鋼材のサブマージアーク溶接方法
【課題】ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等の大径鋼管の造管溶接に用いて好適な鋼材のサブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】鋼板を内外面１層溶接で溶接する際、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方において、板厚と鋼板表層で計測したビード幅との関係が（１）式を満たし、かつ、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅との関係が（２）式を満たすように溶接条件を選定する。０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．６５（１）、Ｗ２／ｔ≦０．３４（２）但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）、Ｗ２：鋼板表層から板厚方向に０．４ｔの位置で測定したビード幅（ｍｍ）。
【解決手段】鋼板を内外面１層溶接で溶接する際、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方において、板厚と鋼板表層で計測したビード幅との関係が（１）式を満たし、かつ、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅との関係が（２）式を満たすように溶接条件を選定する。０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．６５（１）、Ｗ２／ｔ≦０．３４（２）但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）、Ｗ２：鋼板表層から板厚方向に０．４ｔの位置で測定したビード幅（ｍｍ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関し、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等大径鋼管の造管溶接に用いて好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には二電極以上のサブマージアーク溶接が適用され、パイプ生産能率向上の観点から内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する両面一層盛り溶接とする、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１，２）。
【０００３】
両面一層溶接では、内面溶接金属と外面溶接金属が重なり、未溶融部がないように十分な溶け込み深さを確保する必要があるため、１０００Ａ以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であるが、能率と欠陥抑制を重視して、溶接入熱が高くなりすぎ、溶接部特に熱影響部の靭性が劣化する傾向にある。
【０００４】
溶接部の高靭性化には、溶接入熱を低減するのが有効であるが、通常行われているシーム溶接の入熱に対して大幅に入熱を低減させなければ、その靭性向上効果は明確とならず、大幅に入熱を低減させると溶着量も減少するため開先断面積を溶着量減少分に合わせて減らす必要が生じる。そのため、一層の深溶け込み溶接を行わなければ内外面の溶接金属は重ならず、溶け込み不足が生じる危険性が増大する。
【０００５】
従って、溶接部の高靭性化は、投入入熱の大幅な低減と溶け込み深さの増大を両立させなければならず、従来より種々の提案がなされているがその達成は極めて困難である。
【０００６】
例えば、上記特許文献２では電極径に応じて電流密度を高め、溶け込み深さを増大させるサブマージアーク溶接方法が提案されているが、最近の仕様に対しては、電流および電流密度が不十分で入熱の大幅な低減と溶け込み深さの増大の両立は困難である。
【０００７】
特許文献３には高電流で更なる高電流密度でのサブマージアーク溶接方法が提案されており、アークエネルギーをできるだけ板厚方向に投入することにより、必要な溶け込み深さだけを確保し、鋼材幅方向の母材の溶解を抑制することで過剰な溶接入熱を省いて、入熱低減と深溶け込みの両立が図られている。
【特許文献１】特開平１１−１３８２６６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０９１７１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７２３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３記載のサブマージアーク溶接方法では、入熱低減と深溶け込みが両立できるものの、鋼板表面でのビード幅が小さくなって、鋼板表面から溶け込み先端までほぼ一様なビード幅になりやすいため、シャルピー試験片を図２の２で示すようなノッチ３方向と板厚方向が平行でかつ外面溶接側の鋼板表面下７ｍｍの位置がシャルピー試験片中央となるよう採取してシャルピー試験を行うと、Ｆｕｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ（以下、ＦＬ）が板厚方向に向いていて板厚方向への脆性破壊が進展しやすくなり、低入熱溶接にもかかわらず靭性値が低くなりやすいという問題があった。
【０００９】
更に、このようなビード形状ではスラグの巻き込みによる溶接欠陥が起こりやすいという問題もあった。
【００１０】
本発明は、溶接入熱低減による溶接熱影響部靭性向上の効果を十分に得ながら、溶接欠陥のない溶接継手が得られる鋼材のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋼材のサブマージアーク溶接継手を対象として、ビード形状と溶接熱影響部靭性の関係について検討し、鋼板表層で計測したビード幅、更には溶込み先端近傍でのビード幅と鋼板の板厚との比を適正な範囲に制御することにより、スラグ巻き込みを抑制しつつ、優れたシャルピー衝撃試験結果（切欠き位置：ＦＬ）が得られることを見出した。本発明は、上述の知見に基づくものであり、その要旨は以下の通りである。
