JP6987800B2 - イルミナイト系被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Description

本発明は、アークの安定性に優れ、好適なアークの吹付けが得られ、深溶込みで溶接欠陥がなく、スラグ剥離性、ビード形状及び耐高温割れ性が良好で、機械的性能に優れた溶接金属が得られるイルミナイト系被覆アーク溶接棒に関する。

イルミナイト系被覆アーク溶接棒は、低水素系被覆アーク溶接棒等に比べ、良好な溶接ビードが得られ、スラグ剥離性が良好で、スパッタ発生量が少なく、再アーク性が良好であるなど溶接作業性に優れるため、車両、建築等の一般構造物の溶接に広く使用されている。

しかしながら、このイルミナイト系被覆アーク溶接棒は、高温割れ、溶込み不良等の溶接欠陥が発生しやすいという問題がある。

近年では、更なる溶接作業能率及び溶接部の品質向上が要求されることから、機械的性能の溶接金属を維持しつつ、溶接金属の高温割れ、溶込み不良等の溶接欠陥の抑制が重要課題となっており、アークの安定性に優れ、アークの吹付けが好適で深い溶込みが得られ、かつ、耐割れ性にも優れるイルミナイト系被覆アーク溶接棒が要望されている。

イルミナイト系被覆アーク溶接棒の溶接作業性の改善に対しては、種々の提案がされている。例えば、特許文献１には、イルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤中の砂鉄、イルミナイトの粒度構成及び含有量を規定することで、優れたアークの安定性が得られる技術が開示されている。

また、特許文献２には、炭素鋼用被覆アーク溶接棒の被覆剤中の有機物の含有量を規定することで、好適なアークの吹付けが得られ、良好な耐ブローホール性が得られる技術が開示されている。

しかしながら、これら特許文献１及び２に記載の被覆アーク溶接棒では、従来からのイルミナイト系被覆アーク溶接棒の課題とされてきたアークの安定性、好適なアークの吹付け、深溶込みを改善できるものの、耐割れ性を維持しながらこれら溶接作業性を向上させることは困難であった。

さらに、特許文献３には、被覆アーク溶接棒の鋼心線中のＯを規定することにより、耐高温割れ性に最も影響を及ぼすＳを無害な介在物にして耐高温割れ性を改善する技術が開示されている。また特許文献３には、Ｓｎを添加することで狭開先の溶接でスラグ剥離性を改善することが開示されている。

しかしながら、この特許文献３に記載されている被覆アーク溶接棒では、狭開先の溶接で優れた耐高温割れを改善できるものの、通常の溶接では十分な耐高温割れ性を得られず、スラグ剥離性についても通常の溶接では十分な改善効果が得られないという問題があった。

特開昭５４−１０２２５６号公報 特開昭６３−２０７４９５号公報 特開２０００−２６３２８６号公報

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、アークの安定性に優れ、好適なアークの吹付けが得られ、深溶込みで溶接欠陥がなく、スラグ剥離性、ビード形状及び耐高温割れ性が良好で、機械的性能に優れた溶接金属が得られるイルミナイト系被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、鋼心線に被覆剤が被覆されているイルミナイト系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．５０％、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：９〜２０％、硫化鉄：０．０１〜０．１０％、砂鉄：１０〜２０％、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計：０．２〜１．５％、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１０〜３０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１５〜３５％、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：１〜５％、有機物の１種又は２種以上の合計：３〜８％、Ｍｎ：１０〜２０％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：２．５〜５．５％を含有し、残部は塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする。

また本発明の要旨は、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、ＭｇＯ：０．１〜１．０％をさらに含有することも特徴とするイルミナイト系被覆アーク溶接棒である。

本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒によれば、良好なアーク安定性、好適なアークの吹付けが得られるなど優れた溶接作業性を確保することができ、深溶込みで溶接欠陥を抑制することができ、スラグ剥離性、ビード形状及び耐高温割れ性も良好で、機械的性能に優れる溶接金属を得ることができる。このため、本発明によれば、溶接作業能率の向上及び溶接部の品質向上に大いに貢献できる。

本発明者らは、上述した課題を解決するために、各種イルミナイト系被覆アーク溶接棒を試作し、溶接作業性及び溶接金属の機械的性能を改善するべく、まずは耐割れ性について詳細に調査した。その結果、被覆剤中のＣの含有量及び硫化鉄の含有量を適正な範囲とし、粒界へのＣ及びＳの偏析を低減することにより、高温割れを抑制できることを見出した。

また、アークの安定性は、被覆剤中のＴｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物及びＮａ化合物及びＫ化合物といったアーク安定剤の各含有量および砂鉄の含有量を適正な範囲にすることで改善できることを見出した。

