説明

低合金鋼のサブマージアーク溶接方法

【課題】 濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性等を発揮し、溶接欠陥の無い溶接金属が得られるサブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】 質量%で、SiO2:5〜21%、Al23:15〜44%、MgO:7〜32%、CaO:0.5〜10%、CaF2:5〜35%、TiO2:5〜33%、Si:0.2〜5.0%、Mn:0.1〜5.0%、金属炭酸塩のCO2分:0.5〜9.0%を含有し、フラックスの粒径が850μm超の粒子が20〜55%、150〜850μmの粒子が40〜75%、150μm未満の粒子が6%以下で、見掛密度が0.70〜1.30g/cm3であるボンドフラックスとC:0.005〜0.2%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.4〜2.5%、Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Mo:0.01〜1.0%、Sb:0.01〜0.25%を含有するソリッドワイヤとを組合せて溶接する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性が得られる低合金鋼のサブマージアーク溶接方法に関し、特に厳しい環境下で適用される耐硫酸露点腐食低合金鋼のサブマージアーク溶接において優れた耐食性及び良好な溶接金属機械性能が得られ、さらに溶接欠陥の無い健全な溶接金属を形成させ、溶接作業性が良好な耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、産業の発展に伴い鋼材の高靭性化及び安全性・経済性の観点から耐食性向上の検討が行われており、その中でも耐食性に優れた鋼材の適用比率が年々増加している。
【0003】
例えば重油、石油などの化石燃料、液化天然ガスなどのガス燃料、都市ゴミなどの一般廃棄物、繊維屑、木工屑、プラスチック、廃油、廃タイヤ、医療廃棄物などの産業廃棄物及び下水汚泥などを燃焼させるボイラー等の排煙設備、さらに塩酸、硫酸などの単独または混合の酸洗液を収める鋼製めっき酸洗槽などに耐硫酸露点腐食低合金鋼が使用されている。特に石炭焚き火力やゴミ焼却施設などの煙道、煙突等の排煙設備では排ガス中の三酸化硫黄及び塩化水素に起因して硫酸露点腐食、塩酸露点腐食が生じるため、かかる耐硫酸露点腐食鋼に対するニーズが高まっている。
【0004】
一般に、この耐硫酸露点腐食鋼を始めとした母材同士を溶接により溶着することにより施工される溶接構造物が腐食環境下で使用される場合、溶接金属は母材と同等以上の耐食性が必要とされる。これは溶接部と母材の間で耐食性に差異があると、耐食性の劣る方が選択的に腐食され、構造物の寿命が著しく短くなる。また、溶接部が選択的に腐食した場合、腐食孔に応力が集中し、構造物の破壊を招く恐れもあるため、溶接構造物が腐食環境下で使用される場合は、母材を耐硫酸露点腐食鋼で構成するだけでなくその溶接部を構成する溶接材料の耐食性も十分に考慮する必要がある。
【0005】
従来、耐硫酸露点腐食鋼用の溶接材料は、耐食元素としてCuやCu−Cr系の原料を含む材料が適用されている。しかし、これらの既存溶接材料を使用した場合、重油燃焼ボイラーのプラント排煙装置で生じる硫酸露点腐食環境下では十分に優れた耐食性を示すが、石炭焚きボイラーやゴミ焼却またはゴミのガス化溶融施設などでは、硫酸露点腐食と塩酸露点腐食が同時に生じるため、溶接部の耐食性が十分確保できないという問題点があった。
【0006】
これらの点を考慮し、硫酸露点腐食と塩酸露点腐食が同時に生じる環境下においても十分な耐食性が確保できる溶接材料の開発が試みられている。
【0007】
例えば、特開2004−90044号公報(特許文献1)、特開2004−90045号公報(特許文献2)、特開2004−90042号公報(特許文献3)には、それぞれ溶接方法に応じて被覆アーク溶接棒、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに耐硫酸露点腐食と耐塩酸露点腐食が共に優れた溶接金属を得るため、Cu、Sb及びNiを複合添加した技術の開示がある。特許文献1〜3は、耐硫酸及び耐塩酸性を向上させるために有効なCu及びSbを添加したものであるが、被覆アーク溶接棒やガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの場合、ワイヤ中のCu及びSbの一部が溶接金属中に移行する際、フラックスの溶融により生成したスラグと共に溶接金属及び溶接熱影響部の表面に残留することが確認された。そして、Cu及びSbはスラグ成分よりも融点が低いので、スラグが凝固した後もスラグ中に溶融状態のまま残留し、Cu及びSbの溶融金属が溶接金属及び溶接熱影響部、特に溶融線近傍の粗大化したオーステナイト粒界に浸入し、粒界脆化割れが生じる場合があった。この粒界脆化割れが発生すると、溶接部の靭性及び疲労強度等の機械的特性を低下させると共に、割れ発生部位が腐食の起点となるため、溶接継手に要求される母材と同等以上の耐食性及び機械的特性を得ることが困難となる。
