JP3825714B2 - Submerged arc welding method for fireproof building structural steel - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼を用いた構造物の施工に使用する溶接材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に建築物には火災時の安全性を確保するために、火災時における鋼材表面温度が３５０℃以下で使用するように耐火基準が定められており、ロックウールなどの耐火被覆が必要となる。しかし、耐火被覆施工費用は高額であり、工程も余分にかかること、さらには景観上からも、耐火被覆を完全に省略したいという要求は非常に高まっている。
【０００３】
昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（３８条認定により）、性能型の設計が可能となった結果、鋼材の高温強度と建物に実際に加わっている荷重とによってどの程度の耐火被覆が必要かを決定できるようになり、場合によっては無耐火被覆で鋼材を使用することも可能となった。
【０００４】
こうした状況から、近年、短時間の高温強度を高めたいわゆる耐火鋼が多く開発された。特開平２−７７５２３号公報をはじめとして、６００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる鋼材、すなわち６００℃耐火鋼の技術は多数開示されている。また、特開平９−２０９０７７号公報や特開平１０−６８０１５号公報などでは、７００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる、７００℃耐火鋼の技術も開示されている。
【０００５】
６００℃耐火鋼では、無耐火被覆構造が可能となるのは比較的可燃物量が少ない立体駐車場や外部鉄骨に限られるが、７００℃耐火鋼では無耐火被覆が可能となる構造物が多くなる。さらに耐火性能が８００℃以上であれば、無耐火被覆構造が可能となる範囲の大幅な拡大が可能である。
【０００６】
一方、現行の耐震設計法では骨組みの変形による地震エネルギー吸収を前提としていることから、設計上で想定した骨組みの崩壊形の確保や、部材の塑性変形能力の確保、部材性能を十分発揮させるために接合部の降伏強度や靭性の確保が必要となり、これに用いる建築構造用の鋼材には、降伏強度のばらつきの制限（つまり降伏強度の上下限）や、降伏比上限などの耐震性の規定、溶接性の確保が必要とされる。ＳＮ材（ＪＩＳ Ｇ１３６−１９９４）はこれらの耐震性、溶接性に関する規定がなされた鋼材であり、４００ＭＰａ級鋼（降伏強度の下限：２３５ＭＰａ）の場合、降伏強度の上限が３５５ＭＰａ、降伏比の上限が８０％、４９０ＭＰａ級鋼（降伏強度下限３２５ＭＰａ）の場合、降伏強度の上限が４４５ＭＰａ、降伏比の上限が８０％というように規定されている。
【０００７】
高温強度を確保するために、例えばボイラなどの５００〜６００℃程度の高温、高圧環境で用いられる耐熱鋼ではＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｖなどの合金元素を添加する方法が一般的に利用される。しかし８００℃というような高温においては、変態によって鋼材の組織が変化することや、炭化物などの析出物が粗大化あるいは消失して析出強化の効果が少なくなるため、耐火性能を確保するためには合金元素量が多量になり、溶接継手靭性などの溶接性を低下させることの他、常温強度が高くなるため上記建築構造用鋼で規定されている降伏強度上限を上回るなどの問題が生じる。こうしたことから、従来、８００℃まで無耐火被覆での設計が可能な耐火性能を有する建築構造用途の４００ＭＰａ級鋼、４９０ＭＰａ級鋼はなかったが、最近になって、合金元素、熱間圧延の条件の適正化、Ａｃ１変態温度の向上等により、８００℃までの高温においても耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼が開発されつつある。
【０００８】
このような８００℃までの高温耐火建築鋼構造物では、作用応力の大きな部位の接合には溶接を適用しないので、溶接のための溶接材料として、母材と同程度の高温強度特性を有する溶接金属が得られるようなものは不要である。しかし、建築鋼構造物の柱製作時などの必要最小限の接合部位には溶接施工が適用され、このような溶接部は、作用応力は小さいため、母材の高温強度の１／２程度、具体的には８００℃で７０ＭＰａ程度の降伏強度で構造物の安全性が確保できることを確認している。ただし、靭性は従来鋼の溶接金属と同程度、すなわち０℃のシャルピーエネルギーで２７Ｊ以上の確保が必要である。
【０００９】
これまでに、６００℃を対象にした耐火鋼用の溶接材料は数多く開発されている（例えば、特開平２−６３６９８号公報、特開平２−７５４９４号公報、特開平２−１８２３９６号公報、特開平２−５２１９６号公報、特開平２−２７４３９４号公報、特開平２−１９２８９４号公報、特開平２−２１７１９５号公報、特開平２−２０５２９８号公報、特開平２−２００３９７号公報、特開平２−２００３９３号公報、特開平２−２６８９９４号公報、特開平３−２３０９７号公報）が、このような８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼を溶接する際に適した溶接材料およびそれを用いた溶接方法は開発されていなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような事情を鑑みなされたもので、特に、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼に使用する溶接方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、すなわち、その発明の要旨は以下の通りである。
【００１２】
