JP2014524841A - フラックス芯溶接ワイヤ、それを製造する方法およびその使用 - Google Patents

Abstract

本発明はフラックスを収容する管状空洞を有する外殻を備えるフラックス芯溶接ワイヤを提供する。外殻は４００系ステンレス鋼製である。本発明のフラックス芯溶接ワイヤを用いて溶接した後に形成される溶着金属は、より均一な化学組成を有する。溶着金属への移行中のクロムの損失は０．１％未満であるので、資源が節約され、溶接コストが下げられる。本発明のフラックス芯溶接ワイヤの充填比は５％〜２５％（好ましくは１０％〜２０％）である。その結果、フラックス内の組成の安定性が増すだけでなく、高い充填比によって引き起こされる製造プロセスの不都合が回避される。本発明のフラックス芯溶接ワイヤは、長期にわたって空気にさらされた場合でも錆びない。従って、保管条件に対する要件が下がり、より長期間の保管時間を提供し、製造コストが削減される。

Description

本発明はフラックス芯溶接ワイヤに関し、特に、ステンレス鋼を溶接するフラックス芯溶接ワイヤに関し、より詳細には、４００系ステンレス鋼を溶接するフラックス芯溶接ワイヤに関する。また、本発明は、そのようなフラックス芯溶接ワイヤを製造する方法およびその使用に関する。

工業製造分野において、溶接は鉄製、鋼製の構成要素を接続する基本的な手段である。手操作電極と中実の溶接ワイヤを使用する場合と比べて、フラックス芯溶接ワイヤは良好な技術的特性を有し、そしてエネルギー効率が良い。フラックス芯溶接ワイヤは、種々の鋼製の構成要素を溶接するために広く使用される。フラックス芯溶接ワイヤの溶接特性は外殻およびフラックスの組成によって決まる。フラックス芯溶接ワイヤ製造業者の多くはフラックス芯溶接ワイヤの溶接特性を改善するために、組成物および配合の開発および改善に重点を置いてきた。

然しながら、異なる鋼材は異なる材料特性を有する。従って、或る種類の鋼材を溶接するのに適しているフラックス芯溶接ワイヤは、別の種類の鋼材を溶接するのに適していない場合がある。さらに、フラックス芯溶接ワイヤの製造プロセスは、電極や中実溶接ワイヤの場合よりも複雑である。特に、フラックス芯溶接ワイヤのフラックス内の種々の組成物の粉末は均一に混合され、高い密度を有するべきである。そうでない場合には、フラックス芯溶接ワイヤの品質が劣化するおそれがある。従って、電極および中実溶接ワイヤを製造するのに比べて、フラックス芯溶接ワイヤを製造する製造機には高い要件があり、フラックス芯溶接ワイヤを製造するコストは高くなる。

本発明の第１の特徴によれば、フラックスを充填した管状または円形の空洞を形成する外殻を備えたフラックス芯溶接ワイヤが提供される。前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼は重量比で１０％〜１８％のＣｒを含む。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、引抜プロセスにおいて、前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼の延伸比が２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択することができることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼がＮｉを含まないか、または重量比で５％若しくは５％未満のＮｉを含むことを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製する前記ステンレス鋼が４００系ステンレス鋼のうちの任意のステンレス鋼であることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼が４０９または４１０ステンレス鋼であることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記フラックスが重量比で９％〜６８％のＣｒと、１％〜１０％のＭｎと、２％〜１５％のＳｉとを含み、残りはＦｅであることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記フラックスの重量が前記フラックス芯溶接ワイヤの重量の５％〜２５％であるか、または充填比が５％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％であることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記フラックス芯溶接ワイヤを用いることによって溶接プロセス後に形成される溶着金属が、前記溶着金属の重量比で１０％〜２０％のＣｒと、０．１％〜０．８％のＭｎと、０．１％〜１％のＳｉとを有し、残りはＦｅであることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、該フラックス芯溶接ワイヤを用いることによって溶接されることになる、ステンレス鋼から作製される工作物が、重量比で１０％〜１８％のＣｒを含むことを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記工作物を作製する前記ステンレス鋼がニッケルを含まないか、または重量比で５％未満のニッケルを含むことを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記工作物を作製する前記ステンレス鋼が４００系ステンレス鋼から選択されるステンレス鋼であることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、複数回または２回引抜加工することによって製造されることを特徴とする。

第１の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼の延伸比が２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択することができることを特徴とする。

本発明の第２の特徴によれば、フラックスを充填した管状または円形の空洞を形成する外殻を備え、フラックス芯溶接ワイヤが提供される。前記フラックスは、重量比で９％〜６８％のＣｒと、１％〜１０％のＭｎと、２％〜１５％のＳｉとを含み、残りはＦｅである。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼が重量比で１０％〜１８％のＣｒを含むことを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、引抜プロセス中、前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼の延伸比が２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択することができることを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼がニッケルを含まないか、または重量比で５％若しくは５％未満のニッケルを含むことを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記外殻を作製する前記ステンレス鋼が４００系ステンレス鋼のうちの任意のステンレス鋼であることを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記フラックスの重量が該フラックス芯溶接ワイヤの重量の５％〜２５％であるか、または充填比が５％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％であることを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、該フラックス芯溶接ワイヤを用いることによって溶接されることになる、ステンレス鋼から作製される工作物が、重量比で１０％〜１８％のＣｒを含むことを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記工作物を作製する前記ステンレス鋼がニッケルを含まないか、または重量比で５％未満のニッケルを含むことを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記工作物を作製する前記ステンレス鋼が４００系ステンレス鋼から選択されるステンレス鋼であることを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、前記フラックスの重量が該フラックス芯溶接ワイヤの重量の５％〜２５％であるか、または充填比が５％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％であることを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、複数回または２回引抜加工することによって製造されることを特徴とする。

