JP6997025B2 - サブマージアーク溶接用フラックス - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、高速サブマージアーク溶接用焼成型フラックスに関し、特に多電極サブマージアーク溶接において高速溶接が可能であり、かつ高靭性溶接金属の得られる焼成型フラックスに関する技術が開示されている。
特許文献1の高速サブマージアーク溶接用焼成型フラックスは、SiO2:12~24%、TiO2:9~20%、Al2O3:15~25%、MnO:8~15%、MgO:18~25%、CaO:1~13%、CaF2:10~20%、FeO:2%以下を主要成分として含有する。そして、このフラックスは、溶接時に前記フラックスが熱分解して発生するガス量が1.5~3%であり、前記主要成分とガス成分の他は不可避的不純物からなる。また、フラックス累積粒度分布において50重量%を占める粒子のメジアン径が500~800μmの範囲内にあり、フラックス中の粒子径295μm以下の粒子は全体の15%以下であり、フラックスのかさ比重が0.7~1.2g/cm3の範囲内にある。
特許文献2の、高速サブマージアーク溶接用焼成型フラックスは、SiO2:12~24%、TiO2:1~6%、Al2O3:15~25%、MnO:6%以下、MgO:25~40%、CaO:1~13%、CaF2:15~28%、FeO:2%以下を主要成分として含有する。そして、このフラックスは、溶接時に前記フラックスが熱分解して発生するガス量が1.5~3%であり、前記主要成分とガス成分の他は不可避的不純物からなる。また、フラックス累積粒度分布において50重量%を占める粒子のメジアン径が500~800μmの範囲内にあり、フラックス中の粒子径295μm以下の粒子は全体の15%以下であり、フラックスのかさ比重が0.7~1.2g/cm3の範囲内にある。
さらに、高速サブマージアーク溶接用焼成型フラックスでは、溶接金属の耐欠陥性に優れることも要求されている。
ZrのZrO2換算値を[ZrO2]、SiのSiO2換算値を[SiO2]及びFのCaF2換算値を[CaF2]とした場合、下記式(1)を満たすものである。
0.10≦{[ZrO2]/([SiO2]+[CaF2])}×100≦1.40・・・(1)
上記サブマージアーク溶接用フラックスは、更に、B2O3:0.10~3.00質量%を含有するものであってもよい。
上記サブマージアーク溶接用フラックスは、高温焼成型フラックスであってもよい。
また、本実施形態に係るフラックスは、更に、B2O3を所定範囲で含有していてもよい。
従来の高温焼成型フラックスには、溶融型フラックスのようにガラス質とすることで吸湿しないようにして拡散性水素量を低減する技術や、低温焼成型フラックスのように炭酸塩を最終製品に残存させて溶接時の水素分圧を下げて拡散性水素量を低減する技術はなかった。
なお、吸湿量を抑えることができるメカニズムについては明らかではないが、フラックスの粉体表面を覆う水ガラス(結合剤)中に、該アルカリ土類金属の酸化物が含まれることで、ガラス構造が安定化し、吸湿量を溶融型フラックスと同程度に抑えることができるものと考えられる。より詳細には、水ガラスのSi-O鎖中にアルカリ土類金属の酸化物が含まれることでガラス構造がより安定化し、鎖端(-ONa、-OH)が減少するので吸湿量が減少する。これにより拡散性水素量が低減し、耐低温割れ性に優れたものとなると考えられる。
上記効果をより向上させる観点から、アルカリ土類金属の酸化物は2.0質量%以上とするのが好ましく、3.0質量%以上とするのがより好ましい。また、耐低温割れ性をより向上させる観点から、アルカリ土類金属の酸化物は24.0質量%以下とするのが好ましく、23.0質量%以下とするのがより好ましい。
また、アルカリ土類金属の酸化物として、CaO及びBaOのうちBaOのみを含有するか、CaOとBaOの両方を含有するとともに、BaOの含有量がCaOの含有量よりも多いことが好ましい。このようにすると、より確実に耐低温割れ性に優れたものとすることができる。
