［報告］厚板SA440鋼の四面ＢＯＸ・サブマージアーク溶接実験 − 溶接諸性能に及ぼす自己溶接熱による保温効果 − ＊沼田俊之＊＊長久靖典＊＊＊橋田知幸＊＊＊＊藤平正一郎１．はじめに近年，超高層建築等の大型構造物における高層化及び大スパン化に伴い，柱部材の鋼材に対する高強度化，及び板厚の極厚化へのニーズが増している．高強度化については，開先形状（各試験体共通）従来より建築構造用高性能590N/mm2 級鋼（以下，ＳＡ４４０と呼ぶ）が用いられており，特に柱材ではＳＡ裏当金４４０鋼材をＢＯＸ状に組み立てた四面ＢＯＸ構造の柱が矢視Ｂスキンプレート(t80) 820 採用されている． 1170 80 ４面ＢＯＸ柱の角継手の溶接には，一般に大電流サブＢ 25 マージアーク溶接法（以下，ＳＡＷと呼ぶ）が適用されて 25 625 いるが，大電流ＳＡＷによる１パス溶接での施工可能な最 545 大板厚は，現状では60mm厚（タンデム溶接）までとなっ 12φ孔ている．ＳＡ４４０鋼材等に対する60mm超の厚板溶接施工の場合には，開先ルート部側にＣＯ２下盛り溶接を施し 640 80 た後に，ＳＡＷによる溶接を行う２段階の施工方法等が採用されている．拘束板（t9） 250 648 272 スキンプレート（t80）１）図−１試験体形状一方，板厚80mmでの多層ＳＡＷを行った場合において，一部の継手性能の溶着金属の引張り特性で，許容値を満足表−１供試鋼材の化学成分（SA440C）（Wt.％） C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Nb B Ceq 0.06 0.23 1.56 0.006 0.002 0.43 0.41 0.22 0.08 0.02 0.01 0.40 しない事例があることが報告２）されている．これらの報告の中では，規格値を満足しないことの原因は，多層ＳＡＷ溶接部に発生した溶接欠陥に起因したものであり，その防止策として予熱及び後熱の必要性が述べられている．表−２タンデムＳＡＷ溶接条件予熱及び後熱処置については，ガスバーナおよび電気ヒータ等の専用装置による方法等があるが，実施工におい溶接条件ては，大型部材に対する設置が大がかりとなり，均一な温度管理等に難点がある．これらの問題点を解決するため，実施工性を考慮した簡易的な方法として，ＳＡＷ溶接直後に自己溶接熱を保温する効果（以下，自保温効果と呼ぶ）が，溶接諸性能に及ぼす影響について検討するものとした．本報告では，80mm厚のＳＡ４４０鋼材を対象とし，実用性を考慮した大電流ＳＡＷのみによる健全な多層溶接を実現することを目的とした．溶接熱を自保温するための３ 1層目 1パス L極 T極 2パス L極 T極 2層目以降 3パス L 極 T極 4パス L極 T極（先行）（後行）（先行）（後行）（先行）（後行）（先行）（後行）電流（A） 2,000 1,750 1,350 1,150 1,700 1,500 1,250 1,100 電圧（V） 35 49 33 40 33 42 40 43 速度 19 33 25 38 （cm/min） 165 286 154 入熱量 492 （kj/cm）計：605 （積層要領は図２参照）種類の手段（断熱保温材料等の使用有無）が，溶接部の諸表−３試験体の保温条件一覧性能に及ぼす影響について検討を行った．その結果，厚板の多層ＳＡＷ溶接における各パス毎に行う自保温手段が，＊＊＊＊＊＊＊＊＊技術研究室構造技術グループ鉄構事業部工務部設計課長博（工）橋梁事業部生産本部大阪工場長博（工）技術顧問保温の有無及び方法確認内容保温無し通常施工での温度履歴スラグ保温スラグ保温での温度履歴スラグ保温＋スラグ保温および保温材Ｉ断熱保温材料料使用時の温度履歴断熱保温材料：イソウール（イソライト工業㈱製）（14）試験体マークＮＳ片山技報 33 溶接継手性能の向上及び欠陥発生の防止に対して，より有 20 効な施工法であることを確認したので，以下にそれらの内 4 2 容を報告する． 40 試験体形状を図−１に，供試鋼材の化学成分を表−１に示す．試験体はＢＯＸ柱の角継手を想定し，板厚80mmの２ 180 3 1 ３２．実験方法１ 80 60 ０４ 38 ＳＡ４４０Ｃ鋼材を用いてＬ字型に組立て，タンデムＳＡＷによる多層盛の完全溶け込み溶接を行った．