JP2011025285A - ９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックス - Google Patents

Abstract

【課題】下向及び横向姿勢に加えて、立向姿勢溶接においても、良好なスラグ剥離性及び耐溶接欠陥性を有し、更に優れたビード形状の平滑性を得ることができる９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスを提供する。
【解決手段】Ｎｉ：６０質量％以上を含有するワイヤとの組合せで使用する９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスであって、フラックス組成が、フラックス全質量あたり、Ａｌ_２Ｏ_３：１５乃至４０質量％、ＳｉＯ_２：５乃至３５質量％、ＺｒＯ_２：５乃至２５質量％、ＭｇＯ：５乃至２５質量％、ＣａＣＯ_３：５乃至２５質量％、及び金属Ａｌ：１乃至７質量％を含有する共に、ＣａＦ_２を５質量％以下に抑制し、残部が、金属Ｆｅ、Ｎａ_２Ｏ及び不可避不純物である。
【選択図】図１

Description

本発明は、液化天然ガスのように極低温液体用貯蔵タンクの建造材料に使用される９％Ｎｉ鋼のサブマージアーク溶接に用いる焼結型フラックスに関し、特に立向溶接姿勢で溶接ができ、且つ下向及び横向姿勢にも適用可能であり、良好なスラグ剥離性を有するとともに、優れた耐欠陥性及びビードの平滑性を得ることができる９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスに関する。

従来、極低温液体用貯蔵タンクの建造材料として使用される９％Ｎｉ鋼の溶接においては、高温割れ防止のため、入熱が比較的低い被覆アーク溶接法が適用されていた。その後、耐高温割れ性が優れたワイヤが開発され、溶接建造物の施工能率向上を目的に下向又は横向姿勢溶接を適用する箇所へのサブマージアーク溶接法適用が増加している。

一方、立向姿勢の溶接においては施工能率向上のため、自動ＴＩＧ溶接が適用され、一部自動ＭＡＧ溶接化が進められてきている。しかしながら、現地施工において、溶接ガスの入手が困難な地域では、未だに被覆アーク溶接法に頼らざるを得ない状況である。

そこで、溶接ガスを入手できない現地での施工能率向上のため、サブマージアーク溶接方法を立向上進溶接に適用できる溶接材料の開発が要望されている。

従来、低温用鋼のサブマージアーク溶接材料については立向姿勢で溶接を行った場合、溶融金属が凝固過程で重力により流動するため、ビード形状は不安定になりやすく、凸状となり、溶接ビードをグラインダで平滑にする必要がある等の問題点があった。

そのため、例えば、特許文献１には、フラックス全質量に対し、Ａｌ_２Ｏ_３：３１乃至６０質量％、ＣａＦ_２：１０乃至４０質量％、ＳｉＯ_２：１乃至１０質量％、Ｎａ_２Ｏ：０．１乃至５質量％、金属Ａｌ：１乃至１０質量％を含有し、その他はＣａＣＯ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、金属Ｍｎ及び不可避不純物である低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスが開示されている。

特許文献１の技術は、フラックス組成を上記範囲に規制することにより、下向及び横向姿勢に加えて立向姿勢溶接においても、アーク安定性、スラグ剥離性、耐溶接欠陥性及びビード形状の向上を図ったものである。

特開２００９−０３９７６１号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術は、立向姿勢溶接におけるアーク安定性、スラグ剥離性及び耐溶接欠陥性は向上するものの、溶接ビードの平滑性については不十分である。特に、特許文献１のサブマージアーク溶接用フラックスは、ビード長手方向の形状が不連続になり易いという問題点がある。このため、立向姿勢の溶接において、スラグ剥離性、耐溶接欠陥性及びビード形状の安定性（平滑性）の全てを十分に満足することができるようなサブマージアーク溶接用のフラックスの開発が望まれている。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、下向及び横向姿勢に加えて、立向姿勢溶接においても、良好なスラグ剥離性及び耐溶接欠陥性を有し、更に優れたビード形状の平滑性を得ることができる９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスを提供することを目的とする。

本発明に係る９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスは、ワイヤ全質量あたりＮｉ：６０質量％以上を含有するワイヤとの組合せで使用する９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスであって、フラックス組成が、フラックス全質量あたり、Ａｌ_２Ｏ_３：１５乃至４０質量％、ＳｉＯ_２：５乃至３５質量％、ＺｒＯ_２：５乃至２５質量％、ＭｇＯ：５乃至２５質量％、ＣａＣＯ_３：５乃至２５質量％、及び金属Ａｌ：１乃至７質量％を含有する共に、ＣａＦ_２を５質量％以下に抑制し、残部が、金属Ｆｅ、Ｎａ_２Ｏ及び不可避不純物であることを特徴とする。

