多電極サブマージアーク溶接方法
【課題】 本発明は、下向き多電極サブマージアーク溶接において、低温靭性が良好で且つ頂部スラグインの無い健全な溶接金属の作成方法を提供する。
【解決手段】 下向き多電極サブマージアーク溶接により引張強度が800MPa〜1200MPaの溶接金属を作成する際において、複数の電極ワイヤのうちの何れか1電極または2電極以上がワイヤ全体に対する質量%でO:0.03%〜0.50%を含有するメタルコアードワイヤで、残りの電極がソリッドワイヤであり且つ、特定の成分系のフラックスを用いることにより、溶接欠陥の無い高強度高靭性の溶接金属を得ることができる1溶融池を作成する下向き多電極サブマージアーク溶接方法。
【解決手段】 下向き多電極サブマージアーク溶接により引張強度が800MPa〜1200MPaの溶接金属を作成する際において、複数の電極ワイヤのうちの何れか1電極または2電極以上がワイヤ全体に対する質量%でO:0.03%〜0.50%を含有するメタルコアードワイヤで、残りの電極がソリッドワイヤであり且つ、特定の成分系のフラックスを用いることにより、溶接欠陥の無い高強度高靭性の溶接金属を得ることができる1溶融池を作成する下向き多電極サブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高強度ラインパイプあるいは高強度水圧鉄管等の溶接において、強度と靭性が要求される溶接金属を作成する際に使用する下向き多電極サブマージアーク溶接方法に関する技術である。
【背景技術】
【0002】
下向き多電極サブマージアーク溶接は、複数の電極を用いて1つの溶融池を作成する溶接方法で、高速でかつ大溶着量で溶接できるため鋼管や大型構造物の溶接等に多く使用されているサブマージアーク溶接方法である。
【0003】
このサブマージアーク溶接の溶接金属に要求される特性の一つに靭性がある。溶接金属の靭性は溶接金属中の酸素量を最適化することで向上できることは、多くの研究成果から言われている点で、これに基づき溶接材料の開発が進められている。近年溶接構造物の大型化や、施工コスト低減を目的に用いる鋼材は高強度化が進み、これに伴い用いる溶接金属も高強度化が進んでいる。しかし、溶接金属では強度が高くなれば一般に靭性が低下する傾向にあるため、高強度鋼になるにほど、溶接金属の靭性を確保するために酸素量の制御方法はより重要となる。
【0004】
従来、サブマージアーク溶接金属の酸素量は使用するフラックスの組成を調整し制御していた。例えば、特許文献1ではUO鋼管でX100クラスの高強度鋼に対して溶接金属のTiおよび酸素を低減することにより、低温靭性を確保している。また、特許文献2では、母材や溶接金属の化学組成を限定して、フラックスを使用することにより溶接金属の靭性を向上させようとしている。さらに、特許文献3、特許文献4、特許文献5あるいは特許文献6では、具体的に酸素を低減する手段としてフラックスの組成を最適化することにより、溶接金属の酸素量を低減し、且つビード形状等の溶接性を確保している。また特許文献7あるいは特許文献8では強度が800MPa以上の溶接金属に対して、溶接金属の酸素量およびAlと酸素の比率を制御することにより、溶接金属の靭性を確保して使用としている。
【0005】
【特許文献1】特開2004−43911公報
【特許文献2】特開平3−285770号公報
【特許文献3】特開平5−375号公報
【特許文献4】特開平7−256488号公報
【特許文献5】特開平9−262692号公報
【特許文献6】特開2004−154840公報
【特許文献7】特開平11−2678844号公報
【特許文献8】特開2000−96187公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献1においては溶接金属の低酸素化の効果については詳細に開示しているがその低酸素化の方法についてまでは開示していない。また、特許文献2では、母材の化学組成やワイヤの化学組成で溶接金属の組織を制御し靭性を向上させようとしているが、溶接金属のPcmが低く、すなわち低強度の溶接金属にしか適用できない。さらに、フラックスの具体的な処方までは開示されていない。これに対して、特許文献3、特許文献4、特許文献5あるいは特許文献6では具体的に低酸素化の実現方法としてフラックスの成分を検討しその方法を明らかにし、さらにワイヤの化学組成も検討し、靭性の向上手段を明らかにしていが、これらの溶接材料を使用する前提がSM490やX65相当の低強度の鋼材あるいは溶接金属である。
【0007】
一方、先に述べた様に近年では800MPa以上の高強度鋼の溶接構造物への適用の要望が高まっている。これらの鋼材に適用する800MPa以上の高強度溶接金属では強度を得るため合金元素が高く、そのため溶融金属の粘性などの物性が低強度の溶接金属とは変わる。そのため、特許文献3、特許文献4、特許文献5あるいは特許文献6で開示されている様な、低強度溶接金属への使用を前提とした組成の塩基度の高いフラックスを、この様な高強度溶接金属を作成する際に使用した場合、図1に示す様なビード頂部にスラグインが発生するという新たな問題が発生するようになってきた。頂部スラグインとは溶接ビートの余盛り頂上付近の溶接金属内に発生する直径0.1mmから2.0mm程度のスラグインである。これは溶接中に溶融した溶接金属中の溶融スラグが浮上しきれずに、溶接ビード頂部の溶接金属内部に残留したもので、欠陥として認識される。特許文献7では強度が800MPa以上の溶接金属に対して、Alと酸素の比率や用いるフラックスの塩基度を制御して溶接金属の靭性を確保しているが、用いるフラックスの成分にまでは検討を加えておらず、やはり頂部スラグインの問題が発生する。特許文献8でも溶接金属のAlと酸素量の比を制御することにより溶接金属の靭性は確保しようとしているが、酸素の制御方法にまでは言及していない。特に、市販のフラックスを使用しており頂部スラグインの問題が回避できていない。
【0008】
本発明者らは、この問題を解決するために頂部スラグインの生成傾向について検討した。その結果、頂部スラグインの発生傾向は主に、溶接金属の粘性、溶融スラグの粘性および溶融金属と溶融スラグの界面張力の影響を受けることが判明した。溶接金属の粘性は溶接金属の組成により変化する。また、溶融スラグの粘性はスラグの成分により変化する。溶融金属と溶融スラグとの界面張力も溶接金属の成分と、溶融スラグの成分より変化する。一方、溶接金属の成分は溶接金属の強度を得るために最適化されている。また、溶融スラグの成分は当然フラックスの成分により決まる。そこで発明者らは、溶接金属の強度とフラックスの成分とにより頂部スラグインの発生傾向が整理することを試みた。
【0009】
そのためにはフラックスの成分系を表す指標が必要である。フラックス成分の設計の重要な観点として酸素量の制御がある。フラックスと溶接金属中の酸素量の関係を示す指標としては塩基度があり、フラックスの成分系を決定する上で重要な指標である。そこで、頂部スラグインの発生傾向も塩基度を利用して整理することを試みた。
【0010】
その結果を、図2に示す。図2の横軸は、用いるフラックスの成分のうち、CaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2を用いて式(1)で計算される塩基度、縦軸はソリッドワイヤを用いて作成した溶接金属の引張強度である。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式(1)は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。例えば、特開昭60−191691号公報でも用いられていて、フラックスの塩基度として古くから用いられている式である。図2の作成に用いた溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表1に示す溶接条件を用いた。図2が示す様に、式(1)で計算される塩基度と溶接金属の強度により頂部スラグインの発生傾向が整理でき、頂部スラグインは溶接金属の強度が高くなるに従いより高い塩基度でも発生するようになる。800MPa以上の強度を持つ溶接金属では、式(1)で計算される塩基度が1.1以上でないと、頂部スラグインが発生することになる。
B=6.05N[CaO]+4.0N[MgO]+5.1N[CaF2]−0.2N[Al2O3]−6.3N[SiO2] (1)
ここで式(1)中の、N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、それぞれCaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を意味する。
【0011】
【表1】
【0012】
一方、強度が800MPa以上の高強度溶接金属の靭性を確保するためには、溶接金属中の酸素量の制御が重要である。強度が800MPa以上の溶接金属においては、発明者等の知見から質量%で酸素量が0.018%〜0.035%の範囲で安定した靭性が得られることが判っている。これは酸素量が0.018%未満では組織の微細化に必要な量の酸化物が形成されず靭性が得られない。また、0.035%超では粗大な酸化物が形成され、これが破壊の基点となり靭性が低下するためである。図3は用いるフラックスの成分のうち、CaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2を用いて式(1)で計算されるフラックスの塩基度と、そのフラックスを用いて作成した溶接金属中の酸素量の関係を示す。フラックスの成分のうち、CaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2を用いて、式(1)で求めた計算される塩基度を用いることにより、フラックスの成分と溶接金属中の酸素量は図3に示す様に良く整理することができる。図3の作成に用いた溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表1に示す溶接条件を用いた。ソリッドワイヤは一般的に0.01%以下の不可避の不純物程度しか含まれない。そのため、図3においては溶接金属中の酸素量はフラックスにより決まる。
【0013】
図3から、溶接金属中の酸素量を安定的に0.018%以上得るためには、式(1)で計算される塩基度はおよそ1.1未満である必要がある。しかし、図2から溶接金属の強度が800MPa以上では式(1)で計算される塩基度が1.1未満では頂部スラグインが発生し、溶接欠陥防止の観点から問題が生じる。
【0014】
この様に、高強度溶接金属においては溶接性と靭性の両立が困難になることが判明した。さらに、特許文献で指摘されている様にフラックスの組成は溶接性に対して重要な影響を及ぼし、良好な溶接性と靭性を両立させるフラックスを開発するためには多くの工夫とコストが必要となる。もし、フラックスの成分設計をビード形状やスラグイン等の欠陥防止する溶接性の観点のみで実施し、酸素制御は別の方法で行えるのであれば、サブマージアーク溶接の溶接材料設計を行う上で非常に有効な手段となり得る。
【0015】
本発明は、この様な観点から検討を加えられたものであり、下向き多電極サブマージアーク溶接により、ビード形状の良好で且つ靭性のすぐれた高強度溶接金属の作成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】
【0016】
本発明者らは上記の目的を達成するために、サブマージアーク溶接方法そのものに注目して酸素量の制御と溶接性を共に両立させる方法を検討した。その結果、用いる溶接ワイヤをメタルコアードワイヤに一部変更することにより、容易に溶接金属の酸素量を制御し、その結果良好な靭性を持つ溶接金属を得ることが出来ることを見いだし、本発明を完成した。
【0017】
すなわち本発明の要旨は、以下の通りである。
【0018】
(1)引張強度が800〜1200MPaの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数の電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が800〜1200MPaの溶接金属を形成する多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記複数の電極のうちの何れか1電極または2電極以上を、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量%でO:0.03%〜0.50%を含有するメタルコアードワイヤとし、残りの電極をソリッドワイヤとするとともに、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量%で、SiO2:5.0%〜20.0%未満、CaF2:30.0%〜50.0%、CaO:5.0%〜25.0%、MgO:1.0%〜5.0%、Al2O3:15.0%〜30.0%を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記(1)式で計算される塩基度Bの値が1.1〜3.2を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量%で、
C:0.03%〜0.12%、
Si:0.03%〜0.40%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.002%〜0.025%、
Al:0.002%〜0.030%、
O:0.018%〜0.035%を含有し、
Nb:0.04%以下に制限し、
さらに、Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜4.0%、および、Mo:0.1%〜2.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記(2)式で求められるPcmの値が0.22〜0.38を満足することを特徴とする、多電極サブマージアーク溶接方法。
B=6.05×N[CaO]+4.0×N[MgO]+5.1×N[CaF2]−0.2×N[Al2O3]−6.3×N[SiO2] ・・・(1)
Pcm=[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15 ・・・(2)
但し、
上記N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、それぞれCaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を示し、
[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Ni]、および、[Mo]は、それぞれC、Si、Mn、Cr、Ni、および、Moの質量%を示す。
【0019】
(2) 前記鋼材の成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.01%〜0.50%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.001%〜0.03%、
Al:0.001%〜0.04を含有し、
残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記(1)に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0020】
(3)前記鋼材の成分組成が、質量%で、さらに、Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜2.5%、Mo:0.1%〜2.0%、および、Nb:0.005%〜0.06%のうちの何れか1種または2種以上を含むことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0021】
(4)前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%、
Ti:0.002%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%を含有し、
さらに、Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%以下、
Ti:0.002%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%、
O:0.03%〜0.50%を含有し、
さらに、Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記(1)〜(3)の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0022】
