JP4822733B2 - 鋼構造物用溶接継手 - Google Patents

Description

本発明は、船舶、橋梁、貯槽、建設機械等の鋼構造物に用いて好適な溶接継手に係り、特に、溶接中に発生する溶接継手の変形を抑制するものである。

船舶，橋梁，貯槽等の建造物や建設機械等の大型機械においては、低合金鋼材（Cr，Ni，Mo等を添加した引張強度レベル400〜590MPaの鋼材）が用いられており、その鋼材からなる各部材の接合には溶接が多用されている。そのため鋼構造物（たとえば建造物，大型機械等）は、構築する際の溶接施工によって、溶接金属（すなわち溶接材料と鋼材が溶融し、さらに冷却されてできた鋼）の熱収縮が発生し、溶接継手が変形する。

その変形量の許容範囲は、鋼構造物の用途に応じて規定されており、たとえば道路橋では道路橋示方書，船舶では日本鋼船工作精度標準に規定されている。変形量が許容範囲を超える場合には、溶接継手を加熱して変形を矯正する。変形した溶接継手の加熱には燃料用ガスが大量に消費されており、その燃焼によって多量のＣＯ₂ が大気中に放散されている。

一方、地球温暖化の問題は、環境に与える影響の大きさや深刻さから、緊急に対応すべき課題である。温暖化を防止するためには、温暖化を招く要因となるガス（いわゆる温室効果ガス，特にその大部分を占めるＣＯ₂ ）の排出を抑制する必要がある。
そのため鋼構造物を構築する際の溶接施工において、溶接継手の変形を減少させて、溶接した後の加熱による矯正を不要にする溶接技術（すなわち溶接精度の向上およびエネルギー消費量の低減を達成する技術）が種々検討されている。

一般に、鋼材同士を溶接により接合して溶接継手を製作すると、溶接時の加熱および溶接後の冷却によって、溶接継手の変形が生じる。特に、薄い鋼材を溶接する場合には、溶接継手の変形量が大きくなることが知られている。
溶接継手が変形する原因は、溶接入熱により融点以上に加熱され溶融した溶接金属が、溶接の後で冷却されて凝固、収縮することによって応力が発生し、その応力によって溶接継手が変形することにある。溶接継手の変形量は、通常、溶接変形量と呼ばれる指標で評価する。溶接変形量は、溶接前の母材に沿う長さａに対する、溶接方向に直交する断面での溶接後に生じた変形量ｂの比（すなわちｂ／ａ）で表わされることが多い。

このような溶接継手の変形を低減する方法として、溶接継手を加熱して矯正する前記した方法の他に、鋼材を拘束して溶接する等の方法が広く採用されている。しかしながら、これらの方法は、多大な作業時間を要するので、その作業中に消費される燃料が増大する。しかも溶接作業コストの高騰や溶接作業能率の低下を招くという問題もあった。
特許文献１に開示された溶接方法では、溶接に供される鋼板の化学組成も限定されるため、汎用の鋼板を用いる場合には十分な効果が得られないという問題もあった。

また特許文献２には、ワイヤ中に占める化学成分により規定される相変態温度を620℃以下としているが、実施例によると規定範囲内でも変形量が異なっており、必ずしも溶接継手の変形の抑制に効果的な範囲とは言い難い。
一方、特許文献３には、溶接により生成する溶接金属を、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こさせ、室温においてマルテンサイト変態の開始時よりも膨張している状態とする溶接方法が提案されている。この方法によれば、溶接継手の疲労強度が向上するとしている。しかしながら特許文献３に記載された技術を薄肉鋼材の溶接に適用すると、溶接金属の膨張によって、かえって溶接変形が大きくなるという問題が残されていた。

さらに特許文献４では、溶接金属の化学組成およびマルテンサイト変態開始温度を限定することにより耐溶接変形性に優れた溶接継手を提唱している。しかしながら特許文献４に開示された溶接材料では、溶接継手の耐変形性能は向上するものの、溶接金属の靭性が劣るため、伸びがほとんどないという問題があった。また溶接材料の作業性にも問題があり、溶接金属の形状もよくなかった。
特開平7-108375号公報 特開平7-276086号公報 特開平11-138290 号公報 特開2001-225189 号公報

本発明は上記のような問題を解消するためになされたものであり、その目的は溶接継手の耐溶接変形能を向上させ、かつ通常の溶接が可能な鋼構造物用溶接継手を提供することにある。

