JP2003251493A - 溶接継手強度を向上させる溶接材料 - Google Patents
溶接継手強度を向上させる溶接材料Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡便に、能率的な溶接によって、溶接継手の
強度を向上させる。 【解決手段】 Ｓｉを０．６〜２．０重量％の範囲で含
有する鉄基合金であって、変態膨張により溶接部近傍に
圧縮残留応力を導入して溶接継手強度を向上させる溶接
材料を提供する。
強度を向上させる。 【解決手段】 Ｓｉを０．６〜２．０重量％の範囲で含
有する鉄基合金であって、変態膨張により溶接部近傍に
圧縮残留応力を導入して溶接継手強度を向上させる溶接
材料を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、溶接継手
強度を向上させる溶接材料に関するものである。さらに
詳しくは、この出願の発明は、構造物の溶接や補修溶
接、特に溶接熱影響部の軟化による継手強度の低下の防
止、溶接疲労強度の改善、溶接割れの防止等に好適な溶
接材料に関するものである。
強度を向上させる溶接材料に関するものである。さらに
詳しくは、この出願の発明は、構造物の溶接や補修溶
接、特に溶接熱影響部の軟化による継手強度の低下の防
止、溶接疲労強度の改善、溶接割れの防止等に好適な溶
接材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】従来、構造物の溶接、補修
時の溶接等においては、溶接熱によって母材の溶接熱影
響部が軟化することを防止するために、母材合金成分の
調整や溶接入熱の低減という方策が必要とされた。ま
た、溶接後の冷却に伴う溶接材料の収縮によって、溶接
部に引張りの残留応力が誘起され、溶接部の疲労強度が
著しく低下したり、溶接割れが誘起されるという問題が
避けられなかった。
時の溶接等においては、溶接熱によって母材の溶接熱影
響部が軟化することを防止するために、母材合金成分の
調整や溶接入熱の低減という方策が必要とされた。ま
た、溶接後の冷却に伴う溶接材料の収縮によって、溶接
部に引張りの残留応力が誘起され、溶接部の疲労強度が
著しく低下したり、溶接割れが誘起されるという問題が
避けられなかった。
【０００３】そこで、この出願の発明者らは、このよう
な従来技術の問題点を解消するために、熱影響部に圧縮
残留応力を導入するとともに、高強度の溶接金属による
拘束効果を利用することによって、従来必要とされた母
材合金成分の調整や溶接入熱の低減策を用いることな
く、溶接熱影響部の軟化部からの引張破断を防止して継
手強度を母材と同等に向上させることを可能としてい
る。また、溶接部の疲労強度の向上や溶接割れの防止に
効果的な、改善された新しい溶接のための方法として、
溶接が完了する室温もしくはその付近でマルテンサイト
変態膨張が終了する溶接材料を用い、炭酸ガスシールド
アーク溶接を行う方法をすでに提案している（特許第３
０１０２１１号）。この方法によって、溶接金属を母材
側に深く溶け込むようにして、溶接止端近傍の残留応力
を容易に圧縮することを可能とし、溶接部の疲労強度を
向上させ、また溶接割れを防ぐことを可能としている。
な従来技術の問題点を解消するために、熱影響部に圧縮
残留応力を導入するとともに、高強度の溶接金属による
拘束効果を利用することによって、従来必要とされた母
材合金成分の調整や溶接入熱の低減策を用いることな
く、溶接熱影響部の軟化部からの引張破断を防止して継
手強度を母材と同等に向上させることを可能としてい
る。また、溶接部の疲労強度の向上や溶接割れの防止に
効果的な、改善された新しい溶接のための方法として、
溶接が完了する室温もしくはその付近でマルテンサイト
変態膨張が終了する溶接材料を用い、炭酸ガスシールド
アーク溶接を行う方法をすでに提案している（特許第３
０１０２１１号）。この方法によって、溶接金属を母材
