(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒鋼の端部を水平方向に配置された被溶接材の表面にアーク発生用挿入体を介して接触させるとともに、溶接ギャップの周りを粉粒体フラックスで包囲した状態で、前記棒鋼に通電して棒鋼端部から被溶接材にアークを発生させるとともに、棒鋼端部を加熱溶融させて被溶接材の表面上に溶融池を生成させた後、棒鋼を溶融池に押し込んで溶接するサブマージアークプレス溶接方法において、前記棒鋼のアーク発生時から溶接電流及び溶接電圧を測定し、前記溶接電圧の測定値が予め定められた所定の電圧になるように、前記被溶接材に対する棒鋼の高さをフィードバック制御するとともに、これらの測定値から溶接入熱量を計算し、該溶接入熱量の計算値が予め定めた所定の溶接入熱量に達した後、棒鋼の端部を溶融池に押し込むさいの押し込み量を、予め定められた所定の押し込み量と、アーク発生時の棒鋼の高さに対する押し込む時の棒鋼の高さの変位量との和として当該棒鋼を溶融池に押し込むことを特徴とする棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法。
【請求項２】
前記溶接入熱量の計算値は、アーク発生時から所定の時間間隔で測定した溶接電流と溶接電圧の積算値を時間積分して求めることを特徴とする請求項１記載の棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法。
【請求項３】
前記アーク発生時の溶接電圧の測定値が予め定められた所定の電圧になるように棒鋼の高さを調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直径２９ｍｍ以上の太径棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法に関し、主として、土木建築基礎現場における定着板とアンカー鉄筋の溶接や基礎杭の端板とアンカー鉄筋の溶接を行うさいに良好な溶接部が得られるサブマージアークプレス溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の棒鋼の溶接法としては、例えば特開平９−１５５５９１号公報に示される棒鋼と鋼板とをエンクローズアーク溶接する方法がある。エンクローズアーク溶接は、鉛直方向に配置された鋼板に対して棒鋼を水平に支持するとともに、鋼板面と棒鋼端部を円筒形のセラミックス製裏当て材を介して所定開先ギャップになるように固定し、裏当て材の上部開口部から溶接ワイヤによりアーク溶接する方法であり、自動化を図るなどの工夫によってＤ５１程度のサイズの鉄筋を高品質で溶接できる。しかしながら、この溶接方法は、水平に配置された棒鋼を鉛直方向から溶接する場合には適用可能であるが、アンカー鉄筋と定着板を溶接する場合のように鉛直に配置された鉄筋を溶接するさいには、溶接姿勢が横向きになり、溶融金属が流れやすくなるため、溶接部の品質を確保できない。
【０００３】
また、水平に配置された鋼板に対して鉄筋を鉛直に配置して鉄筋の端部と鋼板表面とを溶接する方法では、例えば特開平３−２５８４６２号公報で開示されているように、セラミックス製のフェルールで開先部を囲い棒鋼と鋼板の間にアークを発生させて溶接部を加熱溶融させた後、棒鋼を鋼板上の溶融池に押し込むことによって溶接するスタッド溶接法が挙げられる。このスタッド溶接は、直流の溶接電源を用いて２０００アンペア程度の大電流で溶接を行うことによって溶接時間が１秒程度という非常に高能率な溶接を達成している。
【０００４】
スタッド溶接法の溶接部の品質を制御する方法として、例えば特開平１１−１０３４２公報に示されるように溶接中の平均電圧値や平均電流値を用いて溶接入熱を求めることによって溶接結果の判定を行う方法がある。しかしながら、スタッド溶接は溶接時間が極めて短いためにこれらの管理データを溶接プロセスにフィードバック制御することによって品質の安定化を図ることは困難であった。また、スタッド溶接法は高価な定電流型の直流溶接電源を必要とするために他のアーク溶接方法に対して経済的に不利であった。
