(57)【要約】  【課題】被覆アーク溶接棒の生産性を満足しつつ良好な溶接作業性および溶接金属の優れた低温靭性が得られる被覆アーク溶接棒用希土類金属合金粉および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希土類金属合金粉であって、希土類金属の１種または２種以上を１０〜４５質量％、Ｓｉを２５〜６５質量％含有し、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする。また低水素系被覆アーク溶接棒において、上記合金粉を被覆剤全質量に対して１．５〜９．０質量％含有することを特徴とする。  【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希土類金属合金粉であって、希土類金属の１種または２種以上を１０〜４５質量％、Ｓｉを２５〜６５質量％含有し、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする被覆アーク溶接棒用希土類金属合金粉。
【請求項２】
軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は希土類金属の１種または２種以上を１０〜４５質量％、Ｓｉを２５〜６５質量％含有し、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍである希土類金属合金粉を、被覆剤全質量に対して１．５〜９．０質量％含有す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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、５９０Ｎ／ｍｍ２級以上の低水素系被覆アーク溶接棒において、製造のさいの生産性および溶接作業性が良好で、高靭性の溶接金属を確保できる被覆アーク溶接棒用希土類合金粉および低水素系被覆アーク溶接棒（以下、低水素系棒という）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低水素系棒は、溶接部の耐割れ性や靱性が良好であるため、大型構造物用鋼材へ適用され、低温用鋼用あるいは耐熱鋼用などの中板、厚板の溶接に使用されている。近年、石油探索の海洋構造物（ジャッキアップリグ）などの溶接では、低水素系棒に対して良好な溶接作業性を確保しつつ溶接金属に厳しい低温靱性が要求されるようになっている。
【０００３】
従来から低水素系棒の溶接金属靭性改善としては、種々な提案がなされているが、例えば、特許第３０２６８９９号公報（特許文献１）では、鋼心線の成分と被覆剤の主成分の規定および添加剤である金属Ｍｇの粒度規定などにより高強度鋼材での低温靱性を優れたものにしている。しかし、金属Ｍｇの適用は溶接スラグ中にＭｇＯが増加するためスラグの粘性が高まり、スラグ流動性の劣化を招き、溶接作業性が悪くなるという問題があった。さらに、この技術では低水素系棒の製造時に金属Ｍｇが水ガラスと反応し、水素ガスを発生し被覆内部に空洞を生じるため被覆の固着性低下が生じ易いという問題がある。
【０００４】
一方、特開昭６１−２７３２９７号公報（特許文献２）においては、Ｎｉを含有する厚さ５〜１５ｍｍの多層盛した溶接金属を７００〜９５０℃に加熱し、３０秒以内保持した後、一定の冷却速度で冷却処理し、先行ビードの上に溶接ビードを累層して、前記処理を繰り返す施工法により優れた低温靭性を得ることを提案している。しかし、この手法は施工管理が困難であり、作業能率が悪く実用性に欠けるという課題があった。
【０００５】
このように、従来の被覆剤原料や施工技術の改善策では現状の低水素系棒においては生産性、溶接作業性、作業能率などで問題を抱えているのが実情であり、諸性能を満足しつつ優れた溶接金属の靭性を確保することは困難であった。
【特許文献１】特許第３０２６８９９号公報
【特許文献２】特開昭６１−２７３２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、被覆アーク溶接棒の生産性を満足しつつ良好な溶接作業性および低温靭性の優れた溶接金属を確保できる被覆アーク溶接棒用希土類金属合金粉、およびそれを使用した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】
【０００７】
本発明の要旨は、
（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希土類金属合金粉であって、希土類金属の１種または２種以上を１０〜４５質量％、Ｓｉを２５〜６５質量％含有し、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍであることを特徴とする被覆アーク溶接棒用希土類金属合金粉にある。
