JP6951313B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、軟鋼から４９０ＭＰａ級高張力鋼及び低温鋼等の鋼構造物を溶接する際に用いられるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に全姿勢溶接での溶接作業性が良好で、スパッタ発生量が少なく、かつ、低温靭性に優れた溶接金属を得る上で好適なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、高能率で溶接作業性に優れることから、造船、橋梁、海洋構造物、鉄骨等の各種溶接構造物の建造に広く用いられている。特にルチール系フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接での溶接作業性が非常に優れており、造船、鉄骨及び海洋構造物等の分野を中心に広く使用されている。
しかし、ルチール系フラックス入りワイヤは、ＴｉＯ2を主体とした金属酸化物を多く含有するため、低温環境で行った場合、溶接金属の低温靭性が劣るという問題があった。
溶接金属の低温靭性に優れるルチール系フラックス入りワイヤについては、これまで様々な開発が行われている。例えば、特許文献１には、フラックス入りワイヤ中のＴｉＯ2、Ｍｇ、Ｂ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｋ、Ｎａ及びＳｉの含有量を規定することで、良好な溶接作業性と優れた溶接金属の低温靭性が得られるフラックス入りワイヤが開示されている。しかし、特許文献１の開示技術では、ＴｉＯ2以外の金属酸化物が規定されておらず、アークの安定性、スラグ被包性及び耐メタル垂れ性が悪く、十分な溶接作業性が得られない。
また、特許文献２には、フラックス入りワイヤ中のＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｃａ及びＮｉ、Ｔｉ、Ｚｒの１種または２種以上の含有量を規定することで、良好な溶接作業性と優れた溶接金属の低温靭性が得られるフラックス入りワイヤが開示されている。この特許文献２の開示技術によれば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2の適量添加でビード形状やスラグ被包性等の溶接作業性を改善し、Ｃａ、Ａｌ、Ｔｉ及びＢとの相乗効果で溶接金属の低温靭性を向上できる。しかし、特許文献２の開示技術は、アークの安定性やスラグ剥離性が劣っており、十分な溶接作業性は得られない。
特許文献３には、フラックス入りワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｂ、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｍｇ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等の含有量を規定することで、良好な溶接作業性と優れた溶接金属の低温靭性が得られるフラックス入りワイヤが開示されている。この特許文献３の開示技術によれば、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｍｇ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等の金属酸化物の適量添加で、ビード形状、スラグ剥離性及びアークの安定性に優れるなど良好な溶接作業性を有し、かつ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｂの適量添加で溶接金属の低温靭性を向上させることが可能となる。しかし、特許文献３の開示技術は、鋼製外皮中のＣの含有量に関する規定がないため、鋼製外皮からＣを多く添加した場合、アークが過剰にシャープになり、スパッタ発生量が多くなる。また特許文献３の開示技術は、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になり、十分な溶接作業性が得られない。また特許文献３の開示技術は、弗素化合物の規定も無いためアークが弱くなり、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になりやすいという問題があった。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、軟鋼から４９０ＭＰａ級高張力鋼及び低温鋼等の鋼構造物を溶接するにあたり、全姿勢溶接での溶接作業性が良好で、スパッタ発生量が少なく、かつ、低温靭性に優れた溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明者らは、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、全姿勢溶接でアークの安定性が良好でスパッタ発生量が少ないなど溶接作業性が良好で、かつ、低温靭性が良好な溶接金属を得るべく種々検討を行った。
その結果、フラックス入りワイヤ中にＣ、Ｍｎを適量添加することで十分な溶接金属の強度を確保しつつ、Ｓｉ、Ｂを適量添加することで溶接金属の低温靭性が向上できることを見出した。また、ＮｉまたはＴｉを適量添加することで溶接金属の低温靭性をさらに向上できることも見出した。
また、溶接作業性に関し、アークの安定性が良好でスパッタ発生量が少ないフラックス入りワイヤ成分を調整した結果、フラックス入りワイヤの鋼製外皮中のＣの含有量を最適な範囲に限定することで、アークの安定性を改善するとともに、溶滴サイズを細かくしてスパッタ発生量を少なくできることを見出した。さらに、Ｎａ化合物及びＫ化合物を適量添加することで、アークの安定性が向上することを見出した。
また、フラックス入りワイヤ中にＴｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ及びＡｌ酸化物、Ｍｇ、弗素化合物を適量添加することで、ビード形状、スラグ被包性、スラグ剥離性、耐メタル垂れ性を改善して溶接作業性を良好にできることを見出した。また、Ｂｉを適量添加することで、スラグ剥離性をさらに改善できることも見出した。
すなわち、本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、鋼製外皮中のＣが鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０４〜０．０８％であり、ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：１．５〜３．５％、Ｂ：０．００２〜０．０１５％、ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．３〜１．５％を含有し、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：５〜１０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜０．７％、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．１〜０．６％、Ｍｇ：０．２〜０．８％、弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０２〜０．１５％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：０．０３〜０．２０％を含有し、残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉のＦｅ分、鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする。
