特表 2024-510396 ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-07

(54)【発明の名称】ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/18 20060101AFI20240229BHJP

   B23K 9/23 20060101ALI20240229BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20240229BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

B23K9/18 F

B23K9/18 G

B23K9/23 Z

B23K35/30 320F

B23K9/00 501B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023552174

(86)(22)【出願日】2021-08-04

(85)【翻訳文提出日】2023-08-23

(86)【国際出願番号】 CN2021110539

(87)【国際公開番号】W WO2022236976

(87)【国際公開日】2022-11-17

(31)【優先権主張番号】202110520230.0

(32)【優先日】2021-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519226115

【氏名又は名称】南京鋼鉄股▲ふん▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】黄 一新

(72)【発明者】

【氏名】▲チァオ▼ 明亮

(72)【発明者】

【氏名】劉 涛

(72)【発明者】

【氏名】崔 強

(72)【発明者】

【氏名】王 軍

(72)【発明者】

【氏名】李 松

(72)【発明者】

【氏名】陳 林恒

(72)【発明者】

【氏名】尹 雨群

(72)【発明者】

【氏名】王 紅鴻

【テーマコード（参考）】

4E001

4E081

【Ｆターム（参考）】

4E001AA02

4E001BB05

4E001CA02

4E001CA07

4E001DC05

4E081YB10

4E081YX02

4E081YX08

4E081YX16

(57)【要約】

本発明は、ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスを開示し、この橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスの技術的障壁を克服し、高性能橋梁鋼に適合する溶接材料及び溶接プロセスパラメータを採用し、大きい入熱条件での厚肉橋梁鋼の溶接継手の低温靱性、強度及び冷間曲げ性能が両立し難い問題を解決し、－４０℃での継手の各部の衝撃靱性が６０Ｊよりも高いという高水準の要件を満たし、強度と靭性の適合性及び冷間曲げ成形性能に優れる。本発明は、ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接製造過程において溶接前に低温で予熱することを実現し、溶接後に熱処理プロセスを行う必要がなく、実施過程で溶接継手の優れた性能と溶接継目の好適な成形との両者を両立させる効果を達成することができ、実用性が高く、効率的でエネルギーを節約し、大きい経済的利益をもたらし、大スパン構造の重荷重工事用の高強度・低降伏比橋梁鋼の普及と使用に適する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材の性能に適合する溶接ワイヤ及びフラックスを選択し、前記溶接ワイヤの引張強度は８５０Ｍｐａ以上であり、開先形態は対称Ｖ形開先であり、溶接パラメータとしては、溶接前予熱温度を８０～１００℃に制御し、サブマージアーク溶接フラックスに乾燥処理を行い、裏当て溶接電流を４５０～４６０Ａとし、アーク電圧を３０～３２Ｖとし、溶接速度を５４０～５４３ｍｍ／ｍｉｎとし、裏当て溶接入熱を１５～１６ｋＪ／ｃｍとし、充填溶接電流を４９０～６５０Ａとし、アーク電圧を３０～３８Ｖとし、溶接速度を３５０～３５３ｍｍ／ｍｉｎとし、充填溶接入熱を２５～４２ｋＪ／ｃｍとし、複合鋼板の突き合せ継手を多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接により溶接し、その溶接継目の層間温度を８０～１２０℃に制御することを特徴とするＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項2】

前記母材の性能としては、降伏強度Ｒ_ｅＬが７６０～７８０ＭＰａであり、引張強度Ｒ_ｍが８７０～８９０ＭＰａであり、伸び率Ａが１４～１６％であり、－４０℃での衝撃エネルギーＡｋｖ≧２００Ｊであることを特徴とする請求項１に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項3】

前記溶接ワイヤは、モデルがＣＨＷ－Ｓ８０ＣＦであり、直径が４ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項4】

前記溶接ワイヤの成分は、質量百分率で、Ｃ：０．０３～０．０６％、Ｍｎ：１．０～１．５％、Ｓｉ：０．２～０．５％、Ｓ：≦０．００３％、Ｐ：≦０．００５％、Ｎｉ：２．５～４．５％、Ｍｏ：０．３～０．６％、Ｎｂ：０．０１～０．０３％、Ｔｉ：０．０２～０．０４％、Ａｌｔ：０．０２～０．０４％を含み、残部はＦｅ及び不可避的な不純物を含むことを特徴とする請求項３に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項5】

