JP3586380B2 - Multi-layer welding method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層溶接方法に関し、溶接構造物の信頼性向上に関するもので、特に溶接金属部分の残留応力を低減し、応力腐食割れ、疲労特性、脆性破壊特性等の向上に寄与するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、溶接部の残留応力を低減する最も有効な、かつよく用いられてきた方法は、溶接終了後、応力除去焼鈍(SR)を行う方法であった。これは、単に、溶接残留応力を低減するだけでなく、冶金的な特性をも改善する意味を持つ。しかし、SRは、溶接構造物の工作コストを増加させるという問題があり、SRを行わずに溶接残留応力を低減する方法があれば、産業上のメリットは大きい。
【0003】
そのため、これまでいくつかの残留応力低減方法が提案されてきている。その代表的なものは、溶接金属がオーステナイトからマルテンサイトに変態する時に生じる変態膨張を利用する方法、溶接終了後機械的に残留応力を低減する方法(ショットピーニング法等)、継手特性が問題となる部分に圧縮の残留応力が分布するようにわざと新たな溶接ビードを形成する方法、などがある。
【0004】
このうち後者2つについては、溶接構造物を作製する工作負荷に、新たな工作負荷を発生させるという問題を含んでいる。
これに対し、オーステナイトからマルテンサイトに変態する温度(以下、マルテンサイト変態開始温度すなわち「Ms温度」を指す)を低温度にし、その変態膨張を利用する方法は、材料自身が圧縮残留応力になるように振る舞うため、これで残留応力を低減することができれば新たな工作負荷が発生するという問題は生じない。なお、変態温度が低温度で生じなければならない理由は、変態終了後の熱収縮で再び残留応力が大きくならないようにするためである。
【0005】
しかし、この方法も、確実に残留応力を低減するという観点からは、まだ十分な効果を上げることはできてはいない。すなわち、多層溶接を行う場合において、最終層の各溶接ビードの残留応力は必ずしも全て低減されているとは限らず、部分的には高い残留応力が低温変態膨張材料を用いてもまだ生じている。
このように、溶接金属部分の残留応力が、必ずしも低減されていない場合は、その部分より応力腐食割れ等の問題が発生する危険性があることを意味し、溶接構造物全体としての信頼性という観点からは、必ずしも向上しているといえる保証はない。従って、溶接金属の変態膨張を用いて残留応力を低減する従来の技術では、未だ溶接構造物の信頼性を向上させるには至っていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題を解消し、溶接金属表面全体の残留応力を低減することができる多層溶接方法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】
本発明者らは、従来技術では、低温度での変態膨張を充分に残留応力低減に利用しきっていないと言うことに着眼し、溶接金属の低温度での変態膨張を確実に効果のあるものにするにはどうすればよいかという問題意識を持って、鋭意研究の結果、本発明を完成させたもので、その要旨は以下の通りである。
【0008】
(1)オーステナイトからマルテンサイトへの変態開始温度が、150℃以上300℃以下であるような溶接金属を形成し、かつ、最終層の表面をTIGリメルトラン溶接することを特徴とする多層溶接方法。
(2)C、Ni、CrおよびMoをそれぞれの成分の重量%とし、下記式で定義されるパラメーターPa の範囲が、0.95以上、かつ1.30以下であることを特徴とする溶接ワイヤを用いることを特徴とする前記(1)記載の多層溶接方法。
【0009】
Pa=C+Ni/12+Cr/24+Mo/19
(3)溶接ワイヤが、重量%で、
C:0.01〜0.2%、
Si:0.1〜0.5%、
Mn:0.01〜1.5%、
P:0.03%以下、
S:0.02%以下、
Ni:8〜12%を含有し、
Ti:0.01〜0.4%、
Nb:0.01〜0.4%、
V:0.3〜1.0%の1種または2種以上をさらに含有し、残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする前記(2)に記載の多層溶接方法。
【0010】
(4)溶接ワイヤが、重量%で、
Cu:0.05〜0.4%、
Cr:0.1〜3.0%、
Mo:0.1〜3.0%、
Co:0.1〜2.0%の1種または2種以上をさらに含有することを特徴とする前記(3)に記載の多層溶接方法。
【0011】
(5)溶接ワイヤが、重量%で、
C:0.001〜0.05%、
Si:0.1〜0.7%、
Mn:0.4〜2.5%、
P:0.03%以下、
S:0.02%以下、
Ni:4〜8%、
Cr:10〜15%、
N:0.001〜0.05%を含有し、
C+N:0.001〜0.06%であり、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする前記(2)に記載の多層溶接方法。
【0012】
(6)溶接ワイヤが、重量%で、
Mo:0.1〜2.0%、
Cu:0.05〜0.4%、
Ti:0.005〜0.3%、
Nb:0.005〜0.3%、
V:0.05〜0.5%の1種または2種上をさらに含有する前記(6)に記載の多層溶接方法。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
まず、多層溶接継手において、充分低温度で変態膨張が生じた場合においても、溶接ビード毎の残留応力を調べると、かなり高い応力値を示す場合がある理由について述べる。
【0014】
多層溶接を行う場合において、ある溶接ビードの残留応力が圧縮であったとする。その後、その溶接ビードに隣接するかたちで新たな溶接ビードが置かれたとき、そのビードが変態膨張するとそれ以前の溶接ビードを引張る方向に作用する。これは、ある溶接ビードの残留応力が低減されたとしても、その後引き続き溶接をすることにより、後続溶接ビードの変態膨張が、その前の溶接ビードに引張残留応力が生じるように作用することを意味し、結局残留応力が低減されるのは、最終層に存在しかつ最終ビードのみで、表層に存在するそれ以外のビードは、大きな引張残留応力が残ってしまうことを意味する。しかし、最終ビードに低温変態膨張が発生しない材料を使用すると、当然のことであるが最終ビードの残留応力を低減することはできない。
【0015】
このように、溶接ビードを表面に複数置く場合は、それぞれのビードがお互いに相互作用を起こすため、必ずしも溶接金属の表面の溶接残留応力を全面的に低減することは難しいと言わざるを得ない。従って、溶接材料に改良を加えることにより溶接金属の残留応力を低減する技術は、まだ充分完成されている技術ではないことがわかる。
【0016】
以上の考察からわかるように、最終層を1ビードで仕上げることが可能ならば、少なくとも溶接金属部分の表面は残留応力を低減することが可能であることがわかる。しかし、最終層を1ビードで仕上げるのは、開先が充分狭くすることができる場合を除けば、溶接入熱量が過大になりすぎる場合が多く、たとえ残留応力を低減したとしても、継手特性向上、ひいては溶接構造物の信頼性確保の観点からは必ずしも望ましい結果を得ることはできない。
【0017】
発明者らは、このような従来技術が持つ問題点を鋭意解析し、TIGリメルトラン溶接の効果を確認した。TIGリメルトラン溶接は、多層溶接を行ったときの、表面の溶接ビードによっては低温変態膨張をしたとしても必ずしも残留応力が低減されないというこれまでの問題点を解決するものである。すなわち、表面を一度TIGで再溶解させることにより、残留応力の再分配を発生させ、溶接金属表面を均一に溶融させ、新たな溶接ビードを形成させたときと同じ効果を発生させる。しかも、表面が一度溶融され、その後冷却過程に入り、かつ後続溶接が存在しないため、従来技術で発生した問題点、すなわち、あるビードの残留応力が低減されたとしても、後続溶接ビードで再び高い引張残留応力が発生するという問題がない。さらに、局部的にみれば、溶接ビード表面の応力集中部が少なくなるという利点も存在する。以上のように、TIGリメルトラン溶接を行うメリットは、継手性能向上の観点からすれば、その経済メリットは大きい。
【0018】
次に、溶接ワイヤの成分範囲を限定した理由をについて説明する。
まず、Ms温度を限定した理由を述べる。
