JP2017159307A - 特殊トーチを用いた溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接作業性や溶着効率が良好で安価なシーム有りのフラックスコアードワイヤを用いた高張力鋼や厚板の溶接方法を提供する。
【解決手段】特殊トーチ及びフラックスコアードワイヤを用いる溶接方法であって、前記特殊トーチは、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有し、前記フラックスコアードワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有する溶接方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、特殊トーチを用いた溶接方法に関し、より詳細には、吸引ノズルを有する特殊トーチと特定のフラックスコアードワイヤとを用いた溶接方法に関する。

溶接産業において、溶接金属中の拡散性水素による溶接金属の水素脆化及び水素割れが問題となっている。溶接金属中の拡散性水素は、鋼組織の粒界や微小空間に集まり水素分子（Ｈ_２）となり、体積を膨張させる。この膨張圧力は、溶接金属に割れを生じさせ、構造物の破壊を招く。このような水素割れについては、鋼の強度が増すに従って水素割れ感受性が高まるが、近年、溶接において強度の高い高張力鋼が使われる傾向にある。

図３は、拡散性水素が溶接金属に吸収されるプロセスを説明するための図である。図３において、溶接ワイヤは、フラックス入りの溶接ワイヤであるフラックスコアードワイヤが用いられるものとして説明する。また、図４は、フラックスコアードワイヤの断面を示す図である。

フラックスコアードワイヤである溶接ワイヤ２０１は、外周を構成する鋼製外皮２０２と中心部２０３とから構成されている。フラックスコアードワイヤの場合、中心部２０３には、鉄粉又は合金などの金属粉、及び又は金属酸化物粉や金属フッ化物粉等を混合したフラックスが含まれる。そして、溶接ワイヤ２０１がコンタクトチップ２０８を通して送られると同時に、溶接電流がコンタクトチップ２０８から溶接ワイヤ２０１に流れて、溶接ワイヤ２０１先端のアーク２０９によって溶接ワイヤ２０１が溶けて溶接金属２１０となる。このとき、コンタクトチップ２０８から突き出された溶接ワイヤ２０１のワイヤ突出し部２１１には溶接電流が流れるため、抵抗発熱が生じ、温度が上昇する。この上昇温度は、例えば、コンタクトチップ２０８の先端から５ｍｍ程度で１００℃に達し、コンタクトチップ２０８の先端から２０ｍｍのワイヤ先端近傍では約６００℃まで上昇する場合がある。

ワイヤ突出し部２１１の温度が１００℃を超えて上昇すると、まず、ワイヤ表面の水素源２０５が気化して溶接ワイヤ２０１から放出される。続いて、加熱された鋼製外皮２０２からの熱伝導により中心部２０３が加熱され、フラックス内の水素源２０５も気化して、継ぎ目であるシーム２０４を通して溶接ワイヤ２０１外に放出される。溶接ワイヤ２０１から放出された水素源２０５の一部は、アークプラズマ気流、及びガスシールドアーク溶接の場合にノズル２０６から溶接部に供給されるシールドガスの流れ（矢印２０７に示す方向）によって、矢印２１３に示す方向に流れて、アーク２０９に導かれる。アーク２０９は数千度の高温であるため、水素源２０５、例えばＨ_２Ｏは、解離して拡散性水素２１２となり、アーク柱内の溶滴及び溶接金属２１０に吸収されて溶接金属２１０内に入り込む。

このようにして、ワイヤ表面に存在する水素源や、溶接ワイヤに使われるフラックスに含まれる水素源が、高温に加熱されたワイヤ突出し部において気化する。そして、気化した水素源は、アークプラズマ気流及びガスシールドアーク溶接の場合に供給されるシールドガスの流れによって、アーク柱内及びその近傍に運ばれる。運ばれた水素源は、解離して水素原子となり、溶接金属中に吸収される。

拡散性水素により発生する水素脆化及び水素割れの対策としては、拡散性水素が溶接金属から外部に放出されることを促すために、予熱や後熱が行われる場合がある。また、溶接においてフラックスコアードワイヤを使う場合には、フラックスにＣａＦ_２やＮａ_３ＡｌＦ_６などのフッ化物を添加することにより、拡散性水素を低減させる方法も用いられている。更に、ガスシールドアーク溶接において供給されるシールドガスにＣＦ_４を微量に混合する手法も提案されている。

特表２００２−５０６７３６号公報 特許第１６３３９７６号公報 特公平０２−０４０４３５号公報

溶接ワイヤにおける水素源は、ワイヤ表面に付着している油や水分、フラックスコアードワイヤやメタルコアードワイヤ（ワイヤ内部に含有されるフラックスが金属粉のみで構成されるフラックスコアードワイヤ）に内包されるフラックスに付着している水分や有機物である。一般に、溶接ワイヤ表面に付着している水素源よりも、フラックスに付着している水素源のほうが比較的多い。そのため、フラックスに付着する水素源を減らすために、溶接ワイヤを製造する前に、フラックスを高温で加熱し、水素源を除去する手法が採られる場合がある。また、製造工程の中で吸湿するのを防止することも必要であるが、多大なコストがかかる。更には、製品化された後でも、保管中や湿度の高い溶接現場での作業中にも空気中から水分が吸着するので、水素源を減少させることには様々な障害が存在する。

