JP2015110241A - サブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents
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このサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤは、例えば、Mn含有量(質量%)を[Mn]、Ni含有量(質量%)を[Ni]、Cr含有量(質量%)を[Cr]、Mo含有量(質量%)を[Mo]としたとき、下記数式1を満たす。
Cは、溶接金属の強度を確保するために欠くことのできない元素である。ただし、C含有量が0.08質量%未満であると、溶接金属の強度が不足したり、靭性を安定化させる効果が不足する。一方、C含有量が0.20質量%を超えると、強度が過剰となり、溶接金属の低温靭性が劣化する。よって、C含有量は、0.08〜0.20質量%とする。
Siは、溶接金属中に固溶状態で存在することで、炭化物形成を遅らせ、残留オーステナイトを安定化させる作用がある。ただし、Si含有量が0.05質量%未満の場合、脱酸不足により、溶接金属の強度及び靭性が低下する。また、Si含有量が0.50質量%を超えると、マトリックス中のフェライトが脆化して、溶接金属の低温靭性が低下する。よって、Si含有量は、0.05〜0.50質量%とする。なお、溶接金属の低温靭性向上の観点から、Si含有量は0.20質量%以下とすることが好ましい。
Mnは、溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。ただし、Mn含有量が1.50質量%未満の場合、溶接金属の強度が不足し、低温靭性も劣化する。また、Mn含有量が3.00質量%を超えると、強度及び焼き入れ性が過多となり、低温靭性が低下する。よって、Mn含有量は、1.50〜3.00質量%とする。
Niは、溶接金属の強度及び靭性を確保すると上で必要な元素である。ただし、Ni含有量が1.00質量%未満の場合、溶接金属の強度及び靭性を向上させる効果が不十分となり、また、必要な残留オーステナイト量が得られず、耐水素脆化感受性が劣化する。一方、Ni含有量が1.95質量%を超えると、低温靭性が劣化する。よって、Ni含有量は、1.00〜1.95質量%とする。
Crは、粒界ベイナイト組織を微細化させることで、残留オーステナイト粒子の微細化に寄与する元素である。Cr含有量が0.5質量%未満の場合、溶接金属の焼入れ性が大幅に低下し、変態温度が上がって、強度及び低温靭性が共に低下する。Cr含有量が1.5質量%を超えると、残留オーステナイトの生成が抑制されて、必要な残留オーステナイト量を得られず、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Cr含有量は、0.5〜1.5質量%とする。
Moは、溶接金属中の強度向上に有用な元素である。ただし、Mo含有量が0.10質量%未満の場合、溶接金属の焼入れ性が大幅に低下し、変態温度が上がって、強度及び低温靭性が共に低下する。一方、Mo含有量が0.45質量%を超えると、残留オーステナイトの生成が抑制され、必要な残留オーステナイト量を得られず、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Mo含有量は、0.10〜0.45質量%とする。
Pは、溶接金属の低温靭性を著しく低下させる。具体的には、P含有量が0.015質量%を超えると、溶接金属の低温靭性が不足する。よって、P含有量は、0.015質量%以下に規制する。なお、低温靭性向上の観点から、P含有量は0.010質量%以下に規制することが好ましい。
Sは、溶接金属の低温靭性を著しく低下させる。具体的には、S含有量が0.015質量%を超えると、低温靭性が不足する。よって、S含有量は、0.015質量%以下に規制する。なお、低温靭性向上の観点から、S含有量は、0.007質量%以下に規制することが好ましい。
前述した各成分の組成限定により、溶接金属の低温靭性及び耐水素脆化感受性の両方を確保することができるが、本発明者は、更に、Cr及びMnの総含有量とMn及びNiの総含有量との比(=([Mn]+[Ni])/([Cr]+[Mo]))を特定の範囲にすることにより、低温靭性及び耐水素脆化感受性を向上できることを見出した。
Cuは、溶接金属の強度及び低温靭性に対する寄与が小さく、ワイヤ本体に積極的には添加する必要はないが、ワイヤ表面にCuめっきを施すと、防錆に大きな効果がある。ただし、Cu含有量が0.07質量%未満の場合、防錆効果が小さく、また、Cu含有量が0.40質量%を超えると、ワイヤ送給性が低下する。そこで、本実施形態のソリッドワイヤでは、Cuめっきなどを施す場合は、Cu含有量を0.07〜0.40質量%とすることが好ましい。
