JP6318704B2

JP6318704B2 - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス

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Publication number: JP6318704B2
Application number: JP2014040904A
Authority: JP
Inventors: 友美横尾; 中澤　博志; 博志中澤; 洋一郎鈴木; 森本　裕; 裕森本
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: JP2015166100A

Description

本発明は、石油、天然ガス等を輸送する高強度と低温における靭性が要求されるパイプライン用ＵＯ鋼管の造管溶接に用いるサブマージアーク溶接用溶融型フラックス、特に、高強度鋼を高速度の溶接条件で溶接する場合においても、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サブマージアーク溶接用溶融型フラックスに関するものである。

石油、天然ガス等を輸送するパイプライン用鋼管として、鋼管の長手方向を溶接により接合した溶接鋼管が用いられている。この中で、ＵＯ鋼管は、Ｃプレス、Ｕプレス及びＯプレスを用いて鋼板を円筒状に成型した後、板の突き合わせ部を溶接により接合して製造されるものである。

この接合に使用する溶接方法には、品質と生産性を考慮して、サブマージアーク溶接が用いられることが多い。サブマージアーク溶接とは、フラックスと溶接ワイヤを用いてフラックス中でアークを発生させて溶接する方法である。ＵＯ鋼管でのサブマージアーク溶接部は、通常鋼管の内面から１層、鋼管の外面から１層の両面１層溶接が一般的である。

溶接をしようとする部位に、フラックスと溶接ワイヤの組み合わせで溶接金属を盛り溶接部を形成するが、溶接金属には、母材に見合った強度と靭性が要求される。

溶接金属の品質（強度と靱性）の制御には、フラックスの組成や溶接ワイヤの成分が重要であり、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、フラックス物性値、即ち、粘度と融点（結晶化濃度）を指標として導入することで、高速性と作業性を改善するフラックスが開示されている。しかし、特許文献１に記載のフラックスにはＳｉＯ₂が多量に添加されているので、溶接金属の酸素量が増加して、靭性が劣化する。

特許文献２には、フラックスの組成と溶融スラグの粘性を適正化することで、溶接金属酸素量低減と耐溶接欠陥性を両立可能な溶融型フラックスが開示されている。しかし、特許文献２に記載のフラックスにはＡｌ₂Ｏ₃が多量に添加されているので、フラックスの溶融点が高くなり、図１に示すように、溶接ビード頂部に、溶接時にスラグが浮上できずに生成したスラグ巻込みが発生し易くなる。

特許文献３には、スラグ巻込みを防止するためにＳｉＯ₂量を減らすことなく、かつ、酸素濃度を低く押さえるために塩基度を高めたフラックスが開示されている。しかし、特許文献３に記載のフラックスは、Ａｌ₂Ｏ₃が少量しか添加されておらず、高速溶接時に良好なスラグ剥離性及びビード外観を得ることができない。

特許文献４には、高強度鋼板における溶接金属の良好な低温靭性と良好なビード形状を得るために溶接金属の酸素量を最適化し、フラックスの成分範囲及び配分を細かく規定したフラックスが開示されている。しかし、特許文献４に記載のフラックスは、ＭｎＯが添加されていないため、高速溶接時に良好なビード外観を得ることができない。

特許文献５には、高速サブマージアーク溶接において良好なスラグ剥離性及び美しいビード外観を得るため、フラックス組成中のＭｎＯ₂及びＦｅＯを限定し、溶接作業性の改善を図った技術が開示されている。しかし、特許文献５に記載のフラックスは、ＭｎＯ及びＳｉＯ₂が多量に添加されているので、溶接金属の酸素量が増加して靭性が劣化する。

特許文献６には、引張強さ７５キロ以上のＵＯＥ鋼管の製造等におけるサブマージアーク溶接において、フラックス中のＳｉＯ₂を従来以上に低減することで、酸素量２５０ｐｐｍ以下となる溶接金属を安定して製造可能なフラックスが開示されている。しかし、特許文献６に記載のフラックスは、ＳｉＯ₂が少ないのでビード趾端部のなじみが悪く、スラグ剥離性が劣化し、特に、高速溶接においては、アンダーカットが生じるという問題がある。

特開平０４−２３８６９４号公報特開２００９−１３６８９８号公報特開平０７−２５６４８８号公報特開２００７−０９０３９９号公報特開２００８−０９３６９６号公報特開２００６−３２６６４２号公報

