JP2001287086A

JP2001287086A - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ

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Publication number: JP2001287086A
Application number: JP2000106203A
Authority: JP
Inventors: Muneyasu Tsukamoto; 宗安塚本; Tatsuyoshi Danyama; 立芳椴山
Original assignee: Sumikin Welding Industries Ltd
Current assignee: Sumikin Welding Industries Ltd
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-16
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP3481547B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大入熱・高パス間温度溶接でも強度、靱性に優
れ、高温割れのない溶接金属が得られるワイヤを提供す
る。【解決手段】JISで規定された成分組成のほかにCu、V、
NbおよびBを特定量含有させ、さらに溶接金属の引張強
さを改善する下記(1)式に示すMp値が0.21％以上、衝撃
性能を改善するAl(%)/O(%)値が0.2〜2.2および高温割れ
を防止するCs値が0.21％以下を満足する炭酸ガスガスシ
ールドアーク溶接ワイヤである。 Mp(%)＝C(%)＋Si(%)/30＋Mn(%)/20＋Ti(%)/10＋V(%)/4＋Nb(%)/2＋5B(%)…(1) Cs(%)＝Mn(%)/5＋20B(%)＋P(%)＋S(%)−2C(%)−Ti(%) ………………………(2)

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄骨構造物の溶接
施工において大入熱、かつ高パス間温度条件でガスシー
ルドアーク溶接を行った場合でも、溶接金属の強度およ
び靱性を劣化させることのない溶接ワイヤに関する。

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガスなどを使用したガスシールドア
ーク溶接法では、溶接入熱量を大きく、しかも溶接ワイ
ヤの直径を大きくすることで溶接作業の高能率化を達成
してきた。しかし、最近では溶接入熱量を大きくすると
ともに次の溶接パスまでの溶接部を過度に冷却すること
なく溶接を行う、いわゆる大入熱・高パス間温度での溶
接法が採用されている。炭酸ガスシールドアーク溶接法
でのパス間温度は、たとえばJIS Z 3312（軟鋼及び高張
力鋼用マグ溶接ソリッドワイヤ材の試験）では100〜150
℃とするように規定されている。ここで「パス間温度」
とは、多パス溶接において、次のパスの始められる前の
最低温度であり、これが高いほど溶接作業能率が向上す
る。

【０００３】溶接構造物などの鉄骨構造の建築物の溶接
作業における能率向上のために、日本建築学会では「鉄
骨工事技術指針・工場製作編」に、溶接施工管理目標と
して「溶接入熱40kJ/cm以下、パス間温度350℃以下」が
示されている。しかし、従来の溶接ワイヤ（たとえば、
JIS Z 3312のYGW11）では、パス間温度を上記目標の上
限である350℃とすると、溶接金属の強度が低下した
り、靱性が劣化するなどの現象が起こり、溶接作業の能
率向上が困難であった。これを解決するため、最近では
大入熱、高パス間温度溶接用ワイヤおよび溶接方法が下
記のとおりいくつか提案されている。

【０００４】(1) C、Si、Mn、Ti、BおよびS含有量を規
定し、さらに(B%)×10³／(Ti%)を12〜40、(B%)×(S%)×
10⁵を10以下に規定することによって、大入熱および高
パス間温度で溶接した場合でも、溶接金属の強度および
靱性等を確保することができるとともに、耐割れ性を向
上させることができるガスシールドアーク溶接用ワイヤ
（特開平10-230387号公報、参照）。

【０００５】(2) 上記(1)に記載の溶接用ワイヤを用
い、溶接入熱量、パス間温度および540℃における冷却
速度を規定することによって、大入熱および高パス間温
度で溶接した場合でも、溶接金属の強度および靱性等を
確保することができるとともに、耐割れ性を向上させる
ことができるガスシールドアーク溶接方法（特開平11-1
04886号公報、参照）。

【０００６】(3) Si、Mn、Mo、TiおよびBの含有量、さ
らにはC、S、P、Nなどの含有量を特定した溶接ワイヤで
あって、低入熱から大入熱・高パス間温度条件で炭酸ガ
スシールドアーク溶接したとき強度、衝撃靱性、COD特
性に優れた溶接金属が得られるワイヤ（特開平11-90678
号公報、参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記(1)〜(3)で提案さ
れた溶接ワイヤを用いる溶接では、いずれもパス間温度
が高くなるほど、溶接金属の強度がするという現象が避
けられない。

