JPH0829431B2

JPH0829431B2 - 低水素系被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JPH0829431B2
Application number: JP2083778A
Authority: JP
Inventors: 裕西川; 松吾夏目; 則行原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH03285793A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、低水素系被覆アーク溶接棒に係り、特に60
Kgf/mm²級以上の高張力鋼及び低Ni鋼の溶剤用として良
好な破壊靱性が得られる低水素系被覆アーク溶接棒に関
する。

（従来の技術及び解決しようよする課題）近年において、鋼構造物、特に高圧タンクや圧力容器
等の安全性を確保するための弾塑性破壊力学の導入及び
それに伴う溶接部へのより高い破壊靱性値の要求が設計
思想面での動向として特筆される。要求特性値として
は、脆性破壊発生温度と関連するシャルピー衝撃試験で
の破面遷移温度（vTrs）、設計温度での破壊靱性値（K
_IC）等が代表的なものである。

従来、これらの構造物は、溶接部の靱性の確保が困難
なことから、低強度の材料で製作されることが殆どであ
るが、許容応力を高くし得る高張力鋼化への要望はより
高まりつつある。

本発明は、かゝる要望に応えるべくなされたものであ
って、特に高張力鋼等の溶接用として良好な破壊靱性が
得られる溶接材料を提供することを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段）前記課題を解決するため、本発明者等は、特に破壊靱
性値（K_IC）に着目し、良好な破壊靱性が得られる高張
力鋼用被覆アーク溶接棒について鋭意検討を加えた。

周知のように、低強度溶接金属の分野ではTi−Ｂ系溶
接金属とすることによって靱性は改善される。しかし、
高強度溶接金属では、マルテンサイトとベイナイトの混
合組織となるので、前者とは靱性向上へのアプローチが
異なるものである。

そこで、本発明者等は、新たな観点に立脚して、高強
度溶接金属の靱性向上に有効な方策を見い出すべく鋭意
検討を重ねた結果、以下の重要事項を明確にした。

すなわち、溶接金属において、次の（１）〜（５）を
適用することにより、良好な破壊靱性が得られることが
判明した。

（１）靱性に有害なＮを0.008％以下とすること、（２）Ｃを0.06％以下として低炭素組織とすること、（３）酸素量を0.02％以下とすること（従来の被覆アー
ク溶接棒では第７図に示す如く0.03％が限度である）、（４）Niを1.5％以上としてマトリックスを強靱化する
こと、（５）Ｐを0.010％以下として再熱域の脆化を軽減する
こと（第８図参照）。

そして、これらの事項を達成するための具体的手段に
ついて更に研究を重ねた結果、特に以下の〜の手段
が有効なことを見い出した。

溶融金属のＮを0.008％以下に保つために、被覆剤
中のCO₂を８％以上とすること（第２図参照）、心線の
Ｎを0.005％以下とすること（第１図参照）、被覆率を2
6〜45％とすること（第３図参照）、溶融金属のＣを0.06％以下に保つために、心線のＣ
を0.05％以下とすること、溶接金属の酸素量を0.02％以下に保つために、被覆
剤中にMgを1.3％以上含有させること（第４図参照）、
溶接棒全体のMnを0.3％以上とすること、同様にAlを0.1
0％以下とすること（第５図参照）、被覆剤中の酸性酸
化物を合計で12％以下とすること（第６図参照）、溶接棒全体のＰを0.010％以下とすること。

