JP2001321984A

JP2001321984A - 熱間鋼板の溶接用フィラーワイヤー

Info

Publication number: JP2001321984A
Application number: JP2000137526A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Nakamura; 隆彰中村; Junichi Kobayashi; 順一小林; Yosuke Aso; 洋祐麻生
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-11-20

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接欠陥を抑制し、接合部の強度低下を防止
して、接合後の熱間圧延時の接合部破断を防止する熱間
鋼板の溶接用フィラーワイヤーを提供する。【解決手段】熱間圧延工程で、熱間圧延用シートバー
の先行材尾端部と後行材先端部を接合し順次仕上げ圧延
機に通す熱間バー接合において、質量％としてＢ：０．
０３〜５．０％を含有する突き合わせ部供給用フィラー
ワイヤーであり、熱影響部で発生するＳ脆化を押さえる
ことができる。さらに、Ｃ：０．０３〜１．５％、Ｓ：
０．０１％以下、Ｐ：０．０１％以下及びＭｎ：０．２
〜８．０％を含有させることにより、溶接部の凝固割れ
・脆化が押さえられ、さらにＳｉ：０．１〜８．０％、
Ｍｎ：０．２〜８．０％、Ａｌ：８．０％以下、Ｔｉ：
８．０％以下を合計４．０％以上含有することでブロー
ホールの発生も押さえることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間圧延工程にお
いて、仕上げ圧延前の鋼板（以下、シートバー又はバー
と称す）の先行材尾端部と後行材先端部を突き合わせて
溶接し、順次連続的に仕上げ圧延機に通すための熱間連
続圧延設備において、突き合わせ部のアーク溶接やレー
ザー溶接時に供給する溶接用のフィラーワイヤーに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、鋼材をアーク溶接やレーザー溶
接で接合する場合には、溶接後のビード形状や溶接部の
健全性確保のためにフィラーワイヤーを投入しながら溶
接が行われている。近年、仕上げ前の熱間シートバーの
先行材尾端部と後行材先端部を接合し、連続的に仕上げ
圧延機に通す、熱間連続圧延技術が普及してきた。この
技術は、多岐にわたる技術が組み合わせられて完成して
いるが、根幹となるのは該シートバーの接合技術であ
る。この技術のために、レーザー溶接やアーク溶接が行
われており、溶接時には、溶接部の健全性を確保するた
めに、フィラーワイヤーが供給されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】熱間連続圧延における
シートバーの溶接は、例えば、図１に示すような設備構
成で溶接される。ここで、１Ａは先行鋼材、１Ｂは後行
鋼材、１０はレーザー溶接機、２０はレーザービーム、
３０はプラズマ、４０は突き合わせ部、５０はフィラー
ワイヤー、６０はフィラーワイヤー供給機、７０は溶接
ビードを示す。しかし、熱間連続圧延のシートバー溶接
は、通常の冷片の溶接と異なり溶接対象鋼材が高温であ
り、多量のスケールを含んだままの溶接となる。このた
め、下記のような大きな問題が存在する。（１）溶接する鋼材表面は高温による酸化スケールが多
量発生しているため、溶接により高温溶融状態になると
酸化物を酸素源としたガスが発生しブローホールが多発
しやすい。（２）溶接する鋼材がＳを多く含有し、かつＭｎ量が少
ない場合は、熱影響部のγ粒界にＳが濃化して、Ｓ脆化
を起こしやすくなる。問題（１）に関しては、特開平８
−３００００２号公報において、熱間圧延鋼材の突き合
わせ部に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉのいずれか１種又は２種以
上を含む鉄合金ワイヤーフィラーを供給してブローホー
ルの発生を押さえる方法が開示されている。しかしなが
ら、この方法では、溶融部のブローホールは低減できる
が、溶接による熱で高温に曝される熱影響部で起こる上
記問題（２）で示したＳ脆化を回避することができなか
った。そこで、本発明では、図２に示す溶接部（突き合
わせ部４０）のブローホール３、凝固割れ４、熱影響部
５のＳ脆化等で発生する溶接欠陥を抑制し、接合部の強
度低下を防止して、接合後の熱間圧延時に発生する接合
部破断を防止するための熱間鋼板の溶接用フィラーワイ
ヤーを提供することを課題とした。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するためになされたものであり、その手段１は、熱間圧
延用鋼板の先行材尾端部と後行材先端部をフィラーワイ
ヤーを用いて溶接し、順次仕上げ圧延機に通す際に、前
記フィラーワイヤーが、質量％としてＢ：０．０３〜
５．０％を含有する熱間鋼板の溶接用フィラーワイヤー
である。また、手段２は、前記フィラーワイヤーが質量
％として、Ｃ：０．０３〜１．５％、Ｓ：０．０１％以
下、Ｐ：０．０１％以下を含む手段１の熱間鋼板の溶接
用フィラーワイヤーである。手段３は前記フィラーワイ
ヤーが質量％として、Ｓｉ：０．１〜８．０％、Ｍｎ：
０．２〜８．０％を含む手段１又は手段２の熱間鋼板の
溶接用フィラーワイヤーである。更に、手段４は前記フ
ィラーワイヤーが質量％として、Ｓｉ：０．１〜８．０
％、Ｍｎ：０．２〜８．０％、Ａｌ：８．０％以下、Ｔ
ｉ：８．０％以下を、合計４．０％以上含有する手段１
又は手段２の熱間鋼板の溶接用フィラーワイヤーであ
る。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下に、フィラーワイヤーの成分
限定理由について詳細に述べる。本発明者らは、上記課
題を解決するために様々なフィラーを試作して接合実験
を行い、熱影響部を含む接合部破断を起こさないフィラ
ーワイヤーを発明することができた。以下に、本発明に
ついて詳細に説明する。フィラーワイヤーへのＢ添加
は、本発明の最も重要な要因である。脱酸として用いら
れる元素のうち、Ｍｎ、Ｔｉは脱硫も行うため、溶接後
の溶融部についてはＳを起因とした脆化は発生しない。
また、溶融部は、微細な酸化物が多量存在し、凝固速度
も速いため、結晶粒径が粗大に成らないことも脆化回避
の要因であると考えられる。バー接合部の破断材料を観
察した結果、図２に示すように、破断部は２つに分けら
れることが明らかとなった。その一つは、溶融部の破断
であり、破断部にはブローホール３の痕跡が多量観察さ
れ、接合部（突き合わせ部４０）が明らかに弱くなって
いる。この場合は、脱酸元素の量を増やすことにより破
断を回避することができた。二つめは、溶融部の近傍に
ある熱影響部５からの破断である。断面を観察すると、
熱影響部５の粗大になった結晶粒の粒界が破断している
様子が確認できる。溶融フィラーに含まれる硫化物形成
元素では、熱影響部５まで移動することは難しく、熱影
響部５の脆化を防止することはできない。

