JP2007268591A

JP2007268591A - 溶接方法

Info

Publication number: JP2007268591A
Application number: JP2006099967A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Fukushima; 弘一郎福嶋; Kazuhiko Ono; 数彦小野
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】疲労強度を向上させることができると共に、溶接割れの発生を抑えることができる溶接方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る溶接方法は、鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、Ｎｉを８〜１２重量％含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、溶接入熱を９．６ｋＪ／ｃｍ以下、希釈率を４３％以下、さらにシールドガスとしてＡｒとＣＯ２との混合ガスを供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接方法、特に、鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接方法に関する。

従来、溶接金属のマルテンサイト変態を利用して残留応力を低減させることにより、疲労強度を向上させる溶接方法が知られている。この溶接方法では、溶接金属のマルテンサイト変態の開始温度を低くすることによって、低温度で溶接金属に膨張を生じさせる。これにより、溶接後の温度低下によって生じる引っ張りの残留応力を相殺し、圧縮の残量応力を生じさせることによって、疲労強度を向上させることができる。ここで、溶接金属のマルテンサイト変態の開始温度を低下させる方法としては、所定量のＮｉを添加した溶接材料（以下、「低温変態溶材」という）を用いて溶接を行うことが知られている（特許文献１参照）。
特開２００２−１４４０８２号公報

しかし、上記のような低温変態溶材は、通常用いられる溶接材料と比べてＮｉを多く含有するため、溶接割れが生じ易くなる。その一方、疲労強度向上の観点からは、溶接金属中に所定量以上のＮｉを確保する必要がある。

本発明の課題は、疲労強度を向上させることができると共に、溶接割れの発生を抑えることができる溶接方法を提供することにある。

第１発明に係る溶接方法は、鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、Ｎｉを８〜１２重量％含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、溶接入熱を９．６ｋＪ／ｃｍ以下とすることを特徴とする。

第２発明に係る溶接方法は、鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、Ｎｉを８〜１２重量％含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、溶接後の溶接金属に含まれるＮｉの重量％を７．０以上とすることを特徴とする。

第３発明に係る溶接方法は、鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、８〜１２重量％のＮｉを含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、希釈率を４３％以下とすることを特徴とする。

第４発明に係る溶接方法は、第２発明または第３発明の溶接方法であって、溶接入熱を９．６ｋＪ／ｃｍ以下とすることを特徴とする。

第５発明に係る溶接方法は、第１発明から第４発明のいずれかの溶接方法であって、シールドガスとしてＡｒとＣＯ２との混合ガスを供給することを特徴とする。

本発明に係る溶接方法では、疲労強度を向上させることができると共に、溶接割れの発生を抑えることができる。

以下、本発明に係る溶接方法を詳細に説明する。

本発明に係る溶接方法で使用される低温変態溶材は、低温でマルテンサイト変態を起こさせるため、比較的多量のＮｉを含有している。このため、溶接割れが発生する可能性がＮｉ含有量の少ない通常溶材よりも高い。ここで、低温変態溶材とは、Ｎｉを８〜１２重量％含有し、マルテンサイト変態の開始温度が２００〜３５０℃となっているものである。

例えば、マルテンサイト変態の開始温度が２００〜３５０℃であり、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｉ：８〜１２％を含有し、Ｔｉ：０．０１〜０．４％、Ｎｂ：０．０１〜０．４％、Ｖ：０．３〜１．０％の１種または２種以上をさらに含有し、残部が鉄および不可避不純からなるものである。また、重量％で、Ｃｕ：０．０５〜０．４％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種または２種以上をさらに含有してもよい。

溶接の対象となる溶接母材は、鉄鋼材料であり、Ｎｉを含有しないか又は低温変態溶材のＮｉ含有量に影響を与えない程度の微少量のＮｉを含有するものである。例えば、ＪＩＳ：ＳＳ４００（ＩＳＯ：ＦＥ４２Ａ、ＡＳＴＭ：Ａ３６）などの一般構造用圧延鋼であるが、ＪＩＳ：ＳＭ４９０（ＡＳＴＭ：Ａ５７３Ｇｒ７０），ＳＭ５７０（ＡＳＴＭ：６７８Ｇｒ．Ｃ）などの高張力鋼が用いられてもよい。

