(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼心線の外周を被覆剤で被覆し、該被覆剤が被覆剤質量に対して、
Ｃｕ：０．２〜３．０％、
Ｎｉ：５．０〜１８％（５．０％を除く）、
Ｓｉ：２．０〜１５％、
Ｍｎ：０．５〜５．０％、
ＣａＣＯ３：３５〜５５％、
ＣａＦ２：１０〜２１％
を含有し、
Ｃｒ：０．０５％未満
に制限するとともに、上記以外の脱酸剤、アーク安定剤、スラグ生成剤および粘結剤を含む被覆剤であることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ系海岸高耐候性鋼用低水素系被覆アーク溶接棒。
【請求項２】
被覆剤質量％に対してさらに、
Ｔｉ：０．５〜５．０％、
Ａｌ：０．１〜５．０％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のＣｕ−Ｎｉ系海岸高耐候性鋼用低水素系被覆アーク溶接棒。
【請求項３】
被覆剤質量％に対してさらに、
Ｍｏ：０．１〜５．０％、
Ｖ：０．１〜２．０％、
Ｎｂ：０．１〜１．０％、
Ｗ：０．１〜３．０％
の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣｕ−Ｎｉ系海岸高耐候性鋼用低水素系被覆アーク溶接棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海浜地域や融雪塩を散布する地区など、高飛来海塩粒子環境で塩害が懸念される大気環境における橋梁、鉄塔などの鋼構造物などに使用されるＣｕ−Ｎｉ系高耐候性鋼の溶接に使用し、良好な溶接性と優れた溶接金属性能、また溶接継手部の飛来海塩粒子による塩害に対して、優れた耐候性を有するＣｕ−Ｎｉ系高耐候性鋼用低水素系被覆アーク溶接棒に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海岸地帯などの塩害が発生する場所で使用する鋼構造部材の防食としては、普通鋼材の塗装使用、めっき鋼板の使用、溶射やモルタルライニングなどの表面皮膜の使用、ステンレスやチタンなどの高合金耐食材料の使用が挙げられる。さらに、鋼構造物の維持管理費を低減する技術として、耐候性鋼材の無塗装使用が挙げられる。
【０００３】
塗装の場合、塗り替えが必然的に必要なために維持管理費がかかるといった問題があった。また、めっきの場合、構造体の溶融めっきでは熱応力による変形やめっきの剥離などといった問題があった。溶射やモルタルライニングの場合も、防食皮膜の剥離や劣化などが問題であった。高合金の耐食材料の場合、材料コストが高く、主要構造部材として広く使えないといった問題があった。
【０００４】
耐候性鋼材は、無塗装使用の場合、使用後数年〜１０数年で鋼材表面に防食性に優れた緻密な安定さびが形成し、この安定さびがその後の鋼材の腐食の進行を防ぐという鋼材である。しかし、海浜地区や融雪塩を散布する地区など飛来海塩粒子量が多い地域では、鋼板表面に付着した塩分によって保護性に優れた安定さびの形成が阻害されるため、無塗装使用に適さないといった問題があった。
【０００５】
このような背景から、飛来海塩粒子の多い地域において、塗装処理やめっき処理を必要としない、いわゆる裸使用の可能な鋼材が開発されている。その鋼材の化学成分は、質量％でＮｉを１．０〜５．５％含有させ、かつＣｕを０．３０〜１．００％添加した飛来海塩粒子による安定さび層の破壊を防止する鋼板が開発されている。
【０００６】
一方、低水素系被覆アーク溶接棒では、鋼構造物の溶接には必要不可欠の溶接方法であることから一般に使用されており、更にＮｉおよびＣｕを添加した低水素系被覆アーク溶接棒の例としては、例えば特公平５−６６２３９号公報がある。これは、Ｃｕを添加し耐海水腐食特性を向上させると共に、Ｎｉの添加により低温じん性を改良し、また、Ｃｒを添加することにより耐海水腐食特性を更に向上させているが、本発明とは、腐食環境が異なることにより被覆剤中に添加する合金の量が異なる。
【０００７】
