JP2009154183A

JP2009154183A - ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法

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Publication number: JP2009154183A
Application number: JP2007334777A
Authority: JP
Inventors: Takashi Namekata; 飛史行方; Manabu Mizumoto; 学水本; Takao Morisaki; 喬雄森崎
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP5289760B2

Abstract

【課題】ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに係わり、溶接した際に生成するスラグ中の水に可溶性の６価Ｃｒ量の低減を図ったステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填され、該外皮およびフラックスに含有されるＣrを合計で１２〜３２質量％含有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、外皮およびフラックスに合計で、Ｎを０．００５〜０．０６％、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１〜０．５％を含有し、Ｃａが０．０１％以下で、前記Ｃｒ、Ｎ、Ｎａ換算値、Ｋ換算値およびＣａが下記式のＤ値で６０以下であることを特徴とする。
Ｄ＝１．５Ｃｒ−８００Ｎ＋１９５０Ｃａ＋８７（Ｎａ＋Ｋ）・・・（式）
【選択図】図１

Description

本発明は、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに係わり、溶接した際に生成するスラグの水に可溶性の６価Ｃｒ（以下、溶出Ｃｒという。）量の低減を図ったステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法に関するものである。

フラックス入りワイヤは、高能率で良好な溶接作業性が得られることから、被覆アーク溶接棒の需要から置換が進み、特にステンレス鋼の溶接の場合、最も使用量が多い溶接材料である。また、生成するスラグ量が被覆アーク溶接やサブマージアーク溶接に比べ大幅に少ないことから、産業廃棄物として処理されるスラグの低減につながり、造船、建築、車両、容器など多くの分野で使用されている。

しかし、溶接スラグの生成量が少ないながらもそのスラグには、有害とされる溶出Ｃｒが含有されている。産業廃棄物規制の一例として、東京都特別管理産業廃棄物の鉱さいでは、令第２条の４第５号ホにより、溶出Ｃｒは１．５ｍｇ／リットル以下とされており、溶出Ｃｒを非常に低い量に抑える必要がある。

この課題を解決する技術として例えば、特許文献１に、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＮａおよびＫ量を適正化することで、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減できるステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤが提案されている。しかし、前記技術に記載の溶接スラグの溶出Ｃｒ量では環境問題に厳しい規制のかけられた産業廃棄物として適合できない場合があった。

また特許文献２には、Ｍｎ濃度およびｐＨを適正化することで、溶接ヒュームからの溶出Ｃｒ量を抑制することができるステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤが提案されている。しかし、前記技術では、溶接ヒュームの溶出Ｃｒを減少することができても、溶接スラグの溶出Ｃｒを低減できないといった課題があった。

特許第３７６５７７２号公報特開２００７−５０４５２号公報

本発明は、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを用いて溶接した場合に、生成する溶接スラグの溶出Ｃｒ量の低減を図ったステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法を提供ことを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するためにオーステナイト系ステンレス鋼外皮に充填するフラックスの金属およびスラグ剤成分について種々検討を行った。その結果、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減するためには、外皮およびフラックスにＮを添加することが有効であることが判明した。Ｎは、Ｃｒと反応して水に不溶性の３価Ｃｒの安定化を行い、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減することが明らかとなった。

一方、Ｎの添加は、スラグ剥離性が低下するといった課題が生じたので、更なる検討を加えた。その結果、３価Ｃｒの安定化を促進するＮに対し、フラックス中に一定量のＮａ化合物およびＫ化合物を加えることにより、スラグ剥離性を損なうことなく、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減することが可能になることを見出した。

さらに、外皮およびフラックスのＣａを低くすることによって溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減することも見出した。

前記の知見によって、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤのＣｒ量に対し、Ｎ量を適量含有させることで溶接スラグの溶出Ｃｒを低減でき、Ｎａ化合物およびＫ化合物からＮａおよびＫを適量添加し、Ｃａを低くすることで、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減できることが明らかとなった。

また製造方法から、溶接スラグの溶出Ｃｒ量低減の検討を行った結果、ワイヤの製造過程で、フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することにより、Ｃｒの過還元を行い、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を更に低減できることを見出した。

本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは次の通りである。

（１）オーステナイト系ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填され、該外皮およびフラックスに含有されるＣｒを合計で１２〜３２質量％含有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、外皮およびフラックスに合計で、Ｎを０．００５〜０．０６％、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１〜０．５％を含有し、Ｃａが０．０１％以下で、前記Ｃｒ、Ｎ、Ｎａ換算値、Ｋ換算値およびＣａが下記式（Ａ）のＤ値で６０以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
Ｄ＝１．５Ｃｒ−８００Ｎ＋１９５０Ｃａ＋８７（Ｎａ＋Ｋ）・・・式（Ａ）
また、（２）フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することも特徴とするものである。

