JPH03294096A

JPH03294096A - エレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤ

Info

Publication number: JPH03294096A
Application number: JP9428490A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nagatomo; 長友　和男; Hirohisa Fujiyama; 藤山　裕久; Mitsuaki Otoguro; 乙黒　盈昭
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-04-10
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1991-12-25

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、エレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤに関
し、更に詳しくは低温靭性が要求される構造物の建造に
際し、炭素当量０．３６％以下の鋼材に対して、優れた
低温靭性を有する溶接金属が得られる５０キロ級低温鋼
用のエレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤに関するも
のである。

（従来の技術）エレクトロガスアーク溶接は溶接能率が高いので軟鋼、
５０キロＨＴ鋼、６０キロＨＴ鋼を用いる船舶、石油備
蓄タンク等の製作に多用されてきた。

しかしながら、近年活発に進められている海底エネルギ
ーの開発にあたり、石油掘削装置等の海洋構造物は大型
化し、かつ寒冷地で使用される船舶、構造物が増加して
いる。このような背景のもと、高能率で優れた品質の溶
接技術の開発が要望されている。

エレクトロガスアーク溶接は潜弧溶接と共に極めて高能
率な溶接法であるが、−４０〜−６０℃程度の低温では
、大入熱溶接のため溶接金属の組織が粗大化して充分な
靭性が得られていない。特に、大径のエレクトロガスア
ーク溶接では入熱量が一般的に１５０ｋＪ／ｃｓａ以上
となり顕著である。

これまでにもエレクトロガスアーク溶接の低温靭性を向
上させるために種々の手段が講じられてきた。例えば、
特開昭４９−１１５９５１号公報ではワイヤ含有成分と
してＣ，Ｓｌ　、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｌ　。

Ｂの量を規定し、更にはＡＩ、Ｚｒ、Ｖ等も添加して溶
接金属の切欠靭性向上を図っている。また、特開昭５５
−４８４９５号公報では合金成分としてワイヤ中のＳｌ
　、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉを規定し、更に必要に応じてＮ１
　、Ａｌｔ、Ｚｒ、Ｖ、Ｂ等を添加スル技術が開示され
ている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、溶接金属の靭性が満足できるのはせいぜ
い一１０℃程度までで、近年のより低温への指向および
構造物の大型化への対応は難しいのが現状である。

又、鋼板の開発においても、熱加工制御法により同一強
度を得るのに大幅な合金成分の低減が可能となり、従来
降伏点３８ｋｇ　ｆ　／−の５０キロ鋼では、炭素当量
が０，４％程度必要であったが、この方法では炭素当量
が０．３６％以下で製造可能であり、従来より炭素当量
の低い大入熱用鋼板が販売されるようになった。

現在、市販されているエレクトロガスアーク溶接用ワイ
ヤをそれらへ対応すると、溶接金属成分のバランスがく
ずれ、強度の低下、低温靭性の劣化という問題が生じる
。

本発明は以上のような実状に鑑み、エレクトロガスアー
ク溶接に際し、炭素当量が０．３６％以下の大入熱鋼板
に対して、入熱が１５０〜３００ｋＪ／ｃｍの大入熱溶
接で、強度および低温靭性の優れた溶接金属を得ること
のできるエレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤを提供
することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）本発明の要旨は、帯鋼ケーシング内にフラックスを充填
してなる溶接用複合ワイヤにおいて、全ワイヤ重量に対
して、Ｃ０，２０％以下、Ｓ１０．５０〜１．２％、Ｍ
ｎ　１．５〜３．０％、Ｍ　ｏ　０　、２０〜１　、０
％、Ｔｉ　０．１０〜０．７０％、Ｂ　（１，０１０〜
ｏ、ｏｓｏ％、ＡＩｏ、０２０〜０．０６５％、おＪび
金属弗化物、金属酸化物、金属炭酸塩を含むスラグ生成
剤０．５〜３．０％、Ｎ含有量がｘｏｏｐｐｓ以下であ
る鉄粉１５〜２５％を含むことを特徴とする５０キロ級
低温鋼用のエレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤにあ
る。

