JP2016124025A - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 低温用鋼の溶接において、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の引張強度と低温領域での靭性に優れた溶接金属が得られるとともに、溶接作業性および耐溶接割れ性が良好なガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。【解決手段】 ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、Ｎｉ：３.０〜４.０％、Ｍｏ：０．１０〜０．４０％、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｂ：０．００１０〜０．０１００％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。【選択図】 なし

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関し、長時間の溶接後熱処理（溶接部の溶接残留応力の除去および機械的性質の改善を目的に行われる熱処理：以下、ＰＷＨＴという。）の引張強度と低温領域での靭性に優れた溶接金属が得られるとともに、溶接作業性および耐溶接割れ性が良好なガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。

近年、石油・ガスエネルギー関連分野の生産（海洋構造物）・輸送（ガス運搬船、パイプライン）・貯蔵（圧力容器）などの分野では低温域で優れた機械的性質を有する低温用鋼（例えば、アルミキルド鋼、含Ｎｉ鋼等）が広く使用されている。このような低温用鋼の溶接には、高能率で溶接金属の機械的性質に優れるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが用いられており、例えば特許文献１や特許文献２、特許文献３に溶接金属の低温靭性と引張強度が良好な低温用鋼用のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが開示されている。

低温用鋼の溶接では、溶接金属の残留応力および機械的性質の更なる改善の目的から長時間のＰＷＨＴ（Post Weld Heat Treatment）を行うことが多い。この場合、特許文献１〜３に開示されたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの溶接では、溶接のまま（以下、ＡＷという。）では必要な溶接金属の強度および低温靭性が確保できるものの、長時間のＰＷＨＴ後では、溶接金属の強度および低温靭性が低下してしまい、必要な機械的性質が得らないという問題がある。

ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度および靭性の低下を防止する手段として、例えば、特許文献４や特許文献５に、溶接金属の低温靭性を低下させずに強度改善効果のあるＮｉが多く添加された高張力鋼用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが開示されている。しかし、特許文献４および特許文献５に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤでは、長時間のＰＷＨＴの場合では、溶接金属の強度および低温靭性が低下し、必要な機械的性質が得られないという問題がある。また、特許文献６には、溶接金属の高靭性化および高強度化効果のあるＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ等が添加されたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが開示されている。しかし、特許文献６に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、低温用鋼の溶接を想定したガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤではないので、溶接金属の十分な低温靭性を確保することができない。また、ワイヤ送給性が不良でアークが安定せず、スパッタ発生量が多いなど溶接作業性が悪いという問題もあった。

特開昭６０−９６３９４号公報 特開昭６２−２３８０９４号公報 特開平３−２９４０８３号公報 特開平１−２３３０８８号公報 特開２００３−３１１４７１号公報 特開昭６３−１５７７９５号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになしたものであり、低温用鋼の溶接において、ＡＷおよび長時間のＰＷＨＴ後でも適正な強度と低温領域において良好で安定した靭性を有する溶接金属が得られるとともに、耐溶接割れ性に優れ、アークが安定してスパッタ発生量が少ないなど溶接作業性に優れたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべくガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分組成に着目し、詳細に検討した。
その結果、ＡＷおよび長時間のＰＷＨＴ後でも溶接金属の適正な強度と同時に安定した低温靭性の向上をも同時に達成させるためには、ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ量のそれぞれの適正化することにより、ＡＷの溶接金属の必要な強度および低温靭性を確保しつつ、長時間のＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性の改善および高強度化が可能であることを知見した。また、ワイヤ中のＣ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂの適正化によって、耐溶接割れ性を改善され、溶接時のアークが安定されスパッタ発生量を低減するなど溶接作業性を改善できることも知見した。

本発明は、これらの知見に基づいて完成したもので、その発明の要旨は次のとおりである。

（１）ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０１〜０．０８％、
Ｓｉ：０．２〜０．６％、
Ｍｎ：０．５〜１．５％、
Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、
Ｎｉ：３．０〜４．０％、
Ｍｏ：０．１０〜０．４０％、
Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、
Ｂ ：０．００１０〜０．０１００％を含有し
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。

本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、低温用鋼のガスシールドアーク溶接において、溶接時のアークが安定してスパッタ発生量が少ないなど溶接作業性が良好で、耐溶接割れ性にも優れ、長時間のＰＷＨＴ後でも適正な溶接金属の強度および低温靭性が確保でき、欠陥のない高品質な溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することができる。

本発明者らは、低温用鋼のガスシールドアーク溶接において、ＡＷおよび長時間のＰＷＨＴ後でも適正な強度および低温靭性を有する溶接金属を得られるとともに、耐溶接割れ性に優れ、アークが安定してスパッタ発生量が少ないなど良好な溶接作業性が得られるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分組成について詳細に検討した。