また、特公平７−１１０４３１号公報には、特にＣｕを鋼心線から添加し溶接棒製造時の生産性を改良した一般の耐候性鋼用低水素系被覆アーク溶接棒が提案されているが、腐食環境がそれほど厳しくないため、被覆剤中に添加する合金の量が異なることと、Ｎｉ添加の主な目的が溶滴の移行性を改善するために添加している。また、これら低水素系被覆アーク溶接棒をそのまま本発明の対象であるＣｕ−Ｎｉ系高耐候性鋼に使用した場合、鋼材の化学成分と溶接金属の化学成分との適正化が不十分であり、従って、溶接継手部の飛来海塩粒子に対する耐候性は十分ではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の低水素系被覆アーク溶接棒をそのまま本発明の対象であるＣｕ−Ｎｉ系高耐候性鋼に使用した場合、鋼材の化学成分と溶接金属の化学成分との適正化が不十分となり、母材と電気化学的に局部電池が形成されることによって、溶接金属部や継手ボンド部の耐候性が劣化しやすく、溶接継手部の飛来海塩粒子に対する耐候性は十分ではなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記海浜耐候性鋼がＣｕ、Ｎｉの添加によって、飛来海塩粒子に対する優れた耐食性の保持を図っていることに鑑み、Ｃｕ、Ｎｉ含有量の異なる鋼を接触させた場合、接触電位が発生し、両鋼の腐食が進行しやすくなるという知見を生かし、溶接棒成分を適正化することにより母材と溶接金属の耐候性のバランスを図る方法を見いだした。
【００１０】
さらに、従来の耐候性鋼の耐候性向上に有効であったＣｒが、高濃度海塩粒子環境下では、むしろ耐候性に対して顕著な悪影響があるということから、溶接棒中のＣｒ量を規制することが必要であることを見いだした。
【００１１】
本発明は上記知見に基づくものであり、要旨とするところは、Ｃｕ−Ｎｉ系海浜耐候性鋼材を手溶接する際に用いられる低水素系被覆アーク溶接棒であって、被覆剤が被覆剤質量に対して、Ｃｕ：０．２〜３．０％、Ｎｉ：５．０〜１８％（５．０％を除く）、Ｓｉ：２．０〜１５％、Ｍｎ：０．５〜５．０％、ＣａＣＯ３：３５〜５５％、ＣａＦ２：１０〜２１％を含有し、必要に応じてさらにＴｉ：０．５〜５．０％、Ａｌ：０．１〜５．０％、Ｍｏ：０．１〜５．０％、Ｖ：０．１〜２．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０％、Ｗ：０．１〜３．０％の１種または２種以上を含有し、Ｃｒ：０．０５％未満に制限するとともに、上記以外の脱酸剤、アーク安定剤、スラグ生成剤および粘結剤を含む被覆剤であることを特徴とするＣｕ−Ｎｉ系海岸高耐候性鋼用低水素系被覆アーク溶接棒である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について説明する。まず、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒における化学組成の限定理由とその作用について述べる。
【００１３】
Ｃｕ：０．２〜３．０％
Ｃｕは鋼中のＦｅとともに溶出し、さび層の形成時にさび粒子の結晶化および粗大化を抑制し、さび層の緻密さを保持するため、高濃度飛来海塩粒子環境下における耐候性を向上させるのに不可欠な元素である。０．２％以上の添加でその効果が有効に発揮され、添加量は多ければ多いほど良いが、３．０％を超えると高温割れが発生しやすくなると共にじん性が劣化しやすくなる。また、アークの吹き付けが弱く棒焼けしやすくなる。よって、添加量は０．２〜３．０％とした。
【００１４】
Ｎｉ：５．０〜１８％（５．０％を除く）
Ｎｉが溶接金属表面さび層中に０．５％以上含まれると、溶接金属中のＮｉはＦｅと共にさび層に溶出し、さび層中にほぼ均一に含まれるようになる。すると、さび層表面に付着した飛来海塩粒子に由来するＣｌイオンのさび層／地鉄界面への浸透を抑制し、さび層内部のＣｌ濃度の上昇を抑制する。それはさび粒子の結晶化および粗大化を抑制することになり、さび層の緻密さを保つ効果をもたらす。また、溶接金属中のＮｉ含有量の増加に従い、Ｃｌイオンを含んだ水溶液中での乾湿繰り返し腐食環境で溶接金属の耐食性を向上させる。上述のように、さび層中にＮｉを０．５％以上含ませるためには、被覆剤にＮｉが５．０％超添加されている必要がある。Ｎｉのこの様な耐候性は含有量が高ければ高いほど良いが、１８％を超えると、溶接における高温割れが生じる危険があることに加え、コスト高にもなる。また、アークの吹き付けが弱くなる。よって、添加量は５．０％〜１８％（５．０％を除く）とした。好ましくは、母材となる鋼材のＮｉ含有量に合わせて溶接棒被覆へのＮｉ添加量を鋼材と同等量にした方が良い。