【０００６】本発明者らは脆化を防止する元素について
の詳細な調査を行い、Ｂによって脆化程度を低減できる
ことを見いだした。その結果、図３に示すようなＢの効
果を確認することができた。図３の実験結果は、実験室
においてフィラーを供給しながら溶接した後、引張破断
を行った材料の断面絞り値を測定し、フィラー中のＢ量
との関係を示した図である。フィラー中のＢ量が増える
につれて、絞り値は高くなり、０．０３％以上では脆化
による圧延時の破断を起こさなくなる４０％を超えた。
実操業では、フィラー中の添加元素としてＢを０．０３
％以上添加したワイヤーを、アーク又はレーザー溶接時
に供給することによって、バー接合後の接合部破断を回
避することができた。この要因は、明らかではないが、
バー接合は高温鋼材の溶接であるため、溶融部に含まれ
るＢが高温の母材側への拡散速度が速く、熱影響部の粒
界まで侵入し、Ｓが粒界に偏析するのを妨げたためと考
えられる。

【０００７】なお、Ｂ量の下限を０．０３％としたの
は、これより少ないと、熱影響部のＳ偏析を防止できず
脆化が発生するためである。また、Ｂ量の上限を５．０
％にしたのは、これ以上添加しても脆化防止効果が変わ
らないためである。Ｃはワイヤーの強度確保に必要であ
り、溶融部において脱酸効果もある。フィラーワイヤー
は図１（符号５０で示す）に示す位置にあり、溶接時に
供給される。供給されたフィラーワイヤーは、溶接で発
生するプラズマの熱で溶融して、溶接部に落下する。高
温鋼材の表面には、大量のスケールが存在するため、レ
ーザー又はアーク溶接で溶融した部分にはスケール中の
酸素の多くが溶融部表面及び内部に存在する。ここにＣ
量が高い溶融フィラーが落下すると上面で脱酸ガスに変
化するためブローホールとして残存せず、脱酸元素とし
ての活用が可能である。バー接合では、連続的な操業で
あるため、フィラーワイヤーのロットの交換頻度を減ら
すために多量にコイル状に巻かれたワイヤーを用いる
が、強度が確保されていないと溶接部に供給されるまで
に変形を起こし、目的位置に到達できない。このため、
Ｃ量の下限を０．０３％とした。また、Ｃ量が多すぎる
と高温割れを起こしやすくなるため、上限を１．５％と
した。Ｓは、バー接合において最も脆化を懸念すべき元
素である。溶融部は母材部とフィラーの混合域となる
が、Ｓが０．０１％を超えると、Ｓ脆化を起こす可能性
が出てくるため、上限を０．０１％とした。

