JPH08136530A - 溶接金属の材質予測法 - Google Patents

溶接金属の材質予測法

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JPH08136530A
JPH08136530A JP6278982A JP27898294A JPH08136530A JP H08136530 A JPH08136530 A JP H08136530A JP 6278982 A JP6278982 A JP 6278982A JP 27898294 A JP27898294 A JP 27898294A JP H08136530 A JPH08136530 A JP H08136530A
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Tomoaki Ikeda
友彰 池田
Shuichi Suzuki
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 種々の組成、板厚を有する鋼管に対してサブ
マージアーク溶接を行った場合においても、目標とする
低温靱性および強度を有する溶接金属を安定して得られ
る技術を開発する。 【構成】 複数の電極を使用してサブマージアーク溶接
法にて鋼材の溶接を行う際に、母材の成分、ワイヤフラ
ックスの成分、ならびに溶接電流、電圧、および速度か
ら溶接金属の組成割合を予測し、さらにその予測値、板
厚および入熱量から溶接金属の強度および靱性を予測す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶接金属の材質予測
法、特にパイプラインに一般的に使用される種類の高強
度低合金鋼管をサブマージアーク溶接する場合における
溶接金属の組成割合、ならびに溶接金属の強度および靱
性を予測する方法に関する。本発明によれば、目標とす
る低温靱性と強度を有する溶接金属を安定的に得ること
ができる。
【0002】
【従来の技術】ガスおよび油の陸上輸送用に使用される
ようなラインパイプの溶接は、従来より複数の電極を使
用してサブマージアーク溶接法によってなされてきた。
このサブマージアーク溶接においては、ワイヤおよびフ
ラックスの化学組成を適当に選んで溶接金属の化学組
成、機械的性質等を母材と類似するようにすることは、
良く知られている。
【0003】ところで、ラインパイプのサブマージアー
ク溶接における溶接金属は、高強度と高靱性の双方がバ
ランス良く確保されることが要請されるが、ワイヤと母
材との溶融、凝固という形でつくり出される溶接金属
は、特に高靱性の確保が難しく、このため従来より靱性
向上に効果のある金属元素を添加したワイヤの使用や、
溶接金属の低酸素化が図られてきた。
【0004】しかしながら、異なる板厚および組成の鋼
管を溶接する際、それぞれに対して性能を満足するよう
な特定のワイヤをその都度、複数のワイヤから選択する
ことは困難であった。
【0005】なお、ワイヤ選択に関する従来技術として
は、特開昭61−147990号公報に記載された発明がある
が、この場合、高張力鋼用としてワイヤの成分を数式に
よりある範囲をもって規定しているため、これをもって
具体的組成の高張力鋼の溶接金属の材料を特定すること
はできない。常にある範囲をもって予測されるため、実
施に当たっては試行錯誤によってその都度最適値を求め
る必要がある。換言すれば、それだけ操業度の自由度は
ないことになる。
【0006】また、溶接金属の成分を規定した発明とし
ては、特開昭57−22895 号公報の開示する発明がある
が、これは溶接後、得られた溶接金属に熱処理を行い性
能を向上させようとするのであって、換言すれば、溶接
のままの状態では所定の性能を確保できないことを意味
する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、種々の組成および板厚を有する鋼管に対してサブマ
ージアーク溶接を行った場合においても、目標とする低
温靱性および強度を有する溶接金属を安定して得られる
技術を開発することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的達成のために種々検討を重ねた結果、板厚および溶
接条件の異なる鋼管に対して性能を安定的に確保するた
めには、溶接金属の成分を予測し最適なワイヤを選定す
ることが必要となり、溶接金属の組成割合と溶接金属
の強度・靱性を予測することが重要であり、そのために
は、母材成分、ワイヤ成分、フラックス成分そして溶接
条件から溶接金属成分を予測する際に、母材からの希釈
量、ワイヤからの供給量、そして溶接金属−スラグ間の
反応による変化の3つの要素の和として捉えることで上
記目的が達成されることを知り、本発明を完成した。
【0009】すなわち、本発明の要旨とするところは、
複数の電極を使用してサブマージアーク溶接法にて鋼材
の溶接を行う際に、母材の成分、ワイヤおよびフラック
スの成分、ならびに溶接電流、電圧、および速度に基づ
いて、母材からの希釈量、ワイヤからの供給量、そして
溶接金属−スラグ間反応量の3つの要素の和として溶接
金属の組成割合を予測する方法である。
【0010】さらに、本発明は、溶接金属の前記組成割
