JPH0422597A - ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は建築、土木、海洋構造物、造船等で用いられる
鋼板の溶接方法に関し、さらに詳しくは、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を軽減もし
くは省略することが可能なガスシールドアーク溶接方法
に関するものである。

（従来の技術） 各種鋼構造物において、鋼材の溶接時には、溶融金属の
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。更に寸法精
度が不十分となり製作上の不都合を生じ、美観をも損ね
ることとなる。そこで、例えば溶接学会誌１９８３年第
５２巻第４〜９号に連載されている「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変
形を局所的な加熱により矯正する手法が経験的に多数提
案されている。しかし、溶接部の再加熱によって材質が
劣化することが避けられないことに加えて、矯正作業に
要する時間と費用は実用上重大な障害であり、これを軽
減もしくは省略することが可能な溶接方法の開発が望ま
れていた。

溶接部における残留応力や変形の発生機構に関しては、
佐原による「溶接構造要覧Ｊ　１９８８　（黒水出版）
や、Ｋ、　ＭａｓｕｂｕｃｈｉのｒＡｎａｌｙｓｉｓ　
ｏｆ　ＷｅｌｄｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＪ　１９８０
．ＰＥＲＧＡＭＯＮ　ＰＲＥＳＳ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、使用される溶接
材料の詳細な特性に注目したものではない。鋼構造物溶
接部の相変態温度が残留応力や変形に影響を与える因子
であることは上記の書にも明記されてはいるが、鋼構造
物を対象とした溶接材料で具体的な影響度の定量化や成
分に関する検討はなされていない。また、相変態の超塑
性現象に着目して残留応力の緩和や変形低減を検討した
報告もある（溶接学会全国大会講演概要、第３７集ｐ、
３１４−３１５　、第３８集ｐ、７８−７９、第３９集
ｐ、３３８−３３９　、　　ｐ、３４０−３４１　）。

これらはいずれも低合金鋼およびステンレス鋼のマルテ
ンサイト変態温度に着目したものであり、普通鋼材の成
分および組織に対してそのまま適用できる知見ではない
。更に、このように高い値のＮ１を含有している場合に
は溶接材料費が高くなり、歪取り作業が省略可能であっ
ても経済的見地から実用的でない。さらに、これを造船
および海洋構造物の普通鋼および低合金鋼に適用する場
合には、溶接金属部が電気的に適度な責になり、溶接熱
影響部における選択的な腐食現象が発生して不都合が生
じる。

溶接変形に及ぼす最大の影響因子は鋼材板厚に対する溶
接入熱量であり、続いて溶接金属の相変態温度がある。

これらに加えて、変形が発生する温度においてその変形
に抗する材料の強度を挙げることができる。相変態温度
は大略４００〜７００°Ｃの範囲であり、この温度域に
おける強度をＣｒ。

Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ等の元素添加によって増大させることに
よって変形量を低減させ得ることが、例えばＣｒ−Ｍｏ
鋼の高温強度の知見から推測できる。しかし、溶接金属
部の変態点温度における高温強度を確保する検討は従来
なされておらず、更にこれらの添加元素は上述した変態
点温度を上昇して溶接変形を増大させる傾向のものであ
るために、適正添加量は容易に決定できるものではなか
った。

（発明が解決しようとする課題） このように、溶接部材・形状や溶接入熱量が与えられた
ものとして、溶接材料の相変態点温度が溶接時に発生す
る変形量に及ぼす影響を定量化して、溶接材料成分の設
計指針を与えることが有効であると考えられる。本発明
は、鋼構造物に最も汎用的に使用される普通鋼材の変形
量の少ない溶接方法を提供する。

（課題を解決するための手段） 本発明は、重量％で、 Ｃ：０２％以下、 Ｓｉ＋　　０．３５％以下、 Ｍ　ｎ　　　Ｏ，６０〜１．２０％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼板
をガスシールドアーク溶接する際に、重■％で、 Ｎｉ；０．０５〜９０％、 Ｍ　ｎ　＋　０．４〜２．５％、 Ｃｕ　　：　　０．１　〜１．５　　％、Ｃ；０．０１
〜０１５％ を含有し、さらに、 Ｃｒ　　　Ｏ，５〜３．Ｄ　％、 Ｍ　ｏ　；　０．２〜２．０％、 ■　　０．１〜０．５％、 Ｎ　ｂ　；　０．０１〜０．０５％ のうちのいずれか１種または２種以上を含有し、残部が
Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつワイヤー中に占
める各元素の重量％により下記（］）式で定まるバラメ
ークＴが６５０未満であるワイヤーを用い、溶接入熱を
１０　ｋＪ／　ｃｎ＋以下とすることを特徴とする溶接
変形の少ないガスシールドアーク溶接方法である。

