JP3871655B2

JP3871655B2 - 高張力鋼用の両面一層サブマージアーク溶接用ワイヤ

Info

Publication number: JP3871655B2
Application number: JP2003133905A
Authority: JP
Inventors: 茂遠藤; 隆二村岡; 圭人石▲崎▼; 繁樹西山
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004337863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力鋼用のサブマージアーク溶接用ワイヤに関し、特に、７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の張力を有する高張力鋼の溶接に適した高張力鋼用のサブマージアーク溶接用ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高張力鋼は、圧力容器及び水圧鉄管等に広く使用されているが、近時これらの溶接構造物の大型化に伴って、板厚を薄くすることによる使用鋼材量の低減を可能にするため、更に一層の高強度化が進められている。更に、天然ガス又は石油を輸送するパイプラインに使用される鋼管は操業圧力を増加させ、輸送効率の向上を図るために高強度化が進められている。このような母材の改良に伴い、溶接金属の高強度化も必要である。
【０００３】
従来の高張力鋼用サブマージアーク溶接用ワイヤについては、例えば、特開平９−３０８９８７号公報及び特開平１０−１１３７９１号公報に、低温靭性に優れた溶接用ワイヤが提案されている。しかし、この公知の溶接ワイヤは、溶接金属部の高強度化を図ったものではない。
【０００４】
また、特開昭６１−１４７９９０号公報には、ワイヤの構成元素及び含有率を厳密に規定することによって、強度、低温靭性及び耐割れ性が優れた溶接金属部を得ることができると記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−３０８９８７号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１３７９１号公報
【特許文献３】
特開昭６１−１４７９９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来の溶接ワイヤを使用して鋼管のシーム溶接のような両面一層高速溶接をしようとすると、ワイヤ組成により意図された溶接金属部の組成を母材成分が変えてしまう母材希釈が大きく、強度不足が問題となった。
【０００７】
これは、母材成分系の考え方として、従前は高強度化を達成するために、炭素当量の高い成分系が使用されていたが、溶接性及び溶接熱影響部の靭性が劣るという問題点があった。そこで、近時、炭素当量の低減を図り、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶの添加による加速冷却法の適用により、良好な溶接性と溶接熱影響部の靭性を確保しつつ、高強度化を図っている。
【０００８】
しかしながら、上述のとおり、溶接金属部は母材希釈の影響が大きく、母材の更に一層の高強度化と低炭素当量化に伴い、溶接金属部の組成が母材成分に希釈されてワイヤ組成により決まる所望の組成から外れてしまい、従来の溶接材料では強度と靭性の確保が困難であった。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低炭素当量の高張力鋼又は鋼管のシーム溶接で実施されているような母材希釈が大きい両面一層高速溶接の場合でも、優れた強度及び低温靭性を具備することができ、従来ワイヤでは困難であった７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さを有する高張力鋼を溶接対象として、優れた強度及び低温靭性を有する溶接金属部を得ることができ、両面一層の高速溶接性が優れた高張力鋼用のサブマージアーク溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高張力鋼用の両面一層サブマージアーク溶接用ワイヤは、Ｃ：０．１０乃至０．２０質量％、Ｍｎ：１．８９乃至２．７０質量％、Ｎｉ：２．００乃至４．００質量％、Ｃｒ：０．３０乃至１．２０質量％、Ｍｏ：０．６０乃至２．００質量％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物であり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｂ及びＮを、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｓｉ：０．２５質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｖ：０．２０質量％以下、Ｃｕ：０．７０質量％以下、Ｂ：０．０２０質量％以下、Ｎ：０．００８０質量％以下に規制したことを特徴とする。
