JP3617369B2 - 極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁、鉄骨構造等の鋼構造物、あるいは溶接鋼管などの使途に好適な極低炭素鋼板の、サブマージアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鋼材の溶接性を向上させる目的から、０．０３ｗｔ％以下とＣ量を著しく低減した極低炭素鋼が検討され、溶接構造物として実際に使用されるようになっている。これら極低炭素鋼は、従来に比較して炭素当量を著しく低減でき、溶接部の低温割れ感受性の低減が期待される。また、これら極低炭素鋼溶接金属は、一般に高温割れ感受性が低いと考えられていた。
【０００３】
しかしながら、使用する鋼材のＣ量が０．０３ｗｔ％以下という極低炭素鋼を、既存の溶接材料を用いてサブマージアーク溶接を行うと、溶接材料によっては高温割れが発生しやすいという問題があった。
このような問題に対し、例えば、特開昭５８−５３３７７号公報には、Ｃを０．００５ 〜０．０６ｗｔ％含有する鋼を、Ｃ：０．１５〜０．６０ｗｔ％を含有するワイヤおよびＣ：０．０５〜１．５ ｗｔ％含有するフラックスのいずれか一方または両者を用いて、少なくとも１層目の溶接を行うサブマージアーク溶接方法が提案されている。特開昭５８−５３３７７号公報に記載された技術では、溶接金属のＣ量を、高温割れが発生しないＣ量である、０．０６〜０．１６％の範囲となるようにワイヤとフラックスを選定している。
【０００４】
また、特公昭６０−１６８７８号公報には、Ｃ：０．１９〜０．５５ｗｔ％、Ｓｉ：０．０１〜０．５ ｗｔ％、Ｍｎ：０．９ 〜３．５ ｗｔ％を含有する溶接ワイヤおよびＴｉＯ２換算で、５ 〜３０ｗｔ％含有するルチルおよび／またはチタンスラグ、Ｂ２Ｏ３換算で０．０５〜１．０ ｗｔ％を含有する硼酸、硼酸塩、硼砂の１種以上を添加した塩基性フラックスを用いて、０．００５ 〜０．０５ｗｔ％のＣを含有する鋼を溶接し、Ｃ：０．０７〜０．１３ｗｔ％、ＴｉおよびＢを含有する溶接金属を得る極低炭素鋼の潜孤溶接法が提案されている。特公昭６０−１６８７８号公報に記載された技術では、溶接金属のＣ量を高温割れが発生しないＣ量である０．０７〜０．１３ｗｔ％とするため、Ｃ量を０．１９〜０．５５ｗｔ％と高めた溶接ワイヤを使用し、さらに、フラックスおよび／またはワイヤからＴｉとＢを複合添加し、０．０３５ｗｔ ％以下のＴｉ、０．００５ ｗｔ％以下のＢを含有する溶接金属としている。
【０００５】
また、特公平３−２３２６６ 号公報には、Ｃ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％未満含有する極低炭素鋼を、溶接金属のＣ量が０．０３ｗｔ％以下となるようなＣ量を含むワイヤとの組合せで溶接するサブマージアーク溶接方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開昭５８−５３３７７号公報、特公昭６０−１６８７８号公報、特公平３−２３２６６ 号公報に記載された技術では、いずれも溶接金属の高温割れが発生しやすいＣ領域を避けて、溶接金属のＣ量が０．０３ｗｔ％以下、あるいは０．０７〜０．１３ｗｔ％の範囲となるように、溶接ワイヤのＣ量を極端に高め、あるいは極端に低めに調整している。しかしながら、極低Ｃの溶接ワイヤ、あるいは高Ｃの溶接ワイヤは、特殊な溶接材料で汎用性のある溶接材料とは言えないため、製造コストが高くなり経済的に不利となるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、特殊なＣ量範囲の溶接ワイヤを使用せずに、耐高温割れ性に優れた溶接金属を容易に形成できる、極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接するに際し、溶接金属の高温割れ性におよぼす溶接金属組成の影響について鋭意研究した。その結果、溶接金属の高温割れ性は溶接金属中のＣ、Ｓ、Ｂ量により大きく影響されることを見いだした。そして、極低炭素鋼板の組成（Ｃ、Ｓ、Ｂ量）に応じて、溶接ワイヤ中のＳ量、あるいはさらにＢ量の調整を行うのみで、溶接ワイヤのＣ量を、０．０４〜０．１０ｗｔ％の通常の範囲としても溶接金属の高温割れが防止できるという知見を得た。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討して完成されたものである。
すなわち、本発明は、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下を含有する極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接するに際し、前記極低炭素鋼板のＳ含有量が０．０１０ ｗｔ％以下である鋼板に、該鋼板の組成に応じ、溶接金属がＣ：０．０３〜０．０６ｗｔ％を含有し、かつ次（１）式
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝≧０─ （１）
（ ここに、Ｐ（ＣＷ ）＝−１０００ＣＷ ３ ＋２５０ ＣＷ ２ −１７．１ＣＷ ＋０．４ 、ＣＷ ：溶接金属中のＣ含有量（ｗｔ％）、ＢＷ ：溶接金属中のＢ含有量（ｗｔ％）、ＳＷ ：溶接金属中のＳ含有量（ｗｔ％））
