JPH04284975A - サブマージアーク溶接金属の水素及び窒素低減方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サブマージアーク溶接
において溶接金属の水素および窒素含有量を極めて低く
する方法に関するものであり、かつ高能率な溶接法とし
て利用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】サブマージアーク溶接は、粒状のフラッ
クスの中で自動供給される溶接ワイヤの先端と被溶接材
間にアークを発生させて溶接する方法であり、大電流の
使用でもビード外観が良好であり、高能率であることな
どから、建築、橋梁、船舶、貯槽容器など各種分野に多
用されている。サブマージアーク溶接における溶接金属
の特性に及ぼすフラックスの役割は、溶接金属化学成分
の調整やビード形成に重要であるほか、溶接金属を大気
中の水分や窒素から遮断し、溶接金属への水素、窒素の
侵入を防ぐことがあげられる。

【０００３】例えば、使用鋼材の高強度化や極厚化が益
々進む中で、溶接能率の向上を目的とした狭開先サブマ
ージアーク溶接法が有用となるが、この溶接法において
も溶接パス数は非常に多くなるため、水素の集積による
溶接金属の割れ発生が問題となる。よって水素は極力低
くすることが好ましい。また窒素は、溶接金属の高靱性
を得るために低減することが望ましく、特に狭開先サブ
マージアーク溶接に使用されるＡｌ　２Ｏ　３−ＴｉＯ
　２成分を多く含むフラックスの場合、低窒素化が溶接
金属の高靱性確保に効果的である。

【０００４】ところで、サブマージアーク溶接に用いら
れるフラックスは、製造法により大きく分けてボンドフ
ラックスと溶融フラックスとがある。一般にボンドフラ
ックスは、原料として各種酸化物、弗化物、炭酸塩、金
属類などの粉末を、水ガラスを用いて造粒し、５００度
Ｃ程度で焼成したものであり、溶接時の高温のアークに
よって炭酸塩が分解し発生する炭酸ガスによる溶接金属
のシールド効果を有している。より大きなシールド効果
を得ようと炭酸塩を増加することは、ビート外観の劣化
をきたすため添加量に限度があった。また、原料中の水
分や水ガラス中の水分が完全には除去されず、さらには
ボンドフッラクスは吸湿しやすい性質があるため、実用
上アーク空洞の水素分圧を低下させ溶接金属の水素や窒
素を低減する効果に限界があった。

【０００５】一方溶融フラックスは、原料である各種酸
化物、弗化物を溶融した後、凝固させ粉粒状に砕いたも
のである。一旦溶融しているため原料中の水分の多くは
放出し、フラックス中の水素は極めて少なくすることも
可能である。しかしフラックスの吸湿性は、ボンドフラ
ックスほどではないが有している。さらに、溶接時に溶
接金属をシールドするガスの発生量は極めて少ないため
、フラックス粒子の間隙に存在する空気から溶接金属へ
の窒素の吸収は避けられない。このようなサブマージア
ーク溶接用フラックスの現状から、従来より溶接金属中
の水素および窒素の低減に関する改善が試みられている
。

【０００６】まず、サブマージアーク溶接金属の水素低
減法として、耐熱ノズルを通して不活性ガスをアーク空
洞内に吹き込む方法が特開昭５９−６４１７３号公報に
提案されている。また、溶融フラックスに炭酸塩を混合
添加し、分解して発生する炭酸ガスでアーク雰囲気の水
素分圧を低下させ、拡散性水素量を低減する方法が特開
昭５１−１１９６４１号公報に提案されている。なお溶
接金属の窒素についても上記提案では、水素と同様に低
減可能としている。なお溶着量増加の観点から、ＴＩＧ
溶接においては溶加棒としてソリッドワイヤを用い、こ
れに小電流を流す方法がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】アーク空洞の中に耐熱
ノズルの先端を位置させ、溶接時に不活性ガスを吹き込
む方法では、アーク空洞の圧力変動が生じるのは避けら
れず、サブマージアーク溶接の特長のひとつである優れ
たビード外観が得難くなる。特に狭開先溶接のように、
溶接アークの側方に母材開先面があり、アーク空洞の圧
力変動が主に上方にのみフラックスを通して解放される
状況では、通常の広い開先の場合のように横方向で圧力
変動を吸収することができない。よってビード形状への
悪影響が著しいことに問題がある。

【０００８】一方、溶融フラックスに炭酸塩を混合添加
する方法は、炭酸塩がフラックスに対して非常に少ない
添加量であるため偏折しやすく、水素低減の効果が不安
定となる。また、炭酸塩の吸湿性は溶融フラックスに比
べ大きいため、保管時の防湿管理や溶接前の頻繁な乾燥
が非常に煩わしいという問題がある。

【０００９】また、サブマージアーク溶接法で溶着量の
増加のみを目的とすれば、溶接電流の増加や多電極化、
あるいはＴＩＧ溶接で用いる通電した溶加棒を追加すれ
ば良い。しかしこれらの方法では、溶接金属の水素や窒
素の低減に何ら効果がないばかりか、溶接入熱の増加に
よって溶接金属組織の結晶粒が粗大化するため、靱性の
劣化が問題となる。本発明の目的は、サブマージアーク
溶接金属の水素および窒素含有量を極めて低くすること
ができ、さらに溶接入熱を高めることなく溶着金属量の
増加ができる効果的な方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を克
服し、目的を達成するもので、その具体的手段は、炭酸
塩を含有するフラックス入りワイヤを、溶接ワイヤのア
ーク空洞へ溶接進行方向の前方から供給することを特徴
とするサブマージアーク溶接金属の水素および窒素低減
方法にある。

【００１１】

【作用】図１は、本発明に係わる方法を実施するための
実施態様例を示す概略図である。同図は、単電極サブマ
ージアーク溶接法に本発明を適用した実施態様であって
、３がフラックス、４が溶接ワイヤ、５が母材、６が溶
接金属、７がスラグ、Ｗが溶接進行方向である。本発明
法は炭酸塩を含有したフラックス入りワイヤ１を、溶接
進行方向の前方からサブマージアーク溶接のアーク空洞
２へ供給することにある。

【００１２】フラックス入りワイヤは、鋼パイプあるい
は帯鋼を外皮としてその内部に充填材を充填し、線状に
成形して成るものを言う。本発明に使用するフラックス
入りワイヤは、充填材として少なくとも炭酸塩を含むこ
とが必須である。高温のアーク熱によりフラックス入り
ワイヤは溶融し、充填材として含有せしめた炭酸塩が分
解して発生する炭酸ガスが、アーク雰囲気の水素分圧の
低下とともにフラックス粒子間の空隙に存在する空気と
置換し排除することで、溶接金属への水素や窒素の侵入
が防止できるものと考えられる。

【００１３】しかしながらフラックス入りワイヤが溶融
し炭酸ガスを発生させる位置は、溶接進行方向の後方す
なわち溶接とともに溶接金属が生成されていく側のアー
ク空洞では、水素および窒素の低減効果は非常に小さく
、フラックス入りワイヤは溶接進行方向の前方に供給す
ることで目的が達成できることを見い出した。この理由
は、溶接進行方向の後方は溶融状態の溶接金属である溶
融池があり、また散布したフラックス層の厚さが溶接ア
ークにより溶融して薄くなっていることから、フラック
ス粒子間の空気は膨張によって容易に上方へ逸散あるい
は空気が希薄となりやすいため、水素や窒素の影響がも
ともと小さいのではないかと考える。

【００１４】これに対し本発明法で規定する溶接進行方
向の前方は、フラックス散布高さが大きく、溶接熱の影
響もほとんど受けないことから、フラックス粒子間の空
隙に存在する空気が直接溶接金属の水素および窒素の増
大に結び付くものと考える。なお、供給するフラックス
入りワイヤのアーク空洞への狙い位置および傾斜角度に
ついて、厳密な管理は必要ない。

