(57)【要約】【課題】ＴＳ４００ＭＰａ以上の鋼材をフラッシュバット溶接した際の溶接部靭性に優れた建築・土木用鋼材、その鋼構造物およびその製造方法を提供するものであり、特に大断面の鋼材のフラッシュバット溶接に効果を発揮するものである。【解決手段】鋼成分が質量％で、Ｃ：０．０２〜０．２０％、Ｓｉ：０．１０〜２．５％、Ｍｎ：０．２５〜２．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％を含有し、必要に応じて、Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％及びＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％のうち１種または２種以上を含有することを特徴とするフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材であり、フラッシュバット溶接後の溶接線のフェライト生成率が３０％以上であることを特徴とする。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼成分が質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．５％、
Ｍｎ：０．２５〜２．０％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
を含有することを特徴とするフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材。
【請求項２】
さらに鋼成分が質量％で
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、
のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載のフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材。
【請求項３】
さらに鋼成分が質量％で
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｎｉ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
Ｖ：０．００２〜０．５％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
の１種または２種以上含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材。
【請求項４】
フラッシュバット溶接後の溶接線のフェライト生成率が３０％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼板を使用したフラッシュバット溶接構造物。
【請求項５】
フラッシュバット溶接後の溶接線のポリゴナルフェライト粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のフラッシュバット溶接構造物。
【請求項６】
溶接部靭性の優れたフラッシュバット溶接構造物の製造方法であって、請求項１乃至３記載の成分を含有する鋼同士を溶接し、その冷却に際し、８００℃から５００℃までの間の冷却速度を６０℃／ｓ以下とすることを特徴とする請求項４または５に記載のフラッシュバット溶接構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＴＳ４００ＭＰａ以上の鋼材をフラッシュバット溶接した際の溶接部靭性に優れた建築・土木用鋼材、その鋼構造物およびその製造方法に関するものであり、特に大断面の鋼材のフラッシュバット溶接に効果を発揮するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フラッシュバット溶接はラインパイプ、鉄道レール、チェーン、あるいは機械部品など比較的断面積の小さい部材に適用されていた。しかし、建築用大断面溶接に適したフラッシュバット溶接機および溶接方法が報告されている（例えば、特許文献１及び２参照）。これらの発明は溶接する大断面鋼材個々にクランプ（または反力版、反力帯）を取り付け、その間をアクチュエータで相互に連結し、各大断面鋼材へ給電用の電極を取り付けた後に、アクチュエータでフラッシュおよびアップセット工程に対して同期した変位制御により加圧することにより溶接することを特徴としている。しかも本溶接方法では大断面鋼材のフラッシュバット溶接に対して溶接機の小型化、軽量化が実現されており、現地溶接を可能にした発明も出てきている。
【０００３】
通常、鉄道レール、チェーン、あるいは機械部品などのフラッシュバット溶接部の材質特性に対しては、引張試験や曲げ試験などにより機械的特性が規格化されているが、溶接部の靭性に対しては厳格な要求がなされていなかった。これに対して、本発明の対象分野である建築分野では、たとえばＪＩＳ  Ｇ  ３１３６に規定されている建築構造用圧延鋼材（ＳＮ４９０など）の母材に対しては、靭性値としてｖＥ０≧２７Ｊが必要と明確に記載されている。近年、地震時の変形能付与の観点から、母材だけでなく溶接部の靭性も重要との認識が高まり、溶接部の靭性も十分に確保することが義務づけられる方向にある。しかしながら、現時点ではフラッシュバット溶接を行った場合の溶接部靭性を確保できる鋼材あるいは溶接方法については公表されるに至っていない。
