(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接線方向に一列に複数の電極を配し、これら複数の電極を用いガスシールドアーク溶接にて片面溶接を行うに際し、板厚：１６〜３２ｍｍ、開先角度：３５〜５０°、ルート間隔：０〜５ｍｍ及び開先充填材の散布高さ：０〜１０ｍｍの各範囲を満たし、軟鋼・高張力鋼よりなるＶ形突合せ継手を溶接対象とし、第１電極に消耗性電極、第２電極にルチール系フラックス入りワイヤ又は非消耗性電極を用い、第１電極の極性をＤＣＥＰ（逆極性）、第２電極の極性をＤＣＥＮ（正極性）とし、溶接速度範囲：２００〜４００ｍｍ／ｍｉｎとし、第１電極の溶接電流範囲：３５０〜５５０Ａとし、第２電極の溶接電流値は１５０Ａを下限、第１電極の溶接電流値の８０％を上限とした範囲とし、第１電極と第２電極の極間距離は２０ｍｍを下限、第１電極のみの場合での該第１電極による溶融池長さの値であって上限値として下記式により定められる値ＤU （ｍｍ）を上限とした範囲とすることを特徴とする多電極ガスシールドアーク片面溶接方法。
ＤU ＝０．００２３４×ＩL ×ＶL −Ｓ／８６
ただし、ＩL は第１電極の溶接電流（Ａ）、ＶL は第１電極の溶接電圧（Ｖ）、Ｓは溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接線方向に一列に複数の電極を配し、裏ビード形成用の裏当て材を使用し、軟鋼・高張力鋼よりなる中・厚板で構成される突合せ継手を前記複数の電極でガスシールドアーク溶接にて片面溶接する方法に関し、高温割れのない健全な初層ビードが得られ、耐高温割れ性に優れた片面溶接を行うことができる多電極ガスシールドアーク片面溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】
周知のように、片面溶接は、突合せ継手の開先裏面側に耐火性裏当て材を押し当て、開先表側から溶接を行って開先裏面側にも裏ビードを出すようにしたもので、継手を反転することなく片側からの溶接で完全溶込みが得られる点に特長がある。さて、板厚が一般に１６ｍｍ以上の中・厚板の鋼板で構成される突合せ継手のガスシールドアーク溶接による片面溶接の能率を向上させるためには、溶接電流を高電流化したり、また、開先断面積を減少させて狭開先化したりする必要がある。
【０００３】
このような高電流化や狭開先化をすると、溶接ビードの断面形状はビード幅に対してビード高さ（溶込み深さ）が過大となり、溶融金属の最終凝固点はビード断面中央部に縦方向（板厚方向）に線状に現れる。そして、溶融金属の最終凝固部には不純物が偏析しやすいので、このような最終凝固点が縦方向に線状に現れる凝固形態となった場合、不純物を含む延性に乏しいビード中央部に高温割れが発生し易い。
【０００４】
このため、高い溶接能率を確保しつつ高電流化による高温割れをなくすべく、高電流の分散すなわち単一電極でなく多電極化して初層の裏ビードを出す溶接を行うようにした多電極ガスシールドアーク片面溶接方法が知られている。すなわち、消耗性電極（溶接用ワイヤ）を用いた少なくとも２つの電極を溶接線方向に一列に配し、第２電極の溶接電流値を先頭の第１電極の溶接電流値以上とするとともに、第１電極と第２電極の極間距離については、第１電極による溶融池（溶融金属）がすでに完全に凝固している状態で次の第２電極が到達するように該極間距離を設定し、これにより第１電極による溶接金属に生じた高温割れを第２電極で再溶融することで高温割れをなくすようにしている。
【０００５】
しかし前記従来の多電極ガスシールドアーク片面溶接方法では、第１電極による溶接金属に生じた高温割れを第２電極で再溶融するのに必要な該第２電極による溶込みを確実に得ることが難しく、このため高温割れのあるものがしばしば発生した。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、溶接能率を向上させるべく溶接線方向に複数の電極を一列に配し、これら複数の電極を用い、ガスシールドアーク溶接にて片面溶接を行うに際し、高温割れのない健全な初層ビードが得られ、耐高温割れ性に優れた片面溶接を高い溶接能率で行うことができる多電極ガスシールドアーク片面溶接方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明による多電極ガスシールドアーク片面溶接方法は、溶接線方向に一列に複数の電極を配し、これら複数の電極を用いガスシールドアーク溶接にて片面溶接を行うに際し、板厚：１６〜３２ｍｍ、開先角度：３５〜５０°、ルート間隔：０〜５ｍｍ及び開先充填材の散布高さ：０〜１０ｍｍの各範囲を満たし、軟鋼・高張力鋼よりなるＶ形突合せ継手を溶接対象とし、第１電極に消耗性電極、第２電極にルチール系フラックス入りワイヤ又は非消耗性電極を用い、第１電極の極性をＤＣＥＰ（逆極性）、第２電極の極性をＤＣＥＮ（正極性）とし、溶接速度範囲：２００〜４００ｍｍ／ｍｉｎとし、第１電極の溶接電流範囲：３５０〜５５０Ａとし、第２電極の溶接電流値は１５０Ａを下限、第１電極の溶接電流値の８０％を上限とした範囲とし、第１電極と第２電極の極間距離は２０ｍｍを下限、第１電極のみの場合での該第１電極による溶融池長さの値であって上限値として下記（１）式により定められる値ＤU （ｍｍ）を上限とした範囲とすることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、前記極間距離の上限値ＤU （ｍｍ）は、予め実施した実験から下記（１）式により定められるものである。但し、ＩL は第１電極の溶接電流（Ａ）、ＶL は第１電極の溶接電圧（Ｖ）、Ｓは溶接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）である。
