JP5361516B2

JP5361516B2 - 硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP5361516B2
Application number: JP2009107708A
Authority: JP
Inventors: 真吾大泉; 州司郎長島; 俊彦水田
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010253516A

Description

本発明は、硬化肉盛溶接に使用され、ブローホール、ピットの発生および溶接割れなどの溶接欠陥がなく高品質な溶着金属が得られ、溶接中のスパッタの発生およびスラグの生成量が少なく、フラットなビード形状が得られる硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。

製鉄・製鋼設備や土木建設機械など産業機械の各種部品には、耐摩耗性、耐熱性、耐食性などが要求されている。それら設備を安全に運転・維持するためには、全面または部分的に磨耗や剥離して寿命を迎えた部品を交換する必要がある。しかし、これらを廃棄して新たに作製すると償却費、作製費が膨大となりコスト高となる。磨耗や剥離した部位の補修手段として硬化肉盛溶接方法が広く採用されている。補修の硬化肉盛溶接は、従来から被覆アーク溶接棒が用いられてきたが、一般には設備作製時から部品表面に硬化肉盛溶接を施して高品質な肉盛層を形成させ長寿命化を図っている。また、溶接施工の高能率化の観点からセルフシールドアーク溶接方法、サブマージアーク溶接方法およびガスシールドアーク溶接方法での施工が一般的になってきている。

硬化肉盛溶接の技術は、例えば、特許文献１に高クロム鉄系の溶接材料で、高硬度で高耐剥離性が得られるサブマージ溶接材料について開示されている。しかし、サブマージ溶接の特性上多量のスラグが発生してスラグ除去のため常時人員を配置しての廃棄作業が必要となる。また、高電流での溶接は長時間の溶接を余儀なくされる圧延ロール等の肉盛溶接では、電力の消費が大きくなるなどコスト高となる。

一方、特許文献２には、ガスシールアーク溶接における硬化肉盛用フラックス入りワイヤが開示されている。しかし、Ｂを添加しているため溶接割れの懸念は拭えない。また、スパッタが多量発生して溶接作業者の身体的負担になるばかりか、部品にスパッタが付着した場合は施工を中断して除去作業を強いられ溶接作業能率の低下を招く。さらに、形成されるビードも凸状になりやすく多パス多層盛の溶接を行うと、融合不良や溶け込み不良などの溶接欠陥が発生しやすく肉盛溶着金属の品質を劣化させるという問題もある。

特開平９−１２２９７９号公報特開平１１−１９７８７７号公報

本発明は、硬化肉盛溶接に使用され、ブローホール、ピットの発生および溶接割れなどの溶接欠陥がなく高品質な溶着金属が得られ、溶接中のスパッタの発生およびスラグの生成量が少なく、フラットなビード形状が得られる硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ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フラックス入りワイヤを種々試作して、肉盛溶接に適用してアーク状態、スラグ生成量、ビード形状、溶着金属中の溶接欠陥の有無および溶着金属の硬さに及ぼす各成分組成の影響を調べた。

その結果、メタル系フラックス入りワイヤとすることによってスラグ生成量を低減し、ＣｒおよびＣ量の調整さらにＮｉの添加により溶着金属の安定した硬さが得られ、またＳｉおよびＭｎ量の調整さらにＴｉの添加によって良好なビード形状が得られ、さらにアルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物および／またはアルカリ土類金属合金の適量添加によってアークが極めて安定してスパッタ発生量を低減することを見出して、本発明を完成した。

本発明の要旨は、鋼製外皮内にフラックスを充填してなる硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、鋼製外皮およびフラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、
Ｃｒ：１１〜１５％、
Ｃ：０．０４〜０．１５％、
Ｓｉ：０．３〜１．５％、
Ｍｎ：０．４〜１．５％、
但し、
Ｍｎ／Ｓｉ：２以下、
Ｎｉ：１．５〜４．０％、
Ｌｉ、ＮａまたはＫのアルカリ金属化合物の１種または２種以上のアルカリ金属換算値の合計：０．００３〜０．００５％、
ＣａまたはＳｒのアルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金の１種または２種のアルカリ土類金属換算値の合計：０．０７〜０．１２％
を含有し、残部は鋼製外皮のＦｅ分、合金鉄のＦｅ分および不可避的不純物からなることを特徴とする。

