JP2014151338A

JP2014151338A - 低水素系被覆アーク溶接棒

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Publication number: JP2014151338A
Application number: JP2013022589A
Authority: JP
Inventors: Ho Kan; 鵬韓; Munenori Sato; 統宣佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: JP6061712B2; SG2013089669A

Abstract

【課題】Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても低温靭性が良好な溶接金属が得られる低水素系被覆アーク溶接棒を提供する。
【解決手段】被覆剤の被覆率を１０〜４０質量％とし、被覆剤の組成を、質量％で、金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：１０〜３０％、金属フッ化物（Ｆ換算値）：２〜１３％、ＴｉＯ_２：１〜７％、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物のうち少なくとも１種（Ｓｉ換算値）：１．９〜１１．７％、Ｎｉ及び／又はＮｉ合金（Ｎｉ換算値）：０．５〜３．５％、Ｍｏ及び／又はＭｏ合金（Ｍｏ換算値）：０．１１〜０．４５％、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物のうち少なくとも１種（Ｂ換算値）：０．０２〜０．２５％、Ｔｉ及び／又はＴｉ合金（Ｔｉ換算値）：０．２〜１．０％、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ及びＭｇ合金のうち少なくとも１種（Ａｌ換算値又はＭｇ換算値）：０．２〜１．８％、Ｍｎ及び／又はＭｎ合金（Ｍｎ換算値）：１〜７％、Ｆｅ：３〜１１％にする。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋼心線を低水素系被覆剤で被覆した低水素系被覆アーク溶接棒に関する。より詳しくは、被覆アーク溶接における溶接金属の性能向上技術に関する。

従来、鋼心線を低水素系被覆剤で被覆した低水素系被覆アーク溶接棒に関して、溶接金属の性能を向上させるために、種々の検討がなされている（例えば、特許文献１〜３参照。）。特許文献１に記載の低水素系被覆アーク溶接棒では、溶接金属の破断靭性を向上させるため、心線のＮ量及びＣ量を規制し、被覆剤はＣＯ_２及びＭｇを特定量含有すると共に酸性酸化物を規制した組成とし、更に、被覆率が２６〜４５％の範囲で、かつ、溶接棒全体でＭｎ、Ｎｉ、Ａｌ及びＰの量を調整している。

また、特許文献２に記載の低水素系被覆アーク溶接棒は、被覆剤からＮｉを添加する場合の溶接作業性及び溶接金属の靭性・延性を向上させるために、被覆剤に配合されるＮｉ及びＮｉ合金の粒度並びに成分組成などを特定している。更に、特許文献３に記載の低水素系被覆アーク溶接棒では、５９０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接において溶接金属の低温破壊靭性を向上させるため、鋼心線及び被覆剤の組成をそれぞれ特定している。

特開平３−２８５７９３号公報特開平７−２５１２９４号公報特開２０１０−２２７９６８号公報

石油・ガスの開発や油・ガスの輸送では、硫化物応力腐食割れや水素脆性というサワー腐食が問題となる。この問題に対応するため、米国防蝕技術協会（National Association of Corrosion Engineers：ＮＡＣＥ）の規格では、溶接金属中のＮｉ量が１質量％以下に規制されている。しかしながら、前述した従来の低水素系被覆アーク溶接棒は、Ｎｉにより溶接金属の靭性を確保しているため、得られる溶接金属はＮｉ含有量が１質量％を超えてしまい、ＮＡＣＥの要求に十分に対応することができないという問題点がある。

また、特許文献１に記載の低水素系被覆アーク溶接棒では、金属Ｍｇを添加することにより、低い酸素量においても溶接金属の靭性を確保しているが、金属Ｍｇの添加は、スパッタの発生や塗装性の低下などを招くため、溶接作業性が低下するという問題点がある。

そこで、本発明は、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、低温靭性が良好な溶接金属が得られる低水素系被覆アーク溶接棒を提供することを主目的とする。

