(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平部材または傾斜部もしくは円弧部を有する傾斜部材の突合せ溶接において、
先行溶接トーチは先端部が被溶接部材の板面にほぼ平行になるように湾曲させ、後行溶接トーチは先端部を傾斜させると共に該先端部にシールドガスノズルを取り付け、
被溶接部材の開先下面に溶融金属の落下を防止する下部当て金と、開先上面にシールドガス噴出口を有する上部当て金を、共に溶接の進行に応じて摺動するように設置し、
前記下部当て金と上部当て金で囲まれた開先内に前記先行溶接トーチの先端部を溶接線方向に挿入し、前記上部当て金の後方において先行溶接ビードの上に溶接するように前記後行溶接トーチを配置し、
この２本の溶接トーチにより同時に溶接を行うことを特徴とする突合せ溶接方法。
【請求項２】
水平部と傾斜部もしくは円弧部とが連続的に変化する被溶接部材の突合せ溶接において、
先行溶接トーチは先端部が被溶接部材の板面にほぼ平行になるように湾曲させ、後行溶接トーチは先端部を傾斜させると共に該先端部にシールドガスノズルを取り付け、
被溶接部材の開先下面に溶融金属の落下を防止する下部当て金と、開先上面にシールドガス噴出口を有する上部当て金を、共に溶接の進行に応じて摺動するように設置し、
前記下部当て金と上部当て金で囲まれた開先内に前記先行溶接トーチの先端部を溶接線方向に挿入し、前記上部当て金の後方において先行溶接ビードの上に溶接するように前記後行溶接トーチを配置し、
被溶接部材の水平部から傾斜部もしくは円弧部における法線との水平角が所定の角度となる部位までの区間は、前記２本の溶接トーチにより同時に溶接を行い、前記水平角がさらに大きくなる傾斜部もしくは円弧部の区間は、前記先行溶接トーチのみによる１電極のエレクトロガス溶接法に移行して溶接を行うことを特徴とする突合せ溶接方法。
【請求項３】
被溶接部材と前記下部当て金の間に、ガラス繊維製テープを挿入して溶接を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の突合せ溶接方法。
【請求項４】
先行溶接にソリッドワイヤを、後行溶接にフラックス入りワイヤを使用することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一に記載の突合せ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平に設置された部材（水平部材）または傾斜部もしくは円弧部を有する傾斜部材のガスメタルアーク溶接による突合せ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より水平部材または多少の傾きを有する傾斜部材等の突合せ溶接方法が提案されているが、以下のような問題があった。
例えば、特開平１０−１０９１６５号公報には溶接トーチを被溶接部材表面に対しほぼ垂直に配し、溶接する方法が示されている。しかし、この方法では開先精度の僅かな変化に対しても、高速回転アーク溶接を用いたり、アーク電圧などの溶接条件の制御を行わなければ良好な裏ビードを形成することができない。
また、特開平１０−１２８５４０号公報には、表面および裏面の水冷銅板に囲まれた空間に、溶接ワイヤを被溶接部材の裏面側から開先内を通して下向きに送給して溶接する方法が示されている。しかし、この方法は溶接ワイヤが下向きに送給されているため、被溶接部材の板厚が厚くなるとアークの熱が十分に板裏面に届かず、裏ビードが良好に形成できない。また、溶融金属が開先前方に流出するのを防止するために、開先内水冷銅板が必要になる。
一方、１電極でしかも１パスで溶接を仕上げしようとすると、溶接可能な板厚は薄いものに限定されるという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来技術は良好な裏ビードを形成し難く、良好な裏ビードを形成するためには高速回転アークなどの特殊な溶接法を用いたり、高度な溶接条件制御技術が必要であった。これは、溶接トーチを被溶接部材表面に対しほぼ垂直に近い状態で溶接すると、開先の状況や溶接条件により、板裏面からアーク発生点までの距離が変化するために、板裏面に与える溶接入熱に過不足が生じるためである。
