JP5151421B2 - フラックス入りワイヤ及びそれを用いた溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、フラックス入りワイヤ及びそれを用いた溶接継手に関し、ビード断面の止端部の形状が良好で疲労き裂発生が遅く，疲労特性に優れるものに関する。

船舶、橋梁、貯槽、及び建設機械等の溶接構造物においては、大型化とそれに伴う軽量化を目的に、使用鋼材の高強度化が求められ、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等を添加した引張強度レベルが３００〜５９０ＭＰａの鋼材が用いられている。

しかし、鋼材の引張強度が増加しても溶接継手の疲労強度は、鋼材の引張強度ほどには向上せず、この原因として、溶接継手の溶接部に生じる引張残留応力も増大することが挙げられる。

特許文献１は、溶接継手の疲労強度を向上させる溶接方法に関し、溶接後の冷却過程において溶接金属をマルテンサイト変態させ、室温においてマルテンサイト変態の開始時よりも膨張した状態とし、溶接継手の溶接金属に生じた引張残留応力を低減、あるいは引張残留応力に代えて圧縮残留応力を与え、溶接施工後に、研削等の特別な後処理を行わなくても溶接継手の疲労強度が向上させることが記載されている。

特許文献１記載の溶接方法では、マルテンサイト変態開始温度が２５０℃未満１７０℃以上と低温側の鉄合金系溶接材料（溶接ワイヤ）を用いる。

特許文献２は、溶接止端部が形成される箇所を予めＳｉを含有した材料で被覆することにより，止端形状を良好とし，継手疲労強度を向上させることが記載されている。
特開平１１−１３８２９０号公報 特開２００６−３０５６３０公報

しかしながら、特許文献１に開示された溶接材料による溶接継手は、疲労強度は向上するものの、溶接金属の組織がマルテンサイト主体で、溶接部の靭性、特に溶接金属の靭性が低値となり、実地において適用できる構造物は少なく、実用的でない。また、疲労強度は向上するものの、Ｃｒ，Ｎｉ等を溶接材料に含有するため、経済的に不利である。

特許文献２に開示された方法により作製した溶接継手は、疲労強度は向上するものの、溶接前にＳｉ含有材の被覆作業が必要で作業能率が低下し，溶接線長手方向に対して，一定した止端部形状の確保も困難である。

そこで、本発明は上述の問題点を解決するため、安定した止端形状を確保し，溶接継手の疲労強度を向上させることができるフラックス入りワイヤおよびそれを用いて溶接した溶接継手を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成される。
１．フラックス入りワイヤであって、溶着金属の組成が、Ｃ：０．００５％以上０．５％以下、Ｓｉ：８．６％以上１０．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上２．０％以下、残部がＦｅおよびその他不可避元素で、フラックス中にフラックス全重量に対する比でＳｉ：２０．０％以上３０．０％以下を含有することを特徴とするフラックス入りワイヤ。
２．１に記載されたフラックス入りワイヤを用いて溶接した溶接継手であって、溶接金属の組成がＣ：０．５％未満，Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下を含有することを特徴とする溶接継手。
３．溶接止端部を形成する溶接を１に記載の溶着金属の組成を有するフラックス入りワイヤを用いて行い，当該溶接により形成された溶接金属の組成がＣ：０．５％未満，Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下を含有する溶接継手。
４．溶接止端部の形状について、下記式で示される応力集中係数Ｋｔの値が２．３以下である２又は３に記載の溶接継手。
Ｋｔ＝［１＋ｆ（θ）×｛ｇ（ρ）−１｝］ （１）
ここでｆ（θ）：溶接余盛り角の影響、ｇ（ρ）：止端半径の影響
ｆ（θ）＝［１−ｅｘｐ｛−０．９０×（Ｗ／２ｈ）^０．５×（π−θ）｝］
／［１−ｅｘｐ｛−０．９０×（Ｗ／２ｈ）^０．５×（π／２）｝］ （２）
ｇ（ρ）＝１＋２．２×［（ｈ／ρ）／｛２．８×（Ｗ／ｔ）−２｝］^０．６５ （３）
ここでＷ＝（ｔ＋４×ｈ）＋０．３×（ｔＰ＋２×ｈＰ）
ｈ：リブ方向脚長、θ：余盛角、ｔ：主板（母材）厚、ｔＰ：リブ板厚、ｈＰ：主板方向脚長、ρ：止端半径

