JPH11123553A

JPH11123553A - 溶接継手構造

Info

Publication number: JPH11123553A
Application number: JP9287398A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hiraoka; 和雄平岡; Terumi Nakamura; 照美中村
Original assignee: IHI Corp; National Research Institute for Metals
Current assignee: IHI Corp; National Research Institute for Metals
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】軟化／硬化、靱性低下、割れ等を防止した高
強度で高品質な溶接継手構造を提供する。【解決手段】炭素当量が０．３８以下の低カーボン当
量で、結晶粒サイズ７μｍ以下の超微細粒組織の高強度
鋼の溶接継手構造であって、開先面でのアーク熱分布を
制御した消耗電極式アーク溶接されている構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、溶接継手
構造に関するものである。さらに詳しくは、この出願の
発明は、軟化や硬化、靱性の低下、溶接割れ等を防止し
た高強度で高品質の溶接継手を提供することのできる、
新しい溶接継手構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】従来、高張力鋼をアーク溶接
施工することによって構造体の強度向上を図ろうとする
場合には、溶接継手部に著しい硬化域（３００Ｈｖ以
上）が生じ、溶接割れが生じるという大きな問題があっ
た。そこでこのような問題を解決するために、低カーボ
ン当量・超微細粒組織化により高強度化された鋼（超鉄
鋼材料）の溶接により、構造体を高強度化することが考
えられている。一般の鋼材では、炭素当量が０．３８よ
り大きいが、アーク溶接（水素棒）を行うと割れが発生
すること、また、その組織の結晶粒の大きさは７μｍを
超えて２０μｍ程度であるが、これを７μｍ以下に微細
化すると強度が大きく向上するとの知識からみてこのよ
うに考えられている。

【０００３】しかしながら、実際には、低カーボン当量
・超微細粒組織の高強度化では、従来の大電流アーク溶
接施工を行うと、熱影響部が拡がり、微細粒組織が粗大
化して軟化域や継手の靱性低下を生じ、溶接継手性能が
得られない。つまり、前記の高強度鋼の溶接継手構造は
これまで全く実現されていないのである。このため、小
入熱化アーク溶接による母材溶融領域、母材組織変質領
域（熱影響部）の最小化が不可欠となる。

【０００４】だが、これまでのところ、このような方策
は具体化されていないため、依然として高強度鋼のアー
ク溶接による高強度で、高品質の継手構造は得られてい
ないのが実情である。そこで、この出願の発明は、従来
技術の問題点を解消し、軟化／硬化、靱性低下、割れ等
を防止した高強度で高品質な溶接継手構造を提供するこ
とを課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は上記の
課題を解決するものとして、炭素当量が０．３８以下の
低カーボン当量で、結晶粒サイズ７μｍ以下の超微細粒
組織の高強度鋼（超鉄鋼材料）の溶接継手構造であっ
て、開先面でのアーク熱分布を制御した消耗電極式アー
ク溶接されていることを特徴とする溶接継手構造（請求
項１）を提供する。

【０００６】また、この発明は、関連して、開先は１０
ｍｍ以下の超狭開先である溶接継手構造（請求項２）を
はじめ、アーク熱影響部の硬度は２５０Ｈｖ以下に抑え
られている溶接継手構造（請求項３）、多層で溶接され
ている溶接継手構造（請求項４）も提供する。さらにこ
の出願の発明は、上記構造について、消耗電極式アーク
溶接は、溶接ワイヤの送給速度に対して、相対的に溶接
ワイヤの溶融速度をアーク電流特性の変更により増減さ
せ、溶接ワイヤ溶融端でのアーク発生位置を変化させて
被溶接材開先面でのアーク熱分布の制御を可能とした溶
接である溶接継手構造（請求項５）も提供する。

【０００７】以上のとおりの特徴を有するこの出願の発
明の溶接継手構造においては、低カーボン当量・超微細
粒組織化によって高強度化された鋼材の溶接部の開先形
状を極端に狭開先化し、アーク熱を開先面の広範囲に分
散させることにより、高効率な大電流アーク溶接であり
ながら、開先面でのアーク熱密度分布を適切な小熱密度
化とすることができる。これによって母材溶融領域、母
材組織変質領域（熱影響部）を最小化し、またこの領域
でのアーク熱による温度履歴において急加熱・急冷却化
を図り、母材微細粒組織の粗大化を阻止する。これらの
効果によって、熱影響部での軟化域や靱性低下を防止す
ることができる。

