JP2017094360A - Ar−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、かつ耐低温割れ性、低温靭性及びCTOD特性の優れる溶接金属を得ることができるAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量%で、鋼製外皮とフラックスの合計で、C:0.03〜0.09%、Si:0.1〜0.6%、Mn:1.3〜2.6%、Cu:0.01〜0.5%、Ti:0.05〜0.5%、B:0.002〜0.015%、Al:0.05%以下、フラックス中に、TiO2換算値:5〜9%、SiO2換算値:0.1〜0.6%、Al2O3換算値:0.02〜0.3%、Mg:0.1〜0.8%、F換算値::0.05〜0.3%、弗素化合物中のNa及びK換算値:0.05〜0.3%、Na2O及びK2O:0.05〜0.2%、ZrO2換算値:0.1%以下であることを特徴とする。
【選択図】 なし
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量%で、鋼製外皮とフラックスの合計で、C:0.03〜0.09%、Si:0.1〜0.6%、Mn:1.3〜2.6%、Cu:0.01〜0.5%、Ti:0.05〜0.5%、B:0.002〜0.015%、Al:0.05%以下、フラックス中に、TiO2換算値:5〜9%、SiO2換算値:0.1〜0.6%、Al2O3換算値:0.02〜0.3%、Mg:0.1〜0.8%、F換算値::0.05〜0.3%、弗素化合物中のNa及びK換算値:0.05〜0.3%、Na2O及びK2O:0.05〜0.2%、ZrO2換算値:0.1%以下であることを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
本発明は、鋼構造物等に使用される鋼を溶接するにあたって全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、かつ耐低温割れ性、低温靭性及び破壊靱性(以下、CTODという。)等の特性に優れた溶接金属が得られるAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
鋼を被溶接材とするガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤとしては、例えばルチール系フラックス入りワイヤや塩基性系フラックスワイヤが知られている。塩基性系フラックス入りワイヤを用いた溶接は、溶接金属の酸素量を低減できるので、低温靭性及びCTOD特性は優れている。但し、この塩基性フラックス入りワイヤによる溶接では、全姿勢溶接での溶接作業性がルチール系フラックス入りワイヤに比べて劣るので一般に用いられることが少ない。
一方、ルチール系フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接は、溶接能率、全姿勢溶接での溶接作業性において非常に優れた能力を発揮するため、造船、橋梁、海洋構造物、鉄骨等の広い分野で適用されている。
しかし、ルチール系フラックス入りワイヤは、TiO2をはじめとする金属酸化物主体のフラックスが鋼製外皮中に充填されているために、溶接金属中の酸素量が多く、低温靭性が得にくい。
また、これらフラックス入りワイヤは、フラックス原料に含有される水分やワイヤ保管時の吸湿により、拡散性水素量がソリッドワイヤに比べ高いことから、溶接金属の低温割れが懸念され、板厚の厚い鋼板の溶接時には100℃程度の予熱をする必要があり、溶接能率を低下させる原因となっている。
低温用鋼のルチール系フラックス入りワイヤについては、これまで種々の開発が進められている。例えば、特許文献1には、溶接中にスラグ成分に変わる合金成分を添加して、溶接作業性に作用するスラグ量を維持しながら、溶接金属の酸素量を低減して低温靭性に優れる溶接金属を得るという技術が開示されている。しかし、引用文献1に記載の技術では、シールドガスがCO2であるので溶接金属の酸素量が多くなってしまい、十分な低温靭性及びCTOD値が得られず、耐高温割れ性は確保されているものの耐低温割れ性については考慮されていない。
また特許文献2においても、低温靭性が優れる溶接金属を得る技術が開示されている。しかしながら、溶接金属の酸素量を低減するために添加されているMgOは、溶接時にアークを不安定にして多量のスパッタを発生させて溶接作業性が不良となる。また、この特許文献2の開示技術では、耐低温割れ性については特段考慮されていない。
また特許文献3には、全姿勢溶接で溶接作業性が良好で、低温における靭性が良好な溶接金属が得られるルチール系のフラックス入りワイヤが開示されている。しかし、この特許文献3の開示技術では、低温における靭性の安定について十分に検討されていないため、良好なCTOD値が得られないという問題があった。
さらに、特許文献4には、ワイヤ中のNb、V及びPの含有量を制限することにより、溶接のまま及び溶接後熱処理のいずれにおいても良好な低温靭性が得られる技術の開示がある。しかし、引用文献4に記載の技術においても、全姿勢溶接時の作業性及びCTOD値は十分ではないという問題があった。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、鋼構造物等に使用される鋼を溶接するにあたって全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、かつ耐低温割れ性、低温靭性及びCTOD特性の優れる溶接金属を得ることができるAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明者らは、シールドガスとしてAr−CO2混合を用いたルチール系のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、−40℃における低温靭性が安定して得られ、−10℃におけるCTOD値が良好で、耐低温割れ性に優れた溶接金属を得るべく、種々検討を行った。
