JPH07328793A

JPH07328793A - 溶接金属のじん性に優れる厚鋼板の大入熱潜弧溶接方法

Info

Publication number: JPH07328793A
Application number: JP6123687A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hayakawa; 直哉早川; Shuichi Sakaguchi; 修一阪口; Yoshiya Ayama; 義也阿山; Tadamasa Yamaguchi; 忠政山口
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-12-19
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP3458452B2

Abstract

(57)【要約】【構成】溶接用フラックスとしてtotal SiO₂：5 〜20
wt％、MgO ：15〜35wt％、CaCO₃ ：7 〜14wt％、CaF₂：
2 〜10wt％、Al₂O₃ ：4 〜9 wt％、TiO₂：3 〜10wt％及
びB₂O₃：0.7 〜2 wt％を含み、かつ鉄粉：15〜35wt％
及びTi粉：0.5 〜3.0 wt％に加えてMn粉を含有するボン
ドフラックスを用い、溶接用ワイヤとしてＣ：0.008 wt
％以下及びSi：0.007 wt％に加えてMnを含有する鋼ワイ
ヤを用いる。かつ、これらボンドフラックス中のMn含有
量ｂ（wt％）及び鋼ワイヤ中のMn含有量ａ（wt％）は、
2.5 ≦ａ＋0.33ｂ≦4.3 （wt％）の関係を満足させ
る。【効果】大入熱の場合であっても良好な溶接金属の切
欠じん性を得ることができる。また、良好な溶接作業性
とビード外観、及び溶接金属の良好な耐水素割れ性も得
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、鉄骨ボックスの角継
手溶接のような厚鋼板の大入熱潜弧溶接方法に関し、特
に溶接金属について良好なじん性を得ることのできる方
法を提案しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、高層ビルに代表される構造物の大
型化に伴い、板厚40mmを超える如き極厚の鋼板よりなる
溶接構造部材が用いられるようになっている。かような
極厚鋼板の溶接をする際には、溶接速度の大きい２電
極、あるいは３電極の潜弧溶接方法が、溶接施工の高能
率化が可能であることを理由として多用されている。

【０００３】このような極厚鋼板の大入熱潜弧溶接法に
関しては、これまでにも種々に提案されていて、例えば
特開平２−４１７９５公報では極厚鋼板の大入熱多層盛
溶接において優れたスラグ剥離性を得るため、所定組成
に調製した潜弧溶接用ボンドフラックスが提案され、ま
た、発明者らも先に特開平２−２５８１９１公報にて１
層溶接施工の板厚限界を有効に向上させ、多層の大入熱
潜弧溶接の場合のスラグはく離性を改善し、併せて耐凝
固割れ性も改善するために、フラックスの組成及び粒度
分布並びに溶接電流条件を規定した高能率の溶接施工法
を提案している。さらに、特開平４−１６７９９９公報
には溶接入熱が800kJ/cm程度といった大入熱溶接の場合
において良好な耐水素割れ性、耐繰り返し使用性能及び
優れたスラグはく離性を有するフラックスが提案されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、極厚鋼板に
施す大入熱潜弧溶接方法にあっては、溶接時の熱サイク
ルにおいて溶接金属部の冷却速度が非常に小さいことか
らこの溶接金属部のデンドライトは大きく成長し、粗大
な初析フェライトが析出するため、溶接金属部の切欠じ
ん性が劣化する問題がある。

【０００５】この点について、前述した特開平２−４１
７９５公報、特開平２−２５８１９１公報及び特開平４
−１６７９９９公報の提案は、いずれもスラグはく離性
を第１の目的とし、さらに耐水素割れ性、耐繰り返し使
用性能、耐凝固割れ性等の改善を目指したものであり、
溶接金属のじん性改善に主点をおいてはなかった。した
がって、板厚60mm〜80mmの極厚鋼板に３電極潜弧溶接を
施す場合のように、溶接後の冷却過程における溶接金属
の冷却速度が非常に遅い超大入熱溶接においては、溶接
金属のじん性を確保するのが困難であった。

