JP2005088039A - チタニヤ系フラックス入りワイヤ - Google Patents

チタニヤ系フラックス入りワイヤ Download PDF

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Abstract

【課題】 溶接作業性及び溶接金属性能が優れ、且つ吸湿量が少ないアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤを提供する
【解決手段】 チタン及びチタン酸化物をTiO換算で10乃至60質量%含有し、ナトリウム化合物をNaO換算で0.5乃至10質量%含有し、カリウム化合物をKO換算で0.5乃至10質量%含有するフラックスを、鋼製外皮中にワイヤ全質量あたり10乃至20質量%充填する。このとき、前記チタン酸化物の比表面積を0.4乃至2.0m/gにする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、鋼製外皮中にフラックスが充填されているチタニヤ系フラックスワイヤに関し、特に、炭素鋼アーク溶接用のチタニヤ系フラックス入りワイヤに関する。
フラックス入りワイヤは、鋼製外皮内に所定のフラックスを充填することにより製作され、そのフラックスの量及び種類は、フラックス入りワイヤの品質を決定する要因であり、溶接作業性及び溶接金属性能等に大きな影響を及ぼす。各種フラックス入りワイヤの中でも、特に、フラックス中にスラグ造滓剤を含有させたチタニヤ系の全姿勢溶接用フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接が可能であると共に、良好な溶接作業性、高能率性及び溶接金属性能等が得られることから、造船及び橋梁を始めとする広範囲の分野で使用されている。
しかしながら、フラックス入りワイヤには吸湿性しやすいという欠点がある。ワイヤが吸湿しやすいと、溶接金属の低温割れ感受性が高くなり、低温割れが発生しやすくなる。ワイヤが吸湿する原因は、主に、フラックス中のスラグ造滓剤の吸湿にある。チタニヤ系フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接性及び溶接作業性に優れているが、これらの特徴は、TiO、ZrO及びSiO等のスラグ造滓剤によるものである。従って、チタニヤ系フラックス入りワイヤからスラグ造滓剤を除くと、これらの特徴を維持できなくなる虞がある。このため、従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤと同等の全姿勢溶接性及び溶接作業性等を保ちつつ、吸湿量を低減させたチタニヤ系フラックス入りワイヤが求められている。
ワイヤの吸湿性の改善に関しては、従来から種々の検討がなされている。例えば、フラックスに充填されるTiOを、その結晶構造によりルチール型TiOとアナターゼ型TiOとに分類し、夫々の充填量を規定したフラックス入りワイヤがある(例えば、特許文献1参照。)。TiOに含まれるルチール型TiOとアナターゼ型TiOとの比は採掘場所により異なり、アナターゼ型TiOを多く含むTiO程吸湿量が多い。このため、特許文献1に記載のフラックス入りワイヤでは、フラックスを焼成することにより、ルチール型TiO量がアナターゼ型TiO量の5倍以上になるように調整している。
また、ワイヤの吸湿性を改善する別の手段として、伸線後のワイヤにおけるフラックスの比表面積に着目して調査したところ、伸線性を向上するために、ワイヤに充填するフラックスの比表面積を規定した例はあるが(例えば、特許文献2及び4参照。)、ワイヤの吸湿性という観点からフラックスの比表面積を規定した例はない。例えば、特許文献2に記載のフラックス入りワイヤの製造方法においては、充填するフラックスの平均比表面積を1.2m/g以上にすることにより、フラックスが外皮材からこぼれることを防止して伸線性を向上させている。また、特許文献3に記載のフラックス入りワイヤの製造方法においては、充填するフラックスの比表面積を0.004乃至20m/gにすることにより、通気性及び流動性を向上させて、これらに起因する断線を防止している。更に、特許文献4に記載のフラックス入りワイヤにおいては、ワイヤ中の水分量をワイヤ全量あたり100乃至1000ppmにすると共に、充填するフラックスの比表面積を0.5乃至5m/gにすることにより、伸線性の向上を図っている。
特開2000−254796号公報 (第2−3頁) 特開平3−189093号公報 (第2頁) 特開平2−151395号公報 (第3−4頁) 特公平4−53637号公報 (第2−4頁)
