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WO2014088110A1 - 狭開先ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

狭開先ガスシールドアーク溶接方法 Download PDF

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WO2014088110A1
WO2014088110A1 PCT/JP2013/082898 JP2013082898W WO2014088110A1 WO 2014088110 A1 WO2014088110 A1 WO 2014088110A1 JP 2013082898 W JP2013082898 W JP 2013082898W WO 2014088110 A1 WO2014088110 A1 WO 2014088110A1
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groove
gas
tip
gap
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片岡　時彦
博幸 角
木谷　靖
大井　健次
安田　功一
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JFE Steel Corp
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
    • B23K9/0213—Narrow gap welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/173—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode

Definitions

  • the present invention relates to a gas shielded arc welding method, and more particularly to a narrow gap gas shielded arc welding method for thick steel materials.
  • “narrow groove” means that the groove angle is 20 ° or less and the minimum groove width between steel materials to be welded is 50% or less of the plate thickness of the steel material. .
  • the gas shielded arc welding used for steel welding construction is generally a consumable electrode type using CO 2 alone gas or a mixed gas of Ar and CO 2 for the shield of the molten part. Widely used in the field of manufacturing electrical equipment and the like.
  • narrow gap gas shield arc welding in which a gap having a small gap with respect to the plate thickness is subjected to multilayer welding by arc welding. Since this narrow gap gas shielded arc welding has a smaller amount of welding than ordinary gas shielded arc welding, it is expected that higher efficiency and energy saving of welding can be achieved, and as a result, the construction cost can be reduced.
  • Patent Document 1 discloses that the hole of the shield gas ejection port for welding is formed into an oblong (elliptical) shape to improve the diffusibility of the shield gas, and torch.
  • a narrow groove MIG welding torch in which the hole of the contact tip is made into an oval shape and the weaving direction of the welding wire is always fixed, and a welding method using the same.
  • this welding method one-pass lamination welding is performed per layer using an inert gas.
  • heat concentrates in the central portion of the groove so that the groove surface of the steel material is insufficiently melted and the melting depth becomes small.
  • the welding wire has a constant weaving direction to ensure a fusion depth at the groove surface and reduce welding defects due to poor penetration.
  • Patent Document 2 discloses a tip for submerged welding in which one side surface of a tip end portion of a tip of a welding torch is protruded and the protruding portion is curved so as to be concave along a through hole.
  • This submerged welding tip uses a winding of the welding wire and feeds the welding wire in a bent state from the tip, thereby generating an arc at a position close to the groove surface and melting depth at the groove surface. To reduce welding defects due to poor penetration.
  • JP-A-7-116852 Japanese Patent Laid-Open No. 50-67758
  • the present invention has been developed to solve the above problems, and even when using a low-cost groove processing such as gas cutting or plasma cutting, the groove surface is not cleaned.
  • Another object of the present invention is to provide a method for narrow gap gas shield arc welding of thick steel materials, which can effectively prevent defects due to hot cracking, poor fusion and the like.
  • the inventors have made a narrow gap gas shielded arc welding method for thick steel materials, particularly a narrow gap gas shielded arc with a narrow groove width for thick steel materials having a plate thickness of 22 mm or more.
  • Research was conducted on the relationship between the bead shape including the penetration shape and the prevention of welding defects when using the welding method.
  • gas cutting, plasma cutting, etc. are performed by setting the melting depth from the groove surface at the bottom of the thick steel materials to 1.5 mm or more. It has been found that even when high-efficiency narrow groove gas shield arc welding is performed using a thick steel material that has been subjected to groove processing according to, defects due to high temperature cracks, poor fusion, and the like can be effectively prevented.
  • the gist configuration of the present invention is as follows. 1.
  • a gas shielded arc welding method in which a bottom groove angle is 10 ° or less, a bottom groove gap is 7 mm or more and 15 mm or less, and a thick steel material having a plate thickness of 22 mm or more is joined by multilayer welding of narrow grooves, First pass welding is divided into two or more passes, each pass is distributed to both sides of the bottom groove gap, and the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch is controlled within a range of 5 ° to 15 ° with respect to the perpendicular.
  • a narrow groove gas shielded arc welding method in which the melt depth at the bottom of the thick steel material is 1.5 mm or more.
  • the present invention even when low-cost groove processing such as gas cutting or plasma cutting is performed as groove processing, there is no occurrence of defects due to high-temperature cracking or poor fusion, and the amount of welding is small.
  • High-efficiency narrow groove gas shielded arc welding can be performed.
  • the narrow gap gas shielded arc welded joint obtained in this way is significantly less expensive to manufacture than conventional welded joints, so it is particularly applicable to general structures such as buildings, bridges and shipbuilding. And extremely useful.
  • the various groove shape in the welding method of this invention is shown.
  • the construction point at the time of constructing the welding of the present invention in the V-shaped groove shape is shown.
  • the groove after the first layer welding is performed by the welding method of the present invention is shown. It is a figure explaining the maximum recessed part depth of a groove surface.
  • channel cross-sectional photograph after giving first layer welding with the welding method of this invention is shown.
  • 1 (a) to 1 (c) show various groove shapes targeted by the welding method of the present invention.
  • reference numeral 1 is a thick steel material
  • 2 is a groove surface of the thick steel material
  • 3 is a bottom groove
  • the symbol ⁇ is the bottom groove angle
  • G is the bottom groove gap
  • h is the bottom groove height.
  • t represents the plate thickness.
  • the groove shape in the welding method of the present invention can be either a V-shaped groove (including an I-shaped groove) or a Y-shaped groove
  • FIG. It is also possible to use a multi-stage Y-shaped groove as shown in FIG.
  • the bottom groove is defined as a groove in the lower part of the steel material.
