JP2018008293A - サブマージアーク溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ハステロイＣ２７６系サブマージアーク溶接材料（溶接ワイヤ及びフラックス）を用いながら、極低温においても良好な低温靱性を有する溶接金属が得られるとともに、特に横向姿勢の溶接時の溶接作業性（ビード形状、ビード外観）が良好であるサブマージアーク溶接方法を提供すること。
【解決手段】溶接ワイヤと焼結型フラックスを組み合わせて用いるサブマージアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤが、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｎｉ：５０質量％以上、Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、Ｗ：３．０〜４．５質量％、Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及びＡｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、かつ、前記焼結型フラックスが、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、ＳｉＯ２：５〜２５質量％、ＣａＯ：２〜１０質量％、ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及びＮａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する、サブマージアーク溶接方法。
【選択図】なし
【解決手段】溶接ワイヤと焼結型フラックスを組み合わせて用いるサブマージアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤが、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｎｉ：５０質量％以上、Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、Ｗ：３．０〜４．５質量％、Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及びＡｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、かつ、前記焼結型フラックスが、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、ＳｉＯ２：５〜２５質量％、ＣａＯ：２〜１０質量％、ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及びＮａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する、サブマージアーク溶接方法。
【選択図】なし
Description
本発明は、サブマージアーク溶接方法に関し、より詳細には、特定の溶接ワイヤと特定の焼結型フラックスとを組み合わせて用いるサブマージアーク溶接方法に関する。
従来、液化天然ガス（ＬＮＧ）のような極低温液体の貯蔵に用いられる極低温液体貯蔵タンクの建設材料として使用される、９％Ｎｉ鋼等の低温用綱の溶接においては、高温割れ防止のため、入熱の比較的低い被覆アーク溶接法が適用されていた。しかしながら、近時では耐高温割れ性に優れたワイヤが開発され、溶接建造物の施工能率を向上させるために、サブマージアーク溶接の実構造物への適用が増加している。サブマージアーク溶接により極低温用の建造材料等を溶接する場合、得られる金属は母材と同等の優れた強度及び低温靭性を有することが必要とされる。
極低温液体貯蔵タンクの溶接に使用できる溶接材料には、高い品質要求（強度及び靱性）を満足するために、Ｎｉを５０質量％以上含むＮｉ基ワイヤが用いられている。Ｎｉ基ワイヤには、インコネル合金系やハステロイ合金系のワイヤがあり、求められる要求特性（耐食性、耐高温割れ性等）によって、それぞれ適切な合金系のＮｉ基ワイヤが用いられている．
ここで、極低温液体貯蔵タンクの建設材料として用いられる低温用鋼を対象とした、Ｎｉ基ワイヤを用いるサブマージアーク溶接法に関して、例えば、特許文献１では、フラックスのスラグ生成剤および合金剤成分の調整により、スラグ剥離性およびビード形状の安定化を図ったフラックスの提案がされている。また、特許文献２では、フラックスの配合と嵩密度の調整により、低温靭性を確保しつつスラグ剥離性とビード平滑性を得ることの出来るフラックスが提案されている。
しかしながら、ハステロイ合金系の中でも、ハステロイＣ２７６系のＮｉ基ワイヤを使用してサブマージアーク溶接を行った場合、溶接金属の低温靭性が劣化するという問題点があった。
また、極低温液体貯蔵タンクのサブマージアーク溶接適用姿勢としては、下向や横向が主である。このうち、横向姿勢の溶接時には、溶融スラグの凝固温度によって、溶接ビードが垂れやすくなる、形状が不安定になりビード表面の凹凸が激しくなる、スラグ剥離性が劣化するなど、溶接作業性が劣化するという問題があった。
上記問題点を鑑みて、本発明は、ハステロイＣ２７６系サブマージアーク溶接材料（溶接ワイヤ及びフラックス）を用いながら、極低温においても良好な低温靱性を有する溶接金属が得られるとともに、特に横向姿勢の溶接時の溶接作業性（ビード形状、ビード外観）が良好であるサブマージアーク溶接方法を提供することを主目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った。そして、ハステロイＣ２７６系のＮｉ基ワイヤを使用してサブマージアーク溶接を行った場合に得られる溶接金属の低温靱性が劣化する原因は、溶接金属中に析出する金属間化合物（Ｓｉ源、Ａｌ源）や炭化物であると考え、ワイヤ組成及びフラックス組成の両方の観点から、金属間化合物や炭化物が析出しない溶接金属とすることについて検討した。また、健全な横向溶接作業性を確保するために、フラックス組成を特定範囲に調整することについてさらに検討した。そして、以下のサブマージアーク溶接方法によれば上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、溶接ワイヤと焼結型フラックスを組み合わせて用いるサブマージアーク溶接方法において、
