JP2005329460A

JP2005329460A - 溶接部の耐脆性破壊発生特性に優れたエレクトロガスアーク溶接方法

Info

Publication number: JP2005329460A
Application number: JP2005063378A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Okita; 茂大北; Yuji Hashiba; 裕治橋場; Tadashi Ishikawa; 忠石川; Masahito Sasaki; 聖人笹木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP4486528B2

Abstract

【課題】高強度かつ板厚50mmを越える厚鋼材の溶接においても、溶接継手部における溶接金属の硬さ(Hv)が220以下であっても十分な破壊靱性を有する溶接金属を提供する。
【解決手段】降伏強度が470N/mm²以上、板厚が50mm以上、80mm以下の鋼材を、１電極または２電極のうちの少なくとも１電極にフラックス入りワイヤを用いて立向き溶接する１電極または２電極エレクトロガス溶接方法であって、前記溶接ワイヤの各化学成分の平均がmass%で、C:0.01-0.10%、Ti:0.05-0.3%、B:0.01-0.03%を含有し、N:0.01%以下に制限し、さらに、Al:0.05-0.25%およびMg:0.05-0.30%のうちの何れか１種または２種、ＣａＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＣＯ₃およびＬｉＣＯ₃のうちの何れか１種または２種以上からなるスラグ形成材を総量で0.1-0.75%以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤを使用することを特徴とする溶接部の耐脆性破壊発生特性に優れたエレクトガスアーク溶接方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、大型船舶等の溶接構造体における破壊発生の最も高い部位である溶接継手部の耐脆性破壊発生特性を大幅に改善するエレクトロガスアーク溶接方法に関するものである。
具体的には、降伏強度が470Ｎ/ｍｍ²以上、板厚が50ｍｍ以上、80ｍｍ以下の鋼材を、１電極または２電極のうちの少なくとも１電極にフラックス入りワイヤを用いて立向き溶接する１電極または２電極エレクトロガス溶接方法に関する。

大型造船構造物等の溶接構造体において、最も破壊発生の可能性の高い部位は溶接継手部である。この理由は、溶接時に溶接欠陥を生じさせる可能性があり、破壊の起点となる応力集中部が存在する可能性が高いこと、溶接熱影響により鋼材の組織が粗大化し、溶接継手の脆性破壊発生に対する指標として用いられている破壊靱性値：Ｋｃが低下していること、等である。
このため、これまでは溶接金属部に変形や歪みが集中することを阻止するために、溶接金属の強度や硬さを溶接される鋼材よりも高くすることが溶接継手を製作する上での基本であり、溶接金属を選定する際には母材強度と比較してオ−バーマッチングとなる継手設計がなされる場合が多い。
一方、アーク溶接において溶接金属部の靱性を確保するためには、十分に焼き入れ性を確保してアシキュラーフェライトを主体とする組織に制御することが一般的に実施されてきた。例えば、非特許文献１に開示されているように、Ｔｉ−Ｂ系の溶接金属を用い、粒界の粗大フェライトをなくし、微細なアシキュラーフェライト組織単相として、溶接金属の靱性を確保してきた。
このときの硬さは、合金成分を多くするために、溶接金属の硬さ（Ｈｖ）を少なくとも２２０以上確保しなければならなかった。
しかしながら、エレクトロガスアーク溶接などの大入熱溶接の場合には、その鋼材の熱影響部は大きく軟化するために、溶接金属の硬さがＨＡＺの硬さよりも大幅に硬くなる。その場合には、溶接金属と鋼材が変形せずに、軟化したＨＡＺに歪が集中することと、その変形しようとするＨＡＺを溶接金属と鋼材が拘束するために、図２に示すように、溶接金属の硬さ（Ｈｖ）が２２０を超えると、脆性破壊発生抵抗特性（Ｋｃ）が低下することが分かった。
また、特開平１１−１９７８８４号公報には、ワイヤ中のC,Si,Mn,Ti,Bを特定範囲とすることによって、良好な溶接作業性と優れた溶接金属性能が得られる２電極エレクトロアークガス溶接方法が開示されている。
しかし、この特開平１１−１９７８８４号公報には、本発明の特徴である溶接金属の硬さ（Ｈｖ）と破壊靭性との関係については、検討されていなかった。
溶接学会全国大会後援概要集（第70集（2002-4）ｐ40-41 特開平１１−１９７８８４号公報

