JP4800081B2

JP4800081B2 - 高張力鋼溶接用ソリッドワイヤおよび高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法

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Publication number: JP4800081B2
Application number: JP2006086022A
Authority: JP
Inventors: 悟西村; 勲波多野; 友弥川畑; 和茂有持; 正道佐々木; 康生一戸
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007260697A

Description

本発明は、建築構造物に用いられる高張力鋼をガスシールドアーク溶接した場合に必要とされる高強度、高靭性が得られるとともに溶接欠陥のない高品質な溶接金属が得られる高張力鋼溶接用ソリッドワイヤおよび高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法に関する。

一般に建築構造物は、４００〜５９０ＭＰａ鋼が使用され、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤも例えば特開平１０−２３０３８７号公報（特許文献１）や特開２００２−７９３９５号公報（特許文献２）にあるように高入熱・高パス間温度の溶接条件用として実用化されている。また、火災時の安全性を確保するために６００℃での高温降伏比が常温時の２／３以上となる耐火鋼も例えば特開平６−１９２７３０号公報（特許文献３）にあるように開発され実用化されている。前記耐火鋼用のガスシールドアーク溶接用ワイヤも例えば特開平２−５２１９６号公報（特許文献４）などに開示されているように実用化されている。

一方、溶接構造物の大型化の傾向は顕著になってきており、これに対応して使用される鋼板への高強度化の要求が高まっている。例えば圧力容器、揚水型発電所の水圧鉄管や海洋構造物のジャッキアップ型切削リブのラック材等に７８０ＭＰａ以上の鋼材が使用されている。鋼板の高強度化は、単に構造物の重量低減にとどまらず、溶接施工費の大幅な低減をもたらすので、その要望は根強いものがある。この要求は建築分野においても例外ではない。

７８０ＭＰａ鋼用のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、例えば特開平３−２２１２９４号公報（特許文献５）や特開２０００−３０１３７９号公報（特許文献６）に開示されている。さらに、９５０ＭＰａ鋼以上の高張力鋼用のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが特開平７−２７６０８０号公報（特許文献７）、特開平８−１７４２６８号公報（特許文献８）および特開２００１−１１８１号公報（引用文献９）などに開示がある。

しかし、前述の７８０ＭＰａ鋼および９５０ＭＰａ鋼以上のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、海洋構造物および薄板の溶接を対象としたもので、建築構造物の多層盛溶接に適用した場合、特に靭性のバラツキが大きい。すなわち、図１に多層盛溶接金属の衝撃試験片１のノッチ位置を示すが、ノッチ位置が再熱部の多い積層パスの重なり部Ａ（以下、ノッチ位置Ａという。）の場合安定した吸収エネルギーが得られるが、ノッチ位置が柱状晶の多い積層パスの中心部Ｂ（以下、ノッチ位置Ｂという。）で積層による再熱部が少ない個所であると吸収エネルギーにバラツキが生じる。また、溶接作業性および耐溶接欠陥性についても満足できるものではない。

特開平１０−２３０３８７号公報特開２００２−７９３９５号公報特開平６−１９２７３０号公報特開平２−５２１９６号公報特開平３−２２１２９４号公報特開２０００−３０１３７９号公報特開平７−２７６０８０号公報特開平８−１７４２６８号公報特開２００１−１１８１号公報

本発明は、建築構造物に適用して、溶接金属の引張強さが９００ＭＰａ以上で安定した靭性が得られ、溶接欠陥のない高品質の溶接部が得られる高張力鋼溶接用ソリッドワイヤおよび高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、
（１）ワイヤ全質量に対する質量で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．２５〜０．５５％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：０．７〜１．２％、Ｍｏ：０．５５〜０．９０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ａｌ：０．０１％超〜０．０３５％、ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１１〜０．０３５％を含有し、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｎ：０．００６％以下で、その他は、Ｆｅおよび不可避不純物であり、且つ、高張力鋼の建築構造物の多層盛溶接に適用して、溶接金属中の酸素量が０．０２２％以下、引張強さが９００ＭＰａ以上で積層による再熱部が少ない箇所においても安定した靭性が得られることを特徴とする高張力鋼溶接用ソリッドワイヤである。

