JP2011098367A - 溶接肉盛用フラックスと溶接肉盛方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接用フラックスは低温から高温（アーク温度約４０００℃）までの広範囲の温度領域で機能を発揮することが求められるが、接種剤は溶接時のアーク熱で溶融・溶解するので、ｍａｘ４０００℃までの幅広い温度領域に耐えるような複数の接種剤を溶融金属プール中に均一に入いれることができなかった。
【解決手段】ゲル状フラックスを溶接母材に塗布した後にゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして、固形フラックスの上から溶接母材に肉盛する溶接肉盛方法であり、さらに溶接トーチにネオジ磁石を配設し、磁界をかけながら溶接する溶接肉盛方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は特開平３−８１０９０号にて開示した連続鋳造用ロールの製造においてσ相による硬度アップの技術をさらに改良したものであり、一般的に高荷重、高温、腐食環境で使用されるロールなどの機械構造物の肉盛り材料及び肉盛り方法に関するものである。

特開平３−８１０９０号に示すように、重量％でＣｒを２５．０〜３５．０％、Ｎｉを５．０〜１５．０％含有する合金を肉盛り後、４００℃以上で７００℃以下の温度で、２時間以上で６時間以下の後熱処理をしてσ相硬化を出すことにより、例えば連続鋳造機ロールの従来寿命は８０００チャージ（チャージは鋳造回数のこと）であったがｍａｘ１６０００チャージに延長することができた。しかしながら複合ワイヤΦ１．２~Φ１．６ｍｍの中に封入できるフラックスの量には限界があり、寿命延長に効果のあるフラックスを入れることができなかったために更なる寿命延長は困難であった。σ相は例えば特開平３−８１０９０号の肉盛り方法によれば第一層目のフェライトに１２％、第４層目のフェライトに３３％程度発生する。即ち、肉盛り層が増すほど熱影響が大きくなるのでσ相の発生量が多くなり肉盛部を脆化させる。従来の２相合金溶接棒には高Ｃｒ、高Ｎｉ合金（３３Ｃｒ−１２Ｎｉ）のＳＵＳ３１２系ワイヤがあるが、肉盛り部の脆化を抑制して寿命延長を図るに有効な接種剤元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗ）はせいぜい１％程度しか添加することができなかった。ＳＵＳ３１２系のワイヤにＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗなどの接種剤をｍａｘ５％程度まで添加できれば５〜８％のフェライト量を減らすことが可能となりさらに従来の寿命を２００００〜２４０００チャージ程度まで延ばすことが可能となる。

本発明者は特開昭６３−１２３５７１号「ガスシールドアーク溶接法」に示すように磁場帯に炭酸ガスを通過させて帯電させ、スパッタを平均３２％減少することを証明した。このときは帯電装置として１０００ガウスのフェライト磁石を１００個以上使って帯電器の中をジグザグに通すことで実現したが、接種剤を溶融金属プールに安定して注入するにはさらにスパッタリングを３〜４％程度減少させる必要があった。

本発明者は、特願２００８−２８７８２０号において「ガス切断用気化フラックス」、特願２００８−１７８４２０号において「液体フラックスの製造方法及びその装置」、特願２００８−２７０４３５号において「液体フラックスの製造方法と製造装置及び液体フラックス」を発明した。上記発明は金属をガス切断する時に切断面に付着するドロスの発生防止や除去の簡便化あるいは金属をロウ付けする際のフラックスとして活用されているがさらに溶接や圧接などの金属接合の分野でもフラックスとして活用できる。

特開平３−８１０９０号 特開昭６３−１２３５７１号 特願２００８−２８７８２０号 特願２００８−１０４８２５号 特願２００８−１７８４２０号 特願２００８−２７０４３５号

「機械工学便覧」、機械学会、昭和４８年、P１７−６１ 「溶接作業読本」、日刊工業新聞社、昭和５１年、P２−P２５

例えば連続鋳造機のようにロールが高温の鋳片と接触しながら冷却スプレーの飛散を受ける激しい酸化雰囲気中においては、ロール表面に酸化被膜ができこの酸化被膜の内部では酸素イオンと金属イオンの攻め合いが生じている。このような攻め合いは電子移動形態の違いによって次のようなケースに分類される。（１）金属イオンが優先的に拡散して起こるケース。（２）酸素イオンが優先的に拡散して起こるケース。金属はＭ＝Ｍ（２＋）＋２e（−）となり電子を放出する。金属の表面では１／２Ｏ２＋２ｅ（−）＝Ｏ（２−）となり酸化反応が生じる。結果的に金属イオンは酸素と反応して酸化物に変わる。即ち、Ｍ（２＋）＋Ｏ（２−）＝ＭＯ＋（２−）となるのである。この反応にて金属表面には酸化物が形成される。このように酸化物の成長は言い変えると自己保護被膜の成長なのである。参考として１０００℃における代表的酸化物中の金属イオンの自己拡散係数を示す。ＦｅＯは９×１０Ｅ（−８）、Ｆｅ３Ｏ４は２×１０Ｅ（−９）、Ｆｅ２Ｏ３は８×１０Ｅ（−１４）、ＮｉＯは×１０Ｅ（−１１）、Ｃｒ２Ｏ３は３×１０Ｅ（−１４）、Ａｌ２Ｏ３は３×１０Ｅ（−７）、ＳｉＯ２は１．３×１０Ｅ（−１８）である。高温酸化における被膜形成過程は次のように起こる。（１）高温酸化雰囲気において金属表面に酸素分子が吸着する。（２）酸素分子は高温のため酸素分子に乖離する。（３）酸素が金属に固溶する。（４）酸化物が核を形成する。（５）核が成長し連続した被膜となる。

連続鋳造機のモールド直下周辺で使用されているサポートロールやフートロールは鋳片と接触する部位は高温に熱せられ、他の部分は常に外部から冷却水を吹き付けられて冷却されており、回転による入熱と放熱の繰り返しによりスラブ表面温度を１０００℃とするとロール表面温度は約５９０〜６５０℃の範囲でバランスする。連続鋳造機のロール母材に使用されている鉄材は５７０℃以上で急激に酸化するので、これを抑制するためのロール肉盛材は耐熱、耐腐食特性が重要であり一般的にＳＵＳ３１２系の高Ｃｒ、高Ｎｉ系が使用されている。このような肉盛材は４７５〜８１５℃にてσ相を強制的に出して硬度を上げているが、高温スラブとの接触による加熱や冷却水による冷却により急熱・急冷を繰り返すために微細クラックが発生する。また、連続鋳造機モールドの焼き付き防止のために焼き付き防止剤（一般的にパウダーと呼称）を使用するが、パウダーの材料であるフッ化カルシウム（ＣａＦ）中のフッ素（Ｆ）が水蒸気中の水素（Ｈ）と化合してフッ化水素（ＨＦ）ができる。前述したようにロール表面の被膜形成過程において酸化膜即ち自己保護被膜が生まれるのであるが、このフッ化水素が微細なクラックの中に入るために、金属内部中の微元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗ）が有効な酸化皮膜を形成する時間がないため強烈な腐食を引き起こす。さらに水蒸気圧力やロール押し付け力などによる応力により次々にクラックが発生し、クラックに沿ってフッ化水素蒸気が侵入するために酸化被膜が形成されにくい環境となっている。本発明は本来複合フラックスワイヤに１％程度しか封入できなかったＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗなどの有効元素を溶接接種剤として５％程度まで補助的に添加して、ロール表面に安定した酸化被膜を形成できるようにするものである。

第１の解決手段は、液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスを肉盛り母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定した後に、該乾燥フラックスもしくは該固形フラックスの上から前記肉盛り母材に肉盛する溶接肉盛方法である。

第２の解決手段は、前記液体フラックスはアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒に溶解して生成した液体フラックスである溶接肉盛方法である。

第３の解決手段は、前記接種剤はフェロシリコン（ＦｅＳｉ）もしくはフェロチタン（ＦｅＴｉ）もしくはフェロジルコニウム（ＦｅＺｒ）もしくはアルミニウム粉末であり、もしくはこれらを複数組み合わせたものである溶接肉盛方法である。

第４の解決手段は、前記接種剤に酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニアを含む耐熱塗料を使用する溶接肉盛方法である。

第５の解決手段は、前記液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに前記接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスを肉盛り母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定して、溶接トーチの先端部に水令室を設け、前記溶接トーチを水冷するとともに、前記水冷室内にネオジ磁石を配設し、磁界をかけながら溶接する溶接肉盛方法である。

第６の解決手段は、前記ゲル状フラックスを肉盛り母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定して、該固形フラックスの上から前記肉盛り母材に肉盛する溶接肉盛方法において、肉盛後の前記肉盛り母材をアルミニウム溶解槽に浸漬して溶接肉盛部分にアルミニウムを含浸させる溶接肉盛方法である。

第７の解決手段は、前記液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて生成した固形フラックスである。

第８の解決手段は、前記液体フラックスはアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒に溶解して生成した液体フラックスであり、前記液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて生成した固形フラックスである。

第１、第２、第３、第４の解決手段による効果を説明する。（１）従来、外形Φ１．２〜Φ１．６ｍｍの複合ワイヤは径が細すぎるがために、結晶微細化機能のあるＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗなどの元素を所要量入れることが出来なかったが、ゲル状フラックスに混入して肉盛り母材の外側から供給することが可能となり、耐熱、耐蝕、耐摩耗性を向上させる肉盛り方法を実現できた。（２）析出フラックスと接種剤を組合せてゲル状フラックスとすることでロール表面に０．１〜０．５ｍｍの厚みで自由に肉厚を変えた接種剤を塗布し固めることが可能となった。（３）ゲル状フラックスを母材に塗布後溶媒を乾燥もしくは焼成して固形フラックスとして、この固形フラックスの上からＳＵＳ３１２系などの複合ワイヤで肉盛り溶接することで微細化元素であるＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗなどを溶融金属プール内にｍａｘ５％程度入れることが可能となった。（４）溶接肉盛り１層ごとに固形フラックスを塗布できるので、溶接層ごとに接種材の調整が可能である。（５）高温蒸気対策に加えてフッ化水素による腐食対策が可能である。（６）結晶微細化剤としてのＢはＢを含む化合物を液体フラックスに溶解し更に析出フラックスと析出させるので、溶融金属プールに入れるのは０．００１〜０．００５重量％が限界であるが、ＺｒやＷは接種剤として析出フラックスに混合してゲル状フラックスとして入れるので０．１〜０．５重量％の範囲で簡単に入れることができる。

従来のＳＵＳ３１２系複合ワイヤによってロールなどの母材表面に形成される酸化膜はＣｒＯ３とＮｉＯが主力であり、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などの酸化膜は生成不可能であった。しかし、本発明によりフェロシリコン（ＦｅＳｉ）もしくはフェロチタン（ＦｅＴｉ）もしくはフェロジルコニウム（ＦｅＺｒ）もしくはアルミニウム粉末もしくはこれらを混合した接種剤と析出フラックスでゲル状フラックスを生成し、母材に塗布し焼成して固形フラックスとし、固形フラックスの上からＳＵＳ３１２系複合ワイヤで溶接する方法によりＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などの酸化物を形成する事が可能となった。従来の複合ワイヤのフラックスに入っていた１０倍以上の微元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗ）が固形フラックスから溶融金属プールにはいるのでＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などが生成されるのである。ＳＵＳ３１２系のワイヤの場合にはＣｒ２Ｏ３、ＮｉＯの２種類の自己拡散耐酸化膜が生成するのに対して、析出フラックスに接種材を混合したゲル状フラックスでは新たにＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２の４種類の膜ができることになる。肉盛り表面の酸化膜が消失してもこれら６種類の酸化膜が鮫の歯のように、肉盛り内部より次々に生まれ出てくる溶接肉盛を実現した。フェロシリコン（ＦｅＳｉ）、フェロチタン（ＦｅＴｉ）、フェロジルコニウム（ＦｅＺｒ）、アルミニウム粉末などの接種剤は従来フラックスとして使用されており別に新しいものではないが液体フラックスやゲル状フラックスと組み合わせることでΦ１．２ｍｍ〜１．６ｍｍの細いワイヤでは入ることの出来なかった元素を溶融金属プールに入れることが可能となり溶接部の強度や仕上がり形状が格段に向上した。

連続鋳造機のロールを例にとると、ロール表面は常に高温フッ化水素蒸気に晒されるため水蒸気圧力によるクラック内の膨張は内部酸化を促進させるとともにクラック先端部の応力（内部応力）を増大させる。発生する内部応力のため微細なクラック面は次第に成長しあるレベルに達すると突然欠けて５〜１０ｍｍ四角の大きさで脱落を起こす。また外力が付加されることにより脱落部に応力が集中するので更に大きな面積で欠損していく。このように最初は微細なクラックであっても徐々に水分が入ることで大きく成長するため長寿命とならなかった。しかし、本発明によって形成される自己拡散耐酸膜は常に入れ替わるため、セルフコーティング状態が連続的に継続するので長寿命となる。鮫の歯が脱落してもすぐに次の歯がでてくるように表面の耐酸被膜が消失してもすぐに次の耐酸被膜が出てくるのである。硬度を出すためのσ相は少なくし、微細元素による炭化物で強制的に耐摩耗、耐酸膜を作ることで自己修復のできる耐酸被膜となるのでブレークアウェイ酸化に対して長寿命の肉盛金属となる。本発明により溶接時溶融金属プール内にＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒなどを自由に入れることが可能になり自己修復肉盛り金属が具現化し長寿命化を実現できた。

耐熱塗料にはＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの接種剤としての有効成分を含んでいるものがあるので、取扱の容易な材料として析出フラックスに混入して使用することができる。

第５の解決手段による効果は、従来の溶接棒や複合ワイヤと固形フラックスを併用し、さらに磁場中で溶接することでスパッタを抑制できるので、微元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗなど）を溶融金属プール内に効率よく自由に取り入れることが可能となった。即ち自己耐酸膜を常に作れる溶着肉盛金属を作ることが可能となった。微元素を溶融金属プールに入れるとフェライト量は低下することから、フェライト量に比例するσ相も減少する。σ相が５〜８％減ることは硬度低下を意味するがＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、ＺｒなどがＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２などの硬度の高い酸化物を生成するため従来通りＨｓ６０±３は保持可能であり耐摩耗性をカバーする。σ相を低減したことによりビードラップ部の割れを微細クラックにできるため、従来のように第１層目を貫通して肉盛り母材に達するような割れは少なくなり肉盛部の剥離低減につながった。

例えば炭酸ガスアーク溶接は、従来フラックスなしの肉盛のため炭酸ガスはＣＯ２→ＣＯ＋Ｏの分離にて発生基の活性酸素となるため酸化鉄（ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ４）をノロとして巻き込むなどピンホールの原因となっていた。そのため炭酸ガスにＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２などのイナートガスを付加して（ＣＯ２＋Ａｒ）、（ＣＯ２＋Ｈｅ）、（Ｃｏ２＋Ｎ２）のような混合ガスとしてアーク電圧アップと高能率化と酸化防止を図っていたが、フェライトの生成を抑制するのは不可能であった。ビードラップ部に生じやすい大きな亀裂を抑制するためにウィービングするが、ビードラップ部の２回溶解はＣｒやＮｉ成分が偏析するためビードの両端が硬く（ビード端部Ｈｓ６５±３、ビード中央部Ｈｓ６０±３、ビード端部と中央部の硬度差Ｈｓ５）なり両端に大きなクラックが入り脱落の原因となっていた。本発明のようにトーチキャップ先端部にネオジ磁石を張り合わせて強磁場内肉盛とすることでフェライト生成量をｍａｘ８％減らすことができ、結果としてσ相の硬度アップも１５％以上ダウンしたためクラックは微細化して肉盛り部の剥離や脱落がなくなった。溶融金属プールにおいては表面張力や電磁対流や熱対流が作用しているが、ゲル状フラックスに含有されていた元素イオンと接種剤に含有されていた元素イオンが、シールドガスの磁場帯による帯電ピンチ力とハロゲンガスの結合作用も付加されて、強制的に溶融金属プール内に入っていく。従来Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉなどは非常に酸化し易く強制的に溶融金属プール内に入れることは困難であったが、液体フラックスやゲル状フラックスに含有されている元素イオンがＳｉ、Ａｌ、Ｔｉなどを酸化防止することや溶融金属プールの流動性を向上させ表面張力を小さくすることで可能となった。

第６の解決手段による効果は、肉盛り母材であるロールに肉盛してロール表面を研削して表面仕上げした後、溶解したアルミニウム槽に入れることによりアルマ加工と焼鈍を同時に処理することができる。ロール全体を均一に熱応力除去できるので従来の重油炉や電気炉による焼鈍の不均一性も解消できるとともに肉盛り部のσ相のバラツキを解消できた。ロール表面はアルミニウムにより約０．３ｍｍ深さまで含浸され硬度がアップする。

第７と第８による効果は、析出フラックスと接種剤を混合したゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させることにより固形フラックスを生成できることである。固形フラックスは固形状態であるがこれを粉砕して粉体にすることも可能である。粉体フラックスとすることで従来の粉体フラックスと混合して色々な相乗効果を生み出すことができる。

ロール肉盛り中のトーチ断面図。 トーチのＡ−Ａ断面図。 トーチのＢ−Ｂ断面図。

第１と第２の解決手段は、液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、ゲル状フラックスを肉盛り母材に塗布した後にゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定した後に、固形フラックスの上から記肉盛り母材に肉盛する溶接肉盛方法である。液体フラックスはアルコールやアセトンなどの溶媒にフラックスの成分となる電解質を溶質として溶解させたものである。電解質には例えばホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（ＮａＳｉＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、メタケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ２）などがある。

溶質はアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質であり、電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒に溶解して生成した液体フラックスにする。この液体フラックスの電解質と溶媒の量を調整して、電解質を適宜析出させて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、ゲル状フラックスを肉盛り母材に塗布した後にゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させ固形フラックスとして肉盛り母材に固定して、肉盛り母材の上から肉盛する溶接肉盛方法である。

本発明者は特願２００８−２８７８２０号において「ガス切断用気化フラックス」、特願２００８−１７８４２０号において「液体フラックスの製造方法及びその装置」、特願２００８−２７０４３５号において「液体フラックスの製造方法と製造装置及び液体フラックス」を発明し、液体フラックスの製造方法を確立した。本発明で使用する液体フラックスはこの製造方法で製造することができる。本発明における液体フラックスは溶媒の中に原料となる電解質を約２０％程度溶解したものである。ゲル状フラックスは液体フラックスの溶質量を適宜調整して製造する。接種剤としてはＦｅＳｉ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒ、ＦｅＮｂ、ＦｅＶ、ＦｅＷ、ＦｅＭｏなどがあるが、これらの接種剤と液体フラックス及びゲル状フラックスの配合によりσ相硬化などの溶接部の問題点を解決できる。

通常液体フラックスには電解質が２０％程度溶解しているが、アルコールなどの溶媒を蒸発させていくに従って電解質が析出してくる。電解質の種類により析出態様は種々異なり、（１）微細な粉状で沈殿する態様、（２）コロイド状になって浮遊する態様、（３）ゲル状になって浮遊する態様、（４）ゾル状になって浮遊する態様などがある。従って析出フラックスの範囲は液体フラックスの状態からゾル状フラックスの状態を包含している。肉盛り母材の形態によって適宜析出態様を選択して接種剤と混ぜるのがよい。例えば、連続鋳造機のロールのような円筒体はロール下半分に塗布したゲル状フラックスが落下しやすいので粘性を大きくするようにする。また、平板の場合は流動性を重視して均一な塗布ができるようにしたほうがよい。

ゲル状フラックスを製造する場合の電解質（無機試薬）として適しているのは、氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、メタケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ２）、ケイフッ化ナトリウム（ＮａＳｉＦ３）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、フッ化カリウム（ＫＦ）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２ＯＢ）である。

液体フラックスとゲル状フラックスの元素配合目安は、（１）ゲル状フラックス：（Ｋ＋Ｎａ＋Ｈ）／（Ｓｉ＋Ａｌ＋Ｂ＋Ｏ）＝０．２５〜０．３８、（２）液体フラックス：（Ｋ＋Ｎａ＋Ｈ）／（Ｓｉ＋Ａｌ＋Ｂ＋Ｏ）＝０．５０〜０．６５である。例えば、特願２００８−２７０４３５号の方法にて液体フラックスを製造する場合にはこの配合比を目安にして溶質の発熱反応状況を見ながら電圧（ＤＣ）を１２Ｖ〜２４Ｖ付加する。

第２の解決手段における接種剤の種類について説明する。接種剤はフェロシリコン（ＦｅＳｉ）もしくはフェロチタン（ＦｅＴｉ）もしくはフェロジルコニウム（ＦｅＺｒ）もしくはアルミニウム粉末であり、もしくはこれらを複数組み合わせたものである溶接肉盛方法である。

ゲル状フラックスの中に６０％程度のフェロシリコン、フェロチタン、フェロジルコニウム、アルミニウム粉などを入れて撹拌混合しゲル状フラックスにする。このゲル状フラックスを例えば連続鋳造機のロールに適用する場合の例について説明する。ゲル状フラックスをロール表面に０．２〜０．５ｍｍの厚みになるように塗布し、ゲル状フラックスの溶媒であるアルコールを乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材上に固定（固着状態となっている）させる。

溶接層毎にゲル状フラックスの成分を変えることも可能である。例えば、ゲル状フラックスの第１層目の化学成分は重量％で、Ｎａ：８〜９、Ｋ：８〜９、Ｂ：２０〜２２、Ｓｉ：３〜４、Ａｌ：０．８〜１．２、Ｔｉ：０．５〜０．８、Ｈ：０．２〜０．３、Ｏ：４０〜４１、Ｆ：３３〜３５で合計が１００重量％となるようにする。

ゲル状フラックスの第２層目と第３層目の化学成分は重量％で、Ｎａ：１０〜１１、Ｋ：１２〜１４、Ｂ：１１〜１２、Ｓｉ：２〜２．５、Ａｌ：２〜２．５、Ｔｉ：０．８〜１．０、Ｚｒ：０．３〜０．５、Ｈ：１．０〜１．５、Ｏ：２８〜３０、Ｆ：３０〜３１で合計が１００重量％となるようにする。

析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスにする方法にて、溶接部の溶融金属プール内の微元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗ）を確実に増すことが可能となった。微元素は金属として添加するが、特にＢは金属Ｂの形態で接種剤として添加する必要はなくゲル状フラックスの元になっている液体フラックスに含有されている。即ち、液体フラックスに溶解しているホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２ＯＢ）などに含有されているので接種剤としての添加は不要である。Ｂは結晶微細化と硬度アップに効果がある。

第３の解決手段は、前記接種剤に酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニアを含む塗料を使用する溶接肉盛方法である。フェロシリコン（ＦｅＳｉ）もしくはフェロチタン（ＦｅＴｉ）もしくはフェロジルコニウム（ＦｅＺｒ）もしくはアルミニウム粉末などの接種剤の代用品として使用可能である。耐熱塗料としてＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などの成分を含有するものがあるので析出フラックスに混入して使用することができる。例えば、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシドのように溶剤がメタノール系のアルコールを使ったものはゲル状フラックス４０％に耐熱塗料６０％の割合で混合する。肉盛り母材表面に塗布後乾燥もしくは火をつけて有機溶剤を飛ばして一回あたりの厚みを０．１〜０．３ｍｍの厚みにする。塗布と乾燥もしくは焼成を繰り返して０．５ｍｍ程度まで塗り重ねる。

第４の解決手段を図１に従って説明する。ゲル状フラックス１０を肉盛り母材２０に塗布した後にゲル状フラックス１０に点火してアルコールやアセトンなどの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて、ゲル状フラックス１０を固形フラックス１０として肉盛り母材２０に塗布して肉盛する溶接肉盛方法において、トーチ３０の先端部３３に水令室３４を設け、トーチ３０を水冷するとともに、水冷室３４内にネオジ磁石４０．５０を配設し、磁界をかけながら溶接する溶接肉盛方法である。トーチ３０は外筒３１と内筒３２からなり水冷室３４を構成している。水冷室には給水管３５と排水管３６により冷却水が供給され冷却される。冷却水はＯリング３７でシールされている。内筒３２にはワイヤ６０が供給される。接種剤を混入したゲル状フラックス１０を０．１〜０．５ｍｍの肉厚で塗布後乾燥もしくは焼成してゲル状フラックスを固形フラックス１０として肉盛り母材に固定する。ロールのような円筒体に肉盛りする場合でも固形フラックス１０はパテのようにロール表面に固着して張り付くので固形フラックス１０が落下することはない。ワイヤ６０と肉盛り母材２０にアーク７０を発生させて固形フラックス１０を溶解させて溶融金属プール８０に取り込みながら連続的に溶接を行う。溶接熱にて固形フラックス１０中のケイ酸成分が５００〜６００℃に昇温する際に餅のように一旦膨らむがアーク温度が４０００℃以上あるため７００〜８００℃でガラス状になり１００％肉盛り母材に張り付くことで接種剤の酸化防止機能が発揮できる。

ゲル状フラックス１０は１層目毎の厚みが０．１〜０．５ｍｍになるように均一に塗布する。ゲル状フラックス１０に残存しているアルコールやアセトンなどの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて肉盛り母材２０に固定する。これを数回繰り返して肉盛り母材２０に所定の厚みの固形フラックス１０を形成させる。固形フラックス１０の厚みはｍａｘ０．５ｍｍ程度が望ましい。しかる後に、先端部３３に水令室３４を設けかつネオジ磁石４０，５０を配設したトーチ３０にて磁界をかけながら溶接する。

本発明者は特許２７０８８４号「ガスシールドアーク溶接法」にて磁場帯に炭酸ガスを通過させて帯電させ、スパッタを平均３２％減少することに成功した。このときは帯電装置として１０００ガウスのフェライト磁石を１００個以上使って帯電器の中をジグザグに通すことで実現したが、今回はトーチ３０の先端部３３に４０００ガウスのネオジ磁石４０を１９個配設して７６０００ガウスの強磁場体を形成するとともに、トーチ３０の内筒３２に３５００ガウスのネオジ磁石５０を６個配設して２１０００ガウスの強磁場帯を形成せしめた。この中を炭酸ガスなどのシールドガスが通過するだけで１００％帯電するので、アーク柱７０はピンチ効果で絞られスパッタが３５％減少し均一な溶接ビードが得られた。トーチ３０と肉盛り母材２０間を１〜３ｃｍ確保した場合は１０００〜４０００ガウスの磁場となり、磁場効果でフェライト量が５〜８％確実に減衰する。トーチ３０には給水管３５と配水管３６を配設し水冷しているためアーク柱７０の輻射熱によるネオジ磁石４０の減衰はない。自動溶接ではトーチ３０の重量をアップできるので先端部３３径を大きくでき、手溶接の２倍以上の強磁場帯を形成できるので１０％程度のフェライト量の減少が可能である。また、特開昭６３−１２３５７１号に示したようにシールドガスが気化装置（図示せず）の強磁場とトーチ３０の強磁場を通過することで２度帯電する効果も付加される。本発明のネオジ磁石４０．５０の配設個数や配設レイアウトは様々な態様が考えられるがいずれの態様も本発明に含まれるものであり、トーチ先端部３３の磁界は３０００ガウス以上、内筒３２の磁界は１００００ガウス以上であればよい。

ワイヤ６０がトーチ３０の先端部３３より出た瞬間にスパークしてアーク柱７０が生成されるが、このアーク柱７０は次々に供給されるワイヤ６０にて連続的に形成される。アーク放電による金属イオンとシールガスと溶滴の作用で溶融金属プール８０では対流により次のような４種のメカニズムで金属イオンを取り入れている。（１）アークによって発生したプラズマ気流により駆動される溶融金属プール８０内の対流。（２）溶融金属プール８０表面の温度差に基づく表面張力対流。（３）溶融金属プール８０内を流れる電流に起因する電極対流。（４）溶融金属プール８０内の密度差に起因する熱対流。以上の４種類のメカニズムが溶融金属プール８０で生じている。このような表面張力や電磁対流や熱対流が作用している環境の下で、ゲル状フラックス１０に含有されていた元素イオンと接種剤に含有されていた元素イオンが、シールドガスの磁場帯による帯電ピンチ力とハロゲンガスの結合作用も付加されて、強制的に溶融金属プール８０内に入っていく。特にＳｉ、Ａｌ、Ｔｉなどのイオンは非常に酸化し易く強制的に溶融金属プール８０内に入れることは困難であったが、液体フラックスやゲル状フラックスに含有されている元素イオンがＳｉ、Ａｌ、Ｔｉなどのイオンの酸化防止することや溶融金属プールの流動性を向上させて表面張力を小さくすることで可能となった。

従来はフラックスなしの肉盛のため炭酸ガスはＣＯ２→ＣＯ＋Ｏの分離にて発生基の活性酸素となるため酸化鉄（ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ４）をノロとして巻き込むなどピンホールの原因となっていた。そのため炭酸ガスにＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２などのイナートガスを付加して（ＣＯ２＋Ａｒ）、（ＣＯ２＋Ｈｅ）、（Ｃｏ２＋Ｎ２）のような混合ガスとしてアーク電圧アップと高能率化と酸化防止を図っていたが、フェライトの減衰は不可能であった。また、ウィービングによるラップ部の２回溶解は高クロム、高ニッケル成分のアップとなるためビード両端硬度はＨｓ６５±３、ビード中央部硬度はＨｓ６０±３となり硬度差Ｈｓ５が生じビード両端にクラックが大きく入ることやビード脱落の原因となっていた。そのためトーチ３０にネオジ磁石４０、５０を配設して強磁場内での肉盛とすることでフェライトをｍａｘ８％減らすことが出来た。そのためσ相の硬度アップも１５％以上ダウンしたためクラックは微細化して脱落がなくなった。

析出フラックスと接種剤を混ぜたゲル状フラックスをロールなどの肉盛り母材表面にｍａｘ０．５ｍｍ程度まで厚く塗布するためには粘性が必要である。かつ固まらせるためにはゲル状フラックス中のアルコールやアセトンなどの溶媒を飛ばしてロール表面に密着させねばならない。ゲル状フラックスに火をつけて焼成する場合は低い温度で溶融する無機質の酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、テトラエトキシシラン（Ｓｉ(ＯＣ２Ｈ５)４）などが液体フラックスの成分として適している。因みに酸性フッ化カリウムの融点は２３８℃、ホウ酸の融点は１６９℃、テトラエトキシシランの融点は１６５．８℃、発火点は２３０℃である。アルコールなどの溶媒に電解質としてヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、メタケイ酸（Ｈ２ＳｉＯ２）をアルコールで反応させながら、酸性フッ化カリウム、ホウ酸、テトラエトキシシランなどを入れて溶解して液体フラックスを生成する。ヘキサフルオロケイ酸の反応は、４Ｈ2Ｏ＋Ｈ2ＳｉＦ6→Ｈ２Ｏ＋６ＨＦ＋ＳｉＯ２となる。メタケイ酸の反応は、２Ｈ２ＳｉＯ２＋２ＣＯ２→２ＣＯ+O2+２Ｈ2ＳｉＯ2→２ＣＯ+２Ｈ２Ｏ+２ＳｉＯ２となる。いずれの反応においてもＳｉＯ2が生成する。ＳｉＯ2の融点は１６５０±７５℃、沸点は２２３０℃であることから鉄の溶融温度（１４００〜１４５０℃）より高い温度に耐えてフラックスの性能を発揮することができる。ホウ酸系やケイ酸系の析出フラックスに接種材を混ぜてゲル状フラックスを生成して肉盛り母材に塗布して焼成後溶接することで強度の高い溶接部を得ることができる。

溶接用フラックスは低温から高温４０００℃の広範囲の温度領域で機能を発揮することが求められるが、接種剤は溶接時のアーク熱で溶融・溶解するので、低温からｍａｘ４０００℃までの幅広い温度領域に耐えるように複数の接種剤を溶融金属プール中に均一に入いれることが大切である。従来の被覆溶接棒には水ガラス（ヘキサフルオロケイ酸ナトリウム）（Ｎａ２ＳｉＯ２）が１６００℃まで耐える接種材として使用されているが、フラックス中に３〜５％程度しか含有されておらず、カバーできる温度領域も低いのでフラックスとして十分な機能を発揮できなかった。今回発明したゲル状フラックスではヘキサフルオロケイ酸やメタケイ酸を４０%含有可能であり高温のアーク中で最終的に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）（沸点：２２３０）を生成するので高温領域までフラックスの機能を果たすことができるのである。

第６の解決手段は、前記ゲル状フラックスを肉盛り母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定して、該固形フラックスの上から前記肉盛り母材に肉盛する溶接肉盛方法において、肉盛後の前記肉盛り母材をアルミニウム溶解槽に浸漬して溶接肉盛部分にアルミニウムを含浸させる溶接肉盛方法である。アルミニウム電解槽の温度は約７００℃であり溶接部分の残留応力を除去するのに適した温度となっている。浸漬時間は３０分程度が望ましい。アルミニウムが含浸して表面硬度が向上するとともに耐腐食性が向上する。

第７と第８の解決手段は第１、第、第３、第４の解決手段で使用される固形フラックスである。固形フラックスは肉盛り母材に塗布した時点ではゲル状である。ゲル状フラックスの溶媒を乾燥させるか燃焼させることにより固形フラックスとなる。固形フラックスを粉砕した粉体フラックスも当然ながら固形フラックスの一つの形態である。

連続鋳造機のロールに肉盛した場合の実施例である。連続鋳造機のロールに肉盛られる第１層目の溶接棒はＳＵＳ３０９系で化学成分は重量％でＣ：０．０５、Ｓｉ：０．６２、Ｍｎ：１．２２、Ｐ：０．０２２、Ｓ：０．００６、Ｎｉ：１２．６１、Ｃｒ：２４．５、残りＦｅである。ゲル状フラックスの化学成分は重量％で、Ｎａ：８〜９、Ｋ：８〜９、Ｂ：２０〜２２、Ｓｉ：３〜４、Ａｌ：０．８〜１．２、Ｔｉ：０．５〜０．８、Ｈ：０．２〜０．３、Ｏ：４０〜４１、Ｆ：３３〜３５で合計が１００重量％である。このゲル状フラックスを０．２ｍｍの厚みに塗布したＳＵＳ３０９系溶接棒の化学成分は重量％でＣ：０．０６、Ｓｉ：１．２２、Ｍｎ：１．３２、Ｐ：０．０２０、Ｓ：０．００５、Ｎｉ：１２．７０、Ｃｒ：２４．５５、Ａｌ：０．１５、Ｔｉ：０．１５、Ｚｒ：０．３、Ｂ：０．００５、残りＦｅである。

第２層目はＳＵＳ３１２系で化学成分は重量％でＣ：０．０９、Ｓｉ：０．４２、Ｍｎ：１．６８、Ｐ：０．０２１、Ｓ：０．０１３、Ｎｉ：９．８６、Ｃｒ：２９．５３、残りＦｅである。ゲル状フラックスの化学成分は重量％で、Ｎａ：１０〜１１、Ｋ：１２〜１４、Ｂ：１１〜１２、Ｓｉ：２〜２．５、Ａｌ：２〜２．５、Ｔｉ：０．８〜１．０、Ｚｒ：０．３〜０．５、Ｈ：１．０〜１．５、Ｏ：２８〜３０、Ｆ：３０〜３１で合計が１００重量％である。このゲル状フラックスを０．２ｍｍの厚みに塗布したＳＵＳ３１２系溶接棒の化学成分は、例えば重量％でＣ：０．０８、Ｓｉ：１．６２、Ｍｎ：１．５５、Ｐ：０．０２０、Ｓ：０．０８、Ｎｉ：１１．５６、Ｃｒ：２７．０８、Ａｌ：０．１９、Ｔｉ：０．２０、Ｚｒ：０．５１、Ｂ：０．００８、残りＦｅである。

第３層目はＳＵＳ３１２系で化学成分は重量％でＣ：０．０９、Ｓｉ：０．４７、Ｍｎ：１．４２、Ｐ：０．０２２、Ｓ：０．０１３、Ｎｉ：１２．１８、Ｃｒ：３０．４７、残りＦｅである。ゲル状フラックスの化学成分は重量％で、Ｎａ：１０〜１１、Ｋ：１２〜１４、Ｂ：１１〜１２、Ｓｉ：２〜２．５、Ａｌ：２〜２．５、Ｔｉ：０．８〜１．０、Ｚｒ：０．３〜０．５、Ｈ：１．０〜１．５、Ｏ：２８〜３０、Ｆ：３０〜３１で合計が１００重量％である。このゲル状フラックスを０．３ｍｍの厚みに塗布したＳＵＳ３１２系溶接棒の化学成分は、例えば重量％でＣ：０．０９５、Ｓｉ：２．２５、Ｍｎ：１．５１、Ｐ：０．０２０、Ｓ：０．０１、Ｎｉ：１２．５５、Ｃｒ：３０．８５、Ａｌ：０．２５、Ｔｉ：０．３５、Ｚｒ：０．５５、Ｂ：０．００８、残りＦｅである。

微細Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂは合計３．４０８％となり従来の肉盛はＳｉのみで０．４７０％であり、配合比は３．４０８／０．４７０＝７．２５０倍であり高温酸化元素及び結晶微細化元素が増したことが長寿命となった。溶接棒にとってＳｉ、Ａｌ、Ｔｉは脱酸剤であり、溶接時は脱酸剤として消費されるためにこれら元素を０．１％入れようとすれば歩留まりを考慮して１０倍は最低必要となる。Φ１．２ｍｍの複合ワイヤに入れることは空隙率からみてほとんど不可能である。フッ化水素対策としてＳｉ、Ａｌ、Ｔｉが入ったことでロール寿命は２４０００チャージまで長寿命化になったが、接種剤とゲル状フラックス無しでは達成できない技術である。

本発明の固形フラックスは被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、炭酸ガスアーク溶接、サブマージアーク溶接、エレクトロガスアーク溶接、高周波ロウ付け、ガス溶接、ガス圧接溶接、高周波導抵抗溶接を主とする電縫管（ＳＳパイプ、ＳＵＳパイプ、高張力パイプなど）、摩擦圧接溶接などのあらゆる溶接に提要可能であり接合強度を向上させるとともに溶接能率を向上させることができる。連続鋳造機のサポートロール、フートロールなどの長寿命化に応用できる。従来の細径ワイヤの最大の欠点は微元素の添加が困難であったが、特に脱酸剤となるＳｉ、Ａｌ、Ｔｉを添加できれば大きなコストダウンとなる。従来の脱酸剤は半世紀前から知られていたが、アーク熱のために被溶接材（母材）に塗布する方法がなく発達しなかったが、液体フラックスやゲル状フラックスの開発にて溶接への応用が可能となった。

１０：ゲル状フラックス
２０：肉盛り母材
３０：トーチ
３１：外筒
３２：内筒
３３：先端部
３４：給水管
３５：給水管
３６：排水管
４０：ネオジ磁石
５０：ネオジ磁石
６０：ワイヤ
７０：アーク柱
８０：溶融金属プール

Claims (8)

1. 液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスを溶接母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定した後に、該固形フラックスの上から前記肉盛り母材に肉盛することを特徴とする溶接肉盛方法。
2. 前記液体フラックスはアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒に溶解して生成した液体フラックスであることを特徴とする請求項１記載の溶接肉盛方法。
3. 前記接種剤はフェロシリコン（ＦｅＳｉ）もしくはフェロチタン（ＦｅＴｉ）もしくはフェロジルコニウム（ＦｅＺｒ）もしくはアルミニウム粉末であり、もしくはこれらを複数組み合わせたものであることを特徴とする請求項１及び請求項２記載の溶接肉盛方法。
4. 前記接種剤に酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニアを含む耐熱塗料を使用することを特徴とする請求項１及び請求項２記載の溶接肉盛方法。
5. 前記液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに前記接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスを溶接母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの前記溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定して、溶接トーチの先端部に水令室を設け、前記溶接トーチを水冷するとともに、前記水冷室内にネオジ磁石を配設し、磁界をかけながら溶接することを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４記載の溶接肉盛方法。
6. 前記ゲル状フラックスを溶接母材に塗布した後に前記ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして肉盛り母材に固定して、該焼成フラックスの上から前記溶接母材に肉盛する溶接肉盛方法において、肉盛後の前記溶接母材をアルミニウム溶解槽に浸漬して溶接肉盛部分にアルミニウムを含浸させることを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４及ぶ請求項５記載の溶接肉盛方法。
7. 前記液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて生成したことを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４記載の固形フラックス。
8. 前記液体フラックスはアルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｚｎ、Ｓｅなどの原子の内少なくとも２種類以上の原子が結合してできている電解質をアルコールやアセトンなどの溶媒に溶解して生成した液体フラックスであり、前記液体フラックスの溶質を適宜析出せしめて生成した析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスとして、該ゲル状フラックスの溶媒を乾燥もしくは燃焼させて生成したことを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４記載及び請求項７記載の固形フラックス。

Images