JP3298678B2 - 溶接歪の少ない鋼板 - Google Patents

溶接歪の少ない鋼板

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、造船、海洋構造物、建
築、橋梁、土木等で用いられる鋼板の溶接作業時に発生
する変形量が少ないことから、歪取り作業或は歪発生防
止のための作業を軽減もしくは省略することが可能な溶
接構造用高降伏点型高張力鋼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、各種鋼構造物における鋼材の溶接
時には、溶接金属の凝固収縮およびその後の冷却と相変
態による収縮、膨張によって、例えば隅肉溶接の継手形
状の場合には、角変形と呼ばれる面外変形が発生する。
このような残留変形は、例えば圧縮荷重が負荷される場
合には座屈強度の低下を生じるといった構造強度の低下
の原因となる。また、この変形を拘束治具によって強制
的に防止しようとすると、過大な残留応力が発生するこ
ととなる。さらに、寸法精度が不十分となり、鋼構造物
製作上の不都合を生じたり、美観を損なうこととなる。
そこで、例えば、溶接学会誌1988年第52巻第4〜
9号に掲載されている「溶接変形の発生とその防止」に
見られるように、溶接時に発生した残留応力を局所的な
加熱により矯正する手法が経験的に多数提案され実施さ
れている。しかし、溶接部の再加熱によって鋼材の材質
の劣化を生じることや、矯正作業に要する時間と費用は
実用上重大な障害となっており、これを軽減もしくは省
略することが可能な鋼材の開発が望まれていた。
【0003】溶接部における残留応力や変形の発生機構
に関しては、佐藤による「溶接構造要覧」1988(黒
木出版)や、K.Masubuchiの「Analys
isof Welded Structures」19
80,PERGAMONPRESSに詳しい。しかし、
溶接変形は主として溶接時の入熱に対する部材の幾何学
的形状によって決定されるというように、使用される鋼
材の詳細な特性に注目したものではない。また佐藤らの
溶接学会誌1976年第45巻第1号に掲載されている
「構造用材料の溶接残留応力・溶接変形におよぼす溶接
条件の影響」に見られるように、溶接入熱の小さな場
合、溶接変形の因子として変態膨張よりもむしろ降伏応
力が考えられることが挙げられており、例としてHT8
0と9%Ni鋼の溶接変形は、降伏応力の小さな9%N
i鋼の方が溶接変形は大きいことが示されている。
【0004】しかし、通常鋼構造物に使用される普通鋼
材の成分および組織ならびに降伏強度に対してそのまま
適用できる知見ではなく、さらに、変形に対する材料の
強度をCr,Mo,V,Nb等の合金元素を添加するこ
とによって推測されることが、西野らの「ガスシールド
アーク溶接方法」特開平4−22597号公報に記載さ
れているものの実際に確認されているわけではなく、さ
らに溶接変形に対して、鋼材の成分および組織との関係
で注目したものでもない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、鋼構造物の
溶接において溶接変形を低減させ、変形防止作業および
形状矯正作業等の多大な労力と費用の低減を可能とする
溶接歪の少ない鋼材を提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は(1)C:0.
05〜0.20%、Si:0.05〜0.50%、M
n:0.6〜1.60%、P:≦0.025%、S:≦
0.010%、Al:0.010〜0.050%、N:
0.0020〜0.0050%を含有し、残部鉄および
不可避的不純物元素よりなる鋼板のミクロ組織が、面積
率で30%以上で、かつカーバイドを分散したベイナイ
トからなり、降伏強度が36キロ以上を有することを特
徴とする溶接歪の少ない鋼板である。さらに(2)上記
鋼成分に加え、V:≦0.050%、Nb:0.003
〜0.035%、Cu:≦0.50%、Mo:0.05
〜0.25%、Ni:≦0.50%、Cr:≦0.50
%、Ti:0.005〜0.020%、B:≦0.00
20%、Ca:≦0.0050%、REM:≦0.00
60%の1種もしくは2種以上を含有することを特徴と
する溶接歪の少ない鋼板である。
【0007】上記した本発明における鋼板のミクロ組織
が、面積率で30%以上のベイナイトとし、降伏強度3
6キロ以上の鋼材を得る化学組成の添加理由および添加
量の限定理由は次の通りである。Cはベイナイト組織化
および強度確保のために添加し、その効果の限界から
0.05%を下限としており、また母材靭性への悪影
響、溶接性の劣化、高炭素島状マルテンサイトの生成に
よる溶接継手靭性の劣化を防止するために0.20%を
上限としている。
【0008】Siは脱酸上必要な元素であり、さらに強
度を高める上で有効な元素であるので、0.05%を下
限とし、溶接性、溶接継手靭性の劣化を防止するため
に、0.50%を上限としている。Mnはベイナイト組
織化および強度と靭性を確保するのに有効なため、0.
