(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚方向に溶接電極を２本配置して鋼板の一方の面に摺動銅当金を、他方の面に固定式裏当材を当てて被溶接板を溶接する２電極立向エレクトロガスアーク溶接において、摺動銅当金側電極にフラックス入りワイヤを、固定式裏当材側電極にソリッドワイヤまたはスラグ生成率をワイヤ溶融量に対して２．６重量％以下に規制したフラックス入りワイヤを用い、前記固定式裏当材として使用する固形フラックスバッキング材の成分が重量％で、Ａｌ２ Ｏ３ ：３０〜７０％、
ＴｉＯ２ ： ５〜５０％、
ＳｉＯ２ ： ５〜４０％、
を含有し、かつ、Ａｌ２ Ｏ３ ＋ＴｉＯ２ ＋ＳｉＯ２ ≧９０％とすることを特徴とする溶接作業性および裏波ビード外観に優れた２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエレクトロガスア−ク溶接法に関し、さらに詳しくは、極厚鋼のエレクトロガスアーク溶接において良好な溶接作業性と優れた裏ビード外観が得られる２電極立向エレクトロガスアーク溶接法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロガスアーク溶接法は立向の開先の両面に当材を当て、ＣＯ２雰囲気中でアークを発生させ、溶融池を当材で保持しつつ順次凝固させていく溶接法である。当材としては表側は摺動式水冷銅当金を使用する。また裏側は同じく摺動銅当金を使用することもあるが、作業の容易さから固定式裏当材を使用するのが一般的である。また溶接ワイヤはフラックス入りワイヤ、ソリッドワイヤいずれも使用可能であるが、摺動銅当金と溶接金属との焼き付き防止のためのフラックスを別途添加する必要がないことなどから、フラックス入りワイヤが多く用いられている。
【０００３】
エレクトロガスアーク溶接は溶接能率が高いことから、軟鋼、４９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼、６２０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼を用いる船舶や石油備蓄タンク等の製作に多用されている。最近、大型コンテナ船のシャーストレーキ部や、橋梁の橋桁部では板厚５０ｍｍ以上の厚鋼板が使用されるようになった。しかし、このような厚鋼板での１電極１パス溶接法では溶接速度が極端に低下すること、エレクトロガスアーク溶接用ワイヤによって１ラン長尺溶接を行う場合、１コイル（約２０ｋｇ）では量が足りないため、途中で溶接を中断してワイヤを取り替える必要があり、その継ぎ目を補修しなければならない等の溶接能率が悪いという問題があった。そこで、これらの問題点を解消し、溶接能率を上げるための方法として、特開平８−１８７５７９号公報では、開先板厚方向に溶接電極を２本配置して両電極を揺動させて被溶接板を溶接する２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法およびその装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法では、表側に摺動銅当金を裏側に固定式裏当材（以下、裏当材という）を使用するが、両電極ともフラックス入りワイヤを用いて溶接しため、特に裏当材側電極ワイヤから生成されるスラグは、摺動銅当金側電極ワイヤのアーク力によってせき止められて摺動銅当金側から逃がすことができない。このため、溶融プール上の摺動銅当金側電極ワイヤと裏当材側電極ワイヤのアーク間（電極ワイヤ間スラグ）、および裏当材側電極ワイヤのアークと裏当材の間（裏当材側スラグ）にスラグが溜まりやすくなる。そして、上記スラグの滞留が過剰になると、特に裏当材側電極の付近でスラグ跳ねが多発し、裏当材側溶接チップにスラグが付着するため、特に開先幅が狭くなっている裏当材側電極付近では、電極と開先面とが接触しやすくなり、溶接中断等の作業性の低下が生じる。また、溶融プール上に溜まるスラグ量が多くなると、電極ワイヤによるアーク熱が溶接金属および開先面に十分に伝わらず、融合不良や裏波ビード外観の悪化などの問題を生じる。
【０００５】