本発明は、以上の知見に基づいて更に詳細に実験を重
ねて完成したものである。

すなわち、本発明は、C:0.05％以下及びN:0.005％以
下に規制した鋼心線の周囲に、金属炭酸塩をCO₂換算で
８〜28％、金属弗化物を弗素換算で４〜９％、Mgを1.3
〜3.5％含有し、残部が主として脱酸剤、合金、鉄分、
スラグ剤、粘結剤からなり、これらのうちの酸性酸化物
として、９％以下のSiO₂、３％以下のTiO₂、２％以下の
Al₂O₃、２％以下のZrO₂を合計で12％以下に規制してな
る被覆剤を、被覆率（棒全重量に対する被覆剤重量の
％）が26〜45％となるように被覆し、かつ、溶接棒全体
として、Mn:0.3〜2.1％、Ni:1.5〜6.0％、Al:0.10％以
下、P:0.010％以下に調整したことを特徴とする60Kgf/m
m²以上の高張力鋼及び低Ni鋼の溶接用低水素被覆アーク
溶接棒を要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用）被覆剤の成分金属炭酸塩は、主として溶接金属中のＮを0.008％以
下にするために、被覆剤中の含有量をCO₂換算で８〜28
％の範囲とする。これは、８％未満では溶接金属中のＮ
が増加して靱性が低下し（第２図参照）、また28％を超
えるとスラグの粘性が増加して立向溶接が困難になるの
で望ましくないためである。なお、金属炭酸塩としては
CaCO₃、BaCO₃、MgCO₃等が挙げられる。

金属弗化物は、スラグの粘性を調整して作業性を維持
するために、被覆剤中の含有量を弗素換算で４〜９％の
範囲とする。これは、４％未満ではスラグの粘性が増加
してビード形状が劣化し、また９％を超えるとアークが
不安定となり、上向溶接が困難となるので望ましくない
ためである。なお、金属弗化物としてはCaF₂、NaF、BaF
₂、AlF₃等が挙げられる。

Mgは溶接金属中の酸素低減効果が極めて大きい元素で
あり、溶接金属中の酸素量を0.02％以下に保つために、
被覆剤中の含有量を1.3〜3.5％の範囲とする。これは、
1.3％未満では酸素量を0.02％以下にすることが困難で
靱性が改善されず（第４図参照）、また3.5％を超える
とアークの広がりが劣化し、溶接が困難となるので望ま
しくないためである。なお、生産性を考慮すると、Mgは
合金の形での添加を主とし、粘結剤との反応性の大きい
金属の形でのMgは１％以下とする方が好ましい。

被覆剤の成分としては、以上の各成分を必須成分とす
るが、その他の成分は、主として脱酸剤、合金、鉄分、
スラグ剤、粘結剤などからなるものである。

脱酸剤としては通常の脱酸剤でよい。合金は強度を向
上させるために添加するもので、Mo、Cu、Nb、Ｖ等の合
金が挙げられるが、単体金属として添加してもよい。

スラグ剤としては、SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、MgO等
々を粘性の調整を目的として添加することができる。ま
た、粘結剤としては珪酸カリ、珪酸ソーダ等々が挙げら
れる。

但し、これらのうち、酸性酸化物の各成分量並びに合
計量を以下の如く規制する必要がある。

すなわち、SiO₂は、９％を超えるとガラス状のスラグ
となって剥離性を劣化させるので、９％以下とする。Ti
O₂は、３％を超えるとスラグの粘性が低下して作業性を
劣化させるので、３％以下とする。ZrO₂及びAl₂O₃はそ
れぞれ２％を超えるとガラス状のスラグを生成して剥離
性を劣化させるので、それぞれ２％以下とする。更に、
これらの酸性酸化物（SiO₂、TiO₂、ZrO₂及びAl₂O₃）の
合計が12％を超えるとスラグの塩基度が不足して、溶接
金属の酸素量を0.02％以下とすることが困難となるので
（第６図参照）、合計量を12％以下とする。

以上の組成の被覆剤は、適当な粘結剤によって鋼心線
の周囲に被覆される。

心線の成分本発明における鋼心線において、Ｃが0.05％を超える
と、溶接金属のＣが0.06％を超え、高炭素マルテンサイ
トを生成するようになり、靱性が劣化する。

また、Ｎが0.005％を超えると、溶接金属のＮが0.008
％を超え、内部歪の増加を生じて靱性が劣化する。

したがって、本発明における鋼心線は、C:0.05％以下
及びN:0.005％以下に含有するものを用いる必要があ
る。

なお、このような心線は、通常は炭素鋼であるが、S
i、Mn、Ti、Al等の脱酸性元素や、NiCr、Mo、Cu、Nb、
Ｖ等の元素を必要に応じて添加することができる。