耐火建築構造用鋼の開先をワイヤおよびフラックスを用いて多層盛溶接するサブマージアーク溶接方法において、前記ワイヤ中の金属成分の質量％と前記フラックス中の金属または合金として添加される金属成分の質量％の合計が、Ｆｅ及び不可避的不純物以外は質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１１％、Ｓｉ：０．５〜１．７５％、Ｍｎ：０．３〜５．３％、Ｎｉ：０．００６〜１．３％、Ｃｒ：０．０１〜２．４％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、Ｖ：０．００１〜０．３％、Ｎｂ：０．００７〜０．５％、Ａｌ：０．００３超〜７．０％からなるようにして溶接することにより、８００℃の高温での降伏強さが７０ＭＰａ以上で、かつ０℃シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上の靭性を有する溶接金属を得ることを特徴とする耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細について説明する。
【００１４】
建築鋼構造物の耐火設計では、火災継続時間内で高い高温強度を維持すればよく、従来のボイラなど圧力容器用の耐熱鋼のように５００〜６００℃程度の高温、高圧環境下で長時間使用する際の高温強度を考慮する必要はなく、比較的短時間の高温での降伏強度が維持できればよい。例えば、８００℃で保持時間が３０分程度の短時間での高温降伏強度が確保できれば８００℃耐火鋼として十分利用できる。
【００１５】
従来の耐火鋼では、高温時の降伏強度が常温時の２／３以上となるように性能を定めていたが、鉄骨構造物の実設計範囲が常温降伏強度下限の０．２〜０．４倍であることを勘案し、常温降伏強度下限比０．４以上であれば使用できるとの考えに基づき、８００℃高温強度のめやすとしては常温降伏強度に対する下限比が０．４以上とされている。すなわち８００℃降伏強さの目標値は４００ＭＰａ鋼で９４ＭＰａ、４９０ＭＰａで１３０ＭＰａである。
【００１６】
一方、建築構造物における鉄骨柱製作時の溶接部は作用応力が小さい位置に設けられるため、その溶接部の８００℃降伏強さの目標値は、母材の８００℃降伏強さの目標の１／２、すなわち４９０ＭＰａ鋼として使用することを仮定しても、８００℃の降伏強さの目標で７０ＭＰａが得られれば十分であることを発明者らは確認している。
【００１７】
そこで、発明者らは、８００℃高温耐火建築構造用鋼用の溶接材料として、８００℃の高温での保持時間が３０分程度の短時間加熱時に降伏強さが７０ＭＰａ以上で、かつ、従来鋼並みの０℃シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上の靱性を有する溶接金属が得られる溶接材料について検討した。
【００１８】
その結果、まず、溶接金属の８００℃における高温強度を確保するためには、高温耐火建築構造用鋼をサブマージアーク溶接する際にワイヤとフラックスのいずれか一方あるいは両方からのＮｂ添加により高温強度を向上させる方法が極めて有効であり、このようなＮｂ添加の効果を活用し、目標とする高温強度を得るためには適量のＣｒ、Ｍｏ、Ｖの添加も必須であることを見い出した。
【００１９】
さらに、発明者らの検討の結果、合金元素添加により溶接金属の強化を図るには、高温耐火建築鋼構造物の設計温度である８００℃で３０分程度保持した場合においても素地組織を変態させないことが必須となるが、そのために特にＡｌ等の合金元素の適量添加により溶接金属のＡｃ１変態温度を８００℃以上に高めることで、十分な強度維持をすることが可能であることを確認した。
【００２０】
一方、溶接金属の靭性にとって、これらの高温強度を確保するための合金元素は過剰に添加されると溶接金属の靭性を著しく阻害するので好ましくないため、これらの合金元素を他の合金元素との含有量のバランスを適正に保つことが必須であることも見い出し、本発明の溶接材料の成分範囲を見い出すに至った。
【００２１】
まず、本発明の溶接材料の成分の限定理由を以下に説明する。
【００２２】
本発明では、サブマージアーク溶接の際に目標とする溶接金属の８００℃までの温度での耐火性能および靱性を確保するためにワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有するＦｅおよび不可避不純物以外の以下の金属成分含有量を規定する必要がある。
【００２３】
但し、以下の成分は、フラックス中に含有する酸化物および弗化物として存在する成分を除いたものである。
【００２４】
Ｃは、溶接金属の常温での強度を得るためにワイヤとフラックス中に合わせて０．０１％が必要であるが、０．１１％を超える添加により靭性が低下するため、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．０１％以上、０．１１％以下に限定する。
【００２５】
Ｓｉは、Ａｃ１変態温度を高めるのに有効な元素である上、溶接金属中の酸素量を低下させて靭性を改善するのでワイヤとフラックス中に合わせて０．５％以上の添加が必要である。しかし、１．７５％を超えると常温強度が高くなりすぎ、溶接金属靭性も低下させるので、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．５％以上、１．７５％以下に限定する。
【００２６】
Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶接金属の酸素量を低減させ、靭性を改善するので０．３％は必要であるが、高温強度にはあまり効果がない。さらにＡｃ１変態温度を低くするために８００℃高温強度にはかえって有害となることから、５．３％以下に限定する。したがって、Ｍｎ含有量を、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．３〜５．３％とする。
【００２７】
Ｎｉは、溶接金属靭性を高めるために添加する場合は０．００６％以上を必要とするが、Ａｃ１変態温度を低下させるため、１．３％を超えて添加すると高温強度が低下する。したがってＮｉの添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００６〜１．３％、好ましくは０．０１〜１．０％の範囲とする。
【００２８】
Ｃｒは、強化元素として添加する場合には０．０１％以上を要するが、２．４％を超えて添加すると常温強度が高くなりすぎ、またＡｃ１変態温度を低下させて高温強度を低下させることから、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．０１％以上、２．４％以下とする。
【００２９】
