JP7244337B2

JP7244337B2 - エレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP7244337B2
Application number: JP2019077160A
Authority: JP
Inventors: 聖人笹木; 友勝岩上; 紀文中尾
Original assignee: 日鉄溶接工業株式会社
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: JP2020175399A

Description

本発明は、エレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、機械的性能の優れた溶接金属が得られるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。

エレクトロガスアーク溶接は、高能率に立向溶接ができることから、船舶、石油貯蔵タンク、橋梁等の幅広い分野で適用されている。

エレクトロガスアーク溶接の概略を図１及び図２に示す。図１は溶接方法の模式図、図２は鋼板の開先形状を示す図である。垂直に立てられた隣り合う２枚の鋼板１の間に、開先１０が形成される。開先１０の裏側には固定裏当材８を当接し、表側には摺動銅当金１１を当て、摺動銅当金１１の開先１０に対向する溝９と開先１０で囲まれた空間に溶接トーチ４を挿入する。そして摺動銅当金１１のガス供給ノズル５からシールドガスを供給しながら、溶接トーチ４を介して溶接用ワイヤ３を該空間に連続的に供給する。溶接台車（図示せず）に搭載された摺動銅当金１１及び溶接トーチ４は、溶接の進行により上昇する溶接金属６上面に合わせて順次上昇させる。図に示すように、溶接金属６の上部は溶融金属１２であり、２枚の鋼板１の間には開先１０裏面のルートギャップ２が形成され、摺動銅当金１１を冷却するための冷却水供給ノズル７が設けられている。

エレクトロガスアーク溶接は、高能率に立向上進溶接ができる半面、溶融金属１２上でアークを維持することから、溶融金属上に多量に溶融スラグが生成する場合、アークが不安定となり、その溶融スラグが飛び散り（以下、スラグ跳ねという。）開先面、トーチ、シールドガス吹き出し口にスラグが付着して不具合を起すことがある。

このような背景からエレクトロガスアーク溶接は、スラグ跳ねの抑制が要望され、さらに大入熱の溶接となることから、溶接金属の機械的性能、特に低温における靭性の改良が要望されている。

エレクトロガスアーク溶接で溶接金属の低温靭性を得る技術として、特許文献１に、溶接用フラックス入りワイヤを用い、鋼板の開先をＸ開先として両面から２層の溶接で溶接入熱を低くする技術の開示がある。しかし、特許文献１に記載の溶接用フラックス入りワイヤを用いて、大入熱で１パス溶接をした場合には、溶接金属の低温靭性が得られないばかりか溶接時にアークが不安定でスパッタ発生量及びスラグ跳ねが多くなるという問題点があった。

また、エレクトロガスアーク溶接における大入熱の１パス溶接で溶接金属の低温靭性を得る技術として、特許文献２や特許文献３には、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ等を含む溶接用フラックス入りワイヤを用いて板厚６０～７０ｍｍ鋼板を溶接する技術の開示がある。しかし、特許文献２及び特許文献３に記載の技術においては、溶接金属の靭性は得られるものの、溶接時にアークが不安定でスパッタ発生量及びスラグ跳ねが多くなるという問題点があった。

さらに、エレクトロガスアーク溶接において大入熱の１パス溶接で溶接作業性が良好で溶接金属の靭性を得る技術として、特許文献４には、溶接用フラックス入りワイヤ中にＮｉ、Ｍｏ（Ｃｒ）、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｆ、Ｋ等を適量含有する技術の開示がある。しかし、特許文献４に記載の技術においても、溶接時にアークが不安定でスパッタ発生量及びスラグ跳ねが多くなり、溶接金属の低温靭性も十分ではないという問題点があった。

特開平４－２７９２９５号公報特開平９－２８５８９１号公報特開２００９－８２９４７号公報特開２００８－1２６２６２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、厚鋼板の大入熱１パス溶接において、アークが安定するなど溶接作業性が良好で、低温靭性に優れた溶接金属が得られるエレクトロガス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。

