JP6441179B2 - Ni基合金フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
なお、本明細書において「溶接金属」とは、溶接を施した際に溶接中に溶着金属と溶融母材とが溶融して凝固した金属をいう。
また、本明細書において「溶着金属」とは、溶接中に付加される金属材料である溶加材(ワイヤ)から、溶接部に移行した金属をいう。
溶接材料は、高温、多湿の環境下で長期間保管されると、溶接材料自身が吸湿し、その溶接材料に含まれている水分が溶接時に溶接金属に移行する、あるいは母材に水分等が残存している場合も同様である。
これが原因で引張延性(引張破断伸び)に乏しい溶接金属が形成される場合がある。
しかしながら、前記した特許文献1〜3に記載されている発明はいずれも溶接金属に水素が多量に含有されることによって生じる引張延性の不足を改善するものではない。
また、本発明に係るワイヤは、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、C:0.050質量%以下、Si:0.15質量%以下、P:0.015質量%以下、S:0.010質量%以下、Ti:0.20質量%以下、Nb:0.03質量%以下としている。
以下、ワイヤの成分および組成について説明する。
Niは、種々の金属と合金化して、溶接金属に優れた機械性能および耐食性を付与する。但し、ワイヤにおけるNi含有量が、ワイヤ全質量に対して50質量%未満であると、溶接金属の優れた機械性能および耐食性が得られない。一方、ワイヤにおけるNi含有量が、ワイヤ全質量に対して70質量%を超えると、他の合金元素の含有量が不十分となり、機械性能が確保できなくなる。従って、Ni含有量はワイヤ全質量に対して50質量%以上70質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるNi源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る(含まれる可能性のある)金属Ni、Ni−Mo合金等があり、本発明においては、これらの含有量をNiに換算した値をNi含有量として規定する。
Crは、溶接金属の耐食性および強度を向上させる効果がある。但し、ワイヤにおけるCr含有量が、ワイヤ全質量に対して1質量%未満であると、その効果が得られない。一方、ワイヤにおけるCr含有量が、ワイヤ全質量に対して15質量%を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Cr含有量は、ワイヤ全質量に対して1質量%以上15質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるCr源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属Cr、Fe−Cr合金等があり、本発明においては、これらの含有量をCrに換算した値をCr含有量として規定する。
Moは、溶接金属の耐食性および強度を向上させる効果がある。但し、ワイヤにおけるMo含有量が、ワイヤ全質量に対して10質量%未満であると、溶接金属の耐食性および強度を確保することができない。一方、ワイヤにおけるMo含有量が、ワイヤ全質量に対して20質量%を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Mo含有量は、ワイヤ全質量に対して10質量%以上20質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるMo源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属Mo、Fe−Mo合金等があり、本発明においては、これらの含有量をMoに換算した値をMo含有量として規定する。
Mnは、Niと低融点化合物を形成して耐高温割れ性を低下させるSと結合し、Sを無害化する効果がある。但し、ワイヤにおけるMn含有量がワイヤ全質量に対して1.5質量%未満であると、Sを無害化する効果が得られない。一方、ワイヤにおけるMn含有量が、ワイヤ全質量に対して5.5質量%を超えると、スラグ剥離性が低下する。従って、Mn含有量は、ワイヤ全質量に対して1.5質量%以上5.5質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるMn源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属Mn、Fe−Mn合金等があり、本発明においては、これらの含有量をMnに換算した値をMn含有量として規定する。
