JP2007152410A - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】水平すみ肉溶接施工等に関し、高速溶接性と耐気孔性が優れているとともに、スラグ被包性及びスラグ剥離性が向上した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。
【解決手段】ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤのフラックスは、ワイヤ全質量あたりの成分比率で、金属としてのＺｒ源をＺｒ換算で０．１０乃至０．３０質量％、ＺｒＯ_２を０．３０乃至１．０質量％、ＴｉＯ_２を１．０乃至５．０質量％、ＳｉＯ_２を０．３０乃至１．０質量％、金属Ａｌ源をＡｌ換算で０．１０乃至０．３０質量％とし、アルカリ金属源としてのＮａ及び／又はＫが、Ｎａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏ換算総量で０．０４乃至０．１０質量％であって、Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ比の値が１．０乃至３．０である。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属外皮成分が軟鋼であるガスシールド溶接用のフラックス入りワイヤに関し、特に、自動又は半自動のアーク溶接に使用さ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する。

一般に、造船及び鉄骨橋梁の分野においては、溶接構造物の高能率な溶接施工を可能にするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが多用されている。特に、高能率を重視する場合には、２電極１プール法等による高速溶接施工法が広く採用され、特許文献１乃至４に記載の溶接用ワイヤ等が使用されている。これらの従来のフラックス入りワイヤは、高速溶接時の耐気孔性向上を目的としたスラグ成分系で設計されており、またビードの馴染み等の形状面でも優れている。

特開平１１−５１９３号公報 特開２０００−４２７８７号公報 特開平１０−３１４９８５号公報 特公平６−６９６３３号公報 特開２０００−７１０９６号公報

しかしながら、造船及び鉄骨橋梁の半自動・自動による水平すみ肉溶接施工の場面においては、溶接スラグが溶接ビード全面を均一に被ること（スラグ被包性）が、耐気孔性と同様に重要な評価ポイントである。なぜなら、スラグがビード表面を不均一に被った場合、スラグの薄い部分は剥離性が悪く、スラグ剥離工程を困難にするからである。更に、スラグ剥離が悪い部分ではスラグが固着し、まだら模様となってビード外観を損ねる結果になるためである。

従来の２電極１プール法用のフラックス入りワイヤでは、特に母材（被溶接材）が軟鋼低Ｓｉ・低Ｍｎ材を溶接するような場合、高張力鋼を溶接する場合に比べてスラグ中のＭｎＯ、ＳｉＯ_２濃度の低下により、スラグ粘性が低下し、更にスラグ量が減少する。このために、ビードに対するスラグの被包状態は極めて不均一になるばかりか、スラグの厚さが薄い部分においてスラグがビードに焼きつく現象が生じ、極めてビード外観を悪化させる。更に、ビード形状が凸型となる。また、表面に酸化被膜を有する鋼板を溶接する場合も、スラグ中にＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏが多く含まれるために、スラグ粘性が低下するために同様の結果となる。特に溶接速度１５０ｃｍ／ｍｉｎを超えると劣化する。

更に、スラグの焼き付きによりスラグ剥離性が劣化した場合、健全な溶接部を得るためのスラグ除去作業は余計な人力を要し、著しい手間とコスト増加の原因ともなる。

しかしながら、特許文献１乃至４に記載された従来ワイヤでは、この高速溶接性と耐気孔性には優れているものの、溶接スラグの被包性の点では必ずしも満足の得られるものではなかった。

例えば、特許文献１、特許文献２又は特許文献４に記載された溶接ワイヤにおいては、プライマー鋼板のシングル溶接（溶接速度約１００ｃｍ／分）での耐気孔性及び作業性を向上させることを目的としているが、ツインタンデム高速溶接（溶接速度＝１５０〜１８０ｃｍ／分）に適用した場合であって、母材成分が低Ｓｉ及び低Ｍｎ側に振れたような場合には、スラグ発生量が減少するため、溶接ビード表面のスラグ包被性が劣る結果となり、ビード形状及びビード外観が好ましくない溶接ビードとなってしまうという問題点がある。更に、鋼板がプライマー鋼板ではなく、黒皮鋼板となった場合においても、これらの従来技術では、耐気孔性が劣るという問題点を有していた。

