JP2012121051A - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】全姿勢溶接での溶接作業性が良好で、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の強度及び低温靭性に優れ、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものよりも大きく低下してしまうのを抑制することを可能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を提供する。
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｂ：０．００２〜０．０１５％、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｖ：０．０２１〜（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％、ＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜８．０％、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％、ＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％、Ｆ換算値の合計：０．０１〜０．３％を含有し、Ｐ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．０１５％以下であることを特徴とする。
【選択図】なし
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【選択図】なし
Description
本発明は、鋼構造物等に使用される鋼を溶接するにあたって全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、溶接のまま（以下、ＡＷという。）及び溶接後熱処理（溶接熱影響部の軟化、溶接部の靭性改善及び溶接残留応力の除去を目的に行われる熱処理：以下、ＰＷＨＴという。）後の強度及び低温靭性に優れた溶接金属を得るうえで好適な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。
鋼を被溶接材とするガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤとしては、例えば、ルチール系フラックス入りワイヤや塩基性系フラックスワイヤが知られている。
ルチール系フラックス入りワイヤは、溶接能率、全姿勢溶接での溶接作業性において非常に優れた能力を発揮するため、造船、橋梁、海洋構造物、鉄骨等の広い分野で適用されている。しかし、ルチール系フラックス入りワイヤの主原料であるルチールには不純物としてＮｂ及びＶが含まれており、これらはＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性を劣化させるため、ルチール系フラックス入りワイヤはＰＷＨＴ仕様の鋼構造物の溶接にはあまり好適に適用されていなかった。
一方、塩基性系フラックス入りワイヤは、溶接金属の酸素量が低く、ＡＷ及びＴＷＨＴ後のいずれにおいても良好な低温靭性の溶接金属が得られるが、全姿勢溶接での溶接作業性がルチール系フラックス入りワイヤに比べ劣り、実用化が困難であった。
そこで、従来より、ルチール系フラックス入りワイヤを用いた場合でも、ＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属を得るための技術が検討されている。例えば、特開平８−９９１９３号公報（特許文献１）には、ルチールの代わりに不純物としてのＮｂ、Ｖが非常に少ない酸化チタンを使用することにより、ＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属を得るという技術が開示されている。しかし、同技術では、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下してしまうという問題があった。
また、特開平８−１０９８２号公報（特許文献２）及び特開平９−２７７０８７号公報（特許文献３）には、全ワイヤ中のＮｂ、Ｖの含有量を制限することにより、ＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属を得るという技術が開示されている。しかし、同技術でも、特許文献１と同様、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、鋼構造物等に使用される鋼を溶接するにあたって全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靭性に優れた溶接金属が得られるとともに、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下してしまうのを抑制することが可能な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にある。
本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなる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、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｂ：０．００２〜０．０１５％、Ｍｇ：０．１〜０．８％、Ｖ：０．０２１〜（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％、Ｔｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜８．０％、Ａｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％、金属弗化物のF換算値の合計：０．０１〜０．３０％を含有し、Ｐ：０．０２％以下、Ｎｂ：０．０１５％以下であり、残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分、アーク安定剤及び不可避不純物からなることを特徴とする。但し、［Ｍｎ％］はワイヤ全質量に対する質量％でのＭｎの含有量を示す。
また、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｚｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計：０．１〜０．８％を更に含有することが好ましい。
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．０２〜０．３０％を更に含有することが好ましい。
