JPS6335355B2

JPS6335355B2 -

Info

Publication number: JPS6335355B2
Application number: JP14219984A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kato; Satoyuki Myake; Ikuo Asada; Nobuyuki Oohama
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-07-11
Filing date: 1984-07-11
Publication date: 1988-07-14
Also published as: JPS6123596A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、5.5Ni鋼；9Ni鋼等の低温用Ni合金
鋼の溶接に用いるサブマージアーク溶接法の改良
に係り、更に詳しくは、特定成分のワイヤ、フラ
ツクスを組み合わせる事により優れた耐割れ性溶
接金属を生成するサブマージアーク溶接法に関す
るものである。〔従来の技術〕近年、LNGが一般的なエネルギー源として活
用されるに至り、LNGタンクが各所で建設され、
このため、9Ni鋼等のサブマージアーク溶接が頻
繁に行なわれて、その重要性が増大している。従来、低温用Ni合金鋼のサブマージアーク溶
接法においては、低温靭性および強度の観点か
ら、Ni―Mo―Ｗ、Ni―Cr―FeあるいはNi―
Mo―Cr系高Ni合金ワイヤと、金属弗化物、
CaO、MgO、SiO₂等を主成分とし、これにSi、
Al等の脱酸剤を添加した焼成形フラツクスの組
み合わせが用いられている。例えば、特公昭47−8123号公報には10〜50wt.
％の合金を含有するNi基ワイヤと組み合わせる
フラツクスとして、炭酸カルシウム、酸化マグネ
シウム、螢石、ジルコン砂、ケイ砂、Fe―Siお
よび合金剤からなる9Ni鋼用のサブマージアーク
溶接用フラツクス、特公昭56−53474号公報には
MgO、Al₂O₃、CaCO₃および脱酸剤を含有する
横向溶接用焼成形フラツクス、特公昭56−53475
号公報には、SiO₂、CaO、MgO、Al₂O₃および
金属弗化物を含有し、TiO₂を5wt.％以下とし、
かつ、脱酸剤を10wt.％以下含有する潜弧溶接用
フラツクス、特開昭55−22407号公報には多量の
金属弗化物と脱酸剤として、特定量のAlもしく
はAl＋Siを添加した、焼成形フラツクス、特開
昭58−110192号公報には多量の金属弗化物とAl
および希土類元素を添加した低温用サブマージア
ーク溶接用フラツクス、特開昭58−61993号公報
には特定量のNi、Mo、Alを含有するワイヤが、
又、特公昭59−6756号公報には特定量のCaCO₃、
CaF₂、MgO、SiO₂、Alを含有するフラツクスと
特定量のNi、Al、Moを含有するワイヤを組み合
わせて行なうサブマージアーク溶接法が開示され
ている。ところが、以上のような溶接材料あるいは溶接
法においては、低温靭性、引張強さ等の基本特性
についてはよく検討されているが高Ni―Mo系溶
接金属において粒界に発生しやすいミクロ割れ防
止という観点からは充分に検討されたものではな
く、満足出来るもではない。即ち、高Ni―Mo系
ワイヤを用いた溶接においては、オーステナイト
単一組織の溶接金属が生成されるが、この場合(1)
フラツクス中に脱酸剤として添加されるSi、ある
いはスラグ剤のSiO₂から還元されたSiが濃縮し、
MoおよびNiとの間に低融点共晶物を生成しやす
い事、(2)溶接金属中の酸素が粒界に酸化物を形成
し、粒界脆化を起す事、の２点により、後続パス
により熱影響および熱歪を受けた溶接金属内にミ
クロ割れが発生しやすい問題がある。このような
ミクロ割れを防止するにはSiO₂およびSi等の有
害成分のフラツクスあるいはワイヤへの添加量を
極力制限する事および耐割れ性を向上する成分を
積極的に添加する事を併せて行なう事が極めて重
要であるが、このような観点からは従来の溶接材
料はいずれも満足し得るものではない。又、従来より高Ni合金ワイヤによる溶接部に
おいては特に初層溶接金属の中央部に凝固割れが
発生し易い事が知られており、これは特にCrを
多量に含有するワイヤの場合に発生するものであ
り、この点からも充分な対策が望まれるものであ
る。〔発明が解決しようとする問題点〕本発明は高Ni―Mo系合金ワイヤを用いたオー
ステナイト単一組織溶接金属の粒界に発生しやす
いミクロ割れおよび初層溶接金属の凝固割れを完
全に防止すると共に、優れたビード外観およびＸ
線性能を得る事の出来るNi合金鋼のサブマージ
アーク溶接の提供を目的とするものである。〔問題点を解決するための手段〕以下、本発明について詳細に説明する。まず、本発明に用いるワイヤはNi；60〜88wt.
