JPH02179389A

JPH02179389A - 中、高炭素鋼の下盛溶接方法

Info

Publication number: JPH02179389A
Application number: JP33081988A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tanaka; 治田中; Shogo Natsume; 夏目　松吾; Yasuo Murai; 康生村井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1990-07-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は肉盛溶接方法に係り、特に、鉄道用又は走行う
レーン用車輪などの中、高炭素鋼に肉盛溶接する場合に
適するサブマージアーク溶接による下盛溶接方法に関す
るものである。（従来の技術）鉄道用又は走行うレーン用車輪は、成る期間使用すると
踏面部主体に摩耗するため、この部分を肉盛溶接により
修復し再使用される。上記車輪としては、耐摩耗性及びレール材の硬さとのバ
ランスから、通常、Ｃ含有量が０．３０〜０．８０％程
度の中、高炭素鋼材が用いられ。踏面の硬さについては、ビッカース硬さ（以下、ｒＨｖ
Ｊと記す）で２５０〜３５０程度が得られるよう熱処理
等が施されている。したがって、この部分を肉盛溶接する場合はＨｖ３５０
程度の硬さが得られる溶接材料及び施工方法で溶接する
必要がある。（発明が解決しようとする課題）従来、このような車輪の肉盛溶接においては。溶接作業性及び能率の面からサブマージアーク溶接法が
適用されることが多く、その施工手順としては。 ■下盛からいわゆる硬化肉盛溶接材料を用いてサブマー
ジアーク溶接する方法、 ■母材の希釈を考慮し、まず、下盛を軟鋼系の溶接材料
でサブマージアーク溶接し、その後、所定の硬さが得ら
れる硬化肉盛溶接材料を用いてサブマージアーク溶接す
る方法。がある。しかし乍ら、これらの施工方法はそれぞれ次のような理
由により問題がある。すなわち、■の方法の場合、用いる溶接材料は全溶着金
属の状態で所定の硬さ、例えば、Ｈｖ２５０或いはＨＶ
３５０が得られるよう成分調整されているものであるた
め、これを直接車輪母材に肉盛溶接すると、母材からの
希釈によって下盛溶接金属のＣ含有量が過大となり、高
温割れの発生が免れず、健全な肉盛部を得ることが難し
い。一方、■の方法の場合、母材成分の希釈を考慮して下盛
溶接に軟鋼系温材を適用することから、−見理に適った
施工法のようであり、殆どがこのような施工法が適用さ
れている。しかし、この方法によっても、特に高炭素鋼
の母材の場合、下盛溶接金属のＣ含有量を、後述する如
く、高温割れを回避する範囲に抑えることが難しいこと
がら、やはり高温割れが発生する。更に■の方法の場合、肉盛溶接部における肉厚方向の硬
さ分布は、表面層が所定の硬さであるのに対し、下盛層
は母材の稀釈があるとはいえ、いわゆる合金元素が含ま
れないため、低硬度となる。したがって、上盛溶接金属と母材熱影響部の間に硬さの
谷間が形成されることになる。以上のように、従来の車輪の肉盛溶接において、上盛溶
接については、適切な溶接材料が既にあり、特に問題は
ないようであるが、下盛溶接については、高温割れ及び
硬さ分布の問題があり、これを解消できる溶接材料は未
だ開発されていないのが現状である。なお、従来の肉盛溶接を施した車輪の肉盛部が使用中に
剥離するという事故が時としてみられるが、この原因と
しては、下盛溶接部における高温割れの存在及び硬さ不
足のため、使用時の疲労に耐えられなかったことによる
と推察される。車輪の補修は経済的なメリットが非常に大きいが、上記
のように信頼性に乏しかったため、結果として、一部で
しか実施されていない状況である。先に述べたように、肉盛溶接車輪において信頼性の高い
肉盛溶接部を得るためには、溶接欠陥、特に下盛溶接部
における高温割れを回避する必要があると共に、上盛溶
接金属と母材熱影響部との間の硬さ分布が均一となるよ
うな下盛溶接金属を得る必要がある。このような要件を満たすには、従来の溶接材料を用いた
サブマージアーク溶接法では不充分であり、母材成分の
希釈の影響を受けても、高温割れが発生せず、かつ、適
切な溶接金属の硬さ、すなわち、硬さ分布の谷間を形成
させない溶接方法を開発することが必須となる。勿論、
高温割れ以外の溶接欠陥、すなわち、スラグ巻き込み、
ブローホール、低温割れ等についても、健全性を大きく
損なうため、回避する必要のあることは云うまでもない
。本発明は、か＼る要請に応えるべくなされたものであっ
て、中、高炭素鋼の肉盛溶接に際し、溶接金属の高温割
れの発生を防止すると共に肉盛溶接部における硬さ分布
の適正化が可能であり、信頼性の高い肉盛溶接部を得る
こと、ができる肉盛溶接方法を提供することを目的とす
るものである。（課題を解決するための手段）前記目的を達成するため、本発明者は、中、高炭素鋼の
肉盛溶接に当たり、特に下盛溶接条件について鋭意研究
を重ねた。その結果、下盛溶接をサブマージアーク溶接法にて行う
場合に用いるワイヤとして、特定組成のフラックス入り
ワイヤを用いることにより、可能であることを見い出し
、ここに本発明をなしたものである。すなわち、本発明は、要するに、中、高炭素鋼の肉盛溶
接方法において、ワイヤとして、ワイヤ全重量当たり、
Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：
０．８〜２．５％及び■：０．２５〜２．５％を含有す
るフラックス入りワイヤを用い、サブマージアーク溶接
法にて下盛溶接することを特徴とする中、高炭素鋼の肉
盛溶接方法を骨子とするものである。以下に本発明を更に詳細に説明する。（作用）まず、従来の溶接材料を用いて、中、高炭素鋼母材に対
し、サブマージアーク溶接で肉盛溶接した場合の溶接金
属のＣ含有量と高温割れの関連について調べた。その結
果、第１図に示す如く、溶接金属のＣ含有量が約０．１
８３以上になると高温割れが発生する傾向がみられた。すなわち、中、高炭素鋼をサブマージアーク溶接で肉盛
溶接する場合、２層目以降のいわゆる上盛については、
母材成分の希釈による影響が少なくなるため、溶接材料
側のＣ含有量を抑えることで、溶接金属のＣ含有量を０
．１８％以下に制限することは可能である。しかし乍ら、下盛については、母材の希釈の影響が大き
く、溶接金属に占める母材成分の割合が３０％、或いは
溶接条件によっては４ｏ％程度にも達することがあるた
め、軟鋼系の溶接材料を用いても、溶接金属のＣ含有量
を０．１８％以下に抑えることが難しく、したがって、
下盛溶接部の割れが回避できないことになる。一方、高炭素鋼母材に対して、従来の軟鋼系溶接材料で
下盛した後、硬化肉盛溶接材料で上盛した場合の硬さの
分布について調べた。第２図は従来の温材による肉盛溶
接部の肉厚方向の硬さ分布例である。同図に示すように
、上盛部はＨｖ３５０程度と所望の硬さが得られるのに
対し、下盛部はＨｖ２００程度と母材影響部に比較して
も低くなっており、硬さ分布に谷間（軟質層）が形成さ
れている。このような肉盛溶接部における軟質層は。疲労クラックの発生の原因となることが考えられるため
、好ましくない状況と言える。そこで、母材成分の希釈を受けても高温割れが発生せず
、かつ、適切な溶接金属の硬さが得られる下盛溶接方法
を見い出すべく鋭意研究した結果、前記構成の本発明を
見い出したのである。以下に所望特性の溶接金属が得られる条件（溶接金属の
組成、硬さ）について研究した結果を説明する。（１）溶接金属の組成第３図は本発明によるサブ−マージアーク溶接法により
、中、高炭素鋼母材に対して肉盛した場合の割れ発生の
有無を母材のＣ含有量と溶接金属のＶ含有量で整理した
ものである。図示のように、母材のＣ含有量が比較的低い場合は、溶
接金属のＶ含有量が０．１％程度以上で割れ発生が防止
できることがわかる。これは、■による溶接金属中のＣ
の固定効果により、割れ発生が抑制されたものと推察さ
れる。但し、Ｖ量が０．９％程度以上になると割れが発生する
傾向がみられる。これは、■の過剰添加によって溶接金
属の高温延性が低下したことによるものと推察される。また、母材のＣ含有量が０．７％或いは０．９％と高く
なると１割れを防止するために必要な溶接金属のＶ含有
量が若干高くなるようである。これに伴い、過剰添加と
なるＶ量も幾らか高くなっている。以上の結果から、割れを防止するための溶接金属のＶ含
有量を母材のＣ含有量との関連で整理すると、溶接金属
のＶ含有量は、（０，２Ｘ母材Ｃ含有量＋０．０３）％
以上で、（０，２Ｘ母材Ｃ含有量＋Ｏ，ａ）％以下の範
囲が適正範囲であることが判明した。（２）溶接金属の硬さ次に溶接金属の適切な硬さについて検討した。第１表は、各種溶接材料を用いて、起重機用車軸を下盛
溶接した後、硬化肉盛溶接材料で上盛溶接したうえで、
実操業での剥離の有無について調べた結果を示すもので
ある。同表より、母材熱影響部の硬さがＨｖ２７０のものに対
し、下盛溶接金属硬さがＨｖ１９０と低い場合、すなわ
ち、（下盛溶接金属硬さＨＤ）／（母材熱影響部硬さＨ
Ｈ）の比が０．７０のものは使用中に剥離がみられた。これに対して、Ｈｏ／ＨＨが０．８７のものには剥離が
みられなかった。この結果から、下盛溶接金属の適切な硬さとしては、０
，８５　ＸＨ８以上必要であることが判明した。一方、
下盛溶接金属硬さがＨｖ４５０を超えるような場合は、
種々実験の結果がら、必ずしといってよいほど溶接割れ
が発生する傾向がみられた。これらのことから、下盛溶
接金属の適切な硬さは、０．８５　ＸＨｓ以上で、Ｈｖ
４５０以下の範囲であることが確認された。

【以下余白１第４図は高炭素鋼母材に対して１本発明によるフラック
ス入りワイヤを用いたサブマージアーク溶接で下盛した
後、硬化肉盛溶接材料で上盛溶接した場合の肉厚方向の
硬さ分布測定例である６図示のように、下盛部において
Ｈｖ３４０程度の硬さが得られており、従来の下盛材を
用いた場合のような硬さ分布の谷間が形成されず、適切
な硬さ分布となっている。以上のように、本発明による方法で下盛溶接を行うこと
により、高温割れ及び硬さ不足の問題とも解消すること
が可能となった。（３）本発明法の条件限定理由まず、本発明において用いるフラックス入りワイヤの成
分限定理由について説明する。なお、各成分の含有量は
ワイヤ全重量当たりである。Ｃ：　０．０７％以Ｃ含有量については、特に高炭素鋼を溶接する場合、ワ
イヤのＣ含有量が高いと、■を添加しても割れ発生を回
避することが難しくなるため、０゜０７％以下にする必
要がある。Ｓｉ：０．２〜１．２％Ｓｉは溶接金属の脱酸剤及びフェライトを強化して強度
を上昇させるために添加するが、歩留りを考慮すると、
最低０．２％添加する必要がある。しかし、添加量が多くなり、１．２％を超えると割れに
対して悪影響を及ぼす。したがって、適正Ｓｉ量は０゜
２〜１．２％の範囲である。Ｍｎ：０．８〜２．５％Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接金属の脱酸剤及び強化剤とし
て添加されるが、脱酸効果及び溶接金属の硬さを確保す
るためには最低０．８％が必要である。しかし、２．５
％を超えると溶接金属の硬さが高くなりすぎ、適切な硬
さ分布が得られなくなる。したがって、適正なＭｎ量は
０．８〜２．５％の範囲である。Ｖ　：　０．２５〜２．５％ ■は、本発明において、特に重要な元素である。すなわち、溶接金属中のＣと結び付くことにより、高温
割れの発生を防止する効果がある。また、硬さについて
も、析出硬化による硬度上昇、並びに次パス或いは次層
の溶接熱サイクルを受けた場合の軟化抵抗を上昇させる
効果がある。高温割れを防止するために必要な溶接金属
のＶ含有量は、前述の如＜（０，２ｘ母材Ｃ含有量＋０
．０３）％以上であり、これを満足するには、歩留りを
考慮すると、０．２５％以上添加する必要がある。また
、上限については、溶接金属のＶ含有量が（０，２Ｘ母
材Ｃ含有量＋０．８）％以下であり、歩留りを考えると
、２．５％以下に抑える必要がある。したがって、適正
なＶ量は０．２５〜２．５％の範囲である。なお、上記成分を必須とするが、それら以外の成分の含
有を特に制限するものではなく、適宜添加することが可
能である。例えば、Ｃｒ、Ｍｏ等の合金元素については、必要に応
じて、溶接金属の硬さを更に上昇させるために若干量添
加することは差し支えないが、割れに及ぼす影響や必要
硬さを考慮すると、それぞれ１％以下に抑えることが好
ましい。また、アークの安定性等、溶接作業性を向上さセル目的
で、各種酸化物（例、Ｎａ２Ｏ，に２０、ＭｇＯ，Ｃａ
Ｏ等）や、弗化物（例、ＮａＦ、ＣａＦ２、Ｋ、ＳｉＦ
、等）などを適宜添加することも差し支えない。なお、本発明においてフラックス入りワイヤを用いる理
由は、ソリッドワイヤと比較して、高温割れが発生しに
くいとの知見を得たためである。すなわち、ソリッドワイヤに比べて、溶は込みが浅く、
母材の希釈が小さいため、溶接金属のＣ含有量が低くコ
ントロールできる。また、サブマージアーク溶接に使用する組み合せフラッ
クス、溶接条件等については、特に限定されないが、フ
ラックスとしてはボンドフラックスよりも溶融型フラッ
クスを使用した方が耐高温割れ性が良好である。（実施例）次に本発明の実施例を示す。失胤叢工本例は高炭素鋼材の肉盛溶接の例である。第２表に示す化学成分を有する高炭素鋼材を、第３表に
示す組成のフラックス入りワイヤ又はソリッドワイヤを
用いて、サブマージアーク溶接により肉盛溶接を行った
。第４表にその溶接条件を示す。溶接後１割れ調査用として各３個、硬さ測定用として各
１個、それぞれ断面マクロ試験片を採取すると共に、溶
接金属成分分析試料も採取した。第５表に溶接金属成分、割れの有無及び硬さ測定結果を
示す、なお、割れの有無は１０倍実体顕微鏡で観察した
。第５表に示すように、本発明例はいずれも高温割れが発
生していないと同時に、硬さについても適切な値が得ら
れていることがわかる。【以下余白】去】１１劃本例は車軸の肉盛溶接の例である。鉄道車両用一体圧延車輪の踏面部を肉盛補修するために
、第６表に示すフラックス入りワイヤを用い、第７表に
示す溶接条件により、下盛溶接した後、サブマージアー
ク溶接した０組み合せフラックスはいずれも市販の溶融
型フラックスを用いた。また、車輪はＪＩＳ　　Ｅ　　
５４０２，５ＳＷ−２に属するもので、踏面径８００Ｉ
ＩＩＩＩＩφのものを用いた。溶接後、外周面を段階的に切削しながら、磁粉探傷によ
り割れの有無を検査すると共に硬さを測定した。その結
果を第８表に示す、なお、同表中の硬さは、ショア硬さ
をビッカース硬さで換算した値である。第８表より明らかなように１本発明例の場合、下盛相当
溶接金属部においても割れが検出されず、かつ、硬さに
ついても適切な値が得られ、極めて健全な肉盛溶接部を
得ることができた。一方、比較例では、下盛相当溶接金
属部において割れが発生していると共に硬さが低く、硬
さの分布が適切でない。

【以下余白】

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、車輪を代表とす
る中、高炭素鋼の肉盛溶接において、従来法では避ける
ことができなかった溶接金属の高温割れの発生を防止す
ることができ、しかも肉盛溶接部における硬さ分布の適
正化が図れるため、極めて、信頼性の高い肉盛溶接部を
得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はサブマージアーク溶接で肉盛溶接した場合の溶
接金属のＣ含有量と高温割れの関係を示す図、第２図は従来の温材による肉盛溶接部の肉厚方向の硬さ
分布を示す図。第３図は本発明によるサブ−マージアーク溶接法により
中、高炭素鋼母材に対して肉盛した場合の割れ発生の有
無を母材のＣ含有量と溶接金属のＶ含有量との関係で示
す図、第４図は高炭素鋼母材に対して、本発明によるフラック
ス入りワイヤを用いたサブマージアーク溶接で下盛した
後、硬化肉盛溶接材料で上盛溶接した場合の肉厚方向の
硬さ分布を示す図。第５図は実施例１で用いた積層方法を説明する図である
。特許出願人　　株式会社神戸ｍｌ所代理人弁理士　中　　村　　　尚ピ・／カース砿さ（右ｔｌＯｋ３）ヒ゛ッカース硬；　（Ｍｔ＋ｏｋ＠）

Claims

【特許請求の範囲】（１）中、高炭素鋼の肉盛溶接方法において、ワイヤと
して、ワイヤ全重量当たり、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ
：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．８〜２．５％及びＶ：
０．２５〜２．５％を含有するフラックス入りワイヤを
用い、サブマージアーク溶接法にて下盛溶接することを
特徴とする中、高炭素鋼の肉盛溶接方法。（２）溶接金属が次式を満足する組成のものである請求
項１に記載の方法。０．２Ｃ＿Ｍ＋０．０３≦Ｖ＿Ｄ≦０．２Ｃ＿Ｍ＋０．
８ここで、Ｃ＿Ｍ：母材のＣ含有量（％）Ｖ＿Ｄ：溶接金属のＶ含有量（％）（３）溶接金属が次式を満足する硬さを有するものであ
る請求項１に記載の方法。０．８５Ｈ＿Ｈ≦Ｈ＿Ｄ≦４５０ここで、Ｈ＿Ｈ：母材熱影響部の最高硬さ（ビッカース硬さ）Ｈ＿Ｄ：溶接金属の平均硬さ（ビッカース硬さ）