JP2804973B2 - 極低温用高Mn非磁性鋼のMIG溶接方法 - Google Patents

極低温用高Mn非磁性鋼のMIG溶接方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、極低温用高Mn非磁性鋼のMIG溶接方法に関
するものである。
〔従来の技術〕
近年、核融合炉や超電導発電機等の超電導マグネット
支持構造材料として、−269℃の極低温においても高強
度・高靭性を有する高Mn非磁性鋼(例えば、Mn:10〜30w
t%,Ni:1〜15wt%,Cr:10〜20wt%,N:0.05〜0.30vol%を
含有する鋼)が注目されている。(特開昭60−13022号
公報、日本鋼管技報No.118(1987)参照) そして、この極低温用高Mn非磁性鋼の溶接方法として
は、日本鋼管技報No.118(1987)に報告されているよう
に、溶接部の品質面からTIG溶接及び電子ビーム溶接が
採用されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上述したTIG溶接や電子ビーム溶接
は、ともに溶接コストが高く経済性を損ねるという問題
がある上、電子ビーム溶接については、真空チャンバ内
での溶接となるため、複雑な形状、あるいは大型の構造
物の溶接ができず、その適用が制限されるという問題が
あった。
一方、経済性、作業性に優れていることから一般的に
使用されているMIG溶接方法は、ブローホール等による
内部欠陥や表面欠陥、および表面酸化等が溶接部に発生
し易いため、極低温用高Mn非磁性鋼への適用には到って
いない。
〔課題を解決するための手段〕
そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、ブローホール
等による内部欠陥や表面欠陥、および表面酸化等の溶接
部における発生を防止して、特に経済性の面で優れてい
るMIG溶接方法を極低温用高Mn非磁性鋼に適用すべくな
したもので、その要旨は、極低温用高Mn非磁性鋼を、共
金系の溶接ワイヤを使用すると共に、シールドガスとし
てO2:2.2%以下,He:20%以上,Ar:残からなる混合ガスを
使用し、入熱量として下記式を満たす条件でMIG溶接す
る極低温用高Mn非磁性鋼のMIG溶接方法である。
J≧0.67T−1.0 但し、J:入熱量(kJ/cm) T:極低温用高Mn非磁性鋼の板厚(mm) 以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者等は、上記MIG溶接方法では、ブローホール
等による内部欠陥や表面欠陥、および表面酸化等が溶接
部に発生し易いため、極低温用高Mn非磁性鋼への適用に
は到っていないことの知見に基づき、これらの改善を行
うため鋭意研究を行った。
先ず、鋼のMIG溶接方法で、ごく一般的に使用されるA
rに僅かのO2を混合したシールドガスに着目し、C:0.04w
t%,S:0.31wt%,Mn:21.7wt%,P:0.010wt%,S:0.006wt
%,Ni:5.1wt%,Cr:12.5wt%,N:0.20wt%,残実質的にFe
からなる高Mn非磁性鋼の熱延板(板厚:20mm)に、この
熱延板と略同成分組成らなる共金系溶接ワイヤを用い
て、パルスアークMIG溶接によるビードオンプレート試
験を行い、表面酸化度に及ぼすシールドガス中のO2の混
合割合について調査した。この調査結果を第1表に示
す。
尚、溶接条件は下記の通りである。
電流 :180A 電圧 : 25V 入熱量: 14kJ/cm シールドガス:Ar(25/min)+O2 上表より明らかなように、シールドガス中のO2の混合
割合が2.3%以上になると、目視により溶接部の表面の
酸化が認められるようになり、2.3%未満であれば、酸
化が認めにくく良好であった。従って、シールドガス中
のO2の混合割合を2.2%以下とした。しかし、O2は、溶
接の際、溶融金属の表面張力を少なくして湯流れ性を良
くする作用を有するので、僅かでも混合させることが好
ましく、望ましくは0.1%以上混合させるとよい。
上述したように、シールドガス中のO2の混合割合は低
い方が好ましいことが確認されたけれど、ブローホール
等による内部欠陥や表面欠陥は、依然として改善されて
いないことから、この改善のため、溶込みを深くすると
言われている、高Ni合金等のMIG溶接で一部使用されて
いるHeを混合したシールドガスに着目し、上記O2の調査
に使用したと同じ成分組成からなる高Mn非磁性鋼の熱延
板(板厚:20mm)および共金系溶接ワイヤを用いて、パ
ルスアークMIG溶接によるビードオンプレート試験を行
い、ブローホールに及ぼすシールドガス中のHeの混合割
合について、JIS Z 3106に基づく放射線透過試験に
より調査した。この調査結果を第1図に示す。
尚、溶接条件は、シールドガス中のHe混合量をArとの
合計量で25/minとした以外は上記O2の調査と同条件