【０００８】本発明の目的は、鉄骨構造物のガスシール
ドアーク溶接施工において大入熱で、しかもたとえば35
0℃という高パス間温度条件でも溶接金属の強度や靱性
を劣化させることのない溶接用ワイヤを提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、JIS で規
定されている軟鋼及び高張力鋼用マグ溶接ソリッドワイ
ヤ（JIS Z 3312のYGW11）を基本組成として、溶接金属
の引張強度および衝撃性質を高め、かつ高温割れを防止
できる添加元素およびそれら添加元素の相互作用を見い
だし本発明を完成した。

【００１０】本発明の要旨は、下記に示す炭酸ガスシー
ルドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。

【００１１】質量％で、C：0.03〜0.15％、Si：0.50〜
1.10％、Mn：0.80〜2.50％、P：0.018％以下、S：0.015
％以下、Cu：0.50％以下、Ti：0.10〜0.35％、B：0.003
〜0.012％、Al：0.001〜0.015％、O：0.008％以下、さ
らにV：0.005〜0.20％およびNb：0.003〜0.018％の一方
または両方を含有し、残部がFeと不純物からなり、かつ
下記(1)式で示すMpが0.21％以上、下記(2)式で示すCsが
0.25％以下でありAl(%)/O(%)が0.2〜2.2であることを特
徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 Mp(%)＝C(%)＋Si(%)/30＋Mn(%)/20＋Ti(%)/10＋V(%)/4＋Nb(%)/2＋5B(%)…(1) Cs(%)＝Mn(%)/5＋20B(%)＋P(%)＋S(%)−2C(%)−Ti(%) ………………………(2)

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、軟鋼または490MPa級高
張力鋼などを大入熱、かつ高パス間温度条件で多層溶接
（以下、これを「大入熱・高パス間温度溶接」と記載す
る）を行っても強度および靱性の低下が小さい溶接金属
が得られるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ
（以下、これを「ワイヤ」という）である。このワイヤ
は、JISYGW11で規定された成分組成のほかにB、Vおよび
Nbを含有させ、不純物としてのP、S、CuおよびOはその
含有量を規制し、溶接金属の引張強さを改善する関係式
（Mp≧0.21％）、衝撃性能を改善する関係式（Al(%)/O
(%)＝0.2〜2.2）および高温割れを防止する関係式（Cs
≦0.25％）を規定したものである。

【００１３】次に、本発明のワイヤの成分組成を規定し
た理由について説明する。なお、含有量を示す％は、質
量％である。

【００１４】C：0.03〜0.15％ Cは、溶接金属の引張強度を高める元素である。大入熱
・高パス間温度溶接において、溶接金属に必要な強度
（引張強さ490MPa以上）を得るためには、少なくとも0.
03％以上含有させる必要がある。しかし、C含有量が0.1
5％を超えると、溶接部に割れが発生する。したがっ
て、C含有量は、0.03〜0.15％とした。より好ましい範
囲は、0.05〜0.13％である。

【００１５】Si：0.50〜1.10％ Siは、ガスシールドアーク溶接の場合、脱酸剤として健
全な溶接金属を得るための元素である。しかも大入熱・
高パス間温度溶接では、ワイヤ内のSiは酸化消耗が激し
いため、含有量を高めるのが望ましい。Si含有量が0.50
％未満では強度および衝撃性能を低下させ、また脱酸不
足となって溶接部にブローホールが発生する。しかし、
Si含有量が1.10％を超えると、衝撃性能が劣化する。し
たがって、Si含有量は、0.50〜1.10％とした。より好ま
しい範囲は、0.60〜1.00％である。

