JP2020099920A - 厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接金属の低温割れを防止できる厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法を提供する。【解決手段】少なくとも第１パスを300kJ／cm以上の大入熱でサブマージアーク溶接を行ない、さらに最終パスまでサブマージアーク溶接または炭酸ガスアーク溶接を順次施して溶接金属を形成し、サブマージアーク溶接によって得られる溶接金属のMo、Cr、V、B、Nの含有量（質量％）をそれぞれ[%Mo]、[%Cr]、[%V]、[%B]、[%N]として、溶接金属の成分が下記の(1)式および(2)式を満足する溶接材料を使用して多層盛りアーク溶接を行なう。0.40≦[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]≦0.80・・・(1)、[%B]／[%N]≦1.0・・・(2)【選択図】図１

Description

本発明は、厚鋼板を接合するために、アーク溶接を２パス以上行なう多層盛りアーク溶接方法に関するものである。

厚鋼板等の鋼材を用いた構造物（たとえば高層建築等）は、近年の厚鋼板の製造技術の向上に伴って、大規模なものが建造されるようになっている。つまり、厚鋼板の板厚の拡大のみならず、強度を高める技術が開発された結果、大規模な構造物の建造が可能になった。

使用される厚鋼板は板厚50mm程度のものが普及しているが、大規模な構造物には板厚が50mm以上の厚鋼板（いわゆる極厚鋼板）が使用され、その構造物を支える鉄骨（いわゆるボックス柱）にも板厚50mm以上の厚鋼板が使用される。そのような厚鋼板を用いて高層建築等を建造するためには、厚鋼板を溶接する技術が不可欠である。厚鋼板の溶接には従来からサブマージアーク溶接が広く採用されているが、さらに溶接施工の能率向上を図るために、様々な溶接技術が検討されている。

たとえば特許文献１には、２個の電極を用いて、板厚50mm以上の厚鋼板を１パスで溶接する技術が開示されている。この技術は、大入熱のサブマージアーク溶接によって厚鋼板を溶接するものであるが、大入熱かつ１パスの溶接によって厚鋼板を溶接するのは技術的、設備的な制約が多く残されていることから、工事現場では２パス以上の溶接（いわゆる多層盛り溶接）が普及している。

特許文献２には、２パス以上のサブマージアーク溶接によって厚鋼板を溶接する技術が開示されている。
また、サブマージアーク溶接と炭酸ガスアーク溶接とを組み合わせた多層盛り溶接の技術も検討されているが、特許文献２に開示されたサブマージアーク溶接のみによる多層盛り溶接と同様に、低温割れの問題は解消されていない。

なお以下では、サブマージアーク溶接のみによる多層盛り溶接、ならびに、サブマージアーク溶接と炭酸ガスアーク溶接とを組み合わせた多層盛り溶接を総称して、多層盛りアーク溶接と記す。

特許第2947731号公報 特許第3624727号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、溶接金属の低温割れを防止できる厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者は、種々の条件で厚鋼板の多層盛りアーク溶接を行ない、溶接金属の低温割れの発生状況と溶接条件との関係を調査した。その結果、サブマージアーク溶接のみで多層盛りアーク溶接を行なう場合は、
(1)第１パスを入熱300kJ／cm以上のサブマージアーク溶接で行なう、
(2)第２パス〜最終パスを必要に応じて入熱300kJ／cm以上のサブマージアーク溶接で行なう、
(3)第１パス〜最終パスで使用する溶接材料（たとえばワイヤ、フラックス等）の成分を調整して溶接金属の成分を制御する
ことによって、低温割れを防止できることを見出した。

また、サブマージアーク溶接と炭酸ガスアーク溶接とを組み合わせた多層盛りアーク溶接を行なう場合は、
(1)第１パスを入熱300kJ／cm以上のサブマージアーク溶接で行なう、
(2)第２パス〜最終パスを入熱70kJ／cm未満の炭酸ガスアーク溶接で行なう、
(3)第１パスで使用する溶接材料（たとえばワイヤ、フラックス等）の成分を調整して溶接金属の成分を制御する
ことによって、低温割れを防止できることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、厚鋼板に多層盛りアーク溶接を施す多層盛りアーク溶接方法において、少なくとも第１パスを300kJ／cm以上の大入熱でサブマージアーク溶接を行ない、さらに最終パスまで300kJ／cm以上の入熱と300kJ／cm未満の入熱を必要に応じて組み合わせてサブマージアーク溶接を順次施して溶接金属を形成し、溶接金属のMo、Cr、V、B、Nの含有量（質量％）をそれぞれ[%Mo]、[%Cr]、[%V]、[%B]、[%N]として、第１パスから最終パスまでの全てのパスで溶接金属の成分がいずれも下記の(1)式および(2)式を満足する溶接材料を使用して多層盛り溶接を行なう厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法である。

