JP7492185B1 - 被覆アーク溶接棒及び溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そして、これらNi系低温用鋼の溶接には、優れた低温靭性の溶接金属が得られるオーステナイト系の被覆アーク溶接棒が用いられている。この被覆アーク溶接棒は、主に、Ni含有量が70%で設計されている。
高価なNiは、オーステナイト安定化元素として知られているが、低廉なMnも同様の効果がある。そのため、Ni含有量を低減し、Mn含有量を高めれば、安価で、低温靭性に優れた溶接金属が得られる。ただし、Mnを高めただけではヒュームが多量に発生する。ヒュームが多くなると溶接金属やアーク状態の視認性が悪化し、溶接欠陥を発生させる要因となる。
<1> 鋼製の芯線と前記芯線を被覆するフラックスとを備える被覆アーク溶接棒であって、前記芯線の全質量に対する質量%で、前記芯線の化学成分が、
C :0~0.650%、
Si:0.03~0.50%、
Mn:2.1~30.0%、
P :0~0.050%、
S :0~0.050%、
Cu:0~5.0%、
Ni:1.0~30.0%、
Cr:0~10.0%、
Mo:0~10.0%、
Nb:0~1.00%、
V :0~1.00%、
Co:0~1.00%、
Pb:0~1.00%、
Sn:0~1.00%、
Al:0~0.10%、
Ti:0~0.10%、
B:0~0.1000%、
N :0~0.5000%、
O :0~0.0050%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
かつ前記Mn含有量及び前記Ni含有量の合計(Mn+Ni)が5.0%以上であり、
前記Mn含有量、前記Ni含有量及び前記Cr含有量の合計(Mn+Ni+Cr)が15.0%以上であり、
前記芯線における磁気誘導法により求められるfcc割合が70%以上である被覆アーク溶接棒。
<2> 前記Mn含有量と前記Ni含有量との質量比(Ni/Mn)が、0.10以上である<1>に記載の被覆アーク溶接棒。
<3> 前記質量比(Ni/Mn)が、1.00以上である<2>に記載の被覆アーク溶接棒。
<4> 前記Tiの含有量が、Ti:0.003~0.10%である<1>~<3>のいずれか1項に記載の被覆アーク溶接棒。
<5> 前記フラックスの全質量に対する質量%で、前記フラックスの化学成分が、
Ti酸化物のTiO2換算値の合計:0~25.00%、
Si酸化物のSiO2換算値の合計:0~25.00%、
Zr酸化物のZrO2換算値の合計:0~5.00%、
Al酸化物のAl2O3換算値の合計:0~5.00%、
Mg酸化物のMgO換算値の合計:0~5.00%、
Ca酸化物のCaO換算値の合計:0~25.00%、
Na酸化物のNa2O換算値の合計:0~5.00%、
K酸化物のK2O換算値の合計:0~5.00%、
CaF2:0~30.00%、
CaCO3:0~60.00%、
BaCO3:0~15.00%、
MgCO3:0~15.00%、及び
Li2CO3:0~15.00%、を含み、
前記フラックスの全質量に対する質量%で、前記フラックスの化学成分における金属成分が、
C :0.020~5.000%、
Si:0~5.00%、
Mn:0~30.00%、
P :0~0.050%、
S :0~0.050%、
Cu:0~20.0%、
Ni:0~20.0%、
Cr:0~20.0%、
Mo:0~10.0%、
Nb:0~5.00%、
V :0~5.0%、
Co:0~1.00%、
Pb:0~1.00%、
Sn:0~1.00%、
W :0~20.0%、
Mg:0~5.00%、
Al:0~5.0%、
Ca:0~5.00%、
Ti:0~5.000%、
B :0~5.0000%、
REM:0~5.00%、
Bi:0~5.000%、
N :0~5.0000%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、かつ
前記CaCO3、前記BaCO3、前記MgCO3、及び前記Li2CO3の含有量の合計が5.00%以上である<1>~<4>のいずれか1項に記載の被覆アーク溶接棒。
<6> 前記フラックスにおける前記Mn含有量及び前記Ni含有量の合計(Mn+Ni)が1.00%以上である<5>に記載の被覆アーク溶接棒。
<7> 前記Ti酸化物のTiO2換算値の合計と、前記Si酸化物のSiO2換算値の合計と、前記Zr酸化物のZrO2換算値の合計と、前記Al酸化物のAl2O3換算値の合計と、前記Mg酸化物のMgO換算値の合計と、前記Ca酸化物のCaO換算値の合計と、前記Na酸化物のNa2O換算値の合計と、前記K酸化物のK2O換算値の合計と、前記CaF2含有量と、前記CaCO3含有量と、前記BaCO3含有量と、前記MgCO3含有量と、前記Li2CO3含有量と、の和Xが94.98%以下である<5>又は<6>に記載の被覆アーク溶接棒。
<8> 前記フラックスの平均厚さが5.0mm以下である<1>~<7>のいずれか1項に記載の被覆アーク溶接棒。
<9> <1>~<8>のいずれか1項に記載の被覆アーク溶接棒を用いて、鋼材を溶接する工程を備える溶接継手の製造方法。
なお、本明細書中において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値に「超」及び「未満」が付されていない場合は、これらの数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、「~」の前後に記載される数値に「超」又は「未満」が付されている場合の数値範囲は、これらの数値を下限値又は上限値として含まない範囲を意味する。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階的な数値範囲の上限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値に置き換えてもよく、また、実施例に示されている値に置き換えてもよい。また、ある段階的な数値範囲の下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の下限値に置き換えてもよく、また、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
また、含有量について、「%」は「質量%」を意味する。
含有量(%)として「0~」は、その成分は任意成分であり、含有しなくてもよいことを意味する。
本開示に係る被覆アーク溶接棒(以下、単に「溶接棒」と称する場合がある。)は、鋼製の芯線と、芯線を被覆するフラックスとを備える。本開示に係る被覆アーク溶接棒は、芯線の化学成分が所定の組成である。
そして、本開示に係る被覆アーク溶接棒は、次の知見により見出された。
ヒュームは、溶融プールから発生した金属蒸気がアーク力によって空気中に放出され、これが固化した物である。このアーク力を制御すれば、ヒュームの発生量を低減できる。アーク力は溶接条件だけでなく、芯線の成分によって変わる。具体的には、芯線に含まれる、オーステナイト安定化元素として機能するNiおよびMnの含有量を制御することで、溶接棒全体でのNi含有量を低減し、Mn含有量を高めても、アーク力が緩和され、低温靭性に優れた溶接金属が得られると共に、ヒュームの発生量も低減できる。
以上の知見から、本開示に係る被覆アーク溶接棒は、安価で、低温靭性に優れた溶接金属が得られると共に、ヒュームの発生量が低減できる溶接棒となることが見出された。
以上の知見から、本開示に係る被覆アーク溶接棒は、酸化物、並びにMn及びNiを所定量で含むことが好ましく、これによって安価で、低温靭性により優れた溶接金属が得られると共に、ヒュームの発生量が低減できる溶接棒となることが見出された。
以下、芯線の化学成分について詳細に説明する。
なお、芯線の化学成分の説明において、「%」は、特に説明がない限り、「芯線の化学成分の全質量に対する質量%」を意味する。
C :0~0.650%、
Si:0.03~0.50%、
Mn:2.1~30.0%、
P :0~0.050%、
S :0~0.050%、
Cu:0~5.0%、
Ni:1.0~30.0%、
Cr:0~10.0%、
Mo:0~10.0%、
Nb:0~1.00%、
V :0~1.00%、
Co:0~1.00%、
Pb:0~1.00%、
Sn:0~1.00%、
Al:0~0.10%、
Ti:0~0.10%、
B:0~0.1000%、
N :0~0.5000%、
O :0~0.0050%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
かつMn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)が5.0%以上であり、
Mn含有量、Ni含有量及びCr含有量の合計(Mn+Ni+Cr)が15.0%以上であり、
前記芯線における磁気誘導法により求められるfcc割合が70%以上である。
Cは、スパッタを発生させる元素である。スパッタ低減には、芯線のC含有量は低ければ低いほど有利である。また、Cは、侵入型固溶強化元素でもある。芯線のC含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、スパッタも増大する。