Ｍｏは、溶接金属の高温強度を高める基本元素であり、本発明溶接のワイヤとフラックスの組合せにおいては必須元素である。こうした特性を十分発揮させて８００℃高温強度を高めるには、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．２％以上の添加が必要であるが、２．０％を超えて添加すると常温強度が高くなりすぎ、溶接金属靭性も低下させる場合があるため、Ｍｏ添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．２％以上、２．０％以下とする。
【００３０】
Ｖも、高温強度を高める構成元素として重要である。８００℃高温強度を高めるにはワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００１％以上の添加が有効である。しかし、０．３％を超えて添加すると溶接金属靭性を低下させる場合があるため、添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００１％以上、０．３％以下とする。
【００３１】
Ｎｂは、発明溶接ワイヤにおいて溶接金属の高温強度を高める構成元素として最も重要である。８００℃高温強度を高めるにはワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００７％以上の添加が有効である。しかし、０．５％を超えて添加すると溶接金属靭性を低下させる場合があるため、添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００７％以上、０．５％以下とする。
【００３２】
Ａｌは、Ｓｉと同様に溶接金属の酸素量を低減させ、靭性を改善する。さらにＡｌは常温強度をあまり高めずにＡｃ１変態温度を大きく上昇させるので、本発明における重要な元素である。これらの目的のためにはワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００３％超の添加が必要である。しかし、７．０％を超えて添加するとスラグ剥離性等の溶接作業性を著しく低下させる。こうしたことから、本発明溶接ワイヤにおけるＡｌの添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００３％超、７．０％以下とする。
【００３３】
本発明では、上述したようにサブマージアーク溶接の際にワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方の成分を規定することにより目標とする溶接金属の８００℃での耐火性能および靱性を確保することができる。
【００３４】
なお、フラックスを用いて上記の金属成分を溶接金属に添加する場合は、フラックス中に上記金属成分（Ｘ）を金属（Ｘ）、鉄またはその他金属との合金（Ｆｅ−Ｘ）などの添加形態で添加される。
【００３５】
また、本発明では、さらに、溶接作業性などを向上させるために、フラックス中に以下の金属酸化物、金属弗化物または金属炭酸塩を含有しても良い。
【００３６】
ＴｉＯ₂は、ビード形状を改善させるがスラグ剥離性を劣化させ、特に８％を超えるとビード表面にスラグのこびり付きが生じ、極端にスラグ剥離性が劣化するので８％以下に限定することが好ましい。
【００３７】
ＳｉＯ₂はスラグの粘性を増加させ、止端部のなじみのよい溶接ビードを形成するのに極めて有効な成分であるとともに、スラグをガラス質の性状にする傾向を有し、これにより砕けやすい剥離性の良好なスラグを生成することができる。このようなＳｉＯ₂の効果はフラックス全重量に対し、１０％以上の添加で得ることができるが、一方１６％を超えて添加するとスラグの融点が低下し、溶接ビードの表面が乱れ、さらには溶接金属中の酸素量を増加させ溶接金属の靭性が劣化する。そのため、ＳｉＯ₂はフラックス全重量に対し、１０〜１６％添加するのが好ましい。
【００３８】
ＣａＯは高塩基性であり、溶接金属中の酸素量を低くするために必要な組成であり、靭性を向上させる。このようなＣａＯの効果はフラックス全重量に対し、３％以上の添加で得ることができる。しかしながら２０％を超えて添加するとビードが不揃いとなり外観が不良となる。そのため、ＣａＯはフラックス全重量に対し、３〜２０％添加するのが好ましい。
【００３９】
ＺｒＯ₂はビード幅の広いなじみの良いビードを形成するのに極めて有効な成分であるため、１％以上の添加で得ることができるが、一方９％を超えて添加するとスラグ量が増加し、かつビード止端部に焼付きが生じるようになる。そのためＺｒＯ₂は１〜９％添加するのが好ましい。
【００４０】
Ａｌ₂Ｏ₃は、ビード幅を狭くしてスラグ剥離性を改善するため、８％以上添加できるが、１８％を超えると溶接金属の酸素量が高くなり、靭性が劣化する。そのためＡｌ₂Ｏ₃はフラックス全重量に対し８〜１８％添加するのが好ましい。
【００４１】
ＭｇＯはビードの保持力を高め、かつビード幅を広げ止端部のなじみのよい溶接ビードを形成するのに有効な成分であるため、フラックスの全重量に対し、１０％以上の添加できる。しかしながら、２３％を超えて添加するとスラグ量が増加して、スラグが砕けにくくなりスラグ剥離性が劣化する。そのため、ＭｇＯはフラックス全重量に対し１０〜２３％添加するのが好ましい。
【００４２】
ＣａＦ₂などの金属弗化物は、溶接金属の酸素量を低減し、靭性を向上させるため、フラックスの全重量に対し、１％以上の添加で得ることができるが、１８％を超えて添加するとアーク現象が不安定になり、ポックマークが生じ、ビード形状が不良になる。そのためＣａＦ₂はフラックス全重量に対し、１〜１８％添加するのが好ましい。
【００４３】
ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃などの金属炭酸塩は溶接中にアーク空洞中でＣＯ₂ガスに解離し、アーク空洞中における水素分圧を下げ、溶接金属に移行する水素量を低くし、拡散性水素量を低減する効果を有する。金属炭酸塩がＣＯ₂に換算してフラックス全重量に対し３％未満であると溶接金属中の拡散性水素量が減少せず、水素による低温割れが生じやすくなる。一方、６％を超えるとガス発生量が過多となり、アークが吹き上げビード形状が不良となる。そのため、ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃などの金属炭酸塩は、ＣＯ₂に換算してフラックス全重量に対して３〜６％含有することが好ましい。
【００４４】