【０００４】
なお、溶接部の引張試験や曲げ試験によって評価されるような材質特性（引張試験や曲げ試験等）を確保するための提案は既になされている（例えば、特許文献３及び４参照）。前者は鋼帯を中継ぎ溶接するためにシールドガスを使用するための装置であり、後者は高張力鋼のフラッシュバット溶接のために油を塗布し、溶接時に燃焼させて溶接部の酸化物の量および形態制御を実施したものである。しかし、このようなシールド装置は溶接物が大きくなると大規模なものとなり、現地溶接には不向きである。また、油の塗布に関しては燃焼を伴うため厳しい安全管理を必要とするなどの欠点がある。
【０００５】
以上のような背景から、現地溶接を可能とするようなフラッシュバット溶接に対して、しかも設備的な工夫を極力少なくできるような方策、換言すると、溶接後の材質特性の特に溶接部の靭性の優れた鋼材、その鋼構造物およびその製造方法が強く求められている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２５９８４９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５９８５０号公報
【特許文献３】
実開昭５８−８５４８４号公報
【特許文献４】
特許第２８６４３３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
フラッシュバット溶接は、高能率でしかも安定した溶接部を得ることから、土木、建築用途に利用されつつある。しかし、前述したようにフラッシュバット後の溶接線や溶接熱影響部において非常に低い靭性値を示す。
【０００８】
この原因として、下記の点が考えられる。すなわち、
（１）  通常のフラッシュバット溶接では溶接時に高能率性が要求されるため、短時間で溶接を完了する必要があり、他の溶接方法に比べて冷却速度が大きい。したがって、溶接部のミクロ組織において、硬化組織が生じやすくなり、これが靭性の劣化を招く。
【０００９】
（２）  フラッシュバット溶接時には高温で溶接熱影響部が再加熱されるためγ粒が粗大化する。特に、溶接部が大断面になるとフラッシング時間が長くなるため粗大化の傾向はさらに強くなり、靭性の劣化が生じる。
【００１０】
したがって、本発明の目的は主として上記２点を解決し、フラッシュバット溶接後の溶接線およびＨＡＺの靭性を母材靭性と同等以上にできるフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材、フラッシュバット溶接構造物及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋼材成分、溶接方法、溶接部組織、および靭性値の関係を詳細に調査した。その結果、以下の重要な知見を得るに至った。
【００１２】
（１）  溶接線（フラッシュバット溶接時に溶融し、冷却時に凝固する部分、約１００μｍの幅となる）のフェライト生成率が３０％以上になると母材に対する溶接線の硬化が抑えられる。これを実現させるためには、冷却速度を小さくする必要がある。
【００１３】
（２）  溶接線近傍のミクロ組織として細粒フェライトは靭性向上に有効である。しかし、フェライト粒が粗大化した場合、かえって劣化を招くので粒径の上限値の規定が必要である。
【００１４】
（３）  Ｔｉ添加により溶接線のγ粒径が微細化する。さらに、Ｃａ、Ｍｇ、またはＲＥＭ、またはこれらを複合添加することにより細粒化が促進する。
【００１５】
以上の知見は次のように理解される。すなわち、大断面のフラッシュバット溶接の場合、通常の部材のフラッシュバット溶接と比較して入熱が高い。冷却速度が大きい場合には焼入れ性が高く、粗大な硬化相が増えることになる。それ故、冷却速度を小さく制御することはフェライト分率を増加させる作用を有している。４００ＭＰａ以上のフラッシュバット溶接鋼材では溶接線のフェライト分率が３０％以上になると硬化組織が減少し、顕著に靭性が向上する。この時のフェライトの種類については、靭性の劣化を招かない粒内フェライトやポリゴナルフェライトが望ましく、フェライトサイドプレートは靭性値の低下を招くので極力避ける必要がある。
【００１６】
また、フラッシュバット溶接は短絡時の抵抗溶接とフラッシング時のアーク溶接の両方の性質を持ち合わせた溶接である。一般に溶接熱影響部においては加熱γ粒の細粒化効果によってＴｉ添加鋼やＴｉ−Ｍｇ−Ｃａ添加鋼が良好な靭性値を示すことが広く知られている。一方、フラッシュバット溶接の溶接線ではＳｉ、Ｍｎ等を含めた元素が再酸化するため、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｃａがγ粒のピニングに機能するかは不明であった。本発明者らが調査した結果、これらの元素がγ粒の成長に対しても十分にピニング作用をすることが確認できた。この理由としては、鋼板製造の鋳造凝固時に生成するＴｉ、Ｍｇ、Ｃａ酸化物が再酸化後においても微細なまま存在しているために、これらがγ粒のピニング粒子として働き、しかもこれらの酸化物の一部が溶接線近傍において粒内フェライトの生成サイトとしても有効に作用するため、ミクロ組織がより微細化するものと推定される。なお、フェライト粒が３０μｍ以下であれば良好な靭性値となることが確認できている。