よって、芯線のC含有量は、0~0.650%とする。
ただし、芯線のC含有量を0%にするには脱Cコストが上がる。また、溶接棒のC含有量が不足し、溶接金属の強度が不足する懸念がある。そのため、芯線のC含有量が低いと、フラックスのC含有量を増やさなければならない。よって、芯線のC含有量の下限は、0.003%、0.005%、又は0.008%としてもよい。
芯線のC含有量の上限は、好ましくは、0.600%、0.500%、0.400%、0.300%、0.200%、0.200%未満、0.190%、0.180%、0.150%、又は0.120%である。
Siは、脱酸元素である。芯線のSi含有量が低すぎると、芯線のP含有量が増加する。
一方、Siは、オーステナイト相に対する固溶度が低く、Siを多量に含有するほど、高温で金属間化合物、δフェライト等の脆化相が生成して高温延性が劣化する。
よって、芯線のSi含有量は、0.03~0.50%とする。
芯線のSi含有量の下限は、好ましくは、0.04%、0.05%、又は0.08%である。
芯線のSi含有量の上限は、好ましくは、0.50%未満、0.48%、0.45%、0.40%、0.35%、0.30%、又は0.20%である。
Mnは、ヒュームの発生量増大の原因となる元素である。ヒュームの発生量の低減には、芯線のMn含有量は、低ければ低いほど有利である。また、Mnを過剰に添加すると積層欠陥エネルギーが低下し、靭性が劣化する。
一方で、Mnは、オーステナイト安定化元素である。芯線のMn含有量が低すぎると、溶接棒全体のMn含有量が不足し、溶接金属のオーステナイト化が進行し難くなり、低温靭性が劣化する。また、溶接金属の低温靭性を確保するために、フラックスのMn含有量を過度に増やす必要が生じる。
よって、芯線のMn含有量は、2.1~30.0%とする。
芯線のMn含有量の下限は、好ましくは、3.0%、5.0%、5.0%超、5.2%、6.0%超、6.2%、7.0%、7.0%超、7.2%、10.0%超、又は10.2%である。
芯線のMn含有量の上限は、好ましくは、25.0%、20.0%、19.0%、18.0%、15.0%、又は12.0%である。
Pは、不純物元素であり、溶接金属の靱性を低下させるので、芯線のP含有量は極力低減させることが好ましい。よって、芯線のP含有量の下限は、0%とする。ただし、脱Pコストの低減の観点から、芯線のP含有量は、0.003%以上がよい。
一方、芯線のP含有量が0.050%以下であれば、Pの靱性への悪影響が許容できる範囲内となる。
よって、芯線のP含有量は、0~0.050%とする。
溶接金属の靱性の低下を効果的に抑制するために、芯線のP含有量は、0.040%以下、0.030%以下、0.020%以下、0.015%以下、又は0.010%以下が好ましい。
Sは、不純物元素であり、溶接金属の靱性を低下させるので、芯線のS含有量は極力低減させることが好ましい。よって、芯線のS含有量の下限は、0%とする。ただし、脱Sコストの低減の観点から、芯線のS含有量は、0.003%以上がよい。
一方、芯線のS含有量が0.050%以下であれば、Sの靱性への悪影響が許容できる範囲内となる。
よって、芯線のS含有量は、0~0.050%とする。
溶接金属の靱性の低下を効果的に抑制するために、芯線のS含有量は、0.040%以下、0.030%以下、0.020%以下、0.015%以下、又は0.010%以下が好ましい。
Cuは、析出強化元素であり、溶接金属の強度向上のため、芯線に含有させてもよい。一方、芯線のCu含有量が過剰であると、上記の効果が飽和する。また、芯線のCu含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。
よって、芯線のCu含有量は、0~5.0%とする。
芯線のCu含有量の下限は、好ましくは、0.3%、0.5%、又は0.7%である。
芯線のCu含有量の上限は、好ましくは、4.5%、4.0%、又は3.5%である。
Niは、オーステナイト安定化元素である。芯線のNi含有量が低すぎると、溶接棒全体のNi含有量が不足し、溶接金属のオーステナイト化が進行し難くなり、低温靭性が劣化する。また、溶接金属の低温靭性を確保するために、フラックスのNi含有量を過度に増やす必要が生じる。
一方、芯線のNi含有量を増やすと、溶接棒のコストが高くなる。
よって、芯線のNi含有量は、1.0~30.0%とする。
芯線のNi含有量の下限は、好ましくは、2.0%、3.0%、5.0%、6.0%超、6.2%、7.0%、8.0%超、又は8.2%である。
芯線のNi含有量の上限は、好ましくは、28.0%、26.0%、24.0%、22.0%、20.0%、19.0%、18.0%、15.0%、又は12.0%である。
Crは、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属の低温靭性向上のため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のCr含有量が過剰であると、芯線にマルテンサイト組織が形成され、芯線加工が困難になる。また、芯線のCr含有量が過剰であると、溶融金属における低融点化合物の量が増大し、さらに溶融金属の固液共存温度範囲が広がるので、高温割れを起こしやすくなる。
よって、芯線のCr含有量は、0~10.0%とする。
芯線のCr含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.02%、1.0%、2.0%、又は3.0%である。
芯線のCr含有量の上限は、好ましくは、9.0%、8.0%、8.0%未満、7.8%、7.0%、6.0%未満、又は5.8%である。
Moは、析出強化元素であり、溶接金属の強度向上のため、芯線に含有させてもよい。一方、芯線のMo含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、芯線のMo含有量が過剰であると、溶接金属の強度が過剰となり、低温靭性が低下する。
よって、芯線のMo含有量は、0~10.0%とする。
芯線のMo含有量の下限は、好ましくは、1.0%、2.0%、又は3.0%である。
芯線のMo含有量の上限は、好ましくは、9.0%、8.0%、又は7.0%である。
Nbは、溶接金属中で炭化物を形成し、溶接金属の強度を上昇させる元素であるため、芯線に含有させてもよい。
一方で、芯線のNb含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、芯線のNb含有量が過剰であると、溶接金属の高温割れが発生する懸念がある。
よって、芯線のNb含有量は、0~1.00%とする。
芯線のNb含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
芯線のNb含有量の上限は、好ましくは、0.95%、0.90%、0.85%、又は0.80%である。
Vは、溶接金属中で炭窒化物を形成し、溶接金属の強度を上昇させる元素であるため、芯線に含有させてもよい。
一方で、芯線のV含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、芯線のV含有量が過剰であると、溶接金属の高温割れが発生する可能性がある。
よって、芯線のV含有量は、0~1.00%とする。
芯線のV含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
芯線のV含有量の上限は、好ましくは、0.95%、0.90%、0.85%、又は0.80%である。
Coは、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる元素であるため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のCo含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、芯線のCo含有量が過剰であると、溶接金属の延性が低下し、靱性を確保できない。
よって、芯線のCo含有量は、0~1.00%とする。
芯線のCo含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
芯線のCo含有量の上限は、好ましくは、0.95%、0.90%、0.85%、又は0.80%である。
Pbは、母材である鋼材と溶接金属との間の止端成形性を向上させ溶接金属の切削性を向上させる効果があるため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のPb含有量が過剰であると、アーク状態が劣化しスパッタを増大させる。
よって、芯線のPb含有量は、0~1.00%とする。
芯線のPb含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
芯線のPb含有量の上限は、好ましくは、0.95%、0.90%、0.85%、又は0.80%である。
Snは、溶接金属の耐食性を向上させる元素であるため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のSn含有量が過剰であると、溶接金属での割れ発生の懸念がある。
よって、芯線のSn含有量は、0~1.00%とする。
