JP2005230906A - Gas shielded arc welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軟鋼および 490Ｎ／mm2 級高張力鋼， 590Ｎ／mm2 級高張力鋼の溶接施工に好適なガスシールドアーク溶接方法に関し、特に高入熱かつ高パス間温度の多層盛り溶接おいても優れた強度および靭性を有する溶接金属が得られ、しかも溶接施工時にスパッタの発生やスラグの形成を抑制する等の優れた溶接作業性を発揮するガスシールドアーク溶接方法に関する。 The present invention, mild steel and 490 N / mm 2 class high strength steel, relates suitable gas shielded arc welding method welding of 590N / mm 2 class high strength steel, pay particular multi-layer welding of a high heat input and high interpass temperature In particular, the present invention relates to a gas shielded arc welding method capable of obtaining a weld metal having excellent strength and toughness and exhibiting excellent welding workability such as suppression of spatter generation and slag formation during welding.
建築や橋梁等の鋼構造物の溶接では、ガスシールドアーク溶接が一般的な溶接法として普及している。特に、シールドガスとして安価な炭酸ガスを使用する炭酸ガスシールドアーク溶接が最も広く採用されている。その炭酸ガスシールドアーク溶接では、溶接金属の靭性を向上させるために、Ti−Ｂ系の鋼素線からなる炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤが使用される。 In welding of steel structures such as buildings and bridges, gas shielded arc welding is widely used as a general welding method. In particular, carbon dioxide shielded arc welding using cheap carbon dioxide as the shielding gas is most widely employed. In the carbon dioxide shielded arc welding, in order to improve the toughness of the weld metal, a steel wire for carbon dioxide shielded arc welding made of a Ti-B steel element wire is used.
たとえば特公昭43-12258号公報には、Ｃ，Si，Mnに加えて、Al，Ti，ZrおよびＶのうちの１種以上を含有し、さらにＢを添加した炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤが開示されている。また特開昭55-149797号公報には、Ｃ，Si，Mnに加えて、TiおよびMoのうちの１種以上を含有し、さらにＢを添加した炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤが開示されている。 For example, Japanese Patent Publication No. 43-12258 discloses a steel wire for carbon dioxide shielded arc welding containing at least one of Al, Ti, Zr and V in addition to C, Si and Mn, and further adding B. Is disclosed. JP 55-149797 discloses a steel wire for carbon dioxide shielded arc welding containing at least one of Ti and Mo in addition to C, Si and Mn, and further adding B. ing.
しかし、近年では溶接施工の作業効率の向上を図るために、高入熱かつ高パス間温度で炭酸ガスシールドアーク溶接を施工する傾向がある。このような高入熱かつ高パス間温度の溶接施工では、Ti−Ｂ系の鋼素線からなる炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを使用しても、溶接金属の強度が低下するばかりでなく、靭性も劣化する。そこで、高入熱かつ高パス間温度の溶接施工においても強度と靭性に優れた溶接金属を得る技術が、種々検討されている。 However, in recent years, there is a tendency to perform carbon dioxide shielded arc welding with high heat input and high interpass temperature in order to improve the work efficiency of welding. In such high heat input and high pass-to-pass temperature welding, the strength of the weld metal is not only reduced by using carbon steel shielded arc welding steel wires made of Ti-B steel strands. The toughness also deteriorates. Therefore, various techniques for obtaining a weld metal having excellent strength and toughness in welding construction with high heat input and high interpass temperature have been studied.
たとえば特開平10-230387 号公報には、Ｃ，Si，Mn，Ti，Ｂ，Ｓを含有し、TiとＢの比率を規定した炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤが開示されている。また特開平11-90678号公報には、Ｃ，Si，Mn，Moに加えて、Ti，Ｂ，AlおよびZrのうちの１種以上を含有する炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤが開示されている。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-230387 discloses a steel wire for carbon dioxide shielded arc welding containing C, Si, Mn, Ti, B, and S, and defining the ratio of Ti and B. Japanese Patent Laid-Open No. 11-90678 discloses a steel wire for carbon dioxide shielded arc welding containing at least one of Ti, B, Al and Zr in addition to C, Si, Mn and Mo. Yes.
しかしながら、これらの技術では、シールドガスとして炭酸ガスを使用するので、溶接金属中にＯ（酸素）が混入しやすい。その結果、高入熱かつ高パス間温度の溶接施工を行なった場合に、溶接金属の靭性が劣化する。しかも、炭酸ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤに種々の元素を添加するので、スパッタが多量に発生するばかりでなく、スラグの形成量も増加し、十分な溶接作業性を確保するには至っていない。とりわけ多層盛り溶接では、スラグが増加すると、溶接金属の強度や靭性に悪影響を及ぼす。
本発明の目的は、高入熱かつ高パス間温度の多層盛り溶接においても、優れた強度および靭性を有する溶接金属が得られ、しかも溶接施工時のスパッタ発生量およびスラグ形成量を低減して良好な溶接作業性を発揮するガスシールドアーク溶接方法を提供することにある。 An object of the present invention is to obtain a weld metal having excellent strength and toughness even in multi-layer welding with high heat input and high inter-pass temperature, and also reduce spatter generation and slag formation during welding. An object of the present invention is to provide a gas shielded arc welding method that exhibits good welding workability.
