(57)【要約】【課題】コストアップを招くことがなく、疲労強度の改善を図ることができ、耐割れ性、靭性など、溶接部に必要な特性を従来と同等レベルに維持することができる多層アーク溶接継手を提供することを課題とする。【解決手段】溶接止端部３に隣接する溶接ビード２Ａが、純Ａｒガスをシールドガスとフラックス入りワイヤを用い、溶接機の電流または電圧波形をパルス波形としたアーク溶接により形成されており、溶接止端部３の止端半径が１．３ｍｍ以上、溶接ビードのＭｓ点が４００〜５５０℃であり、割れ欠陥がなく、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いて形成した溶接ビード２Ａが全多層盛り溶接金属２中に占める割合が２５％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層アーク溶接により複数層の溶接ビードからなる多層盛り溶接金属を形成して鋼材を接合してなる多層アーク溶接継手であって、
繰返し荷重を受ける鋼材と前記多層盛り溶接金属の間に形成される溶接止端部に隣接する溶接ビードが、純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共に、フラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用い、且つ、溶接機の電流または電圧波形をパルス波形としたアーク溶接により形成されており、
前記溶接止端部の止端半径が１．３ｍｍ以上、前記溶接ビードのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が４００〜５５０℃であり、且つ、割れ欠陥がなく、
更には、純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共にフラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用いて形成した前記溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％）が、２５％以下であることを特徴とする多層アーク溶接継手。
【請求項２】
前記フラックス入りワイヤが、Ｃ：０．０８〜０．３２質量％、Ｓｉ：０．４０〜３．００質量％、Ｍｎ：１．００〜５．００質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下を含有すると共に、前記フラックス入りワイヤ中の酸化物の合計含有量が１．０質量％以下であり、
更には、前記フラックス入りワイヤ中に占めるフラックスの割合が７〜３０質量％である請求項１記載の多層アーク溶接継手。
【請求項３】
更に、前記フラックス入りワイヤが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇを合計で０．８０質量％以下含有する請求項２記載の多層アーク溶接継手。
【請求項４】
更に、前記フラックス入りワイヤが、Ｎｉ：３．０質量％以下、Ｃｒ：３．０質量％以下、Ｍｏ：３．０質量％以下のうち、いずれか１種以上を含有する請求項２または３記載の多層アーク溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層アーク溶接により複数層の溶接ビードからなる多層盛り溶接金属を形成して鋼材を接合してなる多層アーク溶接継手に関し、少なくとも、繰返し荷重を受ける鋼材と多層盛り溶接金属の間に形成される溶接止端部に隣接する溶接ビードを、純Ａｒガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接により形成してなる多層アーク溶接継手に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼材同士をアーク溶接により接合し溶接継手とすることで構造物を製作することは、広く一般に行われており、接合部の強度および靭性を確保するために、従来から様々な検討がなされている。
【０００３】
一方、造船、建築物、橋梁、建設機械などの技術分野に属する溶接構造物においては、繰返し荷重が負荷されるため、疲労強度の確保も必要になってくる。一般的に鋼材が高強度化すると、鋼材自体の疲労強度は向上するが、溶接部の疲労強度はそれほど向上しないということが知られており、このような事実は、特に高張力鋼の適用による効率的な設計を実現するための課題となっている。
【０００４】
溶接部の疲労強度はそれほど向上しない理由は、溶接止端部に応力集中が生じること、溶接時に引張残留応力が導入されることの２点が主要因と考えられる。また、厚鋼板を用いた構造物では、様々な溶接法が採用されており、突合せ継手の他、十字継手、ガセット継手、スタッド継手といった多種の溶接継手が存在する。このような溶接継手では、構造不連続による応力集中と溶接止端部の形状による応力集中が重畳して、溶接部近傍に高い応力が発生することが一般的である。
【０００５】
従来からこのような問題を解決するために、種々の手段により溶接継手の疲労強度の改善が試みられてきた。
【０００６】