溶接ワイヤは、最終層のビードが1ビードである場合においては溶接残留応力を期待できる程度に低Ms温度を持つ溶接金属を形成せしめることができなければならない。そのためにはMs温度が150℃以上300℃以下である必要がある。Ms温度の上限300℃を設定した理由は、もし、Ms温度がこれより高い温度である場合は、マルテンサイト変態し、その変態膨張により、そのときの温度、すなわちMs温度で応力が圧縮残留応力になったとしても、その後室温まで冷却する過程における熱収縮により再び高い引張応力状態になってしまうためである。変態後の熱収縮量は室温とMs温度の差に比例するため、Msがある程度以上高くなると熱収縮量が多くなり室温時の応力状態、すなわち残留応力を低減することが不可能になってくる。Ms温度の上限300℃は、これ以上高いMs温度では溶接材料を用いることによる残留応力低減は不可能であることからこの値を設定した。
【0019】
マルテンサイト変態後の熱収縮を小さくするためには、Ms温度は室温以上の値ならば、低ければ低いほど有利になると考えられる。しかし、実際の溶接金属においては、Ms温度が低すぎる場合、たとえその値が室温以上であったとしても、溶接金属全体が変態するとは限らない。残留オーステナイトの割合が高くなると言うことは、それだけ変態膨張量が小さくなることを意味する。本発明は、残留応力低減のため溶接金属の変態膨張を利用しているため、確実にマルテンサイト変態をさせなければ本発明の有効性を発揮することができない。Ms温度の下限150℃は、残留オーステナイトの発生を押さえマルテンサイト変態を確実に発生させるために設定した。
【0020】
以上のように、溶接ワイヤの成分はMs温度を所定の範囲内になるような成分系として定めるべきものであるが、この変態膨張を確実に有効利用するためには、変態時の溶接金属強度がある程度確保されていなければならないという問題もある。溶接金属の強度は、温度が上昇すると通常低下する傾向にある。したがって、例えば、もし、変態膨張時に、溶接金属強度が極端に低くなれば、変態膨張そのものは、ほとんどが残留応力に関係ない塑性歪みになるだけで、その後の熱収縮と強度回復により導入されるのは引張応力のみとなってしまうからである。そのため、溶接ワイヤ成分としては、低Ms温度を確保する点のみならず、強度を確保するという点からも限定する必要がある。
【0021】
このような特性を持つ溶接金属を形成することができる溶接ワイヤは、その成分選択にも細心の注意を払う必要がある。
次に、下記式に示されるパラメーターPを導入し、その値の範囲を限定した理由について述べる。
Pa=C+Ni/12+Cr/24+Mo/19 (i)
パラメーターPaは、C、Ni、CrおよびMoの成分値で計算される。これら成分は、溶接金属に添加することにより強度を向上させ、かつMs温度を低下させる働きを持つ。特に、Ms温度を低減させる元素という意味では、これらC、Ni、CrおよびMoは、最も有効利用すべき元素である。一方、C、Ni、CrおよびMoのMs温度を低減し残留応力を下げる働きは、必ずしも同一ではないため、それぞれの働きに応じた係数を定め、4つの元素全体としてその効果を表す指標を作成することは、工業的価値が高いと判断し、式(i)で示されるようなPaを作成したものである。但し、Paの値にもその適正範囲がある。例えば、Paが小さすぎるとMs温度を低減することが難しい。逆に、Paが大きいことは、Ms温度がより低減され、残留応力も低減されることを意味するが、オーステナイトが溶接金属に残留する可能性もあり、継手特性確保の観点からは好ましいとはいいがたい。以上のことにより、Paの範囲を0.95以上、1.30以下とした。
【0022】
このような成分系は必ずしも1種類だけではない。それは、Ms温度を下げることのできる成分はNi、Crなど複数存在することによる。本発明における溶接用鋼は、前記(3)および(4)に記述されているNiを主として用いる成分系と、前記(5)および(6)に記述されているCrを主として用いる成分系の2つに分けることができ、以降、前者をNi系溶接ワイヤ、後者をCr系溶接ワイヤと呼ぶことにする。以下に各元素の限定理由を詳細に説明する。
【0023】
まず、Ni系溶接ワイヤにおける成分範囲限定理由について説明する。
Cは、それを鉄に添加することによりMs温度を下げる働きをする。しかし、その一方で、過度の添加は、溶接金属の靱性劣化および溶接金属割れの問題を引き起こすため、その上限を0.2%とした。しかし、Cが無添加の場合は、マルテンサイトが得られにくく、また他の高価な元素のみで残留応力低減を図らなければならず経済的とはいえない。Cが0.01%以上添加する場合に限定したのは、安価な元素であるCを利用し、その経済メリットが出る最低限の値として設定した。なお、Cの上限は、溶接金属割れの観点から、好ましくは0.15%に設定することが望ましい。
【0024】
Siは、脱酸元素として知られる。Siは、溶接金属の酸素レベルを下げる効果がある。特に溶接施工中においては、溶接中に空気が混入する危険性があるため、Si量を適切な値にコントロールすることはきわめて重要である。まず、Siの下限についてであるが、溶接ワイヤに添加するSi量として0.1%に満たない場合、脱酸効果が薄れ溶接金属中の酸素レベルが高くなりすぎ、機械的特性、特に靱性の劣化を引き起こす危険性がある。そのため、溶接ワイヤについては、その下限を0.1%とした。一方、過度のSi添加も靱性劣化を発生せしめるため、その上限を0.5%とした。
【0025】
Mnは、強度を上げる元素として知られる。そのため、本発明における残留応力低減メカニズムである変態膨張時の降伏強度確保という観点から有効利用すべき元素である。Mnの下限、0.01%は強度確保という効果が得られる最低限の値として設定した。一方、過度の添加は、母材および溶接金属の靱性劣化を引き起こすためその上限を1.5%とした。
【0026】
PおよびSは、本発明では不純物である。しかし、これら元素は、溶接金属に多く存在すると、靱性が劣化するため、その上限をそれぞれ0.03%、0.02%とした。
Niは、単体でオーステナイトすなわち面心構造を持つ金属であり、溶接ワイヤに添加することによりオーステナイトの状態をより安定な状態にする元素である。鉄そのものは、高温域でオーステナイト構造になり、低温域でフェライトすなわち体心構造になる。Niは、それを添加することにより、鉄の高温域における面心構造をより安定な構造にするため、無添加の場合に比べ、より低温度域においても面心構造となる。このことは、体心構造に変態する温度が低くなることを意味する。Niの下限、8%は、残留応力低減効果が現れる最低限の添加量という意味で決定した。Niの上限、1 2%は、残留応力低減の観点からはこれ以上添加してもあまり効果が変わらない上、これ以上添加するとNiが高価であるという経済的デメリットが生じてくるためである。
【0027】
Cuは、溶接ワイヤにメッキすることにより通電性をよくする効果があるため、溶接作業性を改善するために有効な元素である。また、Cuは焼入性元素でもあるため、マルテンサイト変態を促進させるという効果も期待できる。Cuの下限0.05%は作業性改善やマルテンサイト変態促進のために必要な最低限の値として設定した。しかし、過度の添加は、作業性改善の効果がないだけでなく、ワイヤ製造コストを上げるため産業上も好ましくはない。Cuの上限、0.4%はこのような理由により設定した。
【0028】
Nbは、溶接金属中においてCと結合し、炭化物を形成する。Nb炭化物は、少量で溶接金属の強度を上げる働きがあり、従って、有効利用することの経済メリットは大きい。また、本発明における残留応力低減技術である、Ms温度における降伏強度を高める意味からもメリットは大きい。しかし、一方で過度の炭化物形成は、靱性劣化が発生するため自ずと上限が設定される。Nbの下限は、炭化物を形成せしめ、強度増加効果が期待できる最低の値として0.01%を設定した。上限は、靱性劣化による溶接部の信頼性が損なわれない値として0.4%とした。
【0029】
VもNbと同様な働きをする元素である。しかし、Nbと異なり、同じ析出効果を期待するためには、Nbより添加量を多くする必要がある。V添加の下限0.3%は、添加することにより析出硬化が期待できる最低値として設定した。Vの上限は、これより多く添加すると析出硬化が顕著になりすぎ、靱性劣化を引き起こすために1.0%とした。
【0030】
