JPS6150716B2

JPS6150716B2 -

Info

Publication number: JPS6150716B2
Application number: JP15690980A
Authority: JP
Inventors: Noboru Sugyama; Yutaka Nishikawa; Tatsuhiko Shigematsu
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1986-11-05
Also published as: JPS5781994A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は低温用鋼の潜弧溶接方法に関し、詳細
には、使用する溶接ワイヤ及びフラツクスを特定
することによつて、溶接金属の機械的性質及びＸ
線透過能並びに溶接作業性等の要求をすべて満足
し得る様にした低温用鋼の潜弧溶接方法に関する
ものである。液化プロパンガスや液化天然ガス等の低温液体
を運搬或は貯蔵する為の容器用材料としては、主
に5.5％Ni鋼や９％Ni鋼等のフエライト系低温用
Ni合金鋼が使用されている。このうち９％Ni鋼
はASTM規格でＡ−353（NNT材）とＡ−553
（QT材）に分類されており、引張り強さは何れ
も70.3〜84.4Kg/mm²、0.2％耐力はNNT材で52.7Kg/
mm²以上、QT材で59.8Kg/mm²以上、更に−196℃に
おける衝撃値は何れも3.5Kg/mm²以上、という様に
極めて高い性能が要求されている。また当然なが
らこれらの材料を用いて溶接建造を行なう場合の
溶接部に対する要求性質は母材に匹敵するもので
なければならない。これらの要求を満たす為の具
体的な手段としては、適正な成分組成の溶接ワイ
ヤを使用すると共に溶接後適切な熱処理を行なう
のが普通である。しかし液化天然ガスタンクの様
な巨大構造物では溶接後の熱処理が不可能である
から、溶接のままでも優れた低温靭性等が得られ
る様Ni基合金系の溶接材料を使用するのが通常
である。たとえば９％Ni鋼の溶接には、被覆ア
ーク溶接棒による手溶接やTIG溶接が採用されて
おり、手溶接材料としてはAWS−A5.11−
ENiCrFe1〜４が、またTIG溶接材料してはAWS
−A5.14−ERNiCr−３、ERNiCrFe−６或はMo
量を15〜20％まで高めたERNiCrMo−４等に相当
する材料が用いられている。他方潜弧溶接に関しては、溶接能率は優れてい
るものの、溶接入熱が大きくまた溶接金属の母材
による希釈が著しい為に十分な耐割れ性や機械的
性質が得られず、上記の様な大型構造物の溶接に
はこれまで殆んど実用化されていない。しかし前
記したERNiCrMo−４の様にMo含有量の多い溶
接材料を使用し、且つ適切な成分組成のフラツク
スを使用すれば耐割れ性が改善されるという事実
が確認されるに及び、この種の溶接材料を用いた
潜弧溶接法も一部で実用化されはじめている。ところがMoを多量含有する溶接材料を使用す
ると、溶接金属のＸ線透過性能が極端に乏しく
なつて溶接欠陥の検査が困難になる、溶接ビー
ドが垂れ易くなつて作業性及びビード形状が悪化
する、溶接金属の機械強度が低い、等の問題が
生じると共に、溶接ワイヤの生産性が低く、また
高価なMoを多量使用する為にワイヤ価格が高騰
する等の問題も指摘されており、実用に適した方
法とは言い難い。しかし溶接能率の点では潜弧溶
接は他の溶接法に比べて優れたものであるから、
上記欠点を克服して潜弧溶接の実用性を高めるこ
とは極めて有意義なことである。本発明者等は前述の様な事情に着目し、上記潜
弧溶接法の難点を克服する為には、Mo併用に伴
なう障害を解消する必要があると考え、Moを添
加しなくとも高い耐割れ性を確保し得る様な方法
の開発を期して、溶接ワイヤ及びフラツクスの成
分組成を主体にして鋭意研究を進めてきた。本発明はかかる研究の結果なされたものであつ
て、その構成とは、 Ni≧60％、10％≦Cr≦30％、Ｃ≦１％、Si≦
２％、Fe≦15％、Ｎ：0.001〜0.05％の他、Nb≦
４％、Mn≦10％、Al≦１％、Ti≦１％、Mo≦５
