JPH04266495A - Ｎｉ基合金溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉や圧力容器など
に用いるＮｉ基合金のガスシールドアーク溶接用フラッ
クス入りワイヤに係り、さらに詳しくは８０％Ａｒ＋２
０％Ｃｏ２　のシールドガスを併用したアーク溶接にお
いて、スパッタ発生量やスラグ被包性及び剥離性などの
作業性が良好で、融合不良やスラグ巻込みが発生しにく
く、しかも延性、靭性、耐割れ性などの溶着金属性能に
も優れたＮｉ基合金溶接用フラックス入りワイヤに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】フラックス入りワイヤによるガスシール
ドアーク溶接は、被覆アーク溶接やＴＩＧ溶接に比較し
て作業能率が良く、年々適用鋼種も拡大しており、Ｎｉ
基合金の溶接においても、フラックス入りワイヤの開発
、改良が強く要望されるようになってきた。しかし、こ
の種のワイヤ設計に当たっては、その用途を十分考慮し
た上で溶接作業性や溶接部の融合不良などの欠陥防止は
もとより、耐食性及び低温、高温の機械的性質、耐割れ
性などへの配慮が特に必要になってくる。一方、特開昭
５９−２１２９２号公報に開示されているステンレス鋼
溶接用フラックス入りワイヤのフラックスはＳ，Ｂｉを
必須成分として、良好なスラグ剥離性を確保しており、
このようなフラックスをＮｉ基合金溶接用フラックス入
りワイヤに応用すると、良好な溶着金属性能が得られな
くなる。さらに特開昭６３−８０９９４号公報のガスシ
ールドアーク溶接用Ｎｉ基複合ワイヤは、フラックス中
のスラグ成分について十分な特定がなされていない。

【０００３】このようなフラックス入りワイヤでは良好
な溶接作業性を確保することが困難である。また、特開
昭６３−３６９９５号公報のインコネル合金溶接用フラ
ックス入りワイヤにおいてもフラックス成分の特定が不
十分であり、同号公報の実施例ワイヤでは溶接作業性な
ど良好な諸性能が得られない。しかも、従来のＮｉ基合
金用フラックス入りワイヤの多くは、溶着金属性能面を
考慮してシールドガスには不活性ガスの純Ａｒや８０％
Ａｒ＋２０％ＣＯ２　を用いており、これらのシールド
ガスはアークの安定性や集中性を良くする反面、アーク
吹付けは広がりのない弱いものとなる傾向があるため、
融合不良やスラグ巻込みの溶接欠陥の発生し易いという
問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な問題点を解決すべくなされたものであって、その目的
とするところは、スパッタ発生量が少なく、スラグの被
包性や剥離性などの溶接作業性が良好で、融合不良やス
ラグ巻込みが発生しにくく、しかも延性、靭性、耐割れ
性などの溶着金属性能が優れたＮｉ基合金溶接用フラッ
クス入りワイヤの提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ｎｉ基合
金用フラックス入りワイヤと８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ２
　のガスシールドアーク溶接において、スパッタ発生量
とスラグの被包性や剥離性を改善すると共に、融合不良
などの溶接欠陥を発生しにくくし、しかも延性、靭性、
耐割れ性などの優れた溶着金属性能の確保を目的として
、ワイヤ中のフラックス組成やフラックス充填率に関し
鋭意検討した。その結果、ＴｉＯ２　を主成分として若
干量のＡｌ２Ｏ３　とＳｉＯ２　を含有するフラックス
組成において、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物であるＮａ２　
Ｏ，Ｋ２　Ｏ，Ｌｉ２　Ｏ，Ｎａ２　ＣＯ３　，Ｌｉ２
　ＣＯ３　やＮａＦ，ＬｉＦなどの添加量やＮａＦ，Ｌ
ｉＦを含めた全金属弗化物添加量をＮａ，Ｋ，ＬｉやＦ
に換算した値で、それぞれ適正範囲に制御することによ
りスパッタ発生量やスラグ被包性及び剥離性の改善に有
効であることを見いだした。

【０００６】またこのようなフラックス組成からＳ，Ｂ
ｉの除去や脱酸剤として最も有効な金属Ｔｉを添加せし
めることにより、溶着金属の延性、靭性耐割れ性を大幅
に改善できるということが判明した。

【０００７】さらに融合不良やスラグ巻込みの溶接欠陥
はワイヤのフラックス充填率やフラックス組成と関係あ
ることがわかった。即ち、ワイヤの充填率が高過ぎた場
合、アークの吹付け強さや広がりの点で大きな変化が見
られない割りには、ワイヤの溶着速度が増大する傾向が
ある。

【０００８】このため、アーク直下の溶融プールが広が
らないにもかかわらず、そこに移行する溶着金属やスラ
グ量が過多となって融合不良やスラグ巻込みを発生し易
くすることが判明した。さらに、これらの溶接欠陥のう
ち、スラグ巻込みは充填フラックスの溶融速度がワイヤ
外皮に比べて遅すぎた場合により発生し易くなる傾向が
認められた。従って、これらの溶接欠陥防止には、フラ
ックス充填率が過多とならないように制御しながら、溶
融し易いフラックス組成とすることが有効であるとの結
論を得た。

【０００９】本発明は以上の知見に基づくものであって
、その要旨とするところは、Ｎｉ基合金からなる外皮の
内部に、ワイヤ全重量に対してフラックスを１０〜２３
％充填し、フラックス中にワイヤ全重量比でＴｉＯ２　
を４〜１２％、Ａｌ２　Ｏ３　を０．１〜２％、ＳｉＯ
２　を０．１〜３％、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物金属弗化
物をＮａ，Ｋ，Ｌｉに換算し、Ｎａを０．１〜２．０％
、Ｋを０．０１〜１．５％、Ｌｉを０．０６〜１．０％
、Ｎａ＋Ｋ＋Ｌｉを０．４〜２．４％、ＮａＦやＬｉＦ
を含む全金属弗化物をＦに換算して０．４〜１．５％、
Ｔｉを０．１〜１．９％、金属成分の合計を０．１〜１
７％、スラグ成分の合計を５．５〜１８％にしたことを
特徴とするＮｉ基合金溶接用フラックス入りワイヤにあ
る。

【００１０】

【作用】まず、本発明のフラックス入りワイヤとは図１
（ａ）〜（ｄ）にその一例を示すような断面形状のワイ
ヤで、パイプあるいはフープからなる外皮１に充填フラ
ックス２を被包したものであり、同図（ｂ）〜（ｄ）の
ごとく継目３を有するもの、あるいは同図（ａ）に示す
ような継目のないものでも良い。外皮材としてはＮｉ基
合金を用いることにより、成分設計を容易にすることが
できる。本発明は以下の実験方法に基づくものである。

【００１１】まず、表１に示す化学成分のＮｉ−Ｃｒ系
及びＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系インコネルのパイプまたはフー
プを外皮として用いて、図１に示すような断面形状でフ
ラックス組成の異なるＡＷＳ　　Ａ５．１４ＥＲＮｉＣ
ｒ−３、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−３相当のワイヤ径１．２ｍ
ｍのフラックス入りワイヤを製造し、図２のような軟鋼
板上に試験ワイヤでバタリングして作製したＶ開先内部
を溶接電流；ＤＣ（＋）２００Ａ、電圧；３１Ｖ、速度
；２５〜３５ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件で８０％Ａｒ＋２
０％ＣＯ２　ガスシールドアーク溶接を行い、各種ワイ
ヤのスパッタ発生量とスラグ被包性や剥離性などの溶接
作業性や融合不良、スラグ巻込みの欠陥の有無、高温割
れ発生の有無、溶着金属の引張及び衝撃試験による強度
、延性、靭性に影響を及ぼす要因と対策について検討し
た。

【００１２】

【表１】

【００１３】なお、フラックス充填率の検討範囲は９〜
３０％とした。

【００１４】本発明は以上の実験方法と検討結果に基づ
いてなされたものであり、本発明が規定した各種数値の
限定理由を以下に述べる。Ｎｉ基合金を外皮に用いたの
はフラックスが充填過多とならないように、フラックス
中からの合金添加量を抑制するためのものであり、溶着
金属成分の安定化にも効果がある。フラックスの充填率
下限を１０％としたのは、ワイヤ製造工程において安定
した充填率の確保を容易にするためであるが、上限の２
３％を超えると融合不良やスラグ巻込みの欠陥が発生し
易くなる。ＴｉＯ２　は均一で被包性の良いスラグを形
成すると共に、アーク状態の安定化にも効果があり、し
かも溶着金属性能に及ぼす影響は小さいのでスラグ形成
剤の主成分として最適である。しかし４％未満ではこれ
らの効果が十分発揮されず、１２％を超えるとワイヤ中
のスラグ成分が過多となって、スラグ巻込みが発生し易
くなる。原材料としては、ルチール、チタン白、チタン
酸カリ、チタン酸ソーダ、チタン酸カルシウムなどを用
いることができる。