【０００５】
さらに、スタッド溶接方法は直流の大電流を使用するため、鋼材自身の残留磁界や溶接電流によって発生する誘導磁界の影響を受けて溶接アークが不安定となり易いという問題がある。このため棒鋼サイズの増加とともに溶接部端面の溶融が不均一となり、高品質で溶接できる棒鋼のサイズは直径２５ｍｍ程度が限界であった。
【０００６】
一方、スタッド溶接よりもさらに太径（直径３２ｍｍ程度）の棒鋼をより安価な垂下特性の交流溶接電源を用いて溶接する方法として、例えば特開昭４１−７６８５９号公報に示されるサブマージアークプレス溶接法が挙げられる。従来のサブマージアークプレス溶接法は、棒鋼端部をアーク発生用挿入体を介して被溶接材に接触させるとともに、溶接ギャップ部を粉粒体フラックスで包囲し、棒鋼に通電して前記溶接ギャップ間に溶接アークを発生させることにより前記棒鋼端部を加熱溶融させ、その後、被溶接材上に生成した溶融池に棒鋼を押し込むことにより溶接を行っていた。
【０００７】
この溶接法は、溶接アークによる熱で溶けた粉粒体フラックスが溶融スラグとなり溶接部全体を覆うため、安価な交流電源を用いても溶接アークが安定しており、１０００Ａ程度のスタッド溶接法に比べて、比較的低電流で太径の棒鋼の溶接を行っていた。
【０００８】
しかしながら、従来のサブマージアークプレス溶接法は、溶接品質を安定化させるための制御がほとんどなされておらず、例えば溶接開始後タイマーのみに従って一定時間溶接アークを保持した後に棒鋼を溶融池に押し込むことによって溶接を行なっていた。このため、溶接施工時の種々の変動要因によって溶接品質にばらつきが生じていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
サブマージアークプレス溶接方法における溶接品質の劣化要因として、以下の点が挙げられる。
【００１０】
第１に溶接時に溶接入熱量の変動が挙げられる。
従来、サブマージアークプレス溶接法は主に土木建築の現場施工で用いられているが、作業能率を考慮して重量物である溶接電源は１カ所に固定しておき、この溶接電源と溶接装置の間に３０ｍから８０ｍの長い電源ケーブルを接続し、溶接箇所に溶接装置のみを移動させて溶接する方法を採用している。この結果、電源ケーブルにおける電力損失量が極めて大きく、また、その電力損失量は電源ケーブルの劣化状態や発熱状態の違いによっても大きく変動するため溶接部に投入される入熱量も変動し溶接品質の劣化要因となっていた。加えて、工事現場における１次電源は主にエンジン発電機が用いられるが、周辺機器の使用状態によって出力電圧が大きく変動するため、これも溶接品質の劣化要因となっていた。
【００１１】
したがって、電源ケーブルの長さや１次電源の出力状態による溶接入熱の変動を抑制し、棒鋼のサイズおよび材質に応じて溶接入熱を常に一定に制御することがサブマージアークプレス溶接方法の溶接品質を向上させるうえで重要である。
【００１２】
第２の品質劣化要因として、溶接中の溶接電圧変動が挙げられる。
サブマージアークプレス溶接方法では、溶接アークが棒鋼と鋼板のギャップで発生するが、溶接が進行するに従って溶融した金属が棒鋼先端から垂れ下がり、鋼板上の溶融池と短絡するため、溶接電圧が変動しやすい。このため鋼板上の溶融金属を均一に加熱することが困難となり、これが溶接部品質の劣化の要因となる。この傾向は棒鋼サイズの太径化とともに強くなり、特に棒鋼径が３８ｍｍより太い、太径鉄筋を溶接するさいに溶接部の品質を維持するためには溶接中の溶接電圧の制御は不可欠となる。
【００１３】
