JP4484079B2

JP4484079B2 - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス

Info

Publication number: JP4484079B2
Application number: JP2006094572A
Authority: JP
Inventors: 圭人石▲崎▼; 良昌村西; 繁樹西山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007268541A

Description

本発明は、高速サブマージアーク溶接における溶接作業性を改善し、特に厚板の高速サブマージアーク溶接におけるビード表面の耐焼付き性が優れたサブマージアーク溶接用溶融型フラックスに関する。

天然ガス又は石油を輸送するパイプラインに使用される鋼管のシーム溶接には、多電極サブマージアーク溶接法による両面一層溶接が用いられている。近時、パイプラインに使用される鋼管は、操業圧力を増加させることで輸送効率を高め、低コスト化を目的として厚板化及び高強度化を図っている。更に、海底及び寒冷地等、厳しい使用環境にも対応するため、鋼管には、高靭性化も要求されている。従って、サブマージアーク溶接用フラックスには、高靭性化と良好な溶接作業性、更には高速溶接化を兼ね備えたフラックスが求められてきた。

そして、これらの要求に応えるために、従来、種々の技術が提案されている。特許文献１は、フラックス組成の調整により、高速サブマージアーク溶接において、溶接作業性が良好でかつ低温靭性が優れたフラックスを提案している。特許文献２は、耐吸湿性が優れ、高速溶接における作業性が良好でかつ低温靭性が優れたフラックスを提案している。更に、特許文献３は、高速サブマージアーク溶接で問題となるスラグ巻き込みを防止すると共に、高靭性の溶接金属が得られるようなフラックスを提案している。

このように、従来、種々のフラックスが提案されており、これらの高塩基性タイプのフラックスでは、板厚が薄い場合には、高速溶接が可能となっている。

特開昭６１−１８０６９４号公報特開昭６１−１６９１９４号公報特開平７−２５６４８８号公報

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。即ち、特許文献１及び特許文献３に記載されているフラックスでは、厚板での溶接作業性が十分に検討されていない。このため、これらのフラックスは板厚が２５ｍｍ以上の厚板に関し、近年の更に一層の高速溶接の要求に十分適用可能とはいい難い。

また、特許文献２に記載されているフラックスでは、溶接試験鋼板の厚さが１６ｍｍで溶接速度が１．５ｍ／分程度であり、板厚が２５ｍｍ以上の厚板の高速溶接化に対して限界がある。

即ち、高塩基性タイプのフラックスでは、板厚が２５ｍｍ以上の厚板を溶接する場合、ビード表面にスラグの焼付きが発生しやすくなることが認められた。後工程で焼付きはある程度剥がれるものの、焼付きが著しい場合には後工程で一部残ったスラグが、防錆剤のコーティング後に剥がれ、その部分に錆が発生するなどの問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、従来の技術では不可能であった両面一層の高速溶接性が優れており、２５ｍｍ以上の厚板の溶接においても、スラグの焼付きを防止することができるサブマージアーク溶接用溶融型フラックスを提供することを目的とする。

本発明に係るサブマージアーク溶接用溶融型フラックスは、ＳｉＯ_２：１９乃至３２質量％、ＣａＯ：１０乃至２８質量％、ＢａＯ：７乃至１８質量％、ＣａＦ_２：７乃至２９質量％、ＭｇＯ：０．５乃至１０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．５乃至１５質量％、ＭｎＯ：０．５乃至１５質量％、ＴｉＯ_２：３乃至１３質量％、ＺｒＯ_２：０．５乃至１５質量％、及びＦｅＯ：０．３乃至４．０質量％を含有し、Ｂ_２Ｏ_３を０．８質量％以下、ＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２を総量で２０質量％以下に規制し、ＴｉＯ_２の含有量を［ＴｉＯ_２］、ＺｒＯ_２の含有量を［ＺｒＯ_２］、及びＦｅＯの含有量を［ＦｅＯ］とし、Ａ＝（［ＴｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］）−２．５×［ＦｅＯ］−１６としたとき、Ａの値が０以下であり、ＣａＦ_２の含有量を［ＣａＦ_２］、ＣａＯの含有量を［ＣａＯ］、ＢａＯの含有量を［ＢａＯ］、ＭｇＯの含有量を［ＭｇＯ］、ＭｎＯの含有量を［ＭｎＯ］、ＳｉＯ_２の含有量を［ＳｉＯ_２］、及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量を［Ａｌ_２Ｏ_３］とし、Ｂ＝（［ＣａＦ_２］＋［ＣａＯ］＋［ＢａＯ］＋［ＭｇＯ］＋０．５×［ＭｎＯ］＋０．５×［ＦｅＯ］）／（［ＳｉＯ_２］＋０．５×［ＴｉＯ_２］＋０．５×［Ａｌ_２Ｏ_３］＋０．５×［ＺｒＯ_２］）としたとき、Ｂの値が１．０乃至２．５であり、残部は不可避的不純物からなることを特徴とする。

