JP5843164B2

JP5843164B2 - サブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP5843164B2
Application number: JP2012162968A
Authority: JP
Inventors: 剛正豊田; 太田　誠; 誠太田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: JP2014018852A

Description

本発明は、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。より詳しくは、軟鋼又は低合金鋼を適用した構造物等をサブマージアーク溶接する際に使用されるフラックス入りワイヤに関する。

高張力鋼又は低温用鋼のサブマージアーク溶接ワイヤは、溶接金属部の高強度化や低温靭性の安定化を目的に、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ等の合金成分が添加されており、更に、ワイヤ形態としては、主にソリッドワイヤが使用されている。しかし、溶接構造物等の更なる高強度化や低温靭性安定化のために、ソリッドワイヤの合金成分量は増大し、ワイヤ強度が高くなっている。このため、溶接ワイヤ製造時のワイヤ伸線加工の際に、焼鈍等の熱処理によりワイヤ強度の低減を図ってはいるものの、生産性が良くないという問題がある。また、このような高強度のソリッドワイヤを使用して溶接を行おうとすると、ワイヤ送給が不安定となり、安定した溶接ビードが得られないという問題も生じる。

そこで、従来、サブマージアーク溶接用のフラックス入りワイヤが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの特許文献に記載されたサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤでは、いずれもソリッドワイヤに比べてワイヤの強度が低減されており、ワイヤが硬いことによる生産性及びワイヤ送給性の低下に関しては、改善が認められる。

一方、サブマージアーク溶接にフラックス入りワイヤを使用すると、ソリッドワイヤを使用して溶接した場合と比較して溶け込みが浅くなるため、同じ溶け込み深さを得るためには入熱を高くしなければならず、溶接金属の靭性が劣化するという問題がある。これに対し、特許文献１に記載のサブマージアーク溶接用複合ワイヤでは、充填フラックスの比表面積を特定の範囲にすることにより、溶け込み形状を良好にし、更に、アンダカット等の溶接不良の発生も防止している。

また、フラックス入りワイヤは、ソリッドワイヤと比較して、溶接金属中の水素量が増加して低温割れが生じやすくなったり、溶接金属中の酸素量が増加して靭性が劣化したりするという問題もある。これに対し、特許文献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では、シームレス化により溶接金属中の拡散水素量を低減すると共に、Ｃ及びＣａＦ_２を特定量添加することにより、溶接金属中の酸素量を低減している。

特開２００６−１４２３７７号公報（特許第４２６０１２７号）特開２００９−１３１８７０号公報（特許第４５５８７８０号）

しかしながら、前述した従来技術では、溶接金属の耐低温割れ性の向上及び高靭性化が十分ではなく、特に軟鋼や低合金鋼で顕著である。具体的には、例えば、特許文献１に開示されている従来技術では、同じ板厚での比較では入熱を低減することが可能であるが、厚板を溶接する際には、入熱を低減して、溶接金属を高靭性化することは困難である。また、特許文献２に開示されている従来技術は、シームレスワイヤにすることで拡散性水素量の低減が実現されたものであり、シームを有するワイヤの場合には適用できない。

そこで、本発明は、サブマージアーク溶接により、軟鋼又は低合金鋼を溶接しても、作業性が良好で、かつ耐低温割れ性及び低温靭性に優れた溶接金属が得られ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主目的とする。

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、鋼製外皮と該外皮内に充填されたフラックスとからなり、サブマージアーク溶接に使用されるフラックス入り溶接ワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．００５〜０．４質量％、Ｍｎ：０．５〜４．０質量％、アルカリ金属化合物（アルカリ金属元素換算）：０．０１〜５．５質量％を含有すると共に、Ｓｉ：１．５質量％以下、Ｎｉ：８．０質量％以下、Ｃｒ：１．５質量％以下、Ｍｏ：３．０質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有するものである。
充填フラックス中に融点が高い金属粉末が添加されていると、通電部の鋼製外皮との間で溶融速度に差が生じ、溶融池における均一な混合・攪拌が困難になるため、溶着金属で成分の偏析や不均一化が発生する。一方、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では、融点の低いアルカリ金属化合物（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等）を含有しているため、これらが、溶融補助剤として機能することで、充填フラックス中の金属粉末の溶融が容易になり、溶着金属に成分偏析や不均一が発生しなくなる。
このサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤでは、前記アルカリ金属化合物がＬｉ化合物であってもよい。
その場合、前記Ｌｉ化合物としては、例えばＬｉを含む合金を使用することができ、その中でも特に、Ｌｉ−Ｆｅ、Ｌｉ−Ａｌ、及びＬｉ−Ｍｇからなる群から選択される少なくとも１種の合金が好適である。
なお、ここでいう「合金」には、固溶体、共晶、金属間化合物のいずれの形態も含まれ、以下の説明においても同様である。

