JP2913429B2 - 低水素系被覆アーク溶接棒 - Google Patents

低水素系被覆アーク溶接棒

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は低水素系被覆アーク溶接
棒に係り、特に溶接金属の機械的性能のうち低温度域で
の衝撃靱性を改善し、さらには優れた生産性を付与する
ことを目的とした低水素系被覆アーク溶接棒に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】最近、寒冷地での海洋構造物や低温タン
クおよびパイプラインなどの建設あるいは施工が実施さ
れると共に、その量も増加している。これにともない溶
接構造物の材質や板厚および溶接環境などの施工条件に
より、低温度域における溶接金属の衝撃靱性の要求値も
高く、かつバラツキの少ない安定した、より高度な低水
素系被覆アーク溶接棒(以下低水素系棒という)が要求
されると共に、その使用量も多くなってきた。
【0003】この溶接金属の衝撃靱性を向上させるため
に被覆剤中にFe−Mn,金属Mn,Fe−Si,Fe
−Ti,金属Tiなどの脱酸剤や、これに最も効果があ
り、かつ重要な元素であるNiなどの金属粉,合金粉ま
たは鉄合金粉を共存させ、所望の衝撃靱性を得るように
適宣選択、配合することが通常行われている。しかし、
これで得られる溶接金属を2mmVノッチシヤルピー衝
撃試験の吸収エネルギーで表わされる衝撃靱性について
試験温度を変えて評価すると、−20℃までの温度範囲
では比較的バラツキの少ない衝撃靱性値を示すが、最大
値と最小値の差が7kgf・m程度となり、最近の高度
な要求値に対し、まだ満足するものではない。また−3
0℃以下の低温度側になると衝撃靱性値が大幅なバラツ
キを示すようになる。例えば−30℃におけるバラツキ
範囲を見ると最大値は18kgf・mで,最小値は2.
5kgf・mとなる。さらに−60℃においては最大値は1
2kgf・mで,最小値は1.5kgf・mとなる。このよう
にバラツキ範囲は10kgf・m以上と著しく大きく、安定
した衝撃靱性が得られないため、溶接金属の脆性破壊の
観点より、その性能を判断し評価する上において、信頼
性に乏しく問題であった。
【0004】このような問題点に対する改善策の試みと
して、特公昭36−5966号公報では被覆剤中に強脱
酸剤であるFe−Alを含有させることにより溶接金属
中の酸素含有量を減少させること、特公昭54−400
59号公報と特公昭58−47960号公報では心線中
のNもしくはC量の制限、Ti,Zr,MnもしくはB
量を規制した心線と被覆剤原料を規制し、これを組合せ
ること、特公昭58−47957号公報や特公昭59−
1515号公報ではNi,Si,Mn,Ti,Al,M
g等の金属粉や合金粉の組合せや添加量を規制するこ
と、特開昭57−118896号公報ではFe−Siの
粒度構成を規制すること、特開昭60−216995号
公報では金属粉や合金粉のN量を規制することなど種々
の手段が講じられ、提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】これらの手段はいずれ
も低水素系棒で、ある程度の高靱性化と安定化を計るこ
とが可能となるが、最近要求される低温度域での高度な
衝撃靱性の要求値に対し、その値のバラツキ範囲が大き
く、特に安定化を計る上において、性能が十分に改善さ
れたものとはいえない。
【0006】これら脱酸剤や衝撃靱性向上剤である金属
粉、合金粉または鉄合金粉を多量に含有した低水素系棒
の被覆剤は溶接棒生産時の塗装性、乾燥特性、被覆脱落
性などにも大きな影響をおよぼし、その管理と注意が必
要で、かつ生産能率や生産歩留りの低下が有り、生産性
や経済性の面においても問題であった。このように、現
状の低水素系棒において低温度域での溶接金属の高靱性
化と安定化を計ると共に良好な生産性や被覆脱落性の両
面を得ることは非常に困難で、その解決には高度な技術
と管理が必要とされ、これらの両面を満す低水素系棒を
得ることは当溶接棒業界で重要な研究課題であった。
【0007】本発明は上述した実情に対し、種々の研究
を重ねた結果、低温度域における溶接金属の高靱性化と
安定化を達成すると共に、生産性や被覆脱落性の問題点
をも解決した低水素系被覆アーク溶接棒を提供すること
を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、炭酸塩および金属弗化物を含む被覆剤中に見掛密
度が1.5〜4.0g/cm3 の範囲にあるNi含有量
が98重量%以上のNi金属粉、Ni含有量が47重量
%以上のNi合金粉またはNi含有量が47重量%以上
のNi鉄合金粉の1種以上を5〜30重量%含有したこ
とを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒にある。
【0009】