また、ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｎｉ：０．１〜０．６％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％の１種または２種をさらに含有することを特徴とする。
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、Ｂｉ：０．００５〜０．０２０％をさらに含有することも特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにある。
本発明を適用したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、軟鋼から４９０ＭＰａ級高張力鋼及び低温鋼等の鋼構造物を溶接するにあたり、全姿勢溶接での溶接作業性が良好で、スパッタ発生量を低減でき、かつ、低温靭性に優れた溶接金属が得られるので、溶接能率の向上及び溶接部の品質の向上を図ることができる。
以下、本発明を適用したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの鋼製外皮の成分組成及びその含有量と、各成分組成の限定理由について説明する。なお、成分組成の含有量は質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載して表すこととする。
［鋼製外皮のＣ：鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０４〜０．０８％］
鋼製外皮のＣは、アークを安定させて溶滴を細粒化させる効果がある。鋼製外皮のＣが０．０４％未満であると、アークが不安定で溶滴の細粒化が困難となってスパッタ発生量が多くなる。一方、鋼製外皮のＣが０．０８％を超えると、アークが強くなりすぎて、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多くなる。また、立向上進溶接では、メタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。したがって、鋼製外皮のＣは鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０４〜０．０８％とする。
鋼製外皮のＣは、アークを安定させて溶滴を細粒化させる効果がある。鋼製外皮のＣが０．０４％未満であると、アークが不安定で溶滴の細粒化が困難となってスパッタ発生量が多くなる。一方、鋼製外皮のＣが０．０８％を超えると、アークが強くなりすぎて、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多くなる。また、立向上進溶接では、メタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。したがって、鋼製外皮のＣは鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０４〜０．０８％とする。
以下、各成分組成の含有量は、フラックス入りワイヤ全質量に対する質量％で表す。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＣ：０．０５〜０．１２％］
Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果がある。Ｃが０．０５％未満では、十分な溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．１２％を超えると、溶接金属中にＣが過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰に高くなって低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＣは０．０５〜０．１２％とする。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属粉及び合金粉等から添加できる。
Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果がある。Ｃが０．０５％未満では、十分な溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．１２％を超えると、溶接金属中にＣが過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰に高くなって低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＣは０．０５〜０．１２％とする。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属粉及び合金粉等から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉ：０．１〜０．６％］
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。Ｓｉが０．１％未満では、その効果が得られず、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、溶接時に生成するスラグ量が多くなり、スラグ巻込みが発生する。また、溶接金属中にＳｉが過剰に歩留まり、かえって溶接金属の低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１〜０．６％とする。なお、Ｓｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、溶接金属の低温靭性を向上させる効果がある。Ｓｉが０．１％未満では、その効果が得られず、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｓｉが０．６％を超えると、溶接時に生成するスラグ量が多くなり、スラグ巻込みが発生する。また、溶接金属中にＳｉが過剰に歩留まり、かえって溶接金属の低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１〜０．６％とする。なお、Ｓｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎ：１．５〜３．５％］
Ｍｎは、脱酸剤として作用するとともに、溶接金属中に歩留まって溶接金属の強度と低温靱性を向上させる効果がある。Ｍｎが１．５％未満では、溶接金属中にＭｎが十分に歩留まらず、溶接金属の低温靭性が低下するとともに、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎが３．５％を超えると、Ｍｎが溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が高くなって低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎは１．５〜３．５％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。