(5)前記複数の電極のうち、第2電極以降の少なくとも1電極を前記メタルコアードワイヤとし、残りの電極を前記ソリッドワイヤとすることを特徴とする上記(1)〜(4)の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0023】
尚、本発明で言うソリッドワイヤとは通常のサブマージアーク溶接で使用される直径1.6mmから6.4mm程度の中実の合金鋼の線状の溶接材料で、これを溶かして溶接金属を形成するものである。同時にサブマージアーク溶接ではアークを発生する電極として用いている。
【0024】
また、本発明で言うメタルコアードワイヤとは外皮と呼ぶ中空の鋼管の中に金属粉末および合金粉末のいずれかあるいは両方を充填した後に、さらに必要に応じて伸線加工をさらに加えて所要の直径にして製造した線状の溶接材料である。金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填する時期は、鋼管の形状にした後であっても、鋼管の成形過程の途中に同時に金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填しても本発明の効果は同じで、何れの充填方法を含む方法で製造されたメタルコアードワイヤも、本発明で言うメタルコア−ドワイヤに含まれる。本発明では、このメタルコアードワイヤもソリッドワイヤと同様にサブマージアーク溶接で電極として使用し、且つ溶接金属を形成する目的で使用する。
【0025】
外皮は、機械的なかしめによりシーム部を接合したかしめ型と、継目の無いシームレス鋼管あるいは継目が溶接により接合されている溶接鋼管であるシームレス型とがある。本発明で言うシームレス型とは、継目が無い事あるいは、外皮である鋼管の縫目部において鋼管の外側と内側が気体あるいは水分に対して、冶金的に遮断されている事を意味する。そのため、一般にかしめ型と比較して耐吸湿性に優れている。湿度の高い場所での長期の保管に対しても吸湿しにくく、その結果、特に低温割れ感受性の高い高強度溶接金属用の溶接材料として適している。
【0026】
図4に、メタルコアードワイヤの断面の模式図を示す。図4(a)および図4(b)は外皮Aの縫目部が機械的なかしめ部Kを有するかしめ型の鋼管であるメタルコアードワイヤの断面の一例である。図4(c)は、外皮Bとして縫目の無い鋼管を使用したメタルコアードワイヤの模式図であり、図4(d)は外皮Bとして縫目部が溶接Wにより接合してある鋼管を使用したメタルコアードワイヤである。
【0027】
本発明では図4(a)および図4(b)の例に示される様な、外皮Aがかしめ型のメタルコアードワイヤをかしめ型メタルコアードワイヤと呼ぶ。また、図4(c)および図4(d)の例に示される様な、外皮Bがシームレス型のメタルコアードワイヤをシームレスメタルコアードワイヤと呼ぶ。さらに、かしめ型メタルコアードワイヤとシームレスメタルコアードワイヤとを総称してメタルコアードワイヤと呼ぶ。
【0028】
メタルコアードワイヤの外皮A又はBの素材は、成形性や伸線行程での加工性の観点から、一般には、C、Si、Mnおよび他はFeと不可避の不純物からなる軟鋼が使用され、溶接材料として必要な合金元素は内部に充填される金属粉末あるいは合金粉末から添加される。しかし、合金元素の多いメタルコアードワイヤでは必要に応じては外皮からも合金成分を添加することもある。外皮の酸素量は一般的に0.01%以下の不可避の不純物程度しか含まれない。
【0029】
メタルコアードワイヤの中に入れる金属粉末および合金粉末Cとは、具体的にはFe、Ni、Cr、MoおよびTi等の純金属粉末あるいはこれらを含む合金粉末であり、必要に応じて取捨選択さる。これらの粉末を適宜選択して使用する。金属粉末の中で、特にFeは他の金属粉末や合金粉末と異なり表面に酸素を吸着しやすく、また粉末の表面は酸化し微量の酸化鉄も形成し易く、本発明においては酸素を供給する粉末として重要な役割を果たす。また、必要に応じてメタルコアードワイヤの製造性を改善するために、金属粉末以外に水ガラス等の製造助剤や、溶接性をさらに改善するための酸化物、フッ化物等のアーク安定剤を添加するが、このことは本発明の効果に影響しない。また、これらの成分はメタルコアードワイヤの成分としては不可避の不純物として含まれる。元素としてはNaあるいはCa等が挙げられる。
【0030】
メタルコアードワイヤの合金元素の平均組成は、外皮の化学組成、金属粉末の平均組成、および製造設備や製造行程で決まるメタルコアードワイヤの外皮と金属粉末の質量比が決まれば式(3)で決定される。
M(CW)=M(g)×a(g)+M(p)×a(p) (3)
但し、
M(CW):メタルコアードワイヤの元素Mの平均の質量%、
M(g) :外皮の元素Mの質量%、
a(g) :金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する外皮の単位長さの質量の比、
M(p) :金属粉末中の元素Mの平均質量(%)、
a(p) :金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する金属粉末の単位長さの質量の比、
a(g)+a(p)=1
【発明の効果】
【0031】
本発明のサブマージアーク溶接方法によれば、電極として用いるソリッドワイヤ以外にメタルコアードワイヤを使用することで、溶接金属の酸素量を容易に制御でき、頂部スラグインを生じさせることなく良好なビード形状の溶接ができる。その結果、溶接性が良好で、かつ靭性に優れた高強度溶接金属を得ることができるという顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
本発明は引張強度が800MPa〜1200MPaの溶接金属に適用することを前提としている。それは、800MPa未満の強度の溶接金属では、溶接金属の合金量が少なく従来技術でも靭性が良好でかつビード形状も良好な溶接部が得られるためである。また、1200MPa超の溶接金属では組織がマルテンサイト組織となり、靭性確保が本発明の技術のみでは困難になる。
【0033】
溶接方法は、下向き多電極サブマージアーク溶接を用いる。これは本発明がソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの複数の種類のワイヤを用いるための必須の前提条件である。電極の数は2電極以上であれば特に指定はないが、通常2電極から5電極までが望ましい。
【0034】
ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの組み合わせは、多電極サブマージアーク溶接の複数の電極の内、少なくとも1電極以上をメタルコアードワイヤで残りの電極がソリッドワイヤとした。この理由について次に述べる。
【0035】
先に述べた様にサブマージアーク溶接金属において、良好な靭性を得るためには溶接金属中の酸素量の制御が重要である。引張強度が800MPa〜1200MPaの溶接金属では、溶接金属の酸素量は質量%で0.018%〜0.035%の範囲であることが必要であるが、図2および図3が示す様にフラックスで酸素量を範囲に制御すると頂部スラグインが発生する。そのため、本発明ではフラックス以外の方法で、溶接金属中の酸素量を増加する。
【0036】
本発明では安定して溶接金属の酸素量を質量%で0.018%〜0.035%の範囲にするために、メタルコアードワイヤを用いて酸素量を増加する。メタルコアードワイヤから供給する酸素量は、メタルコアードワイヤの酸素量、メタルコアードワイヤを使用する電極の数、および各電極での電流配分より調整することができる。尚、ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に0.01%以下の不可避の不純物程度であるため、ソリッドワイヤを使用する限りワイヤから酸素を供給することはできない。
【0037】
具体的には、酸素量の多いメタルコアードワイヤを使用すれば溶接金属に供給される酸素量は多くなる。
【0038】
図5に、3電極サブマージアーク溶接の電極にメタルコアードワイヤを1本以上使用した場合の、フラックスの式(1)で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す。図5の作成に用いた溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、電極にソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤを用いた溶接した。溶接条件は表1に示す条件を用いた。図5の横軸は式(1)で計算されるフラックスの塩基度、縦軸に溶接金属中の酸素量を示す。図中○は、図3で示した3電極すべてをソリッドワイヤで溶接した場合の結果である。図中●、■および◆は各メタルコアードワイヤを1本、2本および3本使用して溶接した場合の結果である。図5が示す様に、メタルコアードワイヤを少なくとも1本使用することにより、メタルコアードワイヤから溶接金属に酸素が供給されるため、同じ式(1)で計算される塩基度のフラックスを使用しても、溶接金属中の酸素量を増加させることができる。
【0039】
メタルコアードワイヤの酸素は、主に金属粉末に含まれるFe粉末の表面に吸着している酸素あるいは表面に生成している酸化鉄が供給源となる。外皮はソリッドワイヤと同じく、不可避の不純物程度しか酸素は含有していないため、酸素の供給源とはならない。また、金属粉末と皮材の質量比率を変えることにより、メタルコアードワイヤの酸素量を変えることもできる。
【0040】
また、メタルコアードワイヤを用いる電極の数を増加しても容易に可能である。
【0041】
さらに、溶接金属の化学組成に対する各電極のワイヤの成分の寄与の程度は、各電極の電流配分で制御できる。したがって、メタルコアードワイヤを用いている電極の電流を高くすることによりこのメタルコアードワイヤの寄与率が高くなり溶接金属に供給される酸素量は増加することができる。微減も同様で電流値を調整することで可能である。各電極に供給する溶接電流の配分は特に規定しないが、バランスの関係から各電極の溶接電流のうち、もっとも小さい電量値はもっとも大きい電流値の25%以上であることが望ましい。
【0042】
次に、フラックスのSiO2量の限定理由について述べる。
【0043】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちSiO2の比率が質量%で、5.0%〜20.0%未満、と限定した。図6は横軸にフラックス中SiO2量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のSiO2量の影響を示したものである。溶接は3電極サブマージアーク溶接を用い、溶接ワイヤは全てソリッドワイヤを用いた。溶接条件は表1に示す溶接条件を用いた。また、図6で使用したフラックスのうちSiO2が15.5%〜31.0%の範囲フラックスは式(1)で計算される塩基度が1.1〜1.9で本発明の範囲である。また、SiO2が34.5%以上のフラックスは式(1)で計算される塩基度が−0.4〜0.8で本発明の範囲外である。
【0044】
溶接金属の引張強度が800MPa以上ではSiO2量がおよそ20.0%以上で頂部スラグインが発生している。これは、SiO2が過剰に添加されると溶融したスラグがよりガラス質となり、溶接金属中から浮上しにくくなり、溶接ビードの頂部に残留しやすくなるためである。また、SiO2は溶融スラグの軟化溶融温度を高くする為、スラグの粘性も高める。そのため、上限を20.0%未満とした。下限は本発明の効果からは特に限定しないが、SiO2はガラス成分であるので少ないとフラックスが結晶質となり吸湿しやすくなり、特に高強度では耐低温割れ性を阻害するため5.0%以上とした。
【0045】
次にフラックスのCaF2量の限定理由について述べる。
【0046】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちCaF2の比率が質量%で、30.0%〜50.0%とした。図7は横軸にフラックス中CaF2量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のCaF2量の影響を示したものである。図7で使用したフラックスではすべて式(1)で計算される塩基度が1.1〜3.2である。
【0047】
溶接金属の引張強度が800MPa以上ではCaF2量がおよそ30%未満で頂部スラグインが発生している。これは、CaF2は溶融スラグの軟化溶融温度を下げて粘性を低くする効果があるが、30%未満ではその効果が得られないためである。そのため、下限を30.0%とした。上限は本発明の効果のためには限定しなくても良いが、CaF2量が過剰になるとアークの安定性が損なわれるため、50.0%以下に限定した。
【0048】
次にフラックスのCaOの限定理由について述べる。
【0049】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちCaOの比率が質量%で5.0%〜25.0%とした。CaOは式(1)で計算される塩基度の調整に添加されるが5.0%以下では(1)で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、5.0%以上必要である。また、CaOは溶接金属の溶接ビード形状に影響をおよぼし、5.0%未満では、軟化溶融温度が高くなり溶融ガスの放散の阻害によるあばたの発生等の溶接ビード表面の外観不良につながる。一方、過剰では溶接ビードの余盛りが高くなりビード形状を悪くする。またスラグの剥離性も低下する。そのため上限を25%とした。
【0050】
次にフラックスのMgOの限定理由について述べる。
【0051】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちMgOの比率が質量%で1.0%〜5.0%とした。MgOは塩基度の調整のために添加する。1%未満では、塩基度が小さくなりすぎるため、1.0%以上は必要である。5.0%超ではビード形状が凸ビードとなり、アンダーカットが発生する。そのため、上限は5%とした。
【0052】
次にフラックスのAl2O3の限定理由について述べる。
【0053】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちAl2O3の比率が質量%で15.0%〜30.0%とした。
【0054】
Al2O3も塩基度の調整のために添加する。15.0%未満では塩基度が高くなりすぎるため15%以上は必要となる。一方、30%超添加すると塩基度が小さくなりすぎるため、上限を15.0%とした。また、Al2O3は溶接作業性に対しても影響を与え、過剰ではアンダーカットや馬の背状の突起が溶接ビード頂部に生成するため、上限を30.0%とした。
【0055】
次に、フラックスの式(1)で計算される塩基度の限定理由について述べる。
【0056】
使用するフラックスを構成する成分のうちCaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2のモル分率を用いて式(1)で計算されるフラックスの塩基度が1.1〜3.2に限定した。
【0057】
用いる高塩基性フラックスの構成成分としては、SiO2およびCaF2以外にAl2O3、MgO、CaO、LiO2、TiO2、FeO等の酸化物、あるいはCaCO3等がスラグの生成、塩基度の調整、溶接ビード形状を整える効果等の目的で使用される。SiO2およびCaF2以外の成分は、担体の質量比では頂部スラグインの生成には影響をおよぼさないが、これらの成分の内、SiO2、CaF2、CaO、MgOおよびAl2O3の配合比によりスラグインが発生しやすくなる。具体的には、溶接金属の引張強度が800MPa以上の場合は、SiO2量やCaF2量が適正な範囲でも、モル分率を使用して式(1)で計算される塩基度が1.1未満では図2が示す様に頂部スラグインが発生する。そのため下限を1.1とした。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式(1)は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。
【0058】
式(1)で計算される塩基度の上限は本発明の効果からは特に限定は無いが、塩基度が高くなるに従いフラックスがより結晶質になるため、フラックスの表面積が多くなり吸着水が多くなる結果、溶接金属中の水素が増加し割れ等の欠陥が発生する頻度が高くなる。そのためフラックスの乾燥や乾燥した後の保管方法で対策が必要でありコスト的に不利になる。そのため上限を3.2とした。
