JP2011156588A - ダクタイル鋳鉄用被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＣＤの溶接棒は従来心線Ｆｅ−Ｎｉ系で黒鉛系フラックスの溶接棒であり強度もｍａｘ４４０Ｎ／ｍｍ２が限界であり補修程度にしか使用できず、色調も母材と異なり補修痕が浮き上がるなどの問題があり製品の美観や信頼性を損ねていた。また、ＦＣＤ４５０〜８００同士を溶接接合できる溶接棒はなかった。
【解決手段】溶接棒の心線をダクタイル鋳鉄としてフラックスを二層構造に被覆して、外側フラックスからは炭酸ガスを、内側フラックスからはフッ素ガスを発生させるようにした。内側フラックスは液体フラックスに接種剤を混合したゲル状フラックスであり、接合部の強度向上に必要な元素を取り込むようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は鋳鉄用の被覆アーク溶接棒に関するものであり、特にＦＣＤ（ダクタイル鋳鉄）の溶接補修やＦＣＤ同士の溶接及びＦＣＤと異種材（軟鋼、高張力鋼板、ＳＵＳ材など）の溶接接合に用いる被覆アーク溶接棒に関するものである。

ＦＣＤは機械的性質が優れており機械部品としての使用範囲は広いが溶接性が悪いことから、溶接を要しないＦＣＤ単独部品あるいはボルト接合のように溶接を用いないで接合できる部品などに使用されている。ＦＣＤの溶接が困難である原因はＦＣＤの炭素含有量が高いため溶接時の急冷により溶着金属及び溶着金属とＦＣＤとの界面であるボンド部にチル炭化物が形成されるからである。このためフェロニッケル（Ｎｉ：５５％、Ｆｅ：４５％）系やニッケル系の心線に黒鉛系フラックスで被覆した溶接棒がＦＣＤ４５０〜５００の局部的な欠陥（引け、巣、ピンホールなど）の補修用として使用されているものの機械強度は４４０Ｎ／ｍｍ２近傍が限界でありＦＣＤ同士の溶接やＦＣＤと異種材の溶接は強度が弱く採用が困難であった。しかもこれら従来の補修用溶接棒はマンホールなどのように薄い鋳物に使用されるＦＣＤ５００〜８００に対しては耐力が大幅に不足しているため殆ど使用されていない状況であった。またこれらの溶接棒は錆びないため変色することがなく補修箇所の色調がＦＣＤ母材になじまないために美観上問題があった。また補修個所がはっきり判るため商品としても望ましいものではなかった。ＦＣＤ４５０〜５００の母材と補修個所の色調を合わすため心線を共金系のダクタイル溶接棒で補修する方法があるが、二番硬化を緩和するため予熱温度を３００〜８００℃と高くとる必要があり溶接予熱による歪みが生じるため全般的な採用は困難であった。

このような鋳鉄溶接の問題を解決するために、特開昭５８−２３５９４号広報においてアーク電圧を低く抑えることができる黒鉛を多量に含有した溶接棒が示されている。鋳鉄用被覆アーク溶接棒は母材希釈を低く抑える必要から溶接入熱を低く抑える溶接が一般的であるが黒鉛を多量に含有した被覆材はアークの安定性及び集中性に劣り、スラグ巻き込み、ブローホールなどの溶接欠陥が発生しやすい問題がある。アークの安定性、集中性に優れた溶接棒として特開平５−２３７６９１号広報では粒度４４μｍ以下の微粒酸化鉄を含有させてアークの安定性を改善している。しかしフラックス成分の炭酸石灰は大量の炭酸ガス（ＣＯ２）を発生させることになり、ＣＯ２は４０００℃の高温アークにより（ＣＯ２→ＣＯ＋Ｏ）となり活性酸素を発生させ、フラックス中のＳｉやＴｉなどの有効成分を瞬時に酸化し、例えばＳｉをＳｉＯ２、ＴｉをＴｉＯとするのでフラックスとしての機能を果たせず溶接部強度が不十分であった。