本発明者らは、溶接材料を用いて接合した25mm厚以下の低合金鋼材の溶接継手に発生する変形を抑制する方法について鋭意研究した。その結果、溶接継手の変形を抑制するためには、溶接金属の組成を、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起し、かつ室温まで冷却したのちにマルテンサイト変態開始時に比較して大きな膨張あるいは収縮を生じない状態となる組成とすることが肝要であることに想到した。好ましくは溶接金属の組成を、室温まで冷却したのちにマルテンサイト変態開始時とほぼ同じ程度の伸び量あるいはやや収縮状態となる、温度−伸び曲線（熱膨張曲線）を有するような組成とすることである。

そして本発明者らは、上記したような組成の溶接金属とするためには，溶接材料の組成以外に、溶接に供される鋼材からの希釈を考慮する必要があり、鋼材（すなわち低合金鋼）の組成に応じて溶接材料の組成および溶接入熱等の溶接条件を調整して、溶接することが肝要であることを知見した。本発明は、上記した知見に基づいて、さらに検討を加え完成されたものである。

この溶接方法は、溶接により生成する溶接金属を、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こさせ、室温においてマルテンサイト変態の開始時よりも膨張している状態とするようにしている。そして、この溶接方法に使用される溶接材料（すなわち溶接ワイヤ）としては、マルテンサイト変態開始温度を400℃未満150℃以上と低温化させた溶接材料を用いて、溶接により発生した溶接金属のマルテンサイト変態開始温度を550℃未満360℃以上とするものである。そして、このような溶接方法および溶接材料を用いることにより、溶接継手に発生する熱歪みを緩和させ、溶接施工後の変形の矯正などの処理も緩和できる効果を有するものである。

上記問題を解決するために本発明者らが検討した結果、次のような知見を得た。すなわち、溶接材料にCr、Niを添加させることにより促進されたマルテンサイト変態を、ある温度で開始、終了させ、マルテンサイト変態の膨張現象を限定することにより、溶接継手の変形の防止に効果があることを実証したのである。
なおかつ化学組成をある特定の範囲とすることにより、溶接継手の変形量の緩和を達成できることを見出したのである。すなわち継手の総合的な性能を高めることができる。

本発明はこの知見に基づいて、さらに検討を加え完成されたものである。
すなわち本発明は、低合金鋼材を溶接して製造する鋼構造物用溶接継手において、溶接金属がＣ：0.20質量％以下、Cr： 4.0〜7.34 質量％、Ni： 0.3〜7.0 質量％、Si： 1.0質量％以下、Mn： 2.0質量％以下、Ｐ： 0.020質量％以下、Ｓ： 0.010質量％以下を含み残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度を 373〜550 ℃の範囲とする鋼構造物溶接継手である。

溶接金属は、上記した組成に加えて、Moを 2.0質量％以下およびNbを 1.0質量％以下のうちの１種または２種を含有することが好ましい。

本発明によれば、通常の溶接技術を採用して溶接を行なっても、溶接継手の変形を抑制できる。

本発明の溶接継手は、溶接材料（すなわち溶接ワイヤ）を用い、溶接に供される鋼材同士を溶接することにより作製される。本発明の溶接継手では、板厚25mm以下の低合金鋼材を用いる。低合金鋼材としては、 300〜590MPa級、特に490MPa級、590MPa級薄肉高張力鋼材が好適であるが、本発明に用いられるこれら低合金鋼材の組成については、特に限定する必要はなく、通常公知の鋼材いずれもが適用可能である。

また、用いられる溶接材料は、溶接に供される鋼材に適合した溶接条件で、後述する組成の溶接金属を形成できる組成を有するものであれば、通常公知の溶接材料いずれもが適用可能である。後述する組成の溶接金属が形成できるように、溶接条件により鋼材からの希釈等を考慮して適宜選択すればよいのである。
本発明では、鋼材に応じて溶接材料の組成および溶接方法、溶接条件を調整して、適正な組成の溶接金属を形成する。本発明の溶接継手の溶接方法は、被覆アーク溶接、ガスメタルアーク溶接、サブマージアーク溶接、ＦＣＷ(フラックス コアド ワイヤ)など各種溶接法がいずれも好適に適用できる。また継手形状は、荷重非伝達型十字溶接継手、角回し溶接などの隅肉溶接継手、突き合わせ溶接継手など、船舶、海洋構造物、ペンストック、橋梁、貯槽、建設機械等の大型鋼構造物に用いられる継手形状がいずれも好適である。

次に、本発明の溶接継手における溶接金属について説明する。本発明の溶接継手における溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起し、かつ室温まで冷却したのちにマルテンサイト変態開始時に比較して、大きな膨張あるいは収縮を生じない状態，好ましくは室温まで冷却したのちにマルテンサイト変態開始時とほぼ同じ程度の伸び量あるいはやや収縮状態を示す組成に調整される。

