(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブマージアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤであり、ワイヤ中に充填されるフラックス成分中に、融点が１０００℃以下であり、かつ粉末状のフッ素化合物を、１．３質量％以上１０質量％未満含み、
かつ、総フッ化物は、全フラックス質量の１０質量%未満であり、
フラックス入りワイヤ中のフラックス成分の内、純金属、鉄基合金、金属合金、および金属炭化物の少なくとも１つからなる粉末が８０質量％以上であることを特徴とするサブマージアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
３電極以上の多電極サブマージアーク溶接において、第１電極、または第１および第２電極に請求項１に記載のサブマージアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤを用い、残極にソリッドワイヤを用いることを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガス、原油輸送用ラインパイプ等、あるいは構造用パイプ等用途に供される高強度の大径溶接鋼管の製管溶接方法に使用される、サブマージアーク溶接用低水素系フラックス入りワイヤおよびそれを用いた多電極サブマージアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス、あるいは原油輸送用パイプラインのトータルコスト削減のため、操業圧力の高圧化とともに使用鋼材量の低減と現地溶接施工コスト削減が可能な高強度大径鋼管の適用が検討され始めている。このような溶接鋼管は、その溶接部の品質が優れていること、溶接ビード概観が美麗であること、また、大入熱での高速溶接が可能であること等の特長から、一般的にサブマージアーク溶接による内外面からの両面一層溶接によって製造される。
【０００３】
しかしながら、高強度鋼材の溶接部においてはしばしば溶接金属部に、溶接方向に直行した微小な割れが発生することがある。この微小な割れは外面溶接後の非破壊検査、溶接ビード表面の目視検査においても、一定の頻度で検出される重大な溶接欠陥であり、その原因は、溶接金属部の低温割れと言われる。溶接金属部の低温割れは溶接金属の強度が高いほど発生する確率が高くなることが知られており、鋼管敷設後の応力負荷度合いによってはこの微小割れを起点として鋼管全体の破壊を引き起こす危険性があるために、当然ながら鋼管の製造段階において完全に除去されなければならない。
【０００４】
ところで、溶接金属の低温割れは一般的に水素脆化割れであると解釈されており、溶接金属中の水素（拡散性水素）濃度、溶接金属部に負荷される応力、さらには溶接金属部組織の耐水素割れ感受性が支配因子と考えられている。高強度鋼材の溶接部でこの低温割れがしばしば発生する理由は、耐水素割れ感受性の低い金属組織であるマルテンサイトやベイナイトに代表されるような硬質組織で溶接金属部が形成されているからである。このような硬質組織が形成されるのは、要求される材料強度を確保するために、ワイヤ中の合金成分を大幅に上げたことに起因する。
【０００５】
このような技術的背景の下、高強度溶接金属部の低温割れ発生を防止する方法がこれまでにも提案され、例えば特許文献１には、溶接金属の化学組成および溶接後の冷却速度を制御することにより、上記水素割れの主原因である拡散性水素の量を低減する方法が開示されている。しかしながら、溶接金属の化学組成を制限することは、溶接金属の低温割れを防止するためには有効であるが、他の特性、例えば溶接金属の低温靱性や変形特性に好ましくない影響が生ずる。したがって、可能な限り溶接金属成分設計の自由度を高めておく方法の開発が望まれる。
【０００６】
また、特許文献２には、溶接金属に脱水素化熱処理を施すことによって拡散性水素を低減させる方法が開示されている。この方法においては、拡散性水素の量が１００〜２００℃の加熱によって０．２ｃｃ／１００ｇ溶接金属程度まで低下している。そのため、この開示の方法は低温割れの発生防止に極めて有効な方法であるが、鋼管の製造工程に新たに熱処理工程を加える必要があることから、鋼管製造の生産性を大きく低下させるという問題が生じる。
