JPH10175094A

JPH10175094A - 低温鋼用低水素系被覆アーク溶接棒および溶接方法

Info

Publication number: JPH10175094A
Application number: JP8353300A
Authority: JP
Inventors: Kunihide Yamane; 國秀山根; Junichi Aoyama; 淳一青山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1996-12-17
Publication date: 1998-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】低温鋼の溶接用として−６０〜−１１０℃の
低温で良好な破壊じん性が得られる被覆アーク溶接棒を
提供するものである。【解決手段】鋼心線のＣ、Ｍｎ、Ｎ成分を限定し、か
つ溶接棒全体としてＳｉ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ／Ｍｎの
比を限定したもので、さらに金属炭酸塩、金属弗化物、
Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、合金剤、アーク安定剤、スラグ生成
剤等と粘結剤を添加した被覆剤を前記鋼心線に被覆して
溶接棒を成形する。【効果】溶接金属の酸素を低減し、かつ結晶粒を微細
化し、さらに被覆剤中の適量のＮｉとの相乗効果によっ
て、優れた破壊じん性特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は低温鋼用低水素系被
覆アーク溶接棒に関し、特に−６０〜−１１０℃の低温
じん性が極めて優れた溶接金属を得るための被覆アーク
溶接棒に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＰＧタンク、圧力容器、寒冷地
向け海洋構造物等の大型構造物については安全性確保の
要求が強いため、それら構造物の溶接部は、良好な脆性
破壊特性を有することが要求されている。現在多用され
ている破壊力学試験と呼ばれるものは、Ｖノッチシャル
ピー試験、ＮＲＬ落重試験、ＣＴＯＤ試験や平面ひずみ
破壊じん性試験（Ｋ_IC）等が代表的である。上記のよう
な大型構造物は、Ｎｉを３重量％程度含有した鋼、例え
ばＡＳＴＭＡ２０３グレードＤ、ＥやＪＩＳＳＬ３Ｎ
等が使用されるが、溶接部のじん性の確保が困難なこと
から、Ｎｉが３５〜７５重量％程度含有する高Ｎｉ系溶
接棒を適用する場合があるが、溶接金属のｖＥ_-101は１
００Ｊほどの良好な値を示すが、Ｎｉ量が多いため高価
格となり経済的でない。また、特公平２−４２３１２号
公報においては、Ｎｉを添加し、かつＭｎとＮｉの合計
を限定することによって、更に特公昭６０−５３９７号
公報では、被覆剤にチタン酸化物、硼素の酸化物を添加
することにより低温じん性、特にＣＴＯＤ特性を向上す
ることが開示されているが、脆性破壊特性、特に破壊じ
ん性値（Ｋ_IC）を向上させるまでに至ってない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な事情に着目し、低温鋼用の溶接用として良好な破壊じ
ん性が得られる被覆アーク溶接棒を提供するものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、破壊じん
性値（Ｋ_IC）に着目し、良好な破壊じん性が得られる低
温鋼用低水素系被覆アーク溶接棒について被覆剤組成お
よび心線成分を種々検討した。従来より溶接金属のじん
性向上のためには、溶接金属を低酸素化することが有効
であることが知られている。しかし、一般の溶接棒では
被覆剤に含まれている酸化物からの酸素や大気中の酸素
が溶接中にアークに巻き込まれ、溶接金属中に入るため
大幅な酸素低下には至らなかった。

【０００５】そこで本発明者等は下記の（１）〜（８）
を組合せることにより良好な破壊じん性が得られること
を見出した。（１）ＴｉやＡｌまたはＭｇあるいはこれらのすべての
強脱酸剤による相乗効果によって溶接金属の低酸素化を
図る。（２）Ｓｉ、Ｍｎを大幅に減少して溶接金属の結晶粒の
微細化を図る。（３）じん性に有害なＮを制限する。（４）必要量のＮｉを添加し、マトリックスを高じん化
する。（５）Ｐ、Ｓを制限し、脆化を軽減する。（６）Ｎｉ／Ｍｎの比を限定し、粗大フェライトによる
粒界破壊の発生を防止する。（７）Ｃを制限し、溶接性の向上を図る。（８）酸化物を制限し、溶接金属の酸素量の低減を図
る。

