JP2010228001A - 溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接施工条件を緩和した場合であっても、溶接金属の引張強度および耐低温割れ性を確保できるソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．３〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜２．５％、Ｎｉ：０．５〜３．５％の他、Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％を含有し、更にＭｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であるとともに、下記（１）式で表されるＹの値が５＜Ｙ＜３０を満たすことを特徴とする溶接用ソリッドワイヤである。Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）
【選択図】なし
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．３〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜２．５％、Ｎｉ：０．５〜３．５％の他、Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％を含有し、更にＭｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であるとともに、下記（１）式で表されるＹの値が５＜Ｙ＜３０を満たすことを特徴とする溶接用ソリッドワイヤである。Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）
【選択図】なし
Description
本発明は、溶接用ソリッドワイヤに関するものであり、例えばガスシールドアーク溶接に用いるソリッドワイヤに関する。
建築、造船、自動車等の製造過程における鋼板の溶接現場では、ガスシールドアーク溶接が広く採用されている。特に建築鉄骨分野においては、経済性の観点からシールドガスとしてＣＯ2を用いた炭酸ガスシールドアーク溶接が多く用いられている。一方、近年で
は耐震性向上等の観点から高張力鋼の適用が拡大しつつあり、高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接で接合する要求が高まっている。
は耐震性向上等の観点から高張力鋼の適用が拡大しつつあり、高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接で接合する要求が高まっている。
非特許文献１には、建築構造用の７８０ＭＰａ級高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接した例が開示されている。非特許文献１によれば、７８０ＭＰａ級の高張力鋼を溶接するにあたって、溶接金属の引張強度を一定以上確保するためには、入熱量やパス間温度を低入熱・低パス間温度（例えば、入熱量：２０ｋＪ／ｃｍ程度、パス間温度：１５０℃程度）に厳格に管理する必要がある旨が記載されている。しかし、低入熱量や低パス間温度で現場溶接を行う場合、パス数が過多となって融合不良が発生したり、施工能率が低下したりするなどの不具合が生じるためあまり好ましくない。そこで、入熱量やパス間温度を厳格に下げなくても（以下では、「施工条件の緩和」と呼ぶ場合がある）溶接金属の引張強度を確保できる技術が望まれている。
一方、溶接部は外力の直接的な作用によらない割れを生ずることがある。一般的に２００℃未満で生ずる割れを低温割れと呼び、溶接金属が高強度化するほど低温割れは発生しやすくなる。低温割れの原因としては、急熱・急冷により発生した残留応力や、大気中や材料中の水分からの水素などが挙げられるが、水素による影響が大きいと考えられている。この水素による割れを低減するため、割れの発生する２００℃未満になる前に徐冷をしたり、母材を予め加熱しておいて溶接金属部の冷却速度を遅くしたりして、水素を逃す方法がある。しかしこのような方法は現地での作業性を悪化させてしまう。そこで、現地の作業性を低下させることなく水素による低温割れを防止する技術が強く要求されている。
例えば、特許文献１には、溶接金属中に残留オーステナイトが多く存在すると溶接金属中の水素がトラップされ、耐低温割れ性に優れたシーム溶接部を有する超高強度鋼管が得られることが記載されている。しかし、残留オーステナイトがマルテンサイトに変態すれば、水素を放出することとなり逆効果となる恐れがあり、また高価な合金元素を多量に添加しなければならないため経済的ではない。
特許文献２には、溶着金属の組織を微細化することによって靭性を向上させ、その結果低温割れの発生を防止している。しかし、特許文献２における低温割れは、水素による低温割れを検討したものではなく、組織の微細化だけでは水素に起因する低温割れを低減できない。
