JP2012143796A - 低温鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】 伸線時等のワイヤ生産性が良好であると共に、溶接金属の耐割れ性に優れ、溶接作業性の良好な低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】 低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮はＣが０．０２質量％未満でＮｉが９８質量％以上含有し、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、Ｍｎ：１〜８％、Ｍｇ：０．０２〜０．５％含有し、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０１％以下とし、下記（１）式を満足し、その他はスラグ形成剤、合金剤、鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ。
Ｍｎ＋１００×Ｍｇ≧１０００×（Ｓ＋Ｂｉ）・・・（１）
【選択図】なし

Description

本発明は、ＬＮＧ、液体窒素、また液体酸素などの貯蔵タンク等に広く用いられている９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼の溶接に際し、Ａｒ＋ＣＯ_２混合ガスを用いたガスシールドアーク溶接等に用いる溶接ワイヤにおいて、溶接金属の耐割れ性に優れ、溶接作業性の良好な低温鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤに関するものである。

Ｎｉ基合金を成分とする溶接材料（ワイヤ）は、例えば低温用鋼として代表的な９％Ｎｉ鋼等の溶接に使用されている。９％Ｎｉ鋼の溶接では、溶接継手部に母材と同等の−１９６℃の極低温における溶接部の靱性を確保するため、フェライト組織の９％ニッケル鋼に類似した成分を有する溶接ワイヤ（いわゆる、共金系ワイヤ）ではなく、Ｎｉ基合金溶接材料を使用するのが一般的である。これは共金系ワイヤを用いて溶接した場合の溶接継手部は、溶接ままでは９％Ｎｉ鋼と同等の強度と低温靭性を確保することができないからである。

近年、Ｎｉ基合金のような特殊溶接材料においても被覆アーク溶接やＴＩＧ溶接に比べて、より高い作業能率が期待できるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接が拡大しつつある。

しかしながら、このようなＮｉ基合金フラックス入りワイヤに用いる外皮の成分は、一般的に溶接金属と共金系のＮｉ−Ｃｒ系やＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ、Ｎｉ−Ｍｏ系であり、高価であるため経済性に課題があり、また伸線加工性が悪く生産性にも課題があった。

こうしたＮｉ基合金フラックス入りワイヤの伸線性を改善するする手段として、特許文献１に開示されている低温鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤには、高Ｎｉフープを使用し、ワイヤの加工性及びワイヤ送給性に優れる方法が記載されている。しかし外皮中のＣ量が多いため伸線加工の際、外皮中に炭化物が析出しやすく、断線しやすいという課題があった。また耐高温割れ性に課題があり、９％Ｎｉ鋼等を用いた極低温圧力容器のように安全性が最優先される構造物の溶接には適さなかった。

また、特許文献２に開示されている低温用鋼溶接用のＮｉ基複合ワイヤには、実質的にＮｉのみからなる外皮内に金属粉を充填してなるＮｉ基合金複合ワイヤが開示されているが、外皮中のＣ量が多いため伸線加工の際、外皮中に炭化物が析出しやすく、断線が発生しやすいという課題があった。

特開２００１−３３４３９２号公報 特開昭６０−４４１９８号公報

本発明は、伸線性等のワイヤ生産性が良好であると共に、溶接金属の耐割れ性に優れ、溶接作業性の良好な低温用鋼溶接用のＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。

まず、前記課題の一つである伸線性の課題の改善について、外皮にＮｉ−Ｃｒ系やＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ、Ｎｉ−Ｍｏ系のＮｉ基合金を適用した場合加工硬化しやすく、また焼鈍等の軟化熱処理工程が無い場合は、断線しやすく生産性に課題があった。そのため伸線性の改善には、加工硬化の生じにくい高Ｎｉ外皮の適用が好ましい。しかし高Ｎｉ外皮であっても、外皮中のＣ量が多い場合、ダイスによる引抜き伸線またはカセットローラダイスによる圧延伸線加工の際、ワイヤ表面が局部的に４００℃以上の高温にさらされ、炭化物がワイヤ表層面に析出して局部硬化を生じ、延性を損なって断線の原因となることを明らかとした。

そこで本発明者らは、伸線性を改善するため、極低Ｃで高Ｎｉのフープを外皮として適用し、伸線加工の際に生じる炭化物の析出を抑制することで生産性が良好となることを見いだした。

