JP2004160541A

JP2004160541A - 溶接ワイヤおよびこのワイヤを用いる溶接方法

Info

Publication number: JP2004160541A
Application number: JP2003153192A
Authority: JP
Inventors: Keigo Inui; 圭吾乾; Hirotaka Namikawa; 裕隆南川; Toshiharu Noda; 俊治野田
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-06-10
Also published as: DE60312448T2; US20040056012A1; CN1322956C; CN1490122A; DE60312448D1; EP1400304B1; US7026576B2; EP1400304A1

Abstract

【課題】溶接部の高温強度が優れ、耐溶接割れ性も良好な溶接ワイヤと、それを用いた溶接方法を提供する。
【解決手段】Ｃ：０.０２５質量％以下；Ｓｉ：１.３質量％以下；Ｍｎ：２.０質量％以下；Ｃｒ：１０〜２５質量％；Ｎ：０.０４〜０.２質量％；ＡｌおよびＴｉ：
【数１】

の関係を満たす量（質量％）（ただし、ｘとｙはそれぞれＡｌとＴｉの含有量（質量％）を表す）；Ｏ：ｚ＜（ｘ＋ｙ−０.０１）／０.５の関係を満たす量（質量％）（ただし、ｚは溶接ワイヤ中の全酸素量（質量％）を表し、ｘとｙは前述の通り）；ならびに残部がＦｅと不可避的不純物からなる溶接ワイヤ。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温強度と耐溶接割れ性に優れた溶接部を形成することができる溶接ワイヤおよびこのワイヤを用いる溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
突き合わせ溶接、隅肉溶接等の溶接を行う場合は、溶接金属の結晶粒が粗大になるため、溶接時に高温割れが発生することがある。このようなことから、従来から溶接部の結晶粒を微細化するための努力がなされている。
例えば溶接ワイヤにＴｉを添加しておくことにより、溶接時に微細なＴｉＮ粒子を生成させてこれを溶接部に分散させ、このＴｉＮ粒子を核として溶接金属の微細な結晶粒を形成する方法が提案されている（特許文献１を参照）。
【０００３】
また、溶接ワイヤに適量のＡｌとＭｇを添加して溶接部の結晶粒を等軸晶化・細粒化する方法が提案されている（特許文献２を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１３８３９４号公報
【特許文献２】
特開平９−２２５６８０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した先行技術では必ずしも満足のいく結果は得られず、ますます強まっている耐溶接割れ性の向上や高温強度の向上という要求に対応しきれないという問題がある。
本発明は、上記した問題を解決し、優れた高温強度と耐溶接割れ性を備えた溶接部を形成することができる溶接ワイヤとそれを用いた溶接方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、例えばステンレス鋼溶接ワイヤにＴｉやＡｌを配合すると、溶接時にこれら成分は微細な窒化物の粒子になって溶接部に分散し、微細な結晶粒を形成するための核として機能するという公知の事実に着目し、溶接ワイヤにおけるＡｌとＴｉの含有量と溶接部における結晶粒度との関係を調べた。その結果、両者の間には相関があることを見出した。
【０００７】
同時に、上記したＡｌとＴｉの機能は、溶接ワイヤ中における酸素量と、溶接時に用いるシールドガス中の酸素量および二酸化炭素の量によって影響を受けるとの知見を得た。
そして、これらの知見に踏まえて鋭意研究を重ねた結果、本発明の溶接ワイヤとそれを用いた溶接方法を開発するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の溶接ワイヤは、Ｃ：０.０２５質量％以下；Ｓｉ：１.３質量％以下；Ｍｎ：２.０質量％以下；Ｃｒ：１０〜２５質量％；Ｎ：０.０４〜０.２質量％；ＡｌおよびＴｉ：次式（１）の関係を満たす量（質量％）
【０００９】
【数３】

