JP3825714B2

JP3825714B2 - 耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接方法

Info

Publication number: JP3825714B2
Application number: JP2002113983A
Authority: JP
Inventors: 和利市川; 達也熊谷; 忠義岡田; 一郎竹内; 繁男大山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: JP2003311477A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼を用いた構造物の施工に使用する溶接材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に建築物には火災時の安全性を確保するために、火災時における鋼材表面温度が３５０℃以下で使用するように耐火基準が定められており、ロックウールなどの耐火被覆が必要となる。しかし、耐火被覆施工費用は高額であり、工程も余分にかかること、さらには景観上からも、耐火被覆を完全に省略したいという要求は非常に高まっている。
【０００３】
昭和６２年の防耐火総プロの成果を受けて（３８条認定により）、性能型の設計が可能となった結果、鋼材の高温強度と建物に実際に加わっている荷重とによってどの程度の耐火被覆が必要かを決定できるようになり、場合によっては無耐火被覆で鋼材を使用することも可能となった。
【０００４】
こうした状況から、近年、短時間の高温強度を高めたいわゆる耐火鋼が多く開発された。特開平２−７７５２３号公報をはじめとして、６００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる鋼材、すなわち６００℃耐火鋼の技術は多数開示されている。また、特開平９−２０９０７７号公報や特開平１０−６８０１５号公報などでは、７００℃での高温降伏強度が常温時の２／３以上となる、７００℃耐火鋼の技術も開示されている。
【０００５】
６００℃耐火鋼では、無耐火被覆構造が可能となるのは比較的可燃物量が少ない立体駐車場や外部鉄骨に限られるが、７００℃耐火鋼では無耐火被覆が可能となる構造物が多くなる。さらに耐火性能が８００℃以上であれば、無耐火被覆構造が可能となる範囲の大幅な拡大が可能である。
【０００６】
一方、現行の耐震設計法では骨組みの変形による地震エネルギー吸収を前提としていることから、設計上で想定した骨組みの崩壊形の確保や、部材の塑性変形能力の確保、部材性能を十分発揮させるために接合部の降伏強度や靭性の確保が必要となり、これに用いる建築構造用の鋼材には、降伏強度のばらつきの制限（つまり降伏強度の上下限）や、降伏比上限などの耐震性の規定、溶接性の確保が必要とされる。ＳＮ材（ＪＩＳＧ１３６−１９９４）はこれらの耐震性、溶接性に関する規定がなされた鋼材であり、４００ＭＰａ級鋼（降伏強度の下限：２３５ＭＰａ）の場合、降伏強度の上限が３５５ＭＰａ、降伏比の上限が８０％、４９０ＭＰａ級鋼（降伏強度下限３２５ＭＰａ）の場合、降伏強度の上限が４４５ＭＰａ、降伏比の上限が８０％というように規定されている。
【０００７】
高温強度を確保するために、例えばボイラなどの５００〜６００℃程度の高温、高圧環境で用いられる耐熱鋼ではＣｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｖなどの合金元素を添加する方法が一般的に利用される。しかし８００℃というような高温においては、変態によって鋼材の組織が変化することや、炭化物などの析出物が粗大化あるいは消失して析出強化の効果が少なくなるため、耐火性能を確保するためには合金元素量が多量になり、溶接継手靭性などの溶接性を低下させることの他、常温強度が高くなるため上記建築構造用鋼で規定されている降伏強度上限を上回るなどの問題が生じる。こうしたことから、従来、８００℃まで無耐火被覆での設計が可能な耐火性能を有する建築構造用途の４００ＭＰａ級鋼、４９０ＭＰａ級鋼はなかったが、最近になって、合金元素、熱間圧延の条件の適正化、Ａｃ１変態温度の向上等により、８００℃までの高温においても耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼が開発されつつある。
【０００８】
このような８００℃までの高温耐火建築鋼構造物では、作用応力の大きな部位の接合には溶接を適用しないので、溶接のための溶接材料として、母材と同程度の高温強度特性を有する溶接金属が得られるようなものは不要である。しかし、建築鋼構造物の柱製作時などの必要最小限の接合部位には溶接施工が適用され、このような溶接部は、作用応力は小さいため、母材の高温強度の１／２程度、具体的には８００℃で７０ＭＰａ程度の降伏強度で構造物の安全性が確保できることを確認している。ただし、靭性は従来鋼の溶接金属と同程度、すなわち０℃のシャルピーエネルギーで２７Ｊ以上の確保が必要である。
【０００９】
