JPS596756B2 - 超低温用鋼の潜弧溶接法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超低温用鋼の潜弧溶接法に関し、詳細には、９
％Ｎｉ鋼の如き超低温用構造鋼を用いて、高強度で信頼
性及び安全性の優れた超低温用容器等を溶接製作するた
めの潜弧移接法に関するものである。

液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体酸素、液体窒素等を貯蔵
、運搬するための容器或はそれらの関連機器としては、
超低温特性の優れた材料を使用しなければならず、この
種の構造材料としてはステンレス鋼、Ｎｉ合金、Ａｌ合
金等が知られている。

中でも９％Ｎｉ鋼は−１９６℃もの超低温にも耐え得る
構造材として注目されている。そしてこれらの超低温用
鋼を工業的有利に活用するためには、その溶接継手部に
ついても同程度の極低温特性を付与すべきは当然である
から、超低温用鋼の溶接材料についても種々の検討力籾
目えられている。この種の溶接材料としては、たとえば
７５Ｎｉ−１５Ｃｒの組成を有するインコネル系材料、
５０％Ｎｉ系材料、２０％Ｎｊ系材料等が知られており
、中でもインコネル系材料は優れた超低温特性を与える
溶接材料とされている。しかしこれらの溶接材料を使用
した場合でも、９％Ｎｉ鋼等の超低温特性に匹敵する継
手性能を確保するためには、溶接後適正な熱処理を行な
うことが必須とされている。ところば大型容器等では溶
接後の熱処理が不可能であるから、溶接のままでも充分
な低温特性を確保できるような溶接材料の開発が待たれ
ている。一方超低温用構造材の溶接法としては主として
手溶接が利用されてきたが、超低温利用技術が進歩する
につれで容器等は大型化する傾向にあわ、それに伴なつ
て溶接作業性の優れた潜弧溶接法の適用例が増大してい
る。

しかし７５Ｎｉ−１５Ｃｒ系等の溶接材料を用いて潜弧
溶接する場合ブローホールが発生し易いという問題があ
り、耐割れ性が不十分であることもあつて、溶接継手部
に要求される強度を満足するまでには至つて訃らない。
本発明者等は前述の様な事情に着目し、超低温用構造材
の超低温特性を高めてその信頼性及び安全性を向上すべ
く、殊に超低温用構造鋼の超低温特性に匹敵する性能の
溶接継手を確保し得るような潜弧溶接法の開発を期して
鋭意研究を進めてきた。その結果、溶接ワイヤの成分組
成を特定すると共に、溶接ワイヤ及び散布フラツクス中
に含まれる金属Ａｌの含有率（但し本発明に訃いては含
有係数と表示する）を所定範囲に設定してやれば、上記
の目的が見事に達成できることを知り、絃に本発明を完
成するに至つた。即ち本発明に係る溶接法の構成とは、
超低温用鋼を潜弧溶接する方法であつて、Ｎｉ：４２〜
８０％（重量：以下同様）、Ａｌ：０．０１〜１．５％
及びＭＯ：８〜２５％を含有する溶接ワイヤを使用し、
且つ次式から算出される金属Ａｌ含有係数が１．１〜１
５になる量のＡｌ及び／又はＡｌ合金を含み、更に他の
成分としてＣａｃＯ３：２〜３０重量？、ＣａＦ２：１
０〜５０重量％、ＭｇＯ：１０〜５０重量％及びＳｉＯ
２：５〜２５重量％を含有する散布フラツクス金属Ａｌ
含有係数＝｛〔溶接ワイヤ中の金属Ａｌ（へ）×１０〕
＋〔散布フラツクス中の金属Ａｌ（％）〕｝／〔１＋フ
ラツクス中の合金比〕但し、フラツクス中の合金比 〜 を用いて溶接するところに要旨が存在する。