サブマージアークプレス溶接方法においては、上記の溶接品質の劣化を抑制するとともに、溶接作業性を向上させるためにアークスタート（溶接開始）時の安定性が課題となる。サブマージアークプレス溶接方法では、棒鋼と鋼板などの被溶接材との間にアーク発生用挿入体を介して固定し、棒鋼に通電を開始してアーク発生用挿入体を溶融させることによってアークスタートを行なっていたが、挿入体セット時の接触不良やアークスタート時の挿入体の溶融状態の変動また粉粒体フラックスの巻き込みによってアークスタートに失敗することがあり、作業能率の低下要因となっていた。このため、安定した溶接開始方法を確立することもサブマージアークプレス溶接方法において重要な課題であった。
【００１４】
本発明は、以上のサブマージアークプレス溶接方法における問題点を克服し、溶接品質および作業能率に優れたサブマージアークプレス溶接方法提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）棒鋼の端部を水平方向に配置された被溶接材の表面にアーク発生用挿入体を介して接触させるとともに、溶接ギャップの周りを粉粒体フラックスで包囲した状態で、前記棒鋼に通電して棒鋼端部から被溶接材にアークを発生させるとともに、棒鋼端部を加熱溶融させて被溶接材の表面上に溶融池を生成させた後、棒鋼を溶融池に押し込んで溶接するサブマージアークプレス溶接方法において、前記棒鋼のアーク発生時から溶接電流及び溶接電圧を測定し、前記溶接電圧の測定値が予め定められた所定の電圧になるように、前記被溶接材に対する棒鋼の高さをフィードバック制御するとともに、これらの測定値から溶接入熱量を計算し、該溶接入熱量の計算値が予め定めた所定の溶接入熱量に達した後、棒鋼の端部を溶融池に押し込むさいの押し込み量を、予め定められた所定の押し込み量と、アーク発生時の棒鋼の高さに対する押し込む時の棒鋼の高さの変位量との和として当該棒鋼を溶融池に押し込むことを特徴とする棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法。
（２）前記溶接入熱量の計算値は、アーク発生時から所定の時間間隔で測定した溶接電流と溶接電圧の積算値を時間積分して求めることを特徴とする上記（１）記載の棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法。
（３）前記アーク発生時の溶接電圧の測定値が予め定められた所定の電圧になるように棒鋼の高さを調整することを特徴とする上記（１）または（２）記載の棒鋼のサブマージアークプレス溶接方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２に代表的なサブマージアークプレス溶接部の断面形状と主な溶接欠陥を示す。サブマージアークプレス溶接方法で問題となる溶接欠陥は、溶接金属７と棒鋼６の止端部に生ずるアンダーカット欠陥９（図２（ａ））やオーバーラップ欠陥１０（図２（ｂ））、溶接金属７と鋼板８の境目に生じる余盛り形状不良１１（図２（ｃ））である。
【００１７】
本発明者らは、サブマージアークプレス溶接方法において発生するこれらの溶接欠陥を防止する方法について種々検討した結果、アンダーカット欠陥及びオーバーラップ欠陥は溶接入熱の制御を行うことによって、また余盛り形状不良は溶接電圧制御を行うことによって防止することが出来ることが判った。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
【００１８】
以下に本発明の詳細について説明する。
図３はサブマージアークプレス溶接方法により直径３２ｍｍの軟鋼の棒鋼を鋼板に溶接した時の溶接押し込み量と溶接入熱量との関係、およびそのときの溶接部の欠陥発生状況を調査した結果である。
【００１９】
ここで、溶接時の入熱量は下記の（１）式に示すように溶接時の溶接電圧と溶接電流の積算値を溶接時の投入エネルギーとして算出した。
［入熱量］＝ΣＶ（ｔ）×Ｉ（ｔ）×Δｔ        ・・・・・    （１）
ただし、Ｖ（ｔ）：溶接電圧 、Ｉ（ｔ）：溶接電流、Δｔ：溶接時間
【００２０】
