本发明涉及一种780mpa级高张力钢的埋弧焊用粘结焊剂，其可以获得稳定的焊接金属的低温韧性，而且焊接金属的扩散氢含量低，无焊接缺陷，焊接作业性良好。
背景技术：
埋弧焊因为可高效率地获得具有良好的焊接作业性和优异的机械性能的焊接金属，因此被应用于造船、钢架、造管、桥梁、车辆等众多领域中。
近年来，随着能源产业的发展，对钢材的高强度化和高韧性化、以及与结构物的大型化相伴的板厚的极厚化等进行了研究，从品质和生产率的方面考虑，埋弧焊的适用比例逐年增加。对于这样的高张力钢的埋弧焊而言，为了提高焊接施工中的生产率、确保安全性、耐久性，要求进一步提高品质。为满足此要求，需要与钢材特性相符的焊接金属的强度和低温韧性、为了防止低温裂纹而降低焊接金属的扩散氢含量、以及良好的焊接作业性。为了确保与钢材相符的焊接金属的强度和韧性，高张力钢的埋弧焊利用了能够自由调整焊接金属的化学成分的粘结焊剂，以往以来进行了各种技术开发。
例如，专利文献1中公开了一种埋弧焊用烧制型焊剂和焊丝，该埋弧焊用烧制型焊剂和焊丝通过优化烧制型焊剂的组成可以获得具有拉伸强度为780mpa以上、-80℃的吸收能量为3.5kgf·m以上的优异的低温韧性的焊接金属。但是，对于专利文献1所公开的烧制型焊剂而言，焊接金属的扩散氢较高，耐低温裂纹性不好。另外，因为不含有稳弧剂，所以电弧不稳定，焊接作业性也不好。
另外，专利文献2中公开了一种埋弧焊用烧制型焊剂和焊丝，该埋弧焊用烧制型焊剂和焊丝通过优化烧制型焊剂的组成与焊丝组成可以获得具有拉伸强度为780mpa以上、-60℃的吸收能量为69j以上的优异的低温韧性的焊接金属。但是，专利文献2所公开的烧制型焊剂因为添加了金属ca，所以电弧不稳定且焊道形状不好。
此外，专利文献3中，关于实心焊丝与焊剂的组合而得的埋弧焊，公开了一种通过优化焊接金属的成分而获得焊接金属的强度与稳定的韧性、也没有焊接缺陷、焊接作业性也良好的通过埋弧焊进行多层堆焊的焊接金属。但是，专利文献3公开的焊剂因为caf2较少，存在无法获得稳定的低温韧性的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平3-52796号公报
专利文献2：日本特开2013-39604号公报
专利文献3：日本特开2007-260696号公报
技术实现要素：
发明所要解决的问题
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种埋弧焊用粘结焊剂，该埋弧焊用粘结焊剂在进行780mpa级高张力钢的埋弧焊时，焊接作业性良好，焊接金属的扩散氢含量低，无焊接缺陷，且可以获得稳定的低温韧性的焊接金属。
用于解决问题的手段
本发明的要点为一种埋弧焊用粘结焊剂，其特征在于，以相对于焊剂总质量的质量％计，含有sio2：5％～20％、cao：5％～20％、mgo：25％～35％、al2o3：5％～20％、caf2：20％～30％、金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计：2.0％～8.0％、si：0.3％～1.0％、al：0.1％～0.8％、na2o和k2o的1种或2种的合计：1.0％～4.5％，其余部分由来自铁合金的fe成分和杂质构成。
另外，其特征在于，以相对于焊剂总质量的质量％计，上述杂质为2.0％以下。
此外，其特征在于，以相对于焊剂总质量的质量％计，该埋弧焊用粘结焊剂进一步含有mn：0.8％以下来代替成分的一部分。
发明的效果
根据应用了本发明的埋弧焊用粘结焊剂，可以提供在780mpa级高张力钢的埋弧焊中焊接作业性良好、焊接金属的扩散氢含量低、无焊接缺陷且能够获得稳定的低温韧性的焊接金属等的高效率且高品质的焊接金属。
具体实施方式
本发明人对于在进行780mpa级的高张力钢的埋弧焊时焊接作业性良好、焊接金属的扩散氢含量低、无焊接缺陷且可以获得稳定的低温韧性的焊接金属的埋弧焊用粘结焊剂的成分组成进行了各种研究。
