JP7638595B2 - 鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Description

本発明は、特に直流電源を使用したアーク溶接において、アーク安定性が良好であり、引張強度が７８０ＭＰａ以上の強度が得られ、かつ良好な低温靭性と溶接継手の曲げ性能が得られる鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒に関する。

低水素系被覆アーク溶接棒は、アーク安定性が良好で、耐割れ性や溶接金属の低温靱性が優れていることから、拘束が強い箇所や高張力鋼の溶接に広く使用されている。

一方、最近の溶接構造物の大型化にともない、使用される鋼材の高強度化が要望されている。また、天然資源の開発を目的とした大型海洋構造物や球形タンク等では、安全性の確保のため、溶接金属の低温靱性の更なる向上や、強度を十分に確保するなど優れた機械的性能確保が重要となる。しかし、一般的に溶接金属の高強度化と低温靱性の両立は相反する特性のため、高強度化と低温靱性を両立する新たな手法の開発が望まれている。

このような状況に対し、溶接金属の機械的性能の向上手段として、いくつかの提案がされている。例えば、特許文献１には、Ｎｉ含有量が１質量％以下でも低温靱性が優れた溶接金属を得ることを目的とした被覆アーク溶接棒に関する技術が開示されている。しかし、特許文献１に記載の技術では、直流電源を用いて溶接を行うと磁気吹きや被覆の片溶けが発生し易く十分な溶接作業性が確保できない問題点がある。

特許文献２には、４９０ＭＰａ級以上の鋼管円周を、直流電源を用いて多層盛溶接を行うと、アークの安定性に優れ、溶接金属の強度及び低温靱性が優れる低水素系被覆アーク溶接棒の技術が開示されている。しかし、この特許文献２の開示技術は、４９０ＭＰａ級以上の鋼管円周の多層盛溶接に適用されており、引張強さ５５０～６５０ＭＰａの溶接材料についての技術である。このため、７８０ＭＰａ以上の溶接材料では十分な特性がえられない。

また、特許文献３には、溶着金属の引張強さが５９０ＭＰａ以上において安定した溶接金属の機械的性能、全姿勢溶接における良好な溶接作業性と低温靭性を確保する低水素系被覆アーク溶接棒の技術の開示がある。しかし、この特許文献３の開示技術では、Ｎｉを鋼心線に添加するため、溶接棒の価格が高くなる問題点があった。

特開２０１４－１５１３３８号公報 特開２０１６－２０３２５３号公報 特開２０１０－２５３４９５号公報

低水素系被覆アーク溶接棒は、一般的に国内では交流電源を用いて溶接するように設計されているが、最近では球形タンクや海洋構造物の海外における現場溶接など、より安価な電源装置となる直流電源で使用できる低水素系被覆アーク溶接棒の開発が望まれている。

低水素系被覆アーク溶接棒を、直流電源を用いて溶接すると、磁気吹きや被覆剤の片溶けが生じてアークが不安定となり、健全なビードが得られないという課題がある。このため、直流電源を使用した場合においても、アークの安定性に優れ、溶接金属の機械性能が良好な鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒の開発が望まれている。

本発明は、かかる問題点に鑑みて案出されたものであって、より高強度の７８０ＭＰａ級高張力鋼での直流電源を用いた多層盛溶接において、アーク安定性等の溶接作業性が良好、溶接継手が優れた低温靭性と曲げ加工性を発現する７８０ＭＰａ級高張力鋼用の鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明は、鋼心線に被覆剤が塗装されている、７８０ＭＰａ級高張力鋼での直流電源を用いた多層盛溶接用の鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒において、被覆剤の被覆率が溶接棒全質量に対する質量％で３０～４５％であり、前記被覆剤の組成が被覆剤全質量に対する質量％で、Ｍｎ：３．０～６．０％、Ｎｉ：３．５～７．５％、Ｍｏ：０．３～１．３％、Ｃｒ：０．２～１．０％、Ｓｉ：２．０～５．０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：３．５～７．５％、Ｔｉ：０．２～１．５％、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１．０～５．０％、一種或いは二種以上の金属炭酸塩の合計：２５～４５％、一種或いは二種以上の金属弗化物の合計：５～１５％を含有し、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：２．０％以下、Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計：０．８％以下であり、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計：Ｎａ換算値とＫ換算値の合計で１．５～３．０％を含有し、かつ、前記Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒが式（１）で１５０～３００であり、さらにＦｅ：２０～３０％を含有し、不純物からなる残部の合計が１．０％以下である被覆剤を塗装してあることを特徴とする。

