JP7749682B2 - フラックスコアードワイヤ及び金属を溶接するための対応する方法 - Google Patents

フラックスコアードワイヤ及び金属を溶接するための対応する方法

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Description

本発明は、フラックスコアードワイヤを用いた金属基板の溶接に関する。本発明はまた、フラックスコアードワイヤの製造方法に関する。本発明は、建設、造船、輸送産業(鉄道及び自動車)、エネルギー関連構造物、石油及びガス並びにオフショア産業に特によく適している。
特に間隙を充填しなければならない場合に、フィラーワイヤを用いて金属基板を溶接することが知られている。フィラーワイヤは、(ガスタングステンアーク溶接及びレーザ溶接におけるように)側方から溶接を供給することができ、又はフィラーワイヤは、(サブマージアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、ガスシールドフラックスコアードアーク溶接及びアークヘッドがガスメタルアークであるハイブリッドレーザ溶接におけるように)消耗電極とすることができる。いくつかの事例においては、フィラーワイヤは、フラックスコアードワイヤ、すなわち中空であり、性能を改善する成分を含有するフラックスで充填されたワイヤの形態である。スラグ形成剤は、溶接プールを遮蔽し、溶接を成形及び支持するために追加される。鉄粉は、堆積速度を増加させるために使用される。粉末合金は、低合金堆積物を生成するために、又は機械的特性を改善するために添加される。スカベンジャー及びフラックス剤は、溶接金属から不純物を除くために使用される。
特許出願国際公開第00/16940号は、深溶け込みガスタングステンアーク溶接が、NaTi又はKTiOなどのチタネートを使用して達成されることを開示している。炭素鋼、クロム-モリブデン鋼、ステンレス鋼及びニッケル系合金において深溶け込み溶接を与えるために、フィラーワイヤの一部としてチタネートが溶接ゾーンに適用される。国際公開第00/16940号のチタネート化合物は、約325メッシュ又はそれより細かい、44μmに相当する325メッシュの高純度粉末の形態で使用される。アークのふらつき、ビードの稠度並びに溶接物のスラグ及び表面の外観を制御するために、TiO、TiO、Cr及びFeなどの遷移金属酸化物、二酸化ケイ素、マンガンケイ化物、フッ化物及び塩化物を含む様々な追加の成分がチタネート系フィラーワイヤに任意に添加され得る。フラックスのすべての化合物は、マイクロメートルの寸法を有する。
国際公開第00/16940号に開示されているフラックスによって溶け込みは改善されるが、溶け込みは鋼基板に対して最適ではない。
国際公開第2000/16940号
したがって、鋼基板での溶接溶け込み、したがって溶接された鋼基板の機械的特性を改善する必要が存在する。フラックスコアードワイヤを用いた溶接の堆積速度及び生産性を増大させることに対するニーズも存在する。
この目的のために、本発明は、シースと、前記シースを満たすフラックスとを備えるフラックスコアードワイヤであって、前記フラックスが、チタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含む、フラックスコアードワイヤに関する。
本発明によるフラックスコアードワイヤは、個別に又は組み合わせて考慮される、以下に列挙される任意選択の特徴も有し得る。
・チタネートは、NaTi、NaTiO、KTiO、KTi、MgTiO、SrTiO、BaTiO、CaTiO、FeTiO及びZnTiO又はそれらの混合物の中から選択される、
・フラックス中のナノ粒子状酸化物の割合が80重量%以下である、
・フラックス中のナノ粒子状酸化物の割合が10%以上である、
・ナノ粒子は、5~60nmの間に含まれるサイズを有する、
・フラックス中のチタネートの割合は45重量%以上である、
・チタネートの直径は1~40μmの間である、
・シースは鋼製である、
・フラックスコアードワイヤは、ミクロ粒子状酸化物及び/又はミクロ粒子状フッ化物の中から選択されるミクロ粒子状化合物をさらに含む、
・フラックスコアードワイヤは、CeO、NaO、Na、NaBiO、NaF、CaF、氷晶石(NaAlF)及びそれらの混合物からなるリストから選択されるミクロ粒子状化合物をさらに含む、
・フラックスコアードワイヤは、マイクロメートル及び/又はミリメートルのサイズの粒子の形態の石灰、シリカ、酸化マンガン及びフッ化カルシウムをさらに含む。
