JP5133089B2

JP5133089B2 - 被覆アーク溶接棒用Ｍｇ合金粉および低水素系被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP5133089B2
Application number: JP2008040407A
Authority: JP
Inventors: 正夫梅木; 健太郎岩立
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: JP2009195954A

Description

本発明は、被覆アーク溶接棒の被覆剤原料として添加されるＭｇ合金粉および低水素系被覆アーク溶接棒（以下、低水素系棒という。）に関し、特に、輸送中の耐被覆脱落性に優れ、溶接金属の低温靭性が良好で、かつ溶接作業性を満足できる被覆アーク溶接棒用Ｍｇ合金粉およびそれを使用した低水素系棒に関するものである。

低水素系棒は、溶接部の耐割れ性や靱性が良好であるため、大型構造物用鋼材へ適用され低温用鋼あるいは耐熱鋼などの溶接に使用されている。近年、低水素系棒はさらなる溶接金属の高靱性化の要求に対して種々の改善がなされ、例えば特開平４−３１９０９２号公報（特許文献１）には、被覆剤中に金属Ｍｇを添加しその粒度を規定することで溶接金属中の酸素量を減少し、高い靭性を確保する技術の開示がある。

また、特許第３０２６８９９号公報（特許文献２）には、鋼心線の成分と被覆剤の主成分および金属Ｍｇの粒度規定などにより、高強度鋼材での低温靱性が優れた技術の開示がある。このように、いずれも低水素系棒で溶接金属の高い靱性を確保するには、金属Ｍｇの添加が欠かせないのが現状である。

しかしこれら手法では、金属Ｍｇと固着剤である水ガラスが反応し、水素ガスが発生して被覆剤中に空隙が生じ易くなる。被覆剤中に空隙が生じた低水素系棒は輸送中に被覆剤の強度が劣化し脱落し易くなる問題があり、このまま使用すると溶接欠陥が生じるばかりか溶接できないことにもなる。また、金属Ｍｇは溶融点が６５０℃と低く、アーク発生時に被覆筒が劣化し易くなるという問題もある。

低水素系棒の被覆の耐脱落性向上の手段は種々検討されているが、例えば特公昭５９−１１５５号公報（特許文献３）には、被覆剤全体の粒度構成に着眼し、特に細粒域の１０〜２０μｍの被覆剤を用いることにより被覆剤の脱落を減少している。また、特開平９−２０１６９５号公報（特許文献４）では、繊維状のセピオライトを被覆剤に含有させ被覆剤の耐脱落性を良好にしている。ただしこれら特許文献３および特許文献４に記載の技術は、溶接金属の高靱性化を目的とするものではなく、靱性改善に有効な強脱酸剤原料である金属Ｍｇを添加しない場合である。

このように、溶接金属の高靱性化を目的とする低水素系棒においては、金属Ｍｇの適用が有効であるが、諸性能を満足しつつ輸送中の被覆剤の脱落を減少することは困難であった。
特開平４−３１９０９２号公報特許第３０２６８９９号公報特公昭５９−１１５５号公報特開平９−２０１６９５号公報

本発明は、溶接金属の機械的性能および良好な溶接作業性を満足しつつ被覆剤の耐脱落性に優れる被覆アーク溶接棒用Ｍｇ合金粉およびそれを使用した低水素系棒を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、
（１）被覆アーク溶接棒を製造する際に被覆剤に添加されるＭｇ合金粉であって、Ｍｇを１３〜３６質量％、Ｓｉを３３〜５６質量％、Ｆｅを１５〜４５％質量％含有し、その他は不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする被覆アーク溶接棒用Ｍｇ合金粉にある。
（２）軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤はＭｇを１３〜３６質量％、Ｓｉを３３〜５６質量％、Ｆｅを１５〜４５％質量％含有し、その他は不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであるＭｇ合金粉を、被覆剤全質量に対して３〜１７質量％含有することを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒にある。

本発明の被覆アーク溶接棒用Ｍｇ合金粉および低水素系被覆アーク溶接棒によれば、被覆アーク溶接棒の生産性が良好で、大型構造物などの溶接施工において優れた低温靭性が得られるので寒冷地においても安全な構造物が建造でき、さらに被覆剤の脱落がなく良好な溶接作業性が得られるので溶接作業能率向上にも貢献できる。

本発明者らは、溶接金属の高靭性化に有効なＭｇを被覆剤に活用し、諸性能を満足しつつ輸送中などの被覆剤の耐脱落性を改善する手段を鋭意研究した。まず、金属Ｍｇは前述のごとく溶接棒の製造過程で固着剤である珪酸ソーダや珪酸カリウムなどの水ガラスと反応して水素ガスを発生する。この現象により製造時の乾燥工程で被覆剤中に空隙を生じて輸送時に被覆剤が脱落し易くなる。したがって、この反応を抑制することが重要である。

そこで、まず金属Ｍｇに過マンガン酸カリウムなどによる表面コーティングを行い、水ガラスとの反応を抑制することを試みたが、その反応を充分に阻止できることができず被覆剤の耐脱落性は不充分であった。次に金属Ｍｇの粒度を大きくし、比表面積を小さくすることにより水ガラスとの反応を抑えることを試みた。その結果、被覆剤の耐脱落性に大きな効果をもたらすことが判った。しかし、粒度が大きくなると製造時の塗装機によるフラックス押出しで流動性が悪くなり、塗装性が劣化して生産性が悪くなった。さらに、金属Ｍｇを粗粒化すると溶接時に溶接金属の脱酸効果が減少し、低温での高靭性を得ることができなかった。

次いで、Ｍｇと他成分との合金化を検討し、Ｓｉが粉砕性に優れるためＭｇ−Ｓｉ合金を試みた。しかし、Ｓｉも水ガラスと反応し易いためＭｇ−Ｓｉ−Ｆｅ合金とし、粉砕後、粉体表面を酸化性雰囲気で焼成（７００〜９００℃）して酸化皮膜を生成させた。これにより、Ｍｇによる溶接金属の靭性向上効果が得られるとともに、水ガラスとの反応も防止でき、被覆剤の耐脱落性も改善できた。焼成における酸化性雰囲気とは例えば大気で良く、温度は７００℃未満では酸化皮膜の生成が不十分であり、９００℃を超えると焼結によって固まって粉末状態を維持できなくなる。なお、上記温度に保持する時間は特に限定しないが１分以上あれば良い。

また、被覆剤原料としてＭｇ合金粉の特性を充分に発揮させるには、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅの含有量が極めて重要である。また、本発明を達成するにはＭｇ合金粉の粒度と被覆剤中への添加量も充分吟味する必要がある。このようにして得られたＭｇ合金粉を低水素系棒に適用した結果、溶接作業性が良好で低温靭性に優れ、かつ生産性も良く被覆剤の耐脱落性も充分満足できることが判った。

Ｍｇ合金粉中のＭｇ含有量が１８質量％（以下％という）未満では、溶接時の脱酸効果が機能せず、低温靭性が悪くなる。一方、３６％を超えると水ガラスとの反応が多くなり、被覆の耐脱落性が悪くなる。また、溶接時にスラグ流動性や被覆筒が弱くなるなど溶接作業性も劣化する。

Ｍｇ合金粉中のＳｉ含有量が３３％未満では、Ｍｇ合金粉の製造時に粉砕性が悪くなる。一方、５６％を超えると被覆剤の耐脱落性が劣化し、溶接時には溶接スラグの粘性が高くなりビード形状が悪くなるなど溶接作業性も劣化する。またＭｇ合金粉中のＦｅは水ガラスとの反応性を抑えるが、Ｆｅ含有量が１５％未満ではその効果が期待できず、４５％を超えると溶接金属の脱酸効果が低くなり、靭性が悪くなる。

また、Ｍｇ合金粉の平均粒径が５０μｍ未満では、比表面積が大きくなり水ガラスと反応して被覆剤の脱落性が悪くなる。一方、２００μｍを超えると溶接棒塗装時にフラックスの流動性が悪く生産性が劣化し、さらに溶接金属の酸素低減が図れず靭性も悪くなる。

被覆剤中のＭｇ合金粉の添加量が３％未満では、溶接金属が脱酸不足となり良好な低温靭性が確保できない。一方、１７％を超えると、水ガラスとの反応が激しくなり生産時の乾燥後に空洞が増し被覆剤の脱落性が悪くなる。さらに、溶接時にスラグの流動性が悪くなり溶接作業性も劣化する。

なお、本発明が対象とする低水素系棒の被覆剤に特有な原料は金属炭酸塩と金属弗化物である。金属炭酸塩は大気を遮断するために添加するが、含有量が少ない場合は溶接金属の酸素や窒素が多くなり、一方、過剰に添加するとアーク状態やビード形状が劣化するので、金属炭酸塩の含有量は２０〜６０％が望ましい。また、金属弗化物は良好なスラグ流動性を得るのに欠かせないものであり、その含有量が少ないと効果が無く、過剰な場合はアーク状態とスラグ剥離性が劣化するので、その含有量は１３〜３０％が望ましい。その他、低水素系棒の被覆原料としてアーク安定剤、スラグ生成剤、脱酸剤、合金剤は通常用いられるものである。

本発明の効果を実施例により具体的に説明する。表１に示す成分の各種Ｍｇ合金を、発火防止のために窒素雰囲気でボールミルにより粉砕して粉砕性を調査した後、空気中で８００℃で焼成してＭｇ合金粉表面に酸化皮膜を生成する処理をし、各種平均粒径のＭｇ合金粉とした。なお、平均粒径はレーザー光回折法で測定した。

一方、表２に示す７８０Ｎ／ｍｍ^２級低温用鋼用低水素系棒の被覆剤中に、表１示したＭｇ合金粉を、表１に示す被覆材中含有量になるように添加した。これを直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆塗装し乾燥して各種低水素系棒を試作し、低水素系棒の生産性を確認し、被覆剤の耐脱落性、溶着金属の衝撃靭性および溶接作業性を調査した。

まず、Ｍｇ合金の粉砕性の判定は容易に粉砕できたものを良好とし○印、粉砕に長時間を要したものは×印とした。
被覆剤の脱落試験は、その値を定量化するために、約１．５ｋｇの溶接棒を板厚６ｍｍで作成した５５ｍｍ×３００ｍｍ×５００ｍｍの鋼製の箱に入れ、この箱の長手方向を軸として１分間に４０回転の速度で８分間回転させた。その後被覆剤の脱落した質量割合を測定し、その脱落率が５％未満を良好とした。

また、溶接金属の衝撃靭性調査は、電流１７０Ａ（ＡＣ）、予熱・パス間温度１００±１０℃、平均入熱１７ｋＪ／ｃｍとし、ＪＩＳＺ３２１２の溶着金属試験に準じて溶接を行い、溶着金属中央部よりＪＩＳＺ２２０２４号衝撃試験片を採取した。試験は−４０℃で各５本について行い、その吸収エネルギーの平均値で９０Ｊ以上を良好とした。

さらに、溶接作業性の調査は、板厚１６ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４５０ｍｍの７８０Ｎ／ｍｍ^２級鋼板をＴ型に組み、交流溶接機を用い、水平すみ肉溶接では電流１７０Ａ、立向姿勢溶接では１５０Ａの溶接条件で溶接し、アーク状態、スラグ状態および、スパッタの多少などを調査した。その判定は各姿勢溶接の評価を総合判定し、良好を○印、やや劣るが△印、劣るが×印とした。それらの結果を表１にまとめて示す。

表１中、溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は本発明例、溶接棒Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０は比較例である。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は、Ｍｇ合金中のＭｇ、Ｓｉ、Ｆｅの含有量およびＭｇ合金粉の平均粒径が適正であるため、粉砕性が良好で、低水素系棒の被覆剤の脱落率も少なかった。さらに被覆剤に添加するＭｇ合金粉の添加量も適量であるため、溶接金属の吸収エネルギーも高値が得られ、溶接作業性も良好であるなど極めて満足な結果であった。

比較例中、溶接棒Ｎｏ．１１は、Ｍｇ合金粉のＭｇが少ないので被覆剤の脱落率は少ないが、溶接金属の酸素が低減できず吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、Ｍｇ合金粉のＭｇが多いので、製造時に水ガラスと反応して被覆剤の脱落率が高くなった。また、溶接時にスラグの流動性が悪く、ビード外観が劣化するなど溶接作業性が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１３は、Ｍｇ合金のＳｉが少ないのでＭｇ合金粉製造時の粉砕性が悪かった。
溶接棒Ｎｏ．１４は、Ｍｇ合金粉のＳｉが多いので被覆剤の脱落率が高くなり、溶接時にスラグ粘性が過剰に高まり溶接作業性も悪かった。

溶接棒Ｎｏ．１５は、Ｍｇ合金粉のＦｅが少ないので水ガラスと反応性して被覆剤の脱落率が高くなった。
溶接棒Ｎｏ．１６は、Ｍｇ合金粉のＦｅが多いので溶接金属の酸素が多くなり、吸収エネルギーが低値であった。

溶接棒Ｎｏ．１７は、Ｍｇ合金粉の平均粒径が小さいので溶接棒製造時に水ガラスと反応して被覆剤の脱落率が高くなった。
溶接棒Ｎｏ．１８は、Ｍｇ合金粉の平均粒径が過剰に大きいので吸収エネルギーが低値であった。

溶接棒Ｎｏ．１９は、被覆剤中のＭｇ合金粉の添加量が少ないので吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．２０は、被覆剤中のＭｇ合金粉の添加量が多いので水ガラスとの反応が大きく、被覆剤の脱落率が高くなった。また、溶接時にスラグ流動性が悪くなり、溶接作業性も不良であった。

Claims

被覆アーク溶接棒を製造する際に被覆剤に添加されるＭｇ合金粉であって、Ｍｇを１３〜３６質量％、Ｓｉを３３〜５６質量％、Ｆｅを１５〜４５質量％含有し、その他は不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする被覆アーク溶接棒用Ｍｇ合金粉。
軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤はＭｇを１３〜３６質量％、Ｓｉを３３〜５６質量％、Ｆｅを１５〜４５質量％含有し、その他は不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであるＭｇ合金粉を、被覆剤全質量に対して３〜１７質量％含有することを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。