JP5970436B2 - 高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、高張力鋼のエレクトロスラグ溶接に用いられるワイヤに関し、特に、７８０ＭＰａ級の高張力鋼板を用いる建築、橋梁、海洋構造物等の各種溶接構造物を建造する際のエレクトロスラグ溶接において、安定した良好な靭性を有する溶接金属が得られる高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤに関するものである。
エレクトロスラグ溶接は、大入熱で１パス溶接が可能なために他の溶接方法に比べて高能率な溶接が可能であり、建築、橋梁などの溶接構造物における鉄骨のダイヤフラムなどを立向溶接する場合に多く用いられている。
近年、構造物の大型化に伴う鋼材の高強度化および高靭性化が検討されており、７８０ＭＰａ級鋼材が用いられるようになり、そのため７８０ＭＰａ級鋼を高能率に溶接できるエレクトロスラグ溶接用材料の高強度化および高靭性化に関する要望が極めて大きい。
従来、高強度鋼のエレクトロスラグ溶接用材料は、例えば、特許文献１に開示されているように、Ｍｏと共にＣｕを添加することによって溶接金属における靭性のばらつきを抑制するという技術の記載がある。しかし、特許文献１に記載の技術は、高ＨＡＺ靭性鋼の６００ＭＰａ級鋼を対象としたもので、さらに高強度の鋼板を溶接する場合、高靭性を得ることはできない。
また、特許文献２には、エレクトロスラグ溶接において、Ｍｏ−Ｎｉ−Ｔｉ−Ｂ系ワイヤの表面に無機物かＫ化合物を含む潤滑混合物を塗布してワイヤ送給性を維持すると共に６２０ＭＰａ以上の引張強度と０℃における靭性を確保する技術の開示がある。しかし、引用文献２に記載の技術は、ワイヤ送給性の維持は確保できるが、７８０ＭＰａ級高張力鋼に適用した場合、強度と靭性の確保が困難となる。
さらに、特許文献３には、Ｍｏ−Ｎｉ−Ｔｉ−Ｂ系のワイヤを用いて４００〜７４０ＭＰａ級の厚板の高張力鋼を４００ｋＪ／ｃｍを超える大入熱の溶接入熱でエレクトロスラグ溶接して、溶接金属中のＢと酸素量を適切に規定することによって靭性を確保するという技術の開示がある。しかし、特許文献３に記載の溶接金属のＢの靭性改善技術を７８０ＭＰａ級高張力鋼へ適用した場合には、その効果は得られない。
このように、７８０ＭＰａ級高張力鋼のエレクトロスラグ溶接においては、強度と靭性の両方を確保することは困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、７８０ＭＰａ級高張力鋼のエレクトロスラグ溶接においても、母材と同等以上の強度と安定した優れた靭性の溶接金属が得られる高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
本発明者らは、前記課題を解決するために、エレクトロスラグ溶接用ワイヤ成分について着目し、ワイヤ成分について種々試作して検討した。その結果、７８０ＭＰａ級高張力鋼をエレクトロスラグ溶接した際に、溶接金属に適正な強度と同時に安定した優れた靭性を同時に達成させるためには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＴｉ量のそれぞれの適正化が有効であることを知見した。
本発明は上記知見に基づいて完成したもので、その発明の要旨は、以下の通りである。
（１） ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、
Ｍｎ：１．５０〜１．９５％、
Ｃｕ：０．１５〜０．４５％、
Ｎｉ：２．５〜３．５％、
Ｃｒ：０．３５〜０．６５％、
Ｍｏ：０．１５〜０．７０％、
Ｔｉ：０．０２〜０．１５％を含有し、
Ａｌ：０．０１０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．００７０％以下、
Ｏ：０．０１０％以下に制限し、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴する高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤにある。
Ｃ：０．０２〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、
Ｍｎ：１．５０〜１．９５％、
Ｃｕ：０．１５〜０．４５％、
Ｎｉ：２．５〜３．５％、
Ｃｒ：０．３５〜０．６５％、
Ｍｏ：０．１５〜０．７０％、
Ｔｉ：０．０２〜０．１５％を含有し、
Ａｌ：０．０１０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．００７０％以下、
Ｏ：０．０１０％以下に制限し、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴する高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤにある。
（２） また、さらに、ＶおよびＮｂの１種または２種：０．００５〜０．０５％を含有することも特徴とする高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤにある。
