JPH09314381A - Ｎｉ基被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被覆アーク溶接棒によるＮｉ基合金の溶接に
際し、耐棒焼け性が優れ、スラグの焼き付き現象がな
く、さらに耐高温割れ性が良好で健全な溶接金属が容易
に得られる被覆アーク溶接棒を提供する。 【解決手段】 Ｎｉ：５５〜７５％、Ｃｒ：１２〜１８
％、Ｍｏ：１．０〜４．５％、Ｔｉ：０．１〜０．５
％、Ｍｎ：０．９〜２．７％、Ｎｂ：０．７〜２．５％
を含有する心線に、被覆剤全重量に対し、金属炭酸塩：
２０〜４５％、金属弗化物：１０〜３０％、珪酸塩およ
び珪酸塩化合物：１０〜２５％、Ｍｎ：０．９〜４．０
％、Ｎｂ：０．７〜３．０％を含有し、かつ、Ｍｎ、Ｎ
ｂについて、それぞれ心線と被覆材との含有量の比率を
限定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＮＧ貯蔵タンク
用９％Ｎｉ鋼の溶接に使用される高Ｎｉ合金の溶接材料
の改良に係わり、さらに詳しくはスラグ剥離性が良好で
溶接作業性が優れ、耐高温割れ性が良好な溶接金属を容
易に得ることができるＮｉ基被覆アーク溶接棒に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】石油に替わるクリーンエネルギーとして
天然ガスの消費量が急速に伸び、それに伴い天然ガスの
運搬・貯蔵タンクの建造量も増加している。天然ガスの
運搬、貯蔵を簡便にする目的で天然ガスを冷却（−１６
２℃）して液化したものが液化天然ガス（ＬＮＧ）であ
り、ＬＮＧの容器として９％Ｎｉ鋼が主に用いられてい
る。この鋼は低温靱性の優れたフェライト系合金鋼であ
り、強度が高く溶接性も優れている。９％Ｎｉ鋼の溶接
にはボンド靱性の良好なＮｉ−Ｃｒ系の溶接材料が最も
多く使用され、溶接金属の要求性能を確保する目的で、
Ｎｉ、Ｃｒ以外にＭｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ等の合金成分が
適宜添加された被覆アーク溶接棒が使用されている。例
えば特開昭５３−３７５５５号公報に本発明者等はＮｉ
−Ｃｒ系心線を用い、心線または被覆剤の一方または両
方にＴａを含有し、被覆剤の全水分量を制御することに
より溶接金属の耐ミクロ割れ性を改善した被覆アーク溶
接棒を開示している。

【０００３】Ｎｉ−Ｃｒ合金を心線に使用した被覆アー
ク溶接棒は溶接中に心線が電気抵抗熱により赤熱し、被
覆剤が変質し溶接作業性が劣化する棒焼け現象が起こり
やすい。棒焼け現象を改善する技術として、本発明者等
は特公昭６２−５１７１６号公報にＮｉ−Ｃｒ系心線に
被覆剤中の石灰石の粒度を制御し、Ｌｉ化合物を含有す
る被覆剤を被覆することで保護筒を強化し、耐棒焼け性
を改善した被覆アーク溶接棒を開示している。

【０００４】近年、作業効率を上げるため溶接電流を高
くする傾向があり、電流値の上昇とともに、耐棒焼け性
が従来の技術では不十分となり、被覆剤の変質による溶
接作業性の劣化が起きている。特に大入熱での溶接とな
る立向姿勢ではスラグの焼き付現象が起こり易く、開先
内溶接の上層部ほどその傾向が大きい。開先内およびす
み肉溶接などの積層溶接ではスラグの焼き付きが残ると
次層溶接を容易、かつ健全に行うためスラグの除去が必
須作業となり、その作業に多大な工数が必要となり作業
効率が低下する。そればかりでなく溶接部の健全性を検
査するためのカラーチェック検査においてビード表面に
欠陥の疑似模様が発生するためビード表面を整形するす
る必要があり、さらに工数が増加して施工効率が低下す
るという問題がある。