【０００８】Ｐは、Ｃ量が高い場合に、脆化を起こす原
因となる。また、バー接合では溶融部にスケールから混
入される酸素源が多量に存在し、また母材やフィラーか
ら混入されるＳｉ量も多い。このため、溶融部でＳｉ−
Ｐの低融点酸化物が生成される可能性もあるため、フィ
ラーからの混入量を低く押さえる方がよく、上限を０．
０１％とした。

【０００９】Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉはいずれも脱酸元
素である。高温鋼材を溶接するバー接合では溶融部に多
量な酸素が取り込まれるため、通常の冷片溶接の場合よ
りも必要量が多くなる。Ｓｉは脱酸剤として有効な元素
である。狭い溶融部の中に多量の酸素が混入する高温で
の溶接の場合、脱酸効率が高いＳｉはブローホールの発
生防止に有効な元素である。また、溶融金属の粘性をよ
くするので、フィラーから投入される脱酸元素が溶融内
で拡散しやすく、底部まで脱酸効果が行き渡る。このた
め、Ｓｉ量が０．１％より少ないと、ブローホールの発
生を起こしやすくなるため、下限値を０．１％とした。
また、Ｓｉの脱酸効率はよいが、脱酸強度はＡｌ、Ｔｉ
と比較すると低く、８．０％を超えて投入しても、さら
なる脱酸効果が期待できないので、上限を８．０％とし
た。

【００１０】ＭｎもＳｉと同様に脱酸剤として有効な元
素である。さらに、硫化物も形成するため、Ｓ脆化の回
避元素としての活用も期待できる。しかし、他元素と比
較すると蒸発しやすく、溶接後の損失が大きい。下限値
を０．２％としたのは、これ以下では脱酸効果がなく、
ブローホールが発生しやすくなると同時に、Ｓ脆化回避
効果もないためである。また上限を８．０％としたの
は、これ以上では蒸発による損失が大きくなるばかり
で、脱酸・脱硫効率が期待できないためである。Ｔｉは
強脱酸剤であり、ブローホールの発生を押さえるのに有
効な元素である。また酸素だけでなく、硫化物も形成す
るので、Ｓ脆化にも活用できる。しかし、Ｎとも反応し
て窒化物も形成するため、すべてのＴｉ添加量が脱酸・
脱硫として活用されるとは限らない。また、コストも高
い。８．０％を超えると脱酸効率の割にコストが高くな
るため、上限を８．０％とした。ＡｌもＴｉと同様強脱
酸剤であり、ブローホールの発生防止として非常に有効
な元素である。しかし、脱酸反応が激しいため、多量に
投入するとスパッタとして飛散する。その時は、脱酸元
素も同時に飛散するために、溶融部の脱酸に寄与できな
くなる恐れがある。また８．０％を超えるとスパッタの
発生が激しくなり、損失が大きくなるため、本発明範囲
を８．０％以下とした。

【００１１】上述の脱酸元素はそれぞれの特性を有しな
がらも、脱酸効果を有している。熱間粗バーの圧延にお
いては、スケールからの酸素が多量混入するために脱酸
元素を多く必要とする。フィラーワイヤーの供給速度を
上げる方法もあるが、溶接速度に対して供給速度を上げ
すぎると溶接の熱源を奪って、溶接深さが浅くなり、接
合部強度を維持できなくなる可能性もあるため、よいや
り方ではない。フィラーの供給速度と溶接速度とがほぼ
同じ速度である場合において、上述の脱酸元素（Ｓｉ、
Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ）の合計が４．０％以上であれば接合
部のブローホール起因となる破断を起こさず、脱酸効果
があるため、これを下限とした。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の実施例について記す。４５
ｋｗＣＯ₂ レーザーを用いて、ＳＰＨＣ材の厚み４０ｍ
ｍの熱間粗バーの先行材尾端部と後行材先端部を突き合
わせて接合した。鋼材の溶接時の温度は１１００℃であ
った。溶接速度は３．０ｍ／ｍｉｎとし、この時フィラ
ーワイヤーとして表１に示す成分の異なるワイヤーを供
給速度３．０ｍ／ｍｉｎで溶接を行った。なお、ワイヤ
ー径は、１．６ｍｍφであった。溶接終了後、約３０秒
で仕上げ圧延が開始され、その通板状況を調べた。破断
が発生した部位の観察から、発生部が溶接部か、熱影響
部（脆化）かを判定した。また、同条件の接合部分を圧
延前にシャー切断し、溶接部の断面観察・Ｘ線透過撮影
によって、溶接部の割れ状況、ブローホールの発生状況
を観察した。その結果を表１に示す。破断や割れ、多量
にブローホールが発生した場合、及び熱影響部に脆化が
認められる場合は×、良好な場合は○で示した。

【００１３】

【表１】

【００１４】Ｎｏ９は、Ｃ量が低すぎたため、フィラー
ワイヤーが弱く、曲がりやすいために供給状況が悪かっ
た。Ｎｏ１０は、Ｃ量が高すぎたため、凝固部に割れが
発生し、接合部破断を起こした。Ｎｏ１１は、Ｐが高い
ために、溶接部で割れをおこした。また、Ｎｏ１２はＳ
量が高かったため、溶接部でＳ脆化を起こした。Ｎｏ１
３は、Ｓｉ量が低く、脱酸効率が悪いために、ブローホ
ールが多量発生した。Ｎｏ１４はＭｎが低いために、硫
化物の生成ができず、溶接部内でＳ脆化が発生した。Ｎ
ｏ１５は、脱酸元素の合計量が少なく、脱酸が不十分で
ブローホールが多量発生した。Ｎｏ１６は、Ｂ量が少な
いために、熱影響部までのＢの拡散が進まず、熱影響部
でＳ脆化を起こした。Ｎｏ１からＮｏ８に示す、本発明
のフィラーを用いた場合は、溶接部・熱影響部とも健全
で、接合部破断は起こらなかった。

【００１５】

【発明の効果】請求項１〜４記載の熱間鋼板の溶接用フ
ィラーワイヤーを用いて、熱延連続化のバー接合部の溶
接を行うことで、熱影響部のＳ脆化を防止することがで
き、さらに、溶接部の欠陥や溶融部のブローホール発生
も防止できる。接合部の強度低下、熱間圧延時の接合部
破断を防止するので、熱延連続化の接合成功率が高ま
り、歩留まりを向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接回りの設備構成を示す説明図である。

【図２】溶接部の欠陥を示す模式図である。

【図３】絞り値に及ぼすフィラー中のＢ投入量の効果を
示すグラフである。

【符号の説明】

１Ａ：先行鋼材、１Ｂ：後行鋼材、３：ブローホール、
４：凝固割れ、５：熱影響部（粗大粒界でＳ脆化）、１
０：レーザー溶接機、２０：レーザービーム、３０：プ
ラズマ、４０：突き合わせ部、５０：フィラーワイヤ
ー、６０：フィラーワイヤー供給機、７０：溶接ビード
（溶融状態：鋼材幅方向）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱間圧延用鋼板の先行材尾端部と後行材
先端部をフィラーワイヤーを用いて溶接し、順次仕上げ
圧延機に通す際に、前記フィラーワイヤーが、質量％と
してＢ：０．０３〜５．０％を含有することを特徴とす
る熱間鋼板の溶接用フィラーワイヤー。
【請求項２】前記フィラーワイヤーが質量％として、
Ｃ：０．０３〜１．５％、Ｓ：０．０１％以下、Ｐ：
０．０１％以下を含むことを特徴とする請求項１記載の
熱間鋼板の溶接用フィラーワイヤー。
【請求項３】前記フィラーワイヤーが質量％として、
Ｓｉ：０．１〜８．０％、Ｍｎ：０．２〜８．０％を含
むことを特徴とする請求項１又は２記載の熱間鋼板の溶
接用フィラーワイヤー。
【請求項４】前記フィラーワイヤーが質量％として、
Ｓｉ：０．１〜８．０％、Ｍｎ：０．２〜８．０％、Ａ
ｌ：８．０％以下、Ｔｉ：８．０％以下を、合計４．０
％以上含有することを特徴とする請求項１又は２記載の
熱間鋼板の溶接用フィラーワイヤー。