JP5462147B2 - サブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、化学プラント及び圧力容器等のように、強度と靭性を要求される溶接継手又は溶接肉盛部位の作成に使用されるＣｒ−Ｍｏ系のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に、溶接金属の低水素化及び低酸素化が可能となるサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。

Ｃｒ−Ｍｏ鋼等の高強度鋼用のサブマージアーク溶接用ワイヤは、高強度化及び高靭性化を目的として種々の合金元素が添加されているが、合金元素量の増加に伴い製造性（伸線加工性）が劣化するという問題がある。この問題を解決すべく、これまでに種々のフラックス入りワイヤが開発されてきたが、高強度及び高靭性の溶接金属を得るには、溶接金属中の酸素を低減し、且つ拡散性水素も低減する必要がある。

特許文献１には、低酸素化を目的として、強脱酸のＭｇ及びＡｌの添加を試みたが、Ｍｇの添加は水素量の増加を招いて低温割れブローホールを引起こし、また、Ａｌの添加は粗大な酸化物の増加を招いて靭性・強度を劣化させるという問題点があったと記載されている。そこで、特許文献１の発明では、充填フラックス中のＣ量を増加させて低酸素化を実現した。即ち、特許文献１の発明では、充填フラックス中にＣを含有することにより、外皮からのＣによる脱酸よりも、効率的にカーボン脱酸を行っている。

特開２００９−３４７２４

しかしながら、Ｃｒ−Ｍｏ鋼の溶接金属においては、Ｃ量の増加は硬度超過と靭性劣化を招き、Ｃ量の増加による低酸素化及び低水素化の手段は、適用できないという問題点がある。即ち、低合金耐熱鋼の溶接では、Ｃを充填フラックスに添加すると、溶接金属における偏析の問題が生じ、脱酸効果の安定性が劣化するという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低酸素化及び低水素化により高強度及び高靭性の溶接金属を優れた溶接作業性で得ることができるサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ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フラックス入りワイヤは、鋼製外皮の中にフラックスを充填したサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、前記外皮とフラックスとの合計成分で、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０７乃至０．１９質量％、Ｓｉ：０．０５乃至１．３０質量％、Ｍｎ：０．６０乃至２．８０質量％、Ｃｒ：１．００乃至５．８０質量％、Ｍｏ：０．３０乃至１．５０質量％、Ｆｅ：７０乃至９５質量％、Ｍｇ：０．１０乃至１．２０質量％、ＢａＦ_２：０．１０乃至６．００質量％を含有することを特徴とする。

このサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、更に、金属炭酸塩をＣＯ_２換算で２．０質量％以下含有することができる。

また、本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤは、更に、金属弗化物をＦ換算で２．５質量％以下含有することができる。

更に、本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤは、Ｖを０．１０乃至０．５０質量％含有することができる。

更にまた、本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤは、Ｎｂを０．０１乃至０．０５質量％含有することができる。

更にまた、本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤは、溶接ワイヤと共に、被溶接材に供給されるフラックスとして、ＣａＦ_２及びＢａＦ_２のいずれか一方又は双方を１０質量％以下含有した焼結型フラックスを使用するものであることが好ましい。

本発明に係るサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤは、フラックス中に、金属弗化物として、ＢａＦ_２ を０．１０乃至６．００質量％含有しているので、このフラックス入りワイヤを使用して溶接することにより得られた溶接金属は、溶接金属酸素量を３００ｐｐｍ以下、拡散性水素量を４ｍｌ／１００ｇ以下にすることができる。

本発明の試験に使用した鋼板の開先形状を示す図である。

以下、本発明について、詳細に説明する。本発明者らは、本発明の課題を解決するために、鋼製外皮とフラックスとの合計成分において、特に、金属Ｍｇ又は合金ＭｇとＢａＦ_２の添加量について着目し、これらの量を種々変化させて、溶接金属酸素量及び拡散性水素量に及ぼす影響について、種々実験研究を重ねた。その結果、溶接ワイヤの金属Ｍｇ又は合金ＭｇとＢａＦ_２の添加量を最適化することにより、溶接金属の酸素量及び拡散性水素量が低減され、かつ良好な作業性を確保できることを見出した。

本発明のフラックス入りワイヤは、フラックス中に、金属弗化物として、ＢａＦ_２ を０．１０乃至６．００質量％含有している。本発明においては、従来のように、被溶接材上にまくフラックスとしてではなく、ワイヤ中のフラックスにＢａＦ_２を添加して、溶融池にワイヤからＢａＦ_２を添加しているので、酸素量を抑制しつつ、低塩基性フラックス並みの作業性を確保することができる。このような効果を得るために、ワイヤ中のフラックスは、ワイヤ全質量あたり、ＢａＦ_２ を０．１０乃至６．００質量％含有することが必要である。