【０００６】この発明は、上記の問題を有利に解決する
もので、溶接金属の切欠じん性を改善することのできる
極厚鋼板の大入熱潜弧方法を提案することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明者らは、大入熱潜弧
溶接をした場合の溶接金属のじん性の向上を目指して鋭
意研究を重ねた結果、以下のような新規知見を得るに到
った。まず、従来の大入熱潜弧溶接法において、溶接金
属の切欠じん性は、溶接後の冷却過程における溶接金属
の800 〜600 ℃間の冷却時間によって支配されているこ
とが明らかとなった。とりわけ800 〜600 ℃間の冷却時
間が、一般の大入熱溶接に比較してもはるかに長時間
の、200 秒を超える超大入熱溶接の場合には、冷却速度
が非常に遅くなるため、切欠じん性が顕著に劣化するこ
とが判明した。この劣化の原因は、800 〜600 ℃間の冷
却時間が長いと、この溶接金属部のデンドライトが大き
く成長し、粗大な初析フェライトが析出するためと考え
られる。

【０００８】かかる知見からさらに、溶接金属部のじん
性を改善するためには、焼入れ性を向上させれば良いこ
とを究明した。すなわち、大入熱溶接で800 〜600 ℃間
の冷却時間が200 秒を超える場合であっても良好な溶接
金属じん性を得るには、従来の大入熱潜弧溶接法で得ら
れていた程度の溶接金属の焼入れ性では不十分で、特に
高い焼入れ性を確保することが必要不可欠となることを
見い出したのである。この溶接金属の焼入れ性は、溶接
金属中における焼入れ性向上成分（Mn等）の含有量を増
加させること、及び溶接金属中の酸素量を低下させるこ
とにより高められる。

【０００９】次に、上述のごとく冷却速度が非常に遅い
場合には、溶接金属中に含まれる微量のSiについても溶
接金属のじん性に大きく影響を及ぼすことを新たに見い
出した。すなわち、溶接金属が十分な焼入れ性を有して
いたとしても、溶接金属中のSi量が多量になるとじん性
は劣化するのである。

【００１０】これらの知見に基づき、極厚鋼板に３電極
１層潜弧溶接を施す場合のように、溶接後の溶接金属の
冷却過程において800 〜600 ℃間の冷却時間が200 秒を
超えるような溶接金属の冷却速度が非常に遅い超大入熱
溶接であっても溶接金属のじん性を確保することを第１
の目的とし、その他溶接作業性、耐割れ性及びビード外
観をも考慮して、溶接金属中のMn、Si及び酸素量を適正
範囲内にするように溶接用フラックスや鋼ワイヤに工夫
を加えたところがこの発明の骨子である。

【００１１】すなわちこの方法は、厚鋼板に大入熱潜弧
溶接を施すに際し、溶接用フラックス及び溶接用ワイヤ
としてそれぞれtotal SiO₂：5 〜20wt％（以下、単に％
で示す）、MgO ：15〜35％、CaCO₃ ：7 〜14％、CaF₂：
2 〜10％、Al₂O₃ ：4 〜9 ％、TiO₂：3 〜10％及びB
₂O₃：0.7 〜2 ％を含み、かつ鉄粉：15〜35％及びTi
粉：0.5 〜3.0 ％に加えてMn粉を含有するボンドフラッ
クス並びにＣ：0.008 ％以下及びSi：0.007 ％に加えて
Mnを含有する鋼ワイヤであって、これらボンドフラック
ス中のMn含有量ｂ（％）及び鋼ワイヤ中のMn含有量ａ
（％）が、次式 2.5 ≦ａ＋0.33ｂ≦4.3 （％）の関係を満足するものを用いることを特徴とする溶接金
属のじん性に優れる厚鋼板の大入熱潜弧溶接方法であ
る。