【0008】
また、上述した各種アーク溶接に加えて、サブマージアーク溶接方法においても同様に耐食性、即ち耐硫酸性及び耐塩酸性を向上させるための各種技術が提案されている。サブマージアーク溶接方法は、予め粒状のフラックスを溶接線に沿って散布しておき、その中に電極ワイヤを連続的に供給し、この電極ワイヤの先端と母材との間でアークを発生させて溶接を連続的に行う方法である。サブマージアーク溶接は、高能率で安定した溶接作業性及び機械性能が優れた溶接金属が得られることから、鉄骨、造管、橋梁、造船、車両など幅広い分野で適用されていることから、溶接施工における生産性の向上や耐食性の確保のため、更なる品質向上が求められている。
【0009】
特開2008−126279号公報(特許文献4)には、耐硫酸露点腐食と耐塩酸露点腐食の優れた溶接金属が得られるフラックス入りワイヤをサブマージアーク溶接用フラックスと組合せた技術の開示がある。当該開示技術において、フラックス入りワイヤの充填フラックス中に添加するCuは、Fe−Cu合金またはFe−Cu−Si合金の形態とし、SbはFe−Sb合金の形態として含有し、粒界脆化割れの発生を低減しているが、その開示されているフラックス化学組成では、脱酸剤及びガス発生剤が添加されていないので、ピットやブローホール等の溶接欠陥を発生させ健全な溶接金属を得ることができない。
【0010】
また、特開2004−90051号公報(特許文献5)には、耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス及び溶接方法に関する技術の開示がある。これは耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた溶接金属を得るために、フラックスにSbを添加したものであるが、フラックスに添加するSbの添加量が少ないので偏析しやすく、また粒径の細かいSb及びSb化合物の原料を使用しているため、造粒後のフラックス粒子から剥がれやすく、また粉化しやすくなり、溶接金属にSbが偏析して粒界脆化割れが発生しやすいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開2004−90044号公報
【特許文献2】特開2004−90045号公報
【特許文献3】特開2004−90042号公報
【特許文献4】特開2008−126279号公報
【特許文献5】特開2004−90051号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性が得られる低合金鋼のサブマージアーク溶接方法において、優れた耐食性及び良好な溶接金属機械性能が得られ、さらに溶接欠陥の無い健全な溶接金属を形成させ、溶接作業性が良好な耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明者らは、前記課題を解決するために、フラックスの化学組成、粒度構成、見掛密度及び組合せるソリッドワイヤの化学成分などについて詳細に検討を行った。その結果、フラックスの化学組成、粒度構成、見掛密度を限定し、さらに組合せるソリッドワイヤの化学成分を限定することにより、濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性及び良好な溶接金属機械性能が得られ、さらに溶接欠陥の無い健全な溶接金属を形成させ、溶接作業性が良好なサブマージアーク溶接方法を可能とすることを見出した。
【0014】
すなわち、本発明の要旨は、質量%で、SiO2:5〜21%、Al23:15〜44%、MgO:7〜32%、CaO:0.5〜10%、CaF2:5〜35%、TiO2:5〜33%、Si:0.2〜5.0%、Mn:0.1〜5.0%、金属炭酸塩のCO2分:0.5〜9.0%を含有し、残部がFeO、アルカリ金属酸化物及び不可避不純物からなり、フラックスの粒度構成が質量%で、粒径850μm超の粒子が20〜55%、粒径150〜850μmの粒子が40〜75%、粒径150μm未満の粒子が6%以下で、見掛密度が0.70〜1.30g/cm3であるボンドフラックスと、質量%で、C:0.005〜0.2%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.4〜2.5%、Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Mo:0.01〜1.0%、Sb:0.01〜0.25%を含有し、P:0.03%以下、S:0.03%以下で、残部がFe及び不可避不純物からなるソリッドワイヤとを組合せて溶接することを特徴とする。
