JP2022099821A - サブマージアーク溶接用フラックス - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接作業性が優れているとともに、優れた機械的性能を有する溶接金属を安定して得ることができるサブマージアーク溶接用フラックスを提供する。
【解決手段】Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられるサブマージアーク溶接用フラックスは、フラックス全質量に対し、Ｍｎ：０．０１質量％以上５．００質量％以下、Ａｌ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、Ｎ：０質量％超０．５０質量％以下、ＭｇＯ：５．０質量％以上４０．０質量％以下、Ｆ：５．０質量％以上１２．０質量％以下、Ｃａ：９．５質量％以上２１．５質量％以下、Ａｌ２Ｏ３：１１．０質量％以上２３．０質量％以下、Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値：７．０質量％以上２０．０質量％以下、ＣＯ２：３．０質量％以上１０．０質量％以下、を含有し、Ｃ：１．００質量％以下、Ｎｉ：１．００質量％以下、である。
【選択図】なし
【解決手段】Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられるサブマージアーク溶接用フラックスは、フラックス全質量に対し、Ｍｎ：０．０１質量％以上５．００質量％以下、Ａｌ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、Ｎ：０質量％超０．５０質量％以下、ＭｇＯ：５．０質量％以上４０．０質量％以下、Ｆ：５．０質量％以上１２．０質量％以下、Ｃａ：９．５質量％以上２１．５質量％以下、Ａｌ２Ｏ３：１１．０質量％以上２３．０質量％以下、Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値：７．０質量％以上２０．０質量％以下、ＣＯ２：３．０質量％以上１０．０質量％以下、を含有し、Ｃ：１．００質量％以下、Ｎｉ：１．００質量％以下、である。
【選択図】なし
Description
本発明は、サブマージアーク溶接用フラックスに関する。
従来から、石油製油所内等に設置され、高温高圧下で運転される反応器（以下、「リアクタ」という。）等の分野においては、１．２５％Ｃｒ－０．５％Ｍｏ鋼又は２．２５％Ｃｒ－１．０％Ｍｏ等の高強度かつ高温特性に優れる材料が使用されている。また、リアクタの製造には、ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組み合わせたサブマージアーク溶接による多層盛溶接が一般的に使用されている。このようなリアクタは、寒冷地での操業や運転休止中の脆性破壊等を考慮して、上記した高強度かつ高温特性に加えて、低温環境下における優れた靱性が要求されている。
例えば特許文献１では、溶接金属の低温靱性及び高温強度の向上を目的として、ワイヤ又はフラックス中にＡｌ及びＮ等を含有させて溶接する溶接方法が開示されている。
ところで、特許文献１に開示されたように、ワイヤ中にＡｌ及びＮを含有させた場合には、ワイヤを製造する際に断線が発生し、製造コストが増大するという問題点がある。
一方、ワイヤ中のＡｌ及びＮ含有量を低減しつつ、特許文献１に記載された範囲でＡｌ及びＮを添加したフラックスを使用すると、溶接金属の成分のばらつきが大きくなり、要求される靱性や機械的性能が十分に得られないことがある。特に、作業能率を向上させることを目的として高電流で溶接した場合には、溶接金属の性能が安定しないという問題も発生する。したがって、高温特性及び低温靱性が優れているだけでなく、優れた溶接作業性についての要求も高くなっている。
一方、ワイヤ中のＡｌ及びＮ含有量を低減しつつ、特許文献１に記載された範囲でＡｌ及びＮを添加したフラックスを使用すると、溶接金属の成分のばらつきが大きくなり、要求される靱性や機械的性能が十分に得られないことがある。特に、作業能率を向上させることを目的として高電流で溶接した場合には、溶接金属の性能が安定しないという問題も発生する。したがって、高温特性及び低温靱性が優れているだけでなく、優れた溶接作業性についての要求も高くなっている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられ、溶接作業性が優れているとともに、優れた機械的性能を有する溶接金属を安定して得ることができるサブマージアーク溶接用フラックスを提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、サブマージアーク溶接用フラックスに、従来よりも多量のＡｌを含有させるとともに酸化物等の他の成分の含有量を制御することにより、作業能率の向上を図りつつ、高電流で溶接した場合であっても優れた機械的性能を有する溶接金属を安定して得ることができることを見出した。
すなわち、本発明の上記目的は、サブマージアーク溶接用フラックスに係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられるサブマージアーク溶接用フラックスであって、
フラックス全質量に対し、
Ｍｎ：０．０１質量％以上５．００質量％以下、
Ａｌ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、
Ｎ：０質量％超０．５０質量％以下、
ＭｇＯ：５．０質量％以上４０．０質量％以下、
Ｆ：５．０質量％以上１２．０質量％以下
Ｃａ：９．５質量％以上２１．５質量％以下
Ａｌ２Ｏ３：１１．０質量％以上２３．０質量％以下、
Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値：７．０質量％以上２０．０質量％以下、
ＣＯ２：３．０質量％以上１０．０質量％以下、を含有し、
Ｃ：１．００質量％以下、
Ｎｉ：１．００質量％以下、
であることを特徴とするサブマージアーク溶接用フラックス。
フラックス全質量に対し、
Ｍｎ：０．０１質量％以上５．００質量％以下、
Ａｌ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、
Ｎ：０質量％超０．５０質量％以下、
ＭｇＯ：５．０質量％以上４０．０質量％以下、
Ｆ：５．０質量％以上１２．０質量％以下
Ｃａ：９．５質量％以上２１．５質量％以下
Ａｌ２Ｏ３：１１．０質量％以上２３．０質量％以下、
Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値：７．０質量％以上２０．０質量％以下、
ＣＯ２：３．０質量％以上１０．０質量％以下、を含有し、
Ｃ：１．００質量％以下、
Ｎｉ：１．００質量％以下、
であることを特徴とするサブマージアーク溶接用フラックス。
また、サブマージアーク溶接用フラックスに係る本発明の好ましい実施形態は、下記［２］又は［３］に関する。
［２］ さらに、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種を含有し、
フラックス全質量に対し、
前記Ｎａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計：０．０１質量％以上１．００質量％以下、
であることを特徴とする［１］に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
フラックス全質量に対し、
前記Ｎａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計：０．０１質量％以上１．００質量％以下、
であることを特徴とする［１］に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
［３］ さらに、フラックス全質量に対し、
Ｆｅ：０．１０質量％以上５．００質量％以下を含有することを特徴とする［１］又は［２］に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
Ｆｅ：０．１０質量％以上５．００質量％以下を含有することを特徴とする［１］又は［２］に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
本発明に係るサブマージアーク溶接用フラックスによれば、溶接作業性が優れているとともに、優れた機械的性能を有する溶接金属を安定して得ることができる。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
［１．サブマージアーク溶接用フラックス］
本実施形態に係るサブマージアーク溶接用フラックス（以下、単に「フラックス」と称することがある。）は、Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられるサブマージアーク溶接用フラックスであって、Ｍｎ又はＭｎ化合物、Ａｌ、Ｎ、ＭｇＯ、Ｆ、Ｃａ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ又はＳｉ化合物、ＣＯ２、Ｃ及Ｎｉを、それぞれ所定量で含有する。
本実施形態に係るサブマージアーク溶接用フラックス（以下、単に「フラックス」と称することがある。）は、Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられるサブマージアーク溶接用フラックスであって、Ｍｎ又はＭｎ化合物、Ａｌ、Ｎ、ＭｇＯ、Ｆ、Ｃａ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ又はＳｉ化合物、ＣＯ２、Ｃ及Ｎｉを、それぞれ所定量で含有する。
以下に、本実施形態に係るフラックスの成分限定理由について説明する。
＜Ｍｎ：０．０１質量％以上５．００質量％以下＞
Ｍｎは、溶接金属の室温強度を確保し、特に靱性を向上させるために含有される成分である。また、Ｍｎは溶接金属を脱酸する効果も有する。フラックス中のＭｎ含有量が０．０１質量％未満であると、上記効果を得ることができず、溶接金属の組織が粗大化して、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＭｎ含有量は、フラックス全質量に対して０．０１質量％以上とし、０．５質量％以上であることが好ましく、１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＭｎ含有量が５．００質量％を超えると、溶接金属のクリープ破断強度の劣化が生じ、更には焼戻脆化特性も劣化する。したがって、フラックス中のＭｎ含有量は、フラックス全質量に対して５．００質量％以下とし、４．００質量％以下であることが好ましく、３．００質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｍｎは、Ｍｎ単体、Ｍｎ合金又はＭｎ化合物等の形でフラックス中に含有される。
Ｍｎは、溶接金属の室温強度を確保し、特に靱性を向上させるために含有される成分である。また、Ｍｎは溶接金属を脱酸する効果も有する。フラックス中のＭｎ含有量が０．０１質量％未満であると、上記効果を得ることができず、溶接金属の組織が粗大化して、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＭｎ含有量は、フラックス全質量に対して０．０１質量％以上とし、０．５質量％以上であることが好ましく、１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＭｎ含有量が５．００質量％を超えると、溶接金属のクリープ破断強度の劣化が生じ、更には焼戻脆化特性も劣化する。したがって、フラックス中のＭｎ含有量は、フラックス全質量に対して５．００質量％以下とし、４．００質量％以下であることが好ましく、３．００質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｍｎは、Ｍｎ単体、Ｍｎ合金又はＭｎ化合物等の形でフラックス中に含有される。
＜Ａｌ：０．５０質量％以上３．００質量％以下＞
Ａｌは、溶接金属の焼き入れ性を向上し、組織を微細化することにより、溶接金属の靱性を高めることができる成分である。フラックス中のＡｌ含有量が０．５０質量％未満であると、上記効果を得ることができない。したがって、フラックス中のＡｌ含有量は、フラックス全質量に対して０．５０質量％以上とし、０．６質量％以上であることが好ましく、０．８質量％以上であることがより好ましく、１．０質量％以上であることが更に好ましく、１．２質量％以上であることが最も好ましい。
一方、フラックス中のＡｌ含有量が３．００質量％を超えると、組織が粗大化して溶接金属の靱性が低下する。したがって、フラックス中のＡｌ含有量は、フラックス全質量に対して３．００質量％以下とし、２．５質量％以下であることが好ましく、２．０質量％以下であることがより好ましく、１．８質量％以下であることが更に好ましく、１．６質量％以下であることが最も好ましい。
なお、Ａｌは、Ａｌ単体又はＦｅ－ＡｌなどのＡｌ合金の形でフラックス中に含有される酸可溶性のＡｌの総量である。また、Ａｌ含有量は、以下に示すＡｌ２Ｏ３等の化合物を含まない。
Ａｌは、溶接金属の焼き入れ性を向上し、組織を微細化することにより、溶接金属の靱性を高めることができる成分である。フラックス中のＡｌ含有量が０．５０質量％未満であると、上記効果を得ることができない。したがって、フラックス中のＡｌ含有量は、フラックス全質量に対して０．５０質量％以上とし、０．６質量％以上であることが好ましく、０．８質量％以上であることがより好ましく、１．０質量％以上であることが更に好ましく、１．２質量％以上であることが最も好ましい。
一方、フラックス中のＡｌ含有量が３．００質量％を超えると、組織が粗大化して溶接金属の靱性が低下する。したがって、フラックス中のＡｌ含有量は、フラックス全質量に対して３．００質量％以下とし、２．５質量％以下であることが好ましく、２．０質量％以下であることがより好ましく、１．８質量％以下であることが更に好ましく、１．６質量％以下であることが最も好ましい。
なお、Ａｌは、Ａｌ単体又はＦｅ－ＡｌなどのＡｌ合金の形でフラックス中に含有される酸可溶性のＡｌの総量である。また、Ａｌ含有量は、以下に示すＡｌ２Ｏ３等の化合物を含まない。
＜Ｎ：０質量％超０．５０質量％以下＞
Ｎは、固溶強化元素であり、溶接金属の強度を高めることができる成分である。特に、本実施形態においては、フラックス中にＡｌとＮが適切な量で含有されていることにより、溶接金属中にＡｌＮが析出して、溶接金属の引張強度が向上する。フラックス中のＮ含有量は微量であっても上記効果を得ることができる。したがって、フラックス中のＮ含有量は、フラックス全質量に対して０質量％超とし、０．０５質量％以上であることが好ましく、０．１０質量％以上であることがより好ましく、０．１２質量％以上であることが更に好ましく、０．１５質量％以上であることが最も好ましい。
一方、フラックス中のＮ含有量が０．５０質量％を超えると、固溶強化によって溶接金属の耐力及び引張強さが著しく上昇し、その結果、溶接金属の靱性が低下する。したがって、フラックス中のＮ含有量は、フラックス全質量に対して０．５０質量％以下とし、０．３０質量％以下であることが好ましく、０．２５質量％以下であることがより好ましく、０．２２質量％以下であることが更に好ましく、０．２０質量％以下であることが最も好ましい。
なお、Ｎは、ＭｎＮ、ＡｌＮ及びＣｒＮ等の窒素化合物としてフラックス中に含有される。本実施形態において、Ｎは、これら窒素化合物をＮに換算した総量で規定する。
Ｎは、固溶強化元素であり、溶接金属の強度を高めることができる成分である。特に、本実施形態においては、フラックス中にＡｌとＮが適切な量で含有されていることにより、溶接金属中にＡｌＮが析出して、溶接金属の引張強度が向上する。フラックス中のＮ含有量は微量であっても上記効果を得ることができる。したがって、フラックス中のＮ含有量は、フラックス全質量に対して０質量％超とし、０．０５質量％以上であることが好ましく、０．１０質量％以上であることがより好ましく、０．１２質量％以上であることが更に好ましく、０．１５質量％以上であることが最も好ましい。
一方、フラックス中のＮ含有量が０．５０質量％を超えると、固溶強化によって溶接金属の耐力及び引張強さが著しく上昇し、その結果、溶接金属の靱性が低下する。したがって、フラックス中のＮ含有量は、フラックス全質量に対して０．５０質量％以下とし、０．３０質量％以下であることが好ましく、０．２５質量％以下であることがより好ましく、０．２２質量％以下であることが更に好ましく、０．２０質量％以下であることが最も好ましい。
なお、Ｎは、ＭｎＮ、ＡｌＮ及びＣｒＮ等の窒素化合物としてフラックス中に含有される。本実施形態において、Ｎは、これら窒素化合物をＮに換算した総量で規定する。
＜ＭｇＯ：５．０質量％以上４０．０質量％以下＞
ＭｇＯは、融点が高く、スラグの凝固を促進し、ビード形状を整える効果がある。また、溶接金属の酸素量をコントロールする役割もある。フラックス中のＭｇＯ含有量が５質量％未満であると、溶接中の脱酸効果が薄れて溶接金属中に酸化物が増えるため、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＭｇＯ含有量は、フラックス全質量に対して５．０質量％以上とし、１０．０質量％以上であることが好ましく、２０．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＭｇＯ含有量が４０．０質量％を超えると、ビード形状が悪くなるため、スラグ剥離性が低下する。したがって、フラックス中のＭｇＯ含有量は、フラックス全質量に対して４０．０質量％以下とし、３８．０質量％以下であることが好ましく、３５．０質量％以下であることがより好ましい。
ＭｇＯは、融点が高く、スラグの凝固を促進し、ビード形状を整える効果がある。また、溶接金属の酸素量をコントロールする役割もある。フラックス中のＭｇＯ含有量が５質量％未満であると、溶接中の脱酸効果が薄れて溶接金属中に酸化物が増えるため、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＭｇＯ含有量は、フラックス全質量に対して５．０質量％以上とし、１０．０質量％以上であることが好ましく、２０．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＭｇＯ含有量が４０．０質量％を超えると、ビード形状が悪くなるため、スラグ剥離性が低下する。したがって、フラックス中のＭｇＯ含有量は、フラックス全質量に対して４０．０質量％以下とし、３８．０質量％以下であることが好ましく、３５．０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｆ：５．０質量％以上１２．０質量％以下＞
Ｆは、フラックス中にＣａＦ化合物などの化合物の形態で含有されており、溶融スラグの電気伝導性や流動性を高める効果があり、溶融スラグの高温粘性に影響を与える成分の１つである。フラックス中のＦ含有量が５．０質量％未満であると、スラグがすぐに凝固して、ガスの排出を阻害したり、スラグ焼付きが発生したりする。したがって、フラックス中のＦ含有量は、フラックス全質量に対して５．０質量％以上とし、６．０質量％以上であることが好ましく、７．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＦ含有量が１２．０質量％を超えると、ビードの波目が粗くなって、ビード外観が劣化する。したがって、フラックス中のＦ含有量は、フラックス全質量に対して１２．０質量％以下とし、１１．５質量％以下であることが好ましく、１１．０質量％以下であることがより好ましい。
Ｆは、フラックス中にＣａＦ化合物などの化合物の形態で含有されており、溶融スラグの電気伝導性や流動性を高める効果があり、溶融スラグの高温粘性に影響を与える成分の１つである。フラックス中のＦ含有量が５．０質量％未満であると、スラグがすぐに凝固して、ガスの排出を阻害したり、スラグ焼付きが発生したりする。したがって、フラックス中のＦ含有量は、フラックス全質量に対して５．０質量％以上とし、６．０質量％以上であることが好ましく、７．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＦ含有量が１２．０質量％を超えると、ビードの波目が粗くなって、ビード外観が劣化する。したがって、フラックス中のＦ含有量は、フラックス全質量に対して１２．０質量％以下とし、１１．５質量％以下であることが好ましく、１１．０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｃａ：９．５質量％以上２１．５質量％以下＞
Ｃａは、ＣａＯやフッ化物として含まれるものであり、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めるとともに、溶融スラグの流動性に影響を与える成分である。フラックス中のＣａ含有量が９．５質量％未満であると、溶接金属の清浄度が低くなり、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＣａ含有量は、フラックス全質量に対して９．５質量％以上とし、１１．０質量％以上であることが好ましく、１５．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＣａ含有量が２１．５質量％を超えると、溶融スラグの流動性が大きくなりすぎて、ビードの外観及びビード形状が悪くなる。したがって、フラックス中のＣａＯ含有量は、フラックス全質量に対して２１．５質量％以下とし、２１．０質量％以下であることが好ましく、２０．０質量％以下であることがより好ましい。
Ｃａは、ＣａＯやフッ化物として含まれるものであり、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めるとともに、溶融スラグの流動性に影響を与える成分である。フラックス中のＣａ含有量が９．５質量％未満であると、溶接金属の清浄度が低くなり、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＣａ含有量は、フラックス全質量に対して９．５質量％以上とし、１１．０質量％以上であることが好ましく、１５．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＣａ含有量が２１．５質量％を超えると、溶融スラグの流動性が大きくなりすぎて、ビードの外観及びビード形状が悪くなる。したがって、フラックス中のＣａＯ含有量は、フラックス全質量に対して２１．５質量％以下とし、２１．０質量％以下であることが好ましく、２０．０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ａｌ２Ｏ３：１１．０質量％以上２３．０質量％以下＞
Ａｌ２Ｏ３は、スラグの流動性を向上させる効果を有するとともに、溶接金属の酸素量をコントロールする役割を有する成分である。フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が１１．０質量％未満であると、溶接ビードと母材とのなじみが悪くなりスラグ巻込みが生じ易くなる。したがって、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量は、フラックス全質量に対して１１．０質量％以上とし、１３．０質量％以上であることが好ましく、１５．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が２３．０質量％を超えると、ビードの波目が粗くなって、ビード外観が劣化する。したがって、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量は、フラックス全質量に対して２３．０質量％以下とし、２２．０質量％以下であることが好ましく、２０．０質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ａｌ２Ｏ３含有量は、Ａｌ合金を除くＡｌ化合物に含まれるＡｌのＡｌ２Ｏ３換算値である。
Ａｌ２Ｏ３は、スラグの流動性を向上させる効果を有するとともに、溶接金属の酸素量をコントロールする役割を有する成分である。フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が１１．０質量％未満であると、溶接ビードと母材とのなじみが悪くなりスラグ巻込みが生じ易くなる。したがって、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量は、フラックス全質量に対して１１．０質量％以上とし、１３．０質量％以上であることが好ましく、１５．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量が２３．０質量％を超えると、ビードの波目が粗くなって、ビード外観が劣化する。したがって、フラックス中のＡｌ２Ｏ３含有量は、フラックス全質量に対して２３．０質量％以下とし、２２．０質量％以下であることが好ましく、２０．０質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ａｌ２Ｏ３含有量は、Ａｌ合金を除くＡｌ化合物に含まれるＡｌのＡｌ２Ｏ３換算値である。
