JP6787043B2

JP6787043B2 - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス

Info

Publication number: JP6787043B2
Application number: JP2016212179A
Authority: JP
Inventors: 浩久田邉
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2036-10-28
Also published as: JP2018069294A

Description

本発明は、サブマージアーク溶接時に使用される溶融型フラックスに関する。

サブマージアーク溶接は、高能率で安定した溶接施工性および溶接金属の機械的性能が得られることから、造管、鉄骨、橋梁、車両など幅広い分野の溶接に適用されている。近年、エネルギー産業の発展に伴い、低温用鋼は幅広く用いられており、年々使用比率が増加している。そこで、サブマージアーク溶接においては、低温用鋼を用いた施工における生産性向上や安全性、耐久性の確保のため、更なる改善が求められており、その中でも特に溶接金属の健全性（耐低温割れ性）確保および安定した溶接施工性確保の要望が大きい。

従来、低温用鋼のサブマージアーク溶接には、フラックスとして溶融型フラックスまたは焼成型フラックスが用いられる。焼成型フラックスは、各種原材料に水ガラス等を添加して造粒し、５５０℃程度に焼成したものであり、溶接金属の化学成分を自由に調整できるという優れた特徴があるが、吸湿しやすいという欠点がある。一方、溶融型フラックスは、各種鉱物原材料を１５００℃以上の高温で溶融し、冷却後粉末状に粉砕したものであり、吸湿が少なく、溶接金属の拡散性水素量を低くすることができ、取扱や保管が容易であるという特徴がある。

低温用鋼のサブマージアーク溶接では、溶接の高速度化、および安定した溶接金属の品質確保を目的とした場合には溶融型フラックスが適用される。しかし、近年の低温用鋼の高強度化に伴い、溶接金属の低温割れ防止の観点から、溶接金属の拡散性水素量を低減する必要が生じている。溶接金属の低温割れは、溶接箇所の予熱により防止できることは知られているが、予熱工程が加わると生産性が大きく低下する。
また、スラグ巻込み、アンダーカットなどの溶接欠陥が発生した場合や、スラグ剥離性やビード形状の不良が生じた場合には、それらを手入れする必要が生じ、作業効率が低下する。

これらの課題に対応するため、種々の成分を有する溶融型フラックスが、例えば特許文献１や２等に開示されている。
例えば、特許文献１には、フラックスの組成調整とフラックスの焼成により溶接金属の拡散性水素量低減や溶接作業性改善を図った溶融型フラックスが開示されている。しかし、フラックスの焼成工程が必要となるため、フラックスの生産性が高くないという問題がある。

特許文献２には、フラックスの組成と粒度の調整により溶接金属の拡散性水素量の低減および高速溶接性に優れたフラックスが開示されている。しかし、フラックスの粒度調整が必要となるため、フラックスの歩留りが高くないという問題がある。

特開２００６−２７２３７５号公報特開昭５９−２１２１９０号公報

これら従来技術は、フラックス組成・粒度調整やフラックス焼成などを行なうことで、フラックス製造時のフラックスへの水分含有抑制により、溶接金属の拡散性水素量低減を図ったものであり、フラックス製造完了後にフラックスへ吸着する水分については考慮されていない。溶融型フラックスは、焼成型フラックスと比較すると耐吸湿性には優れているものの、大気雰囲気に長時間暴露するとフラックスへ水分が吸着していく。つまり、フラックス製造完了後から時間が経過するにつれて、フラックスに大気中の水分が吸着していき、溶接金属の拡散性水素量増加の原因となる。

そこで、本発明では、このような実情に鑑み、溶接金属の拡散性水素量の低減、および溶接施工性確保を両立可能な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課題とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために、フラックスの耐吸湿性と溶接施工性に及ぼすフラックス粒の表面性状および化学成分の影響について鋭意検討を行なった。その結果、フラックス成分を限定した上でフラックス粒の表面のくぼみ（細孔）の体積の総和（全細孔容積）を０．００１０ｃｍ³／ｇ以下とすることにより、フラックス製造時の水分含有抑制、および製造完了後のフラックスへの水分吸着抑制により溶接金属の拡散性水素量を低減でき、更に良好な溶接施工性を有することを見出して、本発明を完成した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、
ＳｉＯ₂：２．０〜３０．０％、
ＣａＯ：５．０〜２５．０％、
Ａｌ₂Ｏ₃：２．０〜４０．０％、
ＭｎＯ：２．０〜１０．０％、
ＴｉＯ₂：１０．０〜３０．０％、
ＢａＯ：５．０〜１５．０％
を含有し、残部は不可避的不純物からなり、フラックス粒表面の全細孔容積が０．００１０ｃｍ³／ｇ以下であ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）更に、質量％で、
ＭｇＯ：１０．０％以下、
Ｂ₂Ｏ₃：１.０％以下
の１種又は２種以上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。

