JP6772108B2 - 低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、低温用３．５〜５％Ｎｉ鋼の溶接に用いられる低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、溶接作業性が良好で、溶接欠陥がなく、低温靭性が良好な溶接金属が得られる低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
低温用３．５〜５％Ｎｉ鋼（以下、低Ｎｉ鋼という。）は、アセチレン、エタン、エチレン等液化ガスの低温圧力容器や配管及び船舶による輸送用の容器に用いられている。
低Ｎｉ鋼の溶接は、−１００〜−１４０℃での低温靭性が求められることから被覆アーク溶接棒が多く使用されており、例えば特許文献１、２に示すように、溶接金属中のＮ及びＯの低減を図り、Ｎｉを適量含むとともに酸化物及び弗化物の適量添加によりは低温靭性が得られるという技術の開示がある。また、サブマージアーク溶接においても、特許文献３に、３．５％Ｎｉ系のソリッドワイヤと組み合わせる焼成型のボンドフラックスの塩基度を高くして溶接金属の酸素量を低くし、低電流の溶接によって溶接金属全層を細粒化組織とすることによって靭性を改善する技術の開示がある。
しかし、特許文献１及び特許文献２の開示技術は、被覆アーク溶接棒を対象としているため、溶接能率に問題があり、特許文献３に開示されているサブマージアーク溶接では、全姿勢溶接ができない。さらに、特許文献１〜特許文献３の開示技術では、低温における靭性を安定して得ることはできなかった。
一方、全姿勢溶接が可能で高能率の溶接が可能なフラックス入りワイヤを用いて低温における靭性を得る技術として、例えば特許文献４において、ＣａＦ2を含む塩基性のフラックス入りワイヤにＮｉを５％以下含有して低温靭性を得る技術が開示されている。また特許文献５には、ＴｉＯ2の粒度を限定して溶接作業性を改善し、Ｎｉを５％以下含有することによって低温靭性を得る技術が開示されている。しかし、特許文献４及び特許文献５の開示技術では、−８０℃までの低温靭性しか得られておらず、−１００℃以下における低温靭性を得ることはできなかった。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、低Ｎｉ鋼を溶接するにあたり、全姿勢における溶接作業性が良好で、溶接欠陥がなく、溶接金属の低温靭性が−１００℃以下においても安定して得られる低温用鋼のガスシールアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明の要旨は、低温用３．５〜５％Ｎｉ鋼の溶接に用いられ、オーステナイト系ステンレス鋼外皮にフラックスを充填してなる低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、オーステナイト系ステンレス鋼外皮中のＣがオーステナイト系ステンレス鋼外皮全質量％で０．０１５％以下であり、ワイヤ全質量に対する質量％で、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計で、Ｃ：０．００３〜０．０２％、Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｎｉ：７.０〜１２．０％、Ｃｒ：１７．０〜２４．５％、Ｔｉ：０．５〜１．５％、Ａｌ：０．０５〜０．２０％を含有し、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜９．０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜１．０％、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．２〜１．０％、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．３〜１．１％、鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．１０〜０．４５％、弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０２〜０．１５％、Ｂｉ：０．０１〜０．０７％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計：０．１５〜０．４５％を含有し、残部がオーステナイト系ステンレス鋼外皮のＦｅ分、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする。
本発明を適用した低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、低Ｎｉ鋼を溶接するにあたり、全姿勢における溶接作業性が良好で、溶接欠陥がなく、溶接金属の低温靭性が安定して得られるので、高能率に高品質の溶接部が得られる。
本発明者らは、低Ｎｉ鋼を溶接する低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、全姿勢における溶接作業性が良好で、溶接欠陥がなく、特に−１００℃以下で低温靭性が安定して得られる溶接金属を得るべく種々検討を行った。
まず、母材と同程度のＮｉを含有した溶接金属では、低温における靭性を安定させることはできないことが判明し、溶接金属をＮｉとＣｒを含むオーステナイト組織とすることで安定した低温靭性が得られる可能性について検討した。
その結果、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックス中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌを適量とすることで溶接金属の強度及び低温靭性が得られることを見出した。さらに、フラックス入りワイヤ中のＴｉ及び鉄酸化物を適量とすることによって−１００℃以下の低温においても安定した高靭性が得られることを見出した。
全姿勢溶接における溶接作業性は、フラックス入りワイヤ中のＴｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ酸化物、弗化物、Ｂｉ及びＮａ化合物とＫ化合物を適量とすることによって、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、スラグ被包性や耐メタル垂れ性、スラグ剥離性及び耐欠陥性が良好になることを見出した。
また、低Ｃのオーステナイト系ステンレス鋼を外皮とすることによって、生産性が向上することも知見した。
以下、本発明を適用した低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤのオーステナイト系ステンレス鋼外皮の成分組成及びその含有量と、各成分組成の限定理由について説明する。なお、各成分組成の含有量は質量％で表すこととし、その質量％を表す時には単に％と記載して表すこととする。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣ：オーステナイト系ステンレス鋼外皮全質量に対する質量％で０．０１５％以下］
オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣが０．０１５％を超えると、フラックス入りワイヤの製造時にＣｒ炭化物を生成して、伸線工程において断線が生じやすくする。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣはオーステナイト系ステンレス鋼外皮全質量に対する質量％で０．０１５％以下とする。なお、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣの下限は特に限定しないが、オーステナイト系ステンレス鋼外皮の製造コストから０．００１％以上であることが好ましい。
オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣが０．０１５％を超えると、フラックス入りワイヤの製造時にＣｒ炭化物を生成して、伸線工程において断線が生じやすくする。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣはオーステナイト系ステンレス鋼外皮全質量に対する質量％で０．０１５％以下とする。なお、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣの下限は特に限定しないが、オーステナイト系ステンレス鋼外皮の製造コストから０．００１％以上であることが好ましい。
以下、各成分組成の含有量は、フラックス入りワイヤ全質量に対する質量％で表す。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＣ：０．００３〜０．０２％］
Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果がある。Ｃが０．００３％未満であると、十分な溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．０２％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＣは０．００３〜０．０２％とする。なお、Ｃは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属粉及び合金粉等から添加できる。
Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果がある。Ｃが０．００３％未満であると、十分な溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．０２％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＣは０．００３〜０．０２％とする。なお、Ｃは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属粉及び合金粉等から添加できる。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＳｉ：０．１０〜０．４０％］
Ｓｉは、溶接時の脱酸反応によって生じたスラグがビード形状を良好にする効果がある。Ｓｉが０．１０％未満であると、溶接時の脱酸作用によって生じるスラグが少なくなってビード形状が不良となる。一方、Ｓｉが０．４０％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＳｉは０．１０〜０．４０％とする。なお、Ｓｉは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加できる。
Ｓｉは、溶接時の脱酸反応によって生じたスラグがビード形状を良好にする効果がある。Ｓｉが０．１０％未満であると、溶接時の脱酸作用によって生じるスラグが少なくなってビード形状が不良となる。一方、Ｓｉが０．４０％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＳｉは０．１０〜０．４０％とする。なお、Ｓｉは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加できる。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＭｎ：１．０〜２．５％］
Ｍｎは、溶接金属のオーステナイト地に固溶して強度及び低温靭性を向上する効果がある。Ｍｎが１．０％未満であると、溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｍｎが２．５％を超えると、スパッタ発生量が多くなる。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＭｎは１．０〜２．５％とする。なお、Ｍｎは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加できる。
Ｍｎは、溶接金属のオーステナイト地に固溶して強度及び低温靭性を向上する効果がある。Ｍｎが１．０％未満であると、溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｍｎが２．５％を超えると、スパッタ発生量が多くなる。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＭｎは１．０〜２．５％とする。なお、Ｍｎは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加できる。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＮｉ：７．０〜１２．０％］
Ｎｉは、溶接金属のオーステナイト組織を安定させ低温靭性を向上する効果がある。Ｎｉが７．０％未満であると、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが１２．０％を超えると、溶接金属のオーステナイト組織が粗大化して強度が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＮｉは７．０〜１２．０％とする。なお、Ｎｉは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ等の合金粉から添加できる。
Ｎｉは、溶接金属のオーステナイト組織を安定させ低温靭性を向上する効果がある。Ｎｉが７．０％未満であると、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが１２．０％を超えると、溶接金属のオーステナイト組織が粗大化して強度が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＮｉは７．０〜１２．０％とする。なお、Ｎｉは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ等の合金粉から添加できる。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＣｒ：１７．０〜２４．５％］
Ｃｒは、溶接金属のフェライトを晶出する主元素であり、オーステナイトとフェライト量を調整して耐高温割れ性を向上する効果がある。Ｃｒが１７．０％未満であると、溶接金属のフェライト量が少なくなって高温割れが生じやすくなる。一方、Ｃｒが２４．５％を超えると、溶接金属のフェライト量が過多となって低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＣｒは１７．０〜２４．５％とする。なお、Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ等の合金粉から添加できる。