１．内外面一層溶接を行う鋼板のサブマージアーク溶接方法であって、前記内面溶接と前記外面溶接の少なくとも一方において、鋼板表層で計測したビード幅が（１）式を満たすとともに、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅が（２）式を満たすことを特徴とする鋼板のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０ （１）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）
Ｗ２／ｔ≦０．３４ （２）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ２：鋼板表層から板厚方向に０．４ｔの位置で測定したビード幅（ｍｍ）
２．１に記載された溶接方法で作製された溶接継手。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶接入熱低減による溶接熱影響部靭性向上の効果を十分に得ながら、溶接欠陥のない溶接ビードが得られ、且つ溶接熱影響部（切欠位置：ＦＬ）での靭性に優れる溶接継手が得られ産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接法では、鋼板を内外面１層溶接で溶接する際、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方において、板厚と鋼板表層で計測したビード幅との関係が以下の（１）式を満たすように溶接条件を選定する。
０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０ （１）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）、
板厚ｔと鋼板表層で計測したビード幅Ｗ１との関係が０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０を満足する場合、スラグの巻き込みが抑制され健全な溶接部が得られる。鋼板表層で計測したビード幅Ｗ１とは、表層である外表面におけるビード幅を指す。
【００１４】
Ｗ１／ｔ＞０．８０となる溶接ビードにおいては、母材に与えられる熱量が必然的に大きくなり溶接熱影響部の靭性が劣化する。
【００１５】
一方、０．４０＞Ｗ１／ｔとなる溶接ビードにおいては、鋼板表面から溶け込み先端までほぼ一様なビード幅でＦＬが板厚方向に向いてくるため、板厚方向への脆性破壊が進展しやすくなり靭性値が低くなる。また、スラグの巻き込みによる溶接欠陥も起こりやすい。
【００１６】
そこで、（１）式の規定に加えて、更に、（２）式を満たすように溶接条件を選定して、鋼板の板厚方向でＦＬを板厚方向に対して傾斜させる。
Ｗ２／ｔ≦０．３４ （２）
（２）式によれば、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅Ｗ２を、Ｗ２／ｔが０．３４以下に規定するので、鋼板表面のビード幅に対して、板厚中央部でのビード幅が狭くなる。
【００１７】
本発明は内面溶接と外面溶接のいずれに対しても適用可能であり、好ましくは内面溶接と外面溶接の両方に適用するのが良い。尚、本発明の規定を満足するビード幅が得られる溶接条件は、試験材を用いて予め求めておく。
【実施例】
【００１８】
表１に示す板厚、組成を有するＡＰＩ規格Ｘ７０級鋼板に、図１に示す開先形状で、表２に示す開先寸法の開先加工を施した。
【００１９】
内面側は表３に示す条件で、外面側は表４に示す種々の溶接条件で内外面１層溶接の４電極サブマージアーク溶接を施して複数の突合せ溶接継手を作製した。
【００２０】
得られた溶接継手について、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料衝撃試験方法に準拠してシャルピー衝撃試験を行い、溶接部の靭性を評価した。
【００２１】
シャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ３１１１に規定する４号試験片）は、図２の２で示すように、ノッチ３方向と板厚方向が平行でかつ外面溶接側の鋼板表面下７ｍｍの位置がシャルピー試験片中央となるよう採取し、試験は、−３０℃で３本実施し、シャルピー吸収エネルギーの平均値を求めた。尚、切欠き位置：ＦＬは、ノッチ底における溶接金属と母材（溶接熱影響部）の比率が５０％−５０％になる位置とした。
【００２２】
表５に外面側溶接部の形状、シャルピー衝撃試験結果及び溶接欠陥の有無を示す。条件Ｎｏ．１〜５は本発明例であり、健全なビードを得ながら溶接熱影響部において優れた靭性を得ることが出来た。
【００２３】
一方、条件Ｎｏ．６はＷ１／ｔ＜０．４０となり、請求項１の（１）式を満たさず、溶け込み不足が発生した。条件Ｎｏ．７は溶接欠陥は無かったものの、Ｗ２／ｔ＞０．３４となり請求項２の（２）式を満たさず、衝撃値が低かった。条件Ｎｏ．８はＷ２／ｔ＞０．３４となり請求項２の（２）式を満たさず、スラグ巻き込みが発生し衝撃値も低かった。条件Ｎｏ．９はＷ１／ｔ＞０．８０となり請求項１の（１）式を満たさず、衝撃値が低かった。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
【表３】
【００２７】
【表４】
【００２８】
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例の開先形状を説明する図。
【図２】実施例のシャルピー衝撃試験片採取位置を説明する図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材のサブマージアーク溶接方法に関し、ＵＯＥ鋼管やスパイラル鋼管等大径鋼管の造管溶接に用いて好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
大径鋼管の造管溶接（シーム溶接）には二電極以上のサブマージアーク溶接が適用され、パイプ生産能率向上の観点から内面側を１パス、外面側を１パスで溶接する両面一層盛り溶接とする、高能率な溶接施工がなされている（例えば特許文献１，２）。
【０００３】
両面一層溶接では、内面溶接金属と外面溶接金属が重なり、未溶融部がないように十分な溶け込み深さを確保する必要があるため、１０００Ａ以上の大電流を適用して溶接を行うのが一般的であるが、能率と欠陥抑制を重視して、溶接入熱が高くなりすぎ、溶接部特に熱影響部の靭性が劣化する傾向にある。
【０００４】
溶接部の高靭性化には、溶接入熱を低減するのが有効であるが、通常行われているシーム溶接の入熱に対して大幅に入熱を低減させなければ、その靭性向上効果は明確とならず、大幅に入熱を低減させると溶着量も減少するため開先断面積を溶着量減少分に合わせて減らす必要が生じる。そのため、一層の深溶け込み溶接を行わなければ内外面の溶接金属は重ならず、溶け込み不足が生じる危険性が増大する。
【０００５】
従って、溶接部の高靭性化は、投入入熱の大幅な低減と溶け込み深さの増大を両立させなければならず、従来より種々の提案がなされているがその達成は極めて困難である。
【０００６】
例えば、上記特許文献２では電極径に応じて電流密度を高め、溶け込み深さを増大させるサブマージアーク溶接方法が提案されているが、最近の仕様に対しては、電流および電流密度が不十分で入熱の大幅な低減と溶け込み深さの増大の両立は困難である。
【０００７】
特許文献３には高電流で更なる高電流密度でのサブマージアーク溶接方法が提案されており、アークエネルギーをできるだけ板厚方向に投入することにより、必要な溶け込み深さだけを確保し、鋼材幅方向の母材の溶解を抑制することで過剰な溶接入熱を省いて、入熱低減と深溶け込みの両立が図られている。
【特許文献１】特開平１１−１３８２６６号公報
【特許文献２】特開平１０−１０９１７１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７２３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３記載のサブマージアーク溶接方法では、入熱低減と深溶け込みが両立できるものの、鋼板表面でのビード幅が小さくなって、鋼板表面から溶け込み先端までほぼ一様なビード幅になりやすいため、シャルピー試験片を図２の２で示すようなノッチ３方向と板厚方向が平行でかつ外面溶接側の鋼板表面下７ｍｍの位置がシャルピー試験片中央となるよう採取してシャルピー試験を行うと、Ｆｕｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ（以下、ＦＬ）が板厚方向に向いていて板厚方向への脆性破壊が進展しやすくなり、低入熱溶接にもかかわらず靭性値が低くなりやすいという問題があった。
【０００９】
更に、このようなビード形状ではスラグの巻き込みによる溶接欠陥が起こりやすいという問題もあった。
【００１０】
本発明は、溶接入熱低減による溶接熱影響部靭性向上の効果を十分に得ながら、溶接欠陥のない溶接継手が得られる鋼材のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋼材のサブマージアーク溶接継手を対象として、ビード形状と溶接熱影響部靭性の関係について検討し、鋼板表層で計測したビード幅、更には溶込み先端近傍でのビード幅と鋼板の板厚との比を適正な範囲に制御することにより、スラグ巻き込みを抑制しつつ、優れたシャルピー衝撃試験結果（切欠き位置：ＦＬ）が得られることを見出した。本発明は、上述の知見に基づくものであり、その要旨は以下の通りである。
１．内外面一層溶接を行う鋼板のサブマージアーク溶接方法であって、前記内面溶接と前記外面溶接の少なくとも一方において、鋼板表層で計測したビード幅が（１）式を満たすとともに、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅が（２）式を満たすことを特徴とする鋼板のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０ （１）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）
Ｗ２／ｔ≦０．３４ （２）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ２：鋼板表層から板厚方向に０．４ｔの位置で測定したビード幅（ｍｍ）
２．１に記載された溶接方法で作製された溶接継手。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶接入熱低減による溶接熱影響部靭性向上の効果を十分に得ながら、溶接欠陥のない溶接ビードが得られ、且つ溶接熱影響部（切欠位置：ＦＬ）での靭性に優れる溶接継手が得られ産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接法では、鋼板を内外面１層溶接で溶接する際、内面溶接と外面溶接の少なくとも一方において、板厚と鋼板表層で計測したビード幅との関係が以下の（１）式を満たすように溶接条件を選定する。
０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０ （１）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）、
板厚ｔと鋼板表層で計測したビード幅Ｗ１との関係が０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０を満足する場合、スラグの巻き込みが抑制され健全な溶接部が得られる。鋼板表層で計測したビード幅Ｗ１とは、表層である外表面におけるビード幅を指す。
【００１４】
Ｗ１／ｔ＞０．８０となる溶接ビードにおいては、母材に与えられる熱量が必然的に大きくなり溶接熱影響部の靭性が劣化する。
【００１５】
一方、０．４０＞Ｗ１／ｔとなる溶接ビードにおいては、鋼板表面から溶け込み先端までほぼ一様なビード幅でＦＬが板厚方向に向いてくるため、板厚方向への脆性破壊が進展しやすくなり靭性値が低くなる。また、スラグの巻き込みによる溶接欠陥も起こりやすい。
【００１６】
そこで、（１）式の規定に加えて、更に、（２）式を満たすように溶接条件を選定して、鋼板の板厚方向でＦＬを板厚方向に対して傾斜させる。
Ｗ２／ｔ≦０．３４ （２）
（２）式によれば、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅Ｗ２を、Ｗ２／ｔが０．３４以下に規定するので、鋼板表面のビード幅に対して、板厚中央部でのビード幅が狭くなる。
【００１７】
本発明は内面溶接と外面溶接のいずれに対しても適用可能であり、好ましくは内面溶接と外面溶接の両方に適用するのが良い。尚、本発明の規定を満足するビード幅が得られる溶接条件は、試験材を用いて予め求めておく。
【実施例】
【００１８】
表１に示す板厚、組成を有するＡＰＩ規格Ｘ７０級鋼板に、図１に示す開先形状で、表２に示す開先寸法の開先加工を施した。
【００１９】
内面側は表３に示す条件で、外面側は表４に示す種々の溶接条件で内外面１層溶接の４電極サブマージアーク溶接を施して複数の突合せ溶接継手を作製した。
【００２０】
得られた溶接継手について、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料衝撃試験方法に準拠してシャルピー衝撃試験を行い、溶接部の靭性を評価した。
【００２１】
シャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ３１１１に規定する４号試験片）は、図２の２で示すように、ノッチ３方向と板厚方向が平行でかつ外面溶接側の鋼板表面下７ｍｍの位置がシャルピー試験片中央となるよう採取し、試験は、−３０℃で３本実施し、シャルピー吸収エネルギーの平均値を求めた。尚、切欠き位置：ＦＬは、ノッチ底における溶接金属と母材（溶接熱影響部）の比率が５０％−５０％になる位置とした。
【００２２】
表５に外面側溶接部の形状、シャルピー衝撃試験結果及び溶接欠陥の有無を示す。条件Ｎｏ．１〜５は本発明例であり、健全なビードを得ながら溶接熱影響部において優れた靭性を得ることが出来た。
【００２３】
一方、条件Ｎｏ．６はＷ１／ｔ＜０．４０となり、請求項１の（１）式を満たさず、溶け込み不足が発生した。条件Ｎｏ．７は溶接欠陥は無かったものの、Ｗ２／ｔ＞０．３４となり請求項２の（２）式を満たさず、衝撃値が低かった。条件Ｎｏ．８はＷ２／ｔ＞０．３４となり請求項２の（２）式を満たさず、スラグ巻き込みが発生し衝撃値も低かった。条件Ｎｏ．９はＷ１／ｔ＞０．８０となり請求項１の（１）式を満たさず、衝撃値が低かった。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【表２】
【００２６】
【表３】
【００２７】
【表４】
【００２８】
【表５】
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例の開先形状を説明する図。
【図２】実施例のシャルピー衝撃試験片採取位置を説明する図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外面一層溶接を行う鋼板のサブマージアーク溶接方法であって、前記内面溶接と前記外面溶接の少なくとも一方において、鋼板表層で計測したビード幅が（１）式を満たすとともに、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅が（２）式を満たすことを特徴とする鋼板のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０ （１）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）
Ｗ２／ｔ≦０．３４ （２）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ２：鋼板表層から板厚方向に０．４ｔの位置で測定したビード幅（ｍｍ）
【請求項２】
請求項１に記載された溶接方法で作製された溶接継手。
【請求項１】
内外面一層溶接を行う鋼板のサブマージアーク溶接方法であって、前記内面溶接と前記外面溶接の少なくとも一方において、鋼板表層で計測したビード幅が（１）式を満たすとともに、鋼板表層から０．４ｔの深さの位置で測定したビード幅が（２）式を満たすことを特徴とする鋼板のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦Ｗ１／ｔ≦０．８０ （１）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ１：鋼板表層において計測したビード幅（ｍｍ）
Ｗ２／ｔ≦０．３４ （２）
但し、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｗ２：鋼板表層から板厚方向に０．４ｔの位置で測定したビード幅（ｍｍ）
【請求項２】
請求項１に記載された溶接方法で作製された溶接継手。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２１４１２７（Ｐ２００９−２１４１２７Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５９１３６（Ｐ２００８−５９１３６）
【出願日】平成２０年３月１０日（２００８．３．１０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１０日（２００８．３．１０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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