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溶着部及び熱影響部における硬度と金属組織に関する研究: University of the Ryukyus Repository

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Academic year: 2021

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Title

溶着部及び熱影響部における硬度と金属組織に関する研

Author(s)

真喜志, 康二; 兼城, 英夫; 宮城, 清宏

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(5): 103-112

Issue Date

1972-03

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/24935

(2)

103

溶 着 部 及 び 熱 影 響 部 に お け る†

硬 度 と 金 属 組 織 に 関 す る 研 究

*

*

*

The Fundam entalInvestigation of the m etallic crystaland Hardness in the deposit m etaland heataffected zone of m ild steelweld.

YasujiMAKISH

I

, HideoKANESHIRO, KiyohiroMIYAGI

Thispaperpresentsthe effectof the observation of micrograph ofmetallic crystaland hardnesstests in the weld depositmetaland heataffect zone.The emphasisisplacedon thechangesofhardnessand meta一liccrystaltransformation duetotheaffectofweldingcurrentandpreparingheat.

Astheweldingcurrelltandapreparing heatrising,thechangesofthemetallic crystalinheataffectzoneandwelddepositmetalisshowninthemicro・Structures.

Thehardnessinheataffectzoneandwelddepositmetal isdroppedby welding currentcondition and preparing heat condition,but the change of hardnessand metalliccrystalinthebasicmetalisverysmall.

1.

まえがき 溶接継手は冶金的な方法 によって行われ,一般 に溶 融金属で母材 を結合 しているDこのため溶着金属及び これに隣接する母材の部分

,

即 ち溶接熱影響 を受け変 質 した材質の変化部の機械的性質は,溶接条件や溶接 方法によって著 しく影響 される。溶接工挙上溶着部及 び熱影響部 については重要であ り,その機械的性質 に (1)(Q.):3)(4) ついての研究成果 も多い。 軟鋼や溶接性のよい構造用鋼 を慎重 に溶接 した無欠 陥な溶接継手における溶接熱影響部の機械的性質は母 材 とほ とん ど変 らないが,高炭素鋼や特殊鋼,鋳鉄及 (5) び非鉄金属 におけるそれは母材よ り劣 っている。これ † 受付 :1971年9月30日 ・:・ 琉球大学理工学部機械工学科 は溶接熱の影響 に よっ て 金属組織 の 変化 をもた らし たためであ り, また, 冷却状況 によっ て も著 しく具 る。 溶着部及び熱影響部の金属組織の変化は,冷却速度 の影響 を受けやす く,更 に熱サイクル を受けると,そ の変化は複雑化 して くる。 ここで,一般構造用圧延鋼材

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1

に溶接入熱 が極 めて大 きく,また,外部の影響 を受けにくいサブマー ジ ドアーク溶接 を用いて,予熱温度及び溶接電流 を変 えて溶接 し,その結果,溶着部及び熱影響部の金属組 織 と硬度の変化 について調べたので報告す る。

2

.

試食片材料及び溶接方法 2.1 試験片材料 使用 した試験片材料 は板厚25m の一般構用圧延鋼材

(3)

104 真書志 ・兼城 ・宮城 :溶着部及び熱影響部における硬度 と金属組織に関する研究 SS41で,縦140hm,横200m に切断 した。 その化学成

分についてはTable lに示す。

Tablei.Chemical compositionofwelding basemetal.(%) 2.2 溶接方法 手動溶接法による不定状な溶接方法を用いずに,港 接アークがフラックスにおおわれていて,外部か らは 見えない状態で溶接 され, また, Fig・1に示される ようにアーク直前で電流 を供給 し,従 って,大電流 に よる高能率辞按の可能なサブマージ ドアーク溶接を用 いた。

Fig.1 Submargedarcwelder

コイル状の裸心線 (ワイヤ)は リールに巻かれて, ノズルより繰 り出され,ホッパか ら供給 された粒状, ない し,粉末状のフラックスに突込まれ,その中でア ークを発生 している。 ワイヤはその線径 と実用電流範囲および溶融速度 と の関係があり′ ワイヤの選定 についてはTable2に 示 される化学 成分を有 する線径4.8mm,溶接 電流範 囲503A-1100Aの US-36を用いた。 溶接に際 し,ア

Table2.Chemi

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calcompositionsofwelding e.(%

)

-クを安定にし,溶接部 を大気か ら保護するためのフ ラックスは,フジオー トメル ト400を使用 した。 試験片材料 を溶接する場合.容按 ビー ドのノ ド厚が 一定 となるように溶接始点において,アーク発生後5 秒経過 して送 りスイッチを入れ,また,溶接終端にお いては送 りスイッチを切 った後 5秒間アークを発生さ せた。 溶接時に,予熱 した試験片材料 を溶接する場合,チ 熱 された試験片材料より放出される熱量を少 くするた め,あらか じめ溶接台に熱 を与え,溶接台の温度が試 験片材料の予熱温度 と同温度になった時点で試験片材 料 を予熱炉よりとり出 して,ス トレー ト辞接する。溶 接電流及び予熱温度はTable 3に示す。

Table3.Conditionsofthewelding.

