JP2007260696A

JP2007260696A - 高張力鋼のサブマージアーク溶接金属

Info

Publication number: JP2007260696A
Application number: JP2006086021A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nishimura; 悟西村; Isao Hatano; 勲波多野; Tomoya Kawabata; 友弥川畑; Kazushige Arimochi; 和茂有持; Masamichi Sasaki; 正道佐々木; Yasuo Ichinohe; 康生一戸
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: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP4864506B2

Abstract

【課題】ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせてサブマージアーク溶接で多層盛溶接された溶接金属の強度が良好で安定した靭性が得られ、溶接時の作業性も良好で溶接欠陥のない引張強さが９００ＭＰａ以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属を提供する。
【解決手段】ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせてサブマージアーク溶接で多層盛溶接される溶接金属において、溶接金属全質量当たり、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．０９％、Ｓｉ：０．２０〜０．３５％、Ｍｎ：１．６〜２．３％、Ｎｉ：２．５〜３．０％、Ｃｒ：０．５５〜１．０％、Ｍｏ：０．５５〜１．０％を含有し、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｏ：０．０２２％以下、Ｎ：０．００６％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築構造物に用いられる高張力鋼をサブマージアーク溶接した場合に必要とされる高強度、高靭性が得られるとともに溶接欠陥のない高品質な引張強さ９００ＭＰａ以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属に関する。

一般に建築構造物は、４００〜５９０ＭＰａ鋼が使用され、サブマージアーク溶接用材料も例えば特開２００４―１０２８号公報（特許文献１）にあるように実用化されている。また、火災時の安全性を確保するために６００℃での高温降伏比が常温時の２／３以上となる耐火鋼も例えば特開平６−１９２７３０号公報（特許文献２）にあるように開発され実用化されている。前記耐火鋼用のサブマージアーク溶接材料も例えば特開２００３−３１１４７７号公報（特許文献３）などに開示されているように実用化されている。

一方、溶接構造物の大型化の傾向は顕著になってきており、これに対応して使用される鋼板への高強度化の要求が高まっている。例えば揚水型発電所の水圧鉄管や海洋構造物のジャッキアップ型切削リブのラック材等に７８０ＭＰａ以上の鋼材が使用されている。鋼板の高強度化は、単に構造物の重量低減にとどまらず、溶接施工費の大幅な低減をもたらすので、その要望は根強いものがある。この要求は建築分野においても例外ではない。

７８０ＭＰａ鋼用のサブマージアーク溶接材料は、例えば特開平５−２１２５８３号公報（特許文献４）や特開２００４−３３７８６３号公報（特許文献５）に開示されている。さらに、９６０ＭＰａ級高張力鋼用のサブマージアーク溶接材料が特開平７−２９０２７６号公報（特許文献６）に開示がある。

しかし、前述の７８０ＭＰａ鋼および９６０ＭＰａ鋼用のサブマージアーク溶接材料は、鋼管および海洋構造物を溶接の対象構造物としたもので、建築構造物の多層盛溶接に適用した場合、特に靭性のバラツキが大きい。すなわち、図１に多層盛溶接金属の衝撃試験片１のノッチ位置を示すが、ノッチ位置が再熱部の多い積層パスの重なり部Ａ（以下、ノッチ位置Ａという。）の場合安定した吸収エネルギーが得られるが、ノッチ位置が柱状晶の多い積層パスの中心部Ｂ（以下、ノッチ位置Ｂという。）で積層による再熱部が少ない個所であると吸収エネルギーにバラツキが生じる。また、溶接作業性および耐溶接欠陥性についても満足できるものではない。

特開２００４―１０２８号公報特開平６−１９２７３０号公報特開２００３−３１１４７７号公報特開平５−２１２５８３号公報特開２００４−３３７８６３号公報特開平７−２９０２７６号公報

本発明は、ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせてサブマージアーク溶接で多層盛溶接された溶接金属の強度が良好で安定した靭性が得られ、溶接時の作業性も良好で溶接欠陥のない引張強さ９００ＭＰａ以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、
（１）ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせてサブマージアーク溶接で多層盛溶接される溶接金属において、溶接金属全質量当たり、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．０９％、Ｓｉ：０．２０〜０．３５％、Ｍｎ：１．６〜２．３％、Ｎｉ：２．５〜３．０％、Ｃｒ：０．５５〜１．０％、Ｍｏ：０．５５〜１．０％を含有し、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｏ：０．０２２％以下、Ｎ：０．００６％以下で、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。