さらに、質量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．３５％を含有することも特徴とする硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにある。

本発明の硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、硬化肉盛溶接に使用され、ブローホール、ピットの発生および溶接割れなどの溶接欠陥がなく高品質な溶着金属が得られ、溶接中のスパッタの発生およびスラグの生成量が少なく、フラットなビード形状が得られる硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することができる。

フラックス入りワイヤの断面形状例を示す図である。本発明の実施例におけるビード形状のフランク角θの測定方法を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明は、メタル系フラックス入りワイヤとすることによってスラグ生成量を低減し、ＣｒおよびＣ量の調整さらにＮｉの添加により溶着金属の安定した硬さが得られ、またＳｉおよびＭｎ量の調整さらにＴｉの添加によって良好なビード形状が得られ、さらにアルカリ金属化合物およびアルカリ土類金属化合物および／またはアルカリ土類金属合金の適量添加によってアークが極めて安定してスパッタ発生量を低減することを見出し、硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成を決定したものである。

まず、本発明の硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由について説明する。ここで、成分についての％は質量％を意味する。

Ｃｒ：１１〜１５％
Ｃｒは、溶着金属の硬さを確保するための主要な元素である。また、形成された溶着金属が連続鋳造ラインの圧延ロールのような高温および酸化環境での使用を想定した場合、高温強度および耐食性を確保する上でも必須である。Ｃｒが１１％未満であると、この効果が期待できない。一方、１５％を超えると、溶着金属の延性が低下して溶接割れが発生しやすくなる。

Ｃ：０．０４〜０．１５％
Ｃは、Ｃｒと炭化物を生成して溶着金属の硬さを高める効果がある。Ｃが０．０４％未満であると、溶着金属の硬さが低くなる。一方、０．１５％を超えると、溶着金属の延性が低下して溶接割れが発生しやすくなる。また、微小なブローホールが発生する。

Ｓｉ：０．３〜１．５％
Ｓｉは、脱酸剤として効果があり、アークの安定性やビード形状を良化させる作用も有する。Ｓｉが０．３％未満であると、アークが不安定でブローホールやピットが発生しやすくなる。一方、１．５％を超えると、酸化物として粒界に偏析して脆弱化させて延性が低下して溶接割れが発生しやすくなる。

Ｍｎ：０．４〜１．５％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として効果があり、高融点のＭｎＳを形成して高温割れ抑制にも有効である。Ｍｎが０．４％未満では、割れが生じたり、ブローホールやピットが発生したりしやすくなる。一方、１．５％を超えると、ビード形状が凸になりやすくなる。

Ｍｎ／Ｓｉ：２以下
Ｍｎ／Ｓｉは、ビード形状に大きく影響する。Ｍｎ／Ｓｉが２を超えるとビード形状が凸となる。

Ｎｉ：１．５〜４．０％
Ｎｉは、溶着金属組織のマトリックスを安定させ溶着金属の硬さを安定させる効果がある。Ｎｉが１．５％未満では、溶着金属の硬さが低くなる。一方、４．０％を超えると、マルテンサイトに比べ軟質なオーステナイトが析出して硬さが低下する。また、Ｐ、Ｓ等の割れに有害な微量成分の偏析を促進して溶接割れが発生しやすくなる。

アルカリ金属化合物の１種または２種以上のアルカリ金属換算値の合計：０．００３〜０．００５％
アルカリ金属化合物は、微量でアークの安定性とアーク集中性を高める効果がある。アルカリ金属化合物の１種または２種以上のアルカリ金属換算値の合計が０．００３％未満では、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、０．００５％を超えると、アークの集中性が強すぎてスパッタ発生量が多くなる。

