(57)【要約】【課題】靭性に優れた溶接金属を安定して得られるサブマージアーク溶接方法を提供する。【解決手段】Ｂ2Ｏ3を0.1〜１質量％含有する溶接用フラックスと、Ｂを10〜160質量ppm含有する溶接用ワイヤとを用い、溶接用フラックス中のＢ2Ｏ3をＢに換算した値を［Ｂ］F 、溶接用ワイヤ中のＢを［Ｂ］W として［Ｂ］W ／［Ｂ］F の値が0.04〜0.40の範囲内でサブマージアーク溶接を行なう。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂ2Ｏ3を0.1〜１質量％含有する溶接用フラックスと、Ｂを10〜160質量ppm含有する溶接用ワイヤとを用いるサブマージアーク溶接方法において、前記溶接用フラックス中のＢ2Ｏ3をＢに換算した値を［Ｂ］F 、前記溶接用ワイヤ中のＢを［Ｂ］W としたとき、［Ｂ］W ／［Ｂ］F の値が0.04〜0.40の範囲内であることを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
【請求項２】
前記溶接用フラックスは、Ｂ2Ｏ3を含有する溶融型フラックスを使用し、前記溶接用ワイヤがＢに加えて、Ｃを0.02〜0.16質量％、Siを0.1〜1.0質量％、Mnを0.5〜3.0質量％、Alを0.01〜0.1質量％、Tiを0.05〜0.3質量％、Moを0.1〜0.7質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接方法。
【請求項３】
前記溶融型フラックスの塩基度が−0.5〜2.5であることを特徴とする請求項２に記載の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、ラインパイプや造船等の分野で用いられる厚鋼板の接合に好適なサブマージアーク溶接方法に関し、詳しくは優れた靭性を有する溶接金属が得られるサブマージアーク溶接方法に関するものである。
なお様々な溶接技術で使用される溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤとフラックスコアドワイヤに大別される。ソリッドワイヤは、鋼材を伸線した線材からなる溶接用ワイヤであり、溶接用ワイヤの表面にめっきを施したり、あるいは潤滑剤を塗布したものもある。フラックスコアドワイヤは、鋼製の外殻の内側に溶接用フラックスを充填した溶接用ワイヤである。
【０００２】
本発明では、溶接用ワイヤとしてソリッドワイヤを使用する。
【背景技術】
【０００３】
厚鋼板を能率良く接合することが可能なサブマージアーク溶接方法は、ラインパイプ，造船，建築の分野で広く採用されている。これらの分野では、母材となる厚鋼板のみならず厚鋼板の接合部に形成される溶接金属の特性（たとえば強度，靭性等）が重視される。厚鋼板については、鋼材の溶製工程における成分および圧延工程における圧下条件を適宜調整することによって、所定の特性を有する厚鋼板を得ることができる。一方、溶接金属については、溶接用ワイヤや溶接用フラックスの成分がその特性に多大な影響を及ぼすことが知られている。
【０００４】
サブマージアーク溶接に限らず、590MPa以下の強度を有する鋼板を接合する場合は、母材（すなわち鋼板）と同等の靭性を有する溶接金属を得るために、Ｂを溶接金属に添加する技術が種々検討されている。たとえば、溶接用ワイヤとしてソリッドワイヤを用いるガスシールドアーク溶接にて、Ｂを添加した溶接用ワイヤを使用する技術が開示されている（特許文献１参照）。つまり、ガスシールドアーク溶接では溶接用フラックスを使用せず、溶接用ワイヤを介して溶接金属にＢを添加する。
【０００５】
しかし、溶接用ワイヤにＢを添加するためには、鋼材の溶製工程にてＢを添加した後、圧延工程から伸線工程を経て溶接用ワイヤを製造しなければならない。Ｂは凝固割れを生じさせる元素であり、造塊工程における割れを除去して、圧延，伸線を行なう必要がある。その結果、溶接用ワイヤの歩留りが低下する。
そこで溶接用フラックスを使用するサブマージアーク溶接では、Ｂを添加した溶接用フラックスを使用する技術が開示されている（特許文献２参照）。つまり溶接用ワイヤにＢを添加せず、溶接用フラックスを介して溶接金属にＢを添加する。
【０００６】
しかし溶接の施工の際には溶接電圧や溶接電流が変動し易いので、溶接用フラックスの溶融量を一定に維持するのは困難である。つまり、溶接金属のＢ含有量が変化し、溶接金属に所定の靭性を付与し難い。しかもＢ含有量が過剰に上昇した場合には、溶接金属に割れが生じる惧れがある。
