JP2019107673A - 耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ、及び溶接継手の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】海浜地域など飛来塩分量が多い環境下でも耐食性及び耐塗膜剥離性に優れた耐食鋼の溶接において、溶接作業性に優れ、かつ、機械的性能に優れた溶接金属が得られる耐食鋼の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】本発明の一態様に係る耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、Ｃ：０．０５〜０．１８％、Ｓｉ：０．４０〜１．６０％、Ｍｎ：１．５０〜２．５０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０〜０．３０％、Ｓｎ：０．０５〜０．４０％、弗素化合物のＦ換算値：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値：０．０１〜０．２０％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値の合計：０．０２〜０．１５％を含有し、Ａｌ：０．０１０％以下に制限し、残部は鋼製外皮、鉄粉、及び鉄合金粉のＦｅ分、並びに不純物からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、耐食鋼の溶接に適したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ、及び溶接継手の製造方法に関する。

大気腐食環境中に長時間暴露されている耐候性鋼材は、一般的には、保護性のあるさび層が表面に形成される。このさび層が外界からの腐食性物質を遮蔽することで、さび層形成以降の鋼材腐食が抑制されて、耐候性が発揮される。そのため、耐候性鋼材は、塗装せずに裸のまま使用可能な鋼材として、橋梁等の構造物に用いられている。

しかしながら、海浜地域に加えて、内陸部でも融雪剤が散布される地域のように飛来塩分量が多い環境下では、耐候性鋼材の表面に保護性のあるさび層が形成されにくく、腐食を抑制する効果が発揮されにくい。そのため、これらの地域では、裸のまま耐候性鋼材を用いることができず、塗装して用いる必要がある。

さらに、前述の飛来塩分量が多い環境下では、塗膜劣化によって塗膜傷が生じ、塗膜傷部直下の鋼材が直接的に腐食環境にさらされるため、傷部を中心としてコブ状に塗膜が膨れ上がる腐食形態を示す。このような腐食形態の進行によって、さらに塗膜傷部が累進的に拡大することで構造物の腐食が進展し続けるため、構造物の寿命延長を目的として約１０年ごとに再塗装を実施することが多い。しかし、再塗装は多大な工数がかかることから、塗装寿命を延長し、補修塗装間隔を大きく延ばすことで維持管理費用の低減を可能とする新しい耐食鋼が開発されており、これに対応した溶接用ガスシールド溶接用溶接材料の開発が要望されている。

耐食性に優れた溶接材料として、例えば特許文献１には、高Ｎｉ系高耐候性鋼の溶接に関し、ワイヤ中にＳ及びＢｉを適量含有させることで、良好な溶接作業性、特に優れたスラグ剥離性が得られ、かつ、ワイヤ中にＮｉを含有してＣｒを低く抑えることで母材の耐食性を損なうことなく海塩に対する耐食性を溶接金属に付与するガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが開示されている。

しかし、特許文献１に記載された溶接用ソリッドワイヤでは、通常の溶接材料で溶接した場合と比べると溶接金属の耐食性が優れるものの、上述した飛来塩分量が多い環境下で塗装して用いられる新しい耐食鋼の溶接に用いた場合には十分な溶接金属の耐食性が得られない。また、溶接した鋼板の塗装部は十分な塗膜寿命が得られない。さらに、橋梁の溶接は水平すみ肉溶接が主に用いられているが、溶接用ソリッドワイヤを水平すみ肉溶接に用いた場合、ビード外観・形状が悪くなるとともに、スパッタ発生量も多いのでスパッタ除去等の手間が多くなり、作業効率が悪いという問題がある。

このような観点から、水平すみ肉溶接では、アークがソフトでスパッタ発生量が少なく、ビード外観・形状が良好なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが広く用いられており、耐食性に優れる溶接用フラックス入りワイヤとして、例えば特許文献２には、ワイヤ中にＣｕ、Ｃｒ、Ｎｉを適量添加させることで優れた溶接金属の耐食性を確保しつつ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇを適量添加させることで溶接金属の機械的性能を向上させ、かつ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２及びＭｇを適量添加させることで耐メタル垂れ性などの溶接作業性が良好で、固定管の全姿勢溶接が可能な耐食性鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。