Ｔ　＝６３０．０−４７６．５Ｃ＋５６．０Ｓｉ　−１
９，７Ｍ　ｎ　−１６，３Ｃｕ−２６，６Ｎ　ｉ　−４
，９Ｃｒ　＋３８．１Ｍ　ｏ　＋１２４．８　Ｖ＋　　
１３６．３Ｔ　ｉ　−１９，１Ｎ　ｂ　＋　　１９８．
４Ａ　ｆｆ　＋　３３１５．　ＯＢ　　　　　　　　　
　・・・（１）（作　用） 通常のアーク溶接法の冷却速度の範囲において、Ａｒｚ
変態点温度Ｔは大略（１）式によって予測可能である。

（１）式から明確なように、γフォーマであるＮｉ、Ｍ
ｎ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｃを所定量添加してＡｒ３変態点を低
下させることが可能である。−躬に、変態点温度が低い
ほど変態膨張量が大きくなり、冷却時の収縮によって発
生する溶接残留変形を緩和することになることから、変
態膨張量の増大が溶接変形の低減に寄与することが考え
られる。しかし、適冷オーステナイトの変態はベイナイ
ト組織の出現等から単純に変態膨張量と明確な対応を示
さず、従ってここではＡｒａ変態点温度に着目した。

方、１字隅肉溶接継手部に発生する角変形量は第１図に
示すように溶接材料のＡｒａ変態点温度と明確な相関が
あり、変態点温度が低い値であるほど発生する角変形量
が小さい値であることを見いだした。これは、変態点温
度が低くなることにより変態膨張量が大きくなり、凝固
に伴う収縮をある程度解消するためであると思われる。

更にγフォーマであるＮｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｃの成分系に
加えてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの元素を含有する場合には
、（１）式によって与えられる相変態温度Ｔの値が後者
を含まない場合と比較して若干高い値であっても、発生
する角変形量が小さいことを見いだした。この事実は、
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの元素がいずれも変態が生じる温
度で機械的強度を増加することにより、変形を拘束する
ためであると考えられる。溶接変形によって例えば圧縮
荷重に対する座屈強度が低下することや、継手製作上の
寸法精度等の検討から、上述した変形矯正作業を必要と
しない角変形量の限界値を与える変態点温度について、
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖの元素添加の影響を考慮した結果
得られた関係式がＴ＜６５０で表される。

以下に、本発明における溶接ワイヤーの成分元素の特定
とその添加量について説明する（元素添加Ｉの値は溶接
ワイヤ中に占める重量％である）。

Ｎｉは代表的なγフォーマであり、変態点低下の効果が
大きい。少なくとも０．０５％、好ましくは３．０％以
上添加する。添加量が多すぎる場合にはコスト上昇とな
ることに加えて、例えば海洋鋼構造物において電気的に
溶接金属部が責になりすぎ、局部電池を形成して溶接熱
影響部が選択的に腐食されることになる。従ってＮｉ添
加量の上限は９％にする必要がある。

Ｍｎは変態点低下の効果が大きく、Ｎ１の補助として少
なくとも０．４％以上、好ましくは０．８％以上添加す
る。過度な添加は溶接金属部の高温割れ感受性の増大と
靭性低下に連がるために、上限を２．５％とする必要が
ある。

Ｃｕも変態点低下の効果があるため０１％以上含有する
必要がある。過度な添加は溶接金属の靭性低下につなが
るため、上限を１．５％とする。

Ｃも変態点低下の効果があり、強度の点からも００１％
以上、好ましくは０．０５％以上添加する。過度な添加
は溶接金属部の高温割れ感受性の増大と靭性劣化に連が
るため、上限を０．】５％とする。

以上の元素は変態点を低下させることに効果がある元素
であり、これに加えて変態が生じる温度域での強度を増
加するものとして以下の元素をさむ。

Ｃｒによる強度増加の効果が生じるためにＧ」０５％以
上の添加が必要である。添加量が多すきる場合には常温
強度および硬度が増加して靭性力劣化し、更に溶接性も
低下するので、上限を３害とする。

Ｍｏは強度の点から０４２％以上の添加が必要である。

変態温度を上昇させる効果が大きいこと力ら、上限を２
％とする。

■も０，１％以上の添加で強度上昇の効果がある。過大
な添加は常温での強度・硬度の上昇によって靭性が劣化
し、変態温度を上昇させることになるので、上限を０．
５％とする。

Ｎｂも０．０１％以上の添加で強度上昇の効果がある。

過大な添加は常温強度・硬度の上昇および紅性劣化とな
るために、上限を　００５％とする。

本発明に使用する溶接材料の成分は以上の通りであり、
残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。

