JPH0215320B2

JPH0215320B2 -

Info

Publication number: JPH0215320B2
Application number: JP254087A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Nishikawa; Seiji Saruhashi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1987-01-08
Filing date: 1987-01-08
Publication date: 1990-04-11
Also published as: JPS63171295A

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］本発明は、ガスシールドアーク溶接用のフラツ
クス入りワイヤに係るものであり、更に詳しく
は、低温靭性の良好な溶接金属が全溶接姿勢で得
られる低温鋼用ガスシールドアーク溶接用のフラ
ツクス入りワイヤに関するものである。［従来技術］（背景）現在、チタニア系フラツクス（TiO₂をベース
とするフラツクス）を鋼外皮の中空部中に充填し
てなるフラツクス入りワイヤは、主に次の特徴を
有することから、ソリツドワイヤに代わり、造船
業界を主体として広く用いられている。 ●全姿勢での作業性やビード形状が良好であるこ
と ●溶着速度が速く、作業能率が向上すること。また、かかる特徴を有することから、軟鋼50キ
ロ級高張力を中心とする構造物の溶接に今後ます
ます広く用いられていくものと考えられる。一方、上記特徴を有するフラツクス入りワイヤ
は、各種鋼板・各種産業分野にも適用が広がり、
現在多種多様のフラツクス入りワイヤが開発され
実用化に至つている。低温海域で使用される各種海洋構造物も例外で
なく、かかる構造物にも低温鋼用フラツクス入り
ワイヤが適用され始めている。しかし、チタニア系フラツクスを使用したフラ
ツクス入りワイヤには次のような欠点がある。 ●安定して良好な低温靭性を有する溶接金属が得
られ難い。 ●破壊靭性のパラメーターであるCTOD特性が
十分ではない。従つて、重要部位溶接には被覆アーク溶接棒が
用いられている。また、海洋構造物は、新しい石油資源の開発の
ため、今後ますますより厳しい気象条件の海域で
稼動せざる得なくなる。そこで、フラツクス入りワイヤの特徴を損なう
ことなく、CTOD性能も含めたより低温靭性の
優れたフラツクス入りワイヤの開発が強く望まれ
ていた。（従来技術の構成）上記背景に基ずき、TiO₂をベースとしたもの、
あるいは他の成分をベースとする各種の低温鋼用
フラツクス入りワイヤが開発検討されてきた。そして、低温鋼用のフラツクス入りワイヤとし
ては次の技術が開示されている。チタニア系フラツクスを用い、Ti，Ｂを添
加して、低温靭性の向上をはかつたフラツクス
入りワイヤ（特公昭56―6840号公報）。チタニア系フラツクスに代わるフラツクスと
して塩基度の高いフラツクスを用い、Ti，Ｂ
の他に、脱酸剤としてMg及びCa―Siあるい
は、REM―Ca―Siを添加して低温靭性の向上
をはかつたフラツクス入りワイヤ（特開昭52―
116746号公報、特開昭59―44159号公報）。このワイヤは次の作用により靭性の向上をね
らつたものである。すなわち、Ti，Ｂの添加より、結晶粒は微
細化し、その結果靭性が向上するが、このTi，
Ｂ添加による靭性向上の効果は、被覆アーク溶
接、サブマージアーク溶接、ソリツドワイヤに
よるMAG溶接では認められ、広く実用にいた
つており、それをフラツクス入りワイヤに適用
したものである。そして、塩基度の高いフラツクスを用いるこ
とによつて溶接金属中の酸素の低減を可能たら
