JP6938361B2

JP6938361B2 - ライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP6938361B2
Application number: JP2017250385A
Authority: JP
Inventors: 佑介齋藤; 高橋　将; 将高橋; 岩立　健太郎; 健太郎岩立; 雅大渡部
Original assignee: 日鉄溶接工業株式会社
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP2019115913A

Description

本発明は、溶接作業性等の諸性能を確保すると共に特に薄鋼板の溶接においてもスラグ剥離性を向上させる上で好適なライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒に関するものである。

非低水素系被覆アーク溶接棒は、各種被覆アーク溶接棒に比べて溶接作業性に優れることから、軟鋼及び４９０ＭＰａ級高張力鋼の溶接に多く使用される。中でもライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒は、ビード外観が良好で、スパッタ発生量が少なく、再アーク性が良好であるため、車両、建築等の一般構造物に広く使用されている。

しかし、ライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒で板厚が１．２〜６ｍｍの薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部の溶接を行った場合、スラグ剥離性が不良となり、溶接作業効率が悪化してしまうという問題点がある。

このため、非低水素系被覆アーク溶接棒のスラグ剥離性の改善を図るため、従来より種々の提案がされている。例えば、特許文献１には、ライムチタニヤ系被覆アーク溶接の被覆剤中のＭｇＯ及び結晶水の含有量を規定し、ＭｇＯによってスラグの粘性を維持しつつ、結晶水から発生する水素をスラグ中に拡散させて多孔質化することで、スラグ剥離性を改善する技術が開示されている。この技術によれば、ライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒のスラグ剥離性を改善することはできるが、薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部の溶接では、十分なスラグ剥離性が得られないという問題点があった。

また特許文献２には、非低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤中の酸化鉄の合計量を極力抑えてスラグの熱膨張と収縮の差を大きくすることで、スラグ剥離性を改善する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、イルミナイト系被覆アーク溶接の被覆剤中のＮｂ₂Ｏ₅及びＶ₂Ｏ₅等を低減することでスラグ剥離性を改善する技術が開示されている。しかし、この特許文献２、３の開示技術は、いずれも薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部の溶接では、十分なスラグ剥離性は確保できないという問題点があった。

特開昭５６−７１５９７号公報特開平６−２６２３９１号公報特開２００４−２４３３５１号公報

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、溶接作業性等の諸性能を確保すると共に、薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部の溶接においても十分なスラグ剥離性を確保することが可能なライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、鋼心線に被覆剤が被覆されているライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：８〜１８％、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１０〜２５％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１０〜２５％、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：１〜５％、有機物の１種または２種以上の合計：２〜６％、ＣａＯ：１．５０超〜４．５５％、ＭｇＯ：１〜５％、Ｍｎ：２〜８％、Ｔｉ：０．０３〜０．５０％、鉄粉：２０〜４０％、硫化鉄：０．０１〜０．０５％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：０．５〜３．５％を含有し、残部が塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒である。

本発明のライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒によれば、良好な溶接作業性等の諸性能を確保でき、特に薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部の溶接においてもスラグ剥離性に優れているので、溶接作業能率の向上に大いに貢献できる。

本発明者らは、上記課題を解決するために、ライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒を作製し、薄鋼板の溶接時のスラグ剥離性等の溶接作業性について詳細に調査した。その結果、薄鋼板の溶接では、溶接熱によって加熱された鋼板が冷却されにくいので、溶融池を被包する溶融スラグの被包状態が不均一で、溶融スラグがビード表面に焼き付きやすく、スラグ剥離性が不良になることを突き止めた。そこで、ライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒の特徴である優れたビード形状や外観、再アーク性、アーク安定性等の溶接作業性及び溶接金属の機械性能を維持しながら薄鋼板の溶接時においてもスラグ剥離性を改善する方法を種々検討した結果、被覆剤中にＭｎ、Ｔｉを適量添加することで必要な溶接金属の機械性能を確保し、Ｔｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、ＣａＯ、Ｎａ化合物及びＫ化合物を適量添加することでアーク安定性を向上させてスパッタ量を低減し、Ｔｉ酸化物を適量添加することでビード形状や外観を良好にし、有機物及び鉄粉を適量添加することで再アーク性、耐棒焼け性及び耐被覆欠け性を改善し、金属炭酸塩及びＭｎを適量添加することでブローホール等の溶接欠陥を防止できることを見出した。一方、スラグ剥離性に関しては、Ｓｉ酸化物、ＭｇＯ、硫化鉄を適量添加することで溶融スラグの表面張力を下げることができ、溶融スラグが溶融池全面を均一に被包できるようになるので、スラグ焼き付きを防止でき、十分なスラグ剥離性が得られることを見出した。