（２）ワイヤ全質量に対する質量で、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．２５〜０．５５％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ｃｒ：０．７〜１．２％、Ｍｏ：０．５５〜０．９０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、Ａｌ：０．０１超〜０．０３５％、ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１１〜０．０３５％を含有し、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｎ：０．００６％以下で、その他は、Ｆｅおよび不可避不純物であるソリッドワイヤを用いて高張力鋼の建築構造物の多層盛溶接に適用して、シールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量により溶接金属の酸素量を０．０２２質
量％以下、引張強さが９００ＭＰａ以上で積層による再熱部が少ない箇所においても安定した靭性を得られることを特徴とする。
また、シールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量を５〜１０体積％の範囲で調整することを特徴とする高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法にある。

本発明の高張力鋼溶接用ソリッドワイヤおよび高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法によれば、建築構造物の多層盛溶接に適用して、溶接金属の引張強さが９００ＭＰａ以上で安定した靱性が得られ、溶接欠陥のない高品質の溶接部が得られる高張力鋼溶接用ソリッドワイヤおよび高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法を提供することができる。

本発明者らは、上記課題を解決するために、種々のソリッドワイヤを試作して、機械的性質におよぼす成分の影響および耐欠陥性におよぼすシールドガス組成について詳細を検討した。その結果、多層盛溶接して９００ＭＰａ以上の高強度が得られ靱性のバラツキがなく、さらに溶接欠陥がない高品質な溶接部が得られる高張力鋼溶接用ソリッドワイヤおよび高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法を見出した。

以下、本発明の高張力鋼溶接用ソリッドワイヤの成分限定理由および溶接方法について説明する。
Ｃ：０．０４〜０．１２質量％
Ｃは、溶接金属の強度確保に必要な元素である。しかし、Ｃの含有量が０．１２質量％（以下、％という。）を超えると溶接割れの感受性が高くなる。なお、強度の十分な確保のためにＣは０．０６％以上であることが好ましい。

Ｓｉ：０．２５〜０．５５％
Ｓｉは、強度の確保と脱酸を目的に添加する。Ｓｉが０．２５％未満であると強度が低く酸素が高くなるので特にノッチ位置Ｂの靭性も低下する。一方、Ｓｉが０．５５％を超えると靭性が低下する。
Ｍｎ：１．５〜２．５％
Ｍｎは、強度の確保と脱酸を目的に添加する。Ｍｎが１．５％未満であると強度が低く酸素が高くなるので靭性も低下する。一方、Ｍｎが２．５％を超えると過剰な焼入れ組織となって靭性が低下する。

Ｎｉ：２．５〜３．５％
Ｎｉは、靭性を安定させるために添加する。Ｎｉの含有量が２．５％未満であると特にノッチ位置Ｂでの靭性のバラツキが大きくなる。一方、Ｎｉが３．５％を超えると粒界が脆化して靭性が低下する。
Ｃｒ：０．７〜１．２％
Ｃｒは、強度確保に必要な成分である。Ｃｒが０．７％未満であると強度が不足する。一方、Ｃｒが１．２％を超えると強度が高くなりすぎ靭性が低下する。

Ｍｏ：０．５５〜０．９０％
Ｍｏは、強度を確保し、特にノッチ位置Ｂの靭性を高める効果がある。Ｍｏが０．５５％未満であると強度が不足するとともにノッチ位置Ｂの靭性が低下する。一方、Ｍｏが１．２％を超えると炭化物が析出してノッチ位置Ａの靭性が低下する。
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％
Ｔｉは、主に酸化物として存在し、組織を微細化して特にノッチ位置Ｂの靭性を向上させる。Ｔｉが０．００５％未満であるとその効果が得られず、０．１０％を超えると靭性が低下する。