本発明は、フラックスコアードワイヤの製造のための方法であって、連続する以下の工程:
A.少なくともチタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを混合すること、
B.得られた混合物をコアードワイヤのシース中に導入して前記フラックスコアードワイヤを形成すること、
を含む、方法にも関する。
本発明は、シースと、前記シースを満たすフラックスとを含むフラックスコアードワイヤを用いて鋼材にアーク溶接又はレーザ溶接を行うことを含む溶接継手の製造方法であって、前記フラックスは、チタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含む、溶接継手の製造方法にも関する。
以下の用語が定義される。
・ナノ粒子は、サイズが1~100ナノメートル(nm)の間の粒子である。
・チタネートは、チタン、酸素及びアルカリ金属元素、アルカリ土類元素、遷移金属元素又は金属元素などの少なくとも1つの追加の元素を含有する無機化合物を指す。それらはそれらの塩の形態であり得る。
いかなる理論にも束縛されるものではないが、フラックスコアードワイヤ中に含有されるフラックスは、主に溶融プールの物理学を改変すると考えられる。本発明では、化合物の性質だけでなく、酸化物粒子のサイズが100nm以下であることも、溶融プールの物理を改変すると思われる。
実際に、フラックスは融解され、溶解された種の形態の溶融金属中に、及び溶接技術がアークを伴う場合には、イオン化された種の形態のアーク中に組み込まれる。アーク中のチタネート及び酸化物ナノ粒子の存在により、アークは収束される。
さらに、溶融金属中に溶解されたフラックスは、表面張力勾配に起因する液体-気体界面での物質移動であるマランゴニ流を改変する。特に、フラックスの成分は、界面に沿った表面張力の勾配を改変する。表面張力のこの変更は、溶接プールの中心方向への、流体の流れの反転をもたらす。この反転は、溶接溶け込み及び溶接効率の改善をもたらし、堆積速度の増加、したがって生産性の増大をもたらす。いかなる理論にも束縛されるものではないが、ナノ粒子はミクロ粒子よりも低温で溶解し、したがってより多くの酸素が溶融プール中に溶解し、逆マランゴニ流を活性化すると考えられる。
溶接技術がアークを伴う場合、逆マランゴニ流の効果が、アーク収束によるより高いプラズマ温度と組み合わされ、溶接溶け込み及び材料堆積速度をさらに改善する。溶接技術がレーザビームを伴う場合、逆マランゴニ流は適切なキーホール形状の保持に寄与し、次いで、これはガスの閉じ込め、したがって溶接部における細孔を防止する。
さらに、溶解酸素が界面活性剤として作用し、母材金属上の溶融金属の濡れを改善し、したがって、縁融合の不足などの溶接において現れる傾向がある重大な欠陥を回避する。
さらに、フラックスの成分が温度と共に表面張力を増加させるにつれて、溶融プールの中心よりも冷たい縁に沿って溶接材料の濡れ性が増加し、これはスラグの閉じ込めを防止する。
純粋に説明の目的で提供されており、決して限定することを意図するものではない以下の記述を読むことによって、本発明はよりよく理解されるであろう。
フラックスコアードワイヤは、シースと、シースを満たすフラックスとを備える。
本発明の場合、シースの材料は特に限定されない。シースの材料は、鋼、例えば銅で被覆されたC-Mn鋼であり得る。
ワイヤは、通常、0.8mm~4mmの間に含まれる直径を有する。シースに関して、その厚さは、選択されたパーセント充填に応じて変化する。パーセント充填は、ワイヤの総重量と比較したフラックス成分又は「充填」の重量の比である。
フラックスコアードワイヤのフラックスは、チタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含む。換言すれば、フラックスは、チタネートと、少なくとも1種のナノ粒子状酸化物を含み、少なくとも1種のナノ粒子状酸化物は、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択される。これは、フラックスが列挙されたもの以外の他のナノ粒子状酸化物を含まないことを意味する。
