JP2020168651A

JP2020168651A - ９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP2020168651A
Application number: JP2019071947A
Authority: JP
Inventors: 寛規水田; Hironori Mizuta; 飛史行方; Takashi Namekata; 正明鳥谷部; Masaaki Toriyabe
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-04
Also published as: JP7408295B2

Abstract

【課題】全姿勢溶接での溶接作業性が良好で、溶接金属の強度・靭性、耐割れ性及び耐気孔欠陥性に優れる９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒を提供する。【解決手段】Ｎｉを９５質量％以上含むＮｉ基合金を心線とした、９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒において、心線質量比でＳｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：１．５〜４．０％、Ｃｒ：８〜１２％、Ｍｏ：２．５〜８．０％、Ｎｂ：０．５〜２．５％、Ｔａ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．２〜０．８％、Ｗ：０．５〜１．７％を含有し、被覆剤は、当該被覆剤全質量で、Ｎｉ：３〜９％、ＳｉＯ2換算値の合計：６〜１２％、金属弗化物：１１〜１８％、金属炭酸塩：１３〜２１％、Ｎａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：１〜５％からなることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、主にＬＮＧ貯蔵タンクの建造に用いられる９％Ｎｉ鋼用の溶接に使用される被覆アーク溶接棒に関し、全姿勢溶接での溶接作業性が良好で、強度・靭性、耐割れ性及び耐気孔欠陥性に優れる溶接金属が得られる９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒に関する。

ＬＮＧ貯蔵タンクは、ＬＮＧを貯蔵するため、常にタンク内が−１９６℃になることから、低温靭性の優れたフェライト系合金鋼の９％Ｎｉ鋼が多く使用されている。溶接には、極低温において溶接金属の靭性が良好なＮｉ基合金系の溶接材料が多く用いられている。

近年、ＬＮＧ貯蔵タンクの大型化に伴い、溶接金属が高強度・高靭性のものを要求され、従来技術による被覆アーク溶接棒では、要求スペックを十分に満足することができないという問題点があった。

例えば、特許文献１には、純Ｎｉ心線を用い、被覆剤中のＴｉ、Ａｌ、Ｍｇ及び金属炭酸塩を規定することにより、溶接金属の機械性能に優れるとともに気孔欠陥の発生が少ない被覆アーク溶接棒が開示されている。しかし、耐気孔欠陥性は良好なものの被覆剤の金属炭酸塩が少ないので、下向溶接作業性は向上しているが、立向上進溶接での溶接作業性が不良になりやすいという問題点があった。

また、特許文献２には、Ｃ、Ｎｂ＋ＴａおよびＷを添加することにより溶接金属の強度・靭性に優れる被覆アーク溶接棒が開示されている。しかし、Ｃ、Ｎｂ＋ＴａおよびＷを添加することで溶接金属の引張強さは確保できるものの靭性にばらつきが生じやすく、−１９６℃における衝撃性能が近年の要求スペックを満足しないという問題点があった。

特開２０１６−０４３３９５号公報特開２００６−２７２４３２号公報

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、全姿勢溶接での溶接作業性、水平すみ肉溶接及び立向上進溶接において溶接作業性が良好で、耐割れ性、耐気孔欠陥性及び機械性能、特に低温での靭性に優れた溶接金属が安定して得られる９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために溶接金属の強度・靭性の向上及び耐割れ性・耐気孔欠陥性の向上、全姿勢溶接での溶接作業性を改善すべく９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒の成分組成について種々検討を行った。その結果、溶接金属の目標の機械性能、特に低温での靭性を満足するためにはＮｉを９５質量％以上含むＮｉ基合金を心線とし、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗのバランスの取れた適正量を添加する必要があることを見出した。

また、耐割れ性及び耐気孔欠陥性を向上させるためには、Ｓｉ、Ｍｎのバランスの取れた適正量を添加する必要があることを見出した。全姿勢溶接での溶接作業性を向上させるためには、ＳｉＯ₂、金属弗化物、金属炭酸塩を適正量添加すると効果的であることを見出した。

