JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）p. 44-49「J-STAR® Welding」の造船，建築への展開®

Application of Narrow Gap Welding Process with “J-STAR Welding”
to Shipbuilding and Construction
角博幸

SUMI Hiroyuki

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部

主任研究員（課長）片岡時彦

KATAOKA Tokihiko

JFE スチールスチール研究所

接合・強度研究部

主任研究員（課長）・博士（工学）木谷靖

KITANI Yasushi

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部

主任研究員（副部長）・博士（工学）

要旨®

「J-STAR Welding」は，アーク安定剤として適量の REM（Rare earth metal：希土類金属）を添加したワイヤを®

用い，極性を従来とは逆の棒マイナスとした炭酸ガスアーク溶接法である。
「J-STAR Welding」では，ワイヤ先端から安定した円錐状のアークが形成され，微細かつ連続化したスプレー溶滴移行となり，低スパッタで深い溶込みが得られる。厚板の狭開先溶接においては，安定な溶接施工を実現するため開先側壁や溶接ノズルなどへのスパッタの付着・堆積を抑制することや，溶込み不良や融合不良などの溶接欠陥を防止するため開先底隅部や開先側壁を®

安定して溶融させることが必要となる。そこで，「J-STAR Welding」の特長を活用した狭開先溶接について検討し，先端曲がり電極チップを用いた 1 層 2 パス溶接施工による新しい厚板の狭開先溶接技術を開発した。この溶接法を板厚 100 mm の極厚継手に適用した結果，16 層 31 パスという極めて少ない溶接工数で，十分な溶込み量を確保した健全な溶接継手を作製することができた。

Abstract:®

The “J-STAR Welding” is performed with an electrode negative polarity in CO2 gas shielded arc welding using rare®

earth metal added wire. In the “J-STAR Welding,” a conical arc plasma is formed from the wire tip and the dropletsthat transfer to molten pool become fine and continuous, which called “spray transfer.” As a result, reduction of spatterand deep penetration can be obtained. In the narrow gap welding of thick steel plate, it is necessary that spatterdoesnʼt accumulate on the welding nozzle and the groove sidewall, and the bottom corner and sidewall of the groove®

are melted stably. Therefore, narrow gap welding utilizing the benefits of the “J-STAR Welding” was examined, and anew narrow gap welding process by 2-pass one-layer technique using an electrode with curved tip was developed. It
was confirmed that the good joint of 100 mm plate in thickness for which the developed narrow gap welding process
is applied can be produced with a very few welding processes of 31 passes and 16 layers.

1． はじめに性溶接（DCEN：Direct current electrode negative）」において，アーク安定剤として微量の REM（Rare earth metal：希鋼構造物の大型化・厚板化にともない，組立溶接により多くの時間が必要となり，溶接施工コストが増加することが懸念されている。溶接施工時間を短縮する方策として，溶1-4）

土類金属）を添加した溶接ワイヤを用いた炭酸ガスアーク®

溶接技術である「J-STAR Welding」を開発している

5-8）

。

®

「J-STAR Welding」は，安定した円錐状アークの形成と微。従来細かつ連続化したスプレー溶滴移行の実現により，スパッの狭開先溶接では，シールドガスに Ar-20％ CO2 のような混タ発生量の大幅な低減と深溶込みを得ることができる。こ

合ガスを用いるガスシールドアーク溶接を適用するのが一れまでに，建築鉄骨の溶接接合部を対象としたレ形 25°
開先般的である。これは，シールドガスに 100％ CO2 を用いる炭や I 開先への適用化検討を実施し，（財）日本建築総合試験

酸ガスアーク溶接はスパッタの発生量が多いため，特に狭所の建築技術性能証明を取得している接量の低減が可能な狭開先溶接が注目されている

9-13）

。

開先では開先側壁や溶接ノズルにスパッタが付着あるいは本報告では，さらなる適用板厚の拡大や品質向上を図る

堆積して溶接施工が不安定となり，溶接欠陥が発生し易い

べく，先端曲がり電極チップを用いた 1 層 2 パス溶接施工ことが懸念されるためである。

プロセスによる新しい「J-STAR Welding」の狭開先溶接技®

JFE スチールでは，溶接ワイヤをマイナス極とする「正極®

術について紹介するとともに，「J-STAR Welding」の造船や建築分野での適用検討事例について紹介する。

2014 年 1 月 10 日受付－ 44 －Copyright © 2014 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