本発明者等は大入熱溶接であるエレクトロガスアーク溶
接におｌする低温靭性の改善、溶接金属強度の安定化と
いう問題点を解決すべく種々の検討を行って来た。

その結果、Ａｐ又はＴ１をそれぞれ単独に溶接金属に含
有させた場合には溶接金属の結晶粒は針状化し、Ａｇ又
はＴ１を含有しない場合よりかえって溶接金属の衝撃値
は低下し、エレクトロガスアーク溶接に用いることがで
きない。従って、溶接金属の衝撃値を低下させないため
には、溶接金属の結晶粒、単に一次晶を微細化するのみ
でなく、球状化することが必要であるが、Ｔ１又はＡＭ
を単独に含有した溶接ワイヤではこのような結晶粒の微
細化および球状化を期待することができないことが判っ
た。

この理由としては次の点があげられる。ＡｌｌおよびＴ
ｉは酸素との親和力が強く、酸化アルミ、酸化チタンを
形成しやすい。従って結晶粒微細化の目的でエレクトロ
ガスアーク溶接ワイヤにＡｌｌを含有させた場合、溶接
金属中にＡｇ２Ｏ３が存在することとなるが、一方スラ
グ中にも、Ａ　１１２０　ｇが存在し、スラグの高温粘
度を高（し、溶接金属中に存在する非金属介在物のスラ
グ中への浮上を妨げる。すなわち、溶接金属の清浄化作
用が妨げられることとなり、また、溶接金属の結晶粒も
針状化する。

従って、溶接金属の衝撃値はＡＩ７の含有量によっても
異なるが、Ａｊｌｌを添加しない場合に比して低下する
場合が多い、ＴＩを単独で含有させた場合も同様の結果
となる。しかし、ＡＩおよびＴｉを共に含有するワイヤ
を用いて溶接した場合には、溶接金属の結晶粒は微細化
されると共に球軟化する。

従って結晶粒界の非金属介在物は分散して存在すること
となり、強力な結晶粒間となるので、溶接割れを生じに
くくなり、また曲げ試験を行った場合においても割れを
生じにくくすることとなる。

また、溶接金属の衝撃値も低下せずむしろ向上すること
が判った。この理由としては種々の冶金的試験において
次のことが判明した。

すなわち、溶接金属中の酸素および窒素とＡｌｌおよび
Ｔ１とＴ１とＢの関係をみた場合、ＡｌｌおよびＴｉは
酸素との親和力は強いが、窒素との親和力は弱い。従っ
て、ＡＩあるいはＴ１を単独で溶接金属中に含有させる
と、Ａｌ２Ｏ３あるいはＴｉＯが形成される。これらＡ
ｌ２Ｏ３あるいはＴ　ｉｏ　２は結晶粒を針状化するこ
ととなり、粒界をもろくし、目的を達することは不可能
である。

一方、ＡｐおよびＴＩを共食したワイヤを用いた場合、
Ｔ１よりＡＩの方が酸素との親和力が強いので、Ａｌｌ
はその殆んどがＡｊｌ１２０３となるが、Ｔｌについて
はＴ　Ｉ　Ｏ２になるのはわずかであり、残りの窒素と
結合してＴｆＮを形成する。このように酸化アルミと窒
化チタンが共存するような溶接金属を作ることにより、
はじめて溶接金属の結晶粒の微細化、球状化が可能とな
り、溶接金属の衝撃値を低下させることなく、むしろ向
上させて、なおかつ、溶接金属中の非金属介在物を分散
して耐割れ性、耐曲げ性も向上する。

更にＴ１とＢの相乗効果では、ＴＩを含む酸化物が微細
粒フェライトの変態核として働らき、Ｂが溶接金属の初
析フェライトの生成を抑制し、粒界フェライトを伴うア
シキュラーフェライト生体の微細化組織の溶接金属が得
られる。