合の予測値に基づき、板厚および入熱量から溶接金属の
強度および靱性を予測することで、目標とする強度およ
び靱性を満足する溶接金属を形成する方法である。
【0011】なお、金属材の材質の予測技術としては特
開平5−87800 号、同5−93720 号の各公報に開示され
たものがあるが、この場合は鋼板製造時における加熱温
度、圧延条件、成分等の圧延条件から圧延後の組織を予
測し、鋼板の性能を予測するものであり、溶接金属の材
質予測を行う際に、圧延により得られる厚鋼板の材質予
測と同一のパラメータを適用することはできない。
【0012】
【作用】ここで、図1を参照しながら、本発明の作用に
ついてさらに具体的に説明する。本発明によれば、母材
成分1、ワイヤ成分3、フラックス成分7および溶接条
件2から溶接金属成分11を予測する。
【0013】まず、これらのデータに基づいて、それぞ
れ溶接金属の成分を母材からの希釈量8、ワイヤからの
供給量9および溶接金属−スラグ間の反応量10の3つ要
素を求め、それらの和として溶接金属成分11を予測する
のである。
【0014】次いで、このようにして得られた溶接金属
成分11にさらに、溶接条件2のうち板厚と入熱の項を考
慮し、溶接金属の強度および靱性予測値13を予測するの
である。
【0015】従って、上記二点を組み合わせることによ
り、任意の母材成分1、ワイヤ成分3、フラックス成分
7および溶接条件2に対して、それぞれ溶接金属の強度
および靱性予測値13の予測が可能となる。
【0016】さらに、このようにして得られた溶接金属
強度および靱性予測値13が目標値に満たない場合は、さ
らに他の条件にて同様の計算を行うことにより、目標性
能を満足する溶接金属を得ることが可能となるまで同様
の操作を繰り返すのである。
【0017】以下、各操作について具体的に説明する。
まず溶接金属の成分予測について説明する。溶接金属の
成分11は、母材からの希釈量8、ワイヤからの供給量9
および溶接金属−スラグ間の反応量10の3つの反応によ
り決定される。従って、その溶接金属成分の予測も、下
記式(1) のように、母材の希釈量8、ワイヤからの供給
量9および溶接金属−スラグ間の反応量10の和で示すこ
とが可能である。
【0018】 (溶接金属成分11) = (母材からの希釈量8) + (ワイヤからの供給量9) + (溶接金属−スラグ間の反応量10) ・・・(1) (1) 母材からの希釈量8:溶接時には、溶接入熱により
母材の溶融が起こるため、溶接金属成分11は、母材成分
1および母材の希釈率に左右される。ここで母材の希釈
率は溶融した母材量/溶接金属量 (溶接金属量:溶融し
た母材量+消耗したワイヤ量) で定義され、溶融する母
材の量は溶接熱として供給されるエネルギーに比例す
る。従って、溶接時の電流・電圧条件から母材の希釈率
予測モデル4を作成し、母材成分1とを組み合わせるこ
とにより母材からの希釈量8が計算される。例えば、母
材の希釈率の予測モデルは一般的には次式(2) で表わす
ことができる。
【0019】
【数1】
【0020】α :希釈率 (%) Ii :i電極目の電流値 (A) Vi :i電極目の電圧値 (V) V :溶接速度 (cm/min) a, b:係数。
【0021】(2) ワイヤからの供給量9:サブマージア
ーク溶接は、複数の消耗式ワイヤを使用する溶接方法で
あるため、溶接金属成分は消耗したワイヤ量に依存す
る。ワイヤから供給される成分は、溶接金属量が溶接電
流に比例することから、複数の電極を持つサブマージア
ーク溶接にて溶接を行う場合、溶接金属中に含まれるそ
れぞれの成分は、各電極の溶接電流に比例する。従って
ワイヤからの供給量9は、ワイヤ成分3、各電極の電流
2および前述の母材の希釈率によって決定され、ワイヤ
からの供給量9が算出される。一般的に溶金中の成分量
は次式にて予測される。
【0022】
【数2】
【0023】Wi A :i電極目のA成分量 (wt%) Ii :i電極目の電流値 (A) Ij :j電極目の電流値 (A) 。
【0024】(3) 溶接金属−スラグ間の反応量10:Mnや
Siのような脱酸元素では、フラックスおよびスラグと溶
接金属間で元素の移動が起こるため、上記2項目のみで
は予測値と実測値との差が大きくなってしまう。そこ
で、フラックスおよびスラグと溶接金属との反応を考慮
する必要がある。ここで、フラックスとスラグの反応に
より最終的に溶接金属に含まれる成分量は、フラックス
から混入する成分量とスラグへ流出する成分量の差とし
て定義される。溶接金属中へ流入するMn、Si等の脱酸
は、使用するフラックスの成分およびスラグ成分に依存
する。さらに溶接条件により生成するスラグ重量および
溶接金属量が変化することで、溶接金属中への流入量が
変化する。
【0025】従って、これらの知見に基づき溶接条件2
から生成溶接金属重量予測モデル5および生成スラグ重
量予測モデル6を作成し、これらとフラックス成分7よ
り溶金−スラグ間の反応量10を算出した。溶金−スラグ
間の反応量10は以下の式により予測される。
【0026】
【数3】
【0027】MS :溶接単位長さ当たりのスラグ生成量 MW :溶接単位長さ当たりの溶接金属生成量 FA :フラックス中のA成分量 (wt%) SA :スラグ中のA成分量 (wt%) 。
