JP2019005770A

JP2019005770A - 多層盛り溶接による継手の製造方法

Info

Publication number: JP2019005770A
Application number: JP2017121259A
Authority: JP
Inventors: 政昭藤岡; Masaaki Fujioka; 渡部　義之; Yoshiyuki Watabe; 義之渡部; 和洋福永; Kazuhiro Fukunaga
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: JP6950294B2

Abstract

【課題】溶接熱影響部の靭性を改善するための新規の多層盛り溶接による継手の製造方法を提供する。
【解決手段】板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板を用いる多層盛り溶接による継手の製造方法であって、各溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔が以下の式０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）を満たす溶接を行うことを含むことを特徴とする多層盛り溶接による継手の製造方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層盛り溶接による継手の製造方法、より詳しくは、海洋構造物、建築、橋梁、ペンストックなど高靭性が求められる構造物に供する板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板を用いる多層盛り溶接による継手の製造方法に関するものである。

一対の厚鋼板の端部同士を突き合わせて溶接する場合等、多層盛り溶接によって継手を製造するに際しては、多パス溶接で生じる「二相域加熱」を受けた鋼板の溶接熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ−ＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ）に高炭素マルテンサイト−オーステナイト混合物（ＭＡ）が生成することが知られている。特に、先行する溶接パスで溶接線（ＦＬ：ＦｕｓｉｏｎＬｉｎｅ）近傍において加熱された「粗粒域」が次パスで「二相域加熱」を受けた場合には顕著な靭性の低下が生じることが指摘されている。

このような「粗粒域」＋「二相域加熱」部位の靭性改善策として、特許文献１〜４などにおいて幾つか提案がなされている。特許文献１に記載の発明は、主に鋼の成分の内、Ｃ量を０．００１〜０．０２％に低減し、ＭＡの生成を抑制するものであるが、強度を補完するために多くの合金元素を必要とする。また、特許文献２に記載の発明は、Ｍｎを２％以上に高めた上でＴｉ酸化物を使うという特殊な合金成分とし、細粒化により靭性を改善しようとするものである。また、特許文献３に記載の発明は、さらに低Ｃ化でＭＡの生成を抑制するものである。また、特許文献４に記載の発明は、ＭＡの生成を抑制するためにＡｌを多量に添加するものである。いずれの特許文献に記載の発明も「粗粒域」＋「二相域加熱」の存在を許容した上で鋼の成分を工夫することにより細粒化やＭＡの生成を抑制し靭性の劣化を低減しようとするものであるが、高価な合金の添加が必要であったり、特殊な製造方法を必要としており製造負荷が高い。

一方、特許文献５には入熱量３０ｋＪ／ｃｍ以下の多パス溶接において３層６パス以下の積層を制御することが提案されている。しかし、これは溶接止端部の形状や残留応力を制御することで疲労特性を向上させることが目的であり、靭性改善とは目的が異なる。

特開平９−１１１３３７号公報特開２０１０−２４８５９０号公報特開２０１１−１０６０１４号公報特開２０１２−１８８７４９号公報特開２０１２−２００７８２号公報

そこで、本発明は、前記した従来技術とは異なり、新規の多層盛り溶接による継手の製造方法によって溶接熱影響部（ＨＡＺ）の靭性を改善することを課題とするものである。

本発明者らは、前記課題の解決のために多パス溶接の溶接条件がＨＡＺの靭性に与える影響を調査した。その結果、溶接の入熱量と積層間隔を一定の関係に制御することにより、溶接部の靭性を劣化させる「粗粒域」＋「二相域加熱」の領域を排除できることを知見した。これによって、靭性劣化の根源であった「粗粒域」＋「二相域加熱」部位がなくなるので高価な合金添加や金属組織を制御するための負荷の高い工程は不要となる。具体的には以下の多層盛り溶接による継手の製造方法を提供するものである。
（１）板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板を用いる多層盛り溶接による継手の製造方法であって、各溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔が以下の式（１）：
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（１）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たす溶接を行うことを含むことを特徴とする、多層盛り溶接による継手の製造方法。
（２）板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板を用いる多層盛り溶接による継手の製造方法であって、溶接熱影響部に隣接する溶接部の溶接パスの入熱量と前記溶接部における溶接金属の積層間隔が以下の式（１）：
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（１）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たす溶接を行うことを含み、他の溶接部の少なくとも一部における溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔が以下の式（２）：
０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26＞１．１（２）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たすことを特徴とする、多層盛り溶接による継手の製造方法。