本発明では溶接ワイヤとして、少なくともＮｉ：４２〜
８０％、Ａｌ：０．０１〜１．５％及びＭＯ：８〜２５
％を含有するものを使用しなければならない。即ちＮｌ
は溶接金属の超低温特性殊に超低温靭性を確保するため
に不可欠の成分であり、４２％未満ではこれらの効果が
不十分であつて満足な低温靭性を得ることができず、一
方８０％を越えると溶接金属の耐割れ性が極端に低下す
るほか経済的にも不利であるから好ましくない。また金
属Ａｌ（以下単にＡ２と略記する）を必須成分とした点
は本発明最大の特徴とするところである。即ちＡｌは溶
接金属の耐割れ性を阻害するものとされており、殊に超
低温鋼用溶接材料においてはその混入量を極力少なくす
べきことが常識とされていた。しかし本発明者等が実１
験により確認したところでは、溶接ワイヤ中に微量のＡ
ｌを混入してやれば、溶接金属の耐割れ性を損なうこと
なくブローホールを激減し得ることが確認された。ここ
で溶接ワイヤ中のＡｌ含有量は、後述する如く散布フラ
ツクス中に含まれるＡｌとの総合量とも密接に関連する
が、少なくとも溶接ワイヤ中のＡｌ含有率が０．０１〜
１．５％の範囲となるように成分調整しなければならな
い。しかして０．０１７０未満では、散布フラツクス中
のＡｌ含有率を高めることによつて一応の目的は達成で
きるものの、溶接ワイヤの生産性が著しく低下してワイ
ヤ価格が高騰するので実際的でなく、また１．５％を越
えると溶接金属の耐割れ性が極端に悪くなり本発明の目
的に合致しないからである。尚Ａｌによる耐ブローホー
ル性改善効果はその強い脱酸作用によるものと考えられ
るが、Ａｌ以外の強力脱酸剤を用いても耐ブローホール
性改善効果はまつたく認められなかつた。

またＭＯは、Ａｌを含有するＮｉ基合金系潜弧溶接用ワ
イヤを用いた場合の、溶接金属の耐割れ性を改善するた
めに不可欠の成分であり、この含有率が８％未満ではＡ
ｌの耐割れ阻害効果が端的に表われる。

ところが８〜２５％のＭＯを含有させておくとＡｌの耐
割れ阻害性が実質上皆無となる。但しＭＯの量が多すぎ
ると溶接金属の低温靭性が著しく低下するから２５％を
越えて含有させることは好ましくない。本発明で使用す
る溶接ワイヤは、上記３成分及びそれらの含有率を所定
範囲に設定したところに特徴があるが、その他の成分と
してＣ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ等を含
有？せることも可能である。

即ちＣは溶接金属の低温強度を高める効果がある。

しかし多すぎると逆に低温靭性を低下させるので３％以
下に抑えるのがよい。ＭｎｌｌｉＮｉと同様溶接金属の
低温靭性を高める効果がある。

しかし多すぎると溶接作業性を著しく低下させるので５
％以下に抑えるべきである。Ｓｉは溶接作業性を高める
のに有効であるが、多すぎると溶接金属の耐割れ性が低
下するので２？を上限とするべきである。Ｃｒは溶接金
属のオーステナイト組織を強化して強度を高めるのに有
効であるが、その含有率が下に抑えるべきである。

Ｗ，Ｎｂ，Ｖはいずれも溶接過程でカーバイトを析出し
て継手強度を高めるのに有効であるが、多すぎると溶接
金属の耐割れ性や低温靭性が著しく低下するので、ｗは
１０％，Ｎｂは５％，Ｖは．１３％を夫々上限とすべき
である。

Ｔｉは耐ブローホール性の改善に多少の効果が認められ
る。

しかしその効果はＡｌ程ではなくしかも２％を越えると
スラグの焼付きが著しくなつて作業性が低下するので、
これ以上の添加は避けＪるべきである。一方上記の溶接
ワイヤと組合せて使用？れる散布フラツクスは、ガス発
生剤、スラグ形成剤、アーク安定剤、成分調整用合金元
素等で構成されるが、本発明では特に溶接ワイヤ中に含
まれるＡｌｌとの関連においてＡｌの含有を所定範囲に
設定したところに最大の特徴がある。

即ち本発明で特徴づけられるＡｌ含有係数とは次式から
算出される値であつて、この値を１．１〜１５の範囲に
することが必須である。Ａｌ含有係数−｛〔溶接ワイヤ
中のＡｌ含有率（％）ＸｌＯ〕＋〔散布フラツクス中の
Ａｌ含有率％）〕｝／〔１＋フラツクス中の合金比〕Ａ
ｌの耐ブローホール性改善効果については先に述べた通
りであるが、散布フラツクス中に含有寸されるＡｌは溶
接ワイヤ中のＡｌ不足分を補足するためのものである。

ここで散布フラツクス中に含まれるＡｌは、歩留りの点
で溶接ワイヤ中に含まれるＡｌに比べて査の効果しか表
われないことから、前式を定めた。また前式から算出さ
れるＡｌ含有係数を１．１〜１５に定めた理由は、１．
１未満では耐ブローホール性改善効果が不十分で満足な
継手強度が得られず、一方１５を越えると溶接金属の耐
割れ性が著しく低下し、何れも本発明の目的に合致しな
いからである。尚散布フラツクス中に含有されるＡｌと
しては、金属ＡｌのみならずＦｅ−Ａｌ等のＡｌ合金を
使用することができる。