ここで、フラックス粒表面の全細孔容積は、フラックスの表面に吸着したＮ₂ガス量を測定し、ＢＪＨ法により細孔径分布を求め、その積算値から算出された値である。

本発明により、フラックス製造時の水分含有を抑制した上で、製造完了後の時間経過とともに吸着する水分を抑制でき、溶接施工性を確保しつつ溶接金属の拡散性水素量を低減することが可能となる。

フラックス粒表面の細孔を二次元的に示した模式図である。

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、「本発明のフラックス」という）の成分組成の限定理由について説明する。なお、特段の断りのない限り、「％」は「質量％」を意味する。

（ＳｉＯ₂：２．０〜３０．０％）
ＳｉＯ₂は、スラグを構成する重要な成分である。ＳｉＯ₂はスラグをガラス化させ、ビード外観およびスラグ剥離性を改善し、スラグへの水分含有を抑制する効果を有する。また、ＳｉＯ₂の添加量が少ないと、アンダーカットやスラグ巻込み等の溶接欠陥を生じやすくなる。一方で、ＳｉＯ₂はスラグの粘度を高くする成分であり、ＳｉＯ₂添加量の増加は、スラグの粘度を増加させ、ビード形状不良を生じやすくする。よって、溶接施工性確保と拡散性水素量低減を安定して両立させる観点から、ＳｉＯ₂の添加量を２．０〜３０．０％とする。好ましくはＳｉＯ₂の添加量を１０.０〜２０．０％とする。

（ＣａＯ：５．０〜２５．０％）
ＣａＯは、溶融スラグの流動性を向上させ、アンダーカットやスラグ巻込みを抑制する効果を有する。一方で、ＣａＯの過剰添加により、大気中の水分が溶融スラグへ化学吸着しやすくなるため、拡散性水素量を増加させる。よって、溶接施工性確保と拡散性水素量低減を安定して両立させる観点から、ＣａＯの添加量を５．０〜２５．０％とする。好ましくはＣａＯの添加量を１０．０〜２０．０％とする。

（Ａｌ₂Ｏ₃：２．０〜４０．０％）
Ａｌ₂Ｏ₃は、スラグをガラス化させ、ビード外観およびスラグ剥離性を改善する。また、適量添加により、大気中の水分を溶融スラグへ化学吸着し難くさせる成分であり、溶接金属の拡散性水素量を低減する効果を有する。一方で、Ａｌ₂Ｏ₃の過剰添加はスラグを高塩基度化させるため、大気中の水分が溶融スラグへ化学吸着しやすくなり、拡散性水素量を増加させる。よって、溶接施工性確保と拡散性水素量低減を安定して両立させる観点から、Ａｌ₂Ｏ₃の添加量を２．０〜４０．０％とする。好ましくはＡｌ₂Ｏ₃の添加量を２０．０〜３５．０％とする。

（ＭｎＯ：２．０〜１０．０％）
ＭｎＯは、溶融スラグの流動性を向上させ、ビード外観を滑らかにする効果を有する。また、溶接金属へのＭｎの歩留りを改善する効果も期待される。この効果を得るために２．０％以上を添加する。一方でＭｎＯの過剰添加はスラグへの水分含有を促進して溶接金属の拡散性水素量を増加させるため、上限を１０．０％とする。好ましくは上限を６．０％とする。

（ＴｉＯ₂：１０．０〜３０．０％）
ＴｉＯ₂は、少量の添加でスラグ剥離性を改善するとともに溶接金属へのＴｉの歩留りを改善する。この効果を得るために１０．０％以上を添加する。一方で、過剰添加は溶融スラグの流動性を阻害してスラグ巻込みを増加させるため、上限を３０．０％とする。好ましくは上限を２３．０％とする。

