JP3613155B2 - 鋼材溶接用ワイヤ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスシールドアーク溶接あるいはエレクトロガス溶接等によって鋼材を溶接する際に使用される鋼材溶接用ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、大気中における耐食性を向上した耐候性鋼は、船舶やタンク等の鋼構造物あるいは橋梁等の鋼建築物に広く利用されている。
近年、耐候性をさらに向上するために、Ｃｕ，Ｎｉ等の合金元素を添加した低炭素耐候性鋼が開発されている。ＣｕおよびＮｉを含有する低炭素耐候性鋼は良好な耐食性を有するが、これらの鋼材を用いて鋼構造物や鋼建築物を建造する場合に、従来から知られている溶接材料を用いると、耐食性が低下するという問題があった。すなわち、これらの耐食性鋼は、鋼板の表面にＮｉ，Ｃｕ等の元素添加が緻密な「安定さび層」を形成させることにより、自己防食機能を持つと考えられているだが、溶接金属およびその近傍では、金属の組成が耐食性鋼の組成と異なるため、耐食性が低下するのである。
【０００３】
このような問題に対して、特開２０００−１０２８９３ 号公報ではＮｉおよびＣｕを添加した耐食性鋼に適用するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤが開示されている。ところが、発明者らが特開２０００−１０２８９３ 号公報によるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤについて種々検討したところ、そのフラックス入りワイヤを用いた溶接作業においては、スラグの剥離性が悪く、また、耐食性についても溶接される耐食性鋼に比べて劣るという問題が確認された。
阻害するという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような問題を解消し、鋼材を溶接する際に溶接金属およびその近傍の耐食性を向上させ、かつ溶接スラグの剥離性に優れた鋼材溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、耐食性鋼を溶接するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤについてさらに検討したところ、耐食性の劣化の原因は、溶接金属およびその近傍に剥離せずに残存した微小な溶接スラグが、緻密な「安定さび層」の形成を阻害することであると考えた。この考えに基づき、本発明者らは、スラグの剥離性が良好で、かつ溶接金属およびその近傍の耐食性も良好となるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを開発した。その構成は下記の通りである。
【０００６】
本発明は、鋼材を溶接するために使用されるフラックスおよび鋼製外皮からなる鋼材溶接用ワイヤであって、フラックス中と鋼製外皮とに含有されるCu、Ni、Si、Mn、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Cr、Tiの合計含有量が、フラックスと鋼製外皮との合計質量に対して、それぞれCu：0.05〜0.5 質量％、Ni： 2.5〜3.0 質量％、Si：0.05〜0.70質量％、Mn： 1.8〜3.0 質量％、Ｃ：0.02〜0.10質量％、Ｐ： 0.020質量％以下、Ｓ： 0.003〜0.020 質量％、Ｂ：0.0050質量％以下、Cr：0.05質量％以下、Ti： 2.0〜4.0 質量％であり、前記フラックス中と前記鋼製外皮とに含有されるBiの含有量が、前記フラックスと前記鋼製外皮との合計質量に対して、合計 0.068〜0.070 質量％である組成を有することを特徴とする耐食性に優れた溶接部を形成できる鋼材溶接用ワイヤである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
溶接金属およびその近傍のスラグ剥離性，耐食性を向上させるためには、溶接金属の組成を調整しなければならない。溶接金属の組成は、鋼材の組成と溶接材料の組成とによって決まるものである。鋼構造物や鋼建築物に使用される鋼材の組成は、その使用条件や環境条件によって設計されるため、溶接金属の組成を調整するためには、適正な組成の溶接材料を使用する必要がある。
【０００９】
溶接材料として鋼材溶接用ワイヤを用いる場合は、フラックスの組成と鋼製外皮の組成とが溶接金属の特性に影響を与えるため、フラックスと鋼製外皮とに含まれる元素の含有量を適正な範囲に維持しなければならない。
以下に本発明の鋼材溶接用ワイヤに含有される各元素の含有量の限定理由を説明する。なおCu，Ni，Si，Mnの含有量は、その元素がフラックス中の金属成分と鋼製外皮とに含有される質量およびフラックス中の金属成分と鋼製外皮との合計質量を用いて下記の式で算出される値である。下記の式で算出される含有量を、以下では必要に応じて「含有量１」と称する。
なお、フラックス中の金属成分とは、金属や合金といったいわゆる金属相のことであり、酸化物，ハロゲン化物といった金属相以外の相に含有される金属元素のことを指すのではない。
【００１０】
含有量１（質量％）＝ １００×（ｍＦｍｅｔａｌ＋ｍｓ ）／（ＭＦｍｅｔａｌ＋Ｍｓ ）
ｍＦｍｅｔａｌ：フラックス中の金属成分に含有される各元素の質量（ｋｇ）
ｍｓ ：鋼製外皮に含有される各元素の質量（ｋｇ）
ＭＦｍｅｔａｌ：フラックス中の金属成分の質量（ｋｇ）
Ｍｓ ：鋼製外皮の質量（ｋｇ）
また、Ｂｉ，Ｃ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｃｒ，Ｔｉの含有量は、フラックスと鋼製外皮とに含有される各元素の質量およびフラックスと鋼製外皮との合計質量を用いて下記の式で算出される値である。下記の式で算出される含有量を、以下では必要に応じて「含有量２」と称する。
【００１１】
含有量２（質量％）＝ 100×（ｍF ＋ｍs ）／（ＭF ＋Ｍs ）
ｍF ：フラックスに含有される各元素の質量（kg）
ｍs ：鋼製外皮に含有される各元素の質量（kg）