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献1に記載のフラックスワイヤのように、ルチール型TiO及びアナターゼ型TiOの比率を調整するだけでは、ワイヤの吸湿性を大幅に改善することは難しい。また、特許文献2乃至4に記載のフラックス入りワイヤの製造方法は、いずれもワイヤに充填されるフラックスの比表面積を規定することにより、ワイヤの伸線性を改善する方法であり、ワイヤの吸湿性に関しては検討されていない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接作業性が優れ、且つ吸湿量が少ないアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填されているアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤにおいて、チタン及びチタン酸化物をTiO換算で10乃至60質量%含有し、ナトリウム化合物をNaO換算で0.5乃至10質量%含有し、カリウム化合物をKO換算で0.5乃至10質量%含有するフラックスが、ワイヤ全質量あたり10乃至20質量%充填され、前記チタン酸化物の比表面積が0.4乃至2.0m/gであることを特徴とする。
本発明者等は、前述の問題点を解決すべく鋭意実験研究を行った結果、フラックス入りワイヤの吸湿性には、充填されているフラックスの比表面積が影響し、特に、チタニヤ系のフラックスにおいては、その主要成分であるチタン酸化物の比表面積が大きく影響することを見出した。本発明のフラックス入りワイヤにおいては、フラックスに含有されるチタン及びチタン酸化物量をTiO換算で10乃至60質量%とし、ナトリウム化合物量をNaO換算で0.5乃至10質量%とし、カリウム化合物量をKO換算で0.5乃至10質量%とする。これにより、溶接時のスラグ量及びスパッタ量が少なくなり、アークが安定する。また、このフラックスを、鋼製外皮中にワイヤ全質量あたり10乃至20質量%充填する。これにより、フラックスの偏析及び伸線時の断線等を防止することができる。更に、ワイヤに充填されているフラックス中のチタン酸化物の比表面積を0.4乃至2.0m/gにすることにより、ワイヤの吸湿量が低減する。
前記チタン酸化物の比表面積は、0.4乃至1.5m/gであることが好ましい。これにより、溶接作業性が大幅に向上する。
本発明によれば、鋼製外皮中に充填されるフラックスに含まれるチタン酸化物の比表面積を規定することにより、ワイヤの吸湿量を低減することができ、フラックス中のチタン及びチタン酸化物量、ナトリウム化合物量及びカリウム化合物量を規定することにより、溶接時のスラグ量及びスパッタ量を低減させ、アークを安定させることができるため、溶接作業性が向上すると共に、フラックス充填量を規定することにより、フラックスの偏析及び伸線時の断線等を防止することができるため、溶接金属性能が向上する。
以下、本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤについて、具体的に説明する。本発明のチタニヤ系フラックス入りワイヤは、Ti及びTi酸化物をTiO換算で10乃至60質量%含有し、アルカリ金属化合物であるNa化合物及びK化合物を、夫々NaO換算で0.5乃至10質量%、KO換算で0.5乃至10質量%含有するフラックスを、鋼製外皮中にワイヤ全質量あたり10乃至20質量%充填したものであり、前記フラックス中のTi酸化物の比表面積は0.4乃至2.0m/gである。
従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤの吸湿量が多い理由の1つとして、鋼製外皮中に充填されているフラックスの比表面積が大きいことが挙げられる。このため、フラックスの比表面積を低減することにより、ワイヤの吸湿量を低下させることができる。従来のチタニヤ系フラックスにおいては、スラグ造滓剤の含有量が極めて高く、例えば、フラックス全質量あたり25乃至60質量%含有している。その中でも特に、Ti酸化物の含有量が多く、例えば、フラックス全質量あたり20乃至50質量%含有している。従って、フラックスの比表面積を低減するためには、含有量が多いTi酸化物の比表面積を低減することが有効である。
通常、フラックス入りワイヤは、フラックスが充填された後、伸線工程を経て製品径になる。その際、ワイヤは穴ダイス及びローラーダイス等により縮径加工が施されるため、外皮中に充填されているフラックスも粉化して粒径が小さくなる。これにより、最終製品径になったワイヤに充填されているフラックスの比表面積は、充填時の比表面積よりも増加する。従って、フラックス入りワイヤの吸湿性を低下させるためは、最終製品径になったワイヤに充填されているフラックスの比表面積を小さくすることが重要である。但し、単にワイヤに充填するフラックスの比表面積を小さくしただけでは、ワイヤの伸縮性が劣化するため、本発明においては、充填するフラックスの比表面積の下限及び上限を定め、その比表面積を最適化している。