【０００８】低カーボン当量・超微細粒組織高強度鋼を
従来の方法で大電流アーク溶接を行うと、アーク熱量に
より材組織変質領域（熱影響部）が拡がり、かつ温度履
歴においても冷却速度が遅くなる。このために低炭素当
量・細粒化鋼（超鉄鋼材料）の熱影響部では、微細粒組
織が粗大化し軟化域や継手の靱性低下を生じ、溶接継手
の高強度化がはかれない。

【０００９】また、従来の高張力鋼を超狭開先消耗電極
式アーク溶接施工する場合には、冷却速度が速いため、
溶接継手部に硬化域が生じ、溶接割れが生じる。一方、
この発明では、低カーボン当量・超微細粒組織高強度鋼
に、超狭開先消耗電極式アーク溶接法を適用し、アーク
電流波形により自在に母材開先面のアーク熱の分散度合
を制御し、熱影響領域を最小化するとともに、加熱・冷
却速度を最適化し、高品質な溶接継手を形成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明の高強度鋼においては、
Ｃ当量が０．３８より大きい一般鋼材ではアーク溶接
（中水素棒）を行うと割れが発生するのに対して、Ｃ当
量が０．３８より小さくして、割れの発生を抑え、しか
も予熱や後熱処理などを不要としている。

【００１１】この発明の高強度鋼、すなわち超鉄工材料
は、その成分の点では軟鋼とほぼ同様のもの等として考
慮することができる。主たる添加元素には、たとえばＳ
ｉ、Ｍｎがある。そしてより望ましくは、従来の高張力
鋼のようなＮｉ、Ｃｒの添加をひかえて、低炭素当量化
を果たしているものとする。また、一般の鋼材の結晶粒
サイズは１０〜２０μｍであり、結晶粒サイズを小さく
すると強度が向上することが知られており、たとえば結
晶粒サイズを制御したＴＭＣＰ鋼では強度が５００〜６
００ＭＰａに高められている。しかし、従来ではそのア
ーク溶接は困難であった。その理由は、微細粒組織が溶
接継手部では保存されておらず、軟化領域が熱影響部に
発生するからであった。もちろんこの軟化領域の発生が
継手強度に影響しないように、種々の工夫がなされてい
る。たとえば軟化領域が継手板表面から裏面に一直線に
つながらないように、Ｉ型開先を避けてＸ開先にする等
の工夫である。

【００１２】しかし、これらの工夫にもかかわらず、そ
の効果は必ずしも充分でなく、実施作業も面倒であっ
た。一方、この発明では、このような問題は無縁であっ
て、この発明による溶接構造では結晶粒サイズを７μｍ
程度に制御したＴＭＣＰ鋼でも大きな効果を得ている。
そこで、結晶粒サイズを７μｍ以下としている。

【００１３】また、開先幅については１５〜１０ｍｍ狭
開先や通常の開先（Ｕ開先、Ｖ開先）であってもよく、
特に開先幅１０ｍｍ以下の超狭開先では効果が大きい。
開先消耗電極式アーク溶接については、以下の態様とし
て実施することができる。すなわち、溶接ワイヤの送給
速度に対して、相対的に溶接ワイヤの溶融速度をアーク
電流特性の変更により増減させ、溶接ワイヤ溶融端での
アーク発生位置を変化させて被溶接材開先面でのアーク
熱分布の制御を可能としている。

【００１４】この方法は、発明者らによる詳しい検討か
ら得られた、安定した効率的な溶接と、劣化のない組織
保存型の溶接を可能とするためには被溶接材の開先面で
の最適なアーク熱の分布を得ることが欠かせないのであ
って、そのためには、溶接ワイヤの溶融速度をアーク極
点の挙動範囲とその移動速度との関係においてコントロ
ールすることが重要であるとの知見、そして、より具体
的には、アーク極点に係わるワイヤ端の位置に関して
は、溶接ワイヤ端の上下振幅幅は基本的に変動電流波形
の周波数、電流波形の最大電流と最低電流の比率に依存
し、さらには、溶接ワイヤ端の移動速度は時間に対する
電流変化（電流波形勾配）に強く依存するとの知見に基
づいて確立されている。

【００１５】つまり、母材の開先面での最適アーク熱の
分布を得るために、溶接ワイヤの送給速度に対して、相
対的に溶接ワイヤの溶融速度を、前記のような、アーク
電流特性の変更によって増減させることによって、従来
法のように、機械的オシレートを加えることなしに、ア
ーク極点（アーク電流の通電点）の挙動範囲、すなわち
アーク電流通電領域ならびにその移動速度を制御するこ
とに大きな特徴がある。

