(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の鋼材と他方の鋼材とが入熱２００ＫＪ／cm以上の大入熱溶接により溶接金属を介して一体的に接合された溶接継手であって、
前記鋼材はmass％でＣ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜２．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含み、残部がＦｅ及び不純物からなり、
前記溶接金属はmass％でＣ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：１．４０％以下、Ｃｕ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．２０〜１．００％、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｔｉ：０．０８％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、固溶Ｂ：０．０００３％以上を含み、残部がＦｅ及び不純物からなる、靭性に優れた溶接継手。
【請求項２】
前記溶接金属は、さらにＮｂ：０．０２％以下、Ｍｏ：０．５％以下の１種以上を含有する請求項１に記載した靭性に優れた溶接継手。
【請求項３】
前記鋼材は、さらにＣｕ：０．１０〜２．００％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、Ｍｏ：０．５％以下の１種以上を含有する請求項１又は２に記載した靭性に優れた溶接継手。
【請求項４】
ボンドから溶接金属側へ１mm隔てた位置から、ボンドから鋼材側へ１０mm隔てた位置との間において、ビッカース硬度の最大値と最小値の差が４０以下である請求項１から３のいずれか１項に記載した靭性に優れた溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は建築構造物、機械構造物、船舶などにおける鋼材の溶接継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
阪神大震災の教訓のもと、特に建築構造物の溶接継手の性能への注目が高まっており、とりわけ継手の靭性を向上させることが望まれている。
一方、近年、建築物が大型化（高層化）しており、それらを構成する構造用鋼材には一層の高強度化・大断面化（厚肉化）が要求されている。このような鋼材を溶接する際には、大入熱溶接が適用される傾向にあり、溶接継手の靭性を確保することは技術的に困難となりつつある。
【０００３】
溶接継手の靭性を向上させる技術として、例えば特開２０００−６１６８７号公報には、溶接金属（溶着金属）として残留オーステナイトを１．５体積％以上含有する組成とすることが記載されているが、この技術は入熱２０〜３０kJ／cm程度の炭酸ガスシールドによる低入熱溶接に関するものであり、エレクトロスラグ溶接のような入熱２００kJ／cm以上で溶接する大入熱溶接においては適用しがたいものである。
【０００４】
大入熱溶接では溶接金属に粒界フェライトが生成しやすく、低入熱溶接に比較して、その強度・靭性を確保することが困難である。その主な理由として、以下の２つが考えられる。
粒界フエライトの抑制には、Ｂを活用することが有効とされているが、このＢとは析出していないfreeＢ（固溶Ｂ）である。なお、本件発明では、以後、この析出していないＢを固溶Ｂと表現する。固溶Ｂ量は鋼材中に添加したトータルＢ量から非水溶媒電解法によって分離定量したＢ量（すなわち析出したＢ量）を差し引いた量である。大入熱溶接では冷却速度が遅いためＢの析出が促進され、固溶Ｂが減少する。これに対し、鋼材のＢ添加量を増加させれば必然的に固溶Ｂを確保することができるが、Ｂは一方で高温割れを助長するため、Ｂの添加には自ずから限度がある。