本発明によれば、高速溶接性に優れ、２５ｍｍ以上の厚板の高速サブマージアーク溶接においても、ビード表面におけるスラグ焼付きの発生を防止することができる。

本発明者らは、ビード表面のスラグ焼付きを防止するため、フラックス組成について種々実験研究を行った結果、焼付きに悪影響を及ぼす成分としてＴｉＯ_２、及びＺｒＯ_２があり、焼付き防止に改善効果がある成分としてＦｅＯがあることを見出した。そして、これらの成分を適正に規制することにより焼付きを防止できる関係式を導き出した。

以下、本発明のサブマージアーク溶接用溶融型フラックスの組成限定理由について説明する。

「ＳｉＯ_２：１９乃至３２質量％」
ＳｉＯ_２は溶融フラックスの基本成分であって、その添加により、スラグの粘性及び融点を高める。ＳｉＯ_２の含有量が１９質量％未満であると溶融スラグの粘性が低くなり、ビード蛇行が生じやすくなる。一方、ＳｉＯ_２の含有量が３２質量％を超えると溶融スラグの粘性が高くなり、ビードが凸となる。従って、ＳｉＯ_２の添加量を１９乃至３２質量％とする。

「ＣａＯ：１０乃至２８質量％」
ＣａＯは塩基性成分である上、その添加により、スラグの粘度が低下する。ＣａＯの含有量が１０質量％未満であると、溶融スラグの粘性が高くなり、ビードが凸となる。一方、ＣａＯの含有量が２８質量％を超えると溶融スラグの粘性が低くなり、そのため、溶融金属の抑えが不足し、ビード蛇行が生じやすくなる。従って、ＣａＯの添加量を１０乃至２８質量％とする。

「ＢａＯ：７乃至１８質量％」
ＢａＯも塩基性成分である上、その添加により、粘度が低下するが、ＣａＯよりも融点を下げる効果があるため、ＣａＯと比較してフラックスの溶融量は大きくなる。ＢａＯの含有量が７質量％未満であると、溶融スラグの粘性が高くなり、ビードが凸となる。一方、ＢａＯの含有量が１８質量％を超えると溶融スラグの粘性が低くなり、そのため、溶融金属の抑えが不足し、ビード蛇行が生じやすくなる。従って、ＢａＯの添加量を７乃至１８質量％とするが、好ましくは１５質量％以下である。

「ＣａＦ_２：７乃至２９質量％」
ＣａＦ_２は、その添加により、溶接金属の酸素量を低減させる効果が大きい。また、ビード蛇行が生じないように粘性を低下させる成分でもある。ＣａＦ_２の含有量が７質量％未満であると、溶融スラグの粘性が高くなり、ビードが凸となる。一方、ＣａＦ_２の含有量が２９質量％を超えると溶融スラグの粘性が低くなり、そのため、溶融金属の抑えが不足し、ビード蛇行が生じやすくなる。従って、ＣａＦ_２の添加量を７乃至２９質量％とするが、好ましくは９乃至２４質量％である。