【００１５】
Ｓｉ：２．０〜１５％
Ｓｉは脱酸剤として溶接金属中の酸素量を低減させ、じん性を向上させる効果があると共に、溶接金属中に残留し、合金成分として溶接金属の強度およびじん性を確保するために添加される。しかし、添加量が２．０％未満では溶接金属の強度が不足することに加え、母材と溶接金属とのなじみが著しく劣化する。一方、１５％を超えて添加すると、溶接金属中への歩留りが過剰となりじん性を劣化させると共に、ピットやブローホールが発生してＸ線性能を低下させる。よって、添加量は２．０〜１５％とした。
【００１６】
Ｍｎ：０．５〜５．０％
Ｍｎも脱酸剤として溶接金属中の酸素量を低減させ、じん性を向上させる効果があると共に、溶接金属中に残留し、合金成分として溶接金属の強度およびじん性を確保するために添加される。また、アークの安定剤としての役割もある。添加量が０．５％未満では脱酸が不十分となりじん性が劣化する。また、歩留りが不足するために十分な溶接金属の強度が得られない。一方、５．０％を超えて添加すると溶接金属へ歩留りが過剰となり、強度過剰となり溶接金属のじん性を劣化させると共に、ピットやブローホールが発生してＸ線性能を低下させる。よって、添加量は０．５〜５．０％とした。
【００１７】
ＣａＣＯ３：３５〜５５％
ＣａＣＯ３は、被覆剤の主成分となるもので、ガス発生剤としての作用がある。その添加量が３５％未満ではガス発生量が不足し大気中の窒素や酸素を十分に遮断できず、ピットやブローホールが発生してＸ線性能を低下させる。一方、５５％を超えて添加するとアークの吹き付けが弱くなったり、スパッタが増加する。よって、添加量は３５〜５５％とした。
【００１８】
ＣａＦ２：１０〜２１％
ＣａＦ２は、スラグの粘性調整剤としての作用を有している。その添加量が１０％未満ではスラグの粘性が高くなりすぎビード形状ビード外観が劣化する。一方、２１％を超えて添加するとスラグの粘性が著しく低下するので、スラグの巻き込みや融合不良が発生する。よって、添加量は１０〜２１％とした。
【００１９】
Ｃｒ：０．０５％未満
ＣｒはＦｅよりも卑な元素であり、溶接金属中の含有量が増えれば海塩粒子の多い環境における耐候性を阻害するため、極力低減させることが好ましい。０．０５％未満であれば、耐候性への阻害を無視できるので、その量を０．０５％未満とした。
【００２０】
本発明は必要に応じて以下のものを添加することができる。
Ｔｉ：０．５〜５．０％
Ｔｉは、フェライト相内に微細にかつ均一に分散し溶接金属中のＣｕおよびＮｉがＦｅと共に均一に溶出する反応を促進し、Ｃｌイオンの浸透を抑制する緻密なさび層の形成を促進する。この効果を得るには０．５％以上の添加が必要である。一方、５．０％を超えて添加すると粗大な析出物が生成し、じん性が劣化するので、添加量は０．５〜５．０％とした。
【００２１】
Ａｌ：０．１〜５．０％
Ａｌは脱酸剤として作用しその効果は０．１％で発揮するが、添加量が多いと介在物が増加するため、上限を５．０％とした。
【００２２】
Ｍｏ：０．１〜５．０％、Ｗ：０．１〜３．０％
ＭｏおよびＷは必要に応じて０．１％以上添加すると耐候性または安定さびを形成する能力を更に向上させる作用があるが、その効果は、それぞれＭｏは５．０％、Ｗは３．０％で飽和する。
【００２３】
Ｖ：０．１〜２．０％、Ｎｂ：０．１〜１．０％
ＶおよびＮｂは強度を上昇させる効果があり、０．１％以上添加するが、Ｖは２．０％、Ｎｂは１．０％を超えて添加するとじん性が劣化する。
【００２４】