また、近年、鋼材の熱影響部（ＨＡＺ部）の脆化を抑制するためにＣ量を低下させた鋼材を活用することが主流となりつつある。このため、大入熱溶接時には鋼材による溶接金属の成分の希釈が一層大きくなり、溶接金属のＣ量が大きく低下するため、粒界フエライト生成が促進される傾向がある。なお、Ｃ、Ｍｎ、Ｂなどの安価でかつ焼入性を高める作用を持つ元素を活用すれば、溶接金属の強度を向上させることができるが、靭性を確保することができない。また、鋼材と溶接金属の強度分布が不均一になり、信頼性のある溶接継手を得ることができない。
【０００５】
また、信頼性のある溶接構造物を形成するにあたっては、溶接金属のみならず、母材である鋼材のＨＡＺ部をも適正に制御した溶接継手が必要であるが、大入熱溶接に対して、そこまで考慮されていないのが現状である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、入熱２００kJ／cm以上の大入熱溶接においても、優れた靭性を有する溶接継手を提供することを目的とする。なお、上記大入熱溶接により形成された溶接継手の最終層の溶接まま組織の断面面積は通常６．５cm2以上である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶接継手は、一方の鋼材と他方の鋼材とが入熱２００ＫＪ／cm以上の大入熱溶接により溶接金属を介して一体的に接合された溶接継手であって、前記鋼材はmass％でＣ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜２．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含み、残部がＦｅ及び不純物からなり、前記溶接金属はmass％でＣ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：１．４０％以下、Ｃｕ：０．１０〜１．００％、Ｎｉ：０．２０〜１．００％、Ｃｒ：０．２０〜１．００％、Ｔｉ：０．０８％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％、固溶Ｂ：０．０００３％以上を含み、残部がＦｅ及び不純物からなるものである。前記溶接金属は、さらにＮｂ：０．０２％以下、Ｍｏ：０．５％以下の１種以上を含有することができる。
【０００８】
上記溶接継手において、前記鋼材はさらにＣｕ：０．１０〜２．００％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％、Ｍｏ：０．５％以下の１種以上を含有することができる。
【０００９】
また、上記溶接継手としては、ボンドから溶接金属側へ１mm隔てた位置から、ボンドから鋼材側へ１０mm隔てた位置との間において、ビッカース硬度の最大値と最小値の差が４０以下とすることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者は大入熱溶接を実施した場合における溶接金属およびＨＡＺのそれぞれの靭性について検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。まず、溶接金属の靭性向上手段について詳細に説明する。
本発明者は溶接金属の成分として、ＢにＮｉおよびＣｒを複合添加することにより、溶接金属中のＢ析出が抑制され、固溶Ｂが確保できることを見出した。溶接金属の成分は、鋼材成分、溶接ワイヤ成分およびフラックス成分によって決定され、鋼材成分からの希釈により含有させることも可能であるが、特に溶接ワイヤ等の溶材にＮｉ、Ｃｒ、Ｂをともに含有させることが、溶接金属に固溶Ｂを残存させるのに効果的であることを知見した。溶接金属の生成は、極めて短時間の加熱、冷却現象である故に不明点も多く、溶材にＮｉ、ＣｒおよびＢを併存させた場合に溶接金属に固溶Ｂが生成し易い理由は現時点では必ずしも明らかではないが、ワイヤから溶融したＮｉ、Ｃｒの存在が高温域のＴｉの酸化、窒化に影響を及ぼし、窒化物として析出するＢ量が低減するためであると推測される。
【００１１】
このようにして固溶Ｂの含有量が調整される溶接金属の成分限定理由について説明する。単位はmass％である。
Ｃ：０．０１〜０．１２％
