JP7448433B2 - サブマージアーク溶接用フラックス、サブマージアーク溶接方法、及びサブマージアーク溶接用フラックスの製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1及び2には、フラックスを構成する成分の含有量を特定すると共に、MgO含有量と、Al2O3、CaF2換算値及びTiO2の総含有量との比を特定の範囲にすることにより、溶接電流が交流式及び直流式のいずれであっても、溶接作業性が良好となることが開示されている。さらに、特許文献1及び2には、溶接金属中の拡散性水素量を低減できることも開示され、特許文献2ではフラックスの吸湿量を低減できることが開示されている。
上記サブマージアーク溶接用フラックスにおいて更に、フラックス全質量に対する、前記高融点酸化物の含有量は、前記CaO換算値が10質量%以下、AlのAl2O3換算値が25質量%以下、かつ前記MgO換算値、前記TiO2換算値、前記CaO換算値及び前記Al2O3換算値が、30≦(MgO換算値+0.67TiO2換算値+0.92CaO換算値+0.74Al2O3換算値)≦50の関係を満たしてもよい。
上記サブマージアーク溶接用フラックスにおいて更に、前記アルカリ金属酸化物換算値が、Na2O、K2O及びLi2Oからなる群より選ばれる少なくとも1種の酸化物に換算した値であってもよい。
よい。
上記サブマージアーク溶接方法において、被溶接材は、開先がU開先又はV開先の加工がなされ、開先角度が10~60°であってもよい。
本実施形態に係るサブマージアーク溶接用フラックス(以下、単に「フラックス」と称することがある。)は、フッ化物と、Mnを含む酸化物と、Caを含む酸化物と、を含み、酸化物は、融点が1800℃以上である高融点酸化物を含む。
フラックス全質量に対する含有量は、MnのMnO換算値が2~8質量%、かつ前記MnO換算値、FのCaF2換算値、CaのCaO換算値及びCO2が、1.6≦{CaF2換算値/(MnO換算値+CaO換算値+CO2)}の関係を満たす。また、酸化物の合計の含有量に対する、高融点酸化物の合計の含有量の割合(高融点酸化物の合計の含有量/酸化物の合計の含有量)は0.56以上である。
上記に加え、フラックスは融点が1800℃未満である酸化物も含むことができ、例えば、MnO、MnO2、Mn2O3、SiO2、B2O3、FeO、Fe2O3、Fe3O4、アルカリ金属酸化物等が挙げられる。
MnO換算値は、フラックスの全Mn量を、MnOに換算した値である。測定される全Mn量には、MnO2、Mn2O3などのMnO以外の成分が含まれることがあるが、これらの成分はほぼ同様の効果を有するため、全MnのMnO換算値が前述した範囲内であればよい。
MnOは、スラグの粘性及び凝固温度に影響を与え、スラグ剥離性の向上に有効な必須の成分である。MnO、MnO2及びMn2O3などの酸化物の形態の中でも、特にMnOまたはMnO2の形態で添加すると、その有用性が発揮される。
このように、MnOの含有量が多いほどスラグ剥離性が向上する。一方で、MnOの含有量を多くすると、鉄粒やポックマークが発生しやすくなることが分かった。
すなわち、溶融状態にあるスラグ中を金属粒が沈降する際に、ビード表面が溶融状態であれば鉄粒の発生を抑制することができる。ビード表面を溶融状態とするためには、スラグの凝固温度を高くする方法が挙げられる。
これに対し、MnOの融点は1785℃程度であり高融点酸化物ではない。そのため、MnOの含有量を多くし過ぎると、鉄粒が発生しやすくなるものと考えられる。
その他、吸湿性もポックマークの発生の一因となり得るものと推測され、MnOは吸湿性が高いことから、MnOの含有量を多くし過ぎると、ポックマークが発生しやすくなるものと考えられる。
CaF2換算値は、フラックスの全F量を、CaF2に換算した値である。測定される全F量には、AlF3やMgF2などのCaF2以外のフッ化物が含まれることがあるが、形態を問わず、フッ化物として、CaF2とほぼ同様の効果を有するため、全F量のCaF2換算値が前述した範囲内であればよい。