ＦＣＤと異種材の被覆アーク溶接棒の心線はＪＩＳに基づいたＦＣＤと同等の化学成分を持ちＦＣＤの耐力を保持できるものでないと接合強度の信頼性が低く採用は困難である。従来ＦＣＤ４５０〜５００などに部分的に採用されているＮｉ系溶接棒では欠陥の補修はできても溶接接合はまず不可能であった。このため特開平９−２３４５８７号広報において共金系溶接材料を用いたＦＣＤの溶接補修やＦＣＤ同士の溶接を可能にした方法が示されている。溶接棒心線のＣは３．３〜５．２％、Ｓｉは２．７〜６．０％のダクタイル系の心線であるがフラックスによるガスシールドが不十分なためＳｉやＭｇ及びＣａなどの成分が酸化されてしまうために組織の黒鉛球状化や微細化が難しく溶着金属やボンド部がチル化し脆化するために二番クラックが入る。予熱を５００℃ぐらいまで高くしても同様である。特開平１０−２５８３８９号広報には球状黒鉛鋳鉄と軟鋼を溶接するために溶接棒心線にＳ含有率が０．０５〜０．６ｗｔ．％の過共晶片状黒鉛鋳鉄を用い、表面にＲＥ−Ｓｉ系またはＲＥ−Ｃａ−Ｓｉ系接種剤を形成させる方法が提案されているが、局的なチル組織は解消されずこの部分を起点に疲労亀裂が発生する問題があった。従って、ＦＣＤと異種材の溶接は信頼性が不十分であることから、ＦＣＤ側に前もって異種材を鋳ぐるみ、異種材と異種材の溶接構造にする必要があり、このような複合構造物は鋳造品の応用に十分熟知した経験者が設計する必要があった。

特開昭５８−２３５９５号 特開平５−２３７６９１号 特開平９−２３４５８７号 特開平１０−２５８３８９号 特願２００８−２８７８２０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 「ナイス総合カタログ」、ナイス株式会社、Ｐ１８ 「鋳物辞典」、第３章鋳鉄の物理的及び機械的性質、Ｐ９／１２

ＦＣＤ４５０〜５００クラスには従来ニッケル溶接棒が補修に供されているが耐力がなく強度を必要とする部分には使用できなかった。ニッケル系溶接棒はＦＣＤ４５０〜５００には部分的な補修には採用されていたがＦＣＤのように錆びないため変色せず補修箇所の色調が母材になじまないために美観上問題があることや欠陥個所が浮き彫りにされることから商品価値が低下するので補修用溶接棒としても望ましいものではなかった。この改善策として心線をダクタイルにした溶接棒があるが、フラックスによるシールドが不十分であり溶接微元素が有効に作用しないことや二番硬化を緩和するため予熱温度を３００〜８００℃と高くとる必要があり溶接予熱による歪みが生じるなどの問題があった。

ＦＣＤ４５０〜８００と異種材との溶接の場合はＪＩＳに基づいた化学成分を持ちＦＣＤ４５０〜８００の耐力を保持できる溶接棒でないと採用は困難であり、従来仕方なく部分的に採用されているＮｉ系溶接棒では強度不足でまず使用不可能であった。このためＦＣＤ４５０〜８００と異種材（軟鋼、高張力鋼、ＳＵＳなど）を接合する場合は溶接接合部に溶接の容易な異種材を鋳ぐるみ接合し、この鋳ぐるみ接合異種材と異種材とを溶接をすることでＦＣＤ４５０〜８００と異種材の接合を可能としていた。

本発明の目的はＦＣＤ４５０〜８００の部分補修やＦＣＤ同士の溶接及びＦＣＤと軟鋼などの異種材との溶接が容易で強度が高い溶接棒を提供することにありその主な課題は次のような点である。（１）ＦＣＤの部分的な補修をしても色調がＦＣＤと同等であり補修個所の美観や商品としての価値を損なわないこと、（２）ＦＣＤ同士を溶接接合可能にすること、（３）ＦＣＤと異種材の溶接を可能にすること、（４）溶接接合部が機械的な特性を低下することなくＪＩＳ規定値と同等な特性を発揮できること、（５）３００〜８００℃の高い予熱温度ではなく１００〜１５０℃での低い予熱温度で可能な溶接を実現し溶接歪みを生じないようにすること、（６）ＦＣＤで個々の小さな部品を作りそれを溶接接合することにより大型構造物の製造を可能にすることである。

第１の解決手段は、被覆アーク溶接棒の心線を被覆しているフラックスを溶接時のアーク熱で溶解してシールドガスを発生させる方法において、前記芯線がダクタイル鋳鉄でありかつ前記フラックスを内側フラックスと外側フラックスの２層構造として、前記内側フラックスからはフッ素ガスを発生させ、前記外側フラックスからは炭酸ガスを発生させるダクタイル鋳鉄用溶接棒である。

第２の解決手段は、前記外側フラックスは重量％でＣ：２０〜２８％、ＣａＦ：１０〜１５％、ＣａＯ：１０〜１５％、ＣａＣＯ３：５〜１０％、ＦｅＳｉ：６〜１０％、ＦｅＭｎ５〜６％、Ｃｕ：３〜５％、ＢａＣＯ３：５〜１０％であり、これらのフラックスに水ガラス（Ｎａ２ＳｉＯ２）を６〜１０％混合しているダクタイル鋳鉄用溶接棒である。