第２の特徴によるフラックス芯溶接ワイヤは、引抜プロセスにおいて、前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼の延伸比が２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択することができることを特徴とする。

本発明の第３の特徴によれば、請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを製造する方法が提供される。該方法は請求項１〜２５の何れか１項または請求項１〜２５の組み合わせに従って鋼帯を選択する段階と、前記フラックスを前記鋼帯の中に包み込む段階と、前記鋼帯を複数回引抜加工することによって前記溶接ワイヤを形成する段階とを含む。

本発明の第４の特徴は請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを使用する方法を提供することであり、前記方法は請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを準備する段階と請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを使用する段階であって請求項１〜２６の何れか１項に記載の工作物を溶接する段階とを含む。

本発明による、フラックス芯溶接ワイヤの構造を示す概略図である。 本発明のフラックス芯溶接ワイヤを作製するためのステンレス鋼帯の概略図である。 上方に開口したＵ字形のステンレス鋼帯の概略図である。 開口部を閉じるときのＵ字形ステンレス鋼帯の構造を示す概略図である。 溶接ワイヤからフラックスを除去して示すフラックス芯溶接ワイヤの空洞を示す概略図である。 本発明の（フラックスを除去して示す）フラックス芯溶接ワイヤの断面図である。

良好な耐食性能を有することから、ステンレス鋼材が広く使用される。例えば、ステンレス鋼材は、エネルギー、石油、化学、機械、建物装飾、食品機械および医療機器等の数多くの分野において広く使用される。ステンレス鋼は、その組成物に応じて、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼に分類される。オーステナイト系ステンレス鋼は、重量比で１８％より高いクロムおよび８％より高いニッケルを含み、少量のモリブデン、チタンおよび窒素等を含有する。フェライト系ステンレス鋼は、重量比で１２％〜３０％のクロムを含み、ニッケルは含有しないか、またはごく微量のニッケルを含有する。マルテンサイト系ステンレス鋼もニッケルを含まないか、またはごく微量のニッケルを含む。オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイトおよびフェライトからなるステンレス鋼である。ステンレス鋼は、種々のシリーズ番号、例えば、２００系、３００系、４００系を有するステンレス鋼に分類することもできる。ステンレス鋼の夫々の系は数多くのサブクラスを含む。３００系は主にオーステナイト系ステンレス鋼を含む。４００系は主にフェライト系ステンレス鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼を含む。

種々の種類のステンレス鋼の中でも、ニッケル価格上昇による影響および工業開発の要件に起因して、近年、オーステナイト系ステンレス鋼の生産が減少し、一方、フェライト系ステンレス鋼、クロム−マンガンオーステナイト系ステンレス鋼および二相ステンレス鋼の生産が大きく増加しており、この傾向は続くものと予想される。そのような現象の主な理由は世界的なニッケル不足であり、ニッケル不足は、今日、オーステナイト系ステンレス鋼の価格が高止まりしている主な理由でもある。従って、ニッケルを含まないか、または微量のニッケルしか含まないフェライト系ステンレス鋼に特有の利点に起因して、フェライト系ステンレス鋼の消費が年々増加しており、特に自動車分野において、フェライト系ステンレス鋼を消費することが益々高くなっている。

主に３種類のフェライト系ステンレス鋼がある：第１の種類は重量比で１０％〜１４％のＣｒを含有する４０９、４１０および４２０ステンレス鋼を含み、第２の種類は重量比で１４％〜１８％のＣｒを含有する４３０ステンレス鋼を含み、第３の種類は、重量比で１４％〜１８％のＣｒと、Ｔｉ、Ｎｂ等とを含有する４３０Ｔｉおよび４３９ステンレス鋼を含む。これら３種類のフェライト系ステンレス鋼は、特性が異なるので、異なる使用法を有する。第１の種類のフェライト系ステンレス鋼は、そのＣｒの含有量が最も低いことから最も安価であり、腐食が全く、若しくはわずかしか生じない環境において、または局所的なわずかなさびが許される環境において使用するのに適している。第１の種類のフェライト系ステンレス鋼のうちの４０９ステンレス鋼は主に自動車排気系において用いられ、一方、４１０ステンレス鋼は多くの場合にコンテナ、バスおよび長距離バスにおいて用いられ、ＬＣＤのフレームにおいて用いられる場合もある。第２の種類のフェライト系ステンレス鋼（すなわち、通常、最も広く使用される４３０ステンレス鋼）は、より多くのクロムを含むので、より良好な耐食性能を有する。第２の種類のフェライト系ステンレス鋼は一般的に屋内で使用され、通常、洗濯機のローラおよび屋内パネル等において使用される。第２の種類のフェライト系ステンレス鋼の大部分の特性は３０４ステンレス鋼の特性に類似であり、例えば、台所設備、食洗機、ポットおよび鍋等を製造する或る特定の分野において、第２の種類のフェライト系ステンレス鋼は３０４ステンレス鋼の代わりに使用することができる。第２の種類のフェライト系ステンレス鋼は、十分な耐食性能を有する。第３の種類のフェライト系ステンレス鋼は良好な溶接特性および成形性を有する。大抵の場合に、第３の種類のフェライト系ステンレス鋼の特性は、３０４ステンレス鋼の特性より更に良好である。第３の種類のフェライト系ステンレス鋼は通常、ウォーターシュート、熱交換器パイプ（製糖業およびエネルギー分野等）、自動車排気系（４０９ステンレス鋼から作製される製造物よりも長い寿命を有する）、および洗濯機の溶接部品において用いられる。第３の種類のフェライト系ステンレス鋼は、より良好な特性を必要とする場合に使用するために、３０４ステンレス鋼の代わりに使用することもできる。上記のステンレス鋼は、ＡＳＴＭ標準規格において規定されており、それらの組成物はＡＳＴＭ標準規格において確認することができる。

