JPH023678B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はCOD値（Crack Opening
Displacement；クラツク開口変位量）のすぐれ
た溶接金属が得られる低水素系被覆アーク溶接棒
に関するものである。 近年、寒冷域で使われる海洋構造物あるいは低
温用タンク等の溶接に際してはCOD値のすぐれ
た材料が要求されるようになつた。 既に数種類の溶接材料が公表されており、また
これらの材料を用いて建造された機器も順調に稼
動中である。 これらの溶接棒は溶接金属中に適当量のTiお
よびＢを含有しており、これらがＮを固定した形
で溶接金属中に一様に分散固溶されて細粒の均一
組織となつている。COD値が良好であるのはこ
の微細な均一組織によるものであることは衆知の
事実である。 さて、この種のTi−Ｂ系溶接棒の特色の一つ
に溶接入熱制限範囲が広いということがあげられ
る。すなわち従来の低Ni系溶接材料では溶接入
熱が30kJ／cmをこえると切欠き靭性が劣化する
ことがあるので溶接施工にあたつては溶接入熱管
理、溶接工の訓練、細径棒の使用による能率の低
下など施工技術上の問題が多かつた。 Ti−Ｂ系溶接材料の開発によつてこれらの問
題はすべて解決されたかにみえたが、構造物への
応用例が増えるにつれて次のような問題のあるこ
とが明らかとなつてきた。 まず、大入熱溶接を行なつても切欠き靭性の劣
化が少ないが、溶接棒の後半で被覆および心線が
高温となつて溶融状態が不均一となる、いわゆる
棒焼け現象を生じ、溶接作業性が著しく劣化す
る。このためピツト、ブローホールなど気孔の発
生、ビード外観が不均一となつて積層が困難とな
ること、アークの指向性がなくなりスラグ巻込み
の欠陥を生じやすくなることなどがあつた。その
ため放射線透過試験、超音波探傷試験などの非破
壊検査において前述のような溶接欠陥が発見され
ることがあつた。また棒焼け現象によりアークが
不安定となつてアーク雰囲気のシールド効果が不
十分となり、その結果溶接金属中へのＮの吸収が
増えて靭性の劣化やCOD値の低下がみられた。
さらに被覆の溶融状態が不均一となるためにTi
−Ｂ系溶接金属が有する筈の微細均一組織となら
ず、このため十分な大きさのCOD値が得られな
いことがあつた。 本発明はこれらの点を改良して耐棒焼け性にす
ぐれたTi−Ｂ系溶接金属となる低水素系被覆ア
ーク溶接棒を提供するものであつて、その要旨と
するところはMnを0.7〜1.5％，Siを0.5〜0.9％，
Tiを0.1〜0.5％必須として含み、さらにＮを0.006
％以下にした低合金鋼心線の周囲に、Al，Mg，
Zr，Caの１種以上の合計を0.2〜８％，CaCO₃，
MgCO₃，BaCO₃の１種以上の合計を７〜58％，
CaF₂，MgF₂，AlF₃，NaAlF₆の１種以上の合計
を１〜30％，Mnを１〜４％，Siを0.8％以下、Ｂ
の酸化物またはＢの酸化物の化合物をB₂O₃に換
算して0.1〜0.2％、残部は上記以外のスラグ生成
剤、アーク安定剤、脱酸剤、合金剤、粘結剤ある
いは塗装剤の１種以上からなる被覆剤を被覆して
なる低水素系被覆アーク溶接棒あるいは上記心線
中にさらにＢを0.025％以下含有させたものにあ
る。 次に本発明を具体的に説明する。 Ti−Ｂ系溶接棒で棒焼け特性を改善し、また
COD値を安定させる目的で心線の化学成分およ
び被覆剤の組成を検討した。 まず、Ｃが0.05〜0.07％，Siが0.6〜0.8％，Ti
が0.3〜0.4％，Ｎが0.003〜0.004％とほぼ一定で、
Mnを0.5〜1.9％の範囲で段階的に変化させた16
