JP2002336991A - 二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接方法 - Google Patents
二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接方法Info
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Abstract
おいて、良好な加工性を有し経済性に優れた溶接方法を
提供する。 【解決手段】 Mn:1〜2%、Cr:21〜24%、
Ni:4.5〜6.5%、Mo:2.5〜3.5%、
N:0.1〜0.2%を鉄中に含有する溶接ワイヤと、
スラグ生成成分として、CaF2 :10〜25%、Al
2 O3 :8〜25%、ZrO2 :0.5〜16%、Ca
OおよびMgOの1種または2種の合計量:15〜45
%、SiO2 :8〜25%、PbO:0.02〜0.3
%を含有するとともに、TiO2 を0.2%以下に規制
し、金属成分として、金属単体に換算した質量%で、C
r:3.5〜7.0%、Ni:6.0〜9.0%、Al
およびSiの1種または2種の合計:0.7〜2.7%
を含有し、かつ0.6≦Cr/Ni≦0.8を満足する
焼成型フラックスとを用いる二相ステンレス鋼のサブマ
ージアーク溶接方法。
Description
のサブマージアーク溶接に関し、詳しくは、SUS32
9J3L鋼等の二相ステンレス鋼をサブマージアーク溶
接する際に、強度、靱性および耐孔食性などの優れた溶
接金属特性が経済的に得られる二相ステンレス鋼の溶接
方法に関するものである、さらに詳しくは、溶接金属の
強度、じん性および耐孔食性が優れ、かつ優れた溶接作
業性を有するサブマージアーク溶接方法に係わるもので
ある。
海水利用技術が進み、耐海水鋼の材料として二相ステン
レス鋼の開発がなされ、海水などの塩素イオンを含む環
境下や各種化学プラント機器、石油・天然ガスの採掘用
油井管、ケミカルタンカーの材料として使用されるよう
になった。二相ステンレス鋼はオーステナイト相とフェ
ライト相がほぼ1:1の割合で形成されているステンレ
ス鋼で、オーステナイト系ステンレス鋼の優れた機械的
性質とフェライト系ステンレス鋼が有する耐応力腐食割
れ性を兼ね備え、単相組織のステンレス鋼に比べ強度が
高く優れた耐孔食性を持っていることを特長とする鋼板
である。
材料の開発もなされてきた。二相ステンレス鋼溶接金属
部は熱処理を施さず溶接のままで使用されることが多
く、母材と同等の性能が得られるように溶接材料は母材
成分よりCr,Ni等の含有率が高く設計されている。
サブマージアーク溶接材料の研究開発も進められている
が、二相ステンレス鋼用溶接ワイヤは多量の合金成分を
含有するため加工性が非常に悪く開発が遅れ生産コスト
も高いという問題点がある。また、二相ステンレス鋼は
多量のNを含有しており、溶接においてNが原因とされ
るスラグ焼き付きによりスラグ剥離性が劣化するという
問題点もあった。
昭58−25190公報、特願昭61−111370公
報、特願平07−60523公報などに比較的低入熱で
施工するTIG溶接等用溶接材料が開示されているが、
これらは大入熱で施工するサブマージアーク溶接とは異
なる技術でサブマージアーク溶接方法には適用出来な
い。また、特願昭59−131840公報にサブマージ
アーク溶接材料が開示されているが、この技術は溶接金
属の酸素量を低減する成分系の溶接フラックスを使用
し、これにほとんどの合金成分を含有する溶接ワイヤと
を組み合わせ溶接金属の靭性を改善するものである。し
たがって前述の如く、ワイヤの加工性が非常に悪いため
生産コストが高く、またNに起因するスラグ焼き付きに
付いては何ら言及されておらず、スラグ剥離性が不十分
で溶接作業性にも問題点もあった。
イヤを用い、フラックスから合金成分を添加して目標の
溶接金属を得る溶接方法は、母材の希釈が大きいこと
や、溶接条件によりフラックス消費量が異なるため合金
成分の歩留まりが不安定であり、さらに、積層溶接で添
加合金成分が増加するなどの問題があるため開発されて
いない。このようなことから加工性が良好なワイヤと合
金成分を添加したフラックスにより経済的で作業能率が
良く、安定した溶接部が得られる二相ステンレス鋼用サ
ブマージアーク溶接材料の開発が望まれている。
な加工性を有し経済性に優れた溶接ワイヤと、合金成分
を添加したフラックスとを組み合わせ、溶接欠陥の発生
がなく母材と同等の性能を有する溶接金属部が容易に得
られる経済的な溶接施工を可能としたSUS329J3
Lステンレス鋼用のサブマージアーク溶接方法を提供す
ることにある。
題を解決するため、SUS329J3L相当のステンレ
ス鋼をサブマージアーク溶接する際に用いられるワイヤ
とフラックスを多種試作し、さの際に得られる溶接金属
特性およい作業性を鋭意検討した。
29J3L相当の、質量%で、Mn:1〜2%、Cr:
21〜24%、Ni:4.5〜6.5%、 Mo:2.