本発明の高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤによれば、７８０ＭＰａ級の引張強度を確保し、安定した優れた靭性および欠陥のない高品質な溶接金属が得られる高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤを提供することができる。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明の高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、各成分組成それぞれの単独および共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。なお、以下においては、溶接用ワイヤの化学成分をワイヤの全質量に対する割合である質量％で表わすものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。
本発明の高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、各成分組成それぞれの単独および共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。なお、以下においては、溶接用ワイヤの化学成分をワイヤの全質量に対する割合である質量％で表わすものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。
［Ｃ：０．０２〜０．１０％］
Ｃは、固溶強化により溶接金属の強度を向上するために必要な元素である。しかし、Ｃが０．０２％未満であるとこの効果が得られない。一方、Ｃが０．１０％を超えると、溶接金属の靭性を低下させる。したがって、Ｃは０．０２〜０．１０％とする。
Ｃは、固溶強化により溶接金属の強度を向上するために必要な元素である。しかし、Ｃが０．０２％未満であるとこの効果が得られない。一方、Ｃが０．１０％を超えると、溶接金属の靭性を低下させる。したがって、Ｃは０．０２〜０．１０％とする。
［Ｓｉ：０．１〜０．６％］
Ｓｉは、溶接金属の脱酸のために添加する。Ｓｉが０．１％未満であると、溶接金属が脱酸不足となり靭性が低下する。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、靭性に有害な島状マルテンサイトの増加を促進して溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓｉは０．１〜０．６％とする。
Ｓｉは、溶接金属の脱酸のために添加する。Ｓｉが０．１％未満であると、溶接金属が脱酸不足となり靭性が低下する。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、靭性に有害な島状マルテンサイトの増加を促進して溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｓｉは０．１〜０．６％とする。
［Ｍｎ：１．５０〜１．９５％］
Ｍｎは、溶接金属の強度の向上およびＳｉと同様に主要な脱酸剤として添加する。Ｍｎが１．５０％未満であると、溶接金属の十分な脱酸作用が得られず酸素量が多くなって靭性が低下する。また、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎが１．９５％を超えると、溶接金属が粗大なベイナイト組織となって靭性が安定して得られない。したがって、Ｍｎは１．５０〜１．９５％とする。
Ｍｎは、溶接金属の強度の向上およびＳｉと同様に主要な脱酸剤として添加する。Ｍｎが１．５０％未満であると、溶接金属の十分な脱酸作用が得られず酸素量が多くなって靭性が低下する。また、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎが１．９５％を超えると、溶接金属が粗大なベイナイト組織となって靭性が安定して得られない。したがって、Ｍｎは１．５０〜１．９５％とする。
［Ｃｕ：０．１５〜０．４５％］
Ｃｕは、析出強化作用を有し、変態温度を低下させ組織を微細化して靭性を安定させる。Ｃｕが０．１５％未満であると、安定した靭性が得られない。一方、Ｃｕが０．４５％を超えると、析出脆化が生じて靭性が低下する。したがって、Ｃｕは０．１５〜０．４５％とする。
Ｃｕは、析出強化作用を有し、変態温度を低下させ組織を微細化して靭性を安定させる。Ｃｕが０．１５％未満であると、安定した靭性が得られない。一方、Ｃｕが０．４５％を超えると、析出脆化が生じて靭性が低下する。したがって、Ｃｕは０．１５〜０．４５％とする。
なお、防錆のためにワイヤ表面にＣｕめっきが施されている場合、このＣｕめっき量も本発明におけるＣｕ含有量に含まれる。
［Ｎｉ：２．５〜３．５％］
Ｎｉは、変態温度を低下させて組織を微細化すると共に、溶接金属中に固溶して靭性を低下させることなく強度を高める作用を有する。Ｎｉが２．５％未満であると、靭性の低下を防止する効果が十分に得られない。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。したがって、Ｎｉは２．５〜３．５％とする。
Ｎｉは、変態温度を低下させて組織を微細化すると共に、溶接金属中に固溶して靭性を低下させることなく強度を高める作用を有する。Ｎｉが２．５％未満であると、靭性の低下を防止する効果が十分に得られない。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。したがって、Ｎｉは２．５〜３．５％とする。
［Ｃｒ：０．３５〜０．６５％］