【０００５】また、被覆剤中に合金成分が多量に添加さ
れる場合、高電流で溶接すると性能改善目的で被覆剤か
ら添加した合金成分が十分歩留まらず、目標溶接金属成
分が得られないため、溶接金属の機械的性能や耐割れ性
の劣化が認められるばかりか、合金成分によってはアー
クの不安定化やスラグ中に酸化物形態で混入してスラグ
剥離性を劣化させるなど溶接作業性にも悪影響を及ぼ
す。このため、棒焼け現象によるスラグ焼き付き現象が
ない溶接作業性が良好で健全な溶接金属性能が容易に得
られる被覆アーク溶接棒の開発が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにＬＮＧ貯
蔵タンク用９％Ｎｉ鋼の溶接に用いられてきたＮｉ基被
覆アーク溶接棒は高電流使用による施工条件の変化によ
り、棒焼け現象に伴うスラグ焼き付による溶接施工能率
の低下ばかりか、溶接金属性能が劣化しやすい等の問題
があった。本発明はこれらの現状に鑑み、被覆アーク溶
接棒によるＮｉ基合金の溶接に際し、苛酷な施工条件で
溶接しても耐棒焼け性が優れ、スラグの焼き付き現象が
ない良好な溶接作業性を有し、能率的な溶接施工が行
え、さらに耐高温割れ性が良好で健全な溶接金属が容易
に得られる被覆アーク溶接棒を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【発明が解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、Ｎｉ基被覆アーク溶接棒において心
線全重量に対し、重量％で（以下同じ）、Ｎｉ：５５〜
７５％、Ｃｒ：１２〜１８％、Ｍｏ：１．０〜４．５
％、Ｔｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．９〜２．７
％、Ｎｂ：０．７〜２．５％を含有し残部がＦｅおよび
不可避的不純物からなる心線に、被覆剤全重量に対し、
金属炭酸塩：２０〜４５％、金属弗化物：１０〜３０
％、珪酸塩および珪酸塩化合物：１０〜２５％、Ｍｎ：
０．９〜４．０％、Ｎｂ：０．７〜３．０％を含有し、
かつ、Ｍｎ、Ｎｂについて、それぞれ下式（１）、
（２）で示される被覆剤中の係数を満足することを特徴
とするＮｉ基被覆アーク溶接棒である。 被覆剤中の係数＝０．５×（被覆剤中のＭｎ添加量）／｛心線中のＭｎ添加量 ＋０．５×（被覆剤中のＭｎ添加量）｝≦０．４０ ・・・・・ （１） 被覆剤中の係数＝０．５×（被覆剤中のＮｂ添加量）／｛心線中のＮｂ添加量 ＋０．５×（被覆剤中のＮｂ添加量）｝≦０．３５ ・・・・・ （２）

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は上記のような問題点を解
決すべく、被覆剤に含有する合金剤の種類と添加量を変
化させた被覆剤を種々のＮｉ−Ｃｒ心線に被覆した被覆
アーク溶接棒を試作し、溶接金属性能および溶接作業性
を調査した結果、合金成分を添加する場合、合金成分に
よっては心線からと被覆剤からとではその効果の度合い
が異なり、溶接作業性のスラグ焼き付き現象にはＭｎ、
耐高温割れ性にはＮｂが大きく影響していることを見い
だした。

【０００９】溶接作業性のスラグ焼き付き現象に大きな
影響を及ぼすＭｎについて、溶接金属成分が同じになる
よう心線、被覆剤の両方から添加した場合の溶接作業性
能の試験を実施した。その結果、主に被覆剤から添加し
た場合がスラグ焼き付き量が多く、その添加比率により
スラグの焼き付き程度やスラグの脆さによる剥離性の難
易、さらに溶接中の保護筒形成状況が異なることを見い
だした。すなわち前記式（１）のように被覆剤中のＭｎ
係数を０．４０以下に制御することにより、スラグ焼き
付き現象がなく、スラグが脆くて除去が容易でしかも保
護筒の強化維持によるアーク安定性が改善され、優れた
溶接作業性が得られるという知見を得た。

【００１０】また、同様にＮｂについて、溶接金属成分
が同じになるよう心線、被覆剤の両方から添加した場合
の溶接金属の耐高温割れ性能調査を実施した。割れ試験
は耐高温割れ性を評価するＪＩＳ Ｚ３１１５で規定さ
れているＣ型治具拘束溶接割れ試験では耐割れ性評価が
明確でないため、本発明者等が独自で考案した拘束状況
がかなり過酷な補修溶接を想定した試験を行なった。す
なわち横向き姿勢によりＵ溝内に１パス溶接を行い、試
験ビードを表面から順次１ｍｍ程度研削して割れの発生
状況を数回調査した。その結果、主に被覆剤から添加し
た場合が最も耐高温割れ性が劣り、その添加比率により
割れの発生数や割れの長さが異なり、溶接金属の耐割れ
性は前記式（２）のように被覆剤中のＮｂ係数を０．３
５以下に制御することにより格段に改善されるという知
見も得た。