芯線のSn含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
芯線のSn含有量の上限は、好ましくは、0.95%、0.90%、0.85%、又は0.80%である。
Alは、脱酸元素であり、溶接欠陥抑制、及び溶接金属の清浄度向上のため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のAl含有量が過剰であると、芯線中に粗大介在物が生成され、芯線加工が困難になる。また、芯線のAl含有量が過剰であると、Alが溶接金属中で窒化物又は酸化物を形成して、溶接金属の低温靱性が低下する可能性がある。
よって、芯線のAl含有量は、0~0.10%とする。
芯線のAl含有量の下限は、好ましくは、0.01%、0.02%、又は0.03%である。
芯線のAl含有量の上限は、好ましくは、0.09%、0.08%、又は0.07%である。
Tiは、脱酸元素であり、溶接欠陥抑制、及び溶接金属の清浄度向上のため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のTi含有量が過剰であると、芯線中に粗大介在物が生成され、芯線加工が困難になる。また、芯線のTi含有量が過剰であると、溶接金属に炭化物が生成し、溶接金属の靭性を劣化させる可能性がある。
よって、芯線のTi含有量は、0~0.10%とする。
芯線のTi含有量の下限は、好ましくは、0.003%、0.01%、0.02%、又は0.03%である。
芯線のTi含有量の上限は、好ましくは、0.09%、0.08%、又は0.07%である。
Bは、オーステナイト安定化元素であり、侵入型固溶強化元素でもあり、溶接金属の低温靭性及び強度の向上のため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のB含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、芯線のB含有量が過剰であると、M23(C,B)6が析出し、靭性劣化の原因となる。
よって、芯線のB含有量は、0~0.1000%とする。
芯線のB含有量の下限は、好ましくは、0.0005%、0.0010%、又は0.0020%である。
芯線のB含有量の上限は、好ましくは、0.0800%、0.0500%、又は0.0100%である。
Nは、オーステナイト安定化元素であり、侵入型固溶強化元素でもあり、溶接金属の低温靭性及び強度の向上のため、芯線に含有させてもよい。
一方、芯線のN含有量が過剰であると、芯線が硬くなり、芯線加工が困難となる。また、芯線のN含有量が過剰であると、ブローの発生が増大し、溶接欠陥の原因となる。
よって、芯線のN含有量は、0~0.5000%とする。
芯線のN含有量の下限は、好ましくは、0.0010%、0.0100%、又は0.0500%である。
芯線のN含有量の上限は、好ましくは、0.4500%、0.4000%、又は0.3500%である。
Oは、不純物として芯線中に含有されることがある。しかしながら、Oの含有量が過剰になると、溶接金属における靭性および延性の劣化を招くため、芯線のO含有量の上限は、0.0050%以下とする。
芯線のO含有量の上限は、好ましくは、0.0040%、又は0.0030%である。
一方、Oの含有量の低減による製造コストの上昇を抑制する観点から、芯線のO含有量の下限は、好ましくは、0.0003%、又は0.0005%である。
芯線の化学成分におけるその他の残部成分は、Fe及び不純物である。
不純物とは、芯線を工業的に製造する際に、鉱石若しくはスクラップ等のような原料、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、溶接棒の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
Mn及びNiは、各々、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属の低温靭性を向上させる。一方、Niは高価な金属であるため、溶接棒のコストを抑えつつ、溶接金属の低温靭性を向上させるには、芯線におけるMn含有量及びNi含有量が各々上記範囲を満たしつつ、Mn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)を5.0%以上とする。
芯線におけるMn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)は、好ましくは、7.0%以上、10.0%以上、又は15.0%以上である。
芯線におけるMn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)は、より好ましくは、35.0%以下、32.0%以下、又は30.0%以下である。
Mn、Ni及びCrは、各々、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属の低温靭性を向上させる。一方、Niは高価な金属であるため、溶接棒のコストを抑えつつ、溶接金属の低温靭性を向上させるには、芯線におけるMn含有量、Ni含有量及びCr含有量が各々上記範囲を満たしつつ、Mn含有量、Ni含有量及びCr含有量の合計(Mn+Ni+Cr)を15.0%以上とする。
芯線におけるMn含有量、Ni含有量及びCr含有量の合計(Mn+Ni+Cr)は、好ましくは、17.0%以上、19.0%以上、20.0%以上、22.0%以上、24.0%以上、26.0%以上、28.0%以上、又は30.0%以上である。
芯線におけるMn含有量、Ni含有量及びCr含有量の合計(Mn+Ni+Cr)は、より好ましくは、45.0%以下、42.0%以下、又は40.0%以下である。
Mn及びNiは、各々、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属の低温靭性を向上させる。一方、Niは高価な金属であり、Mnはヒュームの発生量増大の原因となる元素である。また、Mnを過剰に添加すると積層欠陥エネルギーが低下し、靭性が劣化する。なお、Niは積層欠陥エネルギーを上げることで、靭性を向上させる。
そのため、溶接棒のコストを抑えつつ、溶接金属の低温靭性を向上し、かつヒュームの発生量を低減する観点から、芯線におけるMn含有量とNi含有量との質量比(Ni/Mn)を0.10以上とすることが好ましい。
芯線におけるMn含有量とNi含有量との質量比(Ni/Mn)の下限は、より好ましくは、0.20、0.30、0.50、0.70、1.00、1.10、又は1.20である。
芯線におけるMn含有量とNi含有量との質量比(Ni/Mn)の上限は、好ましくは、10.00、8.00、又は5.00である。
溶接金属における低温靭性を高めるためには、芯線の組織におけるオーステナイトの割合を高めることが好ましい。そのため、芯線におけるfcc割合を、70%以上とする。fcc割合は、好ましくは、80%以上、又は90%以上であり、100%であってもよい。なお、組織の残部はbccである。
芯線からサンプルを採取し、サンプル表面において、FERITSCOPE(登録商標) FMP30(株式会社フィッシャー・インストルメンツ製)を用い、当該測定器のプローブに株式会社フィッシャー・インストルメンツ製プローブ(FGAB 1.3-Fe)を用いて、磁気誘導法によりbcc割合(%)を測定し、測定されたbcc割合の算術平均値を求める。得られたbcc割合の平均値を用いて、以下の式により、芯線の組織におけるfcc割合(%)を求める。
fcc割合=100-bcc割合
以下、本開示に係るフラックスの好ましい化学成分について説明する。
なお、フラックスの化学成分の説明において、「%」は、特に説明がない限り、「フラックスの全質量に対する質量%」を意味する。
Ti酸化物のTiO2換算値の合計:0~25.00%、
Si酸化物のSiO2換算値の合計:0~25.00%、
Zr酸化物のZrO2換算値の合計:0~5.00%、
Al酸化物のAl2O3換算値の合計:0~5.00%、
Mg酸化物のMgO換算値の合計:0~5.00%、
Ca酸化物のCaO換算値の合計:0~25.00%、
Na酸化物のNa2O換算値の合計:0~5.00%、
K酸化物のK2O換算値の合計:0~5.00%、
CaF2:0~30.00%、
CaCO3:0~60.00%、
BaCO3:0~15.00%、
MgCO3:0~15.00%、及び
Li2CO3:0~15.00%、を含むことが好ましい。
Ti酸化物は、スラグ成分であり、ビード全体を均一にスラグで被包させる作用を有する。また、Ti酸化物は、アークの持続を安定させ、スパッタ発生量を低減させる効果を有し、溶接作業性(特に立向溶接性)が向上する。そのため、Ti酸化物を含ませてもよい。
ただし、Ti酸化物のTiO2換算値の合計とSi酸化物のSiO2換算値の合計の和が5.00%以上であることが好ましく、つまりTi酸化物とSi酸化物とのいずれか一方のみを含んでいてもよい。よって、Ti酸化物のTiO2換算値の合計の下限は0%であってもよい。
