JP3780444B2 - エレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は橋梁又は鉄塔等の鋼構造物等の溶接に使用されるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に、海岸近郊及び寒冷地等の塩害環境下で使用される鋼構造物用耐候性鋼材の溶接に好適なエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼にＣｒ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰ等の化学成分を適量添加した耐候性鋼材としてＪＩＳに溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材（ＳＭＡ：ＪＩＳ Ｇ ３１１４）及び高耐候性圧延鋼材（ＳＭＡ：ＪＩＳ Ｇ ３１２５）の２種が規定されている。耐候性鋼材は、鋼材の表面に生成した緻密な安定錆層により永続的な腐食の進行を遮るという性質を有する鋼材であり、橋梁又は鉄塔等の塗替え塗装を含めた維持管理業務の日常的遂行が困難な鋼構造物に使用され、内陸地方で使用実績がある。
【０００３】
しかし、耐候性鋼材が安定な錆層を生成するまでには、約１０年以上もの長期間が必要とされ、実際には、初期の腐食及びそれに伴う赤錆の流出等が問題となっている。例えば、海岸近郊及び凍結防止として道路に塩化物を散布することがある寒冷地等でこのような問題が生じている。特に、このような傾向は、気候が温暖湿潤な日本において顕著である。このため、耐候性鋼材を裸使用する際の錆安定化までの錆汁による周囲構造物の汚染等を防止する目的で錆安定化処理が一般に行われている。
【０００４】
しかし、錆安定化処理が行われた場合であっても、錆汁は防止されるものの、裸使用と同様に、塩分が多く飛来する環境下では、緻密な錆層の生成が阻害され所望の効果が得られないという問題がある。
【０００５】
そこで、耐候性鋼材が抱える上述のような問題を解決するための手段が提案されている（特公昭５３−２２５３０号公報、特公昭５６−３３９９１号公報、特公昭５８−３９９１５号公報、特公昭５８−１７８３３号公報、特開平２−１３３４８０号公報、特公平６−２１２７３号公報等）。これらの公報には、耐候性鋼材の表面に樹脂を塗装することにより、外部環境からの飛来塩分の侵入を防止して安定錆の生成を促進する方法が記載されている。例えば、特開平２−１３３４８０号公報には、鱗片状結晶構造のＦｅ3Ｏ4、燐酸、ブチラール樹脂及び残部が溶剤である安定錆の生成を促進する表面処理液が開示されている。また、特公平６−２１２７３号公報には、Ｐ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＭｏの化合物の少なくとも１種以上、Ｆｅ2Ｏ3＋Ｆｅ3Ｏ4、燐酸、ビスフェノール系エポキシ樹脂並びに残部が溶剤及び塗料補助剤である塗装液を塗布する錆安定化表面処理方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の公報に開示された方法は、いずれも耐候性鋼材そのものを改善したものではなく、安定錆の生成を促進するには問題がある。即ち、樹脂を塗装する方法では、通常、鋼材の表面には微小な欠陥が存在しているため、その欠陥個所において塗膜による効果が十分ではない。更に、塗膜欠陥部での腐食の進行が塗膜と素地との界面での隙間腐食を引き起こし、安定錆が生成するよりも先に、塗膜自体の剥離及び脱落が発生することもある。従って、塩分の飛来が避けられないような環境における耐候性鋼材の使用は制限をうけることになる。
【０００７】
また、Ｐ及びＣｒは溶接性を著しく劣化させる元素であり、鋼材を現場溶接する機会が多い構造物、例えば橋梁等においては、耐候性鋼材の適用範囲が狭められることとなっている。
【０００８】
このような耐候性鋼材の溶接に使用されるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関しても、その溶接金属部に鋼板と同様の課題があり、これまで実用化に至っていない。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、塩分の飛来が避けられない環境において使用される塗装鋼板の溶接に使用されても耐久性及び良好な溶接性を得ることができるエレクトロガスアーク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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤは、軟鋼製外皮中にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク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：０．０２乃至０．１０重量％、Ｓｉ：０．１０乃至１．００重量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．５０重量％、Ｐ：０．０２重量％以下、Ｃｕ：０．０５乃至１．００重量％、Ｎｉ：０．０５乃至６．０重量％、Ｃｒ：０．４０重量％以下、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０重量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２０重量％及びＭｇ：０．１０乃至０．５０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｓが０．０２重量％以下に規制されており、フラックス充填率が２０乃至３０重量％であることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、ワイヤに含有される化学成分及びその組成並びにフラックス充填率が適切に規定されているので、塩害環境下でも耐久性及び良好な溶接性が得られる。