Wは、溶接金属の強度を向上させる成分である。但し、ワイヤにおけるW含有量が、ワイヤ全質量に対して1.5質量%未満であると、溶接金属の強度を確保することができない。一方、ワイヤにおけるW含有量が、ワイヤ全質量に対して5.0質量%を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、W含有量は、ワイヤ全質量に対して1.5質量%以上5.0質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるW源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属W、Fe−W合金等があり、本発明においては、これらの含有量をWに換算した値をW含有量として規定する。
Feは、溶接金属の延性を確保する成分である。ワイヤにおけるFe含有量が、ワイヤ全質量に対して2.0質量%未満であると、溶接金属の延性を確保できない。一方、ワイヤにおけるFe含有量が、ワイヤ全質量に対して8.0質量%を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Fe含有量は、ワイヤ全量に対して2.0質量%以上8.0質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるFe源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属Fe、Fe−Mn合金、Fe−Cr合金、Fe−Mo合金、Fe−Ti合金等があり、本発明においては、これらの含有量をFeに換算した値をFe含有量として規定する。
ワイヤに含まれるAlは、脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「C+O=CO(ガス)」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つが、過剰に添加すると耐高温割れ性を劣化させる。後記するように、本発明はBを積極添加するものであるが、Bを積極添加した場合、ワイヤの高温割れ性が低下する傾向にある。本発明では、このようなワイヤにおけるAl含有量をワイヤ全質量に対して0.01質量%以上0.40質量%以下とすることで溶接金属の耐高温割れ性を確保できることを見出した。従って、Al含有量はワイヤ全質量に対して0.01質量%以上0.40質量%以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるAl源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属Al、Fe−Al合金等があり、本発明においては、これらの含有量をAlに換算した値をAl含有量として規定する。但し、このAl含有量は、硫酸に溶解する金属AlおよびAl合金に由来するAlの含有量とし、硫酸に溶解しないAl2O3等の酸化物に由来するAlは含まない。
本発明では、Bの積極添加、つまり、B化合物およびB合金のうち少なくとも一方を積極添加する。従来、BはP、S、Biと同様に論じられ、高温割れの原因となる成分とされていた。特に、Ni基合金フラックス入りワイヤによる溶接では被覆アーク溶接に比べて高電流・高速で溶接を行うため高温割れに対しては特に注意が必要であり、健全な溶接金属を得るためにはBを抑制することが常識であった。
なお、図1は、ワイヤ全質量に対するB化合物およびB合金のいずれか一方または双方のB換算量の合計と、溶着金属の引張破断伸びと、所定の溶接条件で高温割れが発生するか否かの関係とを示したグラフである。なお、横軸がB換算量の合計(質量%)であり、縦軸が溶着金属の引張破断伸び(%)である。図1については[実施例]の項目で詳述する。
Cは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるC含有量が、ワイヤ全質量に対して0.050質量%を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、C含有量は、ワイヤ全質量に対して0.050質量%以下(0質量%を含む)に規制する。なお、本発明に係るワイヤにおけるC源としては、外皮を形成するNi基合金中や、フラックスに含まれる合金中、およびスラグ形成剤中に含まれる不可避的不純物のCが挙げられ、これらの総量をC含有量として規定する。
Siは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるSi含有量が、ワイヤ全質量に対して0.15質量%を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Si含有量は、ワイヤ全質量に対して0.15質量%以下(0質量%を含む)に規制する。なお、本発明に係るワイヤにおけるSi含有量は、塩酸および硝酸に溶解する金属SiおよびSi合金に由来するSiの含有量とし、酸に溶解しないSiO2等の酸化物に由来するSiは含まない。
(ワイヤ全体におけるS:ワイヤ全質量に対して0.010質量%以下)
PおよびSは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるP含有量が、ワイヤ全質量に対して0.015質量%を超えると、および/または、S含有量が、ワイヤ全質量に対して0.010質量%を超えると、結晶粒界中にこれらの元素とNiとの低融点化合物が生成するため、耐高温割れ性が低下する。従って、P含有量は、ワイヤ全質量に対して0.015質量%以下(0質量%を含む)に規制し、S含有量は、ワイヤ全質量に対して0.010質量%以下(0質量%を含む)に規制する。
