JP2019171457A - 高速溶接用フラックス入りワイヤ及び高速アーク溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速アーク溶接時にビード形状及び外観に優れ、スラグ巻き込みがなく、上向き姿勢の溶接でも垂れが生じない、新規な高速溶接用フラックス入りワイヤを提供する。【解決手段】外皮内にフラックスが充填されてなる高速溶接用フラックス入りワイヤであって、該高速溶接用フラックス入りワイヤの組成がワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．４０％、Ｍｎ：１．０〜８．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、ＺｒＯ２：０．２０％以下（０％を含む）、及びＴｉＯ２：１．８〜６．０％を満たし、前記フラックスのワイヤ全質量に対する充填率が３％超２０％以下であり、かつ前記フラックス中に含まれるスラグ成分が、ワイヤ全質量に対する質量％で、１．８〜７．０％である高速溶接用フラックス入りワイヤ。【選択図】なし
Description
本発明は高速溶接用フラックス入りワイヤに関し、また前記高速溶接用フラックス入りワイヤを用いた高速アーク溶接方法にも関する。
炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤは、被覆アーク溶接棒と比較して高能率で溶接でき、経済性も良いことから、Ｃｒ−Ｍｏ系鋼の溶接においても使用されている。
炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤには、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤとがあるが、ソリッドワイヤを用いて上向き姿勢で溶接を行う場合、高速溶接を行うために溶接電流を高くすると、溶融金属が垂れることがあり、ビード形状が悪くなる。
炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤには、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤとがあるが、ソリッドワイヤを用いて上向き姿勢で溶接を行う場合、高速溶接を行うために溶接電流を高くすると、溶融金属が垂れることがあり、ビード形状が悪くなる。
良好なビード形状が得られるフラックス入りワイヤとして、例えば特許文献１では、ワイヤ全重量に対する重量％で、ＴｉＯ２：１．８〜７．５％、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜８．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、Ｎｂ：０．００５〜０．０５％及びＶ：０．００５〜０．０５％を含み、残部が鉄粉及びアーク安定剤を含めたスラグ生成剤からなり、該フラックスを充填率が１０〜２０％となるように金属外皮内に充填してなるＣｒ−Ｍｏ鋼用炭酸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。
ところで、近年、溶接能率向上の観点から、高速アーク溶接を可能なフラックス入りワイヤが求められている。しかしながら、例えば特許文献１に記載のフラックス入りワイヤで、高速溶接を行う場合、溶け込み形状が小さくなったり、スラグ巻き込みしたりする場合があり、高速アーク溶接を可能とするフラックス入りワイヤが望まれている。
そこで本発明は、高速アーク溶接時においてビード形状及び外観に優れ、スラグ巻き込みがなく、上向き姿勢の溶接でも垂れが生じない、高速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。また、当該フラックス入りワイヤを用いた高速アーク溶接方法を提供することも目的とする。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、フラックス入りワイヤの成分組成、フラックス充填率及びスラグ含有率を特定のものに限定することで、高速アーク溶接に好適に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、本発明に係る高速溶接用フラックス入りワイヤの一態様は、外皮内にフラックスが充填されてなる高速溶接用フラックス入りワイヤであって、該高速溶接用フラックス入りワイヤの組成がワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．４０％、Ｍｎ：１．０〜８．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、ＺｒＯ２：０．２０％以下（０％を含む）、及びＴｉＯ２：１．８〜６．０％を満たし、前記フラックスのワイヤ全質量に対する充填率が３％超２０％以下であり、かつ前記フラックス中に含まれるスラグ成分が、ワイヤ全質量に対する質量％で、１．８〜７．０％であることを特徴とする。
本発明に係る高速溶接用フラックス入りワイヤの一態様は、前記組成がワイヤ全質量に対する質量％で、Ｆ：０．３０％以下（０％を含む）、ＭｇＯ：０．３０％以下（０％を含む）、及びＡｌ２Ｏ３：０．３０％以下（０％を含む）のうち少なくとも一つを満たすことを特徴とする。
