JP3576393B2 - 高靭性溶接金属 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物に用いられる溶接ワイヤ及び溶接金属に関し、特に、溶接金属部の靭性が求められる構造物に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、構造物の耐震性に対する要求が高まりつつある。一方、寒冷地でのラインパイプ又は海洋構造物の建設のニーズも多く、低温での構造物の靭性の向上が求められている。これらのニーズに伴い鋼材及び溶接金属部の機械的特性の改善が求められ、特に靭性の改善が益々強く求められている。これらに対し、鋼材に関しては様々な研究が行われ、靭性の向上が図られてきているが、溶接金属は熱処理を加えることができないこと等から、鋼材に比べて靭性が低く、構造物の設計上の問題点となっている。
【0003】
溶接金属の靭性を向上させる技術としては、例えば、特公昭59−44159号公報に開示されている。これは、溶接用フラックス入りワイヤにおいて、Mgの添加による溶接金属中の酸素量の低下及びTi又はBの添加による組織の微細化により、溶接金属の靭性を改善している。
【0004】
また、鋼材では、フェライト+オーステナイト2相域からの焼き入れ処理を行って、鋼材組織をフェライト+残留オーステナイトとすることにより、靭性を改善することが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術により得られる溶接金属部の靭性は、まだ十分といえるレベルではない。また、溶接金属部においては鋼材のような熱処理を溶接後に行うことは事実上不可能であり、従来、熱処理を施すことなく溶接ままの状態で靭性を改善することはできなかった。
【0006】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接ままの状態で溶接金属の靭性を向上させることができる高靭性溶接金属を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高靭性溶接金属は、ワイヤ溶断時間が200msec以下、ワイヤ突き出し長さが25mm以上の溶接条件で溶接された溶接金属であって、C:0.02乃至0.12重量%、Si:0.1乃至1.1重量%、Mn:0.5乃至2.2重量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなると共に、残留オーステナイトを1.5体積%以上含有することを特徴とする。
【0008】
また、本発明の溶接金属は、Ni:0.1乃至3.0重量%、Cu:0.1乃至1.5重量%、Al:0.1乃至1.5重量%からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有することが好ましい。
【0009】
更に、本発明においては、B:0.0003乃至0.0080重量%、Ti:0.005乃至0.080重量%からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有することが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明者等が鋭意実験・研究した結果、残留オーステナイト(以下、残留γという。)を溶接金属に生成させることにより、溶接金属の靭性を大きく改善できることを見出した。即ち、マトリックスに比べて変形抵抗が低い残留γを生成させることにより、変形応力を低下させて伸びを向上させ、変形過程では残留γが応力誘起マルテンサイトに変態することによりエネルギを吸収させて、靭性を改善することができる。鋼材等においても機械的特性向上のために残留γを生成させる場合があるが、これらは、フェライト+オーステナイト2相域の温度域から急冷することにより実現しているものである。しかし、前述の溶接金属ではこのような熱処理を施すことができない。これに対して、本発明者等は、溶接金属組織に上部ベイナイトを生成させ、そのベイナイトのラスの間に残留γを生成させることが有効であることを見出した。つまり、ラス間に残留γを生成させることにより、残留γの形態が微細なものになるため、残留γが少量でも大きく靭性を向上させることができる。
【0011】
しかし、通常、上部ベイナイトが生成する場合、ラス上のベイニティックフェライトが生成し、そのラスの間のオーステナイトにCが濃縮されていくが、オーステナイトは不安定ですぐにオーステナイトが分解してセメンタイトが生成する。このため通常の溶接金属では残留γは生成しない。しかし、溶接金属組成及び溶接施工条件を最適に組み合わせることにより、溶接金属中の残留γを生成させられることを本発明者等は見出した。つまり、セメンタイトの生成を阻害する元素であるSi、Cu、Al等を溶接金属中に適量存在させることにより、ベイナイトのラスの間のオーステナイトを安定化し、更に適度な速度で冷却することにより、溶接金属中の残留γを生成することができる。
【0012】
しかし、溶接金属部は単層で形成されることは少なく、通常は多層盛りにより形成するため、上記方法により残留γを生成できても、次パスによる熱影響を受けて残留γが分解してしまうため、溶接金属部全体では、所望の残留γを得ることはできない。本発明者等は、この課題を解決するために溶接施工方法について鋭意研究した結果、次パスの熱影響によりオーステナイトに逆変態した領域、即ち旧オーステナイト粒が微細化した領域が少ない場合には、残留γに分解量が少ないことを見出した。更に、溶接ワイヤが溶解し易く、溶接時のワイヤ突出し長さが長い方が、溶接金属部に占める旧オーステナイト微細化領域の割合が小さくなり、所望の残留γ量を生成させることができることを見出した。具体的には、ワイヤ溶断時間は200msec以下の場合に良好であり、ワイヤ突き出し長さは、25mm以上の場合に良好になる。