(電流:180A,電圧:25V,入熱量:14kJ/cm)に設定した。
第1図から明らかなように、溶接部のブローホール
は、シールドガス中のHeの混合割合が20%までは急激に
減少するが、20%以上ではブローホールが減少した状態
でほぼ横這いか、僅かに減少することが認められた。従
って、ブローホール等による内部欠陥や表面欠陥の発生
を抑制するため、シールドガス中のHeの混合割合を20%
以上とした。しかし、Heは、非常に高価であり経済性の
面からその含有量の上限は50%以下が望ましい。
次に、入熱量Jを特定した理由について説明する。
MIG溶接方法としては、安定した溶接作業性と品質が
確保されることから、ステンレス鋼の場合に採用される
100A以上のアーク電流および20V以上のアーク電圧を採
用して行われるパルスアーク法、スプレーアーク法が好
ましいが、高Mn非磁性鋼の場合は、上記条件でMIG溶接
しても、内部欠陥が発生する場合が確認され、鋭意研究
した結果、被溶接材の板厚と溶接入熱量との間に一定の
関係のあることをつかんだ。第2図は、その関係を確認
した結果を示すグラフ図で、C:0.06wt%,S:0.34wt%,M
n:22.3wt%,P:0.011wt%,S:0.003wt%,Ni:4.4wt%,Cr:1
2.8wt%,N:0.15wt%,残実質的にFeからなる高Mn非磁性
鋼の熱延板(板厚:6mm,20mm,40mm)に、この熱延板と略
同成分組成らなる共金系溶接ワイヤ、およびシールドガ
ス:Ar(18/min)+O2(0.1/min)+He(7/min)
を用いて、パルスアークMIG溶接によるビードオンプレ
ート試験を行い、それぞれの板厚において、JIS Z 3
106に基づく放射線透過試験による第1種2級以上の内
部品質が得られる溶接入熱量を調査したものである。
第2図に示す結果によれば、極低温用高Mn非磁性鋼の
場合、被溶接材の板厚Tと溶接入熱量Jとが下記式を満
たす条件でMIG溶接すれば、JIS Z 3106に基づく放射
線透過試験による第1種2級以上の内部品質が得られる
ことが確認された。
J≧0.67T−1.0 但し、J:入熱量(kJ/cm) T:極低温用高Mn非磁性鋼の板厚(mm) 尚、入熱量は、アーク電流、アーク電圧等の溶接条件
から計算により求められる。
また、本発明の極低温用高Mn非磁性鋼のMIG溶接方法
においては、高温割れ等の防止の観点から、溶接前の予
熱はせず、且つパス間温度は150℃以内で行うのが好ま
しい。
〔実 施 例〕
以下、本発明を実施例により説明する。
第2表に示す化学成分からなる極低温用高Mn非磁性鋼
を、真空溶解により溶製し、鋳造して得た鋳塊を鍛造
後、板厚6mm,20mm,40mmの鋼板に熱間圧延して母材供試
鋼板を作成した。また溶接に使用する共金系溶接ワイヤ
(直径:1.2mm)の化学成分を第3表に示す。
先ず、第2表に示す化学成分からなる板厚6mmの母材
供試鋼板と第3表に示す共金系溶接ワイヤとを第4表に
示す如く組合わせると共に、同表に示す溶接条件により
パルスアークMIG溶接を行った。溶接後、その溶接部に
ついて、酸化度の目視試験、JIS Z 3106に基づく放
射線透過試験(以下RT試験と言う)、JIS Z 2343に
基づく浸透探傷試験(以下PT試験と言う)を行うと共
に、これら試験による判定を第5表に示す判定基準によ
り行った。その判定結果を比較例と併せて第4表に示
す。
第4表より明らかなように、シールドガスの成分とし
て、O2混合量を2.2%以下としHeを全く混合させない場
合、母材供試鋼板と共金系溶接ワイヤとの各組合わせと
も、ブローホールによる内部欠陥等が多発し、また溶接
部の表面の酸化度が安定していないのに対し、Heを20%
以上混合させた本発明例のものでは、RT試験およびPT試
験とも良好であり、且つ溶接部の表面の酸化度も安定し
たものであった。またビードNo.13のものは、O2混合量
を0.2%としHeを16%混合させたシールドガスを用いた
例であるが、O2混合量が適切で溶接部の表面の酸化度は
良好であったが、He混合量が少なかったためブローホー
ルの抑止効果が小さく、RT試験およびPT試験とも不良で
あった。またビードNo.14のものは、O2混合量を3.1%と
しHeを31%混合させたシールドガスを用いた例である
が、Heは適切な量を混合したのに対し、O2混合量が多か
ったためブローホールが多発し、RT試験およびPT試験と
も不良であり、しかも溶接部の表面の酸化度も悪かっ
た。
次に、第2表に示す化学成分からなる板厚20mmの母材
供試鋼板と第3表に示す共金系溶接ワイヤとを第6表に
示す如く組合わせると共に、同表に示す溶接条件により
パルスアークMIG溶接を行った。溶接後、その溶接部に
ついて、上記板厚6mmの母材供試鋼板の場合と同様に、
酸化度の目視試験、RT試験、PT試験を行うと共に、これ
ら試験による判定を第5表に示す判定基準により行っ
た。その判定結果を比較例と併せて第6表に示す。
第6表より明らかなように、溶接条件としては、シー
ルドガスの各ガスの混合割合を上記板厚6mmの母材供試
鋼板の場合と同じにし、溶接入熱量を上記板厚6mmの母
材供試鋼板の場合よりも板厚が厚い分高めて溶接した
が、その判定結果は、板厚6mmの母材供試鋼板の場合と
同様、シールドガスの成分として、O2混合量を2.2%以
下としHeを全く混合させない場合、母材供試鋼板と共金
系溶接ワイヤとの各組合わせとも、ブローホールによる
内部欠陥等が多発し、また溶接部の表面の酸化度が安定
していないのに対し、Heを20%以上混合させた本発明例
のものでは、RT試験およびPT試験とも良好であり、且つ
溶接部の表面の酸化度も安定したものであった。
また、ビードNo.25のものは、O2混合量を0.2%としHe
を16%混合させたシールドガスを用いた例であるが、O2
混合量が適切で溶接部の表面の酸化度は良好であった
が、He混合量が少なかったためブローホールの抑止効果
が小さく、RT試験およびPT試験とも不良であった。また
ビードNo.26のものは、O2混合量を3.1%としHeを31%混
合させたシールドガスを用いた例であるが、Heは適切な
量を混合したのに対し、O2混合量が多かったためブロー
ホールが多発し、RT試験およびPT試験とも不良であり、
しかも溶接部の表面の酸化度も悪かった。
さらに、第2表に示す化学成分からなる板厚40mmの母
材供試鋼板についても、上記板厚6mmおよび板厚20mmの
母材供試鋼板の場合と同様に、第3表に示す共金系溶接
ワイヤを、第7表に示す如く組合わせると共に、同表に
示す溶接条件によりパルスアークMIG溶接を行い、その
溶接部について、酸化度の目視試験、RT試験、PT試験を
行うと共に、これら試験による判定を第5表に示す判定
基準により行った。その判定結果を比較例と併せて第7
表に示す。
第7表に示す判定結果は、同表より明らかなように、
上記板厚6mmおよび板厚20mmの母材供試鋼板の場合の第
4表および第6表に示す判定結果とほぼ同傾向で、シー
ルドガスの成分として、O2混合量を2.2%以下としHeを
全く混合させない場合、母材供試鋼板と共金系溶接ワイ
ヤとの各組合わせとも、ブローホールによる内部欠陥等
が多発し、また溶接部の表面の酸化度が安定していない
のに対し、Heを20%以上混合させた本発明例のもので
は、RT試験およびPT試験とも良好であり、且つ溶接部の
表面の酸化度も安定したものであった。
また、ビードNo.37のものは、O2混合量を0.2%としHe
を16%混合させたシールドガスを用いた例であるが、O2
混合量が適切で溶接部の表面の酸化度は良好であった
が、He混合量が少なかったためブローホールの抑止効果
が小さく、RT試験およびPT試験とも不良であった。また
ビードNo.38のものは、O2混合量を3.1%としHeを31%混
合させたシールドガスを用いた例であるが、Heは適切な
量を混合したのに対し、O2混合量が多かったためブロー
ホールが多発し、RT試験およびPT試験とも不良であり、
しかも溶接部の表面の酸化度も悪かった。
4発明の効果〕 以上説明したように、本発明に係わる極低温用高Mn非
磁性鋼のMIG溶接方法によれば、溶接部にブローホール
等による内部欠陥や表面欠陥、および表面酸化等の発生
を防止して、極低温用高Mn非磁性鋼にMIG溶接を施すこ
とができ、極低温用高Mn非磁性鋼の溶接が経済的に行え
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は、極低温用高Mn非磁性鋼の溶接部におけるブロ
ーホールとシールドガス中のHeの混合割合との関係を示
すグラフ図、第2図は、極低温用高Mn非磁性鋼製被溶接
材の板厚と溶接入熱量との関係を示すグラフ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−47571(JP,A) 特開 昭50−27746(JP,A) 特開 昭51−61453(JP,A) 特開 昭59−54493(JP,A) 特開 昭62−54594(JP,A) 日本鋼管技報、88(昭56−1−31) P.14−26 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 9/16,9/173,9/23

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】極低温用高Mn非磁性鋼を、共金系の溶接ワ
    イヤを使用すると共に、シールドガスとしてO2:2.2%以
    下,He:20%以上,Ar:残からなる混合ガスを使用し、入熱
    量として下記式を満たす条件でMIG溶接することを特徴
    とする極低温用高Mn非磁性鋼のMIG溶接方法。 J≧0.67T−1.0 但し、J:入熱量(kJ/cm) T:極低温用高Mn非磁性鋼の板厚(mm)
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