JP5596572B2

JP5596572B2 - 低水素系被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP5596572B2
Application number: JP2011006047A
Authority: JP
Inventors: 佑介齋藤; 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: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012143810A

Description

本発明は、低水素系被覆アーク溶接棒に関し、特にパイプの円周溶接などにおいて用いられる裏波溶接において、アークの安定性に優れ、良好な裏波ビード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。

炭酸カルシウムおよび金属弗化物を主成分とする低水素系被覆アーク溶接棒は、イルミナイト系やライムチタニア系被覆アーク溶接棒に比べて裏波溶接に適し、機械的性質が優れている。さらに立向下進溶接で裏波溶接が可能な高セルロース系被覆アーク溶接棒に比べて拡散性水素が少なく耐割れ性に優れることからパイプラインなどの裏波溶接にも多く用いられている。

近年、裏波溶接においては、安全面、特に溶接作業者の感電防止のために、二次側無負荷電圧が低電圧に制御された溶接機が増加しており、このような溶接機を用いて従来の低水素系被覆アーク溶接棒で裏波溶接を行うと、アークが不安定となりアーク切れが発生し、健全な裏波ビードが得難いという問題があった。

低水素系被覆アーク溶接棒のアーク切れを改善する方法としては、アーク安定剤やＡｌ−Ｍｇ、Ｍｇなどを被覆剤中に添加することが知られており、これらの技術によって、アーク切れを減少させることができるが、アーク力が弱くなり過ぎて充分な裏波ビードが形成されないという問題があった。

また、特開平５−２１２５８６号公報（特許文献１）には、平均粒径を限定したカリ長石を被覆剤中に添加してアーク切れを減少し、安定した裏波ビードを確保できる技術が提案されている。しかし、カリ長石は結晶水を含むため、拡散性水素量が多くなり耐割れ性が劣化するという問題があり、多量に使用することは困難である。

また、特開２０００−１１７４８７号公報（特許文献２）には、被覆剤中のルチールやアルミナを適正含有量とし、アークの安定性と裏波ビードを改善する技術の提案がある。しかし、溶接機の無負荷電圧が低い場合にはアーク切れを減少させることはできなかった。

このように、諸性能を満足しつつ、アーク切れを防止できると共に裏波ビードの形状が良好で、かつ安定した裏波ビードを確保できる低水素系被覆アーク溶接棒を得ることは困難であった。

特開平５−２１２５８６号公報特開２０００−１１７４８７号公報

本発明は、パイプの初層溶接などにおいてアーク安定性に優れてアーク切れが生じず、良好な裏波ビード形状を確保でき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、軟鋼心線に被覆剤が塗布されている低水素系被覆アーク溶接棒において、平均粒径が７０〜１２０μｍのチタン酸カリウム：２〜１０質量％、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：４０〜５８質量％、金属弗化物の１種または２種以上の合計：４〜１２質量％、ルチール：４〜１２質量％、カリ長石：２〜８質量％を含有し、残部は、スラグ生成剤、鉄粉、合金剤、脱酸剤、塗装剤、水ガラスおよび不可避的不純物からなる被覆剤を塗布したことを特徴とする。

本発明の低水素系被覆アーク溶接棒によれば、二次側無負荷電圧の低い溶接機を用いても、パイプの初層溶接などにおいてアーク切れを防止でき均一な裏波ビードが得られ、一般的溶接作業性も良好であるので溶接能率が大幅に改善できるなど、産業上寄与するところ大なるものである。

本発明者らは、低水素系被覆アーク溶接棒を使用したときのアーク切れが防止でき、すなわちアーク安定性を得られ、かつ溶接後においても良好な溶接ビードを得るための手段として、低水素系被覆アーク溶接棒の溶接作業性に影響するＫ_２Ｏ源に着眼し、鋭意研究を進めた。

一般に低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤に使用するＫ_２Ｏ源は、水ガラス中の珪酸カリウム、含水鉱物であるカリ長石や、カリガラスおよびチタン酸カリウムなどである。
まず、水ガラス中の珪酸カリウムを多くしＫ_２Ｏ源を多く含有させようと試みたが、過度に珪酸カリウムを含有させると水ガラスによる固着力が弱くなり、溶接棒製造時の塗装性が劣化し、溶接棒の乾燥工程において被覆剤の表面に割れを生じやすくなり、溶接棒の生産性が低下した。