【0015】
また、ボンドフラックスにB23:0.05〜3.0%含有することも特徴とする耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接方法にある。
【発明の効果】
【0016】
本発明を適用した低合金鋼のサブマージアーク溶接方法によれば、濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性及び良好な溶接金属機械性能が得られ、さらに溶接欠陥の無い健全な溶接金属を形成し、溶接作業性が良好な耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の実施例で用いた多層盛溶接試験板の開先形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明者らは、溶接金属の耐硫酸性及び耐塩酸性向上に有効なCu及びSbなどを含有する溶接材料を用いて溶接した場合に発生しやすい粒界脆化割れを防止し、かつ濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性が得られ、さらに良好な溶接金属機械性能、溶接欠陥の無い健全な溶接金属が得られ、溶接作業性が良好なサブマージアーク溶接を可能とするために、最適なフラックスの化学組成、粒度構成、見掛密度及び組合せるソリッドワイヤの化学成分などについて種々検討を行った。
【0019】
耐硫酸露点腐食と耐塩酸露点腐食が共に優れた溶接金属を得るためには、Cu及びSbの添加が必須であり、フラックスまたは組合せるソリッドワイヤのいずれかに添加する必要がある。そこでまず、フラックスへの添加を検討した。フラックスは溶融フラックスとボンドフラックスの2種類で検討した。その結果、溶融フラックスへ添加した場合、フラックス中のCu化合物及びSb化合物の偏析は無く、耐硫酸露点腐食と耐塩酸露点腐食が共に優れた溶接金属を得ることができた。しかし、当該元素を溶融フラックスに添加した場合、合金剤及び金属炭酸塩を添加することができないため、溶接時の脱酸不足及びシールドガス不足により、ピット及びブローホールの溶接欠陥が多発した。一方、ボンドフラックスへCu及びSbを添加した場合、Cu及びSbはフラックスへ微量添加であるので偏析しやすく、また造粒後のフラックス粒子から剥がれやすく粉化しやすいので、溶接金属にCu及びSbが偏析して粒界脆化割れが生じた。
【0020】
以上の結果から、フラックスへのCu及びSbの添加は困難であるので、ソリッドワイヤへの添加を検討した。従来、Cu及びSbが添加されたガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、サブマージアーク溶接に適用した場合、大電流で溶接されるので、ワイヤに添加されたSbがアーク熱によって沸騰、ガス化しやすく、サブマージアーク溶接にSbが添加されたソリッドワイヤの適用は困難と考えられていた。
【0021】
そこで、ソリッドワイヤに適正量のSbを添加し、フラックスの化学組成、粒度構成、見掛密度を適正化することで、安定してSbを溶接金属中に含有させることができるかを検討した。
【0022】
まず、高電流による大入熱溶接に対応したボンドフラックスを適用することとし、フラックスの軟化溶融点及び溶融スラグの粘性、流動性、凝固速度等を調整するため、SiO2、Al23、MgO、CaO、CaF2及びTiO2のスラグ組成を最適化した。安定してSbを溶接金属中に含有させるためには、Sbがアーク熱によって沸騰してガス化しないようにすることが重要であり、フラックスの軟化溶融点を高くし、溶融スラグの凝固速度を速くすることによって、Sbが安定して溶接金属中に含有する傾向が認められた。
【0023】
しかし、ボンドフラックスのスラグ組成を最適化するだけでは、Sbを完全に安定して溶接金属中に含有することができなかった。そこで完全に安定してSbを溶接金属中に含有させるために新たに見出したのが、フラックスの粒度構成と見掛密度の最適化である。これは粒径の大きめのフラックス粒子の分率を増量し、見掛密度を限定することで改善することができた。溶接時のアーク熱によってフラックスは溶融するが、粒径の大きめのフラックス粒子を増量してフラックスの溶融速度を遅くし、フラックスの溶融に熱量を集中させることによってアーク雰囲気中の熱量を低下させることが可能となり、安定してSbを溶接金属中に含有することができた。
【0024】
