JP4447078B2 - Ni基合金フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はLNGタンク等の11重量%以下のNiを含有する低温鋼又は原子力及び石油・化学機器等に使用されるNi基合金のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特にAr+約20重量%CO2を使用したいわゆるMAG溶接においてアークの安定及び集中性が優れており、融合不良及びスラグ巻き等の溶接欠陥が発生しにくく、スパッタの発生量、スラグの被包性、スラグの剥離性及びビード形状等の溶接作業性が優れ、かつ耐高温割れ性が優れたNi基合金フラックス入りワイヤに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
フラックス入りワイヤによるガスシールドアーク溶接は、被覆アーク溶接及びTIG溶接に比べて高能率であることから、近時、その適用が拡大しており、Ni基合金の溶接においても、フラックス入りワイヤが多用されてきている。この種のガスシールドアーク溶接用ワイヤが、特公平4−52190、特開平6−198488及び特開平8−309583に開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、アークの安定性及び集中性が欠けるため、融合不良及びスラグ巻き等の溶接欠陥が発生しやすく、また溶接金属の高温割れが多く、高能率で有るガスシールドアーク溶接の特性を十分に発揮することができないという難点がある。
【0004】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、含Ni鋼及びNi基合金のMAG溶接において、溶接作業性が優れていて溶接欠陥が少なく、かつ耐高温割れ性が優れたNi基合金フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るNi基合金フラックス入りワイヤは、Ni基合金を外皮とするNi基合金フラックス入りワイヤにおいて、内包するフラックスの充填率がワイヤ全重量に対して10乃至33重量%であり、フラックス組成が、ワイヤ全重量に対して、TiO2:2乃至10重量%、SiO2:0.1乃至3重量%、Al2O3:0.01乃至2重量%、ZrO2:0.4乃至3重量%、Li、Na及びK化合物からなる群から選択された少なくとも1種:Li、Na、K換算値の総量で0.01乃至0.4重量%、金属成分:総量で1乃至25重量%、スラグ成分:総量で4乃至15重量%を含有し、フラックス中の炭酸塩をCO 2 換算でワイヤ全重量に対し0.03重量%以下に規制することを特徴とする。
【0006】
このNi基合金フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対して、Pを0.010重量%以下、Sを0.015重量%以下、Biを0.005重量%以下、Bを0.003重量%以下に規制することが好ましい。
【0007】
また、Y、La及びCeからなる群から選択された少なくとも1種の希土類金属の化合物を希土類金属換算値の総量で0.01乃至0.4重量%含有することが好ましい。
【0008】
更に、フラックス中にFe及びMnの酸化物を含まないことが好ましい。
【0009】
上記課題を解決するために鋭意研究開発を重ねた結果、特に不活性ガスであるAr濃度が高いシールドガス雰囲気においては、内包するフラックスの影響が大きく、特に酸化物ではTiO2を主体にZrO2は有効であるが、逆にFe、Mnの酸化物は有害であることが分かった。また、Y及びLi、Ce等の希土類金属成分はアークの安定及び集中性に極めて大きな効果を奏し、かつ耐割れ性に有効であることが判明した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における外皮及びフラックスの成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
【0011】
外皮
外皮金属として、Ni基合金を使用するのは、溶接金属の均一性を損なわないためと、フラックスが充填過剰とならないように、フラックス中からの合金添加量を抑えるためである。Ni基合金とは、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Fe合金、Ni−Cr−Mo合金等をいう。なお、外皮の形状としては、円筒形又は角筒形のもののいずれでもよい。
【0012】
フラックス充填率