最近の溶接構造物の大型化に伴い、高強度で、かつ板厚５０ｍｍを越える厚鋼材が使用されるようになると、上述のように、溶接ボンド部の破壊靱性を確保するために、極端なオーバーマッチングとなる継手設計をさける必要が出てきた。しかしながら、溶接継手の硬さＨｖが２２０以上になると溶接金属の靱性が低下するという重大な問題が生じる。そこで、これまで使用されていなかった高強度厚肉鋼材の大入熱１パス溶接において、溶接金属の硬さが２２０以下であっても十分な破壊靱性が確保できる溶接金属の開発が望まれた。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、高強度で、かつ板厚５０ｍｍを越える厚接においても、溶接材料を選定して、目的とする成分の溶接金属を形成し、微細なフェライト組織を主体とした、粒界の粗大フェライトの抑制を行い、溶接金属の硬さを２２０以下で靱性の良好な溶接金属を作成する１電極または２電極エレクトロガスア−ク溶接法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

（１）降伏強度が470Ｎ/ｍｍ²以上、板厚が50ｍｍ以上、80ｍｍ以下の鋼材を、１電極または２電極のうちの少なくとも１電極にフラックス入りワイヤを用いて立向き溶接する１電極または２電極エレクトロガス溶接方法であって、前記溶接ワイヤの各化学成分の平均がmass%で、Ｃ：0.01〜0.10％、Ｔｉ：0.05〜0.3％、Ｂ：0.01〜0.03％を含有し、Ｎ：0.010％以下に制限し、さらに、Ａｌ：0.05〜0.25％およびＭｇ：0.05〜0.30％のうちの何れか１種または２種、ＣａＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＣＯ₃およびＬｉＣＯ₃のうちの何れか１種または２種以上からなるスラグ形成材を総量で0.1〜0.75％以下含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤを使用し、
下記（Ａ）式で示す溶接金属のCEの値を0.36〜0.42とし、
溶接金属の平均硬度（Ｈｖ）を２２０以下、かつ、鋼材の平均硬さ以上とすることを特徴とする溶接部の耐脆性破壊発生特性に優れたエレクトロガスアーク溶接方法。
CE＝C＋Si/24＋Mn/6+（Cu+Ni）/40＋（Cr＋Mo＋V）/5・・・（Ａ）
ここに、C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,V：溶接金属の各化学成分の平均mass%

本発明によれば、破壊靱性の確保が難しい厚手大入熱溶接用高強度鋼材（特に降伏強度が470Ｎ/ｍｍ²以上、板厚が50ｍｍ以上、80ｍｍ以下の鋼材）の溶接継手であっても、イーブンマッチングあるいはオーバーマッチングとなる溶接継手設計を可能にして継手部の破壊靱性を確保することができるという顕著な効果を奏する。

本発明は、降伏強度が470Ｎ/ｍｍ²以上、板厚が50ｍｍ以上、80ｍｍ以下の鋼材を、１電極または２電極のうちの少なくとも１電極にフラックス入りワイヤを用いて立向き溶接する１電極または２電極エレクトロガス溶接方法であって、
前記溶接ワイヤの各化学成分の平均がmass%で、Ｃ：0.01〜0.10％、Ｔｉ：0.05〜0.3％、Ｂ：0.01〜0.03％を含有し、Ｎ：0.010％以下に制限し、さらに、Ａｌ：0.05〜0.25％およびＭｇ：0.05〜0.30％のうちの何れか１種または２種、ＣａＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＣＯ₃およびＬｉＣＯ₃のうちの何れか１種または２種以上からなるスラグ形成材を総量で0.1〜0.75％以下含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤを使用し、
下記（Ａ）式で示す溶接金属のCEの値を0.36〜0.42とし、溶接金属の平均硬度（Ｈｖ）を２２０以下、かつ、鋼材の平均硬さ以上とすることを特徴とする。
CE＝C＋Si/24＋Mn/6+（Cu+Ni）/40＋（Cr＋Mo＋V）/5・・・（Ａ）
ここに、C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,V：溶接金属の各化学成分の平均mass%
先ず、溶接金属の硬さ（Ｈｖ）を従来は２２０以上に設計していた理由について説明する。
前述のように、従来技術とくに大入熱の立向き溶接においては、粒界フェライトが生成し、特に板厚や開先形状が大きくなった場合に溶接入熱が変化して、冷却時間が長くなっても粒界フェライトが生成し、靭性が低下させないようにするために、溶接金属中の合金成分を高くし粒界フェライトを消滅させていた。この不要に合金成分を多く添加していたために溶接金属の硬さが２２０以上になっていた。

