JPH01148493A - 消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は軟鋼、低合金鋼を溶接するための消耗ノズル式
エレクトロスラグ溶接法に関し、更に詳しくは、フラッ
クス入りワイヤを用い造船、鉄骨。

橋梁などの構造物用のＴｉ含有鋼の溶接に適用する消耗
ノズル式エレクトロスラグ溶接法に関するものである。

（従来の技術） エレクトロスラグ溶接法には大別して、ノズルが溶接の
進行に伴って上昇し消耗されない非消耗ノズル式とノズ
ルが溶融消耗する消耗ノズル式の２法がある。このうち
装置が比較的簡便であること、溶接時のスラグ量の調整
が比較的容易であり、安定して溶接が出来ることから消
耗ノズル式エレクトロスラグ法が広く利用されている。

消耗ノズル式エレクトロスラグ法は１００ｍｍを超える
厚板まで１ラン溶接が可能であり、高能率性という観点
から適用範囲の拡大の要望が強い。

しかしながら例えば板厚５０ｍｍでは９００　ｋＪ／ｃ
ｍ程度の大入熱溶接になるため、溶接金属ならびに鋼板
の溶接熱影響部において、ミクロ組織が粗大となり、靭
性の劣化あるいは耐割れ性の劣化などの問題があり、靭
性要求のある場合にはせいぜい一１０℃程度までの利用
に限られており、又、耐割れ性から強度的にも適用鋼種
は軟鋼、５０キロ）ＩＴ鋼に限られて実用化されている
のが現状である。

ところが最近鋼板においては、耐大入熱性の研究がなさ
れ、このような大入熱溶接においても継手性能が改善さ
れた鋼板が開発され、従前より更に低温仕様あるいはＹ
Ｐ４０．ＹＰ４２等の強度の高い鋼への適用研究がなさ
れる段階にある。これに伴って、溶接金属においても更
に低温靭性の改善ならびに耐割れ性の改善が要望されて
いる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来より、エレクトロスラグ溶接において、高靭化対策
および耐割れ対策として、用いるワイヤ。

ノズル、ノズルの被覆剤あるいは添加フラックスの化学
組成について多くの検討がなされているが未だ十分な効
果が得られてな（実用化に到っていない。

溶接金属を高靭化する方法としては、サブマージアーク
溶接、被覆アーク溶接棒の溶接あるいはＭＩＧ溶接等の
アーク溶接法においては、溶接金属中にＴｉおよびＢを
複合添加し、ミクロ組織を均一微細にする方法が一般的
に用いられている。

すなわち、溶接金属中にＴｉを添加することにより、そ
のミクロ組織において、オーステナイト−フェライト変
態時にオーステナイト粒内にＴｉ酸化物を核として、微
細なフェライトを生成させて、組織を微細化し、更に、
Ｂを添加することにより、オーステナイト粒界に生成す
る粗大フェライトを抑制し均一な組織にする。このＴｉ
とＢの複合添加によって初めてミクロ組織が均一微細と
なり高靭性が得られるものであり、ＴｉとＢの複合添加
が不可欠な要件である。又、溶接金属をＴｉ−Ｂ化する
ことは、他の焼入性の高い元素例えばＭｏ、　ｌｔｎ等
を添加してミクロ組織を改善する場合に比し、強度が低
くても均一微細なミクロ組織を得ることが出来るので曲
げ試験における割れ対策としても有効な手段となる。

さて、エレクトロスラグ溶接においても溶接金属をＴｉ
−Ｂ化する方法が従来から試みられており、例えば特公
昭５１−３００２０号公報には粉粒状ボロン合金および
７４を含有させた複合ワイヤ（フラックス入りワイヤ）
を用いるエレクトロスラグ溶接法、又、特開昭５２−７
０９５５号公報には、軟鋼、低合金鋼のエレクトロスラ
グ溶接において溶接金属組成を電極、フラックスその他
社材等から入ってくる成分を含め重量％でＴｉ　Ｏ，０
０２〜０．０８％、Ｂ　Ｏ，０００４〜０．００４χに
する溶接法として、その実施例において（１）ソリッド
ワイヤ、（２）フラックス内包ワイヤ（フラックス入す
ワイヤ）　、（３）消耗ノズルにＴｉおよびＢを含有さ
せる方法が開示されているが、いずれの場合にも溶接金
属中にＴｉおよびＢが安定して添加出来ずＴｉおよびＢ
の複合添加による効果が十分発揮されておらず実用に到
っていないのが現状である。

