特許 6794742 厚鋼板のアーク溶接方法とその方法を実施する冶具及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6794742

(24)【登録日】2020年11月16日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】厚鋼板のアーク溶接方法とその方法を実施する冶具及び装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/16 20060101AFI20201119BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20201119BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/16 M

   B23K9/173 A

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-188685(P2016-188685)

(22)【出願日】2016年9月27日

(65)【公開番号】特開2018-51577(P2018-51577A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2019年4月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100113918

【弁理士】

【氏名又は名称】亀松 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100140121

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 朝幸

(72)【発明者】

【氏名】藤山 直人

(72)【発明者】

【氏名】松延 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】藤原 京平

(72)【発明者】

【氏名】爲實 巧

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６４−０８７０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−００１５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−１４６５７６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５３−１４７６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０２９０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３６４６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／１６

Ｂ２３Ｋ ９／１７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、直径３．２〜６．４ｍｍの複数の電極ワイヤを用い、溶接部にシールドガスを流しながらアーク溶接する溶接方法であって、
前記アーク溶接する際に、前記溶接部を覆うようにシールド冶具を前記厚鋼板に設置し、前記シールド冶具は、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記箱体内にシールドガスを供給するシールドガス供給部を有し、前記シールド冶具内にシールドガスを流しながら、前記シールド冶具内に前記電極ワイヤを挿入してアーク溶接を行うことを特徴とする溶接方法。

【請求項2】

厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、直径３．２〜６．４ｍｍの複数の電極ワイヤを用い、溶接部にシールドガスを流しながらアーク溶接する溶接方法であって、
前記アーク溶接する際に、前記溶接部を覆うようにシールド冶具を前記厚鋼板に設置し、前記シールド冶具は上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプを有し、前記シールド冶具内にシールドガスを流しながら、前記シールド冶具内に前記電極ワイヤを挿入してアーク溶接を行うことを特徴とする溶接方法。

【請求項3】

厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、直径３．２〜６．４ｍｍの複数の電極ワイヤを用い、溶接部を覆うようにシールド冶具を前記厚鋼板に設置し、前記シールド冶具内にシールドガスを流しながら、前記シールド冶具内に前記電極ワイヤを挿入してアーク溶接を行う溶接方法の実施に使用するシールド冶具であって、
上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記箱体内にシールドガスを供給するシールドガス供給部を有することを特徴とするシールド冶具。

【請求項4】

厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、直径３．２〜６．４ｍｍの複数の電極ワイヤを用い、溶接部を覆うようにシールド冶具を前記厚鋼板に設置し、前記シールド冶具内にシールドガスを流しながら、前記シールド冶具内に前記電極ワイヤを挿入してアーク溶接を行う溶接方法の実施に使用するシールド冶具であって、
上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプを有することを特徴とするシールド冶具。

【請求項5】

直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤに通電できる通電チップを先端部に有する通電ノズルを複数備えたアーク溶接機と、溶接部に設置されるシールド冶具であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記箱体内にシールドガスを供給するシールドガス供給部からなるシールド冶具を備えることを特徴とする溶接装置。

【請求項6】

直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤに通電できる通電チップを先端部に有する通電ノズルを複数備えたアーク溶接機と、溶接部に設置されるシールド冶具であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプからなるシールド冶具を備えることを特徴とする溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、厚鋼板を多電極で高能率にアーク溶接する方法とその方法を実施する冶具及び装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

厚鋼板の溶接には、高効率で溶接ができるサブマージアーク溶接が主に用いられている。
近年では、世界的な景気後退や諸外国との価格競争の激化などの要因よって溶接コストの削減が非常に重要な課題となっており、特に、サブマージアーク溶接では、フラックスを多量に使用するため、それに要するコストが問題となっている。このため、サブマージアーク溶接と同等の効率性を有し、かつ、溶接材料コストの削減を達成できる溶接方法の開発が求められている。

【0003】

フラックスの使用量を低減あるいは削減して、厚鋼板を高能率に溶接できるとされる技術として特許文献１、２に示すような技術がある。
特許文献１には、鋼板の突き合わせ部にガスシールドアーク溶接を行ない、ガスシールドアーク溶接の後方でサブマージアーク溶接を行なう複合溶接方法に関して、ガスシールドアーク溶接を２電極以上で行なうとともにガスシールドアーク溶接の第１電極でワイヤ径１．４〜２．４mmの溶接用ワイヤを使用し、かつ第１電極の電流密度を３２０Ａ／mm²以上とするとともに、前記ガスシールドアーク溶接の最後尾の電極と前記サブマージアーク溶接の第１電極との電極間距離を４０〜１００mmとする技術が開示されている。