Tiも、Nb、V同様、炭化物を形成し析出硬化を生じせしめる。しかし、Vの析出硬化がNbのそれと違っていたようにTiの析出硬化もまたNb、Vと異なる。そのため、Tiの添加量の範囲もNb、Vと異なった範囲が設定される。Ti添加量の下限0.01%は、その効果が期待できる最低量として、上限の0.4%は靱性劣化を考慮して決定した。
【0031】
Crは、Nb、V、Ti同様析出硬化元素である。また、CrはMs温度を低減する効果も合わせ持つので有効活用すべき元素である。しかし、本発明における溶接ワイヤは、主としてNi添加によりMs温度低減を達成しているため、Cr添加量はNiより少なくすべきである。過度のCr添加は必ずしも残留応力低減効果を向上させず、Crが高価であるため産業上好ましくはない。Cr添加量の下限0.1%は、これを添加し、残留応力低減効果が得られる最低限の値として設定した。Cr添加量の上限3.0%は、Ni系溶接ワイヤについては、Ms温度がNi添加によりすでに低減されていること、他の析出元素により強度も確保されていることから、これ以上添加しても残留応力低減効果があまり変わらなくなる、靱性劣化が顕著になることにより設定した。
【0032】
MoもCr同様の効果を持つ元素である。しかし、Moは、Cr以上に析出硬化が期待できる元素である。そのため、添加範囲はCrより狭く設定した。下限の0.1%は、Mo添加の効果が期待できる最低限の値として設定した。上限の3.0%は、これ以上添加すると、硬化しすぎるため靱性劣化が顕著になってくるため設定した。
【0033】
Coは、Ti等と異なり、強い析出硬化を生じせしめる元素ではない。しかし、Coは、それを添加することにより強度増加をもたらし、かつ強度増加を期待しながら靱性を確保するという観点からは、Niより好ましい元素であることから有効利用すべき元素である。しかし、Niは、残留応力低減効果を期待できる程度の低Ms温度を確保するために溶接ワイヤに添加しているため、Co添加量の下限0.1%は、Co添加の効果が期待できる最低限の値として設定した。一方、過度の添加は、強度増加が過大となり靱性劣化をもたらすためその上限を2.0%とした。
【0034】
次に、Cr系溶接ワイヤについて、その成分範囲限定理由について説明する。Cは、それを鉄に添加することによりMs温度を下げる働きをする。しかし、その一方で、過度の添加は、溶接割れの問題や靱性劣化の問題を引き起こすため、その上限を0.05%とした。しかし、Cが無添加の場合は、マルテンサイトが得られにくく、また他の高価な元素のみで残留応力低減を図らなければならず経済的とはいえない。Cが0.005%以上添加する場合に限定したのは、安価な元素であるCを利用し、その経済メリットが出る最低限の値として設定した。
【0035】
Siは、脱酸元素として知られる。Siは、溶接金属や鋼材の酸素レベルを下げる効果がある。特に溶接金属では、溶接中に空気が混入する危険性があるため、Si量を適切な値にコントロールすることはきわめて重要である。まず、Siの下限についてであるが、溶接ワイヤに添加するSi量として0.1%に満たない場合、脱酸効果が薄れ溶接金属中の酸素レベルが高くなりすぎ、機械的特性、特に靱性の劣化を引き起こす危険性がある。そのため、溶接ワイヤについては、その下限を0.1%とした。一方、過度のSi添加も靱性劣化を発生せしめるため、その上限を0.7%とした。
【0036】
Mnは、強度を上げる元素として知られる。そのため、本発明における残留応力低減メカニズムである変態膨張時の降伏強度確保という観点から有効利用すべき元素である。Mnの下限、0.4%は強度確保という効果が得られる最低限の値として設定した。一方、過度の添加は、母材および溶接金属の靱性劣化を引き起こすためその上限を2.5%とした。
【0037】
PおよびSは、本発明では不純物である。しかし、これら元素は、母材および溶接金属に多く存在すると、靱性が劣化するため、その上限をそれぞれ0.03%、0.02%とした。
Niは、単体でオーステナイトすなわち面心構造を持つ金属である。鉄そのものは、高温域でオーステナイト構造になり、低温域でフェライトすなわち体心構造になる。Niは、それを添加することにより、鉄の高温域における面心構造をより安定な構造にするため、無添加の場合に比べ、より低温度域においても面心構造となる。このことは、体心構造に変態する温度が低くなることを意味する。また、Niはそれを添加することにより溶接金属の靱性を改善するという効果を持つ。Cr系溶接ワイヤにおけるNi添加量の下限4%は、残留応力低減効果が現れる最低限の添加量および靱性確保の観点から決定した。Ni添加量の上限8%は、Cr系溶接ワイヤにおいては、次に述べるCr添加によりある程度Ms温度が低減されていることおよび、残留応力低減の観点からはこれ以上添加してもあまり効果が変わらない上、これ以上添加するとNiが高価であるという経済的デメリットが生じてくるためこの値を設定した。
【0038】
Crは、Niと異なり、フェライトフォーマーである。しかし、Crは、それを鉄に添加すると、高温度域ではフェライトであるものの、中温度域ではオーステナイトを形成し、さらに温度が低くなると再びフェライトを形成する。溶接部の場合、溶接入熱量により熱履歴で、低い温度側のフェライトは一般的に得られず、マルテンサイトが得られることになる。これは、Crを添加することの利点は、焼入性の増加が原因である。すなわち、Crを添加することによるマルテンサイト変態は、焼入性が増加することによるフェライト変態が生じない点と、Ms温度そのものが低くなるという2つの点が存在する。これら両方の効果を満たしながら残留応力を低減するための変態膨張を有効利用するCr添加範囲として、下限10%を設定した。上限15%は、これを上回る量を添加してもその効果が大きくならない上、経済的にもデメリットが大きくなるため、この値を設定した。
【0039】
Cuは、溶接ワイヤにメッキすることにより通電性をよくする効果があるため、溶接作業性を改善するために有効な元素である。また、Cuは焼入性元素でもあるため、マルテンサイト変態を促進させるという効果も期待できる。Cuの下限0.05%は作業性改善やマルテンサイト変態促進のために必要な最低限の値として設定した。しかし、過度の添加は、作業性改善の効果がないだけでなく、ワイヤ製造コストを上げるため産業上も好ましくはない。Cuの上限、0.4%はこのような理由により設定した。
【0040】
Nbは、溶接金属中においてCと結合し、炭化物を形成する。Nb炭化物は、少量で溶接金属の強度を上げる働きがあり、従って、有効利用することの経済メリットは大きい。また、本発明における残留応力低減技術である、Ms温度における降伏強度を高める意味からもメリットは大きい。しかし、一方で過度の炭化物形成は、靱性劣化が発生するため自ずと上限が設定される。Nbの下限は、炭化物を形成せしめ、強度増加効果が期待できる最低の値として0.005%を設定した。上限は、靱性劣化による溶接部の信頼性が損なわれない値として0.3%とした。
【0041】
VもNbと同様な働きをする元素である。しかし、Nbと異なり、同じ析出効果を期待するためには、Nbより添加量を多くする必要がある。V添加の下限0.05%は、添加することにより析出硬化が期待できる最低値として設定した。Vの上限は、これより多く添加すると析出硬化が顕著になりすぎ、靱性劣化を引き起こすために0.5%とした。
【0042】
Tiも、Nb、V同様、炭化物を形成し析出硬化を生じせしめる。しかし、Vの析出硬化がNbのそれと違っていたようにTiの析出硬化もまたNb、Vと異なる。そのため、Tiの添加量の範囲もNb、Vと異なった範囲が設定される。Ti添加量の下限0.005%は、その効果が期待できる最低量として、上限の0.3%は靱性劣化を考慮して決定した。
【0043】
Moも、Nb、V、Ti同様析出硬化が期待できる元素である。しかし、Moは、Nb、V、Tiと同等な効果を得るためには、Nb、V、Ti以上に添加する必要がある。Mo添加量の下限0.1%は、析出硬化による降伏強度増加が期待できる最低値として設定した。また、上限の2.0%は、Nb、V、Ti同様、靱性劣化を考慮して決定した。
【0044】
Nは、オーステナイトフォーマーとして知られている元素である。Nも添加することによりマルテンサイトが得られやすくなるため、最低限の添加は必要である。Nの下限、0.001%は、C同様、低Ms温度が得られるための最低値として定めた。しかし、過大な添加は窒化物を形成し、靱性劣化や延性劣化の問題が発生するためその上限を0.05%とした。
