JP2628762B2 - セルフシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はセルフシールドアーク溶接フラックス入りワ
イヤに係り、特にスパッタの発生量が少なく、また溶接
欠陥のない健全な溶接部を安定して得ることができるセ
ルフシールドアーク溶接フラックス入りワイヤに関す
る。

（従来の技術及び解決しようとする課題） セルフシールドアーク溶接は、風によりピット、ブロ
ーホール等の欠陥が生じる危険が少なく、また外部から
のシールドガスを必要としないことから取扱いが容易で
あるなど、屋外溶接に適した特長を持っており、建設現
場に適した溶接法と云える。

しかし乍ら、セルフシールドアーク溶接は上記利点を
有するものの、スパッタが大粒で発生量が多く鋼板に付
着し易いので、溶接後のスパッタ除去に工数がかかる。
また溶接条件による作業性の変化が著しく大きいため、
高度の溶接技輌を必要とし、厚板の多層溶接などでは、
溶接欠陥（スラグインクルージョン、融合不良）の発生
機会が多く、健全な溶接部を得ることは極めて困難と云
える。建設現場で常用される横向姿勢では特に欠陥が生
じ易い。このため、建設現場の溶接には、ガスシールド
アーク溶接が適用されている。

しかし、ガスシールドアーク溶接では、風の影響を受
け易いことから防風対策を講じる必要があり、特に風速
の強い時には溶接作業を中断しなければならない等の欠
点がある。

このようなことから、スパッタの発生量が少なく、且
つ容易に健全な溶接部が得られるセルフシールドアーク
溶接ワイヤの開発が望まれており、従来より種々の提案
がある。例えば、特公昭62−25479号等が提案されてい
るが、横向溶接に対しては必ずしも十分とはいえない。
また、特公昭53−10011号は、弗化カルシウムの添加量
が多いため、スパッタの発生量が多いという欠点があ
る。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消して、特に横向
姿勢の多層溶接でも溶接欠陥の発生率が極めて少なく、
靱性及び曲げ延性等の溶接性能の優れたセルフシールド
アーク溶接フラックス入りワイヤを提供することを目的
とするものである。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するため、本発明者は、まず、従来の
セルフシールドアーク溶接フラックス入りワイヤによる
溶接部において溶接欠陥が発生し易い要因について分析
したところ、以下のような要因により溶接欠陥が発生し
易いことが判明した。

ビードが凸状になるため、ビードとビードの間に狭い
溝を形成し、スラグインクルージョンや融合不良が生じ
る。

ビードが垂れ落ち易いため、コールドラップを形成す
る。

ビードの揃いが不良のため、凹凸が生じ、融合不良や
スラグインクルージョンの原因になる。

ビードにスラグが焼付くので十分な除去が困難であ
り、焼付いたスラグの上から溶接した場合にはスラグイ
ンクルージョンやコールドラップを生じ易い。

アークが安定しないため、安定した溶込みや安定した
溶融状況が得にくく、溶接欠陥の原因になり易い。

ワイヤの突出し長さが短くなったり、またアーク電圧
が高すぎるとピットが発生し、条件変動に弱く、溶接条
件範囲が狭い。

これらの要因のうち、〜はスラグの物性に起因
し、はフラックス率の安定性に起因し、はシールド
性に基因するものと考えられる。

そこで、本発明者は、シールド性を強化し、スラグに
適正な物性を与えると共に、フラックス率の安定したフ
ラックス入りワイヤを作成することによって健全な溶接
部が得られるとの知見に基づいて鋭意研究を重ねた。

その結果、鋼製外皮に充填するフラックスとして金属
弗化物、金属炭酸塩、Li、脱酸剤、鉄粉等を必須成分と
して調整し且つフラックス率を規制することにより可能
であることを見い出し、ここに本発明をなしたものであ
る。

すなわち、本発明に係るセルフシールドアーク溶接フ
ラックス入りワイヤは、鋼製外皮中に、重量％で（以
下、同じ）、 金属弗化物:15〜30％ 弗化ストロンチウム：金属弗化物の内 60％以上 金属炭酸塩:2〜15％ Li:0.1〜４％ Al:4〜15％ Mg:0.5〜10％ Mn:0.2〜８％ 鉄粉:30〜60％ 但し、金属弗化物／鉄粉:0.25〜0.7％を必須成分とし
て含有する組成のフラックスをフラックス率が17〜23wt
％となるように充填してなることを特徴とするものであ
る。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用） まず、本発明のセルフシールドアーク溶接フラックス
入りワイヤに用いるフラックスの成分限定理由を説明す
る。

