JPS62173096A - 溶着ビ−ドおよびその製造用電極 - Google Patents

溶着ビ−ドおよびその製造用電極

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JPS62173096A
JPS62173096A JP61088373A JP8837386A JPS62173096A JP S62173096 A JPS62173096 A JP S62173096A JP 61088373 A JP61088373 A JP 61088373A JP 8837386 A JP8837386 A JP 8837386A JP S62173096 A JPS62173096 A JP S62173096A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶接技術、特に溶接によって生成した溶着ビー
ドおよび望む溶着ビードを製造しうる電極に関する。
本発明は特に比較的厚い低炭素(および低合金)鋼板の
電気アーク突合せ溶接法に応用されまたその例について
記載されるが、本発明がより広い用途をもち高衝撃値を
もつ鋼が必要な場合に使用できるものである。
分析の種々の必須元素(鉄の他に)が種々の方法で溶融
溶接プールに供給できるが、本発明は望む溶着ビードに
影響するに必要々種々の元素を含む融剤用成分を芯にも
つ裸管状鋼ワイヤー使用に特に応用でき例について記載
されるが、これらの元素が固体ワイヤー上の融剤膜中に
又は溶着ビード上につけられる又は電極ワイヤーの鋼と
合金される粒状融剤中に含まれうるものである。加えら
れる元素は、適当な還元剤と組合されて、金属、合金お
よび(又は)化合物として存在しうるものである。
背景 溶接工業における溶着ビードに望まれる又は要求される
主要特性は知られたチャーピーマー切欠き部rchar
pyV−Notch)衝げき試験および最近のクラツク
チツプオープニングディスプレースメント(cTOD)
試験により測定される強じん性に伴なう高引張シ強さと
延性である。、チャーピー試験において一定寸法の冷却
試験品が試験機に入れられ衝げきによって試験品を曲げ
るに要したエネルギーを測定する。CTOD試験では疲
れ割れが発生した後試験品は応力をうけついに破壊する
。エネルギー又はCTOD値が高い程溶接は良好である
。チャーピー試験のみは後記するであろう。
型鋼板の溶接においては試料溶接部の上、下および中央
から試料を切シとり各部の衝げき強さを測定するのが普
通である。
1!−インチから2インチ又はそれ以上の重鋼板溶接に
おいては各板の端を斜めに切り、できた鋭端を接近して
置き根元を溶着した後一連のアーク溶接を重ねて行ない
斜端によってできたV型切欠き部を埋めるのが普通であ
る。この操作において各連続溶接パス(pass )は
前につけだ溶着ビードを部分的にとかしまた再溶融した
金属に近い金属をその変形温度以上の温度に再加熱する
これまで同じ電極を用いるマルチパス溶接においては溶
接の深さ全体にわたり工業的に許容されるチャーピー衝
げき値をえることは困難なことである。
望む結果は連続パスに使う電極を変えることによってえ
られているが、これは複雑であり、時間がかかりまた経
費もかかる。本発明により単一電極を用いて必要な高チ
ャーピー衝げき値がえられる。
マルチパス溶接において望む高衝げき強さをえるために
は各パス又は各層につける溶着部分の大きさを制限する
必要があることが他の開−となっている。溶着部分の大
きさは電極大きさ、電極供給速答および進行速さによっ
て決定される。故に各溶着部大きさを制限することによ
りつなぎを埋めるに多数パスが必要であり全溶接を完了
するに長時間かかった。
これに相互関係しているのが溶接パラメーターの確立が
必要なことおよび溶接作業者がこのパラメーターに従っ
てなされることであった。彼がこれらをしのいだならば
望むチャーピー衝げき強さをもたない溶着ビードが生じ
た。
本発明を用いて多数回パスは実質的に減少され各層の大
きさの制限はない。
つけられた各密着物の厚さ制限による他の問題は垂直に