近年、輸送効率の向上やコスト低減の目的で、従来のＵＯ鋼管の強度を上回る高強度ＵＯ鋼管の要望が高まりつつある。

当然、これらのＵＯ鋼管を溶接してなる溶接金属にも、母材に見合った強度と低温靭性が要求される。しかし、本発明者らの検討結果によれば、高強度のパイプライン用ＵＯ鋼管を高速度の溶接条件でサブマージアーク溶接した場合、図１に示すような、溶接ビード頂部に溶接時にスラグが浮上できなかったスラグが巻込まれる現象（以下、スラグ巻込みという。）やブローホール、アンダーカット等の溶接欠陥が生じる場合がある。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みなされたもので、高強度鋼板を高速度の溶接条件でサブマージアーク溶接する場合においても、アークの安定性、スラグ剥離性、ビード外観・形状等の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サブマージアーク溶接用溶融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、上記目的を達成するため、従来の高速サブマージアーク溶接用溶融型フラックスをベースに、成分組成の改良及び粒度構成について鋭意検討した。その結果、フラックス組成中のＭｎＯ、ＴｉＯ₂、及び、ＢａＯの添加が極めて重要な影響を及ぼすことを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は、次のとおりである。

（１）質量％で、
ＣａＯ：５〜２５％、
ＭｇＯ：１〜５％、
Ａｌ₂Ｏ₃：１５〜２９％、
ＣａＦ₂：３０〜５０％、
ＳｉＯ₂：１５〜２５％、
ＭｎＯ：０．５〜１５％、
ＴｉＯ₂：０．２〜５％、
ＢａＯ：１〜５％、
Ｂ₂Ｏ₃：０．１〜１.５％
を含有し、残部は酸化鉄及び不可避不純物からなる
ことを特徴とするサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。

（２）質量％で、更に、
Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上の合計：０．２〜１．５％を含有する
ことを特徴とする前記（１）に記載のサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。

（３）前記フラックスの粒度構成が、質量％で、
粒径５００μｍ超の粗粒：６％以下、
粒径１５０μｍ超〜５００μｍ以下：４６〜８０％、
粒径１５０μｍ以下：１６〜５０％である
ことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。

本発明のサブマージアーク溶接用溶融型フラックスによれば、高速度の溶接条件で溶接する場合においても、アークの安定性、スラグ剥離性、及び、ビード外観・形状等の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。

溶接ビード頂部に発生するスラグ巻込みを模式的に示す図である。本発明の実施例で使用した開先形状を示す図である。

本発明者らは、前述したように、本発明の目的を達成するため、従来の高速サブマージアーク溶接用溶融型フラックスをベースに成分組成の改良及び粒度構成について鋭意検討した。その結果、フラックス組成中のＭｎＯ、ＴｉＯ₂、及び、ＢａＯの添加が極めて重要な影響を及ぼすことを見出した。

高速度のサブマージアーク溶接においては溶接欠陥が発生し易いため、まず、従来の高速サブマージアーク溶接用溶融型フラックスをベースに、成分組成の検討を行った。良好なスラグ剥離性及びビード外観は、Ａｌ₂Ｏ₃の適量添加により、ビード形状の確保は、ＳｉＯ₂及びＣａＯの適量添加により、また、溶接金属の靭性確保は、ＣａＦ₂の増量添加とＭｇＯ及びＢ₂Ｏ₃の適量添加により改善することができた。

しかし、従来のフラックスの成分組成をコントロールするだけでは限界があるため、他成分の複合使用を検討した。その結果、ＭｎＯ、ＴｉＯ₂、及び、ＢａＯの少量添加によって、スラグの粘性、流動性、及び、融点を適正化し、溶接欠陥のない優れた機械性能の溶接金属が得られた。

以下に、本発明のサブマージアーク溶接用溶融型フラックス（以下「本発明フラックス」ということがある。）の詳細について説明する。

なお、以下においては、溶融型フラックスの成分組成を溶融型フラックスの全質量に対する割合である質量％で表すものとし、その質量％は単に％と記載する。

［ＣａＯ：５〜２５％］
ＣａＯは、スラグの融点及び流動性を調整するために重要な成分である。ＣａＯが５％未満では、ビード趾端部のなじみが悪くビード外観が不良となり、特に，高速度のサブマージアーク溶接ではアンダーカットも生じる。一方、ＣａＯが２５％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５〜２５％とする。好ましくは１０〜２０％である。