【００１１】本発明は上記の知見によりなされたもので
あり、Ｎｉ−Ｃｒ系の心線に対して、該心線に金属炭酸
塩、金属弗化物、珪酸塩および珪酸塩化合物を被覆し、
さらに心線および被覆剤からのＭｎおよびＮｂの添加量
ならびに添加比率を制限することにより、アーク安定
性、スラグ剥離性、溶接金属の耐高温割れ感受性を著し
く改善することができる。以下に本発明における成分限
定理由についてまず心線から述べる。

【００１２】Ｎｉはマトリックスを構成する主要元素で
あり、溶接金属の諸特性を得るために５５％以上必要で
あるが、必要に応じてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ等の合金成分を
含有させるためには７５％が限度である。従って５５〜
７５％に制限する。

【００１３】Ｃｒは強度特性等を保持するための主要元
素であり、その効果を十分ならしめるために１２％以上
必要であるが、１８％を超えると靱性や延性が劣化す
る。従って、１２〜１８％に制限する。

【００１４】Ｍｏはマトリックスに固溶して強度を向上
させるのに効果があるが、１．０％未満では効果が少な
く、４．５％を超えると靱性を低下させ、心線製造工程
で伸線性が劣化する。従って１．０〜４．５％に制限す
る。

【００１５】Ｔｉは溶接金属の耐気孔性を改善するため
０．１％以上必要であるが、０．５％を超えると靱性が
劣化する。従って０．１〜０．５％に制限する。

【００１６】Ｍｎは靱性を改善し耐気孔性を改善するた
めに０．９％以上必要であるが、２．７％を超えると立
向姿勢溶接においてビード形状が凸になりやすい。従っ
て０．９〜２．７％に制限する。

【００１７】Ｎｂは溶接金属の強度向上に有効で０．７
％以上必要であるが、２．５％を超えると靱性が劣化す
る。従って０．７〜２．５％に制限する。

【００１８】次に被覆剤の限定理由について述べる。金
属炭酸塩は高温分解した発生ガスにより大気からアーク
をシールドし、また、溶接雰囲気を高塩基性に保つこと
による健全な溶接金属を確保し、スラグの粘性や流動性
の適正化による優れた作業性の確保に有効で、２０％以
上必要であるが、４５％を超えるとスラグ剥離性やビー
ド外観が劣化する。従って２０〜４５％に制限する。な
お、金属炭酸塩とは石灰石の他、炭酸バリウム、炭酸ス
トロンチウム、炭酸リチウム、炭酸マンガン、炭酸マグ
ネシウム等を指す。

【００１９】金属弗化物は金属炭酸塩と同様に高温分解
した発生ガスにより大気からアークをシールドし、溶接
金属中の酸素量の低減による靱性や延性の向上に有効で
ある。また、スラグの粘性と流動性の適正化による全姿
勢での優れた作業性の確保、スラグ剥離性劣化の改善に
有効で１０％以上必要であるが、３０％を超えるとアー
クが不安定になり溶接作業性が劣化する。従って１０〜
３０％に制限する。なお、金属弗化物とは蛍石のほか弗
化アルミニウム、弗化マグネシウム、氷晶石、弗化ソー
ダ、弗化ジルコンカリ等を指す。

【００２０】珪酸塩および珪酸塩化合物は強固な保護筒
を形成しアークを安定化するために有効である。またス
ラグに適度の流動性を与えビードを被包し、ビード外観
を改善するために効果があり１０％以上必要であるが、
２５％を超えるとスラグ剥離性が劣化する。従って１０
〜２５％に制限する。

【００２１】Ｍｎは前述したようにが靱性を改善し耐気
孔性を改善するために０．９％以上必要であるが、４．
０％を超えるとスラグがガラス化してスラグ剥離性が非
常に劣化し、被覆剤係数を０．４以下にしても焼き付き
現象が改善されない。したがって０．９〜４．０％に制
限する。

