説明

低温鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤ

【課題】 伸線時等のワイヤ生産性が良好であると共に、溶接金属の耐割れ性に優れ、溶接作業性の良好な低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】 低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮はCが0.02質量%未満でNiが98質量%以上含有し、ワイヤ全質量に対する質量%で、外皮およびフラックスに合計で、Mn:1〜8%、Mg:0.02〜0.5%含有し、S:0.01%以下、Bi:0.01%以下とし、下記(1)式を満足し、その他はスラグ形成剤、合金剤、鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤ。
Mn+100×Mg≧1000×(S+Bi)・・・(1)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、LNG、液体窒素、また液体酸素などの貯蔵タンク等に広く用いられている9%Ni鋼等の低温用鋼の溶接に際し、Ar+CO混合ガスを用いたガスシールドアーク溶接等に用いる溶接ワイヤにおいて、溶接金属の耐割れ性に優れ、溶接作業性の良好な低温鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤに関するものである。
【背景技術】
【0002】
Ni基合金を成分とする溶接材料(ワイヤ)は、例えば低温用鋼として代表的な9%Ni鋼等の溶接に使用されている。9%Ni鋼の溶接では、溶接継手部に母材と同等の−196℃の極低温における溶接部の靱性を確保するため、フェライト組織の9%ニッケル鋼に類似した成分を有する溶接ワイヤ(いわゆる、共金系ワイヤ)ではなく、Ni基合金溶接材料を使用するのが一般的である。これは共金系ワイヤを用いて溶接した場合の溶接継手部は、溶接ままでは9%Ni鋼と同等の強度と低温靭性を確保することができないからである。
【0003】
近年、Ni基合金のような特殊溶接材料においても被覆アーク溶接やTIG溶接に比べて、より高い作業能率が期待できるNi基合金フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接が拡大しつつある。
【0004】
しかしながら、このようなNi基合金フラックス入りワイヤに用いる外皮の成分は、一般的に溶接金属と共金系のNi−Cr系やNi−Cr−Mo、Ni−Mo系であり、高価であるため経済性に課題があり、また伸線加工性が悪く生産性にも課題があった。
【0005】
こうしたNi基合金フラックス入りワイヤの伸線性を改善するする手段として、特許文献1に開示されている低温鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤには、高Niフープを使用し、ワイヤの加工性及びワイヤ送給性に優れる方法が記載されている。しかし外皮中のC量が多いため伸線加工の際、外皮中に炭化物が析出しやすく、断線しやすいという課題があった。また耐高温割れ性に課題があり、9%Ni鋼等を用いた極低温圧力容器のように安全性が最優先される構造物の溶接には適さなかった。
【0006】
また、特許文献2に開示されている低温用鋼溶接用のNi基複合ワイヤには、実質的にNiのみからなる外皮内に金属粉を充填してなるNi基合金複合ワイヤが開示されているが、外皮中のC量が多いため伸線加工の際、外皮中に炭化物が析出しやすく、断線が発生しやすいという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2001−334392号公報
【特許文献2】特開昭60−44198号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、伸線性等のワイヤ生産性が良好であると共に、溶接金属の耐割れ性に優れ、溶接作業性の良好な低温用鋼溶接用のNi基合金フラックス入りワイヤ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】
【0009】
まず、前記課題の一つである伸線性の課題の改善について、外皮にNi−Cr系やNi−Cr−Mo、Ni−Mo系のNi基合金を適用した場合加工硬化しやすく、また焼鈍等の軟化熱処理工程が無い場合は、断線しやすく生産性に課題があった。そのため伸線性の改善には、加工硬化の生じにくい高Ni外皮の適用が好ましい。しかし高Ni外皮であっても、外皮中のC量が多い場合、ダイスによる引抜き伸線またはカセットローラダイスによる圧延伸線加工の際、ワイヤ表面が局部的に400℃以上の高温にさらされ、炭化物がワイヤ表層面に析出して局部硬化を生じ、延性を損なって断線の原因となることを明らかとした。
【0010】
そこで本発明者らは、伸線性を改善するため、極低Cで高Niのフープを外皮として適用し、伸線加工の際に生じる炭化物の析出を抑制することで生産性が良好となることを見いだした。
【0011】