２．３×［Ｍｎ］+３８．５×［Ｎｉ］＋４．２×［Ｍｏ］＋２．１×［Ｃｒ］・・・式（１）
但し、［ ］は、各成分の被覆剤全質量に対する質量％を示す。

また、前記被覆剤が被覆剤全質量に対する質量％で、Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計：０．５％以下であることを特徴とする鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒にある。

さらに、前記被覆剤が被覆剤全質量に対する質量％で、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計：１．５％以下であることを特徴とする鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒にある。

本発明を適用した鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒によれば、７８０ＭＰａ級高張力鋼での直流電源を用いた多層盛溶接において、鋼材と同等以上の強度が得られ、アーク安定性等の溶接作業性が良好であり、かつ、低温での安定した靱性が得られ、作製した溶接継手において良好な曲げ性能が得られる。したがって、各種鋼構造物に対する溶接継手の信頼性を大幅に向上することができる。

本発明者らは、上述した課題を解決するために、７８０ＭＰａ級高張力鋼での直流電源を用いた多層盛溶接において、この強度と同等以上の強度アーク安定性等の良好な溶接作業性、安定した低温靱性、かつ、作製した溶接継手の良好な曲げ性能を溶接後の溶接継ぎ手において得ることが可能な鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒、特にその被覆剤の成分組成について詳細に検討した。

その結果、以下の知見が得られ、その方針に従い各種成分の調整を行うことで本発明を見出した。

（１）Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒの含有量を適量とすることで溶接金属の強度及び溶接継手の良好な曲げ性能を確保することができること。

（２）金属炭酸塩、Ｓｉ、Ｔｉ含有量を適量にし、鋼心線への被覆率を適正にすると低温での溶接金属の靭性を向上できること。

（３）溶接作業性に関するアークの安定化及びスパッタ発生量の低減には、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔｉ酸化物 のＴｉＯ_２換算値 、金属炭酸塩、金属弗化物、及びＮａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計を適量にすることで調整可能なこと。

（４）ビード形状及びビード外観はＳｉ酸化物 のＳｉＯ_２換算値 、Ｔｉ酸化物 のＴｉＯ_２換算値 、金属炭酸塩、金属弗化物、及びＭｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計の含有量を適量にすることで改善できること。

（５）スラグ剥離性及び被包性はＳｉ酸化物 のＳｉＯ_２換算値 、金属炭酸塩、金属弗化物及びＡｌ酸化物のＡｌ_２Ｏ_３換算値の合計量を適量にすることで改善できること。

（６）溶接棒自体が赤熱する棒焼けを防止するには、Ｆｅの含有量を適量にすることで、溶接棒の保護筒の片溶けを防止するには金属弗化物及びＦｅの含有量を適量にすることで、被覆剤の塗装性等の溶接棒の生産性はＮａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計量を適量にすることで改善できること。

（７）Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計を適量にすることで、アークの安定化及びスパッタ発生量の低減がより改善でき、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計を適量にすることで、ビード形状及びビード外観がより改善できること。

以下、本発明における鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒について、被覆剤中の各組成数値範囲の限定理由について詳細に説明する。なお、鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤中の各成分組成における含有率は、被覆剤全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載する。

