(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接入熱400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接に用いるワイヤであって、質量％で
Ｃ：0.02〜0.30％、              Si：0.05〜1.80％、
Mn：0.5 〜3.5 ％、              Al：0.005 〜0.08％、
Ni：3.0 ％以下、                Mo：0.05〜2.5 ％、
Ti：0.02〜0.40％、              Ｂ：0.013 超〜0.025 ％、
Ｎ：0.012 ％以下、              Ｏ：0.001 〜0.015 ％
を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
【請求項２】
前記組成に加えて、さらに質量％で、Cr：0.05〜2.5 ％、Ｖ：0.005 〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.5 ％のうちから選ばれた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に記載の大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロスラグ溶接用ワイヤに係り、とくに溶接入熱400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接において、良好な靱性を有する溶接金属が得られる大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地震発生時の脆性破壊を防止する観点から、建築物等の鋼構造物において、特に溶接部の高靱性化要求が厳しくなってきている。鉄骨構造に用いられる溶接法としては、ガスシールドアーク溶接、サブマージアーク溶接、エレクトロスラグ溶接等が挙げられる。なかでも、一般に他の溶接法よりも大きな入熱の溶接が可能で、高能率な溶接法であるエレクトロスラグ溶接は、鉄骨ダイアフラム、仕口部の立向き溶接に用いられている。例えば、ダイアフラムの板厚が60mm程度になると、１パスでエレクトロスラグ溶接を行う場合、溶接入熱は1,000kJ/cm程度となる。このような大入熱の溶接では、溶接時に溶接金属の冷却速度が小さくなり、溶接金属組織中に粗大な初析フェライトを多く含み、溶接金属の靱性が低下するという問題がある。
【０００３】
このような問題に対し、例えば、特開昭59−179289号公報には、Ｃ，Si,Mn,Cu,Ni,Cr,Mo,Ｖを適正範囲内とし、かつ、TSE 値（=41C+5Si+8Mn+28Cu+5Ni+2Cr+7Mo+32V ）が28以上となるように組成を調整した、極厚低合金高張力鋼板用エレクトロスラグ溶接ワイヤが提案されている。特開昭59−179289号公報に記載された技術では、極厚鋼板のエレクトロスラグ溶接で、53kg/mm2（519MPa）以上の引張強さと−20℃での吸収エネルギーが３kg-m（29.4Ｊ）以上を有するエレクトロスラグ溶接金属が得られるとしている。
【０００４】
また、特開平９−136710号公報には、エレクトロスラグ溶接において、母材とワイヤと当金との溶融で形成される溶接金属の珪素含有量が0.16〜0.20重量％の範囲内となるように、珪素含有量の少ない材質のワイヤを使用するとともに、当金の珪素含有量を、母材とワイヤの珪素含有量とに対応させて調整する、エレクトロスラグ溶接での溶接金属の珪素調整方法が提案されている。
【０００５】
また、特許第2892575 号公報には、Ｃ，Si，Mn，Ｐ，Ｓ，Tiを適正範囲内で含み、かつMnがMn≧３（Ｃ＋Si＋Mo＋Ti）を満足する非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接用ワイヤが提案されている。
しかし、特開昭59−179289号公報、特開平９−136710号公報、特許第2892575 号公報に記載された技術で得られる溶接金属は、シャルピー吸収エネルギーが試験温度０℃ないし−20℃で30Ｊ程度と、十分な靱性を有しているとは言い難い。
【０００６】
このような問題に対し、例えば、特開2002−79396 号公報には、Ｃ，Si，Mn，Mo，Ni，Ｂを適正範囲内で含有し、Ｎ，Ｏ含有量を低減した大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤが提案されている。特開2002−79396 号公報に記載された技術では、とくに、Ｃ含有量を抑制し、Si含有量を適正化し、さらにＢのオーステナイト粒界への偏析作用を利用し、溶接金属の粒径を制御することにより優れた溶接金属靭性が得られるとしている。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、大入熱エレクトロスラグ溶接では、母材希釈率が高く、また種々の組成の鋼材が使用されるため、特開2002−79396 号公報に記載されたワイヤを利用しても、高靱性の溶接金属を安定して得ることは困難であると推察される。