図３に示すように溶接時の入熱量が適正範囲よりも大きい場合は棒鋼の溶融量が過度に増加し押し込み不足となりアンダーカット欠陥（図２（ａ））が生じ、入熱量が適正範囲よりも小さい場合は棒鋼の溶融量が過度に減少し押し込み過多となりオーバーラップ欠陥（図２（ｂ））が生じる傾向が高く、これらの溶接部欠陥を防止するためには溶接入熱量を適正な範囲にすることが重要である。
【００２１】
図４は、サブマージアークプレス溶接における被溶接材の鉄筋サイズと溶接電圧の関係、およびその時の溶接部の欠陥発生状況を調査した結果である。
図４に示すとおり、溶接電圧が低い場合は、短絡の発生率が増し、鋼板上の溶融金属が広がり難くなるため溶接部の余盛り形状が不良（凸形状）となり、溶接電圧が高すぎる場合は、アーク途絶やスラグインの原因となる。ここで余盛り形状不良（図２（ｃ））とは、溶接金属と鋼板の境目のなじみが悪くなり溶接金属の止端部の角度が９０度以下となる場合を指す。このように、溶接時の溶接電圧を適正範囲に制御することにより溶接部の余盛り形状の不良を防止できる。
【００２２】
上記の溶接欠陥を防止するための本発明の溶接方法における溶接入熱量および溶接電圧の制御方法を以下に説明する。
はじめに、図７の本発明に用いたサブマージアークプレス溶接装置の概略図により本発明の実施形態を説明する。サブマージアークプレス溶接を行うさいの事前準備として、まず溶接する鋼板８上に溶接装置を配置する。このさい棒鋼６は溶接装置のクランプ２７で保持され、アーク発生用挿入体２１を介して鋼板８上に固定する。次に、鋼板８と棒鋼６との溶接ギャップをフラックスホルダー２０で囲み、さらにフラックスホルダー２０内にフラックス１９を充填して溶接ギャップ（溶接部）の周囲を粉粒体フラックス１９で包囲する。
【００２３】
以上の溶接準備が完了後、溶接電源２２から棒鋼６に溶接電流を通電する。このさい溶接電流はアーク発生用挿入体を介して棒鋼から鋼板に流れるが、溶接電流によりアーク発生用挿入体が溶融し、棒鋼６と鋼板８の溶接ギャップ間にアークが発生する。
【００２４】
アークの発生により溶接が開始されるが、本発明では、アーク発生（溶接開始）時から溶接が完了するまで電源ケーブル２３に挿入したシャント抵抗２８の出力電圧を検出して溶接電流を測定するとともに、できるだけ溶接部近傍の電圧を取り込むためにクランプ２７と鋼板８の間の電圧値を検出して溶接電圧を測定する。
【００２５】
アーク発生（溶接開始）後、溶接電源２２により粉粒体フラックス１９中で棒鋼６と鋼板８間のアークを保持させて棒鋼６の端面を加熱溶融させるとともに、溶接電圧の測定値が所定の値となるように溶接装置の押し込み装置により棒鋼の高さを調整する。ここで、押し込み装置は、押し込み動作の駆動力を与えるサーボモータ２４およびその制御装置５、サーボモータ２４の回転運動を押し込み動作に変換するためのねじ棒２５およびナット体２６、棒鋼６をナット体２６に固定させるためのクランプ２７から構成されている。
【００２６】
また本発明では、アーク発生（溶接開始）から溶接電流および溶接電圧を測定し、それらの測定値から溶接入熱量を計算し、溶接時の溶接入熱量を管理し、その溶接入熱量（演算値）が所定の値に達した瞬間に棒鋼６を鋼板８上の溶融金属に押し込んで溶接が完了する。
【００２７】
本発明の溶接入熱量の制御方法を図５を用いて説明する。溶接入熱量１４は、ある時刻での溶接電流値Ｉn および溶接電圧値Ｖn から所定の時間間隔△ｔ（０．５ｓ程度）の投入エネルギーの時間積分値として下記の（１）式により求められる。棒鋼の押し込みタイミング１７は、溶接入熱量１４が基準となる所定の入熱量１６と等しくなる時刻（Ｔweld）とする。
［入熱量］＝ΣＶn（ｔ）×Ｉn（ｔ）×Δｔ        ・・・・・    （１）
但し、Ｖn（ｔ）：溶接電圧値 、Ｉn（ｔ）：溶接電流値、
Δｔ：所定の時間間隔
【００２８】
本発明では、上記のように棒鋼の押し込みタイミングすなわち溶接時間Ｔweldを制御することによって、溶接電源パワーケーブルによる電力損失や溶接１次電源の変動による溶接入熱量の変動を抑制でき、常に一定の溶接入熱量を維持することができるため、それによりアンダーカット欠陥やオーバーラップ欠陥等の溶接欠陥を防止し、良好な溶接品質が得られる。
