JP2016043395A - Ni基合金被覆アーク溶接棒 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなNi基合金被覆アーク溶接棒として、例えば特許文献1には、フラックス成分を含有する被覆剤をNi基合金からなる心線の外周に被覆してなるNi基合金被覆アーク溶接棒において、前記心線は、心線の全質量あたりCr:28.0乃至31.5質量%、Fe:7.0乃至11.0質量%、Nb及びTa:総量で1.0乃至2.0質量%、C:0.05質量%以下、Mn:4.0乃至5.5質量%、N:0.001乃至0.02質量%、Si:0.70質量%以下、Mg:0.0010質量%以下、Al:0.50質量%以下、Ti:0.50質量%以下、Mo:0.50質量%以下、Cu:0.50質量%以下を含有し、Bの含有量をB:0.0010質量%以下、Zrの含有量をZr:0.0010質量%以下に規制した組成を有し、残部がNi及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物中のCoの含有量をCo:0.10質量%以下、Pの含有量をP:0.015質量%以下、Sの含有量をS:0.015質量%以下に規制した組成を有し、前記被覆剤は、前記フラックス成分として、被覆アーク溶接棒の全質量あたりスラグ形成剤:3.5乃至6.5質量%、金属弗化物(F量換算値):2乃至5質量%、炭酸塩(CO2量換算値):2.5乃至6.5質量%を含有し、前記フラックス中のMnの含有量をMn:2.0質量%以下、Nb及びTaの含有量を総量でNb+Ta:1.5質量%以下、Feの含有量をFe:2.5質量%以下に規制した組成を有することを特徴とするNi基合金被覆アーク溶接棒が開示されている。
特許文献1に記載のようなAタイプのNi基合金被覆アーク溶接棒では、合金粉末の添加量が少ないので、溶接時に溶融金属中に導入される酸素量が少なくなる。そのため、Aタイプではブローホール等の気孔欠陥発生は少ない。しかし、Aタイプでは心線の電気抵抗が高いため、棒焼け現象が発生し易い。その結果、Aタイプでは高い溶接電流での施工ができず、施工能率に関しては改善の余地がある。
本発明に係るNi基合金被覆アーク溶接棒は、心線に被覆剤が塗布されているNi基合金被覆アーク溶接棒であって、前記心線は、心線全質量あたり、Mg:0.05〜0.5質量%、Si≦0.5質量%、Mn≦0.5質量%、P+S≦0.010質量%、C≦0.02質量%、を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、前記被覆剤は、Ni基合金被覆アーク溶接棒全質量あたり、Mn+Cr+Mo+Nb+Ta+W+Ni+Co+Fe:16〜30質量%、Si:0.2〜1.0質量%、Ti+Al+Mg:0.30〜1.0質量%、金属炭酸塩のCO2量換算値:2.5〜6.5質量%、金属フッ化物のF換算値:1.5〜5.0質量%、スラグ形成剤:5.0〜10.0質量%、アルカリ金属の酸化物:0.8〜2.0質量%、を含有し、残部が不可避的不純物からなり、前記被覆剤の被覆率:30〜50質量%であることを特徴とする。
本発明のNi基合金被覆アーク溶接棒は、心線に被覆剤が塗布されているものである。そして、前記心線は、心線全質量あたり、Mg、Si、Mn、「P+S」、Cを所定量含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなる。
また、前記被覆剤は、Ni基合金被覆アーク溶接棒全質量あたり、「Mn+Cr+Mo+Nb+Ta+W+Ni+Co+Fe」、Si、「Ti+Al+Mg」、金属炭酸塩のCO2量換算値、金属フッ化物のF換算値、スラグ形成剤、アルカリ金属の酸化物を所定量含有し、残部が不可避的不純物からなる。さらに、本発明のNi基合金被覆アーク溶接棒は、前記被覆剤の被覆率を規定したものである。
以下、Ni基合金被覆アーク溶接棒の成分限定理由について説明する。
[Mg:0.05〜0.5質量%]
Mgは、強力な脱酸元素として心線に含有させる。被覆アーク溶接棒は、被覆剤中に脱酸元素を含有させた場合にも気孔欠陥の低減効果は見られる。Aタイプの被覆アーク溶接棒では被覆剤からの脱酸元素添加で十分に効果が見られ、実施工に十分耐えうる。しかし、Bタイプのように溶融金属中に多量の酸素が導入される場合には、被覆剤中の脱酸元素は溶融金属中に入る前に酸化消耗してしまう。そのため、被覆剤に脱酸元素を含ませるのみでは、溶融金属中の気孔欠陥に有害な酸素を十分に低減させることができない。
したがって、心線全質量あたりのMg含有量は、0.05〜0.5質量%とする。Mg含有量は、その効果をより高める観点から、好ましくは0.10質量%以上、より好ましくは0.15質量%以上とする。また、前記した弊害をより抑制する観点から、好ましくは0.4質量%以下、より好ましくは0.3質量%以下とする。
心線の純Ni素材にはSi、Mnが少量含まれることが多いが、心線の電気抵抗を低く保つため、心線中のSi含有量、Mn含有量は、それぞれ0.5質量%以下とする。また、Siは、含有量が0.5質量%を超えると、溶接金属の衝撃性能を劣化させる。したがって、衝撃性能の劣化を抑制するためにも、Si含有量は0.5質量%以下とする。Si含有量、Mn含有量は、心線の電気抵抗をより低くする観点から、また、Siについては衝撃性能の劣化をより抑制する観点から、それぞれ、好ましくは0.35質量%以下、より好ましくは0.20質量%以下とする。ただし、Si、Mnは不可避的に混入するため、実質的に、Si含有量は0.05質量%, Mn含有量は0.1質量%が下限値となる。
Ni基合金溶接金属は凝固割れが発生し易いことが一般的に知られており、これを防止するには不純物であるP、Sを低減することが有効である。溶接金属は凝固割れを防止するため、P、Sは、P含有量とS含有量の合計で0.010質量%以下とする。P含有量とS含有量の合計は、凝固割れの発生をより抑制する観点から、より好ましくは0.008質量%以下とする。なお、分析下限がP<0.002,S<0.0005となっていることから、下限値を限定することは困難である。
C(炭素)は酸素とともに気孔欠陥の直接的な要因となる元素である。よって、心線に含まれるC量は少ないことが好ましく、本発明では、0.02質量%以下とする。C含有量は、気孔欠陥をより抑制する観点から、好ましくは0.01質量%以下、より好ましくは0.008質量%以下とする。ただし、Cは不可避的に混入するため、実質的に0.0005質量%が下限値となる。
心線の残部は、Niおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、Fe,Cu,Cr,Mo,Co,Nb,W等が挙げられる。
被覆剤はフラックス成分として心線の周囲に被覆するものである。
本発明の被覆アーク溶接棒は、AWS A5.11における、ENiCrFe−1、ENiCrFe−9、ENiCrMo−3、ENiCrMo−6、ENiMo−8等のNi基合金溶接金属を得るため、被覆剤に多量の合金を含有させる。
Mn,Cr,Mo,Nb,Ta,W,Co,Feは、溶接金属の固溶強化、耐食性強化等を目的に添加される金属成分である。溶接金属における有効な物理的、機械的性能が得られる成分系はいくつか規格化されており、AWS A5.11に多くの例が示されている。このような有効な成分系を得るためには、多種かつ多量の合金添加が必要である。また、一部の原料はNi合金として添加することが経済的である。Niは性能向上が目的の合金ではないが、このような場合のNiは、気孔欠陥に対して上記の金属成分と同様に作用する。そのため、本発明では、被覆剤の成分において、金属成分としてMn,Cr,Mo,Nb,Ta,W,Ni,Co,Feにおける、それぞれの含有量の和(合計)を規定する。
Mn≦10.0質量%、Cr≦30質量%、Mo≦30質量%、Nb+Ta≦4.0質量%、W≦5.0質量%、Ni≦5.0質量%、Co≦3.0質量%、Fe≦20.0質量%