Ｃは強度を確保するための必須成分であり、０．０１％以上を必要とする。一方、過剰の添加は靭性を劣化させるので、上限を０．１２％に止める。好ましくは０．０３〜０．１０％である。
【００１２】
Ｓｉ：０．１０〜１．００％
Ｓｉは脱酸元素として含有され、０．１０％以上を必要とする。一方、過剰の添加は島状マルテンサイトを増加させ、また固溶強化を過大にさせるので、上限を１．００％に止める。好ましくは０．１０〜０．８０％である。
【００１３】
Ｍｎ：１．４０％以下
Ｍｎは固溶強化により溶接金属の強度を向上させる。一方、過剰に添加すると強度が過大になって靭性が損なわれるので、１．４０％以下とされる。
【００１４】
Ｃｕ：０．１０〜１．００％
Ｃｕは強度を向上させる作用を有し、０．１０％以上を必要とする。一方、過剰の添加は強度が過大になり、靭性を劣化させるので、上限を１．００％とする。好ましくは、０．３０〜０．８０％である。
【００１５】
Ｎｉ：０．２０〜１．００％
Ｃｒ：０．２０〜１．００％
ＮｉおよびＣｒは複合添加によりＢの析出を抑制し、固溶Ｂを生成させるのに有効であり、また各々焼き入れ性を高め、強度を向上させる作用を有する。０．２０％未満ではかかる作用が過少であり、一方１．００％を超えると強度が過大となって返って靭性が劣化するようになる。好ましくは各々０．３０〜０．８０％である。
【００１６】
Ｔｉ：０．０８％以下
Ｔｉは組織を微細なアシキュラーフェライトにし、靭性を向上させる作用を有する。また、溶接金属中の不純物であるＮを固定して固溶Ｂの生成を促進させる。しかし、過多に添加すると、焼き入れ性が高まって靭性を劣化させるので、０．０８％以下に止める。好ましくは、０．０１〜０．０５％である。
【００１７】
Ｂ（全量）：０．０００５〜０．００５０％、固溶Ｂ：０．０００３％以上
Ｂは固溶Ｂを生成させるために必須の元素であり、所定量の固溶Ｂを確保するには最低０．０００５％は必要である。一方、過多に添加すると高温割れが発生するようになるので、上限を０．００５０％、好ましくは０．００４０％とする。固溶Ｂは粒界フェライトの生成を抑制して靭性を改善するのに必須の元素であり、かかる作用を発揮させるには少なくとも０．０００３％は必要であり、好ましくは０．０００５％以上とするのがよい。
【００１８】
本発明にかかる溶接金属は上記成分を含み、残部がＦｅ及び不純物からなるものであるが、上記成分の作用効果を損なわない範囲で特性を向上させる成分の含有を妨げず、さらに下記の範囲でＮｂ、Ｍｏを１種以上添加することができる。
【００１９】
Ｎｂ：０．０２％以下、Ｍｏ：０．５％以下
Ｎｂ、Ｍｏは析出強化により強度を向上させる作用を有する。しかし、過多の添加は強度が過大となり、返って靭性を劣化させるのでＮｂ：０．０２％以下、Ｍｏ：０．５％以下に止める。Ｎｂ量、Ｍｏ量の下限は特に規定されないが、Ｎｂ：０．００１％以上、Ｍｏ：０．０１％以上添加することが好ましい。
【００２０】
上記溶接金属は、溶接ままで靭性に優れ、さらに比較的高強度であり、成分調整により容易に引張強さを５７０ＭＰａとすることができる。近年、構造用鋼材においても高強度化が指向されているが、前記溶接金属によれば、溶接対象の鋼材（母材）が５７０ＭＰａ以上の高強度材に対しても好適である。
【００２１】
なお、ＢとＮｉとを複合添加した溶接ワイヤは低温用鋼の溶接に、またＢとＣｒとを複合添加した溶接ワイヤは耐熱鋼などの溶接に使用されているが、Ｎｉ、ＣｒおよびＢの３種を複合添加した溶接ワイヤは構造用鋼材の溶接、特に大入熱溶接に使用された例は見られない。
【００２２】
次ぎに、母材を構成する鋼材について説明する。本発明の溶接継手においては、強度を確保しつつ、ボンド部における靭性の劣化を防止するため、Ｃ量を０．０３〜０．１２％にする必要があるが、本発明で用いる鋼材は引張強さが５７０ＭＰａ以上の高強度鋼材であり、その成分は以下のとおりである。
【００２３】
本発明にかかる鋼材は、mass％でＣ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：０．１０〜２．００％、Ｃｒ：０．１０〜２．００％、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％を含み、残部がＦｅ及び不純物からなる。以下、成分限定理由を述べる。