そこでこれらの原因について検討したところ、アーク溶
接法の場合、ＴｉおよびＢはアークにより元素に解離し
た後溶接金属に移行するのに対し、エレクトロスラグ溶
接法の場合には、溶融スラグの抵抗発熱によって溶融池
を形成して溶接を行うため、Ｔｉ、　　Ｂは、まずスラ
グ浴中に酸化物の形で存在し、スラグと溶融金属間の反
応で溶接金属中に移行するため、歩留りが不安定となり
、Ｔｉ−Ｂ化の効果が十分に得られず実用に到っていな
いものである。

すなわち、Ｔｉは０（酸素）との親和力が大きく酸化消
耗されやすく、エレクトロスラグ溶接において、ソリッ
ドワイヤ、フラックス内包ワイヤ、被覆消耗ノズルある
いは添加フラックスに含有させた場合のいずれでも、ス
ラグ浴中で酸化され、溶接金属中への移行は極めて困難
であり、酸化物としてスラグ中に大部分留まる。又たと
え、少量移行したとしても、微細なフェライトを生成す
るための核として働かずミクロ組織の改善がなされず靭
性の向上が図れない。

又、Ｂは、Ｔｉに比して酸素との親和力は小さく、エレ
クトロスラグ溶接においても溶接金属へ比較的移行しや
すい。しかしながらＢの適正添加範囲は狭く、かつ厳密
にコントロールすることが必要であるために、Ｂの添加
方法によって有効とならない場合がある。すなわち、Ｂ
を消耗ノズル、消耗ノズルの被覆剤あるいは添加フラッ
クスに含有させた場合、溶接に際し、これらが高温のス
ラグ浴に接触した場合、Ｂは酸化物としてスラグ浴中に
存在し、Ｔｉに比べて還元されやすいのでスラグ−メタ
ル間反応で溶接金属中へ移行しやすい。しかしながらこ
の方法においては、板厚が違ったりあるいは、条件の変
動によって溶融池の大きさが変化してくると、溶融池と
スラグ浴界面の接触面積比が変わるため、溶接金属中で
のＢの濃度が変化する。従って溶接金属中のＢｔを微量
な適正範囲に制御するためには、板厚毎に被覆ノズルに
おいては、被覆の厚さあるいはＢの含有量を変える事が
必要となり、又、添加フラックスにおいても、フラック
ス添加量あるいはＢの含有量を変える事が必要となり、
実用的ではない。

又、ソリッドワイヤから添加する場合には、Ｂはスラグ
浴の比較的内部まで供給されるがスラグ浴中で溶融酸化
され、酸化物としてスラグ中に存在し、スラグ−メタル
界面反応で溶接金属中に供給されるが、被覆ノズルに含
有させた場合と同様の理由で実用的でない。

一方、フラックス入すワイヤに含有させた場合、スラグ
浴中でワイヤの外皮がまず高温のスラグと接触し、高温
となるがワイヤの内蔵フラックスは外皮からの熱伝導が
良好でなくソリッドワイヤの場合に比し比較的低温のま
まスラグ浴底部に供給される。したがって内蔵フラック
ス中のＢは酸化度が小さく有効な形で溶融金属中に移行
しやすく、また、条件変動あるいは、板厚の差による変
動に影響されにくく微量の適正範囲にコントロールする
ことが可能となる。

以上の様にエレクトロスラグ溶接において、溶接金属中
にＴｉおよびＢを複合添加して高靭性を得ようとする場
合に、特公昭５１−３００２０号公報に開示された方法
ではＴｉが溶接金属中へ有効な形態で移行せず、Ｂ添加
による効果はあるとはいえ、Ｔｉ　−Ｂの相乗効果が十
分得られず、靭性および耐割れ性の改善が必ずしも十分
でな（、実用に到ってない。又、特開昭５２−７０９５
５号公報に開示された方法では、Ｔｉが有効な形態で溶
接金属中に移行しないことに加えて、Ｂもその添加方法
によっては微量の適正範囲にコントロールすることが困
難であることから同様に実用化に到っていない。

本発明者らは以上の様なエレクトロスラグ溶接における
問題点を十分考慮しつつ、靭性の改善、および耐割れ性
を改善するために、エレクトロスラグ溶接における溶接
金属のＴｉ−Ｂ化を種々検討し、これらの問題点を解決
した消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法を提供するも
のである。

（問題点を解決するための手段） すなわち、大入熱溶接においても良好な継手性能を得る
ために改善された鋼板のうち、成分的にＴｉを含有させ
製造したいわゆるＴＭＣＰ鋼の溶接においては、溶接金
属をＴｉ−Ｂ化するに当りＴｉを添加する方法としては
、鋼板の希釈によって移行するＴｉのみで十分であり、
ワイヤ、消耗ノズル、添加フラックスからのＴｉの添加
はＴｉの制御が困難であり、かつ効果のないＴｉ酸化物
を生成することから靭性および耐割れ性の改善に対して
むしろ阻害要因となる。又、Ｂの添加方法としては、フ
ランクス入すワイヤ中にＢの合金粉あるいは酸化物を含
有させることが必要であり、これにより適量範囲にコン
トロールすることが可能となり、この両者によって、初
めて靭性および耐割れ性の改善をなし得るとの結論に到
った。

これらの結論に基づき、溶接金属において、高靭性およ
び良好な耐割れ性が得られるエレクトロスラグ溶接法と
して、Ｃ０，０５〜０．１８重量％、Ｔｉ　Ｏ，００５
〜０．０３０重量％を含有する鋼をワイヤ全重量に対し
、Ｃ０，２０重量％以下、ＢＯ，０Ｏ０５〜０．０２０
重量％を含有するフラックス入りワイヤを用いて消耗ノ
ズル式エレクトロスラグ溶接を行なう方法を提案するも
のである。なお、ここでフラックス入りワイヤとは管状
ワイヤ中にスラグ生成剤、脱酸剤、合金剤等からなるフ
ラックスを充填して構成したワイヤを意味する。

（作　用） エレクトロスラグ溶接法においては、溶接金属中の酸素
量を１００　ｐｐｍ程度と通常のサブマージアーク溶接
法あるいは被覆棒アーク溶接法に比し、低くすることが
出来るので、ミクロ組織の改善のために必要なＴｉ１は
０．００２〜０．０２％程度と少量であり、これ以上の
添加は溶接金属が硬貨し、靭性および耐割れ性が劣化す
る。エレクトロスラグ溶接法においては、母材希釈率は
２０〜６０％程度であり、又、溶接金属中へは鋼板Ｔｉ
の１５〜５゜％程度移行するので、消耗ノズル、添加フ
ラックスからの添加は不安定要因となるので溶接金属へ
のＴｉ添加を全て鋼板からの希釈からのみ入れることが
必要でこのためには、鋼板のＴｉ含有量は、０．００５
〜０．０３０重量％であることが必要である。

すなわち、鋼板のＴｉ量が０．００５重量％未満である
とミクロ組織が微細化されず、又、０．０３０重量％を
超えるとＴｉ過剰となり溶接金属が硬化し、靭性および
耐割れ性が劣化する。

次にＢは、フラックス入りワイヤの内蔵フラックスに含
有させることにより微量で適量範囲にコントロールする
ことが出来、これにより、ミクロ組織の改善がはじめて
可能になり、そのためには、内蔵フラックス中にＢの金
属粉又は酸化物をＢ量に換算して０．０００５〜０．０
２０重量％含有させなければならない。

すなわち、ｏ、ｏｏｏｓ重量％未満では溶接金属のミク
ロ組織において、オーステナイト−フェライト変態時オ
ーステナイト粒界の粗大フェライトの生成が抑制出来ず
、高靭性および耐割れ性の改善に効果がない。又、０．
０２０重景％を超えると、粗大フェライトの生成は抑制
されるが、Ｂ過剰となり、溶接金属が硬化し、高靭性が
得られなくなり、かつ耐割れ性も劣化する。

