JP2019115927A - 二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス - Google Patents

二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス Download PDF

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Abstract

【課題】溶接時の溶接ビード表面のポックマークが抑制され、スラグ剥離性が良好かつ、溶接ビードが平滑であり、スラグ巻き込みが発生しない溶接金属を得る。【解決手段】CaF2:25〜45質量%、Al2O3:25〜45質量%、SiO2:5.0〜15質量%、BaCO3:4.0〜9.0質量%、Mn:3.0質量%以下、及びアルカリ金属酸化物の合計:3.1〜9.3質量%を含有し、石灰及び酸化マグネシウムを実質的に含有せず、CaF2、Al2O3、SiO2、BaCO3、Mn、及びアルカリ金属酸化物の合計で、90質量%以上含有する二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。【選択図】なし

Description

本発明は、二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関する。
近年の海水利用技術の発展にともない、耐海水鋼の材料として二相ステンレス鋼の開発が行われ、現在では、海水などの塩素イオンを含む環境下において使用される各種化学プラントの機器、油井管、ケミカルタンカーの隔壁等の材料として、使用されている。二相ステンレス鋼はオーステナイト相とフェライト相がほぼ1:1の割合で形成されているステンレス鋼であり、オーステナイト系ステンレス鋼が有する優れた機械的性質とフェライト系ステンレス鋼が有する優れた耐応力腐食割れ性を兼ね備えており、それぞれの単層組織のステンレス鋼と比較して、強度が高く、優れた耐孔食性を持っていることを特徴とする鋼である。
二相ステンレス鋼板の開発と並行して、その溶接に用いる溶接材料の開発も行われてきた。二相ステンレス鋼の溶接金属部は熱処理を施さず使用されることが多く、熱処理を行わなくても母材の二相ステンレス鋼と同等の性能(強度、耐食性)を得られるように、溶接材料は母材成分よりもCr、Ni等の含有量が高く設計されている。
また、二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接に用いる溶接材料の研究開発も進められている。例えば特許文献1では、所定の組成を有する溶接用電極と溶接用フラックスの組み合わせによって、溶接作業性を良好にするとともに、溶接金属中の酸素量を低減し、靱性向上を図った技術が開示されている。また、特許文献2では、溶接金属の組成を調整することによって溶接金属の耐孔食性の向上を図った技術が開示されている。
特開昭61−014097号公報 特開昭61−046391号公報
しかしながら、二相ステンレス鋼用の溶接材料は、母材同様にNを含有しており、溶接時においてはNが原因となり気孔欠陥が発生し、溶接ビード表面に欠陥(ポックマーク)が発生する場合がある。また、同様にNが原因となりスラグ焼き付きが発生し、スラグ剥離性が劣化する場合がある。ほかにも、溶接用のワイヤには多量の合金成分が含まれているため、溶接時における溶融プールの粘性が高く、スラグの粘性との兼ね合いによっては、溶接ビードが凹凸になりやすく平滑性が失われる場合があり、また、スラグ巻き込みが発生する恐れがあった。従来においては、これらを同時に解決することは困難であった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶接時において溶接ビード表面のポックマークが抑制され、スラグ剥離性が良好で、溶接ビード外観に優れている、即ち、溶接ビードが平滑であり、スラグ巻き込みの発生が少ない溶接金属部を得る事のできる二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを提供することである。
本発明者らは上記の課題を解決するため鋭意検討を行い、その結果、フラックス組成を特定の範囲に調整することで良好な溶接ビード表面、スラグ剥離性、溶接ビード外観を得ることが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、CaF:25〜45質量%、Al:25〜45質量%、SiO:5.0〜15質量%、BaCO:4.0〜9.0質量%、Mn:3.0質量%以下、及びアルカリ金属酸化物の合計:3.1〜9.3質量%を含有し、石灰及び酸化マグネシウムを実質的に含有せず、CaF、Al、SiO、BaCO、Mn、及びアルカリ金属酸化物の合計で、90質量%以上含有する二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを提供する。
本発明の二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの一態様は、Cr:0〜3.0質量%をさらに含有する。
本発明の二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの一態様は、ZrO:0〜3.0質量%、TiO:0〜3.0質量%、Fe:0〜3.0質量%、FeS:0〜1.0質量%、B:0〜0.1質量%、Ni:0〜1.0質量%、Mo:0〜1.0質量%、のうちいずれか一つ以上を含有する。
本発明の二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスによれば、溶接時の溶接ビード表面のポックマークが抑制され、スラグ剥離性が良好かつ、溶接ビードが平滑であり、スラグ巻き込みの発生が少ない溶接金属部を得ることが出来る。
図1は、溝埋試験における母材の形状およびサイズを示す模式図であり、(a)は母材の斜視図、(b)は正面図、(c)は上面図である。 図2は、ポックマークの評価の概要を示す模式図である。 図3は、溶接ビード平滑性の評価の概要を示す模式図であり、(a)は母材及び溶接金属の上面図、(b)は(a)のB−B線断面図である。 図4は、スラグ巻き込みの評価の概要を示す模式図であり、(a)は余盛削除及び表面平滑化前の正面図、(b)は余盛削除及び表面平滑化後の正面図、(c)は母材及び溶接金属の上面図である。
以下、本発明について、実施の形態を参照して、詳細に説明する。以下、%は特に断りのない限り、質量%を意味する。また、「〜」とはその下限の値以上、その上限の値以下であることを意味する。
また、フラックス中の各成分の含有量は、水ガラスを含むフラックスの全質量あたりの含有量を意味する。
<二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス>
本実施形態の二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス(以下、ボンドフラックス、又は単にフラックスともいう)は、CaF:25〜45質量%、Al:25〜45質量%、SiO:5.0〜15質量%、BaCO:4.0〜9.0質量%、Mn:3.0質量%以下、及びアルカリ金属酸化物の合計:3.1〜9.3質量%を含有し、石灰及び酸化マグネシウムを実質的に含有しない。以下、各成分の含有量の数値限定の理由について説明する。
(CaF
フラックス中のCaF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が、フラックス中のCaF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CaF含有量を25質量%以上とする。一方、フラックス中のCaF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CaF含有量を45質量%以下とする。
フラックス中のCaF含有量は35質量%以上であることが好ましい。また、フラックス中のCaF含有量は40質量%以下であることが好ましい。このような場合、ビード形状が特に安定して平滑化するため、特に良好なビード外観を得ることが出来る。
(Al
フラックス中のAl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。また、スラグの流動性を調整し、溶接ビード形状を整える効果がある。フラックス中のAl含有量が25質量%未満であるとこの効果を十分に得ることができず、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Al含有量を25質量%以上とする。一方、フラックス中のAl含有量が45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Al含有量を45質量%以下とする。
フラックス中のAl含有量は32質量%以上であることが好ましい。また、フラックス中のAl含有量は38質量%以下であることが好ましい。このような場合、ビード形状が特に安定して平滑化するため、特に良好なビード外観を得ることが出来る。
(SiO
本実施形態のフラックスには、鉱物や水ガラス等に起因するSiOが含有される。フラックス中のSiO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。フラックス中のSiO含有量が5.0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SiO含有量を5.0質量%以上とする。一方、SiO含有量が15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。したがって、本実施形態では、フラックス中のSiO含有量を15質量%以下とする。
フラックス中のSiO含有量は10質量%以上であることが好ましい。また、フラックス中のSiO含有量は14質量%以下であることが好ましい。このような場合、スラグ剥離性が特に向上し、特に良好なスラグ剥離性が得られると共に、ビード形状が特に安定して平滑化するため、特に良好なビード外観を得ることが出来る。
(BaCO
BaCOは、ビード形状の改善、溶接時のアークの安定化などの効果があるが、添加量が4.0質量%未満ではその効果を得られない。したがって、本実施形態では、フラックス中のBaCOの含有量を4.0質量%以上とする。また、9.0質量%を超えて添加するとビード形状が劣化するとともにスラグ巻込みが発生する。したがって、本実施形態では、フラックス中のBaCOの含有量を9.0質量%以下とする。
フラックス中のBaCO含有量は5.2質量%以上であることが好ましい。また、フラックス中のBaCO含有量は7.5質量%以下であることが好ましく、6.5質量%以下であることがより好ましい。このような場合、ビード形状が特に安定して平滑化し、また、スラグ巻き込みも特に抑制される。
(Mn)
Mnは溶接金属中のフェライト量を調整する作用を有し、溶接金属の靱性の向上に寄与する。靱性向上の観点から、Mnは、1.0質量%以上含有されることが好ましく、1.2質量%以上含有されることがより好ましい。一方、Mnの過剰な添加はスラグ焼き付けを引き起こし、スラグ剥離性の劣化の原因となる為、フラックス中のMnの含有量は3.0質量%以下に制限する。Mnは、2.3質量%以下に制限されることがより好ましく、1.8質量%以下であることがさらに好ましく、1.5質量%以下であることが特に好ましい。
(アルカリ金属酸化物)
本実施形態のフラックスには、水ガラスに起因してアルカリ金属酸化物が含有される。ここで、アルカリ金属酸化物とは、具体的にはNaO、KO、及びLiOを意味する。アルカリ金属酸化物は、アーク安定性を良好にすると共に、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。フラックス中のこれらの含有量が合計で3.1質量%未満では、この効果が十分に得られない。したがって、本実施形態では、フラックス中のアルカリ金属酸化物の合計の含有量を3.1質量%以上とする。一方、フラックス中のアルカリ金属酸化物の含有量が合計で9.3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、フラックス中のアルカリ金属酸化物の合計の含有量を9.3質量%以下とする。
フラックス中のアルカリ金属酸化物の合計の含有量は4.1質量%以上であることが好ましく、5.2質量%以上であることがより好ましく、5.7質量%以上であることがさらに好ましい。また、アルカリ金属酸化物の合計の含有量は8.3質量%以下であることが好ましく、7.3質量%以下であることがより好ましい。このような場合、特にスラグの剥離性が良好である。
なお、本実施形態のフラックスにおいてアルカリ金属酸化物はNaO、KO、またはLiOのいずれかが含有されていればよいが、これらすべてを含有することが好ましい。
(石灰及び酸化マグネシウム)
フラックス中に石灰及び酸化マグネシウムが実質的に含有される場合、スラグの剥離性が著しく低下する。したがって、本実施形態のフラックスは石灰及び酸化マグネシウムを実質的に含有しない。
ここで、実質的に含有しないとはフラックスの成分として意図的に添加していないということを意味し、不純物として混入する程度の石灰及び酸化マグネシウムは許容し得る。具体的には、本実施形態のフラックス中の石灰及び酸化マグネシウムの含有量は、それぞれ0.5質量%以下に規制されている。石灰及び酸化マグネシウムの含有量は、それぞれ0.1質量%以下に規制されることが好ましく、0.05質量%以下に規制されることがさらに好ましい。
また、石灰とはCaO、CaCO、及びCa(OH)のことであり、酸化マグネシウムとはMgOのことである。
ここで、上記説明した、CaF、Al、SiO、BaCO、アルカリ金属酸化物、およびMnは、合計で、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、97質量%以上であることが特に好ましい。
(Cr)
本実施形態のフラックスは、上記成分に加えてさらにCrを含有していてもよい。Crは溶接金属組成を二相組織とする作用を有し、フラックス中のCrの含有量が1.0質量%以上3.0質量%以下となるようにCrを添加することで、溶接金属の強度、靱性、及び耐食性が向上する。
フラックス中のCrの含有量は1.5質量%以上であることがより好ましい。また、Crの含有量は2.5質量%以下であることがより好ましく、2.0質量%以下であることがさらに好ましい。このような場合、溶接金属の強度、靱性、及び耐食性に特に優れる。
(残部)
本実施形態のフラックスは、残部として、ZrO:0〜3.0質量%、TiO:0〜3.0質量%、Fe:0〜3.0質量%、FeS:0〜1.0質量%、B:0〜0.1質量%、Ni:0〜1.0質量%、Mo:0〜1.0質量%、のうちいずれか一つ以上を、本実施形態のフラックスの効果を害しない範囲で含有することもできる。また、本実施形態のフラックスは、不可避的不純物としてP、S、及び水分等を含み得る。不可避的不純物の量は、1.0質量%以下であることが実際的である。
<溶接ワイヤ>
本実施形態のフラックスは、溶接ワイヤと組み合わせてサブマージアーク溶接に用いる。溶接ワイヤは、二相ステンレスの溶接に用いることができるワイヤであれば特に限定されないが、例えば以下のような組成の溶接ワイヤを使用することができる。
即ち、例えば溶接ワイヤ全質量に対する質量%で、
C:0.03質量%以下(0質量%を含まない)、
Si:0.90質量%以下(0質量%を含まない)、
Mn:0.50乃至2.00質量%、
P:0.03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:0.75質量%以下(0質量%を含まない)、
Ni:7.5乃至9.5質量%、
Cr:21.5乃至23.5質量%、
Mo:2.5乃至3.5質量%、
N:0.08乃至0.20質量%、
不可避不純物:0.5質量%以下(0質量%を含まない)
Fe:残部
を含有する溶接ワイヤを使用することができる。
より具体的には、例えば成分系がAWS A5.9 ER2209相当のワイヤを用いることができる。
なお、本発明の実施形態に係るフラックスは、溶接の電源極性(AC、DCEP)には依存せず、好適に用いることが可能である。
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が、本発明はこれに限定されない。
表1に示す成分組成を有する直径4.0mmのサブマージアーク溶接用ワイヤと、表2に示す成分組成を有する例1〜24のサブマージアーク溶接用フラックスを使用し、母材1として表3に示す成分組成、及び図1に示す形状及び寸法を有するSUS329J3Lを用いて、表4に示す溶接条件で溝埋試験を行い、ポックマーク、及び溶接作業性(スラグ剥離性、溶接ビード平滑性、スラグ巻き込み)を評価した。
なお、表1及び3に示す成分組成における残部はFe及び不可避的不純物である。また、表2に示す成分組成における残部は不可避的不純物である。
Figure 2019115927
Figure 2019115927
Figure 2019115927
Figure 2019115927
ポックマーク、及び溶接作業性(スラグ剥離性、溶接ビード平滑性、スラグ巻き込み)の評価方法の詳細を以下に説明する。
<ポックマークの評価>
図2に示すように、得られた溶接金属3の表面について、スタート部とエンド部のそれぞれ25mmを除いた中央部300mm(評価対象領域α)において、1mm以上の径をもつポックマーク4の数を測定し、ポックマーク4の数が4個以下のものを特に良好(◎)、5個以上10個以下のものを良好(○)、11個以上のものを不良(△)と評価し、評価が◎または○のものを合格とした。
<スラグ剥離性>
得られた溶接金属について、スラグハンマーによる打突を行った際のスラグの剥離具合を判定し、スラグハンマーによる10回以下の打突により溶接ビード全長にわたってスラグが完全に剥離したものを特に良好(◎)、スラグハンマーによる10回以下の打突を行った後には溶接ビード際等にスラグが若干残るものの、11回以上20回未満の打突で全てのスラグを除去可能であったものを良好(○)、スラグハンマーではスラグ除去が困難であったものを不良(△)と評価し、評価が◎または○のものを合格とした。
<溶接ビード平滑性>
図3(a)に示すように、得られた溶接金属3について、スタート部とエンド部のそれぞれ25mmを除いた中央部300mm(評価対象領域α)において、ビード表面の凹凸変動が最大となる位置における凹部と凸部の高さの差(図3(b)中A)が2mm以下であるものを特に良好(◎)、2mm超4mm以下であるものを良好(○)、4mm超であるものを不良(△)と評価し、評価が◎または○のものを合格とした。
<スラグ巻き込み>
得られた溶接金属3について、図4(b)に示すように余盛部を母材1の表面と同じ高さまで削除して平滑化処理を行った後に、図4(c)に示すように、スタート部とエンド部のそれぞれ25mmを除いた中央部300mm(評価対象領域α)においてX線透過試験を実施し、検出された直径1mm以上の陰影の数が0個であったものを特に良好(◎)1個または2個であったものを良好(○)、3個以上であったものを不良(△)と評価し、評価が◎または○のものを合格とした。
上記の評価の結果を表5に示す。
Figure 2019115927
例1〜12はフラックス中の化学成分が適切に規制されているためポックマーク数、スラグ剥離性、溶接ビードの平滑性、スラグ巻き込みの全ての評価において合格であった。
例13はフラックス中のCaFの含有量が本発明において規定する範囲の下限未満であるため、溶接ビード表面の平滑性が劣化していた。
例14はフラックス中のCaFの含有量が本発明において規定する範囲の上限を超えているため、スラグ巻き込み発生数が増加していた。
例15はフラックス中のAlの含有量が本発明において規定する範囲の下限未満であるため、溶接ビード表面の平滑性とスラグ剥離性が劣化していた。
例16はフラックス中のAlの含有量が本発明において規定する範囲の上限を超えているため、ポックマーク数および、スラグ巻き込み発生数が増加していた。
例17はフラックス中のSiOの含有量が本発明において規定する範囲の下限未満であるため、溶接ビード表面の平滑性が劣化していた。
例18はフラックス中のSiOの含有量が本発明において規定する範囲の上限を超えているため、スラグ巻き込み発生数が増加し、スラグ剥離性が劣化していた。
例19はフラックス中のBaCOの含有量が本発明において規定する範囲の下限未満であるため、溶接ビード表面の平滑性が劣化していた。
例20はフラックス中のBaCOの含有量が本発明において規定する範囲の上限を超えているため、スラグ巻き込み発生数が増加し、溶接ビード表面の平滑性が劣化していた。
例21はフラックス中のNaO、KO、LiO含有量の合計が本発明において規定する範囲の下限未満であるため、スラグ巻き込み発生数が増加していた。
例22はフラックス中のNaO、KO、LiO含有量の合計が本発明において規定する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。
例23はフラックス中のMnの含有量が本発明において規定する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。
例24はフラックス中に石灰および酸化マグネシウムの少なくとも一方が含有されているため、スラグ剥離性が劣化していた。
1 母材
2 溝部
3 溶接金属
4 ポックマーク
5 クレータ
6 スラグ巻き込み
α 評価対象領域

Claims (3)

  1. CaF:25〜45質量%、
    Al:25〜45質量%、
    SiO:5.0〜15質量%、
    BaCO:4.0〜9.0質量%、
    Mn:3.0質量%以下、及び
    アルカリ金属酸化物の合計:3.1〜9.3質量%
    を含有し、石灰及び酸化マグネシウムを実質的に含有せず、
    前記CaF、前記Al、前記SiO、前記BaCO、前記Mn、及び前記アルカリ金属酸化物の合計で、90質量%以上含有する二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  2. Cr:0〜3.0質量%をさらに含有する請求項1に記載の二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
  3. ZrO:0〜3.0質量%、
    TiO:0〜3.0質量%、
    Fe:0〜3.0質量%、
    FeS:0〜1.0質量%、
    :0〜0.1質量%、
    Ni:0〜1.0質量%、
    Mo:0〜1.0質量%、
    のうちいずれか一つ以上を含有する請求項1または2に記載の二相ステンレス鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
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