【００１６】そして、このことは、アーク溶接における
熱影響部（ＨＡＺ）領域幅、すなわち、ボンド部から熱
影響部−母材境界までの距離の制御の観点からの熱伝導
理論を駆使しての発明者による新しい着想に基づいても
いる。より具体的には、移動線熱源（ｒ＝０）の準定常
状態で最高到達温度が融点（Ｔｆ）となる位置（ｒｆ：
溶融幅）、および、Ａｃｌ（Ｔｍ）となる位置（ｒｍ：
熱源からＨＡＺ母材境界までの距離）を求め、その比ｒ
ｍ／ｒｆをとると、溶接速度がある程度高速であれば、
この比は材料物性値によってのみ決定される定数とな
る。

【００１７】例えば、鋼材のｒｍ／ｒｆの値は、約２と
なる。この結果は、ＨＡＺ幅（ｒｍ−ｒｆ）と溶接幅
（ｒｆ）がほぼ等しくなることを意味しており、溶融幅
をできるだけ狭めることが、ＨＡＺを狭隘化することに
つながることを示している。すなわち溶け込み幅を電子
ビームやレーザビーム溶接のように狭隘な溶込みが得ら
れないアーク溶接において、密着突合わせ継手を溶接す
ることは、ＨＡＺ幅を狭隘化するのに最適な手法ではな
く、開先間隙を有する継手を使用し、開先壁にアーク熱
分布を分散させてそこでの熱密度を最小化し、母材を僅
かに溶融する手法が有効である。

【００１８】そこで、一定溶接ワイヤ送給速度に対して
相対的に溶接ワイヤ溶融速度を増減させることによって
溶接ワイヤ溶融端（アーク発生主点）を開先内に侵入さ
せると同時に、板厚方向へ揺動させようとする考えが導
かれたのである。まずこの基本を図１に沿って説明す
る。直流アーク溶接では、図１に例示したように、溶接
ワイヤの送給速度が一定であるとすると、溶接ワイヤに
大電流が流れると、溶接ワイヤが溶融して、溶接ワイヤ
端がＡ１からＡ２に上昇する。

【００１９】そして、Ａ２に達した後にアーク電流を低
下させると、溶接ワイヤの溶融量が少なくなり溶接ワイ
ヤ端がＡ３まで下がることになる。Ａ２は板厚や溶接施
工のパス数により最適値を決めることができる。たとえ
ば板厚２０ｍｍの２パス溶接ではＡ２を１０〜１５ｍｍ
に設定することができる。Ａ２に達した後にアーク電流
を低下するとワイヤの溶融量が少なくなりワイヤ幅がＡ
３まで下がる。Ａ３点で溶込を確保するためにＡ３点の
位置を保持する。このようにワイヤ端をＡ１−Ａ２−Ａ
３と移動させることによりアークの極点によるアーク熱
の分散化を行い、併せてＡ３点でのアーク熱の集中化を
可能とする。この時アークの極点がＡ１−Ａ２−Ａ３と
移動することにより開先内壁面の溶融領域もＡ１−Ａ２
−Ａ３と移動し開先内面でのアーク熱の分散化が可能と
なる。同様にして板厚７０ｍｍ等の板の溶接も可能とな
る。

【００２０】交流アーク溶接においては、図２に示した
ように、溶接ワイヤの溶融量が少ないワイヤ陽極のとき
にはワイヤ端がＡ１位置にあり、溶融量の多いワイヤ陰
極のときにはＡ２位置に上昇する。この後に再びワイヤ
陽極にするとワイヤ端がＡ３まで下がる。上記と同様に
ワイヤ端をＡ１−Ａ２−Ａ３と移動させることによりア
ークの極点によるアーク熱の分散化を行うことができ
る。

【００２１】これにより、１０ｍｍ以下の狭開先溶接で
あっても可能となる。従来に比して少数層での高効率溶
接が実現される。同時に、アーク熱密度を大きく低下さ
せることができ、熱変形を抑制できる。またＡ３位置で
アーク熱の集中度を高めるような電流波形制御すること
により安定な裏波溶接が可能となる。さらに、溶接継手
形状によっては板の表面に熱を集中させる必要がある。
また、この発明の方法では、直流、交流のいずれにおい
ても電流波形を適切に選ぶことによりＡ２での位置を保
持して表面に熱を集中させ、止端部の形状制御すること
も可能である。さらに、狭開先継手ではビード中央にな
し型割れが生じることがある。このような割れが発生す
る可能性があればＡ２点近傍で入熱量を多くすることも
可能である。

