JP7855536B2 - Ａｒ－ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
Ａｒ－ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤInfo
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Description
本発明は、鋼管の全姿勢周溶接において、アーク安定性が良好で、スパッタの発生が少なく、特にスラグ剥離性が良好で溶接欠陥が無く、溶接金属の強度および低温靭性が優れるＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、溶接能率及び全姿勢溶接での溶接作業性が非常に優れているルチール系の溶接用フラックス入りワイヤが、造船、橋梁、海洋構造物、鉄骨等の広い分野で適用されている。例えば、近年、海底における天然ガス及び油田開発が進み、パイプラインの敷設が増加している。そのためパイプラインの全姿勢裕溶接において、高能率施工が可能なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが用いられている。
パイプラインは、地上や海底及び寒冷地等で敷設されるため、過酷な使用環境から極めて高い信頼性が要求されており、溶接部においても高い品質が要求されている。このようなパイプラインを構成する全姿勢周溶接は、例えば特許文献１においては、Ｎａ及びＫを含む弗素化合物を規定することにより全姿勢溶接での良好な溶接作業性を得られるフラックス入りワイヤの技術が開示されている。しかし、特許文献１の開示技術にはＢｉが添加されておらず、Ｚｒ酸化物の添加量も少ないため、スラグ剥離性が悪くスラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生する。また、Ｎｂ、Ｖが添加されていないため鋼管の溶接金属の強度が安定して得られないという問題点があった。
特許文献２においては、スラグ成分、合金成分及び脱酸剤の成分を最適にすることで、全姿勢溶接における溶接作業性及び低温靭性が良好な溶接金属が得られるフラックス入りワイヤの技術が開示されている。しかし、特許文献２の開示技術にはＮｂ、Ｖが添加されておらず、鋼管の溶接金属の強度が安定して得られないという問題点があった。
そこで本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、鋼管の全姿勢周溶接でのアーク安定性が良好で、スパッタの発生が少なく、特にスラグ剥離性が良好で溶接欠陥が無く、溶接金属の強度および低温靭性が優れるＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールド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。
本発明者らはＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、鋼管の全姿勢周溶接において、アーク安定性が良好で、スパッタの発生が少なく、特にスラグ剥離性が良好で溶接欠陥が無く、強度および－６０℃における低温靭性が良好な溶接金属を得るべく、種々の検討を行った。
その結果、ＴｉＯ2を主成分とした金属酸化物、及び弗素化合物からなるスラグ成分と最適なＮｂ、Ｖを含む合金成分及び脱酸材を含む成分とすることによって、鋼管の全姿勢溶接における良好な溶接作業性、スラグ剥離性、強度および低温靭性が良好な溶接金属が得られることを見出した。
すなわち、本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールド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：０．０３～０．０８％、Ｓｉ：０．１～０．６％、Ｍｎ：１．５～２．８％、Ｃｕ：０．０１～０．５％、Ｎｉ：０．５～１．５％、Ｔｉ：０．０５～０．２５％、Ｂ：０．００２～０．０１５％を含有し、Ａｌ：０．０５％以下であり、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計：０．０１～０．１％を含有し、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３～８％、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．０２～０．３％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１～０．６％、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．２５～０．６５％、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上：Ｎａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５～０．２％、Ｍｇ：０．１～０．８％、弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０５～０．２５％、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計：０．００１～０．０１％を含有し、残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分及び不純物からなることを特徴とする。
本発明を適用したＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、鋼管の全姿勢周溶接でのアーク安定性が良好で、スパッタの発生が少なく、特にスラグ剥離性が良好でスラグ巻き込みが無く、強度および低温靭性が良好な溶接金属が得られる。従って本発明により、溶接能率の向上、溶接金属の品質向上を図ることが可能である。
以下、本発明を適用したＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成及び含有率と各成分組成の限定理由について説明する。なお、各成分の含有量はフラックス入りワイヤの全質量に対する質量％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：０．０３～０．０８％］
Ｃは溶接金属の強度向上の効果がある。しかし、Ｃが０．０３％未満では、溶接金属の強度が低くなる。一方、Ｃが０．０８％超では、溶接金属の強度が過剰となり、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Ｃは０．０３～０．０８％とする。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属粉及び合金粉等から添加できる。
Ｃは溶接金属の強度向上の効果がある。しかし、Ｃが０．０３％未満では、溶接金属の強度が低くなる。一方、Ｃが０．０８％超では、溶接金属の強度が過剰となり、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Ｃは０．０３～０．０８％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：０．１～０．６％］
