JP4040824B2 - 溶接金属 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水圧鉄管への利用が検討されている引張強さが９５０ＭＰａ級の高張力鋼（以下、ＨＴ９５０級鋼という）の継手を被覆アーク溶接棒で溶接する際に必要とされる破壊靭性が優れた溶接金属に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、揚水発電所の水圧鉄管は、大規模化により大径厚肉化の傾向をたどり、それに、伴って高強度化が図られ、最近ではＨＴ９５０級鋼の適用に向けて検討が進められている。しかし、以下に示す種々の課題がある。先ず、その課題の１つは、溶接金属部の破壊靭性の確保であり、溶接材料の分野においても、高靭性溶接材料の取組みがなされている。従来の技術では、既存の低温・高強度鋼用溶接材料の延長として考えられ、被覆アーク溶接における溶接金属のＮｉの含有量を約２．５質量％になるように調整することで破壊靭性を確保している。溶接金属の破壊靭性試験として、主に採用されているＣＴＯＤ試験（亀裂先端開口変位試験）を実施した場合、温度０℃におけるＣＴＯＤ値は０．１ｍｍ前後の値を得ていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時、水圧鉄管に要求される仕様がより厳しくなり、ＣＴＯＤ値が０．１ｍｍ以上要求される事例が出てきたことに加え、その破壊形態が延性破壊、いわゆる安定破壊であることが求められている。従来のＮｉの含有量が約２．５質量％である溶接金属では、０．１ｍｍ以上のＣＴＯＤ値を安定的に得ることは難しく、更に破壊形態としては、脆性破壊の部分が必ず含まれ、いわゆる不安定破壊の状態であり、ＣＴＯＤ値が極めて悪くなることがあるという問題点がある。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、９５０ＭＰａ級の高張力鋼の継手を被覆アーク溶接棒で作製した場合、十分なＣＴＯＤ値を得ることができ、かつ安定的に破壊する溶接金属を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係る溶接金属は、低水素系被覆アーク溶接棒を使用して形成される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％、Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％並びにＣｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％を含有し、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０２５質量％以下及びＮ：０．０２５質量％以下に規制し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、引張強さが８００乃至１１００ＭＰａであることを特徴とする。
【０００６】
本願第２発明に係る溶接金属は、低水素系被覆アーク溶接棒を使用して溶接される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、低水素系被覆アーク溶接棒を使用して形成される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％、Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％並びにＣｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％を含有し、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０２５質量％以下及びＮ：０．０２５質量％以下に規制し、更にＮｂ：０．０１５質量％以下、Ｖ：０．０１５質量％以下、Ｔｉ：０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、引張強さが８００乃至１１００ＭＰａであることを特徴とする。
【０００７】
また、前記溶接金属は、引張強さが９２０乃至１１００ＭＰａであることが好ましい。
【０００８】
前記低水素系被覆アーク溶接棒は、鋼心線と被覆材とからなり、例えば、前記鋼心線は、鋼心線全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｎ：０．００７０質量％以下及びＯ：０．１００質量％以下に規制し、前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり、金属炭酸塩：ＣＯ2換算値で１５乃至２５質量％及び金属フッ化物：Ｆ換算値で４乃至１０質量％を含有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。本願発明者等が上述の課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、溶接金属のＮｉの含有量を適切に調整することにより、優れた破壊靭性を得ることができると共に、安定的な破壊を得ることができることを見出した。
【００１０】
従来より溶接金属中にＮｉを添加することにより、低温において高靭性が得られることが知られている。本発明以前のＨＴ９５０級鋼用被覆アーク溶接材料は、その思想を継承した設計となっている。即ち、溶接金属にＮｉを添加することにより、優れた破壊靭性が得られるものの、Ｎｉの添加量は２．５質量％程度でよく、Ｎｉは２．５質量％を超えた量を添加しても、それ以上の破壊靭性の向上効果が認められなかった。ところが、ＨＴ９５０級鋼の溶接金属においては、２．５質量％を超えて、Ｎｉを添加しても破壊靭性の向上効果があることがわかり、Ｎｉの含有量が３．１質量％以上であると、破壊モードが安定的破壊になることが判明した。
【００１１】
以下、本発明の溶接金属の組成限定理由について説明する。