溶接はステンレス鋼製造物の種々の構成要素を接続する一般的な手段である。上記の応用形態において、特に自動車、圧力容器および熱交換器等の分野において、溶接によってフェライト系ステンレス鋼工作物を互いに接続するのが普通である。溶接は、金属を接続するのに最も費用効率が良く、効率的な方法である。例えば、自動車排気ガス系において用いられる４０９ステンレス鋼工作物を溶接するのに溶接プロセスが頻繁に用いられる。

フェライト系ステンレス鋼に対する主な溶接材料は中実溶接ワイヤおよびフラックス芯溶接ワイヤを含む。不安定な電気アーク、大きな溶融深さ（容易く溶落ちを引き起こす）および低い溶接効率という欠点に起因して、中実溶接ワイヤに代わって、次第にフラックス芯溶接ワイヤが使用されるようになってきた。そうして、欧州、米国および日本のような工業分野での先進国では特に、フェライト系ステンレス鋼を溶接するのに主にフラックス芯溶接ワイヤが選択されている。フェライト系ステンレス鋼を溶接する溶接ワイヤの外殻は従来、炭素鋼から作製される。

本発明を更に深く理解するために、添付の図面および実施形態を参照しながら、以下、詳細に説明する。
図１は、本発明のフラックス芯溶接ワイヤ１の構造を示す概略図である。図１に示すように、フラックス芯溶接ワイヤ１は外殻１６を備える。外殻１６は管状（または円形）の形状をなし、その中に管状（または円形）の空洞１７（図５に示す）を有し、空洞１７はその軸方向に沿ってフラックス１２が充填される。一実施形態では、溶接ワイヤ１は、１．４ｍｍの直径を有するように形成することができるが、実際の使用法および要件によっては、他の直径も可能である。例えば、使用法に基づいて、フラックス芯溶接ワイヤ１の直径は１．２ｍｍまたは１．６ｍｍにすることができる。

図２は、本発明のフラックス芯溶接ワイヤ１を製造するための鋼帯１１を示しており、その鋼帯は４００ステンレス鋼（限定はしないが、４０９、４１０、４２０、４３０、４３０Ｔｉおよび４３９を含む）を溶接するために用いることができる。本発明において、鋼帯１１は４００ステンレス鋼（限定はしないが、４０９、４１０、４２０、４３０、４３０Ｔｉおよび４３９を含む）から作製することができる。

図３に示すように、製造プロセスにおいてフラックスを溶接ワイヤ１の中に包み込むために、鋼帯１１を最初にＵ字形に成形して、開口部１３を有するＵ字形溝１４を形成し、その開口部１３を通してフラックスをＵ字形溝１４に入れることができる。

図４に示すように、その製造プロセスにおいて、鋼帯１１が巻かれて丸い形状の鋼帯１８になり、その中に管状（または円形）の空洞１７が形成されるように、Ｕ字形溝１４の２つの端部を重ね合わせることによって、鋼帯１１のＵ字形溝１４が包み込まれる。フラックス１２は丸い形状の鋼帯１８の中に包み込まれる。丸い形状の鋼帯１８はその後、複数回（２回、３回、または４回以上）、１つまたは複数の引抜機によって延伸される。その製造プロセスにおいて、丸い形状の鋼帯１８は、その中にフラックス１２が包み込まれる管状（または円形）外殻１６になるように、通常２回にわたって引抜される。何回か引抜された後に、丸い形状の鋼帯１８は引抜されて、図１に示すような管状（または円形状）のフラックス芯溶接ワイヤ１になる。引抜プロセスにおいて、破壊されるのを防ぎ、歩留まりを改善するために、４００系ステンレス鋼から作製される鋼帯１１の延伸比は、２０％〜３０％の範囲内で選択されるべきである。本明細書における「延伸比」との語は、引抜加工することによって引き伸ばされた長さと鋼帯の元の長さとの比を意味する。つまり、引抜プロセスにおいて、延伸によって延長された長さと鋼帯１１と元の長さとの比は、２０％〜３０％の範囲内に制御されるべきである。

