JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）p. 98-103

狭開先ガスシールドアーク溶接技術
Narrow Gap Gas Metal Arc (GMA) Welding Technologies
村山MURAYAMA Masatoshi

JFE エンジニアリング

産業機械本部

尾座本大輔

雅智

OZAMOTO Daisuke

JFE エンジニアリング

鋼構造本部

大江

OOE Kensuke

JFE エンジニアリング

産業機械本部謙介

重工センター

津製作所

主幹

計画室

重工センター

計画室

要旨
NKK（現 JFE エンジニアリング）独自の狭開先溶接法として 1980 年代に開発した高速回転アーク法の最近の実施状況を紹介する。エンジン架構の狭開先溶接では，開先幅変動対応を目的に溶接速度の適応制御機能を開発し，自動溶接後の余盛調整作業を不要化した。また，1 人 2 台操作の無監視タンデム工法も採用することにより，リードタイムを従来の半分以下に短縮した。さらに，狭開先溶接のさらなる革新を目的に開発した反転円弧ウィービン
グ機能により，タービン部材の傾斜継手にも適用範囲を拡大するとともに，開先幅を現状の 13 mm から 8 mm 程度に低減できる見通しを得た。

Abstract:
This paper describes the latest implementation status of the narrow gap welding process by the high speed rotatingarc method developed by JFE Engineering in 1980s. In case of the engine crankcases, adaptive control function of thewelding speed corresponding to the variation of the groove width has been newly developed. Tandem welding system
by one operator without watching the two equipment has been also employed, shortening the welding lead-time toless than half that of the conventional method. Furthermore, for innovation of the narrow gap welding, anotheroscillation pattern of the welding torch by the circular weaving has been added to the conventional equipment. In caseof the turbine members, application range has been expanded to be able to apply to the inclined narrow gap joints,
and it was confirmed that the groove width could be decreased from the conventional 13 mm to about 8 mm.

2． 高速回転アーク狭開先溶接法

1． はじめに2.1

板厚が 50～100 mm を超えるような極厚鋼板の溶接では，狭開先溶接法の歴史と種類開先断面積の大幅な縮減が図れる I 形狭開先継手の採用が狭開先溶接（Narrow gap welding）は米国の Battelle 研究有効であり，1980 年代よりさまざまな狭開先溶接方法が開所で 1963 年に開発され，各国で多くの研究開発が行なわれ発・実用化されてきた。この I 形狭開先継手は，溶着量の大たが，実用化は日本が最も熱心であり，1980 年代にさまざ幅な減少により厚板になるほど溶接時間を短縮できるだけまな狭開先溶接法がわが国で一斉に開花した感があると言でなく，溶接入熱低減による低ひずみ化や再熱による靭性われている。狭開先溶接の定義にはさまざまな解釈がある

改善効果が得られるため，種々の大型重要構造物に広く適が，「板厚 30 mm 以上の厚板を，板厚に比して小さな間隙（板用されている。NKK（現 JFE エンジニアリング）において

厚 200 mm までは約 20 mm 以下，それ以上は約 30 mm 以下）

も「高速回転アーク式狭開先溶接方法」を独自開発し，で開先を対向させ，機械化または自動化したアーク溶接方

1980 年代より自社製品への適用や外販を行なってきた。そ法」という当時の専門委員会の定義が一般的である 。

1)の後も，さらなる高能率化や自動化レベルの向上を目的に，狭開先溶接プロセスは多岐に渡っており，開発当初はアークセンサによる溶接速度の適応制御機能の開発や新たGMAW（ガスシールドアーク溶接）が主流であったが，そな揺動パターンの追加による適用拡大を進めてきた。の後もサブマージアーク溶接やティグ溶接などのさまざまな本報告では，高速回転アーク狭開先溶接法の概要と最新溶接プロセスにおいて開発が進められた。また，溶接姿勢の実用化状況を紹介するとともに，反転円弧ウィービング機も最初は下向溶接が主流であったが，横向や立向姿勢での能の追加による溶込み形状の改善や開先幅変動対応性の向狭開先溶接プロセスも数多く開発されている 。

2)

最も適用例が多い下向姿勢の GMAW による主な狭開先溶上，傾斜継手などへの適用拡大，さらなる狭開先化への取組み状況について報告する。

接方法を，表 1（1999 年の溶接学会誌からの引用）に示す。
方式（a）と（c）は，いずれもワイヤに曲がりグセを与える

2014 年 1 月 10 日受付

ことにより，狭開先内でアークを揺動させているが，曲がり－ 98 －Copyright © 2014 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

