特開 2024-60331 埋もれアーク溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024060331

(43)【公開日】2024-05-02

(54)【発明の名称】埋もれアーク溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/173 20060101AFI20240424BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20240424BHJP

【ＦＩ】

B23K9/173 A

B23K9/095 501A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022167640

(22)【出願日】2022-10-19

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】馬塲 勇人

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 友也

【テーマコード（参考）】

4E001

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB08

4E001BB09

4E001CA01

4E001DD02

4E001DE04

4E001EA01

4E001EA04

4E001EA05

(57)【要約】

【課題】溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる埋もれアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】マンガンを含有する溶接ワイヤを用いた消耗電極式の埋もれアーク溶接方法であって、アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて、母材を溶接する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マンガンを含有する溶接ワイヤを用いた消耗電極式の埋もれアーク溶接方法であって、
アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて、前記母材を溶接する
埋もれアーク溶接方法。

【請求項2】

前記溶接ワイヤのマンガン含有量は、前記母材のマンガン含有量よりも低い
請求項１に記載の埋もれアーク溶接方法。

【請求項3】

前記溶接ワイヤのマンガン含有量は、１．４重量％未満である
請求項２に記載の埋もれアーク溶接方法。

【請求項4】

前記溶接ワイヤに平均電流３００Ａ以上、６５０Ａ以下の溶接電流を供給し、２５ｋＪ／ｃｍ以上、６５ｋＪ／ｃｍ以下の溶接入熱で前記母材を溶接する
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の埋もれアーク溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、埋もれアーク溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

厚板の溶接には、高電流条件でのＧＭＡ（Gas Metal Arc）溶接が用いられており、消耗電極である溶接ワイヤは、溶接金属の強度及びじん性を向上させるマンガン（Ｍｎ）を含んでいる（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－０７５８３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、高電流条件での溶接においては、溶接継手の機械的性能の低下が問題となる。その原因のひとつとして、溶接金属中のマンガン元素濃度の低下がある。
鉄鋼材料において、マンガンは引張強さを向上させる元素として知られており、例えばＪＩＳ Ｇ ３１３６におけるＳＮ４９０Ｂ鋼には、最大１．６５％のマンガンが添加される。
また、溶接において、マンガンには脱酸元素としての役割もある。溶接金属中に酸素が混入すると、機械的特性が悪化することが知られている。これに対し、マンガンが酸素と結合してスラグ又はヒュームとなり、溶接金属外部に排出されることで、溶接金属中の酸素量を低減させることができる。したがって、溶接ワイヤにおいては、脱酸材としてのマンガンの消費を考慮しつつ、溶接金属の引張強さを確保するために、母材よりもマンガン濃度が大きい場合が多い。
スラグ又はヒュームとしてのマンガンの排出は、溶接電流又は溶接入熱が大きくなるほど、多くなる。これは、溶融金属が高温で長期間保持され、酸化しやすくなることによる。したがって高電流溶接では、溶接金属中のマンガン濃度が低下しやすく、それに伴って引張強さが低下しやすい。加えて、近年、スラグ又はヒューム中のマンガンにより健康被害が生じる可能性が指摘され、規制が強化されており、スラグ又はヒューム中へのマンガンの排出はこの観点でも好ましくない。
以上より、溶接金属の引張強さの低下防止と、健康被害リスク低減の２つの観点から、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制する必要がある。

【0005】

本開示の目的は、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる埋もれアーク溶接方法を提供することになる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る埋もれアーク溶接方法は、マンガンを含有する溶接ワイヤを用いた消耗電極式の埋もれアーク溶接方法であって、アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて、前記母材を溶接する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る消耗電極式のアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。

【図2】埋もれアークの溶接条件を示す模式図である。

【図3】本実施形態に係る埋もれアーク溶接と、一般的な直流溶接とを比較した、溶接金属中のマンガン濃度を示す棒グラフである。

【図4】本実施形態に係る埋もれアーク溶接と、一般的な直流溶接とを比較した、溶接金属の引張強さを示す棒グラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の実施形態に係る埋もれアーク溶接方法を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

【0010】

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。本実施形態に係る溶接方法は、埋もれアーク溶接を用いて溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制するものである。

【0011】

＜アーク溶接装置＞
図１は、本実施形態に係る消耗電極式のアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、ＧＭＡ（Gas Metal Arc）を行う溶接機であり、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給装置３を備える。

【0012】

トーチ２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内するとともに、アークの発生に必要な溶接電流Ｉｗを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ５に接触し、溶接電流Ｉｗを溶接ワイヤ５に供給する。また、トーチ２は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。

【0013】

溶接対象である母材４は、鉄鋼材料、例えば建築構造用の鉄鋼材料であり、引張強さを向上させるための元素として、マンガンを含有している。

【0014】

溶接ワイヤ５は、例えばソリッドワイヤであり、マンガンを含有する。溶接ワイヤ５のマンガン含有率は、母材４のマンガン含有量よりも低く、１．４重量％未満である。溶接ワイヤ５の直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。