種類の4.0×400mm低合金鋼心線に、Al60％Mg40
％のAl−Mg6％，CaCO₃48％，CaF₂20％、金属
Mn0.5〜６％，Si41％のFe−Si1％，B₂O₃1.1％、
鉄粉５％、水ガラスの固質分８％、その他は
TiO₂と塗装剤からなる低水素系被覆剤を塗装し
て溶接棒を作成した。心線と被覆剤との組合せは
Mn含有量の多い心線には被覆剤中のMn量を少
なくし逆にMn量の少ない心線には被覆剤から多
量のMnを補つて溶着金属中のMn量が1.4〜1.8％
となるようにした。溶接棒の被覆率は30％とし塗
装後400℃にて１時間焼成してから試験に使用し
た。 溶接は板厚20mmのアルミキルド鋼板に開先角度
60゜のＹ開先をとつて前記試験溶接棒を用いて立
向姿勢で150Amp.、溶接入熱40kJ／cmで行なつ
た。しかるのち英国規格BS5762−1979に従つて
COD試験片を採取し、−50℃にてCOD試験を実施
した。なお、ノツチは溶接金属側面とし疲労ノツ
チとした。 これらの試験結果として、試験溶接棒の心線中
のMn量とCOD値および溶接作業性の関係を第１
図に示す。 心線中のMn量が0.7％に満たない低Mn心線の
場合には被覆剤から多量のMnを添加しているた
め溶接作業性を適当に調整することが困難であ
り、これが原因となつてCOD値にもばらつきが
でている。一方心線中のMn量が1.5％をこえると
被覆剤から補うMnの量は減つて溶接作業性は改
善されるものの、心線の電気抵抗が大きくなつて
溶接棒の後半では棒焼けが著しく実用的でない。
よつて心線中のMn量を0.7〜1.5％とした。 次に溶接金属中に適当量のSiを含有させること
は溶融金属の粘性、流動性を調整して溶接作業性
を向上せしめる上で重要である。Siを添加するに
は心線から加える場合と被覆剤から合金粉として
加える場合とがある。 この添加手段の相違がCOD値におよぼす影響
を調べるために、Ｃが0.05〜0.07％，Mnが1.2〜
1.3％，Tiが0.3〜0.4％，Ｎが0.003〜0.004％で、
Siを0.3〜1.0％の範囲で変化させた心線にAl60％
Mg40％のAl−Mg6％，CaCO₃48％，CaF₂20％、
金属Mn2％，B₂O₃1.1％、鉄粉５％、水ガラスの
固質分８％、その他はTiO₂と塗装剤とからなつ
ており実質的にSiを添加していない被覆剤を塗装
してなる５種類の溶接棒と、Ｃが0.05〜0.07％，
Mnが1.2〜1.3％，Tiが0.3〜0.4％，Ｎが0.003〜
0.004％でSiが0.1〜0.4％の心線にAl60％Mg40％
のAl−Mg6％，CaCO₃48％，CaF₂20％、金属
Mn2％，B₂O₃1.1％、鉄粉５％、水ガラスの固質
分８％で、Si41％のFe−Si0.3〜1.9％を配合した
被覆剤を塗装してなる溶接棒６種類の計11種類に
ついて前述と同様アルミキルド鋼を溶接して
COD試験を実施した。その試験結果を第２図に
示す。 第２図からわかるように被覆剤からSiを添加し
た場合にはCOD値はいずれも低くて0.25mmに達し
ていない。一方心線からSiを加えている場合には
COD値が高く、すべて0.25mm以上である。この原
因は必ずしも明確ではないが、心線からSiを添加
する方が溶接金属の組織がより均一にかつ微細に
なるためであると推測される。上記の理由から心
線中のSi量は0.5〜0.9％と限定した。なお先にも
述べたとおり被覆剤に加えられるSiは溶接作業性
を改善する効果が大きいので、COD値に影響を
与えない0.8％以下の範囲で添加することができ
る。 次にTiの最適量を調べる目的で、Ｃが0.05〜
0.07％Siが0.6〜0.8％，Mnが1.1〜1.4％，Ｎが