また、１パスで溶接可能な板厚範囲が小さいという問題があった。
【０００４】
したがって、本発明の目的は、特殊な溶接法や高度な溶接条件制御法を用いなくても裏ビードが安定して形成され、また板厚が厚い部材においても１ラン（１回の走行）にて溶接することができる突合せ溶接方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る突合せ溶接方法は、水平部材または傾斜部もしくは円弧部を有する傾斜部材の突合せ溶接において、先行溶接トーチは先端部が被溶接部材の板面にほぼ平行になるように湾曲させ、後行溶接トーチは先端部を傾斜させると共に該先端部にシールドガスノズルを取り付け、被溶接部材の開先下面に溶融金属の落下を防止する下部当て金と、開先上面にシールドガス噴出口を有する上部当て金を、共に溶接の進行に応じて摺動するように設置し、前記下部当て金と上部当て金で囲まれた開先内に前記先行溶接トーチの先端部を溶接線方向に挿入し、前記上部当て金の後方において先行溶接ビードの上に溶接するように前記後行溶接トーチを配置し、この２本の溶接トーチにより同時に溶接を行うことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明における先行溶接トーチは、先端部が被溶接部材の板面にほぼ平行になるように湾曲状に形成してある。このように板面に平行な電極を開先内に挿入して初層溶接を行うことにより、開先の状況や溶接条件に影響されず、常にアークの発生点と被溶接部材下面までの距離を裏ビードが良好に形成される値に保持することができる。
【０００７】
この原理を図３により説明する。図３において、１は先行溶接トーチの電極（溶接ワイヤ）、２は溶接アーク、３は溶融池、４は溶接ビード、５は裏ビード、６は被溶接部材、７は開先、８は開先下面である。すなわち、先行溶接トーチによる溶接は、図３のような力のバランスのもとで行われることになる。
ＦB＝Ｆa＋ＦS
ここに、ＦB：溶鋼の重力による水平方向の静圧
Ｆa：アーク力
ＦS：溶融池に働く表面張力
この力のバランスが保たれている範囲では、溶接電流Ｉ、ワイヤ溶着量Ｖｆ、溶接速度ｖ、開先幅ｇなどのパラメータが変化しても、アーク２の発生点と開先下面８間の距離ｄは変化しない。このため、均一かつ良好な裏ビード５を形成することができる。
【０００８】
ところで、溶鋼の重力による水平方向の静圧ＦBは溶融池３の幅がほぼ一定とするとビードの高さＨの２乗に比例する。また、アーク力Ｆaは溶接電流Ｉにほぼ比例するのでｆ（Ｉ）と表し、表面張力による水平方向の力ＦSは溶接条件等に影響されず一定と考えられるので、これをαとすると、
Ｈ2∝ｆ（Ｉ）＋α
但し、Ｈ  ：ビード高さ（ｍｍ）
Ｉ  ：溶接電流（Ａ）
α  ：溶融池に働く表面張力の水平方向の力（これは一定と考えられる）となる。つまり、Ｉの増減によってＨも増減する。
【０００９】
一方、ビードの形成速度ｗは、
ｗ∝Ｖｆ／（Ｈ・ｇ）
但し、ｗ  ：ビードの形成速度（ｍｍ／分）
Ｖｆ：ワイヤ溶着量（ｍｍ3／分）
ｇ  ：開先幅（ｍｍ）
となるので、ビードの形成速度ｗとトーチの移動速度（すなわち溶接速度）ｖを等しくすると、上記力のバランスが保たれて溶接が行われることになる。
【００１０】
いま、図４に示すように開先幅ｇが変化した場合を考える。開先幅ｇの変動により、ビードの形成速度ｗとトーチの移動速度ｖが異なった場合、例えば、ｗに対してｖの方が速い場合は、溶接トーチの方が速く進むためワイヤ突出し長さが伸びることになる。しかしながら、溶接電源の自己制御作用が働く定電圧特性を有する溶接電源を用いた溶接では、ワイヤ突出し長さが伸びれば溶接電流Ｉが下がり、結果としてＨが低くなり、ｗは大きくなる。つまり、ワイヤ突出し長さは長くなり続けるのではなく、ある値で平衡して溶接が行えることになる。逆にｗに対してｖの方が遅い場合も同様にワイヤ突出し長さは短くなり続けるのではなく、ある値で平衡する。
すなわち、ビードの形成速度ｗとトーチの移動速度ｖが等しくなる溶接電流値Ｉとなるようにワイヤ突出し長さＬが変化したところでバランスする。したがって、Ｌは変化するが、ｄはＬに無関係で常に一定である。よって、裏ビードも開先幅ｇの変化に関係なく常に良好なものとなる。なお、図４において、９は下部当て金である。上部当て金はここでは図示していない。