Ｃｒは、溶接金属のフェライトを晶出する主元素であり、オーステナイトとフェライト量を調整して耐高温割れ性を向上する効果がある。Ｃｒが１７．０％未満であると、溶接金属のフェライト量が少なくなって高温割れが生じやすくなる。一方、Ｃｒが２４．５％を超えると、溶接金属のフェライト量が過多となって低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＣｒは１７．０〜２４．５％とする。なお、Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ等の合金粉から添加できる。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＴｉ：０．５〜１．５％］
Ｔｉは、溶接金属中にＴｉＯ2の介在物として分散し、オーステナイト組織の成長を抑制するとともに、一部固溶して微細なフェライトを晶出させて強度及び低温靭性を向上する効果がある。Ｔｉが０．５％未満であると、溶接金属中のＴｉＯ2の介在物が少なくなってオーステナイト組織が粗大化するとともに固溶Ｔｉも少なくなって強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが１．５％を超えると、スパッタ発生量が多くなる。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＴｉは０．５〜１．５％とする。なお、Ｔｉは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉から添加できる。
Ｔｉは、溶接金属中にＴｉＯ2の介在物として分散し、オーステナイト組織の成長を抑制するとともに、一部固溶して微細なフェライトを晶出させて強度及び低温靭性を向上する効果がある。Ｔｉが０．５％未満であると、溶接金属中のＴｉＯ2の介在物が少なくなってオーステナイト組織が粗大化するとともに固溶Ｔｉも少なくなって強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが１．５％を超えると、スパッタ発生量が多くなる。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＴｉは０．５〜１．５％とする。なお、Ｔｉは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉から添加できる。
［オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＡｌ：０．０５〜０．２０％］
Ａｌは、脱酸剤であり溶接金属の酸素量を調整する。また、立向上進溶接でメタルが垂れるのを防止する効果がある。Ａｌが０．０５％未満であると、溶接金属中の酸素量が多くなってブローホールが生じやすくなる。また、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良となる。一方、Ａｌが０．２０％を超えると、溶接金属中の酸素量が低くなってＴｉＯ2介在物が少なくなりオーステナイト組織が粗大化するとともに固溶Ｔｉも少なくなって強度及び低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＡｌは０．０５〜０．２０％とする。なお、Ａｌは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ等の合金粉から添加できる。
Ａｌは、脱酸剤であり溶接金属の酸素量を調整する。また、立向上進溶接でメタルが垂れるのを防止する効果がある。Ａｌが０．０５％未満であると、溶接金属中の酸素量が多くなってブローホールが生じやすくなる。また、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良となる。一方、Ａｌが０．２０％を超えると、溶接金属中の酸素量が低くなってＴｉＯ2介在物が少なくなりオーステナイト組織が粗大化するとともに固溶Ｔｉも少なくなって強度及び低温靭性が低下する。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計でＡｌは０．０５〜０．２０％とする。なお、Ａｌは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ等の合金粉から添加できる。
［フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜９．０％］
Ｔｉ酸化物は、アークを安定にするとともに立向上進溶接でメタルが垂れるのを防止する効果がある。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満であると、アークが不安定となる。またＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満であると、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良となる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が９．０％を超えると、溶接時に生成するスラグが多くなってアークが不安定でビード形状も不良となる。したがって、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３．０〜９．０％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルミナイト等から添加できる
Ｔｉ酸化物は、アークを安定にするとともに立向上進溶接でメタルが垂れるのを防止する効果がある。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満であると、アークが不安定となる。またＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満であると、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良となる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が９．０％を超えると、溶接時に生成するスラグが多くなってアークが不安定でビード形状も不良となる。したがって、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３．０〜９．０％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルミナイト等から添加できる
［フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜１．０％］
Ｓｉ酸化物は、スラグの粘性を調整してスラグ被包性を良好にする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．２％未満であると、スラグの粘性が低くなりスラグ被包性が悪くなってビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値が１．０％を超えると、スラグ量が過多となってビード形状が不良となる。したがって、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．２〜１．０％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの珪砂、ジルコンサンド等から添加できる。
