JP2555400B2 - 消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法に
関するものである。

＜従来の技術＞ この消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法は、厚さが
100mmを超える厚板でも１ラン溶接が可能で能率が良い
ので適用範囲の拡大が望まれているのが現状である。

しかし板厚が50mmでも700KJ/cm程度の大入熱溶接とな
るため、溶接金属並びに鋼板の溶接熱影響部において、
ミクロ組織が粗大となり、靭性の劣化或いは耐割れ性の
劣化等が避けられず、利用に当たっては−20℃程度迄に
限られており、又、耐割れ性から強度的にも適用鋼種は
軟鋼50キロハイテン鋼に限られているのが実状である。

ところが最近鋼板においては、耐大入熱性の研究がな
され、この様な大入熱性溶接においても継手靭性が改善
された鋼板が開発され、従前より更に低温仕様或いはYP
40、YP42等の強度の高い鋼への適用研究がなされる段階
にある。

これに伴って溶接金属においても更に低温靭性の改善
並びに耐割れ性の改善が要望されている。

これに応えて溶接金属をTi−Ｂ化する方法が、多数提
案されている。

例えば特公昭51−30020号公報に粉粒状Ｂ合金及びTi
を含有させた複合ワイヤ（フラックス入りワイヤ）を用
いて行うエレクトロスラグ溶接法が開示されている。

又特開昭52−70955号公報には軟鋼、低合金鋼のエレ
クトロスラグ溶接法において溶接金属成分を電極、フラ
ックスその他母材等から入って来る成分と賄として、0.
002〜0.08％のTiと、0.0004〜0.004％のＢをフラックス
の添加合金から供給する溶接法が開示されている。

更に特公昭51−4502号公報にはフラックス入り電極ワ
イヤーと鋼パイプにスラグ生成剤を塗装した被覆消耗ノ
ズルを併用する消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法
が開示されている。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら特公昭51−30020号公報開示の方法及び
特開昭52−70955号公報開示の方法並びに特公昭51〜450
2号公報開示の方法で形成される溶接金属の靭性は０〜
−20℃程度で、本発明者等が本発明の目的とする−40℃
程度の溶接金属の靭性レベルには致っていないのが現状
である。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は上記した問題点を解決して、前記目的を満た
す溶接方法を提供するものであって、その手段は、 （１）重量％で、 C:0.03〜0.09％ B:0.0003〜0.005％ Mn:0.8〜1.80％ Ni:0.10〜0.8％ Ti:0.003〜0.03％ Cu:0.10〜0.8％ 但しCu＋Ni≧0.15％ を含有し、その他鉄及び不可避的成分からなる溶接金属
を形成せしめ、該溶接金属を冷却速度0.3〜５℃/secで5
00℃以下迄連続的に冷却する事を第１の手段とし、 （２）第１の手段において、 重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ Ni:0.3〜1.0％ Cu:0.3〜1.0％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
ることにより溶接金属を形成する事を第２の手段とし、 （３）第１の手段において、 重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ Ni:0.3〜1.0％ Cu:0.3〜1.0％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
ることにより溶接金属を形成する事を第３の手段とし、 （４）第１の手段において、 重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ Ni:0.3〜1.0％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
ることにより溶接金属を形成する事を第４の手段とし、 （５）第１の手段において、 重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ Cu:0.3〜1.0％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
ることにより溶接金属を形成する事を第５の手段とする
消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法である。

これ等の手段を達成する為に、本発明が溶接金属、鋼
材、フラックス入りワイヤーの成分を限定する理由を以
下に説明する。

溶接金属が上記の各元素を各限定の範囲含有すると望
ましい低温靭性と耐割れ性が得られる事は当業分野では
周知である。しかしこの周知の範囲の溶接金属から目的
とする材質が得られていないのが問題点として既に述べ
た様に現状である。

