(57)【要約】【課題】本発明は、溶接部の結晶粒を微細化することにより、靭性等の機械的特性の低下を防止することが可能な鋼材の溶接方法を提供することを主目的とするものである。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、鋼材の溶融部に、前記鋼材の初晶晶出相の融点より高温の融点を有する核物質を形成する核物質形成用金属の金属ガスを供給しながら溶接を行うことを特徴とする鋼材の溶接方法を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の溶融部に、前記鋼材の初晶晶出相の融点より高温の融点を有する核物質を形成する核物質形成用金属の金属ガスを供給しながら溶接を行うことを特徴とする鋼材の溶接方法。
【請求項２】
前記核物質形成用金属は、Ｍｇまたは希土類金属であり、前記金属ガスは、前記Ｍｇまたは希土類金属のうち単独の金属からなる単独ガスまたは複数の金属を含有する混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の溶接方法。
【請求項３】
前記金属ガスと共に、界面活性作用を有する界面活性元素ガスを供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鋼材の溶接方法。
【請求項４】
前記界面活性元素ガスが、Ｂｉ、ＹまたはＴｅの単独ガスまたは混合ガスであることを特徴とする請求項３に記載の鋼材の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の溶接方法に関し、特に、溶接部の結晶粒を微細化し機械的特性の低下を防止することが可能な鋼材の溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
昨今、鋼構造物の大型化や建造コストの低減のために鋼材の厚肉化が行われ、この厚肉化に対応して大入熱溶接化が図られているが、この大入熱溶接に伴い溶接部の結晶粒が粗大化して靭性等の機械的特性が低下するといった不都合が問題となっている。溶接部の靭性が低下すると、構造物や船体の強度が確保されなくなるばかりでなく、安全性も低下する。
【０００３】
アーク溶接等においては、このような溶接部の靭性低下を防止する方法として、溶融部に金属粉などを供給することが有効であることが知られている。例えば、特許文献１には、金属製外皮中に適正量の金属マグネシウム粉を含有するフラックスを充填した溶接ワイヤを用いて溶接を行うことにより、衝撃値等の機機的性質の低下を防止することができることが開示されている。
【０００４】
しかしながら、このような方法では、溶融金属中に金属粉を添加する際に金属粉が凝集するため、微粒子の状態で金属粉を添加することは困難である。そのため、このような金属粉を核物質として生成された結晶粒が粗大化する場合があり、溶接部における機械的特性の低下を十分に阻止することは難しかった。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−４７２７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、溶接部の結晶粒を微細化することにより、靭性等の機械的特性の低下を防止することが可能な鋼材の溶接方法を提供することを主目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、鋼材の溶融部に、前記鋼材の初晶晶出相の融点より高温の融点を有する核物質を形成する核物質形成用金属の金属ガスを供給しながら溶接を行うことを特徴とする鋼材の溶接方法を提供する。
【０００８】
本発明においては、金属ガスを用いているので、鋼材の溶融部に核物質形成用金属を超微粒子の状態で添加することが可能である。さらに、凝固時には、核物質形成用金属から形成された核物質の融点と鋼材の初晶晶出相の融点との関係から、上記核物質を基に結晶粒が生成される。したがって、溶融部に微細な結晶粒を分散析出させることができ、結晶粒の粗大化を防止することができるため、溶接部において、衝撃値等の機械的特性の低下を防止することができる。
【０００９】
上記記載の本発明において、前記核物質形成用金属は、Ｍｇまたは希土類金属であり、前記金属ガスは、前記Ｍｇまたは希土類金属のうち単独の金属からなる単独ガスまたは複数の金属を含有する混合ガスであることが好ましい。上記核物質形成用金属は、溶融金属中の酸素と反応し、初晶晶出相の融点より高温の融点を有する酸化物を生成させることができ、また、溶融金属中の酸素と反応することから脱酸作用があり、溶接部の強度、靭性といった機械的特性を向上させることができるからである。
【００１０】
さらに本発明においては、上記金属ガスと共に、界面活性作用を有する界面活性元素ガスを供給することが好ましい。凝固時において、鋼材の初晶晶出相と、核物質形成用金属から形成された核物質との濡れ性を高めることができるからである。