本発明者らは、溶接用フラックスを内装していないソリッドワイヤと呼ばれるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（以下、溶接用鋼ワイヤという）を用いて、高入熱かつ高パス間温度で多層盛り溶接を行ない、溶接金属の機械的性質や溶接施工の作業性について検討した。すなわち本発明者らは、溶接用鋼ワイヤの素材となる鋼素線の成分およびシールドガスの成分が、溶接金属の機械的性質（強度，靭性）や溶接施工の作業性（スパッタの発生，スラグの形成）に及ぼす影響に着目して鋭意研究した結果、下記の知見を得た。 The inventors of the present invention use a gas shielded arc welding steel wire (hereinafter referred to as a welding steel wire) called a solid wire that does not contain a welding flux, and perform multi-layer welding at high heat input and high interpass temperature. We examined the mechanical properties of weld metal and the workability of welding work. That is, the present inventors have determined that the steel wire component and the shielding gas component, which are the materials of the steel wire for welding, are the mechanical properties (strength and toughness) of the weld metal and the workability of the welding operation (spatter generation, slag As a result of diligent research focusing on the effects on the formation of the following, the following findings were obtained.
溶接金属の強度および靭性を確保するためには、溶接金属のＯ含有量を低減して、微細なフェライト組織を形成する必要がある。そこで鋼素線に脱酸元素（たとえ化Si，Mn，Al，Ti等）を添加し、溶融プールが凝固するまでに酸化反応を進行させることによって、溶接金属のＯ含有量を低減する。しかし、脱酸元素の酸化反応によって生じる酸化物がスラグとなるので、脱酸元素を過剰に添加した場合にはスラグが多量に形成される。多層盛り溶接では、スラグが増加すると、溶接金属の強度や靭性に悪影響を及ぼす。したがって、鋼素線に含有させる脱酸元素の添加量は制約を受けることになり、脱酸元素とＯを反応させて溶接金属のＯ含有量を低減させる効果にも限界がある。 In order to ensure the strength and toughness of the weld metal, it is necessary to reduce the O content of the weld metal and form a fine ferrite structure. Therefore, a deoxidizing element (such as Si, Mn, Al, Ti, etc.) is added to the steel wire, and the oxidation reaction proceeds until the molten pool solidifies, thereby reducing the O content of the weld metal. However, since the oxide generated by the oxidation reaction of the deoxidizing element becomes slag, a large amount of slag is formed when the deoxidizing element is excessively added. In multi-layer welding, an increase in slag adversely affects the strength and toughness of the weld metal. Therefore, the addition amount of the deoxidizing element contained in the steel wire is restricted, and there is a limit to the effect of reducing the O content of the weld metal by reacting the deoxidizing element with O.
そこで、脱酸元素の酸化反応によって溶接金属のＯ含有量を低減し、さらに溶接金属のＯ含有量を一層低減するために、シールドガスから溶融プールに混入するＯを減少させる必要がある。つまり高入熱かつ高パス間温度でガスシールドアーク溶接を行なった場合には溶融プールが大きくなるので、炭酸ガスをシールドガスとして用いると、シールドガス中のＯが混入し易くなる。したがって、溶接金属のＯ含有量を低減するためには、Arを主体とするシールドガスを使用する。 Therefore, in order to reduce the O content of the weld metal by the oxidation reaction of the deoxidizing element and further reduce the O content of the weld metal, it is necessary to reduce the O mixed from the shield gas into the molten pool. That is, when gas shield arc welding is performed at a high heat input and a high interpass temperature, the molten pool becomes large. Therefore, if carbon dioxide gas is used as the shield gas, O in the shield gas is likely to be mixed. Therefore, in order to reduce the O content of the weld metal, a shielding gas mainly composed of Ar is used.
溶接金属のＯ含有量を低減すると、
(1) 溶接金属中に残留する酸化物が減少して、溶接金属の焼入れ性，靭性が向上する、
(2) 溶接金属中に残留するSi，Mnが増加して、溶接金属の強度が向上する
という効果が得られる。
When the O content of the weld metal is reduced,
(1) The oxide remaining in the weld metal is reduced and the hardenability and toughness of the weld metal are improved.
(2) The effect of increasing the strength of the weld metal by increasing Si and Mn remaining in the weld metal is obtained.
また、溶接施工を中断することなく連続して行なう場合のような、高パス間温度のガスシールドアーク溶接では、溶接金属に粒界フェライトが生じ易くなり、溶接金属の靭性が低下する。Arを主体とするシールドガスを使用したガスシールドアーク溶接では、溶接金属のＯ含有量を低減するとともに、溶接金属にＢ，Mo，Crを含有させることによって、粒界フェライトの生成を抑制することができる。溶接金属にＢ，Mo，Crを含有させるためには、これらの元素を含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを使用する必要がある。しかしArを主体とするシールドガスを使用する従来の溶接技術では、Ｂは鋼素線に添加されていなかった。 Further, in gas shielded arc welding at a high interpass temperature, such as when performing welding without interruption, grain boundary ferrite is likely to occur in the weld metal, and the toughness of the weld metal is reduced. In gas shielded arc welding using a shielding gas mainly composed of Ar, the O content of the weld metal is reduced, and the formation of intergranular ferrite is suppressed by adding B, Mo, Cr to the weld metal. Can do. In order to contain B, Mo, Cr in the weld metal, it is necessary to use a steel wire for welding made of a steel wire containing these elements. However, B is not added to the steel wire in the conventional welding technique using a shielding gas mainly composed of Ar.
