U.D.C.dる9.15.018.295:る21.9.011:る21.791.01:る21.223
る0∼70kg/mm2級高張力鋼の溶接性,加工性および水力機器
への応用(その-,基礎試験)
Studieson
Weldability
and
Workabilityof60∼70kg/mm2High-StrengtbSteels
and
TheirApplication
toHydraulicTurbine
Parts(Partl-BasicInvestigation)
妹
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旨
近年,高張力鋼(以下HT鋼という)の発達に伴い,HT鋼が水力機器(水車ケーシング,圧油装置など)に も盛んに適用され,その実用化例(1)(2)も多く発表されている｡本報告では特に60∼70kg/mm2扱高張力鋼(以 下HT60,HT70という)を実用化するに当たって問題となるHT鋼の溶接性(特に溶接割れの問題),溶接部 の継手性能[溶接境界部(以下Bond部という),溶接熱影響部(以下HAZという)の脆化(ぜいか)の問題〕, 冷問加工性,熱間加工性などを調査し手溶接,サブマージ･アーク溶接の現場施工条件の検討を行なった｡ これらの結果から (1)調質HT60の溶接性,加工性は良好である｡ (2)調質HT70の溶接性,加工性はHT60にくらべやや劣るが標準施工条件範囲であれば全く問題が (3) (4) ない｡ 非詞質HT60で熱問加工用としてNb,Ⅴ添加した鋼は熱問加工による材力劣化が少ない｡ 上記各級のHT鋼のサブマージ･アーク溶接は調質,非詞田HT鋼を問わず,各板厚i･こ応じた入熱制 御を行なえば良好な継手性能が得られる｡ など明仁)かとなった‥ 1.緒 日 日立製作所では1964年,電源開発株式会社池原 発電所納110,000kW水車ケーシングにHT60鋼 を使用して以来,水車ケーシング材には大部分, 従来の軟鋼にとって代わり,HT60･∼HT70鋼が 数多く採用され(1)製作実績も多い｡ また最近は熱間加工を要する圧力容器にも非調 質HT60鋼の採用が行なわれており,今後ますま すHT鋼が採用される傾向にある｡ この報告では,これら各種HT鋼を実用化する に当たり,HT鋼の溶接性,加工性,継手性能な どについて調査研究した基礎試験の結果について 報告する｡特に本報ではサブマージ･アーク溶接 表1実 験 項 目 詞質HT60 調田HT70 1非調質HT60 溶 接 判 れ 試 験 溶 接 性 試 験 性能試験 溶接継手 加工性試験 テ ー パ ー かた さ 試験 溶接 ピ ード 仰げ試験 10(RiveトAce60) ○(Welcon-2H) ○(Welcon-2H-Super) ○(Welcon-2H-Super) ○(Welten-60Ii (⊃(1Velten-60H ○(Welcon-2H-SuPer) ○(Welten-60H ガス切断而のかたさ測定 ポ ン チ 型堅_塾墜_ サブマーン 性僅試験 ライク抑プ試験 曲 げ 試 験 アーク溶接人熱 ア【ク溶接継手 手溶接継手性能試験 冷 閃 加 工 性 試 験 ひ ず み 時 効 試 験 熱 間 加1工 性 試 験 (⊃(River-Ace60) ○(Welcon-2H) ○(Welcon-2H) ○(River-Ace60)翻
堪塾
⊂)(WelcoIl-2H) ○(Welcon-2H-SuPer) ○(Welcon-2H-Super) ○(W`elcon-2H-Super) (⊃(Welcon-2H) ○(Welten-60H ○(Welten-60H (⊃(1Velten-60H ⊂)(Welten-60Ii C〉(Welten-60H を行なった場合の溶接継手性能と溶接条件,熱処 理の関係を中心として述べ,水力枚器に応用した製作実績について は別報にて報告する｡ 2.基礎
実
験 2.1試験の概要 実験に用いた試験鋼材は調節HT60鋼3種籾,調質HT70鋼1 種類,非調質HT60鋼1種煩の計5鋼種で,いずれも現在市販さ れている代表的HT鋼である｡供試溶接棒,ワイヤ･フラックス の組合せほ手溶接棒4種頸,サブマージ･アーク溶接用ワイヤおよ びフラックスの組合せは6種炉である｡ 実験内容は表1に示すように,各鋼種,供試溶接棒の組合せによ り異なるが主として,溶接性,溶接継手性能,加工性試験について 重点的に検討を加えた.-* 日立製作所日立工場 2.2 供試鋼板および供試溶接棒,サブマージ･アーク溶接用 ワイヤ･フラックスの特性 伏試鋼材は調質HT60鋼,3種棋(Welcon-2H(Mn【Si系), River-Ace60(Mo-Ⅴ系),Welten-60(Cr-Ⅴ系)),調質HT70鋼, 1種類(Welcon-2H-Super(Ni-Cr-Mo系)),非調質HT60鋼,1 種類(Welten-60H(Ni-Nb-Ⅴ系))の計5鋼種である｡板厚ほ16＼ 46mmの中厚板の範閉のものを採用した｡ 表2に供試鋼板の化学成分および機械的性質の一例を示す.二.表3 は供試溶接棒,サブマージ･アーク溶接用ワイヤ･フラックスの糾合 せと全溶着金属の化学成分,機械F例年質を示している｡..供試溶接怖 ほHT60鋼とLて,LB162(神鋼),㊤-60(八幡溶接棒)の2種頓, HT70鋼用として,LH70S(富二【二溶接棒),LBlO6(神鋼うの2種 類,サブマージ･アーク溶接川ワイヤ･フラックスの組合せは,HT 6P鋼円として,US49×MF38(神鋼),Y-DMxYF-15,Y-D九1ンくYF-15⑪(凡掛糾妾棒)の3種類,HT70鋼としてはUS49×PFH8()け日 鋼〕US70×九′IF38(神鋼｢の2種類,非調質IiT60鋼としてこ土Y-ーー13-398 5号 記号 A B C D E 板