【０００７】
一方、前述したように高強度鋼管用溶接材料としての基本特性として、ワイヤ中の合金成分を上げ、形成される溶接金属部の強度を一般的には母材強度以上とすることが求められる。しかしながら溶接金属の高強度化のためにワイヤの合金添加量を増加させ、サブマージアーク溶接に一般的に使用されるソリッドワイヤを製造する場合、伸線加工時の加工硬化によりワイヤ自体が高強度になり過ぎ、伸線加工時に断線が起こりやすくなる等の不具合が生じることがある。
【０００８】
特許文献３および４には、この問題を解決するためにサブマージアーク溶接用のフラックス入りワイヤを使用することが開示されている。フラックス入りワイヤは中空の鋼製外皮内に金属（合金）粉、フラックス成分等を充填して製造されるため、ソリッドワイヤ製造時のようなワイヤ伸線時の加工硬化の問題がなく、ワイヤ中に合金成分を調整して添加することが出来る。しかしながらこのフラックス入りワイヤを使用した溶接金属の拡散性水素の量は、例えば特許文献３には１００ｇ溶接金属中に３〜７ｃｃ程度となることが開示され、高強度鋼管を対象とした低温割れ発生を防止するための拡散性水素量レベルまでの低減は達成されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３３８７６号公報
【特許文献２】特開２００６−２６３８１４号公報
【特許文献３】特開２００８−１０５０３６号公報
【特許文献４】特開２００６−１４２３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述したように、合金成分が多く含まれる高強度鋼管溶接部の低温割れを抑制するためには、以下の３要因に対する対策が必要である。すなわち、拡散性水素の低減、負荷応力の緩和、および溶接金属部組織の改善である。しかしながら、前述したように従来技術ではいずれも十分な改善策を提案しているとは云えず、何らかの解決すべき課題を内包しており、特に、溶接金属組成の調整や、脱水素熱処理は材質設計の自由度を狭め、さらに、新たな製造工程を増やすことによる製造コストの大幅な増加の原因ともなっている。
【００１１】
本発明は、上記の問題に技術的および経済的な観点から有利に応えるもので、溶接前あるいは溶接後熱処理等に頼ることなく、溶接金属の低温割れの主因とも言うべき拡散性水素の量を極めて効率的に低減させるためのサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤならびにそれを用いた多電極サブマージアーク溶接方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨構成は以下の通りである。すなわち、
（１）  サブマージアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤであり、ワイヤ中に充填されるフラックス成分中に、融点が１０００℃以下であり、かつ粉末状のフッ素化合物を、０．１質量％以上１０質量％未満含むことを特徴とするサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（２）  フラックス入りワイヤ中の充填剤成分の内、酸化物を含まない金属粉が８０質量％以上であることを特徴とする前記（１）に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（３）  ３電極以上の多電極サブマージアーク溶接において、第１電極、または第１および第２電極に前記（１）または（２）に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤを用い、残極にソリッドワイヤを用いることを特徴とする多電極サブマージアーク溶接方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば天然ガス、原油輸送用高強度ラインパイプ、構造用高強度鋼管等、耐水素割れ感受性が高い合金成分を含有する高強度鋼管の溶接金属に発生する、拡散性水素に起因する低温割れの発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】サブマージ溶接金属中の拡散性水素量と添加したフッ化物の融点との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を以下に述べる。