Siは被覆剤に含まれる合金成分が保有する大過剰な酸素を除去する目的で、被覆剤に少量含ませる。Si含有量が0.2質量%未満ではその効果が発揮されない。一方、Si含有量が1.0質量%を超えると、溶接金属の歩留り、および、溶接金属の衝撃性能を劣化させる。したがって、Si含有量は、被覆アーク溶接棒全質量あたり0.2〜1.0質量%とする。Si含有量は、前記効果をより高める観点から、好ましくは0.3質量%以上、より好ましくは0.4質量%以上とする。また、溶接金属の歩留りおよび衝撃性能をより向上させる観点から、好ましくは0.8質量%以下、より好ましくは0.7質量%以下とする。
Ti,Al,Mgは、Siと同様に、被覆剤に含まれる合金成分が保有する大過剰な酸素を除去する目的で、被覆剤に少量含ませる。
Ti,Al,Mgの含有量が、合計で0.30質量%未満ではその効果が発揮されない。一方、Ti,Al,Mgの含有量が、合計で1.0質量%を超えると、溶接金属中にTiO2、Al2O3、MgOといった酸化物として多量に分布し、溶接金属の衝撃性能の劣化につながる。また、溶接金属の延性や耐欠陥性が劣化する場合もある。したがって、Ti,Al,Mgの合計量は、被覆アーク溶接棒全質量あたり0.30〜1.0質量%とする。Ti,Al,Mgの合計量は、前記効果をより高める観点から、好ましくは0.35質量%以上、より好ましくは0.45質量%以上とする。また、溶接金属の衝撃性能をより向上させる観点から、好ましくは0.9質量%以下、より好ましくは0.85質量%以下とする。
なお、ここでのTi,Al,Mgには、スラグ形成剤など酸化物に由来するTi,Al,Mgは含まれない。
金属炭酸塩は、高温分解により発生したガスにより、アークをシールドし、また、溶接金属を高塩基性に保って、健全な溶接金属を確保する。また、金属炭酸塩の添加は、スラグの流動正の適正化に寄与し、良好な溶接作業性の確保に有効である。本発明においては、これらの効果を十分に得るために、金属炭酸塩の含有量は、CO2量換算値で、被覆アーク溶接棒全質量あたり2.5質量%以上とする。一方、金属炭酸塩の多量の添加は、スラグ剥離性およびビード外観等を劣化させるため、本発明においては、金属炭酸塩の含有量の上限値を、CO2量換算値で、被覆アーク溶接棒全質量あたり6.5質量%とする。したがって、金属炭酸塩の含有量は、CO2量換算値で、被覆アーク溶接棒全質量あたり2.5〜6.5質量%とする。金属炭酸塩の含有量は、前記効果をより高める観点から、CO2量換算値で、好ましくは2.7質量%以上、より好ましくは3.0質量%以上とする。また、スラグ剥離性の向上およびビード外観をより良好にする等の観点から、好ましくは5.0質量%以下、より好ましくは4.0質量%以下とする。
金属炭酸塩としては、例えばCaCO3、BaCO3等が挙げられる。
金属フッ化物は、アーク強度を高めるとともに、スラグの粘性および凝固温度を下げて流動性を向上させることで、スラグ剥離性の向上、融合不良防止、ピット・ブローホール防止に効果がある。これらの効果を十分に得るために、金属フッ化物の含有量は、F量換算値で、被覆アーク溶接棒全質量あたり1.5質量%以上とする。しかし、金属フッ化物の含有量が過多になると、アーク強度が強くなり過ぎてスパッタが増加し、アンダーカットが生じ易くなって、ビード形状が凸になる。よって、本発明においては、金属フッ化物の含有量の上限値を、F量換算値で、被覆アーク溶接棒全質量あたり5.0質量%とする。
金属フッ化物としては、例えば、CaF2等が挙げられる。
なお、金属フッ化物は、F量換算値で、フッ化ソーダ(NaF)を被覆アーク溶接棒全質量あたり1.5〜4.0質量%含有することが好ましい。これにより、スラグ剥離性が著しく向上する。
