(57)【要約】      （修正有）【課題】４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムをエレクトロスラグ溶接で接合するにあって、溶接金属の靭性を向上し、かつ靭性のばらつきを抑制することができるエレクトロスラグ溶接方法を提供する。【解決手段】４枚のスキンプレート１で構成されるボックス柱の内側にダイアフラム２を接合するエレクトロスラグ溶接方法において、スキンプレートの上面とダイアフラム２の下面との間に隙間を設け、ダイアフラム２の対向する２つの側面にC：0.10質量％以下、N：0.008質量％以下を含有しかつ板厚３mm以下の薄鋼板を当接し、かつ薄鋼板の下面をスキンプレート１の上面に当接し、さらにその薄鋼板の外面に裏当金３を当接し、かつ裏当金３の下面をスキンプレート１の上面に当接して溶接を行なう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムを接合するエレクトロスラグ溶接方法において、前記スキンプレートの上面と前記ダイアフラムの下面との間に隙間を設け、前記ダイアフラムの対向する２つの側面にC：0.10質量％以下、N：0.008質量％以下を含有しかつ板厚３mm以下の薄鋼板を当接し、かつ前記薄鋼板の下面を前記スキンプレートの上面に当接し、さらに前記薄鋼板の外面に裏当金を当接し、かつ該裏当金の下面を前記スキンプレートの上面に当接して溶接を行なうことを特徴とするエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項２】
前記薄鋼板を前記裏当金の内面に貼り付けることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項３】
前記スキンプレートがC：0.10〜0.20質量％、N：0.001〜0.01質量％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項４】
前記薄鋼板が、さらに、P：0.015質量％以下、S：0.005質量％以下を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【請求項５】
前記スキンプレートが、さらに、P：0.015質量％以下、S：0.005質量％以下を含有することを特徴とする請求項３または４に記載のエレクトロスラグ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築構造物の鉄骨として、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムを接合するためのエレクトロスラグ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建築構造物の鉄骨として、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムを接合するにあたって、立向溶接を容易に行なうことができ、しかも大入熱の１パス溶接が可能な高能率溶接技術としてエレクトロスラグ溶接が用いられている。
このようなボックス柱に対して、近年、地震による塑性変形を防止して耐震性を高めるために、溶接金属の靭性を向上し、かつそのばらつきを抑制して、高い靭性を長期間にわたって安定して維持する技術が求められている。
【０００３】
しかしながらエレクトロスラグ溶接は、他のアーク溶接と比べて、溶接入熱が非常に大きいので、溶接金属の冷却速度の低下を招き、溶接金属の組織が粗大化しやすい。その結果、溶接金属の靭性が低下する傾向にある。そこで、エレクトロスラグ溶接によって形成される溶接金属の靭性を向上する技術が検討されている。
たとえば、溶接金属に微量のTiとBを添加させることによって、溶接金属の組織を微細化し、溶接金属の靭性を向上する手法が知られている。ところがエレクトロスラグ溶接は、スキンプレートやダイアフラム等の鋼材の溶融量が大きいので、TiとBが多量の溶融金属によって希釈されて、その効果が得られなくなる。つまり鋼材の成分は、溶接後の冷却過程で形成される溶接金属の組成に多大な影響を及ぼし、ひいては溶接金属の組織にも影響を及ぼす。
