JP4246713B2 - セラミック裏当材及びそれを用いた溶接用支持具 - Google Patents
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Description
本発明は、溶接用のセラミック裏当材に関し、特に、機械的強度及び耐熱衝撃性を改善したセラミック裏当材に関する。本発明はまた、このセラミック裏当材の一つの面にガラス繊維体を積層した自動溶接用支持具に関する。本発明は、本件出願人が先に出願し特許された自動溶接用支持具（日本国特許第２８５７１１６号）を改良するものであり、急成長する溶接産業に対してより優れたセラミック裏当材及び自動溶接用支持具を提供でき、それにより高効率、高能率の自動溶接を可能にし生産性を高めることができる。
潜弧溶接(SUBMERGED ARC WELDING)は、高電流、高電圧で行われる一般的な自動溶接法であり、かかる自動溶接に使用されるセラミック裏当材は、自動溶接がスムーズにできるように、耐火度、急熱・急冷による熱衝撃抵抗性、機械的強度、耐酸性、耐化学性に強いセラミック材料で構成されている。
出願人が先に出願し特許された日本国特許第２８５７１１６号明細書に記載された自動溶接支持具は、自動溶接用途、特に潜弧溶接用途において、溶接欠陥の発生を抑えて所期の目的を達成することができる優れた自動溶接支持具である。しかし、急激に変化する溶接産業の発展と産業現場で必要とする高能率生産のための溶接法の変化に対して、以下のような課題が新たに顕在化した。
第一に、セラミック裏当材を製造する際に、主原料のセラミック粉末粒子の大きさが比較的大きく、このためセラミック裏当材の機械的強度が低下し、外部からの軽度な衝撃によりセラミック裏当材が破損することが生じた。
第二、粉末粒子が大きい原材料をセラミック裏当材として焼結するために融剤（フラックス）作用を有するＮａ2ＯまたはＫ2Ｏを添加するが、融剤の成分が必要以上に添加されると、セラミック裏当材の気孔率が低下して機械的強度が向上する利点はあるものの、セラミック裏当材の結晶構造がガラス化し、溶接時に発生する高熱による熱衝撃によりセラミック裏当材が破損することがあった。
セラミック裏当材の破損は、溶接によって生じた溶融金属を完全に保持できず、このため溶融金属の溶け落ちという重大な溶接欠陥が生じる要因に繋がる。
以上のように、本発明者が先に出願した日本国特許第２８５７１１６号明細書に記載された自動溶接用支持具に使用されるセラミック裏当材は、優れた溶接性能を与える裏当材として機能しているものの、機械的強度、溶接高熱による耐熱衝撃性の点で十分とはいえなかった。したがって、本発明は、機械的強度が高く、耐熱衝撃性に優れるセラミック裏当材を提供することを目的とする。
本発明はまた、機械的強度が高く、耐熱衝撃性に優れるセラミック裏当材を使用する自動溶接用支持具を提供することを目的とする。
出願人は、先に出願した日本国特許第２８５７１１６号明細書に記載された自動溶接用支持具に使用されるセラミック裏当材が、機械的強度が低く、及び溶接高熱による耐熱衝撃性が低下するのは、セラミック裏当材の主成分であるＳｉＯ2粉末粒子が６０〜８０メッシュと大きく、この大きさの粉末粒子を焼結する際に使用する融剤（フラックス）Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏの含有量が１．２〜８重量％と多く、及びこれらの相関関係により発生するセラミック裏当材の気孔率が２５〜４８％と大きいことにあることを知見した。かかる知見に基づいて鋭意検討した結果、セラミック裏当材の主成分であるＳｉＯ 2 を含む粉末粒子の粒度を９０〜１５０メッシュとし、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏの含有量を０．３〜２重量％に制御し、さらにセラミック裏当材の気孔率を１２〜２４％とすることで、セラミック裏当材の機械的強度を高め、かつ急熱・急冷による熱衝撃抵抗性を改善し、これにより自動溶接に幅広く適用できるようなセラミック裏当材及び自動溶接用支持具の発明を完成させたものである。
