JPH02220795A - 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］ 本発明は低温高靭性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
入すワイヤを用い、造船などの構造物で特に低温靭性が
要求される部材に適用するＴｉ脱酸鋼の溶接に使用する
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］ 消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は、１００ｍｍを超
える厚板まで１ラン溶接が可能な高能率溶接として適用
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８００ｋＪ／ｃｍ
程度の大入熱溶接になるため、ミクロ組織が粗大化し靭
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
レベルとしてはせいぜい一１０℃程度までの利用に限ら
れており、また、耐割れ性から強度的にも適用鋼種は軟
鋼、５０ＨＴ鋼に限られて実用化されている。

これらのニーズに対応するために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、従前よりも更に低温
仕様あるいはＹＰ４０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り、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）鋼が適用されている。

これに伴って溶接金属にも低温靭性の改善並びに耐割れ
性の改善が要望されている。

溶接金属の高靭化方法としてＴｉ−Ｂ化する方法が多数
提案されている。

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（フラックス入
りワイヤ）を用いるエレクトロスラグ溶接法が、又、特
開昭５２−７０９５５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
Ｔｉ　：　０．００２〜０．０８％、Ｂ：０．０００４
〜０．００４％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）フランクス内包ワイヤ
（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
らず実用に至ってないのが現状である。

これに対して１本発明者らは先に特願昭６３−２１７６
７号において、大入熱対策を施したＴｉ含有鋼の溶接に
おいて靭性特性の良好な溶接金属を得る事ができる溶接
方法としてＣ量、Ｔｉ量およびＮ量の含有範囲を特定し
た鋼板とＣ量、Ｂ量およびＮ量を特定したフラックス入
りワイヤを用いて溶接することを特徴とする消耗ノズル
式エレクトロスラブ溶接法を提案している。これは鋼板
およびフラックス入すワイヤより溶接金属中へ移行する
Ｃ量を適正範囲に調整することによって耐割れ性を良好
な範囲に確保し、かつ、母材稀釈により鋼板から溶接金
属中に移行するＴｉとフラックス入りワイヤから溶接金
属中に移行するＢとによって溶接金属をＴｉ−Ｂ化し、
更に鋼板およびフラックス入りワイヤより溶接金属中へ
移行するＮ量を制限することによって大入熱溶接におい
ても優れた低温靭性特性が得られるものである。この場
合。

Ｔｉは鋼板からの稀釈、Ｂはフラックス入りワイヤから
溶接金属に添加してはじめてその効果を発揮するもので
ある。

〔発明が解決しようとする課Ｍ］ 本発明者らは、その後も、消耗ノズル式エレクトロスラ
グ溶接において、靭性向上の研究を重ねたところ、Ｔｉ
含有鋼のうちＴｉで脱酸を行ったＴｉ脱酸鋼の溶接にお
いては板厚が５０ｍｍを超えるような大入熱溶接になる
と溶接金属の靭性値は劣化する事があり１種々検討した
ところミクロ組織において粒内には上部ベーナイト組織
が又、粒界には粗大な粒界フェライトが生成し、靭性劣
化はこれに起因する事が判明した。

即ち、Ｔｉ含有鋼にはその製造時の脱酸形態から２種類
に分けられ、その１はＣａ、Ｍｇ、　Ｚｒ。

ＡｌあるいはＲＥＭ等で脱酸を行ったいわゆるキルド鋼
で、特に０．０３〜０．０８％ＡＩ２を含有する鋼であ
り、他の１つはＣａ、　Ｍｇ、　Ｚｒ、　Ａ　Ｑおよび
ＲＥＶからなる群から選択された１種又は２種以上の元
素の合計が０．０１％以下のＴｉ脱酸鋼である。

前者の場合には、上記厚板の溶接においても靭性の劣化
は特に認められないが、後者の場合にはＴｉより脱酸力
の強い元素を殆ど含有しないため、溶接金属の脱酸力が
低下する状況にあり板厚が５０１１ＩＩＩ＋を超えるよ
うな大入熱溶接になるとその影響が顕著になりミクロ組
織が粗大化し靭性が劣化する。