［被覆率：溶接棒全質量に対する質量％で３０～４５％］
被覆剤の鋼心線の外周への被覆率は、溶接時の耐シールド性に大きく影響する。被覆率が鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％（以下、単に％という。）で３０％未満では、被覆剤自体が少なくなってシールド不足となり、溶接金属中のＮ含有量が増加して溶接金属の靱性が低下する。一方、被覆剤の被覆率が４５％を超えると、スラグ量が増えすぎてアークが不安定になる。従って、被覆率は３０～４５％とする。

［Ｍｎ：３．０～６．０％］
Ｍｎは、金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等から添加され、溶接金属の脱酸剤として必要な元素であり、溶接金属組織を微細化して溶接金属の低温靱性及び強度を高める効果がある。Ｍｎが３．０％未満では、溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。また、Ｍｎが３．０％未満では、脱酸不足となって溶接金属中にブローホールが発生しやすくなる。一方、Ｍｎが６．０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。従って、Ｍｎは３．０～６．０％とする。

［Ｎｉ：３．５～７．５％］
Ｎｉは、金属Ｎｉから添加され、溶接金属の強度、低温靭性を向上させる効果がある。Ｎｉが３．５％未満では、溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが７．５％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなる。従って、Ｎｉは３．５～７．５％とする。

［Ｍｏ：０．３～１．３％］
Ｍｏは、金属Ｍｏ、Ｆｅ－Ｍｏ等から添加され、溶接金属の強度をより向上させる効果がある。Ｍｏが０．３％未満では、溶接金属の強度が低下する。一方、Ｍｏが１．３％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。従って、Ｍｏは０．３～１．３％とする。

［Ｃｒ：０．２～１．０％］
Ｃｒは、金属Ｃｒ、Ｆｅ－Ｃｒ等から添加され、溶接金属の強度をより向上させる効果がある。Ｃｒが０．２％未満では、溶接金属の強度及が低下する。一方、Ｃｒが１．０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。従って、Ｃｒは０．２～１．０％とする。

［Ｓｉ：２．０～５．０％］
Ｓｉは、金属Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等から添加され、溶接金属の脱酸を目的として使用される。Ｓｉが２．０％未満では、脱酸不足となって溶接金属中にブローホールが発生しやすくなり、アークも不安定となる。一方、Ｓｉが５．０％を超えると、溶接金属の粒界に低融点酸化物を析出させ、溶接金属の低温靱性が低下する。従って、Ｓｉは２．０～５．０％とする。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値の合計：３．５～７．５％］
Ｓｉ酸化物は、珪砂、ジルコンサンド、カリ長石、珪酸ナトリウムや珪酸カリウム等の水ガラスの固質分、珪灰石等から添加され、溶融スラグの粘性を高め、適切な粘性のスラグを確保してビード形状を良好にする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値 が３．５％未満では、溶融スラグの粘性が低くなり、ビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値が７．５％を超えると、スラグがガラス状になり、スラグ剥離性が不良になる。従って、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値は３．５～７．５％とする。

［Ｔｉ：０．２～１．５％］
Ｔｉは、金属Ｔｉ、Ｆｅ－Ｔｉ等から添加され、脱酸剤として有効であると同時に、アークの電位傾度を低下させてアークを安定化させる効果がある。さらに、溶接金属組織を微細化して溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。Ｔｉが０．２％未満では、その効果が得られず、アークが不安定となる。またＴｉが０．２％未満では、溶接金属中に酸素量が多くなり、溶接金属のミクロ組織が微細化されないので、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが１．５％を超えると、溶接金属中のＴｉ酸化物の析出が増加し、溶接金属の低温靱性が低下する。従って、Ｔｉは０．２～１．５％とする。

［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値の合計：１．０～５．０％］
Ｔｉ酸化物は、ルチール、酸化チタン、チタンスラグ、チタン酸カルシウム等から添加され、アークを安定にし、溶融スラグの粘性を調整してビード形状を良好にする効果がある。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値が１．０％未満であると、アークが不安定となり、ビード形状が不良になる。一方、Ｔｉ酸化物 のＴｉＯ_２換算値 が５．０％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなってスラグの流動性が悪くなるので、ビード形状が凸状となる。従って、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値は１．０～５．０％とする。