すなわち本発明は、セラミック粉末を成形、焼結したセラミック裏当材であって、セラミック粉末が、９０〜１５０メッシュの範囲の粒度を有するＳｉＯ 2 を含む粉末粒子を主成分とし、セラミック裏当材が、全体を１００重量％として、ＳｉＯ2：７５〜９５重量％、Ａｌ2Ｏ3：２〜１５重量％、ＭｇＯ：１〜５重量％、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏ：０．３〜２重量％、水分：０．０１〜０．５重量％を含み、残部が不可避的に混入される不純物であるセラミック裏当材である。
本発明はまた、セラミック粉末を成形、焼結したセラミック裏当材と、セラミック裏当材の一つの面に積層されたガラス繊維体とを含む自動溶接用支持具であって、セラミック粉末が、９０〜１５０メッシュの範囲の粒度を有するＳｉＯ 2 を含む粉末粒子を主成分とし、前記セラミック裏当材が、全体を１００重量％として、ＳｉＯ2：７５〜９５重量％、Ａｌ2Ｏ3：２〜１５重量％、ＭｇＯ：１〜５重量％、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏ：０．３〜２重量％、水分：０．０１〜０．５重量％を含み、残部が不可避的に混入される不純物であり、ガラス繊維体が、Ｓｉ０2：４０〜７０重量％、Ａｌ2Ｏ3：５〜２０重量％、Ｂ2Ｏ3：３〜１５重量％、ＣａＯ：８〜２８重量％、アルカリ金属酸化物：０．５〜４重量％及び水分：０．０１〜０．５重量％を含み、厚さ０．３〜１．５ｍｍであるガラス繊維体である自動溶接用支持具である。
本発明のセラミック裏当材及びそれを使用する自動溶接用支持具においては、セラミック粉末粒子を成形、焼結するための主成分である、９０〜１５０メッシュの範囲の粒度を有するＳｉＯ 2 を含む粉末粒子が、石英、トリジマイト及びクリストバライトからなる群から選択される１種以上の粉末粒子であることが好ましい。また、セラミック裏当材は、不可避的に混入される不純物が５重量％以下であることが好ましい。さらに、セラミック裏当材は１２〜２４％の気孔率を有することが好ましい。
本発明のセラミック裏当材は、その一つの面にガラス繊維体が積層された自動溶接用支持具として、溶接施工現場において使用される。すなわち、図１に示すように、セラミック裏当材（１）の一つの面にガラス繊維体（３）が積層され、ガラス繊維体（３）が溶接される鋼板（４）に接して鋼板（４）に取り付けられる。このとき、セラミック裏当材（１）とガラス繊維体（３）とを機械的な治具で鋼板（４）に取り付けることも可能であるが、一般的にはアルミニウム粘着テープ（２）を用いて溶接支持具を鋼板に取り付ける方法が簡便かつ確実であるので好ましい。アルミニウム粘着テープ（２）は、溶接時に発生するガスを放出することができる小孔を多数備え、片面側に粘着層が塗布されている。アルミニウム粘着テープ（２）の中央部分にセラミック裏当材（１）の底面が貼り付けられ、その端部側部分が鋼板（４）裏面に貼り付けられる。
既に知られているように、セラミック裏当材は、溶接に際して形成される溶融金属層を保護し、特に裏ビード（バックビード）の幅と深さなどの形状を制御する役割を担う。また、ガラス繊維体は、溶接される鋼板と溶接支持具とを完全に密着しやすくする緩衝材として、並びに溶接時に発生するガスを容易に放出させて、アンダカット、オーバラップ、スパッタリング、ピンホールなどのような溶接欠陥の発生を防止して良好な溶接ビード及び良好な裏ビード形状を確保する役割を担うものである。
以下に、本発明のセラミック裏当材及びガラス繊維体について、詳細に説明する。
本発明のセラミック裏当材は、ａ−石英（a-Quartz）、トリジマイト（tridymite、リンケイ石）、及びクリストバライト（crystobalite、クリストバル石）から選択される１種以上の鉱物を主結晶相とすることができる。あるいは、これらの鉱物相を使用する代わりに、本発明のセラミック裏当材の各成分を各々異なる量で含有している鉱物質を複数混合して本発明のセラミック裏当材を製造することも可能である。