本発明によれば、溶接前の準備に時間を要することなく、疲労特性に優れた溶接継手が作製でき、産業上、極めて有用である。

以下に本発明を詳細に説明する。図１はフラックス入りワイヤを説明する図で、溶接ワイヤ１はフラックス３を金属製の外皮２で包んで構成される。

本発明は、フラックス入りワイヤであって、溶着金属の組成が、Ｃ：０．００５％以上０．５％以下、Ｓｉ：８．６％以上１０．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上２．０％以下、残部がＦｅおよびその他不可避元素で、フラックス中にフラックス全重量に対する比でＳｉ：２０．０％以上３０．０％以下を含有することを特徴とするフラックス入りワイヤである。

以下の説明において、溶着金属とは，ＪＩＳ Ｚ ３１１１に示す方法により作製し，被溶接鋼板からの希釈のない状態の溶着部を指し，溶接金属は被溶接鋼板により希釈された継手部における溶着部とする。化学成分は，各々の金属から切り粉を採取し，湿式分析により測定する。

溶着金属の化学組成限定理由を説明する。％は質量％とする。

Ｃ：０．００５％以上０．５％以下
Ｃは溶接金属の強度を高める成分として有用である。しかしながら，含有量が０．００５％未満ではその効果に乏しく，一方，０．５％を超えると延性が低下したり，溶接割れの可能性が高くなるので，Ｃは０．００５％〜０．５％の範囲に限定した。

Ｓｉ：８．６％以上１０．０％以下
Ｓｉは，溶接部の止端形状を良好にするために必要な元素である。溶接金属中のＳｉ量を必要な所定量（後述する）とするため，鋼板の化学組成および溶接条件による変化を考慮し，８．６％〜１０．０％の範囲に限定した。

Ｍｎ：０．１％以上２．０％以下
Ｍｎは、溶接金属の強化元素として有用であり，含有量が０．４％未満ではその効果に乏しく、一方、３．０％を超えると延性の低下を招くため，０．１％以上２．０％以下とした。

なお、フラックス中には、ＴｉＯ_２を３〜１０％、ＳｉＯ_２を０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３を０．１〜５％、ＭｇＯを０．１〜５％、ＺｒＯ_２を０．０１〜１％、スラグ形成剤等を１種又は２種以上含有することが可能である。

また、本発明は、上述したフラックス入りワイヤを用いて溶接した溶接継手であって、溶接金属の組成がＣ：０．５％未満，Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下を含有する溶接継手である。

また、本発明は、溶接止端部を形成する溶接を上述した溶着金属の組成を有するフラックス入りワイヤを用いて行い，当該溶接により形成された溶接金属の組成がＣ：０．５％未満，Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下を含有する溶接継手である。

溶接継手のパス数、積層法は特に規定しないが、多層盛溶接の場合は少なくとも、最終パスの溶接金属の組成を上記範囲に規定する。多層盛溶接の場合は、溶接止端部の最終パスのみを上記組成の溶接金属とすることで、優れた疲労特性を得ることが可能である。

本発明において、最終パス前のパスを上記組成の溶接金属とすることは差し支えなく、溶接止端部となるパスには１層１パス溶接の場合の当該パスを含むものとする。

溶接金属の化学組成限定理由について示す。％は質量％とする。
Ｃ：０．５％未満
Ｃは溶接金属の強度を高める成分として有用である。しかし、０．５％を超えると延性が低下したり，溶接割れの可能性が高くなるので，Ｃは０．５％未満とする。一方、含有量が０．００５％未満では溶接金属の強度を高める効果に乏しいため，好ましくは０．００５％以上、０．５％以下とする。

Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下
Ｓｉは，溶接部の止端形状を良好にするために必要な元素である。しかしながら，５．６％未満ではその効果に乏しく，８．０％を超えると溶接金属の靭性が低下するほか，溶接金属内に欠陥が発生する要因となるので、Ｓｉは５．６％〜８．０％の範囲に限定した。

Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、溶接金属の強化元素として有用であるため添加する。しかし、２．０％を超えると延性の低下を招くため，２．０％以下とする。一方、含有量が０．４％未満では溶接金属の強化効果に乏しいため、好ましくは０．１％以上、２．０％以下とする。

上述した組成の溶接金属を有する溶接継手は、溶接止端部の形状において、下記式で示される応力集中係数Ｋｔの値が２．３以下となり、優れた疲労特性を備える。
Ｋｔ ＝［１＋ｆ（θ）×｛ｇ（ρ）−１｝］ （１）
ここでｆ（θ）：溶接余盛り角の影響、ｇ（ρ）：止端半径の影響
ｆ（θ）＝［１−ｅｘｐ｛−０．９０×（Ｗ／２ｈ）０．５×（π−θ）｝］
／［１−ｅｘｐ｛−０．９０×（Ｗ／２ｈ）０．５ ×（π／２）｝］ （２）
ｇ（ρ）＝１＋２．２×［（ｈ／ρ）／｛２．８×（Ｗ／ｔ）−２｝］０．６５ （３）
ここでＷ＝（ｔ＋４×ｈ）＋０．３×（ｔ_Ｐ＋２×ｈ_Ｐ）
ｈ：リブ方向脚長、θ：余盛角、ｔ：主板（母材）厚、ｔＰ：リブ板厚（十字継手の縦板）、ｈＰ：主板方向脚長、ρ：止端半径
出典：後川，中山「溶接継手部の応力集中係数」 石川島播磨技報 ２３ （１９８３） ４， ｐ３５２−３５５
図３に積層法による溶接金属の止端部を示し、図３（ａ）は１層盛、図３（ｂ）は多層盛の場合での溶接金属の止端部を示す。図４（図５は図４のＡ部拡大図）に止端半径、余盛角の定義を示す。

Ｋｔは応力集中係数であり、Ｋｔ値が増大すると溶接止端部の応力が高くなる。特に，Ｋｔ値が２．３を越えると、疲労き裂の起点が多くなり、疲労特性が劣化する傾向にあるためＫｔの値の上限を２．３とする。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

図２に示す十字溶接継手４を１層の溶接金属５を形成するように、種々の組成のフラックスと全溶着金属を有するフラックス入りワイヤを用いてＣＯ_２溶接で作製し、疲労特性：２００万回疲労強度を調査した。溶接金属の止端半径、余盛角は、前掲の図３、図４、図５による。

表１に、溶接に用いた記号Ｆ１〜Ｆ６のフラックス入りワイヤ（１．２Φ）のフラックスの化学組成，表２に各ワイヤの溶着金属の化学組成，表３に溶接される鋼板の化学組成をそれぞれ示す。溶接条件は電流３００Ａ，電圧３０．５Ｖ，溶接速度４５ｃｍ／ｍｉｎとした。

表４にワイヤと鋼板の組合せおよび溶接金属の組成を示す。表５に各溶接継手における止端半径、余盛角度、応力集中係数Ｋｔ、疲労強度と溶接部欠陥発生の有無を示す。

記号１〜６の溶接継手は、本発明範囲内のフラックス入りワイヤ（記号Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のいずれか）を用いて作成したもので、溶接金属中のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ量のいずれもが本発明範囲内で、いずれも溶接止端部形状（止端半径、余盛角度）が良好で、応力集中係数Ｋｔが２．３以下であり，優れた疲労特性が得られた。

