JP3815917B2 - ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ - Google Patents

ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ Download PDF

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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フラックス入りワイヤに関し、特に海岸地域等の塩水が関与した腐食環境に建設される橋梁又は鉄塔等の溶接構造物の製造に使用されるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤに関する。
【0002】
【従来の技術】
橋梁等の構造物はその実用期間が数十年に及ぶため、厳重な塗装を施す等の防食処置をとらねばならない。塗装は極めて効果の高い防食手段であるが、大気暴露環境においては劣化が著しいために、定期的な補修を必要とする。
【0003】
しかし、近時、人件費の高騰又は塗装工の減少等により、その補修が困難になるという問題が生じている。また、橋梁等の構造物の溶接部においては、塗装欠陥が生じやすく、局所的な腐食量の増大がしばしば認められる。
【0004】
この問題を回避するため、橋梁等の鋼構造物には耐候性鋼が適用される例が増えている。
【0005】
一方、近時、建設省は、国内各所での暴露腐食試験結果により耐候性鋼を無塗装で使用することが可能な地域として、1日当たり10cm四方の面に飛来する塩分量が0.05mg/dm2/day(以下、単位をmddで表わす。)以下の地域に限るという指針を提示している。即ち、従来製造されてきたJIS SMA400/490/570等の耐候性鋼は飛来塩分量が0.05mdd以上の地域において無塗装で使用するに十分な耐候性を有していない。
【0006】
このような問題点を解決するため、海岸地域における耐候性を改善した鋼の製造技術として、最近、クロム又はニッケル等の元素を従来よりも多く添加することにより、海岸地域等の塩分が比較的に多い環境における耐候性を改善した鋼材が開発されている。この鋼材の溶接材料としては、例えば、JIS Z3320に規定される耐候性鋼用炭酸ガスアーク溶接フラックス入りワイヤに銅、ニッケル及びクロム等が規定される溶着金属の特性を有するものがあり、これが広く使用されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、JIS Z3320に規定されるものは従来の耐候性鋼用の溶接材料であり、海岸地域等の塩分が比較的多い環境における耐候性は不十分である。即ち、従来の溶接材料では良好な溶接性を有し、且つ飛来塩分量が0.05mdd以上の地域において高い耐候性を得ることが困難であるという問題点がある。
【0008】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、0.05mdd以上の塩分が飛来するような高腐食環境においても高い耐食性と良好な溶接性を有するガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤにおいて、前記ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ全重量に対して、C:0.02乃至0.16重量%、P:0.002乃至0.05重量%、Ni:0.2乃至4.0重量%及びMo:0.1乃至4.0重量%含有し、Cr:0.1重量%以下に規制し、前記Pの含有量を[P]、前記Niの含有量を[Ni]及び前記Moの含有量を[Mo]とするとき、A=[Ni]+3[Mo]で表されるパラメータAが1.2乃至4.85であり、溶接される鋼板に含有されるNi、Mo及びPの含有量を夫々[Ni]p、[Mo]p及び[P]pとするとき、B=([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)で表されるパラメータBが1.05乃至2.06であり、C=[P]/[P]pで表されるパラメータCが0.90以下であると共に、前記鋼板は、C:0.15重量%以下、Si:0.7重量%以下、Mn:0.1乃至2.0重量%以下、P:0.01乃至0.15重量%、S:0.02重量%以下、Cu:0.1重量%以下、Ni:0.2乃至4.0重量%、Cr:0.1重量%以下、Mo:0.1乃至4.0重量%及びAl:0.01乃至0.10重量%含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【0011】
