JP2013091082A - 低温用鋼のサブマージアーク溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、優れた機械性能の溶接金属が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】ワイヤ全質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０８〜０．６％、Ｍｎ：１．２〜３．２％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜０．６％、ＣａＦ2：２〜１２％、金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％、アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ及びＬｉ2Ｏ換算値の合計：０．０２〜０．２％を含有し、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下であるフラックス入りワイヤと、質量％で、ＳｉＯ2：８〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：２５〜４０％、ＭｇＯ：０．５〜８．０％、ＭｎＯ：５．５〜１１％、ＣａＯ：５〜２０％、ＣａＦ2：２５〜４５％、アルカリ金属酸化物の合計：０．１〜３．０％を含有する溶融型フラックスとを組合せて溶接する。
【選択図】なし
【解決手段】ワイヤ全質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０８〜０．６％、Ｍｎ：１．２〜３．２％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜０．６％、ＣａＦ2：２〜１２％、金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％、アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ及びＬｉ2Ｏ換算値の合計：０．０２〜０．２％を含有し、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下であるフラックス入りワイヤと、質量％で、ＳｉＯ2：８〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：２５〜４０％、ＭｇＯ：０．５〜８．０％、ＭｎＯ：５．５〜１１％、ＣａＯ：５〜２０％、ＣａＦ2：２５〜４５％、アルカリ金属酸化物の合計：０．１〜３．０％を含有する溶融型フラックスとを組合せて溶接する。
【選択図】なし
Description
本発明は、ＬＰＧ貯蔵タンク、低温用機器、寒冷地向け鋼構造物等の溶接に使用される低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に関し、特に高速度の溶接条件においても優れた機械性能の溶接金属、ビード形状及び溶接作業性が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に関するものである。
サブマージアーク溶接は、高能率で安定した溶接作業性及び溶接金属の機械的性能が得られることから、造管、鉄骨、橋梁、車両等の幅広い分野で適用されている。近年、エネルギー産業の発展に伴い、低温用鋼は幅広く用いられており、年々使用比率が増加している。そこで、サブマージアーク溶接においては、低温用鋼を用いた施工における生産性の向上や安全性、耐久性の確保のため、更なる品質向上が求められており、その中でも特に溶接の高能率化と溶接金属の高靭性化の要望が極めて大きい。
従来、低温用鋼のサブマージアーク溶接には、フラックスとして溶融型のフラックス及び焼成型のフラックスが用いられ、ワイヤとしてフラックスの成分に合わせてソリッドワイヤが主に使用されている。溶融型フラックスは、各種鉱物原材料を１５００℃以上の高温度で溶融し、冷却後粉末状に粉砕したものであり、吸湿が少なく、溶接金属の拡散性水素量を低くすることができ、取扱や保管が容易であるという特徴がある。一方、焼成型フラックスは、各種原材料に水ガラス等を添加して造粒し、５５０℃程度で焼成したものであり、溶接金属の化学成分を自由に調整できるという優れた特徴があるが、吸湿しやすいという欠点がある。