【００１２】
なお、Ｍｏ及びＮｂ：総量で０．０５乃至０．５０重量％を含有することが望ましく、前記Ｃｒは０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願発明者等が前記課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、ワイヤ中のＣｒ添加量を可能な限り少なくし、塗装欠陥部における腐食促進要因を減じること、Ｃｒの代替となる安定錆生成促進元素を探索及び添加すること並びに塗装欠陥部でのｐＨ低下を緩衝する作用を有する元素、即ち、微量溶解されることによりｐＨをアルカリ側へ高める作用を有する元素を探索及び添加することにより、エレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤの溶接金属の耐久性を向上させることができることを見い出した。
【００１４】
一般に、鋼材の表面に緻密な安定錆層が生成すると、環境中に存在する水分、酸素又は塩素イオンといった腐食促進因子が物理的又は電気化学的作用により基材に到達し難くなるため、鋼材の腐食反応は遅延し、特別な防食処理を施すことなく腐食速度は無視できる程度まで減少することが知られている。耐候性鋼材はこのような緻密錆による自己防食作用を積極的に利用した鋼材である。
【００１５】
具体的には、鋼にＣｒ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰといった生成錆の緻密化を促進する元素を微量添加することにより、耐候性鋼を得ることができる。即ち、耐候性鋼とは、裸材にて使用することによって、その作用効果を発現することができる鋼種である。しかし、前述のように、耐候性鋼が有する安定錆生成の促進作用は飛来塩分が無視できない塩害環境下では、その効果は十分には発揮されない。そこで、安定錆が生成するまでの期間、飛来塩分が鋼に到達することを回避する目的で鋼材の表面に薄い樹脂塗装を施すといった対応策が種々考案されているが、前述のように、塗装欠陥の問題があるために有効な対策とはなっていないのが実状である。
【００１６】
そこで、本願発明者等は、塗装欠陥部における腐食機構を鋭意検討した結果、鋼の成分元素として含有されるＣｒが腐食因子として影響していることを見い出した。即ち、塗装欠陥において鋼が腐食反応を開始すると、鉄原子に伴い微量溶解するＣｒイオンはＣｌイオンの作用も加わって欠陥内におけるｐＨ低下の原因となり、欠陥内での凝集水分の酸化性を促進することにより、塗膜と素地との界面での隙間腐食を誘発する作用をもたらすことを見い出した。
【００１７】
従って、このような腐食機構からの演繹により塩害地域における樹脂塗装耐候性鋼の耐久性向上のための成分設計の考えとして、前述のようなワイヤ中のＣｒ添加量を可能な限り少なくし、塗装欠陥部における腐食促進要因を減じること、Ｃｒの代替となる安定錆生成促進元素を探索及び添加すること並びに塗装欠陥部でのｐＨ低下を緩衝する作用を有する元素を探索及び添加することの３つの視点が重要となるのである。
【００１８】
Ｃｒの代替元素に関し、樹脂塗膜が形成されている場合、塗膜健全部では、塗膜による遮蔽効果により塩分は鋼に到達することが困難となる。また、塗膜欠陥部においても、欠陥（傷）が十分に小さい場合には、塗膜の厚さが物理的な障壁となって飛来塩分は素地には到達しにくくなる。従って、塗膜欠陥内部における著しいｐＨ低下を抑制し、成分元素のコントロールができれば、塩害環境下においても、長寿命の塗装鋼材が得られるものと考えられる。
【００１９】
このような条件を満たせば、塗膜欠陥下にて鋼材は安定錆を形成することができるが、表面を被覆する被覆材については、経済性、施工性及び簡便さ等から最も一般的な有機樹脂系の塗装が施されたものが望ましい。ポリエステル系、エポキシ系、ウレタン系等の鋼材の表面を被覆できるものであれば、あらゆる樹脂が塗装可能であるが、本願発明者等の実験により、ブチラール樹脂が、強靱で撓み性及び大きな衝撃強さを有し金属との接着性が優れるので、最も好適な樹脂である。
【００２０】
以下、本発明に係るエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに含有される化学成分及びその組成限定理由等について説明する。
【００２１】
Ｃ：０．０２乃至０．１０重量％
Ｃは溶接金属の強度を確保するための元素である。ワイヤ中のＣ含有量が０．０２重量％未満であると、焼入れ性が不足し強度の確保が困難となる。一方、Ｃ含有量が０．１０重量％を超えると、スパッタ発生量が増大すると共に、強度が過多となり耐割れ性が劣化する。従って、ワイヤ中のＣ含有量は０．０２乃至０．１０重量％とする。
【００２２】
Ｓｉ：０．１０乃至１．００重量％
Ｓｉは安定錆の生成を促進し耐食性を向上させる効果を有する元素である。ワイヤ中のＳｉ含有量が０．１０重量％未満であると、耐食性向上の効果が得られず、また、延性が不足する。一方、Ｓｉ含有量が１．００重量％を超えると、強度過多となって靱性及び耐割れ性が劣化する。従って、ワイヤ中のＳｉ含有量は０．１０乃至１．００重量％とする。
【００２３】
Ｍｎ：０．５０乃至２．５０重量％
Ｍｎは溶接金属の強度を確保するための元素である。ワイヤ中のＭｎ含有量が０．５０重量％未満であると、焼入れ性が不足し強度の確保が困難となる。一方、Ｍｎ含有量が２．５０重量％を超えると、強度過多となって靱性及び耐割れ性が劣化する。また、ＭｎＳの生成が促進されて耐食性の劣化を招く虞がある。従って、ワイヤ中のＭｎ含有量は０．５０乃至２．５０重量％とする。
【００２４】
Ｐ：０．０２重量％以下
Ｐは安定錆層の生成を促進するため、従来の裸仕様を主とした耐候性鋼に必須の元素である。しかし、ワイヤ中のＰ含有量が０．０２重量％を超えると、耐割れ性及び靱性が劣化する。従って、ワイヤ中のＰ含有量は０．０２重量％以下とする。
【００２５】
Ｃｕ：０．０５乃至１．００重量％