本発明に係る高速溶接用フラックス入りワイヤの一態様は、前記組成がワイヤ全質量に対する質量分率で、Ｍｇ：０．１％以下（０％を含む）、Ｎｉ：０．２％以下（０％を含む）、及びＶ：０．０５％以下（０％を含む）のうち少なくとも一つを満たすことを特徴とする。
本発明に係る高速アーク溶接方法の一態様は、前記高速溶接用フラックス入りワイヤを用い、溶接電流：２１０〜３５０Ａ、アーク電圧：１５Ｖ超３５Ｖ以下、溶接速度：７０〜１２０ｃｍ／分及びシールドガス：Ａｒ−（０％超８０％以下）ＣＯ２ガスの条件下、溶け込み量を１．２〜２．５ｍｍ、かつ止端半径を１．０〜２．０ｍｍ以下とすることを特徴とする。
本発明に係る高速アーク溶接方法の一態様は、フランク角を１２０〜１４５°とすることを特徴とする。
本発明に係る高速アーク溶接方法の一態様は、第一被溶接対象物及び第二被溶接対象物に対し、複数の姿勢にて複数の当接部を同時にすみ肉溶接することを特徴とする。
本発明に係る高速アーク溶接方法の一態様は、前記複数の姿勢が上向き姿勢及び下向き姿勢を含むことを特徴とする。
本発明によれば、高速アーク溶接時においてビード形状及び外観に優れ、スラグ巻き込みがなく、上向き姿勢の溶接でも垂れが生じない、高速溶接用フラックス入りワイヤを提供することができる。また、当該フラックス入りワイヤを用いた高速アーク溶接方法を提供することができる。
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。また本明細書において、数値範囲を示す「〜」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。
＜高速溶接用フラックス入りワイヤ＞
本実施形態に係る高速溶接用フラックス入りワイヤ（以下、単にフラックス入りワイヤ又はワイヤと称することがある。）は、外皮内にフラックスが充填されてなり、高速溶接用フラックス入りワイヤの組成がワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．４０％、Ｍｎ：１．０〜８．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、ＺｒＯ２：０．２０％以下（０％を含む）、及びＴｉＯ２：１．８〜６．０％を満たし、前記フラックスのワイヤ全質量に対する充填率が３％超２０％以下であり、かつ前記フラックス中に含まれるスラグ成分が、ワイヤ全質量に対する質量％で、１．８〜７．０％であることを特徴とする。
本実施形態に係る高速溶接用フラックス入りワイヤ（以下、単にフラックス入りワイヤ又はワイヤと称することがある。）は、外皮内にフラックスが充填されてなり、高速溶接用フラックス入りワイヤの組成がワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜１．４０％、Ｍｎ：１．０〜８．０％、Ｃｒ：１．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．５％、ＺｒＯ２：０．２０％以下（０％を含む）、及びＴｉＯ２：１．８〜６．０％を満たし、前記フラックスのワイヤ全質量に対する充填率が３％超２０％以下であり、かつ前記フラックス中に含まれるスラグ成分が、ワイヤ全質量に対する質量％で、１．８〜７．０％であることを特徴とする。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、外皮によって形成される内部空隙に対するフラックス量が少ないと、ワイヤ内でフラックスの移動現象が発生する。その場合、ワイヤの製造ラインの振動状況等によってワイヤの長手方向のフラックス含有率にバラつきが生じ、ワイヤの品質が不安定になることが懸念される。そのため、ワイヤ中のフラックスの含有率は、ワイヤ全質量に対する質量分率で３％超であり、７％以上が好ましく、１０％以上がより好ましい。
一方、多量のフラックスを少量の外皮で包み込むためには、肉厚の薄い外皮材を使用すればよいものの、外皮材が極度に薄い場合には、ワイヤの伸線工程で外皮材が破れ、ワイヤが破断することが懸念される。そのため、ワイヤ中のフラックスの含有率は２０％以下であり、１８％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。
一方、多量のフラックスを少量の外皮で包み込むためには、肉厚の薄い外皮材を使用すればよいものの、外皮材が極度に薄い場合には、ワイヤの伸線工程で外皮材が破れ、ワイヤが破断することが懸念される。そのため、ワイヤ中のフラックスの含有率は２０％以下であり、１８％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。
ワイヤの外皮も特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌｌｏｙ６００（ＵＮＳ Ｎ０６６００）、Ａｌｌｏｙ６２５（ＵＮＳ Ｎ０６６２５）、Ａｌｌｏｙ２２（ＵＮＳ Ｎ０６０２２）、Ａｌｌｏｙ２７６（ＵＮＳ Ｎ１０２７６）等が使用できる。
フラックス入りワイヤのワイヤ径は特に限定されないが、一般的な溶接装置との組み合わせや溶接作業性を考慮すると、直径が１．２〜１．６ｍｍが好ましく、１．４〜１．６ｍｍがより好ましい。
フラックス入りワイヤのワイヤ径は特に限定されないが、一般的な溶接装置との組み合わせや溶接作業性を考慮すると、直径が１．２〜１．６ｍｍが好ましく、１．４〜１．６ｍｍがより好ましい。