ＭF ：フラックスの質量（kg）
Ｍs ：鋼製外皮の質量（kg）
Bi：合計 0.068〜0.070 質量％
Biは溶接の際に発生する溶接スラグの剥離性を改善するために不可欠の元素である。Biは主に Bi2Ｏ3 等の酸化物としてフラックスに添加されるが、金属BiまたはFe−Bi合金等の形態で添加しても良い。Biが、Bi含有量に換算した値で合計 0.068質量％未満では、溶接金属中に溶け込むBiが不足して溶接スラグの剥離性の改善効果は十分に得られない。またBiが、Bi含有量に換算した値で合計 0.070質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むBiが過多となり、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってBiの含有量は合計 0.068〜0.070 質量％とする必要がある。
【００１２】
Ｃｕ：合計０．０５〜０．５ 質量％
Ｃｕは溶接金属の耐食性を改善する元素である。Ｃｕが合計０．０５質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＣｕが不足して溶接金属の耐食性の改善効果が得られない。またＣｕが合計 ０．５質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＣｕが過多となり、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＣｕの含有量は合計０．０５〜０．５ 質量％とする必要がある。
【００１３】
Ｎｉ：合計 ２．５〜３．０ 質量％
Ｎｉは溶接金属の高温割れ感受性を低減し、かつ耐食性を改善する元素である。Ｎｉが合計 ２．５質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＮｉが不足して溶接金属の高温割れ感受性が高くなり、しかも耐食性の改善効果も得られない。またＮｉが合計 ３．０質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＮｉが過多となり、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＮｉの含有量は合計 ２．５〜３．０ 質量％とする必要がある。
【００１４】
Ｓｉ：合計０．０５〜０．７０質量％
Ｓｉは脱酸のために不可欠な元素である。Ｓｉが合計０．０５質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＳｉが不足して脱酸の効果は十分に得られない。またＳｉが合計０．７０質量％を超えると、高温割れ感受性が高くなる。Ｓｉが合計０．７０質量％を超える場合、高くなる高温割れ感受性を低減させるためには、Ｍｎ，Ｎｉ等の溶接金属中合金元素量をフラックス中に添加することが必要となる。しかし、Ｍｎ，Ｎｉ等の添加により高温割れ感受性を低減させた場合には、溶接金属の靱性が低下し、かつ溶接金属中の水素が起因する低温割れ感受性が高くなる。したがってＳｉの含有量は合計０．０５〜０．７０質量％とすること必要がある。
【００１５】
Ｍｎ：合計 １．８〜３．０ 質量％
Ｍｎは溶接金属を脱酸し、かつ溶接金属の強度および靱性を向上させる。また、高温割れ感受性を増大させるＳと化合物を形成し、高温割れを抑制するために不可欠の元素である。Ｍｎが合計 １．８質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＭｎが不足して脱酸および高温割れ抑制の効果は十分に得らず、かつ強度および靱性が向上しない。またＭｎが合計 ３．０質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＭｎが過多となり、溶接金属の靱性が低下し、かつ溶接金属中の水素が起因した低温割れ感受性が高くなる。したがってＭｎの含有量は合計 １．８〜３．０ 質量％とする必要がある。
【００１６】
Ｃ：合計0.02〜0.10質量％
Ｃは溶接金属の強度を向上させるが、溶接金属の高温割れ感受性を高める原因にもなる元素である。Ｃが合計0.02質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＣが不足して強度が向上しない。またＣが合計0.10質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＣが過多となり、高温割れ感受性が高くなる。したがってＣの含有量は合計0.02〜0.10質量％とする。
【００１７】
Ｐ：合計 0.020質量％以下
Ｐは不純物として不可避的に含有され、溶接金属の靱性を低下させる元素である。したがって、Ｐは少ないほど好ましい。特に、Ｐが合計 0.020質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＰが過多となり、溶接金属の靱性が低下する。したがってＰの含有量は合計 0.020質量％以下とする。
【００１８】
Ｓ：合計 0.003〜0.020 質量％
Ｓは溶接時の液滴の流れを改善するが、溶接金属の靱性を低下させ、かつ高温割れ感受性を高める原因にもなる元素である。Ｓが合計 0.003質量％未満では、溶接時の液滴の粘性が高くなり、液滴の流れが阻害される。またＳが合計 0.020質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＳが過多となり、溶接金属の靱性が低下し、かつ高温割れ感受性が高くなる。したがってＳの含有量は合計 0.003〜0.020 質量％とする。
【００１９】
Ｂ：合計0.0050質量％以下
Ｂは溶接金属の焼入れ性を向上させるが、高温割れ感受性を高める原因にもなる元素である。焼入れ効果を利用して溶接金属の強度を向上させるために、鋼材溶接用ワイヤを介して溶接金属にＢを添加する。しかしＢが合計0.0050質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＢが過多となり、溶接金属の靱性が著しく低下し、かつ高温割れ感受性が高くなる。したがってＢの含有量は合計0.0050質量％以下とする。
