JPH0787998B2 - ガスシールドアーク溶接用ワイヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、既設鋼構造の橋梁や海洋構造物等における
ように、変動応力が繰り返し作用している個所の溶接施
工に際しても、耐割れ性に優れた溶接部を形成すること
ができるガスシールドアーク溶接用ワイヤに関するもの
である。

（従来の技術） 橋梁は車両等の通行で変動応力を繰り返し受けている
が、かような状態にある橋梁の補修、改造工事における
溶接の際には、溶接開先開口部は当然、変位を受ける。
第１図ａに示すような溶接開先開口部（ルートギャップ
ａ＝2mm）をそなえる橋梁を車両が通過したときの溶接
開先開口部のルートギャップ変位量を、第１図ｂに示
す。

第１図ａにおいて、１は母材、２はルートである。

このような変位下での溶接の際には、溶接金属は、延性
が十分でない高温度領域で引張、圧縮が繰り返されるた
めに、溶接直後に割れが発生することが多く、ひいては
供用中にこの割れを起点として、割れがさらに進展し、
橋梁の構造物としての寿命の短縮を余儀なくされる場合
もある。

従来は、このような変動応力下の溶接に用いて好適な耐
割れ性にすぐれたガスシールドアーク溶接用ワイヤがな
かったので、 車両等の通行を制限、停止して溶接施工する、 溶接開先部を治具等で仮固定した後溶接施工する、 溶接割れは不可避であるとし、設計変更や耐用寿命を
短く見込む、 等の方策を講じるにすぎなかった。

（発明が解決しようとする問題点） 橋梁や海上構造物などにおいて繰り返し変動応力を受け
ているような個所での溶接施工に際して、従来のガスシ
ールドアーク溶接用ワイヤを使用すると、溶接金属に割
れが発生し易いので、前述のような溶接施工時における
諸対策の実施や設計変更を余儀なくされるところに問題
を残していた。

この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、橋梁
において車両通行によって発生するような開先開口部の
変動応力下、換言すれば開口部変位下で溶接施工を施し
たとしても溶接割れの発生がないガスシールドアーク溶
接用ワイヤを提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） まずこの発明の解明経緯について説明する。

さて発明者らは、変動応力下での溶接割れの発生原因を
解明すべく鋭意研究を重ねた結果、かかる溶接割れは、
溶接凝固過程で生成する非金属介在物の融点と密接な関
係にあり、とくに低融点の非金属介在物が形成された場
合に溶接割れが発生し易いこと、そして溶接金属の化学
成分のうちS,Mn,SiおよびＣが溶接割れに対する影響が
とりわけ大きいことの知見を得た。

すなわち、 ｉ）Mn/Sが小さい場合には、Fe−FeS系の低融点介在物
が生じ、金属結晶粒界に介在して高温延性を著しく劣化
させ、割れを誘発する、 ii）またSiが高い場合には、たとえばSi−Mn−Ｏ系の低
融点珪酸塩介在物を生じ、上記ｉ）と同じ現象で割れが
発生する、 iii）さらにＣは凝固時に濃度偏析が最も起り易い元素
の一つで、結晶粒界での高濃度偏析によって凝固直下で
の割れを発生する ことを究明したのである。

この発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわちこの発明は、 C:0.005〜0.05wt％（以下単に％で示す）、 Si:0.25％以下、 Mn:1.00〜2.70％、 P:0.015％以下および S:0.004％以下 を、Mn/Sの比が350以上の範囲において含有し、必要に
応じて、 Ni:0.25％以下 または Al:0.40％以下および（Ti＋Zr）:0.40％以下のうち少な
くともいずれか またさらには Ni:0.25％以下ならびにAl:0.40％以下および（Ti＋Z
r）:0.40％以下のうち少なくともいずれかを含み、残部
は実質的にFeの組成になるガスシールドアーク溶接用ワ
イヤである。

（作 用） この発明においてワイヤの成分組成を上記の範囲に限定
した理由は次のとおりである。

C:0.005〜0.05％ Ｃは、溶接金属中に固溶して粗大フェライト相の析出を
抑制する効果があり、溶接ワイヤ中に少なくとも0.005
％を含有させる必要がある。

しかしながら多すぎると溶接金属の高温延性の劣化を招
くので、上限は0.05％に限定した。

Si:0.25％以下 Siは、0.25％を超えると低融点の珪酸塩系介在物（SiMn
O₃）が生成し易くなり溶接金属の延性が低下するので0.
25％以下（好ましくは0.01％以上）で添加するものとし
た。