溶接継手の疲労強度の改善には、溶接止端部の形状の改良、溶接止端部の引張残留応力の軽減もしくは圧縮残留応力の導入が有効と考えられるが、溶接止端部の形状の改良には、グラインダーによる加工、ＴＩＧドレッシング等が採用されており、溶接止端部の引張残留応力の軽減もしくは圧縮残留応力の導入には、ショットピーニング、ハンマーピーニング、超音波ピーニング等が採用されていた。
【０００７】
しかしながら、これらの方法は、工程の追加による工期の延長を招き、コストアップにもつながり、また、方法によれば条件が限定的となり、汎用的な効果が期待できないという課題を兼ね備えていた。
【０００８】
また、最近注目されている手段として、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を低下させ、室温近傍で変態膨張を発生させることで、圧縮残留応力を導入、もしくは引張残留応力を低減する方法がある。このような方法の一例として、特許文献１，２で、高Ｃｒ、高Ｎｉの溶接材料が提案されている。
【０００９】
また、特許文献３により、０．４５〜０．７質量％という高Ｃの低温溶接ワイヤを用いてＭｓ点を２００〜３５０℃という低い温度を達成し、かつ溶込み深さを板厚の２／３以下に制限する薄板の重ねすみ肉溶接方法が提案されている。また、特許文献４により、０．３５〜０．７質量％という高Ｃの低温溶接ワイヤを用いてＭｓ点を２５０〜４００℃という低い温度を達成し、かつ溶込み深さを板厚の１／２以下に制限し、更に溶接ビード止端部が鋼板表面よりもへこんでいる薄板の重ねすみ肉溶接方法が提案されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１，２に記載の提案では高価な添加元素を使用する必要があり、やはりコストアップを招くという問題を抱えており、また、溶接金属がマルテンサイト主体となるため、耐割れ性および靭性劣化という面で問題があった。また、特許文献３，４に記載の提案では、Ｃの濃度が高く、遅れ割れを発生しやすく、かつ高温割れも発生しやすいという問題があり、更には、実際の生産において、溶け込み深さやビードのへこみ量を管理する必要があるが、その管理が困難である。
【００１１】
また、本出願人は特許文献５により、溶接材料による止端部の圧縮残留応力の付与に過度に頼らず、応力集中を改善することで高い疲労強度を有すると共に、割れがなく、靭性にも優れたすみ肉溶接継手およびガスシールドアーク溶接方法を提案している。
【００１２】
この提案は、溶接時のシールドガスとして純Ａｒガスを、溶接ワイヤとしてフラックス入りワイヤを用いることで、疲労強度に優れた溶接継手を得ようという提案であり、単層アーク溶接として優れた提案であるが、この方法をそのまま多層アーク溶接に適用した場合、純Ａｒシールドガスでは溶け込みが浅く、溶接不良が発生する可能性が懸念され、また、溶接パス数の増加も懸念される。また、従来のＣＯ２ガスを用いた溶接と比較すると、特許文献１および２に記載された低温変態溶接ワイヤほどではないもののコストアップにつながってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−２８８７２８号公報
【特許文献２】特開２００１−２４６４９５号公報
【特許文献３】特開２００２−２３９７２２号公報
【特許文献４】特開２００４−１３６３１３号公報
【特許文献５】特開２０１２−１１４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、大きなコストアップを招くことがなく、疲労強度の改善を図ることができると共に、耐割れ性、靭性など、溶接部に必要な特性を従来と同等レベルに維持することができる多層アーク溶接継手を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１記載の発明は、多層アーク溶接により複数層の溶接ビードからなる多層盛り溶接金属を形成して鋼材を接合してなる多層アーク溶接継手であって、  繰返し荷重を受ける鋼材と前記多層盛り溶接金属の間に形成される溶接止端部に隣接する溶接ビードが、純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共に、フラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用い、且つ、溶接機の電流または電圧波形をパルス波形としたアーク溶接により形成されており、前記溶接止端部の止端半径が１．３ｍｍ以上、前記溶接ビードのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）が４００〜５５０℃であり、且つ、割れ欠陥がなく、更には、純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共にフラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用いて形成した前記溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％）が、２５％以下であることを特徴とする多層アーク溶接継手である。
【００１６】
請求項２記載の発明は、前記フラックス入りワイヤが、Ｃ：０．０８〜０．３２質量％、Ｓｉ：０．４０〜３．００質量％、Ｍｎ：１．００〜５．００質量％、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下を含有すると共に、前記フラックス入りワイヤ中の酸化物の合計含有量が１．０質量％以下であり、更には、前記フラックス入りワイヤ中に占めるフラックスの割合が７〜３０質量％である請求項１記載の多層アーク溶接継手である。