【００２４】
Ｃ：０．０３〜０．１２％
Ｃは強度を確保するために必要とされるが、過多に添加すると靭性が低下するようになり、特にボンド部での靭性の劣化が著しい。このため、下限を０．０３％、好ましくは０．０４％とし、上限を０．１２％、好ましくは０．１０％とする。
【００２５】
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは脱酸のために必要とされるが、過多に添加するとＨＡＺの靭性を劣化させるようになる。このため、上限を１．０％、好ましくは０．８０％とする。
【００２６】
Ｍｎ：２．０％以下
ＭｎはＳｉと同様に脱酸に寄与し、強度を向上させる。しかし、過多に添加すると焼き入れ性が高まって靭性を劣化させる。このため、上限を２．０％とする。好ましくは０．５〜１．５％とするのがよい。
【００２７】
Ｎｉ：０．１０〜２．００％
Ｎｉは焼き入れ性を高め、強度を向上させると共にマトリックスを強靱化する。また、溶接金属と同種の材質とすることによって継手全体としての均一性を向上させる。一方、過剰な添加は強度が過大となって返って靭性を劣化させる。このため、下限を０．１０％、好ましくは０．２０％とし、上限を２．００％、好ましくは１．８０％とする。
【００２８】
Ｃｒ：０．１０〜２．００％
ＣｒもＮｉと同様、焼き入れ性を高め、強度を向上させる。また、溶接金属と同種の材質とすることによって継手全体としての均一性を向上させる。一方、過剰な添加は強度が過大となって返って靭性を劣化させる。このため、下限を０．１０％、好ましくは０．２０％とし、上限を２．００％、好ましくは１．２０％とする。
Ｂ（全量）：０．０００５〜０．００５０％
Ｂは焼き入れ性を高め、強度の向上に寄与する。０．０００５％未満ではかかる作用が過少である。一方、Ｂ０．００５０％超では鋼材自体の靭性が劣化するので、０．００５０％を上限とする。
【００２９】
本発明にかかる鋼材は上記成分のほか、残部がＦｅ及び不純物からなるものであるが、さらに特性を向上させる成分として、下記の範囲でＣｕ、Ｎｂ、Ｍｏの１種以上の添加を妨げない。
【００３０】
Ｃｕ：０．１０〜２．００％、Ｎｂ：０．００１〜０．０５％以下、Ｍｏ：０．５％以下
これらの元素はともに焼き入れ性を高め、強度の向上に寄与する。各元素の下限未満ではかかる作用が過少である。Ｍｏも０．０１％以上が好ましい。一方、Ｃｕ２．００％超では熱間割れのおそれが生じ、Ｎｂ０．０５％超，Ｍｏ０．５％超ではＨＡＺの靭性が劣化するので、これらの値を各元素の上限とする。鋼材の成分の種類は、溶接金属の構成成分と一致するように適宜選択使用することが継手全体の均一性からは好ましい。この意味で、Ｃｕは必須成分とすることができる。
【００３１】
次ぎに、鋼材のＨＡＺ部と溶接金属との相互関係から溶接継手の靭性をさらに向上させる手段について説明する。
鋼材のＨＡＺ部と溶接金属の硬さ分布が一定であれば、靭性の分布もまた−定になるため、安定的に良好な靭性を確保することができる。すなわち、本発明者の調査により、ボンド（溶接金属と鋼材のＨＡＺ部との境界）から１mm溶接金属側に隔てた位置から、ボンドから鋼材側へ１０mm隔てた位置との間における硬さのバラツキ（最大値と最小値との差）がビッカース硬度で４０以下であるとき、溶接金属とボンドとＨＡＺ部の全域に渡って良好な特性が得られることが見出された。
【００３２】
前記硬度差は、溶接金属と鋼材の成分バランスを適切に制御することによって達成することができる。具体的には、溶接金属と鋼材のＣ含有量の差が０．０３％以下、Ｎｉ含有量の差が０．５％以下、Ｃｒ含有量の差が０．３％以下、Ｃｕ含有量の差が０．２５％以下、Ｂ含有量の差が０．０００５％以下となるように制御すればよい。
【００３３】
【実施例】
下記表１に示す鋼板、表２に示すワイヤを用い、下記に示す溶接条件でサブマージアーク溶接を実施し、溶接継手を作製した。フラックスは市振されている３０％鉄粉−２０％Ｓｉ０2−１５％ＭｇＯ−１０％ＴｉＯ2−１５％Ａｌ2Ｏ3を用いた。得られた溶接継手の溶接金属部の表層部より試料を採取し、成分分析を実施した。分析結果を表３に示す。
