JP2020157344A

JP2020157344A - 高張力鋼材の溶接方法

Info

Publication number: JP2020157344A
Application number: JP2019060175A
Authority: JP
Inventors: 穣黒田; Minoru Kuroda; 渉平上月; Tadahei Kozuki; 早川　直哉; Naoya Hayakawa; 直哉早川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】低温割れの発生を抑制できる高張力鋼材の溶接方法を提供する。【解決手段】開先加工された高張力鋼材同士を、突き合わせて、溶接材料を用いて、多層溶接により、溶接継手を溶接する。溶接に際して、開先の上方端部に到達するまで、開先面に沿って複数層の溶接金属を積層して開先面の全域を覆ったのち、開先内の残りの領域に溶接金属を積層し、溶接継手を得る。これにより、従来に比べて、溶接金属内の拡散性水素の残留量が低減する。本発明によれば、予熱することなく、または予熱温度：55℃以下の低温で予熱しても、低温割れの発生が抑制される。【選択図】図１

Description

本発明は、高張力鋼材の溶接方法に係り、とくに低温割れの発生を抑制した高張力鋼材の溶接方法に関する。ここでいう「鋼材」には、鋼板、鋼管等を含むものとする。

近年、橋梁をはじめとして、鋼構造物の大型化がより一層促進されている。しかし、鋼構造物の大型化に伴い、使用する鋼材を高張力鋼材として、鋼構造物の軽量化が図られてきた。高張力鋼材を使用することにより、構造物の軽量化が実現するうえ、軽量化による運搬効率の向上、さらには各構造材の薄肉化が可能となり、溶接施工性が向上する等の利点がある。

しかし、高張力鋼材には、所望の高強度を確保するために、あるいはさらに所望の高低温靭性等を保有するために、種々の合金成分が多量に添加されている。そのため、溶接終了後、1〜2日後の間に低温割れが発生しやすいという問題がある。このような問題に対しては、通常、鋼材を予熱して溶接施工を行い、低温割れの発生を防止している。しかし、溶接工数が増大するという問題がある。
なお、上記した低温割れは、水素脆化割れであり、拡散性水素の存在や、溶接残留応力、組織の割れ感受性等が影響することが知られており、これらの要因を考慮した低温割れ対策も提案されている。

例えば、特許文献１には、高張力鋼材の被覆アーク溶接方法が提案されている。特許文献１に記載された技術は、C：0.16重量％以下、かつCeqが0.50〜0.70重量％であり、引張強度が880〜1180MPaである高張力鋼材を被覆アーク溶接するに当たり、C：0.02重量％以下の鋼心線の周囲に、Mgの含有量を0.5重量％未満に制御した被覆剤を塗装し、溶接棒全体の成分が重量％で、C：0.35％以下、Si：0.5〜2.5％、Mn：0.5〜2.5％、Ni：1.0〜3.0％、Cr：0.2〜1.2％、Mo：0.2〜1.0％で、しかも鋼材の引張強さTSと、入熱量10〜40kJ/cmの溶接により得られる溶着金属のCeqとで表わされるY（＝Ceq−TS/1300）値を−0.1〜0.1の範囲に入るように調整した低水素系被覆アーク溶接棒を用いる、高張力鋼材の被覆アーク溶接方法である。これにより、溶接金属中の拡散性水素量が低下するとともに、溶接金属の強度（硬さ）が適正範囲に調整され、耐低温割れ性が向上する、としている。

また、特許文献２には、シーム有りフラックスコアードワイヤを用いた高張力鋼の溶接方法が提案されている。特許文献２に記載された技術は、溶接に際し、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有する特殊トーチを用いて溶接する溶接方法である。この特殊トーチを用いれば、水素源であるワイヤ表面の潤滑油が加熱されて生じる水蒸気や、フラックス内の水素源が気化しシームを通じてワイヤ外に放出される水蒸気を溶接前に吸引でき、溶接金属中の拡散性水素量が低減され、溶接部の低温割れが抑制される。このため、シーム有りフラックスコアードワイヤを用いても、高張力鋼の溶接が可能になるとしている。

特開平11−147196号公報特開2017−159307号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、TS：880MPa以上という鋼材の強度に適合した溶接金属を得るために、所定量以上の合金元素を含有する溶接棒を必要としており、実際の溶接施工に際し、低温割れの発生を防止するために、予熱温度：75℃以上に予熱することが必要となり、予熱を省略することができないという問題があった。

また、特許文献２に記載された技術では、特殊トーチという専用の装置を備えることを必要とし、施工コストの高騰を招くという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、従来の予熱（予熱温度：75℃程度）に比べ、比較的低い予熱温度（予熱温度：55℃程度）の予熱であっても、低温割れの発生を抑制できる、安価な、高張力鋼材の溶接方法を提供することを目的とする。なお、ここでいう「高張力鋼材」は、引張強さ：590MPa以上、好ましくは780MPa以上の高張力鋼材をいうものとする。

本発明者らは、上記した目的を達成するため、溶接金属中の拡散性水素の低減方法について鋭意検討した。その結果、溶接金属の積層方法に着目し、溶接時に溶接金属と大気とが接する面積を、より広くできる積層方法であれば、低温割れの主因である拡散性水素を、溶接金属から大気中へより多く拡散させることができることに思い至った。

本発明者らは、まず、開先の上方端部に達するまで開先面に沿って積層し、開先面全域を覆うように溶接する溶接金属の積層方法に思い到った。これによれば、従来に比べて、溶接中に、大気と接している溶接金属の面積を広くすることができる。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）所定形状の開先を形成するように加工された高張力鋼材同士を、突き合わせて、溶接材料を用いて、多層溶接して溶接継手を得る高張力鋼材の溶接方法であって、前記溶接を、前記開先の上方端部に到達するまで、前記開先の開先面に沿って複数層の溶接金属を積層し、前記開先面の全域を覆ったのち、前記開先内の残りの領域に溶接金属を積層する溶接とすることを特徴とする高張力鋼材の溶接方法。
（２）（１）において、前記溶接が、予熱することなく、または予熱温度：55℃以下で予熱して、行うことを特徴とする高張力鋼材の溶接方法。
（３）（１）または（２）において、前記高張力鋼材が、引張強さ：590MPa以上の高張力鋼材であることを特徴とする高張力鋼材の溶接方法。

本発明によれば、高張力鋼材の組成に影響されることなく、また特別な溶接装置を用いることもなく、溶接時の予熱を行うこともなく、あるいは、従来に比べて低い予熱温度としても、低温割れの発生がない高張力鋼材の溶接継手を、容易でしかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。

溶接継手縦断面における本発明の積層方法を模式的に示す説明図である。溶接継手縦断面における従来の積層方法を模式的に示す説明図である。実施例で用いた窓形拘束溶接割れ試験の概略を模式的に示す説明図である。

本発明は、低温割れの発生を抑制した高張力鋼材の溶接方法である。
まず、対象とする高張力鋼材に開先加工を施す。開先形状としては、所望の溶接鋼構造物として最適な開先形状であればよく、とくに限定する必要はないが、常用のＶ開先とすることが好ましい。なお、Ｖ開先の開先角度は、40〜60°とすることが好ましい。Ｖ開先以外にも、Ｋ開先、レ開先等としても何ら問題はない。

本発明では、所定形状に開先加工された高張力鋼材１，１同士を、突き合わせて、溶接材料を用いて、溶接する。溶接に際しては、開先内に、図１に示すような積層順で、溶接金属２を積層する。図１は、溶接継手部の縦断面における積層状態の一例を示す。