上記の裏当材側電極ワイヤ付近でのスラグ溜りの問題を解決する手段として、裏当材側電極ワイヤのスラグ生成率を規制した場合、従来の裏当材の成分組成では、裏ビードの外観不良（凹凸）が発生し、これにより塗装性が劣化するためグラインダー研磨等の処理が必要となるという問題がある。
本発明は、上記従来法の問題点に鑑み、２電極エレクトロガスアーク溶接法を用いて厚鋼板を溶接する際に、良好な溶接作業性および良好な裏ビード外観が得られる溶接法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特に裏当材側電極ワイヤのスラグ発生率および裏当材の成分組成を規定することにより溶接作業性・効率および裏ビード外観が共に優れた溶接が得られることを見出しこの知見を基に発明を完成させたものであり、その発明の要旨とするところは、以下の通りである。
【０００７】
板厚方向に溶接電極を２本配置して鋼板の一方の面に摺動銅当金を、他方の面に固定式裏当材を当てて被溶接板を溶接する２電極立向エレクトロガスアーク溶接において、摺動銅当金側電極にフラックス入りワイヤを、固定式裏当材側電極にソリッドワイヤまたはスラグ生成率をワイヤ溶融量に対して２．６重量％以下に規制したフラックス入りワイヤを用い、前記固定式裏当材として使用する固形フラックスバッキング材の成分が重量％で、
Ａｌ２Ｏ３：３０〜７０％、
ＴｉＯ２  ：  ５〜５０％、
ＳｉＯ２  ：  ５〜４０％、
を含有し、かつ、Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＯ２＋ＳｉＯ２≧９０％とすることを特徴とする溶接作業性および裏波ビード外観に優れた２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明が採用する２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法は、従来の１電極１パス溶接法に比べて、溶接速度を飛躍的に速くすることができる。図１は２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法を説明する模式図であって、図中５、６はそれぞれ電極ワイヤ、２は摺動銅当金、８は裏当材、９は溶融池、１０は溶接金属である。従来の２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法では、溶接時に主に溶接ワイヤから発生するスラグが溶融プールに溜まり、摺動銅当金側のスラグ１は、摺動銅当金２側からスラグ逃がし１１の溝を通じて逃がすことができるが、電極間スラグ３（摺動銅当金側電極ワイヤ５と裏当材側電極ワイヤ６間に滞留するスラグ）や裏当材側スラグ４（裏当材側電極ワイヤ６と裏当材８間に滞留するスラグ）は溜りやすく、そのスラグよって以下のような問題が生ずることが実験等の結果から判った。
【０００９】
（１）上記裏当材側スラグ４は、主に裏当材側電極ワイヤ６と裏当材８から発生するが、そのスラグの滞留量が過剰になると、溶接時にスラグが跳ね上がり裏当材側電極ワイヤ６にスラグが付着し、被溶接材の開先面と接触しやすくなり溶接が不可能となることがある。
【００１０】
（２）上記（１）の問題を解決するための方法として、フラックス入りワイヤのスラグ発生成分を規制したり、またはソリッドワイヤを裏当材側電極ワイヤ６として用いる場合、従来の成分組成の裏当材では、裏ビードの外観不良（凹凸）が発生し、これにより塗装性も劣化するためグラインダー研磨等の処理が必要となる。これは、従来の裏当材の組成は、耐火性向上の点から高融点のコージライト（２Ｍｇ０・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）を主原料としており、その裏当材から生成するスラグは流動性が悪いためスラグ被包性が均一にならず、良好な裏ビード形状が得られないためである。
【００１１】