本発明によれば、厚手の海洋構造物などの溶接時等、多層盛り溶接によって継手を製造するに際して、多パス溶接を実施する鋼材の溶接方法を工夫し、溶接時の溶接入熱と各パスの積層間隔を制御することにより、靭性の劣化が顕著となる部位を完全に排除することができる。これにより、厚手の海洋構造物などを溶接時に多パス溶接を実施する鋼材のＨＡＺ靭性を大幅に改善し、溶接の生産性を落とすことなく構造物の安全性を高めることができる。また、高強度かつ高靭性などの要求値の過酷な材料の製造も可能となる。さらには、本発明の多層盛り溶接による継手の製造方法は、鋼板自体の組成や金属組織を改良してＨＡＺ靱性を改善しようとするものではないため、先に述べた従来技術とは異なり、鋼板に高価な合金を多量に添加することや、鋼板の金属組織を制御するための負荷の高い工程を何ら必要とすることなしに、厚鋼板のＨＡＺ靭性を顕著に改善することが可能である。

本発明の継手の製造方法の１つの実施態様を説明する模式図である。本発明の継手の製造方法の別の実施態様を説明する模式図である。

本発明の方法においては、板厚２５ｍｍ以上、例えば５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の任意の組成を有する厚鋼板を他の鋼板等の被溶接部材に溶接する際に用いることができ、特に限定されないが、好ましくは、海洋構造物、建築、橋梁、ペンストックなど高靭性が求められる構造物に供する板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板が使用される。このような厚鋼板としては、例えば、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％を含有し、Ｐ：０〜０．０５％、Ｓ：０〜０．０５％に制限し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、任意選択でＣｕ：０〜２％、Ｎｉ：０〜３％、Ｃｒ：０〜０．７５％、Ｍｏ：０〜０．７５％、Ｎｂ：０〜０．０５％、Ｖ：０〜０．１％、Ｂ：０〜０．００２％、Ｔｉ：０〜０．０２％、Ａｌ：０〜０．０５％、Ｎ：０〜０．００７％、およびＯ：０〜０．００５％のうち１種または２種以上をさらに含有するものが挙げられる。

また、溶接の方法としては、被覆アーク溶接、半自動アーク溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＣＯ₂ガスアーク溶接、ＭＡＧ溶接、ＦＣＡＷ溶接、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）など入熱量と積層間隔を変化させることのできる溶接方法であれば良い。また、継手としては突合せ継手、十字継手、Ｔ字継手、角継手のグルーブ溶接、すみ肉溶接などの多層盛り溶接であるものが対象となる。いずれも多層盛り溶接時の「粗粒域」＋「二相域加熱」の領域が顕著な靭性の脆化部となるからである。

また、本発明の多層盛り溶接による継手の製造方法は、溶接熱影響部の靭性を改善することを目的として、全部の溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔、または少なくとも溶接熱影響部に隣接する溶接部の溶接パスの入熱量と当該溶接部における溶接金属の積層間隔が以下の式（１）：
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（１）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たす溶接を行うことを含む。好ましくは、上記式（１）は、
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦０．６である。

少なくとも溶接熱影響部に隣接する溶接部の溶接パスの入熱量と当該溶接部における溶接金属の積層間隔が上記式（１）を満たす溶接を行う場合、他の溶接部については任意の適切な入熱量および積層間隔を選択して溶接を実施することが可能である。しかしながら、溶接効率を高めるという観点からは、他の溶接部の少なくとも一部又は全部における溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔が、以下の式（２）：
０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26＞１．１（２）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たす溶接を行うことが好ましい。溶接熱影響部に隣接する溶接部については、式（１）を満たす溶接を行うことにより溶接熱影響部の靱性を改善するとともに、それ以外の溶接部の少なくとも一部又は全部については、例えば、式（２）に従ってより広い積層間隔で溶接することにより溶接効率を顕著に向上させることが可能となる。なお、式（２）について上限は特に規定しないが、積層間隔ｄが大きくなりすぎると溶接が困難になることから、一般的には０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦２００とし、上限については例えば１００、５０、３０、２０、１５又は１０とする。