［金属炭酸塩の一種或いは二種以上の合計：２５～４５％］
金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム等から添加され、アークの熱で分解してＣＯ_２ガスを発生し、溶接金属を大気から保護する効果がある。金属炭酸塩の一種或いは二種以上の合計が２５％未満では、シールド効果が不足し、ブローホールが発生しやすくなる。また、金属炭酸塩の一種或いは二種以上の合計が２５％未満では、溶接金属中に大気中の窒素が混入し、低温靱性が低下する。一方、金属炭酸塩の一種或いは二種以上の合計が４５％を超えると、アークが不安定となってビード形状が凸状になり、スラグ剥離性も悪くなる。従って、金属炭酸塩の一種或いは二種以上の合計は２５～４５％とする。

［金属弗化物の一種或いは二種以上の合計：５～１５％］
金属弗化物は、蛍石、弗化マグネシウム、弗化アルミニウム、弗化リチウム、弗化ナトリウム、珪弗化カリウム等から添加され、溶融スラグの流動性を調整してビード外観を良好にする効果がある。金属弗化物の一種或いは二種以上の合計が５％未満では、溶融スラグの流動性が悪くなりスラグ被包性が悪くなってビード外観が不良になる。一方、金属弗化物の一種或いは二種以上の合計が１５％を超えると、被覆筒の形状が不完全となって片溶け状態となり、アークが不安定となる。従って、金属弗化物の一種或いは二種以上の合計は５～１５％とする。

［Ａｌ酸化物のＡｌ_２Ｏ_３換算値の合計：２．０％以下］
Ａｌ酸化物は、アルミナ、カリ長石等から添加され、アークを安定させるとともにビード形状を良好にする効果がある。しかし、Ａｌ酸化物のＡｌ_２Ｏ_３の合計が２．０％を超えると、スラグがガラス状となってスラグ剥離性が不良になる。従って、Ａｌ酸化物のＡｌ_２Ｏ_３の合計は２．０％以下とする。

［Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計：０．８％以下］
Ｍｇ酸化物は、酸化マグネシウム、マグネシアクリンカー等から添加され、耐熱性に優れており、被覆剤の片溶けを抑制する効果がある。しかし、Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計が０．８％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなるので、ビード形状が凸状となる。従って、Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計は０．８％以下とする。

［Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計：Ｎａ換算値とＫ換算値の合計で１．５～３．０％］
Ｎａは、珪酸ナトリウム等の水ガラスの固質分を始めとするＮａ酸化物や弗化ナトリウム等を始めとするＮａ弗化物から添加され、また、Ｋは、珪酸カリウム等の水ガラスの固質分やカリ長石等を始めとするＫ酸化物、珪弗化カリウム等を始めとするＫ弗化物から添加され、溶接棒製造時の塗装性及び溶接時のアークの安定性を向上する効果がある。Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計が、Ｎａ換算値とＫ換算値の合計で１．５％未満では、アークが不安定になる。また、Ｎａ換算値とＫ換算値の合計が１．５％未満では、生産時の塗装性が悪くなるとともに、溶接棒製造時に被覆剤表面に割れが生じやすくなるなど被覆アーク溶接棒の生産性が低下する。一方、Ｎａ換算値とＫ換算値の合計が３．０％を超えると、アークの吹き付けが強くなり、スパッタ発生量が多くなる。従って、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計は、Ｎａ換算値とＫ換算値の合計で１．５～３．０％とする。なお、Ｎａ換算値、Ｋ換算値は０％を含む。

［Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒが式（１）で１５０～３００］
２．３×［Ｍｎ］+３８．５×［Ｎｉ］＋４．２×［Ｍｏ］＋２．１×［Ｃｒ］…式（１）（但し、［ ］は、各成分の被覆剤全質量に対する質量％を示す）