【特許文献１】特開平11-90678号公報
【特許文献２】特開昭59-110493号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような問題を解消し、靭性に優れた溶接金属を安定して得られるサブマージアーク溶接方法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】
【０００８】
本発明者は、溶接用ワイヤや溶接用フラックスから溶接金属に添加されるＢ量と溶接電圧の変動との関係について詳細に検討した。その結果、溶接電圧が高くなると、
(a) 溶接用ワイヤから溶接金属に添加されるＢ量が減少する、
(b) 溶接用フラックスから溶接金属に添加されるＢ量が増加する
という現象を見出した。つまり、溶接用ワイヤと溶接用フラックスの両方から溶接金属にＢを添加することによって、溶接電圧が低電圧から高電圧までの間で変動しても溶接金属に添加されるＢ量の変化を補完できるので、溶接金属のＢ含有量を一定に維持できる。
【０００９】
しかも特許文献１に開示されているような、所定のＢ量を全て溶接用ワイヤから溶接金属に添加する技術に比べて、溶接用ワイヤのＢ含有量を低減できるので、溶接用ワイヤの製造過程における割れの発生が抑制され、溶接用ワイヤの歩留りが向上する。
また特許文献２に開示されているような、所定のＢ量を全て溶接用フラックスから溶接金属に添加する技術に比べて、溶接用フラックスのＢ含有量を低減できるので、溶接用フラックスの溶融量の変化に起因する溶接金属のＢ含有量の変化が抑制される。
【００１０】
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、Ｂ2Ｏ3を0.1〜１質量％含有する溶接用フラックスと、Ｂを10〜160質量ppm含有する溶接用ワイヤとを用いるサブマージアーク溶接方法において、溶接用フラックス中のＢ2Ｏ3をＢに換算した値を［Ｂ］F ，溶接用ワイヤ中のＢを［Ｂ］W としたとき、［Ｂ］W ／［Ｂ］F の値が0.04〜0.40の範囲内であるサブマージアーク溶接方法である。
【００１１】
本発明においては、溶接用フラックスはＢ2Ｏ3を含有する溶融型フラックスを使用し、溶接用ワイヤがＢに加えて、Ｃを0.02〜0.16質量％，Siを0.1〜1.0質量％，Mnを0.5〜3.0質量％，Alを0.01〜0.1質量％，Tiを0.05〜0.3質量％，Moを0.1〜0.7質量％含有することが好ましい。その溶融型フラックスの塩基度は−0.5〜2.5であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、サブマージアーク溶接によって靭性に優れた溶接金属を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明で使用する溶接用フラックスの成分の限定理由を説明する。
［Ｂ］w ／［Ｂ］F ：0.04〜0.40
溶接用フラックス中のＢ2Ｏ3をＢに換算した値を［Ｂ］F とし、溶接用ワイヤ中のＢを［Ｂ］W としたとき、［Ｂ］W ／［Ｂ］F の値が0.04未満であれば、溶接用ワイヤからの添加量が少ないので溶接電圧の増大に伴いＢ量が増加する傾向が顕著になる。一方、［Ｂ］W ／［Ｂ］F の値が0.40を超えると、逆に溶接用フラックスからの添加量が過小となり溶接電圧の増加に伴いＢ量が減少する傾向が現われる。したがって、［Ｂ］W ／［Ｂ］F の値は0.04〜0.40とする。とりわけ溶接電圧の変化等に伴うＢ量の変化を少なくするためには0.05〜0.30の範囲内とすることが好ましい。
【００１４】
Ｂ2Ｏ3-：0.1〜１質量％
溶接用フラックスのＢ2Ｏ3-含有量が１質量％を超えると、溶接を施工する際に溶接用フラックスから溶接金属に添加されるＢ量が過剰に増加し、溶接金属に割れが生じる。一方、溶接用フラックスのＢ2Ｏ3-含有量が0.1質量％未満では、所定のＢ量の大部分を溶接用ワイヤに含有させなければならないので、溶接用ワイヤの素材となる鋼材の変形抵抗が増大し、溶接用歩留りが低下する。したがって、溶接用フラックスのＢ2Ｏ3-含有量は0.1〜１質量％の範囲内とする。好ましくは0.1〜0.8質量％である。
【００１５】
塩基度：−0.5〜2.5
ここで塩基度とは、下記の式で算出される値を指す。式中の［CaＯ］，［CaＦ2］，［SiＯ2］，［TiＯ2］，［Al2Ｏ３］，［MnＯ］，［MgＯ］，［FeＯ］は、それぞれ溶接用フラックス中の各化合物のモル分率を表わす。
