JP7078436B2 - サブマージアーク溶接用フラックス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
0.20≦[MgO]/([Al2O3]+[MnO])≦0.80 ・・・(I)
また、特許文献2のフラックスは、高電流を使用する高速溶接の場合にはビード形状が凸型となってスラグ剥離性等の溶接作業性が低下することから、溶接の高速化が困難となる。
本実施形態に係るサブマージアーク溶接用フラックス(以下、単に「フラックス」と称することがある。)は高速溶接に用いられる焼成型のフラックスであって、質量分率での含有量がCaF2:10.0~20.0%、MgO:8.0~15.0%、Na2O及びK2Oの合計:2.1~3.5%、MnO:1.5~5.0%、FeO:0.5~5.0%、SiO2:10.0~20.0%、Al2O3:13.0~28.0%、及びTiO2:13.0~28.0%を満たし、さらに65≦(MgO+SiO2+Al2O3+TiO2)≦75、及び0.5≦(Al2O3/TiO2)≦2.0の関係を満たすことを特徴とする。
ここで、本実施形態において高速溶接とは、1電極または2電極の場合は600mm/min.以上、3電極または4電極の場合は、1000mm/min.以上の溶接速度で行うものである。
以下に本実施形態のフラックスにおける各成分の含有量(質量分率)について説明する。なお、本実施形態のフラックスにおける各成分の含有量は、特に断りのない限り、JIS Z 3352:2010に規定される方法で定量した値を、酸化物又はフッ化物に換算した換算値である。また、各成分の含有量は、フラックス全体についての含有量である。
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。この作用は、後述するCaOと同様に、その含有量に比例する。CaF2が少なすぎると、スラグがすぐに凝固して、ガスの排出を阻害したり、スラグ焼付きが発生したりする。そのため、良好なスラグ剥離性と、スラグ焼付きの発生を防止する観点から、CaF2の含有量は、フッ化物のCaF2換算値で10.0%以上であり、15.0%以上が好ましい。また、ビードの波目が粗くなってビード外観が劣化するのを防ぐことができ、ビード形状が良好となることから、その含有量は20.0%以下であり、19.0%以下が好ましい。
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し、スラグ焼付きを防ぐために必須の成分であり、その含有量は、Mg及びMg酸化物のMgO換算値で8.0%以上であり、10.0%以上がより好ましい。また、ビード形状が凸になるのを防ぐことができ、良好なスラグ剥離性が保たれることから、その含有量は15.0%以下であり、14.0%以下が好ましい。
アルカリ金属である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。良好なアーク安定性が得られることからNa2O及びK2Oの合計の含有量は、Na及びNa酸化物のNa2O換算値、並びに、K及びK酸化物のK2O換算値の合計で2.1%以上であり、2.5%以上が好ましい。また、良好な耐吸湿性が得られることから、その含有量は3.5%以下であり、3.0%以下が好ましい。
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方が添加されていればよい。
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。また、良好な低温靱性を実現し、気孔欠陥の発生を防ぐ点から、MnOの含有量は、MnとMn酸化物のMnO換算値で1.5%以上であり、2.0%以上が好ましい。一方、溶融金属中の酸素量の増加に伴う機械的性質の劣化を防ぎ、スラグ焼付きの発生を抑制し、かつ良好なビード形状及びスラグ剥離性を得る観点から、その含有量は5.0%以下であり、3.0%以下が好ましく、2.5%以下がより好ましい。
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。前述した効果は、その存在量に比例することから、特に溶接電源が直流式の場合に十分な効果が得る点からFeO含有量は、FeとFe酸化物のFeO換算値で0.5%以上とし、耐ポックマーク性の観点から、1.0%以上が好ましく、1.5%以上がより好ましく、2.5%以上がさらに好ましい。一方、スラグの凝固温度に影響を与え、ビード外観、ビード形状及びスラグ剥離が劣化することを防ぐ点から、その含有量は5.0%以下であり、4.5%以下が好ましい。
SiO2は、溶融スラグに適度の粘性を与えることによって、主にビード外観及びビード形状を良好にする効果がある。溶融スラグの粘性低下によるビード外観及びビード形状の劣化を抑制する点からSiO2含有量は10.0%以上であり、17.0%以上が好ましい。一方、過剰なSiO2はビード形状やスラグ剥離性および靱性が劣化することから、その含有量は20.0%以下であり、19.0%以下が好ましい。