低温用鋼のサブマージアーク溶接には、溶接金属の高靭性化、高速度化、安定した品質確保のため、特に溶融型フラックスを適用することが多い。しかし、溶融型フラックスは溶接金属の化学成分を自由に調整することができないので、溶接金属の高靭性化のためには塩基度を高め、溶接金属の酸素量を低くしなければならない。ただし、単に塩基度を高めるだけでは高靭性化の限界があり、また、正常なビード形状及び良好な溶接作業性を得ることはできない。そこで、溶接金属の化学成分を調整し、高靭性化するためにはソリッドワイヤにＮｉ、Ｍｎ、Ｍｏ等の合金成分を含有させる必要がある。しかし、ワイヤの合金成分量の増加は、ワイヤ自体の高強度化を招き、溶接用ワイヤ製造の伸線加工時に、加工硬化が加わりさらにワイヤが硬化する。ワイヤの硬化はダイス磨耗や断線の原因となるため、製造が困難となる。そこで、一般的には伸線途中で熱処理を行いワイヤの強度を低下させるが、合金成分量が多い場合はワイヤの変態温度が低下するため、焼なまし処理により軟化を行う場合には長時間の保持が必要になる。また、高温の焼ならし処理により軟化を行う場合では、高強度の組織に変態しやすい。したがって、ワイヤを軟化するためには熱処理温度を低く設定し、長時間の保持や徐冷が必要となるため、生産性が非常に悪くなる。
また、高強度のソリッドワイヤを使用して溶接した場合は、ワイヤの矯正が困難となり、開先中心とのセンターずれが起きやすく、良好なビードが得られない。このように高強度のソリッドワイヤを用いた場合は生産性及び溶接性が低下するという問題があった。
そこで、サブマージアーク溶接用の種々のフラックス入りワイヤが開発されてきた。しかし、高靭性の溶接金属を得るためには溶接金属の酸素量を低くする必要があり、また低温用鋼の溶接は低温割れ（水素割れ）が発生しやすいためフラックス入りワイヤを低水素化する必要があり、これまでのフラックス入りワイヤでは適用が困難であった。
また、ソリッドワイヤの生産性やワイヤ送給性等の溶接性を考慮し、合金成分の少ない低強度のワイヤを使用し、合金成分の添加量を調整できる焼成型フラックス（ボンドフラックス）を適用した溶接方法も提案されている。しかし、焼成型フラックスは溶融型フラックスに比べてフラックスの溶融速度が遅いため、高速溶接に適用することは難しく、また、吸湿しやすいことや溶接金属の靭性のバラツキが若干発生すること、ビード形状が若干凸形状になること等の問題がある。このように、焼成型フラックスでは、高速溶接において良好な溶接作業性が得られにくいという問題がある。
これらの点を考慮し、良好な溶接金属の機械性能及び溶接作業性が得られるサブマージアーク溶接用溶融型フラックスの開発や、ワイヤの生産性及び溶接性が良好なサブマージアーク溶接用ワイヤの開発が試みられている。
例えば、特開平６−２８５６７９号公報（特許文献１）には、高速のサブマージアーク溶接における溶接作業性と低温靭性の改善を図った溶融型フラックスが開示されている。しかし、同文献の開示技術では、フラックス成分のＳｉＯ2が高いため溶接金属の酸素量が高くなり、高靭性化の要求に対しては不十分なものとなるという問題がある。また、同文献の開示技術では、フラックス成分のＭｇＯが高いためフラックスの軟化溶融点が高くなり、ビード表面に突起物が発生し易くなるうえ波目が粗くなり、スラグ剥離性及びビード外観が不良となるという問題がある。
また、特開平８−１８７５９３号公報（特許文献２）には、フラックスの粒度調整による溶接作業性改善や溶接金属の酸素量低減による靭性向上を図った溶融型フラックスが開示されている。しかし、同文献の開示技術では、フラックス成分のＡｌ2Ｏ3が少量しか添加されていない。Ａｌ2Ｏ3は良好なスラグ剥離性及びビード外観を得るためには極めて重要な成分であり、またアーク安定性を良好にする効果もあるため、特許文献２に記載のＡｌ2Ｏ3添加量ではそれらの効果が十分に得られないという問題がある。
また、特開２００６−１４２３７７号公報（特許文献３）には、ワイヤの引張強度の低いサブマージアーク溶接用複合ワイヤが開示されており、ワイヤの生産性及び送給性の改善を図ろうとする点が開示されている。しかし、このフラックス入りワイヤは、ワイヤ断面形状が継ぎ目を有するフラックス入りワイヤであるので、大気中の水分を吸湿し易い傾向がある。したがって、フラックスの水分量を減少しただけでは不十分であり、溶接金属中の拡散性水素量が増加して溶接後に低温割れが発生し易くなるという問題がある。
また、特開昭４８−８５４４３号公報（特許文献４）には、充填するフラックスに高塩基性のスラグ形成成分を含有し、中性フラックス又は弱塩基性フラックスと組合せて使用することにより、良好な溶接作業性及び高靭性の溶接金属が得られる潜弧溶接用複合ワイヤが開示されている。しかし、同文献の開示技術では、充填するフラックス中にＣａＦ2のようなスラグ形成剤成分を多量に含んでいるため、合金成分が不足し、溶接金属のより一層の高靭性化の要求に対しては不十分であるという問題がある。
また、特開昭４９−１０３８５８号公報（特許文献５）には、サブマージアーク溶接用高靭性複合ワイヤが開示されており、溶接金属の高靭性化と溶接作業性の改善を図ろうとする点が開示されている。しかし、特許文献５に記載のワイヤでは、ワイヤ成分や充填フラックス成分について十分な検討がなされておらず、溶接金属の高靭性化と良好な溶接作業性との両立を図りつつ更なる高性能化を図るうえで不十分であるという問題がある。
