JP3441821B2

JP3441821B2 - オーステナイト系ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP3441821B2
Application number: JP30798394A
Authority: JP
Inventors: 達夫榎本; 聰之三宅; 肇長崎
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 2003-09-02
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: JPH08164498A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、核燃料の再処理施設等
に利用される耐粒界腐食性が良好な極低炭素のオーステ
ナイト系ステンレス鋼の溶接に用いる被覆アーク溶接棒
に係わるものである。詳しくは、溶着金属が母材並みに
極低炭素のオーステナイト系ステンレス鋼で、耐粒界腐
食性等の耐食性が優れるとともに、下向・立向・上向等
の全姿勢で溶接が容易にできる被覆アーク溶接棒に関す
る。【０００２】【従来の技術】ステンレス鋼の中でも低炭素のオーステ
ナイト系ステンレス鋼は、耐粒界腐食性等の耐食性が優
れており、化学プラントや原子力関連施設に利用されて
いる。最近では、これらの用途向けに耐食性がさらに良
好な〔Ｃ〕≦０．０２０％の極低炭素オーステナイト系
ステンレス鋼も開発されているが、このような鋼種に適
用する溶接材料においても、母材並みの特性が必要であ
ることは勿論、全姿勢での良好な溶接作業性が要求され
ている。【０００３】しかし、各種溶接材料の中でも被覆アーク
溶接棒は、被覆剤中に各種の炭酸塩等の炭素源を添加す
ることが一般的であり、溶着金属の炭素量を〔Ｃ〕≦
０．０２０％にすることが困難であった。この種の被覆
アーク溶接棒としては、特開昭５４−５８３８号公報
「全姿勢溶接用被覆アーク溶接棒」が開示されており、
同明細書２頁３欄１５〜２０行には、「ＣａＯ，ＭｇＯ
及びＣＯ₂に換算したＣａ及びＭｇの炭酸塩量を特定と
すると共に還元イルミナイトを一定量配合してなる被覆
剤組成が、立向、上向をはじめ全姿勢の溶接においてす
ぐれた溶接作業性と溶接品質を付与し、かつ低炭素溶着
金属の形成に好適な性質を有することを見いだした。」
とあるが、同実施例Ｎｏ．２およびＮｏ．３の溶着金属
成分組成には、０．０３８％と０．０３７％のＣ量のも
のが記載されていて、溶着金属の炭素量が高過ぎるた
め、優れた耐食性を有する溶接部が得られないという問
題がある。【０００４】また、特開昭５４−２８７４６号公報「ス
テンレス鋼被覆アーク溶接棒」には、低炭素ステンレス
鋼被覆アーク溶接棒における全姿勢での溶接作業性を良
好とする方法として、その特許請求の範囲の第（１）項
に「被覆剤中の石灰石、蛍石、酸化ジルコニウム、酸化
鉄の含有量と石灰石／蛍石の比を所定の適正範囲に制御
する」こと、また同第（２）項に「第（１）項の補助成
分として硅灰石、弗化マグネシウム、弗化バリウム、弗
化リチウム、炭酸バリウムおよび炭酸リチウム、炭酸マ
グネシウム、酸化マグネシウム、カリ長石およびケイ
砂、ルチールおよびチタン酸カリ、酸化ニッケルおよび
酸化クロム、タルクおよびマイカを適量添加する」こと
が、さらにその発明例の溶着金属は、Ｃ量が０．０２７
〜０．０６５％であることがそれぞれ記載されているも
のの、同様に溶着金属の炭素量が高過ぎる。【０００５】さらに、高能率で全姿勢の溶接作業性が良
好な従来の被覆アーク溶接棒としては、特開昭５２−１
８４４０号公報「ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒」が
