JP4388407B2 - 耐火建築構造用鋼用のガスメタルアーク溶接ワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、特に、７００〜８００℃の温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼材からなる鋼構造物を建造する際に、特に工場内または現地での溶接施工として多用されるガスメタルアーク溶接に適用できるガスメタルアーク溶接ワイヤに関するものである。

一般に建築物には火災時の安全性を確保するために、火災時における鋼材表面温度が３５０℃以下で使用するように耐火基準が定められており、ロックウールなどの耐火被覆が必要となる。しかし、耐火被覆施工費用は高額であり、工程も余分にかかること、さらには景観上からも、耐火被覆を完全に省略したいという要求は非常に高まっている。

昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（３８条認定により）、性能型の設計が可能となった結果、鋼材の高温強度と建物に実際に加わっている荷重とによってどの程度の耐火被覆が必要かを決定できるようになり、場合によっては無耐火被覆で鋼材を使用することも可能となった。

こうした状況から、近年、短時間の高温強度を高めたいわゆる耐火鋼が多く開発された。特許文献１をはじめとして、６００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる鋼材、すなわち６００℃耐火鋼の技術は多数開示されている。また、特許文献２及び３などでは、７００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる、７００℃耐火鋼の技術も開示されている。

６００℃耐火鋼では、無耐火被覆構造が可能となるのは比較的可燃物量が少ない立体駐車場や外部鉄骨に限られるが、７００℃耐火鋼では、無耐火被覆が可能となる構造物が多くなる。さらに耐火性能が８００℃までになると、無耐火被覆構造が可能となる範囲の大幅な拡大が可能である。

一方、現行の耐震設計法では骨組みの変形による地震エネルギー吸収を前提としていることから、設計で想定した骨組みの崩壊形の確保や、部材の組成変形能力の確保、部材性能を十分発揮させるための接合部の降伏強度や靭性の確保が必要となり、これに用いる建築構造用の鋼材には、降伏強度のばらつきの制限（つまり降伏強度の上下限）や、降伏比上限などの耐震性の規定、溶接性の確保が必要とされる。ＳＮ材（ＪＩＳ Ｇ１３６−１９９４）はこれらの耐震性、溶接性に関する規定がなされた鋼材であり、４００ＭＰａ級鋼（降伏強度下限２３５ＭＰａ）の場合は、降伏強度上限が３５５ＭＰａ、降伏比上限が８０％であり、４９０ＭＰａ級鋼（降伏強度下限３２５ＭＰａ）の場合は、降伏強度上限が４４５ＭＰａ、降伏比上限が８０％であるというように規定されている。

高温強度を確保するためには、例えば６００℃程度の高温高圧環境下で使用されるボイラーなどの圧力容器用の耐熱鋼に用られるＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｖなどの合金元素を添加する方法が一般的である。しかし８００℃というような高温においては、変態によって鋼材の組織が変化することや、炭化物などの析出物が粗大化あるいは消失して析出強化の効果が少なくなる。したがってこのような８００℃の高温下で耐火性能を確保するためには合金元素の含有量が多くなり、溶接継手靭性などを低下させることの他、常温強度が高くなるため上記建築構造用鋼で規定されている降伏強度上限を上回るなどの問題が生じる。
こうしたことから、従来８００℃まで無耐火被覆での設計が可能な耐火性能を有する建築構造用途４００ＭＰａ級鋼、４９０ＭＰａ級鋼はなかったが、最近になって、合金元素、熱間圧延の条件の適正化、Ａｃ１変態温度の向上等により、８００℃までの高温下で耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼が開発されている（特許文献４、参照）。

このような８００℃高温耐火建築構造用鋼は、通常は作用応力の大きな部位には溶接を使用しないので、溶接材料として、母材と同程度の高温強度特性を有する溶接金属が得られるようなものは不要である。しかし、高温耐火建築構構造物の柱製作時などの必要最小限溶接が必要な部位には溶接施工が必要となる。このような溶接部は、作用応力は小さいため、母材の高温強度の１／２程度、具体的には８００℃で７０ＭＰａ程度の降伏強度で構造物の安全性が確保できることを確認している。ただし、溶接部の靭性は従来鋼溶接金属と同程度、すなわち０℃でのシャルピーエネルギーで２７Ｊは必要である。
これまでに、６００℃を対象にした耐火鋼用の溶接材料は数多く開発されている（例えば、特許文献５〜１６、参照）が、このような８００℃高温耐火建築構造用鋼に適した溶接方法は開発されていなかった。

