(57)【要約】【課題】優れた靭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。【解決手段】質量％で、C：0.02〜0.20％、Si：0.05〜1.40％、Mn：0.5〜3.0％、Cu：2.0％以下、Ni：3.0％以下、Mo：0.05〜2.5％、Al：0.005〜0.08％、Ti：0.02〜0.3％、B:0.002〜0.020％、N：0.010％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。【選択図】図１
2009045671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、C：0.02〜0.20％、Si：0.05〜1.40％、Mn：0.5〜3.0％、Cu：2.0％以下、Ni：3.0％以下、Mo：0.05〜2.5％、Al：0.005〜0.08％、Ti：0.02〜0.3％、B:0.002〜0.020％、N：0.010％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、更に、質量％で、Cr：0.05〜2.5％、V：0.005〜0.5％、Nb：0.005〜0.5％の中から選ばれる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。
【請求項３】
前記組成に加えて、更に、質量％で、REM：0.001〜0.02％、Mg：0.001〜0.02％、Ca：0.001〜0.02％の中から選ばれる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または２のいずれか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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接入熱が400kJ/cm以上の大入熱エレクトロスラグ溶接において、良好な靭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ものである。
【背景技術】
【０００２】
地震などの大変形破壊時における脆性破壊を防止する観点から、高層建築物などの溶接鋼構造物では、溶接部に対する高靭性化の要求が高まっている。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などが挙げられるが、中でも、溶接入熱が大きくて、高能率な溶接法であるエレクトロスラグ溶接は、鉄骨ダイアフラムや仕口部の組立て溶接に多く用いられている。
【０００３】
例えば、板厚60mmのダイアフラムに対して、１パスのエレクトロスラグ溶接を行った場合、溶接入熱は1000kJ/cm程度になり、このような大入熱溶接においては、溶接時の溶接金属の冷却速度が非常に小さく、溶接金属は粗大な初析フェライトを多く含んだ組織となるため、十分な靭性が得られないという問題がある。
【０００４】
このような問題を改善するために、例えば、特許文献１では、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開示されている。
【０００５】
本文献によると、極厚鋼板のエレクトロスラグ溶接において、53kg/mm2（519MPa）以上の引張強さと試験温度-20℃におけるシャルピー吸収エネルギーvE-20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。
【０００６】
また、特許文献２には、C、Si、Mn、P、S、Tiを適正範囲内とし、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開示されている。
【０００７】
しかし、これら特許文献１、特許文献２に開示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℃ないしは-20℃で30J程度であり、十分な靭性を有しているとは言い難い。
【０００８】
これに対して、特許文献３には、C、Si、Mn、Mo、Ni、Bを適正範囲で含有し、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開示されている。本文献によると、溶接金属の靭性を阻害するセメンタイト（Fe3C）の生成を抑制するために、C含有量の抑制とSi含有量の適正化を図り、さらにBのオーステナイト粒界への偏析作用を利用した結晶粒の微細化を達成することで、優れた溶接金属靭性が得られるとしている。
【０００９】
しかしながら、大入熱エレクトロスラグ溶接では、母材の希釈率が高く、また種々の組成の鋼材が使用されるため、特許文献３に記載されたワイヤを用いても、高靭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。
【００１０】
また、特許文献４には、エレクトロスラグ溶接と同様、大入熱溶接として用いられるサブマージアーク溶接の溶接金属靭性を向上させる方法が開示されている。しかしながら、エレクトロスラグ溶接はサブマージアーク溶接に比べて溶接速度は格段に遅く、溶接金属中の脱酸反応はより促進される傾向にある。
【００１１】
さらに、エレクトロスラグ溶接は、立向き溶接であるため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やすい。このため、エレクトロスラグ溶接にサブマージアーク溶接と同様の溶接材料を適用しても、十分な靭性を有する溶接金属を得ることは困難である。
【特許文献１】特開昭５９−１７９２８９号公報
【特許文献２】特許第２８９２５７５号公報
【特許文献３】特開２００２−７９３９６号公報
【特許文献４】特許第３５５２３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の従来技術の問題点を鑑みて、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た場合においても、優れた靭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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者らは、上記の課題を解決するため、大入熱エレクトロスラグ溶接の溶接金属靭性に及ぼす要因について鋭意検討を行った。その結果、大入熱エレクトロスラグ溶接では、溶接金属の冷却速度が非常に遅いため、旧オーステナイト粒界から析出した初析フェライトが粗大に成長して靭性が劣化する。
【００１４】
したがって、溶接金属の靭性改善を図るには、溶接金属の焼入れ性を向上させ、旧オーステナイト粒界からのフェライト生成を抑制することが重要であり、そのために溶接ワイヤ中にBを適正量含有させることが有効であることを知見した。
【００１５】
さらに、Bによる粒界フェライトの生成抑制効果に加えて、粒内組織を微細なアシキュラーフェライトとすることも重要である。そのためには、アシキュラーフェライトの生成核となる酸化物を形成するTiを溶接ワイヤ中に適正量含有させることが必要であることを知見した。
【００１６】
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いため、溶接金属中への歩留まりが著しく低下する。このため、溶接ワイヤ中のTi、Bの含有量はエレクトロスラグ溶接に対応した適性値とすることが必要であることを知見した。