【００１７】
本発明は、上記知見に基づいて完成したもので、その要旨とするところは下記の通りである。
【００１８】
（１）  鋼成分が質量％で、
Ｃ：０．０２〜０．２０％、
Ｓｉ：０．０１〜２．５％、
Ｍｎ：０．２５〜２．０％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下、
Ａｌ：０．０５％以下、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％
を含有することを特徴とするフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材。
【００１９】
（２）  さらに鋼成分が質量％で
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、
のうち１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）記載のフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材。
【００２０】
（３）  さらに鋼成分が質量％で
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｎｉ：０．０５〜１．０％、
Ｃｕ：０．０５〜１．０％、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、
Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、
Ｖ：０．００２〜０．５％、
Ｂ：０．０００５〜０．０１％
の１種または２種以上含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載のフラッシュバット溶接用の溶接部高靭性高張力鋼材。
【００２１】
（４）  フラッシュバット溶接後の溶接線のフェライト生成率が３０％以上であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼板を使用したフラッシュバット溶接構造物。
【００２２】
（５）  フラッシュバット溶接後の溶接線のポリゴナルフェライト粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする上記（４）記載のフラッシュバット溶接構造物。
【００２３】
（６）  溶接部靭性の優れたフラッシュバット溶接構造物の製造方法であって、上記（１）乃至（３）記載の成分を含有する鋼同士を溶接し、その冷却に際し、８００℃から５００℃までの間の冷却速度を６０℃／ｓ以下とすることを特徴とする上記（４）または（５）に記載のフラッシュバット溶接構造物およびその製造方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２５】
４００ＭＰａ以上の鋼材をフラッシュバット溶接した場合には、その溶接線の組織がフェライト以外では硬化組織となるため、溶接部靭性が著しく損なわれる。従って、フラッシュバット鋼材の溶接線の組織としては、フェライト分率を３０％以上とする必要がある。また、フェライト粒径が大きいと脆性破壊の伝播に対する抵抗力が小さくなる。従って、フェライト粒径はその影響のない３０μｍ以下とする必要がある。
【００２６】
次に、本発明における溶接母材としてその鋼成分を以下の通りにすることが望ましい。
【００２７】
Ｃは０．０２％に満たないと鋼の強度が不足し、また製造技術面においてコストの増加を招く。そこでＣ量の下限値を０．０２％とした。一方、０．２％を超えると溶接部の硬度が上昇し靭性値を低下させる。そのため、Ｃ量は０．０２〜０．２％とした。
【００２８】
Ｓｉは脱酸上鋼に含まれる元素である。０．０１％未満ではその効果は少ない。一方、２．５％を超えて添加すると強度が高くなり靭性を低下させる。このため、上限値を２．５％とした。
【００２９】
Ｍｎは鋼の焼入性を向上させて強度を上昇させるのに有効である。これらの効果を得るためには、少なくとも０．２５％以上を添加する必要がある。一方、２．０％を超えると著しく硬化するため靭性が劣化する。このためＭｎの上限を２．０％とし、Ｍｎ量は０．２５〜２．０％の範囲とする。
【００３０】
Ｐは粒界に偏析し粒界脆化を起こしやすくするため、０．０３％以下にする必要がある。靭性確保の観点からは不純物元素であるＰは極力低減することが望ましい。
【００３１】
ＳもＰと同様に粒界に偏析し粒界脆化を起こしやすくするため、０．０３％以下にする必要がある。不純物元素であるＳは極力低減することが望ましい。
【００３２】
Ａｌは脱酸上鋼に含まれる元素であるため添加する必要がある。しかし、０．０５％超添加すると溶接部において粗大なＡｌ酸化物が生成するため靭性を低下させる。このため０．０５％以下とする。
【００３３】