フッ化物は、ポックマーク発生の抑制やスラグの電気伝導性や流動性を高める成分である。なお、流動性に係る作用については、後述するCaOと同様、その存在量に比例するものであって、スラグの高温粘性に影響を与える成分の1つである。
MgO換算値は、フラックスの全Mg量を、MgOに換算した値である。
MgOは融点が2800℃である高融点酸化物であり、スラグ剥離性の向上に大きく寄与する。かかる効果を得るために、MgのMgO換算値での含有量は15質量%以上が好ましく、16質量%以上がより好ましく、17質量%以上がさらに好ましい。一方、多すぎるとビード形状が劣化し、スラグ巻込み、融合不良等が起こりやすく、さらにはアンダーカット等の結果も発生しやすくなる。また、スラグの凝固温度が高くなり過ぎてポックマークが発生しやすくなるおそれがある。そのため、MgO換算値は25質量%以下が好ましく、24質量%以下がより好ましく、23質量%以下がさらに好ましい。
TiO2換算値は、フラックスの全Ti量を、TiO2に換算した値である。
TiO2は融点が1870℃である高融点酸化物であり、スラグ剥離性の向上に有効な成分であると同時に、適正量の添加によりビード外観を良好に整える効果も有する。また、TiO2の一部は、溶接時の還元反応によりTiとなって溶接金属中へも添加され、靱性の向上にも寄与する。かかる効果を得るために、TiのTiO2換算値での含有量は、0超えであることが好ましく、0.1質量%以上がより好ましく、0.2質量%以上がさらに好ましい。一方、多すぎると、ビード形状が劣化したり、スラグの凝固温度が高くなり過ぎてポックマークが発生しやすくなるおそれがある。そのため、TiO2換算値は、9質量%以下が好ましく、4質量%以下がより好ましく、3.5質量%以下がさらに好ましい。
CaO換算値は、フラックスの全Ca量から、全F量から換算されるCaF2換算値に含まれるCa量を差し引いたCa量をCaOに換算した値である。
CaOは融点が2572℃である高融点酸化物であり、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高め、スラグの流動性にも影響を与える成分である。この作用は、その存在量に比例するものであって、CaのCaO換算値での含有量の下限は特に限定されないが、例えば0.5質量%以上が好ましい。一方、CaOが多すぎると溶融スラグの流動性が過大になってビード外観及びビード形状が悪化するおそれがある。また、CaOはMnOと同様に吸湿性が高いことから、CaO含有量が多すぎると、ポックマークが発生しやすくなるおそれもある。そのため、CaO換算値は、10質量%以下が好ましく、9.5質量%以下がより好ましく、9質量%以下がさらに好ましい。
Al2O3換算値は、フラックスの全Al量を、Al2O3に換算した値である。
Al2O3は融点が2072℃である高融点酸化物であり、スラグの粘性及び融点を調整する成分であり、スラグの凝固温度を高くし、溶接時のビード形状を良好にする効果がある。かかる効果を得るために、AlのAl2O3換算値での含有量は10質量%以上が好ましく、12質量%以上がより好ましく、15質量%以上がさらに好ましい。一方、多すぎるとスラグの融点が上昇しすぎて溶接時にビード形状の劣化を招くおそれがある。そのため、Al2O3換算値は25質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましい。
ZrO2換算値は、フラックスの全Zr量をZrO2に換算した値である。
ZrO2は融点が2715℃である高融点酸化物であって、スラグの粘性及び融点を調整する成分であり、スラグの凝固温度を高くし、溶接時のビード形状を良好にする効果がある。この作用は、その存在量に比例するものであって、任意の成分であり、ZrのZrO2換算値での含有量の下限は特に限定されないが、有用な作用を付与したい場合は、例えば0.5質量%以上が好ましい。一方、ZrO2が多すぎると溶融スラグの融点が過大になってビード外観及びビード形状が悪化するおそれがある。そのため、ZrO2換算値は、5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましい。
BaO換算値は、フラックスの全Ba量をBaOに換算した値である。
