JP3788757B2

JP3788757B2 - サブマージアーク溶接用ボンドフラックス

Info

Publication number: JP3788757B2
Application number: JP2001306256A
Authority: JP
Inventors: 繁樹西山; 圭人石▲崎▼; 薫長谷
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: JP2003112292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関し、特に、鉄骨ボックスの角継手溶接及び造船等の厚板の継手溶接に適し、優れた作業性を有し、拡散性水素量が低く、しかも高能率施工が可能な鉄粉系サブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨・橋梁及び造船の溶接では、溶融型フラックス又はボンドフラックスを用いたサブマージアーク溶接が幅広く使用されている。サブマージアーク溶接で生成されるスラグの利用方法は乏しく、これまでは産業廃棄物として廃却されることが多かった。溶接施工業者は工場で発生する溶接スラグを所定の容器又は場所に一定期間保管したり、費用を支払って業者に廃却を依頼する等、溶接スラグの処置に手間と費用をかけているのが現状である。また、環境保全の点から廃却できる場所及び方法が限定される等、処置自体も制約を受けていて、溶接スラグを活用できる技術の開発が望まれていた。
【０００３】
ボンドフラックスの溶接スラグは溶融過程を経て生成されたもので、その均質性は高い。また、高温下で溶融されたことから水分含有量は低く、化学組成は特定の成分を除き、溶接前のフラックスに類似している。このような特長を備えたスラグはフラックス原料の一部として適用できる可能性があり、これまでにもいくつかの溶接スラグの再生利用方法が提案されている。
【０００４】
例えば、特開昭５７−１８１７９６号公報には、溶接スラグと未使用のフラックスを混合して新たなフラックスを作製する方法が開示されている。しかし、この技術は混合比率又は粒度を規定した混合型フラックスに関するものであり、ボンドフラックスに関するものではない。
【０００５】
また、特開昭６３−１８８４９３号公報には、溶接スラグに対して予め成分調整した溶解原料を添加し、新製品と同様の品質を有する溶融型フラックスを提供する方法が開示されているが、この方法もボンドフラックスのスラグを再利用してボンドフラックスを得ようとするものではない。
【０００６】
一方、特開昭５１−２１５３７号公報及び特開平１１−１８８４９６号公報には、ボンドフラックスのスラグを原料の一部として活用し、新しいボンドフラックスを得る方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５１−２１５３７号公報には、スラグを利用して新しいボンドフラックスを製造する条件が具体的に記載されておらず、炭酸塩を含有する鉄粉系ボンドフラックスの製造を可能にするものではない。
【０００８】
また、特開平１１−１８８４９６号公報に記載の発明は、原料中に１０乃至９０質量％のスラグを含有し、比表面積を０．３ｍ^２／ｃｍ^３以下に規定することで、拡散性水素量及び溶接金属のポックマークの低減を図ったフラックスに関するものである。しかし、この公報には、「フラックス中の炭酸塩を増加させる方法では、炭酸塩が分解して発生するＣＯ_２ガスにより溶接ビードの表面が粗くなり、高速溶接を行った場合に作業性が劣化する等の問題を残していた」と記載されているように、特開平１１−１８８４９６号公報に記載の発明は、炭酸塩の使用を回避するものであり、しかもこの発明の実施例を見ると、乾燥温度を高くすることで拡散性水素量の低減を図っていることがわかる。しかしながら、この方法では以下に示すとおり、厚板溶接に適したボンドフラックスを得ることが極めて困難である。
【０００９】
即ち、鉄骨・橋梁・造船等で使用されている厚板の溶接では、鉄粉を含有して溶着速度を高めたボンドフラックスを大入熱で溶接する高能率施工法が幅広く適用されている。この鉄粉系ボンドフラックスには、良好な作業性に加えて、溶接金属中に拡散性水素に起因する遅れ割れ発生の危険性を極力小さくすると共に、良好な衝撃性能を有する溶接金属が得られることが求められている。而して、大入熱溶接では、溶接金属の結晶粒が大きくなるため、衝撃性能が劣化しやすい。結晶粒の粗大化による衝撃性能の劣化を補うには、溶接金属の窒素量をできるだけ低く抑制することが好ましい。しかしながら、大入熱溶接では溶融池が大きいため、空気の巻き込みが起こりやすい。フラックス中に含有される炭酸塩はアーク下で分解し、ＣＯ_２ガスを発生してアーク雰囲気をシールドすることにより、空気を侵入しにくくし、溶接金属の窒素量の増加を起こりにくくするが、前述の特開平１１−１８８４９６号に記載された発明では、炭酸塩の使用を回避しているので、このような効果が得られない。
【００１０】