【００２９】
本発明の溶接電圧の制御方法を図６を用いて説明する。本発明では、溶接中の溶接電圧の測定値が所定値に一定１３１となるように棒鋼高さを制御１５１することによって溶接電圧の変動を防止する。これにより、溶接電圧の一定制御をしない場合に発生し易い棒鋼先端の溶融金属と鋼板上の溶融金属の短絡（電圧波形１８）防止でき、それによる余盛り形状不良の溶接欠陥を防止でき、良好な溶接品質が得られる。
【００３０】
なお、この溶接電圧の一定制御を行う場合、前述の溶接入熱量の制御によって棒鋼の溶融量は一定に保たれているため、溶接終了時Ｔweldの棒鋼押し込み量は、予め定められた押し込み量Ｌと溶接電圧制御の開始からの棒鋼高さの変位量ｈの和となる。
【００３１】
本発明の溶接入熱量制御法及び溶接電圧制御方法を図１のブロック図を用いて詳しく説明する。また表１には、異なるサイズおよび材質の棒鋼ごとの代表的な溶接条件および制御パラメータを示す。溶接入熱量制御は、溶接電圧値：Ｖと溶接電流値：Ｉの測定値をもとに式（符号１）によって、溶接における所定の時間間隔Δｔで積分演算し、その計算値：Ｅが予め定めた所定の入熱量の値：Ｅrefに達した時（符号２）に、棒鋼の押し込みの開始指令を押し込み装置のサーボモーター制御装置５に出すことによってなされる。
【００３２】
【表１】
0004324309.tif 000002
【００３３】
また、溶接電圧制御は、アーク長が長くなると溶接電圧も増加するという溶接アーク特性の関係をもとに棒鋼の高さ位置を制御する方法である。すなわち、溶接電圧：Ｖの測定値と予め定めた所定の溶接電圧の値：Ｖref との差分：ΔＶ（符号３）を計算し、ΔＶから溶接電圧測定値Ｖが小さいときは棒鋼高さ位置を引き上げ、溶接電圧測定値Ｖが大きい場合は棒鋼高さ位置を下げるように押し込み装置のサーボモーター制御装置５で棒鋼高さ位置を制御することによって常に溶接電圧値がＶref になるように制御することができる。
【００３４】
また本発明では、上記の溶接電圧制御を応用してアークスタートの制御も行う。アークスタート（溶接開始）時にアーク発生用挿入体が瞬時に溶融し溶接アークが途絶した場合、無負荷電圧となり電圧値が７０Ｖ程度まで上昇する。一方、アークスタート（溶接開始）時にアーク発生用挿入体が溶融せずに短絡電流が流れる場合は電圧値がほぼ零となる。
【００３５】
そこで本発明では、スタート（溶接開始）時に溶接開始電圧：Ｖｓを予め定めておき、溶接電圧の測定値が無負荷電圧となり急激に上昇する場合は、溶接電圧の測定値が設定値Ｖｓとなるように棒鋼の高さ位置を引き下げ、棒鋼の先端をアーク発生用挿入体の溶け残り部分に接触させることによって再スタートさせ、一方、短絡電流が流れ、溶接電圧の測定値がほぼ零となった場合は、棒鋼の高さ位置を引き上げることによって溶接アークを発生させることができる。設定電圧Ｖｓは棒鋼の種類に関わらず、例えば３０Ｖくらいに設定すれば良い。
【００３６】
【実施例】
以下に本発明のサブマージアークプレス溶接方法を用いた実施例によりその効果を説明する。
呼び径でＤ３２及びＤ３８のＳＤ２９５鉄筋および板厚２２ｍｍのＳＭ４９０鋼板を用いてサブマージアークプレス溶接を行なった。溶接時には、表２に示す成分組成の粉粒体フラックスを使用し、アーク発生用挿入体は鋼製の薄板をキャップ状に加工したものを使用した。また、溶接電源ケーブルの長さは１０ｍと５０ｍのものを用い、溶接入熱制御および溶接電圧制御を行う本発明例とそれらの制御を行わない比較例で、溶接部欠陥の発生状況を確認した。
【００３７】
【表２】
0004324309.tif 000003
【００３８】
表３に本発明例と比較例の溶接部の溶接欠陥数を示す。溶接本数は各条件に対して２０本とし溶接欠陥のある鉄筋本数を比較した。溶接入熱制御および溶接電圧制御を行なわなかった比較例では、鉄筋径の拡大および電源ケーブル長さの増加とともに溶接欠陥の発生率が増加する。一方、本発明例では溶接欠陥の発生は皆無であった。また、溶接開始時の安定性に関しても、比較例では全溶接本数１６０本中１２回のアークスタート不良がみられたが、本発明例ではいずれも安定したアークスタートを示した。