【００１７】
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。
【００１８】
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。その発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
【００１９】
第一の発明は、質量％で、C：0.02〜0.20％、Si：0.05〜1.40％、Mn：0.5〜3.0％、Cu：2.0％以下、Ni：3.0％以下、Mo：0.05〜2.5％、Al：0.005〜0.08％、Ti：0.02〜0.3％、B:0.002〜0.020％、N：0.010％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る。
【００２０】
第二の発明は、前記組成に加えて、更に、質量％で、Cr：0.05〜2.5％、V：0.005〜0.5％、Nb：0.005〜0.5％の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする第一の発明に記載の大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤである。
【００２１】
第三の発明は、前記組成に加えて、更に、質量％で、REM：0.001〜0.02％、Mg：0.001〜0.02％、Ca：0.001〜0.02％の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする第一の発明または第二の発明のいずれかに記載の大入熱エレクトロスラグ溶接用ワイヤである。
【００２２】
なお、本発明において、大入熱とは、溶接入熱が400KJ/cm以上のエレクトロスラグ溶接をいう。
【発明の効果】
【００２３】
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った溶接継手においても、良好な靭性を有する溶接金属が安定して得られることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る溶接用ワイヤの成分組成の限定理由は、以下の通りである。なお、本明細書において、溶接用ワイヤの成分を表す％は、全て質量％を意味する。
【００２５】
C：0.02〜0.20％
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、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、0.20％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靭性が劣化する。このため、C量は、0.02〜0.20％の範囲とする。なお、好ましくは、0.02〜0.15％の範囲である。
【００２６】
Si：0.05〜1.40％
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、1.40％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他、島状マルテンサイトの生成を助長し、溶接金属の靭性を劣化させる。このため、Si量は、0.05〜1.40％の範囲とする。なお、好ましくは、0.15〜1.20％の範囲である。
【００２７】
Mn：0.5〜3.0％
Mn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。しかし、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、3.0％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、上部ベイナイトあるいはマルテンサイトが生成して溶接金属靭性が劣化する。このため、Mn量は、0.5〜3.0％の範囲とする。なお、好ましくは、1.2〜2.5％の範囲である。
【００２８】
Cu：2.0％以下
Cuは、溶接金属の強度を向上させ、かつ焼入れ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、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危険性が増大するばかりでなく、過剰な硬化が生じて溶接金属靭性が劣化する。このため、Cu量は2.0％以下とする。なお、好ましくは、0.05〜1.0％の範囲である。
【００２９】
Ni：3.0％以下
Niは、溶接金属の強度と靭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、上部ベイナイトあるいはマルテンサイトを生成して溶接金属靭性を劣化させる。このため、Ni量は3.0％以下とする。なお、好ましくは、0.05〜2.0％の範囲である。
【００３０】
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、2.5％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他、過剰な硬化が生じ溶接金属靭性が劣化する。このため、Mo量は0.05〜2.5％の範囲とする。なお、好ましくは、0.2〜1.5％の範囲である。
【００３１】
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などが酸化物となり、溶接金属の焼入れ性低下、靭性劣化が生じる。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が多量に形成され、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量は0.005〜0.08％の範囲とする。
【００３２】
Ti：0.02〜0.3％
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、溶接金属の靭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による溶接金属靭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、溶接金属の靭性向上効果が得られない。一方、0.3％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靭性の劣化を招く。このため、Ti量は0.02〜0.3％の範囲とする。なお、好ましくは、0.15〜0.25％の範囲である。
【００３３】
B:0.002〜0.020％
Bは、溶接金属の焼入れ性を向上させ、溶接金属の靭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による溶接金属靭性の劣化を防止する効果を有する。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、溶接金属の靭性をより一層向上させる効果も有する。このようなBの効果を得るためには、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0.002％以上含有する必要がある。一方、0.020％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靭性が劣化する。このため、B量は0.002〜0.020％の範囲とする。