【００１２】
Ｃ：０．０７質量％以下
Ｃは溶接金属の強度確保に必要な元素である。しかし、Ｃの含有量が０．０７質量％を超えると溶接割れの感受性が高くなる。従って、Ｃの含有量は０．０７質量％以下とする。
【００１３】
Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％
Ｍｎは強度の確保と脱酸効果とを目的に添加する。Ｍｎの含有量が１．１質量％未満では、強度及び脱酸効果が不十分である。一方、Ｍｎの含有量が１．６質量％を超えると、上部ベイナイトが晶出して破壊靭性が劣化する。従って、Ｍｎの含有量は１．１乃至１．６質量％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％
Ｓｉは強度の確保と脱酸効果とを目的に添加する。Ｓｉの含有量が０．３０質量％未満では、強度及び脱酸効果が不十分である。一方、Ｓｉの含有量が０．６０質量％を超えると、島状マルテンサイトが晶出して破壊靭性が劣化する。従って、Ｓｉの含有量は０．３０乃至０．６０質量％とする。
【００１５】
Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％
ＮｉはＣＴＯＤ値の確保と安定した破壊とを得るために添加する。Ｎｉの含有量が３．１質量％未満では、脆性破壊の発生が皆無にならない。そして、ＣＴＯＤ値はせいぜい０．１ｍｍ程度であり、このとき、破壊モードは不安定破壊である。一方、Ｎｉの含有量が４．５質量％を超えると、粒界が脆化して靭性が低下する。従って、Ｎｉの含有量は３．１乃至４．５質量％とする。
【００１６】
Ｃｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％
Ｃｒは焼き入れ性を確保するために添加し、Ｍｏは焼き戻し脆化を防止するために添加する。Ｃｒ及びＭｏの含有量は総量で０．９質量％未満では焼き入れ性及び焼き戻し脆化を防止する効果が不十分である。一方、Ｃｒ及びＭｏの含有量は総量で１．９質量％を超えると、δフェライト層が晶出し、破壊靭性が劣化する。従って、Ｃｒ及びＭｏの含有量は総量で０．９乃至１．９質量％とする。
【００１７】
Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下
Ｐ及びＳは溶接時に最終凝固部に偏析し靭性が劣化する。このため、その含有量は極力低減することが好ましい。しかし、Ｐ及びＳの含有量を少なくするほどコストが上昇する。従って、本発明に影響が少ない範囲として、Ｐの含有量は０．０１０質量％以下に規制し、Ｓの含有量は０．０１０質量％以下に規制する。
【００１８】
Ｏ：０．０２５質量％以下
Ｏは主としてＳｉ又はＭｎ等と非金属介在物を形成し、破壊靭性を劣化させる。このため、Ｏの含有量はなるべく低い値とすることが好ましい。しかし、Ｏの含有量を少なくするほど、コストが上昇する。従って、本発明に影響が少ない範囲として、Ｏの含有量は０．０２５質量％以下に規制する。
【００１９】
Ｎ：０．０２５質量％以下
過剰なＮは靭性劣化の原因となるため、なるべくＮの含有量は低い値とすることが好ましい。従って、Ｎは０．０２５質量％以下に規制する。
【００２０】
引張強さ（σ B ）：８００乃至１１００ＭＰａ
上述の組成範囲で安定した破壊靭性が得られる引張強さ範囲は８００乃至１１００ＭＰａである。引張強さが８００ＭＰａ未満では、Ｎｉの添加効果が不十分で不安定破壊が皆無にならない。一方、引張強さが１１００ＭＰａを超えると、耐割れ性が極めて劣化する。従って、引張強さは８００乃至１１００ＭＰａとする。なお、より好ましいＣＴＯＤ値を得るためには、引張強さを９２０ＭＰａ以上とすることが望ましい。
【００２１】
Ｎｂ：０．０１５質量％以下、Ｖ：０．０１５質量％以下、Ｔｉ：０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上
溶接金属の強度をより確実に確保するためには、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ及びＣｕを添加することが望ましい。一方、適用する鋼板によっては、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ及びＣｕが添加されている可能性がある。母材と溶接金属部との境界付近では、これらの成分が希釈されて溶接金属に入ることも考えられるが、その量が多くなった場合、強度が高すぎ、破壊靭性も劣化する。また、耐割れ性が劣化することが懸念される。従って、Ｎｂの含有量は０．０１５質量％以下、Ｖの含有量は０．０１５質量％以下、Ｔｉの含有量は０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上とすることが好ましい。
【００２２】
上述の如く説明した組成を有する溶接金属を得る方法として、ＪＩＳ Ｚ３１１１に従った溶接方法を適用することができる。即ち、開先面及び裏当金表面に２層以上、かつ３ｍｍ以上のバタリングを低水素系被覆アーク溶接棒で実施した板厚が２０ｍｍｍの試験板を使用し、７乃至８層、１２乃至１５パス（パス間温度は１００℃）で積層溶接する。また、溶接金属の試験片に使用した引張試験片（Ａ１号）及び化学分析用試験片はともに、ビード中央かつ板厚中央部の位置から採取したものである。なお、この方法で得られた引張試験の結果及び化学分析の結果は、板厚がより一層厚い厚板を使用して作製した継手のビード中央かつ、板厚の１／４の位置から採取した試験片により試験した結果とはほぼ等しいことを確認している。
【００２３】
また、被覆アーク溶接棒は、鋼心線と被覆材とからなる。この鋼心線の成分を限定した理由について説明する。
【００２４】
Ｃ：０．０７質量％以下
鋼心線中のＣは、含有量が高くなると耐割れ性が劣化する。このため、なるべくＣの含有量は低い値とすることが望ましい。しかし、Ｃの含有量は少なくなるほど、コストが上昇する。従って、本発明に影響が少ない範囲として、Ｃの含有量は０．０７質量％とすることが好ましい。