前記溶接ワイヤが、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｎｉ：５０質量％以上、
Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、
Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、
Ｗ：３．０〜４．５質量％、
Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、
Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及び
Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、かつ、
前記焼結型フラックスが、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、
Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、
ＳｉＯ２：５〜２５質量％、
ＣａＯ：２〜１０質量％、
ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及び
Ｎａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する、サブマージアーク溶接方法に関する。
前記溶接ワイヤが、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｎｉ：５０質量％以上、
Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、
Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、
Ｗ：３．０〜４．５質量％、
Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、
Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及び
Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、かつ、
前記焼結型フラックスが、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、
Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、
ＳｉＯ２：５〜２５質量％、
ＣａＯ：２〜１０質量％、
ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及び
Ｎａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する、サブマージアーク溶接方法に関する。
上記サブマージアーク溶接方法においては、焼結型フラックスが炭酸塩を実質的に含まないことが好ましい。
上記サブマージアーク溶接方法においては、焼結型フラックスがＡｌおよびＳｉを実質的に含まないことが好ましい。
上記サブマージアーク溶接方法は、低温用鋼の溶接に適用されることが好ましい。
本発明のサブマージアーク溶接方法によれば、ハステロイＣ２７６系サブマージアーク溶接材料を用いながら、極低温においても良好な低温靱性を有する溶接金属が得られるとともに、特に横向姿勢の溶接時の溶接作業性（ビード形状、ビード外観）が良好である。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態のサブマージアーク溶接方法は、溶接ワイヤと焼結型フラックスを組み合わせて用いるサブマージアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤが、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｎｉ：５０質量％以上、Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、Ｗ：３．０〜４．５質量％、Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及びＡｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、かつ、前記焼結型フラックスが、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、ＳｉＯ２：５〜２５質量％、ＣａＯ：２〜１０質量％、ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及びＮａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する、サブマージアーク溶接方法である。
＜溶接ワイヤ＞
まず、本実施形態のサブマージアーク溶接方法に用いられる溶接ワイヤ（以下、本実施形態の溶接ワイヤ、又は単にワイヤともいう）における各成分量の数値限定の理由について説明する。なお、本明細書において、質量を基準とする百分率（質量％）は、重量を基準とする百分率（重量％）と同義である。また、各成分の含有量について、「Ｘ質量％以下（０質量％を含まない）」であることを、「０超Ｘ質量％以下」と表すことがある。
まず、本実施形態のサブマージアーク溶接方法に用いられる溶接ワイヤ（以下、本実施形態の溶接ワイヤ、又は単にワイヤともいう）における各成分量の数値限定の理由について説明する。なお、本明細書において、質量を基準とする百分率（質量％）は、重量を基準とする百分率（重量％）と同義である。また、各成分の含有量について、「Ｘ質量％以下（０質量％を含まない）」であることを、「０超Ｘ質量％以下」と表すことがある。
本実施形態の溶接ワイヤは、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｎｉ：５０質量％以上、Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、Ｗ：３．０〜４．５質量％、Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及びＡｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有する。