その結果、ＡＷおよび長時間のＰＷＨＴ後でも溶接金属の適正な強度と同時に安定した低温靭性の向上をも同時に達成させるためには、ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ量のそれぞれの適正化することにより、ＡＷの溶接金属の必要な強度および低温靭性を確保しつつ、長時間のＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性の改善および高強度化が可能であることを知見した。また、ワイヤ中のＣ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂの適正化によって、耐溶接割れ性を改善され、溶接時のアークが安定されスパッタ発生量を低減するなど溶接作業性を改善できることも知見した。
本発明では、これらの知見に基づいてガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分組成を決定した。

本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、各成分組成それぞれの単独および共存による相乗効果により、本発明が目的とする効果が達成されたものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。なお、以下においては、ソリッドワイヤの化学成分をワイヤの全質量に対する割合である質量％で表すものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。

［Ｃ：０．０１〜０．０８％］
Ｃは、固溶強化によりＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の強度を向上するために必要な元素である。Ｃが０．０１％未満であると、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．０８％を超えると、溶接金属中にＣが過剰に歩留まり、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の強度が過度に高くなり、低温靭性が低下する。また、溶接割れ感受性が高くなる。従って、Ｃは０．０１〜０．０８％とする。

［Ｓｉ：０．２〜０．６％］
Ｓｉは、溶接金属の脱酸のために添加する。Ｓｉが０．２％未満であると、溶接金属が脱酸不足となり、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性が低下する。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、ＡＷおよびＰＷＨＴの低温靭性が安定して得られない。従って、Ｓｉは０．２〜０．６％とする。

［Ｍｎ：０．５〜１．５％］
Ｍｎは、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性確保と強度向上のために添加する。Ｍｎが０．５％未満であると、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の強度が低く、低温靭性が十分に確保できない。一方、Ｍｎが１．５％を超えると、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性が安定して得られない。従って、Ｍｎは０．５〜１．５％とする。

［Ｃｕ：０．１５〜０．４０％］
Ｃｕは、析出強化作用を有し、変態温度を低下させて溶接金属の組織を微細化し、特にＰＷＨＴ後の低温靭性を向上させるとともに、ワイヤ表面に銅めっきとしてコーティングし、ワイヤ送給性と通電性を安定化してアークを安定化する効果を有する。Ｃｕが０．１５％未満であると、溶接金属の組織が微細化されず、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が安定して得られない。また、必要なワイヤ送給性と通電性が得られず、アークが不安定となりスパッタ発生量が増加する。一方、Ｃｕが０．４０％を超えると、溶接割れ感受性が高くなる。したがって、Ｃｕは０．１５〜０．４０％とする。なお、ワイヤ表面の銅めっき厚さは、耐チップ磨耗性の観点から、０．２〜１．０μｍであることが好ましい。

［Ｎｉ：３.０〜４.０％］
Ｎｉは、変態温度を低下させて溶接金属の組織を微細化し、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性を向上させるとともに、溶接金属中に固溶して低温靭性を低下させることなく強度を高める作用を有する。Ｎｉが３.０％未満であると、低温靭性の低下を防止する効果が十分に得られず、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が安定して得られない。一方、Ｎｉが４.０％を超えると、溶接割れ感受性が高くなるとともに、粒界が脆化し、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性が低下する。従って、Ｎｉは３.０〜４.０％とする。

［Ｍｏ：０．１０〜０．４０％］
Ｍｏは、変態温度を低下させて溶接金属の組織を微細化し、特にＰＷＨＴ後の強度の低下を防止しつつ低温靭性を向上させる効果を有する。Ｍｏが０．１０％未満であると、これらの効果が十分に得られず、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度および低温靭性が低下する。一方、Ｍｏが０．４０％を超えると、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の強度が過剰に高くなり、低温靭性が安定して得られない。従って、Ｍｏは０．１０〜０．４０％とする。

［Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％］
Ｔｉは、脱酸剤であり、溶接金属の酸素を低下させるとともに、溶接時に混入する溶接金属中の窒素を固定化し、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性を向上させる重要な元素である。また、アークを安定させてスパッタ発生量を減少させる効果がある。Ｔｉが０．０２０％未満であると、アークが不安定となり、スパッタ発生量が多くなる。また、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が安定して得られない。一方、Ｔｉが０．１００％を超えると、ＴｉＣの析出や固溶強化を引き起こし、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の強度が過剰に高くなり、低温靭性が低下する。従って、Ｔｉは０．０２０〜０．１００％とする。