【0004】

特許文献２には、板厚１２ｍｍ以上の鋼板を、直径３ｍｍ以上のソリッドワイヤを用いて、Ａｒ＋ＣＯ_２の混合ガス雰囲気中で、鋼板表裏面を各１パスでガスシールドアーク溶接する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−２２１２９８号公報

【特許文献2】特公昭５４−３１７５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の技術は、依然としてフラックスを用いるサブマージアーク溶接が実施されており、コストの改善の点では十分でない。
また、特許文献２では、フラックスを用いていないが、太径のワイヤを取り扱えるガスシールド溶接トーチを準備する必要があるという問題がある。

【0007】

そこで、本発明は、厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接機が使用でき、かつ、多電極サブマージアーク溶接で用いる溶接条件を大きく変更することなく、フラックスを用いないで、ガスシールドアーク溶接できる技術を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明では、そのような課題に対して、既存の厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接機を用い、フラックスを散布することなく、溶接部をシールド冶具で覆って、該冶具内のシールド雰囲気維持した状態でアーク溶接することによって上記課題を解決した。
そのような本発明の要旨は、以下のとおりである。

【0009】

（１）厚みが１０ｍｍ以上の厚鋼板を、直径３．２〜６．４ｍｍの複数の電極ワイヤを用い、溶接部にシールドガスを流しながらアーク溶接する溶接方法であって、
前記アーク溶接する際に、前記溶接部を覆うようにシールド冶具を前記厚鋼板に設置し、前記シールド冶具内にシールドガスを流しながら、前記シールド冶具内に前記電極ワイヤを挿入してアーク溶接を行うことを特徴とする溶接方法。

【0010】

（２）上記（１）記載の溶接方法の実施に使用するシールド冶具であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記箱体内にシールドガスを供給するシールドガス供給部を有することを特徴とするシールド冶具。
（３）上記（１）記載の溶接方法の実施に使用するシールド冶具であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプを有することを特徴とするシールド冶具。

【0011】

（４）直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤに通電できる通電チップを先端部に有する通電ノズルを複数備えたアーク溶接機と、溶接部に設置されるシールド冶具であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記箱体内にシールドガスを供給するシールドガス供給部からなるシールド冶具を備えることを特徴とする溶接装置。
（５）直径３．２〜６．４ｍｍの電極ワイヤに通電できる通電チップを先端部に有する通電ノズルを複数備えたアーク溶接機と、溶接部に設置されるシールド冶具であって、上面部と側壁部よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、前記上面部に前記電極ワイヤが挿通できるスリットを有する箱体と、前記スリットの位置で分割され、前記スリットを覆うように前記箱体に載置される可撓性を有する耐熱ブランケットと、前記側壁部を貫通して前記箱体内に配置されるシールドガス供給パイプからなるシールド冶具を備えることを特徴とする溶接装置。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、厚鋼板の溶接において、フラックスの使用が不要となり、溶接材料コストを大幅低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の概要を説明するための図である。

【図2】シールド冶具の概略を示す図であり、図２ａは上面図、図２ｂ〜２ｄは側面図である。

【図3】シールド冶具の箱体上に断熱ブランケットを載置した状態を示す図であり、図３ａは上面図、図３ｂは側面図である。

【図4】本発明により形成されたビード外観示す写真を用いた図である。

【図5】本発明により形成されたビードのＸ線画像を示す写真を用いた図である。

【図6】溶接ビード断面を示す写真を用いた図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の基本的な実施の形態を、図面を用いて説明する。
本発明では、図１にその概要を示すように、基本的に、既存の多電極サブマージアーク溶接機１を用いて、溶接部にフラックスを散布することなく、溶接部をシールド冶具１０で囲い、該シールド冶具内に、多電極サブマージアーク溶接機１に付属の通電ノズル２を挿入し、シールドガス１５を、シールドガス供給部１６を介してシールド冶具１０内に供給して、前記冶具１０内をシールドガス雰囲気に維持しつつ、アーク溶接機１を溶接しようとする鋼板（以後、母材鋼板という）２０間に形成された開先に沿って相対的に移動させて、開先を１パスあるいは多パスで溶接を行う。

【0015】

母材鋼板２０は１０ｍｍ以上の厚鋼板とし、その鋼板に形成された開先部に対し電極ワイヤ５を複数本用いて溶接を行う。
母材鋼板を１０ｍｍ以上としたのは、通常の多電極ガスシールドアーク溶接では、母材鋼板間に形成された開先内を１パス（一層盛り）で溶接できない厚みであるからである。板厚の上限は特に限定されない。例えば、板厚１００ｍｍの厚鋼板の場合、多パス溶接になるが、本発明では、フラックスを使用しないので、従来のサブマージアーク溶接のように１パスごとにスラグを除去する手間が省けるメリットがある。

【0016】

溶接機としては、電極ワイヤ５を送給・案内する通電ノズル２を支持装置３に複数本設けた多電極サブマージアーク溶接機１を用いる。電極ワイヤ５としては、通常の多電極サブマージアーク溶接と同様に、直径３．２〜６．４ｍｍのワイヤを用いる。このため、通電ノズル２の先端部に設けられ、電極ワイヤに溶接電流を通電する通電チップ４の内径もワイヤ径に応じて直径３．２〜６．４ｍｍの内径を有するものを用いる。
電極ワイヤの数は、図１では３本の例を示しているが、母材鋼板の板厚に応じて２〜５本の間で適宜選択できる。

【0017】

シールド冶具１０は、図１〜３に示すように、上面部１２と側壁部１３よりなり、下部が開放され、溶接方向に延伸し、上面部１２に前記電極ワイヤ５が挿通できるスリット１４を有する箱体１１と、スリット１４の位置で分割され、スリット１４を覆うように箱体１１上に載置されるセラミックファイバー製の耐熱ブランケット１８、１８と、箱体内に配置されるシールドガス供給部１６を備える。シールドガス供給部１６は、箱体内にシールドガスが供給され、アークおよび溶融金属を大気から遮蔽（シールド）するための部品であり、例えば、ガス供給装置と接続されるノズルなどである。箱体の側壁部１３を貫通して、溶接方向に沿って箱体内に配置されるようにシールドガス供給パイプ１７を備えるようにしてもよい。

【0018】

箱体１１は、上面部１２を構成する天板や側壁部１３を構成する４方の側壁に鋼板を用いて箱状に形成されたもので、母材鋼板の溶接部に形成された開先を覆う幅を有し、好ましくは開先部の長手方向を全て覆うことができる長さを有するように形成される。しかし、箱体の長手方向の長さは、取扱い性を考慮して最大で５ｍ程度とすることが好ましい。側壁部１３の高さは、少なくとも通電ノズルの先端が箱体内に挿入される高さであればよい。
具体的なサイズとしては、幅方向：２０〜３０ｍｍ、高さ方向３０〜５０ｍｍ、長さ方向：最大５ｍが例示される。

【0019】

箱体１１の上面部１２の幅方向中央には箱体の長手方向にスリット１４が形成される。このスリット１４は、箱体内に通電ノズルを挿入するためのもので、その間隔は、通電ノズル２の外径に多少のゆとりを持たせたものとする。

【0020】

スリット１４は、上面部１２を形成する天板２枚を、スリットの幅を残して、側壁部１３上に配置することにより形成することができる。またスリットの長さは、箱体の長手方向全長にわたって形成されるが、端部は、多少スリットのない部分があってもよい。
上面部１２を構成する天板は、電極ワイヤ５の先端を溶接スタート位置にセットする際に目視できるようにするため、側壁部１３から取り外し可能なように取付けられるのが好ましい。

【0021】

このように箱体１１の上面にスリット１４が設けられるため、そのままではスリットからシールドガスが流出する。そのため、耐熱・耐火性で可撓性のある、例えばセラミックファイバー製の耐熱ブランケット１８を箱体１１の上面に載置して、スリット１４からのシールドガスの流出を少なくする。図３では、ブランケット１８を２分割し、スリット１４の幅方向中央にブランケットの合わせ目１９が位置するように配置した例を示す。なお、ブランケットのスタート側の端部は、分離しないようにすることもできる。

