JP2013126680A - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素鋼、低温用鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に適用して、特に高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、溶接欠陥が無く優れた機械性能の溶接金属が得られる溶融型フラックスを提供する。
【解決手段】 質量％で、ＳｉＯ_２：８〜２５％、Ａｌ_２Ｏ_３：２５〜４０％、ＭｇＯ：０．５〜８．０％、ＭｎＯ：５．５〜１１％、ＣａＯ：５〜２０％、ＣａＦ_２：２５〜４５％、Ｃｒ_２Ｏ_３：０．１５〜３．０％、アルカリ金属酸化物の１種または２種以上の合計：０．１〜３．０％を含有し、その他は酸化鉄および不可避不純物からなることを特徴とするサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。
【選択図】 なし

Description

本発明は、一般構造物や低温用鋼を用いた構造物およびオーステナイト系ステンレス鋼などの溶接に用いられるサブマージアーク溶接用溶融型フラックスに関し、溶接対象鋼板の種類によらず優れた機械性能の溶接金属および良好な、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および優れた溶接金属の機械性能が得られることから、造船、鉄骨、橋梁、車両などの一般構造物やＬＰＧタンク、低温用機器、寒冷地向けなどの低温用鋼を用いた構造物および耐食性が要求される環境で使用されるステンレス鋼など幅広い分野で適用されている。特に最近では、これらの溶接施工における高能率化と溶接金属の高靭性化への要望は極めて大きい。

従来、サブマージアーク溶接には、溶融型のフラックスおよび焼成型のフラックスが用いられ、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。これらの点を考慮し、良好な溶接金属機械性能および溶接作業性が得られるサブマージアーク溶接用フラックスの技術としては各種提案されている。

例えば、特許文献１には、フラックスの成分組成を限定することによって高速溶接時の作業性改善および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、特許文献１に記載のフラックスにはＭｇＯが多量に添加されているので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の発生や波目が粗くなり、スラグ剥離性およびビード外観が不良となる。

また、特許文献２には、フラックス中のＳｉＯ_２含有量を少なくして溶接金属中の酸素量を低減し、かつ高速溶接においても良好な溶接作業性が得られる溶融型フラックスが開示されている。しかし、特許文献２に記載のフラックスはＡｌ_２Ｏ_３が少量しか添加されておらず、高速溶接時に良好なスラグ剥離性およびビード外観を得ることはできない。また、Ａｌ_２Ｏ_３はアーク安定性を良好にする効果があるが特許文献２の添加量ではその効果が得られない。さらに、スラグ剥離性を向上させる目的でＴｉＯ_２が添加されているので、オーステナイト系ステンレス鋼へ適用した場合においてはビード表面にスラグが焼き付いてスラグ剥離性が劣化するという問題がある。

一方、ステンレス鋼用のサブマージアーク溶接用材料としては、例えば、特許文献３にオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接方法や、特許文献４にサブマージアーク溶接用フラックスが提案されている。しかし、特許文献３および特許文献４に記載のフラックスは何れも焼成型フラックスを適用しているのでフラックスの溶融速度が遅く、高速溶接に適用することはできないという問題があった。

特開平９−２６２６９２号公報 特開２００６−３２６６４２号公報 特開２００４−８２１６０号公報 特開平７−２６６０８３号公報

本発明は、炭素鋼、低温用鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に適用して、特に高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、溶接欠陥が無く優れた機械性能の溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用溶融型フラックス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サブマージアーク溶接用溶融型フラックスの化学成分などについて詳細に検討した。

その結果、高速溶接における良好なスラグ剥離性およびビード外観を得るためにＡｌ_２Ｏ_３の増量添加は必須で極めて重要な成分である。また、ビード形状の確保はＭｎＯ、ＳｉＯ_２およびＣａＯの適量添加で可能なことが判明した。さらに、高速度の溶接におけるアークの安定性は、前記Ａｌ_２Ｏ_３の添加とともにアルカリ金属酸化物の適量添加が必要である。

一方、溶接金属の低温における靭性の確保は、ＣａＦ_２の増量添加とＭｇＯの適量添加が効果があることを見出した。さらに、溶接金属の靭性の安定化およびオーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合の耐高温割れ性にはＣｒ_２Ｏ_３の少量添加が大きな効果を有することを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、その発明の要旨は、次の通りである。

質量％で、
ＳｉＯ_２：８〜２５％、
Ａｌ_２Ｏ_３：２５〜４０％、
ＭｇＯ：０．５〜８．０％、
ＭｎＯ：５．５〜１１％、
ＣａＯ：５〜２０％、
ＣａＦ_２：２５〜４５％、
Ｃｒ_２Ｏ_３：０．１５〜３．０％、
アルカリ金属酸化物の１種または２種以上の合計：０．１〜３．０％
を含有し、その他は酸化鉄および不可避不純物からなることを特徴とするサブマージアーク溶接用溶融型フラックスにある。

本発明のサブマージアーク溶接用溶融型フラックスによれば、炭素鋼、低温用鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に適用して、特に高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、溶接欠陥が無く優れた機械性能の溶接金属が得られるので、高品質な溶接部を高能率に得ることができる。

