JP6227513B2 - 高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックス - Google Patents

Description

本発明は、６９０ＭＰａ級以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスに関し、拡散性水素量が低く、溶接作業性が良好で溶接欠陥が無く健全で優れた機械性能の溶接金属が得られる高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスに関する。

サブマージアーク溶接は、高能率で良好な溶接作業性および優れた機械性能を有する溶接金属が得られることから、造船、鉄骨、造管、橋梁、車両など幅広い分野で適用されている。

近年、エネルギー産業の発展に伴い、鋼材の高強度化および高靭性化、また構造物の大型化に伴う板厚の極厚化などが検討されており、品質および生産性の面からサブマージアーク溶接の適用比率が年々増加している。このような高張力鋼のサブマージアーク溶接では、溶接施工における生産性の向上や安全性、耐久性の確保のため、更なる品質向上が求められており、その中でも溶接の高能率化と鋼材特性に見合った溶接金属の強度および靭性、さらに低温割れ防止のために溶接金属の拡散性水素量の低減が要望されている。

高張力鋼のサブマージアーク溶接は、鋼材に見合った溶接金属の強度および靭性を確保するため、溶接金属の化学成分を自由に調整することができる焼成型フラックスが適用されており、従来から種々の技術開発が行われてきた。

例えば、特許文献１には、焼成型フラックス組成とワイヤ組成を適正化することにより０．２％耐力が６９０ＭＰａ以上、引張強さが７８０ＭＰａ以上、−６０℃における吸収エネルギーが６９Ｊ以上の優れた低温靭性を有する溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用焼成型フラックスおよびワイヤが開示されている。しかし、特許文献１に記載の焼成型フラックスにはＡｌ₂Ｏ₃が少量しか添加されていないため、多層盛溶接した場合の良好なスラグ剥離性およびビード外観を得ることはできない。

また、特許文献２には、ソリッドワイヤと焼成型フラックスとの組合せで得られる溶接金属の成分を適正化することで、溶接金属の強度と安定した靭性が得られ、溶接時の作業性も良好で溶接欠陥のないサブマージアーク溶接で多層盛溶接される溶接金属が開示されている。しかし、特許文献２に記載の焼成型フラックスは、ＭｇＯが多いのでスラグ剥離性およびビード外観が不良となるという問題がある。

特許文献３は、高張力鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関し低水素で高靭性の溶接金属が得られることが開示されている。しかし、特許文献３に記載の焼成型フラックスはＡｌ₂Ｏ₃が少ないのでスラグ剥離性が悪く、ＣａＦ₂が多いのでビード形状も不良となるという問題がある。

さらに、特許文献４には、７８０ＭＰa級高張力鋼のサブマージアーク溶接に関し、焼成型フラックスのＳｉＯ₂、ＣａＦ₂、及び金属炭酸塩のＣＯ₂換算値を適正範囲とし、さらに合金元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ）を規定し、また組合せるソリッドワイヤのＳｉ、Ｎを低く、炭素当量（Ｃｅｑ）が適正範囲にあるワイヤを組合せることによって高靭性で良好な強度を有する溶接金属が得られる技術が開示されている。しかし、特許文献４に記載の焼成型フラックスは、Ｓｉが多く含まれているのでスラグ巻込み欠陥が発生しやすくなるという問題があった。

特開２０１３−３９６０４号公報 特開２００７−２６０６９６号公報 特開平６−３２８２９１号公報 特開平５−２１２５８３号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、引張強さが６９０ＭＰａ以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接で、溶接金属の拡散性水素量が低く、溶接欠陥が無く良好な溶接作業性および優れた機械性能の溶接金属が得られる高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスを提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために、焼成型フラックスの化学組成について種々試作して検討した。その結果、焼成型フラックスの組成と含有量を限定することによって溶接金属の拡散性水素量が低く、スラグ剥離性やビード形状など良好な溶接作業性が得られ、スラグ巻込みなどの溶接欠陥がなく、高強度で良好な低温靭性の溶接金属を得られることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち本発明の要旨は、高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにおいて、焼成型フラックス全質量に対する質量％で、ＳｉＯ₂：１０〜２０％、ＣａＯ：８〜２０％、ＭｇＯ：２０〜３０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２１〜３５％、ＣａＦ₂：１０〜１８％、Ｌｉ₂ＣＯ₃：０．２〜１．８％、前記Ｌｉ₂ＣＯ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃の１種または２種のＣＯ₂換算の合計：２〜７％、Ｓｉ：０．３〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜０．９％、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種の合計：０．８〜４．５％を含有し、その他はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにある。

本発明の高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスによれば、溶接金属の拡散性水素量が低く、溶接作業性が良好で溶接欠陥がなく優れた機械性能の溶接金属が得られるなど、高能率に高品質な溶接部を提供することが可能となる。

