JP4584002B2

JP4584002B2 - フェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP4584002B2
Application number: JP2005111292A
Authority: JP
Inventors: 真吾大泉; 勲波多野; 耕一小山
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: JP2006289403A

Description

本発明は、フェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関し、自動車排気系部品などに使われる薄板のフェライト系ステンレス鋼の溶接に使用され、溶接金属の耐溶接割れ性および耐酸化性が良好で、スパッタ発生量が極めて少なく、且つ良好なビード形状が得られるフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。

近年、自動車排気系部品特に、排気マニフォルドは、燃費向上や軽量化の動きの中で厚肉構造の耐熱鋳物から薄板や薄肉鋼管を利用した溶接構造物へと変遷し、これによりフェライト系ステンレス鋼の使用量が拡大した。これまで、フェライト系ステンレス鋼としてはＳＵＨ４０９Ｌ（低Ｃ−１１％Ｃｒ−Ｔｉ）やＳＵＳ４３０ＬＸ（低Ｃ―１７％Ｃｒ−Ｎｂ）が用いられてきた。現在は、高価なＣｒ量を低減して１％程度のＳｉを含有させることにより耐酸化性や高温強度の確保を図った新しいタイプのＳＵＳ４２５、ＳＵＳ４２９（低Ｃ−１％Ｓｉ−１３〜１５％Ｃｒ−Ｎｂ系）等が開発され、この種の低コスト指向フェライト系ステンレス鋼の適用が急増してきている。

溶接方法としては、シールドガスとしてＡｒ−２％Ｏ_２やＡｒ−２０％ＣＯ_２を用いたミグまたはマグ溶接の適用例が多い。また、Ｎｂを含まないＳＵＳ４３０Ｌ系溶接用ワイヤも適用されているが、炭酸ガスを含むシールドガスを用いたマグ溶接ではシールドガスからのCのピックアップの影響によりフェライト相とその粒界の一部がマルテンサイト変態した二相組織となり、繰返し熱サイクルを伴う環境下では、熱疲労特性にも難があった。つまり、変態温度を挟んで温度変動が上下するような環境では、二相混合組織を有する溶接金属では異常変形や脆化現象を引き起こして熱疲労特性が劣化する場合があり、従ってこのような用途においては単相組織にするのが原則である。

フェライト系ステンレス鋼の溶接で溶接割れを軽減するために、鋼中のP、S等の不純物元素を抑制することは周知の事実であるが、その低減には経済的にも限界があり、十分な効果が得られなかった。さらに、従来から種々のフェライト系ステンレス鋼の溶接用ワイヤが提案されている。これらは溶接ワイヤ中に微細化元素の添加を行って、力学的あるいはミクロ偏析の見地から溶接割れ感受性の低下を図ろうというもので、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎを添加したソリッドワイヤが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような微細化元素の添加を行うだけの手法では、溶接割れは防止できるが、耐酸化性に極めて有害なＮを添加することから、窒化アルミ（ＡｌＮ）を酸化皮膜上に形成する。窒化アルミ自体は耐酸化性の効果を持たないことから、これを起点として酸化が進行し異常酸化現象を生じさせることが知られており、溶接金属の清浄度を悪くさせ結果的に耐酸化性を損なうことになる。

また、近年ではエンジン始動直後の排ガス浄化の効率を改善するために、排気マニフォルドやフロント管を二重構造にして断熱性を高める傾向になっている。内管用には従来よりも薄肉の部材が使用されるが、溶接の際に溶込み深さが大きくなる傾向となり、完全溶け込みとなって裏波ビードが形成されやすくなる。こうした場合、過熱による母材自身の結晶粒粗大化に伴い、その結晶粒を起点としてエピタキシャル成長する溶接金属の粗大化に拍車をかける。その対策としてＮを低減し、微細化元素の調整を行うことで、薄肉化傾向にある排気マニフォルドの二重管の溶接においても溶接割れを防止することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、耐溶接割れ性を重視するあまり実際の溶接では、ビード形状や外観およびスパッタ発生量等の溶接作業性は、劣化傾向にある。

すなわち、薄板を対象とするフェライト系ステンレス鋼の溶接で、耐溶接割れが阻止でき、同時に溶接作業性特に、スパッタ発生量やビード形状が良好なワイヤの開発技術は見当たらなかった。