次に、上記のような低温変態溶材を用いて溶接母材の溶接を行うときの溶接条件について説明する。本発明において特徴的な溶接条件としては、溶接入熱および希釈率がある。

本発明に係る溶接方法では、溶接入熱を９．６ｋＪ／ｃｍ以下とすることによって、溶接割れの発生を抑えることができる。

次に、希釈率について説明する。溶接母材として鉄鋼材料が用いられる場合、溶接後の溶接金属中のＮｉ含有量は、溶接前の低温変態溶材のＮｉ含有量よりも低減してしまう。これは、鉄鋼材料にはＮｉが含まれていないか、含まれているとしても微量であるため、低温変態溶材が溶接母材の一部と溶け合うことによって、溶接金属におけるＮｉの含有量が希釈されるためである。従って、溶接前の低温変態溶材にマルテンサイト変態の開始温度を低下させるために適当な量のＮｉが含まれていたとしても、溶接後の溶接金属中のＮｉ含有量が過度に低下した場合には、マルテンサイト変態の開始温度が十分に低くならない。この場合、溶接金属の残留応力が十分に低下せず、疲労強度を向上させることができない恐れがある。

そこで、本発明では、溶接後の溶接金属に含まれるＮｉの重量％を７．０以上とする。これによって、溶接金属での残留応力をゼロ以下とすることができ、疲労強度を向上させることができる。なお、溶接後の溶接金属に含まれるＮｉの重量％の上限は、溶接前の低温変態溶材のＮｉ含有量によって定まる。

また、溶接後の溶接金属に含まれるＮｉの重量％を７．０以上とすることは、溶接による希釈率を４３％以下とすることによって達成される。なお、低温変態溶材におけるＮｉの含有量は８〜１２重量％であるが、希釈率を４３％以下とする場合のより望ましい値は約１０重量％である。このように、希釈率を４３％以下とすることによって、溶接後の溶接金属に含まれるＮｉの重量％を７．０以上とすることができ、溶接金属での残留応力をゼロ以下とすることができる。

さらに、溶接時に供給されるシールドガスとしては、ＣＯ２ガスおよびＭＡＧガスが利用可能であるが、望ましくはＭＡＧガスである。なお、ＭＡＧガスとは、ＡｒとＣＯ２との混合ガスである。

なお、溶接金属での残留応力をゼロ以下とすることによって疲労強度を向上させることは、図１に示すグラフより導き出される。このグラフは、残留応力と疲労強度との関係を示すものである。点Ａ１は、通常溶材を用いて溶接を行った場合を示しており、図１に示すグラフでは、点Ａ１における疲労強度を１として他の場合の疲労強度を点Ａ１における疲労強度に対する比で示している。なお、通常溶材としては、ＪＩＳ：Ｚ３３１２ＹＧＷ１１相当の溶接ワイヤを用いた。点Ａ２は、通常溶材を用いて溶接を行った後、焼鈍により応力を低減させた場合を示している。焼鈍は、真空炉内において５８０℃、１時間で行われた。点Ａ１および点Ａ２は、残留応力がプラスの値である場合、すなわち、引っ張りの残留応力が生じている状態を示している。これに対して、点Ａ３〜Ａ５は、低温変態溶材を用いて溶接を行った場合を示している。低温変態溶材としては以下の実施例１で用いたものと同様のものを用いた。このグラフによれば、残留応力が低下するほど疲労強度が向上していることが分かる。さらに、残留応力が約０である場合の疲労強度は、通常溶材を用いた場合の疲労強度の約５倍であることが分かる。以上より、溶接金属での残留応力をゼロ以下とすることによって、通常溶材を用いて溶接を行った場合よりも疲労強度を向上させることができることが分かる。

