JPS62114796A - 高靭性溶接金属の得られる潜弧溶接方法 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は高靭性溶接金属の得られる潜弧溶接方法に係
り、詳しくは５０キロ〜８０キロ高張力鋼の厚鋼板の多
層盛溶接を行った場合、溶接のままあるいは応力除去焼
鈍（以下ＳＲという）後の状態において、高靭性溶接金
属をうるための潜弧溶接方法に関するものである。

（従来の技術） 最近、各種の石油掘削用の海洋構造物が多く製作されて
きているが、石油資源の枯渇化の傾向とともに北海及び
北極海の寒冷地向のものが多くなうつつある。また、そ
れら構造物の形式も多岐にわたり、かつ大型化する趨勢
にある。このような寒冷地向の大型化、厚板化する石油
掘削用海洋構造物の設計にあたりては、より軽量で、か
つ安全性の高いものが考えられており、鋼材及び溶接部
は高張力化とともに低温における、脆性破壊に耐えるよ
う高靭性のものが要求される。一般に鋼材及び溶接部は
高強度になる程、靭性が低下する傾向にあり、とくに厚
板になシ脆性破壊を考慮して行われるＳＲ処理が溶接部
に加えられると溶接金属の靭性は低下する傾向が大きく
、最近の厳しくなりつつある靭性要求値〔シャルピー衝
撃値（ｖＥ値）及びＣＯＤ　［］を満足させることは困
難になってきている。とくに鋼材成分には厚板化、高張
力化あるいは高靭性化の目的でＮ１．Ｃｒ、Ｍｏ及びＣ
ｏや微量添加成分であるＶ　＋Ｎｂが添加される傾向に
あり、これらの合金成分が加わった鋼材を溶接する場合
、溶接金属中へも希釈されて入りてくるため、前記ＳＲ
処理〈よる溶接金属の靭性低下はますます大きくなる。

このような母材中にふくまれる各種合金元素の悪影響を
少なくする目的でこれまでに特開昭５８−６１９７１号
公報にみられるような手段が考えられているが、それら
はいず汎も特別な方法であり、広く一般的に受は入れら
れないという問題がある。

また、溶接のままあるい＃ｉＢＲ後の潜弧溶接金属の低
温靭性を上げるための成分的手段としては特公昭５２−
９０６号公報、特開昭５４−８７６４８号公報にみらｎ
るようなＴｉ−Ｂｔ−溶接金属中に含有せしめて、ミク
ロ組織を、微細なアシキュラー７工ライト組織にして高
靭性を得る方法は広く公知になっている。また、特開昭
５７−３９０９１号公報にはＴ１を含有し、酸素量及び
窒素量を限定した潜弧溶接金属が開示されているが、−
４０℃〜０℃の温度での靭性が問題とされておシ、−６
０℃穆度で高靭性（ｖＥ値とＣＯＤ値）をうるには十分
ではない。すなわち、板厚６０ｍ程度の溶接のまま及び
ＳＲ後のｖＥ−６０℃値５．６に９ｆ−ｍ以上、ＣＯＤ
値−３０℃０．２ｍ以上というような要求値を十分満足
させる本のは前記知見からはうることはできなかった。

即ち、従来、ＴＩ−Ｂ系溶接金属の高靭性化機構はＴ１
の添加によってオーステナイト粒内に微細なアシキュー
フェライトが主にＴＩＯを核として生成されること、ま
たオーステナイト粒界の初析フェライト生成がＢの粒界
偏析により抑えられることから溶接金属全体が均一な微
細なアシキューフェライト組織となりで高靭性が達成さ
れるものと考えられているが、この場合、ＴＩ及びＢは
たとえば溶接金属中にＴ１０．０２％、Ｂ０．００５％
程度含まれた場合がもっともその効果がえられることが
わかりている。