のびた突合せつ々ぎを溶接するとき作業者は上から下へ
溶接することを要求される。本発明を用いて今や垂直に
上へ溶接することにより安価な方法で望む衝げき強さを
もつ溶着ビードをえることが可能である。
更に問題は溶着ビードの根元から上までの衡げき強さの
変化である。これは電極が通常溶剤中にある形のチタン
を含んでおシそのチタンが溶着ビード中に残渣として終
るという事実によって説明できる。少量のチタンは望む
衝げき値をえるに必要である。しかし過剰量のチタンは
衝げき値に有害である。
結局電極は十分のチタンを含まねばならないので根元パ
スにおいて(とけて溶着ビードの一部となる作業棒金属
により電極金属が実質的に稀釈される場合)望む衝撃値
を与えるに十分なチタンとなるであろう。しかし次の層
が溶着したとき潴接俸の金属によって次第に稀められて
終シには溶着ビードのチタン量は衝げき値が減少しはじ
める様な値にまでなる。また最終又は最上層は根元パス
又は中間パスにより熱せられる様に再び加熱はされない
のでこの再加熱による結晶粒精練効果は受けない。故に
この最終最上パスの溶着ビード分析は重要である。
本発明を用いてわかるとおシ、溶着ビード中のチタン残
渣は増加するが、達する最大値はチタン含量増加によっ
て衝げき値が減少しはじめる臨界値よりは小さい。また
最終又は最上パス中のチタン含量は再加熱による結晶粒
精練を要しない様十分低いものである。
従来鋼のアーク溶接においては(1)溶着ビードに合金
用元素を加えるため、しかしく2)先づ第1に電極ワイ
ヤーから溶着プールに移る金属又は溶着ブー基それ自体
から窒素を排除する又は制限する様な種々の目的のため
電極ワイヤー上につけられた管の内側に又は溶着ビード
上の重なった=14− 粒状溶剤としていづれかによって溶剤が使われている。
アークの温度において大気中からの窒素分子は分解し易
く溶着泥中にはこばれる。次いで溶着泥が冷えると原子
窒素は分子とな’)YfJ着ビード内に窒素ガスとして
あられれ多孔や不完全溶着ビードを生ずる。
故に裸鋼ワイヤーを用い遮蔽ガスを使わないで溶剤成分
は宮にアークの近辺から窒素を排除する様アークの熱で
揮発する化合物を含んでいた。捷た電極ワイヤーおよび
アークと同軸の遮蔽用ガスが窒素排除に使われていた。
裸電極ワイヤーがそれ全とおり前進する溶着ビードの上
に溶着される粒状溶剤も使われている。
以上わかるとおり本発明はある程度従来法の目的に反し
ており少量の窒素を溶着金桟内に利用するがチタン化合
物としてである。
発明 故に本発明はマルチパス電気アーク溶接において多数層
に溶着でき前記しJ従来法の諸問題を解決する固有に高
チャーピー衝撃値をもつ新規の改良された溶着ビードに
関する。
本発明の最も広い形態により本発明は鋼が冷え固化する
とき結晶粒がまわシに成長しはじめて核種を形成し高チ
ャーピー山げき値をもつ鋼の微細結晶粒構造となる様な
全体に分散した窒化チタンのミクロ粒子の十分であるが
調整量をもつ低炭素溶着ビード沈着物に関する。
更に本発明の広い形態においては分析においてアルミニ
ウムの最大量を同時に制限しながらクロムの調整量が含
まれるのである。
チタンおよび(又は)アルミニウムは普通の溶着ビード
成分であり、特徴の一つは溶接金属の変移温度を下げる
と共に窒化チタン生成を促進する触媒として働らくクロ
ムの使用にあるのである。
更に本発明により詳述すれば溶着ビードは本質的成分と
してまた精密調整量として試験全溶着ビード試料重量基
準でチタン0,03乃至0.12チ、窒素0.01乃至
0.04%およびクロム0.05乃至0.30%、およ
びアルミニウムがあれば0.95%を超えない量を含む
低炭素鋼より成る。
詳述すれば本発明により主合金成分が次のとおりである
様な溶着ビード分析が与えられる: チタン      0.03−0.12重量係窒素  
     0.01−0.04  rクロム     
 0.05−0.30  !アルミニウム   0.9
5重、t%より少ない、ジルコニウム   0.05重
(f%より少ない、炭素       0.04−0.