この問題を解決するには、鋼材の成分や板厚、溶接時の開先形状に制限を加え、溶接施工条件に応じた溶接ワイヤを設計選定する必要があるが、実際の施工現場においては、ある程度の溶接施工条件のばらつきや鋼材、溶接材料の成分変動も許容できる溶接方法でなくては使用できなかった。
そこで、本発明者らは、これらの条件を考慮しつつ、溶接金属の硬さと靭性に対する要求値を満足する溶接方法を得るに至り、母材の強度、成分、溶接時の開先形状、溶接施工条件を考慮し、それに見合うような、溶接材料を選定して、目的とする成分の溶接金属を形成し、微細なフェライト組織を主体とした、粒界の粗大フェライトの抑制を行い、溶接金属の硬さを２２０以下で靱性の良好な溶接金属を作成する１電極または２電極エレクトロガスア−ク溶接法を見出した。

本発明の技術思想を以下に示す。
まず、Ti-B系溶接金属として、ミクロ組織をアシキュラーフェライトと粒界フェライトの混合組織として、かつ粒界フェライトの体積率を制限することにより、本発明の対象とするような、大入熱溶接であるエレクトロガス溶接方法においても、必要な靭性値と硬さの両方を満たす溶接金属が得られた。
また、靭性の改善と硬さ低減の両者に有害な高炭素マルテンサイトの生成を抑えるためにＣ含有量の低い溶接ワイヤを使用し、ＢとNiを添加した溶接ワイヤを使用すれば、硬さを上昇させることなく靭性を保持できた。
さらに、靭性に有害な窒素（N）量を低減するために、Ｎ含有量の少ない溶接ワイヤを使用し、さらに、好ましくは溶接時にNが極力混入しないようにアーク溶接時のガス流量と溶接電圧を制御することにより、靭性の良好な溶接金属を得る条件を見出した。
以下に、溶接ワイヤの各化学成分の限定理由を示す。
Ｃ：0.01〜0.10％は、炭素は靭性向上および硬さ低減の点から低ければ低いほど望ましいが、0.01％を下限としたのは、現実に材料の入手が困難なためと、低炭素を補完するために他の合金成分を多量に添加する必要があり、現実のワイヤ製造上困難が生じる。また0.1％を上限としたのは、炭素が高いと、高炭素マルテンサイト組織が増加し、本検討の主眼である硬さを減じつつミクロ組織を微細化する趣旨に到達できないためである。
Ａｌ、Ｍｇ：ＡｌおよびＭｇは、溶接金属中の酸素を低減するための脱酸元素であり、ＡｌおよびＭｇの１種または２種を含有させて溶接金属の脱酸を十分に行うためには、ワイヤ中のＡｌおよびＭｇの１種または２種を0.05％以上含有する必要がある。一方、ＡｌおよびＭｇの１種または２種を過度に含有させると、溶接金属中のＴｉやＢの歩留まりを低減させ、目的とする溶接金属のミクロ組織が困難となるため、Ａｌを含有する場合は、その含有量の上限を0.25％とし、Ｍｇを含有する場合は、その含有量の上限を0.30％とする必要がある。
Ｔｉ：0.05〜0.5％は、溶接金属にアシキュラーフェライトを生成させ、その靭性を向上させるのに最も重要な元素であり、溶接金属中の酸素量にも依存するが、溶接金属中に0.01〜0.05％程度の存在が必要である。この量を確保するためには溶接ワイヤの平均成分として0.05〜0.5％の添加が必要となる。
Ｂ：0.01〜0.03％は、溶接金属の硬さを大きく上昇させないで粒界フェライト組織を減少させ、靭性を改善できるために、本目的を達成するのに非常に重要な元素である。したがって溶接金属中に最低30ｐｐｍの含有が必要であり、90ｐｐｍを超えると高温われが発生する。この量を満たす溶接ワイヤ中の平均含有量は0.01〜0.03％である。
Ｎ：0.005％以下は、Ｎは不可避的不純物であり溶接金属の機械特性を向上する点から低ければ低いほど望ましいが、現在の商業ベースでのＮ含有量のか下限はせいぜい20ｐｐｍ程度である。上限を７０ｐｐｍとしたのは、多くなると、溶接金属の靭性を低下させるためである。
ＣａＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＣＯ₃およびＬｉＣＯ₃のうちの何れか１種または２種以上からなるスラグ形成材の総量：0.1〜0.７5％は、上記スラグ形成材の総量が少ないと、溶接金属の表面を保護しないため、ヒ゛ート゛表面が荒れて良好な溶接ができないため、0.1％以上含有する。一方、上記スラグ形成材の総量が多くなりすぎると溶融プールの表面に多くたまり、スパッタ−が多く発生したり、スラグはねなどの現象が起こり良好な溶接ができないため、上記スラグ形成材の総量を0.７5％以下とする。
次に、硬さについては、靭性と密接な関係があり、溶接金属の炭素量を低減し、溶接施工条件を検討することにより溶接ワイヤ、鋼材の成分を考慮しつつ溶接金属の成分を（Ａ）式で示す溶接金属のCE（炭素当量）の値を0.36〜0.42の範囲に制御する必要がある。
CE＝C＋Si/24＋Mn/6+（Cu+Ni）/40＋（Cr＋Mo＋V）/5・・・（Ａ）
ここに、C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,V：溶接金属の各化学成分の平均mass%

