JP7313965B2 - 低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックス - Google Patents

Description

本発明は、低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスに関し、溶接作業性が良好で耐低温割れ性及び低温靭性の優れた溶接金属が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスに関する。

近年、化石燃料の枯渇や供給不安定等による化石燃料の高騰が続いている。それに伴い造船業界では船費削減のため船舶の大型化が進み使用鋼板の厚板化と低温用鋼を用いた高強度化が進んでいる。また、化石燃料の高騰を受けて自然エネルギーを利用するため洋上風力発電や揚水を利用した水力発電所の建設も盛んに行われている。

これらに使用されている厚板鋼の溶接においては溶接後に低温割れが発生することが知られている。一般的に低温割れを防止する施工法として、溶接対象母材を予熱し、溶接時のパス間温度を高くするとともに溶接後熱処理を行う方法が実施されている。この施工法は溶接部と母材の温度差を少なくし溶接部の冷却速度を遅くすることで、急冷されることにより発生する溶接部の硬い組織の成長を抑制すると同時に低温割れの原因となる溶接部の拡散性水素の放出を促進させる効果と残留応力の発生を緩和する効果がある。しかし、厚板鋼に予熱と後熱を行う作業は多大な時間と労力を必要とし、生産性の低下や建設費用の増加などを招いていた。

したがって、溶接時の予熱・パス間温度の低下及び溶接後熱処理を省略でき、高能率に溶接可能で溶接金属の低温靭性が得られるサブマージアーク溶接材料の開発要望が多い。

従来、サブマージアーク溶接用焼成型フラックスの低水素化の技術として、例えば特許文献１に、水ガラス中にアルカリ土類金属酸化物を含有させて６００℃以上の高温で焼成したサブマージアーク溶接用フラックスの開示がある。しかし、特許文献１に記載のサブマージアーク溶接用フラックスは、シンターフラックス又は焼結型フラックスと呼ばれるもので、フラックス中に金属炭酸塩を含まないので、溶接前に再乾燥した上で、再乾燥直後に溶接しないと吸湿して溶接時の拡散性水素量が多くなる。また、高温焼成のフラックスでは、溶接金属の低温靭性は望めないという問題点があった。

一方、溶接金属の低温靭性が得られるサブマージアーク溶接用ボンドフラックスとして、特許文献２には、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂、金属炭酸塩、金属Ｓｉ又はＳｉ酸化物、金属Ｔｉ又はＴｉ酸化物、金属Ｂ又はＢ酸化物を適量含有することによって、狭開先でのスラグ剥離性及び溶接金属の低温靭性が得られる技術の開示がある。しかし、特許文献２に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスでは、溶接金属の強度が５００ＭＰａ程度の場合は低温靭性が得られるが、さらに高強度になると低温靭性が得られないという問題点があった。

また、高強度で低温靭性の溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用ボンドフラックスとして、特許文献３には、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、金属炭酸塩を含有するとともに金属Ｃａ、金属Ｓｉ及びアルカリ金属Ｎａ、Ｋ、Ｌｉの酸化物を適量含むボンドフラックスと特定成分のソリッドワイヤを組み合わせることによって、高強度で低温靭性が良好な溶接金属が得られる技術の開示がある。しかし、特許文献３に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、金属Ｃａを含有して溶接金属中の酸素量を低減しているが、ボンドフラックスは４００～５００℃で高温乾燥して製造されており、この乾燥時に金属Ｃａ表面が酸化されて吸湿しやすいＣａＯになって、拡散性水素量が多くなるという問題点があった。

特開２０１８－１７１６２４号公報 特開２０１４－９１１３５号公報 特開２０１３－３９６０４号公報

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、低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにおいて、溶接作業性に優れ、低温靭性の優れた溶接金属が得られるとともに拡散性水素量の少ない低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスを提供することを目的とする。

本発明の要旨は、低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにおいて、焼成型フラックス全質量に対する質量％で、ＳｉＯ₂：１０～２０％、ＣａＯ：１～５％、ＭｇＯ：２５～４０％、Ａｌ₂Ｏ₃：１５～２５％、Ｂ₂Ｏ₃：０．１～１．０％、Ｂｉ₂Ｏ₃：０．０１～０．０５％、金属弗化物の１種又は２種以上の合計：１５～２５％、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計：２～８％、Ｓｉ：０．２～１．０％、Ｍｎ：０．２～１．０％、Ｔｉ：０．３～１．５％、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計：０．５～３．０％を含有し、残部は鉄合金粉からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする。

また、焼成型フラックス全質量に対する質量％で、前記金属弗化物中のＮａＦ：１～５％を含有することも特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにある。