【００１２】この発明の大入熱潜弧溶接方法は、溶接し
ようとする厚鋼板の板厚が60mm以上であり、大入熱潜弧
溶接が少なくとも一の電極の溶接電流を2500Ａ以上とす
る３電極以上の多電極１層溶接である場合に特に有利に
適合する。

【００１３】

【作用】この発明におけるボンドフラックス及び鋼ワイ
ヤの成分組成範囲の限定理由について以下説明する。ボンドフラックスについて total SiO₂：５〜20％ SiO₂は造さい材として重要な成分であり、スラグの粘性
を調整するのに必須の成分である。その一方でSiO₂は溶
接中、還元反応によって溶接金属中にSiを添加する作用
を有する。このため、溶接金属の800 〜600 ℃の冷却時
間が200 秒を超えるような大入熱溶接において、SiO₂や
Siが過剰にフラックス中に含ませると、溶接金属中のSi
量が増加して溶接金属の切欠じん性が劣化する問題があ
る。フラックス中のSiO₂は、けい砂等のSiO₂を含有する
鉱石又は合成物として添加するが、フラックスにFe−Si
等の合金を添加する場合もある。このような合金添加の
場合にはSiをSiO₂に換算し、SiO₂の総量として規定する
ものとした。このtotal SiO₂が５％に満たないと十分な
スラグの粘性を確保できず、良好なビード外観が得られ
ない。しかしながら20％を超えて含ませると溶接金属中
のSiが増加してじん性が劣化するばかりでなく、融点が
低下し、粘性が過剰となりビード外観が乱れるなどの不
都合がある。

【００１４】MgO ：15〜35％ MgO は融点が2700℃と高いためにフラックスに高耐火性
を与え、大入熱溶接においてビード形状を安定化する効
果があるだけでなく、スラグの塩基度を上げて溶接金属
中の酸素量を低減し、じん性を確保する上で有用な成分
である。しかし15％未満では十分な効果が期待できず、
一方35％を超えて含有させると融点が上昇しすぎてビー
ド外観が劣化する。

【００１５】CaCO₃ ：７〜14％ CaCO₃ は溶接中にCaO とCO₂とに分解し、このCO₂ガス
によって溶接部を外気からシールドするとともに溶接雰
囲気中の水素ガスの分圧を低下させるため、溶接金属中
への水素侵入を低減するのに有効である。またCaO は塩
基性成分であり、スラグの融点を上昇させ、じん性を向
上させる効果を持つ。しかしCaCO₃量が７％未満ではCO
₂によるシールド効果が少なく、耐水素割れ性が低下す
る。一方14％を超えるCaCO₃量ではCO₂の発生量が過剰
になり。ガスの吹き上げが激しくなり、溶接作業性が劣
化するとともに、ビード外観も劣化する。またスラグの
はく離性も害する。

【００１６】CaF₂：２〜10％ CaF₂は融点を上昇させずに塩基度を上げ得るので、溶接
金属の酸素量の調整に有効であるが、２％未満ではその
添加効果に乏しく、10％を超えて多量に添加するとスラ
グの粘性が低下し過ぎてビード外観が悪化する。

【００１７】Al₂O₃：４〜９％ Al₂O₃は、粘性を低下させずに融点を上昇させ得るの
で、融点の調整に有効に寄与するが、４％未満では粘性
の調整効果に乏しく、９％を超えるとスラグの融点が高
くなり過ぎて、ビード外観の劣化を招く。

【００１８】TiO₂：３〜10％ TiO₂はスラグに流動性を与え、スラグのはく離性を改善
するとともに、アーク空洞内で還元されて部分的にTiと
して溶接金属中に移行し、溶接金属のじん性を改善する
のに有効である。しかし３％未満ではその効果が乏し
く、10％を超えて添加してもこのような効果は増進せ
ず、むしろビード外観を害する。