【００１６】Mn：0.80〜2.50％ Mnは、Siと同様に脱酸剤として、また機械的性質を確保
するための元素である。大入熱・高パス間温度溶接で
は、ワイヤ内のMnは酸化消耗が激しいため、含有量を高
めるのが望ましい。Mn含有量が0.80％未満では強度およ
び衝撃性能を低下させ、また脱酸不足となって溶接部に
ブローホールが発生する。しかし、Mn含有量が2.50％を
超えると衝撃性能が劣化する。したがって、Mn含有量は
0.80〜2.50％とした。より好ましい範囲は、0.90〜2.10
％である。

【００１７】P：0.018％以下 Pは、高温割れに対して悪影響を及ぼす元素であり、で
きるだけ低いことが望ましい。本発明のワイヤのように
Bを含有する場合は、高温割れが発生しやすくなるの
で、Pは0.018％以下とした。より好ましい範囲は、0.01
5％以下である。

【００１８】S：0.015％以下 Sは、Pと同様に高温割れに対して悪影響を及ぼす元素で
あり、できるだけ低いことが望ましい。本発明のワイヤ
のようにBを含有する場合は、高温割れが発生しやすく
なるので、S含有量は0.015％以下とした。好ましい範囲
は0.013％以下である。

【００１９】Cu：0.50％以下 Cuは、P、Sと同様に高温割れに対して悪影響を及ぼす元
素であり、できるだけ低いことが望ましい。ワイヤの表
面にCuめっきを行う場合には、ワイヤ中のCu含有量とめ
っきのCu量を合計した量が0.50％以下とするのが望まし
い。

【００２０】Ti：0.10〜0.35％ Tiは、大入熱溶接におけるアークを安定化させるととも
に、溶接金属の合金元素の酸化または窒化を防止し、強
度および衝撃性能を改善する元素である。Ti含有量が0.
10％未満では、前記の効果が得られない。また、Ti含有
量が0.35％を超えると、溶接金属は脆化して衝撃性能が
劣化する。したがって、Ti含有量は0.10〜0.35％とし
た。より好ましい範囲は、0.15〜0.30％である。

【００２１】B：0.003〜0.012％ Bは、強度および衝撃性能を改善する元素である。B含有
量が0.003％未満では、その効果は得られない。また、
0.012％を超えると溶接金属に割れが発生する。したが
って、B含有量は、0.003〜0.012％とした。より好まし
い範囲は、0.004〜0.010％である。

【００２２】Al：0.001〜0.020％ Alは、脱酸剤として溶鋼に添加する元素である。Al含有
量が0.001％未満では、脱酸の効果が得られない。しか
し、0.020％を超えると溶接金属を脆化させ衝撃性能を
著しく悪化させる。したがって、Al含有量は、0.001〜
0.020％とした。より好ましい範囲は、0.002〜0.015％
である。また、Al含有量は、後述する図２に示すように
O（酸素）含有量とのバランス（Al(%)/O(%)）によって
衝撃性能が変化する。

【００２３】O：0.008％以下 Oは、ワイヤ素材の製鋼時に混入し、溶接金属の衝撃性
能を劣化させる元素であり、できるだけ低いことが望ま
しい。また、上述したようにAl含有量とのバランスによ
って衝撃性能が変化する。したがって、O含有量は、0.0
08％以下とした。

【００２４】V：0.005〜0.20％ Vは、鋼の強度を高める元素である。本発明では、大入
熱・高パス間温度溶接での溶接金属の強度低下を改善す
るためVを0.005％以上含有させる。しかし、Vが0.20％
を超えると溶接金属に割れが発生する。したがって、V
含有量は0.005〜0.20％とした。強化元素としてNbを含
有する場合には、Vは含有しなくともよい。また、Nbと
複合して含有する場合には、両者の合計が0.20％以下と
するのが望ましい。

【００２５】Nb：0.003〜0.018％ Nbは、鋼の強度を高める元素である。本発明では、大入
熱・高パス間温度溶接での溶接金属の強度低下を改善す
るためNbを0.003％以上含有させる。しかし、Nbが0.018
％を超えると溶接金属に割れが発生する。したがって、
Nb含有量は0.003〜0.018％とした。強化元素としてVを
含有する場合には、Nbは含有しなくともよい。また、V
と複合して含有する場合には、両者の合計が0.20％以下
とするのが望ましい。

