Quality of the Heat-Affected Zone of SM58Q Steel When Using Electrogas Arc Welding

Summary
With electrogas arc Welding quality assurance is required for its application to 60 kgf/mm² class hightensile strength steel as the input heat quantity is limited. In a previous report, the results of its qualification tests were favorable and there was no problems in terms of its quality assurance. In the tests presented here, in order to confirm the above results from the viewpoint of welding metallurgy, electrogas arc welding was compared with conventional submerged arc welding and the effects of the quantity of input heat on the base metal are discussed. The results proved that electrogas arc welding is superior to submerged arc welding in terms of its weldability.
1.まえがき
鋼橋の飯桁フランジ及び箱桁の縦リブ等の細幅板継ぎ洛接に対し、立向きエレクトロガスアーク洛接が最適であるとの判断から実用化に取り組み、立向きエレクトロガスアーク溶接システム（ＶＥＧＡＳ）の装置化・ライン化について、宮地技報No.4 、1988で報告した。立向きエレクトロガスアーク溶接法（ＥＧＷ法）は高能率法であるが、溶接入熱量が多く、特に溶接入熱量に制限のある調質60キロ級鋼への適用について、継手性能（主に初性）の品質保証の確認が必要であり、各種確認試験を行なった。確認試験の結果は良好であり、品質上特に危惧される問題点は認められなかった。本実験は、この結果を冶金面から解明するために、E G W法と従来法の潜弧自動溶接法（ＳＡＷ法）との比較において、入熱量が母材に与える実質的な熱影響について検討したものである。熱影響部（ボンド部を含む）のオーステナイト粒(2)設(3)ミクロ組織(4)継手部の硬さ(5)衝撃試験等により両法の比較を行なった。実験は入熱量を２水準とするため、供試鋼板は板厚18 mm及び25mmの2種類で行なった。なお、化学成分を同一にするため板厚18mmは25mmを減厚して供試鋼板とした。目標入熱量は板厚18mmで70KJ/cm、板厚25mmは90KJ/cmとした。なお入然量ＱはＱ＝（60 I ・V）／υ J/cmによった。( I :電流( A )、 V :電圧( V )、 u :速度cm/min )
(1)
供試鋼板
供試鋼板の化学成分を表一１に示した。表-1 供試鋼板の化学成分(鋼種 SM-58Q)

2 .実験方法
母材に及ぼす熱影響の調査のため、供試鋼板にSM58Qを用いて、 2電極潜弧自動溶接法（Ｔ・ＳＡＷ法）とエレクトロガスアーク溶接法（ＥＧＷ法）により計算上の同一入然条件で溶接を行ない、ボンド部の800～500℃の冷却速度(P * ＊）＊

溶接条件
(2)
試験体の開先寸法・溶接条件及び溶接材料を表一2に示した。
(3) 熱影響部(HAZ部)の冷却速度の測定
Ｔ・ＳＡＷ法とＥＧＷ法による熱影響部の温度および冷却時の測定を、図一1に示す長手方向中央部のＡ，Ｂ， Cの3点について行なった。測定点Aは開先面に最も接近した位置で、ＢはＡより１mm、ＣはＢよりさらに１ mm離れた点とした。なお、突合せ断面の測定位置は鋼板表面から４㎜下とし、以材への溶け込み量を推定して図ー 2 、3に示すす法の位置とした。
(4)熱影響部(HAZ部)のオーステナイト粒度測定
ボンド部(溶接金属と熱影響部の境界線)より0.2mmのHAZ部について、表面下2 mmより10mmの範囲を4等分し、それぞれのオーステナイト粒度をJIS G0552に定める切断法により測定し、平均結晶粒度を計算により求めた。
(5)ミクロ組織と継手部の硬さ測定
(a)ミクロ組織ミクロ組織は板表面下2 mm・5 mm・7 mmについて、ボンド部・HAZ 1 mm・HAZ 2 mm・HAZ 3 mmの位置の顕微鏡組織（×200・×400）で調査した。 (b) 硬さ試験硬さ試験はミクロ組織調査位置と同様、板厚表面下2 nm・ 5 mm・ 7 mmについて、ポンド部より0.5mmピッチでHAZ部４ ππの範囲を測定した。
(6) 衝撃試験
衝撃試験片の採取は、JIS Z 3128の1種試験の規定に準拠し、板厚表面下２mm（試験片中心で７mm）でノッチ位置は衝撃初性が低いと推定されるポンド部・HAZ 1 mm・ HAZ 2 mmとした。試験片採取位置及びノッチ位置を図ー 4に示す。

3.試験結果
(1)熱影響部の冷却速度
Ｔ・ＳＡＷ法及びＥＧＷ法による熱影響部の800～500 ℃の冷却時間を表一しに、人熱量と冷却時間の関係を図ー 5に示した。図ー５で示したようにＴ・ＳＡＷ法とＥＧＷ法では同一計算入熱量の冷却時間は明らかな差が認められる。なお、参考のため前回行なった冷却速度測定結果（宮地技報№4）も同時に示した。すなわち、ＥＧＷ法による入熱量90KJ/cmの冷却速度はＴ・ＳＡＷ法の入熱量70KJ/cmの冷却速度に相当している。このことは溶接法の原理上からＥＧＷ法による溶融金属は水冷銅板により強制冷却され凝固するためと考えられる。
(2) -熱影響部のオーステナイト粒度
ボンド部より0.2mm離れた熱影響部のオーステナイト粒度の測定結果を表ー 4に示す。また、板表面下2 mmより10mmの範囲の平均粒度と入熱量の関係を表一5に示した。なお、写真一1はオーステナイト粒度測定の顕微鏡写真の一例である。オーステナイト粒度は、Ｔ・ＳＡＷ法はＥＧＷ法に比較して入熱量70KJ/cmで15％、入熱量90KJ/cmで36％大きな値を示している。これは冷却時間(800〜500℃の区間)の測定結果からも推察できる。また、T ・ S A W法は入熱量70KJ/cmと入熱量90KJ/cmの間に差は認められないが、ＥＧＷ法では、むしろ入熱量の多い方が小さい値を示している。今回の実験範囲からは明確でない。
(3) 継手部の硬さ
入熱量70KJ/cm及び90KJ/cmにおけるＴ・ＳＡＷ法とＥ