図面を参照してより詳しく説明すると、本発明の多層盛り溶接による継手の製造方法の１つの実施態様では、図１に示すように、一対の厚鋼板の端部同士を突き合わせて多層盛り溶接によって継手を製造する場合に、第１の厚鋼板１Ａの端面である第１の開先面１Ａａと、第２の厚鋼板１Ｂの端部に設けられた、第１の開先面１Ａａに対して一定の角度で傾斜している第２の開先面１Ｂａとで形成されたレ形の開先部２において多層盛り溶接を実施する。その際、多層盛り溶接は、溶接熱影響部３に隣接する溶接部（溶接線４に沿った部位）だけでなく、他の全ての溶接パスにおいても入熱量と溶接金属５の積層間隔が上記式（１）を満たして実施される。このような継手の製造方法によれば、溶接金属５の積層間隔が比較的小さくかつ均一であり、溶接パスの数も比較的多いことから、溶接熱影響部２の靭性を改善できるだけでなく、非常に安全性の高い溶接による継手の製造を実現することができる。

図２は、本発明の多層盛り溶接による継手の製造方法の別の実施態様を説明する模式図である。なお、一対の厚鋼板や開先部の各構成については基本的に図１と同じであるため、同様の符号を付して説明は省略する。

図２を参照すると、一対の厚鋼板１Ａａ，１Ｂａの端部同士を突き合わせて開先部２において多層盛り溶接を実施することにより継手を製造する場合に、溶接熱影響部３に隣接する（つまり第１の厚鋼板１Ａの開先面１Ａａ、第２の厚鋼板１Ｂの開先面１Ｂａにそれぞれ接する）溶接部６については、図１の場合と同様の溶接を実施することで溶接熱影響部３の靱性を改善する。一方で、それ以外の溶接部７（つまり第１の厚鋼板１Ａの開先面１Ａａ、第２の厚鋼板１Ｂの開先面１Ｂａに接しない溶接部）においてはより広い積層間隔にて溶接し、溶接パスの数を少なくすることで溶接効率を向上させていることがわかる。

ここで、本発明者らが多層盛り溶接時の最脆化部位の発生状況を調べたところ、最脆化部位の発生は、最終２パスが「粗粒または亜粗粒（温度域にして１１５０℃〜１５５０℃）」、次いで「α＋γ二相域（特に７００〜７４０℃の温度域）」となる場合であることが判った。また、多層盛りのＨＡＺ温度履歴計算の結果、そのような部位は溶接入熱と各パスの積層間隔の条件によってＨＡＺ中に存在し無くなることを知見した。これは、積層間隔を小さくすると先行パスと次パスの熱影響領域のオーバーラップが大きくなり、先行パスの「粗粒部」や「亜粗粒部」は後続パスの「細粒域」に変わっていくからである。また、同様に先行パスの「二相域加熱」部位は次パスで「テンパー域」に替えられていく。「テンパー域」は「二相域（約７００℃）」以下かつ５００℃以上の温度域であって、この温度域に加熱されると脆化相であるＭＡが分解されて靭性が顕著に改善される。また、溶接金属の積層間隔を小さくすることに加えて、溶接パスの入熱量を大きくすると、１パスの熱影響範囲が拡大することに伴って先行パスで生じた「粗粒部」や「亜粗粒部」、さらには「二相域加熱」部位が減少することを見出した。

このようにして見出された各パスの入熱量と積層間隔の満たすべき条件は、以下のとおりである。
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（１）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
好ましくは、上記式（１）は０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦０．６である。
ここで、「０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26」は溶接線１ｍｍあたりに生成する「粗粒部」と「亜粗粒部」のうち「二相域加熱」を受けた脆化が顕著な部位の面積を表している。この値が１．１以下では、脆化部の面積が大変少なく、靭性は大きく改善する。また、０．６以下では脆化部はほとんど０であり、靭性への影響がほぼ無いレベルとなると予想される。以上のような理由から、上限を１．１以下、好ましくは０．６以下とした。一方、これらの値以下であれば本発明の効果は十分に得られることから、下限を０超とした。

