(57)【要約】      （修正有）【課題】パイプの初層溶接などにおいて諸性能を満足しつつアーク安定性に優れ、良好な裏波ビード形状を確保できる被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉および裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒を提供する。【解決手段】被覆アーク溶接棒を製造する際に被覆剤に添加されるＦｅ−Ｓｉ合金粉であって、Ｓｉを１７．０〜５５．５質量％含有し、かつ平均粒径を５〜３５μｍとする。また、このＦｅ−Ｓｉ合金粉を被覆剤全質量に対して、Ｓｉ換算値で３．５〜１０．０質量％含有する裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆アーク溶接棒を製造する際に被覆剤に添加されるＦｅ−Ｓｉ合金粉であって、Ｓｉを１７．０〜５５．５質量％含有し、その他はＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５〜３５μｍであることを特徴とする被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉。
【請求項２】
軟鋼心線に被覆剤が塗装されている裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤はＳｉを１７．０〜５５．５質量％含有し、その他はＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５〜３５μｍであるＦｅ−Ｓｉ合金粉を、被覆剤全質量に対して、Ｓｉ換算値で３．５〜１０．０質量％含有することを特徴とする裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被覆アーク溶接棒の被覆剤原料として添加されるＦｅ−Ｓｉ合金粉および裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒に関し、特にパイプの初層溶接などにおけるアークの安定性に優れ、良好な裏波ビードが得られる被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉およびそれを使用した裏波溶接用被覆アーク溶接棒に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属炭酸塩、金属弗化物を主成分とする低水素系被覆アーク溶接棒（以下、低水素系棒という。）は、イルミナイト系やライムチタニア系被覆アーク溶接棒に比べて裏波溶接に適し、機械的性質が優れている。更に立向下進溶接で裏波溶接が可能な高セルロース系被覆アーク溶接棒と比較して拡散性水素が少なく耐割れ性に優れることからパイプラインなどの裏波溶接にも多く用いられている。
【０００３】
近年、安全面、特に溶接作業者の感電防止のために、二次側無負荷電圧が低電圧に制御された溶接機が増加しており、このような溶接機を用いて従来の低水素系棒で裏波溶接を行うとアークが不安定となりアーク切れが発生し、健全な裏波ビードが得難いという問題があった。
【０００４】
裏波溶接用低水素系棒のアーク切れを改善する方法としては、アーク安定剤やＡｌ−Ｍｇ、Ｍｇなどを被覆剤中に添加することが知られており、これらの技術によって、アーク切れを減少させることができるが、アーク力が弱くなり過ぎて充分な裏波ビードが形成されないという問題があった。また、特許第２５７９８６０号公報（特許文献１）には、被覆剤中に粒度を規制したカリ長石を添加してアーク切れを減少し、安定した裏波ビードを確保できる技術が提案されているが、カリ長石は結晶水を含むため、拡散性水素量が多くなり耐割れ性が劣化するという問題があった。
【０００５】
更に、特開２０００−１１７４８７号公報（特許文献２）には、被覆剤中のルチールやアルミナを適正含有量とし、アークの安定性と裏波ビードを改善をする技術の提案があるが、溶接機の無負荷電圧が低い場合にはアーク切れを減少させることはできなかった。
【０００６】
このように、諸性能を満足しつつ、アーク切れを防止できると共に裏波ビードの形状が良好で、かつ安定した裏波ビードを確保できる裏波溶接用低水素系棒を得ることは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２５７９８６０号公報
【特許文献２】特開２０００−１１７４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、パイプの初層溶接などにおいて諸性能を満足しつつアーク安定性に優れ、良好な裏波ビード形状を確保できる被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉およびそれを使用した裏波溶接用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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）被覆アーク溶接棒を製造する際に被覆剤に添加されるＦｅ−Ｓｉ合金粉であって、Ｓｉを１７．０〜５５．５質量％含有し、その他はＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５〜３５μｍであることを特徴とする被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉。