また、水素脆化及び水素割れの対策として、予熱や後熱を行う場合には、１５０〜２５０℃もの加熱を行うこととなり、多大なエネルギー費用及び労力がかかる。また、高温の作業であり溶接作業者に過酷な負担をかけるという問題がある。フラックスにフッ化物を添加する場合には、添加物の量を増加させるにつれてアークの安定性を劣化させるために、拡散性水素が十分に低減しない場合がある。更に、シールドガスにＣＦ_４を混合する手法においても、安全性の問題やアークの安定性が劣化する問題があり、普及するには障害があるといえる。

そこで、高張力鋼や厚板の溶接を行う場合、溶接材料として、溶接金属の拡散性水素量を懸念してソリッドワイヤ（図１（Ａ））やシームレスフラックスコアードワイヤ（図１（Ｂ））が主に使用される。
フラックスコアードワイヤはフラックスの効果によって美しいビードが得られるもの、姿勢溶接が容易かつ高能率な溶接条件で溶接が可能となるものや、大溶着量が得られるもの等、有益な効果がある。また、ソリッドワイヤでは、ビード形状や姿勢溶接が難しい等の溶接作業性面で劣る場合があることから、シームレスフラックスコアードワイヤがより好ましく用いられる。

一方、シーム有りのフラックスコアードワイヤ（図１（Ｃ））は、高張力鋼や厚板の溶接での使用は上述の問題から限定的であった。これは、シーム有りフラックスコアードワイヤは、シーム部を通して大気から水分を吸収する為、シームレスフラックスコアードワイヤと比較して水素源を含有し易く、溶接金属の拡散性水素量が高くなり易いことに起因する。

シームレスフラックスコアードワイヤを製造するためには、シーム有りのワイヤのシーム部にＴＩＧ溶接やレーザ溶接を行ってシームを閉じる方法や、パイプにフラックスを詰め込み、圧延・伸線加工を繰り返してワイヤに仕上げる方法がある。しかし、前者は溶接速度に生産性が律速され、効率が上がらず、後者は圧延・伸線加工の回数が増大し生産性が低下する。そのため、シームレスフラックスコアードワイヤはシーム有りフラックスコアードワイヤと比較して高コストとなり、改善が望まれていた。

特許文献１に示すトーチは、コンタクトチップから突き出された溶接ワイヤの周囲を囲みワイヤ先端部に向いた開口部からヒュームを吸引する。特許文献１には示されていないが、このトーチでは、溶接中に溶接ワイヤから離脱した水素源をヒュームと同時に吸引し、溶接部外に排出し、溶接金属中の拡散性水素量を低減すると解される。
しかし特許文献１には拡散性水素低減効果についての着想は無く、最適な組み合わせワイヤ設計については記載されていない。また、水素吸引性能を効果的に発現させる為のトーチ構成についても当然検討されていない。

一方、ガスシールドアーク溶接に用いられるワイヤとして、特許文献２には、鋼製外皮中に特定組成のフラックスが充填されたフラックスコアードワイヤが開示されている。当該フラックスコアードワイヤは、アルカリ金属を０．１〜５重量％含むことによりアークが安定化し、薄板溶接時の溶け落ちを防止することができることが示されているが、アルカリ金属は水分との親和性が高いため、シーム有りフラックスコアードワイヤとして用いると、ワイヤは多量の水分を含有することから、高張力鋼や厚鋼板に適用すると、低温割れのおそれがある。
また、特許文献３には、特定の組成のスラグ系フラックスコアードワイヤが開示されている。当該スラグ系フラックスコアードワイヤは、溶着金属中のＮｉの含有量が少ない場合においても、溶着金属に良好な低温靱性が得られる高張力鋼用溶接ワイヤである。しかし、シーム有りフラックスコアードワイヤとしつつ、良好なアーク安定性及び溶接性を得るには、アルカリ金属を適量含有する必要があるが、該アルカリ金属は拡散性水素量増加の要因となる為、積極的に含有させることができない。