本実施形態の溶接ワイヤの成分系は、Ａｌ以外の成分については、ハステロイＣ２７６系であるワイヤ規格ＡＷＳ Ａ５．１４ ＥＲＮｉＣｒＭｏ−４に合致している。
本実施形態の溶接ワイヤの成分系は、Ａｌ以外の成分については、ハステロイＣ２７６系であるワイヤ規格ＡＷＳ Ａ５．１４ ＥＲＮｉＣｒＭｏ−４に合致している。
（Ｎｉ：５０質量％以上）
Ｎｉは、溶接金属のマトリックスを構成する主要元素である。本実施形態では、溶接金属の靭性および延性を確保し、また、耐食性の低下を防ぐために、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を５０質量％以上とする。
Ｎｉは、溶接金属のマトリックスを構成する主要元素である。本実施形態では、溶接金属の靭性および延性を確保し、また、耐食性の低下を防ぐために、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を５０質量％以上とする。
（Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％）
Ｃｒは、酸化性酸に対する耐食性を向上させるために必要な元素であり、本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を１４．５質量％以上とし、好ましくは１５．０質量％以上とする。一方、多量に添加するとＣｒ炭化物が析出して機械的性質が劣化するおそれがあることから、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を１６．５質量％以下とし、好ましくは１６．０質量％以下とする。
Ｃｒは、酸化性酸に対する耐食性を向上させるために必要な元素であり、本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を１４．５質量％以上とし、好ましくは１５．０質量％以上とする。一方、多量に添加するとＣｒ炭化物が析出して機械的性質が劣化するおそれがあることから、溶接ワイヤ中のＣｒ含有量を１６．５質量％以下とし、好ましくは１６．０質量％以下とする。
（Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％）
ＭｏをＣｒとともに含有することで、酸化性酸のみならず、非酸化性酸や塩類に対しても優れた耐食性を実現できる。本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量を１５．０質量％以上とし、好ましくは１５．５質量％以上とする。一方、多量に添加するとＮｉ等との金属間化合物の析出が顕著になり、機械的性質が劣化するおそれがあることから、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量を１７．０質量％以下とし、好ましくは１６．５質量％以下とする。
ＭｏをＣｒとともに含有することで、酸化性酸のみならず、非酸化性酸や塩類に対しても優れた耐食性を実現できる。本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量を１５．０質量％以上とし、好ましくは１５．５質量％以上とする。一方、多量に添加するとＮｉ等との金属間化合物の析出が顕著になり、機械的性質が劣化するおそれがあることから、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量を１７．０質量％以下とし、好ましくは１６．５質量％以下とする。
（Ｗ：３．０〜４．５質量％）
Ｗを添加すると、固溶体強化によりγ相が安定化し引張強度の向上が期待できる。本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＷ含有量を３．０質量％以上とし、好ましくは３．５質量％以上とする。一方、Ｗを過度に添加すると、Ｗの濃化した偏析が生じ、靱性が低下する。また、ワイヤ加工性が難化する。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＷ含有量を４．５質量％以下とし、好ましくは４．０質量％以下とする。
Ｗを添加すると、固溶体強化によりγ相が安定化し引張強度の向上が期待できる。本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＷ含有量を３．０質量％以上とし、好ましくは３．５質量％以上とする。一方、Ｗを過度に添加すると、Ｗの濃化した偏析が生じ、靱性が低下する。また、ワイヤ加工性が難化する。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＷ含有量を４．５質量％以下とし、好ましくは４．０質量％以下とする。
（Ｆｅ：４．０〜７．０質量％）
Ｎｉ合金に固溶したＦｅは、引張強度を向上させる効果を有する。本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＦｅ含有量を４．０質量％以上とし、好ましくは５．０質量％以上とする。一方、Ｆｅは低融点のラーベス相として粒界に析出し、多パス溶接時の再熱により再溶融して、粒界の再熱液化割れの原因となる。そのため、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＦｅ含有量を７．０質量％以下とし、好ましくは６．０質量％以下とする。
Ｎｉ合金に固溶したＦｅは、引張強度を向上させる効果を有する。本実施形態では、その効果を十分に得るために、溶接ワイヤ中のＦｅ含有量を４．０質量％以上とし、好ましくは５．０質量％以上とする。一方、Ｆｅは低融点のラーベス相として粒界に析出し、多パス溶接時の再熱により再溶融して、粒界の再熱液化割れの原因となる。そのため、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＦｅ含有量を７．０質量％以下とし、好ましくは６．０質量％以下とする。
（Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない））