さらに、アークの吹付けは、被覆剤中のＣの含有量、金属炭酸塩の含有量、Ｍｎ酸化物の含有量及び有機物の含有量を適正な範囲にすることで、好適なアークの吹付けが得られ、融合不良等の溶接欠陥を抑制できることを見出した。

また、スラグ剥離性は、被覆剤中の硫化鉄の含有量及びＳｉ酸化物の含有量を適正な範囲にすることで、ビード端部の焼き付きが防止されてスラグ剥離性が改善できることを見出した。また、ＭｇＯの含有量をさらに適正な範囲にすることにより、スラグと溶融金属間の収縮率に差を生じさせ、スラグ剥離性をさらに改善できることを見出した。

ビード形状は、被覆剤中のＴｉ酸化物の含有量を適正な範囲にすることにより、溶接ビード表面をスラグで十分に被包でき、ビード形状を改善できることを見出した。

溶接金属の機械的性能については、被覆剤中のＭｎの含有量を適正な範囲とし、溶接金属中に適量のＭｎを歩留まらせることで、溶接金属の機械的性能を改善できることを見出した。

以下、本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤中の成分組成と、その成分組成の限定理由について詳細に説明する。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％を表すときには単に％と記載することとする。

［Ｃ：０．０１〜０．５０％］
Ｃは、Ｆｅ−Ｍｎから添加され、アークの吹付けを強くして溶込みを深くすることで溶接欠陥を抑制するとともに、溶接金属中に歩留まって溶接金属の強度を向上させる効果を有する。Ｃが０．０１％未満であると、アークの吹き付けが弱くなって溶込みが浅くなり、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、Ｃが０．５０％を超えると、アークの吹付けが過剰に強くなり、スパッタ発生量が多くなる。またＣが０．５０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなって靭性が低下する。さらにＣが０．５０％を超えると、溶接金属中に高温割れが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中のＣの含有量は０．０１〜０．５０％とする。

［金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：９〜２０％］
金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン等から添加され、アーク中の高温雰囲気下で分解してＣＯ₂ガスを発生させて溶着金属を大気から遮蔽して保護するとともに、アークの吹付けを強くし、溶込みを深くして溶接欠陥を防止する効果を有する。金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が９％未満であると、ＣＯ₂による溶着金属のシールド性が不足するとともに、アークの吹付けが弱く溶込みが浅くなるので、ブローホール等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が２０％を超えると、アークが不安定となり、ビード形状が不良になる。したがって、被覆剤中の金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計は９〜２０％とする。

［硫化鉄：０．０１〜０．１０％］
硫化鉄は、溶融スラグの表面張力を緩和して溶融池とのなじみを良好にし、溶融スラグを溶融池全面に均一に被包させ、溶接ビード表面へのスラグ焼き付きを防止してスラグ剥離性を改善する効果を有する。硫化鉄が０．０１％未満であると、その効果が得られず、ビード表面にスラグの焼き付きが発生してスラグ剥離性が不良となる。一方、硫化鉄が０．１０％を超えると、溶接金属の靭性が低下するとともに、溶接金属中に低融点化合物のＭｎＳ等を生成して、高温割れが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の硫化鉄の含有量は０．０１〜０．１０％とする。

［砂鉄：１０〜２０％］
砂鉄は、母材と被覆アーク溶接棒との通電性を良好にしてアークの安定性を改善する効果を有する。砂鉄が１０％未満であると、その効果が得られず、アークが不安定になる。一方、砂鉄が２０％を超えると、生成したスラグが緻密になるのでスラグ剥離性が不良になる。したがって、被覆剤中の砂鉄の含有量は１０〜２０％とする。

［Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計：０．２〜１．５％］
Ｍｎ酸化物は、酸化マンガン、二酸化マンガン等から添加され、アークの吹付けを強くし、溶込みを深くして溶接欠陥を抑制する効果を有する。Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が０．２％未満であると、アークの吹付けが弱く溶込みが浅くなるので、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすい。一方、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が１．５％を超えると、アークの吹付けが過剰に強くなり、スパッタ発生量が多くなる。したがって、被覆剤中のＭｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計は０．２〜１．５％とする。