更に、金属Ｔｉ：０．１乃至５質量％を含有することが好ましい。

また、本発明の９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスは、立向溶接姿勢のサブマージアーク溶接に使用することができる。

本発明によれば、良好なスラグ剥離性及び耐溶接欠陥性を有し、更に優れたビード形状の平滑性を有する９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスが得られる。

溶接姿勢が下向の場合における溶接母材の形状及びサイズを示す図であり、そのうち（ａ）は正面図であり、（ｂ）は開先形状を示す断面図であり、（ｃ）は積層要領を示す模式図である。 溶接姿勢が横向の場合における溶接母材の形状及びサイズを示す図であり、そのうち（ａ）は正面図であり、（ｂ）は開先形状を示す断面図であり、（ｃ）は積層要領を示す模式図である。 溶接姿勢が立向上進の場合における溶接母材の形状及びサイズを示す図であり、そのうち（ａ）は正面図であり、（ｂ）は開先形状を示す断面図であり、（ｃ）は積層要領を示す模式図である。 ビード形状評価基準のうち最大凹凸変動の判定基準を示す図であり、そのうち（ａ）は正面図であり、（ｂ）は断面図である。 ビード形状評価基準のうち最大幅変動の判定基準を示す図である。

本発明者らは、フラックス成分を種々調整し、Ａｌ_２Ｏ_３の他、ＭｇＯ、ＣａＣＯ_３、ＺｒＯ_２等の高融点酸化物を主成分とすることにより、下向及び横向姿勢でのビード形状の平滑化に有効であることはもちろん、立向溶接姿勢においてもビード形状の平滑化に有効であることを見出した。更に、本発明者らは、ＣａＦ_２についてはビードの波目を細かくする効果があるものの、所定量を超えて含有されるとビード形状が不連続となりやすく、またブローホールも増加する傾向を見出した。本発明者らはこれらの知見に基づいて本発明を完成させた。以下、本発明に係る９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスの成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

Ａｌ _２ Ｏ _３ ：１５乃至４０質量％
フラックス中のＡｌ_２Ｏ_３はスラグ形成剤として作用し、溶融スラグの凝固温度及び粘性を上げるのに有効な成分である。フラックス中のＡｌ_２Ｏ_３が１５質量％未満では立向姿勢溶接において溶融スラグのビード保持力不足となり、ビードが凸状となったり、溶け落ちが発生する。一方、Ａｌ_２Ｏ_３が４０質量％を超える場合は、スラグの粘性が高くなりすぎて流動性が悪くなるため、スラグ巻き込みが発生する。更に、Ａｌ_２Ｏ_３が４０質量％を超えると、下向及び横向姿勢においてはビードの波目が粗くなる他、ポックマークが発生する。

より好ましい範囲は、Ａｌ_２Ｏ_３：２０乃至３５質量％である。この範囲においては、特に立向溶接において溶融スラグのビード保持力が更に一層適切となり、ビード形状が安定して平滑化するため、より一層、良好なビード外観を得ることができる。

ＳｉＯ _２ ：５乃至３５質量％
フラックス中のＳｉＯ_２は５乃至３５質量％とする必要がある。フラックス中のＳｉＯ_２は溶融スラグの凝固温度を高くする。また立向姿勢においてビードの保持力を高め、ビード形状を安定させる効果がある。ＳｉＯ_２が５質量％未満では、溶融スラグのビード保持力不足のためビード形状が不安定となる。一方、ＳｉＯ_２が３５質量％を超えると溶融スラグの粘性が高くなり過ぎ、スラグの剥離性が悪化し、スラグ巻き込みが発生する。

より好ましい範囲は、ＳｉＯ_２：１０乃至２５質量％である。この範囲においては、スラグ剥離性が向上し、特に立向姿勢において、更に一層、良好なスラグ剥離性が得られると共に、ビード形状が安定して平滑化するため、良好なビード外観を得ることができる。この範囲においては下向及び横向姿勢溶接時のビード形状も安定する。ＳｉＯ_２については、珪砂、水ガラスの他、珪石灰等の複合酸化物からも添加することができる。