以下、本発明におけるライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒の被覆剤の成分組成と、その成分組成の限定理由について詳細に説明する。なお、各成分組成の含有量は、被覆剤全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載することとする。

［金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：８〜１８％］
金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン、炭酸リチウム等から添加され、アーク中で分解してＣＯ₂ガスを発生させて溶着金属を大気から遮蔽して保護する効果を有する。金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が８％未満であると、シールド効果が不足してブローホールが発生しやすくなる。一方、金属炭酸塩の１種または２種以上の合計が１８％を超えると、アークが不安定で凸ビードとなり、スラグ剥離性も悪くなる。したがって、被覆剤中の金属炭酸塩の１種または２種以上の合計は８〜１８％とする。

［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１０〜２５％］
Ｔｉ酸化物は、ルチール、酸化チタン、チタン酸ソーダ、チタンスラグ等から添加され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びビード形状や外観を改善する効果を有する。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が１０％未満であると、アークが不安定になるとともに、スラグ流動性が悪くなってビード形状や外観が不良となる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が２５％を超えると、スラグが緻密になってスラグ剥離性が不良となる。したがって、被覆剤中のＴｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計は１０〜２５％とする。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１０〜２５％］
Ｓｉ酸化物は、珪砂、長石、水ガラス等から添加され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びスラグ剥離性を改善する効果を有する。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が１０％未満であると、アークが弱く不安定になるとともに、生成したスラグのガラス質が少なくなり、特に薄鋼板の溶接時にスラグ剥離性が不良になる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が２５％を超えると、スラグの粘性が高くなってビード形状が不良となる。したがって、被覆剤中のＳｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計は１０〜２５％とする。

［Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：１〜５％］
Ａｌ酸化物は、アルミナ、長石、珪砂、マイカ等から添加され、アークを安定にする効果を有する。Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が１％未満では、アークが弱く不安定となる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が５％を超えると、特に薄鋼板の溶接時にスラグ剥離性が不良となる。したがって、被覆剤中のＡｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計は１〜５％とする。

［有機物の１種または２種以上の合計：２〜６％］
有機物は、セルロース、デキストリン、小麦粉、澱粉、コーンスターチ等から添加され、再アーク性を改善するともに、耐被覆欠け性の改善にも有効である。有機物の１種または２種以上の合計が２％未満であると、良好な再アーク性が得られず、被覆欠けが発生しやすくなる。一方、有機物の１種または２種以上の合計が６％を超えると、アークが強くなりすぎ、ビード形状が不良となる。また、被覆剤が赤熱して棒焼けが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の有機物の１種または２種以上の合計は２〜６％とする。

［ＣａＯ：１．５０超〜４．５５％］
ＣａＯは、珪灰石、チタン酸カルシウム等から添加され、アークを安定化させ、スパッタ低減に有効である。ＣａＯが１．５０％以下では、その効果が得られず、アークが不安定となり、スパッタ量が多くなる。一方、ＣａＯが４．５５％を超えると、アークが弱くなって不安定になり、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。したがって、被覆剤中のＣａＯは１．５０超〜４．５５％とする。

［ＭｇＯ：１〜５％］
ＭｇＯは、マグネシアクリンカー等から添加され、スラグ剥離性を改善する効果を有する。ＭｇＯが１％未満では、その効果が得られず、特に薄鋼板の溶接時にスラグ剥離性が不良になる。一方、ＭｇＯが５％を超えると、スラグ自体が硬くなってビード形状が凸状になる。したがって、被覆剤中のＭｇＯは１〜５％とする。

［Ｍｎ：２〜８％］
Ｍｎは、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加され、脱酸剤として添加する他、溶接金属の強度及び靭性向上に有効である。Ｍｎが２％未満では、脱酸不足となり、ブローホールが発生しやすくなる。また、溶接金属の強度及び靭性が低下する。一方、Ｍｎが８％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。したがって、被覆剤中のＭｎは２〜８％とする。

［Ｔｉ：０．０３〜０．５０％］
Ｔｉは、金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等から添加され、脱酸剤として有効で、溶接金属中に歩留まって溶接金属のミクロ組織を微細化して靱性を向上させる働きがある。Ｔｉが０．０３％未満では、脱酸不足となって溶接金属の靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．５０％を超えると、溶接金属中のＴｉ酸化物の析出が増加して溶接金属の靱性が低下する。したがって、被覆剤中のＴｉは０．０３〜０．５０％とする。

［鉄粉：２０〜４０％］
鉄粉は、再アーク性を改善する効果を有する。鉄粉が２０％未満であると、良好な再アーク性を得ることはできない。一方、鉄粉が４０％を超えると、被覆筒が短くなってアークが不安定となるとともに、被覆の電気伝導性が過剰に高くなってサイドアークが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の鉄粉は２０〜４０％とする。

［硫化鉄：０．０１〜０．０５％］
硫化鉄は、溶融スラグの表面張力を下げて溶融池とのなじみを良好にし、溶融スラグを溶融池全面に均一に被包させることで、溶接ビード表面へのスラグ焼き付きを防止してスラグ剥離性を改善する効果を有する。硫化鉄が０．０１％未満では、その効果が得られず、特に薄鋼板の溶接においてはビード表面にスラグ焼き付きが発生してスラグ剥離性が不良となる。一方、硫化鉄が０．０５％を超えると、溶接金属の靭性が低下するとともに、高温割れが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の硫化鉄は０．０１〜０．０５％とする。

［Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：０．５〜３．５％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、水ガラス中の珪酸ソーダ、珪酸カリウム、カリ長石、カリガラス及びソーダ長石等から添加され、アーク安定性を改善する効果を有する。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が０．５％未満では、アークが不安定になる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が３．５％を超えると、再アーク性が不良になる。したがって、被覆剤中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計は０．５〜３．５％とする。

なお、本発明のライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒の被覆剤の残部には、塗装剤としてアルギン酸ソーダ、マイカ等の１種以上を合計で６％以下含有することができ、その他はＦｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物である。

また、使用する軟鋼心線は、ＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１を用いることが好ましい。さらに、軟鋼心線中のＣは、軟鋼心線全質量に対する質量％で０．０５〜０．０８％、被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％で、軟鋼心線と被覆剤の合計でＣは０．０６〜０．２０％、Ｐは靭性が低化するので０．０１０％以下であることが好ましい。また、被覆剤の軟鋼心線への被覆率（アーク溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％）は、２５〜４０％であることが好ましい。

本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

表１に示す各種成分組成の被覆剤を直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩＳＧ３５２３ＳＷＹ１１の軟鋼心線（軟鋼心線全質量に対して、Ｃ:０．０６質量％、Ｓｉ:０．０１質量％、Ｍｎ:０．４８質量％、Ｐ:０．００９質量％、Ｓ:０．００５質量％）に被覆率３６％で塗装することで被覆した後に乾燥して各種ライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒を試作した。

表１に示す試作溶接棒を使用し、スラグ剥離性等の溶接作業性及び機械性能について調査した。

溶接作業性の評価は、板厚３．２ｍｍのＪＩＳＧ３１３１ＳＰＨＣ鋼板を、Ｔ字型に組み、二次側無負荷電圧が６０Ｖの小型溶接機を使用し、溶接電流１００〜１４０Ａで水平すみ肉溶接を行い、アーク安定性、スパッタ発生状態、スラグ剥離性、ビード形状及び外観、溶接不良の有無を評価した。この溶接不良の有無は、被覆欠け、棒焼け高温割れ、サイドアーク発生の有無を調査した。