Ｃｕは電気化学的にＦｅより貴な元素であり、生成錆を緻密化して安定錆の生成を促進する作用を有する。ワイヤ中のＣｕ含有量が０．０５重量％未満であると、上述のような耐食性向上の効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が１．００重量％を超えると、それ以上添加してもそれ以上の効果は得られず無駄である。却って、Ｃｕ割れが引き起こされる虞がある。従って、ワイヤ中のＣｕ含有量は０．０５乃至１．００重量％とする。
【００２６】
Ｎｉ：０．０５乃至６．０重量％
ＮｉはＣｕと同様に耐食性を向上させる元素である。ワイヤ中のＮｉ含有量が０．０５重量％未満であると、耐食性向上の効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が６．０重量％を超えると、耐食性向上の効果が飽和する一方で、強度過多となって靱性が劣化する虞がある。従って、ワイヤ中のＮｉ含有量は０．０５乃至６．０重量％とする。
【００２７】
Ｃｒ：０．４０重量％以下
Ｃｒは安定錆層の生成を促進するため、従来の裸仕様を主とした耐候性鋼に必須の元素である。しかし、ワイヤ中のＣｒ含有量が０．４０重量％を超えると、前述のように、塗膜欠陥部におけるｐＨ低下の原因となり、凝集水分の酸化性を促進することにより、塗膜と素地との界面での隙間腐食を誘発する。従って、ワイヤ中のＣｒ含有量は０．４０重量％以下とする。鋼材が現場溶接される機会が多い構造物、特に橋梁等の構造物において広い適用範囲を確保するために、ワイヤ中のＣｒ含有量は０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
Ｔｉ：０．０５乃至０．５０重量％
ＴｉはＣｒの代替元素として耐候性を確保するために必須の元素である。また、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉと同様に、生成錆を緻密化し安定錆層の生成を促進する有益な作用を有すると共に、極めて優れた耐食性を有する。更に、鋼の清浄化という利点をも併せ持つ元素である。ワイヤ中のＴｉ含有量が０．０５重量％未満であると、耐食性向上の効果を得ることはできるものの、後述のＢとの複合添加による靱性を強化させる作用が働かず、靱性の確保が困難となる。一方、Ｔｉ含有量が０．５０重量％を超えると、上記の効果は飽和して無駄となり、経済的に好ましくない。また、強度過多となって耐割れ性が劣化する。従って、ワイヤ中のＴｉ含有量は０．０５乃至０．５０重量％とする。
【００２９】
Ｂ：０．００１乃至０．０２０重量％
ＢはＴｉとの複合添加により靱性を強化させる元素である。ワイヤ中のＢ含有量が０．００１重量％未満であると、靱性を強化させる効果が得られない。一方、Ｂ含有量が０．０２０重量％を超えると、強度過多となって靱性及び耐割れ性が劣化する虞がある。従って、ワイヤ中のＢ含有量は０．００１乃至０．０２０重量％とする。
【００３０】
Ｍｇ：０．１０乃至０．５０重量％
Ｍｇは脱酸性を有する元素である。ワイヤ中のＭｇ含有量が０．１０重量％未満であると、脱酸効果が認められず、靱性の確保が困難となる。一方、Ｍｇ含有量が０．５０重量％を超えると、スパッタ発生量が増加して作業性が劣悪となる。従って、Ｍｇ含有量は０．１０乃至０．５０重量％とする。
【００３１】
Ｓ：０．０２重量％以下
Ｓは腐食の起点となるＭｎＳ及びＦｅＳの生成に寄与する元素である。ワイヤ中のＳ含有量が０．０２重量％を超えると、靱性及び耐割れ性が劣化して耐久性が低下する。従って、ワイヤ中のＳ含有量は０．０２重量％以下に規制する。
【００３２】
Ｍｏ及びＮｂ：総量で０．０５乃至０．５０重量％
Ｍｏ及びＮｂは強度を向上させる元素である。ワイヤ中のＭｏ及びＮｂの含有量が総量で０．０５重量％未満であると、強度向上の効果が低い。一方、Ｍｏ及びＮｂの含有量が総量で０．５０重量％を超えると、強度が過剰となる虞がある。従って、ワイヤ中のＭｏ及びＮｂの含有量は総量で０．０５乃至０．５０重量％であることが望ましい。
【００３３】
フラックス充填率：２０乃至３０重量％
フラックス充填率が２０重量％未満であると、電流密度が低くなって作業能率を向上させることができない。一方、フラックス充填率が３０重量％を超えると、製造時に断線が生じて生産性が低下する。従って、フラックス充填率は２０乃至３０重量％とする。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００３５】
先ず、下記表１に示す組成を有する３種の鋼板を下記表２乃至７に示す組成を有するワイヤを使用して下記表８に示す溶接条件によって溶接した。
【００３６】
図１は試験片を示す模式図である。溶接後、図１に示すように、厚さが２ｍｍ、一辺の長さが２５ｍｍの正方形板状の試験片をブチラール樹脂と組み合わされた溶接金属から鋼板に平行に切り出した。そして、各試験片の樹脂塗装面１にカッタナイフでクロスカット２を人工塗膜欠陥として形成し、促進試験及び大気暴露試験により試験片の長期耐久性を評価した。なお、溶接金属への塗装処理としては、いずれの塗料系の場合も、下地処理としてサンドブラスト処理した後、スプレー塗装にて厚さ１０μｍまで塗装した。
【００３７】
促進試験においては、先ず、オープンフレームのカーボンアーククランプ照射（ＪＩＳ Ｋ ７３５０）、塩水浸漬及び恒温恒湿での保持の３工程からなる複合サイクル試験を行った。なお、塩水には、濃度が０．１重量％、０．５重量％、３．０重量％である３種を使用した。また、恒温恒湿での保持における温度は６５℃であり、相対湿度は９５％である。そして、６０サイクル後に外観及びクロスカット２からの塗膜下腐食の広がり幅を評価した。
【００３８】
大気暴露試験においては、試験片を南向き、水平に対して３０゜傾斜させて設置し、週に１回０．１重量％塩水の散布を行いながら、１年間大気に暴露した。そして、促進試験と同様に、外観及びクロスカット２からの塗膜下腐食の広がり幅を評価した。
【００３９】
なお、クロスカット２からの塗膜下腐食の広がり幅の評価においては、広がり幅を８点で測定し、その平均値により評価を行った。
【００４０】