【０００６】すなわち、本発明は重量％で、Ｃ：０．０
８％以下、Ｍｎ：０．３５〜０．６５％およびＮ：０．
００５％以下に規制した鋼心線の周囲に、金属炭酸塩：
３０〜６０％、金属弗化物：１３〜２３％、Ａｌ、Ｍｇ
の一方または双方を０．３〜５．０％、Ｔｉ：１．２〜
３．５％を含有し、残部が脱酸剤、合金剤、アーク安定
剤、スラグ生成剤、粘結剤からなり、これらのうちの酸
化物として、ＳｉＯ₂：１０％以下、ＴｉＯ₂ ：４％以
下、Ａｌ₂Ｏ₃：３％以下を合計で１４％以下に規制し、
かつＭｎを実質的に含まない被覆剤を、被覆率（溶接棒
全重量に対する被覆剤重量の割合）が２５〜４５％とな
るように被覆し、かつ溶接棒全重量に対して、Ｓｉ：
０．１〜２．０％、Ｎｉ：２．０〜７．５％、Ｐ：０．
０１０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ／Ｍｎの
比：４．６以上にし、低温じん性が極めて優れた溶接金
属を得ることを特徴とする低温鋼用低水素系被覆アーク
溶接棒および継手の溶接において溶接入熱を６０ｋＪ／
ｃｍ以下で溶接し低温じん性が優れた溶接金属を得るこ
とを特徴とする低温鋼用低水素系被覆アーク溶接棒を用
いた継手の溶接方法を要旨とするものである。以下に本
発明を詳細に説明する。

【０００７】

【発明の実施の形態】

（心線成分）本発明における鋼心線において、Ｃが０．
０８重量％を超えるとマルテンサイトを生成して破壊じ
ん性が劣化するため０．０８重量％以下とした。

【０００８】Ｍｎは、鋼心線より０．３５〜０．６５重
量％の範囲内であれば、被覆剤中に脱酸剤としてＭｎを
実質的に添加しないことによって溶接金属の破壊じん性
を大幅に向上できる。Ｍｎは少なくとも０．３５重量％
含有させ溶接金属の破壊じん性を向上させなければなら
ないが、０．６５重量％を超えるとマルテンサイト組織
となり、破壊じん性が劣化する。

【０００９】溶接金属のＮを低減することにより溶接金
属の破壊じん性向上に有効である。溶接金属のＮは溶接
中に大気中から混入するものの他、鋼心線のＮによって
も影響される。このため鋼心線のＮをできるだけ低く抑
えることが望ましいが、Ｎを低く抑えるには原料の厳選
等製造コストの上昇につながる。このため溶接金属のじ
ん性に悪影響の少ない範囲として、鋼心線に使用するＮ
量を０．００５重量％以下とした。Ｎが０．００５重量
％を超えると、溶接金属中のＮが増加し破壊じん性が劣
化するため０．００５重量％以下とした。

【００１０】（被覆剤成分）金属炭酸塩とは、ＣａＣＯ
₃ 、ＭｇＣＯ₃ 、ＢａＣＯ₃ 等を指し、アーク熱で分解
してガスを発生し、アーク雰囲気を大気から保護する働
きがある。それらの１種以上の合計が、３０重量％未満
ではシールドガスが不足して溶接金属に大気中の窒素や
水素が多量に溶解し、じん性や耐割れ性の劣化を招く低
水素系被覆として基本性能が得られない。６０重量％を
超えるとアークが不安定になりビード形状が悪化し、ス
ラグの剥離性も悪くなるので３０〜６０重量％の範囲と
した。

【００１１】金属弗化物とは、ＣａＦ₂ 、ＭｇＦ₂ 、Ａ
ｌＦ₃ 等を指し、溶融スラグの流動性調整のため添加す
るが、それらの１種以上の合計が、１３重量％未満では
溶融スラグの粘性が不足し、スラグの被包性が悪くなり
ビード形状も劣化する。２３重量％を超えて添加する
と、被覆筒の形状が不完全となり、アークの安定性が悪
くなるので、１３〜２３重量％の範囲とした。

【００１２】Ａｌ、Ｍｇは、脱酸剤として働き清浄な溶
接金属を得るのに有効な他、アーク安定剤として溶接作
業性確保の上でも非常に効果的である。Ａｌ、Ｍｇの添
加はそれぞれ単独添加もしくは両者を同時に配合添加し
ても効果を有するのであるがＡｌ、Ｍｇの一方または双
方が０．３重量％未満では充分なアーク安定剤としての
効果が得られない。一方、Ａｌ、Ｍｇの一方または双方
が５．０重量％を超えて添加すると溶接時のアークが不
安定となりスパッタが増加しスラグの粘性も低下してス
ラグの剥離性が劣化するので、０．３〜５．０重量％の
範囲とした。

【００１３】Ｔｉは、脱酸剤およびアーク安定のため添
加するのであって、１．２重量％未満ではアークが不安
定となりスパッタが多く発生し、一方、３．５重量％を
超えて添加した場合スラグの剥離性が劣化し、溶接作業
性が極めて困難となるので、１．２〜３．５重量％の範
囲とした。

【００１４】被覆剤の成分としては、以上の各成分を必
須成分とするが、その他の成分は、主として脱酸剤、合
金剤、アーク安定剤、スラグ生成剤、粘結剤からなるも
のである。脱酸剤としては通常の脱酸剤でよい。合金剤
は、強度を向上させるために添加するもので、Ｍｏ、Ｃ
ｕ、Ｎｂ、Ｖ等を指し、それらはそれぞれの金属粉の
他、鉄および他の金属との合金粉の形で添加される。ア
ーク安定剤、スラグ生成剤としては、ＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ
₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等がアークの安定性向上やスラグの粘性
調整を目的として添加することができる。また、粘結剤
としては、珪酸カリや珪酸ソーダ等を指す。

【００１５】但し、これらのうち酸化物の各成分量およ
び合計量を以下のように規制する必要がある。すなわ
ち、ＳｉＯ₂ は、１０重量％を超えるとスラグの剥離性
が劣化するので１０重量％以下とする。ＴｉＯ₂ は、４
重量％を超えるとスラグの粘性が低下し溶接作業性を劣
化させるので４重量％以下とする。Ａｌ₂ Ｏ₃ は、３重
量％を超えるとスラグの剥離性が劣化するので３重量％
以下とする。更に、これら酸化物の合計が１４重量％を
超えるとスラグの塩基度が酸性側になり、溶接金属の酸
素量が増加するため合計量を１４重量％以下とする。

【００１６】Ｍｎは、上記鋼心線に含有されるＭｎ量の
範囲内において、被覆よりＭｎを添加するとマルテンサ
イト組織となって破壊じん性が劣化するため被覆剤中に
は実質的にＭｎを添加しないことを必須とした。

【００１７】（被覆率）上記組成の被覆剤を上記組成の
鋼心線の周囲に被覆剤重量が２５〜４５重量％となるよ
うに被覆する必要がある。被覆率とは、溶接棒全重量に
対する被覆剤の重量％を意味し、被覆率が２５重量％未
満では保護筒としての機能が不十分になってシールド不
足を生じ、溶接金属中のＮが増加してじん性が低下した
り、スパッタが増加したり、生成スラグ量の不足によっ
てビード外観が悪化する。一方、４５重量％を超える
と、スラグ量が多くなりすぎるためにスラグ巻き込み等
の欠陥が発生しやすくなると共に、開先幅の狭い溶接継
手に適用した場合に運棒が困難になる。