本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｃ：０．００５～０．０５％、Ｓｉ：０．３～１．１％、Ｍｎ：１．８～３．３％、Ｍｏ：０．２～０．８％、Ｔｉ：０．０５～０．２２％、Ｂ：０．００４～０．０２０％を含有し、Ａｌ：０．０１％以下であり、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計：０．２～０．５％、金属酸化物の１種又は２種以上の合計：０．１～０．４％、金属弗化物のＦ換算値の合計：０．０５～０．４０％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計：０．０５～０．４０％、鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計：１５～２５％を含有し、残部は鋼製外皮のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにある。

本発明のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、厚鋼板の大入熱１パス溶接において、アークが安定してスパッタ発生量やスラグ跳ねが少なく、ビード外観が良好であるなど溶接作業性が良好で、低温靭性に優れた溶接金属が得られ、高品質な溶接部を高能率に提供することができる。

エレクトロガスアーク溶接の溶接方法の模式図である。鋼板の開先形状を示す図である。

本発明者らは、厚鋼板の大入熱１パス溶接におけるエレクトロガスアーク溶接において、アークが安定してスパッタ発生量やスラグ跳ねが少なく、溶接金属の機械的性能に優れるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成について詳細に検討した。

その結果、アークの安定性は、Ｃ、金属炭酸塩のＣＯ₂換算値の合計、金属弗化物のＦ換算値の合計、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計と鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計を適量とすることによって良好となる。また、スラグ跳ねの防止は、金属炭酸塩のＣＯ₂換算値の合計、金属酸化物の合計及び鉄粉中のＦｅ分と鉄合金中のＦｅ分の合計を適量とすることによってなし得ることを見出した。ビード外観は、金属酸化物の合計及び金属弗化物のＦ換算値の合計を適量とすることによって良好となる。

溶接金属の機械的性能は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ及びＢを適量とし、Ａｌを少なくすることによって、強度及び低温靭性に優れた溶接金属が得られることを見出した。

以下、本発明のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成及びその含有量と、各成分組成の限定理由について説明する。なお、成分組成の含有量は質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載して表すこととする。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＣ：０．００５～０．０５％］
Ｃは、溶接金属の強度を確保する。Ｃが０．００５％未満では、十分な溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．０５％を超えると、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＣは０．００５～０．０５％とする。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから鉄粉、金属粉及び合金粉等から添加できる。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉ：０．３～１．１％］
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。Ｓｉが０．３％未満では、その効果が得られず、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｓｉが１．１％を超えると、溶接金属中にＳｉが過剰に歩留まり、溶接金属の強度が高くなり低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．３～１．１％とする。なお、Ｓｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎ：１．８～３．３％］
Ｍｎは、脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度と低温靱性を向上させる効果がある。Ｍｎが１．８％未満では、溶接金属の低温靭性が低下するとともに、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎが３．３％を超えると、溶接金属の強度が高くなって低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎは１．８～３．３％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＭｏ：０．２～０．８％］
Ｍｏは、溶接金属の強度を向上させる。Ｍｏが０．２％未満では、溶接金属の強度向上効果は得られない。一方、Ｍｏが０．８％を超えると、強度が過剰に上昇し靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｏは０．２～０．８％とする。なお、Ｍｏは、鋼製外皮の含まれる成分の他、フラックスから金属Ｍｏ、Ｆｅ－Ｍｏ等の合金粉末から添加できる。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉ：０．０５～０．２２％］
Ｔｉは、脱酸剤として作用するとともに、生成したＴｉ含有酸化物が溶接金属の組織を微細化して低温靭性を向上させる効果がある。Ｔｉが０．０５％未満では、溶接金属の低温靭性を向上する効果が得られない。一方、Ｔｉが０．２２％を超えると、靭性を阻害する上部ベイナイト組織を生成し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０５～０．２２％とする。なお、Ｔｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ－Ｔｉ等の合金粉末から添加できる。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＢ：０．００４～０．０２０％］
Ｂは、微量の添加で溶接金属の組織を微細化して低温靱性を向上させる効果がある。Ｂが０．００４％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０２０％を超えると、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００４～０．０２０％とする。なお、Ｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｂ、Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｂ等の合金粉末から添加できる。

［鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌ：０．０１％以下］
Ａｌは、鋼製外皮及び鉄合金に微量含有される。これらＡｌが０．０１％を超えると、溶接時に酸化してＡｌ₂Ｏ₃となって溶接金属中に歩留って靭性を低下する。したがって、Ａｌは０．０１％以下とする。なお、Ａｌは、必須の元素ではなく、含有率が０％とされてもよい。

［フラックス中の金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計：０．２～０．５％］
金属炭酸塩は、溶接時に分解してＣＯ₂ガスを発生してアークを安定にする。また、発生したガスはシールドガスを補助し、野外等の作業環境の悪いところのシールド不足による欠陥の防止や窒素混入による靭性の低下を防止する。金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が０．２％未満であると、その効果が十分得られず、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。また、シールド不足で溶接金属の靭性が低下しやすくなる。一方、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が０．５％を超えると、金属炭酸塩の分解によって生じた金属酸化物が多くなってスラグ跳ねの頻度が多くなる。したがって、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計は０．２～０．５％とする。なお、金属炭酸塩はＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、ＭｇＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃等を使用できる。

［フラックス中の金属酸化物の１種又は２種以上の合計：０．１～０．４％］
金属酸化物は、溶融スラグを調整してビード外観を良好にする。金属酸化物の１種又は２種以上の合計が０．１％未満であると、スラグ量が不足してビード外観が不良となる。一方、金属酸化物の１種又は２種以上の合計が０．４％を超えると、溶融プール内のスラグ量が過剰となってスラグ跳ねの頻度が多くなる。したがって、金属酸化物の１種又は２種以上の合計は０．１～０．４％とする。なお、金属酸化物はＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、ＴｉＯ₂等を使用することができる。

［フラックス中の金属弗化物のＦ換算値の合計：０．０５～０．４０％］
金属弗化物は、アークを安定にしてスパッタ発生量を少なくする。金属弗化物のＦ換算値の合計が０．０５％未満であると、この効果が得られず、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、金属弗化物のＦ換算値の合計が０．４０％を超えると、スラグの流動性が過大になってスラグが垂れやすくなり良好なビードが得られなくなる。したがって、金属弗化物のＦ換算値は０．０５～０．４０％とする。なお、金属弗化物はＣａＦ₂、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ₂、Ｋ₂ＳｉＦ₆、Ｎａ₃ＡｌＦ₆、ＡｌＦ₃等から添加でき、Ｆ換算値はこれらに含有されるＦ量の合計である。

［フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計：０．０５～０．４０％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アークを安定にしてスパッタ発生量を少なくする。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計が０．０５％未満であると、この効果が得られず、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計が０．４０％を超えると、スラグ生成量が多くなってスラグ跳ねの頻度が多くなる。したがって、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計は０．０５～０．４０％とする。なお、Ｎａ化合物及びＫ化合物はＮａ₂ＯやＫ₂Ｏ等の酸化物、ＮａＦ、Ｋ₂ＳｉＦ₆、Ｎａ₃ＡｌＦ₆等の金属弗化物から添加でき、Ｎａ換算値及びＫ換算値はこれらに含有されるＮａ換算値及びＫ換算値の合計である。

［フラックス中の鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計：１５～２５％］
鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分は、溶滴を微細にしてアークを安定させる。また、溶接用ワイヤの溶着量を多くして溶接能率を向上する効果がある。鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計が１５％未満であると、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計が２５％を超えると、フラックスの充填率が高くなりワイヤ製造時に伸線が困難となる。したがって、鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計は１５～２５％とする。

本発明のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤの残部は、鋼製外皮のＦｅ及び不可避不純物である。不可避不純物については特に限定しないが、耐高温割れ性の観点から、Ｐは０．０２０％以下、Ｓは０．０１０％以下が好ましい。

なお、本発明のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮をパイプ状に形成し、内部にフラックスを充填する構造であり、鋼製外皮の合わせ目を溶接して継目の無いタイプと、鋼製外皮の合わせ目を溶接しないでかしめる継目を有するタイプに大別できが、本発明においてはどちらも適用できる。

