JP3735001B2

JP3735001B2 - 靱性に優れた溶接金属

Info

Publication number: JP3735001B2
Application number: JP2000064662A
Authority: JP
Inventors: 喜臣岡崎; 等畑野; 行伸松下; 朋和森本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JP2001254141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼製溶接構造物の製造・組立ての際に形成させるところの、屋外現場でのガスシールドアーク溶接施工において風などによってシールド性が悪化した場合でも優れた靱性を示す溶接金属に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鋼の溶接構造物の製造や組立ての際に形成される溶接金属は、鋼材と異なり所望の加工熱処理を施すことができないことから、その靱性が鋼材より劣っているのが実情である。そのため、溶接金属の靱性改善が強く要望されている。
【０００３】
溶接金属の靱性の改善についてはこれまでにも種々の研究が行われており、靱性は溶接金属組織に大きく依存し、アシキュラーフェライト（acicular ferrite）と呼ばれる微細組織の生成が靱性改善に有効であることが知られている。このアシキュラーフェライトは溶接金属中に含有されるＴｉ系酸化物を核として生成するものであり、したがって、酸化物存在形態を制御することが靱性改善に有効であることも知られている。また、Ｔｉ及びＢ（ホウ素）を複合添加することにより、Ｔｉ系酸化物、すなわちアシキュラーフェライトの生成核を確保しつつ、Ｂによる焼入れ性向上によって旧オーステナイト粒界から生成する粗大フェライトを抑制し、均一にアシキュラーフェライトの生成が可能であることが報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｔｉによる前述したアシキュラーフェライトの生成核となる効果は溶融金属中に含有されるＡｌ量によって決定され、またＢによる前述した粗大フェライトを抑制する効果はＮ（窒素）量によって決定されるため、最終的な特性はこれら元素の影響を受ける。この点については、本発明者らは、鋼製溶接構造物の製造・組立ての際にガスシールドアーク溶接にて形成される溶接金属において、溶接金属中に固溶Ｔｉを含有させるよう母材と溶接ワイヤの成分調整を行うことで前記Ａｌ，Ｎによる影響を緩和できることを既に見出している（特願平１１−６６２２８号公報）。
【０００５】
ところが、この先の提案では、外部から溶接金属中に混入してくるガス成分、とりわけＮに関して考慮したものではなかった。このため、特に屋外現場でガスシールドアーク溶接施工を行う際には、風に対して弱くシールド不良の危険性があることから、ガスシールド条件によっては、Ｎが多量に混入し所要の靱性を確保した溶接金属が得られない場合があるのが実情である。
【０００６】
溶接金属中にＮが混入することで、靱性確保のために必要な前記Ｔｉ，Ｂなどの元素がそれぞれ化合物を形成してそれらの効果が消失し、靱性が低下してしまう。また、こればかりでなく、固溶Ｎはマトリックス中の転位を固着する作用があるので、より靱性低下を生じさせることになる。そして、通常、溶接は多層盛り（各層が１パス又は複数パスで行われる多層の溶接ビード積層法）で行われるため、溶接金属のなかでも、次パスによる熱影響を受けた再熱部では固溶Ｎがほとんど析出され、一方、原質部では非平衡状態にて室温まで冷却されるため固溶Ｎの析出量が少なく、つまり固溶Ｎが再熱部に比べて多く存在し固溶Ｎによる悪影響が大きい。よって、優れた靱性を示す溶接金属を形成するには、この原質部の固溶Ｎを制御することが必要となる。なお、本発明でいうところの溶接金属原質部とは「溶接金属において次パスによる熱影響を受けていない溶接ままの領域」を意味し、最終パスにより形成された溶接金属で代表されるものである。
【０００７】
このように本発明が解決しようとする課題は、鋼製溶接構造物の製造・組立てに際し、屋外現場でのガスシールドアーク溶接施工において風などによってシールド性が悪化した場合でも優れた靱性を示す溶接金属を形成しうるようにするには、どのような手段を講じればよいかという点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するものとして、請求項１の発明は、鋼のガスシールドアーク溶接を行って形成される溶接金属であって、鋼のガスシールドアーク溶接を行って形成される溶接金属であって、重量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｂ：０．