本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスによれば、アークが安定して、スラグ剥離性、ビード外観及びビード形状が良好であるなど溶接作業性が良好で、低温靭性の優れた溶接金属が得られるとともに拡散性水素量が少ないなど、高品質の溶接部を高能率に提供することができる。

本発明者らは、溶接作業性が良好で、低温靭性に優れた溶接金属が得られるとともに拡散性水素量の少ない低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの成分組成について詳細に検討した。

その結果、アーク安定性は、金属弗化物、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏを適量とすることによって良好となり、金属弗化物中にＮａＦを適量含有させることによってさらにアークが安定する。また、スラグ剥離性は、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃及びを適量とすることによって良好となる。ビード外観及びビード形状は、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃及び金属弗化物を適量とすることによって良好となることを見出した。

拡散性水素量の低減は、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計を適量とすることによってなし得ることを見出した。

溶接金属の機械的性能は、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、Ｂ₂Ｏ₃、Ｓｉ、Ｍｎ及びＴｉを適量とすることによって、強度及び低温靭性に優れた溶接金属が得られることを見出した。

以下、本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックス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、各成分組成の含有率はフラックス全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときは単に％として表すこととする。

［ＳｉＯ₂：１０～２０％］
珪砂、珪灰石、水ガラス（珪酸ナトリウム、珪酸カリウム）などを原料とするＳｉＯ₂は、スラグ造成剤としてビード形状を整える作用がある。しかし、ＳｉＯ₂が１０％未満であると、その効果が得られず、ビード形状が不良となる。一方、ＳｉＯ₂が２０％を超えると、溶接金属中の酸素量が多くなって低温靭性が低下する。したがって、ＳｉＯ₂は１０～２０％とする。

［ＣａＯ：１～５％］
珪灰石、炭酸カルシウムなどを原料とするＣａＯは、溶融スラグの塩基度を高め溶接金属中の酸素量を低減して靭性を向上する効果がある。また、ＣａＯは溶融スラグの融点及び流動性を調整してビード形状を整える効果がある。しかし、ＣａＯが１％未満であると、溶接金属中の酸素量が多くなって低温靭性が得られない。また、ＣａＯが１％未満であると、ビード止端部のなじみが悪くなる。一方、ＣａＯが５％を超えると、溶融スラグの流動性が悪くなりアンダーカットが生じてビード形状が不良となる。したがって、ＣａＯは１～５％とする。

［ＭｇＯ：２５～４０％］
マグネシアクリンカー、炭酸マグネシウムなどを原料とするＭｇＯは、溶融スラグの融点が高くなることにより溶接金属の保持力を高めてビード形状を整える作用がある。しかし、ＭｇＯが２５％未満であると、ビード形状が不良となる。一方、ＭｇＯが４０％を超えると、溶融スラグの融点が高くなりすぎてビード外観及びスラグ剥離性が不良となる。したがって、ＭｇＯは、２５～４０％とする。

［Ａｌ₂Ｏ₃；１５～２５％］
アルミナを主原料とするＡｌ₂Ｏ₃は、アークを安定にするとともにスラグ形成剤としてビード外観を整える作用がある。しかし、Ａｌ₂Ｏ₃が１５％未満であると、アークが不安定でビード外観が不良となる。一方、Ａｌ₂Ｏ₃が２５％を超えると、ビード形状が凸状となりスラグ剥離性も不良となる。したがって、Ａｌ₂Ｏ₃は１５～２５％とする。

［Ｂ₂Ｏ₃：０．１～１．０％］
硼砂、酸化ボロンを原料とするＢ₂Ｏ₃は、溶接金属のオーステナイト粒界に生成する初析フェライトの成長を抑制して低温靭性を向上する効果を有する。しかし、Ｂ₂Ｏ₃が０．１％未満であると、その効果が得られず低温靭性が低下する。一方、Ｂ₂Ｏ₃が１．０％を超えると、溶接金属の硬化が過剰となり、かえって低温靭性が低下する。したがって、Ｂ₂Ｏ₃は０．１～１．０％とする。

［Ｂｉ₂Ｏ₃：０．０１～０．０５％］
酸化ビスマスを主原料とするＢｉ₂Ｏ₃は、スラグ剥離性を向上させる効果がある。しかし、Ｂｉ₂Ｏ₃が０．０１％未満であると、その効果が得られずスラグ剥離性が不良となる。一方、Ｂｉ₂Ｏ₃が０．０５％を超えると、高温割れが生じやすくなるとともに低温靭性が低下する。したがって、Ｂｉ₂Ｏ₃は０．０１～０．０５％とする。

［金属弗化物の１種又は２種以上の合計：１５～２５％］
蛍石、弗化アルミニウム、弗化バリウム、弗化マグネシウム、弗化ナトリウムなどを原料とする金属弗化物は、溶接金属中の酸素量を低減して低温靭性を向上する効果がある。しかし、金属弗化物の１種又は２種以上の合計が１５％未満であると、低温靭性が低下する。一方、金属弗化物の１種又は２種以上の合計が２５％を超えると、アークが不安定になりビード形状が不良となる。また、金属弗化物の１種又は２種以上の合計が２５％を超えると、ビード表面にポックマークが発生するようになる。したがって、金属弗化物の１種又は２種以上の合計は１５～２５％とする。

［金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計：２～８％］
炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウムなどの金属炭酸塩からのＣＯ₂換算値は、アーク雰囲気中の水素分圧を低下させて溶接金属中の拡散性水素量を低減する効果がある。しかし、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が２％未満であると、溶接金属の拡散性水素量が多くなる。一方、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が８％を超えると、ビード形状が悪くスラグ剥離性も不良となる。また、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が８％を超えると、ビード表面にポックマークが発生するようになる。したがって、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計は２～８％とする。

［Ｓｉ：０．２～１．０％］
金属Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎなどを原料とするＳｉは、脱酸材として作用を有する。しかし、Ｓｉが０．２％未満であると、ビード表面にポックマークが生じるようになる。また、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。したがって、Ｓｉは０．２～１．０％とする。

［Ｍｎ：０．２～１．０％］
金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎなどを原料とするＭｎは、溶接金属の焼入れ性を向上して粒内フェライトを生成して低温靭性を良好にする。しかし、Ｍｎが０．２％未満であると、低温靭性が得られない。一方、Ｍｎが１．０％を超えると、溶接金属の強度が高くなり低温靭性が低下する。したがって、Ｍｎは０．２～１．０％とする。

［Ｔｉ：０．３～１．５％］
金属Ｔｉ、Ｆｅ－Ｔｉなどを原料とするＴｉは、溶接金属の低温靭性を向上する効果がある。しかし、Ｔｉが０．３％未満であると、低温靭性が得られない。一方、Ｔｉが１．５％を超えると、溶接金属中に固溶Ｔｉが多くなって低温靭性が低下する。したがって、Ｔｉは０．３～１．５％とする。

［Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計：０．５～３．０％］
水ガラス（珪酸ナトリウム、珪酸カリウム）を主原料とするＮａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏは、アークを安定させる作用がある。しかし、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計が０．５％未満であると、アークが不安定となる。一方、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計が３．０％を超えると、ビード止端部にアンダーカットが生じる。したがって、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計は０．５～３．０％とする。

［金属弗化物中のＮａＦ：１～５％］
金属弗化物中のＮａＦは、アークの安定性をさらに改善する効果がある。しかし、金属弗化物中のＮａＦが１％未満であると、アークをさらに安定する効果が得られない、一方、金属弗化物中のＮａＦが５％を超えると、ビード表面にポックマークが生じる様になる。したがって、金属弗化物中のＮａＦは１～５％とする。

本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの残部は、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｔｉなどの鉄合金粉からのＦｅ分及びＰ、Ｓなどの不純物であり、Ｐ及びＳはともに低融点の化合物を生成して溶接金属の靭性を低下させるので、できるだけ低いことが好ましい。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。

表１に示す各種成分の焼成型フラックスを試作し、ＪＩＳ Ｚ ３３５１ ＹＳ－Ｓ６に該当のソリッドワイヤを組み合せ、表２に示す化学成分からなる板厚２０ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼板を開先角度２０°、ルート間隔１６ｍｍの開先形状にし、裏当金を当てて表３に示す溶接条件で溶着金属試験及び溶接作業性の調査を実施した。また、拡散性水素量についても測定した。

なお、表１に示す焼成型フラックスは各種鉱物原材料を配合、混合した後、水ガラスを固着剤として造粒した後、３５０～４００℃で２時間焼成して０．３×１、８ｍｍに整粒した。また、ＪＩＳ Ｚ ３３５１ ＹＳ－Ｓ６に該当のソリッドワイヤは原線を縮径、焼鈍、めっきして素線とし、４．０ｍｍまで伸線して用いた。

溶着金属性能は、溶着金属の板厚方向中心から引張試験片（ＮＫ Ｕ１Ａ号）及び衝撃試験片（ＮＫ Ｕ４号）を採取して機械試験を実施した。引張強度の評価は、６００～７００ＭＰａを良好とした。靭性の評価は、―６０℃における衝撃試験を行い、吸収エネルギーが３本の平均値で１５０Ｊ以上を良好とした。

溶接作業性の調査は、溶着金属試験時のアークの安定性、スラグ剥離性及びビード外観・形状を調べた後、目視検査にて高温割れの有無を調査した。

溶着金属の拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８に準じて行った。溶着金属の拡散性水素量は５ｍｌ／１００ｇ以下を良好とした。これらの調査結果を表４にまとめて示す。

表４中フラックス記号Ｆ１～Ｆ１２が本発明例、フラックス記号Ｆ１３～Ｆ２５は比較例である。本発明例であるフラックス記号Ｆ１～Ｆ１２はフラックスの成分が適量であるので、溶着金属の適正な引張強さ及び優れた吸収エネルギーが得られ、拡散性水素量も低く、アークが安定でスラグ剥離性及びビード外観・形状が良好で極めて満足な結果であった。また、フラックス記号Ｆ４、Ｆ５、Ｆ７、Ｆ８、Ｆ９は金属弗化物中のＮａＦが適量添加されているのでアークの安定性が極めて良好であった。

比較例中フラックス記号Ｆ１３は、ＣａＯが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、ビード形状が不良となった。

フラックス記号Ｆ１４は、ＭｇＯが少ないので、ビード形状が不良となった。また、Ｔｉが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。なお、金属弗化物中のＮａＦが適量添加されているのでアークの安定性が極めて安定であった。

フラックス記号Ｆ１５は、ＣａＯが多いので、ビード形状が不良となった。また、Ｂ₂Ｏ₃が少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。

フラックス記号Ｆ１６は、ＭｇＯが多いので、ビード外観及びスラグ剥離性が不良であった。また、Ｂ₂Ｏ₃が多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。

フラックス記号Ｆ１７は、Ａｌ₂Ｏ₃が少ないので、アークが不安定でビード外観が不良であった。また、金属弗化物の１種又は２種以上の合計少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。

フラックス記号Ｆ１８は、Ａｌ₂Ｏ₃が多いので、ビード形状及びスラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｎが低いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。

フラックス記号Ｆ１９は、Ｂｉ₂Ｏ₃が少ないので、スラグ剥離性が不良であった。また、Ｓｉが多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。

フラックス記号Ｆ２０は、金属弗化物の１種又は２種以上の合計が多いので、アークが不安定になりビード形状及びビード外観が不良であった。また、Ｂｉ₂Ｏ₃が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低くなり、クレータ割れが生じた。さらに、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が少ないので、拡散性水素量が多かった。なお、金属弗化物中のＮａＦが添加されているがアーク安定性を向上する効果は得られなかった。

フラックス記号Ｆ２１は、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が多いので、ビード形状及びビード概観、スラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｎが多いので溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。

フラックス記号Ｆ２２は、Ｓｉが少ないので、ビード外観が不良となり、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計が少なく、アークが不安定となった。なお、金属弗化物中のＮａＦが少ないので、アーク安定性を向上する効果は得られなかった。

フラックス記号Ｆ２３は、Ｔｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計が多いので、ビード形状が不良となった。

フラックス記号Ｆ２４は、ＳｉＯ₂が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低くなった。また、金属弗化物中のＮａＦが多いので、ビード外観が不良となった。

フラックス記号Ｆ２５は、ＳｉＯ₂が少ないので、ビード形状が不良であった。

Claims (2)

1. 低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックスにおいて、
   焼成型フラックス全質量に対する質量％で、
   ＳｉＯ₂：１０～２０％、
   ＣａＯ：１～５％、
   ＭｇＯ：２５～４０％、
   Ａｌ₂Ｏ₃：１５～２５％、
   Ｂ₂Ｏ₃：０．１～１．０％、
   Ｂｉ₂Ｏ₃：０．０１～０．０５％、
   金属弗化物の１種又は２種以上の合計：１５～２５％、
   金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計：２～８％、
   Ｓｉ：０．２～１．０％、
   Ｍｎ：０．２～１．０％、
   Ｔｉ：０．３～１．５％
   Ｎａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏの１種又は２種の合計：０．５～３．０％を含有し、
   残部は鉄合金粉からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックス。
2. 焼成型フラックス全質量に対する質量％で、
   前記金属弗化物中のＮａＦ：１～５％を含有すること
   を特徴とする請求項１に記載の低温用鋼のサブマージアーク溶接用焼成型フラックス。