その結果、TiO2を主成分とした金属酸化物、Na及びKを含む弗素化合物からなるスラグ成分と最適な合金成分及び脱酸剤を含む化学成分とすることによって、全姿勢における溶接作業性、低温靭性及びCTOD値が良好な溶接金属が得られ、さらに、成形された鋼製外皮の合わせ目が溶接されていることで鋼製外皮の継目を無くすことにより、比較的強度の高い溶接金属においても耐低温割れ性を改善できることを見出した。
すなわち、本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量%で、鋼製外皮とフラックスとの合計で、C:0.03〜0.09%、Si:0.1〜0.6%、Mn:1.3〜2.6%、Cu:0.01〜0.5%、Ti:0.05〜0.5%、B:0.002〜0.015%を含有し、Al:0.05%以下であり、さらに、ワイヤ全質量に対する質量%で、フラックス中に、Ti酸化物のTiO2換算値の合計:5〜9%、Si酸化物のSiO2換算値の合計:0.1〜0.6%、Al酸化物のAl2O3換算値の合計:0.02〜0.3%、Mg:0.1〜0.8%、弗素化合物のF換算値の合計:0.05〜0.3%、弗素化合物中におけるNa及びKのNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計:0.05〜0.3%、Na2O及びK2Oの1種または2種の合計:0.05〜0.2%を含有し、Zr酸化物のZrO2換算値の合計:0.1%以下であり、残部が鋼製外皮のFe、鉄粉、鉄合金粉のFe分及び不可避不純物からなることを特徴とする。
また、本発明では、ワイヤ全質量に対する質量%で、鋼製外皮とフラックスとの合計で、Ni:0.1〜0.5%をさらに含有することも特徴とする。
さらに本発明では、成形された鋼製外皮の合わせ目が溶接されていることで鋼製外皮に継目を無くしたことも特徴とする。
本発明のAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、また、−40℃における低温靭性及び−10℃におけるCTOD値が良好で、耐低温割れ性が優れた溶接金属が得られる。従って、本発明によれば、溶接能率の向上及び溶接部の品質の向上を図ることが可能となる。
以下、本発明のAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成及びその含有率と、各成分組成の限定理由について説明する。なお、各成分組成の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量%で表すこととし、その質量%を表すときには単に%と記載して表すこととする。
[鋼製外皮とフラックスの合計でC:0.03〜0.09%]
Cは、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに溶接金属の強度向上の効果がある。しかし、Cが0.03%未満では、アークを安定化させることができず、溶接金属につき所望の強度が十分に得られない。一方、Cが0.09%超では、Cが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、溶接金属の強度が高くなり、かえって低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でCは0.03〜0.09%とする。なお、Cは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属粉及び合金粉等から添加できる。
Cは、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに溶接金属の強度向上の効果がある。しかし、Cが0.03%未満では、アークを安定化させることができず、溶接金属につき所望の強度が十分に得られない。一方、Cが0.09%超では、Cが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、溶接金属の強度が高くなり、かえって低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でCは0.03〜0.09%とする。なお、Cは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属粉及び合金粉等から添加できる。
[鋼製外皮とフラックスの合計でSi:0.1〜0.6%]
Siは、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Siが0.1%未満では、溶接ビードの外観や形状を良好にする効果が十分に得られない。一方、Siが0.6%超では、Siが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でSiは0.1〜0.6%とする。なお、Siは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Si、Fe−Si、Fe−Si−Mn等の合金粉末から添加できる。
