JPH05157B2

JPH05157B2 -

Info

Publication number: JPH05157B2
Application number: JP2176788A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Motomatsu; Takashi Kato; Masami Yamaguchi; Masakuni Wakabayashi; Tokio Nishida; Tadashi Ishikawa
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1993-01-05
Also published as: JPH01197096A

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
ノズル消式エレクトロスラグ溶接法に関し、更に
詳しくは、フラツ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
が溶接の進行に伴つ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簡便であるこ
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、靭性葉求のある場合にはせいぜい−
10℃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、耐大入熱性の
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
る。これに伴つて、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性対策として、用いるワイ
ヤ、ノズル、ノズルの被覆剤あるいは添加フラツ
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なく実用化に至つて
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
均一別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
→フエ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、微細なフエライトを生成させ
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エラ
イトを抑制し均一な組織にする。このTiとＢの
複合添加によつ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別細なミクロ
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号公報には物粒状ボ
ロン合金およびTiを含有させた複合ワイヤ（フ
ラツクス入りワイヤ）を用いるエレクトロスラグ
溶接法、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、フラツクスその他母材等から入つ
てくる成分を含め重量％でTi0.002〜0.08％、Ｂ
0.0004〜0.004％にする溶接法として、その実
施例において(1)ソリツドワイヤ、(2)フラツクス内
包ワイヤ（フラツクス入りワイヤ）(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つて
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つ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つて
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、ソリツドワイヤ、フラツク
ス入りワイヤ、被覆消耗ノズルあるいは添加フラ
ツ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、酸化物としての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
エ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の添加方法によつて有効となら
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ツクスに含有さ
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−
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つたりあるい
は条件の変動によつて、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。従つて溶接金属中のＢ量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、添加フラツクスにおいてもフラツ
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、ソリツ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、フラツ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、ワイヤの内蔵フラツ
クスは外皮からの熱伝導が良好でなくソリツドワ
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。したがつて内蔵フラツクス中のＢ
は酸化度が小さく有効な形で溶融金属中に移行し
やすく、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Ti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
に至つていない。又、特開昭52−70955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
法によつては微量の適正範囲にコントロールする
ことが困難であることから同様に実用化に至つて
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
の希釈によつて移行するTiのみで十分であり、
ワイヤ、消耗ノズル、添加フラツクスからの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、フラツクス入りワイヤ中
にＢの合金粉あるいは酸化物を含有させることが
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、この両者によつて、初め
て靭性および耐割れ性の改善をなし得るとの結論
に至つた。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 0.05〜0.18重
量％、Ti 0.005〜0.030重量％、Ｎ 0.0060重量％
以下を含有する鋼をワイヤ全重量に対してＣ
0.20重量％以下、Ｂ 0.0005〜0.020重量％、Ｎ
0.0060重量％以下を含有するフラツクス入りワイ
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、このフ
ラツ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ツクスを充
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100ppm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、添加フラツクス
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、
0.005〜0.030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、フラツクス入りワイヤの内蔵フラツ
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
組織の改善がはじめて可能になり、そのために
は、内蔵フラツクス中に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、0.0005重量％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→フエライト
変態時オーステナイト粒界の粗大フエライトの生
成が抑制出来ず、高勒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
フエ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、フラツクス入りワイ
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量およびＣ量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Ｂ量
が不足し、粗大なフエライトが生成し、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0.006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
を制限する必要がある。すなわち、鋼板のＮ量は0.0060重量％以下、フ
ラツクス入りワイヤの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
性が得られなくなる。又、ワイヤにおいてＮ量は
外皮および内蔵フラツ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0.05〜0.18重量％、フラツクス入りワイ
ヤのＣ量は、0.20重量％以下にすることが必要で
ある。鋼板のＣ量が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
ラツ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、AlあるいはREM等で脱酸を行つたキ
ルド鋼で、Tiを添加したTiN系、TiB系の鋼板、
あるいはTiで脱酸を行つたTiO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ツ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、Al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、フラツ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、Al、Mn等を特別に含有させた帯鋼
を用いてもよい。又、内蔵フラツクスのＢ以外の
組成は通常用いられる組成のものでもよく、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、フラツ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、フラツ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種類のフラツ
クス入りワイヤを作成した。内蔵フラツクスの原
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、焼鈍を行ないフラツク
ス入りワイヤとした。フラツクスの充填率は10％
を目標とし、ワイヤ径は2.8mmφである。限定成
分のうちＣは外皮及び内蔵フラツクス中の原材料
から、Ｂは内蔵フラツ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、Ｗ
５およびＷ８はＢを２％含有したフエロボロン、
Ｗ４およびＷ６は溶融硼砂Na₂O・2B₂O₃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、Ｗ
６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〜Ｐ６が本発明方法例のためのTi含有鋼で
あり、Ｐ７〜Ｐ１１は比較例用の鋼板であり、Ｐ
７はTiを含有しない例、Ｐ８はTiを含有せずか
つＣが過剰剰な例、Ｐ９はTiが過剰な例、Ｐ１
０はＣが不足な例、Ｐ１１はＮが過剰な例であ
る。以上のフラツ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，３
ｂを所定の開先ギヤツプｇをつけたＩ形の開先と
し、銅当金４ａ，４ｂを表、裏両面に当て、開先
中央部に中空の被覆ノズル２を配し、その中空に
フラツクス入りワイヤ１を連続的に供給し溶接を
行つた。被覆ノズルは外径10mφの軟鋼製パイプ
にSiO₂−CaF₂−MgO−CaO系フラツクスを水ガ
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、SiO₂−CaF₂−MgO−CaO系の
専用フラツクスを用いた。第４表において、No.１〜No.９は本発明例、No.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＝1/2
ｔ）より２mmのＶノツチシヤルピー試験片５（JIS
Ｚ 3112、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119mmで180度曲げを実施した。以上の結果、No.１〜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結果が得ら
れたが、No.10〜No.18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。

【表】

【表】表中−印は添加なし。

【表】

【表】（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ツクス入りワイヤを
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
試験片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…フラツクス入りワイヤ、２…被覆消耗ノズ
ル、３ａ，３ｂ…鋼板、４ａ，４ｂ…銅合金、５
…シヤルピー試験片、６…側曲げ試験片。

Claims

【特許請求の範囲】

１Ｃ 0.05〜0.18重量％、Ti 0.005〜0.030重量
％、Ｎ 0.0060重量％以下を含有する鋼を、ワイ
ヤ全重量に対しＣ 0.20重量％以下、Ｂ 0.0005
〜0.020重量％、Ｎ 0.0060重量％以下含有する
フラツ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。