JP2008264812A - サブマージアーク溶接用開先充填材 - Google Patents

Abstract

【課題】サブマージアーク溶接用開先充填材において、鋼製被溶接物の開先を片面溶接、両面一層溶接などの大入熱溶接によってサブマージアーク溶接するに際し、５７０ＭＰａ級、６１０ＭＰａ級などの４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物に適用可能で、耐高温割れ性、強度及び靭性の良好な溶接金属（溶接部）が得られるサブマージアーク溶接用開先充填材を提供すること。
【解決手段】細径鋼素線を細かく裁断してなるサブマージアーク溶接用開先充填材において、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｍｎ：１．４０〜２．２０％、Ｍｏ：０．２０〜０．６５％、Ｃｕ：０．０３〜０．４０％を含有し、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下に各々規制したサブマージアーク溶接用開先充填材である。
【選択図】なし

Description

鋼製被溶接物の開先を片面溶接、両面一層溶接などの大入熱溶接によってサブマージアーク溶接するに際し、主に高い溶着効率を得ることを目的として、細径鋼素線を細かく裁断してなる開先充填材を開先内に所定高さ充填し、この状態で通常のサブマージアーク溶接を行う施工法が採用されている。本発明は、４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物のサブマージアーク溶接に適用可能なサブマージアーク溶接用開先充填材に関するものである。

近年、造船、鉄骨、橋梁などの大型鋼構造物の製作分野において、軽量化と高性能化を両立させるため、強度の高い鋼材である高張力鋼の使用が増えつつある。これを強度クラスで言い換えれば、従来は軟鋼〜ＨＴ４９０鋼板（引張強さ４９０ＭＰａ級鋼板）クラスであり、増加傾向にある高張力鋼は、ＨＴ５７０鋼板（５７０ＭＰａ級鋼板）やＨＴ６１０鋼板（６１０ＭＰａ級鋼板）クラスである。これらの４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板が用いられることに伴って、主に板継溶接で採用されるサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）では、片面溶接、両面一層溶接等の大入熱溶接に対応可能な溶接材料が要求される。

一般的に、サブマージアーク溶接における高張力鋼用溶接材料は、合金成分の添加によって優れた引張特性を得ているが、その際、添加成分による溶接金属の靭性及び耐割れ性の低下が問題となる。また、サブマージアーク溶接において大入熱施工（大入熱溶接）を行う際には、高い溶着効率（溶着量増加）及び溶込み深さの制御のために、細径鋼素線を所定長さに細かく裁断してなり、断面が円形をなし、カットワイヤとも呼ばれている開先充填材が必要となる場合が多い。

従来、サブマージアーク溶接用開先充填材については、強度クラスでは４９０ＭＰａ級鋼板からなる被溶接物のサブマージアーク溶接に用いられるものが限界であり、これを超える強度に対応するものが開発されていなかった。その開発にあたり、成分系として合金成分を添加すれば、得られる溶接金属（溶接部）の強度を満足できるようにすることは比較的容易であるが、前述したように、成分添加による耐割れ性の悪化のうち、耐高温割れ性の悪化の問題を解決する必要があった。

従来、サブマージアーク溶接用の開先充填材として、特開平９−９４６９０号公報には、Ｃｕ及び油で覆われており、また、その直径及び長さを適切にすることで、アークスタート材及び開先充填材として使用できることに加え、Ｃ偏析による高温割れ、発錆による水素割れ及びブローホール等の溶接欠陥を防止できるようにした溶接用カットワイヤが提案されている。この溶接用カットワイヤは、カットワイヤ素線を覆うようにＣｕ被着層が形成されており、さらに油が塗布されたものであって、その直径Ｄが０．６乃至２．０ｍｍ、長手方向の長さＬが０．５乃至２Ｄｍｍであり、前記Ｃｕ被着層のＣｕ被着量が０．０３％以上（対カットワイヤ全重量）、前記油の油分量が５〜２００ｐｐｍ（対カットワイヤ全重量）であるものである。

しかしながら、この特開平９−９４６９０号公報に開示された溶接用カットワイヤは、溶接用カットワイヤの化学成分として、必要に応じてＭｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ及びＶ等が添加されたものであってもよいとの記載があるものの、５７０ＭＰａ級、６１０ＭＰａ級などの４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物への適用については、検討がなされていないものであった。

また、特開２０００−２７１７８８号公報には、低温用鋼の簡易片面サブマージアーク溶接において、低温靭性に優れた溶接部とともに良好な溶接作業性が得られる開先充填材が提案されている。この簡易片面サブマージアーク溶接用開先充填材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ及びＮを含む鋼粒であって、かさ比重が４〜６であるものである。