6%を下限とし、多量の添加は焼入性を増加させ硬化組
織を生成させ、また溶接性を劣化させるので1.60%
を上限としている。
【0009】不純物成分であるPおよびSは、それぞれ
母材および溶接継手靭性を所要のレベルに維持するた
め、P≦0.025%、S≦0.010%とし、Alは
脱酸上必要な元素であるので0.010%を下限とし、
多量の添加は鋼の清浄性を損なうので0.050%を上
限としている。NはAlと結合し、鋼材の結晶粒を微細
化し、靭性を高めるのに有効な0.0020%を下限と
し、多量に含有すると鋼材の靭性を損なうので0.00
50%を上限としている。
【0010】さらに、上記元素に加え、以下の元素の1
種もしくは2種以上を含有させた場合の、上記した本発
明における鋼板のミクロ組織が、面積率で30%以上の
ベイナイトとし、降伏強度36キロ以上の鋼材を得る化
学組成の添加理由および添加量の限定理由は次の通りで
ある。Vはベイナイト組織化および降伏強度を高めるの
に有効な元素であるが、多量に含有すると靭性を損なう
ので0.05%を上限としている。Nbはベイナイト組
織化と共に組織を微細化し、降伏強度を高めるのに有効
な元素であるので、0.003%を下限とし、多量の添
加は靭性に有害な組織を生成させるため、0.035%
を上限としている。
【0011】CuおよびNiはいずれも靭性を損なうこ
となくベイナイト組織化と同時に強度を高めるのに有効
な元素であるが、高価な元素であるので経済性の点から
0.5%を上限としている。Moはベイナイト組織化と
共に強度を高めるのに有効な元素であるので、強度上昇
効果の生じる0.05%を下限とし、多量の添加は溶接
性を損なうので0.25%を上限としている。Crはベ
イナイト組織化と共に、強度を高めるのに有効な元素で
あるが、多量の含有は靭性を損なうので、0.5%を上
限としている。
【0012】Tiは、溶接熱影響部の靭性確保に有効な
元素であるため、0.005%を下限とし、さらに、過
剰な添加による靭性の劣化を防止するため0.020%
を上限としている。Bはベイナイト組織化と共に鋼材の
強度を高めるのに有効なばかりか、溶接熱影響部の結晶
粒の微細化に有効な元素であるので過剰の含有による靭
性劣化をきたさない0.0020%を上限としている。
【0013】Caは硫化物の形態制御に有効な元素であ
るが、多量の添加は鋼の清浄性を損なうので0.005
0%を上限としている。
【0014】REMは溶接熱影響部の組織を微細化し、
靭性を高めるのに有効な元素であるが、多量の添加は鋼
の清浄性を損なうので0.0060%を上限としてい
る。また、Nは鋼材自身のみならず、Tiと結合し、溶
接熱影響部の結晶粒の粗大化を防止し、靭性を高めるの
に有効であることは言うまでもない。本発明において
は、これ等の各元素を本発明の作用、効果に支障なく同
様の理由に基づき同量の範囲で選択的に使用することが
でき、これ等を含む鋼は本発明の対象鋼に含まれる。
【0015】
【作用】本発明者等は前記した問題点を克服するため、
種々実験および検討を重ね、特殊な元素を多量に含有す
ることなく、溶接変形の少ない鋼板を知見するに至っ
た。以下、本発明の作用効果について説明する。本発明
は、鋼構造物の溶接変形の低減を実現するために、従来
の溶接材料における方法とは全く異なる新たな方法に基
づいている。
【0016】即ち、本発明は溶接変形を低減する手段と
して、溶接金属の冷却過程の収縮並びに相変態による膨
張に伴い鋼材に働く応力によって、変形が生じることか
ら、溶接熱影響を受けた鋼材の降伏強度を高めることに
より、鋼板の変形を防止しようとするものである。即
ち、溶接熱影響を受ける鋼板の降伏強度を高める方策を
種々検討し、鋼材のミクロ組織を微細なカーバイドを分
散させたベイナイト組織を少なくとも30%以上とし、
降伏強度を36kgf/mm2 以上とすることで、溶接変形の
生ずる400℃以上の中温域の降伏強度を高めることが
可能となり、その結果、通常鋼構造物で実施される隅肉
溶接時の溶接変形量は1/2以下に低減される知見を得
た。溶接変形の生ずる中温域の降伏強度は、Solut
e drag likeeffectが期待できるN
b,Mo,Ti,Cr,V等のCとの親和力の強い元素