本発明のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法によれば、溶接時に生成する溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減することができ、溶出Ｃｒによる環境汚染を抑制することができるという顕著な効果を奏する。

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼外皮および充填フラックスの各成分組成それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。

Ｃｒは、ステンレス鋼として最も重要な耐食性を得る目的で添加する。外皮およびフラックスに含有されるＣｒが１２質量％（以下、％という。）未満の場合、生成した溶接スラグの溶出Ｃｒ量が１ｐｐｍ以下となるため課題とならない。一方、３２％を超えるとワイヤ製造の縮径時に断線して製造できない。従って、Ｃｒは１２〜３２％とする。
Ｎは、Ｃｒと反応して、水に不溶性の窒化Ｃｒを生成し、３価Ｃｒの安定化を促進するため溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減させる。外皮およびフラックスの合計でＮが０．０６％を超えると、溶接金属とスラグの間に窒化層が形成するため、スラグの焼付きが生じてスラグ剥離性が悪くなる。一方、０．００５％未満では、溶接スラグの３価Ｃｒが安定して存在しにくくなるため、溶出Ｃｒ量が高くなる。また効果が得られる、より好ましい範囲は０．０１〜０．０３％である。

Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計は、アーク長を調整し、アーク安定性を改善する。また、結合力の弱いガラス質なスラグを生成し、スラグの焼付きを低減するため、スラグ剥離性が向上する。従って０．０１％以上添加する。一方、０．５％を超えて添加すると、ヒュームの発生量が多くなる。また、スラグ中に共存するＮａＯ_２およびＫ_２Ｏが３価Ｃｒと反応し、溶接スラグの溶出Ｃｒを生成するようになる。従って、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計は０．０１〜０．５％とする。また効果が得られる、より好ましい範囲は０．１〜０．３％とする。

Ｃａが０．０１％を超えるとの酸化反応を促進し、スラグ量が過剰になるため、スラグ被包性が悪くなり、ビード形状が凹凸になりビード外観が悪くなる。また、Ｃａは溶接熱で酸化Ｃａとなりスラグ中に共存し３価Ｃｒと反応して溶出Ｃｒを生成するため、できるだけ低いことが好ましい。
Ｃｒ、Ｎ、Ｎａ換算値、Ｋ換算値およびＣａが下記式（Ａ）のＤ値で６０以下とする。

Ｄ＝１．５Ｃｒ−８００Ｎ＋１９５０Ｃａ＋８７（Ｎａ＋Ｋ）・・・式（Ａ）
図１にＤ値と溶接スラグの溶出Ｃｒ量の関係を示す。図１から明らかなようにＤ値が低くなるにしたがい溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減できる。Ｃｒ、Ｎ、Ｎａ換算値、Ｋ換算値およびＣａから算出されるＤ値は、フラックス入りワイヤのＣｒ量に対する溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減するための指標であり、Ｄ値を６０以下とすることによって溶接スラグの溶出Ｃｒ量を大幅に低減することができる。

Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計が適正であっても、Ｄ値が６０を超えるとＣｒ、Ｎ、Ｎａ、ＫおよびＣａの相乗効果による溶接スラグの溶出Ｃｒ量低減効果が不十分であり、溶接スラグの溶出Ｃｒ量が多くなる。従ってＤ値は６０以下とする。また効果が得られる、より好ましい範囲は４５以下とする。
本発明のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤとしては、通常用いられるワイヤであれば良く、前記成分の他、溶接対象鋼板成分および溶接金属の機械的性能を満足するために、ワイヤおよびフラックスの合計でＣ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．５〜４．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：６〜２５％、Ｍｏ：５％以下、必要に応じてＣｕ：３％以下を含む。また、フラックスにスラグ剤として、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯおよび各種金属弗化物などを合計で３．０〜１０％程度使用することができる。

ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造工程で、フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することによって、ワイヤ中のＣｒを過剰に還元させ、溶接後に生成するスラグ中の酸化Ｃｒを安定した３価Ｃｒとすることができる。Ａｒなどの不活性ガス雰囲気やアンモニア分解ガスなどの活性ガス雰囲気および大気雰囲気では、ワイヤ中のＣｒが不安定に酸化され、溶接スラグの溶出Ｃｒ量が多くなる。図１にフラックス入りワイヤ素線（１．４ｍｍ径）を水素ガス雰囲気で焼鈍（焼鈍条件１０５０℃×１ｍｉｎ）した（白丸印）場合と焼鈍なし（黒丸印）の場合との溶接スラグの溶出Ｃｒ量の測定結果を示す。前記Ｄ値が高い場合においても水素ガス雰囲気で焼鈍することによって溶接スラグの溶出Ｃｒ量が低くなることがわかる。