側に深く溶け込むようにして、溶接止端近傍の残留応力
を容易に圧縮することを可能とし、溶接部の疲労強度を
向上させ、また溶接割れを防ぐことを可能としている。
【０００４】しかしながら、このような溶接強度の向上
をもたらす新しい溶接材料については、継手の溶接等に
おいて、ＣＯ2ガスのみのシールドでの溶接を高電流、
高電圧、速い溶接速度等の条件下に良好な能率で行うこ
とのできる、より汎用な溶接材料とするためにはさらに
検討の余地が残されていた。
をもたらす新しい溶接材料については、継手の溶接等に
おいて、ＣＯ2ガスのみのシールドでの溶接を高電流、
高電圧、速い溶接速度等の条件下に良好な能率で行うこ
とのできる、より汎用な溶接材料とするためにはさらに
検討の余地が残されていた。
【０００５】この出願の発明は、以上のとおりの事情か
ら、発明者らがすでに提案している上記の低変態温度溶
接材料を改良し、汎用の、新しい溶接材料を提供するこ
とを課題としている。
ら、発明者らがすでに提案している上記の低変態温度溶
接材料を改良し、汎用の、新しい溶接材料を提供するこ
とを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、Ｓｉを０．６
〜２．０重量％の範囲で含有する鉄基合金であって、変
態膨張により溶接部近傍に圧縮残留応力を導入して溶接
継手強度を向上させることを特徴とする溶接材料を提供
するものである。また、この出願の発明は、第２には、
第１の発明の溶接材料について、組成（重量％）におい
て、Ｎｉ：２〜２０、Ｃｒ：２〜２０、Ｃ：０．５以
下、Ｓｉ：０．６〜２．０、Ｍｎ：２．０以下、Ｍｏ：
０．５以下であることを特徴とする溶接材料を提供す
る。さらに、この出願の発明は、第３には、第１または
第２の発明において、さらに、組成（重量％）におい
て、ＰおよびＳを＜０．００２にしたことを特徴とする
溶接材料を提供するものである。
の課題を解決するものとして、第１には、Ｓｉを０．６
〜２．０重量％の範囲で含有する鉄基合金であって、変
態膨張により溶接部近傍に圧縮残留応力を導入して溶接
継手強度を向上させることを特徴とする溶接材料を提供
するものである。また、この出願の発明は、第２には、
第１の発明の溶接材料について、組成（重量％）におい
て、Ｎｉ：２〜２０、Ｃｒ：２〜２０、Ｃ：０．５以
下、Ｓｉ：０．６〜２．０、Ｍｎ：２．０以下、Ｍｏ：
０．５以下であることを特徴とする溶接材料を提供す
る。さらに、この出願の発明は、第３には、第１または
第２の発明において、さらに、組成（重量％）におい
て、ＰおよびＳを＜０．００２にしたことを特徴とする
溶接材料を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、以上のとおり
の特徴をもつものであるが、原理的には、この発明の溶
接材料は、溶接材料の常温時での変態膨張を利用して、
溶接部に圧縮の溶接残留応力を導入し、その応力比効果
で溶接部の軟化部引張破断の防止、そして疲労強度の劣
化や溶接割れの誘起を防止した溶接を可能としたもので
ある。
の特徴をもつものであるが、原理的には、この発明の溶
接材料は、溶接材料の常温時での変態膨張を利用して、
溶接部に圧縮の溶接残留応力を導入し、その応力比効果
で溶接部の軟化部引張破断の防止、そして疲労強度の劣
化や溶接割れの誘起を防止した溶接を可能としたもので
ある。
【０００８】溶接材料は、上記のとおりのこの出願の発
明者らがすでに提案している溶接材料についてこれを改
良したものであって、溶接が完了する室温もしくはその
付近でマルテンサイト変態膨張が終了する。このような
材料としては、鉄基合金として、Ｓｉを０．６〜２．０
重量％の範囲で含有していることを特徴としている。
明者らがすでに提案している溶接材料についてこれを改
良したものであって、溶接が完了する室温もしくはその
付近でマルテンサイト変態膨張が終了する。このような
材料としては、鉄基合金として、Ｓｉを０．６〜２．０
重量％の範囲で含有していることを特徴としている。
【０００９】さらには、ＮｉおよびＣｒとを含有する合
金材料がより適当なものとして例示される。
金材料がより適当なものとして例示される。
【００１０】一般的には、化学組成（重量％）として、
Ｎｉ：２〜２０、Ｃｒ：２〜２０、そしてＣ（炭素）：
０．５以下、Ｓｉ：０．６〜２．０、Ｍｎ：２．０以
下、Ｍｏ．０．５以下のような鉄基合金であることが望
ましい。もちろん、必要に応じて、０．５以下のＮｂ，
Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｔａ，Ｖ，Ｈｆ，Ｚｒ等を添加しても
よい。ただし、ＮｉおよびＣｒを除く、金属元素の総割
合は、５．０以下とすることが好ましく、特にＰは＜
０．００２であることが望ましい。Ｓｉ含有量を上記の
とおり０．６〜２．０重量％の範囲とすることによっ
て、シールドガスが安価なＣＯ２ （炭酸ガス）のみの
使用が可能とされ、しかも高強度の継手溶接等が高能率
での作業によって可能になる。このようなことは、発明
者らがすでに提案している方法では必ずしも容易ではな
かった。高電流、高電圧の条件、さらには溶接速度の速
い条件下での溶接には適していないからである。
Ｎｉ：２〜２０、Ｃｒ：２〜２０、そしてＣ（炭素）：
０．５以下、Ｓｉ：０．６〜２．０、Ｍｎ：２．０以
下、Ｍｏ．０．５以下のような鉄基合金であることが望
ましい。もちろん、必要に応じて、０．５以下のＮｂ，
Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｔａ，Ｖ，Ｈｆ，Ｚｒ等を添加しても
よい。ただし、ＮｉおよびＣｒを除く、金属元素の総割
合は、５．０以下とすることが好ましく、特にＰは＜
０．００２であることが望ましい。Ｓｉ含有量を上記の
とおり０．６〜２．０重量％の範囲とすることによっ
て、シールドガスが安価なＣＯ２ （炭酸ガス）のみの
使用が可能とされ、しかも高強度の継手溶接等が高能率
での作業によって可能になる。このようなことは、発明
者らがすでに提案している方法では必ずしも容易ではな
かった。高電流、高電圧の条件、さらには溶接速度の速
い条件下での溶接には適していないからである。
【００１１】もちろん、溶接時のシールドガスは、炭酸
ガス（ＣＯ2）のみでよいが、所望によりＡｒ（アルゴ
ン）等の不活性ガスとの混合ガスとしてもよい。
ガス（ＣＯ2）のみでよいが、所望によりＡｒ（アルゴ
ン）等の不活性ガスとの混合ガスとしてもよい。
【００１２】この出願の発明では、以上のとおりのマル
テンサイト変態が室温付近で終了する溶接部材を使用す
ることによって、ＣＯ2ガスのみのシールドガスを用
い、能率的な、高性能での突合せ継手等の溶接を可能と
し、従来一般的な溶接材料の場合には避けられなかった
溶接熱影響部での破断という不都合を生じさせることな
く、破断位置が母材側に移動させ、母材強度を溶接継手
の場合にも確保することができる。たとえば、溶接部の
継手強度を８００〜１０００ＭＰａの高強度にまで向上
させることができる。
テンサイト変態が室温付近で終了する溶接部材を使用す
ることによって、ＣＯ2ガスのみのシールドガスを用
い、能率的な、高性能での突合せ継手等の溶接を可能と
し、従来一般的な溶接材料の場合には避けられなかった
溶接熱影響部での破断という不都合を生じさせることな
く、破断位置が母材側に移動させ、母材強度を溶接継手
の場合にも確保することができる。たとえば、溶接部の
継手強度を８００〜１０００ＭＰａの高強度にまで向上
させることができる。
【００１３】以上のとおりのこの出願の発明は、各種の
鋼材を対象とすることができるが、特に近年注目されて
いる、たとえば結晶粒径３μｍ以下の超細粒鋼の溶接に
おいて顕著な作用効果をもたらす。
鋼材を対象とすることができるが、特に近年注目されて
いる、たとえば結晶粒径３μｍ以下の超細粒鋼の溶接に
おいて顕著な作用効果をもたらす。
【００１４】そこで以下にこの発明の溶接部材を使用し
て突合せ継手の溶接する実施例を示して、さらに詳しく
この発明について説明する。もちろん以下の例によって
発明が限定されることはない。
て突合せ継手の溶接する実施例を示して、さらに詳しく
この発明について説明する。もちろん以下の例によって
発明が限定されることはない。
【００１５】
【実施例】以下の実施例での被溶接鋼材（母材）には、
その組成（重量％）として、Ｃ：０．０９２／Ｓｉ：
０．３１／Ｍｎ：１．４６／Ｐ：０．０１０／Ｓ：０．
００１／Ａｌ：０．０３０／Ｎ：０．００１５／Ｎｂ：
０．０１９／Ｔｉ：０．００７／残部Ｆｅの、超細粒鋼
を用いた。 ＜１＞その組成（重量％）において、 Ｃ ：０．０３ Ｓｉ：０．７８ Ｍｎ：１．９４ Ｎｉ：９．３８ Ｃｒ：９．３１ Ｍｏ：０．１３ を含有する鉄基合金からなるこの出願の発明の溶接材料
を用いて、１００％ＣＯ２ をシールドガスとして、そ
の流量２５ｌ／ｍｉｎで、２８５Ａ、３２Ｖ、溶接速度
２５ｃｍ／分の条件下に、突合せ継手のアーク溶接を行
った。
その組成（重量％）として、Ｃ：０．０９２／Ｓｉ：
０．３１／Ｍｎ：１．４６／Ｐ：０．０１０／Ｓ：０．
００１／Ａｌ：０．０３０／Ｎ：０．００１５／Ｎｂ：
０．０１９／Ｔｉ：０．００７／残部Ｆｅの、超細粒鋼
を用いた。 ＜１＞その組成（重量％）において、 Ｃ ：０．０３ Ｓｉ：０．７８ Ｍｎ：１．９４ Ｎｉ：９．３８ Ｃｒ：９．３１ Ｍｏ：０．１３ を含有する鉄基合金からなるこの出願の発明の溶接材料
を用いて、１００％ＣＯ２ をシールドガスとして、そ
の流量２５ｌ／ｍｉｎで、２８５Ａ、３２Ｖ、溶接速度
２５ｃｍ／分の条件下に、突合せ継手のアーク溶接を行
った。
【００１６】図１は、突合せ溶接継手試験片を、引張破
断させた破断状況写真である。変形し細くなって破断し
た場所は、溶接余盛から離れた位置にあることを示して
いる。
断させた破断状況写真である。変形し細くなって破断し
た場所は、溶接余盛から離れた位置にあることを示して
いる。
【００１７】これは、図２に示す硬度分布で、溶接熱影
響部が軟化しているにも拘わらず軟化部からの破断が防
止されたことを示している。すなわち、図３に示す残留
応力分布から分かるように溶接部軟化部に圧縮残留応力
が誘起されており、この残留応力が軟化部に負荷される
試験時の作用引張応力を引下げる方向に働くので、軟化
部からの破断が防止され、強度の高い母材部で破断が生
じたことがわかる。
響部が軟化しているにも拘わらず軟化部からの破断が防
止されたことを示している。すなわち、図３に示す残留
応力分布から分かるように溶接部軟化部に圧縮残留応力
が誘起されており、この残留応力が軟化部に負荷される
試験時の作用引張応力を引下げる方向に働くので、軟化
部からの破断が防止され、強度の高い母材部で破断が生
じたことがわかる。
【００１８】実際、この出願の発明の溶接材料を用いた
継手の引張強度は、母材と同等の、８３８ＭＰａであっ
た。
継手の引張強度は、母材と同等の、８３８ＭＰａであっ
た。
【００１９】一方、図４は市販の溶接材料（組成（重量
％）として、Ｃ：０．０９／Ｓｉ：０．３２／Ｍｎ：
１．０５／Ｐ：０．００８／Ｓ：０．０１０／Ｎｉ：
２．７１／Ｃｒ：０．２４／Ｍｏ：０．４９／残部Ｆ
ｅ）を用いて３２０Ａ、３１Ｖ、溶接速度２５ｃｍ／分
の条件下に溶接した溶接継手試験片を、引張破断させた
破断状況を示している。この場合、破断部は溶接熱影響
部である。図５に示す硬度分布は、熱影響部が軟化して
いることを示している。なお、この材料の場合、溶接金
属は母材と類似である。図６の残留応力分布は、この出
願の発明による溶接材料とは逆符号の引張となってい
る。したがって、強度の弱い溶接熱影響部に引張残留応
力が存在し、作用応力を引上げる作用もするので、溶接
熱影響部で破断が生じたものである。この場合、引張強
度は７３９ＭＰａに低下している。 ＜２＞溶接の条件を表１のように変更して、２．４ｍｍ