BaOは融点が1923℃である高融点酸化物であり、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高め、スラグの流動性にも影響を与える成分である。この作用は、その存在量に比例するものであって、任意の成分であり、BaのBaO換算値での含有量の下限は特に限定されないが、有用な作用を付与したい場合は、例えば0.5質量%以上が好ましい。一方、BaOが多すぎると溶融スラグの流動性が過大になってビード外観及びビード形状が悪化するおそれがある。そのため、BaO換算値は、5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましい。
本実施形態に係るフラックスは融点が1800℃以上の高融点酸化物を含むものである。高融点酸化物の中でも特にMgO及びTiO2の割合が大きいほどスラグ剥離性が良好となる。そのため、{(MgO換算値+TiO2換算値)/高融点酸化物の合計の含有量}で表される、高融点酸化物の合計の含有量に対する、MgO換算値及びTiO2換算値の合計の含有量の割合は、0.430以上が好ましく、0.450以上がより好ましい。一方、かかる割合が高すぎると過剰な凝固点に寄与することから、かかる割合は0.600以下が好ましく、0.545以下がより好ましい。
一方、合計の含有量が多すぎるとスラグの凝固温度が高くなり過ぎてポックマークが発生しやすくなる。そのため、これらの含有量は、(MgO換算値+0.67TiO2換算値+0.92CaO換算値+0.74Al2O3換算値)なる式で表される値が30以上が好ましく、32以上がより好ましい。また、かかる値は50以下が好ましく、45以下がより好ましい。
前記式において各高融点酸化物の含有量に掛けられている各係数は、MgOの融点2800℃を基準とした融点の比を用いて重みづけされた係数である。例えば、TiO2換算値にかけられた係数0.67とは、TiO2の融点1870℃をMgOの融点2800℃で除することで算出された値である。
(高融点酸化物の合計の含有量/酸化物の合計の含有量)で表される値は0.57以上が好ましい。また、かかる値は0.75以下が好ましい。
SiO2換算値は、フラックスの全Si量を、SiO2に換算した値である。
SiO2は、溶融スラグに適度な粘性を与えることによって、主にビード外観及びビード形状を良好に整える成分である。かかる効果を得るために、SiのSiO2換算値の含有量は8質量%以上が好ましく、11質量%以上がより好ましい。一方、多すぎるとスラグの粘性が過剰になって、スラグ剥離性の悪化を招き、かつ、スラグの焼付きが激しくなるおそれがある。そのため、SiO2換算値は20質量%以下が好ましく、19質量%以下がより好ましく、17質量%以下がさらにより好ましい。
また、SiO2は合金由来のSiO2と、鉱物及び水ガラス由来のSiO2とがあるが、Fe-Si等の合金由来から換算されたSiO2換算値は良好な機械的性能確保の点から4質量%以下が好ましく、鉱物由来及び水ガラスのSiO2換算値の合計はスラグ剥離性の点から16質量%以下が好ましい。
FeO換算値は、フラックスの全Fe量を、FeOに換算した値である。測定される全Fe量には、FeO、Fe2O3及びFe3O4などの、金属粉として添加されるFe以外の成分が含まれることがあるが、全Fe量のFeO換算値が前述した範囲内であればよい。金属粉として添加されるFeの一例としてFe-Siが挙げられ、主に溶接金属の脱酸現象を促進する効果を有する。
FeOは、耐ポックマーク性を高める効果がある。この作用はその存在量に比例するものであって、FeのFeO換算値は、下限は特に限定されないが、例えば0.5質量%以上が好ましい。一方、多すぎるとスラグの凝固温度へ影響を与え、ビード外観、ビード形状及びスラグ剥離性が劣化するおそれがある。そのため、FeO換算値は5質量%以下が好ましく、4質量%以下がより好ましい。
B2O3換算値は、フラックスの全B量を、B2O3換算に換算した値である。
B2O3は、溶接金属の靱性を向上させる効果を有する。Bを含む場合には、BのB2O3換算値の含有量は0.1質量%以上が好ましい。一方、多すぎると溶融金属を硬化させて靱性がかえって低下することから、B2O3換算値は1質量%以下が好ましく、0.5質量%以下がより好ましい。