図２に示すように、２枚の鋼板１０，１１を溶接母材として垂直に組み合わせてすみ肉溶接を行う。これらの鋼板１０，１１は、ＪＩＳ：ＳＳ４００、板厚９ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ（紙面に垂直な方向の長さ）のものである。また、溶接ワイヤ１２として、低温変態溶材であるＳＭ−１０Ｎ（日鐵住金溶接工業株式会社製）を用いた。このＳＭ−１０Ｎは、ワイヤ径１．２ｍｍであり、成分として重量％でＣ：０．０３％、Ｓｉ：０．０７％、Ｍｎ：０．０９％、Ｐ：０．００７％、Ｓ：０．０１３％：Ｃｕ：０．３６％：Ｃｒ：０．０１％、Ｍｏ：０．０１％、Ａｌ：０．０１％、Ｎｉ：９．８８％を含有するものである。溶接後の溶接金属の脚長が５ｍｍとなるように電流および速度（溶接ワイヤ１２の供給速度）を調整した。また、シールドガスとしてＣＯ２ガスを用いた。なお、実構造物の剛性を模擬するため、観察を行う溶接金属の反対側に予め拘束溶接１３を施した。そして、溶接後、溶接金属を含めた溶接母材を長さ方向に１０ｍｍずつに分割してテストピースを得て、そのうち１１個のテストピースについて、割れが生じているか否かを観察した。

表１に、与えられた溶接入熱と、溶接割れの発生の有無との関係を示す。

表中の１〜１１はテストピースの番号を示している。また、表中の「○」は、溶接金属に割れが発生していないことを示しており、「×」は割れが発生していたことを示している。なお、表１において、「本発明例」は、本発明の範囲内の溶接条件で溶接を行った場合を示しており、「比較例」は、本発明の範囲外の溶接条件で溶接を行った場合を示している。以下の他の表についても同様である。

この結果から分かるように、本発明の溶接入熱の範囲内である９．６ｋＪ／ｃｍ、９．５ｋＪ／ｃｍ、９．２ｋＪ／ｃｍでは、溶接金属に割れが発生していない。一方、本発明の溶接入熱の範囲外のである９．９ｋＪ／ｃｍ、１０．３ｋＪ／ｃｍ、１０．２ｋＪ／ｃｍでは、溶接金属に割れが発生している。

また、図３に、溶接入熱を縦軸とし、電流を横軸とした座標系において表１の結果をプロットした分布図を示す。この分布図において、○印は割れが発生していないことを示しており、全て本発明例である。また、×印は割れが発生したことを示しており、全て比較例である。この分布図より、溶接入熱９．６ｋＪ／ｃｍ以下の範囲は、上記の溶接条件において２００Ａ以下の範囲と対応しており、この範囲において溶接割れの発生が抑えられていることが分かる。

次に、シールドガスとしてＭＡＧガスを用いた場合の結果を表２に示す。テストピースの作成および低温変態溶材は上記の実施例１と同様である。なお、ＭＡＧガスは、８０％のＡｒと２０％のＣＯ２との混合ガスである。

この結果から分かるように、ＭＡＧガスを用いた場合においても、本発明の溶接入熱の範囲内である９．６ｋＪ／ｃｍ、９．５ｋＪ／ｃｍ、８．８ｋＪ／ｃｍでは、溶接金属に割れが発生していない。一方、本発明の溶接入熱の範囲外である９．９ｋＪ／ｃｍ、１０．７ｋＪ／ｃｍ、１０．９ｋＪ／ｃｍでは、溶接金属に割れが発生している。

また、図４に、溶接入熱を縦軸とし、電流を横軸とした座標系において表２の結果をプロットした分布図を示す。この分布図において、○印は割れが発生していないことを示しており、全て本発明例である。また、×印は割れが発生したことを示しており、全て比較例である。この分布図より、溶接入熱９．６ｋＪ／ｃｍ以下の範囲は、上記の溶接条件において２００Ａ以下の範囲と対応しており、この範囲において溶接割れの発生が抑えられていることが分かる。

上記の実施例２と同様にしてテストピースを作成し、Ｘ線残留応力測定装置によって溶接金属の残留応力を測定した。その結果を表３に示す。

なお、希釈率は、図５に示すように、溶接金属の体積（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）に対する溶接母材の溶融部分の体積（Ａ＋Ｂ）の比であり、以下のように百分率で示される。