  • the groove in the lower part of the steel material means a region from the bottom surface of the steel material to about 20 to 40% of the plate thickness.
  • the bottom groove angle is represented by ⁇
  • the bottom groove gap is represented by G
  • the bottom groove height is represented by h.
  • the bottom groove height h is defined as 20% of the plate thickness t.
  • FIG. 2 shows the construction point at the time of constructing the welding of the present invention in a V-shaped groove shape.
  • reference numerals 4 and 5 are the power supply tip and welding wire of the welding torch, respectively, 6 is a backing material, the symbol ⁇ indicates the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch, and d is the bottom groove.
  • a V-shaped groove shape is shown as an example, but ⁇ and d are the same in other groove shapes.
  • FIG. 3 shows a groove after first layer welding is performed by the welding method of the present invention in a V-shaped groove shape.
  • symbol 7 is a weld bead
  • symbol P indicates the melting depth at the bottom of the thick steel material
  • H indicates the weld height (average of the weld bead height).
  • a V-shaped groove shape is shown as an example, but P and H are the same in other groove shapes.
  • Bottom groove angle ⁇ 10 ° or less
  • the bottom groove angle at which higher efficiency is expected 10 ° or less is targeted.
  • the bottom groove angle at which higher efficiency is expected 10 ° or less is targeted.
  • the bottom groove angle when the bottom groove angle is 0 °, it is called a so-called I-shaped groove. From the viewpoint of the amount of welding, this 0 ° is the most efficient.
  • the bottom groove angle is preferably in the range of (0.5 ⁇ t / 20) to (2.0 ⁇ t / 20) °, more preferably (0.8 ⁇ t / 20). It is in the range of ⁇ (1.2 ⁇ t / 20) °.
  • the bottom groove angle is preferably in the range of 2.5 to 10 °, more preferably in the range of 4 to 6 °.
  • the upper limit of the preferred range exceeds 10 °, but the upper limit of the preferred range in this case is 10 °.
  • Bottom groove gap G 7 mm or more and 15 mm or less
  • the bottom groove gap is set to a range of 7 mm or more and 15 mm or less. Preferably it is the range of 8 mm or more and 12 mm or less.
  • Plate thickness t 22 mm or more
  • the plate thickness of the steel material is 22 mm or more. This is because if the plate thickness of the steel material is less than 22 mm, the groove angle which is a target in the present invention may be increased by reducing the groove gap while increasing the groove angle in the conventional shape groove. This is because the groove cross-sectional area becomes smaller. For example, when the plate thickness t is 20 mm, the groove sectional area is 140 mm 2 in the case of an I-shaped groove having a bottom groove angle of 0 ° and a bottom groove gap of 7 mm, which is an object of the present invention.
  • a groove shape with a groove angle of 25 ° and a groove gap of 2 mm has a groove cross-sectional area of 133 mm 2 , and the groove with a groove shape is a highly efficient welding with a smaller welding amount.
  • the upper limit of the plate thickness is generally 100 mm. Therefore, it is preferable that the upper limit of the thickness of the steel material targeted in the present invention is 100 mm or less.
  • high-tensile steel is particularly suitable as the steel type targeted in the present invention. This is because high-strength steel has severe welding heat input restrictions and is liable to crack the weld metal.
  • welding from the first layer to the final layer can be efficiently performed at a heat input of 20 kJ / cm or less, and the welded shape of each pass is nearly 90 ° of fillet welding, and is difficult to crack. Because it becomes.
  • welding of 780 MPa class steel is possible without preheating, and welding of 590 MPa class corrosion resistant steel that is a high alloy system is also possible.
  • mild steel can be handled without problems.
  • the reason for limiting the bottom groove angle, the bottom groove gap and the plate thickness of the steel material has been described, but in the present invention, the melt depth at the bottom of the thick steel material when these are satisfied. It is important that the thickness is 1.5 mm or more.
  • Melting depth at the bottom of the thick steel material 1.5 mm or more
  • processing by gas cutting, plasma cutting, laser cutting or the like is performed. However, it does not refuse machining.
  • the melting depth required for the groove surface in narrow groove gas shielded arc welding is mainly determined by the surface properties of the groove surface (particularly, the recess depth and cleanliness).
  • the depth of the recess on the groove surface is about 0.2 mm or less, but in special cases, for example, when the flame flow velocity drops below normal due to crater wear, etc. For example, a recess depth exceeding 1 mm may occur.
  • the general structure or the like is directly used for welding without care. Therefore, in order to effectively prevent defects due to hot cracks, poor fusion, etc., the groove surface during welding construction, especially the bottom of the thick steel material where the temperature during welding is low and the melting depth tends to be small, Need to melt deeper.
  • the melting depth at the bottom of the thick steel material is 1.5 mm or more. Preferably it is 2.0 mm or more. However, if the melting depth exceeds 4 mm, an undercut occurs at the upper portion of the weld bead on the groove surface, which causes a welding defect. Therefore, the melting depth is preferably 4 mm or less.
  • the melting depth at the bottom of the thick steel material is 1.5 mm or more. And in order to achieve this, it is very important to control the welding conditions in gas shielded arc welding, especially the welding conditions of the first layer within the scope of the present invention.
  • the welding conditions for the first layer will be described in detail.
  • First layer welding Each pass is divided into both sides of the bottom groove gap with two or more passes.
  • narrow groove multi-layer welding it is common to use one pass per layer.
  • heat concentrates in the center of the groove so that the groove surface of the steel material is insufficiently melted, resulting in poor fusion (cold wrap), spatter adhering to the groove surface, and slag entrainment Defects are likely to occur.
  • the first layer welding since the temperature of the steel material is low and the melting depth is small, defects due to poor fusion are likely to occur.
  • the first layer welding is performed with two or more passes, and the groove surfaces on both sides are easily melted. Thus, it is necessary to distribute each path to both sides of the bottom groove gap.
  • the first layer welding is preferably performed with 2 passes or 3 passes. In order to ensure the melting amount and increase the efficiency by increasing the heat input, it is optimal to perform the first layer welding with two passes. In order to stabilize the arc and penetration shape, it is preferable to suppress the movement of the welding torch and electrode (welding wire) such as weaving and rotation.
  • Supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch 5 ° or more and 15 ° or less with respect to the normal line
  • the arc has directivity and tends to be oriented in the direction indicated by the tip of the electrode (welding wire).
  • the direction pointed to by the electrode tip needs to be directed to the groove surface, and the direction pointed to by the electrode tip is supplied from the power feed tip at the tip of the welding torch. It varies greatly depending on the supply angle of the welding wire.
  • the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch is less than 5 ° with respect to the perpendicular, the current flows through a path with smaller resistance.
  • the arc scoops up the wire which is an electrode (climbing of the arc), and it becomes difficult to maintain melting at the target groove surface, particularly at the bottom.
  • the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch exceeds 15 ° with respect to the perpendicular, the arc is too directed to the groove surface, so that the weld bead shape becomes convex, and the arc of the next pass Insufficient melting causes weld defects. Therefore, the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch is limited to a range of 5 ° to 15 ° with respect to the perpendicular. Preferably they are 6 degrees or more and 12 degrees or less.
  • the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch is the same as the inclination of the power supply tip, particularly the power supply tip, the supply angle of the welding wire is controlled by the inclination of the power supply tip. Can do.
  • the melting depth from the groove surface at the bottom of the thick steel material can be obtained more deeply and stably. Become.
  • the distance between the side end of the welding wire tip at the bottom groove and the groove surface of the thick steel material 0.5 mm or more and 2.0 mm or less
  • the distance between the side end portion of the tip of the welding wire at the groove and the groove surface of the thick steel material is preferably 0.5 mm or more and 2.0 mm or less. This is because if the distance between the side end of the welding wire tip at the bottom groove and the groove surface of the thick steel material is less than 0.5 mm, an arc is generated between the wire upper portion and the groove surface, and the thick steel material The groove surface at the bottom cannot be efficiently melted.
  • the arc is separated from the groove surface, and the groove surface cannot be efficiently melted. More preferably, it is in the range of 0.5 to 1.0 mm.
  • tip of the welding wire said here shall point out the side edge part of the side close
  • the radius of curvature of the welding wire fed to the power supply tip 150 mm or more and 300 mm or less
  • a power supply tip having a bent tip is used to control the supply angle of the welding wire supplied from the power supply tip at the tip of the welding torch.
  • the welding wire passes through the power feed tip having a bent tip.
  • the radius of curvature of the welding wire is less than 150 mm, the feeding resistance of the wire increases, the welding wire cannot be stably fed, and it becomes difficult to maintain the arc.
  • the radius of curvature of the welding wire fed to the power supply tip is 150 mm or more and 300 mm or less. More preferably, it is 175 mm or more and 275 mm or less.
  • weld height H Not less than 0.4 times and not more than 1.0 times the bottom groove gap G
  • the weld height per layer exceeds 1.0 times the bottom groove gap G, the amount of welding per pass becomes excessive, and the groove surfaces on both sides cannot be evenly melted. Therefore, it is preferable that the weld height is 0.4 to 1.0 times the bottom groove gap G. More preferably, it is 0.5 times or more and 0.8 times or less of the bottom groove gap G.
  • the welding conditions in the layers other than the first layer are not particularly specified, but may basically be the same as the welding conditions for the first layer described above.
  • Shielding gas composition 60% by volume or more of CO 2 gas
  • the penetration of the weld is governed by the gouging effect by the arc itself and the convection of the weld metal in a high temperature state.
  • the convection of the weld metal is inward, the hot weld metal convects from the top to the bottom, so the penetration directly under the arc increases.
  • the convection of the weld metal is directed outward, the high-temperature weld metal is convected from the center in the left-right direction, the weld bead expands and the penetration of the groove surface increases.
  • the convection of the weld metal is directed outward.
  • the sum of the concentrations of oxygen (O) and sulfur (S) governing the molten metal flow is preferably 400 ppm by mass or more (however, exceeding 1000 ppm by mass makes it difficult to ensure the toughness of the weld metal). Therefore, it is necessary to make it 1000 ppm or less.
  • the shield gas composition is a mixture containing 60% by volume or more of CO 2 gas and the remainder as an inert gas such as Ar. It is preferable to use a gas. Particularly preferred is CO 2 gas: 100% by volume.
  • the penetration of the weld is affected by the directivity of the arc and the gouging effect. Therefore, it is preferable that the polarity of the welding is a wire minus (positive polarity) having a higher arc directivity and a gouging effect.
  • welding current 280 to 360 A
  • welding voltage 32 to 37 V (increase with current)
  • welding speed 30 to 80 cm / min
  • wire protrusion length 15 to 30 mm
  • wire diameter 1.2 to 1.6 mm
  • the welding heat input per pass may be 10 to 25 kJ / cm.
  • the groove-shaped steel materials shown in Table 1 were subjected to narrow groove gas shield arc welding under the welding conditions shown in Table 2. Note that gas cutting was used for the groove processing of the steel material, and the groove surface was not subjected to maintenance such as grinding.
  • the maximum recess depth on the groove surface was measured using a laser displacement meter. That is, as shown in FIG. 4, two parallel lines that pass through the highest convex part and the lowest concave part of the measurement point and include all the measurement points therebetween and the intermediate line thereof are drawn.
  • the concave portion is a portion lower than the intermediate line
  • the concave portion depth of the groove surface is a distance between the concave portion and the intermediate line.
  • the maximum recess depth on the groove surface is the maximum value of the recess depth.
  • the measurement results are also shown in Table 1.
  • the welded joint thus obtained was cut out in 5 sections, and the melt width of the bottom was measured in each section. Then, for each cross section, the melt depth was measured by subtracting the length of the bottom groove gap from the measured melt width and dividing this value by 2, and the average value was obtained. This value was taken as the melting depth at the bottom of the steel material.
  • the obtained welded joint was subjected to ultrasonic flaw inspection and evaluated as follows.
  • X A defect having a defect length exceeding 3 mm is detected. The results are also shown in Table 2.
  • No. 1 is an invention example.
  • the melting depth at the bottom of the steel material was 1.5 mm or more, and there was no detection defect in the ultrasonic flaw inspection, or even the defect length was 3 mm or less.
  • No. which is a comparative example In all of Nos. 13 to 17, the melting depth at the bottom of the steel material was less than 1.5 mm, and in the ultrasonic flaw detection, defects with a defect length exceeding 3 mm were detected.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional photograph of a groove after the first layer welding.
  • (1) and (2) indicate the weld beads in the first and second passes, respectively.
  • the melting depth at the bottom of the thick steel material is about 3.2 mm in the first pass welding, and about 2.4 mm in the second pass welding, which is good on both sides of the groove surface at the bottom of the thick steel material. It can be seen that a good melting depth is obtained.

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Abstract

　底部開先角度を１０°以下、底部開先ギャップを７ｍｍ以上１５ｍｍ以下とし、板厚が２２ｍｍ以上である厚鋼材を、狭開先の多層溶接により接合するガスシールドアーク溶接方法において、初層溶接を２パス以上として各パスを底部開先ギャップの両側に振り分け、さらに溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度を垂線に対して５°以上１５°以下の範囲に制御することにより、上記厚鋼材の底部における溶融深さを１．５ｍｍ以上とする。

Description

狭開先ガスシールドアーク溶接方法
　本発明は、ガスシールドアーク溶接方法に関するものであって、特には厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接方法に関するものである。
　本発明において、「狭開先」とは、開先角度が２０°以下で、かつ被溶接材となる鋼材間の最小開先幅が当該鋼材の板厚の５０％以下であることを意味する。
　鋼の溶接施工に用いられるガスシールドアーク溶接は、ＣＯ２単独のガス、あるいはＡｒとＣＯ２との混合ガスを溶融部のシールドに用いる消耗電極式が一般的であり、自動車、建築、橋梁および電気機器等の製造分野において幅広く用いられている。
　ところで近年、鋼構造物の大型化・厚肉化に伴い、製作過程での溶接、特に鋼材の突き合わせ溶接における溶着量が増大し、さらには溶接施工に多くの時間が必要となり、施工コストの増大を招いている。
　これを改善する方法として、板厚に対して小さい間隙の開先をアーク溶接法により多層溶接する、狭開先ガスシールドアーク溶接の適用が考えられる。この狭開先ガスシールドアーク溶接は、通常のガスシールドアーク溶接と比べ溶着量が少なくなるので、溶接の高能率化・省エネルギーが達成でき、ひいては施工コストの低減をもたらすものと期待される。
　このような狭開先ガスシールドアーク溶接に関する技術として、特許文献１には、溶接用シールドガス噴出口の穴を斜め長円形（楕円形）にして、シールドガスの拡散性を良くし、さらにトーチのコンタクトチップの穴を長円形にして、溶接ワイヤのウイービング方向が常に一定の方向となるように設定した狭開先ＭＩＧ溶接用トーチおよびこれを用いた溶接方法が開示されている。
　この溶接方法では、イナートガスを用いた１層当たり１パスの積層溶接を行っている。しかしながら、このような１層当たり１パスの溶接では、熱が開先の中央部に集中するので、鋼材の開先面は溶融が不足して溶融深さが小さくなる。これを補うため、溶接ワイヤのウイービング方向を常に一定の方向とすることにより、開先面における溶融深さを確保し、溶け込み不良等による溶接欠陥を少なくしている。
　また、特許文献２には、溶接トーチ先端のチップ先端部の一側面を突出させ、その突出部分を貫通孔に沿って凹になるように湾曲させたサブマージ溶接用チップが開示されている。
　このサブマージ溶接用チップは、溶接ワイヤの巻きぐせを利用し、チップから溶接ワイヤを屈曲した状態で送給することにより、開先面に近い位置でアークを発生させ、開先面における溶融深さを確保して、溶け込み不良等による溶接欠陥を少なくしている。
特開平７−１１６８５２号公報 特開昭５０−６７７５８号公報
　しかしながら、特許文献１および２に記載の技術では、鋼材の開先面の溶融は必ずしも十分とは言えない。そのため、特許文献１および２の技術において、溶け込み不良等による溶接欠陥を有効に抑制するためには、鋼材の開先加工として極めて高精度かつ清浄な機械加工を施すことが必要とされる。
　一方、高付加価値の鋼構造物を除く、建築、橋梁および造船等の一般構造物では、コスト等の面から、ガス切断やプラズマ切断等による開先加工を行い、それをそのまま溶接に供するのが通常である。ガス切断やプラズマ切断等による開先加工は、低コストで施工も容易である。しかしながら、ガス切断やプラズマ切断等による開先加工は、開先面の表面が粗くなる、つまり表面の凹凸が大きくなる傾向にあり、機械加工のような高精度の加工を行うことは難しい。
　このため、建築、橋梁および造船等の一般構造物については、特許文献１および２に記載の技術を適用することが困難であった。
　本発明は、上記の問題を解決するために開発されたもので、ガス切断やプラズマ切断等による低コストの開先加工を使用する場合であっても、開先面の手入れ等を行うことなしに、高温割れや融合不良等による欠陥を有効に防止することができる、厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。
　さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく、厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接方法、特に板厚が２２ｍｍ以上の厚鋼材に対し、開先幅が狭い狭開先ガスシールドアーク溶接方法を用いた場合における、溶け込み形状を含むビード形状と溶接欠陥防止との関連性について研究を重ねた。
　その結果、上記したような厚鋼材の狭開先ガスシールドアーク溶接方法においては、厚鋼材の底部における開先面からの溶融深さを１．５ｍｍ以上とすることにより、ガス切断やプラズマ切断等による開先加工を施した厚鋼材を使用して高能率の狭開先ガスシールドアーク溶接を行う場合であっても、高温割れや融合不良等による欠陥を有効に防止できることを見出した。
　そして、さらに研究を進めたところ、この狭開先ガスシールドアーク溶接における開先条件については、
　（ａ）底部開先角度：１０°以下
　（ｂ）底部開先ギャップ：７ｍｍ以上１５ｍｍ以下
とすること、
　加えて溶接条件、特に初層の溶接条件については、
　（ｃ）２パス以上として各パスを底部開先ギャップの両側に振り分け、
　（ｄ）溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度を垂線に対して５°以上１５°以下とすることが、厚鋼材の底部における溶融深さ：１．５ｍｍ以上を安定して達成する上で極めて重要であるとの知見を得た。
　本発明は、上記の知見に立脚するものである。
　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．底部開先角度を１０°以下、底部開先ギャップを７ｍｍ以上１５ｍｍ以下とし、板厚が２２ｍｍ以上である厚鋼材を、狭開先の多層溶接により接合するガスシールドアーク溶接方法において、
　初層溶接を２パス以上として各パスを底部開先ギャップの両側に振り分け、さらに溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度を垂線に対して５°以上１５°以下の範囲に制御することにより、上記厚鋼材の底部における溶融深さを１．５ｍｍ以上とする狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
２．前記初層溶接において、底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と前記厚鋼材の開先面との距離を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とする前記１に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
３．前記初層溶接において、給電チップに送給する溶接ワイヤとして、曲率半径が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下となる範囲で湾曲させたワイヤを用いる前記１または２に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
４．前記初層溶接において、溶接盛り高さを前記底部開先ギャップの０．４倍以上１．０倍以下とする前記１~３のいずれかに記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
５．前記狭開先ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして６０体積％以上のＣＯ２ガスを含有した混合ガスを用いる前記１~４のいずれかに記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
　本発明によれば、開先加工としてガス切断やプラズマ切断等の低コストの開先加工を施した場合であっても、高温割れや融合不良等による欠陥の発生がなく、しかも溶着量も少ない高能率な狭開先ガスシールドアーク溶接を実施することができる。
　そして、このようにして得られた狭開先ガスシールドアーク溶接継手は、従来の溶接継手と比較して製造コストが大幅に低減するので、特に建築、橋梁および造船等の一般構造物に適用して極めて有用である。
本発明の溶接方法における各種開先形状を示すものである。 Ｖ形の開先形状において、本発明の溶接を施工する際の施工要領を示すものである。 Ｖ形の開先形状において、本発明の溶接方法により初層溶接を施した後の開先を示すものである。 開先面の最大凹部深さを説明する図である。 本発明の発明例（Ｎｏ．７）において、本発明の溶接方法により初層溶接を施した後の開先断面写真を示すものである。