前記フラックスのモデルはＣＨＦ６０６であることを特徴とする請求項１に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項6】

前記対称Ｖ形開先の表面開先及び裏面開先の角度は４５～６０°であり、根元部に３～５ｍｍの鈍端が残されていることを特徴とする請求項１に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項7】

前記対称Ｖ形開先の表面開先及び裏面開先の角度は６０°であり、根元部に４ｍｍの鈍端が残されていることを特徴とする請求項６に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【請求項8】

溶接後に溶接継手の性能を試験したところ、引張強度Ｒ_ｍ≧８７０ＭＰａであり、継手の引張破断位置は母材にあり、継手の側曲げｄ＝３ａであり、１８０°の場合に合格し、鋼板の表層及び１／２厚さの位置の溶接継目、ボンド部及びボンド部から１ｍｍ、２ｍｍから離れた箇所の－４０℃での衝撃エネルギーＡｋｖ≧６０Ｊであることを特徴とする請求項１に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、橋梁鋼の技術分野に属し、具体的には、ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスに関する。

【背景技術】

【0002】

経済の迅速な発展及び内需の牽引に伴い、インフラ投資が大幅に増加し、大スパン・多車線の重荷重に耐える橋梁工事も明らかに増えている。現在、橋梁用鋼は、高強度、高靱性、低降伏比及び高溶接性の方向へ発展しつつあり、高強度・高溶接性の橋梁用鋼の大量使用は、中国の鋼構造橋梁業界の迅速な高度化と飛躍的な発展を実現する重要なシンボルであり、中国の鋼構造橋梁業界が世界トップレベルにある重要な指標である。

【0003】

溶接は、橋梁用鋼の適用価値を実現するための最も重要な加工手段であり、溶接性能も高強度・高靱性橋梁用鋼の最も重要な使用性能の１つである。鋼材の強度の高まりにつれて、鋼材の溶接品質要求も高くなり、継手の品質が橋梁の使用上の安全性と信頼性に直接影響を与える。継手の強度と靱性は、母材の化学成分、製造プロセス及び溶接熱サイクルなどの様々な条件によって決定され、異なる溶接プロセスによって溶接継目及び熱影響領域に異なる組織が生じることになり、溶接入熱は、溶接継手の衝撃靱性と強度に影響を与えるキーポイントである。厚肉橋梁鋼の実際な適用において、溶接効率を高めるために、通常、入熱量を可能な限り大きくして溶接するが、溶接熱サイクルの過程でピーク温度が高いため、溶接金属に粗大な初析フェライトが生じやすく、特に板厚が大きい場合、高温での滞留時間が長く、粗粒の熱影響領域に一層粗大なラスベイナイト及び粒状ベイナイトが生じやすく、これによって継手が脆化し、継手の性能を保証し難いことに留意されたい。同時に、実際の工事用途では、６９０ＭＰａ級の建設機械、海洋土木及び構造鋼の出荷状態は、主にＱＴ状態であるが、このような鋼板は、製造周期が長く、工程が複雑であり、プロセスコストが高いだけでなく、調質処理後の焼戻しソルバイト組織の発生によって降伏比が高くなり（＞０．９３）、耐震性能を保証し難い。ＴＭＣＰ状態の鋼材は、その製造プロセスが相対的に簡単であり、制御圧延・制御冷却により組織を調整することで降伏比を低下可能であるなどの利点を有するため、新時代の橋梁鋼の発展方向となっているが、ＴＭＣＰ状態の鋼材はＱＴ状態に比べて組織の均一性が悪く応力が大きいなどの問題があるため、橋梁鋼の溶接施工が困難となる。

【0004】

ＴＭＣＰ状態の高強度・低降伏比橋梁鋼の溶接品質を保証すると同時に、継手の機械的特性（低温靱性、強度など）と冷間曲げ性能を両立させるために、高性能・低降伏比橋梁鋼を開発し、溶接材料を合理的に適合させ、溶接プロセスパラメータを選択することは、技術上のキーポイントである。そのために、南京鋼鉄聯合有限公司は、低炭素、Ｎｂ－Ｃｒ－Ｎｉ－Ｍｏなどの多元素（マイクロ）合金化技術を採用し、析出強化、固溶強化及び細粒強化の効果を利用し、強度と靱性に優れ、冷間曲げ性能が良好である厚肉橋梁用鋼を開発して製造し、実際のレベルは、降伏強度ＲｅＬ≧６９０ＭＰａ、引張強度Ｒｍ≧７７０ＭＰａ、降伏比ＹＲ≦０．８６、伸び率Ａ≧１４％、－４０℃での衝撃エネルギーＡｋｖ≧２００Ｊであり、同時に継手の強度が母材を下回らず、継手の各部位（ＷＭ、ＦＬ、ＦＬ＋１、ＦＬ＋２）の－４０℃での低温衝撃靱性Ａｋｖ≧６０Ｊであり、冷間曲げ性能が合格することを保証し、この技術要件は、現段階で中国の６９０ＭＰａ級の橋梁鋼の中で最も厳しく、世界トップレベルでもある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来技術における欠陥を克服するために、本発明は、ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼の溶接継手の強度、低温靱性と冷間曲げ成形性能を同時に保証するＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に記載のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスは、母材の性能に適合する溶接ワイヤ及びフラックスを選択し、前記溶接ワイヤの引張強度は８５０Ｍｐａ以上であり、開先形態は対称Ｖ形開先であり、溶接パラメータとしては、溶接前予熱温度を８０～１００℃に制御し、サブマージアーク溶接フラックスに乾燥処理を行い、裏当て溶接電流を４５０～４６０Ａとし、アーク電圧を３０～３２Ｖとし、溶接速度を５４０～５４３ｍｍ／ｍｉｎとし、裏当て溶接入熱を１５～１６ｋＪ／ｃｍとし、充填溶接電流を４９０～６５０Ａとし、アーク電圧を３０～３８Ｖとし、溶接速度を３５０～３５３ｍｍ／ｍｉｎとし、充填溶接入熱を２５～４２ｋＪ／ｃｍとし、複合鋼板の突き合せ継手を多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接により溶接し、その溶接継目の層間温度を８０～１２０℃に制御する。

【0007】

このプロセスのメカニズムは以下の通りである。

【0008】

（１）溶接材料
溶接材料を選択する際に、まず溶接金属の強度及び－４０℃での衝撃靱性が母材に可能な限り適合することを考慮し、前記母材は厚板であり、その性能は、降伏強度ＲｅＬが７６０～７８０ＭＰａであり、引張強度Ｒｍが８７０～８９０ＭＰａであり、伸び率Ａが１４～１６％であり、－４０℃での衝撃エネルギーＡｋｖ≧２００Ｊであるため、選択されるサブマージアーク溶接ワイヤの引張強度Ｒ_ｍ≧８５０ＭＰａであり、溶接ワイヤは、モデルがＣＨＷ－Ｓ８０ＣＦであり、直径が４ｍｍである。使用される溶接ワイヤの成分は、重量百分率で、Ｃ：０．０３～０．０６％、Ｍｎ：１．０～１．５％、Ｓｉ：０．２～０．５％、Ｓ：≦０．００３％、Ｐ：≦０．００５％、Ｎｉ：２．５～４．５％、Ｍｏ：０．３～０．６％、Ｎｂ：０．０１～０．０３％、Ｔｉ：０．０２～０．０４％、Ａｌｔ：０．０２～０．０４％を含み、残部はＦｅ及び不可避的な不純物を含む。モデルＣＨＦ６０６のフラックスを溶接材料とし、形成された溶接金属が高純度であり、且つ溶接継目組織は主に微細な針状フェライトであり、強度と靱性を兼ね備える。

【0009】

（２）溶接予熱温度
本発明は、鋼材溶接熱影響領域の水素誘起割れ感受性を評価するために、ＥＮ１０２２５－２００９付録Ｇ規格の規定に従って制御可能な熱拘束（ＣＴＳ）試験を行い、突き合せ継手の溶接熱影響領域の根元部の割れ感受性を評価するために、ＡＰＩ ＲＰ ２Ｚ－２００５規格に従って溶接割れ試験を行い、鋼材溶接の冷間割れ傾向を評価するために、ＥＮ１０２２５－２００９付録Ｆ規格の規定に従って表面肉盛溶接硬度試験を行う。異なる溶接前予熱温度試験により、使用されるＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接では高拘束条件で８０～１００℃の低温予熱を行うべきであることを判定した。

【0010】

（３）溶接入熱
溶接入熱がコストに直接影響を与え、特に厚肉鋼材の場合、入熱量が低ければ、多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接の効率を大幅に低下させてコストを増やすため、現段階で橋梁鋼の実際サブマージアーク溶接に採用される入熱量は２５ｋＪ／ｃｍ程度であり、本発明は、２５～４２ｋＪ／ｃｍの入熱量でＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接継手の組織性能を研究し、継手の室温引張性能及び高温引張性能、各部の－４０℃でのＶ形切欠きのシャルピー衝撃エネルギー及び継手の冷間曲げ性能を測定する。

【0011】

溶接後に溶接継手の性能を試験したところ、引張強度Ｒｍ≧８７０ＭＰａであり、継手の引張破断位置は母材にあり、継手の側曲げｄ＝３ａであり、１８０°の場合に合格し、鋼板の表層及び１／２厚さの位置の溶接継目、ボンド部及びボンド部から１ｍｍ、２ｍｍから離れた箇所の－４０℃での衝撃エネルギーＡｋｖ≧６０Ｊである。

【発明の効果】

【0012】

従来技術に比べ、本発明は、ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスの技術的障壁を克服し、高性能橋梁鋼に適合する溶接材料及び溶接プロセスパラメータを採用し、大きい入熱条件での厚肉橋梁鋼の溶接継手の低温靱性、強度及び冷間曲げ性能が両立し難い問題を解決し、－４０℃での継手の各部の衝撃靱性が６０Ｊよりも高いという高水準の要件を満たし、強度と靭性の適合性及び冷間曲げ成形性能に優れる。本発明は、ＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接製造過程において溶接前に低温で予熱することを実現し、溶接後に熱処理プロセスを行う必要がなく、実施過程で溶接継手の優れた性能と溶接継目の好適な成形との両者を両立させる効果を達成することができ、実用性が高く、効率的でエネルギーを節約し、大きい経済的利益をもたらし、大スパン構造の重荷重工事用の高強度・低降伏比橋梁鋼の普及と使用に適する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例において採用される対称Ｖ形開先のパターンである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

実施例１は、本発明のＴＭＣＰ状態の厚肉・高強度・低降伏比橋梁鋼のサブマージアーク溶接プロセスを採用し、具体的に以下のステップを含む。

【0015】

（１）熱機械制御圧延（ＴＭＣＰ）により製造した強度と靱性に優れた厚さ５０ｍｍの橋梁用鋼を採用し、溶接試験板の組み合わせは５０ｍｍ＋５０ｍｍであり、試験板のサイズは８００ｍｍ（長さ）×２００ｍｍ（幅）×５０ｍｍ（厚さ）である。

【0016】

（２）適合する溶接材料：溶接ワイヤの化学成分及び重量百分率は、Ｃ：０．０３～０．０６％、Ｍｎ：１．０～１．５％、Ｓｉ：０．２～０．５％、Ｓ：≦０．００３％、Ｐ：≦０．００５％、Ｎｉ：２．５～４．５％、Ｍｏ：０．３～０．６％、Ｎｂ：０．０１～０．０３％、Ｔｉ：０．０２～０．０４％、Ａｌｔ：０．０２～０．０４％であり、残部はＦｅ及び不可避的な不純物であり、溶接ワイヤは、モデルがＣＨＷ－Ｓ８０ＣＦであり、直径Φが４ｍｍであり、引張強度≧８５０ＭＰａであり、フラックスのモデルはＣＨＦ６０６である。

【0017】

（３）サブマージアーク溶接開先：図１に示される対称Ｖ形開先を採用し、表面開先及び裏面開先の角度はいずれも６０°であり、根元部に４ｍｍの鈍端が残されている。

【0018】

（４）溶接プロセスパラメータ：溶接前予熱温度は８０～１００℃であり、サブマージアーク溶接フラックスを２００～３００℃で２ｈ乾燥処理し、裏当て溶接電流は４５０～４６０Ａであり、アーク電圧は３０～３２Ｖであり、溶接速度は５４０～５４３ｍｍ／ｍｉｎであり、裏当て溶接入熱は１５～１６ｋＪ／ｃｍであり、充填溶接電流は４９０～５００Ａであり、アーク電圧は３０～３２Ｖであり、溶接速度は３５０～３５３ｍｍ／ｍｉｎであり、充填溶接入熱は２５～２７ｋＪ／ｃｍである。厚さが５０ｍｍ＋５０ｍｍの複合鋼板の突き合せ継手を多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接により溶接し、その溶接継目の層間温度を８０～１２０℃に制御する。