なお、各パスの入熱量は、上記式（１）を満たす範囲において適切に選択すればよく、特に限定されないが、多層盛り溶接による継手の製造の際に一般的に適用される溶接方法での入熱量が最大４００ｋＪ／ｍｍであるのでこれを上限とし、好ましくは５〜４００ｋＪ／ｍｍ、より好ましくは１０〜４００ｋＪ／ｍｍ、最も好ましくは２０〜４００ｋＪ／ｍｍである。ここで、一般的な溶接部の品質は入熱量が大きいほど靱性が低下するという問題がある。したがって、本発明のように、１０ｋＪ／ｍｍまたはそれ以上の比較的高い入熱量によっても、積層間隔との関係で上記式（１）を満たすことにより、溶接熱影響部の靱性を改善できるということは、極めて意外であり、また驚くべきことである。また、積層間隔についても同様に、上記式（１）を満たす範囲において適切に選択すればよく、特に限定されないが、一般的には１．０〜１０ｍｍであり、溶接の生産性の観点から、好ましくは３．０〜１０ｍｍ、より好ましくは５．０〜１０ｍｍである。なお、本発明において「積層間隔」とは、溶接線（ＦＬ）に沿った溶接金属の積層数を溶接線（ＦＬ）の距離で除したもの、すなわち「ＦＬに沿った溶接金属の積層数／ＦＬの距離」を言うものであり、したがって板厚方向に沿ったＦＬの場合には「板厚方向の溶接金属の積層数／板厚」となる。

次に、入熱量と積層間隔の制御方法について述べる。まず、入熱量Ｈ（ｋＪ／ｍｍ）は以下の式によって表わされる。
Ｈ＝（Ｅ・Ｉ）/１０００Ｖ（３）
ここで、Ｅ：電圧（Ｖ）、Ｉ：電流（Ａ）、Ｖ：溶接速度（ｍｍ／ｓ）である。従って、入熱量を制御するには溶接に用いられる電圧、電流または溶接速度を適切に設定すれば良い。次に、積層間隔は溶接による溶着量（ｇ／ｍｉｎ）を制御することにより実施できる。ここで溶着量とは単位時間に溶融・凝固する溶接材料の質量であり、これが大きいと溶接ビードの嵩が大きくなり積層間隔が大きくなる。そして、溶着量の大小は主に電流、溶接ワイヤー直径、溶接ワイヤーの突き出し量によって決まることが知られている（藤田哲也、服部和徳、中込忠男、加賀美安男、小林光博、三村麻里：「突合せ継手における溶接金属部の強度評価の検証（その７計画パス数と施工パス数）」、日本建築学会大会学術講演梗概集（東北）、（２００９年８月）、ｐ．６８３）。ここで、ワイヤーの突き出し量とはトーチ終端から溶接ワイヤー終端までの長さのことで、鋼板からトーチ終端までの所謂「トーチ高さ」を調整することで制御することができる（（社）日本溶接協会ホームページＪＷＥＳ接合・溶接技術Ｑ＆Ａ１０００、Ｎｏ．Ｑ０７−０２−０３（２００４））。溶接ワイヤーの突き出し量が多いと、その分電気抵抗が増加しジュール発熱が増加するので溶接ワイヤーの溶融量すなわち溶着量が増加することになる。その他にも溶接の電流、電圧、ワイヤー直径などを制御する方法も採用可能である。

以下、本発明の実施例を説明する。表１には、本実施例において使用した降伏強度（ＹＳ）４２０Ｎ／ｍｍ²および５００Ｎ／ｍｍ²級の海洋構造物用厚鋼板（板厚５０ｍｍまたは７５ｍｍ）の化学成分および製造条件を示す。ここで、表１中の製造方法を表す記号は、以下の熱処理方法を意味する。
ＡＣＣ：加速冷却（制御圧延後に４００〜６００℃の温度域まで水冷後放冷）
ＡＣＣ＋Ｔ：加速冷却後に４００〜６００℃の温度域で焼き戻しを実施する。
ＤＱ＋Ｔ：圧延後に室温〜４００℃の温度に直接焼入を行った後、４００〜６００℃の温度域で焼き戻しを実施する。
ＲＱ＋Ｔ：熱処理炉にてオーステナイト温度域に加熱後、室温に焼入を行った後、４００〜６００℃の温度域で焼き戻しを実施する。