溶接金属の低温割れの発生の有無は、拡散性水素の有無に依存する。すなわち、拡散性水素量が限りなく低くすると、溶接終了後の冷却過程あるいは拡管工程等で発生する負荷応力がかなり高い状態に達しても低温割れは発生しない。ここで、溶接金属内の拡散性水素の水素源となるものは大きく分けて、フラックス中の残留水分、結露などの理由で開先面に存在する水分、さらに、溶接中に大気中から混入する水分、である。このため、大気中の水分の吸湿性が比較的高い焼結型フラックスを溶接前に乾燥させる、また、溶接する前に溶接開先面を予熱する、といった溶接金属の低温割れを防止するため一般的に講じられる対策は、拡散性水素の原因を根本から排除する目的でなされたものである。しかしながら、このような対策を講じているにも拘わらず、依然として拡散性水素は微量ながらも溶接金属内に残留し、低温割れを引き起こす。このために、脱水素熱処理や負荷応力除去といった更なる対策を講じなければ高強度溶接金属の低温割れを抑制することは出来なかった。
【００１６】
そこで、本発明は、従来技術とは異なり、サブマージアーク溶接過程のアーク発生時に生じている化学反応を積極的に利用することにより、溶接金属中に取り込まれる水素を排除することに着目した。前述した水素源から混入する水素は、元々水（Ｈ２Ｏ）が分子状態で溶接アーク内に侵入し解離した原子状の水素に由来する。すなわち、アークの高温環境下ではＨ２Ｏは解離し、さらにアーク中では水素プラズマあるいは水素イオン（Ｈ＋）の形態となって存在し、溶融池中に取り込まれる。本発明では、このアーク中に存在するＨ＋を、フラックス入りワイヤから添加する低融点のフッ化物から生じるフッ化物イオン（Ｆ−）と化学結合させることによってガス状のフッ化水素（ＨＦ）を生じせしめ、これをアーク外に排出させることにより、本来溶融池に取り込まれる水素濃度を低減させることを技術思想としている。
【００１７】
一般的に、サブマージアーク溶接に使用される散布フラックスには、フッ化物の一種であるＣａＦ２が添加される場合が多い。ＣａＦ２は一般的に、フラックスの塩基度を上げ、溶接金属中の酸素濃度を低減させることにより溶接金属の低温靱性を向上させる目的で添加される。このＣａＦ２もアーク中の高温環境化においては解離し、フッ化物イオンを生じさせる効果があるが、その融点が１４０３℃と比較的高いこともあり、添加されるＣａＦ２の多くは解離に至らず、溶接スラグ中に残存してしまい、上述した効果が得られにくい。
【００１８】
そこで本発明者らは、アーク中でより解離しやすく、Ｈ＋＋Ｆ−→ＨＦ反応を促進させるフッ化物種類、また、その最適な添加方法に関して詳細な検討を行った。その結果、比較的低融点の特性を有するフッ化物をフラックスとして用いて、添加する方法は、単に散布するのではなく、フラックス入りワイヤとすること、さらに多電極サブマージアーク溶接の第１電極、または第１および第２電極に適用することにより、溶接金属中の拡散性水素濃度を大幅に低減させることが出来るという、新たな知見を見出した。
【００１９】
さらに、フラックス入りワイヤを適用することにより、溶接ワイヤの合金成分およびその量を容易に調整できることも明らかにし、高強度鋼管の造管溶接に好適な、多電極サブマージアーク溶接方法を確立するに至った。
【００２０】
以下、本発明の低水素系サブマージ溶接ワイヤ及び多電極溶接方法の限定理由に関して説明する。
【００２１】
添加されるフッ化物の融点：１０００℃以下