次いで、カリガラスを使用した結果、アーク状態は良くなったが、スラグ剥離性が悪くなり溶接作業性が悪くなった。また、カリガラスは吸湿し易く溶接棒中の水素源となるので低水素系被覆アーク溶接棒への適用は難しい。

さらに、カリ長石はスラグの粘性を高めると共に、アークの集中性を向上させる作用を有する成分であるので、カリ長石からの添加を試みた。その結果、裏波溶接時に良好な裏波ビードを形成して溶接を容易にすると共に、低電流溶接時のアーク安定性を維持するために有効な原料であった。しかし、被覆剤中のカリ長石の含有量が増加すると、拡散性水素量が多くなり耐割れ性が劣化するという問題があるため多量に使用することは難しい。

そこで、チタン酸カリウムからのＫ_２Ｏ源の添加を検討した結果、チタン酸カリウムの平均粒径を限定し、適量含有させることにより、良好な裏波ビードを形成して裏波溶接を容易にすることができるとともに、低電流溶接時のアーク安定性を維持できることが判明した。
以下、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒について、被覆剤中における各組成の含有量の限定理由について詳細に説明する。以下、組成における質量％は、単に％と記載する。

［チタン酸カリウム：２〜１０％］
被覆剤中のチタン酸カリウムは、アークを安定にして良好な裏波ビードを形成する。チタン酸カリウムが２％未満では、アークが不安定でアーク切れが生じる。また、健全な裏波ビードが得られない。一方、１０％を超えて添加すると、スラグの剥離性が劣化し、裏波ビードも十分形成されない。

［チタン酸カリウムの平均粒径：７０〜１２０μｍ］
チタン酸カリウムの平均粒径は、本発明で最も重要な部分で、アークの安定性と裏波ビードの形成に大きく影響する。チタン酸カリウムの平均粒径が７０μｍ未満では、アーク電圧が低下してアーク切れが生じやすく、良好な裏波ビードが得られない。一方、平均粒径が１２０μｍを超えると、アーク電圧が上昇してアーク切れは生じないが、裏波ビードの出方が小さく、健全なビードを得ることができなくなる。

［金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：４０〜５８％］
金属炭酸塩は炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン、炭酸マグネシウムなどを指し、アーク中で分解してＣＯ_２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種の合計が４０％未満であると、シールド効果が不足してブローホールが発生しやすくなる。一方、５８％を超えると、アークの吹きつけが弱くなりアークが不安定になる。また裏波ビードの出方が小さく、健全なビードを得ることができなくなる。

［金属弗化物の１種または２種以上の合計：４〜１２％］
金属弗化物は蛍石、弗化バリウム、弗化マグネシウム、弗化アルミニウムなどを指し、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する。また、アーク雰囲気中の水素分圧を下げて耐割れ性を向上させる。金属弗化物の１種または２種以上の合計が４％未満であると、適当なスラグの粘性が得られず表ビード形状が劣る。一方、１２％を超えると、アークが不安定になるとともにスラグ剥離性が劣化する。

［ルチール：４〜１２％］
ルチールはアーク安定剤およびスラグの粘性の調整剤として必須である。ルチールが４％未満であると、アークが不安定となり良好な裏波ビードを得ることが困難となる。一方、１２％を超えると、立向姿勢および上向姿勢の溶接時にスラグの粘性が高くなりスラグの流れが低下するので、ビード形状が凸状となる。

［カリ長石：２〜８％］
カリ長石は前述の如くスラグの粘性を高め、裏波溶接時には適切な粘性のスラグを得ることができると共に、アークの集中性を向上するので、良好な裏波溶接を実施することができる。しかし、カリ長石は含水鉱物であるため拡散性水素量が多くなり耐割れ性が劣化する。カリ長石が２％未満であると、スラグの粘性が低く、アークが集中しないので良好な裏波ビードを得ることが困難となる。一方、８％を超えると、拡散性水素量が多くなり耐割れ性が劣化する。

