JP2017519638A - メタルコアード溶接電極 - Google Patents

Abstract

メタルコアード溶接電極のコアが、特定のＣｒ／Ｎｉリッチ又はＣｒ／Ｍｎリッチ組成で調製される。この電極が高強度鋼板の溶接に使用されたときに生成される溶接物は十分な耐疲労性を示し、その後のＰＷＨＴ又はその他の溶接後処理手順が不要となる。【選択図】なし

Description

自動車、トラック、クレーン、橋、ジェットコースタ、プレス機、及び大きな応力を扱い、又は高い比強度を必要とするその他の構造物等の重機は通常、高強度鋼板から製作される。

このような製品の製造時には通常、高強度鋼板の２枚又はそれ以上の切断材を溶接によって接合する必要がある。この目的のために、通常はメタルコアード溶接電極が使用され、そのフィラ材、すなわち電極のコアを形成する金属組成物は、同じく高い強度のほか高い堅牢性を示す溶着金属を生成するように調製される。ＥＮ ＩＳＯ １６８３４によるＧ８９がこのような金属組成物の一例である。

残念ながら、このような従来のメタルコアード溶接電極により生成される溶接物は、それが溶接された状態において、低い耐疲労性を示す可能性がある。それに加えて、このような溶接物はまた、それが溶接された状態において、低温割れに対する低い耐性も示す可能性がある。その結果、このような溶接物には通常、溶接後熱処理（Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）（ＰＷＨＴ）又はその他の溶接後処理が施される。

本発明によれば、それが溶接された状態において高強度鋼板の溶接に必要な強度と堅牢性及び実質的な耐疲労性を示す溶接物は、特定の化学的組成を有するコアを備えるメタルコアード溶接電極を使用することによって製造できることがわかった。

それゆえ、本発明は１つの実施形態において、高強度鋼板を溶接するためのメタルコアード溶接電極を提供し、このメタルコアード溶接電極は、≦０．０６重量％のＣ、３．０〜７．０重量％のＮｉ、９．０〜１４．０重量％のＣｒ、≦１．０重量％のＭｎ、≦１．０重量％のＳｉ、≦０．０５重量％のＴｉ、≦０．０５重量％のＡｌ、≦０．０５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｎｉリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製される。

第二の実施形態において、本発明は高強度鋼板を溶接するための他のメタルコアード溶接電極を提供し、このメタルコアード溶接電極は、≦０．１０重量％のＣ、≦１．０重量％のＮｉ、８．０〜１３．０重量％のＣｒ、４．０〜１０．０重量％のＭｎ、≦１．０重量％のＳｉ、≦０．０５重量％のＴｉ、≦０．０５重量％のＡｌ、≦０．０５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｍｎリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製される。

これに加えて、本発明はまた、高強度鋼板から作られる２枚又はそれ以上の金属切断材をガス溶接以外の溶接により接合するプロセスが提供され、この溶接プロセスを実行するために使用される溶接電極は上記のメタルコアード溶接電極のうちの一方又は他方である。本発明の別の実施形態と態様は、以下の説明と特許請求の範囲の中で示されている。

本発明によれば、新規のメタルコアード溶接電極（又は「消耗電極」）を使って、高強度鋼板の２枚又はそれ以上の金属切断材が溶接される。これらの消耗電極により生成される溶接物は、その冶金学から、それが溶接された状態において１５０℃〜３００℃の範囲の低温変態（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）（ＬＴＴ）温度（低マルテンサイト変態開始温度）を示す。その結果、これらの溶接物は、それが溶接された状態において、マルチパス溶接物が作られた場合でも、引張応力ではなく圧縮応力を示す。したがって、これらの溶接物は、たとえ溶接後熱処理を施さなかったとしても、改善された疲労強度を示す。

良好な疲労強度を実現するためには、従来の消耗電極から作られた溶接物、特にマルチパス溶接物は、内部引張応力を解放するための熱処理を必要とする。いくつかの例において、特により大型のマルチパス溶接物が作られた場合、このような溶接後熱処理は、物理的に溶接物の一部に到達できないことから、難しく、及び／又は非効率的である。本発明に関しては、本発明による消耗電極によって生成される溶接物がすでに、その冶金学から、引張応力ではなく圧縮応力を示すため、この問題は回避される。

それゆえ、本発明の低温変態（ＬＴＴ）溶接消耗電極は、特にマルチパス溶接物において、改善された疲労強度を実現する可能性を提供し、大掛かりな溶接後処理の時間と費用が省かれる。それゆえ、本発明の低温変態（ＬＴＴ）溶接消耗電極により、溶接接合部のうち、届きにくい領域においても好ましい残留応力を生成する可能性が生じる。さらに、溶着金属とＨＡＺにおいて体積状の圧縮残留応力場が生じ、これは、主として表面領域に限定される従来の処理方法と対照的である。