【００１１】
本発明においては、前記ｄの距離は裏ビード５が良好に形成される領域に保たれる。裏ビード５が良好に形成される領域は実験等によって求められる。例えば、１．６ｍｍφの溶接ワイヤ１を使用した場合、ｄ＝０〜４ｍｍの範囲が適当である。
【００１２】
したがって、先行溶接トーチの水平な先端部を下部当て金と上部当て金の間の開先内に挿入して先行溶接を行う。また、先行溶接トーチにはシールドガスノズルを取り付け難いので、上部当て金に下向きのシールドガスの噴出口を設ける。
後行溶接トーチは上部当て金の後方に配置され、先端部を下向き姿勢で傾斜させ、かつ、先端部にシールドガスノズルを取り付けて先行溶接ビードの上を溶接する。このようにして、２本の溶接トーチを用い、１ランで溶接を行うものである。
【００１３】
本発明の突合せ溶接方法は、水平部材はもとより、傾斜部もしくは円弧部を有する傾斜部材であっても、適用することができる。しかし、好ましくは、傾斜部もしくは円弧部を有する傾斜部材に対しては、次の第２の突合せ溶接方法を適用するとよい。
【００１４】
すなわち、本発明の第２の突合せ溶接方法は、水平部と傾斜部もしくは円弧部とが連続的に変化する被溶接部材の突合せ溶接において、先行溶接トーチは先端部が被溶接部材の板面にほぼ平行になるように湾曲させ、後行溶接トーチは先端部を傾斜させると共に該先端部にシールドガスノズルを取り付け、被溶接部材の開先下面に溶融金属の落下を防止する下部当て金と、開先上面にシールドガス噴出口を有する上部当て金を、共に溶接の進行に応じて摺動するように設置し、前記下部当て金と上部当て金で囲まれた開先内に前記先行溶接トーチの先端部を溶接線方向に挿入し、前記上部当て金の後方において先行溶接ビードの上に溶接するように前記後行溶接トーチを配置し、被溶接部材の水平部から傾斜部もしくは円弧部における登り勾配の傾斜度が所定の角度となる部位までの区間は、前記２本の溶接トーチにより同時に溶接を行い、前記傾斜度がさらに大きくなる傾斜部もしくは円弧部の区間は、前記先行溶接トーチのみによる１電極のエレクトロガス溶接法に移行して溶接を行うことを特徴とするものである。
【００１５】
この第２の突合せ溶接方法は、水平部と傾斜部もしくは円弧部が連続的に変化する被溶接部材に対する突合せ溶接方法であり、被溶接部材の水平部から傾斜部もしくは円弧部における登り勾配の傾斜度が所定の角度となる部位までの区間は、第１の突合せ溶接方法と同様に前記２本の溶接トーチにより同時に溶接を行い、前記傾斜度がさらに大きくなる傾斜部もしくは円弧部の区間は、前記先行溶接トーチのみによる１電極のエレクトロガス溶接法に移行して溶接を行うものである。
下部当て金と上部当て金はそれぞれ開先下面と開先上面に沿って溶接の進行に伴い摺動していくので、傾斜度がさらに大きくなる傾斜部もしくは円弧部の区間ではこれらの下部当て金と上部当て金の間で溶融金属を充填させることができる。したがって、後行溶接トーチはアークを切って先行溶接トーチの１電極のみで溶接する、いわゆるエレクトロガス溶接法の形態に移行させて溶接を行えばよい。
【００１６】
また、本発明の突合せ溶接方法において、被溶接部材と前記下部当て金の間に、ガラス繊維製テープを挿入して溶接を行うことにより、裏ビード側に溶融スラグの発生を促し、溶込み形状および裏ビード形状を良好にすることができる。
【００１７】
また、先行溶接にスラグ発生量の少ないソリッドワイヤを使用することで、先行溶接ビードと後行溶接ビードの間に発生しやすいスラグ巻き込みの溶接欠陥を防止することができ、後行溶接にフラックス入りワイヤを使用することで、表面に浮上する多量のスラグにより後行溶接ビードの表面を滑らかで美しいものにすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は本発明の突合せ溶接方法を示す説明図である。
溶接ワイヤからなる先行電極１を有する先行溶接トーチ１０は、先端部１１が被溶接部材６の板面にほぼ平行になるように湾曲状に形成され、その先端部１１が被溶接部材６の開先７の内部において溶接線方向に挿入される。