【0015】

ワイヤ送給装置３は、溶接ワイヤ５をトーチ２へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給装置３は、送給ローラを回転させることによって、ワイヤリールから溶接ワイヤ５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチ２へ供給する。なお、かかる溶接ワイヤ５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

【0016】

溶接電源１は、給電ケーブルを介して、トーチ２のコンタクトチップ及び母材４に接続され、溶接電流Ｉｗを供給する電源部１１と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御部１２とを備える。なお、電源部１１及び送給速度制御部１２を別体で構成しても良い。電源部１１は、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路１１ａ、制御回路１１ｂ、電圧検出部１１ｃ、電流検出部１１ｄを備える。

【0017】

電圧検出部１１ｃは、溶接電圧Ｖｗを検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号Ｖｄを制御回路１１ｂへ出力するセンサである。

【0018】

電流検出部１１ｄは、例えば、溶接電源１からトーチ２を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アークを流れる溶接電流Ｉｗを検出し、検出した電流値を示す電流値信号Ｉｄを制御回路１１ｂへ出力するセンサである。

【0019】

電源回路１１ａは、商用交流を交直変換するＡＣ－ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。制御回路１１ｂは、設定された溶接条件、検出された溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗに基づいて、電源回路１１ａのインバータ回路をＰＷＭ制御する。母材４及び溶接ワイヤ５間には、所用の溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

【0020】

トーチ２側に設けられた手元操作スイッチが操作された場合、トーチ２は溶接電源１へ出力指示信号を出力する。出力指示信号は、図示しない制御通信線を介して溶接電源１に入力され、制御回路１１ｂは、当該出力指示信号をトリガにして、電源回路１１ａに溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの出力を開始させる。

【0021】

＜溶接方法と溶接条件＞
接金属外部へのマンガンの排出を抑制するための溶接方法として、本実施形態においては、埋もれアーク溶接を用いる。以下、接金属外部へのマンガンの排出を抑制する埋もれアーク溶接及び溶接条件について説明する。

【0022】

図２は、埋もれアークの溶接条件を示す模式図である。溶接ワイヤ５に大電流を供給すると、図２に示すように、母材４に凹状の溶融部分４ａが形成され、溶接ワイヤ５の先端部が溶融部分４ａによって囲まれた空間に進入する。以下、凹状の溶融部分４ａによって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤ５と、母材４又は溶融部分４ａとの間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。

【0023】

埋もれアーク溶接では、一般的な直流溶接と比較して、マンガンのヒュームの発生量が小さくなる。これは、図２に示すように、埋もれアーク溶接においては、高温の溶滴及びアークの周囲の大部分が、溶融金属（凹状の溶融部分４ａ）によって覆われるためである。

【0024】

溶滴移行形態は、ドロップ移行を含むグロビュール移行、又は、振り子様の移行若しくはローテーティング移行を含むスプレー移行、又はそれらの複合した溶滴移行形態である。埋もれアーク溶接の溶接条件を満たせば、上記のような溶滴移行形態となる。
これらの以外の溶滴移行形態、例えば短絡移行においては、短絡後にアークが再点弧する際にヒュームが発生しやすく、かつその頻度が高いため、ヒューム量が多く、ヒュームへのマンガン排出量が多くなる。

【0025】

図２に示すグラフの横軸は溶接電流Ｉｗ、縦軸は溶接電圧Ｖｗを示している。埋もれアーク溶接を実現する溶接条件は、溶接電流Ｉｗの平均電流が３００Ａ以上、好ましくは３００Ａ以上６５０Ａ以下である。溶接電流Ｉｗが３００Ａ未満になると、アーク圧力が弱くなり、溶融金属を押し下げることができず、埋もれアーク溶接を維持することができなくなる。溶接電流Ｉｗが６５０Ａを超えると、入熱量の増大によってスラグ及びヒュームの発生量が多くなるため、埋もれアーク溶接であっても、スラグ又はヒューム中へのマンガンの排出を抑制する効果が小さくなる。

【0026】

より好ましくは、溶接電流Ｉｗは３００Ａ以上であり、かつ電流振幅制御又は電流波形制御の適用が望ましい。３００Ａ以上の埋もれアーク溶接に、電流振幅制御又は電流波形制御を適用すると、外乱等の影響により意図せず生じる不規則な短絡が低減され、アーク再点弧時のヒューム発生を抑制できる。具体的には、平均溶接電流が３００Ａ以上、周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、電流振幅が５０Ａ以上の条件で溶接電流Ｉｗを周期的に変動させるとよい。なお、上記周波数は、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下である。また、上記電流振幅は、好ましくは、１００Ａ以上５００Ａ以下、より好ましくは２００Ａ以上４００Ａ以下である。

【0027】

溶接電圧Ｖｗ（アーク電圧）は、溶接条件等によって変化する上限電圧が存在する。上限電圧は、埋もれアークを維持できる上限の電圧であり、その電圧を超えると、埋もれアーク溶接でなく、通常の直流溶接となる臨界電圧である。上限電圧は、溶接電流Ｉｗの増加関数であり、溶接電流Ｉｗが大きくなる程、高くなる。この上限電圧よりも約４Ｖ低い電圧が下限電圧である。下限電圧より低い電圧では、溶接ワイヤ５の先端位置の下降に伴い、溶接ワイヤ５と溶融池との短絡が頻発し、アーク再点弧時のヒューム発生量が増加するとともに、溶接安定性も低下する。