を満足するように、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有する溶接用ワイヤを組合せて溶接することを特徴とする極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法である。
【００１０】
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有し、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有し、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、さらにＭｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
【００１１】
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％、Ｂ：０．０１０ ｗｔ％以下を含み、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％、Ｂ：０．０１０ ｗｔ％以下を含み、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、さらにＭｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
【００１２】
なお、本発明の溶接ワイヤは、いずれもＣｕめっきを施されたワイヤとするのが好ましい。
また、本発明では、前記溶接に際し、ＢをＢ２Ｏ３換算で２．０ ｗｔ％以下含有するフラックスを使用してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で使用する極低炭素鋼板は、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下を含有する鋼板である。
極低炭素鋼板は、溶接硬化性が低く予熱フリーの溶接施工が期待できる。極低炭素鋼板では、Ｃを０．０３ｗｔ％以下と低減することにより、アークストライクのような冷却速度が非常に早い溶接の場合でも、溶接熱影響部にマルテンサイト組織を形成することはない。このため、極低炭素鋼板は、溶接により鋼構造物とされる建築用鋼材、あるいは耐候性を付与された建築用鋼材、あるいはパイプ材等に多用されている。
【００１４】
また、極低炭素鋼板では、０．０３ｗｔ％以下とＣ量を極めて低くしているため、所望の強度を確保するには、合金元素の添加が必須となる。とくに、少量で焼入れ性を向上させるＢは、高強度を得るために必須の元素である。本発明では、Ｂを０．００３０ｗｔ％以下含有する鋼板を対象とする。なお、Ｂは０．００１０ｗｔ％以上含有することが好ましい。
【００１５】
Ｃ、Ｂ以外の合金元素の添加は、所望の強度に応じ、適正範囲添加できる。
例えば、５７０ ＭＰａ 級建築用鋼材としては、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下に加え、Ｓｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．８ 〜３．０ ｗｔ％、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｎｉ：０．１ 〜１ ｗｔ％、Ｃｒ：０〜１．０ ｗｔ％、Ａｌ：０．０１〜０．０５ｗｔ％を含み、Ｎｂ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｖ：０．００５ 〜１．０ ｗｔ％、のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。
【００１６】
また、 ５７０ＭＰａ 級耐候性鋼材としては、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下に加え、Ｓｉ：０．４ ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．８ 〜１．４ ｗｔ％、Ｐ：０．０２０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｎｉ：０．２ 〜３．０ ｗｔ％、Ｃｒ：０〜１．０ ｗｔ％、Ａｌ：０．０１〜０．０５ｗｔ％を含み、Ｎｂ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｖ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。
【００１７】
また、ＡＰＩ ５ＬＸ８０ 級パイプ用鋼材としては、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下に加え、Ｓｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．８ 〜３．０ ｗｔ％、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｎｉ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｃｒ：０〜１．０ ｗｔ％、Ａｌ：０〜０．０５ｗｔ％、Ｎｂ：０．００５ 〜０．１０ｗｔ％、を含み、Ｔｉ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｖ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０ｗｔ％のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。なお、鋼板および溶接部の強度、靱性向上に、０．２ ｗｔ％以上のＣｕ含有はとくに有効である。より好ましいＣｕ含有量は０．３５ｗｔ％以上、さらに好ましくは０．４０ｗｔ％以上である。