また、外観評価のレイティングナンバ（ＲＮ）では、外観が最も良好な場合を１０とし、損傷が大きくなるに従って数値を下げ、最も損傷が大きい場合（全面腐食）を１とした。
【００４１】
そして、極めて良好な場合を◎、良好な場合を○、やや良好の場合を△、不良の場合を×として評価した。この結果を下記表９乃至１４に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【表２】
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【００４６】
【表５】
【００４７】
【表６】
【００４８】
【表７】
【００４９】
【表８】
【００５０】
【表９】
【００５１】
【表１０】
【００５２】
【表１１】
【００５３】
【表１２】
【００５４】
【表１３】
【００５５】
【表１４】
【００５６】
上記表９乃至１４に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至３７においては、ワイヤの化学成分及び充填率が本発明範囲内であるので、良好な耐候性、強度及び溶接性が得られた。
【００５７】
一方、比較例Ｎｏ．３８においては、Ｃ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、強度が不足した。比較例Ｎｏ．３９においては、Ｃ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタ量が多く高温割れが発生した。
【００５８】
比較例Ｎｏ．４０においては、Ｓｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、延性が不足した。比較例Ｎｏ．４１においては、Ｓｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００５９】
比較例Ｎｏ．４２においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、強度が不足した。比較例Ｎｏ．４３においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．４４においては、Ｐ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．４５においては、Ｓ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、同様に、高温割れが発生した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．４６においては、Ｃｕ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、耐食性が著しく低かった。比較例Ｎｏ．４７においては、Ｃｕ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、Ｃｕ割れが発生した。
【００６２】
比較例Ｎｏ．４８においては、Ｎｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、耐食性が低かった。比較例Ｎｏ．４９においては、Ｎｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、靱性が不足して衝撃値が低くなった。
【００６３】
比較例Ｎｏ．５０においては、Ｃｒ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、耐食性が著しく低かった。
【００６４】
比較例Ｎｏ．５１においては、Ｔｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、靱性が不足して衝撃値が低くなった。比較例Ｎｏ．５２においては、Ｔｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００６５】
比較例Ｎｏ．５３においては、Ｂ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、靱性が不足して衝撃値が低くなった。比較例Ｎｏ．５４においては、Ｂ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００６６】
比較例Ｎｏ．５５においては、Ｍｇ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、脱酸不足により靱性が不足して衝撃値が低くなった。比較例Ｎｏ．５６においては、Ｍｇ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタ発生量が多かった。
【００６７】
比較例Ｎｏ．５７においては、フラックス充填率が本発明範囲の下限未満であるので、作業能率が低いと共に、スパッタ発生量が多かった。比較例Ｎｏ．５８においては、本発明範囲の上限を超えるフラックス充填率のワイヤを製造しようとしたが、製造できなかった。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ワイヤに含有される各成分の含有量及びフラックス充填率を適正な値に規定しているので、塩分の飛来が避けられない環境下で使用される塗装鋼板等の耐候性鋼材の溶接に使用されても十分な耐久性及び良好な溶接性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験片を示す模式図である。
【符号の説明】
１；樹脂塗装面
２；クロスカット
【発明の属する技術分野】