次に、もう一つの課題である溶接金属の耐割れ性について、低融点化合物を生じやすく、高温割れの原因となるSおよびBiを低減することが重要であると知られている。しかし溶接材料には不純物として避けられない極微量のSおよびBiが含まれ、極微量のこれら元素に起因する割れが生じやすい。特にNi基合金溶接金属はオーステナイト単相組織で、低融点化合物の生成が生じやすく、微量であっても割れが生じやすい。これを防止する技術として、他の元素を添加し、割れに影響しにくい硫化物を生成させて耐割れ性を向上させることが重要である。Sについては、低融点化合物生成の防止を目的にMnを添加し、溶接金属中にMnSの硫化物とすることで、耐割れ性を向上させる技術が従来から使用されてきた。しかしMn添加のみの場合、目視で確認できる割れを防止することはできたが、光学顕微鏡等で確認すると、オーステナイト粒界に、ミクロ割れが生じていることがわかった。
【0012】
そこで本発明者らは、このミクロ割れを防止するため種々検討を重ねた結果、MnとMgの両方を添加することで、SおよびBiの低融点化合物の生成を抑制し、耐割れ性の良好な溶接金属を得ることができる知見を得た。
【0013】
さらに、スラグ形成剤であるTiO、SiO、ZrO、Alおよび金属弗化物の含有量を適量とすることによって溶接作業性の良好な低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤを得ることができた。
【0014】
本発明は、以上に列記した新たな知見によってなされたものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。
【0015】
低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮はCが0.02質量%未満でNiを98質量%以上含有し、ワイヤ全質量に対する質量%で、外皮およびフラックスに合計で、Mn:1〜8%、Mg:0.02〜0.5%を含有し、S:0.01%以下、Bi:0.01%以下とし、下記(1)式を満足し、その他はスラグ形成剤、合金剤、鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする。
Mn+100×Mg≧1000×(S+Bi)・・・(1)
【0016】
また、スラグ形成剤はフラックスに、ワイヤ全質量に対する質量%で、TiO:0.1〜10%、SiO:0.2〜3%、ZrO:0.1〜5%、Al:0.1〜5%、金属弗化物の1種または2種以上の合計:0.1〜10%を含有することも特徴とする低温鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤ。
【発明の効果】
【0017】
本発明の低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤによれば、伸線性等のワイヤ生産性が良好であると共に、溶接作業性が良好で、溶接金属の耐割れ性に優れ高品質の溶接金属を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明は、極低Cで高Niの外皮およびフラックスからの合金組成(合金材)およびスラグ形成剤、鉄粉をそれぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。
【0019】
まず、外皮として高Niを用いる理由は、Ni−Cr系、Ni−Cr−Mo系およびNi−Mo系のNi基合金に比べ安価で経済性に優れると共に、伸線加工性に優れるためである。また、高Ni外皮中のCを0.02質量%(以下、%という。)未満、好ましくは0.005%以下にすることによって、伸線中に生じる炭化物析出を抑制し、良好な伸線性を得ることができる。なお本発明の高Ni外皮とは実質的にNiからなるものを意味し、Niを98%以上含み、上記Cの他に、Si、P、Cu、Fe、N、O等の不可避的不純物を含む。
【0020】
次に、外皮およびフラックスに含まれる成分(ワイヤ成分)として、Mnは溶接金属中のSを固定し、割れに有害な低融点の硫化物の生成を抑制し、MnSとなって耐割れ性を向上させる目的で添加する。S固定の能力としては、後述のMgよりも劣るため、Mgの補助として添加する。一方、Sと同様に割れに有害なBiの固定については、MnBiとなって耐割れ性を向上させる。Mnが1%未満ではその効果が十分に得られない。一方、8%を超えて添加すると、溶接作業性のスラグ剥離性が劣化する。従って、Mnは1〜8%、好ましくは1.4〜7.2%にする必要がある。Mnは、外皮に含まれる他、フラックスとして金属Mn、Fe−Mn、Si−Mn等から添加できる。
【0021】
Mgは、Mnと同様に溶接金属中のSを固定し、MgSとなって耐割れ性を向上させる目的で添加する。割れに有害なSを固定する効果はMnよりも高く、少量の添加でMgSを生成し、耐割れ性を向上させる。特にミクロ割れのような微小なSの偏析に起因する割れの防止にはMg添加の効果がある。Mgが0.02%未満では、その効果が十分に得られない。一方、0.5%を超えて添加すると、アークの安定性を劣化させる。従って、Mgは、0.02〜0.5%、好ましくは0.1〜0.4%とする必要がある。Mgの添加は、フラックスから金属Mg、Fe−Mg、Al−Mg等から添加できる。
【0022】