本発明は以上のようなＴｉ脱酸鋼の溶接においても均一
微細な組織が得られ優れた低温靭性特性を有する溶接金
属が得られる消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法を提
供する事を目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨とするところは重量％でｃ　：　ｏ、ｏｓ
〜０．１５％、　Ｔｉ　：　０．００５〜０．０３０％
、　Ｎ　：　０．００６０％以下でかつ、（：ａ、　Ｍ
ｇ、　Ｚｒ、　Ａ　ＱおよびＲＥＭからなる群から選択
された１種又は２種以上の元素の合計が０．０１％以下
のＴｉ脱酸鋼を溶接するための消耗ノズル式エレクトロ
スラグ溶接法であって、重量％でＣ：　０．２０％以下
、Ｂ　：　０．０００５〜０．０２０％、　Ｎ　：　０
．００６０％以下でかつ、Ｃａ、　Ｍｇ、　Ａ　Ｑおよ
びＲＥＭからなる群から選択された１種又は２種以上の
元素の合計が０．０１〜１％含有するフラックス入りワ
イヤを用いて溶接することを特徴とする消耗ノズル式エ
レクトロスラグ溶接法にある。

なお、ここでいうフラックス入りワイヤとは管状ワイヤ
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］ まず、本発明の対象とする鋼は（：：ａ、　Ｍｇｔ　Ｚ
ｒ。

ＡｌおよびＲＥＭからなる群から選択された１種又は２
種以上の元素の合計が０．０１％以下のＴｉ脱酸鋼であ
るが、Ｔｉはまず脱酸剤として作用し、鋼中の酸素を低
減し、鋼中においては主にＴｉ酸化物粒子あるいはＴｉ
酸化物とＴｉ窒化物の複合体として存在する。これらの
粒子は溶接冷却過程においてオーステナイトリフエライ
ト変態をコントロールし、オーステナイト粒内に微細な
フェライトを生成させ、溶接熱影響部のミクロ組織を微
細化し、靭性劣化を防止する効果を有する。しかしなが
ら鋼中のＣａ、　Ｍｇ、　Ｚｒ、　Ａ　ＱおよびＲＥＭ
からなる群から選択された１種又は２種以上の元素の合
計が０．０１％を超えるとこれら成分が優先的に酸責と
結合し、酸素量が不足するため、結晶コントロールに有
効なＴｉ酸化物粒子が充分でなく、溶接熱影響部の靭性
向上効果が得られない。なお、Ｔｉ脱酸鋼においては、
Ｔｉ酸化物あるいはＴｉ酸化物のＴｉ窒化物の複合体の
粒子は径が０．１〜３．０μ醜１粒子数は５Ｘ１０’〜
１×１０７個／ｍである事が望ましいと認められている
。

本発明はこのＴｉ脱酸鋼において低温靭性を満足する消
耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法であるが、まずＴｉ
を０．００５〜０．０３０％含有する鋼板とＢをｏ、ｏ
ｏｏｓ〜０．０２０％含有するフラックス入すワイヤを
用いることが必要である。これは溶接金属をＴｉ−Ｂ化
するためである。

溶接金属中に添加されたＴｉは殆どＴｉ酸化物として存
在するが、このＴｉ酸化物は溶接冷却過程におけるオー
ステナイトリフエライト変態においてフェライト結晶の
生成核となり、微細なフェライト粒（アシキュラーフェ
ライト）を形成させ、低温靭性を著しく改善する。この
ようなＴｉの効果は鋼板中のＴｉ量がｏ、ｏｏｓ％以上
で得られるが、０．０３０％を超えるとＴｉが過剰にな
り、溶接金属が硬化し、かえって靭性が劣化する。

一方、Ｂは固溶Ｂとして冷却過程におけるオーステナイ
ト粒界に偏析し、粒界に生成しやすい粗大なフェライト
粒の析出を抑制する。このようなりの効果はフラックス
入りワイヤ中のＢが０．０００５％以上で得られるが、
０．０２０％を超えると溶接金属の焼入れ性が過大とな
り脆弱な上部ベイナイト組織が生成するとともに耐割れ
性も劣化する。

以上のようにＴｉとＢの共存は、粒界と粒内を同時に均
一微細なものとし、溶接金属の低温靭性の向上には不可
欠な要件である。

本発明法の場合、Ｔｉを鋼板に含有されるＴｉのみから
、Ｂをフラックス入りワイヤに含有されるＢのみから添
加することに限定した理由は以下の通りである。即ち１
本発明は消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法であるが
、該溶接法は溶融スラグの抵抗熱によって溶融池を形成
して溶接を行うため母材の稀釈以外の方法、即ち、フラ
ックス入りワイヤ、被覆ノズルおよびフラックスからの
添加ではＴｉは酸化されやすく溶接金属中に移行する歩
留まりが安定しないためである。また、Ｂも同様にフラ
ックス入りワイヤ以外の被覆ノズルあるいは添加フラッ
クスからの添加では板厚の変化あるいは条件変動によっ
て歩留まりが変化するため微量の適正範囲に正確にコン
トロールすることが困難であるためである。