％、Mo；10〜38wt.％、Al；0.10〜2.0wt.％を含
有し、かつ、Si；0.15wt.％以下、Cr；5.0wt.％以
下に限定するものであるが、NiおよびMoは低温
用鋼ワイヤとして低温靭性および強度の基本特性
を具備するために必須な成分であり、又、Al、
Si、Crについては本発明の目的とするミクロ割
れおよび凝固割れ防止に極めて重要な要件となる
ものである。これらワイヤに添加する成分について以下に順
次説明する。 Ni；Niは低温用鋼溶接金属の低温靭性を確保
するために必須であり本発明法による溶接金属の
基本成分である。LNGタンクの継手溶接金属に
対しては、通常−196℃において3.5Kgf.m以上の
衝撃値が要求されるが、これを充分に満足するに
はワイヤ中のNiが、60wt.％以上である事が必要
である。一方、溶接金属の強度の確保という点か
らはNi以外にMo、Ｗ、Cr等の強化元素を添加す
る事が必要である。従つて、このような他の元素
の添加を考慮するとワイヤ中のNiは88wt.％以下
である事が必要である。結局、本発明におけるワ
イヤ中のNi含有量は60〜88wt.％である事が必要
である。 Mo；Moは溶接金属の強度を確保するために
添加するものであるが、Cr等の強化元素と比較
して、初層溶接金属に発生しやすい凝固割れ感受
性を低下する効果を有し、極めて有用な成分であ
る。ワイヤ中のMoが10wt.％未満では上記効果
が認められず、又38wt.％を超えると溶接金属中
の低温靭性が劣化するので好ましくない。 AlおよびSi；Alは優れた脱酸作用を呈する元
素であり、多量の添加により溶接金属中の酸素を
著しく低減し、粒界のミクロ割れ防止に極めて有
効である。即ち、Al添加による脱酸効果はフラ
ツクスへのCaF₂、CaOおよびMgO等の塩基性成
分添加との組み合わせにより通常の溶接金属酸素
量200〜300ppmを40〜70ppm迄低減する効果があ
る。さらにAlには脱酸作用ばかりでなく、それ
自体が優れた粒界強化作用を有しミクロ割れ防止
に極めて有効に作用する事を見出した。一方Siも優れた脱酸剤であり溶接金属中の酸素
量低減には有効であるが、Siの場合は溶接金属の
粒界に偏析し、酸化物を形成して粒界脆化を惹起
すると共にNi―Mo―Si系低融点共晶物を生成
し、溶接金属が後続パスにより加熱された場合、
粒界に液化反応を起しミクロ割れを発生せしめる
原因となる。従つて、SiはＯと共にミクロ割れに
対し極めて有害であり極力低減する必要がある。
即ち、粒界のミクロ割れを防止するには溶接金属
中のSiを極力低減し、かつ、Alを積極的に添加
する事が有効である。第１図はミクロ割れ発生数
に及ぼす溶接金属中のAlおよびSi含有量の影響
を示すものであり、ミクロ割れはSiの増加に伴い
発生し、又、Alの増加により防止し得る事が判
る。なお、第１図における溶接およびミクロ割れ
テストの要領は溶接材料以外は後述の実施例と同
様であり、溶接姿勢は横向で実施した。ところで、溶接金属中のSiは、ワイヤおよびフ
ラツクス中のSiならびにフラツクス中のSiO₂の
還元（SiO₂→Si＋2O）により添加されるもので
あるが、このうちフラツクス中のSi以外は皆無に
する事は難しい。即ち、ワイヤにおいては溶解過
程において、原料および炉材から侵入するもので
あり、又鍛造性の向上等の観点から止むを得ず若
干のSiを添加する事もある。又フラツクス中の
SiO₂においても同様で、原料中の不純物として
のSiO₂、焼成フラツクスとして原料を造粒する
場合に用いる水ガラス中のSiO₂あるいはビード
外観等の改善のためにスラグ生成剤として止むを