特開２００１−２１９２９１号公報特開２００４−３５８５５２号公報

本発明は、フェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関し、自動車排気系部品などに使われる薄板のフェライト系ステンレス鋼の溶接に使用され、溶接金属の耐溶接割れ性および耐酸化性が良好で、スパッタ発生量が極めて少なく、且つ良好なビード形状が得られるフェライト系ステンレス鋼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、金属外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０４％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．３〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ａｌ：０．３〜０．７％、Ｔｉ：０．２〜０．６％、Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物をアルカリ金属換算値合計０．０２〜０．２％、Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物を含むスラグ成分の合計：０．２〜０．８％を含有し、Ｎ：０．０１５％以下、Ｆ：０．１０％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ、フラックス充填率を１９〜２３％とすることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにある。

本発明のフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤによれば、薄板のフェライト系ステンレス鋼の溶接においても、溶接作業性が良好で、溶接金属の高温割れがなく耐酸化性に優れ、かつスパッタが少なく、良好なビード形状を有する溶接金属が得られるので、産業の発展に貢献すること極めて大である。

以下、本発明におけるフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ全質量に対する含有成分の組成限定理由について説明する。

Ｃ：０．０１〜０．０４質量％
Ｃは、Ｃｒと炭化物を形成し、溶接金属の高温酸化性および耐塩害腐食性を低下させる。一方、Ｃはオーステナイト安定化元素としてフェライトの成長を抑制し、Ｎｂと炭化物を形成して等軸晶の生成に有効で、溶接割れの抑制に効果がある。Ｃが０．０１質量％（以下、％という。）未満の場合、等軸晶の生成効果が期待できない。Ｃが０．０４％を超えると、溶摘移行がスムーズに行かずスパッタ発生量が増大する。また、溶接金属の耐酸化性を低下させる。

Ｃｒ：１５〜２２％
Ｃｒは、フェライト系ステンレス鋼の主要な元素である。Ｃｒは、高温でＣｒ_２Ｏ_３主体の酸化物を形成し、緻密で酸素の拡散が阻止できるので、耐酸化性の機能を発揮する。また、高温強度および耐塩害腐食性などの耐食性を確保する上でも、必須である。本発明のように、耐酸化性に有効なＡｌやＳｉの添加によりＣｒは１５％まで低くすることができるが、１５％未満だとマルテンサイト組織が析出し、溶接割れを助長する。２２％を超えると溶接金属の延性低下が懸念され耐溶接割れ性が劣化するとともに、コスト上昇にもつながるため上限を２２％とする。

Ｎｂ：０．３〜０．８％
Ｎｂは、溶接金属のミクロ組織改善と梨型ビード形状割れの抑制に最も効果がある。Ｎｂは、炭素および窒素と結合してフェライト形成核となる炭窒化物を生成する成分であり、炭窒化物を生成させ結晶粒の微細化および高温強度の改善が見込まれる。その効果を得るためには、０．３％以上の添加が必要である。しかし、過剰な添加は、低融点のＮｂＣを粒界に過剰形成させ、かえって溶接割れ感受性を高める作用があるため、上限を０．８％以下とする。

Ｍｎ：０．１〜０．３％
Ｍｎは、オーステナイト生成元素としての作用と、高融点のＭｎＳを形成して高温割れ抑制に有効である。０．１％未満ではその効果が不十分であり、０．３％を超えると、溶接金属の高温酸化性を劣化させる。

Ｓｉ：０．０５〜０．５％
Ｓｉは、フェライト安定化元素として溶接金属の柱状組織の粗大化を促進する作用があり、さらに粒界に偏析して脆弱化させる作用も有するため、梨型ビード形状割れと延性低下での割れによる溶接割れ感受性を高める元素である。
一方、ＳｉはＣｒとの共存で耐酸化性を改善する作用がある。また、アーク安定性やビード形状を良化させる作用も有する。Ｓｉが０．０５％未満では、溶接金属の耐酸化性およびアーク安定性やビード形状を良化させる作用が不十分である。一方、０．５％を超えると、耐溶接割れ性が劣化する。

Ａｌ：０．３〜０．７％
Ａｌは、等軸晶の生成には必須元素である。溶接金属の脱酸作用により酸化物を形成し、この酸化物が等軸晶の生成を促進して梨型ビード形状割れを防止する作用を有する。また、Ｓｉと同様に、Ｃｒとの共存で耐酸化性に有用な元素である。Ａｌが０．３％未満では、これら効果は不十分である。０．７％を超えると、スパッタ発生量が多くなり、これがエンジン内部や触媒担体を閉塞させて破損原因となるので、好ましくない。

Ｔｉ：０．２〜０．６％
Ｔｉは、脱酸効果と等軸晶の生成に有効な元素である。等軸晶生成のメカニズムはＡｌと同じであり梨型ビード形状割れ防止する作用を有する。また、アーク安定性を良化させる作用がある。０．２％未満では、これら効果は不十分である。０．６％を超えると、アーク吹付け力が過剰となり、スパッタ発生量が多くなるとともにビードが凸形状となるので好ましくない。

Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物をアルカリ金属換算値合計：０．０２〜０．２％
Ｎａ、Ｋ、Ｌｉのアルカリ金属は、電離電子の作用によりワイヤ−母材間でおこるアーク長を長くする作用があり、溶接ビードをフラットにする。これにより溶け込みが浅くなり、薄板溶接における完全溶け込みに起因する溶接割れが防止できる。また、溶接中に発生するスパッタが成長する前にワイヤから離脱し、スパッタの粒径が小さく、母材へのスパッタ付着が最小限になる。その効果は０．０２％未満では得られない。０．２％を超えると、アーク長が長くなりすぎてかえってアークが不安定となり、スパッタ発生量が増大する。

なお、Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物とはＮａ_２Ｏ、ＮａＦ、Ｋ_２Ｏ、Ｋ_２ＳｉＦ_６、Ｌｉ_２Ｏ、ＬｉＦ等をいい、アルカリ金属炭酸塩は分解したＣＯガスからのＣがピックアップされるので含まない。

アルカリ金属の化合物を含むスラグ成分の合計：０．２〜０．８％
溶接時に発生するスラグは、ビード形状を整える作用があるが、０．２％未満では、その効果が期待できない。０．８％を超えるとスラグがまだらに発生し、ビード形状を劣化させ、エンジン内部や触媒担体を閉塞させて破損原因となる。また、スラグ巻き込みやピット等の溶接欠陥を助長する。

Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物以外のスラグ成分としては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＦｅＯ等をいう。

Ｎ：０．０１５％以下
Ｎは、窒化アルミ（ＡｌＮ）を酸化皮膜上に形成し、異常酸化現象を生じて、耐酸化性を損なう。したがって、０．０１５％以下が好ましい。

Ｆ：０．１０％以下
Ｆは、アルカリ金属を添加する際に、その化合物として用いられるが、０．１０％を超えると、スパッタの飛散量を増大させる。また、ヒューム発生量も多くなる。

なお、本発明においては、上記成分以外の成分組成は、特に規定されない。従って溶着金属の化学組成、機械的性質および溶接作業性を考慮して、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ等の組成を種々に調整できる。しかし、高温割れを助長するＰおよびＳはできるだけ少ないのが好ましく、Ｐは０．０２５％以下、Ｓは０．０１５％以下でＰ＋Ｓで０．０３０％以下であることが好ましい。

また、外皮の組成成分についても特に規定されないが、ワイヤ製造時の断線等の防止およびコスト上昇の観点から、表１に示すような炭素鋼を使用することが好ましい。
フラックスの充填率は特に限定はしないが、溶接作業性の安定および溶接金属の機械的性質を考慮して、ワイヤ全質量対し１９％以上、ワイヤ製造時の断線等を防止するため２３％以下であることが好ましい。

また、フラックス入りワイヤの断面形状は、図１（ａ）に形状例を示すように、外皮１内にフラックス２を内包した合わせ目３がなくとも、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように合わせ目３がある形状のフラックス入りワイヤいずれも使用することができる。
さらに、本発明のフラックス入りワイヤを使用し溶接する際のシールドガスは、用途に応じてＡｒガスとＣＯ_２ガスの混合ガスおよびＡｒガスとＯ_２ガスの混合ガスが使用できる。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。

表１に示す化学成分の金属外皮を用いて、表２に示す化学成分のフラックス入りワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍであり、またフラックス充填率は１９〜２３％とした。

溶接割れ評価試験は、図２に示す自拘束形式の薄板材を対象としたＨｏｕｌｄｃｒｏｆｔ魚骨形割れ試験に準じて耐梨型ビード形状割れ性を評価した。溶接に用いたフェライト系ステンレス鋼母材（板厚１．５ｍｍ）を表３に示す。図２において、試験片の寸法は長さ２００ｍｍ、幅５５ｍｍで、スリット４は幅１．５ｍｍで試験片幅方向の両端から中心に向かって延び、溶接のスタート点Ｓ側から３８ｍｍスリット４のない部分を残し、溶接終了点Ｅ側で６ｍｍスリット４のない部分を残して、その間に７．５ｍｍ間隔でスリット４を設け、合計１１個のスリットのない部分が残るように漸減で狭くなっている。

割れ試験は表１のワイヤと表３に示すフェライト系ステンレス鋼の母材記号Ｍ２を使用した。フェライト系ステンレス鋼母材試験片の溶接のスタート点Ｓから表４に示す溶接条件でバックシールドせずに溶接終了点Ｅまで裏波ビードを作成し、割れ発生の有無を評価した。