（２）軟鋼心線に被覆剤が塗装されている裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤はＳｉを１７．０〜５５．５質量％含有し、その他はＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５〜３５μｍであるＦｅ−Ｓｉ合金粉を、被覆剤全質量に対して、Ｓｉ換算値で３．５〜１０．０質量％含有することを特徴とする裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉およびそれを使用した裏波溶接用低水素系被覆アーク溶接棒によれば、パイプの初層溶接などにおいて二次側無負荷電圧の低い溶接機を用いても、従来の溶接棒の欠点であったアーク切れを防止でき均一な裏波ビードが得られ、一般的溶接作業性も良好であるので溶接能率が大幅に改善できるなど、産業上寄与するところ大なるものである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者らは、裏波溶接用低水素系棒を使用したときのアーク切れ防止と健全な裏波ビードを得るための手段として、低水素系棒の溶接作業性にも影響する金属粉の粒径に着眼し鋭意研究を進めた。
【００１２】
一般に裏波溶接用低水素系棒の被覆剤に使用する金属粉は、脱酸剤である金属Ｍｎ粉やＦｅ−Ｓｉ合金粉などを主に使用する。そこでまず、金属Ｍｎ粉を、平均粒径がレーザ光回折法で測定して１０〜１５０μｍとなるように粉砕条件を変化させたものを作成し、裏波溶接用低水素系棒に適用してアーク状態を調査した。その結果、金属Ｍｎ粉の粒径は、細粒域ではアーク力が弱くなり、粗粒域ではアークが強くなることは確認できたが、アークの安定性については変化が見られず、無負荷電圧が低い溶接機でのアーク切れ防止には効果を見出せなかった。また、Ｍｎ源であるＦｅ−Ｍｎ合金粉についても調査を行ったが、金属Ｍｎ粉同様アーク安定性改善の効果を得ることはできなかった。
【００１３】
次いで、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉のＳｉ含有量が４２質量％のものを用い、平均粒径が１０〜１５０μｍとなるように変化したものを使用して溶接作業性を調査した。その結果、細粒域では溶滴が細かくなり極めてアークが安定し、特に、アーク切れが発生し難くなることが判明した。また、細粒Ｆｅ−Ｓｉ合金粉は溶接金属と母材との馴染み性を改善する効果があり、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉中のＳｉ含有量が適量であれば、優れた裏波ビードを形成できることも判明した。一方、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉は低水素系棒製造時の乾燥工程で被覆剤の固着剤である水ガラス（珪酸ソーダ、珪酸カリウムなど）と反応し易く、被覆剤に空隙が生じて被覆表面に凹凸が見られ外観不良となり被覆脱落も発生し易くなるので、焼成して酸化皮膜を施す必要があることも見出した。
【００１４】
すなわち、表面処理を施した細粒Ｆｅ−Ｓｉ合金粉を適量使用することにより、生産性が良好で、優れたアーク安定性を確保でき、アーク切れを防止できると共に良好な裏波ビードが得られ、他の諸特性も満足できることが判明した。
【００１５】
以下、本発明の被覆アーク溶接棒用Ｆｅ−Ｓｉ合金粉および裏波溶接用低水素系棒について、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉の成分組成、粒径および被覆剤中における含有量の限定理由について説明する。
【００１６】
Ｆｅ−Ｓｉ合金粉中のＳｉ含有量が１７．０質量％（以下、％という）未満では、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉製造時の粉砕性が悪く、溶接時には良好な裏波ビードが得られず、スラグ剥離性も悪くなる。一方、５５．５％を超えると、アーク電圧が高くなり、アークの吹付けが過剰に強くなってアーク切れが生じ易くなる。
【００１７】
Ｆｅ−Ｓｉ合金粉の粒径は本発明で最も重要な部分である。平均粒径が５μｍ未満では水ガラスとの反応性を防止する表面酸化皮膜処理が難しく、焼成時に合金粉末が凝集し易くなる。一方、平均粒径が３５μｍを超えるとアーク安定性に欠け、スパッタの飛散も多く、更には二次側無負荷電圧が低い溶接機ではアーク切れが多発するようになる。
【００１８】
上記のＦｅ−Ｓｉ合金粉の表面酸化皮膜処理は粉末を容器に入れて酸化性の雰囲気中で５００〜１０００℃で加熱すれば良い。酸化性の雰囲気としては５〜２５％酸素を含む雰囲気が適当であり、空気でもよい。加熱温度が５００℃未満であると酸化皮膜の形成が不充分であり、１０００℃を超えると焼成時に合金粉末が凝集する傾向が大きくなる。また雰囲気中の酸素量が５％未満であると酸化皮膜の形成が不充分であり、２５％を超えると粉末粒子の内部まで酸化が進むおそれがある。また加熱時間は上記の温度範囲にある時間が１０分以上あればよい。なお酸化皮膜の形成状況は合金粉をＸ線回折して、酸化物の回折線を検出することにより知ることができる。
【００１９】
前記Ｆｅ−Ｓｉ合金粉の被覆剤への含有量は被覆剤全質量に対して、Ｓｉ換算値で３．５〜１０．０％とする。Ｓｉ換算値が３．５％未満では、母材との馴染みが悪くスラグ剥離性が劣り、アークの安定性に欠けて良好な裏波ビード形状が得られない。一方、１０．０％を超えると、アークが強過ぎて裏波ビード形状が悪くなる。
【００２０】
また、被覆剤に使用する他の原材料のうち、金属炭酸塩は大気を遮断するために添加するが、含有量が少ない場合は溶接金属中の酸素や窒素が多くなり、過剰に添加するとアーク状態やビード形状が劣化するので、金属炭酸塩の含有量は３５〜６０％が望ましい。さらに、金属弗化物は良好なスラグ流動性を得るのに欠かせないもので、その含有量が少ないと効果がなく、過剰の場合はアーク状態とスラグ剥離性が劣化するので、その添加量は５〜１５％が望ましい。その他、低水素系被覆原材料としてＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ等のアーク安定剤、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等のスラグ生成剤は通常用いられるものである。なお以上説明した本発明における被覆剤の成分の効果を得るには、被覆率（溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％）は２０〜５０％が適当である。
【実施例】
【００２１】
本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
表１に示す成分のＦｅ−Ｓｉ合金粉をボールミルによって粉砕性を調査した後、７００〜９００℃で焼成して表面酸化皮膜処理をしてその状況を確認し、各種平均粒径のＦｅ−Ｓｉ合金粉とした。なお、平均粒径はレーザ光回折法で測定した。
【００２２】
【表１】
2011206795.tif 000002
【００２３】
表２に示す裏波溶接用低水素系棒の被覆剤中に表１に示すＦｅ−Ｓｉ合金粉を添加して直径３．２ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳ  Ｇ３５２３  ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆塗装後乾燥して被覆率３１％の各種裏波溶接用低水素系棒を試作し、アーク切れ回数、裏波ビード形状、一般的溶接作業性を調査した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
Ｆｅ−Ｓｉ合金粉の製造時の粉砕性判定は、容易に粉砕できたものを良好の○印、粉砕に時間を要したものは×印とした。また、焼成による表面酸化皮膜処理状況は、凝集しなかったものを○印、凝集が認められたものを×印とした。
【００２６】
アーク切れ回数は、軟鋼パイプ（肉厚；９ｍｍ、内径；１５０ｍｍ、開先角度；６０°、ギャップ；２．５ｍｍ、ルートフェイス；１．５ｍｍ）を水平固定管とし、二次側無負荷電圧が７０Ｖの交流溶接機を用い、溶接電流８５Ａで各試作溶接棒６本を使用して円周下端の上向姿勢から順次全姿勢の溶接を実施し、１本当たりの平均アーク切れ回数を調査して皆無であったものを良好とした。
【００２７】
また、裏波ビード形状および一般的溶接作業性は前述のアーク切れ回数試験に用いた試験条件で評価した。裏波ビード形状はビード幅が揃い、凹凸がなく均一であるものを良好の○印とし、不揃いで均一性に欠けるものを不良の×印として評価した。一般的溶接作業性はアーク状態（安定性、吹付け強さ）、スパッタ発生量、スラグ剥離性、表ビードの形状などを調査し、これらを総合評価し、良好を○印、劣るものを×印とした。これらの結果も表１にまとめて示す。
【００２８】
表１中、溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は本発明例、溶接棒Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１４は比較例である。本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉中のＳｉ含有量とＦｅ−Ｓｉ合金粉の平均粒径が適正であるので、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉製造時の生産性が優れていた。さらに被覆剤全質量に対するＳｉ換算値量が適量であるのでパイプの初層溶接での諸性能を満足しつつアーク安定性に優れ、アーク切れもなく、裏波ビード形状も良好であるなど、極めて満足な結果であった。
【００２９】
比較例中溶接棒Ｎｏ．９は、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉中のＳｉ含有量が少ないので、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉製造時の粉砕性が不良であった。また、溶接時の裏波ビードが不揃いで、スラグ剥離性も不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１０は、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉中のＳｉ量が多いので、アークが強くなりアーク切れが発生し、スパッタ発生量も多くかった。
【００３０】
溶接棒Ｎｏ．１１は、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉の平均粒径が小さいので、酸化皮膜処理時の焼成過程で粉末粒子同士の凝集が生じて歩留が低かった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、Ｆｅ−Ｓｉ合金粉の平均粒径が大きいので、アークが不安定でアーク切れが多く発生し、スパッタ発生量が多く、さらに裏波ビードの均一性も欠いた。
【００３１】
溶接棒Ｎｏ．１３は、被覆剤中のＳｉ換算値が少ないので、母材との馴染みおよびスラグ剥離性が悪く、裏波ビードも不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１４は、被覆剤中のＳｉ換算値が多いので、アークが強過ぎて裏波ビード形状が不良であった。