更に、前記公報に記載の実施例での乾燥温度は５５０乃至８５０℃の場合でしかも鉄粉又は他の金属原料は一切含有されていないことから、いわゆる非鉄系ボンドフラックス又は非鉄粉系焼結フラックスを想定したものであり、本発明の目的を達成できるものではないし、鉄粉を大量に含有するボンドフラックスの乾燥温度を高くすると、鉄粉及び金属マンガン等の酸化が起こる可能性があり、溶接時にこれらの性能が発揮できない。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、スラグを原料の一部に利用することにより、溶接スラグの再利用を可能とし、資源の有効利用を図ることができるボンドフラックスであって、鉄粉を多量に含有していて大入熱溶接に適用可能な拡散性水素量が少なく、大入熱溶接でも窒素の侵入を防ぐことができ、これにより衝撃性能が良好で、しかも遅れ割れの発生が防止された溶接金属を形成することができるサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、ボンドフラックス又は焼結フラックスのスラグ：１０乃至７０質量％と原料からなるボンドフラックスであり、フラックス中の総Ｆｅ量が１０乃至４０質量％、総ＣＯ_２量が２乃至１０質量％で、総ＭｇＯ量が９．７乃至３０質量％、ＳｉＯ _２量が９．２乃至２５．４質量％、ＣａＦ _２量が１．８乃至１０．５質量％、ＴｉＯ _２量が２．８乃至１５．４質量％、Ａｌ _２Ｏ _３量が４．８乃至２０．２質量％であると共に、示差熱分析で測定される質量変化開始温度が５５０℃以上であり、乾燥温度が４００乃至７００℃であって前記質量変化開始温度よりも低いことを特徴とする。
【００１３】
このサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、更に、総ＭｇＯ量が１０乃至３０質量％、ＳｉＯ_２量が１０乃至２５質量％、ＣａＦ_２量が２乃至１０質量％、ＴｉＯ_２量が３乃至１５質量％、更にＡｌ_２Ｏ_３量が５乃至２０質量％であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明のボンドフラックスは、原料として、ボンドフラックスが一旦溶融して固化したスラグを１０乃至７０質量％含有し、残部は予め成分調整した原料からなるボンドフラックスを含有する。本発明のボンドフラックスは、フラックス中に、総Ｆｅ量を１０乃至４０質量％、総ＣＯ_２量を２乃至１０質量％含有し、示差熱分析で測定される質量変化の開始温度が５５０℃以上である。好ましくは、更に、総ＭｇＯを１０乃至３０質量％、ＳｉＯ_２を１０乃至２５質量％、ＣａＦ_２を２乃至１０質量％、ＴｉＯ_２を３乃至１５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を５乃至２０質量％含有する。
【００１５】
以下、本発明の各成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
【００１６】
▲１▼ボンドフラックス又は焼結フラックスのスラグを１０乃至７０質量％含有し、残部がフラックス原料からなるボンドフラックスであること
溶接スラグは成分組成が元々のフラックス組成に類似していると共に、しかも高温で一旦溶融しているため、水分量が低く、耐吸湿性が優れている。このため、溶接スラグは新たなフラックスの原料に適用しやすく、特に元々のフラックスと類似した成分系の原料に最適である。しかし、この原料としてのスラグが１０質量％未満では、水分量が低いことによる効果が得られない。また、スラグが７０質量％を超えると、本発明の目的であるボンドフラックスに必要な鉄粉及びその他の合金原料、更にはフラックス全体の成分調整を行う余裕がなくなり、フラックスの製造が困難になる。更に、ビード外観不良及びビードの蛇行等の悪影響も生じる。
【００１７】
▲２▼総Ｆｅ量：１０乃至４０質量％
フラックス中にＦｅを一定量含有すると、このＦｅは溶接過程で溶融池に移行し、溶着速度は増加する。このため、高能率施工が可能になると共に、鉄粉を含まない場合に比べ、溶接入熱を下げることができる。総Ｆｅ量が１０質量％未満の場合はこのような効果が少なく、逆に総Ｆｅ量が４０質量％を超えるとビードの広がりが悪くなったり、スラグ巻き込みが発生しやすくなる。なお、本発明では総Ｆｅ量はフラックス中の鉄粉及び鉄合金中のＦｅの合計量を表す。
【００１８】
▲３▼総ＣＯ _２量：２乃至１０質量％
フラックス中のＣＯ_２は炭酸ガス及び炭酸マグネシウム等の炭酸塩として含有され、溶接中に分解されてＣＯ_２ガスとなって溶接雰囲気をシールドすることにより空気の巻き込みを防止したり、水素分圧の低減による拡散性水素の低減に効果を示す。このような効果は総ＣＯ_２量が２質量％未満では不十分であり、１０質量％を超えるとポックマークが溶接金属表面に発生したり、溶接中に吹き上げが激しくなる等の悪影響が生じる。なお、本発明において、炭酸塩の種類は問わない。
【００１９】
▲４▼示差熱分析における質量変化開始温度：５５０℃以上
フラックスの乾燥工程で炭酸塩の分解又は他の化学反応が起こると、本発明の目的とするフラックスの品質が損なわれる可能性が高い。この観点から、本発明者等はスラグ原料を用いたフラックスの安定性、特に炭酸塩の分解について鋭意、実験研究を行った。
【００２０】
図１は横軸に温度をとり、縦軸にフラックス質量をとって、示差熱分析結果を示す模式図である。図１に示すように、温度が上昇すると、水分の減少が生じるが、一定の温度を超えると、炭酸塩の分解が開始され、更に温度が上昇すると、炭酸塩の急激な分解が開始される。このため、温度が更に上昇すると、水分の減量分（破線にて示す）に加えて、炭酸塩の分解によりフラックス質量が大きく減量する。炭酸カルシウム及び炭酸マグネシウム等の炭酸塩原料の質量が急激に変化する温度を示差熱分析によって求めたところ、炭酸カルシウムは７５５℃、炭酸マグネシウムは７６０℃、炭酸ナトリウムは１０８１℃、炭酸リチウムは９４３℃といずれも高温であった。
【００２１】
次に、下記表１に示すボンドフラックスのスラグ原料Ａ及びＢを５０質量％使用し、残りは成分調整原料からなるフラックスＡ、Ｂを５２０℃と６００℃で乾燥してフラックスのＣＯ_２量と拡散性水素量を調べた。また、予備乾燥後に採取したフラックスを示差熱分析し、フラックス自体の質量変化が始まる温度も求めた。
【００２２】
【表１】