B=6.05N[CaO]+4.0N[MgO]+5.1N[CaF2]−0.2N[Al2O3]−6.3N[SiO2] ・・・・・(1)
ここで、N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、CaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を意味する。
【0059】
次に、溶接金属の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接においては溶接金属の特性はその化学組成で決まるため、成分範囲は重要である。
【0060】
C:0.03%〜0.12%
Cは、溶接金属の焼き入れ性を確保し、強度と靭性を得るために重要な元素である。0.03%未満では強度が得られない。一方、0.12%を超えると強度が過剰となる。また、炭化物が形成し靭性が低下する。そのため、0.12%以下とした。
【0061】
Si:0.03%〜0.40%
Siは脱酸元素として必要であり、0.03%以上は必要である。一方、0.40%を超えて添加するとSiが過剰となり、過剰Siは溶接金属中に固溶し靭性を低下する。そのため、上限を0.40%とした。
【0062】
Mn:0.5%〜3.0%
Mnは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るために0.5%以上必要である。一方、3.0%を超えると強度が過剰となり靭性が低下するため、上限を3.0%とした。
【0063】
Ti:0.002%〜0.025%
Tiは溶接金属の組織を微細化するのに最低限0.002%以上は必要である。しかし、0.025%を越えると、固溶Tiが増加し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を0.025%とした。
【0064】
Al:0.002%〜0.030%
Alは、母材、ワイヤおよびフラックスから移行してくるため溶接金属中には不純物として存在する。しかし、0.030%を超えると粗大な酸化物が形成し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を0.030%とした。下限は本発明の効果からは特に限定する必要がないが、母材やフラックスかの不可避の不純物として0.002%以上は含まれる。
【0065】
Nb:0.04%以下
Nbは溶接材料には不可避の不純物程度にしか含まれない。しかし、母材にはNbを添加する場合もあるため、母材から溶接金属に供給される。しかし、過剰に溶接金属に含有すると炭化物を形成し靭性が低下する原因となる。そのため、上限を0.04%とした。
【0066】
O:0.018%〜0.035%
Oは溶接金属の靭性を確保するために重要な元素である。0.018%未満では、組織を微細化して靭性を向上させるのに必要な酸化物を形成することができない。そのため0.018%以上は必要である。しかし、0.035%を超えると、粗大な酸化物を形成するようになり、溶接金属の靭性は低下する。そのため、上限を0.035%とした。
【0067】
Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜4.0%、および、Mo:0.1%〜2.0%のうちの何れか1種または2種以上を含む:
Cr、NiおよびMoは溶接金属の強度を向上させる元素であるため添加する。しかし、過剰添加は靭性あるいは溶接性を低下させるため上限をきめた。
Crは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには0.1%以上必要である。しかし、1.5%を超えると、過剰のCrは溶接金属の靭性を低下させる。そのため、上限を1.5%とした。
【0068】
Niは、溶接金属の強度と靭性を向上させるために添加する。この効果を得るためには0.1%以上必要である。しかし、4.0%を超えると、溶接時の高温割れが発生する危険性が高くなる。そのため上限を4.0%とした。
【0069】
Moは焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには0.1%以上必要である。しかし、2.0%を超えると、過剰のMoは溶接金属の強度を過剰に高め、靭性を低下させる。そのため、上限を2.0%とした。
【0070】
次に溶接金属の化学組成を用いて式(2)で計算されるPcmの値を0.22〜0.38とした。0.22未満では溶接金属の強度が800MPa未満となるため、下限を0.22とした。また、0.38を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎるため、上限を0.38とした。
【0071】
次に請求項2および請求項3に記載の母材の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接では母材の希釈率が高いため、サブマージアーク溶接の溶接金属の化学組成は母材の化学組成と溶接材料の化学組成との両方の影響を受ける。溶接金属の強度や靭性はその化学組成によりほぼ決定される。そのため、母材の化学組成を規定することにより容易に適切な化学組成の溶接金属を得ることができる。また、用いる母材の化学組成を限定することにより母材の特性を向上するとができ、より良好な溶接継手を得ることができる。
【0072】
C:0.03%〜0.15%
Cは焼き入れ性を高め、組織を微細化するために重要名元素であり。母材の強度を確保するためには0.03%以上必要である。また、溶接金属に安定してCを供給するために、0.03%以上必要である。一方、0.15%を越えて添加するとCが過剰となる。そのため、母材の溶接熱影響部の硬化が著しく、靭性に悪影響を及ぼす。そのため上限を0.15%とした。
【0073】
Si:0.01%〜0.50%
Siは母材の製造時に脱酸元素として必要であり、その効果を得るために0.005%以上必要である。一方、0.50%を超えて添加すると母材の靭性が低下する。また、溶接金属への移行するSi量が過剰となり溶接金属の靭性も低下させる危険性があるため、上限を0.5%とした。
【0074】
Mn:0.5%〜3.0%
Mnは母材の焼き入れ性を高め強度を得るために必要な元素で、少なくとも0.5%以上必要である。一方、3.0%を超えて添加すると強度が高くなりすぎ靭性を低下させる。また、偏析が大きくなり、鋼材の組織も不均一にする。そのため、上限を3.0%とした。
【0075】
Ti:0.001%〜0.02%
Tiは、微量添加により母材の強度を向上させ靭性も改善するため、0.001%以上必要である。しかし、過剰のTiは母材強度を過剰にする。そのため上限を0.02%とした。
【0076】
Al:0.001%〜0.04%
Alは脱酸元素として母材に必要で、0.001%以上添加される必要がある。しかし、0.04%を超えて添加すると粗大な酸化物を形成して母材の靭性は低下すため、上限を0.04%とした。
【0077】
さらに、母材の強度と靭性をバランス良く得るために以下の元素を添加することが有効である。
【0078】
Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜2.5%、Mo:0.1%〜2.0%、Nb:0.005%〜0.05%の何れか1種又は2種以上を含む:
Cr、Ni、Mo、Nbは何れも母材の強度を向上させるために何れかを1種あるいは2種以上添加するが、過剰添加により、母材の靭性を低下させるため、上限を決めた。
【0079】
Crは焼き入れ性を高めて、強度を確保するため添加する。この効果を得るためには、0.1%以上必要である。しかし、1.5%を超えて添加すると母材の靭性を低下させる。そのため、上限を1.5%とした。
【0080】
Niは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、0.1%以上は必要である。しかし、2.5%を超えて添加すると溶接金属に移行するNiが過剰となり溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので上限を2.5%とした。
【0081】
Moは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、0.1%以上必要である。しかし、2.0%を超えて添加すると母材の強度が過剰となり母材の靭性が低下する。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので、上限を2.0%とした。
【0082】
Nbは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、0.005%以上必要である。しかし、0.06%を超えて添加すると強度が過剰となり靭性が低下する危険性が高くなるため、上限を0.06%とした。
【0083】
次に、請求項4に記載の用いるソリッドワイヤの化学組成およびメタルコアードワイヤの平均の化学組成の限定理由について説明する。溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料により決定される。そのため、溶接に用いるソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成を規定することにより、容易に溶接金属の組成を設計することができる。酸素量以外はソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとは化学組成の範囲は同じである。酸素量はメタルコアードワイヤのみ限定する。
【0084】
C:0.03%〜0.15%
Cは焼き入れ性を高めて、溶接金属の強度を確保するために重要な元素である。溶接金属に必要なC量を供給するために、0.03%以上必要である。しかし、0.15%を超えて添加すると溶接金属のC量が過剰となり強度が高くなり靭性が低下する。またソリッドワイヤも硬くなるため、製造性が阻害される。そのため、上限を0.15%とした。
【0085】
Si:0.02%〜0.80%
Siは溶融した溶接金属の粘性を高める元素であり、作業性の観点から0.02%以上は必要である。しかし。0.80%を超えて添加すると溶接金属中のSi量が過剰となり靭性が低下するため、上限を0.80%とした。
【0086】
Mn:0.2%〜4.0%
MnもCと同様、溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために添加する元素である。そのため、0.2%以上は必要である。しかし、4.0%を超えて添加すると、溶接金属中のMn量が過剰となり靭性が低下するため、上限を4.0%とした。
【0087】
Ti:0.002〜0.10%
Tiは酸素と結合して酸化物を形成して、溶接金属の組織の微細化に役立つ重要な元素である。0.002%未満ではワイヤからの添加量が足らず、その効果が得られないため、溶接金属の靭性が低下する。そのため、0.002%以上は必要である。しかし。0.10%を超えてワイヤに添加すると、酸化物を形成するに必要なTi以上が溶接金属に供給されるため固溶したTiが溶接金属中に増加し、溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を0.10%とした。
【0088】
Al:0.001%〜0.02%
Alは溶接金属の靭性に対して酸化物を形成して低下させる。当然ワイヤからも溶接金属に移行するため、上限を定めた。0.02%を超えてワイヤに含まれると、溶接金属のAl量が過剰となり靭性が低下する。下限は特に溶接金属の靭性の観点からは必要ないが通常0.001%以上は不可避の不純物として含まれる。
【0089】
Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%の何れか1種又は2種以上を含む:
Cr、Ni、Moは溶接金属の強度を確保するために1種または2種以上添加する。そのため、母材から供給される量の不足分は溶接材料から供給される。
【0090】
Crは溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために必要に応じてワイヤに添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには0.25%以上必要である。しかし、過剰のCrは靭性を低下させる。3.0%を超えて添加すると溶接金属中のCrが過剰となり溶接金属の靭性が低下する。そのため、3.0%以下とした。
【0091】
NiもCrと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには0.25%以上必要である。しかし、8.0%を超えてNiを添加すると、溶接金属中のNi量が過剰となり、高温割れを引き起こす。そのため、上限を8.0%とした。
【0092】
MoもNiおよびCrと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには0.25%以上必要である。しかし、4.0%を超えてMoを添加すると、溶接金属の強度が過剰となり靭性が低下する。そのため、上限を4.0%とした。
【0093】
次にメタルコアードワイヤの酸素量の限定理由について述べる。
【0094】
O:0.03%〜0.50%
メタルコアードワイヤの酸素量を質量%で0.03%〜0.50%に限定した。本発明では、メタルコアードワイヤから酸素を溶接金属に添加するのが目的である。そのため、メタルコアードワイヤの酸素量を規定する。0.03%未満では酸素量が少なく、溶接金属中に十分な酸素量が供給されない。そのため0.03%以上は必要である。一方、0.50%を超えると、酸素量が過剰となった結果、ガス成分が多くなりブローホール等の欠陥が生じ易くなる。そのため上限を0.50%以下とした。好ましくは0.20〜0.50%である。また、0.50%以下の酸素量のメタルコアードワイヤであれば、式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲のフラックスを用いている限り、溶接金属は酸素過剰にはならない。
【0095】
次に、請求項5について説明する。請求項5に記載されているように、1電極目にソリッドワイヤを使用することにより深い溶け込み形状を得ることができる。メタルコアードワイヤでは溶接アークが外皮から主に発生するため、図8(a)の模式図に示すように溶け込みWbが浅くなりまた幅の広い断面形状になるが、1電極目にソリッドワイヤを使用することにより図8(b)の模式図に示すように溶け込みWbを深くすることができる。溶接熱影響部の領域を小さくするため、近年、高強度鋼の溶接において、溶接入熱の小入熱化の方向にあるが、溶接入熱を小さくすると溶け込みが浅くなり、溶け込み不足等の溶接欠陥の発生する可能性が高くなる。そのため、溶け込みがより深くなる溶接方法は有益である。
【実施例1】
【0096】
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【0097】
実施例に用いた溶接方法は、主に3電極のサブマージアーク溶接を使用し、一部に4電極および5電極のサブマージアーク溶接を用いた。表2に実施例で用いた溶接条件を示す。条件1は基本条件であり、条件2は条件1の電流および電圧の配分を変えた条件である。条件3は4電極条件である。条件4は5電極条件である。開先形状は、図9に示すV開先を用いた。開先角度は80度で開先深さdは表3に示す様に入熱に応じた開先深さを用いた。この開先に、表2に示した溶接条件で1層溶接を行った。
【0098】
表4に実施例で用いたソリッドワイヤを示す。ソリッドワイヤは化学組成が異なるものを16種類用いた。このうち、ワイヤS1からワイヤS11までは、請求項3に記載された成分範囲を持つソリッドワイヤである。
【0099】
表5に実施例で用いたメタルコアードワイヤを示す。メタルコアードワイヤは化学組成の異なるメタルコアードワイヤを20種類準備した。強度レベルが1000MPa未満のワイヤはかしめ型メタルコアードワイヤ、1000MPa以上はシームレスメタルコアードワイヤを用いた。ワイヤC1からワイヤC13までは本発明の請求項3に記載された成文範囲を持つメタルコアードワイヤである。C12は、使用する直前まで開封せず、表面への酸素吸着を防いだ状態で保管した鉄粉を使用したため酸素量の少ないCWになっている。また、C13は鉄粉量を多くしているため、CW中の酸素量が高い。ワイヤの直径はすべて4.0mmである。
【0100】