しかし、強度レベルの高いかつＳＲされた多層盛溶接金
属になるとそれらのＴＩ及びＢ添加量は多すぎて有害に
働いていることがあきらかとなった。

すなわち、その量は必要最小限の添加量にする必要があ
る。まずＢの初析フェライトの抑制効果は他のＣｒ、Ｍ
０．Ｎ１．Ｍｎなどの合金元素の初析フェライト抑制効
果を出来るだけ利用し、Ｂを出来るだけ少なくする、す
なわちＢ添加量は極力低くするのが、高靭性を得るのに
必要であり、過剰Ｂは溶融凝固した一次晶粒界に、他の
合金元素とともに偏析し易く、ＳＲ後の多層盛溶接金属
の柱状晶の残った部分の靭性をとくに劣化させる。また
、Ｔｉ量についてもアシキュラーフェライトの生成核で
あるＴＩＯ酸化介在物をつくるのに必要最小限にする必
要があり、過剰なＴＩは、Ｎｂ　、　Ｖや他の合金元素
と共存してＳＲによる強い析出硬化脆性を示すため、Ｓ
Ｒ後の多層盛溶接金属の再熱微細化部及び柱状晶残留部
いずｎもの靭性をも大きく劣化させる。

とくに、これら、過剰のＴＩ　、　Ｂ及びＮによる脆化
傾向は厚板Ｘ開先を多層盛溶接する際、その表、裏側溶
接の会合部近傍の母材合金成分が希釈して入り易い箇所
において著しく、最も脆化した部分がクラックの発生点
となるといわれるＣＯＤ試験において低値を示す主因と
なる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は以上述べたような５０〜８０キロ級高張力鋼の
厚板多層盛溶接金属の靭性を改善する潜弧溶接方法を提
供しようとするものであって、とくに、溶接のまま（以
下、ＡＷ）及びＳＲ後両方の条件において高いンヤルピ
ー衝撃値（−６０℃）及び場合によりては良好なＣＯＤ
値（〜−３０℃）を確保できる潜弧浴接方法を提供する
にある。

（問題点を解決するための手段） 発明者らはこれらの目的を達成するための潜弧溶接材料
をワイヤ及びフラックス成分両面から詳細に検討した。

主合金成分であるＣ、８１．Ｍｎ。

Ｎｌ　、　Ｃｒ　、　Ｍｏ　、　Ｃｕはもとよりとくに
靭性との関与が大きい微量成分であるＴｉ　ｔ　Ｂ　ｔ
　Ｎ２等について、また溶接金属の靭性に基本的に影響
を及ぼしている酸素量を支配するフラックス塩基度につ
いて総括的な実験を行い検討した結果、フラックスの塩
基度の最低値の確保とともにワイヤ中に焼入性を高める
成分であるＮ１．Ｃｒ、Ｍ０．Ｃｕのうちすくなくとも
１種以上をある一定量以上含有させかつワイヤからのＮ
２量、又フラックスからのＴｉ量、フラックス又はワイ
ヤからのＢ量を必要最小限の範囲で含有させることによ
り、極めて高靭性の多層盛溶接金属が得られることが明
らかとなりた。特に、この場合、溶接金属中のＮ２及び
０量もこのＴＩとＢ量とともに、関連して低くすること
により、従来強度が高くなる程Ｓａ後の多層盛溶接金属
の靭性が大きく低下すると考えられていたものがＳＲ後
、低下のほとんどない高靭性溶接金属が得られることが
あきらかとなった。

即ち本発明は５０キロ〜８０キロ級の高張力鋼ｔ−溶接
するに当たり、重量％でＣＯ，１５％以下、８１０．４
０％以下、Ｍｎ　０．６０　％　〜２．１０％、Ｎ２０
．００４５チ以下、Ｂ０．００１９％以下含有し、さら
にＮｉ３．８％以下、Ｃｒ０．８０％以下、Ｍｏ０．４
０％以下及びＣｕ　１．２０％以下のうち少なくとも１
種以上を下記（４）式で０．２％以上含有し、残部は不
可避的不純物成分及びＦａを含有するワイヤと下記（Ｂ
）式による塩基度が１．３０以上で、かつ、下記（Ｃ）
式で０．２０−０．７０％のＴＩを含有するフラックス
とを用い、さらにワイヤもしくはフラックスの少なくと
も一方にＢもしくはＢ化合物を下記（Ｄ）式で０．００
１０チ〜０．００３０チのＢを含有することを特徴とす
る高靭性溶接金属の得られる潜弧溶接方法である。