【００１１】
なお、この溶接用ワイヤの引張強度は、１２００Ｎ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。高張力鋼用のサブマージアーク溶接用ワイヤにおいて、強度を確保するためには、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏを添加することが有効である。しかし、両面一層溶接における１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の溶接金属が、２ｎｄ側（次に、溶接を実行する面側）の溶接の際に、熱影響を受ける場合でも、優れた靭性を得るためには、Ｃ、Ｍｎ及びＭｏの添加量は適度でなければならない。Ｃ、Ｍｎ及びＭｏを過度に添加してしまうと、前記熱影響により溶接金属部の靭性を劣化させてしまう。Ｎｉも過度に添加すると高温割れが発生しやすくなるため、適量に制限しなければならない。従って、従来の溶接ワイヤでは、強度の確保に限界があった。
【００１３】
そこで、本発明者等が種々実験研究を繰り返した結果、Ｃｒは、強度を高める効果がある上、１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の溶接金属部が熱影響を受けても、衝撃性能を著しく劣化させない作用があることを見出した。このため、Ｃｒを適量添加することにより、両面一層溶接において、優れた強度及び低温靭性を得ることができる。
【００１４】
次に、本発明における成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
【００１５】
Ｃ：０．０７乃至０．２０質量％
Ｃは要求される強度を得るためには必要な成分であり、その影響度も大きい。ワイヤ中のＣ量が０．０７質量％未満であると強度不足となる。一方、多すぎると強度が高くなり過ぎ、靭性が劣化するため、０．２０質量％以下とする。
【００１６】
Ｍｎ：１．７０乃至２．７０質量％
Ｍｎは溶融金属中の酸素と結合してこれを除去する作用を有し、優れた靭性を得るため、さらには強度を確保するためにも必要な成分である。ワイヤ中のＭｎ量が１．７０質量％未満であると、靭性は劣化する上、強度不足となる。一方、ワイヤ中のＭｎ量が２．７０質量％を超えると、過度な焼き入れ組織となり、靭性が劣化する。
【００１７】
Ｎｉ：２．００乃至４．００質量％
Ｎｉは低温靭性の安定化に有効であることは良く知られているが、強度確保にも有効な成分である。ワイヤ中のＮｉ量が２．００質量％未満であると、強度不足となる。一方、ＮｉはＮｉＳという低融点の共晶を作り、高温割れを生じやすい成分でもある。従って、高温割れを防止するため、ワイヤ中のＮｉ量は４．００質量％以下とする。
【００１８】
Ｃｒ：０．３０乃至１．２０質量％
Ｃｒは強度確保に必要な成分である。また、両面一層溶接のように、２ｎｄ側（次に、溶接を実行する面側）の溶接熱により、１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の溶接金属が熱影響を受ける場合、熱影響部は析出硬化し、衝撃性能が劣化する虞がある。本発明者らが種々実験した結果、Ｃｒは１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）が熱影響を受けても、衝撃性能を著しく劣化させないことを見出した。従って、要求される強度を確保し、かつ衝撃性能の安定化を図るために、Ｃｒの添加が有効である。ワイヤ中のＣｒ量が０．３０質量％未満であると、上記作用効果が不足して、強度不足となる。一方、Ｃｒ量が１．２０質量％を超えると、強度が高くなり過ぎ、靭性が劣化する。
【００１９】
Ｍｏ：０．６０乃至２．００％
Ｍｏは強度を確保し、さらには焼き入れ性を向上させ、靭性を高める効果がある。ワイヤ中のＭｏ量が０．６質量％未満であると、それらの効果が得られない。一方、ワイヤ中のＭｏ量が２．０質量％を超えると、１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の熱影響部に炭化物が著しく析出し、靭性が劣化する。
【００２０】
本発明の溶接用ワイヤにおいて、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。この不可避的不純物の中で、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｔｉ，Ｖ、Ｃｕ、Ｂ及びＮは以下の範囲に規制する必要がある。
【００２１】
Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下
Ｐ及びＳは、高温割れ、靭性及び曲げ性能等、溶接金属部の品質に悪影響を及ぼすので、０．０１５質量％以下に規制する必要がある。
【００２２】
Ｓｉ：０．２５質量％以下
