JP4425756B2 - 水平すみ肉溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、軟鋼および４９０〜５９０Ｎ／ｍｍ²級高張力鋼、低温用鋼や耐候性鋼などにショッププライマ（主に無機ジンクプライマ）を塗装した鋼板（以下、プライマ塗装鋼板という。）の水平すみ肉溶接用フラックス入りワイヤ（以下、すみ肉溶接用フラックス入りワイヤという。）に関する。

船舶、橋梁などの分野では、プライマ塗装鋼板のすみ肉溶接の比率が高く、これの溶接能率向上のために溶接材料面についても改良要望が依然として強い。プライマ塗装鋼板を特に水平すみ肉溶接した場合、耐ピット性、ビード形状およびビード外観の劣化が問題となるが、これらの改善を目的としたフラックス入りワイヤが種々提案されている。プライマ塗装鋼板のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤとしては、ＴｉＯ₂を主体とするスラグ形成剤を少量含有するもの（以下、ＴｉＯ₂系低スラグワイヤという。）が一般的に使用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、近年、ＺｒＯ₂を主体とするスラグ形成剤を少量含有するもの（以下、ＺｒＯ₂系低スラグワイヤという。）が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。

本発明者らは上記提案にあるＴｉＯ₂系低スラグワイヤおよびＺｒＯ₂系低スラグワイヤについて、両者間の溶接特性を比較検討した。例えば造船や橋梁分野で行われている一般的な施工条件として、目標脚長５〜６ｍｍに対して、ワイヤ径１．２ｍｍ、溶接速度４０〜５０ｃｍ／ｍｉｎ（溶接電流２５０〜３００Ａ）のような比較的低電流で低速度の溶接条件下では、ＴｉＯ₂系低スラグワイヤの方がビード形状、外観および溶接作業性（アーク安定性、スパッタ、スラグ剥離性など）が良好である。

ＺｒＯ₂系低スラグワイヤは、上記のような比較的低電流域で使用すると大粒のスパッタが発生し、またビード形状は凸状でごつごつしたビード外観になりやすく、またスラグ剥離性が劣る。しかし、例えばワイヤ径１．２ｍｍ、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎ以上、溶接電流３３０Ａ以上のような高電流で高速度の水平すみ肉溶接では、ＺｒＯ₂系低スラグワイヤの方が耐ピット性が良好であった。

すなわち、従来のＺｒＯ₂系低スラグワイヤは、特に高電流で高速度の溶接条件で用いた場合の耐ピット性が良好であるという利点があるものの、比較的低電流側で使用した場合の耐スパッタ性、ビード形状、ビード外観、スラグ剥離性などの溶接作業性の改良が必要である。

特開平３−１８０２９８号公報 特開平１１−５１９３号公報 特開２０００−４２７８７号公報

本発明は、ＺｒＯ₂系低スラグワイヤによる上記高電流で高速度の溶接条件における利点に着目し、この種ワイヤの用途をさらに発展拡大するために、溶接電流および溶接速度など広い溶接条件範囲で使用して優れた耐ピット性とともに良好な溶接作業性が得られるすみ肉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。

本発明の要旨は、鋼製外皮内にフラックスを充填してなるガスシ−ルドア−ク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｚｒ酸化物をＺｒＯ₂換算値で１．０〜２．０％、 Ｓｉ酸化物をＳｉＯ₂換算値で１．２〜２．５％、Ｔｉ酸化物をＴｉＯ₂換算値で０．３〜０．９％、ＡｌおよびＡｌ酸化物の一方または両方のＡｌ₂Ｏ₃換算値ならびにＭｇおよびＭｇ酸化物の一方または両方のＭｇＯ換算値の１種または２種の合計を０．１〜１．０％、ただし、ＭｇおよびＭｇ酸化物の一方または両方のＭｇＯ換算値で０．５％以下、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値およびＭｎ酸化物のＭｎＯ換算値の１種または２種の合計を０．２％以下、ＮａおよびＫの酸化物および化合物のＮａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ換算値の合計を０．１０〜０．３０％、弗素化合物をＦ換算値で０．０１〜０．１５％、ＢｉおよびＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値を０．００５〜０．０３５％含有することを特徴とする水平すみ肉溶接用フラックス入りワイヤにある。

本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤによれば、高電流で高速度の溶接条件のみならず低電流域で使用した場合にも、プライマ塗布鋼板の水平すみ肉溶接において優れた耐ピット性とともに良好な溶接作業性が得られるので、溶接の高能率化および溶接部の品質向上が図れる。

本発明者らは、種々のワイヤを試作して、さらに詳細に検討した。本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤがＺｒＯ₂をスラグ形成剤の主要成分にした理由は、ＺｒＯ₂による強いアーク力で溶融プールの激しい攪拌作用と、均一なスラグ被包状態がスラグ生成量を少なくしても得られることを利用して、プライマ燃焼ガスを溶融プールから外部に放出しやすくしピットの発生を防止するためである。また、ＳｉＯ₂は溶融スラグの粘性を調整してアーク力による溶融プールの過度の後退を抑制してビードの凸状化を防止する。

図１（ａ）は本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤによる水平すみ肉溶接状況（アーク力と溶融スラグの凝固状態）を説明するために示した模式図であって、図1（ａ）の本発明の場合、アーク２の力で溶融プール３が激しく攪拌されるが、溶融プール３が適度に後退（図の右方向）してスラグが追従するので、良好な耐ピット性、ビード形状およびビード外観が確保できる。なお、１はワイヤ、４は凝固スラグを示す。

これに対し、図１（ｂ）に示したように溶融プール３の後退距離が長すぎると高電流で高速度の溶接条件ではビード形状が凸状になる。

ＺｒＯ₂、ＳｉＯ₂とともにＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃（Ａｌ）、ＭｇＯ（Ｍｇ）、ＦｅＯ、ＭｎＯ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｆ、Ｂｉについて限定し、高電流で高速度の溶接条件での使用に限定されることなく、従来のＺｒＯ₂系低スラグワイヤの欠点であった比較的低電流域における溶接作業性についても向上させ、この種ワイヤの実施工現場における適用性を大幅に高めることができるようにした。
以下に本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤの成分限定理由を述べる。

ジルコンサンドや酸化ジルコン等に含まれるＺｒ酸化物がワイヤ全質量に対する質量％（以下、％という。）でＺｒＯ₂換算値が１．０％未満では、溶融プールの攪拌作用が低下してピットが発生しやすく、ＺｒＯ₂系スラグワイヤの効果を発揮できない。また、溶融プールが後退しすぎてビードの凸状化や、スラグ被包状態が悪くなりスラグを除去しにくくビード外観も不良となる。ＺｒＯ₂換算値が２．０％を超えると、アークが粗く大粒のスパッタが多発し、また溶融スラグの凝固が早くなりすぎてスラグ粘性が急激に増加するためにピットやガス溝が発生しやすくなる。このときのビード外観は粗いアーク状態と溶融プールが凝固しやすいことが相まってごつごつして滑らかさがなくなる。

珪砂やジルコンサンド等に含まれるＳｉ酸化物がＳｉＯ₂換算値で１．２％未満では、スラグ被包状態が悪くスラグ剥離不良、またスラグの追従が遅れるのでビード形状およびビード外観も不良になる。ＳｉＯ₂換算値が２．５％を超えると、アークが粗くスパッタ発生量が多くなる。さらに、ビ−ド止端部（下板側）が膨れビード形状およびビード外観が不良になり、ピットやガス溝も発生しやすくなる。

ルチール、酸化チタン、チタンスラグ、チタン酸ソーダ等に含まれるＴｉ酸化物がＴｉＯ₂換算値で０．３％未満では、アークが粗くスパッタ発生量が多くなり、またスラグ剥離性、ビ−ド形状およびビード外観も不良となる。ＴｉＯ₂換算値が０．９％を超えると、スラグ被包むらが起こり、ビード上部（立板側）にスラグが薄く残り除去しにくく、ビード表面はざらつき光沢がなくなる。また、下板側のビ−ド止端部は膨れて下板とのなじみ性が悪いビード形状になる。

