JP3917084B2 - ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として５９０ＭＰａ級高張力鋼に使用するガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法に係り、特に大入熱および高パス間温度の溶接施工条件で多層盛溶接を行っても、溶接金属の機械的性質に優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスシールドアーク溶接は、従来から高能率で母材への溶け込みが良好であり、また機械的性質に優れた溶接継手が得られることから、建築、鉄骨、橋梁等の大型構造物に広く使用されている。近年、更なる溶接効率の向上から、溶接入熱を大きくするとともに次の溶接パスまでの溶接部を過度に冷却することなく溶接を行う、いわゆる大入熱・高パス間温度での溶接施工方法が求められている。しかし、ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１の溶接ワイヤでは溶接入熱量１５〜３０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度最大２５０℃での溶接施工が一般的であり、前記大入熱・高パス間温度での溶接施工方法では溶接金属の強度が低下したり、靱性が劣化する。
【０００３】
大入熱・高パス間の溶接施工方法に対応するため、溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接施工条件下においても、例えば、特開平１０−２３０３８７号公報（特許文献１）、特開平１１−９０６７８号公報（特許文献２）および特開平１１−１０４８８６号公報（特許文献３）にあるように、ワイヤ中にＴｉ、Ｂを添加することにより４９０ＭＰａ級高張力鋼板に対し、良好な溶接金属の機械的性質が得られる大入熱、高パス間温度溶接用ワイヤおよび溶接方法が提案されている。しかしながら、上記の溶接用ワイヤおよび溶接方法は、いずれも４９０ＭＰａ級高張力鋼を対象としたものであり、近年の更なる大型化、高強度化に伴う、５９０ＭＰａ級高張力鋼を大入熱かつ高パス間温度の施工条件下で多層盛溶接を行った場合、所定の溶接金属の機械的性質が確保できないという問題がある。
【０００４】
【引用文献】
（１）特許文献１（特開平１０−２３０３８７号公報）
（２）特許文献２（特開平１１−９０６７８号公報）
（３）特許文献３（特開平１１−１０４８８６号公報）
（４）特許文献４（特開平１１−２３９８９２号公報）
（５）特許文献５（特開２００１−２８７０６８号公報）
（６）特許文献６（特開２００２−７９３９５号公報）
（７）特許文献７（特開２００２−１０３０８２号公報）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工条件で多層盛溶接する場合においても、溶接金属の強度および靱性が確保できる５９０ＭＰａ級高張力鋼を対象としたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．７〜１．１％、Ｍｎ：２．０〜２．６％、Ｍｏ：０．１５〜０．５５％、Ｔｉ：０．１５〜０．３０％、Ｎｉ：０．０２〜０．５０％、Ｂ：０．００５〜０．０１２％、Ａｌ：０．０２０％以下、Ｏ：０．００２〜０．０１５％、Ｎ：０．０１０％以下、さらにＶおよびＮｂの１種類以上を０．００５〜０．０５％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ下記（１）式で示すＴｍｐが０．７〜１．２、（２）式で示すＫｅｊが０．２以上であることを特徴とする。
また、５９０Ｍｐａ級高張力鋼を溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工条件で、前記ガスシールドアーク溶接用ワイヤを用いて多層溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法にある。
Ｔｍｐ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／１６＋８×（Ｖ＋Ｎｂ）＋１８×Ｂ・・・（１）式
Ｋｅｊ＝Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／２０＋２０×Ｂ−３２×Ｎ・・・（２）式
【０００７】
【発明の実態の形態】
従来、４９０ＭＰａ級高張力鋼板溶接用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１８の規格化にともない、溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接が可能となったが、５９０ＭＰａ級高張力鋼は大入熱・高パス間温度での溶接施工が不可能であった。そこで、５９０ＭＰａ級高張力鋼に対し、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃で多層盛溶接する場合においても、５９０ＭＰａ以上の強度およびー５℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上を達成するためにはワイヤ成分について本質的な工夫が必要となる。
