JP2004098143A

JP2004098143A - ガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法

Info

Publication number: JP2004098143A
Application number: JP2002265270A
Authority: JP
Inventors: Junya Ueda; 上田　純也; Kimihiro Tsuji; 辻　公博; Isao Hatano; 波多野　勲; Ichiro Seta; 瀬田　一郎
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP3847687B2

Abstract

【課題】溶接入熱量およびパス間温度を管理することなく溶接金属の強度および靱性が確保できる主として４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼を対象としたガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法を提供する。
【解決手段】ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％でＣ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．６〜１．２％、Ｍｎ：１．８〜２．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．１５〜０．３５％、Ｂ：０．００５〜０．０１２％、さらにＶおよびＮｂの１種以上で０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ下記（１）式で示すＰｔｓが０．２９以上、下記（２）式で示すＶｃｑが０．７０以上であることを特徴とする。
Ｐｔｓ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｃｕ／２０＋Ｔｉ／５＋Ｖ／１０＋Ｎｂ／５＋５Ｂ　　　　　　　　　‥‥　　　（１）
Ｖｃｑ＝（０．５Ｍｎ＋Ｍｏ）／（Ｓｉ＋３Ｔｉ）　　‥‥　　　（２）
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼に使用するガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法に係り、特に大入熱および高パス間温度で多層盛溶接しても溶接金属の機械的性質が優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスシールドアーク溶接方法は、能率に優れ、溶接母材への溶け込みが良好であり、また、全姿勢溶接が可能で、信頼性の高い溶接継手が得られる。したがって、建築、鉄骨、造船、橋梁、自動車等の各産業分野で大型構造物や自動車、船舶の建造に幅広く使用されている。
近年、更なる溶接能率の向上が望まれ、溶接施工条件はより大入熱、高パス間温度側へと推移している状況にある。例えば建築鉄骨構造などにおける極厚Ｈ型鋼のフランジ部の溶接のように、溶接長さが比較的短い部位の多層盛溶接を行う場合には、高電流で４０ｋＪ／ｃｍを超える大入熱でかつ３５０℃以上といった高パス間温度の溶接条件での施工が望まれている。
【０００３】
これらに対応するためにＪＩＳ　Ｚ３３１２にＹＧＷ１８が規格化され、従来溶接入熱量が１５〜３０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度最大２５０℃であったものが、溶接入熱量１５〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度最大３５０℃での溶接施工条件が可能になり、例えば引用文献１、特許文献２、および特許文献３にあるように、溶接入熱量１５〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度最大３５０℃での溶接で溶接金属の機械的性質を改善する技術としてワイヤ中にＴｉ，Ｂ，Ｍｏを添加するガスシールドアーク溶接用ワイヤが提案されている。
【０００４】
【引用文献】
（ａ）引用文献１（特開平１０−２３０３８７号公報）
（ｂ）特許文献２（特開平１１−９０６７８号公報）
（ｃ）特許文献３（特開２００２−７９３９５号公報）
（ｄ）特許文献４（特開平１１−２３９８９２号公報）
（ｅ）特許文献５（特開２００１−２８７０８６号公報）
（ｆ）特許文献６（特開平１１−１０４８８６号公報）