これまでに、６００℃を対象にした耐火鋼用の溶接材料は数多く開発されている（例えば、特開平２−６３６９８号公報、特開平２−７５４９４号公報、特開平２−１８２３９６号公報、特開平２−５２１９６号公報、特開平２−２７４３９４号公報、特開平２−１９２８９４号公報、特開平２−２１７１９５号公報、特開平２−２０５２９８号公報、特開平２−２００３９７号公報、特開平２−２００３９３号公報、特開平２−２６８９９４号公報、特開平３−２３０９７号公報）が、このような８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼を溶接する際に適した溶接材料およびそれを用いた溶接方法は開発されていなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような事情を鑑みなされたもので、特に、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼に使用する溶接方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、すなわち、その発明の要旨は以下の通りである。
【００１２】
耐火建築構造用鋼の開先をワイヤおよびフラックスを用いて多層盛溶接するサブマージアーク溶接方法において、前記ワイヤ中の金属成分の質量％と前記フラックス中の金属または合金として添加される金属成分の質量％の合計が、Ｆｅ及び不可避的不純物以外は質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１１％、Ｓｉ：０．５〜１．７５％、Ｍｎ：０．３〜５．３％、Ｎｉ：０．００６〜１．３％、Ｃｒ：０．０１〜２．４％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、Ｖ：０．００１〜０．３％、Ｎｂ：０．００７〜０．５％、Ａｌ：０．００３超〜７．０％からなるようにして溶接することにより、８００℃の高温での降伏強さが７０ＭＰａ以上で、かつ０℃シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上の靭性を有する溶接金属を得ることを特徴とする耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の詳細について説明する。
【００１４】
建築鋼構造物の耐火設計では、火災継続時間内で高い高温強度を維持すればよく、従来のボイラなど圧力容器用の耐熱鋼のように５００〜６００℃程度の高温、高圧環境下で長時間使用する際の高温強度を考慮する必要はなく、比較的短時間の高温での降伏強度が維持できればよい。例えば、８００℃で保持時間が３０分程度の短時間での高温降伏強度が確保できれば８００℃耐火鋼として十分利用できる。
【００１５】
従来の耐火鋼では、高温時の降伏強度が常温時の２／３以上となるように性能を定めていたが、鉄骨構造物の実設計範囲が常温降伏強度下限の０．２〜０．４倍であることを勘案し、常温降伏強度下限比０．４以上であれば使用できるとの考えに基づき、８００℃高温強度のめやすとしては常温降伏強度に対する下限比が０．４以上とされている。すなわち８００℃降伏強さの目標値は４００ＭＰａ鋼で９４ＭＰａ、４９０ＭＰａで１３０ＭＰａである。
【００１６】
一方、建築構造物における鉄骨柱製作時の溶接部は作用応力が小さい位置に設けられるため、その溶接部の８００℃降伏強さの目標値は、母材の８００℃降伏強さの目標の１／２、すなわち４９０ＭＰａ鋼として使用することを仮定しても、８００℃の降伏強さの目標で７０ＭＰａが得られれば十分であることを発明者らは確認している。
【００１７】
そこで、発明者らは、８００℃高温耐火建築構造用鋼用の溶接材料として、８００℃の高温での保持時間が３０分程度の短時間加熱時に降伏強さが７０ＭＰａ以上で、かつ、従来鋼並みの０℃シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上の靱性を有する溶接金属が得られる溶接材料について検討した。
【００１８】
その結果、まず、溶接金属の８００℃における高温強度を確保するためには、高温耐火建築構造用鋼をサブマージアーク溶接する際にワイヤとフラックスのいずれか一方あるいは両方からのＮｂ添加により高温強度を向上させる方法が極めて有効であり、このようなＮｂ添加の効果を活用し、目標とする高温強度を得るためには適量のＣｒ、Ｍｏ、Ｖの添加も必須であることを見い出した。
【００１９】
さらに、発明者らの検討の結果、合金元素添加により溶接金属の強化を図るには、高温耐火建築鋼構造物の設計温度である８００℃で３０分程度保持した場合においても素地組織を変態させないことが必須となるが、そのために特にＡｌ等の合金元素の適量添加により溶接金属のＡｃ１変態温度を８００℃以上に高めることで、十分な強度維持をすることが可能であることを確認した。
【００２０】
一方、溶接金属の靭性にとって、これらの高温強度を確保するための合金元素は過剰に添加されると溶接金属の靭性を著しく阻害するので好ましくないため、これらの合金元素を他の合金元素との含有量のバランスを適正に保つことが必須であることも見い出し、本発明の溶接材料の成分範囲を見い出すに至った。
【００２１】
まず、本発明の溶接材料の成分の限定理由を以下に説明する。
【００２２】
本発明では、サブマージアーク溶接の際に目標とする溶接金属の８００℃までの温度での耐火性能および靱性を確保するためにワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有するＦｅおよび不可避不純物以外の以下の金属成分含有量を規定する必要がある。
【００２３】
但し、以下の成分は、フラックス中に含有する酸化物および弗化物として存在する成分を除いたものである。
【００２４】
Ｃは、溶接金属の常温での強度を得るためにワイヤとフラックス中に合わせて０．０１％が必要であるが、０．１１％を超える添加により靭性が低下するため、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．０１％以上、０．１１％以下に限定する。
【００２５】