Mn:1.00〜2.70％ Mnは、Ｓとともにこの発明における最も注目すべき元素
の一つである。Mnは、脱酸に寄与する他、溶接中にＳと
結びついて高融点のMnSを形成し、低融点のFeSの生成を
効果的に抑制する。しかしながらMn量が1.00％未満では
その添加効果に乏しく、一方、2.70％を超えると溶融金
属の焼入れ硬化性が大となるので、1.00〜2.70％の範囲
に限定した。

P:0.015％以下 Ｐは、低融点の金属間化合物を生成し凝固温度から1000
℃程度までの溶接金属の延性を著しく低下させるので極
力低減させることが望ましいが、0.015％以下の範囲で
許容できる。

S:0.004％以下 Ｓは、前述したとおりこの発明において最も注目すべき
元素の一つであり、Ｓは溶接金属中に含まれると大部分
は硫化物となって結晶粒界に非金属介在物として生成す
る。とくにFe−FeSのような低融点介在物を生成する場
合には、凝固温度から1000℃程度までの高温延性を著し
く低下させる。したがってＰと同様、極力低減させるこ
とが望ましいが、0.004％以下の範囲で許容できる。

またMn/Sが、350未満では溶接金属中のＳの大部分を高
融点介在物であるMnSとして析出させるには不十分で、
低融点介在物のFeSが析出して高温度域での延性の低下
を招く。

したがってMn/Sを350以上とすることが、変動応力下の
溶接施工において割れを防止するためにはとりわけ肝要
である。

以上、基本成分について説明したが、この発明では、さ
らにNiや、Al,（Ti＋Zr）のうちから選ばれる少なくと
も一種を含有させることもできる。

Ni:0.25％以下 Niは、オーステナイト安定化元素であり、耐衝撃性能を
高めるのに有効に寄与するが、含有量が0.25％を超える
と旧オーステナイト結晶粒内へのP,Sの固溶を低下さ
せ、粒界へのP,Sの偏析が生じ易くなるので、Niは0.25
％以下で添加する必要がある。

Al:0.40％以下および／または（Ti＋Zr）:0.40％以下 Al,（Ti＋Zr）はいずれも、溶接金属の脱酸に有効に寄
与するだけでなく、優先的にＳやＮと化合することによ
り、FeSなどの低融点介在物の生成や窒素による気孔発
生を効果的に阻止する有用元素である。しかしながらあ
まりに多量の添加は炭・窒化物の析出量が多くなって機
械的性質の劣化を招くので、Alは0.40％以下とするもの
とした。またTiおよびZrは同効物質であり（Ti＋Zr）0.
40％以下の範囲で添加するものとした。

この発明に係るガスシールドアーク溶接用ワイヤは以上
のような合金元素で構成されており、その種類及び含有
率を特定することによって、変動応力下（変位量1mm以
下）の溶接においても割れを発生することのない溶接が
可能なガスシールドアーク溶接が実現されるのである。

なおかかるワイヤ中にはその他の元素としてMo,Cr,Ca,B
およびCuが含有される場合があるが、これらの元素の含
有量が現在市販されているHT60クラス以下のガスシール
ドアーク溶接用ワイヤに添加されている程度の範囲、す
なわち、 Mo0.45％、 Cr0.50％、 Ca0.0010％、 Ｂ0.0090％および Cu0.50％（Cuめっき分を含む） 程度であれば、この発明の効果に対する悪影響は何ら認
められなかった。

（実施例） 第１表に示した種々の成分組成になる直径:1.2mmのガス
シールドアーク溶接用ワイヤを用いて、第２表に示す成
分組成になり、しかも第２図ａに示したような深さ10m
m、幅:40〜50mmの溝を形成した板厚:16mmの溝付試験片
３に対し、シールドガスとしてCO₂ガスのみ並びにAr:80
〜90vol％、CO₂:10〜20vol％の混合ガスを用いて、肉盛
り溶接を施したのち、第２図ｂに示すような厚み:12m
m、幅:150mm、長さ:350mmに切出してバレストレーン試
験片４とした。

得られた各試験片につき、板表面の曲げ歪を４％から９
％までにわたって変化させた状態でバレストレーン試験
に供した場合における割れの発生状況について調べた結
果を第３表に示す。

第３表に示した成績より明らかなように、この発明に従
うワイヤW1〜W5を用いた場合には、シールドガスの種類
および歪量の如何にかかわらず、割れの発生は全くなか
った。