すなわち、まずビード（溶接金属）を、開先面に沿って、開先の上方端部に到達するまで複数層、積層する。例えば、図１中のＡは、第１層（第１パス）のビードを示し、第１層Ａの上層として開先面に沿って、第２層（第２パス）のビードＢを積層する。そして、第２層Ｂの上層として開先面に沿って、第３層（第３パス）のビードＣを積層する。つぎに、第３層Ｃの上層として、第４層（第４パス）のビードＤを、ついで、第４層Ｄの上層として、第５層（第５パス）のビードＥを積層し、さらに開先上端に到達するまで、以下順に、第６層（第６パス）のビードＦ、さらに第７層（第７パス）のビードＧと、積層する。上記した積層をもう一方の開先面についても同様に、開先面に沿って開先上端に到達するまで、第３層（第８パス）のビードＨ、第４層（第９パス）のビードＩ、第５層（第１０パス）のビードＪ、第６層（第１１パス）のビードＫ、第７層（第１２パス）のビードＬと、順に積層し、開先面全域を覆うように溶接金属を積層する。このように溶接金属２を積層すれば、この時点までの積層の初期から中期にかけては、例えば図２に示す従来の積層法に比べて、大気に接している溶接金属の面積が広くなり、溶接金属中の水素が大気中へ拡散しやすくなると考えられる。そして、これにより、従来に比べて結果的に、溶接継手内に残留する拡散性水素量が減少し、低温割れの生じにくい溶接継手を得ることができる。

ついで、開先面に沿って開先上端まで開先面全域を覆うように溶接金属を積層したのち、本発明では、開先内の残りの領域にビード（溶接金属）を積層（図１では第６層（第１３パス）のビードＭ、第７層（第１４パス）のビードＮ）し、溶接継手を形成する。なお、本発明は図１に示すビードの積層方法に限定されないことはいうまでもない。

なお、従来の溶接金属の積層方法を、例えば図２に示す。従来の積層方法では、開先の下端から上端に向かって層状に順に積層する。図２中のＡは、第１層（第１パス）のビードを示し、第１層Ａの上層として第２層（第２パス）のビードＢを積層する。そして、図２に示す積層方法では、第２層Ｂの上層として、第３パスのビードＣと第４パスのビードＤとを、第３層Ｃ、Ｄとして積層する。さらに、第３層Ｃ、Ｄの上層として、第５パスのビードＥと第６パスのビードＦとを、第４層Ｅ、Ｆとして積層し、以下順に、開先上端に達するまで、第５層Ｇ、Ｈと、第６層Ｉ、Ｊ、Ｋと、第７層Ｌ、Ｍ、Ｎと、を計１４パスで順次積層する。

溶接法は、ガスシールドアーク溶接法、サブマージアーク溶接法、TIG溶接法等がいずれも好ましく、とくに限定されないが、作業コストの観点からガスシールドアーク溶接法とすることが好ましい。ガスシールドアーク溶接法では、溶接材料として、対象とする高張力鋼材に適応したソリッドワイヤを用いることはいうまでもない。例えば、対象とする鋼材がTS：780MPa級の高張力鋼材であれば、JIS Z 3312に規定されるソリッドワイヤ（YGW-19）とすることが好ましい。

また、ガスシールドアーク溶接法では、シールドガスとして、不活性ガス（Ar）を用いる場合（MIG溶接法）、不活性ガス（Ar）に炭酸ガス（CO₂）を混合して用いる場合（MAG溶接法）がいずれも、好ましい。

なお、溶接に際して、本発明では予熱を行わないか、行っても予熱温度：55℃以下の、高張力鋼材の予熱温度としては低温側の予熱とする。本発明によれば、低温割れの発生を抑制できるため、従来よりも低い予熱温度としても低温割れの発生は認められない。なお、後熱を行う必要はない。また、パス間温度は、とくに限定する必要はないが、予熱を行う場合には、予熱温度未満とならないように、溶接施工を調整することが好ましい。

また、溶接条件は、所望の強度、靭性を確保できるように、使用する溶接材料に応じて、溶接電流、溶接電圧、溶接速度等、溶接入熱量を調整することはいうまでもない。

また、溶接金属組織の観点から、溶接入熱量は、4kJ/mm以下とすることが好ましい。溶接入熱が4kJ/mmを超えて高くなると、主体組織が上部ベイナイトとなり、靱性が低下する。

