JP6061809B2 - 付加溶接用フラックス入りワイヤ及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、主溶接の溶接金属止端部への付加溶接に用いられる付加溶接用フラックス入りワイヤ及び溶接方法に関する。より詳しくは、鋼製外皮内にフラックスが充填された構成の付加溶接用フラックス入りワイヤ及びこのワイヤを使用して付加溶接を行う溶接方法に関する。

鋼構造物では、溶接継手の疲労強度向上や残留応力低減などを目的として、主溶接の溶接止端部に付加ビードを形成することがある（特許文献１〜３参照）。このような付加ビードを形成するための溶接（付加溶接）に用いられる溶接材料には、一般に、主溶接と同様の組成を有する材料が用いられている。そして、例えば、特許文献１には、付加溶接により、Ｎｉ含有量が４〜１２質量％、Ｃｒ含有量が７〜１５質量％の溶接金属を形成することが開示されている。

また、特許文献２に記載の溶接方法では、付加溶接により形成される溶接金属について、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ及びＮｂの含有量を特定すると共に、Ｎｉ及びＣｒを増量することにより、マルテンサイト変態開始温度を１２０〜４００℃にしている。更に、特許文献３には、付加溶接用として、Ｃ：０．２０質量％以下、Ｃｒ：５．０〜１８．０質量％、Ｎｉ：３．０〜１５．０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有する溶接材料が提案されている。

特開２００３−２７５８９０号公報 特開２００３−２５１４８９号公報 特開２００４−４２１３３号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載されているような従来の付加溶接用溶接材料又はそれにより形成される溶接金属は、疲労強度向上や残留応力低減の効果は得られるが、ＣｒやＮｉの含有量が多いため、溶接金属が過度に硬化して、耐割れ性や靭性が劣化するという問題がある。また、ＣｒやＮｉは高価であるため、これらを多量に添加すると、製造コストが増大するという問題もある。このような理由から、Ｃｒ及びＮｉの添加量を抑制した付加溶接用溶接材料が求められている。

そこで、本発明は、付加溶接において、溶接金属の耐割れ性を良好に維持しつつ、溶接部の疲労強度を向上することが可能なフラックス入りワイヤ及び溶接方法を提供することを主目的とする。

本発明者は、前述した課題を解決するために鋭意実験検討を行った結果、Ｍｎ含有量を高めた溶接材料は、Ｃｒ及びＮｉの添加量を少なくし、付加溶接において、溶接金属の耐割れ性や靭性を担保しつつ、溶接部の疲労強度向上を達成できることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明に係る付加溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮内にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｍｎ：３〜１０質量％、Ａｌ：０．５質量％以下含有すると共に、Ｃ：０．１質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｒ及び／又はＮｉ：合計で３．８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主溶接の溶接金属止端部への付加溶接に用いられるものである。
本発明のフラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Ｎｉ：０．５〜３．８質量％であり、かつ、Ｍｎ：３〜７質量％であってもよい。
また、ワイヤ全質量あたりのＭｎ量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｎｉ量（質量％）を［Ｎｉ］としたとき、下記数式１を満たす組成にすることもできる。
一方、Ｃｒ含有量は、ワイヤ全質量あたり、１．０質量％以下としてもよい。

本発明に係る溶接方法は、前述した付加溶接用フラックス入りワイヤを使用し、Ｍｎ：０．５〜２．０質量％、Ｎｉ：３．５質量％以下（０は含まない）を少なくとも含有する鋼からなる主溶接の溶接金属止端部に、付加溶接を行う。
本発明の溶接方法における付加溶接は、例えば、ＣＯ_２を１０体積％以上含有するシールドガスを用いたガスシールドアーク溶接により行うことができる。

本発明によれば、Ｍｎを特定量含有しているため、ＮｉやＣｒを多量に添加しなくても、付加溶接において、溶接金属の耐割れ性を良好に維持しつつ、溶接部の疲労強度を向上することができる。