上述したＭｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒにおいて、式（１）で得られる値を適正とすることによって、溶接継手の良好な曲げ性能が得られる。式（１）の値が１５０未満では、良好な溶接継手の曲げ性能が得られない。一方、式（１）の値が３００を超えると溶接後のオーステナイト組織が過剰になり、曲げ性能が劣化する。従って、式（１）の値は１５０～３００とする。

［Ｆｅ：２０～３０％］
Ｆｅは、鉄粉やＦｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｏといった鉄合金粉や鉄酸化物から添加され、アークの電位傾度を低下させてアーク長を短くして被覆剤の片溶けを防止させる効果があり、特に直流電源を用いた溶接において最も重要な原材料である。Ｆｅが２０％未満では、アーク長が長くなって被覆剤の片溶けが発生しやすくなる。一方、Ｆｅが３０％を超えると、熱伝導性が高くなり被覆アーク溶接棒による溶接では溶接後半になると被覆アーク溶接棒自体が赤熱（以下、棒焼けという。）してしまい、溶接が困難となる。従って、Ｆｅは２０～３０％とする。

［Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計：０．５％以下］
Ｃａ酸化物は、チタン酸カルシウム、珪灰石等から添加され、アークを安定化させてスパッタ発生の低減に効果がある。Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計が０．５％を超えると、アークが弱くなって不安定になり、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計は０．５％とする。

［Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計：１．５％以下］
Ｚｒ酸化物は、ジルコンサンド、ジルコニア等から添加され、融点が２７００℃と高く、被覆剤及び鋼心線が過熱した際も安定した耐火性を有し、被覆剤の片溶けを抑制する上で有効である。Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計が１．５％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなってスラグの流動性が悪くなり、ビード形状が凸状となる。従って、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計は１．５％以下とする。

なお、本発明の鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤の残部は、塗装剤と合金粉とに含まれる不純物である。塗装剤は、ヘクトライト、マイカ等が用いられる。合金粉に含まれる不純物はＰ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂなどが挙げられ、特にＰ及びＳは共に低融点の化合物を生成して溶接金属の靭性を低下させるので、不純物の合計は１．０％以下に調整する。

また、使用する鋼心線は、ＪＩＳ Ｇ３５２３：１９８０ ＳＷＹ１１を用いることが好ましいが、ＳＷＹ１１でなくても良い。鋼心線のＣは０．０８％以下であることが好ましく、強度を調整するために被覆剤からもＣを適正に調整できる。鋼心線のＰは靭性を低下させるので０．０１０％以下、Ｓはスラグの流動性を悪くするので０．０１０％以下であることが好ましい。

以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。

直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳ Ｇ３５２３：１９８０ ＳＷＹ１１の鋼心線（Ｃ：０．０８％、Ｓｉ：０．０２％、Ｍｎ：０．４６％、Ｐ：０．００９％、Ｓ：０．００６％）に、表１に示す成分組成の被覆剤を表１及び表２に示す被覆率で塗装した後、乾燥させて各種鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒を試作した。この際、被覆剤の成分組成はＪＩＳ Ｋ０１１６：２０１４に記載のＩＣＰ発光分光分析方法を用いて調査した。試料は試作溶接棒の被覆剤を剥がして回収し、粉砕した粉末試料とした。粉末試料の分解には、酸分解法又はアルカリ融解法を用いた。溶液の一部を噴霧してＩＣＰ発光分光分析装置のアルゴンプラズマ中に導入し、定量成分の分析線の発光強度又は定量成分の分析線の発光強度の内標準元素の発光強度に対する比を測定した。得られた発光強度から検量線法を用いて試料溶液中の測定対象元素の濃度を求めた。また、ＳｉとＳｉＯ₂など、金属系と酸化物系の定量分析にはＸ線回折分析法を用いた。例えば被覆剤中のＳｉ量を、ＩＣＰ発光分光分析方法を用いて特定し、同じ被覆剤を用いてＸ線回折分析法で金属系Ｓｉと酸化物系Ｓｉを測定し、それぞれの定量分析値を求めた。なお、分析精度を高めるために、被覆剤はメノウ乳鉢などで１０μｍ以下の細粒に粉砕することが望ましい。試料充填の手順は、１０ｃｍ角、厚さ５ｍｍ程度の厚みのある平らなガラス板の上にガラス試料板をおき、深さ０．５ｍｍ程度の溝にガラス板で抑え、試料板の表面と試料面が同一面になるように仕上げてＸ線回折分析装置で分析を行った。