（ＢａＯ：５．０〜１５．０％）
ＢａＯは、フラックスの融点を調整する効果を有する。この効果を得るために５．０％以上を添加する。一方で、過剰の添加はビード形状を悪化させるため、その上限を１５．０％とする。好ましくは上限を１３．０％とする。

また、本発明のフラックスは、上記の必須成分に加え、更に、必要に応じて、以下の成分を任意で含有することができる。

（ＭｇＯ：１０．０％以下）
ＭｇＯは、フラックス粒の表面性状に影響し、粒表面のくぼみ（細孔）の体積の総和（全細孔容積）を低減して、フラックスへの吸湿を抑制する効果を有する。この効果を得るためには、１．０％以上の配合が好ましい。一方で、１０．０％を超えて添加するとフラックスの融点が上がり、溶融スラグの流動性が悪くなり溶接性を損なうため、その上限を１０．０％とするとよい。好ましくは上限を７．０％とする。

（Ｂ₂Ｏ₃：１．０％以下）
Ｂ₂Ｏ₃は、溶接金属の靱性を向上する効果を有する。この効果を得るためには、０．０５％以上の添加が好ましい。一方で、過剰の添加は溶接金属が硬化し靱性を劣化させるためその上限を１．０％とするとよい。好ましくは上限を０．７％とする。

以上が本発明のフラックスの成分組成に関する限定理由であるが、その他に、溶融型フラックス製造時に不可避的に不純物としてＦｅＯ等が混入する場合がある。不純物の混入については、ＦｅＯでは、３．０％以下であれば溶接施工性と拡散性水素量に影響しない。

次に、本発明のフラックスの表面の全細孔容積について説明する。
フラックス粒表面の全細孔容積の値は、本発明のフラックスの最も重要な要件である。フラックス粒１は、図１の模式図に示すように、その表面にくぼみ（細孔）部分２を有し、フラックス粒１の表面の全細孔容積とは、くぼみ（細孔）部分２の体積〔容積〕の総和（斜線部分）である。

フラックス粒表面の全細孔容積は、フラックスの吸湿性に影響を及ぼす。フラックス粒表面の全細孔容積を０．００１０ｃｍ³／ｇ以下とすることにより、フラックス粒の表面積が小さくなるため、耐吸湿性が向上してフラックスへの水分含有を抑制でき、溶接金属の拡散性水素量を低減できる。フラックス粒表面の全細孔容積の下限は、特に限定されるものでなく、フラックス粒表面に細孔が無いことが理想であるが、０．０００１ｃｍ³／ｇ未満に低減すると、製造コストの上昇を招くので、実用上、０．０００１ｃｍ³／ｇが実質的な下限である。

フラックス粒表面の全細孔容積は、次のように測定される。まず、所定量のフラックスを測定室内に入れ、２００℃×３時間で脱気し、室温まで冷却する。その後、Ｎ₂ガスを測定室内に入れ、フラックスの表面に吸着したＮ₂ガス量を測定し、フラックス単位質量にあたりの全細孔容積を算出する。具体的には、島津製作所−マイクロメリティックス製アサップ２０１０を用い、Ｎ₂ガス吸着量を細孔径分布で出力したのち、ＢＪＨ法（Ｂａｒｒｅｔｔ−Ｊｏｙｎｅｒ−Ｈａｌｅｎｄａの標準モデルに従って細孔径に対する細孔容積の分布を決定する方法）により、細孔径分布の積算値から全細孔容積を算出する。

また、フラックス粒表面の全細孔容積の調整は、詳細な機構は不明だが、溶解したフラックス原料を冷却する際の冷却速度を制御することで実施できる。すなわち、フラックス原料を、溶解冷却後に本発明のフラックスの成分組成となるように配合し、該配合した原料を溶解炉で溶解後、金属板などの耐熱材上への投下や空冷する方法等により冷却する際に、冷却速度を後述する実施例に示すように制御することで、フラックス粒表面の全細孔容積を本発明の適正範囲とすることができる。