塩基度ＢLK＝6.05［CaＯ］＋6.05［CaＦ2］−6.31［SiＯ2］−4.97［TiＯ2］
−0.2［Al2Ｏ３］+4.8［MnＯ］＋４［MgＯ］＋3.4［FeＯ］
溶接用フラックスの塩基度が−0.5未満では、Ｂによる溶接金属の靭性向上の効果が得られない。したがって、溶接用フラックスの塩基度は−0.5以上とする。一方、溶接用フラックスの塩基度が2.5を超えると、溶接の作業性が低下するばかりでなく、ビードの外観が損なわれる。そのため、溶接用フラックスの塩基度は−0.5〜2.5の範囲内が好ましい。
【００１６】
次に、本発明で使用する溶接用ワイヤの成分の限定理由を説明する。
Ｂ：10〜160質量ppm 
溶接用ワイヤのＢ含有量が0.001質量％（＝10質量ppm）未満では、所定のＢ量の大部分を溶接用フラックスに含有させなければならないので、溶接用フラックスの溶融量の変化に起因する溶接金属のＢ含有量の変化を抑制できない。一方、0.016質量％（＝160質量ppm）を超えると、溶接金属に添加されるＢ量が増大して、溶接金属に割れが生じる。したがって、溶接用ワイヤのＢ含有量は10〜160質量ppmの範囲内とする。好ましくは10〜100質量ppm である。
【００１７】
本発明で使用する溶接用ワイヤは、上記したＢに加えて、下記の元素を含有することが好ましい。
Ｃ：0.02〜0.16質量％
Ｃは、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されることによって溶接金属の強度を高める元素である。溶接用ワイヤのＣ含有量が0.02質量％未満では、溶接金属の十分な強度が得られない。一方、0.16質量％を超えると、溶接金属に割れが生じる。したがって、溶接用ワイヤのＣ含有量は0.02〜0.16質量％の範囲内が好ましい。
【００１８】
Si：0.1〜1.0質量％
Siは、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されることによって溶接金属の脱酸剤として作用（すなわち溶接金属の酸素を除去）する元素である。ところが、溶接用ワイヤのSi含有量が1.0質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。一方、溶接用ワイヤのSi含有量が0.1質量％未満では、溶接金属の酸素を除去する効果が得られない。したがって、0.1〜1.0 質量％の範囲内が好ましい。
【００１９】
Mn：0.5〜3.0質量％
Mnは、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されることによって溶接金属の強度と靭性を高める元素である。溶接用ワイヤのMn含有量が0.5質量％未満では、溶接金属の十分な強度が得られない。一方、3.0質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、溶接用ワイヤのMn含有量は0.5〜3.0質量％の範囲内が好ましい。
【００２０】
Al：0.01〜0.1質量％
Alは、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されることによって溶接金属の脱酸剤として作用する元素である。ところが、溶接用ワイヤのAl含有量が0.01質量％未満では、溶接金属の酸素を除去する効果が得られない。一方、溶接用ワイヤのAl含有量が0.1質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、溶接用ワイヤのAl含有量は0.01〜0.1質量％の範囲内が好ましい。
【００２１】
Ti：0.05〜0.3質量％
Tiは、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されることによって溶接金属の脱酸剤として作用する元素であり、しかも生成したTi酸化物が溶接金属の凝固組織の微細化に寄与する。ところが、溶接用ワイヤのTi含有量が0.05質量％未満では、溶接金属の酸素を除去する効果および溶接金属の凝固組織を微細化する効果が得られない。一方、溶接用ワイヤのTi含有量が 0.3質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、溶接用ワイヤのTi含有量は0.05〜0.3 質量％の範囲内が好ましい。
【００２２】
Mo：0.1〜0.7質量％