【００２０】
Cr：合計0.05質量％以下
Crは塩分の少ない環境下では耐食性を向上させる元素であるが、海岸地帯のように塩分の多い環境下では逆に耐食性を劣化させる元素である。よって本発明では積極的には添加しないが、0.05質量％までは許容できる。したがってCrの含有量は合計0.05質量％以下とする。
【００２１】
Ti：合計 2.0〜4.0 質量％
Tiは溶接時のアークの安定性およびスラグの被包性を向上させて全姿勢溶接性を良好にし、かつ金属として添加された場合には溶接金属を脱酸する働きを有する元素である。Tiは主にTiＯ2 としてフラックスに添加されるが、金属TiまたはFe−Ti合金等の形態で添加しても良い。Tiが、Ti含有量に換算した値で合計 2.0質量％未満では、溶接時のアークの安定性およびスラグの被包性を向上する効果は十分に得られない。またTiが、Ti含有量に換算した値で合計 4.0質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むTiが過多となり、スラグの粘性が上昇するためビード形状が悪くなる。したがってTiの含有量は合計 2.0〜4.0 質量％とする。
【００２２】
なお本発明の鋼材溶接用ワイヤは、上記の成分に加えて、一般に使用されるスラグ形成剤を含有しても良い。スラグ形成剤は、特定の種類に限定しないが、ＳｉＯ２ ，ＺｒＯ２ ，Ａｌ２ Ｏ３ ，ＭｎＯ，ＭｇＯ等の酸化物、ＣａＦ２ ，ＢａＦ２ ，ＭｇＦ，ＬｉＦ等のふっ化物、ＣａＣＯ３ ，ＢａＣＯ３ 等の炭酸塩、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属およびその化合物、Ａｌ等の金属およびその合金等を使用できる。
【００２３】
また本発明の鋼材溶接用ワイヤの直径，断面形状および鋼製外皮の材質は、適宜選択して使用すれば良い。溶接方法も特定の方法に限定せず、ガスシールドアーク溶接やエレクトロガス溶接等の種々の溶接方法から適宜選択すれば良い。
ガスシールドアーク溶接で溶接を行なう場合は、シールドガスとして、不活性ガス、または不活性ガスに任意の割合でＣＯ２ を混合した混合ガス、または前記混合ガスに５ ｖｏｌ％以下のＯ２ を混合した混合ガス、または不活性ガスに５ ｖｏｌ％以下のＯ２ を混合した混合ガス、またはＣＯ２ ガスを用いるのが好ましい。なお不活性ガスはＡｒガス，ＨｅガスあるいはＡｒとＨｅの混合ガスを用いるのが好ましい。
【００２４】
本発明の鋼材溶接用ワイヤは、Ｃ含有量が０．０１〜０．０３質量％、Ｓ含有量が０．０１０ 質量％以下、Ｂ含有量が０．０００１〜０．００３０質量％、Ｎｉ含有量が ２．５〜３．０ 質量％、Ｃｕ含有量が０．０５〜０．５ 質量％の鋼材を溶接する際に使用するのが好ましい。
この組成を有する鋼材は溶接硬化性が低いので、溶接の際に予熱が省略できる。またＣ含有量が低いため、アークストライクのような冷却速度が非常に速い溶接を行なった場合でも、溶接熱影響部はマルテンサイト変態を起こさない。したがって、このような鋼材は、溶接によって建造される鋼構造物や鋼建築物に適している。
【００２５】
以下に、鋼材に含有される各元素の含有量の好ましい範囲とその理由を説明する。
Ｃ：０．０１〜０．０３質量％
Ｃは鋼材の強度を向上させるために添加するが、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。また鋼中Ｃ量の低減は耐食性向上に有利である。鋼材に含有されるＣが０．０１質量％未満では、所定の強度が得られない。また鋼材に含有されるＣが０．０３質量％を超えると、溶接金属の靱性が劣化し、高温割れ感受性が高くなる。したがってＣの含有量は０．０１〜０．０３質量％とすることが好ましい。
【００２６】
Ｓ： ０．０１０質量％以下
Ｓは不純物として不可避的に鋼材に含有され、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。鋼材に含有されるＳは少ないほど好ましい。特に、鋼材に含有されるＳが ０．０１０質量％を超えると、溶接金属の高温割れ感受性が著しく高くなる。したがってＳの含有量は ０．０１０質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
Ｂ：０．０００１〜０．００３０質量％
Ｂは鋼材の焼入れ性を増加させ、さらに耐食性を向上させ、かつ溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。この鋼材はＣ含有量が低いので、焼入れ効果を利用して鋼材の強度を向上させるためにＢを添加する。鋼材に含有されるＢが０．０００１質量％未満では、焼入れ効果が得られない。また鋼材に含有されるＢが０．００３０質量％を超えると鋼材の靱性が低下し、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＢの含有量は０．０００１〜０．００３０質量％とすることが好ましい。
【００２８】
Ｎｉ： ２．５〜３．０ 質量％
Ｎｉは鋼材の耐食性を向上させために添加される元素であるが、溶接金属の高温割れ感受性を低減する効果も有する。鋼材に含有されるＮｉが ２．５質量％未満では、鋼材の耐食性の向上効果が得られず、しかも溶接金属の高温割れ感受性の低減効果も得られない。また鋼材に含有されるＮｉが ３．０質量％を超えると、鋼材の耐食性の向上効果および溶接材料の高温割れ感受性の低減効果がともに飽和する。したがってＮｉの含有量は ２．５〜３．０ 質量％とすることが好ましい。
【００２９】
Ｃｕ：０．０５〜０．５ 質量％
Ｃｕは鋼材の耐食性を向上させるために添加される元素である。鋼材に含有されるＣｕが０．０５質量％未満では、鋼材の耐食性の向上効果が得られない。また鋼材に含有されるＣｕが ０．５質量％を超えると、鋼材の熱間加工性を阻害し、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＣｕの含有量は０．０５〜０．５ 質量％とすることが好ましい。
【００３０】