Ｌｉ₂Ｏ₃、ＬｉＦなどは吸湿防止効果が非常に高いため、フラックスが大気中の水分を吸収し、溶接時の水素分圧が大きくなり、溶接金属の拡散性水素を高くするのを抑制する。特に、水ガラスを含有するボンドフラックスではこの傾向が強い。この効果をえるためにＬｉ願算で０．０４以上添加できる。一方、Ｌｉ願算０．５％を超えると溶接ビード表面にアバタが発生し、ビード形状が不良となる。そのため、Ｌｉ₂Ｏ₃、ＬｉＦなどをフラックスの全重量に対し、Ｌｉ願算で０．０４〜０．５％添加するのが好ましい。
【００４５】
Ｆｅは溶着効率を高め、溶接作業能率を向上させる。Ｆｅの含有によってフラックスの嵩重量が大きくなることにより溶接金属の溶込みを増大させる効果があるため、より狭い開先においても必要とする十分な溶込みを得ることが可能になる。このような効果をえるためにはフラックス中に１％以上添加する必要がある。しかしながら、３５％を超えて添加されるとスラグ生成剤の量が不足するためビード形成能が劣化し、ビード表面の波目が粗くなり、ビード表面に突起物が発生しやすくなり、外観上好ましくない。従って、Ｆｅの添加量は１〜３５％とするのが好ましい。なお、Ｆｅの添加形態は鉄粉、鉄合金を用いられる。
【００４６】
【実施例】
発明効果をさらに明確にするため、以下実施例について述べる。
【００４７】
表１に示す化学成分を有する板厚２０ｍｍの厚板１を図１に示す寸法の開先２に開先加工し、溶接に供した。裏当金３も母材と同様の厚板を使用した。溶接は表２に示す条件を用い、１層２パスのサブマージアーク溶接を用いて多層盛溶接を行った。この溶接で使用した溶接ワイヤの化学成分を表３に、フラックスの化学成分を表４にそれぞれ示す。なお、フラックスはまず原材料を配合、混合した後、水ガラスを固着材として造粒した後、５５０℃で２時間焼成し、１２〜１００メッシュに整粒して作製したボンドフラックスを用いた。
【００４８】
これらのワイヤとフラックスを表５に示すように組合わせてサブマージアーク溶接を行った。その後、溶接試験体から図２に示す位置で高温引張試験片４とＪＩＳ ４号Ｖノッチシャルピー衝撃試験片５を採取し、それぞれの試験に供した。
【００４９】
表５において、記号Ｊ１〜Ｊ１１は、ワイヤとフラックスの含有量の合計が本発明範囲内である本発明例、Ｊ１２〜Ｊ２５は本発明範囲から外れている比較例である。
【００５０】
高温引張試験試験結果（８００℃における降伏強さ）およびシャルピー衝撃試験結果（０℃におけるシャルピー吸収エネルギー）を表６に示す。
Ｊ１〜Ｊ１１の本発明はいずれも、表６に示すように、８００℃での降伏強さ、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーともに良好である。
【００５１】
一方、Ｊ１２〜Ｊ２５の比較例は、それぞれ、表６に示したような理由により、８００℃での降伏強さあるいは０℃におけるシャルピー吸収エネルギーの目標を満足しなかった。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
【表３】

【００５５】
【表４】

【００５６】
【表５】

【００５７】
【表６】

【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼とに適用する溶接材料が提供可能、建築分野をはじめとしてその工業界への効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において適用される開先形状を示す図である。
【図２】本発明において適用される試験片採取位置を示す図である。
【符号の説明】
１ 厚板
２ 開先
３ 裏当金
４ 高温引張試験片
５ シャルピー衝撃試験片[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In particular, the present invention relates to a welding material used for construction of a structure using high-temperature fire-resistant building structural steel having excellent fire resistance at temperatures up to 800 ° C.
[0002]
[Prior art]
Generally, in order to ensure safety at the time of fire in a building, fire resistance standards are established so that the steel surface temperature at the time of fire is 350 ° C. or less, and fireproof coating such as rock wool is required. However, there is a growing demand for fireproof coating to be completely omitted from the viewpoint that the construction cost of fireproof coating is expensive, extra steps are required, and the landscape is also required.
[0003]
As a result of the achievement of the fire prevention and fire prevention professionals in 1987 (according to Article 38 certification), it became possible to design a performance type. As a result, how much fire resistance depends on the high temperature strength of the steel and the load actually applied to the building. It became possible to determine whether a coating was necessary, and in some cases, it was possible to use steel with a non-fireproof coating.
[0004]
Under such circumstances, many so-called refractory steels having high temperature strength for a short time have been developed in recent years. Starting with Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-77523, a number of techniques for steel materials having a high temperature yield strength at 600 ° C. of 2/3 or more at normal temperature, that is, 600 ° C. refractory steel are disclosed. In addition, Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-209077 and 10-68015 disclose a technique of 700 ° C. refractory steel in which the high-temperature yield strength at 700 ° C. is 2/3 or more at normal temperature.
[0005]
With 600 ° C refractory steel, a fireproof coating structure is possible only in multilevel parking lots and external steel frames that have a relatively small amount of combustible material, but 700 ° C refractory steel has many structures that can be fireproof coating. . Furthermore, if the fireproof performance is 800 ° C. or higher, the range in which a fireproof coating structure is possible can be greatly expanded.
[0006]
On the other hand, since the current seismic design method presupposes seismic energy absorption by deformation of the frame, to ensure the collapsed shape of the frame assumed in the design, to ensure the plastic deformation capacity of the member, to fully demonstrate the member performance It is necessary to secure the yield strength and toughness of the joints, and the steel materials for building structures used for this are limited in yield strength variation (that is, the upper and lower limits of yield strength) and the provision of earthquake resistance such as the upper limit of yield ratio. It is necessary to ensure weldability. The SN material (JIS G136-1994) is a steel material for which these seismic resistance and weldability are defined. In the case of 400 MPa class steel (lower limit of yield strength: 235 MPa), the upper limit of yield strength is 355 MPa, and the upper limit of yield ratio. Is 80%, 490 MPa grade steel (yield strength lower limit 325 MPa), the upper limit of yield strength is 445 MPa, and the upper limit of yield ratio is defined as 80%.
[0007]
In order to ensure high temperature strength, a method of adding alloy elements such as Cr, Mo, Mn, and V is generally used for heat resistant steel used in a high temperature and high pressure environment of about 500 to 600 ° C. such as a boiler. . However, at a high temperature such as 800 ° C., the structure of the steel material changes due to transformation, and precipitates such as carbides coarsen or disappear to reduce the effect of precipitation strengthening. In addition to a large amount of alloying elements and a decrease in weldability such as welded joint toughness, problems such as exceeding the upper limit of yield strength stipulated in the steel for building structures arise because the normal temperature strength is increased. For this reason, there has been no 400MPa class steel and 490MPa class steel for building structure applications that have fireproof performance that can be designed with a fireproof coating up to 800 ° C. By optimizing conditions and improving the Ac1 transformation temperature, high-temperature fire-resistant building structural steels having excellent fire resistance even at high temperatures up to 800 ° C. are being developed.
[0008]
In such a high temperature refractory building steel structure up to 800 ° C., welding is not applied to the joining of parts having a large working stress. Therefore, welding having a high temperature strength characteristic comparable to that of the base material as a welding material for welding. There is no need for metal to be obtained. However, welding is applied to the minimum necessary joints such as during the manufacture of pillars for building steel structures. Since such a weld has a small acting stress, it is about 1/2 the high-temperature strength of the base material. Specifically, it has been confirmed that the safety of the structure can be secured with a yield strength of about 70 MPa at 800 ° C. However, the toughness should be the same as that of conventional steel weld metal, that is, 27 J or more must be secured with a Charpy energy of 0 ° C.
[0009]
So far, many welding materials for refractory steel targeting 600 ° C. have been developed (for example, JP-A-2-63698, JP-A-2-75494, JP-A-2-182396, JP-A-2-52196, JP-A-2-274394, JP-A-2-192894, JP-A-2-217195, JP-A-2-205298, JP-A-2-200377, JP-A-2 -200703, JP-A-2-268994, JP-A-3-23097) are suitable for welding such high-temperature fire-resistant building structural steel having excellent fire resistance at temperatures up to 800 ° C. A welding material and a welding method using the same have not been developed.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the circumstances as described above. In particular, the present invention provides a welding method used for high-temperature fire-resistant building structural steel having excellent fire resistance at temperatures up to 800 ° C.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems, that is, the gist of the invention is as follows.
[0012]
In a submerged arc welding method in which a groove of a refractory building structural steel is multi-layer welded using a wire and a flux, the mass% of the metal component in the wire and the mass of the metal component added as a metal or alloy in the flux % Is mass% except for Fe and inevitable impurities , C: 0.01 to 0.11%, Si: 0.5 to 1.75%, Mn: 0.3 to 5.3%, Ni : 0.006 to 1.3%, Cr: 0.01 to 2.4%, Mo: 0.2 to 2.0%, V: 0.001 to 0.3%, Nb: 0.007 to 0 .5%, Al: 0.003 more be welded so as to consist of ultra 7.0%, 800 yield strength at elevated temperatures ° C. is at least 70 MPa, and 0 ℃ Charpy absorbed energy is not less than 27J fireproof building structure, characterized in Rukoto obtain a weld metal having a toughness Steel submerged arc welding method.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Details of the present invention will be described below.
[0014]
In fireproof design of building steel structures, it is only necessary to maintain high high-temperature strength within the fire duration, and for a long time under high temperature and high pressure environment of about 500-600 ° C like heat-resistant steel for pressure vessels such as conventional boilers. There is no need to consider the high-temperature strength at the time of use, as long as the yield strength at a high temperature for a relatively short time can be maintained. For example, if high temperature yield strength can be secured in a short time of about 30 minutes at 800 ° C., it can be sufficiently used as 800 ° C. refractory steel.