＜Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値：７．０質量％以上２０．０質量％以下＞
Ｓｉ及びＳｉ化合物は、溶融スラグの流動性を向上させる効果を有する成分である。フラックス中のＳｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値が７．０質量％未満であると、溶接ビードと母材とのなじみが悪くなり、スラグ巻込みが生じ易くなる。したがって、フラックス中のＳｉＯ２換算値は、フラックス全質量に対して７．０質量％以上とし、８．０質量％以上であることが好ましく、９．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＳｉＯ２換算値が２０．０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加し、溶接金属中に酸化物が増えるため靱性が低下する。したがって、フラックス中のＳｉＯ２換算値は、フラックス全質量に対して２０．０質量％以下とし、１８．０質量％以下であることが好ましく、１５．０質量％以下であることがより好ましい。
なお、ＳｉはＳｉ単体、Ｓｉ合金又はＳｉ化合物等の形でフラックス中に含有される。本実施形態において、ＳｉＯ２換算値は、全てのＳｉ及びＳｉ化合物に含まれるＳｉの合計をＳｉＯ２に換算した値で規定する。
Ｓｉ及びＳｉ化合物は、溶融スラグの流動性を向上させる効果を有する成分である。フラックス中のＳｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値が７．０質量％未満であると、溶接ビードと母材とのなじみが悪くなり、スラグ巻込みが生じ易くなる。したがって、フラックス中のＳｉＯ２換算値は、フラックス全質量に対して７．０質量％以上とし、８．０質量％以上であることが好ましく、９．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＳｉＯ２換算値が２０．０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加し、溶接金属中に酸化物が増えるため靱性が低下する。したがって、フラックス中のＳｉＯ２換算値は、フラックス全質量に対して２０．０質量％以下とし、１８．０質量％以下であることが好ましく、１５．０質量％以下であることがより好ましい。
なお、ＳｉはＳｉ単体、Ｓｉ合金又はＳｉ化合物等の形でフラックス中に含有される。本実施形態において、ＳｉＯ２換算値は、全てのＳｉ及びＳｉ化合物に含まれるＳｉの合計をＳｉＯ２に換算した値で規定する。
＜ＣＯ２：３．０質量％以上１０．０質量％以下＞
ＣＯ２は、溶接金属中の拡散性水素量をコントロールする効果を有する成分である。フラックス中のＣＯ２含有量が３．０質量％未満であると、溶接金属中の拡散性水素量が増加し、低温割れが発生しやすくなる。したがって、フラックス中のＣＯ２含有量は、フラックス全質量に対して３．０質量％以上とし、４．０質量％以上であることが好ましく、５．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＣＯ２含有量が１０．０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加し、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＣＯ２含有量は、フラックス全質量に対して１０．０質量％以下とし、９．０質量％以下であることが好ましく、８．０質量％以下であることがより好ましい。
なお、ＣＯ２は、ＣａＣＯ３などの金属炭酸塩の形でフラックス中に含有される。本実施形態において、ＣＯ２は、全ての金属炭酸塩をＣＯ２に換算した値で規定する。
ＣＯ２は、溶接金属中の拡散性水素量をコントロールする効果を有する成分である。フラックス中のＣＯ２含有量が３．０質量％未満であると、溶接金属中の拡散性水素量が増加し、低温割れが発生しやすくなる。したがって、フラックス中のＣＯ２含有量は、フラックス全質量に対して３．０質量％以上とし、４．０質量％以上であることが好ましく、５．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＣＯ２含有量が１０．０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加し、靱性が低下する。したがって、フラックス中のＣＯ２含有量は、フラックス全質量に対して１０．０質量％以下とし、９．０質量％以下であることが好ましく、８．０質量％以下であることがより好ましい。
なお、ＣＯ２は、ＣａＣＯ３などの金属炭酸塩の形でフラックス中に含有される。本実施形態において、ＣＯ２は、全ての金属炭酸塩をＣＯ２に換算した値で規定する。
＜Ｃ：１．００質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｃは、溶接金属の室温強度、クリープ破断強度及び靱性を確保するために、フラックス中に含有される成分である。Ｃはフラックス中に必ずしも含有させる必要はなく、他の成分で、溶接金属の室温強度、クリープ破断強度及び靱性の向上を図ることができるが、フラックス中のＣ含有量は、フラックス全質量に対して０．０５質量％以上であることが好ましく、０．１０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＣ含有量が１．００質量％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。したがって、フラックス中のＣ含有量は、フラックス全質量に対して１．００質量％以下とし、０．８０質量％以下であることが好ましく、０．５０質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｃは、Ｃ単体又は合金、Ｃ化合物等の形でフラックス中に含有させることができる。
