JP2675894B2 - 高強度オーステナイト系ステンレス鋼溶接用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、高強度オーステナイト系ステンレス鋼のガ
スシールドアーク溶接に用いるフラックス入りワイヤの
改良に係わり、さらに詳しくは多量の窒素を含有する高
強度オーステナイト系ステンレス鋼の溶接に当たり、母
材と同等の高い強度を得ることのできる高強度オーステ
ナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関
するものである。

（従来の技術） 最近ステンレス鋼は、耐食性、強度特性、外観の美し
さ等多くの長所を起つことから適用範囲が広がり、建築
用構造部材等強度部材としての用途が検討されつつあ
る。特に、窒素を添加して高強度を得るようにした高強
度オーステナイト系ステンレス鋼SUS304N2等は強度部材
として注目をあびている。

一方、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法とし
て被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、ティグ溶
接、ミグ溶接、フラックス入りワイヤによるガスシール
ドアーク溶接等種々があるが、中でもフラックス入りワ
イヤによるガスシールドアーク溶接は、高能率の溶接が
可能であるとして最近顕著に伸びている溶接方法であ
る。

しかしながら、JIS Z3323に規定されているYF−308タ
イプのオーステナイト系ステンレス鋼用フラックス入り
ワイヤでは強度が不充分であり、更に、該タイプに窒素
を添加してもSUS304N2等の高強度オーステナイト系ステ
ンレス鋼と同等の強度を得るのは困難であった。

又、オーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス
入りワイヤにおける窒素の添加は、特開昭60−191693号
公報にて外皮又はフラックスの一方又は両方にＮに換算
してワイヤ全重量に対して0.05〜0.4wt％含有せしめる
技術が開示されているが、Ｎの添加のみでは安定して強
度を確保するのが困難であった。

このような現状から、安定して優れた強度特性を有す
る溶接金属を得ることができ、且つ溶接作業性が良好で
本来の高能率溶接が可能なフラックス入りワイヤが強く
望まれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、以上のような問題点を解決すべくなされた
ものであって、その目的とするところは、窒素を添加し
て高強度を得るようにした高強度オーステナイト系ステ
ンレス鋼の溶接にあたって、引張強さが母材と同等の優
れた強度特性を有する溶接金属を得ることができ、しか
もアーク状態、スパッタの発生、スラグ剥離性、ビード
形状等溶接作業性も優れ高能率の溶接が可能な高強度オ
ーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイ
ヤを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、フラックス入りワイヤによる高強度オ
ーステナイト系ステンレス鋼のガスシールドアーク溶接
において優れた強度特性を有するよ溶接金属の確保と溶
接作業性の改善を目的として鋭意検討した。

その結果、ワイヤ中のC,Mn,Cr,Niの合金成分及びＮの
ガス成分量をそれぞれ適正範囲に制御し、且つ充填フラ
ックス中に主にスラグ剤としてのTiO₂,SiO₂,ZrO₂をそれ
ぞれ適正範囲含有せしめることによって、高強度オース
テナイト系ステンレス鋼の溶接においても母材と同等の
強度特性を有する溶接金属が得られ、且つ良好な溶接作
業性が得られることが明らかとなった。

本発明は、以上のごとき新たな知見に基づくものであ
って、その要旨とするところは、ワイヤ全重量に対し、
0.07〜0.10％のＣ、4.0〜5.0％のMn、23〜27％のCr、9.
5〜11.5％のNi、0.16〜0.33％のＮを、外皮及びフラッ
クスの一方又は両方に含有し、且つ0.7〜3.2％のTiO₂、
1.5〜3.7％のSiO₂、0.7〜3.2％のZrO₂によって主成分が
構成されるフラグ剤をフラックス中に含有することを特
徴とする高強度オーステナイト系ステンレス鋼溶接用フ
ラックス入りワイヤにある。

以下に本発明を作用と共に詳細に説明する。

（作用） まず、本発明のフラックス入りワイヤとは、第１図
（ａ）〜（ｄ）にその一例を示すような断面形状のワイ
ヤで、パイプ或は帯鋼から成る外皮１によって充填フラ
ックス２を被包したものであり、同図（ｂ）〜（ｄ）の
ごとく継目３を有するもの、或は同図（ａ）に示すよう
な継目のないものでもよい。

次に本発明の合金成分及びガス成分について説明す
る。

Ｃは強力なオーステナイト生成元素であり、侵入型に
固溶し強度を増大させるのに効果があり、ワイヤ全重量
に対して0.07％以上必要であるが、0.10％を超えるとCr
炭化物の析出による粒界腐食、孔食感受性が増大する。
従って0.07〜0.10％とする。

Mnはオーステナイト層の安定化と、高強度を得るため
の基本成分であるＮの溶解度を高くするために4.0以上
必要であるが、5.0％を超えるとスラグの剥離性等溶接
作業性が劣化する。従って4.0〜5.0％とする。