次に、もう一つの課題である溶接金属の耐割れ性について、低融点化合物を生じやすく、高温割れの原因となるＳおよびＢｉを低減することが重要であると知られている。しかし溶接材料には不純物として避けられない極微量のＳおよびＢｉが含まれ、極微量のこれら元素に起因する割れが生じやすい。特にＮｉ基合金溶接金属はオーステナイト単相組織で、低融点化合物の生成が生じやすく、微量であっても割れが生じやすい。これを防止する技術として、他の元素を添加し、割れに影響しにくい硫化物を生成させて耐割れ性を向上させることが重要である。Ｓについては、低融点化合物生成の防止を目的にＭｎを添加し、溶接金属中にＭｎＳの硫化物とすることで、耐割れ性を向上させる技術が従来から使用されてきた。しかしＭｎ添加のみの場合、目視で確認できる割れを防止することはできたが、光学顕微鏡等で確認すると、オーステナイト粒界に、ミクロ割れが生じていることがわかった。

そこで本発明者らは、このミクロ割れを防止するため種々検討を重ねた結果、ＭｎとＭｇの両方を添加することで、ＳおよびＢｉの低融点化合物の生成を抑制し、耐割れ性の良好な溶接金属を得ることができる知見を得た。

さらに、スラグ形成剤であるＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３および金属弗化物の含有量を適量とすることによって溶接作業性の良好な低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤを得ることができた。

本発明は、以上に列記した新たな知見によってなされたものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。

低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮はＣが０．０２質量％未満でＮｉを９８質量％以上含有し、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、Ｍｎ：１〜８％、Ｍｇ：０．０２〜０．５％を含有し、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０１％以下とし、下記（１）式を満足し、その他はスラグ形成剤、合金剤、鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする。
Ｍｎ＋１００×Ｍｇ≧１０００×（Ｓ＋Ｂｉ）・・・（１）

また、スラグ形成剤はフラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＴｉＯ_２：０．１〜１０％、ＳｉＯ_２：０．２〜３％、ＺｒＯ_２：０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５％、金属弗化物の1種または２種以上の合計：０．１〜１０％を含有することも特徴とする低温鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ。

本発明の低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤによれば、伸線性等のワイヤ生産性が良好であると共に、溶接作業性が良好で、溶接金属の耐割れ性に優れ高品質の溶接金属を得ることができる。

本発明は、極低Ｃで高Ｎｉの外皮およびフラックスからの合金組成（合金材）およびスラグ形成剤、鉄粉を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。

まず、外皮として高Ｎｉを用いる理由は、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系およびＮｉ−Ｍｏ系のＮｉ基合金に比べ安価で経済性に優れると共に、伸線加工性に優れるためである。また、高Ｎｉ外皮中のＣを０．０２質量％（以下、％という。）未満、好ましくは０．００５％以下にすることによって、伸線中に生じる炭化物析出を抑制し、良好な伸線性を得ることができる。なお本発明の高Ｎｉ外皮とは実質的にＮｉからなるものを意味し、Ｎｉを９８％以上含み、上記Ｃの他に、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎ、Ｏ等の不可避的不純物を含む。

次に、外皮およびフラックスに含まれる成分（ワイヤ成分）として、Ｍｎは溶接金属中のＳを固定し、割れに有害な低融点の硫化物の生成を抑制し、ＭｎＳとなって耐割れ性を向上させる目的で添加する。Ｓ固定の能力としては、後述のＭｇよりも劣るため、Ｍｇの補助として添加する。一方、Ｓと同様に割れに有害なＢｉの固定については、ＭｎＢｉとなって耐割れ性を向上させる。Ｍｎが１％未満ではその効果が十分に得られない。一方、８％を超えて添加すると、溶接作業性のスラグ剥離性が劣化する。従って、Ｍｎは１〜８％、好ましくは１．４〜７．２％にする必要がある。Ｍｎは、外皮に含まれる他、フラックスとして金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｓｉ−Ｍｎ等から添加できる。

Ｍｇは、Ｍｎと同様に溶接金属中のＳを固定し、ＭｇＳとなって耐割れ性を向上させる目的で添加する。割れに有害なＳを固定する効果はＭｎよりも高く、少量の添加でＭｇＳを生成し、耐割れ性を向上させる。特にミクロ割れのような微小なＳの偏析に起因する割れの防止にはＭｇ添加の効果がある。Ｍｇが０．０２％未満では、その効果が十分に得られない。一方、０．５％を超えて添加すると、アークの安定性を劣化させる。従って、Ｍｇは、０．０２〜０．５％、好ましくは０．１〜０．４％とする必要がある。Ｍｇの添加は、フラックスから金属Ｍｇ、Ｆｅ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等から添加できる。

