JP2005279767A

JP2005279767A - ライム系被覆アーク溶接棒と溶接方法並びに溶接継手

Info

Publication number: JP2005279767A
Application number: JP2004101563A
Authority: JP
Inventors: Naoya Hayakawa; 直哉早川; Hiroteru Sato; 弘輝佐藤; Kazuo Hiraoka; 和雄平岡; Terumi Nakamura; 照美中村; Yasushi Morikage; 康森影; Takahiro Kubo; 高宏久保; Koichi Yasuda; 功一安田; Teiichiro Saito; 貞一郎斉藤; Tadashi Ito; 正伊藤; Masaya Yoshida; 雅哉吉田
Original assignee: JFE Steel Corp; Nippon Welding Rod Co Ltd; National Institute for Materials Science; Kawatetsu Techno Research Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Nippon Welding Rod Co Ltd; National Institute for Materials Science; JFE Techno Research Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】溶接のままの状態でも良好な形状の溶接ビードが得られるものとし、研削処理を施さなくても融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制させて溶接継手の健全性を向上させ、さらに、溶接ピードの平滑化、アンダーカットの発生の抑制により溶接継手の疲労強度を飛躍的に向上させる。
【解決手段】 CaF₂が、105μm未満が30質量%以下であり、残量が105μm以上1680μｍ以下である粒度分布を有し、CaCO₃との質量比(CaCO₃/CaF₂)が0.4以上７以下である被覆剤が合金心線に塗布されている溶接棒を用いる。
【選択図】なし

Description

この出願の発明は、ライム系被覆アーク溶接棒に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明はビード断面形状が改善されるとともに、溶接欠陥の発生が抑制され、しかも、溶後継手の疲労強度の向上が可能となるライム系被覆アーク溶接棒に関するものである。

CaCO₃、CaF₂を被覆剤の主成分として含むライム系被覆アーク溶接棒の利点は、第１に、溶接時に被覆剤中のCaC0₃が分解して発生するガスがアーク雰囲気を保護し、溶接金属中の拡散性水素を低下させる機能が大きいこと、第２に、１スラグの塩基度がきわめて高く、強カな脱酸作用を有し、このため、溶接金属中の酸素含有量が低下し、靭性が増大すること等である。このような利点により、ライム系被覆アーク溶接棒は、ステンレス鋼、高強度鋼材等の拘束応カの高い厚肉構造材の溶接に多用されている。

だが、その反面、ライム系被覆アーク溶接棒は、Ti0₂,CaCO₃等を主成分とするライムチタニア系アーク溶接棒に比較して、アークの安定性に欠け、ビ一ドが蛇行したり、ビード断面形状が凸型になったりする傾向がある。特に、全姿勢溶接においては、保護筒の片溶けが発生し、また、アークの指向性が悪くなり、運棒操作によっては、ブローホール、アンダーカット等の溶接欠陥が発生しやすいという欠点がある。このような溶接欠陥が発生すると、次パスビードを溶接する前に、グラインダー、ロータリーカッタ等の切削工具により滑らかに研削しないと融合不良が発生し、健全な溶接継手とならなくなる。

ところで、疲労強度が要求される構造部材については、溶接により生成する溶接金属を溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こさせ、室温においてマルテンサイト変態開始前より膨張している状態とすることにより圧縮応カを付与することが知られている(たとえば、特許文献１参照)。

しかしながら、ビード断面形状が凸型になったり、アンダーカツトが発生したりすると、これら幾何学的に不連続な箇所で応力集中が顕著となるので、溶接金属に圧縮応カを付与しての疲労強度の向上の度合いは低めになる。

また、マルテンサイト変態開始温度を低下させるため、相当量のNi、Cr等を含有している合金溶接棒は、合金元素含有量の低い軟鋼、高張力鋼、低合金鋼の溶接棒に比較して溶接時の溶融池の流動性が悪く、ライム系被覆を行うと、ビード形状が凸になったり、ビードが蛇行しやすい。心線の過熱によるアークの指向性低下によりアンダーカットも溶接条件や運棒操作によっては発生する。
特開平11-138290号公報

