JP2005048271A

JP2005048271A - 高炭素鋼材の溶接方法

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Publication number: JP2005048271A
Application number: JP2003284267A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sato; 裕二佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP4619635B2

Abstract

【課題】 0.3mass％以上の炭素を含む、高炭素鋼材の溶接方法を提案する。
【解決手段】Ｃ：0.3〜1.5 mass％を含有する組成の高炭素鋼材同士を突き合わせまたは重ね合せて、溶接接合したのち、溶接部を１℃／ｓ以上の昇温速度で600℃以上900℃以下の温度範囲内の温度まで加熱したのち、好ましくは５〜30ｓ間保持して、放冷または徐冷する後熱処理を施す。これにより、溶接部に繰返し曲げを加えても割れの発生が防止される。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶接直後に硬化して破断しやすい高炭素鋼、合金工具鋼や軸受鋼等の高炭素鋼材の溶接方法に係り、とくに圧延、酸洗等の連続処理ラインにおける溶接部の破断防止に関する。なお、本発明でいう「鋼材」は、鋼帯、鋼板、棒鋼、形鋼を含むものとする。

一般に、鋼材は、成分調整した溶鋼を鋼塊に鋳造し、鋼帯（帯鋼ともいう）、鋼板（多くの場合、厚鋼板を指す）、棒鋼、形鋼などに熱間圧延されることで製造されるが、鋼材が、成分的にＣ：0.3mass ％以上の高炭素鋼の場合は、溶接接合した溶接部が、溶接完了直後の冷却（大気中自然冷却、すなわち空冷）過程でマルテンサイト変態して硬化しやすい。このため、機械的な曲げが溶接部に加わると、溶接部表層の微小クラックから亀裂が伝播して溶接部で破断する場合がある。溶接部で破断が生じると、大きな問題となる。

このような溶接部の破断を防止する手段として、溶接後に、Ac1 変態点以下の温度に加熱して、硬質な焼入れマルテンサイトを、靭性に富む焼戻しマルテンサイトとする、後熱処理を施し、割れ発生を防止する溶接方法がある。

例えば、特許文献１には、突合せる鋼板の各端部を溶接前から溶接終了直後までの間を連続的または間欠的に加熱し、溶接直後における溶接部およびその近傍の温度が80〜400℃になるように保持し、その後焼戻し熱処理を行うレーザ溶接方法が提案されている。また、特許文献２には、炭素量0.30％以上の特殊鋼の先行材の後端と後行材の先端とをフラッシュバット溶接で接合して連続ラインに通板するに際し、溶接部を溶接直後にMs点よりも100℃以上低い温度まで一旦強制的に冷却したあと、ガスバーナ等で700℃程度の温度で後熱処理を行って焼戻しマルテンサイトの組織を得る特殊鋼鋼帯のライン内接合方法が提案されている。

また、特許文献３には、高炭素鋼帯を突合せ溶接する際に、レーザ溶接を適用し、かつ溶接完了後１分以内に、400℃以上、Ａc₁点以下の温度範囲で後熱処理を行う高炭素鋼帯の溶接方法が提案されている。
特開昭６１−７９７２９号公報特公昭６３−６４５０１号公報特開平５−１３２７１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、溶接前に加熱（予熱）するため、鋼板に熱膨張が生じる結果、突合せギャップに鋼板幅方向で不揃いが生じる場合が少なくない。レーザ溶接のように細いエネルギービームを用いる特許文献１に記載された技術では、溶込み不足が生じる箇所ができ、その部分箇所を起点として鋼帯が破断する場合があるという問題があった。また、突合せギャップの不揃いは予熱温度を低くすれば小さくなるが、予熱することの本来の目的である溶接後の溶接部の冷却速度を低く抑える効果が小さくなり、その結果として生成する焼入れマルテンサイト量を減少させることが難しくなり、鋼帯の破断を完全に防止することはできないという問題があった。また、特許文献１に記載された技術では、溶接後にも加熱（後熱）するため、溶接部をはさんだ両側ヒータ近傍では、局部的に溶接部よりもよく加熱されてAc1 変態点をはるかに超える温度となる場合があり、マルテンサイトが一部オーステナイトに逆変態し、冷却時に再度焼入れマルテンサイトを生成し、溶接部近傍で破断しやすくなる場合があるという問題があった。