（ｇ）特許文献７（特開２００２−１０３０８２号公報）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のいずれのワイヤを使用しても、溶接ビード長さが比較的短く多層盛溶接をする場合は、溶接入熱量およびパス間温度を管理する必要がある。管理しない場合は、溶接金属の機械的性能が確保できないという問題がある。本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであって、大入熱および高いパス間温度で多層盛溶接する場合においても、溶接入熱量およびパス間温度を管理することなく溶接金属の強度および靱性が確保できる主として４９０Ｎ／ｍｍ^２級高張力鋼を対象としたガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．６〜１．２％、Ｍｎ：１．８〜２．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．１５〜０．３５％、Ｂ：０．００５〜０．０１２％、さらにＶおよびＮｂの１種以上で０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ下記（１）式で示すＰｔｓが０．２９以上、下記（２）式で示すＶｃｑが０．７０以上であることを特徴とする。また、前記ガスシールドアーク溶接用ワイヤを用いて高張力鋼を溶接入熱量１５〜７０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度１５０〜５５０℃の溶接施工条件で多層盛溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法にある。
Ｐｔｓ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｃｕ／２０＋Ｔｉ／５＋Ｖ／１０＋Ｎｂ／５＋５Ｂ　　　　　　　　　‥‥　　（１）
Ｖｃｑ＝（０．５Ｍｎ＋Ｍｏ）／（Ｓｉ＋３Ｔｉ）　　‥‥　　（２）
【０００７】
【発明の実施の形態】
従来、溶接時の熱履歴の管理方法は、ＪＩＳ　Ｚ３３１２の解説の溶接基準に従って溶接時の溶接入熱量およびパス間温度に制限を設け、パス間温度が２５０ないし３５０℃の管理値になった場合には溶接作業を中断して溶接部を冷却していたため、溶接作業能率の点で問題があった。さらに、溶接入熱量およびパス間温度の管理が実質的に不要となる溶接入熱量７０ｋＪ／ｃｍ以下、パス間温度５５０℃までの高パス間の溶接施工条件での溶接金属の強度および０℃でのシャルピー衝撃試験値ｖＥ０として４７Ｊ以上を達成するためにはワイヤ成分について本質的な工夫が必要となる。
【０００８】
本発明者等は、上記従来の問題点を解決するために、溶接作業を中断せずに優れた溶接金属性能が得られる溶接作業効率の高い多層盛溶接技術を探求した。
一般に、パス間温度は、各溶接ビードの溶接入熱量のみならず、溶接パス数にも依存するが、２５０ないし３５０℃を上限とする規制では溶接能率の低下が著しい。これを、５５０℃まで緩和できれば、殆どの溶接で冷却待ちをせずに溶接を継続でき、溶接能率の向上に大きな効果がある。この点に着目し、溶接金属の強度、靱性等の機械的性質に優れた多層盛溶接用のガスシールドアーク溶接用ワイヤおよび溶接方法について詳細に検討した。
その結果、ワイヤの成分を適切にすることによって、溶接入熱量７０ｋＪ／ｃｍ以下でパス間温度を５５０℃まで緩和できるガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびそれを用いた溶接方法を見出した。
【０００９】
以下、本発明におけるガスシールドアーク溶接用ワイヤに含有される化学成分およびその組成限定理由について説明する。
Ｃ：０．０３〜０．１０質量％
Ｃは、溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。その含有量が０．０３質量％（以下、％という。）未満であると、溶接金属の必要な強度が得られない。一方、０．１０％を超えると溶接金属の靱性が低下する。
【００１０】
Ｓｉ：０．６〜１．２％
Ｓｉは主要脱酸剤であり、溶接金属の酸素量を低下させ靱性向上に必要な元素である。特に大入熱、高パス間温度の溶接施工条件ではＳｉの消耗量が多いので、通常のＳｉより高めの添加を必要とする。また、酸化により消耗する以外のＳｉは、溶接金属中に合金元素として歩留まり、溶接金属の強度の向上に有効に作用する。その含有量が０．６％未満であると溶接金属中のＳｉが低くなり焼き入れ性が低下して急激に靱性が低下する。一方、１．２％を超えると溶接金属が硬化して靱性が低下する。
【００１１】
Ｍｎ：１．８〜２．５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様主要脱酸剤であると共に、溶接金属の強度確保および靱性向上を図る目的で添加する。Ｓｉと同様大入熱、高パス間温度の溶接施工条件での酸化消耗を考慮した添加が必要で、Ｓｉ量および後述するＭｏ、Ｔｉ量との兼ね合いもあるが、１．８％未満では溶接金属中のＭｎが低くなり焼き入れ性が低下して靱性が確保できず、２．５％を超える添加では溶接金属が硬化して靱性が低下する。
【００１２】
Ｍｏ：０．１５〜０．４０％
Ｍｏは、Ｂとの相互作用により焼き入れ性の向上とオーステナイトの再結晶を抑制して溶接金属の組織を改善し、強度および靱性を向上させるのに有効である。０．１５％未満では効果がない。一方、０．４０％を超えると靱性が低下する。
Ｔｉ：０．１５〜０．３５％
Ｔｉは、強力な脱酸剤として作用し、溶接金属中にＴｉ酸化物を生成し、これがフェライト生成核として作用して微細なフェライト組織を形成する。さらに、Ｔｉ系窒化物をも形成することによって溶接金属中のフリーＮを減少させ、Ｂの溶接金属に対する焼き入れ性を向上させる相乗効果がある。この効果を得るためには０．１５％以上が必要である。一方、０．３５％を超えると溶接金属中に過剰にＴｉが含有され、かえって靱性が低下する。
【００１３】
Ｂ：０．００５〜０．０１２％
Ｂは、オーステナイト粒界からのフェライト粒の粗大化を防止する効果を有する。大入熱、高パス間温度の溶接施工条件では、０．００５％以上の添加が必須である。しかし、０．０１２％を超えると硬さ上昇による靱性の低下に加えて、溶接金属に高温割れが生じる場合がある。
ＶおよびＮｂの１種以上で０．００５〜０．０５％
ＶおよびＮｂは、微細な炭窒化物を形成し、溶接金属のフェライト粒の粗大化を防止する効果を有し、強度および靱性を向上する。その効果は、ＶおよびＮｂの１種以上で０．００５％以上である必要がある。一方、０．０５％を超えると脆化の弊害のほうが大きくなる。
【００１４】
Ｐｔｓ：０．２９以上
前述のワイヤ成分に加えて本発明においては、大入熱、高パス間温度の溶接施工条件で得られる溶接金属の強度確保のために、下記（１）式で得られるＰｔｓを０．２９以上とする。
Ｐｔｓ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｃｕ／２０＋Ｔｉ／５＋Ｖ／１０＋Ｎｂ／５＋５Ｂ　　　　　　　　　‥‥　　（１）式
図１は、溶接入熱量６０〜７０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度４５０〜５５０℃の溶接施工条件で溶接した場合のＰｔｓと溶接金属引張強さとの関係を示す。図１から明らかなようにＰｔｓが０．２９以上で引張強さ４９０Ｎ／ｍｍ^２以上が得られる。
【００１５】
Ｖｃｑ：０．７０以上
大入熱、高パス間温度の溶接施工条件で得られる溶接金属の靱性確保のために、下記（２）式で得られるＶｃｑを０．７０以上とする。
Ｖｃｑ＝（０．５Ｍｎ＋Ｍｏ）／（Ｓｉ＋３Ｔｉ）　　‥‥　　（２）式
図２は、溶接入熱量６０〜７０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度４５０〜５５０℃の溶接施工条件で溶接した場合のＶｃｑと溶接金属の０℃でのシャルピー衝撃試験値との関係を示す。図１から明らかなようにＶｃｑが０．７０以上で０℃でのシャルピー衝撃試験値ｖＥ０で４７Ｊ以上が得られる。
以上がワイヤ成分の限定理由であるが、本発明においてはその他強度の調整としてＣｕ：０．５％以下、Ｎｉ：３％以下、Ａｌ：０．０１％以下を添加できる。また、ワイヤ中に不純物として存在するＰおよびＳは、耐高温割れ性を低下させる元素であるので０．０１５％以下であることが好ましい。
【００１６】
溶接入熱量：１５〜７０ｋＪ／ｃｍ
溶接入熱量が大きくなれば、１パス当たりの溶着量が多くなり溶接能率は向上する。しかし、７０ｋＪ／ｃｍを超える溶接入熱量になると溶接金属部に融合不良やスラグ巻き込み欠陥が生じるようになる。さらに溶接金属の強度および靱性が確保できず、高温割れも生じるようになる。一方、溶接入熱量が１５ｋＪ／ｃｍ未満であると溶接能率向上の効果が得られない。また、溶接金属の強度が高くなり、低温割れ感受性も高くなる。
【００１７】
パス間温度：１５０〜５５０℃
パス間温度も溶接入熱量と同様に、高くなれば冷却速度が遅くなって溶接金属の強度および靱性が低下する。一方、パス間温度が低くすると、溶接を中断して冷却待ち時間が長くなるので溶接能率が低下する。パス間温度が１５０℃未満では溶接能率の向上効果が得られず、逆に、パス間温度が５５０℃を超えると、溶接金属の強度および靱性が確保できない。なお、実際の溶接においては、非常に短尺（２００ｍｍ以下）で多層盛溶接しない限り、パス間温度５５０℃を超えることはない。したがって、前述のワイヤを用いる場合、通常の多層盛溶接においてはパス間温度管理をする必要がない。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
まず、表１に示す各種成分の１．４ｍｍ径の試作ワイヤを使用して、図３の開先形状（試験板幅：４００ｍｍ、溶接長：４００ｍｍ）で表２に示す成分の鋼板（鋼種：ＳＮ４９０Ｂ、厚さ：３５ｍｍ）を用いて、表３に示す溶接施工条件で多層盛溶接した。溶接金属の機械的性質は引張試験片（ＪＩＳ　Ｚ２２０１　Ａ１号）およびシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ　Ｚ２２４２　４号）を板表面から１０ｍｍを中心に採取して作成した。
なお、パス間温度は５００〜５５０℃に維持するために試験体下部から加熱しながら温度をコントロールして溶接した。引張強さは４９０Ｎ／ｍｍ^２以上、シャルピー衝撃値は試験温度０℃（ｖＥ０）で５本の値の最低値で４７Ｊ以上を良好とした。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
【表３】