Ｓは割れに有害であり、できる限り低くすることが好ましい。しかし外皮およびフラックスからの不純物として極微量含有するため、その上限を０．０１％以下、好ましくは０．００７％以下とする必要がある。０．０１％を超えた場合、割れの防止に有効なＭｎおよびＢｉが多量に含有されていても、割れの発生を抑制することができない。

ＢｉもＳと同様に割れに有害であり、できる限り低くすることが好ましい。しかしフラックスから不純物として極微量含有するため、その上限を０．０１％以下、好ましくは０．００７％以下とする必要がある。０．０１％を超えた場合、割れの防止に有効なＭｎおよびＢｉが多量に含有されていても、割れの発生を抑制することができない。

下記（１）式で示される、Ｍｎ＋１００×Ｍｇ≧１０００×（Ｓ＋Ｂｉ）は、良好な耐割れ性を確保するための指標であり、目視で確認できる割れの他、顕微鏡等で確認される微小なミクロ割れの発生を促進するＳおよびＢｉの含有量よりも、その割れを防止するＭｎおよびＭｇ含有量が高いことを示す。本式の関係が保たれていない場合、割れが発生する。本式の係数は、Ｍｎを１とした場合、ＭｇはＳの固定の能力として１００倍を示す。一方、割れに有害なＳおよびＢｉは、微小な偏析に起因するミクロ割れを考慮して１０００倍の割れやすさを示し、ＳおよびＢｉが限りなく０に近い場合、微量のＭｎおよびＭｇの添加で割れを防止できることを表す。
Ｍｎ＋１００×Ｍｇ≧１０００×（Ｓ＋Ｂｉ）・・・（１）

また、スラグ形成剤としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、金属弗化物等が使用できる。その添加量は、ワイヤ全質量に対してＴｉＯ_２は０．１〜１０％、ＳｉＯ_２は０．２〜３％、ＺｒＯ_２は０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３は０．１〜５％、金属弗化物の１種または２種以上の合計は０．１〜１０％であることが好ましい。

ＴｉＯ_２は、被包性の良いスラグを形成する目的で添加する。０．１％未満ではその効果が十分に得られずビード形状が不良となる。一方、１０％を超えて添加すると、スパッタ発生量が多くなる。従って、ＴｉＯ_２は０．１〜１０％であることが好ましい。

ＳｉＯ_２は、ビードを整え、平滑なビード形状を得る目的で添加する。０．２％ではその効果が十分に得られずビード形状が不良となる。一方、３％を超えて添加すると、スラグの被包性が悪くなってビード形状が不良となる。従って、ＳｉＯ_２は０．２〜３％であることが好ましい。

ＺｒＯ_２は、ＴｉＯ_２と同様に被包性の良いスラグを形成する目的で添加する。０．１％ではその効果が十分に得られずビード形状が不良となる。一方、５％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、ＺｒＯ_２は０．１〜５％であることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３は、スラグの流動性を安定化させ、スパッタを抑制する目的で添加する。０．１％未満では、その効果が十分に得られない。一方、５％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、Ａｌ_２Ｏ_３は０．１〜５％であることが好ましい。

金属弗化物の１種または２種以上の合計は、スラグの剥離性を向上する目的で添加する。０．１％未満ではその効果が十分に得られない。一方、１０％を超えて添加すると、スパッタが多くなる。従って、金属弗化物の１種または２種以上の合計は０．１〜１０％であることが好ましい。なお、金属弗化物として、ＣａＦ_２、ＮａＦ、ＡｌＦ_３等を使用することができる。

その他の合金成分として、溶接金属の機械的性質の調整を目的として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｏ等を添加できる。その添加量としてはワイヤ全質量に対して、Ｃは０．３％以下、Ｓｉは０．５％以下、Ｍｏは１５％以下であることが好ましい。

また、溶接作業性の調整として、鉄粉を８％以下添加することができる。
なお、フラックス入りワイヤにおいては、スラグ形成剤、合金剤、鉄粉を含有させることは通常の技術手段である。

以上、本発明の低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ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。
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。フラックス充填率は、伸線性および溶接作業性から１５〜３０％とすることが好ましい。

以下に実施例によって本発明の効果を具体的に説明する。

表１に示す化学成分の外皮を用いて表２に示す組成のＮｉ基合金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１８〜２３％とした。

製造時の伸線性は、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、丸形に成形したフラックス入りワイヤ（線径４．０ｍｍ、質量１００ｋｇ）について孔ダイスによる引抜き伸線およびカセットローラダイスによる圧延伸線を実施し、焼鈍等の熱処理なしで１．２ｍｍまで伸線した際、断線の有無により評価した。