Moは、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されることによって溶接金属の強度を高める元素である。ところが、溶接用ワイヤのMo含有量が0.7質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。一方、溶接用ワイヤのMo含有量が0.1質量％未満では、溶接金属の強度を高める効果が得られない。したがって、0.1〜0.7質量％の範囲内が好ましい。
【００２３】
さらに溶接の作業性やビードの形状等を改善する観点から、上記した組成に加えて、従来から有効される元素（たとえばCu，Ni，Cr，Ｖ，Nb等）を含有しても、サブマージアーク溶接によって靭性に優れた溶接金属を安定して得るという本発明の効果は損なわれない。
本発明者は、上記した成分を満足する様々な溶接用ワイヤと溶接用フラックスとを用いてサブマージアーク溶接を行ない、溶接金属に添加されるＢ量と溶接電圧の変動との関係について詳細に検討した。その結果、溶接を施工する際の溶接電圧と溶接金属のＢ含有量との関係が明らかになった。その一例を図１に示す。
【００２４】
図１では、Ｂ2Ｏ3-を0.35質量％含有する溶接用フラックスと、Ｂを150質量ppm含有する溶接用ワイヤとを用いて、単電極のサブマージアーク溶接（溶接電流：650Ａ，溶接電圧：32Ｖ，35Ｖ，38Ｖ）を行なった。
図１から明らかなように、溶接電圧が高くなると、溶接用ワイヤから溶接金属に添加されるＢ量は減少するが、溶接用フラックスから溶接金属に添加されるＢ量は増加する。つまり、溶接用ワイヤと溶接用フラックスの両方から溶接金属にＢを添加することによって、溶接電圧が低電圧から高電圧までの間で変動しても溶接金属に添加されるＢ量の変化を補完できるので、溶接金属のＢ含有量を一定に維持できる。
【実施例】
【００２５】
厚さ20mmの厚鋼板１を用いて図２に示すような開先（開先角θ：90°，開先深さｄ：7.8mm）を形成してサブマージアーク溶接を行なった。使用した溶接用ワイヤの成分を表１に示し、溶接用フラックスのＢ2Ｏ3-含有量と塩基度を表２に示す。表１に示す溶接用ワイヤのうちのＷＢは、Ｂ含有量が本発明の範囲を外れる例である。また、表２に示す溶接用フラックスのうちのＦＢは、Ｂ2Ｏ3-含有量が本発明の範囲を外れる例である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
【表２】
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【００２８】
これらの溶接用ワイヤと溶接用フラックスを、表３に示すように組み合わせて４電極のサブマージアーク溶接（溶接速度：210cm／分）を行なった。４電極の設定は、それぞれ溶接電流を1200Ａ，1000Ａ，800Ａ，650Ａとし、溶接電圧は各々35Ｖ，38Ｖ，40Ｖ，40Ｖとし、この標準溶接条件から電圧が各々±３Ｖ変動した場合と比較した。
得られた溶接金属から試料をそれぞれ３個ずつ採取してＢ含有量を測定した。その結果は表３に示す通りである。つまり、発明例ではＢ含有量の測定値の変動幅が２〜３質量ppmであったのに対して、比較例では変動幅が６〜８質量ppmであった。したがって、本発明を適用することによって、溶接金属のＢ含有量の変動が抑制され、溶接金属の特性を安定させることができる。
【００２９】
また、溶接金属からシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ規格Z2202 に準拠したＶノッチ試験片）をそれぞれ３個ずつ採取して、シャルピー衝撃試験（−30℃）を行なった。測定された VＥ-30（Ｊ）のうちの最低値を表３に示す。発明例では VＥ-30の最低値が180〜210Ｊであったのに対して、比較例では80〜120Ｊであった。したがって、本発明を適用することによって靭性に優れた溶接金属を得ることができる。
【００３０】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】溶接を施工する際の溶接電圧と溶接金属のＢ含有量との関係を示すグラフである。
【図２】溶接実験で使用した厚鋼板の開先形状を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  厚鋼板
【図１】
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【図２】
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