[Ｂ：０．００１０〜０．０１００％]
Ｂは、Ｔｉと共存しアシュキュラーフェライトの核になり、特にＰＷＨＴ後の低温靭性を向上させる効果を有する。Ｂが０．００１０％未満では、この効果が得られず、ＰＷＨＴ後の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１００％を超えると、溶接割れ感受性が高くなるとともに、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性が低下する。従って、Ｂは０．００１０〜０．０１００％とする。

なお、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドの残部は、主成分であるＦｅおよびＰ、Ｓ、Ｎ、Ｏなどの不可避不純物である。ＰおよびＳは、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性を低下させるとともに、溶接割れ感受性を高くするので、それぞれ０．０１％以下とすることが好ましい。

Ｎは、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性を安定にするためには固溶Ｎを少なくする必要があり、０．００５％以下であることが好ましい。
Ｏは、溶接金属中でＳｉまたはＭｎ等と酸化物（非金属介在物）となってＡＷおよびＰＷＨＴ後の低温靭性を低下させるので、０．００７％以下であることが好ましい。

なお、シールドガスはＡｒとＣＯ_２の混合ガスとするが、ＣＯ_２の混合量は、溶接金属中の酸素量を低減するために５〜２５体積％の範囲とすることが好ましい。また、シールドガスの流量は、耐欠陥性および大気からの窒素の混入を防ぐために２０〜３５リットル／分であることが好ましい。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

原料鋼を真空溶解し、鍛造、圧延、伸線、焼鈍し、ワイヤ表面に銅めっきした後、１．２ｍｍの製品径まで仕上伸線し、２０ｋｇ巻きスプールとしたものを試作品とした。試作したソリッドワイヤの化学成分を表１に示す。

試作したソリッドワイヤを用いて、溶接作業性及び溶着金属性能の調査を行った。

溶接作業性および溶着金属性能は、ＪＩＳ Ｇ３１２７ ＳＬ３Ｎ４４０に規定される板厚２０ｍｍの鋼板を用いて、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準じて表２に示す溶接条件で溶着金属試験を実施した。

溶接作業性の調査項目は、溶着金属試験時のアークの安定性、スパッタの発生状況および高温割れの有無について調査した。なお、溶接時のワイヤ送給は、６ｍ長さのコンジットケーブルを用いた。

溶着金属試験は、ＡＷ後の溶着金属、および表３に示す溶接後熱処理条件によるＰＷＨＴ後の溶着金属を評価し、各溶着金属部からＡ０号引張試験片および衝撃試験を採取して各々の機械的性能を調査した。

溶着金属の引張試験の評価は、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが６００〜７００ＭＰａを良好とした。また、衝撃試験の評価は、−６０℃におけるシャルピー衝撃試験を実施し、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの平均値が８０Ｊ以上、最低値が６０Ｊ以上を良好とした。これらの結果を表４にまとめて示す。

表１および表４中のワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ５が本発明例、ワイヤ記号Ｗ６〜Ｗ１９は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ５は、ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ量が適正なので、ワイヤ送給性が良好でアークが安定してスパッタ発生量が少なく、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さおよび吸収エネルギーの平均値および最低値ともに良好であり、極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ６は、Ｃが少ないので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが低かった。また、Ｃｕが少ないので、ＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの最低値が低く、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｗ７は、Ｃが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーの平均値および最低値が低かった。また、クレータ部に割れが生じた。

ワイヤ記号Ｗ８は、Ｓｉが少ないので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの平均値が低かった。また、Ｃｕが多いので、クレータ部に割れが生じた。

ワイヤ記号Ｗ９は、Ｓｉが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｍｎが少ないので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが低く、吸収エネルギーの平均値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｍｎが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｎｉが少ないので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｎｉが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの平均値及が低かった。また、クレータ部に割れが生じた。

ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｍｏが少ないので、ＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが低く、吸収エネルギーの平均値および最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｍｏが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーの最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｔｉが少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１７は、Ｔｉが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーの平均値および最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｂが少ないので、ＰＷＨＴ後の溶着金属の吸収エネルギーの平均値および最低値が低かった。

ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｂが多いので、ＡＷおよびＰＷＨＴ後の吸収エネルギーの平均値および最低値が低かった。また、クレータ部に割れが生じた。

Claims (1)

1. ワイヤ全質量に対する質量％で、
   Ｃ ：０．０１〜０．０８％、
   Ｓｉ：０．２〜０．６％、
   Ｍｎ：０．５〜１．５％、
   Ｃｕ：０．１５〜０．４０％、
   Ｎｉ：３．０〜４．０％、
   Ｍｏ：０．１０〜０．４０％、
   Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、
   Ｂ ：０．００１０〜０．０１００％を含有し
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。