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よれば、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靱性に優れた溶接金属が安定して得られるとともに、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下してしまうのを抑制することが可能となる。また、これによって、溶接部の品質向上を図ることが可能となる。
本発明者らは、ルチール系のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靱性に非常に優れた溶接金属を得られるとともに、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下してしまうのを抑制することが可能となるワイヤ成分組成について、種々検討を行った。
その結果、特にＶの含有量を適正量とすることによりＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下するのを抑制することが可能となり、さらに、合金成分としてのＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、Ａｌ並びにＮｂと、脱酸剤としてのＭｇと、酸化物としてのＴｉ酸化物、Ａｌ酸化物並びにＳｉ酸化物と、アーク安定剤としての金属弗化物とを適正量とすることによって、全姿勢溶接での溶接作業性を良好とし、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属が安定して得られることを見出した。
以下、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の成分と、その組成の限定理由とについて説明する。まず、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の基本的な成分から説明する。なお、各成分の組成は、ワイヤ全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載して表すこととする。
［Ｃ：０．０２〜０．０８％］
Ｃは、溶接時にアークの安定化に寄与する効果がある。しかし、Ｃの含有量が０．０２％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｃの含有量が０．０８％超では、Ｃが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｃの含有量は、０．０２〜０．０８％とする。
Ｃは、溶接時にアークの安定化に寄与する効果がある。しかし、Ｃの含有量が０．０２％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｃの含有量が０．０８％超では、Ｃが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｃの含有量は、０．０２〜０．０８％とする。
なお、Ｃは、鋼製外皮や、フラックス中の金属粉及び合金粉等から添加される。
［Ｓｉ：０．１〜１．０％］
Ｓｉは、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Ｓｉの含有量が０．１％未満では、溶接ビードの外観や形状を良好にする効果が十分に得られない。また、Ｓｉの含有量が１．０％超では、Ｓｉが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｓｉの含有量は、０．１〜１．０％とする。
Ｓｉは、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Ｓｉの含有量が０．１％未満では、溶接ビードの外観や形状を良好にする効果が十分に得られない。また、Ｓｉの含有量が１．０％超では、Ｓｉが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｓｉの含有量は、０．１〜１．０％とする。
なお、Ｓｉは、鋼製外皮や、フラックス中の金属Ｓｉの他、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−ＭｎのようなＳｉ合金等から添加される。
［Ｍｎ：１．０〜２．５％］
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。また、Ｍｎは、溶接金属に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の強度と低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｎの含有量が１．０％未満では、これらの効果が十分に得られない。また、Ｍｎの含有量が２．５％超では、Ｍｎが溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰になることにより、かえってＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｍｎの含有量は、１．０〜２．５％とする。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接時に一部が溶接スラグとなることにより溶接ビードの外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。また、Ｍｎは、溶接金属に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の強度と低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｎの含有量が１．０％未満では、これらの効果が十分に得られない。また、Ｍｎの含有量が２．５％超では、Ｍｎが溶接金属中に過剰に歩留まり、溶接金属の強度が過剰になることにより、かえってＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｍｎの含有量は、１．０〜２．５％とする。
なお、Ｍｎは、鋼製外皮や、フラックス中のＦｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−ＭｎのようなＭｎ合金等から添加される。
［Ｎｉ：０．１〜３．０％］
Ｎｉは、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｎｉの含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｎｉの含有量が３．０％超では、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下を招くうえ、溶接金属に高温割れが発生し易くなることにより外観、形状の良好な溶接ビードが得にくくなり、溶接作業性の低下を招いてしまう。そこで、Ｎｉの含有量は、０．１〜３．０％とする。