また、本出願人は、特開２０１０−１２５５０９号公報（特許文献６）において低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ及び溶接方法を提案した。しかし、特許文献６に記載のフラックス入りワイヤ及び溶融型フラックス成分にはアルカリ金属化合物等のアーク安定剤がほとんど添加されていないため、高速度の溶接条件において安定かつ良好な溶接作業性を得ることができないという問題があった。
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、特に高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、優れた機械性能の溶接金属が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記課題を解決するために、フラックス入りワイヤの化学成分、ワイヤの全水素量及び組合せる溶融型フラックスの化学成分等について詳細に検討を行った。その結果、フラックス入りワイヤの化学成分、ワイヤの全水素量を限定し、さらに組合せる溶融型フラックスの化学成分を限定することにより、低温用鋼の高速サブマージアーク溶接において、高靭性の溶接金属を得ることができ、良好な溶接作業性及びビード形状が得られ、溶接金属の拡散性水素量が低く、溶接欠陥のない高品質な溶接部を得ることができることを見出した。
すなわち、本発明の要旨は、フラックス入りワイヤのワイヤ全質量％で、鋼製外皮と充填フラックスの一方又は両方の合計で、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０８〜０．６％、Ｍｎ：１．２〜３．２％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜０．６％を含有し、かつ充填フラックスに、ＣａＦ2：２〜１２％、金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％、アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値、Ｋ2Ｏ換算値及びＬｉ2Ｏ換算値の１種又は２種以上の合計：０．０２〜０．２％を含有し、残部が鋼製外皮のＦｅ、合金粉中のＦｅ、鉄粉及び不可避不純物からなり、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下であるサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤと、質量％で、ＳｉＯ2：８〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：２５〜４０％、ＭｇＯ：０．５〜８．０％、ＭｎＯ：５．５〜１１％、ＣａＯ：５〜２０％、ＣａＦ2：２５〜４５％、アルカリ金属酸化物の１種又は２種以上の合計：０．１〜３．０％を含有し、残部がＦｅＯ及び不可避不純物である溶融型フラックスとを組合せて溶接することを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法にある。
本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法によれば、低温用鋼の高速サブマージアーク溶接において、溶接金属中の酸素量及び窒素量が低く高靭性の溶接金属を得ることができ、良好な溶接作業性及びビード形状が得られ、溶接金属の拡散性水素量を低くすることができるので、溶接欠陥のない高品質の溶接部を得ることができる。
本発明者らは、前記課題を解決するために、フラックス入りワイヤの鋼製外皮と充填フラックスとの合計でのワイヤの化学成分、充填フラックスの化学成分、ワイヤの全水素量及びワイヤに組合せる溶融型フラックスの化学成分等について鋭意検討した。
溶接金属の高靭性化については、溶接金属の酸素バランス及び合金元素添加による結晶粒組織の適正化が最も重要である。そこで本発明者らは、まず、ワイヤ自体の強度を上げずに、必要な合金成分を自由に調整できるフラックス入りワイヤの適用を検討した。
フラックス入りワイヤの化学成分については、溶接金属の強度及び靭性を確保するためにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＭｏの量を調整した。また、低温における靭性確保のためにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＣａＦ2量を調整して溶接金属の酸素量を低減し、金属炭酸塩を適量含有させて溶接金属の窒素量の低減を図った。さらに、ワイヤの全水素量を低減することによって拡散性水素量を低下した。
また、高速度化及び溶接金属の高靭性化に関しては、前記フラックス入りワイヤと組合せるフラックスも重要である。そこで、フラックスとしては溶融型フラックスを適用することとし、これにより高速度の溶接を可能とした。
また、溶接作業性を損なうことなく良好な溶接金属機械的性能を維持するためにはＡｌ2Ｏ3の添加増量が必須である。Ａｌ2Ｏ3は良好なスラグ剥離性及びビード外観を得るための極めて重要な成分である。さらに、高速度の溶接におけるビード形状の確保はＭｎＯの適量添加で可能なことが判明した。Ａｌ2Ｏ3の添加増量及びＭｎＯの適量化により良好なスラグ剥離性及びビード外観を得ることが可能となったが、長時間の高速度の溶接になると安定したアーク状態を維持することが困難であった。そこで、安定したアーク状態を確保するためにアルカリ金属酸化物の適量添加を行った。
しかし、アルカリ金属酸化物の添加については、単純に溶融型フラックスに添加するだけでは改善効果が得られない。これは、多量に添加するとビード表面の光沢が失われ、ビード外観が劣化し、アルカリ金属酸化物の最大添加量が限定されるためである。このことから、高速度の溶接において安定したアーク状態を保つためには、ある一定以上のアルカリ金属酸化物の添加が必要となるため、溶融型フラックスへのアルカリ金属酸化物の添加のみでは改善できないことが分かった。
そこで、新たに見出したのがワイヤの充填フラックスへのアルカリ金属化合物の添加である。ワイヤの充填フラックスへの添加は、溶融型フラックスに比べて少量しか添加することができないが、サブマージアーク溶接の場合、ワイヤ中の充填フラックスに添加されたアルカリ金属化合物が直接アーク雰囲気又は溶融プールに作用するため、少量添加でもアーク状態が著しく安定する傾向が認められた。
以上のことから、フラックス入りワイヤの化学成分、充填フラックスの化学成分及びワイヤの全水素量を限定し、さらに組合せる溶融型フラックスの化学成分を限定することにより、低温用鋼の高速サブマージアーク溶接において、高靭性の溶接金属を得るとともに、良好な溶接作業性及びビード形状が得られ、溶接金属の拡散性水素量が低く、溶接欠陥のない高品質な溶接部を得ることができることを見出した。
本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、以下、本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法の詳細について更に説明する。
サブマージアーク溶接は、溶接に先行してあらかじめ粒状のフラックスを溶接線に沿って散布しておき、そのフラックス中に溶接用ワイヤを連続的に送給し、その溶接用ワイヤと母材との間でアークを発生させて行う溶接法である。本発明においては、以下に説明するようなフラックス入りワイヤと溶融型フラックスとを組合わせて低温用鋼を溶接することとしている。ここでいう低温用鋼とは、その一例を挙げると、アルミキルド鋼、低温用高張力鋼、２．５％Ｎｉ鋼等が挙げられるが、これらに限定するものではない。
まず、本発明に用いられるフラックス入りワイヤの化学成分、ワイヤに充填される充填フラックスの化学成分及びワイヤの全水素量の限定理由について説明する。なお、以下においては、ワイヤの化学成分及び充填フラックスの化学成分をワイヤの全質量に対する割合であるワイヤ全質量％で表すものとし、そのワイヤ全質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。また、ここでいうワイヤの化学成分（以下、単にワイヤ成分という。）とは、鋼製外皮と充填フラックスの一方又は両方に含有されるものの合計での化学成分のことをいう。
ワイヤ成分のＣは、固溶強化により溶接金属の強度を確保するうえで重要な元素であると共に、アーク中の酸素と反応しアーク雰囲気及び溶接金属の酸素量を低減する脱酸効果がある。ワイヤ成分のＣが０．０３％未満では、強度確保の効果が不十分であるうえ、脱酸効果が不十分となり靭性も低下する。一方、ワイヤ成分のＣが０．１５％を超では、溶接金属のＣ量が多くなるためマルテンサイト主体の組織となり、強度が高くなりすぎ靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＣは０．０３〜０．１５％とする。
ワイヤ成分のＳｉは、溶接金属の強度及び靭性向上に重要な元素であり、溶接中に酸素と結合してスラグ成分となり、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。ワイヤ成分のＳｉが０．０８％未満では、溶接金属の強度が低くなるうえ、酸素量が多くなって靭性が低下する。一方、ワイヤ成分のＳｉが０．６％を超では、溶接金属のマトリックスを固溶強化するが、フェライト結晶粒を粗大化させるため、著しく靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＳｉは０．０８〜０．６％とする。
ワイヤ成分のＭｎは、焼入れ性を向上させて溶接金属の強度、靭性を高めるのに有効な成分である。ワイヤ成分のＭｎが１．２％未満では、焼入れ性が不足して強度、靭性が低くなる。一方、ワイヤ成分のＭｎが３．２％超では、焼入れ性が過多となり、溶接金属の強度が高くなりすぎ靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＭｎは１．２〜３．２％とする。