Ｃは溶接金属の強度及び靱性の調整の目的で添加する成分であり、ワイヤ全質量に対する質量分率（以下、含有量と称することがある。）を０．００５％以上とすることにより、十分な強度及び靱性を得ることができる。Ｃ含有量は０．０２％以上が好ましく、０．０４％以上がより好ましい。
一方、０．２％以下とすることで、溶接金属の耐割れ性の低下を防ぎ、靱性の低下も防ぐことができる。Ｃ含有量は０．１５％以下が好ましく、０．１２％以下がより好ましい。
一方、０．２％以下とすることで、溶接金属の耐割れ性の低下を防ぎ、靱性の低下も防ぐことができる。Ｃ含有量は０．１５％以下が好ましく、０．１２％以下がより好ましい。
Ｓｉ及びＭｎは共に溶接金属の脱酸及び強度・靱性の調整などの目的で添加する成分であり、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量を０．０１％以上、かつＭｎ含有量を１．０％以上とすることにより十分な添加効果を得ることができる。ここで、Ｓｉはワイヤ中に含まれる全Ｓｉを意味し、Ｍｎはワイヤ中に含まれる全Ｍｎを意味する。
Ｓｉ含有量は０．３０％以上が好ましく、０．４０％以上がより好ましい。またＭｎ含有量は０．８０％以上が好ましく、０．８５％以上がより好ましい。
一方、過剰な添加は溶接金属の靱性が低下することなどから、Ｓｉ含有量は１．４０％以下であり、１．３０％以下が好ましく、１．０５％以下がより好ましい。またＭｎ含有量は８．０％以下であり、２．０％以下が好ましく、１．５０％以下がより好ましい。
Ｓｉ含有量は０．３０％以上が好ましく、０．４０％以上がより好ましい。またＭｎ含有量は０．８０％以上が好ましく、０．８５％以上がより好ましい。
一方、過剰な添加は溶接金属の靱性が低下することなどから、Ｓｉ含有量は１．４０％以下であり、１．３０％以下が好ましく、１．０５％以下がより好ましい。またＭｎ含有量は８．０％以下であり、２．０％以下が好ましく、１．５０％以下がより好ましい。
ここで、金属Ｓｉとしては、例えば０．０１％〜１．０％とすることが好ましい。また、ＳｉＯ２（Ｓｉ酸化物のＳｉＯ２換算値）としては、例えば０．４０％以下（０％含む）とすることが好ましい。なお、金属Ｓｉとは、Ｓｉ単体およびＳｉ合金中に含まれるＳｉのことを意味する。
Ｃｒ及びＭｏは共に溶接金属の耐食性及び強度・靱性の調整の目的で添加する成分であり、溶接金属が被溶接物と同一成分となるように添加する。ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量を１．０％以上、かつＭｏ含有量を０．４％以上とすることにより十分な強度を得ることができる。
Ｃｒ含有量は１．１０％以上がより好ましい。またＭｏ含有量は０．４５％以上がより好ましい。
一方、過剰な添加は靱性の低下が大きくなることから、Ｃｒ含有量は４．０％以下であり、１．６０％以下が好ましく、１．５０％以下がより好ましい。またＭｏ含有量は１．５％以下であり、０．８０％以下が好ましく、０．６５％以下がより好ましい。
上述したように本実施形態におけるフラックス入りワイヤは、ＣｒおよびＭｏを含む、いわゆるＣｒ−Ｍｏ系のフラックス入りワイヤである。
Ｃｒ含有量は１．１０％以上がより好ましい。またＭｏ含有量は０．４５％以上がより好ましい。
一方、過剰な添加は靱性の低下が大きくなることから、Ｃｒ含有量は４．０％以下であり、１．６０％以下が好ましく、１．５０％以下がより好ましい。またＭｏ含有量は１．５％以下であり、０．８０％以下が好ましく、０．６５％以下がより好ましい。
上述したように本実施形態におけるフラックス入りワイヤは、ＣｒおよびＭｏを含む、いわゆるＣｒ−Ｍｏ系のフラックス入りワイヤである。
（スラグ成分）
本実施形態に係るワイヤにおけるスラグ成分とは、金属酸化物又は金属フッ化物として含有されている成分であり、フラックス中に含まれる。本実施形態におけるスラグ成分の添加により、ソリッドワイヤと比較して溶接作業性に優れ、ビード形状及び外観も良好となる。また、高電流域でも垂れずに上向き姿勢での溶接が可能となる。ここで、ワイヤ中に含まれるスラグ成分の量は、所定量のワイヤを溶接して形成されたスラグ量を測定し、この測定されたスラグ量を、消費されたワイヤ量で除すことでも求めることができる。
本実施形態に係るワイヤにおけるスラグ成分とは、金属酸化物又は金属フッ化物として含有されている成分であり、フラックス中に含まれる。本実施形態におけるスラグ成分の添加により、ソリッドワイヤと比較して溶接作業性に優れ、ビード形状及び外観も良好となる。また、高電流域でも垂れずに上向き姿勢での溶接が可能となる。ここで、ワイヤ中に含まれるスラグ成分の量は、所定量のワイヤを溶接して形成されたスラグ量を測定し、この測定されたスラグ量を、消費されたワイヤ量で除すことでも求めることができる。
フラックス中のスラグ成分の含有率は、溶接時のスラグ生成量に直結し、良好なスラグ被包性及び耐スラグ巻込み欠陥性に影響する。溶融プール先端に存在するスラグは溶け込み及びなじみを低下させ、スラグ巻き込み発生の要因となることから、高速溶接時にはスラグを低減させることが好ましく、フラックス中のスラグ成分の含有率は、ワイヤ全質量に対する質量分率で７．０％以下であり、５．０％以下が好ましく、４．０％以下がより好ましい。一方、ビードのスラグ被包性を良くし、良好なビード形状及び外観を得るために、スラグ成分の含有率は１．８％以上とし、２．０％以上が好ましく、２．２％以上がより好ましい。
