(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼心線に被覆剤が被覆されている低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全重量あたり、ルチール：３乃至１５重量％、アルミナ：０．５乃至４重量％、珪砂：５乃至１５重量％、蛍石：４乃至１２重量％及び金属炭酸塩：３５乃至６０重量％を含有し、カリ長石が２重量％以下に規制されていることを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパイプの振分け上進法による円周溶接に使用するのに好適である低水素系被覆アーク溶接棒に関し、特に、裏波溶接から最終層の溶接までに適用することができ、良好なアークの安定性及びビード形状を得ることができる低水素系被覆アーク溶接棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パイプの溶接において、裏当材を使用することなく裏波ビードを形成させる初層の溶接法である裏波溶接は、パイプ溶接の溶接性及び得られる溶接物の品質を決定する重要な因子である。従って、従来より、被覆剤の組成が適切に調整された裏波溶接専用の溶接棒が提案されている（特開平５−２１２５８６及び特開昭５６−１４８４９２号公報）。
【０００３】
パイプ裏波溶接用の溶接棒には、十分な溶込みと、良好な裏波ビードとを得るために、アークの集中性が良好であると共に、適切な粘度を有するスラグを生成する被覆剤が被覆されている。また、パイプ裏波溶接用の溶接棒は、低電流で溶接した場合においてもアーク切れが発生しにくく、良好なアーク持続性を有するものである。裏波溶接用の溶接棒を使用することにより、容易に良好な裏波ビードを得ることができるので、このような溶接棒はパイプライン及び配管類の裏波溶接に適用されて、産業界に多大な貢献をなしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の裏波溶接用の溶接棒は、裏波ビードを形成する初層の溶接のみに使用されるものであり、２層目以降の溶接に使用するには、スラグの粘性が高くなりすぎると共に、広幅の開先を溶接するには、アークの拡がりが不足するという問題点がある。従って、従来の裏波溶接用の溶接棒を２層目以降の溶接に使用すると、ビード形状が凸状となると共に、２層目以降の溶接時にその前の層の凹部が溶け込まない現象である融合不良が発生しやすくなって、Ｘ線透過試験によって評価される溶接部の健全性が不良となる。
【０００５】
また、上述の特開平５−２１２５８６及び特開昭５６−１４８４９２号公報において開示された溶接棒を使用した場合においても、裏波溶接では優れた溶接性を得ることができるが、２層目以降にこの溶接棒を使用すると、溶接が困難となり、融合不良が頻繁に発生する。
【０００６】
なお、２層目以降の溶接時においても裏波溶接用の溶接棒を使用するために、各層毎にグラインダがけをしてビードを平滑にした後に、溶接を実施する方法がある。しかし、この方法を使用すると、溶接能率が著しく低下する。また、２層目以降の溶接時に使用されている一般的な全姿勢用溶接棒を、裏波溶接に適用する方法もある。しかし、一般的な全姿勢用溶接棒を使用して良好な裏波ビードを得るためには、高い能力を有する溶接技術者によっても困難であり、頻繁な手直しが必要となるので、溶接能率が低下する。
【０００７】
従って、従来においては、裏波溶接用の溶接棒は専用棒として初層の溶接時のみに使用されており、２層目以降の溶接時には一般的な全姿勢用溶接棒が使用されている。そうすると、溶接現場において２種類の溶接棒を使い分ける必要があり、管理が煩雑になる。
【０００８】
そこで、近時、裏波溶接から最終層の溶接までを１種類の溶接棒で実施することができる技術の開発が要求されている。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、裏波溶接から最終層の溶接までの全層を効率よく溶接することができ、良好なアークの安定性及びビード形状を得ることができる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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る低水素系被覆アーク溶接棒は、鋼心線に被覆剤が被覆されている低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全重量あたり、ルチール：３乃至１５重量％、アルミナ：０．５乃至４重量％、珪砂：５乃至１５重量％、蛍石：４乃至１２重量％及び金属炭酸塩：３５乃至６０重量％を含有し、カリ長石が２重量％以下に規制されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本願発明者は、１本の溶接棒により全層を溶接することができる方法を開発すべく、被覆剤の組成を考慮して鋭意実験研究を重ねた。特に、裏波溶接時と２層目以降の溶接時とに要求されるスラグの粘性及びアークの拡がりの相違点について、いずれの条件をも満足することができる被覆剤を開発すべく種々研究を行った。その結果、被覆剤中のカリ長石、ルチール及びアルミナの含有量を適切に調整することが効果的であることを見い出した。