被覆率上記組成の被覆剤は、上記組成の鋼を心線とするが、
次式で表わされる被覆率Ａ（％）が26〜45％であるよう
に被覆する必要がある。

しかし、被覆率が26％未満では金属炭酸塩を被覆剤中
に多く含有させてもシールド不足を生じ、溶接金属中の
Ｎが増加して靱性が低下し、また、45％を超えるとアー
ク長が長くなり、アーク切れを伴なってシールド不足を
起こし、溶接金属中のＮが増加するので望ましくない
（第３図参照）。

溶接棒全体の成分本発明では、上記各条件に加え、以下に説明するよう
に、溶接棒全体の成分として、Mn、Ni、Al、Ｐ等を調整
する必要がある。この場合、溶接棒全体の各成分の量
は、Mnの場合を例にとると、上記被覆率Ａを考慮して、
次式で表わされる量である。

まず、〔溶接棒のMn〕は0.3〜2.1％の範囲とする。こ
れが0.3％未満では、溶接金属の酸素量を0.02％以下と
することが困難になり、また2.1％を超えると上部ベイ
ナイト組織を晶出して靱性を劣化させるので望ましくな
い。なお、Mnは、心線又は被覆剤或いは双方から添加す
ることができ、被覆剤中でのMn源としては金属Mn、Fe−
Mn、Si−Mn等が通常用いられる。

〔溶接棒のNi〕は1.5〜6.0％の範囲とする。対象とす
る高強度溶接金属では、〔溶接棒のNi〕が1.5％未満に
なると高靱性を得ることが困難となるので、1.5％以上
とする必要がある。上限値は、５％Ni鋼への適用を考慮
して6.0％とした。なお、Niも、心線又は被覆剤或いは
双方から添加することができ、被覆剤中でのNi源として
は金属Niや合金が通常用いられる。

〔溶接棒のAl〕は0.10％以下とする。Alは脱酸剤とし
て作用するが、〔溶接棒のAl〕が0.10％を超えると脱酸
生成物中のAl₂O₃が溶接金属中に多く残存するようにな
り、脱酸効果が消失して靱性が劣化するので望ましくな
い（第５図参照）。なお、Alも、心線又は被覆剤或いは
双方から添加することができるが、被覆剤中でのAl源と
しては金属AlやFe−Al等が通常用いられる。

〔溶接棒のＰ〕は0.010％以下とする。これが0.010％
を超えると、多層溶接熱サイクルによって生じる再熱域
が著しく脆化し、靱性が劣化するので望ましくない。な
お、Ｐは不純物であるので、被覆剤としては純度の高い
原料の使用が肝要である。

なお、〔溶接棒のSi〕は1.0〜2.5％、〔溶接棒のTi〕
は0.8％以下にするのが好ましい。Siは通常の脱酸剤と
して有効であるが、1.0％より少ない場合には立向溶接
での作業性が劣化し、2.5％より多いと過度の粘性とな
り、作業性が劣化するので望ましくない。Tiも脱酸剤の
一部として有効であるが、0.8％より多いとスラグの焼
き付きを生じて作業性を劣化させるので望ましくない。
これらのSi、Tiを添加する場合には、心線又は被覆剤或
いは双方から添加することができるが、被覆剤中でのSi
源としてはFe−Si等の合金が、また被覆剤中でのTi源と
してはFe−Ti等の合金が通常用いられる。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例）第１表に示す化学成分を有する心線と、第２表及び第
３表に示す化学成分を有する被覆剤、或いは第４表及び
第５表に示す化学成分を有する被覆剤を用いて、棒径4m
mの溶接棒を作製した。なお、本発明例の溶接棒は第２
表及び第３表に示され、比較例の溶接棒は第４表及び第
５表に示されている。

これらの溶接棒を用いて溶接試験を行った。溶接試験
では、板厚25mmの鋼板（第６表に示す鋼材）にＸ開先を
とり、立向姿勢で25KJ/cmの入熱で溶接を行い、溶接
後、溶接金属からシャルピー衝撃試験片（2mmVノッ
チ）、引張試験片及び破壊靱性試験片（ASTM E813に伴
う）を採取して、各種試験を実施した。また、溶接作業
性、溶接金属の酸素量も調べた。それらの結果を第６表
に示す。