Ｓｉは、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観やビード形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Ｓｉが０．１％未満では、ビードの外観やビード形状を良好にする効果が十分に得られない。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、Ｓｉが溶接金属中に過剰に歩留まることにより強度が過剰になり、溶接金属の低温靭性が低下する。従って鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１～０．６％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等の合金粉から添加できる。
Ｓｉは、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観やビード形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Ｓｉが０．１％未満では、ビードの外観やビード形状を良好にする効果が十分に得られない。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、Ｓｉが溶接金属中に過剰に歩留まることにより強度が過剰になり、溶接金属の低温靭性が低下する。従って鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１～０．６％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等の合金粉から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎ：１．５～２．８％］
ＭｎはＳｉと同様、溶接時に一部が溶接スラグになることにより溶接ビードの外観やビード形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。また、Ｍｎは溶接金属に歩留まることにより、溶接金属の強度と低温靭性を高める効果がある。しかしＭｎが１．５％未満では、ビード外観やビード形状が不良で、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｍｎが２．８％を超えると、Ｍｎが溶接金属に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎは、１．５～２．８％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。
ＭｎはＳｉと同様、溶接時に一部が溶接スラグになることにより溶接ビードの外観やビード形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。また、Ｍｎは溶接金属に歩留まることにより、溶接金属の強度と低温靭性を高める効果がある。しかしＭｎが１．５％未満では、ビード外観やビード形状が不良で、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｍｎが２．８％を超えると、Ｍｎが溶接金属に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎは、１．５～２．８％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属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Ｃｕ：０．０１～０．５％］
Ｃｕは、溶接金属の組織を微細化し、強度及び低温靭性を高める効果がある。しかし、Ｃｕが０．０１％未満では、溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｃｕが０．５％を超えると、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＣｕは０．０１～０．５％とする。なお、Ｃｕは鋼製外皮表面に施したＣｕめっきの他、フラックスからの金属Ｃｕ、Ｃｕ－Ｚｒ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｕ等の合金粉末から添加できる。
Ｃｕは、溶接金属の組織を微細化し、強度及び低温靭性を高める効果がある。しかし、Ｃｕが０．０１％未満では、溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｃｕが０．５％を超えると、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＣｕは０．０１～０．５％とする。なお、Ｃｕは鋼製外皮表面に施したＣｕめっきの他、フラックスからの金属Ｃｕ、Ｃｕ－Ｚｒ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｃｕ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Ｎｉ：０．５～１．５％］
Ｎｉは、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。しかし、Ｎｉが０．５％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが１．５％を超えると、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉは０．５～１．５％とする。なお、Ｎｉは鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ等の合金粉末から添加できる。
Ｎｉは、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。しかし、Ｎｉが０．５％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが１．５％を超えると、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉは０．５～１．５％とする。なお、Ｎｉは鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ－Ｎｉ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：０．０５～０．２５％］
Ｔｉは、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。しかし、Ｔｉが０．０５％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．２５％を超えると、炭化物を析出することで析出強化が作用し、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０５～０．２５％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。
Ｔｉは、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。しかし、Ｔｉが０．０５％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．２５％を超えると、炭化物を析出することで析出強化が作用し、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０５～０．２５％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：０．００２～０．０１５％］
Ｂは微量の添加により溶接金属の粒界フェライトの生成を抑制し、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。しかし、Ｂが０．００２％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１５％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下するとともに、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００２～０．０１５％とする。鋼製外皮とフラックスの合計でＢ、Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｍｎ－Ｂ等の合金粉末から添加できる。
Ｂは微量の添加により溶接金属の粒界フェライトの生成を抑制し、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。しかし、Ｂが０．００２％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１５％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下するとともに、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００２～０．０１５％とする。鋼製外皮とフラックスの合計で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：０．０５％以下］
Ａｌは、酸化物として溶接金属に残留して溶接金属の靭性を低下させる。特にこのＡｌが０．０５％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。従って、Ａｌは０．０５％以下とする。なお、Ａｌは、必須の元素ではなく、含有率が０％とされていてもよい。
Ａｌは、酸化物として溶接金属に残留して溶接金属の靭性を低下させる。特にこのＡｌが０．０５％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。従って、Ａｌは０．０５％以下とする。なお、Ａｌは、必須の元素ではなく、含有率が０％とされていてもよい。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＮｂ及びＶの一方または両方の合計：０．０１～０．１％］
Ｎｂ及びＶは、固溶強化により溶接金属の強度を向上させる効果がある。しかし、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計が０．０１％未満では、溶接金属の強度が低下する。一方、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計が０．１％を超えると、炭化物や窒化物が析出し、低温靭性が低くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｂ及びＶの一方または両方の合計は０．０１～０．１％とする。なお、Ｎｂ及びＶは鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスのルチール、チタンスラグ、イルメナイト等のＴｉ酸化物に微量含まれるので、鋼製外皮及び酸化物から厳選したものを用いる。
Ｎｂ及びＶは、固溶強化により溶接金属の強度を向上させる効果がある。しかし、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計が０．０１％未満では、溶接金属の強度が低下する。一方、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計が０．１％を超えると、炭化物や窒化物が析出し、低温靭性が低くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｂ及びＶの一方または両方の合計は０．０１～０．１％とする。なお、Ｎｂ及びＶは鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスのルチール、チタンスラグ、イルメナイト等のＴｉ酸化物に微量含まれるので、鋼製外皮及び酸化物から厳選したものを用いる。
［フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３～８％］
Ｔｉ酸化物は、溶接時にアーク安定化に寄与するとともに、ビード形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ｔｉ酸化物は、全姿勢周溶接全姿勢周溶接において、溶融スラグの粘性や融点を調整し、メタル垂れを防ぐ効果がある。しかし、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くなりビード外観及びビード形状が劣化し、溶接金属の低温靭性が低下する。またＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、全姿勢周溶接において、メタル垂れが生じてビード外観及びビード形状が不良になる、一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が８％を超えると、アークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、低温靭性が低下する。従って、フラックス中に含有するＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３～８％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等で添加される。
Ｔｉ酸化物は、溶接時にアーク安定化に寄与するとともに、ビード形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ｔｉ酸化物は、全姿勢周溶接全姿勢周溶接において、溶融スラグの粘性や融点を調整し、メタル垂れを防ぐ効果がある。しかし、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くなりビード外観及びビード形状が劣化し、溶接金属の低温靭性が低下する。またＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、全姿勢周溶接において、メタル垂れが生じてビード外観及びビード形状が不良になる、一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が８％を超えると、アークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、低温靭性が低下する。従って、フラックス中に含有するＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３～８％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等で添加される。
［フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．０２～０．３％］
Ａｌ酸化物は溶接時に溶融スラグの粘性や対流を調整し、特に全姿勢周溶接におけるメタル垂れを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．０２％未満では、メタル垂れが生じてビード外観及びビード形状が不良となる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．３％を超えると、溶接金属中にＡｌ酸化物が過剰に残留することにより、低温靭性が低下する。従って、フラックス中に含有するＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．０２～０．３％とする。なお、Ａｌ酸化物は、フラックスからのアルミナ等で添加できる。
Ａｌ酸化物は溶接時に溶融スラグの粘性や対流を調整し、特に全姿勢周溶接におけるメタル垂れを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．０２％未満では、メタル垂れが生じてビード外観及びビード形状が不良となる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．３％を超えると、溶接金属中にＡｌ酸化物が過剰に残留することにより、低温靭性が低下する。従って、フラックス中に含有するＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．０２～０．３％とする。なお、Ａｌ酸化物は、フラックスからのアルミナ等で添加できる。
［フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１～０．６％］
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性や対流を調整してスラグ被包性を向上させると共にビード止端部形状を滑らかにする効果がある。しかし、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．１％未満では、スラグ被包性が低下して、ビード止端部が凸になり、ビード外観が劣化する。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．６％を超えると、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、フラックス中に含有するＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．１～０．６％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの珪砂、ジルコンサンド、珪酸ソーダ等で添加できる。
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性や対流を調整してスラグ被包性を向上させると共にビード止端部形状を滑らかにする効果がある。しかし、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．１％未満では、スラグ被包性が低下して、ビード止端部が凸になり、ビード外観が劣化する。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．６％を超えると、溶接金属の強度が過剰になり、低温靭性が低下する。従って、フラックス中に含有するＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．１～０．６％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの珪砂、ジルコンサンド、珪酸ソーダ等で添加できる。
［フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．２５～０．６５％］
Ｚｒ酸化物は、溶融スラグの粘性や対流を調整、特に全姿勢周溶接におけるメタル垂れを防ぐ効果がある。しかし、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．２５％未満では、全姿勢周溶接でメタル垂れが生じてビード外観及びビード形状が不良となる。一方、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．６５％を超えると、スラグ剥離性が悪くなる。従って、フラックス中に含有するＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．２５～０．６５％とする。なお、Ｚｒ酸化物は、フラックスからのジルコンサンド、酸化ジルコニウム等から添加できる。
Ｚｒ酸化物は、溶融スラグの粘性や対流を調整、特に全姿勢周溶接におけるメタル垂れを防ぐ効果がある。しかし、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．２５％未満では、全姿勢周溶接でメタル垂れが生じてビード外観及びビード形状が不良となる。一方、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．６５％を超えると、スラグ剥離性が悪くなる。従って、フラックス中に含有するＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．２５～０．６５％とする。なお、Ｚｒ酸化物は、フラックスからのジルコンサンド、酸化ジルコニウム等から添加できる。
［フラックス中のＮａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上：Ｎａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５～０．２％］
Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物は、アーク安定剤及びスラグ形成剤として作用する。Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上がＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５％未満であると、アークが不安定となりスパッタ発生量が多くなり、またビード外観も劣化する。一方、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上がＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．２％を超えると、スラグ剥離性が劣化し、また全姿勢周溶接ではメタルが垂れやすくなる。従ってフラックス中のＮａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上は、Ｎａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５～０．２％とする。なお、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、ＮａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、Ｋ2ＳｉＦ6、Ｋ2ＺｒＦ6等で添加できる。なお、珪酸ソーダ等は、上述したＳｉ酸化物にも含まれるものであるが、Ｓｉ酸化物としての成分と、 Ｎａ化合物としての成分をそれぞれ抽出し、それぞれの成分の範囲を限定することで新たな効果を見い出したものである。即ち、珪酸ソーダ等は、Ｓｉ酸化物、Ｎａ化合物の何れかの成分に偏在するものではない。
Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物は、アーク安定剤及びスラグ形成剤として作用する。Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上がＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５％未満であると、アークが不安定となりスパッタ発生量が多くなり、またビード外観も劣化する。一方、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上がＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．２％を超えると、スラグ剥離性が劣化し、また全姿勢周溶接ではメタルが垂れやすくなる。従ってフラックス中のＮａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上は、Ｎａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５～０．２％とする。なお、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、ＮａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6、Ｋ2ＳｉＦ6、Ｋ2ＺｒＦ6等で添加できる。なお、珪酸ソーダ等は、上述したＳｉ酸化物にも含まれるものであるが、Ｓｉ酸化物としての成分と、 Ｎａ化合物としての成分をそれぞれ抽出し、それぞれの成分の範囲を限定することで新たな効果を見い出したものである。即ち、珪酸ソーダ等は、Ｓｉ酸化物、Ｎａ化合物の何れかの成分に偏在するものではない。
［フラックス中のＭｇ：０．１～０．８％］
Ｍｇは強脱酸剤として作用することにより溶接金属中の酸素を低減し、低温靭性を高める効果がある。しかし、Ｍｇが０．１％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｍｇが０．８％を超えると、溶接時にアーク中で酸化反応が促進し、スパッタ発生量が多くなる。従って、フラックス中に含有するＭｇは０．１～０．８％とする。なお、Ｍｇは、フラックスから金属Ｍｇ、Ａｌ－Ｍｇ等の合金粉末で添加できる。
Ｍｇは強脱酸剤として作用することにより溶接金属中の酸素を低減し、低温靭性を高める効果がある。しかし、Ｍｇが０．１％未満では、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｍｇが０．８％を超えると、溶接時にアーク中で酸化反応が促進し、スパッタ発生量が多くなる。従って、フラックス中に含有するＭｇは０．１～０．８％とする。なお、Ｍｇは、フラックスから金属Ｍｇ、Ａｌ－Ｍｇ等の合金粉末で添加できる。
［フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０５～０．２５％］
弗素化合物は、アークを安定させる効果がある。しかし、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０５％未満では、アークが不安定になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．２５を超えると、アークが不安定になり、スパッタ発生量増える。さらに全姿勢周溶接ではメタル垂れが発生しやすくなってビード外観及びビード形状が不良となる。従って、フラックス中に含有する弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０５～０．２５％とする。なお、弗素化合物は、弗化ナトリウム、弗化ジルコンカリウム等で添加が可能で、Ｆ換算値はそれらに含有されるＦの含有量の合計である。
弗素化合物は、アークを安定させる効果がある。しかし、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０５％未満では、アークが不安定になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．２５を超えると、アークが不安定になり、スパッタ発生量増える。さらに全姿勢周溶接ではメタル垂れが発生しやすくなってビード外観及びビード形状が不良となる。従って、フラックス中に含有する弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０５～０．２５％とする。なお、弗素化合物は、弗化ナトリウム、弗化ジルコンカリウム等で添加が可能で、Ｆ換算値はそれらに含有されるＦの含有量の合計である。
［フラックス中のＢｉ及びＢｉ酸化物の一方、または両方のＢｉ換算値の合計：０．００１～０．０１％］
Ｂｉは、溶接金属表面に生成した、スラグ剥離性を良好にする。Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値が０．００１％未満であると、スラグ剥離を促進する効果が不十分のためスラグ剥離性が不良となり、スラグ巻き込みが発生する。一方、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値が０．０１％を超えると、溶接金属に高温割れが発生し易くなり、また低温靭性が低下する。従ってフラックス中に含有するＢｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値は０．００１～０．０１％とする。なお、Ｂｉ及びＢｉ酸化物は、金属Ｂｉや酸化Ｂｉ等で添加される。
Ｂｉは、溶接金属表面に生成した、スラグ剥離性を良好にする。Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値が０．００１％未満であると、スラグ剥離を促進する効果が不十分のためスラグ剥離性が不良となり、スラグ巻き込みが発生する。一方、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値が０．０１％を超えると、溶接金属に高温割れが発生し易くなり、また低温靭性が低下する。従ってフラックス中に含有するＢｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値は０．００１～０．０１％とする。なお、Ｂｉ及びＢｉ酸化物は、金属Ｂｉや酸化Ｂｉ等で添加される。
本発明のＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールド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、成分調整のために添加する鉄粉、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ合金等の鉄合金粉のＦｅ分及び不純物である。不純物については特に規定しないが、高温割れ及び溶接金属の靭性の観点からＰ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下であることが好ましい。また、フラックスの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８～２０％とするのが好ましい。
本発明のＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールド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成形し、その内部にフラックスを充填した構造である。ワイヤの種類としては、成形した鋼製外皮の合わせ目を溶接して得られる鋼製外皮に継ぎ目の無しワイヤと、鋼製外皮の合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継ぎ目を有りワイヤとに大別できる。本発明においては、何れの断面構造のワイヤを採用することが出来るが、鋼製外皮に継ぎ目無しワイヤは、ワイヤ中の全水素量を低減する事を目的とした熱処理が可能であり、また製造後のフラックスの吸湿が無いため、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性の向上を図ることができるので、より好ましい。
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
まず、鋼製外皮にＪＩＳ Ｇ ３１４１：２０１７に規定されるＳＰＣＣを使用して、鋼製外皮を成形する工程でＵ型に成形した後、鋼製外皮の合わせ目を溶接した継ぎ目が無いワイヤを造管、伸線して表１に示す各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。なお、フラックスの充填率は１０～１８％とした。
表１に示す試作したフラックス入りワイヤを用いて、鋼管の全姿勢周溶接における溶接作業性及び溶接金属の機械的性質を評価した。
溶接金属試験は、図１に示す開先形状を有するＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５に規定される鋼管を用いて、表２に示す溶接条件で鋼管自動溶接後に実施した。
溶接作業性の調査項目は、鋼管自動溶接時のアーク安定性、スパッタ発生状況、ビード外観・形状、スラグ剥離性、溶融メタル垂れの有無の良否を目視にて判断した。また、溶接割れの有無も調査した。
（アーク安定性）
溶接時にワイヤ先端と母材間に発生するアーク長の変動が少ないことが好ましい。アーク長の変動が少ない場合を安定、変動が多い場合を不安定とした。アーク安定性は、鋼管自動溶接時に目視で判断した。
溶接時にワイヤ先端と母材間に発生するアーク長の変動が少ないことが好ましい。アーク長の変動が少ない場合を安定、変動が多い場合を不安定とした。アーク安定性は、鋼管自動溶接時に目視で判断した。
（スパッタ発生状況）
溶接時のスパッタ発生量が少ないことが好ましい。溶接時のスパッタ発生量が少なかった場合を良好、スパッタ発生量が多い場合を不良とした。スパッタ発生状況は、鋼管自動溶接時に目視で判断した。
溶接時のスパッタ発生量が少ないことが好ましい。溶接時のスパッタ発生量が少なかった場合を良好、スパッタ発生量が多い場合を不良とした。スパッタ発生状況は、鋼管自動溶接時に目視で判断した。
（ビード形状・外観）
溶接金属の余盛高さが平坦でビード幅が均一になっているのが好ましい。溶接金属のビードの余盛高さ平坦でビード幅が均一に揃っているビード形状を良好、余盛が高く凸形状でビード幅が不揃いなビード形状を不良とした。ビード外観は、部分的な波形の乱れがなく均一に揃っているものを良好とした。ビード形状・外観は、鋼管自動溶接時に目視で判断した。
溶接金属の余盛高さが平坦でビード幅が均一になっているのが好ましい。溶接金属のビードの余盛高さ平坦でビード幅が均一に揃っているビード形状を良好、余盛が高く凸形状でビード幅が不揃いなビード形状を不良とした。ビード外観は、部分的な波形の乱れがなく均一に揃っているものを良好とした。ビード形状・外観は、鋼管自動溶接時に目視で判断した。
（スラグ剥離性）
溶接後、ビード表面に生成したスラグをチッピングハンマーにて叩いた時、スラグに亀裂が入り、その後簡単に除去できる場合を良好とした。
溶接後、ビード表面に生成したスラグをチッピングハンマーにて叩いた時、スラグに亀裂が入り、その後簡単に除去できる場合を良好とした。
（メタル垂れ）
溶接時に、溶融地から溶融メタルが垂れていない場合は「無」とし、溶融メタルが垂れていた場合は「有」とした。各パス溶接時にメタル垂れの有無を目視で判断した。
溶接時に、溶融地から溶融メタルが垂れていない場合は「無」とし、溶融メタルが垂れていた場合は「有」とした。各パス溶接時にメタル垂れの有無を目視で判断した。
（溶接割れ）
鋼管自動溶接時においてビード表面に高温割れが１つでも認められた場合は「有」とした。各パス溶接後に高温割れの有無を目視で判断した。
鋼管自動溶接時においてビード表面に高温割れが１つでも認められた場合は「有」とした。各パス溶接後に高温割れの有無を目視で判断した。
（溶接欠陥）
スラグ巻き込み等の溶接欠陥は、機械試験片採取前に、ＪＩＳ Ｚ ３１０４：１９９５に規定される放射線透過試験で溶結欠陥の有無を判断した。
スラグ巻き込み等の溶接欠陥は、機械試験片採取前に、ＪＩＳ Ｚ ３１０４：１９９５に規定される放射線透過試験で溶結欠陥の有無を判断した。
（機械的性質）
溶接金属の機械試験はＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５に準じて、板厚方向中央部から引張試験片及び衝撃試験片を採取して、機械試験を実施した。靭性の評価は、－６０℃におけるシャルピー衝撃試験とし、各々繰返し３本の吸収エネルギーの平均が６０Ｊ以上を良好とした。引張試験の評価は、引張強さが６５０～７５０ＭＰａを良好とした。これらの結果を表３まとめて示す。
溶接金属の機械試験はＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５に準じて、板厚方向中央部から引張試験片及び衝撃試験片を採取して、機械試験を実施した。靭性の評価は、－６０℃におけるシャルピー衝撃試験とし、各々繰返し３本の吸収エネルギーの平均が６０Ｊ以上を良好とした。引張試験の評価は、引張強さが６５０～７５０ＭＰａを良好とした。これらの結果を表３まとめて示す。
表１及び表３のワイヤ記号Ｗ１～Ｗ１６は本発明例、ワイヤ記号Ｗ１７～Ｗ３８は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ｗ１～Ｗ１６は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上：Ｎａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計、Ｍｇ、弗素化合物のＦ換算値の合計、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が本発明において規定した範囲内であるので、全姿勢周溶接でのアークが安定してスパッタ発生量が少なく、ビード外観・形状が良好で、スラグ剥離性が良好で、メタル垂れがなく、溶接割れがなく、溶接欠陥がなく、溶着金属試験での溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好な値が得られるなど極めて満足な結果であった。
比較例中ワイヤ記号Ｗ１７は、Ｃが少ないので、溶着金属の引張強さが低かった。また、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、さらにアークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード外観・形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｃが多いので、溶着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、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が低いので、ビード外観・形状が不良であり、さらにメタル垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｓｉが少ないので、ビード外観・形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２０は、Ｓｉが多いので、溶着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、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が少ないので、ビード外観・形状が不良となり、さらにメタル垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ２１は、Ｍｎが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、またビード外観・形状が不良であった。さらに、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２２は、Ｍｎが多いので、溶着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、Ｎａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ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く、ビード外観・形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２３は、Ｃｕが少ないので、溶着金属の引張強さが低く、吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良であり、さらにメタル垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ２４は、Ｃｕが多いので、溶着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、Ｍｇが多いので、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｗ２５は、Ｎｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、弗素化合物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。
ワイヤ記号Ｗ２６は、Ｎｉが多いので、溶接金属に高温割れが生じた。また、弗素化合物のＦ換算値の合計が多いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード外観・形状が不良であり、さらにメタル垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ２７は、Ｔｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が少ないので、スラグ剥離性が不良であり、さらにスラグ巻き込みが生じた。
ワイヤ記号Ｗ２８は、Ｔｉが多いので、溶着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、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、ビード外観・形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２９は、Ｂが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ３０は、Ｂが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、また高温割れが生じた。
ワイヤ記号Ｗ３１は、Ａｌが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ３２は、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計が少ないので、溶着金属の引張強さが低かった。
ワイヤ記号Ｗ３３は、Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ３４は、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ３５は、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ３６は、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が多いので、溶着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Ｗ３７は、Ｍｇが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｗ３８は、Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であり、また溶着金属に割れが生じた。
Claims (1)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールド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：０．０３～０．０８％、
Ｓｉ：０．１～０．６％、
Ｍｎ：１．５～２．８％、
Ｃｕ：０．０１～０．５％、
Ｎｉ：０．５～１．５％、
Ｔｉ：０．０５～０．２５％、
Ｂ：０．００２～０．０１５％を含有し、
Ａｌ：０．０５％以下であり、
Ｎｂ及びＶの一方または両方の合計：０．０１～０．１％を含有し、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３～８％、
Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．０２～０．３％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１～０．６％、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．２５～０．６５％、
Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上：Ｎａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計で０．０５～０．２％、
Ｍｇ：０．１～０．８％、
弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０５～０．２５％、
Ｂｉ及びＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値の合計：０．００１～０．０１％を含有し、
残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分及び不純物からなることを特徴とするＡｒ－ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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