また、本発明においては、フラックス入りワイヤに添加する金属弗化物はフッ化バリウムであることが必須であり、他の弗化物では効果が得られない。このように、本発明の効果を得るために重要なことは、ＢａＦ_２の添加にあるが、更に、このＢａＦ_２の効果は、金属Ｍｇ又は合金Ｍｇと併用して初めて発揮される。即ち、本発明の課題を解決するためには、ＢａＦ_２のみでは不十分で、Ｍｇとの相乗作用が重要となる。

ワイヤ中のフラックスに添加したＢａＦ_２は、高塩基度の溶融スラグを形成し、溶融金属の脱酸に寄与するが、一部には、アーク中で解離し、弗素ガスを生成する。Ｂａはイオン化エネルギーが小さいため、ＢａＦ_２の解離による弗素ガス生成及び大気遮断効果が大きい。他の弗化物ではなく、ＢａＦ_２を使用する理由はこの点にある。このように、本発明の効果を得るために重要なことは、ワイヤ中のフラックスへのＢａＦ_２の添加にあるが、更に、このＢａＦ_２の効果は、金属Ｍｇ又は合金Ｍｇと併用して更に有効に発揮される。即ち、本発明の課題を解決するためには、ＢａＦ_２の添加のみでは不十分で、Ｍｇの添加との相乗作用が重要となる。また、サブマージアーク溶接ではフラックス入りワイヤと被溶接材上に供給されるフラックスとの組み合わせで溶接が行われるが、本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤの構成であれば、任意のフラックスとの組み合わせでも低水素化及び低酸素化の効果が得られる。

一方では、Ｍｇは水素貯蔵合金としても用いられるように、水素は吸着（吸収）しやすく、溶接金属の拡散性水素量の面からは不適切な原料ではある。しかし、本願発明者らの実験研究によれば、ＢａＦ_２との併用により、このＭｇの欠点を補完できることが判明した。

なお、本発明は低合金耐熱鋼の溶接に使用して多大の効果を発揮する。溶接対象が他の鋼種では、ＢａＦ_２とＭｇとの相乗効果は若干低下する。

また、本発明においては、更に、ＣａＦ_２＋ＢａＦ_２≦１０質量％の焼結型フラックスを併用することで、高塩基性フラックスに見られる作業性の劣化が抑えられ、より溶接作業性も良好となる。本発明では、焼結型フラックスから、塩基性成分であるＣａＦ_２＋ＢａＦ_２を供給しているので、溶接ワイヤのフラックスからの塩基性成分の添加は最小限に抑えることができ、溶接時の作業性の劣化を抑制することができると共に、溶融スラグの塩基度は、従来のように溶接ワイヤに高塩基性フラックスを使用した場合と同様に高めることができるので、溶接金属中の酸素量を高塩基性のフラックス入りワイヤを使用した場合と同等の酸素量に抑制することができる。これにより、溶接作業性と、溶接金属の低酸素量化及び低水素量化とが実現される。

以下、本発明のフラックス入りワイヤにおける成分添加理由及び組成限定理由について説明する。この組成は、鋼製外皮と外皮内のフラックスとの合計成分で規定したものである。

「Ｃ：０．０４乃至０．１９質量％」
Ｃは、溶接金属の焼入れ性に大きな影響を及ぼし、室温及び高温での強度と靱性を確保するために重要な役割を有する元素である。ワイヤ中のＣが０．０４質量％未満では焼入れ性が不十分のため強度・靭性が不足する。一方、Ｃが０．１９質量％を超えると、過度に硬化し、靭性の劣化を招き、且つ、溶接凝固時に高温割れを招く。従って、ワイヤ中のＣ量は０．０４乃至０．１９質量％とする。より好ましくは、ワイヤのＣは０．０７乃至０．１９質量％である。

「Ｓｉ：０．０５乃至１．３０質量％」
Ｓｉは脱酸作用により溶接金属を浄化する。また溶融プールの粘性を高めて溶接部と母材とのナジミを良好にする効果を持つ。ワイヤ中のＳｉが０．０５質量％未満では脱酸の効果が十分に得られず、同時に溶接金属の被溶接材への「ナジミ」が劣化する。一方、Ｓｉが１．３０質量％を超えると、溶接金属に過度にＳｉが歩留るため、強度が高くなり、靭性が劣化する。また、Ｓｉは不純物の粒界偏析を助長するため、１．３０質量％を超えると、溶接金属の焼戻し脆化特性が低下する。従って、ワイヤ中のＳｉ量０．０５乃至１．３０質量％とする。より好ましくは、溶接ワイヤのＳｉ量は０．０５乃至１．１０である。

