JP2014188540A - 低水素系被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接作業性が良好で、高強度、安定した低温靱性およびＣＴＯＤ値の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】軟鋼心線に被覆剤が塗装されている低水素系被覆アーク溶接棒において、被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の合計：４０〜５８％、金属弗化物の合計：１０〜２０％、ＳｉＯ_２換算値：４〜１０％、ＴｉＯ_２換算値：１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３：２％以下、Ｓｉ：１〜４％、Ｍｎ：０．７〜３．０％、Ｎｉ：４〜８％、Ｔｉ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．３〜１．８％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の合計：０．２０〜０．４５％、Ｎａ_２Ｏ換算値とＫ_２Ｏ換算値の合計：２〜５％を含有する被覆剤を塗布する。
【選択図】なし

Description

本発明は、５５０ＭＰａ級以上の高強度な溶接金属が得られるとともに−８０℃程度までの低温靱性、さらに−５０℃程度までの破壊靭性値が優れる低水素系被覆アーク溶接棒に関するものである。

低水素系被覆アーク溶接棒は、耐割れ性や低温靱性が優れていることから、拘束の大きな箇所や高張力鋼の溶接に広く使用されている。一方、最近では、溶接構造物の大型化にともない、使用される鋼材も厚くなる傾向を示すとともに、板厚減少のため高強度な鋼材の使用も増加している。また、天然資源の開発を目的とした大型海洋構造物においては、安全性の確保のために、低温での破壊靭性値のさらなる向上の要望が高い。しかし、一般に溶接金属の強度増加と、低温靱性確保は相反する傾向を示すため、高強度化とともに靱性を向上させる新たな手法が必要となっている。

このような状況に対し、溶接金属の低温における機械的性能の向上として、多種提案されている。例えば、特開２０１０−２２７９６８公報（特許文献１）には、直流電源を使用した溶接に対し、破壊靭性（以下、ＣＴＯＤという。）値が優れた溶接金属を得ることを目的とした低水素系被覆アーク溶接棒に関する技術の開示がある。しかし、特許文献１に記載の技術は、直流電源を用いた溶接を前提としており、また、ＣＴＯＤ値は−４０℃までと高く、−５０℃という極低温におけるＣＴＯＤ値を向上させるものではない。さらに、交流電源を用いた場合は溶接作業性も満足できるものではない。

また、特開昭６２−１９９２９４号公報（特許文献２）には、Ｎｉを添加し、かつＭｎとＮｉの合計を限定することによって、低温における靱性を向上させる技術の開示がある。しかし、特許文献２に記載の技術では、平均的には高靱性が得られているが、個々のばらつきの点からは十分ではなく、溶接作業性も満足できるものではないという問題がある。

一方、特公昭６０−５３９７号公報（特許文献３）には、被覆剤にチタン酸化物、硼素の酸化物を添加することにより、溶接金属を細粒な均一組織とし低温靱性、特にＣＴＯＤ値を向上することが開示されているが、より高強度で−８０℃における低温で高靱性が得られる溶接金属の求められる要求に対しては、十分なものではなく、溶接作業性も満足できるものではない。
このように、低水素系被覆アーク溶接棒においては、溶接作業性が良好で、高強度化とともに低温での安定した靭性およびＣＴＯＤ値を満足することは困難であった。

特開２０１０−２２７９６８公報 特開昭６２−１９９２９４号公報 特公昭６０−５３９７号公報

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、交流電源を用いた場合の溶接作業性が良好で、５５０ＭＰａ級以上の高強度な溶接金属が得られるとともに−８０℃程度までの安定した低温靱性、さらに−５０℃程度までの破壊靭性値が優れる低水素系被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、軟鋼心線に被覆剤が塗装されている低水素系被覆アーク溶接棒において、被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：４０〜５８％、金属弗化物の１種または２種以上の合計：１０〜２０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：４〜１０％、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値：１〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜２％、Ｓｉ：１〜４％、Ｍｎ：０．７〜３．０％、Ｎｉ：４〜８％、Ｔｉ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．３〜１．８％、Ｍｇ：２．５〜４．５％、ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の１種または２種以上の合計：０．２０〜０．４５％、Ｎａ化合物のＮａ_２Ｏ換算値とＫ化合物のＫ_２Ｏ換算値の合計：２〜５％を含有し、残部は、塗装剤、鉄合金からのＦｅ成分および不可避不純物からなる被覆剤を塗布したことを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒にある。

本発明の低水素系被覆アーク溶接棒によれば、直流および交流電源のいずれを用いても溶接作業性が良好で、５５０ＭＰａ級以上の高強度の溶接金属が得られると共に低温での安定した靭性が得られ、更に優れたＣＴＯＤ値が得られる。したがって、各種鋼構造物に対する溶接継手の信頼性を大幅に向上することができる。

本発明者らは、溶接作業性を満足しつつ、安定した良好な低温靭性ならびにＣＴＯＤ値を得るために被覆剤の成分組成について、種々試作して検討した。
その結果、被覆剤の金属炭酸塩、金属弗化物、ＳｉＯ_２およびＴｉＯ_２を適量とした上で、Ａｌを少量添加することでスラグの凝固点が高くなり、下向溶接、水平すみ肉溶接でアークが安定して良好な溶接作業性が得られると共に、特に立向上進溶接においてメタルが垂れにくくビード形状が良好になることを知見した。さらに、Ｎａ化合物およびＫ化合物を多く含有させることによっても作業性向上に効果的であることも知見した。

また、強度、低温における安定した靭性およびＣＴＯＤ値の確保は、被覆剤に適量のＳｉおよびＭｎで強度を確保し、Ｎｉ、Ｍｇ、ＴｉおよびＢを適量とすることにより、溶接金属組織を微細なアシキュラーフェライト化し、低温における安定した靭性およびＣＴＯＤ値が得られることを知見した。
以下、本発明における低水素系被覆アーク溶接棒について、被覆剤中の各組成の限定理由について説明する。なお、組成における質量％は、単に％と記載する。

［金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：４０〜５８％］
金属炭酸塩は、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＢａＣＯ_３などを指し、アークの熱で分解してガスを発生し、アーク雰囲気を大気から保護する働きがある。金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が４０％未満であると、シールド効果が不足して溶接金属中に大気中の窒素が多量に混入し靱性およびＣＴＯＤ値が低下する。一方、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が５８％を超えると、アークが不安定で凸ビードとなり、スラグ剥離性も悪くなる。したがって、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計は４０〜５８％とする。

［金属弗化物の１種または２種以上の合計：１０〜２０％］
金属弗化物は、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＡｌＦ_３等を指し、溶融スラグの流動性調整のため添加する。金属弗化物の１種または２種以上の合計が１０％未満では、溶融スラグの流動が悪いためスラグの被包性が悪く、溶接の継続が困難になる。一方、金属弗化物の１種または２種以上の合計が２０％を超えると、被覆筒の形状が不完全となりアークが不安定となる。したがって、金属弗化物の１種または２種以上の合計は１０〜２０％とする。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：４〜１０％］
ＳｉＯ_２は、珪砂、長石、水ガラス等から添加され、溶融スラグの粘性を高め立向上進溶接時には適切な粘性のスラグを得ることができるので溶接作業性が良好となる。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値が４％未満であると、スラグの粘性が低くなって立向上進溶接でのビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算が１０％を超えると、スラグがガラス状になりスラグ剥離が劣化する。したがって、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値は４〜１０％とする。

［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値：１〜５％］
ＴｉＯ_２は、ルチール、酸化チタン、チタン酸ソーダ、チタンスラグ等からから添加され、アーク安定剤およびスラグの粘性を調整する。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値が１％未満であると、アークが不安定となり良好なビードを得ることが困難となる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値が５％を超えると、立向姿勢および上向姿勢の溶接時に溶融スラグの粘性が高くなりスラグの流れが悪くなるので、ビード形状が凸状となる。したがって、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値は１〜５％とする。

［Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜２％］
Ａｌ_２Ｏ_３は、アルミナ、長石等から添加され、アークを安定させ、スラグの粘性を調整する。Ａｌ_２Ｏ_３が０．１％未満であると、アークが不安定でビード形状が不良となる。一方、Ａｌ_２Ｏ_３が２％を超えると、スラグがガラス状となりスラグ剥離が劣化する。したがって、Ａｌ_２Ｏ_３は０．１〜２％とする。

［Ｓｉ：１〜４％］
Ｓｉは、Ｆｅ−Ｓｉ、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加され、溶接金属の脱酸を目的として使用されるが、溶接作業性確保の上からも必要である。Ｓｉが１％未満では、脱酸不足で溶接金属中に気孔が発生し易く、アークが不安定で立向姿勢での溶接の継続が困難となる。一方、Ｓｉが４％を超えると、粒界に低融点酸化物を析出させ靱性およびＣＴＯＤ値が低下する。したがって、Ｓｉは１〜４％とする。

［Ｍｎ:０．７〜３．０％］
Ｍｎは、金属Ｍｎ、Ｆ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加され、Ｓｉと同様に脱酸剤として重要であり、溶接金属組織を微細化させ靭性および強度を高める。Ｍｎが０．７％未満であると、強度が低く、靭性およびＣＴＯＤ値にばらつきが生じる。一方、Ｍｎが３．０％を超えると、強度が高くなり靱性が低下する。したがって、Ｍｎは０．７〜３．０％とする。

［Ｎｉ：４〜８％］
Ｎｉは、金属Ｎｉから添加され、強度および靭性とを高める元素である。Ｎｉが４．０％未満では、−８０℃の高靭性および良好なＣＴＯＤ値の溶接金属を得ることができない。一方、Ｎｉが８．０％を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎて、靭性およびＣＴＯＤ値が低下する。したがって、Ｎｉは４〜８％とする。

［Ｔｉ：０．５〜２．５％］
Ｔｉは、金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等から添加され、Ｔｉは、脱酸剤として有効であると同時にアークの電位傾度を低下させてアークを安定化させる作用があるため、交流電源を用いた溶接において最も重要な元素である。Ｔｉが０．５％未満では、アークが不安定で、アーク長が伸びて大気中の酸素を取り込みやすく、また溶接金属中に酸素量が多くなって靭性およびＣＴＯＤ値が低下する。一方、Ｔｉが２．５％を超えると、Ｔｉ酸化物の析出が増加し、靱性およびＣＴＯＤ値が低下する。したがって、Ｔｉは０．５〜２．５％とする。

［Ａｌ：０．３〜１．８％］
Ａｌは、金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇ等から添加され、立向上進の溶接作業性向上に有効である。Ａｌが０．３％未満では、立向上進溶接でメタルが垂れやすくビード形状が不良となる。一方、Ａｌが１．８％を超えると、脱酸生成物のＡｌ_２Ｏ_３が溶接金属中に残存して酸素量を増加させるので靭性およびＣＴＯＤ値が低下する。したがって、Ａｌは０．３〜１．８％とする。

[Ｍｇ：２．５〜４．５％]
Ｍｇは、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等から添加され、他の合金成分よりも脱酸効果が高く、溶接金属中の酸素量を低減させることができる。Ｍｇが２．５％未満であると、溶接金属の酸素量が多くなって靱性およびＣＴＯＤ値が低下する。一方、Ｍｇが４．５％を超えると、アークの拡がりが劣化してビード形状が不良になる。したがって、Ｍｇは２．５〜４．５％とする。

［ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の１種または２種以上の合計：０．２０〜０．４５％］
Ｂは、金属Ｂ、Ｆｅ−Ｂ、Ｍｎ−Ｂや硼砂、硼酸ナトリウム等から添加され、極微量で焼き入れ性を与え、粒界フェライトの生成抑制に有効な元素で、低温における靭性およびＣＴＯＤ値の向上に有効な成分である。ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の１種または２種以上の合計が０．２０％未満では、Ｂによる粒界フェライトの抑制効果が働かず、フェライト粒が粗大になりやすく、溶接金属の金属組織が粗くなって靭性およびＣＴＯＤ値にばらつきが生じる。一方、ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の１種または２種以上の合計が０．４５％を超えると、溶接金属が粗大なラス状組織になり靭性およびＣＴＯＤ値が低下する。したがって、ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の１種または２種以上の合計は０．２０〜０．４５％とする。

［Ｎａ化合物のＮａ_２Ｏ換算値とＫ化合物のＫ_２Ｏ換算値の合計：２〜５％］
Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏは、珪酸ソーダや珪酸カリウム等の水ガラスから主に添加され溶接棒製造時の塗装性向上する。また、カリ長石、弗化ソーダ、硼酸ナトリウム等からも添加され、溶接作業性確保の上からも必要である。Ｎａ化合物のＮａ_２ＯとＫ化合物のＫ_２Ｏ換算値の合計が２％未満では、塗装性が劣化し、溶接棒の乾燥工程において被覆剤が表面に割れを生じやすくなり溶接棒の生産性が低下する。また、アークが不安定になる。一方、Ｎａ化合物のＮａ_２Ｏ換算値とＫ化合物のＫ_２Ｏ換算値の合計が５％を超えると、アークの吹き付けが強くなりスパッタの発生量が多くなる。したがって、Ｎａ化合物のＮａ_２Ｏ換算値とＫ化合物のＫ_２Ｏ換算値の合計は２〜５％とする。

なお、前記被覆剤組成として使用する以外の被覆剤としては、塗装剤としてマイカ、アルギン酸ソーダ等の１種以上を合計で４％以下を含む。その他は、鉄合金からのＦｅ成分および不可避不純物である。また、被覆剤の軟鋼心線への被覆率は、２５〜４０％とする。

また、使用する心線は、ＪＩＳ Ｇ３５２３ ＳＷＹ１１を用いることが好ましいが、Ｃは０．０１〜０．０３％が良く強度を調整するためにフラックスからもＣを適正に調整できる。Ｐは靭性を劣化するので０．０１０％以下、Ｓはスラグの流動性を悪化させるので０．０１０％以下、ＮはＢとの結合力が強く焼き入れ性を劣化させるので０．０５０％以下であることが好ましい。

本発明の効果を実施例により具体的に説明する。各種成分組成の被覆剤との組合せにより直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳ Ｇ３５２３ ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆率３０％で被覆剤を塗装後乾燥して各種低水素系被覆アーク溶接棒を試作した。使用した鋼心線の組成を下記表１に、また試作した溶接棒の被覆剤成分を本発明例、比較例として表２および表３に示す。

上記の各種試作溶接棒を用い、表４に示す成分の厚さ３８ｍｍの鋼板にＸ開先（表側：２６ｍｍ深さ、開先角度５０°、ギャップ：３ｍｍ、ルート部：３ｍｍ、裏側：１６ｍｍ深さまで裏はつり、開先角度７０°）を施しアーク溶接を行った。電源は交流電源を使用し、溶接電流１３５Ａ、溶接入熱２３ｋＪ／ｃｍ、予熱・パス間温度１００〜１５０℃、立向姿勢で溶接継手を作製した。

上記の溶接のさい、各溶接棒の溶接作業性を調査した。また、溶接後の各試験板の裏側８ｍｍ下の溶接金属よりＪＩＳ Ｚ２２０１ １０号引張試験片およびＪＩＳ Ｚ２００２ ４号衝撃試験片を採取し、さらに、ＢＳ（英国規格）５７６２に準じてＣＴＯＤ試験片を採取した。引張試験は引張強さが５５０〜６５０ＭＰａを良好、衝撃試験は−８０℃で繰り返し５本シャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーの最低値が１００Ｊ以上を良好とした。ＣＴＯＤ試験は―５０℃で繰返し５本の試験を行いＣＴＯＤ値の最低が０．８ｍｍ以上を良好とした。それらの試験結果を表５にまとめて示す。

表２、３および５中溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．２８は比較例である。本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４は、被覆剤の金属炭酸塩の合計、金属弗化物の合計、ＳｉＯ_２換算値、ＴｉＯ_２換算値、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ，ＢとＢ換算値の合計およびＮａ_２Ｏ換算値とＫ_２Ｏ換算値の合計が、いずれも適量であるので、溶接作業性が良好で、溶接金属の引張強さ、吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値共に良好であり、極めて満足な結果であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．１５は、金属炭酸塩が少ないので、吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。また、ＳｉＯ_２換算値が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１６は、金属炭酸塩が多いので、アークが不安定で凸ビードになりスラグ剥離も不良であった。また、Ｓｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。

溶接棒Ｎｏ．１７は、金属弗化物が少ないので、スラグの被包性が劣化して溶接の継続が困難であったので溶接を中止した。
溶接棒Ｎｏ．１８は、金属弗化物が多いので、アークが不安定であった。また、Ｍｎが少ないので、溶接金属の引張強さが低く、吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値のばらつきが大きかった。

溶接棒Ｎｏ．１９は、ＳｉＯ_２換算値が少ないので、スラグの粘性が低くなってビード形状が不良であった。また、Ｍｎが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．２０は、Ｓｉが少ないので、アークが不安定で溶接の継続困難であったので溶接を中止した。

溶接棒Ｎｏ．２１は、Ｎｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。また、Ａｌが少ないので、メタルが垂れてビード形状が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．２２は、Ｎｉが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。また、Ｎａ_２Ｏ換算値とＫ_２Ｏ換算値の合計が少ないので、溶接棒の製造段階での乾燥割れが生じ、溶接時にはアークが不安定であった。

溶接棒Ｎｏ．２３は、Ｔｉが少ないので、アークが不安定であった。また、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。さらに、Ｍｇが多いので、アークが広がらずビード形状が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．２４は、Ｔｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。また、Ｎａ_２Ｏ換算値とＫ_２Ｏ換算値の合計が多いので、アークの吹き付けが強くなりスパッタの発生量が多かった。

溶接棒Ｎｏ．２５は、ＴｉＯ_２換算値が少ないので、アークが不安定でビード形状が不良であった。また、Ａｌが多いので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。
溶接棒Ｎｏ．２６は、ＴｉＯ_２換算値が多いので、溶融スラグの流れが悪く凸ビードとなった。また、Ｍｇが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。

溶接棒Ｎｏ．２７は、Ａｌ_２Ｏ_３が多いので、スラグ剥離性が不良であった。また、ＢおよびＢ換算値の合計が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値のばらつきが大きかった。
溶接棒Ｎｏ．２８は、Ａｌ_２Ｏ_３が少ないので、アークが不安定でビード形状が不良であった。また、ＢおよびＢ換算値の合計が多いので、溶接金属の吸収エネルギーおよびＣＴＯＤ値が低値であった。

Claims (1)

1. 軟鋼心線に被覆剤が塗装されている低水素系被覆アーク溶接棒において、被覆剤全質量に対する質量％で、
   金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：４０〜５８％、
   金属弗化物の１種または２種以上の合計：１０〜２０％、
   Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：４〜１０％、
   Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値：１〜５％、
   Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜２％、
   Ｓｉ：１〜４％、
   Ｍｎ：０．７〜３．０％、
   Ｎｉ：４〜８％、
   Ｔｉ：０．５〜２．５％、
   Ａｌ：０．３〜１．８％、
   Ｍｇ：２．５〜４．５％、
   ＢおよびＢ化合物のＢ換算値の１種または２種以上の合計：０．２０〜０．４５％、
   Ｎａ化合物のＮａ_２Ｏ換算値とＫ化合物のＫ_２Ｏ換算値の合計：２〜５％
   を含有し、残部は塗装剤、鉄合金からのＦｅ成分および不可避不純物からなる被覆剤を塗布したことを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。