JP4467364B2 - 溶接金属、溶接ワイヤ及びエレクトロスラグ溶接方法 - Google Patents
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Cは、溶接金属の強度を確保するために有効な元素であるが、溶接金属中のC含有量が0.03質量%未満では、その効果が得られない。一方、C含有量が多すぎると、具体的には、溶接金属中のC含有量が0.10質量%を超えると、溶接金属の靱性が低下すると共に高温割れ感受性が高くなる。よって、溶接金属中のC含有量は0.03乃至0.10質量%とする。
Siは、溶接金属の焼入れ性を確保すると共に、溶接金属の湯流れを安定させるために必要な元素である。但し、溶接金属中のSi含有量が0.20質量%未満の場合、その効果が得られない。一方、Siを過剰に添加すると、具体的には、溶接金属中のSi含有量が0.80質量%を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して靱性が低下する。よって、溶接金属中のSi含有量は0.20乃至0.80質量%とする。
Mnは、脱酸剤として作用すると共に、焼き入れ性を向上させる効果があり、溶接金属の靱性を安定化するためには必須の元素である。但し、溶接金属中のMn含有量が0.6質量%未満の場合、溶接金属の靱性を向上させるアシキュラーフェライトが減少し、粒界フェライト等の靱性を低下させる組織が生成する。一方、溶接金属中のMn含有量が1.8質量%を超えると、焼入れ性が著しく高くなり、靱性が低下する。よって、溶接金属中のMn含有量は0.60乃至1.80質量%とする。
Cuは、合金成分として添加された場合には、溶接金属の強度を改善する効果があるが、Moと共に添加された場合には、靱性のばらつきを抑制する効果があり、本発明の溶接金属には必須の元素である。但し、溶接金属中のCu含有量が0.10質量%未満の場合、靱性を改善する効果が得られない。また、靱性が高い成分系であっても、Cu含有量が0.10質量%未満であると、場所によって特性が大きくばらついて、溶接金属中に靱性が低い箇所が生じるため、特性が不十分となる。一方、溶接金属中のCu含有量が1.00質量%を超えると、強度が高くなりすぎて靱性が低下する。よって、溶接金属中のCu含有量は0.10乃至1.00質量%とする。
Niは、焼入れ性を向上させる効果があり、補助的に添加することにより、溶接金属の金属組織及び強度を調節することができる。但し、溶接金属中のNi含有量が0.20質量%未満の場合、粒界フェライトが生成し、靱性が低下する。一方、溶接金属中のNi含有量が1.40質量%を超えると、粗大なベイナイトが生成しやすくなるため靱性が低下すると共に、凝固偏析が大きくなって、伸びを低下させるマルテンサイト相の生成が顕著になる。よって、溶接金属中のNi含有量は0.20乃至1.40質量%とする。
Moは、溶接金属の金属組織の制御及び靱性の改善おける効果が極めて大きく、本発明者等により新たな知見が見出された成分である。Moは、高温におけるオーステナイトの結晶粒サイズを安定化し、その後の冷却工程においても粒界フェライトを抑制する働きが顕著である。但し、溶接金属中のMo含有量が0.50質量%未満であると、十分な靱性を得ることができない。一方、溶接金属中のMo含有量が2.00質量%を超えると、焼入れ性が高くなりすぎて、靱性及び伸びが低下する。よって、溶接金属中のMo含有量は0.50乃至2.00質量%とする。
Tiは、アシキュラーフェライトを生成する核となり、粒界フェライトの生成を防止するために必須の成分である。但し、溶接金属中のTi含有量が0.010質量%未満の場合は、その効果が得られない。一方、溶接金属中のTi含有量が0.040質量%を超えると、溶接金属中のTi析出物が多くなりすぎて、靱性及び伸びが低下する。よって、溶接金属中のTi含有量は0.010乃至0.040質量%とする。
エレクトロスラグ溶接においては、溶接中は、溶融スラグによって溶接金属が大気から遮断されるため、溶接金属中のO含有量は変動しにくい。しかしながら、Oは溶接金属の金属組織に対する影響が大きい元素であるため、溶接金属の特性を確保するためには、O含有量が所定の範囲になるように調節することが好ましい。具体的には、溶接金属中のO含有量が0.005質量%未満であると、焼入れ性が高くなりすぎて、靱性が著しく低下する。一方、溶接金属中のO含有量が0.060質量%を超えると、合金元素が酸化により消耗する量が増加し、結果として靱性が低下する。よって、溶接金属中のO含有量は0.005乃至0.060質量%とする。
Crは、溶接金属の焼入れ性を高め、金属組織を改善する効果があるが、過剰に添加されると、具体的には、溶接金属中のCr含有量が0.80質量%を超えると、靱性が低下する。よって、溶接金属中のCr含有量は0.80質量%以下に規制する。
