JP3026897B2

JP3026897B2 - 非低水素系被覆アーク溶接棒

Info

Publication number: JP3026897B2
Application number: JP5075058A
Authority: JP
Inventors: 正夫梅木; 功長野; 豊高橋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 2000-03-27
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JPH06262391A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スラグ剥離性を著しく
改善すると共に、溶接機の無負荷電圧が低い場合でも耐
アーク切れ性が良好で、溶接作業能率の向上が図れ、か
つ良好な溶接作業性を確保できる全姿勢用非低水素系被
覆アーク溶接棒（以下非低水素系棒と称する）に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】非低水素系棒は、低水素系被覆アーク溶
接棒に比較してアーク状態やビード形状などの溶接作業
性が良好であり、幅広い構造物の鋼材へ適用され、汎用
性に富む溶接棒であることは周知の通りである。しか
し、非低水素系棒は、一般に過酷な溶接条件下で使用さ
れる場合が多く、特に近年では、薄板の狭隙な開先に対
しても作業能率向上を目的として高目の電流が使用され
るようになった。この状況に伴い、アーク力と入熱の増
加によりビードが凸形状を呈し、スラグ剥離性の劣化を
招いていた。

【０００３】また、溶接機の無負荷電圧が低い場合に溶
接すると、溶接の途中でアークが切れることがある。こ
の現象を生ずると、一般的には被覆筒をたたき砕いて再
アークさせる訳だが、鋼心線が露出することになる。こ
のまま再アークさせようとすると溶接棒の先端が被溶接
物に短絡したり、この部分では溶接金属にブローホール
やピットが生ずることがあり、溶接作業能率の低下や健
全な溶接金属を得られない問題点があった。

【０００４】ところで、スラグ剥離性の向上について
は、特公昭６０−４０９６０号公報ですでに提案されて
いる如く、ステンレス鋼用被覆アーク溶接棒（低水素
系）において被覆剤中にＳ，Ｓｅなどの周期律表第６族
の表面活性元素の単体または化合物を微量添加すること
により、溶接金属と溶接スラグの界面張力を低下させる
ことで実用化されている。そこで本発明者らは、この手
法を非低水素系棒に適用し、実験したところ溶接金属中
のＳの増加を招き、溶接金属の耐割れ性が劣化すること
がわかった。

【０００５】また、特公昭６１−３５９７号公報は、非
低水素系棒に関するものであり、被覆剤成分中のＭｇＯ
によってスラグの粘性を維持しつつ、結晶水から発生す
る水素を該スラグ中に拡散させて多孔質化し、これによ
ってスラグの剥離性を向上させようとするものである
が、高電流使用時においては良好なスラグ剥離性を得る
ことができなかった。

【０００６】一方、アーク切れを撲滅するために非低水
素系棒では次のような提案がなされている。即ち、特開
昭６１−１９５７９６号公報では焼成マンガン中の総Ｍ
ｎ酸化物含有率およびＭｎＯ₂ の含有率を規定し、この
焼成マンガンの被覆剤中含有率を規定することにより、
アーク切れを防止しようとするものである。この手法
は、スラグの粘性が低下し立向姿勢で溶接金属が垂れ易
くなり、さらにスパッタも増加し溶接作業性の劣化が生
ずる問題があった。

【０００７】このように、非低水素系棒において良好な
スラグ剥離性を確保しつつ、耐アーク切れ性を向上でき
る改善策が見あたらないのが実状であり、非低水素系棒
を使用する業界においてこれらの課題に対する改善は急
務であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上の実状に鑑みて、
本発明は非低水素系棒のスラグ剥離性を良好にすると共
に溶接機の無負荷電圧が低い場合でも耐アーク切れ性に
優れ、溶接作業能率の向上が図れる全姿勢用の非低水素
系棒を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した要望
に応えるために、種々被覆剤成分を検討し、良好なスラ
グ剥離性と耐アーク切れ性を確保したものであって、そ
の要旨とするところは、ＣａＣＯ₃ ；５〜２２重量％
（以下％と称する）、ＴｉＯ₂ ；１３〜３５％、ＳｉＯ
₂ ；１１〜２４％、酸化鉄の１種もしくは２種以上の合
計；１．７％以下、Ｍｎ；１．４〜６．５％、Ｆｅ；１
５〜４３％、有機物；１．５〜７．３％、を有する被覆
剤よりなることを特徴とする非低水素系棒にある。