以上に説明した通り、本発明者らは、Arを主体とするシールドガスを使用して高入熱かつ高パス間温度で多層盛り溶接を行なう場合にも、溶接金属のＯ含有量を低減し、かつ溶接金属にＢを含有させることによって、溶接金属の機械的性質を安定して確保できるという新たな知見を得た。 As described above, the present inventors have reduced the O content of the weld metal even when performing multi-layer welding at high heat input and high interpass temperature using a shielding gas mainly composed of Ar. And the new knowledge that the mechanical property of a weld metal can be stably ensured by containing B in a weld metal was acquired.
ただしＢは焼入れ性を著しく高める元素であるから、溶接金属の靭性の劣化を防止するために、その含有量のみならず、溶接施工後の溶接金属の冷却速度も規定する必要がある。そこで、ガスシールドアーク溶接が終了した後、最終パスのビード部の温度が 800℃から 500℃に冷却されるまでの所用時間（以下、Ｔ8/5 という）を好適範囲に維持する。 However, since B is an element that remarkably enhances the hardenability, in order to prevent the deterioration of the toughness of the weld metal, it is necessary to define not only its content but also the cooling rate of the weld metal after welding. Therefore, after the gas shielded arc welding is completed, the required time (hereinafter referred to as T8 / 5) until the temperature of the bead portion of the final pass is cooled from 800 ° C. to 500 ° C. is maintained in a suitable range.
このようにして、Arを主体とするシールドガスを使用し、かつ溶接金属に脱酸元素とＢ，Mo，Crを含有させることによって、溶接金属の強度と靭性を安定して確保し、スラグの形成を抑制することが可能である。しかも溶融プールの表面揺動の安定化とアークの安定化を達成できるので、スパッタの発生量を低減できる。 In this way, by using a shielding gas mainly composed of Ar and containing a deoxidizing element and B, Mo, Cr in the weld metal, the strength and toughness of the weld metal are stably secured, and the slag Formation can be suppressed. In addition, stabilization of the surface fluctuation of the molten pool and stabilization of the arc can be achieved, so that the amount of spatter generated can be reduced.
本発明はこれらの知見に基づいてなされたものである。 The present invention has been made based on these findings.
すなわち本発明は、Ｃ：0.01〜0.10質量％，Si： 0.２〜1.2 質量％，Mn： 1.0〜2.5 質量％，Ti：0.05〜0.20質量％，Ｓ： 0.003〜0.020 質量％，Ｐ： 0.020質量％以下，Mo：0.05〜0.5 質量％，Cr：0.05〜0.3 質量％，Cu： 0.5質量％以下，Al： 0.005〜0.02質量％，Ｂ：0.0005〜0.0050質量％を含有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを用い、かつＣＯ2 ：10〜50体積％，Ar：50〜90体積％を含有する混合ガスをシールドガスとして用いて溶接施工した後、最終パスのビード部が 800℃から 500℃に冷却されるまでの所用時間を15〜450 秒に調整するガスシールドアーク溶接方法である。 That is, the present invention includes C: 0.01 to 0.10% by mass, Si: 0.2 to 1.2% by mass, Mn: 1.0 to 2.5% by mass, Ti: 0.05 to 0.20% by mass, S: 0.003 to 0.020% by mass, P: 0.020. Less than mass%, Mo: 0.05 to 0.5 mass%, Cr: 0.05 to 0.3 mass%, Cu: 0.5 mass% or less, Al: 0.005 to 0.02 mass%, B: 0.0005 to 0.0050 mass% with welding steel wire, and CO 2: 10 to 50 vol%, Ar: 500 a mixed gas containing 50 to 90 vol% after welding using a shielding gas, the bead portion of the final path from 800 ° C. This is a gas shielded arc welding method in which the time required for cooling to ℃ is adjusted to 15 to 450 seconds.
本発明のガスシールドアーク溶接方法では、鋼素線が、前記した組成に加えて、Ｋ：0.0001〜0.0030質量％を含有することが好ましい。 In the gas shielded arc welding method of the present invention, the steel strand preferably contains K: 0.0001 to 0.0030 mass% in addition to the above-described composition.
なお、ここで鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤとは、溶接用フラックスを内装せず、素材となる鋼素線を主体とするワイヤ（いわゆるソリッドワイヤ）を指す。また本発明は、鋼素線の表面にめっきを施したり、あるいは潤滑剤を塗布した溶接用鋼ワイヤにも支障なく適用できる。 In addition, the steel wire for welding which consists of a steel strand here refers to the wire (what is called a solid wire) which does not incorporate the welding flux and mainly has the steel strand used as a raw material. The present invention can also be applied to a welding steel wire in which the surface of the steel wire is plated or a lubricant is applied without any trouble.
本発明によれば、高入熱かつ高パス間温度の多層盛り溶接においても、優れた強度および靭性を有する溶接金属が得られ、しかも溶接施工時にスパッタ発生量およびスラグ形成量を低減して良好な溶接作業性が得られる。 According to the present invention, a weld metal having excellent strength and toughness can be obtained even in multi-layer welding with high heat input and high interpass temperature, and the spatter generation amount and slag formation amount can be reduced during welding. Welding workability can be obtained.
まず本発明のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（すなわち溶接用鋼ワイヤ）の鋼素線の成分を限定した理由について説明する。 First, the reason why the steel wire component of the steel wire for gas shielded arc welding of the present invention (that is, the steel wire for welding) is limited will be described.