しかし、特許文献２に記載のフラックス入りワイヤでは、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉの適量添加で溶接金属の耐食性を向上させる効果は得られているものの、飛来塩分量が多い環境下で塗装して用いられる新しい耐食鋼の溶接に用いた場合には十分な溶接金属の耐食性が得られない。また、鋼板表面の塗膜は、十分な塗膜寿命が得られない。

さらに、特許文献３には、塩分飛来が避けられない環境下で用いられる樹脂塗装鋼板の溶接で、樹脂塗装の耐久性及び良好な溶接性を得ることができるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。

しかし、特許文献３に記載の溶接用フラックス入りワイヤは、ポリエステル系、エポキシ系、ウレタン系等の樹脂塗装を前提とし、その樹脂塗装欠陥部の腐食促進を減じることを目的としたもので、塗装剤を鋼板表面に散布する通常の塗装鋼板の寿命延長に関するものではなく、溶接金属の耐食性及び塗膜寿命が十分に得られないという問題があった。

特開２００３−３１１４７１号公報 特開２００４−２３０４５６号公報 特開２０００−９４１８５号公報

本発明は、溶接作業性、及び溶接金属の機械的性能（引張強さ及び靱性）に優れ、かつ、耐食性及び耐塗膜剥離性に優れた溶接金属を得ることができ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ことを目的とする。

本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係る耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮と、前記鋼製外皮中のフラックスとを備え、前記フラックス入りワイヤは、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１８％、Ｓｉ：０．４０〜１．６０％、Ｍｎ：１．５０〜２．５０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｔｉ：０．１０〜０．３０％、Ｓｎ：０．０５〜０．４０％、弗素化合物のＦ換算値：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：０．０１〜０．２０％、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計：０．０２〜０．１５％を含有し、Ａｌ：０．０１０％以下に制限し、残部は鋼製外皮、鉄粉、及び鉄合金粉のＦｅ分、並びに不純物からなる。
（２）上記（１）に記載の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、Ｂ：０．０１００％以下をさらに含有してもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．５０％以下をさらに含有してもよい。
（４）本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いて前記耐食鋼をガスシールドアーク溶接する工程を備える。

本発明の耐食鋼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、海浜地域など飛来塩分量が多い環境下でも耐食性及び耐塗膜剥離性に優れた耐食鋼の溶接において、溶接作業性及び溶接金属の機械的性能に優れ、かつ、耐食性及び耐塗膜剥離性に優れた溶接金属を得ることができる。

溶接部の耐食性評価のための腐食試験片の採取位置を示した図である。 溶接部の塗膜腐食性評価のための腐食試験片の形状及びクロスカットの概略を示した図である。 腐食試験方法（ＳＡＥ Ｊ２３３４試験、１サイクルあたりの実施条件）の概略を示した図である。

本発明者らは、溶接作業性及び溶接金属の機械的性能に優れ、かつ、海浜地域などの飛来塩分量の多い環境下でも耐食性及び耐塗膜剥離性に優れた溶接金属を製造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得るために、種々の溶接用フラックス入りワイヤの化学成分を変化させて、その影響を調査した。

その結果、ワイヤ中にスズ（Ｓｎ）及び銅（Ｃｕ）を適量含有させることによって飛来塩分の多い環境下における溶接金属の耐食性を向上できることを見出した。

Ｓｎが溶接金属の耐食性を向上させる理由は、溶接金属中の金属Ｓｎがスズイオン（ＩＩ）（Ｓｎ^２＋）として溶出し、暴露されている部分、すなわち、酸性塩化物溶液中でインヒビター作用を示し、ｐＨが低下したアノードでの腐食を抑制するからであると考えられる。また、溶接金属中の金属Ｓｎには、腐食促進作用をもつ鉄（ＩＩＩ）イオン（Ｆｅ^３＋）の濃度を低減させて、飛来塩分の多い環境における耐食性を向上させる作用があると考えられる。