しめ靭性の向上を期待しようとするものであ
る。チタニア系フラツクスを用い、Ti，Ｂを添
加するとともに、Ｎ含有量を制限した
（50ppm）もの（特開昭58―119490号公報）。チタニア系フラツクスを用い、Ti，Ｂを添
加するとともに、Alを積極的に添加したもの、
あるいはここにおいてＮ含有量を制限したもの
（特開昭59―127995号公報）。［発明が解決しようとする問題点］しかし、上記従来技術には次のような問題点が
存在する。特公昭56―6840号公報に記載されたワイヤで
は、低温靭性が十分でない。チタニア系フラツクスに代るフラツクスを用
いたもの（特開昭52―116746号公報、特開昭59
―44159号公報）は、（背景）で述べた、チタニ
ア系フラツクスを用いたワイヤの有する特徴が
損なわる。すなわち、 ●全姿勢溶接ができない。 ●ビート形状が良好でない。 ●溶着速度が遅くなり、作業能率が低下する。 Ti，Ｂを添加し、Ｎ量を制限したり、Alを
積極的に添加したもの（特開昭58―119490号公
報、特開昭59―127995号公報）においては、靭
性の向上効果が未だ十分とはいえない。［問題点を解決するための手段］上記問題点は、鋼外皮の中空部にフラツクスを
充填してなるフラツクス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対して TiO₂：1.5〜10（wt％）Ｂ：0.001〜0.050（wt％） Ni：0.2〜3.5（wt％） Al以外の脱酸剤：0.8〜6.0（wt％）を必須成分
として含有し、更に、外皮金属中にＮを、 22≦Ｎ≦10Ni＋55 （Niはwt％、Ｎはppm）を満足する範囲で添加し、更に、ワイヤ全重量に対するAl量を、 Al≦0.08（wt％）に制限したことを特徴とするガスシールドアーク
溶接用のフラツクスワイヤによつて解決される。本発明者は、従来技術の有する問題点が何故発
生するかを究明し、その究明に基づき本発明をな
すにいたつたものである。以下に詳細を述べる。低温靭性（特にCTOD特性）の向上を阻害す
る因子は溶接金属中の酸素であることはよく知ら
れている。一般に、ソリツドワイヤの場合はシールドガス
中の活性ガスの割合を減ずることにより（例えば
CO₂ガスにArガスを混合してCO₂ガスの割合を減
ずることにより）溶接金属中の酸素が減少せしめ
ることができることが知られている。そこで、本発明者はシールドガス中の不活性ガ
ス量を変化させた場合における溶接金属中の酸素
量を調査した。調査の結果得られた、シールドガス中のCO₂量
と溶接金属中の酸素量との関係をを第１図に示
す。なお、第１図の実験条件は以下のとおりであ
る。フラツクス：ワイヤ全重量に対して TiO₂：６％（wt％） Fe―Ｂ（６％Ｂ）：0.2（wt％） Ni：1.8（wt％） Fe―Si：２（wt％）（Si 45wt％） Fe―Mn：３（wt％）（Mn 60wt％） Al―Mg：0.2（wt％）（Mg 60wt％） SiO₂：0.3（wt％） MgO：0.3（wt％） Al₂O₃：0.1（wt％）外皮金属：次の組成を有する軟鋼Ｃ：0.03（wt％） Mn：0.82（wt％） Si：0.12（wt％）Ｐ：0.012（wt％）Ｓ：0.005（wt％）Ｎ：0.0058（wt％） Fe：残部ワイヤ径：1.2mmφ 母材：JISG3126 SLA33B19mmｔ材溶接電流：280A 溶接電圧：31V 溶接速度：30cm／min 溶接姿勢：下向き開先角度：45゜ O₂分折位置：板厚中央第１図に示すように、TiO₂をベースとするフ
ラツクス系ワイヤを使用した場合は、溶接金属中
の酸素が、もつとも一般的なAr＋20％CO₂シー
ルドガスの時でも、450〜600ppmであり、ソリツ
