JP2006297470A

JP2006297470A - 被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP2006297470A
Application number: JP2005125941A
Authority: JP
Inventors: Masao Umeki; 正夫梅木; Kentaro Iwatate; 健太郎岩立; Hiroshige Inoue; 裕滋井上
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP4673125B2

Abstract

【課題】耐欠陥性に優れ、良好な耐腐食性と溶接作業性を確保しつつ、生産性も良好な耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒を提供する。
【解決手段】軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている被覆アーク溶接棒において、液相線温度が１１５０〜１４００℃、かつ平均粒径が４０〜１６０μｍのＣｕ合金を被覆剤中に１．３〜９．０質量％含有させる。またこれに加えて、液相線温度が１１００〜１４５０℃、かつ平均粒径が６０〜１８０μｍであるＳｂ合金を被覆剤中に０．３〜２．５％含有させる。
【選択図】図１

Description

本発明は被覆アーク溶接棒に係り、特に耐欠陥性に優れ、良好な耐腐食性を維持しつつ、良好な溶接作業性と生産性を確保できる耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒に関するものである。

耐候性鋼は、鋼材表面に優れた緻密な安定さびを形成し、このさびがその後の鋼材腐食の進行を防ぐ鋼材（ＪＩＳＧ３１１４）である。耐候性鋼は橋梁、鉄骨、建築外装として広く使用されており、この溶接にはＣｕ−Ｃｒ系やＣｕ−Ｃｒ−Ｎｉ系の耐候性鋼用被覆アーク溶接棒（ＪＩＳＺ３２１４）が用いられている。

近年では、海浜地区や融雪塩を散布する地区など飛来海塩粒子量が多い地域の無塗装鋼材としてＣｕ−Ｎｉ系の鋼材が開発されている。この鋼材用の溶接材料としては例えば、特開２００１−３００７６９号公報（特許文献１）に鋼材成分に適合するＣｕ−Ｎｉ成分系の被覆アーク溶接棒が用いられている。

一方、耐硫酸性鋼材は、Ｃｕを単独で含有するか、またはＣｕ−Ｃｒ系とすることで、重油ボイラのプラントの排煙装置で生じる硫酸露点不足環境で優れた耐腐食性を示し、被覆アーク溶接棒も鋼材成分に合わせ実用化されてきた。近年では、石炭焚きボイラやごみ焼却施設の煙道、煙突のように硫酸および塩酸による低温腐食を生じるような雰囲気、すなわち濃厚硫酸および塩酸環境下で優れた耐食性を示す鋼材も開発され、被覆アーク溶接棒では例えば、特開２００４−９００４４号公報（特許文献２）に鋼材と同様なＣｕ−Ｓｂ系が提案されている。

しかし、このような耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒では、鋼材成分に合わせてＣｕを主成分とするため、溶接条件によっては凝固割れ、液化割れなどの欠陥を生じ易いという問題がしばしば発生している。また、Ｘ線透過試験やさらには浸透探傷法でも検出できないような微小割れも介在する場合もあり、溶接継手の曲げ試験で開口する欠陥などが生じることもあった。この対策として鋼心線中にＣｕを含有させることで効果を見ることはできるが、コスト高となることが問題となり実用的でないのが現状である。このようなことから耐腐食性を満足しつつ、耐欠陥性に優れ、良好な諸性能が得られる耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒の開発が強く望まれていた。
特開２００１−３００７６９号公報特開２００４−９００４４号公報

本発明は、耐欠陥性に優れ、良好な耐腐食性と溶接作業性を確保しつつ、生産性にも優れる耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明はこのような目標を達成するために、種々検討した結果、耐欠陥性に優れ、かつ諸性能を満足できる耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒を得るには、被覆アーク溶接棒の被覆剤中に従来添加されていた低融点金属原料を、高溶融温度の合金粉とすることが極めて有効であること見出した。

すなわち、本発明の要旨は、軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている被覆アーク溶接棒において、液相線温度が１１５０〜１４００℃、かつ平均粒径が４０〜１６０μｍのＣｕ合金を被覆剤中に１．３〜９．０質量％含有することを特徴とする。またこれに加えて、液相線温度が１１００〜１４５０℃、かつ平均粒径が６０〜１８０μｍのＳｂ合金を被覆剤中に０．３〜２．５質量％含有することを特徴とする被覆アーク溶接棒にある。

本発明の被覆アーク溶接棒によれば、耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼の溶接において、溶接作業性が良好で良好な耐腐食性を維持し、優れた耐欠陥性が得られる溶接金属を確保でき、溶接の効率化および溶接部の品質向上が図れる。

本発明者らは、耐腐食性と諸性能を満足しつつ耐欠陥性に優れる耐候性、耐海水性、耐硫酸性および耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒を改善する手段を鋭意研究した。