【作用】まず本発明では、低水素系棒の衝撃靱性向上に
最も重要な元素であるNi、脱酸剤として不可欠な元素
であるSiおよび脱酸剤としての作用や強度および衝撃
靱性の向上あるいは高温われ防止に重要な元素であるM
nの金属粉、合金粉または鉄合金粉の挙動と物性につい
て種々調査したところ、Niの見掛密度を適正範囲内に
規制し、その配合量を衝撃靱性の要求度合に対し、適宜
選択あるいは調整すれば低温度域での高衝撃靱性が得ら
れると共に、極端にバラツキ範囲も小さくなり安定した
信頼性ある溶接金属を確保できる。またこれによって生
産性や被覆脱落性をも著しく向上できる事実を見出した
ものである。
【0010】この理由として、アーク溶接は非常に短か
い時間に行われる高温治金反応であるため、溶接金属の
機械的性質を左右する脱酸剤や合金剤の見掛密度が、そ
の反応速度に対し、酸化反応や溶滴移行性などの溶融特
性と溶接金属へのこれら歩留り、移行形態に大きな影響
を与えることが判明した。以下、これらの要因を基礎実
験結果に基づいて詳細に説明する。
【0011】表1は代表的な低水素系棒の被覆剤基本成
分の配合例を示す。表2は基礎実験に用いた6種類のN
i金属粉の見掛密度を示す。表3は溶接棒の粘結剤とし
て用いた水ガラスの乾固量8.5%中の化学成分を示
し、表4は溶接棒心線のサイズ(線径×長さ)とその化
学成分を示す。ここで言うNi金属粉の見掛密度とはJ
ISZ2504の「金属粉の見掛密度測定方法」に準拠
して測定したものでg/cm3 で表わす。
【0012】
【表1】
【0013】
【表2】
【0014】
【表3】
【0015】
【表4】
【0016】次に表1で示した被覆剤原料に表2に示し
たaからfのそれぞれのNi金属粉を重量%で各々3,
5,10,20,30,40%とし、かつ両者の合計が
91.5%で、さらに表3に示した水ガラスを乾固量に
換算して8.5%になるように添加した混合物を表4の
記号W−0に示したJISG3523に該当するサイズ
4φ×400mmの溶接棒心線に通常の溶接棒塗装方法
で1.3mmの厚さに被覆し、400℃×1時間で焼成
した溶接棒を基礎実験に用いた。
【0017】これらの溶接棒とJIS規格のSM−50
B鋼板の板厚25mm、開先角度が60°Vの突合せ継
手試験板とを用い、130〜160Ampの溶接電流で
立向溶接を行い、突合せ溶接金属を作成した。この溶接
金属よりJISZ2204,4号試験片を各10本づつ
作成し、JISZ2242の試験方法に準拠して試験温
度−40℃で試験を行った。その結果を図1に示す。
【0018】この結果より、Ni金属粉の見掛密度とそ
の配合割合を規制すれば、バラツキが少なく安定した高
衝撃靭性が得られることが明らかとなった。見掛密度を
1.5〜4.0g/cm3 に規制したのは、1.5g/
cm3 未満では平均値ではある程度の衝撃値は得られる
が、そのバラツキ範囲が大きく信頼性のある値を確保で
きず、また溶接棒の塗装性において被覆剤の流動性が悪
く安定した被覆外径を得るのが困難であると共に、被覆
われが発生しやすく生産性と品質管理の面において好ま
しくないからである。一方、4.0g/cm3 を超える
と衝撃値が低下すると共に、バラツキも大きく高衝撃値
が得られなくなり、安定性に欠けるためである。また被
覆剤の乾式混合において他の被覆剤原料との混合性が悪
く偏析をおこしやすく好ましくない。
【0019】見掛密度が1.5 〜4.0g/cm3
範囲内のNi金属粉の被覆剤中の配合量が5%未満で
は、その絶対量が不足し高衝撃値を得る効果がなくバラ
ツキ範囲も大きい。一方、30%を超えて配合すると所
望の衝撃値は得られるが、バラツキが大きく信頼性ある
値を確保できない。また溶接棒の被覆表面が軟弱とな
り、塗装や乾燥中に被覆表面キズが発生しやすいと共
に、被覆脱落性が劣化し、溶接中の被覆筒が欠け落ち易
く、安定した溶接作業ができなくなる。
【0020】なお、本結果が得られた後、Ni金属粉、
Ni合金粉およびNi鉄合金粉、さらにはこれら3種の
単独粉の他、2種および3種の混合粉についても同様の
実験を実施したが上記のNi金属粉単独の場合と同様な
結果を得ることを確認した。本発明溶接棒の製造は通常
の手段と同様、所定の割合に配合された各種粉体の被覆
原料を乾式混合し、これに粘結剤を添加して混練を行っ
た被覆剤を通常の塗装機により鋼心線に被覆塗装したの
ち、乾燥し、焼成を行うものである。
【0021】また、ここにいう鋼心線とはJISG35
23に該当する溶接棒心線と、さらに必要に応じてS
i,Mn,Ni,Cr,Moなどの合金元素を添加し、
目的とする溶接金属の機械的性能や成分を得られるよう
にした低合金鋼心線などを指すものである。以下、実施
例にもとづいて本発明の効果をさらに具体的に述べる。
【0022】
【実施例】表5〜表8には本発明溶接棒と比較溶接棒の
被覆剤配合割合を示す。実施例に使用した水ガラスおよ
び溶接棒心線は表9および表10にそれぞれ示したもの