®

「J-STAR Welding」の造船，建築への展開(b) J-STAR® Welding(DCEN: Direct current electrode negative)(a) Convention CO2 arc welding(DCEP: Direct current electrode positive)
Wire

Wire added REM
Wire feed roller

Wire feed roller
Welding
powersource(DC)

Shielding gas (CO2)Contact tipWelding
powersource(DC)

Shielding gas (CO2)Contact tip

NozzleNozzleDroplet
ArcDroplet
Arc
Molten pool

Molten pool
Base metal

Base metal

図 1 従来の炭酸ガスアーク溶接と「J-STAR® Welding」の相違
Fig. 1®

Comparison between conventional CO2 arc welding and “J-STAR Welding”
表 1「J-STAR® Welding」用溶接ワイヤの化学成分
Table 1

Chemical composition of welding wire(mass％)

TypeCSi

Mn

PSTi

OthersKC-550(JIS Z 3312, YGW18)

0.05

0.7

1.9

0.01

0.01

0.2

Mo, B, REM＊＊

Rare earth metal

表 2 溶接金属の化学組成と機械的特性の一例
Table 2

Chemical composition and mechanical properties of deposited metal

Chemical composition (mass％)

Mechanical properties

CSiMnPS

0.2％ proof stress2(N/mm )Tensile strength2(N/mm )Elongation(％)

Absorbed energy
at−5℃
(J)

0.06

0.5

1.4

0.01

0.01

57162130

146

2．「J-STAR® Welding」の特長「KC-550」を用いた炭酸ガスアーク溶接の全溶着金属試験結2果を示す。550 N/mm 級鋼用溶接ワイヤとして十分な強度，
図 1 に示すように，従来の炭酸ガスアーク溶接が溶接ワ靭性を有している。また，溶接ワイヤ中に微量の REM を含イヤをプラス極とする「逆極性溶接」であるのに対して，有させることで，強度レベルに関係なく「J-STAR Welding」と®

®

2「J-STAR Welding」は REM を微量添加した溶接ワイヤを用しての溶接諸特性が得られることを確認しており，590 N/mm

いるとともに，従来とは逆の溶接ワイヤをマイナス極とする級鋼用などの高強度鋼用溶接ワイヤへの展開も容易である。

炭酸ガスアーク溶接法である。その特長として，3． 極厚材の狭開先溶接技術（1）溶接スパッタの発生が著しく少ない。
（2）溶接アークが集中しやすいため深い溶込みが得られる。

3.1（3）溶接表面の酸化物（スラグ）の剥離性が良好である。
®などがあげられる。このように，「J-STAR Welding」は狭開 端曲がり電極チップを用いた
先
1 層 2 パス溶接施工®

先溶接に適した特長を有している。

JFE スチールでは，「J-STAR Welding」を適用した厚板®

表 1 に「J-STAR Welding」ワイヤ「KC-550」の化学組成の高能率溶接技術として，レ形 25°開先などの狭開先溶接技の一例を示す。
「KC-550」は，JIS Z 3312 における YGW18術の開発を行なってきた。厚板の狭開先溶接（特に I 開先）に該当し，微量の REM を添加したワイヤである。表 2 ににおいては，溶込み不良や融合不良などの溶接欠陥を防止－ 45 －JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）®

「J-STAR Welding」の造船，建築への展開

Stable melting ofgroove sidewall
Stable meltingof groove sidewall
Certain meltingof groove corner
Bending theelectrode tip

図 2 狭開先溶接継手における課題
Fig. 2Issues required in narrow gap welding

2 Pass

1 Pass
Certain meltingof groove corner

Contact tip

NozzleWire

Welding direction

図 3 先端曲がり電極チップを用いた 1 層 2 パス溶接法
40Wire（1.4φ）
9Fig. 3 Schematic‌illustration of developed narrow gap welding
process

0.25 s0.25 s（mm）

Oscillation distance: 3 mm

ることが判明した。その後，電極チップの先端曲げ角度の(a) Schematic illustration of conventional narrow gap welding

適正化などの検討を経て，先端曲がり電極チップを用いた 1®

層 2 パス溶接施工による「J-STAR Welding」を適用した狭開先（I 開先）溶接技術を開発した

3.240 mm14）

。

溶接条件

表 1 に示す REM を微量添加した溶接ワイヤ「KC-550」（JISZ 3312 の YGW18 に該当）を用い，表 3 に示す開先形状お15.4 mm

よび溶接条件で先端曲がり電極チップを用いた 1 層 2 パス
0.85 mm

溶接による狭開先溶接を実施した。板厚 40 mm の狭開先溶

1.3 2 mm

接はギャップ 10 mm の I 開先継手とし，板厚 100 mm の狭(b) Macrostructure of cross section

写真 1 従来法（1‌層 1 パス溶接）による狭開先溶接継手の断面マクロ組織
Photo 1 Macrostr‌
ucture of welded joint by conventional
narrow gap welding process

表 3 開先形状および溶接条件
Table 3Groove geometries and welding conditions

Groove configuration

するため，図 2 に示すように，開先底隅部を確実に溶融さCurrent(A)

330-353

Voltage(V)

35.3

40

Welding speed(mm/min)

600(mm)Heat input (kJ/mm)

1.3

せるとともに，開先側壁を安定して溶融させる必要がある。
®

しかし，溶接アークの指向性が強い「J-STAR Welding」を用いても，写真 1 に示すように I 開先の 1 層 1 パス溶接施工

10（オシレートあり）では開先側壁の溶融量は 1 mm 程度であり，実用化に向けての課題であった。

5°

開先側壁の溶融を拡大させるためには，図 3 に示すように，アークが開先底隅部や開先側壁に直接当たるようにする必100

要があると考え，先端を僅かに曲げた電極チップを狭開先内に挿入した溶接施工の検討を行なった。予備検討の結果，®

「J-STAR Welding」の強いアーク指向性の効果が上手く作用して，開先底隅部や開先側壁の溶融量を容易に拡大でき
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

－ 46 －

10

Welding conditions(mm)

Layer number

7

Pass number

13

Current(A)324-371

Voltage(V)34.9-38.4

Welding speed(mm/min)

200-600

Heat input (kJ/mm)

1.2-2.5

Layer number

16

Pass number

31®

「J-STAR Welding」の造船，建築への展開

Welding torch
Shielding box

Electrode withcurved tip

100 mmTestspecimen

Strongback

10 mm
14.2 mm

写真 2 板厚 100 mm 継手の溶接施工
Photo 2Welding technique in butt joint of 100 mm thickness

写真 4 開発法（1‌
層 2 パス溶接）よる板厚 100 mm 継手の断面マクロ組織

開先溶接はギャップ 10 mm の V 開先継手（開先角度 5°）とPhoto 4 Macrostructure‌of welded joint of 100 mm thickness
by developed narrow gap welding process

した。供試鋼板には，いずれの板厚も 490 MPa 級鋼板を使用した。なお，板厚 100 mm の狭開先溶接では，写真 2 に350
Vickers hardness, HV10示すように大気の巻き込みを防止するため，母材表面にシールドボックスを取り付けて溶接を行なった。

3.3

狭開先溶接継手の性能評価

今回開発した先端曲がり電極チップを用いた 1 層 2 パス
溶接方法で作製した板厚 40 mm の狭開先継手の断面マクロ
組織を写真 3 に示す。溶接途中である 3 層溶接終了時点の

250
200
Ave. 219

150100HAZHAZ

WM
05101520

Distance from the center of WM (mm)®

れず，「J-STAR Welding」の特長である低スパッタの効果

WM: Weld metalが確認できる。また，開先底隅部や開先側壁の溶込みについては，溶融量で 2 mm 以上が確保できており，前述した 1
これは，先端曲がり電極チップを用いることでアークを開先

Ave. 237
Ave. 232

50−20 −15 −10 −5

写真で分かるように，開先側壁にスパッタの付着は認めら

層 1 パス溶接継手（写真 1）に比べて大幅に拡大している。

300■: 1/4 t●: 1/2 t▼: Root side

HAZ: Heat affected zone

図 4 板厚 100 mm 狭開先継手の硬さ分布
Fig. 4 Hardness‌distributions of welded joint of 100 mm
thickness by developed narrow gap welding process®