【0045】
CとNは、それぞれ炭化物、窒化物を形成する、オーステナイトフォーマーであるなど、その働きが似ており、それら合計、すなわちC+Nの量も上限、下限を設定する必要がある。C+Nの下限、0.001%は、マルテンサイトを得やすくし、かつMs温度を低くするための最低限の値として、また上限の0.06%は、炭化物、窒化物による靱性劣化および延性劣化の問題が発生しない限界値として定めた。
【0046】
【実施例】
初めに、Ni系溶接ワイヤを用いた実施例について説明する。
表1に、溶接継手作製のために用いたTIG溶接ワイヤ成分、Ms温度およびPaを示す。表1に示すMs温度は、残留応力測定のために作製した溶接継手の溶接金属部分より試験片を採取して測定した値である。表1のワイヤを用いて、250A−12V−12cpmの溶接条件で、図1に示す開先形状を用いて、同じ条件で溶接継手を2体づつ作製した。2体作製した溶接継手のうち1体は、さらにTIGリメルトラン溶接を行った。
【0047】
このようにして作製した溶接継手の溶接金属部分の残留応力を測定した。残留応力測定法法は、ひずみゲージを溶接金属表面に貼り付け、その後歪みゲージ貼り付け部分を機械切断して残留応力を解放し、ひずみゲージによりその解放ひずみを測定するという、応力弛緩法を用いた。
TIGリメルトラン溶接を行わない溶接継手は、溶接ビード毎に残留応力が異なる可能性があるため、各ビードの中央に歪みゲージを貼り付けた。TIGリメルトラン溶接を行った継手については、表面が一度溶融するため、ひずみゲージはTIGリメルトラン溶接を行わなかった継手と同じ位置になるように貼り付けた。
【0048】
表2に、残留応力測定結果を示す。表2の測定位置1、2、3はそれぞれ最終層の第1ビード、第2ビード、第3ビードを示し、第3ビードが最終層最終ビードである。
表2からわかるように、溶接金属Ms温度(およびワイヤ成分とPa)が本発明の範囲内に入っていないNi−WA、Ni−WBの場合は、TIGリメルトラン溶接を行っても残留応力が溶接金属表面全体で低減されていない。Ni−WAにおいて、TIGリメルトラン溶接を行わない場合、第1ビードが圧縮残留応力になった理由は、第2ビード、第3ビードの溶接熱で初期残留応力が緩和されたことに加え、第3ビードの熱収縮が第1ビードに圧縮応力を発生する方向に作用したものであり、溶接材料の特性により残留応力が圧縮になったわけではない。
【0049】
また、溶接金属Ms温度(および溶接ワイヤとPa)が本発明の範囲内に収まっているNi−WC、Ni−WDについては、TIGリメルトラン溶接を行わない場合は、第3ビードすなわち最終ビードについては確かに残留応力は低減されていることがわかる。これは、溶接ワイヤの成分により残留応力が低減されていることを示すものである。しかし、TIGリメルトラン溶接を行った本発明例と比較すればわかるように、溶接金属表面の残留応力を全体的に低減するという観点からは、TIGリメルトラン溶接を行わなかった比較例では第1、第2ビードに高い引っ張り残留応力が発生しており、これを比較すれば、TIGリメルトラン溶接の有効性が理解できる。
【0050】
次に、Cr系溶接ワイヤを用いた実施例について説明する。
表3に、溶接継手作製のために用いたTIG溶接ワイヤ成分、Ms温度、およびPaを示す。表3に示すMs温度は、残留応力測定のために作製した溶接継手の溶接金属部分より試験片を採取して測定した値である。表3のワイヤを用い、Ni系溶接ワイヤにおける実施例について説明した条件と同一条件で溶接継ぎ手を作製し、同一手法により残留応力を測定した結果を表4に示す。
【0051】
表4からわかるように、本発明の範囲内であるCr−WA、Cr−WB、Cr−WDの各ワイヤを用いTIGリメルトラン溶接を行った継手は溶接金属表面全体で均一に残留応力が低減されていることがわかる。本発明の範囲内であるこれらCr−WA、Cr−WB、Cr−WDを用いてTIGリメルトラン溶接を行わない場合は、第3ビード(最終ビード)は残留応力が低減されているものの、第1ビード、第2ビードの残留応力は低減されていない。本発明の範囲外であるCr−WC、Cr−WDのワイヤについては、TIGリメルトラン溶接を行おうが、行わまいが、溶接金属表面全体の残留応力が均一に低減されることはなかった。
【0052】
【表1】

Figure 0003586380
【0053】
【表2】
Figure 0003586380
【0054】
【表3】
Figure 0003586380
【0055】
【表4】
Figure 0003586380
【0056】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接金属表面全体のの残留応力を低減させることが可能となり、溶接構造物の信頼性確保、向上がより確実となる。したがって、本発明は工業的価値の極めて高い発明であるといえる。
【図の簡単な説明】
【図1】図1は、溶接継手を作製したときの開先形状を示す断面図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-layer welding method, and more particularly to improving the reliability of a welded structure, particularly reducing residual stress in a weld metal portion and contributing to improvements in stress corrosion cracking, fatigue characteristics, brittle fracture characteristics, and the like. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the most effective and frequently used method for reducing the residual stress in a weld is to perform stress relief annealing (SR) after welding is completed. This has the meaning of not only reducing the welding residual stress but also improving the metallurgical properties. However, SR has a problem of increasing the machining cost of a welded structure. If there is a method of reducing welding residual stress without performing SR, there is a great industrial advantage.
[0003]
Therefore, several methods for reducing residual stress have been proposed. Typical examples are a method that utilizes the transformation expansion that occurs when the weld metal transforms from austenite to martensite, a method that mechanically reduces residual stress after welding is completed (shot peening method, etc.), and problems with joint characteristics. A method of intentionally forming a new weld bead such that the residual stress of compression is distributed in a portion where the welding is performed.
[0004]
The latter two include the problem that a new work load is generated in the work load for producing the welded structure.
On the other hand, the method of lowering the temperature at which austenite is transformed into martensite (hereinafter referred to as the martensite transformation start temperature, ie, “Ms temperature”) and utilizing the transformation expansion is a method in which the material itself becomes a compressive residual stress Therefore, if the residual stress can be reduced by this, there is no problem that a new work load is generated. The reason why the transformation temperature must occur at a low temperature is to prevent the residual stress from increasing again due to the heat shrinkage after the transformation.
[0005]
However, this method has not yet been able to achieve a sufficient effect from the viewpoint of reliably reducing the residual stress. That is, when performing multi-layer welding, the residual stress of each weld bead of the final layer is not necessarily all reduced, and partially high residual stress is still generated even by using the low-temperature transformation expansion material. .
As described above, when the residual stress of the weld metal portion is not necessarily reduced, it means that there is a risk that a problem such as stress corrosion cracking may occur from that portion, which is referred to as the reliability of the entire welded structure. From a point of view, there is no guarantee that it is necessarily improving. Therefore, the conventional technique of reducing the residual stress by using the transformation expansion of the weld metal has not yet improved the reliability of the welded structure.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a multi-layer welding method capable of solving the above-mentioned problems of the prior art and reducing the residual stress on the entire surface of the weld metal.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have focused on the fact that, in the prior art, the transformation expansion at a low temperature is not sufficiently utilized for reducing residual stress, and the transformation expansion of a weld metal at a low temperature is surely effective. The present invention has been completed as a result of intensive research with an awareness of the problem of how to achieve this, and the gist is as follows.
[0008]
(1) A multi-layer welding method comprising forming a weld metal having an austenite-to-martensite transformation start temperature of 150 ° C. or more and 300 ° C. or less, and performing TIG remeltran welding on the surface of the final layer.
(2) A welding wire, wherein C, Ni, Cr and Mo are each represented by weight% and the range of the parameter Pa defined by the following equation is 0.95 or more and 1.30 or less. The multi-layer welding method according to the above (1), wherein
[0009]
Pa = C + Ni / 12 + Cr / 24 + Mo / 19
(3) The welding wire is in weight%
C: 0.01 to 0.2%,
Si: 0.1-0.5%,
Mn: 0.01-1.5%,
P: 0.03% or less,
S: 0.02% or less,
Ni: contains 8 to 12%,
Ti: 0.01 to 0.4%,
Nb: 0.01 to 0.4%,
V: The multi-layer welding method according to (2), further comprising one or more of 0.3 to 1.0%, and the balance being iron and unavoidable impurities.
[0010]
(4) The weight of the welding wire is
Cu: 0.05 to 0.4%,
Cr: 0.1 to 3.0%,
Mo: 0.1 to 3.0%,
The multi-layer welding method according to the above (3), further comprising one or more of Co: 0.1 to 2.0%.
[0011]
(5) The welding wire is in weight%
C: 0.001 to 0.05%,
Si: 0.1-0.7%,
Mn: 0.4-2.5%,
P: 0.03% or less,
S: 0.02% or less,
Ni: 4 to 8%,
Cr: 10 to 15%,
N: 0.001 to 0.05%
C + N: 0.001 to 0.06%, the balance being iron and unavoidable impurities, the multi-layer welding method according to the above (2), wherein
[0012]
(6) Welding wire in weight%
Mo: 0.1 to 2.0%,
Cu: 0.05 to 0.4%,
Ti: 0.005 to 0.3%,
Nb: 0.005 to 0.3%,
V: The multi-layer welding method according to the above (6), further comprising one or more of 0.05 to 0.5%.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
First, the reason why even when transformation expansion occurs at a sufficiently low temperature in a multi-layer welded joint, the residual stress of each weld bead may show a considerably high stress value will be described.
[0014]
When performing multi-layer welding, it is assumed that the residual stress of a certain weld bead is compression. Thereafter, when a new weld bead is placed adjacent to the weld bead, the bead transforms and expands, acting to pull the previous weld bead. This means that, even if the residual stress of one weld bead is reduced, the subsequent expansion of the subsequent weld bead will cause a tensile residual stress in the previous weld bead by continuing welding. However, the fact that the residual stress is eventually reduced means that only the final bead existing in the final layer and the other beads existing in the surface layer have a large residual tensile stress. However, if a material that does not cause low-temperature transformation expansion is used for the final bead, the residual stress of the final bead cannot be reduced as a matter of course.
[0015]
As described above, when a plurality of weld beads are placed on the surface, it is difficult to completely reduce the residual welding stress on the surface of the weld metal because each bead interacts with each other. . Therefore, it can be seen that the technique of reducing the residual stress of the weld metal by improving the welding material is not a technique that has been sufficiently completed.
[0016]
As can be seen from the above considerations, if the final layer can be finished with one bead, it can be seen that at least the surface of the weld metal portion can reduce the residual stress. However, finishing the final layer with one bead often results in too much welding heat input unless the groove can be made sufficiently narrow. Even if the residual stress is reduced, the joint characteristics are improved. From the viewpoint of ensuring the reliability of the welded structure, a desired result cannot always be obtained.
[0017]
The present inventors have conducted an in-depth analysis of such problems of the conventional technology and confirmed the effects of TIG remeltran welding. The TIG remeltran welding solves the conventional problem that the residual stress is not necessarily reduced even when the low-temperature transformation expansion occurs depending on the welding bead on the surface when performing multi-layer welding. That is, once the surface is redissolved with TIG, redistribution of the residual stress is generated, the weld metal surface is uniformly melted, and the same effect as when a new weld bead is formed is generated. Moreover, since the surface is once melted, then enters the cooling process, and there is no subsequent welding, the problem that occurs in the prior art, that is, even if the residual stress of a certain bead is reduced, it is again high in the subsequent weld bead. There is no problem that tensile residual stress occurs. Further, from a local point of view, there is an advantage that the stress concentration portion on the surface of the weld bead is reduced. As described above, the merit of performing TIG remeltran welding has a great economic merit from the viewpoint of improving joint performance.
[0018]
Next, the reason for limiting the component range of the welding wire will be described.
First, the reason for limiting the Ms temperature will be described.
The welding wire must be capable of forming a weld metal having a low Ms temperature such that residual welding stress can be expected when the bead of the final layer is one bead. For that purpose, the Ms temperature needs to be 150 ° C. or more and 300 ° C. or less. The reason why the upper limit of the Ms temperature is set to 300 ° C. is that if the Ms temperature is higher than this, the Ms is transformed into martensite, and the transformation expansion causes the stress at the temperature at that time, ie, the Ms temperature, to reduce the compressive residual stress This is because, even if the tensile stress is reduced, the state of high tensile stress is again caused by thermal shrinkage in the process of cooling to room temperature. Since the amount of heat shrinkage after transformation is proportional to the difference between room temperature and the Ms temperature, if Ms becomes higher than a certain level, the amount of heat shrinkage increases and it becomes impossible to reduce the stress state at room temperature, that is, the residual stress. . The upper limit of the Ms temperature of 300 ° C. was set because the residual stress cannot be reduced by using a welding material at a higher Ms temperature.
[0019]
In order to reduce the thermal shrinkage after the martensitic transformation, it is considered that the lower the Ms temperature is, the more advantageous it is at room temperature or higher. However, in an actual weld metal, if the Ms temperature is too low, even if the value is equal to or higher than room temperature, the entire weld metal is not necessarily transformed. An increase in the ratio of retained austenite means that the amount of transformation expansion decreases accordingly. Since the present invention utilizes the transformation expansion of the weld metal to reduce the residual stress, the effectiveness of the present invention cannot be exhibited unless the martensitic transformation is securely performed. The lower limit of the Ms temperature, 150 ° C., was set to suppress generation of retained austenite and to surely generate martensitic transformation.
[0020]
As described above, the components of the welding wire should be determined as a component system that keeps the Ms temperature within a predetermined range. In order to use this transformation expansion effectively and effectively, the welding metal strength at the time of transformation is required. However, there is also a problem that some degree must be secured. The strength of the weld metal generally tends to decrease with increasing temperature. Thus, for example, if, during transformation expansion, the weld metal strength becomes extremely low, the transformation expansion itself will only result in plastic strain, mostly unrelated to residual stress, and will be introduced by subsequent heat shrinkage and strength recovery. This is because only tensile stress is applied. Therefore, it is necessary to limit the welding wire component not only in securing a low Ms temperature but also in securing strength.
[0021]
For a welding wire capable of forming a weld metal having such characteristics, it is necessary to pay close attention to the selection of its components.
Next, the reason for introducing the parameter P shown in the following formula and limiting the range of the value will be described.
Pa = C + Ni / 12 + Cr / 24 + Mo / 19 (i)
The parameter Pa is calculated from the component values of C, Ni, Cr and Mo. These components have the function of improving strength and lowering the Ms temperature by being added to the weld metal. In particular, C, Ni, Cr and Mo are the elements to be used most effectively in terms of elements that lower the Ms temperature. On the other hand, the functions of lowering the Ms temperature and lowering the residual stress of C, Ni, Cr and Mo are not always the same, so that the coefficients corresponding to the respective functions are determined and an index representing the effect is created for the four elements as a whole. That is, it is judged that the industrial value is high, and Pa as shown by the equation (i) is created. However, the value of Pa also has an appropriate range. For example, if Pa is too small, it is difficult to reduce the Ms temperature. Conversely, a large Pa means that the Ms temperature is further reduced and the residual stress is also reduced, but austenite may remain in the weld metal, which is preferable from the viewpoint of securing joint characteristics. I'm sorry. From the above, the range of Pa was set to 0.95 or more and 1.30 or less.
[0022]
Such a component system is not necessarily only one type. This is because there are a plurality of components such as Ni and Cr that can lower the Ms temperature. The welding steel according to the present invention is composed of a component system mainly using Ni described in the above (3) and (4) and a component system mainly using Cr described in the above (5) and (6). The former is hereinafter referred to as a Ni-based welding wire, and the latter as a Cr-based welding wire. Hereinafter, the reasons for limiting each element will be described in detail.
[0023]
First, the reason for limiting the component range in the Ni-based welding wire will be described.
C acts to lower the Ms temperature by adding it to iron. However, on the other hand, excessive addition causes problems of toughness deterioration of the weld metal and cracks in the weld metal, so the upper limit was made 0.2%. However, when C is not added, martensite is hardly obtained, and residual stress must be reduced only by other expensive elements, which is not economical. The reason for limiting the case where C is added at 0.01% or more is that C, which is an inexpensive element, is used, and is set as a minimum value at which an economic merit is obtained. Note that the upper limit of C is preferably set to 0.15% from the viewpoint of weld metal cracking.
[0024]
Si is known as a deoxidizing element. Si has the effect of lowering the oxygen level of the weld metal. In particular, during welding work, there is a risk of air being mixed during welding, so it is extremely important to control the amount of Si to an appropriate value. First, regarding the lower limit of Si, when the amount of Si added to the welding wire is less than 0.1%, the deoxidizing effect is weakened, the oxygen level in the weld metal becomes too high, and the mechanical properties, particularly the toughness, are reduced. There is a risk of causing deterioration. Therefore, the lower limit of the welding wire is set to 0.1%. On the other hand, since the excessive addition of Si also causes toughness degradation, the upper limit is set to 0.5%.
[0025]
Mn is known as an element for increasing the strength. Therefore, it is an element that should be used effectively from the viewpoint of ensuring the yield strength during transformation expansion, which is the residual stress reduction mechanism in the present invention. The lower limit of Mn, 0.01%, was set as the minimum value at which the effect of securing strength was obtained. On the other hand, excessive addition causes toughness deterioration of the base metal and the weld metal, so the upper limit was made 1.5%.
[0026]
P and S are impurities in the present invention. However, if these elements are present in a large amount in the weld metal, the toughness deteriorates. Therefore, the upper limits are set to 0.03% and 0.02%, respectively.
Ni is a single element of austenite, that is, a metal having a face-centered structure, and is an element that makes the state of austenite more stable by adding it to a welding wire. Iron itself has an austenitic structure in a high temperature range, and has a ferrite or body core structure in a low temperature range. Addition of Ni makes the face-centered structure of iron in a high-temperature range more stable, so that it has a face-centered structure even in a lower temperature range as compared with the case without addition. This means that the temperature at which the body transforms into a body-core structure becomes lower. The lower limit of Ni, 8%, was determined to mean the minimum amount of addition in which the residual stress reduction effect was exhibited. The upper limit of 12% of Ni is because, from the viewpoint of reducing the residual stress, the effect does not change so much even if it is further added, and if it is added more than that, there is an economic disadvantage that Ni is expensive.
[0027]
Cu is an element effective for improving welding workability because Cu has an effect of improving electrical conductivity by plating on a welding wire. Further, since Cu is also a hardenable element, an effect of promoting martensitic transformation can be expected. The lower limit of 0.05% of Cu was set as a minimum value necessary for improving workability and promoting martensitic transformation. However, excessive addition is not industrially preferable because it not only has no effect of improving workability but also increases wire manufacturing cost. The upper limit of Cu, 0.4%, was set for such a reason.
[0028]
Nb combines with C in the weld metal to form carbide. Nb carbide has the function of increasing the strength of the weld metal in a small amount, and therefore has a great economic merit of effective use. Further, there is a great merit from the viewpoint of increasing the yield strength at the Ms temperature, which is the residual stress reduction technique in the present invention. However, on the other hand, excessive carbide formation causes a deterioration in toughness, so that an upper limit is naturally set. The lower limit of Nb was set to 0.01% as a minimum value at which carbides were formed and an effect of increasing strength was expected. The upper limit is set to 0.4% as a value that does not impair the reliability of the weld due to deterioration in toughness.
[0029]
V is an element that functions similarly to Nb. However, unlike Nb, in order to expect the same precipitation effect, it is necessary to increase the amount of Nb added. The lower limit of 0.3% of the addition of V is set as the minimum value at which precipitation hardening can be expected by adding V. The upper limit of V is set to 1.0% because if more than this, precipitation hardening becomes too remarkable and toughness deteriorates.
[0030]
Ti, like Nb and V, also forms carbides and causes precipitation hardening. However, just as the precipitation hardening of V differs from that of Nb, the precipitation hardening of Ti is also different from Nb and V. Therefore, the range of the addition amount of Ti is set to a range different from Nb and V. The lower limit of 0.01% of the addition amount of Ti is determined as a minimum amount at which the effect can be expected, and the upper limit of 0.4% is determined in consideration of deterioration of toughness.
[0031]
Cr is a precipitation hardening element like Nb, V, and Ti. Further, Cr is an element to be effectively utilized because it also has the effect of reducing the Ms temperature. However, since the welding wire in the present invention achieves the reduction of the Ms temperature mainly by adding Ni, the amount of Cr added should be smaller than that of Ni. Excessive addition of Cr does not necessarily improve the effect of reducing residual stress, and is not industrially preferable because Cr is expensive. The lower limit of 0.1% of the amount of Cr added was set as the minimum value at which the effect of adding Cr was obtained and the effect of reducing residual stress was obtained. The upper limit of 3.0% of the added amount of Cr is more than that of the Ni-based welding wire because the Ms temperature has already been reduced by the addition of Ni and the strength is secured by other precipitated elements. The value was also set because the effect of reducing the residual stress did not change much and the deterioration in toughness became remarkable.
[0032]
Mo is also an element having the same effect as Cr. However, Mo is an element in which precipitation hardening can be expected more than Cr. Therefore, the addition range was set narrower than Cr. The lower limit of 0.1% was set as the minimum value at which the effect of Mo addition can be expected. The upper limit of 3.0% was set because, if added more than this, the composition would be excessively hardened and the toughness would be significantly deteriorated.
[0033]
Co, unlike Ti or the like, is not an element that causes strong precipitation hardening. However, Co is an element that should be effectively used because it is a more preferable element than Ni from the viewpoint of increasing the strength by adding it and securing the toughness while expecting the strength increase. However, since Ni is added to the welding wire in order to ensure a low Ms temperature at which a residual stress reduction effect can be expected, the lower limit of 0.1% of the Co addition amount is the minimum at which the effect of Co addition can be expected. Was set as the limit value. On the other hand, excessive addition results in excessive increase in strength and deterioration of toughness, so the upper limit was made 2.0%.
[0034]
Next, the reason for limiting the component range of the Cr-based welding wire will be described. C acts to lower the Ms temperature by adding it to iron. However, on the other hand, excessive addition causes problems of weld cracking and deterioration of toughness, so the upper limit was made 0.05%. However, when C is not added, martensite is hardly obtained, and residual stress must be reduced only by other expensive elements, which is not economical. The reason for limiting the case where C is added at 0.005% or more is that C, which is an inexpensive element, is used, and is set as a minimum value at which the economic merit is obtained.
[0035]
Si is known as a deoxidizing element. Si has the effect of lowering the oxygen level of the weld metal or steel. Particularly, in the case of a weld metal, it is extremely important to control the amount of Si to an appropriate value because there is a risk of air being mixed during welding. First, regarding the lower limit of Si, when the amount of Si added to the welding wire is less than 0.1%, the deoxidizing effect is weakened, the oxygen level in the weld metal becomes too high, and the mechanical properties, particularly the toughness, are reduced. There is a risk of causing deterioration. Therefore, the lower limit of the welding wire is set to 0.1%. On the other hand, excessive addition of Si also causes toughness degradation, so the upper limit was set to 0.7%.
[0036]
Mn is known as an element for increasing the strength. Therefore, it is an element that should be used effectively from the viewpoint of ensuring the yield strength during transformation expansion, which is the residual stress reduction mechanism in the present invention. The lower limit of Mn, 0.4%, was set as the minimum value at which the effect of securing strength was obtained. On the other hand, excessive addition causes toughness deterioration of the base metal and the weld metal, so the upper limit was made 2.5%.
[0037]
P and S are impurities in the present invention. However, if these elements are present in a large amount in the base metal and the weld metal, the toughness deteriorates. Therefore, the upper limits are set to 0.03% and 0.02%, respectively.
Ni is austenitic, that is, a metal having a face-centered structure by itself. Iron itself has an austenitic structure in a high temperature range, and has a ferrite or body core structure in a low temperature range. Addition of Ni makes the face-centered structure of iron in a high-temperature range more stable, so that it has a face-centered structure even in a lower temperature range as compared with the case without addition. This means that the temperature at which the body transforms into a body-core structure becomes lower. Ni has the effect of improving the toughness of the weld metal by adding it. The lower limit of 4% of the amount of Ni added to the Cr-based welding wire was determined from the viewpoint of the minimum amount of addition of the residual stress reducing effect and the securing of toughness. The upper limit of 8% of the addition amount of Ni is that the Cr-based welding wire has the Ms temperature reduced to some extent by the addition of Cr described below, and from the viewpoint of reducing the residual stress, the effect does not change much even if added more. This value is set because there is no economic disadvantage that Ni is expensive if added further.
[0038]
Cr is a ferrite former unlike Ni. However, when Cr is added to iron, it forms ferrite in a high temperature range, forms austenite in a medium temperature range, and forms ferrite again at a lower temperature. In the case of a welded part, ferrite on the lower temperature side is generally not obtained in the heat history due to the heat input, and martensite is obtained. This is because the advantage of adding Cr is due to an increase in hardenability. That is, the martensitic transformation due to the addition of Cr has two points: no ferrite transformation due to an increase in hardenability, and a decrease in the Ms temperature itself. The lower limit of 10% was set as a Cr addition range that effectively utilizes transformation expansion for reducing residual stress while satisfying both of these effects. The upper limit of 15% is set because the effect is not increased even if an amount exceeding the upper limit is added, and the disadvantage is increased economically.
[0039]
Cu is an element effective for improving welding workability because Cu has an effect of improving electrical conductivity by plating on a welding wire. Further, since Cu is also a hardenable element, an effect of promoting martensitic transformation can be expected. The lower limit of 0.05% of Cu was set as a minimum value necessary for improving workability and promoting martensitic transformation. However, excessive addition is not industrially preferable because it not only has no effect of improving workability but also increases wire manufacturing cost. The upper limit of Cu, 0.4%, was set for such a reason.
[0040]
Nb combines with C in the weld metal to form carbide. Nb carbide has the function of increasing the strength of the weld metal in a small amount, and therefore has a great economic merit of effective use. Further, there is a great merit from the viewpoint of increasing the yield strength at the Ms temperature, which is the residual stress reduction technique in the present invention. However, on the other hand, excessive carbide formation causes a deterioration in toughness, so that an upper limit is naturally set. The lower limit of Nb is set to 0.005% as a minimum value at which carbides are formed and the effect of increasing strength can be expected. The upper limit is set to 0.3% as a value that does not impair the reliability of the weld due to deterioration in toughness.
[0041]
V is an element that functions similarly to Nb. However, unlike Nb, in order to expect the same precipitation effect, it is necessary to increase the amount of Nb added. The lower limit of 0.05% of the addition of V is set as the minimum value at which precipitation hardening can be expected by adding V. The upper limit of V is set to 0.5% because if more than this, precipitation hardening becomes too remarkable and toughness deteriorates.
[0042]
Ti, like Nb and V, also forms carbides and causes precipitation hardening. However, just as the precipitation hardening of V differs from that of Nb, the precipitation hardening of Ti is also different from Nb and V. Therefore, the range of the addition amount of Ti is set to a range different from Nb and V. The lower limit of 0.005% of the added amount of Ti is determined as the minimum amount at which the effect can be expected, and the upper limit of 0.3% is determined in consideration of deterioration in toughness.
[0043]
Mo is also an element in which precipitation hardening can be expected like Nb, V and Ti. However, Mo needs to be added to Nb, V, and Ti or more in order to obtain the same effect as Nb, V, and Ti. The lower limit of 0.1% of the Mo content was set as the lowest value at which an increase in yield strength due to precipitation hardening can be expected. Further, the upper limit of 2.0% was determined in consideration of deterioration in toughness, similarly to Nb, V, and Ti.
[0044]
N is an element known as an austenite former. Since addition of N also makes it easier to obtain martensite, a minimum addition is necessary. The lower limit of N, 0.001%, as in C, was set as the minimum value for obtaining a low Ms temperature. However, an excessive addition forms a nitride and causes a problem of deterioration in toughness and ductility. Therefore, the upper limit is set to 0.05%.
[0045]
C and N have similar functions, such as forming carbides and nitrides and being austenite formers, respectively, and the sum of them, that is, the amount of C + N, also needs to have upper and lower limits. The lower limit of C + N, 0.001%, is a minimum value for easily obtaining martensite and lowering the Ms temperature, and the upper limit of 0.06% is toughness deterioration and ductility deterioration due to carbides and nitrides. It was set as the limit value that does not cause the problem.
[0046]
【Example】
First, an embodiment using a Ni-based welding wire will be described.
Table 1 shows the TIG welding wire components, Ms temperature, and Pa used for producing the welded joint. The Ms temperature shown in Table 1 is a value measured by collecting a test piece from a weld metal portion of a welded joint prepared for measuring residual stress. Two welding joints were produced using the wires shown in Table 1 under welding conditions of 250A-12V-12 cpm, and using the groove shape shown in FIG. 1 under the same conditions. One of the two welded joints was further subjected to TIG remeltran welding.