アルカリ金属元素は、主に溶接時のアーク安定性とフラックスの吸湿特性に影響を与える成分であり、この作用はその存在量に比例する。任意の元素であり、アルカリ金属元素のアルカリ金属酸化物換算値の合計量は、その下限は特に限定されないが、有用な作用を付与したい場合は1質量%以上が好ましい。一方、アルカリ金属酸化物換算値の合計量が過剰になるとフラックスの吸湿特性が劣化するとともに、アークが強くなり過ぎて不安定となり、ビード外観及びビード形状が劣化するおそれがある。そのため、アルカリ金属酸化物換算値合計量は5.0質量%以下が好ましく、4.5質量%以下がより好ましい。
Na2O換算値、K2O換算値及びLi2O換算値はいずれも、JIS M 8852:1998に準拠して得たフラックスの結合剤(バインダ)由来を含む全Na、K又はLi量を、それぞれNa2O、K2O又はLi2Oで換算した値である。測定される全Na、K又はLi量には、NaAlSi3O8、KAlSi3O8又はLiAlSi3O8等が含まれることがあるが、同様の効果を有するため、Na2O換算値、K2O換算値及びLi2O換算値の合計量が前述した範囲内であればよい。
CO2は主にCaCO3やBaCO3等の炭酸塩に由来する成分であり、溶接時に炭酸塩が分解して発生するCO2ガスを示す。CO2ガスは、溶接部を外気からシールドすると共に、H2ガスやN2ガス等の不純物ガスの分圧を低下させるため、溶接金属中への侵入防止に有効な成分であり、この作用はその存在量に比例する。任意の成分であり、CO2の含有量の下限は特に限定されないが、有用な作用を付与したい場合は0.5質量%以上が好ましい。一方、多すぎるとポックマークの発生の原因となり、耐ポックマーク性が劣化するおそれがある。そのため、CO2含有量は6.0質量%以下が好ましく、5.0質量%以下がより好ましく、4.5質量%以下がさらにより好ましい。
本実施形態に係るフラックスにおける上記以外の成分は、P及びS等の不可避的不純物であり、溶接品質に影響するため、P及びSはそれぞれ0.05質量%以下に規制することが好ましい。
また、本発明の効果を損なわない範囲において、その他の元素を含んでもよい。その他の元素としては、Ni、Cr、Mo、Nb、VやC等が挙げられる。これらその他の元素は、合計で5.0質量%以下であることが好ましい。
すなわち、不可避的不純物及びその他の元素を除いた、上記成分の合計は通常、90質量%以上であり、95質量%以上が好ましい。
本実施形態に係るフラックスにおいて、MnO換算値で表されるMnはスラグ剥離性を向上する成分である一方で、その吸湿性によりポックマークの発生を誘発する。同様に、CaO及びCO2もポックマークの発生を誘発する傾向のある成分である。一方、CaF2換算値で規定されるフッ化物は、ポックマークの発生を抑制する成分である。
そこで、{CaF2換算値/(MnO換算値+CaO換算値+CO2)}で表される含有量の比を1.6以上とすることにより、ポックマークの発生が好適に抑制される。
かかる比は1.8以上が好ましい。一方、値が高すぎると、スラグの流動性が高くなりすぎてビード形状が劣化するおそれがあることから、その値は9.0以下が好ましく、7.0以下がさらに好ましい。
本実施形態に係るフラックスを製造する場合は、例えば、前記<フラックス>に記載した組成となるように原料粉を配合して結合剤と共に混練する工程、次いで造粒する工程、得られた原料由来の造粒物を焼成する工程をこの順に含む。
混練する工程における結合剤(バインダ)としては、例えば、ポリビニルアルコールや水ガラスを使用することができる。
造粒する工程における造粒法は、特に限定されるものではないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機などを用いる方法が好ましい。
造粒後の焼成は、ロータリーキルン、定置式バッチ炉及びベルト式焼成炉などで行うことができる。その際の焼成温度は、フラックスの吸湿特性の観点から、400~950℃とすることが好ましく、450℃以上がより好ましい。
本実施形態に係る溶接方法は、前記<フラックス>に記載した組成範囲を満たすフラックスを用いてアーク溶接を行うサブマージアーク溶接方法である。
