JP2000312987A

JP2000312987A - 溶接用ワイヤ

Info

Publication number: JP2000312987A
Application number: JP12227099A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Hamada; 昌彦濱田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】引張り強さ80kgf/mm²以上の高強度鋼を予熱な
しに溶接しても低温割れが発生しない溶接ワイヤを提供
する。【解決手段】C：0.005〜0.15％、Si：0.02〜1.0％、M
n：0.3〜3.0％、P：0.02％以下、S：0.01％以下、Ti：
0.002〜0.3％、さらにCu：3％以下、Ni：7％以下、Cr：
7％以下、Mo：2％以下、V：0.05％以下およびNb：0.05
％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部は実
質的にFeからなり、式「MS=538-317×C-33×Mn-28×Cr-
17×Ni-11×Si-11×Mo-11×W」で求められるMSが375以
下の溶接用ワイヤ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度鋼、なかで
も引張り強さＴＳが８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の高強度鋼
の溶接に用いて好適な低温割れ防止特性に優れた溶接用
ワイヤに関する。

【０００２】

【従来の技術】高張力鋼の溶接施工時における重大な問
題には低温割れの防止がある。低温割れ防止には、拡散
性水素量の低減、硬さ低減、拘束度の低減（残留応力の
低減）が有効であることが知られている。

【０００３】最も抜本的な低温割れ防止策は、拡散性水
素量の低減である。ＳＭＡＷでは、拡散性水素量が２５
〜３５ｃｃ／１００ｇであるとされるイルミナイト系や
セルロース系の溶接棒に代えて、拡散性水素量を２〜４
ｃｃ／１００ｇ程度にまで低減させた低水素系や極低水
素系の溶接棒が開発され、実用化されている。また、Ｔ
ＩＧやＭＩＧ溶接などのガスシールドアーク溶接では、
拡散性水素量が０．２ｃｃ／１００ｇ程度と非常に低水
素の溶接が可能であるとされている。

【０００４】一方、高強度鋼は、近年の制御圧延法や加
速冷却法の普及により、従来よりも合金成分の含有量を
低くした鋼を用いて製造することが可能になっている。
合金成分の低減は、例えば、地人書館発行の「構造用鋼
の溶接」に示されるように、溶接熱影響部での硬さ低減
に寄与し、割れ感受性を低下させる。また、母材の化学
組成、拡散性水素量、拘束度などから低温割れ防止予熱
温度を推定する方法も種々提案されている（例えば、日
本造船学会誌「第502号(1971)、P.51」や溶接学会誌「第
45巻(1976)第12号、P.51」など）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような手段によ
れば、確かに低温割れは防げる。しかし、上記のような
手段の延長では、ＨＴ８０やＨＴ１００などの高強度鋼
の溶接時に低温割れが発生するのを確実に防ぐためには
必ず予熱を行う必要があり、この予熱作業が溶接施工能
率を著しく低下させるという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、引張り強さＴＳが８０ｋ
ｇｆ／ｍｍ²以上の高強度鋼を予熱なしに溶接しても低
温割れが発生せず、しかも拡散性水素量が４ｃｃ／１０
０ｇ以下、ＴＳが８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の溶接金属を
有する溶接継手を得ることが可能な溶接ワイヤを提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
溶接ワイヤにある。

【０００８】重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２〜１．０％、Ｍｎ：０．３％〜３．０
％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｔｉ：
０．００２〜０．３％、ならびにＣｕ：３％以下、Ｎ
ｉ：７％以下、Ｃｒ：７％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｖ：
０．０５％以下およびＮｂ：０．０５％以下のうちの１
種または２種以上を含有し、残部は実質的にＦｅからな
り、下記の式で与えられる変数ＭＳが３７５以下の化
学組成を有する鋼からなる溶接用ワイヤ。ＭＳ＝５３８−３１７×Ｃ−３３×Ｍｎ−２８×Ｃｒ −１７×Ｎｉ−１１×Ｓｉ−１１×Ｍｏ−１１×Ｗ・・・ここで、式中の元素記号は鋼中の各元素の含有量（重量
％）を意味する。

【０００９】上記の本発明は、下記の知見に基づいて完
成させた。すなわち、本発明者らは、低温で変態したマ
ルテンサイト組織を有する溶接部では、残留応力が低減
するという事実（溶接学会論文集「第５巻(1987)第２
号、P.66 」）に注目し、これを低温割れの防止に活用す
ることを目的に数多くの実験を行うとともに、その実験
結果を詳細に検討した。その結果、以下のことを知見し
た。

【００１０】Ｃ含有量が一定の溶接ワイヤでは、他の合
金成分の含有量を低くすると、溶接金属の強度が低くな
り、低温割れは発生しない。しかし、他の合金成分の含
有量を高くすると、その上昇に比例して溶接金属の強度
が上昇し、ルート部または溶接金属に低温割れが発生す
る。そして、他の合金成分の含有量をさらに高くする
と、溶接金属の強度上昇が飽和し、溶接金属の引張強さ
ＴＳが８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であっても、低温割れは
発生しない。

【００１１】上記溶接金属の強度上昇の飽和は、Ｃ以外
の合金成分の上昇に伴って溶接金属の組織がベイナイト
組織からマルテンサイト組織に変化するためと推定され
る。

【００１２】マルテンサイト組織の硬さ、すなわち強度
はＣ量にのみ依存する。このため、Ｃ含有量が一定の溶
接ワイヤでは、他の合金成分の含有量を変化させても、
マルテンサイト組織を有する溶接金属の強度はほぼ一定
値になる。

【００１３】一方、溶接金属の強度上昇が飽和した場合
に低温割れが発生しなくなるのは、マルテンサイト変態
点が低下するのに伴って変態膨張量が増加し、溶接残留
応力が緩和するためと推定される。

【００１４】そこで、溶接金属の化学組成について詳細
に検討した結果、式「５３８−３１７×Ｃ−３３×Ｍｎ
−２８×Ｃｒ−１７×Ｎｉ−１１×Ｓｉ−１１×Ｍｏ−
１１×Ｗ」で求められるＭＳ値、すなわちマルテンサイ
ト変態点が３７５℃以下の溶接ワイヤを用いれば、予熱
なしでも低温割れが発生しないことを知見した。

【００１５】ただし、その化学組成は、各元素の含有量
が上記の範囲内のものでなければならないことも判明し
た。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の溶接ワイヤの化学
組成を上記のように定めた理由について詳細に説明す
る。なお、以下において、「％」は「重量％」を意味す
る。

【００１７】Ｃ：０．００５〜０．１５％Ｃは溶接金属の強度を確保するために添加される。その
効果を得るためには０．００５％が必要である。しか
し、０．１５％を超えて含有させると溶接金属の強度上
昇を招く。このため、Ｃ含有量は０．００５〜０．１５
％とした。好ましい範囲は０．００５〜０．１０％であ
る。

【００１８】Ｓｉ：０．０２〜１．０％Ｓｉは溶接金属の強度を確保すると同時に脱酸剤として
重要な元素である。その効果を得るために最低でも０．
０２％が必要である。しかし、１．０％を超えて含有さ
せると溶接金属の靭性低下の原因となるとともに、耐低
温割れ感受性の劣化を招く。このため、Ｓｉ含有量は
０．０２〜１．０％とした。好ましい範囲は０．０２〜
０．８０％、より好ましい範囲は０．０２〜０．５０％
である。

【００１９】Ｍｎ：０．３％〜３．０％Ｍｎは上記のＳｉと同様に、溶接金属の強度を確保する
と同時に脱酸剤として重要な元素である。その効果を得
るために最低でも０．３％が必要である。しかし、３．
０％を超えて含有させると溶接金属の靭性低下の原因と
なるとともに耐割れ感受性の劣化を招く。このため、Ｍ
ｎ含有量は０．３〜３．０％とした。好ましい範囲は
０．５〜２．５％である。

【００２０】Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下いずれの元素も不可避不純物であり、その含有量がＰの
場合は０．０２％超、Ｓの場合は０．０１％超になる
と、高温割れ感受性が増大するなどの悪影響が顕著にな
る。このため、Ｐ含有量は０．０２％以下、Ｓ含有量は
０．０１％以下とした。好ましい上限は、それぞれ０．
０１％、０．００５％であるが、低ければ低いほどよ
い。

【００２１】Ｔｉ：０．００２〜０．３％Ｔｉは溶接時におけるアークの安定性を向上させるため
に添加する。その効果を得るためには最低でも０．００
２％が必要である。しかし、０．３％を超えて含有させ
るとマルテンサイトラス相の粗大化を招いて靭性が低下
する。このため、Ｔｉ含有量は０．００２〜０．３％と
した。好ましい範囲は０．０１〜０．１％、より好まし
い範囲は０．０１〜０．０８％である。

【００２２】Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ：これらの元素はいずれも溶接金属の焼入性を向上させる
作用があり、主にこの効果を得るためにいずれか１種を
単独または２種以上を複合で添加する。しかし、Ｃｕは
３％、ＮｉとＣｒは７％、Ｍｏは２％、ＶとＮｂは０．
０５％を超えて含有させると、溶接金属の靭性、耐高温
割れ性および耐応力腐食割れ性の劣化を招く。このた
め、Ｃｕ含有量は３％以下、ＮｉとＣｒの含有量はいず
れも７％以下、Ｍｏ含有量は２％以下、ＶとＮｂの含有
量はいずれも０．０５％以下とした。なお、上記の効果
は、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏの場合はいずれも０．
２％、ＶとＮｂの場合はいずれも０．０１％以上で顕著
になる。