被覆剤中のスラグ形成剤は、アークの安定性、スパッタ発生量、スラグの剥離性等に関して良好な溶接作業性を確保するため、また、良好なビード形状を得るため、被覆アーク溶接棒全質量あたり5.0質量%以上添加する。一方、フラックス成分として被覆アーク溶接棒全質量あたり10.0質量%を超える多量のスラグ形成剤を含有させると、スパッタの発生量が過多となったり、アーク安定性が低下したりする等、溶接作業性が低下する。したがって、スラグ形成剤の含有量は、被覆アーク溶接棒全質量あたり5.0〜10.0質量%とする。スラグ形成剤の含有量は、前記効果をより高める観点から、好ましくは6.5質量%以上、より好ましくは7.0質量%以上とする。また、溶接作業性をより向上させる観点から、好ましくは9.5質量%以下、より好ましくは9.0質量%以下とする。
スラグ形成剤としては、例えば、SiO2、TiO2、Al2O3、ZrO2、CaO、BaO等が挙げられる。
アルカリ金属の酸化物は、適正範囲で添加することにより、アーク安定性が向上し、スパッタ発生量の低減およびスラグ被包性の改善に寄与する。本発明においては、アルカリ金属の酸化物の上記適正範囲を、被覆アーク溶接棒全質量あたり0.8〜2.0質量%と規定する。アルカリ金属の酸化物は、前記効果をより高める観点から、好ましくは1.1質量%以上、より好ましくは1.2質量%以上とする。また、前記効果をより高める観点から、好ましくは1.9質量%以下、より好ましくは1.8質量%以下とする。
アルカリ金属の酸化物としては、例えば、Li2O、Na2O、K2O等が挙げられる。なお、アルカリ金属の酸化物としては、被覆アーク溶接棒の被覆剤中に含まれる水ガラス由来のアルカリ金属の酸化物も含まれる。
被覆剤の残部は、不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、C,P,S,N,H等が挙げられる。
被覆率は被覆アーク溶接棒全質量あたりの被覆剤の質量である。被覆剤の被覆率が30質量%未満では、被覆剤が少なすぎて所定の溶接作業性が得られない。一方、被覆率が50質量%を超えると、溶接作業性が劣化する他、アーク熱で被覆中の金属成分を溶融させることができず、溶接金属に未溶融の金属粒子が混入する。そして、この未溶融の金属粒子により溶接欠陥を生じてしまう。したがって、被覆剤の被覆率は、被覆アーク溶接棒全質量あたり30〜50質量%とする。被覆剤の被覆率は、溶接作業性をより向上させる観点から、好ましくは32質量%以上、より好ましくは33質量%以上とする。また、溶接作業性をより向上させる観点から、また、未溶融の金属粒子の混入をより防止する観点から、好ましくは48質量%以下、より好ましくは46質量%以下とする。
本発明の被覆アーク溶接棒は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、前記した被覆剤を珪酸ソーダ、珪酸カリで代表される水ガラスなどの粘結剤により、前記した心線の周囲に被覆率が30〜50質量%となるように通常の溶接棒塗装機により被覆塗装する。その後、水分を除去するため、100〜550℃で焼成する。
本発明の被覆アーク溶接棒は、前記したとおり、心線のMg含有量を0.05〜0.5質量%としたことに特徴を有するものである。ただし、被覆アーク溶接棒は、Mgの一部をTiおよびAlのいずれか一種以上に置き換えることも考えられる。心線に含有させるMgの一部をTiおよびAlのいずれか一種以上に置き換えることでMg含有量が0.05質量%未満となった場合にも、溶接金属の欠陥数は減少傾向を示す。ただし、溶接金属の耐欠陥性は不合格水準となる(表7のNo.15)。すなわち、心線のMg含有量を0.05〜0.5質量%とした場合のほうが、心線に含有させるMgの一部をTiおよびAlのいずれか一種以上に置き換えた場合に比べ、気孔欠陥の発生が大幅に抑制される。
したがって、被覆アーク溶接棒は、心線のMg含有量を0.05〜0.5質量%とした場合のほうが好ましく、本発明では、心線のMg含有量を0.05〜0.5質量%とすることとした。