また先に述べた如く散布フラツクス中のＡｌは溶接ワイ
ヤ中のＡｌの不足分を補足する目的をもつもので、本発
明を実施する際は、最も高いワイヤ生産性が得られる様
に溶接ワイヤ中のＡｌ含有率を設定しておき（たとえば
０．０１〜１．０％）、不足分のＡｌを散布フラツクス
中に含有させるのが最も好都合である。上記の如く本発
明では散布フラツクス中のＡｌ含有率を溶接ワイヤ中の
Ａｌ含有率との関連で所定範囲に設定したところに１つ
の特徴があるが、このほか散布フラツクス本来の機能を
確保するために、ＣａｃＯ３（石灰石）：２〜３０％、
ＣａＦ２（螢石）：１Ｑ−Jヨ黷T０％、ＭｇＯ（酸化マ
グネシウム）：１０〜５０％及びＳｉＯ２（珪砂）：５
〜２５％等を含有させるべきは当然である。

即ち石灰石は溶接スラグに塩基性を付与すると共に溶接
金属中のＰ，Ｓ，Ｓｉ等を低減させ、更には生成するＣ
Ｏ２によつて溶融金属を大気から保護し、加えて生成ス
ラグに対して適度の粘性を付与するもので、これらの効
果萄確保するためには少なくとも２％程度は必要である
。

しかし３０％を越えると溶接ビードが凸状になるなど作
業性が低下するのでこれ以下にすることが望まれる。螢
石はスラグの流動性を高めて作業性を改善しビード外観
を良くする等の効果があり、少なくとも１０％程度は必
要であるが、多すぎるとアークが極めて不安定になるの
で５０％以下にすることが望ましい。酸化マグネシウム
は、石灰石と同様にスラグに塩基性を付与すると共に溶
接金属中のＰ，Ｓ，Ｓｉ等を低減させ、耐割れ性を高め
る効果があり、これらの効果を確保するためには１０％
程度以上は含有させる必要がある。

しかし多すぎるとアークが不安定になつて作業性が低下
し、更にはビード外観も損なわれるので５０％程度以下
にすることが望まれる。珪砂は、アークの安定性を高め
、スラグに適度の流動性を付与してビード形状を整える
のに有効であるが、５％以下ではそれらの効果が乏しく
、また２５％を越えると溶接金属の耐割れ性が低下する
ので好ましくない。

このほか散布フラツクス中には、必要に応じて溶接金属
の成分調整剤として、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｎｂ等の合金元
素を添加することもできるが、これらを散布フラツクス
から供給する場合は溶接ワイヤから供給する場合に比べ
て★程度の効果（歩留５０％）しか得られない。

従つてこれらを考慮してＮｉ：６０％以下、Ｃｒ：６０
％以下、Ｗ：２０％以下、Ｎｂ：１０％以下の範囲に訃
いて１種若しくは２種以上を含有させることが可能であ
る。更に溶接ワイヤ中に含有せしめたと同様の目的で、
必要によりＣ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｖ，Ｔｉ等を含有させるこ
ともできる。しかしこれらを散布フラツクス中に含有せ
しめた場合の効果は溶接ワイヤ中に含有せしめた場合に
比べて相当小さく、Ｃｌ．ｌ．ｌでは一、Ｍｎ及びＳｉ
では一、Ｖ及びＴｉでは−３ゝ ５ゝ
８程度にすぎないから、これらを考慮
して、散布フラツクス中にＣ：９％以下、Ｍｎ：２５％
以下、Ｓｉ：１０％以下、Ｖ：２４％以下、Ｔｉ：１６
？以下の範囲で１種又は２種以上を含有させることがで
きる。

この場合散布フラツクス中の合金元素の全含有率が６０
％を越えると、スラグの吹き上げ等が表われて溶接作業
性が低下し、更には溶接金属中に前記の合金元素が偏析
して延性等の機械的性能が劣化するから、添加するにし
ても全合金元素が６０％未満となる様に抑制すべきであ
る。本発明は概略以上の様に構成され且つ実施されるが
、要は溶接ワイヤ中に必須成分として所定量のＮｉ，Ａ
ｌ及びＭＯを含有させ、且つ前式から算出される溶接ワ
イヤ及び散布フラツクス中のＡｌ含有係数を所定範囲に
設定することにより、以下に示す如き諸種の効果を享受
し得ることになつたものである。１Ａ１含有係数を所定
範囲に設定することにより、潜弧溶接時における耐ブロ
ーホール性を大Ｃ幅に向上し得ることになつた。