但し、 Ｍｏ％＋０．３　（Ｎｉ％＋Ｃｕ％）＋０．８Ｃｒ％　
　　　−囚ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＢａＯ＋　ＣａＦ２＋Ｎａ
　２０　＋　Ｋ２０＋＋ＭｎＯ、、、（Ｂ。

ｓｔｏ□＋１，４（ＴｉＯ２＋ＡＡ２Ｃ，）（但し、各
成分は重量％） （但し、各成分は重ｔ％） （但し、各成分は重量％） 以下、本発明の詳細な説明する。

（作　用） まず、ワイヤの成分限定理由について述べる。

Ｃは強力な脱酸性成分であり、また焼入性を上げる成分
であり、溶接金属中の酸素量を下げ、かつ初析フェライ
トの析出を抑え、靭性を上げる元素であるが０．１５％
を超えると高温割れを起こし易くするので好ましくない
。

８１はやはり脱酸性成分であり必要であるが０．４０俤
を超えるととくにＳＲ後の靭性を低下させるのが好まし
くない。

Ｍｎも脱酸性元素であるとともに焼入性を高める成分で
あり、靭性を劣化させる初析フェライトの析出を抑える
重要な成分であり、０．６０％以上必要である。しかし
、２．１０　％を超えて添加されると靭性を劣化させる
ベーナイト組織をつくるため好ましくない。

Ｎ２量は０．００４５％以下にする必要がある。これを
超えるとＡＷ及びＳＲ後の靭性をともに劣化させる。Ｎ
２量は靭性に対し極めて重要な働きをしており、と（Ｋ
　Ｔｉ及びＢ量を低く抑えた場合にこの低Ｎ２であるこ
とが有効に働くことが明らかとなった。

Ｂ量はワイヤ中に０．００１９％を超えるとＳＲ後後柱
状部部劣化が大きくなる。

Ｎ　１　＋　Ｃｒ　＠　Ｍｏ及びＣｕは主に焼入性をた
かめる成分であり強度を確保することと前述のごとく靭
性確保のため、Ｂにかわって初析フェライトの析出を抑
えるために積極的に添加するものであるがＭＯ＋０．３
　（Ｎｌ　＋Ｃｕ）　＋０．８　Ｃｒ　（ここで各成分
は重量％）なる計算式（Ａ１式で０．２０％以上必要で
ある。しかし、ＳＲ後の靭性確保のため析出硬化脆化性
を示すＭｏ　、　Ｃｒについてはそｎぞれ０．４０％以
下及び０．ｓｏｓ以下にする必要がある。またＮｉ及び
Ｃｕについては高温割れを生じ易くするため、それぞれ
３．８０％以下及び１．２０　Ｓ以下にする必要がある
。彦お、Ｍｏ　＋　０．３　（Ｎｌ　＋Ｃｕ）＋０．８
　Ｃｒなる式の各係数は初析フェライト生成防止すなわ
ち焼入性向上効果における等価になる係数として実験的
に求めたものである。

なお、Ｂの添加は７ラツクスからの添加も可能である。

ワイヤのＢ量が少ない場合はそれを補う程度か、あるい
はワイヤ中ＯＢの溶接金属への移行を確実にするために
添加され。

で示される計算式、（Ｄ）式で０．００１０％〜０．０
０３０チの範囲に抑える必要があシ、それをはずれると
、靭性がいずれも劣化する。ここで（Ｄ）式は溶接金属
中へのＢの歩留りの状態と得られた靭性値から実験的に
求めたものである。

この場合、Ｂの添加の効果は多層盛溶接金属において再
熱部（約７００℃以上になったところ）の靭性改善効果
はあまシなく、むしろ次層による再熱を受けない柱状晶
部（溶接のまま及びＳＲ後ともに）の靭性改善に大きな
効果を示す丸め（Ｄ１式で０．０Ｏ１０％以上必要であ
る。しかし、（Ｄ１式で０．００３０％を超す過剰Ｂは
前述の如（ＳＲ後の柱状具部靭性やとくに会合部の靭性
に悪影響を示し、その良好な範囲は比較的狭く、その点
留意する必要がある。フラックス中へのＢ添加は通常Ｂ
の酸化物または弗化物の形で添加さｎるのがこのましい
が、ＭｇＯクリンカーには少量のＢ２Ｏ３を含有させ友
ものがあり、このような添加方法でも可能である。