ＧＷ法の硬さ分布を図ー 6に示す。
硬さ分布はポンド近傍で最高硬さを示し、HAZ部はポンドから離れるにしたがって硬さは低下し、約３ ～ 4 nmの範囲が最低値となっている。また、全般的にT・SIA W法はＥＧＷ法に比べ軟化の範囲は広く、軟化の程度も大きい。T・S A W法のHAZ 2 mmの硬さはE G W法のHAZ 3mmの硬さに相当している。
(4) -ミクロ組織
板表面下2 mm ・7 mmの位置のボンド部・HAZ 1 mm ・2 nn・3 mmの顕微鏡（×200）組織を写真一２、写真一３に示した。 T・S A W法・E G W法ともミクロ組織は粗大化したオーステナイト粒界に生成した初析フェライト、粒界より発達したフェライトサイドプレートおよび上部ベーナイトの混合組織からなっている。ポンド部より１mm以内の結晶粒の粗大化の程度はＥＧ W法がＴ・ＳＡＷ法より小さく、初析フェライトの量も少ない。また、熱影響部の範囲もＴ・ＳＡＷ法は広く、板表面下2 ≡≡のHAZ 3 ≡≡近傍でＥＧＷ法は再結晶による粗大化は殆ど認められないが、Ｔ・ＳＡＷ法ではかなり再結晶が認められている。なお、板厚中央にいくにしたがって熱影響の範囲は広くなっているが、表面部と同様の結果である。各試験体の断面マクロを写真一4に示した。
(5) 衝撃試験
ボント部・HAZ 1 mm・HAZ 2 mmの位置の衝撃値を表一6に示す。 T・S A W法による衝撃値は、ボンド部・HAZ 1 mmがほぼ同等の価を示し、HAZ 2 mmではかなり改善され良好な価である。一方、E G W法はボンド部で最少価となり、 HAZ 1 mm・HAZ 2 mmほぼ同値である。これは熱影響部の巾に起因するものと考えられる。
また、Ｔ・ＳＡＷ法は入然量による影響は認められないが、ＥＧＷ法は人然量の増加に伴い衝撃値は減少する傾向にある。しかし、いづれの衝撃価とも目材の規格値( — 5 ℃ ・4.8Kg-cm以上）を十分に上まわっている。
4.まとめ
本実験は同一入熱条件で潜弧自動溶接法（ＳＡＷ法）とエレクトロガスアーク溶接法（ＥＧＷ法）により溶接を行ない、両法の①HAZ部の冷却速度、②HAZ部のオーステナイト粒度、③ミクロ組織、④継手部の硬さ、⑤衝繁価、等について比較検討したものである。溶接法から予測される、水冷鋼板の中で強制的に溶融金属が凝固する方式のＥＧＷ法は、大気中でスラグに覆われた状態で自然放冷により凝固するＳＡＷ法に比べ試験結果に有意な差が認められた。 ＥＧＷ法によるオーステナイト粒度（ポンド部よ(D ') 0.2==の熱影響部)は入熱量70KJ/cmで15%、入熱量90KJ/cmで36%Ｔ・ＳＡＷ法より小さい。フェライト組織に影響をおよぼす800～500℃の冷(2)却速度は同一計算入熱量でＥＧＷ法が大きく、ＥＧ W法の入熱量の90KJ/cmとT・S A W法の入熱量70KJ/ cmの冷却速度がほぼ等しい値を示している。 ③　ポンド部の硬さは溶接金属の硬さとほぼ同じ値を示し、HAZ部は軟化の傾向を示している。なお、軟化の程度はＴ・ＳＡＷ法のHAZ 1 mmがＥＧＷ法のHAZ 2 mmの値にほぼ匹敵する。 ④　ミクロ組織上でＴ・ＳＡＷ法はオーステナイト粒界の初析フェライトが大きく成長しており、また粒内フェライト組織も粗粒化の程度が大きい。 ⑤　衝撃値は両法でオーステナイト粒度や冷却速度に差があるにもかかわらず差はなく良好であった。以上の結果から、ＥＧＷ法はＳＡＷ法と同一入熱量で溶接した場合、ＳＡＷ法に比べ特性上有利であり、大人然(70KJ/cm以上)で溶接を行なっても継手性能上問題がないことが確認された。なお、図ー 7に供試鋼板"SM-58鋼"の化学成分とほぼ同一と見なされる。"HT-50鋼"のCCT図に今回のHAZ部の冷却速度結果を記入したが，CCT図の上からも同一入熱の溶接条件において両法の差が推定できる。最後に本実験に対し多大な協力をいただいた日鐵済接工業機の多喜乃　雄氏に、この紙上を借りて感謝申し上げます。
〈参考文献〉
1）成宮、伊東；エレクトロガスアーク溶接による細幅板継ぎ溶接工法の実用化、宮地技報№4，1988年３月2 ）佐藤、山戸；50～60キロ非調質調済後熱影響部の組織とじん性、溶接学会誌、Vol.50, Na 1, 1981年1月3）鈴木・田村；済接金属学、産報出版，1978年4 ）大北・矢竹；鋼済接部の金属組織の見方、溶接技術, 1985年12月