しかしながら、この特開２０００−２７１７８８号公報に開示されたサブマージアーク溶接用の開先充填材は、ＬＰＧ船等で使用される低温用鋼からなる被溶接物へ適用されるものであり、低温靭性に主眼を置いた成分設計となっており、４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物への適用については、検討がなされていないものであった。

特開平９−９４６９０号公報 特開２０００−２７１７８８号公報

そこで、本発明の課題は、サブマージアーク溶接用開先充填材において、鋼製被溶接物の開先を片面溶接、両面一層溶接などの大入熱溶接によってサブマージアーク溶接するに際し、５７０ＭＰａ級、６１０ＭＰａ級などの４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物に適用可能で、耐高温割れ性、強度及び靭性の良好な溶接金属（溶接部）が得られるサブマージアーク溶接用開先充填材を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、細径鋼素線を細かく裁断してなるサブマージアーク溶接用開先充填材において、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｍｎ：１．４０〜２．２０％、Ｍｏ：０．２０〜０．６５％、Ｃｕ：０．０３〜０．４０％を含有し、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下に各々規制したことを特徴とするサブマージアーク溶接用開先充填材である。

請求項２の発明は、請求項１記載のサブマージアーク溶接用開先充填材において、さらに、Ｓｉ：１．００％以下、Ｔｉ：０．３０％以下を含有することを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載のサブマージアーク溶接用開先充填材において、直径が１．４ｍｍ以下、長さが０．５〜２．０ｍｍであることを特徴とするものである。

本発明のサブマージアーク溶接用開先充填材は、Ｎｉ含有量を抑制することで良好な耐高温割れ性を確保するとともに、焼入れ性を向上させるＭｏの添加によってＮｉ含有量の抑制による靭性の低下を補い、良好な靭性を確保するようにしている。これにより、鋼製被溶接物の開先を片面溶接、両面一層溶接などの大入熱溶接によってサブマージアーク溶接するに際し、５７０ＭＰａ級、６１０ＭＰａ級などの４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物に適用可能で、耐高温割れ性、強度及び靭性の良好な溶接金属（溶接部）を得ることができ、よって、造船、鉄骨、橋梁などの大型鋼製溶接構造物における高張力鋼の導入による軽量化と高性能化に寄与することができる。

以下、本発明によるサブマージアーク溶接用開先充填材について、詳しく説明する。

サブマージアーク溶接用開先充填材において、低温用鋼を対象とする前記従来技術（特開２０００−２７１７８８号公報）では、Ｃ、Ｍｎ及びＮｉの添加により靱性の良好な溶接部が得られるようにしていた。しかし、４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板を対象とする場合、良好な強度の溶接金属（溶接部）を得るためには前記のＣ、Ｍｎ及びＮｉという成分系だけでは限界がある。また、サブマージアーク溶接のなかでも片面溶接、両面一層溶接等の溶着量の大きい大入熱の溶接では、溶接金属凝固時の柱状晶の会合部等で高温割れが発生しやすく、特に、母材希釈が大きく、溶接部断面形状が梨型形状となる単層溶接（片面溶接、両面一層溶接の第１パス）では高温割れの発生の傾向が著しい。

そこで、本発明者らは、種々の検討を重ねた結果、開先充填材の成分系として、（１）Ｎｉの添加を抑制すること、（２）Ｎｉの抑制による低温靱性の低下を補い良好な靭性を確保するため、Ｍｏを添加すること、を見出し、本発明をなしたものである。

すなわち、Ｎｉは、一般的に低温靱性を向上させるために添加され、Ａ_３変態点温度を低下させ、フェライト地のマトリックスの強化を図る作用を有する一方、その変態温度の低下により耐高温割れ性が低下するという欠点を有している。そこで、検討を重ねた結果、Ｎｉ含有量を抑制することで良好な耐高温割れ性を確保するとともに、焼入れ性を向上させるＭｏの添加によってＮｉ含有量の抑制による靭性の低下を補い、良好な靭性を確保できることを見出した。また、このＭｏは、Ｎｉに比べて溶接金属の強度を高める作用が強いものである。このように、前記の（１）及び（２）により、鋼製被溶接物の開先を片面溶接、両面一層溶接などの大入熱溶接によってサブマージアーク溶接するに際し、５７０ＭＰａ級、６１０ＭＰａ級などの４９０ＭＰａ級を超える高張力鋼板からなる被溶接物に適用可能で、耐高温割れ性、強度及び靭性の良好な溶接金属を得ることができる。

次に、本発明のサブマージアーク溶接用開先充填材の成分組成限定理由について説明する。

［Ｃ：０．０２〜０．１２質量％］Ｃは溶接金属の強度を確保するために必要な成分である一方、含有量が高くなり過ぎると高温割れが発生する懸念がある。Ｃの含有量が０．０２質量％未満では溶接金属の強度が確保できず、０．１２質量％を超えると高温割れと低温割れの感受性が高くなる。したがって、Ｃの含有量は０．０２〜０．１２質量％とする。

［Ｍｎ：１．４０〜２．２０質量％］Ｍｎは溶接金属の強度を高めるとともに、焼入れ性を確保し、靱性も高める効果を有する。Ｍｎの含有量が１．４０質量％未満ではこのような効果が発揮されず、逆に、２．２０質量％を超えると焼入れ性が過大となり、靭性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量は１．４０〜２．２０質量％とする。

［Ｍｏ：０．２０〜０．６５質量％］Ｍｏは変態温度を低下させ焼入れ性を向上させるのに有効な成分である。Ｍｏの含有量が０．２０質量％未満ではこの効果が発揮されず、溶接金属の強度が確保できない。一方、Ｍｏの含有量が０．６５質量％を超えると焼き戻し脆化を起こすＭｏ炭化物が析出し、溶接金属を硬化させ溶接金属の靭性が低下する。したがって、Ｍｏの含有量は０．２０〜０．６５質量％とする。

［Ｃｕ：０．０３〜０．４０質量％］Ｃｕは耐錆性のために開先充填材の鋼素線に被着させることで開先内充填材の通電性を高める効果を有する。Ｃｕの含有量が０．０３質量％以下ではこのような効果が発揮されず、０．４０質量％を超えると耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｃｕの含有量は０．０３〜０．４０質量％とする。

［Ｎｉ：０．３０質量％以下］Ｎｉは一般的には溶接金属中に固溶しマトリックスの強化作用（靭性向上）を有する成分である。しかしながら、本発明においては、Ｍｏの添加によりマトリックスの強化作用を実現している。Ｎｉの添加はＡ３変態点温度の低下により固液共存域を増加させ、結果として耐高温割れ性が低下する。Ｎｉの含有量が０．３０質量％を超えると耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｎｉの含有量は０．３０質量％以下に規制する。

［Ｃｒ：０．３０質量％以下］Ｃｒは焼き入れ性を確保して引張特性を確保する作用を有する成分である。しかしながら、本発明においては、Ｍｏの添加により溶接金属の強度を確保しているため、Ｃｒの添加は好ましくない。Ｃｒの含有量が０．３０質量％を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎ耐低温割れ性が低下し、靱性も低下する。したがって、Ｃｒの含有量は０．３０質量％以下に規制する。

［Ａｌ：０．１０質量％以下］Ａｌは溶接金属の酸素量を低下させる脱酸効果を有する成分である。しかしながら、本発明においては、Ａｌは溶接金属中に酸化物として残存し、脱酸効果を失うとともに靱性を低下させてしまう。したがって、Ａｌの含有量は０．１０質量％以下に規制する。

［Ｎ：０．０１０質量％以下］Ｎは不可避的不純物であり、溶接金属中で固溶Ｎとして内部歪みの増加を起こし、靱性を低下させる。したがって、Ｎの含有量は０．０１０質量％以下に規制する。

［Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２５質量％以下］ＰとＳはともに不可避不純物であり、溶接金属中で固液共存域の領域を拡大させ、粒界に偏析しやく、そのため、耐高温割れ性及び靱性を低下させる。したがって、Ｐの含有量は０．０２５質量％以下に規制し、Ｓの含有量は０．０２５質量％以下に規制する。

また、用いられるフラックスの種類によっては、サブマージアーク溶接用開先充填材に含有されるＳｉ、Ｔｉの含有量を次のように規制することが望ましい。

［Ｓｉ：１．００質量％以下］Ｓｉは脱酸元素として有用であるとともに、溶接金属の強度を向上させる効果がある。しかし、この効果はフラックスに含まれるＳｉＯ_２により実現している。ただし、ＳｉＯ_２の含有量が低いフラックスを用いた場合（ＳｉＯ_２：１５質量％以下）、この強度向上効果が不足するため、開先充填材からＳｉを供給するようにしてもよい。この場合、Ｓｉの含有量が１．００質量％を超えると、溶接金属の靱性が劣化しやすく、また、強度が高くなり過ぎ、耐低温割れ性が低下しやすい。したがって、Ｓｉの含有量は１．００質量％以下が好ましい。

［Ｔｉ：０．３０質量％以下］Ｔｉは脱酸元素として有用であるとともに、Ｔｉ酸化物もしくは窒化物によってアシキュラフェライトの生成核となり溶接金属の靭性向上に有効な元素である。このようなＴｉの靭性向上効果はフラックスに含まれるＴｉＯ_２により補っている。ただし、ＴｉＯ_２の含有量が低いフラックスを用いた場合（ＴｉＯ_２：１０質量％以下）、この効果が不足するため、開先内充填材からＴｉを供給するようにしてもよい。この場合、Ｔｉの含有量が０．３０質量％を超えると、過剰添加により固溶Ｔｉが過剰となり溶接金属の靭性が低下しやすいとともに、溶接金属の強度が高くなり耐低温割れ性が低下しやすい。したがって、Ｔｉの含有量は０．３０質量％以下が好ましい。

次に、本発明のサブマージアーク溶接用開先充填材の寸法について説明する。細径鋼素線を細かく裁断してなるサブマージアーク溶接用開先充填材を用いる場合、良好なアークスタート性及びアーク安定性を確保するためには、被溶接物の開先内に開先充填材を密な状態で所定高さ（所定量）充填可能なことが必要である。そのため、開先充填材の直径が１．４ｍｍを超えると、また、開先充填材の長さが２．０ｍｍを超えると、密な充填状態が得られず、アークスタート性が劣るとともに、溶接中のアークが不安定となりやすい。また、開先充填材の長さが０．５ｍｍ未満では逆に過剰に密な充填状態となって溶接中のガス抜けが悪くなりやすく、さらに、屋外の現場において開先充填材がその散布時に風で飛散しやすい。したがって、サブマージアーク溶接用開先充填材の寸法は、直径が１．４ｍｍ以下、長さが０．５〜２．０ｍｍであることがよい。

次に、本発明の実施例について説明する。供試鋼板（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ＳＭ５７０）は板厚２０ｍｍの５７０ＭＰａ級高張力鋼であって、その化学成分を表１に示す。また、表２は供試ワイヤ（ＪＩＳ Ｚ３３５１ ＹＳ−Ｍ４）の化学成分を示す。供試フラックスは２種類（記号Ａと記号Ｂ）のボンドフラックス（ＪＩＳ Ｚ３３５２ ＦＳ−ＢＴ１）を用い、それらの化学成分を表３に示す。表４はサブマージアーク溶接による開先充填材を用いた片面溶接の開先形状及び溶接条件を示す。Ｖ型開先の開先角度は５０°、ルートギャップは２ｍｍ、開先充填材の散布高さ（充填高さ）は１５ｍｍとした。表５及び表６は開先充填材の化学成分と寸法を示し、表７は試験結果を示す。なお、表５及び表６には溶接試験に使用した前記供試フラックスの種類も示してある。

サブマージアーク溶接による片面溶接は、鋼板裏面に裏当て材（固形フラックス、ガラステープ有）を取り付け、開先内に開先充填材を散布し、先行極（Ｌ極）と後行極（Ｔ極）による２電極一層盛りにて行った。表４に示すように、先行極は、ワイヤ径４．８ｍｍ、ワイヤ突出し長さ３５ｍｍであり、後行極は、ワイヤ径６．４ｍｍ、ワイヤ突出し長さ４５ｍｍであり、電極間距離は７０ｍｍである。そして、溶接開始時（アークスタート時）に、開先内に開先充填材を散布した状態でのアークスタート性の評価を行い、溶接後に、放射線透過試験により高温割れの有無を確認し、溶接金属の引張試験とシャルピー衝撃試験（試験片サイズ及び試験方法はＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠）を行った。なお、試験片は鋼板裏面より板厚方向における１４ｍｍの位置から採取した。

前記シャルピー衝撃試験は−２０℃で試験を行った。引張強さの値と、−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギー値（衝撃値）とは、各３本の試験片の平均値とした。

表７に示す通り、実施例Ｎｏ．１〜実施例Ｎｏ．１２は、耐高温割れ性、機械的性能（引張強さ及び靭性）、及びアークスタート性ともに良好であった。

実施例Ｎｏ．１３は、用いられたフラックス（表３の記号Ｂ）中のＳｉＯ_２量が表３の記号Ａのものに比べて高く、開先充填材のＳｉ量が本発明の推奨する上限値を超えているため引張強さがやや高いものの、総合的には合格と判定できるものであった。実施例Ｎｏ．１４は、用いられたフラックス（表３の記号Ｂ）中のＴｉＯ_２量が表３の記号Ａのものに比べて高く、開先充填材のＴｉ量が本発明の推奨する上限値を超えているため引張強さがやや高く、靭性がやや低いものであるものの、総合的には合格と判定できるものであった。実施例Ｎｏ１５及び実施例Ｎｏ．１７は、直径、あるいは長さ寸法が本発明の推奨する範囲よりはずれているためアークスタート性がやや劣っていたものの、総合的には合格と判定できるものであった。実施例Ｎｏ１６は、長さ寸法が本発明の推奨する範囲よりはずれているので、溶接中のガス抜けがやや悪く、作業性がやや劣っていたものの、総合的には合格と判定できるものであった。

一方、比較例Ｎｏ．１８は、Ｃ量が本発明で規定する成分範囲より低いため、引張強さが低い値を示し不足していた。比較例Ｎｏ．１９は、Ｃ量が本発明で規定する規定範囲より高いため、溶接金属に高温割れが発生した。そのため、比較例Ｎｏ．１９では、機械試験（引張試験及びシャルピー衝撃試験）を実施しなかった。

比較例Ｎｏ．２０は、Ｍｎ量が本発明で規定する範囲より低いため、焼入れ性が確保できず引張強さが不足し、また、靭性が低いものであった。比較例Ｎｏ．２１は、Ｍｎ量が本発明で規定する範囲より高いため、引張強さが高くなりすぎ、また、靱性が大幅に低いものであった。

比較例Ｎｏ．２２は、Ｐ量が本発明で規定する上限値より高いため、溶接金属に高温割れが発生した。そのため、比較例Ｎｏ．２２では、機械試験を実施しなかった。比較例Ｎｏ．２３は、Ｓ量が本発明で規定する上限値より高いため、溶接金属に高温割れが発生した。そのため、比較例Ｎｏ．２３では、機械試験を実施しなかった。

比較例Ｎｏ．２４は、Ｃｕ量が本発明で規定する範囲より低いため、アークスタート性が不良であり試験に供する溶接金属が満足に得られなかったため、放射線透過試験及び機械試験を実施しなかった。比較例Ｎｏ．２５は、Ｃｕ量が本発明で規定する範囲より高いため、溶接金属に高温割れが発生した。そのため、比較例Ｎｏ．２５では、機械試験を実施しなかった。

比較例Ｎｏ．２６は、Ｎｉ量が本発明で規定する上限値より高いため、溶接金属に高温割れが発生した。そのため、比較例Ｎｏ．２６では、機械試験を実施しなかった。比較例Ｎｏ．２７は、Ｃｒ量が本発明で規定する上限値より高いため、引張強さが高くなりすぎ、靱性も大幅に低いものであった。

比較例Ｎｏ．２８は、Ｍｏ量が本発明で規定する範囲より低いため、焼入れ性の効果が不足し、溶接金属の引張強さが低い値を示し不足していた。比較例Ｎｏ．２９は、Ｍｏ量が本発明で規定する範囲より高いため、引張強さが大幅に高くなり過ぎ、靭性が大幅に低いものであった。

比較例Ｎｏ．３０は、Ａｌ量が本発明で規定する上限値より高いため、溶接金属の靭性が大幅に低いものであった。比較例Ｎｏ．３１は、Ｎ量が本発明で規定する上限値より高いため、靭性が大幅に低いものであった。

このように、本実施例のサブマージアーク溶接用開先充填材によると、鋼製被溶接物の開先を片面溶接という溶着量の大きい大入熱の溶接によってサブマージアーク溶接するに際し、従来の４９０ＭＰａ級鋼板とは違って、４９０ＭＰａ級を超える５７０ＭＰａ級高張力鋼板からなる被溶接物に適用が可能であり、良好なアークスタート性を備えるとともに、耐高温割れ性、強度及び靭性の良好な溶接金属（溶接部）を得ることができた。なお、本発明によるサブマージアーク溶接用開先充填材は、溶接ワイヤとフラックスの選定により、軟鋼、４９０ＭＰａ級鋼板にも適用可能であり、さらに、低温用鋼にも適用可能である。

Claims (3)

1. 細径鋼素線を細かく裁断してなるサブマージアーク溶接用開先充填材において、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｍｎ：１．４０〜２．２０％、Ｍｏ：０．２０〜０．６５％、Ｃｕ：０．０３〜０．４０％を含有し、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．３０％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下に各々規制したことを特徴とするサブマージアーク溶接用開先充填材。
2. さらに、Ｓｉ：１．００％以下、Ｔｉ：０．３０％以下を含有することを特徴とする請求項１記載のサブマージアーク溶接用開先充填材。
3. 直径が１．４ｍｍ以下、長さが０．５〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のサブマージアーク溶接用開先充填材。