Ａｌ：０．０１％超〜０．０３５％
Ａｌは、強脱酸剤であり、微量の添加で溶接金属の酸素量を低減して、特にノッチ位置Ｂの靱性を向上させる。Ａｌが０．０１％以下であるとその効果が得られず、０．０３５％を超えると溶接金属に多量歩留り靱性が低下する。
ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１１〜０．０３５％
ＶまたはＮｂは、微量で強度を確保する。ＶまたはＮｂの１種以上の合計が０．０１１％未満であると強度が不足する。一方、ＶまたはＮｂの１種以上の合計が０．０３５％を超えると強度が高くなりすぎ靱性が低下する。

溶接金属の酸素量：０．０２２％以下
溶接金属中の酸素は、ＳｉまたはＭｎ等と酸化物（非金属介在物）として存在し、０．０２２％を超えると、特にノッチ位置Ｂの靭性を低下させる。一方、微量のＴｉとの酸化物は靭性を良好にするので好ましくは０．０１０％以上とする。
なお、溶接金属中の酸素量は前記ワイヤの脱酸成分に加えシールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量により調整する。

シールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量：５〜１０体積％
シールドガスは、Ａｒ−ＣＯ₂とするが、本発明においてはＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量を５〜１０体積％（以下、％という。）の範囲として溶接金属の酸素量を低減する。Ａｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量が５％未満であるとアークが弱くスラグ巻き込み欠陥が生じるようになる。一方、１０％を超えると溶接金属の酸素量が多くなり、特にノッチ位置Ｂの靭性を低下させる。なお、ガスの流量は耐欠陥性および大気からの窒素の混入を防ぐために２５〜３５リットル／分であることが好ましい。

Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ｎ：０．００６％以下
過剰なＰ、ＳおよびＮは、靭性を低下させる。したがって、Ｐは０．０１２％以下、Ｓは０．００８％以下、Ｎは０．００６％以下とする。
なお、ワイヤ表面はワイヤ送給性の向上と錆を防止するためにＣｕめっきを施すことができるが、Ｃｕが過剰となると高温割れを助長するのでワイヤ表面のＣｕめっき以外のＣｕも含めて０．５％以下であることが好ましい。

以下、本発明の効果を実施例により詳細に説明する。
表１に示す各種ワイヤ（ワイヤ径１．２ｍｍ）を用いて、表２に示す成分の鋼板を開先角度４５°、ギャップ１２ｍｍの裏当て付き開先とし溶接長５００ｍｍを表３に示す溶接条件でシールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量および流量を変えて溶接した。

溶接後、Ｘ透過試験を行い溶接欠陥の有無を調査した後、板厚の中心部よりＪＩＳＺ３１１１Ａ１号丸棒引張試験片（ＪＩＳＺ２２０１の１０号試験片）およびＪＩＳＺ３１１１４号衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２０２の４号試験片）を採取した。
靭性の評価は、図１に示す衝撃試験片のノッチ位置ＡおよびＢともに試験温度―２０℃で吸収エネルギーの各５本の最低値が７０Ｊ以上、引張強さは９００ＭＰａ以上を良好とした。表４にＸ線透過試験、引張試験および衝撃試験結果をまとめて示す。

表４中、試験Ｎｏ．１〜６は本発明例、試験Ｎｏ．７〜２３は比較例である。
本発明例である試験Ｎｏ．１〜６は、ワイヤＷ１〜Ｗ６のワイヤ成分が適正で、シールドガス組成のＣＯ₂ 量も適正であるので、多層盛溶接金属の引張強さが良好で衝撃試験片のノッチ位置ＡおよびＢともに高値で安定した吸収エネルギーが得られ、溶接欠陥のない高品質の溶接金属が得られ、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．７は、ワイヤＷ７のＣが高いのでクレータ部に高温割れが生じた。また、ＶとＮｂの合計量が高いので引張強さが高くなり吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．８は、ワイヤＷ８のＣおよびＶとＮｂの合計量が低いので引張強さが低かった。試験Ｎｏ．９は、ワイヤＷ９のＳｉが高いので吸収エネルギーが低かった。