本発明は以上の作用効果によって溶接金属全体の靭性向
上を図るものである。

（作　　用）以下に本発明のエレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤ
を構成する各成分の作用と数値限定理由について述べる
。

ＣはＣＯ生成反応による脱酸作用と共に、溶接金属の焼
入れ性を高め、強さと硬さを増す作用が強く、ワイヤ中
のＣが０．２０％を超えると溶接金属中のＣ量が増加し
てマルテンサイトが発生し易くなって、靭性が低下する
。なおワイヤ中のＣは低いほど溶接金属の靭性は良好で
あるので、Ｃの範囲は０．２０％以下とし、少ない程好
ましいが実際にはＣ源として鋼フープ、合金剤、脱酸剤
、金属炭酸塩中のＣがあり、それら材料を厳選してもゼ
ロとはならず多少なりともＣは含まれる。

なお、ワイヤには溶接中のワイヤ送給性を良くするため
に潤滑剤が塗布されており、潤滑剤には通常カーボンが
含まれている。従って、ワイヤ送給性を損わない範囲で
潤滑剤の塗布量を低くおさえるのがよい。

Ｓｉはその脱酸作用によって溶接金属を清浄にし、ある
いは一部が歩留って強度を高める作用がある。またアー
クを安定にし、ビード形状を良好にする作用もある。Ｓ
ｌが０，５％未満ではそのような効果が得られず、１．
２％を超えると低温靭性が低下する。

ＭｎはＳｌと共に脱酸剤として不可欠の成分であり、又
強度を高め靭性を改善する効果がある。

しかし、１．５％未満では靭性が低下し、３．０％を超
えると溶接金属中のＳと結合して低融点の非金属介在物
ＭｎＳの生成量が著しく増加し、ＴｉＮとの複合介在物
を形成しミクロ組織微細化効果を著しく弱め低温靭性を
低下させ、更には耐割れ性を著しく低下させる。ワイヤ
中のＳｉ、Ｍｎ源としては、鋼製フープ中の５３．Ｍｎ
以外に、Ｆｅ　−５ｉ　、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ　−３ｉ　
　−Ｍｎ等の合金あるいはＳ　ｉｏ　　　Ｍｎ０．Ｍｎ
Ｏ２等の酸２　″ 化物が含まれる。

Ｍｏを添加するのは溶接金属の所要強度を得ることと溶
接金属微細化による靭性改善のためである。そのために
は、少くとも０．２０％添加する必要があり、一方１，
０％を超えて添加すると溶接金属の強度が高くなり過ぎ
、かえって靭性が低下する。

Ｔ１の添加はアーク現象の改善と後述するＢとの相乗効
果で溶接金属の靭性を向上させる効果がある。Ｔ１が０
゜３％未満ではそのような効果が得られず、逆に０．７
％を超えると溶接金属が硬化して靭性が低下する。

Ｂは上述のＴＩとの相乗効果で溶接金属の初析フェライ
トの生成を抑制し、かつ組織を均一微細化して靭性向上
に効果がある。Ｂが０．０１０％未満の場合は上記した
効果が期待し得ず、０．０３０％を超えると焼入れ効果
の大きい元素であるＢが過剰となって溶接金属が硬化し
、耐割れ性や靭性が低下する。Ｂ源としてはＦｅ−Ｂの
他Ｂ２Ｏ３等Ｂの化合物を用いても良い。

Ａｌは本発明のＣを低くすることによる脱酸力の低下を
補って溶接金属中の酸素量を低下させると共に、Ｓ１．
Ｍｎ、ＴＩ、Ｂの酸化消耗を減じ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＴＩ、
Ｂによる溶接金属の強度、靭性向上効果を一層発揮させ
る。またＡｌは一部が溶接金属に歩留り、溶接金属中に
Ａｎ）が適当量存在すると溶接金属の靭性が改善される
ことが判った。

Ａｆ！が０．０２０％未満では上記の効果が得られず、
一方Ａｌが０．０６５％を超えると溶接金属中のＡｊ）
が過剰となってかえって靭性は劣化する。ＡＮの充填フ
ラックス中の材料としては、金属Ａｌの他Ｆｅ−Ａｌ等
の合金がある。