本発明に係る低水素系被覆アーク溶接棒は、鋼心線を被覆剤で被覆した低水素系被覆アーク溶接棒であって、前記被覆剤の被覆率が溶接棒全質量あたり１０〜４０質量％であり、前記被覆剤は、該被覆剤全質量あたり、金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：１０〜３０質量％、金属フッ化物（Ｆ換算値）：２〜１３質量％、ＴｉＯ_２：１〜７質量％、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（Ｓｉ換算値）：合計で１．９〜１１．７質量％、Ｎｉ及び／又はＮｉ合金（Ｎｉ換算値）：合計で０．５〜３．５質量％、Ｍｏ及び／又はＭｏ合金（Ｍｏ換算値）：合計で０．１１〜０．４５質量％、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（Ｂ換算値）：合計で０．０２〜０．２５質量％、Ｔｉ及び／又はＴｉ合金（Ｔｉ換算値）：合計で０．２〜１．０質量％、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ及びＭｇ合金からなる群から選択される少なくとも１種（Ａｌ換算値又はＭｇ換算値）：合計で０．２〜１．８質量、Ｍｎ及び／又はＭｎ合金（Ｍｎ換算値）：１〜７質量％、Ｆｅ：３〜１１質量％を含有する。

前記被覆剤としては、例えば、Ｎｉ及びＮｉ合金の総含有量（Ｎｉ換算値）を［Ｎｉ］、Ｔｉ及びＴｉ合金の総含有量（Ｔｉ換算値）を［Ｔｉ］、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量（Ｂ換算値）を［Ｂ］、Ｍｏ及びＭｏ合金の総含有量（Ｍｏ換算値）を［Ｍｏ］、Ｍｎ及びＭｎ合金の総含有量（Ｍｎ換算値）を［Ｍｎ］としたとき、下記数式１を満たすものを使用することができる。

また、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒は、引張強さが５５０ＭＰａ以上の高張力鋼の溶接に適用することができる。

本発明によれば、低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤組成及び被覆率を特定しているため、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、低温靭性が良好な溶接金属を得ることができる。

横軸に被覆剤中のＭｏ及びＭｎの総含有量をとり、縦軸に被覆剤中のＮｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量をとって、実施例１〜１５の被覆アーク溶接棒における被覆剤のＭｏ及びＭｎの総含有量とＮｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量の比と溶接金属性能との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る低水素系被覆アーク溶接棒は、鋼心線を被覆剤で被覆した低水素系被覆アーク溶接棒であり、覆剤の被覆率が溶接棒全質量あたり１０〜４０質量％である。また、被覆剤は、その全質量あたり、金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：１０〜３０質量％、金属フッ化物（Ｆ換算値）：２〜１３質量％、ＴｉＯ_２：１〜７質量％、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（Ｓｉ換算値）：合計で１．９〜１１．７質量％、Ｎｉ及び／又はＮｉ合金（Ｎｉ換算値）：合計で０．５〜３．５質量％、Ｍｏ及び／又はＭｏ合金（Ｍｏ換算値）：合計で０．１１〜０．４５質量％、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（Ｂ換算値）：合計で０．０２〜０．２５質量％、Ｔｉ及び／又はＴｉ合金（Ｔｉ換算値）：合計で０．２〜１．０質量％、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ及びＭｇ合金からなる群から選択される少なくとも１種（Ａｌ換算値又はＭｇ換算値）：合計で０．２〜１．８質量、Ｍｎ及び／又はＭｎ合金（Ｍｎ換算値）：１〜７質量％、Ｆｅ：３〜１１質量％を含有する。

［鋼心線］
鋼心線の種類は、母材や溶接条件などに応じて適宜選択することができるが、例えば引張強さが５５０ＭＰａ以上の高張力鋼を溶接する場合は、製造面とコスト面から、軟鋼心線を用いることが好ましい。本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒に使用する軟鋼心線の具体例としては、ＪＩＳＧ３５０３に規定されているＳＷＲＹ１１などが挙げられる。

［溶接棒全質量に対する被覆剤の被覆率：１０〜４０質量％］
被覆アーク溶接棒の被覆剤の被覆率（％）は、（被覆剤の質量（質量％）／溶接棒全質量（質量％））×１００により算出される。被覆率が１０質量％未満であると、シールド不足となり、溶接金属中のＮ量及び水素量が増加し、溶接金属の靭性及び耐割れ性が低下する。一方、被覆率が４０質量％を超えると、アーク長が長くなり、アーク切れが発生する。よって、本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒においては、被覆剤の被覆率は１０〜４０質量％とする。

次に、本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤の成分限定理由について説明する。なお、以下に示す各成分の含有量は、被覆剤全質量あたりの含有量である。

［金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：１０〜３０質量％］
金属炭酸塩は、溶接中に分解してＣＯ_２を発生し、シールド効果によって、溶接金属中のＮ量及び水素量を低減させることができる成分である。しかしながら、金属炭酸塩含有量が１０質量％未満では、その効果が得られず、また、３０質量％を超えると、スパッタが多発するようになる。よって、金属炭酸塩含有量は、ＣＯ_２換算値で、１０〜３０質量％とする。

［金属フッ化物（Ｆ換算値）：２〜１３質量％］
金属フッ化物は、耐気孔性を維持するために不可欠の成分であり、また、スラグ剤としても作用する。しかしながら、金属フッ化物含有量が２質量％未満では、耐気孔性が劣化し、また１３質量％を超えると、アークが不安定となって立向上進溶接が困難となる。よって、金属フッ化物含有量は、Ｆ換算値で、２〜１３質量％とする。

［ＴｉＯ_２：１〜７質量％］
ＴｉＯ_２は、全姿勢、特に立向溶接での作業性を維持するためのスラグ剤として添加されるが、その含有量が１質量％未満では立向上進溶接が困難となり、また、７質量％を超えると、粘性が過多となって耐気孔性が劣化する。よって、ＴｉＯ_２含有量は１〜７質量％とする。

［Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物のうち少なくとも１種（Ｓｉ換算値）：合計で１．９〜１１．７質量％］
Ｓｉは、金属又は合金の形態で添加されると、脱酸作用により溶接金属中の酸素と反応してＳｉＯ_２を生成し、このＳｉＯ_２は、粘結剤やスラグ造滓剤として作用する。また、Ｓｉ酸化物の形態で添加されても、同様に粘結剤やスラグ造滓剤として作用する。

しかしながら、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が、Ｓｉ換算値で、１．９質量％未満の場合、スラグ不足により立向上進溶接が困難となる。一方、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が、Ｓｉ換算値で、１１．７質量％を超えると、スラグがガラス状となり、スラグ剥離性が劣化する。よって、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量は、Ｓｉ換算値で、１．９〜１１．７質量％とする。

なお、被覆剤は、金属Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物のうち少なくとも１種を含有していればよい。また、被覆剤に添加されるＳｉ合金としては、例えばＦｅ−ＳｉやＦｅ−Ｓｉ−Ｂなどの鉄合金が挙げられる。

［Ｎｉ及び／又はＮｉ合金（Ｎｉ換算値）：合計で０．５〜３．５質量％］
Ｎｉ及びＮｉ合金は、溶接金属の耐力向上及び低温靭性の改善に極めて有効な成分である。しかしながら、Ｎｉ及びＮｉ合金の総含有量が０．５質量％未満では、その効果が不十分となり、また、３．５質量％を超えると、高温割れ（凝固割れ）が発生しやすくなる。よって、Ｎｉ及びＮｉ合金の総含有量は、Ｎｉ換算値で、０．５〜３．５質量％とする。

Ｎｉ及びＮｉ合金の総含有量は、溶接金属の耐力向上及び低温靭性向上の観点から、１．０質量％以上とすることが好ましく、また、耐高温割れ性向上の観点から、３．０質量％以下とすることが好ましい。更に、本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒では、ＮＡＣＥ規格に準拠し、溶接金属のＮｉ含有量が１質量％以下となるように、被覆剤におけるＮｉ及びＮｉ合金の総含有量を規制することが好ましい。

なお、被覆剤は、金属ＮｉとＮｉ合金の少なくとも一方を含有していればよい。また、Ｎｉ成分は、通常、金属Ｎｉ粉やＮｉ−ＭｇなどのＮｉ合金粉の形態で、被覆剤に添加される。

［Ｍｏ及び／又はＭｏ合金（Ｍｏ換算値）：合計で０．１１〜０．４５質量％］
Ｍｏ及びＭｏ合金は、溶接金属の焼き入れ性を確保する効果がある。しかしながら、Ｍｏ及びＭｏ合金の総含有量が０．１１質量％未満では、その効果が得られず、また、０．４５質量％を超えると、溶接金属の焼入れ性が大幅に上昇し、靭性が低下する。よって、Ｍｏ及びＭｏ合金の総含有量は、Ｍｏ換算値で、０．１１〜０．４５質量％とする。

Ｍｏ及びＭｏ合金の総含有量は、焼き入れ性を向上し、溶接金属の強度を確保する観点から、０．１５質量％以上とすることが好ましく、また、溶接金属の靭性確保の観点から、０．４０質量％以下とすることが好ましい。なお、被覆剤は、金属ＭｏとＭｏ合金の少なくとも一方を含有していればよい。また、Ｍｏ成分は、通常、Ｆｅ−Ｍｏなどの鉄合金の形態で、被覆剤に添加される。

［Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物のうち少なくとも１種（Ｂ換算値）：合計で０．０２〜０．２５質量％］
Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物は、旧γ粒界に偏析し、粒界フェライトの発生を抑制することによって、溶接金属の靭性を向上させる作用がある。しかしながら、これらの総含有量が、Ｂ換算で、０．０２質量％未満であると、溶接金属の靭性を向上させる効果が十分に得られない。一方、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量が、Ｂ換算で、０．２５質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が劣化する。よって、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量は、Ｂ換算値で、０．０２〜０．２５質量％とする。

Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量は、０．０６質量％以上であることが好ましく、これにより、靭性向上効果を更に高めることができる。また、耐高温割れ性の観点から、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量は、０．２０質量％以下であることが好ましい。なお、被覆剤は、金属Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物のうち少なくとも１種を含有していればよい。また、Ｂ成分は、通常、Ｆｅ−Ｓｉ−ＢなどのＦｅ合金やＢ酸化物の形態で、被覆剤に添加される。

［Ｔｉ及び／又はＴｉ合金（Ｔｉ換算値）：合計で０．２〜１．０質量％］
Ｔｉ及びＴｉ合金は、溶接金属中で酸化物又は固溶体として存在するが、酸化物による旧γ粒内のアシキュラーフェライトの核として、溶接金属の靭性向上に寄与する。即ち、被覆剤にＴｉ及びＴｉ合金が添加されていると、旧γ粒内において、Ｔｉ酸化物を核としてアシキュラーフェライトが生成する。このアシキュラーフェライトは、組織の微細化に寄与し、溶接金属の靭性を向上させる作用がある。

しかしながら、Ｔｉ及びＴｉ合金の総含有量が０．２質量％未満の場合、十分な生成ができず、フェライトの粗大化により溶接金属の靭性が劣化する。一方、Ｔｉ及びＴｉ合金の総含有量が１．０質量％を超えると、固溶Ｔｉが過多となり、溶接金属が強度過多となり、靭性も劣化する。よって、Ｔｉ及びＴｉ合金の総含有量は、Ｔｉ換算値で、０．２〜１．０質量％とする。

Ｔｉ及びＴｉ合金の総含有量は、溶接金属の靭性向上の観点から、０．４質量％以上とすることが好ましく、また、靭性劣化抑制効果向上の観点から、０．８質量％以下とすることが好ましい。なお、被覆剤は、金属ＴｉとＴｉ合金の少なくとも一方を含有していればよい。また、Ｔｉ成分は、通常、Ｆｅ−ＴｉなどのＦｅ合金の形態で、被覆剤に添加される。

［Ａｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ及びＭｇ合金のうち少なくとも１種（Ａｌ換算値又はＭｇ換算値）：合計で０．２〜１．８質量］
Ａｌ及びＡｌ合金、並びにＭｇ及びＭｇ合金は、強脱酸剤であり、溶接金属の酸素量を低減し、靭性を向上させる作用がある。しかしながら、これらの総含有量が、０．２質量％未満の場合、酸素量低減の効果が不十分となる。一方、Ａｌ及びＡｌ合金、並びにＭｇ及びＭｇ合金の総含有量が１．８質量％を超えると、スパッタが多く発生し、溶接作業性が劣化する。

よって、Ａｌ及びＡｌ合金、並びにＭｇ及びＭｇ合金の総含有量は、Ａｌ及びＡｌ合金についてはＡｌ換算値で、Ｍｇ及びＭｇ合金についてはＭｇ換算値で、０．２〜１．８質量％とする。なお、被覆剤は、Ａｌ及びＡｌ合金、並びにＭｇ及びＭｇ合金のうち少なくとも１種を含有していればよい。

