JPH01197096A - 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
装置が比較的筒便であること、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９００ｋＪ／ｃｍ
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−１０”Ｃ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ＨＴ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、耐大人熱性の研究がな
され、このような大入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キロ鋼、ＹＰ４２キロ鋼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課題） 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
果が得られてなく実用化に至っていない。

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Ｔｔ
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、　Ｍｎ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
Ｔｉを含有させた複合ワイヤ（フランクス入すワイヤ）
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、フラックスその伯
母材等から入ってくる成分を含め重量％でＴｉ０．００
２〜０．０８％、Ｂ０．０００４〜ｏ、　ｏ　Ｏ４％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（フランクス入り
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至って
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至っていない
ものである。すなわち、ＴｉはＯ（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、フランクス入すワイヤ、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。

また、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易い
。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に比べて還元され易いのでスラグーメタル間
反応で溶接金属中へ移行し易い。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Ｂｉ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、フラックス入り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
行しゃすく、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Ｔｔ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
でなく、実用に至っていない。又、特開昭５２−７０９
５５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
困難であことから同様に実用化に至っていない。

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。

（課題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（制御熱処理圧延）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）クス入りワイヤ中にＢの合金粉あ
るいは酸化物を含有させるこが必要であり、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
るとの結論に至った。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、ｃ　ｏ、０５〜０．１８重
量１０．　Ｔ１０．００５〜０．０３０重量％、Ｎ０．
００６０重憧％以下を含有する鋼をワイヤ全重量に対し
てＣ０．２０ＭＮ％以下、Ｂ　　０．０００５〜０．０
２０ｕ景％、Ｎ０．００６０重量％以下を含有するフラ
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ｌｏｏｐｐｍ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Ｔｉ量は
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化し、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１５〜５０％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、０．００
５〜０．０３０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！ｆＪｌｔｓ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
〜０．０２０重量％含有させなければならない。

すなわち、０．ＯＯＯ５重世％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重量％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Ｎ
−ｆｉｌおよびｃｌを制限することが必要である。

ＮはＴｉ−Ｂ系溶接金属においては、靭性を劣化させる
元素である。すなわち、溶接金属の凝固過程でＢと結合
してＢＮを生成しデンドライト樹間に析出する。このた
め、粒界制限に必要なりｉが不足し、粗大なフェライト
が生成し、ミクロ組織の均一性が損なわれるため靭性が
劣化する。又、Ｎｌが更に増加すると、フリーのＮｉが
増加し、靭性は更に劣化する。このため溶接金属中のＮ
ｌは０．ＯＯ６重量％程度以下に抑えることが必要であ
り、エレクトロスラグ溶接においては、溶接金属への寄
与率の大きい鋼板およびワイヤのＮｌを制限する必要が
ある。

すなわち、鋼板のＮ量は０．ＯＯ６０重量％以下、フラ
ックス入りワイヤのＮｌは０．　ＯＯ６０重量％以下に
することが必要である。鋼板のＮ４ｊｌが０、００６０
重量％を超えると溶接金属の組織において均一性が損な
われ、靭性が劣化する。又、ワイヤのＮ量が０．ＯＯ６
０重最％を超えると鋼板の場合と同様に高靭性が得られ
なくなる。又、ワイヤにおいてＮｉは外皮および内蔵フ
ラックス中の金属粉等のＮ量の合計である。

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いて、溶接金
属への寄与率の大きい鋼板およびワイヤのＣｌ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％、フラックス入りワイヤのＣｌは、０．２０
重量％以下にすることが必要である。

鋼板のｃ４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ｃｌ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、鋼板のＣ量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、　　Ａｊ２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、Ｔｉ量系の
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Ｓｉ、　Ｍｎ、　Ｍｏ、　Ｎｉ、
　Ａ１等を必要に応じて適宜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、フランクス入す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、　Ｈａ
、　ＡＰ、、　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
囲でよいがワイヤ装造上の理由から５〜２０％が望まし
い。

又、フランクス入すワイヤの断面形状は特に限定する必
要はない。

（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〜Ｗ８の８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料わ〕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
胴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、ボロン酸化物で含有させた。Ｗ１〜Ｗ３．Ｗ５
およびＷ８はＢを２％含有したフェロボロン、Ｗ４およ
びＷ６は溶融硼砂（ＮａｚＯ’　２８２０：ｌ）を用い
た。Ｗ１〜Ｗ４は本発明方法例に用いるワイヤ、Ｗ５〜
Ｗ８は比較例用ワイヤでＷ５はＢ過剰、Ｗ６はＣ過剰、
Ｗ７はＢ不足、Ｗ８はＮ過剰のものである。

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、Ｐ’／−
ｐＨ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Ｔ
ｉが過剰な例、ＰＬＯはＣが不足な例、ｐＨはＮが過剰
な例である。

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１８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Ｓ
ｉ０２−ＣａＳ１０２−ＣａＦｚ−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
、ＳｉＯｚ−ＣａＦｚ−ＭｇＯ−ＣａＯ系の専用フラッ
クスを用いた。

第４表において、Ｎｏ、　１−　Ｎｏ、　９は本発明例
、Ｎ。

１０〜Ｎｏ、　１８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　＝　’Ａ
　ｔ　）より２　ｍｍの■ノツチシャルピーｆｉ＆験片
５　（、ｒｒｓ　ｚ３１１２、　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１９ｍｍで１８０度曲げ
を実施した。

以上の結果、Ｎα１〜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〜Ｎ０１８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。 ■・・・フラックス入りワイヤ、２・・・被覆消耗ノズ
ル、３ａ、３ｂ−鋼板、４ａ、４ｂ・・・銅当金、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％、Ｎ０．００６０重量％以下を含有する鋼を
   、ワイヤ全重量に対しＣ０．２０重量％以下、Ｂ０．０
   ００５〜０．００２０重量％、Ｎ０．００６０重量％以
   下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。