フラックス入りワイヤ素線の焼鈍条件は、トンネル型の連続型焼鈍装置や固定炉装置など種々あるが、雰囲気が水素ガスであれば装置形態は問わない。焼鈍温度は８００〜１２００℃程度とし、保持時間はワイヤ径により異なるが、一例として２ｍｍ程度のワイヤ径であれば１分程度行い、その後水冷にて急冷する。長時間焼鈍や複数回の繰り返し焼鈍を行っても、溶着金属性能や溶接作業性には影響しない。

以上、本発明のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法の構成要件の限定理由を述べたが、フラックス入りワイヤの製造方法について更に言及すると、例えば外皮を帯鋼より管状に成形する場合には、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に充填した後丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、成形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。また外皮がパイプの場合には、パイプを振動させてフラックスを充填し、伸線途中でワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍したのち所定のワイヤ径まで伸線する。
充填フラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加してボンドフラックス状にして用いることもできる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼外皮を用いて表２に示す組成のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを各種試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。なお、フラックス充填率は２０〜２３％とした。また、ワイヤ製造時の焼鈍はワイヤ素線径１．４ｍｍで水素ガス雰囲気により１０００℃×１ｍｉｎの条件で行った。

ヒューム発生量の測定は、ＳＵＳ３０４の板厚２０ｍｍを用い、ＪＩＳＺ３９３０に従い、１分間当りのヒューム発生量の測定を行い７００ｍｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。

溶接スラグの溶出Ｃｒ量の測定は、ＳＭ４９０Ｂ鋼の板厚２０ｍｍを用い、２層バタリングを行い、３層目から生成したスラグを採取して分析に供した。採取したスラグの溶出Ｃｒ量の分析方法は、ＪＩＳＫ０１２０に規定する６価Ｃｒ分析方法に準拠し、ジフェニルカルバジド吸光光度法によって、溶出Ｃｒ量を検出した。溶接スラグの溶出Ｃｒ量は３０ｐｐｍ以下を良好とした。

溶接条件は、溶接電流：１８０〜２５０Ａ、シールドガス：ＣＯ_２にて実施した。それらの結果を表３にまとめて示す。

表２中ワイヤＮｏ．１〜８が本発明例、ワイヤＮｏ．９〜１３は比較例である。本発明であるワイヤＮｏ．１〜８は、Ｃｒ、Ｎ、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の合計量、ＣａおよびＤ値が適正であるので、アークが安定でヒューム発生量が少なくスラグの溶出Ｃｒ量も少ないなど極めて満足な結果であった。
なお、フラックス入りワイヤ製造工程で水素ガス雰囲気での焼鈍をしなかったワイヤＮｏ．８は、ワイヤＮｏ．１〜７に比べて若干スラグの溶出Ｃｒ量が高くなった。

比較例中ワイヤＮｏ．９は、Ｎが高いため、スラグの剥離性が悪かった。

ワイヤＮｏ．１０は、Ｃａが高いので、スラグ被包性が悪くビード外観が不良であった。また、溶出Ｃｒ量も高かった。

ワイヤＮｏ．１１は、Ｎが低くＤ値が高いので、溶出Ｃｒ量が高かった。

ワイヤＮｏ．１２は、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の合計量低いので、アークが不安定でスラグ剥離性が悪かった。また水素ガス雰囲気での焼鈍をしていないので、Ｄ値が低いにもかかわらず溶出Ｃｒ量がやや高かった。

ワイヤＮｏ．１３は、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の合計量高いので、ヒューム発生量が高かった。また、溶出Ｃｒ量も高かった。

ワイヤＮｏ．１４は、Ｄ値が高いので、溶出Ｃｒ量が高かった。

Ｄ値と溶接スラグの溶出Ｃｒ量の関係を示す図である。

Claims

オーステナイト系ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填され、該外皮およびフラックスに含有されるＣｒを合計で１２〜３２質量％含有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、外皮およびフラックスに合計で、Ｎを０．００５〜０．０６％、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１〜０．５％を含有し、Ｃａが０．０１％以下で、前記Ｃｒ、Ｎ、Ｎａ換算値、Ｋ換算値およびＣａが下記式（Ａ）のＤ値で６０以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
Ｄ＝１．５Ｃｒ−８００Ｎ＋１９５０Ｃａ＋８７（Ｎａ＋Ｋ）・・・式（Ａ）
ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造方法において、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することを特徴とするステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造方法。