得ず添加するSiO₂等である。AlおよびSiのミク
ロ割れに及ぼす影響は以上のようであるが、結論
としては、前述の如く第１図に示した如く溶接金
属中にAlを0.2wt.％以上添加する事により溶接金
属中のSiが0.6wt.％程度迄割れが発生せず許容さ
れる事を明らかにした。即ち、本発明法において
は、ミクロ割れ防止対策として上記範囲即ちSi
0.6wt.％、Al0.20wt.％の溶接金属を生成しよ
うとするものである。そこで、以上のような溶接金属の生成のための
ワイヤのAlの添加量は検討の結果、0.10〜2.0wt.
％が必要であるが事が判明した。溶接金属への
Alの添加はワイヤばかりでなくフラツクスから
も添加する事が可能であり極めて重要な手段であ
るがワイヤにAlを添加せずフラツクス中に金属
粉として添加するのみでは、溶接金属中のAl量
が溶接条件の変動を受けやすい事、又、フラツク
スの繰返し使用により、Alが酸化変質する事な
どにより溶接金属中のAl量が不安定であり、一
定量のAlをワイヤ中に添加し、溶接金属へのAl
の安定添加を行なう事がミクロ割れ防止の観点か
ら必須である。ワイヤ中のAl含有量が0.10wt.％
未満では溶接金属中のAlを安定して0.2wt.％以上
にする事が難しい。又、ワイヤ中のAl含有量が
2.0wt.％を超えると熱間鍛造性が劣化し、ワイヤ
の製造が困難となる。従つてワイヤ中のAl含有
量は0.10〜2.0wt.％である事が必要である。一方、ワイヤ中のSi含有量であるが、溶接金属
中のSiを0.60wt.％以下迄低減するためには、
0.15wt.％以下とする事が必要である。即ち、溶
接金属中のSiはフラツクス中のSiおよびSiO₂から
も移行する。本発明においては後述の如くフラツ
クス中にはSiを実質的に添加せず、又SiO₂に関
してはフラツクス全体に対し8wt.％以下に制限す
るものである。このSiO₂により溶接金属中のSi
は0.45wt.％程度迄成り得るものであり、又ワイ
ヤ中のSiの60〜80％は溶接金属中に移行する。従
つて、ワイヤ中のSi含有量は0.15wt.％以下に制
限する事が必要である。 Cr；Crは通常この種の溶接金属においては、
強度の増加のためMoと共に多量に添加される
が、一方、Crは前述のミクロ割れとは異なるタ
イプの割れ、即ち、初層溶接金属の中央部に凝固
割れを起しやすいものであり、その上検討の結果
によればAlとの共存において耐割れ性がさらに
劣化する事が判明し、Alと積極的に添加する本
発明法においてはワイヤ中のCrを制限する事が
極めて重要である。又、Crは前述からのミクロ
割れに対しても悪影響を有し、若干のミクロ割れ
の発生も有り得る事が判明した。以上のような割
れ防止の観点から本発明法ではワイヤ中のCr含
有量は5.0wt.％以下に限定する事が必要である。以上が、本発明で特に定めるワイヤ成分および
含有量であるが、Ｐ、Ｓ等の不可避不純物は勿論
の事、使用目的によつて他の成分を含む事も本発
明に含まれる。例えば、溶接金属の強度を高める
ためにＣ、Ｗ、Co、Mn等の添加が効果があるが
Ｃは0.04wt.％、Ｗは10wt.％、Coは10wt.％を超
えると低温靭性が低下し、特にＣは靭性において
ばかりでなく、耐割れ性を損なうものであり
0.04wt.％以下が好ましい。Mnは5wt.％を超える
と溶接金属の靭性が劣化する。上記合金元素の他に、Niを節約する意味でも
Feも添加する事も出来るが、20wt.％を超えると
強度および靭性が低下するので好ましくない。従
つて、各々の上限がＣ：0.04wt.％、Ｗ；10wt.
％、Co；10wt.％、Mn；5wt.％、Fe；20wt.％で
あれば、これらを１種又は２種以上含んでも本発
明の特性を損なうものではない。さらに、脱酸能力を高めるために、Ti、Mg、
Ca、Ｖ、Zr、Ｙ、Hf、REM等の添加が効果があ
るが、Mgは0.05wt.％、Caは0.05wt.％、Ｖは
0.2wt.％、Zrは0.2wt.％、Ｙは0.1wt.％、Hfは
0.1wt.％、REMは0.1wt.％を超えると溶接時の凝
固割れ感受性およびミクロ割れ感受性が劣化し、
Tiは0.5wt.％を超えると耐割れ性ばかりでなくス
ラグのこびりつきも生じやすい。従つて、各々の
上限が、Ti；0.5wt.％、Mg；0.05wt.％、Ca；
0.05wt.％、Ｖ；0.2wt.％、Zr；0.2wt.％、Ｙ；
0.1wt.％、Hf；0.1wt.％、REM；0.1wt.％であれ
ばこれらを１種又は２種以上含んでも本発明の特
性を損なうものではない。本発明におけるワイヤは以上述べた如く、Ni
―Mo系合金においてAlを適量添加し、Siおよび
Crの含有量を限定することで溶接金属の粒界に
発生するミクロ割れおよび凝固割れ防止を行なう
ものである。ところで、本発明に用いるフラツクスは上記ワ
イヤと組み合わせてミクロ割れ防止を確実にし、
かつ、すぐれたビード外観が得られるものであ
り、そのために、CaF₂、CaO及び／又はMgO、
Al₂O₃、SiO₂、AlおよびSiの含有量について特定
する事が必要である。以下に各成分の添加理由について述べる。 CaF₂；CaF₂はスラグの塩基度を上げ、溶接金
属の酸素量を著しく低減するもので、本発明の如
く低酸素溶接金属を生成し、ミクロ割れを防止す
るためのフラツクス成分としては不可欠のもので
ある。さらに、本発明の目的とするNi合金鋼の
溶接は比較的小入熱で溶接が行なわれるが、この
ような溶接の場合には、フラツクスの溶融点を低
く設定する事が必要で、このためには融点の低い
CaF₂を主成分とする事が極めて有効で、これに
より優れたビード外観を得る事が判明した。
CaF₂のフラツクス全体に対する添加量が30wt.％
未満ではその効果がなく、又、70wt.％を超える
とスラグの流動性が過大となり凝固波が不安定で
かえつてビード外観が劣化する。 CaO及び／又はMgO；CaOおよびMgOはいず
れも強塩基性成分でCaF₂と共に溶接金属の酸素
量の低減に有効である。さらに、CaO、MgOは
耐火性の大きい成分であり、溶融点の低いCaF₂
を多量に含有するフラツクスの溶融特性を調整
し、ビード外観を整えるのに有効である。このよ
うな効果はCaO及び／又はMgOが8wt.％未満で
は得られず、又30wt.％を超えるとフラツクスが
溶け難くビード表面が平滑さを失い、又、アンダ
ーカツト等の欠陥も生しやすくなる。 Al₂O₃；Al₂O₃も又溶融点が高く溶融スラグの
流動性を調整し、ビード外観を整えるのに有効で
ある。このようなAl₂O₃の効果は、本発明法を横
向多層溶接に用いる時に重要であり、フラツクス
の基本成分がCaF₂―CaO―MgO系のみではビー
ド同志の重なり部がスムースでなく凹凸が生じる
が、Al₂O₃の添加によりビード同志のなじみが良
好となりスムースな多層盛ビード面が得られる。 Al₂O₃のこのような効果はフラツクス全体に対
して5wt.％未満では得られず、又35wt.％を超え
るとスラグが溶接金属中に巻き込まれやすくな
り、Ｘ線性能が劣化するので好ましくない。 SiO₂；SiO₂はスラグの粘性を調整し、ビード
外観を改善するのに極めて有効であるが、一方、
SiO₂はアーク雰囲気中で還元され、溶接金属中
のSiおよび酸素を増大せしめミクロ割れを発生せ
しめる。従つて、ワイヤからのSiの移行も考える
と本発明におけるフラツクスにおいては、フラツ
クス全体に対し、8.0wt.％以下に限定する事が必
要である。焼成形フラツクスにおいては、造粒時
に固着剤として水ガラスを用いるが、この中には
多量のSiO₂が含有されており、通常のフラツク
スにおいては３〜4wt.％のSiO₂が混入する。従
つて、本発明のフラツクスにおいては、粉末原料
として添加し得るSiO₂分は、4.0wt.％以下であ
る。 Si；本発明はミクロ割れ防止の観点から、溶接
金属中のSiを可及的に少くするものであり、脱酸
剤としてのSiは実質的に用いない。脱酸剤の機能
は殆んど、Alによつて達成する。 Al；Alは前述の如く、ミクロ割れ防止の観点
から必須成分であり、ワイヤからと共にフラツク
スからも添加する事により溶接金属中のAl含有
量を安定化するものである。又、フラツクスから
のAlの添加は、ブローホール、ポツクマーク等
のガス欠陥を防止するのに重要であり、このよう
な効果はワイヤからの添加のみでは得られ難い。
フラツクスへのAlの添加量は組み合わせるワイ
ヤのAl含有量との関係で選択し得るが、フラツ
クス全体に対し、0.5〜7wt.％が良好で、0.5wt.％
未満では溶接金属中にガス欠陥が発生し易く、
又、7wt.％を超えると、ビード外観が損なわれ好
ましくない。以上、本発明におけるフラツクスの必須成分に
ついて説明したが、これら成分の添加原料は単独
物質と共に上記成分を含有する化合物、鉱石ある
いは溶融形フラツクスで添加する事が出来る。即
ち、用いる原料としては以下のようである。 CaF₂；螢石、溶融形フラツクス等、CaO；炭
酸石灰、珪灰石、溶融形フラツクス等、MgO；
マグネシアクリンカー、スピネル、溶融形フラツ
クス等、Al₂O₃；アルミナ、シヤモツト、スピネ
ル、溶融形フラツクス等。Al；金属Al、Fe―Al
等、である。なお、本発明におけるフラツクスにおいては、
上記必須成分と共に、CO₂相当量が0.5〜4.0wt％
の範囲でCaCO₃、BaCO₃等の炭酸塩鉱物を添加
すると、これらは、アーク空胴中の水素分圧を減
少させ、水素に起因する微小ブローホールの防止
に有効である。その他のフラツクス成分としては、通常の溶接
用原料として用いられるBaF₂、MgF₂、NaF等
の金属弗化物、MnO、ZrO₂等の金属酸化物等を
用いる事が出来る。〔実施例〕まず、第１表に示す組成の合金を真空溶解炉に
て作製し、鍛造、圧延および線引きを行なつて
2.4mmφ又は3.2mmφのワイヤを作製した。但し、
Ｗ―13についてはワイヤの製造過程において鍛造
中に割れが発生し、ワイヤに仕上げる事が出来な
かつた。第１表に示したワイヤうち、Ｗ―１〜Ｗ―７は
本発明に用いるワイヤ、Ｗ―８〜Ｗ―15は本発明
法の効果を明確にするための比較例に用いたワイ
ヤである。次に第２表に示す組成のサブマージアーク溶接
用フラツクスを作製した。この場合、原料とし
て、通常の溶接フラツクス原料として用いられる
鉱石粉、合成物あるいは金属粉の他に溶融形フラ