以上のことから、ボンドフラックスの化学組成、粒度構成、見掛密度及び組合せるソリッドワイヤの化学成分を最適化することで、耐硫酸露点腐食と耐塩酸露点腐食が共に優れた溶接金属を得ることが可能となり、さらに溶接作業性を考慮したフラックスの化学組成、粒度構成、見掛密度としているため、良好な溶接作業性及びビード形状を得ることができ、さらにSi及びMn等の合金剤を添加することで良好な溶接金属機械性能を得ることができることを見出した。
【0025】
本発明を適用した耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接方法では、ボンドフラックスと、ソリッドワイヤとを組合せて溶接する。
【0026】
このボンドフラックスは、質量%で、SiO2:5〜21%、Al23:15〜44%、MgO:7〜32%、CaO:0.5〜10%、CaF2:5〜35%、TiO2:5〜33%、Si:0.2〜5.0%、Mn:0.1〜5.0%、金属炭酸塩のCO2分:0.5〜9.0%を含有し、残部がFeO、アルカリ金属酸化物及び不可避不純物からなり、フラックスの粒度構成が質量%で、粒径850μm超の粒子が20〜55%、粒径150〜850μmの粒子が40〜75%、粒径150μm未満の粒子が6%以下で、見掛密度が0.70〜1.30g/cm3である。係るボンドフラックスについて、成分組成、粒度構成、見掛密度の限定理由について説明する。なお、以下の%は、質量%を示す。
【0027】
SiO2:5〜21%
SiO2は、良好な溶接ビードを形成するための重要な成分であるが、過多になると溶接金属中の酸素量が増加して靭性が劣化する。SiO2が5%未満では、ビード趾端部のなじみが悪くなりビード形状が不良となってスラグ剥離性を悪くする。一方、21%を超えると、溶接金属の酸素量が増加して靭性が低下する。したがって、SiO2は5〜21%とする。
【0028】
Al23:15〜44%
Al23は、良好なスラグ剥離性及びビード外観を得るための重要な成分である。また、Sbを安定して溶接金属中に含有させる効果もある。Al23が15%未満では、その効果が得られない。一方、44%を超えると、凸ビードとなりビードを平坦化させることができず、またスラグ剥離性も不良になる。したがって、Al23は15〜44%とする。
【0029】
MgO:7〜32%
MgOは、スラグの耐火性及び塩基度を向上させる効果がある。また、Sbを安定して溶接金属中に含有させる最も重要な成分でもある。MgOが7%未満では、フラックスの塩基度が低くなり溶接金属中の酸素量が増加して靭性が低下し、さらにSbが安定して溶接金属中に含有されない。一方、32%を超えると、フラックスの軟化溶融点が高くなりビード表面の波目が粗く、スラグ剥離性及びビード外観が不良となる。したがって、MgOは7〜32%とする。なお、MgOにはMgCO3のMgO分を含む。
【0030】
CaO:0.5〜10%
CaOは、スラグの融点及び流動性を調整するために重要な成分である。CaOが0.5%未満では、ビード趾端部のなじみが悪くビード外観が不良となる。一方、10%を超えると、スラグ流動性が不良となり、ビード高さが不均一でスラグ剥離性も不良になる。したがって、CaOは0.5〜10%とする。なお、CaOにはCaCO3のCaO分を含む。
【0031】
CaF2:5〜35%
CaF2は、靭性改善に効果があるが、融点が低くなるので過多になるとビードの平滑性が損なわれる。CaF2が5%未満では、靭性改善の効果がなく、35%を超えると、ビード外観が不良となる。したがって、CaF2は5〜35%とする。
【0032】
TiO2:5〜33%
TiO2は、ビード表面の平滑性を得るのに効果があり、かつ、靭性向上にも有効である。TiO2が5%未満では、ビード表面の平滑性及び靭性の向上の効果がなく、33%を超えると、ビード趾端部の立ち上がり角度が大きくなりビード形状及びスラグ剥離性が不良になる。したがって、TiO2は5〜33%とする。
【0033】
Si:0.2〜5.0%
Siは、脱酸元素であり、溶接金属の酸素量を低減する。Siが0.2%未満では、脱酸効果が得られず靭性が低下する。一方、5.0%を超えると、溶接金属の硬さが過剰となって靭性が低下する。したがって、Siは0.2〜5.0%とする。
【0034】
Mn:0.1〜5.0%
Mnは、Siと同様に脱酸元素であり、溶接金属の酸素量を低減する。Mnが0.1%未満では、脱酸効果が得られず靭性が低下する。一方、5.0%を超えると、溶接金属の硬さが過剰となって靭性が低下する。したがって、Mnは0.1〜5.0%とする。
【0035】
金属炭酸塩のCO2
金属炭酸塩のCO2分は、溶接金属の靭性向上に重要な元素であり、溶接中に金属炭酸塩が分解してCOまたCO2ガスがアーク雰囲気中の窒素分圧を下げ、溶接金属の窒素量を低減する効果がある。CO2分が0.5%未満では、溶接金属中の窒素量が高くなり靭性が低下する。一方、9.0%を超えると、溶接ビード表面にポックマークやピット、アンダーカット等の溶接欠陥が発生する。したがって、金属炭酸塩のCO2分は0.5〜9.0%とする。なお、金属炭酸塩はCaCO3、BaCO3、MgCO3、MnCO3を用いることができる。