【００１８】
そして、本発明で使用する極低炭素鋼板のＳ含有量は０．０１０ ｗｔ％以下に限定する。Ｓ含有量が０．０１０ ｗｔ％を超えると、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。このため、極低炭素鋼板のＳ含有量は０．０１０ ｗｔ％以下に限定した。
本発明では、上記した組成の極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接する際に、組合わせる溶接用ワイヤはＣ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含み、あるいはさらにＢ：０．０１０ ｗｔ％以下を含有する溶接用ワイヤとし、かつ溶接金属が、Ｃ：０．０３〜０．０６ｗｔ％を含有し、かつ次（１）式
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝≧０─ （１）
（ここに、Ｐ（ＣＷ ）＝−１０００ＣＷ ３ ＋２５０ ＣＷ ２ −１７．１ＣＷ ＋０．４ 、ＣＷ ：溶接金属中のＣ含有量（ｗｔ％）、ＢＷ ：溶接金属中のＢ含有量（ｗｔ％）、ＳＷ ：溶接金属中のＳ含有量（ｗｔ％））
を満足する耐高温割れ性に優れた溶接金属となるように、鋼板組成に応じ、溶け込み率を予測して溶接用ワイヤのＣ量、およびＳ量、あるいはＢ量を調整した溶接用ワイヤを組み合わせて使用する。ここで、Ｐ（ＣＷ ）は、本発明者らが実験等により求めたＣＷ （溶接金属中のＣ含有量）による溶接金属の高温割れの発生し易しさを示すパラメータであり、Ｐ（ＣＷ ）値が低いほど高温割れが発生しやすい。
【００１９】
溶接金属のＣ、Ｂ、Ｓ量が、
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝＜０
となる場合には、溶接金属に高温割れが多発する。このため、溶接金属のＣ、Ｂ、Ｓ量が（１）式を満足するように、鋼板の組成に応じ溶接ワイヤの組成を調整する。
【００２０】
つぎに、溶接用ワイヤの組成の限定について説明する。
Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％
Ｃは、溶接金属の強度を増加させる元素であるが、０．０４ｗｔ％未満では所望の強度を得ることができない。一方、０．１０ｗｔ％を超える含有は、靱性が低下するとともに低温割れ感受性が増大する。このため、Ｃは０．０４〜 ０．１０ ｗｔ％の範囲に限定した。
【００２１】
Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％
Ｓは、溶接金属の靱性を低下させ、また高温割れの原因にもなる元素であるが、０．００３ ｗｔ％未満では、溶接時に溶融メタルの粘性が高くなり、欠陥を生じやすく、一方、０．０１５ ｗｔ％を超えると、靱性の劣化が著しくなる。このため、Ｓは０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％に限定した。
【００２２】
Ｂ：０．０１０ ｗｔ％以下
溶接用ワイヤからＢを添加する場合には、溶接用ワイヤ中に含有されるＢは０．０１０ ｗｔ％以下とするのが好ましい。Ｂが０．０１０ ｗｔ％を超えて含有されると、ワイヤ素材の連続鋳造時に割れを生じやすく、また、溶接金属の硬化性が高くなりすぎ靱性が低下するという問題がある。
【００２３】
Ｃ、Ｓ、あるいはＢ以外の溶接用ワイヤの成分は、所望の強度、あるいは所望の他の特性に応じ、適宜調整できる。好ましくはＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、あるいはさらにＭｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのがよい。
【００２４】
Ｓｉ：０．５ ｗｔ％以下
Ｓｉは、溶接金属の脱酸のために不可欠の元素であり、また溶接金属の強度を増加させる元素であが、０．５ ｗｔ％を超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ｓｉは０．５ ｗｔ％以下とするのが好ましい。なお、より好ましくは、０．２０〜０．４０ｗｔ％である。
【００２５】
Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下
Ｍｎは、溶接金属の強度および靱性を増加させる元素である。しかし、２．５０ｗｔ％を超える含有は、靱性が低下するとともに低温割れ感受性が増大する。このため、Ｍｎは２．５０ｗｔ％以下に限定するのが好ましい。
Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下
Ｐは、溶接金属の靱性を低下させる元素であり、できるだけ低減するのが好ましい。Ｐ含有量が０．０１５ ｗｔ％を超えると、靱性の劣化が著しくなる。このため、Ｐは０．０１５ ｗｔ％以下とするのが好ましい。
【００２６】
Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下