一方、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が25.00%以下であることで、溶接金属の酸素量を抑制でき、低温靭性が確保できる。また、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が25.00%以下であることで、スラグの粘性の高まりを抑制できるため、スラグが厚くなり過ぎず、ビードの止端部が膨らんだ形状となることが抑制できる。また、Ti酸化物のTiO2換算値の合計が25.00%以下であることで、ピットの発生を抑制できる。また、スラグ巻き込みの発生を抑制できる。
Ti酸化物のTiO2換算値の合計の下限は、より好ましくは、1.00%、2.00%、3.00%、又は5.00%である。
Ti酸化物のTiO2換算値の合計の上限は、より好ましくは、23.00%、20.00%、18.00%、15.00%、13.00%、又は10.00%である。
そして、Ti酸化物のTiO2換算値の合計は、蛍光X線分析装置及びX線回折(XRD)装置を用いて、フラックスに酸化物として存在するTiの質量を分析することで求める。なお、蛍光X線分析によりフラックス中に含有される成分を分析した上で、X線回折(XRD)にて含有される成分の分子構造を解析することで、フラックスに酸化物として存在するTiの量と金属成分として含まれるTiの量とを分けて求めることができる。
具体的には、まず溶接棒からフラックスを採取し、それを上記の方法により分析する。例えば、分析によってTiO2、Ti2O3、Ti3O5が検出された場合であれば、各Ti酸化物の質量%を[TiO2]、[Ti2O3]、[Ti3O5]で表し、Ti酸化物のTiO2換算値の合計を[換算TiO2]で表すと、以下の式1により計算される。
[換算TiO2]=(0.60×[TiO2]+0.67×[Ti2O3]+0.64×[Ti3O5])×1.67・・・式1
式1における係数(0.60、0.67、0.64)は、各酸化物中に含まれるTi量を算出するための係数であり、末尾の乗数(1.67)は、フラックスに酸化物として存在するTiの総量からTiO2換算値を算出するための乗数である。
[M元素の原子量]×x/([M元素の原子量]×x+[酸素の原子量]×y)・・・式2
式1における0.60、0.67、0.64が、上記式2で求められる係数に相当する。
また、換算値を算出するための乗数の求め方について説明する。MaOb(例;TiO2)に換算するための乗数は下記式3で計算する。
([M元素の原子量]×a+[酸素の原子量]×b)/([M元素の原子量]×a)・・・式3
式1における1.67が、上記式3で求められる乗数に相当する。
なお酸化物は、2種の金属元素と結合した化合物である場合も考えられる。その場合の係数の求め方は、MxOyM2 z(例;TiO3・Fe、つまりM=Ti、M2=Fe、x=1、y=3、z=1の酸化物)が検出されたとすると、下記式4で計算する。
[M元素の原子量]×x/([M元素の原子量]×x+[酸素の原子量]×y+[M2元素の原子量]×z)・・・式4
分析によって検出される代表的な酸化物を、以下に列挙する。
Si酸化物;SiO、SiO2、Si2O3、Si2O4
Zr酸化物;ZrO2
Al酸化物;AlO、Al2O3、Al3O5
Mg酸化物;MgO、MgO2、Mg2O
Ca酸化物;CaO、CaO2
Na酸化物;Na2O、Na2O2
K酸化物 ;K2O、KO2
Mn酸化物;MnO、Mn2O、MnO2
Fe酸化物;FeO、Fe2O4、FeO3
Si酸化物は、スラグ成分であり、溶融スラグの粘性を高め、スラグ剥離性を改善する作用を有するので、かかる観点からSi酸化物を含有させてもよい。
ただし、Ti酸化物のTiO2換算値の合計とSi酸化物のSiO2換算値の合計の和が5.00%以上であることが好ましく、つまりTi酸化物とSi酸化物とのいずれか一方のみを含んでいてもよい。よって、Si酸化物のSiO2換算値の合計の下限は0%であってもよい。
なお、Si酸化物のSiO2換算値の合計が0.10%以上であることで、スラグ被包状態がより良好になりスラグ剥離性が高められ、ビード形状及びビード外観をより良好にできる。また、溶接作業性(特に立向溶接性)が確保できる。
一方、Si酸化物のSiO2換算値の合計が25.00%以下であることで、溶接金属の酸素量を抑制でき、低温靭性が確保できる。また、Si酸化物のSiO2換算値の合計が25.00%以下であることで、スパッタ発生量を抑制できる。さらに、Si酸化物のSiO2換算値の合計が25.00%以下であることで、ピット及びガス溝等の発生を抑制できる。また、スラグ巻き込みの発生を抑制できる。
Si酸化物のSiO2換算値の合計の下限は、より好ましくは、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、又は0.25%である。
Si酸化物のSiO2換算値の合計の上限は、より好ましくは、23.00%、20.00%、18.00%、15.00%、13.00%、又は10.00%である。
Ti酸化物およびSi酸化物は、スラグ成分であり、スラグの被包状態を良好にする観点、および溶接作業性の観点から、少なくとも一方を含有させることが好ましい。特に、フラックスにおけるTi酸化物のTiO2換算値の合計とSi酸化物のSiO2換算値の合計の和を、5.0%以上とすることが好ましい。
フラックスにおけるTi酸化物のTiO2換算値の合計とSi酸化物のSiO2換算値の合計の和の下限は、より好ましくは、7.0%、又は10.0%である。
フラックスにおけるTi酸化物のTiO2換算値の合計とSi酸化物のSiO2換算値の合計の和の上限は、好ましくは、50.0%、45.0%、40.0%、35.0%、又は30.0%である。
Zr酸化物は、溶接金属の酸素量を増加させ、低温靭性を劣化させる。そのため、低温靭性の観点からはZr酸化物は含まないことが好ましく、Zr酸化物のZrO2換算値の合計の下限は0%とする。
一方で、Zr酸化物のZrO2換算値の合計が5.00%以下であることで、ビード形状が凸状になることを抑制できる。また、スラグ巻き込みの発生を抑制できる。
Zr酸化物のZrO2換算値の合計の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、3.50%、又は3.00%である。
Al酸化物は、酸素源となるので、Al酸化物を添加すると、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性劣化の要因となる。そのため、低温靭性の観点からはAl酸化物は含まないことが好ましく、Al酸化物のAl2O3換算値の合計の下限は0%とする。
一方、Al酸化物のAl2O3換算値の合計が5.00%以下であることで、すみ肉ビードの下脚側のビード止端部が膨らんだビード形状となることを抑制できる。また、スラグ巻き込みの発生を抑制できる。
よって、フラックスにおけるAl酸化物のAl2O3換算値の合計は、0~5.00%とすることが好ましい。
Al酸化物のAl2O3換算値の合計の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、3.50%、又は3.00%である。
Mg酸化物は、溶接時に分解したMgが脱酸剤として作用し、溶接金属の酸素量を低減する。それにより溶接金属の低温靭性が向上するので、含有させてもよい。Mg酸化物のMgO換算値の合計が0.10%以上であることで、溶接金属の酸素量の低減作用が大きくなり、さらに低温靭性が向上する。
一方、Mg酸化物のMgO換算値の合計が5.00%以下であることで、溶接スラグの凝固温度の低温化を抑制でき、溶接作業性(特に立向溶接性)を向上できる。
Mg酸化物のMgO換算値の合計の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
Mg酸化物のMgO換算値の合計の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、3.50%、又は3.00%である。
Ca酸化物は、スラグ形状を整え、溶接後のスラグ剥離を容易にし、アークを安定にするので、含有させてもよい。
一方、Ca酸化物のCaO換算値の合計が25.00%以下であることで、Ca酸化物に含まれる酸素が溶融池に入りこむことによる溶接金属での酸素量の増加を抑制でき、溶接金属の靱性低下を抑制できる。
Ca酸化物のCaO2換算値の合計の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
Ca酸化物のCaO2換算値の合計の上限は、より好ましくは、23.00%、20.00%、18.00%、15.00%、13.00%、又は10.00%である。
Na酸化物は、溶接時に分解したNaが脱酸剤として作用し、溶接金属の酸素量を低減する。それにより溶接金属の低温靭性が向上するので、含有させてもよい。Na酸化物のNa2O換算値の合計が0.10%以上であることで、溶接金属の酸素量の低減作用が大きくなり、さらに低温靭性が向上する。
一方、Na酸化物のNa2O換算値の合計が5.00%以下であることで、溶接スラグの凝固温度の低温化を抑制でき、溶接作業性(特に立向溶接性)を向上できる。
Na酸化物のNa2O換算値の合計の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