本発明者らは、６９０ＭＰａ級以上の高張力鋼のサブマージアーク溶接方法において、溶接作業性が良好で溶接欠陥が無く健全で優れた機械性能の溶接金属を得るため焼成型フラックスの組成について詳細に検討を行った。

その結果、Ｌｉ₂ＣＯ₃を含有させることによってフラックスの耐吸湿性が向上し、Ｌｉ₂ＣＯ₃、およびＣａＣＯ₃やＭｇＣＯ₃のＣＯ₂換算含有量(以下単にＣＯ₂換算という)との相乗効果で溶接金属の拡散性水素量を低減でき、アークの安定性には焼成型フラックスのＡｌ₂Ｏ₃およびＮａ₂ＯとＫ₂Ｏの適量化、ビード外観およびビード形状にはＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＣａＦ₂の適量化、さらにスラグ剥離性にはＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を適量含有することによってこれらの溶接作業性が良好になることを見出した。

また、溶接金属の靭性はＳｉ、Ｍｎ、前記ＣＯ₂換算およびＣａＦ₂を適量化することで効果があることを知見した。本発明はこれらの知見に基づいて焼成型フラックス成分組成を決定した。

以下に本発明の焼成型フラックス成分組成の限定理由について説明する。なお、以下成分についての％は、焼成型フラックス全質量に対する質量％を示す。

［ＳｉＯ₂：１０〜２０％］
ＳｉＯ₂は、スラグの粘性を増加させ、良好な溶接ビードを形成するための重要な成分である。また、スラグをガラス質の性状にして、砕けやすく剥離性の良好なスラグが得られる。ＳｉＯ₂が１０％未満では、ビード止端部のなじみが悪くなり、スラグ剥離性が劣化する。一方、ＳｉＯ₂が２０％を超えると、溶接金属の酸素量が増加して靭性が劣化する。したがって、ＳｉＯ₂は１０〜２０％とする。

［ＣａＯ：８〜２０％］
ＣａＯは、スラグの融点および流動性を調整するために重要な成分である。ＣａＯが８％未満では、ビード止端部のなじみが悪くビード外観が不良でアンダーカットも生じる。一方、ＣａＯが２０％を超えると、スラグ流動性が不良となり、ビード高さが不均一でスラグ剥離性も不良になる。したがって、ＣａＯは８〜２０％とする。

なお、ＣａＯは、ＣａＣＯ₃のＣａＯ分を含む。

［ＭｇＯ：２０〜３０％］
ＭｇＯは、スラグの耐火性および塩基度を向上させる効果がある。ＭｇＯが２０％未満では、フラックスの塩基度が低くなり、溶接金属中の酸素量が増加して靭性が劣化する。一方、ＭｇＯが３０％を超えると、フラックスの軟化溶融点が高くなり、ビード表面に突起物の発生や波目が粗くなり、スラグ剥離性およびビード外観が不良となる。したがって、ＭｇＯは２０〜３０％とする。

なお、ＭｇＯは、ＭｇＣＯ₃のＭｇＯ分を含む。

［Ａｌ₂Ｏ₃：２１〜３５％］
Ａｌ₂Ｏ₃は、良好なスラグ剥離性およびビード外観を得るためには極めて重要な成分である。また、アークの安定性を良好にする効果もある。Ａｌ₂Ｏ₃が２１％未満では、アークが不安定で、スラグ剥離性および溶接ビードの波が荒くビード外観が不良となる。一方、Ａｌ₂Ｏ₃が３５％を超えると、凸ビードとなりスラグ剥離性も不良になる。したがって、Ａｌ₂Ｏ₃は２１〜３５％とする。

［ＣａＦ₂：１０〜１８％］
ＣａＦ₂は、靭性改善に効果があるが、融点が低いため過多になるとビードの平滑性が損なわれる。ＣａＦ₂が１０％未満では、靭性改善の効果がない。一方、ＣａＦ₂が１８％を超えると、ビードの平滑性がなく形状が不良となる。したがって、ＣａＦ₂は１０〜１８％とする。

［Ｌｉ₂ＣＯ₃：０．２〜１．８％］
Ｌｉ₂ＣＯ₃は、フラックスの耐吸湿性を向上し、後述のＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃のＣＯ₂換算との併用によって溶接金属の拡散性水素量を低減し、高張力鋼の溶接において低温割れ感受性を低下する。Ｌｉ₂ＣＯ₃が０．２％未満であると、前記効果が得られず溶接金属の拡散性水素量が多くなって低温割れ感受性が高くなる。一方、Ｌｉ₂ＣＯ₃が１．８％を超えると、アークが不安定となってビード止端部が不揃いで外観が不良となる。したがって、Ｌｉ₂ＣＯ₃は０．２〜１．８％、好ましくは０．３〜１．５％とする。