また、フラックス充填率は特に制限はしないが、生産性の観点から、ワイヤ全質量に対して１５～３０％とするのが好ましい。

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。

鋼製外皮としてＪＩＳＧ３１４１ＳＰＣＣを使用し、該鋼製外皮をＵ字形に成形、フラックスを充填率１５～３０％で充填してＣ字型に成形した後、鋼製外皮の合わせ目をかしめて、伸線し、表１に示す各種成分の溶接用フラックス入りワイヤを試作した。なお、試作したワイヤ径は１．６ｍｍとした。

表２に示す４９０ＭＰａ級高張力鋼（板厚５０ｍｍ）を用いて、図１及び図２に示すエレクトロガスアーク溶接で、ルートギャップ２を１０ｍｍ、開先角度を２０°とした開先１０の試験板を表３に示す溶接条件で溶接長５００ｍｍの１パス溶接を行った。

各試験時のアークの安定性、スパッタ発生量、スラグ跳ね頻度の多少及びビード外観を観察した。また、各試験板の板厚中央部より引張試験（ＪＩＳＺ２２０１Ａ２号）及び衝撃試験（ＪＩＳＺ２２０２４号）を採取して機械試験を行った。機械試験において、引張強さが５１０～６９０ＭＰａ、衝撃試験は－２０℃における吸収エネルギーが５０Ｊ以上（５本の平均）のものを良好とした。それらの結果を表４に示す。

表１及び表４中ワイヤ記号Ｗ１～Ｗ１０が本発明例、ワイヤ記号Ｗ１１～Ｗ２３は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ１～Ｗ１０は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計、金属酸化物の１種又は２種以上の合計、金属弗化物のＦ換算値の合計、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計、鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計が適量であるので、アークが安定し、スパッタ発生量が少なく、スラグ跳ねの頻度が少なく、ビード外観が良好で、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーともに良好で極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｃが少ないので、溶接金属の引張強さが低かった。また、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が少ないので、アークが不安定で溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｃが多いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、Ａｌが多いので、溶接金属の靭性が低値であった。

ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｓｉが少ないので、溶接金属の靭性が低値であった。また、金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計が多いので、溶融スラグが多くなってスラグ跳ねの頻度が多かった。

ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｓｉが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。また、金属酸化物の１種又は２種以上の合計が少ないので、ビード外観が不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｍｎが少ないので、溶接金属の引張強さが低く吸収エネルギーも低値であった。また、金属酸化物の１種又は２種以上の合計が多いので、スラグ跳ねの頻度が多かった。

ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｍｎが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。また、金属弗化物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｗ１７は、Ｍｏが少ないので、溶接金属の引張強さが低くかった。また、金属弗化物のＦ換算値の合計が多いので、ビード外観が不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｍｏが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。また、鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｔｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計が少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｗ２０は、Ｔｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計が多いので、スラグ跳ねの頻度が多かった。

ワイヤ記号Ｗ２１は、Ｂが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤ記号Ｗ２２は、Ｂが多いので、溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤ記号Ｗ２３は、鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計が多いので、ワイヤ製造時の伸線で断線が多発したので、溶接試験は中止した。

１鋼板
２ルートギャップ
３溶接用ワイヤ
４溶接トーチ
５ガス供給ノズル
６溶接金属
７冷却水供給ノズル
８固定裏当材
９摺動銅当金の溝
１０開先
１１摺動銅当金
１２溶融金属

Claims

鋼製外皮にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、
Ｃ：０．００５～０．０５％、
Ｓｉ：０．３～１．１％、
Ｍｎ：１．８～３．３％、
Ｍｏ：０．２～０．８％、
Ｔｉ：０．０５～０．２２％、
Ｂ：０．００４～０．０２０％を含有し、
Ａｌ：０．０１％以下であり、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、
金属炭酸塩の１種又は２種以上のＣＯ₂換算値の合計：０．２～０．５％、
金属酸化物の１種又は２種以上の合計：０．１～０．４％、
金属弗化物のＦ換算値の合計：０．０５～０．４０％、
Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計：０．０５～０．４０％、
鉄粉中のＦｅ分及び鉄合金中のＦｅ分の合計：１５～２５％を含有し、
残部は鋼製外皮のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。