【００１１】
また本発明においては、上記界面活性元素ガスが、Ｂｉ、ＹまたはＴｅの単独ガスまたは混合ガスであることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鋼材の溶接方法について説明する。
【００１３】
本発明の鋼材の溶接方法は、鋼材の溶融部に、前記鋼材の初晶晶出相の融点より高温の融点を有する核物質を形成する核物質形成用金属の金属ガスを供給しながら溶接を行うことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明においては、金属ガスを用いているので、鋼材の溶融部に核物質形成用金属を超微粒子の状態で添加することが可能である。さらに、凝固時には、核物質形成用金属から形成された核物質の融点と鋼材の初晶晶出相の融点との関係から、上記核物質を基に結晶粒が生成される。したがって、溶融部に微細な結晶粒を分散析出させることができ、結晶粒の粗大化を防止することができるため、溶接部において、衝撃値等の機械的特性の低下を防止することができる。
【００１５】
なお、ここでいう鋼材の初晶晶出相の融点とは、溶融部において、鋼材を構成する成分を核物質として生成される結晶が晶出する際の温度を意味する。
【００１６】
このような利点を有する本発明の鋼材の溶接方法について図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明の鋼材の溶接方法の一例として、消耗電極式アーク溶接法の例を示した概略図である。例えば、消耗電極式アーク溶接機１が溶接電源２の陽極側に接続され、また金属性の母材３が陰極側に接続されており、これにより所定の電気回路が形成される。電流を流すと、消耗電極式アーク溶接機１からアークが発生し、高熱が発せられる。この際、母材３の溶融部５に核物質形成用金属の金属ガスを吹き込みランス６から供給しながら溶接を行う。
【００１７】
アークから発せられる熱で溶接棒４は加熱溶融され、溶融した金属が母材３の溶融部５に溶着する。吹き込みランス６から供給された核物質形成用金属の金属ガスは、溶接棒４の溶融部５内が攪拌されていることから、溶融部５内に取り込まれる。溶融部５に取り込まれた核物質形成用金属は、凝固の核となる核物質を形成し、この核物質を基に結晶粒が生成される。核物質形成用金属は、金属ガスにより超微粒子の状態で溶融部５に添加されることから、溶融部５中で晶出する結晶粒の微細化を図ることができる。これにより、溶融部５の凝固時における結晶粒成長が抑制され、粗大な結晶粒の形成を防止できるため、溶接部における衝撃値等の機械的特性の低下を防止できる。
【００１８】
以下、本発明の鋼材の溶接方法について詳細に説明する。
【００１９】
まず、本発明において、金属ガスに用いる核物質形成用金属は、鋼材の初晶晶出相の融点よりも高い融点を有する核物質を形成することが可能な金属であれば特に限定はされない。鋼材の溶融部を凝固させる際、鋼材の初晶晶出相の融点よりも高い融点を有する核物質を形成することができるので、このような核物質を基に結晶粒を生成させることができるからである。具体的に、核物質形成用金属としては、Ｍｇまたは希土類金属であることが好ましい。希土類金属としては、具体的にＣｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｓｍ等を挙げることができる。これらの金属は、溶融部中に存在する酸素と反応して、鋼材の初晶晶出相の融点よりも高温の融点を有する酸化物を生成し、また、溶融部中に存在する酸素と反応することから、脱酸作用を有し、溶接部の強度、靱性といった機械的特性の向上に効果を有する。その中でも、ＭｇまたはＬａを単独または混合して用いることが特に好ましい。Ｍｇの酸化物であるＭｇＯは、その標準生成自由エネルギーの絶対値が他の金属の酸化物の値よりも大きいことから、凝固の核となる核物質として好適であるからである。Ｌａは、希土類金属の中で融点が比較的低いため蒸気を発生しやすく、また安価だからである。
【００２０】
本発明における金属ガスは、上述した核物質形成用金属のうち単独の金属からなる単独ガスであってもよく、または上述した核物質形成用金属のうち複数の金属を含有する混合ガスであってもよい。
【００２１】
