γが前記（２）式を満たすように、硫黄および酸素のうちの少なくとも一方を図示しない溶融池に補充する。このとき本実施形態では、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させることで、溶融池に酸素を補充する。
【００４３】
さらに本実施形態では、姿勢に応じて溶融池に補充する酸素の補充量を異ならせる。すなわち、鋼管２同士を全姿勢溶接する場合には、溶接金属Ｍのうち、例えば上向姿勢で形成される部分などは、特に凸形状化し易いため、上向姿勢で溶接する際などに、酸素の補充量を増加させる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態に係る溶接方法によれば、溶接工程の際、表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ前記（２）式を満たすように鋼管２同士をＭＡＧ溶接するので、溶接金属Ｍとなる溶融池の表面張力が、溶接金属Ｍの凸形状化が好適に抑えられる程度に小さく抑制された状態で、溶融池内の溶融メタルの垂れを抑えながらＭＡＧ溶接することができる。これにより、溶接金属Ｍに欠陥が発生するのを抑制することができる。
【００４５】
ここで前記表面張力推定値γ、および前記凸形状指数Ａは、本願発明者が新規に検討したパラメータであり、当該溶接方法では、これらのパラメータに基づいて、表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上で、かつ前記（２）式を満たすという明確な条件下で鋼材同士をＭＡＧ溶接することで、前述の作用効果を容易かつ確実に奏功させることができる。
【００４６】
また、判定工程の際、否と判定した場合には、溶接工程の際、表面張力推定値γが前記（２）式を満たすように、酸素を溶融池に補充するので、溶接工程の際に用いられる溶接ワイヤ中の硫黄量および酸素量によらず、溶接金属Ｍの凸形状化を抑えることができる。これにより、多様な溶接ワイヤを採用することが可能になり、例えば既製品の溶接ワイヤを採用することで低コスト化を図ることができる。
【００４７】
また、鋼管２同士を全姿勢溶接するとともに、姿勢に応じて溶融池に補充する酸素の補充量を異ならせるので、前述の作用効果が顕著に奏功されることとなる。
さらに、溶接工程の際、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させることで、溶融池に酸素を補充するので、溶接金属Ｍの凸形状化を抑えつつ、溶接工程において作業が煩雑になるのを抑えることができる。
【００４８】
そして、本実施形態に係る被溶接体１によれば、鋼管２が前記溶接方法により溶接されているので、溶接金属Ｍに欠陥が発生するのを抑制することができる。
【００４９】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、溶接工程の際、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させることで、溶融池に酸素を補充するものとしたが、これに限られるものではない。例えば、ＭＡＧ溶接を２つの溶接ワイヤを用いていわゆるツインワイヤにより行い、このとき、２つの溶接ワイヤのうち、一方の溶接ワイヤに硫黄を多量に含有させることで、溶融池に硫黄を補充しても良い。
【００５０】
また、前記実施形態では、鋼管２同士を全姿勢溶接するものとしたが、これに限られない。例えば、鋼材としての鋼板同士を溶接しても良い。
また本発明に係る溶接方法により溶接する鋼材としては、例えば、ステンレス鋼を除く鋼材、低炭素鋼、前述したＡＰＩ  ５Ｌ  Ｘ６５材より低グレードの材料などを好適に採用することができる。
【００５１】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【実施例】
【００５２】
次に、本願発明の作用効果を検証する検証試験を実施した。
【００５３】
（第１の検証試験）
はじめに、凸形状指数Ａと溶接金属Ｍの欠陥との関係について検証する第１の検証試験を実施した。
本検証試験では、実施例１、２および比較例１、２の計４種類の溶接方法を実施した。これらの４種類の溶接方法では、溶接ワイヤ中の硫黄量、溶接金属Ｍ中の酸素量を互いに異ならせることで、各溶接方法により形成される溶接金属Ｍの凸形状指数Ａを変化させ、その他の条件は共通とした。なお、いずれの溶接方法においても、表面張力推定値γを１．２６以上とした。
【００５４】
そして各溶接金属Ｍにおいて、溶接金属Ｍの凸形状化を起因とした欠陥の有無を確認した。
結果を下記表１に示す。
【００５５】
【表１】
0005785745.tif 000007
【００５６】
この結果から、凸形状指数Ａが、０．２４以下の場合には、溶接金属Ｍに欠陥が生じずに、０．２５以上の場合には、溶接金属Ｍに欠陥が生じることが確認された。
【００５７】
（第２の検証試験）
また、シールドガス中の酸素の含有比率と溶接金属Ｍ中の酸素の含有比率との関係について検証する第２の検証試験を実施した。
本検証試験では、実施例３〜５の計３種類の溶接方法を実施した。これらの３種類の溶接方法では、シールドガス中の酸素の含有比率を互いに異ならせ、その他の条件は共通とした。
【００５８】
すなわち、各実施例ではいずれも、ワイヤ径を０．９ｍｍ、開先３の形状をＶ型開先、開先角度を４０度、ルートギャップを５．５ｍｍとし、鋼管２として、ＡＰＩ規格に定められたＡＰＩ  ５Ｌ  Ｘ６５材で、かつ板厚が１５．８ｍｍのものを用いた。
また、各実施例で採用したシールドガスはいずれも、アルゴンおよび二酸化炭素を含有し、実施例４および５で採用したシールドガスは、さらに酸素を含有している。これらのシールドガスにおける各成分の含有比率は、下記表２に示す通りであり、実施例３から５の順に、酸素の含有比率が大きくなっている。
【００５９】
【表２】
0005785745.tif 000008
【００６０】
結果を図４に示す。図４に示すグラフの横軸は、溶接金属Ｍ中の酸素の含有比率（重量ｐｐｍ）を示し、グラフの縦軸は、凸形状指数Ａ（無次元値）を示している。
この結果から、シールドガス中の酸素の含有比率を増加させるほど、溶接金属Ｍ中の酸素の含有比率を高めることができることが確認された。
【００６１】
（第３の検証試験）
次に、表面張力推定値γと溶融池内の溶融メタルの垂れとの関係について検証する第３の検証試験を実施した。
本検証試験では、実施例６、７および比較例３の計３種類の溶接方法を実施した。これらの３種類の溶接方法では、溶接ワイヤ中の硫黄量、溶接金属Ｍ中の酸素量を互いに異ならせることで、各溶接方法により形成される溶接金属Ｍの表面張力推定値γを変化させ、その他の条件は共通とした。なお、いずれの溶接方法においても、前記（２）式を満たすものとした。
【００６２】
そして各溶接金属Ｍにおいて、溶融池中の溶融メタルの垂れを起因とした欠陥の有無を確認した。
結果を下記表３に示す。
【００６３】
【表３】
0005785745.tif 000009
【００６４】
この結果から、表面張力推定値γが、１．２６Ｎ／ｍ以上の場合には、溶接金属Ｍに欠陥が生じずに、１．１８Ｎ／ｍ以下の場合には、溶接金属Ｍに欠陥が生じることが確認された。
【符号の説明】
【００６５】
１  被溶接体
２  鋼管（鋼材）
Ｍ  溶接金属
【図１】
0005785745.tif 000011
【図２】
0005785745.tif 000012
【図３】
0005785745.tif 000013
【図４】
0005785745.tif 000014