【００１５】本発明に用いるフラックス入りワイヤにつ
いて、さらに説明を加える。フラックス入りワイヤの内
部に含有させる充填剤は、炭酸塩の他に鉄粉、各種酸化
物、弗化物、金属類を添加することで、フラックス入り
ワイヤ製造時の加工性を高めたり、溶接金属の成分調整
を行なうこともできある。本発明では、アーク空洞の外
殻近傍で溶接ワイヤのアーク熱によりフラックス入りワ
イヤの先端が溶融するよう、溶接ワイヤの電流や溶着量
の多少により、フラックス入りワイヤの供給速度を適宜
調整して溶接を行なう。よってフラックス入りワイヤの
外径や充填する炭酸塩の含有量は一義的に規定されるべ
きものではないが、フラックス入りワイヤ外径について
は、溶接ワイヤと同径または小径とすることが、溶融の
しやすさからは好ましい。

【００１６】炭酸塩の含有量は、アーク熱で分解し発生
する炭酸ガス量が溶接金属の水素および窒素を低減でき
る量、およびフラックス入りワイヤの製造に際し、充填
剤中に偏析を生じない最低限の量とすることは必要であ
る。すなわち充填剤中の炭酸塩含有割合に関して、溶接
ワイヤ溶融量の０．１パーセント程度以上の炭酸塩が溶
接進行方向の前方からアーク空洞へ供給されれば、充分
な水素および窒素低減効果が得られる。

【００１７】フラックス入りワイヤ製造上の制約からは
、炭酸塩あるいは必要に応じ鉄粉、各種酸化物、弗化物
、金属類を含めた充填率は、およそ５パーセント以上必
要であるが、上限は特に製造上および本発明実施上の問
題はない。ただし、通常のガスシールドアーク溶接に用
いられるフラックス入りワイヤよりも高い４０パーセン
ト程度の充填率においても、本発明法ではフラックス入
りワイヤからアークを発生させず比較的遅い速度で供給
するため、未溶融の充填剤が原因となるスラグ巻き込み
は発生しない。

【００１８】またフラックス入りワイヤが溶融する量は
、サブマージアーク溶接の溶接ワイヤ溶融量の５から３
０パーセントとなるよう、フラックス入りワイヤを供給
することが好ましい。当然ながらフラックス入りワイヤ
の供給速度が大きい場合、フラックス入りワイヤはアー
ク熱で溶融しきれずにアーク空洞の奥深くに挿入され、
溶融池と接触もしくは溶接アークに干渉するため、ビー
ド形状を劣化させる。一方、フラックス入りワイヤの溶
融量が溶接ワイヤの溶融量に対して５パーセント未満で
あっても、炭酸塩含有量あるいは充填率を高目に調整し
たフラックス入りワイヤを使用すれば、水素および窒素
の低減効果は得られる。しかしこの場合、溶接金属量の
増加が少なく、溶接能率向上効果がやや小さくなる。

【００１９】フラックス入りワイヤに使用する炭酸塩は
、例えば炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸ナトリウ
ムなどいずれを用いても本発明の効果が得られる。一般
に炭酸塩は炭酸ガスの放出後の、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｎａ
　２Ｏ３、など酸化物がスラグ剤としての効果を有して
いる。すなわち塩基性成分としての作用から、溶接金属
の酸素量低減により、靱性の向上が期待できる。またア
ーク安定剤としての効果もあり、溶接金属内のスラグ巻
込み防止やビード外観の向上に効果がある。