特許文献３、４はソリッドワイヤの成分組成を調整することによって溶接金属の強度と靭性を確保している。しかしいずれも低温割れを検討したものではなく、組織の微細化だけでは水素による低温割れを低減できない。また特許文献３は５９０ＭＰａ級高張力鋼を対象としたものであり、そもそも低温割れの危険性は少ない。さらに特許文献４は７８０ＭＰａ級高張力鋼にも適用できるものであるが、Ｂ（ボロン）を添加しており高温割れの危険性がかなり高い。
「第二吉本ビルディング」、鉄構技術、２００４年６月、ｐ．５６−６５
本発明はこうした従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は７８０ＭＰａ級の高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接するにあたって、入熱量やパス間温度等の溶接施工条件を緩和した場合であっても、溶接金属の引張強度と耐低温割れ性を確保できる溶接用ソリッドワイヤを提供することにある。
上記目的を解決することのできた本発明に係る溶接用ソリッドワイヤとは、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．３〜１．０％、 Ｍｎ：１．２〜２．０％、Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、Ｃｕ：０．２〜２．５％、Ｎｉ：０．５〜３．５％を夫々含有する他、Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％を含有し、更に、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であるとともに、下記（１）式で表されるＹの値が５＜Ｙ＜３０を満たすことを特徴とするものである。
Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）（但し、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］は夫々Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの含有量（質量％）を表す。）
Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）（但し、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］は夫々Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの含有量（質量％）を表す。）
本発明に係るソリッドワイヤは、さらにＮｂ：０．２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．２％以下（０％を含まない）を含有することも好ましい。
本発明に係るソリッドワイヤは、更に、Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）を含有することが好ましく、Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）である場合にはＣｕ：１．０％以下であることが好ましい。
また本発明に係るソリッドワイヤは、Ｃｕ：０．５％以下であり、且つ、Ｔｉ、ＭｏおよびＣｒの合計含有量が１．０％以上であることも好ましい。
本発明に係る溶接用ソリッドワイヤは、各種成分組成を適切に制御するとともに、特に溶接金属中への水素の侵入を妨げるＣｕ、および水素トラップに有効な酸化物系介在物を形成するＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌのそれぞれの含有量と、これらＣｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＣａおよびＡｌの含有量のバランスを制御している。そのため、入熱量やパス間温度の溶接施工条件を緩和（すなわち、入熱量を高め、パス間温度を高くする）した場合であっても、溶接金属の強度が７８０ＭＰａ以上の高強度を達成することができ、かつ耐低温割れ性を向上させることができる。
本発明者らは前記課題のうち特に低温割れの原因となる水素について、水素をトラップして拡散を抑制し無害化することに加えて、そもそも水素を溶接金属中に侵入させないという、従来では検討されていなかった観点から鋭意検討を重ねた。その結果、（i）溶接金属中にＣｕを含有させれば溶接金属への水素の侵入を防ぐことができることを突き止め、さらに（ii）溶接金属中にＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの酸化物を形成させれば侵入した水素をトラップできるため、これらＣｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＣａおよびＡｌの作用により溶接金属の耐低温割れ性を向上できることを見出した。
