JP2010064087A - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】非常に安定し、かつ優れた低温靭性を有する溶接金属が得られるこガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量%で、フラックスに、金属フッ化物のF換算値:0.5〜3.0%、鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、C:0.03〜0.08%、金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値:0.1〜0.8%、金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値:0.7〜2.0%、金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値:0.03〜(0.15/F+0.1)%、金属B、B合金およびB化合物のB換算値:0.001〜0.01%、Ni:0.3〜3.0%を含有し、金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値:0.1%以下、かつF換算値が1.5〜3.0%ではAl換算値を(0.015/F換算値)%以下を含有することを特徴とする。
【選択図】 なし
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量%で、フラックスに、金属フッ化物のF換算値:0.5〜3.0%、鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、C:0.03〜0.08%、金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値:0.1〜0.8%、金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値:0.7〜2.0%、金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値:0.03〜(0.15/F+0.1)%、金属B、B合金およびB化合物のB換算値:0.001〜0.01%、Ni:0.3〜3.0%を含有し、金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値:0.1%以下、かつF換算値が1.5〜3.0%ではAl換算値を(0.015/F換算値)%以下を含有することを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
本発明は、鋼構造物等を溶接するにあたり、非常に安定し、かつ優れた低温靭性を有する溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
鋼を被溶接材とするガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤは、溶接作業性、溶接能率、姿勢溶接性において非常に優れているので、造船、橋梁、海洋構造物、鉄骨など広く適用されている。特に、ルチール(チタン酸化物)系フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接が可能で溶接作業性も優れている。しかし、ルチール系フラックス入りワイヤには、酸性酸化物であるTiO2をはじめとする酸化物主体のフラックスが鋼製外皮中に充填されているために、溶接時に生成する酸化物が十分に溶融金属から浮上・分離できず溶接金属中に残留し、溶接金属の酸素量を高め、溶接金属の低温靭性が得られにくくなるという欠点がある。したがって、従来、特許文献1や特許文献2では、ルチール系フラックス入りワイヤにおいて溶接金属の低温靭性を向上させる技術が検討されていが、−40℃〜−80℃程度の温度における靭性にとどまっており、−80℃以下の温度における靭性が優れる溶接金属が得られていない。また、特許文献3では、破面遷移温度(vTrs)が−70℃〜−100℃程度の溶接金属が得られるルチール系フラックス入りワイヤが開示されているが、本発明者らが検証した結果、破面遷移温度(vTrs)はせいぜい−70℃程度であり、−80℃以下の温度における靭性が優れる溶接金属は得られなかった。
したがって、−80℃以下の温度における靭性が優れる溶接金属を得るには、他のフラックス系のフラックス入りワイヤである必要がある。特許文献4には、金属フッ化物を主成分とするフラックス入りワイヤが開示されている。金属フッ化物には、溶接時に生成する酸化物を溶融金属中から浮上・分離させる作用があるため、溶接金属中の酸素量低減に有効であり、これにより−80℃〜−101℃の温度における靭性を確保させることが可能になったが、より安定した低温靭性が得られることが望まれる。
本発明は、非常に安定した低温靭性で、かつ優れた低温靭性を有する溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク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、フラックスに、金属フッ化物のF換算値:0.5〜3.0%、鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、C:0.03〜0.08%、金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値:0.1〜0.8%、金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値:0.7〜2.0%、金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値:0.03〜(0.15/F換算値+0.1)%、金属B、B合金およびB化合物のB換算値:0.001〜0.01%、Ni:0.3〜3.0%を含有し、金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値:0.1%以下、かつF換算値が1.5〜3.0%ではAl換算値を(0.015/F換算値)%以下とし、残部は鋼製外皮のFe、鉄粉、鉄合金粉のFe分、アーク安定剤および不可避不純物からなることを特徴とする。