チタネートは、チタン酸アルカリ金属塩、チタン酸アルカリ土類金属塩、チタン酸遷移金属塩、チタン酸金属塩及びそれらの混合物からなるチタネートの群から選択される。チタネートは、より好ましくは、NaTi、NaTiO、KTiO、KTi、MgTiO、SrTiO、BaTiO、CaTiO、FeTiO及びZnTiO並びにそれらの混合物の中から選択される。これらのチタネートは、逆マランゴニ流の効果に基づいて溶け込み深さをさらに増加させると考えられる。すべてのチタネートが、ある程度同様に挙動し、溶け込み深さを増加させることが本発明者らの理解である。したがって、すべてのチタネートが本発明の一部である。当業者は、具体的な事例に応じてどのチタネートを選択しなければならないかを知っているであろう。そうするために、当業者は、チタネートがどれだけ容易に溶融及び溶解するか、チタネートがどれだけ溶解酸素含有量を増加させるか、チタネートの追加の元素が溶融プールの物理及び最終的な溶接の微細構造にどのように影響するかを考慮に入れるであろう。例えば、NaTiOは、スラグ形成及び脱離を改善するNaの存在のために好ましい。
好ましくは、チタネートは、1~40μmの間、より好ましくは1~20μmの間、有利には1~10μmの間の直径を有する。このチタネートの直径は、アーク収束及び逆マランゴニ効果をさらに改善すると考えられる。さらに、小さなマイクロメートルのチタネート粒子を有することは、ナノ粒子状酸化物との混合に利用可能な比表面積を増加させ、ナノ粒子状酸化物をチタネート粒子にさらに付着させる。
好ましくは、フラックスの乾燥重量におけるチタネートの重量百分率は、45%以上、より好ましくは45%~90%の間、さらにより好ましくは65%~90%の間である。
ナノ粒子状酸化物は、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物から選択される。これらのナノ粒子は溶融プール中に容易に溶解し、溶融プールに酸素を供給し、その結果、濡れ性及び材料の堆積を改善し、より深い溶接溶け込みを可能にする。CaO、MgO、B、Co又はCrなどの他の酸化物とは対照的に、それらは脆性相を形成する傾向がなく、熱が鋼を正確に溶融するのを妨げる高い耐火効果を有さず、それらの金属イオンは溶融プール中の酸素と再結合する傾向がない。
好ましくは、ナノ粒子はSiO及びTiO、より好ましくはSiOとTiOの混合物である。SiOは主に溶け込み深さを増加させ、スラグ除去を容易にするが、TiOは主に侵入深さを増加させ、機械的特性を改善するTi系介在物を形成すると考えられる。
ナノ粒子状酸化物の混合物の他の例は、
・酸化イットリウム(Y)の添加により二酸化ジルコニウム(ZrO)の立方晶構造を室温で安定化させたセラミックスであるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、
・耐火効果を調整するのに役立ち、介在物の形成を促進するLa、ZrO及びYの1:1:1組み合わせ、である。
好ましくは、ナノ粒子は、5~60nmの間に含まれるサイズを有する。このナノ粒子直径は、フラックスの均一な分布をさらに改善すると考えられる。
好ましくは、フラックスの乾燥重量におけるナノ粒子状酸化物の重量百分率は、80%以下、好ましくは10%以上、より好ましくは10~60%の間、さらにより好ましくは25~55%の間である。
本発明の一変形によれば、フラックスは、チタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とからなる。
本発明の別の変形によれば、フラックスは、残余として鉄粉をさらに含むことができる。残余は、フラックスの最大55重量%に相当し得る。
本発明の別の変形によれば、フラックスは、例えばNaO、Na、CeO、NaBiO、NaF、CaF、氷晶石(NaAlF)などのミクロ粒子状酸化物及び/又はミクロ粒子状フッ化物などのミクロ粒子状化合物をさらに含む。上に列記されたナノ粒子状酸化物のいくつかについて、ナノ粒子からミクロ粒子への移行は、ワイヤの製造中のこれらの酸化物のいくつかの使用に関連する健康及び安全上の懸念を軽減する。スラグの閉じ込めがさらに防止されるように、スラグ形成を改善するために、NaO、Na、NaBiO、NaF、CaF、氷晶石を添加することができる。それらはまた、容易に分離可能なスラグを形成するのに役立つ。フラックスは、フラックスの乾燥重量で0.1~5重量%のNaO、Na、NaBiO、NaF、CaF、氷晶石又はそれらの混合物を含むことができる。
フラックスコアードワイヤのシース中にフラックスを含有させることは、同じ組成物が溶接されるべき基板上にコーティングとして塗布されることと比較して、特に有利である。まず第1に、溶接前に基板をコーティングする余分な工程が抑制される。さらに、溶接後に溶接部に沿って過剰なコーティングを除去する必要が存在しない。これに関して、フラックスコアードワイヤによって提供された粒子はすべて溶融プール中に溶解するので、粒子はまた、より効率的に使用される。最後に、コーティング工程中の溶剤及び噴霧ミストが回避され、これは作業者の健康及び安全にとって有益である。
