JPH0118837B2

JPH0118837B2 -

Info

Publication number: JPH0118837B2
Application number: JP57178911A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Nagano; Hiroshi Naganuma; Koichi Shinada; Shigenobu Soneda
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1982-10-12
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1989-04-07
Also published as: JPS5970495A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、溶接金属の低酸素化と低水素化を同
時に実現することを可能にした溶接フラツクスに
関するものである。溶接金属の靭性を向上させるには、溶接金属中
の酵素量を減少させることが一つの有力な手段で
ある。サブマージドアーク溶接のようにフラツク
スを使用する溶接においては、フラツクスの塩基
度を高めると溶接金属中の酵素量は効果的に減少
する。そのため、溶接金属の靭性を向上させる目
的で、溶接用フラツクスの塩基度を大きくする努
力が行なわれてきた。しかし、フラツクスの塩基度を高めるとフラツ
クスの物性の調整が困難になり、ビードの形状が
悪化したり、スラグ巻込み、アバタ、その他諸々
の溶接欠陥が発生するなどのトラブルが発生し高
塩基度低酸素フラツクスの実現を困難にしてき
た。本発明者らは高塩基度フラツクスについて、こ
れらの問題を種々検討した結果次のような知見を
得た。すなわち、フラツクス成分がビード形状や
スラグ巻込み、アバタなどの溶接欠陥に影響を及
ぼす原因はいろいろあるが、特に重要なものとし
て次の２つが考えられる。一つは、フラツクス成分が軟化溶融温度、粘
度、表・界面張力などのフラツクスの溶融物性を
変化させることであり、他の一つはフラツクス成
分がアークの状態に影響をおよぼすことである。たとえば、CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂の４成
分系においてAl₂O₃、SiO₂が少くCaOの多い組成
領域において凝固波が粗くなつたり、ビード余盛
形状が不安定になることや逆にAl₂O₃が多くCaO
が少い領域においてアバタが発生したり、ビード
中央部に馬背状の突起物が生成することは溶融温
度、粘度などの物性の調整が不調であることに原
因があるものと考られる。また、MgOが多い領
域でビード形状が不安定になつたりスラグ巻込み
が多発することや、前記４成分にさらにCaF₂を
添加した場合にスラグ巻込みを防止することはフ
ラツクス成分がアークの安定性を変化させること
に原因があると考えられる。この２つの要因が多
くの溶接欠陥の発生やビード形状の不安定の原因
と考えられるが、その他に多量のCaF₂を配合し
た場合のようにCaF₂などのガス化がヘリンボー
ンやアバタの発生の原因になることもある。高塩基度の低酵素溶接フラツクスの実現を困難
にしてきた問題点としてもう一つの重要な問題が
ある。フラツクスの原料を電気炉などで溶解し、
冷却後に適当サイズに粉砕し乾燥して製造する溶
融型のフラツクスでは製造時に水分を吸収する。
そのため溶接金属の拡散性水素量が増加し、溶接
金属の低温割れや、ピツトの発生の原因となる。
フラツクスの塩基度が大きくなるほど、すなわ
ち、溶接金属中の酸素量を減少させようとすれば
するほど水素の問題は大きくなる。すなわち、フ
ラツクスは溶融状態で空気中などの水分を吸収す
るが、水分吸収量はフラツクスの塩基度が中性程
度の場合最も少く、それより塩基度が小さくても
大きくても水分吸収量は増加する。フラツクスが
中性より高塩基度側では塩基度が大きくなればな
るほど水分の吸収量は増加する。したがつて溶融
型フラツクスの場合、溶接金属の低酸素化のため
にフラツクスの塩基度を大きくするほどフラツク
ス原料を電気炉などで溶解するとき、または、溶
解したフラツクスを冷却しているときに吸収する
水分の量が多くなる。第１図に下記の塩基度式で計算した種々の塩基
度の溶融型フラツクスで溶接したときの溶接金属
中の拡散性水素量を示す。Ｂ＝6.50N_Bap＋6.05N_Cap＋4.8N_Mop＋4.0N_Mgp＋3.4N_Fe
p＋5.1N_CaF2＋0.3N_Zrp2 −0.2N_Al2O3−2.2N_TiO2−6.3N_SiO2 ただし、Nk：成分ｋのモル分率。同図は電気炉で溶解した後水中に投入し水冷方
式で冷却して製造した水冷フラツクスと鉄板上に
流し大気中で冷却して製造した空冷フラツクスの
両者の場合を示すものである。水冷フラツクスの
場合、拡散性水素量は塩基度の増大とともに増加
している。この水素はフラツクス原料を電気炉で
溶解しているとき大気などから吸収した水分と水
中で冷却しているときに吸収した水分に起因する
ものである。一方、空冷フラツクスの場合は、塩
基度がある限度までは拡散性水素が増加しない
が、ある限度を超えると急激に増加する。この水
素はフラツクス原料を電気炉で溶解しているとき
に吸収した水分に起因するものである。しかして
後に述べるように溶接金属中の拡散性水素量は６
c.c.／100DM以下にする必要があり、そのために
は空冷フラツクスでは塩基度(B)が大よそ3.0超に
なると、また、水冷フラツクスでは塩基度(B)がお
よそ2.7超になると拡散性水素の量は容認できな
い程度に達することが第１図から分る。今、溶接金属の酸素量をある量値以下にするフ
ラツクス成分が設計されたとき、その塩基度が大
きくてフラツクス製造時に多量の水分を吸収し、
拡散性水素量をある量値以下に抑えることができ
ない場合、そのフラツクス成分を実現するフラツ
クス原料を２つのグループ、すなわち製造時に吸
収する水分が充分少いある限度以下の塩基度を有
するグループと、製造時に多量の水分を吸収する
ある限度以上の塩基度を有するグループに支分け
分離することができる。前者のグループの原料を
電気炉などで溶解しても製造時に吸収する水分量
は充分少い。それに後者のグループの原料を非溶
解のまま混合して溶接用フラツクスとすれば、水
素量が充分少くかつ、目的とする少い酸素量を実
現するに充分なフラツクス塩基度を確保すること
ができる。本発明者らは、高塩基度の低酵素溶接用フラツ
クスについてのこれらの問題点を種々検討した結
果、ビード形状が良好で溶接欠陥も発生しない低
水素低酵素溶接用フラツクスの発明を行つたもの
であり、その要旨はCaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂
の４成分系において、これらの成分の合計量を
100としたとき、それらの成分量が CaO：10〜60％ MgO：30％以下 Al₂O₃：20〜70％ SiO₂：５〜40％の組成を有し、それらの合計量がCO₂成分を除く
フラツクス重量の35％以上を占め、かつ CO₂成分を除くフラツクス重量に対し CaF₂：６〜60％を含み、かつ下記式で計算されるフラツクス塩基度(B)が1.5
以上であるフラツクス成分のうち、一部の成分の
原料を溶解して溶解物とし、当該一部の成分以外
の残部の成分の原料を溶解しない非溶解物とした
とき、溶解物の塩基度(B)は2.7以下であり、かつ、
非溶解物の塩基度(B)は溶解物のそれより大きく、
かつ、非溶解物中の炭酸塩鉱物のCO₂ガス成分は
CO₂ガス量に算換して、CO₂ガス成分を除くフラ
ツクス重量の５％以下となる、溶解物と非溶解物
との混合物であることを特徴とする低水素、低酸
素溶接用フラツクスにある。Ｂ＝6.50N_BaO＋6.05N_CaO＋4.8N_MoO＋4.0N_MgO＋3.4N_Fe
O＋5.1N_CaF2＋0.3N_ZrO2 −0.2N_Al2O3−2.2N_TiO2−6.3N_SiO2 ただし、Nk：成分ｋのモル分率。以下に本発明を詳細に説明する。溶接金属の低酸素化を図るためにはフラツクス
の塩基度を高塩基度に保たねばならない。そのた
め、フラツクス物性の調整には好ましいが酸性度
の大きいSiO₂の使用量を制限し、物性調整に必
要な酸性成分としては中性〜酸性を示すAl₂O₃を
主成分とするようにし、それに代表的な塩基性成
分であるCaO、MgOを加えたCaO、MgO、
Al₂O₃、SiO₂系を基本とするものである。CaOは
フラツクスの高塩基度を維持するために使用され
る塩基性酸化物であるが、上記４成分の合計量を
100としたとき、CaO量が60％を越えると粘度が
大きくなり過ぎビード余盛形状が不安定になる。
また、CaO量が10％未満になると粘度が大きく、
軟化溶融温度が高くなり過ぎ溶接スラグを通して
のガス抜けが困難になりアバタが発生したり、
CaOの減少分増加したMgOやAl₂O₃の作用でベー
ド中央部に馬背状の突起物やアンダカツトが発生
する。Al₂O₃量が70％を超える領域では、CaO量
が10％未満の領域と同様のビード形状、溶接欠陥
上の問題が発生しAl₂O₃量が20％未満の領域では
CaO量が60％を超える領域とほぼ同様の問題が発
生する。MgOもフラツクスを高塩基度にするた
め使用される酸化物であるが、その量が30％を超
えると溶込み形状が不安定になつてスラグ巻込み
が増加し、後に述べるようにCaF₂の添加によつ
てもスラグ巻込みを防止できなくなる。また、
MgO量が30％を超えるとビード余盛形状の不安
定になる。SiO₂はフラツクス物性を調整し、良
好なビードを得るためには好ましい成分である
が、40％を超えると溶接金属の酸素量を後に述べ
るような量値300ppm以下にすることが困難にな
る。また５％未満ではビード形状がやや不安定に
なるし、塩基度が大きくなるにも係わらず溶接金
属の酸素量が若干増加する。したがつて、CaO、
MgO、Al₂O₃またはSiO₂の量は本発明の範囲に