ＴｉＯ２は被包性が良好なスラグ形成剤の主成分及びアーク安定剤として添加され、ＴｉＯ２源としては、ルチール、酸化チタン、チタン酸カリウム、チタン酸ナトリウム等が挙げられる。
ＴｉＯ２のワイヤ全質量に対する質量分率は、スラグの被包性を良くし、良好な溶接作業性やビード形状を得るために１．８％以上であり、２．０％以上が好ましく、２．２％以上がより好ましい。
一方、ＴｉＯ２の過剰な添加は、スラグの粘性が極端に大きくなり、剥離性の劣化やスラグ巻き込み等が生じることから、ＴｉＯ２含有量は６．０％以下であり、５．０％以下が好ましく、４．０％以下がより好ましい。
ＴｉＯ２のワイヤ全質量に対する質量分率は、スラグの被包性を良くし、良好な溶接作業性やビード形状を得るために１．８％以上であり、２．０％以上が好ましく、２．２％以上がより好ましい。
一方、ＴｉＯ２の過剰な添加は、スラグの粘性が極端に大きくなり、剥離性の劣化やスラグ巻き込み等が生じることから、ＴｉＯ２含有量は６．０％以下であり、５．０％以下が好ましく、４．０％以下がより好ましい。
ＺｒＯ２はスラグの融点を調整し、ビード形状を向上させる成分であり、ＺｒＯ２源としてはジルコンサンド、酸化ジルコニウム粉等が挙げられる。
ＺｒＯ２を含む場合の含有量は０．００１％以上が好ましく、０．００５％以上がより好ましい。一方、ＺｒＯ２の過剰な添加は溶融金属の凝固とスラグの凝固とのタイミングが合わなくなり、スラグ巻き込みが生じる場合があることから、ＺｒＯ２含有量は０．２０％以下であり、０．１８％以下が好ましく、０．１５％以下がより好ましい。
ＺｒＯ２を含む場合の含有量は０．００１％以上が好ましく、０．００５％以上がより好ましい。一方、ＺｒＯ２の過剰な添加は溶融金属の凝固とスラグの凝固とのタイミングが合わなくなり、スラグ巻き込みが生じる場合があることから、ＺｒＯ２含有量は０．２０％以下であり、０．１８％以下が好ましく、０．１５％以下がより好ましい。
ここで、ＳｉＯ２とＺｒＯ２との合計の含有量は、０．５０％以下が好ましく、なじみ性をより向上するためには０．３５％以下がより好ましい。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、アルカリ金属化合物、フッ化物を含んでもよい。
Ａｌ２Ｏ３は適切なスラグ粘性を得てスラグの被包性を向上させるための調整を目的として必要に応じて添加してもよく、Ａｌ２Ｏ３源としてはアルミナ粉等が挙げられる。Ａｌ２Ｏ３の過剰な添加はスラグの粘性が高くなり過ぎ、スラグ巻込み欠陥が発生しやすくなることから、Ａｌ２Ｏ３含有量は０．３０％以下が好ましく、０．１０％以下がより好ましい。
Ａｌ２Ｏ３は適切なスラグ粘性を得てスラグの被包性を向上させるための調整を目的として必要に応じて添加してもよく、Ａｌ２Ｏ３源としてはアルミナ粉等が挙げられる。Ａｌ２Ｏ３の過剰な添加はスラグの粘性が高くなり過ぎ、スラグ巻込み欠陥が発生しやすくなることから、Ａｌ２Ｏ３含有量は０．３０％以下が好ましく、０．１０％以下がより好ましい。
ＭｇＯはＺｒＯ２と同様に、スラグの融点を調整するために有効であることから必要に応じて添加してもよく、ＭｇＯ源としてはマグネサイト、マグネシアクリンカー等が挙げられる。
ＭｇＯの過剰な添加はスラグの焼き付きが発生しやすくなることから、ＭｇＯの含有量は０．３０％以下が好ましく、０．１０％以下がより好ましい。
ＭｇＯの過剰な添加はスラグの焼き付きが発生しやすくなることから、ＭｇＯの含有量は０．３０％以下が好ましく、０．１０％以下がより好ましい。
アルカリ金属化合物としては、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物が挙げられる。アルカリ金属化合物は、０．１％以上とすることでアークが安定し、スパッタ発生量が少なくなることから好ましい。また０．５％以下とすることで、アルカリ金属化合物の高い吸湿性に起因した、ワイヤ中の水分量増加に伴うピットやブローホールといった気孔欠陥の発生を抑制できることから好ましく、０．４％以下がより好ましい。
金属フッ化物は、例えば、ＮａＦ、Ｋ２ＳｉＦ６、ＣａＦ２等が挙げられる。これらの金属フッ化物を含有する場合には、アーク安定性の観点から、Ｆ換算値で、０．１０％以上０．３０％以下含有するとよい。０．２５％以下であることがより好ましく、０．２０％以下であることがさらに好ましい。
より具体的には、ＮａＦはアーク安定性の向上のために添加してもよいが、過剰な添加はワイヤの吸湿を助長し、吸湿によるブローホール等の気孔欠陥が発生する。そのため、ＮａＦ含有量は０．２０％以下が好ましく、０．１０％以下がより好ましい。Ｋ２ＳｉＦ６はアーク安定性の向上のために添加してもよいが、過剰な添加はビードの垂れを助長する。そのため、Ｋ２ＳｉＦ６含有量は０．５％以下が好ましく、０．４％以下がより好ましい。
より具体的には、ＮａＦはアーク安定性の向上のために添加してもよいが、過剰な添加はワイヤの吸湿を助長し、吸湿によるブローホール等の気孔欠陥が発生する。そのため、ＮａＦ含有量は０．２０％以下が好ましく、０．１０％以下がより好ましい。Ｋ２ＳｉＦ６はアーク安定性の向上のために添加してもよいが、過剰な添加はビードの垂れを助長する。そのため、Ｋ２ＳｉＦ６含有量は０．５％以下が好ましく、０．４％以下がより好ましい。