溶接作業性評価試験は、表３に示すフェライト系ステンレス鋼の母材記号Ｍ１を使用し、重ね継手部をすみ肉姿勢溶接で、表４に示す溶接条件にて行った。なお、溶接作業性は、アークの安定性、スパッタの発生量およびビード形状を観察することにより評価した。スパッタ発生量は、スパッタの飛散状況および母材へのスパッタ付着状況より評価した。また、ビード形状については、図３に示す母材５の重ね継手部の溶接金属６の縦脚長ａおよび横脚長ｂを測定し、横脚長ｂ／縦脚長ａが１．１以上を良好と評価した。

さらに、前記割れ試験でわれの発生がなかった試験板から１．５ｍｍ厚×１０ｍｍ幅×４０ｍｍ長さの酸化試験片を採取して、大気中で９００℃×２００時間保持して試験前後の重量を測定して酸化増量を求め、溶接継手の耐酸化性を評価した。なお、酸化増量が少ないほど、耐酸化性が優れることを意味し、１５ｇ／ｍ^２以下を良好とした。それらの試験結果を表５にまとめて示す。

表５中ワイヤ記号Ａ〜Ｇが本発明例、ワイヤ記号Ｈ〜ＡＡは比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ａ〜Ｇは、フラックス入りワイヤの化学成分、Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物をアルカリ金属換算値合計およびＮａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物を含むスラグ成分の合計が適正であるので、耐溶接割れ性が良好でスパッタ発生量が少なく、良好なビード形状が得られ、酸化試験においても酸素増量が少ないなど極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号ＨはＣが少なく、ワイヤ記号ＪはＣｒが少なく、ワイヤ記号ＫはＣｒが多く、ワイヤ記号ＬはＮｂが少なく、ワイヤ記号ＭはＮｂが多く、ワイヤ記号ＮはＭｎが少なく、ワイヤ記号ＱはＳｉが多く、ワイヤ記号ＴはＴｉが少なく、いずれも溶接割れが発生した。

ワイヤ記号Ｉは、Ｃが多いので、スパッタ発生量が多く、アークが安定しなかった。また、酸化増量が多く耐酸化性が劣った。

ワイヤ記号Ｏは、Ｍｎが多いため、ワイヤ記号Ｚは、Ｎが多いため酸化増量が多く耐酸化性が劣った。

ワイヤ記号Ｐは、Ｓｉが少ないので、アークが安定しないため、スパッタ発生量が多く、ビード両端が不揃いであった。また、酸化増量が多く耐酸化性が劣った。

ワイヤ記号Ｒは、Ａｌが少ないので、割れ試験で割れが発生していた。また、アーク不安定でスパッタ発生量が多く、ビード形状が不良であった。

ワイヤ記号Ｓは、Ａｌが多いため、スパッタ発生量が多く不良であった。

ワイヤ記号Ｕは、Ｔｉが多いため、スパッタ発生量が多く、また、アークが絞れすぎてビードが凸形状になった。

ワイヤ記号Ｖは、アルカリ金属合計値が少ないため、アークが安定せず、スパッタが多くなった。また、ビードも凸形状になった。

ワイヤ記号Ｗは、アルカリ金属換算値の合計が多いため、アーク長が長く不安定になり、スパッタ発生量が多くなった。

ワイヤ記号Ｘは、アルカリ金属の化合物を含むスラグ成分の合計が少ないため、スラグ生成量が少なく、ビード両端が不揃いであった。

ワイヤ記号Ｙは、アルカリ金属の化合物を含むスラグ成分の合計が多いためスラグ生成量が多く、ビード表面にスラグがまだらに発生し、一部溶け込み不良が発生した。

ワイヤ記号ＡＡは、Ｆ量が多いため、ヒュームが多く、スパッタ発生量も多かった。

フラックス入りワイヤの断面形状例を示す図である。本発明の実施例に用いた高温割れ試験の試験片形状を示す図である。本発明の実施例における溶接ビード形状の断面図

符号の説明

１外皮
２フラックス
３合わせ目
４スリット
５母材
６溶接金属
Ｓ溶接のスタート点
Ｅ溶接終了点
ａ縦脚長
ｂ横脚長

Claims

金属外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０４％、Ｃｒ：１５〜２２％、Ｎｂ：０．３〜０．８％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ａｌ：０．３〜０．７％、Ｔｉ：０．２〜０．６％、Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物をアルカリ金属換算値合計０．０２〜０．２％、Ｎａ、ＬｉおよびＫの１種以上からなるアルカリ金属炭酸塩を含まないアルカリ金属の化合物を含むスラグ成分の合計：０．２〜０．８％を含有し、Ｎ：０．１５％以下、Ｆ：０．１０％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ、フラックス充填率を１９〜２３％とすることを特徴とするフェライト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。