まず、本発明に係るソリッドワイヤの化学成分について説明する。
Ｃ：０．０２〜０．１２％
Ｃは溶接金属の強度を確保するために有効な元素である。そこでＣ量を０．０２％以上と定めた。Ｃ量は好ましくは０．０３％以上であり、より好ましくは０．０５％以上である。一方、Ｃ量が過剰になると溶接金属中にマルテンサイトなどの硬質組織を増加させ、加工性が低下する。そこでＣ量を０．１２％以下と定めた。Ｃ量は好ましくは０．１０％以下であり、より好ましくは０．０９％以下である。
Ｃは溶接金属の強度を確保するために有効な元素である。そこでＣ量を０．０２％以上と定めた。Ｃ量は好ましくは０．０３％以上であり、より好ましくは０．０５％以上である。一方、Ｃ量が過剰になると溶接金属中にマルテンサイトなどの硬質組織を増加させ、加工性が低下する。そこでＣ量を０．１２％以下と定めた。Ｃ量は好ましくは０．１０％以下であり、より好ましくは０．０９％以下である。
Ｓｉ：０．３〜１．０％
Ｓｉは脱酸元素であり、溶接金属を清浄にする作用を有する。また溶接金属中に歩留まった場合は、固溶強化により溶接金属を強化する作用を有する。そこでＳｉ量を０．３％以上と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．４％以上であり、より好ましくは０．５％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になると溶接金属の強度が上昇しすぎたりマルテンサイトなどの硬質組織が生成したりすることにより靭性が低下する。また、延性を損なったり、粒界酸化層を過剰に生成してしまう。そこでＳｉ量を１．０％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．９％以下であり、より好ましくは０．８％以下である。
Ｓｉは脱酸元素であり、溶接金属を清浄にする作用を有する。また溶接金属中に歩留まった場合は、固溶強化により溶接金属を強化する作用を有する。そこでＳｉ量を０．３％以上と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．４％以上であり、より好ましくは０．５％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になると溶接金属の強度が上昇しすぎたりマルテンサイトなどの硬質組織が生成したりすることにより靭性が低下する。また、延性を損なったり、粒界酸化層を過剰に生成してしまう。そこでＳｉ量を１．０％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．９％以下であり、より好ましくは０．８％以下である。
Ｍｎ：１．２〜２．０％
Ｍｎは安価に強度を確保できる元素である。また脱酸作用により溶接金属を清浄にする作用を有する。溶接金属中に歩留まった場合は組織を微細化することにより溶接金属の強度および靭性を確保することができる。そこでＭｎ量を１．２％以上と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．５％以上であり、より好ましくは１．６％以上である。一方、Ｍｎ量が過剰になると焼入性が増大して強度が上昇しすぎたり、Ｍｎが偏析することによってマルテンサイトなどの硬質組織が生成するため靭性が低下したりする。また延性を損なったり、粒界酸化層を過剰に生成してしまう。そこでＭｎ量を２．０％以下と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．９％以下であり、より好ましくは１．８％以下である。
Ｍｎは安価に強度を確保できる元素である。また脱酸作用により溶接金属を清浄にする作用を有する。溶接金属中に歩留まった場合は組織を微細化することにより溶接金属の強度および靭性を確保することができる。そこでＭｎ量を１．２％以上と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．５％以上であり、より好ましくは１．６％以上である。一方、Ｍｎ量が過剰になると焼入性が増大して強度が上昇しすぎたり、Ｍｎが偏析することによってマルテンサイトなどの硬質組織が生成するため靭性が低下したりする。また延性を損なったり、粒界酸化層を過剰に生成してしまう。そこでＭｎ量を２．０％以下と定めた。Ｍｎ量は好ましくは１．９％以下であり、より好ましくは１．８％以下である。
Ｔｉ：０．０５〜０．３０％
Ｔｉは溶接金属中で酸化物を形成することによって水素のトラップサイトとなるため、本発明において非常に重要な元素である。また、脱酸作用により溶接金属を清浄にするとともに、アシキュラーフェライトと呼ばれる微細組織の生成核としても機能するため、組織を微細化するために有効である。そこでＴｉ量を０．０５％以上と定めた。Ｔｉ量は好ましくは０．０７％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。一方、Ｔｉ量が過剰になるとＴｉＣによる析出強化により溶接金属の靭性が低下する。そこでＴｉ量を０．３０％以下と定めた。Ｔｉ量は好ましくは０．２８％以下である。
Ｔｉは溶接金属中で酸化物を形成することによって水素のトラップサイトとなるため、本発明において非常に重要な元素である。また、脱酸作用により溶接金属を清浄にするとともに、アシキュラーフェライトと呼ばれる微細組織の生成核としても機能するため、組織を微細化するために有効である。そこでＴｉ量を０．０５％以上と定めた。Ｔｉ量は好ましくは０．０７％以上であり、より好ましくは０．１％以上である。一方、Ｔｉ量が過剰になるとＴｉＣによる析出強化により溶接金属の靭性が低下する。そこでＴｉ量を０．３０％以下と定めた。Ｔｉ量は好ましくは０．２８％以下である。
Ｃｕ：０．２〜２．５％
Ｃｕは溶接金属の表面に濃化することにより、溶接時や使用時の環境中からの水素侵入を妨げる作用を有すると考えられる。また溶接金属の強度および靭性を確保するのに有効な元素である。そこでＣｕ量を０．２％以上と定めた。Ｃｕ量は好ましくは０．２２％以上であり、より好ましくは０．２３％以上である。一方、Ｃｕ量が過剰になると焼入性が増大して耐割れ性が低下したり、Ｓと結合してＣｕＳ等を形成すると割れの起点になったりする他、経済的にも好ましくない。そこでＣｕ量を２．５％以下と定めた。Ｃｕ量は好ましくは２．２％以下であり、より好ましくは２．０％以下である。
Ｃｕは溶接金属の表面に濃化することにより、溶接時や使用時の環境中からの水素侵入を妨げる作用を有すると考えられる。また溶接金属の強度および靭性を確保するのに有効な元素である。そこでＣｕ量を０．２％以上と定めた。Ｃｕ量は好ましくは０．２２％以上であり、より好ましくは０．２３％以上である。一方、Ｃｕ量が過剰になると焼入性が増大して耐割れ性が低下したり、Ｓと結合してＣｕＳ等を形成すると割れの起点になったりする他、経済的にも好ましくない。そこでＣｕ量を２．５％以下と定めた。Ｃｕ量は好ましくは２．２％以下であり、より好ましくは２．０％以下である。
Ｎｉ：０．５〜３．５％
Ｎｉは溶接金属の強度および靭性を確保するのに有効な元素である。またＣｕを添加した場合に、溶接金属に割れが発生する場合があるがＣｕとともにＮｉを添加することにより割れが低減できる傾向がある。そこでＮｉ量を０．５％以上と定めた。Ｎｉ量は好ましくは１．０％以上であり、より好ましくは１．６％以上である。一方、Ｎｉ量が過剰になると焼入性が増大して耐割れ性が低下する。そこでＮｉ量を３．５％以下と定めた。Ｎｉ量は好ましくは２．５％以下であり、より好ましくは２．２％以下である。
Ｎｉは溶接金属の強度および靭性を確保するのに有効な元素である。またＣｕを添加した場合に、溶接金属に割れが発生する場合があるがＣｕとともにＮｉを添加することにより割れが低減できる傾向がある。そこでＮｉ量を０．５％以上と定めた。Ｎｉ量は好ましくは１．０％以上であり、より好ましくは１．６％以上である。一方、Ｎｉ量が過剰になると焼入性が増大して耐割れ性が低下する。そこでＮｉ量を３．５％以下と定めた。Ｎｉ量は好ましくは２．５％以下であり、より好ましくは２．２％以下である。
Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％
ＣｒおよびＭｏはいずれも溶接金属の強度や耐食性を高めるのに有効な元素である。このような効果を発揮するため、Ｃｒ量は０．１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．２％以上である。Ｍｏ量は０．５％以上と定めた。Ｍｏ量は好ましくは０．６％以上であり、より好ましくは０．７％以上である。一方、Ｃｒ量やＭｏ量が過剰になると溶接金属の延性が低下し、また焼入性が増大することによって耐割れ性が低下する。そこでＣｒ量を１．０％以下、Ｍｏ量を１．５％以下と定めた。Ｃｒ量は好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．７％以下である。Ｍｏ量は好ましくは１．０％以下であり、より好ましくは０．９％以下である。
ＣｒおよびＭｏはいずれも溶接金属の強度や耐食性を高めるのに有効な元素である。このような効果を発揮するため、Ｃｒ量は０．１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．２％以上である。Ｍｏ量は０．５％以上と定めた。Ｍｏ量は好ましくは０．６％以上であり、より好ましくは０．７％以上である。一方、Ｃｒ量やＭｏ量が過剰になると溶接金属の延性が低下し、また焼入性が増大することによって耐割れ性が低下する。そこでＣｒ量を１．０％以下、Ｍｏ量を１．５％以下と定めた。Ｃｒ量は好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．７％以下である。Ｍｏ量は好ましくは１．０％以下であり、より好ましくは０．９％以下である。
Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上
Ｍｇ、ＣａおよびＡｌは、溶接金属中で酸化物を形成することによって水素のトラップサイトとなるため、本発明において非常に重要な元素である。また、いずれも強脱酸元素であるため溶接金属を清浄にする作用を有する。そこでＭｇ量を０．０００５％以上と定めた。Ｍｇ量は好ましくは０．００１％以上であり、より好ましくは０．００１５％以上である。Ｃａ量は好ましくは０．０００５％以上であり、より好ましくは０．００１％以上である。Ａｌ量は好ましくは０．００３％以上であり、より好ましくは０．００３５％以上である。一方、Ｍｇ量およびＡｌ量が過剰になると粗大な介在物を形成するため溶接金属の靭性が低下する。よってＭｇ量を０．０２０％以下、Ａｌ量を０．０５％以下と定めた。Ｍｇ量は好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１％以下である。Ａｌ量は好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下である。また、Ｃａ量が過剰になるとスパッタが増加して作業性が著しく低下する。したがってＣａ量を０．００２０％以下と定めた。Ｃａ量は好ましくは０．００１８％以下であり、より好ましくは０．００１５％以下である。
Ｍｇ、ＣａおよびＡｌは、溶接金属中で酸化物を形成することによって水素のトラップサイトとなるため、本発明において非常に重要な元素である。また、いずれも強脱酸元素であるため溶接金属を清浄にする作用を有する。そこでＭｇ量を０．０００５％以上と定めた。Ｍｇ量は好ましくは０．００１％以上であり、より好ましくは０．００１５％以上である。Ｃａ量は好ましくは０．０００５％以上であり、より好ましくは０．００１％以上である。Ａｌ量は好ましくは０．００３％以上であり、より好ましくは０．００３５％以上である。一方、Ｍｇ量およびＡｌ量が過剰になると粗大な介在物を形成するため溶接金属の靭性が低下する。よってＭｇ量を０．０２０％以下、Ａｌ量を０．０５％以下と定めた。Ｍｇ量は好ましくは０．０１５％以下であり、より好ましくは０．０１％以下である。Ａｌ量は好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３％以下である。また、Ｃａ量が過剰になるとスパッタが増加して作業性が著しく低下する。したがってＣａ量を０．００２０％以下と定めた。Ｃａ量は好ましくは０．００１８％以下であり、より好ましくは０．００１５％以下である。
本発明に係るソリッドワイヤの基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物がワイヤ中に含まれることは当然に許容される。さらに本発明に係るソリッドワイヤは必要に応じて以下の任意の元素を含有していても良い。
Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．２％以下（０％を含まない）
ＮｂおよびＶは組織を微細化することにより、溶接金属の強度を向上させる作用を有するが、ＮｂやＶの炭化物が析出すると延性を劣化させ、靭性の向上も妨げるので含有する場合であってもできるだけ制限することが好ましい。従ってＮｂ量、Ｖ量はいずれも０．２％以下とすることが好ましい。Ｎｂ量、Ｖ量はいずれも０．１５％以下がより好ましく、０．１０％以下がさらに好ましい。なお、特に靭性向上の観点からはＮｂおよびＶは含有しない方がよい。
ＮｂおよびＶは組織を微細化することにより、溶接金属の強度を向上させる作用を有するが、ＮｂやＶの炭化物が析出すると延性を劣化させ、靭性の向上も妨げるので含有する場合であってもできるだけ制限することが好ましい。従ってＮｂ量、Ｖ量はいずれも０．２％以下とすることが好ましい。Ｎｂ量、Ｖ量はいずれも０．１５％以下がより好ましく、０．１０％以下がさらに好ましい。なお、特に靭性向上の観点からはＮｂおよびＶは含有しない方がよい。
Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）
Ｚｒは溶接金属中で酸化物や炭化物を形成することで、水素のトラップサイトとなるため非常に好ましい元素である。このような作用を有効に発揮するため、Ｚｒ量は好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上とする。一方、Ｚｒ量が過剰になると、粗大な炭化物等を形成し、該炭化物等が割れの起点となったり、延性を阻害したりする。そこでＺｒ量は０．２％以下とすることが好ましい。Ｚｒ量は、より好ましくは０．１８％以下であり、さらに好ましくは０．１６％以下である。