其结果发现，通过使焊剂中适量含有cao、mgo、caf2，提高熔渣的碱度，且适量添加脱氧元素si、al，可以优化焊接金属的强度和氧量，获得稳定的低温韧性。另外发现，通过使金属碳酸盐和na2o与k2o适量化，可以降低扩散氢含量。
进一步发现，对于熔渣剥离性和焊道形状而言通过sio2、al2o3的适量化，对于电弧稳定性而言通过适量含有na2o与k2o和al2o3，使得这些焊接作业性变得良好。
另外还发现，通过适量添加mn，可以进一步提高焊接金属的拉伸强度。
以下对本发明的埋弧焊用粘结焊剂成分组成的限定理由进行说明。需要说明的是，关于成分，设定为表示相对于粘结焊剂总质量的质量％，在表示其质量％时简记表示为％。
[sio2：5～20％]
sio2作为熔渣形成剂发挥作用，是用于获得良好的熔渣剥离性和焊道形状的重要成分。sio2小于5％时，无法获得该效果而熔渣剥离性和焊道形状不好。另一方面，sio2大于20％时，焊接金属中的氧量增加而韧性降低。因此，sio2设为5～20％。需要说明的是，sio2可以使用例如硅砂、水玻璃等作为原料。
[cao：5～20％]
cao具有提高熔渣的碱度、降低焊接金属的氧量的效果。cao小于5％时，无法获得该效果而焊接金属的韧性降低。另一方面，cao大于20％时，熔渣的碱度变高，电弧变得不稳定，焊道形状和熔渣剥离性变差。因此，cao设为5～20％。另外，cao包括caco3的cao成分。需要说明的是，cao可以使用例如硅灰石等作为原料。
[mgo：25～35％]
以镁砂等作为原料的mgo具有提高熔渣的碱度、降低焊接金属的氧量的效果。mgo小于25％时，无法获得该效果而焊接金属的韧性降低。另一方面，mgo大于35％时，熔渣的熔点变高，熔渣剥离性变差。另外，容易发生夹渣等焊接缺陷。因此，mgo设为25～35％。另外，mgo包括mgco3的mgo成分。需要说明的是，mgo可以使用例如镁砂等作为原料。
[al2o3：5～20％]
al2o3作为熔渣形成剂而发挥作用，是用于获得良好的熔渣剥离性和焊道形状的重要成分。另外al2o3还具有提高电弧稳定性的效果。al2o3小于5％时，电弧变得不稳定，熔渣剥离性和焊道形状变差。从这样的焊接作业性的方面出发，al2o3需要添加5％以上，更优选添加8％以上。另一方面，al2o3大于20％时，熔渣的熔点变高而熔渣剥离性变差。另外al2o3大于20％时，容易发生夹渣等焊接缺陷。因此，al2o3需要为20％以下，更优选为18％以下。因此，al2o3设为5～20％。需要说明的是，al2o3可以使用例如氧化铝等作为原料。
[caf2：20～30％]
caf2具有提高熔渣的碱度、降低焊接金属的氧量的效果，但是因为熔点较低而量过多时，容易产生麻痕。caf2小于20％时，无法获得该效果而焊接金属的韧性降低。另一方面，caf2大于30％时，电弧变得不稳定，焊道形状和熔渣剥离性变差。另外caf2大于30％时，容易产生麻痕。因此，caf2设为20～30％。需要说明的是，caf2可以使用例如萤石等作为原料。
[金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计：2.0～8.0％]
金属碳酸盐具有在焊接中分解产生co或co2气体从而降低电弧气氛中的水蒸气分压、降低焊接金属的扩散氢含量的效果。金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计小于2.0％时，焊接金属的扩散氢含量变高且低温裂纹敏感性变高。另一方面，金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计大于8.0％时，焊接金属的氧量变高，韧性发生劣化。另外金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计大于8.0％时，焊道表面上容易产生麻痕。因此，金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算的合计设为2.0～8.0％。需要说明的是，金属碳酸盐可以使用例如caco3、mgco3和li2co3等，co2换算值为它们中所含有的co2量的合计。
[si：0.3～1.0％]
si为脱氧元素，降低焊接金属的氧量。si小于0.3％时，无法获得脱氧效果而焊接金属的强度和韧性降低。另一方面，si大于1.0％时，焊接金属中过剩而成品率韧性发生劣化。因此，si设为0.3～1.0％。需要说明的是，si可以使用例如金属si、fe-si和fe-si-mn等作为原料。
[al：0.1～0.8％]
al与si同样作为脱氧剂发挥作用而降低焊接金属的氧量。al小于0.1％时，无法获得脱氧效果而焊接金属的强度和韧性降低。另一方面，al大于0.8％时，焊接金属中过剩而成品率韧性发生劣化。因此，al设为0.1～0.8％。需要说明的是，al可以使用例如金属al、fe-al等作为原料。
[na2o和k2o的1种或2种的合计：1.0～4.5％]
na2o和k2o具有使电弧稳定的效果。na2o和k2o的1种或2种的合计小于1.0％时，电弧变得不稳定。另一方面，na2o和k2o的1种或2种的合计大于4.5％时，容易发生咬边，焊道形状变差。另外na2o和k2o的1种或2种的合计大于4.5％时，焊接金属的扩散氢含量也变高。因此，na2o和k2o的1种或2种的合计设为1.0～4.5％。需要说明的是，na2o和k2o可以使用例如水玻璃(硅酸钠、硅酸钾)作为主原料。
[mn：0.8％以下]
以金属mn、fe-mn和fe-si-mn等作为原料的mn也可以不添加。添加的情况下，因为具有提高焊接金属的强度的效果，根据所需求的强度而添加即可。为了表现出该效果，mn优选添加0.2％以上。另一方面，mn大于0.8％时，焊接金属的强度变得过高而韧性降低。因此，mn设为0.8％以下。需要说明的是，mn可以使用例如金属mn、fe-mn和fe-si-mn等作为原料。
粘结焊剂的上述成分以外的其余部分为来自fe-si、fe-al、fe-mn、fe-si-mn等铁合金的fe成分和杂质。其余部分优选强度越高总量越低的，在2.0％以下调整。
杂质为mno、feo、b2o3、c、p、s等。其中p和s都生成低熔点的化合物而降低焊接金属的韧性，因此优选尽可能低的含量。
实施例
以下，通过实施例而对本发明的效果进一步进行详细说明。
试制表1所示的各种成分的粘结焊剂，组合表2所示的3种实心焊丝，将由表3所示的化学成分构成的板厚25mm的780mpa级钢板加工成坡口角度为30°、根部间隙为13mm的坡口形状，使其与衬条接触并在表4所示的焊接条件下实施多层堆焊试验。另外，组合表1的粘结焊剂与表2所示的实心焊丝并对焊接金属的扩散氢含量也进行了测定。
需要说明的是，表1所示的粘结焊剂是将各种矿物原材料配合、混合后以水玻璃作为固定剂进行造粒后在450～500℃烧制2小时而制成0.15×1.4mm的颗粒。另外，表2所示的实心焊丝是对原线进行缩径、退火、镀覆而制成坯线(素線)并将这些坯线拉丝到4.0mm而使用。
[表1]
备注*1：co2原料li表示li2co3，ca表示caco3，mg表示为mgco3。
*2：其余部分为来自si、mn和al等的铁合金的fe成分和杂质。
[表2]
[表3]
[表4]
关于焊接金属的机械性能评价，裁取依据aws.5.23的拉伸试验片和冲击试验片和而实施机械试验。关于拉伸试验的评价，拉伸强度为760～860mpa时作为良好。关于冲击试验的评价，进行-40℃的却贝冲击试验，反复3根的吸收能量的平均为80j以上时作为良好。焊接金属的扩散氢含量的测定依据jisz3118而进行。焊接金属的扩散氢含量为5ml/100g以下时作为良好。关于焊接作业性，在调查初层之外的多层堆焊时的电弧的稳定性、熔渣剥离性和焊道外观·形状后，利用x射线透过试验调查有无焊接缺陷。将这些调查结果汇总示于表5中。
关于电弧稳定性，若焊接时的焊接电压变动在±5v以内，则作为良好。
关于熔渣剥离性，因为焊接后的熔渣会自然剥离，用刷毛去除熔渣，并推定通过目视能够确认的残存熔渣的面积，把熔渣剥离率98％以上作为良好。
关于焊道外观·形状的焊道形状，从全部焊接焊道选择10处测定焊道宽度，把最小值与最大值之差为8mm以内作为良好。关于焊道外观，把没有部分变色而均匀地对齐的作为良好。
x射线透过试验中，基于jisz3104：1995所示出的钢焊接接头的放射线透过试验法进行试验，把没产生任何一个瑕疵的情况作为无缺陷。
[表5]
表1和表5中焊剂标号f1～f12、f14～f15、f26～f35为本发明例，焊剂标号f16～f20、f36～f45为比较例。作为本发明例的焊剂标号f1～f12、f14～f15、f26～f35中，焊剂的sio2、cao、mgo、al2o3、caf2、金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计、si、al、na2o和k2o的1种或2种的合计为适量的值，因此可获得焊接金属的良好的拉伸强度和吸收能量，焊接金属的扩散氢含量也低，电弧稳定且熔渣剥离性和焊道外观·形状良好，为极其满意的结果。
需要说明的是，焊剂标号f26、f29、f35因为其余部分较多，示出了焊接金属的吸收能量稍低的倾向，但在目标范围内。另外，焊剂标号f3、f6、f10、f12、f26、f28、f30、f33和f35因为添加了适量的mn，获得了810mpa以上的拉伸强度。
比较例中焊剂标号f36因为al2o3较少，所以电弧不稳定，熔渣剥离性和焊道形状较差。另外，因为mn较多，所以焊接金属的拉伸强度较高，吸收能量为低值。
焊剂标号f37因为al2o3较多，所以熔渣剥离性较差，焊接金属中产生了夹渣。另外，因为si较少，所以焊接金属的拉伸强度较低，吸收能量为低值。
焊剂标号f38因为mgo较少，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计较少，所以焊接金属的扩散氢含量较高。
焊剂标号f39因为mgo较多，所以熔渣剥离性较差，焊接金属中产生夹渣。另外，因为si较多，所以焊接金属的吸收能量为低值。
焊剂标号f40因为caf2较少，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为na2o和k2o的1种或2种的合计较多，所以焊道形状较差，也产生了咬边，焊接金属的扩散氢含量也较高。
焊剂标号f41因为sio2较少，所以熔渣剥离性和焊道形状较差。另外，因为al较少，所以焊接金属的拉伸强度较低，吸收能量为低值。
焊剂标号f42因为sio2较多，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为caf2较多，所以电弧不稳定，熔渣剥离性和焊道形状较差，也产生了麻痕。
焊剂标号f43因为cao较多，所以电弧不稳定，熔渣剥离性和焊道形状较差。另外，因为al较多，所以焊接金属的吸收能量为低值。
焊剂标号f44因为cao较少，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为na2o和k2o的1种或2种的合计较少，所以电弧不稳定。
焊剂标号45因为金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计较多，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为焊道形状较差，所以也产生了麻痕。
比较例中焊剂标号f16因为al较多，所以焊接金属的吸收能量为低值。
焊剂标号f17因为sio2较多，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为cao较多，所以电弧不稳定，熔渣剥离性和焊道形状较差。
焊剂标号f18因为cao较少，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为caf2较多，所以电弧不稳定，熔渣剥离性和焊道形状较差，也产生了麻痕。
焊剂标号f19因为mgo较少，所以焊接金属的吸收能量为低值。另外，因为al2o3较多，熔渣剥离性较差，焊接金属中产生夹渣。
焊剂标号f20因为mgo较多，所以熔渣剥离性较差，焊接金属中产生夹渣。另外，因为金属碳酸盐的1种或2种以上的co2换算值的合计较多，所以焊接金属的吸收能量为低值，也产生了麻痕。