以下、本発明のサブマージアーク溶接用溶融型フラックスの詳細について説明する。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。

ＳｉＯ_２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。ＳｉＯ_２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も生じる。一方、２５％を超えると、溶接金属の酸素量が増加して靭性が劣化する。また、オーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合には高温割れが生じやすくなる。したがって、ＳｉＯ_２は８〜２５％とする。

Ａｌ_２Ｏ_３は、高速度の溶接で良好なスラグ剥離性およ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、アーク安定性を良好にする効果もある。Ａｌ_２Ｏ_３が２５％未満ではその効果が得られない。一方、４０％を超えると、凸ビードとなりスラグ剥離性も不良になる。したがって、Ａｌ_２Ｏ_３は２５〜４０％とする。

ＭｇＯは、スラグの耐火性およ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。また、オーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合には高温割れが生じやすくなる。一方、８．０％を超えると、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の発生や波目が粗くなり、スラグ剥離性およ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、流動性およ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およびアンダーカットが生じる。一方、１１％を超えると、スラグの粘度が高くなりすぎてスラグ巻き込み、焼き付きが発生して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、スラグの融点およ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る。一方、２０％を超えると、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。

ＣａＦ_２は、溶接金属の酸素量を低くして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。ＣａＦ_２が２５％未満では、溶接金属の酸素量が増加して靭性改善の効果がない。また、オーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合には高温割れが生じやすくなる。一方、４５％を超えると、ビード外観が不良となる。したがって、ＣａＦ_２は２５〜４５％とする。

Ｃｒ_２Ｏ_３は、Ｃｒとして溶接金属中に歩留り、靭性を安定させる効果がある。Ｃｒ_２Ｏ_３が０．１５％未満では、炭素鋼および低温用鋼の溶接に適用した場合、安定した靭性は得られない。また、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接に適用した場合にはＣｒ量が低くなり高温割れが生じやすくなる。一方、３．０％を超えると、炭素鋼および低温用鋼の溶接に適用した場合には溶接金属の強度が過剰となり靱性が劣化する。また、オーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合にはスラグがビード表面に焼き付いてスラグ剥離性が不良となる。したがって、Ｃｒ_２Ｏ_３は０．１５〜３．０％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極めて重要な成分である。アルカリ金属酸化物の１種または２種以上の合計が０．１％未満ではその効果が得られない。一方、３．０％を超えると、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の１種または２種以上の合計は０．１〜３．０％とする。

なお、アルカリ金属酸化物はＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏの１種または２種以上を組合せて用いることができる。

その他は、酸化鉄（ＦｅＯ等）およびＰ、Ｓ等の不純物であり、Ｐおよび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。

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およ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、低温用鋼に適用した場合の本発明の効果を説明する。

表１に示す各種成分の溶融型フラックスを試作し、表２に示すソリッドワイヤ（ワイヤ記号Ａ）４．８ｍｍおよびフラックス入りワイヤ（ワイヤ記号Ｂ）２．０ｍｍとを組合せて多層盛溶接の溶接作業性評価および溶接金属機械性能評価試験を行った。

なお、表１に示す溶融型フラックスは、各種鉱物原料を溶融し、冷却後粉末状に粉砕して１．４×０．１２ｍｍ（１２×７０ｍｅｓｈ）の粒度に整粒した。

試験板は表３に示す鋼板記号Ｓ１の板厚２５ｍｍの鋼板を、開先角度３０°、ルート間隔を１３ｍｍの裏当金付き開先形状に加工し、ソリッドワイヤ（ワイヤ記号Ａ）は、表４に示す条件Ｎｏ．１のシングル多層盛溶接条件、フラックス入りワイヤ（ワイヤ記号Ｂ）は表４に示す条件Ｎｏ．２の２ワイヤ１電極多層盛溶接条件で溶接試験を実施した。

各試験の評価は、多層盛溶接時のアーク安定性、溶接後のビード外観・形状、スラグ剥離性、アンダーカットの有無およびＸ線透過試験（ＪＩＳ Ｚ３１０６）による溶接欠陥の有無を調査し、さらに溶接金属の引張強度、靭性および溶接金属酸素量を調査した。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）および引張試験片（ＪＩＳＺ２２４１ 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、各々繰返し数５本試験した。なお、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーは平均値１００Ｊ以上、最低値７０Ｊ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５にまとめて示す。

表１および表５中のフラックス記号ＭＦ１〜ＭＦ１０は本発明例、フラックス記号ＭＦ１１〜ＭＦ１９は比較例である。本発明例であるフラックス記号ＭＦ１〜ＭＦ１０は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＣａＯ、ＣａＦ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３およびアルカリ金属酸化物が適量であるので、溶接作業性が良好で、溶接部に欠陥が無く、溶接金属の酸素量が低く引張強さおよび吸収エネルギーも良好で安定しており、極めて満足な結果であった。

比較例中フラックス記号ＭＦ１１は、ＳｉＯ_２が低いのでビード外観およびスラグ剥離性が不良でアンダーカットも発生した。また、ＣａＦ_２が低いので溶接金属の酸素量が多く溶接金属の吸収エネルギーの平均値が低かった。
フラックス記号ＭＦ１２は、ＳｉＯ_２が高いので溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーの平均値が低かった。また、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。

フラックス記号ＭＦ１３は、Ａｌ_２Ｏ_３が低いのでアークが不安定で、スラグ剥離性およびビード外観が不良であった。また、ＭｇＯが低いので溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーの平均値が低かった。
フラックス記号ＭＦ１４は、Ａｌ_２Ｏ_３が高いのでビード形状およびスラグ剥離性が不良であった。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であった。

フラックス記号ＭＦ１５は、ＭｎＯが高いのでスラグ剥離性が不良で、スラグ巻き込み欠陥も生じた。また、ＣａＦ_２が高いのでビード外観が不良であった。

フラックス記号ＭＦ１６は、ＭｇＯが高いのでビード外観およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｃｒ_２Ｏ_３が低いので溶接金属の吸収エネルギーの最低値が低かった。

フラックス記号ＭＦ１７は、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。また、Ｃｒ_２Ｏ_３が高いので溶接金属の引張強度が高く、吸収エネルギーの平均値が低かった。

フラックス記号ＭＦ１８は、ＣａＯが高いのでビード外観およびスラグ剥離性が不良であった。
フラックス記号ＭＦ１９は、アルカリ金属酸化物の合計が高いのでビード表面の光沢が失われ外観が不良でヒュームの発生量が多かった。

次に、オーステナイト系ステンレス鋼に適用した場合の本発明の効果を説明する。
表１に示す各種成分の溶融型フラックスと表２に示すオーステナイト系ステンレス鋼ソリッドワイヤ（ワイヤ記号Ｃ）４．０ｍｍとを組合せてシングル多層盛溶接の溶接作業性評価および溶接金属機械性能評価を行った。

試験板は、表３に示す鋼板記号Ｓ２の板厚２０ｍｍの鋼板を開先角度３０°、ルート間隔１６ｍｍの裏当金付き開先形状に加工し、表４に示す条件Ｎｏ．３のシングル多層盛溶接条件で溶接試験を実施した。

各試験の評価は、多層盛溶接時のアーク安定性、溶接後のビード外観・形状、スラグ剥離性、アンダーカットの有無およびＸ線透過試験（ＪＩＳ Ｚ３１０６）による溶接欠陥の有無を調査し、さらに溶接金属の引張強度、靭性および溶接金属酸素量を調査した。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）および引張試験片（ＪＩＳＺ２２４１ １０号）を採取して、機械試験を実施した。靭性の評価は−２０℃におけるシャルピー衝撃試験により行い、各々繰返し数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３０Ｊ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６にまとめて示す。

表６中のフラックス記号ＭＦ１、ＭＦ３、ＭＦ７およびＭＦ９は本発明例、フラックス記号ＭＦ１１〜ＭＦ１３、ＭＦ１６およびＭＦ１７は比較例である。本発明例であるフラックス記号ＭＦ１、ＭＦ３、ＭＦ７およびＭＦ９は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＣａＯ、ＣａＦ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３およびアルカリ金属酸化物が適量であるので、溶接作業性が良好で、溶接部に欠陥が無く、溶接金属の酸素量が低く引張強さおよび吸収エネルギーも良好であり、極めて満足な結果であった。

比較例中フラックス記号ＭＦ１１は、ＳｉＯ_２が低いのでビード外観およびスラグ剥離性が不良でアンダーカットも発生した。また、ＣａＦ_２が低いので割れが生じ、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。
フラックス記号ＭＦ１２は、ＳｉＯ_２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、割れが発生した。さらに、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。

フラックス記号ＭＦ１３は、Ａｌ_２Ｏ_３が低いのでアークが不安定で、スラグ剥離性およびビード外観が不良であった。また、ＭｇＯが低いので割れが発生し、溶接金属の酸
素量が多く吸収エネルギーも低値であった。
フラックス記号ＭＦ１６は、ＭｇＯが高いのでビード外観およびスラグ剥離性が不良であった。また、Ｃｒ_２Ｏ_３が低いので割れが発生した。

フラックス記号ＭＦ１７は、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。また、Ｃｒ_２Ｏ_３が高いのでビード表面にスラグが焼き付いてスラグ剥離性が不良であった。

Claims (1)

1. 質量％で、
   ＳｉＯ_２：８〜２５％、
   Ａｌ_２Ｏ_３：２５〜４０％、
   ＭｇＯ：０．５〜８．０％、
   ＭｎＯ：５．５〜１１％、
   ＣａＯ：５〜２０％、
   ＣａＦ_２：２５〜４５％、
   Ｃｒ_２Ｏ_３：０．１５〜３．０％、
   アルカリ金属酸化物の１種または２種以上の合計：０．１〜３．０％を含有し、その他は
   酸化鉄および不可避不純物からなることを特徴とするサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。