【0013】
このように、溶接金属成分と溶接施工条件を最適にすることにより、上部ベイナイトのラス間に残留γを生成させ、溶接金属の大幅な靭性向上を実現したのである。
【0014】
以下、本発明に係る溶接金属の成分組成及び残留γの規定理由について説明する。
【0015】
C:0.02乃至0.12重量%
Cは、溶接金属の強度を確保するのに欠くことのできない元素であると共に、残留γを生成させる元素である。強度及び残留γの生成の観点から、Cは、少なくとも0.02重量%以上含有させなければならない。残留γ生成の観点からするとその添加量は多いほど望ましいが、多すぎると強度が高くなり過ぎてしまい、靭性が劣化すると共に、上部ベイナイトが形成されにくくなる。従って、Cの含有量の上限値は、0.12重量%とする。更に、Cの含有量のより好ましい範囲は0.05乃至0.08重量%である。
【0016】
Si:0.1乃至1.1重量%
Siは、脱酸剤であると共に、セメンタイトの生成を阻害して残留γを安定する元素の1つである。一方、Siは固溶強化元素であり、添加し過ぎると強度上昇により靭性が劣化する。これらの兼ね合いを考慮して、Siの含有量は、0.1乃至1.1重量%の範囲とする。更に、Siの含有量のより好ましい範囲は0.30乃至0.50重量%である。
【0017】
Mn:0.5乃至2.2重量%
Mnは、Siと同様に脱酸剤であると共に、溶接金属の強度を高める元素である。含有量が少なすぎるとこれらの効果を発揮することがない。Mnの含有量が多すぎると焼き入れ性が高まり靭性を劣化させるため、Mnの含有量の下限を0.5重量%とし、上限を2.2重量%とする。更に、Mnの含有量のより好ましい範囲は1.2乃至1.6重量%である。
【0018】
残留オーステナイト生成量:1.5体積%以上
残留γ生成量は、高靭化のための最も重要な因子であり、残留γ量が多いほど靭性は改善される。その生成量は1.5体積%以上で効果が現れるために、残留γの含有量を1.5体積%以上とする。しかし、現状では残留γを10.0体積%までしか生成させることしかできない。更に、残留γの含有量のより好ましい範囲は、4.0体積%以上である。
【0019】
Ni:0.1乃至3.0重量%
Niは、残留γを生成し易くする元素であると共に、溶接金属の靭性を改善する元素である。Niの含有量が0.1重量%未満では、その効果は少なく、3.0重量%以上では、焼き入れ性が高まり靭性を劣化する。更に、Niの含有量のより好ましい範囲は0.5乃至1.5重量%である。
【0020】
Cu:0.1乃至1.5重量%
Cuは、セメンタイトの生成を阻害して残留γを生成し易くする元素の1つであると共に、本発明では重要な元素の1つである。Cuの含有量は0.1重量%未満では、その効果は少ない。Cuの含有量が1.5重量%を超えると焼き入れ性が高まり過ぎて、靭性を劣化させたり、高温割れを生じる。Cuの含有量のより好ましい範囲は0.5乃至1.0重量%である。
【0021】
Al:0.1乃至1.5重量%
Alは、Cuと同様にセメンタイトの生成を阻害して残留γを生成し易くする元素の1つであると共に、本発明では重要な元素の1つである。Alの含有量は0.1重量%未満では、その効果は少ない。Alの含有量が1.5重量%を超えると凝固時に生成する粗大なδ−フェライトを生じて靭性を劣化させる。Alの含有量のより好ましい範囲は0.5乃至1.0重量%である。
【0022】
B:0.0003乃至0.0080重量%
Bは、溶接金属中に固溶したNを固定することにより靭性を改善する効果がある。Bの含有量は0.0003重量%以下では、その効果はない。Bの含有量が0.0080重量%以上では、Bが過剰になることにより焼き入れ性が高まって靭性を劣化する。Bの含有量のより好ましい範囲は0.0010乃至0.0050重量%である。
【0023】
Ti:0.005乃至0.080重量%
Tiは、Bと同様に溶接金属中に固溶したNを固定することにより靭性を改善する効果があると共に、結晶粒内フェライトの生成核となる酸化物を形成し、靭性を高める効果がある。Tiの含有量は0.005重量%以下では、その効果はない。Tiの含有量が0.080重量%以上では、Tiが過剰になることにより焼き入れ性が高まって靭性を劣化する。Tiの含有量のより好ましい範囲は0.020乃至0.0050重量%である。
【0024】
なお、不可避的不純物としては、P、S、Nb、V、Mo等があり、この不可避的不純物の合計が総量で0.05重量%以下であれば本発明の効果に影響はなく、本発明の目的は達成できる。
【0025】
【実施例】
以下、本発明に係る高靭性溶接金属の効果を実証するための実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。なお、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【0026】