このような状態を有する本発明の溶接金属とするためには、溶接材料ではなく、鋼材、溶接材料および溶接条件により得られる溶接金属の組成を、まず、マルテンサイト変態開始温度（以下、Ｍ_S 点という）が550℃以下 360℃以上となる組成とする必要がある。Ｍ_S 点が 600 ℃を超えると、マルテンサイト変態による膨張量が少なくなるとともに変態膨張の最大点が室温より高くなりすぎるため、変態後の冷却により再度熱収縮が生じ、これにより引張残留応力が発生するようになり、溶接継手の変形が大きくなる。またＭ_S 点が360℃未満では、冷却過程におけるマルテンサイト変態による膨張効果が十分でなく、熱収縮により引張残留応力が発生するようになり、溶接継手の変形が大きくなる。このようなことから、溶接金属の組成を、溶接金属のＭs 点が 373〜550 ℃となる組成に限定した。これにより溶接継手の変形が抑制され、耐溶接変形性が良好となる。

溶接金属のＭ_S 点がこのような範囲になるには、溶接金属の組成を、Ｃ：0.20質量％以下、Cr：4.0 〜9.0 質量％、Ni： 0.3〜7.0 質量％を含有する鉄合金組成で、さらにSi：1.0 質量％以下、Mn：2.0 質量％以下を含み、あるいはさらにMo：2.0 質量％以下、Nb：1.0 質量％以下のうちの１種または２種を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鉄合金組成とする。（以下、質量％は％と記す。）
Ｃは、マルテンサイトの硬さを増加し、溶接硬化性を増大し、低温割れを助長する元素であり、過度に含有すると膨張量の増大により溶接変形を引きおこしやすくなるため、できるだけ低減するのが望ましく、0.20％以下とする。なお溶接割れの観点から0.15％以下、好ましくは0.12％以下とするのが好ましい。

Crは、Ｍ_S 点を低温とする元素であり、本発明の溶接継手における溶接金属としては重要な元素の一つであり、4.0％以上の含有を必要とする。Crの含有量が 9.0％を超えると、Ｍ_S 点を 550℃以下とするには、溶接材料に高価なNiの多量添加および溶接材料の加工性を劣化させる元素の多量添加を必要とし、経済性、製造性の観点から問題がある。
Niは、オーステナイトを安定化する元素であり、Ｍ_S 点を 550℃以下と低温とするために重要な元素である。このようなことから本発明では、Niを0.3 ％以上含有させる必要がある。一方、 7.0％を超える多量の含有は、溶接材料を高価なものとし経済的に不利となる。

さらにSiは、Ｍ_S 点を低下させる作用を有し、Ｍ_S 点低下のためには多く含有させるほうが好ましい。しかしSiは脱酸剤として溶接材料から主として供給され、溶接金属にSiを1.0 ％を超えて含有させると溶接材料の製造における加工性が低下する。このため、Siは1.0 ％以下に調整する。
Mnは、脱酸剤として溶接材料から供給されるが、2.0 ％を超えて含有させると、溶接材料の製造における加工性が低下する。このため、Mnは2.0 ％以下に調整する。

本発明では、さらにMo、Nbのうちの１種または２種を含有できる。Moは溶接金属の耐食性を向上させる目的として添加することができるが、2.0 ％を超えて含有させると、溶接材料の加工性が低下する。このため、Moは2.0 ％以下とするのが好ましい。一方、Nbは、Ｍ_S 点を低下させる作用を有し、Ｍ_S 点低下のためには多く含有させるほうが好ましい。しかし1.0 ％を超えて含有させると、溶接材料の製造における加工性が低下する。このため、Nbは1.0 ％以下に限定するのが好ましい。

不純物元素であるＰ、Ｓは、鋼材の靭性等に悪影響を及ぼすため、それぞれ 0.020％以下、 0.010％以下とする。
上記した以外の元素については特に限定されないが、Ｖ，Cu，REM（すなわち希土類元素）をそれぞれ0.5 ％以下含有することは許容される。なお、上記した元素以外に鋼材、溶接材料に含有される元素が不可避的に含有されてもなんら問題はない。