第６表より、以下のように考察される。

本発明例（E1〜E8）は、いずれも作業性が良好で、ま
た強度、靱性ともに良好な値を示した。

一方、比較例（T1〜T17）は作業性、靱性等のいずれ
も同時に満足し得ない。

すなわち、比較例T1は、CO₂が6.2％と少ないためにＮ
が増加して、低靱性を示した。比較例T2は、CO₂が29.5
％と多すぎるために、また比較例T3はＦが2.5％と少な
すぎるために、凸ビードとなり、機械試験を中止した。

比較例T4は、強度、靱性は良好であるが、Ｆを11.3％
含有するのでアークが不安定であった。

比較例T5は、Mgが0.9％と少ないために溶接金属の酸
素量が高く、良好な靱性が得られなかった。比較例T6
は、Mgが4.1％と多すぎるため、溶接が困難となり、試
験を中止した。

比較例T7はSiO₂が12％と多すぎるために、比較例T8は
ZrO₂が３％と多すぎるために、スラグの剥離性が劣化
し、またいずれも酸性酸化物の緩和が12％を超えるため
に溶接金属の酸素量が高く、低靱性を示した。

比較例のT9とT10は、被覆率が26％未満域いは45％を
超えているため、作業性が悪く、Ｎが増加して低靱性を
示した。

比較例T11は、溶接棒全体のMnが0.23％と少なすぎる
ために溶接金属の酸素量が高く、一方、比較例T12は、
溶接棒全体のMnが2.30％と多すぎるために上部ベイナイ
ト組織を多く晶出して、いずれも低靱性を示した。

比較例T13は、溶接棒全体のNiが1.5％未満のため、良
好な靱性が得られなかった。

比較例T14は溶接棒のAlが0.15％と多すぎるために、
比較例T15は溶接棒全体のＰが0.014％と多く再熱域の著
しい脆化を生じたために、比較例T16は心線のＣが0.08
％と多く高マルテンサイトを晶出したために、比較例T1
7は心線のＮが0.008％と多いために、いずれも低靱性を
示した。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、低水素系被覆
アーク溶接棒において心線及び被覆剤の組成並びに溶接
棒全体の組成、被覆率を規制したので、特に60Kgf/mm²
以上の高張力鋼及び低Ni鋼の高強度溶接金属を対象とし
て優れた靱性が得られる。したがって、鋼構造物の高張
力鋼化に寄与する効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は心線のＮ量と溶接金属のＮ量の関係を示す図、
第２図は被覆剤中のCO₂量と溶接棒金属のＮ量の関係を
示す図、第３図は破覆率と溶接金属のＮ量の関係を示す
図、第４図は被覆剤中のMg量と溶接金属の酸素量の関係
を示す図、第５図は溶接棒全体のAl量と溶接金属の酸素
量の関係を示す図、第６図は被覆剤中の酸性酸化物量と
溶接金属の酸素量の関係を示す図、第７図は溶接金属の
酸素量と溶接金属のvTrs（シャルピー衝撃試験での破面
遷移温度）及びK_IC（破壊靱性値）の関係を示す図、第
８図は溶接棒全体のＰ量と溶接金属の区vTrs及びK_ICの
関係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で（以下、同じ）、C:0.05％以下及
びN:0.005％以下に規制した鋼心線の周囲に、金属炭酸
塩をCO₂換算で８〜28％、金属弗化物を弗素換算で４〜
９％、Mgを1.3〜3.5％含有し、残部が主として脱酸剤、
合金、鉄分、スラグ剤、粘結剤からなり、これらのうち
の酸性酸化物として、９％以下のSiO₂、３％以下のTi
O₂、２％以下のAl₂O₃、２％以下のZrO₂を合計で12％以
下に規制してなる被覆剤を、被覆率（棒全重量に対する
被覆剤重量の割合）が26〜45％となるように被覆し、か
つ、溶接棒全体として、Mn:0.3〜2.1％、Ni:1.5〜6.0
％、Al:0.10％以下、P:0.010％以下に調整したことを特
徴とする60Kgf/mm²以上の高張力鋼及び低Ni鋼の溶接用
低水素系被覆アーク溶接棒。