15重量%次の成分を含んでもよい: ニッケル       0.3−1.5重量%−q7 
ガフ        1.6重量%より少ない。
けい素        0.30重量%より少ない。
いおう、酸素、シん  0.01重量%より少ない。
窒素は2930℃(5306’F)の高融点(鋼)15
35℃(2777下)と比べて)をもち硬化溶着ピード
中極微細又はミクロ粒子としてある窒化チタンとして存
在する。
各粒子は鋼がその固化温度をとおシ凝結し冷却するとき
結晶粒成長が周りで初まる核化点と々る。この核化点の
ため微細粒ミクロ構造が生ずる。窒化チタンはオースチ
ナイト結晶粒抑制剤の様に働らくと記載もできる。
溶着ビートへのチタン又はクロム添加は困難である。成
分は管状ワイヤーの芯の溶剤中にあっても又は固体電極
ワイヤー外側膜中にあってもよいが、いづれの場合もマ
グネシウムおよび(又は)アルミニウムの様な金属又は
電極線の鋼との合金又はある知られた還元剤と組合せた
化合物としてあってもよい。
窒化チタンを溶剤中の1成分として固体鋼ワイヤー外側
につけて又は管状ワイヤーの内側に又は粒状溶剤中に使
用することによって溶着ビード中に添加できる。しかし
窒化チタンは高価でありi着ビード中に窒化チタンを入
れる安価な方法を用いるとよい。
可能な1方法(研究されていない)は窒化チタンが1成
分として電極ワイヤーの鋼に含ませうることである。
本発明によりチタンとクロムの適当量を金属、合金又は
適当量の適当還元剤と混合した酸素化合物のいづれかと
して管状電極芯に入れ空気の窒素がアークから排除され
ずチタンが周囲の大気中の窒素と結合して窒化チタンを
生成しその必9%が沈澱形、即ち顕微鏡的粒子状で溶接
プール中に入る様溶接することにより窒化チタンは溶接
プール中に入れられる。
空気中の窒素に暴露することが重要なことはアルゴン遮
蔽ガス中で使用した同じ電極が衝げき強さのよくない結
果を与えた試験によって示されている。
空気中の酸素が溶接プール中に入るのを防ぐ必要がある
ことも認められるであろう。そしてこれはアルミニウム
および(又は)マグネシウムを金属又は合金のいづれか
として管状鋼ワイヤーの芯に入れることによってできる
。そのアルミニウムおよび(又は)マグネシウムは大気
中の酸素と反応して酸化物を生成しスラグの一部となり
溶接完了時に処理される。
アルミニウムを脱酸剤として使うとき常に酸素と反応す
る量以上の量を使用しなければなら々い。その結果いく
らかのアルミニウムは反応せず溶着ビードに移り残渣と
なる。
溶着ビード中の多量すぎるアルミニウムは衝げき強さに
悪影響をもつので、本発明によりミ極中のアルミニウム
は(空気中の酸素又は溶剤の他化合物からとられた酸素
によってアルミニウムオキサイドに変えられず溶着ビー
ドに残渣として移る残留量を考えて)溶着ビード中の残
留アルミニウムが常に0.95%以下である様な量で存
在する。
溶接金属を完全に脱酸するに要するアルミニウム量減少
のためマグネシウムが金属又はアルミニウムとの合金の
いづれかとして置換される。鋼の同化温度以下の沸点を
もつマグネシウムは鋼と合金はつくらない。
クロムは常に切欠き粘り強さとしても知られる衝げき強
さに有害と思われており、通常溶着ビードから排除され
ている。したがってクロムは鋼の強さを増したが、その
衝げき強さを減少した。出願人はクロムが衝げき強さを
増すと知られたことは初めてだと信する。
クロムは窒化チタン生成促進のため触媒として電極に加
えられる。これは溶接金属中に窒化チタンの必要量を確
保しまたマルチパス溶接におけるチタン含量増進防止を
助ける。故にその通常の衝げき強さに対する損害はチタ
ン必要量の減少および窒化チタン粒子の増化によって相
殺される。
クロムの存在が本発明の微小結晶粒ミクロ構造に伺の影
響もないことが試験によってわかっている。
一般にクロムを除外して溶剤成分用上記一般調合物は知
られていたということができる。新奇性は溶剤調合への
クロム添加であシ、それはアーク熱中のチタンと窒素の
結合に触媒として役立つ。この窒化チタンは鋼が変移温
度をとおり固化し冷えるにつれ個々の結晶粒成長が始1
シつづける多数の核化点を与える微分散した多数ミクロ
分子粒子として溶接プール中に運ばれる。
クロムはまた溶着′ビードの変移温度低下に働らく。こ
のために多くの前に溶着した各層はあとの連続パスで精