アルカリ金属は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等があり、ＬｉＦおよびＮａＦ等の弗素化合物、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ等の酸化物、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃およびＫ₂ＣＯ₃等の炭酸塩の形態で添加する。いずれの形態で添加しても同様の効果が得られる。

アルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金の１種または２種以上のアルカリ土類金属換算値の合計：０．０７〜０．１２％
アルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金は、アルカリ金属化合物と同様にアーク安定性を高めるほか、脱酸効果がある。アルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金の１種または２種以上のアルカリ土類金属換算値の合計が０．０７％未満であると、アークが不安定でブローホールやピットが発生しやすくなる。一方、０．１２％を超えると、スラグ生成量が多くなる。

アルカリ土類金属は、Ｃａ、Ｓｒ等があり、ＣａＦ _２、ＳｒＦ _２等の弗素化合物、Ｃａ−Ｓｉ、Ｃａ−Ｎｉ等の合金、ＣａＣＯ_３およびＳｒＣＯ_３等の炭酸塩の形態で添加する。いずれの形態で添加しても同様な効果が得られる。

Ｔｉ：０．０５〜０．３５％
Ｔｉは、脱酸効果があり、アーク安定性およびビード形状を良化させる作用もあるので、選択的に添加することができる。Ｔｉが０．０５％未満では、これら効果は不十分である。一方、０．３５％を超えると、アーク吹付け力が過剰となりスパッタ発生量が多くなるとともにスラグ生成量が増加する。
なお、本発明の硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいては、上記成分以外の成分組成は特に規定されない。従って溶着金属の硬さ、耐食性および溶接作業性を考慮してＭｏ、Ｖ、Ｎｂ等の組成を種々に調整できる。しかし、高温割れを助長するＰおよびＳはできるだけ少ないのが好ましく、Ｐ＋Ｓで０．０４５％以下であることが好ましい。

フラックスの充填率は特に限定はしないが、溶接作業性の安定および溶接金属の機械的性質を考慮して、ワイヤ全質量対し１８％以上、ワイヤ製造時の断線等を防止するため２８％以下であることが好ましい。

溶接時のシールドガスは、スラグ生成量を低減するためにＡｒ−５〜２５％の混合ガスとする。

また、フラックス入りワイヤの断面形状例を図１に示す。図１（ａ）の形状例に示すように、外皮１内にフラックス２を内包した合わせ目３がなくとも、また、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように合わせ目３がある形状のフラックス入りワイヤであっても、本発明ではいずれも使用することができる。

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に示す化学成分の鋼製外皮を用いて、表２に示す成分のメタル系フラックス入りワイヤを各種試作した。ワイヤ径は１．６ｍｍであり、またフラックス充填率は１８〜２８％とした。

表２のワイヤと表３に示すＪＩＳＧ３１０６ＳＭ４９０Ａ鋼板（板厚２０ｍｍ）を用いて溶接作業性、溶着金属の溶接欠陥および硬さを調査した。

溶接作業性評価試験は、下向き姿勢溶接のビードオンプレートで、表４に示す溶接条件にて行った。なお、溶接作業性は、アークの安定性、スパッタの発生量、スラグ生成量およびビード形状を観察することにより評価した。スパッタ発生量は、スパッタの飛散状況および母材へのスパッタ付着状況より評価した。また、ビード形状については、図２に示す母材４表面から母材４と溶接金属５との接点から溶接金属５表面に沿って引いた接線６とのフランク角θを測定し、フランク角θが１２０°以上を良好とした。