Ｓｉ酸化物は、スラグの粘性を調整してスラグ被包性を良好にする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．２％未満であると、スラグの粘性が低くなりスラグ被包性が悪くなってビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値が１．０％を超えると、スラグ量が過多となってビード形状が不良となる。したがって、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．２〜１．０％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの珪砂、ジルコンサンド等から添加できる。
［フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．２〜１．０％］
Ｚｒ酸化物は、スラグの粘性を調整し、溶滴移行時の際に発生するスパッタ発生量を低減する効果がある。Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．２％未満であると、スラグの粘性が低くなって溶滴移行時に小粒のスパッタが発生する。一方、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2の合計が１．０％を超えると、スラグの粘性が高くなり、溶滴が大きく成長して溶滴移行が円滑に行われずアークが不安定になる。したがって、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．２〜１．０％とする。なお、Ｚｒ酸化物は、フラックスからのジルコンサンド、酸化ジルコニウム等から添加できる。
Ｚｒ酸化物は、スラグの粘性を調整し、溶滴移行時の際に発生するスパッタ発生量を低減する効果がある。Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．２％未満であると、スラグの粘性が低くなって溶滴移行時に小粒のスパッタが発生する。一方、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2の合計が１．０％を超えると、スラグの粘性が高くなり、溶滴が大きく成長して溶滴移行が円滑に行われずアークが不安定になる。したがって、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．２〜１．０％とする。なお、Ｚｒ酸化物は、フラックスからのジルコンサンド、酸化ジルコニウム等から添加できる。
［フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．３〜１．１％］
Ａｌ酸化物は、スラグの融点を調整してビード形状を良好にする。Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3の合計が０．３％未満であると、スラグの融点が低くなって、溶接金属とスラグの凝固が不均一となってビード形状が不良となる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3の合計が１．１％を超えると、スラグの融点が高くなって、スラグ剥離性が不良となる。したがって、フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．３〜１．１％とする。なお、Ａｌ酸化物は、フラックスからのアルミナ、カリ長石、曹長石等から添加できる。
Ａｌ酸化物は、スラグの融点を調整してビード形状を良好にする。Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3の合計が０．３％未満であると、スラグの融点が低くなって、溶接金属とスラグの凝固が不均一となってビード形状が不良となる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3の合計が１．１％を超えると、スラグの融点が高くなって、スラグ剥離性が不良となる。したがって、フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．３〜１．１％とする。なお、Ａｌ酸化物は、フラックスからのアルミナ、カリ長石、曹長石等から添加できる。
［鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．１０〜０．４５％］
鉄酸化物は、溶接金属中の酸素量を調整して、ＴｉＯ2介在物の生成量を調整してオーステナイト粒の成長を抑制して組織を微細化させて低温靭性を向上する効果がある。鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計が０．１０％未満であると、ＴｉＯ2介在物の生成量が少なくなって低温靭性が低下する。一方、鉄酸化物のＦｅＯ換算値が０．４５％を超えると、溶接金属中の酸素量が多くなってブローホールが生じやすくなる。また、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良となる。したがって、フラックス中の鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計は０．１０〜０．４５％とする。なお、鉄酸化物は、フラックス中の赤鉄鉱、磁鉄鉱、ヘマタイト、ミルスケール等から添加できる。
鉄酸化物は、溶接金属中の酸素量を調整して、ＴｉＯ2介在物の生成量を調整してオーステナイト粒の成長を抑制して組織を微細化させて低温靭性を向上する効果がある。鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計が０．１０％未満であると、ＴｉＯ2介在物の生成量が少なくなって低温靭性が低下する。一方、鉄酸化物のＦｅＯ換算値が０．４５％を超えると、溶接金属中の酸素量が多くなってブローホールが生じやすくなる。また、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良となる。したがって、フラックス中の鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計は０．１０〜０．４５％とする。なお、鉄酸化物は、フラックス中の赤鉄鉱、磁鉄鉱、ヘマタイト、ミルスケール等から添加できる。
［弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０２〜０．１５％］
弗素化合物は、溶滴の離脱性を良好にしてスパッタ発生量を低減する効果がある。弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０２％未満であると、溶滴の離脱が不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．１５％を超えると、溶滴が成長して、かえってスパッタ発生量が多くなる。したがって、弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０２〜０．１５％とする。なお、フラックス中の弗素化合物は、弗化ソーダ、珪弗化カリ、ジルコン弗化カリ、氷晶石、弗化アルミ、蛍石等から添加できる。