［Ｍｎ及び／又はＭｎ合金（Ｍｎ換算値）：１〜７質量％］
Ｍｎ及びＭｎ合金は、溶接金属の強度の確保と脱酸を目的として添加する。また、Ｍｎ及びＭｎ合金は、靭性が優れた溶接金属を得るためにも重要な成分である。しかしながら、Ｍｎ及びＭｎ合金の総含有量が１質量％未満の場合、溶接金属の強度が低下し、靭性も劣化する。一方、Ｍｎ及びＭｎ合金の総含有量が７質量％を超えると、溶接金属の焼入れ性が増えて、靭性が低下する。

よって、Ｍｎ及びＭｎ合金の総含有量は、Ｍｎ換算値で、１〜７質量％とする。Ｍｎ及びＭｎ合金の総含有量は、溶接金属の強度及び靭性の確保の観点から、３質量％以上とすることが好ましく、また、靭性劣化抑制効果向上の観点から、５質量％以下とすることが好ましい。なお、被覆剤は、金属ＭｎとＭｎ合金の少なくとも一方を含有していればよい。また、Ｍｎ成分は、通常、Ｆｅ−Ｍｎなどの鉄合金や金属Ｍｎの形態で、被覆剤に添加される。

［Ｆｅ：３〜１１質量％］
Ｆｅは、スラグ形成剤及びアーク安定剤として作用する。しかしながら、Ｆｅ含有量が３質量％未満の場合、スラグ発生量が過多となり、スラグ巻込などの溶接欠陥が発生しやすくなる。また、Ｆｅ含有量が１１質量％を超えると、前述した必須合金成分を目的とする量まで添加することが難しくなる。よって、Ｆｅ含有量は３〜１１質量％とする。なお、Ｆｅ成分は、鉄粉やＦｅ系合金の形態で、被覆剤に添加される。

［（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］）：０．３〜１．２］
Ｎｉ、Ｔｉ及びＢは、溶接金属の低温靭性の向上に有効な元素である。また、Ｍｏ及びＭｎは、溶接金属の強度の向上に有効な元素である。そして、本発明者は、溶接金属の強度と低温靭性の両方を向上させるために、これらの元素の配合バランスについて鋭意検討を行った。その結果、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量と、Ｍｏ及びＭｎの総含有量との比を特定の範囲にすることにより、溶接金属の低温靭性と強度とが改善されるだけではなく、溶接金属の耐高温割れ性及びスラグ剥離性についても良好な結果が得られることを見出した。

即ち、本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒においては、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量と、Ｍｏ及びＭｎの総含有量との比が、下記数式２を満たすようにすることが好ましい。なお、下記数式２に示す［Ｎｉ］は、Ｎｉ及びＮｉ合金の総含有量（Ｎｉ換算値）であり、［Ｔｉ］はＴｉ及びＴｉ合金の総含有量（Ｔｉ換算値）であり、［Ｂ］はＢ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量（Ｂ換算値）であり、［Ｍｏ］はＭｏ及びＭｏ合金の総含有量（Ｍｏ換算値）であり、［Ｍｎ］はＭｎ及びＭｎ合金の総含有量である。

ここで、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））が０．３未満の場合、溶接金属の焼入れ性が高まり、溶接金属の強度上昇や靭性劣化が生じることがある。また、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））が１．２を超えると、溶接金属の焼入れ性が低下して強度が低下したり、耐高温割れ性やスラグ剥離性が劣化することがある。

一方、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））を０．３〜１．２の範囲にすると、溶接金属の焼き入れ性及び強度を良好な状態に保ちつつ、Ｎｉ添加及びＴｉとＢの複合添加による組織制御作用によって、組織の粗大化を抑制し、溶接金属を高靱化することができる。更に、高温割れの発生を抑制できると共に、スラグ剥離性などの溶接作業性も向上する。その結果、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、低温靭性、強度及び耐高温割れ性に優れた溶接金属が得られる。

Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））は、０．４以上であることがより好ましく、これにより、溶接金属の強度上昇を抑制し、靭性劣化を回避する効果が向上する。また、耐高温割れ性の向上及びスラグ剥離性劣化回避の観点から、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））は、０．９以下であることがより好ましい。