また、特許文献１７ではこのような８００℃高温耐火建築構造用鋼に適用するワイヤ及びフラックスを用いたサブマージアーク溶接方法が提案されている。しかし、実際の高温耐火建築構造物の鉄骨を工場内あるいは現地での溶接施工は、ガスメタルアーク溶接方法が多用されており、これに適用できる７００〜８００℃高温耐火建築構造用鋼用溶接ガスメタルアークワイヤはかなく、その溶接ワイヤの開発が望まれていた。

特開平２−７７５２３号公報 特開平９―２０９０７７号公報 特開平１０−６８０１５号公報 特開平２００２−１７３７３３号公報 特開平２−６３６９８号公報 特開平２−７５４９４号公報 特開平２−１８２３９６号公報 特開平２−５２１９６号公報 特開平２−２７４３９４号公報 特開平２−１９２８９４号公報 特開平２−２１７１９５号公報 特開平２−２０５２９８号公報 特開平２−２００３９７号公報 特開平２−２００３９３号公報 特開平２−６８９９４号公報 特開平３−２３０９７号公報 特開２００２−３１１４７７号公報

本発明は、前述のような従来技術の事情を鑑みなされたもので、特に７００〜８００℃の高温において優れた耐火性を有する高温耐火建築構造用鋼材からなる鋼構造物を建造する際に、特に工場内または現地での溶接施工に多用されるガスメタルアーク溶接方法に適用できるガスメタルアーク溶接ワイヤを提供するものである。

本発明は前記課題を解決するものであって、すなわち、その要旨とするところは以下の通りである。

（１） 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．１％、Ｍｎ：０．７〜２．３％、Ｃｒ：０．００４〜１．４％、Ｍｏ：０．１〜１．８％、Ｖ：０．００４〜０．８％、Ｎｂ：０．００４〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｔｉ：０．００５〜０．２５％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎ：０．００７％以下、Ｏ：０．００８％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなることを特徴とする耐火建築構造用鋼用のガスメタルアーク溶接ワイヤ。

（２） さらに、質量％で、Ｎｉ：０．００４〜０．８％を含有することを特徴とする上記（１）記載の耐火建築構造用鋼用のガスメタルアーク溶接ワイヤ。

本発明によれば、７００〜８００℃の高温において優れた耐火性を有する高温耐火建築構造用鋼材からなる鋼構造物を建造する際に、特に工場内または現地での溶接施工に多用されるガスメタルアーク溶接方法に適用できるガスメタルアーク溶接ワイヤを提供できる。よって、本発明による建築分野をはじめとしてその工業界への効果は極めて大きい。

以下に本発明の詳細について説明する。

建築鋼構造物の耐火設計では、火災継続時間内で高い高温強度を維持すればよく、例えば、６００℃程度の高温高圧環境下で使用されるボイラーなどの圧力容器用耐熱鋼のように長時間の高温強度を考慮する必要はない。そのため、本発明の７００〜８００℃の高温耐火建築構造用鋼材は、この温度範囲での保持時間が３０分程度の比較的短時間での高温降伏強度が確保できれば十分である。

また、従来の７００℃耐火鋼では、高温降伏強度が常降伏強度の２／３以上となるように性能を定めていた。本発明でもこれに従って７００℃耐火鋼として常温降伏強さ３２５ＭＰａ級の鋼材の適用を想定し、それに適用する溶接金属の高温降伏強度の目標値を鋼材の高温降伏強度と同様に、常降伏強度の２／３以上、すなわち２１７ＭＰａ以上とした。一方、８００℃耐火鋼に適用する溶接金属の高温降伏強度の目標値については、実際の鉄骨構造物に適用する鋼材の常温降伏強度の実設計範囲が、鋼材の常温降伏強度の下限値の０．２〜０．４倍であることを勘案し、その高温降伏強度は鋼材の常温降伏強度下限値の０．４倍以上、かつ、常温降伏強度の２／３以上であれば十分であると考えた。また、８００℃耐火鋼は、建築構造物の耐火設計上、作用応力の大きな部位の接合に溶接を使用しないため、作用応力が小さい部位の鉄骨柱製作時に必要な溶接金属の高温降伏強度として、さらに８００℃耐火鋼の高温降伏強さのさらに１／２であれば十分であるとした。これらから、８００℃耐火鋼に適用する溶接金属の高温降伏強度の目標値は、８００℃耐火鋼として常温降伏強さ４９０ＭＰａ級の鋼材の適用を想定した場合に、約７０ＭＰａ（＝４９０×０．４×２／３×１／２）とした。

また、７００〜８００℃の耐火鋼に適用する溶接金属の靭性の目標値は、０℃シャルピー吸収エネルギーで２７Ｊ以上とした。

以上から、本発明の７００〜８００℃の耐火建築構造用鋼をガスメタルアーク溶接する際に適用するガスメタルアーク溶接ワイヤによって得られる溶接金属特性の設計目標を、７００〜８００℃の高温域で３０分程度の短時間加熱時に、７００℃高温降伏強さが２１７ＭＰａ以上、８００℃高温降伏強さ７０ＭＰａ以上、０℃シャルピー吸収エネルギー２７Ｊの靭性が得られるものとした。
本発明者らは、上記特性を満足する溶接金属を得るためのガスメタルアーク溶接ワイヤについて検討した。