その他の成分は、脱酸剤、アーク安定剤、スラグ生成剤、粘結剤などからなるものであり、Ｍｇ、Ｆｅ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏなどを添加できる。
【００２５】
【実施例】
次に、実施例に基づき本発明を更に具体的に説明する。Ｃが０．０１〜０．０５％の極軟鋼線材を直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍに伸線切断し、鋼心線の外周を各種配合の被覆剤で被覆して被覆アーク溶接棒を製作した。被覆剤の成分組成を表１および表２に示す。これらの試作溶接棒について、溶接試験により溶接作業性、溶接性能および耐食性を評価した。それらの結果を表３に示す。溶接試験は、母材として０．１％Ｃ−０．２％Ｓｉ−１．３％Ｍｎ−０．４％Ｃｕ−３．０％Ｎｉ系の板厚２５ｍｍの供試鋼板を用いて、立向上進姿勢で、１３０〜１６０Ａの電流で溶接を行った。
【００２６】
【表１】
0004598233.tif 000002
【００２７】
【表２】
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【００２８】
【表３】
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【００２９】
溶接作業性は、アーク状態、スパッタ、スラグ剥離、ビード外観・形状等を観察して総合的に評価した。溶接性能は、板厚中央より溶接金属部のじん性を−４０℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーで評価した。また、耐食性の評価条件は、離岸距離が５ｍの地点（平均飛来海塩粒子量：１．３ｍｇ／ｃｍ２／ｄａｙ）に試験片を設置して暴露試験を３年間実施した。溶接金属の耐候性をさびの外観評点評価、腐食量から求めた平均板厚減少量の２項目である。ただし、平均板厚減少量は片面についてのみ行った。さびの安定化の状況をさび層の外観評点１〜４で評価し、４が最良で安定さびの形状を示した場合であり、３が一部分に剥離さびが発生しており、２はさびが面の１／２まで広がった状態を、１が層状の剥離さびが全面に認められ、さびの安定化および腐食進展の防止が期待できない状態を示すという指標により評価を行った。
【００３０】
本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．７の溶接棒は、全姿勢溶接が可能であり、良好な溶接作業性を維持しつつ機械性能にも優れている。また、飛来海塩粒子に対する耐食性にも優れていることが確認された。
【００３１】
一方、比較例であるＮｏ．８は、Ｃｒ量が多すぎるため安定さびが形成され難く腐食量が多くなった。Ｎｏ．９は、Ｃｕ量が多すぎるためじん性が劣化した。また、ＣａＣＯ３量が少なすぎるため、ガス発生量が不足し溶接作業性が劣化した。Ｎｏ．１０は、Ｎｉ量が多すぎるため、アークの吹き付けが弱く、しかも溶接金属に高温割れが発生したため溶接性能および腐食試験は中止した。
【００３２】
Ｎｏ．１１は、ＣａＦ２量が少なすぎるため、スラグの粘性が高くなりすぎビード形状が凸形になった。また、Ｔｉ量が多すぎるため粗大な析出物の析出が起こり、じん性が劣化した。Ｎｏ．１２は、Ｎｉ量が少なすぎるため、耐食性が劣化した。また、Ｖ量が多すぎるためじん性が劣化した。Ｎｏ．１３は、Ｍｎ量が多すぎるため強度過剰となりじん性が劣化した。
【００３３】
Ｎｏ．１４は、Ｓｉ量が少なすぎるため溶接作業性が著しく劣化すると共に、脱酸が不十分となってじん性が劣化する。さらにＣｒ量も多すぎるため耐食性が劣化した。Ｎｏ．１５は、Ｃｕ量が少なすぎるため耐食性が劣化した。また、ＣａＦ２量が多すぎるためスラグの粘性が低下し溶接作業性が劣化した。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の被覆アーク溶接棒は、以上のように構成されており、全姿勢溶接において良好な溶接作業性が得られる低水素系被覆アーク溶接棒において、Ｃｕ−Ｎｉ系高耐候性鋼に最適な被覆組成とすることによって、優れた溶接金属性能と溶接金属の飛来海塩粒子に対する優れた耐食性を付与することが可能になった。