【００１５】Ａｌ２　Ｏ３　はＴｉＯ２　を主成分とす
るスラグ形成剤の補助的な成分として添加し、フラック
スやスラグの融点を調整するために必要であり、溶融し
易いフラックスと流動性の良いスラグを形成する。この
ような添加効果は０．１％未満では得られず、２％を超
えると逆効果になる。原材料としてはＡｌ２　Ｏ３　粉
末のアルミナやＳｉＯ２　など他成分の化合物としてカ
リ長石などが使用できる。

【００１６】ＳｉＯ２　は前記のＡｌ２　Ｏ３　と同様
な効果があり、この効果はＡｌ２　Ｏ３　と併用するこ
とにより、さらに顕著となる。但し、ＳｉＯ２　はＴｉ
などの強脱酸性元素によって還元され易いので、添加し
過ぎると溶着金属中のＳｉが過量となって、延性、靭性
、耐割れ性に悪影響を及ぼす。従って、添加量は０．１
〜３％にする必要があり、原材料としては珪砂、カリ長
石、珪灰石、珪酸ナトリウム、珪酸カリウムなどを使用
できる。

【００１７】Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物はアークの安定性
を良好にし、スパッタ発生量を低減する。またワイヤ中
の充填フラックスを溶融し易くし、スラグの融点を下げ
流動性を良くするので、溶接部の融合不良、スラグ巻込
み防止やスラグの剥離性を良好にするのに有効な成分で
ある。このような効果の総てを発揮させるためには、Ｎ
ａ，Ｋ，Ｌｉの化合物をそれぞれ必須成分として複合添
加することが必要である。しかし、これらの成分が過量
になると溶接ヒュームが多発するため、添加量はＮａを
０．１〜２．０％、Ｋを０．０１〜１．５％、Ｌｉを０
．０６〜１．０％、Ｎａ＋Ｋ＋Ｌｉを０．４〜２．４％
にする。原材料は、Ｎａ化合物として炭酸ナトリウム、
ソーダガラス粉末、ソーダ長石、粉末及び水溶液状の珪
酸ソーダ、弗化ソーダなどを使用できる。Ｋ化合物とし
て炭酸カリウム、カリガラス粉末、カリ長石、粉末状ま
たは水溶液状の珪酸カリ、珪弗化カリ（Ｋ２　ＳｉＦ６
　）、ジルコン弗化カリ（Ｋ２　ＺｒＦ６　）、チタン
弗化カリ（Ｋ２　ＴｉＦ６　）、弗化カリ（ＫＦ）など
を使用できる。Ｌｉ化合物として炭酸リチウム、リチウ
ムフラックス、弗化リチウムなどを使用できる。

【００１８】金属弗化物はワイヤ中の充填フラックスを
溶融し易くし、スラグの融点を下げ流動性を良くするの
で溶接部の融合不良、スラグ巻込み、ピット発生防止に
有効な成分である。またスラグ剥離性改善にも効果的で
あるが、過多となるとアークが不安定になってスパッタ
増加の原因となる。このような金属弗化物の添加による
弊害を抑えながら、より大きな効果を得るためには、Ｎ
ａＦ，ＬｉＦを必須成分として、かつＮａＦ，ＬｉＦを
含めた全金属弗化物の添加量を、Ｆに換算して０．４〜
１．５％にする必要がある。ＮａＦ，ＬｉＦ以外の金属
弗化物としては、ＣａＦ２　，ＡｌＦ３　，ＭｇＦ２　
，Ｎａ３　ＡｌＦ６　，Ｋ２　ＺｒＦ６　などを上記範
囲内で使用できる。

【００１９】Ｔｉは脱酸剤としての効果を発揮し、溶着
金属の延性、靭性、耐割れ性の向上をもたらす。しかし
０．１％未満ではその効果が不十分であり、１．９％を
超えるとスラグ溶融金属の流動性が劣化して、均一で良
好なビードが形成されなくなる。