溶接試験の供試材として、下記表1に示す組成の鋼材(母材鋼)と、下記表2及び表3に示す組成のフラックス入りワイヤを使用して炭酸ガスシールド溶接により溶接金属を作製した。下記表4に示す溶接条件で溶接ワイヤと溶接ワイヤの突き出し長さの組合せを変化させて溶接を行うことにより、溶接金属成分及び溶接金属部に生成する残留γ量を変化させた。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
【表3】
【0030】
【表4】
得られた溶接金属について、成分分析、残留γ量測定、シャルピー衝撃試験、引張強度試験を実施し、溶接金属の強度及び靭性について評価した。
【0031】
溶接金属中の残留γ生成量については、溶接線方向に垂直な溶接金属部の断面について、X線回折測定法により求めた。また、溶接ワイヤの溶断時間は、次のようにして測定した。図1に示すように、直流定電流電源1と架台4に設けられる1組のコンタクトチップ5とがケーブルCを介して接続し、コンタクトチップ5のチップ間隔lが50mmに設定する。直流定電流電源1と架台4との+側のケーブルCにシャント3を介して電圧波形が記録可能なデジタル電圧計2を接続する。そして、コンタクトチップ5、5の間に溶接ワイヤWを挿入し、電流250A/mm(溶接ワイヤWの径に対する電流値)を回路に流し、回路に電流が流れた時間を測定する。この時間を溶接ワイヤWの溶断時間とした。更に、靭性ついては、JISZ2202に基づいて、温度−20℃における衝撃エネルギvE−20℃を求めた。
【0032】
評価に関して、シャルピー衝撃試験においては、衝撃エネルギの値が70(J)以上のものを○とし、それ以下の場合には、×とした。また、引張試験においては、引張強度が490(MPa)以上のものを○とし、それ以下の場合には、×とした。更に、総合評価においては、シャルピー試験及び引張試験ともに○であったものは、良好とし、どちらか一方でも×の場合には、不良とした。その結果を実施例1乃至16については、表5乃至表8に示すと共に比較例1乃至14については、表9乃至表12に示す。
【0033】
【表5】
【0034】
【表6】
【0035】
【表7】
【0036】
【表8】
【0037】
【表9】
【0038】
【表10】
【0039】
【表11】
【0040】
【表12】
【0041】
本発明の全ての特許請求の範囲内にある実施例1乃至16は、いずれ良好な特性を示している。一方、比較例1乃至14は、成分又は残留γ量が本発明の特許請求の範囲から外れているために、溶接金属の靭性が乏しい。
【0042】
即ち、比較例1は、溶接ワイヤWの突出し長さが15mmと短いために、残留γの生成量が少なくなり、靭性が低下した。比較例2は、溶接ワイヤ溶断時間が223msecと長いと共に、溶接ワイヤWの突出し長さが15mmと短いために、残留γの生成量が少なくなり、靭性が低下した。比較例3及び比較例4は、溶接ワイヤ溶断時間が223msecと長いために、残留γの生成量が少なくなり、靭性が低下した。比較例5は、Cの含有量が0.01重量%と少ないないために、残留γの生成量が少なくなり、強度及び靭性ともに低下した。比較例6は、Cの含有量が0.13重量%と多く、残留γの生成量が多くなり、靭性が低下した。比較例7は、Siの含有量が1.20重量%と多いため、靭性が低下した。比較例8は、Mnの含有量が0.41重量%と少ないため、強度及び靭性ともに低下した。比較例9は、Mnの含有量が2.33重量%と多いため、靭性が低下した。比較例10は、Niの含有量が3.20重量%と多いために、靭性が低下した。比較例11は、Cuの含有量が1.71重量%と多いために、靭性が低下した。比較例12は、Alの含有量が1.70重量%と多いために、靭性が低下した。比較例13は、Tiの含有量が0.09重量%と多いために、靭性が低下した。比較例14は、Bの含有量が0.0095重量%と多いために、靭性が低下した。
【0043】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、従来よりも極めて高靭性の溶接金属を得ることが可能となり、耐震性が優れた構造物及び高靭性を必要とする海洋構造物又はラインパイプの建設を可能とし、この種の技術分野に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る溶断試験を示す概略図である。
【符号の説明】
1;直流定電流電源
2;シャント
3;デジタル電圧計
4;架台
5;コンタクトチップ
C;ケーブル
l;チップ間隔
W;ワイヤ
Claims (3)
- ワイヤ溶断時間が200msec以下、ワイヤ突き出し長さが25mm以上の溶接条件で溶接された溶接金属であって、C:0.02乃至0.12重量%、Si:0.1乃至1.1重量%、Mn:0.5乃至2.2重量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなると共に、残留オーステナイトを1.5体積%以上含有することを特徴とする高靭性溶接金属。
- Ni:0.1乃至3.0重量%、Cu:0.1乃至1.5重量%、Al:0.1乃至1.5重量%からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有することを特徴とする請求項1に記載の高靭性溶接金属。
- B:0.0003乃至0.0080重量%、Ti:0.005乃至0.080重量%からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の高靭性溶接金属。
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