高強度鋼板
本発明のＬＴＴ溶接消耗電極を使用して高強度鋼板の２枚又はそれ以上の金属切断材を溶接することが望ましい。

「高強度鋼板（Ｈｉｇｈ−ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ）（ＨＳＳ）」とは、標準的な軟鋼と比較して、より高い強度レベルを提供する種類の鋼板である。典型的な降伏応力は４６０ＭＰａ〜９６０ＭＰａである。ＨＳＳ鋼板は、これらが特定の化学的組成に適合するように作られているのではなく、特定の機械的特性に適合するように作られているという点で他の鋼板と異なる。これらは典型的に、成形性と溶接性を保持するために、０．０５〜０．２５重量％の炭素含有量を有する。

その他の合金元素は、２．０％以下のマンガンと少量の次の元素、すなわち銅、ニッケル、ニオビウム、窒素、バナジウム、クロム、モリブデン、チタン、カルシウム、希土類元素、又はジルコニウムのうちの１つ又は複数を含む。銅、チタン、バナジウム、及びニオビウムは、強化を目的として添加することができる。これらの元素は、炭素鋼の微細構造を変化させるためのものである。高強度鋼板は、強度レベルに応じて、同じ強度の標準的炭素鋼より２０〜５０％軽量にすることができる。これに加えて、多くの高強度鋼板の特性は、焼き戻し、析出硬化、その他のような各種の鋳造後処理によって改善できる。４６０〜９６０ＭＰａ（３６，０００〜８６，０００ｐｓｉ）の降伏強度を実現できる。

構造
本発明のメタルコアード溶接電極は、高強度鋼板を溶接するための従来のメタルコアード溶接電極と、これらが所望の金属の混合物から形成されるコアとコアを取り囲む外部金属シースを含むという点で同じ構造を有する。これらは、例えばＡｌキルド又はＳｉキルド軟鋼のような高強度鋼板を溶接するためのメタルコアード溶接電極を製作するのに適したＦｅ系合金から作られた扁平金属条片等から始めることによって従来の方法で製作されてもよい。扁平金属条片は次に、例えばＢｅｒｎａｒｄの米国特許第２，７８５，２８５号明細書、Ｓｊｏｍａｎの米国特許第２，９４４，１４２号明細書、及びＷｏｏｄｓの米国特許第３，５３４，３９０号明細書に示されているように、「Ｕ」字型に成形され、その後、メタルコアを形成する金属及び、任意選択で存在させてもよい他の何れかのコアフィラ材が「Ｕ」の中に堆積される。次に、条片は一連の成形ローラにより管状に閉じられ、その後、このように成形された管は通常、一連のダイを通じたドローイング又はローリングにより、その断面積が縮小され、最終的な直径が設定される。

希望に応じて、このように成形された電極は適当な送給潤滑剤でコーティングし、スプールに巻き回し、その後、出荷及び使用に向けて包装できる。

溶接物組成
本発明のメタルコアード溶接電極は、この電極により生成される不希釈溶接物が、下の表１に記載されている化学組成を有するように調製される。当業界で理解されているように、不希釈溶接物の組成とは、生成された溶接物の、他の何れの汚染源からも汚染されていない組成である。これは通常、電極を使って被加工物を溶接したときに得られる溶着金属の化学的組成とは異なり、この溶着金属は典型的には、被溶接母材の２０％で希釈できる。

特性
Ｃｒ／Ｎｉリッチ型とＣｒ／Ｍｎ型の両方の本発明のメタルコアード溶接電極により生成された不希釈溶接物は、それが溶接された状態において、所望の組合せの特性を示す。例えば、マルチパス溶接物を作るために使用された場合、これらは溶着金属の低マルテンサイト変態温度によって、よりよい圧縮応力を示す。

本発明をより詳しく説明するために、以下の実施例を提供する。これらの実施例においては、本発明に従って製作された２種類のメタルコアード溶接電極により生成された溶接物について、それが溶接された状態における耐疲労性を試験した。この試験では、横方向の溶接物について軸方向への疲労試験を行う。試験片の溶接の詳細は、ＩＩＷ疲労設計指針においてＦＡＴ６３と分類される。

本発明に従って製作された２つの電極、すなわちＣｒ／Ｎｉリッチ電極とＣｒ／Ｍｎリッチ電極について試験を行った。それらにより生成される不希釈溶接物に関して、それらの化学的組成を下の表２に示す。

これらの試験の結果は、本発明のメタルコアード溶接電極を用いて作られた溶接物の疲労強度が従来の溶接電極により作られた溶接物に関して２倍改善される可能性があることを示している。

以上、本発明の数例の実施形態だけを説明したが、本発明の主題と範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができると理解するべきである。かかる変更のすべてが、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲に含められることが意図される。

Claims (13)