「ＭｇＯ：０．５乃至１０質量％」
ＭｇＯは塩基性成分である上、その添加により、粘度を高める上で必要な成分であり、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。しかし、過度に添加するとフラックスが結晶化する。ＭｇＯの含有量が１０質量％を超えるとフラックスは結晶化し、耐吸湿性が悪くなりポックマークが発生しやすくなる。また、ＭｇＯの含有量が０．５質量％未満であると溶融スラグの粘性が低くなり、ビード蛇行が生じやすくなる。従って、ＭｇＯの添加量を０．５乃至１０質量％とする。

「Ａｌ_２Ｏ_３：０．５乃至１５質量％」
Ａｌ_２Ｏ_３は、その添加により、溶融スラグの粘度を高める有効な成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が０．５質量％未満であると溶融スラグの粘性が低くなり、ビード蛇行が生じやすくなる。一方、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１５質量％を超えると溶融スラグの粘性が高くなり、ビードが凸となる。従って、Ａｌ_２Ｏ_３の添加量を０．５乃至１５質量％とするが、Ａｌ_２Ｏ_３の粘性を高める効果は大きく、好ましくは１２質量％以下である。

「ＭｎＯ：０．５乃至１５質量％」
ＭｎＯは、その添加により、溶融スラグの粘度を高めるのに有効であるが、溶鋼に酸素を供給しやすい成分でもあり、溶接金属の酸素量を低減させるためには添加を低く抑える必要がある。また、収縮孔の抑制にも効果がある。ＭｎＯの含有量が０．５質量％未満であると収縮孔が発生する。一方、ＭｎＯの含有量が１５質量％を超えると溶融スラグの粘性が高くなり、ビードが凸となる。従って、ＭｎＯの添加量を０．５乃至１５質量％とするが、好ましくは１０質量％以下である。

「ＴｉＯ_２：３乃至１３質量％」
ＴｉＯ_２は、その添加により、収縮孔を抑制するのに有効な成分である上、スラグの融点を著しく高める効果がある。また、スラグの焼付きが著しく発生しやすい。ＴｉＯ_２の含有量が３質量％未満であると収縮孔が発生する。一方、ＴｉＯ_２の含有量が１３質量％を超えるとスラグの焼付きが著しくなる。従って、ＴｉＯ_２の添加量を３乃至１３質量％とするが、好ましくは１１質量％以下である。

「ＺｒＯ_２：０．５乃至１５質量％」
ＺｒＯ_２は、その添加により、ビード幅の安定に効果があり、特に、高速溶接におけるビード幅安定化には有効で、このためには、少なくとも０．５質量％添加する必要がある。しかし、ＺｒＯ_２はＴｉＯ_２と同様に焼付きが著しく発生しやすい。ＺｒＯ_２の含有量が０．５質量％未満であるとビード蛇行が発生する。一方、ＺｒＯ_２の含有量が１５質量％を超えるとスラグの焼付きが著しくなる。従って、ＺｒＯ_２の添加量を０．５乃至１５質量％とするが、好ましくは２乃至１３質量％、更に好ましくは、２．５質量％を超えて、１３質量％以下である。

「ＦｅＯ：０．３乃至４．０質量％」
ＦｅＯは、その添加により、ＭｎＯと同様に溶鋼に酸素を供給しやすい成分であり、溶接金属の酸素量を低減させるためには添加を抑制しなければならないが、本発明フラックス成分系では、スラグの焼付きを抑制する効果がある。ＦｅＯの含有量が０．３質量％未満であると、スラグの焼付きが発生する。一方、ＦｅＯの含有量が４質量％を超えると溶接金属の酸素量が高くなる。従って、ＦｅＯの添加量を０．３乃至４質量％とするが、好ましくは０．４質量％以上である。また、ＦｅＯの含有量が多いと、ビード中央部が鱗状となるため、好ましくは３．７質量％以下である。

「Ｂ_２Ｏ_３：０．８質量％以下」
Ｂ_２Ｏ_３は、その添加により、溶接金属の靭性を高める効果があるが、その含有量が高いと強度が高くなり過ぎて、割れが発生する。このため、Ｂ_２Ｏ_３の含有量を０．８質量％以下に規制する。

「ＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２：総量で２０質量％以下」
前述の如く、ＴｉＯ_２、及びＺｒＯ_２はスラグの焼付きを助長する成分である。ＴｉＯ_２、及びＺｒＯ_２の含有量が総量で２０質量％を超えると、スラグの焼付きが著しくなる。従って、ＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２の添加量を総量で２０質量％以下に規制するが、好ましくは１８質量％以下である。

「Ａの値が０以下」
更に、本発明者らが、フラックス組成について種々実験研究した結果、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、及びＦｅＯに下記数式１に示す関係があることを見出した。即ち、本発明のＦｅＯの範囲であっても、その含有量が比較的低く、かつＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２の含有量が総量で本発明範囲の上限近傍の場合、焼付きが著しくなることを見出した。Ａの値が０を超えるとスラグの焼付きが著しくなる。従って、Ａの値を０以下とするが、好ましくは−２以下である。

但し、上記数式１において、ＴｉＯ_２の含有量を［ＴｉＯ_２］、ＺｒＯ_２の含有量を［ＺｒＯ_２］、及びＦｅＯの含有量を［ＦｅＯ］とする。

図５は本発明の実施例・比較例を、［ＴｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］量と、［ＦｅＯ］量とでまとめたものである。但し、比較例の場合は、［ＴｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］量又は［ＦｅＯ］量が外れたもののみをプロットした。図５の実線の内部がスラグ焼き付きが少なくて良好な範囲を示し、破線の内部がスラグ焼き付きが極めて少なくてより好ましい範囲を示す。

「Ｂの値が１．０乃至２．５」
下記数式２はフラックスの塩基性を表す数式で、高い値を示すほど塩基性が高い。塩基性が高いと溶接金属の酸素量は低くなる傾向を示し、靭性の改善が期待できる。Ｂの値が１．０未満であると、溶接金属の酸素量は高くなる。一方、Ｂの値が２．５を超えると、収縮孔が発生しやすくなる。従って、Ｂの値を１．０乃至２．５とする。

上記数式２において、ＣａＦ_２の含有量を［ＣａＦ_２］、ＣａＯの含有量を［ＣａＯ］、ＢａＯの含有量を［ＢａＯ］、ＭｇＯの含有量を［ＭｇＯ］、ＭｎＯの含有量を［ＭｎＯ］、ＳｉＯ_２の含有量を［ＳｉＯ_２］、及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量を［Ａｌ_２Ｏ_３］とする。

なお、本発明において不可避不純物とは、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５、Ｐ、Ｓ等がある。

次に、本発明の効果を実証するための実施例、及び比較例について説明する。

試験に使用した供試鋼板は下記表１に示す組成のＪＩＳ・Ｇ・３１０６・ＳＭ４９０Ａであり、板厚が３２ｍｍである。そして下記表２に示す組成のワイヤ（ワイヤ直径＝４．０ｍｍ）と、表４乃至６に示す種々のフラックスを用いてサブマージアーク溶接法により両面一層溶接を行った。図１は電極配置図を示している。４本の電極（Ｌ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）が溶接方向に沿って電極間隔１８．０ｍｍで一列に配置されている。Ｌは溶接面の法線方向から溶接方向に対して１２°傾斜した後退角、Ｔ１は０°、Ｔ２は１３°傾斜した前進角、Ｔ３は２３°傾斜した前進角を形成している。Ｌの電流極性は直流であり、Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の電流極性は交流である。各電極における電流、電圧、溶接速度、及び入熱を下記表３に示す。図２は開先形状を示す断面図である。開先形状は両面にＶ形状であり、その開先角度は７０°、開先の深さは最初に溶接される１ｓｔ側が１０．０ｍｍ、次に溶接される２ｎｄ側が１３．５ｍｍである。符号４で示す部分は仮付け溶接部である。この仮付け溶接はＪＩＳＺ３３１２ＹＧＷ１１のワイヤ（直径１．２ｍｍ）を使用し、溶接条件は、溶接電流が２６０Ａ、溶接電圧が３２Ｖ、溶接速度が４０ｃｐｍであり、シールドガスはＣＯ_２を使用した。表４乃至６のその他の欄に記載の成分はＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５、Ｐ、Ｓ等である。