【００１０】

【作用】スラグ剥離性の劣化の原因は、溶融スラグが凝
固する過程での膨張率に対する収縮率の差が小さいこと
や、形成されたスラグの密度が高くビード表面積に対す
るスラグの接触面積が大きいことによるとされる。さら
に大きな原因としてビードが凸形状を呈するとスラグが
ビード止端部へ付着し易くなることが知られている。

【００１１】そこで本発明者らは鋭意研究の結果、被覆
剤に添加する酸化鉄の１種もしくは２種以上の組合せの
いかんにかかわらず酸化鉄の合計量を極力抑えることに
より、スラグの熱膨張と収縮の差を大きくすることがで
き、またスラグの凝固が速くなることによりスラグにガ
スが閉じ込められ易くなり、多孔質なスラグを形成でき
スラグ剥離性改善に有効であることがわかった。さら
に、スラグの粘性が高まるのでスラグの被包性が良くな
りビード形状が平滑となるので、これもスラグ剥離の改
善に寄与できることを見いだした。

【００１２】一方、酸化鉄はアーク電圧を高める作用が
あるので過剰に多く添加されると無負荷電圧よりも再点
弧電圧が高くなり溶接中にアーク切れが生じ易くなるこ
とを突き止めた。従って、非低水素系棒においては、特
に溶接機の無負荷電圧が低い場合でも耐アーク切れ性を
良好にするには被覆剤中の酸化鉄を極力少なく添加する
ことが肝要であることもわかった。なお、ここでいう酸
化鉄とはＦｅＯ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ₃ Ｏ₄ を意味する。
このように酸化鉄の合計量を抑制することは、スラグ剥
離性と耐アーク切れ性に有効であるがその上限の値を見
いだすことも本発明を完成させる上で重要なポイントで
あった。

【００１３】以下に酸化鉄の量について検討した結果を
詳述する。まず、酸化鉄を１種もしくは２種以上の組合
せで被覆剤中に添加し、その酸化鉄の合計量がスラグ剥
離性とアーク切れ回数にどのように影響するか調査し、
その適正含有量を把握するために次のような実験を行っ
た。すなわち表１に示す全姿勢用非低水素系棒の被覆剤
に対して酸化鉄の合計量が０〜４．２％となるように変
化させ、これを直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩ
ＳＧ３５２３，ＳＷＹ１１の軟鋼心線に被覆塗装し、
乾燥して溶接棒を作成し、交流溶接機の無負荷電圧７０
Ｖにおけるスラグ剥離性とアーク切れ回数を調査した。

【００１４】

【表１】

【００１５】スラグ剥離性の調査では、板厚６．０ｍ
ｍ、開先形状５０°Ｖ開先の軟鋼板を用いて立向および
下向突合せ溶接を実施し、立向突合せ溶接では、溶接電
流１２０Ａ、溶接速度６ｃｍ／ｍｉｎを使用し、下向突
合せ溶接では溶接電流１６０Ａ、溶接速度１５ｃｍ／ｍ
ｉｎとした。判定は、立向突合せ溶接と下向突合せ溶接
の総合判定であり、その基準は○印を良好（チッピング
ハンマーによる軽打でスラグ除去）、△印をやや不良
（チッピングハンマーによりやや強打でスラグ除去）、
×印を不良（チッピングハンマーによる強打でスラグ除
去）とした。

【００１６】アーク切れ回数調査では、板厚４．５ｍ
ｍ、幅５０ｍｍ、長さ５００ｍｍに軟鋼板をＴ型に組
み、水平すみ肉の溶接姿勢で電流１６０Ａを使用し、溶
融棒長さ３００ｍｍの間にアーク切れした回数を調査し
た。値は供試溶接棒５本の平均値であり、１．０回未満
を良好、１．０回以上３．５回未満をやや劣る、３．５
回以上を劣るとした。