このように鋼板からＴｉ、フラックス入りワイヤからＢ
を適量コントロールして添加しても更に、溶接金属中の
Ｃ量を制限することが必要である。

Ｃは溶接金属の強度を増加する成分で過剰になると、強
度が過大となり、靭性および耐割れ性が劣化する。

このためには、エレクトロスラグ溶接におし）て、溶接
金属への寄与率の大きい鋼板およびワイヤのＣ量を制限
する必要がある。すなわち、鋼板のＣ量は、０．０５〜
０．１８重量％、フラ・ンクス入りワイヤのｃｌは、０
．２０重量％以下にすることが必要である。

鋼板のＣ量が０．１８重量％を超えると溶接金属が硬化
し高靭性が得られず、又、耐割れ性が劣化する。又、０
．０５重量％未満になると粒界の強度が得られず耐割れ
性が劣化する。

又、ワイヤのＣｉｌが０．２０重量％を超えると鋼板の
場合と同様に高靭性が得られなくなり、耐割れ性も劣化
する。又、ワイヤにおいてＣは内蔵フラックスおよび外
皮等のＣの合計であるが、通常下限は０．０２重量％程
度であるが、綱板の（４が上記範囲内であれば特に制限
する必要はない。又、本発明において使用するＴｉ含有
鋼としては、Ｃａ。

Ｍｇ、　Ｚｒ、　ＡｊあるいはＲＥＭ等で脱酸を行った
キルド鋼で、Ｔｉを添加したＴｉＮ系、ＴｉＢ系の鋼板
、あるいはＴｉで脱酸を行ったＴｉ量系の鋼板等である
。

又、本発明は、消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法に
限定するものであるが、その理由は、エレクトロスラグ
溶接において溶接を安定させるためには、スラグ浴の大
きさをコントロールすることが肝要であり、このために
は、溶接中にスラグ剤を連続的に適量供給することが必
要であり、被覆ノズルおよびフラックス入りワイヤの両
者から添加することが必要であるためである。

なお本発明において、Ｃ，Ｂ、　Ｔｉ以外の合金元素あ
るいは脱酸元素例えばＳｉＩ　Ｍｎ、　Ｍｏ’＋　Ｎｔ
、ＩＶ等を必要に応じて適量添加することが出来る。こ
の場合これらの元素は、ワイヤから添加することが好ま
しい。

又、フラックス入りワイヤにおいて外皮は通常用いられ
る軟鋼の帯鋼でよいが必要に応じて例えば、Ｎｉ、　Ｍ
ｏ、　Ａ１．　Ｍｎ等を特別に含有させた帯鋼を用いて
もよい。

又、内蔵フラックスのＢ以外の組成は通常用いられる組
成のものでよく、例えば、スラグ剤のほか鉄粉、合金粉
、脱酸剤等である。またこの場合、フラックスの充填率
は通常用いられる範囲でよいがワイヤ製造上の理由から
５〜２０％が望ましい。

又、フラックス入りワイヤの断面形状は特に限定する必
要はなく、ワイヤ中に心線を入れても勿論問題はない。

（実施例） 本発明の効果をより明確にするために以下に実施例にて
詳細に説明する。

まず第１表に示すＷ１〜Ｗ７の７種類のフラックス入り
ワイヤを作成した。内蔵フラックスの原粗粉を均一に混
合し、帯鋼ケーシング（外皮）内に充填し、成型、伸線
後、焼鈍を行ないフラックス入りワイヤとした。フラッ
クスの充填率は１０％を目標とし、ワイヤ径は２．８−
φである。限定成分のうち、Ｃは外皮及び内蔵フラック
ス中の原材料から、Ｂは内蔵フラックス中にボロン合金
またはボロン酸化物の形で含有させた。Ｗ１〜Ｗ３およ
びＷ５はＢを２％含有したフェロボロン、Ｗ４およびＷ
６は溶融硼砂（ＮａｚＯＨ２ＢｚＯｓ）を用いた。Ｗ１
〜Ｗ４は本発明方法例に用いるワイヤ、Ｗ５〜Ｗ７は比
較例用ワイヤでＷ５はＢ過剰、Ｗ６はＣ過剰、Ｗ７はＢ
を含有しないものである。