【０００８】
本発明者らは、上記従来の問題点を解決するため、５９０ＭＰａ級高張力鋼に対し、溶接効率の高い、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の多層盛溶接においても優れた溶接金属性能が得られる溶接技術を探求した。一般に、溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍで溶接を行えば、溶着量の増加による溶接工数の低減が図れ、パス間温度３５０℃での溶接施工が可能となれば、次のパスまでの溶接待ち時間が低減し、溶接効率の向上に大きな効果がある。この点に着目し、溶接金属の強度、靭性等の機械的性質に優れた多層盛溶接用のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ成分および溶接施工方法について種々検討した。その結果、ワイヤの成分を適切にすることによって、５９０ＭＰａ級高張力鋼板を、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工が可能となるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびそれを用いた溶接方法を見出した。
【０００９】
以下に、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分組成を限定した理由について説明する。
Ｃは、溶接金属の引張強度を高める元素である。大入熱・高パス間温度での溶接施工において、溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るためには、少なくとも０．０５質量％（以下、％という。）以上含有させる必要がある。しかし、０．１５％を超えると、靭性が低下し、溶接部に割れが発生する場合がある。したがって、Ｃ含有量は、０．０５〜０．１５％とする。
【００１０】
Ｓｉは、脱酸剤であり、酸素量を低下させ靱性向上に必要な元素である。特に、大入熱・高パス間温度での溶接施工においては、Ｓｉの消耗量が激しいため、含有量を高める必要がある。０．７％未満では、強度および靭性を低下させ、脱酸不足となりブローホールが発生する場合がある。しかし、１．１％を超えると靭性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は、０．７〜１．１％とする。
【００１１】
Ｍｎは、溶接金属の引張強度を高める元素であり、また、脱酸剤で靱性を高める元素である。大入熱・高パス間温度での溶接施工においては、溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るため、また、脱酸剤としての消耗量が激しいため、含有量を高める必要がある。２．０％未満では焼き入れ性が低下し、靭性が低下するとともに、脱酸不足となりブローホールが発生する場合がある。しかし、２．６％を超えると溶接金属が硬化して靱性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は、２．０〜２．６％とする。
【００１２】
Ｍｏは、オーステナイトの粗大化を抑制し、オーステナイト粒径を微細化するとともに焼き入れ性が向上する元素であり、溶接金属の引張強度および靭性を高める。０．１５％未満では、結晶粒の粗大化により靭性が低下し、また、強度不足となる。しかし、０．５５％を超えると溶接金属が硬化して靱性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は、０．１５〜０．５５％とする。
Ｔｉ、は脱酸剤として作用するとともに、溶接金属中にＴｉ酸化物を生成し、これが、フェライト生成核となり、粒内に微細なフェライト組織であるアシュキュラーフェライト組織を形成して靱性を向上させる。０．１５％未満ではこの効果が得られない。また、０．３０％を超えると溶接金属は脆化して靱性が劣化する。したがって、Ｔｉ含有量は、０．１５〜０．３０％とする。
【００１３】
Ｎｉは、オーステナイトの安定化元素であり、溶接金属中のフェライトマトリックスの靭性を向上させる元素である。０．０２％未満では効果がなく、０．５０％を超えるとオーステナイト粒が粗大化し靱性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は、０．０２〜０．５０％とする。
