JP6787171B2

JP6787171B2 - 耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP6787171B2
Application number: JP2017029291A
Authority: JP
Inventors: 裕治橋場; 諒土久岡; 雅哉齋藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: JP2018134648A

Description

本発明は、耐食鋼の溶接に適したガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。

大気腐食環境中に長時間暴露されている耐候性鋼材は、一般的には、保護性のあるさび層が表面に形成される。このさび層が外界からの腐食性物質を遮蔽することで、それ以降の鋼材腐食が抑制されて耐候性を発揮する。そのため、耐候性鋼材は塗装せずに裸のまま使用可能な鋼材として、橋梁等の構造物に用いられている。
しかしながら、海浜地域に加えて、内陸部でも融雪剤が散布される地域のように飛来塩分量が多い環境下では、耐候性鋼材の表面に保護性のあるさび層が形成されにくく、腐食を抑制する効果が発揮されにくい。そのため、これらの地域では、裸のまま耐候性鋼材を用いることができず、塗装して用いる必要がある。

さらに、前述の飛来塩分量が多い環境下では、塗膜劣化によって塗膜傷が生じ、塗膜傷部直下の鋼材が直接的に腐食環境にさらされるため、傷部を中心としてコブ状に塗膜が膨れ上がる腐食形態を示す。このような腐食形態の進行によってさらに塗膜傷部が累進的に拡大することで構造物の腐食が進展し続けるため、構造物の寿命延長を目的として約１０年ごとに再塗装を実施することが多い。
しかし、再塗装は多大な工数がかかることから、塗装寿命を延長し、補修塗装間隔を大きく延ばすことで維持管理費用の低減を可能とする新しい耐食鋼が開発されており、この耐食鋼に対応した溶接材料として、溶接の高能率化の観点から、溶着効率の高いソリッドワイヤの開発が要望されている。

従来、耐食性及び耐候性に優れたソリッドワイヤに関しては、例えば、次のようなワイヤが開示されている。
特許文献１には、ワイヤ中にＣｒを添加せずにＢまたはＡｌの１種又は２種、Ｃｕ及びＮｉを適当量含有させることで、良好な溶接作業性を維持しつつ、優れた溶接金属の耐候性が得られるソリッドワイヤが開示されている。
特許文献２には、ワイヤ中のＣ、Ｓｉ及びＡｌを規定することで溶接作業性を改善するとともに、Ｎｉ、Ｃｒ及びＣｕを適量含有してＰを限定することで優れた溶接金属の耐候性が得られるソリッドワイヤが開示されている。

特許文献３には、ワイヤ中にＳ及びＢｉを適量添加することで、溶接作業性、特にスラグ剥離性を改善するとともに、Ｃｒを低く抑えつつＮｉ及びＣｕを適量含有することで、優れた溶接金属の耐候性が得られるソリッドワイヤが開示されている。
さらに、特許文献４には、ワイヤ中にＣｒを添加しないでＴｉ及びＮｉを適量添加し、Ｃｕ、Ｎｉ及びＴｉを規定することで、優れた溶接金属の耐候性が得られるソリッドワイヤが開示されている。

しかし、特許文献１〜４に記載の技術は、通常用途向けソリッドワイヤ由来の溶接金属に比べると優れた耐候性及び耐食性を示すものであるが、上述した飛来塩分量が多い環境下で塗装して用いられる新しい耐食鋼の溶接材料として用いた場合、溶接金属の耐食性は十分ではない。溶接継手の最終層である余盛部は、鋼板表面と比べて凸状で複雑な形状であるため、塗膜が薄手になる傾向がある。また、余盛部の塗膜は、使用環境において、例えば、積載物との接触や衝突が多いことから塗装の剥離が誘発されやすい。上記の理由から、飛来塩分量が多い環境下では、特に余盛部である溶接金属が、鋼構造物の大規模な腐食の進行の起点となりやすいという問題があった。