Ｃｕが溶接金属の耐食性を向上させる理由は、Ｃｕを含有した溶接金属そのものの溶解反応（腐食反応）の反応速度がＣｕにより低減されること、及び、Ｃｕを含有する溶接金属では、鋼板表面（余盛部など）に生成する腐食生成物（さび）が、特徴的な微細かつ緻密な構造を呈することにより、水、酸素、塩化物イオン等の透過を抑制する耐食性の高いさび層が形成されるためであると考えられる。さらに、ＣｕはＳｎと共存した場合に、Ｓｎの耐食性の効果を増強させる作用があることが見出された。

溶接作業性については、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計値、並びに弗素化合物のＦ換算値の合計値を適正にするとともに、Ｓｉ酸化物を適量含有させることで、アークの安定性及びスパッタ発生量の低減を達成し、ビード外観・形状を良好にできることが見出された。ただし、酸化物は溶接金属の機械特性を損なう場合がある。

また、溶接金属の適正な強度及び靭性向上を同時に達成させるためには、ワイヤ中のスラグ生成剤である酸化物を、上述の溶接作業性向上効果を確保できる範囲内で極力減らし、且つ合金成分のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、及びＡｌそれぞれの含有量の適正化が有効であることが見出された。

さらに、ワイヤ中にＢ、及びＭｏを適正量含有させることにより、溶接金属の更なる靭性向上及び高強度化が可能であることも見出された。

本実施形態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、各成分組成それぞれの単独及び共存による相乗効果によりなし得たもので、以下にそれぞれの各成分組成の限定理由を述べる。なお、以下成分についての％は、溶接用フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％を示す。

［Ｃ：０．０５〜０．１８％］
Ｃは、溶接金属の強度を向上させるために必要な元素である。Ｃが０．０５％未満であると、必要な溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃが０．１８％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。また、Ｃが０．１８％を超えると、高温割れが発生しやすくなる。従って、Ｃは０．０５〜０．１８％とする。好ましくは、Ｃは０．０７〜０．１５％であり、さらに好ましくは０．０８〜０．１２％である。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれても、金属粉及び合金粉等としてフラックスに含まれても良い。

［Ｓｉ：０．４０〜１．６０％］
Ｓｉは、溶接金属の脱酸及び溶接金属の強度確保のために含有される。Ｓｉが０．４０％未満であると、脱酸不足となり、溶接金属の強度及び靭性が低下する。一方、Ｓｉが１．６０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。また、Ｓｉが１．６０％を超えると、溶接時に生成するスラグ生成量が増加してスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｓｉは０．４０〜１．６０％とする。好ましくは、Ｓｉは０．７０〜１．３０％であり、さらに好ましくは０．８０〜１．１０％である。なお、Ｓｉは、鋼製外皮に含まれても、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉としてフラックスに含まれても良い。

［Ｍｎ：１．５０〜２．５０％］
Ｍｎは、溶接金属の靭性確保及び強度向上のために含有される。Ｍｎが１．５０％未満であると、溶接金属の強度及び靭性が低下する。一方、Ｍｎが２．５０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。また、Ｍｎが２．５０％を超えると、スラグ生成量が増加してスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｍｎは１．５０〜２．５０％とする。好ましくは、Ｍｎは１．７０〜２．３０％であり、さらに好ましくは１．９０〜２．１０％である。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれても、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉末としてフラックスに含まれても良い。

［Ｃｕ：０．０５〜０．５０％］
Ｃｕは、Ｓｎと同様、耐食性及び耐塗膜剥離性の向上を担う元素である。Ｃｕが０．０５％未満であると、耐食性・耐塗膜剥離性を十分に有する溶接金属が得られない。一方、Ｃｕが０．５０％を超えると、溶接金属の靭性が低下する。従って、Ｃｕは０．０５〜０．５％とする。好ましくは、Ｃｕは０．１５〜０．４５％であり、さらに好ましくは０．２０〜０．４０％である。なお、Ｃｕは、鋼製外皮に含まれても、鋼製外皮表面に施したＣｕめっき分として含まれても、金属Ｃｕ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｕ等の合金粉としてフラックスに含まれても良い。

［Ｔｉ：０．１０〜０．３０％］
Ｔｉは、脱酸剤として作用するとともに、溶接金属中にＴｉの微細酸化物を生成し溶接金属の靭性を向上させる効果がある。Ｔｉが０．１０％未満であると、溶接金属の靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．３０％を超えると、溶接金属中の固溶Ｔｉが多くなり、溶接金属の靭性が低下する。従って、Ｔｉは０．１０〜０．３０％とする。好ましくは、Ｔｉは０．１０〜０．２５％であり、さらに好ましくは０．１２〜０．２３％である。なお、Ｔｉは、鋼製外皮に含まれても、金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉としてフラックスに含まれても良い。

［Ａｌ：０．０１０％以下］
Ａｌは、脱酸効果があるので添加してもよい。一方、Ａｌは、０．０１０％を超えると、溶接金属中に酸化物となって残留し、溶接金属の靭性を低下させる。また、Ａｌが０．０１０％を超えると、アークが不安定となり、スパッタ発生量が増加する。従って、Ａｌ含有量を、鋼製外皮とフラックスの合計で０．０１０％以下に制限する。Ａｌの上限値を０．００８％、又は０．００５％としてもよい。

［Ｓｎ：０．０５〜０．４０％］
Ｓｎは、溶接金属の耐食性及び耐塗膜剥離性を向上させる重要な元素である。Ｓｎが０．０５％未満では、耐食性及び耐塗膜剥離性向上の効果は得られない。一方、Ｓｎが０．４０％を超えると、溶接金属の割れ感受性が高くなり、高温割れが発生しやすくなる。また、Ｓｎが０．４０％を超えると、溶接金属中の粒界にＳｎが偏析して溶接金属の靭性が低下する。従って、Ｓｎは０．０５〜０．４０％とする。好ましくは、Ｓｎは０．１０〜０．２５％である。なお、耐食性及び耐塗膜剥離性向上の観点から、Ｓｎを０．１０〜０．３０％とすることが好ましい。なお、Ｓｎは鋼製外皮に含まれても、金属Ｓｎ又は合金Ｓｎ粉としてフラックスに含まれても良いが、フラックスに含まれるほうが好ましい。

［弗素化合物：Ｆ換算値で０．０１〜０．１０％］
弗素化合物（弗化物）は、アークを集中させて安定させる効果がある。弗素化合物のＦ換算値が０．０１％未満では、この効果が得られず、アークが不安定となり、スパッタ発生量が多くなる。一方、弗素化合物のＦ換算値が０．１０％を超えると、アークが荒く不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。従って、弗素化合物のＦ換算値は０．０１〜０．１０％とする。好ましくは、弗素化合物のＦ換算値は０．０１〜０．０７％である。なお、弗素化合物は、ＣａＦ_２、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ_２、Ｋ_２ＳｉＦ_６、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３等としてフラックスに含有させることができる。これら弗化物を構成する元素は、上述した合金成分の含有量に含めないものとする。Ｆ換算値は、フラックスに含有されるＦ量の合計である。例えば、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％でｎ％のＣａＦ_２がフラックス入りワイヤに含まれる場合、ＣａＦ_２のＦ換算値は以下の式によって求められる。
（ＣａＦ_２のＦ換算値）＝ｎ×（１９．００×２／７８．０８）
上の式中の「１９．００」は、Ｆの原子量であり、「２」は、１個のＣａＦ_２に含まれるＦ原子の個数であり、「７８．０８」は、ＣａＦ_２の分子量である。ＣａＦ_２以外の弗化物に関しても、同様にＦ換算値が算出できる。フラックス中に複数種類の弗化物が含まれる場合、各弗化物のＦ換算値の合計値が、フラックスに含まれる弗化物のＦ換算値とみなされる。弗素化合物のＦ換算値の下限値を０．０３％、又は０．０４％としてもよい。弗素化合物のＦ換算値の上限値を０．０９％、又は０．０８％としてもよい。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：０．０１〜０．２０％］
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性を高めてスラグ被包性及びビード止端部のなじみを良好にし、ビード外観・形状を良好にする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値が０．０１％未満であると、溶接ビードのビード止端部のなじみが悪くなり、ビード外観・形状が悪くなる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値が０．２０％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して靭性が低下する。また、スラグ生成量が多くなり、スラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値は０．０１〜０．２０％とする。好ましくは、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値は０．０３〜０．１２％であり、さらに好ましくは０．０５〜０．１０％である。なお、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値は珪砂、珪酸ソーダ及び珪酸カリウムからなる水ガラスの固質成分等としてフラックスに含まれても良い。ＳｉＯ_２換算値とは、フラックス入りワイヤに含まれるＳｉ酸化物中のＳｉが全てＳｉＯ_２であると仮定した場合の、フラックス入りワイヤのＳｉＯ_２含有量である。これらＳｉ酸化物を構成する元素は、上述した合金成分の含有量に含めないものとする。

［Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計：０．０２〜０．１５％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アークをソフトにして安定化する効果がある。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計が０．０２％未満であると、アークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計が０．１５％を超えると、アークが強くなりすぎ、スパッタ発生量が多くなる。また、ビード止端部のなじみが悪くなり、ビード外観・形状が不良となる。従って、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計は０．０２〜０．１５％とする。Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計は、好ましくは０．０３〜０．１０％であり、さらに好ましくは０．０４〜０．０８％である。なお、Ｎａ化合物やＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリウムからなる水ガラスの固質成分、Ｋ_２ＳｉＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３、ＮａＦ、Ｋ_２ＳｉＦ_６等の粉末としてフラックスに含まれても良い。Ｎａ_２Ｏ換算値とは、フラックス入りワイヤに含まれるＮａ化合物中のＮａが全てＮａ_２Ｏであると仮定した場合の、フラックス入りワイヤのＮａ_２Ｏ含有量である。Ｋ_２Ｏ換算値とは、フラックス入りワイヤに含まれるＫ化合物中のＫが全てＫ_２Ｏであると仮定した場合の、フラックス入りワイヤのＫ_２Ｏ含有量である。

［Ｂ：０．０１００％以下］
Ｂは本実施形態に係るフラックス入りワイヤの課題を解決するために必須ではないので、Ｂ含有量は０％でよいが、Ｂは、溶接金属の組織を微細化して靭性をさらに向上させる効果があるので、含有させてもよい。しかし、Ｂが０．０１００％を超えると、粒界に偏析して靭性が低下する。従って、Ｂは０．０１００％以下とする。なお、溶接金属の靭性向上の効果を得るためには、Ｂを０．００１５％以上とすることが好ましい。また、Ｂは、鋼製外皮に含まれても、Ｆｅ−Ｂ、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｂ等の合金粉としてフラックスに含まれても良い。

［Ｍｏ：０．５０％以下］
Ｍｏは本実施形態に係るフラックス入りワイヤの課題を解決するために必須ではないので、Ｍｏ含有量は０％でよいが、Ｍｏは、溶接金属の強度をさらに向上するうえで重要な元素であるので、含有させてもよい。しかし、Ｍｏが０．５０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。従って、Ｍｏは０．５０％以下とする。なお、溶接金属の強度向上の効果を得るためには、Ｍｏを０．１０％以上とすることが好ましい。また、Ｍｏは、鋼製外皮に含まれても、金属Ｍｏ粉としてフラックスに含まれても良い。

本実施形態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、通常のフラックス入りワイヤの製造方法と同様の工程によって製造できる。すなわち、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する。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目の無いワイヤ（いわゆるシームレスワイヤ）と、鋼製外皮に合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継目を有するワイヤとに大別できる。本実施形態では何れの断面構造のワイヤも採用することができるが、鋼製外皮に継目が無いワイヤは、ワイヤ中の全水素量を低減することを目的とした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、より好ましい。

本実施形態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残部は、鋼製外皮のＦｅ、成分調整のために添加する鉄粉、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｔｉ合金などの鉄合金粉のＦｅ分及び不純物である。不純物とは、フラックス入りワイヤを工業的に製造する際に、鉱石若しくはスクラップ等のような原料、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。例えば、Ｓ及びＰは本実施形態に係るフラックス入りワイヤにとって有害であるので、その含有量を０％とすることが好ましいが、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに悪影響を与えない範囲として、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で最大０．１％まで含有が許容される。

また、フラックス充填率は特に限定しないが、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。

本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、本実施形態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を用いて耐食鋼をガスシールドアーク溶接する工程を備える。本発明の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが適用される溶接継手の用途は、特に制限されるものではないが、好ましくは構造用鋼材、特に、港湾施設、橋梁、建築・土木構造物やタンク、船舶・海洋構造物、鉄道、コンテナなどの鋼構造物を構成する溶接継手である。
また、本実施形態に係る耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが適用される鋼材の材質は、特に鋼種を限定するものではなく、炭素鋼、低合金鋼等の普通鋼材でよい。耐候性鋼（例えばＪＩＳ Ｇ ３１１４に規定される「溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材」）やＮｉ、Ｓｎ等を含有する低合金鋼であれば、耐候性、塗装耐食性の観点からは有利である。

溶接継手の製造方法において、シールドガスは特に限定されないが、１００％炭酸ガスとすることが好ましい。シールドガスを炭酸ガスとした場合、スパッタが発生しやすくなるが、溶接コストを低減することができるからである。本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、スパッタ発生量を抑制するためにＮａ化合物、Ｋ化合物、及び弗化物等の含有量が最適化されているので、たとえスパッタ量を増大させやすい１００％炭酸ガスをシールドガスとして使用した場合でも、溶接作業性を確保することができる。当然のことながら、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスのようなスパッタを発生させにくいガスと本実施形態に係るフラックス入りワイヤとを組み合わせて用いることは妨げられない。シールドガスの流量は特に限定されず、状況に応じて通常の溶接条件を適宜選択することができる。例えば、耐溶接欠陥性及び大気からの窒素の混入を防ぐために、シールドガスの流量を２０〜３５リットル／分とすることが好ましい。その他の溶接条件、例えば溶接電流、溶接電圧、溶接速度、予熱温度、パス間温度、及び入熱などについても特に限定されず、本実施形態に係る溶接継手の製造方法が適用される場面に応じて適宜選択することができる。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

ＪＩＳ Ｇ ３１４１に規定されるＳＰＣＣを鋼製外皮に使用し、鋼製外皮を成形する工程でＵ字型に成形した後、鋼製外皮の合わせ目を溶接した継目が無いワイヤを造管して伸線し、表に示す各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。表中の記号「−」は、元素が意図的に添加されなかったことを示す。また、発明範囲外の値、及び合否基準に満たない値には下線を付した。

表に示す試作したフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を行い、溶接作業性、溶接欠陥及び割れの有無、溶接金属性能及び耐食性について調査を行った。

溶接作業性及び溶接金属性能の評価にあたっては、被溶接材としてＣ：０．１５％、Ｓｉ：０．２７％、Ｍｎ：１．１５％、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．００１％、Ｓｎ：０．１３％、Ｃｕ：０．０１２％を含有した耐食鋼（板厚：２０ｍｍ）を用い、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠し、表２に示す溶接条件で溶着金属試験を実施することにより、溶着金属の機械的性能及び溶接作業性を調査した。

溶接作業性は、溶着金属試験時のアークの安定性、スパッタ発生量、ビード外観形状、及び割れの有無を目視確認することで評価した。

溶着金属の機械的性能は、その溶接試験体の板厚中央の中心から引張試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４１ Ａ０号）及び衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４２ Ｖノッチ試験片）を採取して、これらに機械試験を実施することにより評価した。引張強さ４９０〜６７０ＭＰａの範囲となる溶着金属が得られたフラックス入りワイヤを、引張強さに関して合格とした。０℃におけるシャルピー衝撃試験を繰り返し３回行った場合に、吸収エネルギーの平均値が８０Ｊ以上となる溶着金属が得られるフラックス入りワイヤを、靱性に関して良好と判断した。

溶接欠陥の評価は、溶着試験後の溶接試験体に、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、スラグ巻込み等の溶接欠陥の有無を調査することにより実施した。

溶接金属の耐食性評価は、以下に説明する耐食性試験によって実施した。図１に示す腐食試験片作製用の試料（厚さ３ｍｍ×幅６０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ）を、溶接金属２が中心となるように母材１の表面から深さ１ｍｍの採取位置３から採取し、ショットブラスト処理後、炉内温度８０℃で加熱乾燥させて腐食試験片素材とした。この腐食試験片素材の両面に、塗料Ａ（中国塗料（株）製バンノー♯２００）又は塗料Ｂ（神東塗料（株）ネオゴーセイプライマーＨＢ）いずれかの塗料を塗装し、膜厚２００〜３５０μｍの腐食試験片を作製した。上記腐食試験片に、図２に示すように溶接金属２を跨ぐようにクロスカット４を施すことで、塗膜傷を模擬した腐食試験片５を作製した。クロスカット４は、塗膜の上から下地の鋼表面まで達するスクラッチ疵をカッターナイフで施すことにより作成した。

その後、得られた腐食試験片５に、ＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ） Ｊ２３３４に準拠した試験を行うことにより、その耐食性を評価した。ここで、ＳＡＥ Ｊ２３３４試験とは、湿潤：５０℃、１００％ＲＨ、６時間、塩分付着：０．５質量％ＮａＣｌ、０．１質量％ＣａＣｌ_２、０．０７５質量％ＮａＨＣＯ_３水溶液浸漬、０．２５時間、乾燥：６０℃、５０％ＲＨ、１７．７５時間であり、３過程を１サイクル（合計２４時間）とした乾湿繰り返しの条件で行う加速試験である。１サイクルの概略を図３に示す。ＳＡＥ Ｊ２３３４試験は、飛来塩分量が１ｍｄｄを超えるような厳しい腐食環境を模擬する試験である。この腐食形態が大気暴露試験に類似しているとされている（長野博夫、山下正人、内田仁著：環境材料学、共立出版（２００４）、ｐ．７４参照）。

ＳＡＥ Ｊ２３３４試験８０サイクル後に、各試験片の塗膜剥離・膨れ面積率を計測し、算出した。その後、表面の残存塗膜と生成した錆層を除去し、塗膜疵部の腐食深さを測定後、塗膜傷部平均腐食深さを算出した。塗膜剥離・膨れ面積率が５０％未満、かつ、塗膜傷部平均腐食深さが０．５０ｍｍ未満となる溶接金属が得られたフラックス入りワイヤを、耐食性・耐塗膜剥離性に関して合格と判定した。

これらの試験結果を表に示す。

表中のワイヤ記号Ａ１〜Ａ１６が本発明例、ワイヤ記号Ｂ１〜Ｂ２１が比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ａ１〜Ａ１６は、フラックス入りワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｔｉ及びＡｌが適正で、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の、ＳｉＯ_２、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計が適量であるので、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ビード外観・形状が良好で、溶接欠陥及び割れがなく、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが良好で、塗膜剥離・膨れ面積率及び塗膜傷部平均腐食深さが小さく、極めて満足な結果であった。なお、ワイヤ記号Ａ１２〜Ａ１６は、Ｍｏが適量添加されているので、引張強さが６２０ＭＰａ以上であった。また、ワイヤ記号Ａ１０〜Ａ１２、Ａ１４、Ａ１６は、Ｂが適量添加されているので、吸収エネルギーが１１０Ｊ以上であった。

比較例中、ワイヤ記号Ｂ１は、Ｃが少ないので、溶着金属の引張強さが低かった。
ワイヤ記号Ｂ２は、Ｃが多いので、溶着金属の引張強さが過剰となり、吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ３は、Ｓｉが少ないので、溶着金属の引張強さが低く、吸収エネルギーも低値であった。
ワイヤ記号Ｂ４は、Ｓｉが多いので、溶着金属の引張強さが過剰となり、吸収エネルギーが低値であった。また、ワイヤ記号Ｂ４は、溶接部にスラグ巻込みが発生した。
ワイヤ記号Ｂ５は、Ｍｎが少ないので、溶着金属の引張強さが低く、吸収エネルギーも低値であった。
ワイヤ記号Ｂ６は、Ｍｎが多いので、溶着金属の引張強さが過剰となり、吸収エネルギーが低値であった。また、ワイヤ記号Ｂ６は、溶接部にスラグ巻込みが発生した。
ワイヤ記号Ｂ７は、Ｓｎが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、クレータ割れが発生した。
ワイヤ記号Ｂ８は、Ｃｕが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ９は、Ｔｉが少ないので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１０は、Ｔｉが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１１は、Ａｌが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、ワイヤ記号Ｂ１１は、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｂ１２は、Ｓｉ酸化物が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。また、ワイヤ記号Ｂ１２は、溶接部にスラグ巻込みが発生した。
ワイヤ記号Ｂ１３は、Ｍｏが多いので、溶着金属の引張強さが過剰となり、吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１４は、Ｂが多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１５は、Ｃｕが少ないので、塗膜剥離・膨れ面積率が大きく、塗膜傷部平均腐食深さが深かった。
ワイヤ記号Ｂ１６は、Ｓｎが少ないので、塗膜剥離・膨れ面積率が大きく、塗膜傷部平均腐食深さが深かった。
ワイヤ記号Ｂ１７は、弗素化合物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｂ１８は、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計が多いので、アークが強すぎてスパッタ発生量が多く、ビード外観・形状も不良であった。
ワイヤ記号Ｂ１９は、弗素化合物のＦ換算値の合計が多いので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｂ２０は、Ｓｉ酸化物が少ないので、ビード外観・形状が不良であった。
ワイヤ記号Ｂ２１は、Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多かった。

１ 母材
２ 溶接金属
３ 腐食試験片の採取位置
４ クロスカット
５ 腐食試験片

Claims (4)

1. 耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、
   鋼製外皮と、前記鋼製外皮中のフラックスとを備え、
   前記フラックス入りワイヤは、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、
   Ｃ：０．０５〜０．１８％、
   Ｓｉ：０．４０〜１．６０％、
   Ｍｎ：１．５０〜２．５０％、
   Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
   Ｔｉ：０．１０〜０．３０％、
   Ｓｎ：０．０５〜０．４０％、
   弗素化合物のＦ換算値：０．０１〜０．１０％、
   Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：０．０１〜０．２０％、
   Ｎａ化合物及びＫ化合物のＮａ_２Ｏ換算値及びＫ_２Ｏ換算値の合計：０．０２〜０．１５％を含有し、
   Ａｌ：０．０１０％以下に制限し、
   残部は鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、及び鉄合金粉のＦｅ分、並びに不純物からなることを特徴とする耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
2. 前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、
   Ｂ：０．０１００％以下
   をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
3. 前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、
   Ｍｏ：０．５０％以下
   をさらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐食鋼のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いて前記耐食鋼をガスシールドアーク溶接する工程を備える溶接継手の製造方法。

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