本発明は、以上の知見よりなされたもので、その要旨とするところは次の通りである。

第１発明に係る９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒において、Ｎｉを９５質量％以上含むＮｉ基合金を心線とし、前記心線と被覆剤の一方または両方の合計で、下記式に示す心線質量比で、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：１．５〜４．０％、Ｃｒ：８〜１２％、Ｍｏ：２．５〜８．０％、Ｎｂ：０．５〜２．５％、Ｔａ：０．０５〜０．３０％、Ｔｉ：０．２〜０．８％、Ｗ：０．５〜１．７％を含有し、前記被覆剤は、当該被覆剤全質量に対する質量％で、Ｎｉ：３〜９％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：６〜１２％、金属弗化物：１１〜１８％、金属炭酸塩：１３〜２１％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：１〜５％を含有し、残部が塗装剤、前記心線中のＦｅ分、被覆剤の鉄合金のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする。
心線質量比＝心線中の含有量％＋被覆剤中の含有量％×被覆率％／１００・・・式
（但し、心線中の含有量％は心線全質量に対する質量％、被覆剤中の含有量％は被覆剤全質量に対する質量％、被覆率は、当該９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒全質量に対する前記被覆剤の質量％）

本発明の９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒によれば、全姿勢溶接での溶接作業性、水平すみ肉溶接及び立向上進溶接において溶接作業性が良好で、耐割れ性、耐気孔欠陥性及び機械性能、特に低温での靭性に優れた溶接金属が安定して得られるなど溶接部の品質向上を図ることができる。

本発明の実施例に用いた溶接試験板を示す図である。

本発明は、心線及び被覆剤の各成分それぞれの単独の効果及び共存による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の添加理由および分量の限定理由を述べる。なお以下に述べる各成分量の％とは心線質量比のことをいい、心線と被覆剤の一方または両方の含有量の質量％に対し次式で計算される。但し、同式中の心線含有量は心線全質量に対する割合を意味し、被覆剤中の配合比とは被覆剤全質量に対する割合を意味する。さらに被覆率とは溶接棒全質量に対して被覆剤の占める割合を意味する。
心線質量比＝心線中の含有量％＋被覆剤中の含有量％×被覆率％／１００・・・式

［心線質量比でＳｉ：０．１〜０．３％］
Ｓｉは、溶着金属中の耐気孔欠陥性を向上させるために添加する。心線質量比でＳｉが０．１％未満では、その効果が十分に得られず、気孔欠陥が発生しやすい。一方、心線質量比でＳｉが０．３％を超えると、割れが発生しやすくなる。従って、心線質量比でＳｉは０．１〜０．３％とする。なお、Ｓｉは、心線、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加できる。

［心線質量比でＭｎ：１．５〜４．０％］
Ｍｎは、溶接金属の耐割れ性を向上させるために添加する。心線質量比でＭｎが１．５％未満であると、割れが発生しやすくなる。一方、心線質量比でＭｎが４．０％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。従って、心線質量比でＭｎは１．５〜４．０％とする。なお、Ｍｎは、心線、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加できる。

［心線質量比でＣｒ：８〜１２％］
Ｃｒは、溶接金属の引張強さを向上させる目的で添加する。心線質量比でＣｒが８％未満では、溶接金属の引張強さが低下する。一方、心線質量比でＣｒが１２％を超えると溶接金属の靱性が低下する。従って、心線質量比でＣｒは８〜１２％とする。なお、Ｃｒは、心線、金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ等の合金粉末から添加できる。

［心線質量比でＭｏ：２．５〜８．０％］
Ｍｏは、溶接金属の引張強さを向上させる目的で添加する。心線質量比でＭｏが２．５％未満では、溶接金属の引張強さが低下する。一方、心線質量比でＭｏが８．０％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。従って、心線質量比でＭｏは２．５〜８．０％とする。なお、Ｍｏは、心線、金属Ｍｏ、Ｆｅ−Ｍｏ等から添加できる。