フラックス充填率は、ワイヤ全重量あたり、10乃至33重量%である。フラックス充填率を10重量%以上とするのは、ワイヤ製造工程において安定した充填率を確保し、かつ溶接時に十分なスラグ被包を確保し、健全な溶接金属を得るためである。フラックス充填率を33重量%以下とするのは、ワイヤ製造工程において断線等がなく、均一なワイヤを確保し、かつアークの集中力低下による溶接作業性の劣化、特にスラグの巻き込み等の溶接欠陥を防止するためである。
【0013】
フラックス成分(ワイヤ全重量%あたり)
TiO 2 :2乃至10重量%
TiO2はアークの安定性及び均一で被包性が良好なスラグ形成剤の主成分として添加する。TiO2が2重量%未満ではこれらの特性が十分得られず、逆にTiO2が8重量%超ではスラグがビードに密着(焼き付き)して剥離性が低下する。TiO2源としてはルチール、白チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸力リ又はチタン酸ソーダ等がある。
【0014】
SiO 2 :0.1乃至3重量%
SiO2はTiO2と同様にスラグ形成剤の一種として、スラグの粘性を上げてビード形状を良好なものとするために添加する。SiO2が0.1重量%未満ではこれらの特性が十分得られず、逆に3重量%超ではスラグがビードに密着(焼き付き)して剥離性が低下する。SiO2源としては、珪灰石、珪砂、マイカ、カリ長石又はソーダ長石等がある。
【0015】
Al 2 O 3 :0.01乃至2重量%
Al2O3はスラグの融点を変えて流動性を良好なものとするために添加する。Al2O3が0.01重量%未満ではこれらの特性が十分得られず、逆に2重量%超ではスラグの被包性が低下してビード形状が劣化する。Al2O3源としてはアルミナ、カリ長石又はソーダ長石等がある。
【0016】
ZrO 2 :0.4乃至3重量%
ZrO2はTiO2と同様にスラグ形成剤の一種として、スラグの粘性を上げてビード形状を良好なものとする作用を有するが、特にアークの安定性に有効である。ZrO2が0.4重量%未満ではこの効果がなく、逆に3重量%を超えるとスラグの被包性が低下する。ZrO2源としてはジルコンサンド又はジルコンフラワ等がある。
【0017】
Li,Na,K化合物:Li、Na、K換算値の総量で0.01乃至0.4重量%
Li、Na、Kはアーク安定剤として1種又は2種以上を添加することによりスパッタの発生を抑える作用を有する。Li、Na、K換算値の総量で0.01重量%未満ではこれらの特性が十分得られず、逆に0.4重量%超ではスパッタが多くなる。Li、Na、K化合物源としては、LiF、NaF、KF、Na3AlF6、K2SiF6、ソーダ長石又はカリ長石等がある。
【0018】
金属成分:1乃至25重量%
金属成分は脱酸及び目的の溶着金属を得るために添加する。脱酸剤のみの場合でも最低1重量%が必要であり、逆に25重量%超では十分なスラグ量が確保できず、スラグの被包性及び剥離性等の溶接作業性が劣化する。金属成分にはNi、Cr、Mo、Nb、W、Si、Mn、Al、Ti、Mg、C等の単体金属粉又は合金粉がある。
【0019】
スラグ成分:4乃至15重量%
スラグ成分とは金属酸化物及び金属弗化物の非金属成分であり、アーク特性及びスラグ特性の微調整を目的として添加する。スラグ成分の総量が4重量%未満ではスラグの被包が十分でなく、ビード表面が荒れる。一方、スラグ成分が15重量%超では、スラグが過剰で溶接時にスラグが邪魔し、溶接が困難となる。スラグ成分としては、前述のTiO2、SiO2、Al2O3、ZrO2の他に、Mg0、CaO、BaO、AlF3、CaF2、BaF2、MgF2、Na3AlF6、K3Al6等がある。
【0020】
P、S、Bi、B:夫々0.010重量%以下、0.015重量%以下、0.005重量%以下、0.003重量%以下
P、S、Bi、Bはいずれも高温割れの原因となる成分であることから、健全な溶接金属を得るためには、夫々0.010重量%以下、0.015重量%以下、0.005重量%以下、0.003重量%以下とすることが好ましい。
【0021】
Y、La、Ceの希土類金属化合物:Y、La、Ceの希土類金属換算値の総量で0.01乃至0.4重量%
Y、La、Ceからなる希土類金属は、Ar等の不活性ガスの濃度が高いシールドガス雰囲気(例えば80体積%Ar−20体積%CO2)では、アークの安定性及び集中性を著しく高めるため、スパッタが少なく、ビード形状が優れ、融合不良及びスラグの巻き込み低減に有効である。
【0022】
更に、これらの金属は高温割れに有害なSと結合してこれを無害化するため、耐割れ性を向上させる。Y、La、Ceからなる希土類金属換算値の総量で0.01重量%未満ではこれらの特性が十分得られず、逆に0.4重量%超ではスパッタが多くなる。このため、Y、La、Ceからなる希土類金属の化合物をY、La、Ceの希土類金属換算値の総量で0.01乃至0.4重量%添加することが好ましい。Y、La、Ce化合物源としては、YF3、CeF3、Y2O3、Ce2O3、又はレアアースCa−Si等がある。
【0023】
炭酸塩:CO 2 換算値で0.03重量%以下
炭酸塩はアーク中で分解してCO2ガスが発生し、スパッタが多発するので積極的には添加しない。本発明において、実質的に含まないとは、炭酸塩単体原料としては添加しないことを意味するが、他原料の不可避不純物して混入する場合は排除しない。但し、この場合でもCO2換算でワイヤ全重量あたり0.03重量%以下とする。
【0024】
Fe、Mn酸化物:Fe 2 O 3 、MnO 2 換算で夫々0.05重量%以下
また、Fe、Mn酸化物はスラグの被包性が劣るので積極的には添加しない。本発明において、実質的に含まないとは、Fe、Mn酸化物単体原料としては添加しないことを意味するが、他原料の不可避不純物として混入する場合は排除しない。但し、この場合でも夫々Fe2O3、MnO2換算でワイヤ全重量あたり0.05重量%以下とする。
【0025】
【実施例】
下記表1はNi基合金外皮の組成を示す。この外皮は、厚さが0.4mm、幅が9mmの帯を湾曲して円筒状に形成した。この外皮に下記表2乃至5に示すフラックスを内包し、直径1.2mmに伸線加工した後、通電加熱にて水分をワイヤ全重量に対し400ppm以下となるように制御して供試ワイヤとした。
【0026】
溶接作業性は、図1に示すように、板厚12×巾80×長さ300mmのSM490A鋼板を使用して水平すみ肉で行い、溶接欠陥は図2のようにJISZ3332に準じて溶着金属を作製し、X線透過により検出した。溶接条件は電流200A、電圧30Vであり、シールドガスにAr−20%CO2(流量25リットル/min)を使用した。溶接作業性の評価は優れていたものを◎、良好なものを○、不良であったものを×とした。また、溶接欠陥の評価はJIS Z3104において1級のものを合格としこれを○、2級以下のものを×とした。
【0027】
また、高温割れ試験は図3に示す板厚20×巾125×長さ300mmのSM490A鋼板を用いた拘束割れ試験方法により行った。自動溶接機によるシングルビード溶接を行い、割れ率(溶接線方向の割れ長さの合計/ビード長)を算出し評価した。溶接条件は電流200A、電圧30V、溶接速度40cpmであり、シールドガスにAr−20%CO2(流量25リットル/min)を使用した。高温割れの評価は割れ率が0%(割れなし)のものを◎、割れ率が5.0%未満のものを○、割れ率が5.0%以上のものを×とした。
【0028】
水分の測定はカールフィッシャー法(キャリアガス:O2、加熱温度750℃)を使用した。
【0029】
【表1】
【0030】
この表1において、単位(ppm)を記載した成分以外の外皮成分の単位は重量%である。また、上記表1に記載した化学成分以外の成分の組成は、O:0.008重量%、N:0.010重量%、H:0.0004重量%、Co:0.031重量%、V:0.12重量%である。
【0031】
供試ワイヤの組成は下記表2乃至5に示すとおりである。また、溶接作業性、溶接欠陥(X線性能)及び高温割れの評価結果を下記表6に示す。
【0032】
これらの表2乃至6に示すように、ワイヤNo.1乃至6は本発明の請求項1乃至5を満足する実施例であり、溶接作業性、溶接欠陥(X線性能)及び高温割れのいずれの評価も優れている。
【0033】
なお、ワイヤNo.19は請求項1は満足するものの、Y、Ce、La等の希土類金属の合計が請求項3の範囲を超えているので、溶接欠陥(X線性能)及び高温割れのいずれの評価も優れているが、溶接作業性がワイヤNo.1乃至6よりも僅かに劣る。
【0034】
ワイヤNo.20乃至22は請求項1は満足するものの、炭酸塩及びFe、Mn酸化物を含有しており、請求項4又は5の範囲から外れるため、溶接欠陥(X線性能)及び高温割れのいずれの評価も優れているが、溶接作業性がワイヤNo.1乃至6よりも僅かに劣る。
【0035】
ワイヤNo.27は請求項1は満足するものの、Pが請求項2の範囲を超えているので、溶接欠陥(X線性能)及び溶接作業性のいずれの評価も優れているが、高温割れ率が僅かに劣る。
【0036】
ワイヤNo.28は請求項1は満足するものの、Sが請求項2の範囲を超えているので、溶接欠陥(X線性能)及び溶接作業性のいずれの評価も優れているが、高温割れ率が僅かに劣る。
【0037】
ワイヤNo.29は請求項1は満足するものの、Biが請求項2の範囲を超えているので、溶接欠陥(X線性能)及び溶接作業性のいずれの評価も優れているが、高温割れ率が僅かに劣る。
【0038】
ワイヤNo.30は請求項1は満足するものの、Bが請求項2の範囲を超えているので、溶接欠陥(X線性能)及び溶接作業性のいずれの評価も優れているが、高温割れ率が僅かに劣る。