【０００４】
特にスキンプレートやダイアフラムのC含有量が0.1質量％を超える場合は、溶接金属に混入するC量が増加し、その結果、溶接金属の靭性が劣化するという問題がある。
またエレクトロスラグ溶接は、溶接線方向の溶融量が変動しやすいので、靭性のばらつきが大きくなる。つまりシャルピー衝撃試験で吸収エネルギーを測定して、靭性を評価する際に、試験片を採取する位置によっては、十分な吸収エネルギーの測定結果が得られないという問題が生じる。
【０００５】
そこで、エレクトロスラグ溶接によって形成される溶接金属の靭性を向上するとともに、そのばらつきを抑制する技術が開発されている。
たとえば特許文献１に、δフェライト相を安定させ、かつ焼入れ性が向上する元素であるSi、Mo、Cr、NbおよびVを所定量含有するとともに、オーステナイト粒界における粗大な初析フェライトの生成を抑制する効果を有するBを所定量含有し、さらに、靭性を劣化する原因となるセメンタイト（Fe3C）が結晶粒内に生成するのを抑制するために、C含有量を低減した溶接ワイヤを用いて、大入熱のエレクトロスラグ溶接による溶接金属の靭性を安定して向上する技術が開示されている。
【０００６】
しかしこの技術では、溶接金属の酸素量に大きく影響するフラックスの成分について何ら考慮されておらず、溶接線方向に安定した靭性を得ることは困難である。
特許文献２には、溶接用ワイヤから多量のTiを添加するとともに、低塩基度のフラックスを用いて、アシキュラーフェライトの生成核となるTiを含む酸化物を溶融メタル中に分散させることによって、溶接金属をアシキュラーフェライト主体の組織として、靭性を安定して向上する技術が開示されている。
【０００７】
しかしこの技術では、フラックスの成分としてB2O3を規定していないので、溶接線方向のB量の変動を抑えることができず、溶接線方向に安定した靭性を得ることは困難である。
特許文献３には、溶接用ワイヤ、鋼材、裏当金の成分を適正範囲に保持した上で、各々のN含有量の差を0.003質量％以内に調整することによって、溶接金属のミクロ組織の変動を抑制して、靭性を安定して向上する技術が開示されている。
【０００８】
しかしこの技術では、溶接施工の現場において、使用する溶接用ワイヤと裏当金を、その成分に応じて、鋼材との組み合わせが最適になるように選別しなければならず、作業効率が低下するばかりでなく、溶接用ワイヤや裏当金の在庫管理の負荷が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2002-79396号公報
【特許文献２】特開2004-114053号公報
【特許文献３】特開2005-305471号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムをエレクトロスラグ溶接で接合するにあって、溶接金属の靭性を向上し、かつ靭性のばらつきを抑制することができるエレクトロスラグ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、ボックス柱を構成するスキンプレートとダイアフラムのエレクトロスラグ溶接において、溶接金属の高靭性化および安定化を図る技術について鋭意検討した。その結果、エレクトロスラグ溶接ではスキンプレートの溶融量が大きいので、C含有量が高いスキンプレートを用いた場合に、溶接用ワイヤやフラックスの成分と塩基度のバランスを最適に調整しても、溶接金属のC含有量が増加して、良好な靭性を確保することが困難であることが判明した。
【００１２】
しかしながら建築構造物として十分な強度を確保するためには、C含有量の高いスキンプレートを使用せざるを得ないので、その溶接金属の靭性を向上する技術を開発する必要がある。
そこで、C含有量が高いスキンプレートを用いてエレクトロスラグ溶接を行なった場合の、溶接金属中のCを低減する技術について、さらに詳細に研究した。その結果、図１に示すように、ダイアフラムと裏当金との間に、C含有量が小さく、かつ所定の板厚を有する薄鋼板を挟み、かつ互いに当接させることによって開先を形成して、溶接を行なうことによって、溶接金属のC含有量の増加を抑えることが可能となり、ひいては溶接金属の溶接金属の高靭性化と、その靭性の安定化（ばらつきの抑制）を両立できることが分かった。