【００２０】炭酸塩以外に硅石、アルミナ、マグネシア
クリンカーなどのフラックス入りワイヤへの充填は、溶
接スラグの融点あるいは粘性を微調整できるため、各種
フラックスとの組合せで良好な溶接性が得られる。Ｓｉ
，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉなどの金属あるいはそ
の合金類は、母材と溶接ワイヤおよびフラックスにより
決定される溶接金属成分を調整し、あるいは新たに添加
することで、溶接金属の強度や靱性の改善が可能である
。

【００２１】

【実施例】表１に化学成分を示す板厚５０ｍｍの鋼板を
、図２に示す開先形状（ｔ＝５０ｍｍ，θ＝５度，ｄ＝
８ｍｍ）に組立てた後、表１に示す２．０パーセントＭ
ｎ系の溶接ワイヤと、表２に示すＡｌ　２Ｏ　３−Ｔｉ
Ｏ　２系のフラックスを用いて、表３に示す１層１パス
盛り法の溶接条件で、フラックス入りワイヤを用いた本
発明例および比較例について狭開先のサブマージアーク
溶接を行った。フラックス入りワイヤに使用した鋼パイ
プあるいは帯鋼の化学成分は、表４に示す。

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【００２２】試験項目は、溶接後まずビード表面のアバ
タ発生の有無を調べた。次に溶接金属の窒素量分析、衝
撃試験をＪＩＳ４号試験片により試験温度−２０度Ｃで
のシャルピー吸収エネルギーを調べた。分析試料および
衝撃試験片の採取位置は、鋼板表面下７ｍｍの溶接金属
中央とした。また溶接金属の拡散性水素量を、ＪＩＳ　
　Ｚ３１１８で規定の方法に準じ、電流６２５Ａ、電圧
３０Ｖ、速度６００ｍｍ／分の溶接条件とし、水素量測
定方法はガスクロマトグラフ法で測定した。この水素量
測定試験でフラックス入りワイヤを使用する場合、溶接
ワイヤ溶融量に対するフラックス入りワイヤの供給量は
、板厚５０ｍｍの溶接の場合と同一とした。なお溶接は
、フラックスを３５０度Ｃで１時間の乾燥直後に行った
が、本発明例と比較例との一部フラックスについて、乾
燥後屋内に一昼夜放置し吸湿した場合の拡散性水素量へ
の影響を明確にするための測定を加えた。

【表５】

【表６】

【００２３】表５に本発明方法による結果を示す。これ
から明らかなように、本発明法によればビード表面にア
バタが発生することなく、溶接金属の水素および窒素が
極めて低値となり、加えて溶接パス数も減って高能率で
ある。これに対し表６に示す比較例の結果を見ると、フ
ラックス入りワイヤを溶接進行方向の後方から供給した
記号Ｂ１は、水素および窒素の低減効果が非常に小さい
。記号Ｂ２はフラックス入りワイヤに炭酸塩を含有しな
いため、記号Ｂ３で示す通常のサブマージアーク溶接の
場合と比べ溶接金属の水素および窒素低減効果が認めら
れない。記号Ｂ４はフラックス入りワイヤを使用せず、
炭酸塩を溶接フラックスに混合した場合であるが、フラ
ックスを屋内放置後の拡散性水素量が著しく増加し、ま
たビード表面のアバタの発生が問題である。

【００２４】

【発明の効果】本発明法によれば、ビード外観が劣化す
ることなく溶接金属の水素および窒素を極めて低値にま
で減少できるため、溶接継手の耐割れ性および靱性の向
上に有効であり、また溶接入熱を高めることなく溶着金
属量が増加して高能率となることから、工業的価値は非
常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を表す概略図

【図２】実施例の溶接に用いた開先形状を示す図

【符号の説明】

１　　フラックス入りワイヤ ２　　アーク空洞 ３　　フラックス ４　　溶接ワイヤ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭酸塩を含有するフラックス入りワイ
   ヤを、溶接ワイヤのアーク空洞へ溶接進行方向の前方か
   ら供給することを特徴とするサブマージアーク溶接金属
   の水素および窒素低減方法。