【００１７】以上の試験から得られた結果を図１のグラ
フに示す。酸化鉄の合計が２．１％以上ではスラグが緻
密化することや、スラグの粘性低下によってスラグの被
包性が劣化し、凸ビードを呈することなどに起因してス
ラグ剥離性が悪くなった。また、酸化鉄の合計が１．７
％を超えるとアーク力が強くなって、アーク電圧も高く
なると共に再点弧電圧も上昇するので溶接途中でアーク
が切れ易くなり、平均で１．０回を超えるようになっ
た。

【００１８】このように、スラグ剥離性では、酸化鉄の
合計が２．１％未満であれば良好であり、耐アーク切れ
性については、１．７％以下が良好であったが、本発明
の目的とするのはスラグ剥離性を満足しつつ耐アーク切
れ性を良好にするものであるので酸化鉄の合計は１．７
％以下にすべきであることがわかった。

【００１９】以下本発明における各成分の作用と成分範
囲限定の理由を述べる。ＣａＣＯ₃ ；５〜２２％ＣａＣＯ₃ は、主としてガス発生剤としての作用をなす
もので、アーク力を確保し、スラグの流動性や粘性を調
整するために添加する。５％未満ではスラグの溶融点が
低下し、スラグの流動性が過剰となって良好なビードが
できない。また、ガス発生量が不足するため大気の影響
を受け、ピットやブロホールが発生するので不適当であ
る。一方、２２％を超えるとガス発生量が過剰となり、
アークが不安定となりスパッタが増加し、スラグの被包
性が悪くなりビード外観は不良となる。

【００２０】ＴｉＯ₂ ；１３〜３５％ＴｉＯ₂ はスラグ生成剤および粘性調整として作用し、
スラグの被包性を高め、さらにはアーク安定剤としても
効果がある。１３％未満ではアークの安定性が劣化して
スパッタの飛散が多くなり、スラグの被包性が悪くなる
のでビード外観も劣化する。一方３５％を超えるとアー
ク力が弱くなり高電流を用いて溶接すると溶接棒が赤熱
して被覆剤が機能低下すると共にスラグの粘性が高くな
って立向姿勢ではスラグの流動性が悪くなりビードが凸
形状を呈するようになる。

【００２１】ＳｉＯ₂ ；１１〜２４％ＳｉＯ₂ は耐火剤およびスラグ調整剤として作用し、１
１％未満ではスラグの被包性が悪くビードの伸び率が小
さい。また、アークが荒くなりスパッタの発生も多い。
２４％を超えると被覆筒が深くなり過ぎてアーク状態が
悪くなりビード形状が悪くなる。

【００２２】酸化鉄の１種もしくは２種以上の合計；
１．７％以下酸化鉄はスラグ生成剤として作用するが、その合計を極
力少なくしたのは本発明でもっとも重要な部分であり、
スラグを多孔質化しビードを平滑にすることでスラグ剥
離性を良くすると共に、再点弧電圧を低下させるので無
負荷電圧が低い場合でも溶接中にアーク切れしにくくす
る効果を発揮するものである。酸化鉄の１種もしくは２
種以上の合計で１．７％以下とした理由は次の通りであ
る。すなわち、スラグ剥離性は２．１％未満であればス
ラグの多孔質化と平滑ビードにより良好であるものの、
耐アーク切れ性においては１．７％以下の場合に適度な
アーク電圧となり極めて良好となるので、双方を満足さ
せるには１．７％以下にする必要がある。

【００２３】Ｍｎ；１．４〜６．５％本発明においてＭｎは、溶接作業性や合金剤の機能を併
有している。１．４％未満では、スラグの流動性が悪く
なりビードの波形が乱れビード外観が劣化し、合金剤と
して作用しない。６．５％を超えるとスラグの粘性が低
下することで立向や上向溶接で溶接金属が垂れ落ち凸ビ
ードを形成する。

