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】鋼材を内外面からサブマージアーク溶接するにあたり、内面溶接金属断面積Ｓ１と外面溶接金属断面積Ｓ２が（１）式、（２）式、（３）式を満足するように溶接条件を設定する。０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）、Ｓ１／ｔ２≦０．３５（２）Ｓ２／ｔ２≦０．４５（３）但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：外面溶接金属断面積（ｍｍ２）。
【解決手段】鋼材を内外面からサブマージアーク溶接するにあたり、内面溶接金属断面積Ｓ１と外面溶接金属断面積Ｓ２が（１）式、（２）式、（３）式を満足するように溶接条件を設定する。０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）、Ｓ１／ｔ２≦０．３５（２）Ｓ２／ｔ２≦０．４５（３）但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：外面溶接金属断面積（ｍｍ２）。
【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、溶接能率と欠陥の抑制を重視して、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、さらなる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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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く、即ち、Ｆｕｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ（以下、ＦＬ）が板厚方向に向くため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。
【００１０】
本発明は、鋼材を内外面からサブマージアーク溶接するに際し、低入熱で十分な溶け込みを得ながら内外面両方の溶接熱影響部で優れた靭性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、サブマージアーク溶接で種々の溶接条件を用いて鋼材の内外面溶接継手を作製し、溶接金属断面形状、溶接金属断面積および溶接熱影響部の靭性について調査した。
【００１２】
その結果、板厚に応じて内外面の溶接金属断面積を適正に制御することで、十分な溶け込みを得ながら鋼板表面でのビード幅を広げ、内外面両方の溶接熱影響部（切欠位置ＦＬ）で優れた靭性が得られることを見出した。本発明は、得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、その要旨は以下の通りである。
１．鋼材をサブマージアーク溶接で内外面一層溶接する際、内面溶接金属断面積Ｓ１と外面溶接金属断面積Ｓ２との和が（１）式を満足し、且つ内面溶接金属断面積Ｓ１は（２）式、外面溶接金属断面積Ｓ２は（３）式を満足することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）
Ｓ１／ｔ２≦０．３５ （２）
Ｓ２／ｔ２≦０．４５ （３）
但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：外面溶接金属断面積（ｍｍ２）
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】
【００１３】
本発明によれば、鋼材の板厚に応じて、十分な溶け込みを得ながら内外面両方の溶接熱影響部で優れた靭性を有する溶接継手が得られ産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】開先形状を説明する図。
【図２】シャルピー衝撃試験片の採取位置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接法では、鋼材の内面側と外面側を溶接する際、溶け込み不足が生じないように内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）との和が（１）式を満足するように溶接条件を選定する。
０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）
但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：溶接方向に垂直な溶接部断面マクロにおける内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：溶接方向に垂直な溶接部断面マクロにおける外面溶接金属断面積（ｍｍ２）。
【００１６】
内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）との和が０．４０×ｔ２を下回ると、内面溶接および／または外面溶接の溶込み深さが足りずに内面溶接金属と外面溶接金属とが重ならなくなり、健全な溶接ビードが得られなくなる。好適な範囲は０．４０〜０．６０の範囲である。
【００１７】
更に、溶接入熱が過大にならないように、内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）が、（２）式および（３）式を満足するように溶接条件を選定する。
Ｓ１／ｔ２≦０．３５ （２）
Ｓ２／ｔ２≦０．４５ （３）
内面溶接金属断面積（Ｓ１）が０．３５×ｔ２を超えると、内面溶接において溶接入熱が過大となり、溶接熱影響部の靭性の劣化が問題となる。好適な範囲は０．２０〜０．３０の範囲である。なお、（２）式、（３）式より内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）との和は０．８０×ｔ２以下となる。
【００１８】
同様に、外面溶接金属断面積（Ｓ２）が０．４５×ｔ２を超えると、外面溶接において溶接入熱が過大となり、溶接熱影響部の靭性の劣化が問題となる。好適な範囲は０．２５〜０．４０の範囲である。