スラグ成分は、さらにＦｅ２Ｏ３を含んでいてもよい。Ｆｅ２Ｏ３のワイヤ全質量に対する質量分率は、０．１０％以下（０％を含む）がスラグの焼き付きを抑制できることから好ましく、０．０５％以下がより好ましい。
スラグ成分には上記の他に、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＣａＯ、希土類金属の酸化物等の不可避金属酸化物が含有され得る。ルチールやその他の鉱石中に不可避的に含有される上記不純物量が微少量であれば、ワイヤの性質に大きな影響はないが、過剰に含まれるとスラグ組成のバランスが崩れてスラグ剥離性が劣化するおそれがある。そのため、不可避金属酸化物のワイヤ全質量に対する質量分率は１．０％以下（０％を含む）が好ましい。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいては、金属または合金として、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｂなどを含んでもよい。
Ｍｇは脱酸の目的で添加する成分であり、金属Ｍｇを含有する場合には、Ｍｇ含有量は０．０１％以上が好ましく、また、過剰な添加はビードの垂れを助長するため０．１％以下が好ましい。
Ｎｉは溶接金属のマトリックスが強化され、靱性を向上する成分である。Ｎｉを含む場合、Ｎｉ含有量は０．１％以上が好ましい。また、耐高温割れ性向上の観点から、Ｎｉ含有量は、０．２％以下が好ましい。
Ｍｇは脱酸の目的で添加する成分であり、金属Ｍｇを含有する場合には、Ｍｇ含有量は０．０１％以上が好ましく、また、過剰な添加はビードの垂れを助長するため０．１％以下が好ましい。
Ｎｉは溶接金属のマトリックスが強化され、靱性を向上する成分である。Ｎｉを含む場合、Ｎｉ含有量は０．１％以上が好ましい。また、耐高温割れ性向上の観点から、Ｎｉ含有量は、０．２％以下が好ましい。
Ｎｂ及びＶは共に強い炭化物形成炭素であり、適量の添加でビードとビードの境目付近の炭素を固定し、フェライト粒の粗大化及びフェライトバンドの発生を低く抑えることができる成分である。
Ｎｂ含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０４％以下がより好ましい。またＶ含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０４％以下がより好ましい。
Ｎｂ含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０４％以下がより好ましい。またＶ含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０４％以下がより好ましい。
Ｔｉはアークの安定化及び溶接金属の脱酸を目的として添加可能な成分である。Ｔｉ含有量は０．３％以下が好ましく、０．２％以下がより好ましい。
Ｂは溶接金属の靱性向上のために添加可能な成分である。Ｂ含有量は０．０１５％以下が好ましく、０．０１０％以下がより好ましい。
上記成分の他、Ａｌ、Ｃｕなどを添加してもよい。
上記成分の他、Ａｌ、Ｃｕなどを添加してもよい。
残部はＦｅ及び不可避不純物である。不可避不純物としては、上記成分の他に、Ｎ、Ｓ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｗ等が挙げられる。
＜高速アーク溶接方法＞
本実施形態に係る高速アーク溶接方法は、高速溶接用フラックス入りワイヤを用い、溶接電流：２１０〜３５０Ａ、アーク電圧：１５Ｖ超３５Ｖ以下、溶接速度：７０〜１２０ｃｍ／分及びシールドガス：Ａｒ−（０％超８０％以下）ＣＯ２ガスの条件下、例えば上向きすみ肉溶接で、溶け込み量を１．２〜２．５ｍｍ、止端半径を１．０〜２．０ｍｍとする、アーク溶接方法である。
本実施形態に係る高速アーク溶接方法は、高速溶接用フラックス入りワイヤを用い、溶接電流：２１０〜３５０Ａ、アーク電圧：１５Ｖ超３５Ｖ以下、溶接速度：７０〜１２０ｃｍ／分及びシールドガス：Ａｒ−（０％超８０％以下）ＣＯ２ガスの条件下、例えば上向きすみ肉溶接で、溶け込み量を１．２〜２．５ｍｍ、止端半径を１．０〜２．０ｍｍとする、アーク溶接方法である。
（溶接電流）
溶接時の溶け込み深さは電流値に比例し、低電流域では溶け込みが不足する。本実施形態における溶接電流は２１０〜３５０Ａであり、通常、ソリッドワイヤで使用する電流域である２００Ａよりも高い電流域で溶接を行うことにより、溶け込み深さが深くなる。
また高電流での溶接は溶着速度が大きくなり、従来のワイヤでは垂れが発生しやすかったのに対し、本実施形態におけるフラックス入りワイヤを用いることによって、高融点のスラグがプールを保持し、高電流域でも垂れが生じない。さらに溶着速度の増加により、７０ｃｍ／分といった高速溶接も可能となる。
溶接電流は２５０Ａ以上が好ましく、また、３３０Ａ以下が好ましい。
溶接時の溶け込み深さは電流値に比例し、低電流域では溶け込みが不足する。本実施形態における溶接電流は２１０〜３５０Ａであり、通常、ソリッドワイヤで使用する電流域である２００Ａよりも高い電流域で溶接を行うことにより、溶け込み深さが深くなる。
また高電流での溶接は溶着速度が大きくなり、従来のワイヤでは垂れが発生しやすかったのに対し、本実施形態におけるフラックス入りワイヤを用いることによって、高融点のスラグがプールを保持し、高電流域でも垂れが生じない。さらに溶着速度の増加により、７０ｃｍ／分といった高速溶接も可能となる。