この場合、Ｂはフラックス入りワイヤの内蔵フラックス
中に金属粉又は酸化物の形でＢ量に換算してｏ、ｏｏｏ
ｓ〜Ｏ，０２０％含有させなければならない。

さらに本発明法においてはフラックス入りワイヤにはＣ
ａ、　Ｍｇ、　Ａ　ＱおよびＲＥＭからなる群から選択
された１種又は２種以上の元素を合計で０．０１〜１％
含有することが必要である。これは以下の理由によるも
のである。

即ち、低温靭性の改善に有効なアシキュラーフェライト
の核となるＴｉ酸化物の生成にはＴｉと結合する適正量
のフリー酸素を確保する事が必要であるが、一方濫素量
が過剰な場合には、核生成作用を持たないＳｉ、Ｍｎあ
るいはＢの酸化物がＴｉの酸化に遅れて生成し、Ｔｉ酸
化物の核生成作用を低下させる事が判明した。これを防
止するためにはＴｉの酸化に優先して酸化する元素によ
り溶接金属の酸素量をＴｉ酸化物生成に必要でかつ十分
な酸素量にコントロールする事が必要である。

即ち、Ｃａ、　Ｍｇ、　Ａ　（ｌおよびＲＥＭはいずれ
もＴｉより酸素との親和力の強い元素であり、酸素量の
適正なコントロールに十分有効な成分である。

また、酸素量のコントロールはＢの酸化を防止する事も
意味するが、これは粗大な粒界フェライトの抑制に必要
な固溶Ｂを確保する効果を有するものであり、この点か
らも必要不可欠な要件である。

なお、従来のキルド鋼においては、鋼中の強脱酸元素が
、母材稀釈により溶接金属中に移行し酸素量のコントロ
ール作用をしていた。

フラックス入りワイヤ中のＣａ、　Ｍｇ、　Ａ　Ｑおよ
びＲＥＭからなる群から選ばれた１種又は２種以上の元
素の合計が０．０１％未満であると上記のような効果は
得られず、１％を超えると脱酸作用が過剰となり、Ｔｉ
酸化物の生成に必要な酸素量が不足すると共に固溶Ｂも
過剰となって、溶接金属の組織が脆弱な上部ベイナイト
組織となって、低温靭性が著しく劣化する。

Ｃａ、　Ｍｇ、　Ａ　ＱおよびＲＥＭの効果は以上のよ
うであるが、この効果はＣａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ａｌおよび
ＲＥＭからなる群より選択された１種又は２種以上の元
素の合計が０．０１％以下のＴｉ脱酸鋼の溶接に適用し
て初めて得られるもので、従来のギルド鋼に用いると脱
酸過剰となり、良好な低温靭性が得られない。

また、本発明法ではＣａ、Ｍｇ、ＡｌおよびＲＥＭはフ
ラックス入りワイヤから添加する事が必要である。この
理由は、これらの元素は酸化しやすいため被覆ノズルあ
るいはフラックスに含有させた場合、消耗ノズル式エレ
クトロスラブ溶接では溶融スラブ浴中で消耗するため溶
接金属の酸素量のコントロールに有効に働かないためで
あるにれに対して、フラックス入りワイヤに含有させた
場合には、溶融スラグ浴底部に供給されるため酸化消耗
が少なく溶接金属中で酸素量のコントロールに有効に働
くためである。

このように鋼板からＴｉ、フラックス入りワイヤからＢ
、Ｃａ、Ｍｇ、ＡｌあるいはＲＥＭ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量およびＣ量を制
御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量が不足し、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、Ｎ量が更に増加すると、フリーのＮ量が増加し、靭
性は更に劣化する。このため溶接金属中のＮ量は０．０
０６０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Ｎ量を制限する必要である。

すなわち、鋼板のＮ量は０．００６０重量％以下、フラ
ックス入りワイヤのＮ量は０．００６０重量％以下にす
ることが必要である。鋼板のＮ量が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゜００６０重景
％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Ｎ量は外皮および内蔵フラック
ス中の金属粉等のＮ−ｆｆ１の合計である。

Ｃは溶接金屑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、エレクトロスラブ溶接において、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．
１５重量％、フラックス入すワイヤのＣ量は、　０．２
０重量％以下にすることが必要である。

鋼板のＣ量が０．１５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Ｃ量が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、溶接中にスラブ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、Ｔｉ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ。

ＡｆｌおよびＲＥＭ以外の合金元素あるいは脱酸元素、
例えばＳ　ｉ、　Ｍｎ、　Ｍｏ、　Ｎｉ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、Ｍｏ、
Ａ　Ｑ　、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１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
要はない。