Ｓｉはワイヤ及び鋼板に含まれるＳｉ量にもよるが、フラックスの主要成分であるＳｉＯ_２が還元されて溶接金属部に歩留る場合が多い。ワイヤからＳｉを溶接金属部に添加すると、溶接金属中にＳｉ量が歩留り過ぎ、靭性を劣化させる。従って、ワイヤ中のＳｉ量は０．２５質量％以下に抑制する必要がある。
【００２３】
Ｃｕ：０．７０質量％以下
Ｃｕをワイヤに添加すると、溶接金属の強度は増加する。しかし、Ｃｕは高温割れに悪影響を及ぼす成分であり、低く抑えるのが望ましい。ワイヤ中のＣｕ量が０．７０質量％を超えると、高温割れが発生しやすくなるため、０．７０質量％以下とする。なお、本発明においては、ワイヤ素地に含有されているＣｕ及びワイヤ表面のＣｕメッキ中のＣｕの総和で、Ｃｕ量を０．７０質量％以下に抑える必要がある。
【００２４】
Ｔｉ：０．２０質量％以下
Ｔｉを添加すると強度が増加する上、２ｎｄ側（次に、溶接を実行する面側）の熱影響により、１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の熱影響部が硬化し、靭性を著しく劣化させる。従って、ワイヤ中のＴｉ量は０．２０質量％以下に規制する必要がある。
【００２５】
Ｂ：０．０２０質量％以下
Ｂは少量の添加で強度を著しく上昇させるが、２ｎｄ側（次に、溶接を実行する面側）の熱影響により、１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の熱影響部が硬化し、靭性を著しく劣化させる。従って、ワイヤ中のＢ量は０．０２０質量％以下に規制する必要がある。
【００２６】
Ｎ：０．００８０質量％以下
Ｎは溶接金属の靭性に悪影響を及ぼす成分であり、０．００８０質量％以下に規制する必要がある。
【００２７】
Ｖ：０．２０質量％以下
溶接金属部の降伏比を高めることは、構造物の許容応力を高めることができるので、鋼構造物の板厚が薄くなり、重量の軽減を図ることができる。Ｖの少量添加は降伏比を向上させる効果を持つ。しかし、Ｔｉよりも影響は小さいものの、Ｖは、２ｎｄ側（次に、溶接を実行する面側）の熱影響により１ｓｔ側（最初に溶接を実行する面側）の熱影響部を硬化させ、靭性を劣化させる傾向がある。従って、高降伏比を望むのであれば、Ｖの若干の添加は有効であるものの、特に次パスの熱影響を受けるような溶接パスにおける溶接金属中のＶ量は低く抑えることが望ましい。ワイヤ中のＶ量が０．２０質量％を超えると、靭性は劣化する。このため、Ｖは０．２０質量％以下に規制する。
【００２８】
ワイヤの引張強度は、１２００Ｎ／ｍｍ^２以下
高速溶接を行う場合、溶接速度が増加すればワイヤの送給速度も速くなる。そして、送給速度の増大に伴って送給性も厳しくなるため、ワイヤの特性としての送給性を確保することは重要である。本発明者等が種々検討した結果、ワイヤの引張強度が１２００Ｎ／ｍｍ^２を超えると、ワイヤの送給不良が発生しやすくなることを見出した。このため、ワイヤの引張強度は、１２００Ｎ／ｍｍ^２以下に抑えることが望ましい。
【００２９】
なお、本発明の溶接ワイヤと組み合わせて使用されるフラックスは、溶融型及び焼成型のいずれでも良いが、溶接金属の低減を可能とし、高靭性を得ることができる高塩基性のフラックスが最適であり、具体的には、塩基度１．０以上のフラックスが最適である。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の特許請求の範囲を満たす実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して、具体的に説明する。
【００３１】
供試鋼板の化学成分組成を下記表１に示す。また、下記表２は供試フラックスの化学成分組成を示し、表３は両面一層の溶接条件を示す。更に、下記表４及び表５はワイヤ組成を示し、表６及び表７は試験結果を示す。なお、表２において、塩基度は、塩基度＝（ＣａＦ_２＋ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋ＭｎＯ／２＋ＦｅＯ／２）／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３／２＋ＺｒＯ_２／２＋ＴｉＯ_２／２）として表される。この表２に示すフラックスは、溶融型フラックスである。
【００３２】
下記表２に示すフラックスと表４に示す種々の組成（質量％）のワイヤを使用して、両面一層溶接を行った。図１は開先形状及び電極配置を示す。各電極の電極サイズ（直径ｍｍ）、溶接電流（Ａ）及び溶接電圧（Ｖ）と、溶接速度（ｃｐｍ：ｃｍ／分）は前述の如く表３に示した。溶接後に、図２に示す位置から試験片を採取し、引張試験及び衝撃試験を実施した。
【００３３】
なお、強度レベルの判定基準としては、引張強さが母材と同等レベル以上の７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の場合に合格とした。衝撃値は、−２０℃で評価し、３本の試験片の衝撃値の平均値が５０Ｊ以上を合格とした。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【表２】