Ｎｉ合金中のＣは固溶強化元素であり、引張強度の向上に有効である。しかしながら、Ｃの過剰な含有は、凝固割れの原因となるほか、溶接金属の低温靭性を低下させる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＣ含有量を０．０２質量％以下とし、好ましくは０．０１質量％以下とする。
Ｎｉ合金中のＣは固溶強化元素であり、引張強度の向上に有効である。しかしながら、Ｃの過剰な含有は、凝固割れの原因となるほか、溶接金属の低温靭性を低下させる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＣ含有量を０．０２質量％以下とし、好ましくは０．０１質量％以下とする。
（Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない））
Ｓｉは、脱酸剤として添加することによって、溶接金属において耐ＢＨ性を向上させる。しかしながら、多量に添加すると、耐高温割れ性が劣化する。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．０８質量％以下とし、好ましくは０．０５質量％以下とする。
Ｓｉは、脱酸剤として添加することによって、溶接金属において耐ＢＨ性を向上させる。しかしながら、多量に添加すると、耐高温割れ性が劣化する。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．０８質量％以下とし、好ましくは０．０５質量％以下とする。
（Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない））
Ｍｎはγ相形成元素であり、マトリックスの強化に有効な元素であるが、Ｍｎの過剰な添加は、スラグ剥離性の劣化の原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量を１．０質量％以下とし、好ましくは０．７質量％以下とする。
Ｍｎはγ相形成元素であり、マトリックスの強化に有効な元素であるが、Ｍｎの過剰な添加は、スラグ剥離性の劣化の原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量を１．０質量％以下とし、好ましくは０．７質量％以下とする。
（Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない））
Ｐは溶接金属の凝固時に粒界に偏析して、凝固割れの原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＰ含有量を０．０４質量％以下とし、好ましくは０．０２質量％以下とする。
Ｐは溶接金属の凝固時に粒界に偏析して、凝固割れの原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＰ含有量を０．０４質量％以下とし、好ましくは０．０２質量％以下とする。
（Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない））
Ｓは、Ｐと同様に、溶接金属の凝固時に粒界に偏析して，凝固割れの原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＳ含有量を０．０３質量％以下とし、好ましくは０．０１質量％以下とする。
Ｓは、Ｐと同様に、溶接金属の凝固時に粒界に偏析して，凝固割れの原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＳ含有量を０．０３質量％以下とし、好ましくは０．０１質量％以下とする。
（Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない））
Ｃｕは、その添加によって耐食性を確保する効果が期待できるが、Ｃｕの過剰な添加は溶接割れ感受性を高め、凝固割れや再熱割れの原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＣｕ含有量を０．５質量％以下とし、好ましくは０．１質量％以下とする。
Ｃｕは、その添加によって耐食性を確保する効果が期待できるが、Ｃｕの過剰な添加は溶接割れ感受性を高め、凝固割れや再熱割れの原因となる。したがって、本実施形態では、溶接ワイヤ中のＣｕ含有量を０．５質量％以下とし、好ましくは０．１質量％以下とする。
（Ｖ ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない））
Ｖは、γ相の安定化及び固溶体強化により強度を向上させることを期待して、０．３５質量％以下、好ましくは０．１質量％以下であれば含有されることが許容される。
Ｖは、γ相の安定化及び固溶体強化により強度を向上させることを期待して、０．３５質量％以下、好ましくは０．１質量％以下であれば含有されることが許容される。
（Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない））
Ｃｏは、γ相の割合を増加させて強度を上昇させ、また、耐摩耗性を向上させることを期待して、２．５質量％以下、好ましくは１．０質量％以下であれば含有されることが許容される。
Ｃｏは、γ相の割合を増加させて強度を上昇させ、また、耐摩耗性を向上させることを期待して、２．５質量％以下、好ましくは１．０質量％以下であれば含有されることが許容される。
（Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない））
溶接金属の低温靭性を向上させるためには，溶接金属中のＣ含有量、Ｓｉ含有量及びＡｌ含有量を制限することが有効である。ここで、溶接ワイヤ中のＣ含有量とＳｉ含有量が上記範囲に規制されている場合、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．１０質量％以下、好ましくは０．０５質量％以下に規制することで、溶接金属の低温靭性を確保することができる。
溶接金属の低温靭性を向上させるためには，溶接金属中のＣ含有量、Ｓｉ含有量及びＡｌ含有量を制限することが有効である。ここで、溶接ワイヤ中のＣ含有量とＳｉ含有量が上記範囲に規制されている場合、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．１０質量％以下、好ましくは０．０５質量％以下に規制することで、溶接金属の低温靭性を確保することができる。
（その他の成分）