0.003〜0.004％でTiが0.05〜0.6％の範囲で段階的
に変化させた低合金鋼心線８種類に、Al60％，
Ng40％のAl−Mg6％，CaCO₃48％，CaF₂20％、
金属Mn2％，Si41％のFe−Si1％，B₂O₃1.1％、
鉄粉５％、水ガラスの固質分８％、その他はアー
ク安定剤、塗装剤からなる被覆剤を、被覆率が30
％となるよう前記心線表面に塗装して試験溶接棒
とした。 溶接およびCOD試験の手順は前述のとおりで
ある。試験結果は第３図に示すとおりであるが、
心線中のTi量が0.1％に満たないとCOD値は0.25
mm未満となつて十分でなく、一方Ti量が0.5％を
超えるとCOD値は0.25mm以上になることもあるが
溶接作業性が劣化し、スラグの流動性、はく離性
が悪くなるため、ばらつきが大きく、安定しな
い。よつて心線中のTi量は0.1〜0.5％が適当であ
る。 次にＮの影響を調べるために、Siが0.6〜0.8％，
Mnが1.1〜1.4％，Tiが0.25〜0.28％，Ｃが0.05〜
0.07％で、Ｎを0.0015〜0.0095の範囲で変化させ
た９種類の低合金鋼心線に、Al60％Mg40％のAl
−Mg6％，CaCO₃48％，CaF₂20％、金属Mn2％，
Si41％のFe−Si1％，B₂O₃1.1％、鉄粉５％、水
ガラスの固質分８％で、残りがTiO₂と塗装剤か
らなる被覆剤を塗装して試験溶接棒を作成し、
COD試験を実施した。この結果を第４図に示す。 心線中のＮ量が少ないほどCOD値は良好であ
るが0.006％をこえなければCOD値が−50℃で
0.25mmを下回ることはなく良好である。そこで心
線中のＮ量は0.006％以下と限定した。またＢは
心線からも添加できるが、その量は0.025％以下
が適当である。0.025％を超えて心線中にＢがあ
ると、溶接用心線を伸線する工程で硬すぎて効率
よく製造することができず、また溶接時に溶接金
属へ移行するＢが多すぎてその耐われ性を著しく
劣化させるなどの問題がある。よつて心線にＢを
添加する場合、その量は0.025％以下に限定した。 次に被覆剤から加えられる成分について説明す
る。 まず、Al，Mg，Zr，CaはいずれもTiより酸
素との親和力が大きく強力な脱酸剤として作用
し、溶接雰囲気中にあつてはTiが脱酸剤として
消耗するのを防止するものであるが、これらの１
種以上の合計が0.2％未満ではその効果が十分で
なく、Tiの損耗を防止することができない。一
方８％をこえて添加するとスラグの特性が変化し
て溶接作業性が劣化し、アークの安定性、スラグ
の流動性および焼付などに問題がある。よつて
Al，Mg，Zr，Caの１種以上の合計は0.2〜８％
と限定した。なお、これらを被覆剤中へ添加する
にあたつてはそれぞれの金属単体、フエロアロイ
あるいはAl−Mg，Zr−Si，Ni−Mg，Ca−Siな
どのいずれの形であつてもよい。 次に炭酸塩であるCaCO₃，MgCO₃および
BaCO₃はいずれも溶接アーク中にあつて容易に
分解してCO₂を発生しアーク雰囲気を大気から保
護する効果を与えるものであるが、この量が７％
に満たないと発生するCO₂ガスの量が不足してア
ークをシールドする効果が十分でなく、溶接金属
にピツト、ブローホールなどの溶接欠陥を生じた
り、Tiが消耗したりする。一方58％をこえて添
加されるとスラグの融点が高くなりすぎて溶接ビ
ードが凸となりスラグ巻込み、溶込不良などの欠
陥を生ずる。よつてCaCO₃，MgCO₃および
BaCO₃の１種以上の合計は７〜58％の範囲にな
ることが必要である。また、金属弗化物である、
CaF₂，MgF₂，AlF₃，Na₃AlF₆はスラグに適当