【００２５】
Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｎ：０．００７０質量％以下及びＯ：０．１００質量％以下に規制
低温靭性の確保のため、Ｐ、Ｓ、Ｎ及びＯの含有量はなるべく低い値とすることが望ましい。しかし、Ｐ、Ｓ、Ｎ及びＯの含有量は少なくなるほど、コストが上昇する。従って、本発明の影響が少ない範囲として、Ｐの含有量は０．０１０質量％以下、Ｓの含有量は０．０１０質量％以下、Ｎの含有量は０．００７０質量％以下及びＯの含有量は０．１００質量％以下に規制することが好ましい。
【００２６】
次に、被覆剤の成分の限定理由について説明する。
【００２７】
金属炭酸塩：ＣＯ 2 換算で１５乃至２５質量％
金属炭酸塩はアークの熱で分解されてガスが発生し、アーク雰囲気を大気から保護する働きがある。金属炭酸塩の含有量がＣＯ2換算で１５質量％未満では、シールドガスが不足し、溶接金属中に大気中の窒素、水素及び酸素が溶解し、靭性又は耐割れ性の劣化を起こす。一方、金属炭酸塩の含有量がＣＯ2換算で２５質量％を超えると、アークが不安定になり、ビード形状又はスラグ剥離性等の溶接作業性が劣化する。従って、金属炭酸塩の含有量はＣＯ2換算で１５乃至２５質量％とすることが好ましい。
【００２８】
金属フッ化物：Ｆ換算で４乃至１０質量％
金属フッ化物は、溶融スラグの流動性調整のため添加する。金属フッ化物がＦ換算で４質量％未満では、溶融スラグの粘性が不足し、スラグの被包性が悪くなり、ビード形状も劣化する。一方、金属フッ化物がＦ換算で１０質量％を超えると、保護筒の形状が不完全となり、アークの安定性が悪くなる。従って、金属フッ化物はＦ換算で４乃至１０質量％とすることが好ましい。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係る溶接金属について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００３０】
本発明の成分の溶接金属を得るために被覆アーク溶接棒の被覆剤に各種合金成分を添加する手法を使用した。下記表１及び２に示す組成の鋼心線を使用し、下記表３乃至８に示す組成の被覆剤を塗布した。なお、被覆アーク溶接棒は、心線の直径を４ｍｍとし、下記数式１により算出される被覆剤の被覆率が２６乃至４５％となるように作製した。なお、表１乃至８において、「−」は添加していないことを示す。
【００３１】
【数１】
被覆率＝（被覆剤の質量／溶接棒の全質量）×１００（％）
【００３２】
溶接金属の化学組成及び強度を測定するのに使用した溶接金属については、ＪＩＳ Ｚ３１１１に従って試験を実施した。試験体を１００℃の温度で予熱し、８層１５パスで積層溶接した。なお、パス間温度は１００℃で管理した。その後、引張試験片（Ａ１号）及び化学分析用試験片を採取した。そして、化学成分の分析及び引張試験を行った。この溶接金属の化学分析の結果を表１１乃至１４に示し、引張試験の結果を表１５及び１６に示す。なお、これら試験片はともに、ビード中央でかつ板厚中央部の位置から採取したものである。また、表１１、１３及び１４において、「Ｔｒ.」は含有量が微量であることを示す。
【００３３】
図１（ａ）はＣＴＯＤ試験片を採取する開先形状を示す模式図、（ｂ）は溶接後の裏面側の開先形状を示す模式図である。なお、図１（ａ）及び（ｂ）に示される部材の寸法を示す数値の単位はｍｍである。
【００３４】
ＣＴＯＤ試験については、下記表９に示す組成を有する板厚が５０ｍｍの鋼板１を使用して、図１（ａ）に示すＸ開先２の突合せ継手を試験体とした。そして、試験体を１００℃の温度に予熱した後、上述の被覆溶接棒を使用し、下記表１０に示す溶接条件で表面側の開先部３を８層１５パスで溶接した。そして、裏面側の開先部４を図１（ｂ）に示すように、ガウジング加工した後、この開先部４を８層１５パスで溶接した。なお、溶接中のパス間温度は１００乃至１２０℃で管理した。また、開先部３、４は、いずれも１乃至３層までを１パス、４乃至６層までを２パス、７乃至８層までを３パスで溶接されている。
【００３５】
そして、ＣＴＯＤ試験片をＷＥＳ１１０９に従い幅が５０ｍｍ、厚さが５０ｍｍのサブサイズで採取した。そして、０℃の温度でＣＴＯＤ試験を行い、ＣＴＯＤ値を測定した。この結果を表１５及び１６に示す。なお、表１６に示す「−」は試験を実施していないことを示す。また、本実施例の被覆アーク溶接棒の溶接作業性についても評価した。これは、溶接中のガス吹上、溶接後のスラグ剥離、ビード形状の安定性及びビード外観（気孔欠陥がないこと等）を総合して評価した。評価は、いずれも良好であれば○とした。
【００３６】
ＣＴＯＤ試験における破壊モードの安定又は不安定は、ＷＥＳ１１０８−１９９５の「ＣＴＯＤの試験方法」に従い、破壊モードを決定した。この破壊モードは、ＷＥＳ１１０８−１９９５に示されるδｃ（完全脆性破壊）を安定とし、δｕ（安全延性き裂成長を伴う脆性破壊）及びδｍ（最大荷重後荷重低下を伴う破壊）を不安定とした。また、表１５及び１６の「評価」の欄に示す評価については、作業性が○であり、破壊モードが安定であり、引張強さが８２０乃至１１００ＭＰａであるものを○とし、それ以外のものを×とした。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
【表４】
【００４１】
【表５】
【００４２】
【表６】
【００４３】
【表７】
【００４４】
【表８】
【００４５】
【表９】
【００４６】
【表１０】
【００４７】
【表１１】
【００４８】
【表１２】
【００４９】
【表１３】
【００５０】
【表１４】
【００５１】
【表１５】
【００５２】
【表１６】
【００５３】
上記表１５に示すように、実施例No.１乃至９は本願請求項２を満足しており、溶接作業性、引張強さ、ＣＴＯＤ値及び破壊モードの評価が良好であった。また、実施例No.１０乃至１７は本願請求項１を満足するので、溶接作業性、引張強さ、ＣＴＯＤ値及び破壊モードの評価が良好であった。このように、実施例No.１０乃至１７は本願請求項２と成分系が異なるものの、本願請求項１を満足すれば、良好なＣＴＯＤ値を得ることができる。なお、実施例No.５は心線のＮの含有量が高く、溶接金属のＮの含有量が増加したものの、ＣＴＯＤ値は０．１ｍｍ以上であった。しかし、溶接金属のＮの含有量がこれ以上増加した場合、ＣＴＯＤ値を確保することは困難である。
【００５４】
一方、上記表１６に示す比較例のうち、比較例No.１８乃至２６、２８乃至３１並びに４３及び４４は本願請求項２の比較例である。また、比較例No.３２乃至４２は本願請求項１の比較例である。
【００５５】
本願請求項２の比較例において、比較例No.１８はＳｉの含有量が本願請求項２の下限値未満であり、ＣＴＯＤ値は良好値を示したものの、酸化物による析出が原因で溶接欠陥が多発し、破壊が不安定になった。比較例No.２１、１９及び２０は夫々心線のＰ、Ｓ及びＯの含有量が高く、溶接金属のＰ，Ｓ及びＯの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が劣化した。比較例No.２２はＳｉの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.２３はＭｎの含有量が本願請求項２の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.２４はＭｎの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が不足した。
【００５６】
比較例No.２５はＮｉの含有量が本願請求項２の下限値未満であるので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.２６はＮｉの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.２８はＣｒ及びＭｏの含有量の合計が本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.２９は引張強さが本願請求項２の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３０は引張強さが本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.３１は心線のＣの含有量が高く、溶接金属のＣの含有量が増加した結果、本願請求項２の上限値を超え、高温割れが発生した。このため、その後の試験を中止した。比較例No.４３はＣｒ及びＭｏの含有量が本願請求項２の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.４４はＮの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。
【００５７】
一方、本願請求項１の比較例において、比較例No.２７はＣｒ及びＭｏの含有量の合計が本願請求項１の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３２は心線のＣの含有量が高く、溶接金属のＣの含有量が増加した結果、本願請求項１の上限値を超えているので、高温割れが発生した。このため、その後の試験を中止した。比較例No.３３はＳｉの含有量が本願請求項１の下限値未満であり、ＣＴＯＤ値は良好値を示したものの、酸化物による析出が原因で溶接欠陥が多発し、破壊が不安定になった。比較例No.３４はＳｉの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３５はＭｎの含有量が本願請求項１の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３６はＭｎの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３７、３８及び４２は夫々心線のＰ、Ｓ及びＯの含有量が高く、溶接金属のＰ，Ｓ及びＯの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が劣化した。
【００５８】
比較例No.３９はＮｉの含有量が本願請求項１の下限値未満であるので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.４０はＮｉの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.４１はＣｒ及びＭｏの含有量の合計が本願請求項１が本発明の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、溶接金属の組成を適切に規定しているので、ＨＴ９５０級鋼等の高張力鋼を溶接することにより形成した場合、ＣＴＯＤ値が高く、かつ安定的に破壊する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はＣＴＯＤ試験片を採取する開先形状を示す模式図、（ｂ）は溶接後の裏面側の開先形状を示す模式図である。
【符号の説明】
１；鋼板
２；開先
３、４；開先部
【発明の属する技術分野】
本発明は、水圧鉄管への利用が検討されている引張強さが９５０ＭＰａ級の高張力鋼（以下、ＨＴ９５０級鋼という）の継手を被覆アーク溶接棒で溶接する際に必要とされる破壊靭性が優れた溶接金属に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、揚水発電所の水圧鉄管は、大規模化により大径厚肉化の傾向をたどり、それに、伴って高強度化が図られ、最近ではＨＴ９５０級鋼の適用に向けて検討が進められている。しかし、以下に示す種々の課題がある。先ず、その課題の１つは、溶接金属部の破壊靭性の確保であり、溶接材料の分野においても、高靭性溶接材料の取組みがなされている。従来の技術では、既存の低温・高強度鋼用溶接材料の延長として考えられ、被覆アーク溶接における溶接金属のＮｉの含有量を約２．５質量％になるように調整することで破壊靭性を確保している。溶接金属の破壊靭性試験として、主に採用されているＣＴＯＤ試験（亀裂先端開口変位試験）を実施した場合、温度０℃におけるＣＴＯＤ値は０．１ｍｍ前後の値を得ていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時、水圧鉄管に要求される仕様がより厳しくなり、ＣＴＯＤ値が０．１ｍｍ以上要求される事例が出てきたことに加え、その破壊形態が延性破壊、いわゆる安定破壊であることが求められている。従来のＮｉの含有量が約２．５質量％である溶接金属では、０．１ｍｍ以上のＣＴＯＤ値を安定的に得ることは難しく、更に破壊形態としては、脆性破壊の部分が必ず含まれ、いわゆる不安定破壊の状態であり、ＣＴＯＤ値が極めて悪くなることがあるという問題点がある。