図５は、溶接ワイヤ１からフラックス１２を除去して示す溶接ワイヤ１の軸方向に沿って外殻１６内に形成される管状（または円形）空洞１７を示す。フラックス１２は、溶接ワイヤ１の軸方向に沿って溶接ワイヤの管状（または円形）空洞１７内に均一に分布する。

図６は、フラックス芯溶接ワイヤが延伸機によって引抜加工された後のフラックス芯溶接ワイヤの断面を示す概略図である。フラックス１２は外殻１６によってフラックス芯溶接ワイヤ１内に包み込まれる。図６に示すように、溶接ワイヤ１の断面は外殻１６上に重ね継ぎ部分１５を示しており、その部分は鋼帯１１の２つの端部を重ね合わせることによって形成される。

異なる材料から作製される工作物を溶接するために、溶接ワイヤの外殻およびフラックスの組成物は或る特定の要件を満たすべきである。例えば、外殻の材料は、製造を容易にするために引張強度に関する要件を満たすべきである。さらに、溶接プロセスにおける溶着金属の種々の組成物の量に関する要件を満たすために、外殻若しくはフラックスまたはその組み合わせにおける組成物の割合が制御されるべきである。例えば、溶着金属が耐食性であることを要求される場合には、溶着金属は、耐食特性に関する最も基本的な要件を満たすために、１３％より高いクロムを含むべきである。

解析後に、本発明者らは、炭素鋼および３００系ステンレス鋼が全て良好な延伸性能を有することがわかった。３００系ステンレス鋼の延伸比は４０％より高く、炭素鋼の場合は３６％より高い。同じ試験条件下で、４００系ステンレス鋼の延伸比は２０％〜３０％の範囲内にある。従って、４００系ステンレス鋼の延伸比上限および３００系ステンレス鋼の延伸比下限が選択された場合であっても、３００系ステンレス鋼の延伸比は４００系ステンレス鋼の延伸比の少なくとも１．３倍であり、炭素鋼の延伸比は４００系ステンレス鋼の延伸比の少なくとも１．２倍である。然しながら、フラックス芯溶接ワイヤを製造するための鋼材を実際に選択するとき、製造業者は常に、選択された鋼材に関する下限を超える延伸比を有する特定の鋼材を選択する。例えば、実際の製造プロセスにおいて、製造業者は４０％の延伸比を有する特定の炭素鋼を選択する場合があるか、または４５％の延伸比を有する特定の３００系ステンレス鋼を選択する場合がある。従って、実際の製造プロセスにおいて、製造業者は、４００系ステンレス鋼の延伸比よりもはるかに高い延伸比を有する特定の炭素鋼または特定の３００系ステンレス鋼を選択する場合がある。従って、従来、当業者は、延伸性能が良くないことに起因して、４００系ステンレス鋼を、フラックス芯溶接ワイヤを作製するのに適していないと見なしてきた。４００系ステンレス鋼の延伸性能は、４００系ステンレス鋼の組成物、組成物の割合、精錬生産における加熱プロセス、および金属組織構造を合わせて決定される。
通常使用される４００系ステンレス鋼に含まれる重量比による組成物の割合は以下の通りである。

（上記の表内のＴｉの「6*C-0.75」の含有量範囲は、４０９ステンレス鋼のＴｉの最小含有量が、「６」とＣの含有量とを乗算した値に等しく、４０９ステンレス鋼のＴｉの最大含有量が０．７５であることを意味する。）

解析後に、本発明者らは、３００系ステンレス鋼が重量比で１８％より高いクロムを含み、一方、４００系ステンレス鋼が重量比で１０％〜１８％のクロムを含むこともわかった。さらに、３００系ステンレス鋼は８％より高いニッケルを含み、一方、４００系ステンレス鋼は重量比で５％未満のニッケルを含むか、またはニッケルを含まない。フラックス芯溶接ワイヤを作製するために３００系ステンレス鋼を用いるとき、溶接ワイヤの外殻内のニッケルは溶接プロセスにおいて溶着金属に移行することになる。充填比が３０％であるという条件下で、溶着金属内のニッケルのうちの５．６％より高いニッケルがフラックス芯溶接ワイヤの外殻から移行される。溶着金属があまりにも多くのニッケルを含むとき、フラックス芯溶接ワイヤは、４００系ステンレス鋼から作製された工作物を溶接するのに適さない。これは、４００系ステンレス鋼が低い割合のニッケルを含むか、またはニッケルを含まないので、溶着金属内のニッケルがあまりにも多いと、溶着金属の組成が工作物内の組成と異なることになるか、または類似でなくなるためである。溶着金属と工作物との間にそのような違いがあるか、またはその間に類似性がないと、フラックスの溶接性能に悪影響を及ぼすだけでなく、４００系ステンレス鋼がそれほど多くのニッケルを含む必要がないことから、ニッケルの無駄遣いの原因にもなる。さらに、３００系ステンレス鋼は重量比で１８％より高いクロムを含む。従って、４００系ステンレス鋼から作製された工作物を溶接するのに、３００系ステンレス鋼から作製されたフラックス芯溶接ワイヤを用いるとき、溶着金属は重量比で１８％より高いクロムを含むことになり、従って、クロムの無駄遣いの原因となる。