Ｚｒは溶接金属中で酸化物や炭化物を形成することで、水素のトラップサイトとなるため非常に好ましい元素である。このような作用を有効に発揮するため、Ｚｒ量は好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０５％以上とする。一方、Ｚｒ量が過剰になると、粗大な炭化物等を形成し、該炭化物等が割れの起点となったり、延性を阻害したりする。そこでＺｒ量は０．２％以下とすることが好ましい。Ｚｒ量は、より好ましくは０．１８％以下であり、さらに好ましくは０．１６％以下である。
上記した成分組成において、特に（ａ）Ｃｕ：１．０％以下として、且つ、Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）とする、または（ｂ）Ｃｕ：０．５％以下として、且つ、Ｔｉ、ＭｏおよびＣｒの合計含有量を１．０％以上とすることが好ましい。
上述した通り、Ｃｕは溶接金属中に水素が侵入するのを妨げる作用を有するが、Ｃｕ量が多くなると、焼入性が増大して強度が上昇することによって耐低温割れ感受性が上昇したり、Ｓと結合して形成したＣｕＳ等が割れの起点になる場合もある。そこで、Ｃｕを所定量添加してＣｕによる水素侵入抑制効果を発揮させつつ、Ｃｕ量が多くなりすぎないようにして耐低温割れ性の低下を防ぎ、且つ、Ｃｕ量を低減した分、Ｚｒ量を添加するか、またはＴｉ、Ｍｏ、およびＣｒの合計量を所定以上となるように添加することが好ましい。
より詳細には、（ａ）Ｃｕ：１．０％以下として、且つ、Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）とすることが好ましい。（ａ）の態様において、Ｃｕ量はより好ましくは０．２２〜０．９％であり、さらに好ましくは０．２３〜０．８％である。またＺｒ量は好ましくは０．０１〜０．１８％であり、さらに好ましくは０．０５〜０．１６％である。
また、（ｂ）Ｃｕ：０．５％以下として、且つ、Ｔｉ、ＭｏおよびＣｒの合計含有量を１．０％以上とすることも好ましい。（ｂ）の態様において、Ｃｕ量はより好ましくは０．２２〜０．４％であり、さらに好ましくは０．２３〜０．３％である。また、Ｔｉ、Ｍｏ、およびＣｒの合計含有量は、より好ましくは１．０５％以上であり、さらに好ましくは１．１％以上である。
本発明のソリッドワイヤは上記のように化学成分組成が制御されているため、溶接施工条件を緩和した場合であっても溶接金属の引張強度を７８０ＭＰａ以上とすることができる。
さらに、本発明では、Ｃｕによって水素の侵入を防ぐとともに、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの酸化物を形成させることでこれら酸化物が溶接金属中に侵入した水素をトラップするため、溶接金属の水素による低温割れを低減することができる。より詳細には、これらＣｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの５つの元素の含有量を下記（１）式で表されるＹの値が５＜Ｙ＜３０となるように調整することによって、耐低温割れ性を向上させることができる。
Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）
（但し、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］は夫々Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの含有量（質量％）を表す。）
Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）
（但し、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］は夫々Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの含有量（質量％）を表す。）
Ｃｕは、凝固する際に溶接金属の表面に濃化し、水素の侵入を防ぐことができるものと推測される。
また本発明において、水素のトラップサイトとして有効なＴｉ、Ｍｇ、ＣａおよびＡｌの酸化物は、これらの元素の単独酸化物の他、２種以上の酸化物が複合した酸化物の形態で存在している。これらＴｉ、Ｍｇ、ＣａおよびＡｌの酸化物が水素をトラップできるメカニズムについて未だ明らかでない部分もあるが、次のように推測できる。すなわち、これら酸化物の中だけでなく、界面近傍においても格子歪を作り、それによって水素をトラップできるものと考えられる。
上記（１）式において、各元素の含有量に乗じる係数は、各元素の添加量を変化させた材料を用いてそれぞれ耐割れ性評価試験を行い、統計的に各係数を算出した。Ｙが５以下であると、水素の侵入を防ぐ効果、または侵入した水素をトラップする効果が十分に発揮されないため、耐低温割れ性が低下する。またＹが３０以上になると酸化物が増加することによって強度が上昇し、割れ感受性が高まる結果、耐低温割れ性が低下する。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