［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１０〜３０％］
Ｔｉ酸化物は、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され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びビード形状を改善する効果を有する。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が１０％未満であると、アークが不安定になるとともに、スラグ流動性が悪くなっ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３０％を超えると、生成したスラグが緻密になってスラグ剥離性が不良となる。またＴｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が３０％を超えると、被覆剤全体の導電性が上昇して、耐棒焼け性も不良となる。したがって、被覆剤中のＴｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計は１０〜３０％とする。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１５〜３５％］
Ｓｉ酸化物は、珪砂、カリ長石、水ガラス等から添加され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びスラグ剥離性を改善する効果を有する。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が１５％未満であると、保護筒の形成が十分にされずにアークが不安定になるとともに、生成したスラグのガラス質が少なくなってスラグ剥離性が不良になる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が３５％を超えると、スラグの粘性が高くなってビード形状が不良となる。したがって、被覆剤中のＳｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計は１５〜３５％とする。

［Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：１〜５％］
Ａｌ酸化物は、アルミナ、カリ長石、珪砂、マイカ等から添加され、アーク安定剤として作用してアークを安定化する効果を有する。Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が１％未満であると、アークが弱くなって不安定になる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が５％を超えると、スラグ剥離性が不良となり、またスラグの粘性が高くなり、立向上進溶接で溶接時に溶融金属の垂れ（以下、メタル垂れという。）が発生しやすくなる。したがって、被覆剤中のＡｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計は１〜５％とする。

［有機物の１種又は２種以上の合計：３〜８％］
有機物は、セルロース、デキストリン、小麦粉、澱粉、コーンスターチ等から添加され、アークの吹付けを強くし、溶け込みを深くしてブローホール等の溶接欠陥を抑制する効果がある。有機物の１種又は２種以上の合計が３％未満であると、アークの吹付けが弱くなり、溶込みが浅くなってブローホール等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、有機物の１種又は２種以上の合計が８％を超えると、棒焼けが発生しやすくなり、スパッタ量も多くなる。したがって、被覆剤中の有機物の１種又は２種以上の合計は３〜８％とする。

［Ｍｎ：１０〜２０％］
Ｍｎは、金属Ｍｎ及びＦｅ−Ｍｎ等から添加され、脱酸剤として作用してブローホール等の溶接欠陥を抑制するとともに、溶接金属中に歩留まって溶接金属の靭性を向上する効果を有する。Ｍｎが１０％未満であると、十分な脱酸効果が得られず、溶接金属中にブローホール等の溶接欠陥が発生しやすくなり、また溶接金属の靭性が低下する。一方、Ｍｎが２０％を超えると、固溶強化が促進されすぎて溶接金属の強度が過剰に高くなる。したがって、被覆剤中のＭｎは１０〜２０％とする。

［Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：２．５〜５．５％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、水ガラス中の珪酸ソーダ、珪酸カリウム、カリ長石等から添加され、アーク安定剤として作用してアークを安定化する効果を有する。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が２．５％未満であると、アークが不安定になる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が５．５％を超えると、アークの吹付けが過剰に強くなり、ビード形状が不良になる。したがって、被覆剤中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計は２．５〜５．５％とする。

［ＭｇＯ：０．１〜１．０％］
ＭｇＯは、スラグと溶融金属間の収縮率に差を生じさせてスラグの剥離性をさらに改善する効果を有する。ＭｇＯが０．１％未満であると、スラグ剥離性をさらに改善する効果が十分に得られない。一方、ＭｇＯが１．０％を超えると、スラグの凝固が早くなり、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中のＭｇＯの含有量は０．１〜１．０％とする。

なお、本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤の残部は、塗装剤として、タルク、ヘクトライト等の１種以上を合計で被覆剤全質量に対する質量％で４％以下含有することができ、その他はＦｅ−Ｍｎ等からの鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物である。

また、使用する軟鋼心線は、ＪＩＳ Ｇ３５２３ ＳＷＹ１１を用いることが好ましい。さらに、被覆剤の軟鋼心線への被覆率は、溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％で２５〜４０％であることが好ましい。

以下、本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒の実施例について具体的に説明する。

表１に示す各種成分組成で、直径３．２ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳ Ｇ３５２３ ＳＷＹ１１の軟鋼心線に、表２に示す各種成分組成の被覆剤を被覆率２８〜３１％で塗装することで被覆した後、乾燥させて各種イルミナイト系被覆アーク溶接棒を試作した。

これら試作した各種イルミナイト系被覆アーク溶接棒を用い、溶接作業性及び機械的性能について調査した。

溶接作業性の評価は、板厚９．０ｍｍ、幅７５ｍｍ、長さ４５０ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０１ ＳＳ４００の軟鋼板をＴ字に組んだ試験体を用い、二次側無負荷電圧が６０Ｖの小型溶接機を使用し、溶接電流１１０〜１３０Ａで下向溶接、溶接電流９０〜１１０Ａで立向上進溶接を行い、アークの吹付け、アーク安定性、スラグ剥離性、ビード形状、スパッタ発生量及び高温割れの有無について目視にて調査した。