かかる溶接方法は、施工困難な溶接の一つである開先溶接、特に狭開先溶接に非常に有用である。すなわち、母材やワークと称される被溶接材の開先の形状は特に限定されないが、U開先又はV開先の加工がなされたものであることがより好ましい。
U形開先においては、U開先のルート半径は、溶接欠陥防止の観点からR2以上が好ましく、R5以上がより好ましい。また、ルート半径は、溶接効率の点から、R10以下が好ましく、R8以下がより好ましい。ルート半径とは、JIS Z 3001-1:2018にて定義されている溶接用語である。
表1及び表2に記載の組成となるように原料を配合し、結合剤である水ガラスと共に混練した後、造粒し、150~250℃(実体温度)で予備乾燥後、さらにロータリーキルンを用いて450~550℃(実体温度)℃で焼成、粒度調整することにより、試験例1~18にかかるフラックスを作製した。なお、試験例1~19にかかるフラックスが実施例、試験例20~29にかかるフラックスが比較例である。
また、表1において、CO2における「-」なる表記は、0.5質量%以下を意味し、BのB2O3換算値における「-」なる表記は、0.1質量%以下を意味する。
鋼板:C 0.16質量%、Si 0.30質量%、Mn 1.30質量%、P 0.007質量%、S 0.001質量%、残部 Fe及び不可避的不純物
板厚:25mm
開先深さ:15mm
ルートギャップ:0mm
開先形状:U形開先
開先角度:16°
ルート半径:R8
[ワイヤ]
ワイヤの種類:JIS Z 3351:2012 YS-S6に準拠
ワイヤ径:4.0mm
[溶接条件]
溶接電流:650A
溶接電圧:30V
溶着速度:65cm/分
積層方法:1層1パス
各評価方法及び評価基準は以下のとおりである。総合評価としては、スラグ剥離性、鉄粒及びポックマークの各評価結果のうち、どれか1項目でも不合格となった場合、フラックスとして適用範囲外であり不合格と判断される。
スラグ剥離性は、スラグ除去の容易さについて、下記のとおり評価するが、A及びBが合格であり、Cが不合格である。結果を表2の「スラグ剥離」に示す。
A:溶接直後に溶接スラグが自然剥離する。
B:ハンマー等の治具でスラグを叩くと溶接スラグが剥離する。
C:ハンマー等の治具でスラグを叩いても溶接スラグが剥離せず、ビード上に溶接スラグの焼き付きが残る。
ビード表面における鉄粒の発生を目視により確認した。発生率について、下記のとおり評価するが、A及びBが合格であり、C及びDが不合格である。結果を表2の「鉄粒」に示す。
A:ビード表面に鉄粒の発生がない。
B:ビード表面における溶接長750mmあたりの鉄粒発生数が1個又は2個である。
C:ビード表面における溶接長750mmあたりの鉄粒発生数が3個以上9個以下である。
D:ビード表面における溶接長750mmあたりの鉄粒発生数が10個以上である。
ビード表面におけるポックマークの発生を目視により確認した。発生率について、下記のとおり評価するが、A~Cが合格であり、Dが不合格である。結果を表2の「ポックマーク」に示す。
A:ビード表面にポックマークの発生がない。
B:ビード表面における溶接長750mmあたりのポックマーク発生数が1個又は2個である。
C:ビード表面における溶接長750mmあたりのポックマーク発生数が3個以上5個以下である。
D:ビード表面における溶接長750mmあたりのポックマーク発生数が6個以上である。
特に、試験例1~6、10~12、14~16については、スラグ剥離性、鉄粒及びポックマークの評価のうち2項目以上がAの評価結果となり、サブマージアーク溶接に用いるフラックスとして非常に良好であった。
Claims (9)
- サブマージアーク溶接に用いるフラックスであって、
フッ化物と、Mnを含む酸化物と、Caを含む酸化物と、炭酸塩と、を含み、
前記酸化物は、融点が1800℃以上である高融点酸化物を含み、
フラックス全質量に対する含有量は、
MnのMnO換算値が2~8質量%、
CO2が0.5質量%以上、かつ
前記MnO換算値、FのCaF2換算値、CaのCaO換算値及び前記CO2が、1.6≦{CaF2換算値/(MnO換算値+CaO換算値+CO2)}の関係を満たし、