これに対し、C,Si,SおよびMn/Sのいずれかがこの発明の
適正範囲を逸脱するW6〜９を用いた場合には、すべての
条件下で割れが発生した。なおW10はSiのみがこの発明
の適正範囲を幾分上回る場合であるが、シールドガスと
してCO₂ガスを用いた場合は割れの発生はなかったもの
の、（Ar＋CO₂）混合ガスシールド下では歪量４％およ
び９％いずれの場合においても割れが発生した。

次に、W1〜５およびW10を用いて、実橋に近い変動応力
下での溶接性を調べるために、以下の要領で溶接試験を
行った。

第２表に示した成分組成になり、かつ第３図に示す形状
・寸法になる疲労試験片（図中ａ＝2mm、ｂ＝30mm、ｃ
＝150mm、ｄ＝300mm、ｅ＝12mm、ｇ＝2mm、α＝60゜）
を作成し、この試験片を疲労試験機にセットしたのち、
第１図ａに示したような変動サイクル（変位量は±0.2m
m）を与えながら、溶接電流:170A、溶接電圧:24V、溶接
速度:15cm/min、シールドガス:CO₂ガスまたは（Ar＋C
O₂）混合ガスの条件下に溶接を施した。

かかる溶接後、直ちに試験片を取りはずし、溶接部横断
面10ケ所について研摩後、顕微鏡で割れの有無について
調べた。

その結果、この発明に従うワイヤW1〜５を用いた場合は
いずれも割れの発生は全くなかった。

これに対し、W10のワイヤを使用した場合は、（Ar＋C
O₂）混合ガスシールド下において割れの発生が見られ
た。

なおW6〜８については、先のバレストレーン試験におい
て割れが発生しており、従ってより苛酷な疲労試験にお
いては当然割れることが今までの経験から予測されたの
でとくに試験は行わなかった。

（発明の効果） かくしてこの発明に従うガスシールドアーク溶接用ワイ
ヤを使用すれば、通常の橋梁における車両通行などによ
って発生する開先開口部の変動量を与える変動応力下で
も、全く溶接割れを発生することなく溶接を実施するこ
とができ、従って従来のワイヤを用いたときのような車
両等の通行制限、治具の取付け、さらには設計変更や耐
用寿命の短縮などを全く考慮する必要がなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、溶接開先部の断面図、同図ｂは第１図ａに
示した溶接開先部における変位量と時間との関係を示し
た図、 第２図ａは、バレストレーン用溝付試験片の斜視図、同
図ｂはバレストレーン用試験片の斜視図、 第３図は、疲労試験片の正面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西山 昇 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株式 会社技術研究本部内 (72)発明者 中西 保正 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 (72)発明者 河野 武亮 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 (72)発明者 中村 義隆 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 (72)発明者 酒井 啓一 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 (56)参考文献 特開 昭61−67593（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−103047（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−165294（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】C:0.005〜0.05wt％、 Si:0.25wt％以下、 Mn:1.00〜2.70wt％、 P:0.015wt％以下および S:0.004wt％以下 を、Mn/Sの比が350以上の範囲において含有し、残部は
   実質的にFeの組成になるガスシールドアーク溶接用ワイ
   ヤ。
2. 【請求項２】C:0.005〜0.05wt％、 Si:0.25wt％以下、 Mn:1.00〜2.70wt％、 P:0.015wt％以下および S:0.004wt％以下 を、Mn/Sの比が350以上の範囲において含有し、かつ Ni:0.25wt％以下 を含み、残部は実質的にFeの組成になるガスシールドア
   ーク溶接用ワイヤ。
3. 【請求項３】C:0.005〜0.05wt％、 Si:0.25wt％以下、 Mn:1.00〜2.70wt％、 P:0.015wt％以下および S:0.004wt％以下 を、Mn/Sの比が350以上の範囲において含有し、かつ Al:0.40wt％以下および （Ti＋Zr）:0.40wt％以下 のうち少なくともいずれかを含み、残部は実質的にFeの
   組成になるガスシールドアーク溶接用ワイヤ。
4. 【請求項４】C:0.005〜0.05wt％、 Si:0.25wt％以下、 Mn:1.00〜2.70wt％、 P:0.015wt％以下および S:0.004wt％以下 を、Mn/Sの比が350以上の範囲において含有し、かつ Ni:0.25wt％以下ならびに Al:0.40wt％以下および （Ti＋Zr）:0.40wt％以下 のうち少なくともいずれかを含み、残部は実質的にFeの
   組成になるガスシールドアーク溶接用ワイヤ。