1. 高強度鋼板を溶接するためのメタルコアード溶接電極において、前記メタルコアード溶接電極は、Ｃｒ／Ｎｉリッチ組成又はＣｒ／Ｍｎリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製され、
   前記Ｃｒ／Ｎｉリッチ組成は、≦０．０６重量％のＣ、３．０〜７．０重量％のＮｉ、９．０〜１４．０重量％のＣｒ、≦１．０重量％のＭｎ、≦１．０重量％のＳｉ、≦０．０５重量％のＴｉ、≦０．０５重量％のＡｌ、≦０．０５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含み、
   前記Ｃｒ／Ｍｎリッチ組成は、≦０．１０重量％のＣ、≦１．０重量％のＮｉ、８．０〜１３．０重量％のＣｒ、４．０〜１０．０重量％のＭｎ、≦１．０重量％のＳｉ、≦０．０５重量％のＴｉ、≦０．０５重量％のＡｌ、≦０．０５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含む
   ことを特徴とするメタルコアード溶接電極。
2. 請求項１に記載のメタルコアード溶接電極において、
   前記メタルコアード溶接電極は、≦０．０６重量％のＣ、３．０〜７．０重量％のＮｉ、９．０〜１４．０重量％のＣｒ、≦１．０重量％のＭｎ、≦１．０重量％のＳｉ、≦０．０５重量％のＴｉ、≦０．０５重量％のＡｌ、≦０．０５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｎｉリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製されることを特徴とするメタルコアード溶接電極。
3. 請求項２に記載のメタルコアード溶接電極において、
   前記メタルコアード溶接電極は、≦０．０５重量％のＣ、４．０〜６．０重量％のＮｉ、１０．５〜１３．０重量％のＣｒ、≦０．８５重量％のＭｎ、≦０．７０重量％のＳｉ、≦０．０３重量％のＴｉ、≦０．３５重量％のＡｌ、≦０．３５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｎｉリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製されることを特徴とするメタルコアード溶接電極。
4. 請求項３に記載のメタルコアード溶接電極において、
   前記メタルコアード溶接電極は、≦０．０４５重量％のＣ、４．５〜５．０重量％のＮｉ、１１．５〜１２．６重量％のＣｒ、≦０．７重量％のＭｎ、≦０．４重量％のＳｉ、≦０．０１５重量％のＴｉ、≦０．０２５重量％のＡｌ、≦０．０２５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｎｉリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製されることを特徴とするメタルコアード溶接電極。
5. 請求項１に記載のメタルコアード溶接電極において、
   前記メタルコアード溶接電極は、≦０．１０重量％のＣ、≦１．０重量％のＮｉ、８．０〜１３．０重量％のＣｒ、４．０〜１０．０重量％のＭｎ、≦１．０重量％のＳｉ、≦０．０５重量％のＴｉ、≦０．０５重量％のＡｌ、≦０．０５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｍｎリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製されることを特徴とするメタルコアード溶接電極。
6. 請求項５に記載のメタルコアード溶接電極において、
   前記メタルコアード溶接電極は、≦０．０９重量％のＣ、≦０．５重量％のＮｉ、９．５〜１２．０重量％のＣｒ、５．０〜８．０重量％のＭｎ、≦０．６０重量％のＳｉ、≦０．０３重量％のＴｉ、≦０．０３５重量％のＡｌ、≦０．０３５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｍｎリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製されることを特徴とするメタルコアード溶接電極。
7. 請求項６に記載のメタルコアード溶接電極において、
   前記メタルコアード溶接電極は、≦０．０８５重量％のＣ、≦０．１０重量％のＮｉ、１０．５〜１１．５重量％のＣｒ、６．０〜７．５重量％のＭｎ、≦０．３５重量％のＳｉ、≦０．０１５重量％のＴｉ、≦０．０２５重量％のＡｌ、≦０．０２５重量％のＳ、及び残りの割合のＦｅと不可避不純物を含むＣｒ／Ｍｎリッチ組成を有する不希釈溶着金属を生成するように調製されることを特徴とするメタルコアード溶接電極。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のメタルコアード溶接電極を使って、高強度鋼板の複数の切断材を相互に溶接するステップを含むことを特徴とする、ガス溶接以外の溶接工程。
9. 請求項８に記載のガス溶接以外の溶接工程において、
   前記高強度鋼板の複数の切断材は、前記Ｃｒ／Ｎｉリッチ組成を有する前記メタルコアード溶接電極を使って相互に溶接されることを特徴とするガス溶接以外の溶接工程。
10. 請求項８に記載のガス溶接以外の溶接工程において、
    前記高強度鋼板の複数の切断材は、前記Ｃｒ／Ｍｎリッチ組成を有する前記メタルコアード溶接電極を使って相互に溶接されることを特徴とするガス溶接以外の溶接工程。
11. 請求項８乃至１０の何れか１項に記載のガス溶接以外の溶接工程において、
    前記溶接工程は複数の連続する溶接パスで実行され、マルチパス溶接物が生成されることを特徴とするガス溶接以外の溶接工程。
12. 請求項１１に記載のガス溶接以外の溶接工程において、
    前記溶接工程は、前記連続する溶接パス間のパス間温度が２５０℃未満に保持されるような方法で実行されることを特徴とするガス溶接以外の溶接工程。
13. 請求項１１に記載のガス溶接以外の溶接工程において、
    前記連続する溶接パス間の前記パス間温度は、例えば１００℃〜１８０℃に保持されることを特徴とするガス溶接以外の溶接工程。