(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの鋼材の接合面を所定の開先を設けて対向させ、該開先を複数に分割して多パスにてエレクトロスラグ溶接を行うに際して、
少なくとも一方の接合面には、積層方向に沿った勾配を設けておき、上記開先の分割は、開先内に仕切り板として水冷当金を装入し、該水冷当金を上記勾配位置の接合面に線接触させることにより行い、上記エレクトロスラグ溶接は、上記勾配のうちルートギャップの小さい側に形成された開先溝を先にエレクトロスラグ溶接し、該溶接部と隣り合う開先溝をエレクトロスラグ溶接するときに、該溶接部に該溶接溝の間にある水冷当金を取り除くことを特徴とする多層エレクトロスラグ溶接方法。
【請求項２】
Ｋ形の開先形状とすることで、積層方向略中央を挟んだ両側にそれぞれ上記勾配を設けたことを特徴とする請求項１に記載の多層エレクトロスラグ溶接方法。
【請求項３】
ルートギャップの最短距離を３mmより大きく設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多層エレクトロスラグ溶接方法。
【請求項４】
上記二つの鋼材は、鋼管柱とダイアフラムであり、該ダイアフラムの接合面に上記勾配を構成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の多層エレクトロスラグ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極厚鋼材の製造や角形鋼管柱にダイアフラムを接合する場合などに適用される溶接方法であって、特に、通常の単電極でのエレクトロスラグ溶接の困難な極厚鋼材を溶接する場合に、機械的特性（靱性等）を劣化されることなく施工可能な多層エレクトロスラグ溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のビルの高層化により極厚鋼材からなる角形鋼管柱が普通に使用されるようになり、当該角形鋼管柱内に取り付けられるダイアフラムもますます厚いものが使用されつつある。角形鋼管柱へのダイアフラムの溶接には一般にエレクトロスラグ溶接法が使用されるが、ダイアフラムの板厚の増加に伴い溶接入熱も大きくなるため、継手部の機械的性能の低下が問題となる。また、一般には、板厚が６０mm以上では多電極のエレクトロスラグ溶接機が必要であると言われており、経済的にも問題がある。
【０００３】
そして、通常のダイアフラムの溶接に用いられている単電極のエレクトロスラグ溶接機を使用して板厚６０mm以上の溶接を行う場合には、溶接金属に割れが生じやすく、また溶接入熱も大きくなって大入熱化に伴う機械的性能の劣化が懸念される。
【０００４】
これに対して、従来では、特開平７−３２３３８０号公報や特開昭６２−３８７８５号公報に記載されているような溶接方法が提案されている。
即ち、鋼材の開先内に積層方向に沿って１又は２以上の仕切り板を設けて開先を積層方向へ複数個に分割して、分割した各開先溝について順次エレクトロスラグ溶接を行うことで、一回の溶接による開先断面を小さくして入熱を抑える溶接方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、角形鋼管柱内にダイアフラムを接合する場合を想定すると、箱型の周囲に精度良く仕切り板を設けることは、はなはだ困難である。
【０００６】
また、仕切り板は溶接時に完全に溶け込んでは仕切り板としての役割を果たさないので、後続の溶接金属とラップした部分（仕切り板のある部分）に完全溶込み溶接部を得ることは困難である。
【０００７】
なお、上記特開昭６２−３８７８５号公報の従来例において、仕切り板の代わりに水冷銅当金を使用することは、溶接後の当該水冷銅当金の引き抜きが困難になるなど、閉じられた角柱内等では従来，難しいとされていた。
【０００８】
しかし、部材の構造上、エレクトロスラグ溶接法に勝る高能率溶接法は考えらず、この問題を解決したエレクトロスラグ溶接方法が求められていた。
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、単電極の多層エレクトロスラグ溶接であっても、極厚鋼材同士を溶接する場合に機械的特性を劣化させることなく施工可能な多層エレクトロスラグ溶接方法を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載の多層エレクトロスラグ溶接方法は、二つの鋼材の接合面を所定の開先を設けて対向させ、該開先を複数に分割して多パスにてエレクトロスラグ溶接を行うに際して、少なくとも一方の接合面には、積層方向に沿った勾配を設けておき、上記開先の分割は、開先内に仕切り板として水冷当金を装入し、該水冷当金を上記勾配位置の接合面に線接触させることにより行い、上記エレクトロスラグ溶接は、上記勾配のうちルートギャップの小さい側に形成された開先溝を先にエレクトロスラグ溶接し、該溶接部と隣り合う開先溝をエレクトロスラグ溶接するときに、該溶接部に該溶接溝の間にある水冷当金を取り除くことを特徴とするものである。