表6に実施例に用いたフラックの組成を示す。なお、残部はバインダー(水ガラス)等である。フラックスはメルトタイプのフラックスを用いた。フラックスaからスラックスgまではCaF2量、SiO2量および式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲内である。一方、フラックスhからフラックスkは式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲外である。また、スラックスhは式(1)で計算される塩基度とともにCaF2量も発明の範囲以上である。フラックスjは式(1)で計算される塩基度とともにSiO2量が本発明の範囲外である。フラックスkは式(1)で計算される塩基度とともにCaF2量、SiO2量も本発明の範囲外である。一方、フラックスlからフラックスnまでは式(1)で計算される塩基度は本発明の範囲であるが、CaF2およびSiO2のいずれか一方、あるいは両方の含有量が本発明の範囲外である。これらのフラックスは何れも、使用前に250℃で1時間乾燥した後に使用した。一部のフラックスは乾燥後の吸湿を防ぐため、使用直前まで容器に密閉して保管した。
【0101】
表7に実施例で用いた母材を示す。母材は板厚20mm、長さ1000mm、幅150mmの寸法で、強度が850MPa、950MPaおよび1000MPa級の鋼板を用いた。母材Bは請求項2の範囲の成分の母材である。母材Cから母材Lまでは本発明の請求項3の範囲の成分を満足する母材である。これらの鋼板に、図9に示した片面V開先を1000mm長さの方向に全長にわたり加工し溶接に供した。
【0102】
これらの、化学組成の異なる母材、化学組成の異なるソリッドワイヤおよび化学組成の異なるメタルコアードワイヤを組み合わせることにより溶接金属の化学成分を調整することにより、溶接金属の強度を調整した。
【0103】
評価は、頂部スラグインの発生の有無、頂部スラグイン以外の内部欠陥の有無、ビード形状、とけ込み深さ、組織観察、溶接金属引張強度および−30℃の溶接金属吸収エネルギーで評価した。ビード形状は、作成した溶接ビードの目視外観で評価した。頂部スラグインの発生の有無は、先ず溶接ままで全長にわたり放射線透過試験を行い、欠陥の調査をした。その後、溶接ビードの有る面とは逆側の裏面から15mm減厚して頂部スラグイン以外の欠陥を除去した後、再度放射線透過試験を行い、頂部スラグインの有無を判断した。この際、頂部スラグイン以外の割れ等の内部欠陥も2回の放射線透過試験で評価を行った。とけ込み深さおよび組織の健全性は、1本の溶接継手よりスタート側、ビード長さの1/2の位置およびクレータ側の3カ所から各溶接条件で3個づつ組織観察用試験片を採取し測定調査した。引張試験のための引張試験片は、図10に示す様に表面から5mmの位置の溶接金属中央部から、丸棒型のJISA2号引張試験片Tsを引張試験片の平行部が溶接線と平行になるように採取した。衝撃試験のための試験片は図11に示す様に、表層から6mmの位置よりノッチ方向が溶接線方向になるように2mmVシャルピー衝撃試験片Tpを採取して測定した。溶接継手は、放射線透過試験用と、それ以外の評価用に各々の条件につき2体づつ作成した。
【0104】
表8および表9に実施例を示す。表8は発明例、表9は比較例である。
【0105】
先ず表8の発明例について説明する。発明例ではいずれの場合も、少なくとも1電極がメタルコアードワイヤを使用しているため、メタルコアードワイヤより酸素が溶接金属に供給され溶接金属の酸素量が適正値の範囲に入っている。その結果、溶接金属の靭性は良好である。また、用いているフラックスの式(1)で計算される塩基度および成分が本発明の範囲のものを使用しているため、頂部スラグインは発生していない。また、発明例10から発明例12および発明例35から発明例46までは第1電極にはソリッドワイヤを使用しているため、第1電極にソリッドワイヤを使用していない場合と比較して、とけ込み深さが約2mm深くなっている。
【0106】
発明例33および発明例45は4電極サブマージアーク溶接の発明例、発明例34および発明例46は5電極サブマージアーク溶接の場合の発明例であるが、3電極サブマージアーク溶接の実施例と同様の効果が得られ、溶接金属の酸素量は適当な範囲であり良好な靭性が得られており、頂部スラグインも発生していない。
【0107】
発明例25は発明例24と同じ母材、フラックスおよびワイヤの組み合わせであるが溶接条件が異なる発明例である。同じく発明例38は発明例36と同じ母材、フラックスおよびワイヤの組み合わせであるが溶接条件が異なる発明例である。いずれも、溶接条件を変えることにより溶接金属中の酸素量を変化させることができている。しかし、溶接金属の酸素量は適正な範囲に入り、またフラックスの成分および式(1)で計算される塩基度も適正なため、良好な靭性が得られており、頂部スラグインも発生していない。
【0108】
発明例30、発明例33および発明例34は酸素量の多いメタルコアードワイヤC13を使用している発明例であるが、それに伴い溶接金属中の酸素量はワイヤ中の酸素量のみ異なるC9を使用した発明例29、発明例45および発明例46と比較して増加している。酸素量はFe粉末の量を増加させてある。また、発明例43は酸素量の少ないメタルコアードワイヤC12を使用した例で、ワイヤ中の酸素量のみ異なるC9を使用した発明例42と比較して溶接金属中の酸素量は低い。C12は使用直前まで原料のFe粉を開封せずに酸素の吸着を防止した原料を使用し、メタルコアードワイヤの酸素量を低減した。この様に、メタルコアードワイヤの酸素量を変化させることでも、溶接金属中の酸素量を変化させることができる。
【0109】
次に表9に示す比較例について説明する。比較例1から比較例10まではすべての電極にソリッドワイヤを使用し、式(1)で計算される塩基度が1.1以上のフラックスを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。溶接金属の強度は、溶接金属の化学組成およびPcmが本発明の範囲に入っているため800MPa以上である。また、式(1)で計算されるフラックスの塩基度は本発明の範囲内のため、頂部スラグインは発生していない。しかし、全てソリッドワイヤを使用しているため溶接金属中の酸素量が不足し、靭性が低い。比較例11から比較例15は、すべての電極にソリッドワイヤを使用し、式(1)で計算される塩基度が1.1未満のフラックスiあるいはフラックスjを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。溶接金属中の酸素量は適切であるため靭性は良好であるが、頂部スラグインが発生している。
【0110】
比較例16および比較例17は、さらに式(1)で計算される塩基度が低いフラックスkを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲以下であり、さらにフラックス中のSiO2量が本発明の範囲を超えて添加されているため、頂部スラグインが発生している。また、溶接金属中の酸素量が過剰のため靭性も低下している。
【0111】
比較例18は発明例1と同じ第1電極にメタルコアードワイヤ、第2電極と第3電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、用いたフラックスlのCaF2量が過剰のため、アークが乱れて溶接中にアーク吹きが発生し溶接ビードが蛇行している。また、フラックスlのSiO2量が少ないため、フラックスを乾燥後、溶接直前までフラックスの吸湿を防ぐため容器に密閉した。
【0112】
比較例19は発明例6と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤ、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、フラックスmのCaF2量が少ないため、頂部スラグインが発生している。
【0113】
比較例20は発明例7と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤ、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、フラックスnのSiO2量が本発明の範囲を超えているため、頂部スラグインが発生している。
【0114】
比較例21は発明例29と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤを使用し、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲以上である。そのため、酸素過剰となり、溶接性が低下している。また、ガス成分が過剰でビード表面にピットと呼ばれる穴が発生している。
【0115】
比較例22は発明例7と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤを使用し、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲以下である。そのため、溶接金属中の酸素の増加が不十分で、溶接金属の靭性が低い。
【0116】
比較例23はCaF2量が過剰のフラックスhを使用しているため、溶接中にアークが安定せずアーク吹きが発生し、溶接ビードが蛇行している。また、フラックスhの式(1)で計算される塩基度が3.2超でフラックスの表面が結晶質で水分の吸着しやすいため、乾燥後フラックスを使用するまで再度容器に密閉し吸湿しないようにする特段の注意を要した。
【0117】
比較例24から比較例38までは、溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、何れかの1電極以上にメタルコアードワイヤを使用している。そのため、溶接金属中の酸素量は0.018%から0.035%の範囲に入っている。また、フラックスも本発明のフラックスを使用し、その式(1)で計算される塩基度も本発明の範囲のため頂部スラグインも発生していない。しかし溶接金属の化学組成が本発明の範囲からはずれているため、溶接金属の強度不足、溶接金属の強度過剰か、溶接金属の靭性が低いあるいは微細な高温割れが溶接時に発生する等の問題が発生した。
【0118】
【表2】
【0119】
【表3】
【0120】
【表4】
【0121】
【表5】
【0122】
【表6】
【0123】
【表7】
【0124】
【表8】
【0125】
【表9】
【産業上の利用可能性】
【0126】
以上の様に、本発明を用いることにより容易に靭性の優れた頂部スラグインの無い多電極サブマージ溶接部を得ることができ、産業上貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【0127】
【図1】頂部スラグインの模式図である。
【図2】式(1)で計算される塩基度と頂部スラグインの発生傾向の関係を示す図である。
【図3】式(1)で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す図である。
【図4】メタルコアードワイヤの断面図である。
【図5】メタルコアードワイヤを使用した場合の溶接金属中の酸素量を示す図である。
【図6】フラックス中のSiO2量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図7】フラックス中のCaF2量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図8】溶け込み形状の模式図である。
【図9】実施例に用いた開先形状を示す図である。
【図10】引張試験片採取要領を示す図である。
【図11】衝撃試験片採取要領を示す図である。
【符号の説明】
【0128】
S:頂部スラグイン
A:かしめ型メタルコアードワイヤの外皮
B:シームレスメタルコアードワイヤの外皮
C:金属粉末あるいは合金粉末
W:シームレスメタルコアードワイヤの外皮の溶接部
K:かしめ型メタルコアードワイヤのかしめ部
d:開先深さ
Wb:溶け込み
Ts:引張り試験片
Tp:シャルピー試験片
【技術分野】
【0001】
本発明は、高強度ラインパイプあるいは高強度水圧鉄管等の溶接において、強度と靭性が要求される溶接金属を作成する際に使用する下向き多電極サブマージアーク溶接方法に関する技術である。
【背景技術】
【0002】
下向き多電極サブマージアーク溶接は、複数の電極を用いて1つの溶融池を作成する溶接方法で、高速でかつ大溶着量で溶接できるため鋼管や大型構造物の溶接等に多く使用されているサブマージアーク溶接方法である。
【0003】
このサブマージアーク溶接の溶接金属に要求される特性の一つに靭性がある。溶接金属の靭性は溶接金属中の酸素量を最適化することで向上できることは、多くの研究成果から言われている点で、これに基づき溶接材料の開発が進められている。近年溶接構造物の大型化や、施工コスト低減を目的に用いる鋼材は高強度化が進み、これに伴い用いる溶接金属も高強度化が進んでいる。しかし、溶接金属では強度が高くなれば一般に靭性が低下する傾向にあるため、高強度鋼になるにほど、溶接金属の靭性を確保するために酸素量の制御方法はより重要となる。
【0004】
従来、サブマージアーク溶接金属の酸素量は使用するフラックスの組成を調整し制御していた。例えば、特許文献1ではUO鋼管でX100クラスの高強度鋼に対して溶接金属のTiおよび酸素を低減することにより、低温靭性を確保している。また、特許文献2では、母材や溶接金属の化学組成を限定して、フラックスを使用することにより溶接金属の靭性を向上させようとしている。さらに、特許文献3、特許文献4、特許文献5あるいは特許文献6では、具体的に酸素を低減する手段としてフラックスの組成を最適化することにより、溶接金属の酸素量を低減し、且つビード形状等の溶接性を確保している。また特許文献7あるいは特許文献8では強度が800MPa以上の溶接金属に対して、溶接金属の酸素量およびAlと酸素の比率を制御することにより、溶接金属の靭性を確保して使用としている。
【0005】
【特許文献1】特開2004−43911公報
【特許文献2】特開平3−285770号公報
【特許文献3】特開平5−375号公報
【特許文献4】特開平7−256488号公報
【特許文献5】特開平9−262692号公報
【特許文献6】特開2004−154840公報
【特許文献7】特開平11−2678844号公報
【特許文献8】特開2000−96187公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献1においては溶接金属の低酸素化の効果については詳細に開示しているがその低酸素化の方法についてまでは開示していない。また、特許文献2では、母材の化学組成やワイヤの化学組成で溶接金属の組織を制御し靭性を向上させようとしているが、溶接金属のPcmが低く、すなわち低強度の溶接金属にしか適用できない。さらに、フラックスの具体的な処方までは開示されていない。これに対して、特許文献3、特許文献4、特許文献5あるいは特許文献6では具体的に低酸素化の実現方法としてフラックスの成分を検討しその方法を明らかにし、さらにワイヤの化学組成も検討し、靭性の向上手段を明らかにしていが、これらの溶接材料を使用する前提がSM490やX65相当の低強度の鋼材あるいは溶接金属である。
【0007】
一方、先に述べた様に近年では800MPa以上の高強度鋼の溶接構造物への適用の要望が高まっている。これらの鋼材に適用する800MPa以上の高強度溶接金属では強度を得るため合金元素が高く、そのため溶融金属の粘性などの物性が低強度の溶接金属とは変わる。そのため、特許文献3、特許文献4、特許文献5あるいは特許文献6で開示されている様な、低強度溶接金属への使用を前提とした組成の塩基度の高いフラックスを、この様な高強度溶接金属を作成する際に使用した場合、図1に示す様なビード頂部にスラグインが発生するという新たな問題が発生するようになってきた。頂部スラグインとは溶接ビートの余盛り頂上付近の溶接金属内に発生する直径0.1mmから2.0mm程度のスラグインである。これは溶接中に溶融した溶接金属中の溶融スラグが浮上しきれずに、溶接ビード頂部の溶接金属内部に残留したもので、欠陥として認識される。特許文献7では強度が800MPa以上の溶接金属に対して、Alと酸素の比率や用いるフラックスの塩基度を制御して溶接金属の靭性を確保しているが、用いるフラックスの成分にまでは検討を加えておらず、やはり頂部スラグインの問題が発生する。特許文献8でも溶接金属のAlと酸素量の比を制御することにより溶接金属の靭性は確保しようとしているが、酸素の制御方法にまでは言及していない。特に、市販のフラックスを使用しており頂部スラグインの問題が回避できていない。
【0008】