当業分野で望ましいとし、本発明者も同様に認識して
いる各元素の添加理由は次の通りである。

溶接金属のＣ、Mnは共に強度の維持と靭性、曲げ加工
性劣化防止の点から、Ti、及びＢは靭性の確保の点か
ら、Cu、Niは靭性の維持と曲げ加工性維持の点からであ
る。

この周知の溶接金属成分から目的とする材質を生成す
るのは、冷却速度を島状マルテンサイトを含む硬化組織
及び粗大フェライト、粗大ベイナイト組織の生成を防止
出来る範囲とし、又冷却停止温度を高温域におけるフェ
ライト、ベイナイト組織の粗大成長を抑制し、低温域変
態を利用して微細組織にする範囲とする事にある。

又安定して上記溶接金属の成分を形成し、更にこの溶
接金属から所期の材質を得るには、被溶接鋼にこの分野
で通常用いられる元素を一般に知られている理由で添加
する。即ちＣ、Mn、Siは、共に強度の維持と靭性、溶接
性の安定の点から、A1は脱酸と靭性の維持の点から、C
u、Niは靭性の経済的な維持の点から、Tiは大入熱溶接
熱影響部の靭性維持の点からそれぞれ上記の範囲で添加
し、Ｎは0.005％以下の含有量として上記のTiの添加効
果を更に安定させる手段とする事を含むものである。

又フラックス入りワイヤのCu、Niは、被溶接鋼板にC
u、Niが所要量添加されていると必要ではないが、被溶
接鋼板に殆ど添加されていない場合、又は被溶接鋼板か
らの成分希釈量だけでは不十分な場合に該不足分を補給
して溶接金属の成分を適正範囲に調整する点から上記の
範囲の添加条件とするものである。

又フラックス入りワイヤのＢは、溶接金属の所要量が
微量なＢを適正範囲に的確に調整するのにワイヤ内蔵の
フラックスからの供給が最も望ましいので上記の範囲と
するものである。

これにより溶接金属中のＢは溶接金属のＢ過剰による
硬化を防ぎつつ、溶接金属中のミクロ組織においてオー
ステナイト組織からフェライト組織への変態時にオース
テナイト粒界に粗大フェライトが生成するのを抑制して
本発明者等が目的とする高靭性及び耐割れ性を確保する
のである。

＜作用＞ 本発明者等は前記した問題を解決する為、消耗ノズル
式エレクトロスラグ溶接法について種々実験、検討した
結果、該溶接法は溶融スラグの抵抗熱によって溶融池を
形成して溶接を行う為、Ti、Ｂは先ずスラグ浴中に酸化
物の形で存在し、スラグと溶融金属間の反応で溶融金属
中に移行するので歩留が安定せず、Ti、Ｂ添加の効果が
充分に得られず実用に致らない事が判明した。

つまりTiは酸素との親和力が大きく酸化消耗されやす
く、消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法において、ソ
リッドワイヤ、フラックス入りワイヤ、被覆消耗ノズル
或いは添加フラックスに含有させてもフラグ浴中で酸化
され、浴接金属中への移行は極めて少なく、殆どは酸化
物としてスラグ中に留まる事が判明した。

又移行した少量のTiは、微細なフエライトを生成する
為の核としては働かず、従ってミクロ組織の改善、靭性
の向上に寄与しない事も明らかになった。

これ等から必要なTiは特公昭51−30020号公報及び特
開昭52−70955号公報の如くフラックスの添加合金等に
より外部から添加・供給する事なく、溶接母材つまり被
溶接鋼板から希釈溶融供給する方法に付いて実験を続
け、これが最も実用性の高いTiの供給方法である事を確
認したのである。

又Ｂ、Cu、Niは、Tiに比して酸素との親和力は小さ
く、消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接法においても溶
接金属へ比較的移行し易く、特にＢの適正添加範囲は極
めて狭く、且つ微量を正確に添加する事を要し、添加方
法によってはＢの添加の効果が得られない事が判明し
た。