Ｓｉは、Ａｃ１変態温度を高めるのに有効な元素である上、溶接金属中の酸素量を低下させて靭性を改善するのでワイヤとフラックス中に合わせて０．５％以上の添加が必要である。しかし、１．７５％を超えると常温強度が高くなりすぎ、溶接金属靭性も低下させるので、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．５％以上、１．７５％以下に限定する。
【００２６】
Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶接金属の酸素量を低減させ、靭性を改善するので０．３％は必要であるが、高温強度にはあまり効果がない。さらにＡｃ１変態温度を低くするために８００℃高温強度にはかえって有害となることから、５．３％以下に限定する。したがって、Ｍｎ含有量を、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．３〜５．３％とする。
【００２７】
Ｎｉは、溶接金属靭性を高めるために添加する場合は０．００６％以上を必要とするが、Ａｃ１変態温度を低下させるため、１．３％を超えて添加すると高温強度が低下する。したがってＮｉの添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００６〜１．３％、好ましくは０．０１〜１．０％の範囲とする。
【００２８】
Ｃｒは、強化元素として添加する場合には０．０１％以上を要するが、２．４％を超えて添加すると常温強度が高くなりすぎ、またＡｃ１変態温度を低下させて高温強度を低下させることから、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．０１％以上、２．４％以下とする。
【００２９】
Ｍｏは、溶接金属の高温強度を高める基本元素であり、本発明溶接のワイヤとフラックスの組合せにおいては必須元素である。こうした特性を十分発揮させて８００℃高温強度を高めるには、ワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．２％以上の添加が必要であるが、２．０％を超えて添加すると常温強度が高くなりすぎ、溶接金属靭性も低下させる場合があるため、Ｍｏ添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．２％以上、２．０％以下とする。
【００３０】
Ｖも、高温強度を高める構成元素として重要である。８００℃高温強度を高めるにはワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００１％以上の添加が有効である。しかし、０．３％を超えて添加すると溶接金属靭性を低下させる場合があるため、添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００１％以上、０．３％以下とする。
【００３１】
Ｎｂは、発明溶接ワイヤにおいて溶接金属の高温強度を高める構成元素として最も重要である。８００℃高温強度を高めるにはワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００７％以上の添加が有効である。しかし、０．５％を超えて添加すると溶接金属靭性を低下させる場合があるため、添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００７％以上、０．５％以下とする。
【００３２】
Ａｌは、Ｓｉと同様に溶接金属の酸素量を低減させ、靭性を改善する。さらにＡｌは常温強度をあまり高めずにＡｃ１変態温度を大きく上昇させるので、本発明における重要な元素である。これらの目的のためにはワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００３％超の添加が必要である。しかし、７．０％を超えて添加するとスラグ剥離性等の溶接作業性を著しく低下させる。こうしたことから、本発明溶接ワイヤにおけるＡｌの添加量はワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方に含有する合計量で０．００３％超、７．０％以下とする。
【００３３】
本発明では、上述したようにサブマージアーク溶接の際にワイヤおよびフラックスの何れか一方または両方の成分を規定することにより目標とする溶接金属の８００℃での耐火性能および靱性を確保することができる。
【００３４】
なお、フラックスを用いて上記の金属成分を溶接金属に添加する場合は、フラックス中に上記金属成分（Ｘ）を金属（Ｘ）、鉄またはその他金属との合金（Ｆｅ−Ｘ）などの添加形態で添加される。
【００３５】
また、本発明では、さらに、溶接作業性などを向上させるために、フラックス中に以下の金属酸化物、金属弗化物または金属炭酸塩を含有しても良い。
【００３６】
ＴｉＯ₂は、ビード形状を改善させるがスラグ剥離性を劣化させ、特に８％を超えるとビード表面にスラグのこびり付きが生じ、極端にスラグ剥離性が劣化するので８％以下に限定することが好ましい。
【００３７】
ＳｉＯ₂はスラグの粘性を増加させ、止端部のなじみのよい溶接ビードを形成するのに極めて有効な成分であるとともに、スラグをガラス質の性状にする傾向を有し、これにより砕けやすい剥離性の良好なスラグを生成することができる。このようなＳｉＯ₂の効果はフラックス全重量に対し、１０％以上の添加で得ることができるが、一方１６％を超えて添加するとスラグの融点が低下し、溶接ビードの表面が乱れ、さらには溶接金属中の酸素量を増加させ溶接金属の靭性が劣化する。そのため、ＳｉＯ₂はフラックス全重量に対し、１０〜１６％添加するのが好ましい。