殊に超低温用鋼を潜弧溶接する場合、横向き姿勢におい
てブローホールが発生し易いことが指摘されているが、
本発明によれば下向姿勢はもとより横向き姿勢において
もブローホールを激減できる。その結５′果継手欠陥が
なくなｖ、溶接継手部は超低温用鋼に匹敵する超低温特
性を発揮する。２Ａ１は溶接金属の耐割れ性を低下させ
るものとしてその含有は極度に嫌われていたが、Ａｌと
共に適量のＭＯを含有させることにより、超低温での耐
割れ性低下傾向を殆んど無視し得る程度に防止できる。

３本発明で特徴づけられるＡｌ含有係数は、溶接ワイヤ
中のＡｌ含有率を散布フラツクス中のＡｌ含有率で補足
する形で調整？れるから、ワイヤ自体の生産性が低下し
たり価格が高謄する等の恐れもなく、極めて実用性の高
い方法ということができる。

４溶接ワイヤ及び散布フラツクス中には、本発明の要件
を満たす範囲で種々の合金成分を配合することができ、
多種類の構造用鋼の溶接に適用できる。

？つて９％Ｎｉ鋼のみならず、３５％Ｎｉ鋼、５％Ｎｉ
鋼等の低温用鋼をはじめとして、ステンレス鋼と軟鋼と
の異材溶接、インコネル等の非鉄合金の溶接等極めて広
範囲の構造材に対して適用できる。次に実験例をあげて
本発明を説明するが、下記は最も代表的な例を示すもの
であつて特許請求の範囲に記載した実施態様と同様本発
明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴
して適宜に変更して実施することはすべて本発明技術の
範鴫に含まれる。

実験例 １ 第１表に示す成分組成の溶接ワイヤ（２．４ｍｍφ）と
第２表に示す成分組成の散布フラツクスを、第３表に示
す如く組合せて潜弧溶接を行ない、得られた溶接継手部
の耐割れ性、耐ブローホール性及び機械的強度を比較し
た。

尚耐割れ性、耐プロ−ホール性及び機械的強度の試験法
等は下記〇通りとした。

〔耐割れ性試験〕

母材：厚さ２５ｍ７ｆＬの９％Ｎｉ鋼（ＡＳＴＭ、Ａ５
３３）開先形状：６０度Ｙ開先、ルートフエース５ｍｍ
、ルートギヤツプ２ｍｗＬ開先前処理：グラィンダー処
理後錆、油脂分を十分除去溶接姿勢：下向きすみ肉 溶接条件：電流３５０Ａ（Ａ，Ｃ）×電圧３０ｖ×速度
４０ｃｍ／分（予熱なし）割れ検査法：カラーチエツク
法 ワレの長さ 割れ率％）＝ ×１００（但しクレ ビード長さ ータの割れを除く） 第１，２表の成分組成及び第３表の組合せ並びに第４表
の試験結果からも明らかな如く、特に前記式から算出さ
れるＡｌ含有係数が１５を越えると（▲７，８）溶接金
属の割れ率が極端に高くなり、また１．１未満では（▲
９）耐ブローホール性が極端に低下し、何れの場合す本
発明の目的を満足できない。

しかし本発明の要件を満足する条件を設定すれば（１Ｎ
Ｑ１〜６）、耐割れ性、耐ブローホール性及び機械的強
度のすべてに卓越した溶接金属を得ることができる。実
験例 ２ 実験例１の方法に準じて、前式から算出されるＡｌ含有
係数を種々変化させた場合について、耐割れ性及び耐ブ
ローホール性を比較した。

結果を第１図に示す 第１図の結果からも明らかな如く、Ａ′含有係数が１．
１未満ではブローホールが極端に増大し、一方１５を越
えると割れ率が極端に増大する。

この結果からも、Ａ′含有係数は１．１〜１５の範囲に
設定しなければならないことが理解？れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるＡ２含有係数の限定根拠を例示
するグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超低温用銅を潜弧溶接するに当り、Ｎｉ：４２〜８
   ０重量％、Ａｌ：０．０１〜１．５重量％及びＭｏ：８
   〜２５重量％を含有する溶接ワイヤを使用し、且つ次式
   から算出される金属Ａｌ含有係Ｎが１．１〜１５になる
   量のＡｌ及び／又はＡｌ合金を含み、且つ他の成分とし
   てＣａＣＯ＿３：２〜３０重量％、ＣａＦ＿２：１０〜
   ５０重量％、ＭｇＯ：１０〜５０重量％及びＳｉＯ＿２
   ：５〜２５重量％を含有する散布フラックスを用いて溶
   接することを特徴とする超低温用鋼の潜弧溶接法。 金属Ａｌ含有係数−｛〔溶接ワイヤ中の金属Ａｌ（重量
   ％）×１０〕＋〔散布フラックス中の金属Ａｌ（重量％
   ）〕｝／〔１＋フラックス中の合金比〕但し、フラック
   ス中の合金比 フラックス中の合金元素の全含有量 フラックス全重量