JPS5922633B2 - 低水素系被覆ア−ク溶接棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低水素系被覆アーク溶接棒に関し、特に低温靭
性と引張り強さの良い溶接金属を与える低水素系被覆ア
ーク溶接棒に関するものである。

低温用鋼や５０に９ｆ／ｍ４級以上の高張力鋼等の溶接
に使用される被覆アーク溶接棒の被覆には、溶接金属に
対して所定の強度を与える為にＭｎ、Ｃｒ及びＭｏ等を
、また靭性向上の為にＮｉ等を、夫々金属粉や合金粉の
形で含有させるのが通例である。しかしこれらの被覆ア
ーク溶接棒を用いた場合でも、溶接金属の切欠靭性は不
十分であり、また高強度を得る為に多量の合金元素を添
加すると、溶接金属が硬化して切欠靭性は更に低下し、
且つ合金成分が十分に拡散せずに凝固して偏析が起こり
強度の均一性が阻害される。例えば参考写真１は従来の
被覆アーク溶接棒を用いて得た溶着金属中のＮｉの偏析
状態を示す断面マクロ写真で、○で囲んだ部分に偏析が
みられる。

参考写真２は偏析部分の５０倍拡大写真を示す。また第
１図はＥＰＭＡによるＮｉの分析結果であり、マクロ偏
析の状況が確認できる。但し、ＥＰＭＡの測定条件はＡ
ＣＣ、電圧：２０ＫＶ、試料電流：０．０５μＡｌチャ
ートスピード：２０Ｒｍ／分、試料スピード：５０μｍ
／分である。上記マクロ偏析による溶接金属の物性低下
は、特に低水素系被覆アーク溶接棒を使用した場合に端
的に現われる。しかしてこの種の溶接棒を用いた溶接金
属は衝撃値が高いという特長を有しており、Ｎｉの添加
効果が最も発揮される溶接棒であるから、マクロ偏析に
よる上記物性の低下が特に問題になり易く、また磁粉探
傷試験において偏析に沿つた模様も観察される。本発明
者等は前述の様な事情に着目し、まずマクロ偏析の発生
原因を究明すべく実験を行なつた。

その結果、被覆剤中に配合される金属粉の合金粉の粒度
がマクロ偏析と密接な関係を有していることが確認され
る。即ち溶接工程で被覆剤から溶融プール内に移行した
金属粉や合金粉は、微細粒子であればアークカによつで
溶融金属内へー様に分散する。ところが粗粒物では一様
に分散する前に凝固が完了しマクロ偏析となつて現われ
、アーク力の弱い低水素系被覆アーク溶接棒を使用した
場合にはその傾向が箸しくなる。そこで被覆剤中に配合
する金属粉や合金粉を極力微細にしてやればマクロ偏析
を抑制できるであろうと考え、その線に沿つて鋭意研究
の結果本発明に到達した。即ち本発明に係る低水素系被
覆アーク溶接棒とは、脱酸剤、スラグ生成剤及びアーク
安定剤を含有すると共に、ＣａｃＯ３，ＭｇｃＯ３及び
ＢａｃＯ３よりなる群から選択される１種以上の炭酸塩
を合計で２５〜５５％（重量（ｆｌ）：以下同じ）、Ｃ
ａＦ２を２〜３０％、金属粉及び／又は合金粉を１５％
以下並びに固着剤を主成分として含有する被覆剤を鋼心
線外周に途布してなる低水素系被覆アーク溶接棒におい
て、金属粉及び／又は合金粉を除く上記被覆剤原料の粒
度を、２９６μ以下で且つ７４μ以下のものが２５（ｆ
）以下となる様に調整すると共に、金属粉及び／又は合
金粉の粒度を、１４９μ以上のものが２０ｑ６以下とな
る様に調整したところに要旨が存在する。本発明者等は
、被覆剤中に配合するＮｉ，Ｃｒ及びＭＯの粒度がミク
ロ偏析と密接な関係を有しているという知見から、これ
らの関係を定量的に確認すべく実験を行なつた。