[0015]
In the conventional refractory steel, the performance is determined so that the yield strength at high temperature is 2/3 or more at normal temperature, but the actual design range of the steel structure is 0.2 to 0.4, which is the lower limit of normal temperature yield strength. In consideration of the fact that it can be used if the room temperature yield strength lower limit ratio is 0.4 or more, the lower limit ratio to room temperature yield strength is 0.4 or more as an indication of 800 ° C high temperature strength. Yes. That is, the target value of 800 ° C. yield strength is 94 MPa for 400 MPa steel and 130 MPa for 490 MPa.
[0016]
On the other hand, since the welded part at the time of manufacturing the steel column in the building structure is provided at a position where the acting stress is small, the target value of the 800 ° C yield strength of the welded part is one of the target 800 ° C yield strength of the base material. The inventors have confirmed that it is sufficient to obtain 70 MPa with a yield strength target of 800 ° C. even if it is assumed to be used as / 2, that is, 490 MPa steel.
[0017]
Therefore, the inventors, as a welding material for 800 ° C. high temperature fireproof building structural steel, have a yield strength of 70 MPa or more when heated for a short time of about 30 minutes at a high temperature of 800 ° C. We examined welding materials from which a weld metal having a toughness with an ordinary 0 ° C. Charpy absorbed energy of 27 J or more was obtained.
[0018]
As a result, first, in order to ensure the high-temperature strength of the weld metal at 800 ° C., the Nb addition from either or both of the wire and the flux when the high-temperature refractory building structural steel is submerged arc welded increases the high-temperature strength. It has been found that the improvement method is extremely effective, and the addition of appropriate amounts of Cr, Mo, and V is indispensable to obtain the target high-temperature strength by utilizing the effect of such Nb addition.
[0019]
Furthermore, as a result of the study by the inventors, in order to strengthen the weld metal by adding alloying elements, the base structure is not transformed even when kept at 800 ° C., which is the design temperature of the high-temperature refractory building steel structure, for about 30 minutes. However, it has been confirmed that sufficient strength can be maintained by increasing the Ac1 transformation temperature of the weld metal to 800 ° C. or higher by adding an appropriate amount of an alloying element such as Al.
[0020]
On the other hand, for the toughness of the weld metal, it is not preferable that the alloy elements for securing the high-temperature strength are excessively added because the toughness of the weld metal is significantly inhibited. It has also been found that it is essential to keep the balance of the contents appropriate, and the component range of the welding material of the present invention has been found.
[0021]
First, the reasons for limiting the components of the welding material of the present invention will be described below.
[0022]
In the present invention, in order to ensure the fire resistance performance and toughness of the target weld metal at temperatures up to 800 ° C. in the case of submerged arc welding, other than Fe and unavoidable impurities contained in one or both of the wire and the flux It is necessary to specify the following metal component content.
[0023]
However, the following components exclude the components contained in the flux as oxides and fluorides.
[0024]
In order to obtain the strength of the weld metal at room temperature, C needs to be 0.01% in the wire and the flux, but if added over 0.11%, the toughness is lowered. The total amount contained in one or both is limited to 0.01% or more and 0.11% or less.
[0025]
Si is an element effective for increasing the Ac1 transformation temperature, and also reduces the oxygen content in the weld metal to improve toughness. Therefore, it is necessary to add 0.5% or more in accordance with the wire and flux. . However, if it exceeds 1.75%, the normal temperature strength becomes too high and the weld metal toughness is also lowered, so that the total amount contained in either or both of the wire and the flux is 0.5% or more and 1.75% or less. Limited to.
[0026]
Mn reduces the oxygen content of the weld metal and improves toughness in the same way as Si, so 0.3% is necessary, but is not very effective for high-temperature strength. Furthermore, in order to lower the Ac1 transformation temperature, it is harmful to the 800 ° C. high temperature strength, so it is limited to 5.3% or less. Therefore, the Mn content is set to 0.3 to 5.3% in the total amount contained in one or both of the wire and the flux.
[0027]
When Ni is added in order to increase the weld metal toughness, 0.006% or more is required. However, since Ni decreases the Ac1 transformation temperature, when it exceeds 1.3%, the high-temperature strength decreases. Therefore, the amount of Ni added is 0.006 to 1.3%, preferably 0.01 to 1.0% in terms of the total amount contained in one or both of the wire and the flux.
[0028]
When Cr is added as a strengthening element, it requires 0.01% or more, but if added over 2.4%, the room temperature strength becomes too high, and the Ac1 transformation temperature is lowered to lower the high temperature strength. Therefore, the total amount contained in one or both of the wire and the flux is 0.01% or more and 2.4% or less.
[0029]
Mo is a basic element that increases the high-temperature strength of the weld metal, and is an essential element in the combination of the wire and flux of the present invention. In order to fully exhibit these characteristics and increase the strength at 800 ° C., it is necessary to add 0.2% or more in the total amount contained in one or both of the wire and the flux, but it exceeds 2.0%. If added, the normal temperature strength becomes too high and the weld metal toughness may be lowered, so the Mo addition amount is 0.2% or more and 2.0% in the total amount contained in one or both of the wire and the flux. The following.
[0030]
V is also important as a constituent element for increasing the high-temperature strength. In order to increase the 800 ° C. high temperature strength, it is effective to add 0.001% or more in the total amount contained in one or both of the wire and the flux. However, if added over 0.3%, the weld metal toughness may be reduced, so the added amount is 0.001% or more and 0.3% in the total amount contained in one or both of the wire and flux The following.
[0031]
Nb is the most important element for increasing the high temperature strength of the weld metal in the invention welding wire. In order to increase the 800 ° C. high temperature strength, it is effective to add 0.007% or more in the total amount contained in one or both of the wire and the flux. However, if added over 0.5%, the weld metal toughness may be reduced, so the added amount is 0.007% or more, 0.5% in the total amount contained in one or both of the wire and flux The following.
[0032]
Al, like Si, reduces the oxygen content of the weld metal and improves toughness. Further, Al is an important element in the present invention because it greatly increases the Ac1 transformation temperature without significantly increasing the normal temperature strength. For these purposes, it is necessary to add more than 0.003% of the total amount contained in one or both of the wire and the flux. However, if added over 7.0%, welding workability such as slag peelability is significantly reduced. For these reasons, the amount of Al added to the welding wire of the present invention is more than 0.003% and not more than 7.0% as the total amount contained in one or both of the wire and the flux.
[0033]
In the present invention, the fire resistance performance and toughness at 800 ° C. of the target weld metal can be ensured by defining either or both of the wire and flux during submerged arc welding as described above. .
[0034]
In addition, when adding said metal component to a weld metal using a flux, the said metal component (X) addition form, such as an alloy with metal (X), iron, or another metal (Fe-X), etc. in a flux Is added.
[0035]
In the present invention, the flux may further contain the following metal oxide, metal fluoride, or metal carbonate in order to improve welding workability.
[0036]
TiO ₂ improves the bead shape but deteriorates the slag removability. Particularly when it exceeds 8%, slag sticking occurs on the bead surface, and the slag removability is extremely deteriorated. Therefore, it is preferably limited to 8% or less. .
[0037]
SiO ₂ increases the viscosity of the slag and is a very effective component to form a weld bead with a good fit at the toe, and has a tendency to make the slag vitreous, which makes it easy to break. It is possible to generate slag with good properties. Such an effect of SiO ₂ can be obtained by adding 10% or more with respect to the total weight of the flux, but if added over 16%, the melting point of the slag is lowered, the surface of the weld bead is disturbed, The amount of oxygen in the weld metal is increased and the toughness of the weld metal is deteriorated. Therefore, it is preferable to add 10 to 16% of SiO ₂ with respect to the total weight of the flux.
[0038]
CaO is highly basic and is a composition necessary for reducing the amount of oxygen in the weld metal, and improves toughness. Such an effect of CaO can be obtained by adding 3% or more based on the total weight of the flux. However, if added over 20%, the beads become uneven and the appearance becomes poor. Therefore, it is preferable to add 3 to 20% of CaO with respect to the total weight of the flux.
[0039]
ZrO ₂ is an extremely effective component for forming a bead with a wide bead width and can be obtained by addition of 1% or more. On the other hand, if it exceeds 9%, the amount of slag increases. In addition, seizure occurs at the toe end of the bead. Therefore ZrO ₂ is preferably added 1-9%.
[0040]
Al ₂ O ₃ can be added in an amount of 8% or more in order to narrow the bead width and improve the slag removability. However, if it exceeds 18%, the oxygen content of the weld metal increases and the toughness deteriorates. Therefore, it is preferable to add 8 to 18% of Al ₂ O ₃ with respect to the total weight of the flux.
[0041]
MgO is an effective component for increasing the bead holding force and widening the bead width to form a weld bead having a familiar end of the toe, so that it can be added in an amount of 10% or more based on the total weight of the flux. However, if added over 23%, the amount of slag increases, the slag becomes difficult to break, and the slag peelability deteriorates. Therefore, it is preferable to add 10 to 23% of MgO with respect to the total weight of the flux.
[0042]
Metal fluorides such as CaF ₂ can be obtained by adding 1% or more with respect to the total weight of the flux in order to reduce the oxygen content of the weld metal and improve toughness, but if added over 18% The arc phenomenon becomes unstable, a pock mark is generated, and the bead shape becomes poor. Therefore, it is preferable to add 1 to 18% of CaF ₂ with respect to the total weight of the flux.
[0043]
Metal carbonates such as CaCO ₃ and BaCO ₃ dissociate into CO ₂ gas in the arc cavity during welding, lower the hydrogen partial pressure in the arc cavity, lower the amount of hydrogen transferred to the weld metal, and the amount of diffusible hydrogen Has the effect of reducing. If the metal carbonate is less than 3% in terms of CO ₂ in terms of CO ₂ , the amount of diffusible hydrogen in the weld metal does not decrease, and cold cracking due to hydrogen tends to occur. On the other hand, if it exceeds 6%, the amount of gas generated becomes excessive, the arc is blown up, and the bead shape becomes poor. Therefore, it is preferable to contain 3 to 6% of metal carbonates such as CaCO ₃ and BaCO ₃ in terms of CO ₂ with respect to the total weight of the flux.
[0044]
Since Li ₂ O ₃ , LiF, etc. have a very high moisture absorption preventing effect, the flux absorbs moisture in the atmosphere, increases the hydrogen partial pressure during welding, and suppresses increasing the diffusible hydrogen of the weld metal. . In particular, this tendency is strong in the bond flux containing water glass. In order to obtain this effect, 0.04 or more can be added by Li application. On the other hand, if the Li application ratio exceeds 0.5%, an avatar is generated on the surface of the weld bead and the bead shape becomes poor. Therefore, it is preferable to add Li ₂ O ₃ , LiF, etc. in an amount of 0.04 to 0.5% by Li application based on the total weight of the flux.
[0045]
Fe increases welding efficiency and improves welding work efficiency. Since the bulk weight of the flux increases due to the inclusion of Fe, there is an effect of increasing the penetration of the weld metal, so that it is possible to obtain the necessary penetration even in a narrow groove. In order to obtain such an effect, it is necessary to add 1% or more in the flux. However, if it is added in excess of 35%, the amount of slag forming agent is insufficient, so that the bead forming ability is deteriorated, the wavy surface of the bead surface becomes rough, and protrusions are easily generated on the bead surface, which is preferable in terms of appearance. Absent. Therefore, the addition amount of Fe is preferably 1 to 35%. In addition, iron powder and an iron alloy are used for the addition form of Fe.
[0046]
【Example】
In order to further clarify the effects of the invention, examples will be described below.
[0047]
A thick plate 1 having a chemical thickness shown in Table 1 and having a thickness of 20 mm was grooved into a groove 2 having the dimensions shown in FIG. 1 and subjected to welding. The backing metal 3 was also a thick plate similar to the base material. Welding was performed under the conditions shown in Table 2, and multi-layer welding was performed using submerged arc welding of one layer and two passes. Table 3 shows chemical components of the welding wire used in this welding, and Table 4 shows chemical components of the flux. The flux was prepared by mixing and mixing raw materials, granulating water glass as a fixing material, firing at 550 ° C. for 2 hours, and sizing to 12 to 100 mesh.
[0048]
Submerged arc welding was performed by combining these wires and flux as shown in Table 5. Thereafter, a high-temperature tensile test piece 4 and a JIS No. 4 V-notch Charpy impact test piece 5 were collected from the welded test piece at the position shown in FIG. 2 and subjected to each test.
[0049]
In Table 5, symbols J1 to J11 are examples of the present invention in which the total content of wires and flux is within the scope of the present invention, and J12 to J25 are comparative examples that are outside the scope of the present invention.
[0050]
Table 6 shows the results of the high-temperature tensile test (yield strength at 800 ° C.) and the Charpy impact test (Charpy absorbed energy at 0 ° C.).
As shown in Table 6, the present inventions J1 to J11 are both good in yield strength at 800 ° C. and Charpy absorbed energy at 0 ° C.
[0051]
On the other hand, the comparative examples of J12 to J25 did not satisfy the target of yield strength at 800 ° C. or Charpy absorbed energy at 0 ° C. for the reasons shown in Table 6, respectively.
[0052]
[Table 1]

[0053]
[Table 2]

[0054]
[Table 3]

[0055]
[Table 4]

[0056]
[Table 5]

[0057]
[Table 6]

[0058]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the welding material applied to the high-temperature fire-resistant building structural steel excellent in the fire resistance in the temperature to 800 degreeC can be provided, and the effect on the industrial field including the construction field is very large.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a groove shape applied in the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing test piece collection positions applied in the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thick board 2 Groove 3 Back metal 4 High temperature tensile test piece 5 Charpy impact test piece

Claims (1)

耐火建築構造用鋼の開先をワイヤおよびフラックスを用いて多層盛溶接するサブマージアーク溶接方法において、前記ワイヤ中の金属成分の質量％と前記フラックス中の金属または合金として添加される金属成分の質量％の合計が、Ｆｅ及び不可避的不純物以外は質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１１％、Ｓｉ：０．５〜１．７５％、Ｍｎ：０．３〜５．３％、Ｎｉ：０．００６〜１．３％、Ｃｒ：０．０１〜２．４％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、Ｖ：０．００１〜０．３％、Ｎｂ：０．００７〜０．５％、Ａｌ：０．００３超〜７．０％からなるようにして溶接することにより、８００℃の高温での降伏強さが７０ＭＰａ以上で、かつ０℃シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上の靭性を有する溶接金属を得ることを特徴とする耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接方法。In a submerged arc welding method in which a groove of a refractory building structural steel is multi-layer welded using a wire and a flux, the mass% of the metal component in the wire and the mass of the metal component added as a metal or alloy in the flux % Is mass% except for Fe and inevitable impurities , C: 0.01 to 0.11%, Si: 0.5 to 1.75%, Mn: 0.3 to 5.3%, Ni : 0.006 to 1.3%, Cr: 0.01 to 2.4%, Mo: 0.2 to 2.0%, V: 0.001 to 0.3%, Nb: 0.007 to 0 .5%, Al: 0.003 more be welded so as to consist of ultra 7.0%, 800 yield strength at elevated temperatures ° C. is at least 70 MPa, and 0 ℃ Charpy absorbed energy is not less than 27J fireproof building structure, characterized in Rukoto obtain a weld metal having a toughness Steel submerged arc welding method.

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