ワイヤに含まれるTiはAlと同様、脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「C+O=CO(ガス)」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つが、過剰に添加すると耐高温割れ性を劣化させる。前記したように、本発明はBを積極添加するものであるが、Bを積極添加した場合、ワイヤの高温割れ性が低下する傾向にある。本発明では前記したようにAlを所定量添加することによって耐高温割れ性を確保しており、Alと併せてTiを所定量含有させると、溶接金属の耐高温割れ性をより確実に確保することができる。しかしながら、前記したようにTiを過剰に添加すると耐高温割れ性が劣化するのでこれを防止するため、Ti含有量は、ワイヤ全質量に対して0.20質量%以下(0質量%を含む)に規制する。なお、本発明に係るワイヤにおけるTi源としては、外皮を形成するNi基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ti、Fe−Ti合金等があり、本発明においては、これらの含有量をTiに換算した値をTi含有量として規定する。但し、このTi含有量は、硫酸に溶解する金属TiおよびTi合金に由来するTiの含有量とし、硫酸に溶解しないTiO2等の酸化物に由来するTiは含まない。
Nbは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるNb含有量が、ワイヤ全質量に対して0.03質量%を超えると、Niと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。従って、Nb含有量は、ワイヤ全質量に対して0.03質量%以下(0質量%を含む)に規制する。
本発明に係るワイヤは、前記したフラックスが、ワイヤ全質量に対して、TiO2:3.0質量%以上10.0質量%以下、SiO2:0.1質量%以上4.0質量%以下、ZrO2:0.5質量%以上2.0質量%以下、金属弗化物:F換算で0.01質量%以上1.5質量%以下含有していることが好ましい。
TiO2は、アーク安定性向上のため添加する。TiO2源としてはルチール、イルミナイト等があり、本発明においては、これらをTiO2量に換算した値として規定する。TiO2がワイヤ全質量に対して3.0質量%未満であるとアークを安定にする効果が得られない。一方、TiO2がワイヤ全質量に対して10.0質量%を超えるとスラグの量が多くなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生し易くなる。従って、TiO2はワイヤ全質量に対して3.0質量%以上10.0質量%以下とすることが好ましい。
SiO2は、スラグの粘性を調整して被包性を良好にする効果がある。SiO2源としては珪灰石、長石およびマイカ等がある。SiO2がワイヤ全質量に対して0.1質量%未満であるとスラグの被包性が不十分であり溶接作業性が劣化する。一方、SiO2がワイヤ全質量に対して4.0質量%を超えるとスラグ量が多くなり、スラグ巻き込みが発生し易くなる。従って、SiO2はワイヤ全質量に対して0.1質量%以上4.0質量%以下とすることが好ましい。
ZrO2は、スラグの融点を上げて立向姿勢での溶接作業性を良好にするため添加する。ZrO2源としてはジルコンサンド、ジルコンフラワーなどがある。ZrO2がワイヤ全質量に対して0.5質量%未満であるとスラグの量が十分ではなく、スラグの被包性が劣化する。一方、ZrO2がワイヤ全質量に対して2.0質量%を超えるとスラグの量が多くなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生し易くなる。従って、ZrO2はワイヤ全質量に対して0.5質量%以上2.0質量%以下とすることが好ましい。
金属弗化物は、アーク安定性を向上させ、スラグの流動性を向上させる効果がある。金属弗化物源としては、LiF、NaF、KF、Na3AlF6、K2SiF6、K2TiF6等がある。金属弗化物がワイヤ全質量に対してF換算で0.01質量%未満であると前記効果が十分に得られず、アーク安定性が低下する。一方、金属弗化物がワイヤ全質量に対してF換算で1.5質量%を超えるとスラグの粘性が低下し、立向姿勢において溶融池が垂れ易くなる。従って、金属弗化物はワイヤ全質量に対してF換算で0.01質量%以上1.5質量%以下とすることが好ましい。
また、本発明に係るワイヤは、前記した外皮が、当該外皮全質量に対して、Ni:60質量%以上、Mo:8質量%以上22質量%以下、Cr:1質量%以上15質量%以下を含有していることが好ましい。