［Ｌｉ₂ＣＯ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃の１種または２種のＣＯ₂換算の合計：２〜７％］
Ｌｉ₂ＣＯ₃、ＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃からのＣＯ₂換算の合計は、溶接金属の靭性向上に重要な元素であり、溶接中にＬｉ₂ＣＯ₃、ＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃が分解してＣＯまたはＣＯ₂ガスがアーク雰囲気中の窒素分圧を下げ、溶接金属の窒素量を低減する効果がある。また、前記Ｌｉ₂ＣＯ₃との併用によって溶接金属の拡散性水素量を低減する。Ｌｉ₂ＣＯ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃の１種または２種のＣＯ₂換算の合計が２％未満では、溶接金属中の窒素量が高くなり靭性が低下する。また、溶接金属の拡散性水素量が多くなって低温割れ感受性が高くなる。一方、Ｌｉ₂ＣＯ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃の１種または２種のＣＯ₂換算の合計が７％を超えると、溶接ビード表面にポックマークやピット、アンダーカットなどの溶接欠陥が発生するとともに溶接金属中の酸素量が増加して靭性が低下する。したがって、Ｌｉ₂ＣＯ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃の１種または２種のＣＯ₂換算の合計は２〜７％とする。

［Ｓｉ：０．３〜１．０％］
金属Ｓｉ、Ｆｅ−ＳｉおよびＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等を原料とするＳｉは、脱酸元素であり溶接金属の酸素量を低減する。Ｓｉが０．３％未満では、脱酸効果が得られず靭性が低下する。また、ビード表面にポックマークが生じるようになる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、スラグ巻き込みを生じるようになる。したがって、Ｓｉは０．３〜１．０％とする。

［Ｍｎ：０．２〜０．９％］
金属Ｍｎ、Ｆｅ−ＭｎおよびＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等を原料とするＭｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として作用して溶接金属の酸素量を低減する。Ｍｎが０．２％未満であると、脱酸効果が得られず靭性が低下する。一方、Ｍｎが０．９％を超えると、溶接金属に過剰に歩留って強度が高くなり靭性が低下する。したがって、Ｍｎは０．２〜０．９％とする。

［Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種の合計：０．８〜４．５％］
水ガラス（珪酸ソーダ、珪酸カリウム）を主原料とするＮａ₂ＯおよびＫ₂Ｏは、アークを安定にする。Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種の合計が０．８％未満であると、アークが不安定になる。一方、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種の合計が４．５％を超えると、アンダーカットが生じてビード外観が不良となる。したがって、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種の合計は０．８〜４．５％とする。

焼成型フラックスのその他の成分は、ＳｉとＭｎの鉄合金等からのＦｅおよびＰ、Ｓ等の不可避不純物であり、ＰおよびＳは共に低融点の化合物を生成して靭性を低下させるので、できるだけ低いことが好ましい。

なお、焼成型フラックスの粒度はビード形状を良くするために１．４ｍｍを超える粒度が焼成型フラックス全質量に対して１５質量％以下であることが好ましい。

本発明の高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスと組合せるソリッドワイヤの成分は、目標とする強度に合せて選択することができるが、Ｃ：０．０４〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｎｉ：０．８〜３．０％、Ｃｒ：０．４〜１．２％、Ｍｏ：０．３〜０．９％、Ｔｉ：０．１５％以下、Ｎ：０．００７％以下の範囲であることが強度および靭性の確保から好ましい。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。

表１に示す各種成分の焼成型フラックス（フラックス記号のＦ１〜Ｆ１０は本発明例で、Ｆ１１〜２０は比較例である。）を試作し、表２に示す３種のソリッドワイヤと焼成型フラックスとを組み合せて拡散性水素量の測定をした後、溶接作業性および機械性能評価をするために表３に示す化学成分からなる板厚２５ｍｍの７８０ＭＰａ級高張力鋼板を、開先角度を３０°、ルート間隔を１３ｍｍの開先形状に加工し、裏当金を当てて表４に示す溶接条件で多層盛溶接試験を実施した。

なお、表１に示す焼成型フラックス（フラックス記号Ｆ１〜Ｆ１０は本発明例、Ｆ１１〜Ｆ２０は比較例である）は各種鉱物原材料を配合、混合した後、水ガラスを固着剤として造粒した後、４００〜５５０℃で２時間焼成して１．４×０．１５ｍｍに整粒した。また、表２に示すソリッドワイヤは原線を縮径、焼鈍、めっきして素線とし、それらの素線を４．０ｍｍまで伸線して用いた。なお、表２中ワイヤ記号Ｗ１は６９０ＭＰａ高張力鋼級用ワイヤ、ワイヤ記号Ｗ２は７８０ＭＰａ高張力鋼級用ワイヤ、ワイヤ記号Ｗ３は９８０ＭＰａ高張力鋼級用ワイヤである。