実施例で用いた両側すみ肉溶接継手を示す斜視図である。 疲労試験の方法を示す側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（フラックス入りワイヤ）
本実施形態のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填したものであり、ワイヤ全質量あたり、Ｓｉを０．２〜１．０質量％、Ｍｎを３．０〜１０．０質量％を含有すると共に、Ｃを０．１質量％以下、Ｐを０．０３質量％以下、Ｓを０．０３質量％以下、Ｃｒ及び／又はＮｉを合計で３．８質量％以下に規制している。また、本実施形態のフラックス入りワイヤには、前述した各成分に加えて、Ａｌを特定量添加することもできる。

なお、本実施形態のフラックス入りワイヤの外径は、特に限定されるものではないが、例えば０．９〜１．６ｍｍである。また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各成分が前述した範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、ワイヤの伸線性及び溶接時の作業性（送給性など）の観点から、ワイヤ全質量の８〜２５質量％とすることが好ましい。

次に、本実施形態のフラックス入りワイヤに含有される各成分の数値限定理由について説明する。

［Ｓｉ：０．２〜１．０質量％］
Ｓｉは、溶接金属の強度を高めると共に、ビードの止端形状を滑らかにして応力集中を低減する効果がある。ただし、Ｓｉ含有量が０．２質量％未満の場合、これらの効果が不十分となる。一方、Ｓｉ含有量が１．０質量％を超えると、粒界偏析が生じて高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｓｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり、０．２〜１．０質量％とする。

なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＳｉ源の具体例としては、鋼製外皮に含有されるＳｉ、フラックスに含有されるＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ、ＲＥＭ−Ｃａ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、ＳｉＯ_２、ＺｒＳｉＯ_３、Ｋ_２ＳｉＦ_６及びＭｇＳｉＯ_３などが挙げられる。

［Ｍｎ：３〜１０質量％］
Ｍｎは、焼き入れ性を高め、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を低下させ、溶接金属止端部に圧縮残留応力を付与する効果がある。また、Ｍｎは、適量の添加により、溶接金属の耐高温割れ性に影響を及ぼすＳをＭｎＳとして固定し、高温割れを抑制する効果もある。ただし、Ｍｎ含有量が３質量％未満の場合、これらの効果が不十分となり、また、Ｍｎ含有量が１０質量％を超えると、溶接金属が過度に硬化し、高温割れが発生しやすくなると共に靭性も低下する。よって、Ｍｎ含有量は、ワイヤ全質量あたり、３〜１０質量％とする。

なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＭｎ源の具体例としては、鋼製外皮に含有されるＭｎ、フラックスに含有されるＦｅ−Ｍｎ、Ｓｉ−Ｍｎ、ＭｎＯ_２などが挙げられる。

［Ｃ：０．１質量％以下］
Ｃは、溶接金属の強度を向上させると共に、焼き入れ性を高めて溶接金属のＭｓ点を低下させる効果があるが、高温割れを誘起しやすい元素でもある。具体的には、Ｃ含有量が０．１質量％を超えると、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｃ含有量は、ワイヤ全質量あたり、０．１質量%以下に規制する。

［Ｐ：０．０３質量％以下］
Ｐも、高温割れを誘起しやすい元素であり、Ｐ含有量が０．０３質量％を超えると、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｐ含有量は、ワイヤ全質量あたり、０．０３質量%以下に規制する。

［Ｓ：０．０３質量％以下］
Ｓも、前述したＰと同様に高温割れを誘起しやすい元素であり、Ｓ含有量が０．０３質量％を超えると、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。よって、Ｓ含有量も、ワイヤ全質量あたり、０．０３質量%以下に規制する。

［Ｃｒ及びＮｉ：合計で３．８質量％以下］
Ｃｒは、溶接金属のＭｓ点を低下させ、溶接部の疲労強度を向上させる効果があるが、Ｃｒを含む鉄合金はより硬い溶接金属を形成するため、Ｃｒを多量に添加すると、溶接金属が過度に硬化して耐割れ性や靭性の低下を招く。同様に、Ｎｉも、溶接金属のＭｓ点を低下させる効果があり、適量添加することにより、溶接部の疲労強度を更に向上させることができるが、多量に添加すると、溶接金属の耐割れ性及び靭性が低下する。