即ちＣａＣＯ３：４５％、ＣａＦ２：１８％、Ｓｉ含有
率４５％のＦｅ一Ｓｉ：１０％、Ｍｎ：３ｑ６及びＴｉ
Ｏ２：３％からなる低水素系被覆剤を基本組成とし、こ
れに粒度構成の異なるＮｉ粉を０．５〜１６ｑ６添加し
た後粘結剤として水ガラスを加え、これを鋼心線（５．
０ｗｍφ）に塗布し４００〜４５０℃で乾燥して供試棒
とした。この試供棒を用いて板厚１００種のＳＭ５Ｏ材
（Ｖ開先６開先角度：３０度、ルートギヤツプ：１０ｒ
ｍ）に、電流２２０Ａで下向溶接した。得られた溶接金
属から５個の試験片を切り出して研磨し、５０倍に拡大
して各断面における偏析の個数を調べた。また上記と同
様の方法で、Ｃｒ粉を１〜４．５％含有する供試棒及び
ＭＯ合金粉をＭＯ換算で０．５〜３％含有する供試棒を
作製し、同様に偏析の個数を調べた。各試験片の平均偏
析個数は第２図に示す通りである。第２図からも明らか
な様に、被覆剤中の金属粉含有量が少ない場合は、金属
粉の粒度に関係なく偏析個数は極めて少ない。

また金属粉の含有量が多くなると、金属粉の粒度を調整
しても偏析を抑制できない。しかしＮｉ，Ｃｒ及びＭＯ
粉中に占める１４９μ以上の粗粒物の割合と偏析個数の
間には明らから相関々係がみられ、該粗粒物の割合を２
０％以下にすることによつて偏析個数を大幅に減するこ
とができる。ＣａｃＯ３，ＭｇｃＯ３及びＢａｃＯ３は
何れも同効物質であり、溶接中に分解してＣＯやＣＯ２
を発生しシールド効果を発揮する。

従つて十分なシールド効果を得る為には、上記炭酸塩の
１種以上を２５％以上配合する必要がある。但し多すぎ
ると溶込みが深くなると共にスパツタが多発し易くなる
ので５５％以下に止めねばならない。尚これらの炭酸塩
は同時にアーク安定剤やスラグ生成剤としての作用も発
揮する。ＣａＦ２はスラグ生成剤であつて溶融スラグの
流動性及び耐ピツト性を改善するのに不可欠の成分で、
少なくとも２＃）以上含有させる必要がある。

しかし多すぎるとアークが不安定になるので３０％以下
に止めるべきである。欠に金属粉としては、前述の如く
Ｃｒ，ＭＯ及びＮｉ等が挙げられ、これらは以下に示す
如く溶接金属の物理的性質を高める作用がある。

しかし多すぎると物性面でかえつて障害が現われると共
に偏析が起こり易くなる。即ちＣｒは溶接金属の強度向
上に寄与するが、３．５％を越えると偏析個数が増大し
靭性が低下するので注意すべきである。

ＭＯもＣｒと同様溶接金属の強度を高める作用があるが
、２％を越えると偏析個数が増大し靭性が低下すると共
に溶接割れが発生し易くなる。Ｎｉは靭性及び強度を高
める極めて有益な元素であるが、１４％を越えると偏析
個数が増大すると共に溶接割れが発生し易くなる。尚上
記金属元素は金属単体として加えてもよく、或はそれら
の合金や鉄合金の形で添加してもよいが、鉄分を除く上
記金属元素の全被覆剤中の含有率は１５％以下にするこ
とが望まれる。しかして１５％を越えると、粒度構成を
調整しても偏析を十分に抑制できなくなるからである。
尚本発明でいう金属粉又は合金粉とは、脱酸剤として併
用され得るＦｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓ１等は除外したものと
して考えるべきである。ところで被覆剤成分としては周
知の通り適量のスラグ生成剤、アーク安定剤、ガス発生
剤、脱酸剤が必要であり、所望に応じて上記以外の合金
添加剤も配合されるが、本発明においてもこれらの剤が
適宜配合されるべきことは当然である。

このうち上記必須成分を含めて代表的なものを例示すれ
ば下記の通りである。〔アーク安定剤〕 方解石、毒重石、ルチール、鋭錐石、イルミナイト、軟
マンガン鉱、鉄粉、珪酸カリ等。

〔スラグ生成剤〕

珪酸鉱物（珪砂、長石、タルク、マイカ等）、炭酸鉱物
（方解石等）、酸化物（ルチール、イルミナイト、鉄鉱
石、軟マンガン鉱等）、弗化物（螢石、氷晶石等）等。

〔ガス発生剤〕

炭酸鉱物、木屑、殿粉等。

〔脱酸剤〕

Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｔｉ，Ｆｅ−Ａｌ，Ｍ
ｎ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ａｔ等。

〔合金添加剤〕

Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｃｒ，ＣＯ，Ｎｉ，Ｗ等。

このほか従来の低水素系被覆アーク溶接棒と同様被覆剤
中に鉄粉を配合し、溶接能率を高めることも有効である
。しかし４０％を越えるとアークが不安定になり、特に
立向姿勢での溶接作業性が悪くなる。更に被覆剤や鋼心
線中に混入した微量のＢ，Ｎｂ，Ｖ，Ｐ或はそれらの酸
化物は、溶接金属の切欠靭性を箸しく阻害する。

そこでこれら不純元素の混入による障害を定量的に確認
すべく実験を行なつた結果、被覆剤中の（Ｂ＋Ｎ・ｂ＋
Ｖ＋Ｐ）の総含有率（酸化物の場合はＢ，Ｎｂ，，Ｐに
換算した値）を０．０３５ｑ６以下に抑えると共に、鋼
心線中の同含有率を０．０１５％以下に抑えてやれば、
これらの不純元素含有による障害を殆んど無視し得る程
度に抑えることができる。ところで本発明で使用する被
覆剤は、前述の必須成分を必要により上記各剤と共に配
合し、珪酸ナトリウムや珪酸カリウム等の粘結剤と共に
混練して鋼心線の外周に塗布されるが、塗布時の生産性
や溶接棒の性能は、被覆剤原料中の金属粉を除く原料の
粒度構成にも相当影響されることが判明した。

即ち種々実験の結果、金属粉を除く被覆剤原料のうち７
４μ以下の微粒子が２５％を越えると、アークカが弱く
且つ溶融速度が低下して偏析個数が増大し、溶接作業性
が低下すると共に、溶接棒製造時に乾燥割れが著しくな
つて歩留りが低下する。また２９６μを越える粗粒物が
含まれていると、塗布工程で被覆剤のすベリが悪くなり
生産性が低下すると共に、溶接時にスパツタが多発する
。従つて金属粉を除く他の被覆剤原料の粒度構成は、２
９６μ以下でなければならず、その上に７４μ以下が２
５％以下、７４〜２９６μが７５％以上の条件を満たす
ものが最適である。ところで本発明では、特に被覆剤に
配合する金属粉及び合金粉の粗粒物含有率を一定値以下
に設定し、それら金属及び合金のマクロ偏析を減じたと
ころに最大の特徴があるが、第２図の結果からも明らか
な様に偏析個数を零にすることは困難である。そこで偏
析残留による溶接金属の性能低下を心線組成の改善によ
つて補うべく研究を行なつた。その結果心線中の炭素含
有量を極力少なくしてやれば、同一の偏析量であつても
溶接金属の物性を大幅に改善し得ることが判明した。即
ち溶接金属内におけるＮｉ等の濃度の高い部分は、他の
部分に比べて変態点が低く、凝固過程では変態開始域か
ら未変態域に炭素が拡散する為、炭素は偏析部に集積さ
れる傾向がある。この炭素集積部の組織は極めて硬く、
衝撃力を受けたときに応力集中を起こして破断し易い。
ところが炭素含有量の少ない心線を使用すると炭素の集
積が少なくなり、局部的な硬度増加傾向が抑制される。
その結果マクロ偏析部に生じる応力集中が緩和され、偏
析数の減少とも相俟つて溶接金属の機械的性質殊に低温
靭性は大幅に改善される。これらの理由から心線中の炭
素含有量は少ないほど好まれるが、後記第３図の実験結
果からも明らかな様に、炭素含有率が０．０１％以下の
鋼心線を使用すれば、偏析部の硬質化を十分に抑制でき
る。本発明は概略以上の様に構成されており、特に金属
粉及び合金粉、並びにその他の被覆剤原料の粒度構成を
適正に調整することによつて、偏析の少ない高品質の溶
接金属を与える低水素系被覆アーク溶接棒を提供し得る
ことになつた。

次に実験例を示す。

実施例 １ 第１表に示す成分組成の被覆剤を炭素量００６％の炭素
鋼心線（５ｗｒ１ｎφ×４００咽１）の外周に Ｉ塗布
して低水素系被覆アーク溶接棒を作製し、各溶接棒を用
いた場合の作業性及び溶接金属の偏析個数（第２図の場
合と同様にして測定）を調べた。

浩果を第１表に一括して示す。但し第１表においで※１
〜※５は下記の意味を示している。※１：ＪＩＳＧ２３
Ｏ２のＦＳｉ３該当品で、粒度構成は、７４μ以下が６
０％、 ７４〜１０５μが２１％、１０５〜 １４９μが１４％、１４９〜２５０μが ５％のものを用いた。

※２：ＪＩＳＧ２３ｌｌのＭＭｎＥ該当品で、粒度構成
は、７４μ以下が７３％、７４〜１０５μが１１ｑ６、
１０５〜１４９μが１３Ｃ！１１１４９〜２５０μが３
％のものを用いた。

※３：ＪＩＳＧ２ｌ３のＭｃｒ該当品。

※４：ＪＩＳＧ２３Ｏ７のＦＭＯＬ該当品で表中の数字
はＭＯ換算値。

※５：Ａｔ２Ｏ３，Ｋ２Ｏ，Ｎａ２Ｏ，ＴｉＯ２，Ｓｉ
Ｃ２などを示す。

第１表より次の様に考察することができる。

（１）符号１〜３はＮｉ粉等の粒度を調整していない従
来棒で、偏析個数が相当多い。（２）これに対し符号４
〜８はＮｉ粉等を１４９μ以上の粗粒物が２０％以下に
なる様に粒度調整した実施例で、Ｎｉ粉等が２％である
符号１と４の比較、同８％である符号２と５，６の比較
、同１４％である符号３と７，８の比較を夫々行なつて
みると、偏析個数が大幅に低減できていることが分る。

（３）符号９及び１０はＮｉ粉が０．５０！Ｉと少ない
為、粒度構成に関係なく偏析個数は少なく、また符号１
１及び１２はＮｉ粉が１６％と多すぎる為、粒度を適正
に調整しても偏析個数はあまり減少しない。

（４）符号１３は、ＣａＦ２量が不足する為溶融スラグ
の流動性が悪くピツト欠陥が現われ、また符号１４では
ＣａＦ２量が多すぎる為アークが不安定であり、何れも
溶接作業性が悪い。

（５）符号１５は、炭酸塩が多すぎる為溶込みが深くな
りすぎるきらいがあり、また符号１６は炭塩が不足する
為シールド効果が不十分になる。

（６）符号１７は、金属粉及び合金粉以外の被覆剤原料
に占める７４μ以下の微粒物の割合が多すぎる為、アー
クカが弱くなつて溶融速度が遅くなり、偏析個数が増加
する。また符号１８は他の被覆剤原料中の２９６μ以上
の粗粒物の割合が多すぎる為製造時の塗装性が悪く、且
つ溶接時にスパツタが多発する。（７）符号１９〜２３
は、Ｃｒの含有率及び粒度構成を変化させたもので、Ｃ
ｒ含有率が高くなる程、またＣｒ粉中の１４９μ以上の
粗粒物量が多くなる程、偏析個数は増加する。

（８）符号２４〜２８は、ＭＯの含有率及び粒度構成を
変化させたもので、ＭＯ含有率が高くなる程、またＭＯ
粉中の１４９μ以上の粗粒物量が多くなる程、偏析個数
が増加する。

尚第３図は符号５及び７の被覆剤を使用した場合につい
て、鋼心線中の炭素量と偏析部の硬さの関係を示したグ
ラフであり、炭素含有率が０．０１％以下である心線を
使用すれば、マクロ偏析が多少起こつても、偏析部の硬
質化が抑制される為耐割れ性が改善される。

実験例 ２ 第２表に示す如く成分組成及び粒度構成がすべて本発明
の要件を満足する被覆剤を、炭素量０．０．７％の鋼心
線（４．０ｒｍφ×４００ｗｒ！ｎｌ）の外周に塗布し
て低水素系被覆アーク溶接棒を製造した。

この溶接棒を使用して溶接作業性及びＪＩＳＺ３２ｌ２
により溶接金属の引張り強さ及び衝撃強さ（−２０℃に
おけるシヤルピ一衝撃値）を調べ鳩結果を第２表に示す
。第２表からも明らかな様に、本発明の溶接棒を使用す
ると、良好な溶接作業性が得られると共に、金属粉や合
金粉の偏析が起こらず、低温靭性及び引張り強さの優れ
た溶接金属を得ることができる。

実験例 ３第３表に示す成分組成の被覆剤を鋼心線（４
．０糎φＸ４ＯＯｒＷｆＬｔ）の外周に塗布し、低水素
系被覆アーク溶接棒を製造した。

尚本例では、特に被覆剤及び心線中の（Ｂ＋Ｎｂ＋Ｖ＋
Ｐ）の含有率の影響を調べる為、これらについても併記
した。尚被覆剤原料の粒度構成は、すべて本発明の要件
を満たす様に調整した。得られた各溶接棒を用いて第２
表の場合と同様の条件で溶接を行ない、溶接作業性及び
溶接金属の物性を調べた。

結果を第３表に一括して示す。第３表より次の様に考察
できる。（１）符号３６〜４０は、炭酸塩、ＣａＦ２又
は鉄粉の配合率が規定範囲を外れる比較例で、何れも溶
接作業性が悪い。

（２）符号３４は従来の６０キロ級の溶接棒で、（Ｂ＋
Ｎｂ＋＋Ｐ）量が好適範囲を外れている為、同含有量が
好適範囲内である符号３５に比べて衝撃強さが低い。

（３）符号４１は従来の８０キロ級の溶接棒で、（Ｂ＋
Ｎｂ＋Ｖ＋Ｐ）量が好適範囲を外れている為、同含有量
が好適範囲内である符号４２に比べて衝撃強さが低い。

（４）符号４３は適量の鉄粉を含む８０キロ級の溶接棒
で、高い引張り強さと衝撃強さが得られる。

（５）符号４４は本発明の要件を満足する被覆剤中に多
量のＮｉを配合した８０キロ級の溶接棒で良好な強度、
靭性を有している。（６）符号４５，４６は本発明の要
件を満足する６０キロ級及び１００キロ級の溶接棒で、
溶接作業性及び溶接金属の物性共に優れている。

尚第４，５図は６０キロ級及び８０キロ級の溶接棒を対
象として従来棒（符号３４，４１）又は本発明棒（符号
３５，４２）を用いて得た溶接金属の熱処理前後のもの
について衝撃遷移曲線を示したものである。

この図からも明らかな様に、本発明の溶接棒を使用する
ことにより、従来棒を使用した場合に比べて耐衝撃性能
の優れた溶接金属を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接金属のマクロ偏析を起こした部分のＥＰＭ
Ａチヤート、第２図はＮｉ，Ｃｒ及びＭＯ粉の粒度構成
と偏析個数の関係を示すグラフ、第３図は心線中の炭素
量と偏析部の硬さの関係を示すグラフ、第４，５図は実
験例で得た溶接金属の衝撃遷移曲線を夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ＣａＣＯ＿３、ＭｇＣＯ＿３及びＢａＣＯ＿３より
   なる群から選択される１種以上の炭酸塩を合計で２５〜
   ５５重量％、ＣａＦ＿２を２〜３０重量％、金属粉及び
   ／又は合金粉を１５重量％以下並びに固着剤を主成分と
   して含有する被覆剤を鋼心線外周に塗布してなる低水素
   系被覆アーク溶接棒において、金属粉及び／又は合金粉
   を除く上記被覆剤原料の粒度を、２９６μ以下で且つ７
   ４μ以下のものの比率が２５重量％以下となる様に調整
   すると共に、金属粉及び／又は合金粉の粒度について、
   １４９μ以上のものの比率２０重量％以下となる様に調
   整したことを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。 ２ 特許請求の範囲第１項において、金属粉及び／又は
   合金粉が、１４重量％以下のＮｉ、３．５重量％以下の
   Ｃｒ、並びにＭｏ換算で２重量％以下のＭｏ及び／又は
   Ｆｅ−Ｍｏよりなる群から選択される１種以上である低
   水素系被覆アーク溶接棒。 ３ 特許請求の範囲第１又は第２項において、Ｃ含有率
   が０．０１重量％以下である鋼心線を用いた低水素系被
   覆アーク溶接棒。