JP5179114B2

JP5179114B2 - 低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法

Info

Publication number: JP5179114B2
Application number: JP2007208539A
Authority: JP
Inventors: 学水本; 亨飯島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP2009039761A

Description

本発明は、低温液体用貯槽タンクの建造材料などに使用される５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法に係わり、フラックス成分を適正化することで、従来の下向、水平すみ肉および横向姿勢溶接に加え、立向姿勢溶接が可能な低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法に関するものである。

サブマージアーク溶接方法は、高能率で高品位な溶接継手が得られることから、低温用鋼の溶接に多く使用されている。溶接姿勢は、下向や水平すみ肉などの従来使用されている姿勢の他、横向姿勢溶接が可能なフラックスが開発され、低温液体用貯槽タンクの建造などに適用されている。

５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼の溶接部は、熱処理を行わず溶接のままで低温靱性が要求されることから、母材よりもＮｉ含有量の多い溶接用ワイヤが適用されている。現場施工では、下向姿勢や水平すみ肉溶接にはサブマージアーク溶接方法、立向姿勢溶接には、被覆アーク溶接やＴＩＧ溶接方法が適用されている。更に最近では、高能率で溶接作業性に優れるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの開発が進められているものの、耐割れ性が不十分であり、突合せ継手の溶接には、被覆アーク溶接方法が主流となっている。しかし被覆アーク溶接方法は、溶接能率が低く、現場施工の工期短縮の課題となっていた。そこで高能率で、溶接金属の耐割れ性に優れる立向上進溶接も可能なサブマージアーク溶接材料およびその溶接方法が要求されていた。

従来、低温用鋼のサブマージアーク溶接材料およびその溶接方法は、例えば、特許文献１に、フラックス成分を適正化することで、水平すみ肉および横向姿勢溶接の溶接作業性に優れる９％Ｎｉ鋼のサブマージアーク溶接用フラックスが提案されている。しかし、特許文献１に記載の技術で立向姿勢溶接を行うとビード形状が凸状になりやすく、最終層の溶接ビードをグラインダなどで平滑にする必要があるなどの課題があり、立向姿勢溶接には適用が困難であった。

また、特許文献２には、ワイヤおよびフラックス成分を適正化することで、耐割れ性およびビード外観の優れた溶接部が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接法が提案されている。しかし、特許文献２に記載の技術においても立向姿勢溶接を行うとビード形状が凸状になりやすい課題があり、立向姿勢溶接には適用が困難であった。

特許第３８７７８１１号公報特公昭６３−３５３５５号公報

本発明は、低温液体用貯槽タンクの建造材料等に使用される５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの溶接において、従来の下向、水平すみ肉および横向姿勢溶接に加え、立向姿勢溶接が可能な低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するためにサブマージアーク溶接用フラックスのスラグ生成剤および合金剤成分について種々検討を行った。その結果、ＣａＦ_２を低減し、Ａｌ_２Ｏ_３を積極的に添加することで、従来の下向、水平すみ肉および横向姿勢溶接に加え、立向姿勢溶接が可能になることを見出した。しかし、Ａｌ_２Ｏ_３の過剰な添加は、スラグ巻込みを生じやすく、また溶接金属中に介在物が発生しやすいことが分かった。
そこで更に検討を加えた結果、Ｎａ_２Ｏを適量添加することによってアークの安定性が向上し、スラグ巻込みを防止できると共に、溶接金属中の介在物をスラグへの放出を促すことが明らかとなった。

本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは、低温用鋼の溶接に用いるサブマージアーク溶接用フラックスにおいて、フラックス全質量に対する質量％で、
Ａｌ_２Ｏ_３：３１〜６０％、
ＣａＦ_２：１０〜４０％、
ＳｉＯ_２：１〜１０％、
Ｎａ_２Ｏ：０．１〜５％、
金属Ａｌ：０．１〜５％、
ＭｇＯ：０．１〜２０％、
ＣａＣＯ _３：１〜１８％、
ＣａＯ：１〜２０％、
金属Ｍｎ：０．１〜５％
を含有し、その他は不可避不純物であることを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス。
また、Ｎｉを６０質量％以上含むワイヤと前記フラックスを組合せて溶接することを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法にある。

本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法によれば、従来の下向、水平すみ肉および横向姿勢溶接に加え、立向姿勢溶接においてもアークが安定でスラグ剥離性およびビード形状が良好で溶接欠陥が生じないなど、高能率で高品位な溶接継手性能を得ることができる。

以下本発明を詳細に説明する。
本発明は、低温用鋼の溶接に用いるサブマージアーク溶接用フラックスおよび組合せるワイヤの各成分組成それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。

Ａｌ_２Ｏ_３：３１〜６０％、
Ａｌ_２Ｏ_３は、溶接スラグの融点を高め、ビード形状を平滑にする目的で添加する。３１質量％（以下、％という。）未満ではその効果が十分に得られず、特に立向姿勢溶接においてビード形状が凸状となる。一方、６０％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、Ａｌ_２Ｏ_３は３１〜６０％とする。また効果が得られる、より好ましい範囲は３５〜５５％である。

ＣａＦ_２：１０〜４０％、
ＣａＦ_２は、アークの安定性を向上させる目的で添加する。１０％未満では、その効果が十分に得られず、短絡が生じやすくアーク状態が不安定となる。一方、４０％を超えて添加すると、特に立向姿勢溶接においてアーク長の変動が生じやすく、アーク状態が不安定となる。従って、ＣａＦ_２は１０〜４０％とする。また効果が得られる、より好ましい範囲は１５〜３５％である。

ＳｉＯ_２：１〜１０％、
ＳｉＯ_２は、耐割れ性確保の観点から、極力添加しないことが好ましい。しかし、フラックスの造粒に必要な固着剤の主成分であることから、少なくとも１％は含有される。一方、１０％を超えて添加すると、低融点介在物を生成し、高温割れが発生しやすくなる。従って、ＳｉＯ_２は１〜１０％とする。また効果が得られる、より好ましい範囲は１〜６％である。

Ｎａ_２Ｏ：０．１〜５％、
Ｎａ_２Ｏは、アーク安定性を良好とすると共に、アークの集中性を高め、溶接金属中のスラグ巻込みおよびＡｌ_２Ｏ_３などの介在物をスラグへの放出を促し、耐欠陥性を高める目的で添加する。０．１％未満では、特に立向姿勢溶接においてその効果が十分に得られない。一方、５％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、Ｎａ_２Ｏは０．１〜５％とする。また効果が得られる、より好ましい範囲は１〜４％である。

金属Ａｌ：０．１〜５％、
金属Ａｌは、ブローホールを低減する目的で添加する。０．１％未満では、その効果が十分に得られず、ブローホールが発生する。５％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、金属Ａｌは０．１〜５％とする。金属Ａｌ源として、Ｆｅ−Ａｌ、Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇなどが使用できる。また効果が得られる、より好ましい範囲は１〜３％である。

本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスは、前記成分の他、スラグ生成剤や合金剤として、ＭｇＯ：１〜２０％、ＣａＣＯ_３：１〜１８％、ＣａＯ：１〜２０％、金属Ｍｎ：０．１〜５％程度を含有することができる。

ＭｇＯは、スラグの融点を高くし、ビード形状を整える目的で添加できる。１％以上で効果が生じるが、添加量が過多で２０％を超えると、スラグインクルージョンを生じやすくなる。このためＭｇＯ：１〜２０％とすることが好ましい。

ＣａＣＯ_３は、溶接中にＣＯ_２ガスを発生させ、溶接金属をシールドし、ＮやＯ量低い溶接金属を得る目的で添加できる。１％以上で効果が生じるが、添加量が過多で１８％を超えると、アーク状態が不安定となる。このためＣａＣＯ_３：１〜１８％とすることが好ましい。

ＣａＯは、スラグの流動性を良好とし、融合不良やスラグインクルージョンを防止する目的で添加できる。１％以上で効果が生じるが、添加量が過多で２０％を超えると、ビード形状が凸状になりやすい。このためＣａＯ：１〜２０％とすることが好ましい。

金属Ｍｎは、溶接金属中の不純物であるＳと反応し、溶接金属のＭｎＳ介在物としてＳを固定させ、耐高温割れ性を向上させる目的で添加できる。０．１％以上で効果が生じるが、添加量が過多で１０％を超えると、スラグの剥離性を劣化させる。このため金属Ｍｎ：０．１〜５％とすることが好ましい。

その他、溶接作業性調整のためＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｋ_２Ｏなどを、合金剤としてＮｉ、Ｍｏ、Ｗなどを適宜添加でき、これらの合計は１〜１０％程度含有することができる。

その他不可避不純物としては、フラックス原材料の不純物であるＣ、Ｐ、Ｓ、Ｆｅおよび水分などがある。

以上、本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス構成要件の限定理由を述べたが、フラックスの製造方法について更に言及すると、粉末原材料を、配合、撹拌した後、固着剤（珪酸ソーダおよび／または珪酸カリの水溶液）を添加し、その後流動乾燥、焼成を行い、ボンド状フラックスにする。

溶接作業性の向上を目的として、事前に溶解、粉砕したメルトフラックスを原材料として用いることもできる。

前記フラックスと組合せるワイヤは、Ｎｉを６０％以上含有するインコネル系、ハステロイ系合金ワイヤとし、低温液体用貯槽タンクの品質要求に合わせて、適宜選択できる。ワイヤのＮｉが６０％未満であると、低温液体用貯槽タンクの品質要求を満足できない。したがって、Ｎｉを６０質量％以上含むワイヤと限定した。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。

表１に試作フラックスを示す。組合せワイヤは、表２に示す組成のＮｉを６０質量％以上含有するワイヤとした。ワイヤ径は下向および横向姿勢溶接は２．４ｍｍ、立向姿勢溶接は１．２ｍｍとした。

溶接は、９％Ｎｉ低温用鋼の板厚１６ｍｍを用い、ＪＩＳＺ３３３３の溶接継手の曲げ試験片採取用溶接試験体に準拠し、下向および横向姿勢溶接を行った。立向姿勢溶接については、下向姿勢溶接と同様の開先形状とした。溶接作業性は、アークの安定性、スラグの剥離性およびビード形状の評価を行った。スラグ巻込み、介在物の有無、ブローホールおよび割れの発生の有無については、溶接作業性評価に用いた溶接試験体の放射線透過試験を行い、ＪＩＳＺ３１０６による疵の像の分類に従い、第１種１類を良好とした。

溶接条件は、電極の極性をＤＣ（＋）とし、下向および横向姿勢溶接の場合、溶接電流：３００〜４００Ａ、立向姿勢溶接の場合、溶接電流：１５０〜２３０Ａとした。それらの結果を表１に纏めて示す。

表１中フラックスＮｏ．１〜５が本発明例、フラックスＮｏ．６〜１０は比較例である。本発明であるフラックスＮｏ．１〜５は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏおよび金属Ａｌの含有量が適正であるので、アークが安定し、スラグ剥離性およびビード形状が良好で、放射線透過試験結果も良好であり、極めて満足な結果であった。

比較例中フラックスＮｏ．６は、Ａｌ_２Ｏ_３が低いので、特に立向姿勢溶接においてビード形状が凸状であった。また、ＣａＦ_２が高いので、特に立向姿勢溶接においてアーク状態が不安定であった。

フラックスＮｏ．７は、Ａｌ_２Ｏ_３が高いので、スラグの剥離性が悪かった。また、ＣａＦ_２が低いので、アーク状態が不安定であった。

フラックスＮｏ．８は、ＳｉＯ_２が高いので、割れが発生した。また金属Ａｌが低いので、ブローホールが発生して放射線透過試験結果が不良であった。

フラックスＮｏ．９は、Ｎａ_２Ｏが高いので、スラグ剥離性が悪かった。

フラックスＮｏ．１０は、Ｎａ_２Ｏが低いので、立向姿勢溶接においてスラグ巻込みが発生し、介在物に起因する点状の疵が発生して放射線透過試験結果が不良であった。また金属Ａｌが高いのでスラグの剥離性も悪かった。

Claims

低温用鋼の溶接に用いるサブマージアーク溶接用フラックスにおいて、フラックス全質量に対する質量％で、
Ａｌ_２Ｏ_３：３１〜６０％、
ＣａＦ_２：１０〜４０％、
ＳｉＯ_２：１〜１０％、
Ｎａ_２Ｏ：０．１〜５％、
金属Ａｌ：０．１〜５％、
ＭｇＯ：０．１〜２０％、
ＣａＣＯ _３：１〜１８％、
ＣａＯ：１〜２０％、
金属Ｍｎ：０．１〜５％
を含有し、その他は不可避不純物であることを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス。
Ｎｉを６０質量％以上含むワイヤと請求項１記載のフラックスを組合せて溶接することを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。