溶接ワイヤからなる後行電極２２を有する後行溶接トーチ２０は、先端部２１が下向きの後退角姿勢で傾斜しており、かつ、シールドガスノズル２３が先端部２１に取り付けてある。
【００２０】
開先下面８には摺動式の下部当て金９を、必要に応じてガラス繊維製テープ１２を介して当接し、また下部当て金９の上方における開先上面１３には摺動式の上部当て金１４を当接し、これら下部当て金９と上部当て金１４で囲まれる開先内空間１５に前記先行溶接トーチ１０の先端部１１を挿入する。また、上部当て金１４には先行溶接トーチ１０用のシールドガスを噴出するシールドガス噴出口１６が設けてある。
後行溶接トーチ２０は、上部当て金１４の後方に配置する。１７はガラス繊維製テープ１２の引き出しローラで、下部当て金９の前部に一対設けられている。１８は上部当て金１４の支持棒である。また、下部当て金９と上部当て金１４は溶接の進行と共にそれぞれ開先下面および開先上面を摺動していく。
【００２１】
上記のように、先行溶接トーチ１０の先端部１１を下部当て金９と上部当て金１４で囲まれる開先内空間１５に溶接線方向に挿入し、後行溶接トーチ２０の先端部２１を上部当て金１４の後方において下向き姿勢で傾斜させ、これら先行溶接トーチ１０および後行溶接トーチ２０により１ランで突合せ溶接を行う。このとき、先行溶接トーチ１０に対して上部当て金１４の噴出口１６からシールドガスが噴出され、また下部当て金９およびガラス繊維製テープ１２は先行溶接ビード４の溶融池３を支持し、その溶融金属の落下を防止しながら溶接が進行する。
【００２２】
後行溶接トーチ２０は上部当て金１４の後方において先行溶接ビード４の上に後行溶接ビード２４を溶接していく。また、後行溶接トーチ２０に対するシールドガスは後行溶接トーチ２０の先端部２１に取り付けられたノズル２３から同心状に噴出される。
なお、先行溶接トーチ１０および後行溶接トーチ２０は、被溶接部材６の裏面（下面）側から開先７のギャップ内を通して配置されているが、被溶接部材６の表面（上面）側から配置してもよい。また、少なくとも先行溶接トーチ１０は溶接中、開先内で揺動させる方がよい。
【００２３】
この実施の形態による突合せ溶接方法は、水平部材あるいは傾斜部もしくは円弧部を有する傾斜部材に対して適用することができる。水平部材あるいは傾斜部を有する部材の水平部に対しては、上記のように２本の先行溶接トーチ１０と後行溶接トーチ２０により溶接を実施する。また、傾斜部を有する部材の傾斜部に対しては、板厚や溶接電流にもよるが、例えば板厚１９ｍｍ、先行電流４５０Ａの場合では、傾斜度（すなわち、先行電極１の水平角）が約１０゜位の部位までは同様に２本の先行溶接トーチ１０と後行溶接トーチ２０により溶接を実施する。しかし、傾斜度が１０゜以上になるような傾斜部材の区間については、次のような方法で突合せ溶接を行う。
【００２４】
図２は１０゜以上の傾斜度を持つ傾斜部材に対する突合せ溶接方法を示す図である。例えば、船底外板のように水平部と傾斜部もしくは円弧部が連続的に変化する傾斜部材に対する突合せ溶接方法である。
【００２５】
先行溶接トーチ１０、後行溶接トーチ２０、および、下部当て金９、上部当て金１４の配置関係は図１と同じである。ただし、上部当て金１４の接触面（下面）はあらかじめ被溶接部材６の円弧部６ｂの曲率半径に合わせて円弧面に形成しておく。
この傾斜部材の水平部から傾斜角度α＝１０゜までの区間Ｐは、図１と同様に、２本の先行溶接トーチ１０と後行溶接トーチ２０により突合せ溶接を行う。そして、α＝１０゜となる時点では、後行溶接トーチ２０の溶接アーク２２は切り（消弧し）、先行溶接トーチ１０の１電極のみで、いわゆるエレクトロガス溶接法に移行して突合せ溶接を行う。すなわち、下部当て金９と上部当て金１４はそれぞれ溶接の進行と共に円弧部６ｂの開先外面および内面に沿って上昇するので、傾斜角度αが１０゜以上となる区間Ｒについては、先行溶接トーチ１０による溶融池３が下部当て金９と上部当て金１４で囲まれる開先空間内に充填しながら上昇する。したがって、この区間Ｒはエレクトロガス溶接法の形態をとることができる。このエレクトロガス溶接法によると、αが９０゜までの円弧部６ｂを溶接することができる。
【００２６】
本発明の溶接試験の条件と試験結果を示す。
（１）各板厚の適正溶接条件
表１に各板厚における適正溶接条件を示す。本発明の突合せ溶接方法では表１に示すように先行溶接電流は高い値を用い、板厚に応じて後行溶接電流にて調節する方法が最も適しているものと考えられる。
【００２７】
【表１】
0004143886.tif 000002
【００２８】
（２）各開先ギャップ幅の適正溶接条件
表２に板厚１９ｍｍのときの各開先ギャップ幅における適正溶接条件を示す。ギャップ幅に対しては、溶接速度を調整する方法が最も有効と考えられる。また、裏ビードの安定化のためにトーチ揺動幅の調整が必要である。
【００２９】
【表２】
0004143886.tif 000003
【００３０】
（３）各傾斜角度の適正溶接条件
表３に各傾斜角度における適正溶接条件を示す。傾斜角度に対しては、溶接速度と後行溶接電流の変化による対応が適している。なお、表３の傾斜角度「１０〜」の欄は先行の１電極によるエレクトロガス溶接のときの溶接条件である。
【００３１】
【表３】
0004143886.tif 000004
【００３２】
各試験結果は次のとおりであった。
（１）シャルピー衝撃試験
試験材は表４の条件で作製し、採取位置はいずれもビード中央部とした。試験温度０℃のときの試験材中央部での吸収エネルギーを表５に示す。
いずれの場合も規格値を満たしており、良好な結果が得られた。
【００３３】
【表４】
0004143886.tif 000005
【００３４】
【表５】
0004143886.tif 000006
【００３５】
（２）引張試験
試験片寸法：ｔ（板厚）×ｗ30×全長450（平行部長さ：最大溶着幅＋12mm）
試験方法  ：日本船級協会基準に準拠し試験を実施した。
継手引張試験の結果を表６に示す。引張強さの規格値はすべて満たしており、破断位置もすべて母材より破断している。
【００３６】
【表６】
0004143886.tif 000007
【００３７】
（３）表曲げ、裏曲げ試験
試験片寸法：ｔ9×ｗ30×全長250
曲げ試験の結果を表７に示す。表曲げ、裏曲げともすべて合格であった。
【００３８】
【表７】
0004143886.tif 000008
【００３９】
以上の各試験の結果から、本発明の突合せ溶接方法による継手の機械的性能は十分実用に耐え得るものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、先行溶接トーチを先端部が被溶接部材の板面にほぼ平行になるように湾曲状に形成して溶接線方向に配置して溶接するので、特殊な溶接法や高度な溶接条件制御法を用いなくても、また開先の状況や溶接条件に影響されることなく良好な裏ビードを安定して形成することができる。
また、後行溶接トーチは上部当て金の後方において先行溶接ビードの上を溶接するように配置されるので、板厚がより厚い部材であっても１ランにて溶接することができ、溶接効率が向上する。
さらに、水平部と傾斜部もしくは円弧部とが連続的に変化する部材に対しても、傾斜部もしくは円弧部において先行溶接トーチのみのエレクトロガス溶接に移行することで、傾斜角度の大きな部材をも水平部から傾斜部もしくは円弧部まで連続して溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の突合せ溶接方法を示す図である。
【図２】円弧部における溶接の状況を示す図である。
【図３】本発明の突合せ溶接方法において、先行電極のアークと溶融池間に働く力のバランスを示す図である。
【図４】本発明の突合せ溶接方法において、開先幅ｇの変化による裏ビードの形成状況を示す図である。
【符号の説明】
１  先行電極（溶接ワイヤ）
２  溶接アーク
３  溶融池
４  先行溶接ビード
５  裏ビード
６  被溶接部材
７  開先
８  開先裏面
９  下部当て金
１０  先行溶接トーチ
１２  ガラス繊維製テープ
１３  開先上面
１４  上部当て金
１５  開先空間
１６  シールドガス噴出口
２０  後行溶接トーチ
２２  後行電極
２３  シールドガスノズル
２４  後行溶接ビード
【図１】
0004143886.tif 000009
【図２】
0004143886.tif 000010
【図３】
0004143886.tif 000011
【図４】
0004143886.tif 000012