5〜3.5%、N:0.1〜0.2%とすることによ
り、溶接金属の加工性の劣化を少なくできる。またその
ワイヤと組み合わせて用いるフラックスの成分組成を、
スラグ生成成分として、CaF2 、CaOまたはMgO
の1種または2種、Al 2 O3 、SiO2 、ZrO2 を
含有し、金属成分として、Cr、Ni、AlおよびSi
のうちの1種または2種を含有し、Cr/Niを限定す
ることにより、サブマージアーク溶接時の溶接金属中の
積層高さ方向でのCr、Niの増加を抑制でき、良好な
性能の溶接金属が得られるるという知見を得た。また、
さらに上記成分組成に、PbOを添加するとともに、T
iO2 を規制することでスラグ焼き付きを防止し溶接欠
陥がない良好な溶接金属が得られることを見いだした。
下の通りである。質量%で、Mn:1〜2%、Cr:2
1〜24%、Ni:4.5〜6.5%、Mo:2.5〜
3.5%、N:0.1〜0.2%を鉄中に含有する溶接
ワイヤと、質量%で、スラグ生成成分として、CaF
2 :10〜25%、Al2 O3 :8〜25%、ZrO
2 :0.5〜16%、CaOおよびMgOの1種または
2種の合計量:15〜45%、SiO2 :8〜25%、
PbO:0.02〜0.3%を含有するとともに、Ti
O2 を0.2%以下に規制し、金属成分として、金属単
体に換算した質量%で、Cr:3.5〜7.0%、N
i:6.0〜9.0%、AlおよびSiの1種または2
種の合計:0.7〜2.7%を含有し、かつ0.6≦C
r/Ni≦0.8を満足する焼成型フラックスとを用い
て二相ステンレス鋼をサブマージアーク溶接を行うこと
を特徴とする二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接
方法。
9J3L成分ワイヤと組み合わせるフラックスについ
て、フラックスの組成、脱酸剤,合金剤の種類と添加率
と溶接金属のフェライト量および溶接金属性能との関係
を詳細に調査検討した。その結果、フラックス組成をC
aF2 −CaO(またはMgO)−Al2 O3 −SiO
2 −ZrO2 とし、金属単体に換算したCrを3.5〜
7.0%、Niを6.0〜9.0%の範囲でCr/Ni
を0.6〜0.8に制限すること、さらにAlまたはS
iを0.7〜2.7%添加することの相乗効果により溶
接金属の合金成分を安定させ、積層溶接においても合金
成分の増加を抑制することが可能となった。また積層溶
接において溶接金属のフェライト量を30〜50%に調
整することが可能となり、溶接部が母材と同等の性能を
得ることができるという知見と、TiO2 を0.2%以
下に制御し、PbOを添加することの相乗効果によりス
ラグ焼き付を防止し、良好な溶接作業性が得られるとい
う知見も得た。
ト量の調整の検討結果を示すグラフである。図1はCr
/Ni値が0.4〜1.0の範囲(0.2刻み)でのA
l+Si量と、5層目の溶接金属のフェライト量との関
係を示すグラフであるが、Cr/Ni値がほぼ0.6〜
0.8の範囲で、Al+Si量が0.7〜2.7%であ
ればフェライト量が適正範囲の30〜50%になること
がわかる。また、図2はCr/Niを0.7一定にした
ときAl+Siを種々変えて各層の溶接金属のフェライ
ト量を示したものである。Al+Siがほぼ0.7〜
2.7%であればフェライト量が各層とも適正範囲の3
0〜50%に入ることがわかる。
でありそれぞれの制限理由について述べる。本発明溶接
方法においてワイヤは、加工性が劣化しない範囲で二相
ステンレス鋼として必要な合金成分を含有させる。すな
わち、質量%でMn:1〜2%、Cr:21〜24%、
Ni:4.5〜6.5%、Mo:2.5〜3.5%、
N:0.1〜0.2%を鉄中に含有させた。
る。CaF2 は、スラグの溶融点を低下させ溶け込みを
浅くしスラグの剥離性を良好にするとともにビード形
状、外観を良好にする。また、スラグの塩基度を上げ、
溶接金属中の酸素量を低減し靭性を改善するために不可
欠な成分である。10%未満ではその効果が不十分で、
25%を越えるとスラグの流動性が過大となりビード形
状、外観が劣化する。したがってCaF2 を10〜25
%の範囲とする。
を調整し、ビード形状を整えるのに有効である。この効
果は特に多層盛溶接で重要であり、ビード同士のなじみ
が良好となり、スラグ巻き込み、アンダーカット等の欠
陥の発生を防止する。8%未満では効果が少なく、25
%を越えるとスラグ巻き込みが生じやすくなる。したが
ってAl2 O3 を8〜25%の範囲とする。
外観を改善するのに有効であり、また、スラグを脆くし
剥離性を改善するために有効である。0.5%未満では
効果が不十分であり、16%を越えると粘性が大きくな
りスラグ巻き込みを発生し、ビード形状が劣化する。し
たがってZrO2 を0.5〜16%の範囲とする。
であり、融点の低いCaF2 を含有するフラックスの溶
融特性を調整し、ビード形状を整えるのに有効である。
15%未満ではその効果が不十分で、45%を越えると
フラックスが溶け難くビード表面が平滑さを失い、また
アンダーカット等の溶接欠陥が発生する。したがってC
aOまたはMgOの1種または2種の合計量を15〜4
5%の範囲とする。
外観を改善するのに有効であるが、8%未満では効果が
少なく、25%を越えると粘性が大きくなりスラグ巻き
込みが発生する。したがってSiO2 を8〜25%の範
囲とする。
グを脆くして剥離性を改善するために有効である。0.