【0022】

箱体１１には、内部をシールドガス雰囲気にするためのシールドガス供給パイプ１７を、通電ノズルと干渉しない位置に配置するとよい。
図２、３では、長尺のパイプに多数のガス吹出し口を設けたシールドガス供給パイプ１７を用い、そのパイプ１７を、箱体長手方向（図面左側の）端部の側壁を貫通して、箱体長手方向に沿って、開先を挟んで２箇所に配置した例を示す。

【0023】

シールドガス供給パイプ１７の長さは、箱体の長手方向長さと同程度にすることが好ましい。また、このパイプ１７の本数や配置位置は特に限定されるものではないが、シールド性の観点からは、図のように１本よりは２本にするほうが好ましく、箱体内の上方に設けるほうが好ましい。

【0024】

厚鋼板の溶接にあたっては、シールド冶具の箱体１１を、突合せて配置された鋼板間に形成された開先を囲むように母材鋼板２０上にセットする。その際、スリット１４の位置と開先位置が合致するようにする。また、母材鋼板２０の端部には当て板２１を設けて、箱体１１の長手方向の端部を当て板２１で支持して、開先端部から溶接を開始できるようにする。

【0025】

次に、アーク溶接機１の通電ノズル２を箱体のスリット１４を通して箱体内に挿入し、電極ワイヤ５の先端をスタート位置にセットする。その後、ガス供給パイプ１７からシールドガスを箱体内に所定時間流して箱体内をシールドガスで置換した後、溶接をスタートし、箱体１１内のシールドガス雰囲気を維持しながら開先内を溶接する。

【0026】

溶接条件としては、通常の多電極サブマージアーク溶接の条件を採用することができる。
本発明では、フラックスを用いないため、スパッタの発生は避けられない。スパッタの発生を少なくするには、少なくとも先行電極は、サブマージアーク溶接で通常用いられているアーク電圧より低い電圧にして、アークをいわゆる埋もれアークの状態にすることが望ましい。

【0027】

シールドガスは、種々のガスを用いることができるが、Ａｒ単独のガスあるいは、ＡｒとＣＯ_２の混合ガスを用いることが好ましい。Ａｒ単独の場合はアークの安定する条件範囲が狭いので、Ａｒと１０〜３０体積％ＣＯ_２の混合ガスが特に好ましい。
シールドガスの供給量は、箱体内部がシールドガス雰囲気に維持できる量であればよく、例えば、毎分２００mlが例示できる。

【0028】

以上説明した実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、上記以外の実施の形態も実施可能である。
次に、本発明の実施可能性及び効果を確認するために実施例を示す。

【実施例】

【0029】

厚鋼板に底部角度が７０°で深さ６．５mmのＶ溝からなる開先加工を施し、図２、３に示すシールド冶具で開先をカバーした状態で、溶接前に２００l/minの流量で５分間、冶具内にシールドガスを流して冶具内の雰囲気をシールドガスで置換した後、直径４．０mmのワイヤ電極を３本用いて、表１に示す溶接条件を用いて、開先内を１パスで溶接した。これらの条件は、同じ開先を３電極でサブマージアーク溶接する際に採用される条件と同様の条件である。
シールドガスとして、ＡｒにＣＯ_２を２０体積％混合した混合ガスを用い、溶接中、２００l/min×５minの量で流した。

【0030】

溶接後のビード外観の写真を図４に、ビードをＸ線で撮影した写真を図５に、ビード断面の写真を図６に示す。これらの写真に示されるように、本発明による方法では、サブマージアーク溶接で得られるビード形状と同等のものが得られた。また、ビード内部に欠陥も認められなかった。
以上より、本発明によれば、厚板溶接用の多電極サブマージアーク溶接用の溶接装置を使用し、かつ、多電極サブマージアーク溶接で用いる溶接条件を大きく変更することなく、フラックスを用いないで、ガスシールドアーク溶接できることが確認された。

【0031】

【表1】

【符号の説明】

【0032】

１ 多電極サブマージアーク溶接機
２ 通電ノズル
３ 通電ノズル支持装置
４ 給電チップ
５ 電極ワイヤ
１０ シールド冶具
１１ 箱体
１２ 箱体の上面部
１３ 箱体の側壁部
１４ スリット
１５ シールドガス
１６ シールドガス供給部
１７ シールドガス供給パイプ
１８ 耐熱ブランケット
１９ 耐熱ブランケットの合わせ目
２０ 厚鋼板
２１ 当て板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】