【００２０】本発明において金属成分とは、Ｎｉ，Ｃｒ
，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇなどや、
これらの元素を複合して含有する粉末状の合金剤や脱酸
剤を意味し、目標とする溶着金属成分への対応域はフラ
ックス充填率の調整などを目的として、０．１％以上の
必要量を単独もしくは複合で添加できる。しかし、これ
ら金属成分の添加量合計が１７％を超えると、必須とし
ているスラグ成分との兼合いから充填率が過多となって
溶接部の融合不良を発生し易くする。

【００２１】次に、本発明においてスラグ成分とは、金
属酸化物や金属弗物の非金属成分を意味するものであり
、前記した成分の他にスラグの塩基度や流動性、剥離性
、アーク状態などの微調整を目的としてＣａＯ，ＭｇＯ
，ＺｒＯ２　などを添加できる。これら成分を含めたス
ラグ成分の合計が５．５％未満ではスラグ量が不足して
、均一で良好な被包性が得られなくなり、その結果スラ
グの焼付きやビード形状の劣化を招く。また１８％を超
えるとスラグ巻込みが発生し易くする。

【００２２】

【実施例】表１に示すＮｉ基合金のパイプ及びフープを
用い、表２に示す組成のＡＷＳＡ５．１４ＥＲＮｉＣｒ
−３、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−３相当のワイヤを製造し、図
２のような軟鋼板上に試験ワイヤをバタリングして作製
した試験板を拘束治具で固定してから、そのＶ開先内部
を溶接電流；ＤＣ（＋）２００Ａ、電圧；３１Ｖ、速度
；２５〜３５ｃｍ／ｍｉｎ　の溶接条件で８０％Ａｒ＋
２０％ＣＯ２　ガスシールドアーク溶接を行い、それぞ
れの溶接作業性や溶着金属性能などを比較した。なおワ
イヤ径は１．２ｍｍとし、外皮としてパイプＰ１，Ｐ２
を用いたものは図１（ａ）に示すシームレスパイプ、フ
ープＨ１，Ｈ２を用いたものは図１（ｂ）、フープＨ３
を用いたものは図１（ｄ）に示す断面形状とした。図２
において、板厚ｔ＝２０ｍｍ，開先角度θ＝４５°、ル
ート間隔ｒ＝１２ｍｍ、ｂは試験ワイヤによるバタリン
グ部を示す。

【００２３】溶接部の高温割れ性試験は図２の開先を初
層溶接後、染色探傷試験により、割れの有無を調査した
。融合不良やスラブ巻込みの溶接欠陥はＸ線透過写真に
より調査した。溶着金属の引張試験片はＪＩＳ　　Ｚ　
　３１１１　　Ａ１号を、また衝撃試験片はＪＩＳ　　
Ｚ　　３１１２　　４号を図２の開先に盛られた溶接部
から採取した。これらの試験結果は表３に示す。

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】

【表５】

【００２８】

【表６】

【００２９】

【表７】

【００３０】

【表８】

【００３１】

【表９】

【００３２】

【表１０】

【００３３】

【表１１】

【００３４】フラックス中の金属成分が多過ぎて充填率
が過多となったワイヤＮｏ．１は融合不良を発生した。 またフラックス中のスラブ成分が多すぎるワイヤＮｏ．
２はスラグの巻込みを発生し、逆にスラグ成分の少なす
ぎるワイヤＮｏ．３はスラグの被包性が不良であった。 さらにＴｉＯ２　含有量の少ないワイヤＮｏ．４はスラ
グの被包性やビード形状が悪く、反対に多すぎるワイヤ
Ｎｏ．５はスラグの巻込みを発生した。Ａｌ２　Ｏ３　
を含有量しないワイヤＮｏ．６はスラグの流動性が悪く
、含有量の多いワイヤＮｏ．７もスラグの流動性が悪く
なった。ＳｉＯ２　を含有しないワイヤＮｏ．８はスラ
グの流動性が悪く、含有量の多いワイヤＮｏ．９は溶着
金属中のＳｉが高くなって、延性や靭性の機械的性質が
劣化したうえ高温割れが発生した。Ｎａ（ナトリウム）
化合物の含有量が少ないワイヤＮｏ．１０はアークの安
定性が悪く、スパッタが多い。 またスラグの流動性や剥離性も悪くなっている。また、
Ｋ（カリウム）化合物を含有しないワイヤＮｏ．１１も
アークの安定性が悪く、スパッタも多い。次にＬｉＦな
どのＬｉ（リチウム）化合物を全く含有しないワイヤＮ
ｏ．１２やＬｉ化合物として炭酸リチウム（Ｌｉ２　Ｃ
Ｏ３　）を含有しているものの、ＬｉＦを含有していな
いワイヤＮｏ．１５、Ｎａ化合物として酸化ナトリウム
（Ｎａ２　Ｏ）を含有しているものの、ＮａＦを含有量
しないワイヤＮｏ．１４はいずれもアークの安定性が悪
く、スパッタが多くなっており、スラグの剥離性が劣化
した。さらに、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ化合物をそれぞれ含有し
ているものの、これら化合物の合計含有量が不足してい
るワイヤＮｏ．１３はやはりアークの安定性が悪く、ス
パッタも多く、スラグの流動性や剥離性が悪い。しかも
、スラグ巻込みや融合不良が発生している。一方Ｎａ，
Ｋ，Ｌｉの化合物がそれぞれ多過ぎ、しかもこれらの合
計添加量が多過ぎるワイヤＮｏ．３４，３５，３６はい
ずれも溶接ヒューム量が多い。