Ｃは、溶接金属の室温強度、クリープ破断強度及び靱性を確保するために、フラックス中に含有される成分である。Ｃはフラックス中に必ずしも含有させる必要はなく、他の成分で、溶接金属の室温強度、クリープ破断強度及び靱性の向上を図ることができるが、フラックス中のＣ含有量は、フラックス全質量に対して０．０５質量％以上であることが好ましく、０．１０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＣ含有量が１．００質量％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。したがって、フラックス中のＣ含有量は、フラックス全質量に対して１．００質量％以下とし、０．８０質量％以下であることが好ましく、０．５０質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｃは、Ｃ単体又は合金、Ｃ化合物等の形でフラックス中に含有させることができる。
＜Ｎｉ：１．００質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｎｉは、溶接金属の靱性の向上に有効な元素であるが、クリープ破断強度を著しく低下させる成分でもある。Ｎｉはフラックス中に必ずしも含有させる必要はなく、他の成分で靱性の向上を図ることができるが、フラックス中のＮｉ含有量は、フラックス全質量に対して０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０２質量％以上であることがより好ましく、０．０５質量％以上であることが更に好ましい。
一方、フラックス中のＮｉ含有量がフラックス全質量に対して１．００質量％を超えると、溶接金属のクリープ破断強度が低下する。したがって、フラックス中のＮｉ含有量は、フラックス全質量に対して１．００質量％以下とし、０．８０質量％以下であることが好ましく、０．５０質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｎｉは、Ｎｉ単体又はＦｅ－ＮｉなどのＮｉ合金の形でフラックス中に含有させることができる。
Ｎｉは、溶接金属の靱性の向上に有効な元素であるが、クリープ破断強度を著しく低下させる成分でもある。Ｎｉはフラックス中に必ずしも含有させる必要はなく、他の成分で靱性の向上を図ることができるが、フラックス中のＮｉ含有量は、フラックス全質量に対して０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０２質量％以上であることがより好ましく、０．０５質量％以上であることが更に好ましい。
一方、フラックス中のＮｉ含有量がフラックス全質量に対して１．００質量％を超えると、溶接金属のクリープ破断強度が低下する。したがって、フラックス中のＮｉ含有量は、フラックス全質量に対して１．００質量％以下とし、０．８０質量％以下であることが好ましく、０．５０質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｎｉは、Ｎｉ単体又はＦｅ－ＮｉなどのＮｉ合金の形でフラックス中に含有させることができる。
＜Ｎａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計：０．０１質量％以上１．００質量％以下＞
Ｎａ、Ｋ及びＬｉなどのアルカリ金属は、アーク安定性を向上させる効果を有する成分であるため、これらアルカリ金属はフラックス中に必ずしも添加されている必要はないが、本実施形態においては、フラックス中に、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種が含有されていることが好ましい。
フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量が合計で０．０１質量％以上であると、上記効果を得ることができる。したがって、フラックス中に、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種が含有されている場合には、フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計は、フラックス全質量に対して０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０５質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量が合計で１．００質量％以下であると、スラグ融点の低下を防止することができ、優れたビード形状を得ることができる。したがって、フラックス中に、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種が含有されている場合には、フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計は、フラックス全質量に対して１．００質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｎａ、Ｋ及びＬｉはフッ化物や複合酸化物として、フラックス中に添加することができ、本実施形態においては、Ｎａ、Ｋ及びＬｉを含む化合物を、それぞれ、Ｎａ、Ｋ及びＬｉに換算した値で規定する。
Ｎａ、Ｋ及びＬｉなどのアルカリ金属は、アーク安定性を向上させる効果を有する成分であるため、これらアルカリ金属はフラックス中に必ずしも添加されている必要はないが、本実施形態においては、フラックス中に、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種が含有されていることが好ましい。
フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量が合計で０．０１質量％以上であると、上記効果を得ることができる。したがって、フラックス中に、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種が含有されている場合には、フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計は、フラックス全質量に対して０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０５質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量が合計で１．００質量％以下であると、スラグ融点の低下を防止することができ、優れたビード形状を得ることができる。したがって、フラックス中に、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種が含有されている場合には、フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計は、フラックス全質量に対して１．００質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｎａ、Ｋ及びＬｉはフッ化物や複合酸化物として、フラックス中に添加することができ、本実施形態においては、Ｎａ、Ｋ及びＬｉを含む化合物を、それぞれ、Ｎａ、Ｋ及びＬｉに換算した値で規定する。
＜Ｆｅ：０．１０質量％以上５．００質量％以下＞
Ｆｅは、スラグの焼き付きを防止する効果を有する成分である。Ｆｅはフラックス中に必ずしも含有されている必要はないが、含有する場合には、フラックス中のＦｅ含有量が０．１０質量％以上であると、上記効果を得ることができる。したがって、フラックス中のＦｅ含有量は、フラックス全質量に対して０．１０質量％以上であることが好ましく、０．３０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＦｅ含有量が５．００質量％以下であると、スラグの凝固温度を調整することができ、ビード外観、ビード形状及びスラグ剥離の劣化を防止することができる。したがって、フラックス中のＦｅ含有量は５．００質量％以下であることが好ましく、３．００質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｆｅは、Ｆｅ単体、Ｆｅ合金、Ｆｅ酸化物などに含まれるすべてのＦｅの合計量で規定する。
Ｆｅは、スラグの焼き付きを防止する効果を有する成分である。Ｆｅはフラックス中に必ずしも含有されている必要はないが、含有する場合には、フラックス中のＦｅ含有量が０．１０質量％以上であると、上記効果を得ることができる。したがって、フラックス中のＦｅ含有量は、フラックス全質量に対して０．１０質量％以上であることが好ましく、０．３０質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックス中のＦｅ含有量が５．００質量％以下であると、スラグの凝固温度を調整することができ、ビード外観、ビード形状及びスラグ剥離の劣化を防止することができる。したがって、フラックス中のＦｅ含有量は５．００質量％以下であることが好ましく、３．００質量％以下であることがより好ましい。
なお、Ｆｅは、Ｆｅ単体、Ｆｅ合金、Ｆｅ酸化物などに含まれるすべてのＦｅの合計量で規定する。
本実施形態に係るフラックスは、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎ、ＭｇＯ、Ｆ、Ｃａ、Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値、ＣＯ２、Ｃ、並びにＮｉを合計で８５質量％以上含むことが好ましく、９０質量％以上含むことがより好ましく、９３質量％以上含むことがさらに好ましく、９５質量％以上含むことが特に好ましい。
上記成分以外に不可避的不純物が含まれる。また、要求される溶接金属の特性に応じて、例えば、Ｓｒ化合物、Ｂａ化合物の種々の成分を含有させることができる。
上記成分以外に不可避的不純物が含まれる。また、要求される溶接金属の特性に応じて、例えば、Ｓｒ化合物、Ｂａ化合物の種々の成分を含有させることができる。
［２．サブマージアーク溶接用フラックスの製造方法］
本実施形態のフラックスを製造する場合は、例えば、前述した組成となるように原料粉を配合し、結合剤と共に混練した後、造粒し、焼成する。その際、結合剤（バインダ）としては、例えば、ケイ酸ナトリウムなどを使用することができる。また、造粒法は、特に限定されるものではないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機などを用いる方法が好ましい。
本実施形態のフラックスを製造する場合は、例えば、前述した組成となるように原料粉を配合し、結合剤と共に混練した後、造粒し、焼成する。その際、結合剤（バインダ）としては、例えば、ケイ酸ナトリウムなどを使用することができる。また、造粒法は、特に限定されるものではないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機などを用いる方法が好ましい。
造粒後の焼成は、ロータリーキルン、定置式バッチ炉及びベルト式焼成炉などで行うことができる。その際の焼成温度は、前述したように結合剤を非水溶性に変化させる観点から、３５０℃以上とすることが好ましく、４５０℃以上がより好ましい。上限は特に制限されないが、通常１２００℃以下である。
以下、実施例を挙げて本実施形態を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
［１．溶接ワイヤの化学成分］
まず、実施例で用いた溶接ワイヤの化学組成を表１に示し、フラックスの化学組成を表２に示す。なお、表１に示すワイヤ記号Ｗ１は、２．２５％Ｃｒ－１．０％Ｍｏ鋼用の溶接用ワイヤであり、また、ワイヤ記号Ｗ２は、１．２５％Ｃｒ－０．５％Ｍｏ鋼用の溶接用ワイヤである。
まず、実施例で用いた溶接ワイヤの化学組成を表１に示し、フラックスの化学組成を表２に示す。なお、表１に示すワイヤ記号Ｗ１は、２．２５％Ｃｒ－１．０％Ｍｏ鋼用の溶接用ワイヤであり、また、ワイヤ記号Ｗ２は、１．２５％Ｃｒ－０．５％Ｍｏ鋼用の溶接用ワイヤである。
［２．サブマージアーク溶接］
上記表１に示す組成を有するとともに直径が４．０ｍｍである溶接ワイヤ、及び表２に示すフラックスを用いて、ＡＳＴＭ規格にて規定されるＡ３８７－Ｇｒ２２の溶接母材の開先に対して、サブマージアーク溶接を実施し、溶接作業性を評価した。溶接母材の厚さは２５ｍｍ、幅は１２０ｍｍ、長さは６００ｍｍとした。その他の溶接条件及び溶接後熱処理条件を以下に示す。