ドワイヤを使用した場合と比べて異常に高い。そして、TiO₂をベースとしたフラツクス入り
ワイヤでは、このようなシールドガスの成分調整
による溶接金属中の酸素低減は不可能であること
を実験室的に確認した。また、脱酸剤の添加による酸素低減化にも限界
があり、過剰に脱酸剤を添加すると、脱酸合金が
過剰にあり、逆に溶接金属が硬化して靭性が低下
することも確認した。このように溶接作業性の良いTiO₂ベースのフ
ラツクス入りワイヤは、溶接金属中の酸素が高い
という宿命にある。従つて、Ti，Ｂの添加によつただけでは結晶
粒微細化効果を十分に発揮できず、安定し、かつ
良好な低温靭性、特にCTOD特性を確保できな
かつた。そこで、本発明では、低温靭性を向上させるた
めにTi，Ｂの他にNiを添加するとともに、更に、
ＮをNiとの相関において積極的に添加した。以下に成分限定理由とともに本発明の詳細を述
べる。（成分限定理由） TiO₂：1.5〜10（wt％）（ワイヤ全重量に対するwt％） TiO₂はチタニア系フラツクスの主成分として
添加する。 TiO₂は、アークを安定させ、またスラグ形成
剤としてビード外見形状を整える作用を有する。すなわち、第１に、TiO₂は、他のスラグ形成
剤にはみられない優れた被包性、剥離性を有する
均一なスラグを形成するので必須的に添加する。また、第２に、TiO₂は、後述する他の脱酸剤
による環元によりTi源としての効果を有し、結
晶粒を微細化し、靭性を向上させる作用を有して
いるため添加する。ただ、1.5wt％未満ではアークが不安定となり、
スパツタの増大をまねき、その除去のため作業性
を低下させるので1.5wt％以上とする。一方、10wt％を超えると生成スラグが過剰と
なり、ビード形状が不良となり、また、スラグの
巻き込みなどの溶接欠陥が発生しやすくなるので
10wt％を超えない。Ｂ：0.001〜0.050（wt％）（ワイヤ全重量に対するwt％）Ｂは、オーステナイト粒界に析出するので、粒
界からの初析フエライトの析出を阻止し、また、
変態温度を下げて組織を微細化する。その結果、
靭性を向上させる。ただ、0.001wt％未満では靭性の改善の効果は
ない。一方、0.050wt％を超えると焼入性が増大し、
溶接金属が硬化して逆に靭性が低下する。また、
耐割れ性も著しく低下する。従つて、0.050wt％
以下とする。なお、Ｂは、金属単体のほか、Fe，Ti，Al，
Ni等の他金属との合金又はB₂O₃のような酸化物
の形で添加できる。ただし、Ｂ換算で上記範囲中
で添加する必要がある。 Ni：0.2〜3.5（wt％）（ワイヤ全重量に対するwt％） Niは靭性改善に必須の成分である。本発明では、溶接作業性向上のためTiO₂を必
須成分として添加している。しかし、TiO₂を添
加すると溶接金属中の酸素が上昇することは前述
したとおりである。そして、チタニア系ワイヤにおいては、Ti，
Ｂの結晶粒微細化による靭性改善効果が酸素レベ
ルの低いソリツドワイヤほど顕著ではない。すな
わち、高酸素レベルではより多量のTiを必要と
するが、多量にTiを添加すると、組織が微細化
されても硬度が逆に著しく増大し、靭性が低下す
る。そこで、本発明では、フエライトマトリツクス
の靭性を改善する目的でNiを添加する。ただ、0.2wt％未満の時には靭性向上の効果が
発揮できない。一方、3.5wt％を超えると硬度が上昇し、逆に
靭性は低下する。また、靭性の低下とともに耐割
れ性が低下する。なお、Niは、金属単体のほか、Fe，Mg，Al，
Cr等他金属との合金の形でも添加できる。ただし、Ni換算で上記範囲内であることが必
要である。また、金属は、当然フラツクス及び／又は金属
外皮から添加できる。 Al以外の脱酸剤：0.8〜6.0（wt％）（ワイヤ全重量に対するwt％） Al以外の脱酸剤としては、例えば、Si，Mn，
