JPH04294891A - 耐候性に優れた耐火鋼用溶接ワイヤ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、建築、土木及び海洋構
造物などの分野における各種建造物に使用される耐候性
に優れた耐火鋼用ガスシールドアーク溶接ソリッドワイ
ヤに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、建築、土木及び海洋構造物
などの分野における各種建造物用建築材として、一般構
造用圧延鋼材（ＪＩＳ　　Ｇ　　３１０１）、溶接構造
用圧延鋼材（ＪＩＳ　　Ｇ　　３１０６）、溶接構造用
耐候性熱間圧延鋼材（ＪＩＳ　　Ｇ　　３１１４）、高
耐候性圧延鋼材（ＪＩＳ　　Ｇ　　３１２５）及び一般
構造用炭素鋼鋼管（ＪＩＳ　　Ｇ　　３４４４）、一般
構造用角形鋼管（ＪＩＳ　　Ｇ　　４３６６）などが広
く利用されている。これらの溶接材料としては、軟鋼及
び高張力鋼マグ溶接用ソリッドワイヤ（ＪＩＳ　　Ｚ　
　３３１２）、耐候性鋼用炭酸ガスアーク溶接ソリッド
ワイヤ（ＪＩＳ　　Ｚ　　３３１５）並びに軟鋼及び低
合金鋼のティグ溶接用鋼棒及びワイヤ（ＪＩＳ　　Ｚ　
　３３１６）が広く使用されている。

【０００３】たとえば、特開昭６１−２４２７８５号公
報や特開昭６２−２６７０９６号公報には、溶滴移行性
の改善のためのワイヤ成分が、特開昭５９−６１５９２
号公報、特開昭６１−１５９２９６号公報や特開平１−
１７０５９８号公報には、スパッタ低減のためのワイヤ
成分が、特開昭６１−１９５７９３号公報では、スラグ
剥離の改善目的のワイヤ成分が、さらに、特開昭６２−
１５８５９５号公報では、ワイヤ送給性改善目的のワイ
ヤ成分が開示されている。

【０００４】ところで、各種建造物のうち、特に生活に
密着したビルや事務所及び住居などの建造物に前記鋼材
及び前記溶接材料を用いて施工された溶接部は、火災に
おける安全性を確保するため、十分な耐火被覆を施すこ
とが義務づけられており、建築関係諸法例では、火災時
に鋼材及び溶接部温度が３５０℃以上にならぬよう規定
している。

【０００５】つまり、前記鋼材及び溶接部は、建造物に
使用する場合３５０℃程度で耐力が常温時の６０〜７０
％に低下し、建造物の倒壊を引き起こす恐れがあるため
、このようなことがないようにして利用しなければなら
ない。たとえば鋼材及び溶接部の表面にスラグウール、
ロックウール、ガラスウールなどを基材とする吹き付け
材やフェルトを展着するほか、防火モルタルで包被する
方法、及び前記断熱材層の上に、さらに金属薄板即ちア
ルミニウムやステンレススチール薄板等で保護する方法
など、耐火被覆を入念に施し、火災時における熱的損傷
を防止するようにしている。そのため、溶接材料価格そ
のものより耐火被覆施工費が高額になり、建設コストが
大幅に上昇することを避けることが出来ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のような建造物に
従来の溶接ワイヤを利用する場合、価格は安いが、高温
特性が低いため、本来の溶接材料特性を発揮出来ず、無
被覆や軽被覆で利用することも出来ず、割高な耐火被覆
を施さねばならない。このため建設コストが高くなると
共に建造物の利用空間が狭くなり、経済効率を低下させ
るという課題がある。また、モリブデン鋼及びクロムモ
リブデン鋼やステンレス鋼に代表されるような耐熱鋼用
のマグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳＺ　　３３１７）、
並びに特開昭５７−１００８９２号公報や特開昭５８−
１００９９４号公報などに開示されている耐熱鋼用ワイ
ヤによれば、高温特性は良好であるが、溶接施工技術面
に加え経済的な面で利用は非常に困難である。

【０００７】さらに、近年建築物の高層化が進展し、設
計技術の向上とその信頼性の高さから耐火設計について
見直しが行われ、昭和６２年建築物の新耐火設計法が設
定されるに至った。その結果、前述の３５０℃の温度制
限によることなく、鋼材及び溶接部の高温強度と建物に
実際に加わっている荷重により、耐火被覆の能力を決定
出来るようになり、場合によっては無被覆で鋼材を使用
することも可能になった。