鋼材および溶接金属が所望の特性を得るように、他の元素を適宜選択して添加しても良い。たとえば、鋼材の強度，靱性，耐候性および溶接金属の高温割れ感受性，溶接スラグの剥離性等の良好な特性を有する鋼材の例として、上記の組成に加えて、Ｓｉ： ０．４質量％以下，Ｍｎ： ０．２〜１．４ 質量％，Ｐ： ０．０２０質量％以下，Ｃｒ： ０．１質量％以下，Ａｌ：０．０１〜０．０５質量％を含有し、Ｎｂ： ０．００５〜０．１ 質量％，Ｔｉ： ０．００５〜０．１ 質量％，Ｖ： ０．００５〜０．１ 質量％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
鋼材１を、図１に示すような開先形状に加工して、ガスシールドアーク溶接を行なった。開先形状は、板厚ｔが２０ｍｍ、ルート面幅ｗが５ｍｍ、開先角度θが９０°であった。鋼材１として使用した引張強さ５７０ＭＰａ級の耐候性鋼板は表１に示す２種類であり、鋼材溶接用ワイヤは表２に示す６種類を使用した。フラックス中の金属成分と鋼製外皮との合計質量に対するＳｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉの含有量（含有量１）、フラックスと鋼製外皮との合計質量に対するＢｉ，Ｃ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏの含有量（含有量２）、およびフラックスと鋼製外皮との合計質量に対するスラグ形成剤の含有量を湿式分析法で測定し、表２に示す。
【００３２】
なお表２のワイヤｄは本発明の鋼材溶接用ワイヤの例である。一方、ワイヤａ〜ｃ，ｆはBiの含有量が本発明の範囲を外れる鋼材溶接用ワイヤの例である。ワイヤｇはCuおよびNiの含有量が本発明の範囲を外れる鋼材溶接用ワイヤの例である。なおワイヤａ〜ｄ，ｇ，ｆには、スラグ形成剤としてSiＯ2 等の酸化物を添加した。ワイヤ径は、いずれも 1.2mmであった。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【表２】
【００３５】
溶接条件は、溶接電流： ２５０Ａ，溶接電圧：３０Ｖ，溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ ，溶接入力：１５ｋＪ／ｃｍ，シールドガス：ＣＯ２ ，ガス流量：２５ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ ，溶接姿勢：下向きとした。この溶接条件で、溶接長さ５００ｍｍ のガスシールド多層溶接継手を作製した後、溶接金属およびその近傍から試料を採取し、耐食性，溶接金属のシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー ｖＥ−５（Ｊ）および溶接スラグの剥離性を調査した。その結果を表３に示す。
【００３６】
耐食性試験に供する試験片は、全体のサイズを １００ｍｍ×５０ｍｍ×板厚とし、溶接方向の長さ１０ｍｍとした。この試験片は、塩水散布を含む１年間の大気暴露を行った。耐食性試験のその他の条件としては、週２回の海水を塩水散布し、試験片は南向き４５°の傾斜で設置した。暴露後、試験片をショットブラスト処理して錆を除去した後に試験片の質量減少量を測定し、５ｇ以下を良好とした。シャルピー衝撃試験の吸収エネルギー ｖＥ−５（Ｊ）は、２ｍｍＶノッチ試験片の−５℃における吸収エネルギーの値である。また溶接スラグの剥離性は目視で評価した。
【００３７】
【表３】
【００３８】
溶接継手１はBi の含有量が本発明の範囲を外れるワイヤａを使用して鋼材Ａを溶接した例であり、溶接継手２はBi の含有量が本発明の範囲を外れるワイヤｂを使用して鋼材Ｂを溶接した例であり、溶接継手３はBi の含有量が本発明の範囲を外れるワイヤｃを使用して鋼材Ａを溶接した例であり、溶接継手４は本発明のワイヤｄを使用して鋼材Ｂを溶接した例である。溶接継手１〜４では割れは発生せず（すなわち０個）、吸収エネルギー VＥ-5はそれぞれ97Ｊ，88Ｊ， 102Ｊおよび 106Ｊであり、高い値が得られた。しかも溶接スラグの剥離性は、すべて良好であった。
【００３９】
溶接継手６は、Ｂｉの含有量が本発明の範囲を外れるワイヤｆを使用して鋼材Ｂを溶接した例である。溶接継手６では、割れは発生せず、吸収エネルギー ｖＥ−５は １０１Ｊであり溶接継手３と同等であったが、溶接スラグの剥離性が不良であった。
溶接継手７は、ＣｕおよびＮｉの含有量が外れるワイヤｇを使用して鋼材Ａを溶接した例である。溶接継手７の吸収エネルギー ｖＥ−５は９９Ｊであり、高い値が得られ、また溶接スラグの剥離性も良好であった。しかし、その試験片の溶接金属およびその近傍では錆の形成が顕著であり、耐食性は質量減少量 ８．７ｇと他に対して劣っている。
【００４０】
溶接継手４と溶接継手１〜３，６〜７を比べると、本発明の溶接用フラックス入りワイヤを使用した溶接継手４の方が、溶接継手６よりも溶接スラグの剥離性が優れており、また溶接継手７よりも耐食性が優れていることが確認された。また溶接継手４は、溶接継手１〜３よりも質量減少量が少なく、かつ吸収エネルギー V Ｅ -5 が高かった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明では、鋼材を溶接する際に、溶接金属およびその近傍の耐食性を向上させ、かつ溶接スラグの剥離性を改善でき、特にＮｉおよびＣｕを含有する鋼材の溶接に使用すると格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】開先形状の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 鋼材
ｔ 板厚
ｗ ルート面幅
θ 開先角度
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスシールドアーク溶接あるいはエレクトロガス溶接等によって鋼材を溶接する際に使用される鋼材溶接用ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、大気中における耐食性を向上した耐候性鋼は、船舶やタンク等の鋼構造物あるいは橋梁等の鋼建築物に広く利用されている。
近年、耐候性をさらに向上するために、Ｃｕ，Ｎｉ等の合金元素を添加した低炭素耐候性鋼が開発されている。ＣｕおよびＮｉを含有する低炭素耐候性鋼は良好な耐食性を有するが、これらの鋼材を用いて鋼構造物や鋼建築物を建造する場合に、従来から知られている溶接材料を用いると、耐食性が低下するという問題があった。すなわち、これらの耐食性鋼は、鋼板の表面にＮｉ，Ｃｕ等の元素添加が緻密な「安定さび層」を形成させることにより、自己防食機能を持つと考えられているだが、溶接金属およびその近傍では、金属の組成が耐食性鋼の組成と異なるため、耐食性が低下するのである。
【０００３】
このような問題に対して、特開２０００−１０２８９３ 号公報ではＮｉおよびＣｕを添加した耐食性鋼に適用するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤが開示されている。ところが、発明者らが特開２０００−１０２８９３ 号公報によるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤについて種々検討したところ、そのフラックス入りワイヤを用いた溶接作業においては、スラグの剥離性が悪く、また、耐食性についても溶接される耐食性鋼に比べて劣るという問題が確認された。
阻害するという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような問題を解消し、鋼材を溶接する際に溶接金属およびその近傍の耐食性を向上させ、かつ溶接スラグの剥離性に優れた鋼材溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、耐食性鋼を溶接するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤについてさらに検討したところ、耐食性の劣化の原因は、溶接金属およびその近傍に剥離せずに残存した微小な溶接スラグが、緻密な「安定さび層」の形成を阻害することであると考えた。この考えに基づき、本発明者らは、スラグの剥離性が良好で、かつ溶接金属およびその近傍の耐食性も良好となるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを開発した。その構成は下記の通りである。
【０００６】
本発明は、鋼材を溶接するために使用されるフラックスおよび鋼製外皮からなる鋼材溶接用ワイヤであって、フラックス中と鋼製外皮とに含有されるCu、Ni、Si、Mn、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Cr、Tiの合計含有量が、フラックスと鋼製外皮との合計質量に対して、それぞれCu：0.05〜0.5 質量％、Ni： 2.5〜3.0 質量％、Si：0.05〜0.70質量％、Mn： 1.8〜3.0 質量％、Ｃ：0.02〜0.10質量％、Ｐ： 0.020質量％以下、Ｓ： 0.003〜0.020 質量％、Ｂ：0.0050質量％以下、Cr：0.05質量％以下、Ti： 2.0〜4.0 質量％であり、前記フラックス中と前記鋼製外皮とに含有されるBiの含有量が、前記フラックスと前記鋼製外皮との合計質量に対して、合計 0.068〜0.070 質量％である組成を有することを特徴とする耐食性に優れた溶接部を形成できる鋼材溶接用ワイヤである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
溶接金属およびその近傍のスラグ剥離性，耐食性を向上させるためには、溶接金属の組成を調整しなければならない。溶接金属の組成は、鋼材の組成と溶接材料の組成とによって決まるものである。鋼構造物や鋼建築物に使用される鋼材の組成は、その使用条件や環境条件によって設計されるため、溶接金属の組成を調整するためには、適正な組成の溶接材料を使用する必要がある。
【０００９】
溶接材料として鋼材溶接用ワイヤを用いる場合は、フラックスの組成と鋼製外皮の組成とが溶接金属の特性に影響を与えるため、フラックスと鋼製外皮とに含まれる元素の含有量を適正な範囲に維持しなければならない。
以下に本発明の鋼材溶接用ワイヤに含有される各元素の含有量の限定理由を説明する。なおCu，Ni，Si，Mnの含有量は、その元素がフラックス中の金属成分と鋼製外皮とに含有される質量およびフラックス中の金属成分と鋼製外皮との合計質量を用いて下記の式で算出される値である。下記の式で算出される含有量を、以下では必要に応じて「含有量１」と称する。
なお、フラックス中の金属成分とは、金属や合金といったいわゆる金属相のことであり、酸化物，ハロゲン化物といった金属相以外の相に含有される金属元素のことを指すのではない。
【００１０】
含有量１（質量％）＝ １００×（ｍＦｍｅｔａｌ＋ｍｓ ）／（ＭＦｍｅｔａｌ＋Ｍｓ ）
ｍＦｍｅｔａｌ：フラックス中の金属成分に含有される各元素の質量（ｋｇ）
ｍｓ ：鋼製外皮に含有される各元素の質量（ｋｇ）
ＭＦｍｅｔａｌ：フラックス中の金属成分の質量（ｋｇ）
Ｍｓ ：鋼製外皮の質量（ｋｇ）
また、Ｂｉ，Ｃ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｃｒ，Ｔｉの含有量は、フラックスと鋼製外皮とに含有される各元素の質量およびフラックスと鋼製外皮との合計質量を用いて下記の式で算出される値である。下記の式で算出される含有量を、以下では必要に応じて「含有量２」と称する。
【００１１】
含有量２（質量％）＝ 100×（ｍF ＋ｍs ）／（ＭF ＋Ｍs ）
ｍF ：フラックスに含有される各元素の質量（kg）
ｍs ：鋼製外皮に含有される各元素の質量（kg）
ＭF ：フラックスの質量（kg）
Ｍs ：鋼製外皮の質量（kg）
Bi：合計 0.068〜0.070 質量％