すべきである。また、これら４成分の合計量は35
％以上にすべきである。35％未満ではこの成分系
の有する効果を発揮することができなくなり、前
述のような溶接欠陥を防止し、良好なビード形状
を保持することができなくなる。 CaF₂は塩基性の弗化物でフラツクスを高塩基
度にするのに有効な成分である。またCaF₂はフ
ラツクスの粘度、軟化溶融温度を低下させるので
適量配合すれば、良好なビードを得るために好ま
しい成分である。さらにCaF₂は、溶込み形状を
安定化し、スラグ巻込みを防止する顕著な効果を
もつている。これらの目的、特に、スラグ巻込み
を防止するためには、CO₂ガス成分を除くフラツ
クス重量の６％以上を添加しないと充分な効果を
発揮しない。CaF₂は比較的低温度でその一部が
CaF₂、SiF₄、AlF₃の形で揮発する。CaF₂量が60
％を超えるとビード表面にこれらのガスに起因す
るヘリンボーンが発生し、ビード形状も不安定に
なる。したがつてCaF₂の量は６〜60％にすべき
である。次に本発明において前出の式で計算されるフラ
ツクス成分の塩基度(B)を1.5以上と定めた理由に
ついて述べる。溶接フラツクスの塩基度が大きく
なると溶接金属の酸素量は減少するが、従来の市
販フラツクスでは、特にサブマージドアーク溶接
フラツクスで、前述のビード形状不良、諸々の溶
接欠陥の発生、または後に述べるような拡散性水
素の問題があり、酸素量を300ppm以下にするこ
とは困難であつた。本発明フラツクスでは、これ
らの問題を解決し溶接金属の酸素量を300ppm以
下にしようとするものである。第２図は、CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂系の４
成分フラツクスにおいてそれらの成分を変化させ
た場合、この４成分系の代表的な組成点において
CaF₂、BaO、MnO、ZrO₂、TiO₂、K₂Oなどを
添加しそれらの量を変化させた場合のフラツクス
塩基度と溶接金属の酸素量との関係を示したもの
である。添加する成分によつて差異が認められる
が大略基度の増大に伴つて酸素量は低下しており
酸素量が80ppm以下の場合も見られる。同図で見
るとおりフラツクス成分の種類による酸素量の差
およびバラツキを見込むと、フラツクスの塩基度
(B)を1.5以上にすれば、溶接金属の酸素量を
300ppm以下にすることができる。これらのフラツクス成分、CaO、MgO、
Al₂O₃、SiO₂、CaF₂の原料としては、CaO成分
にはCaCO₃（石灰石）、CaMg（CO₃）₂（ドロマイ
ト）、CaSiO₃（硅灰石）など、MgO成分にはMgO
（マグネシアクリンカー）、MgCO₃（マグネサイ
ト）、Ca、Mg（CO₃）（ドロマイト）、Mg₂SiO₄
（カンラン石）など、Al₂O₃成分にはAl₂O₃（コラ
ンダム）、MgO・Al₂O₃（スピネル）など、SiO₂
成分にはSiO₂（硅砂）など、CaF₂成分にはCaF₂
（ほたる石）がある。しかし、例えばCaO、MgO
成分のための原料CaSiO₃、Mg₂SiO₄などは同時
にSiO₂を含んであるので使用量が制限される。
したがつて、これらの５つの成分を自由に配合す
るためにはCaO、MgO成分のためにはCaCO₃、
MgOまたはMgCO₃を選択する必要がある。ところがCaCO₃のような炭酸塩原料を用いた
場合鉱物形態がそのままフラツクスに保存される
ボンド型ないし焼成型フラツクスにしたのでは、
溶接時に炭酸塩が分解して発生するCO₂ガスのた
め溶接金属の酸素量が増加してしまい本発明の趣
旨に合致しない。したがつて溶接金属中の低酸素
化を目的とするフラツクスでは、フラツクス原料
を電気炉などで溶解して製造する溶融型フラツク
スとしCO₂を製造時に除去しフラツクスに持込ま
ないことが必要になるが、高塩基度の溶融フラツ
クスでは前述のように製造時に吸収する水分によ
る拡散性水素の増加が問題になる。本発明におい
てはこの拡散性水素の問題を同時に解決しようと
するものである。溶接金属の低温割れやピツトなどの水素起因の
溶接欠陥を防止するためには、拡散性水素量を６
c.c.／100ｇDM（48時間測定）以下にする必要があ
る。そのため本発明での溶解物は製造時の水分吸
収を防止するため、その塩基度を制限する必要が
ある。空冷方式で処理した溶解物を使用するフラ
ツクスでは、第１図に見るとおり、溶解物の塩基
帆(B)が3.0程度でも充分上記の拡散性水素量の要
請を満足する。しかし水冷方式で処理した溶解物
では第１図に見るとおり塩基度(B)が2.7を超える
と水素量が６c.c.／100ｇDMをオーバーするので、
水冷方式で処理した溶解物と非溶解物とを混合す
るフラツクスでは溶解物の塩基度を2.7以下に抑
えねばならない。溶解物の塩基度はこのようにコ
ントロールすれば、実際のフラツクスでは非溶解
の原料によつてフラツクスの水分が希釈されるの
で、拡散性水素量をより低位に保つことができ
る。この場合、溶解しないで原料のままフラツク
スに添加する非溶解物は塩基度への寄与率が大き