　以下、本発明を具体的に説明する。
　図１（ａ）~（ｃ）は、本発明の溶接方法で対象とする各種開先形状を示すものである。図中、符号１が厚鋼材、２が厚鋼材の開先面、３が底部開先であり、記号θで底部開先角度を、Ｇで底部開先ギャップを、ｈで底部開先高さを、ｔで板厚を示す。
　同図で示したように、本発明の溶接方法における開先形状はＶ形開先（Ｉ形開先を含む）およびＹ形開先のいずれとすることも可能であり、また図１（ｃ）に示すように多数段のＹ形開先とすることも可能である。
　ここで、底部開先とは鋼材下段部の開先と定義する。また、鋼材下段部の開先とは、鋼材の底面から板厚の２０~４０％程度までの領域を意味する。
　底部開先を上記のように定義したことに関連して、底部開先角度をθで、底部開先ギャップをＧで、底部開先高さをｈで示すものとしたのである。なお、Ｖ形開先の場合には、底部開先高さｈを板厚ｔの２０％として定義する。
　また、図２は、Ｖ形の開先形状において、本発明の溶接を施工する際の施工要領を示すものである。図中、符号４、５がそれぞれ溶接トーチの給電チップおよび溶接ワイヤ、６が裏当て材であり、記号φで溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度を、ｄで底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離を示す。
　ここでは、Ｖ形の開先形状を例にして示したが、他の開先形状でもφおよびｄは同様である。
　さらに、図３は、Ｖ形の開先形状において、本発明の溶接方法により初層溶接を施した後の開先を示すものである。図中、符号７が溶接ビードであり、記号Ｐで厚鋼材の底部における溶融深さを、Ｈで溶接盛り高さ（溶接ビード高さの平均）を示す。
　ここでは、Ｖ形の開先形状を例にして示したが、他の開先形状でもＰおよびＨは同様である。
　次に、本発明の溶接方法において、底部開先角度、底部開先ギャップおよび鋼材の板厚を前記の範囲に限定した理由について説明する。
底部開先角度θ：１０°以下
　鋼材の開先部は小さいほどより早く高能率な溶接を可能とする反面、融合不良等の欠陥が生じやすい。また、底部開先角度が１０°を超える場合の溶接は、従来の施工方法でも実施可能である。このため、本発明では、従来の施工方法では施工が困難であり、かつ一層の高能率化が見込まれる底部開先角度：１０°以下を対象とする。
　なお、Ｖ形開先において、底部開先角度が０°の場合はいわゆるＩ形開先と呼ばれ、溶着量の面からはこの０°の場合が最も効率的であるが、溶接熱ひずみにより溶接中に開先が閉じてくるため、これを見込んで、板厚ｔ（ただし、Ｙ形開先の場合には底部開先高さｈ）に応じた底部開先角度を設定することが好ましい。
　具体的には、底部開先角度は（０．５×ｔ／２０）~（２．０×ｔ／２０）°の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは（０．８×ｔ／２０）~（１．２×ｔ／２０）°の範囲である。例えば、板厚ｔが１００ｍの場合、底部開先角度は２．５~１０°の範囲が好ましく、さらに好ましくは４~６°の範囲である。
　ただし、板厚ｔが１００ｍｍを超えると、好適範囲の上限は１０°を超えるようになるが、この場合の好適範囲の上限は１０°とする。
底部開先ギャップＧ：７ｍｍ以上１５ｍｍ以下
　鋼材の開先部は小さいほどより早く高能率な溶接を可能とする反面、融合不良等の欠陥が生じやすい。また、底部開先ギャップが１５ｍｍを超える溶接は、従来の施工方法でも実施可能である。このため、本発明では、従来の施工方法では施工が困難であり、かつ一層の高能率化が見込まれる底部開先ギャップ：１５ｍｍ以下を対象とする。一方、底部開先ギャップが７ｍｍ未満では、後述する１層あたり２パス以上の溶接施工が困難となる。このため、底部開先ギャップは７ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲とする。好ましくは８ｍｍ以上１２ｍｍ以下の範囲である。
板厚ｔ：２２ｍｍ以上
　鋼材の板厚は２２ｍｍ以上とする。というのは、鋼材の板厚が２２ｍｍ未満であれば、従来のレ形開先において開先角度を大きくする一方、開先ギャップを小さくすることで、場合によっては本発明で対象とする開先よりも開先断面積が小さくなるからである。
　例えば、板厚ｔが２０ｍｍの場合、本発明で対象とする底部開先角度：０°、底部開先ギャップ：７ｍｍのＩ形開先では開先断面積が１４０ｍｍ２であるのに対して、開先角度：２５°、開先ギャップ：２ｍｍのレ形開先では開先断面積が１３３ｍｍ２であり、レ形開先の方が溶着量の小さい高能率な溶接となる。
　なお、一般の圧延鋼材を対象とする場合、板厚は一般に１００ｍｍが上限である。よって、本発明で対象とする鋼材の板厚の上限は１００ｍｍ以下とすることが好ましい。
　なお、本発明で対象とする鋼種としては、高張力鋼が特に好適である。というのは、高張力鋼は、溶接入熱制限が厳しく、溶接金属に割れが生じ易い。これに対し本発明では、入熱：２０ｋＪ／ｃｍ以下で効率良く初層から最終層までの溶接が可能であり、また各パスの溶接形状がほぼ隅肉溶接の９０°に近く、割れ難い形状となるからである。さらに、７８０ＭＰａ級鋼の溶接も予熱なしで可能であり、高合金系となる５９０ＭＰａ級耐食鋼の溶接も可能である。当然、軟鋼にも問題なく対応できるのは言うまでもない。
　以上、本発明の溶接方法において、底部開先角度、底部開先ギャップおよび鋼材の板厚を限定した理由について説明したが、本発明では、これらを満足する場合に厚鋼材の底部における溶融深さを１．５ｍｍ以上とすることが肝要である。
厚鋼材の底部における溶融深さ：１．５ｍｍ以上
　本発明における鋼材の開先加工では、ガス切断やプラズマ切断、レーザ切断等による加工を行う。ただし、機械加工を拒否するものではない。一方、狭開先ガスシールドアーク溶接における開先面に必要な溶融深さは、開先面の表面性状（特に、凹部深さや清浄度）によって主に決定される。
　最も一般的なガス切断による開先加工では、特殊鋼やステンレス鋼等を除き、ガス切断時のガス流量や火口の選択により、切断面の仕上がりに大きな差が生じる。例えば、ガス流量や火口の調整が良好な場合における開先面表面の凹部深さは０．２ｍｍ程度以下となるが、特殊な場合、例えば、火口の摩耗などにより火炎流速が通常より落ちた場合などには、１ｍｍを超える凹部深さが生じるおそれがある。しかしながら、このような凹部が生じても、一般構造物等では手入れなしにそのまま溶接に供されることとなる。従って、高温割れや融合不良等による欠陥を有効に防止するには、溶接施工の際に開先面、特に溶接時の温度が低く、溶融深さが小さくなる傾向にある厚鋼材の底部を、より深く溶融する必要がある。また、切断面は加工熱により生じた厚い酸化膜で覆われているため、溶接施工の際にはやはり開先面をより深く溶融する必要がある。