そこで本発明では、溶接作業性や溶着効率が良好で安価なシーム有りのフラックスコアードワイヤを用いた高張力鋼や厚板の溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、吸引ノズルを有する溶接トーチ（特殊トーチ）を用いることで、シーム部を有するフラックスコアードワイヤを用いることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［１０］に係るものである。
［１］ 特殊トーチ及びフラックスコアードワイヤを用いる溶接方法であって、
前記特殊トーチは、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有し、
前記フラックスコアードワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有する溶接方法。
［２］ 前記シーム部において、前記鋼製外皮の金属の両端のクリアランスが２０μｍ未満である長さをＬａとし、２０μｍ以上４０μｍ未満である長さをＬｂとし、４０μｍ以上１００μｍ未満である長さをＬｃとした際に、Ｌｓｅａｍ＝２．０×Ｌａ＋１．５×Ｌｂ＋Ｌｃで表される値が０．１〜１．５ｍｍである、前記［１］に記載の溶接方法。
［３］ 前記フラックスコアードワイヤのワイヤ径が直径１．２〜２．０ｍｍであり、かつ、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記フラックスの割合が８〜３０質量％である、前記［１］又は［２］に記載の溶接方法。
［４］ 前記フラックス中にスラグ形成剤を含有し、前記スラグ形成剤は金属酸化物、金属フッ化物及び金属炭酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１の化合物と不純物とからなり、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記スラグ形成剤の割合が３〜２１質量％である、前記［１］〜［３］のいずれか１に記載の溶接方法。
［５］ 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
金属酸化物：３．５〜２０．５質量％、
金属フッ化物：０〜０．５質量％（０を含む）、及び
金属炭酸塩：０〜０．５質量％（０を含む）
を含む、前記［４］に記載の溶接方法。
［６］ 前記金属酸化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
ＴｉＯ_２：１．５〜１５．０質量％、
ＳｉＯ_２：０．１５〜４．０質量％、
ＺｒＯ_２：０〜３．０質量％（０を含む）、
Ａｌ_２Ｏ_３：０〜２．０質量％（０を含む）、及び
（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｌｉ_２Ｏ）：０．０１〜０．８質量％
を含む、前記［４］又は［５］に記載の溶接方法。
［７］ 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
金属酸化物：０〜１．５質量％（０を含む）、
金属フッ化物：１．５〜８．５質量％、及び
金属炭酸塩：０〜５．０質量％（０を含む）
を含む、前記［４］に記載の溶接方法。
［８］ 前記金属フッ化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
ＣａＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、
ＢａＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、
ＳｒＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、及び
（ＣａＦ_２＋ＢａＦ_２＋ＳｒＦ_２）：１．５〜８．０質量％
を含む、前記［４］又は［７］に記載の溶接方法。
［９］ 前記金属炭酸塩が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
（ＣａＣＯ_３＋ＢａＣＯ_３）：０〜５質量％（０を含む）
を含む、前記［４］［７］及び［８］のいずれか１に記載の溶接方法。
［１０］ 前記特殊トーチにおける前記コンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｂが１５〜４０ｍｍであり、前記コンタクトチップの先端から前記吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｋと前記距離Ｄ_ｔ−ｂとが
Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≧０．３×Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）、かつ
Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≦Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）−８
の関係を満たす、前記［１］〜［９］のいずれか１に記載の溶接方法。

本発明によれば、溶接金属の拡散性水素量が高くなるのを防ぐことができ、溶接作業性や溶着効率が良好で安価なシーム有りのフラックスコアードワイヤを用いて、高張力鋼や厚板の溶接を行うことができる。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）はワイヤの形態を示す模式断面図であり、図１（Ａ）はソリッドワイヤ、図１（Ｂ）はシームレスフラックスコアードワイヤ、図１（Ｃ）はシーム有りフラックスコアードワイヤの模式断面図である。 図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、シーム有りフラックスコアードワイヤの断面形状を示す模式断面図であり、図２（Ａ）はバット形状、図２（Ｂ）はラップ形状、図２（Ｃ）はアップル形状と呼ばれる模式断面図である。 図３は、拡散性水素が溶接金属に吸収されるプロセスを説明するための図である。 図４は、フラックスコアードワイヤの断面を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、明細書中、「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。

本発明に係る溶接方法は、特殊トーチ及びフラックスコアードワイヤを用いる溶接方法であって、前記特殊トーチは、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有し、前記フラックスコアードワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有することを特徴とする。
ここで、フラックスとは、鉄粉又は合金などの金属粉、及び、金属酸化物粉や金属フッ化物粉等を混合した物質を意味する。

溶接中、コンタクトチップと母材間に送給されたワイヤは、チップ先端からワイヤへ溶接電流が流れる為に、ジュール発熱を受け温度が上昇する。フラックスコアードワイヤを用いた溶接においてワイヤが保有する拡散性水素源としては、フラックスが保有する水分が多く、その水分を系外に排出することが好ましい。

この時、ワイヤ構造がシームレスフラックスコアードワイヤであった場合、ワイヤ側面に水分の排出口が存在しない為、アークによる溶融部まで水分が保持され、溶融金属に容易に水素が吸収されることになる。
一方、シーム有りフラックスコアードワイヤでは、シーム部が水分の排出口となり、アーク領域に到達する前に熱エネルギーにより水分をワイヤ外に排出できる。ワイヤ外に排出された水分は、一般的なガスシールドアーク溶接では、シールドガスの気流に乗ってアークに移送され、結果的に溶融金属に吸収される。
また、特殊トーチを用いてシールドガスの一部を吸引することにより、該溶融金属と水分（アーク中では高温で解離し、水素原子となると解される）との接触を防止し、無害化することが可能である。

すなわち、本発明者らは、製造時にフラックスが既に保有していた水分について、シームレスフラックスコアードワイヤにおいては特殊トーチを用いても有効に低減することができないが、シーム有りフラックスコアードワイヤにおいては有効に低減させることができることを見出した。本発明はこの効果を有効に具現化する為の溶接方法に関する。
さらに、シーム有りフラックスコアードワイヤと特殊トーチを用いた溶接方法において、適用するシーム有りフラックスコアードワイヤの構造やフラックスの設計によって、さらに良好な結果が得られることを見出した。