Ｃｒは、変態温度を低下させ、組織を微細化して靭性を向上させる作用を有する。Ｃｒが０．３５％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｃｒが０．６５％を超えると、溶接金属の硬化が著しくなり靭性が低下する。したがって、Ｃｒは０．３５〜０．６５％とする。
Ｃｒは、変態温度を低下させ、組織を微細化して靭性を向上させる作用を有する。Ｃｒが０．３５％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｃｒが０．６５％を超えると、溶接金属の硬化が著しくなり靭性が低下する。したがって、Ｃｒは０．３５〜０．６５％とする。
［Ｍｏ：０．１５〜０．７０％］
Ｍｏは、ＮｉおよびＣｒと同様に、変態温度を低下させ、組織を微細化して靭性を向上させる。Ｍｏが０．１５％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｍｏが０．７０％を超えると、靭性が安定して得られない。したがって、Ｍｏは０．１５〜０．７０％とする。
Ｍｏは、ＮｉおよびＣｒと同様に、変態温度を低下させ、組織を微細化して靭性を向上させる。Ｍｏが０．１５％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｍｏが０．７０％を超えると、靭性が安定して得られない。したがって、Ｍｏは０．１５〜０．７０％とする。
［Ｔｉ：０．０２〜０．１５％］
Ｔｉは、脱酸剤として作用するとともに溶接金属中にＴｉの微細酸化物を生成し溶接金属の靭性を向上させる。Ｔｉが０．０２％未満であると、靭性が安定して得られない。一方、Ｔｉが０．１５％を超えると、固溶Ｔｉが多くなって靭性が低下する。したがって、Ｔｉは０．０２〜０．１５％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の微細酸化物を生成し溶接金属の靭性を向上させる。Ｔｉが０．０２％未満であると、靭性が安定して得られない。一方、Ｔｉが０．１５％を超えると、固溶Ｔｉが多くなって靭性が低下する。したがって、Ｔｉは０．０２〜０．１５％とする。
なお、Ａｌは、溶接金属中に非金属介在物を形成して靭性を低下させるので０．０１０％以下に制限する。ＰおよびＳは、不純物として含有され溶接金属の靭性を低下させるため少ない方が好ましく、その含有量をそれぞれ０．０２０質量％以下に制限するのが好ましい。
Ｎは、不可避的不純物である。溶接金属の靭性を安定して向上させるには、溶接金属中の固溶Ｎを低下させることが必須となる。Ｎが０．００７０％を超えると、溶接金属の靭性が低下するので、０．００７０％以下に制限する。Ｏは、溶接金属中にＳｉまたはＭｎ等との非金属介在物などを形成して靭性を低下させるので０．０１０％以下に制限する。
［ＶおよびＮｂの１種または２種：０．００５〜０．０５％］
ＶおよびＮｂは、共に溶接金属に含有させると溶接金属の組織を微細化して靭性を安定させるに有効な成分であり、必要に応じて添加することができる。ＶおよびＮｂの１種または２種の合計が０．００５未満であると、靭性を安定にする効果は得られない。一方、ＶおよびＮｂの１種または２種の合計が０．０５％を超えると、溶接金属の強度が過大となるとともに靭性を安定させる効果が低下する。したがって、ＶおよびＮｂの１種または２種を靭性の安定化のために添加する場合は、０．００５〜０．０５％とする。
また、上記に述べた有効成分の残部はＦｅおよび不可避不純物である。
ＶおよびＮｂは、共に溶接金属に含有させると溶接金属の組織を微細化して靭性を安定させるに有効な成分であり、必要に応じて添加することができる。ＶおよびＮｂの１種または２種の合計が０．００５未満であると、靭性を安定にする効果は得られない。一方、ＶおよびＮｂの１種または２種の合計が０．０５％を超えると、溶接金属の強度が過大となるとともに靭性を安定させる効果が低下する。したがって、ＶおよびＮｂの１種または２種を靭性の安定化のために添加する場合は、０．００５〜０．０５％とする。
また、上記に述べた有効成分の残部はＦｅおよび不可避不純物である。
なお、エレクトロスラグ溶接で本発明のワイヤと組み合わせるフラックスの成分は、ＳｉＯ２：２５〜３５％、ＣａＯ：６〜１７％、ＭｇＯ：１０〜２０％、ＭｎＯ：６〜１８％、Ａｌ２Ｏ３：５〜１８％、ＣａＦ２：１０〜２０％、ＴｉＯ２：１〜６％で、残部は不可避不純物からなる溶融型フラックスで、粒度構成は８５０μｍ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具体的に説明する。
表１に示す各種化学成分のワイヤ径１．６ｍｍのワイヤを試作し、表２に示す成分の板厚２５ｍｍの７８０ＭＰａ級鋼板（新日鐵住金（株）規格 ＷＥＬ−ＴＥＮ７８０Ｃ相当鋼板）を、ＪＩＳ Ｚ ３３５３に準じてＩ型の開先形状とし、水冷銅当て金を使用して、非消耗電極式エレクトロスラグ溶接装置を用いて表３に示す溶接条件で溶接した。なお、非消耗電極式エレクトロスラグ溶接において、表１に示すワイヤと組み合わせたフラックス成分を表４に示す。
溶接金属の機械的性能の調査は、溶接試験体の板厚１／２ｔを中心に引張試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２２４１ １０号）および衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４２ Ｖノッチ試験片）を採取して機械試験を実施した。