本発明者等は、先ず、比表面積が異なるフラックスを充填したワイヤを試作して、フラックスの比表面積とワイヤの吸湿性との関係について調べた。その結果、伸線後のワイヤにおけるフラックスの比表面積が0.4乃至2.0m/gであるときは、ワイヤの吸湿性が良好であること見出した。しかしながら、更に吸湿量を低減するためには、フラックスの比表面積をより小さくしなければならないが、種々の成分を含むフラックスの比表面積をこれ小さくすることは事実上困難である。そこで、本発明者等は、フラックスの大部分を占めるスラグ造滓剤に着目し、スラグ造滓剤の比表面積を最適化することにより、ワイヤの吸湿量の低減を図った。その結果、造滓剤の中でも特に、Ti酸化物の比表面積を小さくすると、ワイヤの吸湿量を低減する効果が大きいことを見出した。また、本発明者等は、特定の焼成条件、即ち、特定の焼成温度及び焼成時間で焼成を行ったTi酸化物を使用すると、伸線後のフラックスの比表面積が、好ましい範囲である0.4乃至2.0cm/gになることも見出した。
次に、Ti酸化物の比表面積を低減する焼成条件について説明する。前述の特許文献1には、フラックスを1000℃以上で焼成することにより、フラックスに含まれるルチール型TiOとアナターゼ型TiOとの比率を調整して、ワイヤの吸湿性量を低減する方法が開示されている。従来、フラックスの焼成温度は高ければ高い程その比表面積が減少すると考えられていたが、特許文献1に記載されているような範囲で焼成を行うと、ワイヤに充填する前のフラックスの比表面積は小さくなるが、このフラックスを外皮中に充填して最終製品径になるまでワイヤを伸線すると、フラックスの比表面積は増加する。これは、焼成温度が高くなるに従いTiOが粉化しやすくなり、伸線工程において粉化したTiOによりフラックスの比表面積が増加するためである。そこで、本発明者等は、Ti酸化物の焼成条件について検討を行ったところ、800乃至1200℃の温度範囲で、30分以上焼成すると、Ti酸化物の比表面積が減少し、伸線後のワイヤにおけるフラックスの比表面積が好ましい範囲になることを見出した。従って、この条件で焼成したTi酸化物を含むフラックスを使用することにより、ワイヤの吸湿量を従来品よりも低減することができる。なお、Ti酸化物の焼成条件は、800乃至1000℃の温度範囲で、30分以上とすることがより好ましい。これにより、著しく耐吸湿性を改善することができ、低温割れ感受性を低減することができる。
前述したように、ワイヤに充填されているフラックスの比表面積が0.4乃至2.0m/gの範囲内である場合、従来のチタニア系フラックス入りワイヤよりも吸湿量が少なくなるが、本発明者等は、フラックス中に含まれるTi酸化物の比表面積を1.5m/g以下にすることにより、ワイヤの吸湿量が更に低下することを見出した。なお、フラックス中に含有されるTi酸化物の比表面積が0.4m/g未満の場合、溶滴移行に悪影響を与える。よって、溶接作業性の観点から、フラックス中に含有されるTi酸化物の比表面積は、0.4m/g以上にすることが好ましい。
なお、ワイヤに充填されているフラックスの比表面積を小さくするためには、フラックス中のTi酸化物の含有量も関係している。チタニヤ系フラックス入りワイヤは、一般に、Ti酸化物の含有量が多いため、このTi酸化物の比表面積がフラックス全体の比表面積を決定するが、Ti酸化物の含有量が少ないフラックスの場合、Ti酸化物の比表面積を小さくしても、フラックス全体の比表面積を小さくする効果は低い。また、従来からワイヤの吸湿性には、アルカリ金属化合物も影響することが知られており、具体的には、アルカリ金属の含有量が多いフラックスを充填すると、ワイヤの吸湿量が増加する。そこで、本発明においては、ワイヤの吸湿量を低減するために、フラックス中のTi酸化物の比表面積及びTi酸化物の含有量だけでなく、Na化合物及びK化合物等のアルカリ金属化合物の含有量についても規定する。
以下、本発明のチタニヤ系フラックス入りワイヤにおける数値限定理由について説明する。
Ti酸化物の比表面積:0.4乃至2.0m /g