【００２２】Ｎｂは溶接金属の強度向上に有効で０．７
％以上必要であるが、３．０％を超えると耐割れ性が劣
化し被覆剤係数を０．３５以下にしても改善されない。
したがって０．７〜３．０％に制限する。

【００２３】式（１）で示される被覆剤中のＭｎ係数は
耐棒焼け性およびスラグ焼き付き防止と大きな関係があ
り、係数値が小さいほどスラグ焼き付き量が減少し、ス
ラグが脆くなりスラグ除去が容易で剥離性が改善され
る。また、保護筒が強化され耐棒焼け性が改善される傾
向がある。係数値が０．４０を超えるとスラグがガラス
化して焼き付き現象を起こし、スラグ剥離性を劣化させ
る。また、棒焼けが現象が顕著となり保護筒が弱くなり
アーク状態が不安定になる。したがって被覆剤中のＭｎ
係数を前記のＭｎ添加量の範囲内において０．４０以下
に制限する。

【００２４】式（２）で示される被覆剤中のＮｂ係数は
溶接金属の高温割れと大きな関係があり、その数値が小
さいほど耐割れ性は改善される。係数値が０．３５を超
えると溶接金属の割れ数や割れ長さが増加し、耐高温割
れ性が顕著に劣化する。したがって前記のＮｂの添加量
の範囲内において被覆剤中のＮｂ係数を０．３５以下に
制限する。

【００２５】また、健全な溶接金属を得るためＦｅ−Ａ
ｌ、金属Ａｌ、Ｆｅ−Ｓｉ等を脱酸剤として添加し、要
求特性に応じた溶接金属を得るために金属粉末を適宜添
加しても本発明の特徴は損なわれない。ただし、合金剤
は配合量が多くなると溶接金属の成分が不均一となりや
すいため、３０％以下にすべきである。なお、ここで言
う脱酸剤以外の金属粉末とは、金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ、
金属Ｎｉ、金属Ｗ等の粉末等を指す。

【００２６】

【実施例】以下に実施例により本発明の効果を具体的に
説明する。実験に供した心線は溶解後、鍛造、圧延およ
び線引きを行って４．０ｍｍ径×３５０ｍｍの寸法に作
成した。表１に心線組成を示すが、Ｗ１〜Ｗ５は本発明
に用いた心線で、Ｗ６〜Ｗ８は比較例に用いた心線であ
る。表２に表１の心線に被覆した被覆剤の組成を示す
が、Ｆ１〜Ｆ４は本発明に用いた被覆剤で、Ｆ５〜Ｆ８
は比較例に用いた被覆剤である。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】被覆アーク溶接棒の製造方法は表２の被覆
剤に珪酸カリ、珪酸ソーダ等の水ガラスを被覆剤重量に
対し約２０％前後添加し、湿式混合した被覆剤を被覆率
が約３０％となるよう表１の心線に被覆し、約４００℃
で約６０分程度焼成して作成した。

【００３０】表３ないし表５に表１の心線と表２の被覆
剤とを組み合わせた溶接棒で溶接した溶着金属の化学成
分、表６および表７に溶着金属の機械的性質、継手溶接
金属の機械的性質、Ｘ線試験結果、溶接作業性試験結果
および割耐高温割れ試験結果を示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】

【表５】

【００３４】

【表６】

【００３５】

【表７】

【００３６】溶着金属性能試験はＪＩＳ Ｚ３２２５に
準拠して実施した。継手溶接金属性能は９％Ｎｉ鋼に図
１に示す開先形状を形成し、立向姿勢で溶接電流：１３
０Ａ、速度：５０〜１００ｍｍ／ｍｉｎの溶接条件で両
面突き合わせ溶接を実施し、短ゲージ引張試験、衝撃試
験、Ｘ線性能試験を行った。各試験はＸ線透過試験（Ｊ
ＩＳ Ｚ３１０６による）を行った後、継手引張試験片
（ＪＩＳ Ｚ３１２１、１号）、衝撃試験片(ＪＩＳ
Ｚ３１１１、４号）を採取して機械的性質を調査した。
衝撃試験は−１９６℃にて試験し、吸収エネルギーを求
めた。

【００３７】溶接作業性評価試験は継手溶接時に判定し
た。耐高温割れ試験は９％Ｎｉ鋼に図２の溝形状を形成
し、図３のように試験板１を拘束板２に溶接３して拘束
を施し、溶接電流：１４５Ａ、溶接速度：２０ｃｍ／ｍ
ｉｎの条件で試験ビードを横向き姿勢で溶接し、ビード
表面から約１ｍｍずつ３回研削してカラーチェック検査
を行い、割れの数量および長さを測定し、３回の合計で
耐高温割れ性能を評価した。

【００３８】本発明例のＮｏ．１〜Ｎｏ．１２は優れた
溶接金属の機械的性能、耐割れ性、Ｘ線性能および良好
な溶接作業性が得られた。

【００３９】一方、比較例のＮｏ．１３は心線中のＣｒ
過多、Ｔｉ不足、被覆剤中の金属弗化物過多、珪酸塩化
合物不足、被覆アーク溶接棒中のＮｂ過多およびＭｎの
被覆剤係数が過大となっている。Ｎｏ．１４は心線中の
Ｃｒ過多、Ｔｉ不足、被覆剤中の珪酸塩化合物不足、被
覆アーク溶接棒中のＮｂ過多およびＭｎの被覆剤係数が
過大となっている。

【００４０】Ｎｏ．１５は心線中のＮｉ不足、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｔｉ過多、被覆アーク溶接棒中のＭｎ過多、Ｎｏ．
１６は心線中のＮｉ過多、Ｃｒ、Ｍｏ不足、被覆剤中の
珪酸塩化合物不足およびＭｎ、Ｎｂの被覆剤係数が過大
となっている。

【００４１】Ｎｏ．１７は心線中のＮｉ過多、Ｃｒ、Ｍ
ｏ不足、Ｎｏ．１８は被覆剤中の金属炭酸塩不足、金属
弗化物、珪酸塩化合物過多、Ｎｏ．１９は被覆剤中の金
属弗化物過多、珪酸塩化合物不足、Ｎｏ．２０は被覆剤
中の金属炭酸塩過多、金属弗化物が不足している。これ
らそれぞれの理由により比較例においては溶接金属の機
械的性質、耐割れ性の劣化、Ｘ線性能不良、溶接作業性
では特に不安定なアーク状態、スラグが焼き付き剥離性
が悪い等の問題点がある。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明は、Ｎｉ基合金の被
覆アーク溶接棒において高電流でも棒焼け性が優れ、溶
接作業性、特にアーク状態が安定し、スラグ焼き付きが
なく剥離性が良好あり、かつ、耐高温割れ性も良好で、
溶接欠陥のない健全な溶接属を容易に得られる被覆アー
ク溶接棒を提供するものであり、ＴＳＮｉ基合金の溶接
を能率的かつ経済的に溶接施工するために大きく貢献す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例において用いた継手溶接用の開先形状を
示す断面図

【図２】実施例において用いた割れ試験用の開先形状を
示す断面図

【図３】実施例において用いた割れ試験材の拘束状態を
示す図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉ基被覆アーク溶接棒において心線全
   重量に対し、重量％で、 Ｎｉ：５５〜７５％、 Ｃｒ：１２〜１８％、 Ｍｏ：１．０〜４．５％、 Ｔｉ：０．１〜０．５％、 Ｍｎ：０．９〜２．７％、 Ｎｂ：０．７〜２．５％ を含有し残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる心線
   に、被覆剤全重量に対し、重量％で、 金属炭酸塩：２０〜４５％、 金属弗化物：１０〜３０％、 珪酸塩および珪酸塩化合物：１０〜２５％、 Ｍｎ：０．９〜４．０％、 Ｎｂ：０．７〜３．０％ を含有し、かつ、Ｍｎ、Ｎｂについて、それぞれ下式
   （１）、（２）で示される被覆剤中の係数を満足するこ
   とを特徴とするＮｉ基被覆アーク溶接棒。 被覆剤中の係数＝０．５×（被覆剤中のＭｎ添加量）／｛心線中のＭｎ添加量 ＋０．５×（被覆剤中のＭｎ添加量）｝≦０．４０ ・・・・・ （１） 被覆剤中の係数＝０．５×（被覆剤中のＮｂ添加量）／｛心線中のＮｂ添加量 ＋０．５×（被覆剤中のＮｂ添加量）｝≦０．３５ ・・・・・ （２）