【０００４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、９５０ＭＰａ級の高張力鋼の継手を被覆アーク溶接棒で作製した場合、十分なＣＴＯＤ値を得ることができ、かつ安定的に破壊する溶接金属を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係る溶接金属は、低水素系被覆アーク溶接棒を使用して形成される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％、Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％並びにＣｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％を含有し、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０２５質量％以下及びＮ：０．０２５質量％以下に規制し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、引張強さが８００乃至１１００ＭＰａであることを特徴とする。
【０００６】
本願第２発明に係る溶接金属は、低水素系被覆アーク溶接棒を使用して溶接される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、低水素系被覆アーク溶接棒を使用して形成される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％、Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％並びにＣｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％を含有し、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０２５質量％以下及びＮ：０．０２５質量％以下に規制し、更にＮｂ：０．０１５質量％以下、Ｖ：０．０１５質量％以下、Ｔｉ：０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、引張強さが８００乃至１１００ＭＰａであることを特徴とする。
【０００７】
また、前記溶接金属は、引張強さが９２０乃至１１００ＭＰａであることが好ましい。
【０００８】
前記低水素系被覆アーク溶接棒は、鋼心線と被覆材とからなり、例えば、前記鋼心線は、鋼心線全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｎ：０．００７０質量％以下及びＯ：０．１００質量％以下に規制し、前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり、金属炭酸塩：ＣＯ2換算値で１５乃至２５質量％及び金属フッ化物：Ｆ換算値で４乃至１０質量％を含有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。本願発明者等が上述の課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、溶接金属のＮｉの含有量を適切に調整することにより、優れた破壊靭性を得ることができると共に、安定的な破壊を得ることができることを見出した。
【００１０】
従来より溶接金属中にＮｉを添加することにより、低温において高靭性が得られることが知られている。本発明以前のＨＴ９５０級鋼用被覆アーク溶接材料は、その思想を継承した設計となっている。即ち、溶接金属にＮｉを添加することにより、優れた破壊靭性が得られるものの、Ｎｉの添加量は２．５質量％程度でよく、Ｎｉは２．５質量％を超えた量を添加しても、それ以上の破壊靭性の向上効果が認められなかった。ところが、ＨＴ９５０級鋼の溶接金属においては、２．５質量％を超えて、Ｎｉを添加しても破壊靭性の向上効果があることがわかり、Ｎｉの含有量が３．１質量％以上であると、破壊モードが安定的破壊になることが判明した。
【００１１】
以下、本発明の溶接金属の組成限定理由について説明する。
【００１２】
Ｃ：０．０７質量％以下
Ｃは溶接金属の強度確保に必要な元素である。しかし、Ｃの含有量が０．０７質量％を超えると溶接割れの感受性が高くなる。従って、Ｃの含有量は０．０７質量％以下とする。
【００１３】
Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％
Ｍｎは強度の確保と脱酸効果とを目的に添加する。Ｍｎの含有量が１．１質量％未満では、強度及び脱酸効果が不十分である。一方、Ｍｎの含有量が１．６質量％を超えると、上部ベイナイトが晶出して破壊靭性が劣化する。従って、Ｍｎの含有量は１．１乃至１．６質量％とする。
【００１４】
Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％
Ｓｉは強度の確保と脱酸効果とを目的に添加する。Ｓｉの含有量が０．３０質量％未満では、強度及び脱酸効果が不十分である。一方、Ｓｉの含有量が０．６０質量％を超えると、島状マルテンサイトが晶出して破壊靭性が劣化する。従って、Ｓｉの含有量は０．３０乃至０．６０質量％とする。
【００１５】
Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％
ＮｉはＣＴＯＤ値の確保と安定した破壊とを得るために添加する。Ｎｉの含有量が３．１質量％未満では、脆性破壊の発生が皆無にならない。そして、ＣＴＯＤ値はせいぜい０．１ｍｍ程度であり、このとき、破壊モードは不安定破壊である。一方、Ｎｉの含有量が４．５質量％を超えると、粒界が脆化して靭性が低下する。従って、Ｎｉの含有量は３．１乃至４．５質量％とする。
【００１６】
Ｃｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％
Ｃｒは焼き入れ性を確保するために添加し、Ｍｏは焼き戻し脆化を防止するために添加する。Ｃｒ及びＭｏの含有量は総量で０．９質量％未満では焼き入れ性及び焼き戻し脆化を防止する効果が不十分である。一方、Ｃｒ及びＭｏの含有量は総量で１．９質量％を超えると、δフェライト層が晶出し、破壊靭性が劣化する。従って、Ｃｒ及びＭｏの含有量は総量で０．９乃至１．９質量％とする。
【００１７】
Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下
Ｐ及びＳは溶接時に最終凝固部に偏析し靭性が劣化する。このため、その含有量は極力低減することが好ましい。しかし、Ｐ及びＳの含有量を少なくするほどコストが上昇する。従って、本発明に影響が少ない範囲として、Ｐの含有量は０．０１０質量％以下に規制し、Ｓの含有量は０．０１０質量％以下に規制する。
【００１８】
Ｏ：０．０２５質量％以下
Ｏは主としてＳｉ又はＭｎ等と非金属介在物を形成し、破壊靭性を劣化させる。このため、Ｏの含有量はなるべく低い値とすることが好ましい。しかし、Ｏの含有量を少なくするほど、コストが上昇する。従って、本発明に影響が少ない範囲として、Ｏの含有量は０．０２５質量％以下に規制する。
【００１９】
Ｎ：０．０２５質量％以下
過剰なＮは靭性劣化の原因となるため、なるべくＮの含有量は低い値とすることが好ましい。従って、Ｎは０．０２５質量％以下に規制する。
【００２０】
引張強さ（σ B ）：８００乃至１１００ＭＰａ
上述の組成範囲で安定した破壊靭性が得られる引張強さ範囲は８００乃至１１００ＭＰａである。引張強さが８００ＭＰａ未満では、Ｎｉの添加効果が不十分で不安定破壊が皆無にならない。一方、引張強さが１１００ＭＰａを超えると、耐割れ性が極めて劣化する。従って、引張強さは８００乃至１１００ＭＰａとする。なお、より好ましいＣＴＯＤ値を得るためには、引張強さを９２０ＭＰａ以上とすることが望ましい。
【００２１】
Ｎｂ：０．０１５質量％以下、Ｖ：０．０１５質量％以下、Ｔｉ：０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上
溶接金属の強度をより確実に確保するためには、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ及びＣｕを添加することが望ましい。一方、適用する鋼板によっては、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ及びＣｕが添加されている可能性がある。母材と溶接金属部との境界付近では、これらの成分が希釈されて溶接金属に入ることも考えられるが、その量が多くなった場合、強度が高すぎ、破壊靭性も劣化する。また、耐割れ性が劣化することが懸念される。従って、Ｎｂの含有量は０．０１５質量％以下、Ｖの含有量は０．０１５質量％以下、Ｔｉの含有量は０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上とすることが好ましい。
【００２２】
上述の如く説明した組成を有する溶接金属を得る方法として、ＪＩＳ Ｚ３１１１に従った溶接方法を適用することができる。即ち、開先面及び裏当金表面に２層以上、かつ３ｍｍ以上のバタリングを低水素系被覆アーク溶接棒で実施した板厚が２０ｍｍｍの試験板を使用し、７乃至８層、１２乃至１５パス（パス間温度は１００℃）で積層溶接する。また、溶接金属の試験片に使用した引張試験片（Ａ１号）及び化学分析用試験片はともに、ビード中央かつ板厚中央部の位置から採取したものである。なお、この方法で得られた引張試験の結果及び化学分析の結果は、板厚がより一層厚い厚板を使用して作製した継手のビード中央かつ、板厚の１／４の位置から採取した試験片により試験した結果とはほぼ等しいことを確認している。
【００２３】
また、被覆アーク溶接棒は、鋼心線と被覆材とからなる。この鋼心線の成分を限定した理由について説明する。
【００２４】
Ｃ：０．０７質量％以下
鋼心線中のＣは、含有量が高くなると耐割れ性が劣化する。このため、なるべくＣの含有量は低い値とすることが望ましい。しかし、Ｃの含有量は少なくなるほど、コストが上昇する。従って、本発明に影響が少ない範囲として、Ｃの含有量は０．０７質量％とすることが好ましい。
【００２５】
Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｎ：０．００７０質量％以下及びＯ：０．１００質量％以下に規制
低温靭性の確保のため、Ｐ、Ｓ、Ｎ及びＯの含有量はなるべく低い値とすることが望ましい。しかし、Ｐ、Ｓ、Ｎ及びＯの含有量は少なくなるほど、コストが上昇する。従って、本発明の影響が少ない範囲として、Ｐの含有量は０．０１０質量％以下、Ｓの含有量は０．０１０質量％以下、Ｎの含有量は０．００７０質量％以下及びＯの含有量は０．１００質量％以下に規制することが好ましい。
【００２６】
次に、被覆剤の成分の限定理由について説明する。
【００２７】
金属炭酸塩：ＣＯ 2 換算で１５乃至２５質量％
金属炭酸塩はアークの熱で分解されてガスが発生し、アーク雰囲気を大気から保護する働きがある。金属炭酸塩の含有量がＣＯ2換算で１５質量％未満では、シールドガスが不足し、溶接金属中に大気中の窒素、水素及び酸素が溶解し、靭性又は耐割れ性の劣化を起こす。一方、金属炭酸塩の含有量がＣＯ2換算で２５質量％を超えると、アークが不安定になり、ビード形状又はスラグ剥離性等の溶接作業性が劣化する。従って、金属炭酸塩の含有量はＣＯ2換算で１５乃至２５質量％とすることが好ましい。
【００２８】
金属フッ化物：Ｆ換算で４乃至１０質量％
金属フッ化物は、溶融スラグの流動性調整のため添加する。金属フッ化物がＦ換算で４質量％未満では、溶融スラグの粘性が不足し、スラグの被包性が悪くなり、ビード形状も劣化する。一方、金属フッ化物がＦ換算で１０質量％を超えると、保護筒の形状が不完全となり、アークの安定性が悪くなる。従って、金属フッ化物はＦ換算で４乃至１０質量％とすることが好ましい。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例に係る溶接金属について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００３０】
本発明の成分の溶接金属を得るために被覆アーク溶接棒の被覆剤に各種合金成分を添加する手法を使用した。下記表１及び２に示す組成の鋼心線を使用し、下記表３乃至８に示す組成の被覆剤を塗布した。なお、被覆アーク溶接棒は、心線の直径を４ｍｍとし、下記数式１により算出される被覆剤の被覆率が２６乃至４５％となるように作製した。なお、表１乃至８において、「−」は添加していないことを示す。
【００３１】
【数１】
被覆率＝（被覆剤の質量／溶接棒の全質量）×１００（％）
【００３２】
溶接金属の化学組成及び強度を測定するのに使用した溶接金属については、ＪＩＳ Ｚ３１１１に従って試験を実施した。試験体を１００℃の温度で予熱し、８層１５パスで積層溶接した。なお、パス間温度は１００℃で管理した。その後、引張試験片（Ａ１号）及び化学分析用試験片を採取した。そして、化学成分の分析及び引張試験を行った。この溶接金属の化学分析の結果を表１１乃至１４に示し、引張試験の結果を表１５及び１６に示す。なお、これら試験片はともに、ビード中央でかつ板厚中央部の位置から採取したものである。また、表１１、１３及び１４において、「Ｔｒ.」は含有量が微量であることを示す。
【００３３】
図１（ａ）はＣＴＯＤ試験片を採取する開先形状を示す模式図、（ｂ）は溶接後の裏面側の開先形状を示す模式図である。なお、図１（ａ）及び（ｂ）に示される部材の寸法を示す数値の単位はｍｍである。
【００３４】
ＣＴＯＤ試験については、下記表９に示す組成を有する板厚が５０ｍｍの鋼板１を使用して、図１（ａ）に示すＸ開先２の突合せ継手を試験体とした。そして、試験体を１００℃の温度に予熱した後、上述の被覆溶接棒を使用し、下記表１０に示す溶接条件で表面側の開先部３を８層１５パスで溶接した。そして、裏面側の開先部４を図１（ｂ）に示すように、ガウジング加工した後、この開先部４を８層１５パスで溶接した。なお、溶接中のパス間温度は１００乃至１２０℃で管理した。また、開先部３、４は、いずれも１乃至３層までを１パス、４乃至６層までを２パス、７乃至８層までを３パスで溶接されている。
【００３５】
そして、ＣＴＯＤ試験片をＷＥＳ１１０９に従い幅が５０ｍｍ、厚さが５０ｍｍのサブサイズで採取した。そして、０℃の温度でＣＴＯＤ試験を行い、ＣＴＯＤ値を測定した。この結果を表１５及び１６に示す。なお、表１６に示す「−」は試験を実施していないことを示す。また、本実施例の被覆アーク溶接棒の溶接作業性についても評価した。これは、溶接中のガス吹上、溶接後のスラグ剥離、ビード形状の安定性及びビード外観（気孔欠陥がないこと等）を総合して評価した。評価は、いずれも良好であれば○とした。
【００３６】
ＣＴＯＤ試験における破壊モードの安定又は不安定は、ＷＥＳ１１０８−１９９５の「ＣＴＯＤの試験方法」に従い、破壊モードを決定した。この破壊モードは、ＷＥＳ１１０８−１９９５に示されるδｃ（完全脆性破壊）を安定とし、δｕ（安全延性き裂成長を伴う脆性破壊）及びδｍ（最大荷重後荷重低下を伴う破壊）を不安定とした。また、表１５及び１６の「評価」の欄に示す評価については、作業性が○であり、破壊モードが安定であり、引張強さが８２０乃至１１００ＭＰａであるものを○とし、それ以外のものを×とした。
【００３７】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
【表１１】
【表１２】
【表１３】
【表１４】
【表１５】
【表１６】
上記表１５に示すように、実施例No.１乃至９は本願請求項２を満足しており、溶接作業性、引張強さ、ＣＴＯＤ値及び破壊モードの評価が良好であった。また、実施例No.１０乃至１７は本願請求項１を満足するので、溶接作業性、引張強さ、ＣＴＯＤ値及び破壊モードの評価が良好であった。このように、実施例No.１０乃至１７は本願請求項２と成分系が異なるものの、本願請求項１を満足すれば、良好なＣＴＯＤ値を得ることができる。なお、実施例No.５は心線のＮの含有量が高く、溶接金属のＮの含有量が増加したものの、ＣＴＯＤ値は０．１ｍｍ以上であった。しかし、溶接金属のＮの含有量がこれ以上増加した場合、ＣＴＯＤ値を確保することは困難である。
【００５４】
一方、上記表１６に示す比較例のうち、比較例No.１８乃至２６、２８乃至３１並びに４３及び４４は本願請求項２の比較例である。また、比較例No.３２乃至４２は本願請求項１の比較例である。
【００５５】
本願請求項２の比較例において、比較例No.１８はＳｉの含有量が本願請求項２の下限値未満であり、ＣＴＯＤ値は良好値を示したものの、酸化物による析出が原因で溶接欠陥が多発し、破壊が不安定になった。比較例No.２１、１９及び２０は夫々心線のＰ、Ｓ及びＯの含有量が高く、溶接金属のＰ，Ｓ及びＯの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が劣化した。比較例No.２２はＳｉの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.２３はＭｎの含有量が本願請求項２の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.２４はＭｎの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が不足した。