【００１７】
請求項３記載の発明は、更に、前記フラックス入りワイヤが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇを合計で０．８０質量％以下含有する請求項２記載の多層アーク溶接継手である。
【００１８】
請求項４記載の発明は、更に、前記フラックス入りワイヤが、Ｎｉ：３．０質量％以下、Ｃｒ：３．０質量％以下、Ｍｏ：３．０質量％以下のうち、いずれか１種以上を含有する請求項２または３記載の多層アーク溶接継手である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の多層アーク溶接継手によると、従来の多層アーク溶接継手と比較して大きなコストアップを招くことがなく、十分な疲労強度を確保することができ、また、耐割れ性、靭性など、溶接部に必要な特性を従来と比較して遜色のないレベルとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明をＫ形開先完全溶け込み溶接で鋼材を接合した十字継手に適用した実施形態を示し、（ａ）は溶接継手の断面図、（ｂ）は溶接継手の要部拡大断面図である。である。
【図２】本発明をすみ肉溶接で鋼材を接合した十字継手に適用した実施形態を示し、（ａ）は溶接継手の断面図、（ｂ）は溶接継手の要部拡大断面図である。
【図３】十字継手における応力集中係数Ｋｔとρ／ｔの関係を示す説明図である。
【図４】十字継手における応力集中係数の低減効果を示す説明図である。
【図５】ソリッドワイヤの硬さと、対応する温度毎の吸収エネルギーを基準として算出した吸収エネルギー比との関係を示す説明図である。
【図６】フラックス入りワイヤを用いて形成した溶接金属の体積率と、対応する温度毎の吸収エネルギーを基準として算出した吸収エネルギー比との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明者らは、疲労特性に優れた多層アーク溶接継手を得るにあたり、特許文献５記載の技術を採用することを検討した。しかしながら、多層盛り溶接金属を形成する全ての溶接ビードを、溶接時のシールドガスとして純Ａｒガスを、溶接ワイヤとしてフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成した場合、疲労特性の向上は図れるものの、様々な問題が発生することが懸念された。
【００２２】
具体的には、溶け込みが浅くなり溶接不良が発生する可能性があること、溶接パス数の増加が懸念されること、多層盛り溶接金属がマルテンサイト主体となるため耐割れ性の問題、靭性劣化の懸念があること、更には、従来のＣＯ２ガスを用いた溶接と比較するとコストアップになることである。
【００２３】
これらの問題の発生を実質上影響のない程度に抑え、疲労特性に優れた多層アーク溶接継手を得るために、鋭意、実験、研究等の検討を更に重ねたところ、繰返し荷重を受ける鋼材と前記多層盛り溶接金属の間に形成される溶接止端部に隣接する溶接ビードのみ、或いはその溶接ビードに加えて更に隣接する溶接ビード（但し、全多層盛り溶接金属中に占める割合を２５体積％以下とする。例えば、後述する実施例のＮｏ．５。）を、溶接時のシールドガスとして純Ａｒガスを、溶接ワイヤとしてフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成すれば、所望の多層アーク溶接継手を得ることができることを見出し、本発明の完成に至った。
【００２４】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００２５】
図１および図２は本発明の多層アーク溶接継手を十字継手に適用した実施形態を示し、図１はＫ形開先完全溶け込み溶接で鋼材１を十字形に接合した実施形態を、図２はすみ肉溶接で鋼材１を十字形に接合した実施形態を夫々示す。
【００２６】
尚、図１および図２において、水平方向が荷重伝達方向であり、本明細書では便宜上水平方向の鋼材１を、繰返し荷重を受ける鋼材１ａとして説明する。また、図１に示す十字継手は、繰返し荷重を受ける鋼材１ａが接合部で分断され、多層盛り溶接金属２および垂直方向の鋼材１を介して接合されている。すなわち、多層盛り溶接金属２を介して繰返し荷重を受ける鋼材１ａ，１ａが接合されているため、ここでは荷重伝達型十字継手として説明する。一方、図２に示す十字継手は、繰返し荷重を受ける鋼材１ａが一枚の連続した鋼材１であり、多層盛り溶接金属２を介して接合されていないため、ここでは荷重非伝達型十字継手として説明する。尚、本発明に係る多層アーク溶接継手を構成する鋼材は、引張強さが９００ＭＰａ以下であることが好ましく、４００〜７８０ＭＰａであることがより好ましい。
【００２７】
（純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で溶接止端部に隣接する溶接ビードを形成）