Ti，Mg，REM，Caなどがあげられ、これらの
１種又は２種以上を添加する。脱酸剤は次のような作用を有している。溶接金属のブローホールなどの欠陥を防止す
る作用。焼入性を高め、溶接金属の強度を調整する作
用。ビード形状を整えるなど溶接作業性を改善す
る作用。 TiO₂の一部を還元し、溶接金属中にTiを歩
留らせる作用。この還元されたTiが、前記Ｂ添加の効果と相
まつて結晶粒を微細化し、靭性を向上する。なお、脱酸剤としてはMn，Siが強度調整作用
が強いため好ましい。ただ、Al以外の脱酸剤は、0.8wt％未満では上
記効果はない。一方、6.0wt％を超えると脱酸性元素が溶接金
属中に多量に歩留るため、溶接金属の硬度が上昇
し、靭性、耐割れ性が低下する。外皮金属中のＮ：22≦Ｎ≦10Ni＋55 （Niはwt％、Ｎはppm）Ｎを、上記範囲内でNiとの相関において添加
した所が本発明の最大の特徴の１つである。前述したように、TiO₂を主成分とするフラツ
クス入りワイヤを使用した場合、溶接金属中の酸
素レベルが高くなるため、Ti，Ｂを添加添加し
たとしても靭性向上の作用は小さい。そこで、本発明では、Ni添加による靭性向上
のほかＮを添加して靭性向上せしめんとするもの
である。通常、Ｎは、靭性を低下させる元素である。す
なわち、Ｎを含有するとαFe中にＮを固溶し、そ
の結果、すべり変形抵抗が増大するために靭性が
低下する。事実、溶接金属中の酸素が200〜250ppm程度
で、適当量のTi，Ｂを添加して、組織を十分に
微細化した場合においては、Ｎの増加とともに靭
性は低下する。ところで、Ｎは、前述したTiO₂により還元さ
れたTi（又は、脱酸剤として添加したTi）によつ
て高温からTiNを析出させる。この析出したTiNは、溶解度が低いため凝集
せず小さく分散して結晶粒の成長を抑制するた
め、微細な結晶粒が得られ靭性向上の効果があ
る。すなわち、Ｎは、固溶した場合には靭性を低下
せしめるが、TiNとして析出した場合には靭性
を向上させる作用を有している。本発明はこの点に着目し、溶接金属にTiNを
析出させ、靭性の向上を図つたものである。ただ、Ｎが20ppm未満では、上記効果が期待で
きない。一方、Ｎが上限（10Ni＋55）を超えると、固
溶による靭性低下傾向が顕著となる。すなわち、
このＮの上限値はNi量とも関連する。それは、
Niの増加とともにＮの溶解量が減少し、固溶Ｎ
による靭性低下が軽減されるためである。このように、本発明では靭性の向上のためTi，
Ｂの他にNiを添加し、更にＮをNiとの相関にお
いて積極的に添加し、NiとＮ添加による靭性の
向上を図つたものである。いいかえると、特開昭59−127995号公報、特開
昭58−119490号公報では、いずれも外皮金属中の
Ｎを50ppm以下に制限しているが、本発明では、
Ti，Ｂの他にNiを加えるとともに、Ｎを一定範
囲内で積極的に添加することにより靭性の向上を
図つたものである。なお、通常、Ｎの含有量を下げるには溶解時に
真空脱ガスなどの処理が必須であり、そのための
経済的損失が大きい。しかるに本発明では、Ｎの
上限が高いのであるから経済的損失が少なく、経
済的効果も大きい。次に、Ｎの量を外皮金属中の量と規定した理由
を述べる。すなわち、フラツクス入りワイヤにおけるＮは
大部分は外皮金属中に存在する。そして、溶接金属中のＮは外皮金属中のＮとほ
ぼ直線的に比例することを実験的に確かめた。以下にその実験内容を述べる。外皮金属中のＮを変化させ、ワイヤ全重量に対
して、 TiO₂：5wt％ Fe―Ｂ（６％Ｂ）：0.2wt％ Ni：1.5wt％ Fe―Si：2wt％（Si：4.5wt％） Ee―Mn：3wt％（Mn：60wt％） Mg：0.5wt％ SiO₂：0.2wt％ MgO：0.3wt％なる組成を有する1.2mmφのフラツクス入りワイ