【００２３】ＭＳ値（マルテンサイト変態点（℃））：本発明の溶接ワイヤは、式「ＭＳ＝５３８−３１７×Ｃ
−３３×Ｍｎ−２８×Ｃｒ−１７×Ｎｉ−１１×Ｓｉ−
１１×Ｍｏ−１１×Ｗ」で求められるＭＳ値が３７５以
下でなければならない。

【００２４】これは、上記の式で求められるＭＳ値が３
７５超であると、マルテンサイト組織を有する溶接金属
の残留応力が十分に緩和されず、低温割れ、具体的には
横割れが発生するからである。

【００２５】以上に説明した化学組成を有する本発明の
溶接ワイヤを用い、予熱せずにアーク溶接して得られる
溶接金属は、グリセリン法により求められる拡散性水素
量が３〜４ｃｃ／１００ｇであり、これを少なくとも初
層に適用すれば、母材および溶接金属の引張強さが８０
ｋｇｆ／ｍｍ²以上であっても上記の横割れは発生しな
い。

【００２６】なお、本発明の溶接ワイヤは、極低水素系
のフラックスとの併用やシールド性を高めた溶接方法
（ＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＬＢＷ、ＥＢＷ等）に用いれ
ば、低温割れの発生防止効果がより顕著になる。

【００２７】

【実施例】表１に示す化学組成と強度を有する厚さ２５
ｍｍの２種類の母材鋼板と、表２に示す化学組成を有す
る線径１．６ｍｍの７種類の溶接ワイヤを準備した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】そして、母材の鋼板にＸ開先加工を施した
後、表２に示す組み合わせで、母材を予熱することなく
ＭＡＧ溶接を行って溶接継手を作製した。その際、溶接
入熱量は１．８〜２．５ｋＪ／ｍｍとし、シールドは２
０体積％ＣＯ₂−残Ａｒの混合ガスで行った。

【００３１】得られた各溶接継手は、その溶接金属のビ
ッカース硬度を測定する一方、その溶接部から長手方向
の中央部分に溶接金属が位置する引張り試験片を採取し
て引張り試験に供した。これらの結果を、表３に示し
た。なお、引張試験の結果は、母材部で破断したものを
合格（○）、溶接部で破断したものを不合格（×）とし
た。

【００３２】

【表３】

【００３３】次に、上記と同じ組み合わせで、ＪＩＳ
Ｚ３１５８に規定される方法に準じて母材を予熱する
ことなく溶接割れ試験を行った。試験は、上記と同じＭ
ＡＧ溶接法で行い、溶接入熱量を１．７ＫＪ／ｍｍと
し、シールドガス中には溶接金属の水素量を３〜４ｃｃ
／１００ｇにするために水素を添加した。また、溶接
は、温度３０℃、湿度８０％の恒温恒湿槽内で行い、そ
の際、グリセリン法により拡散性水素量を測定した。こ
れらの結果を、上記と同様に、表３に示した。

【００３４】表３に示す結果から明らかなように、本発
明で規定する化学組成を有する溶接ワイヤを用いた場合
（試番１〜３）には、予熱なしで高強度で、しかも低温
割れがない溶接継手が得られた。これに対し、本発明で
規定する範囲を外れる化学組成の溶接ワイヤを用いた場
合（試番４〜７）は、いずれも低温割れが発生した。

【００３５】なお、データの記載は省略するが、ＳＭＡ
Ｗ法やＳＡＷ法等の他の溶接方法に本発明の溶接ワイヤ
を用いた場合も上記と同じ結果が得られた。

【００３６】

【発明の効果】本発明の溶接ワイヤは、引張強さＴＳが
８０ｋｇ／ｍｍ²以上の高強度鋼を予熱せずに溶接して
も低温割れが発生しないだけでなく、母材と同等以上の
強度を有する溶接継手が得られる。このため、本発明の
溶接ワイヤを用いれば、溶接施工効率が著しく向上す
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２〜１．０％、Ｍｎ：０．３％〜３．０
％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｔｉ：
０．００２〜０．３％、ならびにＣｕ：３％以下、Ｎ
ｉ：７％以下、Ｃｒ：７％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｖ：
０．０５％以下およびＮｂ：０．０５％以下のうちの１
種または２種以上を含有し、残部は実質的にＦｅからな
り、下記の式で与えられる変数ＭＳが３７５以下の化
学組成を有する鋼からなることを特徴とする溶接用ワイ
ヤ。ＭＳ＝５３８−３１７×Ｃ−３３×Ｍｎ−２８×Ｃｒ −１７×Ｎｉ−１１×Ｓｉ−１１×Ｍｏ−１１×Ｗ・・・ここで、式中の元素記号は鋼中の各元素の含有量（重量
％）を意味する。