1 前言

使用高强度钢材减薄钢结构钢板厚度，是使钢结构轻量化和提高焊接效率的有效方法。但是，高强度钢焊接时，容易产生低温裂纹。低温裂纹是焊接后在比较低的温度下产生的裂纹。其产生原因是焊接部位的扩散性氢、硬化组织和残余应力。在氢容易在焊接部位扩散的温度下对焊接件进行保温的预热处理是防止低温裂纹发生的有效方法。此前，已经对根据钢板成分、厚度、焊接材料推定预热温度进行了研究。预热处理是在焊接前对工件焊接部位进行加热的作业，引起焊接成本的升高。因此，采用高强度钢增加了焊接施工的总成本。

日本焊接协会网站公布了输入钢板成分、厚度、熔敷金属扩散性氢含量等信息，推定预热温度的方法。图1是利用该方法推定耐磨钢等高合金含量钢板的焊缝金属氢含量与预热温度的关系。钢板和焊接的参数是板厚20mm、CEN=0.6%、焊接线能量1.7kJ/mm、电弧热效率0.8、焊缝金属屈服强度360MPa。如图1所示，最低预热温度随着扩散性氢含量的减少而下降。扩散性氢含量为5.0ml/100g时，需要进行100℃以上的预热，扩散性氢含量为0.7ml/100g时，只需要进行5℃的预热。所以，焊接部位的扩散性氢是低温裂纹产生的主要原因。因此，减少焊接部位的扩散性氢可以在不增加预热成本的条件下，使用高碳当量钢材。 

上述氢含量是电弧焊引起的焊接部位的扩散性氢含量。JIS Z 3118：2022对焊接部位扩散性氢含量的测定方法做了规定。该测定方法将制作的焊接部位立即急冷，以防止氢在慢冷中从试样逸出。然后，将试样装入Ar气氛的密闭容器中，在使氢充分逸出的温度和时间的条件下，保管试样后，用气体色层分析法定量测定氢含量。电弧热形成的焊接熔池的氢溶解度高，大量的氢侵入焊接部位，焊接熔池凝固后的焊接部位中溶解了大量的氢。焊接材料具有的水分和空气中所含水分是上述的氢源。焊接方法和焊接材料不同，焊接部位的扩散性氢含量也不同。如使用可降低焊接部位扩散性氢含量的焊接材料。则可抑制预热处理的成本增加。本文对可减轻焊接预热作业负荷的、形成超低氢焊接部位的焊接材料的特点和抑制低温裂纹的效果作简要介绍。

2 超低氢无缝药芯焊丝

气体保护电弧焊是高效率、形成低氢焊接部位的焊接方法，是以焊接材料和焊接对象为电极发生电弧，形成焊接熔池的消耗式电极焊接法。使用的焊接材料主要有实芯焊丝（SW）、在铁皮内填充焊剂的药芯焊丝（FCW）。钢材在焊接时，用保护气体（主要是CO2或CO2与Ar气的混合气体）防止焊接熔池与大气接触，形成了容易生成电弧的气氛。图2是气体保护焊用焊接材料的断面图。SW是实心焊丝。FCW按照断面结构分为有缝FCW和无缝FCW。焊接材料不同，焊缝金属的扩散性氢含量也不同。无缝FCW的焊缝金属的扩散性氢含量少于有缝FCW的焊缝金属的扩散性氢含量。气体保护电弧焊用焊丝对焊接部位扩散性氢含量的影响因子的调查结果表明，最重要的影响因子是焊剂的原始水分量，其次是焊丝制造后的焊剂水分量。

无缝FCW在制造时进行了较高温度的热处理，并且开封后吸湿很少，所以，降低了附着在焊剂上的水分。此外，在焊剂中添加降低氢含量的化合物，使焊接电弧中的氢分压下降，从而使焊缝金属中的扩散性氢含量低于普通焊接材料焊缝金属中的扩散性氢含量。使用无缝FCW可减轻影响焊接效率的预热作业负荷，实现高效率焊接。

3 耐磨钢用超低氢无缝FCM

压路机和油压电铲等工程机械、产业机械部件多使用耐磨性优于普通钢的高硬度耐磨钢。这些耐磨钢部件多使用焊接方法进行安装。由于钢中多含有提高硬度的合金元素，所以必须注意防止低温裂纹的发生。为此，一般使用稀释母材成分仍使焊缝金属具有高强度的、降低低温裂纹发生危险的强度小于母材的焊接材料。表1是使用无缝FCW的耐磨钢熔敷金属的力学性能。图3是使用无缝FCW的耐磨钢焊接部位的扩散性氢含量的测定结果。图中还有相同条件下的比较用的软钢用SW和软钢用FCW的扩散性氢含量的测定结果。与使用软钢用SW和软钢用FCW相比，使用无缝FCW可获得低扩散性氢的焊接部位，焊接部位的扩散性氢含量小于1.0ml/100g。图4是Y型焊接裂纹试验（JIS Z 3158：2016）试样检查断面的图。试验钢是厚度40mm的布氏硬度500级的耐磨钢。在使用软钢SW焊接发生低温裂纹的条件下，使用超低氢无缝FCW，没有产生低温裂纹，超低氢无缝FCW显示了优良的抗低温裂纹性。

4 建筑钢结构用超低氢无缝FCW

近年来，建筑结构向大型化的方向发展，使用的钢材出现了高强度、大厚度的倾向。此外，低温裂纹发生和焊接预热难于管理成为高强度钢应用的主要障碍。以下对建筑钢结构用抗拉强度780MPa级高强度钢用的超低氢无缝药芯焊丝的基本特性和低温裂纹敏感性的评价结果作简要介绍。

FCW内的填充物有两种。一种是以二氧化钛为主要成分的“熔渣型” 填充物，另一种是以金属为主体的“金属型” 填充物。建筑钢结构的主要组件是平焊法制造，但一些特殊部位采用立焊和仰焊等全方位焊接法制造。使用熔渣型FCW进行焊接时产生的熔渣先于焊缝金属凝固，起着支撑熔融金属的作用，所以具有良好的全方位焊接性。金属型FCW仅用于平焊和横焊，但其优点是高熔敷率和高效率。对建筑钢结构用抗拉强度780MPa级焊接用无缝FCW进行焊接试验时，选用熔渣型和金属型两种类型的无缝FCW。表2是用无缝FCW焊接抗拉强度780MPa级建筑钢结构钢的熔敷金属的力学性能。无缝FCW作为抗拉强度780MPa级建筑钢结构用焊接材料，其熔敷金属具有足够的力学性能。图5是780MPa级钢焊接部位的扩散性氢含量。图中作为对比的试样为780MPa级钢用的SW焊接部位的扩散氢含量。无缝FCW的780MPa级钢焊接部位的扩散性氢含量小于1.0ml/100g，低于SW焊接部位的扩散氢含量。图6是厚度10mm的抗拉强度780MPa级（Pcm=0.28%）母材钢板Y型焊接裂纹试验试样检查断面图。无缝FCW焊接的Y型焊接裂纹试验试样检查断面上无低温裂纹，显示了良好的抗低温裂纹性。

5 结语

钢结构使用高强度钢可以实现节能，但为了抑制高强度钢焊接低温裂纹的发生，需要对焊接部位件进行焊前预热。选用适宜的焊接材料可减轻预热作业的负荷。本文对建筑钢结构用超低氢无缝FCW的特性作了简要介绍。超低氢无缝FCW可用于工程机械、船舶、压力容器等各个领域的焊接施工。