　以上のことから、本発明では、厚鋼材の底部における溶融深さは１．５ｍｍ以上としたのである。好ましくは２．０ｍｍ以上である。ただし、溶融深さが４ｍｍを超えると、開先面の溶接ビード上部にアンダーカットが生じ、溶接欠陥の要因となるので、溶融深さは４ｍｍ以下とすることが好ましい。
　上述したように、本発明では、厚鋼材の底部における溶融深さを１．５ｍｍ以上とすることが肝要である。そして、これを達成するためには、ガスシールドアーク溶接における溶接条件、特に初層の溶接条件を本発明の範囲に制御することが極めて重要である。
　以下、この初層の溶接条件について詳しく説明する。
初層溶接：２パス以上として各パスを底部開先ギャップの両側に振り分け
　狭開先の多層溶接では、１層当たり１パスとすることが一般的である。しかしながら、１層当たり１パスとする場合、熱が開先中央に集中するため、鋼材の開先面の溶融が不足し、融合不良（コールドラップ）、開先面に付着したスパッタおよびスラグ巻き込みによる欠陥が生じ易い。特に、初層溶接は鋼材の温度が低く、溶融深さが小さくなるため、融合不良による欠陥が生じ易い。
　従って、初層溶接で必要な溶融深さおよび溶着量を確保し、融合不良等による欠陥を抑制するためには、初層溶接を２パス以上とし、さらに両側の開先面を溶融し易くなるように、各パスを底部開先ギャップの両側に振り分ける必要がある。
　一方、初層溶接が４パス以上になると、１パス当たりの入熱が低下し、溶融量そのものが減少することから、初層溶接は２パスまたは３パスとすることが好ましい。高入熱化による溶融量の確保と高能率化のためには、初層溶接は２パスとすることが最適である。
　なお、アークおよび溶け込み形状の安定化には、ウイービングや回転などの溶接トーチおよび電極（溶接ワイヤ）の動きを抑制することが好ましい。
溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度：垂線に対して５°以上１５°以下
　アークには指向性があり、電極（溶接ワイヤ）先端が指す方向に向きやすい性質がある。このアークの指向性を開先面の溶融に有効に活かすためには、電極先端が指す方向を開先面に向ける必要があり、この電極先端が指す方向は溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度により大きく変化する。
　ここに、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度が垂線に対して５°未満では、電流がより抵抗の小さい経路に流れてしまう。その結果、アークが電極であるワイヤを這い上がり（アークの這い上がり）、狙いとする開先面、特に底部での溶融を維持することが困難となる。一方、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度が垂線に対して１５°を超えると、アークが開先面に向き過ぎるために溶接ビード形状が凸となり、次パスのアークでの溶融が不十分となって溶接欠陥を生じさせる。従って、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度は、垂線に対して５°以上１５°以下の範囲に制限したのである。好ましくは６°以上１２°以下である。
　なお、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度は、給電チップ、特に給電チップ先端の傾きと同じになるため、この給電チップ先端の傾きによりこの溶接ワイヤの供給角度を制御することができる。
　以上、基本条件について説明したが、本発明の溶接方法では、以下の条件をさらに満足させることにより、厚鋼材の底部における開先面からの溶融深さをより深く安定して得ることが可能になる。
底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離：０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下
　厚鋼材の底部における溶融深さをより深く安定して得るには、底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。
　というのは、底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離が０．５ｍｍ未満では、アークがワイヤ上部と開先面との間で発生し、厚鋼材底部の開先面を効率良く溶融できない。一方、２．０ｍｍを超えるとアークが開先面から離れてしまい、開先面を効率良く溶融できないからである。より好ましくは０．５~１．０ｍｍの範囲である。
　なお、ここで言う溶接ワイヤの先端の側端部とは、各パスで溶融させようとする厚鋼材の開先面に近い側の側端部を指すものとする。
給電チップに送給する溶接ワイヤの曲率半径：１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下
　本発明では、溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度を制御するため、先端を曲げた給電チップを使用する。このとき、溶接ワイヤが先端を曲げた給電チップを通ることになるが、よりスムーズに通過させるためには、いわゆる３点ローラー等を用いて溶接ワイヤを予め湾曲させておくことが好ましい。
　ここに、溶接ワイヤの曲率半径が１５０ｍｍ未満ではワイヤの送給抵抗が大きくなって、安定して溶接ワイヤを送給することができず、アークを維持することが困難となる。一方、溶接ワイヤの曲率半径が３００ｍｍを超えると、給電チップ先端が曲がった状態でのワイヤの送給抵抗軽減に効果がないため、やはり安定して溶接ワイヤを送給することができず、アークを維持することが困難となる。
　従って、給電チップに送給する溶接ワイヤの曲率半径は１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは１７５ｍｍ以上２７５ｍｍ以下である。
溶接盛り高さＨ：底部開先ギャップＧの０．４倍以上１．０倍以下
　開先ギャップに対する１層当りの溶接盛り高さを適正に管理することにより、各パスでの溶け込みを含めた溶接ビード形状が一定となり、また開先面の安定した溶け込みを確保することが可能となる。さらに、より深い溶け込みを得るためにはより高い入熱が有効であるが、入熱が高くなりすぎると、溶接盛り高さが大きくなって、両側の開先面を均等に溶融することが困難になる。
　ここで、１層当りの溶接盛り高さが底部開先ギャップＧの０．４倍未満では、入熱が不足し、開先面の深い溶融が困難になるだけでなく、１パス当りの溶着量が不足して各層での溶接ビード形状が変化してしまう。一方、１層当りの溶接盛り高さが底部開先ギャップＧの１．０倍を超えると、１パス当りの溶着量が多くなりすぎ、両側の開先面を均等に溶融することができない。