(4)

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 105

3.

試墳片及び試供方法 3.1試験片 前述2項の溶接 された試験片材料 をFig.2に示 され るように溶接始端,中央及び終端に分け,その硬度及 び金属組織用試験片 を採取 した。また,試験片切断時 の発熱 を充分考慮 して,フライス盤及び 自動金切 ノコ の注油 を充分な状態にした。 0 20 20 千 ミ ミ

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2

, (a) Makeacollectiontestpiece.

3.2硬度及び組織試験 フライス盤及び 自動金切 ノコで切断 して採取 された 試験片は、研磨盤によって冷却水 を充分流 しなが ら研 磨 し,400-600番のサ ン ドペーパーで磨いた後バ フ仕 上げ した。 硬度測定につい て は, ロ ッ クウェル 硬度 試験機 (Wilson,ModelY)によっでFig・3に示すよ うに 5個所について,各々3回ずつ硬度測定 し,その平均 値 によって硬度値 としたo金属組織試験はノミフ仕上げ された試験片 を ピク リン酸溶 液 (メチルアル コール 200ccにピクリン酸59)に1- 2分 した して腐食 し た後金属組巌 の観察 を行 った。 1depositmetal Iplaceofthebond Lheataffectzone Aplaceofheataffect

Z:Oneandbasemetal †basemetal

Fig.2, (b) Hardnesstestinaposition

4

.

討 鹸 結果 4.1硬度及び金属組織 Table3・に示 され る条件 に従 って溶接 された試験 片材料 よ り試験片 を準備 し,その硬度及び金属粗糖 を 調べた。その結果,溶接始端 と終端 における溶首都及 び熱影響部の硬掛 こついて溶接電流 を一定にして予熱 温度 を変化 させた場合,溶接始端の硬度は低い溶接電 流 で常 に終端 よ り高い値 を示 した。また,高い溶接電 流 の場合の予熱 なし常温溶接では終端の硬度が高 く, 予熱 した場合は 予熱温度100oC近傍 か ら終 端 と始端 の硬変の変化率が異な り,始端の方が終端 より高い状 態になっている。このよ うな溶接始端 と終端における 硬度の変化は両端の冷却条件や溶接入熱 に対する溶接 速度の関係等による も のであ り, また, 実際 に室温

(5)

106 真書志 ・兼城 ・宮城 :溶着部及び熱影響部における硬度 と金属組織に関する研究 川1 20oCでの溶接終端の冷却速 度 は始端 より大 きい.溶 (7) 接中央部の冷却速度は始端及び終端の約%である。ま た,溶接速度に対 し溶接入熱 とその周囲の 条件が定 常状態にあるものとみなされるので,従 って中央部で の硬度 を測定 した 結果Fig.3に示 され, 予熱 温度 20つoCでいわゆる金属のりれきによる青熱ぜいせい温 度下での溶接の場合の硬度はこの温度前後での値 より 高いOまた,溶接電流SC)OA及び3C)〕Aに対 し1000Aの 場合は予熱温度iEOoCでの溶接 で硬度高 となってい

Fig.3 EffectofRockwellheardnesstestonthe placeofIIbythepreparingheatchange. る。熱影響部の硬度は溶接端 と始端 と終端で溶接電流 及び予熱温度の影響は溶着部程蹟著でなかった。中央 部における熱影響部の硬度はFig.4 に示 される。 予 00 Lよ こ 範 I Sの 己 P J e.i Eta Jl 一 2 0 g 一 〇一 600A -●- 800A - x- lock)A 二 - 三

二-

.

23` 100' 150●

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k■t●C 200' .3伽 ● Fig.4 EffectofRockwellhardnesstest onthe

placeofIIIbythepreparingheatchange. 熱温度 を一定 にして溶接電流 を変えた場合の中央部の 溶着部及び熱影響部の硬度はFig.5に示 され,溶按電 流の変化に対 し顕著である。予熱温度及び溶接電流 を 09 ( 凸 出 )

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Fig.5 EffectofRockwellhardnesstestonthe place of II and III by the changing current. 変えた場合の硬度はFig.6に示 される。硬度の変化図 に対 し金属組織の観察による結晶粒の状態を比較する ことは極めて困難であるが,溶着部,熱影響部,母材 の顕微鏡写真 をみるとPhotolに示 され,熱影響部の 結晶粒は母材 に比べ 粗大 化 して いることがわかる。 Photo2は熱影響部 を示 したもので結晶粒中には同一 方向の針状 ウィ ドマンステッテ ン組織がみ られる。 Phot02は溶接電流及び予熱温度 を変えた場合の熱 影響部及び母材の顕微鏡写真である。

(6)

琉球大学理工学部紀要 (工学篇)

エ ロ

Ⅳ V Efr亡CtlVete51places (a)

1

n

Ⅳ V EHe〔tll・etestplaces Lb) (8001 PJ'CPared heaE 21 2J亡 22 LOつC 23 150⊂ 24 200C 25 300C 107 Fig.6 Effectofhardnesstestontheeffective placebythecurrentconstant.

(7)

108 真書志 ・兼城 ・宮城 :溶着部及び熱影響部 における硬度 と金属組鰍 こ関す る研究

photo.1Micrographoftheeffectiveplace

I:

Magnification

‡:

Effectivetestplace

Phot.2 Micrographofwelddepositmeta

I

,

heataffectedzoneand basemetal

I

二magnification X:Effectivetestplace

(8)

109 琉球大学理工学部紀要 (工学箱)

二×100 Ⅱ :13 Ⅰ:Y

Ⅰ:

×100 Ⅱ :15 正 :Ⅱ t .J. . P V ∴ . \ 1 ・ J '-. ∼ 謡 L.I3 V Y ∵ ト . ∴ ∵ . ・ ・'、 r t・r J .i,P l トLr L 1 玉rt h I.0 1... ,jp1 .㍍ 、至 ,汁 ,-ト 4 1 W皿 0 5 × ¶ 皿 l 甘皿 二 ∴ i ∵ :.. TT J・

(9)

Ⅰ:

×50 廿 :31

(10)
(11)

112 真書志 ・兼城 ・宮城 :溶着部及び熱影響部における硬度 と金属組鰍 こ関す る研究

5

.

結 菖 一般枠造用圧延錦 について溶接電流及び予熱温度 を 変化させて自動溶接を行い,その溶着部,熱影響部及 び母材について硬度及び金属組織の変化 を調べた結果 次のことが判明 した。 i. 予熱温度 を変化 させた場合の溶着部の硬度は一 般 に減少増加減少の3段階に分け られ,溶按電 流が低い執合,予熱温度200oC近傍で極値が表 われる。また,溶接電流が高い値で予熱温度 を 変化 させた場合,極値は予熱温度200oC以下で 表われている。予熱温度200oC近傍での硬度変 化は金属のせい熱ぜいせいに関係があるものと 思われる。溶接電流が増加するにつれて,その 極値の表われる予熱温度が減少するのは溶接電 流が大 きくなれば,それだけ入熱が増加するの で溶接速度の関係か ら早 くせい熱温度 に達する ものと考え られる。 2.熱影響部の硬度の変化は予熱温度の影響 による よりも溶接電流の影響 によるものが大 きい。 3. 溶接部より充分離れた母材の硬度は溶接条件が 変化 してもその硬度及び組織の変化は極めて少 ない。 4.溶接部及び母材の 金属組鰍まPhotolにみ ら れるように溶接部,熱影響部及び母材の3つの 結晶粒の違 い によ って 組織 が観 察 さ れた。 Photo1.2よ り熱影響部の結晶粒の大 きさは予 熱温度及び溶接電流の影響 を受ける。 5. 熱影響部の結晶粒は溶接部及び母材 とは異なる ウィ ドマンステッテ ン組 織 がよく表 われてい る。 参 考 文 献 (1) 氏家 :軟鋼溶接部の物理的性質に対する温度の影 響 に関する研究。溶凍学会誌第9巻,(1939),3 号,109 (巴)三ケ島,過,藤村 :溶着金属の基礎的研究溶接学 会誌,第36巻 (1967),ュl号,1203 (3)渡辺,永井,大嵐 永田 :軟錦の溶着部,熱影響 部 における疲れ強 さに関する研究,溶接学会誌 Vol.36,No.4,1967,55 (4) 岡田実 :低炭素鋼の電弧溶接における熱影響 に関 す る基本的研究,溶接学会誌,γol.6,昭和12年 6号 (5)溶接学会編 .'溶接継手の 性質, 溶接 使先 昭和41 年,丸善 P.959. (6) (7)渡辺,佐藤 :ビー ドの始点 と終点付近の冷却 速度.溶接力学 とその応用.朝倉書店,昭和40年 P.222

Tabl e2 .Chemi w i r c alcomposi t i o nsofwe l di nge.(% ) -クを安定にし,溶接部 を大気か ら保護するためのフ ラックスは,フジオー トメル ト 4 0 0を使用 した。 試験片材料 を溶接する場合.容按 ビー ドのノ ド厚が 一定 となるように溶接始点において,アーク発生後 5 秒経過 して送 りスイッチを入れ,また,溶接終端にお いては送 りスイッチを切 った後 5秒間アークを発生さ せた。 溶接時に,予熱 した試験片材料 を溶接する場合,チ

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