弗素化合物は、溶滴の離脱性を良好にしてスパッタ発生量を低減する効果がある。弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０２％未満であると、溶滴の離脱が不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．１５％を超えると、溶滴が成長して、かえってスパッタ発生量が多くなる。したがって、弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０２〜０．１５％とする。なお、フラックス中の弗素化合物は、弗化ソーダ、珪弗化カリ、ジルコン弗化カリ、氷晶石、弗化アルミ、蛍石等から添加できる。
［Ｂｉ：０．０１〜０．０７％］
Ｂｉは、溶接金属からスラグの剥離を促進する効果がある。Ｂｉが０．０１％未満であると、スラグ剥離性が不良となる。一方、Ｂｉが０．０７％を超えると、溶接金属のオーステナイト粒界に偏析して結合力を弱め低温靭性が低下する。したがって、Ｂｉは０．０１〜０．０７％とする。なお、フラックスからのＢｉは、金属Ｂｉ等から添加できる。
Ｂｉは、溶接金属からスラグの剥離を促進する効果がある。Ｂｉが０．０１％未満であると、スラグ剥離性が不良となる。一方、Ｂｉが０．０７％を超えると、溶接金属のオーステナイト粒界に偏析して結合力を弱め低温靭性が低下する。したがって、Ｂｉは０．０１〜０．０７％とする。なお、フラックスからのＢｉは、金属Ｂｉ等から添加できる。
［Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計：０．１５〜０．４５％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アークを安定にしてスパッタ発生量を低減する効果がある。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が０．１５％未満であると、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が０．４５％を超えると、スラグの凝固が早くなってビード形状が不良となる。したがって、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計は０．１５〜０．４５％とする。なお、フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、弗化ソーダ、チタン酸ナトリウム、珪弗化カリ、珪弗化ソーダ等から添加できる。
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アークを安定にしてスパッタ発生量を低減する効果がある。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が０．１５％未満であると、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が０．４５％を超えると、スラグの凝固が早くなってビード形状が不良となる。したがって、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計は０．１５〜０．４５％とする。なお、フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、弗化ソーダ、チタン酸ナトリウム、珪弗化カリ、珪弗化ソーダ等から添加できる。
本発明の低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの残部は、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＦｅ、鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｔｉ、Ｆｅ−Ａｌ合金等の鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物である。不可避不純物については特に限定しないが、溶接金属の低温靭性に影響することから、Ｐは０．０３０％以下、Ｓは０．０２０％以下が好ましい。なお、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｖ及びＮｂは、溶接金属の強度の調整として合計で０．２０％以下の範囲で添加することができる。
本発明の低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼外皮をパイプに形成し、内部にフラックスを充填した後に所定のワイヤ径まで伸線したシーム有りのフラックス入りワイヤまたはオーステナイト系ステンレス鋼外皮を溶接してシームレスタイプのフラックス入りワイヤのいずれも適用できる。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼外皮を用い、表２に示す各種成分組成の低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを試作した。フラックス入りワイヤの製造はオーステナイト系ステンレス鋼外皮を溶接してシームレスタイプのフラックス入りワイヤとし、縮径してワイヤ素線径１．５ｍｍを各１トン試作した。なお、フラックスの充填率は１９〜２４％とした。
生産性の評価として、１．５ｍｍ径のワイヤ素線を１．２ｍｍの製品径まで縮径するまでの断線の回数を調査し、断線回数が２回以下を良好とした。また、各試作ワイヤについて、溶接作業性及び溶接継手試験を行った。
溶接作業性の評価は、板厚１６ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６に規定されるＳＭ４９０Ｂ鋼板をＴ字に組んだ試験体に表３に示す溶接条件で、水平すみ肉溶接及び立向上進溶接を行い、水平すみ肉溶接でアークの安定性、スパッタ発生状態、スラグ剥離性、ビード形状を調査し、立向上進溶接でメタル垂れの有無を調査した。
溶接継手試験は、板厚２０ｍｍのＮＫ規格に規定される低温用鋼のＫＬ３Ｎ３２及びＫＬ５Ｎ４３を図１に示す開先角度６０°、ギャップ０ｍｍの開先形状として、表３に示す溶接条件で溶接し、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施して溶接欠陥の有無を調査した後、当接継手の板表面下７ｍｍから引張試験片（Ａ０号）及び衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して、機械試験を実施した。引張試験の評価は、引張強さが５７０ＭＰａ以上のものを良好とし、靭性の評価は、−１４０℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、各々繰り返し５本の吸収エネルギーの最低値が３４Ｊ以上を良好とした。これらの結果を表４にまとめて示す。
表２及び表４中のワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０が本発明例、ワイヤ記号Ｗ１１〜Ｗ２４は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０は、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣが適正であるので、フラックス入りワイヤ製造時に断線は生じなかった。また、フラックス入りワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計、鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計、弗素化合物のＦ換算値の合計、Ｂｉ、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が適正であるので、水平すみ肉溶接及び立向上進溶接において、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性及びビード形状が良好で、立向上進溶接でメタル垂れが生じることがないなど良好な溶接作業性が得られた。また、溶接継手試験においても、溶接欠陥が生じることがなく、引張強さ及び吸収エネルギーも良好な値が得られるなど極めて満足な結果であった。