また、フラックスにMgを0.1〜0.6%含有することも特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにある。
本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、−100℃における靭性が非常に安定し、かつ優れた低温靭性を有する溶接金属が得られ、溶接部の品質の向上を図ることができる。
本発明者らは、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、溶接して得られる溶接金属の低温靭性が非常に安定して良好なワイヤ成分を得るべく、ワイヤ成分組成について種々検討を行った。
その結果、金属フッ化物のF換算値、合金成分および脱酸剤の適正添加量を見出した。
以下、本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由を説明する。なお、ここで記載の%は質量%を意味する。
以下、本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由を説明する。なお、ここで記載の%は質量%を意味する。
(金属フッ化物のF換算値:0.5〜3.0%)
フラックスの金属フッ化物は、溶接時にスラグとなって溶融金属を被包して溶接ビード外観を良好にするとともに、溶融金属からのスラグの浮上分離を促進し、溶接金属中の酸素量を低下させる効果があり、低温における靭性値のバラツキを少なく安定にし、かつ良好にする。金属フッ化物のF換算値が0.5%(以下、%という。)未満では上記効果が得られず、3.0%を超えると溶接時にスパッタやヒュームが多量に発生する。
金属フッ化物としてはCaF2、MgF2、BaF2、MnF2、K2SiF6、NaFなどがあり、F換算値はそれらに含有されるFの量である。
フラックスの金属フッ化物は、溶接時にスラグとなって溶融金属を被包して溶接ビード外観を良好にするとともに、溶融金属からのスラグの浮上分離を促進し、溶接金属中の酸素量を低下させる効果があり、低温における靭性値のバラツキを少なく安定にし、かつ良好にする。金属フッ化物のF換算値が0.5%(以下、%という。)未満では上記効果が得られず、3.0%を超えると溶接時にスパッタやヒュームが多量に発生する。
金属フッ化物としてはCaF2、MgF2、BaF2、MnF2、K2SiF6、NaFなどがあり、F換算値はそれらに含有されるFの量である。
(C:0.03〜0.08%)
Cは、溶接時のアークを安定にし、溶接金属の強度を高める。鋼製外皮とフラックスの合計のCが0.03%未満では上記効果が得られず、0.08%を超えるとCが溶接金属に過剰に歩留まり、強度が高くなり、低温靭性が低下する。
Cは、溶接時のアークを安定にし、溶接金属の強度を高める。鋼製外皮とフラックスの合計のCが0.03%未満では上記効果が得られず、0.08%を超えるとCが溶接金属に過剰に歩留まり、強度が高くなり、低温靭性が低下する。
(金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値:0.1〜0.8%)
Siは、溶接時に一部溶接スラグとなって溶接ビードの外観や形状を良好にする。また、溶接金属に歩留まり、溶接金属の強度を高める効果がある。金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値が0.1%未満であると、上記効果が得られない。一方、0.8%を超えると溶接金属のミクロ組織中の硬化相生成を促進して低温靭性を低下させる。なお、Si換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属Si、Fe−Si、Fe−Si−MnなどのSi合金およびSiCなどのSi炭化物、SiO2などのSi酸化物K2SiF6などのSiフッ化物のSi化合物のSi量を合算した値である。Si換算値としたのは、本発明におけるSiは形態によらず、同じ効果を発揮するためであり、本発明ではSi以外にもMn換算値、Al換算値、Ti換算値、B換算値の記載があるが、いずれも同じ理由によるものである。
Siは、溶接時に一部溶接スラグとなって溶接ビードの外観や形状を良好にする。また、溶接金属に歩留まり、溶接金属の強度を高める効果がある。金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値が0.1%未満であると、上記効果が得られない。一方、0.8%を超えると溶接金属のミクロ組織中の硬化相生成を促進して低温靭性を低下させる。なお、Si換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属Si、Fe−Si、Fe−Si−MnなどのSi合金およびSiCなどのSi炭化物、SiO2などのSi酸化物K2SiF6などのSiフッ化物のSi化合物のSi量を合算した値である。Si換算値としたのは、本発明におけるSiは形態によらず、同じ効果を発揮するためであり、本発明ではSi以外にもMn換算値、Al換算値、Ti換算値、B換算値の記載があるが、いずれも同じ理由によるものである。
(金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値:0.7〜2.0%)
Mnは、Siと同様溶接時に一部溶接スラグとなって溶接ビードの外観や形状を良好にする。また溶接金属に歩留まり、溶接金属の強度と靭性を高める効果がある。金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値が0.7%未満ではこれらの効果が得られず、2.0%を超えると強度が過剰になり、低温靭性が低下する。
Mnは、Siと同様溶接時に一部溶接スラグとなって溶接ビードの外観や形状を良好にする。また溶接金属に歩留まり、溶接金属の強度と靭性を高める効果がある。金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値が0.7%未満ではこれらの効果が得られず、2.0%を超えると強度が過剰になり、低温靭性が低下する。