本実施形態の溶接ワイヤのその他の成分としては、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｎ等の不可避不純物がある。
本実施形態の溶接ワイヤのその他の成分としては、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｎ等の不可避不純物がある。
＜焼結型フラックス＞
つづいて、本実施形態のサブマージアーク溶接方法に用いられる焼結型フラックス（以下、本実施形態の焼結型フラックス、又は単にフラックスともいう）における各成分量の数値限定の理由について説明する。
本実施形態の焼結型フラックスは、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、ＳｉＯ２：５〜２５質量％、ＣａＯ：２〜１０質量％、ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及びＮａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する。
つづいて、本実施形態のサブマージアーク溶接方法に用いられる焼結型フラックス（以下、本実施形態の焼結型フラックス、又は単にフラックスともいう）における各成分量の数値限定の理由について説明する。
本実施形態の焼結型フラックスは、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、ＳｉＯ２：５〜２５質量％、ＣａＯ：２〜１０質量％、ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及びＮａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する。
（Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％）
フラックス中のＡｌ２Ｏ３は、スラグ形成剤として作用し、溶融スラグの凝固温度及び粘性を上げるのに有効な成分であると共に、スラグの剥離性を良好にする効果を有する。フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が３５質量％未満では、横向溶接姿勢において溶融スラグのビード保持力不足となり、ビードの凹凸状態が顕著になる。したがって、本実施形態では、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量を３５質量％以上とする。一方、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が５５質量％を超える場合は、スラグの粘性が高くなりすぎて流動性が悪くなるため、スラグ巻き込みが発生する。また、ビードの波目が粗くなる他、ポックマーク発生数が増える。したがって、本実施形態では、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量を５５質量％以下とする。
フラックス中のＡｌ２Ｏ３は、スラグ形成剤として作用し、溶融スラグの凝固温度及び粘性を上げるのに有効な成分であると共に、スラグの剥離性を良好にする効果を有する。フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が３５質量％未満では、横向溶接姿勢において溶融スラグのビード保持力不足となり、ビードの凹凸状態が顕著になる。したがって、本実施形態では、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量を３５質量％以上とする。一方、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が５５質量％を超える場合は、スラグの粘性が高くなりすぎて流動性が悪くなるため、スラグ巻き込みが発生する。また、ビードの波目が粗くなる他、ポックマーク発生数が増える。したがって、本実施形態では、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量を５５質量％以下とする。
フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量の好ましい範囲は、４０〜５０質量％である。この範囲においては、特に横向溶接において、溶融スラグのビード保持力が更に一層適切となり、ビード形状が安定して平滑化するため、より一層、良好なビード外観を得ることが出来る。
（ＳｉＯ２：５〜２５質量％）
フラックス中のＳｉＯ２は、溶融スラグの凝固温度を高くすると共に、ビードの保持力を高め、ビード形状を安定化させる効果がある。また、ＳｉＯ２中のＳｉが溶接金属中に還元され、溶接金属中のＳｉ値が高くなる効果がある。フラックス中のＳｉＯ２含有量が５質量％未満では溶融スラグのビード保持力不足のため、ビード形状が不安定となる。したがって、本実施形態では、フラックス中のＳｉＯ２含有量を５質量％以上とする。一方、ＳｉＯ２含有量が２５質量％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなりすぎ、スラグの剥離性が悪化し、スラグ巻き込みが発生する。また、溶接金属中のＳｉ値が高くなり低温靭性が劣化する。したがって、本実施形態では、フラックス中のＳｉＯ２含有量を２５質量％以下とする。
フラックス中のＳｉＯ２は、溶融スラグの凝固温度を高くすると共に、ビードの保持力を高め、ビード形状を安定化させる効果がある。また、ＳｉＯ２中のＳｉが溶接金属中に還元され、溶接金属中のＳｉ値が高くなる効果がある。フラックス中のＳｉＯ２含有量が５質量％未満では溶融スラグのビード保持力不足のため、ビード形状が不安定となる。したがって、本実施形態では、フラックス中のＳｉＯ２含有量を５質量％以上とする。一方、ＳｉＯ２含有量が２５質量％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなりすぎ、スラグの剥離性が悪化し、スラグ巻き込みが発生する。また、溶接金属中のＳｉ値が高くなり低温靭性が劣化する。したがって、本実施形態では、フラックス中のＳｉＯ２含有量を２５質量％以下とする。