０１００％以下、Ｏ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１５０％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０５０％をそれぞれ含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、溶接金属原質部組織中に存在するマルテンサイト及び残留オーステナイト組織の総量が、体積％で、２．０〜５．０％であることを特徴とする靱性に優れた溶接金属である。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の溶接金属成分に加えて、重量％で、Ｃｕ：０．０１〜２．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％のうちの１種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、溶接金属原質部組織中に存在するマルテンサイト及び残留オーステナイト組織の総量が、体積％で、２．０〜５．０％であることを特徴とする靱性に優れた溶接金属である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、このような特徴を有する本発明について説明する。本発明者らは、ガスシールドアーク溶接施工において風などによってシールド性が悪化して溶接金属中にＮが多量に混入した場合にも良好な靱性を持つ溶接金属を形成すべく研究を重ねた結果、溶接金属原質部組織中に存在するマルテンサイト及び残留オーステナイト組織（以下、ＭＡという）の総量を規定し、原質部組織中の該ＭＡに固溶Ｎを濃縮させてマトリックス全体への固溶Ｎの拡散を抑制し、これによって固溶Ｎによる転移固着作用を弱めることで固溶Ｎによる靱性低下を抑制しうることを見出し、本発明をなしたものである。なお、ＭＡは、マルテンサイト及び残留オーステナイト組織の複合組織の総称であり、該ＭＡに固溶Ｎを濃縮させるべく原質部組織内に分散させるものであり、マルテンサイト組織と残留オーステナイト組織の機能に差はなくこの点において特に該両者を区別するものではない。
【００１１】
ところで一般に、鋼製溶接構造物における溶接金属の靱性改善の観点からすると、溶接熱影響部中に存在するＭＡは靱性に悪影響を及ぼすことが知られている。これはその組織が不均一になり亀裂が発生しやすいことに起因しており、該ＭＡのサイズ、含有割合（体積％）などに依存することも知られている。
【００１２】
これに対して、本発明に係る溶接金属においては、Ｏ（酸素）の添加により多量の酸化物を組織内に分散させることでＭＡ自体の存在による靱性への悪影響を低減するようにし、溶接金属原質部組織中にＭＡを分散させることにより、前述のように固溶Ｎによる靱性低下を抑制して所要の良好な靱性が得られるものである。以下に本発明をより詳しく説明する。
【００１３】
まず、Ｏの添加については、溶接金属中にアシキュラーフェライトの生成核となる酸化物を形成して靱性確保を図るためのものであり、そのＯ量の調整は、例えば、溶接ワイヤのフラックス成分中にＴｉ酸化物を適宜含有させることにより行うことができる。
【００１４】
次にＭＡについては、溶接施工時の入熱を適切に設定するとともに、主として溶接ワイヤ成分を適切に組み合わせることにより、本発明で規定する範囲のＭＡ量を存在させることが可能である。すなわち、ＭＡ量については、溶接施工時の入熱を適切に設定する一方、溶接ワイヤに含有させるＴｉ量及びＭｎ量の調整により溶接金属の焼入れ性を高めるとともに、Ｓｉ量の調整によりアシキュラーフェライト生成後の未変態オーステナイトがセメンタイトとして分解することを抑制することで、本発明で規定する範囲に制御することが可能である。
【００１５】
後述の実施例において示すように、Ｓｉ、Ｍｎ及びＴｉの添加量バランスによりＭＡ量には比較的大きな差が現れるので、溶接ワイヤに含有させるこれら３元素の添加量や量比を一概に数値で定めることは難しい。しかしながら、入熱などの溶接施工条件及び溶接ワイヤ成分を事前に実験にて求めておけば、実際の溶接施工への適用は可能である。以下に、本発明に係る溶接金属の化学組成、及びその溶接金属原質部組織中に存在するＭＡ（マルテンサイト及び残留オーステナイト組織）の限定理由について説明する。なお、化学組成値は重量％であり、ＭＡの値は体積％である。
【００１６】
Ｃは溶接金属の強度を確保するために欠かせない元素であり、かつ、ＭＡを存在させるために極めて重要であり、そのためには０．０２％以上含有されていることが必要である。一方、０．１２％を超えて含有させると溶接金属の過度の強度上昇により靱性の低下を招く。したがって、Ｃ含有量は０．０２〜０．１２％とし、より好ましくは０．０４〜０．０７％である。
【００１７】