［その他の成分］
被覆剤は、前述した各成分の他に、粘結剤として、澱粉、パルプ及びセルロースなどの有機物、ケイ酸カリウム及びケイ酸ナトリウムなどの無機物を含有していてもよい。これらの粘結剤の含有量は、作業性改善の観点から、被覆剤全質量あたり、０．２〜４．０質量％とすることが好ましい。ただし、マイカ、タルク及びセリサイトなどの結晶水を含有するケイ酸塩は、溶接金属中の水素量を増加させるために、実質的には含有しないことが望ましい。

また、被覆剤は、アーク安定剤として、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏなどを含有していてもよい。これらのアーク安定剤の含有量は、作業性改善の観点から、被覆剤全質量あたり、０．５〜４．０質量％とすることが好ましい。

［製造方法］
本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒を製造する際は、通常の溶接棒塗装機により、鋼心線の周囲に、前述した組成の被覆剤を、被覆率が１０〜４０質量％となるように被覆塗装する。その際、作業性の観点から、被覆剤に、ケイ酸ナトリウムやケイ酸カリウムに代表される水ガラスなどの粘結剤を含有させることが好ましい。その後、被覆剤で被覆された鋼心線を３５０〜５５０℃で焼成することにより、被覆剤中の水分を除去し、低水素系被覆アーク溶接棒とする。なお、鋼心線には、前述したようにＪＩＳＧ３５０３に規定されているＳＷＲＹ１１などを用いることができる。

以上詳述したように、本実施形態の低水素系被覆アーク溶接棒では、被覆剤組成及び被覆率を特定しているため、Ｎｉ含有量が１質量％以下でかつ低温靭性が良好な溶接金属を得ることができる。この低水素系被覆アーク溶接棒は、溶接作業性にも優れており、引張強さが５５０ＭＰａ以上の高張力鋼の溶接に特に好適である。

そして、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量と、Ｍｏ及びＭｎの総含有量との比が、上記数式２を満たす被覆剤組成にすると、脆性破壊の遷移温度を低温側に移行させることができると共に、強度の低下も抑制することができるため、低温靭性及び強度の両方が優れた溶接金属が得られる。また、溶接金属中のＮｉ含有量をＮＡＣＥの規格に適合した範囲に調整することもでき、耐高温割れ性能も確保することができる。これにより、低温環境下で使用される構造物の安全性をより一層高めることが可能となる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、溶接棒塗装機を用いて、軟鋼心線（直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍ）を、下記表１に示す成分組成の被覆剤で被覆した後、４７０℃で約１時間焼成し、実施例及び比較例の各低水素系被覆アーク溶接棒を作製した。なお、実施例及び比較例の各溶接棒の被覆率は、下記表１に示す通りである。また、下記表１に示す被覆剤Ｎｏ．１〜１５が本発明の範囲内のものであり、Ｎｏ．１６〜２２に本発明の範囲から外れるものである。

次に、前述した方法で作製した実施例及び比較例の各被覆アーク溶接棒を用いて、各種性能確認試験を実施した。以下、各試験の具体的内容について説明する。

＜試験１：全溶着金属溶接＞
実施例及び比較例の各被覆アーク溶接棒について、下記表２に示す成分組成（残部はＦｅ及び不可避的不純物）の鋼板を母材とし、下記表３に示す条件にて溶接を行い、得られた溶接金属の機械的性質及び化学成分を、下記表４に示す試験方法により調べた。その際、機械的性質については、０．２％耐力が４６０ＭＰａ以上、引張強さが５６０ＭＰａ以上及び−６０℃における吸収エネルギーが４７J以上のものを合格とした。

＜試験２：立向上進溶接試験＞
実施例及び比較例の被覆アーク溶接棒について、上記表２に示す組成の鋼板を母材とし、下記表５に示す条件にて立向上進溶接を行い、溶接作業性として、「ビード円滑性」、「等脚性」及び「ビードのなじみ」を評価した。

＜試験３：すみ肉溶接試験＞
実施例及び比較例の被覆アーク溶接棒について、上記表２に示す組成の鋼板を母材とし、下記表６に示す条件にてすみ肉溶接を行い、溶接作業性として、「スラグ剥離性」、「スパッタ発生性」及び「耐気孔性」を評価した。

＜試験４：耐高温割れ性能＞
実施例及び比較例の被覆アーク溶接棒について、上記表２に示す組成の鋼板を母材とし、下記表７に示す条件にて溶接を行い、得られた溶接金属の耐高温割れ性をＣ形ジグ拘束突合せ溶接割れ試験によって評価した。その際、「割れ率（％）」は、溶接ビード長さ（クレータ部１０ｍｍを除く）に対する割れ亀裂長さの割合（＝割れ亀裂長／溶接ビード長）とし、１０％以下を合格とした。

実施例及び比較例の各被覆アーク溶接棒により得られた溶接金属の組成を下記表８に、その他の評価結果を下記表９にまとめて示す。なお、下記表８に示す溶接金属組成における残部はＦｅ及び不可避的不純物である。下記表９に示す「溶接作業性」の評価において、○は良好、×は不良を示す。また、「総合評価」は、評価項目の中に１つでも「×」や「不合格」があるものは×とした。

上記表８及び表９に示すように、被覆剤の組成や被覆率が本発明の範囲から外れる被覆剤を使用した比較例１６〜２２の被覆アーク溶接棒は、溶接作業性が劣っていた。更に、比較例１６〜２０の被覆アーク溶接棒を用いたものは、溶接金属の機械的性質も劣っていた。

これに対して、本発明の範囲内の被覆剤を使用した実施例１〜１５の被覆アーク溶接棒は、溶接作業性が良好で、機械的性質が良好な溶接金属が得られた。特に、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））が０．３〜１．２の範囲にある被覆剤を使用した実施例１〜７，１２〜１５の被覆アーク溶接棒は、全ての項目で優れた評価結果が得られた。

図１は横軸に被覆剤中のＭｏ及びＭｎの総含有量をとり、縦軸に被覆剤中のＮｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量をとって、実施例１〜１５の被覆アーク溶接棒における被覆剤のＭｏ及びＭｎの総含有量とＮｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量の比と溶接金属性能との関係を示す図である。図１に示すように、被覆剤のＮｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））が０．３未満のものは、０．３以上のものに比べて靭性が劣る傾向にあった。また、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢの総含有量とＭｏ及びＭｎの総含有量との比（（［Ｎｉ］＋［Ｔｉ］＋［Ｂ］）／（［Ｍｏ］＋［Ｍｎ］））が１．２を超えるものは、１．２以下のものよりも、強度が劣る傾向にあった。

以上の結果から、本発明によれば、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、低温靭性が良好な溶接金属が得られることが確認された。

Claims

鋼心線を被覆剤で被覆した低水素系被覆アーク溶接棒であって、
前記被覆剤の被覆率が溶接棒全質量あたり１０〜４０質量％であり、
前記被覆剤は、該被覆剤全質量あたり、
金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：１０〜３０質量％、
金属フッ化物（Ｆ換算値）：２〜１３質量％、
ＴｉＯ_２：１〜７質量％、
Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（Ｓｉ換算値）：合計で１．９〜１１．７質量％、
Ｎｉ及び／又はＮｉ合金（Ｎｉ換算値）：合計で０．５〜３．５質量％、
Ｍｏ及び／又はＭｏ合金（Ｍｏ換算値）：合計で０．１１〜０．４５質量％、
Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（Ｂ換算値）：合計で０．０２〜０．２５質量％、
Ｔｉ及び／又はＴｉ合金（Ｔｉ換算値）：合計で０．２〜１．０質量％、
Ａｌ、Ａｌ合金、Ｍｇ及びＭｇ合金からなる群から選択される少なくとも１種（Ａｌ換算値又はＭｇ換算値）：合計で０．２〜１．８質量、
Ｍｎ及び／又はＭｎ合金（Ｍｎ換算値）：１〜７質量％、
Ｆｅ：３〜１１質量％
を含有する低水素系被覆アーク溶接棒。
前記被覆剤は、Ｎｉ及びＮｉ合金の総含有量（Ｎｉ換算値）を［Ｎｉ］、Ｔｉ及びＴｉ合金の総含有量（Ｔｉ換算値）を［Ｔｉ］、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量（Ｂ換算値）を［Ｂ］、Ｍｏ及びＭｏ合金の総含有量（Ｍｏ換算値）を［Ｍｏ］、Ｍｎ及びＭｎ合金の総含有量（Ｍｎ換算値）を［Ｍｎ］としたとき、下記数式（Ａ）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の低水素系被覆アーク溶接棒。
引張強さが５５０ＭＰａ以上の高張力鋼の溶接に用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の低水素系被覆アーク溶接棒。