Siは、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Siが0.1%未満では、溶接ビードの外観や形状を良好にする効果が十分に得られない。一方、Siが0.6%超では、Siが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でSiは0.1〜0.6%とする。なお、Siは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Si、Fe−Si、Fe−Si−Mn等の合金粉末から添加できる。
[鋼製外皮とフラックスの合計でMn:1.3〜2.6%]
Mnは、溶接金属に歩留まることにより、溶接金属の強度と低温靱性及びCTOD値を高める効果がある。しかし、Mnが1.3%未満では、溶接金属の所望の強度が得られず、低温靭性及びCTOD値も十分に得られない。一方、Mnが2.6%超では、Mnが溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰になることにより、かえって溶接金属の低温靱性及びCTOD値が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でMnは1.3〜2.6%とする。なお、Mnは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Mn、Fe−Mn、Fe−Si−Mn等の合金粉末から添加できる。
Mnは、溶接金属に歩留まることにより、溶接金属の強度と低温靱性及びCTOD値を高める効果がある。しかし、Mnが1.3%未満では、溶接金属の所望の強度が得られず、低温靭性及びCTOD値も十分に得られない。一方、Mnが2.6%超では、Mnが溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰になることにより、かえって溶接金属の低温靱性及びCTOD値が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でMnは1.3〜2.6%とする。なお、Mnは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Mn、Fe−Mn、Fe−Si−Mn等の合金粉末から添加できる。
[鋼製外皮とフラックスの合計でCu:0.01〜0.5%]
Cuは、溶接金属の組織を微細化し、低温靭性及び強度を高める効果がある。しかし、Cuが0.01%未満では、溶接金属の低温靭性及び強度が十分に得られない。一方、Cuが0.5%超では、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でCuは0.01〜0.5%とする。なお、Cuは、鋼製外皮表面に施したCuめっき分の他、フラックスから金属Cu、Cu−Zr、Fe−Si−Cu等の合金粉末から添加できる。
Cuは、溶接金属の組織を微細化し、低温靭性及び強度を高める効果がある。しかし、Cuが0.01%未満では、溶接金属の低温靭性及び強度が十分に得られない。一方、Cuが0.5%超では、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でCuは0.01〜0.5%とする。なお、Cuは、鋼製外皮表面に施したCuめっき分の他、フラックスから金属Cu、Cu−Zr、Fe−Si−Cu等の合金粉末から添加できる。
[鋼製外皮とフラックスの合計でTi:0.05〜0.5%]
Tiは、溶接金属の組織を微細化して低温靭性及びCTOD値を向上させる効果がある。しかし、Tiが0.05%未満では、溶接金属の低温靭性及びCTOD値を向上させる効果が十分に得られない。一方、Tiが0.5%超では、靭性を阻害する上部ベイナイト組織を生成し低温靭性及びCTOD値が低くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でTiは0.05〜0.5%とする。なお、Tiは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ti、Fe−Ti等の合金粉末から添加できる。
Tiは、溶接金属の組織を微細化して低温靭性及びCTOD値を向上させる効果がある。しかし、Tiが0.05%未満では、溶接金属の低温靭性及びCTOD値を向上させる効果が十分に得られない。一方、Tiが0.5%超では、靭性を阻害する上部ベイナイト組織を生成し低温靭性及びCTOD値が低くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でTiは0.05〜0.5%とする。なお、Tiは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ti、Fe−Ti等の合金粉末から添加できる。
[鋼製外皮とフラックスの合計でB:0.002〜0.015%]
Bは、微量の添加により溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を向上させる効果がある。しかし、Bが0.002%未満では、溶接金属の低温靭性及びCTOD値を向上させる効果が十分に得られない。一方、Bが0.015%超では、溶接金属の低温靱性及びCTOD値が低下するとともに、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、Bは0.002〜0.015%とする。なお、Bは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属B、Fe−B、Fe−Mn−B等合金粉末及び硼砂から添加できる。