また本発明は、厚鋼板に多層盛りアーク溶接を施す多層盛りアーク溶接方法において、第１パスを300kJ／cm以上の大入熱で、かつ、溶接金属のMo、Cr、V、B、Nの含有量（質量％）をそれぞれ[%Mo]、[%Cr]、[%V]、[%B]、[%N]として、第１パスで得られる溶接金属の成分が下記の(1)式および(2)式を満足する溶接材料を使用してサブマージアーク溶接を行ない、さらに第２パスから最終パスまで70kJ／cm未満の入熱で炭酸ガスアーク溶接を順次施して多層盛りアーク溶接を行なう厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法である。

本発明の多層盛りアーク溶接方法においては、溶接金属のミクロ組織に生じる粒界フェライトの面積率α（％）が下記の(3)式を満たす溶接材料を、第１パスから最終パスにて使用して多層盛り溶接を行なうことが好ましい。多層盛りアーク溶接に供する厚鋼板の少なくとも１枚の板厚が60〜100mmの範囲内であることが好ましい。また、溶接金属のB含有量は0.0008〜0.0025質量％の範囲内であることが好ましい。溶接金属の拡散性水素量は10cc／100g以下であることが好ましい。
0.40≦[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]≦0.80 ・・・(1)
[%B]／[%N]≦1.0 ・・・(2)
α≦20.0−1.3[HD] ・・・(3)
[HD]：ＪＩＳ規格Z3118に準じて測定された溶接金属の拡散性水素量（cc／100g）

本発明によれば、厚鋼板の多層盛りアーク溶接における溶接金属の低温割れを防止することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。

本発明を適用する開先形状の例を模式的に示す断面図である。 本発明を適用する開先形状の他の例を模式的に示す断面図である。

低温割れが発生した溶接金属を溶接進行方向に平行な切断面を観察すると、斜め45°方向に傾斜した割れ（いわゆるシェブロンクラック）が生じており、その割れは粗大な粒界フェライトに沿って発生する。詳細なメカニズムは不明だが、溶接が終了した後の溶接金属の熱収縮によって溶接進行方向の残留応力が増大して、軟質かつ最大剪断応力方向に長手方向が一致した粒界フェライトに可動転位が導入され、その結果、粒界に移動して集積した拡散性水素が低温割れを引き起こすと推定される。

つまり、厚鋼板の多層盛りアーク溶接で得られる溶接金属の成分を適正に制御して、粒界フェライトの生成を抑制すれば、溶接金属の低温割れを防止できると考えられる。

そこで本発明では、サブマージアーク溶接で使用する溶接材料（すなわちワイヤ、フラックス）の成分を調整することによって溶接金属中のMo、Cr、V、B、Nの含有量を制御し、固溶Bが旧オーステナイト粒界に偏析する効果、およびMo、Cr、Vがフェライト変態温度を低下させる効果により、粒界フェライトの生成を抑制する。こうして粒界フェライトの生成を抑制すれば、集積する拡散性水素の量を低減し、ひいては低温割れを防止できる。

以下では、溶接金属中のMo、Cr、V、B、Nの含有量を、それぞれ[%Mo]、[%Cr]、[%V]、[%B]、[%N]と記す。

サブマージアーク溶接にてワイヤやフラックスから溶接金属に添加されるMo、Cr、V、Bは、溶接金属の焼入れ性を向上させて、粒界フェライトの生成を抑制し、靭性を向上させる効果を有する元素であるが、[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]が0.40未満の場合は、粒界フェライトの生成を抑制できず、低温割れの発生を防止できない。

一方、[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]が0.80を超える場合は、粒界フェライトの生成は抑制されるものの、後続パスにより600〜900℃の範囲に再熱された熱影響部の旧オーステナイト粒界に炭窒化物が生成し易くなり、これら炭窒化物が粒界強度を低下させるためか、低温割れが発生する惧れが増大する。しかも、溶接金属中に生成する析出物により、溶接金属の靭性の低下を引き起こす。したがってMo、Cr、V、Bの含有量は、下記の(1)式を満足する必要がある。
0.40≦[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]≦0.80 ・・・(1)
特に溶接金属中のBは窒化物の生成に敏感な元素であり、溶接金属中のNとの相互作用で窒化物の生成に大きな影響を及ぼす。つまり、[%B]／[%N]が1.0を超えると、固溶Bが増大するので、後行パスの溶接熱影響によってBが炭窒化物として析出して、低温割れが発生し易くなる。したがってB、Nの含有量は、下記の(2)式を満足する必要がある。
[%B]／[%N]≦1.0 ・・・(2)
本発明では、サブマージアーク溶接によって得られる溶接金属中のMo、Cr、V、B、Nの含有量が(1)式および(2)式を満足するように制御することによって、溶接金属の低温割れを防止できる。とりわけ、Bの含有量が0.0008〜0.0025質量％の範囲内であれば、溶接金属の低温割れを防止する効果が顕著に発揮される。