この出願の発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、溶接のままの状態でも良好な形状の溶接ビードが得られ、研削処理を施さなくても融合不良などの溶接欠陥の発生を低減させて溶接継手の健全性を向上させ、さらに、溶接ビードの平滑化、アンダーカットの発生の抑制により溶接維手の疲労強度を飛躍的に向上させることのできる新しいライム系被覆アーク溶接棒を提供し、またこの溶接棒を用いる溶接方法とこれにより得られる溶接継手を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、CaF₂が、105μm未満が30質量%以下であり、残量が105μm以上1680μm以下である粒度分布を有し、CaCO₃との重量比(CaCO₃/CaF₂）が0.4以上7以下である被覆剤が合金心線に塗布されたことを特徴とするライム系被覆アーク溶接棒を握供する。

第２には、上記第１のライム系被覆アーク溶接棒において、溶着金属の化学組成がCを0.09質量%以下、Crを21.0質量%以下、Niを4.0〜20質量%含有することを特徴とするライム系被覆アーク溶接棒を提供する。

なお、溶接金属とは、溶接継手の鋼材が接合されている部分において、溶着金属と鋼材の成分が混じり合っている部分の金属のことを言い、溶着金属とは、溶接工程と同じ熱履歴を受けながらも、鋼材との希釈を受けずに固化した金属のことを言う。

また、この出願の発明は、第３には、上記第１の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、鋼材を溶接して生成する溶接金属が、溶接後の冷却過程でマルテンサィト変態を起こし、室温においてマルテンサイト変態の開始時よりも膨張している状態となることを特徴とする溶接方法を提供する。

第４には、上記第２の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度が50℃以上360℃以下となる溶接方法を提供する。

第５には、上記第２の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度が下記(1)式を満足する溶接方法を提供する。
50 ≦ 719-795×C（質量%）-23.7×Cr（質量%）
-26.5×Ni（質量%）-35.55×Si（質量%）
-13.25×Mn（質量%）-23.7×Mo（質量%）
-11.85×Nb（質量%） < 360 ・・・（１）
第６には、上記第２の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、溶接金属は、Ｃを0.10質量%以下、Crを19.0質量%以下、Niを3.0〜18.0質量%含有する溶接方法を提供する。

第７には、上記２の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、溶接金属は、Siを0.2〜5.0質量%、Mnを0.4〜9.0質量%含有し、4.0質量%以下のMo又は3.0質量%以下のNbのいずれか一種又は二種含有する溶接方法を提供する。

そして、この出願の発明は、第８には、上記の第３から第７のうちのいずれかの発明の溶接方法によって得られる溶接継手を提供する。

この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒およびこれを用いた溶接方法並びに溶接継手によれば溶接作業性が向上し、ビード断面形状が改善されるとともに、溶接欠陥の発生が抑制され、しかも、溶接継手の疲労強度の向上が可能となる。

以下、この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒についてさらに詳しく説明する。

この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒では、被覆剤の一成分であるCaF₂が、105μm未満が30質量%以下であり、残量が105μm以上1680μm以下である粒度分布を有し、粗粒であって、被覆剤の一成分であるCaCO₃との質量比(CaCO₃/CaF₂)が0.4以上7以下である。

現在市販されているライム系被覆アーク溶接棒用の被覆剤中のCaF₂は、約90%が250μmよりも小さい粒子径の細粒であるがこのように、この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒の被覆剤中のCaF₂は、現在一般のCaF₂に比べてかなり粗粒となっている。JIS G 4316にあるステンレス鋼心線のような合金鋼心線やインコネルのようなNi合金心線の電気抵抗率は50〜110×10^-8Ω・mと大きいため、溶接時の抵抗発熱量が低合金鋼用溶接棒に比べて大きく、棒端では被覆剤の溶解が起こりやすく、被覆剤が形成する保護筒の崩れによりアークが不安定な状態となりやすい。CaF₂の粒度を粗くすると、棒端における被覆剤の溶解が抑制され、指向性の強い安定なアークが維持される。