Bは、微量の添加により溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を向上させる効果がある。しかし、Bが0.002%未満では、溶接金属の低温靭性及びCTOD値を向上させる効果が十分に得られない。一方、Bが0.015%超では、溶接金属の低温靱性及びCTOD値が低下するとともに、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、Bは0.002〜0.015%とする。なお、Bは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属B、Fe−B、Fe−Mn−B等合金粉末及び硼砂から添加できる。
[鋼製外皮とフラックスの合計でAl:0.05%以下]
Alは、酸化物として溶接金属に残留して溶接金属の靭性が低下する。特にこのAlが0.05%を超えると、溶接金属の靭性が顕著になる。従って、Alは0.05%以下とする。なお、Alは、必須の元素ではなく、含有率が0%とされていてもよい。
Alは、酸化物として溶接金属に残留して溶接金属の靭性が低下する。特にこのAlが0.05%を超えると、溶接金属の靭性が顕著になる。従って、Alは0.05%以下とする。なお、Alは、必須の元素ではなく、含有率が0%とされていてもよい。
[フラックス中のTi酸化物のTiO2換算値の合計:5〜9%]
Ti酸化物は、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、溶接ビードの形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ti酸化物は、立向上進溶接において、溶接スラグにTi酸化物として含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が5%未満では、これらの効果が十分に得られず、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、溶接ビード形状が劣化する。また、立向上進溶接において溶融メタルが垂れやすくなる。一方、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が9%超では、アークが安定してスパッタ発生量も少なくすることができるが、溶接金属にTi酸化物が過剰に残存することにより、低温靱性が低下する。従って、フラックス中のTi酸化物のTiO2換算値の合計は5〜9%とする。なお、Ti酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等から添加される。
Ti酸化物は、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、溶接ビードの形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ti酸化物は、立向上進溶接において、溶接スラグにTi酸化物として含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が5%未満では、これらの効果が十分に得られず、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、溶接ビード形状が劣化する。また、立向上進溶接において溶融メタルが垂れやすくなる。一方、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が9%超では、アークが安定してスパッタ発生量も少なくすることができるが、溶接金属にTi酸化物が過剰に残存することにより、低温靱性が低下する。従って、フラックス中のTi酸化物のTiO2換算値の合計は5〜9%とする。なお、Ti酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等から添加される。
[フラックス中のSi酸化物のSiO2換算値の合計:0.1〜0.6%]
Si酸化物は、溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を向上させる効果がある。しかし、Si酸化物のSiO2換算値の合計が0.1%未満では、この効果が十分に得られずビード外観が不良となる。一方、Si酸化物のSiO2換算値の合計が0.6%超では、溶融スラグの塩基度が低下することにより、溶接金属の酸素量が増加して低温靭性が低下する。従って、フラックス中のSi酸化物のSiO2換算値の合計は0.1〜0.6%とする。なお、Si酸化物は、フラックスから珪砂、珪酸ソーダ等から添加できる。
Si酸化物は、溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を向上させる効果がある。しかし、Si酸化物のSiO2換算値の合計が0.1%未満では、この効果が十分に得られずビード外観が不良となる。一方、Si酸化物のSiO2換算値の合計が0.6%超では、溶融スラグの塩基度が低下することにより、溶接金属の酸素量が増加して低温靭性が低下する。従って、フラックス中のSi酸化物のSiO2換算値の合計は0.1〜0.6%とする。なお、Si酸化物は、フラックスから珪砂、珪酸ソーダ等から添加できる。
[フラックス中のAl酸化物のAl2O3換算値の合計:0.02〜0.3%]