比較例中ワイヤ記号Ｗ１１は、オーステナイト系ステンレス鋼外皮のＣが多いので、フラックス入りワイヤ製造時に５回断線が生じた。また、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、立向上進溶接ではメタルが垂れてビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ１２は、フラックス入りワイヤのＣが少ないので、溶接金属の引張強さが低値であった。また、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が多いので、アークが不安定で、ビード形状も不良であった。
ワイヤ記号Ｗ１３は、フラックス入りワイヤのＣ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、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｓｉが少ないので、ビード形状が不良であった。また、弗素化合物のＦ換算値の合計が多いので、スパッタ発生量が多かった。さらに、鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｓｉ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、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が多いので、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｍｎが少ないので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーともに低値であった。また、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が少ないので、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｗ１７は、Ｍｎが多いので、スパッタ発生量が多かった。また、Ｂｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｎｉ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、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が多いので、アークが不安定であった。
ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｎｉが多いので、溶接金属の引張強さが低値であった。また、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値が少ないので、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２０は、Ｃｒが少ないので、溶接継手試験のクレータ部に高温割れが生じた。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が多いので、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２１は、Ｃｒ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、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２２は、Ｔｉが少ないので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低値であった。また、弗素化合物のＦ換算値の合計が少ないので、スパッタ発生量が多かった。さらに、Ｂｉが少ないので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２３は、Ｔｉが多いので、スパッタ発生量が多かった。また、Ａｌが多いので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低値であった。さらに、鉄酸化物のＦｅＯ換算値が多いので、立向上進溶接でメタル垂れが生じてビード形状が不良で、溶接継手試験でブローホールが生じた。
ワイヤ記号Ｗ２４は、Ａｌが少ないので、立向上進溶接でメタル垂れが生じてビード形状が不良で、溶接継手試験でブローホールが生じた。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。
Claims (1)
- 低温用３．５〜５％Ｎｉ鋼の溶接に用いられ、オーステナイト系ステンレス鋼外皮にフラックスを充填してなる低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
オーステナイト系ステンレス鋼外皮中のＣがオーステナイト系ステンレス鋼外皮全質量％で０．０１５％以下であり、
ワイヤ全質量に対する質量％で、オーステナイト系ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計で、
Ｃ：０．００３〜０．０２％、
Ｓｉ：０．１０〜０．４０％、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｎｉ：７.０〜１２．０％、
Ｃｒ：１７．０〜２４．５％、
Ｔｉ：０．５〜１．５％、
Ａｌ：０．０５〜０．２０％を含有し、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜９．０％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜１．０％、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．２〜１．０％、
Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．３〜１．１％、
鉄酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．１０〜０．４５％、
弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０２〜０．１５％、
Ｂｉ：０．０１〜０．０７％、
Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計：０．１５〜０．４５％を含有し、
残部がオーステナイト系ステンレス鋼外皮のＦｅ分、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする低温用鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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