例えば、ＳｉＯ2はそれを含む鉱物質であるシリカ、カオリン、長石、雲石、滑石、ムライトの中から、Ａｌ2Ｏ3はそれを含む鉱物質であるアルミナ、カオリン、ムライト、ボーキサイトの中から、ＭｇＯはそれを含む鉱物質である酸化マグネシウム、コージェライト、滑石、マグネサイトの中から、Ｎａ2Ｏはそれを含む鉱物質であるソーダ長石、ソーダナトリウム、ソーダ水ガラスの中から、Ｋ2Ｏはそれを含む鉱物質であるカリ長石、チタン酸カルシウム、カリ水ガラスの中から、本発明のセラミック裏当材の組成範囲を満たすように、各鉱物質を適宜配合して、本発明のセラミック裏当材を製造することができる。
かかる鉱物原料粉末粒子の粒度を調整し、本発明のセラミック裏当材の組成が得られるように鉱物質原料の配合量を調整し、成形、焼結することにより、本発明の組成範囲を有し、１２〜２４％の気孔率を有する本発明のセラミック裏当材を製造することができる。またこうして製造されたセラミック裏当材は、１４３５℃〜１６７０℃の耐熱性（ＳＫ）を有する。
本発明のセラミック裏当材の重要な成分の一つであるＳｉＯ2は、その結晶相がａ−石英、トリジマイト、及び／又はクリストバライトとして存在している。ＳｉＯ2は、本発明のセラミック裏当材中に、７５〜９５重量％含まれ、より好ましくは、８０〜９５重量％、さらに好ましくは、８５〜９５重量％含まれる。ＳｉＯ2含有量が７５重量％未満では、耐熱性が低下して過剰なスラグが発生し、また溶融物が多くなるのでアーク熱が不安定になり、アンダカット、スパッタリングという溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、ＳｉＯ2含有量が９５重量％を超えると、スラグの流動性が小さくなるため、均一な裏ビードを形成することができず、スラグの剥離性も低下して、スラグ巻き込みが発生しやすくなる。
Ａｌ2Ｏ3は、セラミック裏当材の耐火度を高め、自動溶接（潜弧溶接）時に曝される高熱に耐えることができ、溶接時に生成するスラグの粘性を高めることで、均一な裏ビードをより効果的に得るために必要な成分である。Ａｌ2Ｏ3含有量は、２〜１５重量％であり、より好ましくは、２．５〜１２重量％、さらに好ましくは３〜１０重量％である。Ａｌ2Ｏ3含有量が２重量％未満では、スパッタリングが発生しやすく、またスラグ剥離性が低下するので、溶接した後にグラインダ、あるいはワイヤブラシで裏ビードに付着したスラグを研削除去しなければならなくなる。また、Ａｌ2Ｏ3含有量が１５重量％を超えると、耐火度が高くなりすぎてスラグの粘性が低くなり、スラグの巻き込み、アンダカットなどの溶接欠陥が発生しやすくなる。
またＭｇＯは、作用的にはＡｌ2Ｏ3と類似する働きをする成分であり、セラミック裏当材の耐熱性を高め、スラグの剥離性を良好にする役割を担う。ＭｇＯ含有量は、１〜５重量％であり、より好ましくは１．５〜４．５重量％、さらに好ましくは２〜４重量％である。ＭｇＯ含有量が１重量％未満では、溶融金属の粘性が低くなりスラグの剥離性が低下して、アンダカット、オーバラップ等の溶接欠陥が発生しやすくなる。ＭｇＯ含有量が５重量％を超えると、溶融金属の粘性が過大になりガスの放出が困難になるため、ブローホール、スパッタリング、くぼみ等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
また本発明のセラミック裏当材において、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏは、セラミック粉末粒子を焼結してセラミック裏当材を成形する際の融剤（フラックス）作用を果たす焼結助剤である。したがって、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏを含有させることにより、セラミックの焼成温度範囲を広くできるが、一方では、生成したスラグの粘性及びスラグの剥離性、スラグの巻き込み、アンダカット、裏ビードのブローホール等の溶接欠陥に影響を及ばす。本発明のセラミック裏当材においては、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏは、各々単独でセラミック裏当材に含有させてもよく、又は二つの成分を併用させてもよい。単独又は併用して使用するＮａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏの含有量は、０．３〜２重量％、より好ましくは０．５〜１．８重量％の範囲である。単独又は併用して含有するＮａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏの含有量が０．３重量％未満になると、焼結助剤としての作用が十分ではなくなり、かつスラグの粘性が低くなりスラグ剥離性が低下して、生成した裏ビードへのスラグの巻き込みとアンダカットが発生しやすくなる。一方、単独又は併用して使用するＮａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏの含有量が２重量％を超えると、セラミック裏当材の気孔率が低下して機械的強度が向上する利点はあるものの、セラミック裏当材の結晶構造がガラス化し、これにより溶接時に発生する高入熱による耐熱衝撃性が低下して溶接時の高熱によりセラミック裏当材の破損を招くおそれがある。
本発明のセラミック裏当材は、Ｆｅ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 、Ｌｉ2 Ｏ、ＣａＯ、ＺｒＯ2 等の、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏ以外の不可避的に混入される不純物を５重量％以下の範囲で含有していてもよい。これらの不純物は、本発明のセラミック裏当材に意図的に含有させるものではなく、むしろセラミック裏当材を製造する際に、原料粉末から不可避的に混入される。
本発明においては、セラミック粉末粒子を成形・焼結してセラミック裏当材を製造するが、成形時の原料粉末の粒度が非常に重要である。すなわち、セラミック裏当材を製造する際の主原料であるＳｉＯ 2 を含む粉末粒子の大きさが比較的大きいと、成形・焼結後のセラミック裏当材の機械的強度が小さくなり、外部からの軽度な衝撃によってもセラミック裏当材が破損するおそれが生じたことから、本発明のセラミック裏当材においては、特にＳｉＯ2原料粉末粒子の粒度を９０〜１５０メッシュとする。ＳｉＯ 2 を含む粉末粒子が９０メッシュを下回ると、粉末粒子の粒度が大きくなるため、成形・焼結後のセラミック裏当材の機械的強度が小さくなり、セラミック裏当材の取り扱いに十分注意する必要があり、実用上不便である。一方、ＳｉＯ 2 を含む粉末粒子が１５０メッシュを超えると、機械的強度は良好であるが、溶接用支持具の基本的特性としての急熱・急冷による耐熱衝撃性が低下して、溶接時にセラミック裏当材が破損するおそれが生じる。また、主原料であるＳｉＯ 2 を含む粉末粒子と混合されるＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｎａ2Ｏ及／又はＫ2Ｏを含有する粉末粒子の大きさも、ＳｉＯ 2 を含む粉末粒子との混合性の点から、ＳｉＯ2粉末粒子と同等若しくはそれよりも微小の粉末粒子であることが好ましい。
本発明においては、セラミック粉末粒子の粒度は、各種の原料鉱物質を破砕したのち、標準篩を使用して篩分けし、粒度を９０〜１５０メッシュの範囲に制御している。
次に、本発明のセラミック裏当材の成形、焼結後の気孔率は、セラミック裏当材の機械的強度及び急熱・急冷に対する耐熱衝撃性の点から、１２〜２４％である。気孔率が１２％を下回ると、セラミック裏当材にガラス結晶相が過剰に生成され、これに伴い溶接時に発生するガスを容易に吸収できなくなり、熱衝撃によるセラミック裏当材の破損に繋がることになる。一方、気孔率が２４％を超えると、先に述べたＮａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏの含有量が０．３重量％未満の場合と同様に、セラミック裏当材の機械的強度が低下して、取り扱い上の困難さと溶接時における破損のしやすさをもたらすことになる。
なお、気孔率は次式で定義される。
気孔率＝（Ｗ3 −Ｗ1)／（Ｗ3 −Ｗ2)×１００
（式中Ｗ1 は乾燥重量、Ｗ2 は水中重量、Ｗ3 は水から引き上げたときの飽和重量を表す。）
気孔率＝（Ｗ3 −Ｗ1)／（Ｗ3 −Ｗ2)×１００
（式中Ｗ1 は乾燥重量、Ｗ2 は水中重量、Ｗ3 は水から引き上げたときの飽和重量を表す。）