い成分としてCaO、MgO、BaO、CaF₂などを含
む。したがつて、塩基性の非溶解物としては
CaCO₃（石灰石）、MgO（マグネシアクリンカー）、
BaCO₃（炭酸バリウム）、CaF₂（ほたる石）などが
用いられる。これらのうちCaCO₃やBaCO₃など
のようにCO₂を含む原料を多量に添加すると溶接
金属の酸素量が増加してしまいフラツクスを高塩
基度にして酸素量を引下げるという本発明の目的
が損われる。溶接金属の酸素量を300ppm以下に
するためには非溶解物の原料から持ち込まれる
CO₂量を、CO₂成分を除くフラツクスの重量の５
％以下になるように、CO₂を含む炭酸塩鉱物の添
加量を制限しなければならない。また、非溶解物
として添加される原料全体の塩基度(B)は、溶解物
のそれより大きくなければ本発明の趣旨が実現さ
れないことは言うまでもない。以上の要件が全て満足されれば、その他のフラ
ツクス成分としてBaO、MnO、TiO₂、ZrO₂、
K₂O、Na₂Oなどの成分を適宜物性調整用に使用
することができる。また、溶解物と非溶解の原料
とは混合するだけの混合型フラツクスとして使用
することができるが、非溶解物の粒度が細か過ぎ
両者の偏析が懸念されるような場合には両者に少
量の水ガラス、アルミン酸ソーダなどの結合剤を
添加して造粒したボンド型フラツクスとしても使
用することができる。ボンド型フラツクスでは水
ガラスなどから持ち込まれる水分量が僅かに増加
するが、通常のボンド型または焼成型フラツクス
のように造粒後300〜600℃程度の温度で焼成すれ
ばその量は殆んど無視してもよい程度のものであ
る。なお通常フラツクス原料は僅かに水分を含んで
いる。その主なものは液体包有物としての水分、
鉱物の結晶構造中に組み込まれた構造水や結晶水
である。これらの水分の大部分は200〜1000℃で
放出される。したがつて、高張力鋼の厚もの材な
どの溶接などのように特に拡散性水素に敏感な溶
接用フラツクスに使用するときには非溶解の原料
を300〜600℃の温度で２時間程度焼成することが
望ましい。以下に本発明の効果を実施例によりさらに具体
的に示す。実施例第１表は使用したフラツクスの成分および形態
を、第２表はそれらフラツクスを用いて溶接した
結果を示す。溶接は入熱50.4kJ／cm、溶接速度
140cm／min、交流電流の３電極によるサブマー
ジドアーク溶接で20mm厚のSM50鋼板にビードオ
ンプレートで行つた。また、拡散性水素量の測定
はJIS Z3116で行つた。No.1〜６は本発明例であ
り、No.7〜15は比較例である。 No.1〜３は空冷処理した溶解物と塩基性の非
溶解物との混合フラツクスの例を示す。いずれの
場合も、ビード形状は良好で、諸々の溶接欠陥も
なく、拡散性水素量、酸素量はそれぞれ、６c.c.／
100ｇDM、300ppm以下であつた。No.4はNo.1
と同じ成分のフラツクスであるが溶解物を水冷処
理したものである。拡散性水素量は若干増加した
が、充分容認できる程度のものである。 No.5はNo.1のフラツクスをベースに非溶解物
として3.1％（外数）のCO₂を含む石灰石を添加
したものである。溶接金属の酸素量は若干増加し
たが、CO₂量が充分少いので300ppm以下に抑え
ることができた。一方、No.15もNo.1のフラツクスをベースにし
て非溶解物として石灰石を添加したものである
が、多量のCO₂を含んでいるので酸素量は顕著増
加した。 No.6はNo.1フラツクスに45Be′のソーダ水ガラ
スを80c.c.／Kg−フラツクス添加して造粒しボンド
型フラツクスとしたものであるが拡散性水素量は
混合型フラツクス（No.1）の場合と殆んど同程
度であつた。 No.7はCaO量が本発明の上限を超えAl₂O₃量が
その下限未満で非溶解成分を含まない例である
が、ビードの余盛形状が凸形でしかも不安定であ
つた。 No.8はCaO量が本発明の下限未満で、Al₂O₃量
がその上限を超え非溶解成分を含まない溶融型フ
ラツクスである。ビード中央部に馬背状突起、ア
ンダカツト、アバタが発生しビード外形も巾の狭
い凸形を示した。 No.9はMgO量が本発明の上限を超えた例であ
る。ビードは不安定であり、多数のスグ巻込みが
発生した。 No.10およびNo.11（No.11は非溶解成分を含ま
ない）は、それぞれ、SiO₂量が本発明の下限未
満、その上限を超えるフラツクスである。前者で
はビード形状が不安定になり、後者では塩基度(B)
も小さく溶接金属の酸素量が300ppmを超えた。 No.12、13は、それぞれ、CaF₂量が本発明の下
限未満、その上限を超え非溶解成分を含まない溶
融型フラツクスの例である。前者ではスラグ巻込
が多発し、後者ではビード表面にヘリンボーンが
発生しビード形状もやや不安定になつた。 No.14はCaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂の合計量が
本発明の下限に満たない溶融型フラツクスの例で
ある。ビードの余盛形状が不安定であつた。