その溶接条件を表−２に示す．ワイヤ及びフラックスの組合わせは， 80 100 450 620 KW-101B（6.4mmφ）×KB55IM（（株）神戸製鋼所製）とした．溶接積層方法は図−２に示すように３層４パス仕上げの施工とし，初層の入熱量は492kJ/cmとした．表−３に試験体の保温条件一覧を示す．温度保持の方法をパラメータとして，Ｎ，Ｓ及びＩ条件の３種類の試験体，各１体を作成した．Ｎ試験体は通常施工とし，ＳＡＷ直後にスラグを剥離し，ＳＡＷの連続溶接を行った．Ｓ試験体は溶接後 1170 図−２溶接積層方法及び温度測定位置のスラグ剥離は行わず，更にＩ試験体は，スラグ被覆のままに加えて，断熱保温材料（商品名：イソウール）で試験体を覆うことにより，溶接部に対する自保温効果を高めた．溶接作業手順については，Ｎ試験体では，各パス間で溶接部近傍の温度が200℃を下回った時点で，次パスのＳＡＷ溶接を連続して行った．ＩおよびＳ試験体は，１パス目のＳＡＷ完了後，６時間以上経過（１日放置）し常温になった後に，２パス目以降のＳＡＷ溶接を行った．３及び４パス目のＳＡＷ溶接は，前パス終了後２時間経過した後に，各パスの施工を行った．Ｎ，Ｓ及びＩの各試験体について，温度履歴の計測を行っ図−３マクロ試験片形状た．図−２に各試験体の溶接積層方法及び温度計測位置を示す．各試験体の端部（スタート部から100mm）と定常部（ 550mm）について，それぞれ５点として，１試験体当たり計10点の温度計測を行った．測定は，クロメル・アルメル（Ｃ−Ａ）熱電対，1.6mmφを用いて行った．溶接終了後（ 48時間後）に，『鋼構造建築溶接部の超音波探傷検査基準・同解説（ 2008年）』に準拠し，超音波探傷検査を実施した．継手性能試験については，マクロ，硬さ，引張及びシャルピー衝撃試験を行った．図−３に溶接部マクロ試験片の形状を示す．図−４に引張試験片，図−５にシャルピー衝撃試験片の形状，及び採取位置を示す．図−４全溶接金属の引張試験形状及び採取位置３．温度履歴図―６に，Ｉ試験体（スラグ保温及び保温材使用）における溶接端部での各測定点の温度履歴を示す．図−６よりＳＡＷ溶接部から大きく離れた測定点２を除いて，各位置での100℃または150℃までの冷却特性に，大きな差異が無いことがわかった．このことから，ＢＯＸ柱角継手の温度計測については，測定が比較的容易でかつ溶接部近傍の，フランジ上端から40mm離れた位置で温度管理（測定点３）するものとした．各試験体の測定点３における初層溶接時の温度履歴を図−７に，最終パス溶接時までの計測結果を図−８に示す．図−７より保温処理を施さないＮ試験体の初層での150℃以上温度保持時間は，約70分程度に相当した．これに対し，スラブ保温のＳ，及びスラグと保温材使片山技報 33 （15）図−５シャルピー衝撃試験片形状及び採取位置用時のＩ試験体でのそれらは，それぞれ約80分及び120分 600 強程度であり，Ｎ，Ｓ，Ｉ条件の順に保温効果が大となる 550 ０１日目 500 １１日目 450 ２１日目ことが確認された．図−８は，初層に加えて最終パスまで３１日目 400 のＮ試験体は１日で４パス仕上げの連続溶接したのに対し， 350 ０２日目 300 １２日目温度（℃）の各保温条件の温度履歴を比較して示した．図−８（ａ）図−８（ｂ）のＳ及びＩ試験体では，２日間で多層ＳＡＷ溶接を行っている．図−８（ｂ）より，ＳよりＩ試験体の４１日目２２日目 250 ３２日目 200 方が，各パス毎における溶接部の自保温効果がより大と４２日目 150 なっていることがわかる．図−９は，溶接部よりの拡散性 100 水素量放出の関係因子である，150℃又は100℃以上の保持 50 0 0:00 時間（ 150又は100℃までの冷却時間）を，Ｎ，Ｓ及びＩ試 1:00 2:00 3:00 4:00 17:00 18:00 験体の各溶接部について，比較したものである．Ｎに対す 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 測定時間（h：min） SA440大入熱SAW温度履歴るＩ試験体の150℃及び100℃以上保持時間は，それぞれ約図−６Ｉ試験体の各測定点での温度履歴１．４倍及び１．５倍程度長くなっている．