【００２３】
下記表２は乾燥前の全フラックス原料中に占める炭酸塩とＣＯ_２の量を示す。また、表２には、乾燥温度が５２０℃の場合と、６００℃の場合とで、乾燥後のフラックス成分の組成も示す。更に、表２に、拡散性水素量と示差熱分析結果を併せて示す。フラックスＡとフラックスＢとの大きな差異は炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムの量であり、他の成分はほぼ同一である。炭酸カルシウムの量が多いフラックスＡでは乾燥温度によらず総ＣＯ_２量は乾燥前の量とほぼ同じであった。また、拡散性水素量も低い値であった。一方、フラックスＢの総ＣＯ_２量は乾燥温度が５２０℃では乾燥前と同じであったが、乾燥温度が６００℃では３．０質量％と０．９質量％低下していた。６００℃で乾燥したフラックスＢを使用して測定した拡散性水素量は１０．６ミリリットル／１００ｇと極めて高く、実用性がないことが確認された。
【００２４】
【表２】

【００２５】
両フラックスの示差熱分析結果によれば、フラックスＡは６４３℃、フラックスＢは５７０℃で急激な質量変化が起こった。従って、図１に示すように、フラックスＢを６００℃で乾燥した場合に、総ＣＯ_２量が約１％変化したのは炭酸塩が分解したためと考えられる。図１において、減量線を炭酸塩の分解開始点から延長して引いた延長線（破線）が水分の減量分である。フラックスＡとフラックスＢは炭酸塩の種類が異なっていてフラックスＢは炭酸マグネシウムが多い組成であることから、フラックスＢを６００℃で乾燥した場合は、炭酸マグネシウムの一部が分解したために総ＣＯ_２量が低下したと考えられる。また、フラックスＢを４５０℃で１時間再乾燥して拡散性水素量を測定したが、その値は１０．５ミリリットル／１００ｇと殆ど変化がなかった。このことから、フラックスＢでは炭酸塩の分解だけでなく、水分源となる安定した化合物が同時に形成されたものと考えられる。
【００２６】
以上のような検討を経て本発明者等は、フラックスの急激な質量変化が始まる温度が一定温度以上になるようにフラックス組成を制御することにより、乾燥工程での炭酸塩の分解を防止し、更に品質劣化につながる化合物等の形成を防止することが必要であるという結論に至った。一方、拡散性水素量を左右するフラックス中の水分を低減するには、一般に乾燥温度を高くするほうが好ましい。両特性を考慮すると、示差熱分析によって測定したフラックスの急激な質量変化の開始温度は少なくとも５５０℃以上であることが必要である。質量変化開始温度が５５０℃未満の場合でも、更に低い温度で長時間の乾燥を行えば本発明と同様の効果を得ることも可能ではあるが、このような低温での乾燥はフラックス水分を低減するために長時間が必要であり、製造コストの上昇をもたらす。このため、低温の乾燥は、工業的な生産条件とは言い難く、実用性がない。なお、本発明においては、株式会社マック・サイエンス社製ＴＧ−ＤＴＡ２０１０Ｓを使用し、Ａｒガス流量が２００ミリリットル／分、フラックスの粒度が２０×３２メッシュ、試料質量が２０乃至３０ｍｇ，昇温速度が２０℃／分の条件で、示差熱分析を実施した。
【００２７】
▲５▼総ＭｇＯ量：１０乃至３０質量％
ＭｇＯはスラグの粘性を適切に保持する効果を有し、ＭｇＯの適量の添加によってビードの蛇行及びアンダーカットを防止できる。また、ＭｇＯは塩基性成分であることから、溶接金属の酸素量を低減して靭性の確保に有効である。総ＭｇＯ量が１０質量％未満ではこのような効果がなく、３０質量％を超えるとスラグ焼付き及びポックマークが発生しやすくなる。なお、総ＭｇＯ量は炭酸マグネシウム等のＭｇＯ化合物中のＭｇＯ量も加算したものである。
【００２８】
▲６▼ＳｉＯ _２量：１０乃至２５質量％
ＳｉＯ_２は酸性成分でスラグの粘性調整に有効であるが、ＳｉＯ_２量が１０質量％未満では粘性が不足し、ビード形状が不安定になる。一方、ＳｉＯ_２量が２５質量％を超えると、スラグの粘性が過剰になり、ビード形状が凸になり、なじみが劣化すると共に、スラグ剥離性も悪くなり、更に塩基度の低下による靭性劣化が起こりやすくなる。
【００２９】
▲７▼ＣａＦ _２量：２乃至１０質量％
ＣａＦ_２はスラグの流動性及び剥離性を調整し、更に塩基性成分であることから、溶接金属の酸素量を低くする効果がある。ＣａＦ_２量が２質量％未満ではその効果が得られない。一方、ＣａＦ_２量が１０質量％を超えると、スラグの流動性が過大になり、ビードの蛇行又はアンダーカットが発生する。
【００３０】
▲８▼ＴｉＯ _２量：３乃至１５質量％
ＴｉＯ_２はスラグの融点及び粘性調整に効果があると共に、溶接中に還元反応によって溶接金属中にＴｉとして侵入し、溶接金属の靭性を向上させる効果がある。ＴｉＯ_２が３質量％未満では、アンダーカットが発生しやすくなる。一方、ＴｉＯ_２が１５質量％を超えると、スラグ剥離性が急激に劣化し、スラグ生成量も増大する。
【００３１】
▲９▼Ａｌ _２Ｏ _３量：５乃至２０質量％
Ａｌ_２Ｏ_３はスラグの粘性及び凝固温度を調整すると共に、中性成分であることから、添加しても靭性を損なうことがない。Ａｌ_２Ｏ_３量が５質量％未満では、粘性及び凝固温度が低くてスラグが流動しやすくなり、ビード幅が不均一になると共に、部分的に凸形状になりやすい。一方、Ａｌ_２Ｏ_３が２０質量％を超えると、スラグの凝固温度が高くなりすぎ、ビード幅が過剰に狭くなり、蛇行しやすくなる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入る実施例のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスについて、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００３３】
表１に示すスラグ原料Ｂを、下記表３乃至表６に示す割合で使用して、表３乃至表６に示すフラックスを作製した。各フラックスは５４０乃至５４５℃で乾燥した。なお、フラックスの製造工程の予備乾燥後にサンプルを採取し、示差熱分析に供した。また、下記表７に示す条件で、図２（ａ）に示す開先形状の母材を溶接して、溶接作業性を評価した。
【００３４】
拡散性水素量はＪＩＳＺ３１１８−１９９２に基づき測定した。下記表９は溶接作業性の評価結果と拡散性水素量の測定結果を示す。溶接作業性は下記表８に示す基準に従って評価し、拡散性水素量は７．５ミリリットル／１００ｇ以下を合格とした。なお、下記表３乃至表６に示す「−」はその成分を含有していないことを示す。また、表８に示すビード形状の凹凸及び蛇行は、図３及び図４に示すようにしてビード形状を測定したものである。即ち、図３はビードの縦断面図であり、ビードが上下方向に波打っている場合の高低差を凹凸としている。図４はビードの平面形状をみた場合に、ビードが水平方向に波打っているときの水平方向の曲がり具合を蛇行としている。
【００３５】
【表３】

【００３６】
【表４】

【００３７】
【表５】

【００３８】
【表６】

【００３９】
【表７】

【００４０】
【表８】

【００４１】
【表９】

【００４２】
表９に示すように、実施例No.１乃至１７は、スラグ剥離性、スラグ焼き付き、ビード外観、ビード形状、アンダーカット等の溶接作業性がいずれも良好であると共に、拡散性水素量が低かった。中でも実施例Ｎｏ．２乃至８は、本発明の請求項２も満足するため、上記各特性が極めて良好なものであった。
【００４３】
比較例No.１８はスラグの割合が多すぎると共に、総Ｆｅ量が少ないため、ビード外観が不要で余盛が不足し、アンダーカットが発生した。比較例No.１９は総Ｆｅ量が過大なために、ビードの幅が不揃いで全般に狭い形状となった。比較例Ｎｏ．２０は総Ｆｅ量が少ないために、余盛が不足気味であった。比較例No.２１はスラグの割合が少ないと共に、ＣａＦ_２が多く、また総ＣＯ_２量が多すぎるために、ビード表面にポックマークが発生し、拡散性水素量も高かった。比較例No.２２は総ＣＯ_２量が少なすぎるため、拡散性水素量が過大であった。比較例No.２３はスラグ量が過剰なため、ビード外観が不良でビードが蛇行し、形状が不良であった。比較例No.２４はスラグ量が少なく、拡散性水素が過大になった。比較例No.２５は総ＣＯ_２量が多いため、ポックマークが発生し、ビード外観が不良であった。比較例No.２６は示差熱分析での温度が５２１℃と低く、拡散性水素量が９．２ミリリットル／１００ｇと非常に高い値であった。比較例No.２１と比較例No.２６の総ＣＯ_２量を測定したところ、比較例No.２１は８．７％、比較例No.２６は５．９％と総ＣＯ_２量は低下していた。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスによれば、鉄粉を多量に含有していて厚板での突合せ溶接のような大入熱溶接に適用することができ、拡散性水素量が少なく、窒素の侵入を防止することができ、衝撃性能が優れていると共に遅れ割れの発生が防止された溶接金属を形成することができる。本発明によれば、このような優れたボンドフラックスを、ボンドフラックスのスラグを１０乃至７０％使用して得ることができるので、溶接スラグの再利用が可能となり、資源の有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】横軸に温度をとり、縦軸にフラックス質量をとって、示差熱分析結果を示す模式図である。
【図２】（ａ）は開先形状を示す模式図、（ｂ）は電極配置を示す模式図である。
【図３】ビード形状（凹凸の測定）を示す模式図である。
【図４】ビード形状（蛇行の測定）を示す模式図である。

Claims

ボンドフラックス又は焼結フラックスのスラグ：１０乃至７０質量％と原料からなるボンドフラックスであり、フラックス中の総Ｆｅ量が１０乃至４０質量％、総ＣＯ_２量が２乃至１０質量％で、総ＭｇＯ量が９．７乃至３０質量％、ＳｉＯ _２量が９．２乃至２５．４質量％、ＣａＦ _２量が１．８乃至１０．５質量％、ＴｉＯ _２量が２．８乃至１５．４質量％、Ａｌ _２Ｏ _３量が４．８乃至２０．２質量％であると共に、示差熱分析で測定される質量変化開始温度が５５０℃以上であり、乾燥温度が４００乃至７００℃であって前記質量変化開始温度よりも低いことを特徴とするサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。