JPWO2019182081A1

JPWO2019182081A1 - 鋼板のガスシールドアーク溶接方法

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Publication number: JPWO2019182081A1
Application number: JP2019529678A
Authority: JP
Inventors: 渉平上月; 早川　直哉; 直哉早川; 池田　倫正; 倫正池田; 穣黒田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: KR102367510B1; KR20200118883A; CN111886104A; JP6927304B2; WO2019182081A1

Abstract

鋼板を突き合わせて多層溶接によって接合する際に、接合部位の予熱処理を行なうことなくガスシールドアーク溶接を施工し、冷却した後に発生する溶接部の低温割れを効果的に防止することが可能なガスシールドアーク溶接方法を提供する。引張強さが590MPa以上かつ板厚が22mm以上である２枚の鋼板を突き合わせて、開先角度を10°以下かつ開先ギャップを７〜15mmとし、REMを0.015〜0.100質量％含有する溶接ワイヤを用い、溶接ワイヤをマイナスとしたガスシールドアーク溶接を行ない、突き合わせ多層溶接によって鋼板を接合する。

Description

本発明は、鋼板を突き合わせて多層溶接によって接合するガスシールドアーク溶接方法に関するものである。

ガスシールドアーク溶接は、溶接によって鋼板を接合する部位とその周辺（以下、接合部位という）をシールドガス（たとえば、CO₂単独ガス、あるいはArとCO₂との混合ガス等）で覆いながら、溶接ワイヤ（いわゆる消耗電極）を使用して鋼板を接合する技術であり、自動車、建築、橋梁、および電気機器等の工事現場や製造現場で普及している。なかでも建築や橋梁の分野では、近年、鋼構造物の大型化が著しく進展し、その鋼構造物の強度を確保するために高強度厚鋼板が使用されるようになり、それに適した溶接技術が開発されている。

建築や橋梁を構築するための構造物の製造現場、あるいは、それを施工する工事現場にて、鋼板を突き合わせてガスシールドアーク溶接で接合するにあたって、溶接ワイヤを複数本使用する、あるいは、溶接ワイヤを同じ接合部位に複数回通過させることによって、多数の層状の溶接金属を積み重ねる溶接技術（以下、多層溶接という）が、一般に広く採用される。ところがガスシールドアーク溶接による鋼板の多層溶接では、溶接によって鋼板に生じる溶接金属と熱影響部からなる部位（以下、溶接部という）が冷却された後に、低温割れが発生し易いという問題がある。

溶接部の低温割れは、溶接が終了した後、つまり溶接部が室温程度まで冷却された後に発生する割れ（いわゆる遅れ割れ）であり、溶接部に関わる３要素（すなわち溶接部の残留応力や硬さ、溶接部に内在する水素）の重畳的な相互作用が原因であることが判明している。そして、引張強さが590MPa以上の鋼板では、このような低温割れの発生頻度が増加する傾向がある。

そこで、引張強さが590MPa以上の鋼板については、このような低温割れを防止するための技術が種々検討されている。

たとえば、引張強さが590MPa以上の鋼板の多層溶接を行なう前に予め接合部位を加熱して、鋼板およびその付着物（たとえば水滴等）の水素を大気中へ放散させる予熱処理が、低温割れの防止に有効であることが知られている。しかし接合部位の予熱処理は多大な時間と労力を必要とし、その結果、ガスシールドアーク溶接の施工コストの増大を招く。

また特許文献１には、引張強さが780MPa以上の鋼板の多層溶接において、予熱処理を必要とせず、低温割れを抑制することが可能なレーザ・アークハイブリッド溶接の技術が開示されている。この技術は、ハイブリッド溶接を行なうために大型の治具やレーザ発信装置等を使用するので、狭い場所では施工できないという制約がある。特に建築や橋梁の分野では、鋼板からなる鋼構造物を組み立てる際に、現場溶接と呼ばれる現地での溶接施工が必ず必要となる。

現場溶接は、鋼構造物である柱と梁（あるいは柱と柱）を工事現場で接合する作業であり、作業員が安全に作業できる十分な広さの空間を確保するのは難しい。つまり、現場溶接にて大型の治具や装置を使用することが困難であるという問題点が、レーザ・アークハイブリッド溶接の現場溶接における普及を妨げている。

これに対して、レーザ・アークハイブリッド溶接よりも簡便な手段で施工できるガスシールドアーク溶接による多層溶接を採用する場合は、既に説明した通り、低温割れを防止する必要があるので、接合部位の予熱処理を工事現場で実施せざるを得ない。その結果、建築や橋梁を構築するのに要する工事費用の増大、工期の延長を招く。

再公表2013-179614号公報

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、鋼板を突き合わせて多層溶接によって接合する際に、接合部位の予熱処理を行なうことなくガスシールドアーク溶接を施工し、冷却した後に発生する溶接部の低温割れを効果的に防止することが可能なガスシールドアーク溶接方法を提供することを目的とする。