％及びＷ≦５％よりなる群から選択される１種以
上の元素とからなる溶接ワイヤと、 MgO：５〜40％、金属炭酸塩：５〜40％、金
属弗化物：５〜50％、SiO₂≦20％を含有する
他、Nb≦30％、Mn≦50％、Al≦８％、Ti≦８
％、Si≦５％、Ｃ≦３％、Ni≦30％、Cr≦10
％、Mo≦10％、Ｗ≦10％よりなる群から選択さ
れる少なくとも１種以上の合金成分を含有すると
共に、粒度を100メツシユ以下とし、合金成分総
量のフラツクス全体に占める割合が60％以下であ
る焼結型フラツクスを用い、さらにワイヤ及び／又はフラツクスに含まれる
Nb及びMnの量を下式を満足する様に調整する点
に第１発明の要旨が存在し、また上記フラツクス
に替えて、上記フラツクスにTiO₂≦15％を必須
的に添加してなるフラツクスを用いる他は第１発
明と同じ構成をとる点に第２発明の要旨が存在す
る。 2W_Nb＋Ｆ_Nb＝8.2〜30％ 5W_Mo＋Ｆ_Mo＝22.5〜50％但し〔Ｗ_Nb：溶接ワイヤ中のNb含有率Ｆ_Nb：フラツクス中のNb含有率Ｗ_Mo：溶接ワイヤ中のMn含有率Ｆ_Mo：フラツクス中のMn含有率〕即ち本発明では、使用する溶接ワイヤ及びフラ
ツクスの成分組成、特にNbとMnの含有量を特定
すると共に、ガス成分であるＮ量を限定し、溶接
金属の耐割れ性その他の諸特性を改善することに
より、Moの減量又は省略を可能にすることがで
きた。以下溶接ワイヤ及びフラツクスの成分組成を特
定した根拠を主体にして本発明の構成及び作用効
果を説明するが、下記は本発明を限定する性質の
ものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲
で適当に変更して実施することはすべて本発明の
範囲に含まれる。まず本発明において最も重要なNbとMnについ
て説明する。これらは相剰効果によつて溶接金属
の引張り強さ及び耐割れ性等を高めると共に、ス
ラグ剥離性等の溶接作業性を高める作用がある。
即ちNbを単独で使用した場合、含有量を高める
に従つて溶接金属の0.2％耐力は向上するが、引
張り強さ及び低温靭性は著しく低下しまたスラグ
剥離性も悪化する。一方Mnには単独で引張り強
さや低温靭性を高める作用は認められない。とこ
ろがNbとMnを同時に溶接金属中に存在せしめる
と、Nbによる引張り強さ及び低温靭性の低下傾
向並びにスラグ剥離性の低下傾向が共存Mnによ
つて緩和乃至解消される。これらの相剰効果は溶
接金属中にNbを4.1〜15％、Mnを4.5〜10％存在
せしめることによつて有効に発揮され、前記下限
未満では相剰効果が認められない。またNb量が
多すぎると引張り強さ及び低温靭性の低下が著し
くなり、またMn量が多すぎると伸び、絞り及び
溶接作業性が劣化する。ところでNb及びMnは溶接ワイヤ及びフラツク
ス中の合金成分として供給され、何れから供給し
ても本質的な差異は認められない。しかるにNb
及びMnをフラツクスから供給する場合、これら
の溶接金属中への歩留りはNbで1/2、Mnで1/5で
あり、一方溶接ワイヤから供給する場合の歩留り
はほぼ100％である。従つてこれらを溶接ワイヤ
及び／又はフラツクスから供給するに当たつて
は、次式を満足する様に溶接ワイヤ中のNb量
（Ｗ_Nb）、Mn量（Ｗ_Mo）及びフラツクス中のNb量
（Ｆ_Nb）、Mn量（Ｆ_Mo）を定めればよい。 2W_Nb＋Ｆ_Nb＝8.2〜30（％） 5W_Mo＋Ｆ_Mo＝22.5〜50（％）これら合金元素のうちNbについては、これを
溶接ワイヤから供給する場合、ワイヤ中のNb量
が４％超になるとワイヤ製造時の歩留りが極端に
低下するので、ワイヤ中のNb量は４％以下に止
め、不足分はフラツクスから供給すべきである。次に溶接ワイヤ中に含まれる他の成分について
説明する。 Niは溶接のままで優れた低温靭性を得る為の
不可欠の成分であり、60％未満では十分な性能を
有する溶接金属が得られない。上限は特に存在し
ないが、他の必須合金成分との兼ね合いを考慮す
れば80％程度が上限と思われる。CrはNi中に固
溶してマトリツクスを強化し、引張り強さ及び低
温靭性を高める作用があり、これらの効果を有効
