JPH0686027B2 - 電気アーク溶接法 - Google Patents

電気アーク溶接法

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JPH0686027B2
JPH0686027B2 JP61088373A JP8837386A JPH0686027B2 JP H0686027 B2 JPH0686027 B2 JP H0686027B2 JP 61088373 A JP61088373 A JP 61088373A JP 8837386 A JP8837386 A JP 8837386A JP H0686027 B2 JPH0686027 B2 JP H0686027B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特定範囲のTi,N,Cr,A1を含み残余が実質的に鉄
である溶着ビードおよび該ビードを製造する電気アーク
溶接法に関する。本発明の特徴は大気からアーク電極又
は溶着プールを遮蔽することなく電気アークによって空
気から特定範囲の量の窒素を溶着ビード中にとり込ませ
ることを特徴とする電気アーク溶接法、より具体的には
下記（ａ）及び（ｂ）の諸工程すなわち、（ａ）（１）
Ti,Zr,Ni,C,MnおよびSiより成る群から選ばれた鋼合金
用元素（元素、金属、合金又は化合物のいずれの状態で
もよい）と、（２）リチウム、バリウム、けい素、スト
ロンチウム、カルシウムおよびカリウムのふっ化物およ
び鉄、リチウム、カルシウム、バリウムの酸化物より成
る群から選ばれた融剤成分と、（３）マグネシウム、ア
ルミニウムおよびけい素より成る群から選ばれた還元剤
と、（４）チタンとクロムおよびアルミニウムとを必須
成分として含む鋼ワイヤー電極を製造し、そして（ｂ）
この電極を使用して、大気からアーク電極又は溶着プー
ルを遮蔽することなく電極端と鋼作業片の間に電気アー
クをつくり、それによって空気から窒素を溶着ビード中
にとり込ませることにより、溶着ビード全重量を基準と
してチタンを0.03乃至0.12重量％、アルミニウムを0.95
重量％未満、クロムを0.05乃至0.30重量％、窒素を0.01
乃至0.04重量％含み残余が実質的に鉄である溶着ビード
を形成することを特徴とする電気アーク溶接法である。
本発明は特に比較的厚い低炭素（および低合金）鋼板の
電気アーク突合せ溶接法に応用されまたその例について
記載されるが、本発明はより広い用途をもち高衝撃値を
もつ鋼が必要な場合に使用できるものである。
分析の種々の必須元素（鉄の他に）が種々の方法で溶融
溶接プールに供給できるが、本発明は望む溶着ビードに
影響するに必要な種々の元素を含む融剤用成分を芯にも
つ裸管状鋼ワイヤーを使用する溶接に応用できその例が
記載されるが、これらの元素は固体ワイヤー上の融剤膜
中に又は溶着ビード上につけられる又は電極ワイヤーの
鋼と合金される粒状融剤中に含まれうるものである。加
えられる元素は、適当な還元剤と組合されて、金属、合
金および（又は）化合物として存在しうるものである。
背景 溶接工業における溶着ビードに望まれる又は要求される
主要特性は知られたチヤーピーＶ−切欠き部（Charpy V
−Notch）衝げき試験および最近のクラツク チツプオ
ープニング デイスプレースメント（CTOD）試験により
測定される強じん性に伴なう高引張り強さと延性であ
る。チヤーピー試験において一定寸法の冷却試験品が試
験機に入れられ衝げきによつて試験品を曲げるに要した
エネルギーを測定する。CTOD試験では疲れ割れが発生し
た後試験品は応力をうけついに破壊する。エネルギー又
はCTOD値が高い程溶接は良好である。チヤーピー試験の
みは後記するであろう。
重鋼板の溶接においては試料溶接の上、下および中央か
ら試料を切りとり各部の衝げき強さを測定するのが普通
である。
から２インチ又はそれ以上の重鋼板溶接においては各板
の端を斜めに切り、できた鋭端を接近して置き根元を溶
着した後一連のアーク溶接を重ねて行ない斜端によつて
できたＶ型切欠き部を埋めるのが普通である。この操作
において各連続溶接パス（pass）は前につけた溶着ビー
ドを部分的にとかしまた再溶融した金属に近い金属をそ
の変形温度以上の温度に再加熱する。
これまで同じ電極を用いるマルチパス溶接においては溶
接の深さ全体にわたり工業的に許容されるチヤーピー衝
げき値をえることは困難なことである。
望む結果は連続パスに使う電極を変えることによつてえ
られているが、これは複雑であり、時間がかかりまた経
費もかかる。本発明により単一電極を用いて必要な高チ
ヤーピー衝げき値がえられる。
マルチパス溶接において望む高衝げき強さをえるために
は各パス又は各層につける溶着部分の大きさを制限する
必要があることが他の問題となつている。溶着部分の大
きさは電極大きさ、電極供給速さおよび進行速さによつ
て決定される。故に各溶着部大きさを制限することによ
りつなぎを埋めるに多数パスが必要であり全溶接を完了
するに長時間かかつた。
これに相互関係しているのが溶接パラメーターの確立が
必要なことおよび溶接作業者がこのパラメーターに従つ
てなされることであつた。彼がこれらをしのいだならば
望むチヤーピー衝げき強さをもたない溶着ビードが生じ
た。
本発明を用いて多数回パスは実質的に減少され各層の大
きさの制限はない。
つけられた各溶着物の厚さ制限による他の問題は垂直に
のびた突合せつなぎを溶接するとき作業者は上から下へ
溶接することを要求される。本発明を用いて今や垂直に
上へ溶接することにより安価な方法で望む衝げき強さを
もつ溶着ビードをえることが可能である。
更に問題は溶着ビードの根元から上までの衝げき強さの
変化である。これは電極が通常融剤中にある形のチタン
を含んでおりそのチタンが溶着ビード中に残渣として終
るという事実によつて説明できる。少量のチタンは望む
衝げき値をえるに必要である。しかし過剰量のチタンは
衝げき値に有害である。
結局電極は十分のチタンを含まねばならないので根元パ
スにおいて（とけて溶着ビードの一部となる作業棒金属
により電極金属が実質的に稀釈される場合）望む衝撃値
を与えるに十分なチタンとなるであろう。しかし次の層
が溶着したとき溶接棒の金属によつて次第に稀められて
終りには溶着ビードのチタン量は衝げき値が減少しはじ
める様な値にまでなる。また最終又は最上層は根元パス
又は中間パスにより熱せられる様に加熱はされないので
この再加熱による結晶粒精練効果は受けない。故にこの
最終最上パスの溶着ビード分析は重要である。
本発明を用いてわかるとおり、溶着ビード中のチタン残
渣は増加するが、達する最大値はチタン含量増加によつ
て衝げき値が減少しはじめる臨界値よりは小さい。また
最終又は最上パス中のチタン含量は再加熱による結晶粒
精練を要しない様十分低いものである。
従来鋼のアーク溶接においては（１）溶着ビードに合金
用元素を加えるため、しかし（２）先づ第１に電極ワイ
ヤーから溶着プールに移る金属又は溶着プールそれ自体
から窒素を排除する又は制限する様な種々の目的のため
電極ワイヤー上につけられた管の内側に又は溶着ビード
上の重なつた粒状融剤として融剤が使われている。アー
クの温度において大気中からの窒素分子は分解し易く溶
着泥中にはこばれる。次いで溶着泥が冷えると原子窒素
は分子となり溶着ビード内に窒素ガスとしてあらわれ多
孔や不完全溶着ビードを生ずる。
故に裸鋼ワイヤーを用い遮蔽ガスを使わないで融剤成分
は常にアークの近辺から窒素を排除する様アークの熱で
揮発する化合物を含んでいた。また電極ワイヤーおよび
アークと同軸の遮蔽用ガスが窒素排除に使われていた。
裸電極ワイヤーがそれをとおり前進する溶着ビードの上
に溶着される粒状溶剤も使われている。
以上からわかるように、本発明はある程度従来法の目的
になしており、少量の窒素を溶着金属内に利用するが、
その窒素はチタン化合物として使用される。
発明 故に本発明はマルチパス電気アーク溶接において多数層
に溶着でき前記した従来法の諸問題を解決する固有に高
チヤーピー衝撃値をもつ新規の改良された溶着ビードに
関する。
本発明の最も広い形態により本発明は鋼が冷え固化する
とき結晶粒がまわりに成長しはじめて核種を形成し高チ
ヤーピー衝げき値をもつ鋼の微細結晶粒構造となる様な
全体に分散した窒化チタンのミクロ粒子の十分であるが
調整量をもつ低炭素溶着ビード沈着物に関する。
更に本発明の広い形態においては分析においてアルミニ
ウムの最大量を同時に制限しながらクロムの調整量が含
まれるのである。
チタンおよび（又は）アルミニウムは普通の溶着ビード
成分であり、特徴の一つは溶接金属の変移温度を下げる
と共に窒化チタン生成を促進する触媒として働らくクロ
ムの使用にあるのである。
更に詳しくは、本発明によれば、溶着ビードは本質的成
分としてまた精密調整量として試験全溶着ビード試料重
量基準でチタン0.03乃至0.12％、窒素0.01乃至0.04％お
よびクロム0.05乃至0.03％、およびアルミニウムがあれ
ば0.95％を超えない量を含む低炭素鋼より成る。
詳述すれば本発明により主合金成分が次のとおりであ
る。
様な溶着ビード分析が与えられる： チタン 0.03−0.12重量％ 窒素 0.01−0.04〃 クロム 0.05−0.03〃 アルミニウム 0.95重量％未満 ジルコニウム 0.05重量％未満 炭素 0.04−0.15重量％ ニツケル 0.3−1.5重量％ マンガン 1.6重量％未満 けい素 0.30重量％未満 いおう、酸素、りん 0.01重量％未満 窒素は2930℃（5306゜F）の高融点（鋼の1535℃（2777゜
F）と比べて）をもち硬化溶着ビード中極微細又はミク
ロ粒子としてある窒化チタンとして存在する。各粒子は
鋼がその固化温度をとおり凝結し冷却するとき結晶粒成
長が周りで初まる核化点となる。この核化点のため微細
粒ミクロ構造が生ずる。窒化チタンはオースチナイト結
晶粒抑制剤の様に働らくと記載もできる。
溶着ビードへのチタン又はクロム添加は困難ではない。
成分は管状ワイヤーの芯の融剤中にあつても又は固体電
極ワイヤー外側膜中にあつてもよいが、いづれの場合も
マグネシウムおよび（又は）アルミニウムの様な金属又
は電極線の鋼との合金又はある知られた還元剤と組合せ
た化合物としてあつてもよい。
窒化チタンを融剤中の１成分として固体鋼ワイヤー外側
につけて又は管状ワイヤーの内側に又は粒状融剤中に使
用することによつて溶着ビード中に添加できる。しかし
窒化チタンは高価であり溶着ビード中に窒化チタンを入
れる安価な方法を用いるとよい。
可能な１方法（研究されていない）は窒化チタンが１成
分として電極ワイヤーの鋼に含ませうることである。
本発明によりチタンとクロムの適当量を金属、合金又は
適当量の適当還元剤と混合した酸素化合物のいづれかと
して管状電極芯に入れ空気の窒素がアークから排除され
ずチタンが周囲の大気中の窒素と結合して窒化チタンを
生成しその必要量が沈澱形、即ち顕微鏡的粒子状で溶接
プール中に入る様溶接することにより窒化チタンは溶接
プール中に入れられる。
空気中の窒素に暴露することが重要なことはアルゴン遮
蔽ガス中で使用した同じ電極が衝げき強さのよくない結
果を与え試験によつて示されている。
空気中の酸素が溶接プール中に入るのを防ぐ必要がある
ことも認められるであろう。そしてこれはアルミニウム
および（又は）マグネシウムを金属又は合金のいづれか
として管状鋼ワイヤーの芯に入れることによつてでき
る。そのアルミニウムおよび（又は）マグネシウムは大
気中の酸素と反応して酸化物を生成しスラグの一部とな
り溶接完了時に処理される。
アルミニウムを脱酸剤として使うとき常に酸素と反応す
る量以上の量を使用しなければならない。その結果いく
らかのアルミニウムは反応せず溶着ビードに移り残渣と
なる。溶着ビード中の多量すぎるアルミニウムは衝げき
強さに悪影響をもつので、本発明により電極中のアルミ
ニウムは（空気中の酸素又は融剤の他化合物からとられ
た酸素によつてアルミニウムオキサイドに変えられず溶
着ビードに残渣として移る残留量を考えて）溶着ビード
中の残留アルミニウムが常に0.95％以下である様な量で
存在する。
溶接金属を完全に脱酸するに要するアルミニウム量減少
のためマグネシウムが金属又はアルミニウムとの合金の
いづれかとして置換される。鋼の固化温度以下の沸点を
もつマグネシウムは鋼と合金はつくらない。
クロムは常に切欠き粘り強さとしても知られる衝げき強
さに有害と思われており、通常溶着ビードから排除され
ている。したがつてクロムは鋼の強さを増したが、その
衝げき強さを減少した。出願人はクロムが衝げき強さを
増すと知られたことは初めてだと信ずる。
クロムは窒化チタン生成促進のため触媒として電極に加
えられる。これは溶接金属中に窒化チタンの必要量を確
保しまたマルチパス溶接におけるチタン含量増進防止を
助ける。故にその通常の衝げき強さに対する損害はチタ
ン必要量の減少および窒化チタン粒子の増化によつて相
殺される。
クロムの存在が本発明の微小結晶粒ミクロ構造に何の影
響もないことが試験によつてわかつている。
一般にクロムを除外して溶剤成分用上記一般調合物は知
られていたということができる。本発明の新規性は融剤
調合へのクロム添加であり、それはアーク熱中のチタン
と窒素の結合に触媒として役立つ。この窒化チタンは鋼
が変移温度をとおり固化し冷えるにつれ個々の結晶粒成
長が始まりつづける多数の核化点を与える微分散した多
数ミクロ分子粒子として溶接プール中に運ばれる。
クロムはまた溶着ビードの変移温度低下に働らく。この
ために多くの前に溶着した各層はあとの連続パスで精練
された結晶粒であり各パスにおいて多量の金属がつけら
れかくて与えられた溶接ギヤツプを満たすためのパス回
数を減少できる。パス回数減少によつて定められた溶接
完了に要する時間は実質的に減少する。
更に溶着ビードの根元パス、中間パスおよび上部パスに
同一電極が使用できるので全溶着ビード全体に最高衝げ
き強さを要する装置において従来の場合における様な溶
接電極変更を必要としないため相当の時間節約となる。
更に本発明の興味深い特徴は溶着ビード断面の顕微鏡写
真が本発明を用いない従来のマルチパス溶着ビードの場
合の様な隣接層間のどの境界線も明白に示さないことで
ある。
出願人は窒化チタンの広く分散したミクロ粒子をもつ様
アーク溶着ビードの溶着に、またとけた溶接プールに入
り鋼の融点以上の固体ウエル（well）になりかくて全溶
着ビードをとおし一般に結晶成長同時開始の核化点とし
て働らくであろう化合物としてチタンと窒素を結合させ
る触媒としてクロムの価値に利点を認めた最初の者と信
じられる。
この微結晶ミクロ構造を増進することによつてアーク溶
着鋼の高衝げき値を一定してえることができたのであ
る。
目的 本発明の主目的は低炭素および（又は）ある低合金鋼溶
接に対する厳重な衝撃とCTOD（クラッチ・チップ・オー
プニング・ディスプレースメント）要求（前述の「背
景」の項参照）に適合する新規の改良溶着ビードを提供
することにある。
本発明の他の目的は重量壁、大直径管状構造物又は一般
板加工の周囲溝溶接を容易にできる溶着ビードおよび該
ビード生成用の電気アーク溶接法の提供にある。
本発明の他の目的は垂直に上へ、垂直に下へ、頭上又は
手下位置で溶接できる新規の電気アーク溶接法の提供に
ある。
本発明の更に他の目的は溶着ビードおよび大溶着ビード
および（又は）厚い層によるよい機械的性質をもつた溶
着ビード生成用電気アーク溶接法の提供にある。
更に本発明の目的は溶着金属ナゲツトにおける切欠き部
位置にかかわらずよい切欠き部粘り強さを与える新規の
改良溶着ビードおよび該ビードの生成用電気アーク溶接
法を提供するにある。
本発明の他の目的は外部遮蔽ガスの必要なく高品位高衝
げき強さをもつ溶着ビードの溶接が可能でありまた各溶
接パスで溶着金属の厚い層を溶着できる新規の改良管状
電極を用いる電気アーク溶接法を提供することにある。
本発明の他の目的は比較的厚鋼板上に溶着ビードの全深
さにわたつて比較的高衝げき値がえられるマルチパス溶
接用の新規の電気アーク溶接法の提供にある。
更に本発明の目的は突き合わせ溶接される板端で形成さ
れる与えられた大きさの切欠き部が数回のパスで溶着金
属によつて満たされるがなお全溶着ビードにわたり高衝
げき値を与える様な新規の電気アース溶接法の提供にあ
る。
更に本発明の目的は各溶接パスで溶着した金属量は最終
溶接物の衝げき値にクリテイカルではない様なマルチパ
ス溶接用の新規の電気アーク溶接法の提供にある。
本発明の他の目的は連続溶接パスによつて高衝げき値を
うるための再加熱を要しない様な溶着ビードの提供にあ
る。
更に本発明の目的は窒素、チタン、クロムおよびアルミ
ニウムの調節された量を含む新規の改良溶着ビードを提
供することにある。
更に本発明の目的は必要成分として窒素を溶着ビード中
に含んでいる様な新規の改良溶着ビードの提供にある。
更に本発明の目的は精製された結晶粒ミクロ構造をつく
る目的で窒化チタンとクロムを含んでいる新規の改良溶
着ビードの提供にある。
更に本発明の目的は溶着ビード中に窒素を入れることは
溶着ビードの強さ特性に有害でない様な新規の改良溶着
ビードの提供にある。
好ましい実施態様 本発明は２鋼板間の溶着ビードの化学分析においてまた
この分析値をもつた溶着ビードをつけうる電極において
物理的形態をとる。
好ましい実施態様において、45°傾斜角となる様けづつ
た板端の下鋭端を3/16インチ（0.47cm）はなした厚さ11
/2インチ（3.85cm）A537鋼板２枚間に溶着ビードをつけ
た。板を200゜F（70℃）に予熱し各溶接パスの間前につ