あり、同明細書には、炭酸マンガンを４〜２５％添加す
れば、保護筒が強化できる旨記載されているものの、Ｃ
ａＣＯ₃やＭｇＣＯ₃との併用添加が必須条件となって
おり、しかもその添加量も多いため、〔Ｃ〕≦０．０２
０％という極低炭素量の溶着金属を確保できない。ま
た、炭酸マンガンと溶着金属の炭素量の関係については
何等明記されていない。【０００６】【発明が解決しようとする課題】本発明は、オーステナ
イト系ステンレス鋼の溶接に際し、全姿勢の溶接作業性
が良好で、炭素量が０．０２０％以下の耐食性に優れた
溶着金属を確保することのできるオーステナイト系ステ
ンレス鋼用被覆アーク溶接棒を提供することを目的とす
る。【０００７】【課題を解決するための手段】本発明は、ステンレス鋼
用被覆アーク溶接棒の溶着金属の耐粒界腐食性等の耐食
性をさらに向上させるため、心線および被覆剤組成上か
ら検討して、溶着金属の炭素量を低減させようとするも
のであり、このことによってその他の溶着金属特性や全
姿勢での溶接作業性が損なわれることのないようにする
ものである。【０００８】本発明者らは、溶着金属の主要な炭素源で
ある心線中の炭素量と被覆剤中の各種炭酸塩含有量等が
異なるライムチタニヤ系被覆アーク溶接棒を各種試作し
て、溶着金属の炭素量や溶接作業性等の諸性能に及ぼす
影響について調査した。その結果、従来から知られてい
るように、被覆剤中のＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、ＭｇＣ
Ｏ₃の炭酸塩を低減するに従い、溶着金属の炭素量は低
下する傾向があった。しかし、溶着金属の炭素量が０．
０２０％以下となるまで上記の炭酸塩を低減させると、
シールドガス不足によってピットが発生した。【０００９】この問題を解決するため、本発明者らは、
溶接中に溶着金属を保護するＣＯ₂ガスを発生し、かつ
溶着金属の炭素量を増加させない炭酸塩の探索を試みる
ことにした。すなわち、炭酸塩の増加による溶着金属の
炭素量の増加は、炭酸塩が溶接中に放出するＣＯ₂の一
部が還元されて生じるものであるから、炭酸塩がＣＯ ₂
と酸化物に分解した時に生成される酸化物の性質がＣＯ
₂よりも還元されやすければ、溶着金属の炭素量を０．
０２０％以下に低減でき、かつピットの発生も防止でき
ると考え、各種炭酸塩の中から炭酸マンガンを選択し、
これらの確認実験を試みた。【００１０】その結果、炭酸マンガンは被覆剤中に添加
しても溶着金属の炭素量に殆ど影響せず、しかも炭酸マ
ンガン以外の炭酸塩をＣＯ₂に換算して０．２〜２％に
制御しつつ、適量のＦｅやＭｎの酸化物と併用すれば、
溶着金属の炭素量を０．０２０％以下に抑制しながら、
耐ピット性も向上できることが分かった。また、全姿勢
でのスラグの流動性を良くし、耐棒焼け性の向上にも効
果的であるとの知見も得た。【００１１】このような本発明が目標とする全姿勢での
溶接において、良好な溶接作業性の確保や耐粒界腐食性
に優れる〔Ｃ〕≦０．０２０％である極低炭素量の溶着
金属の確保をさらに確実なものとするためには、前記し
た要件に加えて、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ
Ｏ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、アルカリ金属の酸化物、
酸化ビスマス、金属弗化物、金属粉末をそれぞれ所定の
割合で組み合わせて添加するとともに、オーステナイト
系ステンレス鋼心線の炭素量も所定量以下に制限するこ
とが必須であり、これら全ての成分の相乗効果によっ
て、上記の課題が解決できることが判明した。【００１２】本発明は、以上の知見を基にして構成され
たものであり、その要旨とするところは、重量％で、Ｃ
が０．００２〜０．０１２％のオーステナイト系ステン