なお測定箇所（端部及び定常部）に対する溶接部の冷却時間（ 150又は100℃以上）の相違については，前者の方が， 600 端部での溶接熱反射により若干長くなる程度（約10分弱） 550 で，両者において大きな差異は見られなかった．以上のように，保温処理の無いＮ試験体に対する，保温処理を十分行ったＩ試験体の100℃以上の保持時間は，約1.5 温度（℃）倍程度になり，Ｉ試験体の溶接部の自保温効果が大きいことが，溶接部の温度計測により確認された．Ｉ試験体における初層から３層４パス仕上げまでの100℃以上保持時間は，約8.5時間程度に相当することがわかった． 500 Ｉ 450 Ｓ 400 Ｎ 350 300 250 200 150 ４．継手性能試験結果 100 ４．１マクロ及び硬さ試験 50 図−10に，Ｎ及びＩ条件の溶接部マクロ断面を示す．初 0 0:00 層のＳＡＷルート部での溶込み不足等も見られず，双方と 0:30 マクロ組織上での有意差は，特に見られなかった．なお，Ｎ， 2:00 2:30 600 600 550 550 500 500 450 Ｎ 400 １日施工 400 温度（℃） 350 300 250 3:00 3:30 図−７測定点３での試験体毎の初層温度履歴 450 温度（℃） 1:30 SA440大入熱SAW初層温度履歴かった．両者のマクロ断面については，自保温効果によるＩ１日目Ｓ１日目Ｉ２日目Ｓ２日目 350 300 250 200 200 150 150 100 100 50 50 0 0:00 1:00 測定時間（h：min）もに横マクロ断面では，溶接欠陥の発生は特に認められな 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 0 10:00 11:00 0:00 1:00 2:00 測定時間（h：min） 3:00 4:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 測定時間（h：min）（ａ）SA440大入熱SAW温度履歴（ｂ）SA440大入熱SAW温度履歴図−８各試験体の全パスの温度履歴（16）片山技報 33 Ｓ，及びＩの各試験体に対する溶接部の超音波探傷結果につきが見られた．自保温効果の大きなＩ試験体の吸収エネおいても，溶接欠陥等は特に検出されなかった．ルギー値は，試験片の採取位置の相違に関わらず，平均図−11に，表層から25mmの位置でのＮ及びＩ試験体の 100Ｊ超の，安定した高い衝撃特性を示した．溶接部の硬さ分布を示す．いずれも，溶接金属の平均硬さは約200Ｈｖ程度であり，Ｎ及びＩ試験体の自保温差によ４．４走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による破面観察結果及び考察り，溶接部の硬さに大きな差異は見られなかった．硬さ分図−14は，Ｎ試験体で丸棒引張試験片の採取（中央部）布の測定位置を表層から25mm内としたのは，後述の図− 12の溶着金属の引張試験で，試験片の採取が不可となり，が不可となった破面（図−12）について，ＳＥＭにより観その位置での硬さを検討したためである．察した結果を示す．破面の銀白色状を呈した箇所においては，典型的な擬へき開状の破面性状が観察されており，この種の溶接欠陥は低温割れであると推察された．Ｎ試験体４．２引張試験図−12に，全溶着金属の引張試験結果を示す．Ｎ試験体で発生した溶接欠陥は，各パスの連続溶接における最終層の溶接部中央部からの試験体採取時（表層から25mmの位直下の拡散性水素量の蓄積３），４）により，欠陥の発生に至っ置）において，後述する溶接欠陥が発生したため，試験片たものと推察された．の採取が不可となり，引張試験の実施ができなかった．そなお，Ｓ及びＩ試験体では，それらの溶接欠陥の発生はの他のＮ，Ｓ及びＩ試験体の全溶着金属の試験結果におい認められなかった．この種の溶接欠陥の防止には，最も保ては，引張特性について，降伏耐力，引張強さともに基準温効果の大なるＩ試験体（各パス毎のスラグ剥離をせずに，値を下回るものは見られなかった．かつ保温材料で溶接部を覆う）の採用が，有効な手段であることが確認された．４．３シャルピー衝撃試験図−13に，シャルピー衝撃試験結果を示す．Ｎ，Ｓ及び５．