JP2529843B2

JP2529843B2 - ９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のサブマ−ジア−ク溶接方法

Info

Publication number: JP2529843B2
Application number: JP62053716A
Authority: JP
Inventors: 弘之小池; 康俊中田; 等佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-03-09
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPS63220993A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は火力発電、原子力発電のボイラー等に使用さ
れる9Cr−1Mo鋼の溶接に用いるサブマージアーク溶接法
の改良に関し、更に詳しくは特定成分のワイヤ、フラッ
クスを組み合わせる事により耐割れ性、靭性、高温強度
特性、ビード形成に優れた溶接金属を生成するサブマー
ジアーク溶接法に関するものである。

（従来の技術）近年、火力発電所の大型化に伴い、ボイラーが高温、
高圧下で使用されるようになってきた。

従来、9Cr−Mo系鋼のサブマージアーク溶接法におい
ては、高温強度、耐酸化性、靭性の観点から鋼種に応じ
た共金系溶接材料が選択され、例えば9Cr−1Mo、9Cr−1
Mo−Nb−Ｖあるいは9Cr−2Mo−Nb−Ｖ系鋼ワイヤと溶融
形又は焼成形フラックスとを組み合わせて用いている。

例えば、特開昭59−82189号公報には特定量のＣ、S
i、Mn、Cr、Mo、Niを含むワイヤと組み合わせるフラッ
クスとしてCaO、SiO₂、Al₂O₃、B₂O₃等からなるサブマー
ジアーク溶接用フラックスが、特開昭59−274113号公報
には特定量のＣ、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、Ｖを含むワ
イヤとSiO₂、CaF₂、CaO、Al₂O₃、MgO等からなるサブマ
ージアーク溶接用フラックスとが、特開昭60−231591号
公報にはCr、Mo、Ｎ、Ni、REMの特定量を含有するワイ
ヤとCaCO₃、CaF₂、CaO、MgO、SiO₂、Al₂O₃等からなるサ
ブマージアーク溶接用フラックスとを組み合わせて行な
うサブマージアーク溶接法が開示されている。又、特開
昭61−1497号公報には特定量のTi、REM、Ｃ、Cr、Mo、N
bを含有する溶接材料を用いて溶接金属中のＯ、Ｎ、S
i、Mnの量を特性したサブマージアーク溶接法が開示さ
れている。

ところが、以上のような溶接材料あるいは溶接法は高
温強度、耐酸化性、靭性等の基本特性あるいは耐割れ性
の観点から種々検討されたものであるが、SiおよびＯに
起因して粒界に発生する微小な割れ防止の観点からは充
分に検討されたものではなく、満足できるものではな
い。即ち、9Cr−1Mo系鋼ワイヤを用いた溶接において
は、マルテンサイト＋フェライトの混合組織又はマルテ
ンサイト単一組織の溶接金属が生成されるが、この場合
ワイヤ又はフラックス中に脱酸剤として添加されるSi、
あるいはスラグ剤のSiO₂から還元されたSiが濃縮し、Mo
およびNiとの間に低融点共晶物を生成しやすく、溶接金
属中の酸素がMoO₃、NiOあるいはSiO₂等の酸化物として
析出し、割れの原因となる事がしばしばであり、このよ
うな割れを防止するにはSiO₂およびSiの有害成分のワイ
ヤあるいはフラックスへの添加量を極力制限する。また
上記酸化物を形成するＯも有害であり、割れ防止にはこ
れらの低減が極めて重要であるが、このような観点から
は従来の溶接材料はいずれも満足しうるものではない。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は9Cr−1Mo鋼ワイヤを用いたマルテンサイト＋
フェライト混合組織あるいはマルテンサイト単一組織溶
接金属の粒界に発生しやすい割れを完全に防止するとと
もに、優れた高温強度および靭性を得る事の出来る9Cr
−1Mo鋼のサブマージアーク溶接方法の提供を目的とす
るものである。

（問題点を解決するための手段）本発明の要旨とするところは、C:0.01〜0.15wt％、M
n:0.4〜2.5wt％、Cr:8.0〜11.0wt％、Mo:0.5〜1.2wt
％、Ni:0.05〜1.3wt％、V:0.03〜0.30wt％、Nb:0.02〜
0.12wt％、Al:0.005〜1.5wt％、N:0.004〜0.100wt％を
含有し、かつSi:0.05wt％以下、O:0.01wt％以下に限定
したワイヤと、CaF₂:25〜70wt％、CaO、MgOの１種また
は２種:8〜30wt％、Al₂O₃、ZrO₂の１種または２種:2〜3
5wt％、Al:0.5〜7wt％を含有し、かつSiO₂:5wt％以下に
限定し、Siを実質的に含有しない溶接フラックスとを組
み合わせて行う事を特徴とする9Cr−1Mo鋼のサブマージ
アーク溶接方法である。