Ｔｉは本発明の重要な元素の一つであり、ＴｉＯ２などの酸化物あるいはＴｉＮ、ＴｉＣなどのＴｉ析出物のピニング効果により熱処理時のγ粒径などを微細化する。この効果を得るためには０．００５％以上の添加が必要である。しかし、０．０５％超添加すると粗大なＴｉＮが多量に析出するため延性を劣化させる。このため、上限を０．０５％とする。
【００３４】
ＣａはＣａＳ（Ｏ）の生成により熱処理時のγ粒径などを微細化するのに有効な元素である。０．０００５％未満では効果がないため０．０００５％を下限値とした。しかし、０．００５％を超えると清浄度が低下するとともにＣａ介在物が粗大化し延性を低下させるため上限値を０．００５％とした。
【００３５】
ＭｇはＣａと同様に熱処理時のγ粒径などを微細化するのに有効な元素である。０．０００５％未満では効果がないため０．０００５％を下限値とした。しかし、０．００５％を超えると清浄度が低下するとともに介在物が粗大化し延性を低下させるため上限値を０．００５％とした。
【００３６】
ＲＥＭもＣａと同様に熱処理時のγ粒径などを微細化するために有効な元素である。０．０００５％未満では効果がないため０．０００５％を下限値とした。しかし、０．００５％を超えると清浄度が低下するとともにＲＥＭを含む介在物が粗大化し延性を低下するため上限値を０．００５％とした。
【００３７】
次に以下の元素も添加することによって機能の向上をはかることができる。
【００３８】
ＮｂはＮｂ析出物のピニング効果によりオーステナイト粒を微細化し、延性を向上させる。このためには０．００５％以上の添加が必要である。しかしながら、多量に添加しても効果が飽和し経済的に不利となるため０．１％を上限とする。このためＮｂの適正範囲を０．００５〜０．１％とする。
【００３９】
ＮｉはＣｕと同様に焼入性の向上させるために添加する。また、Ｃｕ脆化を抑制する効果もある。焼入性を向上させるためには０．０５％以上必要である。しかし、１．０％を超えるとその効果が飽和するため経済的に不利になる。このために上限値を１．０％とした。
【００４０】
Ｃｕは焼入性を向上させるために添加する。この効果を得るには０．０５％以上必要である。しかし、１．０％を超えると圧延時に熱間割れを引き起こしやすくなるため上限値を１．０％とした。
【００４１】
Ｃｒは固溶強化、焼入性向上させ強度を上昇させる。０．０５％以下ではこの効果が不十分である。しかし、２．０％を超えると強度が高くなり過ぎ、延性が低下する。このため上限値を２．０％とした。
【００４２】
Ｍｏは、鋼の強度を上昇させるためには少なくとも０．０５％以上添加しないとその効果は認められない。また、０．５０％を超えて添加するとフェライトの生成が抑制されるからその上限を０．５０％とする。そのため、Ｍｏの成分範囲を０．１０〜０．５０％までとした。
【００４３】
Ｖは炭窒化物を析出させγ粒を微細化し強度、延性を向上させる。この効果を得るには０．００２％以上の添加が必要である。しかし多量の添加では効果が飽和するため経済的に不利になる。このため上限値を０．５％とした。
【００４４】
Ｂは焼入性を向上させることで強度を向上する。また、優先的に粒界に偏析しＰ、Ｓ、Ｍｎ等の粒界偏析を抑制する粒界清浄効果のために靭性の劣化を抑える。このため、Ｂは０．０００５％を下限値とする。しかし、０．０１％を超えるとＦｅ２３Ｂを析出しかえって靭性を劣化させる。このためＢの成分範囲を０．０００５〜０．０１％とする。
【００４５】
次に本発明の製造条件について説明する。
【００４６】
前記のように溶接部靭性を確保する溶接線の組織を制御で溶接線の組織をフェライト分率３０％以上とするためには、フラッシュバット溶接後の冷却速度を制御する必要がある。溶接後、８００〜５００℃の間の平均冷却速度が６０℃／ｓを超えるとフェライト分率が３０％未満となり硬化組織が増加する。このため８００〜５００℃の間の冷却速度を６０℃／ｓ以下にする必要がある。
【００４７】
【実施例】
以下本発明の実施例について説明する。表１の化学成分を有する鋼塊を熱間圧延および熱処理を行い鋼板とした。これらの鋼板を機械加工して試験材を作製した。この時の溶接部の面積は４０００〜５００００ｍｍ２とした。これらの鋼板をフラッシュバット溶接し溶接線のフェライト分率を測定した。フエライト分率はナイタールエッチング後溶接線１００μｍの幅を観察して決定した。溶接線溶接線はナイタールエッチにより他の部分より白色になる幅が約１００μｍのエリアである。フェライト分率、強度、および靭性値を表２に示す。
【００４８】
鋼１〜１０は本発明鋼であり、良好な靭性を示した。
【００４９】
鋼１１〜１６は鋼成分が適切でないため靭性値が確保できない。鋼１１ではＴｉ添加していないためフェライトが粗大となり靭性が低下した。鋼１２ではＴｉ量が多く靭性値が低下した。鋼１３ではＣａが高く、鋼１４ではＭｇ量が高いため靭性に有害な酸化物が多量に発生した。鋼１５ではＡｌが高くＡｌ酸化物の生成が顕著になり靭性値を低下させた。鋼１６の化学成分は本発明の請求範囲内にあるが、冷却速度が速くフェライト分率が低下したため靭性値が低下した。
【００５０】
【表１】
2004360048.tif 000002
【００５１】
【表２】
2004360048.tif 000003
【００５２】
【発明の効果】
本発明によると大断面のフラッシュバット溶接に対して高靭性のＦＢＷ（フラッシュバット溶接用鋼）鋼を得ることができ、工業的に非常に有用である。