図１は、引張強さ８００（Ｎ／ｍｍ２）を超える強度を有するサブマージ溶接金属中の拡散性水素量と、添加したフッ化物の融点との関係を示した図（図中；フッ化物添加有り）である。図中；フッ化物添加有りでは、フラックス入り溶接ワイヤのフラックス中に異なる融点を有する各種のフッ化物を添加して製造したフッ化物添加フラックス入り溶接ワイヤを使用した。なお、図にはフッ化物を添加しない場合（図中；フッ化物添加無し）の測定結果も併記している。これは、上記フッ化物添加フラックス入り溶接ワイヤのフラックス成分からフッ化物のみを除いたフッ化物添加無しフラックス入り溶接ワイヤを同様に製造し、これ用いて同じ条件で溶接し、拡散性水素量の測定したものである。
【００２２】
拡散性水素量の測定はＪＩＳ  Ｚ  ３１１８、鋼溶接部の水素量測定方法に準拠した試験方法を用いており、試験片から放出した水素ガスの測定はガスクロマトグラフ法に依った。また、各溶接ワイヤならびにワイヤ中に充填されるフラックスは市販材を用い、使用前に常法に従い乾燥処理を行っている。
【００２３】
この図から、ワイヤの種類、元となるワイヤ中に充填されるフラックスの種類に係わらず、フッ化物の融点がＣａＦ２（１４０６℃）に比べ比較的低い場合、フッ化物を添加しない場合に比較して溶接金属中の拡散性水素量が低減している効果が認められる。また、この効果は、ワイヤ中に充填されるフラックス中に添加したフッ化物の融点が１０００℃以下の場合に顕著である。これは、複合添加されるフラックス中に添加したフッ化物の融点が１０００℃以下の場合、アーク中でその解離反応およびフッ化水素の生成反応がより促進されたことを意味しており、フラックス中に添加するフッ化物の融点を１０００℃以下に規定することによって達成し得ることを示している。このことから、添加されるフッ化物の融点は１０００℃以下に規定する。融点が１０００℃以下のフッ化物は例えば、表１に示すフッ化物を用いることができる。
【００２４】
【表１】
0005842585.tif 000002
【００２５】
次に、上述した効果を達成し、かつ、各種フラックスの製造工程を阻害することなく、また、溶接性、特に溶接作業性や溶接ビード外観などに悪影響を及ぼさないための制限条件に関して説明する。
【００２６】
添加されるフッ化物の質量％：０．１％以上、１０％未満
ワイヤ中に充填されるフラックスに添加されるフッ化物は、アーク雰囲気ではほぼ１００％解離する。このことから、フラックスに添加されるフッ化物は、ガス発生剤とも位置づけられる。このガス成分の内、［Ｆ−］は前記したように［Ｈ＋］と結合してアーク中での脱水素反応に寄与し、溶接金属中の拡散性水素量を低減するが、その効果を得るためには少なくとも０．１％の添加が必要である。したがって、その添加下限値を０．１％と規定する。一方、過剰に添加した場合においては、ガス発生量が過大となり、ポックマークが発生する危険性がある。このため、添加量の上限を１０％未満に規定する。
【００２７】
また、本発明においては、異なる種類のフッ化物を複合添加しても所定の効果を得ることが出来る。ただし、複合添加されるフッ化物の内、少なくとも１種類は融点が請求項記載の範囲内にあり、かつ、総フッ化物の質量％は全フラックス質量の１０％未満でなければならない。
【００２８】
フラックス入りワイヤ中の充填剤成分の内、酸化物を含まない金属粉質量比：８０％以上
ワイヤ中に充填されるフラックス成分中の金属粉は、充填剤の主成分であり純金属、鉄基合金、金属合金、および金属炭化物の総和を指し、溶接金属の強度ならびに靱性を確保するために添加され、溶接後は溶接金属中に合金成分として留まる。
【００２９】
一般的なフラックス入りワイヤは充填剤の中に比較的多量の各種酸化物がアーク安定効果を発現させるなどの目的で添加されるが、本発明においては適用される溶接がサブマージアーク溶接に限られ、上記効果は溶接時に散布されるフラックスが担っていること、また、ワイヤ中に充填されるフラックス成分中に多量の酸化物の添加は溶接条件によっては溶接金属の酸素量を増大させ、溶接金属部の低温靱性を低下させる可能性があることから、充填剤主成分となる非酸化物成分の添加下限を８０％とすることが好ましい。
【００３０】
３電極以上の多電極溶接時における、フラックス入りワイヤの適用電極：第１電極のみ、あるいは第１および第２電極