［シーム有りフラックスコアードワイヤ］
本発明におけるフラックスコアードワイヤとは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有するもの（シーム有りフラックスコアードワイヤ）である。
ここで、鋼製外皮とは、圧延鋼帯のことを意味する。
また、本明細書において、フラックスコアードワイヤの組成（質量割合）はいずれも設計値であるが、該設計値と概ね同組成のフラックスコアードワイヤが得られる。また、ワイヤの組成は、電子線マイクロアナライザやＸ線回折法によるフラックス粒子の組成同定とワイヤ全体を溶解した溶液の化学分析（ＩＣＰ発光分光分析法、原子吸光光度法等）により同定することができる。

シーム有りフラックスコアードワイヤ（以下、単に「ワイヤ」と称することがある。）においても、水分の排出経路が長くなると、溶接時の水分排出効率が低下してしまう場合がある。
そこで、シーム部において、フラックスコアードワイヤの鋼製外皮の金属の両端を重ね合わせた合わせ代に関する係数としてＬｓｅａｍを定義し、水分排出効率の点から好ましい範囲を規定する。

シーム部とは、帯鋼（鋼製外皮）とフラックスとを用いてフラックスコアードワイヤを製造する際の、帯鋼幅方向の両端が突合せ、又は重ね合わされた部分を意味し、シーム有りフラックスコアードワイヤの長手方向の全線にある。なお、該ワイヤのシームを溶融接合したフラックスコアードワイヤはシームレスフラックスコアードワイヤである。

Ｌｓｅａｍとは、シーム部において、前記鋼製外皮の金属の両端のクリアランスが２０μｍ未満である長さをＬａとし、２０μｍ以上４０μｍ未満である長さをＬｂとし、４０μｍ以上１００μｍ未満である長さをＬｃとした際に、Ｌｓｅａｍ＝２．０×Ｌａ＋１．５×Ｌｂ＋Ｌｃで表される値である。このＬｓｅａｍの値は、ワイヤの横断面の観察により求めることができ、ワイヤの任意の３断面を観察した際の平均値である。

シーム有りフラックスコアードワイヤは、鋼製外皮両端の突合せ、又は重ね合わせの違いにより、その断面形状からバット形状、ラップ形状、アップル形状等に分類することができ、特に限定されない。中でも、バット形状、ラップ形状、アップル形状が、ワイヤ内部から水分が排出されやすいことから好ましい。
なお、バット形状とは、図２（Ａ）に模式断面図を示すように、鋼製外皮の両端の位置が一致するように突き合わせたものである。ラップ形状とは、図２（Ｂ）に模式断面図を示すように、鋼製外皮の両端近傍が上下に重なり合うように加工したものである。アップル形状とは、図２（Ｃ）に模式断面図を示すように、鋼製外皮の両端近傍を折り曲げた後に、折り曲げ部が一致するように突き合せたものである。

図２（Ａ）中、クリアランスの幅Ｗは一定でもバラバラであってもよく、幅Ｗが２０μｍ未満である長さをＬａ、２０μｍ以上４０μｍ未満である長さをＬｂ、４０μｍ以上１００μｍ未満である長さをＬｃとする。また、幅Ｗが１００μｍ以上の長さについては、Ｌｓｅａｍの値には影響しない。また、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃはそれぞれ０μｍの（存在しない）場合もあり得る。
また、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）についても同様に、任意の箇所におけるクリアランスの幅Ｗ１とＷ２が、Ｗ１≠Ｗ２のように等しくない場合もあるし、Ｗ１＝Ｗ２と等しい場合もある。クリアランスの幅が２０μｍ未満である長さをＬａ、２０μｍ以上４０μｍ未満である長さをＬｂ、４０μｍ以上１００μｍ未満である長さをＬｃとし、幅が１００μｍ以上の長さについては、Ｌｓｅａｍの値には影響しない。また、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃはそれぞれ０μｍの（存在しない）場合もあり得る。

Ｌｓｅａｍの値は小さい方が好ましいが、具体的には、Ｌｓｅａｍは０．１〜１．５ｍｍがより好ましく、０．１５ｍｍ以上がさらに好ましい。また１．２ｍｍ以下がさらに好ましく、１．０ｍｍ以下がよりさらに好ましい。

Ｌｓｅａｍが過剰に小さいと、ワイヤ送給経路内での変形を受け容易に合わせ部が開放してしまい、フラックスのこぼれが発生する場合がある。フラックスのこぼれにより、ワイヤ成分設計が維持されなくなることや、送給経路内での詰まりに伴うワイヤ送給トラブルを引き起こす場合がある。一方、Ｌｓｅａｍが過剰に大きいと、水素排出効率が劣る場合がある。

フラックスコアードワイヤのワイヤ径は特に限定されないが、本発明の溶接法が目的とする高張力鋼や厚板の溶接においては施工効率の観点で、ワイヤの直径は１．０ｍｍ以上が好ましい。また、溶接作業性の観点から、２．０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１．２ｍｍ以上、また１．６ｍｍ以下がより好ましい。
また、フラックスコアードワイヤ全質量に対するフラックスの割合は、ワイヤの製造性の観点から、８〜３０質量％が好ましく、１０質量％以上がより好ましく、２５質量％以下がより好ましい。