また、本発明のセラミック裏当材中に含まれる水分は、０．０１〜０．５重量％である。この範囲に規定した理由は、セラミック裏当材の水分含有量が溶接時のブローホールやくぼみに大きな影響を与えるからであり、０．５重量％を超える水分がセラミック裏当材に存在すると、溶接時にセラミック裏当材からの水分を溶融金属が吸収して裏ビード内に多量の微細気孔を発生させるからである。なお、この水分は、大気中の水分を吸着することにより、セラミック裏当材の表面や気孔中に存在するものである。
上記の本発明のセラミック裏当材は、以下に一例として示すように、本発明のセラミック裏当材の組成範囲になるように、粉末粒子の粒度を調整した主原料、副原料の無機化合物を混合し、通常のセラミック材料と同様に、成形、焼結を経て製造する。主原料としては、ａ−石英、トリジマイト、クリストバライトからなる群から選択される一つ以上の原料粉末を含む鉱物質を使用する。
１）セラミック原料の混合：ａ−石英、トリジマイト、クリストバライトからなる群から選択される一つ以上の原料粉末を９０〜１５０メッシュに粉砕し、ソーダ長石（Ｎａ2Ｏ含有鉱物）又はカリ長石（Ｋ2Ｏ含有鉱物）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3含有鉱物）、マグネシア（ＭｇＯ含有鉱物）を所定の配合割合により混合した後、９０〜１５０メッシュ、好ましくは１５０メッシュ以下、より好ましくは３２５メッシュ以下に粉砕した副原料混合粉末を、ａ−石英、クリストバライトからなる群から選択される一つ以上の原料粉末と混合する。
２）有機バインダの添加：次に、上記の混合粉末にポリビニルアルコール（ＰＶＡ２０５）、ステアリン酸、パラフィンワックス、ナフタレン、おが屑及びその他の添加剤を上記のセラミック混合粉末に混ぜ、オーブンにより９０〜１１０℃に８〜２４時間乾燥したのち、４０トンの機械圧力で個々のセラミック裏当材当たり成形圧力１０〜３０ｋｇｆ／ｃｍ2で所定の形状に圧縮成形したのち、再度オーブンで９０〜１１０℃に２４時間乾燥し、その後１２５０〜１４００℃で熱処理（焼結）してセラミック裏当材を作製する。
２）有機バインダの添加：次に、上記の混合粉末にポリビニルアルコール（ＰＶＡ２０５）、ステアリン酸、パラフィンワックス、ナフタレン、おが屑及びその他の添加剤を上記のセラミック混合粉末に混ぜ、オーブンにより９０〜１１０℃に８〜２４時間乾燥したのち、４０トンの機械圧力で個々のセラミック裏当材当たり成形圧力１０〜３０ｋｇｆ／ｃｍ2で所定の形状に圧縮成形したのち、再度オーブンで９０〜１１０℃に２４時間乾燥し、その後１２５０〜１４００℃で熱処理（焼結）してセラミック裏当材を作製する。
次に、本発明の自動溶接用支持具において、本発明のセラミック裏当材の一つの面に積層させるガラス繊維体について説明する。
ガラス繊維体は、ＳｉＯ2 を含有し、その含有量は４０〜７０重量％である。ガラス繊維体中のＳｉＯ2 含有量が４０重量％未満になると、耐熱性が低下してガラス繊維が過大に溶融し、多量のガスが発生するとともに、スラグが過剰に生成してスラグの剥離性低下、ブローホール、くぼみ等の溶接欠陥が生じやすくなる。またＳｉＯ2 含有量が７０重量％を超えると、ガラス繊維の曲げ弾性が低下し曲げ強度が著しく低下し、ガラス繊維が容易に破壊して、溶接時にセラミック裏当材が溶融金属を保護できず、またスラグの流動性が低下して多量のアンダカットやオーバラップ等の溶接欠陥が発生する。
ガラス繊維体中に含まれるＡｌ2 Ｏ3 の含有量は、５〜２０重量％である。Ａｌ2Ｏ3含有量が５重量％未満では、耐熱性が十分ではなく、多量の溶融金属とスラグを生成し、またガス放出を困難にし、スラグ剥離性低下及びブローホールのような溶接欠陥をもたらす。一方、Ａｌ2Ｏ3 含有量が２０重量％を超えると、ガラス繊維体の耐火度が高すぎてスラグの流動性低下を招き、アンダカットのような溶接欠陥が発生しやすくなる。
また、ガラス繊維体中に含まれるＢ2Ｏ3の含有量は、３〜１５重量％である。ガラス繊維体中のＢ2Ｏ3は、ガラス繊維内でフラックス作用を果たしてガラス繊維の塑性範囲を広げる役割をする。Ｂ2Ｏ3含有量が３重量％未満では、スラグの流動性が低下してスラグ剥離性が低下して、生成した内側ビードにスラグ巻き込みを発生させる。Ｂ2Ｏ3含有量が１５重量％を超えると、ガラス繊維の曲げ強度が低下し、ガラス繊維が容易に破砕し、裏ビード形状が必要以上に広く深く形成され、ワイヤが多量に消耗されるので、製造原価を上昇させてしまう。