Ｃ：0.01〜0.10質量％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するのに必要な元素であり、溶融メタルの粘性を低下させて流動性を向上させる効果がある。しかしＣ含有量が0.01質量％未満では、溶接金属の強度を確保できない。一方、0.10質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｃは0.01〜0.10質量％の範囲内を満足する必要がある。
C: 0.01-0.10 mass%
C is an element necessary for ensuring the strength of the weld metal, and has the effect of reducing the viscosity of the molten metal and improving the fluidity. However, if the C content is less than 0.01% by mass, the strength of the weld metal cannot be ensured. On the other hand, if it exceeds 0.10% by mass, the toughness of the weld metal decreases. Therefore, C needs to satisfy the range of 0.01-0.10 mass%.
Si： 0.2〜1.2 質量％
Siは、脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素である。しかしSi含有量が 0.2質量％未満では、溶接施工時に溶滴や溶融プールが揺動し、スパッタが多量に発生する。また、溶融メタルの脱酸が不足するので、溶接金属にブローホールが発生し易い。一方、 1.2質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下するばかりでなく、スラグ発生量が増加する。その結果、多層盛り溶接では、スラグに起因する溶接欠陥が生じ易くなり、しかもビード形状も劣化する。したがって、Siは 0.2〜1.2 質量％の範囲内を満足する必要がある。
Si: 0.2-1.2 mass%
Si has a deoxidizing action and is an indispensable element for deoxidizing molten metal. However, if the Si content is less than 0.2% by mass, the droplets and molten pool will oscillate during welding, resulting in a large amount of spatter. Further, since deoxidation of the molten metal is insufficient, blow holes are likely to occur in the weld metal. On the other hand, if it exceeds 1.2% by mass, not only the toughness of the weld metal will be lowered but also the amount of slag generated will be increased. As a result, in multi-layer welding, welding defects due to slag are likely to occur, and the bead shape is also deteriorated. Therefore, Si needs to satisfy the range of 0.2 to 1.2% by mass.
Mn： 1.0〜2.5 質量％
Mnは、Siと同様に脱酸作用を有し、溶融メタルの脱酸のためには不可欠な元素であるとともに、溶接金属の機械的性質を向上させる元素である。しかしMn含有量が 1.0質量％未満では、溶融メタルの脱酸が不足して溶接金属にブローホールが発生するばかりでなく、溶接金属中に残留するMn量が不足して十分な強度と靭性が得られない。一方、 2.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下し、しかもスラグ発生量が増加して多層盛り溶接ではスラグに起因する溶接欠陥が生じ易くなる。したがって、Mnは 1.0〜2.5 質量％の範囲内を満足する必要がある。
Mn: 1.0-2.5 mass%
Mn has a deoxidizing action similar to Si, is an element indispensable for deoxidizing molten metal, and is an element that improves the mechanical properties of the weld metal. However, if the Mn content is less than 1.0% by mass, not only the deoxidation of the molten metal is insufficient and blowholes are generated in the weld metal, but also the Mn content remaining in the weld metal is insufficient and sufficient strength and toughness are obtained. I can't get it. On the other hand, if it exceeds 2.5% by mass, the toughness of the weld metal decreases, and the amount of slag generated increases, so that in multi-layer welding, weld defects caused by slag are likely to occur. Therefore, Mn needs to satisfy the range of 1.0 to 2.5% by mass.
Ti：0.05〜0.20質量％
Tiは、脱酸剤として作用し、かつ溶接金属の強度と靭性を向上させる元素である。また、アークを安定させて、スパッタを減少させる効果も有する。しかしTi含有量が0.05質量％未満では、スパッタ低減の効果は乏しい。しかも溶接金属を微細なフェライト組織とするための変態核となるTi酸化物を十分に確保できないので、溶接金属が粗大な組織となり、強度と靭性が低下する。一方、0.20質量％を超えると、溶接施工時に溶滴が粗大になり大粒のスパッタが発生するばかりでなく、溶接金属の靭性が著しく低下する。したがって、Tiは0.05〜0.20質量％の範囲内を満足する必要がある。
Ti: 0.05-0.20 mass%
Ti is an element that acts as a deoxidizer and improves the strength and toughness of the weld metal. It also has the effect of stabilizing the arc and reducing spatter. However, when the Ti content is less than 0.05% by mass, the effect of reducing spatter is poor. In addition, since a Ti oxide serving as a transformation nucleus for making the weld metal into a fine ferrite structure cannot be secured sufficiently, the weld metal becomes a coarse structure, and strength and toughness are lowered. On the other hand, if it exceeds 0.20% by mass, the droplets become coarse during welding and large spatters are generated, and the toughness of the weld metal is significantly reduced. Therefore, Ti needs to satisfy the range of 0.05-0.20 mass%.
Ｓ： 0.003〜0.020 質量％
Ｓは、鋼素線に不可避的に含有される不純物であるが、溶接される鋼板とビードとのなじみを良くして、ビードの形状を改善する効果がある。しかしＳ含有量が 0.003質量％未満では、アークが不安定になり溶接作業性が損なわれる。一方、 0.020質量％を超えると、溶接金属の高温割れが発生し易くなる。したがって、Ｓは 0.003〜0.020 質量％の範囲内を満足する必要がある。
S: 0.003-0.020 mass%
S is an impurity inevitably contained in the steel wire, and has the effect of improving the conformity between the steel plate to be welded and the bead and improving the bead shape. However, if the S content is less than 0.003 mass%, the arc becomes unstable and welding workability is impaired. On the other hand, if it exceeds 0.020% by mass, hot cracking of the weld metal tends to occur. Therefore, S needs to satisfy the range of 0.003-0.020 mass%.
