(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部にフラックスを供給し、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤを使用してＣｒ含有量が０.０５質量％以下の塩害環境下用鋼板を溶接するサブマージアーク溶接に使用するサブマージアーク溶接用溶接材料において、溶接材料中の成分Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのうち、ワイヤ中の成分含有量を〔Ｃ〕W、〔Ｐ〕W、〔Ｓ〕W、〔Ｃｕ〕W、〔Ｎｉ〕W、〔Ｃｒ〕W、〔Ｔｉ〕Wとして表し、フラックス中の成分含有量を〔Ｃ〕f、〔Ｐ〕f、〔Ｓ〕f、〔Ｃｕ〕f、〔Ｎｉ〕f、〔Ｃｒ〕f、〔Ｔｉ〕fとして表した場合に、ワイヤの単位消費量（ｇ／ｍｉｎ）当たりのフラックスの消費量（ｇ／ｍｉｎ）であって前記フラックスが溶融型フラックスのとき１.５０、ボンド型フラックスのとき１.００である定数ａにより表したワイヤ及びフラックス全体の成分含有量が
Ｃ＝〔Ｃ〕W＋ａ×〔Ｃ〕f：０．００５乃至０．２０質量％
Ｐ＝〔Ｐ〕W＋ａ×〔Ｐ〕f：０．０４質量％以下
Ｓ＝〔Ｓ〕W＋ａ×〔Ｓ〕f：０．０４質量％以下
Ｃｕ＝〔Ｃｕ〕W＋ａ×〔Ｃｕ〕f：０．０５乃至１．０質量％
Ｎｉ＝〔Ｎｉ〕W＋ａ×〔Ｎｉ〕f：０．０５乃至９．０質量％
Ｃｒ＝〔Ｃｒ〕W＋ａ×〔Ｃｒ〕f：０．０５質量％以下
Ｔｉ＝〔Ｔｉ〕W＋ａ×〔Ｔｉ〕f：０．１０乃至１０．０質量％（但し、ＴｉＯ2はＴｉに換算する）
であることを特徴とするサブマージアーク溶接用溶接材料。
【請求項２】
溶接部にフラックスを供給し、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤを使用してＣｒ含有量が０.０５質量％以下の塩害環境下用鋼板を溶接するサブマージアーク溶接方法において、溶接材料中の成分Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのうち、ワイヤ中の成分含有量を〔Ｃ〕W、〔Ｐ〕W、〔Ｓ〕W、〔Ｃｕ〕W、〔Ｎｉ〕W、〔Ｃｒ〕W、〔Ｔｉ〕Wとして表し、フラックス中の成分含有量を〔Ｃ〕f、〔Ｐ〕f、〔Ｓ〕f、〔Ｃｕ〕f、〔Ｎｉ〕f、〔Ｃｒ〕f、〔Ｔｉ〕fとして表した場合に、ワイヤの単位消費量（ｇ／ｍｉｎ）当たりのフラックスの消費量（ｇ／ｍｉｎ）であって前記フラックスが溶融型フラックスのとき１.５０、ボンド型フラックスのとき１.００である定数ａにより表したワイヤ及びフラックス全体の成分含有量が
Ｃ＝〔Ｃ〕W＋ａ×〔Ｃ〕f：０．００５乃至０．２０質量％
Ｐ＝〔Ｐ〕W＋ａ×〔Ｐ〕f：０．０４質量％以下
Ｓ＝〔Ｓ〕W＋ａ×〔Ｓ〕f：０．０４質量％以下
Ｃｕ＝〔Ｃｕ〕W＋ａ×〔Ｃｕ〕f：０．０５乃至１．０質量％
Ｎｉ＝〔Ｎｉ〕W＋ａ×〔Ｎｉ〕f：０．０５乃至９．０質量％
Ｃｒ＝〔Ｃｒ〕W＋ａ×〔Ｃｒ〕f：０．０５質量％以下
Ｔｉ＝〔Ｔｉ〕W＋ａ×〔Ｔｉ〕f：０．１０乃至１０．０質量％（但し、ＴｉＯ2はＴｉに換算する）
であることを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、橋梁等の維持管理の遂行が困難な構造物で、特に海岸近郊等のような塩害環境下で使用され、耐食性及び機械的性能が優れていることが要求される用途に好適のサブマージアーク溶接用溶接材料及びサブマージアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、山間部及び海岸地帯等のように、塩水又は融雪塩が飛来する塩分腐食環境下にある道路橋等の橋梁構造物に使用する鋼材及びその溶接部は、耐食性向上のため、従来から塗装されて用いられている。しかし、この塗装塗膜は必ず経時劣化するため、耐食性維持のために、一定周期で塗装しなおす維持管理の必要性がある。
【０００３】
一方、近時、これらの橋梁には、従来の多数桁橋梁に代わり、２主桁橋梁に代表されるような主桁の数が少ない少数主桁橋梁が多く用いられるようになっている。この少数主桁橋梁は、多数桁橋梁に比して、使用鋼材量（鋼重）及び橋材片数が削減可能で、施工性も良く、環境保護及び工期の短縮の点で利点を有する。そして、このような少数主桁橋梁には、橋梁設置後の維持管理の負荷及びコストの最小化と、橋梁自体の長寿命化が強く求められている。従って、このような少数主桁橋の構造材に使用される溶材には、前記塩分腐食環境下であっても、耐食性が優れた溶材が強く求められている。
【０００４】
従来、耐候性鋼用サブマージアーク溶接用ワイヤ（ＪＩＳ  Ｚ３３５１）としては、Ｃｕ：０．３０乃至０．５５質量％、Ｃｒ：０．５０乃至０．８０質量％及びＮｉ：０．０５乃至０．８０質量％を含有するものが提示されているが、これらは、前記元素の作用によって、表面に生成するさびが、高い耐食性を有する緻密な「安定さび層」となる自己防食機能を有している。そして、このような性質により、前記橋梁等のように、これまで種々の構造物のメンテナンスフリーの構造材として、基本的に無塗装で使用されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記塩分腐食環境下では、塩分の影響により、前記「安定さび層」が形成されにくくなる。そして、この「安定さび層」が形成されなくなると、耐食性は著しく低下してしまう。これは、前記塩分の多い腐食環境下では、腐食に伴って、さび皮膜中のｐＨが特に低下することに起因している。即ち、通常、腐食がわずかでも始まると、先ず、Ｆｅ→Ｆｅ2+＋２ｅ-の反応が生じ、これに続くＦｅ2+＋２Ｈ2Ｏ→Ｆｅ（ＯＨ）2＋２Ｈ+なる反応により、鋼表面のｐＨが低下し、さび皮膜及びさび皮膜と溶接金属との界面のｐＨも低下する。そして、これらのｐＨが一旦低下すると、電気的中性を保つためにさび皮膜中の塩素イオンの輸率が増大し、塩素イオンの濃縮がさび皮膜と溶接金属との界面で生じる。この結果、この界面部分に塩酸雰囲気が形成され、溶接金属の腐食を促進する。また、これと同時に、さび皮膜中のｐＨの低下によって、鉄イオンの溶解度が大きくなり、防食機構の要である前記「安定さび層」の形成を阻害する現象も生じ、腐食加速状況が形成される。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、少数主桁橋等の構造材として使用可能な耐食性を有すると共に、機械的性能が優れた溶接部を得ることができるサブマージアーク溶接用溶接材料及びサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るサブマージアーク溶接用溶接材料は、溶接部にフラックスを供給し、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤを使用してＣｒ含有量が０.０５質量％以下の塩害環境下用鋼板を溶接するサブマージアーク溶接に使用するサブマージアーク溶接用溶接材料において、溶接材料中の成分Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのうち、ワイヤ中の成分含有量を〔Ｃ〕W、〔Ｐ〕W、〔Ｓ〕W、〔Ｃｕ〕W、〔Ｎｉ〕W、〔Ｃｒ〕W、〔Ｔｉ〕Wとして表し、フラックス中の成分含有量を〔Ｃ〕f、〔Ｐ〕f、〔Ｓ〕f、〔Ｃｕ〕f、〔Ｎｉ〕f、〔Ｃｒ〕f、〔Ｔｉ〕fとして表した場合に、ワイヤの単位消費量（ｇ／ｍｉｎ）当たりのフラックスの消費量（ｇ／ｍｉｎ）であって前記フラックスが溶融型フラックスのとき１.５０、ボンド型フラックスのとき１.００である定数ａにより表したワイヤ及びフラックス全体の成分含有量が下記数式１にて規定される範囲を満足することを特徴とする。
【０００８】
【数１】
Ｃ＝〔Ｃ〕W＋ａ×〔Ｃ〕f：０．００５乃至０．２０質量％
Ｐ＝〔Ｐ〕W＋ａ×〔Ｐ〕f：０．０４質量％以下
Ｓ＝〔Ｓ〕W＋ａ×〔Ｓ〕f：０．０４質量％以下
Ｃｕ＝〔Ｃｕ〕W＋ａ×〔Ｃｕ〕f：０．０５乃至１．０質量％
Ｎｉ＝〔Ｎｉ〕W＋ａ×〔Ｎｉ〕f：０．０５乃至９．０質量％
Ｃｒ＝〔Ｃｒ〕W＋ａ×〔Ｃｒ〕f：０．０５質量％以下
Ｔｉ＝〔Ｔｉ〕W＋ａ×〔Ｔｉ〕f：０．１０乃至１０．０質量％（但し、ＴｉＯ2はＴｉに換算する）
【０００９】
また、本発明に係るサブマージアーク溶接方法は、溶接部にフラックスを供給し、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤを使用してＣｒ含有量が０.０５質量％以下の塩害環境下用鋼板を溶接するサブマージアーク溶接方法において、溶接材料中の成分Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉが、ワイヤの単位消費量（ｇ／ｍｉｎ）当たりのフラックスの消費量（ｇ／ｍｉｎ）であって前記フラックスが溶融型フラックスのとき１.５０、ボンド型フラックスのとき１.００である定数ａにより表した前記数式１を満足することを特徴とする。