狭開先ガスシールドアーク溶接技術

表 1 狭開先ガスシールドアーク溶接装置の例
Table 1方式

3)

Examples of narrow gap gas metal arc (GMA) welding equipments(a) 波状ワイヤ(b) 曲がりチップ(c) 屈曲チップ
Welding wire

ワイヤリールDeforminggear

モータ

通電チップ

Rotating
motor

Bearing block

Corrugated wire
曲げ付加ローラ
ワイヤ送給ローラ

Welding wire

ワイヤ

溶接ヘッド

装置の原理

(d) 高速回転アーク

Auxiliarygas shield nozzle

ノズル
通電チップ

Electrodenozzle

２次シールドボックス
Conducting tip

狭開先トーチContact tip幅６mm

開先幅

開先幅 : 9 mm (8〜14)
トーチ : 6 mm t-35 mm w

16 (15〜20) mm
ノズル : f 8 mm

11〜13 mm
トーチ : 8 mm t-65 mm w

12〜18 mm
ノズル : f 8 mm

標準
溶接
条件

ワイヤ径 : 1.2 mm
アーク電流 : 240 A, Pulsed
溶接速度 : 210 mm/min
ガス: 20％ CO2-Ar

1.2 mm110〜180 A, Pulsed
150〜180 mm/min
20％ CO2-Ar

1.2 mm260〜270 A, Pulsed
210 mm/min
20％ CO2-Ar

1.2 mm300〜350 A
220〜300 mm/min
20％ CO2-Ar

アーク
周波数

0.5〜1.5 Hz
振幅調整容易0.2〜0.6 Hz
振幅調整容易4〜15 Hzワイヤ屈曲幅 : 2〜4 mm

最大 150 Hz
回転直径 : 7.6 mm

特徴・真横方向に低速でオシレイト。

・細密な制御で熟練作業者の動作再現。前進角か後退角。

・シンプルかつ再現性の高いオシレイト機構。

・アーク電圧を利用した開先倣いが容易。

グセ付加機構の違いにより揺動周波数は（c）の方が高くできる。一方，方式（b）と（d）は，いずれも通電チップを偏芯させて電極を廻すことによりアークを揺動させているが，揺動周波数は方式（d）が格段に速く，アークセンサによる開先自動ならい機能が特長となっている。この方式（d）
が，当社が独自に開発した高速回転アーク狭開先溶接法

Straight

10 Hz

20 Hz

40 Hz

60 Hz

80 Hz

90 Hz

110 Hz4)

である。

2.2

高速回転アーク溶接法の特徴

本法の回転機構の原理を，表 1 の（d）を用いて説明する。
溶接ワイヤは電極ノズルの中心に送給され，通電チップの1.2 mm solid wire, 20% CO2―Ar, Welding current: 300 A
Rotating diameter: 8 mm, Welding speed : 250 mm/min

偏芯孔によって所定の偏芯量が与えられる。電極ノズルはベアリングで支持され，電動モータにより同一方向に高速回

図 1 ビード形状に及ぼす回転速度の影響転される。したがって，溶接ワイヤとその先端のアークはチッFig. 1

プ孔の偏芯量に対応した直径で高速回転する。アークの高Influence of the rotating speed on the bead shape

速回転は，アークの熱や圧力を分散させるため，ビード形成現象に顕著な改善効果を与える。

力や応答性を飛躍的に向上するため，良好な開先自動なら狭開先溶接ビード形状に及ぼすアーク回転速度の影響をい制御が得られる。したがって，トーチの狙い位置は常に開図 1 に示す。溶接ワイヤは 1.2 mm ソリッドワイヤ，シール先中央に保持され，左右均等の安定した側壁の溶込みが得

ド ガ ス は 20 ％ CO2-Ar， 溶 接 電 流 は 300 A， 回 転 直 径 はられる。

8 mm である。回転なしの場合は，マグ溶接特有の中央集中2.3型の溶込みとなっているが，アークを回転させると分散型の高速回転アーク溶接法の適用例

幅広の溶込み形状となり，側壁への溶込みが増加している。

高速回転アーク狭開先溶接法の主な適用例とビード断面

また，ビード表面も湾曲して，多層溶接に適した形状となっの一例を写真 1 に示す。当社における主な適用対象は，（a）ている。アークの回転によるビード形状の改善効果は 40 Hzのピストンシリンダーのような重機械部品や（b）の鉄骨以上で顕著となっているため，回転速度の標準は 50 Hz とBOX 柱している。また，アークの高速回転はアークセンサの検出能

実績は 275 mm である。また，特殊な用途として，（c）に示－ 99 －5)のような鉄骨・橋梁製品であり，板厚の最大適用

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

狭開先ガスシールドアーク溶接技術(a) Piston cylinder(b) Box colum(c) Railway rail(d) Gas pipeline

写真 1 高速回転アーク狭開先溶接の適用例
Photo 1

す鉄道レールのエンクローズ溶接の円周溶接

7)6)Applications of the High Speed Rotating Arc welding process

や（d）に示すガス導管て変動している。これは，開先加工や組立の誤差だけでなく，継手の拘束度が溶接線全長で均一でないため，収縮量が場などに適用された実績がある。

所により変動するためである。写真 2 に，板厚 140 mm，全3． 最近の実用化状況
3.1

長約 5 m のエンジン架構における溶着ビード外観の一例を示す。溶着ビード高さは最大で 15 mm 以上変動しており，開先幅変動への対応機能自動溶接の後に煩雑な余盛調整作業を行なう必要があった。

高速回転アーク狭開先自動溶接装置では，1980 年代の開そこで，アークセンサによるトーチ高さ制御の結果から，発当初はアナログ基板を用いており，アークセンサ演算もオ

溶着ビード高さの変動を検出し，それが均一となるように溶ペアンプで行なっていたが，現在はすべてシーケンス制御

接速度をインプロセスで自動調整する機能を追加した。実化し，溶接条件や制御定数の設定も調整つまみ方式からタッ工事における最終パス溶接前のビード外観を写真 3 に示す

チパネルに進化してきた。これに伴い，溶接自動化機能のが，溶接線全長にわたりビード高さがほぼ均一に制御され向上や溶接機の操作性改善も図ってきた。本節では，そのていることが分かる。溶着ビード高さの検出結果はタッチパ一例として，アークセンサによる溶接速度（溶着量）の適ネルで確認できるようになっており，最終パス直前のビード応制御機能について概説する。

高さ変動は± 1 mm 以内に抑えられていることを確認してい実製品の狭開先継手幅は均一ではなく，溶接位置に応じる。この溶接速度の適応制御機能，すなわち開先幅変動対

Weldmetal(a) Small groove in width

Weldmetal(b) Large groove in width

写真 2 溶着ビード高さ変動の一例
Photo 2

写真 3 溶接速度適応制御結果の一例

Weld bead variation without the welding speed control

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

－ 100 －

Photo 3 Adaptive control of the welding speed

狭開先ガスシールドアーク溶接技術

応機能の追加により，本溶接後の煩雑な余盛高さ調整作業

リードタイムは従来の半分以下に短縮された。また，プロセが不要化されるとともに溶接品質の安定化が図られた。

スの改良後は溶接欠陥も発生していないため，これ以上の3.2能率向上に対する現場からの要求は強くないが，溶接変形

タンデム 1 人 2 台操作化を抑制したいというニーズは根強く残っている。写真 5 に，アークセンサによる溶接線自動ならい制御と溶接速度のエンジン架構部材の変形拘束板の外観を示す。30 パス以上適応制御を行なっているため，オペレータは溶接開始直後の狭開先溶接による角変形を抑制するために 8 枚もの拘束にアークを確認するだけで，それ以降は基本的に無監視で板を取り付けているが，この取り付けおよび取り外しの工数施工している。そこで，1 台のワークに対し 1 人のオペレーは，本溶接工数以上となっており，溶接変形抑制の観点かタで 2 台の狭開先溶接機を操作するタンデム工法を採用しら現状 13 mm としている開先幅のさらなる削減が求められた。写真 4 にタンデム施工状況の一例を示す。先行機と後ている。

行機は若干の車間距離を設けて同方向に走行しており，スラグ除去後，溶接方向を反転して，逆の順序で次層のタン4． 狭開先 GMA 溶接法の革新検討デム溶接を行なっている。タンデム工法の採用により，単位4.1

時間あたりの積層パス数は約 1.75 倍となり，溶接能率が大幅に向上した。

3.3

反転円弧ウィービング工法の概要

現状の高速回転アーク式狭開先溶接では，アーク回転直径を溶接中に変更することができないため，開先幅が規定

さらなる狭開先化への要求よりも小さくなるとアークが側壁に這い上がり溶接が不安定

前述の制御装置のデジタル化による操作性向上，溶接速になるなど，開先幅変動に対する裕度が大きくないという課度の適応制御による余盛調整溶接の不要化，タンデム化に題があった。また，実質のウィービングパラメータは回転速よる能率向上により，エンジン架構部材 1 台当たりの溶接度だけなので，開先幅方向の入熱分布をコントロールすることはできなかった。そこで，溶接装置はそのままで，トーチの回転方向を一方向の連続回転から反転円弧ウィービングに変更することにより，開先幅方向の入熱分布を制御することを試みた。
図 2 に，反転円弧ウィービングの揺動条件とトーチ軌跡の一例を示す。この揺動条件は，狭開先コーナー部の溶込み確保を重視したものであり，旋回中心は溶接進行方向の前方，旋回角度は± 120°
，端部停止時間は各 0.2 s，揺動周－1