本発明によれば、ワイヤ中にアルカリ金属化合物を特定量含有しているため、軟鋼又は低合金鋼を溶接したときに、作業性が良好で、かつ耐低温割れ性及び低温靭性に優れた溶接金属を得ることができる。

本発明の実施例で使用した鋼板の開先形状を示す断面図である。本発明の実施例で使用した電極の配置を示す断面図である。本発明の実施例の窓枠拘束割れ試験で使用した試験体の形状及び寸法を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

＜ワイヤ組成＞
サブマージアーク溶接では、ガスシールドアーク溶接用ワイヤに比べて、ワイヤ径とその適正電流範囲から決定される電流密度が低く、フラックスを溶融させるためにもアーク熱が消費される。このため、サブマージアーク溶接では、ガスシールドアーク溶接ワイヤでは問題にならなかった比較的溶けやすい原料粉末でも溶接金属の成分偏析が発生しやすく、これが低温割れの発生や靭性の不安定化の原因になることが判った。

具体的には、充填フラックス中に、融点が高い金属粉末が添加されていると、通電部の鋼製外皮とフラックスとの溶融速度及びフラックス内の各成分における溶融速度に差が生じ、溶融池において均一な混合・撹拌が困難になるため、溶着金属で成分の偏析や不均一が発生すると考えられる。そこで、本発明者等は、溶接金属における成分偏析を改善する方法について検討を行い、フラックス中に融点が低いアルカリ金属化合物を特定量添加すると、これが溶融補助剤として機能し、充填フラックスに含有される金属粉末が容易に溶融し、溶着金属の成分偏析及び不均一が抑制されることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明の実施形態に係るワイヤは、サブマージアーク溶接に用いられるものであり、ワイヤ全質量あたり、Ｃを０．００５〜０．４質量％及びＭｎを０．５〜４．０質量％を含有すると共に、アルカリ金属化合物をアルカリ金属元素換算で０．０１〜５．５質量％含有している。また、このフラックス入りワイヤでは、Ｓｉを１．５質量％以下、Ｎｉを８．０質量％以下、Ｃｒを１．５質量％以下、Ｍｏを３．０質量％以下、Ｔｉを１．０質量％以下に規制している。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおける残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。以下、本実施形態のワイヤにおける組成限定理由について説明する。

［Ｃ：０．００５〜０．４質量％］
Ｃは脱酸元素であり、適当量の添加により溶接金属中の酸素量を低減し、靱性を向上させる。しかしながら、Ｃ含有量が０．００５質量％未満では、この効果が得られず、強度も不足する。一方、Ｃ含有量が０．４質量％を超えると、強度が過大になって靱性が劣化すると共に、溶接金属の凝固時に粒界に偏析しやすくなって高温割れを生じる。従って、Ｃ含有量は０．００５〜０．４質量％とする。なお、Ｃ含有量は０．０１〜０．３質量％が好ましく、これにより、強度が過大になることによる靱性劣化及び高温割れを回避することができる。

［Ｍｎ：０．５〜４．０質量％］
Ｍｎは、靱性を得るために必須の成分であるが、Ｍｎ含有量が４．０質量％を超えると強度が過大となり、かえって靱性が劣化する。一方、Ｍｎ含有量が０．５質量％未満では十分な靱性を得られない。従って、Ｍｎ含有量は０．５〜４．０質量％とする。なお、Ｍｎ含有量は１．０〜３．０質量％が好ましく、これにより十分な靭性を得ることができる。なお、ＭｎはＭｎ単体の他、Ｆｅ−Ｍｎ等の形態で添加することができる。

［アルカリ金属化合物：（アルカリ金属元素換算）０．０１〜５．５質量％］
アルカリ金属化合物は、一般的な金属粉体と比べて融点が低く、充填フラックス中に添加すると溶融補助剤として金属粉体の溶融を促進する効果がある。しかしながら、アルカリ金属化合物の含有量が、アルカリ金属元素換算で０．０１質量％未満の場合、その効果が得られない。一方、アルカリ金属化合物の含有量が５．５質量％を超えると、フラックスが吸湿しやすくなり、耐低温割れ性が劣化する。

従って、アルカリ金属化合物の総含有量は、アルカリ金属元素換算で０．０１〜５．５質量％とする。なお、ワイヤ中に複数のアルカリ金属化合物が添加されている場合は、その合計が、アルカリ金属元素換算で０．０１〜５．５質量％となるようにする。なお、アルカリ金属化合物の含有量は、アルカリ金属元素換算で０．０１〜３．０質量％とすることが好ましく、これにより溶接金属の成分偏析及び不均一を抑制することができる。

本実施形態のフラックス入りワイヤに添加されるアルカリ金属化合物は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属類を含む化合物であればよく、鉄化合物、弗化物、炭酸化合物等の形態で添加することができる。また、アルカリ金属化合物は、吸湿性の観点から、合金が好適である。なお、ここでいう、「合金」には、固溶体、共晶、及び金属間化合物の全てが含まれる。

更に、アルカリ金属化合物としては、脱窒効果を有するＬｉ化合物を使用することが好ましく、これにより、溶接金属の靭性を更に向上させることができる。各種Ｌｉ化合物の中でも、特に、Ｌｉ−Ｆｅ、Ｌｉ−Ａｌ及びＬｉ−Ｍｇ等のＬｉを含む合金は、吸湿しにくい性質であることから、アルカリ金属化合物には、Ｌｉ−Ｆｅ、Ｌｉ−Ａｌ及びＬｉ−Ｍｇのうち少なくとも１種の合金を使用することが好ましい。これにより、耐低温割れ性を向上させることができる。

［Ｓｉ：１．５質量％以下］
Ｓｉは脱酸元素であり、特定量添加することで溶接金属中の酸素量を低減し、靱性を向上させる効果はあるが、母材である鋼板成分にＳｉが適当量含まれている場合は積極的に添加しなくてもよい。一方、母材にＳｉが含まれていない場合は、ワイヤ成分として添加する必要があるが、ワイヤ中に含有されるＳｉの量が１．５質量％を超えると、強度が過大となり、溶接金属の靱性が劣化する。

従って、本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、Ｓｉ含有量を１．５質量％以下に規制する。なお、溶接金属の靱性劣化回避の観点から、Ｓｉ含有量は１．０質量％以下に規制することが好ましい。また、Ｓｉは、Ｓｉ単体の他、Ｆｅ−Ｓｉ、ＳｉＣ等の形態で添加することができる。

［Ｎｉ：８．０質量％以下］
Ｎｉは、溶接金属の強度及び靭性を向上させる効果があるが、積極的に添加する必要はない。一方、高張力鋼や低温用鋼の溶接においては、ワイヤ成分にＮｉを添加することにより、溶接金属の強度や低温域での靭性を向上させることができる。ただし、その場合でも、ワイヤ中に含有されるＮｉの量が８．０質量％を超えると、オーステナイト粒径が粗大化し、靭性が劣化するため、本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、Ｎｉ含有量を８．０質量％以下に規制する。

なお、溶接金属の靱性劣化回避の観点から、Ｎｉ含有量は５．０質量％以下に規制することが好ましい。また、Ｎｉは、Ｎｉ単体の他、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｍｏ等の形態で添加することができる。

［Ｃｒ：１．５質量％以下］
Ｃｒは、溶接金属の強度を向上させる効果があるが、積極的に添加する必要はない。一方、高張力鋼の溶接においては、ワイヤ成分にＣｒを添加することにより、溶接金属の強度を向上させることができる。ただし、その場合でも、ワイヤ中に含有されるＣｒの量が１．５質量％を超えると、強度が過大となり、溶接金属の靭性が低下するため、本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、Ｃｒ含有量を１．５質量％以下に規制する。