練されだ結晶粒であり各パスにおいて多量の金属がつけ
られかくて与えられた浴接ギャップを満たすだめのパス
回数を減少できる。パス回数減少によって定められた溶
接完了に要する時間は来質的に減少する。
更にmMビードの根元パス、中間パスおよび上部パスに
同一電極が使用できるので全溶着ビード全体に最高価げ
き強さを要する装置において従来の場合における様な溶
接電極変更を必要としないため相当の時間節約となる。
更に本発明の興味深い特徴は溶着ビード断面の顕微鏡写
真が本発明を用いない従来のマルチパス溶着ビードの場
合の様な隣接層間のどの境界線も明白に示さないことで
ある。
出願人は窒化チタンの広く分散したミクロ粒子をもつ様
アーク溶着ビードの溶着に、またとけた溶接プールに入
シ鋼の融点以上の固体ウェル(well)になりかくて
全溶着ビードをとおし一般に結晶成長同時開始の核化点
として働らくであろう化合物としてチタンと窒素を結合
させる触媒としてクロムの価値に利点を認めた最初の者
と信じられる。
この微結晶ミクロ構造を増進することによってアーク溶
着鋼の高価げき値を一定してえることができたのである
目  的 本発明の主目的は低炭素および(又は)ある低合金鋼溶
接に対する厳重な衝撃とCTOD要求に適合する新規の
改良溶着ビードを提供することにある。
本発明の他の目的は重量壁、大直径管状構造物又は−殻
板加工の周回溝溶接を容易にできる溶着ビードおよびそ
の生成用電極の提供にある。
本発明の他の目的は垂直に上へ、垂直に下へ、頭上又は
手下位置で溶接できる新規の改良電極の提供にある。
本発明の更に他の目的は溶着ビードおよび犬溶着ビード
および(又は)厚い層によるよい機械的性質をもった溶
着ビード生成用電極の提供にある。
更に本発明の目的は溶着金属ナゲツトにおける切欠き部
位置にかかわらずよい切欠き部活シ強さを与える新規の
改良溶着ビードおよびその生成用電極を提供するにある
本発明の他の目的は外部遮蔽ガスの必要なく高品位高価
げき強さをもつ溶着ビードの溶接が可能でありまた各溶
接パスで溶着金属の厚い層を溶着できる新規の改良管状
電極を提供することにある。
本発明の他の目的は比較的厚鋼板上に溶着ビードの全深
さにわたって比較的高価げき値がえられるマルチパス溶
接用の新規の改良溶接電極の提供にある。
更に本発明の目的は突き合わせ密接される板端で形成さ
れる力えられた大きさの切欠き部が数回のパスで溶着金
属によって満たされるがなお全溶着ビードにわたり高価
げき値を与える様な新規の改良電極の提供にある。
更に本発明の目的は各溶接パスで溶着した金属量は最終
溶接物の衝げき値にクリティカルではない様なマルチパ
ス溶接用新規の改良電極の提供にある。
本発明の他の目的は連続溶接パスによって高価げき値を
うるための再加熱を要しない様な溶着ビードの提供にあ
る。
更に本発明の目的は窒素、チタン、クロムおよびアルミ
ニウムの調節された量を含む新規の改良溶着ビードを提
供することにある。
更に本発明の目的は必要成分として窒素を溶着ビード中
に含んでいる様な新規の改良溶着ビードの提供にある。
更に本発明の目的は精製された結晶粒ミクロ構造をつく
る目的で窒化チタンとクロムを含んでいる新規の改良溶
着ビードの提供にある。
更に本発明の目的は溶着ビード中に窒素を入れることは
溶着ビードの強さ特性に有害でない様な新規の改良溶着
ビ−ドの提供にある。
本発明は2鋼板間の溶着ビードの化学分析においてまた
この分析値をもった溶着ビードをつけうる電極において
物理的形態をとる。
好ましい実施態様において、45°傾斜角となる様けづ
った板端の下鋭端を3/16インチ(0,47z)はな
した厚さ11インチ(3,85crn)A537@板2
枚間に溶着ビードをつけた。板を200下(79℃)に
予熱し各溶接パスの間前につけた溶着ビードの温度を約
200”F(79℃)に冷した。
電極AとBを使い15回パスにおいて下記衝げき値をえ
た。
= 97− 一40下における衝げき値 実施例A 上部   75,69,110,158中間
  124,110,122,116,118根元  
 43. 71. 83. 69実施例B 上部   
82,87,81,1.12中間  117,138,
132,135根元   57,108,90,85 実施例Aの代表的分析値は次のとおり:ol  e? 