【００３４】
N：0.010％以下
Nは、溶接金属中に固溶して溶接金属の靭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やBNとして固定でき、固溶Nによる溶接金属靭性の劣化をある程度は抑制することが可能である。しかし、0.010％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、溶接金属靭性が劣化する。このため、N量は0.010％以下とする。なお、好ましくは、0.008％以下である。
【００３５】
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、溶接金属靭性が劣化する。このため、O量は0.001〜0.015％の範囲とする。
【００３６】
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％の中から選ばれる１種または２種以上を選択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、靭性を向上させる元素だからである。
【００３７】
Cr：0.05〜2.5％
Crは、大入熱溶接において溶接金属の強度と靭性を向上させるためには、0.05％以上含有することが好ましいが、2.5％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、上部ベイナイトあるいはマルテンサイトが生成して溶接金属靭性が劣化する。従って、Crを添加する場合は、0.05〜2.5％の範囲とすることが好ましい。
【００３８】
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と靭性を向上させる。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が、0.5％を超えて含有すると、溶接金属の硬化により靭性が劣化する。従って、Vを添加する場合は、0.005〜0.5％の範囲とすることが好ましい。
【００３９】
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、組織を微細化して靭性を向上させる。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靭性が劣化する。従って、Nbを添加する場合は、0.005〜0.5％の範囲とすることが好ましい。
【００４０】
上記した成分に加えて、本発明では、さらに、REM：0.001〜0.02％、Mg：0.001〜0.02％、Ca：0.001〜0.02％の中から選ばれる１種または２種以上を含有することができる。REM、Mg、Caは、いずれも大入熱溶接において溶接金属の靱性を向上させる元素だからである。
【００４１】
REM：0.001〜0.02％
REMは、大入熱溶接において溶接金属の靱性を向上させるためには、0.001％以上含有することが好ましいが、0.02％を超えて含有すると、溶接金属が硬化して靱性が劣化する。従って、REMを添加する場合は、0.001〜0.02％の範囲とすることが好ましい。なお、本発明においては、REMは特定の元素に限定しないが、Ce、La、Ndなどの比較的安価で入手しやすい元素を用いるのが好ましい。
【００４２】
Mg：0.001〜0.02％
Mg は、REMと同様に、大入熱溶接において溶接金属の靱性を向上させる。このような効果を得るためには、0.001％以上含有することが好ましいが、0.02％を超えて含有すると、粗大な酸化物が生成して溶接金属の靱性が劣化する。従って、Mgを添加する場合は、0.001〜0.02％の範囲とすることが好ましい。
【００４３】
Ca：0.001〜0.02％
Caは、REM、Mgと同様に、大入熱溶接において溶接金属の靱性を向上させる。このような効果を得るためには、0.001％以上含有することが好ましい。一方、0.02％を超えて含有すると、粗大な酸化物や硫化物が生成して溶接金属の靱性が劣化する。従って、Caを添加する場合は、0.001〜0.02％の範囲とすることが好ましい。
【００４４】
なお、これらの成分の添加量は、ソリッドワイヤ中の含有量として規定したが、これらの合金成分の添加をフラックス入り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。
【実施例１】
【００４５】
以下、実施例に基づいて本発明の効果を示す。
【００４６】
表１に示す化学組成の厚鋼板（板厚：60mm）をスキンプレートおよびダイアフラムとして用いて、図１に示す形状に組立てた後、表３に示す化学組成の溶接ワイヤ（ワイヤ径:1.6mm）を使用してエレクトロスラグ溶接を行った。表２に溶接条件を示す。なお、裏当金はJIS規格のSN490相当のフラットバーを使用した。
【００４７】
【表１】
2009045671.tif 000003
【００４８】
【表２】
2009045671.tif 000004
【００４９】
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2mmV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。
【００５０】
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、各々繰返し３本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100J以上である場合を靭性良好と判定した。これらの試験結果も表３にまとめて示す。
【００５１】
【表３】
2009045671.tif 000005
【００５２】
【表４】
2009045671.tif 000006
【００５３】
表３の溶接ワイヤ記号Ｙ１〜Ｙ２１が本発明例、表４の溶接ワイヤ記号Ｚ１〜Ｚ２１は比較例である。本発明例である表３の溶接ワイヤ記号Ｙ１〜Ｙ２１は、溶接ワイヤの化学成分が適正であるので、良好な靭性を有する溶接金属が得られている。
【００５４】
一方、本発明の範囲を外れる組成である表４の溶接ワイヤ記号Ｚ１〜Ｚ２１では、0℃におけるシャルピー吸収エネルギーvE0が100J未満であり、溶接金属靭性が劣化している。
以上のように、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、良好な靭性を有する溶接金属が得られることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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った溶接継手においても、良好な靭性を有する溶接金属が安定して得られることから、溶接鋼構造物の安全性や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】
【００５６】
【図１】溶接継手の組立て形状を説明する図である。
【図２】衝撃試験片の採取要領を説明する図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    スキンプレート
２    ダイアフラム
３    裏当金
４    溶接金属
５    シャルピー衝撃試験片
【図１】
2009045671.tif 000007
【図２】
2009045671.tif 000008