外皮金属としてNi基合金を使用するのは、溶接金属の均一性を損なわないようにするため、および、フラックスが充填過剰とならないようにフラックス中からの合金添加を抑えるためである。外皮中のNi含有量が60質量%未満であると、必然的にNi以外の成分が多くなるが、外皮中のCr、Mo等は外皮の伸線加工性を低下させ、生産性が低下する。なお、外皮中のNi含有量が80質量%を超えると、Ni以外の成分を全てフラックスに添加しなければならず、フラックス充填率(ワイヤ全質量に対するフラックス質量の割合)が過剰になってしまう。フラックス充填率が過剰になると、製造工程においてワイヤの伸線が困難になり、生産性が低下する。そのため、外皮中のNi含有量は、外皮全質量に対して80質量%以下に抑制するのが好ましい。従って、外皮中のNi含有量は外皮全質量に対して60質量%以上とすることが好ましく、80質量%以下とすることが好ましい。
Moは、溶接金属の強度を確保する効果がある。外皮中のMo含有量が外皮全質量に対して8質量%未満であると、溶接金属の強度を得るためにフラックスからMoを添加しなければならなくなり、フラックス充填率が過剰になる。一方、外皮中のMo含有量が外皮全質量に対して22質量%を超えると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。従って、外皮中のMo含有量は外皮全質量に対して8質量%以上22質量%以下とすることが好ましい。
Crは、溶接金属の耐食性および強度を向上させる効果がある。外皮中のCr含有量が外皮全質量に対して1質量%未満であるとこれらの効果を得ることができない。一方、外皮中のCr含有量が外皮全質量に対して15質量%を超えると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。従って、外皮中のCr含有量は外皮全質量に対して1質量%以上15質量%以下とすることが好ましい。
外皮のその他の成分としては、例えば、Ti:外皮中に、外皮全質量に対して0.002質量%以上0.40質量%以下、Al:外皮中に、外皮全質量に対して0.03質量%以上0.40質量%以下、Mg:外皮中に、外皮全質量に対して0.004質量%以上0.025質量%以下とすることが挙げられる。
外皮中のCは、不可避的不純物として存在している。外皮中のCは溶接中にCOガスとなってブローホールの発生原因となる。これを回避するため、外皮中のC含有量は外皮全質量に対して0.020質量%以下(0質量%を含む)とすることが好ましい。
外皮中のSiは、不可避的不純物として存在している。外皮中のSiは溶接時に低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。これを回避するため、外皮中のSi含有量は外皮全質量に対して0.15質量%以下(0質量%を含む)とすることが好ましい。
残部は、例えば、Mn:外皮全質量に対して4.0質量%以下、Fe:外皮全質量に対して7.0質量%以下、W:外皮全質量に対して4.0質量%以下で含有させることができる(いずれも0質量%を含む)。但し、外皮中のMn含有量が外皮全質量に対して4.0質量%を超えたり、W含有量が4.0質量%を超えたりすると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。また、外皮中のFe含有量が7.0質量%を超えると耐高温割れ性が低下する。
また、外皮におけるその他の成分として不可避的不純物が挙げられる。不可避的不純物としては、前記したC、Siのほか、例えば、P、S、Cu、Nb、V、N等が挙げられる。なお、Pの許容含有量は0.010質量%であり、Sの許容含有量は0.010質量%であり、Cuの許容含有量は0.01質量%であり、Nbの許容含有量は0.10質量%であり、Vの許容含有量は0.10質量%であり、Nの許容含有量は0.010質量%である(いずれも0質量%を含む)。
そのため、本発明に係るワイヤは、9%Ni鋼や各種高Ni合金等の低温用鋼の溶接に際し、Ar+CO2混合ガスを用いたガスシールドアーク溶接等に好適に用いることができる。
溶着金属の室温引張試験(JIS Z 3111:2005「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」)を行うことにより、溶着金属の引張破断伸びを測定し、判定した。溶着金属の室温引張試験は、次のようにして行った。
図2に示すように、板厚20mmのSM490鋼板の開先面に、開先角度が45°になるように斜面を形成し、この開先部を供試ワイヤでバタリングして、バタリング層2を形成した。その後、バタリングされた母材1同士をルートギャップが12mmとなるように配置し、開先が狭まる側に、同様に表面をバタリングした裏当金3(鋼材)を配置した。この開先にJIS Z 3111:2005に準じて溶接し、溶着金属を作製した。そして、作製した溶着金属から図3に示す要領で引張試験片4(JIS Z 3111:2005のA1号)を採取して前記試験を行った。
高温割れ試験(JIS Z 3155:1993「C形ジグ拘束突合わせ溶接割れ試験方法」(Method of FISCO test))を行うことにより、耐高温割れ性を評価した。高温割れ試験は次のようにして行った。