以下に本発明における鋼板の成分元素の特定について説
明する。

Ｃについては過度な添加は溶接金属部の高温割れ感受性
の増大と靭性劣化に連がるため、上限を０２％とする。

Ｓｉは鋼板の靭性のため０．３５％以下にする必要があ
る。

Ｍ　ｎも同時に靭性のためには０．６０〜１．２８％に
する必要がある。

残部は鉄および不可避不純物にする必要がある。また、
溶接入熱が過大であると変形量も過大となり、溶接ワイ
ヤーの変態点を制御した効果が充分に発揮できないので
、溶接入熱は１０ｋＪ／ｃｍ以下とする必要がある。

（実施例） ワイヤーは第１表に示す１０種類のワイヤーを試作した
。ワイヤー直径は１．２ｍｍである。第１表には同時に
（１）式で計算されるＡｒｉ点（Ｔ）を示した。鋼板は
第２表に示す市販の５Ｍ４１Ｂ材を用いた。この鋼板を
、第２図に示す１字隅肉溶接継手試験体を製作するため
に、第３表に示す溶接条件で両側１パスずつ溶接した。

溶接条件は入熱の異なる２種類を検討した。溶接終了後
、角変形量δを測定したのち、溶接金属の縦断面を観察
し溶接金属の割れの有無を判定した。総合評価として、
第３図に示されるＷとｄの値を用いて式６式％） で計算される角変形量δの値が１．２Ｘ　１０−”ラジ
アン未満かつ割れの発生が見られないときに合格、それ
以外は不合格とした。第４表に使用したワイヤーの記号
、溶接条件および試験結果を示す。ワイヤー記号ＷＳＩ
〜ＷＳ５は適正成分範囲内、ＷＤＩ〜ＷＤ２とＷＳ６〜
ＷＳ８は比較のために例示したもので適正成分範囲外で
ある。また試験番号１〜５は溶接入熱が適正で、試験番
号６は溶接入熱が過大であるものである。

試験番号１，２はＣｒおよＵＭｏ量について、３．４は
ＶおよＵＮｂ量についての適正量を検討したもので、い
ずれも合格である。５はＴの値が比較的高いが６５０未
満であり合格である。適正成分範囲のワイヤーであって
も、６は溶接入熱が過大であり角変形量が大きくなる。

高温強度を増大させる元素群を添加しない場合は、７に
示すようにＴの値が５７２であっても角変形量が大きく
、８に示すようにＮ１を過剰に添加した場合には割れが
発生する。同様にＣｒが過剰の９、■およびＮｂが過剰
の１０は過度な硬化によって割れが発生することになる
。また、各成分値が適正範囲内にあってもＴの値が６５
０を越える１１は、変形Ｉが大きくなって不合格となる
。

なお、本実験では５Ｍ４１Ｂ材を用いたが、母材希釈は
小さいので、鋼板の種類が変わっても本発明法による角
変形量の低減効果は失われるものではない。

第 表 溶接条件と試験結果 （発明の効果） 本発明は継手部の緒特性を損なうことなく、自動及び半
自動の溶接工程において溶接変形が少ない溶接方法であ
り、経済的に問題ない範囲で変形矯正のための作業が省
略可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は変態点温度と角変形量の関係を示す図、第２図
は１字隅肉溶接継手の概略を示す図、第３図は角変形量
δの定義を説明する図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％で、 Ｃ；０．２％以下、 Ｓｉ；０．３５％以下、 Ｍｎ；０．６０〜１．２０％ を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼板
   をガスシールドアーク溶接する際に、重量％で、 Ｎｉ；０．０５〜９．０％、 Ｍｎ；０．４〜２．５％、 Ｃｕ；０．１〜１．５％、 Ｃ；０．０１〜０．１５％ を含有し、さらに、 Ｃｒ；０．５〜３．０％、 Ｍｏ；０．２〜２．０％、 Ｖ；０．１〜０．５％、 Ｎｂ；０．０１〜０．０５％ のうちのいずれか１種または２種以上を含有し、残部が
   Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつワイヤー中に占
   める各元素の重量％により下式で定まるパラメータＴが
   ６５０未満であるワイヤーを用い、溶接入熱を１０ｋＪ
   ／ｃｍ以下とすることを特徴とする溶接変形の少ないガ
   スシールドアーク溶接方法。 Ｔ＝６３０．０−４７６．５Ｃ＋５６．０Ｓｉ−１９．
   ７Ｍｎ−１６．３Ｃｕ−２６．６Ｎｉ−４．９Ｃｒ＋３
   ８．１Ｍｏ＋１２４．８Ｖ＋１３６．３Ｔｉ−１９．１
   Ｎｂ＋１９８．４Ａｌ＋３３１５．０Ｂ