【００１０】
本発明者等は、前記従来の耐候性鋼材と、アルカリ化する化学種を鋼中に分散させた耐候性鋼材が、特に、前記少数主桁橋等の構造材に求められているレベル、即ち、無塗装で使用可能な裸耐候性のレベルまでに、耐候性鋼の耐食性を改善できない理由を追求した。その結果、これらの耐候性鋼材に含まれるＣｒが腐食因子として作用していることを知見した。
【００１１】
Ｃｒを０．０５質量％以上含有する場合、溶接金属のミクロな表面欠陥部において腐食がわずかでも始まると、化学平衡的に鉄原子に伴いＣｒ原子も微量溶解し、この微量溶解するＣｒイオンが、Ｃｌイオンの作用も加わり、前記溶接金属のミクロな表面欠陥部内におけるｐＨの低下の原因となる。また、このＣｒイオンが、欠陥内での凝縮水分の酸化性を促進し、腐食を誘発する作用がある。
【００１２】
従って、本発明においては、Ｃｒの含有量を０．０５質量％以下にする。そして、Ｃｒに代わる前記「安定さび層」の形成促進元素としてＴｉを選択した。Ｔｉは、Ｃｒのような前記ｐＨの低下の原因とならずに、前記「安定さび層」の形成促進効果があるという特異な性質を有する。本発明におけるＴｉの目的は、前記したとおり緻密な「安定さび層」の形成であり、この点がＣｒの低減と共に本発明の特徴の一つである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のサブマージアーク溶接方法においては、開先にフラックスを散布又は供給し、この開先にソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤを使用してアークを形成することにより、前記フラックスを溶融させて溶接部をシールさせると共に、前記開先を溶接していく。この場合に、ワイヤの単位消費量（ｇ／ｍｉｎ）当たりのフラックスの消費量（ｇ／ｍｉｎ）をａとする。
【００１４】
次に、本発明のサブマージアーク溶接用溶接材料における成分添加理由及び組成限定理由について説明する。なお、溶接材料中の成分Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉのうち、ワイヤ中の成分含有量を〔Ｃ〕W、〔Ｐ〕W、〔Ｓ〕W、〔Ｃｕ〕W、〔Ｎｉ〕W、〔Ｃｒ〕W、〔Ｔｉ〕Wとして表し、フラックス中の成分含有量を〔Ｃ〕f、〔Ｐ〕f、〔Ｓ〕f、〔Ｃｕ〕f、〔Ｎｉ〕f、〔Ｃｒ〕f、〔Ｔｉ〕fとして表す。このフラックス中の成分含有量とは、開先に散布又は供給されるフラックス中の成分の含有量のことであり、ワイヤ中の成分含有量とは、ソリッドワイヤを使用した場合はそのソリッドワイヤ中の成分含有量であり、フラックス入りワイヤを使用した場合は、鋼シース及び充填フラックス中の総量としての成分含有量である。
【００１５】
Ｃ：０．００５乃至０．２０質量％
Ｃは主に溶接金属の強度を確保するために添加する元素である。Ｃ含有量が０．００５質量％未満では、溶接金属のＣ量が低くなりすぎるため、強度を確保しにくいばかりでなく、耐高温割れ感受性が劣ると共に、溶接中のシールド効果が不足することによって、溶接金属中のＮ量が増大し、衝撃性能が劣化する。また、Ｃ含有量が０．２０質量％を超えると溶接金属中のＣ量が多くなりすぎるため、耐高温割れ感受性が急激に劣化する。このため、溶接材料中のＣは０．００５乃至０．２０質量％とする。
【００１６】
Ｐ：０．０４質量％以下
Ｐは安定さび層を生成し、耐食性を向上させる元素であるが、本発明ではＴｉ等の含有により、安定さび層の生成を達成できるため、過度の含有は必要ない。逆に、Ｐの過度の添加は靭性劣化及び耐割性劣化を招くため、Ｐは０．０４質量％以下とする。
【００１７】
Ｓ：０．０４質量％以下
Ｓは腐食の起点となるＦｅＳ及びＭｎＳを生成し、耐食性の劣化を招く。Ｎｉを過剰に含有した場合、ＮｉＳは溶接金属の粒界に析出し、延性及び靭性劣化を招く。このため、Ｓは０．０４質量％以下とする。
【００１８】
Ｃｕ：０．０５乃至１．０質量％
Ｃｕは電気化学的に鉄より貴な元素であり、安定さび層の生成を促進し、耐食性を向上させる効果を有する。Ｃｕが０．０５質量％未満では、これらの効果が得られない。Ｃｕが１．０質量％を超えると、それ以上添加してもその添加量に見合う効果は得られず、逆に脆化と耐割性劣化を引き起こす。このため、Ｃｕは０．０５乃至１．０質量％とする。
【００１９】
Ｎｉ：０．０５乃至９．０質量％