これら鋼材用の被覆アーク溶接棒に不可欠成分のＣｕは主に被覆剤中に高純度の金属Ｃｕ粉が添加されるが、Ｃｕは低融点（約１０８０℃）であるため、溶接金属の凝固過程では、Ｓなどと同様にオーステナイト粒界に濃縮され偏析して、凝固割れや液化割れが発生し易くなる場合がある。そこで、本発明者らは被覆剤の原材料としてのＣｕ添加方法に着眼し、Ｃｕを含有する溶融温度の高い合金粉にすれば、溶接金属の凝固過程でＣｕの凝固速度が速くなり、粒界への侵入を防ぎ、溶接割れを阻止できるものと考え、被覆剤中に高溶融温度のＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ系やＦｅ−Ｃｕ系などのＣｕ合金の適用を試みた。

その結果、液相から温度を降下したときの凝固開始温度、すなわち液相線温度の高いＣｕ合金が溶接割れに対して有効であり、その液相線温度が極めて重要であることが判明した。また、Ｃｕ合金の平均粒径は添加量と共に重要であり、平均粒径が過剰に大きくなると、被覆アーク溶接棒製造時にフラックスの流動性が悪くなり生産性が劣化し、平均粒径が小さい場合には、溶接時の溶接作業性が悪くなる。

さらに、耐硫酸性及び耐塩酸性鋼用の被覆アーク溶接棒でＳｂを使用する場合、金属Ｓｂ粉では溶融点が低く（６３０℃）、溶接金属のオーステナイト粒界に偏析して溶接割れが発生することがあり、Ｃｕ合金同様の考えから、Ｆｅ−Ｓｂ系やＦｅ−Ｓｉ−Ｓｂ系などの液相線温度の高いＳｂ合金を用いることにより、溶接割れが防止できた。また、平均粒径および、添加量も耐割れ性および溶接作業性に大きく影響することを見出した。

以下に本発明について詳述する。
まず、被覆剤中のＣｕ合金の適正液相線温度を把握するために次のような実験を行った。溶接棒全質量中のＣｕ分（実質溶接金属Ｃｕ量）を０．４％含有するように被覆剤中に、予め液相線温度を測定したＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ系およびＦｅ−Ｃｕ系の９種類のＣｕ合金を、平均粒径９０μｍとなるように粉砕加工したものを用いた。表１に示す被覆剤成分に表２に示すＣｕ合金を添加して、直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆率３０質量％となるように被覆塗装し乾燥して９種類の溶接棒を試作した。また、表３に示す鋼板記号ａのＮｉおよびＣｒ含有量に合致するように被覆剤にＮｉおよびＣｒを含有させた。

試験は、表３に示す鋼板記号ａの板厚１２ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ４５０ｍｍのものを用い、Ｖ開先（ギャップ６ｍｍ）の裏当て金つきの下向継手溶接（電流１４０Ａ、入熱１２ｋＪ／ｃｍ）を行なった。耐欠陥性調査は、微小欠陥まで確認できる表曲げ試験（ＪＩＳＺ３１２２）を採用し、判定は繰り返し３本行い、その欠陥がいかなる長さの欠陥であっても欠陥が３個以下を良好とした。

溶接作業性の調査は、表３に示す鋼板ａの板厚９ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４５０ｍｍのものをＴ型に組み、水平すみ肉溶接では電流１４０Ａ、立向姿勢溶接では１１０Ａの溶接条件で溶接し、アーク状態、スラグ状態、スパッタ発生状態、ビード形状などを調査した。その判定は各姿勢溶接の評価を総合判定し、良好を○印、やや劣るが△印、劣るが×印とした。以上の試験から得られた結果を表２および図１に示す。

表２および図１からも明らかなように、液相線温度が１１５０℃未満のＣｕ合金を用いた溶接棒では表曲げ試験での欠陥が多くなり、その開口破面の断面をＥＰＭＡの面分析を行ったところＣｕの偏析が見られた。また、Ｃｕ合金の液相線温度が１４００℃を超えるとスパッタ発生量が多くなりビード形状も劣化するなど溶接作業性が劣化した。

以上の結果から、溶接作業性を満足しつつ優れた耐欠陥性の被覆アーク溶接棒を得るには被覆剤中のＣｕ合金の液相線温度を１１５０〜１４００℃にすべきであることがわかった。