Ｓｉは脱酸作用を持ち、歩留ったものはフェライトを固溶強化させる作用を有することから溶接金属には欠かせない元素で、また、溶接金属原質部組織中のＭＡ生成量に影響を与える元素であり、そのためには０．１０％以上含有されていることが必要である。一方、０．８０％を超えて含有させると溶接金属の過度の強度上昇により靱性の低下を招く。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０〜０．８０％とし、より好ましくは０．２０〜０．５０％である。
【００１８】
Ｍｎは溶接金属の強度を確保するために欠かせない元素であり、そのためには０．５０％以上含有されていることが必要である。一方、２．００％を超えて含有させると焼入れ性が過大となり靱性の低下を招く。したがって、Ｍｎ含有量は０．５０〜２．００％とし、より好ましくは１．００〜１．６０％である。
【００１９】
Ｔｉは溶接金属中にアシキュラーフェライトの生成核となる酸化物の構成元素として極めて重要な元素である。アシキュラーフェライトの生成に有効に働く酸化物を形成するには溶接金属中にＴｉが０．０２０％以上含有されていることが必要である。一方、０．１００％を超えて含有させると溶接金属の過大な強度上昇により靱性の低下を招く。したがって、Ｔｉ含有量は０．０２０〜０．１００％とし、より好ましくは０．０４０〜０．０８０％である。
【００２０】
Ｂは溶接金属中に固溶したＮを固定する作用と粒界フェライトの生成を抑制する作用があって靱性向上に必要な元素である。過剰にＢが含有されると溶接割れを引き起こすことからＢ含有量の上限値は０．０１００％とし、Ｂ含有量のより好ましい範囲は０．０３０〜０．０８０％である。
【００２１】
Ｏは溶接金属中にアシキュラーフェライトの生成核となる酸化物の構成元素として極めて重要な元素である。アシキュラーフェライトの生成に有効に働く酸化物を形成するには溶接金属中にＯが０．０１０％以上含有されていることが必要である。一方、０．０８０％を超えて含有させるとその酸化物が粗大化するために均一微細なアシキュラーフェライトの生成にとって不都合となる。したがって、Ｏ含有量は０．０１０〜０．０８０％とし、より好ましくは０．０２０〜０．０５０％である。
【００２２】
Ｎは先にも述べたように溶接金属の靱性の低下を引き起こすことから、従来より、溶接金属ではその含有量が厳しく制限されてきた元素である。本発明に係る溶接金属では０．０１５０％まで許容することができる。０．０１５０％を超えてＮが含有されると本発明に係る溶接金属でもってしても靱性が悪化し、また、ブローホールの生成などの悪影響が生じることから、Ｎ含有量の上限値を０．０１５０％とし、より好ましくは０．０１０％以下である。
【００２３】
溶接金属原質部組織中に存在するＭＡ（マルテンサイト及び残留オーステナイト組織）は、先にも述べたように溶接金属中の固溶Ｎによる靱性低下を抑制する効果を持つことから極めて重要である。このような効果を発揮するにはＭＡ量が２．０％以上であることが必要である。一方、ＭＡ量が５．０％を超えて形成されると逆に靱性を低下させてしまう。したがって、溶接ままの溶接金属中に存在するＭＡ量は２．０〜５．０％とし、より好ましくは２．０〜４．０％である。なお、ＭＡ量の計測は、光学顕微鏡装置を用いて溶接ままの溶接金属組織断面を倍率１０００倍で１０個の視野分の写真撮影を行い、各写真撮影試料それぞれについて、画像解析により、溶接ままの溶接金属組織のアシキュラーフェライト間に存在する５μｍ以下のマルテンサイト及び残留オーステナイトを求めてその体積％を算出し、これら１０個の試料の平均値を求めるようにした。
【００２４】
以上の他に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌなどは溶接金属中に含有させることで溶接金属にさらに優れた靱性を付与しうる元素群である。これら元素群の限定理由を以下に述べる。
【００２５】
Ｃｕは焼入れ性を高めて組織を微細化する作用がある。その作用のためには溶接金属中にＣｕが０．０１％以上含有されていることが必要である。一方、２．００％を超えて含有させると溶接金属の過度の強度上昇により靱性の低下を招く。したがって、Ｃｕ含有量は０．０１〜２．００％とし、より好ましくは０．０１〜１．５０％である。
【００２６】
Ｎｉは大入熱溶接であっても安定した靱性を確保するために含有させる元素であり、そのためには０．０１％以上含有されていることが必要である。一方、３．００％を超えて含有させると溶接金属の強度が高くなりすぎ逆に靱性の低下を招く。したがって、Ｎｉ含有量は０．０１〜３．００％とし、より好ましくは０．５０〜１．５０％である。
【００２７】
Ａｌは強い脱酸作用を持ち、溶接金属の物性を高めるのに有効な成分であり、そのためには０．００２％以上含有されていることが必要である。一方、Ａｌは過剰に含有させるとＴｉとともに粗大な酸化物として溶接金属中に残存するため、酸化物によるアシキュラーフェライト生成効果を消失させてしまう。よって、Ａｌ含有量は０．００２〜０．０５０％とし、より好ましくは０．００５〜０．０３０％である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明に係る溶接金属を得る実施例について説明する。表１に示す溶接試験条件でフラックス入り溶接ワイヤを使用した炭酸ガスアーク溶接を行って溶接継手を製作し、得られた溶接金属についてシャルピー衝撃試験を行ってその靱性を評価した。
【００２９】
溶接にあたり、シールドガスとして炭酸ガスのみを使用した通常の溶接（表４中の実施例１，２、及び表５中の比較例１）を行う一方、屋外現場において風などによってシールド性が悪化して溶接金属中にＮが多量に混入する場合を想定して溶接金属中のＮ含有量を意図的に高めるために、炭酸ガス（ＣＯ₂）と窒素ガス（Ｎ₂）との混合ガスを使用した高Ｎ条件での溶接（表４中の実施例３〜実施例２０、及び表５中の比較例２〜比較例１２）を行った。
【００３０】
表２に母材である供試鋼板（４９０Ｎ／ｍｍ²級高張力鋼）の化学成分を示し、表３に使用した溶接ワイヤ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２７）の化学成分を示す。また、表４に実施例における溶接金属の化学成分とＭＡ量を示すとともに、表５に比較例における溶接金属の化学成分とＭＡ量を示す。ＭＡ量は最終パスで計測した値である。
【００３１】
溶接金属の靱性評価については、最終層部分が含まれるよう継手母材表面より深さ２ｍｍの位置がシャルピー試験片上面となるように該継手の溶接金属より前記試験片を切り出しＪＩＳＺ３１１１に基づいてシャルピー衝撃試験を実施し、−４０℃における吸収エネルギー（ｖＥ_-40）を測定し、その値が７５Ｊ以上のものを合格（○）とした。その結果を前記の表４及び表５に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
【表５】

【００３７】
表５から分かるように、比較例１〜１２では、本発明で規定する要件の何れかを欠くため、「吸収エネルギー値≧７５Ｊ」を満たす靱性の良好な溶接金属が得られていない。すなわち、比較例１はシールド性の良い通常Ｎ条件であるもののＭＡ量が本発明で規定する下限値２．０％をわずか下回るため、吸収エネルギー値（ｖＥ_-40）が７２Ｊとなって合格値である７５Ｊに達していない。比較例２は、比較例１と同ワイヤを使用しているものの高Ｎ条件で、かつＭＡ量が下限値を下回るために靱性が悪い。
【００３８】
また、比較例３はＣ量が上限値を外れ、比較例４はＳｉ量が上限値を外れ、比較例５はＭｎ量が上限値を外れ、比較例６はＡｌ量が上限値を外れるために、これらいずれも靱性が低い溶接金属が形成されている。また、比較例７はＴｉ量が上限値を外れ、比較例８はＢ量が上限値を外れ、比較例９はＯ量が上限値を外れるために、いずれも靱性が低い溶接金属が形成されている。またさらに、比較例１０はＣｕ量及びＭＡ量が上限値をそれぞれ外れ、比較例１１はＮｉ量が上限値を外れ、比較例１２はＮ量が上限値を外れるために、いずれも靱性の低い溶接金属が形成されている。
【００３９】
これに対して本実施例は、表４から明らかなように、シールド性の良い通常Ｎ条件の場合（実施例１，実施例２）、及びシールド性の悪化を想定しての高Ｎ条件の場合（実施例３〜実施例２０）のいずれにおいても、吸収エネルギー値が７５Ｊ以上という靱性の良好な溶接金属が得られている。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、鋼製溶接構造物の製造・組立てに際し、屋外現場でのガスシールドアーク溶接施工において風などによってシールド性が悪化した場合でも優れた靱性を示す溶接金属を形成させることができ、鋼製溶接構造物の信頼性向上に寄与することができる。

Claims

鋼のガスシールドアーク溶接を行って形成される溶接金属であって、重量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、Ｍｎ：０．０５〜２．００％、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００％、Ｂ：０．０１００％以下、Ｏ：０．０１０〜０．０８０％、Ｎ：０．０１５０％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０５０％をそれぞれ含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、溶接金属原質部組織中に存在するマルテンサイト及び残留オーステナイト組織の総量が、体積％で、２．０〜５．０％であることを特徴とする靱性に優れた溶接金属。
請求項１の溶接金属成分に加えて、重量％で、Ｃｕ：０．０１〜２．００％、Ｎｉ：０．０１〜３．００％のうちの１種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、溶接金属原質部組織中に存在するマルテンサイト及び残留オーステナイト組織の総量が、体積％で、２．０〜５．０％であることを特徴とする靱性に優れた溶接金属。