に発揮させる為にはワイヤ中に10％以上含有させ
る必要がある。またワイヤ中に30％を超えて含有
させると溶接金属の引張り強さが高くなりすぎ延
性不足が生ずる。Ｃは少量で引張り強さを高める
効果があり、Nbの一部をＣで代替してもよい。
しかし多すぎると低温靭性及び耐割れ性を阻害す
るので１％以下に止めねばならない。Siは脱酸剤
として作用すると共に引張り強さを高める作用が
あるが、２％を越えると低温靭性及び耐割れ性が
低下する。Feはわずかに引張り強さを高めるも
のの低温靭性を低下させる傾向がある。しかし15
％以下の量であれば実害はない。またＮは一般に有害元素とされており、0.05％
を越えると、特に本発明の成分組成においては低
温靭性及び耐割れ性が劣下するのでこれ以下に抑
えねばならない。しかし本発明では微量で溶着金
属の引張強さを高める作用が著しく、0.001％以
上含有させることを必須とする。更に溶接ワイヤ中には上記合金成分の他必要に
応じてAl、Ti、Ｗ、Mo等の１種又は２種以上を
含有させることができる。即ちAl及びTiは少量
の添加で耐プローホール性を改善すると共に、引
張り強さ及び溶接作業性を高める作用がある。し
かしAl、Ti共１％を越えると低温靭性、性割れ
性及び溶接作業性を悪影響を及ぼすので注意すべ
きである。Moは引張り強さを高め低温靭性及び
耐割れ性を改善する作用があるが、10％を越える
と溶接作業性が著しく低下し、また溶接金属のＸ
線透過能が乏しくなると共にワイヤ生産性も低下
する。またＷは引張り強さを高める作用があるも
のの、融点が高い為に多すぎると溶接金属中で偏
析して機械的性質を低下させ、またワイヤ生産性
も低下するので10％以下に止めるべきである。次にフラツクス中の他の成分について述べる。
まずMgOはスラグの塩基度を高めると共に流動
性及び剥離性を改善するのに不可欠の成分であ
り、少なくとも５％以上含有させねばならない。
しかし40％を越えるとスラグの剥離性がかえつて
低下するのでこれ以下にすべきである。金属炭酸
塩は、スラグの塩基度を高めると共に、分解生成
するCO₂ガスによつて溶接部近傍雰囲気中の水素
分圧を下げ溶接金属の機械的性質を高める作用が
あり、５％以上の配合を必須とする。しかし40％
を越えるとスラグの流動性が悪くなつてビード形
状及びスラグの剥離性が劣化する。尚金属炭酸塩
としてはBaCO₃、CaCO₃、Li₂CO₃、MgCO₃等の
アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩或は
MnCO₃等が例示され、これらは単独で或は２種
以上を組み合せて使用できる。金属フツ化物は、スラグの流動性を改善してビ
ード形状を良好にする作用があり、５％以上の添
加を必要とする。しかし50％を越えるとアークの
安定性及びスラグの剥離性が低下するので好まし
くない。尚金属フツ化物の具体例としては
AlF₃、BaF₂、CaF₂、MgF₂、Na₃AlF₆等が挙げら
れ、これらは単独で或は２種以上を併用すること
ができる。 SiO₂はスラグに適度の粘性を与え溶接作業性
を良くする作用があるが、20％超配合するとスラ
グの塩基度が低下して溶接金属の耐割れ性が悪く
なる。またTiO₂は、多すぎるとSiO₂の場合と同
様スラグの塩基性が低下して耐割れ性が劣化し、
更にはスラグの焼付が著しくなるが、15％以下で
あればこれらの実害は殆んど表われない。このほか本発明で使用するフラツクス中には、
先に述べたNbやMnと同様溶接金属の成分を調整
する目的で、他の種々の合金成分たとえばAl、
Ti、Si、Ｃ、Ni、Cr、Mo、Ｗ等を配合すること
もできる。これらの合金成分の添加効果は、溶接
ワイヤの項で説明した効果と実質的に同じであ
り、Al、Ti、Siは脱酸剤としての作用を示し、
溶接金属の耐ブローホール性及び引張り強さ等を
高める。またNi、Cr、Mo、Ｗ、Ｃは引張り強
さ、低温靭性、耐割れ性等の向上に寄与する。こ
れら合金成分の配合率は、溶接金属に対する歩留
りを考慮して、Al≦８％、Ti≦８％、Si≦５
％、Ｃ≦３％、Ni≦30％、Cr≦10％、Mo≦10
％、Ｗ≦10％に夫々定めた。尚これらの合金成分