【０００９】
【数１】
0004319713.tif 000002
【００１０】
本発明による多電極ガスシールドアーク片面溶接方法では、先頭の第１電極による溶融池が凝固する前に該溶融池を第２電極で再加熱するようにしたので、第２電極後方における溶融金属表面付近の温度が溶融金属内部の温度よりも高くなり、最終凝固部がビード表面付近になるため、溶融金属の凝固過程においてビード断面におけるビード中央部に不純物が偏析することを防ぐことができ、高温割れの発生を防止できる。なお、前記した再加熱するための第２電極は、消耗性電極ではなくて、ＴＩＧアーク溶接あるいはプラズマアーク溶接を行う非消耗性電極であってもよい。以下、本発明の技術的手段についてさらに説明する。
【００１１】
第２電極の溶接電流値ＩT は、その下限値が１５０Ａ、上限値が第１電極の溶接電流値ＩL の８０％の値である。１５０Ａを下回ると溶融池の再加熱が足りないため凝固の形態を改善できず、高温割れの発生を防止できない。一方、第１電極の溶接電流値ＩL の８０％の値を上回ると、第２電極のアーク力が増すことや、第２電極と第１電極とのアーク干渉（電磁気的反発力）が強まることで溶融池の安定を確保し難くなり、結果として開先裏面側の裏ビード外観が不良となり、また、第２電極による溶込みが深くなりすぎて逆に第２電極による高温割れ発生の危険性が高くなる。したがって、第２電極の溶接電流値は１５０Ａを下限、第１電極の溶接電流値の８０％を上限とした範囲とする。なお、第１電極の溶接電流値ＩL は、当然ながら裏ビードを形成するための所要値に定められるものである。
【００１２】
第１電極と第２電極の極間距離は、２０ｍｍを下限値、第１電極のみの場合での該第１電極による後方へ延びる溶融池の長さの値を上限値ＤU とした範囲とする（図２参照）。２０ｍｍを下回ると第１電極による溶融金属と第２電極による溶融金属とがほとんど一体化してしまうため、高電流による単一電極での片面溶接の場合と同じ状態となって高温割れの発生を防止できない。また、極間距離が小さすぎ、相当量の溶融金属が第１電極のアークより先行する状態となって開先裏面側に裏ビードが出難く該ビード外観が悪い。一方、極間距離が前記上限値ＤU よりも長くなると、当然ながら第１電極による溶融池はすでに凝固しているので、前記再加熱による高温割れ防止効果が得られない。したがって、第１電極と第２電極の極間距離は、２０ｍｍを下限値、第１電極のみの場合での該第１電極による溶融池長さの値を上限値ＤU とした範囲とする。
【００１３】
前記第１電極による溶融池長さ、つまり極間距離の上限値ＤU は第１電極の溶接条件によって異なる値であり、極間距離を設定する実溶接時には知っておく必要があるので、予め実施した実験から前記（１）式に従って求めることができるようにしてある。（１）式は、消耗性電極としてワイヤ径φ１．４ｍｍのソリッドワイヤ及びフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）を用い、単一電極での炭酸ガスアーク溶接によるＶ形突合せ継手の片面溶接実験に基づいて得たものである。すなわち、継手の板厚ｔ：１６〜３２ｍｍ、継手のＶ形開先角度θ：３５〜５０°（狭開先の開先角度にしてある）、継手のルート間隔：０〜５ｍｍ、溶接電流：３５０〜５５０Ａ、溶接速度：２００〜４００ｍｍ／ｍｉｎ、開先充填材（カットワイヤ）の散布高さ（図４参照）：０〜１０ｍｍ、のように溶接条件パラメータを変えて各溶接を行った。
【００１４】
その結果、溶接入熱Ｑと凝固時間（ある点をアークが通過した時点から該点で溶融金属が完全に凝固するまでの時間）Ｙとの間には図１に示すような関係があることが分かった。すなわち、溶接入熱Ｑ（Ｊ／ｍｍ）に対して凝固時間Ｙ（ｓ）は下記の範囲にある。
【００１５】
【数２】
0004319713.tif 000003
【００１６】
そして、本発明方法では第１電極による溶融池が凝固する前に該溶融池を第２電極で再加熱する必要があるので、極間距離の上限値となる第１電極による溶融池長さの値ＤU （ｍｍ）は、前記凝固時間Ｙの下限側の値に溶接速度を乗じて求めることができる。これが前記した（１）式である。
【００１７】
【数３】
0004319713.tif 000004
【００１８】
【実施例】