Na酸化物のNa2O換算値の合計の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、3.50%、又は3.00%である。
K酸化物は、溶接時に分解したKが脱酸剤として作用し、溶接金属の酸素量を低減する。それにより溶接金属の低温靭性が向上するので、含有させてもよい。K酸化物のK2O換算値の合計が0.10%以上であることで、溶接金属の酸素量の低減作用が大きくなり、さらに低温靭性が向上する。
一方、K酸化物のK2O換算値の合計が5.00%以下であることで、溶接スラグの凝固温度の低温化を抑制でき、溶接作業性(特に立向溶接性)を向上できる。
K酸化物のK2O換算値の合計の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
K酸化物のK2O換算値の合計の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、3.50%、又は3.00%である。
本開示に係るフラックスには、その他の酸化物として、例えば、Fe酸化物、及びMn酸化物等の酸化物を含んでもよい。
なお、Fe酸化物の含有量とはFe酸化物のFeO換算値の合計を意味し、Mn酸化物の含有量とはMn酸化物のMnO換算値の合計を意味する。
CaF2は、溶接金属の酸素量を低減する効果があるので、含有させてもよい。CaF2の含有量が0.10%以上であることで、溶接金属の酸素量の低減作用が大きくなり、さらに低温靭性が向上する。
一方、CaF2の含有量が30.00%以下であることで、ヒュームの発生を低減でき、溶接欠陥の発生を抑制できる。
CaF2含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
CaF2含有量の上限は、より好ましくは、28.00%、25.00%、23.00%、20.00%、18.00%、又は15.00%である。
本開示に係るフラックスには、その他の弗化物として、例えば、K2SiF6、K2ZrF6、NaF、Na3AlF6、及びMgF2等の弗化物を含んでもよい。
(BaCO3:0~15.00%)
(MgCO3:0~15.00%)
(Li2CO3:0~15.00%)
金属炭酸塩は、アークによって電離し、CO2ガスを発生させる。CO2ガスは、溶接雰囲気中の水素分圧を下げ、溶接金属中の拡散性水素量を低減させる。そのため、本開示に係るフラックスは、金属炭酸塩としてCaCO3、BaCO3、MgCO3、及びLi2CO3からなる群から選択される1種又は2種以上を含んでもよい。
一方、金属炭酸塩の含有量を低減することで、スパッタの発生量を抑制できる。
CaCO3含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
CaCO3含有量の上限は、より好ましくは、55.00%、50.00%、45.00%、40.00%、35.00%、又は30.00%である。
BaCO3含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
BaCO3含有量の上限は、より好ましくは、14.00%、12.00%、10.00%、8.00%、7.00%、又は5.00%である。
MgCO3含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
MgCO3含有量の上限は、より好ましくは、14.00%、12.00%、10.00%、8.00%、7.00%、又は5.00%である。
Li2CO3含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.40%である。
Li2CO3含有量の上限は、より好ましくは、14.00%、12.00%、10.00%、8.00%、7.00%、又は5.00%である。
CaCO3、BaCO3、MgCO3、及びLi2CO3は、シールドガスの発生源であり、良好な機械特性を確保する観点から、いずれか一種以上を含有させることが好ましい。特に、フラックスにおけるCaCO3、BaCO3、MgCO3、及びLi2CO3の含有量の合計を、5.00%以上とすることが好ましい。
なお、フラックスにおけるCaCO3、BaCO3、MgCO3、及びLi2CO3の含有量の合計の下限は、より好ましくは、7.00%、又は10.00%である。
フラックスにおけるCaCO3、BaCO3、MgCO3、及びLi2CO3の含有量の合計の上限は、好ましくは、90.00%、80.00%、70.00%、65.00%、又は60.00%である。
本開示に係るフラックスには、その他の金属炭酸塩として、例えば、Na2CO3、K2CO3、FeCO3、MnCO3、及びSrCO3等の金属炭酸塩を含んでもよい。
本開示に係るフラックスの化学成分は、被覆アーク溶接棒の全質量に対する質量%で、Ti酸化物のTiO2換算値の合計と、Si酸化物のSiO2換算値の合計と、Zr酸化物のZrO2換算値の合計と、Al酸化物のAl2O3換算値の合計と、Mg酸化物のMgO換算値の合計と、Ca酸化物のCaO換算値の合計と、Na酸化物のNa2O換算値の合計と、K酸化物のK2O換算値の合計と、CaF2含有量と、CaCO3含有量と、BaCO3含有量と、MgCO3含有量と、Li2CO3含有量と、の和X(以下単に「特定添加剤の和X」と称す)が、94.98%以下であることが好ましい。
特定添加剤の和Xを94.98%以下とすることで、スラグ巻き込みを防ぐことができる。
特定添加剤の和Xは、より好ましくは、90.00%以下、85.00%以下、80.00%以下、75.00%以下、又は70.00%である。
本開示に係るフラックスは、さらに窒化物を含んでもよい。
窒化物は、溶接金属中の拡散性水素量を減少させて、溶接金属の耐低温割れ性を顕著に向上させる働きを有する。この理由は明らかではないが、窒化物中のNが溶接中に水素(H)と結合してアンモニア(NH3)となり、このNH3が溶接金属外に放出されることが理由の一つであると推測される。
次いで、本開示に係るフラックスの好ましい化学成分における金属成分について説明する。
なお、フラックスの金属成分の説明において、「%」は、特に説明がない限り、「フラックスの全質量に対する質量%」を意味する。
ここで、フラックスの「化学成分における金属成分」とは、フラックスに含まれる成分のうち、酸化物、弗化物、窒化物、及び金属炭酸塩を除く成分を意味する。
C :0.020~5.000%、
Si:0~5.00%、
Mn:0~30.00%、
P :0~0.050%、
S :0~0.050%、
Cu:0~20.0%、
Ni:0~20.0%、
Cr:0~20.0%、
Mo:0~10.0%、
Nb:0~5.00%、
V :0~5.0%、
Co:0~1.00%、
Pb:0~1.00%、
Sn:0~1.00%、
W :0~20.0%、
Mg:0~5.00%、
Al:0~5.0%、
Ca:0~5.00%、
Ti:0~5.000%、
B:0~5.0000%、
REM:0~5.00%、
Bi:0~5.000%、
N :0~5.0000%、並びに
残部:Fe及び不純物であることが好ましい。
つまり、本開示に係るフラックスにおいて、上記成分は、酸化物、弗化物、窒化物、及び金属炭酸塩以外に含まれる成分の含有量である。
Cは、溶接金属の強度を向上させる元素であり、溶接金属の強度を確保するための元素である。
一方で、フラックスのC含有量を低減することで、溶接金属の強度上昇による、靭性を劣化させる影響を抑制でき、溶接金属の低温靭性を確保できる。
よって、フラックスのC含有量は、0.020~5.000%とすることが好ましい。
フラックスのC含有量の下限は、より好ましくは、0.050%、0.100%、又は0.200%である。
フラックスのC含有量の上限は、より好ましくは、4.500%、4.000%、3.500%、又は3.000である。
Siは、溶接金属の清浄度を向上し、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制するため、フラックスに含有させてもよい。
一方で、フラックスのSi含有量を低減することで、Ni鋼、Ni基合金鋼の溶接においては、溶接金属中でのミクロ偏析を抑制でき、偏析部での脆化を抑制できる。
よって、フラックスのSi含有量は、0~5.00%とすることが好ましい。
フラックスのSi含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.20%、0.25%、0.30%、又は0.35%である。
フラックスのSi含有量の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、3.50%、又は3.00%である。
Mnは、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属のオーステナイト化を進行させることができ、低温靭性を確保できる。また、溶接金属の低温靭性を確保するために、芯線に添加するMn含有量を過度に増やさずに済む。
また、Mnは、脱酸剤として機能して溶接金属の清浄度を向上させる元素である。また、Mnは、MnSを形成することで、溶接金属中のSを無害化し、溶接金属の低温靭性を向上させる元素である。加えて、Mnは高温割れを防ぐ効果も有する。そのため、Mnをフラックスに含有させてもよい。