この粗めのCaF₂を含有するとともに、被覆剤中のCaCO₃との質量比、すなわちCaCO₃/CaF₂を0.4以上7以下とすることにより、アークの安定性と溶接速度の向上を可能とし、これに加え、アークの指向性も向上し、アンダーカットの発生が抑制され、ビード形状が平滑化する。CaCO₃/CaF₂が0.4より少いと、スラグの流動性が過剰に増大し、特に立向き溶接においてビード形状が凸型となる。一方、CaCO₃/CaF₂が7を超えると、ビード表面のスラグの焦げ付き、スパッタ発生量の増大をきたす。

この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いることにより、融合不良等の溶接欠陥の発生が減少し、研削作業を行うことなく健全な溶接継手が得られる。

上述の被覆剤が合金心線に塗布されたライム系被覆アーク溶接棒については、低合金鋼材を溶接して生成する溶接金属が、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、室温においてマルテンサイト変態の開始時よりも膨張していることが望ましい。膨張により冷却過程における収縮が小さくなり、溶接割れの防止が可能となる。また、圧縮応カが導入されて溶接継手部の疲労強度が向上する。疲労強度は、ビード形状の平滑化ならびにアーク指向性の向上によるアンダーカットの発生の抑制により、向上の度合いがより顕著となる。

溶接金属のマルテンサイト変態開始温度は50℃以上360℃以下とすることが好ましい。溶接構造物の使用温度が室温である場合、マルテンサイト変態開始温度を50℃以上360℃以下とすることにより、溶接金属のマルテンサイト変態による膨張量を大きくすることができ、しかも膨張量の大きな状態が室温付近となる。この膨張により、冷却過程における収縮が小さくなり、溶接割れが抑制され、溶接部の疲労強度の向上の度合いが、アンダーカツトの発生の抑制、ビード形状の平滑化とともに顕著に増大する。

なお、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度は、ディラトメーターやDSCにより測定することができる。

具体的には、溶接金属の化学組成は、好適には、下記(1)式を満足するものである。
50 ≦ 719-795×C（質量%）-23.7×Cr（質量%）
-26.5×Ni（質量%）-35.55×Si（質量%）
-13.25×Mn（質量%）-23.7×Mo（質量%）
-11.85×Nb（質量%） < 360 ・・・（１）
また、この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒では、鋼材を溶接して生成する溶接金属はＣを0.10質量%以下、Crを19.0質量%以下、Niを3.0〜18.0質量%含有するものとすることができる。Ｃの含有量は、溶接性を確保し、マルテンサイトの硬さを下げるためには少ないほうが好ましく、溶接割れを生じさせないために0.1質量%以下であり、好ましくは0.06質量%以下である。Crの含有量を19.0質量%以下とするのは、19.0質量%を超えると、溶接金属の組織にフェライト組織が出現し、変態膨張量が低下して継手疲労強度の向上が望めないからである。Niの含有量を3.0〜18.0質量%とするのは、3.0質量%未満では、マルテンサイト変態温度を調整するために鉄合金心線の製造時の加工性を劣化させる他の成分を多量にに含有することになるからであり、Niは高価な元素であり、多量に添加するのは経済的に好ましくないので、上限を18.0質量%する。上記溶接金属の化学組成を達成するためには、母材の希釈を考慮して、溶着金属の化学組成はＣを0.09質量%以下、Crを21.0質量%以下、Niを4.0〜20.0質量%含有するものとする。

さらに、この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒では、上記溶接金属について、Siを0.2〜5.0質量%、Mnを0.4〜9.0質量%とし、4.0質量%以下のMoまたは3.0質量%以下のNbのいずれか1種又は2種を含有させることができる。SiをO.2〜5.0質量%とするのは、Siは脱酸材として添加されるためには最低0.2質量%は必要であり、一方、5.0質量%を超えると、加工性が低下し、靭性も劣化するからである。Mnを0.4〜9.0質量%とするのは、Siと同様にMnは脱酸剤として添加されるため、0.4質量%は必要であり、9.0質量%を超えると、加工性が低下するためである。

Moは、溶接部に耐食性を持たせる目的で添加することができる。だが、4.0質量%を超えると、加工性が低下する。NbもMoと同様であり、溶接部に耐食性を持たせるために添加することができるが、3.0質量%を超えると、加工性が低下する。