・溶接条件
板厚２５mm、レ型開先、電流：１５００Ａ、電圧：４５Ｖ、
溶接速度１５cm／min、溶接入熱２７０kJ／cm
【００３４】
【表１】
0003734742.tif 000002
【００３５】
【表２】
0003734742.tif 000003
【００３６】
【表３】
0003734742.tif 000004
【００３７】
また、図１に示すように、鋼板１，１の１／４板厚位置における溶接金属部２の中央部から、引張試験片およびＪＩＳ４号Ｖノッチシャルピー試験片３を採取し、引張試験および衝撃試験を実施した。また、溶接継手の鋼板側について、図２および図３に示すように、１／４板厚位置のボンド部（ＨＡＺ１位置）およびボンドから７mm鋼板側の位置（ＨＡＺ２位置）からＪＩＳ４号Ｖノッチシャルピー試験片３を採取し、衝撃試験を実施した。衝撃試験温度は−２０℃とした。
また、図４に示すように、鋼板１の表面から１mmの位置について、ボンドから１mm溶接金属側の位置から、ボンドから１０mm鋼板側まで０．５mm間隔で荷重５ｋｇでビッカース硬度を測定し、その最大値と最小値の差をバラツキ（△Ｈｖ）として求めた。
【００３８】
これらの測定結果を表４に併せて示す。靭性の評価は、吸収エネルギーvＥ-20が８０Ｊ以上のものが合格レベルである。さらに上記の３本のシヤルピー衝撃値のバラツキ（最大値と最小値の差）が１００Ｊ以下のものについては、安定して良好な特性が発現する。これより、総合評価として、吸収エネルギーが３カ所とも合格レベルにあり、かつ衝撃値のバラツキが１００Ｊ以下のものを優（表中、◎）、吸収エネルギーが３カ所とも合格レベルにあるが、衝撃値のバラツキが１００Ｊ超のものを良（表中、○）、吸収エネルギーが１カ所でも合格レベルに達していないものを不可（表中、−）で評価した。
【００３９】
【表４】
0003734742.tif 000005
【００４０】
表４より、実施例はいずれも溶接金属部およびＨＡＺ部において良好な靭性が得られていることがわかる。ビッカース硬度のバラツキが４０以下である実施例である試料No. ８、９、１０は靭性のバラツキも少なく、特に良好である。
これに対して、比較例である試料No. ２１は鋼板No. ＪのＣ量が本発明範囲超であるため、溶接金属は良好な特性を有しているものの、ボンド部での靭性が劣化して溶接継手としては不良である。また、比較例である試料No. ２２〜３２は溶接金属の成分がいずれも本発明範囲外となっており、靭性値が抵い、あるいは割れが発生するなどの問題が生じた。また、比較例の試料No. ３２は溶接金属成分は固溶Ｂを除いて本発明成分を満足するが、Ｎｉ、Ｃｒを含有するものの、その量が過少なワイヤを用いたため、固溶Ｂを確保できておらず、溶接金属の靭性が劣化している。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｃ量を０．０３〜０．１２％含む所定成分からなる高強度鋼材を入熱２００ＫＪ／cm以上の大入熱溶接の下で溶接した溶接継手でありながら、溶接金属を固溶Ｂを含む所定成分としたので、ＨＡＺ部の靭性の劣化を防止しつつ、溶接金属に優れた靭性を付与することができ、高強度鋼材を大入熱溶接したものでありながら溶接継手全体として優れた靭性を備える。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の溶接継手の溶接金属における試験片採取位置を示す断面説明図である。
【図２】実施例の溶接継手のボンド部（ＨＡＺ１）における試験片採取位置を示す断面説明図である。
【図３】実施例の溶接継手のボンド部から鋼材側に離間した位置（ＨＡＺ２）における試験片採取位置を示す断面説明図である。
【図４】実施例の溶接継手の溶接金属周辺の硬度分布測定範囲を示す断面説明図である。
【図１】
0003734742.tif 000006
【図２】
0003734742.tif 000007
【図３】
0003734742.tif 000008
【図４】
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