【００１０】
本願発明者らは、既存の単電極エレクトロスラグ溶接機を有効に利用し、且つ、溶接入熱を大きくせずに極厚鋼材の溶接方法について検討した結果、多層エレクトロスラグ溶接の適用が必要であると考え、種々の開先形状と仕切り板及び水冷当金の組合せについて検討した結果、本発明をした。
【００１１】
即ち、本発明においては、水冷当金を仕切り板として、一回毎の溶接時の溶接断面を小さくして溶接入熱を小さく抑えると共に、毎回、水冷当金を取り除くことで、隣合う溶接金属間の重ね部に、完全溶け込み溶接部を得る。この結果、溶接割れを防止しつつ、多層溶接を採用しても機械的特性を劣化することが回避される。
【００１２】
また、開先に挿入された水冷当金は、勾配を構成する接合面に線接触させて開先断面を分断するので、溶接金属の収縮によって当該水冷当金が接合面からルートギャップ方向の荷重を受けても、上記勾配を構成する接合面のルートギャップが広くなる方向に向けて横移動させることで容易に取り外しができる。
【００１３】
なお、一方の接合面に勾配を設けることで、水冷当金を横移動させるだけで所定の位置で水冷当金は両接合面に当接して開先断面を分断する。
次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に対して、Ｋ形の開先形状とすることで、積層方向略中央を挟んだ両側にそれぞれ上記勾配を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
開先断面積は小さい方が溶接入熱を小さく抑えることが可能である。しかしながら、開先内に挿入された電極は、下に溜まっている溶接金属との間でアークを発生させることで熱を発生するが、電極と鋼材の接合面との間隙が小さすぎると当該接合面との間でアークを発生させてしまう。この接合面とのアークを回避するためには、電極と接合面とに所定の空間が必要となる。
【００１５】
本発明によれば、開先断面を小さく抑えつつ即ち溶接入熱を小さく抑えながら、開先内で電極と接合面との間に所定の空間を確保可能となる。また、水冷当金の小型化も達成でき、有利である。
【００１６】
次に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の構成に対して、ルートギャップの最短距離を３mmより大きく設定することを特徴とするものである。
【００１７】
ルートギャップが３mm以上であると、その部分に溶融金属がまわってこないおそれがあり、その部分が溶融不良となるおそれがあるので、ルートギャップの最短距離が３mmより大きく設定したものである。
【００１８】
特に、開先形状をＫ字状とした場合に有効である。
次に、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の構成に対し、上記二つの鋼材は、角形鋼管柱とダイアフラムであり、該ダイアフラムの接合面に上記勾配を構成することを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図を参照しつつ説明する。
本実施形態は、厚肉鋼材からなる角形鋼管柱の内面に対し厚肉鋼材からなるダイアフラムを、図１に示すように多層溶接する場合を例に説明する。ここで、図１はダイアフラムの板厚方向からみた図であって、図中、Ｌは積層方向を示す。また、１はダイアフラムを表し、２は、角形鋼管柱の一面を構成する鋼材（以下、鋼板と呼ぶ）を表している。
【００２０】
まず、鋼板２の接合面２ａと対向するダイアフラム１の接合面１ａを予め加工して当該接合面１ａ全面を積層方向Ｌに沿って勾配を設けておく。
そして、図２に示すように、鋼板２の接合面２ａにダイアフラム１の接合面１ａを所定間隔を開けて突き合わせると共に、積層方向Ｌ両端部にそれぞれ当部材３を設置する。これによって鋼板２とダイアフラム１との間に開先が形成されるが、ダイアフラム１の接合面１ａに勾配があるために、ルートギャップは積層方向Ｌに沿って、図２中では積層方向Ｌと逆方向に滑らかに小さく設定される（積層開始側が一番狭く、積層完了側が一番広い）。
【００２１】
次に、ルートギャップが一番広い側（図２中左側）から開先内に水冷当金である水冷銅棒４を挿入し、鋼板２の面２ａに沿って横方向右側に移動して当該水冷銅棒４を鋼板２とダイアフラム１とに押し当てる。これによって、水冷銅棒４によって開先断面が２分割される。
【００２２】
ここで、本実施例で使用される水冷銅棒４は、横断面四角形形状の銅部の中央に水冷管が配設されて構成され当該水冷管内を流れる冷却水によって銅部が冷却されるものである。
【００２３】
また、上記のように押し当てられた水冷銅棒４は、鋼板２の接合面２ａには面接触するが、ダイアフラム１の接合面１ａには線接触した状態となる。
次に、固定ジグ５で水冷銅棒４の移動を拘束する。
【００２４】
次に、水冷銅棒４で分割された開先のうち、上記勾配位置でルートギャップが狭い側（図２中右側）の開先溝Ａ内にワイヤ等９を挿入してエレクトロスラグ溶接を行う。
【００２５】
このとき、鋼材１，２が極厚であっても、溶接する開先断面が小さいので溶接入熱が小さくなり溶接割れ発生が防止される。
次に、水冷銅棒４をルートギャップが広い左方向に移動してから開先内から取り除く。ここで、上記溶接による収縮で水冷銅棒４は両接合面１ａ，２ａに挟まった状態となるが、ダイアフラム１の接合面１ａとは線接触となっていたので、横方向に容易に移動させることができる。
【００２６】
次に、残部である左側の開先溝Ｂ部分に対してエレクトロスラグ溶接を行う。このとき、上記先に溶接した溶接金属との間には従来のように仕切り板がないので、両積層間のラップ部分（図１中Ｅ部分）を完全溶込み部とすることができて、多層溶接を行っても靱性等の機械的特性の劣化が抑えられる。
【００２７】
ここで、上記各エレクトロスラグ溶接の方式としては、消耗式でもよいし非消耗式でもよい。但し、２パス目の溶接条件として高めの溶接電圧に設定して初層との融合不良が生じないように配慮する方が好ましい。
【００２８】
また、上記実施の形態では、２パスの多層盛りで行う場合を例に説明しているが、母材であるダイアフラム１の板厚がもっと厚いため溶接する長さが長くなる場合には、２種類以上の大きさの水冷銅棒４を使用して、開先断面を順次，積層方向Ｌに分断して３パス以上の多層盛りで溶接するようにしてもよい。
【００２９】
また、上記実施の形態では、ダイアフラム１の接合面１ａの全面に勾配を設けた場合で説明しているが、図３に示すように、積層方向Ｌの途中部位置にのみ勾配を設けてもよい。このようにすると左側開先断面のルートギャップが必要以上に大きくなることが回避される。このとき、水冷銅棒４の大きさは、例えば上記勾配位置での積層方向Ｌ略中央位置でのルートギャップと等しく設定する。
【００３０】
または、溶接の長さが長い場合に、図４に示すように、勾配を積層方向Ｌに沿って多段階（図では２段階）に分けて設けておき、順次、右側の勾配位置から順に水冷銅棒４を設置して溶接を行ってもよい。上記図４では、一点鎖線で示した位置が２パス目での水冷銅棒４の設置位置を表し、３パスの多層盛りで溶接する場合を例示している。
【００３１】
また、水冷銅棒４の横断面外周形状は四角形形状に限定されず円形等であってもよい。要は、少なくとも一方の接合面１ａに線接触可能な外周形状となっていればよい。例えば、円形状である場合には、鋼板２の接合面２ａにも線接触して更に溶接後の取り外しが楽になる。
【００３２】
また、上記ダイアフラム１の接合面１ａに形成する勾配は、必ずしも同一方向に傾いている必要はなく、図５に示すように、積層方向Ｌ途中位置を挟んで反対方向に傾くようの勾配が設けられていてもよい。この場合には、開先形状がＫ形となる。なお、この場合には、上記図１に比べて勾配を大きくとる。例えば３０度程度とする。
【００３３】
この場合の溶接方法について説明する。
一方の勾配（図５では右側）のルートギャップが広い位置（右端側）から水冷銅棒４を挿入して横方向（左方向）に移動して開先断面を二つに分割する。このとき、図５では、使用する水冷銅棒４の例として断面外形が円形のものを使用した場合を示し、その水冷銅棒４の直径をルートギャップが最短位置よりも若干大きなものを使用することで当該最短位置近傍で開先断面を分割するようにしている。
【００３４】
そして、当該水冷銅棒４を押し当てた面の勾配（右側の勾配）におけるルートギャップが狭い側、つまり右側の開先溝Ｄについてエレクトロスラグ溶接を行った後に、上記水冷銅棒４を取り除いて左側の開先溝Ｃ部分について２パス目のエレクトロスラグ溶接を行う。
【００３５】
この場合には、図１の場合に比べて全体の開先断面を小さく設定しながらも、個々のパスで溶接をする際に、電極９と各接合面１ａ，２ａとの間に所望の空間が確保されて、より品質のよい溶接が可能となる。
【００３６】
このとき、ルートギャップが一番小さい部分の間隔は、３mmより大きくとる。３mm以下では、その部分に融合不良が発生するおそれがあるからである。
なお、上記実施の形態は、角形鋼管柱にダイアフラム１を溶接する場合を例に説明しているために、鋼板２側の接合面２ａ形状の加工を考えていないが、極厚鋼材を製造するためにエレクトロスラグ溶接を行うなど、両方の接合面形状の加工が可能であれば、両方の接合面共に勾配を設けるようにしたりして、Ｘ形の開先形状等としてもよい。要は、少なくとも一方の接合面の一部又は全面に勾配を設けてあればよい。
【００３７】
また、上記図１では見やすくするために勾配の角度を大きく設定しているが３度程度の小さいもので十分である。
また、勾配の角度は一定である必要はなく、勾配を設けた接合面が断面曲線を描いて曲率が連続的に変化するようになっていてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、水冷当金として水冷銅棒を例に説明しているが、これに限定されない。溶接の際に溶融しない材質、例えばセラミック等で構成されていればよい。
【００３９】
【実施例】
下記表１に示す組成からなる鋼材からなる鋼板２及びダイアフラム１を使用して、溶接を実施した。
【００４０】
【表１】
0003796879.tif 000002
【００４１】
そして、下記表２に示す条件で、開先形状を図６、図７及び上記図５の形状として実施したところ、下記表３に示す結果が得られた。
【００４２】
【表２】
0003796879.tif 000003
【００４３】
【表３】
0003796879.tif 000004
【００４４】
ここで表中、開先形状（ａ）は、図６に対応し、開先形状（ｂ）は図７に対応し、開先形状（ｃ）は図５に対応する。つまり、開先形状（ａ）は勾配を設けない従来のものであり、また、１パスでエレクトロスラグ溶接を行ったものである。開先形状（ｂ）及び（ｃ）は、上記説明したように接合面１ａに勾配を設けると共に２パスでエレクトロスラグ溶接を実施した本発明に基づくものである。
【００４５】
また、表３中、ｔDFとはダイアフラム１の板厚を表し、ＲＧとはルートギャップのうち最短距離を表す。
この表３から分かるように、１パスの単層で行ったNO. ５では内部欠陥が発生しているが、本願発明に基づく他の場合には、内部欠陥が生じず機械的特性を劣化させないことが分かる。但し、NO. ６のようにＲＧが３mmの場合には、溶接部の靱性としては高い値を示すが、ルートギャップが３mmの部分で融合不良が生じている。
【００４６】
なお、NO. ２，３，及び６から開先のルートギャップが狭いほど、つまり開先断面が小さいほど溶接部の靱性を高くできることが分かる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の多層エレクトロスラグ溶接方法を採用すると、極厚鋼材同士のエレクトロスラグ溶接において、通常の単電極の溶接機を用いても内部欠陥がなく、また、良好な機械的性能を有する溶接継手を高能率に得ることができるという効果がある。
【００４８】
このとき、請求項２に記載した発明を採用すると、開先断面をより小さく設定可能となり、より靱性等の機械的性能を向上可能となる。
またこのとき、請求項３の発明を採用すると、融合不良を防止できるという効果がある。
【００４９】
また、上記多層エレクトロスラグ溶接方法は、角形鋼管柱にダイアフラムを溶接する際に有効な方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接による溶接継手の状態を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接による溶接方法を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る勾配の別の例を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る勾配の別の例を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る開先形状をＫ形として場合のエレクトロスラグ溶接方法を説明するための図である。
【図６】比較のための従来の勾配を設けない場合のエレクトロスラグ溶接を行う場合を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る場合のエレクトロスラグ溶接を行う場合を示す図である。
【符号の説明】
１      ダイアフラム
１ａ    接合面
２      鋼板（鋼管柱）
２ａ    接合面
３      当部材
４      水冷銅棒（水冷当金）
５      固定ジグ
Ａ〜Ｄ  開先溝（開先断面）
Ｌ      積層方向
【図１】
0003796879.tif 000005
【図２】
0003796879.tif 000006
【図３】
0003796879.tif 000007
【図４】
0003796879.tif 000008
【図５】
0003796879.tif 000009
【図６】
0003796879.tif 000010
【図７】
0003796879.tif 000011