ただし、Mn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)が1.00%以上であることが好ましく、つまりフラックスはMnとNiとのいずれか一方のみを含んでいてもよい。よって、Mn含有量の下限は0%であってもよい。
一方、フラックスのMn含有量を低減することで、Ni鋼、Ni基合金鋼の溶接においては、溶接金属中でのミクロ偏析を抑制でき、偏析部での脆化を抑制できる。
よって、フラックスのMn含有量は、0~30.00%とすることが好ましい。
フラックスのMn含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.50%、1.00%、2.00%、5.00%、7.00%、又は9.00%である。
フラックスのMn含有量の上限は、より好ましくは、28.00%、25.00%、22.00%、又は20.00%である。
Pは、不純物元素であり、溶接金属の靱性を低下させるので、フラックスのP含有量は極力低減させることが好ましい。よって、フラックスのP含有量の下限は、0%とする。ただし、脱Pコストの低減の観点から、P含有量は、0.003%以上がよい。
一方、フラックスのP含有量が0.050%以下であれば、Pの靱性への悪影響を抑制できる。
よって、フラックスのP含有量は、0~0.050%とすることが好ましい。
溶接金属の靱性の低下を効果的に抑制するために、フラックスのP含有量は、0.040%以下、0.030%以下、0.020%以下、0.015%以下、又は0.010%以下がより好ましい。
Sは、不純物元素であり、溶接金属の靱性を低下させるので、フラックスのS含有量は極力低減させることが好ましい。よって、フラックスのS含有量の下限は、0%とする。ただし、脱Sコストの低減の観点から、フラックスのS含有量は、0.003%以上がよい。
一方、フラックスのS含有量が0.050%以下であれば、Sの靱性への悪影響を抑制できる。
よって、フラックスのS含有量は、0~0.050%とすることが好ましい。
溶接金属の靱性の低下を効果的に抑制するために、フラックスのS含有量は、0.040%以下、0.030%以下、0.020%以下、0.015%以下、又は0.010%以下がより好ましい。
Cuは、析出強化元素であり、溶接金属の強度向上のため、フラックスに含有させてもよい。また、Cuは、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属の低温靭性向上のため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのCu含有量が過剰であると、上記の効果が飽和する。
よって、フラックスのCu含有量は、0~20.0%とすることが好ましい。
フラックスのCu含有量の下限は、より好ましくは、0.5%、0.7%、又は1.0%である。
フラックスのCu含有量の上限は、より好ましくは、19.0%、18.0%、17.0%、又は15.0%である。
Niは、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属のオーステナイト化を進行させることができ、低温靭性を確保できる。また、溶接金属の低温靭性を確保するために、芯線に添加するNi含有量を過度に増やさずに済む。そのため、Niをフラックスに含有させてもよい。
ただし、Mn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)が1.00%以上であることが好ましく、つまりフラックスはMnとNiとのいずれか一方のみを含んでいてもよい。よって、Ni含有量の下限は0%であってもよい。
一方、フラックスのNi含有量を低減することで、フラックスのコストを低減できる。
よって、フラックスのNi含有量は、0~20.0%とすることが好ましい。
フラックスのNi含有量の下限は、より好ましくは、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%、7.0%、10.0%、又は12.0%である。
フラックスのNi含有量の上限は、より好ましくは、19.0%、18.0%、17.0%、又は15.0%である。
Crは、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属のオーステナイト化を進行させることができ、低温靭性を確保できる。また、溶接金属の低温靭性を確保するために、芯線に添加するNi含有量を過度に増やさずに済む。そのため、Crをフラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのCr含有量を低減することで、溶融金属における低融点化合物の量を低減でき、さらに溶融金属の固液共存温度範囲が狭まるので、高温割れの発生を抑制できる。
よって、フラックスのCr含有量は、0~20.0%とすることが好ましい。
フラックスのCr含有量の下限は、より好ましくは、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、2.5%、3.0%、又は3.5%である。
フラックスのCr含有量の上限は、より好ましくは、19.0%、18.0%、17.0%、又は15.0%である。
Moは、固溶強化元素、かつ析出強化元素であり、溶接金属の強度向上のために、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのMo含有量を低減することで、溶接金属の強度が過剰となることが抑制でき、低温靭性を確保できる。
よって、フラックスのMo含有量は、0~10.0%とすることが好ましい。
フラックスのMo含有量の下限は、より好ましくは、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、2.5%、3.0%、又は3.5%である。
フラックスのMo含有量の上限は、より好ましくは、9.8%、9.5%、9.0%、8.5%、又は8.0%である。
Nbは、溶接金属中で炭化物を形成し、溶接金属の強度を上昇させる元素であるため、フラックスに含有させてもよい。
一方で、フラックスのNb含有量を低減することで、溶接金属の高温割れの発生を抑制できる。
よって、フラックスのNb含有量は、0~5.00%とすることが好ましい。
フラックスのNb含有量の下限は、より好ましくは、0.10%、0.50%、1.00%、又は1.50%である。
フラックスのNb含有量の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、又は3.50%である。
Vは、溶接金属中で炭窒化物を形成し、溶接金属の強度を上昇させる元素であるため、フラックスに含有させてもよい。
一方で、フラックスのV含有量を低減することで、溶接金属の高温割れの発生を抑制できる。
よって、フラックスのV含有量は、0~5.0%とすることが好ましい。
フラックスのV含有量の下限は、より好ましくは、0.1%、0.5%、1.0%、又は1.5%である。
フラックスのV含有量の上限は、より好ましくは、4.5%、4.0%、又は3.5%である。
Coは、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる元素であるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのCo含有量を低減することで、溶接金属の延性の低下が抑制でき、靱性を確保できる。
よって、フラックスのCo含有量は、0~1.00%とすることが好ましい。
フラックスのCo含有量の下限は、より好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
フラックスのCo含有量の上限は、より好ましくは、0.90%、0.80%、0.70%、0.60%、又は0.30%である。
Pbは、溶接金属の切削性を向上させる効果があるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのPb含有量を低減することで、アーク状態を良好に保ちスパッタの発生を抑制できる。
よって、フラックスのPb含有量は、0~1.00%とすることが好ましい。
フラックスのPb含有量の下限は、より好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
フラックスのPb含有量の上限は、より好ましくは、0.90%、0.80%、0.70%、0.60%、又は0.30%である。
Snは、溶接金属の耐食性を向上させる元素であるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのSn含有量を低減することで、溶接金属での割れ発生を抑制できる。
よって、フラックスのSn含有量は、0~1.00%とすることが好ましい。
フラックスのSn含有量の下限は、より好ましくは、0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、又は0.20%である。
フラックスのSn含有量の上限は、より好ましくは、0.90%、0.80%、0.70%、0.60%、又は0.30%である。