【００１０】
（ただし、ｘとｙはそれぞれＡｌとＴｉの含有量（質量％）を表す）；
Ｏ：次式（２）の関係を満たす量（質量％）
ｚ＜（ｘ＋ｙ−０.０１）／０.５ …（２）
（ただし、ｚは溶接ワイヤ中の全酸素量（質量％）を表し、ｘとｙは前記式（１）で定義した通りである）；ならびに残部がＦｅと不可避的不純物からなることを特徴とする溶接ワイヤが提供される。
【００１１】
また、本発明においては、上記した溶接ワイヤを用意する工程；
Ａｒ、ならびに、Ｏ₂およびＣＯ₂の少なくとも一方を含むシールドガスであって、Ｏ₂およびＣＯ₂の体積％をそれぞれｐおよびｑ（ｐとｑがともにゼロであることはない）で表したときに、ｐ≦１０，ｑ≦５０、かつ次式（３）
ｐ＋ｑ≦（ｘ＋ｙ−０.０１−０.５ｚ）／０.０００６ …（３）
（ここで、ｘとｙは前記式（１）で定義した通りであり、ｚは前記式（２）で定義した通りである）
の関係を満たすシールドガスを用意する工程：ならびに、
前記溶接ワイヤの周りに前記シールドガスを供給しながら、ガスシールド溶接を行う工程；
を備えていることを特徴とする溶接方法が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の溶接ワイヤは、上記Ａｌ、ＴｉおよびＯの外に、Ｃ：０.０２５質量％以下、Ｓｉ：１.３質量％以下、Ｍｎ：２.０質量％以下、Ｃｒ：１０〜２５質量％、およびＮ：０.０４〜０.２質量％を含むが、まずこれらの成分を上記の量だけ含有させる理由を説明する。
【００１３】
本発明の溶接ワイヤにおいて、Ｃは溶接部の強度特性を高める成分である。ただし過剰に添加すると、ＡｌおよびＴｉとの間で炭化物を生成してＡｌ窒化物とＴｉ窒化物の生成を阻害するため、その含有量は０.０２５質量％以下に設定される。
Ｓｉは脱酸剤として機能し、また耐溶接割れ性の向上にも資する。しかし、過剰に添加すると溶接部における結晶粒の粗大化を引き起こすため、その含有量は０.１３質量％以下に設定される。
【００１４】
Ｍｎも脱酸剤として機能する。しかし、これも過剰に添加すると溶接部の耐食性、とりわけ耐酸化性の劣化を招くため、その含有量は２.０質量％以下に設定される。
Ｃｒは溶接部の強度特性を高め、同時に耐食性の確保に資する成分であり、その含有量は１０〜２５質量％に設定される。含有量が１０質量％より少なくなると上記の効果が発揮されず、他方２５質量％より多くなっても上記の効果は飽和に達し徒にコスト高を招くからである。
【００１５】