【００１９】
本発明を実施する際は、予め、本溶接と同じ板厚の試験材に種々の条件で溶接を行って、入熱と溶接金属断面積との関係を求めておき、Ｓ１、Ｓ２が（１）式、（２）式、（３）式を満足する溶接条件を選定する。なお、内面溶接金属と外面溶接金属が重なるように、先行極に高電流密度の溶接条件を適用することが望ましい。
【００２０】
また、本発明は、上述した溶接方法で作製された溶接継手である。
【実施例】
【００２１】
表１に示す化学成分を有する板厚２８、３３、３８．１ｍｍの鋼板に図１に示す開先形状の開先加工を施した後、表３に示す溶接条件で内外面１層溶接の多電極サブマージアーク溶接を施して溶接継手を作製した。表２に開先寸法を示す。
【００２２】
作製した継手からシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳＺ３１１１に規定する４号試験片）を採取し、ＪＩＳＺ２２４２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（切欠き位置：ＦＬ，試験温度：−３０℃）を行い、吸収エネルギー（３本の平均値）を求めた。
【００２３】
図２にシャルピー衝撃試験片２の採取位置を示す。溶接部４のＦＬ５を切欠き位置として、ノッチ３が板厚方向と平行でかつ内面溶接および外面溶接のそれぞれについて、鋼板１の表面下７ｍｍの位置がシャルピー衝撃試験片２の中心となるように採取した。表４にシャルピー衝撃試験の結果（上段：内面側、下段：外面側）および溶接金属断面形状の観察結果を示す。
【００２４】
本発明例（条件Ｎｏ．１〜５）は、内外面一層溶接の溶接金属断面積を制御したので、充分な溶込み深さの健全な溶接ビードとなり、溶接熱影響部において優れた靭性を得ることが出来た。
【００２５】
一方、比較例（条件Ｎｏ．８、９）は内外面一層溶接の溶接金属断面積の和が小さく（１）式を満足せず、溶込み不足が生じた。
【００２６】
比較例（条件Ｎｏ．６）は内面溶接金属断面積が（２）式を満足せず、内面溶接熱影響部の靭性が劣化した。比較例（条件Ｎｏ．７）は外面溶接金属断面積が（３）式を満足せず、外面溶接熱影響部の靭性が劣化した。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【符号の説明】
【００３１】
１ 鋼板
２ シャルピー衝撃試験片
３ ノッチ
４ 溶接部
５ ＦＬ
【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、溶接能率と欠陥の抑制を重視して、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、さらなる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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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く、即ち、Ｆｕｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ（以下、ＦＬ）が板厚方向に向くため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。
【００１０】
本発明は、鋼材を内外面からサブマージアーク溶接するに際し、低入熱で十分な溶け込みを得ながら内外面両方の溶接熱影響部で優れた靭性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、サブマージアーク溶接で種々の溶接条件を用いて鋼材の内外面溶接継手を作製し、溶接金属断面形状、溶接金属断面積および溶接熱影響部の靭性について調査した。
【００１２】
その結果、板厚に応じて内外面の溶接金属断面積を適正に制御することで、十分な溶け込みを得ながら鋼板表面でのビード幅を広げ、内外面両方の溶接熱影響部（切欠位置ＦＬ）で優れた靭性が得られることを見出した。本発明は、得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、その要旨は以下の通りである。
１．鋼材をサブマージアーク溶接で内外面一層溶接する際、内面溶接金属断面積Ｓ１と外面溶接金属断面積Ｓ２との和が（１）式を満足し、且つ内面溶接金属断面積Ｓ１は（２）式、外面溶接金属断面積Ｓ２は（３）式を満足することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）
Ｓ１／ｔ２≦０．３５ （２）
Ｓ２／ｔ２≦０．４５ （３）
但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：外面溶接金属断面積（ｍｍ２）
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】
【００１３】
本発明によれば、鋼材の板厚に応じて、十分な溶け込みを得ながら内外面両方の溶接熱影響部で優れた靭性を有する溶接継手が得られ産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】開先形状を説明する図。
【図２】シャルピー衝撃試験片の採取位置を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る鋼材のサブマージアーク溶接法では、鋼材の内面側と外面側を溶接する際、溶け込み不足が生じないように内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）との和が（１）式を満足するように溶接条件を選定する。
０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）
但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：溶接方向に垂直な溶接部断面マクロにおける内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：溶接方向に垂直な溶接部断面マクロにおける外面溶接金属断面積（ｍｍ２）。
【００１６】