［ＭｇＯ：１〜５％］
ＭｇＯは、スラグの耐火性及び塩基度を向上させる効果がある。ＭｇＯが１％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５％を超えると、フラックスの溶融点が高くなりスラグ巻込みが発生する。更に、ビードの波目が粗く、スラグ剥離性及びビード外観が不良となる。したがって、ＭｇＯは１〜５％とする。好ましくは２〜４％である。

［Ａｌ₂Ｏ₃：１５〜２９％］
Ａｌ₂Ｏ₃は、良好なスラグ剥離性及びビード外観を得るための重要な成分である。Ａｌ₂Ｏ₃が１５％未満では、スラグ剥離性及びビード外観が不良となる。一方、Ａｌ₂Ｏ₃が２９％を超えると、フラックスの溶融点が高くなりスラグ巻込みが発生する。また、凸ビードとなりスラグ剥離性も不良となる。したがって、Ａｌ₂Ｏ₃は１５〜２９％とする。好ましくは１８〜２５％である。

［ＣａＦ₂：３０〜５０％］
ＣａＦ₂は、溶接金属の酸素量を低くして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３０％未満では、溶接金属の酸素量が増加して靭性改善の効果が得られない。一方、ＣａＦ₂が５０％を超えると、アークが不安定となりビード外観が不良となる。したがって、ＣａＦ₂は３０〜５０％とする。好ましくは３４〜４５％である。

［ＳｉＯ₂：１５〜２５％］
ＳｉＯ₂は、良好な溶接ビードを形成するための重要な成分である。ＳｉＯ₂が１５％未満では、ビード趾端部のなじみが悪くなりビード形状が不良となってスラグ剥離性が劣化する。更に高速度の溶接においてアンダーカットも生じる。一方、ＳｉＯ₂が２５％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１５〜２５％とする。好ましくは１７〜２２％である。

［ＭｎＯ：０．５〜１５％］
ＭｎＯは、スラグの粘性、流動性及び融点の調整をするのに有効な成分であり、特に高速度のサブマージアーク溶接において、極めて重要な成分である。ＭｎＯが０．５％未満では、ビード外観が不良でスラグ巻き込みも生じる。一方、ＭｎＯが１５％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して靱性が劣化する。したがってＭｎＯは、０．５〜１５％とする。好ましくは１．０〜１２％である。

［ＴｉＯ₂：０．２〜５％］
ＴｉＯ₂は、アーク安定性及びビード表面の平滑性を得るために重要な成分であるＴｉＯ₂が０．２％未満では、アークが不安定で、ビード形状も不良となる。一方、ＴｉＯ₂が５％を超えると、スラグ剥離性が劣化する。したがって、ＴｉＯ₂は０．２〜５％とする。好ましくは０．８〜３％である。

［ＢａＯ：１〜５％］
ＢａＯは、アーク安定性及びスラグの融点を調整するのに有効な成分である。また、高速度のサブマージアーク溶接においてビード表面の平滑性を得るために重要な成分である。ＢａＯが１％未満では、アークが不安定でビード形状が不良となる。また、スラグ巻き込みも生じるようになる。一方、ＢａＯが５％を超えると、ビード外観が不良となる。したがって、ＢａＯは１〜５％とする。好ましくは２〜４．３％である。

［Ｂ₂Ｏ₃：０．１〜１．５％］
Ｂ₂Ｏ₃は、溶接金属の靱性向上に有効な成分である。Ｂ₂Ｏ₃が０．１％未満では、溶接金属の靭性が劣化する。一方、Ｂ₂Ｏ₃が１．５％を超えると、溶接金属が硬化し靱性が劣化する。したがって、Ｂ₂Ｏ₃は０．１〜１．５％以上とする。好ましくは０．７〜１．３％である。

［Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上の合計：０．２〜１．５％］
Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏは、高速度の溶接においてアークを安定にする。Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上の合計が０．２％未満であると、アークが不安定になる。一方、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上の合計が１．５％を超えると、ビードの光沢が失われてビード外観が劣化し、更に、溶接ヒュームの発生量が著しく増加する。したがって、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上の合計は０．２〜１．５％とする。好ましくは０．６〜１．３％である。

その他は、酸化鉄（ＦｅＯ等）Ｐ及びＳ等の不純物であり、Ｐ及び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。