以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。

対象とする高張力鋼材として、表１に示す組成を有する引張強さ780MPa級高張力鋼板（引張強さ：780MPa以上、板厚：50mm）を用意した。用意した高張力鋼板に開先加工を施した。開先はＶ開先（開先角度：40°）とした。ついで、開先加工を施された高張力鋼板同士を突き合わせ（ルートキャップなし）、予熱温度：55℃で予熱したのち、下向き溶接した。

用いた溶接方法は、溶接材料（ソリッドワイヤ）を用い、シールドガスを20％CO₂を含むArガスとするメタルアクティブガス溶接（MAG溶接）法とした。なお、使用したソリッドワイヤは、780MPa級高張力鋼板のガスシールドアーク溶接に適応する、JIS Z 3312に規定される1.2mmφのソリッドワイヤ（YGW-19）とした。なお、ソリッドワイヤの組成を表２に示す。
上記したMAG法で、開先内に、複数のパスで複数層のビードを積層し、溶接継手を作製した。

ビードの積層方法としては、図１に示すように、開先の下方から上方端部に到達するまで開先面に沿って、ビードＡからビードＬを順に、開先面全域を覆うように積層したのち、開先内のその余の領域をビードＭ〜ビードＮと、計14パスで積層し、本発明例とした。一方、従来の積層方法としては、図２に示すように、開先の下方から上方端部に到達するまで、各層ごとに層状に（ビードＡ⇒ビードＢ⇒ビードＣ，Ｄ⇒ビードＥ，Ｆ⇒ビードＧ，Ｈ⇒ビードＩ，Ｊ，Ｋ⇒ビードＬ，Ｍ，Ｎ）、14パスで積層し、従来例とした。

なお、溶接条件は、溶接電流：260±20Ａ、溶接電圧：30±5Ｖとし、溶接速度：350mm/minとした。溶接入熱量は2kJ/mmであった。溶接後熱は行わなかった。
なお、溶接は、移動台車を用いた自動溶接とした。

溶接継手部の溶接割れ性について、窓形拘束溶接割れ試験体を作製して調査した。上記した高張力鋼板の試験体１１（大きさ：溶接長さ方向500mm×幅500mm×板厚50mm）を、図３に示すように溶接長さ方向450mm×幅300mmの窓を有する拘束板（板厚70mm×10000mm×10000mm）１２のうえにすみ肉溶接で拘束し、該窓上で、上記した溶接継手の溶接を行って、溶接継手に拘束応力が負荷されるようにした。

溶接継手部の溶接後、72時間が経過したのち、溶接継手部における溶接割れの有無を調査した。まず、溶接継手部の表面（ビード面）を平滑に研削し、JIS Z 2343の規定に準拠して、浸透探傷試験（ＰＴ）を実施し、低温割れの有無を確認した。浸透探傷試験では、割れがあれば、塗布した浸透液が割れに浸み込み、ついで塗布した現像液により、浸透した液が発色し、割れの存在が明確になる。

得られた結果を表３に示す。

本発明溶接方法（積層方法）で溶接継手を作製すれば、鋼材やソリッドワイヤの組成によらず、溶接割れが生じない溶接金属を得ることができた。これは、予熱温度：55℃という低温予熱であっても、低温割れの発生が抑制されたことを示している。一方、従来の積層方法では、低温割れの発生が抑制されず、低温割れが発生した。

１鋼材（高張力鋼材）
２溶接金属
１１試験体
１２拘束板

Claims

所定形状の開先を形成するように加工された高張力鋼材同士を、突き合わせて、溶接材料を用いて、多層溶接して溶接継手を得る高張力鋼材の溶接方法であって、
前記溶接を、前記開先の上方端部に到達するまで、開先面に沿って複数層の溶接金属を積層し、前記開先面の全域を覆ったのち、前記開先内の残りの領域に溶接金属を積層する溶接とすることを特徴とする高張力鋼材の溶接方法。
前記溶接が、予熱することなく、または予熱温度：55℃以下で予熱して、行うことを特徴とする請求項１に記載の高張力鋼材の溶接方法。
前記高張力鋼材が、引張強さ：590MPa以上の高張力鋼材であることを特徴とする請求項１または２に記載の高張力鋼材の溶接方法。