ツクス粉およびアルミナセメント粉を用いた。フラツクスはいずれも固着剤として水ガラスを
用いて造粒し、500℃×1hr.の条件で焼成した焼
成形フラツクスである。なお、第２表のフラツク
スのうちＦ―１〜Ｆ―５は本発明法に用いたフラ
ツクス、Ｆ―６〜Ｆ―10は比較例に用いたもので
ある。以上のようなワイヤおよびフラツクスを用い、
第３表に示す鋼板および第４表および第２図、第
３図に示す溶接条件により19種のサブマージアー
ク溶接を実施した。溶接長は2mである。第５表に実施した溶接におけるフラツクス、ワ
イヤ、鋼板および溶接条件の組み合わせおよび溶
接部の確性試験結果を示す。溶接部の確性は、まずビード外観を観察した
後、第３図に示すように余盛りビードを板面（第
３図d₁，d₂，d₃，d₄）まで研削しＸ線透過試験
（JIS Ｚ 3104による。）を行ない、次に板面およ
びさらに２mm削つた面（第３図l₁，l₂，l₃，l₄）に
つき浸透探傷試験を行ない、ミクロ割れの有無を
調査した。第５表には溶接部の表裏の割れ発生数
の合計を1m当りの発生数で示した。その後、残
つた溶接金属より引張試験片g₁（JIS Ｚ 3111A2
号）および衝撃試験片f₁（JIS Ｚ 2202 ４号）を
採取しそれぞれの試験を行なつた。衝撃試験は
LNGタンク溶接部（９％Ni鋼の継手部）に要求
される−196℃で行なつた。以上の溶接部の確性結果を第５表右欄に示す。
実施例のうち、No.１〜No.７は本発明の効果により
優れた溶接部を得る事が出来たが、No.８〜No.19は
第５表にその個々の理由について示した如く、ワ
イヤ中のNi、Mo、Al、およびCr含有量の不適
正さらに、フラツクス中のCaF₂、CaO＋MgO、
SiO₂、Al₂O₃およびAl含有量の不適正、フラツク
スへのSiの添加によりビード外観不良、ミクロ割
れあるいは凝固割れの発生、機械的性質不満足あ
るいはＸ線判定結果不良の問題が発生した。〔本発明の効果〕以上、述べた如く本発明は5.5Ni鋼、9Ni鋼等
の低温用Ni合金鋼のサブマージアーク溶接にお
いてミクロ割れおよび凝固割れが発生せず、か
つ、優れた機械的性質の溶接部が得られると共
に、ビード外観およびＸ線性能も充分満足し得る
溶接法を提供するものである。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

第１図は９％Ni鋼の溶接部において、ミクロ
割れ発生傾向に及ぼすAl、Siの影響を説明する
ための図、第２図は本発明実施例において用いた
開先形状および積層要領を示す正面図、第３図は
本発明実施例において実施した溶接部の確性要領
を説明するための溶接部の正面図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１ Ni；60〜88wt.％、Mo；10〜38wt.％、Al；
0.10〜2.0wt.％を含有し、かつ、Si；0.15wt.％以
下、Cr；5.0wt.％以下に限定した溶接ワイヤと、
CaF₂；30〜70wt.％、CaO及び／又はMgO；８
〜30wt.％、Al₂O₃；５〜35wt.％、Al；0.5〜7wt.
％を含有し、かつ、SiO₂；8wt.％以下に限定し、
Siを実質的に含有しない溶接フラツクスとを組み
合わせて行なう事を特徴とする低温用鋼のサブマ
ージアーク溶接法。