Ｎは、結晶粒の核として機能するＡｌＮやＴｉＮを生成するための必須成分であり、その含有量は０.０４〜０.２質量％に設定される。含有量が０.０４質量％より少ない場合は、ＡｌＮやＴｉＮの生成量が少なくなって、溶接部における結晶粒の微細化を実現することが困難になり、他方０.２質量％より多い場合は、結晶核となる上記ＡｌＮやＴｉＮが凝集してその数が減少し、結晶粒の微細化効果が低下するからである。
【００１６】
次に、本発明の溶接ワイヤにおいて最も重要な成分であるＡｌ，ＴｉおよびＯと、これら成分の含有量の間の関係について説明する。
ＡｌとＴｉは、いずれも微細な窒化物の粒子となって溶接部に均一に分散し、結晶粒の核として機能することにより、溶接部の金属組織の結晶粒を微細化する。
【００１７】
ここで、他の成分の含有量はほぼ一定とした状態、例えばＣ：０.０１質量％、Ｓｉ：１.００質量％、Ｍｎ：０.５０質量％、Ｃｒ：１９.０質量％、Ｎ：０.１０質量％とし、Ａｌの含有量ｘとＴｉの各含有量ｙ（ともに質量％表示）を変化させて溶接ワイヤを製造した。そして、この溶接ワイヤを用いて、鋼板に、Ａｒ：９８体積％、Ｏ₂：２体積％から成る組成のシールドガスを用いてガスシールド溶接を行った。
【００１８】
形成された溶接部における結晶粒度を測定した結果を図１と図２に示す。図１はＡｌ含有量と結晶粒度の関係であり、図２はＴｉ含有量と結晶粒度との関係である。ここで、結晶粒度（番単位）は、ＪＩＳＧ０５５２に準拠して測定した。数字が大きいほど粒径は小さい。
図１と図２から明らかなように、結晶粒度のヒストグラムのピークはＡｌの含有量ｘが０.０５質量％、またＴｉの含有量ｙが０.０８質量％の位置に存在している。
【００１９】
ｘが０.０５質量％より小さいとき、およびｙが０.０８質量％より小さいときは、ｘとｙが小さくなるにつれてＡｌＮおよびＴｉＮ粒子の生成個数が少なくなり、溶接部の結晶粒が粗大化した。一方、ｘが０.０５質量％より大きいとき、およびｙが０.０８質量％より大きいときは、ｘとｙが大きくなるにつれてＡｌＮとＴｉＮがそれぞれ凝集し、その結果、粒子の個数が減少して溶接部の結晶粒が粗大化することが観察された。
【００２０】
そこで、これらの知見に基づき、exp｛-800(x-0.05)²｝およびexp｛-300(ｙ-0.0８)²｝というパラメータを設け（それぞれパラメータ（１ａ）およびパラメータ（１ｂ）という）、各ｘとｙについて計算した値をそれぞれ図１と図２の右端に示した。
両図から、パラメータ（１ａ）とパラメータ（１ｂ）が１のときに結晶粒度（番単位）は最大の１０番となり（粒径は最小である）、パラメータが０に近づくにつれて結晶粒度は小さくなっていくことが分かる。
【００２１】
本発明においては、すでに述べた式（１）：
【００２２】
【数４】

【００２３】
で表されるように、ＡｌとＴｉの各含有量ｘとｙ（ともに質量％表示）は、上述の２つのパラメータ（１ａ）とパラメータ（１ｂ）との積が０.５以上となるような量に設定する。
ここで、上記２つのパラメータはともに最大値が１であるから、パラメータ（１ａ）とパラメータ（１ｂ）の積が０.５以上となるためには、どちらかが０.５以上でなければならない。したがって、ｘのとりうる値はほぼ０.０２〜０.０８質量％であり、他方ｙのとりうる値はほぼ０.０５〜０.１１質量％となる。
【００２４】
そして、すでに述べたように、上記したＡｌとＴｉの機能は、溶接ワイヤ中における酸素の量にも影響されることが解明されたため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＯの量ｚ（質量％）を上述の式（２）：
ｚ＜（ｘ＋ｙ−０.０１）／０.５ …（２）
となるように設定する（ｘとｙはそれぞれＡｌとＴｉの含有量である）。
【００２５】
Ａｌ，ＴｉおよびＯの含有量の間には、これら式（１）と式（２）の関係がともに成立していることが必要である。これらの関係が成立しているときに、微細なＡｌＮとＴｉＮの粒子が溶接部に多量にかつ均一に生成し、その溶接部における結晶粒は微細化する。
本発明の溶接ワイヤは、さらに、Ｎｂ：１.０質量％以下、Ｚｒ：０.１質量％以下、Ｂ：０.１質量％以下、Ｍｏ：５.０質量％以下およびＷ：５.０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種を含有することができる
Ｎｂ，ＺｒおよびＢは、いずれも、溶接部にＡｌＮおよびＴｉＮの微細粒子を生成するのを助け、溶接部における結晶粒の微細化に資する成分であるが、過剰に添加すると、アークの安定化を阻害し、ビードが不健全になるため、Ｎｂの含有量は１.０質量％以下、そしてＺｒとＢの含有量はいずれも０.１質量％以下に制限される。
【００２６】
またＭｏとＷは、いずれも溶接部に固溶して強度特性を高める成分であるが、過剰に添加すると、析出して溶接部脆化の原因となるため、その含有量はいずれも５.０質量％以下に規制される。
次に、上記溶接ワイヤを用いて、ガスシールド溶接する際に用いるシールドガスについて説明する。
【００２７】
本発明で用いるシールドガスは、Ａｒ、ならびに、Ｏ₂およびＣＯ₂の少なくとも一方を含み、Ｏ₂とＣＯ₂の体積％をそれぞれｐおよびｑで表したときに、ｐ≦１０，ｑ≦５０、かつ次式（３）
ｐ＋ｑ≦（ｘ＋ｙ−０.０１−０.５ｚ）／０.０００６ …（３）
（ここで、ｘとｙは前記式（１）で定義した通りであり、ｚは前記式（２）で定義した通りである）
の関係を満たす。
【００２８】
ｐが１０体積％を超えると、溶接部の酸化の程度が大きくなる。また結晶粒の粗大化が進む。一方、ｑが５０体積％を超えた場合でも、結晶粒の粗大化が起こる。
なお、シールドガスがＡｒ単独である場合、すなわち、ｐ，ｑがいずれもゼロである場合には、アークが不安定になって健全なビード形成ができないので、本発明ではこのような場合を除外する。
【００２９】
式（３）の右辺は、シールドガスによる酸化物や炭化物の発生頻度を意味しており、ｐ＋ｑの値がこの右辺の値よりも大きくなると、酸化物や炭化物の発生量が多くなりすぎ、それらが凝集して結晶粒の粗大化を引き起こすため、回避すべきである。
本発明のシールドガスは、さらに、Ｎ₂とＨｅのいずれかまたは両方が混合されていてもよい。その場合、過剰に混合するとアークが不安定になって健全なビードが形成できなくなり、また結晶粒が粗大化するという問題も生ずるので、用いるシールガスの全体積のうち、Ｎ₂は３０体積％以下、Ｈｅは５０体積％以下に制限される。
【００３０】
【実施例】
下記表１（実施例１〜１２）と表２（比較例１〜１０）に示す化学成分組成に対応する鋼を溶製した後、圧延および線引きによって直径１.２mmのワイヤに加工し、実施例１〜１２および比較例１〜１０の溶接用ステンレス鋼ワイヤを得た。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
これらの溶接ワイヤについて、下記表３と表４に示す組成のシールドガスを用いて突き合わせ溶接を行った。そして、形成された溶接部における結晶粒度を、ＪＩＳＧ０５５２に準拠して測定した。
また、溶接部から溶接線方向に沿って全体が溶着金属であるように丸棒型の試験片を採取し、各試験片につきＪＩＳＧ０５６７に準拠して温度９５０℃で高温引張試験を行った。
【００３４】
さらに、次のようにしてＴ型溶接割れ試験を行った。図３で示したように、平鋼板１の上に同じ平鋼板２を側面からみて逆Ｔ字型となるように立て、実施例１〜１２と比較例１〜１０の溶接ワイヤを用いて両平鋼板の当接部の片側に隅肉溶接を行い、ビード３を形成して両平鋼板を固定しておく。ついで、ビード３の反対側に改めて隅肉溶接を行ってビード４を形成し、そのときのビード４における溶接割れの有無をカラーチェックにより観察した。
【００３５】
結果を表３（実施例１〜１２）と表４（比較例１〜１０）に示す。
【００３６】
【表３】