【００１３】
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、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムを接合するエレクトロスラグ溶接方法において、スキンプレートの上面とダイアフラムの下面との間に隙間を設け、ダイアフラムの対向する２つの側面にC：0.10質量％以下、N：0.008質量％以下を含有しかつ板厚３mm以下の薄鋼板を当接し、かつ薄鋼板の下面をスキンプレートの上面に当接し、さらにその薄鋼板の外面に裏当金を当接し、かつ裏当金の下面をスキンプレートの上面に当接して溶接を行なうエレクトロスラグ溶接方法である。
【００１４】
ここで、スキンプレートの上面は、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側表面を意味する。ダイアフラム、薄鋼板、裏当金の下面は、それぞれスキンプレートの上面に対向する面を意味する。
本発明のエレクトロスラグ溶接方法においては、薄鋼板を裏当金の内面に貼り付けることが好ましい。また、C：0.10〜0.20質量％、N：0.001〜0.01質量％を含有するスキンプレートを使用することが好ましい。さらには、薄鋼板とスキンプレートが、上記の組成に加えて、P：0.015質量％以下、S：0.005質量％以下を含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側にダイアフラムをエレクトロスラグ溶接で接合するにあって、エレクトロスラグ溶接による溶接金属の靭性を向上し、かつ靭性のばらつきを抑制することが可能となり、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明におけるスキンプレート、ダイアフラム、裏当金、薄鋼板の配置の例を模式的に示す断面図である。
【図２】２mmＶノッチシャルピー衝撃試験片の採取位置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明のエレクトロスラグ溶接方法におけるスキンプレート、ダイアフラム、裏当金、薄鋼板の配置の例を模式的に示す断面図である。以下に、図１を参照して本発明のエレクトロスラグ溶接方法について説明する。なお図１には、ボックス柱を構成する４枚のスキンプレートのうちの１枚のみを示す。
本発明を適用してエレクトロスラグ溶接を行なうにあたって、スキンプレート１、ダイアフラム２、裏当金３、薄鋼板４を組み合わせて開先を形成する。その開先においては、図１に示すように、スキンプレート１の上面とダイアフラム２の下面との間に隙間を設け、その隙間の高さをＬ（mm）する。そして、ダイアフラム２の対向する２面に薄鋼板４を当接させ、かつ薄鋼板４の下面をスキンプレート１の上面に当接させる。さらに、薄鋼板４の外面に裏当金３を当接させ、かつ裏当金３の下面をスキンプレート１の上面に当接させる。このようにして組み合わせたダイアフラム２の下面と、薄鋼板４の内面と、スキンプレート１の上面とによって形成される空間が、本発明における開先となる。
【００１８】
ここで、スキンプレートの上面は、４枚のスキンプレートで構成されるボックス柱の内側表面を意味する。ダイアフラム、薄鋼板、裏当金の下面は、それぞれスキンプレートの上面に対向する面を意味する。
ダイアフラム２の下面とスキンプレート１の上面との距離Ｌ（mm）が20mm未満では、開先が狭すぎるので、エレクトロスラグ溶接が困難になる。一方、30mmを超えると、開先が広すぎるので、溶接施工の所要時間が長くなる。したがって距離Ｌは20〜30mmの範囲内が好ましい。
【００１９】
なお、図１中のＤはダイアフラム２の板厚（mm）を指し、Ｔはスキンプレート１の板厚（mm）を指す。
ダイアフラム２の外面に薄鋼板４を当接させる手段は、溶接施工中にダイアフラム２と薄鋼板４の配置が変動しない手段を用いれば良く、特に限定しない。
薄鋼板４は、C：0.10質量％以下、N：0.008質量％以下を含有するものを使用する。さらには、P：0.015質量％以下、S：0.005質量％以下であることが好ましい。
【００２０】
C含有量が0.10質量％を超える薄鋼板４を用いた場合は、溶接金属中のC量を低減することができないので、溶接金属の靭性改善効果が得られない。したがって薄鋼板４のC含有量は0.10質量％を上限とする。
N含有量が0.008質量％を超える薄鋼板４を用いた場合は、溶接金属中のN量が増加し、その結果、溶接金属の靭性に悪影響を及ぼす固溶N量も増加する。溶接金属の靭性を向上し、かつ靭性のばらつきを抑制するためには、薄鋼板４のN含有量を低く抑えることによって、溶接金属に完全希釈されるN量を低減する必要がある。したがって薄鋼板４のN含有量は0.008質量％を上限とする。
【００２１】
P含有量が0.015質量％を超える薄鋼板４を用いた場合は、溶接金属中のP量が増加し、その結果、溶接金属の靭性が劣化する。したがって薄鋼板４のP含有量は0.015質量％以下が好ましい。
S含有量が0.005質量％を超える薄鋼板４を用いた場合は、溶接金属中のS量が増加し、その結果、溶接金属の靭性が劣化する。したがって薄鋼板４のS含有量は0.005質量％以下が好ましい。
【００２２】
また、薄鋼板４の板厚が３mmを超えると、裏当金３を十分に溶融できず、融合不良による溶接欠陥が発生し易くなる。したがって薄鋼板４の板厚は３mm以下とする。好ましくは１〜２mmである。
裏当金３の内面に薄鋼板４を当接させる手段は、溶接施工中に裏当金３と薄鋼板４の配置が変動しない手段を用いれば良く、特に限定しない。
【００２３】
スキンプレート１は、C：0.10〜0.20質量％、N：0.001〜0.01質量％を含有するものを使用することが好ましい。さらには、P：0.015質量％以下、S：0.005質量％以下であることが好ましい。
C含有量が0.10質量％未満のスキンプレート１を用いた場合は、溶接金属中のC量が不足して、十分な強度を有する溶接金属が得られない。一方、C含有量が0.20質量％を超えると、溶接金属中のC量が増加して、溶接金属の靭性が劣化するばかりでなく、エレクトロスラグ溶接による溶接熱影響部の靭性も劣化する。したがってスキンプレート１のC含有量は0.10〜0.20質量％の範囲内が好ましい。
【００２４】
NはAlやTiと結合することによって、溶接金属のオーステナイト結晶粒を微細化するとともに、溶接熱影響部の靭性も向上する作用を有するので、靭性の向上とそのばらつきの抑制を図ることができる。N含有量が0.001質量％未満のスキンプレート１を用いた場合は、このような効果が得られない。一方、N含有量が0.01質量％を超えると、溶接金属中に希釈されるN量が増加して、溶接金属の靭性が劣化するばかりでなく、溶接熱影響部に固溶するN量も増加して、溶接熱影響部の靭性が劣化する。したがってスキンプレート１のN含有量は0.001〜0.01質量％の範囲内が好ましい。
【００２５】
Pは、溶接金属においては不可避的不純物元素であり、粒界に偏析することで粒界脆化が生じて、靭性が劣化する。そのため、溶接金属のP量は低いほど好ましく、スキンプレート１のP含有量は0.015質量％以下が好ましい。
SもPと同様に、溶接金属においては不可避的不純物元素であり、粒界脆化や介在物の増加により靭性が劣化する。そのため、溶接金属のS量は低いほど好ましく、スキンプレート１のS含有量は0.005質量％以下が好ましい。
【００２６】
本発明によれば、以上で説明したようにスキンプレート１、ダイアフラム２、裏当金３、薄鋼板４を組み合わせて、ダイアフラム２の下面と、薄鋼板４の内面と、スキンプレート１の上面とによって形成される空間を開先として、その開先に溶接ワイヤを挿入し、かつ溶接ワイヤをその長手方向に前後進（いわゆるオシレート）させながら、エレクトロスラグ溶接を行なうことによって、溶接金属の靭性を向上し、かつ靭性のばらつきを抑制することができる。
【実施例】
【００２７】