第２表は供試鋼板の化学組成を示したもので、Ｐ１〜Ｐ
６が本発明方法例のためのＴｉ含有鋼であり、Ｐ７〜Ｐ
１０は比較例用の鋼板でありＰ７はＴｉを含有しない例
、Ｐ８はＴｉを含有せずかつＣが過剰な例、Ｐ９はＴｉ
が過剰な例、ＰＩＯはＣが不足の例である。

以上のフラックス入りワイヤおよび鋼板を組み合わせて
第４表に示す１６種類の溶接を実施した。

この場合の溶接条件および開先形状は、それぞれ第３表
および第１図に示すものであり、これらの組み合わせは
第４表左欄に示す。又、溶接要領は第２図に示すとおり
で、被溶接鋼板３ａ、３ｂを所定の開先ギャップ（ｇ）
をつけたＩ形の開先とし、銅当金４ａ、４ｂを表、裏画
面に当て、開先中央部に中空の被覆ノズル２を配し、そ
の中空にフラックス入りワイヤ１を連続的に供給し溶接
を行った。被覆ノズルは外径１０ｍｍφの軟鋼製パイプ
にＳｉＯｚ−ＣａＦｚ−ＭｇＯ−ＣａＯ系フラックスを
水ガラスで混合し、厚み１ｍｍで塗布し焼成したものを
用いた。又、溶接のスタート時には、スラグ浴を安定さ
せるため、ＳｉＯ２−ＣａＦ２−ＭｇＯ−ＣａＯ系の専
用フラックスを用いた。

第４表において、Ｎα１〜Ｎｏ、　９は本発明例、Ｎｏ
。

１０〜Ｎα１６は本発明の効果を明らかにするための比
較例である。

これらの溶接において得られた溶接金属について衝撃試
験および側曲げ試験を実施し、その結果を第４表右欄に
示す。衝撃試験片は、第３図（ａ）に示す位置（Ｃ＝′
Ａｔ）より２ｍｍのＶノツチシャルピー試験片５　（Ｊ
ＩＳ　Ｚ　３１１２．　４号）を各々３本採取した。又
、側曲げ試験片は第３図（ｂ）に示す如くビード方向に
垂直にＪＩＳ　Ｚ　３１４６に基いて試験片６を採取し
、曲げ試験は曲げ半径１９鵬で１８０度曲げを実施した
。

以上の結果、Ｎｏ、　１〜Ｎｏ、　９は本発明の効果に
基き、優れた靭性ならびに良好な曲げ試験結果が得られ
たが、Ｎｏ、１０〜Ｎｏ、　１６の比較例は、第４表の
問題点発生理由欄に示した理由により、靭性あるいは耐
割れ性が劣化した。

（発明の効果） 以上実施例において実証した如く、ＣおよびＴｉを夫々
適正量含有した鋼板に対し、ＣおよびＢを夫々適正量含
有したフラックス入りワイヤを用い消耗ノズル式エレク
トロスラグ溶接を行う本発明法を用いれば優れた低温靭
性および耐割れ性の溶接金属を得る事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例に用いた開先形状を示す正面図、
第２図は本発明実施例に用いた溶接要領を説明するため
の正面図、第３図（ａ）、　（ｂ）は本発明実施例にお
いて実施した衝撃試験ならびに側曲げ試験に用いた試験
片の採取位置を説明するための正面図である。 １・・・フラックス入りワイヤ、２・・・被覆消耗ノズ
ル、３ａ、３ｂ・・・鋼板、４ａ、４ｂ・・・裏当銅板
、５・・・シャルピー試験片、６・・・側曲げ試験片。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｃ０．０５〜０．１８重量％、Ｔｉ０．００５〜０．０
   ３０重量％を含有する鋼をワイヤ全重量に対し、Ｃ０．
   ２０重量％以下、Ｂ０．０００５〜０．０２０重量％含
   有するフラックス入りワイヤを用いて溶接する事を特徴
   とする消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法。