【表】

【表】注：溶接欠陥は発生しているものだけに○をつ
けた。

【図面の簡単な説明】

第１図はフラツクスの塩基度と拡散性水素量の
関係を示す図であり、第２図はフラツクスの塩基
度と溶接金属の酸素量の関係を示す図である。第１図において：拡散性水素量の測定時間(Hr) 48 96 水冷フラツクス〇 △ 空冷フラツクス ● ▲

Claims

【特許請求の範囲】１ CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂の４成分系にお
いて、これらの４成分の合計量を100としたとき、
それらの成分量が CaO：10〜60％ MgO：30％以下 Al₂O₃：20〜70％ SiO₂：５〜40％の組成を有し、それらの合計量がCO₂成分を除く
フラツクス重量の3.5％以上を占め、かつ CO₂成分を除くフラツクス重量に対し CaF₂：６〜60％を含み、かつ下記式で計算されるフラツクス塩基度(B)が1.5
以上であるフラツクス成分のうち、一部の成分の
原料を溶解して溶解物として、当該一部の成分以
外の残部の成分の原料を溶解しない非溶解物とし
たとき、溶解物の塩基度(B)は2.7以下であり、か
つ、非溶解物の塩基度(B)は溶解物のそれより大き
く、かつ、非溶解物中の炭酸塩鉱物のCO₂ガス成
分は、CO₂ガス量に換算して、CO₂ガス成分を除
くフラツクス重量の５％以下となる、溶解物と非
溶解物との混合物であることを特徴とする低水
素、低酸素溶接用フラツクス。Ｂ＝6.50N_BaO＋6.05N_CaO＋4.8N_MoO＋4.0N_MgO＋3.4N_Fe
O＋5.1N_CaF2＋0.3N_ZrO2 −0.2N_Al2O3−2.2N_TiO2−6.3N_SiO2 ただし、Nk：成分ｋのモル分率。