Al2O3は、溶融スラグの剥離性や低温靱性に寄与する成分であり、溶接時のビード形状を良好にする効果がある。良好なビード形状や波目を実現することからAl2O3含有量は、Al及びAl酸化物のAl2O3換算値で13.0%以上とし、20.0%以上がより好ましい。一方、溶融スラグの融点が上昇しすぎて、ビード端のスラグ剥離性が劣化するのを防ぐ点からその含有量は28.0%以下とし、27.0%以下がより好ましい。
TiO2は、溶融スラグの剥離性や低温靱性に寄与する成分であり、溶接時のビード形状を良好にする効果がある。良好なビード形状や波目を実現し、低温靱性の劣化も抑制することからTiO2含有量は、Ti及びTi酸化物のTiO2換算値で13.0%以上であり、15.0%以上が好ましい。一方、溶融スラグの融点が上昇しすぎて、ビード端のスラグ剥離性が劣化するのを防ぐ点からその含有量は28.0%以下とし、24.0%以下がより好ましい。
本実施形態のフラックスは、前述した成分に加えて、CaOを含有していてもよい。
CaOは、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めると共に、溶融スラグの流動性にも影響を与える成分であり、その存在量に比例して、前述した効果が発揮される。溶融スラグの流動性が小さくなり、ビードの外観及び形状がより向上することから、CaO含有量は3.0%以下が好ましい。一方、CaOの下限値は、特に限定されるものではないが、溶接金属の清浄度向上の観点から、0.2%以上であることが好ましい。
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、高速度の溶接でアーク安定性、良好なビード形状及びビード外観、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。ZrO2は含まなくてもよいが、含有する場合、その含有量は0.4質量%以上が好ましい。スラグ剥離性やビード形状の劣化を防ぐ点からその含有量は5.0%以下が好ましく、1.0%以下がより好ましい。ここで、ZrO2は、フラックスに含まれる全ZrをZrO2換算したものであり、例えばJIS R 2216:2005に準拠して分析される。
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は溶融金属の靱性向上に有効な成分であり、溶融金属の低温靱性の低下を防ぐために、その含有量は0.03%以上が好ましい。一方、過剰なB2O3は、溶融金属を硬化させて高温割れを引き起こし、靱性が低下するおそれがあることから、その含有量は0.15%以下が好ましい。
なお、当該高温焼成型フラックスであることは、フラックス中の水溶性SiO2の含有量によって判断することもできる。一般的に、800℃以上にて焼成されたフラックスの水溶性SiO2は1.0%未満である。
なお、ここでいう水溶性SiO2とは、前述した方法で分析して得たフラックスの全Si量をSiO2で換算した値であり、前述した全SiO2とは区別して、その含有量を特定するものである。
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、ケイ酸ナトリウムなど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。
薄板高速サブマージアーク溶接やスパイラル溶接は、1電極又は2電極で溶接することが多く、造管用の溶接は2電極~4電極で溶接される。また、溶接が高速になるに従い、ビード外観やスラグ剥離性の劣化、ブローホール等の気孔欠陥は発生しやすいなり、高電流での高速サブマージアーク溶接においては、溶接金属の機械的性質、特に靱性が劣化しやすくなる。これに対し、本実施形態に係るフラックスは1電極溶接の場合には60cm/分、2電極溶接の場合には200cm/分程度の速さの高速サブマージアーク溶接を行っても、上記効果を得ることができる。
本実施形態に係るフラックスを用いた1電極溶接として、例えば以下の条件が例示できるが、下記条件になんら限定されるものではない。なお、1stは鋼板の表面側の溶接、2ndは鋼板の裏面側の溶接を意味する。
極性:DCEP、
溶接電流:400~700A(1st)、600~850A(2nd)、
アーク電圧:26~34V(1st)、28~36V(2nd)、
溶接速度:60~150cm/分(1st、2nd)、
鋼種:軟鋼~高張力鋼(590MPa)、
板厚:9~20mm、
突出し長さ:15~45mm。
溶接電流/アーク電圧:800~1200A/26~34V(1st、L極(DC))、450~850A/30~38V(1st、T極(AC))、1000~1500A/26~34V(2nd、L極)、450~850A/30~38V(2nd、T極)、
溶接速度:100~400cm/分(1st、2nd)、
電極配置:L極とT極とのなす角が10~45°、下り傾斜0~6°、
鋼種:軟鋼~高張力鋼(590MPa)。