【００３７】
【表４】

【００３８】
表３と表４から明らかなように、比較例１〜１０の溶接ワイヤを用いた場合には、溶接部の結晶粒度は１番または２番で粗大結晶粒となっており、９５０℃における高温引張強度も２６MPa以下と弱い。さらにＴ型溶接割れ試験においても、全てに割れが認められた。
これに反し、式（１）と式（２）の条件をともに満足する実施例１〜１２の溶接ワイヤを用い、かつ式（３）の条件を満たす組成のシールドガスを用いてガスシールド溶接した溶接部は、その金属組織における結晶粒度が５番以上と微細化している。また、高温強度も３５MPa以上で、比較例に比べて著しく優れている。さらに、Ｔ型溶接割れ試験においても溶接割れは全く認められなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の溶接ワイヤを用い、本発明のシールドガスを用いてガスシールド溶接を行うと、溶接部における結晶粒の粗大化による溶接部の割れが起こらず、かつ高温強度の高い溶接部を形成することができる。
このように、本発明の溶接ワイヤは、本発明のシールドガスを用いるガスシールド溶接時に、ＡｌとＴｉが微細な窒化物の粒子になって溶接部に分散し、それが結晶粒の核として機能するため、溶接部における結晶粒が微細となる。その結果、耐溶接割れ性は向上し、また溶接部の高温強度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接ワイヤのＡｌ含有量と溶接部の結晶粒度との関係を示すグラフである。
【図２】溶接ワイヤのＴｉ含有量と溶接部の結晶粒度との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る溶接ワイヤを用いたＴ型溶接割れ試験を説明するための説明図である。

Claims

Ｃ：０.０２５質量％以下；Ｓｉ：１.３質量％以下；Ｍｎ：２.０質量％以下；Ｃｒ：１０〜２５質量％；Ｎ：０.０４〜０.２質量％；ＡｌおよびＴｉ：次式（１）の関係を満たす量（質量％）

（ただし、ｘとｙはそれぞれＡｌとＴｉの含有量（質量％）を表す）；
Ｏ：次式（２）の関係を満たす量（質量％）
ｚ＜（ｘ＋ｙ−０.０１）／０.５ …（２）
（ただし、ｚは溶接ワイヤ中の全酸素量（質量％）を表し、ｘとｙは前記式（１）の場合と同義である）；ならびに
残部がＦｅと不可避的不純物から成ることを特徴とする溶接ワイヤ。
更に、Ｎｂ：１.０質量％以下、Ｚｒ：０.１質量％以下、Ｂ：０.１質量％以下、Ｍｏ：５.０質量％以下およびＷ：５.０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種が含有されている請求項１の溶接ワイヤ。
Ｃ：０.０２５質量％以下；Ｓｉ：１.３質量％以下；Ｍｎ：２.０質量％以下；Ｃｒ：１０〜２５質量％；Ｎ：０.０４〜０.２質量％；Ａｌ，Ｔｉ：次式（１）の関係を満たす量（質量％）

（ただし、ｘ，ｙはそれぞれ、Ａｌ，Ｔｉの含有量（質量％）を表す）；
Ｏ：次式（２）の関係を満たす量（質量％）
ｚ＜（ｘ＋ｙ−０.０１）／０.５ …（２）
（ただし、ｚは溶接ワイヤ中の全酸素量（質量％）を表し、ｘとｙは前記式（１）の場合と同義である）；および
残部がＦｅと不可避的不純物からなる溶接ワイヤを用意する工程；
Ａｒ、ならびに、Ｏ₂およびＣＯ₂の少なくとも一方を含むシールドガスであって、Ｏ₂およびＣＯ₂の体積％をそれぞれｐおよびｑ（ｐとｑはともにゼロであることはない）で表したときに、ｐ≦１０，ｑ≦５０、かつ次式（３）
ｐ＋ｑ≦（ｘ＋ｙ−０.０１−０.５ｚ）／０.０００６ …（３）
（ここで、ｘとｙは前記式（１）で定義した通りであり、ｚは前記式（２）で定義した通りである）
の関係を満たすシールドガスを用意する工程；ならびに、
前記溶接ワイヤの周りに前記シールドガスを供給しながら、ガスシールド溶接を行う工程；
を備えていることを特徴とする溶接方法。
前記溶接ワイヤは、更に、Ｎｂ：１.０質量％以下、Ｚｒ：０.１質量％以下、Ｂ：０.１質量％以下、Ｍｏ：５.０質量％以下、Ｗ：５.０質量％以下の群から選ばれる少なくとも１種が含有されている請求項３の溶接方法。
前記シールドガスは、さらに、Ｎ₂：３０体積％以下およびＨｅ：５０体積％以下のいずれかまたは両方を含んでいる請求項３の溶接方法。