　従って、溶接盛り高さは底部開先ギャップＧの０．４倍以上１．０倍以下とすることが好ましい。より好ましくは底部開先ギャップＧの０．５倍以上０．８倍以下である。
　なお、初層以外の層における溶接条件については、特に規定するものではないが、基本的には上記した初層の溶接条件と同様とすればよい。
シールドガス組成：ＣＯ２ガスを６０体積％以上
　溶接部の溶け込みは、アークそのものによるガウジング効果と高温状態にある溶接金属の対流によって支配されている。溶接金属の対流が内向きとなる場合、高温の溶接金属が上から下方向に対流するのでアーク直下の溶け込みが増す。一方、溶接金属の対流が外向きとなる場合、高温の溶接金属が中央から左右方向に対流し、溶接ビードが広がりを持つとともに開先面の溶け込みが増す。従って、本発明で目標とする厚鋼材の底部における溶融深さ：１．５ｍｍ以上を達成するには、溶接金属の対流を外向きとすることが好ましい。
　そのためには、溶接金属の湯流れを支配する酸素（Ｏ）と硫黄（Ｓ）の濃度の和を好ましくは４００質量ｐｐｍ以上（ただし、１０００質量ｐｐｍを超えると溶接金属の靭性確保が困難となるため、１０００質量ｐｐｍ以下）にする必要がある。
　ここに、溶接金属中の酸素量は、シールドガス組成にも大きく影響を受けることから、シールドガス組成としては、ＣＯ２ガスを６０体積％以上、残りをＡｒ等の不活性ガスとして含有する混合ガスを使用することが好ましい。特に好ましくはＣＯ２ガス：１００体積％である。
　また、溶接部の溶け込みは、アークの指向性およびガウジング効果にも影響される。従って、溶接の極性は、アークの指向性およびガウジング効果のより大きいワイヤマイナス（正極性）とすることが好ましい。
　上記以外の条件については、特に規定する必要はなく、定法に従えばよい。例えば、溶接電流：２８０~３６０Ａ、溶接電圧：３２~３７Ｖ（電流とともに上昇）、溶接速度：３０~８０ｃｍ／分、ワイヤ突き出し長さ：１５~３０ｍｍ、ワイヤ径：１．２~１．６ｍｍ、１パス当りの溶接入熱：１０~２５ｋＪ／ｃｍとすればよい。
　表１に示す開先形状の鋼材について、表２に示す溶接条件で狭開先ガスシールドアーク溶接を施した。
　なお、鋼材の開先加工には、ガス切断を用い、開先面には研削等の手入れは行わなかった。また、開先面の最大凹部深さはレーザ変位計を用いて測定した。
　すなわち、図４に示すように、測定点の最も高い凸部と最も低い凹部をそれぞれ通り、全ての測定点をその間に含む２本の平行線とその中間線を引く。ここで、凹部とはこの中間線より低い部分であり、開先面の凹部深さとは、凹部と中間線との距離とした。開先面の最大凹部深さとは、この凹部深さの最大値である。
　測定結果を表１に併せて示す。
　かくして得られた溶接継手を５断面で切り出し、各断面で底部の溶融幅を測定した。そして、各断面について、測定した溶融幅から底部開先ギャップ分の長さを減じ、この値を２で除することにより、溶融深さを測定し、その平均値を求めた。この値を鋼材の底部における溶融深さとした。
　また、得られた溶接継手について、超音波探傷検査を実施し、次のように評価した。
　◎：検出欠陥なし
　○：欠陥長さか３ｍｍ以下の合格欠陥のみを検出
　×：欠陥長さが３ｍｍを超える欠陥を検出
　これらの結果も併せて表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示したとおり、発明例であるＮｏ．１~１２では、いずれも鋼材の底部における溶融深さが１．５ｍｍ以上であり、また超音波探傷検査では検出欠陥がないか、あっても欠陥長さが３ｍｍ以下であった。
　一方、比較例であるＮｏ．１３~１７はいずれも、鋼材の底部における溶融深さが１．５ｍｍに満たず、また超音波探傷検査においては、欠陥長さが３ｍｍ超の欠陥が検出された。
　また、図５に、発明例であるＮｏ．７の初層溶接後の開先断面写真を示す。図中（１）、（２）は、それぞれ１および２パス目の溶接ビードを示す。同図より、厚鋼材の底部における溶融深さは、１パス目の溶接で３．２ｍｍ程度、２パス目の溶接では２．４ｍｍ程度であり、厚鋼材の底部における開先面の両側で良好な溶融深さが得られていることがわかる。
　１：厚鋼材
　２：厚鋼材の開先面
　３：底部開先
　４：溶接トーチの給電チップ
　５：溶接ワイヤ
　６：裏当て材
　７：溶接ビード
　θ：底部開先角度
　Ｇ：底部開先ギャップ
　ｈ：底部開先高さ
　ｔ：板厚
　φ：溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度
　ｄ：底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と厚鋼材の開先面との距離
　Ｐ：厚鋼材の底部における溶融深さ
　Ｈ：溶接平均盛り高さ

Claims (5)

  1. 　底部開先角度を１０°以下、底部開先ギャップを７ｍｍ以上１５ｍｍ以下とし、板厚が２２ｍｍ以上である厚鋼材を、狭開先の多層溶接により接合するガスシールドアーク溶接方法において、
    　初層溶接を２パス以上として各パスを底部開先ギャップの両側に振り分け、さらに溶接トーチ先端の給電チップから供給する溶接ワイヤの供給角度を垂線に対して５°以上１５°以下の範囲に制御することにより、上記厚鋼材の底部における溶融深さを１．５ｍｍ以上とする狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
  2. 　前記初層溶接において、底部開先における溶接ワイヤの先端の側端部と前記厚鋼材の開先面との距離を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とする請求項１に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
  3. 　前記初層溶接において、給電チップに送給する溶接ワイヤとして、曲率半径が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下となる範囲で湾曲させたワイヤを用いる請求項１または２に記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
  4. 　前記初層溶接において、溶接盛り高さを前記底部開先ギャップの０．４倍以上１．０倍以下とする請求項１~３のいずれかに記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
  5. 　前記狭開先ガスシールドアーク溶接におけるシールドガスとして６０体積％以上のＣＯ２ガスを含有した混合ガスを用いる請求項１~４のいずれかに記載の狭開先ガスシールドアーク溶接方法。
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