WO2006126519A1

WO2006126519A1 - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス

Info

Publication number: WO2006126519A1
Application number: PCT/JP2006/310210
Authority: WO
Inventors: Masahiko Hamada; Takayuki Nishi
Original assignee: Sumitomo Metal Industries, Ltd.
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2006-11-30
Also published as: JP2006326642A; JP4581842B2

Abstract

　引張り強さ75 kgf/mm2級 (＝750MPa級) 以上の強度レベルで安定して250 ppm以下の酸素量を有し、強度と靱性が両立した溶接金属を形成できる、UOE鋼管の製造等に適したサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。このフラックスの化学成分は、質量％で、SiO2：5～15％、MnO：1～10％、CaO：10～30％、CaF2：40～50％、MgO：2～10％、Al2O3：2～20％、TiO2：2～20％、BaO：1～10％、場合によりNa2O：3％以下、K2O：3％以下、B2O3：1.0％以下のうち1種または2種以上を含有し、以上の成分の合計量が少なくとも95％である。

Description

明細書

サブマージアーク溶接用溶融型フラックス

技術分野

[0001] 本発明は、サブマージアーク溶接時に使用される溶融型フラックスに関する。

背景技術

[0002] UOE鋼管や原油タンクの自動溶接方法として、 GMAW溶接方法やサブマージァーク溶接方法等が用いられる。殊にサブマージアーク溶接方法は、高能率で高性能な溶接金属を得ることができるため、よく用いられて、る。

[0003] サブマージアーク溶接は、溶接部分に盛り上げたフラックス粒内でアークを発生させることにより行われる。溶接時に、アーク周辺のフラックスは溶融して溶融スラグを形成する。この溶融スラグは、溶融金属を大気から遮断して、溶接金属の窒化、酸ィ匕を防ぐとともに、メタル Zスラグ反応によって溶融金属と冶金反応を行うことにより、短時間で清浄な溶接金属を作り、良好なビードを形成するという重要な働きをする。溶接後に固化した溶融スラグは溶接部力剥離させて除去される。このスラグを回収し、成分調整をしてフラックスとして再利用されることもある。

[0004] サブマージアーク溶接に用いられるフラックスとしては、ボンドフラックスと溶融型フラックスとがある。

ボンドフラックスは、原材料に結合材を少量カ卩えて造粒した後、 600°C程度で焼き固めること〖こより製造される。ボンドフラックスは、金属原料や脱酸剤を添加することにより溶接金属の化学成分を比較的自由に調整できる。しかし、このフラックスは、吸湿性が高ぐ取り扱いに難があり、また高速溶接には適さない。

[0005] 溶融型フラックスは、各種の鉱物質原材料の混合物を 1200°C以上の高温で溶融し、冷却後に粉砕することにより製造される。このフラックスは、吸湿性が低ぐ取り扱いや保管が容易である。また、溶融型フラックスは、多電極溶接と組み合わせることにより高速溶接が可能であり、ビード外観の面でも優れていることから、ラインパイプ用 UO E鋼管等の高級鋼管の製造に多用されている。

[0006] これらの高級鋼管では、溶接金属について、高強度に加えて良好な靱性が求められる。一般に強度と靱性は相反する特性であり、強度が増加するほど靱性の確保が困難になる。この課題に対応するには溶接金属の酸素量の低減が有効であることが知られて!/ヽる。溶接金属の酸素量低減を可能にすると述べられてヽる溶融型フラックスカ例えば、下記特許文献 1〜10に提案されている。

[0007] いずれの特許文献も、フラックス中の塩基性成分と酸性成分との調整による溶接金属酸素量の低減 (ある!/、は溶接金属の靱性の改善）と配合比の調整による溶接性確保を目指した提案となって、る。これらの特許文献の中で具体的に溶接金属酸素量を示しているのは特許文献 1、 3、 8、 9、 10である。この中で溶接金属酸素量の低減が最も大きいのは特許文献 3、 10である。