Biは溶接の際に発生する溶接スラグの剥離性を改善するために不可欠の元素である。Biは主に Bi2Ｏ3 等の酸化物としてフラックスに添加されるが、金属BiまたはFe−Bi合金等の形態で添加しても良い。Biが、Bi含有量に換算した値で合計 0.068質量％未満では、溶接金属中に溶け込むBiが不足して溶接スラグの剥離性の改善効果は十分に得られない。またBiが、Bi含有量に換算した値で合計 0.070質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むBiが過多となり、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってBiの含有量は合計 0.068〜0.070 質量％とする必要がある。
【００１２】
Ｃｕ：合計０．０５〜０．５ 質量％
Ｃｕは溶接金属の耐食性を改善する元素である。Ｃｕが合計０．０５質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＣｕが不足して溶接金属の耐食性の改善効果が得られない。またＣｕが合計 ０．５質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＣｕが過多となり、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＣｕの含有量は合計０．０５〜０．５ 質量％とする必要がある。
【００１３】
Ｎｉ：合計 ２．５〜３．０ 質量％
Ｎｉは溶接金属の高温割れ感受性を低減し、かつ耐食性を改善する元素である。Ｎｉが合計 ２．５質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＮｉが不足して溶接金属の高温割れ感受性が高くなり、しかも耐食性の改善効果も得られない。またＮｉが合計 ３．０質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＮｉが過多となり、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＮｉの含有量は合計 ２．５〜３．０ 質量％とする必要がある。
【００１４】
Ｓｉ：合計０．０５〜０．７０質量％
Ｓｉは脱酸のために不可欠な元素である。Ｓｉが合計０．０５質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＳｉが不足して脱酸の効果は十分に得られない。またＳｉが合計０．７０質量％を超えると、高温割れ感受性が高くなる。Ｓｉが合計０．７０質量％を超える場合、高くなる高温割れ感受性を低減させるためには、Ｍｎ，Ｎｉ等の溶接金属中合金元素量をフラックス中に添加することが必要となる。しかし、Ｍｎ，Ｎｉ等の添加により高温割れ感受性を低減させた場合には、溶接金属の靱性が低下し、かつ溶接金属中の水素が起因する低温割れ感受性が高くなる。したがってＳｉの含有量は合計０．０５〜０．７０質量％とすること必要がある。
【００１５】
Ｍｎ：合計 １．８〜３．０ 質量％
Ｍｎは溶接金属を脱酸し、かつ溶接金属の強度および靱性を向上させる。また、高温割れ感受性を増大させるＳと化合物を形成し、高温割れを抑制するために不可欠の元素である。Ｍｎが合計 １．８質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＭｎが不足して脱酸および高温割れ抑制の効果は十分に得らず、かつ強度および靱性が向上しない。またＭｎが合計 ３．０質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＭｎが過多となり、溶接金属の靱性が低下し、かつ溶接金属中の水素が起因した低温割れ感受性が高くなる。したがってＭｎの含有量は合計 １．８〜３．０ 質量％とする必要がある。
【００１６】
Ｃ：合計0.02〜0.10質量％
Ｃは溶接金属の強度を向上させるが、溶接金属の高温割れ感受性を高める原因にもなる元素である。Ｃが合計0.02質量％未満では、溶接金属中に溶け込むＣが不足して強度が向上しない。またＣが合計0.10質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＣが過多となり、高温割れ感受性が高くなる。したがってＣの含有量は合計0.02〜0.10質量％とする。
【００１７】
Ｐ：合計 0.020質量％以下
Ｐは不純物として不可避的に含有され、溶接金属の靱性を低下させる元素である。したがって、Ｐは少ないほど好ましい。特に、Ｐが合計 0.020質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＰが過多となり、溶接金属の靱性が低下する。したがってＰの含有量は合計 0.020質量％以下とする。
【００１８】
Ｓ：合計 0.003〜0.020 質量％
Ｓは溶接時の液滴の流れを改善するが、溶接金属の靱性を低下させ、かつ高温割れ感受性を高める原因にもなる元素である。Ｓが合計 0.003質量％未満では、溶接時の液滴の粘性が高くなり、液滴の流れが阻害される。またＳが合計 0.020質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＳが過多となり、溶接金属の靱性が低下し、かつ高温割れ感受性が高くなる。したがってＳの含有量は合計 0.003〜0.020 質量％とする。
【００１９】
Ｂ：合計0.0050質量％以下
Ｂは溶接金属の焼入れ性を向上させるが、高温割れ感受性を高める原因にもなる元素である。焼入れ効果を利用して溶接金属の強度を向上させるために、鋼材溶接用ワイヤを介して溶接金属にＢを添加する。しかしＢが合計0.0050質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むＢが過多となり、溶接金属の靱性が著しく低下し、かつ高温割れ感受性が高くなる。したがってＢの含有量は合計0.0050質量％以下とする。
【００２０】
Cr：合計0.05質量％以下
Crは塩分の少ない環境下では耐食性を向上させる元素であるが、海岸地帯のように塩分の多い環境下では逆に耐食性を劣化させる元素である。よって本発明では積極的には添加しないが、0.05質量％までは許容できる。したがってCrの含有量は合計0.05質量％以下とする。
【００２１】
Ti：合計 2.0〜4.0 質量％