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。

フラックス原料の配合比率を変えること、および原料溶解後３００℃までの冷却速度を６７〜１２００℃／ｍｉｎの中で変えることにより、表１に示す化学成分（残部として３％以下の不純物を含む。）及びフラックス粒表面の全細孔容積を有する溶融型フラックスを試作した。なお、表１において、原料溶解後３００℃までの冷却速度を「冷却速度」と表記する。
また、溶融型フラックス粒表面の全細孔容積の測定では、５ｇのフラックスについて、島津製作所−マイクロメリティックス製アサップ２０１０を用いて２回測定し、その平均値とした。なお、表１および本発明のフラックスの化学成分（質量％）は、すべて原料溶解後室温まで冷却した後、分析した数値である。

表２に、溶接施工性の調査で用いた鋼板の化学成分（残部Ｆｅ及び不可避的不純物）を示す。この鋼板は、板厚１６ｍｍの市販材ＳＭ４００Ｂである。また、表３に、溶接施工性の調査で用いた溶接ワイヤの化学成分（残部Ｆｅ及び不可避的不純物）を示す。溶接ワイヤは、４ｍｍ径の市販品であり、溶接ワイヤＡ、Ｂのいずれか又は両方を組み合わせて用いた。

溶接施工性の調査は、表２に示す鋼板を、表１に示す溶融型フラックス、および表３に示す溶接ワイヤを用いて、４電極サブマージアーク溶接によりビードオンプレート溶接を実施して行った。ビードオンプレート溶接では、第１、４電極に溶接ワイヤＡ、第２、３電極に溶接ワイヤＢを用いて、表４に示す溶接条件で溶接長１ｍの１層溶接を実施した。

そして、溶接施工性の調査の際に、目視によりスラグ剥離性、アンダーカット（以後ＵＣと称す）の有無および溶接ビード形状を確認し、また、Ｘ線検査によりスラグ巻込み（以後ＳＩと称す）の有無を確認した。

表５に、溶接施工性の評価結果を示す。この評価では、スラグ剥離性は、スラグの剥離において、ビード表面端部にスラグ片が残ることなく実行できる場合を「○」、ビード表面端部にスラグ片が残る場合を「×」、ＵＣは、ＵＣが無い場合を「○」、有る場合を「×」、溶接ビード形状は、鋼板表面からの溶接金属の余盛り高さが３ｍｍ未満の場合を「○」、３ｍｍ以上の場合を「×」、ＳＩは、スラグの巻込みが無い場合を「○」、有る場合を「×」として、全てが「○」の場合、表５において「○」と表記し、それ以外を「×」と表記した。

また、溶接金属の拡散性水素量を測定し、その結果を表５に示す。溶接金属の拡散性水素量の測定は、ＪＩＳＺ３１１８（１９９２）に準拠し、表１に示す溶融型フラックスと表２に示す鋼板、表３に示す溶接ワイヤＡを用いて単電極溶接し、溶接後ガスクロ法により評価した。溶接金属の拡散性水素量は５．０ｍｌ／１００ｇ以下を良好と評価した。

フラックス記号５から９については、フラックス組成が規定範囲から逸脱しているため、溶接施工性が不良または拡散性水素量が高くなった。
フラックス記号１０および１１については、フラックス組成は規定範囲内となっているため溶接施工性は良好であったが、フラックス粒表面の全細孔容積が規定範囲から逸脱したため、フラックスへの水分含有により拡散性水素量が高くなった。

上記比較例に対して、発明例１から４に示したように、本発明範囲にフラックス成分およびフラックス粒表面の全細孔容積を制御した溶融型フラックスでは、溶接金属の拡散性水素量低減および溶接施工性確保の両立を実現した。

本発明によれば、フラックス製造時の水分含有を抑制した上で、製造完了後の時間経過とともに吸着する水分を抑制でき、溶接施工性を確保しつつ溶接金属の拡散性水素量を低減することが可能となる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が大きいものである。

１フラックス粒
２くぼみ（細孔）部分

Claims

質量％で、
ＳｉＯ₂：２．０〜３０．０％、
ＣａＯ：５．０〜２５．０％、
Ａｌ₂Ｏ₃：２．０〜４０．０％、
ＭｎＯ：２．０〜１０．０％、
ＴｉＯ₂：１０．０〜３０．０％、
ＢａＯ：５．０〜１５．０％
を含有し、残部は不可避的不純物からなり、フラックス粒表面の全細孔容積が０．００１０ｃｍ³／ｇ以下であ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。
更に、質量％で、
ＭｇＯ：１０．０％以下、
Ｂ₂Ｏ₃：１.０％以下
の１種又は２種以上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。