[0047]
The residual stress of the weld metal part of the weld joint thus manufactured was measured. The residual stress measurement method uses a stress relaxation method in which a strain gauge is attached to the surface of a weld metal, and then the part where the strain gauge is attached is mechanically cut to release the residual stress, and the released strain is measured using a strain gauge. Was.
Since the welded joint without TIG remeltran welding may have different residual stress for each weld bead, a strain gauge was attached to the center of each bead. Since the surface of the joint subjected to TIG remeltran welding was once melted, the strain gauge was attached so as to be at the same position as the joint not subjected to TIG remeltran welding.
[0048]
Table 2 shows the residual stress measurement results. Measurement positions 1, 2, and 3 in Table 2 show the first bead, the second bead, and the third bead of the final layer, respectively, and the third bead is the final bead of the final layer.
As can be seen from Table 2, in the case of Ni-WA and Ni-WB in which the weld metal Ms temperature (and the wire component and Pa) does not fall within the range of the present invention, the residual stress is welded even when performing TIG remeltran welding. Not reduced over the entire metal surface. In the case of Ni-WA, when the TIG remeltran welding is not performed, the reason why the first bead becomes the compressive residual stress is that the initial residual stress is relaxed by the welding heat of the second bead and the third bead. The heat shrinkage of the bead acts in the direction in which a compressive stress is generated in the first bead, and the residual stress is not necessarily compressed due to the properties of the welding material.
[0049]
For Ni-WC and Ni-WD in which the temperature of the weld metal Ms (and the welding wire and Pa) falls within the range of the present invention, when TIG remeltran welding is not performed, the third bead, that is, the final bead is used. It is clear that the residual stress is reduced. This indicates that the residual stress is reduced by the components of the welding wire. However, as can be seen from comparison with the present invention example in which TIG remeltran welding was performed, from the viewpoint of reducing the residual stress on the surface of the weld metal as a whole, the first and second comparative examples in which TIG remeltran welding was not performed were performed. High tensile residual stress is generated in the two beads, and by comparing this, the effectiveness of TIG remeltran welding can be understood.
[0050]
Next, an embodiment using a Cr-based welding wire will be described.
Table 3 shows the TIG welding wire components, Ms temperature, and Pa used for producing the welded joint. The Ms temperature shown in Table 3 is a value measured by collecting a test piece from a weld metal portion of a welded joint prepared for measuring residual stress. Table 4 shows the results of producing a welded joint using the wires of Table 3 under the same conditions as those described for the Ni-based welding wire and measuring the residual stress by the same method.
[0051]
As can be seen from Table 4, in the joint obtained by performing TIG remeltran welding using each of the Cr-WA, Cr-WB, and Cr-WD wires within the scope of the present invention, the residual stress is reduced uniformly over the entire weld metal surface. You can see that it is. When TIG remeltran welding is not performed using these Cr-WA, Cr-WB, and Cr-WD which are within the scope of the present invention, the third bead (final bead) has a reduced residual stress but has a reduced first stress. The residual stress of the bead and the second bead is not reduced. Regarding Cr-WC and Cr-WD wires that are outside the scope of the present invention, TIG remeltran welding may be performed, but whether or not TIG remeltran welding is performed, the residual stress on the entire weld metal surface is not uniformly reduced.
[0052]
[Table 1]
Figure 0003586380
[0053]
[Table 2]
Figure 0003586380
[0054]
[Table 3]
Figure 0003586380
[0055]
[Table 4]
Figure 0003586380
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the residual stress on the entire surface of the weld metal, and the reliability and improvement of the reliability of the welded structure are further ensured. Therefore, it can be said that the present invention is an invention having extremely high industrial value.
[Brief explanation of the figure]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a groove shape when a welded joint is manufactured.

Claims (6)

オーステナイトからマルテンサイトへの変態開始温度が、150℃以上300℃以下であるような溶接金属を形成し、かつ、最終層の表面をTIGリメルトラン溶接することを特徴とする多層溶接方法。A multilayer welding method comprising forming a weld metal having a transformation start temperature from austenite to martensite of 150 ° C. or more and 300 ° C. or less, and performing TIG remeltran welding on the surface of the final layer. C、Ni、CrおよびMoをそれぞれの成分の重量%とし、下記式で定義されるパラメーターPa の範囲が、0.95以上、かつ1.30以下であることを特徴とする溶接ワイヤを用いることを特徴とする請求項1記載の多層溶接方法。
Pa=C+Ni/12+Cr/24+Mo/19
Using C, Ni, Cr and Mo as the weight percent of each component, and using a welding wire characterized in that the range of the parameter Pa defined by the following equation is 0.95 or more and 1.30 or less. The method according to claim 1, wherein:
Pa = C + Ni / 12 + Cr / 24 + Mo / 19
溶接ワイヤが、重量%で、
C:0.01〜0.2%、
Si:0.1〜0.5%、
Mn:0.01〜1.5%、
P:0.03%以下、
S:0.02%以下、
Ni:8〜12%を含有し、
Ti:0.01〜0.4%、
Nb:0.01〜0.4%、
V:0.3〜1.0%の1種または2種以上をさらに含有し、残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする請求項2に記載の多層溶接方法。
Welding wire in weight%
C: 0.01 to 0.2%,
Si: 0.1-0.5%,
Mn: 0.01-1.5%,
P: 0.03% or less,
S: 0.02% or less,
Ni: contains 8 to 12%,
Ti: 0.01 to 0.4%,
Nb: 0.01 to 0.4%,
The multi-layer welding method according to claim 2, further comprising one or more of V: 0.3 to 1.0%, and the balance being iron and unavoidable impurities.
溶接ワイヤが、重量%で、
Cu:0.05〜0.4%、
Cr:0.1〜3.0%、
Mo:0.1〜3.0%、
Co:0.1〜2.0%の1種または2種以上をさらに含有することを特徴とする請求項3に記載の多層溶接方法。
Welding wire in weight%
Cu: 0.05 to 0.4%,
Cr: 0.1 to 3.0%,
Mo: 0.1 to 3.0%,
The multi-layer welding method according to claim 3, further comprising one or more of Co: 0.1 to 2.0%.
溶接ワイヤが、重量%で、
C:0.001〜0.05%、
Si:0.1〜0.7%、
Mn:0.4〜2.5%、
P:0.03%以下、
S:0.02%以下、
Ni:4〜8%、
Cr:10〜15%、
N:0.001〜0.05%を含有し、
C+N:0.001〜0.06%であり、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項2に記載の多層溶接方法。
Welding wire in weight%
C: 0.001 to 0.05%,
Si: 0.1-0.7%,
Mn: 0.4-2.5%,
P: 0.03% or less,
S: 0.02% or less,
Ni: 4 to 8%,
Cr: 10 to 15%,
N: 0.001 to 0.05%
The multi-layer welding method according to claim 2, wherein C + N: 0.001 to 0.06%, and the balance consists of iron and inevitable impurities.
溶接ワイヤが、重量%で、
Mo:0.1〜2.0%、
Cu:0.05〜0.4%、
Ti:0.005〜0.3%、
Nb:0.005〜0.3%、
V:0.05〜0.5%の1種または2種上をさらに含有する請求項6に記載の多層溶接方法。
Welding wire in weight%
Mo: 0.1 to 2.0%,
Cu: 0.05 to 0.4%,
Ti: 0.005 to 0.3%,
Nb: 0.005 to 0.3%,
The multilayer welding method according to claim 6, further comprising one or more of V: 0.05 to 0.5%.
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