フラックス中のTi酸化物の比表面積を2.0m/g以下にすることにより、ワイヤの吸湿量を従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤより低減することができる。Ti酸化物の比表面積が2.0m/gを超えると、ワイヤの吸湿量が従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤと同等以上になる。また、Ti酸化物の比表面積が0.4m/g未満では、溶滴移行が劣化する。よって、本発明においては、Ti酸化物の比表面積を0.4乃至2.0m/gにする。なお、Ti酸化物の比表面積は1.5m/g以下にすることが好ましい。これにより、ワイヤの吸湿性を大幅に改善することができる。
フラックスに含まれるTi酸化物の比表面積は、焼成条件により調整することができる。従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤで使用されてきたルチール型等のTi酸化物は、比表面積が2.0m/gより大きいが、このTi酸化物を、例えば、800乃至1200℃の温度範囲で30分以上焼成することにより、Ti酸化物の比表面積を効率的に小さくすることができる。但し、Ti酸化物の焼成温度が1200℃を超えると、ワイヤの伸線時にフラックスが粉化して比表面積が増加するため、ワイヤの吸湿量が増加する。一方、焼成温度が800℃未満の場合、Ti酸化物の表面積が前述の範囲にならない。なお、Ti酸化物の比表面積は、BET(Brunauer-Emmett-Teller)法により測定することができる。
Ti及びTi酸化物含有量:フラックス全質量あたりTiO 換算で10乃至60質量%
フラックス全質量あたりのTi及びTi酸化物の含有量がTiO換算で10質量%未満であると、スラグ剥離性が劣化する。一方、フラックス全質量あたりのTi及びTi酸化物の含有量がTiO換算で60質量%を超えると、スラグ量が多くなりすぎてスラグ巻き込みが発生しやすくなるため、溶接作業性上好ましくない。よって、本発明においては、Ti及びTi酸化物含有量をTiO換算で10乃至60質量%とする。なお、より好ましくは、Ti及びTi酸化物含有量が、フラックス全質量あたりTiO換算で20乃至50質量%である。これにより、溶接欠陥を防ぎ、また、スラグ剥製性が良好になる。なお、本発明のチタニヤ系フラックス入りワイヤにおけるTi酸化物としては、ルチール型及びルコキシン型等の酸化チタンが使用され、金属チタンとしてはFeTi合金等が使用される。そして、前述のTi及びTi酸化物含有量は、これらのTi及びTi酸化物に含まれるTiをTiOに換算して合計した値である。
Na化合物含有量:フラックス全質量あたりNa O換算で0.5乃至10質量%
フラックス全質量あたりのNa化合物量がNaO換算で0.5質量%未満になると、スパッタが多くなり、フラックス全質量あたりのNa化合物量がNaO換算で10質量%を超えると、アークが不安定になり、更に吸湿量が増加する。よって、本発明においては、フラックス中のNa化合物含有量をNaO換算で0.5乃至10質量%とする。なお、本発明のチタニヤ系フラックスワイヤにおけるNa化合物としては、ソーダ長石等が使用される。
K化合物含有量:フラックス全質量あたりK O換算で0.5乃至10質量%
フラックス全質量あたりのK化合物量がKO換算で0.5質量%未満になると、スパッタが多くなり、フラックス全質量あたりのK化合物量がKO換算で10質量%を超えると、アークが不安定になり、更に、吸湿量が増加する。よって、本発明においては、フラックス中のK化合物含有量をKO換算で0.5乃至10質量%とする。なお、本発明のチタニヤ系フラックスワイヤにおけるK化合物としては、カリガラス等が使用される。
フラックス充填量:ワイヤ全質量あたり10乃至20質量%
ワイヤ全質量あたりのフラックス充填量が10質量%未満では、フラックスの偏析が生じやすく、ワイヤの長手方向におけるワイヤ成分が安定しないため、溶接金属性能が低下する。また、ワイヤ全質量あたりのフラックス充填量が20質量%を超えると、鋼製外皮に対するフラックス量が過剰になるため、伸線加工時にフラックスこぼれ及び断線が発生する。よって、本発明におけるフラックス充填量は、ワイヤ全質量あたり10乃至20質量%とする。
なお、前述のTi及びTi酸化物含有量、Na化合物含有量及びK化合物含有量は、ワイヤを溶化し、吸光光度法等の化学分析により分析したTi量、Na量及びK量から求めた値である。また、ワイヤ中のC含有量が0.035質量%未満の場合、ワイヤの強度が著しく低下し、ワイヤ中のC量が0.050質量%を超えるとスパッタ発生量及びヒューム発生量が増加する。よって、ワイヤ中に含まれるC量は0.035乃至0.050質量%であることが好ましい。
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