なお、耐棒焼け性は、１６０Ａで下向溶接した際、鋼心線が発熱して棒焼けして赤熱していなかったものを良好とした。

機械的性能の評価は、板厚１２ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳＭ４９０Ａを用い、ＪＩＳ Ｚ３２１１に準じて交流溶接機で溶着金属試験を行い、引張試験片（Ａ２号）と衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して引張試験及び衝撃試験を行った。

引張試験の評価は、引張強さが５００ＭＰａ以下を良好とした。また、靭性の評価は、試験温度−２０℃でシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーの繰返し３回の平均値が８０Ｊ以上を良好とした。

溶接欠陥の評価は、溶着金属試験後の試験体を、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、溶着金属中のブローホール及び融合不良等の有無を調査した。これらの調査結果を表３にまとめて示す。

表２及び表３中、溶接棒記号Ｒ１〜Ｒ１２が本発明例、溶接棒記号Ｒ１３〜Ｒ２４は比較例である。

本発明例である溶接棒記号Ｒ１〜Ｒ１２は、被覆剤中のＣ、金属炭酸塩の合計、硫化鉄、砂鉄、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計、有機物の合計、Ｍｎ、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が適正であるので、アークの吹付けが良好であり、アークが安定しており、スパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性に優れ、ビード形状が良好であった。また、溶着金属中に高温割れ及びブローホールも無く、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好であるなど極めて満足な結果であった。なお、溶接棒記号Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ１１は、ＭｇＯを適量含有されているので、スラグ剥離性が極めて良好であった。

溶接棒記号Ｒ１３は、Ｃが多いので、アークの吹付けが過剰に強くスパッタ発生量が多かった。また、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。さらに、溶着金属中に高温割れが発生した。また、砂鉄が多いので、スラグ剥離性が不良であった。

溶接棒記号Ｒ１４は、Ｃが少ないので、アークの吹付けが弱く溶接金属中に融合不良が発生した。また、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が少ないので、アークが不安定となり、ビード形状が不良でなった。

溶接棒記号Ｒ１５は、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スラグ剥離性が不良であった。また、ＭｇＯが少ないので、スラグ剥離性を改善する効果が得られなかった。

溶接棒記号Ｒ１６は、金属炭酸塩の合計が多いので、アークが不安定で、ビード形状が不良であった。また、Ｍｎが少ないので、溶着金属中にブローホールが発生し、吸収エネルギーが低かった。

溶接棒記号Ｒ１７は、金属炭酸塩の合計が少ないので、アークの吹付けが弱く、溶着金属中にブローホールが発生した。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。

溶接棒記号Ｒ１８は、硫化鉄が多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、溶接金属中に高温割れが発生した。さらに、有機物の合計が多いので、棒焼けが発生し、スパッタ発生量が多かった。

溶接棒記号Ｒ１９は、硫化鉄が少ないので、スラグ剥離性が不良であった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が多いので、アークの吹付けが過剰に強く、ビード形状が不良であった。

溶接棒記号Ｒ２０は、砂鉄が少ないので、アークが不安定であった。また、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が多いので、アークの吹付けが過剰に強く、スパッタ発生量が多かった。

溶接棒記号Ｒ２１は、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が少ないので、アークの吹付けが弱く溶着金属中に融合不良が発生した。また、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。

溶接棒記号Ｒ２２は、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良で、棒焼けが発生した。また、Ｍｎが多いので、溶接金属の引張強さが高かった。

溶接棒記号Ｒ２３は、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良で、立向上進溶接ではメタル垂れが発生した。また、有機物の合計が少ないので、アークの吹付けが弱くなり、溶着金属中にブローホールが発生した。

溶接棒記号Ｒ２４は、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。また、ＭｇＯが多いので、立向上進溶接でメタル垂れが発生した。

Claims (2)

1. 鋼心線に被覆剤が被覆されているイルミナイト系被覆アーク溶接棒において、
   前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、
   Ｃ：０．０１〜０．５０％、
   金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：９〜２０％、
   硫化鉄：０．０１〜０．１０％、
   砂鉄：１０〜２０％、
   Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計：０．２〜１．５％、
   Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１０〜３０％、
   Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１５〜３５％、
   Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：１〜５％、
   有機物の１種又は２種以上の合計：３〜８％、
   Ｍｎ：１０〜２０％、
   Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：２．５〜５．５％を含有し、残部は塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするイルミナイト系被覆アーク溶接棒。
2. 前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、
   ＭｇＯ：０．１〜１．０％をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載のイルミナイト系被覆アーク溶接棒。