【０００８】しかしながら、経済的価格で市場に供給で
き、かつ耐候性に優れ、さらに耐火性能に優れた溶接金
属を得ることの出来る溶接ワイヤは現在存在しない。

【０００９】本発明の目的は、耐候性能に優れ、かつ経
済的価格で市場に供給しうる耐火特性、特に６００℃で
の高温特性に優れ、かつ衝撃靱性や溶接作業性に優れた
ガスシールドアーク溶接ワイヤを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、重量比
で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．４０〜１．
００％、Ｍｎ：１．００〜２．２０％、Ｃｒ：０．４５
〜０．８５％、Ｎｉ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０
．０５〜０．３５％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｃ
ｕ：０．２５〜０．６５％、Ｎ：０．０１００％以下で
、（Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｕ／３５＋Ｎｉ／４
０＋Ｃｒ／５＋Ｖ／１４）が０．４５〜０．７５％であ
り、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とす
る耐候性に優れた耐火鋼用溶接ワイヤ、並びに、重量比
で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．４０〜１．
００％、Ｍｎ：１．００〜２．２０％、Ｃｒ：０．４５
〜０．８５％、Ｎｉ：０．１０〜０．５０％、Ｔｉ：０
．０５〜０．３５％、Ｖ：０．００５〜０．１０％、Ｃ
ｕ：０．２５〜０．６５％、Ｎ：０．０１００％以下で
、さらに、Ｍｏ：０．０５〜０．６０％を含有し、（Ｃ
＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｕ／３５＋Ｎｉ／４０＋Ｃ
ｒ／５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ／４）が０．４５〜０．７５％
であり、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴
とする耐候性に優れた耐火鋼用溶接ワイヤである。

【００１１】

【作用】火災時における溶接金属強度については、無被
覆使用を目標とした場合、火災時の最高到達温度が１０
００℃であることから、該当部分が常温時の７０％以上
の耐力を備えるためには、周知の溶接ワイヤに高価な合
金元素を多量に添加せねばならず、経済性の面から利用
することが出来ない。

【００１２】そこで、さらに研究を進めた結果、６００
℃での高温耐力が常温時の７０％以上となる溶接部が経
済的であることをつきとめ、高価な添加元素の量を少な
くし、かつ溶接部の耐火被覆を薄くすることが可能で、
火災荷重が小さい場合は、無被覆で使用することが出来
る耐火性能の優れた溶接ワイヤを開発し、さらに、この
溶接ワイヤに耐候性能も付加してより一層の経済的効果
が得られる優れた溶接ワイヤを見いだした。

【００１３】本発明は、微量のＶ添加あるいは微量Ｖと
適当量のＭｏの複合添加によって６００℃の溶接金属強
度が確保できる。また、耐候性に極めて有効な元素であ
るＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒをそれぞれ適当量含有させ、溶接作
業性を損なうことなく耐候性及び耐火特性を同時に得る
ため、指数（Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｕ／３５＋
Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４）は０．４
５〜０．７５％とする。

【００１４】まず、火災時の溶接部温度の上昇挙動を考
慮して、Ｖ添加量と６００℃での耐火強度を求めてみる
と、Ｖ添加量と共に耐火強度が向上することが判明した
。０．００５％未満のＶ添加ではその効果が顕著でない
。また、０．１％超のＶ添加では耐火強度向上効果が飽
和する傾向を示す。さらに、Ｖによる耐火強度の向上は
、Ｍｏ添加と相乗効果を有することが認められ、Ｍｏと
の複合添加による耐火強度の改善が著しい。Ｍｏ添加量
が０．０５％未満ではその効果がないため、Ｍｏ添加量
の下限を０．０５％とした。また、０．６０％超では添
加に見合った効果が認められないため、添加量の上限を
０．６％とする。

【００１５】なお、高温強度を上昇させるためＭｏを利
用することは、従来の耐熱鋼では知られているが、建築
用に用いる耐火鋼材として前述のように微量のＶに加え
適当量のＭｏを複合添加した溶接ワイヤは知られていな
い。

【００１６】このように、ＶあるいはＶとＭｏの複合添
加で耐火性能が得られるとなれば、さらに、この溶接部
に耐火被覆を施さずに溶接部を裸のまま使用できる耐候
性を付加できれば、建築物の利用空間の拡大と共に建設
コストの大幅な削減となり、経済効率が極めて高められ
る。

【００１７】そこで、耐候性に有効な元素であるＣｕ、
Ｎｉ、Ｃｒをそれぞれ０．２５〜０．６５％、０．１０
〜０．５０％、０．４５〜０．８５％含有させることに
よって、苛酷な暴露状態であっても非常に錆にくく、時
間の経過と共にその錆の一部がきわめて安定で緻密な錆
を形成し、その錆が環境に対し溶接部の保護膜となり、
腐食進行を阻止する。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ量が上記範囲を
超える高値になると溶接性が著しく悪化し、靱性が劣化
するので、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ含有量の上限をそれぞれ０
．６５％、０．５０％、０．８５％とする必要がある。 また、下限は耐候性能が得られる最小量としてそれぞれ
０．２５％、０．１０％、０．４５％とする。

【００１８】なお、Ｃｕ量については、Ｃｕめっきがワ
イヤ表面に施されている場合には、そのＣｕ量も含んだ
ものである。本発明ワイヤでは、ワイヤ心線そのものに
Ｃｕを添加するとともに、ワイヤの耐錆性・送給性及び
通電性の観点からＣｕめっきを施してもよく、この両者
の合計量がＣｕ量である。

【００１９】次に、本発明におけるＶ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎ
ｉ、Ｃｒ以外の成分限定理由について詳細に説明する。

【００２０】Ｃは、常温強度及び耐火強度を高めるのに
有効な元素であり、０．０１％未満では強度確保が難し
いので下限は０．０１％とする。また、０．１０％を超
えると高温割れ感受性が増加すると共に靱性を劣化させ
るので、上限を０．１０％とする。

【００２１】Ｓｉは主脱酸剤として不可欠な元素であり
、０．４０％未満では脱酸不足により溶接金属中にブロ
ーホール等の溶接欠陥を発生させるので、下限を０．４
０％とする。また、１．００％を超えるとフェライトの
固溶硬化の原因となり、靱性を低下させるので上限を１
．００％とする。

【００２２】ＭｎはＳｉと同様な脱酸剤であり、強度、
靱性を確保する上で不可欠な元素であり、強度、靱性を
確保できる最小限として１．００％含有する必要があり
、その下限は１．００％とする。一方、２．２０％を超
えると高温割れ感受性を増加させるとともに靱性を劣化
させるので、上限を２．２０％とする。

【００２３】ＴｉはＴｉ酸化物を形成し、溶接金属のミ
クロ組織を微細化し、靱性改善に有効であるが、０．０
５％未満ではこの効果も望めず、下限を０．０５％とす
る。また、０．３５％を超えると靱性を著しく損なうの
で、上限を０．３５％とする。

【００２４】Ｎは一般に不可避不純物としてワイヤ中に
含まれるものであるが、Ｎ量が多くなると靱性低下を招
くとともに溶接金属にブローホール等の溶接欠陥を発生
させるので、その上限を０．０１００％以下とする。

【００２５】さらに、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ量は
、前述する範囲内において（Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６
＋Ｃｕ／３５＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｖ／１４＋Ｍｏ
／４）（以下、特性指数と称する。）が０．４５〜０．
７５％の場合にのみ、溶接作業性を損なうことなく溶接
金属部の強度・靱性が良好であって、耐候性及び耐火特
性が同時に得られるので、特性指数を０．４５〜０．７
５％の範囲に限定した。

【００２６】なお、本発明ワイヤには不可避不純物とし
てＰ及びＳを含有する。Ｐ，Ｓは高温強度に与える影響
は小さいので、その量について特に限定はしないが、一
般に粒界に偏析し、粒界を酸化させ、靱性低下の原因と
なるので、Ｐ，Ｓ量が少ないほどよい。望ましいＰ，Ｓ
量はそれぞれ０．０２０％以下である。

【００２７】

【実施例１】表１に試験に用いた耐候性に優れた耐火鋼
板の化学成分、表２、３に試験に用いた耐候性に優れた
耐火鋼用溶接ワイヤの化学成分を示す。

【００２８】板厚２５ｍｍの表１に示す耐候性に優れた
耐火鋼板を図１に示す開先形状（Ｔ＝２５ｍｍ、Ｄ＝１
２ｍｍ、φ＝４５°）に加工した後、表２、３に示すワ
イヤを用い、表４に示す溶接条件で溶接継手を作製した
。

【００２９】溶接終了後、試験材の板厚中央よりＪＩＳ
　　Ｇ　　３１１１　　Ａ−１号引張試験片と同４号シ
ャルピー試験片及びＪＩＳ　　Ｇ　　０５６７　　１０
φ高温引張試験片を採取し、機械試験を実施した試験結
果を表５、６に示す。

【００３０】

【表１】化　　学　　成　　分　　　　（重量％）

【０
０３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】

【表４】

【００３４】

【表５】

【００３５】

【表６】

【００３６】ワイヤ記号１〜１２は本発明に係るワイヤ
で、溶接作業性に富み、高温強度に優れ、衝撃靱性良好
で、耐候性能も十分有している。ワイヤ記号１３〜２３
は比較ワイヤである。

【００３７】ワイヤ記号１３は現在市場において使われ
ている一般的な４９０Ｎ／ｍｍ２　級高張力鋼用ワイヤ
であり、溶接作業性については良好であるが、耐火特性
を考慮していないため６００℃の高温強度が低く、本発
明ワイヤが対象とする構造物には使用できず、耐候性能
もワイヤのＣｕめっきのみであることから腐食量が大き
くなっている。

【００３８】ワイヤ記号１４は、強度向上を目的に主に
Ｃ、Ｓｉを０．１４％、１．１０％に増加させたワイヤ
である。しかし、強度はワイヤ記号１３より若干増加す
る程度で、その反面靱性低下が大きく、さらに、溶接部
に高温割れが発生するという大きな欠陥がある。また、
ワイヤ記号１３同様耐候性能や耐火特性を考慮しておら
ず、高温強度も低く、腐食量も大きくなっている。

【００３９】ワイヤ記号１５は、強度・靱性のバランス
を考慮してＣ、Ｖを０．１２％、０．１５％添加し、そ
の反面Ｓｉを０．３７％とし、特性指数も０．３８９％
にしたワイヤである。常温強度はほぼ目標通りの値が得
られているが、Ｓｉ量が少ないため、溶接時に脱酸不足
による微小ブローホールが発生し、それに加えスパッタ
多発で溶接作業性も著しく悪く、さらに多量のＣ、Ｖに
より初層に高温割れが一部発生した。

【００４０】ワイヤ記号１６は、高温強度向上、耐候性
能がＶの無添加の代わりにＭｏの単独添加で得られるか
検討したワイヤである。靱性は良好なものの、やはり高
温強度はＭｏ単独添加では得られず、溶接部の腐食量も
多くなっている。

【００４１】ワイヤ記号１７はＴｉが少なく、特性指数
が０．８４９％になっているワイヤである。このワイヤ
での溶接作業性は良好で、その性能も高温強度、靱性と
も高値を示し、腐食量も少なくなっている。しかし、そ
の反面、常温強度が８４０Ｎ／ｍｍ２　と非常に高く、
溶接部に高温割れが一部発生している。このことから、
ワイヤへの各添加成分の量だけでなく、特性指数を０．
４５〜０．７５％に抑えることが、溶接作業性を損なう
ことなく、溶接金属部の強度・靱性のバランスを取り、
かつ、耐候性能及び耐火特性を同時に得るために重要な
点である。

【００４２】ワイヤ記号１８及び１９は、現在市場にお
いて使われている耐熱鋼、すなわち０．５Ｍｏ鋼及び０
．５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼用ワイヤである。このワイヤに
よる溶接部は溶接後熱処理を実施することが前提になっ
ており、使用最高温度も３５０℃以下と本発明が対象と
する構造物とは違い、靱性改善をこの溶接後熱処理で行
うことができず、高温強度も低く、さらに、耐候性能に
ついても一切考慮されておらず、腐食量も大きくなって
いる。そのため、このような耐熱鋼用ワイヤでは、本発
明が目的とする総ての性能を満足することはできない。

【００４３】ワイヤ記号２０は、靱性改善及び耐候性能
を高める目的で、主にＮｉを２．６０％添加したワイヤ
である。確かに、耐候性に影響を与えるＮｉが多く添加
されているので、腐食量は他に比べ少なく、参考値では
あるが靱性についても改善される方向にあるが、Ｓｉ量
が０．３９％であるためスパッタ発生が多く、溶接作業
性が著しく悪く、溶接部には脱酸不足による微小なブロ
ーホールが発生した。

【００４４】ワイヤ記号２１は、耐候性及び耐火特性の
改善を目的にＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏを規定量添加したノーめ
っきワイヤである。その結果、腐食量はある程度改善さ
れるものの、Ｖが無添加であるため強度が低く、到底本
発明が対象とする構造物に使用できない。