Ｔｉは、析出強化により溶接金属の強度を増加させる元素であり、強度増加のために含有するが、０．５０ｗｔ％を超えて含有すると、強度は増加するが靱性が劣化する。このため、Ｔｉは０．５０ｗｔ％以下とするのが好ましい。
Ｍｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉは、いずれも溶接金属の強度、靱性をを増加させる元素であり、必要に応じ、含有できる。しかし、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒは１．０ ｗｔ％を、Ｎｉは３．５ ｗｔ％を超える含有は溶接金属の靱性を劣化させる。
【００２７】
その他、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。なお、Ａｌは溶接金属の脱酸剤として作用するため、必要に応じ０．０１〜０．０４ｗｔ％添加できる。
上記した組成の溶接ワイヤと組合せて使用されるフラックスは、用途に応じ、通常公知の組成の溶融フラックス、あるいは焼成フラックスいずれも好適に使用できる。なお、好ましいフラックスとしては、２０〜３０ｗｔ％ＳｉＯ２−０〜１０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３ −２０〜４０ｗｔ％ＣａＯ −１０〜３０ｗｔ％ＣａＦ２系のフラックス、３０〜５０ｗｔ％ＳｉＯ２−０〜１０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３ −１０〜３０ｗｔ％ＣａＯ −１０〜３０ｗｔ％％ＭｇＯ −１０〜２０ｗｔ％ＣａＦ２系のフラックスが例示できる。その他、塩基度、スラグの流動性を改善するために、ＭｎＯ 、ＴｉＯ２、ＢａＯ 、ＺｒＯ２を添加してもよい。
【００２８】
また、Ｂをフラックスから添加する場合には、Ｂ２Ｏ３をフラックスに０．２０ｗｔ％以下添加できる。フラックスへのＢ２Ｏ３添加が２．０ ｗｔ％を超えると、高温割れの発生に加えて、溶接金属の焼入性が増大しすぎ靱性が劣化するという問題がある。
【００２９】
【実施例】
表１に示す極低炭素鋼板（板厚：２０ｍｍ）を、図１に示す開先形状に加工して、表２に示す溶接ワイヤと、表３に示すフラックスとを組み合わせ、表４に示す溶接条件でサブマージアーク溶接継手（溶接長さ１０００ｍｍ）を作製した。各溶接継手について、溶接金属の化学組成、溶接部における割れ個数、および溶接金属中央部におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ−２０ ）を調査した。溶接部における割れ個数は、溶接全長の各１０箇所から採取した継手部断面について光学顕微鏡（倍率×５０）、あるいは拡大投影機（倍率×２５）で観察し全断面の合計個数として測定した。
【００３０】
これらの結果を表５に示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
【表３】
【００３４】
【表４】
【００３５】
【表５】
【００３６】
本発明例では、溶接金属のＣが従来高温割れを発生しやすい領域であるといわれていた０．０３〜０．０６ｗｔ％の範囲内となっているにもかかわらず、溶接金属の割れ個数は０であり、耐高温割れ性に優れた溶接金属が形成されている。また、本発明例では、溶接金属のｖＥ−２０ が１５０ Ｊ以上と高く、優れた靱性を有する溶接金属が形成されている。
一方、本発明の範囲を外れる比較例は、溶接金属に多数の割れを発生し、耐高温割れ性が劣化している。なお、比較例である継手Ｎｏ．６のように鋼板、ワイヤ、およびフラックスそれぞれは好適範囲内であるが、それらの組合せ、あるいはそれらの組合せと溶接条件との組合せが不適切な場合には、溶接金属が本発明範囲を満足しなくなる。このような場合は、ワイヤ中のＣ、あるいはＢ含有量、フラックス中のＢ含有量を低減し、溶接金属を本発明範囲に調節することにより高温割れの発生が防止できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、特殊なＣ量範囲の溶接ワイヤを使用せずに、耐高温割れ性に優れた溶接金属を容易に形成でき、極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接継手が安価に作製できるという産業上格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】開先形状を示す説明図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁、鉄骨構造等の鋼構造物、あるいは溶接鋼管などの使途に好適な極低炭素鋼板の、サブマージアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鋼材の溶接性を向上させる目的から、０．０３ｗｔ％以下とＣ量を著しく低減した極低炭素鋼が検討され、溶接構造物として実際に使用されるようになっている。これら極低炭素鋼は、従来に比較して炭素当量を著しく低減でき、溶接部の低温割れ感受性の低減が期待される。また、これら極低炭素鋼溶接金属は、一般に高温割れ感受性が低いと考えられていた。
【０００３】
しかしながら、使用する鋼材のＣ量が０．０３ｗｔ％以下という極低炭素鋼を、既存の溶接材料を用いてサブマージアーク溶接を行うと、溶接材料によっては高温割れが発生しやすいという問題があった。