をフラツクスに配合する場合、これらの総配合率
は前記Nb及びMnを含めて60％以下にしなければ
ならない。しかして60％を越えると、焼成工程で
合金成分が酸化燃焼し、溶接作業性が低下すると
共に溶接金属の機械的性質が劣化するからであ
る。また本発明で使用するフラツクスは焼結型に
限定されるが、その理由は、溶融型では溶製段階
で合金成分が酸化もしくは変質し、合金成分に期
待されるべき前述の効果が有効に発揮されないか
らである。尚焼結型フラツクスの具体的な製法は
特に限定されないが、最も一般的なのは、所定量
の原料粉末を水及び粘結剤（珪酸ソーダ、珪酸カ
リウム等）と共に混練し、原料粉末の融点以下の
温度（通常は300〜600℃程度）で乾燥・焼成した
後粒度調整する方法である。この場合、フラツク
ス中に配合される合金成分の粒度は100メツシユ
以下にしなければならない。その理由は、配合原
料中の合金成分の粒度が粗いとフラツクス製造時
にこれらが均一に分布せず、溶接金属中に合金元
素が偏析して機械的性質が劣化するからであり、
合金成分が100メツシユ以下の微粒子であればこ
れらの問題は起こらない。ところで、本発明に類似した技術として、本出
願人自身の提案に係る特開昭51−83032号及び特
公昭51−14975号が知られている。しかしながら
前者の技術は、あくまでも従来から実用化されて
いる75Ni−15Cr系被覆アーク溶接棒の高強度化
を目的としたものであり、従来不可能とされてい
た75Ni−15Cr系の潜弧溶接を可能にした本発明
とは厳に区別されるべきである。一方後者の技術
はインコネル系の溶接ワイヤに関するもので、フ
ラツクス成分との相関々係等についてはまつたく
言及されておらず、しかもこの溶接ワイヤは手溶
接用としては有効であるものの、自動溶接に適用
すると耐割れ性や強度面で不十分であり満足な効
果が得られない。これらに対し本発明の潜弧溶接
法は、前述の様な知識・経験をふまえた上で、溶
接ワイヤ及びフラツクスの夫々の成分組成を特定
すると共に、合金成分特にNb及びMnについては
両者の相関々係を考慮して各含有量を設定し、更
には溶接ワイヤ中のＮ量の限定フラツクス中の合
金元素の粒度限定等とも相俟つて、手溶接及び自
動溶接の如何を問わず溶接のままでも優れた低温
靭性、耐割れ性等の機械的性質を有する溶接部を
提供し得ることになつたもので、これらの構成及
び作用効果については、前記公報の発明から想到
し得るものではない。本発明は概略以上の様に構成されており、９％
Ni鋼をはじめとして8.5％Ni鋼、５％Ni鋼等の含
Ni低温用鋼を母材とする溶接建造に幅広く活用
できる。次に本発明の実施例を示す。実施例１第１表に示す成分組成の溶接ワイヤと第２表に
示すフラツクスを組合せ、下記の条件で潜弧溶接
を行ない、溶接作業性及び得られた溶接金属の機
械的性質を調べた。結果を第３表に一括して示
す。〔潜弧溶接条件〕試験方法：NV20−２ワイヤ径：1.6mmφ 電流極性：DC 溶接電流：300A 溶接電圧：30〜32V 溶接速度：30cm／分母材の予熱：なしパス間温度：150℃以下フラツクス：250℃で１時間乾燥して使用但し第１表において符号Ａ〜Ｅは本発明の要件
を充足する溶接ワイヤ、符号Ｆは本発明の要件を
欠く（Si、Ｎ及びFe量が多すぎNi及びCr量が不
足する）溶接ワイヤを示す。また第２表において
符号Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊ、Ｌ及びＭ
は本発明の要件を満たすフラツクス、その他は要
件を欠くフラツクス（符号Ｃ：SiO₂量過多で
MgO量不足、符号Ｉ：TiO₂量過多で金属炭酸塩
不足、符号Ｋ：金属フツ化物不足）を示す。

【表】

【表】第１〜３表より次の様に考察することができ
る。 (1) 溶接ワイヤが適正であつても、フラツクスの
合金成分以外の成分組成が本発明の要件を外れ
ると、特に溶接作業性が悪化し実用に耐えない
（実験番号３、６及び12）。 (2) 溶接ワイヤ及びフラツクスが夫々単独として
は一応本発明の合金成分以外の要件に合致して
いても、両者に含まれるNb（2W_Nb＋Ｆ_Nb）量
及びMn（5W_Mo＋Ｆ_Mo）量が本発明の要件を外
れると、溶接金属の機械的性質特に低温靭性
（衝撃試験値）が乏しくなる（実験番号５、９
及び13）。 (3) （2W_Nb＋Ｆ_Nb）量及び（5W_Mo＋Ｆ_Mo）量が
偶々本発明の要件に合致しても、ワイヤ及びフ
ラツクスの成分組成が夫々本発明の要件を欠く
場合は、溶接作業性及び溶接金属の機械的性質
共に不十分になり、本発明の目的は到底達成で
きない（実験番号16）。 (4) これらに対し、本発明の要件を全て満足する
実施例（実験番号１、２、４、７、８、10、
11、14及び15）は、作業性及び機械的性質共に
極めて優れている。実施例２第１表に示した符号Ｃの溶接ワイヤと、第２表
に示した符号Ｈのフラツクスを使用し、下記の溶
接条件で９％Ni鋼の突合せ溶接を行なつた。〔溶接条件〕溶接ワイヤ径：1.6mmφ 電流特性：DC 溶接電流：200〜300A 溶接電圧：26〜32V 溶接速度：25〜60cm／分母材の予熱：なしパス間温度：150℃以下フラツクス：250℃で１時間乾燥して使用溶接姿勢：横向開先形状及び積層法：第１図の通り得られた継手の機械的性質を第４表に示す。但
し引張り試験はJIS Ｚ 3121、衝撃試験はJIS Ｚ
3112 ４号（３回試験した平均値）、縦曲げ試験
はASME Sec FigQ−7.3に準じて行なつた。

【表】第４表からも明らかな様に、本発明の潜弧溶接
法によつて得た溶接継手は、引張り強さ、低温靭
性及び曲げ性能のすべてにおいて極めて優れてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例で採用した溶接実験の開先形状
及び累層法を示す説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】１ Ni≧60％、10％≦Cr≦30％、Ｃ≦１％、Si
≦２％、Fe≦15％、Ｎ：0.001〜0.05％の他、Nb
≦４％、Mn≦10％、Al≦１％、Ti≦１％、Mo≦
５％及びＷ≦５％よりなる群から選択される１種
以上の元素とからなる溶接ワイヤと、 MgO：５〜40％、金属炭酸塩：５〜40％、金
属弗化物：５〜50％、SiO₂≦20％を含有する
他、Nb≦30％、Mn≦50％、Al≦８％、Ti≦８
％、Si≦５％、Ｃ≦３％、Ni≦30％、Cr≦10
％、Mo≦10％、Ｗ≦10％よりなる群から選択さ
れる少なくとも１種以上の合金成分を含有すると
共に、粒度を100メツシユ以下とし、合金成分総
量のフラツクス全体に占める割合が60％以下であ
る焼結型フラツクスを用い、さらにワイヤ及び／又はフラツクスに含まれる
Nb及びMnの量を下式を満足する様に調整するこ
とを特徴とする低温用鋼の潜弧溶接方法。 2W_Nb＋Ｆ_Nb＝8.2〜30％ 5W_Mo＋Ｆ_Mo＝22.5〜50％但しＷ_Nb：溶接ワイヤ中のNb含有率Ｆ_Nb：フラツクス中のNb含有率Ｗ_Mo：溶接ワイヤ中のMn含有率Ｆ_Mo：フラツクス中のMn含有率２ Ni≧60％、10％≦Cr≦30％、Ｃ≦１％、Si
≦２％、Fe≦15％、Ｎ：0.001〜0.05％の他、Nb
≦４％、Mn≦10％、Al≦１％、Ti≦１％、Mo≦
５％及びＷ≦５％よりなる群から選択される１種
以上の元素とからなる溶接ワイヤと、 MgO：５〜40％、金属炭酸塩：５〜40％、金
属弗化物：５〜50％、SiO₂≦20％、TiO₂≦15％
を含有する他、Nb≦30％、Mn≦50％、Al≦８
％、Ti≦８％、Si≦５％、Ｃ≦３％、Ni≦30％、
Cr≦10％、Mo≦10％、Ｗ≦10％よりなる群から
選択される少なくとも１種以上の合金成分を含有
すると共に、粒度を100メツシユ以下とし、合金
成分総量のフラツクス全体に占める割合が60％以
下である焼結型フラツクスを用い、さらにワイヤ及び／又はフラツクスに含まれる
Nb及びMnの量を下式を満足する様に調整するこ
とを特徴とする低温用鋼の潜弧溶接方法。 2W_Nb＋Ｆ_Nb＝8.2〜30％ 5W_Mo＋Ｆ_Mo＝22.5〜50％但しＷ_Nb：溶接ワイヤ中のNb含有率Ｆ_Nb：フラツクス中のNb含有率Ｗ_Mo：溶接ワイヤ中のMn含有率Ｆ_Mo：フラツクス中のMn含有率