引張強さの評価は、７８０ＭＰａ級高張力鋼の引張強さに相当する７８０〜９２０ＭＰａを良好とした。また、靭性の評価は、−５℃におけるシャルピー衝撃試験を各５本実施し、吸収エネルギーが平均値７０Ｊ以上、最低値５０Ｊ以上を良好とした。そして、総合評価として、引張強さ及び吸収エネルギーの値が良好な場合を○、良好でない場合を×とした。これらの調査結果を表５にまとめて示す。
表１および表５中ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８が本発明例、ワイヤ記号Ｗ９〜Ｗ２３は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８は、ワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＴｉ量が適正であるので、溶接金属の引張強さ、吸収エネルギーの平均値および最低値ともに良好であり、極めて満足な結果であった。
なお、ワイヤ記号Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５およびＷ６は、ＶおよびＮｂの１種又は２種の合計が適量であるので、吸収エネルギーのばらつきが非常に少ない結果であった。
比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、Ｃが少ないので、溶接金属の引張強さが低かった。また、Ｔｉが多いので、吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｃが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｓｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｓｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｍｎが低いので、溶接金属の引張強さが低く、吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｍｎが高いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｃｕが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの最低値が低値であった。なお、Ｖの添加量が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーを安定にする効果は得られなかった。
ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｃｕが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１７は、Ｎｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｎｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｃｒが少なく、Ｎが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ２０は、Ｃｒが多いので、溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ２１は、Ｍｏが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。
ワイヤ記号Ｗ２２は、Ｍｏが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの最低値が低値であった。また、ＶとＮｂの合計の添加量が多いので、溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーを安定にする効果は得られなかった。
ワイヤ記号Ｗ２３は、Ｔｉが少なく、Nが多いので、溶接金属の吸収エネルギーの最低値が低値であった。
以上のように、本発明の高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤによれば、７８０ＭＰａ級の強度を確保し、優れた靭性を有する溶接金属が得られることが確認できた。
Claims (2)
- ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、
Ｍｎ：１．５０〜１．９５％、
Ｃｕ：０．１５〜０．４５％、
Ｎｉ：２．５〜３．５％、
Ｃｒ：０．３５〜０．６５％、
Ｍｏ：０．１５〜０．７０％、
Ｔｉ：０．０２〜０．１５％を含有し、
Ａｌ：０．０１０％以下、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０２０％以下、
Ｎ：０．００７０％以下、
Ｏ：０．０１０％以下に制限し、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴する高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。 - ワイヤ全質量に対する質量％で、さらに、ＶおよびＮｂの１種または２種：０．００５〜０．０５％を含有することを特徴とする請求項１に記載の高張力鋼のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
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