SiO2は、溶融スラグに適度の粘性を与えることによって、主にビード外観を良好にする効果がある。
しかしながら、SiのSiO2換算値が12.0質量%未満の場合、前述した効果が十分に得られず、ビード外観が不良となる。また、SiのSiO2換算値が32.0質量%を超える場合、スラグの焼付きが激しくなり、スラグ剥離性が低下する。よって、SiのSiO2換算値は12.0~32.0質量%とする。
MgOは、スラグ剥離性の向上に大きく寄与する成分であり、溶接電源の方式によらず、良好なスラグ剥離性を確保するために必須の成分である。
しかしながら、MgのMgO換算値が8.0質量%未満の場合、その効果が十分に得られず、スラグ剥離性が低下する。また、MgのMgO換算値が28.0質量%を超える場合、ビード外観が不良となり、溶接電源の種別に依存してスラグ巻込み、融合不良、更にはアンダーカットなどの欠陥が発生しやすくなる。特に、交流式溶接電源においては、前述したスラグ巻き込み及び溶融不良などの溶接欠陥の発生が顕著になる。よって、MgのMgO換算値は8.0~28.0質量%とする。
CaF2などのフッ化物は、溶融スラグの電気伝導性や流動性を高める効果があり、溶融スラグの高温粘性に影響を与える成分の1つである。
しかしながら、FのCaF2換算値が2.0質量%未満の場合、前述した効果が十分に得られず、また、溶融スラグからCOガスの排出を促進し、耐ポックマーク性を改善する効果も期待できない。また、フッ素ガスのシールド性不足とアーク雰囲気中の水蒸気分圧が抑えられないため、拡散性水素量が多くなり、耐低温割れ性に劣ることになる。一方、FのCaF2換算値が22.0質量%を超える場合、溶融スラグの流動性が高くなりすぎて、ビード外観が不良となる。よって、FのCaF2換算値は2.0~22.0質量%とする。
Mnは、溶融スラグの粘性及び凝固温度に影響を与えると共に、耐ポックマーク性改善に有効な成分であり、主に、MnO、MnO2及びMn2O3などの酸化物の形態で添加される。各種形態の中でも、特に一酸化マンガン(MnO)の形態で添加すると、その有用性が発揮される。
しかしながら、MnのMnO換算値が2.0質量%未満の場合、その効果が十分に発揮されない。また、スラグの流動性が低くなり過ぎて、スラグ形成が不安定となるため、ビード外観が不良となる。一方、MnのMnO換算値が22.0質量%を超える場合、スラグが脆くなってスラグ剥離性が低下する。よって、MnのMnO換算値は、2.0~22.0質量%とする。
Al2O3は、溶融スラグの粘性及び融点を調整する成分であり、溶接時のビード外観を良好にする効果がある。
しかしながら、AlのAl2O3換算値が16.0質量%未満の場合、前述した効果が十分に得られない。また、AlのAl2O3換算値が36.0質量%を超える場合、溶融スラグの融点が上昇しすぎて、溶接時にビード外観の不良を招く。よって、AlのAl2O3換算値は16.0~36.0質量%とする。
Na及びKは、主に溶接時のアーク安定性とフラックスの吸湿特性に影響を与える成分であり、主に、Na2O及びK2Oなどの酸化物の形態で添加される。
しかしながら、NaのNa2O換算値及びKのK2O換算値が合計で0.5質量%未満の場合、溶接時のアーク電圧が不安定となり、また、ビード外観が不良となる。一方、NaのNa2O換算値及びKのK2O換算値が合計で6.5質量%を超える場合、フラックスの吸湿特性が劣化すると共に、アークが強くなりすぎて不安定となり、また、ビード外観が不良となる。よって、NaのNa2O換算値及びKのK2O換算値は、合計で0.5~6.5質量%とする。なお、本実施形態のフラックスは、Na及びKのうち少なくとも一種類が添加されていればよい。
また、本実施形態のフラックスにおけるNa成分及びK成分は、主にNa2O及びK2Oであるが、その他にNaAlSi3O8やKAlSi3O8などが含まれることがある。
また、ここでのNa、Kは、鉱石原料及び水ガラスに由来するものである。
Feは、脱酸現象を促進し、耐ポックマーク性を高める効果があり、主に、Fe-Siなどの金属粉の形態で添加される。