図１に示すように、スキンプレート１、ダイアフラム２、裏当金３、薄鋼板４を組み合わせて、ダイアフラム２の下面と、薄鋼板４の内面と、スキンプレート１の上面とによって形成される空間を開先として、その開先に溶接ワイヤ（ワイヤ径1.6mm）を挿入して、オシレートさせながらエレクトロスラグ溶接を行なった。
スキンプレート１の板厚Ｔは40mmとし、ダイアフラム２（板厚Ｄ：40mm）の下面とスキンプレート１の上面との距離Ｌは25mmとした。裏当金３はＪＩＳ規格SN490に規定されるフラットバーを使用し、その内面に板厚１〜４mmの薄鋼板４を貼り付けた。
【００２８】
スキンプレート１の成分は表１に示す通りである。またダイアフラム２は、表１に示すスキンプレート１と同じ成分のものを組み合わせて使用した。薄鋼板４の成分は表２に示す通りである。
エレクトロスラグ溶接の設定条件は表３に示す通りである。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
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【００３１】
【表３】
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【００３２】
溶接が終了した後、超音波探傷試験によって溶接金属５の探傷を行ない、溶接欠陥が認められない部位から２mmＶノッチシャルピー衝撃試験片６（以下、試験片という）を３個ずつ採取した。試験片６を採取した位置は、断面図として図２に示す通りであり、溶接金属５内にノッチを設けるように試験片６を切り出した。
次いで、試験片６を用いてシャルピー衝撃試験（試験温度０℃）を行ない、吸収エネルギVＥ0（Ｊ）を測定した。その結果を表４に示す。なお表４中のVＥ0値は、それぞれ３回ずつ測定した結果の平均値である。
【００３３】
【表４】
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【００３４】
表４から明らかなように、発明例（溶接継手ａ、ｂ、ｄ〜ｇ）では、吸収エネルギVＥ0の平均値が85〜120Ｊと高くなっており、靭性に優れた溶接金属が得られた。
また発明例のVＥ0の測定値は、溶接継手ａが106〜122Ｊ、溶接継手ｂが115〜123Ｊ、溶接継手ｄが94〜101Ｊ、溶接継手ｅが102〜118Ｊ、溶接継手ｆが86〜97Ｊ、溶接継手ｇが82〜88Ｊの範囲内であり、ばらつきは小さく抑えられた。
【００３５】
比較例である溶接継手ｃは、薄鋼板４の板厚が本発明の範囲を超える例であり、融合不良が発生した。溶接継手ｈは薄鋼板４のC含有量が本発明の範囲を超える例、溶接継手ｉはスキンプレート１のC含有量が本発明の範囲を超える例、溶接継手ｊはスキンプレート１のN含有量が本発明の範囲を超える例であり、いずれも吸収エネルギVＥ0が小さくなり、溶接金属の靭性は発明例に比べて大幅に劣化した。
【００３６】
また比較例のVＥ0の測定値は、溶接継手ｈが29〜62Ｊ、溶接継手ｉが15〜30Ｊ、溶接継手ｊが16〜31Ｊの範囲内であり、ばらつきは発明例に比べて大きくなった。
さらに、溶接継手ｋはスキンプレート１のP含有量が本発明の好ましい範囲を超える例、溶接継手ｌはスキンプレート１のS含有量が本発明の好ましい範囲を超える例、溶接継手ｍは薄鋼板４のS含有量が本発明の好ましい範囲を超える例、溶接継手ｎは薄鋼板４のP含有量が本発明の好ましい範囲を超える例である。いずれも吸収エネルギVＥ0が小さく、溶接金属の靭性は発明例に比べて大幅に劣化した。
【００３７】
これらの比較例のVＥ0の測定値は、溶接継手ｋが20〜25Ｊ、溶接継手ｌが16〜27Ｊ、溶接継手ｍが29〜43Ｊ、溶接継手ｎが26〜30Ｊの範囲内であり、ばらつきは発明例に比べて大きくなった。
【符号の説明】
【００３８】
１  スキンプレート
２  ダイアフラム
３  裏当金
４  薄鋼板
５  溶接金属
６  ２mmＶノッチシャルピー衝撃試験片
【図１】
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【図２】
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