けた溶着ビードの温度を約200゜F（79℃）に冷した。
電極ＡとＢを使い15回パスにおいて下記衝げき値をえ
た。
−40゜Fにおける衝げき値 （フートポンド）（cm-Kgは×1.3） 実施例Ａ 上部 75,69,110,158 中間 124,110,122,116,118 ルート部 43,71,83,69 実施例Ｂ 上部 82,87,81,112 中間 117,138,132,135 ルート部 57,108,90,85 実施例Ａの代表的分析値は次のとおり： 同じ条件であるが溝をうめるに僅か８回のパスを使つた
第２回試験において次の衝げき値をえた： −40゜Fの衝げき値（フートポンド） 実施例Ａ 上部 118,122,192,138 中間 95,101,108,120 ルート部 40,67,38,54 実施例Ｂ 上部 64,88,100,87 ルート部 76,96,111,98,76 実施例Ｂの代表的分析は次のとおりであつた： ２枚の鋼板間を電極を使用して電気アーク溶接すること
によってえた溶着ビードの分析値と衝げき値は上記のと
おりであるが、これらの溶着ビードを生成させるのに使
用して電極は低炭素鋼管と該鋼管の芯としての融剤とか
ら成るもので、該電極は下記の諸成分を含んでいた。そ
れぞれの数値は電極（鋼管と融剤から成る）を基準にし
た重量％である。
上記電極使用の代表的溶接条件は次のとおり： a.直径5/64インチ電極。
b.DC電極負極、および c.3/4インチ電気的突出。
本発明の電気アース溶接法で生成したビードは空気から
窒素を0.01乃至0.04％の量で溶着ビードにとり込んだこ
とがわかる。
すなわち本発明の新規性はアーク内で凝結し冷却する溶
着金属中に分散した高衝げき値に必要な小結晶形態を生
成する多数の核化点を形成できる高融点窒化チタン粒子
の製造促進である。明らかに本明細書を読み諒解した者
には修正法や別法も考えられるであろう。修正法や別法
が本発明の特許請求範囲内に包含されている限り本発明
はそれらすべてを包含するものと考えている。
フロントページの続き (72)発明者 ジヨン マツクコリスター アメリカ合衆国 オハイオ州 44060 メ ンターマウンテイン パーク ドライブ 7648 (56)参考文献 特公 昭46−42700（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭48−6008（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭39−12763（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】下記（ａ）及び（ｂ）の諸工程すなわち、 （ａ）（１）Ti,Zr,Ni,C,MnおよびSiより成る群から選
    ばれた鋼合金用元素（元素、金属、合金又は化合物のい
    ずれの状態でもよい）と、 （２）リチウム、バリウム、けい素、ストロンチウム、
    カルシウムおよびカリウムのふっ化物および鉄、リチウ
    ム、カルシウム、バリウムの酸化物より成る群から選ば
    れた融剤成分と、 （３）マグネシウム、アルミニウムおよびけい素より成
    る群から選ばれた還元剤と、 （４）チタンとクロムおよびアルミニウムとを必須成分
    として含む鋼ワイヤー電極を製造し、そして （ｂ）この電極を使用して、大気からアーク電極又は溶
    着プールを遮蔽することなく電極端と鋼作業片の間に電
    気アークをつくり、それによって空気から窒素を溶着ビ
    ード中にとり込ませることにより、溶着ビード全重量を
    基準としてチタンを0.03乃至0.12重量％、アルミニウム
    を0.95重量％未満、クロムを0.05乃至0.30重量％、窒素
    を0.01乃至0.04重量％含み残余が実質的に鉄である溶着
    ビードを形成することを特徴とする電気アーク溶接法。
  2. 【請求項２】溶着ビードが次の合金成分： Zr 0.05重量％未満、 Ni 0.3乃至1.5重量％、 C 0.04乃至0.15重量％、 Mn 1.6重量％未満、 Si 0.30重量％未満、 O 0.01重量％未満、 P 0.01重量％未満、 S 0.01重量％未満、 を含む特許請求の範囲第１項に記載の方法。
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