本発明では、溶接継手の変形を低減する観点から、溶接金属の化学組成が下記の (1)式を満足することが好ましい。
360≦719−795［Ｃ］−35.55［Si］−13.25［Mn］−23.7［Cr］
−26.5［Ni］−23.7［Mo］−11.85［Nb］≦550 ・・・ (1)
［Ｃ］：Ｃの含有量（質量％）
［Si］：Siの含有量（質量％）
［Mn］：Mnの含有量（質量％）
［Cr］：Crの含有量（質量％）
［Ni］：Niの含有量（質量％）
［Mo］：Moの含有量（質量％）
［Nb］：Nbの含有量（質量％）
本発明では、低合金鋼材を溶接に供し、溶接材料を用いて低合金鋼材同士を溶接し溶接継手とするが、上記した組成、特性の溶接金属が形成されるように低合金鋼材の組成に応じて溶接材料の組成、溶接入熱等の溶接条件を調整する。

本発明では、各層溶接で形成される溶接金属をそれぞれ上記した 550℃以下 373℃以上のＭ_S 点を有し、 (1)式を満足する組成の溶接金属になるように調整する。
これにより、溶接金属に生じる膨張、収縮が緩和され、溶接継手の変形が抑制されて耐溶接変形性が改善される。また本発明は、十字溶接継手を作製する場合も有効である。この場合も溶接金属が上記した本発明範囲の組成となるように、溶接材料、溶接条件を調整するのが好ましい。これにより溶接継手の変形が抑制される。

また本発明は、隅肉溶接の他、突合せ溶接や円周溶接、補修溶接である肉盛り溶接等の場合にも適用できることは言うまでもない。

表１に示す化学組成の溶接材料を用いて鋼材（ＪＩＳ規格SM490 相当）を溶接して溶接継手を作製した。なお、表１にはJIS Z 3111に準拠して測定したデータを示す。溶接継手（図１）は600mm×600mm×9 mmの鋼材１に600 mm×140 mm×9 mmの鋼材２を隅肉溶接することにより作製した。

溶接継手における溶接金属の化学組成とマルテンサイト変態開始温度（すなわちＭ_S 点）を表２に示す。なお表２には、Ｍ_S 点の計算値と測定値を示す。
Ｍ_S 点の計算値Ｍ_SCは、下記の (2)式で算出した値である。
Ｍ_SC＝719−795[Ｃ]−35.55[Si]−13.25[Mn]−23.7[Cr]−26.5[Ni]−23.7[Mo]
−11.85[Nb] ・・・ (2)
したがって (1)式は、下記の (3)式で表わされる。

360≦Ｍ_SC≦550 ・・・ (3)
またＭ_S 点の測定値は、直径３mm，長さ10mmの測定用試験片を採取し、変態点記録測定装置を用いて測定した値である。

次いで、表３に記載した溶接条件（電流、電圧、溶接速度）で溶接継手を作製し、50℃以下に空冷した後、変形量を測定した。溶接継手の変形量を測定するにあたって、溶接継手を水平面上に載置し、鋼材２を垂直に保持した状態で、鋼材１の両端と水平面との距離ｄ₁ ，ｄ₂ を 0.1mm単位で測定した（図２）。こうして測定したｄ₁ 、ｄ₂ 値の平均値（＝（ｄ₁ ＋ｄ₂ 値）／２）を、溶接継手の変形量として表３に示す。また表２に示したＭ_S 点の測定値も併せて示す。

比較例では溶接継手の変形量が6.88〜9.02mmであったのに対して、発明例では変形量が5.62〜6.46mmであった。したがって発明例では溶接継手の変形量が減少することが確認できた。

隅肉溶接を行なう前の鋼材を模式的に示す側面図である。 隅肉溶接を行なった後の鋼材を模式的に示す側面図である。

符号の説明

１ 鋼材
２ 鋼材
３ 溶接金属

Claims (3)

1. 低合金鋼材を溶接して製造する鋼構造物用溶接継手において、溶接金属がＣ：0.20質量％以下、Cr： 4.0〜7.34 質量％、Ni： 0.3〜7.0 質量％、Si： 1.0質量％以下、Mn： 2.0質量％以下、Ｐ： 0.020質量％以下、Ｓ： 0.010質量％以下を含み残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有し、前記溶接金属のマルテンサイト変態開始温度が 373〜550 ℃であることを特徴とする鋼構造物用溶接継手。
2. 請求項１に記載した溶接金属組成に加えて、Moを 2.0質量％以下およびNbを 1.0質量％以下のうちの１種または２種を含有することを特徴とする鋼構造物用溶接継手。
3. 前記溶接金属の組成が、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起し、かつ室温まで冷却したのちにマルテンサイト変態開始時点と同じ伸び量または縮小状態となる熱膨張曲線を有する組成であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼構造物溶接継手。
   

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