４００系ステンレス鋼を溶接するためのフラックス芯溶接ワイヤの外殻は、炭素鋼が３６％より高い延伸比を有する良好な延伸性能を有することから、長期にわたって炭素鋼から作製されてきた。統計データによれば、フラックス芯溶接ワイヤを作製するのに、少なくとも３０年にわたって炭素鋼が使用されてきた。解析後に、本発明者らは、炭素鋼が少量の炭素、シリコンおよびマンガンを含むが、クロムを含まないことがわかった。炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤを用いて溶接した後に形成される溶着金属に対する耐食性要件を満たすために、フラックスの中に十分なクロムを追加して、溶着金属が重量比で１３％より高いクロムを有するようにするべきである。溶接プロセスにおいて炭素鋼外殻を有する溶接ワイヤを用いるとき、溶着金属が或る特定割合のクロムを含有することが要求される場合には、クロムの含有量および溶接ワイヤの充填率を制御／調整することによって、そのような要件を達成することができる。フラックス芯溶接ワイヤの充填率は、単位長さあたりの溶接ワイヤ内のフラックスの重量と、単位長さあたりの溶接ワイヤの重量との比と定義される。従って、溶着金属が特定の割合のクロムを含有することが要求される場合には、充填率が小さいとき、フラックス内のクロムの含有量を大きくすべきである。フラックス内のクロムの含有量が小さいときには、充填率を大きくすべきである。例えば、溶着金属が１３％より高いクロムを有するように要求される場合には、充填率が１５％であるとき、フラックス内のクロムの含有量は少なくとも８６％にすべきである。充填率が３０％に達する場合であっても、フラックス内のクロムの含有量は４３％より高くしなければならない。或る充填比において、クロムの含有量がフラックス内で高い場合には、フラックス内の他の組成物の割合を低くしなければならない。

フラックス内のクロムの含有量があまり高くないことを確実にするために、炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤの充填比は２０％〜３０％になるべきであり、フラックス内のクロムの含有量が高すぎると、フラックス内の他の組成物の割合が低すぎて、他の組成物に対する最小含有量要件を満たすことができない場合がある。然しながら、フラックス芯溶接ワイヤの直径が決まった値であるとき、充填比が高いほど、溶接ワイヤに対するフラックスの割合が高くなり外殻が薄くなる。炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤの充填比が２０％を超えるとき、外殻厚は０．２５ｍｍ未満まで薄くされる可能性がある。引抜プロセス中に（特に複数回の引抜プロセスにおいて）、薄い外殻は、破壊される確率が高くなる傾向がある。要求される延伸率が１２０％の場合であっても、０．２５ｍｍ未満の厚みを有する外殻は引抜プロセスにおいて高い破壊確率を有する。標準化された生産では、種々の生産部門におけるフラックス芯溶接ワイヤは同じ長さを有するべきである。破壊された溶接ワイヤは、溶接によって再接続する必要がある。然しながら、再接続された溶接ワイヤの外殻は、後続の引抜プロセス中に、更に容易く破壊される。この理由から、引抜プロセスにおいてフラックス芯溶接ワイヤの外殻が破壊されると、生産プロセスが中断され、歩留まりおよび生産効率が低下し、それにより大量の無駄が生じるおそれがある。

引抜プロセスにおいて炭素鋼外殻が破壊されるのを防ぐために、充填比が下げられた場合、溶着金属内のクロムの含有量が要件を満たすようにするために、フラックス内のクロムの含有量を上げなければならない。その結果、フラックス内の他の組成物の割合を下げなければならず、それにより、溶着金属内の他の組成物が、その最小含有量の要件を満たすことができないという問題が生じるおそれがある。従って、溶接ワイヤの外殻として炭素鋼を用いるとき、溶着金属内のクロムの割合が要件を満たすのを確実にするために、その解決策は、他の組成物の割合を下げることか（それは、溶着金属内の組成物に対する含有量要件によって受け入れられない場合がある）、または外殻を薄くすることである（それは、引抜プロセス中に問題を引き起こすおそれがある）。従って、外殻を作製するのに炭素鋼を用いることは、解決できない問題をもたらす。

本発明のフラックス芯溶接ワイヤと比べるとき、炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤの別の欠点は、容易く錆つく場合があることである。従って、溶接プロセスにおいて炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤを用いるとき、溶接後に形成される溶着金属は耐食性であるが、炭素鋼外殻自体は耐食性能を有しない。保管中に、或る特定の期間（例えば、約２週間）にわたって空気にさらされた後、炭素鋼外殻は錆つく場合がある。錆びたフラックス芯溶接ワイヤは、通常の使用に対する要件を満たす見込みがほとんどない。炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤは、保管期間が短く、保管環境に対して高い要件があり、かつ使用コストが高いという、見過ごすことができない欠点を有することは疑いようがない。

さらに、本発明のフラックス芯溶接ワイヤと比べるとき、炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤの第３の欠点は、溶接プロセスにおいて溶着金属への移行中にクロムの損失が高いことである（その損失は５％程度に上る）。