ＺｒＯ _２ ：５乃至２５質量％
フラックス中のＺｒＯ_２は、スラグ剥離性を良好にするのに有効な成分である。ＺｒＯ_２が５質量％未満ではこの効果が得られず、スラグがビードに焼付く等、スラグ剥離性が悪い。一方、ＺｒＯ_２が２５質量％を超えると溶融スラグの流動性が低下し、スラグ巻き込みが発生しやすくなる。

より好ましい範囲は、ＺｒＯ_２：１０乃至２０質量％である。この範囲においては、スラグ剥離性が向上し、特に立向姿勢において、更に一層、良好なスラグ剥離性が得られると共に、ビード形状が安定して平滑化するため、良好なビード外観を得ることができる。

ＭｇＯ：５乃至２５質量％
フラックス中のＭｇＯは、スラグの凝固温度を上昇させる効果があり、長手方向のビード形状安定性に有効な成分である。この効果は５質量％未満では得られず、立向姿勢においてはビード溶け落ちが多発する。一方、ＭｇＯが２５質量％を超えるとスラグの凝固が早期に完了するためビード形状が凸状となり、スラグ巻き込みが発生し易くなる他、スラグ剥離性が悪化する。

より好ましい範囲は、ＭｇＯ：１０乃至２０質量％である。この範囲においては、スラグ剥離性が向上し、特に立向姿勢において更に一層、良好なスラグ剥離性が得られると共に、ビード形状が安定して平滑化するため、良好なビード外観を得ることができる。

ＣａＣＯ _３ ：５乃至２５質量％
フラックス中のＣａＣＯ_３は、５乃至２５質量％とする必要がある。ＣａＣＯ_３は溶融分解し、ＣａＯ及びＣＯ_２ガスになるが、ＣＯ_２ガスが溶接アーク雰囲気中の水蒸気分圧を低減し、溶接金属中の水素量を低減すると共にブローホールを低減する効果がある。またＣａＯが溶融スラグの凝固温度を上げる効果があり、ビード形状が安定する。ＣａＣＯ_３が５質量％未満の領域では、上記効果が得られない他、ビード形状は凸状となる。一方、ＣａＣＯ_３が２５質量％を超える領域ではスラグ剥離性が低下する。

より好ましい範囲は、ＣａＣＯ_３：１０乃至２０質量％である。この範囲においては、スラグの凝固温度が更に上昇し、一層、ビード形状が安定して平滑化するため、良好なビード外観を得ることができる。

金属Ａｌ：１乃至７質量％
金属Ａｌは、脱酸剤としてフラックス中に添加することにより、溶接金属中の酸素量を著しく低下させ、ブローホールの発生を抑制する効果を有する成分である。金属Ａｌは、フラックス全重量あたり１質量％未満であると、その効果を十分に得ることができない。一方、フラックス全重量あたり７質量％を超えると、スラグ剥離性が悪化する。金属Ａｌは、単体又はＦｅ‐Ａｌ合金等により、フラックス中に添加することができる。

より好ましい範囲は、金属Ａｌ：２乃至５質量％である。この範囲においては、更に一層、良好なスラグ剥離性及び更なる耐ブローホール性能を両立できる。

ＣａＦ _２ ：５質量％以下
従来のサブマージアーク溶接用フラックスには必須成分としてＣａＦ_２が添加されていたが、本発明においてはＣａＦ_２を５質量％以下に抑制する。ＣａＦ_２はアークを安定させ、ビードの波目を細かくする効果があるものの、スラグの凝固温度及び粘性を下げる効果があるため、特に立向姿勢の溶接においては長手方向のビード形状が不安定になり、ビードが溶け落ちしやすくなる。この傾向はフラックス中のＣａＦ_２が５質量％を超えると顕著に現れることから、ＣａＦ_２は５質量％以下に抑制する必要がある。

金属Ｔｉ：０．１乃至５質量％
Ｔｉはスラグの凝固温度を上昇させ、横向及び立向溶接時にビードの溶け落ちを抑制する効果をもつ。金属Ｔｉは、フラックス全重量あたり０．１質量％未満であるとその効果を十分に得ることができない。一方、フラックス全重量あたり金属Ｔｉが５質量％を超えるとスラグ剥離性が悪化する。よって、金属Ｔｉを含有する場合は、０．１乃至５質量％とする。金属Ｔｉは単体あるいはＦｅ−Ｔｉ等で添加される。

