JP5670305B2

JP5670305B2 - 高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP5670305B2
Application number: JP2011273167A
Authority: JP
Inventors: 貴之大塚; 木本　勇; 勇木本; 雅哉齋藤
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: JP2013123727A

Description

本発明は、７８０ＭＰａ級以上の高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイ
ヤに関し、特に溶接金属の低温領域での靭性が優れる高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関するものである。

近年、ビル、橋梁、海洋構造物などの鋼構造物の大型化や軽量化の要求が多くなるに伴い、使用される鋼板の高張力化が進み、最近では引張強さが７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼が一般的に使用されるようになった。これら引張強さ７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼を使用する構造物の製造にあたっては、水素量が少なく耐割れ性に優れ、また高能率化に適するガスシールドアーク溶接方法が多く使用される。

従来、高強度鋼のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、例えば特開昭５７−１５９２９３号公報（特許文献１）に開示されるように、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどを適量添加した高張力鋼用鋼ワイヤが使用されている。しかし、特許文献１に記載のワイヤはＴＩＧ溶接用であり、消耗電極式のマグ溶接に適用した場合は、引張強さおよび低温での優れた靭性が得られない。

また、特公昭６０−５７９５３号公報（特許文献２）には、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの成分に加えて、ＡｌおよびＴｉの酸可溶成分と酸不溶成分の含有量およびその比を特定することによって、溶接金属のミクロ組織の微細化を図り、靱性を改善するという技術が開示されている。しかし、引用文献２に記載の技術においても低温での優れた靭性は得られない。

さらに、特開２００７−２５３１６３号公報（特許文献３）には、４９０〜７８０ＭＰａ級の高張力鋼のガスシールドアーク溶接用ワイヤとして、高電流、高入熱および高パス間温度の溶接条件でも、靭性および強度が優れた溶接金属を安定して確保できる技術開示されている。しかし、特許文献３に記載のワイヤは、引張強さ７８０ＭＰａ以上の鋼板に適用した場合の低温における靭性は確保できない。

一方、特開２００６−１１０５８１号公報（特許文献４）には、引張強さが１２００ＭＰａ以上の溶接金属が得られる高張力鋼板のガスシールドアーク溶接用ワイヤが開示されている。しかし、特許文献４に記載のワイヤは、炭素当量（Ｃｅｑ）が高く、溶接金属の引張強さが高くなりすぎて、低温における靭性は確保できないという問題がある。
特開昭５７−１５９２９３号公報特公昭６０−５７９５３号公報特開２００７−２５３１６３号公報特開２００６−１１０５８１号公報

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、７８０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接において適正な強度と、特に低温領域での良好で安定した靭性を有する溶接金属が得られる高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを提供することを目的とするものである。

本発明の要旨は、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．９５％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：１．５〜５．０％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｍｏ：０．３〜１．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．３０％を含有し、Ｓ：０．０３０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下であり、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴する高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。

本発明の高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、溶接時のアークが安定し、７８０ＭＰａ級以上の強度を確保し、かつ低温領域での安定した高い靭性および欠陥のない高品質な溶接金属が得られる高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することができる。

本発明者らは、上記課題を解決するために、７８０ＭＰａ級以上の高強度鋼板のガスシールドアーク溶接において、適正な強度を有し、かつ、低温領域（−６０℃）で安定した高靭性の得られる溶接金属を形成できるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤの成分組成について検討を行なった。その結果、適正な強度と同時に低温靭性の向上も同時に達成させるためには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ量の適正化と、さらに適正な強度と低温における安定した靭性を確保するためにＣｕを所定量含有させることが有効であることを知見した。

以下、本発明の高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤの成分限定理由について説明する。なお、以下においては、ソリッドワイヤの化学成分をワイヤの全質量に対する割合である質量％で表すものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。

Ｃ：０．０２〜０．１０％
Ｃは、固溶強化により溶接金属の強度を向上するために必要な元素である。しかし、Ｃが０．０２％未満であるとこの効果が得られない。一方、０．１０％を超えると、溶接割れ感受性が高くなる。

Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、溶接金属の強度の確保と脱酸のために添加する。Ｓｉが０．１％未満であると、強度が低く脱酸不足となり靭性が低下し、アークが不安定になる。一方、１．０％を超えると、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。

Ｍｎ：１．０〜１．９５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に主要な脱酸剤であると共に強度の確保のために添加する。Ｍｎが１．０％未満であると、溶接金属の強度および靭性を十分に確保できなくなる。また、アークが不安定になる。一方、１．９５％を超えると、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。

Ｃｕ：０．５〜１．５％
Ｃｕは、析出強化作用を有し、変態温度を低下させ組織を微細化して強度の向上と靭性を安定させる。Ｃｕが０．５％未満であると、強度が十分に得られない。また、安定した低温での靭性が得られない。一方、１．５％を超えると、析出脆化が生じて靭性が低下する。また、高温割れが発生しやすくなる。したがって、Ｃｕは０．５〜１．５％とするが、靭性の安定化および耐割れ性から０．５５〜１．４％であることが好ましい。
なお、防錆のためにワイヤ表面にＣｕめっきが施されている場合、このＣｕめっき量も本発明におけるＣｕ含有量に含まれる。