一方、記号７の溶接継手は、本発明範囲外となるフラックス入りワイヤ（記号Ｆ４）を用いて作成した比較例、記号８の溶接継手は、本発明範囲外となるフラックス入りワイヤ（記号Ｆ５）を用いて作成した比較例で、いずれも溶接金属中のＳｉ含有量が５．６％未満であり、溶接止端部形状（止端半径、余盛角度）が不良で、応力集中係数Ｋｔが２．３を超えており、疲労特性に劣る。

また、記号９，１０の溶接継手は、本発明範囲外となるフラックス入りワイヤ（記号Ｆ６）を用いて作成した比較例で、いずれも溶接金属中のＳｉ含有量が１０．０％以上であり、溶接部に内在する欠陥からき裂が発生し，やはり疲労特性に劣った。

Ｓｉはフラックスを形成し、溶接金属と鋼材表面のぬれ性を改善し、止端部においてアンダーカットなどの切欠きの発生を防止するため疲労き裂の発生が抑制され，疲労特性が向上すると考えられる。

尚，本実施例は十字溶接継手についての結果を示しているが，他の形状の隅肉溶接部，角回し溶接部（ガセット溶接継手）など，溶接部の止端からの疲労き裂発生が問題となっている部位についても，本発明を適用し、優れた疲労特性を得ることが可能である。

フラックス入りワイヤの構成を説明する図。 十字溶接継手を説明する図。 止端半径、余盛角の測定方法を、１層盛り（ａ），多層盛（ｂ）の場合について説明する図。 図３のＡ部拡大図で止端半径、余盛角を説明する図。 図４のＡ部拡大図で、止端半径、余盛角を説明する図。

Claims (4)

1. フラックス入りワイヤであって、溶着金属の組成が、Ｃ：０．００５％以上０．５％以下、Ｓｉ：８．６％以上１０．０％以下、Ｍｎ：０．１％以上２．０％以下、残部がＦｅおよびその他不可避元素で、フラックス中にフラックス全重量に対する比でＳｉ：２０．０％以上３０．０％以下を含有することを特徴とするフラックス入りワイヤ。
2. 請求項1に記載されたフラックス入りワイヤを用いて溶接した溶接継手であって、溶接金属の組成がＣ：０．５％未満，Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下を含有することを特徴とする溶接継手。
3. 溶接止端部を形成する溶接を請求項１に記載の溶着金属の組成を有するフラックス入りワイヤを用いて行い，当該溶接により形成された溶接金属の組成がＣ：０．５％未満，Ｓｉ：５．６％以上８．０％以下，Ｍｎ：２．０％以下を含有する溶接継手。
4. 溶接止端部の形状について、下記式で示される応力集中係数Ｋｔの値が２．３以下である請求項２又は３に記載の溶接継手。
   Ｋｔ＝［１＋ｆ（θ）×｛ｇ（ρ）−１｝］ （１）
   ここでｆ（θ）：溶接余盛り角の影響、ｇ（ρ）：止端半径の影響
   ｆ（θ）＝［１−ｅｘｐ｛−０．９０×（Ｗ／２ｈ）^０．５×（π−θ）｝］
   ／［１−ｅｘｐ｛−０．９０×（Ｗ／２ｈ）^０．５×（π／２）｝］ （２）
   ｇ（ρ）＝１＋２．２×［（ｈ／ρ）／｛２．８×（Ｗ／ｔ）−２｝］^０．６５ （３）
   ここでＷ＝（ｔ＋４×ｈ）＋０．３×（ｔＰ＋２×ｈＰ）
   ｈ：リブ方向脚長、θ：余盛角、ｔ：主板（母材）厚、ｔＰ：リブ板厚、ｈＰ：主板方向脚長、ρ：止端半径

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