02%未満では効果が不十分であり、0.3%を超える
とビード形状が劣化する。したがってPbOを0.02
〜0.3%の範囲とする。
グ剥離性を非常に劣化させるが0.2%以下にすること
でスラグ焼き付きは防止できる。したがってTiO2 を
0.2%以下に制限する。
とし二相鋼溶接金属として基本的な性能を確保するため
フラックスに添加して溶接ワイヤからの分と合わせて溶
接金属成分になるようにする。フラックス中のCrが
3.5%未満では溶接金属のCrが不足し、強度の劣化
やフェライト量不足により溶接金属の耐孔食性および靭
性が劣化する。一方7%を超えると溶接金属のCrが増
加し積層溶接においてフェライト量が増加し溶接金属の
靭性が劣化する。したがって、フラックス中のCrを
3.5〜7.0%の範囲とする。
であると溶接金属のNiが不足し基本的な耐食性が劣化
し、一方9.0%を超えると溶接金属のNiが増加し積
層溶接においてフェライトが不足し靭性が劣化する。し
たがって、フラックス中のNiを6.0〜9.0%の範
囲とする。
けるCr/Niは溶接金属のフェライト量のバランスを
とるために重要であり、Cr/Niが0.6未満ではフ
ェライト量が減少し溶接金属の耐孔食性および靭性が劣
化する。一方Cr/Niが0.8を超えると逆にフェラ
イト量が増加し溶接金属の靭性が劣化する。したがって
Cr/Niを0.6〜0.8に制限する。
フラックスに添加することも本発明の重要な要件であ
り、本発明のCrおよびNiの添加率とCr/Ni比と
の相乗効果により溶接金属を二相組織とし基本的な性能
を確保するため添加する。AlおよびSiの合計が0.
7%未満ではフェライト量の不足により溶接金属の耐孔
食性および靭性が劣化し、2.7%を超えると積層によ
りフェライト量が増加して溶接金属の靭性が劣化する。
したがってAlおよびSiの1種または2種の合計を
0.7〜2.7%の範囲とする。
を含有する化合物、鉱石あるいは溶融型フラックス等で
添加することができる。たとえばCaF2 として蛍石、
溶融型フラックス等、CaOとして石灰石、珪灰石、溶
融型フラックス等、MgOとしてマグネシアクリンカ
ー、溶融型フラックス等、Al2 O3 として溶融型フラ
ックス等、SiO2 として珪砂、珪灰石、珪酸ソーダ
等、ZrO2 としてジルコンサンド、酸化ジルコン等、
Alとして金属Al、Fe−Al等、SiとしてFe―
Si等を原料に使用できる。また前記必須成分のほか
に、粘結材等の鉱石や成分を調整するための金属粉等を
配合することができる。
確認する方法としてフェライト量の管理は重要である。
フェライトスコープ等の機器による溶接金属のフェライ
ト量測定値と溶接金属性能を調査した結果、フェライト
量が30%未満では耐孔食性が劣化し、50%を超える
と靭性と耐孔食性が劣化する。従って機器測定による溶
接金属のフェライト量を30〜50%に管理することが
必要である。
説明する。実験に供したワイヤの組成を表1に示す。ワ
イヤは溶解、鍛造、圧延および線引きにより3.2mm
径にした。
ラックスの原料として用いられる鉱石粉、複合化合物等
を混合、撹拌後、水ガラスを用いて造粒し、400℃で
約2時間焼成して作成した。フラックスの組成を表2、
表3に示すが、F1〜F7は本発明例として用いたフラ
ックス、F8〜F22は比較例として用いたものであ
る。
を組み合わせ、表4に示す鋼板を用い表5に示す溶接条
件で、図3に示す開先形状および積層要領により約1m
の溶接長でサブマージアーク溶接を実施した。表6およ
び表7にワイヤとフラックスとの組み合わせおよびその
試験結果を示す。
に判定を行った。溶接終了後、X線透過試験(JIS
Z3106)、引張試験(JIS Z3121、1号試
験片)、衝撃試験(JIS Z3128、4号試験
片)、孔食試験(JIS G0578)を行い溶接金属
性能を調査した。衝撃試験は試験温度が0℃で行い、孔
食試験は50℃×24hrで行った。溶接金属のフェラ