m皿);c毒si■叫P巳s書Vl叫Cr叫その∫喜か(叫よ怒､J喜濫)(タg)1号-2tRトkg-n-/cm2
熱処理 製作者 備 23 30 34 42 0.110.301.1110.0260.014l【■0･22仇叫0･10:二:…;Z二;冒;三二;;!:::;三i:二:;:i.0二0≒::;;≡｡二1こ:二;:
l l 1 0.14.0.48･1.28･0.016io.007仇061仇30≡0.23.-0.392 0.380 0.434 0.432 0.15･0.531.40･0.016･0.005:0.06iO.48 一:- NbO.05iO.432 60.7 52 68 51 50 68.8 62 75.2 63 69 41.5:180J良好:17.2 1 28180⊃良好!18.6 42.9;1800良好･21.3 30 33 1800良好118.9 ･0℃･ l､0℃.〕 Q-1､処理 Q-T処理 柑0つ良軌16.3･:-5℃1･:Nor 処理 日本製朗 川崎製鉄 日本製鋼 八幡製鉄 八幡製鉄･･Ceq(WES‥･=C＋÷Mn＋去si＋去Ni＋÷cr十÷Mo十去Ⅴ!′ア;)
表3 供試溶接棒, イヤおよびフラックスを組合せた場合の全溶着金属の化学成分および機械的佳節 EL (%∴･ 絞り 〔%､1 衝 撃 値 Ⅴシャルビー :kg-m/cm2) 熱処こ哩 製作告 考 Ⅰ Ⅲ Ⅱl Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ XI LB62 L-60 LH70S LBlO6 US49×1iF38 Y-DMxYF15 US49×PFH80 US70×MF38 Y-DMxYF15 Welcon-2Ii Welten-60 Welcon-2H･Super Welcon-2H-Super Welcon-2H River-Ace60 Welcon-2H-Super Welcon-2H-Super Welten-60‡ⅠY￣DMxYF15⑨;Welten￣60H
Y-204×YF15⑪買welte｡-60H
岬0･34il･04
l !0･0710･6810･95 ･0.10:0.361.60 ; L .0.06■0.431.34柵;
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1 -■ 54.0 l -57.6 Cr O.2168.7 67.0 57.0 55.7 0･42;【 0.40;69.7 0.013:0.011仇290.730.05Nb 一￣ 一-t ｡1一｢ コ爪十･-､′----608＼､ 0.03:68.4 65.0 66.7 75.6 78.0 65 66.7 77 81 70.5 69.丁 76.1 23.4 29 28 27 32 26 24 21 23.6 24.8 25.6 51.6 56.0 59.0 24.0.:RT､･･AsWeld 23.5■RT-.AsWeld23･5､RT･･!AsWeld
20･0■､RT)lAsWeld
lO.2･RT'･!AsWeld 8.90℃) 9.1･.0℃)･ As Weld As Weld 9.09･0℃)lAslVeld 5.4･0℃j lO.3､0℃ノ 11.0.0℃)･ As Weld AsWeld AsWeld 伸 銅1HT60rf】 八幡棒 モ富二L梓 抑 神 鋼 鋼 八幡障 押 神 銅 鋼 八幡樺 八幡侍 八幡棒 HT60月J HT70川 HT70用 (手溶接) (手溶接) (手柄按) (手溶壬窪) 一r､ 0｢ -図1 ㌧?て､り .1-A′別絹=デー1ヲ′乙)
㌣＼ りヰナ 溶接鴨 HT■Ril･er-A亡e60L:し60 HT60州relt印-60H〉 レ60 HT70･■l†p!rDn-2H-SuPPr.!LH70S 170A150mm HT60 hin 23＼･' 5(I HT60∼HT70鋼のy形スリット割九試験結果いンート割jt) DMxYF-15⑪,Y-204×YF-15⑪(八幡溶接棒)の計11種頬の組合 せについて検討を行なった｡ 全溶着金属の枚械的性質,引張強さ(けβ),降伏点(げ〟〕はいずれも 母材の規定強度を上まわっている｡全溶着金属の低温衝撃特性に関 しては,手溶接棒では20kg-m/cm三以上の高衝撃値を示している が,サブマージ･アーク溶接では10kg-m/cm2以下であり,手溶 接にくらべ低くなっているが,いずれもー･且ノ≧5kg-m/cm2以上の 値を示しており,HT鋼用として満足のゆく組合せとなっている｡3.溶接性試験結果
3.1溶接割れ試験結果 HT鋼の溶接施工で最も問題となるのは溶接割れ感受性(3)であり J+ ‥..1.卜 ■....■ ∩ ､‖リ ハリ ハリ IJ. り】 へ.､U 帥 ∩〓 ハhリ ヂ指二叶い｢ jO 同2 特に低温割一れ 二1 △ ･･_考位い暮￣1 30 34 調託HT60鋼,予熱況度と朽厚の尉條 (_′ンー1､割れ)を臥11二する必要がある｡これらの割れ 慾斐を試験する方法で最も適していると考えられるy形スリット溶 接割れ試験方法(JISZ3158-1966)に基づき割れ試験を行なった｡ 図1にHT60∼HT70鋼のy形スリ､ソト割れ試験結果(ルート割 jt)をまと占うて示す｡これらの結果,調質HT60鋼で厚板(≒34m皿) で約100℃,中枢(≒18mm)で50℃の予熱をすればルート割れは防 1しこできることがわかる.｡図2はこれらの結果をもとに割れ防止のた めの必要な予熱条件と板厚の関係を示したものである｡これらの結 果,割れ感受性と冷却速度の問には密接な関連性があり(3)(4),予熱 操作は300℃以￣Fの冷却速度を遅くすることに効果があり,HAZ こ補足される水素の拡散速度を増すことにより割れ感受性が低くな ると考えられる.｡.図2中に示す曲線は稲垣博士などの研究iこより, 低温割れと800∼300℃までの冷却時間を求める計算式(4)((1)式) より,逆に各板寧に対する予熱温度を求めたもので,実験値とかな りよく一致した値を示している｡60∼70kg/Inll12紐高張力鋼の溶接性