過程に関して、第1の工程では、チタネートとナノ粒子状酸化物は、好ましくは混合される。これは、アセトンなどの溶剤を用いた湿潤条件又は乾燥条件、例えば3D粉末シェーカーミキサー中のいずれかで行うことができる。混合は、チタネート粒子上のナノ粒子の強凝集を促進し、これは、健康及び安全上の問題である空気中へのナノ粒子の意図しない放出を防止する。
次いで、このようにして得られたフラックスは、前の工程において、成形ロールを通過してU字形断面のストリップを形成した細く、狭いストリップ上に堆積される。次に、フラックスが充填されたU字形ストリップは、フラックスが充填されたU字形ストリップをチューブに形成し、コア材料をしっかりと圧縮する特殊な閉鎖ロールを通って流れる。次いで、その直径を低下させ、コア材料をさらに圧縮するために、このチューブは、線引きダイスを通して引っ張られる。引っ張りは、シースをしっかり密閉し、さらに圧縮下でチューブ内部にコア材料を固定し、これによりフラックスの不連続性を回避する。
本発明によるフラックスコアードワイヤが提供されたら、フラックスコアードワイヤを用いて鋼材に対してアーク溶接又はレーザ溶接を行うことによって溶接継手を製造することができる。
好ましくは、溶接されるべき鋼基板は炭素鋼である。
鋼基板は、任意に、その面の1つの少なくとも一部を防食コーティングによって被覆することができる。好ましくは、防食コーティングは、亜鉛、アルミニウム、銅、ケイ素、鉄、マグネシウム、チタン、ニッケル、クロム、マンガン及びそれらの合金からなる群から選択される金属を含む。
好ましい実施形態において、防食コーティングは、15重量%未満のSi、5.0重量%未満のFe、任意に0.1~8.0重量%のMg及び任意に0.1~30.0%のZnを含み、残りはAl及び製造過程から生じる避けられない不純物であるアルミニウム系コーティングである。別の好ましい実施形態において、防食コーティングは、0.01~8.0重量%のAl、任意に0.2~8.0重量%のMg、残りはZn及び製造過程から生じる避けられない不純物である亜鉛系コーティングである。
防食コーティングは、好ましくは鋼基板の両面に施される。
鋼材は、同じ組成又は異なる組成の鋼基板に溶接することができる。鋼材は、例えばアルミニウムなどの別に溶接されることもできる。
本発明によるフラックスコアードワイヤに適合し、(ガスタングステンアーク溶接及びレーザ溶接におけるように)側方から溶接を供給するフィラーワイヤとして、又は(サブマージアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、ガスシールドフラックスコアードアーク溶接、ナローギャップ溶接及びアークヘッドがガスメタルアークであるハイブリッドレーザ溶接におけるように)消耗電極として使用される限り、溶接技術の種類は限定されない。
溶接技術に応じて、溶接されたゾーンは遮蔽フラックスによって覆われることができる。このフラックスは、溶接されたゾーンを溶接中の酸化から保護する。又は、本発明によるフラックスコアードワイヤの溶接フラックスは、ワイヤが自己シールド溶接に適するように追加の成分をさらに含む。溶接フラックスは、好ましくは、マイクロメートル及び/又はミリメートルのサイズの粒子の形態の、石灰、シリカ、酸化マンガン及びフッ化カルシウムを含む。これらの化合物は、チタネート及びナノ粒子状酸化物によって提供される効果に加えて、フラックスに遮蔽効果を提供する。
最後に、本発明は、圧力容器、オフショア及び石油及びガス部品、造船、自動車、原子炉部品並びに重工業及び製造全般の製造のための、本発明によるフラックスコアードワイヤの使用に関する。
[実施例1]
70重量%のMgTiO(直径:2μm)、10重量%のSiO(直径範囲:12~23nm)及び20重量%のTiO(直径範囲:36~55nm)を含むフラックスを調製し、1.6mmの直径のワイヤを形成するために0.5mmのC-Mn鋼シース中に導入した。
以下の表1にその組成が詳述されている構造用鋼(C-Mn S355)に対する、110Aの強度及び10.8~12.8Vの間の電圧でのビードオンプレートガスタングステンアーク溶接中に、サンプル1として特定されるこのフラックスコアードワイヤを試験した。
これらの試験中に、サンプル1を以下の市販のワイヤと比較した。
・Lincoln Electric(R)によって供給される軟鋼金属コアードワイヤである、Outershield(R)MC710-H。そのシースは鉄粉で満たされている(サンプル2)。
・ESAB(R)によって供給され、軟鋼、低合金鋼及びC-Mn鋼に対して使用されるフラックスコアードワイヤである、OK Tubrodur 15CrMn O/G(サンプル3)。そのフラックスの正確な組成は不明である。
500mmのワイヤを使用した場合に得られた結果を表2に詳述する。
結果は、溶接速度の著しい増加及び材料堆積の著しい増加が同時に存在することを示している。
さらに、堆積した材料の幅を測定し、比較した。サンプル1を用いて得られた溶接部は、サンプル2を用いて得られた溶接部より平均で16%大きく、サンプル3を用いて得られた溶接部より21%大きいようであった。
本発明によるフラックスの成分は、溶融プールの縁部に沿って溶接材料の濡れ性が増加するように、表面張力を温度と共に減少させることを示す。
[実施例2]
鋼基板の溶接に対する異なる溶接フラックスの効果を、有限要素法(FEM)シミュレーションによって評価した。シミュレーションでは、フラックスは、10~50nmの直径を有するナノ粒子状酸化物と、任意にMgTiO(直径:2μm)とを含む。フラックスコアードワイヤの形態の各フラックスを用いたアーク溶接がシミュレートされ、結果が以下の表3に示されている。
結果は、本発明によるフラックスが、比較フラックスと比較して溶接部の溶け込み及び品質を改善することを示している。

Claims (10)

  1. シースと、前記シースを満たすフラックスとを含むフラックスコアードワイヤであって、前記フラックスは、チタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含み、
    前記フラックスの乾燥重量におけるチタネートの割合が45重量%以上であり、
    前記フラックスの乾燥重量における前記ナノ粒子状酸化物の割合が10重量%以上55重量%以下である、フラックスコアードワイヤ。
  2. 前記チタネートが、NaTi、NaTiO、KTiO、KTi、MgTiO、SrTiO、BaTiO、CaTiO、FeTiO及びZnTiO又はそれらの混合物の中から選択される、請求項1に記載のフラックスコアードワイヤ。
  3. 前記ナノ粒子状酸化物が、5~60nmの間に含まれるサイズを有する、請求項1又は2に記載のフラックスコアードワイヤ。
  4. 前記チタネートの直径が1~40μmの間である、請求項1~3のいずれか一項に記載のフラックスコアードワイヤ。
  5. 前記シースが鋼から作られている、請求項1~4のいずれか一項に記載のフラックスコアードワイヤ。
  6. ミクロ粒子状酸化物及び/又はミクロ粒子状フッ化物の中から選択されるミクロ粒子状化合物をさらに含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のフラックスコアードワイヤ。
  7. CeO、NaO、Na、NaBiO、NaF、CaF、氷晶石(NaAlF)及びそれらの混合物からなるリストから選択されるミクロ粒子状化合物をさらに含む、請求項6に記載のフラックスコアードワイヤ。
  8. マイクロメートル及び/又はミリメートルのサイズの粒子の形態の石灰、シリカ、酸化マンガン及びフッ化カルシウムをさらに含む、請求項1~7のいずれか一項に記載のフラックスコアードワイヤ。
  9. シースと、チタネート及びナノ粒子状酸化物を含むフラックスとを含むフラックスコアードワイヤの製造のための方法であって、連続する以下の工程:
    A.少なくともチタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを混合すること、
    B.得られた混合物をコアードワイヤのシース中に導入して前記フラックスコアードワイヤを形成すること、
    を含み、
    前記フラックスの乾燥重量におけるチタネートの割合が45重量%以上であり、
    前記フラックスの乾燥重量における前記ナノ粒子状酸化物の割合が10重量%以上55重量%以下である、方法。
  10. シースと、前記シースを満たすフラックスとを含むフラックスコアードワイヤを用いて鋼材にアーク溶接又はレーザ溶接を行うことを含む溶接継手の製造方法であって、前記フラックスは、チタネートと、TiO、SiO、ZrO、Y、Al、MoO、CrO、CeO、La及びそれらの混合物からなる群から選択されるナノ粒子状酸化物とを含み、
    前記フラックスの乾燥重量におけるチタネートの割合が45重量%以上であり、
    前記フラックスの乾燥重量における前記ナノ粒子状酸化物の割合が10重量%以上55重量%以下である、溶接継手の製造方法。
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