イト量は断面マクロ組織試験片を作成しフェライトスコ
ープによりマクロ試験片の板厚中央部および最終パスを
測定した。
溶接作業性、溶接金属が得られたが、No.12はフラ
ックス中のTiO2 が過多でスラグ剥離性が悪く、Cr
が過多のため溶接金属のフェライト量が過多となり靭性
と耐孔食性が劣化した。
多のため溶接続行が不可能であった。No.14はフラ
ックス中のCaOとMgOの和が過多のためアンダーカ
ットが発生した。
iの和が不足していたため、溶接金属のフェライト量が
不足し耐孔食性が劣化し、強度も劣化した。No.16
はフラックス中のAl2 O3 が過多のため溶接続行が不
可能であった。
iの和が過多のため溶接金属のフェライト量が過多とな
り靭性と耐孔食性が劣化した。No.18はフラックス
中のCrが不足し、Cr/Niの比が満足しないため、
溶接金属のフェライト量が不足し耐孔食性と強度が劣化
した。また、PbO不足のためスラグ剥離性も化した。
Oとの和が不足していたため、溶接続行が不可能であっ
た。No.20はフラックス中のNiが不足のため、溶
接金属のフェライト量が過多となり靭性と耐孔食性が劣
化し、PbO過多のためビード形状が凸となり劣化し
た。
多でスラグ巻き込みが発生しX線性能が劣化し溶接金属
の強度が劣化した。No.22はフラックス中のSiO
2 が不足のためビード外観が劣化した。No.23はフ
ラックス中のCaF2 が不足のため、ビード外観が劣化
し、溶接金属の靭性も劣化した。
不足しビードのなじみが悪くアンダーカットも発生し、
Niが過多のため溶接金属のフェライト量が不足し耐孔
食性と靭性が劣化した。No.25はフラックス中のZ
rO2 が不足のため、スラグが固く剥離性が劣化した。
多のため、ビードが凸形状となり、スラグ巻き込みによ
りX線性能と溶接金属の強度が劣化した。No.27は
フラックス中のTiO2 が過多でスラグ剥離性が悪く、
Crが過多のため溶接金属のフェライト量が過多となり
靭性と耐孔食性が劣化した。
iの和が不足していたため、溶接金属のフェライト量が
不足し耐孔食性と強度も劣化した。No.29はフラッ
クス中のNiが不足のため、溶接金属のフェライト量が
過多となり靭性と耐孔食性が劣化し、PbOが過多のた
め凸形状ビードとなり劣化した。
レス鋼のサブマージアーク溶接において強度、靭性等の
機械的性質が優れ、良好な耐孔食性を有する溶接金属が
得られるとともに、スラグ焼き付きや溶接欠陥がない優
れた溶接作業性を有する溶接方法である。SUS329
J3L鋼のサブマージアーク溶接を本発明方法で行え
ば、信頼性のある溶接継手部が経済的に得られ、溶接効
率も大幅に向上できるものである。
ト量とフラックス中のAl+Si量の和およびCr/N
iとの関係を示したグラフ
フラックス中のAl+Si量の和との関係を示したグラ
フ
を示す図
Claims (1)
- 【請求項1】 質量%で、Mn:1〜2%、Cr:21
〜24%、Ni:4.5〜6.5%、Mo:2.5〜
3.5%、N:0.1〜0.2%を鉄中に含有する溶接
ワイヤと、質量%で、スラグ生成成分として、CaF
2 :10〜25%、Al2 O3 :8〜25%、ZrO
2 :0.5〜16%、CaOおよびMgOの1種または
2種の合計量:15〜45%、SiO2 :8〜25%、
PbO:0.02〜0.3%を含有するとともに、Ti
O2 を0.2%以下に規制し、金属成分として、金属単
体に換算した質量%で、Cr:3.5〜7.0%、N
i:6.0〜9.0%、AlおよびSiの1種または2
種の合計:0.7〜2.7%を含有し、かつ0.6≦C
r/Ni≦0.8を満足する焼成型フラックスとを用い
て二相ステンレス鋼をサブマージアーク溶接を行うこと
を特徴とする二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接
方法。
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