Ｎｉは、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｎｉの含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｎｉの含有量が３．０％超では、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下を招くうえ、溶接金属に高温割れが発生し易くなることにより外観、形状の良好な溶接ビードが得にくくなり、溶接作業性の低下を招いてしまう。そこで、Ｎｉの含有量は、０．１〜３．０％とする。
なお、Ｎｉは、フラックス中の金属Ｎｉの他、Ｆｅ−ＮｉのようなＮｉ合金等から添加される。
［Ｂ：０．００２〜０．０１５％］
Ｂは、微量の添加により溶接金属のミクロ組織を微細化し、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｂの含有量が０．００２％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｂの含有量が０．０１５％超では、溶接金属が過度に硬化することによりＡＷ及びＰＷＨＴ後の低温靱性低下を招くとともに、溶接金属に高温割れが発生し易くなることにより外観、形状の良好な溶接ビードが得にくくなり、溶接作業性の低下を招いてしまう。そこで、Ｂの含有量は、０．００２〜０．０１５％とする。
Ｂは、微量の添加により溶接金属のミクロ組織を微細化し、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｂの含有量が０．００２％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｂの含有量が０．０１５％超では、溶接金属が過度に硬化することによりＡＷ及びＰＷＨＴ後の低温靱性低下を招くとともに、溶接金属に高温割れが発生し易くなることにより外観、形状の良好な溶接ビードが得にくくなり、溶接作業性の低下を招いてしまう。そこで、Ｂの含有量は、０．００２〜０．０１５％とする。
なお、Ｂは、フラックス中の金属Ｂの他、Ｆｅ−Ｂ、Ｍｎ−ＢのようなＢ合金等から添加される。
［Ｍｇ：０．１〜０．８％］
Ｍｇは、強脱酸剤として機能することにより溶接金属中の酸素を低減し、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｇの含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｍｇの含有量０．８％超では、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してスパッタやヒュームの発生量が多くなることにより、溶接作業性の低下を招いてしまう。そこで、Ｍｇの含有量は、０．１〜０．８％とする。
Ｍｇは、強脱酸剤として機能することにより溶接金属中の酸素を低減し、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｇの含有量が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｍｇの含有量０．８％超では、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してスパッタやヒュームの発生量が多くなることにより、溶接作業性の低下を招いてしまう。そこで、Ｍｇの含有量は、０．１〜０．８％とする。
なお、Ｍｇは、フラックス中の金属Ｍｇの他、Ａｌ−ＭｇのようなＭｇ合金等から添加される。
［Ｖ：０．０２１〜（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％］
Ｖは、その含有量を制限することにより、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性向上を図ることが可能となるが、その含有量が低すぎると、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより過度に低減してしまう。ここで、Ｖの含有量が０．０２１％以上であれば、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより過度に低減するのを十分に抑制することが可能となる。また、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下は、ＶとＭｎの複合添加によって助長されるため、Ｖの含有量がＭｎとの関係式（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％から得られる値を超えないようにする必要がある。そこで、Ｖの含有量は、０．０２１〜（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％とする。但し、［Ｍｎ％］はワイヤ全質量に対する質量％でのＭｎの含有量を示す。
Ｖは、その含有量を制限することにより、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性向上を図ることが可能となるが、その含有量が低すぎると、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより過度に低減してしまう。ここで、Ｖの含有量が０．０２１％以上であれば、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより過度に低減するのを十分に抑制することが可能となる。また、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下は、ＶとＭｎの複合添加によって助長されるため、Ｖの含有量がＭｎとの関係式（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％から得られる値を超えないようにする必要がある。そこで、Ｖの含有量は、０．０２１〜（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％とする。但し、［Ｍｎ％］はワイヤ全質量に対する質量％でのＭｎの含有量を示す。
なお、Ｖは、フラックス中のルチール、チタンスラグ、イルメナイト等のＴｉ酸化物から主に添加されるが、その含有量を調整するためにＦｅ−ＶのようなＶ合金等から添加されていてもよい。
［Ｔｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜８．０％］
Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉは、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、溶接時に溶接スラグとなることにより溶接ビードの形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉは、一部がＴｉ酸化物として溶接金属中に歩留まることにより、溶接金属のミクロ組織を微細化し、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を向上させる効果もある。また、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉは、立向上進溶接において、溶接スラグにＴｉ酸化物として含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ｔｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満では、これらの効果が十分に得られず、溶接時のアークの不安定化、スパッタの増大による溶接ビードの外観、形状の劣化、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下を招く。また、このＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満では、立向上進溶接において溶融メタルが垂れ、溶接の継続が困難になる。一方、このＴｉＯ2換算値の合計が８．０％超では、溶接時のアークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉの含有量は、ＴｉＯ2換算値の合計で３．０〜８．０％とする。
Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉは、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、溶接時に溶接スラグとなることにより溶接ビードの形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉは、一部がＴｉ酸化物として溶接金属中に歩留まることにより、溶接金属のミクロ組織を微細化し、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を向上させる効果もある。また、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉは、立向上進溶接において、溶接スラグにＴｉ酸化物として含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ｔｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満では、これらの効果が十分に得られず、溶接時のアークの不安定化、スパッタの増大による溶接ビードの外観、形状の劣化、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下を招く。また、このＴｉＯ2換算値の合計が３．０％未満では、立向上進溶接において溶融メタルが垂れ、溶接の継続が困難になる。一方、このＴｉＯ2換算値の合計が８．０％超では、溶接時のアークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉの含有量は、ＴｉＯ2換算値の合計で３．０〜８．０％とする。
なお、Ｔｉ酸化物は、フラックス中のルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等から添加される。また、金属Ｔｉは、鋼製外皮や、フラックス中の金属Ｔｉ、Ｆｅ−ＴｉのようなＴｉ合金等から添加される。
［Ａｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％］
Ａｌ酸化物及び金属Ａｌは、溶接時に溶接スラグにＡｌ酸化物として含まれることによって溶接スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、このＡｌ2Ｏ3換算値の合計が１．２％を超えると、溶接金属中にＡｌが過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ａｌ酸化物及び金属Ａｌの含有量は、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計で０．１〜１．２％とする。
Ａｌ酸化物及び金属Ａｌは、溶接時に溶接スラグにＡｌ酸化物として含まれることによって溶接スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、このＡｌ2Ｏ3換算値の合計が１．２％を超えると、溶接金属中にＡｌが過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ａｌ酸化物及び金属Ａｌの含有量は、Ａｌ2Ｏ3換算値の合計で０．１〜１．２％とする。
なお、Ａｌ酸化物は、フラックス中のアルミナ等から添加される。また、金属Ａｌは、フラックス中の金属Ａｌの他、Ｆｅ−Ａｌ、Ａｌ−ＭｇのようなＡｌ合金等から添加される。
［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％］
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を向上させる効果がある。しかし、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、ＳｉＯ2換算値の合計が１．０％超では、溶融スラグの塩基度が低下することにより、溶接金属の酸素量が増加してＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下を招く。そこで、Ｓｉ酸化物の含有量は、ＳｉＯ2換算値の合計で０．１〜１．０％とする。
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を向上させる効果がある。しかし、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、ＳｉＯ2換算値の合計が１．０％超では、溶融スラグの塩基度が低下することにより、溶接金属の酸素量が増加してＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性低下を招く。そこで、Ｓｉ酸化物の含有量は、ＳｉＯ2換算値の合計で０．１〜１．０％とする。
なお、Ｓｉ酸化物は、フラックス中の珪砂、ジルコンサンド及び珪酸ソーダ等から添加される。
［金属弗化物のＦ換算値の合計：０．０１〜０．３０％］
金属弗化物は、溶接時にアークの安定化に寄与する効果がある。しかし、金属弗化物のＦ換算値の合計が０．０１％未満では、この効果が十分に得られない。また、金属弗化物のＦ換算値の合計が０．３０％を超えて添加すると、溶接時にアークが不安定になり、スパッタが多く発生する。さらに、立向上進溶接における溶融メタル垂れが発生しやすくなる。そこで、金属弗化物の含有量は、Ｆ換算値の合計で０．０１〜０．３０％とする。
金属弗化物は、溶接時にアークの安定化に寄与する効果がある。しかし、金属弗化物のＦ換算値の合計が０．０１％未満では、この効果が十分に得られない。また、金属弗化物のＦ換算値の合計が０．３０％を超えて添加すると、溶接時にアークが不安定になり、スパッタが多く発生する。さらに、立向上進溶接における溶融メタル垂れが発生しやすくなる。そこで、金属弗化物の含有量は、Ｆ換算値の合計で０．０１〜０．３０％とする。
なお、金属弗化物には、ＣａＦ2、ＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ2、Ｋ2ＳｉＦ6、ＡｌＦ3等がある。また、金属弗化物のＦ換算値の合計とは、これら金属弗化物に含有されるＦ量を合計したもののワイヤ全質量に対する質量％での割合を意味する。
［Ｐ：０．０２％以下］
Ｐは、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。しかし、Ｐは、その含有量が０．０２％以下であれば、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。そこで、Ｐの含有量は、０．０２％以下とする。
Ｐは、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。しかし、Ｐは、その含有量が０．０２％以下であれば、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。そこで、Ｐの含有量は、０．０２％以下とする。
［Ｎｂ：０．０１５％以下］
Ｎｂは、ＰＷＨＴにより溶接金属中にＮｂ炭化物やＮｂ窒化物を形成し、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。しかし、Ｎｂは、その含有量が０．０１５％以下であれば、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。そこで、Ｎｂの含有量は、０．０１５％以下とする。
Ｎｂは、ＰＷＨＴにより溶接金属中にＮｂ炭化物やＮｂ窒化物を形成し、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。しかし、Ｎｂは、その含有量が０．０１５％以下であれば、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。そこで、Ｎｂの含有量は、０．０１５％以下とする。
なお、Ｎｂは、フラックス中のルチール、チタンスラグ及びイルメナイト等のＴｉ酸化物から主に添加されるので、これらの酸化物から各種成分について本発明において規定した範囲内のものが得られるように厳選したものを用いる。
以上が、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の基本的な成分についての説明であるが、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では、以下に説明するように、必要に応じて、Ｚｒ酸化物及び金属Ｚｒ、Ｍｏを含有していてもよい。
［Ｚｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計：０．１〜０．８％］
Ｚｒ酸化物及び金属Ｚｒは、Ａｌ酸化物及び金属Ａｌと同じく、溶接時に溶接スラグにＺｒ酸化物として含まれることによって溶接スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ｚｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、このＺｒＯ2換算値の合計が０．８％超では、溶接スラグの剥離性の低下を招く。そこで、Ｚｒ酸化物及び金属Ｚｒが含有させる場合、その含有量は、ＺｒＯ2換算値の合計で０．１〜０．８％とする。
Ｚｒ酸化物及び金属Ｚｒは、Ａｌ酸化物及び金属Ａｌと同じく、溶接時に溶接スラグにＺｒ酸化物として含まれることによって溶接スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ｚｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計が０．１％未満では、この効果が十分に得られない。また、このＺｒＯ2換算値の合計が０．８％超では、溶接スラグの剥離性の低下を招く。そこで、Ｚｒ酸化物及び金属Ｚｒが含有させる場合、その含有量は、ＺｒＯ2換算値の合計で０．１〜０．８％とする。
なお、Ｚｒ酸化物は、フラックス中のジルコンサンド及び酸化ジルコニウム等から添加される。また、金属Ｚｒは、鋼製外皮や、フラックス中の金属Ｚｒの他、Ｆｅ−ＺｒのようなＺｒ合金等から添加される。
［Ｍｏ：０．０２〜０．３０％］
Ｍｏは、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の強度を高める効果がある。しかし、Ｍｏの含有量が０．０２％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｍｏの含有量が０．３０％超では、溶接金属の強度が高くなりすぎ、かえってＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｍｏを含有させる場合、その含有量は、０．０２〜０．３０％とする。
Ｍｏは、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の強度を高める効果がある。しかし、Ｍｏの含有量が０．０２％未満では、この効果が十分に得られない。また、Ｍｏの含有量が０．３０％超では、溶接金属の強度が高くなりすぎ、かえってＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性低下を招く。そこで、Ｍｏを含有させる場合、その含有量は、０．０２〜０．３０％とする。
なお、Ｍｏは、フラックス中の金属Ｍｏの他、Ｆｅ−ＭｏのようなＭｏ合金等から添加される。
なお、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、鋼製外皮をパイプ状に成形し、その内部にフラックスを充填した構造である。ワイヤの種類としては、成形した鋼製外皮の合わせ目を溶接して得られる鋼製外皮に継ぎ目の無いワイヤと、鋼製外皮の合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継ぎ目を有するワイヤとに大別できる。本発明においては、何れの断面構造のワイヤを採用してもよい。但し、鋼製外皮に継ぎ目が無いワイヤは、ワイヤ中の水分量を低減することを目的に５００〜１０００℃での熱処理が可能であり、また製造後のフラックスの吸湿が無いため、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性の向上を図ることができるので、鋼製外皮に継ぎ目が無いワイヤを用いるのが好ましい。
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残部は、鋼製外皮のＦｅ、成分調整のために添加する鉄粉、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ合金等の鉄合金粉のＦｅ分、アーク安定剤及び不可避不純物である。アーク安定剤としては、アルカリ金属酸化物のＮａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｌｉ2Ｏ等が挙げられる。また、フラックス充填率は特に制限はしないが、生産性の観点から、ワイヤ全質量に対して８〜２０％とするのが好ましい。