【００１８】（溶接棒全体の成分）本発明では、上記各
成分に加えて以下に説明するように、溶接棒全体の成分
として、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓを調整する必要があ
る。この場合、溶接棒全体の各成分の量は、Ｓｉの場合
を例にとると、上記被覆率（Ａ）を考慮して次式で表さ
れる量である。［溶接棒のＳｉ］（％）＝［心線中のＳｉ］×（１００−Ａ）／１００＋［被覆剤中のＳｉ］×Ａ／１００

【００１９】溶接棒のＳｉは、溶接金属の脱酸を目的と
するものであるが、溶接作業性確保の上からも必要であ
る。溶接棒中のＳｉ含有率が０．１重量％未満では、脱
酸不足によって溶接金属中に気泡が発生しやすくなった
り、スラグの流動性が悪く立向姿勢での溶接作業性が劣
化する。一方、２．０重量％を超えると溶接金属の結晶
粒が粗大化してじん性が著しく劣化するので０．１〜
２．０重量％とした。

【００２０】溶接棒のＮｉは、破壊じん性を向上せしめ
ることを目的とするものであるが、Ｎｉが２．０重量％
未満では、他の脱酸剤が適当量で溶接金属中の酸素量が
低い場合においても、溶接入熱が６０ｋＪ／ｃｍより大
きいときに破壊じん性が劣化しする。一方、７．５重量
％を超えると経済的でなく、かつ溶接金属の耐割れ性も
劣化するので、２．０〜７．５重量％とした。

【００２１】溶接棒のＰ、Ｓは、溶接時に最終凝固部に
偏析してじん性が低下する。このため溶接棒のＰ、Ｓは
極力少なくすることが望ましいが、少なくするほど原価
が上昇する。このため溶接金属の破壊じん性に影響の少
ない範囲として、Ｐ、Ｓの量を０．０１０重量％以下と
した。

【００２２】溶接棒のＮｉ／Ｍｎの比を限定することに
よって溶接金属組織の粗大フェライトによる粒界破壊の
発生を防止するものであるが、その効果はＮｉ／Ｍｎの
比が４．６以上必要である。

【００２３】上記溶接棒を用いて、通常の溶接を実施す
れば、既に述べたように優れた低温じん性が得られる
が、大入熱溶接では、溶接棒の成分を限定しても大気中
より混入するＮを完全に防止することが困難である。ま
た、溶接金属のフェライト粒が粗大化して、じん性が低
下する。よって、破壊じん性に影響の少ない範囲とし
て、溶接入熱を６０ｋＪ／ｃｍ以下とした。次に本発明
の実施例を説明する。

【００２４】

【実施例】この実施例においては、表１に示す化学成分
を有する心線と、表２ないし表４に示す化学成分を有す
る被覆剤を用いて、心線径４．０ｍｍの外周に被覆剤を
塗布し被覆アーク溶接棒を作製した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】作製した各被覆アーク溶接棒を用い、溶接
試験を実施した。供試母材として厚さ４２ｍｍの鋼板
（ＡＳＴＭＡ２０３ＧｒＤ）にＸ開先をとり、立向姿
勢で溶接電流１５０Ａ、予熱・パス間温度１００〜１５
０℃、指定の溶接入熱で溶接を行い、溶接中の作業性調
査、溶接金属の酸素量、溶接後の溶接金属より２ｍｍＶ
ノッチ衝撃試験および平面ひずみ破壊じん性試験（ＡＳ
ＴＭＥ３９９）を実施した。それらの結果を表５およ
び表６に示す。溶接金属の酸素量は、０．０２５％以下
のものを良好とした。衝撃試験は、−１０１℃で実施し
５本のシャルピー吸収エネルギーの最低値が１００Ｊ以
上のものを良好とした。平面ひずみ破壊じん性試験は、
−６０℃のＫ_IC値が５００ｋｇｆ／ｍｍ^3/2 以上のもの
を良好とした。

【００３０】

【表５】

【００３１】

【表６】

【００３２】表５および表６より、以下のように考察さ
れる。本発明例（Ｅ１〜Ｅ８）は、本要件をすべて満足
しており溶接作業性はもとよりシャルピー吸収エネルギ
ーや破壊じん性特性とも良好な値であった。