Tiは溶接時のアークの安定性およびスラグの被包性を向上させて全姿勢溶接性を良好にし、かつ金属として添加された場合には溶接金属を脱酸する働きを有する元素である。Tiは主にTiＯ2 としてフラックスに添加されるが、金属TiまたはFe−Ti合金等の形態で添加しても良い。Tiが、Ti含有量に換算した値で合計 2.0質量％未満では、溶接時のアークの安定性およびスラグの被包性を向上する効果は十分に得られない。またTiが、Ti含有量に換算した値で合計 4.0質量％を超えると、溶接金属中に溶け込むTiが過多となり、スラグの粘性が上昇するためビード形状が悪くなる。したがってTiの含有量は合計 2.0〜4.0 質量％とする。
【００２２】
なお本発明の鋼材溶接用ワイヤは、上記の成分に加えて、一般に使用されるスラグ形成剤を含有しても良い。スラグ形成剤は、特定の種類に限定しないが、ＳｉＯ２ ，ＺｒＯ２ ，Ａｌ２ Ｏ３ ，ＭｎＯ，ＭｇＯ等の酸化物、ＣａＦ２ ，ＢａＦ２ ，ＭｇＦ，ＬｉＦ等のふっ化物、ＣａＣＯ３ ，ＢａＣＯ３ 等の炭酸塩、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属およびその化合物、Ａｌ等の金属およびその合金等を使用できる。
【００２３】
また本発明の鋼材溶接用ワイヤの直径，断面形状および鋼製外皮の材質は、適宜選択して使用すれば良い。溶接方法も特定の方法に限定せず、ガスシールドアーク溶接やエレクトロガス溶接等の種々の溶接方法から適宜選択すれば良い。
ガスシールドアーク溶接で溶接を行なう場合は、シールドガスとして、不活性ガス、または不活性ガスに任意の割合でＣＯ２ を混合した混合ガス、または前記混合ガスに５ ｖｏｌ％以下のＯ２ を混合した混合ガス、または不活性ガスに５ ｖｏｌ％以下のＯ２ を混合した混合ガス、またはＣＯ２ ガスを用いるのが好ましい。なお不活性ガスはＡｒガス，ＨｅガスあるいはＡｒとＨｅの混合ガスを用いるのが好ましい。
【００２４】
本発明の鋼材溶接用ワイヤは、Ｃ含有量が０．０１〜０．０３質量％、Ｓ含有量が０．０１０ 質量％以下、Ｂ含有量が０．０００１〜０．００３０質量％、Ｎｉ含有量が ２．５〜３．０ 質量％、Ｃｕ含有量が０．０５〜０．５ 質量％の鋼材を溶接する際に使用するのが好ましい。
この組成を有する鋼材は溶接硬化性が低いので、溶接の際に予熱が省略できる。またＣ含有量が低いため、アークストライクのような冷却速度が非常に速い溶接を行なった場合でも、溶接熱影響部はマルテンサイト変態を起こさない。したがって、このような鋼材は、溶接によって建造される鋼構造物や鋼建築物に適している。
【００２５】
以下に、鋼材に含有される各元素の含有量の好ましい範囲とその理由を説明する。
Ｃ：０．０１〜０．０３質量％
Ｃは鋼材の強度を向上させるために添加するが、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。また鋼中Ｃ量の低減は耐食性向上に有利である。鋼材に含有されるＣが０．０１質量％未満では、所定の強度が得られない。また鋼材に含有されるＣが０．０３質量％を超えると、溶接金属の靱性が劣化し、高温割れ感受性が高くなる。したがってＣの含有量は０．０１〜０．０３質量％とすることが好ましい。
【００２６】
Ｓ： ０．０１０質量％以下
Ｓは不純物として不可避的に鋼材に含有され、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。鋼材に含有されるＳは少ないほど好ましい。特に、鋼材に含有されるＳが ０．０１０質量％を超えると、溶接金属の高温割れ感受性が著しく高くなる。したがってＳの含有量は ０．０１０質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
Ｂ：０．０００１〜０．００３０質量％
Ｂは鋼材の焼入れ性を増加させ、さらに耐食性を向上させ、かつ溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。この鋼材はＣ含有量が低いので、焼入れ効果を利用して鋼材の強度を向上させるためにＢを添加する。鋼材に含有されるＢが０．０００１質量％未満では、焼入れ効果が得られない。また鋼材に含有されるＢが０．００３０質量％を超えると鋼材の靱性が低下し、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＢの含有量は０．０００１〜０．００３０質量％とすることが好ましい。
【００２８】
Ｎｉ： ２．５〜３．０ 質量％
Ｎｉは鋼材の耐食性を向上させために添加される元素であるが、溶接金属の高温割れ感受性を低減する効果も有する。鋼材に含有されるＮｉが ２．５質量％未満では、鋼材の耐食性の向上効果が得られず、しかも溶接金属の高温割れ感受性の低減効果も得られない。また鋼材に含有されるＮｉが ３．０質量％を超えると、鋼材の耐食性の向上効果および溶接材料の高温割れ感受性の低減効果がともに飽和する。したがってＮｉの含有量は ２．５〜３．０ 質量％とすることが好ましい。
【００２９】
Ｃｕ：０．０５〜０．５ 質量％
Ｃｕは鋼材の耐食性を向上させるために添加される元素である。鋼材に含有されるＣｕが０．０５質量％未満では、鋼材の耐食性の向上効果が得られない。また鋼材に含有されるＣｕが ０．５質量％を超えると、鋼材の熱間加工性を阻害し、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。したがってＣｕの含有量は０．０５〜０．５ 質量％とすることが好ましい。
【００３０】
鋼材および溶接金属が所望の特性を得るように、他の元素を適宜選択して添加しても良い。たとえば、鋼材の強度，靱性，耐候性および溶接金属の高温割れ感受性，溶接スラグの剥離性等の良好な特性を有する鋼材の例として、上記の組成に加えて、Ｓｉ： ０．４質量％以下，Ｍｎ： ０．２〜１．４ 質量％，Ｐ： ０．０２０質量％以下，Ｃｒ： ０．１質量％以下，Ａｌ：０．０１〜０．０５質量％を含有し、Ｎｂ： ０．００５〜０．１ 質量％，Ｔｉ： ０．００５〜０．１ 質量％，Ｖ： ０．００５〜０．１ 質量％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることが好ましい。
【００３１】
【実施例】
鋼材１を、図１に示すような開先形状に加工して、ガスシールドアーク溶接を行なった。開先形状は、板厚ｔが２０ｍｍ、ルート面幅ｗが５ｍｍ、開先角度θが９０°であった。鋼材１として使用した引張強さ５７０ＭＰａ級の耐候性鋼板は表１に示す２種類であり、鋼材溶接用ワイヤは表２に示す６種類を使用した。フラックス中の金属成分と鋼製外皮との合計質量に対するＳｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉの含有量（含有量１）、フラックスと鋼製外皮との合計質量に対するＢｉ，Ｃ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏの含有量（含有量２）、およびフラックスと鋼製外皮との合計質量に対するスラグ形成剤の含有量を湿式分析法で測定し、表２に示す。
【００３２】
なお表２のワイヤｄは本発明の鋼材溶接用ワイヤの例である。一方、ワイヤａ〜ｃ，ｆはBiの含有量が本発明の範囲を外れる鋼材溶接用ワイヤの例である。ワイヤｇはCuおよびNiの含有量が本発明の範囲を外れる鋼材溶接用ワイヤの例である。なおワイヤａ〜ｄ，ｇ，ｆには、スラグ形成剤としてSiＯ2 等の酸化物を添加した。ワイヤ径は、いずれも 1.2mmであった。
【００３３】
【表１】
【表２】
溶接条件は、溶接電流： ２５０Ａ，溶接電圧：３０Ｖ，溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ ，溶接入力：１５ｋＪ／ｃｍ，シールドガス：ＣＯ２ ，ガス流量：２５ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ ，溶接姿勢：下向きとした。この溶接条件で、溶接長さ５００ｍｍ のガスシールド多層溶接継手を作製した後、溶接金属およびその近傍から試料を採取し、耐食性，溶接金属のシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー ｖＥ−５（Ｊ）および溶接スラグの剥離性を調査した。その結果を表３に示す。
【００３６】
耐食性試験に供する試験片は、全体のサイズを １００ｍｍ×５０ｍｍ×板厚とし、溶接方向の長さ１０ｍｍとした。この試験片は、塩水散布を含む１年間の大気暴露を行った。耐食性試験のその他の条件としては、週２回の海水を塩水散布し、試験片は南向き４５°の傾斜で設置した。暴露後、試験片をショットブラスト処理して錆を除去した後に試験片の質量減少量を測定し、５ｇ以下を良好とした。シャルピー衝撃試験の吸収エネルギー ｖＥ−５（Ｊ）は、２ｍｍＶノッチ試験片の−５℃における吸収エネルギーの値である。また溶接スラグの剥離性は目視で評価した。
【００３７】
【表３】
溶接継手１はBi の含有量が本発明の範囲を外れるワイヤａを使用して鋼材Ａを溶接した例であり、溶接継手２はBi の含有量が本発明の範囲を外れるワイヤｂを使用して鋼材Ｂを溶接した例であり、溶接継手３はBi の含有量が本発明の範囲を外れるワイヤｃを使用して鋼材Ａを溶接した例であり、溶接継手４は本発明のワイヤｄを使用して鋼材Ｂを溶接した例である。溶接継手１〜４では割れは発生せず（すなわち０個）、吸収エネルギー VＥ-5はそれぞれ97Ｊ，88Ｊ， 102Ｊおよび 106Ｊであり、高い値が得られた。しかも溶接スラグの剥離性は、すべて良好であった。
【００３９】
溶接継手６は、Ｂｉの含有量が本発明の範囲を外れるワイヤｆを使用して鋼材Ｂを溶接した例である。溶接継手６では、割れは発生せず、吸収エネルギー ｖＥ−５は １０１Ｊであり溶接継手３と同等であったが、溶接スラグの剥離性が不良であった。
溶接継手７は、ＣｕおよびＮｉの含有量が外れるワイヤｇを使用して鋼材Ａを溶接した例である。溶接継手７の吸収エネルギー ｖＥ−５は９９Ｊであり、高い値が得られ、また溶接スラグの剥離性も良好であった。しかし、その試験片の溶接金属およびその近傍では錆の形成が顕著であり、耐食性は質量減少量 ８．７ｇと他に対して劣っている。
【００４０】
溶接継手４と溶接継手１〜３，６〜７を比べると、本発明の溶接用フラックス入りワイヤを使用した溶接継手４の方が、溶接継手６よりも溶接スラグの剥離性が優れており、また溶接継手７よりも耐食性が優れていることが確認された。また溶接継手４は、溶接継手１〜３よりも質量減少量が少なく、かつ吸収エネルギー V Ｅ -5 が高かった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明では、鋼材を溶接する際に、溶接金属およびその近傍の耐食性を向上させ、かつ溶接スラグの剥離性を改善でき、特にＮｉおよびＣｕを含有する鋼材の溶接に使用すると格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】開先形状の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 鋼材
ｔ 板厚
ｗ ルート面幅
θ 開先角度
Claims (1)
- 鋼材を溶接するために使用されるフラックスおよび鋼製外皮からなる鋼材溶接用ワイヤであって、前記フラックス中と前記鋼製外皮とに含有されるCu、Ni、Si、Mn、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Cr、Tiのそれぞれの合計含有量が、前記フラックスと前記鋼製外皮との合計質量に対して、それぞれCu：0.05〜0.5 質量％、Ni： 2.5〜3.0 質量％、Si：0.05〜0.70質量％、Mn： 1.8〜3.0 質量％、Ｃ：0.02〜0.10質量％、Ｐ： 0.020質量％以下、Ｓ： 0.003〜0.020 質量％、Ｂ：0.0050質量％以下、Cr：0.05質量％以下、Ti： 2.0〜4.0 質量％であり、前記フラックス中と前記鋼製外皮とに含有されるBiの含有量が、前記フラックスと前記鋼製外皮との合計質量に対して、合計 0.068〜0.070 質量％である組成を有することを特徴とする耐食性に優れた溶接部を形成できる鋼材溶接用ワイヤ。
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