内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）との和が０．４０×ｔ２を下回ると、内面溶接および／または外面溶接の溶込み深さが足りずに内面溶接金属と外面溶接金属とが重ならなくなり、健全な溶接ビードが得られなくなる。好適な範囲は０．４０〜０．６０の範囲である。
【００１７】
更に、溶接入熱が過大にならないように、内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）が、（２）式および（３）式を満足するように溶接条件を選定する。
Ｓ１／ｔ２≦０．３５ （２）
Ｓ２／ｔ２≦０．４５ （３）
内面溶接金属断面積（Ｓ１）が０．３５×ｔ２を超えると、内面溶接において溶接入熱が過大となり、溶接熱影響部の靭性の劣化が問題となる。好適な範囲は０．２０〜０．３０の範囲である。なお、（２）式、（３）式より内面溶接金属断面積（Ｓ１）と外面溶接金属断面積（Ｓ２）との和は０．８０×ｔ２以下となる。
【００１８】
同様に、外面溶接金属断面積（Ｓ２）が０．４５×ｔ２を超えると、外面溶接において溶接入熱が過大となり、溶接熱影響部の靭性の劣化が問題となる。好適な範囲は０．２５〜０．４０の範囲である。
【００１９】
本発明を実施する際は、予め、本溶接と同じ板厚の試験材に種々の条件で溶接を行って、入熱と溶接金属断面積との関係を求めておき、Ｓ１、Ｓ２が（１）式、（２）式、（３）式を満足する溶接条件を選定する。なお、内面溶接金属と外面溶接金属が重なるように、先行極に高電流密度の溶接条件を適用することが望ましい。
【００２０】
また、本発明は、上述した溶接方法で作製された溶接継手である。
【実施例】
【００２１】
表１に示す化学成分を有する板厚２８、３３、３８．１ｍｍの鋼板に図１に示す開先形状の開先加工を施した後、表３に示す溶接条件で内外面１層溶接の多電極サブマージアーク溶接を施して溶接継手を作製した。表２に開先寸法を示す。
【００２２】
作製した継手からシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳＺ３１１１に規定する４号試験片）を採取し、ＪＩＳＺ２２４２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（切欠き位置：ＦＬ，試験温度：−３０℃）を行い、吸収エネルギー（３本の平均値）を求めた。
【００２３】
図２にシャルピー衝撃試験片２の採取位置を示す。溶接部４のＦＬ５を切欠き位置として、ノッチ３が板厚方向と平行でかつ内面溶接および外面溶接のそれぞれについて、鋼板１の表面下７ｍｍの位置がシャルピー衝撃試験片２の中心となるように採取した。表４にシャルピー衝撃試験の結果（上段：内面側、下段：外面側）および溶接金属断面形状の観察結果を示す。
【００２４】
本発明例（条件Ｎｏ．１〜５）は、内外面一層溶接の溶接金属断面積を制御したので、充分な溶込み深さの健全な溶接ビードとなり、溶接熱影響部において優れた靭性を得ることが出来た。
【００２５】
一方、比較例（条件Ｎｏ．８、９）は内外面一層溶接の溶接金属断面積の和が小さく（１）式を満足せず、溶込み不足が生じた。
【００２６】
比較例（条件Ｎｏ．６）は内面溶接金属断面積が（２）式を満足せず、内面溶接熱影響部の靭性が劣化した。比較例（条件Ｎｏ．７）は外面溶接金属断面積が（３）式を満足せず、外面溶接熱影響部の靭性が劣化した。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【符号の説明】
【００３１】
１ 鋼板
２ シャルピー衝撃試験片
３ ノッチ
４ 溶接部
５ ＦＬ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材をサブマージアーク溶接で内外面一層溶接する際、内面溶接金属断面積Ｓ１と外面溶接金属断面積Ｓ２との和が（１）式を満足し、且つ内面溶接金属断面積Ｓ１は（２）式、外面溶接金属断面積Ｓ２は（３）式を満足することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）
Ｓ１／ｔ２≦０．３５ （２）
Ｓ２／ｔ２≦０．４５ （３）
但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：溶接方向に垂直に切断したときの内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：溶接方向に垂直に切断したときの外面溶接金属断面積（ｍｍ２）
【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】
鋼材をサブマージアーク溶接で内外面一層溶接する際、内面溶接金属断面積Ｓ１と外面溶接金属断面積Ｓ２との和が（１）式を満足し、且つ内面溶接金属断面積Ｓ１は（２）式、外面溶接金属断面積Ｓ２は（３）式を満足することを特徴とする鋼材のサブマージアーク溶接方法。
０．４０≦（Ｓ１＋Ｓ２）／ｔ２≦０．８０ （１）
Ｓ１／ｔ２≦０．３５ （２）
Ｓ２／ｔ２≦０．４５ （３）
但し、ｔ：鋼材の板厚（ｍｍ）、Ｓ１：溶接方向に垂直に切断したときの内面溶接金属断面積（ｍｍ２）で、外面溶接後に外面溶接金属と重なる部分を除く、Ｓ２：溶接方向に垂直に切断したときの外面溶接金属断面積（ｍｍ２）
【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２０１０−２７４２７５（Ｐ２０１０−２７４２７５Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２７１７０（Ｐ２００９−１２７１７０）
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【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２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【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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