 c?C?   V   Q−1苓 臀 苓 ω1 臀 宥 岑 1男 弔 唖 引 蔓 叫 努 ;1葺 眉 乗 1弓 弓 害 zl 蔓 香 香 ミl 嬰 弓 突 =I 臀 香 書 這l 碍 嬰 嬰 01旨 喬 串 同じ条件であるが溝をうめるに僅か8回のパスを使った
第2回試験において次の衝げき値をえた:実施例A 上
部  118,122,192,138中間   95
,101,108,120根元   40. 67.3
8.54 実施例B 上部   64,88,100.87根元 
  76.96,111,98,76実施例Bの代表的
分析は次のとおシであったニー3〇− IVV  つ o−1苓 苓 苓 一し 杏 8 i1躊 社 司 =:1彬 暉 凄 1弓 千 用 ン1青 棄 膨 4鈴 臀 弔 =I憾 答 輝 丑1M’4  賞 01耳 耳 杏 これらの試験試料は鋼が低炭素鋼管であシ管の芯が下記
溶剤成分(重量%)で満たされている様な電極の1本を
使ってえた。
Li20−      0.28  0.28   −
8i02       0,39  0.40   −
CaO0.290,29− Fe+033.24  3,24  3.52BaO1
,691,97− Ti02        −   0.16   −8
rO−−1,,34 BaF28.44  8.44  10.02他のふつ
化物    ]、、35   1,35   1.68
例えばLi、 Si1KXSr Mg         1.33  1.19  1.
38Al          1,72   1,54
   1.70Ti           0.07−
−−0,10Mn            0.430
,450,47Ni           0.750
,750,58Zr            0.1.
2   0.12   −−−Cr         
   0.160,160,10Fe        
 残シ   残シ   残り上記電極使用の代表的溶接
条件は次のとおシ:a、直径5A4インチ電極。
b、DC電極負極、および c、3/4インチ電気的突出。
19−20     90     225    4
.117−18     70     175   
 3.133一 本発明を好ましい実施態様に関連して記述したのである
主要新奇性はアーク内で凝結し冷却する溶着金属中に分
散した高価げき値に必要な小結晶形態を生成する多数の
核化点を形成できる高融点窒化チタン粒子の製造促進で
ある。
明らかに本明細書を読み諒解した者には修正法や別法も
考えられるであろう。修正法や別法が本発明の特許請求
範囲内に包含されている限シ本発明はそれらすべてを包
含するものと考えている。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、溶着ビード試料全重量基準で Ti0.03乃至0.12重量%、 N0.01乃至0.04重量%、 Cr0.05乃至0.30重量%、 Al0.95重量%より少量、および 残余は低炭素鋼および他の公知の鋼合金成分であること
    を特徴とする電気アーク溶着ビード。 2、次の公知の合金成分: Zr0.05重量%より少量、 Ni0.3乃至1.5重量%、 C0.04乃至0.15重量%、 Mn1.6重量%より少量、 Si0.30重量%より少量、 O<0.01重量%、 P<0.01重量%、 S<0.01重量%、 を含む特許請求の範囲第1項に記載の溶着ビード。 3、(a)(1)Ti、Zr、Ni、C、MnおよびS
    iより成る群から選ばれた公知の鋼合金用元素(元素、
    金属、合金又は化合物のいづれの状態でもよい); (2)リチウム、バリウム、けい素、ストロンチウム、
    カルシウムおよびカリウムのふつ化物および鉄、リチウ
    ム、カルシウム、バリウムの酸化物より成る群から選ば