第３の解決手段は、前記内側フラックスは、アルコールなどの溶媒中に氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ３）、ケイ弗化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッカカリウム（ＫＦ）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、カリフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ４）、３カリフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）の全てもしくは二つ以上を選択して溶解し液体フラックスを生成し、該液体フラックスの濃度を調整することにより析出フラックスを生成し、接種剤として銅メッキしたＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの粉末の全てもしくは二つ以上を選択したものとアルミニウム粉末を前記析出フラックスに混合してゲル状フラックスとして、前記心線に塗布し該ゲル状フラックスを乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして前記心線に被覆しているダクタイル鋳鉄用溶接棒である。

第４の解決手段は、前記心線は長手方向にテーパを付けている鋳鉄用溶接棒である。

第５の解決手段は、鋳型として粉コークスと混合した砂で二分割砂型を形成し、該二分割砂型に前記液体フラックスを塗布後、前記液体フラックスに火を付けてアルコール分を燃焼させて固めた前記二分割砂型で鋳造するダクタイル鋳鉄用溶接棒である。

本発明による溶接棒は、空冷溶接もしくは１００〜１５０℃の低温予熱による溶接でも２番硬化のない溶接棒を供給するものであり、マウラーの状態図における２bの領域に示す（パーライト＋フェライト＋球状黒鉛）を強制的に作るため２層フラックス構造としている。内側は接種剤を液体フラックスもしくは析出フラックスで固めたゲル状フラックスであり、接種剤には溶接微元素を添加しており、主としてフッ素ガスを発生させるように成分配合している。外側フラックスは主として炭酸ガスを発生させるように成分配合している。フッ素ガスと炭酸ガスの二重シールドガスの効果で溶接微元素が溶融金属プール内で有効に作用するようにしたものである。

第１の解決手段による効果を説明する。（１）本発明の鋳鉄用溶接棒は２層構造のフラックスであり外側は炭酸ガス、内側はフッ素ガスによる二重シールド作用により、ガスシールド機能に優れており、重力沈降特性型溶接溶け込みとなるため深く溶け込ませることができることから溶接強度が大きくなるので大型構造物への適用が可能となった。（２）従来の黒鉛系、Ｆｅ−Ｎｉ系、純Ｎｉ、Ｎｉ-Ｃｕ系（モネル系）と比較すると塩基度の強い低水素系に近くそのため下向姿勢溶接だけでなく上向姿勢溶接も可能であり全姿勢溶接が可能となった。（３）ＦＣＤの局部的な引け、巣、ピンホールなどの部分補修の他、ＦＣＤ同士の溶接接合やＦＣＤと異種材の溶接接合及びＦＣＤと異種材を鋳込み接合した際の局部的な廻り止め、抜け止めなどに応用可能である。（４）耐力もＪＩＳに準拠した強度がでるためＦＣＤを大型ブロックとして組み立てることも可能である。

第２の解決手段による効果を説明する。（１）ＦＣＤ４５０〜５００の巣埋め専用にはｍａｘ５％のＳｉとｍａｘ５％の銅粉を入れることで溶接部の組織がマウラー線図２bの領域に示す（パーライト＋フェライト＋球状黒鉛）となるようにした。銅粉を入れることによりパーライト組織が安定化する。（２）フラックスにアルカリ土類金属元素として炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）を使うことでＯ２やＮ２と高温反応し酸化バリウム（ＢａＯ）、窒化バリウム（Ｂａ２Ｎ２）となりシールドガス中の酸素や窒素を除去する。また１８００℃以上の高温で鋳物中のイオウと反応して硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）となってフラックスのスラグとなりかつ溶接音を低減する効果がある。

第３の解決手段による効果を説明する。ＦＣＤ４５０〜８００の溶接棒には微元素Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒなどを入れ、予熱はｍａｘ５００℃を保持すればＪＩＳに規定された溶接部の耐力を得ることが可能である。特殊元素であるＳｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒは従来心線の外側のフラックスに入れているがフラックスから発生する炭酸ガスのシールドが不十分なため消耗が激しくフラックスとしての機能が不足していた。これらの微元素を接種剤として表面に銅メッキしたＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの粉末の全てもしくは二つ以上を選択したものとアルミニウム粉末を析出フラックスと混合してゲル状フラックスとして心線に塗布することで、Ｔｉを０．０５〜０．１０ｗｔ.％、Ｚｒを０．１〜０．１５ｗｔ.％、Ｎｉを０．５〜１．０ｗｔ.％、Ｃｒを０．０５〜０．１ｗｔ.％を入れることができ、溶接部の結晶粗大化を抑え耐力を向上できる。２層のフラックス構造として内側は主としてフッ素ガス、外側は主として炭酸ガスが発生するようにしたことで酸化しやすい微元素の消耗を防ぐことが可能となった。