なお、溶接金属中のＡｊ２は鋼板中のＡｆｌおよびワイ
ヤ中のＡｌｌそれぞれの歩留り量の和であるが、ワイヤ
中のＡＭが上記の範囲であれば、鋼板中のＡｆｌにかか
わらず、溶接金属中のＡｆｌを所要の値にすることがで
きる。

エレクトロガスアーク溶接の溶接ビード表面は、スラグ
を介して水冷銅板で押さえられている。

従って、充填フラックス中のスラグ剤によってアーク状
態が変わるばかりでなく、生成したスラグの過多によっ
て溶接と一層の形状、状態は影響される。スラグ生成剤
が０．５％未満であると溶接中、銅当金と溶接ビードと
の間の生成スラグが不足して、平滑で美麗なビードが得
られず、一方３．０％を超えると銅当金と溶接ビードと
の間からあふれた生成スラグが溶融池全面を覆うように
なり、アークに影響を及ぼして安定した溶接を持続でき
なくなる。

スラグ生成剤は特にその種類を限定するものではないが
、金属弗化物としてはＣａ　Ｆ　２　、Ｎ　ａ　Ｆ　。

ＬｉＦ、ＢａＦ２．ＡｌＩＦ５等が使用できる。また、
金属酸化物としてはＳｉＯ□、　Ｔ　ｌ　０２　＊Ａｉ
ｌ　　ＯＭｇ０．Ｎａ２０．に２０．Ｆｅｄ。

２　３　゛ＭｎＯ等が使用でき金属炭酸塩としてはＣａＣＯ３゜Ｌ
　ｉＣＯＢ　ａ　ＣＯｓ等が使用できる。

２　　　３　′ エレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤはワイヤ径に関
係なく溶着速度を高め、施工能率を上げるために鉄粉を
多く充填している。従って本発明においてもワイヤ中１
５〜２５％含まれる鉄粉の特性が溶接金属に与える影響
は大きい。

即ち、鉄粉中のＮは鉄粉溶融後も溶接金属中に留まるが
、それが靭性に悪影響を及ぼさない鉄粉中のＮ量は１０
０ｐｐ■以下であることが判った。鉄粉の量が１５％未
満であると溶着速度が遅くなったり、生成スラグ量が溶
接金属に対して多過ぎたりする。

一方２５％を超えると生成スラグ量が不足したり、充填
率の不安定や伸線性が困難になる。

なお、Ｎは上述の鉄粉以外の脱酸剤、合金剤および鋼製
フープ中にも含まれており、それらのＮも低い方が良い
が、通常入手できるものの範囲内でほぼ１１００ｐｐ以
下であれば本発明に使用できる。

（実　施　例）第１表の組成となるワイヤＮｌｌ−嵐２０を作成した。

即ち、鋼製フープとしては、Ｃ；０．０５％、Ｓ　ｉ；
０．０２％、　Ｍｎ；０４０％、　Ｐ　：０．００９％
、　Ｓ　　、０．００７％、Ａｇ、０．０１５％、Ｎ；
４９ｐｐｍなる成分を含む軟鋼を用い、第１表の脱酸剤
、合金剤、スラグ生成剤、鉄粉を混合したフラックスを
充填してワイヤ径３．２ｍｍφに仕上げた。

溶接は第３表に示した組成の板厚３０ｍｅｍの熱加工制
御法によって作られた鋼板を、第１図に示す開先形状（
図においてａ　””　１２ａｍ、　　α−２０ｍ）にし
、１パス溶接で仕上げた。溶接条件を以下に示す。

（溶接条件）溶接姿勢；立向上進溶接電流；　６００Ａ溶接電圧；３７■ 溶接入熱；　２４０ｋＪ／ｃａｉシールドガス；ＣＯ２、裏１表各２５ＩＩ／ｓｉｎ当　
金；両面摺動銅当金各試験板より第２図に示す要領で試験片を採取し１、溶
接金属の分析、引張および一６０℃での衝撃試験を実施
した。