【０００８】
エレクトロスラグ溶接と同様に、大入熱溶接用として用いられるサブマージアーク溶接においても、高靱性の溶接金属を得る技術が特開平７−328793号公報、特開2000−107885号公報等に開示されている。しかしながら、エレクトロスラグ溶接は極めて溶接速度が遅く、溶接金属中の脱酸反応がより促進されることに加え、立向きであり、溶融プール中の酸化物が浮上しやすく大部分がスラグとして排出されるため、サブマージアーク溶接と同様の溶接材料では溶接金属の組織を微細にして十分な靱性を得ることができない。
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決し、溶接入熱が400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接に用いても、優れた靱性の溶接金属を得ることが可能な、大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するため、溶接入熱400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接における溶接金属靱性に及ぼす要因について鋭意研究を重ねた。その結果、大入熱エレクトロスラグ溶接においては、溶接金属の冷却速度が非常に遅く、初析フェライトが粗大に成長するため、まず、溶接金属の焼入れ性を改善し、旧オーステナイト粒界からの粗大な初析フェライト生成を抑制することが溶接金属靱性の劣化を防止するには重要であり、旧オーステナイト粒界に偏析し粒界フェライト生成を抑制するＢを適正量ワイヤ中に含有させることが必要であることを知見した。溶接金属靭性の劣化を防止するためには、Ｂによる粒界フェライト生成の抑制に加えて、さらに、粒内組織を微細なアシキュラーフェライトとすることが重要であることに想到した。粒内組織を微細なアシキュラーフェライトとするためには、特にアシキュラーフェライト生成核となる酸化物を形成するTiを適正量含有するように、ワイヤ組成を調整することが必要であることを知見した。また、エレクトロスラグ溶接では、脱酸元素はスラグとして排出されやすく、溶接金属中への歩留まりが著しく低下するため、ワイヤ中のTi、Ｂの含有量を、エレクトロスラグ溶接に対応した適正値とすることが必要であることも知見した。さらにアシキュラーフェライト生成核となるTi酸化物を安定して分散させるために、溶接金属中にAl，Ｂ, Tiを共存させて適正量含有する必要があることも知見した。
【００１１】
本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明は、溶接入熱400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接に用いるワイヤであって、質量％で、Ｃ：0.02〜0.30％、Si：0.05〜1.80％、Mn：0.5 〜3.5 ％、Al：0.005 〜0.08％、Ni：3.0 ％以下、Mo：0.05〜2.5 ％、Ti：0.02〜0.40％、Ｂ：0.013 超〜0.025 ％、Ｎ：0.012 ％以下、Ｏ：0.001 〜0.015 ％を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤであり、また、本発明では、前記組成に加えて、さらに質量％で、Cr：0.05〜2.5 ％、Ｖ：0.005 〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.5 ％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明ワイヤの化学成分限定理由について説明する。なお、以下、組成についての質量％は単に％で記す。
Ｃ：0.02〜0.30％
Ｃは、溶接金属の強度を増加し、かつ焼入れ性を向上させる元素であるが、Ｃ含有量が0.02％未満では十分な焼入れ性が得られない。一方、0.30％を超えて含有すると、溶接金属の高温割れが発生する可能性があり、さらには過剰な硬化や島状マルテンサイトの生成により溶接金属の靱性が劣化する。このため、、Ｃは0.02〜0.30％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.02〜0.15％である。
【００１３】
Si：0.05〜1.80％
Siは、脱酸作用を有するとともに、溶接金属の強度を向上させ、さらには溶接金属の湯流れ性を向上させる元素である。このような効果は、0.05％以上の含有で認められる。一方、1.80％を超えて含有すると、溶接金属の高温割れが発生する可能性があるほか、島状マルテンサイトの生成を助長し、溶接金属の靱性を劣化させる。このため、Siは0.05〜1.80％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.15〜1.50％である。