化学組成が質量%表示でC:0.10~0.20%、Si:0.01~0.10%、Mn:1.70~2.20%、P:0.03%以下、S:0.03%以下であるワイヤを使用し、図1に示す電極配置にて、下記の溶接条件により、表1及び2に示すフラックスを用いた高速サブマージアーク溶接を行った。
極性:DCEP、
溶接電流:550A(1st)、750A(2nd)、
アーク電圧:30V(1st)、32V(2nd)、
溶接速度:60cm/分(1st、2nd)、
入熱量:16.5kJ/cm(1st)、24.0kJ/cm(2nd)、
鋼種:軟鋼~高張力鋼(590MPa)、
板厚:12mm、
突出し長さ:30mm。
得られた溶接部について、ビード外観、ビード形状、スラグ剥離性、耐気孔欠陥性、及び低温靱性の評価を行った。結果を表3及び4に示すが、これら評価方法のうちすべてが○であるものを合格とした。
ビード外観の評価基準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ったものを○、ビード波目が蛇行していたものを△、ビード端が不揃いなものを×とした。
ビード形状は、主にビードの凹凸や母材へのなじみ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、ビード形状における余盛の高さが4mm未満であったものを○、4mm以上であったものを×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○、一部が自然剥離せず、焼き付きが発生したものを△、全面で自然剥離せず、焼き付きが発生したものを×とした。
耐気孔欠陥性はポックマーク発生率で評価した。ポックマークの発生がなかったものを○、単位溶接長(20cm)あたり1又は2個のポックマークが発生したものを△、単位溶接長(20cm)あたり3個以上のポックマークが発生したものを×とした。
低温靱性の評価は、全溶着金属を作製して実測した。JIS Z 3118:2007に準拠した試験条件のシャルピー衝撃試験により-20℃での衝撃値の測定を行った。当該衝撃値が47J以上であるものを○、27J以上47J未満であるものを△、27J未満であるものを×とした。
一方、MgOが過剰であるとビード形状、スラグ剥離性、耐気孔欠陥性が低下し、過少であるとスラグ剥離性が劣化した。SiO2過剰であるとビード形状が劣化し、過少であるとビード外観、スラグ剥離性、気孔欠陥が劣化した。Al2O3が過剰であるとビード外観とスラグ剥離性が劣化し、過少であるとビード外観、ビード形状、耐気孔欠陥性、及び低温靱性が劣化した。TiO2が過剰であるとビード外観とスラグ剥離性が劣化し、過少であるとビード外観、ビード形状、スラグ剥離性、耐気孔欠陥性、及び低温靱性のすべてが劣化した。(MgO+SiO2+Al2O3+TiO2)の合計の含有量が過剰であるとビード形状、スラグ剥離性及び低温靱性が劣化し、過少であるとビード外観、スラグ剥離性、耐気孔欠陥性、及び低温靱性が劣化した。(Al2O3/TiO2)で表される含有量の比が2.0超であるとスラグ剥離性が劣化し、0.5未満ではビード外観、スラグ剥離性、耐気孔欠陥性、及び低温靱性が劣化した。
また、FeOが過剰であるとビード形状、スラグ剥離性、耐気孔欠陥性、及び低温靱性が劣化し、過少であるとビード形状、スラグ剥離性、及び低温靱性が劣化した。MnOが過剰であるとビード形状、スラグ剥離性、及び低温靱性が劣化し、過少であるとスラグ剥離性、耐気孔欠陥性、及び低温靱性が劣化した。CaF2が過剰であるとビード外観及び耐気孔欠陥性が劣化し、過少であるとスラグ剥離性及び低温靱性が劣化した。アルカリ金属の合計の含有量が過剰であるとビード外観が劣化し、過少であるとビード形状が劣化した。
Claims (3)
- 高速溶接に用いられる焼成型のサブマージアーク溶接用フラックスであって、
質量分率での含有量が
CaF2:10.0~20.0%、
MgO:8.0~15.0%、
Na2O及びK2Oの合計:2.1~3.5%、
MnO:1.5~5.0%、
FeO:0.5~5.0%、
SiO2:10.0~20.0%、
Al2O3:13.0~28.0%、及び
TiO2:13.0~28.0%を満たし、さらに
65≦(MgO+SiO2+Al2O3+TiO2)≦75、及び
0.5≦(Al2O3/TiO2)≦2.0の関係を満たすサブマージアーク溶接用フラックス。 - 質量分率での含有量がさらに
CaO:0.2~3.0%、
ZrO2:5.0%以下(0%を含む)、及び
B2O3:0.03~0.15%のうち少なくとも1以上を満たす請求項1に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。 - 請求項1又は2に記載のサブマージアーク溶接用フラックスを製造するための製造方法であって、
焼成温度を700~1200℃の範囲とするサブマージアーク溶接用フラックスの製造方法。
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