第１、及び第２の２電極を用いて表１に示す溶接条件で、４９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼（JIS G 3160 SM490A ）よりなるＶ形突合せ継手の片面初層溶接を実施し、初層ビードについてその断面試験片を切り出してエッチングし、不純物の偏析を示すゴーストライン（ビード断面中央部を縦方向に走る線）の有無を調べて高温割れの危険性を調べた。なお、Ｎｏ．１１の実施例とＮｏ．１３の比較例では第２電極は非消耗性電極であるタングステン電極を使用し、アルゴンガスシールドによるＴＩＧアークを発生させた。また、Ｎｏ．１４及び１５の実施例では第２電極はタングステン電極を使用し、拘束ノズル径４．０ｍｍ、動作ガスとしてアルゴンガス（Ｎｏ．１４：流量１リットル／ｍｉｎ、Ｎｏ．１５：流量３リットル／ｍｉｎ）を用いたプラズマアークを発生させた。これら以外のものでは炭酸ガス：流量２５リットル／ｍｉｎをシールドガスとして使用した。また、消耗性電極であるソリッドワイヤはＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１４相当品を使用し、同じく消耗性電極であるフラックス入りワイヤ（ＦＣＷ）はＪＩＳ  Ｚ３３１３  ＹＦＬ−Ｃ５０４Ｒ相当品を使用した。
【００１９】
図３はテストピース（溶接試験用のＶ形突合せ継手）の説明図で、その（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。耐高温割れ性を評価するために拘束板付きのテストピースを製作した。同図に示すように、２枚の開先付き供試鋼板１を突き合わせてなるＶ形突合せ継手（板厚ｔ：２０，２５ｍｍ、幅Ｗ：４００ｍｍ、長さＬ：１０００ｍｍ）の裏面に４枚の拘束板２を溶接接合してテストピースを製作した。開先角度θは５０°以下で狭開先にしてある。各拘束板２はその脚部（開先長手方向に対し直角方向へ延びる部位）の両サイドをすみ肉溶接（全長）して継手裏面に溶接接合してある。符号３は開先面内仮付け溶接部、４は裏当て材（神戸製鋼所製：ＦＢＢ−３）である。
【００２０】
図４は図３におけるＶ形突合せ継手の開先内への充填材の散布を説明するための図である。本例では充填材としてワイヤ径φ１．０ｍｍの炭酸ガス溶接用ソリッドワイヤを細かく切断したいわゆるカットワイヤを使用した。
【００２１】
【表１】
0004319713.tif 000005
【００２２】
【表２】
0004319713.tif 000006
【００２３】
試験結果を表２に示す。比較例では本発明で規定する要件の何れかを欠くために次のような問題があった。すなわち、Ｎｏ．３は極間距離が上限値を上回るため第２電極による再加熱効果が得られず、初層ビードに不純物の偏析を示すゴーストラインがあり、高温割れ自体は認められなかったものの高温割れが発生する危険性が高いものであった。Ｎｏ．４は極間距離が下限値を下回るため高電流による単一電極の場合と同じ状態となって高温割れが発生する危険性が高く、また、開先裏面側に裏ビードが出難く該ビード外観が悪かった。Ｎｏ．６は第２電極の電流値が上限値を上回るため溶融池が激しく揺動して安定性せず、開先裏面側の裏ビード外観が不良であった。Ｎｏ．９は第２電極の電流値及び極間距離が上限値を上回るため第２電極による溶込みが深くなりすぎ、第２電極による高温割れが発生する危険性が高いものであった。また、Ｎｏ．１３は第２電極の電流値が下限値を下回るため該電極による再加熱効果が得られず高温割れが発生する危険性が高いものであった。
【００２４】
これに対して、本発明例（Ｎｏ．１，２，５，７，８，１１，１２，１４，１５）では、高温割れが発生する心配のない健全な初層ビードが得られており、耐高温割れ性に優れた片面溶接を高い溶接能率で行うことができた。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による多電極ガスシールドアーク片面溶接方法によると、溶接能率を向上させるべく溶接線方向に複数の電極を一列に配し、これら複数の電極を用い、ガスシールドアーク溶接にて片面溶接を行うに際し、第１電極による溶融池が凝固する前に該溶融池を第２電極で再加熱するようにしたものであるから、高温割れのない健全な初層ビードが得られ、耐高温割れ性に優れた片面溶接を高い溶接能率で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる図であって、第１電極における溶接入熱と凝固時間との関係を示す図である。
【図２】本発明に係わる図であって、第１電極による溶融池長さを説明するための平面図である。
【図３】実施例における溶接用テストピースの説明図で、その（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】図３におけるＶ形突合せ継手の開先内への充填材の散布を説明するための図である。
【符号の説明】
１…供試鋼板  ２…拘束板  ３…開先面内仮付け溶接部  ４…裏当て材
【図１】
0004319713.tif 000007
【図２】
0004319713.tif 000008
【図３】
0004319713.tif 000009
【図４】
0004319713.tif 000010