JP2008246523A - ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接した際に生成するスラグ中の水に可溶性の６価Ｃｒ量の低減を図ったステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填され、該外皮およびフラックスにＣｒを合計で１２〜３２質量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ａｌを０．００１〜０．２％、フラックスに、金属弗化物のＦ換算値で０．０１〜０．３％、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１〜０．３％含有し、前記のＣｒ、Ｆ換算値、Ｎａ換算値、Ｋ換算値が下記式のＤ値で７００以下であることを特徴とする。
Ｄ＝Ｃｒ／｛Ｆ×１００×（Ｎａ＋Ｋ）｝・・・（式）
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに係わり、溶接した際に生成するスラグ中の水に可溶性の６価Ｃｒ（以下、溶出Ｃｒという。）量の低減を図ったステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法に関するものである。

フラックス入りワイヤは、高能率で良好な溶接作業性が得られることから、被覆アーク溶接棒の需要から置換が進み、特にステンレス鋼の溶接の場合、最も使用量が多い溶接材料である。また、生成するスラグ量が被覆アーク溶接やサブマージアーク溶接に比べ大幅に少ないことから、産業廃棄物として処理されるスラグの低減につながり、造船、建築、車両、容器など多くの分野で使用されている。

しかし、溶接スラグ生成量が少ないながらもそのスラグには、有害とされる溶出Ｃｒが含有されている。産業廃棄物規制の一例として、東京都特別管理産業廃棄物の鉱さいでは、令第２条の４第５号ホにより、溶出Ｃｒ量は１．５ｍｇ／リットル以下とされており、溶出Ｃｒを非常に低い量に抑える必要がある。

この課題を解決する技術として例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、ＮａおよびＫ量を適正化することで、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減できるステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤが提案（例えば、特許文献１参照）されている。しかし、前記技術に記載の溶接スラグの溶出Ｃｒ量では環境問題に厳しい規制のかけられた産業廃棄物として適合できない場合があった。

特許第３７６５７７２号公報

本発明は、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを用いて溶接した場合に、生成する溶接スラグの溶出Ｃｒ量の低減を図ったステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するためにオーステナイト系ステンレス鋼外皮に充填するフラックスの金属およびスラグ剤成分について種々検討を行った。その結果、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減するためには、充填するフラックスに金属弗化物を添加することが有効であることが判明した。金属弗化物中のＦは、Ｃｒと反応して毒性のない３価Ｃｒの安定化を行い、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減することが明らかとなった。

一方、Ｆの多量添加は、溶接時にヒュームの発生量を多くするという課題が生じたので、更なる検討を加えた。その結果、Ｃｒの無害化を促進するＦに対し、一定量のＮａ化合物およびＫ化合物を添加することによって少量のＦ量で溶出Ｃｒ量の低減が可能になることを見出した。

前記の知見によって、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤのＣｒ量に対し、Ｆを適量含有させることで溶接スラグの溶出Ｃｒを低減でき、さらにＮａ化合物およびＫ化合物からＮａおよびＫを添加することで、少量のＦ添加で溶接スラグの溶出Ｃｒ量を大幅に低減できることが明らかとなった。更にＡｌは、溶接時に酸化されてＡｌ_２Ｏ_３としてスラグになるが生成したスラグの中のＡｌ_２Ｏ_３は酸化の安定度が高く、スラグの融点を高めると共にＣｒの酸化をより安定化させ、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減できることがわかった。

また製造方法から、溶接スラグの溶出Ｃｒ量低減の検討を行った結果、ワイヤの製造過程で、フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することにより、Ｃｒの過還元を行い、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を更に低減できることを見出した。

本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは次の通りである。
オーステナイト系ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填され、該外皮およびフラックスにＣｒを合計で１２〜３２質量％含有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、外皮およびフラックスの合計で、Ａｌを０．００１〜０．２％、フラックスに、金属弗化物のＦ換算値で０．０１〜０．３％、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１〜０．３％含有し、前記Ｃｒ、Ｆ換算値、Ｎａ換算値、Ｋ換算値が下記式のＤ値で７００以下であることを特徴とする。
Ｄ＝Ｃｒ／｛Ｆ×１００×（Ｎａ＋Ｋ）｝・・・・・・（式）
また、フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することも特徴とする。

本発明のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法によれば、溶接時に生成する溶接スラグ中の毒性のある溶出Ｃｒ量を低減することができ、溶接スラグの溶出Ｃｒ量による環境汚染を抑制できるという顕著な効果を奏するものである。

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼外皮および充填フラックスの各成分組成それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。

Ｃｒは、ステンレス鋼として最も重要な耐食性を得る目的で添加する。１２質量％（以下、％という。）未満の場合、本発明の狙いである生成した溶接スラグ１００ｇの水への溶出Ｃｒ量が０．１ｍｇ／リットル以下となるため課題とならない。一方、３２％を超えるとワイヤ製造の縮径時に断線して製造できない。従って、Ｃｒは１２〜３２％とする。

Ａｌは、溶接時に酸化されてＡｌ_２Ｏ_３となり溶接スラグ中のＣｒの酸化をより安定化させて溶出Ｃｒ量を低減する目的で外皮およびフラックスに合計で０．００１％以上添加する。Ａｌが０．２％を超えると、ヒュームの発生量が多くなる。従って、Ａｌは外皮およびフラックスに合計で０．００１〜０．２％とする。Ａｌは、外皮およびフラックスから添加するが、フラックスから添加する場合、金属Ａｌ粉、Ａｌ−Ｍｇ合金粉、Ｆｅ−Ａｌ合金粉などが使用できる。

フラックス中の金属弗化物のＦ換算値は、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減する目的で０．０１％以上添加する。金属弗化物のＦ換算値が０．０１％未満の場合においても、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計の調整により、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低くできるものの、０．１ｍｇ／リットル以下の極低溶出Ｃｒ量を実現するためには、金属弗化物のＦ換算値を０．０１％以上添加する必要がある。一方、０．３％を超えて添加すると、ヒューム発生量が多くなる。従って、金属弗化物のＦ換算値は０．０１〜０．３％とする。金属弗化物として、ＡｌＦ_３、ＣａＦ_２、ＮａＦ、ＬｉＦなどが使用できる。

Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計は、Ｆを活性化し、Ｆによる溶接スラグの溶出Ｃｒ量低減効果を活発にする目的で０．０１％以上添加する。０．０１％未満の場合においても、金属弗化物のＦ換算値の増加により、溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低くできるものの、０．１ｍｇ／リットル以下の極低溶出Ｃｒ量を実現するためには、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１％以上添加する必要がある。一方、０．３％を超えて添加すると、ヒュームの発生量が多くなる。従って、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計は０．０１〜０．３％とする。

また、Ｃｒ、Ｆ換算値、Ｎａ換算値、Ｋ換算値が下記式のＤ値で７００以下とする。
Ｄ＝Ｃｒ／｛Ｆ×１００×（Ｎａ＋Ｋ）｝・・・（式）
上記式は、ワイヤ中のＣｒ量に対するスラグの溶出Ｃｒ量を低減するための指標Ｄであり、Ｆ、ＮａおよびＫをワイヤのＣｒ量に応じて添加することによって、スラグ中の酸化Ｃｒを３価とし、スラグの溶出Ｃｒ（６価Ｃｒ）量を大幅に低減するに必要な成分間の関係を示している。

図１にＤ値と溶接スラグの溶出Ｃｒ量の関係を示す。図１から明らかなようにＤ値が低くなるにしたがい溶出Ｃｒ量を低減できる。Ｃｒ、Ｆ換算値、Ｎａ換算値、Ｋ換算値から算出されるＤ値は、フラックス入りワイヤのＣｒ量に対する溶接スラグの溶出Ｃｒ量を低減するための指標であり、Ｄ値を７００以下とすることによって溶接スラグの溶出Ｃｒ量を大幅に低減することができる。

金属弗化物のＦ換算値、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計が適正であっても、Ｄ値が７００を超えるとＦ、Ｎａ、Ｋの相乗効果による溶接スラグの溶出Ｃｒ量低減効果が不十分であり、溶接スラグの溶出Ｃｒ量が多くなる。従ってＤ値は７００以下とする。

本発明のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記成分の他、溶接対象ステンレス鋼板成分および溶接金属の機械的性能を満足するために、ワイヤおよびフラックスの合計でＣ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜０．９％、Ｍｎ：０．５〜４．０％、Ｎｉ：６〜２５％、Ｍｏ：５％以下、Ｎ：０．２％以下、Ｃｕ：３％以下を含む。また、フラックスにスラグ剤として、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｇＯなどを合計で３．０〜１０％程度使用することができる。

ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造工程で、フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することによって、ワイヤ中のＣｒを過剰に還元させ、溶接後に生成するスラグ中の酸化Ｃｒを安定した酸化Ｃｒとすることができる。Ａｒなどの不活性ガス雰囲気やアンモニア分解ガスなどの活性ガス雰囲気および大気雰囲気では、ワイヤ中のＣｒが不安定に酸化され、溶接スラグの溶出Ｃｒ量が多くなる。

図１にフラックス入りワイヤ素線（１．４ｍｍ径）を水素ガス雰囲気で焼鈍（焼鈍条件１０５０℃×１ｍｉｎ）した場合と焼鈍なしの溶接スラグの溶出Ｃｒ量の測定結果を示す。前記Ｄ値が高い場合においても水素ガス雰囲気で焼鈍することによって溶接スラグの溶出Ｃｒ量が低くなることがわかる。

フラックス入りワイヤ素線の焼鈍条件は、トンネル型の連続型焼鈍装置や固定炉装置など種々あるが、雰囲気が水素ガスであれば装置形態は問わない。焼鈍温度は８００〜１２００℃程度とし、保持時間はワイヤ径により異なるが、一例として２ｍｍ程度のワイヤ径であれば１分程度行い、その後水冷にて急冷する。長時間焼鈍や複数回の繰り返し焼鈍を行っても、溶着金属性能や溶接作業性には影響しない。

以上、本発明のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤおよびその製造方法の構成要件の限定理由を述べたが、フラックス入りワイヤの製造方法について更に言及すると、例えば外皮を帯鋼より管状に成形する場合には、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に充填した後丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線する。この際、成形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。また外皮がパイプの場合には、パイプを振動させてフラックスを充填し、伸線途中でワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍したのち所定のワイヤ径まで伸線する。

充填フラックスは、供給、充填が円滑に行えるように、固着剤（珪酸カリおよび珪酸ソーダの水溶液）を添加してボンドフラックス状にして用いることもできる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼外皮を用いて表２に示す組成のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを各種試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。なお、フラックス充填率は２０〜２３％とした。また、ワイヤ製造時の焼鈍はワイヤ素線径１．４ｍｍで水素ガス雰囲気により１０００℃×１ｍｉｎの条件で行った。

ヒューム発生量の測定は、ＳＭ４９０鋼の板厚２０ｍｍを用い、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に従い、１分間当りのヒューム発生量の測定を行い、７００ｍｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。

溶接スラグの溶出Ｃｒ量の測定は、ＳＭ４９０鋼の板厚２０ｍｍを用い、ビードオンプレート溶接を行い、生成したスラグを採取して分析に供した。また採取したスラグは、形および長さが一定ではないため、一旦、めのう乳鉢にて粉砕し、篩い分けした後、０．５〜５．０ｍｍの大きさに揃えてから試験に供した。スラグの溶出Ｃｒ量の分析方法は、産業廃棄物に含まれる金属等の検出方法（昭４８．２．１７環告１３号、以降改正アリ）に準拠した。具体的には、スラグ５０ｇに対して、混合水が合計５００ｃｃになるように蒸留水を混合した。この液を常温常圧で、振とう機により２００回／分で６時間振とうした。

この液をガラス繊維フィルタ（１μｍ）にてろ過し、溶出検液とした。溶出Ｃｒ量は、０．１ｍｇ／リットル以下を良好とした。

溶接条件は、溶接電流：１８０〜２５０Ａ、シールドガス：ＣＯ_２にて実施した。それらの結果を表２にまとめて示す。

表２中ワイヤＮｏ．１〜５が本発明例、ワイヤＮｏ．６〜１２は比較例である。本発明であるワイヤＮｏ．１〜５は、Ａｌ、金属弗化物のＦ換算値、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の合計量およびＤ値が適正であるので、ヒューム発生量が少なくスラグの溶出Ｃｒ量も少ないなど極めて満足な結果であった。

なお、フラックス入りワイヤ製造工程で水素ガス雰囲気での焼鈍をしなかったワイヤＮｏ．５は、ワイヤＮｏ．１〜４に比べて若干スラグの溶出Ｃｒ量が多くなった。

比較例中ワイヤＮｏ．６は、金属弗化物のＦ換算値が低いので、スラグの溶出Ｃｒ量が多かった。

ワイヤＮｏ．７は、金属弗化物のＦ換算値が高いので、ヒューム発生量が多かった。

ワイヤＮｏ．８は、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の合計量が低いので、スラグからの溶出Ｃｒ量が多かった。

ワイヤＮｏ．９は、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の合計量高いので、ヒューム発生量が多かった。

ワイヤＮｏ．１０は、Ｄ値が高いので、スラグの溶出Ｃｒ量が多かった。

ワイヤＮｏ．１１は、Ａｌが低いので、スラグの溶出Ｃｒ量が多かった。

ワイヤＮｏ．１２は、Ａｌが高いので、ヒューム発生量が多かった。

Ｄ値と溶接スラグの溶出Ｃｒ量の関係を示す図である。

Claims (2)

1. オーステナイト系ステンレス鋼外皮内にフラックスが充填され、該外皮およびフラックスにＣｒを合計で１２〜３２質量％含有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、外皮およびフラックスに合計で、Ａｌを０．００１〜０．２％、フラックスに、金属弗化物のＦ換算値で０．０１〜０．３％、Ｎａ化合物およびＫ化合物のＮａ換算値およびＫ換算値の１種または２種の合計で０．０１〜０．３％含有し、前記Ｃｒ、Ｆ換算値、Ｎａ換算値、Ｋ換算値が下記式のＤ値で７００以下であることを特徴とするステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
   Ｄ＝Ｃｒ／｛Ｆ×１００×（Ｎａ＋Ｋ）｝・・・（式）
2. ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造方法において、フラックス入りワイヤ素線を水素ガス雰囲気で焼鈍することを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの製造方法。

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