（作用）Ｃ、Mn、Cr、Mo、Ni、Ｖ、NbおよびＮは9Cr−1Mo鋼用
ワイヤとして高温強度および靭性の基本特性を具備する
ために必須な成分であり、又Si、Al、Ｏについては本発
明の目的とする粒界割れ防止に非常に重要な要件となる
ものである。

まず、ワイヤに添加する成分について以下に順次説明
する。

C:0.01〜0.15wt％Ｃは強度保持の観点から必要であるが、耐割れ性の点
から上限を0.15wt％とした。即ち、9Cr−1Mo鋼の溶接金
属において、Ｃは焼入性が高く、溶接部が著しく硬化
し、低温割れ発生の原因となる。従って、溶接を完全に
行うためにはかなり高温の予熱を必要とし、溶接作業能
率を著しく低下させる。Ｃ量を0.01wt％未満にすると強
度の確保が困難になるので、下限を0.01wt％とした。

Mn:0.4〜2.5wt％ Mnは脱酸のためのみでなく、強度保持上も必須の成分
である。0.4wt％未満では脱酸効果が期待できず、下限
を0.4wt％とした。又、上限を2.5wt％としたのは、これ
を超すと靭性が低下するからである。

Cr:8.0〜11.0wt％ Crは9Cr−1Mo鋼の基本成分で耐酸化性を付与する元素
であるが、その他に本発明ではM₂₃C₆、M₆Cの構成元素と
して微細に析出し、より高温強度特性を向上させるの
で、下限はM₂₃C₆の析出限である8.0wt％とし、11％を超
すと溶接金属にフェライト相が生じ、靭性、強度が低下
するので上限は11％とした。

Mo:0.5〜1.2wt％ Moは固溶体強化により高温強度を顕著に高める元素で
あるが、0.5wt％未満ではその効果は期待できないの
で、下限を0.5wt％とした。1.2wt％を超えると粗大なフ
ェライト相が生じ、靭性を劣化させるので上限を1.2wt
％とした。

Ni:0.05〜1.3wt％ Niは使用中の脆化軽減に有効な元素であり、高温高圧
下で長時間使用される溶接材料の用途に対しては必須な
元素である。0.05wt％未満ではその効果は得られず、1.
3wt％を超えると高温強度および耐割れ性を劣化させる
ので上限を1.3wt％とした。

V:0.03〜0.30wt％Ｖは高温強度を著しく高める元素であり、V₄C₃として
析出する他に、M₂₃C₆、M₆Cの一部に入り、結晶粒の粗大
化抑制に効果を示すが、0.03wt％未満ではその効果が得
られない。0.30wt％を超えるとかえって強度を低下させ
るので上限を0.30wt％とした。

Nb:0.02〜0.12wt％ NbはNbCの析出によって高温強度を高め、後続する微
細な析出物であるM₂₃C₆、M₆C等の析出状態をコントロー
ルする作用があるため、高温長時間側のクリープ破断強
度向上に効果がある。しかし、0.02wt％未満ではその効
果がなく、0.12wt％を超すと析出物の凝集粗大化を招
き、強度を低下させるため、下限を0.02wt％、上限を0.
12wt％とした。

Al:0.005〜1.5wt％ Alは優れた脱酸作用を示す元素であり、溶接金属中の
酸素を著しく低減し、粒界割れ防止に極めて有効であ
る。0.005wt％未満ではその効果は得られず、1.5wt％を
超えると熱間鍛造性が劣化し、ワイヤの製造が困難にな
るため、ワイヤ中のAl含有量は0.005〜0.15wt％である
事が必要である。

Si:0.05wt％以下溶接金属中のSiを0.70wt％以下迄低減するためには、
ワイヤ中のSi含有量を0.05wt％以下にする事が必要であ
る。即ち、溶接金属中のSiはフラックス中のSiおよびSi
O₂からも移行する。本発明においては後述の如く、フラ
ックス中にはSiを実質的に添加せず、又SiO₂に関しては
フラックス全体に対し5wt％以下に制限する。このSiO₂
により溶接金属中のSiは0.65wt％程度迄成り得るもので
あり、又ワイヤ中のSiは60〜90％は溶接金属中に移行す
る。従って、ワイヤ中のSi含有量は0.05wt％以下に制限
する事が必要である。

O:0.01wt％以下ワイヤ中のＯ含有量が0.01wt％を超えると、靭性を低
下させる他に粒界割れを生じさせる。

以上が本発明で特に定めるワイヤ成分および含有量で
あるが、この他にＰ、Ｓ等は不可避不純物としての量が
含まれる。

本発明におけるワイヤは以上述べた如く、9Cr−1Mo系
鋼ワイヤに於いて、Alを適量添加し、SiおよびＯの含有
量を限定することで溶接金属の粒界に発生する割れ防止
を行うものである。

ところで、本発明に用いるフラックスは上記ワイヤと
組合わせて粒界割れ防止を確実にし、かつすぐれた機械
的性質およびビード形状が得られるものであり、そのた
めにCaF₂、CaO及び／又はMgO、Al₂O₃及び／又はZrO₂、S
iO₂、Alの含有量について特定する事が必要である。

以下に各成分の添加理由について詳述する。

CaF₂:25〜70wt％ CaF₂はスラグの塩基度を上げ、溶接金属の酸素量を著
しく低減するもので、本発明の如く低酸素溶接金属を生
成し、粒界割れを防止するためのフラックス成分として
不可欠のものである。さらに、CaF₂はフラックスの溶融
点を低下させ、良好なビード形状を得ることが判明し
た。CaF₂のフラックス全体に対する添加量が25wt％未満
ではその効果がなく、又70wt％超では流動性が過大とな
り、ビード止端部が不安定でかえってビード外観が劣化
する。

CaO及び／又はMgO:8〜30wt％ CaO及びMgOはいずれも強塩基性成分でCaF₂と共に溶接
金属の酸素量の低減に有効である。さらに、CaO、MgOは
耐火性の大きい成分であり、融点の低いCaF₂を多量に含
有するフラックスの溶融特性を調整し、ビード形状を整
えるのに有効である。このような効果はCaO及び／又はM
gOが8wt％未満では得られず、又30wt％を超えるとフラ
ックスの溶融点が上昇し、溶け難くなるためアンダーカ
ット等の欠陥が発生しやすくなる。

Al₂O₃及び／又はZrO₂:2〜35wt％ Al₂O₃およびZrO₂も又溶融点が高く、溶融スラグの流
動性を調整し、ビード形状を整えるのに有効である。こ
のようなAl₂O₃およびZrO₂の効果は多層盛溶接に用いる
ときに重要であり、フラックスの基本成分がCaF₂−CaO
−MgO系のみではビードどうしの重ね部がスムーズでな
く凹凸が生じるが、Al₂O₃及び／又はZrO₂の添加により
ビードどうしのなじみが良好となり、スラグイン、アン
ダーカット等の欠陥が生成されない。Al₂O₃及び／又はZ
rO₂が2wt％未満ではこのような効果が得られず、35wt％
を超えるとスラグが溶接金属中に巻き込まれやすく、ア
ンダーカットが生じやすくなる。

SiO₂:5wt％以下 SiO₂はスラグの粘性を調整し、ビード外観を改善する
のに有効な成分であるが、一方SiO₂はアーク雰囲気中で
還元され、溶接金属のSiおよび酸素を増大させ、粒界割
れを発生させる。従って、ワイヤからのSiの移行も考え
ると、本発明におけるフラックスにおいてはフラックス
全体に対し5wt％以下に限定する事が必要である。焼成
型フラックスにおいては造粒時に固着剤として水ガラス
を用いるが、この中に多量のSiO₂が含有されており、通
常のフラックスにおいては３〜4wt％のSiO₂が混入して
おり、更に粉末原料中に不可避不純物として通常のフラ
ックス中に1wt％程度のSiO₂が含有されている。従っ
て、本発明のフラックスにおいて粉末原料としてSiO₂分
は実質的に用いない。

Si: 本発明は、粒界割れ防止の観点から溶接金属中のSiを
極力少なくするものであり、脱酸剤としてのSiは実質的
に用いない。脱酸剤の機能は殆どAlによって達成する。

Al:0.5〜7.0wt％ Alは前述の如く粒界割れ防止の観点から必須な成分で
あり、ワイヤからと共にフラックスからも添加する事に
より、溶接金属中のAl含有量を安定化する。又、フラッ
クスからのAlの添加は、ブローホール、ポックマーク等
のガス欠陥を防止するのに重要であり、このような効果
はワイヤからの添加のみでは得られ難い。フラックスへ
のAlの添加量は組み合わせるワイヤのAl含有量との関係
で選択し得るが、フラックス全体に対し0.5〜7wt％が良
好で、0.5wt％未満では溶接金属中にガス欠陥が発生し
易く、又7wt％を超えるとスラグの剥離性が劣化し、ビ
ード欠陥も損なわれるので、下限を0.5wt％、上限を7wt
％とした。