【００３５】全金属弗化物のＦ換算値が少な過ぎるワイ
ヤＮｏ．１６はスラグの流動性や剥離性が悪く、融合不
良が発生し易い。逆に金属弗化物が多過ぎるワイヤＮｏ
．１７はアークが不安定となって、スパッタが多発した
。

【００３６】Ｔｉ含有量が多過ぎるワイヤＮｏ．１８は
スラグの流動性やビード形状などが悪く、また、逆にＴ
ｉを含有しないワイヤＮｏ．１９は溶着金属の機械的性
質が悪くなった。

【００３７】これに対して、ワイヤのフラックス充填率
やフラックス中のＴｉＯ２　，Ａｌ２　Ｏ３　，ＳｉＯ
２　，ＮａＦ，ＬｉＦを含めたＮａ，Ｋ，Ｌｉ化合物及
び金属弗化物、Ｔｉ含有量がそれぞれ適正範囲にあって
、しかも金属成分やスラグ成分が適量の本発明ワイヤＮ
ｏ．２０〜３３は、どのワイヤもスパッタ発生やスラグ
の被包性及び剥離性が良好で、融合不良やスラグ巻込み
の欠陥が発生せず、しかも延性、靭性、耐割れ性などの
溶着金属性能も良好であった。なお、表３における溶接
作業性評価は〔◎；極めて良好、○；良好、△；やや良
好、×；不良〕を示すものである。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、Ｎｉ基合金溶接用フラックス
入りワイヤにおけるフラックス充填率やＴｉＯ２　，Ａ
ｌ２　Ｏ３　，ＳｉＯ２　，ＮａＦ，ＬｉＦを含むＮａ
，Ｋ，Ｌｉの化合物及び金属弗化物、Ｔｉ含有量や金属
成分、スラグ成分のフラックス組成範囲を特定すること
によって、溶接作業性や溶着金属性能が良好で融合不良
などの欠陥も発生しにくくすることを可能とし、Ｎｉ基
合金の溶接作業能率と、溶接部の品質向上に大きく貢献
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は各種フラッ
クス入りワイヤの断面形状を示す模式図である。

【図２】溶接作業性，高温割れ試験，引張試験，衝撃試
験などに用いた開先形状を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　外皮 ２　　充填フラックス ３　　継目 θ　　開先角度 ｔ　　板厚 ｒ　　ルート間隔 ｂ　　バタリング部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｎｉ基合金からなる外皮の内部に、ワ
   イヤ全重量に対してフラックスを１０〜２３％充填し、
   フラックス中にワイヤ全重量比でＴｉＯ２　を４〜１２
   ％、Ａｌ２　Ｏ３　を０．１〜２％、ＳｉＯ２　を０．
   １〜３％、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物をＮａ，Ｋ，Ｌｉに
   それぞれ換算し、Ｎａを０．１〜２．０％、Ｋを０．０
   １〜１．５％、Ｌｉを０．０６〜１．０％、Ｎａ＋Ｋ＋
   Ｌｉを０．４〜２．４％、ＮａＦ，ＬｉＦを含む全金属
   弗化物をＦに換算して０．４〜１．５％、Ｔｉを０．１
   〜１．９％を含有し、かつ、金属成分の合計は０．１〜
   １７％、スラグ成分の合計は５．５〜１８％であること
   を特徴とするＮｉ基合金溶接用フラックス入りワイヤ。