JP4489009B2

JP4489009B2 - サブマージアーク溶接用ボンドフラックス

Info

Publication number: JP4489009B2
Application number: JP2005334938A
Authority: JP
Inventors: 克壮小林; 統宣佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP2007136516A

Description

本発明は、サブマージアーク溶接用のボンドフラックスに関する。

サブマージアーク溶接は、被覆アーク溶接及びガスシールドアーク溶接等の溶接方法と比べて、高電流及び高速度で溶接が行えるという特徴を有しており、造船、鉄骨、及び
橋梁分野等の大型鋼構造物の製作において、溶接能率の観点から欠かすことができない溶接方法である。

特に、近時、溶接工程の能率向上だけでなく、その前工程である各種切断・加工工程の能率向上及び後工程である手直し・修正作業の省略といった一連の施工能率の向上が求められている。これらのために、溶接施工においては、従来と比較して、ビード外観・形状についてより厳格な品質が強く求められている。また、当然ながら、各工程における高能率化と併せて、溶接金属の機械的性能に対する要求も厳しくなる傾向にある。これらの分野では、大入熱を用いた片面溶接に１パス施工が多用されており、その代表的な例として、フラックスを裏当材とするフラックスバッキング法（ＲＦ法）、フラックスと銅板を裏当材とするフラックス銅バッキング法（ＦＣＢ法）、及び、ガラステープ、固形フラックス、又は耐火物等で構成された裏当材を押し当てる方法（ＦＡＢ法）等が挙げられる。

これらのサブマージアーク溶接の従来技術として、両面と片面のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスが提案されている（特許文献１，２）。

特開平２−１５１３９３特開平６−２７７８７８

しかしながら、上述の特許文献１及び２に記載された片面サブマージアーク溶接においては、特に板厚が１６ｍｍ以下の溶接継手に使用されることが多いＩ形開先において、表面のビードの形状が凸型になり、余盛は高く、オーバーラップが発生するという問題点がある。

一方、表面ビードの余盛高さを下げるためには、一般的に溶接電流を下げる等、溶接入熱を下げる方法が採用されるが、Ｉ形開先において適正な表面ビードの余盛高さを得ることができる溶接条件においては、適正な裏面ビードの形状を得ることができず、結果としていずれの場合も、多くの場合、手直し又は修正作業が必要であった。

また、表面ビードのオーバーラップを抑制するため、溶接継手の開先形状をＹ形開先とすることも有効であるが、切断・加工工程における施工能率が極端に下がるといった問題点が生じる。

また、従来の片面サブマージアーク溶接用ボンドフラックスにおいては、厚肉鋼板を溶接する場合にも十分な溶着金属量を確保するため、フラックス中にＦｅ成分が例えば１０乃至３０質量％と多く含有されている。そのため、板厚が１６ｍｍ以下であって、特にＩ形開先においては、表面ビードの凸型形状とオーバーラップを助長させることとなる。また、形成されるビードの表面にはＦｅを主成分とする突起が必ず発生する。その鉄粒突起はビードの外観を損ない、場合によってはグラインダーなどによる除去作業といった余分な工程を要するという問題点があった。この鉄粒突起の主要因は、溶接金属の凝固過程終了間際において、スラグ内の比較的質量の大きいＦｅ成分がビード表面に付着するためであり、その発生量及び溶着金属量はフラックスに含有する鉄粉量に依存する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接においても、厚板継手での溶接作業性、ビード外観、形状、及び溶接金属の機械的性能を確保できる性能を有した上で、特に薄板継手で顕著な従来のサブマージアーク溶接の問題点を解消し、健全な表裏面ビードを得ることができる片面サブマージアーク溶接用ボンド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ボンドフラックスは、２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接に使用されるサブマージアーク溶接用ボンドフラックスにおいて、ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、ＳｉＯ_２：１６乃至２９質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：６乃至１２質量％、ＴｉＯ_２：０．６乃至７質量％、ＣａＯ：８乃至１４質量％、ＣＯ_２：２乃至８質量％、Ｎａ_２Ｏ：１乃至５質量％、ＣａＦ_２：１乃至１０質量％、Ｂ_２Ｏ_３：０．２乃至３．０質量％、Ｓｉ：１乃至３質量％、Ｔｉ：０．３乃至３．０質量％を含有し、かつ、ＴｏｔａｌＦｅが５質量％以下に規制され、残部が５質量％以下であり、更にＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との質量比ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２が０．０３乃至０．３０であることを特徴とする。

このサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、例えば、板厚が１６ｍｍ以下の継手用のボンドフラックスとして好適である。

本発明によれば、２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接においても、厚板継手での溶接作業性、ビード外観、形状、及び溶接金属の機械的性能を確保できると共に、特に薄板継手で健全な表裏面ビードを得ることができる。

本発明者等は主に板厚１６ｍｍ以下の薄板Ｉ形開先継手のサブマージアーク溶接においても、表面ビードにオーバーラップが生じない適正な余盛高さ及び形状を得ることができるボンドフラックスを開発すべく、種々実験研究を行った結果、
（１）Ｉ形開先において、表面ビードにオーバーラップが生じない適正な余盛高さ及び形状を確保するためには、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２比が０．０３乃至０．３０であることが必要であること、
（２）薄板Ｉ形関先継手において、適正な溶着金属量を得て、かつ鉄粒突起の発生を抑制するには、フラックスに含まれるＦｅ成分の合計含有量（ＴｏｔａｌＦｅ）が５％以下であることが必要であること、
（３）更に、厚板及び薄板継手の両方において、良好なビード外観と靭性を得るためには、スラグ形成剤と合金元素量を適正化することが必要であること
を見出した。

このような知見から、本発明に係るボンドフラックスの組成を、
ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、
ＳｉＯ_２：１６乃至２９質量％、
Ａｌ_２Ｏ_３：６乃至１２質量％、
ＴｉＯ_２：０．６乃至７質量％、
ＣａＯ：８乃至１４質量％、
ＣＯ_２：２乃至８質量％、
Ｎａ_２Ｏ：１乃至５質量％、
ＣａＦ_２：１乃至１０質量％、
Ｂ_２Ｏ_３：０．２乃至３．０質量％、
Ｓｉ：１乃至３質量％、
Ｔｉ：０．３乃至３．０質量％、
を含有し、
ＴｏｔａｌＦｅが５質量％以下に規制され、
残部が５質量％以下であり、
ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との質量比ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２が０．０３乃至０．３０である
ものとすることにより、本発明を完成したものである。

以下、上述のフラックスの各成分の組成限定理由について説明する。
ＭｇＯ：２５乃至３５質量％
ＭｇＯは塩基性成分であり、溶接金属中の酸素量を低減し、靭性を確保するために有効な成分である。また、ＭｇＯはスラグの粘性を低下させる作用を有している。ＭｇＯが２５質量％未満では酸素量の低減効果が少なく、靭性が劣化し、表面ビードにオーバーラップが発生する。ＭｇＯが３５質量％を超えると、スラグが焼き付き、スラグ剥離性が劣化するとともに、ポックマークが発生しやすい。

ＳｉＯ _２：１６乃至２９質量％
ＳｉＯ_２は酸性成分であり、スラグの粘性を調整するのに有効な成分である。ＳｉＯ_２が１６質量％未満では、スラグの粘性が低下し、表面ビードのオーバーラップの発生は抑制される傾向を示すものの、ビード幅の揃い(均一性)が劣化する。一方、ＳｉＯ_２が２９質量％を超えると、スラグ粘性が過剰となり、ビードの広がりが悪くなり、オーバーラップが発生するとともに、塩基度が低下するため、溶接金属の酸素量が増加し、靭性が劣化する。

Ａｌ _２Ｏ _３：６乃至１２質量％
Ａｌ_２Ｏ_３は中性成分であり、スラグの粘性及び凝固温度を調整するのに有効な成分である。Ａｌ_２Ｏ_３が６質量％未満では、スラグの粘性及び凝固温度が低くなり、ビード幅の揃いが劣化する。一方、Ａｌ_２Ｏ_３が１２質量％を超えると、スラグの凝固温度が高くなり過ぎるため、ビードの広がりが悪くなるため、オーバーラップが発生し、ビード形状が凸型となる。

ＴｉＯ _２：０．６乃至７質量％
ＴｉＯ_２は酸性成分でありスラグの流動性を調整し、さらに溶接金属中でＴｉ酸化物や窒化物として存在し靭性向上に有効な成分である。ＴｉＯ_２が０．６質量％未満では、溶接金属中のＴｉ量が不足し、靭性が劣化する。一方、ＴｉＯ_２が７質量％を超えると、スラグが焼き付き、スラグ剥離性が劣化するとともに、表面ビード止端部のなじみ性が劣化し、オーバーラップが発生する。

ＣａＯ：８乃至１４質量％
ＣａＯは塩基性成分であり、フラックスの塩基度を高め、溶接金属中の酸素量の低減に極めて効果的な成分である。ＣａＯが８質量％未満では、シールド性低下により溶接金属の酸素量が高くなり、靭性が劣化する。一方、ＣａＯが１４質量％を超えると、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化する。

ＣＯ _２：２乃至８質量％
ＣＯ_２は溶接金属への窒素の侵入と、拡散性水素量の低減に有効な成分である。ＣＯ_２が２質量％未満では、溶接金属中の拡散性水素量が高くなり、低温割れ性が劣化する。一方、ＣＯ_２が８質量％を超えると、ガス発生量が過大となり、ポックマークが発生する。なお、ＣＯ_２成分は、金属炭酸塩としてフラックス中に添加される。

Ｎａ _２Ｏ：１乃至５質量％
Ｎａ_２Ｏはアーク安定性の確保のための重要な成分である。Ｎａ_２Ｏが１質量％未満では、アークの安定性が極端に不安定となり、アーク切れが発生し、ビード形状及び溶込みが不均一となる。一方、Ｎａ_２Ｏが５質量％を超えると、耐吸湿性が劣化し、耐低温割れ性が劣化する。

ＣａＦ _２：１乃至１０質量％
ＣａＦ_２は塩基性成分であり、溶接金属中の酸素量を低下させるとともに、スラグの流動性を調整し、スラグ−メタル反応を促進させるために有効な成分である。ＣａＦ_２が１質量％未満では、溶接金属中の酸素量が高くなり靭性が劣化し、更に溶接スラグを形成するスラグ量が不足するため、ビードが蛇行し、揃いが劣化する。一方、ＣａＦ_２が１０質量％を超えると、アーク安定性が劣化し、アーク切れが発生しやすくなる。

Ｂ _２Ｏ _３：０．２乃至３質量％
Ｂ_２Ｏ_３は溶接熱で還元され、Ｂとして溶接金属中に存在し、靱性を確保する効果を有する。Ｂ_２Ｏ_３が０．２質量％未満では、その効果が発揮されず、靱性が劣化する。Ｂ_２Ｏ_３が３．０質量％を超えると、強度が過大となり、高温割れが発生する。

Ｓｉ：１乃至３質量％
Ｓｉは溶接金属中の脱酸作用により酸素量を低減するのに有効な成分である。Ｓｉが１質量％未満では、溶接金属中の酸素が高くなり、靱性が劣化する。一方、Ｓｉが３質量％を超えると、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化するとともに、溶接金属の強度が過大となり、靱性が劣化する。なお、Ｓｉは単体の他、Ｆｅ−Ｓｉ等で添加できる。

Ｔｉ：０．３乃至３質量％
Ｔｉは溶接金属中でＴｉ酸化物及び窒化物として存在し、靭性向上に有効な成分である。Ｔｉが０．３質量％未満では、溶接金属中のＴｉ量が不足し、靭性が劣化する。一方、Ｔｉが３質量％を超えると、Ｔｉ酸化物及び窒化物が過大となり、強度の過剰な上昇により、低温割れが発生する。

ＴｏｔａｌＦｅ：５質量％以下
Ｆｅは溶着金属量を補うという利点があるものの、Ｆｅが５質量％を超えると、表面ビードに鉄粒突起が発生し、外観及び表面状態が劣化するとともに、溶着金属量が過大となり、オーバーラップが発生する。Ｆｅが５質量％以下としたのはＦｅ―Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｏなどの合金成分などに不可避的に含まれるためであるが、極力少ないことが望ましい。

ＴｉＯ _２／ＳｉＯ _２：０．０３乃至０．３０
質量比ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２は健全なビード形状と良好な靭性を得るために制限する必要がある。ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２が０．０２未満であると、スラグの流動性が過剰となり、ビードが蛇行するとともに、靭性が劣化する。一方、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２が０．３０を超えると、スラグの粘性が低下し、表面ビードの止端部のなじみ性が劣化し、オーバーラップが発生する。

残部：５質量以下
また上記成分の他に、フラックスにはＫ_２Ｏ、ＢａＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ_２等の酸化物、また溶接金属の機械的性能の面からＭｎ、Ｍｏ等の金属成分を単体又は合金等で添加することができ、その含有量はすべての総量が５質量％以下とする。

次に、本発明の効果を実証するために行った試験の結果について、本発明の範囲に入る実施例と本発明の範囲から外れる比較例とを比較して説明する。下記表１に示す鋼板及び表２に示すワイヤを使用し、下記表３、４、５、６及び図１に示す溶接条件により、前述のＲＦ法により、２電極又は３電極で片面サブマージアーク溶接を行った。溶接後に目視によるオーバーラップの有無、ポックマークの有無、ビード幅の揃い等を官能（総合では）評価した。その後、超音波探傷試験（ＵＴ試験）により割れの有無を確認し、溶接金属の酸素量の測定、−２０℃でのシャルピー衝撃試験を実施した。表７に供試したフラックス中の成分含有量、表８、９、１０、１１に各板厚と電極での試験結果を示す。

本発明の実施例Ｎｏ．１乃至１０のサブマージアーク溶接方法においては、板厚１２ｍｍ継手の３電極ＲＦ溶接(表８)、板厚１２ｍｍ継手の２電極ＲＦ継手(表９)、板厚３５ｍｍ継手の３電極ＲＦ溶接（表１０）、板厚３２ｍｍ継手の２電極ＲＦ溶接（表１１）のいずれの場合も、溶接作業性、非破壊検査、靱性の結果が良好であった。

これに対し、比較例Ｎｏ．１１は、フラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、オーバーラップが発生するとともに、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．１２は、フラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、スラグ剥離性が劣化し、ポックマークが発生した。

比較例Ｎｏ．１３は、フラックス中のＳｉＯ_２の含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、ビード幅の揃いが劣化した。比較例Ｎｏ．１４は、フラックス中のＳｉＯ_２の含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、オーバーラップが発生するとともに、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。

比較例Ｎｏ．１５は、フラックス中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、ビード幅の揃いが劣化した。比較例Ｎｏ．１６は、フラックス中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、ビード幅が過小となり、凸型ビードとなり、オーバーラップが発生した。

比較例Ｎｏ．１７は、フラックス中のＴｉＯ_２の含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．１８は、フラックス中のＴｉＯ_２の含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化するとともに、オーバーラップが発生した。

比較例Ｎｏ．１９は、フラックス中のＣａＯの含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．２０は、フラックス中のＣａＯの含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、スラグが焼付き、剥離性が劣化した。

比較例Ｎｏ．２１は、フラックス中のＣＯ_２の含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、溶接金属中の拡散性水素量が増加し、低温割れが発生した。比較例Ｎｏ．２２は、フラックス中のＣＯ_２の含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、ポックマークが発生した。

比較例Ｎｏ．２３は、フラッワス中のＮａ_２Ｏの含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、溶接中にアーク切れが発生した。比較例Ｎｏ．２４は、フラックス中のＮａ_２Ｏの含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、耐吸湿性が劣化し、低温割れが発生した。

比較例Ｎｏ．２５は、フラックス中のＣａＦ_２の含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、ビードの揃いが劣化し、さらに溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．２６は、フラックス中のＣａＦ_２の含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、溶接中にアーク切れが発生した。

比較例Ｎｏ．２７は、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．２８は、フラックス中のＢ_２Ｏ_３の含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、高温割れが発生した。

比較例Ｎｏ．２９は、フラックス中のＳｉの含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．３０は、フラックス中のＳｉの含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、スラグが焼付き、剥離性が劣化すると共に、靱性が劣化した。

比較例Ｎｏ．３１は、フラックス中のＴｉの含有量が本発明範囲の下限値未満であるので、靭性が劣化した。比較例Ｎｏ．３２は、フラックス中のＴｉの含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、強度が過大となり、低温割れが発生した。

比較例Ｎｏ．３３は、フラックス中のＦｅの含有量が本発明範囲の上限値を超えているので、オーバーラップが発生するとともに、ビード表面に鉄粒突起が発生し外観が損なわれた。

比較例Ｎｏ．３４、３５は、フラックス中のＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２比が本発明範囲の下限値未満であるので、ビードの揃いが劣化した。また、溶接金属の酸素量も増加し、靱性も劣化した。比較例Ｎｏ．３６、３７は、フラックス中のＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２比が本発明範囲の上限値を超えているので、オーバーラップが発生した。

上述の如く、本発明の実施例１乃至１０によれば、片面サブマージアーク溶接用のボンドフラックスにおける成分系を適切に規制しているので良好な溶接作業性と靭性を得ることができる。

なお、本実施例では、ＲＦ法で試験を行っているが、ＦＣＢ法、ＦＡＢ法においても同様の結果であり、いずれの方法でも適用できる。また、裏当フラックスについても従来のフラックスがそのまま適用でき、裏当方法により限定されるものではない。

実施例・比較例の溶接条件を示す図であり、板厚が１２ｍｍの場合はＩ開先、板厚が３２ｍｍ及び３５ｍｍの場合はＹ開先である。

Claims

２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接に使用されるサブマージアーク溶接用ボンドフラックスにおいて、ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、ＳｉＯ_２：１６乃至２９質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：６乃至１２質量％、ＴｉＯ_２：０．６乃至７質量％、ＣａＯ：８乃至１４質量％、ＣＯ_２：２乃至８質量％、Ｎａ_２Ｏ：１乃至５質量％、ＣａＦ_２：１乃至１０質量％、Ｂ_２Ｏ_３：０．２乃至３．０質量％、Ｓｉ：１乃至３質量％、Ｔｉ：０．３乃至３．０質量％を含有し、かつ、ＴｏｔａｌＦｅが５質量％以下に規制され、残部が５質量％以下であり、更にＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との質量比ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２が０．０３乃至０．３０であることを特徴とするサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
板厚が１６ｍｍ以下の継手用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ボンドフラックス。