レス鋼を心線とし、その心線の周囲に、被覆剤全重量に
対して、炭酸マンガンを３〜２０％、炭酸マンガンを除
く炭酸塩をＣＯ₂に換算して０．２〜２％、金属酸化物
としてＴｉＯ₂を２０〜５０％、ＣａＯを５〜１５％、
ＭｇＯを０．１〜１０％、Ｆｅの酸化物とＭｎの酸化物
のいずれか一方または双方の合計を２〜１５％、ＳｉＯ
₂を５〜１５％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．１〜８％、ＺｒＯ₂
を０．１〜８％、アルカリ金属の酸化物を２〜９％、酸
化ビスマスを０．０１〜０．２％、金属弗化物を３〜２
５％、金属粉末を１〜３５％含有し、残部が不可避的不
純物からなる被覆剤が被覆率２０〜４０％で被覆されて
いることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼用
被覆アーク溶接棒にある。【００１３】以下に本発明を作用とともに詳細に説明す
る。【００１４】【作用】先ず、本発明における心線は、本発明の被覆ア
ーク溶接棒が対象とする母材が極低炭素のオーステナイ
ト系ステンレス鋼であることから、母材と共金系のオー
ステナイト系ステンレス鋼であればよいが、心線中の炭
素量については、被覆剤中から付加される分をも考慮し
て、溶着金属の炭素量を０．０２０％以下にするため、
その上限値は多くとも０．０１２％に制限しなければな
らない。また、心線中の炭素量が大きく変動すると、安
定した溶着金属性能の確保が困難になるので、その下限
値は０．００２％とする。【００１５】また、オーステナイト系ステンレス鋼心線
のＣ以外の組成は、Ｃｒ：１６〜２５％、Ｎｉ：８〜１
６％、Ｍｏ：４％以下、Ｍｎ：０．５〜２％、Ｓｉ：
０．１〜０．６％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０
３０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０５％
以下、Ｎ：０．１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不
可避的不純物からなるものが好ましい。【００１６】次に、被覆剤中に添加する成分として、炭
酸マンガンは３％以上の含有量でシールドガスの不足か
ら発生するピットを防止でき、このことにより溶着金属
の炭素量を増加させることはない。炭酸マンガンを３％
以上添加することにより、下向・立向・上向の各溶接姿
勢でのスラグの流動性をよくし、耐棒焼け性も向上する
が、２０％を超えるとアークの再発生が劣化する。【００１７】炭酸マンガンを除く炭酸塩としては、炭酸
カルシウム、マグネサイト、ドロマイト、炭酸バリウム
等があり、これらの成分は、シールドガスを発生させ溶
着金属を保護したり、アークの吹付け・スラグの流動性
・保護筒強化等の溶接作業性向上のために添加できる
が、多過ぎると溶着金属の炭素量を０．０２０％以下に
制御できなくなるので、これら炭酸塩の合計量は、ＣＯ
₂に換算して０．２〜２％に制御する必要がある。【００１８】ＴｉＯ₂は、ルチール、チタンスラグ、イ
ルミナイト、チタン酸カルシウム、チタン酸カリ等で添
加することにより、アークの安定性を良好にし、被包性
のよいスラグを形成するとともに、再アークの発生も容
易にするが、多過ぎると耐棒焼け性が劣化して保護筒の
形成が困難になる。従って、ＴｉＯ₂の添加量は２０〜
５０％に制御しなければならない。【００１９】ＣａＯは、全姿勢での溶接で流動性のよい
スラグを形成するが、多過ぎると水平すみ肉のビード形
状が凸になるので、５〜１５％に制御する必要がある。
ＭｇＯは、前記のＣａＯと併用して添加することによ
り、立向や上向姿勢でのスラグの流動性を一層向上させ
るとともに、耐棒焼け性の向上にも効果がある。しか
し、多過ぎると下向姿勢でのスラグ流動性が不安定にな
るので、ＣａＯの添加量は０．１〜１０％にしなければ
ならない。【００２０】Ｆｅの酸化物とＭｎの酸化物は、イルミナ
イト、ヘマタイト、リチウム・フェライト、磁鉄鉱、二
酸化マンガン、珪酸マンガン、マンガンスラグ等を１種
または２種以上の複合で添加できる。これら成分を添加
することにより、溶着金属の炭素量を抑制するための補
助的効果が期待できる。しかし、これら成分の〔Ｆｅの
酸化物＋Ｍｎの酸化物〕が多過ぎると下向姿勢でのスラ
グ流動性が不安定になってビード形状が悪くなるので、
２〜１５％にする必要がある。【００２１】ＳｉＯ₂は、下向および水平すみ肉姿勢で
のスラグの被包性を良好にし、ビード形状も平滑にす
る。また、耐棒焼け性にも効果があるが、多過ぎると立
向や上向姿勢でのスラグ流動性が悪くなってビードが凸
形になるので、５〜１５％に制御しなければならない。
なお、ＳｉＯ₂源としては、珪砂、カリ長石、珪灰石、
セリサイト、マイカ、固着剤に用いる水ガラス等で添加
できる。【００２２】Ａｌ₂Ｏ₃は、保護筒の強化やアークの吹
付けを強くするのに効果があるが、多過ぎるとスパッタ
が増加するので、０．１〜８％の範囲に限定する。Ａｌ
₂Ｏ ₃源としては、単体ではアルミナが、また他の成分
との複合体としてはセリサイト、マイカ、カリ長石等が
あり、これらで添加できる。ＺｒＯ₂は、スラグの粘性
を増す点以外は前記のＡｌ₂Ｏ₃と類似した作用を有し
ており、０．１〜８％の範囲に限定する。【００２３】アルカリ金属の酸化物は、アークの安定性
を良好にし、全姿勢でのスラグの流動性も良好にする
が、多過ぎると被覆の耐吸湿性が劣化して溶接ヒューム
も増加するので、２〜９％に制御する必要がある。な
お、アルカリ金属の酸化物とは、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｌ
ｉ₂Ｏを指し、その添加源にはチタン酸カリ、チタン酸
ソーダ、カリ長石、リチウム・フェライト、珪酸カリ、
珪酸ソーダ等がある。【００２４】酸化ビスマスはスラグ剥離性をよくする
が、溶着金属の延性・靱性の劣化を招くので、添加量は
０．０１〜０．２％に限定する。金属弗化物は、全姿勢
での溶接において流動性のよいスラグを形成し、アーク
の吹付けを強くするとともに、融合不良やブローホー
ル、ピットの欠陥防止に効果がある。しかし、多過ぎる
とスパッタが多発するので、３〜２５％にしなければな
らない。なお、金属弗化物としては、ＣａＦ₂、ＢａＦ
₂、ＡｌＦ₃、ＮａＦ、ＬｉＦ等が使用できる。【００２５】金属粉末は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｍ
ｎ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｖ、
Ｂ、Ｓ等の合金剤や脱酸剤を指し、溶着金属の成分調整
および酸素量低減、あるいはアーク状態、スラグ剥離
性、スラグ流動性、ビード形状等の溶接作業性向上等の
目的から、少なくとも１％は必要であるが、添加量が３
５％を超えると耐棒焼け性が損なわれる。【００２６】被覆剤の被覆率は、２０％未満になると耐
棒焼け性が悪く、保護筒が形成され難くなって、アーク
の持続が困難になる。また、被覆率が４０％を超えると
保護筒は深くなり過ぎてアークの持続が困難になり、ス
ラグ量も過多となる。以上のように、本発明のオーステ
ナイト系ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒は、心線とし
て極低炭素量のオーステナイト系ステンレス鋼を用い、
被覆剤中には炭酸塩として選択的に炭酸マンガンを添加
する一方、炭酸マンガン以外の炭酸塩をＣＯ₂に換算し
て所定量に制限するとともに、ＴｉＯ₂、ＣａＯ、Ｍｇ