具体的には、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が、ワイヤ全質量あたり、３．８質量％を超えると、溶接金属の耐割れ性及び靭性が低下し、目的とする特性が得られなくなる。そこで、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、Ｃｒ及び／又はＮｉを添加する場合は、その総含有量が３．８質量％以下になるようにする。ここで、Ｃｒ及びＮｉは、前述した範囲であれば、その両方を含有していてもよいが、いずれか一方のみを含有していても、両方とも含有していなくてもよい。

更に、Ｃｒを添加すると、Ｎｉを添加した場合に比べて、溶接金属の耐割れ性や靭性が低下しやすくなるため、Ｃｒ含有量は、ワイヤ全質量あたり、１．０質量％以下に抑えることが好ましい。

一方、Ｎｉを積極添加する場合は、Ｎｉ含有量を０．５〜３．８質量％とし、かつ、Ｍｎ含有量を３〜７質量％とすることが好ましい。これにより、靭性及び耐高温割れ性の両方に優れた溶接金属が得られる。

また、Ｎｉを積極添加する場合は、Ｍｎ含有量とＮｉ含有量との関係が下記数式２を満たすことが好ましい。なお、下記数式２における［Ｍｎ］はワイヤ全質量あたりのＭｎ量（質量％）であり、［Ｎｉ］はワイヤ全質量あたりのＮｉ量（質量％）である。下記数式２に示すように、Ｍｎ含有量とＮｉ含有量の１／２量との和を、３を超え６未満の範囲内にすることにより、溶接金属の靭性を十分に確保しつつ、高電流かつ高速溶接においても耐高温割れ性に優れた溶接金属を得ることができる。

［Ａｌ：０．１〜０．５質量％］
Ａｌは、ビード表面に生成するスラグを均一化する効果があるが、溶接金属のＭｓ点をわずかではあるが上昇させるため、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、必要に応じて添加する。その際、Ａｌ含有量が０．１質量％未満であると、前述した添加効果が得られず、また、Ａｌ含有量が０．５質量％を超えると、溶接金属の靭性が劣化すると共に、Ｍｓ点上昇による溶接部の疲労強度低下を招く。よって、Ａｌを添加する場合は、ワイヤ全質量あたり、０．１〜０．５質量％とする。これにより、溶接ビードの表面全面に亘り均一なスラグを形成することができる。

［残部］
本実施形態のフラックス入りワイヤの成分組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。本実施形態のフラックス入りワイヤにおける不可避的不純物としては、Ｎｂ及びＶなどが挙げられる。また、前述した各元素が酸化物や窒化物として添加された場合は、本実施形態のフラックス入りワイヤの残部には、ＯやＮも含まれる。更に、本実施形態のフラックス入りワイヤには、前述した各成分の他に、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ，Ｎａ及びＦなどが添加されていてもよい。

（溶接方法）
本実施形態のフラックス入りワイヤは、主溶接の溶接金属止端部への付加溶接に用いられる。その際、主溶接部の溶接金属組成は、特に限定されるものではないが、本実施形態のフラックス入りワイヤは、主溶接部の溶接金属が、Ｍｎ：０．５〜２．０質量％、Ｎｉ：３．５質量％以下（０は含まない）を少なくとも含有する鋼である場合に、特に好適である。Ｍｎ含有量及びＮｉ含有量がこの範囲にあれば、母材希釈による効果の低減を抑制し、耐割れ性及び疲労強度に優れた溶接継手を形成することができる。

なお、主溶接部の溶接金属のＭｎ含有量が０．５質量％未満又はＮｉ含有量が０質量％の場合、疲労強度が不足することがある。また、主溶接部の溶接金属のＭｎ含有量が２．０質量％を超えると、耐割れ性が低下することがある。また、主溶接部の溶接金属が３．５質量％を超えてＮｉを含有していると、溶接金属の耐割れ性が低下することがあり、更に、製造コストも増大する。

また、付加溶接の条件も特に限定されるものではないが、通常、ガスシールドアーク溶接が用いられる。その際、シールドガスは、ＣＯ_２を１０体積％以上含有することが好ましく、１００％ＣＯ_２ガスを用いることがより好ましい。ＣＯ_２を含有するシールドガスを用いることにより、融合不良の発生を抑制することができる。