なお、この低靭性に影響を与える成分としてワイヤ中の
不純物元素であるｐ、ｓ、ｏはいずれも０．０２０％以
下程度であれば良好な性能が得られる。

また、Ａｔはワイヤの溶解製造時に脱酸剤として一般的
に使用されるが、０．０４％以下であればとくに問題な
く添加可能である。

Ｎｂ　、　ＶについてはＳＲ後の靭性を悪くするので出
来るだけ少ないほうが好ましく、通常Ｖ≦０．０２チ、
Ｎｂ≦０．０１％にする必要がある。

次に７ラツクスについて述べる。

フラックスについては溶接金属の酸素量に大きく影響す
る塩基度がもっとも重要であり、なる計算式、（Ｂ）式
で１．３以上ある必要がある。これ未満では溶接金属中
の酸素量が増加するとともに７ラツクスに添加された微
量のＴｉがアシキュラーフェライトの主なる生成核とな
るＴＩＯの十分な生成がなさ九ず、良好な靭性が得られ
ない。

なお、フラックスは焼成型フラックスと溶融型７ラツク
スがあるがいずれの適用も可能である。

フラックスの組成としては、以下の成分範囲のものが、
良好な性能を示す。

（溶融型フラックス） ＳｌＯ□１０〜４０％、Ａｔ２０．５〜４５％、Ｃａ　
Ｆ　２５〜５０％、Ｃａ０１０〜４５％、この他、Ｍｇ
０３０％以下、Ｂａ０３０％以下、Ｍｎ０５％以下のう
ち１種又は２種以上を４０−以下添加でき、ざらにＺｒ
Ｏ２＋　ＦａＯあるいはＮａ２Ｏ、Ｎ２０などのアルカ
リ酸化物など合計１５％以下で添加可能である。

なお、ＴＩＯ□は後述するとと＜７０％以下であること
が必要である。

（焼成型フラックス） ＳＩＯ２１０〜３０ｔｓ、Ａｔ２０ｓ１０〜４５チ、Ｃ
ａＦ２５〜４０％、Ｍｇ０１５〜４０％この他、Ｃａ０
３５％以下、ＢａＯ３０％以下、Ｍｎ０５　％以下のう
ち１種又は２種以上を４０％以下添加でき、さらにＺｒ
Ｏ□、　Ｆ＠ＯあるいはＮａ□Ｏ、Ｋ２Ｏなどのアルカ
リ酸化物の合計１５％以下で添加可能である＠なお、Ｔ
ＩＯ□は後述するごとく７チ以下であることが必要であ
る。

焼成型フラックスの場合、通常水素量低減を目的として
炭酸塩を３〜３０％穆度含有させ、かつモルから生ずる
ＣＯ２ガスの酸化性をおさえる目的で８１　、　Ｍｎ　
、　Ａｔなど脱隈剤を添加しているが、このうち炭酸塩
＃′１ＣＯ２を除い九酸化物として換算し、前記塩基度
式の計算にいれるものである。

ＴＩについてはワイヤからの添加はせずフラックスから
の添加を主とする。フラックスからの微量ＴＩの添加に
ついては、従来安定して添加するのが難しいとされてき
たが、低Ｎ金属ＴＩの利用及びそれとＴｉ　＠化物との
併用添加で、安定に高靭性が得られ、低コストで目的を
達することがあきらかとなった。

フラックスから添加するＴ１及びＴＩＯ□換算量は式で
０．２０〜０．７０％にする必要がある。これが、０．
２０％未満だと、いわゆるＴＩＯ核によるアシキエラー
フェライトの生成が十分でなく、ベーナイト組織となシ
ＡＷ、ＳＲとも低靭性になる。しかし、０．７０％を超
えるととくに微量に存在するＮｂやＶ、その他の合金元
素と共存してＳＲ時に析出硬化脆性を示すため好ましく
ない。ここで、ＴｉＯ２換算値とはチタンスラグなどの
低級ＴＩ酸化物などをＴｉＯ２に換算した値をいう。