ヤを試作した。このワイヤを用い次の条件で溶接を行なつた。 ●母材：JIS G3126 SLA33Bの25t鋼材 ●開先：50゜V ●溶接電流：280A ●溶接電圧：31V ●溶接速度：30cm／min ●シールドガス：Ar＋20％CO₂25l／min ●溶接姿勢：下向 ●多層溶接、自動溶接 ●風のない実験室内で実施（空気の巻き込みはな
かつた。）以上の溶接後、溶接金属中のＮ分析を行なつ
た。なお、分析位置は表面10mmの位置である。第２図にその結果を示す。第２図より明らかなように、外皮金属中のＮと
溶接金属中のＮはほぼ比例関係にある。従つて、外皮金属中のＮを管理すると、溶接金
属中のＮをほぼ一定に管理できる。 Al≦0.08wt％ Alは、AlNを粒界に析出し、著しく靭性を低
下させる。従つて、ワイヤ全体で0.08％未満とす
る。すなわち、特開昭59−127995ではAlを必須成
分として添加しているが本発明ではAlを有害な
元素として排除した。なお、アーク安定化の目的でLi，Ｋ，Na，Ca
等の各種化合物を添加してもよい。また、溶接金属の機械的強度等の性能改善の目
的でCr，Mo，Ｖ，Nb等の金属又は化合物を添
加してもよい。さらに、金属弗化物をワイヤ全重量に対し、
0.06〜0.8％添加することが靭性向上の面でより
好ましい。なお、本発明ワイヤは、各種フラツクスを配合
混合したまま又は水ガラスを用いて一部又は全部
を造粒した後に充填も可能である。また、イームワイヤでもシームレスワイヤでも
よい。さらに、伸線時のワイヤの送給性、通電性を向
上させるために鋼外皮表面に、Cu，Ni，Cr，Al
等のめつきをしたワイヤでもよい（シームレスワ
イヤの場合）。さらにワイヤの断面形状も任意である。また、スパツタの発生を減少させるための鉄粉
を鋼外皮中の中空部に充填してもよい。さらに、焼鈍を行なつてワイヤ内の水素源を除
去したものが水素割れを防止する上でより好まし
い。［発明の実施例］次に、実施例に基づき本発明を更に具体的に説
明する。軟鋼外皮を用い、該外皮の中空部にフラ
ツクスを充填後、伸線し、1.2mmφに仕上てから、
表面にCuめつきを施してフラツクス入りワイヤ
を作成した。ワイヤの成分組成を第１表に示す。第１表においてNo.１〜No.11は比較例であり、No.
12〜No.17は本発明の実施例である。上記ワイヤを用いて以上の溶接条件で溶接を行
なつた。溶接条件 ●溶接電流：290A ●極性：DC―EP ●溶接電圧：28V ●溶接速度：30cm／min ●母材：JISG3126 SLA33B32mmｔアルキト鋼 ●母材形状：第３図 ●溶接姿勢：下向 ●シールドガス：Ar＋20％CO₂（25l／min） ●予熱：100℃ ●パス間温度：100〜250℃ ●その他：第３図1st側溶接完了後、ルートをア
ークエアガウジング、グラインダ成形後、2nd
側の溶接を実施した。以上の溶接を行ない、溶接中及び溶接後に以下
の事項を調査した。（溶接作業性）溶接作業性は、アークの安定性、スパツタの発
生量、ビード形状、スラグの剥離性等により評価
した。（溶接欠陥）溶接欠陥は、融合不良、割れ、ブローホール、
スラグ巻き込み等の有無を透過Ｘ線により調査し
た。なお、Ｘ線実験はJISZ3104に準拠して行なつ
た。（機械的性質）機械的性質は、常温引張試験を行なつて評価し
た。引張試験片は、第３図の1st側表面７mmより採
取し、JISZ3111A1号で行なつた。なお、試験片はＸ線試験により欠陥がないこと
を確認してある。なお、引張試験の試験温度は室温（約24℃）で
ある。（低温靭性）低温靭性は、衝撃試験及びCTOD試験を行な
うことにより評価した。衝撃試験は引張試験片と同一位置より採取し、
JISZ3112 ４号で行なつた。なお、試験温度は−40℃である。一方、CTOD試験は全板厚で行ない、BS5762
に準拠して行なつた。なお、CTOD試験の試験温度は−10℃である。なお、いずれの試験片もＸ線により欠陥のない
ことを確認してある。以上の試験結果を第２表に示す。 No.１は、TiO₂量が本発明範囲より低い比較例
であり、アークが不安定でスパツタが多く、ま
た、ビード形状が不良であり、溶接作業性が悪か
つた。また融合不良が発生していた。 No.２はTiO₂量が本発明範囲より多い比較例で
あり、著しい凸ビードが生じ、また、スラグの剥
離性が不良であり、溶接作業性が悪かつた。また、融合不良が発生していた。 No.３は、Ｂ量が0.01％未満のため、低温靭性が
劣つている。 No.４は、Ｂ量が本発明範囲より多い比較例であ
り、Ｘ線試験の結果、高温割れが発生していた。また、衝撃試験における吸収エネルギーが低
く、低温靭性が良好ではない。 No.５はNi量が本発明範囲より低い比較例であ
り、作業性、Ｘ線試験、引張試験の結果は良好で
あるが、低温靭性が良好ではなかつた。 No.６はNi量が本発明範囲より多い比較例であ
り、作業性、Ｘ線試験、引張試験の結果は良好で
あるが、低温靭性が良好ではなかつた。 No.７は、Al以外の脱酸剤の量が本発明範囲よ
り少ない比較例であるが、溶接作業性が悪く、ま
たブローホールの発生が認められた。 No.８はAl以外の脱酸剤の量は本発明範囲より
多い比較例であり、作業性、引張試験の結果は良
好であるが、高温割れが発生し、また、低温靭性
が良好ではなかつた。 No.９は、Alの量が本発明範囲より多い比較例
であり、作業性、Ｘ線試験、引張試験の結果は良
好であるが、低温靭性が良好ではなかつた。 No.10は、Ｎ量が本発明範囲より少ない比較例で
あり、作業性、Ｘ線試験、引張試験の結果は良好
であるが、低温靭性が良好ではなかつた。 No.11は、Ｎ量が本発明範囲より多い比較例であ
り、作業性、Ｘ線試験、引張試験の結果は良好で
あるが、低温靭性が良好ではなかつた。 No.12〜No.17はいずれも本発明の実施例であり、
作業性、Ｘ線試験、引張試験の結果が良好であ
り、また、低温靭性も非常に良好であつた。［発明の効果］本発明は以上のように構成したので以下の数々
の効果を有する。チタニア系フラツクスを使用したフラツクス
入りワイヤの有する全姿勢での作業性やビー
ド形状が良好であること溶着速度が速く作業
能率が良好であること、という特徴を損なうこ
とがない。低温靭性が良好であり、かつ、安定してい
る。特に、CTOD特性に優れている。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１図はシールドガス中のCO₂量と溶接金属中
の酸素量との関係を示すグラフである。第２図
は、外皮金属中の窒素量と溶接金属中の窒素量と
の関係を示すグラフである。第３図は実施例にお
いて使用た溶接材料の形状を示す側面図である。

Claims

【特許請求の範囲】１鋼外皮の中空部にフラツクスを充填してなる
フラツクス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対して TiO₂：1.5〜10（wt％）Ｂ：0.001〜0.050（wt％） Ni：0.2〜3.5（wt％） Al以外の脱酸剤：0.8〜6.0（wt％）を必須成分として含有し、更に、外皮金属中にＮを、 22≦Ｎ≦10Ni＋55 （Niはwt％、Ｎはppm）を満足する範囲で添加し、更に、ワイヤ全重量に対するAl量を、 Al≦0.08（wt％）に制限したことを特徴とするガスシールドアーク
溶接用のフラツクス入りワイヤ。