溶接金属の拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８に準じて行った。溶接金属の拡散性水素量は３ｍｌ／１００ｇ以下を良好とした。溶接作業性は、多層盛溶接時のアークの安定性、スラグ剥離性およびビード外観・形状を調べた後、Ｘ線透過試験により溶接欠陥の有無を調査し、さらに溶接金属の引張強さおよび靭性を調査した。

溶接金属の機械的性能評価は、溶接試験体の鋼板板厚の中央から引張試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４１ １０号）および衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４２ Ｖノッチ試験片）を採取して機械試験を実施した。引張強さの評価は、ワイヤ記号Ｗ１と組み合わせたフラックスは６９０ＭＰａ以上、ワイヤ記号Ｗ２と組み合わせたフラックスは７８０ＭＰａ以上およびワイヤ記号Ｗ３と組み合わせたフラックスは９８０ＭＰａ以上を良好とした。また、靭性の評価は−６０℃における衝撃試験により行い、繰り返し３本の平均により評価した。なお、衝撃試験の吸収エネルギーは８０Ｊ以上を良好とした。これらの調査結果も表５にまとめて示す。

表５中フラックス記号Ｆ１〜Ｆ１０本発明例、フラックス記号Ｆ１１〜Ｆ２０は比較例である。本発明例であるフラックス記号Ｆ１〜Ｆ１０は、フラックスの成分が適量であるので、拡散性水素量が少なく、溶接作業性として評価するアークが安定でスラグ剥離性およびビード外観・形状が良好で、３種のワイヤと組み合わせた溶接金属機械的性能も優れており、極めて満足な結果であった。総合評価として○で示してある。これに対して、比較例のフラックス記号Ｆ１１〜Ｆ２０は、試験結果が本発明例よりも劣っているので、総合評価として×で示してある。

すなわち、比較例中フラックス記号Ｆ１１は、ＳｉＯ₂が少ないので、ビード止端部のなじみが悪くスラグ剥離性も不良であった。また、Ｍｎが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。

フラックス記号Ｆ１２は、ＳｉＯ₂が多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌ₂Ｏ₃が少ないので、アークが不安定でビードの波が荒く、スラグ剥離性も不良であった。

フラックス記号Ｆ１３は、ＣａＯが少ないので、ビード止端部のなじみが不良でアンダーカットが生じた。また、Ｍｎが多いので、溶接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。

フラックス記号Ｆ１４は、ＣａＯが多いので、ビードの高さが不均一となりスラグ剥離性も不良であった。また、Ｓｉが少ないので、ビード表面にポックマークが生じ、溶接金属の吸収エネルギーも低値であった。

フラックス記号Ｆ１５は、ＭｇＯが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌ₂Ｏ₃が多いので、ビードが凸状となりスラグ剥離性も不良であった。

フラックス記号Ｆ１６は、ＭｇＯが多いので、ビード表面に突起が生じスラグ剥離性が不良であった。また、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏの合計が少ないので、アークが不安定であった。

フラックス記号Ｆ１７は、ＣａＦ₂が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｌｉ₂ＣＯ₃が多いので、アークが不安定でビード止端部が不揃いとなり外観が不良であっ。

フラックス記号Ｆ１８は、ＣａＦ₂が多いので、ビードに平滑性がなく形状が不良であった。また、Ｌｉ₂ＣＯ₃が少ないので、拡散性水素量が多かった。

フラックス記号Ｆ１９は、Ｌｉ₂Ｏ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃のＣＯ₂換算の合計が多いので、ビード表面にポックマークおよびビード止端部にアンダーカットが生じ、溶接金属の吸収エネルギーも低値であった。また、Ｓｉが多いので、スラグ巻き込み欠陥が生じた。

フラックス記号Ｆ２０は、Ｌｉ₂Ｏ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃のＣＯ₂換算の合計が少ないので、拡散性水素量が多く、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏの合計が多いので、アンダーカットが生じた。

Claims (1)

1. 高張力鋼用のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにおいて、
   焼成型フラックス全質量に対する質量％で、
   ＳｉＯ₂：１０〜２０％、
   ＣａＯ：８〜２０％、
   ＭｇＯ：２０〜３０％、
   Ａｌ₂Ｏ₃：２１〜３５％、
   ＣａＦ₂：１０〜１８％、
   Ｌｉ₂ＣＯ₃：０．２〜１．８％、
   前記Ｌｉ₂ＣＯ₃のＣＯ₂換算とＣａＣＯ₃およびＭｇＣＯ₃の１種または２種のＣＯ₂換算の合計：２〜７％、
   Ｓｉ：０．３〜１．０％、
   Ｍｎ：０．２〜０．９％、
   Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏの１種または２種の合計：０．８〜４．５％を含有し、
   その他はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする高張力鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックス。