JP3566131B2 - セルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤ - Google Patents
セルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、優れた溶接作業性を有し、かつ、溶接して得られる溶接金属が優れた耐気孔性と高い靱性を得ることができるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤは、従来、シールドガスを用いずに溶接できる簡便性から、土木、建築を中心に利用されてきた。しかし、従来のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤは、シールドガスを使用する通常の半自動溶接用ワイヤに比べ、溶接作業性が悪い上に、得られる溶接金属の靱性も低い。そのため、例えば特開平３−１１８９９３号公報、特開平４−１３４９７号公報、特開平５−３９３号公報に記載されているように、これまでにも溶接作業性の改良や高靱性化への取り組みがなされてきたが、溶接作業性と高靱性の両方を兼ね備えた溶接用ワイヤはいまだ開発されるに至っていない。その結果、溶接金属の機械性能の要求値が高い部位での使用が制限され、広く普及していないのが実情である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題に鑑み、優れた溶接作業性を有し、かつ、溶接によって得られる溶接金属が優れた耐気孔性と高い靱性を得ることのできるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために研究を重ねた結果、作業性を良好にする方法、すなわち、安定なアークを得て、かつ、スパッタ発生量を少なくする方法と、さらに良好なビード外観を有し、かつ、耐気孔性に優れ、しかも高い靱性を有する溶接金属を得ることができるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤを完成するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、フラックスが鋼製外皮内に充填されたセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤであって、ワイヤ全重量に対してフラックス成分がwt％で、
Ａｌ：１．５〜４．０％、
Ｍｇ：０．５〜２．０％、
Ｂａ：１．０〜４．８％、
Ｌｉ：０．０５〜４．００％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｃ ：０．０１〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｆ ：０．５〜４．０％、
Ｏ ：０．１〜２１．０％、
Ｓｒ：０．０１〜２．００％
を主成分として有し、かつ下記式で定義されるＦＰ値が０．００以上とされたものである。
ＦＰ＝Ｃ−0.145 Ｓｉ＋0.013 Ｍｎ−0.228 Ａｌ＋0.199 Ｎｉ＋0.393
ただし、ＰＦ式中の元素記号はその元素のワイヤ全重量に対する含有量wt％を意味する。
【０００６】
本発明のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤのフラックス成分限定理由を説明するに際し、まず、アークを安定化させる方法、スパッタを低減させる方法、耐気孔性を向上させる方法、溶接金属の靱性を向上させる方法におけるフラックス成分の作用、機能を説明する。
【０００７】
アークの安定化についてはＡｌ、Ｂａ、Ｍｇの同時添加が有効である。Ａｌはアーク中の高温状態で容易に蒸発し、次に、イオン化し、アーク中の電子の供給源として作用する。この際、有効にＡｌガスを発生させるためにフラックスとして金属状態、あるいは合金状態のＡｌを使用することが効果的であるが、金属Ａｌ表面には強固な酸化物が形成されて、この酸化物がＡｌの円滑な蒸発を妨げる。ここに、Ｍｇを添加するか、Ｍｇとの合金化を施すことで、この強固な酸化物が加熱過程で除去され、有効にＡｌを蒸発イオン化させることが可能となる。
【０００８】
さて、ＡｌとＭｇを添加した状態での溶滴の移行状態は、グロビュール移行とよばれる、溶滴の大きさがワイヤ径よりも大きな溶滴の移行状態となるため、アークが溶滴の移行とともに点滅し、好ましくない。ここに、弗化バリウムや炭酸バリウムなどのＢａ化合物を添加すると、溶滴の表面状態が変化し、溶滴の径が小さいスプレー移行となり、安定的なアーク状態が実現される。このように安定的なアークを得るためにはＡｌ、Ｍｇ、Ｂａの同時添加が必要である。
【０００９】
次に、スパッタの抑制法について説明する。セルフシールド溶接におけるスパッタ発生として、▲１▼アークの明滅に起因するスパッタ、▲２▼窒素起因のスパッタ、▲３▼溶融プールからのスパッタなどが考えられる。
【００１０】
前記▲１▼のアーク明滅が原因となるスパッタはＡｌ、Ｍｇ、Ｂａの同時添加によるアークの安定化によって減少させることができる。
【００１１】
前記▲２▼の窒素起因のスパッタが発生するメカニズムは以下のとおりである。まず、アーク中に侵入した窒素が、アークの温度によって容易に解離して窒素原子となる。窒素原子は鉄溶滴に容易に侵入する。そして、窒素プラズマ中での溶融鉄への窒素溶解量は、窒素ガス中の窒素溶解量の約２０倍と言われているので（日本金属学会会報第２２巻第５号１９８８年４１２Ｐ）、アークプラズマ中で窒素を十分吸収した鉄溶滴がプラズマ外に移動すると、窒素は直ちに気化し、溶滴外へ放出される。この際、溶滴の一部を爆発的に吹き飛ばしながら窒素放出が行われるので、スパッタが発生する。
【００１２】
上述のメカニズムで発生するスパッタを抑制するためには、二通りの方法が考えられる。まず、第１の方法はアーク中の窒素濃度を減少させることである。その方法としてはガス発生剤としてのフラックス量の増加が有効である。そのため、セルフシールド溶接用ワイヤに充填するフラックス量は多いほうよい。混入窒素低減のためのガス発生剤として蒸発しやすい物質であるＭｇや、弗化バリウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウムなどの弗化物や、炭酸バリウムなどの炭酸化合物が有効である。次に、第２の方法としてＡｌの添加が有効である。すなわち、プラズマ領域で窒素原子を十分に吸収した溶滴は、プラズマ外で窒素を放出するが、Ａｌが添加されていると、ＡｌＮを形成することで放出する窒素量を低減させ、結果的にスパッタを減らすことができる。以上のようにワイヤ中のＡｌとＭｇを増加させればスパッタは抑制できる。
【００１３】
前記▲３▼の溶融プールからのスパッタ抑制には、スラグによる溶融プールの揺らぎ抑制と流動性制御が有効である。スラグは主にＢａ、Ｓｒ、Ｃａの弗化物、炭酸塩、酸化物の形態で形成されるが、さらに、スラグによる溶融プールの性状制御にはＳｉとＬｉ添加が有効である。Ｓｉはアーク中の酸素あるいはフラックス中の酸素と結合し、溶接金属上でＳｉ酸化物となりスラグを形成する。Ｓｉ酸化物は溶融状態で高い粘性を有し、溶融プールが激しく振動するのを抑制し、その結果、溶融プールから発生するスパッタを抑制する。しかし、一方で、Ｓｉ酸化物はその高い粘性のために流れが悪く、溶融金属全体に覆い被さらず、スラグカバー率の低下を引き起こす。スラグに適度な粘性を持たすためにはＬｉの添加が適当であり、Ｌｉ添加によって、適当な粘度を有した溶融スラグが形成され、その結果、溶融プールの安定化とスラグカバー率向上の両方が実現される。
【００１４】
さて、上述のＬｉ、ＳｉならびにＡｌ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｏ、Ｆの働きによって、ビードに覆い被さるスラグの性状は変化する。これらの元素の添加量によってはスラグが形成されなかったり、あるいは、スラグの粘性が高すぎたり、低すぎたりするし、また、ビードの幅や高さが不均一になったり、スラグがビードにかみこむためにビードの形状がいびつになるなどの不具合が生じる。適当な成分調整によって、得られる溶接金属の外観が良好となる。
【００１５】
次に、溶接金属の耐気孔性を向上させる方法を説明する。Ｍｇはガス発生によってアーク中の窒素濃度を減少させ、気孔の発生を抑制する効果がある。Ａｌは溶解した窒素を固定し、気孔の発生を抑制する働きがある。すなわち、溶接金属中の気孔は、溶接金属が凝固するときに発生するが、凝固寸前にＡｌが溶解窒素をＡｌＮの形で固定するため、気孔の発生を抑制することが可能となる。
【００１６】
次に、溶接金属の靱性を向上させる方法について述べる。ワイヤ中のＡｌを増加させると、溶接金属中のＡｌ量も同時に増えて溶接金属の靱性が劣化する。従って、従来技術では、溶接作業性を向上させるためにＡｌを増やせば溶接金属の靱性は低下し、逆に、溶接金属の靱性を向上させるためにワイヤ中のＡｌ量を減らせば、溶接作業性が劣化するため、溶接作業性と溶接金属靱性の両方の特性を満足するセルフシールド溶接用ワイヤは得られなかった。そこで、本発明では、スパッタ低減に効果的なワイヤ中のＡｌ量を増加させつつ、溶接金属の靱性を向上させ、溶接作業性と溶接金属靱性をともに満足させる方法を考案すべく、ワイヤ中のＡｌと溶接金属中のＡｌの働きを注意深く分離し、その働きを明確にした。すなわち、スパッタは、溶滴移行中の溶滴中のＡｌ量に依存するが、溶接金属中のＡｌ量には左右されない。一方、溶接金属の靱性は溶接金属中のＡｌ量に支配される。このことから、溶滴移行後、鉄スラグ反応によって溶接金属中のＡｌを除去し、溶接金属中のＡｌ量を低減することができれば、溶接作業性を損なうことなく、高靱性の溶接金属を得ることができる。さらに、溶接金属中にＡｌが含まれていても溶接金属中の靱性を向上させることのできる元素を添加することで積極的に溶接金属靱性を向上させることができる。
【００１７】
鉄スラグ反応によって溶接金属中のＡｌを除去するには、フラックス中に積極的に酸化物、あるいは炭酸化合物、あるいは酸素を含有する化合物を充填すればよい。フラックス中に酸化物を充填すれば、溶滴移行後、溶接金属上部に覆い被さったスラグと溶接金属界面でのメタルスラグ反応によって溶接金属中からＡｌを除去することができる。ここで、もっとも効果の大きいものはＬｉ系酸化物である。なぜなら、Ｌｉ系酸化物は融点が低くメタルスラグ反応によるＡｌ除去がＦｅ 凝固寸前の低温まで、有効に作用するからである。こうして、得られる溶接金属中のＡｌは酸化物によって低減させられ、その結果溶接金属の靱性は向上する。
【００１８】
一方、溶接金属の靱性を向上させるためには、ＮｉおよびＭｎの添加が効果的である。Ａｌ添加による溶接金属の靱性劣化を詳細に検討した結果、Ａｌが溶接金属中に固溶することにより、フェライトが安定となり、凝固時に生成する粗大δフェライトが冷却時にも残存することが原因となっていることがわかった。すなわち、鋼の溶接金属は通常、凝固時に粗大なδフェライトが生成し、その後の冷却過程において、一旦、完全にオーステナイトに変態し、その後、オーステナイトから微細なフェライトに変態する。この場合は溶接金属の組織は微細となり靱性は良好となる。これに対し、Ａｌを添加すると、冷却過程において粗大なδフェライトがオーステナイトに十分変態しないことを見出した。従って、靱性を向上させるためにはオーステナイトへの変態を促進させてやることが必要である。
【００１９】
Ｎｉはオーステナイトの安定化元素であり、粗大なδフェライトからのオーステナイトへの変態を促進し、微細なδフェライト残存に有効であり、Ａｌを添加した、溶接金属の靱性向上に効果的である。また、Ｍｎもオーステナイト安定化元素であり、オーステナイトからの変態組成を微細にして靱性を高める効果がある。ＮｉとＭｎは単独添加でも上述の効果があるが、同時に添加すると変態組成の微細化を安定化する働きがある。すなわち、ＮｉあるいはＭｎ単独添加では溶接金属の靱性値にばらつきが生じるが、同時添加を行うとＮｉとＭｎの相乗効果で靱性値のばらつきが減少し、安定的に高い靱性が確保できる。さらに、Ｃもオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。また、溶接金属の強度を向上させる効果を持つ。
【００２０】
本発明の溶接用ワイヤでは、上記フラックス成分の化学組成を調節するだけでは本発明の目的の一部、すなわち、溶接金属の靱性を満足することができず、前記ＰＦ式で規定されるＦＰ値を０以上にする必要がある。このＦＰ（フェライトパラメータ）を規定する式は、熱力学計算と実験から得られたものであり、溶接金属が冷却中にオーステナイトに変態するかしないかの指標である。ＦＰ値が０．００以上であれば溶接金属の靱性が良好となるが、ＦＰが０．００未満であれば完全にオーステナイトに変態しない粗大なδフェライトが残存し、溶接金属の靱性は劣化する。
【００２１】
以上説明したとおり、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂａの適量添加によるアーク安定化、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｏの適量添加による溶接作業性向上、Ｏの適量添加による溶接金属からのＡｌ除去、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃの適量添加による金属靱性向上およびＦＰによる添加量制御によって、溶接作業性と溶接金属靱性の両方の特性を満足するセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤを得ることができる。
【００２２】
ここで、本発明における各フラックス成分の添加範囲（単位はｗｔ％）およびその限定理由を具体的に説明する。なお、本発明でいうフラックス成分とは、フラックスとして含有される成分のみを意味するものではなく、フラックスとして作用、機能する成分を意味し、その供給形態はフラックスとして含有されるもののほか、フラックスが充填される鋼製外皮の成分として含有されるものが含まれる。
【００２３】
Ｃ：０．０１〜０．３０％
Ｃはオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。また、溶接金属の強度を向上させる効果を持つ。Ｃ量が０．０１％未満ではδフェライト残存を抑制する効果が過小であり、また、０．３０％を超えると強度の上昇により靱性の劣化をおこす。このため、Ｃ量の下限を０．０１％、好ましくは０．０２％とし、上限を０．３０％、好ましくは０．１２％とする。
【００２４】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは溶接金属の粘性を良好にし、溶接ビード形状を良好にする。また、ス ラグの粘性を制御する。一方、Ｓｉは固溶強化元素であるとともに、フェライト安定化元素である。従って、Ｓｉが０．０１％未満では溶接ビード形状が不安定となり、また、スラグのかぶりが悪くなる。その結果、スラグによる脱Ａｌ効果が減少する。０．５０％超では強度が高くなりすぎて靱性劣化の原因となる。このため、Ｓｉ量の下限を０．０１％、好ましくは０．０５％とし、上限を０．５０％、好ましくは０．３０％とする。
【００２５】
Ｎｉ：０．１〜３．０％
ＮｉはＣと同様にオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。Ｎｉ量が０．１％未満では粗大フェライト抑制効果が十分発揮できず、溶接金属の靱性が低くなり、一方、３．０％を超えると溶接金属の強度が著しく高くなるため、かえって、溶接金属の靱性が劣化する。このため、Ｎｉ量の下限を０．１％、好ましくは０．５％とし、上限を３．０％、好ましくは２．０％とする。
【００２６】
Ｍｎ：０．５〜３．０％
ＭｎはＣと同様にオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。Ｍｎ量が０．５％未満では粗大フェライト抑制効果が十分発揮できず、溶接金属の靱性が低下し、また、３．０％を超えると溶接金属の強度が著しく高くなるため、かえって溶接金属の靱性が劣化する。このため、Ｍｎ量の下限を０．５％、好ましくは０．８％とし、上限を３．０％、好ましくは２．０％とする。
【００２７】
Ａｌ：１．５〜４．０％
Ａｌは１．５％未満では溶接金属の脱酸、脱窒効果が不足し、溶接金属にピットあるいはブローホールが発生するようになる。また、溶接作業性が著しく悪化する。１．５％以上でピットやブローホールがなくなり、溶接作業性が良好となる。一方、Ａｌ量が４．０％を超えると溶接金属中のＡｌ量が増加し、溶接金属の靱性が低下するので好ましくない。このため、Ａｌ量の下限を１．５％、好ましくは１．９％とし、上限を４．０％、好ましくは３．５％とする。
【００２８】
Ｍｇ：０．５〜２．０％
Ｍｇはアーク熱で金属蒸気となってアーク雰囲気を大気から遮断する。また、強力な脱酸作用をもち、Ａｌ表面の酸化膜を除去し、Ａｌの蒸発を促進する。Ｍｇが０．５％未満では、シールド性が悪化し、ブローホールやピットが発生する。２．０％を超えると爆発的にＭｇが反応するため、スパッタが増加し、溶接作業性が悪化する。このため、Ｍｇ量の下限を０．５％、好ましくは０．７％とし、上限を２．０％、好ましくは１．５％とする。
【００２９】
Ｂａ：１．０〜４．８％
Ｂａは弗化物の形態で添加され、アークの安定性を向上し、スパッタ発生量を低減する。また、スラグの形成に寄与し、適量添加でビード形状を安定化させる。１．０％未満では、溶滴の移行状態がドロップ移行となり、大粒のスパッタが増加する。また、スラグのかぶりも悪くなる。一方、４．８％を超えるとスラグの粘性が高くなり、ビード形状が悪化する。このため、Ｂａ量の下限を１．０％、好ましくは１．２％とし、上限を４．８％、好ましくは４．０％とする。
【００３０】
Ｆ：０．５〜４．０％
ＦはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ化合物として充填され、ガス発生剤として作用する。また、スラグを形成する。０．５％未満ではスラグが形成されないようになり、４．０％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が劣化する。このため、Ｆ量の下限を０．５％、好ましくは０．８％とし、上限を４．０％、好ましくは３．８％とする。
【００３１】
Ｏ：０．１〜２１．０％
Ｏは本発明のワイヤが溶接作業性と、溶接金属の靱性を同時に良好に保つために重要な働きをする。本発明のセルフシールド溶接用ワイヤにおいて溶接作業性を向上させるもっとも重要な元素はワイヤ中のＡｌである。しかし、ワイヤ中のＡｌは溶接金属中に移行し、溶接金属中のＡｌは溶接金属の靱性を悪化させる。これを改善するために溶接金属に歩留るＡｌ量を低減させることが必要となる。このとき、ワイヤ中に酸化物あるいは炭酸化合物あるいは他の化合物の形で酸素を充填すると、Ａｌはスラグメタル反応によって酸化し、溶接金属中に歩留るＡｌ量も低下する。このためには、Ｏ量は０．１％以上必要である。一方、２１．０％を超えると、酸素源として充填する酸化物、炭酸化合物あるいは酸素を含む化合物の分解によるスパッタの発生を無視できなくなり、溶接作業性が悪化する。このため、Ｏ量の下限を０．１％、好ましくは０．２％、より好ましくは０．３％とし、上限を２１．０％、好ましくは１５．０％、より好ましくは１２．０％とする。なお、セルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤにおけるワイヤ全重量に対する酸素量の分析は不活性ガス融解赤外吸収法で行う。
【００３２】
Ｌｉ：０．０５〜４．００％
酸化物の形態で充填され、スラグの形成に寄与し、適量添加でビード形状を安定化させる。酸化物の形態としてはＳｉ、Ａｌ、Ｆe との複合酸化物の形態が好ましい。Ｌｉはスラグを低融点化し、粘性を下げ、スラグを安定化し、溶接金属中のＡｌの歩留まりを低下させることに寄与する。０．０５％未満ではその効果が過小であり、一方４．００％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が劣化する。このため、Ｌｉ量の下限を０．０５％、好ましくは０．２０％とし、上限を４．００％、好ましくは３．５０％とする。
Ｓｒ：０．０１〜２．００％
Ｓｒは弗化物の形態で充填され、スラグのかぶりを改善し、スラグの剥離性を向上させる。Ｓｒが０．０１％未満では効果が過小であり、一方２．００％を超えるとアークの温度が低下し作業性が劣化する。このため、Ｓｒ量の下限を０．０１％、好ましくは０．１０％とし、その上限を２．００％、好ましくは１．８０％とする。
【００３３】
ＦＰ値：０．００以上
ＦＰ＝Ｃ−０．１４５ Ｓｉ＋０．０１３ Ｍｎ−０．２２８ Ａｌ＋０．１９９ Ｎｉ＋０．３９３
本発明のセルフシールド溶接用ワイヤでは、上記の化学組成を調節するだけでは本発明の目的の一部、すなわち、溶接金属の靱性を満足することができず、前記式で規定されるＦＰを０．００以上にする必要がある。このＦＰは、溶接金属が冷却中にオーステナイトに変態するかしないかの指標である。ＦＰが０．００以上であれば溶接金属の靱性が良好となるが、ＦＰが０．００未満であれば完全にオーステナイトに変態しない粗大なδフェライトが残存し、溶接金属の靱性は劣化する。
【００３４】
図１は、ＦＰ値と溶接金属の靱性との関係およびＦＰ値と溶接金属のδフェライトの面積率との関係を調査した結果を示すグラフであるが、ＦＰ値が０より小さいとδフェライト量が増えるため、溶接金属の靱性は３０Ｊ以下となり、一方、ＦＰ値が０以上であるとδフェライトが減少し、溶接金属の靱性が５０Ｊ以上に向上することがわかる。もっとも、ＦＰ値が０以上であるにもかかわらず、靱性値が低いデータがあるが、これはＣを０．３５％と多く添加して成分を調整したため、溶接金属の強度が高くなり過ぎたことに起因している。なお、この調査に用いたワイヤは、フラックス成分を調整して種々のＦＰ値を有するワイヤを後述の実施例と同様に製造したものであり、溶接も同様の要領にて行ったものである。また、δフェライトの面積率は溶接金属を光学顕微鏡で観察し、δフェライトの占める割合を実測した。
【００３５】
本発明のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤにおけるフラックス成分は以上の成分を主成分とする。ここに主成分とは、上記成分および不可避的不純物からなる場合のほか、上記主成分の作用、効果を損なわない元素やフラックスとしての作用、効果をより一層を向上させる元素の含有を妨げない趣旨であり、例えば下記Ｃａ、Ｃｒの１種以上を含有することができ、請求項２〜３に記載したように、下記の成分とすることができる。
(1) 主成分＋Ｃａ
(2) 主成分又は前記 (1) の成分＋Ｃｒ
【００３７】
Ｃａ：０．０１〜４．００％
Ｃａはスラグのかぶりを改善し、ビードの外観を向上させる。Ｃａが０．０１％％以下ではかかる効果が過小であり、４．００％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が劣化する。このため、Ｃａ量の下限を０．０１％、好ましくは０．１０％とし、その上限を４．００％、好ましくは３．８０％とする。
【００３８】
Ｃｒ：０．５％以下
Ｃｒは耐食性を改善するため、セルフシールド溶接ワイヤに添加することができる。Ｃｒが０．５％を越えると溶接金属の靱性が劣化する。このため、その上限を０．５％、好ましくは０．３％とする。
【００３９】
フラックス成分の添加形態は、フラックス成分の各元素の量が上記範囲を満足する限り、任意の形態を取ることができる。すなわち、フラックス成分の個々の元素を単独の状態で添加してもよく、あるいは化合物の形態で添加してもよい。さらには、先に述べたように、フラックスとしての作用、機能を失しない限り、外皮を形成する鋼成分として添加してもよい。このような外皮に含ませることができる成分としては、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒ、Ｏをあげることができる。
【００４０】
なお、本発明ではフラックス成分はワイヤ全重量に対する割合として規定しているため、フラックスの鋼製外皮への充填率を特に規定していないが、通常、上記成分範囲を満足するようにするには、フラックスの充填率はワイヤ全重量に対して１０〜３０ｗｔ％とされる。また、図２に示すように、フラックス２が内包される鋼製外皮１の形態としては、（Ａ） 両端を突き合わせた円筒形、（Ｂ） 両端が重なり合うように突き合わせた円筒形（ラップタイプ）、（Ｃ） 両端部を重ね合わせて内側に折り込んだ円筒形（アップルタイプ）など種々の形態のものとすることができる。
【００４１】
【実施例】
次に、実施例によって本発明を説明するが、本発明は下記の実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【００４２】
下記表１〜３に記載したフラックス成分となるように、下記成分の軟鋼からなる鋼管にフラックスを充填し、常法により伸線加工し、ワイヤ径１．４ｍｍのフラックスコアードワイヤ試料を製造した。フラックスの充填率はワイヤ全重量に対して２０％とした。外皮の形状は、図２（Ｂ） に示すラップタイプとした。表１〜３に示すフラックス成分はワイヤ全重量に対するものであり、フラックス成分をフラックスとして添加する場合、原則としてＡｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ 、Ｓｉは単体あるいは合金の状態で添加し、ＢａおよびＳｒはそれぞれＢａＦ２ 、ＳｒＦ２ として添加し、ＬｉはＬｉＦｅ Ｏ２ として添加した。また、Ｃ、Ｍｎの一部は外皮からも供給した。
・外皮成分（ｗｔ％）
Ｃ：０．０１０％、Ｍｎ：０．３５％、Ｐ：０．０１５％、
Ｓ：０．００７％、残部実質的にＦｅ
【００４３】
各試料のフラックスコアードワイヤを使用して、Ｖ形開先を形成した試験板（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ＳＭ４９０Ｂ、板厚２０ｍｍ×長さ５００ｍｍ）をＪＩＳ Ｚ３１１１に従って溶接した。この際、溶接作業性は溶接中のスパッタ発生状況およびビードの外観を目視観察して良否を評価した。
【００４４】
また、溶接後の試験板を用いて溶接金属の耐気孔性を次の要領で調査した。ＪＩＳ Ｚ３１０４に従ってＸ線透過試験を行い、分類が１種１類のものを良好とし、それ以外のものを不良とした。また、溶接金属の靱性を衝撃試験により調査し、０℃での衝撃値が５０Ｊ以上のものを良好とし、それ未満のものを不良とした。これらの調査結果を表１〜３に併せて示す。なお、表１〜３中、スパッタ（発生状況）、ビード外観、耐気孔性および靱性の各欄において、○は良好、×は不良を示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
【表３】
【００４８】
表１〜３より、発明例は、溶接作業性、ビード外観、耐気孔性のいずれも良好であり、しかも溶接金属の衝撃値は０℃で５０Ｊ以上で、靱性にも優れることがわかる。
【００４９】
これに対して、表１の試料Ｎｏ． ５はＣ量が多いため、溶接金属の強度が上がりすぎ、靱性が劣化している。Ｎｏ． ６はＳｉ量が少ないため、ビード外観が悪化した。Ｎｏ． ９はＳｉ量が多く、またＦＰ値が０未満となったため靱性が劣化している。また、Ｎｏ． １０はＡｌ量が少ないためビードにブローホールが発生し、また、スパッタが多く発生した。Ｎｏ． ２０はＡｌ量が多く、ＦＰ値が０未満であるため靱性が劣化している。
【００５０】
また、表２のＮｏ． ２４はＭｇ量が多いため、スパッタが増加し、溶接性がよくない。Ｎｏ． ３０はＢａ量が多いため、ビード外観が悪化した。Ｎｏ．４３はＬｉ量が多いため、アークが不安定となり、スパッタが増加した。
【００５１】
また、表３の試料Ｎｏ． ６３はＣｒ量が多いため、靱性が劣化した。Ｎｏ． ６５はＣａとＦが多いため、ビード外観が悪化し、かつ、スパッタが増加した。Ｎｏ． ６６では、ＬｉをＡｌＬｉとして添加したため、Ｏ量が少なくなり、スラグの形成が悪くなったため、ビード外観が悪化した。Ｎｏ． ６７では、ＳｉをＳｉＯ２ 、ＢａをＢａＣＯ３ 、ＬｉをＬｉＦｅ Ｏ２ として添加したため、Ｏ量が過剰になり、スパッタが増加したため、溶接性が良くない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤによれば、優れた溶接作業性を有し、しかも耐気孔性および靱性に優れる溶接金属が得られ、従来のセルフシールド溶接用ワイヤにおける適用限界を大きく破るものであり、セルフシールド溶接分野における利用価値は著大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＰ（フェライトパラメータ）がδフェライト生成量および靱性値に及ぼす影響を示すグラフである。
【図２】種々の外皮形状を示すセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤの横断面図である。
【発明が属する技術分野】
本発明は、優れた溶接作業性を有し、かつ、溶接して得られる溶接金属が優れた耐気孔性と高い靱性を得ることができるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤは、従来、シールドガスを用いずに溶接できる簡便性から、土木、建築を中心に利用されてきた。しかし、従来のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤは、シールドガスを使用する通常の半自動溶接用ワイヤに比べ、溶接作業性が悪い上に、得られる溶接金属の靱性も低い。そのため、例えば特開平３−１１８９９３号公報、特開平４−１３４９７号公報、特開平５−３９３号公報に記載されているように、これまでにも溶接作業性の改良や高靱性化への取り組みがなされてきたが、溶接作業性と高靱性の両方を兼ね備えた溶接用ワイヤはいまだ開発されるに至っていない。その結果、溶接金属の機械性能の要求値が高い部位での使用が制限され、広く普及していないのが実情である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題に鑑み、優れた溶接作業性を有し、かつ、溶接によって得られる溶接金属が優れた耐気孔性と高い靱性を得ることのできるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために研究を重ねた結果、作業性を良好にする方法、すなわち、安定なアークを得て、かつ、スパッタ発生量を少なくする方法と、さらに良好なビード外観を有し、かつ、耐気孔性に優れ、しかも高い靱性を有する溶接金属を得ることができるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤを完成するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明は、フラックスが鋼製外皮内に充填されたセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤであって、ワイヤ全重量に対してフラックス成分がwt％で、
Ａｌ：１．５〜４．０％、
Ｍｇ：０．５〜２．０％、
Ｂａ：１．０〜４．８％、
Ｌｉ：０．０５〜４．００％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｃ ：０．０１〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｆ ：０．５〜４．０％、
Ｏ ：０．１〜２１．０％、
Ｓｒ：０．０１〜２．００％
を主成分として有し、かつ下記式で定義されるＦＰ値が０．００以上とされたものである。
ＦＰ＝Ｃ−0.145 Ｓｉ＋0.013 Ｍｎ−0.228 Ａｌ＋0.199 Ｎｉ＋0.393
ただし、ＰＦ式中の元素記号はその元素のワイヤ全重量に対する含有量wt％を意味する。
【０００６】
本発明のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤのフラックス成分限定理由を説明するに際し、まず、アークを安定化させる方法、スパッタを低減させる方法、耐気孔性を向上させる方法、溶接金属の靱性を向上させる方法におけるフラックス成分の作用、機能を説明する。
【０００７】
アークの安定化についてはＡｌ、Ｂａ、Ｍｇの同時添加が有効である。Ａｌはアーク中の高温状態で容易に蒸発し、次に、イオン化し、アーク中の電子の供給源として作用する。この際、有効にＡｌガスを発生させるためにフラックスとして金属状態、あるいは合金状態のＡｌを使用することが効果的であるが、金属Ａｌ表面には強固な酸化物が形成されて、この酸化物がＡｌの円滑な蒸発を妨げる。ここに、Ｍｇを添加するか、Ｍｇとの合金化を施すことで、この強固な酸化物が加熱過程で除去され、有効にＡｌを蒸発イオン化させることが可能となる。
【０００８】
さて、ＡｌとＭｇを添加した状態での溶滴の移行状態は、グロビュール移行とよばれる、溶滴の大きさがワイヤ径よりも大きな溶滴の移行状態となるため、アークが溶滴の移行とともに点滅し、好ましくない。ここに、弗化バリウムや炭酸バリウムなどのＢａ化合物を添加すると、溶滴の表面状態が変化し、溶滴の径が小さいスプレー移行となり、安定的なアーク状態が実現される。このように安定的なアークを得るためにはＡｌ、Ｍｇ、Ｂａの同時添加が必要である。
【０００９】
次に、スパッタの抑制法について説明する。セルフシールド溶接におけるスパッタ発生として、▲１▼アークの明滅に起因するスパッタ、▲２▼窒素起因のスパッタ、▲３▼溶融プールからのスパッタなどが考えられる。
【００１０】
前記▲１▼のアーク明滅が原因となるスパッタはＡｌ、Ｍｇ、Ｂａの同時添加によるアークの安定化によって減少させることができる。
【００１１】
前記▲２▼の窒素起因のスパッタが発生するメカニズムは以下のとおりである。まず、アーク中に侵入した窒素が、アークの温度によって容易に解離して窒素原子となる。窒素原子は鉄溶滴に容易に侵入する。そして、窒素プラズマ中での溶融鉄への窒素溶解量は、窒素ガス中の窒素溶解量の約２０倍と言われているので（日本金属学会会報第２２巻第５号１９８８年４１２Ｐ）、アークプラズマ中で窒素を十分吸収した鉄溶滴がプラズマ外に移動すると、窒素は直ちに気化し、溶滴外へ放出される。この際、溶滴の一部を爆発的に吹き飛ばしながら窒素放出が行われるので、スパッタが発生する。
【００１２】
上述のメカニズムで発生するスパッタを抑制するためには、二通りの方法が考えられる。まず、第１の方法はアーク中の窒素濃度を減少させることである。その方法としてはガス発生剤としてのフラックス量の増加が有効である。そのため、セルフシールド溶接用ワイヤに充填するフラックス量は多いほうよい。混入窒素低減のためのガス発生剤として蒸発しやすい物質であるＭｇや、弗化バリウム、弗化カルシウム、弗化ストロンチウムなどの弗化物や、炭酸バリウムなどの炭酸化合物が有効である。次に、第２の方法としてＡｌの添加が有効である。すなわち、プラズマ領域で窒素原子を十分に吸収した溶滴は、プラズマ外で窒素を放出するが、Ａｌが添加されていると、ＡｌＮを形成することで放出する窒素量を低減させ、結果的にスパッタを減らすことができる。以上のようにワイヤ中のＡｌとＭｇを増加させればスパッタは抑制できる。
【００１３】
前記▲３▼の溶融プールからのスパッタ抑制には、スラグによる溶融プールの揺らぎ抑制と流動性制御が有効である。スラグは主にＢａ、Ｓｒ、Ｃａの弗化物、炭酸塩、酸化物の形態で形成されるが、さらに、スラグによる溶融プールの性状制御にはＳｉとＬｉ添加が有効である。Ｓｉはアーク中の酸素あるいはフラックス中の酸素と結合し、溶接金属上でＳｉ酸化物となりスラグを形成する。Ｓｉ酸化物は溶融状態で高い粘性を有し、溶融プールが激しく振動するのを抑制し、その結果、溶融プールから発生するスパッタを抑制する。しかし、一方で、Ｓｉ酸化物はその高い粘性のために流れが悪く、溶融金属全体に覆い被さらず、スラグカバー率の低下を引き起こす。スラグに適度な粘性を持たすためにはＬｉの添加が適当であり、Ｌｉ添加によって、適当な粘度を有した溶融スラグが形成され、その結果、溶融プールの安定化とスラグカバー率向上の両方が実現される。
【００１４】
さて、上述のＬｉ、ＳｉならびにＡｌ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｏ、Ｆの働きによって、ビードに覆い被さるスラグの性状は変化する。これらの元素の添加量によってはスラグが形成されなかったり、あるいは、スラグの粘性が高すぎたり、低すぎたりするし、また、ビードの幅や高さが不均一になったり、スラグがビードにかみこむためにビードの形状がいびつになるなどの不具合が生じる。適当な成分調整によって、得られる溶接金属の外観が良好となる。
【００１５】
次に、溶接金属の耐気孔性を向上させる方法を説明する。Ｍｇはガス発生によってアーク中の窒素濃度を減少させ、気孔の発生を抑制する効果がある。Ａｌは溶解した窒素を固定し、気孔の発生を抑制する働きがある。すなわち、溶接金属中の気孔は、溶接金属が凝固するときに発生するが、凝固寸前にＡｌが溶解窒素をＡｌＮの形で固定するため、気孔の発生を抑制することが可能となる。