その結果、まず、溶接金属の７００〜８００℃における高温降伏強度を十分に確保するためには、溶接ワイヤ中のＮｂの添加が極めて有効であることを見い出した。また、Ｎｂの作用効果を充分に活用し、上記の目標高温降伏強度を得るためには、溶接ワイヤ中にさらに適量のＣｒ、Ｍｏ、Ｖの複合添加が必須であることを見い出した。

さらに、合金元素による溶接金属の強化を図るには、高温耐火建築構造物の設計温度である７００〜８００℃で３０分程度保持した場合においても素地組織を変態させないことが必須となる。発明者者らの検討結果によれば、溶接ワイヤ中にＡｌ等の合金元素の適量添加により溶接金属のＡｃ１変態を７００℃以上に高めることで、７００〜８００℃で３０分程度保持した場合にも十分な溶接金属強度の維持が可能であることを確認した。

一方、溶接金属の靭性にとって、これらの合金元素を過剰に添加した場合のは溶接金属の靭性を著しく阻害するためこのましくない。本発明者らは、溶接金属においてこれらの合金元素の量を適正に保つことも必須であることも考慮し、本発明の溶接材料の成分範囲を見い出すに至った。

本発明溶接ワイヤの成分設計思想は、溶接金属のＡｃ１変態温度を７００℃以上とし、かつＮｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏを溶接ワイヤ中に適量添加して、例えば火災時の鋼材温度上昇中に溶接金属の高温強度を十分に確保し、かつ常温時には靭性を確保することにある。

まず、本発明の溶接ワイヤの限定理由を説明する。

Ｃは、溶接金属の常温および高温での降伏強度を高めるためにワイヤ中に０．０１％以上が必要であるが、その含有量が０．１％を超えると、溶接金属の靭性が低下するためその含有量を０．０１％以上、０．１％以下に限定する。

Ｓｉは、溶接金属のＡｃ１変態温度を高めるのに有効な元素である上、溶接金属中の酸素量を低下させて靭性を改善するためにワイヤ中に０．１％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．１％を超えると溶接金属の常温降伏強度が高くなりすぎ、溶接金属の靭性も低下させるので、その含有量を０．１％以上、１．１％以下に限定する。

Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶接金属の酸素量を低減させ、靭性を改善させるために０．７％以上含有させる必要があるが、高温降伏強度の向上にはあまり効果がない。さらに、その含有量が過度に高くなると溶接金属のＡｃ１変態温度が低くなるために７００〜８００℃高温降伏強度の向上にはかえって有害となることから、その含有量の上限を２．３％に限定する。

Ｃｒは、溶接金属の強化元素として０．００４％以上含有する必要があるが、その含有量が０．８％を超えると常温降伏強度が高くなりすぎ、また、溶接金属のＡｃ１変態温度が低下し高温降伏強度を低下させることから、その含有量は０．００４％以上、１．４％以下とする。

Ｍｏは、本発明溶接ワイヤにおいて溶接金属の高温降伏強度を高めるための基本元素である。その作用を発揮し溶接金属の７００〜８００℃高温強度を十分に高めるためには、その含有量を０．１％以上とする必要がある。一方、その含有量が１．８％を超えると常温降伏強度が高くなりすぎ、溶接金属の靭性が低下するため、Ｍｏの含有量は０．１％以上、１．８％以下とする。

Ｖは、Ｍｏと同様に高温降伏強度を高めるための基本元素として重要である。その作用を発揮し溶接金属の７００〜８００℃高温強度を高めるにはワイヤ中に０．００４％以上含有する必要がある。しかし、その含有量が０．８％を超えて添加すると溶接金属の靭性が低下するため、その含有量は０．００４％以上、０．８％以下とする。

Ｎｂは、発明溶接ワイヤにおいて溶接金属の高温降伏強度を高めるための基本元素として最も重要な元素である。その作用を発揮し溶接金属の７００〜８００℃高温強度を高めるにはワイヤ中に０．００４％以上含有する必要がある。しかし、その含有量が０．２％を超えると溶接金属の靭性が低下するため、その含有量は、０．００４％以上、０．２％以下とする。

Ａｌは、Ｓｉと同様に溶接金属の酸素量を低減させ、靭性を改善する。さらに、Ａｌは常温降伏強度を過度に高めずにＡｃ1変態温度を大きく向上させることができるため、溶接金属の高温特性および靭性を改善するために本発明にいて重要な元素である。これらの作用効果を充分に得るためには、ワイヤ中に０．００１％の含有が必要である。しかし、その含有量が０．１％を超えると溶接時にスラグ剥離性等の溶接作業性を著しく低下させる。したがって、Ａｌ含有量は０．００１％、０．１％以下とする。

Ｔｉは、溶接時のアーク現象を安定させるとともに溶接金属の靭性を改善するので、０．００５％以上含有する必要がある。しかし、過剰に含有すると溶接金属を硬化させ、靭性を劣化させるため、その含有量は０．００５％以上、０．２５％以下とする。

以上が本発明の溶接ワイヤ中に含有する基本成分元素であるが、溶接金属の目的とする特性を維持するために、Ｎｉを以下の理由で添加することがより好ましい。

Ｎｉは、溶接金属の靭性を高めるために０．００４％以上、特に０．１％以上含有することが好ましい。一方、その含有量が０．８％を超えて添加するとＡｃ１変態温度を低下させるため、高温強度が低下する。

したがって、ワイヤ中にＮｉを添加する場合には、その含有量は０．００４％以上、０．８％以下とするのが好ましい。

また、本発明ワイヤにより形成される溶接金属の目的とする特性を維持するためには、ワイヤ中に不可避的不純物として含有する特に高温降伏強度及び靭性にとって有害な以下の成分含有量を制限することが必要である。

Ｐ、Ｓは、溶接金属の靭性と高温降伏強度のいずれも阻害するので、それぞれの含有量は０．０３％以下に制限する。

Ｎ、Ｏは、微量であっても溶接金属の靭性を劣化させるため、それぞれの含有量は０．００７％以下、０．００８％に制限する。

発明効果をさらに明確にするため、以下実施例ついて説明する。

表１に示す化学成分を有する板厚１４ｍｍの厚板１を図１に示す寸法の開先２に開先加工し、溶接に供した。裏当金３も厚板と同様の厚板を使用した。溶接はガスメタルアーク溶接方法を用いて、表３に示す化学成分の溶接ワイヤと表２に示す溶接条件で多層盛溶接を行ない表４に示す継手Noの溶接試験体を作製した。表３中のワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１４は本発明規定範囲内の成分組成を有するワイヤであり、Ｗ１５〜Ｗ３５は本発明規定範囲から外れた成分組成を有するワイヤである。図２に示す溶接試験体の位置から高温引張試験片４とＪＩＳ ４号Ｖノッチシャルピー衝撃試験片５を採取し、それぞれ高温引張試験及びシャルピー衝撃試験に供した。表４に溶接時の溶接ワイヤと溶接条件との組合せ条件と、溶接金属の高温引張試験結果（７００℃及び８００℃での降伏強さ）及び０℃でのシャルピー衝撃試験結果（０℃におけるシャルピー吸収エネルギー）を示す。また、表５に試験結果が不良であった理由を示す。

表４から、本発明例である継手Ｎｏ．１〜１４においてＷ１〜Ｗ１４の溶接ワイヤを用いて得られる溶接金属は、はいずれも、７００℃及び８００℃での降伏強さ、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーでの靭性ともに良好であった。

一方、比較例である継手Ｎｏ．１５〜３５においてＷ１５〜Ｗ３５の溶接ワイヤを用いて得られる溶接金属は、それぞれ表５に示すような理由により溶接ワイヤ成分組成が本発明規定範囲から外れているため、溶接金属の７００℃及び８００℃での降伏強さ、または０℃におけるシャルピー吸収エネルギーでの靭性が低く、目標（７００℃降伏強さ≧２１７ＭＰａ、８００℃降伏強さ≧７０ＭＰａ、０℃シャルピー吸収エネルギー≧２７Ｊ）を満足しなかった。

本発明において適用される開先形状を示す図である。 本発明において適用される試験片採取位置を示す図である。

符号の説明

１ 厚板
２ 開先
３ 裏当金
４ 高温引張試験片
５ シャルピー衝撃試験片

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜１．１％、Ｍｎ：０．７〜２．３％、Ｃｒ：０．００４〜１．４％、Ｍｏ：０．１〜１．８％、Ｖ：０．００４〜０．８％、Ｎｂ：０．００４〜０．２％、Ａｌ：０．００１〜０．１％、Ｔｉ：０．００５〜０．２５％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎ：０．００７％以下、Ｏ：０．００８％以下に制限し、残部が不可避的不純物及びＦｅからなることを特徴とする耐火建築構造用鋼用のガスメタルアーク溶接ワイヤ。
2. さらに、質量％で、Ｎｉ：０．００４〜０．８％を含有することを特徴とする請求項１記載の耐火建築構造用鋼用のガスメタルアーク溶接ワイヤ。

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