Ｂは、オーステナイトから生成する粒界フェライトの発生を抑え、靱性を向上させる元素である。０．００５％未満では効果がなく、０．０１２％を超えると溶接金属に高温割れが発生し易くなる。したがって、Ｂ含有量は、０．００５〜０．０１２％とする。
【００１４】
Ａｌは、脱酸剤として溶鋼に添加する元素である。しかし、０．０２０％を超えると溶接金属の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、０．０２０％以下とする。
Ｏは、アークを安定させるとともに溶滴の表面張力を低下させる元素でビード形状を良好する。０．００２％未満ではアークが不安定でビード形状も不良となる。０．０１５％を超えるとア−ク不安定を引き起こす。したがって、Ｏ含有量は、０．００２〜０．０１５％とする。
【００１５】
Ｎは、ＴｉおよびＢを窒化物として固定化し、微細粒フェライトの発生を低下させ、溶接金属の靭性を劣化させる元素であり、できるだけ低くすることが望ましい。したがって、Ｎ含有量は、０．０１０％以下とする。
ＶおよびＮｂは、大入熱・高パス間温度での溶接施工において、溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るために必要な元素であり、また、微細な炭窒化物を形成し、溶接金属のオーステナイトから生成する粒界フェライトの発生を抑え、靱性を向上させる元素である。この効果を得るために、１種以上の合計で少なくとも０．００５％以上含有させる必要がある。しかし、１種以上の合計で０．０５％を超えると、脆化による靭性の低下や溶接部に高温割れが発生する場合がある。したがって、ＶおよびＮｂ含有量は、１種以上の合計で、０．００５〜０．０５％とする。
【００１６】
Ｔｍｐは、下記（１）式で得られる大入熱・高パス間温度での溶接施工で溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るための強度確保の値である。種々の成分組成を有するワイヤを用いて、５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接で得られた溶接金属の引張試験を行い、ワイヤの成分元素と引張強さとの関係を調査した。その結果、図１に示すように、Ｔｍｐが０．７未満では強度が不足する。一方、１．２を超えると過剰な強度となり割れが発生する場合がある。したがって、Ｔｍｐは０．７〜１．２とする。
【００１７】
Ｋｅｊは、下記（２）式で得られる大入熱・高パス間温度での溶接施工で溶接金属が高靭性（−５℃でのシャルピー吸収エネルギー１００Ｊ以上）を得るための靭性確保の値である。種々の成分組成を有するワイヤを用いて、５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接で得られた溶接金属の衝撃試験を行い、ワイヤの成分元素とシャルピー吸収エネルギーとの関係を調査した。その結果、図２に示すように、Ｋｅｊが０．２未満では靭性が低下した。したがって、Ｋｅｊは０．２以上とする。
Ｔｍｐ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／１６＋８×（Ｖ＋Ｎｂ）＋１８×Ｂ・・・（１）式
Ｋｅｊ＝Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／２０＋２０×Ｂ−３２×Ｎ・・・（２）式
【００１８】
溶接入熱量は、大きくなれば１パス毎の溶着量が増加し、溶接工数の低減が図れ、溶接効率が向上する。しかし、４０ｋＪ／ｃｍを超える溶接入熱量で溶接を行えば、溶接金属の冷却速度が遅くなって、溶接金属の組織が粗大化し、強度および靭性が低下する。また、溶接金属部で融合不良、スラグ巻き込み、高温割れが発生し易くなる。一方、溶接入熱量が３０ｋＪ／ｃｍ未満であると、溶接能率の向上が得られず、また、溶接金属の強度が高くなり、低温割れ感受性も高くなる。したがって、溶接入熱量は３０〜４０ｋＪ／ｃｍとする。
【００１９】
パス間温度は、高くなれば次のパスまでの溶接待ち時間が低減し、溶接効率が向上する。しかし、３５０℃を超えるパス間温度で溶接を行えば、溶接金属の冷却速度が遅くなり、溶接金属の組織が粗大化し、強度および靭性が低下する。一方、パス間温度が２５０℃未満であると、溶接能率の向上が得られず、また、溶接金属の強度が高くなり、低温割れ感受性も高くなる。したがって、パス間温度は２５０〜３５０℃とする。
【００２０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
（実施例１）
まず、表１に示す各種成分の１．４ｍｍ径の試作ワイヤを使用し、表２に示す成分の鋼板（鋼種：ＳＡ４４０、厚さ：４０ｍｍ）を、図３の開先形状（試験板幅：４００ｍｍ、溶接長：４００ｍｍ）にして、表３に示す溶接施工条件の条件Ｎｏ．１で多層盛溶接した。溶接金属の機械的性質は引張試験片（ＪＩＳ Ｚ２２０１ Ａ１号）およびシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ２２４２ ４号）を板表面から１０ｍｍを中心に採取して作成した。