溶接電流は２５０Ａ以上が好ましく、また、３３０Ａ以下が好ましい。
（アーク電圧）
アーク電圧は、溶接電流ごとに適正値が存在し、低過ぎるとアークが不安定となって作業性が悪化し、高過ぎるとプールのなじみ及び溶け込みが低下する。本実施形態におけるアーク電圧は１５Ｖ超３５Ｖ以下であり、２０Ｖ以上が好ましく、３０Ｖ以下が好ましい。
アーク電圧は、溶接電流ごとに適正値が存在し、低過ぎるとアークが不安定となって作業性が悪化し、高過ぎるとプールのなじみ及び溶け込みが低下する。本実施形態におけるアーク電圧は１５Ｖ超３５Ｖ以下であり、２０Ｖ以上が好ましく、３０Ｖ以下が好ましい。
（溶接速度）
溶接速度は速すぎるとプールのなじみが低下し、スラグの巻き込みが発生する。一方、遅すぎると過大入熱となって溶融プールの垂れが発生する。本実施形態において使用するフラックス入りワイヤは高速溶接に適しており、好適な溶接速度は７０〜１２０ｃｍ／分であり、８０ｃｍ／分以上がより好ましく、１１０ｃｍ／分以下がより好ましい。
溶接速度は速すぎるとプールのなじみが低下し、スラグの巻き込みが発生する。一方、遅すぎると過大入熱となって溶融プールの垂れが発生する。本実施形態において使用するフラックス入りワイヤは高速溶接に適しており、好適な溶接速度は７０〜１２０ｃｍ／分であり、８０ｃｍ／分以上がより好ましく、１１０ｃｍ／分以下がより好ましい。
（シールドガス）
シールドガスはＡｒ−ＣＯ２ガスを用いるが、ＣＯ２ガスの比率が高過ぎると溶融プールの粘性が低下し、上向き姿勢での溶接において垂れが発生しやすくなることから、ＣＯ２ガスの体積分率は８０体積％以下が好ましく、２０体積％以下がより好ましい。
一方、ＣＯ２ガスの比率が低過ぎるとアークが不安定となることから、適正な作業性を維持するために、ＣＯ２ガスの体積分率は０体積％超であり、５体積％以上がより好ましい。
シールドガスはＡｒ−ＣＯ２ガスを用いるが、ＣＯ２ガスの比率が高過ぎると溶融プールの粘性が低下し、上向き姿勢での溶接において垂れが発生しやすくなることから、ＣＯ２ガスの体積分率は８０体積％以下が好ましく、２０体積％以下がより好ましい。
一方、ＣＯ２ガスの比率が低過ぎるとアークが不安定となることから、適正な作業性を維持するために、ＣＯ２ガスの体積分率は０体積％超であり、５体積％以上がより好ましい。
（溶け込み量）
本実施形態に係るアーク溶接方法において、溶け込み量は、１．２〜２．５ｍｍである。溶け込み量が１．２ｍｍ未満の場合は、溶け込み量が少なすぎるため、健全な溶接部を得られない。また、溶け込み量が２．５ｍｍを超える場合、ビード形状が劣化する。したがって、溶け込む量は、１．２ｍｍ〜２．５ｍｍとされている。
本実施形態に係るアーク溶接方法において、溶け込み量は、１．２〜２．５ｍｍである。溶け込み量が１．２ｍｍ未満の場合は、溶け込み量が少なすぎるため、健全な溶接部を得られない。また、溶け込み量が２．５ｍｍを超える場合、ビード形状が劣化する。したがって、溶け込む量は、１．２ｍｍ〜２．５ｍｍとされている。
（止端半径）
本実施形態に係るアーク溶接方法において、止端半径（ρ）は、１．０〜２．０ｍｍである。止端半径が、１．０ｍｍ未満の場合、荷重が付加された際に応力が集中し、疲労特性が劣化する。また、止端半径は、２．０ｍｍ以下であることが実際的である。したがって、止端半径は、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍとされている。
なお、止端半径とは図２に示したように、溶接部の止端部の曲率から円形近似した際の円の半径ρ（ｍｍ）を意味する。
本実施形態に係るアーク溶接方法において、止端半径（ρ）は、１．０〜２．０ｍｍである。止端半径が、１．０ｍｍ未満の場合、荷重が付加された際に応力が集中し、疲労特性が劣化する。また、止端半径は、２．０ｍｍ以下であることが実際的である。したがって、止端半径は、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍとされている。
なお、止端半径とは図２に示したように、溶接部の止端部の曲率から円形近似した際の円の半径ρ（ｍｍ）を意味する。
（溶接姿勢）
本実施形態に係る溶接方法は、上述のワイヤを用いて、上記溶接条件とすることにより、上向き溶接でも垂れが生じることなく、ビード形状及び外観に優れ、スラグ巻き込みがない溶接金属を得ることができる。そして、本実施形態に係る溶接方法は、上向き溶接のみならず、複数の姿勢にて溶接することが可能である。これにより、例えば図１に示すように、第一被溶接対象物１及び第二被溶接対象物２のすみ肉溶接に際し、当接部４ａ，４ｂに対して上向き溶接および下向き溶接を同時に行うことができ、高能率な溶接施工を行うことが可能となる。
本実施形態に係る溶接方法は、上述のワイヤを用いて、上記溶接条件とすることにより、上向き溶接でも垂れが生じることなく、ビード形状及び外観に優れ、スラグ巻き込みがない溶接金属を得ることができる。そして、本実施形態に係る溶接方法は、上向き溶接のみならず、複数の姿勢にて溶接することが可能である。これにより、例えば図１に示すように、第一被溶接対象物１及び第二被溶接対象物２のすみ肉溶接に際し、当接部４ａ，４ｂに対して上向き溶接および下向き溶接を同時に行うことができ、高能率な溶接施工を行うことが可能となる。
被溶接材である第一被溶接対象物１及び第二被溶接対象物２の大きさや形状も特に限定されないが、例えばパイプ及び板の溶接において、２箇所以上の溶接を同じワイヤ３を用いて上向き姿勢及び下向き姿勢で同時に行うことができる。
さらに、本実施形態に係る高速アーク溶接方法においては、前述の溶接方法とすることにより、フランク角を１２０〜１４５°にすることが可能である。この場合、溶接部の疲労特性がより向上する。
なお、フランク角とは図３に示したように、溶接部の止端部において、被溶接対象物と溶接金属との成す角θ（°）を意味する。
なお、フランク角とは図３に示したように、溶接部の止端部において、被溶接対象物と溶接金属との成す角θ（°）を意味する。
以下に実施例を挙げて本実施形態をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら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。
＜実施例１−１〜１−１１及び比較例１−１〜１−４＞
表１に示す組成を有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるフラックス入りワイヤＷ−１〜Ｗ−１０を作製した。ワイヤ径は１．４ｍｍである。
ワイヤのうち、Ｗ−５及びＷ−６はフラックスの充填率が過剰又は過少であったため、フラックス入りワイヤを製造することができなかった。それ以外の得られたワイヤを用いて、表２に記載の条件で溶接試験を行った。
溶接試験は厚さ６ｍｍ、直径５０ｍｍの軟鋼チューブ、又は厚さ６ｍｍの軟鋼板を第一被溶接対象物とし、厚さ６ｍｍの軟鋼板を第二被溶接対象物としたすみ肉溶接を、二箇所同時に、上向き姿勢と下向き姿勢にて行った。また、参考のために従来例として、ソリッドワイヤを用いた溶接試験も行った。
表１に示す組成を有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるフラックス入りワイヤＷ−１〜Ｗ−１０を作製した。ワイヤ径は１．４ｍｍである。
ワイヤのうち、Ｗ−５及びＷ−６はフラックスの充填率が過剰又は過少であったため、フラックス入りワイヤを製造することができなかった。それ以外の得られたワイヤを用いて、表２に記載の条件で溶接試験を行った。
溶接試験は厚さ６ｍｍ、直径５０ｍｍの軟鋼チューブ、又は厚さ６ｍｍの軟鋼板を第一被溶接対象物とし、厚さ６ｍｍの軟鋼板を第二被溶接対象物としたすみ肉溶接を、二箇所同時に、上向き姿勢と下向き姿勢にて行った。また、参考のために従来例として、ソリッドワイヤを用いた溶接試験も行った。
＜比較例２−１〜２−７＞
フラックス入りワイヤＷ−１を用いて表３に示す条件で溶接を行った。溶接試験は実施例１−１と同様の方法にて行った。なお、表３には、上向き溶接の結果のみを示している。
フラックス入りワイヤＷ−１を用いて表３に示す条件で溶接を行った。溶接試験は実施例１−１と同様の方法にて行った。なお、表３には、上向き溶接の結果のみを示している。
＜評価方法＞
（溶け込み性）
溶接における溶け込み性は、溶け込み量（ｍｍ）、フランク角（°）及び止端半径（ｍｍ）を断面マクロ観察により評価し、一般的なソリッドワイヤを用いて、溶接電流：２００Ａ、アーク電圧：２５Ｖ、溶接速度：７０ｃｍ／分、シールドガス：Ａｒ−２０％ＣＯ２ガスで行った際の各結果を基準とした。なお、一般的なソリッドワイヤとは、組成がＣ：０．０７％、Ｓｉ：０．５５％、Ｍｎ：１．００％、及びＣｒ：１．３０％、であり、ワイヤ径が１．２ｍｍのソリッドワイヤである。
溶け込み性が前記基準を参酌し、溶接姿勢に関わらず、溶け込み量（溶け込み深さ）が１．５ｍｍ以上、フランク角が１２０°以上、止端半径が１．０ｍｍ以上であればそれぞれ良好であるとした。表２及び表３に各試験例の結果を示すが、溶け込み性が基準を下回った場合には、「×」と表記し、基準を上回った場合には、具体的な数値を記載した。
（溶け込み性）
溶接における溶け込み性は、溶け込み量（ｍｍ）、フランク角（°）及び止端半径（ｍｍ）を断面マクロ観察により評価し、一般的なソリッドワイヤを用いて、溶接電流：２００Ａ、アーク電圧：２５Ｖ、溶接速度：７０ｃｍ／分、シールドガス：Ａｒ−２０％ＣＯ２ガスで行った際の各結果を基準とした。なお、一般的なソリッドワイヤとは、組成がＣ：０．０７％、Ｓｉ：０．５５％、Ｍｎ：１．００％、及びＣｒ：１．３０％、であり、ワイヤ径が１．２ｍｍのソリッドワイヤである。
溶け込み性が前記基準を参酌し、溶接姿勢に関わらず、溶け込み量（溶け込み深さ）が１．５ｍｍ以上、フランク角が１２０°以上、止端半径が１．０ｍｍ以上であればそれぞれ良好であるとした。表２及び表３に各試験例の結果を示すが、溶け込み性が基準を下回った場合には、「×」と表記し、基準を上回った場合には、具体的な数値を記載した。
（溶接作業性）
溶接作業性はスラグ巻き込みの有無と高速溶接性の評価を行った。
スラグ巻き込みの有無は目視観察により評価した。具体的には、スラグ巻き込みによるビード揃いの不連続部の有無を判断した。
溶接作業性はスラグ巻き込みの有無と高速溶接性の評価を行った。
スラグ巻き込みの有無は目視観察により評価した。具体的には、スラグ巻き込みによるビード揃いの不連続部の有無を判断した。
高速溶接性は、目視観察及び断面マクロ観察により評価した。
