JP6040125B2 - フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
特許文献1には、パイプラインの初層溶接において良好な裏波ビードが得られ溶接作業性に優れるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが提案されている。そして、そのワイヤの構成は、C:0.08質量%以下の鋼製外皮中に、アルカリ金属:0.1〜5質量%、(Na/K)比:1〜50%、C:0.3〜2.5質量%、金属粉:80質量%以上、ならびにスラグ形成剤を含有するフラックスを8〜20質量%の割合で充填してなることを特徴とする。
≪フラックス入りワイヤ≫
本発明のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮内にフラックスを充填してなるものである。そして、ワイヤ全質量当たり、Mn、Ni、(Si、Si合金およびSi酸化物の少なくとも1種)、Ti、C、(B、B合金およびB酸化物の少なくとも1種)、Feを所定量含有するものである。なお、前記成分以外の残部は、不可避的不純物からなるものである。
フラックス入りワイヤ中のMnの含有量は、ワイヤ全質量当たり1.5〜3.1質量%とする。Mnの含有量が1.5質量%未満であると強度不足によりAW性能およびSR性能が低下する。Mnの含有量が3.1質量%を超えると強度過多および焼入れ性過多によりAW性能が低下する。なお、Mnの含有量が多いとSR性能が低下することがある。また、Mnの含有量の上限値は、AW性能およびSR性能を向上させる観点から、2.5質量%以下であると好ましい。
なお、Mn源としては、フラックスへの金属Mn、Fe−Mn合金、Si−Mn合金の添加、鋼製外皮への金属Mnの添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のNiの含有量は、ワイヤ全質量当たり、0.2質量%以上1.00質量%未満である。従来、Niの含有量は、溶接金属のAW性能を完全に確保するために、ワイヤ中に1.00質量%以上を添加していた。しかし、多量にNiを含有するワイヤは、サワー環境中で特別な硫化物が生成することにより、耐硫化物腐食割れ(Sulfide Stress Corrosion Cracking)性が低下する。NACE(National Association of Corrosion Engineers、防食技術協会)規格に合致させるため、本発明では、むしろ従来より低い範囲である0.2質量%以上1.00質量%未満とした。Niの含有量が0.2質量%未満であると、AW性能を向上させる作用が小さい。Niの含有量が1.00質量%以上であるとNACE規格に対応できない上に、高温割れが発生し、SR性能および溶接作業性が低下する。また、Niの含有量の下限値は、AW性能を向上させる観点から、0.20質量%以上であると好ましく、0.40質量%以上であるとより好ましい。
なお、Ni源としては、フラックスへの金属Ni、Ni−Mg合金の添加、鋼製外皮へのNiの添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のSi(金属Si)、Si合金およびSi酸化物の少なくとも1種の含有量は、ワイヤ全質量当たり、Si換算値で0.3〜1.0質量%とする。「Si換算値」とは、「金属Si」、「Si合金」および「Si酸化物」の少なくとも1種の含有量を「金属Si」の含有量に換算した値である。Si換算値が0.3質量%未満であると、脱酸不足によりブローホールが発生し易く、AW性能およびSR性能が低下する。また、裏波溶接の作業性(特に裏ビードの形状)が低下する。Si換算値が1.0質量%を超えるとマトリックスフェライトを脆化させて、AW性能およびSR性能が低下する。
また、Si換算値の下限値は、AW性能、SR性能および溶接作業性を向上させる観点から、0.5質量%以上であると好ましい。また、Si換算値の上限値は、AW性能およびSR性能を向上させる観点から、0.8質量%以下であると好ましい。
なお、Si源としては、フラックスへのFe−Si合金、Si−Mn合金、SiO2の添加、鋼製外皮への金属Siの添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のTiの含有量は、ワイヤ全質量当たり、0.05〜0.29質量%とする。Tiの含有量が0.05質量%未満であると、充分な核生成が出来ず、フェライトの粗大化によりAW性能およびSR性能が低下する。Tiの含有量が0.29質量%を超えると固溶Tiが過多となり、強度過多に起因したAW性能が低下する。
また、Tiの含有量の下限値は、AW性能およびSR性能を向上させる観点から、0.10質量%以上であると好ましい。また、Tiの含有量の上限値は、AW性能を向上させる観点から、0.25質量%以下であると好ましい。
なお、Ti源としては、フラックスへのFe−Ti合金の添加、鋼製外皮への金属Tiの添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のCの含有量は、ワイヤ全質量当たり、0.06〜0.30 質量%とする。Cの含有量が0.06質量%未満であると、強度不足によりAW性能およびSR性能の安定化効果が小さい。また、裏波溶接の作業性(特に裏ビードの形状)が低下する。Cの含有量が0.30質量%を超えると高温割れが発生して溶接作業性が低下し、過剰の強度過多に起因してAW性能およびSR性能も低下する。
また、Cの含有量の下限値は、AW性能、SR性能および溶接作業性を向上させる観点から、0.10質量%以上であると好ましい。さらに、Cの含有量のより好ましい範囲は0.12質量%を超え0.30質量%以下である。
なお、C源としては、フラックスへのグラファイトの添加、フラックスへのFe−Mn合金、Fe−Si合金等からのCの添加、鋼製外皮へのCの添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のB(金属B)、B合金およびB酸化物の少なくとも1種の含有量は、ワイヤ全質量当たり、B換算値で0.0030〜0.0090質量%とする。「B換算値」とは、「金属B」、「B合金」および「B酸化物」の少なくとも1種の含有量を「金属B」の含有量に換算した値である。B換算値が0.0030質量%未満であるとAW性能を向上させる作用が小さい。B換算値が0.0090質量%を超えると高温割れ性能が発生し、溶接作業性が低下する。
また、B換算値の下限値は、AW性能を向上させる観点から、0.0040質量%以上であると好ましい。また、B換算値の上限値は、溶接作業性を向上させる観点から、0.0080質量%以下であると好ましい。
なお、B源としては、鋼製外皮またはフラックスへのB2O3、Fe−Si−B合金の添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のFeの含有量は、ワイヤ全質量当たり、91〜97質量%とする。本発明のフラックス入りワイヤ(メタル系フラックス入りワイヤ)の場合、Feの含有量が91質量%未満では、スラグ発生量が過多となり、スラグ巻込などの溶接欠陥が発生し易くなり、溶接作業性が低下する。Feの含有量が97質量%を超えると、Fe以外の必須成分(Mn、Ni、Si、Ti、C、B)の添加ができなくなる。なお、Fe源としては、鋼製外皮以外にフラックスへの鉄粉およびFe系合金の添加等が挙げられる。
不可避的不純物として、本発明の目的には影響を及ぼさない範囲で所定量のNb、V、Mo、Cr等を含有してもよい。また、その含有量は、Nb:0.040質量%以下、V:0.040質量%以下、Mo:0.02質量%以下、Cr:0.30質量%未満である。なお、Nb、V、Mo、Cr等は合金として含有されていてもよい。
フラックス入りワイヤ中のSの含有量は、ワイヤ全質量当たり、0.005〜0.040質量%であることが好ましい。Sの含有量が0.005質量%未満であると、溶接作業性(特に裏ビード形状)が低下し易くなる。Sの含有量が0.040質量%を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が劣化する。なお、S源は、鋼製外皮またはフラックスへの硫化鉄等の添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のAlの含有量は、ワイヤ全質量当たり、0.10質量%以下に規制することが好ましい。Alの含有量が0.10質量%を超えるとスパッタが多く発生し、裏波溶接作業性が低下し易くなる。また、Alの含有量は0質量%であってもよい。なお、Al源としては、鋼製外皮またはフラックスへのAl金属、Fe−Al合金、Al−Mg合金の添加等が挙げられる。
フラックス入りワイヤ中のNa化合物とK化合物の含有量の合計は、ワイヤ全質量当たり、Na換算値とK換算値の合計で0.20質量%以下に規制することが好ましい。ここで、「Na換算値」は、「Na化合物」の含有量を「金属Na」の含有量に換算した値である。また、「K換算値」は、「K化合物」の含有量を「金属K」の含有量に加算した値である。
フラックス入りワイヤ中のF化合物の含有量は、ワイヤ全質量当たり、F換算値で0.20質量%以下に規制することが好ましい。ここで、「F換算値」は、「F化合物」の含有量を「F」の含有量に換算した値である。
フラックス入りワイヤにおいて、AW性能と裏波溶接作業性の両方を確保するためには、前記のように、ワイヤの成分組成を限定することによって、ある程度達成できる。本発明者等は、フラックス入りワイヤにおいて、さらに、(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)を0.30〜1.2の範囲に特定することによって、AW性能と裏波溶接作業性の両方を確実に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、必要に応じて前記以外の合金元素またはアーク安定剤等を添加してもよい。例えば、ワイヤ成分としてフラックス中に、Ca、Li等を脱酸等の微調整剤として、また、Cu、Co、Nを溶接金属のさらなる硬化剤として、少量含有させることもできる。また、NaおよびK以外のアルカリ金属化合物を微量に含有してもよい。なお、これらの元素は、本発明の目的には影響を及ぼさない。
表6に示す試験方法によって、溶接のまま(AW:As Welded)の溶着金属から試験片を作製し、引張試験、衝撃試験を実施して、0.2%耐力、引張強さ、−50℃の吸収エネルギー(vE)を測定した。
AW性能の判定は、AWの溶接金属の引張強さ、および、−50℃の吸収エネルギーで行い、その判定基準は、引張強さが490MPa以上、かつ、−50℃の吸収エネルギーが50J以上の場合を合格、それ以外の場合を不合格とした。その結果を表8に示す。
表6に示す試験方法によって、応力除去焼鈍(SR)後の溶着金属から試験片を作製し、引張試験、衝撃試験を実施して、0.2%耐力、引張強さ、−50℃の吸収エネルギー(vE)を測定した。焼鈍条件は、L.M.P.(ラーソンミラーパラメター)=18.9×103に相当する635℃×5hrsとした。
SR性能の判定は、SR後の溶接金属の引張強さ、および、−50℃の吸収エネルギーで行い、その判定基準は、引張強さが490MPa以上、かつ、−50℃の吸収エネルギーが50J以上の場合を合格、それ以外の場合を不合格とした。その結果を表8に示す。
(裏ビード形状)
裏ビード外観については、溶接時に官能にて評価した。
裏ビード垂れがなく、裏ビードの重ね目が良好なものを「◎(合格)」、溶接後の裏ビード形状が垂れ気味なものを「○(合格)」、裏ビード垂れが顕著なものを「×(不合格)」とした。その結果を表8に示す。
スパッタ発生量については、溶接時に官能にて評価した。
溶滴移行がスムーズでスパッタ発生量が少ないものを「◎(合格)」、アークがやや不安定でスパッタ発生量も多いものを「○(合格)」、アークが不安定でスパッタ発生量が多い(商品として実用性がない)ものを「×(不合格)」とした。その結果を表8に示す。
割れ率については、表2、3に示す組成のフラックス入りワイヤ、および、表4に示す組成の鋼板を使用して表7に示す溶接条件で溶接した溶接金属に対して、油圧式C形高速冶具による突合せ溶接割れ試験を実施(JIS 3155に準拠)することにより評価した。また、割れ率は、下式(1)に示すように、破断した裏ビードのビード長に対する割れ長さの比率(%)とし、10%以下のものを合格、10%を超えるものを不合格とした。なお、割れには、クレータ割れを含むものとする。その結果を表8に示す。
割れ率(%)=割れ合計長さ/(裏ビード長−割れ合計長さ)×100・・・(1)
裏ビード形状、スパッタ発生量および割れ率がすべて合格の場合に、溶接作業性が合格と評価し、それ以外の場合には、溶接作業性が不合格と評価した。
AW性能、SR性能および溶接作業性の全てが合格なものを(◎)(○)とし、溶接作業性に優れているものを(◎:優れている)、溶接作業性が(◎)のものより低下するが合格基準を満足するものを(○:良好)とした。また、AW性能、SR性能および溶接作業性のうち1つが不合格のものを(△:やや劣っている)とし、AW性能、SR性能および溶接作業性のうち2つ以上が不合格なものを(×:劣っている)とした。その結果を表8に示す。
また、ワイヤNo.3(参考例)はSi源としてのSiの含有量が好ましい下限値未満のもの、ワイヤNo.8(参考例)は(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい上限値を超えるもの、ワイヤNo.9(参考例)はF化合物およびSを含有しないもの、ワイヤNo.10(参考例)はF化合物を含有しないもの、ワイヤNo.11(参考例)はSi源としてのSiの含有量が好ましい下限値未満で、Sを含有しないもの、ワイヤNo.13(実施例)はSi源としてのSiの含有量が好ましい下限値未満で、Si酸化物(SiO2)の含有量が好ましい上限値を超え、Alを含有しないものであった。そして、ワイヤNo.8(参考例)は、AW性能における吸収エネルギーが合格基準ぎりぎりであるため、総合号評価は(○:良好)であった。ワイヤNo.9、11〜13(参考例、実施例)は、その他の実施例と比較して溶接作業性が若干劣るものの、問題ない性能であるため、総合評価は(○:良好)であった。
ワイヤNo.14(比較例)は、Feの含有量が下限値未満、Mnの含有量が上限値超え、F換算値が好ましい上限値超え、Na換算値等が好ましい上限値超えであるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.15(比較例)は、Cの含有量が下限値未満、Na換算値等が好ましい上限値超えであるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.16(比較例)は、Mnの含有量が下限値未満、Si源としてのSiの含有量が好ましい下限値未満、Tiの含有量が上限値超え、Niの含有量が上限値超え、(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい下限値未満であるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.18(比較例)は、Si源としてのSiの含有量が好ましい下限値未満、Tiの含有量が上限値超え、Na換算値等が好ましい上限値超え、(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい下限値未満であるため、AW性能が劣っていた。
ワイヤNo.19(比較例)は、Niの含有量が上限値超え、Na換算値等が好ましい上限値超え、(〔C〕+〔Si〕/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい下限値未満であるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.21(比較例)は、Cの含有量が上限値超え、Si源であるSiの含有量が好ましい下限値未満であるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.22(比較例)は、Mnの含有量が上限値超え、Bの含有量が下限値未満であるため、AW性能が劣っていた。
ワイヤNo.24(比較例)は、Si換算値が上限値超え(Si源としてのSiの含有量が上限値超え)、Tiの含有量が下限値未満、(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい上限値超えであるため、AW性能およびSR性能が劣っていた。
ワイヤNo.25(比較例)は、Niを含有せず、Alの含有量が好ましい上限値超え、Na換算値等が好ましい上限値超え、(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい上限値超えであるため、AW性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.27(比較例)は、Tiの含有量が下限値未満、Na換算値等が好ましい上限値超え、(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕)が好ましい上限値超えであるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
ワイヤNo.28(比較例)は、Cの含有量が上限値超え、Bの含有量が上限値超えであるため、AW性能、SR性能および溶接作業性が劣っていた。
Claims (6)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量当たり、
Mn:1.5〜3.1質量%、
Ni:0.2質量%以上1.00質量%未満、
Si、Si合金およびSi酸化物の少なくとも1種:Si換算値で0.3〜1.0質量%、
Ti:0.05〜0.29質量%、
C:0.10〜0.30質量%、
B、B合金およびB酸化物の少なくとも1種:B換算値で0.0030〜0.0090質量%、
Fe:91〜97質量%を含有し、残部が不可避的不純物からなることを特徴とするフラックス入りワイヤ。 - 前記フラックス入りワイヤにおいて、Si源としてSiを用いた際のSi含有量が、ワイヤ全質量当たり、0.3〜0.9質量%であることを特徴とする請求項1に記載のフラックス入りワイヤ。
- 前記フラックス入りワイヤにおいて、Si源としてSi酸化物を用いた際のSi酸化物の含有量が、ワイヤ全質量当たり、0.11〜0.40質量%であることを特徴とする請求項1に記載のフラックス入りワイヤ。
- 前記Cの含有量が、0.12質量%を超え0.30質量%以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のフラックス入りワイヤ。
- 前記フラックス入りワイヤは、さらに、ワイヤ全質量当たり、
S:0.005〜0.040質量%を含有し、かつ、
Al:0.10質量%以下、
Na化合物とK化合物の合計:Na換算値とK換算値の合計で0.20質量%以下、
F化合物:F換算値で0.20質量%以下に規制することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のフラックス入りワイヤ。 - 前記フラックス入りワイヤにおいて、C含有量、Si換算値、Ti含有量およびNi含有量を〔C〕、〔Si〕、〔Ti〕および〔Ni〕としたとき、
(〔C〕+〔Si〕)/(〔Ti〕+〔Ni〕):0.30〜1.2
であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のフラックス入りワイヤ。
Priority Applications (5)
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---|---|---|---|
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