[0008] 特許文献 10の実施例では、溶接金属酸素量が 190〜270 ppmに低減されている。

特許文献 3の実施例では、溶接金属酸素量は 180〜270 ppmに低減されている。それ以外の特許文献の実施例では、溶接金属酸素量は概ね 250〜300 ppmに低減されている。従って、これらの特許文献には、溶接金属の酸素量を概ね 300 ppm以下に低減することが示されて、る。

特許文献 1 :特開平 6— 31481号

特許文献 2：特開平 6— 285679号

特許文献 3：特開平 7— 256488号

特許文献 4：特開平 7— 303990号

特許文献 5：特開平 8— 187593号

特許文献 6：特開平 8— 267279号

特許文献 7：特開平 9 85488号

特許文献 8：特開平 9 262692号

特許文献 9：特開平 11 19795号

特許文献 10：特開平 11 277294号

特許文献 11：特開 2004— 154840号

発明の開示

[0009] 上記の各特許文献は溶接金属の強度レベルにつ!、ては言及して、なな、。しかし、実施例に使用された母材鋼板や溶接ワイヤの化学成分から推定すると、いずれも溶接金属の強度レベルは引張り強さで 60 kgf/mm²級（600 MPa級）である。一方、近年では、ラインパイプ用鋼管として、 X100級（引張り強さ 75 kgf/mm²級または 700 MPa 級）や X120級（引張り強さ 95 kgf/mm²級または 950MPa級）の鋼管の開発が進められている。これらの高強度鋼管の製造では、強度増大に伴ってより困難となる靱性を確保するため、溶接金属酸素量の低減がさらに重要になると予想される。

[0010] 本発明の目的は、サブマージアーク溶接を高強度の UOE鋼管の製造に適用可能にするために、高強度の溶接金属を形成した場合にも溶接金属の酸素量が低減可能なサブマージアーク溶接用の溶融型フラックスを提供することである。より具体的な目的は、引張り強さ 75 kgf/mm²級以上の強度レベルで、安定して 250 ppm以下の溶接金属酸素量を実現できる、サブマージアーク溶接用溶融型フラックスを提供することである。

[0011] 本発明によれば、質量⁰ /₀で、 SiO : 5〜15%、 MnO : l〜10%、 CaO : 10〜30%、 CaF

2

:40%超、 50%以下、 MgO : 2〜10%、 Al O : 2〜20%、 TiO : 2〜20%、 BaO : l〜10

2 2 3 2

%を含有し、さらに場合により Na 0 : 3%以下、 K 0 : 3%以下、 Β Ο : 1.0%以下のうち

2 2 2 3

1種または 2種以上を含有し、これらの成分の含有率の合計が少なくとも 95%であることを特徴とする、サブマージアーク溶接用溶融型フラックスにより、上記目的を達成することがでさる。

[0012] 本発明者らは、サブマージアーク溶接による溶接金属の酸素量を低減するべぐフラックス成分の溶接金属中の酸素量に対する影響に関する考察を行った。具体的には、フラックスが同一成分の溶融スラグを形成すると仮定して、各スラグ成分についての平衡酸素活量を熱力学的に推定し、その影響を考察した。その結果、フラックス全体の平衡酸素活量、従って、溶接金属の酸素量、を支配するのはフラックス中の SiO

2 含有率であることを見出した。この知見に基づき、 SiO含有率を従来に比べて低減す

2

ることで、高強度でありながら酸素量が 250 ppm以下となる溶接金属を安定して形成することができる溶融型フラックスを実現することができた。

[0013] 従来の提案、研究では、溶接金属の酸素量は、フラックスの酸性成分と塩基性成分の比率から導出される塩基度で整理されている。 SiOは重要な酸性成分の 1つとし

2

て扱われ、その含有率は、他の酸性成分とのバランスの中で決定されてきた。また、 S iOはスラグをガラス化させる重要な成分である。そのため、従来のフラックスは 20〜4

2

0質量％の比較的多量の SiOを含有するのが一般的であった。

2

[0014] 前掲の特許文献にお!ヽて、最も SiOを低減したフラックスを提案して！/ヽるのは特許

2

文献 5であり、そこでの SiOの含有率は 13〜24質量％である。本発明のフラックスでは

2

、 SiOの含有率は 5〜15質量％と、従来に比べてかなり少なくなつている。

2

[0015] SiOの減少に伴い、 SiOに対する平衡酸素活量は減少するが、 SiOの少ない領域

2 2 2 では MnOに対する平衡酸素活量が増大するため、フラックス中の MnOの含有率についても制限をカ卩える必要がある。

[0016] 一方で、 SiOをこのように極端に低減したフラックスは、ビード外観ゃスラグの剥離

2

性を劣化させる可能性がある。本発明者らは、 CaFを 40質量％超、 50質量％以下の

2

量で含有させると、低 SiOのフラックスでもビード外観やスラグの剥離性にはほとんど

2

悪影響が出ないことを合わせて見出した。この原因は明らかではないが、フラックスが CaFを上記範囲内の量で含有すると、スラグが CaFを多量に含む相と他の酸ィ匕物を

2 2

多量に含む相の 2相に分離し、このような 2相分離したスラグの物性の変化がビード性状等への悪影響を緩和するものと推定される。

[0017] 本発明の溶融型フラックスを使用してサブマージアーク溶接を行うと、高速溶接にぉヽても溶接欠陥の発生や溶接ビードの外観劣化を防止しつつ、高強度の溶接金属の酸素量を 250 ppm以下に低減することが可能となる。本発明は、特に X100ダレード以上の高強度ラインパイプや高周波ベンド管のサブマージアーク溶接において、溶接金属の低温靱性の向上に有効である。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下に本発明をより詳しく説明する。以下の説明において、フラックス中の各成分の含有率を規定する「％」は、とくにことわりがない限り、「質量％」である。

本発明のフラックスは、不純物を除けば、金属酸ィ匕物および CaF力本質的になる

2

ので、各成分の含有率とは、フラックス中の金属元素含有率を金属酸ィヒ物に換算した含有率、およびフッ素含有率を CaFに換算した含有率の意味である。

2

[0019] 換言すると、金属酸ィ匕物および CaFは、 2種以上の金属酸化物、フッ化物等が化合

2

した複合ィ匕合物の形態であってもよく、ある、は溶融した場合に金属酸化物または C aFに転ィ匕されるのであれば、別の化合物形態であってもよい。その場合には、各金

2

属元素が金属酸化物または CaFに転ィ匕した時のその金属酸ィ匕物または CaFの量を

2 2 算出して含有率とし、その値が本発明の範囲内に入ればよい。

[0020] SiO : 5〜15%

2

SiOはスラグを構成する重要な成分である。 SiOはスラグをガラス化させ、ビード外

2 2

観を改善する。フラックス中の SiOの配合量が少ないと、スラグ粘性が大きくなり、アン

2

ダーカットゃスラグ巻き込みを生じやすくなる。このため、 5%以上 SiOを含有させる。

2

一方、 SiOは酸性成分であり、 SiOの増加は溶接金属の酸素量を増力!]させる。特に、

2 2

本発明で目標とする、溶接金属の酸素量を 250 ppm以下にするために、その含有率を 15%以下にする。 SiO含有率の好ましい上限は 15%未満であり、更に好ましい上

2

限は 13%であり、更に好ましい上限は 10%以下である。

[0021] MnO : l〜10%

MnOはスラグの流動性を向上させ、ビード外観を滑らかにする効果を有する。また、溶接金属への Mnの歩留まりを改善する効果も期待される。これらの効果を得るために 1%以上の MnOをフラックスに含有させる。一方、 MnOは酸性成分であり、多量の配合は溶接金属の酸素量を増加させるため、その含有率の上限を 10%とする。 MnO 含有率は好ましくは 2.0〜7.0%である。

[0022] CaO : 10〜30%

CaOは塩基性成分であり、溶接金属の酸素量を低減する作用を有する。酸素量低減には CaO含有率が多いほど好ましいが、多量の CaOの含有はスラグ剥離性を劣化させるとともに、フラックスの耐吸湿性の劣化を通してボックマークを形成しやすくする。よって、 CaOの含有率を 10〜30%とする。好ましくは 12〜20%である。

[0023] CaF :40%超、 50%以下

2

CaFは、溶接金属の酸素量を低減するのに極めて有効な成分であり、また SiO低

2 2 減によるビード外観の劣化を防止する上でも非常に効果的である。しかし、フラックス力 SCaFを多量に含有すると、スラグの剥離性が損なわれるため、その含有率を 40%

2

超、 50%以下とする。

[0024] MgO : 2〜10% MgOは塩基性成分であり、溶接金属の酸素量を低減するとともに、溶融スラグの粘度調整のために、 2%以上の量でフラックスに添加される。一方、フラックスが 10%を越える量の MgOを含有すると、スラグの溶融粘度が大きくなりすぎ、アンダーカットやスラグ巻き込みを発生しやすくするとともに、フラックスの耐吸湿性劣化によりボックマークを形成しやすくするので、その上限を 10%とする。 MgOの含有率は好ましくは 2.5 〜6.5%である。

[0025] Α1 Ο : 2〜20%

2 3

A1 0は中性の成分であり、スラグの融点、溶融粘度調整を目的でフラックスに添カロ

2 3

される。 2%未満の添加では溶融スラグの粘性不足によりビード外観が劣化し、スラグの剥離性も劣化する。一方で、多量の含有はスラグの融点、溶融粘度を上昇させ、ビードのアンダーカットゃスラグ巻き込みを生じて形状を悪化させる。このため A1 0の

2 3 上限を 20%とする。 A1 0含有率は好ましくは 4〜16%である。

2 3

[0026] TiO : 2〜20%

2

TiOは、少量の含有でスラグの剥離性を改善するとともに、溶接金属への Ήの歩留

2

まりを改善する。この効果を得るために 2%以上の ΉΟを含有させる。一方、多量の

2

02の含有は、スラグ粘性の増大によりアンダーカットゃスラグ巻き込みを生じてビード形状を悪化させる。このため、 TiO含有率の上限を 20%とする。 TiO含有率の好まし

2 2

V、上限は 15%であり、好まし!/、下限は 2.5%である。

[0027] BaO : l〜10%

BaOは、スラグの融点を調整するとともに溶接金属の酸素量を低減する有効な成分である。この効果を得るために 1%以上の BaOを含有させる。一方で、 BaOを過剰に含有すると、ビード形状を悪化させるため、その含有率の上限を 10%とする。

[0028] 上記の成分の他、 Na 0、 K 0および B 0のうちの 1種または 2種以上を含有してもよ

2 2 2 3

い。

Na O、 K O : 0〜3%

2 2

Na 0と Κ Οは含有しなくてもよいが、スラグの溶融粘度調整のためにフラックスに含

2 2

有させることができる。この効果を得るにはいずれか一方または両方をそれぞれ 0.2

%以上添加すればよい。一方、多量の含有は、スラグの溶融粘度の過度な増加により、ビード形状の劣化を招くため、その含有率を 3%以下とする。

[0029] B 0 : 0〜1.0%

2 3

B 0は含有しなくてもよいが、溶接金属に靱性改善の目的でボロンを添加するため

2 3

に、フラックスに含有させてもよい。フラックス中の B 0の含有率は溶接金属に添カロ

2 3

するボロン量に応じて調整される力 0.1%以上、 1.0%以下の含有率で効果があり、 B 0の含有率がこの範囲内であれば、溶接金属酸素量や溶接性に大きな影響は与

2 3

えない。

[0030] 本発明のフラックスは、上記成分をそれらの合計量が 95%以上となるように含む。

残部は FeO等の不純物である。上記成分の合計量は 97%以上であることが好ましぐより好ましくは 99%以上である。

[0031] このような組成を有するフラックスは、 1200°C以上でー且溶融され、冷却 ·凝固後に粉砕されて製造される。フラックスの粒度は、 JIS Z 3352に従って、ふるい分けに用いたふる、の最大および最小の呼び寸法に対応するメッシュで表す。フラックスの粒度は、適用する溶接条件、特に適用電流に応じて選択される。

[0032] 本発明にお、てサブマージアーク溶接法それ自体は、常法に従って実施すればよぐ方法や溶接条件は特に制限されない。溶接される鋼材も特に制限されないが、前述した通り、本発明のフラックスは、引張強さ 75 kgf/mm² (X100、 750MPa)級以上の高強度鋼材の溶接に適している。その場合、使用する溶接ワイヤも、鋼材組成に応じて、高強度の溶接金属を形成するような組成のものを使用する。

実施例

[0033] 本発明を実施例により具体的に説明する。この実施例は本発明の例示にすぎず、本発明を制限する意図はない。

原材料の配合比率をかえることにより、表 1に示す化学組成を有する各種の溶融型フラックスを製造した。本実施例では太径のワイヤを用いた大入熱溶接であるため、細力いフラックス粒度となるように粉砕した。具体的なフラックス粒度は、 JIS Z 3352で 20 X D (最大呼び寸法: 850 m、 m未満の粒径の粒子も含む）であった。

[0034] 溶接試験の母材には、表 2に示す化学組成を有する、板厚 16 mmの鋼板を用いた。この鋼板の引張強さと降伏強さも表 2に示す。これからわかるように、この鋼板は X12 0級（95 kgf/mm²級または 950 MPa級）の高強度鋼板である。

[0035] 2枚の鋼板の端に開先深さ 6 mm,開先角度 70° の V開先を作製し、溶接長 1.0 mの

1層の溶接を行った。作製した溶接ビードの健全性を外観の目視検査で確認するとともに、溶接金属酸素量を分析により求めた。

[0036] 溶接は、表 3に示す化学組成を有する直径 4 mmのソリッドワイヤを用い、表 4に示す条件で、 4電極のサブマージアーク溶接を行った。先頭極に直流電源を用い、他の電極には交流電源を用ヽた。

[0037] 溶接金属酸素量の分析結果と溶接ビード形状の目視検査の結果を表 5に示す。また、一部の溶接金属につ、ては全溶接金属の弓 I張り試験と 30°Cでのシャルピー試験を行った結果を併せて表 5に示してヽる。

[0038] [表 1]

6 310210

(注)下線部の数値は本発明の範囲外。 2]

鋼板の化学組成（質量％、残部： Feおよび不純物)と強度特性

C Si Mn P S Cu Ni Cr 降伏強度

0.04 0.07 1.55 0.005 0.0007 0.3 0.60 0.30 845 MPa

Mo V Nb Ti B soLAI O N 引張強度

0.38 0.028 0.017 0.014 0.0012 0.025 0.002 0.002 974 MPa [0040] [表 3]

[0041] [表 4]

[0042] [表 5]

溶接金属溶接金属 -30°Cでの

番号溶接ビード形状引張強さシャルピー備

(ppm) (MPa [kgf/mm²]) 吸収エネルギー考

1 285 良好 954 [97.3] 84J

2 273 良好 961 [98] 88J

3 260 良好 967 [98.6] 86J

4 265 良好 974 [99.3] 90J

5 195 スラグ剥離劣化実施せず実施せず

6 165 ビード外観劣化

アンダーカツ卜発生実施せず実施せず

7 145 スラグ剥離性低下実施せず実施せず

8 170 アンダーカット発生比

実施せず実施せず

較

9 240 アンダーカット発生実施せず実施せず例

10 190 アンダーカット発生実施せず実施せず

1 1 160 アンダーカット発生実施せず実施せず

12 200 ビード形状低下実施せず実施せず

13 180 スラグ剥離性低下

実施せず

ビード外観劣化実施せず

14 180 スラグ焼き付き

スラグ剥離性低下実施せず実施せず

15 180 ビード外観劣化実施せず実施せず

16 180 良好 993 [101.3] 125 J

17 190 良好実施せず実施せず

18 220 良好 973 [99.2] 105 J

19 184 良好 983 [100.2] 131 J 発

明

20 180 良好 1019 [104] 122 J 例

21 210 良好実施せず実施せず

22 199 良好 1004 [102.4] 1 1 1 J

23 171 良好 101 1 [103.1] 126 J

表 5の結果からわ力るように、本発明に係る溶融型フラックスは 75 kgf/mm (750 MP _a)級以上の強度レベルの高級 UOE鋼管の製造に用いることができ、溶接金属は高い引張強さにカ卩えて、一 30。Cでのシャルピー吸収エネルギーが 100 Jを超える良好な靱性を保持している。この靱性は溶接金属の酸素量に依存し、酸素量が低いと靱性が高くなることも表 5から理解される。 [0044] 番号 18〜23の発明例のフラックスでは、いずれも溶接金属の酸素量が 250 ppm以下に制御できた。 SiO含有率を 13%以下にさらに低減させると、溶接金属の酸素量

2

は安定的に低減されて、ほぼ 200 ppm以下に制御することが可能となった。同時に、ビードの健全性が保たれ、アンダーカット発生やビード外観劣化がなぐスラグ剥離性も良好であった。

[0045] 比較例を見ると、 SiO含有率が本発明範囲の上限を越え、且つ CaF含有率が下限

2 2

より少ない番号 1、 SiO含有率が本発明範囲の上限を越えた番号 2、 MnO含有率が

2

本発明範囲の上限を越えた番号 3、および CaO含有率が本発明範囲の下限より少ない番号 4では溶接金属の酸素量が 250 ppmを越え、シャルピー衝撃強度が 90 J以下と靱性が大きく低下した。番号 5では、 CaF含有率が本発明の上限を越えてたため、

2

スラグの剥離'性が劣ィ匕した。

[0046] 番号 6から 15では溶接金属酸素量に最も大きな影響を与える CaFおよび MnOの含

2

有率が本発明を満たし、 SiOは 15%以下、 CaOは 10%以上であるため、溶接金属酸

2

素量は本発明の目的とする 250 ppm以下に低減されている。しかし、 SiOの含有率が

2 下限より低いか、または CaOの含有率が上限を超えている力、あるいは MgO、 A1 0、

2 3

TiOもしくは BaOの含有率が本発明の範囲から逸脱しているために、ビードの外観劣

2

化ゃスラグ剥離性の低下および Zまたはアンダーカットの発生を生じた。

Claims

請求の範囲

[1] 質量⁰ /₀で、 SiO :5〜15%、 MnO:l〜10%、 CaO:10〜30%、 CaF :40%超、 50%以

2 2

下、 MgO:2〜10%、 A10 :2〜20%、 TiO :2〜20%、 BaO:l〜10%、 Na O:0〜3%、

2 3 2 2

Κ Ο:0〜3%、 Β Ο :0〜1%を含有し、それらの成分の含有率の合計が少なくとも 95

2 2 3

%であることを特徴とする、サブマージアーク溶接用溶融型フラックス。

[2] Na 0、 Κ 0、および B 0の含有率が全て 0%である、請求項 1に記載のサブマージ

2 2 2 3

アーク溶接用溶融型フラックス。

[3] Na 0:3%以下、 K 0:3%以下、 B 0： 1%以下の 1種または 2種以上を含有する、

2 2 2 3

請求項 1に記載のサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。