また、表２には、得られた厚鋼板を用いた多層盛り溶接による継手の製造を実施した際の溶接条件と溶接部の特性を示す。溶接には一般的に試験溶接として用いられている潜弧溶接（ＳＡＷ）法を用い、溶接溶け込み線（ＦＬ）が垂直になるようにレ開先で溶接の入熱量を３．９〜３０．０ｋＪ／ｍｍの範囲で変化させて溶接を実施した。なお、表２では、「ＨＡＺに隣接する溶接部」と「他の溶接部」とで溶接条件を変更した場合のみ、「他の溶接部」において「溶接入熱量（ｋＪ／ｍｍ²）」、「積層間隔（ｍｍ）」および「０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26」を記載している。また、溶接部の靭性の評価はシャルピー試験とＣＴＯＤ（亀裂先端開口変位：ＣｒａｃｋＴｉｐＯｐｅｎｉｎｇＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）試験で行った。シャルピー試験は２ｍｍＶノッチ試験片でノッチ位置ＦＬ（ＷＭ（溶接金属）とＨＡＺの境界）およびＩＣ（ＨＡＺとＢＭ（母材）の境界）の２箇所として、−６０℃の吸収エネルギー（ｖＥ−６０℃（Ｊ））を測定した。なお、両方の吸収エネルギー値が１００Ｊ以上の場合を合格とした。

また、ＣＴＯＤ試験はｔ（板厚）×２ｔのサイズでノッチは５０％疲労亀裂で実施し、ノッチ位置をＦＬ（ＷＭとＨＡＺの境界）およびＩＣ（ＨＡＺとＢＭの境界）の２箇所として−６０℃でそれぞれ５本の試験を実施した。ここでδ_aveは亀裂開口変位（δ）の５本の試験結果の平均値を示し、δ_minは５本の試験のうちの最低値を示す。なお、これらの全ての値が０．３ｍｍ以上の場合を合格とした。

表２で、Ｎｏ．１〜１８が本発明によるものであり、Ｎｏ．１９〜２６が比較例である。ここで、実施例１〜１８の場合は、溶接熱影響部の−６０℃の吸収エネルギーが２３８Ｊ以上、ＣＴＯＤ値がＦＬノッチの場合のδ_minで０．７０ｍｍ以上、ＩＣノッチの場合のδ_minで０．８４ｍｍ以上の良好な破壊靭性を示した。さらに、ＨＡＺに隣接する溶接部では上記式（１）を満たし、他の溶接部では上記式（２）を満たす溶接を行った実施例４および８では、同様に溶接熱影響部の良好な靱性を示すとともに、それぞれ対応する実施例３および７（全ての溶接部で実施例４および８のＨＡＺに隣接する溶接部と同じ条件で溶接したもの）と比較して、合計の溶接パス数を大きく低減することができた。具体的には、実施例４では、実施例３の６３から４６へ約２７％低減することができ、同様に実施例８では実施例７の９５から５９へ約３８％低減することができ、それゆえ溶接効率を顕著に向上させることができた。

一方、比較例は、何れも上記式（１）：０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１を満たさないために二相域加熱によって生じたＭＡによる脆化が顕著であった。また、いずれもＦＬノッチの場合のシャルピー−６０℃の吸収エネルギー値は１００Ｊ未満であり、ＣＴＯＤの亀裂開口変位の平均値および最低値も非常に低く、特にＦＬ部ではいずれも０．１０ｍｍ未満の値であり、顕著な脆化が認められた。これらの比較によれば、本発明は靭性の改善に顕著な効果があることが判る。

１Ａ、１Ｂ厚鋼板
１Ａａ、１Ｂａ開先面
２開先部
３溶接熱影響部
４溶接線
５溶接金属
６、７溶接部

Claims

板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板を用いる多層盛り溶接による継手の製造方法であって、各溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔が以下の式（１）：
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（１）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たす溶接を行うことを含むことを特徴とする、多層盛り溶接による継手の製造方法。
板厚２５ｍｍ以上の厚鋼板を用いる多層盛り溶接による継手の製造方法であって、溶接熱影響部に隣接する溶接部の溶接パスの入熱量と前記溶接部における溶接金属の積層間隔が以下の式（１）：
０＜０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26≦１．１（１）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たす溶接を行うことを含み、他の溶接部の少なくとも一部における溶接パスの入熱量と溶接金属の積層間隔が以下の式（２）：
０．０７７・Ｈ^-1.18・ｄ^3.26＞１．１（２）
（式中、Ｈは入熱量（ｋＪ／ｍｍ）であり、ｄは積層間隔（ｍｍ）である）
を満たすことを特徴とする、多層盛り溶接による継手の製造方法。