溶接プロセスにおいて本発明のフラックス芯溶接ワイヤを用いるとき、溶接プロセスにおいて形成される溶着金属内で化学組成がより均一に分布する。溶着金属への移行中のクロムの損失は０．１％未満であり、従って、資源を節約し、溶接コストを下げる。本発明のフラックス芯溶接ワイヤの充填率は、５％〜２５％（好ましくは、１０％〜２０％）にすることができ、それはフラックス内の組成の安定性を高めることができるだけでなく、高い充填比および薄い外殻によって引き起こされる製造プロセスへの不都合を回避することもできる。本発明のフラックス芯溶接ワイヤは、長期にわたって空気にさらされても錆つかない。従って、保管条件および保管時間の長期化に対する要件が低く、それにより、製造コストが下がる。

本発明における実施形態のうちの１つは、溶接ワイヤの外殻として４１０ステンレス鋼を使用し、その溶接ワイヤは表２に示すような組成物を含む。
表２：選択された４１０ステンレス鋼帯内の組成物の割合（重量パーセント）

本発明における実施形態のうちの１つにおいて、フラックスのフラックス配合が表３に示されており、その溶接ワイヤの外殻は４１０ステンレス鋼から作製されている。

表３：溶接ワイヤ内のフラックスの配合（重量パーセント）

表３における溶接ワイヤを用いて対応するステンレス鋼工作物を溶接した後に形成される溶着金属内の組成物の割合が表４に示す。

表４：溶着金属内の組成物の割合（重量パーセント）

上記の種々のステンレス鋼はＡＳＴＭ標準規格において規定される。
本発明を更にわかりやすく例示するために、４１０ステンレス鋼帯および炭素鋼帯の機械的パラメーター間の比較が以下のように記載される。

表５：４１０ステンレス鋼帯および炭素鋼帯の例示的な機械的パラメーター

上記で列挙した機械的パラメーターは、４１０ステンレス鋼と比較するとき、炭素鋼が良好な加工性を有し、フラックス芯溶接ワイヤの製造プロセスにおける複数回の引抜プロセスにより良好に適合することを示す。従って、従来通り、加工性が良いことが、フラックス芯溶接ワイヤの外殻を形成するのに炭素鋼を選択する主な理由の１つである。

然しながら、従来の生産プロセスでは、４００系ステンレス鋼を溶接するためのフラックス芯溶接ワイヤの製造時に、炭素鋼を用いてフラックス芯溶接ワイヤの外殻を作製する場合には、（耐食性に対する要件を満たすのに）必要とされる溶着金属を溶接ビードとして形成するために、大量のフラックス粉末を外殻に充填する必要があり、それがフラックス芯溶接ワイヤの充填比を高める。その結果、炭素鋼外殻は非常に薄くならなければならず、それは炭素鋼のより良好な加工性を相殺し、フラックス芯溶接ワイヤを製造するのを難しくする。これは、充填比が高くなるにつれて、炭素鋼外殻の厚みが或る特定の値（例えば、０．２５ｍｍ）まで薄くなるためである。鋼帯が薄すぎるとき、引抜プロセスにおいて容易く破壊されることになる。従って、４００系ステンレス鋼工作物を溶接するためのフラックス芯溶接ワイヤを製造するとき、炭素鋼帯は２回引抜プロセス中に、より頻繁に破壊され、大きな損失を引き起こし、生産性を下げ、製造コストを上げる。４００系ステンレス鋼から作製された工作物のための溶接ワイヤを製造するのに４００系ステンレス鋼を用いるとき、充填比が低いことに起因して、外殻の厚みは０．３ｍｍに達することができ、従って、（実験、観察の後）延伸比が２０％〜３０％の範囲内、特に２０％または２５％に制御されるときに特に、引抜プロセス中に破断することなく複数回引き抜くのに一層適している。

表６：選択された４０９ステンレス鋼の主要組成物の割合（重量パーセント）

（上記の表内のＴｉの「6*C」は、Ｔｉの含有量が「６」とＣの含有量とを乗算した値に等しいことを意味する。）

フラックス芯溶接ワイヤの外殻として４０９ステンレス鋼を用いるときの、種々の実施形態におけるフラックスの配合が表７に示す。

表７：４０９ステンレス鋼から作製された外殻を有する種々の溶接ワイヤ内のフラックスの配合（重量パーセント）

表７に示す溶接ワイヤを用いてその対応するステンレス鋼工作物を溶接した後に形成される溶着金属内の組成物の割合が表８に示す。

表８：溶着金属内の組成物の割合（重量パーセント）

解析、研究および試験に基づいて、本発明者らは、４００系ステンレス鋼が適切な割合のクロムを含むので、任意のタイプの４００系ステンレス鋼から作製された溶接ワイヤを用いて、同じく４００系ステンレス鋼から作製された工作物を溶接するとき、複数の（２回、３回または４回以上）引抜プロセス中に、表３および表７における上記のフラックス配合を用いる溶接ワイヤが、特にその延伸比が２０％〜３０％の範囲内、特に２０％または２５％に制御されるときに、以下の結果を達成できることがわかった。