本発明の多層アーク溶接継手は、図１および図２に示すように、多層アーク溶接により複数層の溶接ビード２ａ，２ａ，…からなる多層盛り溶接金属２を形成することで鋼材１，１を接合してなる多層アーク溶接継手であるが、繰返し荷重を受ける鋼材１ａと多層盛り溶接金属２の間に形成される溶接止端部３に隣接する溶接ビード２Ａが、純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共に、フラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用い、且つ、溶接機の電流または電圧波形をパルス波形としたアーク溶接により形成されることを要件とする。
【００２８】
尚、繰返し荷重を受ける鋼材１ａと多層盛り溶接金属２の間に形成される溶接止端部３に隣接する溶接ビード２Ａのみ、或いはその溶接ビード２Ａに加えて更に隣接する溶接ビード２Ａ（但し、溶接ビード２Ａの合計体積が、全多層盛り溶接金属２中に占める割合が２５％以下になるようにすることが条件。）を、純Ａｒシールドガスおよびフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成するが、これらを除く他の溶接ビード２ａは、ＣＯ２ガス、ＣＯ２＋Ａｒ混合ガス、ＣＯ２＋Ｏ２＋Ａｒ混合ガスといった酸化性ガスと、ソリッドワイヤもしくはフラックス入りワイヤを用いて形成する。
【００２９】
繰返し荷重を受ける鋼材１ａと多層盛り溶接金属２の間に形成される溶接止端部３に隣接する溶接ビード２Ａ等を、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いるアーク溶接で形成する理由は、溶接止端部３付近の熱影響部（ＨＡＺ部）が繰返し荷重を受ける鋼材１ａの板厚方向（図１および図２における下方向）に広がることを抑制することを一つの理由としており、溶接止端部３付近の熱影響部（ＨＡＺ部）が浅くなることにより、溶接止端部３でき裂が発生したとしても、早期に繰返し荷重を受ける鋼材１ａに生じたＨＡＺ部から溶接による熱影響を受けていない母材部にき裂が進入するため、き裂の進展寿命を向上できる。尚、溶接ワイヤとしてフラックス入りワイヤを用いることで、純Ａｒシールドガスを用いるアーク溶接を可能とする。
【００３０】
一方、これらの溶接ビード２Ａを除く他の溶接ビード２ａを、酸化性ガスを用いて形成する理由は、全ての溶接ビード２ａを、純Ａｒシールドガスを用いるアーク溶接で形成すれば、溶け込みが浅くなり融合不良を発生する可能性が高くなるため、溶け込みを比較的深く形成することができる酸化性ガスを用いるという理由であり、鋼材のアーク溶接で一般に用いられる酸化性ガスを用いるアーク溶接を採用することで必要以上のコストアップも回避することができる。
【００３１】
尚、本明細書における「純Ａｒ」の表記は、数学上の１００体積％Ａｒを示すのではなく、工業製品としての純Ａｒを示す。ＪＩＳ  Ｋ  １１０５には工業用Ａｒが規定されており、１級が純度９９．９９体積％以上、２級が純度９９．９０体積％以上であるが、どちらも本溶接の組み合わせとして問題なく使用可能である。
【００３２】
（溶接機の電流または電圧波形をパルス波形としたアーク溶接）
パルス溶接法では平均電流に係わらず、高い電流域の作用を常に用いてピンチ力を付与することにより、規則正しい溶滴離脱が実現できる。酸化性ガスの熱乖離による熱的ピンチ力が得られない純Ａｒシールドガスを用いるアーク溶接では、電流波形によるピンチ力の増大が特に必要である。規則正しい溶滴移行でなければビード形状に悪影響を及ぼし、しいては応力集中を改善することができない。本発明で規定する止端形状を得るにはパルス波形が必要である。パルスの設定については特に限定しないが、ピーク電流：３５０〜６００Ａ、ベース電流：３０〜１００Ａ、１ピーク（立上り開始からピーク定常期を経て、立下り終了まで）の期間で０．８〜５．０ｍｓが一般に用いられる。
【００３３】
（溶接止端部の止端半径が１．３ｍｍ以上）
溶接継手の疲労強度は、溶接止端部の応力集中と相関があり、応力集中係数を低減することで疲労強度を改善することができる。応力集中係数は継手形式や余盛りの大きさなどにより変化するが、最も相関が高いのは、溶接止端部の止端半径ρと鋼材（繰返し荷重を受ける鋼材）の板厚ｔの比（ρ／ｔ）である。十字継手における応力集中係数Ｋｔとρ／ｔの関係を図３に示す。
【００３４】
アーク溶接等を行うことによって溶接止端部の止端半径ρを改善する場合、グラインダー仕上げなどの機械的方法による改善とは異なり、改善できる止端半径ρは数ｍｍ程度が限界である。一方、応力集中係数の低減が疲労強度向上に有効であることは周知の事実であるが、応力集中係数には板厚ｔの影響もあり、特に板厚が厚い厚板は厚みも様々で、厚板の溶接継手において、ρ／ｔを一定値以下とすることは困難である。例えば、止端半径ρが０．５ｍｍの場合、板厚が１０ｍｍのときは、ρ／ｔが０．０５であるが、板厚が１００ｍｍになると、ρ／ｔが０．００５となってしまう。従って、ここでは従来溶接継手で一般的なρ＝０．３〜１．０ｍｍを考慮し、ρ＝１．０ｍｍを基準として、応力集中係数の低減割合を調べた。
【００３５】
その結果、図４に示すように、溶接止端部の止端半径ρを１．３ｍｍ以上とすれば、応力集中係数の低減割合が１０％以上となり、疲労強度向上に寄与することを知見した。尚、溶接止端部の止端半径ρの上限は特に規定しないが、実際に可能な範囲は２．５ｍｍ程度までと考えられる。