このような溶接金属中のMo、Cr、V、B、Nの含有量の制御は、使用する溶接材料（すなわちワイヤ、フラックス）の成分を調整することによって行なう。つまり、厚鋼板の多層盛りアーク溶接を行なう前に、予め溶接試験を行ない、上記した(1)(2)式を満足することが可能な溶接材料の成分設計を行なっておく。

溶接金属の拡散性水素量（cc／100g）は、低温割れ抑制の観点からは低ければ低いほど良いが、アーク溶接では不可避的に溶接時に導入される。特にサブマージアーク溶接では、フラックスに吸着した水分が溶接時に分解して水素として溶接金属に浸入する。低温割れは、粒界フェライトの面積率αと拡散水素量[HD]に強い相関関係を持ち、αと[HD]の関係が(3)式を満足することにより、低温割れを抑制できる。なお[HD]は、ＪＩＳ規格Z3118に準じて測定された溶接金属の拡散性水素量（cc／100g）である。
α≦20.0−1.3[HD] ・・・(3)
このような溶接材料を適宜選択して厚鋼板の多層盛りアーク溶接を行なうにあたって、第１パスから最終パスまでのパス回数は、厚鋼板の板厚や溶接施工の難易に応じて設定する。ただし、従来の技術では低温割れの防止が困難と言われている板厚60〜100mmの厚鋼板に本発明を適用すれば、予熱なしでも低温割れを防止できるので特に好ましい。

そして多層盛りアーク溶接の第１パスは、溶接施工の能率向上を図るために、300kJ／cm以上の大入熱でサブマージアーク溶接を行なう。ただし大入熱のサブマージアーク溶接は、溶接欠陥が発生し易く、スラグが剥離し難くなる。そこで、溶接欠陥を防止するために、第１パスでは直径4.8mm以上のワイヤを使用して、さらに鉄粉を添加したボンドフラックスを使用することにより、十分な量の溶接金属を確保することが好ましい。その第１パスでは、(1)式および(2)式を満足する成分の溶接金属が得られる溶接材料を使用する。さらに、開先角度はＶ形で38°以上とすることが、高温割れ防止ならびにスラグ剥離確保の点から好ましい。より好ましくは45°以上とするか、２段開先として、２段目の角度を45°以上とし、第１パスの溶接金属が２段目の角度変更点を含むように溶接することである。

引き続き第２パス以降もサブマージアーク溶接で行なう場合は、第２パス〜最終パスを300kJ／cm未満の溶接入熱で行なっても良いし、適宜300kJ／cm以上の溶接入熱で行なっても良い。第２パス以降の溶接入熱300kJ／cm以上で行なうパスでは、第１パスと同様に、直径4.8mm以上のワイヤならびに鉄粉を添加したボンドフラックスを使用することが好ましい。第２パス〜最終パスにおいても、(1)式および(2)式を満足する成分の溶接金属が得られる溶接材料を使用する。

第２パス以降をサブマージアーク溶接で行なう多層盛り溶接、あるいは、第２パス以降を炭酸ガスアーク溶接で行なう多層盛り溶接のいずれにおいても、先行パスの溶接金属に及ぼす溶接熱影響を軽減するために、第２パス以降の溶接入熱を低下させることが好ましい。しかし溶接入熱が低すぎると、パス回数を増やさざるを得なくなって、溶接施工の能率低下を招く。したがって第２パス〜最終パスの溶接入熱は、サブマージアーク溶接の場合には80kJ／cm以上300kJ／cm未満の範囲内が好ましい。

なお、第２パス以降を炭酸ガスアーク溶接で行なう場合は、第２パス〜最終パスを70kJ／cm未満の溶接入熱で行なう。70kJ／cmを超えると、炭酸ガスアーク溶接金属が大気を吸収し、品質が劣化する。

また、第１パス〜最終パスの電極数およびパス回数は特に限定しない。ただし、溶接施工における操業管理の簡素化、溶接装置の簡素化を図る観点から電極数は２個または１個が好ましい。