【００３９】
【表３】
0004324309.tif 000004
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接中の入熱量を一定に制御することによって棒鋼の溶融量の適正化を図り、かつ溶接電圧を所定の値に保つことによって直径３８ｍｍ以上の太径棒鋼においても溶接欠陥のない形状の良い溶接部を得ることができる。このため従来の溶接法においてみられたアンダーカットやオーバーラップ、余盛り形状不良といった溶接欠陥を防止することができ、高い溶接品質を再現性良く得ることができる。さらに、溶接電圧制御を応用した溶接開始時の電圧制御によりアークスタートの失敗を防止することが可能となるため、溶接工程の効率化にも大きく貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接入熱量制御方法及び溶接電圧制御方法を示すブロック図である。
【図２】サブマージアークプレス溶接時に発生する主な溶接欠陥を示す図で、（ａ）アンダーカット欠陥、（ｂ）オーバーラップ欠陥、（ｃ）余盛り形状不良を示す図である。
【図３】棒鋼の押し込み量と溶接入熱量、溶接欠陥発生状況の関係を示す図である。
【図４】種々の鉄筋径における溶接時の溶接電圧値と溶接欠陥発生状況の関係を示す図である。
【図５】溶接入熱量制御方法の概略を示す図である。
【図６】溶接電圧制御方法の概略を示す図である。
【図７】本発明のサブマージアークプレス溶接制御法に用いるサブマージアークプレス溶接装置を示す図である。
【符号の説明】
１      溶接入熱演算部
２      基準となる溶接入熱との比較器
３      基準となる溶接電圧とのずれ量演算部
４      高さ制御量演算器
５      サーボモータ制御装置
６      棒鋼
７      溶接金属（余盛り金属）
８      鋼板
９      アンダーカット欠陥
１０    オーバーラップ欠陥
１１    余盛り止端部角度
１２    溶接電流波形
１３    溶接電圧波形（制御なし）
１４    溶接入熱量
１５    溶接中の棒鋼の高さ位置（制御なし）
１６    基準となる入熱
１７    棒鋼の押し込みタイミング
１８    短絡状態
１９    粉粒体フラックス
２０    フッラクスホルダー
２１    アーク発生用挿入体
２２    交流溶接電源
２３    溶接電源パワーケーブル
２４    サーボモータ
２５    ねじ棒
２６    ナット体
２７    クランプ
２８    シャント抵抗
２９    制御量演算装置
３０    溶接電圧計測ケーブル
３１    溶接電流計測ケーブル
１３１  溶接電圧波形（制御あり）
１５１  溶接中の棒鋼の高さ位置（制御あり）
Ｉ      溶接電流
Ｉn     ある時刻での溶接電流
Ｖ      溶接電圧
Ｖref   溶接中の基準となる溶接電圧
Ｖｓ    溶接開始時の基準となる溶接電圧
Ｖn     ある時刻での溶接電圧
△Ｖ    基準電圧からのずれ量
Ｅ      溶接入熱
Ｅref   基準となる溶接入熱
Ｌ      棒鋼の押し込み量
△Ｌ    棒鋼高さ制御量
△ｔ    所定の時間間隔
Ｔweld  溶接時間
ｈ      押し込み直前時の棒鋼の高さ
【図１】
0004324309.tif 000005
【図２】
0004324309.tif 000006
【図３】
0004324309.tif 000007
【図４】
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【図５】
0004324309.tif 000009
【図６】
0004324309.tif 000010
【図７】
0004324309.tif 000011