本発明は橋梁又は鉄塔等の鋼構造物等の溶接に使用されるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に、海岸近郊及び寒冷地等の塩害環境下で使用される鋼構造物用耐候性鋼材の溶接に好適なエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼にＣｒ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰ等の化学成分を適量添加した耐候性鋼材としてＪＩＳに溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材（ＳＭＡ：ＪＩＳ Ｇ ３１１４）及び高耐候性圧延鋼材（ＳＭＡ：ＪＩＳ Ｇ ３１２５）の２種が規定されている。耐候性鋼材は、鋼材の表面に生成した緻密な安定錆層により永続的な腐食の進行を遮るという性質を有する鋼材であり、橋梁又は鉄塔等の塗替え塗装を含めた維持管理業務の日常的遂行が困難な鋼構造物に使用され、内陸地方で使用実績がある。
【０００３】
しかし、耐候性鋼材が安定な錆層を生成するまでには、約１０年以上もの長期間が必要とされ、実際には、初期の腐食及びそれに伴う赤錆の流出等が問題となっている。例えば、海岸近郊及び凍結防止として道路に塩化物を散布することがある寒冷地等でこのような問題が生じている。特に、このような傾向は、気候が温暖湿潤な日本において顕著である。このため、耐候性鋼材を裸使用する際の錆安定化までの錆汁による周囲構造物の汚染等を防止する目的で錆安定化処理が一般に行われている。
【０００４】
しかし、錆安定化処理が行われた場合であっても、錆汁は防止されるものの、裸使用と同様に、塩分が多く飛来する環境下では、緻密な錆層の生成が阻害され所望の効果が得られないという問題がある。
【０００５】
そこで、耐候性鋼材が抱える上述のような問題を解決するための手段が提案されている（特公昭５３−２２５３０号公報、特公昭５６−３３９９１号公報、特公昭５８−３９９１５号公報、特公昭５８−１７８３３号公報、特開平２−１３３４８０号公報、特公平６−２１２７３号公報等）。これらの公報には、耐候性鋼材の表面に樹脂を塗装することにより、外部環境からの飛来塩分の侵入を防止して安定錆の生成を促進する方法が記載されている。例えば、特開平２−１３３４８０号公報には、鱗片状結晶構造のＦｅ3Ｏ4、燐酸、ブチラール樹脂及び残部が溶剤である安定錆の生成を促進する表面処理液が開示されている。また、特公平６−２１２７３号公報には、Ｐ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＭｏの化合物の少なくとも１種以上、Ｆｅ2Ｏ3＋Ｆｅ3Ｏ4、燐酸、ビスフェノール系エポキシ樹脂並びに残部が溶剤及び塗料補助剤である塗装液を塗布する錆安定化表面処理方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の公報に開示された方法は、いずれも耐候性鋼材そのものを改善したものではなく、安定錆の生成を促進するには問題がある。即ち、樹脂を塗装する方法では、通常、鋼材の表面には微小な欠陥が存在しているため、その欠陥個所において塗膜による効果が十分ではない。更に、塗膜欠陥部での腐食の進行が塗膜と素地との界面での隙間腐食を引き起こし、安定錆が生成するよりも先に、塗膜自体の剥離及び脱落が発生することもある。従って、塩分の飛来が避けられないような環境における耐候性鋼材の使用は制限をうけることになる。
【０００７】
また、Ｐ及びＣｒは溶接性を著しく劣化させる元素であり、鋼材を現場溶接する機会が多い構造物、例えば橋梁等においては、耐候性鋼材の適用範囲が狭められることとなっている。
【０００８】
このような耐候性鋼材の溶接に使用されるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関しても、その溶接金属部に鋼板と同様の課題があり、これまで実用化に至っていない。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、塩分の飛来が避けられない環境において使用される塗装鋼板の溶接に使用されても耐久性及び良好な溶接性を得ることができるエレクトロガスアーク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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤは、軟鋼製外皮中にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク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：０．０２乃至０．１０重量％、Ｓｉ：０．１０乃至１．００重量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．５０重量％、Ｐ：０．０２重量％以下、Ｃｕ：０．０５乃至１．００重量％、Ｎｉ：０．０５乃至６．０重量％、Ｃｒ：０．４０重量％以下、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０重量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２０重量％及びＭｇ：０．１０乃至０．５０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｓが０．０２重量％以下に規制されており、フラックス充填率が２０乃至３０重量％であることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、ワイヤに含有される化学成分及びその組成並びにフラックス充填率が適切に規定されているので、塩害環境下でも耐久性及び良好な溶接性が得られる。
【００１２】
なお、Ｍｏ及びＮｂ：総量で０．０５乃至０．５０重量％を含有することが望ましく、前記Ｃｒは０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願発明者等が前記課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、ワイヤ中のＣｒ添加量を可能な限り少なくし、塗装欠陥部における腐食促進要因を減じること、Ｃｒの代替となる安定錆生成促進元素を探索及び添加すること並びに塗装欠陥部でのｐＨ低下を緩衝する作用を有する元素、即ち、微量溶解されることによりｐＨをアルカリ側へ高める作用を有する元素を探索及び添加することにより、エレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤの溶接金属の耐久性を向上させることができることを見い出した。