Sは割れに有害であり、できる限り低くすることが好ましい。しかし外皮およびフラックスからの不純物として極微量含有するため、その上限を0.01%以下、好ましくは0.007%以下とする必要がある。0.01%を超えた場合、割れの防止に有効なMnおよびBiが多量に含有されていても、割れの発生を抑制することができない。
【0023】
BiもSと同様に割れに有害であり、できる限り低くすることが好ましい。しかしフラックスから不純物として極微量含有するため、その上限を0.01%以下、好ましくは0.007%以下とする必要がある。0.01%を超えた場合、割れの防止に有効なMnおよびBiが多量に含有されていても、割れの発生を抑制することができない。
【0024】
下記(1)式で示される、Mn+100×Mg≧1000×(S+Bi)は、良好な耐割れ性を確保するための指標であり、目視で確認できる割れの他、顕微鏡等で確認される微小なミクロ割れの発生を促進するSおよびBiの含有量よりも、その割れを防止するMnおよびMg含有量が高いことを示す。本式の関係が保たれていない場合、割れが発生する。本式の係数は、Mnを1とした場合、MgはSの固定の能力として100倍を示す。一方、割れに有害なSおよびBiは、微小な偏析に起因するミクロ割れを考慮して1000倍の割れやすさを示し、SおよびBiが限りなく0に近い場合、微量のMnおよびMgの添加で割れを防止できることを表す。
Mn+100×Mg≧1000×(S+Bi)・・・(1)
【0025】
また、スラグ形成剤としては、TiO、SiO、ZrO、Al、金属弗化物等が使用できる。その添加量は、ワイヤ全質量に対してTiOは0.1〜10%、SiOは0.2〜3%、ZrOは0.1〜5%、Alは0.1〜5%、金属弗化物の1種または2種以上の合計は0.1〜10%であることが好ましい。
【0026】
TiOは、被包性の良いスラグを形成する目的で添加する。0.1%未満ではその効果が十分に得られずビード形状が不良となる。一方、10%を超えて添加すると、スパッタ発生量が多くなる。従って、TiOは0.1〜10%であることが好ましい。
【0027】
SiOは、ビードを整え、平滑なビード形状を得る目的で添加する。0.2%ではその効果が十分に得られずビード形状が不良となる。一方、3%を超えて添加すると、スラグの被包性が悪くなってビード形状が不良となる。従って、SiOは0.2〜3%であることが好ましい。
【0028】
ZrOは、TiOと同様に被包性の良いスラグを形成する目的で添加する。0.1%ではその効果が十分に得られずビード形状が不良となる。一方、5%を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、ZrOは0.1〜5%であることが好ましい。
【0029】
Alは、スラグの流動性を安定化させ、スパッタを抑制する目的で添加する。0.1%未満では、その効果が十分に得られない。一方、5%を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。従って、Alは0.1〜5%であることが好ましい。
【0030】
金属弗化物の1種または2種以上の合計は、スラグの剥離性を向上する目的で添加する。0.1%未満ではその効果が十分に得られない。一方、10%を超えて添加すると、スパッタが多くなる。従って、金属弗化物の1種または2種以上の合計は0.1〜10%であることが好ましい。なお、金属弗化物として、CaF、NaF、AlF等を使用することができる。
【0031】
その他の合金成分として、溶接金属の機械的性質の調整を目的として、C、Si、Mo等を添加できる。その添加量としてはワイヤ全質量に対して、Cは0.3%以下、Siは0.5%以下、Moは15%以下であることが好ましい。
【0032】
また、溶接作業性の調整として、鉄粉を8%以下添加することができる。
なお、フラックス入りワイヤにおいては、スラグ形成剤、合金剤、鉄粉を含有させることは通常の技術手段である。
【0033】
以上、本発明の低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤの構成要件の限定理由を述べたが、フラックス入りワイヤの製造方法について更に言及すると、例えば外皮を帯鋼より管状に成形する場合には、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをU形に成形した溝に充填した後丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、成形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。
充填フラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤(珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液)を添加してボンドフラックス状にして用いることもできる。フラックス充填率は、伸線性および溶接作業性から15〜30%とすることが好ましい。
【実施例】
【0034】
以下に実施例によって本発明の効果を具体的に説明する。
【0035】
表1に示す化学成分の外皮を用いて表2に示す組成のNi基合金フラックス入りワイヤを各種試作した。ワイヤ径は1.2mmとした。なお、フラックス充填率は18〜23%とした。