（２）軟鋼または低合金鋼からなる心線に被覆剤が塗装されている低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は希土類金属の１種または２種以上を１０〜４５質量％、Ｓｉを２５〜６５質量％含有し、その他Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ平均粒径が５０〜２００μｍである希土類金属合金粉を、被覆剤全質量に対して１．５〜９．０質量％含有することを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の被覆アーク溶接棒用希土類金属合金粉および低水素系被覆アーク溶接棒によれば、被覆アーク溶接棒の生産性が良好で大型構造物などの溶接施工において優れた低温靭性が得られるため、寒冷地においても安全な構造物を建造でき、さらに良好な溶接作業性も得られるため溶接作業能率向上にも貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らは、低水素系棒の生産性および溶接作業性を満足しつつ溶接金属の低温靭性を改善する手段を鋭意研究した。その手段として被覆剤原料のうち強脱酸原料を検討して溶接金属中の酸素量を低減し、非金属介在物を少なくすることで靭性改善を試み、溶接作業性や生産性などの諸性能も調査した。
【００１０】
まず、強脱酸成分であり、溶接金属組織の微細化効果が期待できるＴｉ源に着眼し、脱酸効果を活発化するためにはＴｉ原料の粒度を細粒化すれば大きな効果を発揮できると考え、Ｆｅ−Ｔｉと金属Ｔｉを粉砕し、平均粒径で１０μｍ程度のものを使用して７８０Ｎ／ｍｍ２級高張力鋼用の低水素系棒に適用した。その結果、溶接金属の酸素量は低減でき靭性改善に効果はあったが、この手段では低水素系棒生産時の乾燥工程で被覆割れが生じ、さらに溶接においてはスラグの粘性が過剰に低下してビードが凸形状を呈するようになるなど溶接作業性の劣化も招いた。
【００１１】
次に、金属Ｍｇは前述の通り、低水素系棒生産時に水ガラスと反応し被覆にガス膨れが生じて被覆の固着度が低下することから、Ｍｇの品位を変えたＮｉ−Ｍｇ合金の検討を行った。その結果、溶接金属の酸素量は低減でき優れた靭性を確保でき生産性も良好であったが、アーク状態が悪くスパッタ飛散が多くなるなど溶接作業性が悪くなった。
【００１２】
そこで、他成分の検討を行うことにし、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇなどに比べて極めて脱酸効果の高い希土類金属に着眼し検討した。希土類金属は粉末状態では低温で発火するため被覆剤としてそのまま適用できず、さらに生産時に水ガラスとの反応が激しく被覆剤に水素によるガス膨れを生じ、被覆の固着性が劣化するため合金化する必要があると考えた。希土類金属のこれら課題と諸性能を満足するために本発明者らは希土類金属合金中の成分選定とその含有量を決定するために鋭意研究を積み重ねた。
【００１３】
希土類金属の合金化は被覆剤原料として使用するため粉砕性も重要となるが、希土類金属単体では粘りが大きく粉砕が困難である。この対策としてＳｉの添加が有効であることが判った。しかしながらこの合金はＳｉも含まれることも相まって、水ガラスとの反応性は金属Ｍｇに比べ極めて強くなり、被覆の固着性が悪くなった。
【００１４】
そこで、この改善策を種々検討した結果、希土類金属およびＳｉの含有量が適量であれば、粉砕後、酸化性雰囲気中で７００〜９００℃で焼成し、粉体表面に酸化皮膜を生成させることにより水ガラスとの反応がなくなることが判明した。酸化性雰囲気としてはたとえば大気中で良く、温度は７００℃未満では酸化皮膜の生成が不十分であり、９００℃を超えると焼結により固まって粉末状態を維持できなくなる。なお上記温度に保持する時間は特に限定しないが１分以上あれば良い。
【００１５】
希土類金属合金粉中の希土類金属の１種または２種以上の合計が１０質量％（以下、％という）未満では溶接金属の酸素量が低くならず衝撃靭性が悪い。一方、４５％を超えると低水素系棒生産時に水ガラスと反応し、被覆にガス膨れが生じ固着性も悪くなり生産性が悪くなる。また、溶接時にアーク電圧が過剰に低下してアークに広がりが無くなりビード形状が悪くなるなど溶接作業性が劣化する。
【００１６】
希土類金属合金粉中のＳｉ含有量は、２５％未満では合金粉製造時の粉砕性が悪くなる。一方、６５％を超えると焼成によって酸化皮膜を生成させてもなお、低水素系棒生産時に水ガラスと反応して被覆にガス膨れが生じ生産性が悪くなる。
【００１７】
また、希土類金属合金粉の平均粒径が５０μｍ未満では低水素系棒生産時に水ガラスと反応し易くなり、被覆にガス膨れが生じ固着性も悪くなり生産性が悪くなる。一方、平均粒径が２００μｍを超えると、低水素系棒生産時の被覆塗装においてフラックスの滑りが悪くなり生産性が劣化し、溶接時にはスパッタの飛散が多く溶接作業性が劣化する。
【００１８】
このようにして得られた希土類金属合金粉を低水素系棒に適用した結果、低温靭性が極めて良好であり、かつ溶接作業性が満足でき、生産性も良好となることが判った。前記希土類金属合金粉の被覆剤中の含有量は被覆剤全質量に対して１．５〜９．０％とする。被覆剤中の含有量が１．５％未満では脱酸剤として機能せず溶接金属の高靭性確保が困難となる。一方、９．０％を超えるとアーク状態が乱れ溶接作業性が悪くなる。
【００１９】
なお、本発明にいう希土類金属とは、Ｓｃ、Ｙおよび原子番号が５７（Ｌａ）乃至７１（Ｌｕ）の金属をいう。また希土類金属合金粉の成分としては、前記希土類金属の１種または２種以上とＳｉ以外はＦｅと不可避不純物である。
【００２０】
本発明の低水素系棒の被覆剤として主要な原料は、炭酸カルシウムなどの金属炭酸塩、弗化カルシウムなどの金属弗化物等である。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、過剰に多く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２０〜６０％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あり、その含有量が少ないと効果が無く、過剰に多い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１３〜３０％が望ましい。その他低水素系棒の被覆剤原料としてのアーク安定剤、スラグ生成剤、脱酸剤、合金剤は通常用いられるものである。
【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に示す成分の各種希土類金属合金についてボールミルによる粉砕性を調査した後、大気中で８００℃で焼成し表面に酸化皮膜を形成する処理をして表２に示す各種平均粒径の希土類金属合金粉とした。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
表３に示す７８０Ｎ／ｍｍ２級低温用鋼用低水素系棒の被覆剤中に表１および表２に示す希土類金属合金粉を添加して直径４．０ｍｍ、長さ４００ｍｍのＪＩＳ  Ｇ３５２３  ＳＷＹ１１の鋼心線に被覆塗装し、乾燥して各種低水素系棒を試作することにより低水素系棒の生産性を確認した。さらにこの溶接棒を使用して溶接を行ない溶着金属の衝撃靭性および溶接作業性を調査した。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
希土類金属合金の粉砕性の判定は容易に粉砕できたものを良好とし○印、粉砕に時間を要したものは×印とした。低水素系棒の生産性の評価は、被覆外観を観察し、水ガラスとの反応ガスによるガス膨れが発生していないものを良好として○印、発生しているものを×印とした。
【００２７】
また、溶接金属の衝撃靭性調査は、電流１７０Ａ（ＡＣ）、予熱・パス間温度１００±１０℃、平均入熱１７ｋＪ／ｃｍとし、ＪＩＳ  Ｚ  ３２１２の溶着金属試験に準じて溶接を行い、溶着金属中央部よりＪＩＳ  Ｚ  ２２０２の４号衝撃試験片を採取した。試験は−４０℃で各５本試験を行い、その吸収エネルギーの平均値で９０Ｊ以上を良好とした。
【００２８】
さらに、溶接作業性調査は、板厚１６ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４５０ｍｍの７８０Ｎ／ｍｍ２級鋼板をＴ型に組み、交流溶接機を用い、水平すみ肉溶接では電流１７０Ａ、立向姿勢溶接では１５０Ａの溶接条件で溶接し、アーク状態、スラグ状態、スパッタの多少などを調査した。その判定は各姿勢溶接の評価を総合判定し、良好を○印、劣るを×印とした。それらの結果も表２にまとめて示す。
【００２９】
表１および表２中溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は本発明例、溶接棒Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１８は比較例である。
本発明例である溶接棒Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は、希土類金属合金粉中の希土類金属の１種または２種以上の合計量とＳｉの含有量および平均粒径が適正であるため原料としての粉砕性が良好で、低水素系棒の生産性も良く、被覆剤に添加する希土類金属合金粉の含有量も適量であるため、溶接金属の低温靭性が極めて優れ、溶接作業性も良好な結果であった。
【００３０】
比較例中溶接棒Ｎｏ．１１は、希土類金属合金粉中の希土類金属の合計が多いので、低水素系棒生産時に水ガラスと反応して被覆にガス膨れが生じ固着性も悪くなり生産性が悪くなった。また、溶接時にアーク電圧が過剰に低下してアークに広がりが無くなりビード形状が悪くなり溶接作業性が不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１２は、希土類金属合金粉中の希土類金属の合計が少ないので、吸収エネルギーが低値であった。
【００３１】
溶接棒Ｎｏ．１３は、希土類金属合金粉中のＳｉが多いので、低水素系棒生産時に水ガラスと反応し被覆にガス膨れが生じ生産性が悪くなった。
溶接棒Ｎｏ．１４は、希土類金属合金粉中のＳｉが少ないので、合金粉製造時の粉砕性が不良であった。
【００３２】
溶接棒Ｎｏ．１５は、希土類金属合金粉の平均粒径が大きいので、低水素系棒生産時の被覆塗装においてフラックスの滑りが悪くなり生産性不良であった。また、溶接時にスパッタの飛散が多く溶接作業性も不良であった。
溶接棒Ｎｏ．１６は、希土類金属合金粉の平均粒径が小さいので、低水素系棒生産時に水ガラスと反応し被覆にガス膨れが生じ生産性が悪くなった。
【００３３】
溶接棒Ｎｏ．１７は、希土類金属合金粉の被覆剤への含有量が多いので、アーク状態が乱れ溶接作業性が悪くなった。
溶接棒Ｎｏ．１８は、希土類金属合金粉の被覆剤への含有量が少ないので、吸収エネルギーが低値であった。