JP2631756B2 - 抵水素系被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は特に低温じん性が優れ、かつ耐力が65kgf/mm
²以上の高強度な溶接金属を得ることのできる低水素系
被覆アーク溶接棒に関するものである。

（従来の技術） 低水素系被覆アーク溶接棒は、耐割れ性や低温じん性
が優れていることから、拘束の大きな箇所や高張力鋼の
溶接に広く使用されている。一方最近では、溶接構造物
の大型化にともない、使用される鋼材も厚くなる傾向を
示すとともに、板厚減少のため高強度な鋼材の使用も増
加している。

（発明が解決しようとする課題） しかし一般に溶接金属の強度増加と、低温じん性確保
は相反する傾向を示すため、高強度化とともにじん性を
向上させる新たな手法が必要となっている、溶接金属の
じん性向上について、特開昭54−11445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、溶接金属を細粒な均一組織とし、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、より高強
度で高じん性な溶接金属が求められる現今のシビアな要
求に対しては、すでに不充分となっている。

またSiCを使用して溶接金属の酸素量を低減する技術
としては、特開昭58−138591号公報及び特開昭61−2320
94号公報があるが、前者は耐ピット性を向上したすみ肉
溶接棒に関するものであり、後者はCr−Mo系の低合金耐
熱鋼用溶接棒として、使用中脆化特性および低温じん性
を向上したものであり、いずれも高張力鋼用溶接棒とし
て、大幅にじん性を向上したものとはなっていない。

本発明は、高張力鋼，例えば70〜90キロ級高張力鋼の
溶接において、優れた低温じん性を示す溶接金属の得ら
れる低水素系被覆アーク溶接棒を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の要旨とするところは、 金属炭酸塩:30〜60重量％ （以下％はいずれも重量％を示す。） 金属弗化物:13〜23％ SiC:0.1〜0.6％ Si:3.2〜5.6％ Mg:0.8〜5.0％ Mn:2.2〜7.4％ Nb,Vの１種以上を:0.02〜0.8％ その他に、上記以外のアーク安定剤，スラグ生成剤，
合金剤および粘結剤からなる被覆剤をC:0.02％以下,Si:
0.05％以下である鋼心線に被覆したことを特徴とする低
水素系被覆アーク溶接棒である。

従来より溶接金属のじん性向上のため、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
し被覆アーク溶接棒においては、被覆剤の分解によって
発生する酸素や大気中の酸素が溶接時にアーク中に巻き
込まれ、溶接金属中に入いるため大幅な酸素量低下には
至らなかった。

本発明者らは種々の検討を行った結果、SiC,Siを被覆
剤に複合添加することが溶接金属の酸素量低下に有効な
ことを見出すとともに、これらの添加によるC,Si増加を
心線中のC,Si限定により防止し、加えてNb,Vの微量添加
により高強度で高じん性な溶接金属の得られる溶接棒を
開発したものである。

（作用） 本発明は以上の知見に基いてなされたものであり、以
下に作用とともに詳細に説明する。

本発明の特徴は一つは、被覆剤中にSiCとSiを複合添
加し、溶接金属中の酸素量を大幅に低下した点にある。

従来より低水素系溶接棒において、Siは有効な脱酸剤
として、および溶接金属の粘性を良好に保ち溶接作業性
を維持する成分として、主としてFe−Siの形で多く使用
されている。Siは溶接金属の酸素を下げる一方で、結晶
粒を粗大化し、じん性を劣化させる成分としてその使用
は微妙な調整が必要とされていた。しかし脱酸剤として
さらにSiCを微量添加すると、この強力な脱酸力により
被覆剤中のSiを制限した上で大幅に溶接金属の酸素量を
低下でき、じん性向上にきわめて有効である。しかもFe
−Si等の金属Siの形で被覆剤に添加するよりもSiCとし
て添加すると、脱酸剤としての効果は大きく働くもの
の、Siの溶接金属への移行が少く、スラグ化するため溶
接金属のSi量低減に有効である。

第１表は、CaCO₃45％,BaCO₃3％,CaF₂18％，ルチール
３％，金属Mn3.0％，金属Mo2.0％，金属Mg3.0％,Fe−Ｖ
（50％Ｖ）0.2％,Fe−Si（40％Si）4.0〜15％,SiC0〜0.
8％，粘結剤6.8％，残部が鉄粉からなる被覆剤をC0.012
％,Si0.01％,Mn0.52％,P0.008％,S0.003％，残部がFe及
び不可避不純物からなる直径4.0mm,長さ400mmの心線
に、被覆外径が6.3mmになるように被覆塗装したあと乾
燥焼成して溶接棒を作製し、JISZ3212に従って溶接し、
溶着金属の衝撃試験と酸素分析を行ったものである。

その結果、Fe−Siが８％未満すなわちSiが3.2％未満
である溶接棒No.7,8,10は、SiCの添加量にかかわらず溶
着金属の酸素量が低くならず、−40℃の吸収エネルギー
も低かった。同じくSiCが添加されていない溶接棒No.1,
10も、溶着金属の酸素量が0.0300％を超え、−40℃の吸
収エネルギーが10kgfm未満であった。

一方Fe−Siが14％すなわちSiが5.6％を超える溶接棒N
o.9、及びSiCが0.6％を超える溶接棒No.6は、溶着金属
の酸素量は大幅に低下しているものの、Si,C過多による
脆化により−40℃における吸収エネルギーは低かった。

以上の結果より、Siの被覆剤への添加量は3.2％未満
では溶接金属の酸素量の低下が十分でなく、5.6％を超
えるとSiの増加による脆化がおこるため、3.2〜5.6％と
定めた。

またSiCの被覆剤への添加量は、0.1未満では溶接金属
の酸素量低下の効果が十分でなく、0.6％を超えるとＣ
量の増加によるじん性の劣化が大きいため、0.1〜0.6％
と定めた。SiCの微量添加は、溶接金属の酸素量低下と
ともに微量Ｃの歩留りによる焼入れ性増加により、強度
向上にも有効である。

さらに本発明のもう一つの特徴は、心線中のC,Si量を
限定して被覆剤に添加するSiC,Siの効果を有効にしたも
のである。心線中のＣが0.02％を超えるか、Siが0.05％
を超えると、被覆剤中のC,Si量の歩留りと相まってC,Si
が過多となり、溶接金属の脆化をおこすため、心線中の
C,Si量はそれぞれ0.02以下、0.05％以下と定めた。

続いてMgは、被覆剤に添加され脱酸剤として働き清浄
な溶接金属を得るのに有効なほか、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。その添加
量が0.8％未満では十分な脱酸効果が得られず、一方５
％を超えて添加すると溶接時アークが不安定となり、ス
パッタが増加するとともにスラグの粘性が低下し、スラ
グのはく離性が劣化するので、Mgの被覆剤への添加範囲
を0.8〜５％とした。

Mnは、脱酸剤として酸素量を低下するほか、脆化の原
因となるＳを固定する働きを持ち、じん性改良に効果が
ある。加えて鋼の焼入れ性を大幅に向上し、強度を上昇
するため高張力鋼用溶接棒には欠かすことができない成
分である。その被覆剤への添加量が2.2％未満ではじん
性，強度向上効果が十分でなく、7.4％を超えると溶接
金属の焼入れ性が過剰となりじん性が劣化するので、Mn
の添加範囲を2.2〜7.4％とした。

Nb,Vは被覆剤への微量添加で溶接金属の強度を著しく
向上することができる。これらの添加量が0.02％未満で
は強度向上効果が十分でなく、また0.8％を超えると逆
にじん性劣化が大きくなるため、Nb,Vの一種の添加量を
0.02〜0.8％とした。

さらに本発明にいう金属炭酸塩とは、CaCO₃,BaCO₃,Mg
CO₃,MnCO₃などを指し、CaCO₃を必須として必要に応じて
他のものを組合せ、その合計を30〜60％含有せしめるも
のである。これらの金属炭酸塩は、アーク中で分解して
CO₂ガスを発生し、溶融メタルを大気からしゃ断し、ア
ーク雰囲気中の水素・窒素のガス分圧を下げると共に塩
基性のスラグを生成する効果を有する。この添加量が30
％未満ではスラグの融点が低下し、スラグの被包性が悪
くなって良好なビードを得ることができず、また大気を
しゃ断するガス発生量が不足するため、ピットやブロー
ホールが発生したり溶接金属の水素量が増加し、耐割れ
性が劣化する。一方60％を超えて添加した場合は、ガス
発生量が過剰となりピットが多発すると共にスラグの融
点が上昇してスラグの流動性が悪くなり、溶接母材との
なじみが不均一となりビード形状が悪くなる。

また本発明にいう金属弗化物とは、CaF₂,BaF₂,MgF₂,A
lF₃,MnF₂,LiFなどを指し、CaF₂を必須とし必要に応じて
他のものを組合せ、その合計を13〜23％含有せしめるも
のである。これらの金属弗化物は、いずれもスラグの融
点を下げ、流動性の良いスラグをつくる。またアーク中
で分解した弗素は溶融メタルや溶融スラグの水素と反応
し、溶接金属の水素を下げて耐割れ性の良好な溶接金属
をつくる。これらの添加量が13％未満では、適当なスラ
グの流動性が得られず、ビード形状が悪くピットが発生
したり溶接金属の水素量が増加して割れを発生させたり
する。一方23％を超えて添加すると、スラグの粘性が不
足しビード形状が悪くなったり、また被覆筒も弱くなっ
たり溶接作業性が劣ってくる。

次に被覆剤に含有せしめるその他のアーク安定剤，ス
ラグ生成剤とは、鉄粉，アルカリ成分，ルチールなどを
指し、その添加量は特に規定しないが、その合計は２〜
25％が溶接作業性の面から望ましい。

また本発明にいうその他の合金剤とは、Ni,Cr,Mo,Ti,
Cuなどを指し、溶接金属の強度増加，低温じん性安定及
び耐熱性，耐食性などの向上の目的で、それぞれ必要に
応じて添加される。これらはそれぞれの金属粉のほか、
鉄および他の金属との合金粉の形で添加される。その添
加量はそれぞれ目的に応じて変化するため特に規定しな
いが、その合計は溶接作業性及び溶接棒製造の際の被覆
の塗装性の面から、30％以下が望ましい。

また粘結剤としは、硅酸ソーダ，硅酸カリで代表され
る水ガラスなどのバインダー成分を指すもので、水ガラ
ス中のSiO₂とNa₂O,K₂Oなどのアルカリ成分のモル分率で
あらわされるモル比が1.5〜3.5の範囲の水ガラスを使用
することが望ましい。

本発明溶接棒は以上述べた被覆剤を、心線の周囲に被
覆剤重量が25〜40％となるように通常の溶接棒塗装機に
より被覆塗装したあと、水分を除去するため350〜550℃
で焼成して製造する。

なお本発明溶接棒の心線は、C,Siが前記規定範囲であ
る炭素鋼心線のほか、その目的に応じてNi,Cr,Mo等を含
有する低合金心線も使用することができる。

（実施例） 次に実施例により本発明の効果をさらに具体的に示
す。

第２表に使用した心線（各4mm径）の化学成分，第３
表に本発明例の溶接棒，および比較のために用いた溶接
棒の被覆剤組成と各種試験結果を示す。

第３表において、Ａ−１〜A10が本発明例の溶接棒で
あり、Ｂ−１〜B12が比較例の溶接棒である。

これらの溶接棒の低温じん性及び耐力を比較するため
に、溶着金属の衝撃試験及び引張試験を実施した。すな
わちJISZ3212に基づいて予熱・パス間温度100℃，溶接
電流170A,溶接入熱20kJ/cmなる条件で溶接を行い、JISZ
3111に従って溶着金属の衝撃試験，引張試験を行ったも
のである。衝撃試験はJISZ2242に従って−40℃で行い、
−40℃での吸収エネルギーが10kgf・ｍ以上を良好とし
た。また引張試験は、JISZ2241によって室温で行い、そ
れぞれ0.2％耐力を求めた。0.2％耐力が65kgf/mm²以上
を良好とした。

さらにこれらの溶接棒について、溶接作業性試験も実
施した。本発明例の溶接棒による溶着金属の−40℃にお
ける吸収エネルギーは、SiC,Si,Mgによる脱酸作用が十
分に行われることにより、全て10kgf・ｍ以上の良好な
値を示した。また0.2％耐力も、SiCより添加されたＣに
よる焼入れ性向上による強度増加、及びMn,Nb,V添加に
よる強度向上効果により、全て66kgf/mm²以上であっ
た。さらに溶接作業性にも優れていた。

一方被覆剤にSiCが添加されない溶接棒Ｂ−1,0.1％未
満の溶接棒Ｂ−7,Siが3.2％未満である溶接棒Ｂ−４及
びMgが0.8％未満である溶接棒Ｂ−８は、いずれも脱酸
作用が不十分なため−40℃の吸収エネルギーが低かっ
た。またMnが2.2％未満の溶接棒Ｂ−８は、焼入れ性の
向上が十分でなく、0.2％耐力も低かった。

SiCが0.6％を超えた溶接棒Ｂ−２はＣの歩留りすぎに
より、またSiが5.6％を超えた溶接棒Ｂ−３はSi過多に
よる脆化により、いずれも−40℃の吸収エネルギーが低
かった。

Mgが５％を超え、さらに金属弗化物が23％を超えた溶
接棒Ｂ−６は、溶接作業性が著しく劣ったので溶着金属
試験を中止した。

Nb,Vが添加されていない溶接棒Ｂ−５は、これらの析
出による強度向上効果がなく、0.2％耐力が低かった。
逆にNb,Vが0.8％を超えた溶接棒Ｂ−７は0.2％耐力は十
分であったが、−40℃の吸収エネルギーが著しく低くか
った。

心線のＣが0.02％を超える溶接棒Ｂ−9,B−11、及び
心線のSiが0.06％を超える溶接棒Ｂ−10,B−12はいずれ
も強度は十分であったが、C,Siの歩留りすぎによる脆化
のため−40℃の吸収エネルギーが低かった。

さらに溶接棒Ｂ−２は、金属炭酸塩が少ないのでガス
発生量が不足し、スラグの流動性が劣った。逆に溶接棒
Ｂ−４は、金属炭酸塩が多すぎるため母材とのなじみが
不均一になり、ビード形状が悪かった。溶接棒Ｂ−３
は、金属弗化物が少ないためスラグの流動性が悪く、凹
凸の激しいビード形状を呈し、溶接作業性が悪かった。

（発明の効果） 以上の様に本発明溶接棒は、例えば従来の70〜90キロ
鋼用溶接棒と比較して、高耐力で低温じん性のきわめて
向上した溶接金属の得られるものであり、今後の高張力
鋼の需要の増大にともなって、拘束の大きな箇所や大型
構造物の溶接の品質向上に資するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松谷 直明 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新 日本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−110495（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−213398（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−4997（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−140399（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−180695（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−220300（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−62837（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−55079（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭60−45993（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属炭酸塩:30〜60重量％ 金属弗化物:13〜23重量％ SiC:0.1〜0.6重量％ Si:3.2〜5.6重量％ Mg:0.8〜5.0重量％ Mn:2.2〜7.4重量％ Nb,Vの１種以上を:0.02〜0.8重量％ その他に、上記以外のアーク安定剤，スラグ生成剤，合
   金剤および粘結剤からなる被覆剤をC:0.02重量％以下,S
   i:0.05重量％以下である鋼心線に被覆したことを特徴と
   する低水素系被覆アーク溶接棒。