【0036】
【表1】

【0037】
【表2】

【0038】
【表3】

【0039】
製造時の伸線性は、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをU形に成形した溝に充填した後、丸形に成形したフラックス入りワイヤ(線径4.0mm、質量100kg)について孔ダイスによる引抜き伸線およびカセットローラダイスによる圧延伸線を実施し、焼鈍等の熱処理なしで1.2mmまで伸線した際、断線の有無により評価した。
【0040】
溶接作業性試験は、水平すみ肉溶接を行った。溶接条件は、シールドガス80%Ar+20%CO2(流量20〜25l/min)、溶接電流(DC電極+)230A、溶接電圧28V、溶接速度35cm/minで実施して、アークの安定性、スパッタ発生量、スラグ剥離性およびビード形状を調査した。母材は9%Ni鋼とし、板厚12mmを使用した。
【0041】
耐割れ性は、上記の溶接作業性調査に用いた水平すみ肉溶接について、ビード表面の染色浸透探傷試験及び溶接部の放射線透過試験を実施し、割れの有無を確認した。それらの試験結果を表3にまとめて示す。
【0042】
表2および表3中ワイヤNo.1〜5は本発明例、ワイヤNo.6〜15は比較例である。本発明例であるワイヤNo.1〜5は、外皮のCおよびNiが適量であるので伸線性が良好で、ワイヤのMn、Mg、S、BiおよびSとBi量に対するMnとMg量も適正であるので割れが生じず、さらにスラグ形成剤それぞれの量も適量であるので溶接作業性が良好であるなど極めて満足な結果であった。
【0043】
これに対して、本発明の条件を満たしていない比較例ワイヤNo.6〜15は、伸線性、アーク安定性、スパッタ発生量、スラグ剥離性、ビード形状、割れの発生等のいずれかが劣っていて、満足な結果が得られなかった。以下比較例について具体的に説明する。
【0044】
比較例中ワイヤNo.6は、使用した外皮記号W2のCが多いので伸線時に断線が生じた。また、TiOが少ないのでスラグ被包性が悪くビード形状が不良であった。
【0045】
ワイヤNo.7は、使用した外皮W3のNiが少ない(Crが多い)ので伸線時に断線が生じた。また、TiOが多いのでスパッタ発生量が多かった。
【0046】
ワイヤNo.8は、使用した外皮W4のNiが少ない(Cr、Moが多い)ので伸線時に断線が生じた。また、SiOが少ないのでビード形状が不良であった。
【0047】
ワイヤNo.9は、Mnが少ないので割れが生じた。また、SiOが多いのでスラグ被包性が悪くビード形状が不良であった。
【0048】
ワイヤNo.10は、Mnが多いのでスラグ剥離性が不良であった。また、ZrOが少ないのでスラグ被包性が悪くビード形状も不良であった。
【0049】
ワイヤNo.11は、Mgが少ないので割れが生じた。また、Alが少ないのでスパッタ発生量が多くビード形状も不良であった。
【0050】
ワイヤNo.12は、Mgが多いのでアークが不安定であった。また、ZrOが多いのでスラグ剥離性も不良であった。
【0051】
ワイヤNo.13は、Sが多いので割れが生じた。また、Alが多いのでスラグ剥離性が不良であった。
【0052】
ワイヤNo.14は、Bi多いので割れが生じた。また、金属弗化物の合計が少ないのでスラグ剥離性が不良であった。
【0053】
ワイヤNo.15は、Mn+100×Mgの値が1000×(S+Bi)の値よりも低いので割れが生じた。また、金属弗化物の合計が多いのでスパッタ発生量が多かった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
低温用鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮はCが0.02質量%未満でNiを98質量%以上含有し、ワイヤ全質量に対する質量%で、外皮およびフラックスに合計で、Mn:1〜8%、Mg:0.02〜0.5%を含有し、S:0.01%以下、Bi:0.01%以下とし、下記(1)式を満足し、その他はスラグ形成剤、合金剤、鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする低温鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤ。
Mn+100×Mg≧1000×(S+Bi)・・・(1)
【請求項2】
スラグ形成剤はフラックスに、ワイヤ全質量に対する質量%で、TiO:0.1〜10%、SiO:0.2〜3%、ZrO:0.1〜5%、Al:0.1〜5%、金属弗化物の1種または2種以上の合計:0.1〜10%を含有することを特徴とする請求項1に記載の低温鋼溶接用Ni基合金フラックス入りワイヤ。

【公開番号】特開2012−143796(P2012−143796A)
【公開日】平成24年8月2日(2012.8.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−4671(P2011−4671)
【出願日】平成23年1月13日(2011.1.13)
【出願人】(302040135)日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Fターム(参考)】