なお、（Ｃ）式は溶接金属へのＴＩの歩溜りの状態と得
られた靭性から実験的に求めたものである。

以下実施例により、本発明の効果をさらに具（＝１的に
示す。

（実施例） 第１表に示す化学成分の板厚５０■の市販のＡＳＴＭ　
Ａ３１６Ｇ７０鋼（引張強さ規格５０．キロ以上ンＩ（
Ｔ２Ｏ鋼、Ｈ’ｌ’７０．’及びＨＴ　８０鋼に対し、
潜弧溶接材料として第２表に示すワイヤ（Ｏ印は本発明
要件を満たす材料で、その他は従来材料又は比較材料、
ワイヤ径は４．８■）と第３表に示すフラックス（○印
は本発明要件を満たす材料、その他は従来材料又は比較
材料）を組み合わせて、第１図に示すθ　＝６０’、θ
　＝９００、ｔ　　ｇ　３　ｗｍ　：　１２＝６ｓ１１
：ｔ３＝１４−の開先、累層方法及びガウジング裏はつ
り形状１にて、潜弧溶接を行い、溶接のまま及び５Ｒ（
６００℃Ｘ２ｈｒ）を行った溶接試験板より、第２図に
示すｔ４＝１２．５ｓＩｍの位置より、丸棒引張試験片
（ＪＩＳＡＩ号）及びＶノツチシャルピー衝繋試験片２
　（ＪＩＳ４号）を２橿のノツチ位置、３（第３表中ノ
ツチ位置Ａ）及び４（第３表中ノツチ位置Ｂ）で採取し
、ＣＯＤ試験片ＣＢ５−５７６２−７９゜Ｗ（試片幅）
＝２Ｂ（板厚））をノツチ、溶接金属中央５で採取して
それぞれ試験を行った。

なお、ＨＴ８０鋼についてはＣＯＤ試験は実施していな
い。溶接条件は７００Ａ、２９’Ｖ、３０ｅｐｍ、予熱
１００℃、パス間温度１’５０℃以下の単電極溶接であ
る。

ワイヤ及びフラックスの組み合わせ及びそれらによる各
種試験結果を第４表に示した。表中（区分）、Ｏ印は本
発明材料を示す組み合わせであシ、その他は比較例であ
る。第５表にはそれらの溶接金属の化学成分を示した。

本発明材料てよる溶接金属のｖＥ−６０℃値及びＣＯＤ
試験のδ。値（−３０℃、但し、ＨＴ５０　、　ＨＴ６
０及びＨＴ７０用材料用材節）はいずれも良好（ｖＥ−
６０’Ｃ）　５．６　ｋｙ　ｆ　−ｍ　、δ、　〉０．
２５ｍ　）な値を示しているが、本発明要件を満たさな
い比較例はＳＲ後のＷＥ−６０℃あるいはδ。値で不満
足な値を示している。

すなわち、比較例６は（Ｂ）式のフラックス塩基度が低
く、溶接金属の酵素含有量が高くなって、Ｔ１がＴｉＯ
として有効にアシキュラーフェライト生成核として働か
ない次め低靭性を示す。比較例８及び１１はフラックス
中のＴ１及びＴｉＯ２量が高く過剰Ｔｉとなり、とくに
会合部を硬化させＣＯＤ値を低め、さらに比較例１８も
含めてＳＲにより析出硬化脆化を示し低靭性となる。

比較例１０はフラックス及びワイヤにＢ（、Ｎロン）量
が少なく初析フェライトが多くみらｎで低靭性を示して
いる。

比較例１６及び２０は逆にフラックスまたはワイヤにＢ
量が過剰で低靭性となっている。

比較例１８はＴｉ過剰によりとくにＳＲ後の靭性が悪く
なる例である。

比較例１９はＮ過剰によシ、Ｔｉ−Ｂ効果がみられず、
低靭性になっている。比較例２１はワイヤ中にＢ及びＮ
が過剰となり、ＳＲ後のＣＯＤ値が低値を示している。

比較例２２はＭｏが高く、溶接のままのＣＯＤ値及びＳ
Ｒ後の靭性が低い。比較例２３はワイヤ成分の（４）式
の値が低く、焼入性が低いことによシ初析フェライトが
多くみられ、低靭性となっている。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明は俤来非常に低値しか得ら
れないとされていた高張力鋼の厚板多層盛溶接金属のＳ
Ｒ後の靭性を飛躍的に高めることを可能にしたものであ
シ今後高張力化及び厚板化の著しい石油掘削用海洋構造
物の溶接に貢献するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例で採用した溶接試駄板の開先形状、累層
方法を示す図、第２図は実施例で採用した各種試験片採
取要領を示す図である。 １・・・がウジング裏はつり形状、 ２・・・衝撃試験片、 ３・・・ノツチ位ｌｉＡ、 ４・・・ノツチ位置Ｂ（柱状晶部多い）、５・・・ＣＯ
Ｄ試験片のノツチ位置。 第１図 第２図 手続補正書 昭和ｉｏ年７２月２４日 昭和ｌｏ年特許願第λ＋ｙ、ｒｌｊ号 氏　名（名ゞ’　（Ｃ：、’：の７：斤ｉ’ｌ　；ｉ：
：　ｉ要２（ｌ（ゴー弐でン社４、代　理　人 住　所　　東京都千代田区九の内２丁目６番２号九の内
へ重洲ビル３３０氏名　（３６６７）谷山輝雄　　。 明１＝　、’　Ｊ　：　ｈ　Ｔ、’：　ｌ′ｌ　ｊ　ｑ
　二τ＜ｌ’ｌ？Ｌ、”：’Ｌ明（ＤＩＪｌ１．　　・
′ 補　　　　正　　　　書 本願明細書中下記事環を補正いたします。 記 １、第５頁８行目に 「−３０℃０．２順以上というような」とある全「−３
０℃０．２５＝というような」と訂正する。 ２、第１４頁２０行目に 「７０％以下」とある全 「７チ以下」と訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ５０キロ〜８０キロ級の高張力鋼を溶接するに当たり、 重量％で Ｃ０．１５％以下、 Ｓｉ０．４０％以下、 Ｍｎ０．６０％〜２．１０％ Ｎ＿２０．００４５％以下、 Ｂ０．００１９％以下含有し、さらに Ｎｉ３．８％以下、Ｃｒ０．８０％以下、Ｍｏ０．４０
   ％以下及びＣｕ１．２０％以下のうち少なくとも１種以
   上を下記（Ａ）式で０．２％以上含有し、残部は不可避
   的不純物成分及びＦｅを含有するワイヤと、 下記（Ｂ）式による塩基度が１．３０以上で、かつ、下
   記（Ｃ）式で０．２０〜０．７０％のＴｉを含有するフ
   ラックスとを用い、 さらにワイヤもしくはフラックスの少なくとも一方にＢ
   もしくはＢ化合物を下記（Ｄ）式で０．００１０％〜０
   ．００３０％のＢを含有することを特徴とする高靭性溶
   接金属の得られる潜弧溶接方法。 但し、 Ｍｏ％＋０．３（Ｎｉ％＋Ｃｕ％）＋０．８Ｃｒ％・・
   ・（Ａ）｛ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＢａＯ＋ＣａＦ＿２＋Ｎａ
   ＿２Ｏ＋Ｋ＿２Ｏ＋（１／２）ＭｎＯ｝／｛ＳｉＯ＿２
   ＋１／２（ＴｉＯ＿２＋Ａｌ＿２Ｏ＿３）｝・・・（Ｂ
   ）（但し、各成分は重量％） Ｔｉ％（金属分）＋（ＴｉＯ＿２換算値％／１０）・・
   ・（Ｃ）（但し、各成分は重量％） Ｂ％（ワイヤ中）＋｛Ｂ＿２Ｏ＿３換算値％（フラック
   ス中）／１００｝・・・（Ｄ）（但し、各成分は重量％
   ）