【0028】ここで、MS 、MW は溶接電流、電圧およ
び速度から予測可能であるがFA −SA 量は使用するフ
ラックスの種類に依存する。そこで、使用するフラック
スに対し、それぞれFA −SA 値と溶接入熱との関係を
測定し、予測が可能となった。
【0029】式(1) にしたがって上記3項目をまとめる
と、母材からの希釈量8、ワイヤからの供給量9および
溶金−スラグ間の反応量10の和として溶金成分予測値11
を求めることが可能となった。
【0030】次に、この上記予測方法に基づき予測し
た、溶接金属成分の予測値11を用いて、溶接金属の強度
および靱性を予測する。一般に溶接金属の強度および靱
性は、溶接金属の焼入性と冷却速度によって変化するこ
とが知られており、焼入性は溶接金属成分に、また冷却
速度は母材の板厚および溶接入熱に依存する。従って、
溶接入熱および板厚2から溶接金属の強度・靱性予測モ
デル12を作成し、溶接金属の強度および靱性予測値13を
算出する。この強度・靱性予測値と目標値との比較14を
行い、得られた溶接金属が目標性能を満足するか否かの
判断を行う。
【0031】ここで、作成した強度・靱性予測モデル12
は、過去の生産実績から以下のようにして多重回帰によ
り予測式を得た。 強度・靱性予測モデル:
【0032】
【数4】
【0033】ai 、b、c:係数 Wi :溶金中i番目の成分量 (wt%) H :入熱 (kJ/mm) h :板厚 (mm) 。
【0034】以上溶接金属の成分予測方法についての考
え方を述べてきたが、この方法を用いることにより、任
意のワイヤ組み合わせに対して溶接金属の成分および溶
接金属強度・靱性を予測することが可能となる。またさ
らに、溶接実施以前にこれらを予測することにより、目
標の溶接金属強度および靱性を満足しない場合は他のワ
イヤ組み合わせにより同様の予測を行い、最適なワイヤ
組み合わせを決定することが可能となるため、常に目標
強度および靱性を満足する溶接金属を形成することが可
能となる。
【0035】
【実施例】次に、この発明の実施例について説明する。
表1に示すような2種類の成分の鋼板に対して、それぞ
れ5種類の板厚のものを用意しこれを母材とし、サブマ
ージアーク溶接を実施した。それぞれの板厚に対する溶
接条件は表2に示す通りであり、ワイヤは表3に示す成
分のものを用いた。またさらにフラックスは、表4に示
すものを用いた。表5に溶接後、溶接金属の成分、強度
およびシャルピー吸収エネルギーを測定し、上記予測方
法との比較を行った結果を示す。この結果、いずれの条
件においても溶接金属および強度・靱性は予測値と実測
値とはよい一致を示し高い精度で予測できたことがわか
る。ここで、溶接金属の成分および強度・靱性の予測は
図1に示す方法で行った。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
【表3】
【0039】
【表4】
【0040】
【表5】
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、溶
接金属の成分を予測することにより目標とする強度靱性
をともに確保した好ましいバランスを持つ高強度高靱性
溶接金属を的確に予測、形成することができるものであ
り、もって本発明は、工業的に効果の大きい発明であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶接金属の成分および強度・靱性の予測手順を
示すフローチャートである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の電極を使用してサブマージアーク
    溶接法にて鋼材の溶接を行う際に、母材の成分、ワイヤ
    およびフラックスの成分、ならびに溶接電流、電圧、お
    よび速度に基づいて、母材からの希釈量、ワイヤからの
    供給量、そして溶接金属−スラグ間反応量の3つの要素
    の和として溶接金属の組成割合を予測する方法。
  2. 【請求項2】 溶接金属の前記組成割合の予測値に基づ
    き、板厚および入熱量から溶接金属の強度および靱性を
    予測することで、目標とする強度および靱性を満足する
    溶接金属を形成する方法。
JP6278982A 1994-11-14 1994-11-14 溶接金属の材質予測法 Expired - Lifetime JP2850773B2 (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002178147A (ja) * 2000-12-11 2002-06-25 Kobe Steel Ltd 溶接金属の簡易特性予測方法および溶接施工条件決定法
JP2019150846A (ja) * 2018-03-02 2019-09-12 トヨタ自動車株式会社 溶接方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002178147A (ja) * 2000-12-11 2002-06-25 Kobe Steel Ltd 溶接金属の簡易特性予測方法および溶接施工条件決定法
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