特開平５−２００５８２号公報特開２００７−２９６５４１号公報特開２００３―３１１４７１号公報特開２０００―１４１０８１号公報

本発明は、海浜地域など飛来塩分量が多い環境下でも耐食性及び耐塗装剥離性に優れた特性を示す耐食鋼の溶接において、溶接作業性に優れ、かつ、耐食性及び耐塗装剥離性に優れるとともに、十分な機械的性質を示す溶接金属を得ることができる耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の要旨は、以下の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。
（１）ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：１．３〜２．５％、Ｓｎ：０．０５〜０．４０％、Ｃｕ：０．０５〜０．６０％、Ｔｉ：０．１〜０．４％を含有し、Ａｌ：０．０３％以下で、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
（２）ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．６％以下をさらに含有することを特徴とする耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
（３）ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｂ：０．０１５０％以下をさらに含有することを特徴とする耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。

本発明のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを、海浜地域など飛来塩分量が多い環境下でも耐食性及び耐塗装剥離性に優れた特性を示す耐食鋼の溶接に用いることにより、耐食性及び耐塗装剥離性に優れ、十分な機械的性質を示す溶接金属を、優れた溶接作業性の下で得ることができる。

溶接部の耐食性評価のための腐食試験片の採取位置を示した図である。溶接部の塗装腐食性評価のための腐食試験片の形状及びクロスカットの概略を示した図である。腐食試験方法（ＳＡＥＪ２３３４試験、１サイクルあたりの実施条件）の概略を示した図である。

本発明者らは、上記目的を達成できる耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを得るために、海浜地域などの飛来塩分量の多い環境下でも耐食性及び耐塗装剥離性に優れたＴＳ４９０〜５９０ＭＰａ級の耐食鋼の溶接を、ソリッドワイヤの化学組成を様々に変化させて実施することで、溶接作業性及び得られた溶接金属の機械的性質や、耐食性と耐塗装剥離性を調査した。
その結果、ワイヤ中にスズ（Ｓｎ）及び銅（Ｃｕ）を適量含有させることによって飛来塩分の多い環境下における溶接金属の耐食性を向上できることを見出した。

Ｓｎが溶接金属の耐食性を向上させる理由は、溶接金属中の金属Ｓｎがスズイオン（II）（Ｓｎ^２＋）として溶出し、暴露されている部位、すなわち、酸性塩化物溶液中でインヒビター作用を示し、ｐＨが低下したアノードでの腐食を抑制するためであること、さらに、腐食促進作用をもつ鉄（III）イオン（Ｆｅ^３＋）の濃度を低減させて、飛来塩分の多い環境における耐食性を向上させる作用があることを見出した。

Ｃｕが溶接金属の耐食性を向上させる理由は、Ｃｕが溶接金属そのものの溶解反応（腐食反応）の反応速度を低減すること、及び、Ｃｕを含有する溶接金属では、表面（余盛部）に生成する腐食生成物（さび）が特徴的な微細かつ緻密な構造を呈することにより、水、酸素、塩化物イオン等の透過を抑制する防食性の高いさび層を形成するためであることを見出した。さらに、ＣｕはＳｎと共存することにより、Ｓｎの耐食性の効果を増強させる作用があることを見出した。

また、溶接金属の機械的性質は、ワイヤ中にＣ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｔｉを適量含有することによって良好になることを見出した。
さらに、ワイヤ中にＭｏ及びＢを適量添加することにより、溶接金属の機械的性質をさらに向上できることを見出した。

溶接作業性については、ワイヤ中にＳｉ及びＴｉを適量添加することで、アークを安定させてスパッタ発生量を低減できるとともに、融合不良等の溶接欠陥を防止できることを見出した。さらに、ワイヤ中のＴｉ、Ａｌ量を規定することで、スラグ剥離性も改善できることを見出した。

以下に本発明の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの化学組成の限定理由について説明する。なお、化学組成の含有量についての％は、ソリッドワイヤ全質量に対する質量％を示す。