金属弗化物： 金属弗化物はシールド剤であると共に主要な造滓剤で
あり、15〜30％の範囲で添加する。

添加量が多いほどシールド効果を増すが、スパッタ及
びヒューム量が過大になり、溶接作業性を著しく損な
う。そして、30％を超える量ではスラグの融点を下げ、
横向などの姿勢溶接においてはビードが垂れ落ち易く、
またコールドラップの原因となる。シールド性及び作業
性のからみからみて、最適含有量は20〜26％であるが、
上限値以下であれば許容できる。一方、金属弗化物量は
少ないほど作業性向上の傾向にあるが、過少になるとシ
ールドが不十分になり、ピット、ブローホール等の欠陥
が生じるので、下限値は15％にとどめるのが望ましい。

なお、金属弗化物としては、種々のものが使用でき
る。

但し、スパッタ発生量の抑制の面から弗化ストロンチ
ウムが最も望ましく、明瞭な効果を得るためには、弗化
ストロンチウムは金属弗化物の内60％以上の添加が必要
である。

第１図は、弗化ストロンチウムと弗化カルシウムを併
用した時のスパッタ発生量を示したもので、弗化ストロ
ンチウムが60％以上の添加でスパッタ発生量が約50％軽
減できることがわかる。

弗化ストロンチウムと併用できる弗化物としては特に
限定しないが、LiF、K₂SlF₆、NaF、BaF₂、CaF₂等が使用
できる。

金属炭酸塩： 金属炭酸塩はスラグの剥離性及びスラグの粘性を好ま
しいものにする作用がある。したがって、光沢のあるビ
ード表面が得られると共にビードの垂れ落ちを改善し、
均一で平滑なビード形状が得られる。更にはシールド剤
としても作用するものである。そのために、金属炭酸塩
は２〜15％の範囲で添加する。

添加量が多いほどスラグの剥離性、ビード形状、シー
ルド性は改善されるが、15％を超えて過大になると溶接
時に発生する分解ガス（CO₂）のため著しく大粒のスパ
ッタが発生し、作業性上望ましくない。最適量は４〜７
％であるが、15％までは許容できる。一方、含有量が２
％より少なすぎるとスラグが焼付く傾向にあり、またス
ラグの粘性が低くなるので均一で平滑なビード形状が得
られない。

なお、金属炭酸塩としては、CaCO₃が最も適当である
が、その他にはBaCO₃、SrCO₃、Li₂CO₃等も一種以上併用
することができる。

Li: Liはアーク電圧及び突出し長さの変動によるピットの
発生を抑制する効果があるので0.1〜４％の範囲で添加
する。

第２図はLiを含有しないセルフシールドアーク溶接フ
ラックス入りワイヤについて、ビードオンプレート溶接
法でテストした結果を示したもので、突出し長さが短く
なるとピットが発生する状況を示したものである。

第２図の結果により、ピットが発生し易い突出し長さ
（15mm）にして、Liを含有するセルフシールドアーク溶
接フラックス入りワイヤについてテストした結果を示し
たものが第３図である。同図より、Liがピットの抑制及
びアーク電圧範囲の拡大に有効であることが判る。しか
し、0.1％未満では効果が少なく、４％を超えるとスラ
グが流れ易くなり、特に横向溶接ではビードが垂れ、凸
状になるので好ましくない。

なお、Li単体は大気との反応が激しいため、原料とし
て適していない。したがって、Li源の原料としては他の
金属との合金化した粉末で使用するのが好ましく、Al−
Liが最適である。この場合、Al−LiのLi含有量は1.5〜
６％程度が望ましい。６％以上では大気との反応が激し
くなり、また爆発性も増すので好ましくない。

Li源の原料としては、Al−Liの他に、炭酸リチウム、
リチウムフェライト、リチウムマンガネート、リチウム
ジルコネート、リチウムシリケート等が使用できる。な
お、炭酸リチウムは分解してCO₂を生成し、スパッタの
発生を増加させるので10％以下に抑えるのがよい。Al−
Liや炭酸リチウム、或いは炭酸リチウム以外の化合物を
適宜併用することにより、作業性を損なうことなく、広
い条件範囲で耐ピット性を向上させることができる。

Al: Alは脱酸剤として作用すると共に溶着金属中に侵入し
たＮを固定し、ピット及びブローホールを防止するの
で、４〜15％の範囲で添加する。しかし、４％未満では
ピット及びブローホールが発生し、健全な溶接部が得ら
れない。また15％を超えると、溶着金属中に残存するAl
が増加するので結晶粒が粗大化し、著しく延性を損なう
ので好ましくない。なお、Al原料としては金属アルミの
ほか、Fe−Al、Al−Mg、Al−Li、Ca−Al等の合金で使用
するのが望ましい。

Mg: Mgは蒸気になって溶接部のシールドを行うと共に脱酸
剤としても作用するので、0.5〜10％の範囲で添加す
る。しかし、0.5％未満ではピット、ブローホールの抑
制が困難である。また過剰な添加はスラグの粘性を下
げ、ビードの垂れ落ちを助長し、またヒューム量も著し
く増加するので、10％を超える添加は好ましくない。な
お、Mg原料としてはMg粉末のほか、Al−Mg、Fe−Si−M
g、Ni−Mg等の合金が最適である。

Mn: Mnは脱酸剤として作用すると共に溶着金属に適正な引
張強さを与えるので、0.2〜８％の範囲で添加する。し
かし、0.2％未満では引張強さが不足し、８％を超える
と引張強さが過剰になり、曲げ延性を著しく損なうので
好ましくない。なお、Mn原料としてはMn粉末のほか、Fe
−Mn、Fe−Si−Mn等の合金が適当である。

鉄粉： 鉄粉はフラックスの流動性を増すのでフラックス率を
安定にする。また、溶接時の作用としては、熱伝導の役
割を担い、金属弗化物の溶融を促進しているものと考え
られる。したがって、鉄粉はアークを安定にし、且つ安
定した溶融状態が得られるので、30〜60％の範囲で添加
する。しかし、30％未満ではフラックス柱の生成が観察
され、溶接欠陥の抑制に好ましくなく、スパッタ増加の
問題がある。また60％を超えると、金属弗化物の添加量
が相対的に減少し、シールド低下等の問題が発生するの
で好ましくない。なお、鉄粉のカサ比重は2.5〜3.7％の
ものが望ましく、成分的には特に制約を受けない。

本発明者は、鉄粉につき主要な造滓剤である金属弗化
物との関係で溶接現象を調査したところ、（金属弗化
物）／（鉄粉）の比がアーク状態と密接な関係が認めら
れ、0.25〜0.7％の範囲で極めて効果的であることが判
明した。

すなわち、第４図に示すように、（金属弗化物）／
（鉄粉）の比が0.7％を超えるとアークの安定性が損な
われ、スパッタ発生量が増す傾向が認められる。一方、
0.25％未満では、シールド不良等が生じる。この比を規
定した点が本発明の特長でもある。

以上の組成のフラックスは以下のフラックス率にて鋼
製外皮中に充填して製造することにより、目的とする溶
接性能が得られる。

フラックス率： ワイヤ構成中のフラックス率は17〜23％の範囲内にと
どめるべきである。17％未満では必要なスラグ量が確保
できなくなるので、作業性を劣化させる。また、23％を
超えると伸線中に断線が発生し、能率的な生産を行うこ
とができなくなるので避けるべきである。

なお、本発明においては、必要に応じて次の成分を加
えてフラックス入りワイヤを製造することができる。

Ni: Niは靱性を向上させるので、ワイヤ全重量当たり0.2
〜３％の範囲で添加することができる。しかし、0.2％
未満では効果が得られず、３％を超えると溶着金属の引
張強さが過剰になり、靱性を損なうので好ましくない。

Ti、Zr: Ti及びZrは、靱性を向上させるのでフラックス中に0.
1〜２％の範囲で添加できる。しかし、0.1％未満では効
果が得られず、また２％を超えると溶着金属の引張強さ
が過剰になり、靱性を損なうので好ましくない。なお、
Ti及びZrは、同様の効果が得られるので、単体若しくは
併用することができる。

ワイヤ水分量： ワイヤの水分量は300〜2000ppmの範囲が推奨される。
300ppm未満ではシールド性の面で、また2000ppmを超え
ると耐ピット性、割れの面でそれぞれ問題となる。な
お、ワイヤの水分量は、JIS K 0113（1979）に準じて測
定した値である。

なお、本発明ワイヤは、上記成分を混合したフラック
スを鋼製の外皮内に充填されたものであるが、外皮の化
学成分は特に限定されないが、Si:1％以下、TotalN:100
ppm以下の組成のものが望ましい。これらの成分は、ア
ーク特性に影響を与え、スパッタ発生量を増加させる傾
向にあり、特にＮはピットやブローホールの原因となる
ので、上記のように規制するのが望ましい。

また、本発明のセルフシールドアーク溶接フラックス
入りワイヤの製造方法は、通常のフラックス入りワイヤ
の製造方法と特に変わるところはなく、同様に生産する
ことができる。

また、ワイヤの断面形状においても特に制限を受ける
ものではなく、第５図に例示する断面形状のものが使用
できる。作業性の面で（ｂ）がよい。

ワイヤ径は1.2〜2.4mmφのいずれも対象となるが、使
い易さ、性能等の面より特に1.6mmφ、2.0mmφがよい。

対象鋼種は軟鋼、HT−50、低温用鋼が主たる対象であ
るが、特に制限を受けない。

極性は正極性（DCEN）が望ましい。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 第１表及び第２表に示す諸元により、ワイヤ径2mmφ
のフラックス入りワイヤを作成した。ワイヤ断面形状は
第５図の（ｃ）の形状であり、鋼製外皮成分はC:0.07
％、Mn:0.3％、Si:0.1％、Cr:0.05％、T.N:70ppm等であ
る。