【００２２】この発明の方法においては、アーク溶接の
消耗電極方式が採用される。フラックス入り溶接ワイヤ
を用いる場合には、フラックス成分によって、母材開先
壁と溶解金属のぬれ性の向上による溶接欠陥発生防止、
極点挙動の制御性の向上によるアーク熱密度分布の高精
度化、溶接ワイヤ陰極時の溶接ワイヤ溶融速度向上によ
る交流アーク時の揺動範囲拡大などが可能であり、この
発明の溶接法の安定性および制御性が一層高まる。

【００２３】また、この方法では、変形を抑制するの
で、これと関連する残留応力低減化を可能とする。そし
て、この方法は、耐熱鋼、高張力鋼の溶接に好適に適用
されるものであって、具体的にこの発明の低カーボン当
量溶接継手として、Ｃ当量０．３８以下のものにも適用
される。Ｃ当量が０．３８より大きい従来の一般鋼材で
は被覆アーク溶接を行うと割れが発生してしまい、Ｃ当
量が０．３８より小さくなると予熱や後熱処理などが不
要となる。また、超微細組織化高強度鋼の溶接継手の性
能として、その結晶粒サイズが７μｍ以下のものが考慮
される。一般の鋼材の組織は１０〜２０μｍであり、結
晶粒サイズを小さくすると強度が向上する。その結晶粒
サイズを７μｍ程度に制御したＴＭＣＰ鋼では、強度が
５００〜６００ＭＰａに高められる。

【００２４】もちろん、この発明においては、開先幅１
５〜１０ｍｍ狭開先や、通常の開先（Ｕ開先、Ｖ開先）
に対しても有効である。特に開先幅１０ｍｍ以下の超狭
開先では、その効果が非常に大きい。前記溶接の方法
は、ＭＩＧ、ＭＡＧと言うＧＭＡ溶接等の消耗電極式の
アーク溶接の各種の態様として実施可能であり、ＧＭＡ
溶接用ガスについても従来と同様のものでよく、また、
溶接ワイヤは特にその種類が限定されるものでなく、こ
の発明において、所要の継手強度が得られる適切な組成
品や市販品等が使用される。

【００２５】以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発
明について説明する。

【００２６】

【実施例】板厚２０ｍｍの開先幅５ｍｍのＩ型狭開先に
おいて、大電流時６００Ａを０．０６秒、小電流時２５
０Ａを０．３秒、平均アーク電流３００Ａの溶接施工条
件において直流アークＭＡＧ溶接を行った。その結果、
図３に示したように、溶込み深さ１０ｍｍ、溶融継手部
の幅６ｍｍ、熱影響部幅、すなわちボンド部から熱影響
部−母材境界までの距離１ｍｍで２層の高効率溶接が可
能となった。また、板厚７０ｍｍまでこの手法の適用が
可能であった。

【００２７】

【発明の効果】この発明により、低カーボン当量・超微
細粒組織高強度鋼と超狭開先消耗電極式アーク溶接方法
を組合せ、狭隈な熱影響領域の形成、ならびに溶接割
れ、軟化／硬化領域の発生防止し、高強度で高靱性な高
品質溶接継手性能が得られる。これによって溶接構造体
の高強度化や長寿命化を図れる。

【００２８】また、溶融部幅と熱影響部幅が狭いので溶
接変形が極めて少なく、残留応力も低減できる従来の厚
板高張力鋼溶接施工における予熱、後熱の必要がなくな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】直流アーク溶接時の溶接ワイヤ位置と電流の関
係を示した概略図である。

【図２】交流アーク溶接時の溶接ワイヤ位置と電流の関
係を示した概略図である。

【図３】実施例の結果を示した断面図である。

【符号の説明】

１溶接電源２溶接トーチ３溶接ワイヤ４被溶接物（狭開先継手）５溶接アーク６溶接金属

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素当量が０．３８以下の低カーボン当
量で、結晶粒サイズ７μｍ以下の超微細粒組織の高強度
鋼の溶接継手構造であって、開先面でのアーク熱分布を
制御した消耗電極式アーク溶接されていることを特徴と
する溶接継手構造。
【請求項２】開先は１０ｍｍ以下の超狭開先である請
求項１または２の溶接継手構造。
【請求項３】アーク熱影響部の硬度は２５０Ｈｖ以下
に抑えられている請求項１または２の溶接継手構造。
【請求項４】多層で溶接されている請求項１ないし３
のいずれかの溶接継手構造。
【請求項５】消耗電極式アーク溶接は、溶接ワイヤの
送給速度に対して、相対的に溶接ワイヤの溶融速度をア
ーク電流特性の変更により増減させ、溶接ワイヤ溶融端
でのアーク発生位置を変化させて被溶接材開先面でのア
ーク熱分布の制御を可能とした溶接である請求項１ない
し４のいずれかの溶接継手構造。