そこで以下に実施例を説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

＜1＞表１に被溶接鋼板を示す。表1中の鋼板記号B1〜B3はステンレス鋼板であり、鋼板記号B4はNi基合金板である。鋼板番号B5〜B7は低合金鋼板であり、B5はJISに規定されるSM400材、B6はSM570材、B7は溶按用780MPa級鋼板である。また、表１中の組成は質量%で表示されている。

＜２＞表２に組成（質量%）を示す鉄合金心線、Ni合金心線と、表３に組成（質量%）を示す被覆剤(フラックス)を組み合わせ、ライム系被覆アーク溶接棒を作製した。その溶着金属の化学成分（単位：質量%）は表4に示したとおりである。

＜３＞上記の溶接棒を用いて表５に示す溶接条件(予熱・後熱なし)で上記表１の組成の鋼板の溶接継手を作製した。表６にはスミ肉溶接におけるビード断面形状の評価を示した。この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いて溶接する場合には、止端半径は十分な大きさであり、余盛角度は小さく、平滑化されていることが確認される。

表７には、開先部における溶接作業性の評価およびX線透過試験結果を示した。この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いて溶接する場合には、溶接作業性についてのいずれの評価項目も良好であり、JIS Z 3106による溶接継手部のX先透過試験において、傷の像は認められなかった。

また、表８には、十字溶接継手と角回し溶接継手における溶接作業性の評価結果を示した。この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いて溶接する場合には、いずれの評価項目も良好であり、きわめて健全な溶接継手であることが確認される。

さらに表９には表８に示した溶接継手の溶接金属化学成分（単位：質量%）と疲労強度試験の結果を示した。この出願の発明のライム系被覆アーク溶接棒を用いて溶接して得られる溶接継手は、200万回疲労強度が170MPa以上となっており、優れていることが確認される。

この出願の発明は、以上の実施例によって限定されるものではない。細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。

以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、溶接のままの状態でも良好な形状の溶接ビードが得られ、研削処理を施さなくても融合不良等の溶接欠陥の発生を低減させて溶接継手の健全性を向上させ、さらに、溶接ビードの平滑化、アンダーカットの発生の抑制により溶接継手の疲労強度を飛躍的に向上させることのできるライム系被覆アーク溶接棒が提供される。

Claims

CaF₂が、105μm未満が30質量%以下であり、残量が105μm以上1680μm以下である粒度分布を有し、CaC0₃との質量比(CaC0₃/CaF₂)が0.4以上７以下である被覆剤が合金心線に塗布されていることを特徴とするライム系被覆アーク溶接棒。
前記被覆アーク溶接棒により形成される全溶着金属が、Ｃを0.09質量%以下、Crを21.0質量%以下、Niを4.0〜20質量%含有することを特徴とする請求項１記載のライム系被覆アーク溶接棒。
請求項１記載のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、鋼材を溶接して生成する溶按金属が、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、室温においてマルテンサイト変態の開始時よりも膨張している状態となることを特徴とする溶接方法。
請求項２記載のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、鋼材を溶接して生成する溶接金属のマルテンサイト変態開始温度が50℃以上360℃以下となることを特徴とする溶接方法。
請求項２記載のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、鋼材を溶接して生成する溶接金属のマルテンサイト変態開始温度が下記(1)式を満足することを特徴とする溶接方法。
50≦719−795×C(質量%)−２３．７×Cr(質量%）−26.5×Ni(質量%)
−35.55×Si(質量%)−13.25×Mn(質量%)−23.7×Mo(質量%）
−11.85×Nb(質量%)≦360…(1)
請求項２記載のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、鋼材を溶接して生成する溶接金属は、Cを0.10質量%以下・Crを19.0質量%以下・Niを3.0〜18.0質量%含有することを特徴とする溶接方法。
請求項２記載のライム系被覆アーク溶接棒を用いる鋼材の溶接方法であって、鋼材を溶接して生成する溶接金属は、Siを0.2〜5.0質量%、Mnを0.4〜9.0質量%以下、4.0質量%以下のMo又は3.0質量%以下のNbのいずれか一種又は二種を含有することを特徴とする溶接方法。
請求項３から７のうちのいずれかの溶接方法によって溶接されていることを特徴とする鋼材の溶接継手。