なお、前記被覆剤組成として使用する以外の被覆剤としては、スラグ生成剤として珪砂、珪灰石、アルミナ、セリサイト等の１種以上を合計で１５％以下、合金剤としてフェロシリコン、フェロマンガン、シリコンマンガン、金属マンガン等の１種以上を合計で１０〜２８％、脱酸剤としてマグネシウム、アルミマグネシウム、フェロアルミニウム等の１種以上を合計で３％以下、塗装剤としてマイカ、アルギン酸ソーダ等の１種以上を合計で４％以下、その他水ガラスは珪酸ソーダ、珪酸カリウム等の固質成分を含む。また、被覆剤の軟鋼心線への被覆率は、２５〜３８％とする。

本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
平均粒径を種々変えたチタン酸カリウムと各種成分組成の被覆剤との組合せにより、直径３．２ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆率３２％で被覆塗装後乾燥して、表１に示す各種低水素系被覆アーク溶接棒を試作した。

試作した低水素系被覆アーク溶接棒用いて、ＪＩＳＺ３１１８に準じて拡散性水素量を測定した。また、軟鋼パイプ（肉厚；９ｍｍ、内径；１５０ｍｍ、開先角度；６０°、ギャップ；２．５ｍｍ、ルートフェイス；１．５ｍｍ）を水平固定管とし、二次側無負荷電圧が７０Ｖの交流溶接機を用い、溶接電流８５Ａで各試作溶接棒６本を使用して上向姿勢から順次全姿勢の溶接を実施し、アーク切れ回数、裏波ビード形状、溶接作業性を調査した後、ＪＩＳＺ３１０４に準じて放射線透過試験を行った。

ここで、拡散性水素量は５ｍｌ／１００ｇ以下を良好とした。またアーク切れ回数は、１本当たりの平均アーク切れ回数を調査して皆無であったものを良好とした。また、裏波ビード形状および溶接作業性は前述のアーク切れ回数試験に用いた試験条件で評価した。これらの結果を表２にまとめて示す。

表１および表２中、溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は本発明例、溶接棒Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１６は比較例である。本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は、被覆剤の組成が適切に調整されているので、拡散性水素量が低く、アークが安定してアーク切れもなく裏波ビード形状、スラグ剥離性および表ビードの形状も良好で、ブローホール等の溶接欠陥もないなど、極めて満足な結果であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．９は、チタン酸カリウムの平均粒径が小さいので、アーク切れが発生し、裏波ビードの形状が不均一であった。また、カリ長石が多いので、拡散性水素量が高かった。
一方、溶接棒Ｎｏ．１０は、チタン酸カリウムの平均粒径が大きいので、裏波ビードの出方が少なかった。また、ルチールが多いので、表ビードの形状も不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１１は、チタン酸カリウムが少ないので、アークが不安定でアーク切れが発生した。
また、溶接棒Ｎｏ．１２は、チタン酸カリウムが多いので、裏波ビードの出方が少なく、スラグ剥離性も不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１３は、金属炭酸塩の合計量が少ないので、ブローホールが発生した。また、ルチールが少ないので、アークが不安定で裏波ビードの出方も少なかった。
また、溶接棒Ｎｏ．１４は、金属炭酸塩の合計が多いので、アークが不安定で裏波ビードの出方が少なかった。

溶接棒Ｎｏ．１５は、金属弗化物の合計が少ないので、表ビードの形状が不良で、裏ビードの形状も不均一であった。
また、溶接棒Ｎｏ．１６は、金属弗化物の合計が多いので、アークが不安定で、スラグ剥離性も不良であった。

Claims

軟鋼心線に被覆剤が塗布されている低水素系被覆アーク溶接棒において、平均粒径が７０〜１２０μｍのチタン酸カリウム：２〜１０質量％、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：４０〜５８質量％、金属弗化物の１種または２種以上の合計：４〜１２質量％、ルチール：４〜１２質量％、カリ長石：２〜８質量％を含有し、残部は、スラグ生成剤、鉄粉、合金剤、脱酸剤、塗装剤、水ガラスおよび不可避的不純物からなる被覆剤を塗布したことを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。