本発明者らは、この問題を解決するために頂部スラグインの生成傾向について検討した。その結果、頂部スラグインの発生傾向は主に、溶接金属の粘性、溶融スラグの粘性および溶融金属と溶融スラグの界面張力の影響を受けることが判明した。溶接金属の粘性は溶接金属の組成により変化する。また、溶融スラグの粘性はスラグの成分により変化する。溶融金属と溶融スラグとの界面張力も溶接金属の成分と、溶融スラグの成分より変化する。一方、溶接金属の成分は溶接金属の強度を得るために最適化されている。また、溶融スラグの成分は当然フラックスの成分により決まる。そこで発明者らは、溶接金属の強度とフラックスの成分とにより頂部スラグインの発生傾向が整理することを試みた。
【0009】
そのためにはフラックスの成分系を表す指標が必要である。フラックス成分の設計の重要な観点として酸素量の制御がある。フラックスと溶接金属中の酸素量の関係を示す指標としては塩基度があり、フラックスの成分系を決定する上で重要な指標である。そこで、頂部スラグインの発生傾向も塩基度を利用して整理することを試みた。
【0010】
その結果を、図2に示す。図2の横軸は、用いるフラックスの成分のうち、CaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2を用いて式(1)で計算される塩基度、縦軸はソリッドワイヤを用いて作成した溶接金属の引張強度である。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式(1)は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。例えば、特開昭60−191691号公報でも用いられていて、フラックスの塩基度として古くから用いられている式である。図2の作成に用いた溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表1に示す溶接条件を用いた。図2が示す様に、式(1)で計算される塩基度と溶接金属の強度により頂部スラグインの発生傾向が整理でき、頂部スラグインは溶接金属の強度が高くなるに従いより高い塩基度でも発生するようになる。800MPa以上の強度を持つ溶接金属では、式(1)で計算される塩基度が1.1以上でないと、頂部スラグインが発生することになる。
B=6.05N[CaO]+4.0N[MgO]+5.1N[CaF2]−0.2N[Al2O3]−6.3N[SiO2] (1)
ここで式(1)中の、N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、それぞれCaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を意味する。
【0011】
【表1】
【0012】
一方、強度が800MPa以上の高強度溶接金属の靭性を確保するためには、溶接金属中の酸素量の制御が重要である。強度が800MPa以上の溶接金属においては、発明者等の知見から質量%で酸素量が0.018%〜0.035%の範囲で安定した靭性が得られることが判っている。これは酸素量が0.018%未満では組織の微細化に必要な量の酸化物が形成されず靭性が得られない。また、0.035%超では粗大な酸化物が形成され、これが破壊の基点となり靭性が低下するためである。図3は用いるフラックスの成分のうち、CaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2を用いて式(1)で計算されるフラックスの塩基度と、そのフラックスを用いて作成した溶接金属中の酸素量の関係を示す。フラックスの成分のうち、CaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2を用いて、式(1)で求めた計算される塩基度を用いることにより、フラックスの成分と溶接金属中の酸素量は図3に示す様に良く整理することができる。図3の作成に用いた溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表1に示す溶接条件を用いた。ソリッドワイヤは一般的に0.01%以下の不可避の不純物程度しか含まれない。そのため、図3においては溶接金属中の酸素量はフラックスにより決まる。
【0013】
図3から、溶接金属中の酸素量を安定的に0.018%以上得るためには、式(1)で計算される塩基度はおよそ1.1未満である必要がある。しかし、図2から溶接金属の強度が800MPa以上では式(1)で計算される塩基度が1.1未満では頂部スラグインが発生し、溶接欠陥防止の観点から問題が生じる。
【0014】
この様に、高強度溶接金属においては溶接性と靭性の両立が困難になることが判明した。さらに、特許文献で指摘されている様にフラックスの組成は溶接性に対して重要な影響を及ぼし、良好な溶接性と靭性を両立させるフラックスを開発するためには多くの工夫とコストが必要となる。もし、フラックスの成分設計をビード形状やスラグイン等の欠陥防止する溶接性の観点のみで実施し、酸素制御は別の方法で行えるのであれば、サブマージアーク溶接の溶接材料設計を行う上で非常に有効な手段となり得る。
【0015】
本発明は、この様な観点から検討を加えられたものであり、下向き多電極サブマージアーク溶接により、ビード形状の良好で且つ靭性のすぐれた高強度溶接金属の作成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】
【0016】
本発明者らは上記の目的を達成するために、サブマージアーク溶接方法そのものに注目して酸素量の制御と溶接性を共に両立させる方法を検討した。その結果、用いる溶接ワイヤをメタルコアードワイヤに一部変更することにより、容易に溶接金属の酸素量を制御し、その結果良好な靭性を持つ溶接金属を得ることが出来ることを見いだし、本発明を完成した。
【0017】
すなわち本発明の要旨は、以下の通りである。
【0018】
(1)引張強度が800〜1200MPaの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数の電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が800〜1200MPaの溶接金属を形成する多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記複数の電極のうちの何れか1電極または2電極以上を、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量%でO:0.03%〜0.50%を含有するメタルコアードワイヤとし、残りの電極をソリッドワイヤとするとともに、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量%で、SiO2:5.0%〜20.0%未満、CaF2:30.0%〜50.0%、CaO:5.0%〜25.0%、MgO:1.0%〜5.0%、Al2O3:15.0%〜30.0%を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記(1)式で計算される塩基度Bの値が1.1〜3.2を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量%で、
C:0.03%〜0.12%、
Si:0.03%〜0.40%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.002%〜0.025%、
Al:0.002%〜0.030%、
O:0.018%〜0.035%を含有し、
Nb:0.04%以下に制限し、
さらに、Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜4.0%、および、Mo:0.1%〜2.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記(2)式で求められるPcmの値が0.22〜0.38を満足することを特徴とする、多電極サブマージアーク溶接方法。
B=6.05×N[CaO]+4.0×N[MgO]+5.1×N[CaF2]−0.2×N[Al2O3]−6.3×N[SiO2] ・・・(1)
Pcm=[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15 ・・・(2)
但し、
上記N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、それぞれCaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を示し、
[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Ni]、および、[Mo]は、それぞれC、Si、Mn、Cr、Ni、および、Moの質量%を示す。
【0019】
(2) 前記鋼材の成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.01%〜0.50%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.001%〜0.03%、
Al:0.001%〜0.04を含有し、
残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記(1)に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0020】
(3)前記鋼材の成分組成が、質量%で、さらに、Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜2.5%、Mo:0.1%〜2.0%、および、Nb:0.005%〜0.06%のうちの何れか1種または2種以上を含むことを特徴とする、上記(1)または(2)に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0021】
(4)前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%、
Ti:0.002%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%を含有し、
さらに、Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%以下、
Ti:0.002%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%、
O:0.03%〜0.50%を含有し、
さらに、Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記(1)〜(3)の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0022】
(5)前記複数の電極のうち、第2電極以降の少なくとも1電極を前記メタルコアードワイヤとし、残りの電極を前記ソリッドワイヤとすることを特徴とする上記(1)〜(4)の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【0023】
尚、本発明で言うソリッドワイヤとは通常のサブマージアーク溶接で使用される直径1.6mmから6.4mm程度の中実の合金鋼の線状の溶接材料で、これを溶かして溶接金属を形成するものである。同時にサブマージアーク溶接ではアークを発生する電極として用いている。
【0024】
また、本発明で言うメタルコアードワイヤとは外皮と呼ぶ中空の鋼管の中に金属粉末および合金粉末のいずれかあるいは両方を充填した後に、さらに必要に応じて伸線加工をさらに加えて所要の直径にして製造した線状の溶接材料である。金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填する時期は、鋼管の形状にした後であっても、鋼管の成形過程の途中に同時に金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填しても本発明の効果は同じで、何れの充填方法を含む方法で製造されたメタルコアードワイヤも、本発明で言うメタルコア−ドワイヤに含まれる。本発明では、このメタルコアードワイヤもソリッドワイヤと同様にサブマージアーク溶接で電極として使用し、且つ溶接金属を形成する目的で使用する。
【0025】
外皮は、機械的なかしめによりシーム部を接合したかしめ型と、継目の無いシームレス鋼管あるいは継目が溶接により接合されている溶接鋼管であるシームレス型とがある。本発明で言うシームレス型とは、継目が無い事あるいは、外皮である鋼管の縫目部において鋼管の外側と内側が気体あるいは水分に対して、冶金的に遮断されている事を意味する。そのため、一般にかしめ型と比較して耐吸湿性に優れている。湿度の高い場所での長期の保管に対しても吸湿しにくく、その結果、特に低温割れ感受性の高い高強度溶接金属用の溶接材料として適している。
【0026】
図4に、メタルコアードワイヤの断面の模式図を示す。図4(a)および図4(b)は外皮Aの縫目部が機械的なかしめ部Kを有するかしめ型の鋼管であるメタルコアードワイヤの断面の一例である。図4(c)は、外皮Bとして縫目の無い鋼管を使用したメタルコアードワイヤの模式図であり、図4(d)は外皮Bとして縫目部が溶接Wにより接合してある鋼管を使用したメタルコアードワイヤである。
【0027】
本発明では図4(a)および図4(b)の例に示される様な、外皮Aがかしめ型のメタルコアードワイヤをかしめ型メタルコアードワイヤと呼ぶ。また、図4(c)および図4(d)の例に示される様な、外皮Bがシームレス型のメタルコアードワイヤをシームレスメタルコアードワイヤと呼ぶ。さらに、かしめ型メタルコアードワイヤとシームレスメタルコアードワイヤとを総称してメタルコアードワイヤと呼ぶ。
【0028】
メタルコアードワイヤの外皮A又はBの素材は、成形性や伸線行程での加工性の観点から、一般には、C、Si、Mnおよび他はFeと不可避の不純物からなる軟鋼が使用され、溶接材料として必要な合金元素は内部に充填される金属粉末あるいは合金粉末から添加される。しかし、合金元素の多いメタルコアードワイヤでは必要に応じては外皮からも合金成分を添加することもある。外皮の酸素量は一般的に0.01%以下の不可避の不純物程度しか含まれない。
【0029】
メタルコアードワイヤの中に入れる金属粉末および合金粉末Cとは、具体的にはFe、Ni、Cr、MoおよびTi等の純金属粉末あるいはこれらを含む合金粉末であり、必要に応じて取捨選択さる。これらの粉末を適宜選択して使用する。金属粉末の中で、特にFeは他の金属粉末や合金粉末と異なり表面に酸素を吸着しやすく、また粉末の表面は酸化し微量の酸化鉄も形成し易く、本発明においては酸素を供給する粉末として重要な役割を果たす。また、必要に応じてメタルコアードワイヤの製造性を改善するために、金属粉末以外に水ガラス等の製造助剤や、溶接性をさらに改善するための酸化物、フッ化物等のアーク安定剤を添加するが、このことは本発明の効果に影響しない。また、これらの成分はメタルコアードワイヤの成分としては不可避の不純物として含まれる。元素としてはNaあるいはCa等が挙げられる。
【0030】
メタルコアードワイヤの合金元素の平均組成は、外皮の化学組成、金属粉末の平均組成、および製造設備や製造行程で決まるメタルコアードワイヤの外皮と金属粉末の質量比が決まれば式(3)で決定される。
M(CW)=M(g)×a(g)+M(p)×a(p) (3)
但し、
M(CW):メタルコアードワイヤの元素Mの平均の質量%、
M(g) :外皮の元素Mの質量%、
a(g) :金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する外皮の単位長さの質量の比、
M(p) :金属粉末中の元素Mの平均質量(%)、
a(p) :金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する金属粉末の単位長さの質量の比、
a(g)+a(p)=1
【発明の効果】
【0031】
本発明のサブマージアーク溶接方法によれば、電極として用いるソリッドワイヤ以外にメタルコアードワイヤを使用することで、溶接金属の酸素量を容易に制御でき、頂部スラグインを生じさせることなく良好なビード形状の溶接ができる。その結果、溶接性が良好で、かつ靭性に優れた高強度溶接金属を得ることができるという顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