溶着金属の溶接欠陥評価試験は、表３に示すＳＭ４９０Ａ鋼板を使用し、ＪＩＳＺ３１１４に準拠し、下向き溶接姿勢で表４に示す溶接条件にて４層肉盛溶接を行った。溶接割れの評価は、溶着金属表面を２ｍｍ切削し、浸透深傷試験を実施し、溶接割れがないものを良好と評価した。ブローホールおよびピットの評価は、溶着金属の断面を目視にて観察し、ブローホールおよびピットが観察されていないものを良好と評価した。
溶着金属の硬さ評価試験は、溶接欠陥評価後の試験板をＪＩＳＺ３１１４およびＪＩＳＺ２２４４に準拠してビッカース硬さを測定し、１０点の平均が３５０〜５００Ｈｖを良好とした。

表２および表５中ワイヤ記号Ｓ１〜Ｓ１０が本発明例、ワイヤ記号Ｓ１１〜Ｓ１９は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｓ１〜Ｓ１０は、メタル系フラックス入りワイヤの各成分組成量が適正であるので、アークが安定でスパッタ発生量およびスラグ生成量が少なく、ビード形状もフランク角度θが大きく良好で溶接作業性が良好で、溶接割れおよびブローホールやピットなどの溶接欠陥がなく、溶着金属の硬さも高く極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｓ１１は、Ｃが多いので割れおよびブローホールが生じた。また、アルカリ金属化合物のアルカリ金属換算値の合計量が多いのでスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｓ１２は、Ｃが少ないので硬さが低かった。また、Ｍｎ／Ｓｉが高いのでビード形状が凸でフランク角θが小さかった。

ワイヤ記号Ｓ１３は、Ｓｉが多いので割れが生じた。また、Ｔｉが多いのでスパッタ発生量およびスラグ生成量が多かった。

ワイヤ記号Ｓ１４は、Ｓｉが少ないのでアークが不安定でビード形状が凸でフランク角θが小さくブローホールも発生した。また、Ｎｉが多いので硬さが低かった。

ワイヤ記号Ｓ１５は、Ｍｎが少ないので割れおよびブローホールが生じた。また、Ｔｉが少ないのでアークがやや不安定でビード形状がやや凸でフランク角θもやや小さかった。

ワイヤ記号Ｓ１６は、Ｃｒが多いので割れが生じた。また、アルカリ金属化合物のアルカリ金属換算値の合計量が少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量も多かった。

ワイヤ記号Ｓ１７は、Ｃｒが少ないので硬さが低かった。また、Ｍｎが多いのでビード形状が凸でフランク角θが小さかった。

ワイヤ記号Ｓ１８は、Ｎｉが少ないので硬さが低かった。また、アルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金のアルカリ土類金属換算値の合計量が多いのでスラグ生成量が多かった。

ワイヤ記号Ｓ１９は、Ｍｎ／Ｓｉが高いのでビード形状が凸でフランク角θが小さかった。また、アルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金のアルカリ土類金属換算値の合計量が少ないのでアークが不安定でブローホールも生じた。

１外皮
２フラックス
３合わせ目
４母材
５溶接金属
６接線
θ フランク角

Claims

鋼製外皮内にフラックスを充填してなる硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、鋼製外皮およびフラックス中にワイヤ全質量に対して質量％で、
Ｃｒ：１１〜１５％、
Ｃ：０．０４〜０．１５％、
Ｓｉ：０．３〜１．５％、
Ｍｎ：０．４〜１．５％、
但し、
Ｍｎ／Ｓｉ：２以下、
Ｎｉ：１．５〜４．０％、
Ｌｉ、ＮａまたはＫのアルカリ金属化合物の１種または２種以上のアルカリ金属換算値の合計：０．００３〜０．００５％、
ＣａまたはＳｒのアルカリ土類金属化合物およびアルカリ土類金属合金の１種または２種のアルカリ土類金属換算値の合計：０．０７〜０．１２％
を含有し、残部は鋼製外皮のＦｅ分、合金鉄のＦｅ分および不可避的不純物からなることを特徴とする硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．０５〜０．３５％
を含有することを特徴とする請求項１に記載の硬化肉盛用メタル系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。