Ｎｉ：１．５〜５．０％
Ｎｉは、変態温度を低下させて組織を微細化すると共に、溶接金属中に固溶して靭性を低下させることなく強度を高める作用を有する。Ｎｉが１．５％未満であると、強度および靭性の低下を防止する効果が十分に得られない。一方、５．０％を超えると、粒界が脆化して靭性が低下する。

Ｃｒ：０．３〜１．２％
Ｃｒは、変態温度を低下させ、組織を微細化し、強度と靭性を向上させる作用を有する。Ｃｒが０．３％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｃｒが１．２％を超えると、溶接金属の硬化が著しくなり靭性が低下する。

Ｍｏ：０．３〜１．０％
Ｍｏは、ＮｉおよびＣｒと同様に、変態温度を低下させ、組織を微細化することにより、強度と靭性を向上させる。Ｍｏが０．３％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、１．０％を超えると、溶接金属の硬化が著しくなり靭性が低下する。

Ｔｉ：０．０２〜０．３０％
Ｔｉは、脱酸剤として作用するとともに溶接金属中にＴｉの微細酸化物を生成し溶接金属の靭性を向上させる。Ｔｉが０．０１％未満であると、靭性が低下する。一方、０．３０％を超えると、固溶Ｔｉが多くなって靭性が低下する。

なお、ＳおよびＰは、溶接金属の靭性を低下させるため、その含有量をそれぞれ０．０３０質量％以下とするのが好ましい。
Ｎは、不可避的不純物である。溶接金属の靭性を安定に向上させるには、溶接金属中の固溶Ｎを低下させることが必須となる。Ｎが０．０１０％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。Ｏは、溶接金属中にＳｉまたはＭｎ等と酸化物（非金属介在物）を形成して靭性を低下させるので０．０１０％以下とする。

なお、シールドガスは、Ａｒ−ＣＯ₂とするが、ＣＯ₂の混合量は５〜２０体積％の範囲として溶接金属の酸素量を低減する。また、ガスの流量は耐欠陥性および大気からの窒素の混入を防ぐために２０〜３５リットル／分であることが好ましい。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
表１に示す各種化学成分のワイヤ径１．２ｍｍの鋼ワイヤを試作し、板厚２６ｍｍの９５０ＭＰａ級鋼板を、開先角度２０°、ルート間隔を１６ｍｍの裏当金付き開先に加工し、表２に示す溶接条件で多層盛り溶接を行った。

評価は、溶接時のアークの安定性および溶接後にＸ線透過試験（ＪＩＳＺ３１０６）による欠陥の有無を調査し、さらに溶接金属の機械的性能を調査した。

溶接金属の機械的性能の調査は、溶接試験体の板厚１／２ｔを中心に試験片（ＪＩＳＺ２２４１１０号）およびシャルピー試験片（ＪＩＳＺ２２４２Ｖノッチ試験片）を採取して機械的試験を実施した。引張強さの評価は９５０ＭＰａ以上を良好とした。また、靭性の評価は、−６０℃におけるシャルピー衝撃試験を各５本実施し、吸収エネルギーは平均値７０Ｊ以上、最低値５０Ｊ以上を良好とした。これらの調査結果を表３にまとめて示す。

表１および表３に示すワイヤ記号１〜１２は本発明例、ワイヤ記号１３〜２６は比較例である。

本発明例であるワイヤ記号１〜１２は、ワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＴｉ量が適量であるので、アークが安定し、溶接欠陥がなく、溶接金属の引張強さおよび吸収エネルギーも良好であり、極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号１３は、Ｃが高いので、クレータ部に割れが生じた。また、Ｔｉが高いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低値であった。ワイヤ記号１４は、Ｃが低いので、溶接金属の引張強さが低値であった。また、Ｔｉが低いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低かった。

ワイヤ記号１５はＳｉが高いので、ワイヤ記号１７はＭｎが高いので、ワイヤ記号２３はＣｒが高いので、ワイヤ記号２５はＭｏが高いので、いずれも溶接金属の引張強さが高く、吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低かった。ワイヤ記号１６はＳｉが低いので、またワイヤ記号１８はＭｎが低いので、何れもアークが不安定で、溶接金属の引張強さおよび吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低かった。

ワイヤ記号１９は、Ｃｕが高いので、初層の溶接部に高温割れが生じた。また、溶接金属の吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低かった。ワイヤ記号２０は、Ｃｕが低いので、溶接金属の引張強さが低値で、吸収エネルギーの最低値も低かった。ワイヤ記号２１は、Ｎｉが高いので、溶接金属の吸収エネルギーの平均値が低かった。ワイヤ記号２２はＮｉが低いので、ワイヤ記号２４はＣｒが低いので、またワイヤ記号２６はＭｏが低いので、何れも溶接金属の引張強さが低値で、吸収エネルギーの平均値および最低値ともに低かった。

特許出願人日鐡住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．９５％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：１．５〜５．０％、Ｃｒ：０．３〜１．２％、Ｍｏ：０．３〜１．０％、Ｔｉ：０．０２〜０．３０％を含有し、Ｓ：０．０３０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴する高強度鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。