以下、実施例により、本発明の効果を具体的に説明する。まず、フラックス原料を調整し、これに固着剤として水ガラスを添加して造粒した後、焼結することにより、下記表１に示す種々の化学組成を有するサブマージアーク溶接用焼結型フラックスを作製した。

母材及びワイヤは、夫々、下記表２及び表３に示す化学組成を有するものを使用した。

下向溶接は、下記表４に示す溶接条件にて行った。下向溶接における溶接母材の形状及びサイズは図１に示す。図１（ａ）は、溶接姿勢が下向の場合における溶接母材の形状及びサイズを示す正面図であり、図１（ｂ）は開先形状を示す断面図であり、図１（ｃ）は積層要領を示す模式図である。

横向溶接は、下記表５に示す溶接条件にて行った。横向溶接における溶接母材の形状及びサイズは図２に示す。図２（ａ）は、溶接姿勢が横向の場合における溶接母材の形状及びサイズを示す正面図であり、図２（ｂ）は開先形状を示す断面図であり、図２（ｃ）は積層要領を示す模式図である。

立向溶接は、下記表６に示す溶接条件にて行った。立向溶接における溶接母材の形状及びサイズは図３に示す。図３（ａ）は、溶接姿勢が立向上進の場合における溶接母材の形状及びサイズを示す正面図であり、図３（ｂ）は開先形状を示す断面図であり、図３（ｃ）は積層要領を示す模式図である。

以上の評価結果を表７に示す。下向、横向、立向の各溶接姿勢によりサブマージアーク溶接を実施し、ビード形状及びスラグ剥離性（溶接作業性）を求め、更に、溶接部の放射性透過試験を実施した。

ビード形状の評価は図４及び図５に示すように溶接長５００ｍｍにおいて判定視野を３０×３０ｍｍとし、クレータ部及びスタート部から５０ｍｍまでを除くビード中央部の高さの凹凸変動及び横方向のビード幅変動が最大となる位置で判定を行った。図４は、最大凹凸変動の判定基準を示す図であり、そのうち（ａ）は正面図であり、（ｂ）は断面図である。図５は、最大幅変動の判定基準である。凹凸と横幅の判定視野の位置は夫々独立とし、表８の判定基準を用い、凹凸変動差、横幅変動差の判定結果のうち低位の判定レベルのものを判定結果に採用した。

スラグ剥離性は、スラグハンマーによる１１回未満の打突によりビード全長に渡ってスラグが完全に剥離したものを◎とし、スラグハンマーによる１０回の打突を行った後、開先部分等にスラグが若干残るものの、１１乃至２０回未満のスラグハンマーによる打突で全て除去可能であったものを○とし、スラグハンマーでは全てのスラグ除去が困難であったものの、チッパー等のスラグ剥離専用の道具によりスラグが容易に剥離できたものを△とし、上記道具を使用しても完全にスラグ除去できなかったものを×とした。

また溶接部については放射性透過試験を実施し、ＪＩＳ Ｚ ３１０６を判定基準に用いて耐欠陥性を評価した。即ち、放射性透過試験では、溶接継手の透過試験におけるきずの像の分類方法について、丸いブローホール及びこれに類するきずを第１種、細長いスラグ巻込み、パイプ、溶込み不良、融合不良及びこれに類するきずを第２種、割れ及びこれに類するきずを第３種とした。なお、第１種のきずか第２種のきずかの区別が困難なきずについては、それらを第１種のきず又は第２種のきずとしてそれぞれ独立に分類し、そのうち分類番号の大きい方をそのきずの種別と分類番号とした。第１種のきず点数は下記の手法に従って求めた。即ち、第１種のきず点数の測定では、板厚が２０ｍｍであるので、試験視野の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍとした。きずが試験視野の境界線上にかかる場合は、視野外の部分も含めて測定した。第１種のきずが１個の場合のきず点数は、きずの長径の寸法に応じて下記表９の値を用いた。きずが２個以上の場合のきず点数は、試験視野内に存在する各きずのきず点数の総和とした。

第１種のきずの像の分類は、下記表１０に従った。表１０中の数値は、試験視野内でのきず点数の許容値を示した。但し、きずの長径が母材の厚さの１／２を超えるときは４類とした。

第２種のきずの像の分類は、下記表１１に従った。試験視野の大きさは第１種と同じである。なお、１類と分類された場合でも、溶込み不良又は融合不良があれば２類とした。

きずの総合分類については下記のように行った。即ち、きずの種別が１種類の場合は、その分類を総合分類とした。きずの種別が２種類以上の場合は、そのうちの分類番号の大きい方を総合分類とした。但し、第１種のきずの試験視野に分類の対象とした第２種のきずが混在する場合で、きず点数による分類ときず長さによる分類がともに同じ分類であれば、混在する部分の分類は分類番号を一つ大きくした。このとき、１類については、第１種と第２種のきずの許容長さの１／２を超えた場合に２類に分類した。

上記表１及び表７に示すように、実施例１乃至６はフラックス中の化学組成が適切に規制されているため、溶接時のビード形状平滑性及びスラグ剥離性が良好であり、放射性透過試験評価においても全て１種１類判定となった。

実施例７については、フラックス中のＴｉの含有量が本発明範囲の下限未満であるため、実施例１乃至６に比して、ビード形状が若干不安定であった。

実施例８については、フラックス中のＴｉの含有量が本発明範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性がやや劣った。

（比較例９及び１０）
一方、比較例９は、フラックス中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量が本発明範囲の上限を超え、ＳｉＯ_２の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、下向及び横向溶接ビードの波目が粗くなる他、立向溶接において、ビード形状が不安定且つスラグ巻き込みが発生した。

比較例１０は、フラックス中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量が本発明範囲の下限未満であり、ＳｉＯ_２の含有量が本発明の上限を超えているため、ビード形状平滑性及びスラグ剥離性が低下した他、スラグ巻き込みが発生した。

（比較例１１及び１２）
比較例１１は、フラックス中のＺｒＯ_２の含有量が本発明範囲の上限を超え、ＣａＣＯ_３の含有量が本発明範囲の下限未満であるため、ビード形状平滑性が低下し、スラグ巻き込みが発生した。

比較例１２は、フラックス中のＺｒＯ_２の含有量が本発明範囲の下限未満であり、ＣａＣＯ_３の含有量が本発明範囲の上限を超えているため、スラグ焼き付きが発生し、スラグ剥離性が低下した。

（比較例１３及び１４）
比較例１３は、フラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲の上限を超え、Ａｌの含有量が本発明範囲の下限未満であるため、ビード形状が凸状となり、ビード形状平滑性が低下し、立向溶接ではスラグ巻きが発生した。また、耐ブローホール性が低下した。

比較例１４は、フラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲の下限未満であり、Ａｌの含有量が本発明範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性が低下した他、溶融金属の保持力が低下したことで横向及び立向溶接でのビード形状平滑性が低下した。

（比較例１５）
比較例１５は、フラックス中のＴｉの含有量が本発明範囲の下限未満であり、ＣａＦ_２の含有量が本発明範囲の上限を超えているため、ビード形状平滑性が低下し、立向溶接では溶け落ちが発生した。

（比較例１６及び１７）
比較例１６及び比較例１７は、フラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲のより好ましい範囲の下限未満であり、ＣａＦ_２の含有量が本発明範囲の上限を超えているため、横向及び立向溶接でのビード形状平滑性が低下し、立向溶接において溶け落ちが発生した。

以上詳述したように、本発明によれば、９Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックス中の化学組成を適切に規制することで、下向、横向及び立向姿勢の溶接において優れたビードの平滑性、スラグ剥離性及び耐溶接欠陥性を得ることができる。

Claims (3)

1. ワイヤ全質量あたりＮｉ：６０質量％以上を含有するワイヤとの組合せで使用する９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックスであって、フラックス組成が、フラックス全質量あたり、
   Ａｌ_２Ｏ_３：１５乃至４０質量％、
   ＳｉＯ_２：５乃至３５質量％、
   ＺｒＯ_２：５乃至２５質量％、
   ＭｇＯ：５乃至２５質量％、
   ＣａＣＯ_３：５乃至２５質量％、
   及び金属Ａｌ：１乃至７質量％を含有する共に、ＣａＦ_２を５質量％以下に抑制し、残部が、金属Ｆｅ、Ｎａ_２Ｏ及び不可避不純物であることを特徴とする９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックス。
2. 金属Ｔｉ：０．１乃至５質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックス。
3. 立向溶接姿勢のサブマージアーク溶接に使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の９％Ｎｉ鋼サブマージアーク溶接用焼結型フラックス。

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