【００３６】
【表３】

【００３７】
【表４】

【００３８】
【表５】

【００３９】
【表６】

【００４０】
【表７】

【００４１】
表４乃至表７において、実施例１、３乃至６、８乃至２３は、本発明の請求項１を満たすので、溶接金属部から採取した試験片の引張強度は７８０Ｎ／ｍｍ^２以上、衝撃値は５０Ｊ以上であった。一方、比較例２４は、ワイヤ中のＣ量が０．０７質量％未満であるので、引張強度が不足した。比較例２５は、ワイヤ中のＣ量が０．２０質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例２６は、ワイヤ中のＳｉ量が０．２５質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例２７は、ワイヤ中のＭｎ量が１．７０質量％未満であるので、引張強度が不足する上、靭性が劣化した。比較例２８は、ワイヤ中のＭｎ量が２．７０質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例２９は、ワイヤ中のＣｕ量が０．７０質量％を超えているので、高温割れが発生した。比較例３０は、ワイヤ中のＮｉ量が２．００質量％未満であるので、引張強度が不足した。比較例３１は、ワイヤ中のＮｉ量が４．００質量％を超えているので、高温割れが発生した。比較例３２は、ワイヤ中のＣｒ量が０．３０質量％未満であるので、引張強度が不足した。比較例３３は、ワイヤ中のＣｒ量が１．２０質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例３４は、ワイヤ中のＭｏ量が０．６０質量％未満であるので、引張強度が不足する上、靭性が劣化した。比較例３５は、ワイヤ中のＭｏ量が２．００質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例３６は、ワイヤ中のＴｉ量が０．２０質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例３７は、ワイヤ中のＶ量が０．２０質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例３８は、ワイヤ中のＮ量が０．００８０質量％を超えているので、靭性が劣化した。比較例３９は、ワイヤ中のＢ量が０．０２０質量％を超えているので、靭性が劣化した。
【００４２】
次いで、本発明の実施例及び比較例の溶接ワイヤの送給性を試験した。図３は、ワイヤ送給性の試験装置である。リール１に巻回された溶接ワイヤ２を巻き解き、送給モータ３により溶接ワイヤ１を送り出し、この溶接ワイヤ１を送給パイプ４に通した。送給パイプ４は、送給モータ３側に３００ｍｍの直線部分と、その先の曲率半径４５０ｍｍで湾曲する半円弧状部分とからなる。送給パイプ４の長さは１７００ｍｍ、材質はステンレス鋼製であり、内径が６ｍｍ、外径が９ｍｍである。また、ワイヤ送給速度は３．２ｍ／分である。
【００４３】
表４及び表６に示す実施例１５の溶接ワイヤを焼鈍し、この焼鈍条件を種々変更することにより、種々の引張強度としたワイヤＡ乃至Ｅを作成し、各ワイヤＡ乃至Ｅの送給性を図３の試験装置により試験した。下記表８は各ワイヤＡ乃至Ｅの引張強度と、試験により得られた送給性とを示す。なお、焼鈍温度は、６００乃至７５０℃であり、焼鈍時間は３乃至６時間であって、これらの焼鈍条件を組み合わせることにより、種々の引張強度を得た。
【００４４】
【表８】

【００４５】
ワイヤＡ乃至Ｄは引張強度が１２００Ｎ／ｍｍ^２以下であるので、送給性は良好であった。ワイヤＤは引張強度が１２００Ｎ／ｍｍ^２を超えているため、送給性が不安定であった。よって、本願請求項２を満たすワイヤは、引張強度及び衝撃値が優れていると共に、ワイヤ送給性も良好であった。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係るサブマージアーク溶接用ワイヤによれば、７８０Ｎ／ｍｍ^２以上の張力を有する高張力鋼を溶接対象として、優れた強度及び低温靭性を有する溶接金属部を得ることができる。また、両面一層の高速溶接においても、優れた強度及び低温靭性を有する溶接金属部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】開先形状及び電極配置を示す模式図である。
【図２】試験片採取位置を示す模式図である。
【図３】送給性試験装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１：リール
２：溶接ワイヤ
３：送給モータ
４：送給パイプ

Claims

Ｃ：０．１０乃至０．２０質量％、Ｍｎ：１．８９乃至２．７０質量％、Ｎｉ：２．００乃至４．００質量％、Ｃｒ：０．３０乃至１．２０質量％、Ｍｏ：０．６０乃至２．００質量％を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物であり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｂ及びＮを、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｓｉ：０．２５質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｖ：０．２０質量％以下、Ｃｕ：０．７０質量％以下、Ｂ：０．０２０質量％以下、Ｎ：０．００８０質量％以下に規制したことを特徴とする高張力鋼用の両面一層サブマージアーク溶接用ワイヤ。
引張強度が１２００Ｎ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１に記載の高張力鋼用の両面一層サブマージアーク溶接用ワイヤ。