実施例１
表１、２に示す化学成分組成のワイヤを用意し（ワイヤ径：１．２ｍｍ）、図１に示した開先形状の鋼板を以下に示す溶接条件で溶接した。
表１、２に示す化学成分組成のワイヤを用意し（ワイヤ径：１．２ｍｍ）、図１に示した開先形状の鋼板を以下に示す溶接条件で溶接した。
溶接条件
電流 ：２８０Ａ
電圧 ：３５Ｖ
溶接速度 ：２５ｃｍ／ｍｉｎ
入熱量 ：２４ｋＪ／ｃｍ
予熱温度およびパス間温度 ：２５０℃
層数／パス数 ：５層／１０パス
シールドガス ：１００％ＣＯ2
母材鋼板 ：ＨＴ７８０
電流 ：２８０Ａ
電圧 ：３５Ｖ
溶接速度 ：２５ｃｍ／ｍｉｎ
入熱量 ：２４ｋＪ／ｃｍ
予熱温度およびパス間温度 ：２５０℃
層数／パス数 ：５層／１０パス
シールドガス ：１００％ＣＯ2
母材鋼板 ：ＨＴ７８０
（１）溶接金属の引張試験
図２に示す位置からＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠して引張試験片を採取し、溶接金属の引張試験を行った。溶接金属の引張強度は７８０ＭＰａ以上を合格とした。
図２に示す位置からＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠して引張試験片を採取し、溶接金属の引張試験を行った。溶接金属の引張強度は７８０ＭＰａ以上を合格とした。
（２）溶接金属の耐割れ性評価試験
耐低温割れ性評価はＳＳＲＴ（Ｓｌｏｗ Ｓｔｒａｉｎ Ｒａｔｅ Ｔｅｓｔ）法を用いた。試験片は図２（ａ）に示すように、最終パスから図２（ｂ）に示す形状の試験片を採取した。該試験片に以下に示す条件で水素チャージを行った後、水素逃散防止のためにＺｎめっきを施し、大気中でＳＳＲＴ試験を行った。
水素チャージの電解条件
溶液 ：１Ｎ Ｈ2ＳＯ4 ＋ ０．０１Ｍ ＫＳＣＮ
電流密度 ：１００Ａ／ｍ2
液温 ：室温
チャージ時間 ：１６時間
Ｚｎめっき条件
めっき浴組成 ：３５０ｇ／ｌ ＺｎＳＯ4・７Ｈ2Ｏ
２０．６ｇ／ｌ Ｈ2ＳＯ4（９７％）
６０ｇ／ｌ Ｎａ2ＳＯ4
めっき浴温度 ：６０℃
電流密度 ：５０Ａ／ｄｍ2
めっき時間 ：３分
ＳＳＲＴ試験条件
クロスヘッド速度：５．０×１０-3ｍｍ／ｍｉｎ（歪み速度：６．９４×１０-6／ｓ）として破断まで行った。
耐低温割れ性評価はＳＳＲＴ（Ｓｌｏｗ Ｓｔｒａｉｎ Ｒａｔｅ Ｔｅｓｔ）法を用いた。試験片は図２（ａ）に示すように、最終パスから図２（ｂ）に示す形状の試験片を採取した。該試験片に以下に示す条件で水素チャージを行った後、水素逃散防止のためにＺｎめっきを施し、大気中でＳＳＲＴ試験を行った。
水素チャージの電解条件
溶液 ：１Ｎ Ｈ2ＳＯ4 ＋ ０．０１Ｍ ＫＳＣＮ
電流密度 ：１００Ａ／ｍ2
液温 ：室温
チャージ時間 ：１６時間
Ｚｎめっき条件
めっき浴組成 ：３５０ｇ／ｌ ＺｎＳＯ4・７Ｈ2Ｏ
２０．６ｇ／ｌ Ｈ2ＳＯ4（９７％）
６０ｇ／ｌ Ｎａ2ＳＯ4
めっき浴温度 ：６０℃
電流密度 ：５０Ａ／ｄｍ2
めっき時間 ：３分
ＳＳＲＴ試験条件
クロスヘッド速度：５．０×１０-3ｍｍ／ｍｉｎ（歪み速度：６．９４×１０-6／ｓ）として破断まで行った。
ＳＳＲＴ試験は水素チャージを行った試験片と、水素チャージを行わなかった試験片のそれぞれについて行い、
耐低温割れ性評価指数（Ｅ）＝（１−Ｅｈ／Ｅ0）×１００
により算出される耐低温割れ性評価指数によって、耐低温割れ性を評価した。上記式において、Ｅｈは水素チャージ時の伸びであり、Ｅ0は水素未チャージ時の伸びである。耐低温割れ性評価指数は５０以下を合格とした。
耐低温割れ性評価指数（Ｅ）＝（１−Ｅｈ／Ｅ0）×１００
により算出される耐低温割れ性評価指数によって、耐低温割れ性を評価した。上記式において、Ｅｈは水素チャージ時の伸びであり、Ｅ0は水素未チャージ時の伸びである。耐低温割れ性評価指数は５０以下を合格とした。
結果を表３、４に示す。
Ｎｏ．１〜１５は本発明で規定する要件を満足するため、耐低温割れ性が優れている。
Ｎｏ．１６〜２０はＣ量、Ｓｉ量、Ｍｎ量、Ｎｉ量、Ｃｒ量のいずれかが過剰であり強度が上昇したことによって割れ感受性が高まったとともに、Ｙ値が小さいため耐低温割れ性が劣っている。
Ｎｏ．２１はＭｏ量およびＴｉ量が過剰であり強度が上昇したことによって割れ感受性が高まったとともに、Ｔｉの酸化物が増大し、Ｙ値も大きいため耐低温割れ性が劣っている。
Ｎｏ．２２はＹ値が大きいため、Ｎｏ．２８はＹ値が小さいため耐低温割れ性が劣っている。
Ｎｏ．２３〜２６はＴｉ量、Ｍｇ量、Ｃａ量、Ａｌ量のいずれかが過剰であり、これらの酸化物が増大したことにより耐低温割れ性が劣っている。
Ｎｏ．２７はＴｉ量およびＭｇ量が過剰であったため、これらの酸化物が増大したとともに、Ｙ値が大きいため耐低温割れ性が劣っている。