【0028】

なお、上限電圧及び下限電圧は、溶接ワイヤ５の種類、ワイヤ径、溶接電流Ｉｗ、ワイヤ突出し長さ、開先形状、溶接速度、溶接電源二次側の負荷状態等の様々な影響を受けて変化するが、溶接電流Ｉｗと溶接電圧Ｖｗの関係は概ね図２に示した通りである。

【0029】

溶接入熱は、２５ｋＪ／ｃｍ以上、６５ｋＪ／ｃｍ以下である。溶接入熱がこの範囲内になるように、溶接電流Ｉｗ又は溶接速度等を調整する。溶接入熱が２５ｋＪ／ｃｍを下回ると、入熱が小さいために、通常の直流溶接でもマンガンの排出が少なく、問題にならない。溶接入熱が６５ｋＪ／ｃｍを上回ると、上述の通り、入熱量の増大によってスラグ及びヒュームの発生量が多くなるため、埋もれアーク溶接であっても、スラグ又はヒューム中へのマンガンの排出を抑制する効果が小さくなる。また、溶接入熱の上限は、より好ましくは、４０ｋＪ／ｃｍである。これはＧＭＡ溶接における一般的な入熱制限指標のひとつであり、溶接金属や熱影響部を含めた溶接継手のじん性を十分確保する観点から、溶接入熱を４０ｋＪ／ｃｍ以下にすることがより望ましい。

【0030】

以上の溶接条件を満たす埋もれアーク溶接によれば、スラグ又はヒュームへのマンガン排出を低減することができる。溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制する埋もれアーク溶接方法は、新しい知見である。

【0031】

（比較実施例）
溶接ワイヤ５としてワイヤ径１．４ｍｍのソリッドワイヤ（ＹＧＷ１８）を用い、シールドガスとして炭酸ガスを用いて、溶接入熱は３８ｋＪ／ｃｍの条件で、一般的な直流溶接（非埋もれアーク溶接）と埋もれアーク溶接でそれぞれ溶接を行う。溶接電流Ｉｗは、一般的な直流溶接の場合は４００Ａであり、埋もれアーク溶接の場合は４３０Ａである。アーク電圧は、一般的な直流溶接の場合は４１Ｖであり、埋もれアーク溶接の場合は３８Ｖである。溶接速度は、２６ｃｍ／分とする。埋もれアーク溶接には、安定化のために、上記の電流振幅制御又は電流波形制御を適用する。母材４はＳＮ４９０Ｂとし、板厚２５ｍｍ、開先角度３５°の突合せ溶接継手を溶接する。裏当ては板厚９ｍｍのＳＮ４９０Ｂとする。

【0032】

図３は、本実施形態に係る埋もれアーク溶接と、一般的な直流溶接とを比較した、溶接金属中のマンガン濃度を示す棒グラフである。一般的な直流溶接（非埋もれアーク溶接）では溶接金属中のマンガン濃度が約１．１％であるのに対して、本実施形態の埋もれアーク溶接では溶接金属中のマンガン濃度が約１．３％と大きい。つまり、本実施形態の埋もれアーク溶接においては、スラグ又はヒュームからのマンガンの排出が抑制されている。なお、０．１％オーダのマンガン濃度の差異は非常に大きなものである。

【0033】

図４は、本実施形態に係る埋もれアーク溶接と、一般的な直流溶接とを比較した、溶接金属の引張強さを示す棒グラフである。一般的な直流溶接（非埋もれアーク溶接）では引張強さが約５２５Ｍｐａ程度であるのに対して、本実施形態の埋もれアーク溶接では引張強さが約６００Ｍｐａ弱と大きい。これは、溶接金属中のマンガン濃度が大きいためである。

【0034】

以上の通り、本実施形態に係る埋もれアーク溶接方法によれば、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる。言い換えると、溶接金属中のマンガンの歩留まりを向上させることができる。これにより、溶接金属の引張強さの低下を抑制することができる。また同時に、スラグ及びヒューム中へのマンガンの排出が抑制され、溶接作業者の健康被害リスクを低減することができる。

【0035】

また、鉄鋼材料の母材４を溶接する際に使用する溶接ワイヤ５のマンガン濃度を母材４のマンガン濃度より低く抑えることができる。少なくとも溶接ワイヤ５のマンガン濃度を１．４重量％未満に抑えることができる。
マンガンの規制強化を受けて、今後は低マンガンワイヤの開発及び市場流通がいっそう活性化すると予想される。低マンガンワイヤでは溶接金属の引張強さが低下しやすいおそれがあるが、埋もれアーク溶接を組み合わせることで、引張強さの低下を抑制できる。

【符号の説明】

【0036】

１：溶接電源、２：トーチ、３：ワイヤ送給装置、４：母材、５：溶接ワイヤ、１１：電源部、１１ａ：電源回路、１１ｂ：制御回路、１１ｃ：電圧検出部、１１ｄ：電流検出部、１２：送給速度制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】