板厚：５０、６０、７０、８０の厚鋼材（耐力４７０Ｎ／ｍｍ²級鋼）を準備し、図１に示す開先形状にて、１本または２本の電極を図示するように配置して１電極または２電極エレクトロガスアーク溶接を実施した。溶接に供したワイヤは、ソリッドワイヤは製作上の難しさから4種類とし、１電極または２電極のうちの少なくとも１電極に配置したフラックス入りワイヤの成分を調整して溶接金属を作成した。
使用した鋼材の化学成分と硬さを表１に示す。
使用した溶接条件を表2に示す。
使用したソリッドワイヤの化学成分を表3に示す。
使用したフラックス入りワイヤの化学成分を表4に示す。
得られた溶接部の特性を表5に示す。
なお、溶接金属の性能評価として、−２０℃において切り欠き位置が溶接金属の中央となるように加工した試験片を用いてＶノッチシャルピー衝撃試験を実施した３本の平均値で評価した。

また、図２に示した破壊靭性試験は溶接ボンド部にノッチを配置した中央切り欠き付きのディープノッチ試験により評価した。
表５に示すように、本発明で規定する条件を満足する溶接Ｎｏ.は、溶接金属の硬さＨｖが２２０以下でかつ母材の平均硬さ以上を示すもので、溶接金属部において十分なシャルピー衝撃吸収エネルギーを示した。
一方、表５の比較例の溶接Ｎｏ.は、溶接状況の欄に記載した通り、必要強度が不足するもの、溶接金属の焼入れ性が不足し粒界フェライトが2０％を越してシャルピー衝撃吸収エネルギーが低下するもの、溶接金属の硬さが２２０を超えるもの、及び溶接時にヒ゛ート゛表面形状が乱れて健全な溶接部が得られないものなどの比較例である。

以上説明したように、本発明は、降伏強度が470Ｎ/ｍｍ²以上の高強度で、かつ板厚５０ｍｍを越える厚鋼材の大入熱エレクトロガスアーク溶接において、溶接継手部におけるＨＡＺ軟化部があっても、溶接金属の硬さを２２０以下、かつ鋼材の平均硬さ以上と制御することにより十分なボンド部の破壊靱性を確保しうる溶接金属を提供することが可能となり、本技術は広くその効果を発揮できるものである。

本発明における１電極または２電極エレクトロガスアーク溶接方法に用いる開先形状を例示する図である。Ｋｃ（−２０℃）に及ぼす溶接金属の硬さの影響を示す図である。

Claims

降伏強度が470Ｎ/ｍｍ²以上、板厚が50ｍｍ以上、80ｍｍ以下の鋼材を、１電極または２電極のうちの少なくとも１電極にフラックス入りワイヤを用いて立向き溶接する１電極または２電極エレクトロガス溶接方法であって、
前記溶接ワイヤの各化学成分の平均がmass%で、Ｃ：0.01〜0.10％、Ｔｉ：0.05〜0.3％、Ｂ：0.01〜0.03％を含有し、Ｎ：0.01％以下に制限し、さらに、Ａｌ：0.05〜0.25％およびＭｇ：0.05〜0.30％のうちの何れか１種または２種、ＣａＦ₂、ＬｉＦ、ＣａＣＯ₃およびＬｉＣＯ₃のうちの何れか１種または２種以上からなるスラグ形成材を総量で0.1〜0.75％以下含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤを使用し、
下記（Ａ）式で示す溶接金属のCEの値を0.36〜0.42とし、溶接金属の平均硬度（Ｈｖ）を２２０以下、かつ、鋼材の平均硬さ以上とすることを特徴とする溶接部の耐脆性破壊発生特性に優れたエレクトロガスアーク溶接方法。
CE＝C＋Si/24＋Mn/6+（Cu+Ni）/40＋（Cr＋Mo＋V）/5・・・（Ａ）
ここに、C,Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,V：溶接金属の各化学成分の平均mass%