表4に示す成分の母材(板厚20mm、幅125mm、長さ300mm)を使用し、図4に示すように、母材10の開先角度が60°になるように板厚の半分まで斜面を形成した。そして、母材10と母材10の間隔が2mmになるように調整して、JIS Z 3155:1993に準拠して試験を行った。溶接は、供試ワイヤを用いて自動溶接機によるシングルビード溶接を行い、スタートとクレータを除く溶接金属部に発生する割れの有無を確認した。
表5に溶着金属の引張破断伸びの判定結果、耐高温割れ性の判定結果、および総合評価を示す。
具体的には、No.7〜10に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するB化合物およびB合金のいずれか一方または双方のB換算量の合計が低過ぎたため、溶着金属の引張破断伸びが低下した。
No.11〜13に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するB化合物およびB合金のいずれか一方または双方のB換算量の合計が高過ぎたため、耐高温割れ性が低下した。
No.15に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するTi含有量が高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
No.16に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するSi含有量およびS含有量が共に高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
No.17に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するC含有量およびP含有量が共に高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
No.18に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するNb含有量が高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
2 バタリング層
3 裏当金
4 引張試験片
Claims (3)
- フラックスが外皮に内包されたNi基合金フラックス入りワイヤであり、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、
Ni:50質量%以上70質量%以下、
Cr:1質量%以上15質量%以下、
Mo:10質量%以上20質量%以下、
Mn:1.5質量%以上5.5質量%以下、
W:1.5質量%以上5.0質量%以下、
Fe:2.0質量%以上8.0質量%以下、
Al:0.01質量%以上0.40質量%以下、
B化合物およびB合金のいずれか一方または双方のB換算量の合計:0.005質量%以上0.030質量%以下、
C:0.050質量%以下、
Si:0.15質量%以下、
P:0.015質量%以下、
S:0.010質量%以下、
Ti:0.20質量%以下、
Nb:0.03質量%以下、
前記フラックスが、ワイヤ全質量に対して、
TiO 2 :3.0質量%以上10.0質量%以下、
SiO 2 :0.1質量%以上4.0質量%以下、
ZrO 2 :0.5質量%以上2.0質量%以下、
金属弗化物:F換算量で0.01質量%以上1.5質量%以下、
Ni、Cr、Mo、Mn、W、Fe、AlおよびCuの群からなる金属成分の合計:10質量%以上15質量%以下で含有し、
ワイヤ全体の組成において、前記Ni、前記Cr、前記Mo、前記Mn、前記W、前記Fe、前記Al、前記B化合物および前記B合金のいずれか一方または双方のB換算量の合計、前記C、前記Si、前記P、前記S、前記Ti、前記Nb、前記TiO 2 、前記SiO 2 、前記ZrO 2 および前記金属弗化物の成分の合計が、ワイヤ全質量あたり、97.5質量%以上であり、
外皮中に、外皮全質量に対して、
N:0.010質量%以下、
Mg:0.004質量%以上0.025質量%以下含有する
ことを特徴とするNi基合金フラックス入りワイヤ。 - 前記外皮が、当該外皮全質量に対して、
Ni:60質量%以上、
Mo:8質量%以上22質量%以下、
Cr:1質量%以上15質量%以下含有する
ことを特徴とする請求項1に記載のNi基合金フラックス入りワイヤ。 - 前記外皮が、当該外皮全質量に対して、
Ti:0.002質量%以上0.40質量%以下、
Al:0.03質量%以上0.40質量%以下、
C:0.020質量%以下、
Si:0.15質量%以下、
Mn:4.0質量%以下、
W:4.0質量%以下、
Fe:7.0質量%以下含有し、
残部が不可避的不純物からなる
ことを特徴とする請求項2に記載のNi基合金フラックス入りワイヤ。
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