また、特許文献２に記載された技術では、溶接後の強制冷却時にマルテンサイト変態が生じ、後熱処理の前に割れが生じる場合があった。また、特許文献２に記載された技術では、後熱処理をガスバーナで行っているため、後熱処理温度が鋼帯幅方向に均一とならず、Ac1 変態点をはるかに超える温度となる箇所もあり、そのためマルテンサイトが一部オーステナイト（以下、γともいう）に逆変態し、冷却時に再度焼入れマルテンサイトを生成して破断しやすくなる場合があるという問題があった。

また、特許文献３に記載された技術では、溶接完了後１分以内の後熱処理による溶接部およびその近傍の硬さの低下がまだ不十分でブライドルロールやルーパーロールによる曲げによって破断する場合があるという問題に加えて、その後の冷間圧延や調質圧延に際し、母材と溶接部の硬さの差から、溶接部を連続圧延すると破断する場合があるという問題があった。さらに、破断を防止するため、溶接部が通過する際に圧延機のロールを解放すると、板厚が所定の範囲を超える部分が生じ、歩留低下を招くという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題を有利に解決し、溶接接合部における破断発生を抑制できる、0.3mass％以上の炭素を含む、高炭素鋼材の溶接方法を提案することを目的とする。

本発明者は、上記した課題を達成するために、C：0.3 mass％以上の高炭素鋼溶接部の
曲げによる割れ発生に影響する各種要因について溶接後熱処理を中心に綿密な検討を行った。その結果、溶接後熱処理時の加熱（昇温）速度が焼戻し過程の析出炭化物形態とAc1 変態点近傍の相変態に大きな影響を及ぼすことを知見した。すなわち、溶接完了後、溶接接合部に１℃／ｓ以上の速度で急速加熱（昇温）する後熱処理を施すことにより、適正な後熱処理の温度範囲を今まで考えられていたよりも高温側に広げることができ、溶接部の後熱処理（焼戻し）効果を顕著に増大させ、溶接部の耐割れ性（耐破断性）が顕著に向上することを見出した。

本発明は、上記した知見に立脚するものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）Ｃ：0.3 〜1.5 mass％を含有する組成の高炭素鋼材同士を突き合わせまたは重ね合せて、該高炭素鋼材を溶接接合する高炭素鋼材の溶接方法において、前記溶接接合後、該溶接接合により形成された溶接部を、１℃／ｓ以上の昇温速度で600℃以上900 ℃以下の温度範囲内の温度まで加熱したのち放冷または徐冷する後熱処理を施すことを特徴とする高炭素鋼材の溶接方法。
（２）（１）において、前記温度で、５〜30ｓ間保持することを特徴とする高炭素鋼材の溶接方法。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてmass％で、Cr：0.2〜13.0％、Mo：0.2〜10.0％、Ｗ：0.2〜19.0％、Ｖ：0.2〜5.2％、Nb：0.2〜5.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有することを特徴とする高炭素鋼材の溶接方法。

本発明によれば、溶接接合部からの破断発生を防止できるため、例えば連続処理ラインにおける長時間の停止が防止され、生産性が顕著に向上し、産業上格段の効果を奏する。また、従来、鋼帯溶接部での破断防止のために、連続圧延において溶接部通過時に圧延ロールを開放状態となるように制御していたが、本発明によれば、そのような圧延ロールの制御は不要となる。したがって、溶接部前後を切り捨てる必要がなくなり、鋼帯の製造歩留りが向上するという効果もある。

本発明が対象とする鋼材は、Ｃ：0.3 〜1.5 mass％を含有する組成の高炭素鋼材とする。また、本発明では、複合炭化物の析出成長を抑制する観点から、上記した組成に加えてさらに、mass％で、Cr：0.2〜13.0％、Mo：0.2〜10.0％、Ｗ：0.2〜19.0％、Ｖ：0.2〜5.2％、Nb：0.2〜5.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有してもよい。

例えば、高炭素鋼材としては、Ｃ：0.3 〜1.5 mass％を含有し、Ｃ以外の成分として、さらにSi：3.5mass％以下、Mn：1.0mass％以下、Ni：1.0mass％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の炭素鋼がある。なお、不可避的不純物としては、Cu：0.3mass％以下が許容できる。

また、高炭素鋼材としては、Ｃ：0.95 〜1.1mass％を含有し、さらにSi：0.15〜0.70 mass％、Mn：1.15mass％以下、Cr：0.9〜1.6mass％を含み、、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の軸受鋼がある。

また、高炭素鋼材としては、Ｃ：0.35〜1.5 mass％を含有し、さらにSi：0.35 mass％以下、Mn：0.8mass％以下、を含み、さらに、Cr：0.2〜1.5mass％、Ｖ：0.1〜0.3mass％、Ｗ：1.0〜3.5mass％、のうちから選ばれた１種又は２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の合金工具鋼が挙げられる。

本発明では、高炭素鋼材同士を突き合わせまたは重ね合せて、溶接接合する。例えば、先行する高炭素鋼帯の尾端と、後行する高炭素鋼帯の先端とを、突き合わせ、または重ね合せて、高炭素鋼帯の幅方向に溶接接合する場合等に好適に適用することができる。溶接方法はとくに限定されないが、レーザ溶接、あるいはフラッシュバット溶接、あるいは重ね合わせ通電溶接（シーム溶接）、あるいはアーク溶接等とすることが好ましい。溶接接合により形成された溶接部は、ついで後熱処理を施される。

後熱処理は、１℃／ｓ以上の昇温速度で600℃以上900 ℃以下の温度範囲内の温度まで加熱したのち放冷または徐冷する処理とする。昇温速度を１℃／ｓ以上の急速加熱とすることにより、固溶Cの拡散が抑制され、格子欠陥の生成が促進され、γ相への変態開始が抑制されて溶接部の軟化が促進される。またさらに、昇温速度を１℃／ｓ以上とすることにより、γ相への変態が生じても、γ相中での固溶Cの拡散が抑制されるため、γ相中にＣが均一に分散せず、その後の冷却により一部のγ相のみが硬質なマルテンサイト相となる。このため、溶接部は、γ相への変態が生じるような高温の温度域まで後熱されても、顕著な硬化を示さないことになる。なお、析出成長と変態抑制の観点から、昇温速度は1.0〜200℃／ｓとすることが好ましい。より好ましくは10〜200℃／ｓである。

本発明の後熱処理では、Ac1 変態点をはさんだ、600℃以上900 ℃以下の温度範囲内の温度まで、上記した昇温速度で加熱する。ここでいう「Ac1 変態点」は、加熱速度（昇温速度）：0.05℃／ｓで行った熱膨張測定により得られた熱膨張曲線から求められた値を用いるものとする。

加熱温度が600℃未満では、焼入れマルテンサイトの固溶Ｃ析出が少ないことによる十分な溶接部の軟化が生じないため、溶接部からの割れ発生を防止できない。一方、加熱温度が900 ℃を超えて高くなると、γ相への変態が顕著に生じてγ相が多く存在するようになるとともに、γ相中にＣの固溶も活発となり、γ相中のＣが均一化して、その後の冷却でほとんどのγ相は硬質のマルテンサイト相に変態し、溶接部が硬化する。このため、溶接部からの割れ発生を完全には防止できなくなる。

また、本発明では、上記した後熱処理による加熱温度での保持時間は、５〜30ｓ間とすることが好ましい。保持時間が、５ｓ未満では、十分な溶接部の軟化が期待できない。一方、保持時間が30ｓを超えて長くなっても、効果が飽和するとともに、熱伝導によるＣの拡散、固溶が始まり、析出物の成長とα変態が生じ、さらに時間がかかることで生産性を阻害して不経済となり不利となる。

本発明では上記した温度に加熱し、好ましくはその温度に保持したのち、急冷せずに、放冷または徐冷する。加熱後、放冷または徐冷することにより、冷却中にγ相から生成する一部のマルテンサイトも軟質になり、冷却後に硬化することがなく、溶接部からの破断発生を回避でき、耐破断性が向上する。なお、放冷は、大気中での空冷で冷却速度は概ね20℃／ｓ以下である。また、ここでいう徐冷とは、冷却速度で0.008℃／ｓ以下の炉内での冷却をいうものとする。

図１に示すような鋼帯の冷間圧延ラインの入側に設置した溶接機10による溶接に本発明を適用した。ここで鋼帯は、表１に示す組成の高炭素鋼帯（ＳＫ５：3.5mm厚、ＳＵＪ２：4.5mm厚）を用いた。これら鋼帯から、溶接接合用試験片（大きさ：1000ｗ×500ｌmm）を採取し、試験片同士を突き合せて溶接接合した。用いた溶接機は、出力10ｋWの炭酸ガスレーザ溶接機とした。溶接接合後、直に溶接部に後熱処理を施した。なお、後熱処理は、溶接機に内蔵された高周波誘導加熱装置を用いて、表２に示す後熱処理条件（昇温速度、加熱温度、保持時間、冷却）で行った。

得られた溶接部について、JIS Z 3101の規定に準拠して熱影響部の最高硬さＨＶを求めた。また、得られた溶接部から曲げ試験片（平板ｔ×20ｗ×150ｌmm）を採取して、繰返し曲げ試験を実施した。繰返し曲げ試験は、溶接線とに、曲げ半径25mmの90°曲げ、曲げ戻しを機械的に30回行い、割れが発生する繰返し回数を求めた。

得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、溶接熱影響部の硬さがＨＶ400以下と低く、繰返し曲げ回数も20回以上と耐割れ性、耐破断性に優れた溶接部となっている。比較例では、溶接熱影響部の硬さがＨv452以上と溶接部が硬化しており、繰返し曲げ回数も10回以下と低く、割れやすい溶接部となっている。

なお、この実施例では、突合せレーザ溶接を用いた例について説明したが、本発明はこれに限るものでなく、重ね合せ溶接であってもよいし、溶接の種類もフラッシュバット溶接やシーム溶接を用いてよいことはいうまでもない。

鋼帯の冷間圧延ラインの一例を示す模式図である。

符号の説明

1 鋼帯
２仕上圧延機列
５シャー
10 溶接機
20 ペイオフリール
30 テンションリール
50 ブライドルロール
60 ルーパーロール
100 冷間圧延ライン

Claims

Ｃ：0.3 〜1.5 mass％を含有する組成の高炭素鋼材同士を突き合わせまたは重ね合せて、該高炭素鋼材を溶接接合する高炭素鋼材の溶接方法において、前記溶接接合後、該溶接接合により形成された溶接部を、１℃／ｓ以上の昇温速度で600℃以上900 ℃以下の温度範囲内の温度まで加熱したのち放冷または徐冷する後熱処理を施すことを特徴とする高炭素鋼材の溶接方法。
前記温度で、５〜30ｓ間保持することを特徴とする請求項１に記載の高炭素鋼材の溶接方法。
前記組成に加えてmass％で、Cr：0.2〜13.0％、Mo：0.2〜10.0％、Ｗ：0.2〜19.0％、Ｖ：0.2〜5.2％、Nb：0.2〜5.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の高炭素鋼材の溶接方法。