Al酸化物は、溶接時に溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防止する効果がある。しかし、Al酸化物のAl2O3換算値の合計が0.02%未満では、この効果が十分に得られず、立向上進溶接で溶融メタルが垂れやすくなる。一方、Al酸化物のAl2O3換算値の合計が0.3%を超えると、溶接金属中にAl酸化物が過剰に残存することにより、低温靱性が低下する。従って、フラックス中のAl酸化物のAl2O3換算値の合計は0.02〜0.3%とする。なお、Al酸化物は、フラックスからのアルミナ等から添加できる。
Al酸化物は、溶接時に溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防止する効果がある。しかし、Al酸化物のAl2O3換算値の合計が0.02%未満では、この効果が十分に得られず、立向上進溶接で溶融メタルが垂れやすくなる。一方、Al酸化物のAl2O3換算値の合計が0.3%を超えると、溶接金属中にAl酸化物が過剰に残存することにより、低温靱性が低下する。従って、フラックス中のAl酸化物のAl2O3換算値の合計は0.02〜0.3%とする。なお、Al酸化物は、フラックスからのアルミナ等から添加できる。
[フラックス中のMg:0.1〜0.8%]
Mgは、強脱酸剤として機能することにより溶接金属中の酸素を低減させ、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を高める効果がある。しかし、Mgが0.1%未満では、溶接金属の低温靱性及びCTOD値向上の効果が十分に得られない。一方、Mgが0.8%超では、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してスパッタやヒュームの発生量が多くなる。従って、フラックス中のMgは0.1〜0.8%とする。なお、Mgは、フラックスから金属Mg、Al−Mg等の合金粉末から添加できる。
Mgは、強脱酸剤として機能することにより溶接金属中の酸素を低減させ、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を高める効果がある。しかし、Mgが0.1%未満では、溶接金属の低温靱性及びCTOD値向上の効果が十分に得られない。一方、Mgが0.8%超では、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してスパッタやヒュームの発生量が多くなる。従って、フラックス中のMgは0.1〜0.8%とする。なお、Mgは、フラックスから金属Mg、Al−Mg等の合金粉末から添加できる。
[フラックス中の弗素化合物のF換算値の合計:0.05〜0.3%]
弗素化合物は、アークを安定させる効果がある。しかし、弗素化合物のF換算値の合計が0.05%未満では、この効果が十分に得られずアークが不安定になる。一方、弗素化合物のF換算値の合計が0.3%を超えると、アークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。また弗素化合物のF換算値の合計が0.3%を超えると、立向上進溶接では溶融メタル垂れが発生しやすくなる。従って、フラックス中の弗素化合物のF換算値の合計は0.05〜0.3%とする。なお、弗素化合物は、CaF2、NaF、LiF、MgF2、K2SiF6、Na3AlF6、AlF3等から添加でき、F換算値はそれらに含有するF量の合計である。
弗素化合物は、アークを安定させる効果がある。しかし、弗素化合物のF換算値の合計が0.05%未満では、この効果が十分に得られずアークが不安定になる。一方、弗素化合物のF換算値の合計が0.3%を超えると、アークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。また弗素化合物のF換算値の合計が0.3%を超えると、立向上進溶接では溶融メタル垂れが発生しやすくなる。従って、フラックス中の弗素化合物のF換算値の合計は0.05〜0.3%とする。なお、弗素化合物は、CaF2、NaF、LiF、MgF2、K2SiF6、Na3AlF6、AlF3等から添加でき、F換算値はそれらに含有するF量の合計である。
[フラックス中の弗素化合物中のNa及びKにおけるNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計:0.05〜0.3%]
弗素化合物中のNa及びKは、Mgのみでは不可能であった溶接金属中の酸素をさらに低減させ、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を高める効果がある。しかし、弗素化合物中のNa及びKにおけるNa換算値K換算値の1種または2種の合計が0.05%未満では、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を高める効果が十分に得られない。一方、弗素化合物中のNa及びKのNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計が0.3%を超えると、アークが荒くなってスパッタ発生量が多くなる。従って、フラックス中の弗素化合物中のNa及びKのNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計は0.05〜0.3%とする。なお、弗素化合物中のNa及びKは、NaF、K2SiF6、Na3AlF6等から添加でき、Na換算値及びK換算値はそれらに含有されるNa及びKの合計である。