なお、パス間温度を維持するために試験体下部から加熱しながら温度をコントロールして溶接した。引張強さは５９０ＭＰａ以上、シャルピー衝撃値は試験温度−５℃で５本の値の最低値で１００Ｊ以上を良好とした。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
【表４】
【００２５】
表４において、試験Ｎｏ．１〜９は本発明例、試験Ｎｏ．１０〜３１は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜９のワイヤ記号Ａ１〜Ａ９はワイヤ化学成分、Ｔｍｐ、Ｋｅｊの値が適正であるので、溶接金属の強度および衝撃値が良好で、溶接欠陥がなく高能率に溶接でき極めて満足な結果であった。
比較例中試験Ｎｏ．１０は、ワイヤＡ１０のＣ値が低いので、引張強さが低くなった。試験Ｎｏ．１１は、ワイヤＡ１１のＣが高く、試験Ｎｏ．１５は、ワイヤＡ１５のＭｎが高く、試験Ｎｏ．１７は、ワイヤＡ１７のＭｏが高く、試験Ｎｏ．２４は、ワイヤＡ２４のＶ＋Ｎｂが高いので、いずれも強度が過剰となり衝撃値が低くなった。
【００２６】
試験Ｎｏ．１２は、ワイヤＡ１２のＳｉが低く、試験Ｎｏ．１４は、ワイヤＡ１４のＭｎが低く、試験Ｎｏ．１６は、ワイヤＡ１６のＭｏが低く、試験Ｎｏ．２３は、ワイヤＡ２３のＶ＋Ｎｂが低く、試験Ｎｏ．３０は、ワイヤＡ３０のＴｍｐおよびＫｅｊが低いので、いずれも引張強さ及び衝撃値が低くなった。試験Ｎｏ．１３は、ワイヤＡ１３のＳｉが高く、試験Ｎｏ．１８は、ワイヤＡ１８のＴｉが低く、試験Ｎｏ．１９は、ワイヤＡ１９のＴｉが高く、試験Ｎｏ．２０は、ワイヤＡ２０のＮｉが低く、試験Ｎｏ．２１は、ワイヤＡ２１のＮｉが高く、試験Ｎｏ．２２は、ワイヤＡ２２のＡｌが高く、試験Ｎｏ．２５は、ワイヤＡ２５のＢが低く、試験Ｎｏ．２９は、ワイヤＡ２９のＮが高いので、いずれも衝撃値が低くなった。試験Ｎｏ．２６は、ワイヤＡ２６のＢが高く、試験Ｎｏ．３１は、ワイヤＡ３１のＴｍｐが高いので、強度が過剰となるとともにクレータ部に高温割れが発生した。試験Ｎｏ．２７は、ワイヤＡ２７のＯが低く、試験Ｎｏ．２８はワイヤＡ２８のＯが高いので、ア−クが不安定になった。
【００２７】
（実施例２）
実施例１と同じ開先形状の鋼板にワイヤＡ５，Ａ６，Ａ７，Ａ９で、表３に示す溶接施工条件の条件２〜６で多層盛り溶接した。溶接金属の機械的性質の調査は実施例１と同様に実施した。その結果を表５に示す。表５中試験Ｎｏ．３２は、溶接施工条件Ｎｏ．２のパス間温度が低いので、次層までのパス間温度待ち時間が長く溶接能率が悪かった。試験Ｎｏ．３３は、溶接施工条件Ｎｏ．３のパス間温度が高いので、強度および靱性が低下した。試験Ｎｏ．３４は、溶接施工条件Ｎｏ．４の溶接入熱量が高いので、強度および靱性が低下した。さらに、１層目に高温割れが生じた。試験Ｎｏ．３５は、溶接施工条件Ｎｏ．５の溶接入熱量およびパス間温度が適正であるので、溶接金属の強度および衝撃値が良好で、溶接欠陥がなく高能率に溶接でき極めて満足な結果であった。試験Ｎｏ．３６は、溶接施工条件Ｎｏ．６の溶接入熱量が低いので、溶接時間が長くなり溶接能率が悪かった。
【００２８】
【表５】
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法によれば、５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃で多層盛溶接する場合においても、強度および靱性が優れた溶接金属が得られ、溶接作業効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｔｍｐと引張強さの関係を示す図である。
【図２】Ｋｅｊとシャルピ−衝撃値の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例に用いた試験板の開先形状を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として５９０ＭＰａ級高張力鋼に使用するガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法に係り、特に大入熱および高パス間温度の溶接施工条件で多層盛溶接を行っても、溶接金属の機械的性質に優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびその溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスシールドアーク溶接は、従来から高能率で母材への溶け込みが良好であり、また機械的性質に優れた溶接継手が得られることから、建築、鉄骨、橋梁等の大型構造物に広く使用されている。近年、更なる溶接効率の向上から、溶接入熱を大きくするとともに次の溶接パスまでの溶接部を過度に冷却することなく溶接を行う、いわゆる大入熱・高パス間温度での溶接施工方法が求められている。しかし、ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１の溶接ワイヤでは溶接入熱量１５〜３０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度最大２５０℃での溶接施工が一般的であり、前記大入熱・高パス間温度での溶接施工方法では溶接金属の強度が低下したり、靱性が劣化する。
【０００３】
大入熱・高パス間の溶接施工方法に対応するため、溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接施工条件下においても、例えば、特開平１０−２３０３８７号公報（特許文献１）、特開平１１−９０６７８号公報（特許文献２）および特開平１１−１０４８８６号公報（特許文献３）にあるように、ワイヤ中にＴｉ、Ｂを添加することにより４９０ＭＰａ級高張力鋼板に対し、良好な溶接金属の機械的性質が得られる大入熱、高パス間温度溶接用ワイヤおよび溶接方法が提案されている。しかしながら、上記の溶接用ワイヤおよび溶接方法は、いずれも４９０ＭＰａ級高張力鋼を対象としたものであり、近年の更なる大型化、高強度化に伴う、５９０ＭＰａ級高張力鋼を大入熱かつ高パス間温度の施工条件下で多層盛溶接を行った場合、所定の溶接金属の機械的性質が確保できないという問題がある。
【０００４】
【引用文献】
（１）特許文献１（特開平１０−２３０３８７号公報）
（２）特許文献２（特開平１１−９０６７８号公報）
（３）特許文献３（特開平１１−１０４８８６号公報）
（４）特許文献４（特開平１１−２３９８９２号公報）
（５）特許文献５（特開２００１−２８７０６８号公報）
（６）特許文献６（特開２００２−７９３９５号公報）
（７）特許文献７（特開２００２−１０３０８２号公報）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工条件で多層盛溶接する場合においても、溶接金属の強度および靱性が確保できる５９０ＭＰａ級高張力鋼を対象としたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．７〜１．１％、Ｍｎ：２．０〜２．６％、Ｍｏ：０．１５〜０．５５％、Ｔｉ：０．１５〜０．３０％、Ｎｉ：０．０２〜０．５０％、Ｂ：０．００５〜０．０１２％、Ａｌ：０．０２０％以下、Ｏ：０．００２〜０．０１５％、Ｎ：０．０１０％以下、さらにＶおよびＮｂの１種類以上を０．００５〜０．０５％含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、かつ下記（１）式で示すＴｍｐが０．７〜１．２、（２）式で示すＫｅｊが０．２以上であることを特徴とする。
また、５９０Ｍｐａ級高張力鋼を溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工条件で、前記ガスシールドアーク溶接用ワイヤを用いて多層溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法にある。
Ｔｍｐ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／１６＋８×（Ｖ＋Ｎｂ）＋１８×Ｂ・・・（１）式
Ｋｅｊ＝Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／２０＋２０×Ｂ−３２×Ｎ・・・（２）式
【０００７】
【発明の実態の形態】
従来、４９０ＭＰａ級高張力鋼板溶接用ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１８の規格化にともない、溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接が可能となったが、５９０ＭＰａ級高張力鋼は大入熱・高パス間温度での溶接施工が不可能であった。そこで、５９０ＭＰａ級高張力鋼に対し、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃で多層盛溶接する場合においても、５９０ＭＰａ以上の強度およびー５℃でのシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上を達成するためにはワイヤ成分について本質的な工夫が必要となる。
【０００８】
本発明者らは、上記従来の問題点を解決するため、５９０ＭＰａ級高張力鋼に対し、溶接効率の高い、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の多層盛溶接においても優れた溶接金属性能が得られる溶接技術を探求した。一般に、溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍで溶接を行えば、溶着量の増加による溶接工数の低減が図れ、パス間温度３５０℃での溶接施工が可能となれば、次のパスまでの溶接待ち時間が低減し、溶接効率の向上に大きな効果がある。この点に着目し、溶接金属の強度、靭性等の機械的性質に優れた多層盛溶接用のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ成分および溶接施工方法について種々検討した。その結果、ワイヤの成分を適切にすることによって、５９０ＭＰａ級高張力鋼板を、溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工が可能となるガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびそれを用いた溶接方法を見出した。
【０００９】
以下に、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分組成を限定した理由について説明する。
Ｃは、溶接金属の引張強度を高める元素である。大入熱・高パス間温度での溶接施工において、溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るためには、少なくとも０．０５質量％（以下、％という。）以上含有させる必要がある。しかし、０．１５％を超えると、靭性が低下し、溶接部に割れが発生する場合がある。したがって、Ｃ含有量は、０．０５〜０．１５％とする。
【００１０】
Ｓｉは、脱酸剤であり、酸素量を低下させ靱性向上に必要な元素である。特に、大入熱・高パス間温度での溶接施工においては、Ｓｉの消耗量が激しいため、含有量を高める必要がある。０．７％未満では、強度および靭性を低下させ、脱酸不足となりブローホールが発生する場合がある。しかし、１．１％を超えると靭性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は、０．７〜１．１％とする。
【００１１】
Ｍｎは、溶接金属の引張強度を高める元素であり、また、脱酸剤で靱性を高める元素である。大入熱・高パス間温度での溶接施工においては、溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るため、また、脱酸剤としての消耗量が激しいため、含有量を高める必要がある。２．０％未満では焼き入れ性が低下し、靭性が低下するとともに、脱酸不足となりブローホールが発生する場合がある。しかし、２．６％を超えると溶接金属が硬化して靱性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は、２．０〜２．６％とする。
【００１２】
Ｍｏは、オーステナイトの粗大化を抑制し、オーステナイト粒径を微細化するとともに焼き入れ性が向上する元素であり、溶接金属の引張強度および靭性を高める。０．１５％未満では、結晶粒の粗大化により靭性が低下し、また、強度不足となる。しかし、０．５５％を超えると溶接金属が硬化して靱性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は、０．１５〜０．５５％とする。
Ｔｉ、は脱酸剤として作用するとともに、溶接金属中にＴｉ酸化物を生成し、これが、フェライト生成核となり、粒内に微細なフェライト組織であるアシュキュラーフェライト組織を形成して靱性を向上させる。０．１５％未満ではこの効果が得られない。また、０．３０％を超えると溶接金属は脆化して靱性が劣化する。したがって、Ｔｉ含有量は、０．１５〜０．３０％とする。
【００１３】
Ｎｉは、オーステナイトの安定化元素であり、溶接金属中のフェライトマトリックスの靭性を向上させる元素である。０．０２％未満では効果がなく、０．５０％を超えるとオーステナイト粒が粗大化し靱性が低下する。したがって、Ｎｉ含有量は、０．０２〜０．５０％とする。
Ｂは、オーステナイトから生成する粒界フェライトの発生を抑え、靱性を向上させる元素である。０．００５％未満では効果がなく、０．０１２％を超えると溶接金属に高温割れが発生し易くなる。したがって、Ｂ含有量は、０．００５〜０．０１２％とする。
【００１４】
Ａｌは、脱酸剤として溶鋼に添加する元素である。しかし、０．０２０％を超えると溶接金属の靱性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、０．０２０％以下とする。
Ｏは、アークを安定させるとともに溶滴の表面張力を低下させる元素でビード形状を良好する。０．００２％未満ではアークが不安定でビード形状も不良となる。０．０１５％を超えるとア−ク不安定を引き起こす。したがって、Ｏ含有量は、０．００２〜０．０１５％とする。