【００１９】B₂O₃：0.7 〜２％ B₂O₃はアーク空洞内に還元されて部分的にＢとして溶接
金属中に移行し、オーステナイト粒界に偏析し、粗大な
粒界フェライトの生成を抑制するため、安価に溶接金属
のじん性を改善するのに有効である。しかし0.7 ％未満
ではその効果に乏しく、２％を超える量ではむしろ溶接
金属のじん性を害する。

【００２０】鉄粉：15〜35％鉄粉は、溶接入熱あたりの溶着量を増加させ、溶接能率
を向上させるために添加する。しかし15％未満ではその
効果に乏しく、35％を超える添加量ではビード外観が損
なわれる。

【００２１】Ti粉：0.5 〜3.0 ％ Ti粉をフラックス中に含有させることにより、溶接金属
中の酸素量を低減することができ、溶接金属の焼入れ性
が向上するためにじん性が向上する。溶接金属中の酸素
量を低減するためにはSiが用いられることもあるが、溶
接金属の800 〜600 ℃の冷却時間が200 秒を超えるよう
な大入熱溶接において、Siは切欠じん性をむしろ劣化さ
せるためにこの発明では積極的な使用ができない。その
ため溶接金属のじん性向上のためにより強力な脱酸剤で
ある金属Tiを添加する。Tiは脱酸後もTiO₂となり、溶接
金属中に分散し、溶接金属の組織を微細化する点でもじ
ん性向上に有効である。しかし0.5 ％に満たないとその
効果に乏しく、一方３％を超えるて添加すると溶接金属
中の酸素量が低下し過ぎて、むしろじん性を損なう。こ
の金属Tiは、Fe−Ti等の合金として添加することもでき
る。この発明における溶接用フラックス中のTiO₂とTi粉
との総量は、TiO₂に換算して４〜11％程度が好ましい。

【００２２】この他、Mn粉を、後述するように鋼ワイヤ
中のMn量との関係で所定の範囲内で含有させるものとす
る。さらに、通常フラックスに用いられるものは、添加
しても差し支えない。かような成分とてはBaO,アルカリ
金属酸化物（K₂O ，Na₂Oなど）があり、BaOは５％以下
の範囲で、アルカリ酸化物は合計５％以下の範囲でそれ
ぞれ含有させることができる。

【００２３】ワイヤ成分限定理由についてＣ：0.08％以下極厚鋼板の大入熱溶接においては、その溶接金属には凝
固過程において大きな収縮力がかかるため割れ感受性が
高くなる。そこで溶接金属の高温割れを防止するために
溶接金属中のＣ量を低くする必要がある。また大入熱溶
接では、溶接金属の冷却時間が長いために溶接金属中の
Ｃ量が高い場合にはＣのオーステナイト相への分配が進
み、溶接金属中にマルテンサント−オーステナイト相が
生成する。これがぜい性破壊の発生起点となりじん性が
劣化する。この発明の溶接法を適用しようとする鋼板
は、主としてJIS G3106 に規定されるような鋼板であ
り、そのＣ量は0.10〜0.18％が実勢である。ここに、こ
の発明の溶接方法では鋼板の希釈率４割、ワイヤのそれ
は４割であるので、溶接金属中のＣ量を0.12％以下の範
囲で生成するために、ワイヤのＣ量を0.08％以下と規定
するものである。

【００２４】Si：0.07％以下 Siは強力な脱酸剤であるが、溶接金属の800 〜600 ℃の
冷却時間が200 秒を超える大入熱溶接では、溶接金属中
のSiはじん性を著しく劣化させる。ワイヤのSi量が0.07
％を超えると溶接金属のじん性が劣化するためワイヤの
Si量を0.07％以下に規定するものである。