図３に示す溶接継手と供試鋼板断面の中心線が交わる部分より試験片を採取し溶接金属中の酸素分析を実施した。なお、溶接金属の酸素量が４００ｐｐｍを超えた場合、酸素量が高いと判断した。

試験結果を下記表７乃至９に示す。溶接作業性の評価は１．５ｍの試験溶接において判断し、判断基準は下記に示す。評価方法は良好（◎）、概ね良好（○）、不合格（×）の３種類で評価する。図２に示すように、溶接面の１ｓｔ側、２ｎｄ側どちらかでも下記の判断基準において不合格となれば不合格と評価した。

ビード蛇行については、図４に示すように、溶接線におけるビート蛇行の振れ幅が２ｍｍの場合は◎、２〜３ｍｍの場合は○、３ｍｍを超える場合は×とした。

ポックマークについては、溶接線上のポックマークが溶接線１ｍ中に１個以下の場合は◎、１個を超える場合は×とした。

ビード凸については、ビード凸における余盛高さが４ｍｍ未満の場合は◎、４〜５ｍｍの場合は○、５ｍｍを超える場合には×とした。

スラグ焼付きについては、スラグ剥離後、焼き付が認められない場合は◎、焼付きの長さが溶接長に対して２０％以下の場合は○、２０％を超える場合は×とした。

収縮孔については、ビード表面の収縮孔が認められない場合は◎、溶接長に対して１０％以下の場合は○、１０％を超える場合は×とした。

本発明のフラックスは、厚板、両面一層の高速サブマージアーク溶接において好適に利用できる。

電極配置を示す図である。開先形状を示す図である。試験片を採取する位置を示す図である。溶接線の振れ幅を示す図である。スラグ焼き付きに及ぼすＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２とＦｅＯの関係を表すグラフ図である。

符号の説明

１・・・トーチ
２・・・ワイヤ
３・・・鋼板
４・・・
５・・・溶接金属酸素分析試験片
６・・・溶接金属
７・・・溶接線の振れ幅
８・・・ビード

Claims

ＳｉＯ_２：１９乃至３２質量％、ＣａＯ：１０乃至２８質量％、ＢａＯ：７乃至１８質量％、ＣａＦ_２：７乃至２９質量％、ＭｇＯ：０．５乃至１０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．５乃至１５質量％、ＭｎＯ：０．５乃至１５質量％、ＴｉＯ_２：３乃至１３質量％、ＺｒＯ_２：０．５乃至１５質量％、及びＦｅＯ：０．３乃至４．０質量％を含有し、Ｂ_２Ｏ_３を０．８質量％以下、ＴｉＯ_２＋ＺｒＯ_２を総量で２０質量％以下に規制し、ＴｉＯ_２の含有量を［ＴｉＯ_２］、ＺｒＯ_２の含有量を［ＺｒＯ_２］、及びＦｅＯの含有量を［ＦｅＯ］とし、Ａ＝（［ＴｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］）−２．５×［ＦｅＯ］−１６としたとき、Ａの値が０以下であり、ＣａＦ_２の含有量を［ＣａＦ_２］、ＣａＯの含有量を［ＣａＯ］、ＢａＯの含有量を［ＢａＯ］、ＭｇＯの含有量を［ＭｇＯ］、ＭｎＯの含有量を［ＭｎＯ］、ＳｉＯ_２の含有量を［ＳｉＯ_２］、及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量を［Ａｌ_２Ｏ_３］とし、Ｂ＝（［ＣａＦ_２］＋［ＣａＯ］＋［ＢａＯ］＋［ＭｇＯ］＋０．５×［ＭｎＯ］＋０．５×［ＦｅＯ］）／（［ＳｉＯ_２］＋０．５×［ＴｉＯ_２］＋０．５×［Ａｌ_２Ｏ_３］＋０．５×［ＺｒＯ_２］）としたとき、Ｂの値が１．０乃至２．５であり、残部は不可避的不純物からなることを特徴とするサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。