【００１５】
Ｎは、ＴｉおよびＢを窒化物として固定化し、微細粒フェライトの発生を低下させ、溶接金属の靭性を劣化させる元素であり、できるだけ低くすることが望ましい。したがって、Ｎ含有量は、０．０１０％以下とする。
ＶおよびＮｂは、大入熱・高パス間温度での溶接施工において、溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るために必要な元素であり、また、微細な炭窒化物を形成し、溶接金属のオーステナイトから生成する粒界フェライトの発生を抑え、靱性を向上させる元素である。この効果を得るために、１種以上の合計で少なくとも０．００５％以上含有させる必要がある。しかし、１種以上の合計で０．０５％を超えると、脆化による靭性の低下や溶接部に高温割れが発生する場合がある。したがって、ＶおよびＮｂ含有量は、１種以上の合計で、０．００５〜０．０５％とする。
【００１６】
Ｔｍｐは、下記（１）式で得られる大入熱・高パス間温度での溶接施工で溶接金属に必要な強度（５９０ＭＰａ以上）を得るための強度確保の値である。種々の成分組成を有するワイヤを用いて、５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接で得られた溶接金属の引張試験を行い、ワイヤの成分元素と引張強さとの関係を調査した。その結果、図１に示すように、Ｔｍｐが０．７未満では強度が不足する。一方、１．２を超えると過剰な強度となり割れが発生する場合がある。したがって、Ｔｍｐは０．７〜１．２とする。
【００１７】
Ｋｅｊは、下記（２）式で得られる大入熱・高パス間温度での溶接施工で溶接金属が高靭性（−５℃でのシャルピー吸収エネルギー１００Ｊ以上）を得るための靭性確保の値である。種々の成分組成を有するワイヤを用いて、５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度３５０℃の溶接で得られた溶接金属の衝撃試験を行い、ワイヤの成分元素とシャルピー吸収エネルギーとの関係を調査した。その結果、図２に示すように、Ｋｅｊが０．２未満では靭性が低下した。したがって、Ｋｅｊは０．２以上とする。
Ｔｍｐ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／１６＋８×（Ｖ＋Ｎｂ）＋１８×Ｂ・・・（１）式
Ｋｅｊ＝Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／２０＋２０×Ｂ−３２×Ｎ・・・（２）式
【００１８】
溶接入熱量は、大きくなれば１パス毎の溶着量が増加し、溶接工数の低減が図れ、溶接効率が向上する。しかし、４０ｋＪ／ｃｍを超える溶接入熱量で溶接を行えば、溶接金属の冷却速度が遅くなって、溶接金属の組織が粗大化し、強度および靭性が低下する。また、溶接金属部で融合不良、スラグ巻き込み、高温割れが発生し易くなる。一方、溶接入熱量が３０ｋＪ／ｃｍ未満であると、溶接能率の向上が得られず、また、溶接金属の強度が高くなり、低温割れ感受性も高くなる。したがって、溶接入熱量は３０〜４０ｋＪ／ｃｍとする。
【００１９】
パス間温度は、高くなれば次のパスまでの溶接待ち時間が低減し、溶接効率が向上する。しかし、３５０℃を超えるパス間温度で溶接を行えば、溶接金属の冷却速度が遅くなり、溶接金属の組織が粗大化し、強度および靭性が低下する。一方、パス間温度が２５０℃未満であると、溶接能率の向上が得られず、また、溶接金属の強度が高くなり、低温割れ感受性も高くなる。したがって、パス間温度は２５０〜３５０℃とする。
【００２０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
（実施例１）
まず、表１に示す各種成分の１．４ｍｍ径の試作ワイヤを使用し、表２に示す成分の鋼板（鋼種：ＳＡ４４０、厚さ：４０ｍｍ）を、図３の開先形状（試験板幅：４００ｍｍ、溶接長：４００ｍｍ）にして、表３に示す溶接施工条件の条件Ｎｏ．１で多層盛溶接した。溶接金属の機械的性質は引張試験片（ＪＩＳ Ｚ２２０１ Ａ１号）およびシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ２２４２ ４号）を板表面から１０ｍｍを中心に採取して作成した。
なお、パス間温度を維持するために試験体下部から加熱しながら温度をコントロールして溶接した。引張強さは５９０ＭＰａ以上、シャルピー衝撃値は試験温度−５℃で５本の値の最低値で１００Ｊ以上を良好とした。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００２１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
表４において、試験Ｎｏ．１〜９は本発明例、試験Ｎｏ．１０〜３１は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜９のワイヤ記号Ａ１〜Ａ９はワイヤ化学成分、Ｔｍｐ、Ｋｅｊの値が適正であるので、溶接金属の強度および衝撃値が良好で、溶接欠陥がなく高能率に溶接でき極めて満足な結果であった。
比較例中試験Ｎｏ．１０は、ワイヤＡ１０のＣ値が低いので、引張強さが低くなった。試験Ｎｏ．１１は、ワイヤＡ１１のＣが高く、試験Ｎｏ．１５は、ワイヤＡ１５のＭｎが高く、試験Ｎｏ．１７は、ワイヤＡ１７のＭｏが高く、試験Ｎｏ．２４は、ワイヤＡ２４のＶ＋Ｎｂが高いので、いずれも強度が過剰となり衝撃値が低くなった。
【００２６】
試験Ｎｏ．１２は、ワイヤＡ１２のＳｉが低く、試験Ｎｏ．１４は、ワイヤＡ１４のＭｎが低く、試験Ｎｏ．１６は、ワイヤＡ１６のＭｏが低く、試験Ｎｏ．２３は、ワイヤＡ２３のＶ＋Ｎｂが低く、試験Ｎｏ．３０は、ワイヤＡ３０のＴｍｐおよびＫｅｊが低いので、いずれも引張強さ及び衝撃値が低くなった。試験Ｎｏ．１３は、ワイヤＡ１３のＳｉが高く、試験Ｎｏ．１８は、ワイヤＡ１８のＴｉが低く、試験Ｎｏ．１９は、ワイヤＡ１９のＴｉが高く、試験Ｎｏ．２０は、ワイヤＡ２０のＮｉが低く、試験Ｎｏ．２１は、ワイヤＡ２１のＮｉが高く、試験Ｎｏ．２２は、ワイヤＡ２２のＡｌが高く、試験Ｎｏ．２５は、ワイヤＡ２５のＢが低く、試験Ｎｏ．２９は、ワイヤＡ２９のＮが高いので、いずれも衝撃値が低くなった。試験Ｎｏ．２６は、ワイヤＡ２６のＢが高く、試験Ｎｏ．３１は、ワイヤＡ３１のＴｍｐが高いので、強度が過剰となるとともにクレータ部に高温割れが発生した。試験Ｎｏ．２７は、ワイヤＡ２７のＯが低く、試験Ｎｏ．２８はワイヤＡ２８のＯが高いので、ア−クが不安定になった。
【００２７】
（実施例２）
実施例１と同じ開先形状の鋼板にワイヤＡ５，Ａ６，Ａ７，Ａ９で、表３に示す溶接施工条件の条件２〜６で多層盛り溶接した。溶接金属の機械的性質の調査は実施例１と同様に実施した。その結果を表５に示す。表５中試験Ｎｏ．３２は、溶接施工条件Ｎｏ．２のパス間温度が低いので、次層までのパス間温度待ち時間が長く溶接能率が悪かった。試験Ｎｏ．３３は、溶接施工条件Ｎｏ．３のパス間温度が高いので、強度および靱性が低下した。試験Ｎｏ．３４は、溶接施工条件Ｎｏ．４の溶接入熱量が高いので、強度および靱性が低下した。さらに、１層目に高温割れが生じた。試験Ｎｏ．３５は、溶接施工条件Ｎｏ．５の溶接入熱量およびパス間温度が適正であるので、溶接金属の強度および衝撃値が良好で、溶接欠陥がなく高能率に溶接でき極めて満足な結果であった。試験Ｎｏ．３６は、溶接施工条件Ｎｏ．６の溶接入熱量が低いので、溶接時間が長くなり溶接能率が悪かった。
【００２８】
【表５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接方法によれば、５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃で多層盛溶接する場合においても、強度および靱性が優れた溶接金属が得られ、溶接作業効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｔｍｐと引張強さの関係を示す図である。
【図２】Ｋｅｊとシャルピ−衝撃値の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例に用いた試験板の開先形状を示す図である。
Claims (2)
- ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．７〜１．１％、Ｍｎ：２．０〜２．６％、Ｍｏ：０．１５〜０．５５％、Ｔｉ：０．１５〜０．３０％、Ｎｉ：０．０２〜０．５０％、Ｂ：０．００５〜０．０１２％、Ａｌ：０．０２０％以下、Ｏ：０．００２〜０．０１５％、Ｎ：０．０１０％以下、さらにＶおよびＮｂの１種類以上を０．００５〜０．０５％含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ下記（１）式で示すＴｍｐが０．７〜１．２、（２）式で示すＫｅｊが０．２以上であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
Ｔｍｐ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／１６＋８×（Ｖ＋Ｎｂ）＋１８×Ｂ・・・（１）式
Ｋｅｊ＝Ｓｉ／１０＋Ｍｎ／２０＋Ｍｏ／４＋Ｔｉ／２０＋２０×Ｂ−３２×Ｎ・・・（２）式 - ５９０ＭＰａ級高張力鋼を溶接入熱量３０〜４０ｋＪ／ｃｍ、パス間温度２５０〜３５０℃の溶接施工条件で、請求項１記載のワイヤを用いて多層溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
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