まとめＩ試験体のいずれの溶接部ともに，シャルピー吸収エネル本実験により得られた知見を，以下に示すギーの規格値である，試験温度０℃：47Ｊ（ V E O値）以上１）スラグ保温及び断熱保温材使用による溶接部の自保を満足した．Ｎ及びＳ試験体のＢＯＮＤ部では，上部及び温手段（Ｉ試験体）によって，保温処理の無い通常施下部の試験片採取位置の違いにより，衝撃値データにばら工（Ｎ試験体）の場合と比較して，溶接金属の引張特性， 600 150℃保持時間 100℃保持時間 400 300 350 200 ﾋﾞｯｶｰｽ硬さ（Hv：98N)）時間（ min） 500 100 0 I S N 図−９各試験体における150及び100℃以上保持時間の比較 MAX:210 300 N試験体 250 200 150 100 BM HAZ WM HAZ BM 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 350 ﾋﾞｯｶｰｽ硬さ（Hv：98N） MAX:212 300 Ｉ試験体 250 200 150 100 BM HAZ WM HAZ BM 50 0 （ａ）Ｎ試験体 0 （ｂ）Ｉ試験体 20 30 40 50 60 70 80 90 溶接距離（mm）図−10 断面マクロ写真片山技報 33 10 図−11 表層から25mmの位置での硬さ測定結果（17） 100 降伏耐力Ｎ試験体 650 上部(Ｕ) σy， σ T（N/mm2） 600 中部(Ｍ) 下部(Ｌ) 上部(Ｕ) 中部(Ｍ) 引張強さ Ⅰ試験体Ｓ試験体下部(Ｌ) 上部(Ｕ) 中部(Ｍ) 下部(Ｌ) IU1 IM1 IL1 ▽590N/mm 2 550 採取不可 500 450 400 ▽440N/mm 2 NU1 NU2 NM1 NM2 NL1 NL2 SU1 SU2 SM1 SM2 SL1 SL2 IU2 IM2 IL2 シャルピー吸収エネルギー vEo （J）図−12 全溶着金属の引張試験結果図−14 Ｎ試験体の引張試験片で見られた溶接欠陥のSEM破断写真 300 N 上部 N 下部 250 接は，前パス終了後それぞれ２時間経過した後に，実 S 上部 200 150 施することが適切である． S 下部５）３層４パス仕上げのＳＡＷ溶接時における100℃以上 I 上部の保持時間は，約8.5時間程度に相当し，それら以上の I 下部時間を目安に管理するものとする．Ｉ試験体で用いた 100 簡易的な自保温手段の採用により，コーナー溶接部に対する予熱及び後熱等の処理を施すことなく，溶接品 50 質の確保と向上が可能であることを確認した． 0 DEPO BOND HAZ 謝辞図−13 シャルピー衝撃試験結果本研究の遂行には，神機建材（株）春名三十志工場長を始め，同社の関係各位に多大の御指導，御協力を賜わった．及び溶接部の衝撃特性等が大いに向上し，溶接欠陥のここに厚く感謝の意を表します．防止に対しても効果のあることが確認された．２）溶接部の温度履歴の計測により，Ｎ（通常施工）,Ｓ（スラグ保温のみ）及びＩ試験体（スラグ及び断熱材保温）参考文献１）津山忠久，湯田誠，山崎圭，袁倚旻，鈴木励一：ＭＡの順に，その保温効果が大となり，Ｎに対するＩ試験Ｇ−ホットワイヤハイブリッドＦ−ＭＡＧ溶接法の体の100℃以上の保温時間が，約1.5倍程度に大きくなる開発,第４回社団法人鉄骨建設業協会技術発表会資料，ことが確認された．平成２４年１１月５日．３）自保温効果の大きなＩ試験体の保温手段を採用する２）松村一諮：極厚６０キロ鋼のサブマージ溶接４パス施ことで，ＳＡＷ溶接部からの拡散性水素量の放出が助工，第３回社団法人鉄骨建設業協会技術発表会資料，長され，溶接欠陥の発生防止に大いに寄与することが平成２３年１１月２日．わかった．３）高椅英司，岩井健治：横割れの発生と残留応力，拡散４） 80mm厚のＳＡ４４０鋼材の多層ＳＡＷ溶接において性水素濃度との関係，溶接学会誌，第48巻（ 1979）第は，フランジ面（上端から40mmの位置）での温度管理をもとに，Ｉ試験体（スラグ保温と断熱保温材併用） 10号，pp.127-134. ４）接合・溶接技術Ｑ＆Ａ1000，Q1-4-11，pp.108-109，（株）の保温条件で，初層１パス溶接後１日放置する．２日産業技術サービスセンター．目に２パス目以降の溶接を行い，３及び4の各パスの溶（18）片山技報 33