ＮｉはＣｕと同様に耐食性向上効果を有する。Ｎｉが０．０５質量％未満では、これらの効果が得られない。逆に、Ｎｉ含有量が９．０質量％超では、それ以上の効果は得られず、逆に強度が過大となるため、耐割れ性劣化及び延性劣化が生じる。また、経済的にも問題がある。このため、Ｎｉ含有量は０．０５乃至９．０質量％とする。
【００２０】
Ｃｒ：０．０５質量％以下
Ｃｒはミクロな表面欠陥部内におけるｐＨの低下原因となり、欠陥内での凝縮水分の酸化性を促進し、腐食を誘発する作用を有するため、耐食性を劣化させる元素である。このため、Ｃｒは０．０５質量％以下とする。
【００２１】
Ｔｉ：０．１０乃至１０．０質量％（ＴｉＯ2（Ｔｉ換算）を含む）
ＴｉはＣｒに代わる安定さび層の生成促進元素である。ＴｉはＣｒのように前記ｐＨの低下の原因となるような耐食性への悪影響もなく、更に結晶粒微細化による生成さびの微細化及び靭性向上の効果を有する。Ｔｉが０．１０質量％未満では、これらの効果が得られない。一方、Ｔｉが１０．０質量％超では、それ以上の効果も得られず、経済的でない。
【００２２】
なお、本発明の溶接材料は上記以外の化学成分については特に限定されず、溶接金属の引張・衝撃性能を確保するために、通常のＭｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｂ等を添加することが可能である。
【００２３】
また、上記のＣ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ等の成分は、ワイヤ及びフラックスの両方若しくはいずれかより添加することができる。また、ワイヤはソリッドワイヤに限らず、成分が該当すればフラックス入りワイヤも用いることがでできると共に、フラックスは、溶融・ボンドのいずれかのタイプ及びその混合タイプを用いても良い。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の効果を実証するために、本発明の範囲に入る実施例及び本発明の範囲から外れる比較例の溶接材料を使用してサブマージアーク溶接を行い、その特性を評価した結果について説明する。
【００２５】
溶接方法及び溶接条件は以下のとおりである。
・使用鋼材の化学組成：Ｃ：０．０９質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．６０質量％、Ｐ：０．０２１質量％、Ｓ：０．００４質量％、Ｃｕ：０．２５質量％、Ｎｉ：０．７０質量％、Ｔｉ：０．０４質量％、Ｃｒ：０．０１質量％
・鋼材の板厚：２０ｍｍt
・溶接方法：ＪＩＳ  Ｚ  ３１８３に準拠
・溶接条件：ＡＣ  ５００Ａ−３０Ｖ−３０ｃｍ／ｍｉｎ
・ワイヤ径：４．０ｍｍ
・フラックス粒度：溶融型２０×２００メッシュ
ボンド型１０×４８メッシュ
供試ワイヤの化学組成を下記表１に示し、供試フラックスの化学組成を下記表２に示す。そして、前記数式１により算出された溶接材料の成分の化学組成を下記表３に示す。
【００２６】
【表１】
0003657128.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003657128.tif 000003
【００２８】
【表３】
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【００２９】
得られた溶接金属の表面下１ｍｍから厚さ１０ｍｍの試験片を採取して、週１回の塩水散布を含む１年間の大気暴露試験を行ない、その長期耐久性を評価した。その結果を下記表４に示す。
【００３０】
【表４】
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【００３１】
この表４おける１年間の大気暴露試験条件は、実際の塩分腐食環境下に合わせて週１回の５体積％塩水の散布を行い、供試材は南向き、水平に対し３０°の傾斜で設置した。この大気暴露試験後、供試材の平均板厚減少量を測定し、０．９ｍｍ以下を良好とした。この表４から明らかなように、本発明の実施例の場合は、耐食性が良好であるが、比較例の場合は、高温割れが発生したり、耐食性が劣化した。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る溶接材料を使用してサブマージアーク溶接することにより、溶接部の耐食性が著しく向上し、少数主桁橋等の構造材として使用可能な耐食性を有すると共に、機械的性能が優れた溶接部を得ることができる。