JP6803825B2 - 衝撃靱性に優れた超高強度ガスメタルアーク溶接継手を製造するためのソリッドワイヤ - Google Patents

衝撃靱性に優れた超高強度ガスメタルアーク溶接継手を製造するためのソリッドワイヤ Download PDF

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Description

本発明は、重装備、建設機械、海洋構造物、建築、橋梁、ラインパイプ等に用いられる高
強度鋼材に対してガスメタルアーク溶接(Gas−Metal Arc Welding
、以下、GMAWという)を施すことにより得られるガスメタルアーク溶接継手(Gas
−Metal Arc Welded Joint、以下、GMAW溶接継手という)を製造するためのガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ(以下、GMAW溶接用ソリッドワイヤ)に関するものである。
最近、船舶、橋梁、ラインパイプ及び海洋構造物等は付加価値を確保するために大型化が
行われている。また、超高層ビルの建設及び社会間接資本の建設が活発に行われている。
このための重装備及び建設機械のニーズが大きく増加している実情である。
このような構造物等は一回の事故で致命的な環境、人命、財産上の損失をもたらすので、
これに適用される鋼材には、超高強度、極厚物化、及び衝撃靱性が高い素材が用いられて
いるだけでなく、このような鋼材は完全且つ効率的な溶接を必要とする。特に大型溶接構
造物の安定性又は安全性を確保するためには、溶接部の衝撃靱性が何よりも重要な因子で
ある。
実際問題としては、溶接部の衝撃靱性の確保と並んで溶接生産性の向上が優先されなけれ
ばならない。よって、自動化及びロボット溶接が可能なGMAWが広く利用されている。
GMAWの場合は、概ね20kJ/cm程度に該当する入熱量が通常用いられている。
上述のような溶接継手を形成する溶接プロセス時には、溶接ワイヤは、溶融され、ベース
鋼材からの材質と希釈されて溶融プールを形成した後、溶融プールが凝固するに連れて粗
大な(coarse)柱状の微細構造(microstructure、以下、微細組織
という)を有する溶接継手が形成される。
このような溶接継手の微細組織は、溶接材料及び溶接施工時の入熱量によって変化する。
上述のように形成した溶接継手には、粗大なオーステナイト粒界に沿って、粗大な粒界フ
ェライト、ウィドマンステッテンフェライト(Widmanstaetten ferr
ite)、マルテンサイト、及び島状マルテンサイト(M−A、Martensite−
Austenite constituent)等の相が形成されるので、溶接継手は衝
撃靱性が最も劣化する部位である。
従って、溶接構造物の安定性を確保するためには、溶接後に形成される溶接継手の微細組
織を制御して溶接継手の衝撃靱性を確保する必要がある。
そのために、特許文献1では溶接材料の成分を規定することにより溶接構造物の安定性を
確保しようとしたが、これは溶接継手の微細組織、粒径等を直接制御するものではないの
で、このような溶接材料からは溶接継手の靱性を十分に得ることが困難である。
日本特許公開2011−170085号公報
本発明の一側面は、高強度鋼材をGMAW溶接するにあたり、衝撃靱性に優れた溶接継手を得ることができるGMAW用ソリッドワイヤを提供することにある。
本発明の一側面は、ソリッドワイヤの全体質量を基準に、炭素(C):0.03〜0.1%、シリコン(Si):0.1〜0.5%、マンガン(Mn):2.0〜3.0%、ニッケル(Ni):2.0〜3.5%、クロム(Cr):0.1〜0.6%、モリブデン(Mo):0.3〜1.0%、チタン(Ti):0.01〜0.05%、銅(Cu):0.1〜0.6%、ボロン(B):0.0005〜0.003%、アルミニウム(Al):0.001〜0.01%、窒素(N):0.005%以下、酸素(O):0.003%以下、リン(P):0.03%以下、硫黄(S):0.03%以下、並びに、残部が鉄(Fe)及びその他の不可避な不純物からなり、前記C、Si、Mnの含量(各々、同一文字C、Si、Mnで表わす。以下同様)、及び、前記Mo、Cr、Cu、Niの含量は各々、5≦(5C+Si+2Mn)≦7、12≦(Mo+2Cr+5Cu+4Ni)≦15を満たすGMAW用ソリッドワイヤを提供する。