【００１６】
次に、溶接金属の靱性を向上させる方法について述べる。ワイヤ中のＡｌを増加させると、溶接金属中のＡｌ量も同時に増えて溶接金属の靱性が劣化する。従って、従来技術では、溶接作業性を向上させるためにＡｌを増やせば溶接金属の靱性は低下し、逆に、溶接金属の靱性を向上させるためにワイヤ中のＡｌ量を減らせば、溶接作業性が劣化するため、溶接作業性と溶接金属靱性の両方の特性を満足するセルフシールド溶接用ワイヤは得られなかった。そこで、本発明では、スパッタ低減に効果的なワイヤ中のＡｌ量を増加させつつ、溶接金属の靱性を向上させ、溶接作業性と溶接金属靱性をともに満足させる方法を考案すべく、ワイヤ中のＡｌと溶接金属中のＡｌの働きを注意深く分離し、その働きを明確にした。すなわち、スパッタは、溶滴移行中の溶滴中のＡｌ量に依存するが、溶接金属中のＡｌ量には左右されない。一方、溶接金属の靱性は溶接金属中のＡｌ量に支配される。このことから、溶滴移行後、鉄スラグ反応によって溶接金属中のＡｌを除去し、溶接金属中のＡｌ量を低減することができれば、溶接作業性を損なうことなく、高靱性の溶接金属を得ることができる。さらに、溶接金属中にＡｌが含まれていても溶接金属中の靱性を向上させることのできる元素を添加することで積極的に溶接金属靱性を向上させることができる。
【００１７】
鉄スラグ反応によって溶接金属中のＡｌを除去するには、フラックス中に積極的に酸化物、あるいは炭酸化合物、あるいは酸素を含有する化合物を充填すればよい。フラックス中に酸化物を充填すれば、溶滴移行後、溶接金属上部に覆い被さったスラグと溶接金属界面でのメタルスラグ反応によって溶接金属中からＡｌを除去することができる。ここで、もっとも効果の大きいものはＬｉ系酸化物である。なぜなら、Ｌｉ系酸化物は融点が低くメタルスラグ反応によるＡｌ除去がＦｅ 凝固寸前の低温まで、有効に作用するからである。こうして、得られる溶接金属中のＡｌは酸化物によって低減させられ、その結果溶接金属の靱性は向上する。
【００１８】
一方、溶接金属の靱性を向上させるためには、ＮｉおよびＭｎの添加が効果的である。Ａｌ添加による溶接金属の靱性劣化を詳細に検討した結果、Ａｌが溶接金属中に固溶することにより、フェライトが安定となり、凝固時に生成する粗大δフェライトが冷却時にも残存することが原因となっていることがわかった。すなわち、鋼の溶接金属は通常、凝固時に粗大なδフェライトが生成し、その後の冷却過程において、一旦、完全にオーステナイトに変態し、その後、オーステナイトから微細なフェライトに変態する。この場合は溶接金属の組織は微細となり靱性は良好となる。これに対し、Ａｌを添加すると、冷却過程において粗大なδフェライトがオーステナイトに十分変態しないことを見出した。従って、靱性を向上させるためにはオーステナイトへの変態を促進させてやることが必要である。
【００１９】
Ｎｉはオーステナイトの安定化元素であり、粗大なδフェライトからのオーステナイトへの変態を促進し、微細なδフェライト残存に有効であり、Ａｌを添加した、溶接金属の靱性向上に効果的である。また、Ｍｎもオーステナイト安定化元素であり、オーステナイトからの変態組成を微細にして靱性を高める効果がある。ＮｉとＭｎは単独添加でも上述の効果があるが、同時に添加すると変態組成の微細化を安定化する働きがある。すなわち、ＮｉあるいはＭｎ単独添加では溶接金属の靱性値にばらつきが生じるが、同時添加を行うとＮｉとＭｎの相乗効果で靱性値のばらつきが減少し、安定的に高い靱性が確保できる。さらに、Ｃもオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。また、溶接金属の強度を向上させる効果を持つ。
【００２０】
本発明の溶接用ワイヤでは、上記フラックス成分の化学組成を調節するだけでは本発明の目的の一部、すなわち、溶接金属の靱性を満足することができず、前記ＰＦ式で規定されるＦＰ値を０以上にする必要がある。このＦＰ（フェライトパラメータ）を規定する式は、熱力学計算と実験から得られたものであり、溶接金属が冷却中にオーステナイトに変態するかしないかの指標である。ＦＰ値が０．００以上であれば溶接金属の靱性が良好となるが、ＦＰが０．００未満であれば完全にオーステナイトに変態しない粗大なδフェライトが残存し、溶接金属の靱性は劣化する。
【００２１】
以上説明したとおり、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂａの適量添加によるアーク安定化、Ａｌ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｉ、Ｌｉ、Ｏの適量添加による溶接作業性向上、Ｏの適量添加による溶接金属からのＡｌ除去、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃの適量添加による金属靱性向上およびＦＰによる添加量制御によって、溶接作業性と溶接金属靱性の両方の特性を満足するセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤを得ることができる。
【００２２】
ここで、本発明における各フラックス成分の添加範囲（単位はｗｔ％）およびその限定理由を具体的に説明する。なお、本発明でいうフラックス成分とは、フラックスとして含有される成分のみを意味するものではなく、フラックスとして作用、機能する成分を意味し、その供給形態はフラックスとして含有されるもののほか、フラックスが充填される鋼製外皮の成分として含有されるものが含まれる。
【００２３】
Ｃ：０．０１〜０．３０％
Ｃはオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。また、溶接金属の強度を向上させる効果を持つ。Ｃ量が０．０１％未満ではδフェライト残存を抑制する効果が過小であり、また、０．３０％を超えると強度の上昇により靱性の劣化をおこす。このため、Ｃ量の下限を０．０１％、好ましくは０．０２％とし、上限を０．３０％、好ましくは０．１２％とする。
【００２４】
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％
Ｓｉは溶接金属の粘性を良好にし、溶接ビード形状を良好にする。また、ス ラグの粘性を制御する。一方、Ｓｉは固溶強化元素であるとともに、フェライト安定化元素である。従って、Ｓｉが０．０１％未満では溶接ビード形状が不安定となり、また、スラグのかぶりが悪くなる。その結果、スラグによる脱Ａｌ効果が減少する。０．５０％超では強度が高くなりすぎて靱性劣化の原因となる。このため、Ｓｉ量の下限を０．０１％、好ましくは０．０５％とし、上限を０．５０％、好ましくは０．３０％とする。
【００２５】
Ｎｉ：０．１〜３．０％
ＮｉはＣと同様にオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。Ｎｉ量が０．１％未満では粗大フェライト抑制効果が十分発揮できず、溶接金属の靱性が低くなり、一方、３．０％を超えると溶接金属の強度が著しく高くなるため、かえって、溶接金属の靱性が劣化する。このため、Ｎｉ量の下限を０．１％、好ましくは０．５％とし、上限を３．０％、好ましくは２．０％とする。
【００２６】
Ｍｎ：０．５〜３．０％
ＭｎはＣと同様にオーステナイト安定化元素の一つであり、δフェライトの残存を抑制する効果がある。Ｍｎ量が０．５％未満では粗大フェライト抑制効果が十分発揮できず、溶接金属の靱性が低下し、また、３．０％を超えると溶接金属の強度が著しく高くなるため、かえって溶接金属の靱性が劣化する。このため、Ｍｎ量の下限を０．５％、好ましくは０．８％とし、上限を３．０％、好ましくは２．０％とする。
【００２７】
Ａｌ：１．５〜４．０％
Ａｌは１．５％未満では溶接金属の脱酸、脱窒効果が不足し、溶接金属にピットあるいはブローホールが発生するようになる。また、溶接作業性が著しく悪化する。１．５％以上でピットやブローホールがなくなり、溶接作業性が良好となる。一方、Ａｌ量が４．０％を超えると溶接金属中のＡｌ量が増加し、溶接金属の靱性が低下するので好ましくない。このため、Ａｌ量の下限を１．５％、好ましくは１．９％とし、上限を４．０％、好ましくは３．５％とする。
【００２８】
Ｍｇ：０．５〜２．０％
Ｍｇはアーク熱で金属蒸気となってアーク雰囲気を大気から遮断する。また、強力な脱酸作用をもち、Ａｌ表面の酸化膜を除去し、Ａｌの蒸発を促進する。Ｍｇが０．５％未満では、シールド性が悪化し、ブローホールやピットが発生する。２．０％を超えると爆発的にＭｇが反応するため、スパッタが増加し、溶接作業性が悪化する。このため、Ｍｇ量の下限を０．５％、好ましくは０．７％とし、上限を２．０％、好ましくは１．５％とする。
【００２９】
Ｂａ：１．０〜４．８％
Ｂａは弗化物の形態で添加され、アークの安定性を向上し、スパッタ発生量を低減する。また、スラグの形成に寄与し、適量添加でビード形状を安定化させる。１．０％未満では、溶滴の移行状態がドロップ移行となり、大粒のスパッタが増加する。また、スラグのかぶりも悪くなる。一方、４．８％を超えるとスラグの粘性が高くなり、ビード形状が悪化する。このため、Ｂａ量の下限を１．０％、好ましくは１．２％とし、上限を４．８％、好ましくは４．０％とする。
【００３０】
Ｆ：０．５〜４．０％
ＦはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ化合物として充填され、ガス発生剤として作用する。また、スラグを形成する。０．５％未満ではスラグが形成されないようになり、４．０％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が劣化する。このため、Ｆ量の下限を０．５％、好ましくは０．８％とし、上限を４．０％、好ましくは３．８％とする。
【００３１】
Ｏ：０．１〜２１．０％
Ｏは本発明のワイヤが溶接作業性と、溶接金属の靱性を同時に良好に保つために重要な働きをする。本発明のセルフシールド溶接用ワイヤにおいて溶接作業性を向上させるもっとも重要な元素はワイヤ中のＡｌである。しかし、ワイヤ中のＡｌは溶接金属中に移行し、溶接金属中のＡｌは溶接金属の靱性を悪化させる。これを改善するために溶接金属に歩留るＡｌ量を低減させることが必要となる。このとき、ワイヤ中に酸化物あるいは炭酸化合物あるいは他の化合物の形で酸素を充填すると、Ａｌはスラグメタル反応によって酸化し、溶接金属中に歩留るＡｌ量も低下する。このためには、Ｏ量は０．１％以上必要である。一方、２１．０％を超えると、酸素源として充填する酸化物、炭酸化合物あるいは酸素を含む化合物の分解によるスパッタの発生を無視できなくなり、溶接作業性が悪化する。このため、Ｏ量の下限を０．１％、好ましくは０．２％、より好ましくは０．３％とし、上限を２１．０％、好ましくは１５．０％、より好ましくは１２．０％とする。なお、セルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤにおけるワイヤ全重量に対する酸素量の分析は不活性ガス融解赤外吸収法で行う。
【００３２】
Ｌｉ：０．０５〜４．００％
酸化物の形態で充填され、スラグの形成に寄与し、適量添加でビード形状を安定化させる。酸化物の形態としてはＳｉ、Ａｌ、Ｆe との複合酸化物の形態が好ましい。Ｌｉはスラグを低融点化し、粘性を下げ、スラグを安定化し、溶接金属中のＡｌの歩留まりを低下させることに寄与する。０．０５％未満ではその効果が過小であり、一方４．００％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が劣化する。このため、Ｌｉ量の下限を０．０５％、好ましくは０．２０％とし、上限を４．００％、好ましくは３．５０％とする。
Ｓｒ：０．０１〜２．００％
Ｓｒは弗化物の形態で充填され、スラグのかぶりを改善し、スラグの剥離性を向上させる。Ｓｒが０．０１％未満では効果が過小であり、一方２．００％を超えるとアークの温度が低下し作業性が劣化する。このため、Ｓｒ量の下限を０．０１％、好ましくは０．１０％とし、その上限を２．００％、好ましくは１．８０％とする。
【００３３】
ＦＰ値：０．００以上
ＦＰ＝Ｃ−０．１４５ Ｓｉ＋０．０１３ Ｍｎ−０．２２８ Ａｌ＋０．１９９ Ｎｉ＋０．３９３
本発明のセルフシールド溶接用ワイヤでは、上記の化学組成を調節するだけでは本発明の目的の一部、すなわち、溶接金属の靱性を満足することができず、前記式で規定されるＦＰを０．００以上にする必要がある。このＦＰは、溶接金属が冷却中にオーステナイトに変態するかしないかの指標である。ＦＰが０．００以上であれば溶接金属の靱性が良好となるが、ＦＰが０．００未満であれば完全にオーステナイトに変態しない粗大なδフェライトが残存し、溶接金属の靱性は劣化する。
【００３４】
図１は、ＦＰ値と溶接金属の靱性との関係およびＦＰ値と溶接金属のδフェライトの面積率との関係を調査した結果を示すグラフであるが、ＦＰ値が０より小さいとδフェライト量が増えるため、溶接金属の靱性は３０Ｊ以下となり、一方、ＦＰ値が０以上であるとδフェライトが減少し、溶接金属の靱性が５０Ｊ以上に向上することがわかる。もっとも、ＦＰ値が０以上であるにもかかわらず、靱性値が低いデータがあるが、これはＣを０．３５％と多く添加して成分を調整したため、溶接金属の強度が高くなり過ぎたことに起因している。なお、この調査に用いたワイヤは、フラックス成分を調整して種々のＦＰ値を有するワイヤを後述の実施例と同様に製造したものであり、溶接も同様の要領にて行ったものである。また、δフェライトの面積率は溶接金属を光学顕微鏡で観察し、δフェライトの占める割合を実測した。
【００３５】
本発明のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤにおけるフラックス成分は以上の成分を主成分とする。ここに主成分とは、上記成分および不可避的不純物からなる場合のほか、上記主成分の作用、効果を損なわない元素やフラックスとしての作用、効果をより一層を向上させる元素の含有を妨げない趣旨であり、例えば下記Ｃａ、Ｃｒの１種以上を含有することができ、請求項２〜３に記載したように、下記の成分とすることができる。
(1) 主成分＋Ｃａ
(2) 主成分又は前記 (1) の成分＋Ｃｒ
【００３７】
Ｃａ：０．０１〜４．００％
Ｃａはスラグのかぶりを改善し、ビードの外観を向上させる。Ｃａが０．０１％％以下ではかかる効果が過小であり、４．００％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が劣化する。このため、Ｃａ量の下限を０．０１％、好ましくは０．１０％とし、その上限を４．００％、好ましくは３．８０％とする。
【００３８】
Ｃｒ：０．５％以下
Ｃｒは耐食性を改善するため、セルフシールド溶接ワイヤに添加することができる。Ｃｒが０．５％を越えると溶接金属の靱性が劣化する。このため、その上限を０．５％、好ましくは０．３％とする。
【００３９】
フラックス成分の添加形態は、フラックス成分の各元素の量が上記範囲を満足する限り、任意の形態を取ることができる。すなわち、フラックス成分の個々の元素を単独の状態で添加してもよく、あるいは化合物の形態で添加してもよい。さらには、先に述べたように、フラックスとしての作用、機能を失しない限り、外皮を形成する鋼成分として添加してもよい。このような外皮に含ませることができる成分としては、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｒ、Ｏをあげることができる。
【００４０】
なお、本発明ではフラックス成分はワイヤ全重量に対する割合として規定しているため、フラックスの鋼製外皮への充填率を特に規定していないが、通常、上記成分範囲を満足するようにするには、フラックスの充填率はワイヤ全重量に対して１０〜３０ｗｔ％とされる。また、図２に示すように、フラックス２が内包される鋼製外皮１の形態としては、（Ａ） 両端を突き合わせた円筒形、（Ｂ） 両端が重なり合うように突き合わせた円筒形（ラップタイプ）、（Ｃ） 両端部を重ね合わせて内側に折り込んだ円筒形（アップルタイプ）など種々の形態のものとすることができる。
【００４１】
【実施例】
次に、実施例によって本発明を説明するが、本発明は下記の実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【００４２】
下記表１〜３に記載したフラックス成分となるように、下記成分の軟鋼からなる鋼管にフラックスを充填し、常法により伸線加工し、ワイヤ径１．４ｍｍのフラックスコアードワイヤ試料を製造した。フラックスの充填率はワイヤ全重量に対して２０％とした。外皮の形状は、図２（Ｂ） に示すラップタイプとした。表１〜３に示すフラックス成分はワイヤ全重量に対するものであり、フラックス成分をフラックスとして添加する場合、原則としてＡｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ 、Ｓｉは単体あるいは合金の状態で添加し、ＢａおよびＳｒはそれぞれＢａＦ２ 、ＳｒＦ２ として添加し、ＬｉはＬｉＦｅ Ｏ２ として添加した。また、Ｃ、Ｍｎの一部は外皮からも供給した。
・外皮成分（ｗｔ％）
Ｃ：０．０１０％、Ｍｎ：０．３５％、Ｐ：０．０１５％、
Ｓ：０．００７％、残部実質的にＦｅ
【００４３】
各試料のフラックスコアードワイヤを使用して、Ｖ形開先を形成した試験板（ＪＩＳ Ｇ３１０６ ＳＭ４９０Ｂ、板厚２０ｍｍ×長さ５００ｍｍ）をＪＩＳ Ｚ３１１１に従って溶接した。この際、溶接作業性は溶接中のスパッタ発生状況およびビードの外観を目視観察して良否を評価した。
【００４４】
また、溶接後の試験板を用いて溶接金属の耐気孔性を次の要領で調査した。ＪＩＳ Ｚ３１０４に従ってＸ線透過試験を行い、分類が１種１類のものを良好とし、それ以外のものを不良とした。また、溶接金属の靱性を衝撃試験により調査し、０℃での衝撃値が５０Ｊ以上のものを良好とし、それ未満のものを不良とした。これらの調査結果を表１〜３に併せて示す。なお、表１〜３中、スパッタ（発生状況）、ビード外観、耐気孔性および靱性の各欄において、○は良好、×は不良を示す。
【００４５】
【表１】
【表２】
【表３】
表１〜３より、発明例は、溶接作業性、ビード外観、耐気孔性のいずれも良好であり、しかも溶接金属の衝撃値は０℃で５０Ｊ以上で、靱性にも優れることがわかる。
【００４９】
これに対して、表１の試料Ｎｏ． ５はＣ量が多いため、溶接金属の強度が上がりすぎ、靱性が劣化している。Ｎｏ． ６はＳｉ量が少ないため、ビード外観が悪化した。Ｎｏ． ９はＳｉ量が多く、またＦＰ値が０未満となったため靱性が劣化している。また、Ｎｏ． １０はＡｌ量が少ないためビードにブローホールが発生し、また、スパッタが多く発生した。Ｎｏ． ２０はＡｌ量が多く、ＦＰ値が０未満であるため靱性が劣化している。
【００５０】
また、表２のＮｏ． ２４はＭｇ量が多いため、スパッタが増加し、溶接性がよくない。Ｎｏ． ３０はＢａ量が多いため、ビード外観が悪化した。Ｎｏ．４３はＬｉ量が多いため、アークが不安定となり、スパッタが増加した。
【００５１】
また、表３の試料Ｎｏ． ６３はＣｒ量が多いため、靱性が劣化した。Ｎｏ． ６５はＣａとＦが多いため、ビード外観が悪化し、かつ、スパッタが増加した。Ｎｏ． ６６では、ＬｉをＡｌＬｉとして添加したため、Ｏ量が少なくなり、スラグの形成が悪くなったため、ビード外観が悪化した。Ｎｏ． ６７では、ＳｉをＳｉＯ２ 、ＢａをＢａＣＯ３ 、ＬｉをＬｉＦｅ Ｏ２ として添加したため、Ｏ量が過剰になり、スパッタが増加したため、溶接性が良くない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明のセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤによれば、優れた溶接作業性を有し、しかも耐気孔性および靱性に優れる溶接金属が得られ、従来のセルフシールド溶接用ワイヤにおける適用限界を大きく破るものであり、セルフシールド溶接分野における利用価値は著大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＰ（フェライトパラメータ）がδフェライト生成量および靱性値に及ぼす影響を示すグラフである。
【図２】種々の外皮形状を示すセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤの横断面図である。
Claims (3)
- フラックスが鋼製外皮内に充填されたセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤであって、
ワイヤ全重量に対してフラックス成分がwt％で、
Ａｌ：１．５〜４．０％、
Ｍｇ：０．５〜２．０％、
Ｂａ：１．０〜４．８％、
Ｌｉ：０．０５〜４．００％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｃ ：０．０１〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、
Ｆ ：０．５〜４．０％、
Ｏ ：０．１〜２１．０％、
Ｓｒ：０．０１〜２．００％
を主成分として有し、かつ下記式で定義されるＦＰ値が０．００以上であるセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤ。
ＦＰ＝Ｃ−0.145 Ｓｉ＋0.013 Ｍｎ−0.228 Ａｌ＋0.199 Ｎｉ＋0.393
ただし、ＰＦ式中の元素記号はその元素のワイヤ全重量に対する含有量wt％を意味する。 - ワイヤ全重量に対してフラックス成分がさらに
Ｃａ：０．０１〜４．００％
を含有する請求項１に記載したセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤ。 - ワイヤ全重量に対してフラックス成分がさらに
Ｃｒ：０．５％以下
を含有する請求項１又は２に記載したセルフシールド溶接用フラックスコアードワイヤ。
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