Ｐ： 0.020質量％以下
Ｐは、製鋼工程および鋳造工程で鋼中に不純物として混入する元素であり、Ｓと同様に、溶接金属の耐高温割れ性を低下させる元素である。そのためＰ含有量は可能な限り減少させることが好ましい。一方、Ｐが 0.020質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が著しく低下する。したがって、Ｐは 0.020質量％以下とした。
P: 0.020% by mass or less P is an element mixed as an impurity in steel in the steel making process and the casting process. Like S, it is an element that lowers the hot cracking resistance of the weld metal. Therefore, it is preferable to reduce the P content as much as possible. On the other hand, when P exceeds 0.020 mass%, the hot crack resistance of the weld metal is remarkably lowered. Therefore, P is set to 0.020 mass% or less.
Mo：0.05〜0.5 質量％
Moは、溶接金属の強度を向上させる元素であり、特に高入熱かつ高パス間温度の溶接で使用する溶接用鋼ワイヤに有効な元素である。しかしMo含有量が0.05質量％未満では、その効果は乏しい。一方、 0.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Moは0.05〜0.5 質量％の範囲内を満足する必要がある。
Mo: 0.05-0.5 mass%
Mo is an element that improves the strength of the weld metal, and is particularly effective for a steel wire for welding used in welding with high heat input and high interpass temperature. However, when the Mo content is less than 0.05% by mass, the effect is poor. On the other hand, if it exceeds 0.5 mass%, the toughness of the weld metal decreases. Therefore, Mo needs to satisfy the range of 0.05-0.5 mass%.
Cr：0.05〜0.3 質量％
Crは、Moと同様に、溶接金属の強度を向上させる元素であり、特に高入熱かつ高パス間温度の溶接で使用する溶接用鋼ワイヤに有効な元素である。しかしCr含有量が0.05質量％未満では、その効果は乏しい。一方、 0.3質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下するばかりでなく、Crが弱いながらも脱酸作用を有する故にスラグ形成量が増加する。したがって、Crは0.05〜0.3 質量％の範囲内を満足する必要がある。
Cr: 0.05-0.3 mass%
Cr, like Mo, is an element that improves the strength of the weld metal, and is particularly an effective element for welding steel wires used in welding with high heat input and high interpass temperature. However, when the Cr content is less than 0.05% by mass, the effect is poor. On the other hand, if it exceeds 0.3% by mass, not only the toughness of the weld metal is lowered, but also the amount of slag formed is increased because it has a deoxidizing action even though Cr is weak. Therefore, Cr needs to satisfy the range of 0.05-0.3 mass%.
Cu： 0.5質量％以下
Cuは、鋼素線に不可避的に含有される不純物であり、溶接金属の靭性を低下させる元素である。そのためCu含有量は可能な限り減少させることが好ましい。一方、Cuが 0.5質量％を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する。したがって、Cuは 0.5質量％以下とした。ただし、鋼素線の表面にCuめっきを施して送給性を改善した溶接用鋼ワイヤを使用する場合には、めっき層から溶接金属へCuが移行する。そのため、鋼素線の表面にめっき層を有する溶接用鋼ワイヤでは、めっき層に含有されるCuと鋼素線に含有されるCuとの合計が、鋼素線の質量に対して 0.5質量％以下を満足する必要がある。
Cu: 0.5% by mass or less
Cu is an impurity inevitably contained in the steel wire, and is an element that lowers the toughness of the weld metal. Therefore, it is preferable to reduce the Cu content as much as possible. On the other hand, if Cu exceeds 0.5% by mass, the toughness of the weld metal is significantly reduced. Therefore, Cu was 0.5 mass% or less. However, when using a steel wire for welding in which the surface of the steel wire is subjected to Cu plating to improve feedability, Cu moves from the plating layer to the weld metal. Therefore, in a welding steel wire having a plating layer on the surface of the steel strand, the total of Cu contained in the plating layer and Cu contained in the steel strand is 0.5 mass% with respect to the mass of the steel strand. It is necessary to satisfy the following.
Al： 0.005〜0.02質量％
Alは、強脱酸剤として作用するとともに、アークの安定性を向上する元素である。しかしAl含有量が 0.005質量％未満では、このような効果は得られない。一方、 0.02質量％を超える場合は、溶接金属の靭性が低下する。したがって、Alは 0.005〜0.02質量％の範囲内を満足する必要がある。
Al: 0.005 to 0.02 mass%
Al is an element that acts as a strong deoxidizer and improves the stability of the arc. However, when the Al content is less than 0.005% by mass, such an effect cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 0.02% by mass, the toughness of the weld metal decreases. Therefore, Al needs to satisfy the range of 0.005-0.02 mass%.
Ｂ：0.0005〜0.0050質量％
Ｂは、溶接金属の粒界フェライトの粗大化を抑制することで組織を微細化し、靭性を向上するのに有効な元素である。しかしＢ含有量が0.0005質量％未満では、組織を微細化する効果が十分に得られない。一方、0.0050質量％を超えると、粒界フェライトの粗大化は抑制できるが、溶接金属の耐高温割れ性を著しく劣化させて高温割れが生じ易くなる。したがって、Ｂは0.0005〜0.0050質量％の範囲内を満足する必要がある。
B: 0.0005 to 0.0050 mass%
B is an element effective to refine the structure and improve toughness by suppressing the coarsening of the grain boundary ferrite of the weld metal. However, if the B content is less than 0.0005% by mass, the effect of refining the structure cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if it exceeds 0.0050% by mass, coarsening of the grain boundary ferrite can be suppressed, but the hot cracking resistance of the weld metal is remarkably deteriorated and high temperature cracking tends to occur. Therefore, B needs to satisfy the range of 0.0005-0.0050 mass%.