本発明のガラス繊維体中に含まれるＣａＯの含有量は、８〜２８重量％である。ＣａＯは、作用的にはＢ2Ｏ3と類似する成分であり、ガラス繊維体の耐熱性、機械的強度、塑性範囲等を調節する。ここで、ＣａＯ含有量が８重量％未満では、スラグの流動性が低下してスラグ剥離性が低下し、内側ビードにスラグ巻き込みを生じさせ、またアンダカットが発生しやすくなる。ＣａＯ含有量が２８重量％を超えると、耐火度が低くなるためガラス繊維体が溶融しやすくなり、溶融物が過大となりことからスラグが過剰に生成し、ガスが大量に発生する。ガスの一部は水分と化学反応を起こして、溶接後にビード内に気泡を生じさせ、致命的な溶接欠陥を招くおそれがある。
また、本発明のガラス繊維体は、Ｎａ2 Ｏ、Ｋ2 Ｏ、Ｌｉ2 Ｏ等のアルカリ金属酸化物を含有していてもよく、その含有量は０．５〜４重量％である。アルカリ金属酸化物は、ガラス繊維の引張強度、圧縮強度、曲げ強度等のような機械的性質及び成形性に関して重要な成分である。
本発明のガラス繊維体の水分含有量は、０．０１〜０．５重量％である。この範囲に規定した理由は、水分含有量はセラミック裏当材と同様に溶接欠陥に影響を及ぼすが、０．５重量％を超える場合は溶接時の裏ビード内に多量の水分が浸透し、溶接後、ビード内に多量の微細気孔が発生するからである。なお、この水分は、大気中の水分を吸着することにより、ガラス繊維体の表面や気孔（繊維組織間を含む）中に存在するものである。
また、本発明に係るガラス繊維体の厚さは、０．３〜１．５mmであるのが好ましい。ガラス繊維体はアーク熱により発生するガスの放出を容易にし、溶接欠陥を防ぐ役割をするが、その際、ガラス繊維の厚さにより作用効果が異なる。厚さが０．３mm未満の場合は溶接される鋼板とセラミック裏当材との緩衝作用が得られず、また、溶接の早い段階でガラス繊維体が溶融してしまいので、セラミック裏当材の露出を招き、またガス放出が困難となり、裏ビード内にくぼみが露出しスラグ剥離性を低下させる。厚さが１．５mmを超える場合はガス放出が容易となるが、厚すぎるために、溶接後ガラス繊維がセラミック裏当材上に残存し、裏ビードの幅及び深さ等の制御が困難になる。
本発明のガラス繊維体を使用する場合、ガラス繊維体は、ガラス繊維を１重または多重にしたものでもよい。
次に、本発明に係るガラス繊維体の製造方法を説明する。上記の組成を有するガラス繊維体は、セラミック裏当材で挙げた主原料、副原料のセラミックを使用することができる。また、Ｂ2Ｏ3源としては硼砂や硼酸等を、ＣａＯ源としては石灰石、白雲石、消石灰、蛍石、珪石灰等を使用することができる。これらの主原料、副原料の鉱物質を適宜配合して、本発明のガラス繊維体の組成を有する混合粉末を作製する。次に、この混合粉末を白金坩堝中で溶融し、坩堝底面に設けた細孔を通してボビンに巻きながらガラス繊維に紡糸する。このようにして作製したガラス繊維をストランドに編織して、ガラス繊維シートを作製し、このガラス繊維シートを１重〜１０重に重ねて０．３〜１．５mmの厚さとし、水分含有量が０．０１〜０．５％としたガラス繊維体を作製する。
図１に示すように、本発明のセラミック裏当材（１）の一つの面をアルミニウム粘着テープ（２）上に密着・固着させ、次に上記のガラス繊維体（３）をセラミック裏当材（１）の他方の面に密着させ、本発明の自動溶接支持具を作製する。
セラミック裏当材の組成を変えて作製した例１〜例９の自動溶接用支持具を用いて、自動溶接（潜弧溶接）を行い、溶接性能を評価した。表１に、セラミック裏当材の組成及び気孔率を、表２に溶接試験結果を示す。なお、例１〜例９のセラミック裏当材を作製する際、石英、トリジマイト、クリストバライト、又はコーディエライト、ステアタイト等の１種以上を主原料とし、これらの主原料を９０〜１５０メッシュに粉砕した。また、これに副原料であるソーダ長石（Ｎａ2Ｏ含有鉱物）又はカリ長石（Ｋ2Ｏ含有鉱物）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3含有鉱物）、マグネシア（ＭｇＯ含有鉱物）等を所定の配合割合により混合した後３２５メッシュ以下に粉砕し、これを主原料に混合した。ここで、例４〜例８が本発明例であり、例１〜例３、例９は比較例である。
なお、セラミック裏当材の上に積層したガラス繊維体は、以下に示す組成のものを使用した。ＳｉＯ2：５４．２重量％、Ａｌ2Ｏ3；１２．３重量％、ＭｇＯ：２．１重量％、Ｂ2Ｏ3：１０．８重量％、ＣａＯ：１９．８重量％、その他のアルカリ金属酸化物（Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ等）：０．６８重量％、水分含有量：０．１２重量％、厚さ：１mm（０．５mm二重重ね）
また、溶接特性を評価するために用いた溶接法は、１電極潜弧溶接であり、その条件及び評価方法は、下記に示すものである。
１）溶接ワイヤ及びフラック：Ｌ−８ｘＳ−７０７
２）溶接電圧（Ｖ）： ３５
３）溶接電流（Ａ）： ９００
４）鋼板厚さ ： １６mm
５）溶接速度 ： ２９ｃｍ／ｍｉｎ
６）開先角度 ： ５０
７）開先ギャップ ： ２mm
８）溶接姿勢 ： 下向き姿勢
なお、溶接ワイヤ及びフラックは、上記のＬ−８ｘＳ−７０７を使用したが、ＵＳ−４０ｘＭＦ−１００Ｎにおいても同様の結果が得られたことを確認した。
２）溶接電圧（Ｖ）： ３５
３）溶接電流（Ａ）： ９００
４）鋼板厚さ ： １６mm
５）溶接速度 ： ２９ｃｍ／ｍｉｎ
６）開先角度 ： ５０
７）開先ギャップ ： ２mm
８）溶接姿勢 ： 下向き姿勢
なお、溶接ワイヤ及びフラックは、上記のＬ−８ｘＳ−７０７を使用したが、ＵＳ−４０ｘＭＦ−１００Ｎにおいても同様の結果が得られたことを確認した。
溶接性の評価において、アンダカット発生の有無、スパッタリング発生の有無、オーバラップ発生の有無、スラグ剥離性の良否、裏ビードの形状の良否、セラミック裏当材破損の評価、熱衝撃によるセラミック裏当材の破損は、いずれも目視で行った。
表２の溶接試験結果を見ると、セラミック裏当材の組成が本発明の組成範囲内にある例４〜例８では、セラミック裏当材の破損、溶接ビードの外観、スラグ剥離性、その他の溶接欠陥が全く生じていない、非常に優れた溶接ビードが得られることがわかる。
一方、セラミック裏当材の組成が本発明の組成範囲外にある例１、例２、例３及び例９では、気孔率が本発明の好ましい範囲の外にあることと相俟って、セラミック裏当材の破損が起こり、そのため溶接欠陥が多く散見される。これらの例における問題点を詳細に見ると、以下のとおりである。
例１、例２のセラミック裏当材は、シリカ系（ａ−石英、トリジマイト及びクリストバライトからなる群から選択される１種以上の粉末粒子）ではなく、コージェライト（ＭｇＯ−ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3）系の原料粉末を使用し、本発明のセラミック裏当材の組成範囲に対して、ＳｉＯ2含有量が下回り、Ａｌ2Ｏ3含有量が過大であり、Ｎａ2Ｏ含有量あるいはＮａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの含有量が過大であるとともに、気孔率が本発明のセラミック裏当材を超える。このため、セラミック裏当材の破損、熱衝撃による破損が認められた他、各種の溶接欠陥が発生した。
これは、セラミック裏当材の原料粉末の耐熱性が不足していることも一因であると思われる。すなわち、本発明のセラミック裏当材及びそれを用いた自動溶接支持具は、高電圧、高電流により発生される高入熱に耐えることのできるように、セラミック裏当材の耐火度が十分に高いことが必要であり、コージェライト系粉末原料を使用して作製したセラミック裏当材は、溶接時に溶融金属を安全に保持できず、容易に溶けて、溶接金属の溶け落ちが発生するためである。
例３のセラミック裏当材は、Ｎａ2Ｏ含有量及びＮａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの含有量が本発明の範囲２重量％を超えて過剰に存在し、またセラミック裏当材の気孔率が本発明の範囲を超える。裏ビード形状、スラグ剥離性は従来材と同程度の結果が得られているが、アンダカット、スパッタリング、オーバラップの溶接欠陥が発生した。また、セラミック裏当材の結晶相がガラス化して必要以上に緻密化した結果、急熱急冷による耐熱衝撃性が低下し、溶接時に発生される高熱による熱衝撃により、セラミック裏当材が破損した。
