(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼心線の周囲に被覆剤を塗布した低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり炭酸塩（ＣＯ２換算）：１０乃至３０質量％、フッ化物（Ｆ換算）：３乃至１０質量％、ＴｉＯ２：３乃至２０質量％、ＳｉＯ２：３乃至３０質量％を含有すると共に、鉄粉及び鉄合金粉からなる群から選択された少なくとも１種をＦｅ換算で５質量％以上含有し、更に炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が２．６７乃至７である組成を有し、この被覆剤が被覆率：２０乃至４０質量％の範囲で塗布され、更に被覆剤及び鋼心線を含む低水素系被覆アーク溶接棒全体のＣ量が０．０２乃至０．１６質量％であり、鋼心線中のＣ量が０．０１４質量％以上であ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、全姿勢溶接用低水素系被覆アーク溶接棒に関し、特に、優れた溶接作業性を有し、立向上進溶接において高電流で溶接可能な低水素系被覆アーク溶接棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低水素系被覆アーク溶接棒はガス発生剤として炭酸塩を主原料としており、有機物をほとんど使用していないため、溶着金属中の水素含有量は非低水素系被覆アーク溶接棒と比較して極めて少なく、耐割れ性も良好である。また、延性又は靭性等の機械的性能も非低水素系被覆アーク溶接棒と比較して優れており、重要構造物、良好な耐割れ性を要求される高強度鋼又は厚板の溶接に広く使用されている。その反面、溶接作業性に関して、低水素系被覆アーク溶接棒は、非低水素系被覆アーク溶接棒と比較して、「ビードの外観が凸になる」、「スラグの剥離性が劣る」、「ビードの伸びが良くない」等の欠点を有している。
【０００３】
従来よりこのような欠点を解決するために種々の検討がなされてきた。例えば、特公昭４９−２０４６７号公報では、被覆剤成分を限定することにより溶接作業性を改善しようとしている。また、特開平１１−２１６５９３号公報でも、合金粉の比率を特定の範囲に限定することにより、特に立向上進溶接の作業性を改善しようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術においては、低電流側ではある程度ビード形状を改善することはできたが、高電流側では依然としてアンダーカット及び凸ビードになり易く、溶融金属が垂れ落ち易くなるため、高能率の溶接は困難であった。従って、ますます高能率化が求められていく背景のもとで、高電流で良好な作業性を有する低水素系被覆アーク溶接棒の開発が要望されている。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低水素系被覆アーク溶接棒に要求される特性及び機械的性能を十分に保持すると共に、溶接作業性が良好であり、特に立向上進溶接が高電流で可能であり全姿勢で溶接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。
【０００６】
【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、鋼心線の周囲に被覆剤を塗布した低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり炭酸塩（ＣＯ２換算）：１０乃至３０質量％、フッ化物（Ｆ換算）：３乃至１０質量％、ＴｉＯ２：３乃至２０質量％、ＳｉＯ２：３乃至３０質量％を含有すると共に、鉄粉及び鉄合金粉からなる群から選択された少なくとも１種をＦｅ換算で５質量％以上含有し、更に炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が２．６７乃至７である組成を有し、この被覆剤が被覆率：２０乃至４０質量％の範囲で塗布され、更に被覆剤及び鋼心線を含む低水素系被覆アーク溶接棒全体のＣ量が０．０２乃至０．１６質量％であり、鋼心線中のＣ量が０．０１４質量％以上であることを特徴とする。
【０００７】
なお、低水素系被覆アーク溶接棒中のＣ量は、（被覆剤中のＣ量（質量％）×被覆率）＋（鋼心線中のＣ量（質量％）×心線率）として表される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。立向上進溶接において溶融金属が垂れ落ち易く、凸ビードとなるのは、アーク熱による溶融金属温度の上昇により溶融金属の流動性が増すことによるものである。その対策として、従来、スラグの粘性を調整して垂れを抑制していた。しかし、スラグの粘性調整だけでは限界があり、特に立向上進溶接における高電流・高能率溶接は困難であった。
【０００９】
そこで、本発明者等が前記課題を解決すべく鋭意実験研究を重ねた結果、低水素系被覆アーク溶接棒に要求される特性及び機械的性能を十分に有すると共に、溶接作業性が良好であり、特に高電流・高能率の立向上進溶接が可能な手段として、以下に説明する構成を見出した。
【００１０】
立向上進溶接における高電流・高能率溶接を可能にするためには、溶融金属の垂れ落ちを防止することが不可欠である。本発明者等は、溶融金属の垂れ落ち防止に関し、スラグの粘性調整に加え、クレータの広がりと溶融金属の温度に着目した。
【００１１】
従来の技術では、単純に、高電流溶接を行うとクレータは広がらず、垂れ落ち易くなることに注目して、その対策として、クレータを適度に広がらせることで垂れ落ちを防止せんとした。その結果、溶接棒中のＣ量を規定することにより、クレータは適度に広がり、溶融金属の垂れ落ち防止に対して有効であることが判明した。また、溶融金属の温度に関しても、従来の技術では、単純に高電流溶接を行うと溶融金属の温度は上昇し、溶融金属の流動性が増すため垂れ落ち易くなると考えた。
【００１２】
しかし、溶融金属の温度を低くするため本発明者等が鋭意検討を重ねた結果、鉄粉又はＦｅ−Ｍｎ若しくはＦｅ−Ｓｉ等の鉄合金粉の少なくとも１種類を規定量以上添加することが有効であることを見出した。被覆剤中のＦｅにより溶融金属の温度は低下し、垂れ落ち難くなる。
【００１３】
以下、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒の数値限定理由について説明する。
【００１４】
被覆剤中の炭酸塩（ＣＯ２換算）：１０乃至３０質量％
炭酸塩はアーク熱により分解してＣＯ２ガスを発生する。そのＣＯ２ガスによりアーク雰囲気中のＨ２ガス及びＮ２ガスの分圧を下げて、溶着金属を保護し、拡散性水素量を減少させる効果がある。またスラグの粘性を高める作用も有する。被覆剤中の炭酸塩（ＣＯ２換算）が１０質量％未満の場合は、ＣＯ２ガスシールド不足によりピット及びブローホールが発生する。一方、被覆剤中の炭酸塩（ＣＯ２換算）が３０質量％を超えると、アークが弱くなりクレータの広がりが減少するため、作業性が劣化する。更には、スラグの粘性が高くなり過ぎ、溶融金属が垂れ落ち易く凸ビードとなる上、アンダーカットが発生する。なお、炭酸塩として添加する原料は、石灰石、炭酸マンガン、ドロマイト、マグネサイト、炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、炭酸リチウム及びソーダ灰等を使用する。
【００１５】
被覆剤中のフッ化物（Ｆ換算）：３乃至１０質量％
フッ化物は水分又はシールド不足により発生するピット及びブローホールを抑制する効果が大きい。また、スラグの粘性を低下させる作用も有する。被覆剤中のフッ化物（Ｆ換算）が３質量％未満の場合は、ピット及びブローホールが発生する。一方、被覆剤中のフッ化物（Ｆ換算）が１０質量％を超えると、アークが不安定になり作業性が劣化する。更には、スラグの粘性が低くなり過ぎ、下向き水平すみ肉溶接において、スラグの被りが不安定となり、安定したビードが得られなくなる。なお、フッ化物として添加する原料は、蛍石、氷晶石、フッ化バリウム、フッ化ソーダ及びフッ化アルミニウム等を使用する。
【００１６】
被覆剤中のＴｉＯ２：３乃至２０質量％
ＴｉＯ２は、スラグの粘性を調整するのに有効な成分であり、アークの安定性を良くする。ＴｉＯ２の含有量が３質量％未満であると、アークは不安定となり、溶融時のスラグの粘性は高くなり、溶融金属が垂れ落ち易く凸ビードとなる上、アンダーカットが発生する。一方、ＴｉＯ２の含有量が２０質量％を超えるとスラグ剥離性は劣化し、スラグの粘性は低くなり、下向き水平すみ肉溶接においてスラグの被りが不安定となり、安定したビードが得られなくなる。なお、ＴｉＯ２として添加する原料は、ルチール、ルコキシン及びチタン酸カリガラス等を使用する。
【００１７】
被覆剤中のＳｉＯ２：３乃至３０質量％
ＳｉＯ２は、アークの安定性を良くし、クレータの広がりも向上する効果がある。ＳｉＯ２の含有量が３質量％未満であるとアークは不安定となり、クレータは広がらず作業性は劣化する。一方、ＳｉＯ２の含有量が３０質量％を超えるとスラグの粘性が高くなり過ぎ、溶融金属が垂れ落ち易く凸ビードとなる上、アンダーカットが発生する。なお、ＳｉＯ２として添加する原料は、珪砂、タルク、長石、マイカ、カオリン、オリビンサンド、ベントナイト、珪灰石及びカリガラス等を使用する。
【００１８】
鉄粉及び鉄合金粉を１種以上：Ｆｅ換算で５質量％以上
鉄粉は主に能率向上のために使用される。また、Ｆｅ−Ｍｎ若しくはＦｅ−Ｓｉ等の鉄合金粉は溶接金属性能の向上のために使用される。本発明では前述の理由に加え、鉄粉又はＦｅ−Ｍｎ若しくはＦｅ−Ｓｉ等の鉄合金粉を１種以上、Ｆｅ換算で５質量％以上含有することにより、被覆剤中のＦｅが溶融金属の温度を下げ垂れ落ちを抑制する効果があることを見出した。即ち、平滑なビード形状が得られる。鉄粉又はＦｅ−Ｍｎ若しくはＦｅ−Ｓｉ等の鉄合金粉を１種以上、Ｆｅ換算で５質量％未満であると、その効果は期待できず、溶融金属が垂れ落ち易く凸ビードとなる上、アンダーカットが発生する。また、被覆剤原料の調整及び絶縁性を考慮すると、鉄粉又はＦｅ−Ｍｎ若しくはＦｅ−Ｓｉ等の鉄合金粉を１種以上の含有量はＦｅ換算で６０質量％以下が好ましい。なお、鉄合金粉として添加する原料は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｆｅ−Ｍｏ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ａｌ及びＦｅ−Ｔｉ等がある。
【００１９】
炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率：２．６７乃至７
上述の理由により、炭酸塩（ＣＯ２換算）及びフッ化物（Ｆ換算）の量を限定した。この場合、炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率を限定したのは、本発明者等が種々検討した結果、炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が溶接時の作業性及びビード形状の安定化に最も重要な関係にあることを見出したためである。炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が２．６７未満であると、アークは不安定となり、スラグの粘性も低下する。従って、下向き水平すみ肉溶接においてスラグの被りが不安定となり、安定したビードが得られなくなる。一方、炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が７を超えると、クレータは広がらず、スラグの粘性は高くなり、溶融金属が垂れ落ち易く凸ビードとなる上、アンダーカットが発生する。
【００２０】
溶接棒中のＣ量：下記数式１を満足
【００２１】
【数１】
（被覆剤中のＣ量（質量％）×被覆率）＋（鋼心線中のＣ量（質量％）×心線率）＝０．０２〜０．１６（質量％）
【００２２】
Ｃは、クレータを適度に広がらせるのに有効で、更には溶接時のアークの安定性及びアーク強さを高めるのにも有効である。立向上進溶接において溶融金属の垂れ落ち防止として有効なのは、スラグの粘性を調整する他にクレータを適度に広がらせ、アークを安定かつ強くすることである。溶接棒中のＣ量を調整することで、溶接中クレータが適度に広がり、アークが安定かつ強くなり、溶融金属は垂れ落ち難くなる。数式１の値が０．０２質量％未満であるとクレータは広がらず、アークは不安定かつ弱くなり、作業性は劣化する。更には、溶融金属は垂れ落ち易く凸ビードとなる上、アンダーカットが発生する。一方、数式１の値が０．１６質量％を超えると、強度が高くなり耐割れ性が劣化する上、靭性も劣化する。なお、被覆率とは、低水素系被覆アーク溶接棒全質量に対する被覆剤の質量比率のことであり、心線率とは、低水素系被覆アーク溶接棒全質量に対する鋼心線の質量比率のことをいう。また、Ｃとして添加する原料は、鉄粉及び合金粉に含まれるＣ又は黒鉛等を使用する。
【００２３】
被覆剤の被覆率：２０乃至４０質量％
被覆剤の被覆率が２０質量％未満では、被覆剤が少なすぎ所定の作業性が得られない。一方、被覆剤の被覆率が４０質量％を超えると、被覆剤の量が過剰で乾燥割れ等の発生で生産性も劣る。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特性を本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００２５】
先ず、実施例及び比較例に使用した低水素系被覆アーク溶接棒は、直径が４．０ｍｍの鋼心線の外周に被覆原料を固着剤と混ぜ、被覆率が２０乃至４０％となるように塗装し、４００乃至５００℃の温度で乾燥を行い製造後、各種溶接試験を行った。溶接作業性の評価は、立向上進溶接及び下向水平すみ肉溶接とも１９０Ａという高電流で実施した。下記表１及び表２に実施例及び比較例を示す。なお、表１及び表２に示す「被覆剤中の組成」は、被覆原料と固着剤とを混ぜ合わせた値である。また、表１及び表２に示す「被覆剤中の組成」の欄に示さないその他の組成としては、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ及びＡｌ２Ｏ３等である。下記表３及び表４に溶接作業性の評価結果を示す。
【００２６】
表３及び表４に示す「アークの強さ」の欄においては、アークの強さが強いものを○とし、アークの強さが弱いものを×とした。「アークの安定性」の欄においては、アークが安定しているものを○とし、アークが不安定なものを×とした。「クレータの広がり」の欄においては、クレータが広がるものを○とし、クレータが広がらないものを×とした。「ピット及びブローホール」の欄においては、ピット及びブローホールが発生しなかったものを○とし、ピット及びブローホールが発生したものを×とした。「スラグの剥離性」の欄においては、スラグ剥離性が良好なもの、即ち、ハンマーでスラグを叩くと簡単に取れるものを○とし、スラグ剥離性が劣化したもの、即ち、ハンマーでスラグを叩いてもスラグが残るものを×とした。「溶融金属の垂れ落ち」の欄においては、溶融金属が垂れ落ちなかったものを○とし、溶融金属が垂れ落ちたものを×とした。「ビードの凹凸」の欄においては、ビードの凹凸がないものを○とし、凸ビードになったものを×とした。「アンダーカット」の欄においては、アンダーカットが発生しなかったものを○とし、アンダーカットが発生したものを×とした。「スラグの被り」の欄において、溶接速度が２０ｃｍ／分で水平すみ肉溶接したときに、スラグの被りが安定してついてくるものを○とし、スラグの被りが不安定なものを×とした。また、機械的性能を調べるために、−２０℃の温度で各低水素系被覆アーク溶接棒について衝撃試験を行った。
【００２７】
【表１】
0004311888.tif 000002
【００２８】
【表２】
0004311888.tif 000003
【００２９】
【表３】
0004311888.tif 000004
【００３０】
【表４】
0004311888.tif 000005
【００３１】
上記表３に示すように、実施例No.２乃至１３（Ｎｏ．１，４，６，８，１０は欠番）はいずれも本発明の要件を満たしており、良好な溶接作業性を有する。
【００３２】
一方、表４に示すように、比較例No.１４は被覆剤中の炭酸塩（ＣＯ２換算）が１０質量％未満であるため、ピット及びブローホールが発生した。比較例No.１５は被覆剤中の炭酸塩（ＣＯ２換算）が３０質量％を超えており、アークが弱くなりクレータの広がりが減少するため、作業性が劣化した。また、比較例No.１５は、スラグの粘性が高く、溶融金属が垂れ落ちて凸ビードとなる上、アンダーカットが発生した。比較例No.１６は被覆剤中のフッ化物（Ｆ換算）が３質量％未満であるため、ピット及びブローホールが発生した。比較例No.１７は被覆剤中のフッ化物（Ｆ換算）が１０質量％を超えており、アークが不安定になり作業性は劣化した。更に、比較例No.１７はスラグの粘性が低くなり、下向き水平すみ肉溶接においてスラグの被りが不安定となり、安定したビードが得られなくなった。比較例No.１８はＴｉＯ２の含有量が３質量％未満であるため、アークが不安定となり、作業性が劣化した。更に、比較例No.１８は溶融時のスラグの粘性が高く、溶融金属が垂れ落ちて凸ビードとなる上、アンダーカットが発生した。比較例No.１９はＴｉＯ２の含有量が２０質量％を超えており、スラグ剥離性が劣化した。更に、比較例No.１９はスラグの粘性は低く、下向き水平すみ肉溶接において、スラグの被りが不安定となり、安定したビードが得られなくなった。比較例No.２０はＳｉＯ２の含有量が３質量％未満であるため、アークは不安定となり、クレータは広がらず、作業性が劣化した。比較例No.２１はＳｉＯ２の含有量が３０質量％を超えており、スラグの粘性が高くなり、溶融金属が垂れ落ちて凸ビードとなる上、アンダーカットが発生した。比較例No.２２は被覆剤中のＦｅの含有量が５質量％未満であるため、溶融金属が垂れ落ちて凸ビードとなる上、アンダーカットが発生した。比較例No.２３は炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が７を超えており、クレータが広がらず、作業性が劣化した。更に、比較例No.２３はスラグの粘性は高くなり、溶融金属が垂れ落ちて凸ビードとなる上、アンダーカットが発生した。比較例No.２４は炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率が１．５未満であるため、アークは不安定となり、作業性が劣化した。更に、比較例No.２４はスラグの粘性が低下し、下向き水平すみ肉溶接においてスラグの被りが不安定となり、安定したビードが得られなくなった。比較例No.２５は溶接棒中のＣ量が０．０２質量％未満であるため、アークは不安定かつ弱くなり作業性は劣化した。更に、比較例No.２５はクレータも広がらず、溶融金属は垂れ落ち凸ビードとなる上、アンダーカットが発生した。比較例No.２６は溶接棒中のＣ量が０．１６質量％を超えており、強度が高くなり耐割れ性が劣化する上、靭性も劣化した。
【００３３】
【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において、被覆剤中の炭酸塩（ＣＯ２換算）、フッ化物（Ｆ換算）、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、鉄粉、Ｆｅ−Ｍｎ又はＦｅ−Ｓｉの量を規定すると共に、炭酸塩（ＣＯ２換算）／フッ化物（Ｆ換算）の比率を特定の範囲に規制し、更に、溶接棒中のＣ量も特定範囲に規定したので、低水素系被覆アーク溶接棒に要求される特性及び機械的性能を十分に有すると共に、溶接作業性が良好であり、特に立向上進溶接が高電流で可能な全姿勢溶接棒を得ることができる。