本発明の実施例1として、下記表1に示す組成の軟鋼系金属製の外皮中に、下記表2に示す組成のフラックスを、ワイヤ全質量あたり15.0質量%になるように充填して、直径が1.2mmのチタニア系フラックス入りワイヤを作製した。下記表1における残部はFe及び不可避的不純物であり、下記表2における残部は、SiO、MgO、Al、Fe−Mn、Fe−Si、鉄粉及びフッ素化合物等である。また、ワイヤ全体の含まれるC量は0.035乃至0.050質量%とした。なお、下記表2に示すNo.1は、従来のチタニア系フラックス入りワイヤで採用されているフラックスの組成である。
Figure 2005088039
Figure 2005088039
次に、上記表2に示す組成のフラックスを充填したNo.1乃至19のワイヤの吸湿性及び溶接作業性について評価を行った。吸湿試験は、各ワイヤを温度が30℃、相対湿度が80%の環境下に168時間保持することにより吸湿させて、その吸湿量をカールフィッシャー法により測定した。その際、抽出ガスにはアルゴンを使用した。測定の結果、吸湿量が1200ppm未満のものを○、1200ppm以上で1500ppm未満のものを△、1500ppm以上のものを×とした。また、溶接作業性は、溶接電流が280A、アーク電圧が30Vの条件でアーク溶接を行い、その際の作業性がNo.1の従来のチタニア系スラックス入りワイヤ以上のものを○、No.1のワイヤと同等のものを△、No.1のワイヤより劣るものを×とした。以上の結果を下記表3に示す。
Figure 2005088039
上記表3に示すように、本発明の比較例であるNo.2、No.3、No.5及びNo.17乃至19のワイヤは、吸湿性及び溶接作業性共に、従来品であるNo.1のワイヤと同等又は従来品より劣っていた。特に、No.2及びNo.5のワイヤは溶接時のスパッタ量が多く、No.3のワイヤはアークが不安定であり、No.17のワイヤはスラグ剥離性が低下していた。また、本発明の比較例であるNo.4のワイヤは、溶接作業性には優れていたが、吸湿性が従来品より劣っていた。更に、本発明の比較例であるNo.7、No.9、No.11乃至13のワイヤは、吸湿性は従来品より優れていたが、溶接作業性に問題があり、No.7及びNo.13のワイヤはスパッタ量が多く、No.9及びNo.11のワイヤはアークが不安定であり、No.12のワイヤはスラグ量が多かった。一方、本発明の実施例であるNo.6、No.8、No.10及びNo.14乃至16のワイヤは、溶接作業性は従来品と同等以上であり、吸湿性は従来品より優れていた。
次に、本発明の実施例2として、上記表1に示す組成の軟鋼系金属製の外皮中に、下記表4に示す組成のフラックスをワイヤ全質量あたり15.0質量%充填して、直径が1.2mmのチタニア系フラックス入りワイヤを作製した。下記表4における残部は、SiO、MgO、Al、Fe−Mn、Fe−Si、鉄粉及びフッ素化合物等である。また、下記表4におけるフラックスの比表面積は、伸線後のワイヤからフラックスを採取し、BET法により測定した。更に、ワイヤ全体の含まれるC量は、前述の実施例1と同様に、0.035乃至0.050質量%とした。なお、下記表4に示すNo.20は、従来のチタニア系フラックス入りワイヤで採用されているフラックスの組成である。
Figure 2005088039
次に、上記表4に示す組成のフラックスを充填したNo.20乃至25のワイヤの吸湿性及び溶接作業性について、前述の実施例1と同様の方法で評価を行った。その結果を下記表5に示す。
Figure 2005088039
上記表5に示すように、本発明の実施例であるNo.21乃至25のワイヤは、吸湿性及び溶接作業性共に、従来品であるNo.20のワイヤよりも優れていた。但し、No.25のワイヤはフラックスの比表面積が0.4m/g未満であったため、溶滴移行がやや不安定であった。

Claims (2)

  1. 鋼製外皮中にフラックスが充填されているアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤにおいて、チタン及びチタン酸化物をTiO換算で10乃至60質量%含有し、ナトリウム化合物をNaO換算で0.5乃至10質量%含有し、カリウム化合物をKO換算で0.5乃至10質量%含有するフラックスが、ワイヤ全質量あたり10乃至20質量%充填され、前記チタン酸化物の比表面積が0.4乃至2.0m/gであることを特徴とするチタニヤ系フラックス入りワイヤ。
  2. 前記チタン酸化物の比表面積が0.4乃至1.5m/gであることを特徴とする請求項1に記載のチタニヤ系フラックス入りワイヤ。
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