「Ｍｎ：０．６０乃至２．８０質量％」
ＭｎはＣと同様に溶接金属の焼入れ性に大きな影響を及ぼし、靭性確保に重要な役割を果たす。ワイヤ中のＭｎが０．２０質量％未満では十分な焼入れ性が得られず、靭性が劣化する。特に、本発明のようなＣｒＭｏ系の溶接金属は、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）における炭化物による析出硬化が避けられないため、Ｍｎを添加し靭性を底上げしておくことは必須である。一方、ＭｎはＳｉと同様に不純物の粒界偏析を助長するため、２．８０質量％を超えると、溶接金属の焼戻し脆化特性が低下する。従って、ワイヤ中のＭｎ量０．６０乃至２．８０質量％とする。より好ましくは０．６０乃至２．１０である。

「Ｃｒ：１．００乃至５．８０質量％」
ＣｒとＭｏは耐熱性に優れたＣｒ乃至Ｍｏ鋼の主要構成元素であり、Ｖ及びＮｂと同様に炭化物の生成によって溶接金属の強度を向上させる。ワイヤ中のＣｒが１．２０質量％未満では炭化物を作るのに十分ではなく、強度が不足する。一方、Ｃｒが５．８０質量％を超えると、溶接金属の焼入れ性が増大し、靭性が劣化する。従って、ワイヤ中のＣｒ量は１．００乃至５．８０質量％とする。

「Ｍｏ： ０．３０乃至１．５０質量％」
ＣｒとＭｏは耐熱性に優れたＣｒ−Ｍｏ鋼の主要構成元素であり、Ｖ及びＮｂと同様に、炭化物の生成によって溶接金属の強度を確保する。ワイヤ中のＭｏが０．２０質量％未満では、炭化物を形成するのに十分ではなく、強度が不足する。一方、Ｍｏが１．５０質量％を超えると、Ｍｏを含む炭化物の析出が過剰となり、靭性が劣化する。従って、ワイヤ中のＭｏ量は０．３０乃至１．５０質量％とする。

「Ｆｅ：７０乃至９５質量％」
Ｆｅは溶着金属量を増加させる効果を有し、溶接施工効率を上昇させる。また、他のフラックス原料と混ざり合い、フラックスの流動性を良好にし、フラックス充填率の変動を抑制する。Ｆｅが７０質量％未満では上記の効果が得られない。一方、Ｆｅが９５質量％を超えると、前述の種々のフラックス成分を添加できなくなる。従って、ワイヤ中のＦｅ量は７０質量％乃至９５質量％とする。なお、フラックス充填率は本発明の場合、５乃至３０質量％の範囲で適切に調整すればよい。

「Ｍｇ：０．１０乃至１．２０質量％、ＢａＦ_２：０．１０乃至６．００質量％」
ＭｇとＢａＦ_２の複合添加は本発明の最も重要な要素である。ＭｇとＢａＦ_２を同時に添加することは、溶接金属の酸素量及び拡散性水素量の低減に重要な役割を果たす。Ｍｇは強力な脱酸剤であるが、フラックス入りワイヤにおいては、大気からの吸湿が避けられず、Ｍｇ添加によっても、溶接金属の低酸素化、特に溶接金属酸素量≦３００ｐｐｍを実現するのが困難である。

また、Ｍｇは水と反応して水素を発生することから、単独の添加では拡散性水素量の観点からは好ましくない。例えば、特開２００８−１０５０３６号公報では、『サブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤのワイヤ中のＭｇ量が０．７０質量％を越えると溶接中にＭｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｈ_２の反応を起こし、水素ガスが発生する』と記載されている。更に、Ｍｇは他のフラックス原料に比較して低比重のため、フラックス中で偏析し易いため、多量に添加するとフラックス中に均一に分散せず、製造が困難となる。

本発明においては、Ｍｇを０．１０乃至１．２０質量％添加するのと同時に、ＢａＦ_２を０．１０乃至６．００質量％添加することで、酸素量と同時に拡散性水素量も低減できることを開示した。本発明では、これらの成分をワイヤに添加し、上記の効果を得ているため、通常、サブマージアーク溶接で低酸素化を意図して行われるような焼結フラックスの高塩基度化は必要ではなく、作業性の劣化を回避できる。従って、ワイヤ中のＭｇ及びＢａＦ_２量は、夫々０．１０乃至１．２０質量％及び０．１０乃至６．００質量％とする。

「金属炭酸塩（ＣＯ_２換算）で２．０質量％以下、金属弗化物（Ｆ換算）で２．５質量％以下」
金属炭酸塩及び金属弗化物は、いずれも脱酸剤及びスラグ形成材として、必要に応じて添加することができる。本発明では、ワイヤ中にＢａＦ_２が０．１０乃至６．００質量％添加されるため、金属炭酸塩及び金属弗化物の過度の添加は溶接作業性の劣化（ポックマークの発生）及び溶接効率の低下を招く。従って、金属炭酸塩及び金属弗化物を添加する場合、ワイヤ中の金属炭酸塩（ＣＯ_２換算）及び金属弗化物（Ｆ換算）は夫々２．０質量％以下及び２．５質量％以下とする。なお、この場合の金属弗化物（Ｆ換算）はＢａＦ_２由来のＦは含まない。

「Ｖ：０．１０乃至０．５０質量％、Ｎｂ：０．０１乃至０．０５質量％」
Ｖ及びＮｂはＣｒ、Ｍｏに比べて少量の添加により、溶接金属の強度を大きく向上させる効果を有する。このため、Ｖ及びＮｂは必要に応じて添加される。しかし、両元素とも過剰な添加は硬度超過と靭性の劣化を招く。特に、Ｎｂ添加による効果はＶ添加によるそれと比較しても大きい。従って、Ｖ及びＮｂを添加する場合、ワイヤ中のＶ及びＮｂ量は夫々Ｖ：０．１０乃至０．５０質量％及びＮｂ：０．０１乃至０．０５質量％とする。より好ましくは、Ｖ及びＮｂは、Ｖ：０．１０乃至０．４０質量％及びＮｂ：０．０１乃至０．０４質量％である。

「組合せる焼結型フラックスの組成がＣａＦ_２＋ＢａＦ_２≦１０質量％」
組み合わせる焼結型フラックスには、ＣａＦ_２及びＢａＦ_２のいずれか一方又は双方を含むことが好ましい。この場合に、ＣａＦ_２及びＢａＦ_２の合計含有量は１０質量％以下とする。この合計含有量が１０質量％を超えると、ビード外観（リップル形状）がやや悪くなる。従って、組合せる焼結型フラックスの組成は、ＣａＦ_２＋ＢａＦ_２≦１０質量％であることが好ましい。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。下記表１(実施例)及び表２(比較例)に本試験に用いたワイヤの化学組成を示す。下記表３に本試験に用いた焼結フラックスの化学組成を示す。これらのワイヤを下記表４に示す条件で溶接した。なお、溶接母材には溶接金属に近い成分の鋼板（厚さ２０ｍｍ）を用いた。開先形状を図１に示す。被溶接材１に開先角度３０°、ルートギャップ１３ｍｍの開先を設け、その下方に裏当材２を設けた。表５及び表６に溶接金属の評価結果を示す。なお、表５及び表６において、「−」の記号は、測定していないか、又は備考がないものを示す。また、焼結型フラックス組成を示す表３において、請求項６を満足するものを実施例、請求項６を満足しないものを比較例と記載したが、表５において、ワイヤ組成が本発明の請求項１を満たすフラックス入りワイヤを使用した場合の溶接金属を実施例といい、ワイヤ組成が本発明の請求項１から外れるフラックス入りワイヤを使用した場合の溶接金属を比較例という。

この表５及び表６に示すように、本発明の実施例の溶接ワイヤにより溶接した溶接金属は、溶接金属の酸素量及び拡散性水素量が低く、このため、強度及び靭性が優れたものであることが推定される。また、溶接作業性も良好であった。なお、本発明の請求項６から外れる焼結型フラックスを使用した実施例（溶接金属Ｄ−１３〜Ｄ−１６）はリップルがやや粗いものであった。これに対し、比較例の溶接ワイヤを使用した場合（Ｄ−１７〜Ｄ−３６）には、比較例の溶接金属D−２９及びＤ−３１に示されているように、溶接金属酸素量が高く、また拡散性水素量も高いものであった。このため、備考欄に示されているように、これらの比較例の溶接金属Ｄ−１７〜Ｄ３６は強度及び靭性等が問題となる。

１：被溶接材
２：裏当材

Claims (6)

1. 鋼製外皮の中にフラックスを充填したサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
   前記外皮とフラックスとの合計成分で、
   ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０７乃至０．１９質量％、Ｓｉ：０．０５乃至１．３０質量％、Ｍｎ：０．６０乃至２．８０質量％、Ｃｒ：１．００乃至５．８０質量％、Ｍｏ：０．３０乃至１．５０質量％、Ｆｅ：７０乃至９５質量％、Ｍｇ：０．１０乃至１．２０質量％、ＢａＦ_２：０．１０乃至６．００質量％を含有することを特徴とするサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
2. 更に、金属炭酸塩をＣＯ_２換算で２．０質量％以下含有す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フラックス入りワイヤ。
3. 更に、ＢａＦ_２以外の金属弗化物をＦ換算で２．５質量％以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
4. 更に、Ｖを０．１０乃至０．５０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
5. 更に、Ｎｂを０．０１乃至０．０５質量％含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
6. 溶接ワイヤと共に、被溶接材に供給されるフラックスとして、ＣａＦ_２及びＢａＦ_２のいずれか一方又は双方を１０質量％以下含有した焼結型フラックスを使用するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。

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