鋼板について、上記と同様にして溶接を行った。
％）として、Ｃ：０．０９／Ｓｉ：０．３２／Ｍｎ：
１．０５／Ｐ：０．００８／Ｓ：０．０１０／Ｎｉ：
２．７１／Ｃｒ：０．２４／Ｍｏ：０．４９／残部Ｆ
ｅ）を用いて３２０Ａ、３１Ｖ、溶接速度２５ｃｍ／分
の条件下に溶接した溶接継手試験片を、引張破断させた
破断状況を示している。この場合、破断部は溶接熱影響
部である。図５に示す硬度分布は、熱影響部が軟化して
いることを示している。なお、この材料の場合、溶接金
属は母材と類似である。図６の残留応力分布は、この出
願の発明による溶接材料とは逆符号の引張となってい
る。したがって、強度の弱い溶接熱影響部に引張残留応
力が存在し、作用応力を引上げる作用もするので、溶接
熱影響部で破断が生じたものである。この場合、引張強
度は７３９ＭＰａに低下している。 ＜２＞溶接の条件を表１のように変更して、２．４ｍｍ
鋼板について、上記と同様にして溶接を行った。
【００２０】Ｓｉ含有量が０．５（重量％）以下の特許
３０１０２１１号で用いている溶接材料の場合には１０
０％ＣＯ2シールドガスを用いる高電流、高電圧、速い
溶接速度での溶接には適しておらず表１の条件では溶接
は不可能であった。また、上記の市販の溶接材料では、
高電流、高電圧の条件、そして高い溶接速度での溶接が
できなかった。
３０１０２１１号で用いている溶接材料の場合には１０
０％ＣＯ2シールドガスを用いる高電流、高電圧、速い
溶接速度での溶接には適しておらず表１の条件では溶接
は不可能であった。また、上記の市販の溶接材料では、
高電流、高電圧の条件、そして高い溶接速度での溶接が
できなかった。
【００２１】このことから、この出願の発明によって１
００％ＣＯ2ガスシールドで、高能率での溶接が可能と
されることが確認された。
００％ＣＯ2ガスシールドで、高能率での溶接が可能と
されることが確認された。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、突合せ継手等の溶接軟化部破断を防止
し、溶接による溶接強度を大きなものとすることがで
き、しかも、安価なＣＯ2ガスのみのシールドでのアー
ク溶接で、高電流、高電圧、速い溶接速度での能率的な
溶接が可能とされる。
発明によって、突合せ継手等の溶接軟化部破断を防止
し、溶接による溶接強度を大きなものとすることがで
き、しかも、安価なＣＯ2ガスのみのシールドでのアー
ク溶接で、高電流、高電圧、速い溶接速度での能率的な
溶接が可能とされる。
【図１】この発明の溶接材料を用いた場合の突合せ溶接
継手の引張破断部を例示した外観写真図である。
継手の引張破断部を例示した外観写真図である。
【図２】図１の場合の溶接部近傍の硬度分布を示した図
である。
である。
【図３】図１の場合の溶接部近傍の残留応力分布を示し
た図である。
た図である。
【図４】市販溶接材料を用いた場合の突合せ溶接継手の
引張破断部を例示した外観写真図である。
引張破断部を例示した外観写真図である。
【図５】図４の場合の溶接部近傍の硬度分布を示した図
である。
である。
【図６】図４の場合の溶接部近傍の残留応力分布を示し
た図である。
た図である。
Claims (3)
- 【請求項１】 Ｓｉを０．６〜２．０重量％の範囲で含
有する鉄基合金であって、変態膨張により溶接部近傍に
圧縮残留応力を導入して溶接継手強度を向上させること
を特徴とする溶接材料。 - 【請求項２】 組成（重量％）において、Ｎｉ：２〜２
０、Ｃｒ：２〜２０、Ｃ：０．５以下、Ｓｉ：０．６〜
２．０、Ｍｎ：２．０以下、Ｍｏ：０．５以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の溶接材料。 - 【請求項３】 組成（重量％）において、Ｐ及びＳが＜
０．００２であることを特徴とする請求項１または２に
記載の溶接材料。
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