ワイヤ成分のＮｉは、溶接金属の靭性を向上させるのに有効な成分である。ワイヤ成分のＮｉが０．５％未満では、その効果が十分に得られず靭性が低下する。一方、ワイヤ成分のＮｉが３．５％超では、Ｎｉがオーステナイト安定化元素であるため、オーステナイト粒径を粗大化させて溶接金属の靭性を劣化させる。したがって、ワイヤ成分のＮｉは０．５〜３．５％とする。
ワイヤ成分のＭｏは、溶接金属の強度を確保するうえで有効な成分である。ワイヤ成分のＭｏが０．０３％未満では、その効果が十分に得られず強度が低くなる。一方、ワイヤ成分のＭｏが０．６％超では、溶接金属中に金属間化合物を生成し、溶接金属を著しく硬化させて靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＭｏは０．０３〜０．６％とする。
充填フラックスのＣａＦ2は、溶接金属の靭性向上に重要な元素であり、溶接中にアーク雰囲気中の酸素分圧を下げ、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。充填フラックスのＣａＦ2が２％未満では、溶接金属中の酸素量が高くなり靭性が低下する。一方、充填フラックスのＣａＦ2が１２％超では、アークが不安定となり、またワイヤ中のスラグ成分が増えるため、溶着量が減少し、溶着効率を低下させる。したがって、充填フラックスのＣａＦ2は２〜１２％とする。
充填フラックスの金属炭酸塩は、溶接金属の靭性向上に重要な元素であり、溶接中に金属炭酸塩が分解してＣＯ又はＣＯ2ガスがアーク雰囲気中の窒素分圧を下げ、溶接金属の窒素量を低減する効果がある。充填フラックスの金属炭酸塩のＣＯ2分が０．０５％未満では、溶接金属中の窒素量が高くなり靭性が低下する。一方、充填フラックスの金属炭酸塩のＣＯ2分が０．７％超では、溶接ビード表面にポックマークやアンダーカット、更にはブローホールが発生し易くなる。したがって、充填フラックスの金属炭酸塩のＣＯ2分は０．０５〜０．７％とする。
なお、金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＭｎＣＯ3を用いることができる。
充填フラックスのアルカリ金属化合物は、高速度の溶接において安定したアーク状態を得るためには極めて重要な成分である。アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値、Ｋ2Ｏ換算値及びＬｉ2Ｏ換算値の１種又は２種以上の合計が０．０２％未満では、その効果が十分に得られずアークが不安定となる。一方、アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値、Ｋ2Ｏ換算値及びＬｉ2Ｏ換算値の１種又は２種以上の合計が０．２％超では、ビード表面の光沢が失われてビード外観が劣化し、さらに溶接ヒュームの発生量が著しく増加する。したがって、アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値、Ｋ2Ｏ換算値及びＬｉ2Ｏ換算値の１種又は２種以上の合計は０．０２〜０．２％とする。
なお、ここでいうアルカリ金属化合物とは、珪酸ソーダや珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、弗化ソーダ、弗化リチウム及び珪弗化カリ等の弗素化合物、カリ長石やチタン酸リチウム等の複合化合物のことをいう。
フラックス入りワイヤに含まれる全水素量は、多くなるほど溶接時に水素ガス量が増大し、ブローホールやピット、ポックマーク等の溶接欠陥が発生し易くなる。また、フラックス入りワイヤの全水素量は、多くなるほど溶接金属の拡散性水素量が多くなるため、低温割れが発生し易くなる。したがって、溶接欠陥や低温割れを防ぐためには、ワイヤの全水素量を５０ｐｐｍ以下にする必要がある。
また、その他、不可避的不純物としてのＰ及びＳは、共に低融点の化合物を生成して、靭性を低下させるため、できるだけ低いことが好ましい。
次に、溶融型フラックスの化学成分について説明する。なお、以下においては、溶融型フラックスの化学成分を溶融型フラックスの全質量に対する割合である質量％で表すものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。
ＳｉＯ2は、良好な溶接ビードを形成するための重要な成分であるが、過多になると溶接金属中の酸素量が増加して靭性が劣化する。ＳｉＯ2が８％未満ではビード趾端部のなじみが悪くなり、スラグ剥離性が劣化し、また特に高速度の溶接においてはアンダーカットが生じ易くなる。一方、ＳｉＯ2が２５％超では、溶接金属の酸素量が増加して靭性が劣化する。したがって、ＳｉＯ2は８〜２５％とする。
Ａｌ2Ｏ3は、高速度の溶接で良好なスラグ剥離性及びビード外観を得るためには極めて重要な成分である。また、Ａｌ2Ｏ3は、アーク安定性を良好にする効果もある。Ａｌ2Ｏ3が２５％未満ではそれらの効果が十分に得られない。一方、Ａｌ3Ｏ3が４０％超では、凸ビードとなりスラグ剥離性も不良になる。したがって、Ａｌ2Ｏ3は２５〜４０％とする。