【００２４】Ｆｅ；１５〜４３％Ｆｅは、電気伝導性を向上させ、アークの再発生を良好
にすると共に溶着量を増大し溶接作業能率を向上させる
ために添加する。１５％未満ではアークの再発生が極め
て困難となる。４３％を超えると被覆筒が浅くなりアー
クが不安定で短絡し易く、被覆の電気伝導性が過剰に良
くなり被覆筒以外でもアークが発生し安全上好ましくな
い。

【００２５】有機物；１．５〜７．３％有機物は、溶接時に被覆筒先端部を炭化させ鉄粉と共に
アークの再発生を良好にするのに大いに役立つことと、
アークの吹付け強さを適度にするために添加する。１．
５％未満では、アークの再発生が困難であると共にアー
クの吹付けが不足し十分な溶込みは得られず、スラグ巻
込みなどの溶接欠陥が生じ易くなる。７．３％を超える
とアークの再発生は良好となるが、アークの吹付けが強
くなりアンダカットが発生し易くなり、立向姿勢におい
ては溶融金属が垂れ落ち、高電流を使用すると被覆剤が
変質し棒焼け現象が生じ健全な溶接金属が得られない。

【００２６】なお、本発明の固着剤には、ＳｉＯ₂ ，Ｋ
₂ Ｏ，Ｎａ₂ Ｏを主成分とするものを使用した。

【００２７】

【実施例】次に本発明の効果を実施例によりさらに具体
的に述べる。表２に示す組成および構成の被覆剤を直径
３．２ｍｍ、長さ３００ｍｍのＪＩＳＧ３５２３Ｓ
ＷＹ１１の軟鋼心線に被覆塗装した後に乾燥して、２０
種類の供試溶接棒を作成し、無負荷電圧を７０Ｖにした
交流溶接機を使用して、以下の条件でスラグ剥離性、耐
アーク切れ性および、溶接作業性を調査した。

【００２８】

【表２】

【００２９】スラグ剥離性の調査では、板厚６．０ｍ
ｍ、開先形状５０°Ｖ開先の軟鋼板を用いて立向および
下向突合せ溶接を実施し、立向突合せ溶接では、溶接電
流１２０Ａ、溶接速度６ｃｍ／ｍｉｎを使用し、下向突
合せ溶接では溶接電流１６０Ａ、溶接速度１５ｃｍ／ｍ
ｉｎとした。

【００３０】判定は、立向突合せ溶接と下向突合せ溶接
の総合判定であり、その基準は○印を良好（チッピング
ハンマーによる軽打でスラグ除去）、△印をやや不良
（チッピングハンマーによりやや強打でスラグ除去）、
×印を不良（チッピングハンマーによる強打でスラグ除
去）とした。

【００３１】アーク切れ回数調査では、板厚４．５ｍ
ｍ、幅５０ｍｍ、長さ５００ｍｍの軟鋼板をＴ型に組
み、水平すみ肉の溶接姿勢で電流１６０Ａを使用し、溶
融棒長さ３００ｍｍの間にアーク切れした回数を調査し
た。値は、供試溶接棒５本の平均値であり、１．０回未
満を良好、１．０回以上３．５未満をやや劣る、３．５
回以上を劣るとした。

【００３２】溶接作業性では、立向突合せ、下向き突合
せ、Ｔ型水平すみ肉の溶接を行い、それぞれ前述の試験
片と溶接条件を使用して、アーク状態、スラグ状態、ビ
ード外観などを調査した。その判定は各溶接姿勢を総合
判定し、○印を良好、△印をやや劣る、×印を劣るとし
た。

【００３３】また、スラグ剥離性、耐アーク切れ性およ
び溶接作業性を総合判定し、○印を良好、△印をやや劣
る、×を劣るとした。これら溶接条件における各々の判
定と総合判定を行ったところ表２に示すような結果が得
られた。

【００３４】Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は本発明例、Ｎｏ．
１１〜Ｎｏ．２０は比較例を示す。本発明低水素系棒の
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０は個々の成分が本発明の要件を満
足しており、酸化鉄の合計量が１．７％以下の含有率で
あるのでスラグ剥離性が良好で、無負荷電圧の低い場合
でもアーク切れ回数が少なく、同時に優れた溶接作業性
を有している。

【００３５】比較例Ｎｏ．１１は、酸化鉄の合計が少な
いのでスラグ剥離性と耐アーク切れ性は良好であるが、
ＣａＣＯ₃ が少なく、ＴｉＯ₂ とＳｉＯ₂ が過剰に添加
されているのでアーク力が弱くなり、ビード外観も劣化
し溶接作業性が悪くなった。

【００３６】Ｎｏ．１２は、ＣａＣＯ₃ が多過ぎるため
アークが不安定となり、ＳｉＯ₂ とＭｎが少ないのでビ
ード外観が劣化し、溶接作業性が悪くなった。

【００３７】Ｎｏ．１３は、酸化鉄が多過ぎるのでスラ
グ剥離性と耐アーク切れ性が悪くなり、ＳｉＯ₂ が多く
Ｆｅが少ないのでアーク状態やビード外観などの溶接作
業性がやや劣化した。

【００３８】Ｎｏ．１４とＮｏ．１５は、酸化鉄が多い
ので耐アーク切れ性は悪いが、酸化鉄の添加量が２．１
％以下なのでスラグ剥離性は良好であった。また、Ｎ
ｏ．１４ではＦｅが過剰に添加されるのでアークが不安
定となって溶接作業性がやや劣化した。

【００３９】Ｎｏ．１６はＴｉＯ₂ と有機物が少なくＦ
ｅが多過ぎるのでアーク状態やビード外観などの溶接作
業性が極めて悪くなった。

【００４０】Ｎｏ．１７は、Ｍｎと有機物が多いので、
アーク力が強くなり過ぎ、スラグの粘性も低下するの
で、立向姿勢においてはビードが垂れ易くなりビード外
観が劣化した。

【００４１】Ｎｏ．１８は、酸化鉄が多いのでスラグ剥
離性と耐アーク切れ性が劣化し、ＴｉＯ₂ が多くＣａＣ
Ｏ₃ とＭｎが少ないのでスラグの粘性が高くなって、ビ
ード外観が悪くなり溶接作業性の劣化を招いた。

【００４２】Ｎｏ．１９は、酸化鉄が多過ぎるのでスラ
グ剥離性と耐アーク切れ性は極めて悪く、さらにＳｉＯ
₂ と有機物が少な過ぎるので、アーク力が不足しアーク
状態やスラグ状態の溶接作業性が劣化した。

【００４３】Ｎｏ．２０は、酸化鉄が２．０％なのでス
ラグ剥離性は良好であるが、耐アーク切れ性はやや劣っ
ていた。また、ＣａＣＯ₃ と有機物及びＭｎが多いの
で、アーク力が強くなり過ぎると共にスラグの被包性も
悪くなり溶接作業性が劣化した。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非低水素
系棒は全姿勢の過酷な溶接において、スラグの剥離性が
良好であると共に、無負荷電圧が低い場合でもアーク切
れが極めて少なく、かつ良好な溶接作業性を確保したも
のである。このような効果をもたらす本発明非水素系棒
は、造船、橋梁、建築などに使用され、現場作業の溶接
作業能率を著しく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】酸化鉄の合計量を変化させた場合のアーク切れ
回数およびスラグ剥離性を示すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−111791（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−207496（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/365

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣａＣＯ₃ ；５〜２２重量％ＴｉＯ₂ ；１３〜３５重量％ＳｉＯ₂ ；１１〜２４重量％酸化鉄の１種もしくは２種以上の合計；１．７重量％以
下Ｍｎ；１．４〜６．５重量％Ｆｅ；１５〜４３重量％有機物；１．５〜７．３重量％を有する被覆剤よりなることを特徴とする非低水素系被
覆アーク溶接棒。