【００１４】
一般に、鋼材の表面に緻密な安定錆層が生成すると、環境中に存在する水分、酸素又は塩素イオンといった腐食促進因子が物理的又は電気化学的作用により基材に到達し難くなるため、鋼材の腐食反応は遅延し、特別な防食処理を施すことなく腐食速度は無視できる程度まで減少することが知られている。耐候性鋼材はこのような緻密錆による自己防食作用を積極的に利用した鋼材である。
【００１５】
具体的には、鋼にＣｒ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰといった生成錆の緻密化を促進する元素を微量添加することにより、耐候性鋼を得ることができる。即ち、耐候性鋼とは、裸材にて使用することによって、その作用効果を発現することができる鋼種である。しかし、前述のように、耐候性鋼が有する安定錆生成の促進作用は飛来塩分が無視できない塩害環境下では、その効果は十分には発揮されない。そこで、安定錆が生成するまでの期間、飛来塩分が鋼に到達することを回避する目的で鋼材の表面に薄い樹脂塗装を施すといった対応策が種々考案されているが、前述のように、塗装欠陥の問題があるために有効な対策とはなっていないのが実状である。
【００１６】
そこで、本願発明者等は、塗装欠陥部における腐食機構を鋭意検討した結果、鋼の成分元素として含有されるＣｒが腐食因子として影響していることを見い出した。即ち、塗装欠陥において鋼が腐食反応を開始すると、鉄原子に伴い微量溶解するＣｒイオンはＣｌイオンの作用も加わって欠陥内におけるｐＨ低下の原因となり、欠陥内での凝集水分の酸化性を促進することにより、塗膜と素地との界面での隙間腐食を誘発する作用をもたらすことを見い出した。
【００１７】
従って、このような腐食機構からの演繹により塩害地域における樹脂塗装耐候性鋼の耐久性向上のための成分設計の考えとして、前述のようなワイヤ中のＣｒ添加量を可能な限り少なくし、塗装欠陥部における腐食促進要因を減じること、Ｃｒの代替となる安定錆生成促進元素を探索及び添加すること並びに塗装欠陥部でのｐＨ低下を緩衝する作用を有する元素を探索及び添加することの３つの視点が重要となるのである。
【００１８】
Ｃｒの代替元素に関し、樹脂塗膜が形成されている場合、塗膜健全部では、塗膜による遮蔽効果により塩分は鋼に到達することが困難となる。また、塗膜欠陥部においても、欠陥（傷）が十分に小さい場合には、塗膜の厚さが物理的な障壁となって飛来塩分は素地には到達しにくくなる。従って、塗膜欠陥内部における著しいｐＨ低下を抑制し、成分元素のコントロールができれば、塩害環境下においても、長寿命の塗装鋼材が得られるものと考えられる。
【００１９】
このような条件を満たせば、塗膜欠陥下にて鋼材は安定錆を形成することができるが、表面を被覆する被覆材については、経済性、施工性及び簡便さ等から最も一般的な有機樹脂系の塗装が施されたものが望ましい。ポリエステル系、エポキシ系、ウレタン系等の鋼材の表面を被覆できるものであれば、あらゆる樹脂が塗装可能であるが、本願発明者等の実験により、ブチラール樹脂が、強靱で撓み性及び大きな衝撃強さを有し金属との接着性が優れるので、最も好適な樹脂である。
【００２０】
以下、本発明に係るエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに含有される化学成分及びその組成限定理由等について説明する。
【００２１】
Ｃ：０．０２乃至０．１０重量％
Ｃは溶接金属の強度を確保するための元素である。ワイヤ中のＣ含有量が０．０２重量％未満であると、焼入れ性が不足し強度の確保が困難となる。一方、Ｃ含有量が０．１０重量％を超えると、スパッタ発生量が増大すると共に、強度が過多となり耐割れ性が劣化する。従って、ワイヤ中のＣ含有量は０．０２乃至０．１０重量％とする。
【００２２】
Ｓｉ：０．１０乃至１．００重量％
Ｓｉは安定錆の生成を促進し耐食性を向上させる効果を有する元素である。ワイヤ中のＳｉ含有量が０．１０重量％未満であると、耐食性向上の効果が得られず、また、延性が不足する。一方、Ｓｉ含有量が１．００重量％を超えると、強度過多となって靱性及び耐割れ性が劣化する。従って、ワイヤ中のＳｉ含有量は０．１０乃至１．００重量％とする。
【００２３】
Ｍｎ：０．５０乃至２．５０重量％
Ｍｎは溶接金属の強度を確保するための元素である。ワイヤ中のＭｎ含有量が０．５０重量％未満であると、焼入れ性が不足し強度の確保が困難となる。一方、Ｍｎ含有量が２．５０重量％を超えると、強度過多となって靱性及び耐割れ性が劣化する。また、ＭｎＳの生成が促進されて耐食性の劣化を招く虞がある。従って、ワイヤ中のＭｎ含有量は０．５０乃至２．５０重量％とする。
【００２４】
Ｐ：０．０２重量％以下
Ｐは安定錆層の生成を促進するため、従来の裸仕様を主とした耐候性鋼に必須の元素である。しかし、ワイヤ中のＰ含有量が０．０２重量％を超えると、耐割れ性及び靱性が劣化する。従って、ワイヤ中のＰ含有量は０．０２重量％以下とする。
【００２５】
Ｃｕ：０．０５乃至１．００重量％
Ｃｕは電気化学的にＦｅより貴な元素であり、生成錆を緻密化して安定錆の生成を促進する作用を有する。ワイヤ中のＣｕ含有量が０．０５重量％未満であると、上述のような耐食性向上の効果が得られない。一方、Ｃｕ含有量が１．００重量％を超えると、それ以上添加してもそれ以上の効果は得られず無駄である。却って、Ｃｕ割れが引き起こされる虞がある。従って、ワイヤ中のＣｕ含有量は０．０５乃至１．００重量％とする。
【００２６】
Ｎｉ：０．０５乃至６．０重量％