（２）ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１〜０．０３５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．０２％であることを特徴とする前記（１）記載の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。
（３）下記式で示されるＤｔｓが０．９５以上である前記（１）または（２）記載の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。
Ｄｔｓ＝Ｃ＋（Ｓｉ＋Ｃｕ）／７＋Ｍｎ／５＋Ｎｉ／２０＋Ｃｒ／８＋（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｎｂ）／２

（４）組合わせるボンドフラックスは、フラックスの全質量に対して、質量％で、ＭｇＯ：３０〜３８％、Ａｌ₂Ｏ₃：１４〜２０％、ＣａＦ₂：１４〜２０、ＳｉＯ₂：１０〜１８％、ＣａＯ：７〜１２％、金属炭酸塩のＣＯ₂換算値：３〜５％を含有し、その他はＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、合金剤、脱酸剤および不可避不純物であるであることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか（１）に記載の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属にある。

本発明の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属によれば、ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせてサブマージアーク溶接で多層盛溶接された溶接金属の強度が良好で安定した靭性が得られ、溶接欠陥のない高品質な引張強さ９００ＭＰａ以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属を提供することができる。

本発明者らは、上記課題を解決するために、種々の溶接金属を各種ソリッドワイヤとボンドフラックスで形成して、機械的性質におよぼす成分の影響および耐欠陥性におよぼすボンドフラックスの成分組成について詳細に検討した。その結果、高強度で靭性のバラツキのないサブマージアーク溶接で多層盛溶接して得られた溶接金属を見出し、さらに溶接欠陥がない高品質な引張強さ９００ＭＰａ以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属を見出した。

以下、本発明の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属に含有する化学成分およびその組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．０４〜０．０９質量％
Ｃは、溶接金属の強度確保に必要な元素である。しかし、Ｃの含有量が０．０９質量％（以下、％という。）を超えると溶接割れの感受性が高くなる。

Ｓｉ：０．２０〜０．３５％
Ｓｉは、強度の確保と脱酸を目的に添加する。Ｓｉが０．２０％未満であると強度が低く酸素が高くなるので特にノッチ位置Ｂの靭性も低下する。一方、Ｓｉが０．３５％を超えると靭性が低下する。なお、強度および靭性から０．２５％超であることが好ましい。
Ｍｎ：１．６〜２．３％
Ｍｎは、強度の確保と脱酸を目的に添加する。Ｍｎが１．６％未満であると強度が低く酸素が高くなるので靭性も低下する。一方、Ｍｎが２．３％を超えると過剰な焼入れ組織となって靭性が低下する。

Ｎｉ：２．５〜３．０％
Ｎｉは、靭性を安定させるために添加する。Ｎｉの含有量が２．５％未満であると特にノッチ位置Ｂでの靭性のバラツキが大きくなる。一方、Ｎｉが３．０％を超えると粒界が脆化して靭性が低下する。
Ｃｒ：０．５５〜１．０％
Ｃｒは、強度確保に必要な成分である。Ｃｒが０．５５％未満であると強度が不足する。一方、Ｃｒが１．０％を超えると強度が高くなりすぎ靭性が低下する。

Ｍｏ：０．５５〜１．０％
Ｍｏは、強度を確保し、特にノッチ位置Ｂの靭性を高める効果がある。Ｍｏが０．５５％未満であると強度が不足するとともにノッチ位置Ｂの靭性が低下する。一方、Ｍｏが１．０％を超えると炭化物が析出してノッチ位置Ａの靭性が低下する。
Ｃｕ：０．２０％以下
Ｃｕは、強度を増加する。しかし、Ｃｕは高温割れを生じやすくするので０．２０％以下とする。

Ｏ：０．０２２％以下
Ｏは、ＳｉまたはＭｎ等と酸化物（非金属介在物）として存在し、０．０２２％を超えると、特にノッチ位置Ｂの靭性を低下させる。一方、微量のＴｉとの酸化物は靭性を良好にするので好ましくは０．０１０％以上とする。
Ｎ：０．００６％以下
過剰なＮは、靭性を低下させる。したがって、Ｎは０．００６％以下とする。

ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１〜０．０３５％
ＶおよびＮｂは、強度を確保する。ＶまたはＮｂの１種以上の合計が０．０１未満であると強度が不足する。一方、ＶまたはＮｂの１種以上の合計が０．０３５％を超えると強度が高くなりすぎ靭性が低下する。
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
Ｔｉは、主に酸化物として存在し、組織を微細化して靭性を向上させる。Ｔｉが０．００５％未満であるとその効果が得られず、０．０５％を超えると靭性が低下する。

Ａｌ：０．００５〜０．０２％
ＡｌもＴｉと同様組織を微細化して靭性を向上させる。Ａｌが０．００５％未満であるとその効果が得られず、０．０２％を超えると大型の酸化物が析出して靭性を低下する。
Ｄｔｓ：０．９５以上
前述の溶接金属成分に加えて本発明においては、引張強さの確保のために、下記式で得られるＤｔｓを０．９５以上とする。
Ｄｔｓ＝Ｃ＋（Ｓｉ＋Ｃｕ）／７＋Ｍｎ／５＋Ｎｉ／２０＋Ｃｒ／８＋（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｎｂ）／２

図２は、各種ソリッドワイヤとボンドフラックスを組合わせて得られた溶接金属のＤｔｓと溶接金属の引張強さの関係を示す図である。この図２から明らかなようにＤｔｓが０．９５以上で本発明の目的とする９００ＭＰａ以上の引張強さが得られる。
なお、前記溶接金属は、各種成分組成のソリッドワイヤと各種スラグ生成剤、脱酸剤および合金剤などを含有するボンドフラックスとの組合わせによって得ることができるが、母材成分および溶接条件から母材の希釈量も考慮して目標とする溶接金属成分を得ることができる。

次に、前記成分組成の溶接金属および溶接欠陥のない高品質な溶接金属を得るために、ソリッドワイヤと組合わせるボンドフラックスの成分組成について説明する。
ＭｇＯ：３０〜３８％
ＭｇＯは、酸素を下げて靭性を向上する。ＭｇＯが３０％未満であると酸素が多くなって特にノッチ位置Ｂの靭性が低下する。一方、３８％を超えると溶融スラグの融点が高くなりビードが広がらず、またスラグ剥離性も悪くなって、多層盛溶接するとスラグ巻き込み欠陥が生じる。

Ａｌ₂Ｏ₃：１４〜２０％
Ａｌ₂Ｏ₃は、ビード幅の広いなじみの良好なビードを形成する。Ａｌ₂Ｏ₃が１４％未満であるとビード止端部のなじみが悪くなり、多層盛溶接するとスラグ巻き込み欠陥が生じる。一方、２０％を超えるとビードが凸状となり多層盛溶接することができない。
ＣａＦ₂：１４〜２０％
ＣａＦ₂は、酸素を下げて靭性を向上する。ＣａＦ₂が１４％未満であると酸素が多くなって特にノッチ位置Ｂの靭性が低下する。一方、２０％を超えるとアークが不安定となりスラグ巻き込み欠陥が生じやすくなる。

ＳｉＯ₂：１０〜１８％
ＳｉＯ₂は、スラグの粘性を増加させビード止端部のなじみの良いビードを形成する。ＳｉＯ₂が１０％未満であるとビード止端部のなじみが悪くなり、多層盛溶接するとスラグ巻き込み欠陥が生じる。一方、１８％を超えると酸素が多くなって特にノッチ位置Ｂの靭性が低下する。
ＣａＯ：７〜１２％
ＣａＯは、酸素を下げて靭性を向上する。ＣａＯが７％未満であると酸素が多くなって特にノッチ位置Ｂの靭性が低下する。一方、１２％を超えるとビードが凸状となり多層盛溶接することができない。なお、ＣａＯとしては、ＣａＣＯ₃の分解によって生じるＣａＯも含むものとする。

金属炭酸塩のＣＯ₂換算値：３〜５％
ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃などの金属炭酸塩は溶接中アーク空洞内でＣＯ₂ガスに解離し、アーク空洞内における水素分圧を下げて溶接金属中に移行する水素を低くして拡散性水素量を低減する。金属炭酸塩のＣＯ₂換算値が３％未満であると溶接金属中の拡散性水素量が多くなって、水素による低温割れが生じやすくなる。一方、５％を超えるとアークが吹き上げ、ビード形状が不良となってスラグ巻き込み欠陥が生じやすくなる。