以下に本発明における被覆剤の作用と成分範囲限定の理由を述べる。
Ｃｕ合金の液相線温度は最も重要であり、Ｆｅ−Ｃｕ系やＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ系などの液相線温度が適度に高いＣｕ合金粉を用いることによりＣｕの凝固速度が速くなり、Ｃｕが溶接金属の粒界へ侵入し難くなり液化割れなどの微小欠陥を防止でき、耐欠陥性改善に極めて有効である。Ｃｕ合金の液相線温度が１１５０℃未満ではこの効果が発揮できず、１４００℃を超えるとアーク状態が悪くなり、スパッタの多発とビード形状の劣化が見られるようになり溶接作業性が悪くなる。

Ｃｕ合金の平均粒径は、良好な生産性および溶接作業性を確保する上で重要で、平均粒径が過剰に大きい場合は、心線への塗装時にフラックスの流動性が悪くなって生産性が不良となる。平均粒径が４０μｍ未満ではアーク状態が劣化し溶接作業性が悪くなり、１６０μｍを超えると上述のように生産性が悪くなる。また、Ｃｕ合金の被覆剤中の含有量は１．３質量％未満では溶接金属中のＣｕ量が減少して耐腐食性が劣化し、９．０質量％を超えるとスラグ溶融点が上昇してスラグの凝固速度が速くなり、ビード形状の乱れとスパッタの飛散も多くなり溶接作業性が劣化する。なお、Ｃｕ合金の品位は、Ｆｅ−Ｃｕ系やＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ系等の合金にＣｕを１０〜９０％含有したものであることが好ましい。

さらに、耐硫酸性および耐塩酸性鋼に用いられる被覆アーク溶接棒の被覆剤にＣｕと共に添加されるＳｂも、液相線温度が高いＳｂ合金を適用することによって凝固割れや液化割れに対して有効である。液相線温度が１１００℃未満ではその効果が見られず、１４５０℃を超えるとＣｕ合金同様に溶接作業性が劣化する。Ｓｂ合金の平均粒径も良好な溶接作業性と生産性を確保するためには限定する必要があり、６０μｍ未満ではアーク状態の劣化や生産時の乾燥割れが生じ、１８０μｍを超えるとスパッタの飛散が多くなり溶接作業性が悪くなり生産性も悪くなる。また、Ｓｂ合金の被覆剤中の含有量は、０．３％未満では満足できる耐腐食性が得られず、２．５％を超えるとスラグの凝固速度が速くなりビード形状が劣化する。Ｓｂ合金の品位は、Ｆｅ−Ｓｂ系やＦｅ−Ｓｂ−Ｓｉ系等の合金にＳｂを１５〜６０％含有したものであることが好ましい。

なお、本発明は被覆アーク溶接棒の種類を限定するのもではなく、イルミナイト系、ライムチタニア系、高酸化鉄系などの非低水素系、また低水素系のいずれにも適用できる。また、本発明の被覆アーク溶接棒に用いるスラグ剤、アーク安定剤、脱酸剤、合金剤、固着剤は通常のもので良い。

本発明を実施例で更に詳細に説明する。
表４に示す被覆アーク溶接棒の被覆剤成分（イは低水素系、ロは非低水素系）において、表２に示すＣｕ合金の平均粒径と被覆剤中の含有量を変化させた。なお、表３に示す鋼板記号ａのＮｉおよびＣｒ含有量に合致するように被覆剤にＮｉおよびＣｒを含有させた。

被覆アーク溶接棒は、直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆率３０質量％となるように被覆塗装し、乾燥して表５に示す被覆アーク溶接棒を試作し、耐欠陥性、溶接作業性、生産性および耐腐食性の調査を行った。

まず、耐欠陥性の調査は、表３に示す鋼板記号ａの板厚１２ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ４５０ｍｍのものを用い、Ｖ開先（ギャップ６ｍｍ）の裏当て金付きの下向継手を溶接電流１４０Ａ、入熱１２ｋＪ／ｃｍで溶接した。評価は、表曲げ試験（ＪＩＳＺ３１２２）を採用し、判定は繰り返し３本行い、その欠陥がいかなる長さの欠陥であっても欠陥が３個以下を良好とした。

溶接作業性の調査は、表３に示す鋼板記号ａの板厚９ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４５０ｍｍのものをＴ型に組み、水平すみ肉溶接では電流１４０Ａ、立向姿勢溶接では１１０Ａの溶接条件で溶接を行い、それぞれアーク状態、スラグ状態、スパッタ発生状態、ビード形状などを調査した。また、生産性の調査は、塗装機の押し出しフラックスの流動性を調査した。

さらに、耐腐食性の試験は、前述の耐欠陥性を調査した試験片から図２に示す腐食試験片（厚さ４ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍ）をビード表面から各３枚採取し、この試験片を南向きの屋外に３０°傾斜した状態で設置し、５体積％の塩水散布を週１回して６ヶ月間暴露試験した。暴露試験後、溶接金属部の平均板厚減少量を測定し、０．５ｍｍ以下を良好とした。これらの結果を表５にまとめて示す。