Ａｌ、Ｍｇは強脱酸剤として作用し溶接金属の衝撃値を向上させるが、このときの脱酸生成物であるＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯはアルミナ粉（Ａｌ₂Ｏ₃）、マグネシア粉（ＭｇＯ）と同様に溶融スラグ成分として作用して、ビードの立板側に発生しやすいアンダーカットを防止し、またビード止端部のなじみ性およびスラグ剥離性を良好にする。この効果は、ＡｌおよびＡｌ酸化物の一方または両方のＡｌ₂Ｏ₃換算値、ならびにＭｇおよび Ｍｇ酸化物の一方または両方のＭｇＯ換算値の１種または２種の合計で０．１％以上含有させることによって得られるが、１．０％を超えるとスラグ生成量が多くなり耐ピット性が劣化し、またスラグ被包むらが起こりスラグ剥離性、ビード形状およびビード外観が不良になる。ただし、上記ＭｇＯ換算値については０．５％を超えるとアークが粗くなりスパッタの多発やスラグ被包状態が悪くなりビード形状およびビード外観不良、またピットも発生しやすくなる。

ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃等のＦｅ酸化物およびＭｎＯ、ＭｎＯ₂等のＭｎ酸化物が、ＦｅＯ換算値およびＭｎＯ換算値の１種または２種の合計で０．２％超になると、スラグ被包状態が悪くなりスラグ剥離性不良やビード外観不良、ビード止端部の膨らみ、さらにヒューム発生量が多くなるなどの悪影響が目立ってくる。本発明の構成においてはＦｅ酸化物およびＭｎ酸化物をできるだけ少なく抑えることが好ましい。

Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏはアーク安定剤としての作用だけでなく、スラグ形成剤として溶融スラグの凝固過程の急激な粘性増加を抑えて耐ピット性を高め、また平滑なビード形状にするためにＮａおよびＫの酸化物および化合物のＮａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ換算値の合計で０．１０〜０．３０％を含有させる。Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ換算値の合計が０．１０％未満では大粒のスパッタの発生量が多くなるとともに、ピットやガス溝が発生しやすく、ビードはごつごつした表面外観になる。Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ換算値の合計が０．３０％を超えるとスラグ剥離性、ビード形状およびビード外観が不良となり、スパッタやヒューム発生量も多くなる。

上記Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏは珪酸ソーダ、チタン酸ソーダ、弗化ソーダ、氷晶石、珪酸カリ、チタン酸カリ、カリ長石、弗化カリ等に含まれるＮａのＮａ₂Ｏ換算値およびＫのＫ₂Ｏ換算値である。

蛍石、弗化ソーダや珪弗化カリ等の弗化物はスラグの粘性を調整して耐ピット性を良好にする作用がある。弗素化合物のＦ換算値が０．１０％未満であると、粘性が高くピットが発生しやすくなる。弗素化合物のＦ換算値が０．１５％を超えるとビード全面をスラグで被包することができなくなり、ビ−ド上部（立板側）に除去しにくいスラグが薄く残り、また凸状のビード形状となる。

ＢｉおよびＢｉ酸化物はスラグ剥離性を良好にし、ビード表面に光沢を出しビード外観を良好にする。ＢｉおよびＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値で０．００５％未満ではその効果がなく、０．０３５％を超えるとビ−ド上部のスラグが流れてビード全面をスラグで被包することができなくなり、ビード形状およびビード外観が不良となる。

以上、本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤの構成要件の限定理由を述べたが、その他のワイヤ成分としては、軟鋼および４９０Ｎ／ｍｍ²級高張力鋼用、低温用鋼用、耐候性鋼用などフラックス入りワイヤの品種毎に規定されている溶着金属試験の機械的性質および化学成分を満足するためのＣ（外皮成分との合計で０．０３〜０．１２％が好ましい）、Ｓｉ（同、０．３〜１．５％が好ましい）、Ｍｎ（同、０．８〜３．５％が好ましい）、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒなどの合金成分の単体または合金鉄および残部は主に鉄粉である。

ワイヤに起因する水素は、ア−ク雰囲気中の水素分圧を上げピットの発生を助長する。ワイヤの全水素量を５０ｐｐｍ以下（不活性ガス融解熱伝導法による分析）にすることにより本発明の耐ピット性の改善効果が一層発揮される。なお、ワイヤの低水素化はフラックス原料の種類、充填フラックスの乾燥条件或いはシームレスタイプのフラックス入りワイヤの場合はワイヤの中間焼鈍条件を適宜選択することによって可能である。

また、図２（a）に示したような鋼製外皮１０に貫通した隙間がないワイヤ断面形態のシームレスフラックス入りワイヤであることは、上記初期ワイヤの低水素化が可能であるとともに、吸湿性のあるＮａ₂ＯやＫ₂Ｏ原料の相当量をフラックス９中に含有する本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤにおいて、製造過程、保管中、使用中に大気からの水分吸収がほとんどないので耐ピット性の改善効果が大きくなる。なお、ワイヤ断面形態については特に限定しないが、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示したような断面形態にする場合は、製造中、保管中、使用中に大気からのフラックス９の吸湿防止には十分注意しなければならない。

本発明のすみ肉溶接用フラックス入りワイヤは、フラックス充填後の伸線加工性が良好な軟鋼または低合金鋼の外皮内に、前記限定した成分のフラックスをワイヤ全質量に対して８〜２０％程度充填後、ダイス伸線やローラ圧延加工により所定のワイヤ径（１．０〜１．６ｍｍ）に縮径して製造される。溶接用のシールドガスはＣＯ₂ガスが一般的であるが、Ａｒ−ＣＯ₂などの混合ガスも使用できる。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に示す。

軟鋼パイプ（Ｃ：０．０２％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．３０％）にフラックスを充填後、縮径して（外皮の軟化および脱水素のための中間焼鈍を１回実施）、フラックス充填率１３〜１５％でワイヤ径１．２ｍｍの図２（ａ）に示す鋼製外皮に貫通した隙間がないシームレスタイプのフラックス入りワイヤを各種試作した。表１および表２に試作ワイヤを示した。なお、ワイヤの全水素量は全ワイヤとも２０〜５０ｐｐｍの範囲にあることを確認した。

これら試作ワイヤを使用して、図３に示した無機ジンクプライマ塗装鋼板のＴ字すみ肉試験体を用いて自動溶接機で水平すみ肉溶接試験を行った。試験体は鋼種ＳＭ４９０Ｂ、板厚１６ｍｍ、試験体長さ１．０ｍであって、プライマ７の膜厚は約２５〜３０μｍで下板５および立板６端面にもプライマ７の塗装がある。これら鋼板を加圧しながら下板５と立板６の隙間がない状態で仮付け溶接して試験体とした。

溶接条件は電流２６０Ａ、アーク電圧３１Ｖ、溶接速度４５ｃｍ／ｍｉｎ、チップ・母材間距離２５ｍｍ、電源極性ＤＣ（ワイヤ＋）、シールドガスＣＯ₂ガス（流量２５リットル／ｍｉｎ）で、両側同時溶接（両極のシフト距離０ｍｍ）して、スパッタ発生状態、スラグ剥離性、ビード形状、ビード外観および耐ピット性を評価した。表３に溶接試験結果を示す。表３において耐ピット性は○：ピット、ガス溝なし、△１〜１０個／ｍ、×：多発を示す。ビード形状・外観は○：良好、△：問題あり、×：特に悪い（使用不可）を示す。スラグ剥離性は○：良好、△：除去しにくい、×：非常に除去しにくいを示す。スパッタは○：小粒で少ない、△：小粒、大粒混在で多い、×：大粒で多いを示す。また、総合評価は○：合格、×：不合格を示す。

表３中ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８が本発明例、ワイヤ記号Ｗ９〜Ｗ２２は比較例である。 本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８は、スパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性、ビード形状、ビード外観および耐ピット性のいずれも良好で、極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、ＺｒＯ₂換算値が大きいので、スパッタの発生量が多く、さらに耐ピット性、ビード形状およびビード外観が不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１０は、ＺｒＯ₂換算値が少ないので、スラグ剥離性、耐ピット性、ビード形状およびビード外観のいずれも不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１１はＳｉＯ₂換算値が多いので、スパッタが多発し、耐ピット性、ビード形状およびビード外観も不良であった。また、Ｂｉ換算値が少ないのでビードに光沢がなくスラグ剥離性も不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１２は、ＳｉＯ₂換算値が少ないので、スラグ剥離性、ビード形状およびビード外観が不良となった。また、Ｆ換算値が少ないので耐ピット性も不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１３は、ＴｉＯ₂換算値が多いので、スラグ剥離性、ビード形状およびビード外観が不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１４は、ＴｉＯ₂換算値が少ないので、スパッタが多発し、ビード形状、ビード外観およびスラグ剥離性も不良となった。