［Ｃ：０．０３〜０．１５％］
Ｃは、溶接金属の焼入れ性を高め、強度及び靭性を確保する上で重要な元素である。Ｃが０．０３％未満であると、溶接金属の強度及び靭性が低下する。一方、Ｃが０．１５％を超えると、溶接金属中にＣが過剰に歩留まり、溶接金属の強度が高くなって靭性が低下する。また、溶接金属の割れ感受性が高くなり、高温割れが発生しやすくなる。したがって、Ｃは０．０３〜０．１５％とする。好ましくは、０．０４〜０．１０％である。

［Ｓｉ：０．４〜１．５％］
Ｓｉは、主要な脱酸元素であり、溶接金属中の酸素量を低下させて溶接金属の靭性を向上させるとともに、溶接時のアークの安定性を改善するのに重要な元素である。Ｓｉが０．４％未満では、それらの効果が得られず、溶接金属の靭性が低下する。また、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなるとともに、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、Ｓｉが１．５％を超えると、溶接金属中にＳｉが過剰に歩留まり、靭性が低下する。したがって、Ｓｉは０．４〜１．５％とする。好ましくは、０．４〜１．２％である。

［Ｍｎ：１．３〜２．５％］
Ｍｎは、Ｓｉと同様に主要な脱酸元素であり、溶接金属の靭性を向上させるとともに、強度の向上にも有効な元素である。Ｍｎが１．３％未満では、それらの効果が得られず、溶接金属の強度及び靱性が低下する。一方、Ｍｎが２．５％を超えると、溶接金属中にＭｎが過剰に歩留まり、溶接金属の強度が高くなって靭性が低下する。したがって、Ｍｎは１．３〜２．５％とする。好ましくは、１．３〜２．３％である。

［Ｓｎ：０．０５〜０．４０％］
Ｓｎは、溶接金属の耐食性及び耐塗装剥離性を向上させる重要な元素である。Ｓｎが０．０５％未満では、耐食性及び耐塗装剥離性向上の効果は得られない。一方、Ｓｎが０．４０％を超えると、溶接金属の割れ感受性が高くなり、高温割れが発生しやすくなる。また、溶接金属の粒界にＳｎが偏析して靭性が低下する。したがって、Ｓｎは０．０５〜０．４０％とする。好ましくは、０．０５〜０．３０％である。

［Ｃｕ：０．０５〜０．６０％］
Ｃｕは、Ｓｎと同様に溶接金属の耐食性及び耐塗装剥離性を向上させる元素である。Ｃｕが０．０５％未満では、耐食性及び耐塗装剥離性向上の効果は得られない。一方、Ｃｕが０．６０％を超えると、溶接金属中にＣｕが過剰に歩留まり、溶接金属の靭性が低下する。また、溶接金属の割れ感受性が高くなり、高温割れが発生しやすくなる。したがって、Ｃｕは０．０５〜０．６０％とする。好ましくは、０．０５〜０．５０％である。なお、ワイヤ送給性の改善の観点から、ワイヤ表面にＣｕめっきを施してもよく、ワイヤ全質量に対するＣｕ量には、このめっき由来のＣｕ量も含まれることになる。

［Ｔｉ：０．１〜０．４％］
Ｔｉは、脱酸元素であり、溶接金属の靭性を向上させるとともに、溶接時のアークの安定性及びスラグ剥離性を改善する効果がある。Ｔｉが０．１％未満では、溶接金属の靭性が低下する。また、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなるとともに、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。さらに、スラグ剥離性も不良になる。一方、Ｔｉが０．４％を超えると、溶接金属中にＴｉが過剰に歩留まり、溶接金属の靭性が低下する。また、スラグ生成量が多くなって、スラグ剥離性が不良になる。したがって、Ｔｉは０．１〜０．４％とする。好ましくは、０．１〜０．３％である。

［Ａｌ：０．０３％以下］
Ａｌは、スラグの軟化温度を低下させてスラグと溶接金属表面の密着性を高くし、スラグ剥離性を低下させるため、Ａｌは０．０３％以下とする。

［Ｍｏ：０．６％以下］
Ｍｏは、溶接金属の焼入れ性を高めて溶接金属の強度を向上させる効果があり、必要に応じて含有される。しかし、Ｍｏが０．６％を超えると、溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が高くなって靭性が低下する。したがって、Ｍｏを含有させる場合は０．６％以下とする。なお、溶接金属の強度を向上する効果を得るためには、Ｍｏを０．１％以上とすることが好ましい。