Vは、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、V含有量が0.019質量%を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Vを添加する場合は、0.019質量%以下とする。
Zrは、Vと同様に、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Zr含有量が0.050質量%を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず、耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Zrを添加する場合は、0.050質量%以下とする。
Tiは、V及びZrと同様に、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ti含有量が0.010質量%を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Tiを添加する場合は、0.010質量%以下とする。
Bは、旧オーステナイト粒界からのフェライト生成を抑制し、溶接金属の強度を向上させる効果がある。ただし、B含有量が0.0050質量%を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Bを添加する場合は、0.0050質量%以下とする。
本実施形態のソリッドワイヤにおける残部は、Fe及び不可避的不純物である。なお、本実施形態のソリッドワイヤにおける不可避的不純物としては、O、N、Al、Nb、Ca及びMgなどがある。
本実施形態のソリッドワイヤは、例えば焼結型フラックスと組み合わせて使用される。フラックスの組成は、特に限定されるものではないが、例えば、フラックス全質量あたり、MgO:25〜35質量%、Al2O3:10〜20質量%、CaF2:12〜22質量%、SiO2:10〜20質量%、金属炭酸塩(CO2換算値):3〜9質量%、CaO:10〜15質量%、金属Si:0.3〜4.0質量%を含有するものを使用することができる。
MgOは、フラックスの塩基度を高めると共に、脱酸剤として溶接金属中の酸素を抑える作用があるため、酸素低減に効果があり、更に、スラグの耐火性も高まる。ただし、フラックスのMgO含有量が25質量%未満の場合、この作用が発揮されない。また、MgO含有量が35質量%を超えるフラックスを用いると、スラグの剥離及びビード外観が劣化することがある。よって、フラックスのMgO含有量は、25〜35質量%であることが好ましい。
Al2O3は、スラグ形成剤として作用し、ビードのスラグ剥離性を確保する効果がある。また、Al2O3は、アークの集中性及び安定性を高める働きもある。しかしながら、フラックスのAl2O3含有量が10質量%未満の場合、スラグ剥離性が劣化して、アークが不安定となり、溶接困難になることがある。また、フラックスのAl2O3含有量が20質量%を超えると、溶接金属中の酸素が増加し、靭性が劣化することがある。よって、フラックスのAl2O3含有量は、10〜20質量%であることが好ましい。
CaF2は、一般的に知られている生成スラグの融点を調整するという作用に加えて、溶接金属中の酸素を低減させる効果も有する。しかしながら、フラックスのCaF2含有量が12質量%未満の場合、これらの効果が得られず、またフラックスのCaF2含有量が22質量%を超えると、アークが不安定になり、ビード外観が劣化し、またビード上にポックマークが発生することがある。よって、フラックスのCaF2含有量は、12〜22質量%であることが好ましい。
SiO2は、スラグ形成剤としてビード外観及びビード形状を整える作用がある。しかしながら、フラックスのSiO2含有量が10質量%未満の場合、この効果が発揮されず、またフラックスのSiO2含有量が20質量%を超えると、溶接金属中の酸素が増加して、靭性が劣化することがある。よって、フラックスのSiO2含有量は、10〜20質量%であることが好ましい。
金属炭酸塩は、溶接熱によりガス化し、アーク雰囲気中の水蒸気分圧を下げて、溶接金属中の拡散性水素量を低下させるアークのシールド効果を有する。しかしながら、フラックスの金属炭酸塩含有量が、CO2換算で、3質量%未満の場合、この効果が得られない。
CaOは、フラックスの塩基度を高め、溶接金属中の酸素低減に効果がある。しかしながら、フラックスのCaO含有量が10質量%未満の場合、この効果は発揮されない。また、フラックスのCaO含有量が15質量%を超えると、アーク安定性及びビード外観が劣化する。よって、フラックスのCaOは、10〜15質量%であることが好ましい。