このような問題に対し、例えば、特開昭５８−５３３７７号公報には、Ｃを０．００５ 〜０．０６ｗｔ％含有する鋼を、Ｃ：０．１５〜０．６０ｗｔ％を含有するワイヤおよびＣ：０．０５〜１．５ ｗｔ％含有するフラックスのいずれか一方または両者を用いて、少なくとも１層目の溶接を行うサブマージアーク溶接方法が提案されている。特開昭５８−５３３７７号公報に記載された技術では、溶接金属のＣ量を、高温割れが発生しないＣ量である、０．０６〜０．１６％の範囲となるようにワイヤとフラックスを選定している。
【０００４】
また、特公昭６０−１６８７８号公報には、Ｃ：０．１９〜０．５５ｗｔ％、Ｓｉ：０．０１〜０．５ ｗｔ％、Ｍｎ：０．９ 〜３．５ ｗｔ％を含有する溶接ワイヤおよびＴｉＯ２換算で、５ 〜３０ｗｔ％含有するルチルおよび／またはチタンスラグ、Ｂ２Ｏ３換算で０．０５〜１．０ ｗｔ％を含有する硼酸、硼酸塩、硼砂の１種以上を添加した塩基性フラックスを用いて、０．００５ 〜０．０５ｗｔ％のＣを含有する鋼を溶接し、Ｃ：０．０７〜０．１３ｗｔ％、ＴｉおよびＢを含有する溶接金属を得る極低炭素鋼の潜孤溶接法が提案されている。特公昭６０−１６８７８号公報に記載された技術では、溶接金属のＣ量を高温割れが発生しないＣ量である０．０７〜０．１３ｗｔ％とするため、Ｃ量を０．１９〜０．５５ｗｔ％と高めた溶接ワイヤを使用し、さらに、フラックスおよび／またはワイヤからＴｉとＢを複合添加し、０．０３５ｗｔ ％以下のＴｉ、０．００５ ｗｔ％以下のＢを含有する溶接金属としている。
【０００５】
また、特公平３−２３２６６ 号公報には、Ｃ：０．００５ 〜０．０５ｗｔ％未満含有する極低炭素鋼を、溶接金属のＣ量が０．０３ｗｔ％以下となるようなＣ量を含むワイヤとの組合せで溶接するサブマージアーク溶接方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開昭５８−５３３７７号公報、特公昭６０−１６８７８号公報、特公平３−２３２６６ 号公報に記載された技術では、いずれも溶接金属の高温割れが発生しやすいＣ領域を避けて、溶接金属のＣ量が０．０３ｗｔ％以下、あるいは０．０７〜０．１３ｗｔ％の範囲となるように、溶接ワイヤのＣ量を極端に高め、あるいは極端に低めに調整している。しかしながら、極低Ｃの溶接ワイヤ、あるいは高Ｃの溶接ワイヤは、特殊な溶接材料で汎用性のある溶接材料とは言えないため、製造コストが高くなり経済的に不利となるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、特殊なＣ量範囲の溶接ワイヤを使用せずに、耐高温割れ性に優れた溶接金属を容易に形成できる、極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接するに際し、溶接金属の高温割れ性におよぼす溶接金属組成の影響について鋭意研究した。その結果、溶接金属の高温割れ性は溶接金属中のＣ、Ｓ、Ｂ量により大きく影響されることを見いだした。そして、極低炭素鋼板の組成（Ｃ、Ｓ、Ｂ量）に応じて、溶接ワイヤ中のＳ量、あるいはさらにＢ量の調整を行うのみで、溶接ワイヤのＣ量を、０．０４〜０．１０ｗｔ％の通常の範囲としても溶接金属の高温割れが防止できるという知見を得た。
【０００９】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討して完成されたものである。
すなわち、本発明は、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下を含有する極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接するに際し、前記極低炭素鋼板のＳ含有量が０．０１０ ｗｔ％以下である鋼板に、該鋼板の組成に応じ、溶接金属がＣ：０．０３〜０．０６ｗｔ％を含有し、かつ次（１）式
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝≧０─ （１）
（ ここに、Ｐ（ＣＷ ）＝−１０００ＣＷ ３ ＋２５０ ＣＷ ２ −１７．１ＣＷ ＋０．４ 、ＣＷ ：溶接金属中のＣ含有量（ｗｔ％）、ＢＷ ：溶接金属中のＢ含有量（ｗｔ％）、ＳＷ ：溶接金属中のＳ含有量（ｗｔ％））
を満足するように、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有する溶接用ワイヤを組合せて溶接することを特徴とする極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法である。
【００１０】
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有し、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有し、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、さらにＭｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
【００１１】
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％、Ｂ：０．０１０ ｗｔ％以下を含み、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
また、本発明では、前記溶接ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％、Ｂ：０．０１０ ｗｔ％以下を含み、好ましくはさらにＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、さらにＭｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのが好ましい。
【００１２】
なお、本発明の溶接ワイヤは、いずれもＣｕめっきを施されたワイヤとするのが好ましい。
また、本発明では、前記溶接に際し、ＢをＢ２Ｏ３換算で２．０ ｗｔ％以下含有するフラックスを使用してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明で使用する極低炭素鋼板は、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下を含有する鋼板である。
極低炭素鋼板は、溶接硬化性が低く予熱フリーの溶接施工が期待できる。極低炭素鋼板では、Ｃを０．０３ｗｔ％以下と低減することにより、アークストライクのような冷却速度が非常に早い溶接の場合でも、溶接熱影響部にマルテンサイト組織を形成することはない。このため、極低炭素鋼板は、溶接により鋼構造物とされる建築用鋼材、あるいは耐候性を付与された建築用鋼材、あるいはパイプ材等に多用されている。
【００１４】
また、極低炭素鋼板では、０．０３ｗｔ％以下とＣ量を極めて低くしているため、所望の強度を確保するには、合金元素の添加が必須となる。とくに、少量で焼入れ性を向上させるＢは、高強度を得るために必須の元素である。本発明では、Ｂを０．００３０ｗｔ％以下含有する鋼板を対象とする。なお、Ｂは０．００１０ｗｔ％以上含有することが好ましい。
【００１５】
Ｃ、Ｂ以外の合金元素の添加は、所望の強度に応じ、適正範囲添加できる。
例えば、５７０ ＭＰａ 級建築用鋼材としては、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下に加え、Ｓｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．８ 〜３．０ ｗｔ％、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｎｉ：０．１ 〜１ ｗｔ％、Ｃｒ：０〜１．０ ｗｔ％、Ａｌ：０．０１〜０．０５ｗｔ％を含み、Ｎｂ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｖ：０．００５ 〜１．０ ｗｔ％、のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。
【００１６】
また、 ５７０ＭＰａ 級耐候性鋼材としては、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下に加え、Ｓｉ：０．４ ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．８ 〜１．４ ｗｔ％、Ｐ：０．０２０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｎｉ：０．２ 〜３．０ ｗｔ％、Ｃｒ：０〜１．０ ｗｔ％、Ａｌ：０．０１〜０．０５ｗｔ％を含み、Ｎｂ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｔｉ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｖ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。
【００１７】
また、ＡＰＩ ５ＬＸ８０ 級パイプ用鋼材としては、Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下に加え、Ｓｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．８ 〜３．０ ｗｔ％、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｎｉ：０．２ 〜２．０ ｗｔ％、Ｃｒ：０〜１．０ ｗｔ％、Ａｌ：０〜０．０５ｗｔ％、Ｎｂ：０．００５ 〜０．１０ｗｔ％、を含み、Ｔｉ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｖ：０．００５ 〜０．１ ｗｔ％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０ｗｔ％のうちの１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるのが好ましい。なお、鋼板および溶接部の強度、靱性向上に、０．２ ｗｔ％以上のＣｕ含有はとくに有効である。より好ましいＣｕ含有量は０．３５ｗｔ％以上、さらに好ましくは０．４０ｗｔ％以上である。
【００１８】
そして、本発明で使用する極低炭素鋼板のＳ含有量は０．０１０ ｗｔ％以下に限定する。Ｓ含有量が０．０１０ ｗｔ％を超えると、溶接金属の高温割れ感受性が高くなる。このため、極低炭素鋼板のＳ含有量は０．０１０ ｗｔ％以下に限定した。