ＭｇＯは、スラグの耐火性及び塩基度を向上させる効果がある。ＭｇＯが０．５％未満ではフラックスの塩基度が低くなり、溶接金属中の酸素量が増加して靭性が劣化する。一方、ＭｇＯが８．０％超では、フラックスの軟化溶融点が高くなり、ビード表面に突起物が発生し易くなるうえ波目が粗くなり、スラグ剥離性及びビード外観が不良となる。したがって、ＭｇＯは０．５〜８．０％とする。
ＭｎＯは、スラグの粘性、流動性及び融点の調整をするのに有効な成分である。ＭｎＯが５．５％未満ではスラグの粘度が低下して流動性が劣化し、特に高速度の溶接においてはビード蛇行及びアンダーカットが生じ易くなる。一方、ＭｎＯが１１％超では、スラグの粘度が高くなりすぎてスラグ巻き込み、焼き付きが発生し易くなるうえスラグ剥離性が劣化する。したがって、ＭｎＯは５．５〜１１％とする。
ＣａＯは、スラグの融点及び流動性を調整するために重要な成分である。ＣａＯが５％未満ではビード趾端部のなじみが悪くビード外観が不良となり、高速度の溶接ではアンダーカットも生じ易くなる。一方、ＣａＯが２０％超では、スラグ流動性が不良となり、ビード高さが不均一でスラグ剥離性も不良になる。したがって、ＣａＯは５〜２０％とする。
ＣａＦ2は、靭性改善に効果があるが、融点が低いため過多になるとビードの平滑性が損なわれる。ＣａＦ2が２５％未満では靭性改善の効果が十分でなく、一方、ＣａＦ2が４５％超ではビード外観が不良となる。したがって、ＣａＦ2は２５〜４５％とする。
アルカリ金属酸化物は、高速度の溶接において安定したアーク状態を得るためには極めて重要な成分である。アルカリ金属酸化物の１種又は２種以上の合計が０．１％未満ではその効果が十分に得られない。一方、アルカリ金属酸化物の１種又は２種以上の合計が３．０％超では、ビード表面の光沢が失われ外観が劣化し、さらに溶接ヒュームの発生量が著しく増加する。したがって、アルカリ金属酸化物は０．１〜３．０％とする。
なお、ここでいうアルカリ金属酸化物としては、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｌｉ2Ｏの１種又は２種以上を組合せたものを用いることができる。
また、その他は、酸化鉄（ＦｅＯ等）及びＰ、Ｓ等の不可避的不純物であり、Ｐ及びＳは、共に低融点の化合物を生成して靭性を低下させるので、できるだけ低いことが好ましい。
なお、本発明に用いられるフラックス入りワイヤは、鋼製外皮をパイプ状に成形し、その内部に充填フラックスを充填した構造である。ワイヤの種類としては、鋼製外皮に貫通した継ぎ目の無いワイヤと、鋼製外皮に継ぎ目を有するワイヤとに大別できる。このうち、鋼製外皮に貫通した継ぎ目の無いワイヤは、ワイヤの全水素量を低減することを目的として、６５０〜１０００℃の温度域で焼鈍する熱処理が可能であるうえ、製造後の吸湿がないことから、拡散性水素量を低減して耐低温割れ性の向上を容易に実現できるので、より好ましい。また、鋼製外皮に継ぎ目を有するワイヤは、耐低温割れ性の向上を図る場合、水素含有量の低いフラックスの選定が必要である。
また、フラックス入りワイヤの外径は、安定したアーク、ワイヤ送給性、溶着効率向上を可能とした溶接をするために１．０〜４．０ｍｍとすることが好ましい。
また、充填フラックスのフラックス充填率は１０〜２５％であることが好ましい。フラックス充填率が１０％未満では、目的の高靭性化に対して必要な合金成分が不足して十分な機械的性能が得られない。一方、フラックス充填率が２５％超では、ワイヤ製造時に断線が多発して生産性が劣化する。また、フラックス充填率は、多くなると充填フラックスの酸素量が増加し、溶接金属の酸素量も増加するため、靭性が低下する。なお、フラックス充填率の調整は、充填フラックスに鉄粉を添加することにより行うことができる。
また、充填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、各限定した範囲内で配合成分を調整し、種々の鋼材（母材）の成分に応じたフラックス入りワイヤとすることができる。
また、溶接金属の酸素量を低下させるために、充填フラックスの主体は金属粉とし、スラグ形成剤となる酸化物等はできる限り添加しないことが望ましい。
また、溶融型フラックスの粒度構成は、溶融金属の大気とのシールド性及びガス抜けを考慮して１．４×０．２１ｍｍで、粒径が０．２１ｍｍ未満のフラックスが１２％以下であることが好ましい。
以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