また、特許文献３に記載された溶接ワイヤにおいては、横向き溶接時のビード垂れを防止すべく、溶接金属の粘性を向上させることを目的としているので、プライマー鋼板又は黒皮鋼板でのツインタンデム高速溶接（溶接速度＝１５０〜１８０ｃｍ／分）にそのまま適用したとしても、粘性が高く高速性に劣るばかりか、耐気孔性も大きく劣ってしまう結になる。

また、特許文献５に記載された溶接ワイヤは、プライマー鋼板のツインタンデムでの作業性を改善した発明であって、特にヒューム量及びスパッタ量を減少させることを目的としているが、黒皮鋼板への適用した場合、又は、ツインタンデム高速溶接（溶接速度＝１５０〜１８０ｃｍ／分）に適用した場合には、耐気孔性及び高速溶接性が劣ってしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、水平すみ肉溶接施工等に関し、表面が無機ジンクプライマー塗装され、又は黒皮で覆われた軟鋼低Ｓｉ、低Ｍｎ材及び高張力鋼を溶接する場合において、高速溶接性と耐気孔性が優れていると共に、スラグ被包性及びスラグ剥離性が向上した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。

本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、軟鋼製外皮内にフラックスが充填された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、前記フラックスは、ワイヤ全質量あたりの成分比率で、金属としてのＺｒ源をＺｒ換算で０．１０乃至０．３０質量％、ＺｒＯ_２を０．３０乃至１．０質量％、ＴｉＯ_２を１．０乃至５．０質量％、ＳｉＯ_２を０．３０乃至１．０質量％、金属Ａｌ源をＡｌ換算で０．１０乃至０．３０質量％とし、アルカリ金属源としてのＮａ及び／又はＫが、Ｎａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏ換算総量で０．０４乃至０．１０質量％であって、Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ比の値が１．０乃至３．０であることを特徴とする。

上述の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においては、金属としてのＺｒ源は、例えば、金属ジルコニウム、フェロジルコニウム（Ｆｅ−Ｚｒ）、及びフェロシリジルコニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｚｒ）からなる群から選択された少なくとも１種である。

また、金属としてのＡｌ源は、例えば、金属アルミニウム、及びフェロアルミニウム（Ｆｅ−Ａｌ）からなる群から選択された少なくとも１種である。

更に、金属としてのＺｒ源がＺｒ換算で０．１５乃至０．２５質量％、ＺｒＯ_２が０．３５乃至０．５５質量％であって、Ｚｒ／ＺｒＯ_２が０．２０乃至０．３５質量％であることが好ましい。

本発明は、プライマー鋼板又は黒皮鋼板でのツインタンデム高速溶接（溶接速度＝１５０〜１８０ｃｍ／分）において、良好なスラグ包被性を維持するフラックス組成として、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ、ＳｉＯ_２の３成分の配合バランスをとることが必要不可欠であるとの知見に基づいて完成されたものである。また、それに加えて、本発明は、プライマー鋼板又は黒皮鋼板という母材の表面状態及び成分の条件下で、良好な耐気孔性を実現するために、金属としてのＡｌ源とＺｒ源とを加えたことに特徴がある。特に、これらの成分を、フラックス中の酸化物としてのＡｌ_２Ｏ_３及びＺｒＯ_２の添加でなく、金属成分として添加したことに意味がある。即ち、アーク下の溶接金属内で、鋼板表面状態及び鋼板成分の変動からくる酸化物成分の変動に対して、金属成分として添加しておいた方が、配合の自由度が大きく、適切なスラグ量を自動生成することになって、プライマー鋼板でも黒皮鋼板でも、良好なスラグ包被性と耐気孔性とを両立できることを、本発明者等が見出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

本発明によれば、上述の組成により、水平すみ肉溶接において、スラグ被包性とスラグ剥離性とを向上させルことができるとともに、従来からの利点である耐気孔性とビード外観形状も優れたガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して、具体的に説明する。先ず、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フラックス組成及びその成分限定理由について説明する。なお、下記フラックス組成は、ワイヤ全体の質量に対する重量割合（質量％）である。

「Ｚｒ源：０．１０乃至０．３０質量％（Ｚｒ換算値）」
Ｚｒ源は脱酸剤であり、溶融金属中の酸素量を低減させ、溶融金属の粘性を高めることにより溶融金属の垂れを抑制し、かつスラグの粘性を最適化し、スラグの包被性向上させるために添加される。このＺｒ源がＺｒ換算値で０．３０質量％を超えると、溶接金属中に歩留るＭｎ及びＳｉ量が高くなり、強度が高くなり過ぎる。また、Ｚｒ源が０．１０質量％未満であると、脱酸の効果が低い。より好ましくは、Ｚｒ源は、０．１５乃至０．２５質量％である。この金属Ｚｒ源が、０．１５乃至０．２５質量％の範囲にあれば、母材鋼板の脱酸成分が変動した場合であっても、溶融池内で、溶融金属酸素量を適正な範囲に保持するので、母材成分及び母材の黒皮の有無等の影響を受けにくく、良好なスラグ被包性と耐気孔性とを維持することができる。

「ＺｒＯ_２：０．３０乃至１．００質量％」
ＺｒＯ_２はスラグ形成剤であり、溶融スラグの凝固温度及び粘性を調整し、ビード形状を向上させるために添加される。ＺｒＯ_２が１．００質量％を超えると、スラグの融点が上昇し、スラグの粘性が上昇することにより、スラグ被包性及び耐気孔性が劣化する。ＺｒＯ_２が０．３０質量％未満であると、溶融スラグの凝固が遅くなり、スラグ被包性及びビード形状が劣化する。より好ましくは、ＺｒＯ_２は０．３５乃至０．５５質量％である。ＺｒＯ_２が０．３５乃至０．５５質量％の範囲にあれば、適度のスラグ粘性を保持でき、このため、１５０ｃｐｍを超える高速溶接時においても、良好なスラグ被包性と耐気孔性とを維持することができる。

「ＴｉＯ_２：１．００乃至５．００質量％」
ＴｉＯ_２はスラグ形成剤であり、アークの安定性を向上させると共に、ビード表面を均一に被包し、ビード外観を向上させるために添加される。ＴｉＯ_２が５．００質量％を超えると、スラグの生成量が多くなり過ぎ、溶融スラグの粘性が高くなることにより、耐気孔性が劣化する。また、ＴｉＯ_２が１．００質量％未満であると、スラグ生成量が不足することにより、スラグ被包性及びスラグ剥離性が劣化する。

「ＳｉＯ_２：０．３０乃至１．００質量％」
ＳｉＯ_２はスラグ形成剤であり、スラグ剥離性と溶接ビードの外観的光沢を向上させるために添加される。ＳｉＯ_２が１．００質量％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり過ぎ、耐気孔性が劣化する。一方、ＳｉＯ_２が０．３０質量％未満であると、スラグの粘性が不足し、スラグの被包性が劣化するとともに、ビード形状が劣化する。

「金属Ａｌ源：０．１０乃至０．３０質量％（Ａｌ換算値）」
金属Ａｌ源は脱酸剤として作用し、溶着金属中の酸素量を低減すると共に、靭性を確保し、アークの広がり及び溶融金属の流動性を調整するために添加される。金属Ａｌ源が０．３０質量％を超えると、溶融スラグの凝固速度が速くなり過ぎ、凝固むらが発生し、ビード形状及び耐気孔性が劣化する。一方、金属Ａｌ源が０．１０質量％未満であると、脱酸不足により溶接金属の粘性が低下し、耐気孔性が劣化する。

「アルカリ金属塩としてのＮａ及び／又はＫ：０．０４乃至０．１０質量％（Ｎａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏ換算値の総量）」
Ｎａ及び／又はＫは、アークを安定化する効果があり、かつスラグの粘性を下げ、気孔の浮上を容易にして、外部への逃散を促進するために添加される。Ｎａ及び／又はＫが、Ｎａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏ換算値の総量で０．１０質量％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり過ぎ、ビード形状が劣化するとともに、逆に０．０４質量％未満であると、アーク安定性に効果がなく、ビード形状が不良となる。

「Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ：１．００乃至３．００」
Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ比が３．００を超えると、アークが強くなりすぎ、スパッタが増加し、また、ビード形状が不良となる。また、Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏが１．００未満であると、アークが弱くなり、ビード形状が不良となる。

「Ｚｒ／ＺｒＯ_２：０．２０乃至０．３５」
金属Ｚｒ源とＺｒＯ_２との比Ｚｒ／ＺｒＯ_２は０．２０乃至０．３５であることが好ましい。Ｚｒ／ＺｒＯ_２比が０．２０乃至０．３５の範囲にあれば、母材成分変動及び母材表面の黒皮又はプライマー塗装の有無等の影響を受けることが殆どなく、最も良好なスラグ被包性と耐気孔性とを両立することができる。

次に、本発明の効果を実証するための実施例及び比較例について説明する。下記表１は使用したワイヤの外皮（軟鋼）組成（質量％）を示す。表２は、この外皮内に充填されるフラックス組成を示す。下記表３は溶接施工条件を示す。そして、溶接結果を下記表４に示す。

なお、表４の評価項目のうち、「スラグ被包性」は、ビードのスラグ非包皮部分の箇所数で評価した。この非包皮部分が０箇所の場合は◎、１箇所の場合は○、２〜３箇所の場合は△、４箇所以上の場合は×とした。また、「スラグ剥離性」は、スラグをハンマーで一回軽くたたいて、たたかれた周辺のスラグが完全剥離した場合は◎、２〜３回たたいて剥離した場合は○、４〜６回たたいて剥離した場合は△、７回以上たたいて剥離した場合は×とした。「耐気孔性」は、溶接長６００ｍｍに対するピット数で評価した。ピット数が０個の場合は◎、１個の場合は○、２個の場合は△、３個以上の場合は×とした。「ビード外観形状」は、ビード外観についてはビード止端部のなじみ及びならいを評価判断材料とし、ビード形状についてはマクロ断面観察を行ってビード形状が凸か否かを判断基準とし、これらのビード外観及びビード形状を綜合的に評価した。ビード止端部のなじみが良好で、ならいが乱れず、ビード形状が凸型でない場合は◎、これらの各項目が悪化するに従い○、△、×とした。

この表２及び表４に示すように、本発明の実施例１乃至１０の場合は、スラグ被包性、スラグ剥離性、耐気孔性及びビード外観形状の全てが優れたものであった。これに対し、比較例１はＺｒが少ないため、比較例３、４はＺｒＯ_２が本発明の範囲から外れているため、比較例５はＴｉＯ_２が少ないため、比較例７はＳｉＯ_２が少ないため、比較例１１はＮａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが少ないために、スラグ被包性及びスラグ剥離性が悪かった。また、比較例２はＺｒが多すぎるため、比較例４はＺｒＯ_２が多すぎるため、比較例６はＴｉＯ_２が多すぎるため、比較例８はＳｉＯ_２が多すぎるため、比較例９，１０はＡｌが本発明の範囲から外れるため、比較例１２はＮａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏが多すぎるため、耐気孔性が悪かった。更に、比較例１３，１４は、Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏが本発明の範囲から外れるため、ビード形状が悪かった。

Claims (4)

1. 軟鋼製外皮内にフラックスが充填された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、前記フラックスは、ワイヤ全質量あたりの成分比率で、金属としてのＺｒ源をＺｒ換算で０．１０乃至０．３０質量％、ＺｒＯ_２を０．３０乃至１．０質量％、ＴｉＯ_２を１．０乃至５．０質量％、ＳｉＯ_２を０．３０乃至１．０質量％、金属Ａｌ源をＡｌ換算で０．１０乃至０．３０質量％とし、アルカリ金属源としてのＮａ及び／又はＫが、Ｎａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏ換算総量で０．０４乃至０．１０質量％であって、Ｋ_２Ｏ／Ｎａ_２Ｏ比の値が１．０乃至３．０であ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。
2. 金属としてのＺｒ源が、金属ジルコニウム、フェロジルコニウム（Ｆｅ−Ｚｒ）、及びフェロシリジルコニウム（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｚｒ）からなる群から選択された少なくとも１種であ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。
3. 金属としてのＡｌ源が、金属アルミニウム、及びフェロアルミニウム（Ｆｅ−Ａｌ）からなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１又は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。
4. 金属としてのＺｒ源がＺｒ換算で０．１５乃至０．２５質量％、ＺｒＯ_２が０．３５乃至０．５５質量％であって、Ｚｒ／ＺｒＯ_２が０．２０乃至０．３５質量％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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。