本発明では、上記した組成の極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接する際に、組合わせる溶接用ワイヤはＣ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含み、あるいはさらにＢ：０．０１０ ｗｔ％以下を含有する溶接用ワイヤとし、かつ溶接金属が、Ｃ：０．０３〜０．０６ｗｔ％を含有し、かつ次（１）式
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝≧０─ （１）
（ここに、Ｐ（ＣＷ ）＝−１０００ＣＷ ３ ＋２５０ ＣＷ ２ −１７．１ＣＷ ＋０．４ 、ＣＷ ：溶接金属中のＣ含有量（ｗｔ％）、ＢＷ ：溶接金属中のＢ含有量（ｗｔ％）、ＳＷ ：溶接金属中のＳ含有量（ｗｔ％））
を満足する耐高温割れ性に優れた溶接金属となるように、鋼板組成に応じ、溶け込み率を予測して溶接用ワイヤのＣ量、およびＳ量、あるいはＢ量を調整した溶接用ワイヤを組み合わせて使用する。ここで、Ｐ（ＣＷ ）は、本発明者らが実験等により求めたＣＷ （溶接金属中のＣ含有量）による溶接金属の高温割れの発生し易しさを示すパラメータであり、Ｐ（ＣＷ ）値が低いほど高温割れが発生しやすい。
【００１９】
溶接金属のＣ、Ｂ、Ｓ量が、
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝＜０
となる場合には、溶接金属に高温割れが多発する。このため、溶接金属のＣ、Ｂ、Ｓ量が（１）式を満足するように、鋼板の組成に応じ溶接ワイヤの組成を調整する。
【００２０】
つぎに、溶接用ワイヤの組成の限定について説明する。
Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％
Ｃは、溶接金属の強度を増加させる元素であるが、０．０４ｗｔ％未満では所望の強度を得ることができない。一方、０．１０ｗｔ％を超える含有は、靱性が低下するとともに低温割れ感受性が増大する。このため、Ｃは０．０４〜 ０．１０ ｗｔ％の範囲に限定した。
【００２１】
Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％
Ｓは、溶接金属の靱性を低下させ、また高温割れの原因にもなる元素であるが、０．００３ ｗｔ％未満では、溶接時に溶融メタルの粘性が高くなり、欠陥を生じやすく、一方、０．０１５ ｗｔ％を超えると、靱性の劣化が著しくなる。このため、Ｓは０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％に限定した。
【００２２】
Ｂ：０．０１０ ｗｔ％以下
溶接用ワイヤからＢを添加する場合には、溶接用ワイヤ中に含有されるＢは０．０１０ ｗｔ％以下とするのが好ましい。Ｂが０．０１０ ｗｔ％を超えて含有されると、ワイヤ素材の連続鋳造時に割れを生じやすく、また、溶接金属の硬化性が高くなりすぎ靱性が低下するという問題がある。
【００２３】
Ｃ、Ｓ、あるいはＢ以外の溶接用ワイヤの成分は、所望の強度、あるいは所望の他の特性に応じ、適宜調整できる。好ましくはＳｉ：０．５ ｗｔ％以下、Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下、Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下、Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下を含み、あるいはさらにＭｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるワイヤとするのがよい。
【００２４】
Ｓｉ：０．５ ｗｔ％以下
Ｓｉは、溶接金属の脱酸のために不可欠の元素であり、また溶接金属の強度を増加させる元素であが、０．５ ｗｔ％を超える含有は、靱性を劣化させる。このため、Ｓｉは０．５ ｗｔ％以下とするのが好ましい。なお、より好ましくは、０．２０〜０．４０ｗｔ％である。
【００２５】
Ｍｎ：２．５０ｗｔ％以下
Ｍｎは、溶接金属の強度および靱性を増加させる元素である。しかし、２．５０ｗｔ％を超える含有は、靱性が低下するとともに低温割れ感受性が増大する。このため、Ｍｎは２．５０ｗｔ％以下に限定するのが好ましい。
Ｐ：０．０１５ ｗｔ％以下
Ｐは、溶接金属の靱性を低下させる元素であり、できるだけ低減するのが好ましい。Ｐ含有量が０．０１５ ｗｔ％を超えると、靱性の劣化が著しくなる。このため、Ｐは０．０１５ ｗｔ％以下とするのが好ましい。
【００２６】
Ｔｉ：０．５０ｗｔ％以下
Ｔｉは、析出強化により溶接金属の強度を増加させる元素であり、強度増加のために含有するが、０．５０ｗｔ％を超えて含有すると、強度は増加するが靱性が劣化する。このため、Ｔｉは０．５０ｗｔ％以下とするのが好ましい。
Ｍｏ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｕ：１．０ ｗｔ％以下、Ｃｒ：１．０ ｗｔ％以下、Ｎｉ：３．５ ｗｔ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉは、いずれも溶接金属の強度、靱性をを増加させる元素であり、必要に応じ、含有できる。しかし、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒは１．０ ｗｔ％を、Ｎｉは３．５ ｗｔ％を超える含有は溶接金属の靱性を劣化させる。