第４の解決手段による効果を説明する。（１）心線は先端が３．０〜３．５ｍｍ、根元が４．０〜４．５ｍｍのテーパを付けていることで鋳型から抜きやすい。（２）先端ほど細いので電流が密となるため溶接アークが一時的に中断して再アークする際にも常に再アーク性がよい。（３）フラックスを自動機械で塗布する際心線の先端部と根元部ではフラックスの外径は同じになるので先端ほど内側フラックスが厚くなり初期アークのシールドガスの不足を補充する効果がある。

第５の解決手段による効果を説明する。液体フラックスに火を付けてアルコール分を燃焼させて、砂型にケイ酸ガラス質やホウ酸ガラス質を作り砂型を固めて砂型中の水素シールをすることができる。

鋳鉄用溶接棒の縦断面図。

第１の解決手段は、被覆アーク溶接棒の心線１０を被覆しているフラックスを溶接時のアーク熱で溶解してシールドガスを発生させる方法において、前記心線１０がダクタイル鋳鉄でありかつが前記フラックスを内側フラックス２０と外側フラックス３０の２層構造として、前記内側フラックス２０からはフッ素ガスを発生させ、前記外側フラックス３０からは炭酸ガスを発生させる鋳鉄用溶接棒である。

二重シールドガス噴射タイプの被覆アーク溶接棒のため溶融金属プールは次のような現象が生じている。（１）４０００℃以上のプラズマイオン気流によって溶滴内は対流となっている。（２）溶融金属プール内には表面と内部の温度差のため対流が発生している。（３）溶融金属プール内を流れる電流のため電磁対流が発生している。（４）溶融金属プール内の密度差による熱対流が発生している。（５）フラックスに含まれる元素はイオン化された状態でアーク放電している。これらの現象が同時に且つ一瞬にして発生するため溶融金属プールは流動性が大きくなっている。そのため立向姿勢溶接を可能とするためにはフラックスに含まれる元素の作用によって、酸化防止と表面張力除去作用を発揮できる溶接棒でなければならない。

心線１０のダクタイル鋳鉄は一般に市販されているものを再溶解して心線１０に鋳込むのであるが、取鍋で再溶解する際に鍋底に鉄金網でフラックスの浮き上がりを防止し、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、ケイフッ化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、フェロシリコン（ＦｅＳｉ）、フェロチタン（ＦｅＴｉ）を添加してマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発を抑えている。酸化セリウム（ＣｅＯ２）が１３５０〜１４００℃の溶解熱にてＣｅ＋Ｏ２に分解した際に安定した酸化セリウムとなるため次々に酸素と結び付く。この酸化セリウムの分解・結合作用はＴｉの３倍以上の脱酸剤として作用する。Ｃｅはガラスの研磨剤として一番安価で入手できるランタノイド元素である。希元素を使うことでマグネシウム（Ｍｇ）の蒸発を長時間に渡って抑えるため完全なる球状化黒鉛となる。酸化セリウムは高温になると活性化した酸素が残った炭化水素（ＣＨ）や一酸化窒素（ＮＯ）を素早く酸化させる触媒的働きをするため清浄な連続シールドガスを供給できる。

本発明のダクタイル鋳鉄用被覆アーク溶接棒は心線１０に被覆した内側フラックス２０と外側フラックス３０の二層構造の被覆フラックスとそれぞれの被覆フラックスから発生する炭酸ガスとフッ素ガスの二重シールドガス機能を有しており、この機能によりＦＣＤ同士の溶接やＦＣＤと異種材の溶接が可能となった。二重シールドガス中のフッ素ガスは主としてアーク電圧アップと清浄作用及び表面張力除去の作用がある。炭酸ガスは主として大気のシールドとアーク安定機能がある。このような役割分担を効率的に発揮させるために、外側フラックス３０が炭酸ガスを内側フラックス２０がフッ素ガスを発生するように配設しているのである。また、炭酸ガスとフッ素ガスの発生割合は３対１が望ましい。炭酸ガスで大気を完全にシールドし、フッ素ガスに微元素を保護させフラックスとして確実に機能させるためである。

溶接棒の外側フラックス３０はシールドガス＋アーク安定剤、内側フラックス２０は不足する元素（Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌなど）の入った接種剤をフッ化物フラックスに混合して塗布した二層構造である。高張力のでる塩基度系フラックスのため全姿勢溶接が可能である。溶接フラックスは主として炭酸ガスを出すことで空気をシールドしているが、炭酸ガスは４０００℃以上のアーク熱により分子解離を起こしてＣＯ＋Ｏ（活性酸素）となる。一方溶接棒心線１０は砂型中の水分中の水素を吸収した心線１０となることが多いためこの活性酸素は心線１０の水素と反応してＯ＋Ｈ→ＯＨ（水酸基）となりラジカルな水酸基を作る。この水酸基は非常に反応性が強く内側フラックス２０成分中の接種剤としてのＳｉやＴＩなどをＳｉＯ２、ＴｉＯに瞬時に酸化させてしまうため接種剤の消耗が激しく接種剤が有効に機能しない問題がある。しかし脱酸剤対策に力を入れすぎるとＳｉまで消化することになるので脱酸剤の添加は制限される。このため内側フラックス２０でフッ素ガスをシールドガスとして発生させて水素を集中的に吸収させるようにしているのである。このようにハロゲンのフッ素を多量に発生させることによりほぼ完全に水素シールドすることが可能になり接種剤の酸化防止が可能になった。このような二重シールドガスの働きにより接種剤が有効に作用するので高温の予熱をしなくてもボンド部のチル化は解消でき強度の高い溶接接合部を実現できた。

第２の解決手段は、前記外側フラックスは重量％でＣ：２０〜２８％、ＣａＦ：１０〜１５％、ＣａＯ：１０〜１５％、ＣａＣＯ３：５〜１０％、ＦｅＳｉ：６〜１０％、ＭｎＦｅ５〜６％、Ｃｕ：３〜５％、ＢａＣＯ３：５〜１０％であり、これらのフラックスに水ガラス（Ｎａ２ＳｉＯ２）を６〜１０％混合して後前記心線を被覆している鋳鉄用溶接棒である。

マウラー状態図に示すように鋳鉄の硬度を緩和する元素はシリコン（Ｓｉ）であるが、Ｓｉをｍａｘ７％まで入れると柔らかいが耐力が低下する。ＦＣＤ４５０〜５００の巣埋め専用にはｍａｘ５％のＳｉとｍａｘ５％の銅粉を入れることで溶接部の組織が（パーライト＋フェライト＋球状黒鉛）となるようにした。ＦＣＤ４５０〜５００用の溶接棒の接種剤としてはこれで十分であるが、ＦＣＤ６００〜８００の溶接棒にはさらに微元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ、Ｗ）などを入れ、予熱はｍａｘ３００℃保持すればＪＩＳに規定された溶接部の耐力を得ることが可能になる。フラックスにアルカリ土類金属元素として炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）を使う理由は、Ｏ２やＮ２と高温反応し酸化バリウム（ＢａＯ）、窒化バリウム（Ｂａ２Ｎ２）となることでシールドガス中の酸素や窒素を除去するからである。また１８００℃以上の高温で鋳物中のイオウと反応して硫酸バリウム（ＢａＳＯ４）となってフラックスのスラグとなりかつ溶接音を低減する効果がある。

被覆溶接棒を使用する時の基本は溶接母材の予熱と徐冷である。そのため被覆アーク溶接棒は半自動である炭酸ガスアーク溶接における複合ワイヤのように連続的に使用することは出来ない。大型構造物の溶接は全姿勢溶接が要求されるが、従来の鋳鉄用被覆アーク溶接棒は黒鉛系フラックスが主であったため立向姿勢溶接は極めて難しい技術を要する溶接であり大型の構造物を製造することは困難であった。しかし本発明の被覆アーク溶接棒は外側フラックス３０に入れているＣａＣＯ３、ＣａＯ２、ＣａＦなどのＣａとＢａＣＯ３のＢａの作用により溶融金属プールの流動性がよく立向姿勢溶接も容易でありＦＣＤの大型構造物の製造が可能となった。

第３の解決手段は、前記内側フラックスは、アルコールなどの溶媒中に氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ３）、ケイ弗化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッカカリウム（ＫＦ）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、カリフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ４）、３カリフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）の全てもしくは二つ以上を選択して溶解し液体フラックスを生成し、該液体フラックスの濃度を調整することにより析出フラックスを生成し、接種剤として表面に銅メッキしたＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの全てもしくは二つ以上を選択したものとアルミニウム粉末を前記析出フラックスに混合してゲル状フラックスにして、前記心線に塗布し該ゲル状フラックスを乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして前記心線に被覆している鋳鉄用溶接棒である。

本発明は特願２００８−２８７８２０号（ガス切断用気化フラックス）、特願２００８−１７８４２０号（液体フラックスの製造方法及びその装置）、特願２００８−２７０４３５号（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）において発明した方法で製造した液体フラックスを使用している。溶接棒に塗布するためには液体フラックスの溶質を析出させ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を生成する。析出フラックスと接種剤は重量％でそれぞれ４０％と６０％の割合で混合する。ゲル状フラックスと心線１０を押し型にいれて一体に押し固めたものを乾燥もしくは焼成して、心線１０にゲル状フラックスを固定・焼き付けしたものである。ゲル状フラックスと心線１０の焼付けはゲル状フラックスに火をつけて溶媒を燃やす方法でもよい。

接種剤中のＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒなどの粒子に銅メッキでしているので銅は銅イオンとしてフッ素ガス中を伝わって溶融金属プール内に入り込んでパーライトの減少を防いでいる。本発明におけるＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの銅メッキ方法は、硫酸銅（ＣｕＳＯ４）をメタノール（ＣＨ３ＯＨ）に溶解しミキサーの中で回転しながら、純銅（Ｃｕ）をプラス電極、ＳＵＳ３０４をマイナス電極として１２〜２４ボルトの電流を流す。メッキ液の活性剤としてテトラフルオロホウ酸銅（Ｃｕ（ＢＦ４））を使用するので銅メッキにホウ素が入ることになる。ＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒにメッキされた銅はアーク熱にて１０８０〜１１３０℃で銅イオンとなって溶融金属プール内に入る際にホウ素イオンがフラックス機能を果たし、溶融金属プールの表面張力除去の働きをするため溶着金属のパーライト化を守る。上記のような銅メッキ方法を採用することにより、メッキ液は最終的に弱酸となるので苛性ソーダで中和し、アルコール分は燃焼させ、残留銅粉は高周波溶解炉にて再利用可能であり１００％社内回収品としてパーライト安定化用銅粉として使える利点があるので全く無公害である。通常の銅メッキはシアン化銅（ＣｕＣＮ）を使うため排水処理専門の設備が必要である。

内側フラックス２０中のＮａやＫは表面張力除去や酸化防止の機能を発揮し、アルミニウムは脱酸剤として作用する。さらに内側フラックス２０からは多量のフッ素ガスが発生して溶融金属プール周辺の水素を殆ど１００％除去することが可能である。そのため内側フラックス２０中のＳｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌは反応性の高い水素ガスと反応することが無く単体元素としてフラックス本来の機能を発揮できる。従来はＦＣＤ４５０までの溶接棒しかなかったがＦＣＤ８００までの溶接棒を作る事が可能となった。

内側フラックス２０は重量％でゲル状フラックス４０％と接種剤６０％からなる固形フラックスである。内側フラックス２０の主な元素は重量％で4.5％Ｓｉ＋1.5％Ａｌ＋０．５％Ｃｕ＋残（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｚｒなど）である。内側フラックスはフッ素ガスを発生させてールド効果を出す。析出フラックス４０ｗｔ％に接種剤を６０ｗｔ％混合してゲル状フラックスにして溶接棒に塗布している。接種剤は３０〜１００メッシュの粒に銅メッキしたＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの中から少なくとも２種類以上を選択しＡｌ粉と混合している。ＦＣＤ６００〜８００の化学成分に基づいて不足する微元素を供給している。そのためＦＣＤ８００の溶接も可能となった。溶接棒を被覆するフラックスを二層構造にして、外側フラックス３０は主として炭酸ガスを発生させ、内側フラックス２０は主としてフッ素ガスを発生させるようにしている。従来のフラックスは単層でありフッ素ガスと炭酸ガスは混合ガスとして発生していたために添加元素の機能を十分に引き出せなかった。内側フラックス２０からフッ素ガスが単独に発生し確実な精錬効果が生まれるので脱水素、脱酸素、脱リン、脱硫が効率的に行われ接合部脆化の阻害因子をほぼ完璧に除去することが可能となった。炭酸ガスがフッ素ガスを包み込むピンチ効果が発生し、溶接電流は低電流（従来に比べて１０〜２０アンペア低減する）となる。従来の黒鉛系の幅広い浅い溶け込みとは異なり重量沈降特性が直下型の溶け込みとなり、開先角度も４５度から３０度とすることが可能となり大幅な溶接材削減となる。

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。

内側フラックス２０はアルコールなどの溶媒中に氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ３）、ケイ弗化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッカカリウム（ＫＦ）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、カリフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ４）、３カリフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）などを溶解して液体フラックスを生成し、濃度を調整することにより析出フラックスを生成する。この析出フラックスに接種剤を混入してゲル状フラックスを生成する。ゲル状フラックスは重量比で析出フラックス４０％と接種剤６０％から構成されている。接種剤はＦＣＤ４５０〜ＦＣＤ８００の化学成分の不足量に合わせて添加する。例えば重量％でＴｉは０．０５〜０．１０％、Ｚｒは０．１０〜０．１５％、Ｎｉは０．５０〜１．００％、Ｃｒは０．０５〜０．１０％の範囲で添加する。Ｃｒは結晶粗大化を押さえ耐力アップとする機能がある。これらの元素は全て内側フラックス２０の接種剤より供給する。外側フラックス３０中にはパーライト組織の安定元素として銅粉をｍａｘ５％入れている。

第４の解決手段は、前記心線１０は長手方向にテーパを付けている鋳鉄用溶接棒である。心線は鋳物の抜け勾配を付けているため先端が３．２ｍｍ、根元が４．２ｍｍのテーパを付けていることで電流が密となるため常に再アーク性がよい。溶接棒の長さは３５０〜４００ｍｍがよい。

鋳造心線１０は抜け勾配のついた心線で出来上がる。このことは鋳造湯の流れを良くするためであるが塗装機によるフラックス塗装をした場合は、フラックスの外径寸法は溶接棒全長に渡り同径となるため、心線１０の先端部１１と根元部１２ではフラックスの厚みに差が生じる。心線１０は細くなるほど電流密度は高くなるのでスタートスパークが容易となる。現在市販される電孤棒はアークを容易にするため先端部１１に鉄粉を塗布して固めてある。この工程が不要になった。先端部１１の方が細く根本部１２が太いことは棒焼を防止するためフラックスの脱落もなくなっている。連続ビードを引くことで軽度の棒焼のためフラックスが膨らみ脱落しやすくなるが１８００±１００℃近辺になるとＦＣＤ棒中のサルファー除去した硫化セリウム（ＣｅＳ）が陶器の上薬のように張り付くため膨らみや脱落がなくなった。硫化セリウムとなることで心線１０中のＳが０．００１％以下の不純物サルファー（Ｓ）となっている。

本発明のダクタイル鋳鉄用被覆アーク溶接棒の断面はテーパを付けているので先端部１１に行くほど細くなり、電気抵抗は断面積に比例し長さに反比例することから、断面積が細いほどジュール熱による再アークが簡単になり現場向きの溶接棒である。従来被覆アーク溶接棒は１００％心線メーカーの心線を使うため自動製造ラインで製造されるので一様な太さの溶接棒しか製造されていなかった。本発明の溶接棒は鋳型でバッチ製造するために鋳造鋳抜きテーパが付いているので心線１０も作りやすく、心線１０の根元部１２が太いことは通電抵抗減となり再アークの良好性につながっている。

第５の解決手段は、前記心線１０は、鋳型として粉コークスと混合した砂で二分割砂型を形成し、該二分割砂型に前記液体フラックスを塗布後、前記液体フラックスに火を付けアルコール分を燃焼させて固めた前記二分割砂型で鋳造するダクタイル鋳鉄用溶接棒である。

砂型鋳造にて心線１０を作るため塗型剤を塗布するが、塗型剤を兼用した特殊なフラックスを塗布して二つ割りの砂型に塗布後アルコールに火をつけて溶媒のアルコールを飛ばしてフラックスを焼き付ける。ケイ酸ガラス＋ホウ酸ガラスとなって鋳造中の酸化を守りピンホールや鋳型の水素吸収を防ぐことで微元素の健全化を図る。

砂型は曲がり防止と液体フラックス塗布のために二分割方式とした。液体フラックスはアルコールなどの溶媒に氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ３）、ケイ弗化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッカカリウム（ＫＦ）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、カリフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ４）、３カリフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）全部もしくは数種類を選択して２０％程度溶解して製造する。液体フラックスを砂型に塗布後、液体フラックスに火を付けてアルコール分を燃焼させて、砂型にケイ酸ガラス質やホウ酸ガラス質を作り砂型を固めて砂型中の水素シールをする。砂型の中には前もって粉コークスを従来の標準量の約２倍程度（４〜６％）を目安として混入するのがよい。またアセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）を発生させて砂型中の水分を除去するようにした。液体フラックスのアルコールやアセチレンガスの燃焼による水分除去は鋳型の予熱にもなり心線のチル化を防いでいる。また徐冷を目的として湯の吐出口を別途作ることで徐冷化を図った。