つまり消耗ノズル、該ノズルの被覆或いは添加フラッ
クスに含有させて添加すると、これ等が高温のスラグ浴
に接触した時、Ｂは酸化物としてスラグ浴中に存在し、
Tiよりも還元されやすいのでスラグ・メタル間反応で溶
接金属中へは移行するが、板厚が違ったり、溶接条件の
変動によって溶融池の大きさが変化すると、溶融池とス
ラグ浴界面の接触面積比が変わる為、溶融金属中のＢの
濃度が変化するのである。

従って溶融金属中のＢ量を所要量とする為には板厚毎
に被覆ノズルにおいて被覆の厚さを変えるか、Ｂの含有
量を変える必要があり、又添加フラックスにおいてはフ
ラックスの添加量或いはＢの含有量を変える必要が生じ
実用的ではない事が判明した。

又ソリッドワイヤから添加する場合は、Ｂはスラグ浴
の比較的内部迄供給されるが、スラグ浴中で溶融酸化さ
れ、酸化物としてスラグ中に存在してスラグ・メタル界
面反応で溶接金属中に移行するが、被覆ノズルに含有さ
せた場合と同様な理由で実用的でない事が判明した。

又フラックス入りワイヤに含有させた場合は、スラグ
浴中でワイアの外皮が先ず高温のスラグと接触して高温
となるが、ワイヤの内蔵フラックスは外皮からの熱伝導
が良好でなく、ソリッドワイヤの場合に比して比較的低
温の侭スラグ浴底部に供給される事が判明した。

これによって内蔵フラックス中のＢの酸化度は小さく
有効な形で溶融金属中に移行し易く、又条件変動或いは
板厚の差による変動の影響が少ないので微量を適正範囲
に正確に添加する事が可能となる事を見出した。

この知見を基にフラックス入りワイヤを用いて所要の
Ｂを供給する実験を続け、最も安定して微量のＢを極め
て狭い適用範囲に供給出来る事を確認したのである。

又本発明者等は上記した実験・検討を通じて、被溶接
鋼板の溶接時の溶融による希釈率は通常30〜60％程度で
あり、更に溶接金属中へは被溶接鋼板が含有するTiの20
〜50％程度が移行する事を知見した。

これを基に本発明において所要とするTiは対象とする
被溶接鋼板のみから供給するので、該対象鋼板のTiの含
有量は0.006〜0.050重量％が必要になるのである。

又消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法は一般的に
溶接入熱が著しく大きい為、溶接後の冷却が極めて遅く
なる、従って溶接金属組織は著しく粗大化する為低温高
靭性を確保する事は甚だ困難である。

この現象は、被溶接鋼板の厚みに相当して入熱量が変
わっても、消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接にあって
は溶接後の冷却速度が殆ど変わらない事によっている、
この為溶接入熱量が注目されその制御が検討されている
が、本発明者等は上記実験により、溶接入熱量ではなく
冷却速度を制御するする事に重要な意味がある事を知見
した。

この知見を基に本発明者等は前記の組織の粗大化の改
善について種々の実験と検討を繰り返し、その結果溶接
金属のＣ含有量が0.03〜0.09％の範囲になると、微量の
CuとNiの存在と、溶接後の溶接金属部の冷却速度と冷却
停止温度を所定の範囲に選ぶ事によって、溶接部にも微
細フェライト組織と微細ベーナイト組織からなる高靭性
溶接金属が得られる事を見出した。

本発明は以上の知見に基づいて前記した手段を構成し
たものである。

＜実施例＞ （１）消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接条件 ・溶接電流 450Amp ・溶接電圧 46V ・溶接速度 1.7cm/min ・溶接入熱 730KJ/cm （２）被溶接鋼板（厚み50mm）の成分を表１に示す。

（３）供試ワイヤのフラックス成分を表２に示す。

（４）被溶接鋼板と供試ワイヤと冷却条件の組み合わせ
及び得られた溶接金属の成分とその特性を表３に示す。

表３に明らかな如く、No1〜３、６、７、10、11、1
4、15、19、22、23、25、28、30、32の本発明例は、何
れも良好な靭性を示すvE−20℃値が得られ、更にvE−40
℃においても10kgf・ｍ以上の優れた低温靭性が得られ
た。

一方Noが４、５、８、９、12、13、16、17、18、20、
21、24、26、27、29、31、33の比較例は共に極めて悪い
靭性しか得られなかった。

即ち、冷却速度が高めに外れた３、低めに外れた４、
冷却停止温度が高めに外れた８、９、溶接金属のＣ量が
低めに外れた12、13、高めに外れた16、17、CuとNiが被
溶接鋼材、ワイヤのフラックスの何れからも供給され
ず、溶接金属に存在しなかった20、同様にワイヤのフラ
ックスからの供給がなく溶接金属にＢが存在しない21、
ワイヤフラックスのＢが上限を外れていたので溶接金属
のＢが高めに外れた24、被溶接鋼材のMnが下限を外れた
ので溶接金属のMnが低めを外れた26、被溶接鋼材Tiを含
有していないので溶接金属にTiが存在しなかった27、被
溶接鋼材のTiが上限を外れていたので溶接金属のTiが高
めに外れた29、ワイヤフラックスのNi含有量が上限を外
れていたので溶接金属のNiが高めに外れた31、同様にし
てCuが高めに外れた33の各々は一部vE−20℃で良い靭性
を示すものもあったが、本発明が目的とするvE−40℃で
は上記した如く目標の10kgf・ｍ以上の靭性を有する溶
接金属を備えた消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接鋼材
は得られなかった。

＜発明の効果＞ 本発明は上記した如く溶接部を含む溶接鋼材に必要な
耐割れ性、靭性を確保するのに当たって必要なTi、Ｂの
供給を、Tiは母材鋼材から希釈供給し、Ｂはフラックス
入りワイヤに含有せしめて供給するのでそれぞれの歩留
は高く、しかも正確に供給出来るので厳しい添加範囲を
常に維持出来、目的の成分を有する溶接金属が確実に得
られると共に、この溶接金属の凝固過程を所定の冷却速
度で所定の冷却停止温度迄冷却するので、目的の材質を
有する組織とする事が出来、生産性の向上、コストの低
減と共に、溶接鋼材の靭性、耐割れ性を一段と向上、安
定せしめる等消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法の
実用性を飛躍的に向上する等もたらす効果は大きい。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、 C:0.03〜0.09％ B:0.0003〜0.005％ Mn:0.8〜1.80％ Ni:0.10〜0.8％ Ti:0.003〜0.03％ Cu:0.10〜0.8％ 但しCu＋Ni≧0.15％ を含有し、その他鉄及び不可避的成分からなる溶接金属
   を形成せしめ、該溶接金属を冷却速度0.3〜５℃/secで5
   00℃以下迄連続的に冷却する事を特徴とする消耗ノズル
   式エレクトロスラグ溶接方法。
2. 【請求項２】重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ Ni:0.3〜1.0％ Cu:0.3〜1.0％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
   ることにより溶接金属を形成する事を特徴とする請求項
   １に記載の消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
3. 【請求項３】重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.20％ Ni:0.3〜1.0％ Cu:0.3〜1.0％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
   ることにより溶接金属を形成する事を特徴とする請求項
   １に記載の消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
4. 【請求項４】重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ Ni:0.3〜1.0％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
   ることにより溶接金属を形成する事を特徴とする請求項
   １に記載の消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。
5. 【請求項５】重量％で、 C:≦0.15％ Al:≦0.07％ Mn:0.8〜2.0％ Ti:0.006〜0.05％ Si:≦0.4％ その他鉄及び不可避的成分からなる鋼板を、 ワイヤ重量に対して、 B:≦0.020％ Cu:0.3〜1.0％ を含有するフラックスを内蔵したワイヤを用いて溶接す
   ることにより溶接金属を形成する事を特徴とする請求項
   １に記載の消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接方法。