［Ｂ：０．０１５０％以下］
Ｂは、Ｔｉとの相乗効果により溶接金属の組織を微細化して溶接金属の靭性の向上に効果があり、必要に応じて含有される。しかし、Ｂが０．０１５０％を超えると、溶接金属の強度が高くなって靭性が低下するとともに、溶接金属の割れ感受性が高くなって高温割れが発生しやすくなる。また、スラグの軟化温度を低下させてスラグと溶接金属表面との密着性を高めるため、スラグ剥離性が不良になる。したがって、Ｂを含有させる場合は０．０１５０％以下とする。なお、溶接金属の靭性を向上する効果を得るためには、Ｂを０．００２０％以上とすることが好ましい。

以上の各化学組成のその他は、Ｆｅ及び不純物である。このようなソリッドワイヤは、通常の方法で製造できる。すなわち、所望の化学組成に調整した溶鋼を凝固させ、圧延により原線をつくり、縮径、焼鈍をして素線をつくる。さらに、素線を伸線していくことで、所望の直径のワイヤとする。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
表１に示す各種化学組成のソリッドワイヤを試作した。なお、ワイヤ径は１．２ｍｍとした。
表１に示す試作ワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を行い、溶接作業性、溶接欠陥の有無、溶接金属の機械的性質および耐食性について調査した。

溶接金属の強度及び靱性の評価は、ＪＩＳＺ３１１１に準じて表２に示す溶接条件で溶着金属試験を行い、Ｘ線透過試験を行った後、引張試験、衝撃試験及び耐食性評価試験を実施して行った。母材には、質量％で、Ｃ：０．１５％、Ｓｉ：０．２７％、Ｍｎ：１．１５％、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．００１％、Ｓｎ：０．１３％、Ｃｕ：０．０１２％、残部Ｆｅおよび不純物からなる板厚２０ｍｍの耐食鋼の鋼板を用いた。

溶接作業性は、溶接時のアークの安定性、スパッタ発生量、スラグ剥離性の良否及び割れの有無を目視確認で評価した。
溶接金属の機械的性質は、溶接試験体の板厚中央から引張試験片（ＪＩＳＺ２２４１Ａ０号）及び衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２４２Ｖノッチ試験片）を採取することで評価した。引張試験の評価は、引張強さが４９０〜６７０ＭＰａを良好とした。衝撃試験の評価は、０℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、繰り返し３本の吸収エネルギーの平均値が８０Ｊ以上を良好とした。
溶接欠陥の評価は、溶接試験体を、ＪＩＳＺ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、融合不良等の溶接欠陥の有無を調査した。

耐食性の評価は次のように腐食試験片を作製して行った。図１に示す腐食試験片作製用の試料（厚さ３ｍｍ×幅６０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ）を溶接金属２が平面板の中央に位置するように母材１表面から深さ１ｍｍの腐食試験片採取位置３から採取し、ショットブラスト処理後、炉内温度８０℃で加熱乾燥させて腐食試験片素材とした。
腐食試験片素材の両面に、塗料Ａ（中国塗料(株)製バンノー♯２００）または塗料Ｂ（神東塗料(株)ネオゴーセイプライマーＨＢ）いずれかの塗料を鋼材表面に塗装し、膜厚２００〜３５０μmの腐食試験片を作製した。

上記腐食試験片に、図２に示すように溶接金属を跨ぐようにクロスカット４を施すことで塗膜傷を模擬した腐食試験片５を作製した。クロスカット４は、塗膜の上から下地の鋼表面まで達するスクラッチ疵をカッターナイフで施した。
その後、得られた腐食試験片５をＳＡＥ（ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｓ）Ｊ２３３４試験に準拠し、耐食性を評価した。

ここで、ＳＡＥＪ２３３４試験とは、湿潤過程：５０℃、１００％ＲＨにて６時間、塩分付着過程：０．５質量％ＮａＣｌ、０．１質量％ＣａＣｌ_２、０．０７５質量％ＮａＨＣＯ_３水溶液浸漬にて０．２５時間、乾燥過程：６０℃、５０％ＲＨにて１７．７５時間、上記３過程を１サイクル（合計２４時間）とした乾湿繰り返しの環境下で行う加速試験である。１サイクルの概略を図３に示す。飛来塩分量が１ｍｄｄを超えるような厳しい腐食環境を模擬する試験である。この腐食形態が大気暴露試験に類似しているとされている（長野博夫、山下正人、内田仁著：環境材料学、共立出版（２００４）、ｐ．７４参照）。

ＳＡＥＪ２３３４試験８０サイクル後に、各試験片の塗膜剥離・膨れ面積率を算出した。その後、表面の残存塗膜と生成した錆層を除去し、塗装被膜疵部の腐食深さを測定後、塗膜傷部平均腐食深さを算出した。
耐食性・耐塗装剥離性の評価は、塗膜剥離・膨れ面積率が５０％未満、かつ、塗膜傷部平均腐食深さが０．５０ｍｍ未満を合格とした。
表３にこれらの試験結果をまとめて示す。

表１及び表３中、ワイヤ記号１〜１０が本発明例、ワイヤ記号１１〜２５は比較例である。
本発明例であるワイヤ記号１〜１０は、各ワイヤの化学組成が適正であるので、アーク状態が良好でスパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性が良好、クレータ割れ及び溶接欠陥がない。溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーは良好であり、塗装剥離・膨れ面積率及び塗膜傷部平均腐食深さが小さく、極めて良好な結果であった。
なお、ワイヤ記号４、６、８〜１０はＭｏが適正量添加されているので、引張強さが６００ＭＰａ以上で、ワイヤ記号５、７〜９はＢが適正量添加されているので、吸収エネルギーが１２０Ｊ以上であった。

比較例中、ワイヤ記号１１は、Ｃが少ないので、溶接金属の引張強さが低く、吸収エネルギーも低かった。
ワイヤ記号１２は、Ｃが多いので、溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。また、クレータ割れが発生した。
ワイヤ記号１３は、Ｓｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、アークが不安定でスパッタ発生量も多く、溶接部に融合不良が発生した。
ワイヤ記号１４は、Ｓｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。

ワイヤ記号１５は、Ｍｎが少ないので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低かった。
ワイヤ記号１６は、Ｍｎが多いので、溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。
ワイヤ記号１７は、Ｓｎが少ないので、塗装剥離・膨れ面積率が大きく、塗膜傷部平均腐食深さが大きい。
ワイヤ記号１８は、Ｓｎが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、クレータ割れが発生した。

ワイヤ記号１９は、Ｃｕが少ないので、塗装剥離・膨れ面積率が大きく、塗膜傷部平均腐食深さが大きい。
ワイヤ記号２０は、Ｃｕが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、クレータ割れが発生した。
ワイヤ記号２１は、Ｔｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、スラグ剥離性が不良であった。さらに、溶接部に融合不良が発生した。
ワイヤ記号２２は、Ｔｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、スラグ剥離性も不良であった。

ワイヤ記号２３は、Ａｌが多いので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号２４は、Ｍｏが多いので、溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。
ワイヤ記号２５は、Ｂが多いので、溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。また、高温割れが発生し、スラグ剥離性が不良であった。

１母材
２溶接金属
３腐食試験片の採取位置
４クロスカット
５腐食試験片

Claims

ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．１５％、
Ｓｉ：０．４〜１．５％、
Ｍｎ：１．３〜２．５％、
Ｓｎ：０．０５〜０．４０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．６０％、
Ｔｉ：０．１〜０．４％を含有し、
Ａｌ：０．０３％以下で、
残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする耐食鋼のガスシールド溶接用ソリッドワイヤ。
ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．６％以下をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の耐食鋼のガスシールド溶接用ソリッドワイヤ。
ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｂ：０．０１５０％以下をさらに含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐食鋼のガスシールド溶接用ソリッドワイヤ。