【００２７】
その他、残部はＦｅおよび不可避的不純物である。なお、Ａｌは溶接金属の脱酸剤として作用するため、必要に応じ０．０１〜０．０４ｗｔ％添加できる。
上記した組成の溶接ワイヤと組合せて使用されるフラックスは、用途に応じ、通常公知の組成の溶融フラックス、あるいは焼成フラックスいずれも好適に使用できる。なお、好ましいフラックスとしては、２０〜３０ｗｔ％ＳｉＯ２−０〜１０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３ −２０〜４０ｗｔ％ＣａＯ −１０〜３０ｗｔ％ＣａＦ２系のフラックス、３０〜５０ｗｔ％ＳｉＯ２−０〜１０ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３ −１０〜３０ｗｔ％ＣａＯ −１０〜３０ｗｔ％％ＭｇＯ −１０〜２０ｗｔ％ＣａＦ２系のフラックスが例示できる。その他、塩基度、スラグの流動性を改善するために、ＭｎＯ 、ＴｉＯ２、ＢａＯ 、ＺｒＯ２を添加してもよい。
【００２８】
また、Ｂをフラックスから添加する場合には、Ｂ２Ｏ３をフラックスに０．２０ｗｔ％以下添加できる。フラックスへのＢ２Ｏ３添加が２．０ ｗｔ％を超えると、高温割れの発生に加えて、溶接金属の焼入性が増大しすぎ靱性が劣化するという問題がある。
【００２９】
【実施例】
表１に示す極低炭素鋼板（板厚：２０ｍｍ）を、図１に示す開先形状に加工して、表２に示す溶接ワイヤと、表３に示すフラックスとを組み合わせ、表４に示す溶接条件でサブマージアーク溶接継手（溶接長さ１０００ｍｍ）を作製した。各溶接継手について、溶接金属の化学組成、溶接部における割れ個数、および溶接金属中央部におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギー（ｖＥ−２０ ）を調査した。溶接部における割れ個数は、溶接全長の各１０箇所から採取した継手部断面について光学顕微鏡（倍率×５０）、あるいは拡大投影機（倍率×２５）で観察し全断面の合計個数として測定した。
【００３０】
これらの結果を表５に示す。
【００３１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
本発明例では、溶接金属のＣが従来高温割れを発生しやすい領域であるといわれていた０．０３〜０．０６ｗｔ％の範囲内となっているにもかかわらず、溶接金属の割れ個数は０であり、耐高温割れ性に優れた溶接金属が形成されている。また、本発明例では、溶接金属のｖＥ−２０ が１５０ Ｊ以上と高く、優れた靱性を有する溶接金属が形成されている。
一方、本発明の範囲を外れる比較例は、溶接金属に多数の割れを発生し、耐高温割れ性が劣化している。なお、比較例である継手Ｎｏ．６のように鋼板、ワイヤ、およびフラックスそれぞれは好適範囲内であるが、それらの組合せ、あるいはそれらの組合せと溶接条件との組合せが不適切な場合には、溶接金属が本発明範囲を満足しなくなる。このような場合は、ワイヤ中のＣ、あるいはＢ含有量、フラックス中のＢ含有量を低減し、溶接金属を本発明範囲に調節することにより高温割れの発生が防止できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、特殊なＣ量範囲の溶接ワイヤを使用せずに、耐高温割れ性に優れた溶接金属を容易に形成でき、極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接継手が安価に作製できるという産業上格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】開先形状を示す説明図である。
Claims (3)
- Ｃ：０．０３ｗｔ％以下、Ｂ：０．００３０ｗｔ％以下を含有する極低炭素鋼板をサブマージアーク溶接するに際し、前記極低炭素鋼板のＳ含有量が０．０１０ｗｔ ％以下である鋼板に、該鋼板の組成に応じ、溶接金属がＣ：０．０３〜０．０６ｗｔ％を含有し、かつ下記（１）式を満足するように、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．００３ 〜０．０１５ ｗｔ％を含有する溶接用ワイヤを組合せて溶接することを特徴とする極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法。
記
Ｐ（ＣＷ ）−１／１００ ×｛（ＳＷ ／０．０１０ ）４ ＋（ＢＷ ／０．００２５）４ ｝≧０─ （１）
ここに、Ｐ（ＣＷ ）＝−１０００ＣＷ ３ ＋２５０ ＣＷ ２ −１７．１ＣＷ ＋０．４
ＣＷ ：溶接金属中のＣ含有量（ｗｔ％）
ＢＷ ：溶接金属中のＢ含有量（ｗｔ％）
ＳＷ ：溶接金属中のＳ含有量（ｗｔ％） - 前記溶接用ワイヤを、Ｃ：０．０４〜０．１０ｗｔ％、Ｓ：０．０１５ ｗｔ％以下を含み、さらにＢ：０．０１００ｗｔ％以下を含有するＣｕめっきワイヤとすることを特徴とする請求項１に記載の極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法。
- 前記溶接に際し、ＢをＢ２Ｏ３換算で２．０ ｗｔ％以下含有するフラックスを使用することを特徴とする請求項１または２に記載の極低炭素鋼板のサブマージアーク溶接方法。
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