を用い通常の溶接棒塗装方法により被覆外径が6.30
mmφになるように夫々被覆し、その後被覆われを発生
させないよう段階的に温度と時間を変えて乾燥を行った
後、400℃×1時間の焼成工程を経て溶接棒を製作し
た。なお、実施例に使用した被覆剤中のNi金属粉,N
i合金粉,Ni鉄合金粉,Fe−Si,Fe−Mn,F
e−B,Al−Mgの品位を表11に示す。
【0023】これら本発明溶接棒と比較溶接棒につい
て、JIS規格のSM−50B剤を用い、溶接金属のシ
ヤルピー衝撃値と溶接作業性を詳細に試験した。また、
本溶接棒生産時の塗装性、乾燥被覆割れ性および被覆表
面のキズ発生度などについて観察、調査を行い、生産性
の難易についても評価した。その試験結果を一括して表
12、表13に示す。
【0024】溶接金属の良い悪いの判定基準は板厚25
mmt のSM−50B鋼板を用い開先角度が60°のV
開先内を立向姿勢にて突合せ継手溶接を行い、その継手
部よりJISZ2204,4号試験片を各15本づつ作
成し、JISZ2242の試験方法に準拠して試験温度
が−30℃と−70℃でシヤルピー衝撃試験を行い、−
30℃では全ての試験本数とも12kgf・m以上の場
合を、同様に−70℃の場合は8kgf・m以上で、さ
らに最大と最小の衝撃値の差が3kgf・m以内の溶接
棒を良好とした。
【0025】溶接作業性の良い悪いの判定は板厚25m
t のSM−50B鋼板に深さ20mmで開先角度が6
0°となるV溝を加工した試験板を用い下向溶接は溶接
電流150〜190Ampにて、立向溶接は溶接電流1
30〜160Ampで盛上溶接を行ってアークの安定
性、スラグの流動性と剥離性、被覆筒の溶融性と強弱お
よびビード外観等について試験を行った。また、この試
験片よりブロホールの発生状況をX−線で調査し、これ
ら試験項目の全てが優れている場合を良好とした。
【0026】生産性の良い悪いの判定基準は被覆塗装中
の被覆剤流動性と被覆表面性、乾燥被覆割れ性、被覆表
面のキズ発生度および外観品質について総合的に観察と
調査を行い、これら調査項目の全てが優れている場合を
良好と評価した。まず溶接棒記号A−1〜A−10は本
発明による溶接棒で溶接金属の衝撃靭性において高い値
が得られると共に、そのバラツキ範囲も少なく安定して
おり信頼性の高い溶接金属を得ることができる。また、
溶接作業性と生産性にも優れており、十分満足できるも
のである。
【0027】一方、溶接棒記号B−1〜B−10は比較
溶接棒であって記号B−1とB−2は配合割合は本発明
内の5〜30%にあるが見掛密度が本発明外にあるため
衝撃値のバラツキ幅が大きく安定性に欠け信頼できるも
のではない。また、B−1においては生産性がB−2に
おいては溶接作業性を満足しない。記号B−3〜B−6
は本発明内の1.5g/cm3 〜4.0g/cm3 にあ
る見掛密度のものを用いているが、その配合割合がいず
れも本発明の範囲外にあるため安定した衝撃靭性が得ら
れない。また、B−5とB−6は溶接作業性と生産性も
満足できない。
【0028】記号B−7〜B−10は見掛密度と配合割
合とも本発明の要件を満たしていないため目標とする衝
撃値が得られないと共に、バラツキ幅も大きく安定性に
欠け信頼性がない。また、B−7とB−8は溶接作業性
と生産性も満足できるものではなかった。以上いずれの
比較溶接棒とも必要とする衝撃靭性が得られない。
【0029】
【表5】
【0030】
【表6】
【0031】
【表7】
【0032】
【表8】
【0033】
【表9】
【0034】
【表10】
【0035】
【表11】
【0036】
【表12】
【0037】
【表13】
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明溶接棒は特
に低温度域での衝撃靭性を一段と安定させ、さらには向
上させると共に溶接作業性が良好で、生産性にも優れた
低水素系被覆アーク溶接棒で、重要溶接構造物の溶接部
の性能向上に大いに貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ni金属粉の見掛密度と同金属分の配合比率に
対する衝撃値の関係を示すものである。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭酸塩および金属弗化物を含む被覆剤中
    に見掛密度が1.5〜4.0g/cm3 の範囲にある
    i含有量が98重量%以上のNi金属粉、Ni含有量が
    47重量%以上のNi合金粉またはNi含有量が47重
    量%以上のNi鉄合金粉の1種以上を5〜30重量%
    有したことを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。
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