前記酸化物の合計の含有量に対する、前記高融点酸化物の合計の含有量の割合(高融点酸化物の合計の含有量/酸化物の合計の含有量)が0.56以上である、サブマージアーク溶接用フラックス。 - 前記高融点酸化物は、MgO及びTiO2の少なくとも一方を含み、
フラックス全質量に対する含有量は、
MgのMgO換算値が25質量%以下、かつ
TiのTiO2換算値が9質量%以下であり、
前記高融点酸化物の合計の含有量に対する、前記MgO換算値及び前記TiO2換算値の合計の含有量の割合{(MgO換算値+TiO2換算値)/高融点酸化物の合計の含有量}が0.430以上である、請求項1に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。 - フラックス全質量に対する、前記高融点酸化物の含有量は、
前記CaO換算値が10質量%以下、
AlのAl2O3換算値が25質量%以下、かつ
前記MgO換算値、前記TiO2換算値、前記CaO換算値及び前記Al2O3換算値が、30≦(MgO換算値+0.67TiO2換算値+0.92CaO換算値+0.74Al2O3換算値)≦50の関係を満たす、請求項2に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。 - フラックス全質量に対する、融点が1800℃未満である酸化物の含有量は、
SiのSiO2換算値が20質量%以下、
FeのFeO換算値が5質量%以下、
BのB2O3換算値が1質量%以下、かつ
アルカリ金属元素のアルカリ金属酸化物換算値が5.0質量%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。 - 前記アルカリ金属酸化物換算値が、Na2O、K2O及びLi2Oからなる群より選ばれる少なくとも1種の酸化物に換算した値である、請求項4に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。
- フラックス全質量に対する含有量は、
前記CaF2換算値が20質量%以上、かつ
前記CO2が6.0質量%以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載のサブマージアーク溶接用フラックス。 - フラックスを用いてアーク溶接を行うサブマージアーク溶接方法であって、
前記フラックスは、
フッ化物と、Mnを含む酸化物と、Caを含む酸化物と、炭酸塩と、を含み、
前記酸化物は、融点が1800℃以上である高融点酸化物を含み、
フラックス全質量に対する含有量は、
MnのMnO換算値が2~8質量%、
CO2が0.5質量%以上、かつ
前記MnO換算値、FのCaF2換算値、CaのCaO換算値及び前記CO2が、1.6≦{CaF2換算値/(MnO換算値+CaO換算値+CO2)}の関係を満たし、
前記酸化物の合計の含有量に対する、前記高融点酸化物の合計の含有量の割合(高融点酸化物の合計の含有量/酸化物の合計の含有量)が0.56以上であるものを用いる、サブマージアーク溶接方法。 - 被溶接材は、開先がU開先又はV開先の加工がなされ、開先角度が10~60°である、請求項7に記載のサブマージアーク溶接方法。
- サブマージアーク溶接に用いるフラックスの製造方法であって、
原料由来の造粒物を400~950℃で焼成する工程を含み、
前記焼成する工程後のフラックスは、
フッ化物と、Mnを含む酸化物と、Caを含む酸化物と、炭酸塩と、を含み、
前記酸化物は、融点が1800℃以上である高融点酸化物を含み、
フラックス全質量に対する含有量は、
MnのMnO換算値が2~8質量%、
CO2が0.5質量%以上、かつ
前記MnO換算値、FのCaF2換算値、CaのCaO換算値及び前記CO2が、1.6≦{CaF2換算値/(MnO換算値+CaO換算値+CO2)}の関係を満たし、
前記酸化物の合計の含有量に対する、前記高融点酸化物の合計の含有量の割合(高融点酸化物の合計の含有量/酸化物の合計の含有量)が0.56以上である、サブマージアーク溶接用フラックスの製造方法。
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