【００１１】
即ち、カリ長石はスラグの粘性を高めると共に、アークの集中性を向上させる作用を有する成分であるので、裏波溶接時に良好な裏波ビードを形成して溶接を容易にすると共に、低電流溶接時のアーク安定性を維持するために有効な原料である。しかし、被覆剤中のカリ長石の含有量が増加すると、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎると共に、アークの拡がりが低減されるので、ビード形状が凸状となる。従って、２層目以降の溶接時に、その前の層の凹部が溶け込まない現象である融合不良が発生する。
【００１２】
そこで、本発明においては、溶接棒に被覆された被覆剤中のカリ長石の含有量を２重量％以下に規制することにより、２層目以降の溶接に影響を与えないようにして、裏波溶接による初層から最終層の全層を溶接することができるものとする。また、本発明においては、カリ長石の代わりに、被覆剤中に適切量のルチール及びアルミナを含有させることにより、良好な裏波ビードを形成して裏波溶接を容易にすることができると共に、低電流溶接時のアーク安定性を維持することができる。
【００１３】
以下、本発明に係る低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤に含有される成分及びその組成限定理由について説明する。
【００１４】
カリ長石：２重量％以下
前述の如く、被覆剤中のカリ長石の含有量を増加させると、スラグの流動性が低下して、裏波溶接時には適切な粘性のスラグを得ることができると共に、アークの集中性が向上するので、良好な裏波溶接を実施することができる。しかし、被覆剤中のカリ長石の含有量が２重量％を超えると、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、特に、立向姿勢及び上向姿勢の溶接時にスラグの流れが低下すると共に、アークの集中性が増加してアークの拡がりが低減されるので、ビード形状が凸状となる。従って、２層目以降の溶接時に悪影響を及ぼさないようにするために、被覆剤中のカリ長石は被覆剤全重量あたり２重量％以下に規制する。
【００１５】
ルチール：３乃至１５重量％
被覆剤中のカリ長石の含有量を２重量％以下に規制すると、裏波溶接時におけるスラグの流動性が高くなって、裏波ビードの形成不良が生じる。ルチールは、裏波溶接時におけるスラグの流動性の過多によって裏波ビードが形成不良となることを防止することができる成分である。被覆剤中のルチールの含有量が３重量％未満であると、スラグの粘性を十分に高めることができず、良好な裏波ビードを得ることは困難となる。一方、被覆剤中のルチールの含有量が１５重量％を超えると、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、特に、立向姿勢及び上向姿勢の溶接時にスラグの流れが低下するので、ビード形状が凸状となる。従って、被覆剤中のルチールは被覆剤全重量あたり３乃至１５重量％とする。
【００１６】
アルミナ：０．５乃至４重量％
アルミナは、ルチールと同様に、スラグの流動性を調整するスラグ生成剤の１つであると共に、アークの集中性を左右する重要な成分である。従って、被覆剤中のアルミナの含有量を調整することにより、カリ長石の含有量を規制することにより発生するアーク集中性の低下を防止することができる。被覆剤中のアルミナの含有量が０．５重量％未満であると、アークの集中性及びスラグの粘性を十分に高めることができず、良好な裏波ビードを得ることは困難となる。一方、被覆剤中のアルミナの含有量が４重量％を超えると、アークの集中性が高くなりすぎて、アークの拡がりが不足する。また、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、特に、立向姿勢及び上向姿勢の溶接時にスラグの流れが低下するので、ビード形状が凸状となる。従って、被覆剤中のアルミナは被覆剤全重量あたり０．５乃至４重量％とする。
【００１７】
珪砂：５乃至１５重量％
珪砂はスラグの粘度を適切に保持すると共に、アークの吹き付け力を増加させてアークの安定性を向上させる効果を有する成分であり、被覆剤中の珪砂の含有量を適切に調整することにより、全般的な溶接作業性を向上させる効果を得ることができる。被覆剤中の珪砂の含有量が５重量％未満であると、アークの吹き付け力が弱くなり、裏波溶接のように、特に低電流での溶接時においては、アークが不安定となる。一方、被覆剤中の珪砂の含有量が１５重量％を超えると、アークの吹き付けは強くなるが、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、ビード形状が凸状となる。従って、被覆剤中の珪砂は被覆剤全重量あたり５乃至１５重量％とする。
【００１８】
蛍石：４乃至１２重量％，金属炭酸塩：３５乃至６０重量％
蛍石及び金属炭酸塩は、低水素系溶接棒としての耐気孔性を向上させると共に、全般の溶接作業性を良好に維持するために必要な成分である。被覆剤中の蛍石の含有量が４重量％未満であると、スラグの粘性が高くなりすぎて、全般の溶接作業性が劣化する。一方、被覆剤中の蛍石の含有量が１２重量％を超えると、逆にスラグの粘性が低くなりすぎて、全般の溶接作業性が劣化する。また、被覆剤中の金属炭酸塩の含有量が３５重量％未満であると、シールド効果が不足して、ブローホールが発生しやすくなる。一方、被覆剤中の金属炭酸塩の含有量が６０重量％を超えると、アークの吹き付けが弱くなり、アークが不安定になる。従って、被覆剤中の蛍石は被覆剤全重量あたり４乃至１２重量％とし、被覆剤中の金属炭酸塩は被覆剤全重量あたり３５乃至６０重量％とする。
【００１９】
なお、本発明においては、上記成分の他に、アーク安定剤、合金剤、脱酸剤、スラグ生成剤及び水ガラス等を被覆剤中に含有させることができる。また、本発明において、数式（（被覆剤の重量／溶接棒全重量）×１００）により算出される被覆率は２０乃至３５重量％であることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明に係る低水素系被覆アーク溶接棒の実施例について、その比較例と比較して具体的に説明する。先ず、ＪＩＳ  Ｇ３５２３に規定された炭素鋼心線の外周面に、下記表１及び２に示す種々の組成を有する被覆剤を２５重量％の被覆率で塗布した後に、１１０℃で１時間の予備乾燥及び４５０℃で１時間のベーキングを施すことにより、低水素系被覆アーク溶接棒を作製した。なお、本実施例においては、心線の直径を３．２ｍｍ、長さを３５０ｍｍとした。
【００２１】
次に、得られた被覆アーク溶接棒を使用して、外径が２５４ｍｍ、肉厚が１２．７ｍｍであるパイプ水平固定管を円周溶接した。このとき、初層の裏波溶接時には８０Ａの溶接電流を使用し、２層目以降の溶接時には１１０乃至１２０Ａの溶接電流を使用した。図１は本実施例において溶接母材として使用したパイプ水平固定管の開先形状を示す断面図である。図１に示すように、パイプ管１及び２は、その外周面１ａ及び２ａから端面１ｂ及び２ｂに向かって切欠が設けられており、端面１ｂと端面２ｂとを対向させて水平に固定されることにより、パイプ管１とパイプ管２との間にＶ開先が形成されている。なお、本実施例においては、ルート面の幅を０．５ｍｍ、ルート間隔を３．２ｍｍとし、ベベル角度を３５°とした。
【００２２】
そして、裏波溶接時におけるアークの安定性及び裏波溶接後における裏波ビードの均一性を観察することにより、溶接作業性を評価すると共に、Ｘ線透過試験により溶接部の健全性を評価した。図２は裏波ビードの均一性の評価方法を示す断面図である。図２に示すように、パイプ管１とパイプ管２との間に形成された溶接金属３について、パイプ管１及び２の内周面１ｃ及び２ｃから突出した突出部３ａの高さＡを溶接線全長にわたって測定し、高さＡが０乃至２ｍｍであるものを○（良好）とし、それ以外のものを×（不良）とした。
【００２３】
また、裏波溶接時におけるアークの安定性については、溶接時のアーク切れの有無及びアークの状態を観察することにより評価し、アーク切れの回数が１本あたり１回以下であると共に、アークの状態が安定であるものを○（良好）とし、それ以外のものを×（不良）とした。なお、良好な裏波ビードを形成するためには、比較的低電流での溶接が要求されるので、本実施例においては、裏波溶接時におけるアークの安定性を８０Ａという低電流領域で評価した。
【００２４】