    れた通常の融剤成分; (3)マグネシウム、アルミニウムおよびけい素より成
    る群から選ばれた通常の還元剤;および (4)チタンとクロムおよびアルミニウムが必須成分と
    してビード試料重量を基準として チタン0.03乃至0.12重量%、 アルミニウム0.95重量%より少量、 クロム0.05乃至0.30重量% の量; が含まれている鋼ワイヤー電極を製造しかつ(b)大気
    からアーク電極又は溶着プールを遮蔽することなく電極
    端と鋼作業片の間に電気アークをつくりそれによつて空
    気から窒素を0.01乃至0.04%の量で溶着ビード
    中にとり込ませる 工程より成ることを特徴とする電気アーク溶接法。 4、(a)チタン、クロム、アルミニウム、炭素、ジル
    コニウム、マンガン、けい素、ニッケルより成る群から
    選ばれた元素、その金属、その合金又はその化合物のい
    づれかとしての通常の合金用成分; (b)マグネシウム、アルミニウムおよびけい素から成
    る群から選ばれた金属又は合金のいづれかとしての通常
    の還元剤; (c)バリウム、リチウム、カルシウム、カリウム、け
    い素、ストロンチウムのふつ化物およびリチウム、けい
    素、鉄、バリウム、ストロンチウム、カルシウムの酸化
    物より成る群から選ばれた通常の融剤;および (d)チタン、クロムおよびアルミニウムが必須成分と
    して溶着ビード試料全重量を基準として チタン0.03乃至0.12重量%、 窒素0.01乃至0.04重量%、 アルミニウム0.95重量%より少量、 クロム0.05乃至0.30重量%、 残余は低炭素鋼および他の元素又は金属である;が含ま
    れている低炭素鋼ワイヤーより成ることを特徴とする電
    気アーク溶接用電極。 5、低炭素鋼を空気中で溶接する場合溶着ビードがその
    重量基準で Ti0.03乃至0.12重量%、 N0.01乃至0.04重量%、 Cr0.05乃至0.30重量%、 Al0.95重量%より少量 の分析値をもち残余が鋼および他の通常の合金用成分で
    ありかつ窒素がTiNの分散微粒子としてある様な量で
    チタン、クロムおよびアルミニウムが含まれている低炭
    素鋼ワイヤーより成ることを特徴とする特許請求の範囲
    第4項記載の電気アーク溶接用電極。 6、芯に次の成分(全電極重量基準重量%で):LiO
    ^2 0.28 SiO_2 0.39 CaO 0.29 Fe_2O_3 3.24 BaO 1.69 BaF_2 8.44 他のふつ化物 1.35 Mg 1.33 Al 1.72 Ti 0.07 Mn 0.43 Ni 0.75 Zr 0.12 Cr 0.16 Fe 残余 をもつ鋼管より成ることを特徴とする特許請求の範囲第
    4項記載の電気アーク溶接用電極。 7、芯に次の成分(全電極重量基準重量%で):LiO
    _2 0.28 SiO_2 0.40 CaO 0.29 Fe_2O_3 3.24 BaO 1.97 TiO_2 0.16 BaF_2 8.44 他のふつ化物 1.35 Mn0.45 Ni0.75 Zr0.12 Cr0.16 Fe残余 をもつ鋼管より成ることを特徴とする特許請求の範囲第
    4項記載の電気アーク溶接用電極。 8、芯に次の成分(全電極重量基準重量%で):Fe_
    2O_3 3.52 SrO 1.34 BaF_2 10.02 他のふつ化物 1.68 Mg1.38 Al1.70 Ti0.10 Mn0.47 Ni0.58 Cr0.10 Fe残余 をもつ鋼管より成ることを特徴とする特許請求の範囲第
    4項記載の電気アーク溶接用電極。
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