【００３３】比較例Ｅ９は、金属炭酸塩が少ないため溶
接金属のＮが増加し、じん性が劣化した。比較例Ｅ１０
は、金属弗化物が少ないため、凸ビードとなり作業性が
劣化し、また、酸化物が多いため溶接金属の酸素量増加
はじん性が劣化した。比較例Ｅ１１は、鋼心線のＣが多
いためマルテンサイトを生成したため、比較例１２は、
鋼心線のＮが多いためいずれもじん性が劣化した。比較
例１３は、鋼心線のＭｎが多くマルテンサイトを生成し
じん性が劣化し、また溶接棒中のＳｉが低いため、溶接
作業性が劣化した。比較例１４は、被覆剤よりＭｎを添
加したため溶接棒全体のＭｎが多くなり、かつＮｉ／Ｍ
ｎの比も４．６以下となり、粗大なフェライト組織と上
部ベイナイト組織が多くなり、また被覆率が低いため作
業性が悪く、Ｎが増加してじん性が劣化した。比較例１
５は、Ａｌ、Ｍｇが多く、また被覆率が高いため作業性
が悪い。更に、溶接入熱が過大でありじん性が劣化し
た。比較例１６は、Ｔｉが少なく溶接作業性が劣化し、
またＮｉが少なくじん性が劣化した。比較例１７は、
Ｐ、Ｓが多く再熱部の脆化が激しくじん性が劣化した。
比較例１８は、Ｓｉが多く溶接金属の結晶粒が粗大化し
じん性が劣化し、またＴｉＯ₂ が多くスラグの粘性が低
下し作業性が劣化する。比較例１９は、金属炭酸塩が多
くアークが不安定となり、またＡｌ、Ｍｇが少なく溶接
金属の酸素量が増加しじん性が劣化した。比較例２０
は、金属弗化物が多くアークが不安定となり、また、Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ が多くスラグの剥離性が劣化した。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
低水素系被覆アーク溶接棒において鋼心線、被覆剤の成
分および溶接棒全体の成分、被覆率を規制することによ
り、溶接金属の酸素量を低減し、かつ結晶粒を微細化
し、さらに被覆剤中の適量のＮｉとの相乗効果によっ
て、優れた破壊じん性が得られる。このような効果をも
たらす本発明溶接棒は液化エチレンガス、冷凍貯蔵タン
クなど−６０〜−１１０℃の低温にさらされる構造物の
製作に用いられ、その安全性や経済性の向上に大きく貢
献するものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｍｎ：
０．３５〜０．６５％およびＮ：０．００５％以下に規
制した鋼心線の周囲に、金属炭酸塩：３０〜６０％、金
属弗化物：１３〜２３％、Ａｌ、Ｍｇの一方または双方
を０．３〜５．０％、Ｔｉ：１．２〜３．５％を含有
し、残部が脱酸剤、合金剤、アーク安定剤、スラグ生成
剤、粘結剤からなり、これらのうちの酸化物として、Ｓ
ｉＯ₂ ：１０％以下、ＴｉＯ₂ ：４％以下、Ａｌ₂Ｏ₃：
３％以下を合計で１４％以下に規制し、かつＭｎを実質
的に含まない被覆剤を、被覆率（溶接棒全重量に対する
被覆剤重量の割合）が２５〜４５％となるように被覆
し、かつ溶接棒全重量に対して、Ｓｉ：０．１〜２．０
％、Ｎｉ：２．０〜７．５％、Ｐ：０．０１０％以下、
Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ／Ｍｎの比：４．６以上に
し、低温じん性が極めて優れた溶接金属を得ることを特
徴とする低温鋼用低水素系被覆アーク溶接棒。
【請求項２】継手の溶接において請求項１記載の低温鋼
用低水素系被覆アーク溶接棒を用い、溶接入熱を６０ｋ
Ｊ／ｃｍ以下で溶接し低温じん性が優れた溶接金属を得
ることを特徴とする低温鋼用低水素系被覆アーク溶接棒
を用いた継手の溶接方法。