本発明者等の検討結果により、適正量のBを添加すると、衝撃値が向上することが判明したが、その効果はB含有量が比較的高い場合にしか得られなかった。また、Bは、粒界フェライトの生成を抑制する効果が高いが、大入熱溶接においては、凝固偏析を生じて高温割れ感受性を高める元素でもある。このため、溶接金属中のB含有量は少なくすることが好ましい。よって、溶接金属中のB含有量は0.0020質量%以下に規制する。
溶接に使用される鋼材及び溶接ワイヤは、一般に、低コストな大気圧中で製造されるため、その製造工程においてNが混入してしまう。しかしながら、Nは溶接金属の靱性を低下させる元素であり、その含有量はできるだけ少なくすることが好ましい。よって、溶接金属中のN含有量は0.010質量%以下に規制する。
La及びCeは、溶接金属の靱性を改善する効果があり、本発明の溶接金属においては、La及びCeからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含有していてもよい。本発明の溶接金属において必須成分であるTiは、溶接金属中でTiNとして析出して、オーステナイトからフェライトが析出する際の有効異質核として作用し、アシキュラーフェライトの生成を促進すると考えられている。そこで、本発明者等は、溶接金属中にLa及びCeが添加されると、これらの元素が溶存酸素を他の元素よりも優先して消費し、Tiが酸化消耗する反応、即ち、TiがTiO2となる反応が抑制されるため、TiNの生成が促進されて、その結果、アシキュラーフェライトの生成が促進されると考えている。但し、溶接金属中のLa含有量が0.01質量%未満の場合、靱性改善の効果が得られない。一方、Laは高価な材料であり、また、溶接金属への歩留まりが低いため、溶接金属に多量に添加しようとすると、溶接材料が極めて高価になる。このため、溶接金属中のLa含有量の上限は0.10質量%とすることが好ましい。同様に、溶接金属中のCe含有量が0.01質量%未満の場合、靱性改善の効果が得られない。一方、溶接金属中のCe含有量が0.10質量%を超えると、溶接材料のコストが極めて高価になる。よって、La及びCeを添加する場合、溶接金属中のLa含有量は0.01乃至0.10質量%とし、Ce含有量は0.01乃至0.10質量%とすることが好ましい。
Cは、溶接金属の強度を確保するために有効な元素である。但し、溶接ワイヤ中のC含有量が0.01質量%未満では、その効果が得られない。一方、溶接ワイヤ中のC含有量が0.12質量%を超えると、溶接金属の靱性が低下すると共に高温割れ感受性が高くなる。よって、溶接ワイヤ中のC含有量は0.01乃至0.12質量%とする。
Siは、溶接金属の焼入れ性を確保すると共に、溶接金属の湯流れを安定させるために必要な元素である。但し、溶接ワイヤ中のSi含有量が0.10質量%未満の場合、その効果が得られない。一方、溶接ワイヤ中のSi含有量が1.00質量%を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して靱性が低下する。よって、溶接ワイヤ中のSi含有量は0.10乃至1.00質量%とする。
Mnは、脱酸剤として作用すると共に、焼き入れ性を高める効果があり、溶接金属の靱性を安定化するためには必須の成分である。但し、溶接ワイヤ中のMn含有量が0.5質量%未満の場合、溶接金属の靱性を向上させるアシキュラーフェライトが減少し、粒界フェライト等の靱性を低下させる組織が生成する。一方、溶接ワイヤ中のMn含有量が2.0質量%を超えると、焼入れ性が著しく高くなり、溶接金属の靱性が低下する。よって、溶接ワイヤ中のMn含有量は0.5乃至2.0質量%とする。
Cuは、溶接金属の強度を改善する効果がある。また、Moと共に添加された場合には、溶接金属における靱性のばらつきを抑制する効果を発揮するため、本発明の溶接ワイヤには必須の元素である。但し、溶接ワイヤ中のCu含有量が0.05質量%未満の場合、溶接金属の靱性を改善する効果が得られない。また、仮に溶接金属が靱性が高い成分系により構成されていても、溶接ワイヤ中のCu含有量が0.05質量%未満であると、溶接金属中のCu含有量が少なくなり、靱性のばらつきが大きくなる。一方、溶接ワイヤ中のCu含有量が1.00質量%を超えると、溶接金属中のCu含有量が多くなるため、溶接金属の強度が高くなりすぎて靱性が低下する。よって、溶接ワイヤ中のCu含有量は0.05乃至1.00質量%とする。なお、本発明の溶接ワイヤにCuを添加する方法としては、溶接ワイヤの表面にCuめっき層を設けてもよいが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、溶接ワイヤ中に合金成分として添加しためっき無しのソリッドワイヤでも同様の効果が得られる。
Moは、溶接金属の金属組織の制御及び靱性の改善おける効果が極めて大きく、本発明者等により新たな知見が見出された成分である。Moは、高温下で溶接金属のオーステナイトの結晶粒サイズを安定化し、その後の冷却工程においても粒界フェライトを抑制する働きが顕著である。但し、溶接ワイヤ中のMo含有量が0.7質量%未満であると、溶接金属の靱性が低下する。一方、溶接ワイヤ中のMo含有量が3.0質量%を超えると、溶溶接金属の焼入れ性が高くなりすぎて、靱性及び伸びが低下する。よって、溶接ワイヤ中のMo含有量は0.7乃至3.0質量%とする。