【００４５】ワイヤ記号２２は、先のワイヤ記号１８及
び１９と同じ耐熱鋼用ワイヤで、現在市場において使用
されている１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼用ワイヤである
。これも溶接後熱処理を実施することが大前提であるた
め、溶接のままでの使用においては強度が高く、靱性が
低値になっている。また、この種のワイヤは特殊な用途
であるためワイヤ単価が非常に高く、経済的価格での市
場供給には無理がある。

【００４６】ワイヤ記号２３は、ワイヤ記号１８のさら
なる改善として強度向上を目的にＭｎ量を増加したワイ
ヤである。溶接作業性は良好であるが、若干の強度向上
に止まり、当初の目的を満足できず、耐候性も考慮され
ておらず、腐食量は大きくなっている。

【００４７】以上のことから明らかなように、本発明に
係るワイヤであれば溶接作業性に富み、高温強度は優れ
、衝撃靱性良好で、耐候性能も十分有しているのに対し
て、比較例はことごとく強度が高すぎたり、あるいは低
すぎたり、靱性劣化や耐候性能不足による腐食減量が多
いなど、耐候性に優れた耐火鋼用ワイヤとしては不適で
ある。

【００４８】

【実施例２】表２、３のワイヤの中から、ワイヤ記号７
、９、１５、１８、２０のワイヤを選び、表７に示す溶
接条件で溶接継手を作製した。溶接終了後、実施例１と
同様にして各種試験片を採取、機会試験を実施した。 この試験結果を表８に示す。

【００４９】

【表７】

【００５０】

【表８】

【００５１】ワイヤ記号１５、２０はＳｉ量が少ないた
め、実施例１では脱酸不足によるブローホールが発生し
たが、本実施例ではシールドガス組成にＡｒ−２０％Ｃ
Ｏ２　を用いているため、このような溶接欠陥は発生し
ない。その代わり、Ｓｉ、Ｍｎ等の溶接金属部への歩留
まりが高くなり、ワイヤ記号１８も含め強度が向上する
。 しかし、比較例は根本的に耐候性能不足による腐食減量
が大きく、本発明ワイヤが目的とする耐候性能と耐火特
性を同時に得ることは非常に難しい。

【００５２】このように、本発明に係るワイヤ記号７、
９であれば、シールドガス組成についてＡｒ−ＣＯ２　
混合ガスに変更して使用してもなんら性能に影響を及ぼ
すことなく、良好な耐候性に優れた耐火特性が得られる
。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明のワイヤであれば
高温強度が優れ、衝撃靱性も良好で、同時に耐候性能も
十分有していることはもちろん、溶接施工時の溶接作業
性も良く、溶接部への耐火施工にかかるコストを大幅に
引き下げることが可能である。しかも価格も安く市場に
提供することができ、施工が容易で、建設工期を短縮で
き、全体として建築費が低廉で済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１及び実施例２で用いた開先形状を示す
正面断面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量比で、 Ｃ　　：０．０１〜０．１０％、 Ｓｉ：０．４０〜１．００％、 Ｍｎ：１．００〜２．２０％、 Ｃｒ：０．４５〜０．８５％、 Ｎｉ：０．１０〜０．５０％、 Ｔｉ：０．０５〜０．３５％、 Ｖ　　：０．００５〜０．１０％、 Ｃｕ：０．２５〜０．６５％、 Ｎ　　：０．０１００％以下で、（Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍ
   ｎ／６＋Ｃｕ／３５＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｖ／１４
   ）が０．４５〜０．７５％であり、残部が鉄及び不可避
   不純物からなることを特徴とする耐候性に優れた耐火鋼
   用溶接ワイヤ。
2. 【請求項２】　　重量比で、 Ｃ　　：０．０１〜０．１０％、 Ｓｉ：０．４０〜１．００％、 Ｍｎ：１．００〜２．２０％、 Ｃｒ：０．４５〜０．８５％、 Ｎｉ：０．１０〜０．５０％、 Ｔｉ：０．０５〜０．３５％、 Ｖ　　：０．００５〜０．１０％、 Ｃｕ：０．２５〜０．６５％、 Ｎ　　：０．０１００％以下で、 さらに、 Ｍｏ：０．０５〜０．６０％を含有し、（Ｃ＋Ｓｉ／２
   ４＋Ｍｎ／６＋Ｃｕ／３５＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｖ
   ／１４＋Ｍｏ／４）が０．４５〜０．７５％であり、残
   部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする耐候
   性に優れた耐火鋼用溶接ワイヤ。