１．本発明の溶着金属は重量比で１０％〜１８％のＣｒを含み、その重量比は溶接されることになる４００系ステンレス鋼工作物内のＣｒの含有量に類似している。従って、本発明の溶着金属および溶接されることになる４００系ステンレス鋼工作物の耐食性能は類似であり、本発明のフラックス芯溶接ワイヤはＣｒの無駄遣いの原因とはならない。さらに、本発明の溶着金属は過剰にＮｉを含まないか、またはＮｉを含まない。従って、本発明のフラックス芯溶接ワイヤはＮｉの無駄遣いの原因とはならない。

２．充填比を５％〜２５％（好ましくは１０％〜２０％）の範囲内に制御することができ、外殻の厚みは０．３ｍｍよりも厚くすることができ、それにより、複数の（２回、３回または４回以上）引抜プロセスにおける溶接ワイヤ上の破壊率を大きく低減することができる。

３．本発明は４００系ステンレス鋼を溶接するためのフラックス芯溶接ワイヤを作製する材料コストを削減することができる。これは、３００系ステンレス鋼が相対的に高い割合のクロムおよびニッケルを含み、それが３００系ステンレス鋼の価格上昇の原因となるためである。さらに、４００系ステンレス鋼は、特別注文を必要とすることなく、市場から購入することができる標準鋼である。

４．４００系ステンレス鋼から作製されたフラックス芯溶接ワイヤを用いて、同じく４００系ステンレス鋼から作製された工作物を溶接するとき、溶着金属および工作物内の組成物の割合の差は無視できる程度か、または小さい。従って、本発明のフラックス芯溶接ワイヤを用いることは、無駄を回避し、溶接品質を改善することができる。

５．本発明の４００系ステンレス鋼から作製される外殻は重量比で１０％〜１８％のＣｒを含む。本発明の一実施形態では、本発明の４１０ステンレス鋼外殻は１１．５％〜１３．５％のＣｒを含み、本発明の別の実施形態では、本発明の４０９ステンレス鋼外殻は１０．５％〜１１．７５％のＣｒを含む。然しながら、炭素鋼帯はＣｒを含まない。２つの異なる外殻（すなわち、炭素鋼外殻またはステンレス鋼外殻）を有するフラックス芯溶接ワイヤを用いるとき、溶接後に形成される溶着金属はいずれも１０％〜１９％のＣｒを含むことができる。然しながら、溶接は強力な冶金反応であり、溶接ワイヤが溶融し、その反応中に、溶融した液体金属を、溶接されることになる工作物に移行させる。従って、溶接プロセス中に、溶融した液体金属がガス媒体と接触し、部分的に燃焼する。実験は、溶接プロセスにおいて炭素鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤが用いられるとき、少なくとも０．５％のＣｒ（フラックス芯溶接ワイヤの重量比）が失われることを示す。比較すると、溶接プロセスにおいてステンレス鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤを用いるとき、０．１％未満のＣｒが失われる。さらに、炭素鋼から作製された外殻は溶着金属（鉄を除く）によって必要とされる組成物のわずかな割合しか含まないので、それらの組成物に対する割合の要件を満たすために、溶着金属において必要とされる金属組成物（鉄を除く）がフラックスに追加され、それにより、溶接プロセス中に相対的に大きな組成物損失を引き起こす。さらに、シールドガスが存在する実際の動作条件下で、これら２つの種類の溶接ワイヤ（すなわち、炭素鋼外殻を有するか、またはステンレス鋼外殻を有する）間のＣｒ損失率の隔たりは更に大きくなる。ＣｒおよびＮｉ資源が不足している任意の国（特に中国）の場合、本発明のフラックス芯溶接ワイヤは、この問題を解決する解決策である。

６．本発明の実施形態において、フラックス芯溶接ワイヤが４００系ステンレス鋼から作製されるので、溶接後に形成される溶着金属内の化学組成がより均一に分布する。４００系ステンレス鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤの充填比は５％〜２５％（好ましくは１０％〜２０％）である。充填比が高いほど、溶接ワイヤ内に多くの粉末が包み込まれ、フラックスの組成が不安定であることを意味する。その結果、溶着金属の化学組成が不安定になる。充填比が低いほど、溶接ワイヤ内に少ない粉末が包み込まれ、フラックスの組成が安定していることを意味する。その結果、溶着金属の化学組成がより安定する。

７．本発明の４００系ステンレス鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤは良好な耐錆特性を有する。
炭素鋼帯から作製されるフラックス芯溶接ワイヤは容易く錆びる。炭素鋼帯から作製される通常のフラックス芯溶接ワイヤは、約２週間空気にさらされた後に錆びつく。錆びた溶接ワイヤが通常の使用に対する要件を満たす見込みはほとんどない。然しながら、４００系ステンレス鋼は耐食特性を有する。従って、４００系ステンレス鋼は錆問題を効率的に解決し、それにより、フラックス芯溶接ワイヤの保管条件に対する要件を実質的に下げ、かつフラックス芯溶接ワイヤの保管時間を延ばす。

８．本発明の４００系ステンレス鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤは小さな抵抗を有する。
本発明の４００系ステンレス鋼外殻を有するフラックス芯溶接ワイヤは小さな抵抗を有し、それにより、フラックス芯溶接ワイヤの溶接特性を改善する。

９．本発明者らは、４００系ステンレス鋼が産業界において更に広く使用されること、およびこの傾向が続くことが予想されることに気付いた。従って、本発明のフラックス芯溶接ワイヤは、高い使用価値および良好な市場見通しを有する。

本発明を例示するために、本発明の実施形態が用いられるが、特許請求の範囲を制限することは意図していない。当業者には数多くの変形および変更が思い浮かぶはずであり、添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲内に入る全てのそのような変形および変更を包含することを意図していることが理解される。

Claims (27)

1. フラックス芯溶接ワイヤにおいて、
   フラックスを充填した管状または円形の空洞を形成する外殻を備え、前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼が重量比で１０％〜１８％のＣｒを含むフラックス芯溶接ワイヤ。
2. 引抜プロセスにおいて、前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼の延伸比は２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択される請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
3. 前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼はＮｉを含まないか、または重量比で５％若しくは５％未満のＮｉを含む請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
4. 前記外殻を作製する前記ステンレス鋼は４００系ステンレス鋼のうちの任意のステンレス鋼である請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
5. 前記外殻を作製するのに用いられる前記ステンレス鋼は４０９または４１０ステンレス鋼である請求項４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
6. 前記フラックスは重量比で９％〜６８％のＣｒと、１％〜１０％のＭｎと、２％〜１５％のＳｉとを含み、残りはＦｅである請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
7. 前記フラックスの重量は前記フラックス芯溶接ワイヤの重量の５％〜２５％であるか、または充填比が５％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％である請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
8. 前記フラックス芯溶接ワイヤを用いることによって溶接プロセス後に形成される溶着金属は、前記溶着金属の重量比で１０％〜２０％のＣｒと、０．１％〜０．８％のＭｎと、０．１％〜１％のＳｉとを有し、残りはＦｅである請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
9. 前記フラックス芯溶接ワイヤを用いることによって溶接されることになる、ステンレス鋼から作製される工作物は、重量比で１０％〜１８％のＣｒを含む請求項１〜８の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
10. 前記工作物を作製する前記ステンレス鋼はニッケルを含まないか、または重量比で５％未満のニッケルを含む請求項９に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
11. 前記工作物を作製する前記ステンレス鋼は４００系ステンレス鋼から選択されるステンレス鋼である請求項９に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
12. 前記フラックス芯溶接ワイヤは複数回または２回の延伸によって製造される請求項１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
13. 前記外殻を作製するために用いられる前記ステンレス鋼の延伸比は２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択される請求項１２に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
14. フラックスを充填した管状または円形の空洞を形成する外殻を備え、
    前記フラックスは、重量比で９％〜６８％のＣｒと、１％〜１０％のＭｎと、２％〜１５％のＳｉとを含み、残りはＦｅであるフラックス芯溶接ワイヤ。
15. 前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼は重量比で１０％〜１８％のＣｒを含む請求項１４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
16. 引抜プロセス中、前記外殻を作製するのに用いられるステンレス鋼の延伸比は２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択される請求項１４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
17. 前記外殻を作製するために用いられるステンレス鋼はニッケルを含まないか、または重量比で５％若しくは５％未満のニッケルを含む請求項１４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
18. 前記外殻を作製する前記ステンレス鋼は４００系ステンレス鋼のうちの任意のステンレス鋼である請求項１４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
19. 前記フラックスの重量は該フラックス芯溶接ワイヤの重量の５％〜２５％であるか、または充填比が５％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％である請求項１５に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
20. 前記フラックス芯溶接ワイヤを用いることによって溶接されることになる、ステンレス鋼から作製される工作物は、重量比で１０％〜１８％のＣｒを含む請求項１４〜１９の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
21. 前記工作物を作製する前記ステンレス鋼はニッケルを含まないか、または重量比で５％未満のニッケルを含む請求項２０に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
22. 前記工作物を作製する前記ステンレス鋼は４００系ステンレス鋼から選択されるステンレス鋼である請求項２１に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
23. 前記フラックスの重量は該フラックス芯溶接ワイヤの重量の５％〜２５％であるか、または充填比が５％〜２５％、好ましくは１０％〜２０％である請求項２２に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
24. 前記フラックス芯溶接ワイヤは複数回または２回引抜加工することによって製造される請求項１４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
25. 引抜プロセスにおいて、前記外殻を作製するために用いられる前記ステンレス鋼の延伸比は２０％、２５％または２０％〜３０％の範囲内の任意の値に選択される請求項２４に記載のフラックス芯溶接ワイヤ。
26. 請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを製造する方法において、
    請求項１〜２５の何れか１項または請求項１〜２５の組み合わせに従って鋼帯を選択する段階と、
    前記フラックスを前記鋼帯の中に包み込む段階と、
    前記鋼帯を複数回引抜加工することによって前記溶接ワイヤを形成する段階とを含む方法。
27. 請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを使用する方法において、
    請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを準備する段階と、
    請求項１〜２５の何れか１項に記載のフラックス芯溶接ワイヤを使用して、請求項１〜２６の何れか１項に記載の工作物を溶接する段階とを含む方法。

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