フラックス中のＳｉＯ２含有量の好ましい範囲は、１３〜１８質量％である。この範囲においては、スラグ剥離性が向上し、特に横向姿勢において、更に一層良好なスラグ剥離性が得られると共に、ビード形状が安定して平滑化するため、良好なビード外観を得ることが出来る。また。良好な低温靭性値となる。
（ＣａＦ２：２５〜４５質量％）
フラックス中のＣａＦ２は、アークを安定させると共に、スラグの粘性を高めてビード形状を良好にする効果を有する。また、フラックス中にＣａＦ２を添加することにより、得られる溶接金属中の酸素量を低減して、低温靭性を向上させることが出来る。ただし、フラックス中のＣａＦ２含有量が２５質量％未満であると、これらの効果を十分に得ることが出来ない。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＦ２含有量を２５質量％以上とする。一方、フラックス中のＣａＦ２含有量が４５質量％を超えると、アークが不安定になり、スラグの流動性が悪くなるので、スラグ巻き込みが発生する。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＦ２含有量を４５質量％以下とする。
フラックス中のＣａＦ２は、アークを安定させると共に、スラグの粘性を高めてビード形状を良好にする効果を有する。また、フラックス中にＣａＦ２を添加することにより、得られる溶接金属中の酸素量を低減して、低温靭性を向上させることが出来る。ただし、フラックス中のＣａＦ２含有量が２５質量％未満であると、これらの効果を十分に得ることが出来ない。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＦ２含有量を２５質量％以上とする。一方、フラックス中のＣａＦ２含有量が４５質量％を超えると、アークが不安定になり、スラグの流動性が悪くなるので、スラグ巻き込みが発生する。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＦ２含有量を４５質量％以下とする。
フラックス中のＣａＦ２含有量の好ましい範囲は、３０〜３５質量％である。この範囲においては、特にビード形状が安定して平滑化するため、良好なビード外観を得ることが出来る。
（ＣａＯ：２〜１０質量％）
フラックス中のＣａＯは、スラグの塩基性を高めて、溶接金属の低温靭性を向上させる効果を有する成分である。ただし、フラックス中のＣａＯ含有量が２質量％未満では、その効果を十分に得ることが出来ない。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＯ含有量を２質量％以上とする。一方、フラックス中のＣａＯ含有量が１０質量％を超えると、スラグの剥離性が著しく低下する。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＯ含有量を１０質量％以下とする。
フラックス中のＣａＯは、スラグの塩基性を高めて、溶接金属の低温靭性を向上させる効果を有する成分である。ただし、フラックス中のＣａＯ含有量が２質量％未満では、その効果を十分に得ることが出来ない。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＯ含有量を２質量％以上とする。一方、フラックス中のＣａＯ含有量が１０質量％を超えると、スラグの剥離性が著しく低下する。したがって、本実施形態では、フラックス中のＣａＯ含有量を１０質量％以下とする。
フラックス中のＣａＯ含有量の好ましい範囲は、４〜８質量％である。この範囲においては、特にスラグの剥離性が良好である。
（Ｎａ２Ｏ：２．０〜４．０質量％）
フラックス中のＮａ２Ｏは、アーク安定性を良好とすると共に、アークの集中性を高め、溶接金属中のスラグ巻き込みを防ぐ効果がある。フラックス中のＮａ２Ｏ含有量が２．０質量％未満では、特に横向溶接においてその効果が十分に得られない。したがって、本実施形態では、フラックス中のＮａ２Ｏ含有量を２．０質量％以上とする。一方、フラックス中のＮａ２Ｏが４．０質量％を超えると、スラグの剥離性が劣化する．したがって、本実施形態では、フラックス中のＮａ２Ｏ含有量を４．０質量％以下とする。
フラックス中のＮａ２Ｏは、アーク安定性を良好とすると共に、アークの集中性を高め、溶接金属中のスラグ巻き込みを防ぐ効果がある。フラックス中のＮａ２Ｏ含有量が２．０質量％未満では、特に横向溶接においてその効果が十分に得られない。したがって、本実施形態では、フラックス中のＮａ２Ｏ含有量を２．０質量％以上とする。一方、フラックス中のＮａ２Ｏが４．０質量％を超えると、スラグの剥離性が劣化する．したがって、本実施形態では、フラックス中のＮａ２Ｏ含有量を４．０質量％以下とする。
フラックス中のＮａ２Ｏ含有量の好ましい範囲は、２．５〜３．５質量％である。この範囲においては、特にスラグの剥離性が良好である。
また、溶接金属の低温靭性を向上させるためには，溶接金属中のＣ量、Ｓｉ量、及びＡｌ量を制限することが有効である。そのため、フラックス中から溶接金属中に歩留る可能性があるＣ源、Ｓｉ源、Ａｌ源は添加しないことが好ましい。よって、フラックス中に炭酸塩や金属脱酸成分を極力含有させないことが好ましい。
（炭酸塩）
ＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３等の炭酸塩をフラックス中から添加すると、溶接中にＣＯ２が発生し、ビード表面でのポックマーク数が増加する。また、溶接金属中にて炭化物が形成され、低温靭性が劣化する。したがって、本実施形態によれば、フラックスは炭酸塩を実質的に含まないことが好ましい。なお、炭酸塩を実質的に含まないとは、意図的に炭酸塩を添加していないことを意味する。例えば、製造時に用いた原料に不純物として含まれている可能性はあるが、本発明に影響を及ぼさない範囲、例えば０．１質量％以下であれば、許容することができる。
ＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３等の炭酸塩をフラックス中から添加すると、溶接中にＣＯ２が発生し、ビード表面でのポックマーク数が増加する。また、溶接金属中にて炭化物が形成され、低温靭性が劣化する。したがって、本実施形態によれば、フラックスは炭酸塩を実質的に含まないことが好ましい。なお、炭酸塩を実質的に含まないとは、意図的に炭酸塩を添加していないことを意味する。例えば、製造時に用いた原料に不純物として含まれている可能性はあるが、本発明に影響を及ぼさない範囲、例えば０．１質量％以下であれば、許容することができる。