希釈率＝｛（Ａ＋Ｂ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）｝×１００
この結果から分かるように、本発明の希釈率の範囲内である１８％、２４％、３０％、３７％、４１％では、圧縮の残留応力が発生している。一方、本発明の希釈率の範囲外である４９％では引っ張りの残留応力が発生している。

また、縦軸を残留応力とし横軸を希釈率とした座標系において表３の結果をプロットして各点を通る近似曲線を求めると図６のようになる。この近似曲線から、希釈率が４３％の場合に残留応力がゼロとなることが分かる。また、希釈率が４３％未満の場合に、溶接金属に圧縮の残留応力が発生する。ここで、誤差を考慮すると、希釈率は４０％以下であることがより望ましい。

上記の実施例１と同様にしてテストピースを作成し、溶接入熱と希釈率との関係を測定した結果を表４に示す。なお、希釈率は上記の実施例３と同様にして測定した。また、シールドガスとしてはＣＯ２ガスを用いた。

この結果から分かるように、本発明の溶接入熱の範囲内である９．２ｋＪ／ｃｍでは、希釈率が４３％以下となっている。

上記の実施例２と同様にしてテストピースを作成し、溶接入熱と希釈率との関係を測定した。その結果を表５に示す。なお、希釈率は上記の実施例３と同様にして測定した。また、シールドガスとしてはＭＡＧガスを用いた。

この結果から分かるように、本発明の溶接入熱の範囲内である８．８ｋＪ／ｃｍ、９．５ｋＪ／ｃｍ、９．６ｋＪ／ｃｍでは、希釈率が４３％以下となっている。

なお、表４および表５の結果を、縦軸を希釈率とし横軸を電流とした座標系にプロットすると図７のようになる。図７において、点Ｂ１〜Ｂ４はシールドガスとしてＣＯ２ガスが用いられた場合であり、点Ｃ１〜Ｃ６はＭＡＧガスが用いられた場合を示している。

このグラフより、溶接入熱が９．６ｋＪ／ｃｍ以下の範囲内であれば、希釈率が概ね４０％以下となることが分かる。ただし、ＣＯ２ガスが用いられ、且つ、溶接入熱が９．３ｋＪ／ｃｍの場合（点Ｂ２参照）では、希釈率が４６％となり４０％を越えている。一方、ＭＡＧガスが用いられる場合は、溶接入熱が９．６ｋＪ／ｃｍ以下である点Ｃ１〜Ｃ３の全てにおいて、希釈率が４０％以下となっている。従って、溶接時に供給されるシールドガスとしては、ＭＡＧガスがより望ましい。

本発明は、疲労強度を向上させることができると共に、溶接割れの発生を抑えることができる効果を有し、溶接方法として有用である。

残留応力と疲労強度との関係を示すグラフ。テストピースの作成方法を示す概略図。ＣＯ２ガスを用いた場合の電流と溶接入熱との関係を示すグラフ。ＭＡＧガスを用いた場合の電流と溶接入熱との関係を示すグラフ。希釈率の定義を示す概略図。希釈率と残留応力との関係を示すグラフ。溶接入熱と希釈率との関係を示すグラフ。

Claims

鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、Ｎｉを８〜１２重量％含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、溶接入熱を９．６ｋＪ／ｃｍ以下とすることを特徴とする溶接方法。
鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、Ｎｉを８〜１２重量％含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、溶接後の溶接金属に含まれるＮｉの重量％を７．０以上とすることを特徴とする溶接方法。
鉄鋼材料からなる溶接母材の溶接において、８〜１２重量％のＮｉを含有しオーステナイトからマルテンサイトに変態を開始する温度が２００〜３５０℃である溶接材料を用い、且つ、希釈率を４３％以下とすることを特徴とする溶接方法。
溶接入熱を９．６ｋＪ／ｃｍ以下とすることを特徴とする、
請求項２または３に記載の溶接方法。
シールドガスとしてＡｒとＣＯ２との混合ガスを供給することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の溶接方法。