加工性および水力機器への応用(その一,基礎試験)
S =〕12111(;l汚21 工二工==皿 バ 川 1プ 14 ユ6 1と; 399 1丁く￣)A21V15nm汀】′后Iin 1TOA2∴汀2呂Omm′mjn JF三▲消こ†HT60･11'tl】t州一60H′ 】ル:P｢) ′ン【トご;一｢:よ･r)HAZ吉∃;へ:まいった′.判すけ事こ;叱 何3 非調′f7iTH6〔)消しWelten--60rIly形二㌔り エU L山nコの ･HN･己OU芯L声+ (に←〓 42 (桝接柊35+ ｢HO?仁旦-心L声) Ou←】山 芯ま【〉 300 ヱ【 H.1Z:宴 ]ニ車如品!宜:RT ソト割′卜.;∫て駈片･･二×100 【111川 1l■pI川n-コH-SUP-▲‡･/二///
HT60【レrトL一
ハリ ハリ ハU (U ｢リム 拝14 プ壬4i子羊 接 ピ ー ド 曲 げ 試 1い コ‥ 3り 5め■し∴ 4(1 1 汀ビ】亡Un-2H i--35i】---一十 【---8口 !≡---1Ⅲコ===【:=巴3=ロ=≡=5p 1害 †して ▼'5■lj￣ (■)しtゝ 2S= 71) Tl) HT60∼HT70銅のテーパーかアニさ試隕結果 張 結 果 ⊂= lつ +_ iJ汚 接 f￣イゝ二 m(LH70S)4nllTl ]1しLII70S＼■4mm Ⅲ(LH70S､､･4m111 †1Ⅰ(Ⅰ一H7(lS)4mnl Ⅱ(L-60､4m11ュ Ⅲ(二L-60二･4mln 1亨よ 接 条 ご･ゴて 【し1 川し ■′Al 170 170 170 170 170 170 Ⅸ しY-D丸Ⅰ×YF15･ 700 1X くY-l￣)MxYF15! 45() 業主 90￣まて】j叶】ご 5= ｢らこ 旺 (Ⅴ､J 23､′26 23∼26 23∼26 23∼26 23∼26 23-､26 33 30 2(60E･J′/〃)1･う′;て中二三上a二1戸碧二)‡
..(し) ここに,5二 Bond部の冷≡糾i寺間(800､500℃まで の冷却叫問(s))≒22s E:ア】ク 電什二(Ⅴ〕 J:溶 7こ 板 接 の 電 流 しAl 初 温(℃) J:板 厚(mm) β:Constant(突合せ溶接のときほノ;=1) 調貿HT70鋼でほHT60鋼にくらべ割れ!惑受性はiチ∼i くなり,図lに示すように厚板(≒300nlmlで約150℃, 中板(≒16mm)で100℃の予熱が必要である｡非詞質岩窟-l予言〒芸一望
Lmm/minl 150 常i昆 20℃ 15() 150 150 150 150 240 240 50 300 /芯 音 こ> = 250 a-, 1モ 200 () (ノIJ HT60鋼は調員HT60鋼に比べNb,Ⅴなど析出硬化性 元素を含むため厚批(≒42mm)では200℃の予熱が必 要であり,その割れ感受性はおおむね調質HT70鋼と同程度であ る｡図3は非調田HT60鋼のルート割れ近傍のミクロ組織を示す もので,割れはルートエー)HAZに進展している｡以上ほ手溶接の 場合でサブマージ･アーク溶接では初層に手溶接を行なっているの でルート割れの危険性はない｡ 3.2 テーパーかたさ試験結果 図4に供試HT鋼のテー/ミーかたさ試験結果を示す⊂硬化性の高 い順序ほ非調質HT60鋼,調質HT70鋼,調質HT60鋼の順序で 特に調質HT60鋼とは差が克とめられる｡テーパー最高かたさは非 調質HT60鋼(Welten-60H),調質HT70鋼が約Hv=410で,調 貿HT60鋼(Welcon-2Ii)がHv=330である｡これらの値ほ1ⅣES 規格(5)のHW45鋼でHAZの最高かたさHv=400,HW63鋼でHv 440の規格値以内の値を示しており,柑こ調質HT60鋼の硬化性に 湖′れ発生 角 質 ･:deg､ 50℃ 靴lプ丈L涼主 】_00℃ 刑九たし※ 150℃i割れなL※ 常温 20℃: 42 100℃ 47.5 常温 20℃ 58 常温 20℃; 50.2 八じ 八U ∧U ■U ハリ 5 3 3 ∩′】 芯言-丁ご】 割ご卜発二一三時宗面ご･すんしア;､-GL=60mm 22 23 21.2 21.4 21 22.5 25.1 24.5 討雫
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一三㌔緒 R.T 500c O(U ハし 干無塩穫(.一C ′T ④1･心-･一升ー 豆･ 42rnm Y一-Y----X 200 一｢､ =120ml丑 10.8 7.6 10.8 10.6 11.8 14.8 16.9 15.8 じ㌻汁三;テ【iト 判 定 lVES規格て呪宅され ている割.it発生角空 43項￣ 43轄 43.蟹 43度 34〔‡ 34蟹 34.ヨニ‡ 34填 ･-iリ三面より2m■n -@中心 り2【nm 印郎条件 l 【ⅠこN仇3 切 断 速 度ニ300mm_ふin フロ1ヾニ圧ナ了‥0.3kg′ノ′去m= 解 素 耳 ニナ∴4kgとm2 ノ⊂L--て 1 2 3 4 5 0 1 2 3 ⊥1 5 リノ帆巾fた･.'