【0039】
一方、ワイヤNo.7はTiO2が本発明の請求項1の範囲よりも少ないため、溶接作業性及び溶接欠陥(X線性能)が不十分であると共にビード形状が不良である。ワイヤNo.8はTiO2が本発明の請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分であると共にビード形状が不良である。
【0040】
ワイヤNo.9はSiO2が本発明の請求項1の範囲よりも少ないため、溶接作業性及び溶接欠陥(X線性能)が不十分であると共にビード形状が不良である。ワイヤNo.10はSiO2が本発明の請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分であると共にビード形状が不良である。
【0041】
ワイヤNo.11はAl2O3が本発明の請求項1の範囲よりも少ないため、溶接作業性及び溶接欠陥(X線性能)が不十分であると共にビード形状が不良である。ワイヤNo.12はAl2O3が本発明の請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分であると共にビード形状が不良である。
【0042】
ワイヤNo.13はZrO2が本発明の請求項1の範囲よりも少ないため、溶接作業性及び溶接欠陥(X線性能)が不十分であると共にビード形状が不良である。ワイヤNo.14はZrO2が本発明請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分であると共にビード形状が不良である。
【0043】
ワイヤNo.15、16はLi、Na、Kの合計が本発明の請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分である。ワイヤNo.17、18はフラックス率が本発明請求項1の範囲を超えているので、ワイヤ製造上問題があり、かつ溶接作業性及び溶接欠陥(X線性能)が不十分である。
【0044】
ワイヤNo.23、24はスラグの成分の合計が本発明の請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分である。ワイヤNo.25はフラックス中の金属成分の合計が本発明の請求項1の範囲よりも少ないため、溶接作業性が不十分である。ワイヤNo.26はZrO2が本発明の請求項1の範囲よりも少なく、フラックス中の金属成分の合計が本発明の請求項1の範囲を超えているので、溶接作業性が不十分である。
【0045】
【表2】
【0046】
【表3】
【0047】
【表4】
【0048】
【表5】
【0049】
【表6】
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、含Ni鋼及びNi基合金のMAG溶接において、溶接作業性を向上させることができ、溶接欠陥が少なく、高温割れの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水平すみ肉溶接作業性の確認試験要領を示す図である。
【図2】溶接金属の作成用開先の寸法形状を示す図である。
【図3】高温割れ試験板の開先の寸法形状を示す図である。
Claims (4)
- Ni基合金を外皮とするNi基合金フラックス入りワイヤにおいて、内包するフラックスの充填率がワイヤ全重量に対して10乃至33重量%であり、フラックス組成が、ワイヤ全重量に対して、TiO2:2乃至10重量%、SiO2:0.1乃至3重量%、Al2O3:0.01乃至2重量%、ZrO2:0.4乃至3重量%、Li、Na及びK化合物からなる群から選択された少なくとも1種:Li、Na、K換算値の総量で0.01乃至0.4重量%、金属成分:総量で1乃至25重量%、スラグ成分:総量で4乃至15重量%を含有し、フラックス中の炭酸塩をCO 2 換算でワイヤ全重量に対し0.03重量%以下に規制することを特徴とするNi基合金フラックス入りワイヤ。
- ワイヤ全重量に対して、Pを0.010重量%以下、Sを0.015重量%以下、Biを0.005重量%以下、Bを0.003重量%以下に規制したことを特徴とする請求項1に記載のNi基合金フラックス入りワイヤ。
- Y、La及びCeからなる群から選択された少なくとも1種の希土類金属の化合物を希土類金属換算値の総量で0.01乃至0.4重量%含有することを特徴とする請求項1に記載のNi基合金フラックス入りワイヤ。
- フラックス中にFe及びMnの酸化物を含まないことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のNi基合金フラックス入りワイヤ。
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