【0019】

実施例２～４は、実施例１と殆ど同じであり、相違点は以下の通りである。

【0020】

実施例２のステップ（４）の溶接プロセスパラメータについて、溶接前予熱温度は８０～１００℃であり、サブマージアーク溶接フラックスを２００～３００℃で２ｈ処理し、裏当て溶接電流は４５０～４６０Ａであり、アーク電圧は３０～３２Ｖであり、溶接速度は５４０～５４３ｍｍ／ｍｉｎであり、裏当て溶接入熱は１５～１６ｋＪ／ｃｍであり、充填溶接電流は５４５～５５５Ａであり、アーク電圧は３２～３４Ｖであり、溶接速度は３５０～３５３ｍｍ／ｍｉｎであり、充填溶接入熱は３０～３２ｋＪ／ｃｍである。厚さが５０ｍｍ＋５０ｍｍの複合鋼板の突き合せ継手を多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接により溶接し、その溶接継目の層間温度を８０～１２０℃に制御する。

【0021】

実施例３のステップ（４）の溶接プロセスパラメータについて、溶接前予熱温度は８０～１００℃であり、サブマージアーク溶接フラックスを２００～３００℃で２ｈ処理し、裏当て溶接電流は４５０～４６０Ａであり、アーク電圧は３０～３２Ｖであり、溶接速度は５４０～５４３ｍｍ／ｍｉｎであり、裏当て溶接入熱は１５～１６ｋＪ／ｃｍであり、充填溶接電流は６００～６１０Ａであり、アーク電圧は３４～３６Ｖであり、溶接速度は３５０～３５３ｍｍ／ｍｉｎであり、充填溶接入熱は３５～３７ｋＪ／ｃｍである。厚さが５０ｍｍ＋５０ｍｍの複合鋼板の突き合せ継手を多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接により溶接し、その溶接継目の層間温度を８０～１２０℃に制御する。

【0022】

実施例４のステップ（４）の溶接プロセスパラメータについて、溶接前予熱温度は８０～１００℃であり、サブマージアーク溶接フラックスを２００～３００℃で２ｈ処理し、裏当て溶接電流は４５０～４６０Ａであり、アーク電圧は３０～３２Ｖであり、溶接速度は５４０～５４３ｍｍ／ｍｉｎであり、裏当て溶接入熱は１５～１６ｋＪ／ｃｍであり、充填溶接電流は６４０～６５０Ａであり、アーク電圧は３６～３８Ｖであり、溶接速度は３５０～３５３ｍｍ／ｍｉｎであり、充填溶接入熱は４０～４２ｋＪ／ｃｍである。厚さが５０ｍｍ＋５０ｍｍの複合鋼板の突き合せ継手を多層マルチチャンネルサブマージアーク溶接により溶接し、その溶接継目の層間温度を８０～１２０℃に制御する。

【0023】

上記実施例１～４の溶接方法により厚さ５０ｍｍのＴＭＣＰ状態の高強度・低降伏比橋梁鋼Ｑ６９０ｑＥにサブマージアーク溶接を行った後、溶接継手の性能を検出した。継手の引張性能及び冷間曲げ性能は表１に示され、－４０℃での衝撃性能は表２に示される。

【0024】

【表1】

【0025】

【表2】

【0026】

上記実施例１～４で得られた溶接継手は、総合的な機械的特性に優れ、室温で良好な強度と靭性の適合性を有し、冷間曲げ成形性能が合格することが分かる。継手の室温での引張強度Ｒ_ｍ≧８７０ＭＰａであり、破断位置は母材にあり、継手のＷＭ、ＦＬ、ＦＬ＋１、ＦＬ＋２箇所の－４０℃での衝撃エネルギーの平均値Ａｋｖ≧６０Ｊである。

【図1】

【国際調査報告】