試験結果を第２表に示す。

第２表に示すように、本発明ワイヤ嵐１〜嵐６は溶接金
属の衝撃試験で、−６０℃での吸収エネルギーが７．０
ｋｇｆ　−ｍ以上であり良好である。

次に比較ワイヤについて述べる。

随７はＳｔが少ないためにアークが不安定となってスパ
ッタが多くなり、かつビード表面の形状が悪化した。、
織８は逆にＳｌが多いために溶接金属中に５１が多量に
歩留り、靭性が悪化した。

ＮＩＬ９はＭｎが低いために強度が低下すると共に良好
な靭性が得られない。随１０は逆にＭｎが多いために強
度が高くなり過ぎ、かつ靭性も劣化した。

ＮＣＬＩＩはＭｏ添加量が少ないので強度アップおよび
組織の細粒化効果が得られず、靭性も低い。ｋ１２は逆
にＭｏが高すぎる場合で、溶接金属が硬くなって強度が
高く、靭性も低い。）ｈｉｔはＴＩとＢが低いために、
ＴＩとＢによる組織の細粒化効果が得られず良好な靭性
が得られない。魔１４は逆にＴＩとＢが過剰なために溶
接金属が硬くなり、強度アップと共に靭性が大幅に劣化
した。またアークが不安定でスパッタが多く発生した。

嵐１５は強膜酸剤のＡＩが少ないために溶接金属中の酸
素が過剰となり、かつ特にＴ１の歩留りが悪く良好な靭
性が得られない。Ｎ１１Ｌ１６はＡＩが多過ぎるために
Ｃ，Ｓｉ　、Ｍｎ　、Ｔｉの歩留りが増加すると共にＡ
Ｉ！も過剰に歩留って、靭性はかえって大幅に劣化した
。またアークが不安定となりスパッタが多発した。Ｎ１
１Ｌ１６はスラグ生成剤が少ないためにビード表面と銅
当金の間のスラグが不足して良好なビード形状が得られ
ない。Ｎ１１ｇはスラグ生成剤が多過ぎるために、溶接
アークの下に過剰のスラグが生成されて、アークが極端
に不安定となって溶接不良となった。魔１９は窒素含有
量が１２５１）ｐ■の鉄粉を使用した場合であるが、溶
接金属中の窒素量が高くなって靭性が低下した。ＮＩＩ
Ｌ２０はワイヤのＣが高いために溶接金属中のＣが過剰
となり、強度が高くなり過ぎると共に靭性が劣化した。

（発明の効果）本発明エレクトロガスアーク溶接用複合ワイヤによれば
、炭素当量が０．３６％以下の熱加工制御法によって作
られた鋼板に対して、溶接入熱が１５０〜３５０ｋＪ／
ａｍの大入熱のエレクトロガスアーク溶接において、強
度の低下、低温靭性の劣化という従来の問題点が解決で
き、大径のエレクトロガスアーク溶接の厚板低温鋼への
適用拡大を可能にするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は開先形状および積層法を示す断面図、第２図は
試験片採取要領を示す断面図である。１・・・溶接金属　　　　　　２・・・母　材３・・・
衝撃試験片採取位置

Claims

【特許請求の範囲】帯鋼ケーシング内にフラックスを充填してなる溶接用複
合ワイヤにおいて、全ワイヤ重量に対して、重量％でＣ０．２０％以下Ｓｉ０．５０〜１．２％Ｍｎ１．５０〜３．０％Ｍｏ０．２０〜１．０％Ｔｉ０．３０〜０．７０％Ｂ０．０１０〜０．０３０％Ａｌ０．０２０〜０．０６５％および金属弗化物、金属酸化物、金属炭酸塩を含むスラ
グ生成剤０．５〜３．０％、Ｎ含有量が１００ｐｐｍ以
下である鉄粉１５〜２５％を含むことを特徴とする５０
キロ級低温鋼用のエレクトロガスアーク溶接用複合ワイ
ヤ。