波数は 1.2 Hz（旋回速度は 1 080°s ）として，開先コーナー部への入熱増加を図っている。
図 3 に，初層溶接における溶込み形状の従来法との比較を示す。従来の高速回転アーク溶接における開先コーナー部の溶込みは小さいが，反転円弧ウィービング法では，開写真 4 タンデム狭開先自動溶接の状況
Photo 4

Tandem narrow gap welding of the engine crankcase

2 mm

Welding direction

Weaving angle: ±120 ˚, End stopping time: 0.2 s
Weaving frequency: 1.2 Hz, Welding speed: 250 mm/s

写真 5 狭開先継手の変形拘束板
Photo 5図 2 反転円弧ウィービング軌跡の一例

Distortion restrained members of the narrow gap joint－ 101 －Fig. 2

Example of the trajectory in the circular weaving
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

狭開先ガスシールドアーク溶接技術

High speed rotationCircular weaving

写真 6 傾斜狭開先継手への適用状況
Photo 64.3
図 3 ウィービング方式によるビード形状の比較
Fig. 3Comparison of the bead shape by torch weaving method

Application to the inclined narrow gap joints

さらなる狭開先化への取組み

前述のタービンダイヤフラムの狭開先継手は，一方は極厚の炭素鋼であるが，片方は板厚 6 mm 程度の薄肉ステンレス鋼である。したがって，I 形狭開先溶接であっても薄肉ステンレス鋼の溶接変形は大きく，さらなる小入熱化が求められていた。そこで，現状 13 mm ある開先幅の縮減について検討した。ティグ溶接では細幅のタングステン電極を用い て，5～6 mm の 超 狭 開 先 溶 接 法 が 開 発され ているが，Groove width
12 mm

GMAW では通電チップは消耗品であるため，市販の細径チップでの挿入限界と思われる開先幅 8 mm を目標とした。

Observation

幅 8 mm の狭開先溶接実験結果の一例を写真 7 に示すが，反転円弧ウィービング法により良好な溶接結果が得られた。

図 4 反転円弧揺動における溶込み幅の観察結果
Fig. 4

実製品と異なり，本試験片では拘束が弱いため，溶接収縮

Observation of the penetration widthにより側板が弓なりに変形している。そのため，狭開先継手の開先幅は，積層パスの進行により変動する。従来の高速先コーナー部の溶込み深さが増加し，双子山のような溶込回転アーク法では，揺動幅（回転直径）は固定であるが，み形状となっていることが分かる。また，開先底部における反転円弧ウィービング法では開先幅変動に応じて揺動幅を水平断面の溶込み形状を図 4 に示すが，開先幅方向の溶込微調整することが可能であるため，開先幅変動に対する許みがトーチ軌跡に対応して揺動と同じ周期で波状に小さく容範囲が拡大した。なお，揺動幅の微調整方法は 2 通りの変動していることが分かる。揺動周期が長すぎると揺動ピッ方式を併用しており，揺動幅を小さくする場合は，円弧揺動チ間で溶込み不足が発生する恐れがあるので，反転円弧の旋回角度を減少させ，大きくする場合は，円弧揺動と同ウィービングにおける揺動ピッチ（揺動 1 回当りの溶接進行距離）は 5 mm 以下となるように揺動条件を設定している。

4.2

傾斜継手への適用

反転円弧ウィービングでは，揺動パラメータを左右非対称に設定することが可能なため，傾斜継手などの左右非対称継手への対応性も向上する。写真 6 にタービンダイヤフ
ラムの 15°
傾斜狭開先継手への適用状況を示す。従来の高速回転アーク法では，傾斜下側の開先コーナー部の溶込みが浅くなり，融合不良が発生しやすかったが，反転円弧ウィー
ビング法では揺動条件を左右非対称として溶込み形状の改善を図ることにより，実施工にて安定な溶接品質が得られる
Photo 7ことを確認している。
JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

写真 7 8 mm 狭開先溶接の一例－ 102 －An example of 8 mm narrow gap welding狭開先ガスシールドアーク溶接技術期して溶接トーチ横行軸の直線反復揺動を行なうようにし

5． おわりにている。

4.4

当社独自の狭開先溶接法である高速回転アーク法の特長

J-STAR® 溶接との組合せや適用例を説明するとともに，最近の実用化状況として，新従来の狭開先溶接では，炭酸ガスシールドではスパッタ

たに開発した開先幅変動に対する溶接速度の適応制御機能が発生しやすいため，表 1 に示すように，溶滴移行がスプレーや 1 人 2 台操作によるタンデム工法の適用状況を紹介した。となるマグガス（20％ CO2-Ar）が採用されていた。一方，また，さらなる狭開先化や傾斜継手対応など狭開先溶接の®

8)JFE スチールが開発した J-STAR 溶接 では，炭酸ガスシー革新を目的に取り組んでいる反転円弧ウィービング法に関ルドでもスプレー移行になるため，スパッタが微小で少ないする検討状況を報告した。以下に要点を列記する。という特長を有している。

（1）開先幅変動への対応を目的に，アークセンサによる溶®

着量の適応制御機能を開発し，本溶接後の煩雑な余盛そこで，J-STAR ワイヤによる狭開先溶接性を調査した。
®

従来の高速回転アーク法では，J-STAR ワイヤを用いても狭高さ調整作業の排除と溶接品質の安定化を図った。

開先側壁方向への溶込みに有意差は認められなかったが，（2）さらに 1 人 2 台操作のタンデム工法も採用することによ

反転円弧ウィービング法では溶込み深さの増加が確認されり，エンジン架構部材の溶接リードタイムを従来の半た。

分以下に短縮した。

開先幅 8 mm の円弧ウィービング溶接における溶込み形（3）現状の狭開先溶接装置に，新たに反転円弧ウィービン状の比較を写真 8 に示す。溶接電流・溶着ビード高さを一グ機能を追加し，15°傾斜継手などの左右非対称継手に定として開先幅を減少させると，溶接速度を速くする必要がも適用範囲を広げるとともに，現状 13 mm の開先幅をあるため，溶接入熱は減少する。そのため，従来のマグ溶8 mm 程度まで低減できる見通しを得た。

接では開先コーナー部の溶込みがギリギリとなっているが，®

J-STAR 炭酸ガス溶接では十分な溶込みが得られているこ®とが 分かる。これは，J-STAR 特 有の強い溶 融 池 対 流 やCO2 ガスの解離熱による効果と思われる。
また，
高速回転アー

参考文献
1）溶接学会溶接法研究委員会編．ナロウギャップ溶接（狭開先溶接日本における現状）溶接法ガイドブック 1. 1984, p. 13-24.
2）波多野怜，飯島史郎，馬渕洋三郎，釜口泰宏，河野隆之．全姿勢対応

ク法では揺動速度が速すぎて，アーク直下に溶融池の窪みは形成されないが，揺動周波数が数ヘルツの反転円弧ウィー
ビング溶接では，溶融池に窪みが形成されるため，J-STAR®

による溶込み深さの改善効果が顕著に現れたためと推察している。

狭開先 MAG 溶接法の開発．三菱重工技報．1995, vol. 32, no. 6, p. 379382.
3）堀勝義，羽田光明．レビュー＆トレンド狭開先アーク溶接．溶接学会誌．
1999, vol. 68, no. 3, p. 179-198.
4）杉谷祐司，小林征夫，村山雅智．高速回転アーク自動溶接法の開発と適用．溶接技術．1990-02, p. 92-98.
5）岩田真治，村山雅智，小島裕二．
極厚ボックス柱角継手への高速回転アー
ク狭開先溶接の適用．JFE 技報．2008-08, no. 21, p. 15-19.
6）杉谷祐司，西泰彦，上田正博，小島裕二．ポータブルレール溶接ロボッ

Conventional wire

J-STAR®wire

トの開発．NKK 技報．1992, no. 138, p. 56-62.
7）杉谷祐司，小林征夫，村山雅智．パイプライン高速自動溶接システム

20% CO2-Ar

100% CO2の開発．配管技術．1992-09, p. 58-64.
8）片岡時彦，池田倫正，安田功一．極低スパッタ CO2 アーク溶接技術®

「J-STAR Welding」の開発．JFE 技報．2007-06, no. 16, p. 50-53.

写真 8 J-STAR® 狭開先溶接の溶込み比較
Photo 8Comparison of the penetration shapes

村山－ 103 －雅智

尾座本大輔

大江謙介

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