ワイヤ記号Ｗ１５は、Ａｌ₂Ｏ₃換算値とＭｇＯ換算値の合計が多いので、耐ピット性、ビード形状、ビード外観およびスラグ剥離性が不良であった。

ワイヤ記号Ｗ１６は、Ａｌ₂Ｏ₃換算値とＭｇＯ換算値の合計が少ないので、ビード形状および外観が不良でスラグ剥離性もやや不良となった。

ワイヤ記号Ｗ１７は、ＭｇＯ換算値が多いので、スパッタ発生量が多く、ビード形状およびビード外観不良でピットも発生した。

ワイヤ記号Ｗ１８は、ＦｅＯ換算値とＭｎＯ換算値の合計が多いので、スラグ剥離性、ビード外観不良およびビード形状がふりょうで、ヒューム発生量も多かった。

ワイヤ記号Ｗ１９は、Ｎａ₂Ｏ換算値とＫ₂Ｏ換算値の合計が多いので、スラグ剥離性、ビード形状およびビード外観が不良となり、スパッタ発生量が多く、またヒューム発生量も多くなった。

ワイヤ記号Ｗ２０は、Ｎａ₂Ｏ換算値とＫ₂Ｏ換算値の合計が少ないので、スパッタ発生量が多く、ピットおよびガス溝が発生し、ビード外観もやや不良であった。

ワイヤ記号Ｗ２１は、Ｆ換算値が多いので、スラグ剥離性がやや悪くビード形状も不良であった。

ワイヤ記号Ｗ２２は、Ｂｉ換算値が多いのでビード形状およびビード外観が不良であった。

なお、本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８を用いて、溶接電流３５０Ａ、アーク電圧３７〜３８Ｖ、溶接速度７５ｃｍ／ｍｉｎ、チップ・母材間距離３０ｍｍ、シールド炭酸ガス流量２５リットル/ｍｉｎ、両側同時溶接（両極のシフト距離７５ｍｍ）の溶接条件で別途溶接した結果、スパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性、ビード形状、ビード外観および耐ピット性のいずれも良好で、極めて満足な結果であった。

すみ肉溶接用フラックス入りワイヤによる水平すみ肉溶接状況を説明するために示した模式図で（ａ）は、溶融プールが適度に後退する例で、（ｂ）は溶融プールの後退距離が長すぎる例を示す図である。 フラックス入りワイヤの断面形状を示す模式図で、（ａ）はシームレス（合わせ目のない）ワイヤの例、（ｂ）及び（ｃ）は合わせ目のあるワイヤの例を示す図である。 本発明の実施例に用いた水平すみ肉溶接試験体および溶接後のビード断面を示す模式図である。

符号の説明

１ ワイヤ
２ アーク
３ 溶融プール
４ 凝固スラグ
５ 下板
６ 立板
７ プライマ
８ ビード
９ フラックス
１０ 鋼製外皮

Claims (1)

1. 鋼製外皮内にフラックスを充填してなるガスシ−ルドア−ク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、
   Ｚｒ酸化物をＺｒＯ_２換算値で１．０〜２．０％、
   Ｓｉ酸化物をＳｉＯ_２換算値で１．２〜２．５％、
   Ｔｉ酸化物をＴｉＯ_２換算値で０．３〜０．９％、
   ＡｌおよびＡｌ酸化物の一方または両方のＡｌ_２Ｏ_３換算値ならびにＭｇおよびＭｇ酸化物の一方または両方のＭｇＯ換算値の１種または２種の合計を０．１〜１．０％、
   ただし、ＭｇおよびＭｇ酸化物の一方または両方のＭｇＯ換算値で０．５％以下、
   Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値およびＭｎ酸化物のＭｎＯ換算値の１種または２種の合計を０．２％以下、
   ＮａおよびＫの酸化物および化合物のＮａ_２ＯおよびＫ_２Ｏ換算値の合計を０．１０〜０．３０％、
   弗素化合物をＦ換算値で０．０１〜０．１５％、
   ＢｉおよびＢｉ酸化物の一方または両方のＢｉ換算値を０．００５〜０．０３５％含有することを特徴とする水平すみ肉溶接用フラックス入りワイヤ。

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