弗素化合物中のNa及びKは、Mgのみでは不可能であった溶接金属中の酸素をさらに低減させ、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を高める効果がある。しかし、弗素化合物中のNa及びKにおけるNa換算値K換算値の1種または2種の合計が0.05%未満では、溶接金属の低温靱性及びCTOD値を高める効果が十分に得られない。一方、弗素化合物中のNa及びKのNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計が0.3%を超えると、アークが荒くなってスパッタ発生量が多くなる。従って、フラックス中の弗素化合物中のNa及びKのNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計は0.05〜0.3%とする。なお、弗素化合物中のNa及びKは、NaF、K2SiF6、Na3AlF6等から添加でき、Na換算値及びK換算値はそれらに含有されるNa及びKの合計である。
[フラックス中のNa2O及びK2Oの1種または2種の合計:0.05〜0.2%]
Na2O及びK2Oは、アーク安定剤及びスラグ形成剤としてとして作用する。Na2O及びK2Oの1種または2種の合計が0.05%未満であると、アークが不安定となりスパッタ発生量が多くなる。また、ビード外観も不良になる。一方、Na2O及びK2Oの1種または2種の合計が0.2%を超えると、スラグ剥離性が不良となり、また立向上進溶接ではメタルが垂れやすくなる。従って、フラックス中のNa2O及びとK2Oの1種または2種の合計は0.05〜0.2%とする。なお、Na2O及びとK2Oは、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム等から添加できる。
Na2O及びK2Oは、アーク安定剤及びスラグ形成剤としてとして作用する。Na2O及びK2Oの1種または2種の合計が0.05%未満であると、アークが不安定となりスパッタ発生量が多くなる。また、ビード外観も不良になる。一方、Na2O及びK2Oの1種または2種の合計が0.2%を超えると、スラグ剥離性が不良となり、また立向上進溶接ではメタルが垂れやすくなる。従って、フラックス中のNa2O及びとK2Oの1種または2種の合計は0.05〜0.2%とする。なお、Na2O及びとK2Oは、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、チタン酸カルシウム、チタン酸ナトリウム等から添加できる。
[フラックス中のZr酸化物のZrO2換算値の合計:0.1%以下]
Zr酸化物は、Ti酸化物中に微量含有する場合がある。しかし、Zr酸化物は、スラグ剥離性を不良にし、特にその含有量が0.1%を超えるとスラグ剥離性が著しくなる。従って、Zr酸化物のZrO2換算値の合計は0.1%以下とする。なお、Zr酸化物は、必須の成分ではなく、含有率がZrO2換算値の合計で0%とされていてもよい。
Zr酸化物は、Ti酸化物中に微量含有する場合がある。しかし、Zr酸化物は、スラグ剥離性を不良にし、特にその含有量が0.1%を超えるとスラグ剥離性が著しくなる。従って、Zr酸化物のZrO2換算値の合計は0.1%以下とする。なお、Zr酸化物は、必須の成分ではなく、含有率がZrO2換算値の合計で0%とされていてもよい。
[鋼製外皮とフラックスの合計でNi:0.1〜0.5%]
Niは、溶接金属の低温靱性をより安定にする効果がある。Niが0.1%未満では、溶接金属の低温靱性をより安定にする効果が十分に得られない。一方、Niが0.5%超では、溶接金属の引張強さが過剰になる場合がある。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でNiは0.1〜0.5%とする。なお、Niは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ni、Fe−Ni等の合金粉末から添加できる。また、Niは必須の元素ではなく、含まれていない場合もある。
Niは、溶接金属の低温靱性をより安定にする効果がある。Niが0.1%未満では、溶接金属の低温靱性をより安定にする効果が十分に得られない。一方、Niが0.5%超では、溶接金属の引張強さが過剰になる場合がある。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でNiは0.1〜0.5%とする。なお、Niは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ni、Fe−Ni等の合金粉末から添加できる。また、Niは必須の元素ではなく、含まれていない場合もある。
[鋼製外皮に継目が無いこと]
本発明のAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用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、成形した鋼製外皮の合わせ目を溶接して得られる鋼製外皮に継目の無いワイヤと、鋼製外皮の合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継目を有するワイヤとに大別できる。本発明においては、何れの断面構造のワイヤを採用することができるが、鋼製外皮に継目が無いワイヤは、ワイヤ中の全水素量を低減することを目的とした熱処理が可能であり、また製造後のフラックスの吸湿が無いため、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性の向上を図ることができるので、より好ましい。