以上詳述したように、本実施形態のフラックス入りワイヤは、従来よりもＭｎ添加量を増やしているため、ＮｉやＣｒの含有量を低減しても、付加溶接において、溶接金属の耐割れ性を良好に維持しつつ、溶接部の疲労強度を向上することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。図１は評価に用いた両側すみ肉溶接継手を示す斜視図である。本実施例においては、下記表１に示す組成の鋼からなる外皮にフラックスを充填し、実施例及び比較例のフラックス入りワイヤを作製した。このとき、ワイヤの直径は１．２ｍｍ、フラックスの充填率は、ワイヤ全質量あたり、１２〜１８質量％の範囲になるようにした。

次に、下記表２に示す組成の母材１，２に対して、溶接電流を２８０Ａ、溶接速度を４５ｃｍ／分とし、下脚脚長が６ｍｍとなるように主溶接を行った。その後、主溶接の溶接金属３の溶接止端部に、実施例及び比較例の各フラックス入りワイヤを使用して、シールドガスにＣＯ_２（１００％）を使用し、溶接電流を２８０Ａ、溶接速度を４５ｃｍ／分とし、下脚脚長が１２ｍｍとなるように付加溶接を行って、図１に示す両側すみ肉溶接継手を作製した。

＜スラグ張り＞
作製された各継手について、付加溶接の溶接金属４表面のスラグの状態を、目視により観察した。その結果、付加溶接の溶接金属４表面の色が均一であったものを◎、まだらであったものを○とした。

＜疲労試験＞
図２は疲労試験の方法を示す側面図である。疲労強度は、図１に示す両側すみ肉溶接継手から、図２に示す試験片１０を切り出し、部分片振り３点曲げ疲労試験を行って評価した。その際、株式会社テークスグループ製 ２００ｋＮ疲労試験機（ＰＡ２４９０１）を使用し、試験条件は、環境温度：室温、支点１１間の距離：１５０ｍｍ、正弦波で荷重制御を行い、周波数：１５Ｈｚ、応力比：０．１（部分片振り）とした。なお、図２に示す矢印ｘは、荷重印加方向を示す。

そして、繰り返し回数を５０万回とし、その時間強度を疲労強度として測定した。その結果、疲労強度が３００ＭＰａ以上のものを◎（優）、２５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ未満のものを○（良）、２５０ＭＰａ未満のものを×（不可）とした。

＜耐割れ性＞
溶接金属の耐割れ性は、ＪＩＳ Ｚ３１５５に基づいて、Ｃ型拘束割れ試験を行い、その結果により評価した。その際、溶接電流を２８０Ａ、溶接速度を４０，５０，７０ｃｍ／分とした。そして、溶接後に、Ｘ線透過試験を行い、４０ｃｍ／分においても割れが生じていたものを×（不可）、４０ｃｍ／分にのみ割れがなかったものを△（可）、５０ｃｍ／分以下の速度で割れが生じていなかったものを○（良）、７０ｃｍ／分においても割れが生じていなかったものを◎（優）として、評価した。

＜靭性＞
全溶着金属の靭性は、ＪＩＳ Ｚ３１１１に基づいて、０℃における全溶着金属の衝撃性能試験を行い、その結果により評価した。そして、０℃における衝撃性能が６０Ｊ以上のものを◎（優）、４７Ｊ以上６０Ｊ未満を○（良）とした。また、通常、溶接継手部の機械性能は、主溶接部により担保されるため、付加溶接部には主溶接部ほどの性能は要求されない。そこで、本実施例では、０℃における衝撃性能が４７Ｊ未満であっても、１０Ｊ以上であれば実用上適用可能であるため、１０Ｊ以上４７Ｊ未満のものを△（可）とした。一方、０℃における衝撃性能が１０Ｊ未満のものについては、溶接金属が過度に硬化し、プレス矯正時に割れが発生する可能性があるため×（不可）とした。

以上の結果を、下記表３及び表４にまとめて示す。なお、下記表３及び表４に示す付加溶接のワイヤ組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、Ｃｒ及びＮｉは、鋼製外皮中に不可避的な不純物として存在することが多い。例えば、表４に示す比較例３９ではＣｒを０．０７質量％、実施例２１，２２ではＮｉを０．０３質量％含有しているが、これらは不純物として添加されたものであり、積極的に添加したものではない。このように、表３及び表４に示される付加溶接用ワイヤのＣｒ含有量及びＮｉ含有量には、不可避的不純物として添加されたものも含む。