表５中、溶接棒Ｎｏ．１〜６が本発明例、溶接棒Ｎｏ．７〜１２は比較例である。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜６は、Ｃｕ合金の液相線温度、平均粒径、被覆剤中の含有量が適正であるので生産性、溶接作業性、耐欠陥性および耐腐食性も良好で、極めて満足な結果であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．７は、Ｃｕ合金の液相線温度が低いため表曲げ試験で欠陥発生数が多かった。
溶接棒Ｎｏ．８は、Ｃｕ合金の液相線温度が高いので、アーク状態が劣化し、スパッタの飛散も多く、スラグの凝固速度が速くなりビード形状が劣化するなど溶接作業性が悪くなった。

溶接棒Ｎｏ．９は、Ｃｕ合金の平均粒径小さいので、アークが弱くなり溶接作業性溶接作業性が悪くなった。
溶接棒Ｎｏ．１０は、Ｃｕ合金の平均粒径が大きいので、塗装機フラックス押し出しで流動性が悪くなって生産性が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１１は、Ｃｕ合金の含有量が少ないので、耐腐食性が悪くなった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、Ｃｕ合金の含有量が多いので、スラグの溶融温度が上昇してスラグの凝固速度が速くなり、ビード形状の乱れとスパッタの飛散も多くなり溶接作業性が悪かった。

表４に示す被覆アーク溶接棒の被覆剤成分（イは低水素系、ロは非低水素系）において、表６に示すＳｂ合金の平均粒径と被覆剤中の含有量を変化させた。なお、Ｃｕ合金は表２のＡ６の粒径９０μｍのものを被覆剤中に５質量％含有させた。

被覆アーク溶接棒は、直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆率３０質量％となるように被覆塗装し、乾燥して表７に示す被覆アーク溶接棒を試作し、耐欠陥性、溶接作業性、生産性および耐腐食性の調査を行った。

耐欠陥性および溶接作業性の調査は、表３に示す鋼板記号ｂを用い、その他は実施例１と同様の試験をした。
なお、耐腐食性の試験は、耐欠陥性を調査した試験片から図２に示す腐食試験片（厚さ４ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ５０ｍｍ）をビード表面から各３枚採取し、この試験片を１０％塩酸液に温度８０℃で６ｈｒ漬けた。評価方法は、腐食による溶接金属部の減少厚さと母材の減少厚さを測定し、母材減少厚さに対する溶接金属部減少厚さの比率を求め、その値が１．０以下を良好とした。これらの結果を表７にまとめて示す。

表７中、溶接棒Ｎｏ．１３〜１７は本発明例、溶接棒Ｎｏ．１８〜２３は比較例である。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１３〜１８は、Ｓｂ合金の液相線温度、平均粒径、被覆剤中の含有量が適正であるので生産性、溶接作業性、耐欠陥性および耐腐食性も良好で、極めて満足な結果であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．１８は、Ｓｂ合金の液相線温度が低いため表曲げ試験で欠陥発生数が多かった。
溶接棒Ｎｏ．１９は、Ｓｂ合金の液相線温度が高いのでアーク状態が劣化し、スパッタの飛散も多く、スラグの凝固速度が速くなるためビード形状が劣化するなど溶接作業性が悪くなった。

溶接棒Ｎｏ．２０は、Ｓｂ合金の平均粒径が小さいので製造時に被覆割れが生じた。また、溶接時にアークが弱くなり溶接作業性も悪くなった。
溶接棒Ｎｏ．２１は、Ｓｂ合金の平均粒径が大きいので塗装機フラックス押し出しで流動性が悪くなって生産性が不良であった。また、溶接時にスパッタ発生量が多く接作業性も悪くなった。

溶接棒Ｎｏ．２２は、Ｓｂ合金の含有量が少ないので耐腐食性が悪くなった。
溶接棒Ｎｏ．２３は、Ｓｂ合金の含有量が多いのでスラグの溶融温度が上昇してスラグの凝固速度が速くなり、ビード形状が乱れて溶接作業性が悪かった。

Ｃｕ合金の液相線温度と表曲げ試験の欠陥個数の関係を示すグラフである。腐食試験片の採取位置と寸法を示す図である。

Claims

軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている被覆アーク溶接棒において、液相線温度が１１５０〜１４００℃、かつ平均粒径が４０〜１６０μｍのＣｕ合金を被覆剤中に１．３〜９．０質量％含有することを特徴とする被覆アーク溶接棒。
さらに、液相線温度が１１００〜１４５０℃、かつ平均粒径が６０〜１８０μｍのＳｂ合金を被覆剤中に０．３〜２．５質量％含有することを特徴とする請求項１記載の被覆アーク溶接棒。