なお、溶接金属の靱性劣化回避の観点から、Ｃｒ含有量は１．０質量％以下に規制することが好ましい。また、Ｃｒは、Ｃｒ単体の他、Ｆｅ−Ｃｒ等の形態で添加することができる。

［Ｍｏ：３．０質量％以下］
Ｍｏは、溶接金属の強度を向上させる効果があるが、積極的に添加する必要はない。一方、高張力鋼の溶接においては、ワイヤ成分にＭｏを添加することにより、溶接金属の強度を向上させることができる。ただし、その場合でも、ワイヤ中に含有されるＭｏの量が３．０質量％を超えると、金属間化合物を生成して硬化するため、溶接金属の靭性が低下する。従って、本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、Ｍｏ含有量を３．０質量％以下に規制する。

なお、溶接金属の靱性劣化回避の観点から、Ｍｏ含有量は２．０質量％以下に規制することが好ましい。また、Ｍｏは、Ｍｏ単体の他、Ｆｅ−Ｍｏ等の形態で添加することができる。

［Ｔｉ：１．０質量％以下］
Ｔｉは、フェライト粒内に酸化物を生成して、組織を微細化することにより溶接金属の靭性を向上させる効果があるが、積極的に添加する必要はない。一方、溶接金属組織がフェライトである場合は、ワイヤ成分にＴｉを添加することにより、溶接金属の靭性を向上させることができる。ただし、ワイヤ中に含有されるＴｉの量が１．０質量％を超えると、強度が過大となり、溶接金属の靭性が劣化するため、本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、Ｔｉ含有量を１．０％質量以下に規制する。

なお、溶接金属の靱性劣化回避の観点から、Ｔｉ含有量は０．５質量％以下に規制することが好ましい。また、ＴｉはＴｉ単体の他、Ｆｅ−Ｔｉ等の形態で添加することができる。

［その他の成分］
本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、前述した各成分に加えて、Ｃｕ（めっき膜成分も含む）：０．６質量％以下、Ｐ：０．０３質量％以下及びＳ：０．０３質量％以下を含有していてもよい。また、その他残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。

＜ワイヤ構造＞
本実施形態のフラックス入りワイヤの構造は特に限定されず、バット型、ラップ型、溶接シーム型、又はシームレス型のいずれのタイプにも適用することができる。

＜フラックス成分＞
フラックスのタイプは限定されず、溶融型、焼結型のいずれのタイプでも組み合わせることができる。表１は、フラックスＳ１〜Ｓ９についての溶融タイプ若しくは焼結タイプ、フラックスＳ１〜Ｓ９についてのフラックス組成（質量％）、及び、フラックスＳ１〜Ｓ９についての塩基度ＢＩを示す。

以上詳述したように、本実施形態のフラックス入りワイヤは、アルカリ金属化合物を特定量添加しているため、アルカリ金属化合物が充填フラックス中で溶融補助剤として機能し、金属粉体の溶融が促進される。その結果、軟鋼又は低合金鋼をサブマージアーク溶接した場合に、耐低温割れ性に優れ、良好な靭性安定性を示す溶接金属が得られる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、下記表３及び表４に示すフラックス入りワイヤＷ１〜Ｗ３３を作製した。また、下記表２に示す外皮組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。

［評価］
そして、実施例及び比較例の各フラックス入りワイヤについて、水分量、各種鋼板をサブマージアーク溶接したときの低温割れの発生、低温靭性及び溶接金属の窒素量について評価した。図１（ａ）〜（ｃ）は本実施例で使用した鋼板の開先形状を示す図である。また、図２（ａ）〜（ｃ）は電極配置を示す図であり、図２（ａ）は１電極溶接、図２（ｂ）は２電極溶接、図２（ｃ）は４電極溶接を示す。