しかしながら、FeのFeO換算値が0.5質量%未満の場合、特に溶接電源が直流式の場合に、十分な効果が得られない。また、FeのFeO換算値が6.5質量%を超える場合、スラグの凝固温度に影響を与え、ビード外観が不良となり、また、スラグ剥離性が低下する。よって、FeのFeO換算値は0.5~6.5質量%とする。
ZrO2は、溶融スラグの粘性及び凝固温度に影響を与えると共に、良好なビード外観及び良好なスラグ剥離性を得るためには極めて重要な成分である。
しかしながら、ZrのZrO2換算値が0.05質量%未満の場合、前述した効果が得られない。また、ZrのZrO2換算値が0.70質量%を超える場合、ビード外観が不良となる。よって、ZrのZrO2換算値は0.05~0.70質量%とする。
TiO2は、スラグ剥離性向上に有効な成分であり、ビード外観を良好に整える効果もある。また、TiO2の一部は、溶接時の還元反応によりTiとなり、このTiは溶接金属中に添加されて、靭性向上に寄与する。
しかしながら、TiのTiO2換算値が0.2質量%未満の場合、ビード外観が不良となり、また、靱性が低下する。一方、TiのTiO2換算値が6.0質量%を超える場合、スラグ剥離性が低下する。よって、TiのTiO2換算値は0.2~6.0質量%とする。
本実施形態に係るフラックスは、ZrのZrO2換算値を[ZrO2]、SiのSiO2換算値を[SiO2]及びFのCaF2換算値を[CaF2]とした場合、下記式(1)を満たす。
0.10≦{[ZrO2]/([SiO2]+[CaF2])}×100≦1.40・・・(1)
上記式(1)は、スラグ剥離性、ビード外観及び耐低温割れ性を両立させるための重要な指標である。そして、この式によって算出される値を所定範囲内とすることにより、スラグ剥離性が向上し、ビード外観の劣化が少ないことから溶接作業性に優れ、かつ、耐低温割れ性にも優れたものとなる。
本実施形態のフラックスは、前述した成分に加えて、酸化硼素、硼砂などを原料とするB2O3を含有していてもよい。B2O3は靱性向上に有効な成分である。
しかしながら、B2O3が0.10質量%未満の場合、前述した効果が得られない。また、B2O3が3.00質量%を超える場合、溶接金属が硬化しやすくなり、靱性が低下する。よって、B2O3をフラックスに含有させる場合、B2O3含有量は0.10~3.00質量%とする。
本実施形態のフラックスにおける上記以外の成分は、Li、P及びSなどの不可避的不純物である。これらの不可避的不純物のうち、Liは1.0質量%以下に規制することが好ましく、特に溶接品質に影響するP及びSはそれぞれ0.05質量%以下に規制することが好ましい。また、Li、P及びSなどは、合計で3質量%以下であることが好ましい。
本実施形態フラックスの成分組成は、高温焼成型フラックスとして好適である。すなわち、600~1200℃で焼成することが好ましい。
本実施形態のフラックスを製造する場合は、例えば、前述した組成となるように原料粉を配合し、結合剤と共に混練した後、造粒し、焼成する。その際、結合剤(バインダ)としては、例えば、ポリビニルアルコールや水ガラスを使用することができる。また、造粒法は、特に限定されるものではないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機などを用いる方法が好ましい。
なお、耐欠陥性は、溶接金属内部に存在する欠陥(スラグ巻込み、融合不良、ブローホールなど)及び溶接金属表面に存在する欠陥(ポックマーク、アンダーカット、ピットなど)があり、本願明細書では、溶融スラグの流動性を制御しているため、特に溶接金属表面に存在するポックマークへの耐欠陥性に効果が高い。
そして、下記表4に示す実施例のフラックス及び下記表5に示す比較例のフラックスについて、その性能を評価した。
なお、本実施例では、下記表4及び表5に示す組成となるように原料を配合し、結合剤(水ガラス)と共に混練した後、造粒し、更にロータリーキルンを用いて750~1000℃で焼成し、整粒することによりフラックスを得た。なお、参照する図面については、説明を明確にするため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。
表4及び表5において、「式(1)」は{[ZrO2]/([SiO2]+[CaF2])}×100の値であり、「アルカリ土類金属の酸化物」内の「合計」は、CaO含有量とBaO含有量の合計量を示す。また、表4及び表5において、フラックス化学成分の残部は不可避的不純物であり、「CaO」又は「BaO」における「-」は、該当する成分が積極的に添加されていないことを示す。
アーク安定性は、溶接時の電流や電圧の振れにより評価した。具体的には、溶接電流が±50Aかつアーク電圧が±2Vであったものを◎、溶接電流が±100Aかつアーク電圧が±2Vであったものを○、溶接電流が±100Aかつアーク電圧が±4Vであったものを△、溶接困難であったものを×とした。そして、本実施例では、評価が◎又は○であったものを合格とした。
スラグ剥離性は、スラグ除去の容易さや焼き付きの有無により評価した。具体的には、スラグが、自然剥離し、焼き付きがなかったものを◎、自然剥離するが、単位溶接長(1m)あたり3箇所以下で焼き付きが発生したものを○、自然剥離せず、単位溶接長(1m)あたり4~9箇所で焼き付きが発生したものを△、自然剥離せず、単位溶接長(1m)あたり10箇所以上で焼き付きが発生したものを×とした。そして、本実施例では、評価が◎又は○であったものを合格とした。
ビード外観は、主にビードの波目や光沢に関する評価であり、溶接部を目視観察することにより行った。その結果、ビードの波目に乱れがなくビードに金属光沢があるものを◎、単位溶接長(1m)あたりにビード波目の乱れが1箇所でビードに金属光沢があるものを○、単位溶接長(1m)あたりにビード波目の乱れが2~4箇所でビードに金属光沢がないものを△、単位溶接長(1m)あたりにビード波目の乱れが5箇所以上ありビードに金属光沢がないものを×とした。そして、本実施例では、評価が◎又は○であったものを合格とした。
ポックマークは、発生がなかったものを◎、単位溶接長(1m)あたりの発生比率が0.5%以下であったものを○、単位溶接長(1m)あたりの発生比率が0.5%を超え1.0%以下であったものを△、単位溶接長(1m)あたりの発生比率が1.0%を超えていたものを×とした。そして、本実施例では、評価が◎又は○であったものを合格とした。
溶接金属の拡散性水素量は、AWS A4.3(GC)に準じて測定を行った。
なお、試験材に係るフラックスは、250℃×1hrの予備乾燥を行い、AWS A5.17 EH14に該当する4.0mmφのワイヤを使用して溶接を行った。
溶接条件は、電流525A、電圧29V、溶接速度42cm/minで行い、極性は直流棒プラス(Direct Current Electrode Positive;DCEP)、フラックス散布高さ及びワイヤ突出し長さは30mmで行った。溶接される鋼板はASTM A36を使用した。
そして、本実施例では、拡散性水素量が5.0mL/min以下のものを合格とした。
溶接継手試験における2nd側のビード表面から7mmの位置が中心軸となるような、シャルピー衝撃試験片(2mmVノッチ試験片)を採取し、JIS Z 2242に記載の方法で-20℃におけるシャルピー衝撃試験を実施した。
同様の試験を3回行い、その平均値を算出したとき、吸収エネルギーvE-20℃が50J以上の溶接金属を低温靭性に優れるとして合格とした。
ただし、試験No.F11のフラックスは、B2O3の含有量が好ましい数値範囲の下限未満であるため、吸収エネルギーvE-20℃が50J未満となり、低温靱性において劣っていた。また、試験No.F12のフラックスは、B2O3の含有量が好ましい数値範囲の上限を超えているため、吸収エネルギーvE-20℃が50J未満となり、低温靱性が劣っていた。
試験No.14のフラックスは、アルカリ土類金属の酸化物(CaO含有量とBaO含有量の合計)の含有量が上限値を超えているため、拡散性水素量が5.0mL/min以上となり、耐低温割れ性に劣るとともに、ビード外観が不良であった。
試験No.15のフラックスは、SiO2換算値が下限値未満であるため、ビード外観が不良であった。
試験No.16のフラックスは、SiO2換算値が上限値を超えているため、スラグ剥離性が劣っていた。
試験No.17のフラックスは、MgO換算値が下限値未満であるため、スラグ剥離性が劣っていた。
試験No.18のフラックスは、MgO換算値が上限値を超えているため、ビード外観が不良であった。
試験No.20のフラックスは、CaF2換算値が上限値を超えているため、ビード外観が不良であった。
試験No.21のフラックスは、MnO換算値が下限値未満であるため、ビード外観が不良であるとともに、ポックマークが発生し、耐欠陥性に劣っていた。
試験No.22のフラックスは、MnO換算値が上限値を超えているため、スラグ剥離性が劣っていた。
試験No.23のフラックスは、Al2O3換算値が下限値未満であるため、ビード外観が不良であった。
試験No.24のフラックスは、Al2O3換算値が上限値を超えているため、ビード外観が不良であった。
試験No.26のフラックスは、Na2O換算値とK2O換算値の合計が上限値を超えているため、アーク安定性が劣るとともにビード外観が不良であった。
試験No.27のフラックスは、FeO換算値が下限値未満であるため、ポックマークが発生し、耐欠陥性に劣っていた。
試験No.28のフラックスは、FeO換算値が上限値を超えているため、スラグ剥離性に劣るとともにビード外観が不良であった。
試験No.29のフラックスは、ZrO2換算値が下限値未満であるため、スラグ剥離性に劣るとともにビード外観が不良であった。
試験No.30のフラックスは、ZrO2換算値が上限値を超えているため、ビード外観が不良であった。
試験No.32のフラックスは、TiO2換算値が上限値を超えているため、スラグ剥離性が劣っていた。
試験No.33のフラックスは、{[ZrO2]/([SiO2]+[CaF2])}×100により算出される値が下限値未満であるため、スラグ剥離性に劣るとともにビード外観が不良であった。
試験No.34のフラックスは、{[ZrO2]/([SiO2]+[CaF2])}×100により算出される値が上限値を超えているため、ビード外観が不良であるとともに、拡散性水素量が5.0mL/min以上となり、耐低温割れ性に劣っていた。
Claims (4)
- フラックス全質量あたり、
アルカリ土類金属の酸化物:1.0~25.0質量%、
SiのSiO2換算値:12.0~32.0質量%、
MgのMgO換算値:8.0~28.0質量%、
FのCaF2換算値:2.0~22.0質量%、
MnのMnO換算値:2.0~22.0質量%、
AlのAl2O3換算値:16.0~36.0質量%、
NaのNa2O換算値及びKのK2O換算値のうち少なくとも一つ以上の合計:0.5~6.5質量%、
FeのFeO換算値:0.5~6.5質量%、
ZrのZrO2換算値:0.05~0.70質量%、
TiのTiO2換算値:0.2~6.0質量%を含有するとともに、
ZrのZrO2換算値を[ZrO2]、SiのSiO2換算値を[SiO2]及びFのCaF2換算値を[CaF2]とした場合、下記式(1)を満たすことを特徴とするサブマージアーク溶接用フラックス。
0.10≦{[ZrO2]/([SiO2]+[CaF2])}×100≦1.40・・・(1) - 前記アルカリ土類金属の酸化物として、CaO及びBaOのうちBaOのみを含有するか、CaOとBaOの両方を含有するとともに、BaOの含有量がCaOの含有量よりも多い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フラックス。
- 更に、B2O3:0.10~3.00質量%を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
- 高温焼成型フラックスであることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
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