(57)【要約】【課題】溶接入熱を低減し、かつ従来以上の溶接速度を可能にする非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法を提供する。【解決手段】非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法において、溶接ワイヤ6径を２mm未満とSi、ドライエクステンション11を60mm以上に制御して突合せ落接する。さらには、ウェットエクステンション12を２mm以上に制御する。あるいはさらに、コンタクトチップ7の先に該コンタクトチップと電気的に絶縁されたワイヤガイド15を具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法において、溶接ワイヤ径を２mm未満とし、ドライエクステンションを60mm以上に制御して突合せ溶接することを特徴とする非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
【請求項２】
さらに、ウェットエクステンションを２mm以上に制御することを特徴とする請求項１に記載の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
【請求項３】
さらに、コンタクトチップの先に該コンタクトチップと電気的に絶縁されたワイヤガイドを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材溶接に使用する非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接に関し、特に、厚板の溶接において、その溶接入熱を低減し、かつ従来以上の溶接能率を可能にする溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロスラグ溶接は厚い鋼板を１パスで溶接可能であり能率が高いため、厚板を使用する分野で広く普及している。特に建築に用いられる４面ボックス柱のスキンプレートとダイヤフラムの溶接に多用される。
図１に非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接を用いた４面ボックス柱のスキンプレートとダイヤフラムの溶接におけるダイヤフラム1、当金3、スキンプレート2の配置の形態を模式的に示す。ダイヤフラム1はその左右を当金（鋼製当金）3で挟持され、スキンプレート2と矩形断面の開先4を有するＴ字型継手を構成する。
【０００３】
図２は図１中A−A´断面の溶接途中の状況を模式的に示したものである、溶接ワイヤ6にはコンタクトチップ7から電流が図示しない溶接電源より供給される。溶接ワイヤ6は突き出し（ドライエクステンション11およびウェットエクステンション12）において電流により抵抗加熱される。
さらに電流は溶接ワイヤ6から導電性のあるスラグ浴5を通過して被溶接材に流れる。スラグ浴５は電流により抵抗加熱され、スラグは高温の溶融状態に保たれている。スラグ浴5の温度は溶接ワイヤ6の融点よりも高く保たれているので、スラグ浴5中の溶接ワイヤ6はスラグ浴5からの伝熱により溶融する。
【０００４】
また、スラグ浴5からの伝熱で被溶接材（ダイヤフラム1、当金3、スキンプレート2）の一部も溶融する、溶接ワイヤ6が溶融して生じた溶滴8はスラグ浴中5を沈降し、溶融した被溶接材とともにスラグ浴5の下に堆積して溶融池9を形或する。さらに溶融池9は凝固して溶接金属10を形成し、溶接が進行する。溶接の進行にしたがってスラグ浴5が上昇するため、コンタクトチップ7はスラグ浴5の表面との距離を一定に保ちながら上昇するように制御される。
【０００５】
エレクトロスラグ溶接においては溶接ワイヤのコンタクトチップからの突出し（エクステンション）のうち、スラグ浴5に浸かっていない部分をドライエクステンション11とよび、スラグ浴5に浸かっている部分をウェットエクステンション12と呼ぶ。
非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法において、直流定電圧特性の電源を用いてスラグ浴深さを10〜30mmとし、溶接ワイヤ径を2mm未満と細径として、ドライエクステンションを40mm、ウェットエクステンションを０〜２mmに制御して突合せ溶接することを特徴とする非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法が特許文献1に開示されている。この細径ワイヤを用いる非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は高能率で安定した溶接を可能とし、設備が簡便であるため建築用鉄骨などの溶接に広く用いられている。
【特許文献１】特許第3105124号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のエレクトロスラグ溶接では一般に500〜1000kJ/cmと溶接入熱が極めて大きく、被溶接鋼材の受ける熱的ダメージが大きい。特に、近年建築物の超高層化に伴い、ボックス柱に、YP385MPa以上等の高強度材が用いられるようになったが、一般的に溶接継手の靭性は高強度材ほど低下する傾向にあるため、溶接熱影響部の靱性を確保することが困難となってきている。
【０００７】
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであつて、溶接入熱を低減し、かつ従来以上の溶接速度を可能にする非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は、上記目的を達成するために鋭意考究し、溶接ワイヤの突出し（エクステンション）を、従来よりも長くすることにより溶接ワイヤがスラグに入る前に、ワイヤを流れる電流の抵抗加熱によってワイヤをその融点近くまで予熱し、ワイヤの溶融速度を大きくし、溶接入熱を低減する手段に想到した。
突出しを長くするとワイヤの抵抗発熱が大きくなり、ワイヤの溶融速度が大きくなることは従来から知られていた。発明者はワイヤ突き出しにおける抵抗発熱とスラグの抵抗発熱、ワイヤ供給量、溶接速度、溶接入熱などの関係を詳細に検討したところ、突出しを長くすることによってワイヤの溶融速度が大きくなり、ワイヤの供給速度を高くすることが可能となるばかりでなく、溶接単位長さ当りの入熱（一般的に溶接入熱と呼ばれ、kJ/cmなどの単位で表される）が低下することを知見した。
【０００９】
これは、スラグでの抵抗加熱よりもワイヤ突出しでの抵抗加熱の方がはるかに熱効率が良いためである。溶接ワイヤはコンタクトチップを出た後、スラグに入るまでは周囲の空気と接しているだけであり、ほぼ完全に断熱されている。したがって、ワイヤ突き出しで発生する抵抗発熱はほぼ全てワイヤの加熱に利用される。ところが、スラグ浴は周囲の冷たい被溶接材と接しているため、スラグでの抵抗発熱のかなりの部分が周囲に拡散してしまう。したがって、溶接ワイヤを溶融する目的のためには、スラグの抵抗発熱を利用し、スラグからの伝熱により加熱するよりも、ワイヤ突出しでの抵抗加熱を利用した方が、熱的に効率がよい。本発明ではワイヤ突き出しを長くすることで、全入熱におけるワイヤでの抵抗加熱の比率を従来のエレクトロスラグ溶接よりも高めて、溶接入熱を低減している。
【００１０】
ところで、ワイヤがスラグと接触すると電流がワイヤからスラグに流れ、ワイヤ中を流れる電流が急減するため、ワイヤの抵抗加熱に有効なのは主にドライエクステンションである。したがってワイヤを抵抗加熱するためには突出しのうち特にドライエクステンションを長くする。
また、抵抗加熱においては単位体積当りの発熱は電流密度の２乗に比例するので、ワイヤ径を細くして電流密度を高くすることがワイヤを抵抗加熱する上で有利である。
【００１１】
さらに、本発明のように、突出しを従来よりも極めて長くして溶接する場合には、ワイヤはスラグに入る直前にはその融点近くまで加熱されている。このため、ワイヤ供給速度や、溶接電流などの僅かな変動により、ワイヤが過熱して溶断しやすい。ワイヤの溶断が発生するとワイヤ端とスラグ、あるいはワイヤ端と被溶接材の間にアークが発生し、アークによってスラグが飛散するなど溶接が極めて不安定となる。
【００１２】
この溶接の不安定さをなくすためには、ワイヤがスラグに入る瞬間の温度をワイヤの融点未満で、ある程度、融点までの余裕をもたせる必要がある。ワイヤがスラグに入る瞬間の温度がちょうどワイヤの融点であると、ワイヤはスラグに入ると直ちに溶融するためウェットエクステンションは０となる。したがって、ワイヤがスラグに入る瞬間の温度を融点未満の適当な温度に保つには、ウェットエクステンションをある長さ以上に確保することが必要である。
【００１３】
また、ワイヤ突出しを極めて長くすると、ワイヤの曲がりによってワイヤを開先中央に送給することが困難となることがある。ワイヤが開先のどちらかに寄ると、溶け込みが不均一となる、また極端な場合にはワイヤが開先に接触してアークが発生し溶接が極めて不安定になる。このような問題を解決するにはコンタクトチップの先端にコンタクトチップとは電気的に絶縁されたワイヤガイドを取り付けることが有効である。
【００１４】
本発明は上記知見に基づきなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
１．非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法において、溶接ワイヤ径を２mm未満とし、ドライエクステンションを60mm以上に制御して突合せ落接することを特徴とする非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
【００１５】
２．さらに、ウェットエクステンションを２mm以上に制御することを特徴とする前項１に記載の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
３．さらに、コンタクトチップの先に該コンタクトチップと電気的に絶縁されたワイヤガイドを具備することを特徴とする前項１又は２に記載の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、以下の効果が得られ、産業上極めて有用である。
１．エレクトロスラグ溶接の溶接入熱を大幅に低下させることが可能となることで溶接熱影響部の靭性の低下を防止でき、構造物の安全性が向上する。
