JP3657129B2

JP3657129B2 - 被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP3657129B2
Application number: JP27911898A
Authority: JP
Inventors: 知之阿部; 登笠井; 圭人石崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000107888A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁等の維持管理の遂行が困難な構造物で、特に海岸近郊など塩害環境下で使用され、耐食性及び機械的性能が優れていることが要求される用途に好適の被覆アーク溶接棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、山間部及び海岸地帯等のように、塩水又は融雪塩が飛来する塩分腐食環境下にある道路橋等の橋梁構造物の溶接部は、耐食性向上のため、従来から塗装されて用いられている。しかし、この塗装塗膜は必ず経時劣化するため、耐食性維持のために、一定周期で塗装しなおす維持管理の必要性がある。
【０００３】
一方、近時、これらの橋梁には、従来の多数桁橋梁に代わり、２主桁橋梁に代表されるような主桁の数が少ない少数主桁橋梁が多く用いられるようになっている。この少数主桁橋梁は、多数桁橋梁に比して、使用鋼材量（鋼重）及び橋材片数が削減可能で、施工性も良く、環境保護及び工期の短縮の点で利点を有する。そして、このような少数主桁橋梁には、橋梁設置後の維持管理の負荷及びコストの最小化と、橋梁自体の高寿命化が強く求められている。従って、このような少数主桁橋の構造材に使用される溶材には、前記塩分腐食環境下であっても、耐食性が優れた溶材が強く求められている。
【０００４】
従来、耐候性鋼用被覆アーク溶接棒（ＪＩＳＺ３２１４）としては、Ｃｕ：０．３０乃至０．７０質量％、Ｃｒ：０．４５乃至０．７５質量％及びＮｉ：０．０５乃至０．７０質量％を溶着金属中に含有するものが提示されているが、これらは、前記微量元素の作用によって、表面に生成するさびが、高い耐食性を有する緻密な「安定さび層」となる自己防食機能を有している。そして、このような性質により、前記橋梁等のように、これまで種々の構造物のメンテナンスフリーの構造材として、基本的に無塗装で使用されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記塩分腐食環境下では、塩分の影響により、前記「安定さび層」が形成されにくくなる。そして、この「安定さび層」が形成されなくなると、耐食性は著しく低下してしまう。これは、前記塩分の多い腐食環境下では、腐食に伴って、さび皮膜中のｐＨが特に低下することに起因している。即ち、通常、腐食がわずかでも始まると、先ず、Ｆｅ→Ｆｅ²⁺＋２ｅ^-の反応が生じ、これに続くＦｅ²⁺＋２Ｈ₂Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）₂＋２Ｈ⁺なる反応により、鋼表面のｐＨが低下し、さび皮膜及びさび皮膜と溶接金属との界面のｐＨも低下する。そして、これらのｐＨが一旦低下すると、電気的中性を保つためにさび皮膜中の塩素イオンの輸率が増大し、塩素イオンの濃縮がさび皮膜と溶接金属との界面で生じる。この結果、この界面部分に塩酸雰囲気が形成され、溶接金属の腐食を促進する。また、これと同時に、さび皮膜中のｐＨの低下によって、鉄イオンの溶解度が大きくなり、防食機構の要である前記「安定さび層」の形成を阻害する現象も生じ、腐食加速状況が形成される。
【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、少数主桁橋等の構造材として使用可能な耐食性を有すると共に、機械的性能が優れた被覆アーク溶接棒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】
本発明に係る被覆アーク溶接棒は、塩害環境下用鋼板を溶接する際に使用され、鋼心線外周に被覆剤を塗布してなる被覆アーク溶接棒において、被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％として、被覆剤中及び鋼心線中の総量で、Ｃ：０．００５乃至０．２０質量％、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｃｕ：０．０５乃至１．０質量％、Ｎｉ：０．０５乃至７．０質量％、Ｔｉ：０．１０乃至５．０質量％（ＴｉＯ₂（Ｔｉ換算）を含む）を含有し、Ｃｒ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．０４質量％以下に規制したことを特徴とする。
【０００８】
本発明者等は、前記従来の耐候性鋼用被覆アーク溶接棒が、特に、前記少数主桁橋等の構造材に求められているレベル、即ち、無塗装で使用可能な裸耐候性のレベルまでに、溶接部の耐食性を改善できない理由を追求した。その結果、これらの耐候性鋼用被覆アーク溶接棒に含まれるＣｒが腐食因子として作用していることを知見した。
【０００９】
Ｃｒを０．１０質量％を超えて含有する場合、溶接金属のミクロな表面欠陥部において腐食がわずかでも始まると、化学平衡的に鉄原子に伴いＣｒ原子も微量溶解し、この微量溶解するＣｒイオンが、Ｃｌイオンの作用も加わり、前記溶接金属のミクロな表面欠陥部内におけるｐＨの低下の原因となる。また、このＣｒイオンが、欠陥内での凝縮水分の酸化性を促進し、腐食を誘発する作用がある。
【００１０】
従って、本発明においては、Ｃｒの含有量を０．１０質量％以下にする。そして、Ｃｒに代わる前記「安定さび層」の形成促進元素としてＴｉを選択した。Ｔｉは、Ｃｒのような前記ｐＨの低下の原因とならずに、前記「安定さび層」の形成促進効果があるという特異な性質を有する。本発明におけるＴｉの添加目的は、前述のとおり緻密な「安定さび層」の形成であり、この点がＣｒの低減と共に本発明の特徴の一つである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の被覆アーク溶接棒の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
【００１２】
Ｃ：０．００５乃至０．２０質量％
Ｃは溶接金属の強度を確保するために添加する元素である。Ｃ含有量が０．００５質量％未満では溶接金属のＣ量が低くなりすぎるため強度が確保しにくくなるばかりでなく、溶接中のシールド効果が不足することによって、溶接金属中のＮ量が増大し衝撃性能が劣化する。また、Ｃ含有量が０．２０質量％を超えると溶接金属中のＣ量が高くなりすぎるため強度が高くなり過ぎ、耐割れ性も急激に劣化する。従って、Ｃは０．００５乃至０．２０質量％とする。
【００１３】
Ｐ：０．０４質量％以下
Ｐは安定さび層を生成し、耐食性を向上させる元素であるが、本発明ではＴｉ等の含有により、安定さび層の生成を達成できるため、過度の含有は必要ない。逆に、Ｐの過度の添加は靭性劣化及び耐割性劣化を招くため、Ｐは０．０４質量％以下とする。
【００１４】
Ｓ：０．０４質量％以下
Ｓは腐食の起点となるＦｅＳ及びＭｎＳを生成し、耐食性の劣化を招く。また、耐割れ性も劣化する。Ｎｉを過剰に含有した場合、ＮｉＳは溶接金属の粒界に析出し、延性及び靭性劣化を招く。このため、Ｓは０．０４質量％以下とする。
【００１５】
Ｃｕ：０．０５乃至１．０質量％
Ｃｕは電気化学的に鉄より貴な元素であり、安定さび層の生成を促進し、耐食性を向上させる効果を有する。Ｃｕが０．０５質量％未満では、これらの効果が得られない。Ｃｕが１．０質量％を超えると、それ以上添加してもその添加量に見合う効果は得られず、逆に脆化と耐割性劣化を引き起こす。このため、Ｃｕは０．０５乃至１．０質量％とする。
【００１６】
Ｎｉ：０．０５乃至７．０質量％
ＮｉはＣｕと同様に耐食性向上効果を有する。Ｎｉが０．０５質量％未満では、これらの効果が得られない。逆に、Ｎｉ含有量が７．０質量％超では、それ以上の効果は得られず、逆に強度が過大となるため、耐割れ性劣化及び延性劣化が生じる。このため、Ｎｉ含有量は０．０５乃至７．０質量％とする。
【００１７】
Ｃｒ：０．１０質量％以下
Ｃｒはミクロな表面欠陥部内におけるｐＨの低下原因となり、欠陥内での凝縮水分の酸化性を促進し、腐食を誘発する作用を有するため、耐食性を劣化させる元素である。このため、Ｃｒは０．１０質量％以下とする。
【００１８】
Ｔｉ：０．１０乃至５．０質量％（ＴｉＯ ₂ （Ｔｉ換算）を含む）
ＴｉはＣｒに代わる安定さび層の生成促進元素である。ＴｉはＣｒのように前記ｐＨの低下の原因となるような耐食性への悪影響もなく、更に結晶粒微細化による生成さびの微細化及び靭性向上の効果を有する。Ｔｉが０．１０質量％未満では、これらの効果が得られない。一方、Ｔｉが５．０質量％超では、それ以上の効果も得られず、経済的でない。
【００１９】
本発明の被覆アーク溶接棒は、上記の各成分に加えて、通常の被覆アーク溶接棒に含まれるスラグ生成剤、脱酸剤及び弗化物等を含有することができる。
【００２０】
本発明の被覆アーク溶接棒における鋼心線の材質、被覆率、心線径の条件は適宜選択すればよく、制限されるものではない。
【００２１】
【実施例】
次に、本発明の範囲に入る実施例と、本発明の範囲から外れる比較例とについてその特性を比較し、本発明の効果を実証した結果について説明する。被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％として、被覆剤中及び鋼心線中の総量が、下記表１に示す組成の被覆アーク溶接棒（直径４．０ｍｍ）を作製し、試験に供した。試験は３種類で、使用した鋼板は以下のとおりである。
【００２２】
鋼板の板厚：２０ｍｍ
鋼板の化学成分：Ｃ：０．０９質量％、Ｓｉ：０．２２質量％、Ｍｎ：０．９５質量％、Ｐ：０．０１４質量％、Ｓ：０．００６質量％、Ｃｕ：０．４８質量％、Ｎｉ：０．７８質量％、Ｃｒ：０．０２質量％、Ｔｉ：０．０４質量％
【００２３】
（１）耐食性試験
鋼板に５０°のＶ溝（深さ１５ｍｍ）からなる開先を形成し、この開先を表１に示す被覆アーク溶接棒により下記条件にて溶接した。
【００２４】
溶接姿勢：下向
溶接電流：１８０Ａ，交流（ＡＣ）
溶接電圧：２４Ｖ
溶接入熱：１８乃至２６ｋＪ／ｃｍ
予熱・パス間温度：１００℃
【００２５】
得られた溶接金属の表面下１ｍｍから厚さ１０ｍｍの試験片を採取して、週１回の塩水散布を含む１年間の大気暴露試験を行ない、その長期耐久性を評価した。その結果を下記表２に示す。
【００２６】
表２における１年間の大気暴露試験条件は、実際の塩分腐食環境下に合わせて週１回の５体積％塩水の散布を行い、供試材は南向き、水平に対し３０°の傾斜で設置した。この大気暴露試験後、溶接金属の平均板厚減少量を測定し、０．９ｍｍ以下を良好とした。
【００２７】
（２）耐割れ性試験
ＪＩＳＺ３１５７に示すＵ型スリット割れ試験を実施した。溶接はＡＣで１８０Ａｍｐ，２４Ｖで、予熱は実施していない。その他の条件はＪＩＳＺ３１５７のとおりである。そして、７２時間放置後、断面割れを観察し割れの発生したものを不良、割れが認められなかったものを良好と評価した。
【００２８】
（３）全溶着金属の機械的性能
ＪＩＳＺ３２１４に規定された全溶着金属の機械的性能を調査した。溶接は交流で１８０Ａ，２４Ｖで行ない、その他の条件はＪＩＳＺ３２１４のとおりである。そして、引張強度が４９０乃至６４０Ｎ／ｍｍ²、伸びが２３％以上、衝撃値が０℃で４７Ｊ以上の場合を良好と評価し、それ以外を不良とした。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
この表２に示すように、本発明の実施例は、いずれも耐食性、耐割れ性及び機械的性能の全てが優れていた。これに対し、比較例の場合は、これらの特性のいずれかが劣るものであった。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は特に塩分腐食環境下の少数主桁橋梁等の構造物において使用可能な優れた耐食性を有するとともに、良好な機械的性能及び溶接作業性を兼備した被覆アーク溶接棒を提供することができる。従って、本発明は、この耐食性が優れた構造物の溶接施工を初めて可能にし、またその需要を大幅に拡大するものであり、工業的な価値は大きい。

Claims

塩害環境下用鋼板を溶接する際に使用され、鋼心線外周に被覆剤を塗布してなる被覆アーク溶接棒において、被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％として、被覆剤中及び鋼心線中の総量で、
Ｃ：０．００５乃至０．２０質量％
Ｐ：０．０４質量％以下
Ｃｕ：０．０５乃至１．０質量％
Ｎｉ：０．０５乃至７．０質量％
Ｔｉ：０．１０乃至５．０質量％（ＴｉＯ₂（Ｔｉ換算）を含む）
を含有し、Ｃｒ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．０４質量％以下に規制したことを特徴とする被覆アーク溶接棒。