ボンドフラックスは、前記成分組成の他アーク安定剤であるＮａ₂ＯやＫ₂Ｏ、合金剤および脱酸剤を含む。ソリッドワイヤのみから添加すると、ソリッドワイヤ中の合金量が多くなって、ワイヤが硬くなってワイヤの製造が困難になるばかりか、溶接時のワイヤ送給性が不良となる。したがって、フラックス中に合金剤および脱酸剤を含有させ、目標とする溶接金属成分とする。

なお、ボンドフラックスに含むＣは、高炭素Ｆｅ−Ｍｎなどの合金粉やグラファイトなど、Ｓｉは金属Ｓｉ、Ｆｅ−ＳｉおよびＳｉ−Ｍｎなど、Ｍｎは金属Ｍｎ、Ｆｅ−ＭｎおよびＳｉ−Ｍｎなど、Ｎｉは金属ＮｉおよびＦｅ−Ｎｉなど、Ｃｒは金属ＣｒおよびＦｅ−Ｃｒなど、Ｍｏは金属ＭｏおよびＦｅ−Ｍｏなど、ＶはＦｅ−Ｖ、ＮｂはＦｅ−Ｎｂ、Ｔｉは金属ＴｉおよびＦｅ−Ｔｉなど、Ａｌは金属ＡｌおよびＦｅ−Ａｌなどの形態で含有させることができる。また、これら合金剤および脱酸剤の溶接金属への添加量はワイヤからの添加量の１／１０以下であることが溶接作業性および偏析の面から好ましい。

以下、本発明の効果を実施例により詳細に説明する。
表１に示すワイヤ（ワイヤ径４．０ｍｍ）と表２に示すボンドフラックス（粒度３００×１００μｍ）とを各種組合わせて、表３に示す成分の鋼板を開先角度２０°、ギャップ１６ｍｍの裏当て付き開先とし溶接長５００ｍｍを表４に示す溶接条件で溶接した。

溶接後、Ｘ透過試験を行い溶接欠陥の有無を調査した後、板厚の中心部より分析試料、ＪＩＳＺ３１１１Ａ１号丸棒引張試験片（ＪＩＳＺ２２０１の１０号試験片）およびＪＩＳＺ３１１１４号衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２０２の４号試験片）を採取した。溶接金属成分を表５に示す。

靭性の評価は、図１に示す衝撃試験片のノッチ位置ＡおよびＢともに試験温度―２０℃で吸収エネルギーの各５本の最低値が７０Ｊ以上、引張強さは９００ＭＰａ以上を良好とした。表６に溶接作業性、Ｘ線透過試験、引張試験および衝撃試験結果をまとめて示す。

表５および表６中、溶接金属Ｎo.１〜８は本発明例、溶接金属Ｎo.９〜２８は比較例である。
本発明例である溶接金属Ｎo.１〜８は、各溶接金属成分およびＤｔｓが適量で、組合わせたボンドフラックス成分組成も適量であるので、多層盛溶接金属の強度が良好で衝撃試験片のノッチ位置ＡおよびＢともに高値で安定した吸収エネルギーが得られ、溶接作業性が良好で、かつ溶接欠陥のない高品質の溶接金属が得られ、極めて満足な結果であった。

比較例中溶接金属Ｎo.９は、Ｃが高いので溶接時クレータ部に高温割れが生じた。また、ＶとＮｂの合計が高いので強度が高くなり吸収エネルギーが低くかった。
溶接金属Ｎo.１０は、Ｃが低いので強度が低くなった。また、Ｔｉが高いので吸収エネルギーが低くかった。
溶接金属Ｎo.１１は、Ｓｉが高いので吸収エネルギーが低くかった。また、ＶとＮｂの合計が低いので強度が低かった。

溶接金属Ｎo.１２は、Ｓｉが低いので強度が低く、酸素量が高くなって特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。また、組合わせたフラックスＦ９のＭｇＯが多いのでビードが広がらずスラグ剥離性が悪くなって、スラグ巻き込み欠陥が生じた。
溶接金属Ｎo.１３は、Ｍｎが高いので吸収エネルギーが低くかった。また、組合わせたフラックスＦ１２のＡｌ₂Ｏ₃が少ないのでビード止端部のなじみが不良でスラグ巻き込み欠陥も生じた。