表１に示す鋼製外皮を用いて表２に示す各種フラックス入りワイヤを試作し、その各種フラックス入りワイヤと表３に示す各種成分の溶融型フラックスとを組合せてサブマージアーク溶接試験を行った。この溶接試験では、多層盛溶接での溶接金属の機械的性能を評価するため、表４に示す板厚２５ｍｍの鋼板を、図１に示すような開先角度３０°、ルート間隔１３ｍｍの開先形状に加工し、表５に示す溶接条件及び図２に示す２ワイヤ１電極方式にて、溶接試験を実施した。また、この溶接試験では、溶接作業性を評価するため、水平すみ肉溶接で、表４に示す板厚２５ｍｍの鋼板を、図３に示すようにＴ字に組立て、ワイヤをセットし、表６に示す溶接条件にて２ワイヤ１電極方式で溶接長１ｍの溶接試験を実施した。
なお、表２に示すフラックス入りワイヤでは、表１に示すＦ１〜Ｆ３の鋼製外皮を用いた。Ｆ１の鋼製パイプは、フラックスを振動充填した後、縮径、焼鈍して素線とした。Ｆ２の帯鋼は、成型工程でＵ字型に成型してフラックスを充填し、Ｏ字型に成型してシーム部を溶接後、縮径、焼鈍して素線とした。Ｆ３の帯鋼は、成型工程でＵ字型に成型してフラックスを充填し、ラップ型に成型後、縮径して素線とした。さらに、それらの素線は２．０ｍｍ径まで伸線した。なお、ワイヤ全水素量は、２．０ｍｍ径のワイヤをＪＩＳ Ｚ ２６１４に準拠して不活性ガス融解法によって測定した。
また、表３に示す溶融型フラックスは、各種鉱物原材料を１５００℃以上の高温度で溶融し、冷却後粉末状に粉砕し、１．４×０．２１ｍｍの粒度に整粒したものを用いた。
各試作フラックス入りワイヤ及び組合せ溶融型フラックスの評価は、溶接金属の拡散性水素量、水平すみ肉溶接後のビード外観・形状、スラグ剥離性及びアンダーカットの有無、多層盛溶接後の溶接欠陥の有無、溶接金属の酸素量及び窒素量、引張強度及び靭性を調査することにより行なった。
溶接金属の拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８に準拠して表２に示す各種フラックス入りワイヤと表３に示す各種成分の溶融型フラックスを表７に示す組合せで測定した。拡散性水素量の評価は６（ｍｌ／１００ｇ）以下を良好とした。
多層盛溶接の溶接欠陥はＸ線透過試験で調査した。
溶接金属の機械的性能評価は、多層盛溶接試験体の鋼板表面下７ｍｍを中心にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ２２４２ Ｖノッチ試験片）及び引張試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４１ １０号）を採取して、機械試験を実施した。靭性の評価は−６０℃におけるシャルピー衝撃試験により行い、各々の組合せ毎に繰返し数３本の平均により評価した。なお、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーは１００Ｊ以上を良好とした。引張強度の評価は５５０ＭＰａ以上を良好とした。これらの調査結果を表７にまとめて示す。
表７中の試験記号Ｔ１〜Ｔ１０は本発明例、試験記号Ｔ１１〜Ｔ２４は比較例である。本発明例である試験記号Ｔ１〜Ｔ１０は、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０及び組合せたフラックス記号ＭＦ１〜ＭＦ１０が本発明の構成要件を満足しているので、拡散性水素量が低く、水平すみ肉溶接における溶接作業性が良好で、多層盛溶接部に欠陥が無く、溶接金属の機械的性能も優れており、極めて満足な結果であった。
比較例中の試験記号Ｔ１１は、ワイヤ記号Ｗ１４のＣが低いので、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値で引張強度も低くなり、さらにＣａＦ2が高いのでアークが不安定となった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１７のＭｎＯが高いのでスラグ剥離性が不良で、多層盛溶接ではスラグ巻き込み欠陥が生じた。
試験記号Ｔ１２は、ワイヤ記号Ｗ１６のＭｏが低いので溶接金属の引張強度が低く、さらに金属炭酸塩であるＢａＣＯ3のＣＯ2分が低いので溶接金属中の窒素量が高くなり吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ２１のアルカリ金属酸化物であるＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ及びＬｉ2Ｏの合計が高いのでビード表面の光沢が失われ外観が劣化した。
試験記号Ｔ１３は、ワイヤ記号Ｗ２０のＮｉが高いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
試験記号Ｔ１４は、フラックス記号ＭＦ１１のＳｉＯ2が低いのでビード外観及びスラグ剥離性が不良でアンダーカットも発生した。さらにＣａＦ2が低いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
試験記号Ｔ１５は、ワイヤ記号Ｗ１１がシーム有りタイプのワイヤであるのでワイヤ全水素量が高く、溶接金属の拡散性水素量が高くなり、多層盛溶接後のＸ線透過試験で溶接金属内部に割れ、ブローホールが発生していた。また、Ｓｉが高いのでフェライト結晶粒が粗大化し、吸収エネルギーが低値であった。さらに、組合せたフラックス記号ＭＦ２０のＣａＦ2が高いのでビード形状が不良であった。