【0036】
23:0.05〜3.0%
23は、靭性向上に効果がある。しかし、B23が添加されていなくても、Si及びMnの添加や組合せるソリッドワイヤに含有される脱酸元素及び焼入れ性向上元素により良好な溶接金属靭性は得られるが、サブマージアーク溶接のように入熱の高い溶接を行う場合、冷却速度の低下により結晶粒組織が粗大化する傾向にあるため、結晶粒組織の粗大化防止の観点から、B23の含有量を0.05%以上添加することが望ましい。一方、3.0%を超えると、焼入れ性が過多となり、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。したがって、B23は0.05〜3.0%とする。
【0037】
次にフラックスの粒度構成について説明をする。このフラックスの粒度構成も、%は、質量%を意味するものである。
【0038】
粒径850μm超の粒子:20〜55%
フラックス粒度構成の粒径850μm超の粒子は、安定してSbを溶接金属中に含有させる極めて重要な粒子である。粒径850μm超の粒子が20%未満では、Sbが安定して溶接金属中に含有されず、またビード形状が凸状でガス抜けが悪くなりピット及びポックマークなどの溶接欠陥も発生する。一方、粒径850μm超の粒子が55%を超えると、ビードの幅が広がりすぎて溶込みが浅くなりスラグ巻き込み欠陥や突合せ溶接の場合は溶込み不良及び融合不良が発生する。したがって、粒径850μm超は20〜55%とする。
【0039】
粒径150〜850μmの粒子:40〜75%
フラックス粒度構成の粒径150〜850μmの粒子も安定してSbを溶接金属中に含有させる極めて重要な粒子である。粒径150〜850μmの粒子が40%未満では、Sbが安定して溶接金属中に含有されず、またビード形状が凸状でガス抜けが悪くなりピット及びポックマークなどの溶接欠陥も発生する。一方、粒径150〜850μmの粒子が75%を超えると、ビードの幅が広がりすぎて溶込みが浅くなりスラグ巻き込み欠陥や突合せ溶接の場合は溶込み不良及び融合不良が発生する。したがって、粒径850μm以上の粒子は40〜75%とする。
【0040】
粒径150μm未満の粒子:6%以下
フラックス粒度構成の粒径150μm未満の粒子は、ビード形状及びスラグ剥離性を不良にする粒子である。粒径150μm未満の粒子が6%を超えると、スラグがこびり付き易くスラグ剥離性が不良で、ビード幅が狭くなって形状が不良になり、さらにガス抜けも不良でピット及びポックマークなどの溶接欠陥を発生する。したがって、粒径150μm未満の粒子は6%以下とする。
【0041】
見掛密度:0.70〜1.30g/cm3
フラックスの見掛密度は、安定したビードを形成するための重要な因子であり、また安定してSbを溶接金属中に含有させる上でも重要なものである。フラックスの見掛密度が0.70g/cm3未満では、溶接時のアーク吹上げが激しくアークが不安定となりビード形状が不良で、アーク吹上げによってSbが沸騰、ガス化してSbが安定して溶接金属中に含有されない。さらにビードの幅が広がりすぎて溶込みが浅くなりスラグ巻き込み欠陥や突合せ溶接の場合は溶込み不良及び融合不良も発生する。一方、フラックスの見掛密度が1.30g/cm3を超えると、フラックスの自重が重くなるためアーク雰囲気が押し潰され、ビード幅が狭く凸形状となりアンダーカットも生じる。したがって、フラックスの見掛密度は0.70〜1.30g/cm3とする。
【0042】
その他は、Na2O、K2O及びLi2Oなどのアルカリ金属酸化物及び酸化鉄(FeO等)、P、S等の不可避不純物であり、P及びSは共に低融点の化合物を生成して靭性を低下させるので、できるだけ低いことが好ましい。
【0043】
上述の如き成分からなるボンドフラックスと組合せて溶接するソリッドワイヤは、質量%で、C:0.005〜0.2%、Si:0.01〜1.5%、Mn:0.4〜2.5%、Cu:0.03〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、Mo:0.01〜1.0%、Sb:0.01〜0.25%を含有し、P:0.03%以下、S:0.03%以下で、残部がFe及び不可避不純物からなる。以下、このソリッドワイヤの成分組成について詳細に説明をする。
【0044】
C:0.005〜0.2%
Cは、固溶強化により溶接金属の強度を確保する重要な元素であると共に、アーク中の酸素と反応しアーク雰囲気及び溶接金属の酸素量を低減する効果がある。Cが0.005%未満では、溶接金属の脱酸及び強度確保の効果が不十分であり、靭性も低下する。一方、0.2%を超えると、溶接金属のCが高くなるためマルテンサイト主体の組織となり、強度が高く靭性が低下する。したがって、Cは0.005〜0.2%とする。
【0045】
Si:0.01〜1.5%
Siは、脱酸元素であり溶接金属の酸素量を低減する。Siが0.01%未満では、脱酸効果が得られず靭性が低下する。一方、1.5%を超えると、溶接金属の硬さが過剰となって靭性が低下する。したがって、Siは0.01〜1.5%とする。
【0046】
Mn:0.4〜2.5%
Mnは、焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有効な成分である。Mnが0.4%未満では、焼入れ性が不足して強度が低くなり靭性が低下する。一方、2.5%を超えると、焼入れ性が過多となり、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。したがって、Mnは0.4〜2.5%とする。
【0047】
Cu:0.03〜1.0%
Cuは、耐硫酸露点腐食性及び耐塩酸露点腐食性を向上する重要な成分である。Cuが0.03%未満では、耐食性向上効果が十分得られない。一方、1.0%を超えて添加しても耐食性はほぼ飽和すると共に、溶接金属の過剰な強度上昇を招き、靭性低下や粒界脆化割れを発生させる。したがって、Cuは0.03〜1.0%とする。
【0048】
Ni:0.05〜1.0%
Niは、溶接金属の靭性を向上する。Niが0.05%未満では、その効果が得られず靭性が低下する。一方、1.0%を超えると、Niはオーステナイト安定化元素であるので、オーステナイト粒径を粗大化させて溶接金属の靭性を低下させる。したがって、Niは0.05〜1.0%とする。
【0049】
Mo:0.01〜1.0%
Moは、溶接金属の焼入れ性増大元素として重要な成分である。Moが0.01%未満では、溶接金属の強度が低くなり靭性向上にも効果がなく、1.0%を超えると、溶接金属の焼入れ性が過大となり、硬さが過剰となって靭性が低下する。したがって、Moは0.01〜1.0%とする。
【0050】
Sb:0.01〜0.25%
Sbは、Cuと共存して耐硫酸露点腐食性及び耐塩酸露点腐食性を向上する最も重要な成分である。Sbが0.01%未満では、十分な効果が得られない。一方、0.25%を超えると、粒界脆化割れを発生させる。したがって、Sbは0.01〜0.25%とする。
【0051】
P:0.03%以下、S:0.03%以下
P及びSは共に低融点の化合物を生成して靭性を低下させるため、できるだけ低いことが好ましい。したがって、P及びSは共に0.03%以下とする。
【0052】
また、本発明の耐硫酸性及び耐塩酸性に優れた低合金鋼のサブマージアーク溶接方法は、安定したアーク、ワイヤ送給性、溶着効率向上を可能とした溶接をするために、組合せるソリッドワイヤのワイヤ径は2.0〜4.8mmとし、1電極または2電極以上の多電極サブマージアーク溶接に適用する。
【実施例】
【0053】
以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【0054】
表1に示す各種フラックス成分及び粒度、見掛密度に調整したボンドフラックスと表2に示す化学組成のソリッドワイヤを用いて、多層盛溶接の溶接金属機械性能評価及び溶接作業性評価として、表3に示す化学成分からなる、板厚25mmの耐硫酸露点腐食低合金鋼板を、図1に示すように、開先角度を30°、ルート間隔を13mmの開先形状に耐硫酸露点腐食低合金鋼板10を加工し、裏当金15を当てて表4に示す溶接条件で多層盛溶接試験を実施した。
【0055】
なお、表1に示すボンドフラックスは水ガラスを固着材として造粒した後、400〜550℃で2時間焼成し、各種粒度構成及び見掛密度に整粒した。
【0056】
また、表2に示すソリッドワイヤは原線を縮径、焼鈍、酸洗、めっきして素線とし、それらの素線を4.0mm径まで伸線して用いた。
【0057】
【表1】

【0058】
【表2】

【0059】
【表3】

【0060】
【表4】

【0061】
表5に各種試作ボンドフラックスと各種試作ソリッドワイヤの組合せを示す。各試験の評価は、多層盛溶接後のビード外観、ビード形状、スラグ剥離性及びX線透過試験による溶接欠陥の有無を調査し、さらに溶接金属の引張強度、靭性、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を調査した。
【0062】
【表5】

【0063】
溶接金属の機械性能評価は、多層盛溶接試験体の鋼板板厚中央を中心にシャルピー衝撃試験片(JIS Z2242 Vノッチ試験片)、引張試験片(JIS Z 2241 10号)を採取して機械試験を実施し、さらに同位置から厚さ4mm、縦20mm、横20mmの腐食試験片を採取して、温度70℃、濃度50容量%の硫酸溶液中で24時間及び温度80℃、濃度10容量%の塩酸溶液中で24時間浸漬腐食試験を行い、腐食減量を測定した。