試験Ｎｏ．１０は、ワイヤＷ１０のＳｉが低いので引張強さが低く、酸素量が高くなって特にノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．１１は、ワイヤＷ１１のＭｎが高いので吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．１２は、ワイヤＷ１２のＭｎが低いので強度が低く、吸収エネルギーも低かった。

試験Ｎｏ．１３は、ワイヤＷ１３のＮｉが高いので吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．１４は、ワイヤＷ１４のＮｉが低いのでノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．１５は、ワイヤＷ１５のＣｒが高いので引張強さが高くなり吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．１６は、ワイヤＷ１６のＭｏが高いのでノッチ位置Ａの吸収エネルギーが低かった。

試験Ｎｏ．１７は、ワイヤＷ１７のＭｏが低いので引張強さが低く、ノッチ位置Ｂの吸収エネルギーも低かった。
試験Ｎｏ．１８は、ワイヤＷ１８のＴｉが高いので吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．１９は、ワイヤＷ１９のＣｒが低いので引張強さが低くなった。また、Ｔｉが低いのでノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．２０は、ワイヤＷ２０のＡｌが高いので吸収エネルギーが低かった。

試験Ｎｏ．２１は、ワイヤＷ２１のＡｌが低いので酸素量が多くなり吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．２２は、シールドガスのＣＯ₂ 量が少ないのでスラグ巻き込み欠陥が生じた。また、ワイヤＷ１１のＭｎが高いので吸収エネルギーが低かった。
試験Ｎｏ．２３は、シールドガスのＣＯ₂ 量が多いので溶接金属の酸素量が多くなりノッチ位置Ｂの吸収エネルギーが低かった。また、ワイヤＷ１６のＭｏが高いのでノッチ位置Ａの吸収エネルギーも低かった。

衝撃試験片のノッチ位置を示す図である。

符号の説明

１衝撃試験片
Ａ積層パスの重なり部
Ｂ積層パスの中心部

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社他１名
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

ワイヤ全質量に対する質量で、
Ｃ：０．０４〜０．１２％、
Ｓｉ：０．２５〜０．５５％、
Ｍｎ：１．５〜２．５％、
Ｎｉ：２．５〜３．５％、
Ｃｒ：０．７〜１．２％、
Ｍｏ：０．５５〜０．９０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、
Ａｌ：０．０１％超〜０．０３５％、
ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１１〜０．０３５％を含有し、
Ｐ：０．０１２％以下、
Ｓ：０．００８％以下、
Ｎ：０．００６％以下で、
その他は、Ｆｅおよび不可避不純物であり、且つ、
高張力鋼の建築構造物の多層盛溶接に適用して、溶接金属中の酸素量が０．０２２質量％以下、引張強さ９００ＭＰａ以上で積層による再熱部が少ない箇所においても安定した靭性が得られることを特徴とする高張力鋼溶接用ソリッドワイヤ。
ワイヤ全質量に対する質量で、
Ｃ：０．０４〜０．１２％、
Ｓｉ：０．２５〜０．５５％、
Ｍｎ：１．５〜２．５％、
Ｎｉ：２．５〜３．５％、
Ｃｒ：０．７〜１．２％、
Ｍｏ：０．５５〜０．９０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、
Ａｌ：０．０１超〜０．０３５％、
ＶまたはＮｂの１種以上の合計：０．０１１〜０．０３５％を含有し、
Ｐ：０．０１２％以下、
Ｓ：０．００８％以下、
Ｎ：０．００６％以下で、
その他は、Ｆｅおよび不可避不純物であるソリッドワイヤを用いて高張力鋼の建築構造物の多層盛溶接に適用して、シールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量により溶接金属の酸素量を０．０２２質量％以下、引張強さ９００ＭＰａ以上で積層による再熱部が少ない箇所においても安定した靭性が得られることを特徴とする高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法。
シールドガスＡｒ−ＣＯ₂のＣＯ₂混合量を５〜１０体積％の範囲で調整することを特徴とする請求項２記載の高張力鋼のガスシールドアーク溶接方法。