Tiは、溶接金属中でアシキュラーフェライトを生成する核となり、粒界フェライトの生成を防止するために必須の成分である。しかしながら、溶接ワイヤに含まれるTiは、溶接中にその多くが酸化消耗されるため、溶接ワイヤ中のTi含有量が0.10質量%未満の場合は、十分な効果が得られない。一方、溶接ワイヤ中のTi含有量が0.40質量%を超えると、溶接金属中のTi析出物が多くなりすぎて、靱性及び伸びが低下する。よって、Ti含有量は0.10乃至0.40質量%とする。
Oは、溶接金属の金属組織に対する影響が大きい元素であり、溶接金属の特性を確保するためには、溶接金属中のO含有量を一定範囲にすることが好ましい。溶接ワイヤ中のO含有量が0.0005質量%未満であると、溶接金属の焼入れ性が高くなり、靱性が著しく低下する。一方、溶接ワイヤ中のO含有量が0.0500質量%を超えると、合金元素が酸化により消耗する量が増加し、結果として溶接金属の靱性が低下する。よって、溶接ワイヤ中のO含有量は0.0005乃至0.0500質量%とする。
Niは、溶接金属の焼入れ性を向上させる効果があり、溶接ワイヤに補助的に添加することにより、溶接金属の金属組織及び強度を調節することができる。しかしながら、高HAZ靱性鋼材等には、鋼材の靱性を確保するためにNiが添加されているため、溶接ワイヤにおいては、Ni含有量の上限値のみを規定する。具体的には、溶接ワイヤ中のNi含有量が2.2質量%を超えると、溶接金属中に粗大なベイナイトが生成しやすくなって靱性が低下すると共に、凝固偏析が大きくなって、伸びを低下させるマルテンサイト相の生成が顕著になる。よって、溶接ワイヤ中のNi含有量は2.2質量%以下に規制する。
Crは、溶接金属の焼入れ性を高め、金属組織を改善する効果があるが、Cr含有量が0.60質量%を超えると、溶接金属の靱性が低下する。よって、溶接ワイヤ中のCr含有量は0.60質量%以下に規制する。
Bは、溶接金属中に粒界フェライトが生成することを抑制する効果が高いが、大入熱溶接においては、溶接金属成分を凝固偏析させ、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。このため、溶接金属中のB含有量は、できるだけ少なくすることが好ましい。なお、高HAZ靱性鋼材にはBが添加されていることが多いため、被溶接材に高HAZ靱性鋼材を使用する場合には、溶接ワイヤにはBを添加しないことが好ましい。よって、溶接ワイヤ中のB含有量は、一般的な製造工程で含まれる範囲とし、0.0010質量%以下に規制する。
溶接ワイヤは、一般に大気圧中で製造されるため、その製造工程においてNが混入してしまう。しかしながら、Nは溶接金属の靱性を低下させる元素であり、その含有量はできるだけ少なくすることが好ましい。よって、溶接ワイヤ中のN含有量は0.0100質量%以下に規制する。
La及びCeは、溶接金属の靱性を改善する効果があり、本発明の溶接ワイヤにおいては、La及びCeからなる群から選択された少なくとも1種の元素を含有していてもよい。但し、溶接ワイヤ中のLa含有量が0.01質量%未満の場合、溶接金属の靱性改善効果は得られない。また、Laは高価な材料であると共に、溶接金属への歩留まりが低い。このため、溶接ワイヤに多量に添加しようとすると、溶接ワイヤのコストが極めて高価になる。そこで、溶接ワイヤ中のLa含有量は0.20質量%以下にすることが好ましい。同様に、溶接ワイヤ中のCe含有量が0.01質量%未満の場合、溶接金属の靱性改善効果が得られない。一方、溶接ワイヤ中のCe含有量が0.20質量%を超えると、溶接ワイヤのコストが極めて高価になる。よって、溶接ワイヤにLa及びCeを添加する場合、La含有量は0.01乃至0.20質量%とし、Ce含有量は0.01乃至0.20質量%とすることが好ましい。
2;ダイヤフラム
3;裏当金
4;開先
5;溶接金属
6;引張試験片
7;衝撃試験片
8;ノズル挿入孔
Claims (12)
- 鋼材をエレクトロスラグ溶接することにより形成される溶接金属であって、C:0.03乃至0.10質量%、Si:0.20乃至0.80質量%、Mn:0.60乃至1.80質量%、Cu:0.10乃至1.00質量%、Ni:0.20乃至1.40質量%、Mo:0.50乃至2.00質量%、Ti:0.010乃至0.040質量%及びO:0.005乃至0.060質量%を含有し、Cr:0.80質量%以下、B:0.0020質量%以下及びN:0.010質量%以下に規制され、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溶接金属。
- 前記鋼材は、JIS規格G3136に規定された建築構造用圧延鋼材であって、C:0.18質量%以下、Si:0.55質量%以下、Mn:1.60質量%以下、P:0.030質量%以下及びS:0.015質量%以下に規制されると共に、Cu:2.0質量%以下、Ni:3.0質量%以下、Cr:2.0質量%以下及びMo:1.0質量%以下に規制され、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請求項1に記載の溶接金属。
- 更に、La:0.01乃至0.10質量%及びCe:0.01乃至0.10質量%からなる群から選択された少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の溶接金属。
- 500kJ/cm以上の溶接入熱で溶接されたものであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の溶接金属。
- 鋼材をエレクトロスラグ溶接する際に使用される溶接ワイヤであって、C:0.01乃至0.12質量%、Si:0.10乃至1.00質量%、Mn:0.5乃至2.0質量%、Cu:0.05乃至1.00質量%、Mo:0.7乃至3.0質量%、Ti:0.10乃至0.40質量%及びO:0.0005乃至0.0500質量%を含有し、Ni:2.2質量%以下、Cr:0.60質量%以下、B:0.0010質量%以下及びN:0.0100質量%以下に規制され、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溶接ワイヤ。
- 前記鋼材は、JIS規格G3136に規定された建築構造用圧延鋼材であって、C:0.18質量%以下、Si:0.55質量%以下、Mn:1.60質量%以下、P:0.030質量%以下及びS:0.015質量%以下に規制されると共に、Cu:2.0質量%以下、Ni:3.0質量%以下、Cr:2.0質量%以下及びMo:1.0質量%以下に規制され、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請求項5に記載の溶接ワイヤ。
- 更に、La:0.01乃至0.20質量%及びCe:0.001乃至0.20質量%からなる群から選択された少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項5又は6に記載の溶接ワイヤ。
- 500kJ/cm以上の溶接入熱で溶接されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の溶接ワイヤ。
- C:0.01乃至0.12質量%、Si:0.10乃至1.00質量%、Mn:0.5乃至2.0質量%、Cu:0.05乃至1.00質量%、Mo:0.7乃至3.0質量%、Ti:0.10乃至0.40質量%及びO:0.0005乃至0.0500質量%を含有し、Ni:2.2質量%以下、Cr:0.60質量%以下、B:0.0010質量%以下及びN:0.0100質量%以下に規制され、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成の溶接ワイヤを使用して鋼材を溶接し、C:0.03乃至0.10質量%、Si:0.20乃至0.80質量%、Mn:0.60乃至1.80質量%、Cu:0.10乃至1.00質量%、Ni:0.20乃至1.40質量%、Mo:0.50乃至2.00質量%、Ti:0.010乃至0.040質量%及びO:0.005乃至0.060質量%を含有し、Cr:0.80質量%以下、B:0.0020質量%以下及びN:0.010質量%以下に規制され、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成の溶接金属を得ることを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法。
- 前記鋼材は、JIS規格G3136に規定された建築構造用圧延鋼材であって、C:0.18質量%以下、Si:0.55質量%以下、Mn:1.60質量%以下、P:0.030質量%以下及びS:0.015質量%以下に規制されると共に、Cu:2.0質量%以下、Ni:3.0質量%以下、Cr:2.0質量%以下及びMo:1.0質量%以下に規制され、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請求項9に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
- 前記溶接ワイヤは、更に、La:0.01乃至0.20質量%及びCe:0.001乃至0.20質量%からなる群から選択された少なくとも1種の元素を含有し、前記溶接金属は、更に、La:0.01乃至0.10質量%及びCe:0.01乃至0.10質量%からなる群から選択された少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項9又は10に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
- 溶接入熱が500kJ/cm以上であることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
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