【００２２】
【表４】

【００２３】
表４において、試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５が本発明例、試験Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．３２は比較例である。本発明例の試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５は、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０のワイヤ成分、ＰｔｓおよびＶｃｑが適正であるので、引張強さおよびシャルピー衝撃値が良好で、高温割れ等の欠陥発生もなく、高能率に溶接でき極めて満足な結果であった。比較例中試験Ｎｏ．１６は、ワイヤ記号Ｗ１１のＣおよびＰｔｓが低いので、引張強さが低くなった。また、Ｖｃｑが低いのでシャルピー衝撃値も低くなった。
【００２４】
試験Ｎｏ．１７はワイヤ記号Ｗ１２のＣが高いので、試験Ｎｏ．２１とＮｏ．２２はワイヤ記号Ｗ１６のＭｎが高いので、試験Ｎｏ．２４はワイヤ記号Ｗ１８のＭｏが高いので、試験Ｎｏ．２５はワイヤ記号Ｗ１９のＴｉが低いので、試験Ｎｏ．２６とＮｏ．２７はワイヤ記号Ｗ２０のＴｉが高いので、試験Ｎｏ．２８はワイヤ記号Ｗ２１のＢが低いので、試験Ｎｏ．２９はワイヤ記号Ｗ２２のＢが高いので、また、試験Ｎｏ．３１はワイヤ記号Ｗ２４のＶおよびＮｂの合計量が高いので、いずれもシャルピー衝撃値が低くなった。なお、試験Ｎｏ．２９はワイヤ記号Ｗ２２のＢが高いので下層部の溶接ビードに高温割れが生じた。
【００２５】
試験Ｎｏ．１８はワイヤ記号Ｗ１３のＳｉが低く、試験Ｎｏ．１９はワイヤ記号Ｗ１４のＳｉが高く、試験Ｎｏ．２０はワイヤ記号Ｗ１５のＭｎが低く、また、これらはＶｃｑがいずれも低いのでシャルピー衝撃値が低くなった。試験Ｎｏ．２３はワイヤ記号Ｗ１７のＭｏが低く、また、試験Ｎｏ．３０はワイヤ記号Ｗ２３のＶおよびＮｂの合計量が低いので、引張強さおよびシャルピー衝撃値とも低くなった。また、試験Ｎｏ．３２はワイヤ記号Ｗ２４を用いて溶接入熱量７４ｋＪ／ｃｍの溶接条件で多層盛溶接した結果、溶接金属部に融合不良とスラグ巻き込み欠陥が生じたので機械的性能の調査は中止した。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法によれば、大入熱および高パス間温度で多層盛溶接する場合においても、溶接入熱量およびパス間温度を管理することなく溶接することができ、溶接作業能率の向上とともに品質の良好な溶接部が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｐｔｓと引張強さの関係を示す図である。
【図２】Ｖｃｑとシャルピー衝撃値の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例に用いた試験板の開先形状を示す図である。

Claims

ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．６〜１．２％、Ｍｎ：１．８〜２．５％、Ｍｏ：０．１５〜０．４０％、Ｔｉ：０．１５〜０．３５％、Ｂ：０．００５〜０．０１２％、さらにＶおよびＮｂの１種以上で０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ下記（１）式で示すＰｔｓが０．２９以上、下記（２）式で示すＶｃｑが０．７０以上であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ワイヤ。
Ｐｔｓ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｃｕ／２０＋Ｔｉ／５＋Ｖ／１０＋Ｎｂ／５＋５Ｂ　　　　　　　　　‥‥　　（１）
Ｖｃｑ＝（０．５Ｍｎ＋Ｍｏ）／（Ｓｉ＋３Ｔｉ）　　‥‥　　（２）
高張力鋼を溶接入熱量１５〜７０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度１５０〜５５０℃の溶接施工条件で請求項１記載のワイヤを用いて多層盛溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。