そこで本発明者らは、上記の２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法を用いる場合の問題点を解決するために、電極ワイヤおよび裏当材の組成とスラグ挙動について鋭意検討してた。その結果、▲１▼スラグ発生率を規制したフラックス入りワイヤ又はソリッドワイヤを裏当材側電極ワイヤに用いることにより、裏当材側スラグの滞留起因のスラグが跳ね上がりおよび裏当材側電極ワイヤへのスラグ付着を防止でき、▲２▼さらに、裏当材の成分組成において、スラグ流動性を悪化させる成分を規制し、スラグ流動性を向上させるＴｉＯ２を所定量添加することによって、上記の問題を解決でき溶接作業性および裏ビードの外観の良好な溶接を効率的に行えることが判った。
【００１２】
本発明の詳細について以下に説明する。本発明は板厚方向に溶接電極を２本配置した２電極立向エレクトロガスアーク溶接方法であるが、前記従来技術を同様に鋼板の一方の面に摺動銅当金を、他方の面に固定式裏当材を当てて溶接を行なう。この場合それぞれの電極は板厚方向に揺動を行なって開先壁への溶け込みの均一化を図ってもよい。
【００１３】
本発明では、摺動銅板側電極ワイヤとしてフラックス入りワイヤを用い、裏当材側電極ワイヤとして、ソリッドワイヤまたはスラグ生成率がワイヤ溶融量に対して２．６重量％以下に規制したフラックス入りワイヤを用いるものとする。
【００１４】
この理由として、摺動銅板側電極ワイヤとしてソリッドワイヤを用いた場合は摺動銅板側のビード外観が劣化するという問題が生じ、また、裏当材側電極ワイヤにスラグ生成率がワイヤ溶融量に対して２．６％を超えるフラックス入りワイヤを用いた場合は、裏当材の成分組成を規定しなくても裏ビード外観は良好であるが、スラグ跳ねが発生するという問題が生じるため上記のような電極ワイヤの組み合わせとした。
【００１５】
本発明では、上記摺動銅板側ワイヤに用いるフラックス入りワイヤの組成は通常のもので良く、特に規定しないが、作業性やビード形状の点からそのスラグ生成率がワイヤ溶融量に対して２．７重量％〜５．５重量％以下に規制することが好ましい。
【００１６】
本発明では図２の開先断面図に示すように、裏当材として耐火材粉末を固めた固形フラックスバッキング材１５の上にガラステープ１６を１枚または数枚重ねて使用する。なお１７はアルミ箔である。この固形フラックスバッキング材の組成は以下のように規定する。
【００１７】
Ａｌ２Ｏ３：３０〜７０％
Ａｌ２Ｏ３は裏当材の融点を高める効果があり、３０％未満では耐火性が劣り、溶接中に裏当材の割れ、ビード外観の不良が発生する。また、７０％を超えると、スラグ流動性が劣化し、裏ビード表面に図３のＢに示すような細かい凹凸が発生するため、裏当材中のＡｌ２Ｏ３量は３０〜７０％とした。
【００１８】
ＴｉＯ２  ：５〜５０％
ＴｉＯ２はスラグの流動性を良好にし、スラグ被包を均一にする働きがあるが、５％未満ではその効果がなく、裏ビード表面に図３のＣに示すように大きな凹凸が発生する。また５０％を超えると、耐火性が劣ることと、スラグ発生量の過多による溶融プールへの流れ込みにため溶接作業性が劣化する。よって裏当材中のＴｉＯ２は５〜５０％とした。
【００１９】
ＳｉＯ２  ：５〜４０％
ＳｉＯ２は粘性調整のために必要なものであるが、５％未満ではその効果がなく、４０％を超える場合は生成スラグの流動性が劣化し、またアンダーカットやスラグ巻き込み等の欠陥が発生する。そこで、ＳｉＯ２量の範囲は５〜４０％とした。
【００２０】
Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＯ２＋ＳｉＯ２≧９０％：
Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＯ２＋ＳｉＯ２の合計が９０％を下回ると、その他の成分の含有比率が高くなるので適度な耐火性および生成するスラグの粘性調整を行うことが難しくなるため良好なビード外観が得られない。
また上記の合計量が９０％以上であれば、コージライトに含有する高融点の成分や、その他の高融点成分およびスラグ流動性を劣化させる成分、例えばＭｇＯ、ＣａＯ、ＦｅＯ等を含有しても十分な効果が得られる。
【００２１】