CrはNiとの共存のもとでオーステナイト系ステンレス
鋼としての基本特性である耐食性、耐酸化性、耐熱性、
強度特性を保持するため、又、高強度を得るのに必要最
小限のＮの溶解度を確保するために23％以上必要である
が、27％を超えると強度部材として必要な特性の一つで
ある靭性や延性が劣化し、さらに経済的にも高価にな
る。従って23〜27％とする。

Niは、Crとの共存のもとにオーステナイト系ステンレ
ス鋼としての基本特性である耐食性や強度特性を維持
し、又、オーステナイト層の安定化による靭性や延性の
確保には9.5％以上必要であるが、11.5％を超えてもそ
の効果は変わらず経済的に高価しなる。従って9.5〜11.
5％とする。

Ｎは、適当量のCr及びMnの存在で確保された溶解度及
びＮ自体のオーステナイト層の安定化効果と相まって、
固溶強化による溶接金属の安定して高い引張強度と優れ
た靭性、延性の確保に必須の成分であり、0.16％以上必
要であるが、0.33％を超えると引張強度の向上に効果が
なくなるばかりでなくブローホール発生やスラグ剥離性
劣化が生じてしまう。従って0.16〜0.33％とする。

なおここで言うワイヤ全重量に対する各成分の％と
は、ワイヤ外皮金属中の重量％をMc、充填フラックス中
の各成分の重量％をM_F、ワイヤ全体の中の充填フラック
スの割合（重量比）をＲとした場合、（１）式により算
出した値M_Wを意味する。

M_W＝（１−Ｒ）×M_C＋Ｒ×M_F ……（１） TiO₂は、アークの吹き付け、安定性を向上させ、更に
溶接金属を均一に被包し、しかも追従性の良好なスラグ
を形成し、ビード形状を良好にするが0.7％未満では、
その効果が不十分であり、3.2％を超えるとスラグの流
動性が劣化し、スラグ被包性が悪くなるので0.7％〜3.2
％とする。

原材料としてはルチール、チタン白、チタンスラグ、
イルミナイト更にはチタン酸カリ、チタン酸ソーダ、チ
タン酸カルシウム等のチタン酸塩等が単独、或は複合で
用いられる。

SiO₂は被包性の良いスラグを形成するのに必要な成分
であるが、1.5％未満では、その効果が発揮できず、ス
ラグ被包性が劣化するが、3.7％を超えるとスラグの粘
性が増しスラグ巻込みを発生しやすくするので1.5〜3.7
％とする。

原材料としてはケイ砂、ケイ石の他、ケイ灰石、ジル
コンサンド、カリ長石等の副成分を利用できる。

ZrO₂は、スラグの凝固を円滑にするとともにスラグの
粘性を調整し、良好なスピード形状を得るのに効果があ
る。ZrO₂の添加量が0.7未満ではその効果が不十分であ
り、3.2％を超えると凝固が早くなりすぎ、スラグ巻込
み等の欠陥が発生しやすくなるので0.7〜3.2％とする。
原材料としては酸化ジルコニウム、ジルコンフラワー、
ジルコンサンド等を用いる。

本発明の構成は上記の通りであるが、この他アークの
安定性、スラグの被包性、剥離性向上のためにFeO,Al₂O
₃,NaF等を添加することができる。

ここで本発明の高強度オーステナイト系ステンレス鋼
溶接溶フラックス入りのワイヤの製造方法について言及
すると、例えば外皮を帯鋼より管状に成形する場合に
は、配合、撹拌した充填フラックスＵ型成形した溝に満
たした後丸形に成形し、所定のワイヤ径迄伸線し、必要
に応じて100〜500℃で30分以上乾燥するものである。

又、外皮がパイプの場合は、充填フラックス及びパイ
プを振動させてフラックスをパイプに充填する。この場
合、充填フラックスを混合、撹拌したそのままの状態で
充填すると、充填がスムーズに行われず不均一になった
り、途中につまって充填不可能になったりして均一な充
填が比較的難しいが、充填フラックスを珪酸カリや珪酸
ソーダの水ガラスで湿式混合し粒状にすることによっ
て、充填フラックスの流動性が良くなり充填がスムーズ
に行われ均一な充填が可能となる。

珪酸カリや珪酸ソーダの水ガラスの添加量は、本発明
のフラックス組成の場合、フラックス100kgに対して３
〜15リットル程度で十分である。充填を行った後、所定
のワイヤ径迄伸線する。

（実 施 例） 第１表に示すステンレス鋼のパイプ及び帯鋼を用い第
２表に示す組成のワイヤ1.2mm^φを製造した。

なお、外皮としてパイプ記号Ｐ−1,P−2,P−３を用い
たものは第１図（ａ）に示すシームレスタイプ、帯鋼記
号Ｈ−１を用いたものは第１図（ｂ）、帯鋼記号Ｈ−２
を用いたものは第１図（ｄ）に示す断面形状とした。