底隅部に指向させることができ，「J-STAR Welding」のアー
Developed method(2 Pass one-layer)

ク直下における溶込み能力が高いという特長がより効果的に作用したためと考えられる。
®

先端曲がり電極チップを用いた「J-STAR Welding」による 1 層 2 パス溶接施工が厚板の狭開先溶接に適用可能であることが判明したことから，板厚 100 mm の突合せ継手への40 mm適用を試みた。その断面継手マクロを写真 4 に示す。開先40 mm

底隅部や開先側壁の溶込みも十分に確保できており，16 層19.3 mm

31 パスという極めて少ない溶接工数で作製することができた。図 4 の溶接継手硬さ試験結果から分かるように，溶接
2.4 mm 3.3 mm 5 mm

Welded at 6 pass 3 layers

金属の硬さは測定位置によらず HV230 程度であり，積層に5 mmよる変動は小さいことが確認される。

Welded at 13 pass 7 layers

写真 3 開発法（1‌層 2 パス溶接）よる板厚 40 mm 継手の断面
マクロ組織

4．「J-STAR® Welding」の造船，建築分野への展開

Photo 3 Macrostructure‌of welded joint of 40 mm thickness
by developed narrow gap welding process－ 47 －

図 5 にタンカーにおけるスプレー溶滴移行型炭酸ガスアー
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）®

「J-STAR Welding」の造船，建築への展開Upper deck
Seam joint
Butt joint

Inner bottm

Welding
part

Base metal(a) Conventional welding; DCEP (Direct current
electrode positive), Welding current: 280 A

Single V groove

GradeThickness(mm)Angle(°)

Gap(mm)Upperdeck

AH36

20402―6

Innerbottom

AH36

20400―4

図 5 「J-STAR® Welding」の適用部位と開先条件
Fig. 5 Application‌par t and groove conditions of “J-STARWelding”®

ク溶接法「J-STAR Welding」の適用継手を示す®

(b) “J-STAR® Welding”; KC-550, DCEN (Direct current
electrode negative), Welding current: 380 A

写真 5 インナーボトムの溶接の状況15, 16）。板厚Photo 5 Comparison‌of welding phenomenon of internalbottom joint

20 mm の 490 MPa 級鋼 AH36 の長尺継手となるインナーボトムとアッパーデッキのシームおよびバット溶接であり，裏面にセラミックスのバッキング材を用いる片面溶接である。
開先角度は，従来の 50°
V から 40°
V に狭開先化した。写真
5 に従来法と KC-550 を用いた開発法によるインナーボトム

20®

溶接中のスパッタの飛散状況を示す。
「J-STAR Welding」
は，実際の建造工程においてもスパッタの粒子が小さく，発生10 mmも極めて少なかった。従来，インナーボトムの溶接施工では，スパッタがノズルへ付着，堆積するためチップ周りでのスOne side welding of butt joint, Groove: V40°
, Gap=0 mm, KC-550,DCEN (Direct current electrode negative), 2 Pass, 100% CO2,Welding current: 380 A

パークやガスシールド不良が生じ，これを防ぐため定期的な停止による装置のメンテナンスと溶接継ぎ部分の補修溶接が必要となる。補修溶接はガウジング後に表あるいは裏面10 mmから溶接するため，ビード表面の機械切削が必要となる。本写真 6 「J-STAR®
‌Welding」を用いたインナーボトム溶接部の外観と断面マクロ組織開発法では 15 m の連続溶接が可能となり，溶接停止回数はPhoto 6

Bead appearance and macrostructure of inner bottom

従来法の半分以下に低減した。開先角度を 50°から 40°へ狭くしたことや，スパッタの減少とアークの安定性が向上した
ことで従来よりも高電流域での溶接が可能となり溶接速度いた。これに対して，本開発法はスラグ剥離性が良好で，の高速化やパス数が減少したことにより，施工時間はおよそこのスラグ除去作業を従来時間のほぼ半分に短縮した。ま3 分の 2 に短縮した。
「J-STAR Welding」の適用箇所を超音®