表１に示す成分を有する厚鋼板Ａ（板厚70mm）に開先加工を施して、図１に示す形状のＹ開先を形成した。また、表１に示す厚鋼板Ｂ（板厚70mm）に開先加工を施して、図２に示す形状のＹ開先を形成した。以下では、図１に示す形状の開先を開先Ｇ、図２に示す形状の開先を開先Ｈと記す。

そして、開先Ｇと開先Ｈの多層盛りアーク溶接を行なった。使用したワイヤの成分は表２に示す通りである。使用したフラックスは鉄粉を添加したボンドフラックスであり、詳しくはSiO₂を20質量％、MgOを20質量％、CaCO₃を10質量％、鉄粉を25質量％含有し、少量の鉄モリブデン合金粉、鉄クロム合金粉、鉄バナジウム合金粉、B₂O₃を添加したフラックスである。

開先Ｇと開先Ｈの多層盛りアーク溶接にて使用したワイヤと設定条件の組み合わせは、表３に示す通りである。なお、表３中の第１電極は、２個の電極のうち、溶接進行方向の前方に配置される電極、第２電極は後方に配置される電極である。条件４の第２パスから第13パスでは第２電極を使用せず、第１電極のみを使用した。

こうして多層盛りアーク溶接を行ない、各パス毎に溶接金属の成分を調査した。その結果を表４に示す。ただし、継手15の第２パスから第13パスまでのデータは、各パスの溶接金属の成分の平均値を示す。

表４に示すデータを用いて[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]および[%B]／[%N]を算出した結果を表５に示す。さらに、各パス毎に溶接金属の粒界フェライトの面積率αを測定した結果を表５に合わせて示す。溶接金属の拡散性水素量[HD]は表５に示す通りであり、20.0−1.3[HD]を算出した結果は表５に示す通りである。

継手11〜15について、第１パスから最終パスまでの多層盛りアーク溶接が終了した後、溶接金属の超音波探傷を行ない、低温割れの有無を調査した。その結果を表５に示す。表５中の〇は低温割れが発生しなかった例、×は低温割れが発生した例である。
表５から明らかように、(1)式および(2)式をともに満足する発明例（すなわち継手11、14、15）は、低温割れは発生しなかった。
比較例である継手12は第４パスが(1)式を満足しない例、継手13は第４パスが(1)式を満足せず、かつ第１パス〜第４パスが(2)式を満足しない例であるから、低温割れが発生した。

Claims (6)

1. 厚鋼板に多層盛りアーク溶接を施す多層盛りアーク溶接方法において、少なくとも第１パスを300kJ／cm以上の大入熱でサブマージアーク溶接を行なって溶接金属を形成し、該溶接金属のMo、Cr、V、B、Nの含有量（質量％）をそれぞれ[%Mo]、[%Cr]、[%V]、[%B]、[%N]として、前記第１パスから前記最終パスまでの全てのパスで前記溶接金属の成分がいずれも下記の(1)式および(2)式を満足する溶接材料を使用して前記多層盛りアーク溶接を行なうことを特徴とする厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法。
   0.40≦[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]≦0.80 ・・・(1)
   [%B]／[%N]≦1.0 ・・・(2)
2. 厚鋼板に多層盛りアーク溶接を施す多層盛りアーク溶接方法において、第１パスを300kJ／cm以上の大入熱で、かつ、溶接金属のMo、Cr、V、B、Nの含有量（質量％）をそれぞれ[%Mo]、[%Cr]、[%V]、[%B]、[%N]として、前記第１パスで得られる前記溶接金属の成分が下記の(1)式および(2)式を満足する溶接材料を使用してサブマージアーク溶接を行ない、さらに第２パスから最終パスまで70kJ／cm未満の入熱で炭酸ガスアーク溶接を順次施して前記多層盛りアーク溶接を行なうことを特徴とする厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法。
   0.40≦[%Mo]＋[%Cr]＋[%V]＋75[%B]≦0.80 ・・・(1)
   [%B]／[%N]≦1.0 ・・・(2)
3. 前記溶接金属のミクロ組織に生じる粒界フェライトの面積率α（％）が下記の(3)式を満たす前記溶接材料を、前記第１パスから前記最終パスにて使用して前記多層盛り溶接を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法。
   α≦20.0−1.3[HD] ・・・(3)
   [HD]：ＪＩＳ規格Z3118に準じて測定された溶接金属の拡散性水素量（cc／100g）
4. 前記多層盛りアーク溶接に供する前記厚鋼板の少なくとも１枚の板厚が60〜100mmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法。
5. 前記溶接金属のB含有量が0.0008〜0.0025質量％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法。
6. 前記溶接金属の前記拡散性水素量[HD]が、10cc／100g以下であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の厚鋼板の多層盛りアーク溶接方法。

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