な流動性を与えて溶接作業性を改善し、またビー
ド形状を整えるために添加されるものであるが、
その添加量が１％に満たないと前述の効果がな
く、逆に30％をこえて添加するとスラグの流動性
が不適当となり実用的でない。 次に、MnはCOD値を安定させるとともに溶接
金属の強度調整の目的で添加される。１％未満で
はいずれの効果も十分でなく、４％をこえて添加
されると溶接金属の強度が上昇しすぎることにな
る。 なお被覆剤中へのSiの添加量の範囲とその限定
理由は前述のとおりである。 これらMnおよびSiを被覆剤中へ添加するにあ
たつては金属Mn、金属Si，Fe−Mn，Fe−Siあ
るいはSi−Mn，Zr−Si，Ca−Siなどのいずれの
形であつてもよい。 さらに被覆剤から添加されるＢの酸化物または
Ｂの酸化物の化合物はB₂O₃に換算して0.1〜2.0％
が適当である。添加量がB₂O₃として0.1％未満で
あると溶接金属中へ移行するＢ量が十分でなくそ
の結果良好なCOD値が得られない。一方2.0％を
こえて添加されると溶接金属中のＢは過剰とな
り、COD値はかえつて低下してしまう。したが
つて被覆剤中のＢの酸化物またはＢの酸化物の化
合物はB₂O₃に換算して0.1〜2.0％が適当である。
なお、ここでいうＢの酸化物またはＢの酸化物の
化合物とは硼砂、無水硼砂、天然硼砂、灰硼石、
カーン石などをさす。 なお、本発明溶接棒においては上記被覆剤組成
の他にスラグ生成剤、アーク安定剤、脱酸剤、含
金剤、粘結剤あるいは塗装剤の１種以上を含むこ
とができる。このうちスラグ生成剤、アーク安定
剤あるいは粘結剤としては、TiO₂，Al₂O₃，
MgO，K₂O，Na₂O，SiO₂、鉄粉などを適宜選択
して添加することができその量は用途に応じて適
宜増減することができる。さらに合金剤としては
Ni，Cr，Moなど、脱酸剤としてはFe−Ti，Me
−Tiなどを添加して溶接金属の性能を改善する
こともできる。また塗装剤としてはアルギン酸ソ
ーダ、ヘクトライト、セリサイト、CMCなどを
必要に応じて添加することができる。 次に本発明の効果を実施例にてさらに具体的に
説明する。 実施例 第１表には低合金鋼心線の化学成分を、第２表
には被覆剤の組成をそれぞれ示す。 第３表にはこれら心線と被覆剤の組合せで作つ
た本発明溶接棒と比較溶接棒の試験結果を示す。
第３表においてNo.１〜No.13が本発明溶接棒、No.14
〜No.24が比較溶接棒である。 試験鋼板は50Kg／mm²クラスのアルミキルド鋼で
板厚は25mmとし、Ｘ開先をとつたものを用いた。
溶接は立向姿勢で行ない、電流は150Aで溶接入
熱が30kJ／cmとなるようにした。 それぞれの試験板から３本の２mmＶノツチシヤ
ルピー衝撃試験片と３本のCOD試験片を採取し
た。これらの衝撃試験片とCOD試験片は共に−
50℃にて試験を行なつた。衝撃特性およびCOD
特性の評価法として、衝撃特性は２mmＶノツチシ
ヤルピー吸収エネルギーの平均が−50℃で15Kg^-m
以上のとき、COD特性については３個のCOD値
の最低値が−50℃で0.25mm以上のときを良好とし
た。 本発明溶接棒No.１〜No.13は溶接金属のシヤルピ
ー吸収エネルギーがいづれも15Kｇ^-m以上、
COD値は0.25mm以上と良好である。溶接作業性に
ついても良好である。 比較溶接棒のうち、No.14およびNo.15では溶接作
業性は良好であるが、No.14では心線中のSiおよび
Tiが本発明範囲を外れており、またNo.15ではTi
が過剰である他Mnも不足しているためCOD値が
低い。No.16およびNo.17は心線中のMnあるいはTi