第２表に示すワイヤのJIS Z3323に規定された方法に
基づいた溶接金属の分析結果を第３表に示す。

第２表のワイヤを用いて第４表に示す板厚20mmの代表
的な高強度オーステナイト系ステンレス鋼SUS304N2に対
して、下向姿勢にて溶接を行った。開先形状は第２図に
示す通りで、母材１の板厚T;20mm、母材２の板厚;6mm、
開先角度θ;70゜、ルートギャップG;6mmとした。この時
の溶接条件は、電流170〜230A（直流逆極性）、電圧28
〜32V、速度35〜45cm/min、100％CO₂;20リットル/minの
シールドとした。

この溶接において、溶接作業性、引張強度、衝撃靭性
及び側曲げ性能を評価した。その結果を第５表に示す。

Mn量が不足したワイヤNo.11は、溶接作業性、引長強
度に問題があり、側曲げ試験においても欠陥が認められ
た。

TiO₂量及びNi量が不足したワイヤNo.12は、溶接作業
性、衝撃靭性に問題があり、側曲げ試験においては割れ
が発生した。

SiO₂量が過剰でＣ量が不足したワイヤNo.13は、溶接
作業性、引長強度に問題があり、側曲げ試験においても
欠陥が認められた。

Cr量が過剰になったワイヤNo.14は、衝撃靭性に問題
があり、側曲げ試験においては割れが発生した。

TiO₂量及びMn量が過剰になったワイヤNo.15は、溶接
作業性に問題があり、側曲げ試験においても欠陥が認め
られた。

ZrO₂量及びＮ量が過剰になったNo.16は、溶接作業性
に問題があり、側曲げ試験においても欠陥が認められ
た。

SiO₂量が不足しNi量が過剰になったワイヤNo.17は、
溶接作業性に問題があり、側曲げ試験においても欠陥が
認められた。

Ni量が過剰になりＮ量が不足したワイヤNo.18は、引
長強度に問題があった。

ZrO₂量が不足しＣ量が過剰になったワイヤNo.19は、
溶接作業性、衝撃靭性に問題があり、側曲げ試験におい
ても欠陥が認められた。

Cr量が不足したワイヤNo.20は、引張強度に問題があ
った。

これらに対し、C,Mn,Cr,Ni,Nを外皮及びフラックスの
一方又は両方に適正量含有し、且つTiO₂,SiO₂,ZrO₂をフ
ラックス中に適正量含有する本発明ワイヤNo.1〜10の場
合には、溶接作業性、機械的性能のいずれも極めて良好
であった。

なお、溶接作業性の評価は、実用上良好な場合を○、
実用上若干問題がある程度を△、実用に供し得ない程度
に不良な場合を×と判定した。継手引長試験では、70kg
f/mm²以上を良好、これ未満を不良と判定した。また、
衝撃試験では、2.8kg f・ｍ以上を良好、これ未満を不
良と判定した。

側曲げ試験では、２本の試験片全てが無欠陥の場合を
良好、それ以外を不良と判定した。

（発明の効果） 以上のように本発明は、高強度オーステナイト系ステ
ンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ
全重量に対してC,Mn,Cr,Ni,N量を特定し、且つ充填フラ
ックス中のTiO₂,SiO₂,ZrO₂の量を特定することにより、
溶接作業性が良好で、溶接欠陥も無く機械的性質も極め
て優れた溶接金属を容易に得ることのできるフラックス
入りワイヤを提供するものであって、特に強度部材とし
ての高強度オーステナイト系ステンレス鋼の高能率溶接
に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は各種フラック
ス入りワイヤの断面形状を示す模式図、第２図は下向溶
接を行ったSUS304N2の鋼板の開先形状を示す断面図であ
る。 １……外皮、２……充填フラックス ３……継目

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石坪 紀久雄 神奈川県相模原市淵野辺５―10―１ 新 日本製鐵株式会社第二技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−191693（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−212192（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−251395（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−36996（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−86699（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−39193（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−16796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−137094（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−104291（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−59079（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平６−32872（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平５−47318（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平５−18679（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平７−83952（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許3585352（ＵＳ，Ａ) 特許2592637（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワイヤ全重量に対し、0.07〜0.10％のＣ、
   4.0〜5.0％のMn、23〜27％のCr、9.5〜11.5％のNi、0.1
   6〜0.33％のＮを、外皮及びフラックスの一方又は両方
   に含有し、且つ0.7〜3.2％のTiO₂、1.5〜3.7％のSiO₂、
   0.7〜3.2％のZrO₂によって主成分が構成されるフラグ剤
   をフラックス中に含有することを特徴とする高強度オー
   ステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイ
   ヤ。