本発明が適用される溶接鋼管の縦シーム溶接の施工に際しては一般的に、造管速度を上げて生産性を向上させるために３電極以上の多電極、高速溶接が適用される場合が多い。３電極以上の多電極を採用する溶接のため、各電極に適用する溶接ワイヤ種類は適宜選択可能であるが、本発明においては上記記載のよう、フラックス入りワイヤの適用電極を主に先行極を中心に適用することが必要である。上述したように本発明においてはフッ化物の解離反応によって生じる［Ｆ−］が効果的に［Ｈ＋］を捕捉することが必要であるが、後行極にのみフラックス入りワイヤが適用された場合、溶接速度が比較的速いために上記捕捉反応が十分に進行しないまま溶接が完了してしまう可能性がある。
【００３１】
また、第３電極目以降にフラックス入りワイヤを適用しても［Ｈ＋］の捕捉効果が飽和することに加え、各電極の溶接ワイヤにそれぞれ含有する酸化物成分の積算量が大きくなり過ぎ、溶接金属の酸素量が増大する可能性があるためである。
【００３２】
従って、可能な限り溶融池前面部で［Ｆ−］を生じさせる観点からフラックス入りワイヤの適用極は第１電極のみ、あるいは第１および第２電極、のいずれかが好ましい。
【００３３】
したがって、第１電極のみ、あるいは第１および第２電極の場合以外の電極である残極に関しては一般的なソリッドワイヤを用いる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。表２に示した高い引張強度を有する鋼板を、ＵＯＥプロセスを使用して同表中に示される外径に造管し、会合部を３電極、および４電極のサブマージアーク溶接により内面、外面の順で縦シーム溶接を行った。本実施例に供したフラックス入りワイヤを表３に示す。表中「ワイヤ中の添加フッ化物」とは、
ワイヤ中に充填されるフラックス成分中の添加フッ化物を意味する。また、「ワイヤ中の
複合添加フッ化物」とは、添加フッ化物を複合的に添加したことを意味している。
【００３５】
なお、溶接時に供した、開先に散布されるフラックスは溶融型フラックスを用い、その成分はＳｉＯ２−ＣａＯ−ＣａＦ２を主成分とし、溶接する前に３００℃で１ｈｒの乾燥処理を行った。溶融型フラックスを用いたのは、高速溶接性に優れるためである。
【００３６】
【表２】
0005842585.tif 000003
【００３７】
【表３】
0005842585.tif 000004
【００３８】
内面、外面それぞれの溶接終了後、溶接部の目視観察による溶接作業性の評価を行い、さらに、溶接金属部の低温割れを検出するために、外面溶接終了後７２ｈｒ放置した後、継手部をＪＩＳ  Ｇ  ０５８４に準拠した超音波探傷試験を行い、溶接金属部の低温割れの発生有無を確認した。なお、造管溶接開始前あるいは終了後に、母材部ならびに溶接金属部に対しては、一切の脱水素熱処理は施していない。
【００３９】
実施例ならびに比較例の評価結果を表４に示す。実施例１〜１６で示すように、本発明からなる低融点フッ化物を適量添加した溶接鋼管に対しては、その溶接部概観が極めて良好であり、且つ、内外面溶接金属の拡散性水素量は低く抑えられており、結果、溶接金属に低温割れは発生していない。
【００４０】
これに対して、ＣａＦ２以外の低融点フッ化物が添加されていないフラックスB0を使用した比較例においては、溶接ビード外観は良好であるものの、溶接金属中の拡散性水素量が高く、内外面溶接金属部に低温割れが発生している。
【００４１】
また、低融点のフッ化物であっても、その添加量が１０質量％を超える比較例１７，１８においては、低融点フッ化物の影響で拡散性水素量は低く、低温割れは発生していないものの、その添加量が多すぎるために、溶接ビードの蛇行、あるいは溶接アークの不安定化によるスラグ巻き込み等の溶接欠陥の発生が認められておりその概観が良好でない。
【００４２】
さらに、添加されるフッ化物の融点が１０００℃より高い比較例１９〜２２においては、その添加量に係わらず溶接金属部で低温割れが発生し、また、その添加量が１０質量％を超える場合には溶接ビード概観も良好でない。
【００４３】
また、低融点フッ化物を複合添加させた比較例２３，２４においては、低温割れは発生していないものの、その合計量が多すぎるために、溶接ビード概観が良好でなく、実用に適さない。
【００４４】
【表４】
0005842585.tif 000005
【図１】
0005842585.tif 000006