本発明は引張強度が800MPa〜1200MPaの溶接金属に適用することを前提としている。それは、800MPa未満の強度の溶接金属では、溶接金属の合金量が少なく従来技術でも靭性が良好でかつビード形状も良好な溶接部が得られるためである。また、1200MPa超の溶接金属では組織がマルテンサイト組織となり、靭性確保が本発明の技術のみでは困難になる。
【0033】
溶接方法は、下向き多電極サブマージアーク溶接を用いる。これは本発明がソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの複数の種類のワイヤを用いるための必須の前提条件である。電極の数は2電極以上であれば特に指定はないが、通常2電極から5電極までが望ましい。
【0034】
ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの組み合わせは、多電極サブマージアーク溶接の複数の電極の内、少なくとも1電極以上をメタルコアードワイヤで残りの電極がソリッドワイヤとした。この理由について次に述べる。
【0035】
先に述べた様にサブマージアーク溶接金属において、良好な靭性を得るためには溶接金属中の酸素量の制御が重要である。引張強度が800MPa〜1200MPaの溶接金属では、溶接金属の酸素量は質量%で0.018%〜0.035%の範囲であることが必要であるが、図2および図3が示す様にフラックスで酸素量を範囲に制御すると頂部スラグインが発生する。そのため、本発明ではフラックス以外の方法で、溶接金属中の酸素量を増加する。
【0036】
本発明では安定して溶接金属の酸素量を質量%で0.018%〜0.035%の範囲にするために、メタルコアードワイヤを用いて酸素量を増加する。メタルコアードワイヤから供給する酸素量は、メタルコアードワイヤの酸素量、メタルコアードワイヤを使用する電極の数、および各電極での電流配分より調整することができる。尚、ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に0.01%以下の不可避の不純物程度であるため、ソリッドワイヤを使用する限りワイヤから酸素を供給することはできない。
【0037】
具体的には、酸素量の多いメタルコアードワイヤを使用すれば溶接金属に供給される酸素量は多くなる。
【0038】
図5に、3電極サブマージアーク溶接の電極にメタルコアードワイヤを1本以上使用した場合の、フラックスの式(1)で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す。図5の作成に用いた溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、電極にソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤを用いた溶接した。溶接条件は表1に示す条件を用いた。図5の横軸は式(1)で計算されるフラックスの塩基度、縦軸に溶接金属中の酸素量を示す。図中○は、図3で示した3電極すべてをソリッドワイヤで溶接した場合の結果である。図中●、■および◆は各メタルコアードワイヤを1本、2本および3本使用して溶接した場合の結果である。図5が示す様に、メタルコアードワイヤを少なくとも1本使用することにより、メタルコアードワイヤから溶接金属に酸素が供給されるため、同じ式(1)で計算される塩基度のフラックスを使用しても、溶接金属中の酸素量を増加させることができる。
【0039】
メタルコアードワイヤの酸素は、主に金属粉末に含まれるFe粉末の表面に吸着している酸素あるいは表面に生成している酸化鉄が供給源となる。外皮はソリッドワイヤと同じく、不可避の不純物程度しか酸素は含有していないため、酸素の供給源とはならない。また、金属粉末と皮材の質量比率を変えることにより、メタルコアードワイヤの酸素量を変えることもできる。
【0040】
また、メタルコアードワイヤを用いる電極の数を増加しても容易に可能である。
【0041】
さらに、溶接金属の化学組成に対する各電極のワイヤの成分の寄与の程度は、各電極の電流配分で制御できる。したがって、メタルコアードワイヤを用いている電極の電流を高くすることによりこのメタルコアードワイヤの寄与率が高くなり溶接金属に供給される酸素量は増加することができる。微減も同様で電流値を調整することで可能である。各電極に供給する溶接電流の配分は特に規定しないが、バランスの関係から各電極の溶接電流のうち、もっとも小さい電量値はもっとも大きい電流値の25%以上であることが望ましい。
【0042】
次に、フラックスのSiO2量の限定理由について述べる。
【0043】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちSiO2の比率が質量%で、5.0%〜20.0%未満、と限定した。図6は横軸にフラックス中SiO2量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のSiO2量の影響を示したものである。溶接は3電極サブマージアーク溶接を用い、溶接ワイヤは全てソリッドワイヤを用いた。溶接条件は表1に示す溶接条件を用いた。また、図6で使用したフラックスのうちSiO2が15.5%〜31.0%の範囲フラックスは式(1)で計算される塩基度が1.1〜1.9で本発明の範囲である。また、SiO2が34.5%以上のフラックスは式(1)で計算される塩基度が−0.4〜0.8で本発明の範囲外である。
【0044】
溶接金属の引張強度が800MPa以上ではSiO2量がおよそ20.0%以上で頂部スラグインが発生している。これは、SiO2が過剰に添加されると溶融したスラグがよりガラス質となり、溶接金属中から浮上しにくくなり、溶接ビードの頂部に残留しやすくなるためである。また、SiO2は溶融スラグの軟化溶融温度を高くする為、スラグの粘性も高める。そのため、上限を20.0%未満とした。下限は本発明の効果からは特に限定しないが、SiO2はガラス成分であるので少ないとフラックスが結晶質となり吸湿しやすくなり、特に高強度では耐低温割れ性を阻害するため5.0%以上とした。
【0045】
次にフラックスのCaF2量の限定理由について述べる。
【0046】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちCaF2の比率が質量%で、30.0%〜50.0%とした。図7は横軸にフラックス中CaF2量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のCaF2量の影響を示したものである。図7で使用したフラックスではすべて式(1)で計算される塩基度が1.1〜3.2である。
【0047】
溶接金属の引張強度が800MPa以上ではCaF2量がおよそ30%未満で頂部スラグインが発生している。これは、CaF2は溶融スラグの軟化溶融温度を下げて粘性を低くする効果があるが、30%未満ではその効果が得られないためである。そのため、下限を30.0%とした。上限は本発明の効果のためには限定しなくても良いが、CaF2量が過剰になるとアークの安定性が損なわれるため、50.0%以下に限定した。
【0048】
次にフラックスのCaOの限定理由について述べる。
【0049】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちCaOの比率が質量%で5.0%〜25.0%とした。CaOは式(1)で計算される塩基度の調整に添加されるが5.0%以下では(1)で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、5.0%以上必要である。また、CaOは溶接金属の溶接ビード形状に影響をおよぼし、5.0%未満では、軟化溶融温度が高くなり溶融ガスの放散の阻害によるあばたの発生等の溶接ビード表面の外観不良につながる。一方、過剰では溶接ビードの余盛りが高くなりビード形状を悪くする。またスラグの剥離性も低下する。そのため上限を25%とした。
【0050】
次にフラックスのMgOの限定理由について述べる。
【0051】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちMgOの比率が質量%で1.0%〜5.0%とした。MgOは塩基度の調整のために添加する。1%未満では、塩基度が小さくなりすぎるため、1.0%以上は必要である。5.0%超ではビード形状が凸ビードとなり、アンダーカットが発生する。そのため、上限は5%とした。
【0052】
次にフラックスのAl2O3の限定理由について述べる。
【0053】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちAl2O3の比率が質量%で15.0%〜30.0%とした。
【0054】
Al2O3も塩基度の調整のために添加する。15.0%未満では塩基度が高くなりすぎるため15%以上は必要となる。一方、30%超添加すると塩基度が小さくなりすぎるため、上限を15.0%とした。また、Al2O3は溶接作業性に対しても影響を与え、過剰ではアンダーカットや馬の背状の突起が溶接ビード頂部に生成するため、上限を30.0%とした。
【0055】
次に、フラックスの式(1)で計算される塩基度の限定理由について述べる。
【0056】
使用するフラックスを構成する成分のうちCaO、MgO、CaF2、Al2O3およびSiO2のモル分率を用いて式(1)で計算されるフラックスの塩基度が1.1〜3.2に限定した。
【0057】
用いる高塩基性フラックスの構成成分としては、SiO2およびCaF2以外にAl2O3、MgO、CaO、LiO2、TiO2、FeO等の酸化物、あるいはCaCO3等がスラグの生成、塩基度の調整、溶接ビード形状を整える効果等の目的で使用される。SiO2およびCaF2以外の成分は、担体の質量比では頂部スラグインの生成には影響をおよぼさないが、これらの成分の内、SiO2、CaF2、CaO、MgOおよびAl2O3の配合比によりスラグインが発生しやすくなる。具体的には、溶接金属の引張強度が800MPa以上の場合は、SiO2量やCaF2量が適正な範囲でも、モル分率を使用して式(1)で計算される塩基度が1.1未満では図2が示す様に頂部スラグインが発生する。そのため下限を1.1とした。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式(1)は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。
【0058】
式(1)で計算される塩基度の上限は本発明の効果からは特に限定は無いが、塩基度が高くなるに従いフラックスがより結晶質になるため、フラックスの表面積が多くなり吸着水が多くなる結果、溶接金属中の水素が増加し割れ等の欠陥が発生する頻度が高くなる。そのためフラックスの乾燥や乾燥した後の保管方法で対策が必要でありコスト的に不利になる。そのため上限を3.2とした。
B=6.05N[CaO]+4.0N[MgO]+5.1N[CaF2]−0.2N[Al2O3]−6.3N[SiO2] ・・・・・(1)
ここで、N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、CaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を意味する。
【0059】
次に、溶接金属の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接においては溶接金属の特性はその化学組成で決まるため、成分範囲は重要である。
【0060】
C:0.03%〜0.12%
Cは、溶接金属の焼き入れ性を確保し、強度と靭性を得るために重要な元素である。0.03%未満では強度が得られない。一方、0.12%を超えると強度が過剰となる。また、炭化物が形成し靭性が低下する。そのため、0.12%以下とした。
【0061】
Si:0.03%〜0.40%
Siは脱酸元素として必要であり、0.03%以上は必要である。一方、0.40%を超えて添加するとSiが過剰となり、過剰Siは溶接金属中に固溶し靭性を低下する。そのため、上限を0.40%とした。
【0062】
Mn:0.5%〜3.0%
Mnは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るために0.5%以上必要である。一方、3.0%を超えると強度が過剰となり靭性が低下するため、上限を3.0%とした。
【0063】
Ti:0.002%〜0.025%
Tiは溶接金属の組織を微細化するのに最低限0.002%以上は必要である。しかし、0.025%を越えると、固溶Tiが増加し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を0.025%とした。
【0064】
Al:0.002%〜0.030%
Alは、母材、ワイヤおよびフラックスから移行してくるため溶接金属中には不純物として存在する。しかし、0.030%を超えると粗大な酸化物が形成し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を0.030%とした。下限は本発明の効果からは特に限定する必要がないが、母材やフラックスかの不可避の不純物として0.002%以上は含まれる。
【0065】
Nb:0.04%以下
Nbは溶接材料には不可避の不純物程度にしか含まれない。しかし、母材にはNbを添加する場合もあるため、母材から溶接金属に供給される。しかし、過剰に溶接金属に含有すると炭化物を形成し靭性が低下する原因となる。そのため、上限を0.04%とした。
【0066】
O:0.018%〜0.035%
Oは溶接金属の靭性を確保するために重要な元素である。0.018%未満では、組織を微細化して靭性を向上させるのに必要な酸化物を形成することができない。そのため0.018%以上は必要である。しかし、0.035%を超えると、粗大な酸化物を形成するようになり、溶接金属の靭性は低下する。そのため、上限を0.035%とした。
【0067】
Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜4.0%、および、Mo:0.1%〜2.0%のうちの何れか1種または2種以上を含む:
Cr、NiおよびMoは溶接金属の強度を向上させる元素であるため添加する。しかし、過剰添加は靭性あるいは溶接性を低下させるため上限をきめた。
Crは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには0.1%以上必要である。しかし、1.5%を超えると、過剰のCrは溶接金属の靭性を低下させる。そのため、上限を1.5%とした。
【0068】
Niは、溶接金属の強度と靭性を向上させるために添加する。この効果を得るためには0.1%以上必要である。しかし、4.0%を超えると、溶接時の高温割れが発生する危険性が高くなる。そのため上限を4.0%とした。
【0069】
Moは焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには0.1%以上必要である。しかし、2.0%を超えると、過剰のMoは溶接金属の強度を過剰に高め、靭性を低下させる。そのため、上限を2.0%とした。
【0070】
次に溶接金属の化学組成を用いて式(2)で計算されるPcmの値を0.22〜0.38とした。0.22未満では溶接金属の強度が800MPa未満となるため、下限を0.22とした。また、0.38を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎるため、上限を0.38とした。
【0071】
次に請求項2および請求項3に記載の母材の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接では母材の希釈率が高いため、サブマージアーク溶接の溶接金属の化学組成は母材の化学組成と溶接材料の化学組成との両方の影響を受ける。溶接金属の強度や靭性はその化学組成によりほぼ決定される。そのため、母材の化学組成を規定することにより容易に適切な化学組成の溶接金属を得ることができる。また、用いる母材の化学組成を限定することにより母材の特性を向上するとができ、より良好な溶接継手を得ることができる。
【0072】
C:0.03%〜0.15%
Cは焼き入れ性を高め、組織を微細化するために重要名元素であり。母材の強度を確保するためには0.03%以上必要である。また、溶接金属に安定してCを供給するために、0.03%以上必要である。一方、0.15%を越えて添加するとCが過剰となる。そのため、母材の溶接熱影響部の硬化が著しく、靭性に悪影響を及ぼす。そのため上限を0.15%とした。
【0073】
Si:0.01%〜0.50%
Siは母材の製造時に脱酸元素として必要であり、その効果を得るために0.005%以上必要である。一方、0.50%を超えて添加すると母材の靭性が低下する。また、溶接金属への移行するSi量が過剰となり溶接金属の靭性も低下させる危険性があるため、上限を0.5%とした。