なお本発明のガスシールドアーク溶接方法が適用される鋼板は、引張強さが590MPa以上かつ板厚が22mm以上である鋼板を意味する。

本発明者は、上記した課題を解決するために、引張強さが590MPa以上かつ板厚が22mm以上である２枚の鋼板を突き合わせて、その開先形状および溶接ワイヤの成分を種々変化させてガスシールドアーク溶接を行ない、溶接部の低温割れの発生状況を調査した。その結果、
(a)開先角度と開先ギャップを適正な範囲に調整する、
(b)溶接ワイヤに含有される希土類元素（以下、REMという）の含有量を適正な範囲に調整することによって、接合部位の予熱処理を行なうことなく溶接部の低温割れを効果的に防止できることを見出した。

さらに、溶接電流や溶接電圧、溶接速度等の溶接条件を変化させてガスシールドアーク溶接を行なったところ、溶接条件に関わらず上記(a)(b)を適正な範囲に調整することによって、低温割れを防止できることが判明した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち本発明は、引張強さが590MPa以上かつ板厚が22mm以上である２枚の鋼板を突き合わせて、開先角度を10°以下かつ開先ギャップを7〜15mmとし、REMを0.015〜0.100質量％含有する溶接ワイヤを用いて、溶接ワイヤをマイナスとした下向きガスシールドアーク溶接を行ない、突き合わせ多層溶接によって鋼板を接合するガスシールドアーク溶接方法である。

本発明によれば、鋼板（引張強さ：590MPa以上、板厚：22mm以上）を突き合わせて多層溶接によって接合する際に、接合部位の予熱処理を行なうことなくガスシールドアーク溶接を施工し、冷却した後に発生する溶接部の低温割れを効果的に防止することが可能となる。そして、溶接施工の時間と労力を大幅に低減できるので、産業上格段の効果を奏する。

図１は、本発明における開先形状の例を模式的に示す断面図である。図２は、図１のＶ形開先を多層溶接した例を模式的に示す断面図である。

本発明を適用する鋼板について、図１を参照して説明する。本発明は、板厚22mm以上であり、かつ、引張強さ590MPa以上の2枚の鋼板を突き合わせてガスシールドアーク溶接を行う際に適用するガスシールドアーク溶接方法である。

板厚：22mm以上
鋼板の板厚ｔが22mm未満であれば、Ｖ形開先において開先角度を大きくし、かつ開先ギャップを小さくしなければならない。その結果、開先２の形状によってはその断面積が縮小するので、溶着金属の少ない高能率な溶接が要求され、施工コストの上昇を招く。

つまり、板厚ｔ：20mmの鋼板１を、開先角度θ：０°、開先ギャップＧ：７mmのＩ形開先で溶接する場合、開先２の断面積は140mm²である。これに対して板厚ｔ：20mmの鋼板１を、開先角度θ：25°、開先ギャップＧ：２mmのレ形開先（bevel groove）で溶接する場合、開先２の断面積は133mm²に縮小するから、溶着金属の体積が少なくても十分な接合強度を得るための対応（たとえば、高価な成分を多量に含有する溶接ワイヤを使用する等）が求められる。

したがって本発明を適用する鋼板１の板厚ｔは、22mm以上とする。

なお板厚ｔの上限は、鋼板１の製造工場にて圧延可能な上限値である。具体的には、板厚ｔは22〜120mmが好ましい。

引張強さ：590MPa以上
ガスシールドアーク溶接による鋼板１の多層溶接を従来の技術で行なった場合は、溶接部の低温割れが発生し易いという問題があり、特に引張強さが590MPa以上の鋼板１において、低温割れの発生頻度が著しく増加する。

これに対して本発明は、引張強さが590MPa以上の鋼板１であっても、接合部位の予熱処理を行なうことなくガスシールドアーク溶接を施工でき、しかも溶接部の低温割れを防止することが可能となる。つまり、引張強さが590MPa以上の鋼板１のガスシールドアーク溶接による多層溶接に本発明を適用することによって、低温割れを防止するという顕著な効果が発揮される。
また、開先ギャップＧが小さいほど、溶接中に発生したスパッタが開先の表面に付着しやすく、スパッタが、コンタクトチップやシールドノズルと干渉してアークストップが発生し易い。

したがって本発明を適用する鋼板１の引張強さは、590MPa以上とする。したがって、本発明は、板厚22mm以上であり、かつ、引張強さ590MPa以上の2枚の鋼板を突き合わせてガスシールドアーク溶接を行う際に適用することがより好ましい。低温割れは、さらに高強度の780MPa以上の鋼板において発生頻度がより高くなる傾向にある。そのため、本発明は、780MPa以上の鋼板の突き合わせガスシールドアーク溶接に適用すると、より効果が顕著となるため、鋼板の引張強度は780MPa以上とすることが好ましい。