次に、本発明フラックスの粒度構成について説明する。このフラックスの粒径についても％は質量％を意味する。

［粒径５００μｍ超の粗粒：６％以下］
高速溶接において、フラックスの粒径５００μｍ超の粗粒はビード形状を不良にする粒子である。粒径５００μｍ超の粗粒が６％を超えると、フラックスが溶融し難くなり、アークが不安定でビード幅が不均一になり易くアンダーカットなどの溶接欠陥が発生する。したがって、粒径５００μｍ超の粗粒は６％以下とする。好ましくは４％以下である。

［粒径１５０μｍ超〜５００μｍ以下：４６〜８０％］
フラックスの粒径１５０μｍ超〜５００μｍ未満は安定したビード形状を形成するための重要な粒子である。粒径１５０μｍ超〜５００μｍ未満が４６％未満では、ビード形状が凸形状でガス抜けが悪くなりピット及びブローホールなどの溶接欠陥も発生する。一方、粒径１５０μｍ超〜５００μｍ以下が８０％を超えると、ビード表面にポックマークが生じやすくなる。また、ビード幅が広がりすぎて溶込みが浅くなり融合不良が発生しやすくなる。したがって、粒径１５０μｍ超〜５００μｍ以下の粒子は４６〜８０％とする。好ましくは５６〜７０％である。

［粒径１５０μｍ以下：１６〜５０％］
フラックスの粒径１５０μｍ以下も安定したビード形状を形成するための重要な粒子である。粒径１５０μｍ以下が１６％未満では、アークが不安定になる。一方、粒径１５０μｍ以下が５０％を超えると、スラグがこびり付き易くスラグ剥離性が不良でビード幅が狭くなり、更に、ガス抜けも不良でピット・ブローホールなどの溶接欠陥が発生する。したがって、粒径１５０μｍ以下は１６〜５０％とする。好ましくは２０〜４０％である。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表１に示す各種成分組成の溶融型フラックスを試作し、表２に示す３電極のサブマージアーク溶接条件で、表３に示すＪＩＳＺ３３５１ＹＳ−Ｍ５に該当するソリッドワイヤを組み合わせ、表４示す成分組成の板厚２０ｍｍ、長さ１５００ｍｍの母材に、図２に示す断面形状のＶ開先に溝加工して溶接を行った。

なお、表１に示す溶融型フラックスは、各種鉱物原材料を溶融し、冷却後粉末状に粉砕した後、各種粒度構成に整粒したものである。また、フラックス成分組成中のその他は、原料から不可避で混入する酸化鉄、Ｐ、Ｓ等の不純物である。

溶接作業性の評価は、アーク安定性、スラグ剥離性、ビード外観・形状、アンダーカットの有無を調査して行った。

溶接金属の内部欠陥の調査は、２０ｍｍの全厚で溶接線全長にわたりＸ線透過試験を行って調査した。その後、板厚を溶接面と反対の裏面から７ｍｍ減厚した後、再度Ｘ線透過試験を行い、スラグ巻込みの発生数を調査した。

溶接金属の靭性及び引張強度は、溶接金属の２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳＺ２２０２４号）及び丸棒型引張試験片（ＪＩＳＺ３１１１に準じたＡ２号）を試験板表面から７ｍｍ下の溶接金属を中心として採取して評価した。

衝撃試験は、−３０℃の試験温度で３回繰り返した衝撃試験の吸収エネルギーの平均値が１００Ｊ以上を良好とした。また、引張試験は引張強さ６００ＭＰａ以上を良好とした。それらの結果を、表５にまとめて示す。

表１及び表５中のフラックス記号ＭＦ１〜ＭＦ１１が発明例であり、フラックス記号ＭＦ１２〜２３は比較例である。

発明例であるフラックス記号ＭＦ１〜ＭＦ３、ＭＦ７、ＭＦ１０、及び、ＭＦ１１は、フラックスの成分組成及び粒度構成が適正であるので、溶接作業性が良好で、溶接部に欠陥も無く、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好であり、極めて満足な結果を達成している。

また、フラックス記号ＭＦ２、ＭＦ３、ＭＦ５、及び、ＭＦ８〜ＭＦ１０は、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上を適量含んでいるので、アークが非常に安定していた。

なお、フラックス記号ＭＦ４は、フラックス粒径５００ｍμ超の粗粒が多いので、アークがやや不安定であった。フラックス記号ＭＦ５は、フラックス粒径１５０μｍ超〜５００以下が少ないので、ビードが少し凸状となり、ビード形状がやや不良であった。

フラックス記号ＭＦ６は、フラックス粒径１５０μｍ以下が少ないので、アークがやや不安定であった。

フラックス記号ＭＦ８は、フラックス粒径１５０μｍ以下が多いので、ポックマークが少し発生してビード外観がやや不良であった。フラックス記号ＭＦ１０は、フラックス粒径１５０超〜５００μｍ以下が多いので、ポックマークが少し発生したためビード外観がやや不良であった。

比較例中フラックス記号ＭＦ１２は、ＣａＯが少ないので、ビード外観が不良でアンダーカットも生じた。また、Ｌｉ₂Ｏが少ないので、アークがやや不安定であった。

フラックス記号ＭＦ１３は、ＣａＯが多いので、ビード形状及びスラグ剥離性が不良であった。また、ＣａＦ₂が少ないので、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。

フラックス記号ＭＦ１４は、ＭｇＯが多いので、ビードの波目が粗くビード外観、スラグ剥離性が不良で、スラグ巻込みも生じた。また、フラックス粒径５００ｍμ超の粗粒が多いので、アークが不安定でアンダーカットも生じた。

フラックス記号ＭＦ１５は、Ａｌ₂Ｏ₃が少ないので、ビード外観及びスラグ剥離性が不良であった。また、フラックス粒径１５０μｍ以下が少ないので、アークが不安定であった。

フラックス記号ＭＦ１６は、Ａｌ₂Ｏ₃が多いので、ビード形状が不良でスラグ巻込みも生じた。また、ＭｎＯが多いので、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。

フラックス記号ＭＦ１７は、ＣａＦ₂が多いので、アークが不安定でビード外観・形状も不良であった。また、ＭｇＯが多いので、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。

フラックス記号ＭＦ１８は、ＳｉＯ₂が少ないのでビード外観・形状及びスラグ剥離性が不良で、アンダーカットも生じた。

フラックス記号ＭＦ１９は、ＴｉＯ₂が少ないので、アークが不安定でビード形状も不良であった。また、Ｂ₂Ｏ₃が多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。

フラックス記号ＭＦ２０は、ＢａＯが少ないのでアークが不安定で、スラグ巻込みも生じた。また、フラックス粒径１５０超〜５００μｍ以下が多いので、ビード表面にポックマークが生じ、開先底部に融合不良も生じた。

フラックス記号ＭＦ２１は、ＢａＯが多いので、ビード外観・形状が不良であった。また、フラックス粒径１５０以下が多いので、スラグ剥離性が不良で、ブローホールが生じた。

フラックス記号ＭＦ２２は、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ及びＬｉ₂Ｏの合計が多いので、ビード外観が不良であった。また、ＳｉＯ₂が多いので、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。

フラックス記号ＭＦ２３は、ＴｉＯ₂が多いので、スラグ剥離性が不良であった。また、フラックス粒径１５０超〜５００μｍ以下が少ないので、ビードが凸状となりビード外観が不良で、ブローホールも生じた。

前述したように、本発明のサブマージアーク溶接用溶融型フラックスによれば、高速度の溶接条件で溶接する場合においても、アークの安定性、スラグ剥離性、及び、ビード外観・形状等の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。よって、本発明は、溶接を使用する産業において利用可能性が高いものである。

Claims

質量％で、
ＣａＯ：５〜２５％、
ＭｇＯ：１〜５％、
Ａｌ₂Ｏ₃：１５〜２９％、
ＣａＦ₂：３０〜５０％、
ＳｉＯ₂：１５〜２５％、
ＭｎＯ：０．５〜１５％、
ＴｉＯ₂：０．２〜５％、
ＢａＯ：１〜５％、
Ｂ₂Ｏ₃：０．１〜１.５％
を含有し、残部は酸化鉄及び不可避不純物からなる
ことを特徴とするサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。
質量％で、更に、
Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、及び、Ｌｉ₂Ｏの１種又は２種以上の合計：０．２〜１．５％を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溶融型フラックス。
前記フラックスの粒度構成が、質量％で、
粒径５００μｍ超の粗粒：６％以下、
粒径１５０μｍ超〜５００μｍ以下：４６〜８０％、
粒径１５０μｍ以下：１６〜５０％である
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溶融型フラックス。