Ｍｎは、脱酸剤として作用するとともに、溶接金属中に歩留まって溶接金属の強度と低温靱性を向上させる効果がある。Ｍｎが１．５％未満では、溶接金属中にＭｎが十分に歩留まらず、溶接金属の低温靭性が低下するとともに、十分な強度が得られない。一方、Ｍｎが３．５％を超えると、Ｍｎが溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が高くなって低温靱性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎは１．５〜３．５％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスから金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉末から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＢ：０．００２〜０．０１５％］
Ｂは、微量の添加で溶接金属の組織を微細化して溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。Ｂが０．００２％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１５％を超えると、高温割れが発生しやすくなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００２〜０．０１５％とする。なお、Ｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｂ、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｂ等の合金粉末から添加できる。
Ｂは、微量の添加で溶接金属の組織を微細化して溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。Ｂが０．００２％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１５％を超えると、高温割れが発生しやすくなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００２〜０．０１５％とする。なお、Ｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｂ、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｂ等の合金粉末から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．３〜１．５％］
Ａｌ及びＡｌ酸化物は、溶接時に溶融スラグの融点や粘性を調整して、特に立向上進溶接での耐メタル垂れ性及びビード形状を改善する効果がある。ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．３％未満では、その効果が十分に得られず、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。一方、ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が１．５％を超えると、Ａｌ酸化物として溶接金属中に過剰に残留し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．３〜１．５％とする。なお、Ａｌは鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ等の合金粉末から、Ａｌ酸化物はフラックスからのアルミナ、カリ長石等から添加できる。
Ａｌ及びＡｌ酸化物は、溶接時に溶融スラグの融点や粘性を調整して、特に立向上進溶接での耐メタル垂れ性及びビード形状を改善する効果がある。ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．３％未満では、その効果が十分に得られず、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。一方、ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が１．５％を超えると、Ａｌ酸化物として溶接金属中に過剰に残留し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．３〜１．５％とする。なお、Ａｌは鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ等の合金粉末から、Ａｌ酸化物はフラックスからのアルミナ、カリ長石等から添加できる。
［フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：５〜１０％］
Ｔｉ酸化物は、スラグの主成分であり、溶接時に溶融スラグの融点や粘性を調整して耐メタル垂れ性、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状を改善する効果がある。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が５％未満では、スラグ生成量が少なくなるので、各姿勢溶接でスラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良になる。また、立向上進溶接及び立向下進溶接では、メタル垂れが発生しやすくなる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が１０％を超えると、スラグ生成量が多くなりすぎ、各姿勢溶接で溶接部にスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。また、溶接金属中にＴｉ酸化物が過剰に残存して溶接金属の低温靱性が低下する。したがって、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は５〜１０％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルミナイト等から添加される。
Ｔｉ酸化物は、スラグの主成分であり、溶接時に溶融スラグの融点や粘性を調整して耐メタル垂れ性、スラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状を改善する効果がある。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が５％未満では、スラグ生成量が少なくなるので、各姿勢溶接でスラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良になる。また、立向上進溶接及び立向下進溶接では、メタル垂れが発生しやすくなる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が１０％を超えると、スラグ生成量が多くなりすぎ、各姿勢溶接で溶接部にスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。また、溶接金属中にＴｉ酸化物が過剰に残存して溶接金属の低温靱性が低下する。したがって、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は５〜１０％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルミナイト等から添加される。
［フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜０．７％］
Ｓｉ酸化物は、溶接時に溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を改善する効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．２％未満では、この効果が十分に得られず、各姿勢溶接でスラグ被包性が悪くなってビード形状が不良になる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．７％を超えると、溶接金属中にＳｉ酸化物が過剰に残存するとともに、溶融スラグの塩基度が低下して溶接金属中の酸素量が増加し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．２〜０．７％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスから珪砂、カリ長石、ジルコンサンド、珪酸ソーダ等から添加できる。
Ｓｉ酸化物は、溶接時に溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を改善する効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．２％未満では、この効果が十分に得られず、各姿勢溶接でスラグ被包性が悪くなってビード形状が不良になる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．７％を超えると、溶接金属中にＳｉ酸化物が過剰に残存するとともに、溶融スラグの塩基度が低下して溶接金属中の酸素量が増加し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．２〜０．７％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスから珪砂、カリ長石、ジルコンサンド、珪酸ソーダ等から添加できる。
［フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．１〜０．６％］
Ｚｒ酸化物は、溶接時に溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接での耐メタル垂れ性及びビード形状を改善する効果がある。Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値が０．１％未満では、この効果が十分に得られず、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。一方、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値が０．６％を超えると、各姿勢溶接でスラグ剥離性が不良になる。したがって、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．１〜０．６％とする。なお、Ｚｒ酸化物は、フラックスからジルコンサンド、酸化ジルコニウム等から添加できるとともに、Ｔｉ酸化物に微量含有される。
Ｚｒ酸化物は、溶接時に溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接での耐メタル垂れ性及びビード形状を改善する効果がある。Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値が０．１％未満では、この効果が十分に得られず、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。一方、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値が０．６％を超えると、各姿勢溶接でスラグ剥離性が不良になる。したがって、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．１〜０．６％とする。なお、Ｚｒ酸化物は、フラックスからジルコンサンド、酸化ジルコニウム等から添加できるとともに、Ｔｉ酸化物に微量含有される。
［フラックス中のＭｇ：０．２〜０．８％］
Ｍｇは、強脱酸剤として作用して溶接金属中の酸素を低減し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。Ｍｇが０．２％未満では、この効果が十分に得られず、脱酸不足となって溶接金属の低温靱性が低下する。一方、Ｍｇが０．８％を超えると、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してアークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなって溶接ビード付近の鋼板表面にスパッタが多く付着する。したがって、フラックス中のＭｇは０．２〜０．８％とする。なお、Ｍｇは、フラックスから金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金粉末から添加できる。
Ｍｇは、強脱酸剤として作用して溶接金属中の酸素を低減し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。Ｍｇが０．２％未満では、この効果が十分に得られず、脱酸不足となって溶接金属の低温靱性が低下する。一方、Ｍｇが０．８％を超えると、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してアークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなって溶接ビード付近の鋼板表面にスパッタが多く付着する。したがって、フラックス中のＭｇは０．２〜０．８％とする。なお、Ｍｇは、フラックスから金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金粉末から添加できる。
［フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０２〜０．１５％］
弗素化合物は、アークを強くするとともに、特に立向上進溶接及び立向下進溶接で耐メタル垂れ性及びビード形状を改善する効果がある。弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０２％未満では、この効果が十分に得られず、アークが弱くなり、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．１５％を超えると、アークが強くなりすぎて、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。したがって、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０２〜０．１５％とする。なお、弗素化合物は、ＣａＦ2、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ2、Ｋ2ＳｉＦ6、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＡｌＦ3等から添加でき、Ｆ換算値はこれらに含有されるＦ量の合計である。
弗素化合物は、アークを強くするとともに、特に立向上進溶接及び立向下進溶接で耐メタル垂れ性及びビード形状を改善する効果がある。弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０２％未満では、この効果が十分に得られず、アークが弱くなり、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．１５％を超えると、アークが強くなりすぎて、立向上進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。したがって、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０２〜０．１５％とする。なお、弗素化合物は、ＣａＦ2、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ2、Ｋ2ＳｉＦ6、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＡｌＦ3等から添加でき、Ｆ換算値はこれらに含有されるＦ量の合計である。
［フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：０．０３〜０．２０％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤として作用し、アークの安定性を改善する効果がある。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が０．０３％未満であると、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が０．２０％を超えると、アーク長が長くなって不安定になり、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多くなる。また、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。したがって、フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計は０．０３〜０．２０％とする。なお、Ｎａ化合物及びとＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、弗化ソーダ、チタン酸ナトリウム、珪弗化カリ、珪弗化ソーダ等から添加できる。
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤として作用し、アークの安定性を改善する効果がある。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が０．０３％未満であると、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が０．２０％を超えると、アーク長が長くなって不安定になり、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多くなる。また、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生しやすくなり、ビード形状が不良になる。したがって、フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計は０．０３〜０．２０％とする。なお、Ｎａ化合物及びとＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、弗化ソーダ、チタン酸ナトリウム、珪弗化カリ、珪弗化ソーダ等から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉ：０．１〜０．６％］
Ｎｉは、溶接金属の低温靱性をより向上させる効果がある。Ｎｉが０．１％未満では、溶接金属の低温靱性をより向上する効果が十分に得られない。一方、Ｎｉが０．６％を超えると、溶接金属の引張強さが過剰に高くなる場合があり、また、高温割れが発生しやすくなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉは０．１〜０．６％とする。なお、Ｎｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ等の合金粉末から添加できる。
Ｎｉは、溶接金属の低温靱性をより向上させる効果がある。Ｎｉが０．１％未満では、溶接金属の低温靱性をより向上する効果が十分に得られない。一方、Ｎｉが０．６％を超えると、溶接金属の引張強さが過剰に高くなる場合があり、また、高温割れが発生しやすくなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉは０．１〜０．６％とする。なお、Ｎｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ等の合金粉末から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉ：０．０５〜０．５０％］
Ｔｉは、溶接金属の組織を微細化して低温靭性を向上させる効果がある。Ｔｉが０．０５％未満では、溶接金属の低温靭性をより向上する効果が十分に得られない。一方、Ｔｉが０．５０％を超えると、靭性を阻害する上部ベイナイト組織を生成し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０５〜０．５０％とする。なお、Ｔｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉末から添加できる。
Ｔｉは、溶接金属の組織を微細化して低温靭性を向上させる効果がある。Ｔｉが０．０５％未満では、溶接金属の低温靭性をより向上する効果が十分に得られない。一方、Ｔｉが０．５０％を超えると、靭性を阻害する上部ベイナイト組織を生成し、溶接金属の低温靭性が低下する。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０５〜０．５０％とする。なお、Ｔｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉末から添加できる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＢｉ：０．００５〜０．０２０％］
Ｂｉは、溶接金属からのスラグの剥離を促進させ、スラグ剥離性をさらに改善する効果がある。Ｂｉが０．００５％未満では、この効果が十分に得られず、全姿勢溶接で十分なスラグ剥離性が得られない場合がある。一方、Ｂｉが０．０２０％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。また、高温割れが発生しやすくなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＢｉは０．００５〜０．０２０％とする。なお、Ｂｉは、フラックスからの金属Ｂｉ等の合金粉末から添加できる。
Ｂｉは、溶接金属からのスラグの剥離を促進させ、スラグ剥離性をさらに改善する効果がある。Ｂｉが０．００５％未満では、この効果が十分に得られず、全姿勢溶接で十分なスラグ剥離性が得られない場合がある。一方、Ｂｉが０．０２０％を超えると、溶接金属の低温靭性が低下する。また、高温割れが発生しやすくなる。したがって、鋼製外皮とフラックスの合計でＢｉは０．００５〜０．０２０％とする。なお、Ｂｉは、フラックスからの金属Ｂｉ等の合金粉末から添加できる。
本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの残部は、鋼製外皮のＦｅ、添加する鉄粉のＦｅ分、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ合金等の鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物である。なお、成分調整のためにＦｅＯ、ＭｎＯ等を添加してもよい。不可避不純物については特に限定しないが、耐高温割れ性の観点から、Ｐは０．０２０％以下、Ｓは０．０１０％以下が好ましい。
鉄粉は、成分調整のために添加する鉄粉である。この鉄粉は、鉄である以上、Ｆｅ分が含まれることは明らかである。Ｃは、フラックスから金属粉及び合金粉等から添加されるが、これら金属粉及び合金粉は、成分調整のために意図的に添加する鉄粉とは相違するものである。このため鉄粉にはＣは原則として含まれない。逆に鉄粉の量がいかなるものであっても、Ｃの含有量に影響を及ぼすものではない。他の成分Ｍｎ、Ｓｉ等も同様である。
なお、本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮をパイプ状に形成し、内部にフラックスを充填する構造であり、鋼製外皮の合わせ目を溶接して継目の無いタイプと、鋼製外皮の合わせ目を溶接しないでかしめる継目を有するタイプに大別できる。継目の無いタイプはフラックス入りワイヤ中の水素量を低減することを目的とした熱処理が可能であり、かつ、製造後のフラックス入りワイヤの吸湿が少ないので、溶接金属の拡散性水素を低減でき、耐割れ性の向上を図ることができるので、より好ましい。
また、フラックス充填率は特に制限はしないが、生産性の観点から、ワイヤ全質量に対して８〜２０％とするのが好ましい。
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
鋼製外皮に表１に示す各種成分組成のＪＩＳ Ｇ３１４１ ＳＰＣＣを使用し、該鋼製外皮をＵ字型に成形、フラックスを充填率１０〜１６％で充填してＣ字型に成形した後、鋼製外皮の合わせ目を溶接して造管、伸線し、表２及び表３に示す各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。なお、試作したワイヤ径は１．２ｍｍとした。
表２、３においてＡｌ2Ｏ3換算値を換算する上で根拠となるＡｌの含有量も併記している。
これら試作ワイヤを用い、立向上進溶接、立向下進溶接、水平すみ肉溶接による溶接作業性及び溶着金属の機械性能を調査した。
溶接作業性は、板厚１６ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６に準拠したＳＭ４９０Ｂ鋼板をＴ字に組んだ試験体に、表４に示す溶接条件で、立向上進溶接、立向下進溶接、水平すみ肉溶接を行い、その際のアーク状態、スパッタ発生状態、スラグ被包性、スラグ剥離性、ビード形状の良否、メタル垂れの有無を目視確認で調査した。また、ＪＩＳ Ｚ ３１８１に準じて破断面の確認を行い、スラグ巻込み等の溶接欠陥の有無を調査した。
溶着金属試験は、板厚２０ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６に準拠したＳＭ４９０Ｂ鋼板を用い、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準じて溶接を行い、溶着金属の板厚方向中心から引張試験片（Ａ０号）及び衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取し、機械試験を実施した。引張試験の評価は、引張強さが４９０〜６７０ＭＰａを良好とした。衝撃試験の評価は、−３０℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、繰返し３本の吸収エネルギーの平均が４７Ｊ以上を良好とした。その際、初層溶接時に高温割れの有無を目視確認で調査した。これら結果を表５及び表６にまとめて示す。
表２及び表５のワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ２０は本発明例であり、表３及び表６のワイヤ記号Ｗ２１〜Ｗ３５は比較例である。本発明例であるＷ１〜Ｗ２０は、鋼製外皮のＣ、フラックス入りワイヤ中の鋼製外皮とフラックスの合計でＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｂ、ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計、Ｓｉ酸化物ＳｉＯ2換算値の合計、Ｚｒ酸化物ＺｒＯ2換算値の合計、Ｍｇ、弗素化合物のＦ換算値の合計、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が適正であるので、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れがなく、各姿勢溶接でスラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が良好で、スラグ巻込み等の溶接欠陥が無く溶接作業性が良好で、高温割れも発生しなかった。また、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好であった。
また、ワイヤ記号Ｗ１、Ｗ４、Ｗ７、Ｗ８、Ｗ１０、Ｗ１１、Ｗ１３及びＷ１９は、Ｎｉが適量添加されているので、溶着金属の吸収エネルギーが７０Ｊ以上であった。ワイヤ記号Ｗ３、Ｗ４、Ｗ７、Ｗ９、Ｗ１２、Ｗ１５及びＷ１９は、Ｔｉが適量添加されているので、溶着金属の吸収エネルギーが７０Ｊ以上であった。また、ワイヤ記号Ｗ４、Ｗ７及びＷ１９は、Ｎｉ及びＴｉが適量添加されているので溶着金属の吸収エネルギーが７０Ｊ以上であった。さらに、ワイヤ記号Ｗ１、Ｗ３、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ１１、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｗ１８及びＷ２０は、Ｂｉが適量添加されているので、スラグ剥離性が極めて良好であった。
比較例中ワイヤ記号Ｗ２１は、鋼製外皮のＣが少ないので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。また、フラックス中のＴｉが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。
ワイヤ記号Ｗ２２は、鋼製外皮のＣが多いので、アークが強くなりすぎて、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多かった。また、立向上進溶接でメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。また、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低く、全ての溶接姿勢でスラグ巻込みが発生した。
ワイヤ記号Ｗ２３は、鋼製外皮とフラックスの合計でＣが少ないので、溶着金属の引張強さが低かった。また、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、全ての溶接姿勢でスラグ被包性及びビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２４は、鋼製外皮とフラックスの合計でＣが多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。また、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値が多いので、全ての溶接姿勢でスラグ剥離性が不良であった。さらに、フラックス中のＢｉが少ないので、スラグ剥離性を改善する効果が得られなかった。
ワイヤ記号Ｗ２５は、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーを向上させる効果が得られなかった。
ワイヤ記号Ｗ２６は、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎが少ないので、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低かった。また、鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値とＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が少ないので、立向上進溶接でメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２７は、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎが多いので、溶着金属の引張強さが高く、吸収エネルギーが低かった。また、フラックス中のＭｇが多いので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｗ２８は、鋼製外皮とフラックスの合計でＢが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーを向上させる効果が得られなかった。さらに、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計が多いので、アーク強くなりすぎて、立向上進溶接でメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ２９は、鋼製外皮とフラックスの合計でＢが多いので、溶接部に高温割れが発生した。また、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。さらに、フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が多いので、アークが不安定で、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多かった。また、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ３０は、鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値とＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉが多いので、溶着金属の引張強さが高く、溶接部に高温割れが発生した。
ワイヤ記号Ｗ３１は、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、全ての溶接姿勢でスラグ巻込みが発生した。さらに、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が少ないので、立向上進溶接でメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ３２は、フラックス中のＭｇが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低かった。また、フラックス中のＮａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｗ３３は、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが弱くなり、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生し、ビード形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｗ３４は、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、立向上進溶接及び立向下進溶接でメタル垂れが発生し、全ての溶接姿勢でスラグ被包性、スラグ剥離性及びビード形状が不良であった。また、フラックス中のＢｉが少ないので、スラグ剥離性を改善する効果が得られなかった。
ワイヤ記号Ｗ３５は、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎが少ないので、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低かった。また、鋼製外皮とフラックスの合計でのＮｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーを向上させる効果が得られなかった。
Claims (3)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
鋼製外皮中のＣが鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０４〜０．０８％であり、
ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、
Ｃ：０．０５〜０．１２％、
Ｓｉ：０．１〜０．６％、
Ｍｎ：１．５〜３．５％、
Ｂ：０．００２〜０．０１５％、
ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値及びＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．３〜１．５％を含有し、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：５〜１０％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．２〜０．７％、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．１〜０．６％、
Ｍｇ：０．２〜０．８％、
弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０２〜０．１５％、
Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：０．０３〜０．２０％を含有し、
残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉のＦｅ分、鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｎｉ：０．１〜０．６％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％の１種または２種をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、Ｂｉ：０．００５〜０．０２０％をさらに含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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