目視観察では、各種溶接欠陥の有無、ビードのなじみ、ビード表面外観及び垂れの有無についての評価を行った。
断面マクロ観察では、画像解析によりアンダーカットやオーバーラップの有無、止端形状及びビード形状についての評価を行った。
目視観察では、各種溶接欠陥の有無、ビードのなじみ、ビード表面外観及び垂れの有無についての評価を行った。
断面マクロ観察では、画像解析によりアンダーカットやオーバーラップの有無、止端形状及びビード形状についての評価を行った。
上記評価対象がいずれも良好な結果であったものを表２及び表３において「良好」とし、評価対象のうちいずれか１以上の評価結果が良好でなかった場合には、良好でなかった溶け込み性について、具体的な評価結果（数値）を記載した。
表２より、フラックス充填率が３％超１５％以下であることにより、フラックス入りワイヤを製造できることが分かる。またスラグ成分やスラグ率を適切な範囲内にすることによりスラグ巻き込みの発生やビード形状の不良、溶け込み不足、なじみ低下等のない、良好な溶接作業性を達成することができる。
また、表３より、高速アーク溶接において、溶接電流が高過ぎると溶融プールの垂れが発生した。アーク電圧が高過ぎるとなじみが低下し、スラグ巻き込みの発生が見られ、一方、低すぎるアーク電圧は、アークが不安定となり、作業性が低下した。溶接速度が速すぎるとなじみが低下し、アンダーカットが発生し、一方、遅すぎる溶接速度では、溶融プールの垂れが発生した。さらにシールドガスのＣＯ２分率が高過ぎると溶融プールの垂れが発生し、ＣＯ２分率が低すぎるとアークが不安定となり、作業性が低下した。
また、表３より、高速アーク溶接において、溶接電流が高過ぎると溶融プールの垂れが発生した。アーク電圧が高過ぎるとなじみが低下し、スラグ巻き込みの発生が見られ、一方、低すぎるアーク電圧は、アークが不安定となり、作業性が低下した。溶接速度が速すぎるとなじみが低下し、アンダーカットが発生し、一方、遅すぎる溶接速度では、溶融プールの垂れが発生した。さらにシールドガスのＣＯ２分率が高過ぎると溶融プールの垂れが発生し、ＣＯ２分率が低すぎるとアークが不安定となり、作業性が低下した。
以上の結果から、本実施形態に係るフラックス入りワイヤを用いることによって、溶接速度が７０ｃｍ／分以上の高速アーク溶接であっても、ビード形状及び外観に優れ、スラグ巻き込み等の溶接欠陥がない溶接部を得ることができることが分かった。また、上向き姿勢の溶接でも垂れが生じないことから、複数姿勢での同時溶接を伴う高速アーク溶接を行うことも可能となった。
１ 第一被溶接対象物
２ 第二被溶接対象物
３ ワイヤ
４ａ 当接部（下向き姿勢）
４ｂ 当接部（上向き姿勢）
２ 第二被溶接対象物
３ ワイヤ
４ａ 当接部（下向き姿勢）
４ｂ 当接部（上向き姿勢）
Claims (7)
- 外皮内にフラックスが充填されてなる高速溶接用フラックス入りワイヤであって、
該高速溶接用フラックス入りワイヤの組成がワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．２％、
Ｓｉ：０．０１〜１．４０％、
Ｍｎ：１．０〜８．０％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
Ｍｏ：０．４〜１．５％、
ＺｒＯ２：０．２０％以下（０％を含む）、及び
ＴｉＯ２：１．８〜６．０％を満たし、
前記フラックスのワイヤ全質量に対する充填率が３％超２０％以下であり、かつ
前記フラックス中に含まれるスラグ成分が、ワイヤ全質量に対する質量％で、１．８〜７．０％である高速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、
Ｆ：０．３０％以下（０％を含む）、
ＭｇＯ：０．３０％以下（０％を含む）、及び
Ａｌ２Ｏ３：０．３０％以下（０％を含む）のうち少なくとも一つを満たす請求項１に記載の高速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、
Ｍｇ：０．１％以下（０％を含む）、
Ｎｉ：０．２％以下（０％を含む）、及び
Ｖ：０．０５％以下（０％を含む）のうち少なくとも一つを満たす請求項１又は２に記載の高速溶接用フラックス入りワイヤ。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高速溶接用フラックス入りワイヤを用い、
溶接電流：２１０〜３５０Ａ、アーク電圧：１５Ｖ超３５Ｖ以下、溶接速度：７０〜１２０ｃｍ／分及びシールドガス：Ａｒ−（０％超８０％以下）ＣＯ２ガスの条件下、
溶け込み量を１．２〜２．５ｍｍ、かつ止端半径を１．０〜２．０ｍｍとする高速アーク溶接方法。 - フランク角を１２０〜１４５°とする請求項４に記載の高速アーク溶接方法。
- 第一被溶接対象物及び第二被溶接対象物に対し、複数の姿勢にて複数の当接部を同時にすみ肉溶接する請求項４又は５に記載の高速アーク溶接方法。
- 前記複数の姿勢が上向き姿勢及び下向き姿勢を含む請求項６に記載の高速アーク溶接方法。
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- 2019-02-25 CN CN201910137533.7A patent/CN110315168B/zh active Active
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