心線は市販のＦＣＤ４５０を使用した。成分はＣ：３．７％、Ｓｉ：２．６％、Ｍｎ：０．４３％、Ｐ：０．０４％、Ｓ：０．０１５％である。心線の長さは４００ｍｍで先端の径は３．２ｍｍ、根元部は４．２ｍｍである。内側フラックスは特願２００８−２７０４３５の方法によって作成した液体フラックスを適宜析出させて析出フラックスを生成し、この析出フラックスに接種剤として銅メッキしたＦｅＳｉ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの粉末とアルミニウム粉末を混合してゲル状フラックスにして０．５ｍｍの厚みに塗布した後、ゲル状フラックスのアルコール分に点火して焼成し固形フラックスとした。ゲル状フラックスは重量比で析出フラックス４０％、接種剤６０％となるように配合した。さらに固形フラックスの上に外側フラックスを０．５ｍｍ厚みに塗布して乾燥させた。析出フラックスはアルコールに氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ３）、ケイ弗化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッカカリウム（ＫＦ）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、カリフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ４）、３カリフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）を溶解しており、（Ｋ＋Ｎａ＋Ｈ）／（Ｓｉ＋Ａｌ＋Ｂ＋Ｏ）＝０．６０となるように成分を配合した。また、析出フラックスに接種剤を混合したゲル状フラックスは（Ｋ＋Ｎａ＋Ｈ）／（Ｓｉ＋Ａｌ＋Ｂ＋Ｏ）＝０．３０となるように配合した。外側フラックスはＣ：２４％、ＣａＦ：１３％、ＣａＯ：１３％、ＣａＣＯ３：７％、ＦｅＳｉ：８％、ＦｅＭｎ：５．５％、Ｃｕ：４％、ＢａＣＯ３：７％に水ガラス（Ｎａ２ＳｉＯ２）を８％混合したものである。このようにして製造した溶接棒でＦＣＤ７００同士を１３０℃に予熱して電流値１６５Ａ、電圧２８Ｖで溶接接合したところ、引張強さ７９５Ｎ／ｍｍ２、耐力５３０Ｎ／ｍｍ２、伸び２．９％、硬さ２２０ＨＢの物性値を得た。この結果からＦＣＤ同士の接合に使用できることを確認した。

本発明はＦＣＤ同士の溶接やＦＣＤと異種材の溶接に適用可能である。

１０：心線
１１：先端部
１２：根元部
２０：内側フラックス
３０：外側フラックス

Claims (5)

1. 被覆アーク溶接棒の心線を被覆しているフラックスを溶接時のアーク熱で溶解してシールドガスを発生させる方法において、前記心線がダクタイル鋳鉄でありかつ前記フラックスを内側フラックスと外側フラックスの２層構造として、前記内側フラックスからはフッ素ガスを発生させ、前記外側フラックスからは炭酸ガスを発生させることを特徴とするダクタイル鋳鉄用溶接棒。
2. 前記外側フラックスは重量％でＣ：２０〜２８％、ＣａＦ：１０〜１５％、ＣａＯ：１０〜１５％、ＣａＣＯ３：５〜１０％、ＦｅＳｉ：６〜１０％、ＦｅＭｎ５〜６％、Ｃｕ：３〜５％、ＢａＣＯ３：５〜１０％であり、これらのフラックスに水ガラス（Ｎａ２ＳｉＯ２）を６〜１０％混合していることを特徴とする請求項１記載のダクタイル鋳鉄用溶接棒。
3. 前記内側フラックスは、アルコールなどの溶媒中に氷晶石（Ｎａ３ＡｌＦ６）、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ２ＳｉＦ６）、ケイフッ化ナトリウム（Ｎａ２ＳｉＦ３）、ケイ弗化カリウム（Ｋ２ＳｉＦ６）、ホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）、フッカカリウム（ＫＦ）、酸性フッ化カリウム（ＫＨＦ２）、ホウ砂（Ｎａ２Ｂ４Ｏ７）、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）、カリフッ化アルミニウム（ＫＡｌＦ４）、３カリフッ化アルミニウム（Ｋ３ＡｌＦ６）の全てもしくは二つ以上を選択して溶解し液体フラックスを生成し、該液体フラックスの濃度を調整することにより析出フラックスを生成し、接種剤として表面に銅メッキしたＦｅＳｉ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｒ、ＦｅＭｎ、ＦｅＴｉ、ＦｅＺｒの粉末の全てもしくは二つ以上を選択したものとアルミニウム粉末を前記析出フラックスに混合してゲル状フラックスにして、前記心線に塗布し該ゲル状フラックスを乾燥もしくは燃焼させて固形フラックスとして前記心線を被覆していることを特徴とする請求項１及び請求項２記載のダクタイル鋳鉄用溶接棒。
4. 前記心線は長手方向にテーパを付けてい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記載のダクタイル鋳鉄用溶接棒。
5. 前記心線は、鋳型として粉コークスと混合した砂で二分割砂型を形成し、該二分割砂型に前記液体フラックスを塗布後、前記液体フラックスに火を付けてアルコール分を燃焼させて固めた前記二分割砂型で鋳造することを特徴とする請求項４記載のダクタイル鋳鉄用溶接棒。

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