ノ′I掛離1`mm 芝生主経rmm㌻ +!:｡きヨ打Hl■60･rl＼-elten-60汁･(†こ輿こ･し)(B:･∫那印T60.■Ri､･er-A亡eトご干熊こ･r_〉 周5 ガス切断面のかたさ分布 ついては問題がない｡ 3.3 溶接ピード曲げ試験結果 表4にHT70鋼と非調質HT60鋼の溶接ピード曲げ試験結果を 示す｡HT70鋼のピード曲げ試験結果は90度曲げでも割れ発生せ ず,局部表面ひずみは50%に達している｡非調質HT60鋼のピー ド曲げ試験結果もWES規格限界以上の割れ発生角度を示し,入熱 量の大きいサブマージ･アーク溶接のほうがいく分曲げ延性がすぐ れている｡ 3.4 ガス切断面のかたさ測定結果 HT鋼をガス切断する場合,板厚が厚くなればそれだけ冷却速度 が早くなるため硬化する度合も高くなり,延性低下を調査する必要 がある｡図5に詞質HT60鋼(River-Ace60)34mm,非調質HT60 鋼(Welten-60H)42mmのガス切断面近傍のかたさ分布を示す｡ー15w
400 昭和43年5月 日 立
評
論
第50巻 第5号 蓑5 自由曲げによるアーク･ストライクボンド部のき裂発生角(度) アーク･スト l (1) ライク防止法 曲げ試験回数 アーク･ストライク のまま 試 験 片 形 状 80e な し な し な し 80⊃ な し な し な し 700 135こ な し な し 90つ 145つ な し な し 80ご な L な し な し 汀1､60･二Il'eIcon-2H)23mmt ⑳-く> Ln J N M 310ノ′好
/■ T-1 7⊥一クてトラでク部ごま 7うイシダ什卜 7-′アユ:､ライクぎ丘′L粂†-ト i打た:4mm 心方こ:180A 7【タブ己竹川卜÷s 衰6 サブマージ･アーク溶接入熱制限試験溶接条件HT60鋼(River-Ace60)(Y-DMxYF15) P O. TN雫m莞fF閃忍野dl(警蒜姦別電(A戸Il電(Ⅴ戸El琵m′忍
告1祭器トミ
ス 数l 閃 先 お よ び 試 験 片 形 状 18 2 2 5 5 3 26 5 5 34 1 14.5 :室 温 ※ 入紫=j/cm)= 些二_!L巨 Ⅴ 353535 35一3535 3535 6 6 6 6 3 3 3 3 440 34 26.0 79.8 79.8 85.4 85.4 34.5 ス ス ス ス一ス ス ス ス一ス ス ス ス一ス R 5 110----十 220 6R 票1Jリ川∴iユし鰐川 2)軒苧試験I+】■JISZ31124リ▲ 亡⊃ River-Ace60鋼の場合,図5より最高かたさはHv=270程度で, HAZ幅は1mm程度,Welten-60H鋼の場合,最高かたさはHv= 310程度,HAZ幅は1.5mm程度で,いずれもWES,HW45の最 高かたさHv=400以下である｡硬化性の大きいWelten-60Hの場 合,ガス切断の際の予熱効果は顕著でないがいく分認められる｡以 上の結果,40mm前後の板厚範囲であれば調質HT60鋼では予熱 なし,非調質HT60鋼では50∼100℃の予熱併用してガス切断する ことが望ましい｡ 3.5 アークストライクおよび脆化試験 調質HT鋼の添接施工上,アーク･ストライクについて発生を避け るよう万全の処理をとっても,皆無にすることは実際問題としてむ ずかしい｡したがってアーク･ストライク発生後の処理として簡単に しかも完全にアーク･ストライクによるトラブル(たとえばアーク･ ストライク点がき裂発生源となる)を防止することが必要である｡ 表5はHT60鋼(Welcon-2H)の自由曲げによるアーク･ストライク 部のき裂発生角度とき裂防止法の関係を示したものである｡この結 果によるとアーク･ストライクのままではすべて割れ発生曲げ角度 は70∼90度の範囲にあり,アーク･ストライクによる脆化の危険性 が考えられる｡アーク･ストライク補修方法として表5に示す(2) ､(4)の方法を用いたがこのうち(2)の400℃の局部後熱では2本 き裂が生じており,(3)の600℃の後熱法と(4)の100℃予熱で 40mmのテンパーピードを置いた場合はいずれもき裂を生じなか った｡これらの結果現場施工としては比較的補修のやりやすい(4) の100℃予熱,40mmのテンパーピード法を採用することにした｡ HT70鋼の場合はさらに150℃予熱,40mmピード置き後200℃の後 熱,ピード仕上を施工する方法を採用している｡またポンチマークに ついてほポンチ先端の鋭さを5種類にかえてアーク･ストライクと 同様の試験片を作り自｢h曲げ試験を行なったが,いずれの場合もポ ンチマークからき裂は生じなかった｡しかし実際の作業では極力ポ ソチを打つことは避け,打つ場合も先端を丸くし溌二ものを使用する ことにした｡最後的にポンチ部のグラインダ仕上を行なっている｡4.溶接継手性能試験結果
ム1サブマージ･アーク溶接入勲制限試験 調質HT60鋼のサブマージ･アーク溶接における問題として大入熱 溶接で特に多層盛溶接を行なった際,母材温度が高くなり冷却速度 が遅くなることによるHAZの軟化とBond部の脆化が考えられる｡ これらの影響を調べるため供試HT鋼(River-Ace60)の18,22,26. 34mmの各板厚に対し,予熱温度,入熱量を変えた場合の引張,曲げ, 衝撃試験を実施した｡表るに試験形状および条件,図る,7に試験結 果を示す｡溶接条件と引張強さの関係はすべての条件で規格値を満 足しており,各板厚について,入熱量による引張強さの低下の傾向 は現われていない｡また26mmtの破断位置が母材であることより, 厚板になるにつれてHAZの軟化傾向が少なくなってくることがわ かる｡なお自由曲げではすべて30%以上の伸びを示している｡溶接 条件と衝撃値の関係は図るに示すように,HAZに比べ溶着鋼, Bond部は低い値を示している｡溶着鋼,Bond部の衝撃値は冷却速 度が遅くなるにつれて(すなわち入熱が多く,パス間温度が高くな るにつれて),衝撃値が低下することを示している｡図7ほ基準を引 張載さ60kg/mm2以上,0℃における2mmVノッチシヤルピー衝60∼70kg/mm2扱高張力鋼の溶接性,加工性および水力機器への応用(その一,基礎試験)
401 240 230 ′蒜 220 ニ 210 > = 200 斗｢ノ JJ190 -さ 180 170頂埠
【=::=コHAZ最高硬化茄HAZ軟化部 20 18 6 ･4 2 0 RU エU へN∈て戸ぷ)｡中一主幹邁 巳=Z≡=ヨ溶岩鋼 巳≡≡冠空≡:ヨBond ⊂::::::::::::コHAZ 6 5 4 ′hU 6 6 へN∈ぜ＼普) 3 2 亡U 6 仙蜜謀一や 61 H (D H_.(D H) (H D) 破断位置 〔M):F手付 け11:HAZ LD):満茄鋼 (H) (HJ (加1) (h･t) (M) 予 熱(nC) 100 150 100 150 100 150 100 150 100 150 100 150 1二,皿 ん塾(刈03j人血l 56.8 62,6 68.6 71.9 79,8 85.4 34.5 板 甲山m) 18 22 26 34 TP No. 10 11 12 13 図6 入熱量,板厚,予熱温度と引張 強さ,衝撃特性,かたさの関係(諾芝濫;￣Ace60))
撃値6kg-m/cm2以上とした場合の板厚と入熱量の機械的性質に及 ぼす関係を示したものである｡図7に示す範囲内でパス間温度を 200℃以下として施工すれば問題ない｡サブマージ･アーク溶接下限 入熱決定試験結果は図占TP No.13に示すように厚板34mmt,予 熱パス間温度室温,入熱34,000j/cmで溶接した結果は,HAZ Bond 部も0℃で10kg-m/cm2と良好な結果を示している｡HT70鋼にも 同様の試験を行ない後述の表11に示す標準入熱条件を決めている｡ 4.2 サブマージ･アーク溶接継手性能確認試験 ム2.1調質HTdO鋼の場合 上記実験結果をもとに各種HT鋼の溶接継手試験を標準溶接条 件で行ない,同時に適正応力除去焼鈍条件を求めるため,焼鈍温 度を変えた場合の棟械的性質の変化を求めた｡図8にHT60鋼 (River-Ace60,Welcon-2H)2鋼種の応力除去条件と引張強さ の関係を示す｡いずれの鋼種も母材で破断しており,605℃まで はいずれも規定何材強度を示しているが,母材の焼戻温度範囲の 630℃では55∼60kg/cm2と付材強度を割る結果を示している｡ このことは降伏点についても同様である｡図9に応力除去焼鈍温 度と継手部の衝撃値の関係を示す｡図るの結果と同様の傾向であ るがいずれも軒昂=6kg-m/cm2の値を満足している｡また焼鈍 処理による影響はあまりみられずむしろHAZの衝撃値は焼鈍に より回復している｡サブマージ･アーク溶接の場合はⅥ(Y-DMx 80 0 0 6 (E]てご≡エ 煮イ 0 5 1008c 1500c 盆会駁 器! 100`c 150勺C 鎚38 100-c の150:与 熱上限 引張強き60kg/ふm2以上 引張強さ60kg/んm2未満 衝撃値09c6kg-m/4m2以上 衝撃値00c6kg-m/4ロ才未満 温度は予熱温度を示す パス間温度200qC以'卜 室温 △ムムOD 18 22 26 30 34 枇厚 mm 図7 HT60鋼iこおける板厚と許容最大入熱量の関係 0 5 〔-U 5 T㌻) (ぎ) (N∈j､址ご エ､王璧 爪責三; 50 溶接ブ〕 575凸c 6050c 630□c 溶接の 575亡c 6058c 630ロC 士士 ×1.5h xl.5h xl.5b 三ま ×1.5h xl,5h メ1.5h 】心力除工焼鈍i址7竺 J心プ順土塊純托い空 図8 応力除去焼鈍温度と横根的性質の関係(HT60鋼) ㌃∈叩､戸哲亡｡甲】 ≦草書 Ril･er-Ace60 34mm lナーDMxlrF1528.5∼72kJ/さm 5層鑑 HやZ ユーぺ､ ′一 ＼＼ ′// ＼＼､ / / / Bun(I ノつ魂x
2｡L
18 16 14 12 10 8 6 llre】亡On-2H 23mnl 32-81kj/イm ∧ ′＼ ′ ＼ HAZ ′ ＼ ＼＼′′ ′Bond＼＼へ＼､
ヽ0
1 溝■前鋼 US49×九･tF38 4同産 ′ /)㌫
// i芹 J 溶接7J 575¶c 6050c 630亡c 溶接♂) 575Dc 605Dc 630Cc Xl.5h xl.5b xl.5b まま ×1.5h Xl.5h ニ(1.5h ん打力除去焼鈍温度 応力除去焼鈍温度 図9 応力除去焼鈍温度と衝撃値の関係(HT60鋼) YF15)の組合せに対しⅤ(US49×MF38)の組合せのほうが溶着 鋼の衝撃値はよくなっている｡図10にRiver-Ace60鋼の継手か たさ変化の一例,図】1に顕微鏡組織の一例を示す｡頗徴鏡組織に みる母材は焼戻しマルテソサイト組織を示しているが,HAZ(脆-17-402 昭和43年5月
清一細十HAZ
D￣￣【■■■■】 x一･･一Y---べ (ぷ○亡 >エ 八U O O 9 ハリ n-0 抑七去 170 160 寸M唱
まノ▲r/ ⊥エ の/ べ ＼ 二Kl㌣m
＼ゝサ′ / )‥ X/ ,-メ/ Ril▼er-Ace60 34m山 1'一DlI〆1●F15 28.5､72kj//乙m 5r絹塩 図10 応力除去焼鈍i･こよる継手部のかたさ変化(HT60鋼) 溶接し｢ノ圭ま /HAZ ● ･∠一一一￣1￣ / ● 5800c3h煉純 (刑∈て戸址ご 一山ミナ∴>撃駄藩 15 0 / / //
＼溶着鋼 /ぺ/ ′ / .Hり枇塩
りノ/
一溶着鋼 ll■elcon-2H-SuPer 30mm しTS49〆PI､H80 30-35kj/七m ー20 0 20 -20 0 試験温度(Oc) 試験温暖 〈dc) 図12 HT70鋼サブマージ･アーク溶接部の衝撃特性 表7 HT70鋼(Welcon･2H-Super)論
第50巻 第5号 溶接のまま (River-Ace60 B O nd HAZ (脆化域) HAZ (軟化域) 母 材 650℃ SR 人魚量28.5∼72kj/cm) 囲11HT60鋼サブマージ･アーク溶接継手部の顕微鏡組織(×100) サブマージ･アーク溶接継手性能試殴結果 横 層 法パス数】電(A)流i電(,)圧i
(mm/min)速 度 入 勲 (kj/cm) ワイヤ･フラッ クスの組合せ 熱処理 引輩強さ(JB) (kg/mIn2) 破断位置 側曲げ試験 R=19mm1800 自由曲げ試験 (30%以上) 子熟眉間温度200qC 10 手刷酌一H70S5￠220A 46 810 1 2 ∼ ∼ ∼ ∼ 500 500 500 500 500 500 35 34 34 33 35 35 350 320 320 320 300 330 30 32 32 31 35 32 (1Ⅶ) US70×MF38 (1Ⅶ) US49×PFH80 芋容接のまま 580℃ SR 3h 溶接のまま 580℃ SR 3b 74.2 73.9 71.7 72.6 74.0 73.3 74.2 72.2 母 材 母 材 母 材 母 材 朋.一朋←朋朋 良 好 溶着鋼割れ 良 好 溶着鋼割れ 良 好 良 好 好好 良･艮 合 格 合 格 格格 合合 格格 合合 格格 合合 化域)は焼鈍によりかなり微細化されている｡溶着鋼は初析フェ ライトの析出したデソドライト組織を呈している｡ 4.2.2 調質HT70鋼の場合 HT70鋼(Welcon-2H-Super)30mm厚鋼板のサブマージ･アー ク溶接継手部の機械的性質を調査した結果を表7に示す｡応力除 去焼鈍条件と機械的性質の関係は焼戻温度以下の580℃焼鈍条件 であれば,ワイヤ･フラックスの組合せⅧ(US49×MF38),Ⅶ (US49×PFH80)(表3参照)いずれも母材規定強度以上72∼74 kg/mm2を有しており問題はない｡ただし,側曲げ試験結果にみ るように,中性溶融形フラックスMF38の組合せ(Ⅷ)では溶着鋼 に割れを生じており,HT80鋼用ボソドフラックスPFH-80の組 合せ(1Ⅶ)のほうが良い成績を示している｡これは表3の全溶着金 属の化成分および組織からも(Ⅷ)組合せのほうが溶着金属中の Mn,Si,Ni,Cr量が(Ⅶ)にくらべ多いことに原因している｡図12 にUS49×PFH80で溶接した継手部の衝撃試験結果を示す｡入 熱量35kj/cmの溶接条件で溶接した場合,Bond部の脆化は全 く認められず,580℃焼鈍の場合の衝撃値の低下も比較的少なく, すべて｡Eo≧9kg-m/cm2の値を満足している｡図13に同じく顕 微鏡組織の一例を示す｡図11のHT60鋼の組織と同様,母材は焼 鈍マルチソサイト組織を示しており,溶着鋼も初析フェライトバ ソドの少ない微細な組織を呈している｡図14にかたさ測定結果 の一例を示す｡図10のHT60鋼に比べかたさは,溶着鋼でHv溶接のまま 溶 着 銅 B O nd 母 材 580℃ 3b SR / 5800c3Il S R 11-× ーHAZ ＼/ ＼J
lトmm
X丁
′×′/×一づ､､× X￣ ′ llre】con-2H-SUPer 30m】m US49×PFH80 30∼35kj/ぺm 図14IiT70鋼溶接継手部のかたさ変化(恥1con-2ローSuper古語溜諾忍/cm)
図13 HT70鋼サブマージ･アーク溶接継手部の顕微鏡組織(×100) 表8 非調賀HT60(Welten60H)サブマージ･アーク溶接継手性能試験結果 パス数 電 流 (A) 電 圧 (Ⅴ) ワイヤ･フ ラヅクスの 組合せ 熱処理条件 破断位置 側曲げ 試 験 R=2t 衝撃値-,Eo(kg-m/cm2) 溶着鋼 Bond嗣紆
等 ⅥJpllen-60トⅠ Jこ熱細岡2000C 2層以紘>10がC1lL三塁3
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≡弓喜
12∼15! 620しし_ヱ_し【
25 33 34 34 34 34 46 】容接のまま 焼鈍590℃ 焼鈍625℃ 熱間プレス900℃ 2回型曲げ 熱間プレス900℃ 3回型曲げ 熱間プレス2回型 曲げ＋焼鈍590℃ 熱問プレス3回型 曲げ＋焼鈍590℃49･6l63･8
≡と…
_,_【_1 47.7!62.6 _】___42.8157.1
22･Oi母材
24･3弓母材
18.9 溶着鋼 1800良好 1800良好 1800良好 5.4 4.8 4.0≡弓三
3.2 2.2 5.2 7.1 10.1 42.8!57.1 18.0 溶着鋼 :ほ00良好110.0 7.0 Nサ llrplten-60rl 宗 ll｢pi【en-60 L-60 220 600竺⊆ご
280】舶
34 600 (Ⅹ) Y-DM X YF-15⑨ 溶接のまま 焼鈍590℃ 溶接のまま 焼鈍590℃ GL. 母 60 母 材 GL. GL. +担___ 母 材 60 GL. 60 250∼260,軟化域でHv200∼210と高くなっている｡焼鈍による かたさの低下は軟化域に多少みとめられるが,溶着鋼のかたさは はとんど変わらず良好な結果を示しており,衝撃特性(図12)と 関連して,HT70鋼のサブマージ･アーク溶接継手部の機械的性 質は十分満足のできる結果となっている｡ 4.2.3 非調質HTる0鋼の場合(6) 熱間加工用非調貿HT60鋼(Welten-60H)と調質HT60 (Welten-60)を組合せ各種焼鈍条件,熱間加工条件(熱間プレス) を変えた場合のサブマージ･アーク溶接継手試験を実施した｡表 8は試験結果をまとめたものである｡機械的性質はいずれのワイ ヤおよぴフラックスの組合せでも熱間プレス加工処理までほ材料 規定強度(げy≧45kg/mm2,げ月≧60kg/mm2)を満足するが,さら に熱間プレス加工後応力除去焼鈍を行なったものは強度が低下し げβ=57kg/mm2,げy=42kg/mm2で溶着鋼破断になっている｡ このことは溶着鋼の強度特に降伏点が熱間加工により低下するか らで,溶接継手部を含んで熱間加工を行なう場合は,溶着鋼強度 低下の少ないワイヤ･フラックスの組合せ(Ⅸ)Y-204×YF15⑪ が望ましい｡ 図15,1るに各種ワイヤ･フラックスを組み合わせた場合の溶着 鋼および,Bond部の衝撃値を示す｡溶着鋼の衝撃値は塩基度の 高いYIL15⑧の組合せが一番すぐれた値を示している｡いずれ のワイヤ･フラックスの組合せにおいても応力除去焼鈍によって 衝撃値は低下するが,勲間プレスによって回復する｡これは溶着 鋼が焼ナラシ効果を受け組織が微細化するためである｡溶接入熱 量を60kj/cmで溶接した場合のBond部の衝撃値は溶接のまま, 熱間加工に比べ,焼鈍した際の衝撃値が低くなっている｡この原ー19-404 昭和43年5月 日 立 14 0 〈Hリ (hV ･4 (刑∈†声望ニーコ一丁で八三一妄ぎ ⊂>----一口(Ⅸ) ○---･-一っ り= ×---×(刀) Y-D九ⅠメYF-15 Y-D九トYト15:石､ 1'一204XYF【15･‥耳
二/〆二表
ノーーニニ` =フ/ ノニ卓二二一 〟′･/′′〆/
′ / // =二二芝二一′ __溶接ノーま壬 ス9000c-SR590て3h 溶婚ノ)三至 SR590"C3h 溶接ごr)三三 SR590ロc3hギミ整三等三三:
-20 0 試験温J空(一c 図15 溶着金属の衝撃値と後熱処理熱間加工条件の関係 (非調質HT60鋼) ll'e】leロー60H42mm 12 へ盲†戸址三 -uミ･ナ∴L言`軋-去叫 〔>-･-･-Q Oウc lr-Dトト1'F-15 汁一一ぺ -200c 一口aX八熱=60k卜′とm唱__
.X 一さ/一…/
X / / /ゝ × グ 満柁 SR SR √)ま壬 590Dc 6250c 3h 3h 那!7■レス鮒けレて那らいレフ､鮒三一丁 9000c 9000c 2州 31【こ二 2川 3卜り SR5洲eC SR5軒C 図16 Bond部の衝撃値と熱処理加工条件の関係 (非調質HT60鋼) 国は図柑に示すBondのように,溶融温度近傍に加熱された粗 大組織に,焼鈍によりNb,Ⅴなどのカーバイド,ナイトライドが析 出脆化するためと考えられる｡したがってBond部の衝撃値の向 上としては溶接入熱量を押えることと,焼鈍温度を適正に選ぶこ とが必要である｡表8に示すY-DMxYF15⑪の組合せで入熱 量を47kj/cmに押え焼鈍温度を590℃にしたものはBond部 の衝撃値は〃凡=6kg-m/cm2に回復している｡調質HT鋼の入 熱制御と同様,非調質HT鋼でも入熱制御の必要性があることは 興味深い結果である｡図17にサブマージ･アーク溶接部のかた さ分布を示す｡非調質HT60鋼のHAZの最高かたさは溶接のま までHv=300程度で焼鈍処理でも軟化しないが,熱間加工により ほとんど溶着鋼HAZを通して硬度差はなくなる｡ 図18にWelten-60Hの溶接部各部の顕微鏡組織を示す｡ 4.3 手溶接継手性能確認試験 4.3.1手溶接入熱制限試験 HT60鋼の溶接については一般的に予熱を適正に行なえば,実 用上問題になる点はなく実績も多い｡しかし水車ケーシングの現 地溶接では立向き溶接のように遅い溶接速度で連続溶接を行なう 場合もあり,母材温度がかなり高い状態で溶接されるため溶接部 の冷却速度が遅くなって継手部の軟化,脆化する心配があるので, これに対する検討が必要である｡また溶着鋼自体についても入熱 量による冷却速度の差から入熱が多くなれば引張強さ,衝撃値と も低下することが報告されている｡そこでRiver･Ace60を用い 0 5 3評
(址音○ >〓 れ+Tや 壬∠ゝ 白岡 第50巻 第5号 ∈ ∈ l+つ￣｢
R5900c ･d 3h 溶接のまま lVelten-60H 42t Y-Dれす×YF-15 熱間7rレス900血c ス900Dc＋SR5908c3h 1mm 境界 痩界 図17 サブマージ･アーク溶接部のかたさ分布(非調質HT60鋼) 溶 着 錮 B O nd H A Z 母 溶接のまま 590℃ 3h SR(硯患×箪蓋皇三等)
図18 非調貿HT60鋼(Welten-60H) サブマージ･アーク溶接継手部の顕微鏡組織(×100) 手溶接について最も条件の悪い薄板を用い,入熱量の最も高くな る立向き姿勢でパス間温度を150℃,200℃とかえ入熱量を約20∼ 40kj/cm(135A,23V,5cm/min)の範囲で溶接を行なった場 合の機械的性質を調査した｡引張試験,曲げ試験結果を表9に, 衝撃試験結果を図19に示す｡これらの結果,引張強さはいずれ も規格値を満足しており,衝撃値もWES規格〃E_5=6kg一皿/cm2 を十分満足していることがわかった｡以上の結果,HT60鋼につ いては40kj/cm以下の入熱量(この値は手溶接で実際施工上の 最大入熱と考えられる)でパス問温度を200℃以下に押えれば入 勲条件について規定する必要がないことがわかった｡ HT70鋼に関しても同様の試験を実施した｡引張試験結果を表 10に,衝撃試験結果を図20に示す｡引張強さは77kg/mm2と十 分規格値を満足しているが,入熱がふえるにしたがって破断位置 はBond,溶着鋼に移っている｡図20の衝撃特性をみると,溶60∼70kg/mm2扱高張力鋼の溶接性,加工性および水力機器への応用(その一,基礎試験)
405 着鋼に比べ,Bond,HAZの衝撃値は低 い｡この現象はHT60鋼に比べて顕著で あり,HT70鋼ではHT60鋼よりも入熱 制限の必要がある｡図20の結果〃E_5は 約5∼6kg-m/cm2あり16mm厚では居 間温度を200℃に保って入熱量を35kj/ Cm以下でやれば問題ない｡表11に以上 の結果を集約してHT60∼HT70鋼の標 準入熱条件を示す｡ ム3.2 手溶接継手性能確認試験結果 上記の結果をもとに標準溶接条件でも って,手溶接を行ない焼鈍条件を変えた 場合の継手性能結果を調査した｡表12 にHT60∼HT70各鋼種の手溶接継手性 能をまとめて示す｡いずれも600℃以下 の焼鈍条件では問題ない機械的性質を示 している｡衝撃値も溶着鋼,Bond,HAZ いずれもび軌≧10kg-m/cm2以上で良好 な結果を示している｡5.加工性試験
5,l冷間加工性,ひずひ時効性試験 (HTる0鋼) 蓑9 HT60鋼(River･Ace)手溶接上限入熱試験結果(立向き) 積 層 法 溶 接 条 件 入熱量 (kj/cm■) 予熱パス間 温度(℃) 引蹴破さ げB (kg/mm2) 側曲げ試験 自由dbげ試験 (30%以上二･ L-604￠ Ⅰ=110∼140A E=23V S=5∼9cm/min 1乱2 ∼ 37.2 150 200 65.1 63.9 64.8 66.3 材 材 Z Z A A 母 母 H H 好 好 好 好 +艮 艮 良 良 合格(38.5二 合格〔35.6′ 合格(32.2/ 合格(39.4'' ⊥=r 4 0 6 Ⅰ=110∼140A E=23V S=4.5∼7.5 21. ? 42. 150 200 ‥村 村 Z 材 A 母 母 H 母 好 好 好 好 一艮 良 良 艮 合格(31.5J 合格(30.2二 合格(34.5二 合格(､37.B､ 蓑10 HT70鋼(Welcon-2H-Super)手溶接上限入熱試験結果(立向き) Hv(10kg(kj/cm)l皿(℃)反r(kgぷm2)牧野■比良IR=19mm1800順定義い密着鋼
LH70S4￠ qい ...( ∩い ℃ ハリ O 2 77.9 母 材l 良 好 77.2 母 材 良 好 212 Ⅰ=130∼145A E=23V S=5.5∼6.5 cm/min 5.1.1HTdO鋼の冷間口ール曲げ特に 溶接継手を含む場合 水車ケーシングを製作する場合,一般にほ数枚の鋼板を溶接し た大きな板からケーシング材を切り出してロール曲iず作業が行な われる｡一般に軟鋼では溶接後焼鈍して冷間ロール曲げ作業を行 なうので問題はないが,HT鋼では溶接のままで冷間曲げを行な 図19 HT60鋼手溶接部の板厚予熱パス間温度と 衝撃値の関係(River-Ace60) 蓑11IiT60∼HT70鋼の標準入熱条件 76.7 !溶着金鳳 良 好 うのでロール曲げ作業時溶接線より割れの生ずる心配がある｡こ のため大形実物試験片として一枚の板にT字形継手を2個所含む 23mm厚,Welcon-2H鋼(3,000×1,500)についてサブマージ･ア ーク溶接(US49×MF38,800A,24V,20cm/min,80kj/cm) を行ない曲げひずみ率2.25∼2.75%でロール巻げ作業を行ない, 溶接部の性能を調査した｡図21にロール曲げ後溶接線をカラーチ ェックした結果を示す｡この結果はいずれも欠陥はなく,溶接部 の性能もすべて母材強度を満足し,衝撃値もすべて甘Eo≧6kg-m/ ll'elcoロー2H-SuPeI･16mm (㌔⊂や､戸切望 】山ユ＼-でふ>望終演 【へJ ハU LH70S4￠ヱ向.溶接のまま J=30kj/ヰm眉間温度200Jc:妄∠才
HAZ 30 25 20㌘二琵1…
1l'eIcのn-2H-Super16mm LH70S4￠立向.溶接7〉ま王 J=37kj/もm眉間温度200つc芸≡蕗
/ ′事 HAZ ー20 0 20 -20 0 20 試廉塩捷(Pc) 試験温l空(Oc二l 図20 HT70鋼手溶接継手部衝撃値と入熱量の関係 (手溶接およびザプマージ･アーク溶接)＼
手 溶 接 アーク溶接 サブマージ･ 調 賀 HT60鋼 調 質 HT70鋼 非 初刑 庶月予驚度l層腎度】巧守先慧戸
竿mm戸l予幣虔l層幣虔+幣先慧芦
坂 厚 (mm) ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≧ T T T T R R R R 200 し し し し な な な な 限限制制 制制限限 し 500500000な 吼71.8〇.限 制 ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ ≦ RT RT lOO lOO 200 35,000 35,000 制限なし 制限なし 35,000 35,000 40,000 50,000 ≦16 ≦30 ≦45 虔 紙の 予 <U O O O 5 0 1 1 2 層問温度 (℃) 200 許容入熱量 (j/cm) 35,000 45,000 ㈲限なし-21-406 昭和43年5月 日 立