（金属脱酸成分）
金属脱酸成分であるＡｌおよびＳｉをフラックス中から添加すると、溶接金属中に還元されて金属間化合物が形成され、低温靭性が劣化する。したがって、本実施形態によれば、フラックスは金属脱酸成分であるＡｌおよびＳｉを実質的に含まないことが好ましい。なお、ＡｌやＳｉを実質的に含まないとは、これらを意図的に添加していないことを意味する。例えば、製造時に用いた原料に不純物として含まれている可能性はあるが、本発明に影響を及ぼさない範囲、例えば０．１質量％以下であれば、許容することができる。また、Ａｌには、Ａｌ単体の他、Ｆｅ−Ａｌ等の形態で添加されるＡｌも含まれる。さらに、Ｓｉには、Ｓｉ単体の他、Ｆｅ−Ｓｉ等の形態で添加されるＳｉも含まれる。
金属脱酸成分であるＡｌおよびＳｉをフラックス中から添加すると、溶接金属中に還元されて金属間化合物が形成され、低温靭性が劣化する。したがって、本実施形態によれば、フラックスは金属脱酸成分であるＡｌおよびＳｉを実質的に含まないことが好ましい。なお、ＡｌやＳｉを実質的に含まないとは、これらを意図的に添加していないことを意味する。例えば、製造時に用いた原料に不純物として含まれている可能性はあるが、本発明に影響を及ぼさない範囲、例えば０．１質量％以下であれば、許容することができる。また、Ａｌには、Ａｌ単体の他、Ｆｅ−Ａｌ等の形態で添加されるＡｌも含まれる。さらに、Ｓｉには、Ｓｉ単体の他、Ｆｅ−Ｓｉ等の形態で添加されるＳｉも含まれる。
（その他の成分）
本実施形態のフラックスのその他の成分としては、フラックス原材料での不可避不純物であるＰ、Ｓ、Ｆｅおよび水分などがある。
本実施形態のフラックスのその他の成分としては、フラックス原材料での不可避不純物であるＰ、Ｓ、Ｆｅおよび水分などがある。
本実施形態の焼結型フラックスは、たとえば、上述した組成となるようにフラックス原料を調整し、これに固着剤としての水ガラス、滑り剤等を添加して造粒した後、焼結することにより製造することができる。焼結温度としては特に限定されないが、例えば４７０〜６００℃である。
本実施形態のサブマージアーク溶接方法においては、溶接ワイヤと焼結型フラックスを組み合わせて用いていればよく、その他の溶接条件については、サブマージアーク溶接に適用されうる溶接条件を適宜選択して採用すればよい。
また、本実施形態のサブマージアーク溶接方法により溶接される母材は、たとえば、９％Ｎｉ鋼であり、その他として、１．５〜２．５％Ｎｉ鋼、３．５％Ｎｉ鋼、５％Ｎｉ鋼、オーステナイト系ステンレス鋼等の低温用鋼である。
以下、実施例により、本発明の効果を具体的に説明する。
ワイヤとしては、表１に示す種々の化学成分を有するサブマージアーク溶接用ワイヤを使用した。なお、ワイヤ径はいずれも２．４ｍｍであった。
フラックスとしては、フラックス原料を調整し、これに固着剤として水ガラスを添加して造粒した後、５００℃で焼結することにより、表２に示す種々の化学組成を有するサブマージアーク溶接用フラックスを作製した。
母材としては、表３に示す化学成分を有する９％Ｎｉ鋼を使用した。
低温靭性は、全溶着金属を作製して実測した。試験条件は表４に示す通りである。溶接母材の形状およびサイズを図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａは母材の形状およびサイズを示す正面図であり、図１Ｂは開先形状を示す断面図である。また、図１Ｃは積層要領を示す模式図である。そして、図１Ｄに示される試験片採取位置より、深さ２ｍｍのＶノッチ形状のシャルピー衝撃試験片を採取し、−１９６℃における低温靱性を評価した。
低温靱性の評価結果を表９に示す。低温靱性の評価については、−１９６℃での衝撃値が７０Ｊ以上であるものを◎とし、７０Ｊ未満から５５Ｊ以上であるものを○とし、５５Ｊ未満であるものを△とした。なお、評価が◎ないし○のものを合格とする。
ポックマーク及び溶接作業性（ビードの垂れやすさ、ビード形状の平滑さ、スラグ巻き込み）は横向溝埋試験により評価を行った。溶接条件は表５に示す通りである。溶接母材の形状およびサイズを図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは母材の形状およびサイズを示す正面図であり、図２Ｂは開先形状を示す断面図である。また、図２Ｃは積層要領を示す模式図である。
ここで、ポックマークとしては、図２Ｃにより示される横向溝埋試験の溶着金属表面について、図３に示すように、スタート部とエンド部それぞれ２５ｍｍを除いた中央部３００ｍｍに見られる、１ｍｍ以上の長さをもつポックマーク数を合計した。判定基準を表６に示す。また、評価結果を表９に示す。なお、評価が◎ないし○のものを合格とする。
ビード垂れやすさの評価は、図２Ｃにより示される横向溝埋試験の溶着金属表面について、図４に示すように、ビードの下端部及び上端部の高さ方向の変位（Ａ）を判定基準とした。スタート部とエンド部それぞれ２５ｍｍを除いた中央部３００ｍｍにおいて、Ａの値が最大となる箇所の変位について、表７の判断基準を用いて評価を行った。評価結果を表９に示す。なお、評価が◎ないし○のものを合格とする。
ビード平滑さの評価は、図２Ｃにより示される横向溝埋試験の溶着金属表面について、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、スタート部とエンド部それぞれ２５ｍｍを除いた中央部３００ｍｍにおいて、ビード表面の凹凸変動が最大となる位置（Ｂ）で判定を行った。表８の判断基準を用いて評価を行った。評価結果を表９に示す。なお、評価が◎ないし○のものを合格とする。
スラグ剥離性については、図２Ｃにより示される横向溝埋試験の溶着金属について、スラグハンマーによる１０回以下の打突によりビード全長にわたってスラグが完全に剥離したものを◎とし、スラグハンマーによる１０回の打突を行った後にはビード際等にスラグが若干残るものの、１１乃至２０回未満のスラグハンマーによる打突で全て除去可能であったものを○とし、スラグハンマーではスラグ除去が困難であったものを△とした。評価結果を表９に示す。なお、評価が◎ないし○のものを合格とする。
例１〜２６のうち、例１〜８は実施例であり、例９〜２６は比較例である。表９に示すように、例１乃至８はワイヤ中のＡｌ量が低位かつフラックス中の化学成分が適切に規制されているため、低温靱性値が良好で、ポックマーク数も少なく、溶接作業性も良好であった。