また、再アーク性は、１０秒間溶接した後、直ちにアークが発生したものを合格とし、試験本数を２０本とし、２０本中１６本合格したものを良好とした。

機械性能の評価は、板厚１６ｍｍのＪＩＳＧ３１０６ＳＭ４９０Ａを用い、ＪＩＺＺ３１１１に準じて交流溶接機で溶着金属試験を行い、引張試験片（Ａ２号）と衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して引張試験及び衝撃試験を行った。

引張試験の評価は、引張強さが４００〜５６０ＭＰａを良好とした。また、靭性の評価は、試験温度０℃でシャルピー衝撃試験を行い、各々繰り返し３回の吸収エネルギーの平均値が６０Ｊ以上を良好とした。

溶接欠陥の評価は、溶着金属試験後の試験体を、ＪＩＳＺ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、ブローホール及び融合不良等の有無を調査した。これらの調査結果を表２にまとめて示す。

表１及び表２中、溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１８は比較例である。

本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は、被覆剤中の金属炭酸塩の合計、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計、有機物の合計、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｍｎ、Ｔｉ、鉄粉、硫化鉄、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が適正であるので、アークが安定で、スパッタ量が少なく、再アーク性、スラグ剥離性及びビード外観・形状が良好であった。また、被覆欠け、棒焼け、サイドアーク等の溶接不良も発生せず、ブローホール、融合不良、高温割れもなく、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好で、極めて満足な結果であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．１０は、金属炭酸塩の合計が少ないので、溶接部にブローホールが発生した。また、ＴｉＯ₂換算値が少ないので、アークが不安定で、ビード外観・形状が不良であった。さらに、ＭｇＯが少ないので、スラグ剥離性が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１１は、金属炭酸塩が多いので、アークが不安定で、スラグ剥離性が不良となり、ビード形状も凸状であった。また、硫化鉄が多いのでクレータ割れが発生し、溶着金属の吸収エネルギーも低かった。

溶接棒Ｎｏ．１２は、ＴｉＯ₂換算値が多いので、スラグ剥離性が不良であった。また、Ｔｉが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。さらに、鉄粉が多いので、アークが不安定で、サイドアークが発生した。

溶接棒Ｎｏ．１３は、ＳｉＯ₂換算値が少ないので、アークが弱く、スラグ剥離性が不良であった。また、ＭｇＯが多いので、ビードが凸状となった。さらに、鉄粉が少ないので、再アーク性が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１４は、ＳｉＯ₂換算値が多いので、ビード形状が不良であった。また、ＣａＯが多いので、アークが弱くなり、融合不良が発生した。さらに、Ｔｉが少ないので溶着金属の吸収エネルギーが低かった。

溶接棒Ｎｏ．１５は、Ａｌ₂Ｏ₃換算値が少ないので、アークが弱かった。また、有機物が少ないので、再アーク性が不良で、被覆欠けが発生した。さらに、Ｍｎが多いので溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーも低かった。

溶接棒Ｎｏ．１６は、Ａｌ₂Ｏ₃換算値が多いので、スラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｎが少ないので溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低かった。さらに、Ｎａ₂Ｏ換算値とＫ₂Ｏ換算値の合計が少ないのでアークが不安定であった。

溶接棒Ｎｏ．１７は、有機物が多いので、アークが強く、ビード外観が不良で、棒焼けも発生した。また、Ｎａ₂Ｏ換算値とＫ₂Ｏ換算値の合計が多いので、再アーク性も不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１８は、ＣａＯ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。また、硫化鉄が少ないのでスラグ剥離性が不良であった。

Claims

鋼心線に被覆剤が被覆されているライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒において、
前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、
金属炭酸塩の１種または２種以上の合計：８〜１８％、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１０〜２５％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１０〜２５％、
Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：１〜５％、
有機物の１種または２種以上の合計：２〜６％、
ＣａＯ：１．５０超〜４．５５％、
ＭｇＯ：１〜５％、
Ｍｎ：２〜８％、
Ｔｉ：０．０３〜０．５０％、
鉄粉：２０〜４０％、
硫化鉄：０．０１〜０．０５％、
Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：０．５〜３．５％を含有し、
残部が塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒。