JP2010017733A

JP2010017733A - チタニヤ系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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Publication number: JP2010017733A
Application number: JP2008179040A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nagami; 正行永見
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: JP5283993B2; KR20100006546A; CN101623799B; CN101623799A

Abstract

【課題】立向上進高電流溶接においてもビードの垂れ落ちがなく、スパッタ発生量が少なく、更に機械的性質が優れた溶接金属を得ることができるチタニヤ系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】ワイヤ全質量あたり、ＴｉＯ_２：6.0〜12.0％、Ａｌ_２Ｏ_３：0.7〜1.0％、ＳｉＯ_２：0.6〜1.0％、ＺｒＯ_２：0.1〜0.3％、Ｍｎ：1.0〜3.0％、並びに金属又は合金としてＳｉ：0.3〜0.6％、Ａｌ：0.1〜0.3％、及びＭｇ：0.6〜0.9％を含有し、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和が8.0〜13.5％、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比が0.85〜0.95、Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比が2.0〜4.0、Ｎａ及びＫ含有量の和が0.15〜0.25％、Ｋ含有量に対するＮａ含有量の比が0.20〜0.40である。
【選択図】図１

Description

本発明は軟鋼、高張力鋼又は低合金鋼等の溶接に使用されるチタニヤ系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、特に高電流域における立向上進性能に優れ、溶接金属性能を向上させたチタニヤ系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。

溶接に用いられるフラックス入りワイヤは、ソリッドワイヤと比較してビード外観が美しく、発生スパッタ量が少なく、更に、溶着効率が高い等の特徴が評価され、その使用量が年々増加しており、特に造船分野における溶接においてフラックス入りワイヤの使用比率は最も高い。造船分野においてはその活況な需要に対応するために自動化及び高能率化に対する取り組みがなされてきており、その一例として下向溶接及び水平すみ肉溶接における多電極溶接による高能率化（特許文献１）、又は溶接ロボットによる自動化・省人化（特許文献２）が挙げられ、それらに適した溶接材料も数多く開発されてきた。しかし、立向上進溶接についてはその溶接姿勢上、溶接ロボット及び装置等を導入することによって自動化並びに省人化を図ることができる工程は限られている。更に、ロボット及び装置等を使用しない半自動溶接においても立向上進溶接は極めて高度な溶接技量が必要とされる溶接姿勢であるため、溶接の高能率化及び脱技能化が図り難いものであった。

立向上進溶接における溶接作業性を向上させるために、例えば特許文献３には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ及びＺｒＯ_２を必須成分として多量に含有し、溶接電流を高くして溶接を行っても溶融金属及びスラグの垂れ落ち及びビード形状の不良が発生しないガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。また、特許文献４には、全姿勢溶接における溶接作業性、スラグ剥離性及び溶接金属の衝撃性能を維持しつつ、立向上進溶接性を向上させたチタニヤ系アーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。

更に、特許文献５にはＴｉ酸化物、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｋ_２Ｏ、フッ化物、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ、Ｓｉ、及びＭｎを含有し、ワイヤ全質量あたりＳｉのＭｎに対する含有量比［Ｓｉ］／［Ｍｎ］が２．３乃至５．０であるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。また、特許文献５に記載のワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を行うと、発生アークの安定性が得られるため発生スパッタ量が少なく、更に、溶融スラグ及び溶融金属の垂れを抑制することができることが記載されている。

更にまた、特許文献６には、フラックス中に含まれるＴｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｎａ、Ｋ、フッ化物、及びＭｇ含有量、並びにフラックス及び外皮中に含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＡｌ含有量を特定することによって、立向上進溶接においてもメタル垂れが発生しにくく、他の溶接姿勢においても溶接作業性が良好なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。また、特許文献６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を使用すると、低温靱性が優れた溶接金属が得られるため、溶接の高能率化及び溶接部の品質が向上できることが記載されている。

特開平６−３１２２６７号公報特開平５−１６９２６３号公報特開平８−９９１９２号公報特開２００４−３４０７８号公報特開２００５−３０５５３１号公報特開２００５−３１９５０８号公報

しかしながら、前述の従来技術には以下のような問題点がある。

特許文献３及び４に記載のフラックス入りワイヤを使用して溶接を行うと、立向上進すみ肉溶接の高溶接電流域において、スラグ又は溶接金属の粘性不足によって溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくビード形状が不良となるため、造船分野等における作業者のワイヤ使用条件範囲が狭くなる。また、特許文献３及び４に記載のフラックス入りワイヤは、溶接時のスパッタの発生量が依然多いものである。

また、特許文献５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は、高融点スラグ生成剤であるＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３のスラグ生成剤全体における含有量の割合が小さく、スラグの流動性が増して溶融金属を保持できない場合がある。また、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量がワイヤ全質量あたり０．５質量％以下と少ないため、スラグの粘性不足によって溶接作業時にスラグの垂れ落ちが発生しやすくなる。

更に、特許文献６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はＭｇの含有量がワイヤ全質量あたり０．１乃至０．５質量％と少ないため、脱酸不足により粘性が低下し、溶接金属の垂れ落ちが発生しやすくなる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、立向上進溶接において高い溶接電流を使用しても溶融スラグ及び溶融金属の垂れ落ちがなく、スパッタ発生量が少ない溶接性が得られ、更に機械的性質が優れた溶接金属を得ることができるチタニヤ系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。

本発明に係るチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、金属外皮にフラックスを充填したチタニヤ系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、ワイヤ全質量あたり、ＴｉＯ_２：６．０乃至１２．０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．７乃至１．０質量％、ＳｉＯ_２：０．６乃至１．０質量％、ＺｒＯ_２：０．１乃至０．３質量％、を含有し、更に、金属又は合金としてＭｎ：１．０乃至３．０質量％（合金の場合はＭｎ換算値）、Ｓｉ：０．３乃至０．６質量％（合金の場合はＳｉ換算値）、Ａｌ：０．１乃至０．３質量％（合金の場合はＡｌ換算値）、及びＭｇ：０．６乃至０．９質量％（合金の場合はＭｇ換算値）を含有する。

そして、ＴｉＯ_２含有量を［ＴｉＯ_２］、Ａｌ_２Ｏ_３含有量を［Ａｌ_２Ｏ_３］、ＳｉＯ_２含有量を［ＳｉＯ_２］、ＺｒＯ_２含有量を［ＺｒＯ_２］、金属又は合金としてのＭｎ含有量（合金の場合はＭｎ換算値）を［Ｍｎ］、金属又は合金としてのＳｉ含有量（合金の場合はＳｉ換算値）を［Ｓｉ］、金属又は合金としてのＭｇ含有量（合金の場合はＭｇ換算値）を［Ｍｇ］、Ｎａ含有量（化合物又は合金の場合はＮａ換算値）を［Ｎａ］、Ｋ含有量（化合物又は合金の場合はＫ換算値）［Ｋ］とするとき、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］＋［ＳｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］が８．０乃至１３．５質量％、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比（［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］）／（［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］＋［ＳｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］）が０．８５乃至０．９５、Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比［Ｍｎ］×［Ｍｇ］／［Ｓｉ］が２．０乃至４．０、Ｎａ及びＫ含有量の和［Ｎａ］＋［Ｋ］が０．１５乃至０．２５質量％、Ｋ含有量に対するＮａ含有量の比［Ｎａ］／［Ｋ］が０．２０乃至０．４０である。

更に、上記チタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤはワイヤ全質量あたり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＶのうち、１種以上を総計で０．５質量％以下含有することができる。

本発明によれば、チタニヤ系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、高い溶接電流を使用した立向上進溶接においても、溶融部が耐ビード垂れ性及びスパッタ抑制性に優れているため、高い溶接作業性を得ることができる。更に、機械的性質が優れた溶接部を得ることができるチタニヤ系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。

本願発明者は、立向上進溶接姿勢においてビード形状不良の原因となる溶融金属の垂れ落ちを防止するためスラグの組成を変更し、更に、スラグの凝固点を高める手段を検討した。

溶融金属が垂れ落ちないように溶接域に保持するためには、スラグ生成剤であるＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２の添加量が多いほうが有利である。また、スラグの特性を高融点及び高粘性にするためには、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２の添加が有効である。本願発明者は、各スラグ形成剤の特性を調査し、特にＭｇＯがスラグの剥離性を劣化させ、また、ＺｒＯ_２がスパッタ発生量を増加させ、更にＳｉＯ_２がスラグの流動性を向上させる作用を有することを見出した。また、ＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３にはスラグの剥離性の劣化、スパッタ発生量の増加、及びスラグの粘性の上昇作用があることを見出した。そして、これらのスラグ生成剤の適正な含有量を調整することによって、特にＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量をＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２の合計含有量に対して特定することによって、高融点スラグを形成し、溶融金属の垂れ落ちを効果的に防止することができることを見出した。

また、本願発明者は溶融金属の適正な組成を検討し、溶接金属の強度及び靭性を低下させることなく溶融金属の粘性を上昇させ、溶融金属の溶接部からの垂れ落ちを防止する手段を見出した。即ち、脱酸剤として添加するＡｌ及びＳｉの添加量を特定することによって、Ａｌの添加による溶接金属の靭性の低下、並びにＳｉの添加によるスラグ凝固点降下、溶接金属の強度の増加、及び靭性の低下を防止しながら、強脱酸剤であるＭｎ及びＭｇをＳｉに対する添加比率によって適正化することによって溶融金属中の酸素量を低下させることができることを見出した。

更に、溶融プールの振動を抑制することが溶融金属の垂れ落ちを防止することに有効であり、アーク安定性を向上させるアルカリ金属であるＮａ並びにＫの含有量の総計（Ｎａ及びＫが化合物又は合金として存在する場合は夫々Ｎａ及びＫ換算値）及び比率を調整することが効果的であり、また、Ｎａ及びＫの含有量を調整することがスパッタ発生量の低減にも効果的であることを見出した。

以下、本発明の数値限定の理由について説明する。

「ＴｉＯ_２含有量［ＴｉＯ_２］：６．０乃至１２．０質量％」
ＴｉＯ_２はスラグ形成剤及びアーク安定剤として作用する。ＴｉＯ_２の含有量が６．０質量％未満であると、溶接金属を支えるだけのスラグ発生量を確保できず、溶融金属が垂れ落ちやすくなる。一方、ＴｉＯ_２の含有量が１２．０質量％を超えると、スラグ生成量が過剰となってスラグが溶接部から垂れ落ちやすくなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生しやすくなる。従って、ＴｉＯ_２の含有量は６．０乃至１２．０質量％である。

「Ａｌ_２Ｏ_３含有量［Ａｌ_２Ｏ_３］：０．７乃至１．０質量％」
Ａｌ_２Ｏ_３にはスラグの凝固点を上昇させ、スラグの粘性を上昇させる作用がある。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が０．７質量％未満であると、スラグの凝固点を上昇させる効果が得られず、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１．０質量％を超えるとスパッタの発生量が増加する。従って、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０．７乃至１．０質量％である。

「ＳｉＯ_２含有量［ＳｉＯ_２］：０．６乃至１．０質量％」
ＳｉＯ_２はスラグ形成材及びアーク安定剤として作用する。ＳｉＯ_２の含有量が０．６質量％未満であるとアークが不安定になってスパッタの発生量が増加する。一方、ＳｉＯ_２の含有量が１．０質量％を超えると、スラグの凝固点が降下し、溶融金属が溶接部から垂れ落ちやすくなる。従って、ＳｉＯ_２の含有量は０．６乃至１．０質量％である。

「ＺｒＯ_２含有量［ＺｒＯ_２］：０．１乃至０．３質量％」
ＺｒＯ_２はスラグの凝固点を上昇させ、スラグの流動性を増加させる作用がある。ＺｒＯ_２の含有量が０．１質量％未満であるとスラグの凝固が遅くなり、ＺｒＯ_２の含有量が０．３質量％を超えるとスパッタの発生が増加すると共にスラグの粘性が低下する。従って、ＺｒＯ_２の含有量は０．１乃至０．３質量％である。

「金属又は合金としてのＭｎ含有量（合金の場合はＭｎ換算値）［Ｍｎ］：１．０乃至３．０質量％」
Ｍｎは金属又はＦｅ−Ｍｎ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の鉄合金等によって添加される。Ｍｎは脱酸剤として作用し、溶接金属における引張強度及び靭性を高める作用がある。Ｍｎの含有量が１．０質量％未満であると脱酸不足によって粘性が低下し、溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなる。また、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が発生して、強度及び靭性が低下しやすくなる。Ｍｎの含有量が３．０質量％を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎる。従って、金属又は合金としてのＭｎの含有量は１．０乃至３．０質量％である。

「金属又は合金としてのＳｉ含有量（合金の場合はＳｉ換算値）［Ｓｉ］：０．３乃至０．６質量％」
Ｓｉは金属又はＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ及びＣａ−Ｓｉ等の合金によって添加される。Ｓｉは脱酸剤として作用し、溶接金属における引張強度を向上させる作用を有する。Ｓｉの含有量が０．３質量％未満であると、脱酸不足によって粘性が低下し、溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなる。また、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が発生しやすくなる。Ｓｉの含有量が０．６質量％を超えると、溶接金属の引張強度が高くなり、靭性が低下する。従って、金属又は合金としてのＳｉの含有量は０．３乃至０．６質量％である。

「金属又は合金としてのＡｌ含有量（合金の場合はＡｌ換算値）：０．１乃至０．３質量％」
Ａｌは金属又はＦｅ−Ａｌ等の合金によって添加される。Ａｌは脱酸剤及びスラグ形成剤として作用する。Ａｌの含有量が０．１質量％未満であると、脱酸剤及びスラグ形成剤不足によって溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなる。一方、Ａｌの含有量が０．３質量％を超えると、溶融金属が過度に溶接部に析出するため溶接金属の靭性が低下する。従って、金属又は合金としてのＡｌの含有量は０．１乃至０．３質量％である。

「金属又は合金としてのＭｇ含有量（合金の場合はＭｇ換算値）［Ｍｇ］：０．６乃至０．９質量％」
Ｍｇは金属又はＡｌ−Ｍｇ及びＮｉ−Ｍｇ等の合金によって添加される。Ｍｇは強脱酸剤として作用し、Ｍｇの含有量が０．６質量％未満であると、脱酸不足によって溶接金属の粘性が低下して溶融金属が溶接部から垂れ落ちやすくなると共に、溶接金属の靭性が低下する。一方、Ｍｇの含有量が０．９質量％を超えると、脱酸生成物であるＭｇＯが溶融スラグ中に過剰に増加して溶融金属が溶接部から垂れ落ちやすくなり、スパッタ発生量も増加する。従って、金属又は合金としてのＭｇの含有量は０．６乃至０．９質量％である。

「ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］＋［ＳｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］：８．０乃至１３．５質量％」
ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２はスラグ生成剤であり、スラグ生成量はこのスラグ生成剤の総和によって変化する。ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和が８．０質量％未満であると、スラグ生成剤が不足するため溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなる。一方、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和が１３．５質量％を超えると、スラグ生成剤量が過多となってスラグ生成量が増加し、スラグが溶接部から垂れ落ちやすくなる。また、スラグの生成量が多いと溶接部にスパッタが発生しやすくなり、また、スラグ巻き込み等の欠陥が発生しやすくなる。従って、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和は８．０乃至１３．５質量％である。

「ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比（［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］）／（［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］＋［ＳｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］）：０．８５乃至０．９５」
ＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３は高融点スラグを生成する成分であり、スラグの流動性及び剥離性を変化させる効果がある。このＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３の含有量をスラグ生成剤の含有量の総和に対する割合によって規定することによって、スラグの流動性及び剥離性が最適化され、スラグ剥離性の低下及びスパッタ発生量の増加を防止することが可能となるため、立向上進溶接の作業性を向上させることができる。ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比が０．８５未満であると、スラグの流動性が増してスラグが溶融金属を保持することができなくなるため、溶融金属が溶接部から垂れ落ちやすくなる。一方、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比が０．９５を超えると、スラグの剥離性が低下するため、スラグが溶接部にて焼き付きやすくなる。従って、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比は０．８５乃至０．９５である。

「Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量（Ｍｎ、Ｓｉ及びＭｇは、夫々合金成分の場合はＭｎ、Ｓｉ及びＭｇ換算値）の積の比［Ｍｎ］×［Ｍｇ］／［Ｓｉ］：２．０乃至４．０」
Ｍｎ及びＭｇはＳｉに比して溶融金属の脱酸性及び粘性を上昇させる効果を有する。このＭｎ及びＭｇの含有量をＳｉの含有量に対する比によって規定することによって、溶接金属の機械的性質を低下させることなく溶融金属の脱酸性及び粘性が最適化される。Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比が２．０未満であると、脱酸不足によって溶融金属の粘性が低下し、立向上進溶接において溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなり、更に溶接金属の引張強度及び靭性も低下する。一方、Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比が４．０を超えると、脱酸過剰によって溶接金属の引張強度が過度に高くなり、耐衝撃性が低下すると共に、靱性が低下する。従って、Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比は２．０乃至４．０である。

「Ｎａ及びＫ含有量（Ｎａ及びＫは、夫々化合物又は合金の形態で存在する場合はＮａ換算値［Ｎａ］及びＫ換算値［Ｋ］）の和［Ｎａ］＋［Ｋ］：０．１５乃至０．２５質量％」
Ｎａ及びＫはアーク安定剤としての作用があり、溶融プールの振動を抑制することによって溶融金属の溶接部からの垂れ落ちを防止する。Ｎａ及びＫ含有量の和が０．１５質量％未満であると、溶融プールの振動を抑制する効果が十分に得られず、０．２５質量％を超えるとＮａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏ等の低融点スラグが過剰に発生して溶融金属が溶接部から垂れ落ちやすくなる。従って、Ｎａ及びＫ含有量の和は０．１５乃至０．２５質量％である。

「Ｋ含有量に対するＮａ含有量（Ｎａ及びＫは、夫々化合物又は合金の形態で存在する場合はＮａ換算値［Ｎａ］及びＫ換算値［Ｋ］）の比［Ｎａ］／［Ｋ］：０．２０乃至０．４０」
Ｋはアーク集中性、Ｎａはアーク安定性を向上させる効果を有する。Ｋ含有量に対するＮａ含有量の比が０．２０未満であると、アーク安定性が劣化し、スパッタの発生量が増加すると共に、溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなり、０．４０を超えるとアークの集中性が増加してスパッタの発生量が増加しやすくなる。従って、Ｋ含有量に対するＮａ含有量の比は０．２０乃至０．４０である。

「Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＶの内１種以上の含有量合計：０．５質量％以下」
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＶは溶接部の耐食性、高強度及び耐高温腐食性を向上させる作用がある。しかし、これらの成分が総量でワイヤ全質量あたり０．５質量％を超えると、引張強度が過剰となると共に、衝撃値も低下する。

本発明のチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、上記以外の成分として外皮、Ｆｅ−Ｍｎ、及びＦｅ−Ｓｉ等の鉄合金、並びに鉄粉由来の鉄成分をワイヤ全質量あたり７０乃至９０質量％含有する。鉄成分の含有量が７０質量％を下回ると溶接金属の溶着効率が著しく低下し、９０質量％を超えると鉄成分が過剰となって他の成分の含有量が減少し、夫々の成分の添加効果が得られなくなる。また、本発明のチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤには、フッ化物をワイヤ全質量あたり０．０５乃至０．１質量％含有させることができる。フッ化物の含有量が０．０５質量％未満であると、拡散性水素量の大幅な上昇を招き、０．１質量％を超えるとヒュームの増加によって溶接作業が困難となる。残部は不可逆的不純物である。

なお、本発明に係るチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの外皮は、被溶接材の材質に応じて適宜、軟鋼、高張力鋼又は低合金鋼等を使用することが好ましい。また、このワイヤの表面状態は特に限定されるものではなく、図１（ａ）乃至（ｄ）に示すように、ワイヤの断面形状及び径も特に限定されるものではない。そして、上述したチタニヤ系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、高張力鋼又は低合金鋼等の溶接において使用することができる。

以下、本実施形態のチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの効果を示す実施例を比較例とともに示す。

表１に示す組成(質量％)及び寸法を有するＪＩＳＧ３１４１に規定される一般冷延鋼板（ＳＰＣＣ）を外皮として、この外皮内にフラックスを充填してガスシールドアーク溶接を行った。

フラックスは、表２に示す中から選択した材料を配合することにより組成を調整し、図１（ａ）に示すようにワイヤ全質量に対するフラックス率が１６質量％となるように外皮内に充填してワイヤ外径１．４ｍｍの実施例及び比較例のチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを作製し、このワイヤを用いて溶接を行った。そして、立向上進溶接性、スパッタ発生量及び溶接金属の機械的性質の評価を行った。各実施例及び比較例のチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの組成を表３−１乃至６に示す。

立向溶接性及びスパッタ発生量の評価は、表４に示す組成を有するＪＩＳＧ３１０６に規定される溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ４９０Ａ）からなる板厚１２ｍｍ、長さ４００ｍｍの試験板を母材とし、この母材を開先のルートギャップ４ｍｍにてＴ字に交差させて配置し、この開先に対してＣＯ_２をシールドガスとして供給しながらすみ肉溶接を行って評価した。なお、溶接電流値は３２０Ａ、アーク電圧は３１Ｖ、シールドガスの流量は２５Ｌ／分とし、溶接速度は８乃至１４ｃｍ／分とした。立向上進溶接におけるビードの垂れ抑制性が良好である場合を○、従来と同等以下であるものを×として表３−１乃至３−６に示す。また、スパッタ発生量が１．５ｍｇ／分未満であるものをスパッタ発生抑制性ありとして判定した。スパッタ発生抑制性が良好であるものを○、従来と同等以下であるものを×として表３−１乃至表３−６に示す。

溶接金属の機械的性質の評価には、表４に示す組成（質量％）を有する板厚２０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍの鋼板を母材として使用した。この母材を開先角度４５°、ルートギャップ１２ｍｍで向かい合わせて配置し、母材の裏側に母材と同様のＳＭ４９０Ａ製の裏当て金を配置した。この開先に対しＣＯ_２をシールドガスとして２５Ｌ／分の流量で供給しながら表３−１乃至表３−６に示す組成を有する実施例及び比較例のワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を行った。なお、溶接電流は２８０Ａ、溶接金属の積層方法は３層４パスとし、溶接入熱は３５ｋＪ／ｃｍとした。そして、この溶接部に対してＪＩＳＺ３１１１に規定されるシャルピー衝撃試験及び引張試験を夫々２回ずつ行った。シャルピー衝撃試験による吸収エネルギーについては、７０Ｊ以上であるものを良好（○）とし、４７Ｊ以上７０Ｊ未満のものをやや良好（△）とし、４７Ｊ未満のものを不良（×）として判定した。引張試験による引張強度については、５５０ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下であるものを良好（○）とし、６００ＭＰａを超え、６２０ＭＰａ以下のものをやや良好（△）とし、６２０ＭＰａを超えるものを不良（×）として判定した。そして、機械的性質として両者を加味し、衝撃値及び引張強度のいずれも○である場合を機械的性質が○であるとし、衝撃値及び引張強度の組み合わせとして、（○、△）及び（△、△）の場合を機械的性質が△であるとし、衝撃値及び引張強度のいずれかが×である場合に、機械的性質が×であるとした。その結果を表３−１乃至表３−６に併せて示す。

表３−１及び表３−２は本発明の範囲を満足する実施例、表３−３乃至表３−６は本発明の範囲から外れる比較例である。表３−１及び表３−２に示すように、実施例１乃至１０は本発明の範囲を満足し、高溶接電流を使用した立向上進溶接における優れた耐ビード垂れ性及びスパッタ発生抑制性が得られ、更に、優れた溶接金属の機械的性質が得られた。