また、本発明においては、前記鋼板は、更にNb:0.005乃至0.1重量%、V:0.005乃至0.1重量%及びTi:0.005乃至0.1重量%からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有することが好ましい。
【0012】
本発明においては、0.05mdd以上の塩分が飛来する高腐食環境においても高い耐食性と良好な溶接性を有する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。本願発明者等は上述の目的を達成すべくガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤの成分について鋭意検討した結果、Moを適当な量のNiと共に添加することにより耐食性を著しく向上させること、溶接部のNi及びMoの量と母材のNi及びMoの量との比を規定することにより溶接部の選択腐食を防止すること、並びに溶接部と母材とのPの量の比を規定することにより溶接金属の高温割れが生じにくくなることを見出した。
【0014】
次に、本発明のガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤの化学組成限定理由について説明する。
【0015】
C:0.02乃至0.16重量%
Cは所定の強度を確保するために添加する。Cの含有量が0.02重量%未満では溶接金属に含有されるCの含有量が低くなりすぎるため、耐高温割れ感受性が劣る。一方、Cの含有量が0.16重量%を超えると溶接金属のCの含有量が多くなりすぎるため、耐高温割れ感受性が低下する。従って、Cの含有量は0.02乃至0.16重量%とする。
【0016】
P:0.002乃至0.05重量%
Pは溶接部の耐食性を向上させる効果があるので、必要量添加する。Pの含有量が0.002重量%未満では、溶接金属中のPの含有量が不足し、耐食性に効果がない。また、必要以上の低P化は製造コストの増加を招くため好ましくない。一方、Pの含有量が0.05重量%を超えると溶接金属中のPの含有量が多くなりすぎるため、耐高温割れ感受性が急激に低下する。従って、Pの含有量は0.002乃至0.05重量%とする。
【0017】
Ni:0.2乃至4.0重量%
NiはMoとの共存により、塩分の多い環境における鋼の耐食性を向上させる効果がある。Niの含有量が0.2重量%未満では溶接金属中のNiの含有量が不足し、耐食性に効果がない。一方、Niの含有量が4.0重量%を超えると溶接金属中のNiの含有量が多くなりすぎるため、強度が増大し耐水素割れ感受性が低下すると共に、過度のNi量の添加は経済性の点でも好ましくない。従って、Niの含有量は0.2乃至4.0重量%とする。
【0018】
Mo:0.1乃至4.0重量%
MoはNiとの共存により、塩分の多い環境における溶接部の耐食性を向上させる効果がある。Moの含有量が0.1重量%未満では溶接金属中のMoの含有量が不足し、耐食性に効果がない。一方、Moの含有量が4.0重量%を超えると溶接金属中のMoの含有量が多くなりすぎるため、強度が増大し耐水素割れ感受性が低下すると共に、過度のMo量の添加は経済性の点でも好ましくない。従って、Moの含有量は0.1乃至4.0重量%とする。
【0019】
Cr:0.1重量%以下
Crは塩分の少ない環境においては溶接部の耐食性を向上させる効果を有するため、従来より使用されてきた耐候性鋼用の溶接材料には積極的に添加されている。しかしながら、本願発明者等が検討した結果、Crは塩分の多い環境においてはむしろ孔あき腐食を助長する作用があることが判明した。また、Crは溶接性を劣化させる元素である。そのため、本発明においてはCrは添加しない。但し、不純物としてCrが0.1重量%以下含まれる場合には、本発明の効果を阻害しない。従って、Crの含有量は0.1重量%以下に規制する。
【0020】
Ni]+3[Mo]:1.2以上
本発明の大きな特徴は、Moを適当な量のNiと共に添加することにより、著しく耐食性を改善することにある。Ni及びMoの耐食性に与える効果の詳細は必ずしも明らかではないが、Moは錆の稠密性を高め、水分及び塩分といった腐食因子が溶接部表面に接触するのを妨げる効果があると考えられる。一方、Moは錆を脆くする性質があり、クラック等の欠陥が生じやすくなる。
【0021】
また、Niは割れやすい錆の性質を改善し、クラック等の欠陥を生じにくくする性質がある。これらの2つの異なる性質による相乗効果が発揮されるため、Moを適当な量のNiと共に添加することにより、耐食性が著しく改善されると考えられる。
【0022】
【数1】
A=[Ni]+3[Mo]≧1.2
【0023】
上記数式1に示されるパラメータAの値が1.2未満では効果が十分でない。従って、パラメータAの値の範囲を1.2以上とする。
【0024】
([Ni]+3[Mo])/([Ni] p +3[Mo] p ):1.05以上
母材と溶接部の耐候性のバランスには、母材のNi及びMo量と溶接部のNi及びMoとの比が重要である。
【0025】
【数2】
B=([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)≧1.05
【0026】
即ち、具体的には上記数式2で表されるパラメータBの値が重要になる。このパラメータBの値が1.05未満では溶接金属が選択的に腐食される。従って、パラメータBの値の範囲を1.05以上とする。
【0027】
P]/[P] p :0.90以下
Pは溶接部の耐候性を向上させる効果があるため必要量を添加する。
【0028】
【数3】
C=[P]/[P]p≦0.90
【0029】
しかし、上記数式3に示すパラメータCの値が0.90を超えると溶接金属の耐高温割れ感受性が急激に低下する。従って、パラメータCの値の範囲を0.90以下とする。
【0030】
なお、本発明の溶接材料は上述以外の化学組成成分については、特に限定されず、溶接金属の衝撃性能を確保するために、適量のTi又はB等を添加することが可能である。
【0031】
【実施例】
以下、本発明の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本発明の請求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を比較して具体的に説明する。図1は本発明の実施例に係る複合サイクル腐食試験の方法を示すフローチャート図である。図2(a)は本発明の実施例に係る溶接部と母材との複合サイクル腐食試験の試験片形状を示す模式図であり、(b)は(a)の模式的断面図である。図3は本発明の実施例に係るV溝型高温割れ試験の開先形状を示す模式図である。
【0032】
第1実施例
[Ni]+3[Mo]の値、即ち、パラメータAの値を変化させた溶接材料の成分を表1に示す。この溶接金属について、図1に示すように複合サイクル腐食試験を実施した。この複合サイクル腐食試験は、0.05mdd以上10mdd未満の塩分が飛来する環境で腐食試験を行う場合と同様の効果を得ることができる。
【0033】
複合サイクル腐食試験について説明する。図1に示すように、先ず、0.3%の食塩水を試験終了後の鋼板及び溶接金属に塗布する(ステップS1)。次に、40℃の温度及び60%の湿度で7時間曝す(ステップS2)。次に、30℃の温度及び95%の湿度で8時間曝す(ステップS3)。次に、40℃の温度及び60%の湿度で7時間曝す(ステップS4)。なお、ステップS2からステップS3への移行及びステップS3からステップS4への移行には、夫々遷移時間を1時間かけて移行している。即ち、ステップS1乃至S4までの1サイクルは24時間であり、これを28回(4週間)繰り返した。
【0034】
このように複合サイクル腐食試験して形成された溶接部の最大穴あき深さの評価を表1に示す。なお、最大孔あき深さの評価は、孔あき深さが0.4mm以下を○とし、孔あき深さが0.4mmを超えるものを×とした。
【0035】
【表1】
Figure 0003815917
【0036】
上記表1に示すように、[Ni]+3[Mo]の値、即ち、パラメータAの値が本発明の範囲内にある実施例No.1乃至No.2は最大孔あき深さが0.4mmを超えることがなく、良好な耐食性を示した。一方、パラメータAの値が本発明の範囲未満である比較例No.15及びNo.16は最大孔あき深さが0.4mmを超えてしまい、耐食性に乏しかった。
【0037】
第2実施例
表2及び表3に示す鋼板No.1をガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを使用して溶接した。図2に示すように、鋼板から採取した母材1の長さが80mmで、板厚が5mmで、2枚の母材1の合計の幅が150mmであり、中央部に最大溶接幅が15mmの溶接金属2が形成された試験片を使用して、第1実施例と同様に、図1に示す複合サイクル腐食試験を実施した。なお、母材1に含有されるNiの含有量を[Ni]pとし、Moの含有量を[Mo]pとし、[Ni]p+3[Mo]p=Dと定義する。
【0038】
最大孔あき深さの評価及び選択腐食の評価は、第1実施例と同様に行った。この結果を表4に示す。
【0039】
【表2】
Figure 0003815917
【0040】
【表3】
Figure 0003815917
【0041】
【表4】
Figure 0003815917
【0042】
上記表4の結果より、本発明の範囲内にあり、パラメータBの値が1.05以上である実施例No.3及びNo.4においては選択腐食は生じなかった。これに対して、パラメータBの値が本発明の範囲未満である比較例No.17及びNo.18は溶接金属2が選択的に腐食された。
【0043】
第3実施例
表2及び表3に示す鋼板No.2をガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを使用して、図3に示すように、開先角度が60°のV字形状の溝が形成された母材1を表5に示す条件で溶接した。溶接終了後に溶接金属の高温割れを溶接長全線X線透過試験を行ない高温割れの有無を調べた。
【0044】
耐高温割れ性能の評価は、高温割れが無いものを○とし、高温割れが有るものを×とした。この結果を表6に示す。なお、表6に示すPpは鋼板中に含有されるPの含有量を示す。
【0045】
【表5】
Figure 0003815917
【0046】
【表6】
Figure 0003815917
【0047】
上記表6に示すようにガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤと鋼板とに、夫々含有されるPの[P]と[P]pとの比が本発明の範囲内にある実施例No.5及び6では溶接金属2の高温割れは発生しなかった。一方、本発明の範囲外である、即ち、パラメータCの値が0.90を超える比較例No.19及び20では溶接金属2の高温割れが発生した。
【0048】
第4実施例
表2及び表3に示す鋼板を表7に示すガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを使用して溶接した。図2に示すように、鋼板から採取した母材1の長さが80mmで、板厚が5mmで、2枚の母材1の合計の幅が150mmであり、中央部に最大溶接幅が15mmの溶接金属2が形成された試験片を使用して、第1実施例と同様に、図1に示す複合サイクル腐食試験を実施した。
【0049】
また、表2及び表3に示す鋼板を表7に示すガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤを使用して、第3実施例と同様に図3に示すように、開先角度が60°のV字形状の溝が形成された母材1を表5に示す条件で溶接した。溶接終了後に溶接金属の高温割れを溶接長全線X線透過試験を行ない高温割れの有無を調べた。
【0050】
最大孔あき深さの評価及び選択腐食の評価は、第1実施例と同様に行った。また、耐高温割れ性能の評価は、第3実施例と同様に行った。これらの結果を表8に示す。
【0051】
【表7】
Figure 0003815917
【0052】
【表8】
Figure 0003815917
【0053】
上記表8に示すように、本発明の範囲内にある実施例No.7乃至14はいずれも最大孔あき深さが0.4mm以下と優れた耐食性を示すと共に、溶接部において選択腐食が生じなかった。また、溶接金属において、高温割れも発生せず、良好な溶接性を示した。
【0054】
一方、比較例No.21乃至26並びに比較例No.28乃至32及び34は耐食性と耐高温割れ性能とのいずれかが良好な結果を得ることができなかった。比較例No.27は耐食性及び耐高温割れ性能共に、良好であるが低温割れが発生したため、総合評価が乏しかった。比較例No.33及び35は耐食性及び耐高温割れ性能共に、良好であるが強度が増大し、耐水素割れ感受性が低下したため、総合評価が乏しかった。
【0055】
比較例No.21は、Cの含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の高温割れが生じ、耐高温割れ性能が劣った。
【0056】
比較例No.22は、Pの含有量が本発明の範囲を超え、([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)の値が本発明の範囲未満であるため、溶接金属の高温割れが生じると共に、溶接部の選択腐食が生じた。
【0057】
比較例No.23は、Pの含有量、Niの含有量、[Ni]+3[Mo]の値及び([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)の値がいずれも本発明の範囲未満であるため、溶接部の最大孔あき深さが深くなると共に、溶接部の選択腐食が生じ、耐食性能が劣った。
【0058】
比較例No.24は、Niの含有量が本発明の範囲未満であるため、溶接部の最大孔あき深さが深くなった。
【0059】
比較例No.25は、Cの含有量、Moの含有量及び([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)の値がいずれも本発明の範囲未満であるため、溶接部の最大孔あき深さが深くなると共に、溶接部の選択腐食が生じ、更に、溶接金属の高温割れが生じ、耐高温割れ性能及び耐食性能が劣った。
【0060】
比較例No.26は、Pの含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の高温割れが生じ、耐高温割れ性能が劣った。
【0061】
比較例No.27は、Niの含有量及びMoの含有量がいずれも本発明の範囲を超えているため、溶接金属の耐高温割れ性能及び耐食性能の点では良好であるが、強度が高くなり低温割れが生じた。
【0062】
比較例No.28は、Crの含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接部の最大孔あき深さが深くなった。
【0063】
比較例No.29は、[P]/[P]pの値が本発明の範囲を超え、([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)の値が本発明の範囲未満であるため、溶接金属の高温割れが生じると共に、溶接部の選択腐食が生じた。
【0064】
比較例No.30は、([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)の値が本発明の範囲未満であるため、溶接部の選択腐食が生じた。
【0065】
比較例No.31は、Cの含有量が本発明の範囲未満であるため、溶接金属の高温割れが生じ、耐高温割れ性能が劣った。
【0066】
比較例No.32は、Pの含有量が本発明の範囲未満であるため、溶接部の選択腐食が生じ、耐食性能が劣った。
【0067】
比較例No.33は、Niの含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の耐高温割れ性能及び耐食性能の点では良好であるが、強度が増大し、耐水素割れ感受性が低下した。
【0068】
比較例No.34は、Moの含有量が本発明の範囲未満であるため、溶接部の選択腐食が生じ、耐食性能が劣った。
【0069】
比較例No.35は、Moの含有量が本発明の範囲を超えているため、溶接金属の耐高温割れ性能及び耐食性能の点では良好であるが、強度が増大し、耐水素割れ感受性が低下した。
【0070】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明においては、Ni、Cu及びMoの含有量を調整することにより、0.05mdd以上の塩分が飛来するような高腐食環境においても溶接部の耐候性を十分に確保することが可能であると共に、良好な溶接性能を有することができる。このため、海岸地域等の塩水が関与した腐食環境に建設される橋梁又は鉄塔等の溶接構造物の製造において、無塗装で溶接部に高い耐食性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る複合サイクル腐食試験の方法を示すフローチャート図である。
【図2】(a)は本発明の実施例に係る溶接部と母材との複合サイクル腐食試験の試験片形状を示す模式図であり、(b)は(a)の模式的断面図である。
【図3】本発明の実施例に係るV溝型高温割れ試験の開先形状を示す模式図である。
【符号の説明】
1;母材
2;溶接金属

Claims (2)

  1. 鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤにおいて、前記ガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ全重量に対して、C:0.02乃至0.16重量%、P:0.002乃至0.05重量%、Ni:0.2乃至4.0重量%及びMo:0.1乃至4.0重量%含有し、Cr:0.1重量%以下に規制し、前記Pの含有量を[P]、前記Niの含有量を[Ni]及び前記Moの含有量を[Mo]とするとき、A=[Ni]+3[Mo]で表されるパラメータAが1.2乃至4.85であり、溶接される鋼板に含有されるNi、Mo及びPの含有量を夫々[Ni]p、[Mo]p及び[P]pとするとき、B=([Ni]+3[Mo])/([Ni]p+3[Mo]p)で表されるパラメータBが1.05乃至2.06であり、C=[P]/[P]pで表されるパラメータCが0.90以下であると共に、前記鋼板は、C:0.15重量%以下、Si:0.7重量%以下、Mn:0.1乃至2.0重量%以下、P:0.01乃至0.15重量%、S:0.02重量%以下、Cu:0.1重量%以下、Ni:0.2乃至4.0重量%、Cr:0.1重量%以下、Mo:0.1乃至4.0重量%及びAl:0.01乃至0.10重量%含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ。
  2. 前記鋼板は、更にNb:0.005乃至0.1重量%、V:0.005乃至0.1重量%及びTi:0.005乃至0.1重量%からなる群から選択された1種又は2種以上の元素を含有することを特徴とする請求項に記載のガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ。
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