【００３８】
ＣａＯは高塩基性であり、溶接金属中の酸素量を低くするために必要な組成であり、靭性を向上させる。このようなＣａＯの効果はフラックス全重量に対し、３％以上の添加で得ることができる。しかしながら２０％を超えて添加するとビードが不揃いとなり外観が不良となる。そのため、ＣａＯはフラックス全重量に対し、３〜２０％添加するのが好ましい。
【００３９】
ＺｒＯ₂はビード幅の広いなじみの良いビードを形成するのに極めて有効な成分であるため、１％以上の添加で得ることができるが、一方９％を超えて添加するとスラグ量が増加し、かつビード止端部に焼付きが生じるようになる。そのためＺｒＯ₂は１〜９％添加するのが好ましい。
【００４０】
Ａｌ₂Ｏ₃は、ビード幅を狭くしてスラグ剥離性を改善するため、８％以上添加できるが、１８％を超えると溶接金属の酸素量が高くなり、靭性が劣化する。そのためＡｌ₂Ｏ₃はフラックス全重量に対し８〜１８％添加するのが好ましい。
【００４１】
ＭｇＯはビードの保持力を高め、かつビード幅を広げ止端部のなじみのよい溶接ビードを形成するのに有効な成分であるため、フラックスの全重量に対し、１０％以上の添加できる。しかしながら、２３％を超えて添加するとスラグ量が増加して、スラグが砕けにくくなりスラグ剥離性が劣化する。そのため、ＭｇＯはフラックス全重量に対し１０〜２３％添加するのが好ましい。
【００４２】
ＣａＦ₂などの金属弗化物は、溶接金属の酸素量を低減し、靭性を向上させるため、フラックスの全重量に対し、１％以上の添加で得ることができるが、１８％を超えて添加するとアーク現象が不安定になり、ポックマークが生じ、ビード形状が不良になる。そのためＣａＦ₂はフラックス全重量に対し、１〜１８％添加するのが好ましい。
【００４３】
ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃などの金属炭酸塩は溶接中にアーク空洞中でＣＯ₂ガスに解離し、アーク空洞中における水素分圧を下げ、溶接金属に移行する水素量を低くし、拡散性水素量を低減する効果を有する。金属炭酸塩がＣＯ₂に換算してフラックス全重量に対し３％未満であると溶接金属中の拡散性水素量が減少せず、水素による低温割れが生じやすくなる。一方、６％を超えるとガス発生量が過多となり、アークが吹き上げビード形状が不良となる。そのため、ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃などの金属炭酸塩は、ＣＯ₂に換算してフラックス全重量に対して３〜６％含有することが好ましい。
【００４４】
Ｌｉ₂Ｏ₃、ＬｉＦなどは吸湿防止効果が非常に高いため、フラックスが大気中の水分を吸収し、溶接時の水素分圧が大きくなり、溶接金属の拡散性水素を高くするのを抑制する。特に、水ガラスを含有するボンドフラックスではこの傾向が強い。この効果をえるためにＬｉ願算で０．０４以上添加できる。一方、Ｌｉ願算０．５％を超えると溶接ビード表面にアバタが発生し、ビード形状が不良となる。そのため、Ｌｉ₂Ｏ₃、ＬｉＦなどをフラックスの全重量に対し、Ｌｉ願算で０．０４〜０．５％添加するのが好ましい。
【００４５】
Ｆｅは溶着効率を高め、溶接作業能率を向上させる。Ｆｅの含有によってフラックスの嵩重量が大きくなることにより溶接金属の溶込みを増大させる効果があるため、より狭い開先においても必要とする十分な溶込みを得ることが可能になる。このような効果をえるためにはフラックス中に１％以上添加する必要がある。しかしながら、３５％を超えて添加されるとスラグ生成剤の量が不足するためビード形成能が劣化し、ビード表面の波目が粗くなり、ビード表面に突起物が発生しやすくなり、外観上好ましくない。従って、Ｆｅの添加量は１〜３５％とするのが好ましい。なお、Ｆｅの添加形態は鉄粉、鉄合金を用いられる。
【００４６】
【実施例】
発明効果をさらに明確にするため、以下実施例について述べる。
【００４７】
表１に示す化学成分を有する板厚２０ｍｍの厚板１を図１に示す寸法の開先２に開先加工し、溶接に供した。裏当金３も母材と同様の厚板を使用した。溶接は表２に示す条件を用い、１層２パスのサブマージアーク溶接を用いて多層盛溶接を行った。この溶接で使用した溶接ワイヤの化学成分を表３に、フラックスの化学成分を表４にそれぞれ示す。なお、フラックスはまず原材料を配合、混合した後、水ガラスを固着材として造粒した後、５５０℃で２時間焼成し、１２〜１００メッシュに整粒して作製したボンドフラックスを用いた。
【００４８】
これらのワイヤとフラックスを表５に示すように組合わせてサブマージアーク溶接を行った。その後、溶接試験体から図２に示す位置で高温引張試験片４とＪＩＳ４号Ｖノッチシャルピー衝撃試験片５を採取し、それぞれの試験に供した。
【００４９】
表５において、記号Ｊ１〜Ｊ１１は、ワイヤとフラックスの含有量の合計が本発明範囲内である本発明例、Ｊ１２〜Ｊ２５は本発明範囲から外れている比較例である。
【００５０】
高温引張試験試験結果（８００℃における降伏強さ）およびシャルピー衝撃試験結果（０℃におけるシャルピー吸収エネルギー）を表６に示す。
Ｊ１〜Ｊ１１の本発明はいずれも、表６に示すように、８００℃での降伏強さ、０℃におけるシャルピー吸収エネルギーともに良好である。
【００５１】
一方、Ｊ１２〜Ｊ２５の比較例は、それぞれ、表６に示したような理由により、８００℃での降伏強さあるいは０℃におけるシャルピー吸収エネルギーの目標を満足しなかった。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
【表３】