まず、表1に示す化学成分の心線、および、表2、3に示す化学成分の被覆剤からなる被覆アーク溶接棒(試験材)を試作した。試作は全て心線径を3.2φとして実施した。そして、試作した被覆アーク溶接棒を用いて、AWS A5.11に従って全溶着金属を作製し、各種試験を行った。具体的には、図1に示す開先形状で全溶着金属試験体を作製し、X線透過試験、引張試験、−196℃でのシャルピー衝撃試験に供した。そして、これらの試験により、溶接金属の耐欠陥性、機械的性質の評価を行った。
[耐欠陥性]
耐欠陥性はX線透過試験により評価した。X線透過試験は、全長300mmの試験板のうち、アークスタート部及びエンド部を除いた250mm長さの溶接金属中に0.5mmφ以上の欠陥数が15個以下の場合を合格とした。
全溶着金属の強度および延性は丸棒引張試験により評価した。引張試験では、成分系によって結果が大きく異なるため、AWS A5.11に規定される各成分系の要求値を満足するものを合格とした。表5にAWS A5.11の引張性能の要求値を記す。なお、試験片は直径6.5mmφ、評点距離26.0mmとした。
全溶着金属の衝撃性能は、−196℃でのシャルピー衝撃試験により評価した。Ni基合金の溶接棒は、低温での使用が想定される成分系が多い。そのため、シャルピー衝撃試験の試験温度は−196℃とした。また、3本の試験結果の平均値が50J以上の場合を合格とした。なお、ENiCrMo−3の成分系では強度が期待され、低温での使用は想定されないため、シャルピー衝撃試験は実施しなかった。
一方、本発明の範囲を満足しない試験No.9〜21は、以下の結果となった。
No.10は被覆率が発明の範囲を超えている。また、アルカリ金属の酸化物が上限を超えている。そのため、溶接作業性、スラグ被包性が劣化し、またアーク熱の不足による添加金属の未溶融により、耐欠陥性が不合格となった。
No.11はフラックス中のSi添加量が低い例である。したがって、脱酸能の不足により耐欠陥性が不合格となった。
No.13はフラックス中の「Ti+Al+Mg」の添加量が低い例である。したがって、脱酸能の不足により耐欠陥性が不合格となった。
No.14はフラックス中の「Ti+Al+Mg」の添加量が過剰な例である。したがって、過剰な脱酸元素が酸化物として溶接金属中に浮遊し、欠陥として作用したため、伸び、衝撃性能の劣化が見られ、耐欠陥性においても不合格となった。
No.16、17は心線にMgの代わりにTiもしくはAlを添加した例である。Ti、Alの単独添加では、溶融金属中の脱酸は不十分となり、耐欠陥性が不合格となった。
No.18は心線にMgの代わりにREMを添加したものである。この場合は溶接金属の評価結果は良好であるが、心線の製造が通常よりも困難であり、また、希土類原料が高価であることから経済的では無く、実用的ではない。
No.21は心線のSi、Mnが過剰な例である。この例では、溶接金属のSi含有量が高いために衝撃性能が不合格となった他、溶接施工時に耐棒焼け性の劣化を観測している。
Claims (1)
- 心線に被覆剤が塗布されているNi基合金被覆アーク溶接棒であって、
前記心線は、心線全質量あたり、
Mg:0.05〜0.5質量%
Si≦0.5質量%
Mn≦0.5質量%
P+S≦0.010質量%
C≦0.02質量%
を含有し、残部がNiおよび不可避的不純物からなり、
前記被覆剤は、Ni基合金被覆アーク溶接棒全質量あたり、
Mn+Cr+Mo+Nb+Ta+W+Ni+Co+Fe:16〜30質量%
Si:0.2〜1.0質量%
Ti+Al+Mg:0.30〜1.0質量%
金属炭酸塩のCO2量換算値:2.5〜6.5質量%
金属フッ化物のF換算値:1.5〜5.0質量%
スラグ形成剤:5.0〜10.0質量%
アルカリ金属の酸化物:0.8〜2.0質量%
を含有し、残部が不可避的不純物からなり、
前記被覆剤の被覆率:30〜50質量%であることを特徴とするNi基合金被覆アーク溶接棒。
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