溶接金属Ｎo.１４は、Ｍｎが低いので強度が低く、酸素量が高くなって特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。また、組合わせたフラックスＦ１３のＣａＦ₂が多いのでアークが不安定でスラグ巻き込み欠陥も生じた。
溶接金属Ｎo.１５は、Ｎｉが高いので吸収エネルギーが低くかった。また、Ｄｔｓが低いので強度も低かった。

溶接金属Ｎo.１６は、Ｎｉが低いのでノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。また、組合わせたフラックスＦ１６のＳｉＯ₂が少ないのでビード止端部のなじみが悪く、スラグ巻き込み欠陥も生じた。
溶接金属Ｎo.１７は、Ｃｒが高いので強度が高く、またＴｉを含まないので吸収エネルギーが低くかった。
溶接金属Ｎo.１８は、Ｃｒが低いので強度が低く、また、Ａｌが高いので吸収エネルギーが低くかった。

溶接金属Ｎo.１９は、Ｍｏが高いのでノッチ位置Ａの吸収エネルギーが低かった。また、組合わせたフラックスＦ１９のＣＯ₂が多いのでアークが吹き上げビード形状不良となりスラグ巻き込み欠陥も生じた。
溶接金属Ｎo.２０は、Ｍｏが低いので強度が低くノッチ位置Ｂの吸収エネルギーも低かった。また、組合わせたフラックスＦ２０のＣＯ₂が少ないので引張試験片の破断断面に銀点が生じた。

溶接金属Ｎo.２１は、Ｃｕが高いので溶接時クレータ部に高温割れが生じた。また、Ａｌが低いので吸収エネルギーが低くかった。
溶接金属Ｎo.２２は、組合わせたフラックスＦ１４のＣａＦ₂が少ないので、溶接金属の酸素量が増加して特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。
溶接金属Ｎo.２３は、Ｎが高いので吸収エネルギーが低くかった。

溶接金属Ｎo.２４は、Ｃが低いので強度が低くなった。また、組合わせたフラックスＦ１０のＭｇＯが少ないので酸素量が増加して特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。
溶接金属Ｎo.２５は、組合わせたフラックスＦ１１のＡｌ₂Ｏ₃が多いのでビードが凸状となり溶接ができなかった。
溶接金属Ｎo.２６は、Ｃｒが低いので強度が低くかった。また、組合わせたフラックスＦ１５のＳｉＯ₂が多いので酸素量が増加して特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。

溶接金属Ｎo.２７は、組合わせたフラックスＦ１７のＣａＯが多いのでビードが凸状となり溶接ができなかった。
溶接金属Ｎo.２８は、Ｓｉが低いので強度が低く、また組合わせたフラックスＦ１８のＣａＯが少ないので酸素量が増加して特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低くかった。

衝撃試験片のノッチ位置を示す図である。Ｄｔｓと引張強さの関係を示す図である。

符号の説明

１衝撃試験片
Ａ積層パスの重なり部
Ｂ積層パスの中心部

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社他１名
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせてサブマージアーク溶接で多層盛溶接される溶接金属において、溶接金属全質量当たり、質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．０９％、
Ｓｉ：０．２０〜０．３５％、
Ｍｎ：１．６〜２．３％、
Ｎｉ：２．５〜３．０％、
Ｃｒ：０．５５〜１．０％、
Ｍｏ：０．５５〜１．０％を含有し、
Ｃｕ：０．２０％以下、
Ｏ：０．０２２％以下、
Ｎ：０．００６％以下で、
残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。
ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１〜０．０３５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％、Ａｌ：０．００５〜０．０２％であることを特徴とする請求項１記載の９６０ＭＰａ級高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。
下記式で示されるＤｔｓが０．９５以上である請求項１または２記載の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。
Ｄｔｓ＝Ｃ+(Ｓｉ＋Ｃｕ）／７＋Ｍｎ／５＋Ｎｉ／２０＋Ｃｒ／８＋（Ｍｏ＋Ｖ＋Ｎｂ）／２
組合わせるボンドフラックスは、フラックスの全質量に対して、質量％で、ＭｇＯ：３０〜３８％、Ａｌ₂Ｏ₃：１４〜２０％、ＣａＦ₂：１４〜２０、ＳｉＯ₂：１０〜１８％、ＣａＯ：７〜１２％、金属炭酸塩のＣＯ₂換算値：３〜５％を含有し、その他はＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、合金剤、脱酸剤および不可避不純物であるであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高張力鋼のサブマージアーク溶接金属。