【００１４】
Mn：0.5 〜3.5 ％
Mnは、溶接金属の強度を増加し、かつ溶接金属の焼入れ性を向上させる元素である。Mn含有量が0.5 ％未満では、十分な焼入れ性が得られない。一方、3.5 ％を超えて含有すると、溶接金属の高温割れが発生するばかりでなく、上部ベイナイト相あるいはマルテンサイト相が生成して溶接金属の靱性が劣化する。このため、Mnは0.5 〜3.5 ％の範囲に限定した。なお、好ましくは、1.2 〜2.5 ％である。
【００１５】
Al：0.005 〜0.08％
Alは、強脱酸元素であり、溶接金属中での脱酸作用を促進させるためワイヤ中に含有させる。溶接金属の脱酸反応が不十分であると、溶接金属中の酸素が増加し、固溶状態で含有されるべき元素であるSi、Mn、Ｂ等が酸化物となり、溶接金属の焼入れ性低下、靱性劣化が生じる。このため、本発明では、Alは0.005 ％以上含有させる。しかし、過剰にAlを含有すると、溶接金属中にAl2O3 が多量に形成し、アシキュラーフェライト生成核となるTi酸化物の生成を阻害する。このため、本発明では、Alは0.005 〜0.08％の範囲に限定した。
【００１６】
Ni：3.0 ％以下
Niは、溶接金属の強度と靱性を向上させる元素として、0.05％以上含有することが好ましい。一方、3.0 ％を超えて含有すると、溶接金属の高温割れが発生する危険性が増大するばかりでなく、上部べイナイト相あるいはマルテンサイト相を生成して溶接金属靱性を劣化させる。このため、Niは3.0 ％以下に限定する。なお、好ましくは、0.05〜2.0 ％である。
【００１７】
Mo：0.05〜2.5 ％
Moは、溶接金属の強度を向上させ、かつ溶接金属の焼入れ性を増加し、変態時にアシキュラーフェライトの生成を促進し、溶接金属組織を微細化させる元素である。このような効果を得るためには、0.05％以上の含有を必要とする。一方、2.0 ％を超えて含有すると、溶接金属の高温割れが発生する可能性があるほか、過剰な硬化が生じ溶接金属靱性が劣化する。このため、Moは0.05〜2.5 ％の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.2 〜1.5 ％である。
【００１８】
Ti：0.02〜0.40％
Tiは、溶接金属中で酸化物を形成し、その酸化物を核として微細なフェライト相が生成して、溶接金属の靱性を向上させる効果を有する。また、Tiは、溶接金属中のＮをTiN として固定し、固溶Ｎによる溶接金属靱性の劣化を防止する効果を有する。このような効果は、0.02％以上の含有で認められる。エレクトロスラグ溶接では、Ti酸化物が溶融プールからスラグとして排出されやすいため、Ti含有量が0.02％未満では酸化物が十分に生成せず、溶接金属の靱性向上効果が得られない。一方、0.40％を超えて含有すると、Tiが溶接金属中で固溶元素として働くため、溶接金属が硬化して溶接金属靱性の劣化を招く。このため、Tiは0.02〜0.40％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.15〜0.30％である。
【００１９】
Ｂ：0.013 超〜0.025 ％
Ｂは、溶接金属の焼入れ性を向上させ、溶接金属の靱性を向上させる元素である。また、Ｂは、Tiと同様にＮをBNとして固定し、固溶Ｎによる溶接金属靱性の劣化を防止する効果がある。しかも、Ｂは、旧オーステナイト粒界に偏析し、粗大な初析フェライトの成長を抑制する作用を有し、溶接金属の靱性をより一層向上させる効果も有する。
【００２０】
このようなＢの効果を得るには、溶接金属中で酸化物あるいは窒化物として固定されないフリーＢを適正量確保する必要があり、エレクトロスラグ溶接においてはワイヤから多量にＢを添加するのが有効である。そのため、ワイヤ中にＢは0.013 ％超含有する必要がある。一方、0.025 ％を超えて含有すると、溶接金属の焼入れ性が過剰に高くなり、高温割れが発生しやすくなるばかりでなく、マルテンサイト相が生成して溶接金属靱性が劣化する。このため、Ｂは0.013 超〜0.025 ％の範囲に限定する。なお、好ましくは0.015 〜0.025 ％である。
【００２１】
Ｎ：0.012 ％以下
Ｎは、溶接金属中に固溶し、溶接金属の靱性を劣化させる元素であり、本発明ではできるだけ低減することが好ましい。本発明では、ワイヤ中にTi、Ｂを多量に含有するため、溶接金属中のＮをTiN 、BNとして固定でき、固溶Ｎによる溶接金属靱性の劣化をある程度抑制することが可能である。しかし、0.012 ％を超えて含有すると、溶接金属中のフリーＢが十分に確保できなくなり、Ｂの初析フェライト抑制効果が得られず、溶接金属靱性が劣化する。このため、Ｎは0.012 ％以下とする。なお、好ましくは0.008 ％以下である。
【００２２】
Ｏ：0.001 〜0.015 ％