比較例１はＴｉＯ_２の含有量が本発明の範囲を下回り、更にＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比が本発明の範囲を下回っているため、立向上進溶接におけるビードの垂れ抑制性が得られなかった。比較例２はＴｉＯ２の含有量並びにＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和が本発明の範囲を超え、スラグ量過多による溶融金属の垂れ及びスパッタ発生量の増加が確認された。

比較例３はＡｌ_２Ｏ_３の含有量が本発明の範囲を下回り、スラグの粘性不足のためにビードの垂れ抑制性が得られなかった。比較例４はＡｌ_２Ｏ_３の含有量が本発明の範囲を超え、大粒のスパッタが多く発生した。比較例５はＳｉＯ_２含有量が本発明の範囲を下回り、スラグ形成剤過小によって溶融金属の垂れが確認された。一方、比較例６はＳｉＯ_２含有量が本発明の範囲を超え、スラグの粘性低下によって溶融金属の垂れが発生した。比較例７はＺｒＯ_２含有量が本発明の範囲を下回り、スラグの所望の凝固点上昇が得られずに溶融金属の垂れが確認された。比較例８はＺｒＯ_２含有量が本発明の範囲を超え、スパッタの発生量が増加し、スラグの粘性低下によって溶融金属の垂れが発生した。

比較例９はＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和が本発明の範囲を下回り、スラグ形成剤不足によって溶融金属の垂れが確認された。一方、比較例１０はＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和が本発明の範囲を超え、スラグ生成剤過多によって溶融金属の垂れが確認され、スパッタも多量に発生した。

比較例１１並びに１２は本発明の範囲を満足する実施例に対し、ＳｉＯ_２の含有量を調整してＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比を変化させた比較例である。比較例１１はＳｉＯ_２の含有量が本発明の範囲を超え、更にＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比が本発明の範囲を下回り、スラグの粘性不足によって立向上進溶接における溶融金属の垂れが発生した。一方、比較例１２はＳｉＯ_２の含有量が本発明の範囲を下回り、更にＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比が本発明の範囲を超えるため、大粒のスパッタが多く発生した。

比較例１３はＭｎの含有量並びにＳｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比が本発明の範囲を下回り、脱酸不足によって溶融金属の靱性が低下し、溶融金属の粘性低下によって立向上進溶接における溶融金属の垂れが確認された。一方、比較例１４はＭｎの含有量が本発明の範囲を超え、溶接金属の過度の粘性上昇によって引張強度が過剰となった。

比較例１５はＳｉ含有量が本発明の範囲を下回り、脱酸不足によって溶接金属の靱性が低下すると共に、立向上進溶接における溶融金属の垂れの発生が確認された。一方、比較例１６はＳｉの含有量が本発明の範囲を超え、粘性が乏しいＳｉＯ_２がスラグ中に過剰に生成し、溶融金属の垂れが発生した。比較例１７は、Ａｌの含有量が本発明の範囲を下回り、スラグ及び溶融金属の粘性の低下によって溶融金属の垂れが発生した。比較例１８はＡｌの含有量が本発明の範囲を超え、合金成分が過度に溶接部に析出して溶接金属の引張強度が過剰となり、溶接金属の靭性が低下した。比較例１９は、Ｍｇの含有量が本発明の範囲を下回り、脱酸不足によって溶融金属の粘性が不足して溶融金属の垂れが発生し、更に溶接金属の靱性が低下した。一方、比較例２０はＭｇの含有量が本発明の範囲を超え、大粒のスパッタが多く発生し、更に合金成分が過度に溶接部に析出して溶接金属の引張強度が過剰となった。

比較例２１はＳｉの含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比が本発明の範囲を下回り、脱酸不足によって溶融金属の粘性が低下し、立向上進溶接における溶融金属の垂れが確認され、更に、溶接金属の引張強度及び靱性が低下した。一方、比較例２２はＳｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比が本発明の範囲を超え、脱酸過剰によって溶接金属の引張強度が過度に高くなり、更に、靱性が低下した。

比較例２３はＮａ及びＫ含有量の和が本発明の範囲を下回り、アークが不安定となって大粒のスパッタの発生量が増加し、更に、溶融池の振動が大きくなり、スラグ及び溶融金属の垂れが発生した。比較例２４はＮａ及びＫ含有量の和が本発明の範囲を超え、粘性に乏しいＮａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏが過剰に生成して立向上進溶接における溶融金属の垂れが発生した。比較例２５はＫ含有量に対するＮａ含有量の比が本発明の範囲を下回り、アークの吹きつけ力が強くなってスラグ及び溶融金属の垂れが発生した。一方、比較例２６はＫ含有量に対するＮａ含有量の比が本発明の範囲を超え、アークの集中性が増加してスパッタの発生量が増加した。

本発明の範囲を満足する実施例１乃至１２のうち、実施例１乃至１０は本発明の請求項２を満足する実施例である。実施例１乃至１０はＴｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＶの内１種以上の含有量の合計が本発明の範囲を満足し、実施例１１は本願請求項１は満たすが請求項２は満足しないものであり、実施例１２は本願請求項２の成分を含有しないものである。これらの実施例１２及び１３は、実施例１乃至１０よりは特性が全体で劣るものの、比較例１乃至２６よりは、全体で特性が優れている。

フラックス入りワイヤの断面を示す図である。

符号の説明

１：フラックス入りワイヤ、１ａ：外皮、１ｂ：フラックス

Claims

金属外皮にフラックスを充填したチタニヤ系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、ワイヤ全質量あたり、ＴｉＯ_２：６．０乃至１２．０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．７乃至１．０質量％、ＳｉＯ_２：０．６乃至１．０質量％、ＺｒＯ_２：０．１乃至０．３質量％、を含有し、更に、金属又は合金としてＭｎ：１．０乃至３．０質量％（合金の場合はＭｎ換算値）、Ｓｉ：０．３乃至０．６質量％（合金の場合はＳｉ換算値）、Ａｌ：０．１乃至０．３質量％（合金の場合はＡｌ換算値）、及びＭｇ：０．６乃至０．９質量％（合金の場合はＭｇ換算値）を含有し、
ＴｉＯ_２含有量を［ＴｉＯ_２］、Ａｌ_２Ｏ_３含有量を［Ａｌ_２Ｏ_３］、ＳｉＯ_２含有量を［ＳｉＯ_２］、ＺｒＯ_２含有量を［ＺｒＯ_２］、金属又は合金としてのＭｎ含有量（合金の場合はＭｎ換算値）を［Ｍｎ］、金属又は合金としてのＳｉ含有量（合金の場合はＳｉ換算値）を［Ｓｉ］、金属又は合金としてのＭｇ含有量（合金の場合はＭｇ換算値）を［Ｍｇ］、Ｎａ含有量（化合物又は合金の場合はＮａ換算値）を［Ｎａ］、Ｋ含有量（化合物又は合金の場合はＫ換算値）［Ｋ］とするとき、
ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］＋［ＳｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］が８．０乃至１３．５質量％、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、及びＺｒＯ_２含有量の総和に対するＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３含有量の和の比（［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］）／（［ＴｉＯ_２］＋［Ａｌ_２Ｏ_３］＋［ＳｉＯ_２］＋［ＺｒＯ_２］）が０．８５乃至０．９５、Ｓｉ含有量に対するＭｎ及びＭｇ含有量の積の比［Ｍｎ］×［Ｍｇ］／［Ｓｉ］が２．０乃至４．０、Ｎａ及びＫ含有量の和［Ｎａ］＋［Ｋ］が０．１５乃至０．２５質量％、Ｋ含有量に対するＮａ含有量の比［Ｎａ］／［Ｋ］が０．２０乃至０．４０であることを特徴とするチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
ワイヤ全質量あたり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｂ及びＶのうち、１種以上を総計で０．５質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のチタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。