以上、本発明におけるフラックスの必須成分について
説明したが、これら成分の添加原料は単独物質と共に上
記成分を含有する化合物、鉱石あるいは溶融形フラック
スで添加する事が出来る。即ち、用いる原料としては、
CaF₂:蛍石、溶融形フラックス等、CaO:炭酸石灰、溶融
形フラックス等、MgO:マグネシアクリンカー、スピネ
ル、溶融形フラックス等、Al₂O₃:アルミナ、スピネル、
溶融形フラックス等、Al:金属Al、Fe−Al等である。

以下に本発明溶接方法の効果を実施例により説明す
る。

（実施例）まず、第１表に示す組成の鋼を真空溶解炉にて作製
し、鍛造、圧延および線引を行って4.0mmφのワイヤを
作製した。第１表に示したワイヤのうちW1〜W8は本発明
に用いたワイヤ、W9〜W15は比較例に用いたワイヤであ
る。

次に第２表に示す組成のサブマージアーク溶接用フラ
ックスを作製した。この場合、原料として通常の溶接フ
ラックス原料として用いられる鉱石粉合成物およびアル
ミナセメントを用いた。フラックスはいずれも固着剤と
して水ガラスを用いて造粒し、500℃×1hrの条件で焼成
した焼成型フラックスである。なお、第２表のフラック
スのうちF1〜F5は本発明法に用いたフラックス、F6〜F1
1は比較例に用いたものである。

以上のようなワイヤおよびフラックスを用い、第３表
に示す鋼板および第４表に示す溶接条件および第１図に
示す積層要領により、20種のサブマージアーク溶接を実
施した。溶接長は2mである。

第５表に実施した溶接におけるフラックスおよびワイ
ヤの組み合わせおよび溶接部の確性試験結果を示す。

溶接部の確性は、まずビード外観を観察した後、740
℃×2hrの後熱処理を行ない、Ｘ線透過試験（JIS Ｚ
3104による）で割れの有無を調査した。その溶接金属よ
り高温引張試験片（JIS Ｚ 0567、径:6mmφ）および
衝撃試験片（JIS Ｚ 2202 ４号）を採取し、各々の
試験を行なった。高温引張試験は500℃、衝撃試験は０
℃で行なった。

以上の溶接部の確性結果を第５表（右欄）に示す。

本発明例No.1〜No.7は優れた溶接部が得られたが、N
o.8〜No.20は第５表にその個々の理由について示した如
く、ワイヤ中のＣ、Cr、Mo、Ni、Ｖ、Nb、Al、Ｎ、Si含
有量の不適正、さらにフラックス中のCaF₂、CaO＋MgO、
SiO₂、Al₂O₃＋ZrO₂およびAl添加量の不適正、フラック
スへのSiの添加によりビード形状不良、割れの発生、機
械的性質の劣化の問題が発生した。

（発明の効果）以上述べた如く、本発明は9Cr−1Mo鋼のサブマージア
ーク溶接において割れが発生せず、かつ優れた高温強
度、衝撃値等の機械的性質の溶接部が得られると共に、
ビード形状およびＸ線性能も充分満足し得る溶接法であ
る。各種発電ボイラ、圧力容器等に使用される9Cr−1Mo
鋼を潜弧溶接する場合に、本発明により溶接継手の信頼
性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例において用いた開先形状および積層要領
を示す断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−231591（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−23596（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−232089（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】C :0.01〜0.15wt％、 Mn :0.4〜2.5wt％、 Cr :8.0〜11.0wt％、 Mo :0.5〜1.2wt％、 Ni :0.05〜1.3wt％、 V :0.03〜0.30wt％、 Nb :0.02〜0.12wt％、 Al :0.005〜1.5wt％、 N :0.004〜0.100wt％を含有し、かつ Si :0.05wt％以下、 O :0.01wt％以下に限定したワイヤと、 CaF₂:25〜70wt％、 CaO、MgOの１種または２種 :8〜30wt％、 Al₂O₃、ZrO₂の１種または２種 :2〜35wt％、 Al :0.5〜7wt％を含有し、かつ SiO₂:5wt％以下に限定し、Siを実質的に含有しない溶接フラックスとを
組み合わせて行う事を特徴とする9Cr−1Mo鋼のサブマー
ジアーク溶接方法。