た，ビード表面のチッパーなどの打痕傷が減ることで，塗装波検査したが，欠陥は認められなかった。また，従来ソリッ外観も改善した。このスラグ剥離性の向上は，溶接ビードドワイヤに比べヒュームの発生も非常に少なかった。の平滑化に加えて溶接中の酸化反応によってスラグへと移®

写 真 6 に「J-STAR Welding」（KC-550，DCEN（ 直 流 棒

行した REM の効果であると考える。
®

マイナス））を用いた溶接ビード外観と断面マクロ組織を示

一方，建築分野への「J-STAR Welding」の適用拡大に向す。従来法では，溶接ビード表面へのスラグ密着性が強く，けては，2013 年 6 月に JIS Z 3312 の YGW18 に該当する溶溶接後にチッパーなどのエアーツールを用いてもビード表接ワイヤ「KC-550」についても（財）日本建築総合試験所

面の半分程度にスラグが残存，溶接スラグは塗装欠陥となの建築技術性能証明「J-STAR 溶接法による狭開先溶接接合」

るため，塗装工程の前処理として別途除去作業を実施してを追加取得した。これで適用可能な鋼材の強度クラスはJFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

－ 48 －®

「J-STAR Welding」の造船，建築への展開

2550 N/mm 級まで拡大できた。また，レ形開先形状に対す

no. 3, p. 64-69.
7）片岡時彦，池田倫正，安田功一．JFE 技報．2007, no. 16, p. 50-53.
8）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一，平田好則．溶接学会論文集．

る適用板厚範囲についても，従来の 40 mm 以下から 50 mm以下までと，その適用上限板厚の拡大を図っている。このよ

2008, vol. 26, no. 1, p. 37-41.
9）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一．溶接学会講演概要集．
2006, no. 78, p. 136-137.

うな第 3 者機関からの技術性能証明を充実させることによ®

り，今後，建築分野でも「J-STAR Welding」の適用は進む

10）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一．溶接学会講演概要集．
2006, no. 79, p. 110-111.

ものと期待される。

11）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一．溶接技術．2006, vol. 54,no. 9, p. 62-67.
12）片岡時彦，中川郷司，石井匠．JFE 技報．2007, no. 18, p. 41-46.

5． おわりにREM 添加ワイヤを用いた正極性炭酸ガスアーク溶接技術®

である「J-STAR Welding」の低スパッタで溶込み特性に優れている特長を活用した，先端曲がり電極チップを用いた 1
層 2 パス溶接施工による新しい厚板の狭開先溶接技術を開発した。本溶接法の適用により，狭開先継手の底隅部や側13）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一，平田好則．まてりあ．
2008, vol. 47, no. 2, p. 99-101.
14）角博幸，片岡時彦，木谷靖，大井健次，安田功一．溶接学会講演概要集．
2013, no. 92, p. 26-27.
15）草場卓哉，木治昇，片岡時彦，池田倫正．溶接学会講演概要集．2011,
no. 89, p. 356-357.
16）草場卓哉，片岡時彦，吉川正幸，福山英作，橋本大輔，大井健次，木治昇．日本船舶海洋工学会講演論文集．2011, no. 12, p. 273-276.

壁面で安定した溶込みが確保でき，造船，建築などの各分野において，厚板溶接施工の高能率化および低コスト化が期待される。
参考文献
1）妹島五彦，五代友和，河原稔，野村博一．溶接学会誌．1981, vol. 50,no. 11, p. 1074-1080.
2）堀勝義，羽田光明．溶接学会誌．1999, vol. 68, no. 3, p. 41-62.
3）岩田真治，村山雅智，小島裕二．JFE 技報．2008, no. 21, p. 15-19.
4）中村照美，平岡和雄，高橋誠，佐々木智章．溶接学会論文集．2002,
vol. 20, no. 2, p. 237-245.
5）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一．溶接学会講演概要集．
2004, no. 75, p. 250-253.
6）片岡時彦，池田倫正，小野守章，安田功一．溶接技術．2005, vol. 53,－ 49 －角博幸

片岡時彦

木谷靖

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）
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