が高いので溶接中に棒焼け現象を生じ、その結果
COD値が低くなつている。No.18では心線中のSi
が過剰のため溶接作業性が悪く、COD値、靭性
ともに不十分である。No.19では心線中のＢが上限
をこえて多すぎ、またMnも上限をこえているの
で棒焼けを生じるとともにCOD値は低い。また
No.20，No.21およびNo.22では心線には問題ないが、
No.20，No.22の被覆剤中のSiおよびMnが本発明の
範囲をこえて多すぎ、またNo.21ではMnのほかに
B₂O₃が本発明範囲をこえているためCOD値が不
十分である。なお、No.20およびNo.22では被覆剤中
のB₂O₃の量が不足している。No.23およびNo.24も
被覆剤に問題があり、炭酸塩および弗化物のそれ
ぞれの１種以上の合計がいずれも本発明範囲を外
れているため溶接作業性を劣化させている。さら
にNo.23ではSiも過剰でCOD値が十分でなく、ま
たNo.24ではAl，Mg，Zr，Caの１種以上の合計が
本発明範囲をこえているため溶接作業性が劣つて
おりCOD値も低い。 以上説明したように本発明溶接棒を用いて溶接
棒すれば低温での衝撃靭性、COD特性がすぐれ
ており、また溶接作業性が良好なため溶接能率の
向上、溶接施工管理の簡略化などの点で産業界に
大きく寄与できるものである。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 ×；不可

【図面の簡単な説明】

第１図は心線中のMn量と−50℃におけるCOD
値の関係を示す図、第２図はSiの添加方法の相違
によるCOD値への影響を示す図、第３図は心線
中のTi量が溶接金属のCOD値におよぼす影響を
示す図、第４図は心線中のＮとCOD値との関係
を示す図である。 第１図において：溶接作業性の判定 ○ 良好 ● 劣る ■ 棒焼けあり 第３図において：溶接作業性の判定 ○：良好 △：劣る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Mnを0.7〜1.5％，Siを0.5〜0.9％，Tiを0.1〜
   0.5％必須として含み、さらにＮを0.006％以下に
   した低合金鋼心線の周囲に、Al，Mg，Zr，Caの
   １種以上の合計を0.2〜８％，CaCO₃，MgCO₃，
   BaCO₃の１種以上の合計を７〜58％，CaF₂，
   MgF₂，AlF₃，Na₃AlF₆の１種以上の合計を１〜
   30％，Mnを１〜４％，Siを0.8％以下、Ｂの酸化
   物またはＢの酸化物の化合物をB₂O₃に換算して
   0.1〜2.0％、残部は上記以外のスラグ生成剤、ア
   ーク安定剤、脱酸剤、合金剤、粘結剤あるいは塗
   装剤の１種以上からなる被覆剤を被覆してなる低
   水素系被覆アーク溶接棒。 ２ Mnを0.7〜1.5％，Siを0.5〜0.9％，Tiを0.1〜
   0.5％必須として含み、さらにＢを0.025％以下含
   み且つＮを0.006％以下にした低合金鋼心線の周
   囲に、Al，Mg，Zr，Caの１種以上の合計を0.2
   〜８％，CaCO₃，MgCO₃，BaCO₃の１種以上の
   合計を７〜58％，CaF₂，MgF₂，AlF₃，
   Na₃AlF₆の１種以上の合計を１〜30％，Mnを１
   〜４％，Siを0.8％以下、Ｂの酸化物またはＢの
   酸化物の化合物をB₂O₃に換算して0.1〜2.0％、残
   部は上記以外のスラグ生成剤、アーク安定剤、脱
   酸剤、合金剤、粘結剤あるいは塗装剤の１種以上
   からなる被覆剤を被覆してなる低水素系被覆アー
   ク溶接棒。