【００３６】
（溶接ビードのＭｓ点が４００〜５５０℃）
疲労強度にバラツキがあることは既に周知であり、一般に疲労強度が向上したとみなされるのは、寿命で２倍、作用応力で３０％以上の改善が必要である。従って、応力集中係数低減効果を１０％程度確保することができたとしても、これだけでは疲労強度向上代としては不足する。
【００３７】
溶接継手の疲労強度の影響因子としては、前記したように、溶接止端部の応力集中に加え、溶接時に発生する引張残留応力を挙げることができ、この引張残留応力を低減する手法として、溶接ビードのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を低くすることが既に提案されている。例えば、特許文献１によりＭｓ点を３５０℃以下とすることで疲労強度を改善する方法が提案されている。
【００３８】
しかしながら、引張残留応力の低減だけで疲労強度を向上しようとすると、前記したように、割れ発生の懸念やコストアップを招くという問題が発生する。一方、溶接止端半径の改善と残留応力低減の複合効果を期待できる本発明においては、Ｍｓ点を３５０℃より高くしても充分な疲労強度改善効果を得ることができる。具体的には、溶接止端部に隣接する溶接ビードのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を４００〜５５０℃とすることで、複合効果を得ることができる。
【００３９】
Ｍｓ点が４００℃以上では、若干の膨張変態であるベイナイト変態あるいは低歪み領域のマルテンサイト変態程度ですみ、遅れ割れ感受性は高まらず、溶接後の運用時の環境を考慮しても割れ懸念は無視できる。また、靭性も実用的範囲に収まる。一方、Ｍｓ点が５５０℃を超えると、高温で膨張変態した後に常温まで温度が下がる際に熱収縮が起こるため、膨張変態の効果を最後まで持続することができず、溶接止端部の圧縮残留応力は見込めない。つまり応力集中をいくら緩和しても、応力集中緩和の単独効果では大きな疲労強度改善には至らない。
【００４０】
尚、従来からの溶接継手は、止端半径ρ：０．３〜１．０ｍｍ、Ｍｓ点：４５０〜６５０℃であり、止端半径ρが小さいことから複合効果が発現できないものと考えられる。
【００４１】
（純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成した溶接ビードの割合が全体の２５％以下）
更に、本発明は、純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共にフラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用いて形成した溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％）が、２５％以下であることを要件とする。
【００４２】
純Ａｒガスをシールドガスとして用いると共にフラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用いることで、溶接継手の疲労改善効果を得ることができる。しかしながら、このような溶接法を厚板の多層アーク溶接に適用しようとすると、溶け込みが浅くなり、融合不良が発生する可能性があり、また、溶接パス数が増加する可能性もある。更には、溶接ビードがマルテンサイト主体となるため耐割れ性の問題、靭性劣化の懸念もある。
【００４３】
これらの問題発生を回避するためには、多層アーク溶接の全てに対して純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接を適用するのではなく、開先に対する溶込み性や靭性が優れる従来溶接法（ＣＯ２やＡｒ＋ＣＯ２，Ａｒ＋ＣＯ２＋Ｏ２シールドガスと、ソリッドワイヤもしくはフラックス入りワイヤを用いた溶接法）と組み合わせて、両者の特長を生かした溶接方法を採用すべきである。
【００４４】
疲労き裂は溶接止端部から発生して進展することから、溶接止端部に隣接する溶接ビードを形成する溶接パスに、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いた溶接法を適用し、その他の溶接パスでは従来溶接法を適用することが好適である。このようにして多層アーク溶接を実施することで、融合不良の問題は解決する。
【００４５】
溶接金属の耐割れ性や靭性の指標としては、溶接金属の平均硬さを用いることができる。溶接金属の硬さが上昇、すなわち溶接金属の強度が高くなると、従来溶接法においてもワイヤ成分を調整して耐割れ性を確保する必要が生じる。従って、鋼材の強度にあわせた従来ワイヤを選択し、本発明を適用する場合、溶接金属の硬さを上昇させないようにすることが必須となる。
【００４６】
また、鋼材の硬さと靭性にも関係があり、硬さが大きいほど靭性は低下する傾向がある。本発明者らは、溶接金属の硬さと、靭性をあらわすシャルピー吸収エネルギーを調査した。
【００４７】
衝撃吸収エネルギーは試験温度により変化するため、−４０℃，−６０℃における吸収エネルギーを用いて検討した結果、従来ソリッドワイヤの硬さ（Ｈｖ２２０〜２５０）に対応する温度毎の吸収エネルギーを基準として算出した吸収エネルギー比と溶接金属の硬さが、温度によらず、図５に示す直線で一義的に整理できることを見出した。