本発明によると、超高強度物性を有するとともに、低温衝撃靱性に優れるガスメタルアー
ク溶接継手を製造できるガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを提供できる。
また、本発明者らは、研究及び実験を通じてGMAW溶接時に使用できるソリッドワイヤ
として、低温でも衝撃靱性に優れ、高強度の溶接継手の確保が可能な溶接ワイヤを提供で
きる合金元素の範囲を設定できる点に着目して本発明を完成させた。
以下、本発明の溶接継手を製造できるGMAW溶接用ソリッドワイヤについて詳細に説明する。
本発明者らは、既存の針状フェライト相のみでは溶接継手の強度を十分に確保できないことを確認した。また、母材強度向上に効果的な元素を添加するとともに、靱性の向上に効果的な微細組織が、針状フェライト、下部ベイナイト(lower_bainite)、
及びマルテンサイト組織を適正比率で含むように調整するならば、引張強さ900MPa
級以上の高強度溶接継手の衝撃靱性は、高強度及び高靱性の溶接継手を同時に賦与するレ
ベルに向上できる、という事実を発見した。
特に、GMAW溶接時に用いられるソリッドワイヤの成分を以下のように調整する場合、
目的を達成できることを確認して本発明を完成させた。
[1]GMAW溶接用ソリッドワイヤにMo、Cr、Mn元素を適正含量で組み合わせて
添加すると、溶接後の溶接継手の引張強さを向上できる。
[2]上記ワイヤに適正含量でCu、Ni、Tiを添加すると、GMAW用ソリッドワイ
ヤを用いた溶接継手内に針状フェライト及び下部ベイナイト組織が形成され、溶接継手の
靱性を向上できる。
以下、上記[1]及び[2]について具体的に説明する。
[1]Mo、Cr、Mn元素を最適量添加
本発明者らは、GMAW溶接用ソリッドワイヤにMo、Cr、Mn元素を適量添加すると
、GMAW溶接継手の強度を向上できるだけでなく、硬化性を向上した高靱性溶接継手を
確保できるという事実を見出した。
しかし、Mo、Cr、Mn元素は、多量添加するほど強度が急激に増加し、特に、、溶接
継手内の低温割れを誘発するので、過度な添加は好ましくない。従って、Cr、Mo、M
nの添加量をなるべく最少範囲に抑制して、GMAW溶接継手の微細組織を上述のように
制御するならば、引張強さを効果的に改善できる。
[2]Cu、Ni、Ti元素を最適量添加
本発明者らは、GMAW溶接用ソリッドワイヤにCu及びNiを組み合わせて添加させ、
適当量のTiを添加すると、GMAW溶接用ソリッドワイヤを利用して形成された溶接継
手には、針状フェライトへの変態を促進するTi複合酸化物が存在するという事実を見出
した。このようにして、高強度溶接継手の衝撃靱性を効果的に改善できる。
以下、本発明についてより詳細に説明する。
本発明の一側面によるGMAW溶接用ソリッドワイヤは、ソリッドワイヤの全体質量を基準として、炭素(C):0.03〜0.1%、シリコン(Si):0.1〜0.5%、マンガン(Mn):2.0〜3.0%、ニッケル(Ni):2.0〜3.5%、クロム(Cr):0.1〜0.6%、モリブデン(Mo):0.3〜1.0%、チタン(Ti):0.01〜0.05%、銅(Cu):0.1〜0.6%、ボロン(B):0.0005〜0.003%、アルミニウム(Al):0.001〜0.01%、窒素(N):0.005%以下、酸素(O):0.003%以下、リン(P):0.03%以下、硫黄(S):0.03%以下、並びに、残部が鉄(Fe)及び不可避な不純物からなる。
以下、本発明のGMAW溶接用ソリッドワイヤの成分の含量を上述のように限定した理由
について詳細に説明する。
C:0.03〜0.1%
炭素(C)は、溶接ワイヤの強度を確保するための必須の元素で、このような効果を十分
に得るためにはCを0.03%以上含む必要がある。しかし、その含量が多すぎて0.1
%を超過すると、熱処理時に脱炭(decarbonization)が行われるという
問題があるので好ましくない。
Si:0.1〜0.5%
シリコン(Si)は、脱酸素効果のために添加する元素で、その含量が0.1%未満であ
れば溶接ワイヤの脱酸素効果が不十分であり、溶融金属の流動性が低下するという問題が
ある。これに対し、0.5%を超過すると、ワイヤを制作するための伸線時に悪影響を及
ぼし、溶接金属内の島状マルテンサイト(M−A constituent)への変態を
促進して低温衝撃靱性を低下し、低温溶接割れ感受性に悪影響を及ぼすので好ましくない
Mn:2.0〜3.0%
マンガン(Mn)は、溶接ワイヤの強度を向上するのに必須の元素である。これを十分に
得るためには2.0%以上含有されることが好ましい。しかし、その含量が3.0%を超
過すると、溶接ワイヤの伸線時に悪影響を及ぼすので好ましくない。
Ni:2.0〜3.5%
ニッケル(Ni)は、固溶体強化によって母材の強度及び靱性を向上するので、本発明で
必須の元素である。このような効果を得るためにはNiが2.0%以上含有されることが
好ましい。しかし、その含量が3.5%を超過すると溶接時の溶接高温割れが発生する可
能性があるので好ましくない。
Cr:0.1〜0.6%
クロム(Cr)は、強度に寄与する元素としてよく知られている。その含量が0.1%未
満であれば上記強度の向上効果を期待することが難しい。但し、その含量が0.6%を超
過すると溶接継手の物性に悪影響を及ぼすので好ましくない。
Mo:0.3〜1.0%
モリブデン(Mo)は、溶接継手の強度向上に寄与する元素で、これを得るために0.3
%以上添加することが好ましい。但し、その含量が1.0%を超過すると溶接継手の靱性
に悪影響を及ぼすので好ましくない。
Ti:0.01〜0.05%
チタン(Ti)は、GMAW溶接用ソリッドワイヤに添加されると、溶接継手内において
酸素(O)と結合して微細なTi複合酸化物を形成するので、本発明で必須の元素である
。このような微細なTi複合酸化物の分散(均一分布)効果を得るために、GMAW溶接
用ソリッドワイヤ内のTi含量が0.01%以上であることが好ましい。しかし、その含
量が0.05%を超過すると、逆に粗大なTi複合酸化物が形成されて溶接継手の物性に
悪影響を及ぼすので好ましくない。
Cu:0.1〜0.6%
銅(Cu)は、強度を向上するのに効果的な元素で、その含量が0.1%未満であれば強
度の向上効果が僅かであるので好ましくない。但し、その含量が0.6%を超過すると、
高強度溶接継手の割れを惹起し、衝撃靱性に悪影響を及ぼすので好ましくない。
B:0.0005〜0.003%
ボロン(B)は、焼入性の向上に有利な元素で、粒界に偏析して粒界フェライトの変態を
抑制し、Ti複合酸化物にBNの形態で析出して粒内で針状フェライトの変態を促進する
。このような効果を得るためには、0.0005%以上添加することが好ましい。しかし
、その含量が0.003%を超過すると、その効果が飽和し、溶接硬化性が大きく増加し
てマルテンサイト変態を促進することにより溶接低温割れを発生させ、靱性を低下すると
いう問題があるので好ましくない。
Al:0.001〜0.01%
アルミニウム(Al)は、脱酸素剤としてGMAW溶接用ソリッドワイヤ内の酸素量を減
少するので本発明で必須の元素である。また、固溶窒素と結合して微細なAlN析出物を
形成する。このような効果を得るためにはAlを0.001%以上添加することが好まし
い。しかし、その含量が0.01%を超過すると粗大なAl2O3を形成して物性に不利
な影響を及ぼすので好ましくない。
N:0.005%以下
窒素(N)は、GMAW溶接用ソリッドワイヤに不可避に含有される元素で、その上限を
0.005%に管理することが好ましい。もし、Nの含量が0.005%を超過すると粗
大な窒化物が析出してGMAW溶接用ソリッドワイヤの伸線性又はその他の物性に不利な
影響を及ぼすため好ましくない。
O:0.003%以下
酸素(O)は、GMAW溶接用ソリッドワイヤに不純物として含有される元素である。も
し、その含量が0.003%を超過すると、他の元素と反応して粗大な酸化物を形成して
、GMAW溶接用ソリッドワイヤの伸線性又はその他の物性に不利な影響を及ぼすので好
ましくない。
P:0.03%以下
リン(P)は、溶接ワイヤに不純物として含有される元素で、溶接ワイヤの熱処理時に割
れ等に影響を及ぼすのでその含量を0.03%以下に管理することが好ましい。
S:0.03%以下
硫黄(S)は、溶接ワイヤに不純物として含有される元素で、粗大なMnSを形成して高
温割れを誘発するのでその含量を0.03%以下に管理することが好ましい。
上述の成分組成を満たす本発明のGMAW溶接用ソリッドワイヤは、上記添加される元素
のうちC、Si、及びMnの含量(各々、同一文字C、Si、Mnで表わす。以下同様)
からなる複合構成含量(5C+Si+2Mn)が、
5≦(5C+Si+2Mn)≦7
を満たすことが好ましい。
本発明において、複合構成含量(5C+Si+2Mn)が5未満であると、溶接時の溶融
金属が酸素と反応して酸化することから溶接継手に残存する合金成分の量が低くなるので
好ましくない。7を超過すると、溶接硬化性が増加して溶接後の溶接継手の低温割れが発
生し、衝撃靱性に悪影響を及ぼすので好ましくない。
また、本発明のGMAW溶接用ソリッドワイヤは、Mo、Cr、Cu、及びNiからなる
複合構成含量(Mo+2Cr+5Cu+4Ni)が、
12≦(Mo+2Cr+5Cu+4Ni)≦15
を満たすことが好ましい。
本発明において、でMo、Cr、Cu、及びNiからなる複合構成含量(Mo+2Cr+
5Cu+4Ni)が12未満であると、溶接後の溶接継手の衝撃靱性に悪影響を及ぼすの
で好ましくない。15を超過すると、溶接硬化性が増加しすぎて低温溶接割れ感受性が増
加するので好ましくない。
上記のように組成されるGMAW溶接用ソリッドワイヤを用いてGMAW溶接時に形成さ
れる溶接継手の機械的性質をさらに向上するために、GMAW溶接用ソリッドワイヤは、
以下のようにNb、V、及びWで構成される群より選択された1種又は2種以上をさらに
含むことができる。
Nb:0.001〜0.1%
ニオビウム(Nb)は、溶接継手における焼入性を向上するために添加する元素で、特に
Ar3変態の温度を低下して冷却速度が低い範囲でもベイナイト相の生成範囲を広げると
いう効果があるので、ベイナイト組織を得るのに有利である。これとともに強度の向上効
果を期待するためには、Nbを0.001%以上添加することが好ましい。しかし、その
含量が0.1%を超過すると、溶接時の溶接継手で島状マルテンサイトの形成を促進して
溶接継手の靱性に悪影響を及ぼすので好ましくない。
V:0.001〜0.1%
バナジウム(V)は、溶接継手においてVN析出物を形成してフェライトの変態を促進す
る元素である。このような効果を得るためには0.001%以上添加される必要がある。
しかし、その含量が0.1%を超過すると、溶接継手にカーバイド(carbide)の
ような硬化相が形成されて溶接継手の靱性に悪影響を及ぼすので好ましくない。
W:0.01〜0.5%
タングステン(W)は、溶接継手において高温強度を向上させ、析出強化に効果的な元素
である。このようなWの含量が0.01%未満であれば、強度の向上効果が僅かである。
これに対し、その含量が0.5%を超過すると溶接継手の靱性に悪影響を及ぼすので好ま
しくない。
また、本発明のGMAW溶接用ソリッドワイヤは、先行する(prior)オーステナイ
ト粒の成長を抑制するためにCa及びREMのうち1種又は2種をさらに含むことができ
る。
Ca:0.0005〜0.005%、及び/又は、REM:0.005〜0.05%
カルシウム(Ca)及び希土類元素(REM)は、本発明で選択的に添加される元素で、
溶接時のアークを安定させ、溶接継手内に酸化物を形成する。また、冷却過程でオーステ
ナイト粒の成長を抑制し、粒内フェライトへの変態を促進して溶接継手の靱性を向上する
上述の効果を得るために、Caは0.0005%以上、REMは0.005%以上含むこ
とが好ましい。しかし、その含量が各々0.005%、0.05%を超過すると、溶接ス
パッタ(spatter)が非常に多く発生して溶接作業性に悪影響を及ぼすので好まし
くない。このとき、REMとしてはセリウム(Ce)、ランタン(La)、イットリウム
(Y)、及びハフニウム(Hf)等の1種又は2種以上を用いてもよく、何れの場合も上
記効果を得ることができる。
本発明が提案するGMAW溶接用ソリッドワイヤは、上述の合金組成の他に、残部をなす
鉄(Fe)及びその他の製造工程上不可避に含有される不純物を含んで形成される。
また、本発明のGMAW溶接用ソリッドワイヤは、例えば、900℃以上の加熱炉で加熱
してから伸線して、最終の直径が約1.2mmであるワイヤとして製造される。
[実施例1]
真空溶解、熱処理及び伸線を通じて下記表1に示す成分組成を有するGMAW溶接用ソリ
ッドワイヤを製造した。このとき表1から導出される、上記GMAW溶接用ソリッドワイ
ヤの合金元素の複合構成含量を下記表2に示した。
上記製造された各々のソリッドワイヤを用いて約25kJ/cmの溶接入熱量を適用して
GMAW溶接を行い、溶接時の保護ガスとして100%のCO2を使用した。このとき、
溶接素材として引張強さ800MPa級の高強度構造用鋼材を用いて、上記GMAW溶接
後の溶接継手の成分組成を下記表3に示した。
上記GMAW溶接後に形成された溶接継手の機械的物性を測定し、その結果を下記表7に
示した。このとき、上記機械的物性を測定するための試験片は各溶接継手の中央部から採
取して、引張試験片は、韓国産業標準(KIS)規格の「KS B 0801 第4号」
に準じて製造した。
引張試験は、クロスヘッド速度(cross head speed)10mm/min
で実行した。
また、衝撃試験片は、韓国産業標準(KIS)規格の「KS B 0809 第3号」に
準じて加工した後、−20℃でシャルピー衝撃試験法に則って行った。また、各々形成された溶接継手の微細組織を光学顕微鏡で観察し、組織の種類及び分率についても共に示し
た。
Figure 0006803825
Figure 0006803825
Figure 0006803825
Figure 0006803825
上記表4に示すように、本発明によるGMAW溶接用ソリッドワイヤを用いてGAW溶接を行う場合(発明材1〜5)は何れの場合も、900MPa以上の高強度物性
を有するとともに衝撃靱性に優れた溶接継手を確保できた。
これに対し、ソリッドワイヤの成分組成が本発明の提案を満たさないワイヤを用いた場合(比較材1〜5)は、強度及び衝撃靱性のうち一つ以上の物性が劣位であった。特に、溶接継手の微細組織のうち針状フェライトの分率が十分に形成できなかったので、全ての場合で衝撃靱性が劣位であったことが確認できた。

Claims (4)

  1. ソリッドワイヤの全体質量を基準に、炭素(C):0.03乃至0.1%、シリコン(S i):0.1乃至0.5%、マンガン(Mn):2.0乃至3.0%、ニッケル(Ni) :2.0乃至3.5%、クロム(Cr):0.1乃至0.6%、モリブデン(Mo):0.3乃至1.0%、チタン(Ti):0.01乃至0.05%、銅(Cu):0.1乃至0.6%、ボロン(B):0.0005乃至0.003%、アルミニウム(Al):0.001乃至0.01%、窒素(N):0.005%以下、酸素(O):0.003%以下、リン(P):0.03%以下、硫黄(S):0.03%以下、並びに、残部が鉄(Fe)及び不可避な不純物からなり、前記C、Si、Mnの含量(各々、同一文字C、Si、Mnで表わす。以下同様)、及び、前記Mo、Cr、Cu、Niの含量は各々、
    5≦(5C+Si+2Mn)≦7、12≦(Mo+2Cr+5Cu+4Ni)≦15を満たす、ことを特徴とするガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
  2. 前記ワイヤは、質量%で、ニオビウム(Nb):0.001乃至0.1%、バナジウム(V):0.001乃至0.1%、及びタングステン(W):0.01乃至0.5%で構成される群より選択された1種又は2種以上をさらに含む、ことを特徴とする請求項1に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
  3. 前記ワイヤは、質量%で、カルシウム(Ca):0.0005乃至0.005%、及び希土類元素(REM):0.005乃至0.05%のうち1種又は2種をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
  4. 前記ワイヤを用いた溶接時の保護ガスは100%のCO又はAr−CO混合ガスを用いることを特徴とする請求項1に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
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