【0074】
Mn:0.5%〜3.0%
Mnは母材の焼き入れ性を高め強度を得るために必要な元素で、少なくとも0.5%以上必要である。一方、3.0%を超えて添加すると強度が高くなりすぎ靭性を低下させる。また、偏析が大きくなり、鋼材の組織も不均一にする。そのため、上限を3.0%とした。
【0075】
Ti:0.001%〜0.02%
Tiは、微量添加により母材の強度を向上させ靭性も改善するため、0.001%以上必要である。しかし、過剰のTiは母材強度を過剰にする。そのため上限を0.02%とした。
【0076】
Al:0.001%〜0.04%
Alは脱酸元素として母材に必要で、0.001%以上添加される必要がある。しかし、0.04%を超えて添加すると粗大な酸化物を形成して母材の靭性は低下すため、上限を0.04%とした。
【0077】
さらに、母材の強度と靭性をバランス良く得るために以下の元素を添加することが有効である。
【0078】
Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜2.5%、Mo:0.1%〜2.0%、Nb:0.005%〜0.05%の何れか1種又は2種以上を含む:
Cr、Ni、Mo、Nbは何れも母材の強度を向上させるために何れかを1種あるいは2種以上添加するが、過剰添加により、母材の靭性を低下させるため、上限を決めた。
【0079】
Crは焼き入れ性を高めて、強度を確保するため添加する。この効果を得るためには、0.1%以上必要である。しかし、1.5%を超えて添加すると母材の靭性を低下させる。そのため、上限を1.5%とした。
【0080】
Niは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、0.1%以上は必要である。しかし、2.5%を超えて添加すると溶接金属に移行するNiが過剰となり溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので上限を2.5%とした。
【0081】
Moは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、0.1%以上必要である。しかし、2.0%を超えて添加すると母材の強度が過剰となり母材の靭性が低下する。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので、上限を2.0%とした。
【0082】
Nbは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、0.005%以上必要である。しかし、0.06%を超えて添加すると強度が過剰となり靭性が低下する危険性が高くなるため、上限を0.06%とした。
【0083】
次に、請求項4に記載の用いるソリッドワイヤの化学組成およびメタルコアードワイヤの平均の化学組成の限定理由について説明する。溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料により決定される。そのため、溶接に用いるソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成を規定することにより、容易に溶接金属の組成を設計することができる。酸素量以外はソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとは化学組成の範囲は同じである。酸素量はメタルコアードワイヤのみ限定する。
【0084】
C:0.03%〜0.15%
Cは焼き入れ性を高めて、溶接金属の強度を確保するために重要な元素である。溶接金属に必要なC量を供給するために、0.03%以上必要である。しかし、0.15%を超えて添加すると溶接金属のC量が過剰となり強度が高くなり靭性が低下する。またソリッドワイヤも硬くなるため、製造性が阻害される。そのため、上限を0.15%とした。
【0085】
Si:0.02%〜0.80%
Siは溶融した溶接金属の粘性を高める元素であり、作業性の観点から0.02%以上は必要である。しかし。0.80%を超えて添加すると溶接金属中のSi量が過剰となり靭性が低下するため、上限を0.80%とした。
【0086】
Mn:0.2%〜4.0%
MnもCと同様、溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために添加する元素である。そのため、0.2%以上は必要である。しかし、4.0%を超えて添加すると、溶接金属中のMn量が過剰となり靭性が低下するため、上限を4.0%とした。
【0087】
Ti:0.002〜0.10%
Tiは酸素と結合して酸化物を形成して、溶接金属の組織の微細化に役立つ重要な元素である。0.002%未満ではワイヤからの添加量が足らず、その効果が得られないため、溶接金属の靭性が低下する。そのため、0.002%以上は必要である。しかし。0.10%を超えてワイヤに添加すると、酸化物を形成するに必要なTi以上が溶接金属に供給されるため固溶したTiが溶接金属中に増加し、溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を0.10%とした。
【0088】
Al:0.001%〜0.02%
Alは溶接金属の靭性に対して酸化物を形成して低下させる。当然ワイヤからも溶接金属に移行するため、上限を定めた。0.02%を超えてワイヤに含まれると、溶接金属のAl量が過剰となり靭性が低下する。下限は特に溶接金属の靭性の観点からは必要ないが通常0.001%以上は不可避の不純物として含まれる。
【0089】
Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%の何れか1種又は2種以上を含む:
Cr、Ni、Moは溶接金属の強度を確保するために1種または2種以上添加する。そのため、母材から供給される量の不足分は溶接材料から供給される。
【0090】
Crは溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために必要に応じてワイヤに添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには0.25%以上必要である。しかし、過剰のCrは靭性を低下させる。3.0%を超えて添加すると溶接金属中のCrが過剰となり溶接金属の靭性が低下する。そのため、3.0%以下とした。
【0091】
NiもCrと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには0.25%以上必要である。しかし、8.0%を超えてNiを添加すると、溶接金属中のNi量が過剰となり、高温割れを引き起こす。そのため、上限を8.0%とした。
【0092】
MoもNiおよびCrと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには0.25%以上必要である。しかし、4.0%を超えてMoを添加すると、溶接金属の強度が過剰となり靭性が低下する。そのため、上限を4.0%とした。
【0093】
次にメタルコアードワイヤの酸素量の限定理由について述べる。
【0094】
O:0.03%〜0.50%
メタルコアードワイヤの酸素量を質量%で0.03%〜0.50%に限定した。本発明では、メタルコアードワイヤから酸素を溶接金属に添加するのが目的である。そのため、メタルコアードワイヤの酸素量を規定する。0.03%未満では酸素量が少なく、溶接金属中に十分な酸素量が供給されない。そのため0.03%以上は必要である。一方、0.50%を超えると、酸素量が過剰となった結果、ガス成分が多くなりブローホール等の欠陥が生じ易くなる。そのため上限を0.50%以下とした。好ましくは0.20〜0.50%である。また、0.50%以下の酸素量のメタルコアードワイヤであれば、式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲のフラックスを用いている限り、溶接金属は酸素過剰にはならない。
【0095】
次に、請求項5について説明する。請求項5に記載されているように、1電極目にソリッドワイヤを使用することにより深い溶け込み形状を得ることができる。メタルコアードワイヤでは溶接アークが外皮から主に発生するため、図8(a)の模式図に示すように溶け込みWbが浅くなりまた幅の広い断面形状になるが、1電極目にソリッドワイヤを使用することにより図8(b)の模式図に示すように溶け込みWbを深くすることができる。溶接熱影響部の領域を小さくするため、近年、高強度鋼の溶接において、溶接入熱の小入熱化の方向にあるが、溶接入熱を小さくすると溶け込みが浅くなり、溶け込み不足等の溶接欠陥の発生する可能性が高くなる。そのため、溶け込みがより深くなる溶接方法は有益である。
【実施例1】
【0096】
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【0097】
実施例に用いた溶接方法は、主に3電極のサブマージアーク溶接を使用し、一部に4電極および5電極のサブマージアーク溶接を用いた。表2に実施例で用いた溶接条件を示す。条件1は基本条件であり、条件2は条件1の電流および電圧の配分を変えた条件である。条件3は4電極条件である。条件4は5電極条件である。開先形状は、図9に示すV開先を用いた。開先角度は80度で開先深さdは表3に示す様に入熱に応じた開先深さを用いた。この開先に、表2に示した溶接条件で1層溶接を行った。
【0098】
表4に実施例で用いたソリッドワイヤを示す。ソリッドワイヤは化学組成が異なるものを16種類用いた。このうち、ワイヤS1からワイヤS11までは、請求項3に記載された成分範囲を持つソリッドワイヤである。
【0099】
表5に実施例で用いたメタルコアードワイヤを示す。メタルコアードワイヤは化学組成の異なるメタルコアードワイヤを20種類準備した。強度レベルが1000MPa未満のワイヤはかしめ型メタルコアードワイヤ、1000MPa以上はシームレスメタルコアードワイヤを用いた。ワイヤC1からワイヤC13までは本発明の請求項3に記載された成文範囲を持つメタルコアードワイヤである。C12は、使用する直前まで開封せず、表面への酸素吸着を防いだ状態で保管した鉄粉を使用したため酸素量の少ないCWになっている。また、C13は鉄粉量を多くしているため、CW中の酸素量が高い。ワイヤの直径はすべて4.0mmである。
【0100】
表6に実施例に用いたフラックの組成を示す。なお、残部はバインダー(水ガラス)等である。フラックスはメルトタイプのフラックスを用いた。フラックスaからスラックスgまではCaF2量、SiO2量および式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲内である。一方、フラックスhからフラックスkは式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲外である。また、スラックスhは式(1)で計算される塩基度とともにCaF2量も発明の範囲以上である。フラックスjは式(1)で計算される塩基度とともにSiO2量が本発明の範囲外である。フラックスkは式(1)で計算される塩基度とともにCaF2量、SiO2量も本発明の範囲外である。一方、フラックスlからフラックスnまでは式(1)で計算される塩基度は本発明の範囲であるが、CaF2およびSiO2のいずれか一方、あるいは両方の含有量が本発明の範囲外である。これらのフラックスは何れも、使用前に250℃で1時間乾燥した後に使用した。一部のフラックスは乾燥後の吸湿を防ぐため、使用直前まで容器に密閉して保管した。
【0101】
表7に実施例で用いた母材を示す。母材は板厚20mm、長さ1000mm、幅150mmの寸法で、強度が850MPa、950MPaおよび1000MPa級の鋼板を用いた。母材Bは請求項2の範囲の成分の母材である。母材Cから母材Lまでは本発明の請求項3の範囲の成分を満足する母材である。これらの鋼板に、図9に示した片面V開先を1000mm長さの方向に全長にわたり加工し溶接に供した。
【0102】
これらの、化学組成の異なる母材、化学組成の異なるソリッドワイヤおよび化学組成の異なるメタルコアードワイヤを組み合わせることにより溶接金属の化学成分を調整することにより、溶接金属の強度を調整した。
【0103】
評価は、頂部スラグインの発生の有無、頂部スラグイン以外の内部欠陥の有無、ビード形状、とけ込み深さ、組織観察、溶接金属引張強度および−30℃の溶接金属吸収エネルギーで評価した。ビード形状は、作成した溶接ビードの目視外観で評価した。頂部スラグインの発生の有無は、先ず溶接ままで全長にわたり放射線透過試験を行い、欠陥の調査をした。その後、溶接ビードの有る面とは逆側の裏面から15mm減厚して頂部スラグイン以外の欠陥を除去した後、再度放射線透過試験を行い、頂部スラグインの有無を判断した。この際、頂部スラグイン以外の割れ等の内部欠陥も2回の放射線透過試験で評価を行った。とけ込み深さおよび組織の健全性は、1本の溶接継手よりスタート側、ビード長さの1/2の位置およびクレータ側の3カ所から各溶接条件で3個づつ組織観察用試験片を採取し測定調査した。引張試験のための引張試験片は、図10に示す様に表面から5mmの位置の溶接金属中央部から、丸棒型のJISA2号引張試験片Tsを引張試験片の平行部が溶接線と平行になるように採取した。衝撃試験のための試験片は図11に示す様に、表層から6mmの位置よりノッチ方向が溶接線方向になるように2mmVシャルピー衝撃試験片Tpを採取して測定した。溶接継手は、放射線透過試験用と、それ以外の評価用に各々の条件につき2体づつ作成した。
【0104】
表8および表9に実施例を示す。表8は発明例、表9は比較例である。
【0105】
先ず表8の発明例について説明する。発明例ではいずれの場合も、少なくとも1電極がメタルコアードワイヤを使用しているため、メタルコアードワイヤより酸素が溶接金属に供給され溶接金属の酸素量が適正値の範囲に入っている。その結果、溶接金属の靭性は良好である。また、用いているフラックスの式(1)で計算される塩基度および成分が本発明の範囲のものを使用しているため、頂部スラグインは発生していない。また、発明例10から発明例12および発明例35から発明例46までは第1電極にはソリッドワイヤを使用しているため、第1電極にソリッドワイヤを使用していない場合と比較して、とけ込み深さが約2mm深くなっている。
【0106】
発明例33および発明例45は4電極サブマージアーク溶接の発明例、発明例34および発明例46は5電極サブマージアーク溶接の場合の発明例であるが、3電極サブマージアーク溶接の実施例と同様の効果が得られ、溶接金属の酸素量は適当な範囲であり良好な靭性が得られており、頂部スラグインも発生していない。
【0107】
発明例25は発明例24と同じ母材、フラックスおよびワイヤの組み合わせであるが溶接条件が異なる発明例である。同じく発明例38は発明例36と同じ母材、フラックスおよびワイヤの組み合わせであるが溶接条件が異なる発明例である。いずれも、溶接条件を変えることにより溶接金属中の酸素量を変化させることができている。しかし、溶接金属の酸素量は適正な範囲に入り、またフラックスの成分および式(1)で計算される塩基度も適正なため、良好な靭性が得られており、頂部スラグインも発生していない。
【0108】
発明例30、発明例33および発明例34は酸素量の多いメタルコアードワイヤC13を使用している発明例であるが、それに伴い溶接金属中の酸素量はワイヤ中の酸素量のみ異なるC9を使用した発明例29、発明例45および発明例46と比較して増加している。酸素量はFe粉末の量を増加させてある。また、発明例43は酸素量の少ないメタルコアードワイヤC12を使用した例で、ワイヤ中の酸素量のみ異なるC9を使用した発明例42と比較して溶接金属中の酸素量は低い。C12は使用直前まで原料のFe粉を開封せずに酸素の吸着を防止した原料を使用し、メタルコアードワイヤの酸素量を低減した。この様に、メタルコアードワイヤの酸素量を変化させることでも、溶接金属中の酸素量を変化させることができる。
【0109】
次に表9に示す比較例について説明する。比較例1から比較例10まではすべての電極にソリッドワイヤを使用し、式(1)で計算される塩基度が1.1以上のフラックスを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。溶接金属の強度は、溶接金属の化学組成およびPcmが本発明の範囲に入っているため800MPa以上である。また、式(1)で計算されるフラックスの塩基度は本発明の範囲内のため、頂部スラグインは発生していない。しかし、全てソリッドワイヤを使用しているため溶接金属中の酸素量が不足し、靭性が低い。比較例11から比較例15は、すべての電極にソリッドワイヤを使用し、式(1)で計算される塩基度が1.1未満のフラックスiあるいはフラックスjを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。溶接金属中の酸素量は適切であるため靭性は良好であるが、頂部スラグインが発生している。