【００４８】
一方、本発明の多層盛り溶接金属には、従来ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤを用いて形成した両方の溶接ビードが存在するが、それぞれの硬さ範囲と体積率を用いて多層盛り溶接金属の平均的な硬さを算出することにより、吸収エネルギー比を見積もることができる。
【００４９】
例えば、引張強度が４００〜６００ＭＰａの鋼材を溶接する場合、従来ソリッドワイヤを用いて形成した溶接金属の硬さはＨｖ２２０〜２５０であり、本発明のフラックス入りワイヤを用いて形成した溶接金属の硬さはＨｖ３５０〜４２０である。これをもとにフラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用いて形成した溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％）を横軸にとり、整理したグラフが図６である。フラックス入りワイヤを用いて形成した溶接ビードの体積率を２５％以下とすると、従来ソリッドワイヤを用いて形成した多層盛り溶接金属の吸収エネルギーの８割以上の吸収エネルギーが得られる。この範囲であれば、溶接継手として十分な靭性を確保することが可能である。
【００５０】
また、耐割れ性についても、フラックス入りワイヤを溶接ワイヤとして用いて形成した溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％）を２５％以下とすることで、平均硬さの上昇を約２０％程度以下とすることができ、耐割れ性を確保できる。
【００５１】
従って、本発明では、全多層盛り溶接金属の体積に対し、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成した溶接ビードの体積の割合を２５％以下とすることで、溶接金属の平均的な硬さの上昇を２０％程度以下とすることができる。この範囲であれば、耐割れ性や靭性は、従来溶接法による溶接金属のばらつき範囲内とすることが可能である。
【００５２】
この条件を満たす最も簡単な方法は、溶接止端部に隣接する溶接ビードを形成する溶接パス１パスのみに、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接を適用することであり、このような溶接の適用によりコストアップも最小限に抑えることができる。
【００５３】
（その他）
本発明の多層アーク溶接継手は、前記した各要件に加えて割れ欠陥がないことを要件とする。また、鋼材の表面や多層溶接金属の表面に形成されたスラグやスパッタを除去することで、溶接ビードのなじみが良くなり、止端形状が更に改善される。尚、スラグやスパッタの除去方法は特に限定されるものではなく、周知の除去方法を採用することができる。
【００５４】
（フラックス入りワイヤの成分組成）
純Ａｒシールドガスを用いたアーク溶接に用いるフラックス入りワイヤの成分組成は特に規定しないが、純Ａｒシールドガスを用いたアーク溶接を可能にするために、外皮とフラックスを加えた成分組成を以下の成分組成とすることが好ましい。尚、残部はＦｅおよび不可避的不純物であり、特にフラックスの残部は鉄粉で構成されている。
【００５５】
＜Ｃ：０．０８〜０．３２質量％＞
ＣはＭｓ点を下げて焼入れ性を高める効果のある元素である。Ｍｓ点を本発明で規定する上限の５５０℃まで下げるには、０．０８質量％以上が必要である。一方、Ｃ含有量を高めるにつれ、Ｍｓ点は低下するが、硬度が上昇し遅れ割れが発生しやすくなる。また、相変態図における固液共存温度域が拡大することから、凝固割れも起きやすくなる。更に、靱性も低下する。遅れ割れが発生しないＭｓ点として本発明では下限を４００℃と規定したが、これを実現し、且つ高温割れも防ぎ、靭性も確保するためには、Ｃ含有量を０．３２質量％以下に抑制することが必要である。尚、耐高温割れ性、靭性の観点から、更に好ましくは０．２５質量％以下である。
【００５６】
＜Ｓｉ：０．４０〜３．００質量％＞
Ｓｉは溶融池の表面張力を下げ、母材と溶接ビードの馴染み性を向上させる働きがある元素である。溶接止端部での応力集中を改善するには、０．４０質量％以上が必要である。一方、３．００質量％を超えると、溶融池の粘性が上昇し、逆に馴染み性を劣化させる。更に靱性も低下する。そのため、Ｓｉ含有量は３．００質量％以下に抑制することが必要である。
【００５７】
＜Ｍｎ：１．００〜５．００質量％＞
ＭｎはＭｓ点を下げて焼入れ性を高める効果のある元素である。Ｍｓ点を本発明での上限である５５０℃まで下げるには、１．００質量％以上が必要である。一方、Ｍｎ含有量を高めるにつれ、Ｍｓ点は低下するが、硬度が上昇し遅れ割れが発生しやすくなる。更に靱性も低下する。遅れ割れが発生しないＭｓ点として、本発明では下限を４００℃としたが、これを実現し、靭性も確保するためには、Ｍｎ含有量を５．００質量％以下に抑制することが必要である。
【００５８】
＜Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｓ：０．０３０質量％以下＞
Ｐ，Ｓは共に凝固割れを発生させやすくする元素である。一般的には故意に添加する要は無い。しかし、夫々０．０３０質量％以下であれば含有しても実用上問題ないため、夫々０．０３０質量％を許容上限とする。尚、Ｓについては表面張力を下げて、母材と溶接ビードの馴染み性を向上させる働きがあるため、０．００７質量％以上に制御するとより好ましい。
【００５９】
＜酸化物の合計：１．０質量％以下（０質量％を含む）＞
一般的な酸化性ガス用フラックス入りワイヤの多くは、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ、ＭｎＯｘ、ＺｒＯｘ、ＭｇＯｘ（式中、ｘは数）といった金属酸化物をアークのソフト化、スラグ剥離性の向上、スラグ被りの確保といった目的のために積極添加している。しかし、本発明の多層アーク溶接継手を実現するために必要なフラックス入りワイヤは、組み合わせる純Ａｒガスに最適化させる必要があり、純Ａｒ雰囲気では、逆に酸化物の存在はアーク安定性を阻害する。この結果、正常なビード形状が得られず、応力集中緩和の効果も得られない。従って、酸化物は少ないほど好ましい。酸化物の合計が１．０質量％以下であれば悪影響は顕著ではないので、１．０質量％を上限とする。
【００６０】
＜Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ａｌ＋Ｍｇ：０．８０質量％以下＞
Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｍｇは溶滴の表面張力を上昇させて、ワイヤ先端溶融部の長さを短くし、純Ａｒガス雰囲気下でのアーク安定性を改善する元素である。これらの元素は金属そのもの（例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｍｇ）や、これらの鉄合金（例えば、フェロチタン、フェロジルコニウム、フェロアルミニウム）、および、それらの合金（例えば、アルミマグネ合金）といった形態でフラックスとして用いる。尚、前記したとおり、酸化物での添加は好ましくない。いずれの形態にしろ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇの換算で合計０．８０質量％以下の積極添加でアーク安定性は改善するが、０．８０質量％を超えると過剰となり、溶接止端部の馴染み性が劣化して応力集中改善を妨げる。従って、Ｔｉ＋Ｚｒ＋Ａｌ＋Ｍｇを添加する場合は、合計０．８０質量％が上限である。
【００６１】
＜Ｎｉ：３．０質量％以下、Ｃｒ：３．０質量％以下、Ｍｏ：３．０質量％以下の１種以上＞
Ｎｉ，Ｃｒ，ＭｏはＭｓ点を下げて焼入れ性を高める効果のある元素である。これらは必ずしも添加せずとも、Ｍｓ点を本発明での上限である５５０℃まで下げる事はできるが、ＣやＭｎといった焼入れ性を高める元素の一部を代替することができる。しかし、夫々の添加量を高めるにつれ、Ｍｓ点は低下するが、硬度が上昇し遅れ割れが発生しやすくなる。更に靱性も低下する。遅れ割れが発生しないＭｓ点として本発明では下限を４００℃としたが、これを実現し、靭性も確保するには、これらを添加する場合、各々３．０質量％以下に抑制することが必要である。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含されるものである。
【００６３】
表１に示す成分組成の鋼材（板厚：２０ｍｍ、引張強度：５２５ＭＰａ）を母材として用い、ＣＯ２シールドガスとソリッドワイヤ（Ｓ−１）を用いたＭＡＧ溶接で溶接ビードを形成する従来からの溶接方法と、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤ（Ｆ−１、Ｆ−２、Ｆ−３、Ｆ−４、Ｆ−５）を用いたパルスＭＩＧ溶接で溶接ビードを形成する溶接方法を、適宜組み合わせた多層アーク溶接を施し、図１および図２に示す十字継手を夫々作製した。尚、フラックス入りワイヤ（Ｆ−１、Ｆ−２、Ｆ−３、Ｆ−４、Ｆ−５）の成分組成は表２に示す通りであり、ソリッドワイヤ（Ｓ−１）の成分組成は表３に示す通りである。また、これらのワイヤ径は１．２ｍｍである。ＭＡＧ溶接の溶接条件は表４に示す通りであり、パルスＭＩＧ溶接の溶接条件は表５に示す通りである。尚、シールドガス流量は純Ａｒ、ＣＯ２シールドガスとも２０リットル／分とした。
【００６４】
図１に示す荷重伝達型十字継手（Ｋ形開先完全溶け込み溶接）においては１箇所に対して６回の溶接パスで多層盛り溶接金属を形成して溶接を施し、図２に示す荷重非伝達型十字継手（すみ肉溶接）においては１箇所に対して４回の溶接パスで多層盛り溶接金属を形成して溶接を施した。図１（ｂ）および図２（ｂ）の各溶接ビードの上に付した数字は溶接パスを示し、各溶接パス毎に用いた溶接ワイヤの種類（Ｓ−１或いはＦ−１、Ｆ−２、Ｆ−３、Ｆ−４、Ｆ−５）を、表６および表７に示す。尚、溶接パス毎に用いた溶接ワイヤの種類（Ｓ−１或いはＦ−１、Ｆ−２、Ｆ−３、Ｆ−４、Ｆ−５）を確認すれば、その溶接パスに前記したどちらの溶接方法を適用したかが分かる。また、各溶接パスの数字は本実施例における溶接を施した順序を示している。尚、必ずしもこの順に溶接を施す必要はないが、疲労き裂が発生すると想定される溶接止端部を形成する溶接パスを最終パスとすることが推奨される。（例えば、図１（ｂ）において、２と３の溶接を施す順序が入れ替わっていても構わないが、６の溶接を最終パスとすることが推奨される。）その理由は、膨張変態による引張残留応力低減の後に更に溶接を行うと、後で溶接した部分の熱収縮のため、残留応力の低減効果が減少する恐れがあるからである。