【００５６】
比較例No.２５はＮｉの含有量が本願請求項２の下限値未満であるので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.２６はＮｉの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.２８はＣｒ及びＭｏの含有量の合計が本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.２９は引張強さが本願請求項２の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３０は引張強さが本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.３１は心線のＣの含有量が高く、溶接金属のＣの含有量が増加した結果、本願請求項２の上限値を超え、高温割れが発生した。このため、その後の試験を中止した。比較例No.４３はＣｒ及びＭｏの含有量が本願請求項２の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.４４はＮの含有量が本願請求項２の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。
【００５７】
一方、本願請求項１の比較例において、比較例No.２７はＣｒ及びＭｏの含有量の合計が本願請求項１の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３２は心線のＣの含有量が高く、溶接金属のＣの含有量が増加した結果、本願請求項１の上限値を超えているので、高温割れが発生した。このため、その後の試験を中止した。比較例No.３３はＳｉの含有量が本願請求項１の下限値未満であり、ＣＴＯＤ値は良好値を示したものの、酸化物による析出が原因で溶接欠陥が多発し、破壊が不安定になった。比較例No.３４はＳｉの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３５はＭｎの含有量が本願請求項１の下限値未満であるので、強度が低く、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３６はＭｎの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.３７、３８及び４２は夫々心線のＰ、Ｓ及びＯの含有量が高く、溶接金属のＰ，Ｓ及びＯの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が劣化した。
【００５８】
比較例No.３９はＮｉの含有量が本願請求項１の下限値未満であるので、ＣＴＯＤ値が不足した。比較例No.４０はＮｉの含有量が本願請求項１の上限値を超えているので、ＣＴＯＤ値が低下した。比較例No.４１はＣｒ及びＭｏの含有量の合計が本願請求項１が本発明の上限値を超えているので、強度が高く、ＣＴＯＤ値が低下した。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、溶接金属の組成を適切に規定しているので、ＨＴ９５０級鋼等の高張力鋼を溶接することにより形成した場合、ＣＴＯＤ値が高く、かつ安定的に破壊する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はＣＴＯＤ試験片を採取する開先形状を示す模式図、（ｂ）は溶接後の裏面側の開先形状を示す模式図である。
【符号の説明】
１；鋼板
２；開先
３、４；開先部
Claims (4)
- 低水素系被覆アーク溶接棒を使用して形成される溶接金属において、溶接金属全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｍｎ：１．１乃至１．６質量％、Ｓｉ：０．３０乃至０．６０質量％、Ｎｉ：３．１乃至４．５質量％並びにＣｒ及びＭｏの総量：０．９乃至１．９質量％を含有し、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０２５質量％以下及びＮ：０．０２５質量％以下に規制し、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、引張強さが８００乃至１１００ＭＰａであることを特徴とする溶接金属。
- 更にＮｂ：０．０１５質量％以下、Ｖ：０．０１５質量％以下、Ｔｉ：０．０３０質量％以下及びＣｕ：０．３０質量％以下からなる群から選択された１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の溶接金属。
- 引張強さが９２０乃至１１００ＭＰａであることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接金属。
- 前記低水素系被覆アーク溶接棒は、鋼心線と被覆材とからなり、前記鋼心線は、鋼心線全質量あたり、Ｃ：０．０７質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｎ：０．００７０質量％以下及びＯ：０．１００質量％以下に規制し、前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり、金属炭酸塩：ＣＯ2換算値で１５乃至２５質量％及び金属フッ化物：Ｆ換算値で４乃至１０質量％を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶接金属。
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