ＮｉはＣｕと同様に耐食性を向上させる元素である。ワイヤ中のＮｉ含有量が０．０５重量％未満であると、耐食性向上の効果が得られない。一方、Ｎｉ含有量が６．０重量％を超えると、耐食性向上の効果が飽和する一方で、強度過多となって靱性が劣化する虞がある。従って、ワイヤ中のＮｉ含有量は０．０５乃至６．０重量％とする。
【００２７】
Ｃｒ：０．４０重量％以下
Ｃｒは安定錆層の生成を促進するため、従来の裸仕様を主とした耐候性鋼に必須の元素である。しかし、ワイヤ中のＣｒ含有量が０．４０重量％を超えると、前述のように、塗膜欠陥部におけるｐＨ低下の原因となり、凝集水分の酸化性を促進することにより、塗膜と素地との界面での隙間腐食を誘発する。従って、ワイヤ中のＣｒ含有量は０．４０重量％以下とする。鋼材が現場溶接される機会が多い構造物、特に橋梁等の構造物において広い適用範囲を確保するために、ワイヤ中のＣｒ含有量は０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
Ｔｉ：０．０５乃至０．５０重量％
ＴｉはＣｒの代替元素として耐候性を確保するために必須の元素である。また、Ｃｒ、Ｃｕ及びＮｉと同様に、生成錆を緻密化し安定錆層の生成を促進する有益な作用を有すると共に、極めて優れた耐食性を有する。更に、鋼の清浄化という利点をも併せ持つ元素である。ワイヤ中のＴｉ含有量が０．０５重量％未満であると、耐食性向上の効果を得ることはできるものの、後述のＢとの複合添加による靱性を強化させる作用が働かず、靱性の確保が困難となる。一方、Ｔｉ含有量が０．５０重量％を超えると、上記の効果は飽和して無駄となり、経済的に好ましくない。また、強度過多となって耐割れ性が劣化する。従って、ワイヤ中のＴｉ含有量は０．０５乃至０．５０重量％とする。
【００２９】
Ｂ：０．００１乃至０．０２０重量％
ＢはＴｉとの複合添加により靱性を強化させる元素である。ワイヤ中のＢ含有量が０．００１重量％未満であると、靱性を強化させる効果が得られない。一方、Ｂ含有量が０．０２０重量％を超えると、強度過多となって靱性及び耐割れ性が劣化する虞がある。従って、ワイヤ中のＢ含有量は０．００１乃至０．０２０重量％とする。
【００３０】
Ｍｇ：０．１０乃至０．５０重量％
Ｍｇは脱酸性を有する元素である。ワイヤ中のＭｇ含有量が０．１０重量％未満であると、脱酸効果が認められず、靱性の確保が困難となる。一方、Ｍｇ含有量が０．５０重量％を超えると、スパッタ発生量が増加して作業性が劣悪となる。従って、Ｍｇ含有量は０．１０乃至０．５０重量％とする。
【００３１】
Ｓ：０．０２重量％以下
Ｓは腐食の起点となるＭｎＳ及びＦｅＳの生成に寄与する元素である。ワイヤ中のＳ含有量が０．０２重量％を超えると、靱性及び耐割れ性が劣化して耐久性が低下する。従って、ワイヤ中のＳ含有量は０．０２重量％以下に規制する。
【００３２】
Ｍｏ及びＮｂ：総量で０．０５乃至０．５０重量％
Ｍｏ及びＮｂは強度を向上させる元素である。ワイヤ中のＭｏ及びＮｂの含有量が総量で０．０５重量％未満であると、強度向上の効果が低い。一方、Ｍｏ及びＮｂの含有量が総量で０．５０重量％を超えると、強度が過剰となる虞がある。従って、ワイヤ中のＭｏ及びＮｂの含有量は総量で０．０５乃至０．５０重量％であることが望ましい。
【００３３】
フラックス充填率：２０乃至３０重量％
フラックス充填率が２０重量％未満であると、電流密度が低くなって作業能率を向上させることができない。一方、フラックス充填率が３０重量％を超えると、製造時に断線が生じて生産性が低下する。従って、フラックス充填率は２０乃至３０重量％とする。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００３５】
先ず、下記表１に示す組成を有する３種の鋼板を下記表２乃至７に示す組成を有するワイヤを使用して下記表８に示す溶接条件によって溶接した。
【００３６】
図１は試験片を示す模式図である。溶接後、図１に示すように、厚さが２ｍｍ、一辺の長さが２５ｍｍの正方形板状の試験片をブチラール樹脂と組み合わされた溶接金属から鋼板に平行に切り出した。そして、各試験片の樹脂塗装面１にカッタナイフでクロスカット２を人工塗膜欠陥として形成し、促進試験及び大気暴露試験により試験片の長期耐久性を評価した。なお、溶接金属への塗装処理としては、いずれの塗料系の場合も、下地処理としてサンドブラスト処理した後、スプレー塗装にて厚さ１０μｍまで塗装した。
【００３７】
促進試験においては、先ず、オープンフレームのカーボンアーククランプ照射（ＪＩＳ Ｋ ７３５０）、塩水浸漬及び恒温恒湿での保持の３工程からなる複合サイクル試験を行った。なお、塩水には、濃度が０．１重量％、０．５重量％、３．０重量％である３種を使用した。また、恒温恒湿での保持における温度は６５℃であり、相対湿度は９５％である。そして、６０サイクル後に外観及びクロスカット２からの塗膜下腐食の広がり幅を評価した。
【００３８】
大気暴露試験においては、試験片を南向き、水平に対して３０゜傾斜させて設置し、週に１回０．１重量％塩水の散布を行いながら、１年間大気に暴露した。そして、促進試験と同様に、外観及びクロスカット２からの塗膜下腐食の広がり幅を評価した。
【００３９】
なお、クロスカット２からの塗膜下腐食の広がり幅の評価においては、広がり幅を８点で測定し、その平均値により評価を行った。
【００４０】
また、外観評価のレイティングナンバ（ＲＮ）では、外観が最も良好な場合を１０とし、損傷が大きくなるに従って数値を下げ、最も損傷が大きい場合（全面腐食）を１とした。
【００４１】
そして、極めて良好な場合を◎、良好な場合を○、やや良好の場合を△、不良の場合を×として評価した。この結果を下記表９乃至１４に示す。
【００４２】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
【表１１】
【表１２】
【表１３】
【表１４】
上記表９乃至１４に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至３７においては、ワイヤの化学成分及び充填率が本発明範囲内であるので、良好な耐候性、強度及び溶接性が得られた。
【００５７】