以下、本発明の効果を実施例１により具体的に説明する。まず、ＪＩＳ Ｇ ３１４１に記載のＳＰＣＣを鋼製外皮として使用して、下記の表１に示す各種成分組成のフラックス入りワイヤを試作した。このとき、フラックス入りワイヤのワイヤ径は１．２ｍｍとした。
そして、表１に示すフラックス入りワイヤを用いて、板厚１２ｍｍの鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１０６に記載のＳＭ４９０Ａが材料）をＴ字すみ肉溶接の試験体として、表２に示す溶接作業性評価の溶接条件で立向上進溶接による溶接作業性評価を行った。また、これとともに、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準じて、板厚２０ｍｍの鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１２６に記載のＳＬＡ３２５Ａが材料）を試験体として、表２に示す溶着金属試験の溶接条件で溶着金属試験を行った。
立向上進溶接による溶接作業性の評価は、半自動ＭＡＧ溶接をしたときのアークの安定性、スパッタ発生状態、ヒューム発生状態、ビード形状、ビード外観及び溶融メタル垂れ状況について調査することにより行うこととした。
溶着金属試験では、上述の溶接条件後に得られたＡＷの溶着金属と、ＰＷＨＴ後の溶着金属とを評価対象とした。ＰＷＨＴは、６２０℃、４時間の条件で行った。溶着金属試験では、溶着金属の板厚方向中央部から引張試験、衝撃試験（ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠）のためのサンプルを採取して各試験に供した。溶着金属試験での機械的性質の評価は、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶着金属について、−５０℃における吸収エネルギーが５０Ｊ以上、ＡＷの引張強さ（以下、ＴＳＡという。）とＰＷＨＴ後の引張強さ（以下、ＴＳＰという。）がいずれも５００ＭＰａ以上、その差（ΔＴＳ＝ＴＳＡ−ＴＳＰ：以下、ΔＴＳという。）が−３０〜３０ＭＰａのものを合格とした。これらの結果を表３にまとめて示す。
なお、表１において、ワイヤの組成が本発明において規定した範囲外である成分については、下線を付すこととした。また、表３において、機械的性質が上述した範囲外であるものについては、下線を付すこととした。
表１及び表３のワイヤ記号１〜１７は本発明例、ワイヤ記号１８〜３４は比較例である。本発明例であるワイヤ記号１〜１７は、各成分の組成が本発明において規定した範囲内であるので、溶接作業性が良好であるとともに、ＴＳＡ、ＴＳＰ、ΔＴＳ、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーも良好な値が得られるなど極めて満足な結果であった。なお、本発明において規定した範囲よりＺｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値が少ないワイヤ記号３、７、１０、１１、１３及び１７は、立向上進溶接において若干メタル垂れが生じた。
比較例中、ワイヤ記号１８は、本発明において規定した範囲よりＣが少ないので、アークが不安定であった。また、本発明において規定した範囲よりＴｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計が多いので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号１９は、本発明において規定した範囲よりＣが多いので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲よりＺｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号２０は、本発明において規定した範囲よりＳｉが少ないので、溶接ビードの外観及び形状が不良であった。また、本発明において規定した範囲よりＡｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計が多いので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号２１は、本発明において規定した範囲よりＳｉが多いので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲よりＺｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計が少ないので、若干溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号２２は、本発明において規定した範囲よりＭｎが少ないので、溶接ビードの外観及び形状が不良であるとともに、ＴＳＡ及びＴＳＰが低いうえ、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーも低値であった。また、本発明において規定した範囲よりＺｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値が少ないので、若干溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号２３は、本発明において規定した範囲よりＭｎが多いので、ＴＳＡ及びＴＳＰが過剰に高くなることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲より金属弗化物のＦ換算値の合計が多いので、アークが不安定でスパッタが多く発生し、溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号２４は、本発明において規定した範囲よりＮｉが少ないので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲より金属弗化物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。
ワイヤ記号２５は、本発明において規定した範囲よりＮｉが多いので、クレータに割れが生じたうえ、ＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲より金属弗化物のＦ換算値の合計が多いので、アークが不安定でスパッタが多く発生し、溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号２６は、本発明において規定した範囲よりＢが少ないので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲よりＡｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計が少ないので、溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号２７は、本発明において規定した範囲よりＢが多いので、クレータに割れが生じたうえ、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲よりＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、スラグ被包性が不良であった。
ワイヤ記号２８は、本発明において規定した範囲よりＭｇが少ないので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲より金属弗化物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。
ワイヤ記号２９は、本発明において規定した範囲よりＭｇが多いので、スパッタ及びヒュームの発生量が多かった。また、本発明において規定した範囲よりPが多いので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号３０は、本発明において規定した範囲よりＶが少ないので、ＴＳＡよりＴＳＰが低くなり過ぎ、ΔＴＳが高値となった。また、本発明において規定した範囲よりＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が多いので、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。さらに、本発明において規定した範囲よりＺｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値が少ないので、若干溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号３１は、Ｖの量がＭｎとの関係式（０．０７−０．０２×［Ｍｎ％］）を超えており、本発明において規定した範囲よりＶが多いので、ＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、本発明において規定した範囲よりＺｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値が少ないので、若干溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号３２は、本発明において規定した範囲よりＴｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定であるとともに、スパッタが多く溶接ビードも形状不良で、更には溶融メタルの垂れも生じた。また、本発明において規定した範囲よりＮｂが多いので、ＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
次に、本発明の効果を実施例２により具体的に説明する。実施例２においては、実施例１と異なる条件についてのみ説明する。実施例２では、下記の表４に示す各種成分組成のフラックス入りワイヤを試作した。
そして、表４に示すフラックス入りワイヤを用いて、実施例１と同じ条件での立向上進溶接による溶接作業性評価と、溶着金属試験とを行った。
溶着金属試験での機械的性質の評価は、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶着金属について、−５０℃における吸収エネルギーが５０Ｊ以上、ＴＳＡとＴＳＰがいずれも５７０ＭＰａ以上、ΔＴＳが−３０〜３０ＭＰａのものを合格とした。これらの結果を表５にまとめて示す。
なお、表４において、ワイヤの組成が本発明において規定した範囲外である成分については、下線を付すこととした。また、表５において、機械的性質が上述した範囲外であるものについては、下線を付すこととした。
表４及び表５のワイヤ記号３３〜３５は本発明例、ワイヤ記号３６及び３７は比較例である。本発明例であるワイヤ記号３３〜３５は、各成分の組成が本発明において規定した範囲内であるので、ＴＳＡ、ＴＳＰ、ΔＴＳ、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーも良好な値が得られるなど極めて満足な結果であった。
ワイヤ記号３６は、本発明において規定した範囲よりＭｏが少ないので、ＴＳＡ及びＴＳＰが低値であった。
ワイヤ記号３７は、本発明において規定した範囲よりＭｏが多いので、ＴＳＡ及びＴＳＰが高くなり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
Claims (3)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなる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、
ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０２〜０．０８％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：１．０〜２．５％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｂ ：０．００２〜０．０１５％、
Ｍｇ：０．１〜０．８％、
Ｖ ：０．０２１〜（０．０５５−０．０１×［Ｍｎ％］）％、
Ｔｉ酸化物及び金属ＴｉのＴｉＯ2換算値の合計：３．０〜８．０％、
Ａｌ酸化物及び金属ＡｌのＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％、
金属弗化物のＦ換算値の合計：０．０１〜０．３０％を含有し、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｎｂ：０．０１５％以下であり、
残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分、アーク安定剤及び不可避不純物からな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。
但し、［Ｍｎ％］はワイヤ全質量に対する質量％でのＭｎの含有量を示す。 - ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｚｒ酸化物及び金属ＺｒのＺｒＯ2換算値の合計：０．１〜０．８％を更に含有す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。
- ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．０２〜０．３０％を更に含有することを特徴とする請求項１又は請求項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。
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