例９のセラミック裏当材は、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの含有量が本発明の範囲０．３重量％を下回る組成を有するほかは、本発明の組成範囲にある。このため、裏ビード形状は従来材と同等であり、スラグ剥離性は良好であったが、焼結助剤であるＮａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏの含有量が不足しているために、セラミック裏当材の気孔率が本発明の範囲を超えるため、機械的強度が低下し、セラミック裏当材が破損した。また、オーバラップ、アンダカットも発生した。
［発明の効果］
以上のように、本発明は、溶接産業の発展及び溶接条件の変化に応じて、溶接施工現場で適切な自動溶接を行うために、出願人が先に出願し特許された日本国特許第２８５７１１６号明細書に記載された自動溶接支持具を改良する、機械的強度と急熱急冷に対する耐熱衝撃性を有するセラミック裏当材及びそれを用いた自動溶接用支持具を提供することができる。
以上のように、本発明は、溶接産業の発展及び溶接条件の変化に応じて、溶接施工現場で適切な自動溶接を行うために、出願人が先に出願し特許された日本国特許第２８５７１１６号明細書に記載された自動溶接支持具を改良する、機械的強度と急熱急冷に対する耐熱衝撃性を有するセラミック裏当材及びそれを用いた自動溶接用支持具を提供することができる。
１ セラミック裏当材
２ アルミニウムテープ
３ ガラス繊維体
４ 鋼板
２ アルミニウムテープ
３ ガラス繊維体
４ 鋼板
Claims (5)
- セラミック粉末を成形、焼結したセラミック裏当材であって、
前記セラミック粉末がＳｉＯ 2 を含む粉末粒子を主成分として含有し、
前記ＳｉＯ 2 を含む粉末粒子が、α―石英、トリジマイト、クリストバライト、コーディエライト及びステアタイトからなる群から選択される１種以上の鉱物を９０〜１５０メッシュの範囲の粒度に粉砕したものであり、
前記セラミック裏当材が、全体を１００重量％として、ＳｉＯ2：７５〜９５重量％、Ａｌ2Ｏ3：２〜１５重量％、ＭｇＯ：１〜５重量％、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏ：０．３〜２重量％、水分：０．０１〜０．５重量％を含み、残部が不可避的に混入される不純物であり、かつ１２〜２４％の気孔率を有する、
ことを特徴とするセラミック裏当材。 - 前記不可避的に混入される不純物の含有量が５重量％以下である、請求項１記載のセラミック裏当材。
- セラミック粉末を成形、焼結したセラミック裏当材と、前記セラミック裏当材の一つの面に積層されたガラス繊維体とを含む自動溶接用支持具であって、
前記セラミック粉末がＳｉＯ 2 を含む粉末粒子を主成分として含有し、
前記ＳｉＯ 2 を含む粉末粒子が、α―石英、トリジマイト、クリストバライト、コーディエライト及びステアタイトからなる群から選択される１種以上の鉱物を９０〜１５０メッシュの範囲の粒度に粉砕したものであり、
前記セラミック裏当材が、全体を１００重量％として、ＳｉＯ2：７５〜９５重量％、Ａｌ2Ｏ3：２〜１５重量％、ＭｇＯ：１〜５重量％、Ｎａ2Ｏ及び／又はＫ2Ｏ：０．３〜２重量％、水分：０．０１〜０．５重量％を含み、残部が不可避的に混入される不純物であり、かつ１２〜２４％の気孔率を有し、
前記ガラス繊維体が、Ｓｉ０2：４０〜７０重量％、Ａｌ2Ｏ3：５〜２０重量％、Ｂ2Ｏ3：３〜１５重量％、ＣａＯ：８〜２８重量％、アルカリ金属酸化物：０．５〜４重量％及び水分：０．０１〜０．５重量％を含み、厚さ０．３〜１．５ｍｍのガラス繊維体である、
ことを特徴とする自動溶接用支持具。 - 前記不可避的に混入される不純物の含有量が５重量％以下である、請求項３記載の自動溶接用支持具。
- 前記自動溶接用支持具が、ガラス繊維体を取り付けた面とは反対側のセラミック裏当材の面にアルミニウム粘着テープを更に取り付けたものである、請求項３又は４記載の自動溶接用支持具。
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