JP4581842B2

JP4581842B2 - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス

Info

Publication number: JP4581842B2
Application number: JP2005154118A
Authority: JP
Inventors: 昌彦濱田; 隆之西
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: JP2006326642A; WO2006126519A1

Description

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。

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ア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出来るため良く用いられている。

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がある。溶融型フラックスは各種鉱物質の原材料を１２００℃以上の高温で溶融し冷却後に粉砕したものであり吸湿性が低く取り扱いや保管が容易な上、多電極溶接との組み合わせにより高速溶接が可能な特徴を有しておりＵＯＥ鋼管の製造に多用される。
ボンドフラックスは、原材料に結合材を少量加えて造粒した後に６００℃程度で焼き固めたものである。ボンドフラックスに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特徴を有する反面、吸湿性が高く取り扱いに難があり、また高速溶接には適さないと言う問題点がある。

いずれのフラックスにしても溶接に際しては、溶融スラグを形成することにより溶融金属を大気から遮断し溶接金属の窒化、酸化を防ぐとともにメタル／スラグ反応を介して溶融金属と冶金反応を行い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等の重要な働きをしている。

先に述べたように溶融型フラックスは多電極の高速溶接に適しており、ビード外観も優れることからラインパイプ用ＵＯＥ鋼管等の高級鋼管の製造に多用されている。これらの高級鋼管では溶接金属について高強度とともに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ため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おり、種々の成分を有する溶融型フラックスが、例えば、特許文献１ないし特許文献10等に提案されている。

いずれの特許文献においても、フラックス中の塩基性成分と酸性成分の調整による酸素量の低減（あるいは溶接金属靱性の改善）と配合比の調整による溶接性確保の観点からの提案となっている。これらの提案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。この中で最も酸素量の低減をしているのは特許文献３、10である。
特許文献１０の実施例中の溶接金属酸素量は１９０〜２７０ｐｐｍに低減されている。特許文献３の実施例では酸素は１８０〜２７０ｐｐｍに低減されている。他の例では溶接金属酸素量は概ね２５０〜３００ｐｐｍに低減されている。すなわちこれらの提案により溶接金属の酸素量は概ね３００ｐｐｍ以下に低減することが示されている。
特開平６−３１４８１号公報特開平６−２８５６７９号公報特開平７−２５６４８８号公報特開平７−３０３９９０号公報特開平８−１８７５９３号公報特開平８−２６７２７９号公報特開平９−８５４８８号公報特開平９−２６２６９２号公報特開平１１−１９７９５号公報特開平１１−２７７２９４号公報特開平２００４−１５４８４０号公報

上記の各特許文献では溶接金属の強度レベルへの言及がないが、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引張り強さで６０キロ級を対象としている。一方で、近年ではラインパイプ用鋼管としてＸ１００（引張り強さ７５キロ級）やＸ１２０級（引張り強さ９５キロ級）の開発が進められており、これらの高強度鋼管の製造では従来以上に溶接金属酸素量の低減が重要になることが予想される。

そこで、本発明では従来以上に溶接金属の酸素量が低減可能な（具体的には引張り強さ７５キロ級以上の強度レベルで安定して２５０ｐｐｍ以下）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を提供することを目的とする。

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く、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、各スラグ成分に対する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、平衡酸素活量を支配するのはフラックス中のＳｉＯ₂含有率であることを見出し、ＳｉＯ₂含有率を従来以上に低減することで、酸素量が２５０ｐｐｍ以下となる溶接金属を安定して製造可能な溶融型フラックスを見出し、本発明を完成した。

ここに、本発明は、質量％で、ＳｉＯ_２：５〜１３％、ＭｎＯ：１〜１０％、ＣａＯ：１０〜３０％、ＣａＦ_２：４０〜５０％、ＭｇＯ：２〜１０％、Ａｌ_２Ｏ_３：２〜２０％、ＴｉＯ_２：２〜２０％、ＢａＯ：１〜１０％を含有し、そ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引張り強さ７５キロ以上のＵＯＥ鋼管のサブマージアーク溶接用溶融型フラックスである。

質量％で、さらにＮａ₂Ｏ：３％以下、Ｋ₂Ｏ：３％以下、Ｂ₂Ｏ₃：１．０％以下のうち１種または２種以上を含有してもよい。
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。ＳｉＯ₂は酸性成分の１つとして重要な成分として取り扱われているが、その含有量は他の酸性成分とのバランスの中で決定されている。また、ＳｉＯ₂はスラグをガラス化させる重要な成分であることから、２０〜４０％の比較的多量含有するのが一般的である。前出の既存技術において最もＳｉＯ₂を低減した提案である特許文献５におけるＳｉＯ₂の含有率は１３〜２４％である。本発明ではＳｉＯ₂の含有率を５〜１５％としており、従来に比べて著しく低減している。

また、ＳｉＯ₂の減少に伴いＳｉＯ₂に対する平衡酸素活量は減少するが、ＳｉＯ₂の少ない領域ではＭｎＯに対する平衡酸素活量が増大するため、ＭｎＯの含有率についても制限を加える必要がある。

一方で、ＳｉＯ₂をこのように極端に低減した場合にはビード外観やスラグの剥離性が劣化する可能性があるが、ＣａＦ₂を４０〜５０％含有するとビード外観やスラグの剥離性にはほとんど悪影響が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、ＣａＦ₂を４０％〜５０％含有すると、スラグがＣａＦ₂を多量に含む相と他の酸化物を多量に含む相の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したと推定される。

本発明により、高速溶接におい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、溶接金属の酸素量を２５０ｐｐｍ以下に低減することが可能となった。特にＸ８０グレードを越えるような高強度ラインパイプや高周波ベンド管の溶接金属の低温靱性の確保・向上の観点から価値のある発明である。

次に、本発明においてフラックス組成を上述のように限定した理由を説明する。なお、本発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。また、本発明のフラックスは、不純物を除けば金属酸化物およびＣａＦ₂からなるので、各成分の含有率は、フラックス中の金属元素含有率を金属酸化物に換算した含有率、およびフッ素含有率をＣａＦ₂に換算した含有率の意味である。

ＳｉＯ₂：５〜１５％
ＳｉＯ₂はスラグを構成する重要な成分である。ＳｉＯ₂はスラグをガラス化させ、ビード外観を改善する。またＳｉＯ₂の配合量が少ないとスラグ粘性が大きくなり、アンダーカットやスラグ巻き込みなどを生じやすくなる。このため５％以上ＳｉＯ₂を含む必要である。一方でＳｉＯ₂は酸性成分であり、ＳｉＯ₂の増加は溶接金属の酸素量を増加させる。特に、本発明で目標とする、溶接金属の酸素量を２５０ｐｐｍ以下にするには、その含有率を１５％以下にする。好ましい上限は１５％未満であり、更に好ましい上限は１３％であり、更に好ましい上限は１０％以下である。

ＭｎＯ：１〜１０％
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には１％以上の含有が必要である。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、その上限を１０％とする。好ましくは２．０〜７．０％である。

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。酸素量低減には含有量が多いほど好ましいが、多量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ポックマークを形成しやすくする。よってその含有率を１０〜３０％とする。好ましくは１２〜２０％である。

ＣａＦ₂：４０〜５０％
ＣａＦ₂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る。ＳｉＯ₂低減によるビード外観の劣化を防止する。しかし、多量に含有するとスラグの剥離性を損なうため、その含有率を４０〜５０％とする。好ましい範囲は４０％超５０％以下である。

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粘度調整のために添加される。この効果を得るためには２％以上の含有が必要である。一方で１０％を越えて含有すると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ポックマークを形成しやすくする。よって、その上限を１０％とする。好ましくは２．５〜６．５％である。

Ａｌ₂Ｏ₃：２〜２０％
Ａｌ₂Ｏ₃は中性の成分であり、スラグの融点、粘度調整を目的に添加される。２％未満の添加では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、粘度を上昇させ、ビードのアンダーカットやスラグ巻き込みを生じて形状を悪化させる。このため上限を２０％とする。好ましくは４〜１６％である。

ＴｉＯ₂：２〜２０％
ＴｉＯ₂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Ｔｉの歩留まりを改善する。この効果を得るために２％以上の含有が必要である。一方、多量の含有はスラグ粘性の増大によりアンダーカットやスラグ巻き込みを生じてビード形状を悪化させる。このため上限を２０％とする。好ましい上限は１５％であり、一方、好ましい下限は２．５％である。

ＢａＯ：１〜１０％
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％以上含有が必要である。一方で過剰に含有するとビード形状を悪化させるためその上限を１０％とする。

上記の成分の他、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂ＯおよびＢ₂Ｏ₃のうちの１種または２種以上を含有してもよい。
Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ：３％以下
Ｎａ₂ＯとＫ₂Ｏは、スラグの粘度調整のために含有することが出来る。この効果を得るにはそれぞれ０．２％以上の添加すればよい。一方、多量の含有は粘度の過度な増加によりビード形状の劣化を招くため、上限を３％とする。

Ｂ₂Ｏ₃：１．０％以下
Ｂ₂Ｏ₃は、溶接金属にボロンを添加するために含有してもよい。添加するボロン量に応じて含有量は調整されるが、０．１％以上１．０％以下の配合で効果があり、この範囲内であれば酸素量や溶接性に大きな影響は与えない。

本発明のフラックスは、上記成分の合計を９５％以上含む。残部はＦｅＯ等の不純物である。上記成分の合計は９７％以上が好ましく、９９％以上がより好ましい。
このような組成を有するフラックスは、１２００℃以上で一旦溶融され、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ふるい分けに用いたふるい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ように定められている（ＪIＳＺ３３５２等）。フラックスの粒度は適用する溶接条件、特に適用電流により使い分けられる。
本発明において溶接法自体は慣用のものとして特に制限されない。

次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。

原材料の配合比率をかえることにより、表１に示す種々の化学成分を有する溶融型フラックスを製造した。なお、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、フラックスの粒度は細かい目に粉砕した。具体的な粒度メッシュは２０ｘＤであった。

溶接試験の母材には、表２に示す化学成分を有する鋼板を用いた。鋼板の板厚は１６ｍｍであり、２枚の鋼板の端に開先深さ６ｍｍ、開先角度７０度のＶ開先を作製し、溶接長１．０ｍ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した。

溶接は、表３に示す化学成分を有する直径４ｍｍ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いた。

溶接金属酸素量の分析結果と目視検査の結果を表５に示す。また、一部の溶接金属については全溶接金属の引張り試験と-30℃でのシャルピー試験を行った結果を併せて表５に示している。これらの結果から、本発明にかかる溶融型フラックスが７５キロ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ることが分かる。

本発明例ではいずれも酸素量が２５０ｐｐｍ以下に制御できている。さらにＳｉＯ₂の上限を１３％に制限することでさらに溶接金属の酸素量は安定的に低減され、ほぼ２００ｐｐｍ以下に制御することが可能である。

比較例１ではＳｉＯ₂が本発明範囲の上限を越えており、且つＣａＦ₂の下限を満たしていないため、溶接金属の酸素量が２５０ｐｐｍを越えている。
比較例２ではＳｉＯ₂本発明範囲の上限を越えているため、溶接金属の酸素量が２５０ｐｐｍを越えている。

比較例３ではＭｎＯが本発明範囲の上限を越えているため、溶接金属の酸素量が２５０ｐｐｍを越えている。
比較例４ではＣａＯが本発明の下限を満たしておらず、溶接金属の酸素量が２５０ｐｐｍを越えている。

比較例５ではＣａＦ₂が本発明の上限を越えている。このためスラグの剥離性が劣化した。
比較例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ＳｉＯ₂、ＣａＦ₂、ＣａＯ、ＭｎＯの配合比が本発明を満たしているため溶接金属酸素量は本発明の目的とする２５０ｐｐｍ以下に低減されている。しかし、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂およびＢａＯの含有率が本発明の範囲から逸脱しているために、ビードの外観劣化やスラグ剥離性の低下あるいはアンダーカットの発生を生じている。

上記の比較例に対し、本発明例１６、１７、２２、２３に示したように、本発明範囲に含有率を制御した溶融型フラックスでは、酸素量を低減することができると同時にビードの健全性が保たれた。

Claims

質量％で、ＳｉＯ_２：５〜１３％、ＭｎＯ：１〜１０％、ＣａＯ：１０〜３０％、ＣａＦ_２：４０〜５０％、ＭｇＯ：２〜１０％、Ａｌ_２Ｏ_３：２〜２０％、ＴｉＯ_２：２〜２０％、ＢａＯ：１〜１０％を含有し、そ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引張り強さ７５キロ以上のＵＯＥ鋼管のサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。