一方、比較例Ｎｏ．３８においては、Ｃ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、強度が不足した。比較例Ｎｏ．３９においては、Ｃ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタ量が多く高温割れが発生した。
【００５８】
比較例Ｎｏ．４０においては、Ｓｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、延性が不足した。比較例Ｎｏ．４１においては、Ｓｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００５９】
比較例Ｎｏ．４２においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、強度が不足した。比較例Ｎｏ．４３においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００６０】
比較例Ｎｏ．４４においては、Ｐ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。比較例Ｎｏ．４５においては、Ｓ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、同様に、高温割れが発生した。
【００６１】
比較例Ｎｏ．４６においては、Ｃｕ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、耐食性が著しく低かった。比較例Ｎｏ．４７においては、Ｃｕ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、Ｃｕ割れが発生した。
【００６２】
比較例Ｎｏ．４８においては、Ｎｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、耐食性が低かった。比較例Ｎｏ．４９においては、Ｎｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、靱性が不足して衝撃値が低くなった。
【００６３】
比較例Ｎｏ．５０においては、Ｃｒ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、耐食性が著しく低かった。
【００６４】
比較例Ｎｏ．５１においては、Ｔｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、靱性が不足して衝撃値が低くなった。比較例Ｎｏ．５２においては、Ｔｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００６５】
比較例Ｎｏ．５３においては、Ｂ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、靱性が不足して衝撃値が低くなった。比較例Ｎｏ．５４においては、Ｂ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。
【００６６】
比較例Ｎｏ．５５においては、Ｍｇ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、脱酸不足により靱性が不足して衝撃値が低くなった。比較例Ｎｏ．５６においては、Ｍｇ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタ発生量が多かった。
【００６７】
比較例Ｎｏ．５７においては、フラックス充填率が本発明範囲の下限未満であるので、作業能率が低いと共に、スパッタ発生量が多かった。比較例Ｎｏ．５８においては、本発明範囲の上限を超えるフラックス充填率のワイヤを製造しようとしたが、製造できなかった。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ワイヤに含有される各成分の含有量及びフラックス充填率を適正な値に規定しているので、塩分の飛来が避けられない環境下で使用される塗装鋼板等の耐候性鋼材の溶接に使用されても十分な耐久性及び良好な溶接性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試験片を示す模式図である。
【符号の説明】
１；樹脂塗装面
２；クロスカット
Claims (3)
- 軟鋼製外皮中にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク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：０．０２乃至０．１０重量％、Ｓｉ：０．１０乃至１．００重量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．５０重量％、Ｐ：０．０２重量％以下、Ｃｕ：０．０５乃至１．００重量％、Ｎｉ：０．０５乃至６．０重量％、Ｃｒ：０．４０重量％以下、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０重量％、Ｂ：０．００１乃至０．０２０重量％及びＭｇ：０．１０乃至０．５０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｓが０．０２重量％以下に規制されており、フラックス充填率が２０乃至３０重量％であることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- Ｍｏ及びＮｂ：総量で０．０５乃至０．５０重量％を含有することを特徴とする請求項１に記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記Ｃｒは０．０５重量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
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