上記の各種試作溶接棒を用い、表３に示す成分の板厚２０ｍｍの鋼板を開先角度：２０°、ルートギャップ：１６ｍｍの裏当金付開先とし、直流電源を用いて溶接電流：１７０Ａ、溶接入熱：１９ｋＪ／ｃｍ、予熱・パス間温度：９５～１２０℃の条件で溶着金属試験体を作製した。さらに、表３に示す成分の板厚２０ｍｍの鋼板を開先角度：６０℃、ルートフェイス：２ｍｍ、ルートギャップ：２．５ｍｍの突合せＶ型開先とし、直流電源を用いて溶接電流：８０～１４０Ａ、溶接入熱：２４ｋＪ／ｃｍ、予熱・パス間温度：９５～１２０℃の条件で溶接、裏はつり加工を行い、同様の条件にて溶接し、溶接継手を作製した。

溶接作業性の評価は、各試作溶接棒を用い、上記溶接時にアーク安定性、スパッタ発生量、ビード形状・ビード外観、スラグ剥離性、片溶け及び棒焼けの有無を目視にて調査した。溶接終了後、ＡＷＳ Ａ５．５に準じてＸ線透過試験を行い、溶接欠陥の有無を調査した。溶着金属試験体の板厚中央から引張試験片（ＡＷＳ Ｂ４．０：２００７）及びＶノッチ衝撃試験片（ＡＷＳ Ｂ４．０：２００７）を採取した。引張試験は、引張強さが８１０～９２０ＭＰａを良好、靱性の評価は、試験温度－５０℃でシャルピー衝撃試験を実施し、吸収エネルギーの５回のうち、最低値と最高値を除いた３回の平均値が４０Ｊ以上を良好とした。曲げ性能の評価は溶接継手から曲げ試験片（ＡＷＳ Ｂ４．０：２００７）を採取し、割れ長さの合計が３．２ｍｍ以下を合格とし、割れ長さの合計が３．２ｍｍ超を不合格とした。それらの試験結果を表５にまとめて示す。

［溶接作業性］
（アーク安定性）
溶接時にアークが安定しており、アークが消失しなかった場合を良好、一度でもアークが消失した場合を不良とした。

（スパッタ発生量）
溶接時のスパッタ発生量が少ないことが好ましい。具体的には、銅製の捕集箱を用いて、１分間溶接した際に発生するスパッタの重量を測定することにより、単時間当たりの値（ｇ／ｍｉｎ）を求めた。なお、スパッタの測定は、表４に示す溶接条件で５回測定した平均値とし、２．０ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。

（ビード形状・ビード外観）
溶着金属のビード波形が均一で乱れが無く、手直しが必要なアンダーカットおよびオーバーラップが発生しないことが好ましい。溶着金属の余盛高さ及びビード幅の均一性に優れたビード形状を有することが好ましい。具体的には、溶着金属のビード表面において、ビード波形に乱れがある場合及び、手直しが必要なアンダーカットおよびオーバーラップが発生した場合を不良とした。

（スラグ剥離性）
溶接後、溶接ビード表面上の凝固スラグを簡単に除去できることが好ましい。溶接後、溶接ビード表面上の凝固スラグをチッピングハンマー（全長３００ｍｍ、重さ３５０ｇ）を用いて、持ち手を中心に円弧に軽い力で振り下ろして叩いた時に、スラグに亀裂が入りその後簡単に除去できる場合を良好、スラグに亀裂が入らない場合を不良とした。