なお、Mn換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属Mn、Fe−Mn、Fe−Si−MnなどのMn合金およびMn3CなどのMn炭化物、MnOなどのMn酸化物、MnF2などのMnフッ化物のMn化合物のMn量を合算した値である。
(金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値:0.03〜(0.15/F換算値+0.1)%)
Tiは、一部がTi酸化物として溶接金属に歩留まり、溶接金属のミクロ組織を微細化して低温靭性を向上させる。金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値が0.03%未満では上記効果が得られない。一方、過度に添加すると固溶Tiとして溶接金属中に存在する量が増え、溶接金属が過度に硬化して低温靭性が著しく低下する。また、溶接金属へのTiの歩留率は、F換算値の増加とともに増加するため、Ti換算値は0.15/F換算値+0.1%以下に制限する。
Tiは、一部がTi酸化物として溶接金属に歩留まり、溶接金属のミクロ組織を微細化して低温靭性を向上させる。金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値が0.03%未満では上記効果が得られない。一方、過度に添加すると固溶Tiとして溶接金属中に存在する量が増え、溶接金属が過度に硬化して低温靭性が著しく低下する。また、溶接金属へのTiの歩留率は、F換算値の増加とともに増加するため、Ti換算値は0.15/F換算値+0.1%以下に制限する。
なお、Ti換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属Ti、Fe−TiなどのTi合金およびTiCなどのTi炭化物、TiO2などのTi酸化物のTi化合物のTi量を合算した値である。
(金属B、B合金およびB化合物のB換算値:0.001〜0.01%)
Bは、微量の添加で溶接金属のミクロ組織を微細にし、低温靭性を向上させる。金属B、B合金およびB化合物のB換算値が0.001%未満では上記効果が得られず、0.01%を超えると溶接金属が過度に硬化し低温靭性が低下するとともに、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。なお、B換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属B、Fe−B、Mn−BなどのB合金およびB4CなどのB炭化物、B2O3、Na2B407などのB酸化物のB化合物のB量を合算した値である。
Bは、微量の添加で溶接金属のミクロ組織を微細にし、低温靭性を向上させる。金属B、B合金およびB化合物のB換算値が0.001%未満では上記効果が得られず、0.01%を超えると溶接金属が過度に硬化し低温靭性が低下するとともに、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。なお、B換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属B、Fe−B、Mn−BなどのB合金およびB4CなどのB炭化物、B2O3、Na2B407などのB酸化物のB化合物のB量を合算した値である。
(Ni:0.3〜3%)
Niは、溶接金属の低温靭性を向上させる。鋼製外皮とフラックスの合計のNiが0.3%未満では上記効果がなく、3%を超えて添加すると、高温割れが発生しやすくなり健全な溶接金属が得られなくなる。
Niは、溶接金属の低温靭性を向上させる。鋼製外皮とフラックスの合計のNiが0.3%未満では上記効果がなく、3%を超えて添加すると、高温割れが発生しやすくなり健全な溶接金属が得られなくなる。
(金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値:0.1%以下、かつF換算値が1.5〜3.0%ではAl換算値:0.015/F換算値%以下)
Alは、溶接時にスラグとして溶融金属中から排出されるが、一部Al酸化物として溶接金属に取り込まれて低温靭性を低下させるため、金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値は0.01%以下とする。なお、Al酸化物の溶接金属中への歩留率はTiと同様、金属フッ化物のF換算値の増加とともに増加し、F換算値が1.5〜3.0%のときは金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値が0.01%以下であっても溶接金属の低温靭性を著しく低下させるため、Al換算値は(0.015/F換算値)%以下とする。
Alは、溶接時にスラグとして溶融金属中から排出されるが、一部Al酸化物として溶接金属に取り込まれて低温靭性を低下させるため、金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値は0.01%以下とする。なお、Al酸化物の溶接金属中への歩留率はTiと同様、金属フッ化物のF換算値の増加とともに増加し、F換算値が1.5〜3.0%のときは金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値が0.01%以下であっても溶接金属の低温靭性を著しく低下させるため、Al換算値は(0.015/F換算値)%以下とする。
なお、Al換算値とは、鋼製外皮、フラックス中の金属Al、Fe−AlなどのAl合金およびAl2O3などのAl酸化物、AlF3、Na3AlF6などのAlフッ化物のAl化合物のAl量を合算した値である。
(Mg:0.1〜0.6%)
フラックスのMgは、0.1%以上で強脱酸剤として、溶接金属の酸素を低減し、溶接金属の低温靭性を高める効果があるが、0.6%を超えるとアーク中で激しく酸素と反応しスパッタやヒュームの発生量が多くなる。
フラックスのMgは、0.1%以上で強脱酸剤として、溶接金属の酸素を低減し、溶接金属の低温靭性を高める効果があるが、0.6%を超えるとアーク中で激しく酸素と反応しスパッタやヒュームの発生量が多くなる。
なお、フラックス中の合金成分は、鋼製外皮の成分とその含有量を考慮してフラックス中の合金成分を調整することにより、目的とする強度、低温靭性が得られるフラックス入りワイヤとすることができる。
また、PおよびSは溶接金属中において低融点化合物を生成して粒界の強度を低下させ、溶接金属の靭性を低下させるため、できるだけ低いことが望ましい。
フラックス充填率は特に制限しないが、ワイヤ全質量に対して8〜20%とするのが生産性から好ましい。
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
表1に示す成分の鋼製外皮を使用して表2および表3に示すワイヤ径1.2mmの各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。
表1に示す成分の鋼製外皮を使用して表2および表3に示すワイヤ径1.2mmの各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。
表2および表3に示すフラックス入りワイヤを用いて、板厚12mmの鋼板(JIS G3016 SM490A)をT字すみ肉試験体とし、表3に示す溶接作業性評価の条件で水平すみ肉溶接による溶接作業性の評価を行うとともに、JIS Z3111に準じて、板厚20mmの鋼板(JIS G3127 SL3N255)を用いて表4に示す溶着金属試験の条件で溶着金属試験を行った。
水平すみ肉溶接は、半自動溶接で行い、アーク安定性、スパッタ発生状況、ヒューム発生状況、ビード形状およびビード外観について評価した。
溶着金属試験では、引張試験片、衝撃試験片(JIS Z 3111)をそれぞれ溶着金属の板厚中央から採取して試験に供した。機械的性質の評価は、−100℃における吸収エネルギーが100J以上、かつ破面遷移温度が−100℃以下を合格とした。これらの結果を表5に示す。
表2、表3および表5のワイヤ記号W1〜W10が本発明例、ワイヤ記号W11〜W25が比較例である。本発明例であるワイヤ記号W1〜W10は各成分が適量であるため、溶接作業性が良好で、溶着金属の−100℃の吸収エネルギーおよび破面遷移温度も良好な値が得られ、極めて満足な結果であった。
比較例中のワイヤ記号W11は、金属フッ化物のF換算値が少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W12は、金属フッ化物のF換算値が多いのでスパッタおよびヒューム発生量多く、またB換算値が少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W13は、Cが少ないためアークが不安定であった。また、Mgを含まないので溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W14は、Cが多いので溶着金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W15は、Si換算値が少ないのでビード形状およびビード外観が不良であった。
ワイヤ記号W16は、Mgが多いのでスパッタおよびヒューム発生量多く、またSi換算値が多いので溶着金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W17は、Mn換算値が少ないのでビード形状およびビード外観が不良で、溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W18は、Mn換算値が多いので溶着金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W19は、Ti換算値が少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W20は、Ti換算値が多いので溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W21は、B換算値が多いのでクレータ割れが生じ、また溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W22は、Niが少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
ワイヤ記号W23は、Niが多いのでクレータ割れが生じた。
ワイヤ記号W24は、Al換算値が多いので、またワイヤ記号W25はF換算値が2.46%でAl換算値が0.015/F換算値(0.061%)を超えているので、いずれも溶着金属の吸収エネルギーが低値で、破面遷移温度も高温であった。
Claims (2)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク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、フラックスに、
金属フッ化物のF換算値:0.5〜3.0%、
鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、
C:0.03〜0.08%、
金属Si、Si合金およびSi化合物のSi換算値:0.1〜0.8%、
金属Mn、Mn合金およびMn化合物のMn換算値:0.7〜2.0%、
金属Ti、Ti合金およびTi化合物のTi換算値:0.03〜(0.15/F換算値+0.1)%、
金属B、B合金およびB化合物のB換算値:0.001〜0.01%、
Ni:0.3〜3.0%を含有し、
金属Al、Al合金およびAl化合物のAl換算値:0.1%以下、かつF換算値が1.5〜3.0%ではAl換算値を(0.015/F換算値)%以下とし、残部は鋼製外皮のFe、鉄粉、鉄合金粉のFe分、アーク安定剤および不可避不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - フラックスにMgを0.1〜0.6%含有することを特徴とする請求項1に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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