２．従来のエレクトロスラグ溶接よりも入熱を低減したにもかかわらず溶接速度は従来よりも大きく増加でき溶接効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態について図３を用いて説明する。コンタクトチップ7には溶接電源13より電流が供給される。また溶接電源13のもう一方の端子は被溶接材（ダイヤフラム1、スキンプレート2、当金3）と電気的に接続されている。溶接電源13は直流定電圧特性のものが用いられ、溶接ワイヤ6側をプラス、被溶接材側をマイナスとするのが一般的ではあるが、必ずしもこれに限るものではなく、極性が逆、交流電源、あるいは垂下特性電源であっても本発明の効果を妨げるものではない。ワイヤ6はワイヤ供給装置14により供給される。ドライエクステンション11は従来の方法と比べてかなり長く設定される。
【００１８】
本発明において最も重要なことは、ドライエクステンション11を従来よりも著しく長くしワイヤを予熱してワイヤの溶融速度を大きくし、かかる状態においても安定して溶接が行われるようにすることである。
まず、本発明では溶接ワイヤ6の径を２mm未満としている。ワイヤ径が太いとワイヤを流れる電流密度が低下するため、溶接ワイヤの突き出しにおける予熱効果が小さい。このため、ワイヤの溶接速度を増大する効果が少なく、また入熱の低減効果も小さい。このため、ワイヤ径は２mm未満に限定する。
【００１９】
ドライエクステンション11を長くすると抵抗加熱によりワイヤが予熱されるため、ワイヤの溶接速度を増大でき、溶接入熱が低減できるが、ドライエクステンション11が60mm未満ではその効果が少ないため60mm以上とする。
ウェットエクステンション12は溶接の安定を確保する上で必要である。2mm未満のウェットエクステンション12ではワイヤの溶断が発生し、ワイヤ端とスラグ間にアークが発生して溶接が不安定になることがあったため、ウェットエクステンション12は２mm以上が好ましい。
【００２０】
また、ドライエクステンション11が長くなると、ワイヤの曲がりによってワイヤを狙いの位置に供給することが難しくなる。この問題を解決するためには、コンタクトチップ7の先にコンタクトチップ7とは電気的に絶縁されたワイヤガイド15を設けることが効果的である。ワイヤガイド15は耐熱性の樹脂、セラミックあるいはこれらと金属とを複合して製作する。
【実施例】
【００２１】
図４に示す、ダイヤフラム1とダイヤフラム1の左右を狭持する当金3とスキンプレート2とを組合わせたＴ字型継手を用いてエレクトロスラグ溶接を行った。図中Wはダイヤフラムの厚み、Dは開先の奥行き、Tはスキンプレートの厚みである。
これらの当金を用いて、Ｔ字型継手を形成し、表１に示す条件でエレクトロスラグ溶接を行った。ワイヤ径は1.6mmのものを用い、スラグ浴深さは30mmとし、溶接長は500mmとした。使用した直流溶接電源は市販されている定電圧特性のもので逆極性とし、ワイヤ送給は溶接中、一定速度とした。また、全ての条件で図５に示すように開先内で溶接ワイヤを揺動16させた。揺動幅は24mm、揺動速度は6mm/秒とし、両端での停止時間は5秒とした。なお、条件４ではドライエクステンションが85mmと極端に長いため、ワイヤの曲がりくせによってワイヤが開先に接触するおそれがあったため、コンタクトチップの先端に長さ30mmの耐熱樹脂製のワイヤガイド１５を取り付けて溶接した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表２に結果を示す。条件１は従来のエレクトロスラグ溶接である。条件２はドライエクステンションを従来よりも長く70mmとした本発明例である。ウェットエクステンションが1mmと短いため、溶接途中でワイヤ端が溶断し、アークが発生して溶接が不安定となったこともあったこともあったが、入熱は従来法（条件１）と比べ大幅に低下している。また条件３、４ではドライエクステンションを伸ばしているため入熱が大幅に低下している上、ウェットエクステンションを２mm以上確保しているため、溶接途中でのアーク発生はなく溶接は極めて安定していた。
【００２４】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】Ｔ字型継手の材料配置形態を示す断面図である。
【図２】従来の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法を示す模式図である。
【図３】本発明に係る非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法の例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施例におけるＴ字型継手の材料配置形態を示す断面図である。
【図５】溶接ワイヤの揺動範囲を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
1  ダイヤフラム
2  スキンプレート
3  当金（鋼製当金）
4  開先
5  スラグ浴
6  ワイヤ（溶接ワイヤ）
7  コンタクトチップ
8  溶滴
9  溶融池
10  溶接金属
11  ドライエクステンション
12  ウェットエクステンション
13  溶接電源
14  ワイヤ供給装置
15  ワイヤガイド
16  揺動（揺動範囲）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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