次いで、このフラックス入りワイヤを用い、横向姿勢
で25mmtのＶ形開先（ギャップ6mm、開先角度35°）の半
自動溶接を行い、溶接部の性能及び作業性を調査した。
なお、溶接条件はDCEN、300A−24〜26Vである。作業性
の評価は、試験板作成時に観察したものである。

第３表は試験結果を示したもので、以下の如く考察さ
れる。

No.1〜No.10は本発明例であり、いずれも作業性（ビ
ード形状、スラグ剥離性、アーク安定性、スパッタ、ピ
ット）が優れていると共に、溶接性能（強度、曲げ延
性、靱性、溶接欠陥）も優れており、良好な結果が得ら
れている。特にスパッタ発生の軽減が顕著であった。

No.11〜No.12は金属炭酸塩の配合比が適切でない比較
例であり、多すぎるとアーク不安定で、スパッタ量が多
く、溶接性能も良くない。少なすぎるとビード形状、ス
ラグ剥離性が悪く、溶接性能も良くない。

No.13〜No.14は金属弗化物の配合量が適切でない比較
例であり、多すぎるとスパッタが多く溶接作業性が悪
い。少なすぎると溶接欠陥が多くなる。

No.15〜No.16はLiの配合量が適切でない比較例であ
り、少なすぎるとピットが多く、溶接性能も良くない。
多すぎるとビード形状の面で悪く、溶接性能も良くな
い。

No.17〜No.18は（金属弗化物）／（鉄粉）の比が適切
でない比較例であり、この比が高すぎるとスパッタが多
く、少なすぎると溶接性能が劣る。

No.19〜No.20はMg又はAlの配合比が適切でない比較例
であり、No.21〜No.22はMn又はNiの配合量が多すぎる比
較例であり、No.23〜No.24は鉄粉の配合比が適切でない
比較例であり、いずれの比較例も良い結果が得られなか
った。

またNo.25は（弗化ストロンチウム）／（金属弗化
物）の比が適切でない比較例であり、良い結果が得られ
なかった。

（発明の効果） 以上詳述した如く、本発明のセルフシールドアーク溶
接フラックス入りワイヤによれば、容易に健全な溶接部
を得ることができ、特に、従来のセルフシールドアーク
溶接では溶接性能（欠陥、曲げ性能等）が十分保障され
なかった横向溶接部の健全性を画期的に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は（弗化ストロンチウム）／（金属弗化物）の比
とスパッタ発生量との関係を示した図、 第２図は従来のフラックス入りワイヤ（Li無添加のも
の）における突き出し長さの変動によるピット発生状況
を示した図、 第３図は本発明のフラックス入りワイヤにおけるLi含有
量とピット数及びピットの発生しない上限電圧の関係を
示した図、 第４図は（金属弗化物）／（鉄粉）の比とスパッタ及び
溶着金属中のＮ量との関係を示した図、 第５図（ａ）〜（ｄ）はフラックス入りワイヤの断面形
状の一例を示す図である。 １……外皮金属、２……フラックス。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼製外皮中に、重量％で（以下、同じ）、 金属弗化物:15〜30％ 弗化ストロンチウム：金属弗化物の内 60％以上 金属炭酸塩:2〜15％ Li:0.1〜４％ Al:4〜15％ Mg:0.5〜10％ Mn:0.2〜８％ 鉄粉:30〜60％ 但し、金属弗化物／鉄粉:0.25〜0.7％を必須成分として
   含有する組成のフラックスをフラックス率が17〜23wt％
   となるように充填してなることを特徴とするセルフシー
   ルドアーク溶接フラックス入りワイヤ。
2. 【請求項２】Niをワイヤ全重量当たり0.2〜３％含有す
   る請求項１に記載のセルフシールドアーク溶接フラック
   ス入りワイヤ。
3. 【請求項３】Ti又はZrの１種以上をフラックス中に0.1
   〜２％含有する請求項１に記載のセルフシールドアーク
   溶接フラックス入りワイヤ。
4. 【請求項４】ワイヤの水分量が300〜2000ppmである請求
   項１に記載のセルフシールドアーク溶接フラックス入り
   ワイヤ。
5. 【請求項５】Li源としてAl−Li合金（Li含有量:1.5〜6.
   5％）粉末が使用される請求項１に記載のセルフシール
   ドアーク溶接フラックス入りワイヤ。