フラックスコアードワイヤにおけるフラックス種類としては、メタル系フラックスとスラグ系フラックスの２つに大別できる。メタル系フラックスコアードワイヤ（メタルコアードワイヤ）は、高溶着効率を主な目的とし、スラグ系フラックスコアードワイヤは、良好な溶接作業性や美しいビード外観等を主な目的とする。

スラグ系フラックスコアードワイヤの場合、フラックス中にスラグ形成剤を含有する。
スラグ形成剤は、金属酸化物、金属フッ化物及び金属炭酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１の化合物を含むため、表面に水分を吸着し易く、スラグ系フラックスコアードワイヤを用いて溶接した溶接金属中の拡散性水素量が増加し易いことから通常、高張力鋼や厚板での溶接には使用上の注意が必要である。スラグ形成剤には、上記化合物以外に不純物が含まれる。
上記スラグ形成剤を含むワイヤを用い、特殊トーチを組み合わせて溶接を行うことで、より良好な溶接作業性と低水素による扱いやすさ（低温割れの懸念が少なくなる）を両立することができる。

スラグ形成剤のワイヤ全質量に対する割合は３〜２１質量％が溶接作業性の点から好ましく、５質量％以上がより好ましく、２０質量％以下がより好ましい。
スラグ形成剤が少ない場合には溶接ビード表面にスラグの焼き付きが発生しやすく、多過ぎる場合にはビードが凸形状となる傾向がある。

スラグ形成剤が酸化物を主スラグ成分とする場合には、ワイヤの全質量に対する割合で、金属酸化物：３．５〜２０．５質量％、金属フッ化物：０〜０．５質量％（０を含む）、及び金属炭酸塩：０〜０．５質量％（０を含む）を含むことが溶接作業性の点から好ましい。

中でも、前記金属酸化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、ＴｉＯ_２：１．５〜１５．０質量％、ＳｉＯ_２：０．１５〜４．０質量％、ＺｒＯ_２：０〜３．０質量％（０を含む）及びＡｌ_２Ｏ_３：０〜２．０質量％（０を含む）を含むことが、より良好なビード外観やビード形状などを得る点からより好ましい。
ＴｉＯ_２は２．５質量％以上がさらに好ましく、１２．０質量％以下がさらに好ましい。ＳｉＯ_２は０．２質量％以上がさらに好ましく、３．０質量％以下がさらに好ましい。ＺｒＯ_２は２．５質量％以下がさらに好ましく、Ａｌ_２Ｏ_３は１．５質量％以下がさらに好ましい。

また、酸化物を主スラグ成分とするスラグ形成剤において、さらに良好なアーク安定性を得る為のアーク安定剤として、さらにＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ等のアルカリ金属酸化物を添加することが好ましい。（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｌｉ_２Ｏ）の総和がワイヤ全質量に対する割合で０．０１質量％以上含むことがより好ましく、０．０２質量％以上がさらに好ましい。

一方で、アルカリ金属は水との親和性が高く、非常に水分を吸着し易い。そのため過剰なアルカリ金属は、溶接金属中の拡散性水素量を増加させることにつながる。また、アルカリ金属酸化物によるアーク安定化効果は少量で飽和することから、（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｌｉ_２Ｏ）の総和がワイヤ全質量に対する割合で０．８質量％以下含むことがより好ましく、０．５質量％以下がさらに好ましい。

上記金属酸化物を主スラグ成分とし、さらにアルカリ金属酸化物を添加したスラグ形成剤を含むスラグ系フラックスコアードワイヤと特殊トーチを組み合わせた溶接法を適用することにより、さらに良好なアーク安定性と低水素性を両立した溶接が可能となる。

スラグ形成剤がフッ化物を主スラグ成分とするフラックスコアードワイヤには、溶接金属の靱性が特に優れるものやシールドガスを使用せずに溶接が可能（セルフシールドと呼ぶ）であるなどの特殊な効果を有するものがある。この場合には、ワイヤの全質量に対する割合で、金属酸化物：０〜１．５質量％（０を含む）、金属フッ化物：１．５〜８．５質量％、及び金属炭酸塩：０〜５．０質量％（０を含む）を含むことが溶接作業性の点から好ましい。

中でも、前記金属フッ化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、ＣａＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、ＢａＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、ＳｒＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、及び（ＣａＦ_２＋ＢａＦ_２＋ＳｒＦ_２）：１．５〜８．０質量％を含むことが、より良好なビード外観やビード形状などを得る点からより好ましい。
また、前記金属炭酸塩が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、（ＣａＣＯ_３＋ＢａＣＯ_３）：０〜５質量％（０を含む）含むことも好ましく、少量の含有ではアークの集中性が向上し、２質量％以上の含有ではシールドガスを使用せずに溶接する場合の溶接金属性能（耐ブローホール性）が向上する為好ましい。

金属フッ化物の粉末は粉砕過程で微粉末になり易く、表面積が増大する為に、水分を吸着し易い。その為、溶接金属中の拡散性水素量を増加させることにつながり、高張力鋼や厚板の溶接用には適用できない場合もある。しかし上記金属フッ化物を主スラグ成分としたスラグ形成剤を含むスラグ系フラックスコアードワイヤと特殊トーチを組み合わせた溶接法を適用することにより、高靱性やセルフシールド性が得られるフラックスコアードワイヤにおいて低水素性が得られ、高張力鋼や厚板の溶接に適用が容易となる。

スラグ形成剤に含まれる上記以外の成分として、金属酸化物としては、例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、Ｖ_２Ｏ_５、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、ＢｉＯ等が挙げられる。
金属フッ化物としては、ＡｌＦ_３、ＣｅＦ_３、ＭｇＦ_２、ＫＦ、ＮａＦ、ＬｉＦ、Ｋ_２ＳｉＦ_６（珪フッ化カリウム）、Ｎａ_３ＡｌＦ_６（氷晶石）等が挙げられる。
金属炭酸塩としては、ＭｇＣＯ_３、ＦｅＣＯ_３、ＭｎＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｌｉ_２ＣＯ_３等が挙げられる。

［特殊トーチ］
本発明に係る溶接方法には、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有する特殊トーチを使用する。特殊トーチがかかる構造を有することによって、アーク領域に近いガスを吸引することができる。

また、溶接中に上記シーム有りフラックスコアードワイヤのシーム部から排出された水分を効率良く吸引する為には、特殊トーチの構造と、溶接中の特殊トーチにおけるコンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｂの間により好ましい関係がある。
すなわち、前記コンタクトチップの先端から前記吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離をＤ_ｔ−ｋとした場合に、前記距離Ｄ_ｔ−ｂと前記距離Ｄ_ｔ−ｋとが下記関係式を満たすことがより好ましい。
Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≧０．３×Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）、かつ
Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≦Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）−８

溶接中において、溶接ワイヤはコンタクトチップから離れる程、溶接電流によるジュール加熱時間が長くなり、高温となる。高温になる程、水分の排出率は向上することから、特殊トーチによるガスの吸引は可能な限りアーク領域に近いガスを吸引することが好ましい。そのため、吸引ノズルによる溶接ワイヤのカバー範囲を長くすることが求められる。
一方、溶接作業性の観点から、距離Ｄ_ｔ−ｂには好ましい範囲（１５〜４０ｍｍ）がある。距離Ｄ_ｔ−ｂは２０ｍｍ以上がより好ましく、３５ｍｍ以下がより好ましい。
さらに、アークの輻射熱による損傷を避ける為には、吸引ノズルは母材から８ｍｍ以上離すこと（Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≦Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）−８）が好ましく、１０ｍｍ以上離すことがより好ましい。

また、距離Ｄ_ｔ−ｋは距離Ｄ_ｔ−ｂの３０％（０．３）以上であることでワイヤのより高温部（水素源が多く放出される範囲）から吸引を行うことができ、水素低減率の点から好ましく、３５％以上がより好ましい。また、距離Ｄ_ｔ−ｋと距離Ｄ_ｔ−ｂの値が近くなりすぎると、輻射熱で損傷するおそれがあるので、前記２つの関係式を満たすことが好ましい。

本発明に用いられる特殊トーチの一例として、以下に構造を示すが、この構造に限定されるものではない。
溶接ワイヤが筒内に自動的に送給され、溶接ワイヤを用いてアーク溶接を行うものである。

トーチ銃身は、シールドノズル及びチップボディを支持する機構を備えている。トーチ銃身は、チップボディが装着された状態で、供給される溶接ワイヤを、インナチューブを介してチップボディの先端（コンタクトチップの後端）まで供給することができる。また、トーチ銃身は、溶接電流をチップボディに通電し、さらに、インナチューブとチップボディとの間に形成される空間にシールドガスを供給する。チップボディは、オリフィス及びコンタクトチップ、吸引ノズルを支持する機構を備えている。尚、チップボディは、金属等の通電性を有する材料で形成されている。

また、オリフィスは、シールドガスの整流を行う機構を備えている。すなわち、オリフィスは通常円筒形状をなし、チップボディの外周の先端側から挿入することで装着される。コンタクトチップは、溶接電流を溶接ワイヤに給電すると共に、溶接対象のワークへ溶接ワイヤをガイドする機構を備えている。尚、チップボディ同様、コンタクトチップについても金属等の通電性を有する材料で形成されている。

吸引ノズルはコンタクトチップ及びコンタクトチップ先端から供給される溶接ワイヤの周囲を囲むように配置されており、さらにシールドノズルは吸引ノズルの周囲を囲むように配置されている。
チップボディに供給されたシールドガスは、さらにチップボディからオリフィスを介してシールドノズルと吸引ノズル間の空間に供給され、アークや溶接金属を保護する。

吸引ノズルとコンタクトチップ間の空間のガスは、チップボディ内に形成されたシールドガス供給とは別の吸引ガス経路を介して、負圧により吸引される。負圧の発生方法は、ポンプやエジェクタ等が考えられるが、特に問わない。

その他、本発明に係る溶接方法においては、溶接装置やトーチの詳細な構造、シールドガス、溶接条件、被溶接材（ワーク、母材）等に関し、従来一般的用いることができるものを使用することができる。

＜溶接金属＞
本発明に係る溶接方法により得られた溶接金属は、通常トーチを用いて溶接した場合に比べて、水素低減率が３０％以上となることが好ましく、４０％以上がより好ましい。
水素低減率の測定方法は［実施例］にて記載したとおりである。

溶接の前後において、フラックスのこぼれ（まき散らし等）は少ないほど好ましい。フラックスこぼれが多いと、その分、トーチ用の溶接用コンジットライナーの清掃が必要となる。

溶接時のアーク安定性としては、アークのふらつきやアーク切れが少ないほど好ましい。また、溶接ビード外観は、平坦であるほど好ましい。また、スラグを剥離した後の焼き付きは少ないほど好ましい。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［評価方法］
（水素低減率）
本発明に係る溶接方法により得られた溶接金属について、通常トーチと特殊トーチの両方を用いて拡散性水素量を測定し、その比から水素低減率を求めた。
具体的には、水素低減率は、通常トーチ又は特殊トーチを用いて「ＪＩＳ Ｚ ３１１８（２００７）鋼溶接部の水素量測定方法」に基づいて実施した結果を、「ＪＩＳ Ｚ ３１１８（２００７） ７．２項 溶着金属の質量当たりの水素量の算出」に示される式から求めた値を拡散性水素量とし、その比から求めた。
溶接条件は以下のとおりであり、溶接は移動台車を用いた自動溶接とした。また、試行数３回の平均値を結果値として採用した。なお、コンタクトチップ−母材間距離は一部の試験ではＪＩＳ準拠としておらず、実施例に記載した。
・溶接電流：２７０Ａ
・アーク電圧：３２Ｖ
・溶接速度：３５０ｍｍ／ｍｉｎ
・溶接姿勢：下向き

（フラックスこぼれ）
事前に質量を計測した、長さ３．５ｍトーチ用の溶接用コンジットライナーを直径３００ｍｍの円状に３周させ、その中にフラックスコアードワイヤを通過させた。ワイヤを２ｋｇ通過させた後に、コンジットライナーの質量を測定し、ワイヤ通過前後の質量の変化をフラックスのこぼれとみなした。
フラックスこぼれの評価結果を表に示すが、表中「Ａ」とは質量変化が０〜０．２０ｇであり、長時間の連続溶接が可能で非常に良好であったことを意味する。また、「Ｂ」とは質量変化が０．２０ｇ超０．５０ｇ以下であり、数時間毎のコンジットライナー清掃が望ましいものの、良好であったことを意味する。「Ｃ」とは質量変化が０．５０ｇ超であり、数時間毎の定期的なコンジットライナーの清掃が必要の普通の評価であったことを意味する。

（ビード外観・アーク安定性）
ＳＭ４９０Ａ １２ｍｍｔの母材を組み合わせて水平すみ肉溶接を行った。溶接長は２５０ｍｍとし、自動台車を使用して行った。溶接中のアークふらつきやアーク切れを総合的に官能評価した後、ビードの平坦性とスラグ焼き付きを目視試験により評価した。
溶接条件は以下のとおりである。
・溶接電流：２７０Ａ
・アーク電圧：適正（２３〜３２Ｖでワイヤによって調整）
・溶接速度：４００ｍｍ／ｍｉｎ

評価結果を表に示すが、「アーク安定性」に関し、「Ａ」とはアークふらつきやアーク切れが無く、非常に良好であったことを意味し、「Ｂ」とはややアークのふらつきが見られるがアーク切れの発生は無く良好であったことを意味し、「Ｃ」とはアークのふらつきが大きい、又はアーク切れが見られたことを意味する。
また、「ビード外観」として、「ビードの平坦性」に関し、「Ａ」とは平坦なビードであったことを意味し、「Ｂ」はやや凸形状だが施工に問題ないビードであったことを意味し、「Ｃ」は凸形状のビードであり、多層溶接施工ではパス間にグラインダによる手入れが必要と判断されたことを意味する。
「スラグ焼き付き」に関し、「Ａ」とはスラグ剥離後に焼き付きが無かったことを意味し、「Ｂ」とはスラグ剥離後に焼き付きが見られるが、施工に問題無い程度であったことを意味し、「Ｃ」とはスラグ剥離後に焼き付きが多く、多層溶接施工ではパス間にグラインダやワイヤブラシによる手入れが必要と判断されたことを意味する。

［実施例１〜３４及び比較例１〜４］
用いたフラックスコアードワイヤの組成、シームの外皮合わせ部の長さ指数（Ｌｓｅａｍ値）、ワイヤ径等については表に示したとおりである。
溶接に用いた特殊トーチのコンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｂ及びコンタクトチップの先端から吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｋは表に示したとおりである。
また、表中、「溶接金属強度クラス」とは溶接金属の引張強さがその数値以上となることを示しており、ここに示した強度以下の母材に適用可能であることを意味する。

なお、実施例１〜２０、２７〜３４及び比較例１〜４は金属酸化物を主スラグ成分とし、さらにアルカリ金属を添加したスラグ形成剤を含むフラックスコアードワイヤを用いた結果であり、実施例２１〜２６は金属フッ化物を主スラグ成分としたスラグ形成剤を含むフラックスコアードワイヤを用いた結果である。

実施例１〜９はスラグ設計を同一として、Ｌｓｅａｍ値を変化させた結果である。Ｌｓｅａｍが大きくなるほど、水素低減率は小さくなった。
実施例１はＬｓｅａｍが小さな値の例である。このワイヤではフラックスのこぼれの評価が低くなる。実施例１６はスラグ率とアルカリ金属酸化物の添加量が低い例である。このワイヤではスラグ焼き付きとアーク安定性の評価が低くなる。実施例２７〜３４は実施例４と同一のワイヤを用いた例である為、フラックスこぼれの評価は省略している。
また、実施例４および２７〜３０はコンタクトチップ先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｂを変化させ、かつコンタクトチップ先端から吸引ノズル先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｋを適切に調整した例である。どれも良好な水素低減率が得られている。
実施例４および３１〜３４は距離Ｄ_ｔ−ｂを同一として距離Ｄ_ｔ−ｋを変化させた例である。距離Ｄ_ｔ−ｋが長くなる程、水素低減率が高くなる傾向がある。

本発明に係る溶接方法は、安価なシーム有りフラックスコアードワイヤを用いて、高張力鋼や厚板の溶接を行った場合にも、溶接金属の拡散性水素量が高くなることを防ぐことができかつ、良好な溶接作業性や溶着効率を実現することができる。

１ 鋼製ワイヤ
２ 水素源
３ 鋼製外皮
４ シーム部

Claims (10)

1. 特殊トーチ及びフラックスコアードワイヤを用いる溶接方法であって、
   前記特殊トーチは、コンタクトチップとシールドノズルとの間に吸引ノズルを有し、
   前記フラックスコアードワイヤは、鋼製外皮中にフラックスが充填され、かつ、フラックスコアードワイヤの長手方向に前記鋼製外皮の金属の両端が突合せ又は重ね合わされたシーム部を有する溶接方法。
2. 前記シーム部において、前記鋼製外皮の金属の両端のクリアランスが２０μｍ未満である長さをＬａとし、２０μｍ以上４０μｍ未満である長さをＬｂとし、４０μｍ以上１００μｍ未満である長さをＬｃとした際に、Ｌｓｅａｍ＝２．０×Ｌａ＋１．５×Ｌｂ＋Ｌｃで表される値が０．１〜１．５ｍｍである、請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記フラックスコアードワイヤのワイヤ径が直径１．２〜２．０ｍｍであり、かつ、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記フラックスの割合が８〜３０質量％である、請求項１又は２に記載の溶接方法。
4. 前記フラックス中にスラグ形成剤を含有し、前記スラグ形成剤は金属酸化物、金属フッ化物及び金属炭酸塩からなる群より選ばれる少なくとも１の化合物と不純物とからなり、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する前記スラグ形成剤の割合が３〜２１質量％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接方法。
5. 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
   金属酸化物：３．５〜２０．５質量％、
   金属フッ化物：０〜０．５質量％（０を含む）、及び
   金属炭酸塩：０〜０．５質量％（０を含む）
   を含む、請求項４に記載の溶接方法。
6. 前記金属酸化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
   ＴｉＯ_２：１．５〜１５．０質量％、
   ＳｉＯ_２：０．１５〜４．０質量％、
   ＺｒＯ_２：０〜３．０質量％（０を含む）、
   Ａｌ_２Ｏ_３：０〜２．０質量％（０を含む）、及び
   （Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｌｉ_２Ｏ）：０．０１〜０．８質量％
   を含む、請求項４又は５に記載の溶接方法。
7. 前記スラグ形成剤が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
   金属酸化物：０〜１．５質量％（０を含む）、
   金属フッ化物：１．５〜８．５質量％、及び
   金属炭酸塩：０〜５．０質量％（０を含む）
   を含む、請求項４に記載の溶接方法。
8. 前記金属フッ化物が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
   ＣａＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、
   ＢａＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、
   ＳｒＦ_２：０〜５．０質量％（０を含む）、及び
   （ＣａＦ_２＋ＢａＦ_２＋ＳｒＦ_２）：１．５〜８．０質量％
   を含む、請求項４又は７に記載の溶接方法。
9. 前記金属炭酸塩が、前記フラックスコアードワイヤの全質量に対する割合で、
   （ＣａＣＯ_３＋ＢａＣＯ_３）：０〜５質量％（０を含む）
   を含む、請求項４、７及び８のいずれか１項に記載の溶接方法。
10. 前記特殊トーチにおける前記コンタクトチップの先端と母材との溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｂが１５〜４０ｍｍであり、前記コンタクトチップの先端から前記吸引ノズルの先端までの溶接ワイヤ長手方向に沿う距離Ｄ_ｔ−ｋと前記距離Ｄ_ｔ−ｂとが
    Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≧０．３×Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）、かつ
    Ｄ_ｔ−ｋ（ｍｍ）≦Ｄ_ｔ−ｂ（ｍｍ）−８
    の関係を満たす、請求項１〜９のいずれか１項に記載の溶接方法。