［心線質量比でＮｂ：０．５〜２．５％］
Ｎｂは溶接金属の引張強さを向上させる目的で添加する。心線質量比でＮｂが０．５％未満では、溶接金属の引張強さが低下する。一方、心線質量比でＮｂが２．５％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。従って、心線質量比でＮｂは０．５〜２．５％とする。なお、Ｎｂは、心線、Ｆｅ−Ｎｂ等の合金粉から添加できる。

［心線質量比でＴａ：０．０５〜０．３０％］
Ｔａは、溶接金属の引張強さを向上させる目的で添加する。心線質量比でＴａが０．０５％未満では、溶接金属の引張強さが低下する。一方、心線質量比でＴａが０．３０％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。従って、心線質量比でＴａは０．０５〜０．３０％とする。なお、Ｔａは、心線、金属Ｔａ、Ｎｂ−Ｔａ等から添加できる。

［心線質量比でＴｉ：０．２〜０．８％］
Ｔｉは、合金に含まれる過剰な酸素を除去させる目的で添加し、溶接金属の引張強さ及び靱性を安定させる目的で添加する。心線質量比でＴｉが０．２％未満では、その効果は十分に得られず、気孔欠陥が発生しやすくなる。一方、心線質量比でＴａが０．８％を超えると、溶接金属中に金属酸化物として多量に分布し、強度及び靱性が低下する。従って、心線質量比でＴｉは０．２〜０．８％とする。なお、Ｔｉは、心線、金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等から添加できる。

［心線質量比でＷ：０．５〜１．７％］
Ｗは、溶接金属の靱性を低下させずに引張強さを改善する目的で添加する。心線質量比でＷが０．５％未満であると、溶接金属の安定した強度及び靭性が得られない場合がある。一方、心線質量比でＷが１．７％を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎ、靭性が低下する。従って、心線質量比でＷは０．５〜１．７％とする。なお、Ｗは、心線、金属Ｗ、ＷＣ等から添加できる。

被覆剤中に含有する成分組成は、被覆剤全質量に対する質量％で、以下の通りに含有する。

［Ｎｉ：３〜９％］
Ｎｉは、溶接金属を構成する主元素であり、安定したオーステナイト組織を形成させ溶接金属の強度及び極低温での靱性を確保する目的で添加する。Ｎｉが３％未満であると、その効果が得られず溶接金属の低温靱性が低下する。一方、Ｎｉが９％を超えると、溶接金属中のＮｉ量が過剰に多くなり、強度及び靱性が低下する。従って、Ｎｉは３〜９％とする。なお、Ｎｉは、金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｍｇ等の合金粉末から添加できる。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：６〜１２％］
Ｓｉ酸化物は、スラグ剥離性を向上させる目的で添加する。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が６％未満では、アークが不安定になり、スラグ剥離性が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が１２％を超えると、溶融スラグの融点が過剰に下がるため、立向姿勢溶接でメタル垂れが発生しやすく、ビード形状が不良となる。従って、Ｓｉ酸化物は６〜１２％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、珪砂、長石、水ガラス等から添加できる。

［金属弗化物：１１〜１８％］
金属弗化物は、アークの吹付け及びスラグの粘性、流動性を適正にし、溶接作業性を向上させる目的で添加する。金属弗化物が１１％未満では、その効果が得られずスラグ剥離性及びビード形状が不良となる。一方、金属弗化物が１８％以上を超えると、アークが不安定になりスパッタ発生量が多く、ビード形状も不良となる。さらに立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなる。従って、金属弗化物は１１〜１８％とする。なお、金属弗化物は、蛍石、弗化バリウム、弗化マグネシウム、弗化アルミニウム等から添加できる。

［金属炭酸塩：１３〜２１％］
金属炭酸塩は、金属弗化物同様にアークの吹付け及びスラグの粘性、流動性を適正にし、溶接作業性を向上させる目的で添加する。金属炭酸塩が１３％未満では、その効果が得られずアークが不安定となり、ビード形状が不良となる。一方、金属炭酸塩が２１％を超えると、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くなり、スラグ剥離性及びビード形状が不良となる。さらに立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなる。従って、金属炭酸塩は１３〜２１％とする。なお、金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン、炭酸リチウム等から添加できる。

［Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：１〜５％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定性を改善する目的で添加する。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が１％未満では、アークが不安定になりビード形状が不良となる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が５％を超えると、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くなる。また、再アーク性が低下する。従って、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計は１〜５％とする。なお、Ｎａ化合物及びＫ化合物は、水ガラス中の珪酸ソーダ、珪酸カリウム、長石等から添加できる。

以上、本発明の９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒の構成要件の限定理由を述べたが、残部は塗装剤、心線中のＦｅ分、被覆剤の鉄合金のＦｅ分及び不可避不純物である。また、不可避不純物であるＣ、Ｐ及びＳは靭性及び耐割れ性からできるだけ低いことが好ましく、Ｃは０．０５以下が好ましい。

被覆アーク溶接棒の製造方法は、心線と配合・混合した被覆剤を準備してから被覆剤に固着剤（珪素カリ及び珪酸ソーダの水溶液）を添加しながら湿式混合を行い、心線周囲に被覆剤を塗装し、さらに塗装後１５０〜４５０℃で約１〜３時間の乾燥・焼成を行うことにより製造することができる。

本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

表１に示す直径４．０ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＮｉを９５質量％以上含むＮｉ基合金を心線に、表２及び表３に示す被覆剤を被覆率４５〜５０％で塗装後、乾燥した９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒を試作した。

これら試作溶接棒を使用し、溶接作業性、溶接欠陥、溶接金属の機械的性能について調査した。

溶接作業性の評価は、板厚９ｍｍ、幅１００ｍｍの長さ４５０ｍｍのＪＩＳＧ３１１４ＳＭ４９０をＴ字に組んだ試験体を用い、表４に示す溶接条件で、水平すみ肉溶接及び立向上進溶接を行いアーク安定性、スラグ剥離性、ビード形状、スパッタ発生量及びメタル垂れの有無を目視確認で調査した。

溶接金属の機械的性能の評価は、板厚１９ｍｍのＪＩＳＧ３１２７ＳＬ９Ｎ５９０に規定される鋼板を用い、ＡＷＳＡ５．１１ＥＮｉＣｒＭｏ−６に準じて溶接金属試験を行い、溶接欠陥の有無をＸ線透過試験調査した後、引張試験、衝撃試験調査及び耐割れ性調査を行った。

引張試験の評価は、引張強さが６９０ＭＰａ以上を良好とした。また、靭性の評価は、試験温度−１９６℃で繰り返し３回シャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーの平均値が７０Ｊ以上を良好とした。

Ｘ線透過試験は、スラグ巻き込み、ブローホール、溶け込み不良が認められた場合、その欠陥の種類を表記し、継手溶接長５００ｍｍにおいて上記欠陥が認められない場合は無欠陥とした。

耐割れ性調査は、図１に示すように、板厚２６ｍｍ、４０°の開口角を有する９％Ｎｉ鋼に深さ１８ｍｍの溝２を形成し、ストロングバックにより拘束を行い、表４に示す溶接条件にて鋼板を横向姿勢で５００ｍｍ溶接して溝２に試験ビード１を形成し、ビード表面から約１ｍｍずつ３回研削して浸透探傷試験を行い、割れの有無を判定した。

表５及び表６中、溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１６〜Ｎｏ．３１は比較例である。

本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１５は、心線質量比においてＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ及びＷが適正で、被覆剤は、Ｎｉ、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計、金属弗化物、金属炭酸塩、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計が適正であるので、アーク安定性が良好で、スパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性に優れ、ビード形状が良好で、全姿勢溶接の溶接作業性、水平すみ肉溶接及び立向上進溶接において良好な溶接作業性が得られた。また、溶接欠陥が無く、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好で極めて満足な結果であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．１６は、心線質量比でＳｉが少ないので、ブローホールが発生した。また、心線質量比でＭｎが少ないので、割れが発生した。

溶接棒Ｎｏ．１７は、心線質量比でＳｉが多いので、割れが発生した。また、心線質量比でＭｎが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。

溶接棒Ｎｏ．１８は、心線質量比でＣｒが少ないので、溶接金属の引張強さが低かった。また、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が少ないので、アークが不安定になり、スラグ剥離性が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．１９は、心線質量比でＣｒが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が多いので、立向上進溶接においてメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．２０は、心線質量比でＭｏが少ないので、溶接金属の引張強さが低かった。また、金属弗化物が少ないので、スラグ剥離及びビード形状が不良となった。さらにブローホールが発生した。

溶接棒Ｎｏ．２１は、心線質量比でＭｏが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、金属弗化物が多いので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くなった。さらに、ビード形状が不良となり、立向上進溶接においてメタル垂れが発生した。

溶接棒Ｎｏ．２２は、心線質量比でＮｂが少ないので、溶接金属の引張強さが低かった。また、金属炭酸塩が少ないので、アークが不安定となり、ビード形状が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．２３は、心線質量比でＮｂが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、金属炭酸塩が多いので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。さらにスラグ剥離及びビード形状が不良となり、立向上進溶接においてメタル垂れが発生した。

溶接棒Ｎｏ．２４は、心線質量比でＴａが少ないので、溶接金属の引張強さが低くなった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、ビード形状が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．２５は、心線質量比でＴａが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。また、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ換算値及びＫ換算値の合計が多いので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。

溶接棒Ｎｏ．２６は、心線質量比でＴｉが少ないので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低く、ブローホールが発生した。

溶接棒Ｎｏ．２７は、心線質量比でＴｉが多いので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低かった。

溶接棒Ｎｏ．２８は、心線質量比でＷが少ないので、溶接金属の引張強さ及び吸収エネルギーを改善する効果は得られなかった。

溶接棒Ｎｏ．２９は、心線質量比でＷが多いので、溶接金属の引張強さが高くなりすぎ、吸収エネルギーが低かった。

溶接棒Ｎｏ．３０は、心線質量比でＮｉが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低かった。

溶接棒Ｎｏ．３１は、心線質量比でＮｉが多いので、溶接金属の引張強さ及び靱性が低かった。

１試験ビード
２溝

Claims

Ｎｉを９５質量％以上含むＮｉ基合金を心線とした、９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒において、前記心線と被覆剤の一方または両方の合計で、下記式に示す心線質量比で、
Ｓｉ：０．１〜０．３％、
Ｍｎ：１．５〜４．０％、
Ｃｒ：８〜１２％、
Ｍｏ：２．５〜８．０％、
Ｎｂ：０．５〜２．５％、
Ｔａ：０．０５〜０．３０％、
Ｔｉ：０．２〜０．８％、
Ｗ：０．５〜１．７％を含有し、
前記被覆剤は、当該被覆剤全質量に対する質量％で、
Ｎｉ：３〜９％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：６〜１２％、
金属弗化物：１１〜１８％、
金属炭酸塩：１３〜２１％、
Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ₂Ｏ換算値及びＫ₂Ｏ換算値の合計：１〜５％を含有し、
残部が塗装剤、前記心線中のＦｅ分、前記被覆剤の鉄合金のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒。

心線質量比＝心線中の含有量％＋被覆剤中の含有量％×被覆率％／１００・・・式
（但し、心線中の含有量％は心線全質量に対する質量％、被覆剤中の含有量％は被覆剤全質量に対する質量％、被覆率は、当該９％Ｎｉ鋼溶接用被覆アーク溶接棒全質量に対する前記被覆剤の質量％）