【００２５】フラックス中及びワイヤ中のMn量の限定理
由について溶接金属の800 〜600 ℃の冷却時間が200 秒を超える場
合、溶接金属の焼入れ性を非常に高めなければ、溶接金
属中に粗大な初析フェライトが大きく発達し、じん性が
劣化する。溶接金属のじん性向上には初析フェライトの
生成を抑制する必要があり、溶接金属の焼入れ性を十分
に確保する必要がある。ここに、Mnを、じん性及び引張
強度確保のため、焼入れ性向上成分として添加する。す
なわち、Mnは溶接金属の焼入れ性を安価に向上せさ、溶
接金属のじん性を向上させるのに有効である。一方低温
割れ防止の観点から溶接金属の強度が高くなり過ぎない
ような適正な範囲にMn量を調整することも必要である。
かような観点からMn量の範囲を規定するにあたり、この
Mnは、フラックス及びワイヤの双方から添加することが
できるので、鋼板のMn量との兼ね合いから溶接金属中に
含まれるMn量が1.6〜2.3 ％となるようにフラックス及
びワイヤ中のMn量を調整する必要がある。具体的には、
前述したJIS G3106 に記載された鋼板のMn量は、1.0 〜
1.5 ％が実勢であるため、ワイヤ中のMn量をａ（％）、
フラックス中のMn量をｂ（％）としたとき、次式 2.5 ≦ａ＋0.33ｂ≦4.3 （％）を満足するようにフラックスとワイヤ中のMn量を調整す
る必要がある。上式におけるａ＋0.33ｂの値が2.5 ％よ
り少なければ焼入れ性が不足して、溶接金属のじん性を
損ない、一方4.3 ％より高くなると、強度が高くなり過
ぎて、耐低温割れ性が低下する。より好適な範囲は、ａ
＋0.33ｂの値が3.0 〜4.0 ％の範囲である。

【００２６】このような組成になる溶接用フラックス及
び鋼ワイヤを用いた大入熱潜弧溶接法が有利に適用する
のは、溶接金属の800 〜600 ℃の冷却時間が200 秒を超
えるような大入熱の場合であり、すなわち溶接しようと
する厚鋼板の板厚が60mm以上であり、大入熱潜弧溶接が
少なくとも一の電極の溶接電流を2500Ａ以上とする３電
極以上の多電極１層溶接である場合である。ここに、少
なくとも一の電極の溶接電流が2500Ａに満たないと、溶
け込み不足、溶着量不足という不利が生ずるので溶接電
流は2500Ａ以上が好ましい。

【００２７】

【実施例】溶接母材としてJIS G3106 に規定されたSM49
0B相当であって表１に示す板厚及び組成になる鋼板を用
いた。かかる溶接母材の開先形状はＹ型で、各々の板厚
において板厚60mm：開先角度40°、ルートフェース10mm 板厚70mm：開先角度40°、ルートフェース12mm 板厚80mm：開先角度40°、ルートフェース13mm とした。

【００２８】

【表１】

【００２９】次に、溶接用ワイヤとしては、表２に示す
組成で線径6.4 mmのものを用いた。

【００３０】

【表２】

【００３１】さらに、溶接用フラックスとしては、表３
に示すものを用いた。表３において、No. １〜４はMnを
除いて本願発明の要件を満たすフラックスであり、No.
５〜11は要件を満たさないものである。

【００３２】

【表３】

【００３３】これらの溶接母材、溶接用ワイヤ及び溶接
用フラックスを用いた溶接の際しては、表４に示す条件
にて、３電極１層サブマージドアーク溶接を行った。な
お、３電極のうち先行電極をＤＣ電源、追行する残りの
２本の電極をＡＣ電源とした。なお、この条件で溶接し
た際の溶接金属の800 〜600 ℃における冷却時間を測定
し、その結果を表４に併記した。

【００３４】

【表４】

【００３５】このような溶接の後、溶接性を評価した。
その結果を表５に示す。この評価項目中、溶接作業性
（スラグの剥離性、ガスの吹き上げ）、ビード外観を観
察し、それぞれ目視によって判断して良否を○×で示
し、また、耐割れ性について溶接部の割れの有無を超音
波探傷によって判断して良否を○×で示した。さらに、
図１に示すように溶接金属部１から10mm，10mm，55mmの
Ｖノッチ付試験片２を切り出し、０℃における衝撃吸収
エネルギーを測定した。これらの評価に基づき、全般に
優れる場合を総合評価で○とし、劣る場合を×とした。

【００３６】

【表５】

【００３７】試料No. １〜６はこの発明に従う適合例で
あり、良好なじん性の溶接金属及び良好な形状のビード
を欠陥なくかつ作業性を損なうことなく得ることができ
た。これに対して、試料No. ７はフラックス中のtotal
SiO₂が過少でありビード外観が不良であった。試料No.
８はフラックス中の Al₂O₃が過剰でありビード幅が不均
一であった。試料No. ９はフラックス中のTiが添加され
ていないので靱性が不十分であった。試料No. 10はフラ
ックス中のCaCO₃が過剰でありガスの吹き上げが厳し
く、作業性が不良であった。試料No. 11はフラックス中
のMgO が過剰でありビード外観が不良であり、スラグ剥
離性も不良であった。試料No. 12はフラックス中のtota
l SiO₂が過剰であり、溶接金属のじん性が劣化した。試
料No. 13はフラックスなかのCaCO₃が過少であり水素割
れが発生した。試料No. 14はワイヤ中のSiが過剰であ
り、溶接金属のじん性が劣化した。試料No. 15はワイヤ
中のＣが過剰であり割れが発生するとともに、溶接金属
の靱性も劣化した。試料No. 16は溶接金属へのMnの添加
量が過剰となり、溶接金属の強度が高すぎ、耐割れ性が
低下した。試料No. 17は溶接金属へのMnの添加量が過少
となり、溶接金属のじん性が低下した。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明の溶接方法に
よれば、極厚鋼板の大入熱３電極１層サブマージドアー
ク溶接のように溶接金属の800 〜600 ℃の冷却時間が20
0 秒を超える場合であっても良好な溶接金属の切欠じん
性を得ることができるばかりでなく、良好な溶接作業性
とビード外観、及び溶接金属の良好な耐水素割れ性を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における衝撃試験片の切り出し領域を説
明する溶接部の断面図である。

【符号の説明】

１溶接金属部２Ｖノッチ付試験片３母材４裏当て金

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿山義也千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社千葉製鉄所内 (72)発明者山口忠政千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚鋼板に大入熱潜弧溶接を施すに際し、
溶接用フラックス及び溶接用ワイヤとしてそれぞれtota
l SiO₂：5 〜20wt％、 MgO ：15〜35wt％、 CaCO₃ ：7 〜14wt％、 CaF₂：2 〜10wt％、 Al₂O₃ ：4 〜9 wt％、 TiO₂：3 〜10wt％及びB₂O₃：0.7 〜2 wt％を含み、かつ
鉄粉：15〜35wt％及びTi粉：0.5 〜3.0 wt％に加えてMn
粉を含有するボンドフラックス並びにＣ：0.008 wt％以
下及びSi：0.007 wt％に加えてMnを含有する鋼ワイヤで
あって、これらボンドフラックス中のMn含有量ｂ（wt％）及び鋼
ワイヤ中のMn含有量ａ（wt％）が、次式 2.5 ≦ａ＋0.33ｂ≦4.3 （wt％）の関係を満足するものを用いることを特徴とする溶接金
属のじん性に優れる厚鋼板の大入熱潜弧溶接方法。
【請求項２】溶接しようとする厚鋼板の板厚が60mm以
上であり、大入熱潜弧溶接が少なくとも一の電極の溶接
電流を2500Ａ以上とする３電極以上の多電極１層溶接で
ある請求項１記載の方法。