JP3424088B2 - 高張力鋼のｔｉｇ溶接方法及びｔｉｇ溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力容器及び水圧鉄
管（ペンストック）等に適用される高張力鋼のＴＩＧ溶
接に関し、特に、５０ｍｍを超える極厚材に対する溶接
能率及び溶接環境を向上させることができると共に、機
械的性質が優れていて、溶接割れの発生を防止すること
ができる高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及びＴＩＧ溶接用ソ
リッドワイヤに関する。

【０００２】

【従来の技術】引張強さが７６０乃至９８０Ｎ／ｍｍ²
であるような高張力鋼に対する溶接においては、通常、
割れを防止するために１００℃以上の温度で予熱が施さ
れており、特に、極厚材に対する溶接においては、１２
５℃以上の温度で予熱することが必要とされている。こ
のような予熱作業は溶接能率の低下及び溶接環境の悪化
を発生させるため、予熱作業の改善が強く要望されてい
る。

【０００３】この予熱作業の改善について、ＴＩＧ溶接
に関する研究はほとんどなされていない。ＭＡＧ溶接に
おいては、５９０乃至８８０Ｎ／ｍｍ² の強度を有する
高張力鋼の溶接において、Ｖ及びＮｂが積極的に添加さ
れた溶接ワイヤを使用することにより、予熱温度を低下
させることができるＭＡＧ溶接方法が開示されている
（特開平７−２８４９８７号公報）。

【０００４】しかしながら、このような溶接ワイヤを使
用しても、板厚が４０ｍｍである高張力鋼に対して、割
れを防止するための予熱温度は５０℃以上とされてい
る。また、高張力鋼の板厚が５０ｍｍを超えて極厚化す
ると、割れを防止するための予熱温度は更に一層高くな
ることが予測される。従って、新たな観点から、予熱以
外の方法で割れを防止することができる高張力鋼に対す
る溶接方法の開発が要求されている。

【０００５】また、この特開平７−２８４９８７号公報
には、鋼材（高張力鋼）中の化学成分Ａの含有量［Ａ］
から算出されるＰｃｍ（Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３
０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｕ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｍ
ｏ］／１５＋［Ｖ］／１０＋５Ｂ）を低減させることに
より、溶接割れを抑制し、溶接性を改善することができ
ることが記載されている。

【０００６】しかしながら、高張力鋼には、要求される
強度及び板厚に対応した適正のＰｃｍが存在するので、
Ｐｃｍの低減にも限度がある。

【０００７】ところで、被覆アーク溶接及びサブマージ
アーク溶接の溶接材料においては、一般的に、溶着金属
中の合金元素を少なくすることにより硬化性を低減させ
ることが、低温割れを防止するための有効な方法である
とされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＴＩＧ
溶接においては、溶着金属中の合金元素を少なくして
も、低温割れの防止に対して優れた効果を得ることがで
きない。これは、ＴＩＧ溶接により形成される溶着金属
の酸素量が５０ｐｐｍ以下という極めて少ないものであ
るため、焼き入れ性が高すぎるからである。

【０００９】また、所望の強度レベルを必要とする鋼材
のＴＩＧ溶接においては、溶着金属自体に割れが発生す
ることが問題となっており、溶接材料の改善によって割
れを防止することができるＴＩＧ溶接方法の開発が要求
されている。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、溶接能率及び溶接環境を向上させることが
できると共に、機械的性質が優れていて、溶接割れの発
生を防止することができる高張力鋼のＴＩＧ溶接方法及
びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高張力鋼の
ＴＩＧ溶接方法は、０．１３質量％以下のＣを含有し、
引張強さが７６０乃至９８０Ｎ／ｍｍ^２である高張力鋼
のＴＩＧ溶接方法において、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に規
定された方法により得られた全溶着金属のマルテンサイ
ト変態開始温度が４００℃以下であると共に、ワイヤ全
質量に対してＮｉ：８．２５乃至１２．０質量％を含有
し、Ｃ：０．１０質量％以下及びＨ：２質量ｐｐｍ以下
に規制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送給速度
を５乃至４０ｇ／分として溶接することを特徴とする。

【００１２】本発明に係る高張力鋼のＴＩＧ溶接用ソリ
ッドワイヤは、０．１３質量％以下のＣを含有し、引張
強さが７６０乃至９８０Ｎ／ｍｍ^２である高張力鋼のＴ
ＩＧ溶接に使用されるソリッドワイヤにおいて、ＪＩＳ
Ｚ ３１１１に規定された方法により得られた全溶着
金属のマルテンサイト変態開始温度が４００℃以下であ
ると共に、ワイヤ全質量に対してＮｉ：８．２５乃至１
２．０質量％を含有し、Ｃ：０．１０質量％以下及び
Ｈ：２質量ｐｐｍ以下に規制されていることを特徴とす
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】溶着金属の溶接割れは、溶接後の
冷却中に発生する溶着金属の収縮応力に起因する。そこ
で、本願発明者等は、溶接割れを防止するために、溶着
金属に発生する収縮応力を低減することができるＴＩＧ
溶接方法を開発すべく種々研究を行った。その結果、フ
ェライト系及びマルテンサイト系の溶着金属において、
各変態点、特にマルテンサイト変態点を低下させて、変
態時の膨張現象を利用することにより、溶着金属に発生
する収縮応力を低減することができることを見いだし
た。従って、低い予熱温度又は予熱を実施しない方法で
も低温割れを防止することができ、溶接能率及び溶接環
境を向上させることができる。

【００１４】以下、本発明における高張力鋼のＴＩＧ溶
接方法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤについて、更に
説明する。先ず、ＴＩＧ溶接に使用するソリッドワイヤ
中に含有される化学成分及び組成限定理由並びにソリッ
ドワイヤの特性について説明する。

【００１５】ソリッドワイヤ中のＣ：０．１０重量％以
下 ワイヤ中のＣ含有量が０．１０重量％を超えると、溶着
金属の硬度が高くなりすぎて、低温割れが発生しやすく
なると共に、高温割れの発生も促進される。従って、ソ
リッドワイヤ全重量に対するＣ含有量は０．１０重量％
以下に規制する。

【００１６】ソリッドワイヤ中のＮｉ：８．２５乃至１
２．０質量％ ソリッドワイヤ中のＮｉ含有量が８．２５質量％未満で
あると、溶着金属のマルテンサイト変態点を十分低くす
ることができないので、低温割れを防止することが困難
になる。一方、ソリッドワイヤ中のＮｉ含有量が１２．
０質量％を超えると、不安定なオーステナイトが多量に
残存し、溶着金属の強度及び靭性等の機械的性質が不安
定になる。従って、ソリッドワイヤ全重量に対するＮｉ
含有量は８．２５乃至１２．０質量％とする。

【００１７】ソリッドワイヤ中のＨ：２重量ｐｐｍ以下 高強度の溶着金属においては、微量のＨの存在が低温割
れの発生に大きく影響する。ソリッドワイヤ中のＨ含有
量が２重量ｐｐｍを超えると、低温割れが発生しやすく
なる。従って、ソリッドワイヤ全重量に対するＨ含有量
は２重量ｐｐｍ以下とする。

【００１８】ソリッドワイヤ中のＰ：０．０１０重量％
以下、Ｓ：０．０１０重量％以下 ソリッドワイヤ中に不純物として存在するＰ及びＳは、
その含有量が高いと、高温割れを発生させることがあ
る。本発明においては、特に規定しないが、ソリッドワ
イヤ全重量に対するＰ含有量及びＳ含有量は、夫々、
０．０１０重量％以下とすることが好ましい。

【００１９】全溶着金属のマルテンサイト変態開始温
度：４００℃以下 溶接後の冷却の際に、溶着金属には収縮応力が発生する
が、溶着金属の低温割れは、この収縮応力が高くなる温
度領域において発生する。フェライト変態（Ａ₁ ）及び
マルテンサイト変態（Ｍｓ）は膨張現象を伴うので、収
縮応力が高くなる温度領域において溶着金属がマルテン
サイト変態すると、収縮応力の発生を緩和し、低温割れ
を防止することができる。冷却中において発生する収縮
応力が高くなる領域は４００℃以下であるので、この温
度範囲で溶着金属が膨張変態するようにすることが必要
である。従って、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に規定された方
法により得られた全溶着金属のマルテンサイト変態開始
温度が４００℃以下であるソリッドワイヤを使用するこ
とによって、溶接後の冷却中において発生する収縮応力
を緩和することができる。

【００２０】次に、ＴＩＧ溶接方法について説明する。

【００２１】ワイヤ送給速度：５乃至４０ｇ／分 ワイヤ送給速度が５ｇ／分未満であると、ビード形状が
凹型になり、のど厚が小さくなるので、割れが発生しや
すくなると共に、溶接能率が低下する。一方、ワイヤ送
給速度が４０ｇ／分を超えると、溶接電流を高くしても
ワイヤが溶融されなくなるので、溶着金属に欠陥が発生
する。従って、溶接時のワイヤ送給速度は５乃至４０ｇ
／分とする。

【００２２】また、本発明が対称とする高張力鋼（鋼
材）中に含有される化学成分及び組成限定理由について
説明する。

【００２３】鋼材中のＣ：０．１３重量％以下 鋼材中のＣ含有量が０．１３重量％を超えると、溶着金
属に高温割れが発生しやすくなる。本発明においては、
ソリッドワイヤ中のＮｉ含有量が高く、このようなソリ
ッドワイヤを使用して形成されたＮｉ含有量が高い溶着
金属においては、高温割れの発生を防止することが困難
になる。従って、鋼材中のＣ含有量は０．１３重量％以
下とする。

【００２４】

【実施例】以下、本発明に係る高張力鋼のＴＩＧ溶接方
法及びＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤの実施例についてそ
の比較例と比較して具体的に説明する。

【００２５】先ず、種々の化学成分を有する鋼材とソリ
ッドワイヤとを使用してＴＩＧ溶接することにより試験
片を作製し、ｙ型溶接割れ試験を実施して、割れの発生
を評価した。但し、ソリッドワイヤは、直径が１．６ｍ
ｍのものを使用した。また、ｙ型溶接割れ試験において
割れが発生しなかった一部の試験片については、窓枠拘
束多層溶接割れ試験を実施し、割れの発生を評価した。
なお、ｙ型溶接割れ試験及び窓枠拘束多層溶接割れ試験
の溶接条件については下記表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】図１は窓枠拘束多層溶接割れ試験の試験方
法を示す正面図である。図１に示すように、拘束板１の
上に試験片２が配置されており、試験片２にはその長手
方向に直交する方向に延びる溝２ａが片端面から他端面
まで形成されている。本実施例においては、拘束板１の
長手方向の長さを１５００ｍｍとし、幅を１３００ｍ
ｍ、板厚を１５０ｍｍとした。また、試験片の長手方向
の長さを４６０ｍｍ、幅を４００ｍｍ、板厚を７５ｍｍ
とし、溝２ａの底部２ｂの曲率半径を５ｍｍ、溝２ａの
開先角度を１４°とした。

【００２８】このように配置された試験片２に対して拘
束溶接を実施した後、溝２ａを上記表１の条件で多層溶
接し、溝２ａの溶接終了後、９６時間経過した後に、超
音波斜角探傷法により溝２ａに形成された溶着金属の割
れを検査した。その後、ＪＩＳ Ｚ３１２２に準じて側
曲げ試験を実施した。但し、拘束溶接においては、試験
片２の周辺に脚長を約１５ｍｍとする拘束のための溶接
金属３を形成している。

【００２９】また、ｙ型溶接割れ試験はＪＩＳ Ｚ３１
５８に準じて実施し、機械的性質の評価は、ＪＩＳ Ｚ
３１１１に準じて実施した。機械的性質の評価において
は、溶接母材として軟鋼を使用したが、その開先面は使
用するワイヤによって予め肉盛溶接が施されているの
で、機械的性質はソリッドワイヤの特性に依存する。な
お、鋼材の特性及び化学成分含有量を下記表２及び３に
示し、ソリッドワイヤ中の化学成分含有量を下記表４及
び５に示す。これらすべてのワイヤにおいて、Ｏ含有量
は１０乃至１００重量ｐｐｍ、Ｎ含有量は１０乃至８０
重量ｐｐｍである。また、表４及び５に示すソリッドワ
イヤを使用して形成された溶着金属の機械的性質及びマ
ルテンサイト変態開始温度を下記表６に示し、割れ試験
に使用した鋼材及びワイヤとその評価結果を下記表７及
び８に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】

【表５】

【００３４】

【表６】

【００３５】

【表７】

【００３６】

【表８】

【００３７】上記表２乃至８に示すように、比較例Ｎ
ｏ．１１乃至１３、１５乃至２０及び２３はソリッドワ
イヤ中のＮｉ含有量が本発明範囲の下限未満であると共
に、比較例Ｎｏ．２０は鋼材中のＣ含有量が本発明範囲
の上限を超えており、一部はマルテンサイト変態開始温
度が４００℃を超えているので、全ての溶着金属に割れ
が発生した。特に、ワイヤＮｏ．Ｔ５は極軟鋼に近い化
学成分を有するワイヤであるにも拘わらず、このワイヤ
を使用してＴＩＧ溶接を実施した比較例Ｎｏ．１１及び
１７についても、割れを防止することができなかった。

【００３８】比較例Ｎｏ．１４はソリッドワイヤ中のＣ
及びＮｉの含有量が本発明範囲の上限を超えているの
で、溶着金属に高温割れが発生した。また、比較例Ｎ
ｏ．２１及び２２は鋼材中のＣ含有量が本発明範囲の上
限を超えているので、溶着金属に高温割れが発生し、適
正なワイヤを使用しても割れを防止することはできなか
った。また、比較例Ｎｏ．２３は予熱温度を７５℃とし
て溶接を実施しているが、ワイヤ中の化学成分含有量が
本発明の範囲を外れているので、割れを防止することが
できなかった。７５℃を超える予熱温度を必要とする
と、溶接能率が低下すると共に、溶接環境が悪化するの
で好ましくない。比較例Ｎｏ．２４はワイヤ中の化学成
分の含有量は本発明の範囲内であるが、マルテンサイト
変態開始温度が４００℃を超えているので、割れを防止
することができなかった。

【００３９】一方、実施例Ｎｏ．２，３、６乃至１０は
鋼材中のＣ含有量並びにワイヤ中のＮｉ、Ｃ及びＨ含有
量が適正量に規制されていると共に、ワイヤの送給速度
を適切に設定しているので、予熱を実施しないか又は７
５℃の温度で予熱するのみで溶着金属の割れを防止する
ことができた。このように、本実施例においては、現場
において無理がない予熱作業を実施することができ、溶
接能率が向上する。

【００４０】次に、Ｎｉ含有量及びＨ含有量を変化させ
たソリッドワイヤを使用してＴＩＧ溶接し、これにより
形成された溶着金属について、ルート割れ率及び変態温
度を測定した。なお、ルート割れ率については、ＪＩＳ
Ｚ３１５８に準じて、ｙ型溶接割れ試験によって評価
した。また、ｙ型溶接割れ試験は表１に示す溶接条件と
同様にして実施し、鋼材としては表２及び３に示す鋼材
Ｎｏ．Ａ１を使用した。

【００４１】図２は縦軸にルート割れ率をとり、横軸に
ソリッドワイヤ中のＮｉ含有量をとって、ソリッドワイ
ヤ中のＮｉ含有量及び水素量とルート割れ率との関係を
調査した結果を示すグラフ図である。但し、図中の数字
は実施例及び比較例のＮｏ．を示している。

【００４２】図２に示すように、比較例Ｎｏ．４５乃至
４８は、ワイヤ中のＨ含有量は２重量ｐｐｍ以下である
が、Ｎｉ含有量が７．５重量％未満であるので、溶着金
属に割れが発生した。このルート割れ率はワイヤ中のＮ
ｉ含有量が増加するにつれて減少している。また、比較
例Ｎｏ．４９はワイヤ中のＨ含有量が３．５ｐｐｍ、比
較例Ｎｏ．５０はワイヤ中のＨ含有量が２．７ｐｐｍで
あり、いずれも本発明範囲の上限を超えているので、溶
着金属に割れが発生した。

【００４３】一方、実施例Ｎｏ．４１乃至４４はワイヤ
中のＮｉ及びＨ含有量が本発明の範囲内であるので、割
れが発生しない良好な溶着金属を得ることができた。

【００４４】次いで、ソリッドワイヤ中のＮｉ含有量と
各変態温度（Ａｃ₁点、Ａｃ₃点及びＭｓ点）との関係の
１例を示す。

【００４５】図３は縦軸に溶着金属の変態開始温度をと
り、横軸にソリッドワイヤ中のＮｉ含有量をとって、ソ
リッドワイヤ中のＮｉ含有量と溶着金属の変態開始温度
との関係を調査した結果を示すグラフ図である。但し、
この溶着金属の特性はソリッドワイヤの組成に依存する
ものとする。また、図中の数字は実施例及び比較例のＮ
ｏ．を示している。

【００４６】図３に示すように、ワイヤ中のＮｉ含有量
が増加するに従って、各変態温度（Ａｃ₁点、Ａｃ₃点及
びＭｓ点）は低下する傾向を示す。特に、実施例Ｎｏ．
５１及び５２はワイヤ中のＮｉ含有量が本発明の範囲内
であるので、溶着金属のマルテンサイト変態開始温度が
４００℃以下となった。従って、ソリッドワイヤ中のＮ
ｉ含有量を適正量に規制することにより溶着金属の割れ
を防止することが容易になる。一方、比較例Ｎｏ．５９
及び６０はワイヤ中のＮｉ含有量が本発明範囲の下限未
満であるので、溶着金属のマルテンサイト変態開始温度
は高くなった。

【００４７】次に、ワイヤの送給速度を変化させて、ｙ
型割れ試験を実施した結果を示す。ｙ型割れ試験は、ワ
イヤ送給速度を除いて表１に示す溶接条件と同様にして
実施し、ワイヤとしては表４乃至６に示すワイヤＮｏ．
Ｔ２、鋼材としては表２及び３に示す鋼材Ｎｏ．Ａ１を
使用した。

【００４８】図４は縦軸にルート割れ率をとり、横軸に
ワイヤの送給速度をとって、ワイヤの送給速度とルート
割れ率のとの関係を調査した結果を示すグラフ図であ
る。但し、図中の数字は実施例及び比較例のＮｏ．を示
している。

【００４９】図４に示すように、実施例Ｎｏ．５１乃至
５６はワイヤの送給速度が５ｇ／分以上であり、ワイヤ
中及び鋼材中の含有化学成分を適正量に規制しているの
で、ルート割れが発生しなかった。一方、比較例Ｎｏ．
５７及び５８はワイヤの送給速度が５ｇ／分未満である
ので、溶着金属に割れが発生した。このルート割れ率
は、ワイヤの送給速度を上昇させるに従って減少してい
る。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高張力鋼のＣ含有量並びに使用するソリッドワイヤのＮ
ｉ、Ｃ及びＨ含有量を適正量に規制すると共に、ワイヤ
送給速度を規制しており、形成される溶着金属のマルテ
ンサイト変態開始温度を規制しているので、低温の予熱
で又は予熱することなく溶接割れを防止することができ
ると共に、機械的性能が優れた溶着金属を得ることがで
きる。従って、溶接能率及び溶接環境を向上させること
ができる。

【００５１】また、本発明によれば、大型構造物の溶接
において予熱を省略することが可能となるので、能率の
向上及び溶接環境の改善に大きく寄与する。また、温度
を若干上昇させて、例えば、現場における溶接に無理が
ない７５℃程度の予熱を実施する場合においても、従来
の溶接方法と比較して、溶接部における割れが抑制さ
れ、溶接部の品質が大きく改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】窓枠拘束多層溶接割れ試験の試験方法を示す正
面図である。

【図２】縦軸にルート割れ率をとり、横軸にソリッドワ
イヤ中のＮｉ含有量をとって、ソリッドワイヤ中のＮｉ
含有量及び水素量とルート割れ率との関係を調査した結
果を示すグラフ図である。

【図３】縦軸に溶着金属の変態開始温度をとり、横軸に
ソリッドワイヤ中のＮｉ含有量をとって、ソリッドワイ
ヤ中のＮｉ含有量と溶着金属の変態開始温度との関係を
調査した結果を示すグラフ図である。

【図４】縦軸にルート割れ率をとり、横軸にワイヤの送
給速度をとって、ワイヤの送給速度とルート割れ率との
関係を調査した結果を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；拘束板 ２：試験片 ２ａ：溝 ３：拘束のための溶接金属

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−22596（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−195192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−67593（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−237074（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−50446（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/23 B23K 9/167 B23K 35/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ０．１３質量％以下のＣを含有し、引張
   強さが７６０乃至９８０Ｎ／ｍｍ^２である高張力鋼のＴ
   ＩＧ溶接方法において、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に規定さ
   れた方法により得られた全溶着金属のマルテンサイト変
   態開始温度が４００℃以下であると共に、ワイヤ全質量
   に対してＮｉ：８．２５乃至１２．０質量％を含有し、
   Ｃ：０．１０質量％以下及びＨ：２質量ｐｐｍ以下に規
   制されたソリッドワイヤを使用し、ワイヤ送給速度を５
   乃至４０ｇ／分として溶接することを特徴とする高張力
   鋼のＴＩＧ溶接方法。
2. 【請求項２】 ０．１３質量％以下のＣを含有し、引張
   強さが７６０乃至９８０Ｎ／ｍｍ^２である高張力鋼のＴ
   ＩＧ溶接に使用されるソリッドワイヤにおいて、ＪＩＳ
   Ｚ ３１１１に規定された方法により得られた全溶着
   金属のマルテンサイト変態開始温度が４００℃以下であ
   ると共に、ワイヤ全質量に対してＮｉ：８．２５乃至１
   ２．０質量％を含有し、Ｃ：０．１０質量％以下及び
   Ｈ：２質量ｐｐｍ以下に規制されていることを特徴とす
   る高張力鋼のＴＩＧ溶接用ソリッドワイヤ。