なお、本発明において上記固形フラックスバッキング材の上に装着するガラステープは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ厚が望ましく、この範囲内ならば重ねて使用してもよい。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。表１に示す成分の異なる裏当材Ｎｏ．ａ〜ｌを試作した。次にそれらの裏当材および表２に示した成分組成の溶接ワイヤを用いて、表３および表４に示す開先形状および溶接条件にて、表５に示す成分および板厚の鋼板をそれぞれ１パスの２電極立向エレクトロガスアーク溶接を行った。その結果として、表６に試験Ｎｏ．１から１４の条件で、板厚５０ｍｍおよび７０mmの鋼板を溶接した際の裏ビード形状および溶接作業性等の評価結果を示した。ここで、裏ビード形状の評価は、図３のＡに示したように裏波ビード外観が滑らかな形状のものを合格とし、図３のＢ、Ｃに示したように凹凸が発生したものを不合格とした。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
【表４】
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【００２７】
【表５】
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【００２８】
【表６】
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【００２９】
本発明例Ｎｏ．１〜５はいずれも良好な作業性および裏波ビード外観が得られた。
比較例では、Ｎｏ．６は、裏当て材（Ｎｏ．ｆ）がＡｌ２Ｏ３量が多く、裏波ビードに細かい凹凸が発生した。
Ｎｏ．７は、裏当て材（Ｎｏ．ｇ）がＴｉＯ２が少なく、スラグの流動性が劣り、外観不良が発生した。
【００３０】
Ｎｏ．８は、裏当て材（Ｎｏ．ｈ）がＳｉＯ２が過多のため、スラグの流動性が劣り、外観不良およびアンダーカットが発生した。
Ｎｏ．９は、裏当て材（Ｎｏ．ｉ）がＡｌ２Ｏ３が低いため、耐火性が劣り、溶接中に裏当材が割れた結果、外観不良が発生した。
Ｎｏ．１０は、裏当て材（Ｎｏ．ｊ）のＡｌ２Ｏ３＋ＴｉＯ２＋ＳｉＯ２の合計が本発明範囲を下回った結果、その他の成分である高融点のＭｇＯ、ＣａＯが多くなり、スラグの流動性が劣化したため外観不良が発生した。
【００３１】
Ｎｏ．１１は、裏当て材（Ｎｏ．ｋ）がＴｉＯ２が多いため、溶接中に裏当材が割れ、裏波ビード外観が劣化した。
Ｎｏ．１２は、裏当て材（Ｎｏ．ｌ）がＴｉＯ２が低いため、裏波ビード外観は劣化し、裏当材側電極に用いたソリッドワイヤ（Ｗ６）のスラグ生成率が高いため、溶接中のスラグ跳ねが発生し溶接作業性が劣化し、解け込み形状も不良となった。
【００３２】
Ｎｏ．１３は、裏当て材（Ｎｏ．ｈ）の成分組成が本発明範囲から外れているが、裏当材側電極に用いたフラックス入りワイヤ（Ｗ３）のスラグ生成率が本発明範囲を満足しているため、裏波ビード外観は良好である。しかし、摺動銅板側電極にソリッドワイヤを用いたため、スパッタの発生の増大と表側ビード外観が劣化した。
【００３３】
Ｎｏ．１４は、裏当て材（Ｎｏ．ａ）の成分組成は本発明範囲を満足しており、裏波ビード外観は良好であるが、裏当材側電極に用いたフラックス入りワイヤ（Ｗ１）のスラグ生成率が高いため溶接中にスラグ跳ねが発生し溶接作業性が劣化し、解け込み形状も不良となった。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば２電極エレクトロガスアーク溶接において、良好な溶接作業性と裏波ビード外観を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明溶接方法の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の裏当材形状を示す開先断面図である。
【図３】裏波ビード外観を示す写真
【符号の説明】
１  摺動銅当金側スラグ
２  摺動銅板
３  ワイヤ極間スラグ
４  裏当材側スラグ
５  摺動銅当金側電極ワイヤ
６  裏当材側電極ワイヤ
７  ワイヤ極間
８  裏当材
９  溶融池
１０  溶接金属
１５  固形スラックスバッキング材
１６  ガラステープ
１７  アルミ箔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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