【0064】
靭性の評価は、−20℃におけるシャルピー衝撃試験により行い、各々繰返し数3本の平均により評価した。なお、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーは50J以上を良好とした。引張強度の評価は400MPa以上を良好とした。また耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性の評価は、母材の耐硫酸露点腐食低合金鋼板の腐食板厚減少量が0.20〜0.25mmであることから、溶接金属腐食試験片の腐食板厚減少量が0.25mm以下のものを良好とした。これらの調査結果を表5にまとめて示す。
【0065】
表5中試験記号T1〜T10が本発明例、試験記号T11〜T31は比較例である。
【0066】
本発明例である試験記号T1〜T10は、フラックス記号BF1〜BF10及び組合せたワイヤ記号W1〜W5が本発明の構成要件を満足しているので、溶接金属の耐硫酸性及び耐塩酸性が良好であり、また溶接作業性が良好で溶接部に欠陥が無く、溶接金属の機械性能も優れており、極めて満足な結果であった。なお、試験記号T5は、フラックス記号BF8のB23が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーがやや低値であった。
【0067】
比較例中試験記号T11は、フラックス記号BF22のフラックス粒径150μm以下の粒子が多いので、スラグ剥離性及びビード形状が不良で、ピットが発生した。また、組合せたワイヤ記号W9のCが多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【0068】
試験記号T12は、フラックス記号BF11のSiO2が少ないので、ビード形状及びスラグ剥離性が不良であった。また、Mnが多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。さらに、フラックス粒径850μm以上の粒子が多いので、ビードの幅が広がりすぎて溶込みが浅くなりスラグ巻き込みが発生した。
【0069】
試験記号T13は、フラックス記号BF12のAl23が少ないので、スラグ剥離性及びビード外観が不良で、腐食板厚減量が多かった。また、Siが多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【0070】
試験記号T14は、フラックス記号BF21のフラックス見掛密度が小さいので、溶接時のアーク吹上げが激しくアークが不安定となりビード形状が不良で、アーク吹上げによりSbが沸騰、ガス化してSbが安定して溶接金属中に含有されなかったので腐食板厚減量が多かった。また、ビードの幅が広がりすぎて溶込みが浅くなりスラグ巻き込みも発生した。さらに、組合せたワイヤ記号W8のCが少ないので、溶接金属の引張強度が低く吸収エネルギーも低値であった。
【0071】
試験記号T15は、フラックス記号BF13のSiO2が多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、CaF2が多いので、ビード外観が不良であった。さらに、フラックス粒径150〜850μmの粒子が多いので、ビードの幅が広がりすぎて溶込みが浅くなりスラグ巻き込みが発生した。
【0072】
試験記号T16は、フラックス記号BF14のAl23が多いので、ビード形状及びスラグ剥離性が不良であった。また、CaOが少ないので、ビード趾端部のなじみが悪く外観が不良であった。さらに、Siが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【0073】
試験記号T17は、フラックス記号BF15のMgOが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値で、腐食板厚減量が多かった。また、TiO2が多いので、ビード形状及びスラグ剥離性が不良であった。さらに、CO2が多いので、溶接ビード表面にポックマークが生じビード外観が不良で、ピットも発生した。
【0074】
試験記号T18は、フラックス記号BF16のMgOが多いので、ビード表面の波目が粗くなりスラグ剥離性及びビード外観が不良であった。また、Mnが少ないので、溶接金属吸収エネルギーが低値であった。さらに、フラックス粒径850μm以上の粒子が少ないので、Sbが安定して溶接金属中に含有されず、腐食板厚減量が多く、ビードが凸状となりビード形状が不良で、ピットも発生した。
【0075】
試験記号T19は、組合せたワイヤ記号W6のMnが多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。また、Cuが少ないので、腐食板厚減量が多かった。
【0076】
試験記号T20は、フラックス記号BF17のCaOが多いので、ビード高さが不均一でビード外観及びスラグ剥離性が不良であった。また、CaF2が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。さらに、フラックス粒径150〜850μmの粒子が少ないので、Sbが安定して溶接金属中に含有されず腐食板厚減量が多く、ビードが凸状となりビード形状が不良で、ピットも発生した。
【0077】
試験記号T21は、フラックス記号BF18のB23が多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。また、フラックス見掛密度が大きいので、ビード幅が狭く凸形状となり、アンダーカットも生じた。さらに、組合せたワイヤ記号W7にSbが添加されていないので、腐食板厚減量が多かった。
【0078】
試験記号T22は、フラックス記号BF19のCO2が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたワイヤ記号W18のSbが多いので、割れが生じた。
【0079】
試験記号T23は、組合せたワイヤ記号W10のMnが少ないので、溶接金属の引張強度が低く吸収エネルギーも低値であった。
【0080】
試験記号T24は、組合せたワイヤ記号W11のSiが多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【0081】
試験記号T25は、組合せたワイヤ記号W12がSiを含有していないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【0082】
試験記号T26は、フラックス記号BF20のTiO2が少ないので、ビード形状が不良で、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【0083】
試験記号T27は、組合せたワイヤ記号W13のCuが多いので、割れが生じた。また、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【0084】
試験記号T28は、組合せたワイヤ記号W14のNiが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【0085】
試験記号T29は、組合せたワイヤ記号W15のNiが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【0086】
試験記号T30は、組合せたワイヤ記号W16のMoが多いので、溶接金属の引張強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【0087】
試験記号T31は、組合せたワイヤ記号W17のMoが少ないので、溶接金属の引張強度が低く吸収エネルギーも低値であった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量%で、
SiO2:5〜21%、
Al23:15〜44%、
MgO:7〜32%、
CaO:0.5〜10%、
CaF2:5〜35%、
TiO2:5〜33%、
Si:0.2〜5.0%、
Mn:0.1〜5.0%、
金属炭酸塩のCO2分:0.5〜9.0%
を含有し、残部がFeO、アルカリ金属酸化物及び不可避不純物からなり、
フラックスの粒度構成が質量%で、
粒径850μm超の粒子が20〜55%、
粒径150〜850μmの粒子が40〜75%、
粒径150μm未満の粒子が6%以下で、
見掛密度が0.70〜1.30g/cm3であるボンドフラックスと、
質量%で、
C:0.005〜0.2%、
Si:0.01〜1.5%、
Mn:0.4〜2.5%、
Cu:0.03〜1.0%、
Ni:0.05〜1.0%、
Mo:0.01〜1.0%、
Sb:0.01〜0.25%
を含有し、P:0.03%以下、S:0.03%以下で、残部がFe及び不可避不純物からなるソリッドワイヤとを組合せて溶接することを特徴とする低合金鋼のサブマージアーク溶接方法。
【請求項2】
さらに、ボンドフラックスは、B23:0.05〜3.0%含有することを特徴とする請求項1に記載の低合金鋼のサブマージアーク溶接方法。

【図1】
image rotate


【公開番号】特開2013−784(P2013−784A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−136731(P2011−136731)
【出願日】平成23年6月20日(2011.6.20)
【出願人】(302040135)日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Fターム(参考)】