［実施例］ 本発明の効果をより明確にするために以下の実施例にて
詳細に説明する。

まず、第１表に示すＷ１〜Ｗ１２の１２種類のフランク
ス入すワイヤを作製した。内蔵フラックスの原料粉を均
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．
８ｎ＋ｍφである。限定成分のうちＣは外皮および内蔵
フラックスの原材料から。

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〜Ｗ４およびＷ６〜Ｗ１１はＢを
２％含有したフェロボロン、Ｗ５およびＷｌｌは溶融は
う砂（Ｎａ、Ｏ・Ｂ２０．）を用いた。Ｃａ　、　Ｍ　
ｇ　。

ＡｌおよびＲＥＭは内蔵フラックス中に金属粉で含有さ
せた。

Ｗ１〜Ｗ６は本発明方法例に用いるワイヤ、Ｗ７−Ｗｌ
ｌは比較例用ワイヤで、Ｗ７はＣａ＋Ｍｇ＋Ａｌおよび
ＲＥＭが不足、Ｗ８はＢ不足、Ｗ９はＮ過剰、ＷＩＯは
Ｃ過剰、ＷｌｌはＢ過剰、ＷｌｌはＣａ　ＨＭ　ｇ　＋
ＡｌおよびＲＥＭの合計量が過剰な例である。

第２表は供試鋼板の化学成分を示したもので、Ｐ１〜Ｐ
４が本発明方法例のためのＴｉ脱酸鋼であり、Ｐ５〜Ｐ
８は比較例の鋼板であり、Ｂ５は従来のキルド鋼、Ｂ６
はＣ過剰、Ｂ７はＮ過剰、Ｂ８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合せて第４
表に示す１７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、これらの組合せは第４表左欄に示す。

また、溶接要領は第１図及び第２図に示す通りで、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、銅当て金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
部にフラックス入りワイヤｌを連続的に供給し溶接を行
った。被覆ノズルは１０ｍ＋ｏφの軟鋼製パイプに５ｉ
ｎ２−ＣａＦ２−　ＭｇＯ−ＣａＯ系フラックスを水ガ
ラスで混練し、厚み１＋ａｍで塗布し焼成したものを用
いた。

また、溶接のスタート時にはＳｉｎ、　−ＣａＦ２−　
Ｍｇ０−ＣａＯ系専用フラックスを用いた。

第４表において、Ｎｏ、１−Ｎｏ、７は本発明例、Ｎｏ
、８〜Ｎｏ、１７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）示す位置（Ｃ＝ｔ／２）よ
り２ｍｍ（７）　Ｖ　／　ッチシャルピー試験片５（Ｊ
ＩＳ　２３１１２゜４号）を各々３本採取した。また、
側曲げ試験片は第３図（ｂ）に示すととくビード方向に
垂直にＪＩＳ　Ｚ３１４６に基づいて試験片６を採取し
、曲げ試験は曲げ半径は１９ｍｍで１８０度曲げを実施
した。

以上の結果、Ｎ０１１〜Ｎ００７は本発明の効果に基づ
き、優れた靭性並びに良好な曲げ試験結果が得られたが
、Ｎｏ、８〜Ｎｏ、１７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ごとく、Ｃ，ＴｉおよびＮ
をそれぞれ適量含有したＴｉ脱酸鋼に対して、Ｃ，Ｂ、
ＮおよびＣａ、　Ｍｇ＋　Ａ　１２およびＲＥＭをそれ
ぞれ適正量含有したフラックス入り→イヤを用いる消耗
ノズル式エレクトロスラグ溶接法を使用すれば、優れた
低温靭性および耐割れ性の溶接金属を得る事ができる。

【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
の平面図、 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：銅当金、　５：シャ
ルピー試験片、　６：側曲げ試験片。 特許出願人　　新日本裂鐵株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 重量％で、 Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｔｉ：０．００５〜０．０
   ３０％、Ｎ：０．００６０％以下でかつ Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、ＡｌおよびＲＥＭからなる群から選
   択された１種又は２種以上の元素の合計が０．０１％以
   下のＴｉ脱酸鋼を、ワイヤ全重量に対してＣ：０．２０
   ％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０２０％、Ｎ：０．０
   ０６０％以下でかつ Ｃａ、Ｍｇ、ＡｌおよびＲＥＭからなる群から選択され
   た１種又は２種以上の元素の合計が０．０１〜１％を含
   有するフラックス入りワイヤを用いて溶接することを特
   徴とする消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法。