本発明のAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用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、成形した鋼製外皮の合わせ目を溶接して得られる鋼製外皮に継目の無いワイヤと、鋼製外皮の合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継目を有するワイヤとに大別できる。本発明においては、何れの断面構造のワイヤを採用することができるが、鋼製外皮に継目が無いワイヤは、ワイヤ中の全水素量を低減することを目的とした熱処理が可能であり、また製造後のフラックスの吸湿が無いため、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性の向上を図ることができるので、より好ましい。
本発明を適用したAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの残部は、鋼製外皮のFe、成分調整のために添加する鉄粉、Fe−Mn、Fe−Si合金等の鉄合金粉のFe分及び不可避不純物である。また、フラックス充填率は特に制限はしないが、生産性の観点から、ワイヤ全質量に対して8〜20%とするのが好ましい。
溶接時のシールドガスは、溶接金属の酸素量を低減するためにAr−5〜25%CO2の混合ガスとする。
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
鋼製外皮にJIS G 3141 SPCCを使用して、鋼製外皮を成型する工程でU字型に成形した後、鋼製外皮の合わせ目を溶接した継目が無いワイヤと、溶接しない隙間が有るワイヤとを造管、伸線して表1〜表4に示すワイヤ径1.2mmの各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。
試作したワイヤは、KE40に規定される鋼板を用いて立向上進すみ肉溶接による溶接作業性の評価、溶接割れ試験及び溶着金属試験として機械的特性評価を実施した。さらに、一部の試作ワイヤを用いて図1に示すK開先で立向上進溶接による溶接継手試験を行いCTOD試験を実施した。ちなみに、このK開先では、開先角度を45°に設定し、表面側の開先深さを23mm、裏面側の開先深さを35mmとしている。これらの溶接条件を表5に示す。
立向上進溶接による溶接作業性の評価は、アークの安定性、スパッタ及びヒュームの発生状態、ビード外観・形状、溶融メタルの垂れ状況及び高温割れの有無について調査した。
溶接割れ試験は、U形溶接割れ試験方法(JIS Z 3157)に準拠し、試験体の予熱温度を75℃で実施し、溶接後48時間経過した試験体について、表面割れ及び断面割れ(5断面)の発生の有無を浸透探傷試験(JIS Z 2343)により調査した。
溶着金属試験は、JIS Z 3111に準じて溶接し、溶着金属の板厚方向の中心部から引張試験(A1号)及び衝撃試験(Vノッチ試験片)を採取して、機械試験を実施した。引張強さの評価は、引張強さが530〜660MPaのものを良好とした。靭性の評価は、−40℃におけるシャルピー衝撃試験により行い、各々繰返し3本の吸収エネルギーの平均が60J以上を良好とした。
溶接継手試験は、図1に示すK開先の裏面を溶接後、表面の鋼板表面から34mm深さまで開先部を半径6mm、開先角度45°の裏はつり加工をして表面側を溶接した。溶接継手試験によるCTOD値の評価は、BS(英国規格)7448に準じてCTOD試験片を採取し、試験温度−10℃で繰返し3本の試験を行いCTOD値の最低が0.5mm以上を良好とした。これらの結果を表6にまとめて示す。
表1、表2及び表6のワイヤ記号W1〜W15は本発明例であり、表3、表4及び表6のワイヤ記号W16〜W30は比較例である。本発明例であるワイヤ記号W1〜W15は、各成分組成が本発明において規定した範囲内にあるので溶接作業性が良好であるとともに、U型割れ試験においても割れがなく、溶着金属試験の引張強さ及び吸収エネルギーも良好な値が得られるなど極めて満足な結果であった。また、Niを適量含むワイヤ記号W3〜W5、W8,W9及びW12〜W14の溶着金属試験の吸収エネルギーは90J以上が得られた。さらに、溶接継手試験を実施したワイヤ記号W2,W5、W7、W10、W12及びW13は、何れも良好なCTOD値が得られた。
比較例中ワイヤ記号W16は、Cが少ないので、アークが不安定で、溶着金属の引張強さが低かった。また、弗素化合物中のNa換算値とK換算値の合計が少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。さらに、溶接継手試験のCTOD値も低値であった。
ワイヤ記号W17は、Cが多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低値であった。また、弗素化合物中のNa換算値とK換算値の合計が多いので、アークが荒くスパッタ発生量が多かった。さらに、鋼製外皮に継ぎ目を有し溶着金属の引張強さが高いので、U型割れ試験において溶接部に割れが生じた。
ワイヤ記号W18は、Siが少ないので、ビード外観及び形状が不良であった。また、Mgが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、溶接継手試験のCTOD値も低値であった。
ワイヤ記号W19は、Siが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、ZrO2換算値が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号W20は、Mnが少ないので、溶着金属の引張強さが低く吸収エネルギーが低値であった。また、溶接継手試験のCTOD値も低値であった。さらに、Na2OとK2Oの合計が多いので、スラグ剥離性が不良で、メタル垂れも生じた。
ワイヤ記号W21は、Mnが多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低値であった。溶接継手試験のCTOD値も低値であった。また、鋼製外皮に継ぎ目を有し溶着金属の引張強さが高いので、U型割れ試験において溶接部に割れが生じた。さらに、Na2OとK2Oの合計が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号W22は、Cuが少ないので、溶着金属の引張強さが低く吸収エネルギーが低値であった。また、Niの含有量が少ないので、溶着金属の吸収エネルギーを向上させる効果は得られなかった。
ワイヤ記号W23は、Cuが多いので、クレータ部に高温割れが生じた。また、弗素化合物のF換算値が多いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号W24は、Tiが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、また溶接継手試験のCTOD値も低値であった。さらに、Mgが多いので、スパッタ及びヒュームの発生量が多かった。
ワイヤ記号W25は、Tiが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、また溶接継手試験のCTOD値も低値であった。さらに、Al2O3換算値が少ないので、メタル垂れが生じた。
ワイヤ記号W26は、Bが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、また溶接継手試験のCTOD値も低値であった。さらに、SiO2換算値が少ないので、ビード外観が不良であった。
ワイヤ記号W27は、Bが多いので、クレータ部に高温割れが生じ、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、溶接継手試験のCTOD値も低値であった。さらに、TiO2換算値が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード形状も不良であった。
ワイヤ記号W28は、Alが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Niが多いので、溶着金属の引張強さが高かった。さらに、鋼製外皮に継ぎ目を有し溶着金属の引張強さが高いので、U型割れ試験において溶接部に割れが生じた。
ワイヤ記号W29は、TiO2換算値が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、弗素化合物のF換算値が少ないので、アークが不安定であった。
ワイヤ記号W30は、Al2O3換算値が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
Claims (3)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対する質量%で、鋼製外皮とフラックスとの合計で、
C:0.03〜0.09%、
Si:0.1〜0.6%、
Mn:1.3〜2.6%、
Cu:0.01〜0.5%、
Ti:0.05〜0.5%、
B:0.002〜0.015%を含有し、
Al:0.05%以下であり、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量%で、フラックス中に、
Ti酸化物のTiO2換算値の合計:5〜9%、
Si酸化物のSiO2換算値の合計:0.1〜0.6%、
Al酸化物のAl2O3換算値の合計:0.02〜0.3%、
Mg:0.1〜0.8%、
弗素化合物のF換算値の合計:0.05〜0.3%、
弗素化合物中におけるNa及びKのNa換算値及びK換算値の1種または2種の合計:0.05〜0.3%、
Na2O及びK2Oの1種または2種の合計:0.05〜0.2%を含有し、
Zr酸化物のZrO2換算値の合計:0.1%以下であり、
残部が鋼製外皮のFe、鉄粉、鉄合金粉のFe分及び不可避不純物からなることを特徴とするAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量に対する質量%で、鋼製外皮とフラックスとの合計で、
Ni:0.1〜0.5%をさらに含有する請求項1に記載のAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - 成形された鋼製外皮の合わせ目が溶接されていることで鋼製外皮に継目を無くしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のAr−CO2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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