上記表１に示す組成を有するとともに直径が４．０ｍｍである溶接ワイヤ、及び表２に示すフラックスを用いて、ＡＳＴＭ規格にて規定されるＡ３８７－Ｇｒ２２の溶接母材の開先に対して、サブマージアーク溶接を実施し、溶接作業性を評価した。溶接母材の厚さは２５ｍｍ、幅は１２０ｍｍ、長さは６００ｍｍとした。その他の溶接条件及び溶接後熱処理条件を以下に示す。
（ａ）溶接条件
（溶接条件Ａ）
溶接電流：５２５Ａ
溶接電圧：２８Ｖ
溶接速度：４０ｃｍ／分程度
極性：ＤＣＥＰ（直流棒プラス：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）
溶接姿勢：下向姿勢
ワイヤ突出し長さ：３０ｍｍ
予熱パス間温度：１９０－２２０℃
（溶接条件Ａ）
溶接電流：５２５Ａ
溶接電圧：２８Ｖ
溶接速度：４０ｃｍ／分程度
極性：ＤＣＥＰ（直流棒プラス：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）
溶接姿勢：下向姿勢
ワイヤ突出し長さ：３０ｍｍ
予熱パス間温度：１９０－２２０℃
（溶接条件Ｂ：タンデム溶接）
先行極の溶接電流：５８０Ａ
先行極の溶接電圧：３０Ｖ
先行極の溶接速度：６０ｃｍ／分
先行極の極性：ＤＣＥＰ
後行極の溶接電流：６００Ａ
後行極の溶接電圧：３２Ｖ
後行極の溶接速度：６０ｃｍ／分
後行極の極性：ＡＣ（交流電流：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）
先行極の溶接電流：５８０Ａ
先行極の溶接電圧：３０Ｖ
先行極の溶接速度：６０ｃｍ／分
先行極の極性：ＤＣＥＰ
後行極の溶接電流：６００Ａ
後行極の溶接電圧：３２Ｖ
後行極の溶接速度：６０ｃｍ／分
後行極の極性：ＡＣ（交流電流：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ）
（ｂ）溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）条件
ＰＷＨＴ条件Ａ：６９０℃で１時間
ＰＷＨＴ条件Ｂ：６８５℃で８時間
ＰＷＨＴ条件Ｃ：６７０℃で６時間
ＰＷＨＴ条件Ａ：６９０℃で１時間
ＰＷＨＴ条件Ｂ：６８５℃で８時間
ＰＷＨＴ条件Ｃ：６７０℃で６時間
なお、溶接作業性は、アーク安定性、耐ポックマーク性、ビード形状、スラグ剥離性、ビードなじみ及びビード揃いを評価し、全ての項目の評価結果が良好であったものを○（良好）とし、いずれか１つでも劣る評価結果があったものを×（不良）とした。
その後、得られた溶接金属に対し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠して、金属材料引張試験を実施することにより、０．２％耐力及び引張強さを測定した。なお、０．２％耐力の測定値は、３１０ＭＰａ以上であったものを良好であると判断し、引張強さの測定値は、５１５ＭＰａ以上であったものを良好であると判断した。
また、ＪＩＳ Ｚ２２４２：２０１８に準拠して、金属材料のシャルピー衝撃試験を実施することにより、低温靱性を評価した。低温靱性の評価は、－３０℃におけるシャルピー衝撃試験を２回実施し、得られたシャルピー衝撃値の２回の平均値が８０Ｊ／ｃｍ２以上であり、各測定の最低値が６０Ｊ／ｃｍ２以上であったものを◎（優良）とし、２回の平均値が５４Ｊ／ｃｍ２以上であり、各測定の最低値が４７Ｊ／ｃｍ２以上６０Ｊ／ｃｍ２未満であったものを○（良好）とし、２回の平均値が５４Ｊ／ｃｍ２未満であるか、又は各測定の最低値が４７Ｊ／ｃｍ２未満であったものを×（不良）とした。
なお、比較例Ｎｏ．２７～３０については、引張試験及びシャルピー衝撃試験を実施していない。
なお、比較例Ｎｏ．２７～３０については、引張試験及びシャルピー衝撃試験を実施していない。
使用した溶接ワイヤ、フラックス、溶接条件及び溶接後熱処理条件、並びに各試験の評価結果を下記表３に示す。
上記表２の発明例であるＦ１～Ｆ１２のフラックスを用いた場合、表３の発明例Ｎｏ．１～２２に示すように、高電流での溶接であっても優れた溶接作業性を維持することができるとともに、機械的性能が優れた溶接金属を得ることができた。
一方、比較例であるＦ１３～Ｆ１６のフラックスを用いた場合、Ａｌ含有量が本発明範囲から外れているため、比較例Ｎｏ．２３～２６、３１～３４に示すように、本発明例に対して機械的性能が低下した。
また、比較例であるＦ１７～Ｆ２０のフラックスを用いた場合、フラックス中の各成分の含有量のうち、大部分が本発明範囲外であるため、比較例Ｎｏ．２７～３０に示すように、溶接作業性が悪いものとなった。したがって、溶接後熱処理を実施しなかった。
Claims (3)
- Ｃｒ－Ｍｏ系鋼板のサブマージアーク溶接に用いられるサブマージアーク溶接用フラックスであって、
フラックス全質量に対し、
Ｍｎ：０．０１質量％以上５．００質量％以下、
Ａｌ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、
Ｎ：０質量％超０．５０質量％以下、
ＭｇＯ：５．０質量％以上４０．０質量％以下、
Ｆ：５．０質量％以上１２．０質量％以下
Ｃａ：９．５質量％以上２１．５質量％以下
Ａｌ２Ｏ３：１１．０質量％以上２３．０質量％以下、
Ｓｉ及びＳｉ化合物のＳｉＯ２換算値：７．０質量％以上２０．０質量％以下、
ＣＯ２：３．０質量％以上１０．０質量％以下、を含有し、
Ｃ：１．００質量％以下、
Ｎｉ：１．００質量％以下、
であることを特徴とするサブマージアーク溶接用フラックス。 - さらに、Ｎａ、Ｋ及びＬｉから選択された少なくとも１種を含有し、
フラックス全質量に対し、
前記Ｎａ、Ｋ及びＬｉの含有量の合計：０．０１質量％以上１．００質量％以下、
である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用フラックス。 - さらに、フラックス全質量に対し、
Ｆｅ：０．１０質量％以上５．００質量％以下を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
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