の添加によって、より高めることが可能であることも確
認された。
【0017】
【実施例】表1および表2に示す鋼1から鋼32は、い
ずれも本発明の成分範囲を満足する鋼材である。いずれ
の鋼材においても、熱間圧延に引き続く製造工程におい
て制御冷却条件を制御することにより、鋼材のミクロ組
織をベイナイト面積率30%以上の鋼板と30%未満の
鋼板の2種類とした。さらに、これらの鋼材の製造工程
において、熱間圧延の制御圧延を制御することにより、
ベイナイト面積率30%以上の場合、降伏強度が36kg
f/mm2 以上の鋼板と、36kgf/mm2 未満の鋼板の2種類
とした。ベイナイト面積率が30%未満の鋼板は、同様
の手段により降伏強度は、種々のレベルとなっている。
【0018】これらの同一化学成分の各鋼において、 1)ベイナイト面積率30%以上で降伏強度が36kgf/
mm2 以上 2)ベイナイト面積率30%以上で降伏強度が36kgf/
mm2 未満 3)ベイナイト面積率30%未満で降伏強度は種々のレ
ベル の3種類の鋼板を用意し、表3に示す溶接条件で図2に
示す施工方法による隅肉溶接を実施した。
【0019】溶接変形は図1に示す角変形量の算定法に
従い調査した結果、いずれの鋼材においても、ベイナイ
ト面積率が30%以上で降伏強度が36kgf/mm2 以上の
場合のみが、角変形量は、0.7×10-2ラジアン以下
と、溶接変形量が極めて少なくなっているのに対して、
その他のベイナイト面積率が30%以上で降伏強度が3
6kgf/mm2 未満のものと、ベイナイト面積率が30%未
満で降伏強度は種々のレベルのものは、角変形量は1.
5×10-2ラジアンと角変形量は通常のレベルに留まっ
ている。本実施例から、本発明の有効性は明白である。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】
【表3】
【0023】
【表4】
【0024】
【表5】
【0025】
【表6】
【0026】
【表7】
【0027】
【表8】
【0028】
【表9】
【0029】
【発明の効果】本発明により、造船、海洋構造物、建
築、橋梁、土木等の鋼構造物で実施される溶接におい
て、溶接作業時に発生する溶接変形量が低減でき、歪取
り作業或は歪発生防止のための作業を軽減もしくは省略
することが可能となり、多大な労力と費用の削減が可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】角変形量の算定方法の説明図である。
【図2】隅肉溶接継手の施工方法の説明図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−130319(JP,A) 特開 昭51−20718(JP,A) 特開 昭64−34598(JP,A) 特公 昭45−21180(JP,B1) 特公 昭47−15580(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 301 C22C 38/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量比で、 C :0.05〜0.20%、 Si:0.05〜0.50%、 Mn:0.6〜1.60%、 P :≦0.025%、 S :≦0.010%、 Al:0.010〜0.050%、 N :0.0020〜0.0050% を含有し、残部鉄および不可避的不純物元素よりなる鋼
    板のミクロ組織が、面積率で30%以上で、かつカーバ
    イドを分散したベイナイトからなり、降伏強度が36キ
    ロ以上を有することを特徴とする溶接歪の少ない鋼板。
  2. 【請求項2】 鋼成分が、重量比でさらに、 V :≦0.050%、 Nb:0.003〜0.035%、 Cu:≦0.50%、 Mo:0.05〜0.25%、 Ni:≦0.50%、 Cr:≦0.50%、 Ti:0.005〜0.020%、 B :≦0.0020%、 Ca:≦0.0050%、 REM:≦0.0060% の1種もしくは2種以上を含有することを特徴とする
    求項1記載の溶接歪の少ない鋼板。
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