Ｏ、ＦｅおよびＭｎの酸化物、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、
ＺｒＯ₂、アルカリ金属の酸化物、酸化ビスマス、金属
弗化物、金属粉末をそれぞれ適量添加し、かつ適正な被
覆率とすることによって、溶着金属は耐腐食性が良好な
極低炭素量のオーステナイト系ステンレス鋼になる。ま
た、溶接作業性も下向、水平すみ肉、横向き、立向、上
向の全姿勢溶接において良好なものとすることができ、
かつピットやブローホール、融合不良等の欠陥も防止で
きる。【００２７】本発明の被覆アーク溶接棒は、心線および
配合・乾式混合した被覆剤を準備した後、被覆剤に固着
剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加しなが
ら湿式混合し、心線周囲に被覆剤を塗装し、さらに塗装
後１５０〜４００℃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。【００２８】【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。表
１に供試心線の化学成分を示す。また、表２、表３（表
２のつづき−１）、表４（表２のつづき−２）、表５
（表２のつづき−３）、表６（表２のつづき−４）およ
び表７（表２のつづき−５）に供試心線と被覆剤の組み
合わせによる被覆アーク溶接棒の組成を示す。表８には
使用した母材の化学成分を示す。【００２９】表９、表１０（表９のつづき−１）、表１
１（表９のつづき−２）、表１２（表９のつづき−
３）、表１３（表９のつづき−４）、表１４（表９のつ
づき−５）、表１５（表９のつづき−６）、表１６（表
９のつづき−７）および表１７（表９のつづき−８）に
表２〜表７の被覆アーク溶接棒と表８の母材を用いて実
施した溶着金属の分析結果、耐腐食性試験結果、Ｘ線試
験結果および溶接作業性試験結果を示す。【００３０】溶接方法は、棒径４．０ｍｍの溶接棒を用
い、溶接電流１００〜１４０Ａ（ＡＣ）、アーク電圧２
１〜２５Ｖ、溶接速度５０〜２５０ｍｍ／ｍｉｎ、溶接
姿勢は下向・立向・上向で、図１に示す開先形状の試験
板をパス間温度１５０℃以下で積層盛りした。図１にお
いて、母材の板厚ｔ：１２ｍｍ、裏当て金の厚さｔ′：
６ｍｍ、開先角度θ：６０°、ルート間隔ｇ：８ｍｍと
した。【００３１】耐食性試験は、溶接終了後、図２の要領で
溶接金属の上層部より厚さｔ：５ｍｍ、幅ｗ：９ｍｍ、
長さｌ：３０ｍｍの試験片を採取し、６５％硝酸腐食試
験をＪＩＳＧ０５７３の方法に従って実施した。Ｘ
線試験は、図１の試験板の溶接部をＸ線透過写真を撮影
し、ＪＩＳＺ３１０４の判定基準に従って判定し
た。【００３２】表２〜表７と表９〜表１７の被覆アーク溶
接棒記号Ｎｏ．１〜１１は比較例であり、Ｎｏ．１２〜
２７は本発明例である。なお、表９、表１０、表１２、
表１３、表１５および表１６の溶接作業性評価は、◎：
極めて良好、○：良好、△：やや悪い、×：悪いで示し
た。【００３３】【表１】【００３４】【表２】【００３５】【表３】【００３６】【表４】【００３７】【表５】【００３８】【表６】【００３９】【表７】【００４０】【表８】【００４１】【表９】【００４２】【表１０】【００４３】【表１１】【００４４】【表１２】【００４５】【表１３】【００４６】【表１４】【００４７】【表１５】【００４８】【表１６】【００４９】【表１７】【００５０】Ｎｏ．１は心線中のＣ量が０．０１２％を
超えているため、溶着金属のＣ量は０．０２０％を超え
る高い値を示し、６５％硝酸腐食試験結果が劣ってい
る。Ｎｏ．２は被覆剤中の炭酸マンガンが３％未満で、
ＴｉＯ₂が５０％を超えているため、溶着金属にピット
が発生しやすく、立向や上向の溶接作業性が劣ってい
る。【００５１】Ｎｏ．３は炭酸マンガンが２０％を超えて
おり、ＴｉＯ₂も２０％未満のため、スパッタが多く、
下向のスラグの被包性やビード形状が悪い。Ｎｏ．４は
炭酸マンガンを除く炭酸塩が、ＣＯ₂に換算して２％を
超えているため、溶着金属のＣ量が高く、耐食性が悪
い。Ｎｏ．５はＣａＯが５％未満で、ＭｇＯも０．１％
未満であり、しかもＳｉＯ ₂が１５％を超えているた
め、立向のビード形状も凸になりやすい。【００５２】Ｎｏ．６はＣａＯが１５％を超え、ＭｇＯ
も１０％を超えており、さらにＳｉＯ₂も５％未満のた
め、下向および水平すみ肉のスラグ流動性が不安定であ
り、ビード形状は波形が不均一な凸形になっている。Ｎ
ｏ．７は金属弗化物が２５％を超え、またアルカリ金属
の酸化物が２％未満のため、アークの安定性が悪く、ス
パッタが多過ぎる。【００５３】Ｎｏ．８は金属弗化物が３％未満のため、
アークの吹付けが弱過ぎ、またピットも発生しやすい。
Ｎｏ．９はアルカリ金属の酸化物が９％を超えているた
め、溶接ヒュームが多量に発生した。Ｎｏ．１０は金属
粉末が３５％を超え、被覆率も２０％未満のため、耐棒
焼け性が悪い。【００５４】Ｎｏ．１１は被覆率が４０％を超えている
ため、アークが切れやすく、スラグ量が過多となって融
合不良を生じやすい。これに対して、本発明のＮｏ．１
２〜２７は、いずれも耐食性が良好な極低炭素オーステ
ナイト系ステンレス鋼の溶着金属が得られ、全姿勢での
溶接作業性も良好であり、かつピット・ブローホール・
融合不良等の欠陥を防止できる。【００５５】【発明の効果】以上のように、本発明のオーステナイト
系ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒は、核燃料の再処理
施設等に用いる耐粒界腐食性が良好な極低炭素オーステ
ナイト系ステンレス鋼の溶接において、全姿勢でピット
やブローホールのない健全な溶接部と良好な溶接作業性
を示し、その溶接金属は耐食性が良好な母材と共金系の
組成が得られる。

【図面の簡単な説明】【図１】溶接作業性、腐食試験、Ｘ線試験用試験板の開
先形状を示す断面図である。【図２】溶接金属の腐食試験片採取位置および寸法を示
す断面図である。【符号の説明】図１において： θ 開先角度ｔ母材の板厚ｔ′ 裏当て金の厚さｇルート間隔図２において：ｔ腐食試験片の厚さｗ腐食試験片の幅ｌ腐食試験片の長さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−205293（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−199093（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−4393（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/36 - 35/368

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】重量％で、Ｃが０．００２〜０．０１２
％のオーステナイト系ステンレス鋼を心線とし、その心
線の周囲に、被覆剤全重量に対して、炭酸マンガンを３
〜２０％、炭酸マンガンを除く炭酸塩をＣＯ₂に換算し
て０．２〜２％、ＴｉＯ₂を２０〜５０％、ＣａＯを５
〜１５％、ＭｇＯを０．１〜１０％、Ｆｅの酸化物とＭ
ｎの酸化物のいずれか一方または双方の合計を２〜１５
％、ＳｉＯ₂を５〜１５％、Ａｌ₂Ｏ₃を０．１〜８
％、ＺｒＯ₂を０．１〜８％、アルカリ金属の酸化物を
２〜９％、酸化ビスマスを０．０１〜０．２％、金属弗
化物を３〜２５％、金属粉末を１〜３５％含有し、残部
が不可避的不純物からなる被覆剤が被覆率２０〜４０％
で被覆されていることを特徴とするオーステナイト系ス
テンレス鋼用被覆アーク溶接棒。