次に、本発明を適用する鋼板１を突き合わせて形成される開先２の形状について、図１、２を参照して説明する。

開先角度：10°以下
開先角度θが10°を超えると、開先２の断面積が増加し、ひいては溶着金属の体積が増加するので、低温割れが発生し易くなる。

つまり、既に説明した溶接部を構成する溶接金属３は、溶接によって開先に付着した溶着金属が冷却されたものであるから、溶着金属に水素が混入すれば、溶接金属３にも水素が残留し、その水素が主要な原因となって低温割れを引き起こす。溶着金属の体積が多くなると、混入する水素も増加し易くなり、その結果、低温割れが発生し易くなる。

したがって開先角度θは、10°以下とする。

なお、開先角度θの下限は0°（すなわちＩ形開先）であっても良いが、Ｉ形開先では溶接中の角変更によって開先角度が負となり、健全な溶接ができないという問題が生じる場合がある。そこで、開先角度θを2〜10°として、下向きガスシールドアーク溶接を行なうことが好ましい。より好ましくは、開先角度θは、5〜8°である。

開先ギャップ：7〜15mm
開先ギャップＧが小さいほど、溶接金属３の体積が小さくなり、低温割れの発生が抑制されるが、接合不良等の欠陥が生じ易い。一方で開先ギャップＧが大きいほど、溶接金属３の体積が大きくなり、低温割れが発生し易い。

したがって開先ギャップＧは、7〜15mmとする。好ましくは、8〜12mmである。

次に、ガスシールドアーク溶接で使用する溶接ワイヤのREM(Rare Earth Metal)含有量について説明する。

REM：0.015〜0.100質量％
REMは、製鋼工程および鋳造工程の介在物の微細化や、溶接金属の靭性改善に有効な元素である。また、ガスシールドアーク溶接において、溶接ワイヤをマイナス（いわゆる正極性）とした場合や、溶接電流を大きくした場合に、溶滴の微細化および溶滴移行の安定化を達成し、さらに開先面方向へのアークの発生を抑制する効果も有する。ガスシールドアーク溶接における溶滴の微細化と溶滴移行の安定化は、スパッタの発生を抑制して、安定した円滑な溶接施工に寄与する。

REM含有量が0.015質量％未満では、その溶滴の微細化と溶滴移行の安定化の効果が得られなくなり、多量のスパッタが発生してアークストップが発生し易い。一方、0.100質量％を超えると、溶接ワイヤの製造工程で割れが生じ易くなるばかりでなく、溶接施工による溶接金属の靭性低下を招くと同時に、スパッタの発生による溶接不安定を招く。

したがって溶接ワイヤのREM含有量は、0.015〜0.100質量％とする。好ましくは0.025〜0.050質量％である。

また溶接施工における溶接ワイヤの極性は、REMの添加による溶滴の微細化と溶滴移行の安定化という効果を十分に発揮するという観点から、溶接ワイヤをマイナス（正極性）とすることが好ましい。

表１に示す条件で、ガスシールドアーク溶接による鋼板の突き合わせ多層溶接を行なった。接合部位の予熱は行なっていない。

使用した鋼板の成分は、いずれもS：0.005質量％以下、O：0.003質量％以下、N：0.004質量％以下である。開先の加工にはガス切断を採用し、開先面には研削等の手入れを施していない。

使用した溶接ワイヤは、いずれも溶接対象の鋼材強度用またはそれより１ランク上用の強度グレードのソリッドワイヤ（ワイヤ径1.2mm）であり、その成分はS：0.005質量％以下、O：0.003質量％以下、N：0.005質量％以下、Si：0.6〜0.8質量％、Al：0.005〜0.030質量％である。

シールドガスには100％CO₂ガスを使用し、100％CO₂ガスを流量20Ｌ／minでシールドノズルに供給した。

表１中のNo.１〜13は狭開先の例、No.14〜16は従来から標準的に用いられる開先形状の例である。なお、本発明において、「狭開先」とは、25°以下を示す。

そして、溶接を行ないながら１パス毎に溶接性について調査し、１パス中に１回以上のアークストップが発生したものを不良（×）、アークストップが発生しなかったものを良好（〇）として評価した。その結果を表１に示す。

さらに、溶接が終了した後、ビードの表面を浸透探傷試験と磁粉探傷試験で検査し、１ケ所以上の低温割れが認められたものを割れ有（×）、低温割れが発生しなかったものを割れ無（〇）として評価した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、発明例は、溶接性および低温割れの評価が全て〇であった。比較例は、溶接性および／または低温割れの評価が×であった。

１鋼板
２開先
３溶接金属
４裏当て材

Claims

引張強さが590MPa以上かつ板厚が22mm以上である２枚の鋼板を突き合わせて、開先角度を10°以下かつ開先ギャップを7〜15mmとし、REMを0.015〜0.100質量％含有する溶接ワイヤを用い、溶接ワイヤをマイナスとした下向きのガスシールドアーク溶接を行ない、突き合わせ多層溶接によって鋼板を接合する鋼板のガスシールドアーク溶接方法。
鋼板の引張強さは、780MPa以上である請求項１に記載の鋼板のガスシールドアーク溶接方法。