Ｎｏ．２９はＹ値が小さく、さらにＢ（ボロン）の影響により耐低温割れ性が劣っている。
実施例２
表５に示す化学成分組成のワイヤを用いたこと以外は、実施例１と同様にして溶接を行った。その後、実施例１と同じ要領で溶接金属の引張り試験、および溶接金属の耐割れ性評価試験を行った。但し、耐割れ性評価試験における水素チャージの時間は、溶接金属中の水素量が１．０〜２．０ｐｐｍとなるように調整した。なお、溶接金属中の水素量は、大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩＭＳ）により、室温〜３００℃までの昇温速度を１２℃／ｍｉｎとして昇温分析を行うことにより求めた。
表５に示す化学成分組成のワイヤを用いたこと以外は、実施例１と同様にして溶接を行った。その後、実施例１と同じ要領で溶接金属の引張り試験、および溶接金属の耐割れ性評価試験を行った。但し、耐割れ性評価試験における水素チャージの時間は、溶接金属中の水素量が１．０〜２．０ｐｐｍとなるように調整した。なお、溶接金属中の水素量は、大気圧イオン化質量分析計（ＡＰＩＭＳ）により、室温〜３００℃までの昇温速度を１２℃／ｍｉｎとして昇温分析を行うことにより求めた。
本実施例では、耐低温割れ性は、（耐低温割れ性評価指数（Ｅ））／（溶接金属中の水素量（ｐｐｍ））で評価し、この値が５０超の場合を×、３５超５０以下の場合を○、２５超３５以下の場合を◎、２５以下の場合を◎◎と評価した。結果を表６に示す。
Ｎｏ．３０〜５２は、本発明で規定する要件を満足しており、耐低温割れ性が優れている。特に、Ｎｏ．４１〜４４、５２はＣｕ量が０．５％以下であり、且つ、Ｔｉ、Ｍｏ、およびＣｒの合計含有量が１．０％以上であり、本発明の好ましい要件を満たしているため耐低温割れ性がより優れている。また、Ｎｏ．４６〜５１はＺｒを添加した例であるため、耐低温割れ性により優れており、中でも特にＮｏ．４７、５１はＣｕ量が１．０％以下であり、Ｎｏ．４６、４８、５０は、Ｃｕ量が０．５％以下であり、且つ、Ｔｉ、Ｍｏ、およびＣｒの合計含有量が１．０％以上であるという要件を満たしているため、耐低温割れ性がより一層優れている。
一方、Ｎｏ．５３〜５５は本発明で規定する要件の少なくともいずれかを満たしていないため、耐低温割れ性が劣っている。Ｎｏ．５３、５４はＹ値が小さく、特にＮｏ．５４はＶ量も多く、またＮｏ．５５はＴｉ量が多くＹ値が大きかったため、耐低温割れ性が劣る結果となった。
Claims (5)
- ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１２％、
Ｓｉ：０．３〜１．０％、
Ｍｎ：１．２〜２．０％、
Ｔｉ：０．０５〜０．３０％、
Ｃｕ：０．２〜２．５％、
Ｎｉ：０．５〜３．５％を夫々含有する他、
Ｃｒ：１．０％以下（０％を含まない）および／またはＭｏ：０．５〜１．５％を含有し、
更に、Ｍｇ：０．０００５〜０．０２０％、Ｃａ：０．００２０％以下（０％を含まない）、およびＡｌ：０．０５％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有し、残部は鉄および不可避不純物であるとともに、
下記（１）式で表されるＹの値が５＜Ｙ＜３０を満たすことを特徴とする溶接用ソリッドワイヤ。
Ｙ＝１２×［Ｃｕ］＋１５×［Ｔｉ］＋８０×［Ｍｇ］＋７０×［Ｃａ］＋３０×［Ａｌ］ ・・・（１）
（但し、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ａｌ］は夫々Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌの含有量（質量％）を表す。） - 更に、
Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．２％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の溶接用ソリッドワイヤ。 - 更に、Ｚｒ：０．２％以下（０％を含まない）を含有する請求項１または２に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｃｕ：１．０％以下である請求項３に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
- Ｃｕ：０．５％以下であり、且つ、Ｔｉ、ＭｏおよびＣｒの合計含有量が１．０％以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
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| CN102114580A (zh) * | 2011-01-26 | 2011-07-06 | 浙江大学 | 一种焊缝强韧化mag焊丝 |
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