例９はフラックス中のＡｌ２Ｏ３の含有量が本発明範囲の上限を超えているため、ポックマーク数が増加し、ビード形状が不安定であり、スラグ剥離性が劣化していた。また、ＣａＦ２の含有量が本発明範囲の下限未満であるため、ビード形状が更に不安定になっており、低温靱性値も低下していた。
例１０はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明範囲の上限を超えているため、スラグの剥離性が劣化していた。また、ＳｉＯ２の影響に加え、ＣａＯの含有量が本発明範囲の下限未満であるため、低温靱性値は低下していた。
例１１はフラックス中のＣａＦ２の含有量が本発明範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性が劣化していた。また、Ａｌ２Ｏ３の含有量が本発明範囲の下限未満であるため、ビードが垂れやすく、ビード表面の平滑性も劣化していた。
例１２はフラックス中のＣａＯの含有量が本発明範囲の上限を超えており、かつ、ＮａＯの含有量が本発明範囲の下限未満であるため、スラグ剥離性が劣化していた。
例１３はフラックス中のＮａＯの含有量が本発明範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性が劣化していた。また、ＳｉＯ２の含有量が本発明範囲の下限未満であるため、ビードが垂れやすく、平滑性も劣化していた。
例１４〜２６については、ワイヤ中のＡｌ量が０．１０質量％を超えているため、低温靱性値はフラックスの組成に因らず低下していた。
例１４はフラックスの化学成分は適切に規制されているため、ポックマークや溶接作業性は良好であったが、上記ワイヤからの影響により、低温靱性値は低下していた。
例１５はフラックス中のＡｌ２Ｏ３の含有量が本発明規定の好ましい範囲の上限を超えているため、ポックマーク数が若干増加し、スラグ剥離性がやや劣化していた。また、ビード形状については、上記Ａｌ２Ｏ３の影響に加え、ＣａＦ２の含有量が本発明規定の好ましい範囲の下限未満であるため、劣化していた。
例１６はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明規定の好ましい範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性がやや劣化していた。また、低温靱性値については、ＳｉＯ２の影響に加え、ＣａＯの含有量が本発明規定の好ましい範囲の下限未満であるため低下していた。
例１７はフラックス中のＣａＦ２の含有量が本発明規定の好ましい範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性がやや劣化していた。また、Ｎａ２Ｏの含有量が本発明規定の好ましい範囲の下限未満であるため、スラグ剥離が若干劣化していた。
例１８はフラックス中のＣａＯの含有量が本発明規定の好ましい範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性が若干低下していた。また、Ａｌ２Ｏ３の含有量が本発明規定の好ましい範囲の下限未満であるため、ビードが若干垂れやすくビード平滑性も若干劣化していた。
例１９はフラックス中のＮａ２Ｏの含有量が本発明規定の好ましい範囲の上限を超えているため、スラグ剥離性が若干劣化していた。また、ＳｉＯ２の含有量が本発明規定の好ましい範囲の下限未満であるため、ビードが若干垂れやすくビード平滑性も若干劣化していた。
例２０〜２６についてのフラックス中の組成に関する低温靱性、ポックマーク数、溶接作業性への影響は、例７〜１３と同様であり、それぞれにおいて低温靱性値の低下、ポックマーク数の増加、溶接作業性の劣化等が確認された。
以上詳述したように、本発明によれば、ワイヤ中およびフラックス中の化学成分を適正に規制することで、ハステロイＣ２７６系サブマージアーク溶接材料（フラックスおよびワイヤ）の溶接において、良好な低温靱性を有する溶接金属が得られるとともに、優れた溶接作業性(ビード形状、ビード外観)を得ることができる。
Claims (4)
- 溶接ワイヤと焼結型フラックスを組み合わせて用いるサブマージアーク溶接方法において、
前記溶接ワイヤが、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｎｉ：５０質量％以上、
Ｃｒ：１４．５〜１６．５質量％、
Ｍｏ：１５．０〜１７．０質量％、
Ｗ：３．０〜４．５質量％、
Ｆｅ：４．０〜７．０質量％、
Ｃ：０．０２質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｓｉ：０．０８質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｍｎ：１．０質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｐ：０．０４質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｓ：０．０３質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｃｕ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｖ：０．３５質量％以下（０質量％を含まない）、
Ｃｏ：２．５質量％以下（０質量％を含まない）、及び
Ａｌ：０．１質量％以下（０質量％を含まない）を含有し、かつ、
前記焼結型フラックスが、焼結型フラックス全質量に対する質量％で、
Ａｌ２Ｏ３：３５〜５５質量％、
ＳｉＯ２：５〜２５質量％、
ＣａＯ：２〜１０質量％、
ＣａＦ２：２５〜４５質量％、及び
Ｎａ２Ｏ：２〜４質量％を含有する、サブマージアーク溶接方法。 - 前記焼結型フラックスが炭酸塩を実質的に含まないことを特徴とする、請求項１に記載のサブマージアーク溶接方法。
- 前記焼結型フラックスがＡｌおよびＳｉを実質的に含まないことを特徴とする、請求項１または２に記載のサブマージアーク溶接方法。
- 低温用鋼の溶接に適用される請求項１〜３のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接方法。
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