溶接作業性試験は、水平すみ肉溶接を行った。溶接条件は、シールドガス８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂（流量２０〜２５ｌ／ｍｉｎ）、溶接電流（ＤＣ電極＋）２３０Ａ、溶接電圧２８Ｖ、溶接速度３５ｃｍ／ｍｉｎで実施して、アークの安定性、スパッタ発生量、スラグ剥離性およびビード形状を調査した。母材は９％Ｎｉ鋼とし、板厚１２ｍｍを使用した。

耐割れ性は、上記の溶接作業性調査に用いた水平すみ肉溶接について、ビード表面の染色浸透探傷試験及び溶接部の放射線透過試験を実施し、割れの有無を確認した。それらの試験結果を表３にまとめて示す。

表２および表３中ワイヤＮｏ．１〜５は本発明例、ワイヤＮｏ．６〜１５は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．１〜５は、外皮のＣおよびＮｉが適量であるので伸線性が良好で、ワイヤのＭｎ、Ｍｇ、Ｓ、ＢｉおよびＳとＢｉ量に対するＭｎとＭｇ量も適正であるので割れが生じず、さらにスラグ形成剤それぞれの量も適量であるので溶接作業性が良好であるなど極めて満足な結果であった。

これに対して、本発明の条件を満たしていない比較例ワイヤＮｏ．６〜１５は、伸線性、アーク安定性、スパッタ発生量、スラグ剥離性、ビード形状、割れの発生等のいずれかが劣っていて、満足な結果が得られなかった。以下比較例について具体的に説明する。

比較例中ワイヤＮｏ．６は、使用した外皮記号Ｗ２のＣが多いので伸線時に断線が生じた。また、ＴｉＯ_２が少ないのでスラグ被包性が悪くビード形状が不良であった。

ワイヤＮｏ．７は、使用した外皮Ｗ３のＮｉが少ない（Ｃｒが多い）ので伸線時に断線が生じた。また、ＴｉＯ_２が多いのでスパッタ発生量が多かった。

ワイヤＮｏ．８は、使用した外皮Ｗ４のＮｉが少ない（Ｃｒ、Ｍｏが多い）ので伸線時に断線が生じた。また、ＳｉＯ_２が少ないのでビード形状が不良であった。

ワイヤＮｏ．９は、Ｍｎが少ないので割れが生じた。また、ＳｉＯ_２が多いのでスラグ被包性が悪くビード形状が不良であった。

ワイヤＮｏ．１０は、Ｍｎが多いのでスラグ剥離性が不良であった。また、ＺｒＯ_２が少ないのでスラグ被包性が悪くビード形状も不良であった。

ワイヤＮｏ．１１は、Ｍｇが少ないので割れが生じた。また、Ａｌ_２Ｏ_３が少ないのでスパッタ発生量が多くビード形状も不良であった。

ワイヤＮｏ．１２は、Ｍｇが多いのでアークが不安定であった。また、ＺｒＯ_２が多いのでスラグ剥離性も不良であった。

ワイヤＮｏ．１３は、Ｓが多いので割れが生じた。また、Ａｌ_２Ｏ_３が多いのでスラグ剥離性が不良であった。

ワイヤＮｏ．１４は、Ｂｉ多いので割れが生じた。また、金属弗化物の合計が少ないのでスラグ剥離性が不良であった。

ワイヤＮｏ．１５は、Ｍｎ＋１００×Ｍｇの値が１０００×（Ｓ＋Ｂｉ）の値よりも低いので割れが生じた。また、金属弗化物の合計が多いのでスパッタ発生量が多かった。

Claims (2)

1. 低温用鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮はＣが０．０２質量％未満でＮｉを９８質量％以上含有し、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、Ｍｎ：１〜８％、Ｍｇ：０．０２〜０．５％を含有し、Ｓ：０．０１％以下、Ｂｉ：０．０１％以下とし、下記（１）式を満足し、その他はスラグ形成剤、合金剤、鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする低温鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ。
   Ｍｎ＋１００×Ｍｇ≧１０００×（Ｓ＋Ｂｉ）・・・（１）
2. スラグ形成剤はフラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＴｉＯ_２：０．１〜１０％、ＳｉＯ_２：０．２〜３％、ＺｒＯ_２：０．１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５％、金属弗化物の1種または２種以上の合計：０．１〜１０％を含有することを特徴とする請求項１に記載の低温鋼溶接用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ。