JP5455422B2 - 低水素系被覆アーク溶接棒 - Google Patents
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Description
本発明は、溶着金属の引張強さが５９０ＭＰａ級以上で安定した機械的性能が得られるとともに、全姿勢溶接においても良好な溶接作業性が得られる低水素系被覆アーク溶接棒に関するものである。
低水素系被覆アーク溶接棒はガス発生剤として金属炭酸塩を主原料としており、有機物をほとんど使用していないため、溶着金属中の水素含有量が非低水素系被覆アーク溶接棒と比較して極めて少ない。したがって耐割れ性に優れているため、高張力鋼や低温用鋼を使用する重要構造物の溶接や厚板を使用する大型構造物の溶接に多く適用されている。
一方、最近では、溶接構造物の大型化にともない、使用される鋼材も厚くなる傾向を示すとともに、板厚減少のため高強度な鋼材の使用も増加している。一般に溶接金属の強度と低温靭性は相反する傾向を示すため、高強度化とともに靭性を向上させる手法が種々検討され、溶接材料の開発が行われている。
しかし、被覆アーク溶接棒は溶接者の技量や癖などによってアーク電圧や溶接速度が異なるため、溶接入熱量が大きくばらつくことが多々ある。すなわち溶接入熱量が高いほど溶融池周辺の温度の上昇により耐棒焼け性が劣化し、溶接時に被覆剤中の脱酸元素が酸化され易く合金歩留りが低下する。そのため引張強度を低下させ、靭性を著しく劣化させる。これの対策として溶接入熱量を極力抑えるために溶接速度を早くして溶接を行うと、ブローホールや融合不良などの溶接欠陥が生じやすくなる。
このような状況に対し、低水素系被覆アーク溶接棒の低温靭性を良好にするため、例えば特開平６−２８５６８３号公報（特許文献１）には、５９０ＭＰａ級高張力鋼以上の被覆アーク溶接棒に粒度を制限したＭｇを含有させることによって低温靭性を向上させる技術が開示されている。しかしＭｇは低融点であるため棒焼けが発生しやすく、このようになると引張強度を低下させて靭性も著しく劣化させる。
また、特開平７−２５１２９４号公報（特許文献２）には、被覆剤中に添加するＮｉ合金の粒度および成分を規定することによって、Ｎｉのマクロ偏析を減少させ靭性を改善する技術が開示されている。これは一定の効果が認められたが、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ等の脱酸元素の合金歩留まりが不安定であった。
また特開平７−２７６０８１号公報（特許文献３）には、溶接入熱量を低減させるため低電流域でのアークの安定性を改善した技術が開示されている。しかし、炭酸石灰の粒度構成およびマイカの含有量の限定によって低電流域でのアークは安定するが、適正電流域でのアークの吹付け性およびアークの安定性は不良で、融合不良などの溶接欠陥が生じる可能性が高い。このように従来の低水素系被覆アーク溶接棒では、溶着金属の安定した機械的性能を満足するとともに良好な溶接作業性を得ることは非常に困難であった。
本発明は、溶着金属の引張強さが５９０ＭＰａ級以上で安定した機械的性能が得られるとともに、全姿勢溶接においても良好な溶接作業性が得られる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。
本発明の要旨は、鋼心線外周に被覆剤を塗布してなる低水素系被覆アーク溶接棒において、被覆剤の被覆率が２０〜５０％であって、前記鋼心線は、溶接棒全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１３％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜３．５％、Ｎｉ：０．５〜５．０％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：３０〜６０％、金属弗化物の１種または２種以上の合計：８〜２０％を含有し、炭酸塩を除くＣおよび金属状態のＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉのいずれも含有することなく、残部は鉄粉、脱酸剤、スラグ生成剤、アーク安定剤および不可避不純物からなることを特徴とする。また、鋼心線と被覆剤の一方または両方に、合計で溶接棒全質量に対しＣｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種以上を含有することも特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒にある。
本発明の低水素系被覆アーク溶接棒によれば、鋼心線に合金元素を含有させているので溶着金属への合金の歩留りが安定し、５９０ＭＰａ級以上の高張力鋼において優れた溶着金属の機械的性能が得られるとともに全姿勢溶接においても良好な溶接作業性が得られる。したがって、各種鋼構造物に対する溶接継手の信頼性を大幅に向上することができる。
溶接者の技量差により機械的性能が安定しない要因として、前途の通り溶接者により溶接入熱が異なることが主要因となる。すなわち高入熱では耐棒焼け性が劣化し主要な脱酸元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎの合金歩留りが低下するため機械的性能が劣化する。したがって機械的性能を安定に維持しかつ向上させるためには低入熱での溶接が肝要であるが、入熱管理をしなくてはならず、また優れた溶接技量が必要となる。
そこで本発明者らは溶接者の溶接技量に左右されないように、高入熱の溶接においても合金歩留りが低下せず良好な機械的性能を得るために鋼心線成分および被覆剤の成分組成について詳細に検討した。ＪＩＳ Ｇ３５０３には「被覆アーク溶接棒心線用線材」と題する規格があり、「ＳＷＲＹ １１」としてＣ：０．０９％以下、Ｓｉ：０．０３％以下、Ｍｎ：０．３５〜０．６５％の成分と、「ＳＷＲＹ ２１」としてＣ：０．１０〜０．１５％で、ＳｉとＭｎはＳＷＲＹ １１と同じ成分が規定されている。この線材は溶接棒の心線として一般的に使用されており、心線に含有されている量を超えるＳｉ、Ｍｎやその他の元素が溶接棒として必要な場合には、これらを被覆剤に添加することになる。
しかしながら本発明者らは、溶接入熱量に影響されず安定した機械的性能を得るためには、溶融しやすく被覆剤中の脱酸元素の酸化を極力少なくすることが肝要であることから、鋼心線に脱酸元素を添加することがよいと考え、共金系心線の適用可否について種々実験した。その結果、脱酸元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎについては被覆剤から添加させると偏析が起こりやすく合金歩留りがばらつくため鋼心線に含有させることが極めて有効であることを見出した。またＮｉは鋼心線に含有させることでスラグ生成剤やアーク安定剤などを増加させることができるので、スラグが低融点となり粘性が下がりマクロ偏析が緩和され機械的性能が向上した。
したがって本発明においては上記のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉは鋼心線に含有させ、被覆剤には含有させないこととした。なおここでいうＣは炭酸塩を構成するものは該当せず、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉは金属状態のものを指し、酸化物などは該当しない。一方、強脱酸剤であるＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａなどについては溶着金属中にほとんど歩留まらないため被覆剤に含有しても機械的性能は変わらず、もし添加の必要がある場合には製造コストを考えると被覆剤に含有させた方が現実的である。
以下、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒の成分組成の限定理由を説明する。
Ｃは、マルテンサイトを生成し強度を向上させる重要な元素である。一方、Ｃは、脱酸剤でもあるため溶接者の技量差によって溶着金属の化学成分にばらつきが生じやすく、機械的性能が劣化する。鋼心線のＣが溶接棒全質量に対して０．０２質量％（以下、％という。）未満ではマルテンサイトが生成されず強度を確保することが困難となる。一方、０．１３％を超えると被覆剤中の炭酸石灰などに含まれるＣ源と合算されるため溶着金属中のＣが過剰になり、溶着金属の強度が高くなり靭性が劣化する。したがって鋼心線中のＣ含有量は、所定の被覆率のときの溶接棒全質量に対して０．０２〜０．１３％とする。
Ｃは、マルテンサイトを生成し強度を向上させる重要な元素である。一方、Ｃは、脱酸剤でもあるため溶接者の技量差によって溶着金属の化学成分にばらつきが生じやすく、機械的性能が劣化する。鋼心線のＣが溶接棒全質量に対して０．０２質量％（以下、％という。）未満ではマルテンサイトが生成されず強度を確保することが困難となる。一方、０．１３％を超えると被覆剤中の炭酸石灰などに含まれるＣ源と合算されるため溶着金属中のＣが過剰になり、溶着金属の強度が高くなり靭性が劣化する。したがって鋼心線中のＣ含有量は、所定の被覆率のときの溶接棒全質量に対して０．０２〜０．１３％とする。
鋼心線のＳｉは、溶着金属の脱酸を目的に使用され、ＣやＭｎと比較して脱酸力が高いので、被覆剤から添加すると溶接者の技量による溶着金属成分のばらつきが大きくなる。鋼心線のＳｉが溶接棒全質量に対して０．０５％未満では脱酸不足によりピットやブローホールなどの溶接欠陥が生じて健全な溶着金属が得られない。一方、１．５％を超えると溶融金属の粘性が過度に上昇して、特に立向姿勢溶接でビード形状が劣化するとともに溶着金属の靭性を劣化させる。したがって鋼心線中のＳｉ含有量は所定の被覆率のときの溶接棒全質量に対して０．０５〜１．５％とする。
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として重要である。鋼心線のＭｎが溶接棒全質量に対して０．５％未満では溶着金属中の酸素量が増加して靭性が劣化するとともに強度の確保が困難である。一方、３．５％を超えるとスラグの粘性が高くなるためビード形状が劣化する。したがって鋼心線中のＭｎ含有量は所定の被覆率のときの溶接棒全質量に対して０．５〜３．５％とする。
Ｎｉは、低温靭性の改善に極めて重要な成分である。鋼心線のＮｉが溶接棒全質量に対して０．５％未満では靭性が得られない。一方、５．０％を超えるとマクロ偏析が生じて強度および靭性がばらつくようになる。したがって鋼心線中のＮｉ含有量は所定の被覆率のときの溶接棒全質量に対して０．５〜５．０％とする。
Ｍｏ、Ｃｒは、強度保持のために必要に応じて鋼心線と被覆剤の一方または両方に添加する。しかし、鋼心線と被覆剤の一方または両方に合計でＭｏが１．０％超、Ｃｒが１．０％を超えると溶着金属の靭性が劣化する。したがってこれらを添加する場合にはそれぞれ溶接棒全質量に対して１．０％以下とする。
また被覆剤中の金属炭酸塩、金属弗化物および被覆率を限定することが本発明において重要である。
金属炭酸塩はＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３などを指し、アーク中で分解しＣＯ２ガスを発生して溶着金属を大気から遮断しアーク雰囲気中の水素分圧を下げる効果がある。金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が３０％未満では棒焼けしやすくなり、低入熱の溶接においても合金歩留りが悪くなり機械的性能が劣化する。またスラグの融点が低下しスラグ被包性を劣化させ、さらにガス発生量が少ないのでピットやブローホールが発生する。一方、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が６０％を超えるとスラグの粘性が高くなりすぎ、立向姿勢溶接が困難でスパッタ発生量の増加とともにビード形状が劣化する。したがって被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計を３０〜６０％とする。
金属炭酸塩はＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３などを指し、アーク中で分解しＣＯ２ガスを発生して溶着金属を大気から遮断しアーク雰囲気中の水素分圧を下げる効果がある。金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が３０％未満では棒焼けしやすくなり、低入熱の溶接においても合金歩留りが悪くなり機械的性能が劣化する。またスラグの融点が低下しスラグ被包性を劣化させ、さらにガス発生量が少ないのでピットやブローホールが発生する。一方、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が６０％を超えるとスラグの粘性が高くなりすぎ、立向姿勢溶接が困難でスパッタ発生量の増加とともにビード形状が劣化する。したがって被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計を３０〜６０％とする。
金属弗化物はＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２などを指し、いずれもスラグの粘性を下げて流動性のよいスラグを作り優れたビード形状となる。また溶着金属中の水素分圧を下げるため耐割れ性が良好である。金属弗化物の１種または２種以上の合計が８％未満では適当なスラグの粘性が得られずビード形成が劣る。一方、２０％を超えるとスラグの粘性が不足しビード形状が劣る。したがって被覆剤全質量に対する質量％で、金属弗化物の１種または２種以上の合計を８〜２０％とする。
なお、その他の被覆剤成分として、溶着効率向上のための鉄粉、溶着金属の脱酸剤としてのＴｉ、ＡｌおよびＭｇ、溶接作業性の調整としてのスラグ生成剤（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等）およびアーク安定剤としてＮａ２Ｏ、Ｋ２ＯおよびＬｉ２Ｏを含有することができる。
被覆率とは溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％を意味し、被覆率が２０％未満では棒焼けしやすくなり、低入熱の溶接においても機械的性能が劣化する。一方、５０％を超えるとスラグ量が多くなりすぎてスラグ巻き込み等の欠陥が発生しやすくなる。したがって被覆率は２０〜５０％とする。なお前記の鋼心線の各成分量は、ある溶接棒においてこの範囲で定められた被覆率のときの、溶接棒全質量に対する質量％を示している。
以下、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒について具体的に説明する。
表１に示す成分の直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍの鋼心線に表２に示す各種被覆剤を塗装して低水素系被覆アーク溶接棒を試作し、溶接者３名による溶着金属試験および溶接作業性の調査を実施した。
表１に示す成分の直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍの鋼心線に表２に示す各種被覆剤を塗装して低水素系被覆アーク溶接棒を試作し、溶接者３名による溶着金属試験および溶接作業性の調査を実施した。
溶着金属試験は、７８０ＭＰａ級高張力鋼板を用いて溶接電流１７０Ａ、平均入熱量１７ｋＪ／ｃｍ、パス間温度９０〜１３０℃でＪＩＳ Ｚ３２１２の溶着金属試験に準じて溶接を行い、溶着金属中央部からＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ１号引張試験片および４号衝撃試験片を採取した。引張強さは各溶接者の試験板から２本、合計６本試験を行い引張強さの最高値と最低値の差が２０ＭＰａ以下を合格とした。衝撃試験は試験温度−４０℃で各溶接者の試験板から５本、合計１５本試験を行い、吸収エネルギーが平均値８０Ｊ以上、最低値６０Ｊ以上を合格とした。
溶接作業性の調査は７８０ＭＰａ級高張力鋼板（板厚１２ｍｍ、幅１００、長さ４００ｍｍ）をＴ型に組み、水平すみ肉溶接は溶接電流１７０Ａ、立向姿勢溶接は１５０Ａで溶接してスパッタ発生状態、ビード形状および溶接欠陥の有無を調査した。それらの結果を表３に示す。
表１ないし表３中溶接棒Ｎｏ．１〜１０が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１１〜２０は比較例である。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜１０は、鋼心線のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉおよび鋼心線と被覆剤のＣｒ、Ｍｏの合計量が適量であり、また被覆剤の金属炭酸塩の合計、金属弗化物の合計および被覆率が適正であるので、溶着金属試験において引張強さおよび吸収エネルギーともにばらつきが少なく溶接作業性も良好で、極めて満足な結果であった。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜１０は、鋼心線のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉおよび鋼心線と被覆剤のＣｒ、Ｍｏの合計量が適量であり、また被覆剤の金属炭酸塩の合計、金属弗化物の合計および被覆率が適正であるので、溶着金属試験において引張強さおよび吸収エネルギーともにばらつきが少なく溶接作業性も良好で、極めて満足な結果であった。
比較例中溶接棒Ｎｏ．１１は、鋼心線のＣが少ないので溶着金属の引張強さが低く最高値と最低値の差が大きく、さらに吸収エネルギーの最低値が低かった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、鋼心線のＣが多いので溶着金属の引張強さが高くなり吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、鋼心線のＣが多いので溶着金属の引張強さが高くなり吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１３は、鋼心線のＳｉが少ないので水平すみ肉溶接でピットおよびブローホールが生じた。また、鋼心線と被覆剤のＣｒの合計が多いので溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１４は、鋼心線のＳｉが多いので立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、溶着金属の吸収エネルギーも低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１４は、鋼心線のＳｉが多いので立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、溶着金属の吸収エネルギーも低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１５は、鋼心線のＭｎが少ないので溶着金属の引張強さが低く吸収エネルギーも低値であった。また、被覆剤の被覆率が大きいので立向姿勢溶接でスラグ巻き込み欠陥が生じた。
溶接棒Ｎｏ．１６は、鋼心線のＭｎが多いので立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、Ｍｏが多いので溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１６は、鋼心線のＭｎが多いので立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、Ｍｏが多いので溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１７は、鋼心線のＮｉが少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
溶接棒Ｎｏ．１８は、被覆剤の金属炭酸塩の合計が多いのでスパッタ発生量が多く立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、鋼心線のＮｉが多いので溶着金属の引張強さの最高値と最低値の差が大きく、さらに吸収エネルギーの最低値が低かった。
溶接棒Ｎｏ．１８は、被覆剤の金属炭酸塩の合計が多いのでスパッタ発生量が多く立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、鋼心線のＮｉが多いので溶着金属の引張強さの最高値と最低値の差が大きく、さらに吸収エネルギーの最低値が低かった。
溶接棒Ｎｏ．１９は、被覆剤の金属弗化物の合計が少ないので立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、被覆剤の金属炭酸塩の合計が少ないので溶着金属の引張強さの最高値と最低値の差が大きく、さらに吸収エネルギーの最低値が低かった。
溶接棒Ｎｏ．２０は、被覆剤の金属弗化物の合計が多いので立向姿勢溶接でビード形状が不良であった。また、被覆剤の被覆率が小さいので溶着金属の引張強さの最高値と最低値の差が大きく、さらに吸収エネルギーの最低値が低かった。
Claims (2)
- 鋼心線外周に被覆剤を塗布してなる低水素系被覆アーク溶接棒において、被覆剤の被覆率が２０〜５０％であって、前記鋼心線は、溶接棒全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１３％、Ｓｉ：０．０５〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜３．５％、Ｎｉ：０．５〜５．０％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：３０〜６０％、金属弗化物の１種または２種以上の合計：８〜２０％を含有し、炭酸塩を除くＣおよび金属状態のＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉのいずれも含有することなく、残部は鉄粉、脱酸剤、スラグ生成剤、アーク安定剤および不可避不純物からなることを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。
- 鋼心線と被覆剤の一方または両方に、合計で溶接棒全質量に対しＣｒ：１．０％以下、Ｍｏ：１．０％以下の１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の低水素系被覆アーク溶接棒。
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