試験記号Ｔ１６は、ワイヤ記号Ｗ１７のＳｉが低いので溶接金属の引張強度が低く、酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１９のＣａＯが低いのでビード外観が不良でアンダーカットも生じた。
試験記号Ｔ１７は、フラックス記号ＭＦ１２のＳｉＯ2が高いので溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。また、アルカリ金属酸化物が添加されていないのでアークが不安定となった。
試験記号Ｔ１８は、ワイヤ記号Ｗ１２のＭｎが低いので溶接金属の引張強度及び吸収エネルギーが低値であり、さらに金属炭酸塩であるＣａＣＯ3のＣＯ2分が高いので溶接ビード表面にポックマーク及びアンダーカットが発生し、多層盛溶接後のＸ線透過試験で溶接金属内部にブローホールが発生していた。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１８のＣａＯが高いのでビード外観及びスラグ剥離性が不良であった。
試験記号Ｔ１９は、ワイヤ記号Ｗ１８のＮｉが低いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１５のＭｇＯが高いのでビード外観及びスラグ剥離性が不良であった。
試験記号Ｔ２０は、ワイヤ記号Ｗ１５のＣが高いので溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であり、さらにアルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が高いのでビード表面の光沢が失われ外観が劣化した。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１４のＡｌ2Ｏ3が高いのでビード形状及びスラグ剥離性が不良であった。
試験記号Ｔ２１は、ワイヤ記号Ｗ１９のＭｎが高いので溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
試験記号Ｔ２２は、ワイヤ記号Ｗ１３のＣａＦ2が低いので溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であり、さらにアルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値が低いのでアークが不安定となった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１６のＭｎＯが低いのでビードが蛇行してアンダーカットも生じた。
試験記号Ｔ２３は、ワイヤ記号Ｗ２１のＭｏが高いので溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
試験記号Ｔ２４は、フラックス記号ＭＦ１３のＡｌ2Ｏ3が低いのでアークが不安定で、スラグ剥離性及びビード外観が不良であり、さらにＭｇＯが低いので溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。
１ 溶接チップ
２ ワイヤ
２ ワイヤ
Claims (1)
- フラックス入りワイヤのワイヤ全質量％で、鋼製外皮と充填フラックスの一方又は両方の合計で、
Ｃ：０．０３〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０８〜０．６％、
Ｍｎ：１．２〜３．２％、
Ｎｉ：０．５〜３．５％、
Ｍｏ：０．０３〜０．６％
を含有し、かつ、充填フラックスに、
ＣａＦ2：２〜１２％、
金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％、
アルカリ金属化合物のＮａ2Ｏ換算値、Ｋ2Ｏ換算値及びＬｉ2Ｏ換算値の１種又は２種以上の合計：０．０２〜０．２％
を含有し、残部が鋼製外皮のＦｅ、合金粉中のＦｅ、鉄粉及び不可避不純物からなり、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下であるサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤと、
質量％で、
ＳｉＯ2：８〜２５％、
Ａｌ2Ｏ3：２５〜４０％、
ＭｇＯ：０．５〜８．０％、
ＭｎＯ：５．５〜１１％、
ＣａＯ：５〜２０％、
ＣａＦ2：２５〜４５％、
アルカリ金属酸化物の１種又は２種以上の合計：０．１〜３．０％
を含有し、残部がＦｅＯ及び不可避不純物である溶融型フラックスとを組合せて溶接すること
を特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。
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