【００２６】Mp：0.21％以上後述の実施例に示すように、種々の成分組成を有するワ
イヤを用い、490MPa級高張力鋼を大入熱・高パス間温度
溶接で得られた溶接金属の引張試験を行い、ワイヤの成
分元素と引張強さとの関係を調査した。その結果、下記
に示す実験式Mpが得られ、図１に示すように溶接金属の
引張強さを500MPa以上とするためには、Mpを0.21％以上
にすればよいことを確認した。 Mp(%)＝C(%)＋Si(%)/30＋Mn(%)/20＋Ti(%)/10＋V(%)/4＋Nb(%)/2＋5B(%)…(1) Al(%)/O(%)：0.2〜2.2 後述の実施例に示すように、種々の成分組成を有するワ
イヤを用い、490MPa級高張力鋼を大入熱・高パス間温度
溶接で得られた溶接金属の衝撃試験を行い、ワイヤの成
分元素と衝撃値との関係を調査した。その結果、図２に
示すようにAl(%)/O(%)が0.2〜2.2であれば0℃において
吸収エネルギーが100J以上の衝撃性能が得られることを
確認した。

【００２７】Cs：0.25％以下後述の実施例に示すように、種々の成分組成を有するワ
イヤを用い、490MPa級高張力鋼を大入熱・高パス間温度
溶接で得られた溶接金属の高温割れの検出試験を行い、
ワイヤの成分元素と割れ発生の有無との関係を調査し
た。その結果、下記に示す実験式Csが得られ、溶接金属
の割れをなくすためには、図３に示すようにCsを0.25％
以下にすればよいことを確認した。 Cs(%)＝Mn(%)/5＋20V(%)＋P(%)＋S(%)−2C(%)−Ti(%)…(2)

【００２８】

【実施例】図４(a)に示すように、490MPa級高張力鋼
（0.16％C、0.32％Si、1.34％Mn、0.012％P、0.002％
S）の板材1（厚さ25mm、長さ500mm、幅400mm）の幅方向
の片端面に35°レ形開先2を設けた突き合わせ溶接試験
材3を作製した。

【００２９】溶接は、100％炭酸ガスでシールドし、表
１に示す成分組成を有する溶接ワイヤを用いた。溶接条
件は、溶接入熱量を40kJ/cm、パス間温度を350℃として
５層の溶接を行った。溶接長さは400mmである。

【００３０】

【表１】

【００３１】得られた溶接部から各種試験片を切り出
し、下記(a)〜(c)に示す性能調査を行った。

【００３２】(a) 機械的性質 JIS Z 3111に規定されている平行部の直径が12.5mmの引
張試験片4（A1号）を、図４(b)に示す位置、すなわち溶
接金属の中央部で鋼板の表面から厚さ方向10mmの位置が
試験片の中心となる位置から採取した。

【００３３】(b) 衝撃性質 JIS Z 3111に規定されているVノッチ衝撃試験片5を、図
４(c)に示す位置、すなわち溶接金属の中央部で鋼板の
表面から深さ2mmの位置で厚さ方向にVノッチを設けるよ
うに採取した。

【００３４】(c) 高温割れ溶接部をＸ線透過写真および断面マクロ検査によって、
割れの有無を調査した。

【００３５】それぞれの試験結果を表２および図１〜３
に示した。

【００３６】

【表２】

【００３７】表１および２から次のことが明らかになっ
た。

【００３８】番号1〜16のワイヤは、溶接金属の強度、
衝撃値および高温割れのすべての性質について発明で定
める範囲を満足する。

【００３９】これに対して比較例の番号17のワイヤは、
Mpが0.188％と低いため、引張強さが485MPaと低い。番
号18のワイヤは、Mpが0.172と低く、Al(%)/O(%)が2.40
と高いため、引張強さが480MPaおよび衝撃値が89Jと低
い。

【００４０】番号19のワイヤは、Al(%)/O(%)が0.13と低
いため、衝撃値が35J（ジュール）と低い。番号20のワ
イヤは、Al(%)/O(%)が2.83と高いため、衝撃値が47Jと
低い。番号21のワイヤは、V含有量が0.21％およびAl(%)
/O(%)が3.00と高いため、衝撃値が42Jと低い。番号22の
ワイヤは、B含有量が0.001％と低く、Al(%)/O(%)が2.5
と高いため、衝撃値が70Jと低い。番号23のワイヤは、S
含有量が0.017％、Al(%)/O(%)が2.60およびCsが0.255％
といずれも高く、衝撃値が75Jと低く、高温割れが発生
した。

【００４１】番号24のワイヤは、Csが0.339％と高く、
高温割れが発生した。番号25のワイヤは、P含有量が0.0
20％およびCsが0.28％であり、いずれも高いため、高温
割れが発生した。

【００４２】番号26のワイヤは、P含有量が0.020％と高
いため、高温割れが発生した。番号27のワイヤは、V含
有量が0.023％と高いため、高温割れが発生した。番号2
8のワイヤは、B含有量が0.001％と低いため、衝撃値が7
0Jと低い。番号29のワイヤは、S含有量が0.017％と高た
め、高温割れが発生した。

【００４３】これらの結果から、引張強さとMp値、衝撃
値とAl(%)/O(%)値および高温割れの有無とCs値との関係
をまとめると図１から図３のようになる。

【００４４】図１は、溶接金属の引張強さとMp値との関
係を示す図である。図１から明らかなように、溶接金属
の引張強さを490MPa以上とするには、Mp値を0.21％以上
に調整すればよい。

【００４５】図２は、溶接金属の衝撃値とAl(%)/O(%)値
との関係を示す図である。図２から明らかなように、溶
接金属の衝撃値を100J以上とするには、Al(%)/O(%)値を
0.2〜2.2％に調整すればよい。

【００４６】図３は、溶接金属の高温割れとCs値との関
係を示す図である。図３から明らかなように、溶接金属
の高温割れの発生を防止するには、Cs値を0.25％以下に
調整すればよい。

【００４７】

【発明の効果】本発明の溶接ワイヤは、JISで規定され
た成分組成のほかにB、VおよびNbの含有量を特定量含有
させ、不純物としてP、SおよびCuの含有量を規制し、さ
らに溶接金属の引張強さを改善する関係式（Mp値）、衝
撃性能を改善する関係式（Al(%)/O(%)値）および高温割
れを防止する関係式（Cs値）を規定したので、大入熱・
高パス間温度条件で炭酸ガスガスシールドアーク溶接を
行っても強度、靱性に優れ、高温割れの発生しない溶接
金属が得られる。鉄骨構造などの建築物の溶接施工に、
このワイヤを用いれば、490MPa級高張力鋼鋼板を40〜60
kJの大入熱で、300〜400℃のパス間温度で炭酸ガスガス
シールドアーク溶接を行うことができ、施工時間が大幅
に短縮される。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接金属の引張強さとMp値との関係を示す図で
ある。

【図２】溶接金属の衝撃値とAl(%)/O(%)値との関係を示
す図である。

【図３】溶接金属の高温割れとCs値との関係を示す図で
ある。

【図４】溶接試験材の溶接開先、その溶接部から引張試
験片および衝撃試験片の採取位置を示す図である。

【符号の説明】

１．鋼板２．開先３．溶接試験材４．引張試験片５．衝撃試験片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、C：0.03〜0.15％、Si：0.50〜
1.10％、Mn：0.80〜2.50％、P：0.018％以下、S：0.015
％以下、Cu：0.50％以下、Ti：0.10〜0.35％、B：0.003
〜0.012％、Al：0.001〜0.015％、O：0.008％以下、さ
らにV：0.005〜0.20％およびNb：0.003〜0.018％の一方
または両方を含有し、残部がFeと不純物からなり、かつ
下記(1)式で示すMpが0.21％以上、下記(2)式で示すCsが
0.25％以下でありAl(%)/O(%)が0.2〜2.2であることを特
徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。 Mp(%)＝C(%)＋Si(%)/30＋Mn(%)/20＋Ti(%)/10＋V(%)/4＋Nb(%)/2＋5B(%)…(1) Cs(%)＝Mn(%)/5＋20B(%)＋P(%)＋S(%)−2C(%)−Ti(%) ………………………(2)