金属Siは、溶接金属中の酸素量を抑える脱酸効果を有している。しかしながら、フラックスの金属Si含有量が0.3質量%未満の場合、この効果が得られない。また、フラックスの金属Si含有量が4.0質量%を超えると、脱酸効果が向上せず、溶接金属のビード形状が劣化すると共に強度が上がり、靭性が低下する。よって、金属Si含有量は0.3〜4.0質量%であることが好ましい。ここで、金属Siは、Fe−Si、Fe−Si−Mn合金などの形態で、フラックスに添加される。
フラックスにおける上記以外の成分は、金属炭酸塩におけるCO2換算値以外の成分、アルカリ金属酸化物及び不可避的不純物などである。
実施例及び比較例の各ソリッドワイヤと、下記表2に示す焼結型フラックス(IIW塩基度BL=3.5)とを用いて、下記表3に示す組成の引張強さ780MPa級鋼板を母材とし、下記表4に示す条件にて溶接を行った。なお、下記表3に示す鋼板の成分組成における残部は、Fe及び不可避的不純物である。
溶接金属中央で板厚中央の位置から、JIS Z3111のA1号試験片を採取し、この試験片を用いて、試験温度を室温(20〜23℃)とし、引張試験を行った。その結果、引張強さが770MPa以上のものを合格とした。
溶接金属中央で板厚中央の位置から、JIS Z3111のVノッチ試験片を採取し、この試験片を用いて、試験温度を−60℃として、衝撃試験を行った。その結果、−60℃の吸収エネルギーが平均47J以上であったものを合格とした。
溶接金属の最終パス原質部について、その表面を電解研磨し、リガク社製の二次微小部X線回折装置 RINT−RAPIDIIによりX線回折測定を実施した。その結果から、フェライト相の(110)、(200)、(211)、(220)の各格子面のピーク及び残留オーステナイト相の(111)、(200)、(220)、(311)の各格子面のピークについて、各ピークの積分強度比に基づき、残留オーステナイト相の(111)、(200)、(220)、(311)の体積分率をそれぞれ算出した。そして、これらの平均値(算術平均)を求め、これを「残留オーステナイト相の体積分率」とした。
溶接金属の中央部から、溶接方向に平行にJIS Z3111のA0号試験片を採取し、下記(A)に示す条件で水素チャージを行った後、水素の逃散を防ぐために下記(B)に示す条件で亜鉛めっきを施した。この試験片を用いて、クロスヘッド速度を3.0×10−2mm/分(歪速度:6.94×10−6/秒)としてSSRT(Slow Strain Rate Technique)試験(低歪速度引張試験)を実施した。その結果、試験片の破断伸びが2.0%を超えたものを、「耐水素脆化感受性に優れる」と評価した。
・処理溶液:水1L中にNaCl:30gとKSCN:1gとを溶解した水溶液
・電流密度:0.1A/dm2
・チャージ時間:100時間
・めっき液:水1L中にZnSO4・7H2O:350g、97体積%のH2SO4:20.6g及びNa2SO4:60gを溶解した水溶液
・浴温:60℃
・電流密度:50A/dm2
・めっき時間:3分間
Claims (7)
- ワイヤ全質量あたり、
C:0.08〜0.20質量%、
Si:0.05〜0.50質量%、
Mn:1.50〜3.00質量%、
Ni:1.00〜1.95質量%、
Cr:0.5〜1.5質量%、
Mo:0.10〜0.45質量%
を含有すると共に、
P:0.015質量%以下、
S:0.015質量%以下
に規制され、残部がFe及び不可避的不純物からなる
サブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - 更に、ワイヤ全質量あたり、Cu:0.07〜0.40質量%を含有する請求項1又は2に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、V:0.019質量%以下を含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Zr:0.050質量%以下を含有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Ti:0.010質量%以下を含有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、B:0.0050質量%以下を含有する請求項1〜6のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
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