このような金属ガスを供給する際には、後述する界面活性作用を有する界面活性元素ガスまたはキャリアーガスと共に供給することが好ましい。この場合、全ガスに占める金属ガスの体積の割合は、特に限定はされない。しかしながら、金属ガスにより添加された核物質形成用金属の添加効率および金属ガスの移送効率等を考慮すると０．５ｖｏｌ％〜３５ｖｏｌ％の範囲内、その中でも、１ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％の範囲内であることが好ましい。上記範囲よりも金属ガスの割合が小さい場合は、溶融部に取り込まれる核物質形成用金属の量が少なくなるため、形成される核物質が不足となる場合があり好ましくない。一方、上記範囲よりも金属ガスの割合が大きい場合は、キャリアーガスの量が少なすぎるため、蒸気発生容器内から所定の流量で溶融部に金属ガスを供給することが困難となる場合があり好ましくない。このような混合比は、ヒーターの出力やキャリアガスの流量を調節することにより所望の割合に調整することができる。
【００２２】
さらに、金属ガスを供給する際、上述した核物質形成用金属の供給量としては、特に限定はされないが、具体的には、鋼材の溶接部における、上述した核物質形成用金属の質量濃度が０．００１％〜１．４％の範囲内、その中でも、０．３％〜１．０％の範囲内となるように、金属ガスを供給することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明においては、上述したように、上記金属ガスと共に界面活性作用を有する界面活性元素ガスを供給することが好ましい。これにより、核物質形成用金属から形成された核物質と、鋼材の初晶晶出相との濡れ性を高めることができるからである。具体的に界面活性元素ガスに用いる界面活性作用を有する元素としては、Ｂｉ、Ｙ、Ｔｅ等を挙げることができる。その中でも、Ｂｉであることが好ましい。Ｂｉは融点が低く、ガスとして供給した際、蒸気発生が容易であるからである。
【００２４】
このような界面活性元素ガスを上述した金属ガスと共に供給する際、全ガスに占める界面活性元素ガスの体積の割合は、特に限定されるものではないが、具体的には、０．０１ｖｏｌ％〜２ｖｏｌ％の範囲内、その中でも、０．０５ｖｏｌ％〜１ｖｏｌ％の範囲内であることが好ましい。
【００２５】
さらに、界面活性作用を有する界面活性元素ガスの供給量は、特に限定はされないが、具体的には、鋼材の溶接部における、界面活性作用を有する元素の質量濃度が、０．００１％〜０．１％の範囲内、その中でも、０．０１％〜０．１％の範囲内となるように、界面作用元素ガスを供給することが好ましい。上記範囲内であれば、核物質形成用金属から形成された核物質と、鋼材の初晶晶出相とにおいて充分な濡れ性を保つことができるため、溶接部における機械的特性の向上に効果を有するからである。
【００２６】
また、溶接を行う際のキャリアーガスとしては、一般的に用いられているものであればとく限定はされない。具体的には、アルゴンガス、炭酸ガス等を挙げることができる。
【００２７】
さらに、本発明において溶接の方法は、上述した金属ガスを供給しながら溶接することが可能な方法であれば特に限定されない。具体的には、アーク溶接、ガス溶接等を挙げることができる。
【００２８】
本発明の鋼材の溶接方法として、アーク溶接またはガス溶接を行った場合の例について、図面を用いて説明する。図２は、アーク溶接としてＴＩＧ溶接法、ＭＩＧ溶接法を用いた場合の本発明の鋼材の溶接方法の一例を示した概略図である。例えば、アーク溶接機２０が溶接電源２１の陽極側に接続され、また金属性の母材２２が陰極側に接続されており、これにより所定の電気回路が形成される。電流を流すと、アーク溶接機２０からアーク２３が発生し、高熱が発せられる。この際、溶融部２４に核物質形成用金属の金属ガスを吹き込みランス２５から供給しながら溶接を行う。
【００２９】
アーク２３から発せられる熱で溶接棒２６は加熱溶融され、溶融金属が母材２２の溶融部２４に溶着する。吹き込みランス２５から供給された核物質形成用金属は、溶融部２４に取り込まれ、凝固の際の核となる核物質を形成する。これにより、溶融部２４中で、当該核物質を基に晶出物あるいは析出物が生成し、溶融部２４の凝固時の結晶粒成長を抑制する。これにより、粗大な結晶粒の形成が抑制されるため、溶接部における衝撃値等の機械的特性の低下を防止できる。
【００３０】
図３は、溶接方法としてガス溶接を用いた場合の、本発明の鋼材の溶接方法の一例を示した概略図である。図３に示すように、ガスボンベ３０を有するガス溶接機３１から燃焼ガスと酸素を混合させたガスを母材３２の溶融部３３に吹き込む。ガス溶接機３１から発せられたガスの燃焼熱により溶接母材を溶融させ接合させる。これと同時に、吹き込みランス３４から核物質形成用金属の金属ガスを連続的に供給しながら溶接を行う。核物質形成用金属は溶融部３３で、凝固の核となる核物質を形成する。また核物質形成用金属は、超微粒子の状態で溶融部３３に添加されることから、この核物質形成用金属から形成された核物質を基に生成された結晶粒において、微細化を図ることができる。
【００３１】
また、溶接の際に使用する溶接棒は、一般的に用いられているものであれば特に限定はされず、例えば、ソリッドワイヤであってもよく、またはフラックス入りワイヤであってもよい。
【００３２】
さらに、本発明において、金属ガスの蒸気発生装置としては、上述した核物質形成用金属を蒸気として供給することができる装置であれば特に限定はされない。このような装置について具体的に図面を用いて説明する。図４は、本発明における蒸気発生装置の一例を示した概略図である。図４に示すように、蒸気発生容器４０内に核物質形成用金属４１を挿入し、蒸気発生容器４０内に設置した熱電対４２の出力を基に蒸気発生容器４０の周囲のヒーター４３の出力を制御する。蒸気発生容器４０内で溶融した核物質形成用金属４１から発生する蒸気を、キャリアーガスとして不活性ガス４５と共に吹き込みランス４４に送り込み、溶接部に供給する。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３４】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明をさらに説明する。
【００３５】
［実施例］
図１に示す方法にて、各種の金属ガスをキャリアガスであるアルゴンガスと共に溶融部に供給してアーク溶接を行い、溶接部の金属成分質量濃度と結晶粒のサイズを調査した。金属ガスの発生装置は、図４に示す装置を用い、金属蒸気を混合して添加する場合は、図４の装置を各金属毎に並列に接続して行った。以下に、溶接条件を示す。なお、比較例として、金属ガスを混合しないアルゴン１００％のガスを供給した溶接試験を行った。
【００３６】
（溶接条件）
・溶接電流：３５０Ａ
・溶接電圧：２５Ｖ
・溶接速度：２５ｍｍ／ｍｉｎ
（溶接試験に用いた鋼板）
・成分  Ｃ＝０．１０質量％、Ｓｉ＝０．２５質量％、Ｍｎ＝１．４質量％、Ｐ＝０．００５質量％、Ｓ＝０．００５質量％、残部Ｆｅ
・サイズ  幅１００ｍｍ×長さ３００ｍｍ×厚み３０ｍｍ
・溶接箇所：幅中央部を長さ方向に試験溶接
（金属ガスとして蒸気添加した金属）
・Ｍｇ、Ｌａのいずれか一方の単独添加、あるいは複合添加とした。複合割合は各蒸発容器のバルブ開度で調整した。また、これらの金属ガスに加え、界面活性元素ガスとしてＢｉを共に蒸気添加した場合もある。
【００３７】
・キャリアガス：Ａｒガス
・全ガス（Ａｒガス＋金属ガス（界面活性元素ガスを含む場合もある。））の流量：５Ｌ／ｍｉｎ
・全ガス量（金属ガス（界面活性元素ガスを含む場合もある。）＋Ａｒガス）に対する金属ガス（界面活性元素ガスを含む場合もある。）の体積割合：０．５〜３５ｖｏｌ％
結晶粒は、溶接部からサンプルを切り出し、鏡面研磨後にナイタール溶液を用いて組織を検出し、顧微鏡を用いて平均直径を測定した。
【００３８】
下記表１に測定結果を示す。表１に示す結晶粒径指数は、比較例の結晶粒径を１とした相対値であり、溶接領域の平均値である。
【００３９】
【表１】
2004337896.tif 000003
【００４０】
上記表１に示す結果から、少なくともＭｇとＬａのいずれかを含有した溶接部の結晶粒径は比較例に比べ小さく、良好であることが明らかである。更に、Ｂｉを含有した溶接部の結晶粒径は更に小さくなり良好であった。また、溶接部におけるＭｇおよびＬａの質量濃度が合計で０．００１〜１．０％となるようにＭｇガスおよび／またはＬａガスを溶融部に供給するのが望ましいことが示唆される。さらに、Ｂｉの質量濃度が０．００１〜０．１％となるようにＢｉガスを供給することが更に望ましいことが分かる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、金属ガスを用いているので、鋼材の溶融部に核物質形成用金属を超微粒子の状態で添加することが可能である。さらに、凝固時には、核物質形成用金属から形成された核物質の融点と鋼材の初晶晶出相の融点との関係から、上記核物質を基に結晶粒が生成される。したがって、溶融部に微細な結晶粒を分散析出させることができ、結晶粒の粗大化を防止することができるため、溶接部において、衝撃値等の機械的特性の低下を防止することができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鋼材の溶接方法の一例を示した概略図である。
【図２】本発明の鋼材の溶接方法の他の例を示した概略図である。
【図３】本発明の鋼材の溶接方法の他の例を示した概略図である。
【図４】本発明における蒸気発生装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  …  消耗電極式アーク溶接機
２  …  溶接電源
３  …  母材
４  …  溶接棒
５  …  溶融部
６  …  吹き込みランス
【図１】
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【図２】
2004337896.tif 000005
【図３】
2004337896.tif 000006
【図４】
2004337896.tif 000007