更に、溶接部の健全性については、全層の溶接が終了した後にＸ線透過試験を実施し、融合不良及びブローホールの発生状況を観察することにより評価した。そして、ＪＩＳ  Ｚ３１０４に規定されたキズの分類で、１類又は２類であるものを○（良好）とし、それ以外のものを×（不良）とした。これらの評価結果を下記表３及び４に示す。なお、下記表３及び４に示す総合評価欄においては、いずれの評価試験においてもその評価結果が○（良好）であったものを○とし、少なくとも１種の評価結果が×（不良）であったものを×とした。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
0003549412.tif 000003
【００２７】
なお、上記表１及び２に示す被覆剤の組成のうち、その他の成分としては固着剤、その他のスラグ生成剤、合金剤及び不可避的不純物等がある。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
【表４】
0003549412.tif 000005
【００３０】
上記表１乃至４に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至１６は被覆剤の組成が適切に調整されているので、溶接作業性が良好であると共に、健全な溶接部を得ることができた。
【００３１】
一方、比較例Ｎｏ．１７乃至２０は被覆剤中のカリ長石の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、２層目以降の溶接時にスラグの粘度が高くなりすぎて、特に、立向姿勢及び上向姿勢の溶接時にスラグの流れが低下した。また、アークの拡がりが低減されたため、ビード形状が凸状となって融合不良が散発した。従って、Ｘ線透過試験による溶接部の健全性が不良となった。特に、比較例Ｎｏ．１９及び２０は被覆剤中のルチール又はアルミナの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、溶接部の健全性がより一層不良となった。
【００３２】
比較例Ｎｏ．２１は被覆剤中のルチールの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、スラグの粘性が小さくなって、良好な裏波ビードを形成することができなかった。比較例Ｎｏ．２２は被覆剤中のルチールの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、その結果、ビード形状が凸状となって融合不良が散発し、Ｘ線透過試験による溶接部の健全性が不良となった。
【００３３】
比較例Ｎｏ．２３は被覆剤中のアルミナの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アークが集中性が低下すると共に、スラグの粘度が小さくなって、良好な裏波ビードを形成することができなかった。比較例Ｎｏ．２４は被覆剤中のアルミナの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、その結果、ビード形状が凸状となって融合不良が散発し、Ｘ線透過試験による溶接部の健全性が不良となった。
【００３４】
比較例Ｎｏ．２５は被覆剤中の珪砂の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アークの吹き付け力が弱くなって、裏波溶接時にアーク切れが散発し、アークの安定性が低下した。比較例Ｎｏ．２６は被覆剤中の珪砂の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、アークの吹き付け力は強くなったが、スラグの粘度が高くなりすぎて、Ｘ線透過試験による溶接部の健全性が不良となった。比較例Ｎｏ．２７、２８及び２９は被覆剤中の蛍石又は金属炭酸塩の含有量が本発明の範囲から外れているので、いずれも低水素系溶接棒としての耐気孔性及び溶接作業性が低下した。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤の組成を適切に調整しているので、裏波から最終層までの全層を効率よく溶接することができると共に、良好なアークの安定性及びビード形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例において溶接母材として使用したパイプ水平固定管の開先形状を示す断面図である。
【図２】裏波ビードの均一性の評価方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２；パイプ管
１ａ，２ａ；外周面
１ｂ，２ｂ；端面
１ｃ，２ｃ；内周面
３；溶接金属
３ａ；突出部
【図１】
0003549412.tif 000006
【図２】
0003549412.tif 000007