低温靭性及び溶接金属の窒素量については、下記表５に示す鋼板Ｂ１〜Ｂ５を母材１０とし、図１（ａ）〜（ｃ）に示す開先形状Ｇ１〜Ｇ３と、図２（ａ）〜（ｃ）に示す電極配置とを組み合わせ、下記表６に示す溶接条件でサブマージアーク溶接を実施した。その際、開先形状が、図１（ａ）に示すＧ１の場合には、裏当材１１を使用した。また、開先形状がＧ１の場合は多層盛で溶接し、図１（ｂ）に示すＧ２及び図１（ｃ）に示すＧ３の場合は１パス盛で溶接した。なお、下記表５に示す鋼板組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。

＜低温靭性＞
溶接金属の低温靱性は、試験温度を−２０℃、−４０℃又は−６０℃にして、ＪＩＳＺ２２４２に準拠した衝撃試験によって、吸収エネルギーを測定することにより評価した。

＜窒素量＞
溶接金属の窒素量は、ＪＩＳＧ１２２８に規定される不活性ガス融解−熱伝導度法によって、抽出した窒素ガスを測定することにより評価した。

＜低温割れ＞
低温割れは、窓枠拘束割れ試験により評価した。図３はその使用した試験体の形状及び寸法を示す図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は側面図である。。具体的には、図３に示す試験板１２を、下記表７に示す条件で、鋼製拘束板１３に拘束溶接し、低温割れの発生の有無を確認した。

＜水分量＞
ワイヤの水分量については、ＪＩＳＫ０１１３に規定されるカールフィッシャー法の電量滴定法に基づいて測定した。以上の評価結果を下記表８にまとめて示す。

表８に示すように、本発明の範囲内で作製したフラックス入りワイヤＷ１〜Ｗ２２を使用した実施例１〜２２では、低温割れの発生がなく、低温靭性にも優れていた。

これに対して、アルカリ金属化合物が含有されていないＷ２３のフラックス入りワイヤを使用した比較例１では、低温割れの発生はなかったが、溶接金属の低温靭性が劣っていた。また、アルカリ金属化合物の含有量が、本発明範囲の下限未満であるＷ２４のフラックス入りワイヤを使用した比較例２、及びアルカリ金属化合物の含有量が、本発明範囲の上限を超えているＷ２５のフラックス入りワイヤを使用した比較例３では、低温割れが発生した。

また、Ｌｉ化合物、Ｎａ化合物及びＫ化合物それぞれの含有量は５．５質量％未満であるが、総含有量が５．５質量％を超えているＷ２６のフラックス入りワイヤを使用した比較例４では、低温靭性が著しく劣っていた。一方、Ｃ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ２７のフラックス入りワイヤを使用した比較例５では、低温割れが発生した。また、Ｓｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ２８のフラックス入りワイヤを使用した比較例６、Ｍｎ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ２９のフラックス入りワイヤを使用した比較例７、及びＭｏ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ３０のフラックス入りワイヤを使用した比較例８では、溶接金属の低温靭性が劣っていた。

そして、Ｔｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ３１のフラックス入りワイヤを使用した比較例９では、低温割れが発生した。更に、Ｎｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ３２のフラックス入りワイヤを使用した比較例１０、及びＣｒ含有量が本発明範囲の上限を超えているＷ３３のフラックス入りワイヤを使用した比較例１１では、溶接金属の低温靭性が劣っていた。

以上の結果から、本発明のワイヤを使用することにより、軟鋼又は低合金鋼のサブマージアーク溶接において、作業性が良好で、かつ耐低温割れ性及び低温靭性に優れた溶接金属が得られることが確認された。

１０母材
１１裏当材
１２試験板
１３鋼製拘束板

Claims

鋼製外皮と該外皮内に充填されたフラックスとからなり、軟鋼又は低合金鋼のサブマージアーク溶接に使用されるフラックス入り溶接ワイヤであって、
ワイヤ全質量あたり、
Ｃ：０．００５〜０．４質量％、
Ｍｎ：０．５〜４．０質量％、
アルカリ金属化合物（アルカリ金属元素換算）：０．０１〜５．５質量％
を含有すると共に、
Ｓｉ：１．５質量％以下、
Ｎｉ：８．０質量％以下、
Ｃｒ：１．５質量％以下、
Ｍｏ：３．０質量％以下、
Ｔｉ：１．０質量％以下
に規制され、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、
前記アルカリ金属化合物が、Ｌｉ−Ｆｅであ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溶接ワイヤ。