上記表４に示すように、Ｃｒ及びＮｉの総含有量が本発明の範囲を超えている比較例のＮｏ．３０，３１は、溶接金属の耐割れ性が劣っていた。Ｓｉ含有量が本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．３２、及びＭｎ含有量が本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．３４は、いずれも溶接部の疲労強度が劣っていた。一方、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えている比較例のＮｏ．３３、及びＭｎ含有量が本発明の範囲を超えている比較例のＮｏ．３５は、いずれも溶接金属の耐割れ性が劣っていた。

Ｓｉ含有量及びＭｎ含有量の両方が、本発明の範囲に満たない比較例のＮｏ．３６は、溶接部の疲労強度が劣っていた。また、Ｓｉ含有量及びＭｎ含有量の両方が、本発明の範囲を超えている比較例のＮｏ．３７、及びＳｉ含有量が本発明の範囲未満でＭｎ含有量が本発明の範囲を超えている比較例のＮｏ．３８は、いずれも溶接金属の耐割れ性が劣っており、靭性も低めであった。一方、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えかつＭｎ含有量が本発明の範囲未満の比較例のＮｏ．３９は、溶接金属の耐割れ性が劣っていた。

付加溶接を行わなかった比較例のＮｏ４０，４１は、溶接部の疲労強度が劣っていた。なお、比較例のＮｏ４０，４１は、付加溶接を行っていないため、その他の評価は実施しなかった。また、Ｃｒ及びＮｉが多量に添加された従来のフラックス入りワイヤを用いて付加溶接を行った比較例のＮｏ．４２〜４５では、溶接金属の靭性及び耐割れ性が劣っていた。

これに対して、本発明の範囲内で作製したフラックス入りワイヤを用いた実施例Ｎｏ．１〜２９は、スラグ張り、溶接部の疲労強度、溶接金属の靭性及び耐割れ性の全ての評価で、良好な結果が得られた。特に、Ａｌを０．１〜０．５質量％の範囲で含有しているフラックス入りワイヤを使用した実施例２５〜２７は、全ての項目で優れた結果が得られた。

以上の結果から、本発明によれば、付加溶接において、溶接金属の耐割れ性を良好に維持しつつ、溶接部の疲労強度を向上させることが可能であることが確認された。

１、２ 母材
３ 主溶接による溶接金属
４ 付加溶接による溶接金属
１０ 試料片
１１ 支点
ｘ 荷重印加方向

Claims (6)

1. 鋼製外皮内にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、
   ワイヤ全質量あたり、
   Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、
   Ｍｎ：３〜１０質量％、
   Ａｌ：０．５質量％以下、
   含有すると共に、
   Ｃ：０．１質量％以下、
   Ｐ：０．０３質量％以下、
   Ｓ：０．０３質量％以下、
   Ｃｒ及び／又はＮｉ：合計で３．８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主溶接の溶接金属止端部への付加溶接に用いられる付加溶接用フラックス入りワイヤ。
2. ワイヤ全質量あたり、
   Ｎｉ：０．５〜３．８質量％、
   Ｍｎ：３〜７質量％
   である請求項１に記載の付加溶接用フラックス入りワイヤ。
3. ワイヤ全質量あたりのＭｎ量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｎｉ量（質量％）を［Ｎｉ］としたとき、下記数式（１）を満たす請求項１又は２に記載の付加溶接用フラックス入りワイヤ。
   ３＜［Ｍｎ］＋０．５×［Ｎｉ］＜６ ・・・（１）
4. Ｃｒ含有量が、ワイヤ全質量あたり、１．０質量％以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の付加溶接用フラックス入りワイヤ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の付加溶接用フラックス入りワイヤを使用し、
   Ｍｎ：０．５〜２．０質量％、Ｎｉ：３．５質量％以下（０は含まない）を少なくとも含有する鋼からなる主溶接の溶接金属止端部に、付加溶接を行う溶接方法。
6. 前記付加溶接は、ＣＯ_２を１０体積％以上含有するシールドガスを用いたガスシールドアーク溶接である請求項５に記載の溶接方法。