Wは、固溶強化元素であり、溶接金属の強度向上のために、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのW含有量を低減することで、溶接金属の強度が過剰となることが抑制でき、靭性を確保できる。
よって、フラックスのW含有量は、0~20.0%とすることが好ましい。
フラックスのW含有量の下限は、より好ましくは、0.1%、0.5%、1.0%、又は2.0%である。
フラックスのW含有量の上限は、より好ましくは、19.0%、180%、17.0%、又は15.0%である。
Mgは、脱酸元素であり、溶接金属の酸素を低減し、溶接金属の靭性の改善に効果があるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのMg含有量を低減することで、アークが安定して、スパッタおよびブローホールを低減でき、溶接作業性を確保できる。
よって、フラックスのMg含有量は、0~5.00%とすることが好ましい。
フラックスのMg含有量の下限は、より好ましくは、0.02%、0.05%、0.10%、0.20%、又は0.50%である。
フラックスのMg含有量の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、又は3.50%である。
Alは、脱酸元素であり、ブローホールなどの溶接欠陥の発生の抑制、及び溶接金属の清浄度向上等に効果があるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのAl含有量を低減することで、Alが溶接金属中で窒化物又は酸化物を形成することが低減でき、溶接金属の低温靱性を確保できる。
よって、フラックスのAl含有量は、0~5.0%とすることが好ましい。
フラックスのAl含有量の下限は、より好ましくは、0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、又は0.5%である。
フラックスのAl含有量の上限は、より好ましくは、4.5%、4.0%、又は3.5%である。
Caは、溶接金属中で硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物及び酸化物のサイズを微細化する働きを有するので、溶接金属の延性及び靭性向上に有効である。そのため、Caをフラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのCa含有量を低減することで、硫化物及び酸化物の粗大化を抑制でき、溶接金属の低温靭性を確保できる。また、溶接ビード形状の劣化の抑制及びアークの安定化により溶接性を確保できる。
よって、フラックスのCa含有量は、0~5.00%とすることが好ましい。
フラックスのCa含有量の下限は、より好ましくは、0.01%、0.02%、0.03%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、又は0.50%である。
フラックスのCa含有量の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、又は3.50%である。
Tiは、脱酸元素であり、ブローホールなどの溶接欠陥の発生の抑制、および清浄度向上等に効果があるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのTi含有量を低減することで、溶接金属における炭化物の生成を抑制でき、溶接金属の靭性を確保できる。
よって、フラックスのTi含有量は、0~5.000%とすることが好ましい。
フラックスのTi含有量の下限は、より好ましくは、0.020%、0.050%、0.100%、0.200%、0.300%、又は0.500%である。
フラックスのTi含有量の上限は、より好ましくは、4.500%、4.000%、又は3.500%である。
Bは、溶接金属の結晶粒界を強化させ、溶接金属の引張強さを一層高める効果があるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのB含有量を低減することで、溶接金属中のBの量も低減でき、粗大なBN又はFe23(C、B)6等のB化合物の形成が抑制され、溶接金属の低温靭性を確保できる。
よって、フラックスのB含有量は、0~5.0000%とすることが好ましい。
フラックスのB含有量の下限は、より好ましくは、0.0010%、0.0050%、0.0100%、0.0500%、0.1000%、0.2000%、又は0.5000%である。
フラックスのB含有量の上限は、より好ましくは、4.5000%、4.0000%、又は3.5000%である。
REMは、アークを安定化させる元素であるので、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのREM含有量を低減することで、スパッタの発生を低減でき、溶接作業性を確保できる。
よって、フラックスのREM含有量は、0~5.00%とすることが好ましい。
フラックスのREM含有量の下限は、より好ましくは、0.001%、0.005%、0.01%、0.05%、0.10%、0.20%、又は0.50%である。
フラックスのREM含有量の上限は、より好ましくは、4.50%、4.00%、又は3.50%である。
Biは、スラグの剥離性を改善する元素であるため、フラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのBi含有量を低減することで、溶接金属における凝固割れの発生を抑制できる。
よって、フラックスのBi含有量は、0~5.000%とすることが好ましい。
フラックスのBi含有量の下限は、より好ましくは、0.005%、0.010%、0.050%、0.100%、0.200%、又は0.500%である。
フラックスのBi含有量の上限は、より好ましくは、4.500%、4.000%、又は3.500%である。
Nは、オーステナイト安定化元素であり、かつ侵入型固溶強化元素でもある。また、Nは、溶接金属の強度上昇による、溶接金属の靭性への悪影響も、Cに比較して少ない元素である。そのため、Nをフラックスに含有させてもよい。
一方、フラックスのN含有量を低減することで、ブローの発生を低減でき、溶接欠陥の発生を抑制できる。
よって、フラックスのN含有量は、0~5.0000%とすることが好ましい。
フラックスのN含有量の下限は、より好ましくは、0.0050%、0.0070%、0.0100%、0.0150%、0.0200%、0.0300%、0.0500%、0.0700%、0.1000%、又は0.1500%である。
フラックスのN含有量の上限は、より好ましくは、4.5000%、4.0000%、又は3.5000%である。
フラックスの化学成分におけるその他の残部成分は、Feと不純物である。
また、不純物とは、フラックスを工業的に製造する際に、原料に由来して、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、フラックスに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
Mn及びNiは、各々、オーステナイト安定化元素であり、溶接金属の低温靭性を向上させる。一方、Niは高価な金属であるため、溶接棒のコストを抑えつつ、溶接金属の低温靭性を向上させるには、フラックスにおけるMn含有量及びNi含有量が各々上記範囲を満たしつつ、Mn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)を1.00%以上とすることが好ましい。
フラックスにけるMn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)は、好ましくは、2.00%以上、3.00%以上、又は5.00%以上である。
フラックスにおけるMn含有量及びNi含有量の合計(Mn+Ni)は、より好ましくは、45.00%以下、40.00%以下、35.00%以下、32.00%以下、30.00%以下、又は25.00%以下である。
本開示に係る被覆アーク溶接棒の直径は特に限定されないが、例えばφ3.2~φ6.0mmである。なお、一般的な被覆アーク溶接棒の直径はφ2.6~φ7.0mmである。
本開示に係る被覆アーク溶接棒におけるフラックスの平均厚さは、特に限定されない。一般的な被覆アーク溶接棒におけるフラックスの厚さに鑑みて、本開示に係る被覆アーク溶接棒におけるフラックスの平均厚さの上限値を、例えば5.0mm、4.0mm、又は3.0mmとしてもよい。また、本開示に係る被覆アーク溶接棒におけるフラックスの平均厚さの下限値を、例えば0.2mm、0.5mm、0.8mm、又は1.0mmとしてもよい。
なお、フラックスの平均厚さは、任意の5箇所について被覆アーク溶接棒の外径を測定し、その外径から芯線の直径を除いた値の1/2の値を算出し、その算術平均値を平均厚さとした。
式で表すと、フラックス厚さ=((被覆アーク溶接棒の外径の直径)-(芯線の直径))/2となる。
次に、本開示に係る被覆アーク溶接棒の製造方法について説明する。
なお、以下に説明する製造方法は一例であり、本開示に係る被覆アーク溶接棒を製造する方法は、以下の方法に限定されるものではない。
次に、本開示に係る溶接継手の製造方法(溶接方法)について説明する。
本開示に係る溶接継手の製造方法は、上述された本開示に係る被覆アーク溶接棒を用いて、鋼材を溶接する工程を備える。
本開示に係る溶接継手の製造方法にて製造された溶接継手は、高強度及び高靱性を有する。また、本開示に係る溶接継手の製造方法にて製造された溶接継手を有する溶接構造物も、溶接継手において高強度及び高靱性を有する。
本開示に係る溶接継手の製造方法において、溶接継手の母材となる鋼材(被溶接材)の種類は特に限定されないが、例えば、板厚20mm以上である6%~9%のNiを含むNi系低温用鋼板を好適に用いることができる。
被覆アーク溶接棒の極性は、スパッタ発生量に及ぼす影響が無視できる程度に小さいので、交流および直流のいずれであってもよいが、交流であることが好ましい。また、直流の場合は棒プラスであることが好ましい。
本開示例及び比較例の被覆アーク溶接棒は、以下に説明する方法により製造した。
まず、表1-A、表1-Bに示す化学成分を有する芯線に対し、表2-A、表2-B、表2-C及び表2-Dに示す化学成分を有するフラックスを塗布し、300~500℃の温度範囲内で1~3時間の範囲で焼成することで、被覆アーク溶接棒を試作した。得られた被覆アーク溶接棒の最終の溶接棒径はφ6.0mm、フラックスの平均厚さは1.0mmであった。これら被覆アーク溶接棒の構成を表1-A、表1-B、表2-A、表2-B、表2-C及び表2-Dに示す。
また、表2-Cに示された、「TiO2」はTi酸化物のTiO2換算値の合計を、「SiO2」はSi酸化物のSiO2換算値の合計を、「ZrO2」はZr酸化物のZrO2換算値の合計を、「Al2O3」はAl酸化物のAl2O3換算値の合計を、「MgO」はMg酸化物のMgO換算値の合計を、「CaO」はCa酸化物のCaO換算値の合計を、「Na2O」はNa酸化物のNa2O換算値の合計を、「K2O」はK酸化物のK2O換算値の合計を、示す。
表2-Dに示された「和X」は、Ti酸化物のTiO2換算値の合計と、Si酸化物のSiO2換算値の合計と、Zr酸化物のZrO2換算値の合計と、Al酸化物のAl2O3換算値の合計と、Mg酸化物のMgO換算値の合計と、Ca酸化物のCaO換算値の合計と、Na酸化物のNa2O換算値の合計と、K酸化物のK2O換算値の合計と、CaF2含有量と、CaCO3含有量と、BaCO3含有量と、MgCO3含有量と、Li2CO3含有量と、の和を示す。
なお、表1-A、表1-Bにおいては、本開示で規定される範囲から外れる数値に下線を付してある。
また、表1-A、表1-B、表2-A、表2-B、表2-C及び表2-Dにおいて、化学成分や化合物などの含有量に係る表中の空欄は、その化学成分や化合物などの含有量が有効桁数未満であることを意味する。これらの化学成分や化合物などが有効桁数未満の含有量で不可避的に混入されるか生成することもある。
本開示例及び比較例の被覆アーク溶接棒を用いて、立向上進溶接で、ガスシールドアーク溶接することにより評価を行った。具体的には、以下に説明する方法により評価された。
溶接する鋼板として板厚が50mmである9%Ni鋼(JIS G 3127:2013 SL9N590に準じた鋼板)を用いた。また、評価の際に、溶接電流は全て交流とした。
なお、評価する際の溶接条件は、表3に記載の条件とした。
本開示例及び比較例の被覆アーク溶接棒を用いてガスシールドアーク溶接する際のヒューム量を評価した。
溶接により発生するヒューム量の測定は、JIS Z3930:2013(アーク溶接のヒューム発生量測定方法)に準拠したハイボリウムエアサンプライヤーによる全量捕集方法によって実施した。ヒューム量が1000mg/min以下となる被覆アーク溶接棒を、ヒューム量に関し「合格」としヒューム量が1000mg/min超となる場合を「不合格」とした。
本開示例及び比較例の被覆アーク溶接棒を用いて、鋼板をガスシールドアーク溶接し、溶着金属の板厚方向中心から衝撃試験片(ノッチ深さ2mmのVノッチ試験片)を3本採取した。
3本の衝撃試験片に対して、-196℃でJIS Z2242:2005に準拠したシャルピー衝撃試験を実施した。
そして、3本の衝撃試験片の、-196℃でのシャルピー吸収エネルギー平均値が34J以上である場合を「優」とし、27J以上34J未満である場合を「合格」とし、27J未満である場合を「不合格」とした。
ヒューム量の評価及び低温靭性の評価が、いずれも「優」または「合格」である場合を「合格」とし、いずれかが「不合格」である場合を「不合格」と評価した。
一方、比較例は、本開示で規定する要件のいずれかを満たしていなかったので、1つ以上の評価項目において不合格となった。
Claims (9)
- 鋼製の芯線と前記芯線を被覆するフラックスとを備える被覆アーク溶接棒であって、前記芯線の全質量に対する質量%で、前記芯線の化学成分が、
C :0~0.650%、
Si:0.03~0.50%、
Mn:2.1~30.0%、
P :0~0.050%、
S :0~0.050%、
Cu:0~5.0%、
Ni:3.0~30.0%、
Cr:0~10.0%、
Mo:0~10.0%、
Nb:0~1.00%、
V :0~1.00%、
Co:0~1.00%、
Pb:0~1.00%、
Sn:0~1.00%、
Al:0~0.10%、
Ti:0~0.10%、
B:0~0.1000%、
N :0~0.5000%、
O :0~0~0.0050%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、
かつ前記Mn含有量及び前記Ni含有量の合計(Mn+Ni)が5.0%以上であり、
前記Mn含有量、前記Ni含有量及び前記Cr含有量の合計(Mn+Ni+Cr)が15.0%以上であり、
前記芯線における磁気誘導法により求められるfcc割合が70%以上である被覆アーク溶接棒。 - 前記Mn含有量と前記Ni含有量との質量比(Ni/Mn)が、0.10以上である請求項1に記載の被覆アーク溶接棒。
- 前記質量比(Ni/Mn)が、1.00以上である請求項2に記載の被覆アーク溶接棒。
- 前記Tiの含有量が、Ti:0.003~0.10%である請求項1に記載の被覆アーク溶接棒。
- 前記フラックスの全質量に対する質量%で、前記フラックスの化学成分が、
Ti酸化物のTiO2換算値の合計:0~25.00%、
Si酸化物のSiO2換算値の合計:0~25.00%、
Zr酸化物のZrO2換算値の合計:0~5.00%、
Al酸化物のAl2O3換算値の合計:0~5.00%、
Mg酸化物のMgO換算値の合計:0~5.00%、
Ca酸化物のCaO換算値の合計:0~25.00%、
Na酸化物のNa2O換算値の合計:0~5.00%、
K酸化物のK2O換算値の合計:0~5.00%、
CaF2:0~30.00%、
CaCO3:0~60.00%、
BaCO3:0~15.00%、
MgCO3:0~15.00%、及び
Li2CO3:0~15.00%、を含み、
前記フラックスの全質量に対する質量%で、前記フラックスの化学成分における金属成分が、
C :0.020~5.000%、
Si:0~5.00%、
Mn:0~30.00%、
P :0~0.050%、
S :0~0.050%、
Cu:0~20.0%、
Ni:0~20.0%、
Cr:0~20.0%、
Mo:0~10.0%、
Nb:0~5.00%、
V :0~5.0%、
Co:0~1.00%、
Pb:0~1.00%、
Sn:0~1.00%、
W :0~20.0%、
Mg:0~5.00%、
Al:0~5.0%、
Ca:0~5.00%、
Ti:0~5.000%、
B :0~5.0000%、
REM:0~5.00%、
Bi:0~5.000%、
N :0~5.0000%、並びに
残部:Fe及び不純物であり、かつ
前記CaCO3、前記BaCO3、前記MgCO3、及び前記Li2CO3の含有量の合計が5.00%以上である請求項1に記載の被覆アーク溶接棒。 - 前記フラックスにおける前記Mn含有量及び前記Ni含有量の合計(Mn+Ni)が1.00%以上である請求項5に記載の被覆アーク溶接棒。
- 前記Ti酸化物のTiO2換算値の合計と、前記Si酸化物のSiO2換算値の合計と、前記Zr酸化物のZrO2換算値の合計と、前記Al酸化物のAl2O3換算値の合計と、前記Mg酸化物のMgO換算値の合計と、前記Ca酸化物のCaO換算値の合計と、前記Na酸化物のNa2O換算値の合計と、前記K酸化物のK2O換算値の合計と、前記CaF2含有量と、前記CaCO3含有量と、前記BaCO3含有量と、前記MgCO3含有量と、前記Li2CO3含有量と、の和Xが94.98%以下である請求項5に記載の被覆アーク溶接棒。
- 前記フラックスの平均厚さが5.0mm以下である請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の被覆アーク溶接棒。
- 請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の被覆アーク溶接棒を用いて、鋼材を溶接する工程を備える溶接継手の製造方法。
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