Ｏは、アシキュラーフェライト生成核となるTi酸化物の形成のために、0.001 ％以上含有する必要がある。しかし、0.015 ％を超えて含有すると、溶接金属中のＯが過剰となり溶接金属の焼入れ性が低下し、溶接金属靱性が劣化する。このため、Ｏは0.001 〜0.015 ％の範囲に限定した。
【００２３】
上記した成分に加えて、本発明では、さらにCr：0.05〜2.5 ％、Ｖ：0.005 〜0.5 ％、Nb：0.005 〜0.5 ％のうちから選ばれた１種または２種以上を選択してして含有することができる。Cr、Ｖ、Nbは、いずれも大入熱溶接において溶接金属の強度、靱性を向上させる元素であり、必要に応じ選択して含有できる。
Cr：0.05〜2.5 ％
大入熱溶接において溶接金属の強度と靱性を向上させるために、Crは、0.05％以上含有することが好ましいが、2.50％を超えて含有すると、溶接金属の高温割れが発生するばかりでなく、上部ベイナイト相あるいはマルテンサイト相が生成して溶接金属靱性が劣化する。このため、Crは0.05〜2.50％の範囲に限定することが好ましい。
【００２４】
Ｖ：0.005 〜0.5 ％
Ｖは、Crと同様に、大入熱溶接において溶接金属の強度を向上させ、組織を微細化して靱性を向上させる。このような効果を得るためには、Ｖは0.005 ％以上含有することが好ましい。一方、0.5 ％を超えて含有すると、溶接金属の硬化により靱性が劣化する。このため、Ｖは0.005 〜0.5 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２５】
Nb：0.005 〜0.5 ％
Nbは、Cr、Ｖと同様に、大入熱溶接において溶接金属の強度を向上させ、組織を微細化して靱性を向上させる。このような効果を得るためには、0.005 ％以上含有することが好ましい。一方、0.5 ％を超えて含有すると、溶接金属の硬化により靱性が劣化する。このため、Nbは0.005 〜0.5 ％の範囲に限定することが好ましい。
【００２６】
なお、これらの成分は、ソリッドワイヤ中の含有量として添加量を規定したが、フラックス入りワイヤを用いてエレクトロガス溶接を行う場合には、ワイヤ中のフラックスから相当量の添加を行っても同様の効果が得られる。
なお、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明の効果を実施例に基づいて説明する。
表１に示す化学組成の厚鋼板（板厚：60mm）をスキンプレート、ダイアフラムとして用い、 図１に示すように組立てて、表３に示す組成の溶接ワイヤ（線径は1.6mm ）を使用し、表２に示す条件でエレクトロスラグ溶接を行い、溶接継手を作製した。なお、側板は、JIS-SN 490相当のフラットバーを使用した。
【００２８】
溶接終了後、図２に示すように、溶接継手の溶接金属部からJIS Z 2202の規定に準拠した2mm-Ｖノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、 JIS Z 2242の規定に準拠して衝撃試験を実施し、溶接金属の靭性評価を行った。なお、衝撃試験片のノッチ位置は、スキンプレート板厚方向で溶接金属幅が最大となる部位の溶接金属中心部とした。また、溶接金属の靭性評価は、試験温度０℃におけるシャルピー吸収エネルギーvE0 により行い、各々３本ずつの試験結果の平均値で評価した。なお、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーvE0 が100 Ｊ以上である場合を靭性良好と判定した。得られた結果を表３に示す。
【００２９】
【表１】
0003891039.tif 000002
【００３０】
【表２】
0003891039.tif 000003
【００３１】
【表３】
0003891039.tif 000004
【００３２】
【表４】
0003891039.tif 000005
【００３３】
本発明例（No. １〜12）は、いずれも良好な靱性を有する溶接金属が得られている。一方、本発明の範囲を外れる組成のワイヤを使用した比較例（No. １〜20) では、vE0 が100 Ｊ未満であり、溶接金属靭性が劣化している。
このように、本発明の溶接ワイヤを使用した大入熱エレクトロスラグ溶接継手では、良好な靱性を有する溶接金属が得られることが確認できた。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接入熱が400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接を行なった溶接継手においても、良好な靱性を有する溶接金属が安定して得られ、溶接鋼構造物の安全性、さらには溶接施工効率が顕著に向上し、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で使用した溶接継手の組立て形状を示す説明図である。
【図２】衝撃試験片の採取要領を模式的に示す説明図である。
【図１】
0003891039.tif 000006
【図２】
0003891039.tif 000007