【００６５】
本実施例では、本発明の要件である溶接止端部の止端半径と、溶接止端部に隣接する溶接ビードのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成した溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％：表６および表７には単に溶接金属の割合と表記）を求めると共に、評価指標として疲労強度と欠陥の有無を調べた。これらの試験結果を表６および表７に示す。
【００６６】
（溶接止端部の止端半径）
溶接止端部の止端半径は、溶接ビードよりシリコン印象材を用いて採取した型を切断し、その断面を用いて測定を行い、３ヶ所の平均値を算出することにより求めた。
【００６７】
（溶接止端部に隣接する溶接ビードのＭｓ点）
溶接止端部に隣接する溶接ビードのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）は、溶接止端部に隣接する溶接ビードより試験片を採取し、この試験片のＭｓ点を変態点測定装置で測定することにより求めた。
【００６８】
（溶接金属の割合）
純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成した溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合（体積％）は、多層盛り溶接金属を長手方向と直交するように切断して研摩、エッチング後、断面を目視で確認することにより求めた。
【００６９】
（疲労強度）
疲労強度については、作製した十字継手より多層盛り溶接金属を含む試験片を採取し、図１（ａ）、図２（ａ）の水平方向に繰返し荷重を付与する片振り引張疲労試験（最大応力３５０ＭＰａ一定）を行い、１００万回疲労強度を求めることにより評価した。全ての溶接ビードをＣＯ２シールドガスとソリッドワイヤ（Ｓ−１）を用いたＭＡＧ溶接で形成した比較例の疲労強度と比較して２５％以上向上したものを、疲労強度に優れるとし、合格とした。
【００７０】
（欠陥の有無）
欠陥の有無については、試験後の十字継手より多層盛り溶接金属を含む試験片を採取し、多層盛り溶接金属の長手方向と直交するように十字継手を切断して研摩後、断面を目視にて観察し、溶接部付近の割れ（き裂）、融合不良等の欠陥を確認することで判断した。欠陥が全く認められなかったものを○、欠陥が認められたものを×として示す。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
【表２】
2014004607.tif 000004
【００７３】
【表３】
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【００７４】
【表４】
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【００７５】
【表５】
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【００７６】
【表６】
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【００７７】
【表７】
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【００７８】
本発明の要件を満足する多層アーク溶接継手（Ｎｏ．１〜５、１１）の疲労強度は、全ての溶接ビードをＣＯ２シールドガスとソリッドワイヤ（Ｓ−１）を用いたＭＡＧ溶接で形成した比較例（Ｎｏ．６、１２）の疲労強度と比較して２５％以上向上しており、また、溶接部付近の割れ（き裂）、融合不良等の欠陥も認められなかった。
【００７９】
これに対し、Ｎｏ．６、１２は、全ての溶接ビードをＣＯ２シールドガスとソリッドワイヤ（Ｓ−１）を用いたＭＡＧ溶接で形成したため、疲労強度が優れず、また、Ｎｏ．８の疲労強度も、全ての溶接ビードをＣＯ２シールドガスとソリッドワイヤ（Ｓ−１）を用いたＭＡＧ溶接で形成したＮｏ．６の疲労強度と比較して２５％以上の向上が認められず、Ｎｏ．１３、１４の疲労強度も、全ての溶接ビードをＣＯ２シールドガスとソリッドワイヤ（Ｓ−１）を用いたＭＡＧ溶接で形成したＮｏ．１２の疲労強度と比較して２５％以上の向上が認められなかった。
【００８０】
また、Ｎｏ．８、９、１０、１３、１４では、溶接部付近の割れ（き裂）、融合不良等の欠陥も認められた。更には、Ｎｏ．７、８、１３、１４は、純Ａｒシールドガスとフラックス入りワイヤを用いたアーク溶接で形成した溶接ビードが全多層盛り溶接金属中に占める割合が２５％を超えているため、溶接部に必要な特性である靭性が不足することは明らかである。また、コストアップという問題もある。
【符号の説明】
【００８１】
１…鋼材
１ａ…繰返し荷重を受ける鋼材
２…多層盛り溶接金属
２ａ（２Ａ）…溶接ビード
３…溶接止端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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