【００５５】
【表４】

【００５６】
【表５】

【００５７】
【表６】

【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、８００℃までの温度における耐火性に優れた高温耐火建築構造用鋼とに適用する溶接材料が提供可能、建築分野をはじめとしてその工業界への効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において適用される開先形状を示す図である。
【図２】本発明において適用される試験片採取位置を示す図である。
【符号の説明】
１厚板
２開先
３裏当金
４高温引張試験片
５シャルピー衝撃試験片

Claims

耐火建築構造用鋼の開先をワイヤおよびフラックスを用いて多層盛溶接するサブマージアーク溶接方法において、前記ワイヤ中の金属成分の質量％と前記フラックス中の金属または合金として添加される金属成分の質量％の合計が、Ｆｅ及び不可避的不純物以外は質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１１％、Ｓｉ：０．５〜１．７５％、Ｍｎ：０．３〜５．３％、Ｎｉ：０．００６〜１．３％、Ｃｒ：０．０１〜２．４％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、Ｖ：０．００１〜０．３％、Ｎｂ：０．００７〜０．５％、Ａｌ：０．００３超〜７．０％からなるようにして溶接することにより、８００℃の高温での降伏強さが７０ＭＰａ以上で、かつ０℃シャルピー吸収エネルギーが２７Ｊ以上の靭性を有する溶接金属を得ることを特徴とする耐火建築構造用鋼のサブマージアーク溶接方法。