さらに本発明では上記した組成に加えて、鋼素線が、Ｋ：0.0001〜0.0030質量％を含有することが好ましい。 Furthermore, in the present invention, in addition to the above-described composition, the steel strand preferably contains K: 0.0001 to 0.0030 mass%.
Ｋ：0.0001〜0.0030質量％
Ｋは、アークを広げ（すなわちアークをソフト化し）、ガスシールドアーク溶接において溶滴の移行を容易にするとともに、溶滴を微細化し、さらには溶接用鋼ワイヤの送給抵抗の変動を抑制し、スパッタの発生を抑制する作用を有する。しかしＫ含有量が0.0001質量％未満では、その効果が十分に発揮されない。一方、0.0030質量％を超えると、溶接施工時にアーク長が増加し、溶接用鋼ワイヤの先端に懸垂した溶滴が不安定となり、スパッタが多量に発生する。したがって、Ｋは0.0001〜0.0030質量％の範囲内が好ましい。
K: 0.0001 to 0.0030 mass%
K widens the arc (that is, softens the arc), facilitates the transfer of droplets in gas shielded arc welding, refines the droplets, and suppresses fluctuations in the feed resistance of the steel wire for welding. , Has the effect of suppressing the generation of spatter. However, when the K content is less than 0.0001% by mass, the effect is not sufficiently exhibited. On the other hand, if it exceeds 0.0030% by mass, the arc length increases during welding, the droplets suspended at the tip of the welding steel wire become unstable, and a large amount of spatter is generated. Therefore, K is preferably in the range of 0.0001 to 0.0030 mass%.
なお、Ｋは沸点が低い（約 760℃程度）ので、鋼素線の素材となる鋼材を溶製する段階（たとえば製鋼工程）で添加すると、歩留りが著しく低下する。そこで、鋼素線を製造する段階（たとえば伸線工程）で鋼素線の表面にカリウム塩溶液を塗布し、さらに焼鈍を施すことによって、Ｋを鋼素線に安定して含有させることが好ましい。 In addition, since K has a low boiling point (about 760 ° C.), when it is added at the stage of melting a steel material as a raw material of the steel wire (for example, a steel making process), the yield is remarkably lowered. Therefore, it is preferable to stably contain K in the steel strand by applying a potassium salt solution to the surface of the steel strand in the stage of producing the steel strand (for example, a wire drawing step) and further annealing. .
上記した鋼素線の成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。たとえば、鋼材を溶製する段階や鋼素線を製造する段階で不可避的に混入する代表的な不可避的不純物であるＯやＮは、Ｏ： 0.020質量％以下，Ｎ： 0.010質量％以下に低減するのが好ましい。特にＯは、溶接施工時に溶滴を微細化する効果を有するので、0.0020〜0.0080質量％の範囲内が一層好ましい。 The balance other than the components of the steel strand described above is Fe and inevitable impurities. For example, O and N, which are typical inevitable impurities inevitably mixed in the stage of melting steel materials and the stage of manufacturing steel wires, are reduced to O: 0.020 mass% or less and N: 0.010 mass% or less. It is preferable to do this. In particular, O has the effect of refining the droplets at the time of welding construction, and therefore is more preferably in the range of 0.0020 to 0.0080% by mass.
本発明では、このような組成を有する鋼素線からなる溶接用鋼ワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を行なう。その際、シールドガスはArとＣＯ2 との混合ガスを用いる。シールドガス中のＣＯ2 の混合比率は10〜50体積％，Arの混合比率は50〜90体積％とする。ＣＯ2 の混合比率を減少することによって、高入熱かつ高パス間温度の溶接施工において、溶接金属中のＯ含有量が減少し、組織を微細化することが可能であり、その結果、溶接金属の強度および靭性を向上できる。しかもアークの安定性を高めるとともに、溶融プールの揺動を抑制する作用も有するので、スパッタ発生量およびスラグ形成量を低減できる。 In the present invention, gas shielded arc welding is performed using a welding steel wire made of a steel wire having such a composition. At that time, a mixed gas of Ar and CO 2 is used as the shielding gas. The mixing ratio of CO 2 in the shielding gas is 10 to 50% by volume, and the mixing ratio of Ar is 50 to 90% by volume. By reducing the mixing ratio of CO 2 , it is possible to reduce the O content in the weld metal and refine the structure in welding construction with high heat input and high interpass temperature. The strength and toughness of the metal can be improved. In addition, the arc stability is improved and the melt pool is prevented from swinging, so that the amount of spatter generated and the amount of slag can be reduced.
しかしシールドガス中のＣＯ2 の混合比率が50体積％を超えると、そのような効果が十分に得られない。一方、10体積％未満では、アークが著しく不安定になり、スパッタ発生量が増加するばかりでなく、溶接欠陥が生じ易くなる。したがって、シールドガス中のＣＯ2 の混合比率は10〜50体積％の範囲内を満足する必要がある。 However, when the mixing ratio of CO 2 in the shielding gas exceeds 50% by volume, such an effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if it is less than 10% by volume, the arc becomes extremely unstable, and not only the amount of spatter is increased, but also welding defects are likely to occur. Therefore, the mixing ratio of CO 2 in the shielding gas needs to satisfy the range of 10 to 50% by volume.
さらに本発明では、溶接施工の後、最終パスのビード部が 800℃から 500℃に冷却されるまでの所用時間（すなわちＴ8/5 ）を15〜450 秒とする。 Furthermore, in the present invention, after welding, the required time (ie, T8 / 5) until the bead portion of the final pass is cooled from 800 ° C. to 500 ° C. is set to 15 to 450 seconds.
高入熱かつ高パス間温度の多層盛り溶接においては、Ｔ8/5 を制御することが初パスから最終パスにかけての溶接金属全体の強度および靭性を確保する上で非常に重要である。しかしＴ8/5 が15秒未満では、溶接金属の硬さが上昇して靭性が劣化するばかりでなく、割れが発生し易くなる。一方、 450秒を超えると、溶接金属の強度および靭性が低下し、しかもビード形状が劣化する。したがって、Ｔ8/5 は15〜450 秒の範囲内を満足する必要がある。 In multi-pass welding with high heat input and high interpass temperature, controlling T8 / 5 is very important in securing the strength and toughness of the entire weld metal from the first pass to the final pass. However, if T8 / 5 is less than 15 seconds, the hardness of the weld metal is increased and the toughness is deteriorated, and cracks are liable to occur. On the other hand, if it exceeds 450 seconds, the strength and toughness of the weld metal are lowered, and the bead shape is deteriorated. Therefore, T8 / 5 needs to satisfy the range of 15 to 450 seconds.
次に、本発明の溶接用鋼ワイヤの製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the steel wire for welding of this invention is demonstrated.
転炉または電気炉等を用いて、上記した組成を有する溶鋼を溶製する。この溶鋼の溶製方法は、特定の技術に限定せず、従来から知られている技術を使用する。次いで、得られた溶鋼を、連続鋳造法や造塊法等によって鋼材（たとえばビレット等）を製造する。この鋼材を加熱した後、熱間圧延を施し、さらに乾式の冷間圧延（すなわち伸線）を施して鋼素線を製造する。熱間圧延や冷間圧延の操業条件は、特定の条件に限定せず、所望の寸法形状の鋼素線を製造する条件であれば良い。 Using a converter or an electric furnace, molten steel having the above composition is produced. The melting method of the molten steel is not limited to a specific technique, and a conventionally known technique is used. Next, a steel material (for example, a billet) is manufactured from the obtained molten steel by a continuous casting method, an ingot-making method, or the like. After this steel material is heated, hot rolling is performed, and dry cold rolling (that is, wire drawing) is further performed to manufacture a steel strand. The operating conditions for hot rolling and cold rolling are not limited to specific conditions, and may be any conditions as long as they produce a steel wire having a desired size and shape.
さらに鋼素線は、焼鈍−酸洗−伸線加工−潤滑剤塗布の工程を順次施して、所定の製品すなわち溶接用鋼ワイヤとなる。 Further, the steel strand is subjected to the steps of annealing, pickling, wire drawing, and lubricant application in sequence to form a predetermined product, that is, a steel wire for welding.
また、焼鈍を施した鋼素線は、酸洗した後、その表面にCuめっきを施しても良い。Cuめっきの厚さを 0.5μｍ以上とすることによって、給電チップと溶接ワイヤの給電不良が防止され、給電チップ先端部の摩耗が抑制される効果が得られる。 In addition, after annealing, the steel wire may be subjected to Cu plating on its surface after pickling. By setting the thickness of the Cu plating to 0.5 μm or more, power feeding defects between the power feed tip and the welding wire are prevented, and the effect of suppressing wear of the power feed tip end is obtained.
また、鋼素線の表面に固形潤滑剤を塗布して、固形潤滑剤層を形成しても良い。あるいは、鋼素線表面のCuめっきの表面に固形潤滑剤を塗布しても良い。さらに、溶接施工時の溶接用鋼ワイヤの送給抵抗を軽減して、安定した送給を維持するために、固形潤滑剤層の表面に脂肪酸エステルと潤滑油の混合物を塗布しても良い。 Moreover, you may apply | coat a solid lubricant to the surface of a steel strand, and may form a solid lubricant layer. Or you may apply | coat a solid lubricant to the surface of Cu plating of the steel strand surface. Furthermore, a mixture of fatty acid ester and lubricating oil may be applied to the surface of the solid lubricant layer in order to reduce the feeding resistance of the welding steel wire during welding and maintain a stable feeding.
製鋼段階で成分を調整し、連続鋳造によって製造されたビレットを熱間圧延して、直径 5.5〜7.0mm の線材とした。次いで冷間圧延（すなわち伸線）によって直径 2.0〜2.8mm とした後、焼鈍して鋼素線とした。得られた鋼素線の成分は、表１に示す通りである。 The billet manufactured by continuous casting was hot-rolled into a wire having a diameter of 5.5 to 7.0 mm by adjusting the components at the steelmaking stage. Subsequently, the diameter was set to 2.0 to 2.8 mm by cold rolling (that is, wire drawing), and then annealed to obtain a steel strand. The components of the obtained steel wire are as shown in Table 1.
さらに鋼素線の表面にCuめっきを施し、冷間加工（すなわち湿式伸線）を行なって、直径1.4mm の溶接用鋼ワイヤを製造した。 Furthermore, the surface of the steel wire was plated with Cu and cold-worked (ie, wet wire drawing) to produce a steel wire for welding with a diameter of 1.4 mm.
これらの溶接用鋼ワイヤを用いて、鋼板（ＪＩＳ規格SM490B）のガスシールドアーク溶接を行なった。その溶接条件は表２に示す通りであり、開先形状は図１に示す通りである。ただし図１において、鋼板の厚さＴは40mm，ルートギャップＧは７mm，開先角度θは35°である。 Using these welding steel wires, gas shield arc welding of steel plates (JIS standard SM490B) was performed. The welding conditions are as shown in Table 2, and the groove shape is as shown in FIG. However, in FIG. 1, the thickness T of the steel sheet is 40 mm, the root gap G is 7 mm, and the groove angle θ is 35 °.
溶接施工時に発生したスパッタを回収し、その重量を測定した。スパッタ発生量が 0.8ｇ／min 以下を良（○）， 0.8ｇ／min 超えを不可（×）として評価した。スパッタ発生量の評価は表３に示す通りである。 Spatter generated during welding was collected and its weight was measured. The spatter generation rate was evaluated as good (◯) when the amount was less than 0.8 g / min, and impossible (×) when it was over 0.8 g / min. The sputter generation amount is evaluated as shown in Table 3.
また、溶接継手の断面マクロ観察を行ない、溶接割れや溶接欠陥が認められなかったものを良（○），認められたものを不可（×）として評価した。溶接割れ，溶接欠陥の評価は表３に示す通りである。 Moreover, cross-sectional macro observation of the welded joint was performed, and the case where no weld crack or weld defect was observed was evaluated as good (◯), and the case where it was recognized was evaluated as impossible (×). Table 3 shows the evaluation of weld cracks and weld defects.
さらに、溶接金属からサンプルを切り出して、シャルピー衝撃試験と引張試験を行なった。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ規格Z2202 に準拠した２mm−Ｖノッチ試験片を用いて、０℃で行なった。引張試験は、ＪＩＳ規格Z2201 に準拠したＡ１号試験片を用いて、室温（約20℃）で行なった。０℃における吸収エネルギーと室温における引張強さは表３に示す通りである。 Furthermore, a sample was cut out from the weld metal and subjected to a Charpy impact test and a tensile test. The Charpy impact test was performed at 0 ° C. using a 2 mm-V notch test piece conforming to JIS standard Z2202. The tensile test was performed at room temperature (about 20 ° C.) using an A1 test piece conforming to JIS standard Z2201. Table 3 shows the absorbed energy at 0 ° C. and the tensile strength at room temperature.
表３から明らかなように、発明例では、スパッタ発生量，溶接割れ，溶接欠陥すべて評価は良（○）であった。一方、比較例では、不可（×）と評価されたものもあった。 As is clear from Table 3, in the inventive examples, the spatter generation, weld cracks, and weld defects were all evaluated as good (◯). On the other hand, some of the comparative examples were evaluated as not possible (x).
また溶接金属の吸収エネルギーは、発明例が 105〜165 Ｊであったのに対して、比較例は35〜115 Ｊであった。ただし比較例の中で吸収エネルギーが最も高い試験番号14（吸収エネルギー：115 Ｊ）は溶接割れの評価が不可（×）であった。その他の比較例の吸収エネルギーは、35〜70Ｊであった。 The absorbed energy of the weld metal was 105 to 165 J in the invention example, while 35 to 115 J in the comparative example. However, test number 14 (absorbed energy: 115 J), which has the highest absorbed energy among the comparative examples, was unable to evaluate weld cracking (x). The absorption energy of other comparative examples was 35 to 70 J.
溶接金属の引張強さは、発明例が 495〜550 Ｎ／mm2 であったのに対して、比較例は 465〜580 Ｎ／mm2 であった。ただし比較例の中で引張強さが高い試験番号９，10，11，14，15（引張強さ： 485〜580Ｎ／mm2 ）は、スパッタ発生量，溶接割れ，溶接欠陥のいずれかの評価が不可（×）であった。比較例の中で、スパッタ発生量，溶接割れ，溶接欠陥がすべて良（○）と評価された試験番号12，13の引張強さは、 465〜480 Ｎ／mm2 であり、 490Ｎ／mm2 未満であった。 Tensile strength of the weld metal, Invention Examples Whereas there was a 495~550 N / mm 2, the comparative example was 465~580 N / mm 2. However, test numbers 9, 10, 11, 14, and 15 (tensile strength: 485 to 580 N / mm 2 ) with high tensile strength among the comparative examples are evaluated for spatter generation, weld cracks, or weld defects. Was impossible (x). Among the comparative examples, the tensile strengths of Test Nos. 12 and 13 in which spatter generation, weld cracks, and weld defects were all evaluated as good (◯) were 465 to 480 N / mm 2 and 490 N / mm 2. Was less than.
以上に説明したように、本発明によれば、高入熱かつ高パス間温度の多層盛り溶接においても、優れた機械的性質を有する溶接金属が得られ、しかも溶接作業性も良好であることが確かめられた。 As described above, according to the present invention, a weld metal having excellent mechanical properties can be obtained even in multi-layer welding with high heat input and high interpass temperature, and the welding workability is also good. Was confirmed.
１ 鋼板
２ 当金
３ 最終パスのビード
θ 開先角度
Ｔ 鋼板の厚さ
Ｇ ルートギャップ
1
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