（被覆剤の片溶け）
溶接中に被覆剤の一部が欠けることなくアークが溶接棒と水平に発生し、アーク拡がりが均一で安定していることが好ましい。溶接中に被覆剤の一部が欠け、アークが溶接棒と水平以外の方向に偏向し、アーク拡がりが不均一になる場合を不良とした。

（棒焼け）
溶接時に赤熱して溶接中に被覆剤が脱落することが無いことが好ましい。溶接時に溶接棒の色が変わらず同じ場合を良好、溶接時に赤熱して溶接棒の色が赤色に変色した場合を不良とした。

［溶接欠陥］
具体的には、ＡＷＳ Ａ５．５に準じてＸ線透過試験を行い、溶接金属におけるきずを判定した。きずが無い場合を良好、きずが一つでもある場合を不良とした。

表１、表２及び表５中の溶接棒Ｎｏ．１～Ｎｏ．１３が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１４～Ｎｏ．２８は比較例である。本発明例であるＮｏ．１～Ｎｏ．１３は、被覆剤のＭｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値、Ｔｉ、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値、金属炭酸塩、金属弗化物、Ａｌ酸化物のＡｌ_２Ｏ_３換算値の合計、Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計、Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上のＮａ換算値とＫ換算値の合計、Ｆｅ、被覆率がいずれも適量であるので、アーク状態が良好でスパッタ発生量が少なく、保護筒の状態も良好で、棒焼けも発生せず、ビード外観、ビード形状、スラグ剥離性及びスラグ被包性が良好であるなど溶接作業性が良好で、生産性も良好で、溶接欠陥も無く、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが良好であり、以下の式（１）の値が適正であったため、溶接金属の曲げ性能も良好で、極めて満足な結果であった。

２．３×［Ｍｎ］+３８．５×［Ｎｉ］＋４．２×［Ｍｏ］＋２．１×［Ｃｒ］・・・式（１）
但し、［ ］は、各成分の被覆剤全質量に対する質量％を示す。

さらに、Ｎｏ．６、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１１はＣａ酸化物のＣａＯ換算値の合計が適量であるので、その他の本発明例よりもアーク状態が良好で、スパッタが少なかった。

また、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３、Ｎｏ．１２はＺｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計が適量であるので、その他の発明例よりも被覆剤の片溶けが抑制されていた。

比較例中、溶接棒Ｎｏ．１４は、Ｍｎが多く、Ｓｉが少ないので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低く、アークが不安定で、ブローホールが発生した。

溶接棒Ｎｏ．１５は、被覆率が高く、Ｍｎが少なく、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値が少ないので、溶着金属の引張強さが低く、吸収エネルギーが低く、ビード形状が不良で、アークが不安定で、ブローホールが発生した。

溶接棒Ｎｏ．１６は、Ｎｉが多く、Ａｌ酸化物のＡｌ_２Ｏ_３換算値の合計が多く、Ｎａ換算値とＫ換算値の合計が多いので、溶着金属の引張強さが高く、スラグ剥離性が不良で、アークが強く、スパッタが多かった。さらに、以下の式（１）の値が大きいため、溶接金属の曲げ試験が不合格であった。

２．３×［Ｍｎ］+３８．５×［Ｎｉ］＋４．２×［Ｍｏ］＋２．１×［Ｃｒ］・・・式（１）
但し、［ ］は、各成分の被覆剤全質量に対する質量％を示す。

溶接棒Ｎｏ．１７は、Ｎｉが少なく、金属炭酸塩の合計が多いので、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低く、スラグ剥離性が不良で、ビード形状が凸になり、アークが不安定であった。さらに、以下の式（１）の値が小さいため、溶接金属の曲げ試験が不合格であった。

２．３×［Ｍｎ］+３８．５×［Ｎｉ］＋４．２×［Ｍｏ］＋２．１×［Ｃｒ］・・・式（１）
但し、［ ］は、各成分の被覆剤全質量に対する質量％を示す。

溶接棒Ｎｏ．１８は、Ｍｏが多く、金属弗化物の合計が多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低く、アークが不安定で、片溶けが発生した。

溶接棒Ｎｏ．１９は、Ｍｏが少なく、金属弗化物の合計が少ないので、溶着金属の引張強さが低く、スラグ被包性が不良で、ビード外観が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．２０は、Ｃｒが多く、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値が少ないので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低く、ビード形状が不良で、アークが不安定であった。

溶接棒Ｎｏ．２１は、Ｃｒが少なく、Ｎａ換算値とＫ換算値の合計が少ないので、溶着金属の引張強さが低く、アークが不安定で、生産性が不良であった。

溶接棒Ｎｏ．２２は、Ｓｉが多く、Ｆｅが多いので、吸収エネルギーが低く、棒焼けが発生した。

溶接棒Ｎｏ．２３は、Ｔｉが少なく、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値が多く、Ｆｅが少ないので、吸収エネルギーが低く、ビード形状が凸状であり、アークが不安定で、片溶けが発生した。

溶接棒Ｎｏ．２４は、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値が多く、Ｔｉが多いので、吸収エネルギーが低く、スラグ剥離性が不良であった。さらに、Ｃａ酸化物を添加したが、Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計が多かったため、アークが不安定で、融合不良が発生した。

溶接棒Ｎｏ．２５は、金属炭酸塩の合計が少ないので、吸収エネルギーが低く、ブローホールが発生した。さらに、Ｚｒ酸化物を添加したが、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値の合計が多かったため、ビード形状が凸状であった。

溶接棒Ｎｏ．２６は、被覆率が低く、ＭｇＯ酸化物のＭｇＯ換算値の合計が多いので、吸収エネルギーが低く、ビード形状が凸状であった。

Claims (3)

1. 鋼心線に被覆剤が塗装されている、７８０ＭＰａ級高張力鋼での直流電源を用いた多層盛溶接用の鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒において、
   被覆剤の被覆率が溶接棒全質量に対する質量％で３０～４５％であり、
   前記被覆剤の組成が被覆剤全質量に対する質量％で、
   Ｍｎ：３．０～６．０％、
   Ｎｉ：３．５～７．５％、
   Ｍｏ：０．３～１．３％、
   Ｃｒ：０．２～１．０％、
   Ｓｉ：２．０～５．０％、
   Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：３．５～７．５％、
   Ｔｉ：０．２～１．５％、
   Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：１．０～５．０％、
   一種或いは二種以上の金属炭酸塩の合計：２５～４５％、
   一種或いは二種以上の金属弗化物の合計：５～１５％を含有し、
   Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：２．０％以下、
   Ｍｇ酸化物のＭｇＯ換算値の合計：０．８％以下であり、
   Ｎａ酸化物、Ｎａ弗化物、Ｋ酸化物及びＫ弗化物の１種または２種以上の合計：Ｎａ換算値とＫ換算値の合計で１．５～３．０％を含有し、
   かつ、前記Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒが式（１）で１５０～３００であり、
   さらにＦｅ：２０～３０％を含有し、
   不純物からなる残部の合計が１．０％以下である被覆剤を塗装してあることを特徴とする鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒。
   ２．３×［Ｍｎ］+３８．５×［Ｎｉ］＋４．２×［Ｍｏ］＋２．１×［Ｃｒ］・・・式（１）
   但し、［］は、各成分の被覆剤全質量に対する質量％を示す。
2. 前記被覆剤が被覆剤全質量に対する質量％で、
   Ｃａ酸化物のＣａＯ換算値の合計：０．５％以下
   であることを特徴とする請求項１記載の鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒。
3. 前記被覆剤が被覆剤全質量に対する質量％で、
   Ｚｒ酸化物のＺｒＯ₂換算値の合計：１．５％以下
   であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄粉低水素系被覆アーク溶接棒。