【0110】
比較例16および比較例17は、さらに式(1)で計算される塩基度が低いフラックスkを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。式(1)で計算される塩基度が本発明の範囲以下であり、さらにフラックス中のSiO2量が本発明の範囲を超えて添加されているため、頂部スラグインが発生している。また、溶接金属中の酸素量が過剰のため靭性も低下している。
【0111】
比較例18は発明例1と同じ第1電極にメタルコアードワイヤ、第2電極と第3電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、用いたフラックスlのCaF2量が過剰のため、アークが乱れて溶接中にアーク吹きが発生し溶接ビードが蛇行している。また、フラックスlのSiO2量が少ないため、フラックスを乾燥後、溶接直前までフラックスの吸湿を防ぐため容器に密閉した。
【0112】
比較例19は発明例6と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤ、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、フラックスmのCaF2量が少ないため、頂部スラグインが発生している。
【0113】
比較例20は発明例7と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤ、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、フラックスnのSiO2量が本発明の範囲を超えているため、頂部スラグインが発生している。
【0114】
比較例21は発明例29と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤを使用し、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲以上である。そのため、酸素過剰となり、溶接性が低下している。また、ガス成分が過剰でビード表面にピットと呼ばれる穴が発生している。
【0115】
比較例22は発明例7と同じ第1電極と第3電極にメタルコアードワイヤを使用し、第2電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲以下である。そのため、溶接金属中の酸素の増加が不十分で、溶接金属の靭性が低い。
【0116】
比較例23はCaF2量が過剰のフラックスhを使用しているため、溶接中にアークが安定せずアーク吹きが発生し、溶接ビードが蛇行している。また、フラックスhの式(1)で計算される塩基度が3.2超でフラックスの表面が結晶質で水分の吸着しやすいため、乾燥後フラックスを使用するまで再度容器に密閉し吸湿しないようにする特段の注意を要した。
【0117】
比較例24から比較例38までは、溶接方法は3電極サブマージアーク溶接で、何れかの1電極以上にメタルコアードワイヤを使用している。そのため、溶接金属中の酸素量は0.018%から0.035%の範囲に入っている。また、フラックスも本発明のフラックスを使用し、その式(1)で計算される塩基度も本発明の範囲のため頂部スラグインも発生していない。しかし溶接金属の化学組成が本発明の範囲からはずれているため、溶接金属の強度不足、溶接金属の強度過剰か、溶接金属の靭性が低いあるいは微細な高温割れが溶接時に発生する等の問題が発生した。
【0118】
【表2】
【0119】
【表3】
【0120】
【表4】
【0121】
【表5】
【0122】
【表6】
【0123】
【表7】
【0124】
【表8】
【0125】
【表9】
【産業上の利用可能性】
【0126】
以上の様に、本発明を用いることにより容易に靭性の優れた頂部スラグインの無い多電極サブマージ溶接部を得ることができ、産業上貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【0127】
【図1】頂部スラグインの模式図である。
【図2】式(1)で計算される塩基度と頂部スラグインの発生傾向の関係を示す図である。
【図3】式(1)で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す図である。
【図4】メタルコアードワイヤの断面図である。
【図5】メタルコアードワイヤを使用した場合の溶接金属中の酸素量を示す図である。
【図6】フラックス中のSiO2量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図7】フラックス中のCaF2量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図8】溶け込み形状の模式図である。
【図9】実施例に用いた開先形状を示す図である。
【図10】引張試験片採取要領を示す図である。
【図11】衝撃試験片採取要領を示す図である。
【符号の説明】
【0128】
S:頂部スラグイン
A:かしめ型メタルコアードワイヤの外皮
B:シームレスメタルコアードワイヤの外皮
C:金属粉末あるいは合金粉末
W:シームレスメタルコアードワイヤの外皮の溶接部
K:かしめ型メタルコアードワイヤのかしめ部
d:開先深さ
Wb:溶け込み
Ts:引張り試験片
Tp:シャルピー試験片
【特許請求の範囲】
【請求項1】
引張強度が800〜1200MPaの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数の電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が800〜1200MPaの溶接金属を形成する多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記複数の電極のうちの何れか1電極または2電極以上を、ワイヤ全体に対する質量%でO:0.03%〜0.50%を含有するメタルコアードワイヤとし、残りの電極をソリッドワイヤとするとともに、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量%で、SiO2:5.0%〜20.0%未満、CaF2:30.0%〜50.0%、CaO:5.0%〜25.0%、MgO:1.0%〜5.0%、Al2O3:15.0%〜30.0%を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記(1)式で計算される塩基度Bの値が1.1〜3.2を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量%で、
C:0.03%〜0.12%、
Si:0.03%〜0.40%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.002%〜0.025%、
Al:0.002%〜0.030%、
O:0.018%〜0.035%を含有し、
Nb:0.04%以下に制限し、
さらに、Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜4.0%、および、Mo:0.1%〜2.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記(2)式で求められるPcmの値が0.22〜0.38を満足することを特徴とする、多電極サブマージアーク溶接方法。
B=6.05×N[CaO]+4.0×N[MgO]+5.1×N[CaF2]−0.2×N[Al2O3]−6.3×N[SiO2] ・・・(1)
Pcm=[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15 ・・・(2)
但し、
上記N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、それぞれCaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を示し、
[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Ni]、および、[Mo]は、それぞれC、Si、Mn、Cr、Ni、および、Moの質量%を示す。
【請求項2】
前記鋼材の成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.01%〜0.50%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.001%〜0.03%、
Al:0.001%〜0.04を含有し、
残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項1に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項3】
前記鋼材の成分組成が、質量%で、さらに、
Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜2.5%、Mo:0.1%〜2.0%、および、Nb:0.005%〜0.06%のうちの何れか1種または2種以上を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項4】
前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%、
Ti:0.005%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%を含有し、
さらに、Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%以下、
Ti:0.005%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%、
O:0.03%〜0.50%を含有し、
さらに、
Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項5】
前記複数の電極のうち、第2電極以降の少なくとも1電極を前記メタルコアードワイヤとし、残りの電極を前記ソリッドワイヤとすることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項1】
引張強度が800〜1200MPaの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数の電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が800〜1200MPaの溶接金属を形成する多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記複数の電極のうちの何れか1電極または2電極以上を、ワイヤ全体に対する質量%でO:0.03%〜0.50%を含有するメタルコアードワイヤとし、残りの電極をソリッドワイヤとするとともに、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量%で、SiO2:5.0%〜20.0%未満、CaF2:30.0%〜50.0%、CaO:5.0%〜25.0%、MgO:1.0%〜5.0%、Al2O3:15.0%〜30.0%を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記(1)式で計算される塩基度Bの値が1.1〜3.2を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量%で、
C:0.03%〜0.12%、
Si:0.03%〜0.40%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.002%〜0.025%、
Al:0.002%〜0.030%、
O:0.018%〜0.035%を含有し、
Nb:0.04%以下に制限し、
さらに、Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜4.0%、および、Mo:0.1%〜2.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記(2)式で求められるPcmの値が0.22〜0.38を満足することを特徴とする、多電極サブマージアーク溶接方法。
B=6.05×N[CaO]+4.0×N[MgO]+5.1×N[CaF2]−0.2×N[Al2O3]−6.3×N[SiO2] ・・・(1)
Pcm=[C]+[Si]/30+([Mn]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15 ・・・(2)
但し、
上記N[CaO]、N[MgO]、N[CaF2]、N[Al2O3]、および、N[SiO2]は、それぞれCaO、MgO、CaF2、Al2O3、および、SiO2のモル分率を示し、
[C]、[Si]、[Mn]、[Cr]、[Ni]、および、[Mo]は、それぞれC、Si、Mn、Cr、Ni、および、Moの質量%を示す。
【請求項2】
前記鋼材の成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.01%〜0.50%、
Mn:0.5%〜3.0%、
Ti:0.001%〜0.03%、
Al:0.001%〜0.04を含有し、
残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項1に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項3】
前記鋼材の成分組成が、質量%で、さらに、
Cr:0.1%〜1.5%、Ni:0.1%〜2.5%、Mo:0.1%〜2.0%、および、Nb:0.005%〜0.06%のうちの何れか1種または2種以上を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項4】
前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%、
Ti:0.005%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%を含有し、
さらに、Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量%で、
C:0.03%〜0.15%、
Si:0.02%〜0.80%、
Mn:0.2%〜4.0%以下、
Ti:0.005%〜0.10%、
Al:0.001%〜0.02%、
O:0.03%〜0.50%を含有し、
さらに、
Cr:0.25%〜3.0%、Ni:0.25%〜8.0%、および、Mo:0.25%〜4.0%のうちの何れか1種または2種以上を含み、残部がFeおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項5】
前記複数の電極のうち、第2電極以降の少なくとも1電極を前記メタルコアードワイヤとし、残りの電極を前記ソリッドワイヤとすることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2009−50865(P2009−50865A)
【公開日】平成21年3月12日(2009.3.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−217653(P2007−217653)
【出願日】平成19年8月23日(2007.8.23)
【出願人】(000006655)新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年3月12日(2009.3.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年8月23日(2007.8.23)
【出願人】(000006655)新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Fターム(参考)】
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