JP5035844B2 - 溶接ワイヤと溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤと溶接方法に関する。

９％Ｎｉ鋼、ステンレス鋼などの高級鋼を使用する低温用構造物、原子力用構造物、化学プラントなどでは、溶接部の安全性が強く要求され、無欠陥で靭性や延性に優れた溶接金属の形成が不可欠である。このような構造物について高品質な溶接継手を得るためには、不活性ガス（アルゴン、ヘリウムガスまたはこれらの混合ガス）雰囲気中での溶接が必須である。不活性ガス雰囲気での溶接には、生産能率の低い非消耗電極式ティグ（ＴＩＧ）アーク溶接しかないのが現状であり、生産性を犠牲にして３０年以上もの間ＴＩＧ溶接が行われている。

一方、消耗電極（溶接ワイヤ）式のミグ（ＭＩＧ）、マグ（ＭＡＧ）アーク溶接などの生産能率に優れたアーク溶接が生産現場では広く普及しているが、不活性ガス雰囲気中での適用は不可能とされている。その理由は、被溶接材（母材）の表面酸化物に形成される局部アーク電流の集中点（陰極点）が酸化物を探してランダムにかつ激しく動き回り、アークが不安定となり、蛇行ビードやブローホール、アンダーカットなどの溶接欠陥が発生して健全な溶接部が形成されないことである。

ＭＩＧアーク溶接において、不活性ガス雰囲気中で行う場合のアークの不安定性を解決するために、不活性ガス雰囲気（シールドガス）に０．５〜５％程度の酸素ガス、炭酸ガスなどの活性ガスを添加し、溶融金属（溶融池）表面に酸化物を形成させることにより陰極点の挙動を抑制することが考えられている。しかしながら、確かに活性ガスの添加はアークの安定化には効果的であるが、溶接金属中に２００ｐｐｍ以上の酸素が含有されるため、微細な酸化介在物が生成して溶接金属部位の延性や靭性を低下させるという問題がある。

したがって、高生産性と高品質化を同時に満たすことができる不活性ガス雰囲気中での溶接方法が嘱望される。

ところで、溶接に用いられる溶接ワイヤは、主に２つに分類される。一つは、必要な組成を溶解し、線引き加工されたソリッドワイヤであり、もう一つは、フープと呼ばれる材料にフラックスを包み込むようにして加工するフラックスコアードワイヤまたはフラックス中に金属粉を加えたメタルコアードワイヤである（非特許文献１および特許文献１）。

ソリッドワイヤについては、均質なワイヤが製造されるのが常である。その一方で、ワイヤへの加工過程で割れが発生することがあり、ワイヤ化の歩留まりが悪かったり、ワイヤ化が全く困難であったりする。

フラックスコアードワイヤまたはメタルコアードワイヤには、溶接施工性の向上のために通常フラックスが併用され、特に酸素を含有したフラックスが使用される。このため、溶接金属中で酸素が増加し、靱性などを確保することができない。また、フラックスは吸湿性があり、このため、溶接金属に水素が侵入しやすく、低温割れの発生が危惧される。したがって、フラックスは溶接施工性の向上に効果的であるが、溶接金属部位の性能に問題が生じやすい。

一方、アークの安定化にアルカリ金属化合物が効果的であるという提案がある（特許文献２−６）。しかしながら、いずれの提案においても、アルカリ金属化合物をソリッドワイヤの表面に付着させるか、塗布しており、付着・塗布時のアルカリ金属化合物の量的な制御が難しく、また、溶接時のハンドリングでアルカリ金属化合物が剥げ落ちるという問題がある。アークの安定化に必要なアルカリ金属化合物の量を適正に制御することが難しい。
フラックス入りワイヤの実践，日本溶接協会溶接棒部会編，産報出版，1994年４月初版，Ｐ．２３−４９ 特開平５−１０４２８号公報 特開昭５８−３７９７号公報 特公平３−７７０３５号公報 特開平８−９０２７５号公報 特公第２５５６８４７号公報 特開２００３−２９０９２７号公報

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、不活性ガス雰囲気中において安定した溶接を可能とし、ワイヤ化が容易であり、アルカリ金属化合物の量を適正に制御することのできる溶接ワイヤとこの溶接ワイヤを用いた不活性ガス雰囲気中での安定な溶接方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明の溶接ワイヤは、以下のことを特徴としている。

第１に、フラックスを含まず、要求される組成となるような複数の金属材料を積層し、層間にアルカリ金属化合物を包含させた。

第２に、上記において、アルカリ金属化合物がカリウム金属化合物である。

第３に、上記において、金属材料またはカリウム金属化合物中に希土類金属化合物を混入させた。

第４に、上記において、金属材料が異種の材料である。

本発明の溶接方法は、上記第１ないし第４いずれかの特徴を有する溶接ワイヤを用いた溶接方法であって、以下のことを特徴としている。

不活性ガスを含有する不活性ガス雰囲気中で溶接する。

上記において、不活性ガス雰囲気中の不活性ガスの濃度を９５％超に制御する。

溶接時のアークの挙動が安定し、溶接施工性が向上する。溶接効率も高まる。また、溶接金属中の酸素含量が、現状の溶接方法で最も高品質な溶接継手が得られるとされるＴＩＧ溶接と同等レベルにまで低減される。

さらに、均一な組成が要求されるソリッドワイヤではワイヤ化が困難であった難加工材などのワイヤ化も可能となり、しかも従来では送給が困難であったソリッドワイヤの送給性能の制御が容易になると期待される。

本発明の溶接ワイヤの概要を示した断面図である。 試験例１の溶接ワイヤを示した断面図である。 試験例２の溶接ワイヤを示した断面図である。 試験例２の溶接ワイヤを示した断面図である。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ、カリウム金属化合物を層間に塗布しない場合、塗布した場合のアークの挙動を概略的に示した図である。 図５（ａ）（ｂ）に対応するアークの挙動を示した写真である。 溶接部位の酸素含有量と靭性との関係を比較して示した図である。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ、カリウム金属化合物を層間塗布しない場合、層間塗布した場合の溶接部位の写真である。 実施例２の溶接ワイヤとアーク溶接時の様子を概略的に示した図である。 （ａ）（ｂ）は、それぞれ、実施例２の溶接時のアーク状態の写真と溶接部位の写真である。

本発明の溶接ワイヤは、フラックスを一切含まないソリッドワイヤ、またはフラックスを全く含まない金属粉のみのコアードワイヤに属し、従来にはない新規なものである。

本発明の溶接ワイヤでは、たとえば、要求される組成を複数に分け、加工性のよい複数の組成、ワイヤ送給性に優れる組成などとした個々の金属材料を積層し、図１に示したようにワイヤ加工することができる。ワイヤの断面は、タイプＩの同軸状のものとすることができる他、タイプIIのような巻き込み型などにもすることができる。単位長さ当たりの組成比（密度×面積で求められる）を満足すれば、要求される組成を複数に分け、個々の金属材料を積層する場合、溶融時に溶滴または溶融池において融合合金化し、必要な金属組成が得られる。

ソリッドワイヤは、上記の通り、溶解され、その後線引きして製造される。この時、一般にアルカリ金属化合物は溶解が困難であり、また、均質に溶解することができない。このため、アルカリ金属化合物を有効に溶接ワイヤに混ぜて使用することはできなかった。

本発明の溶接ワイヤでは、必要なアルカリ金属化合物を塗布、封入などにより積層材の層間に包含させ、溶解不可能な成分を取り込み、アーク溶接時にその成分の特性を発揮させる。この場合、複数の積層材は、必ずしも組成の異なるものである必要はなく、同一の組成のものを使用することもできる。

本発明においてアルカリ金属化合物には、リチウム、カリウム、ナトリウムなどから選ばれた少なくとも一種のアルカリ金属元素を含む酸化物、水酸化物、塩化物やヨウ化物などのハロゲン化物、炭酸、重炭酸、燐酸、硫酸、硝酸、過塩素酸、ピロリン酸などの無機酸塩、酢酸、フタル酸、テレフタル酸、ステアリン酸、オレイン酸などの有機酸塩などが例示される。溶接部位の特性を低下させない限り、アルカリ金属化合物には種々のものが採用される。中でも優れた効果を示す好ましいアルカリ金属化合物の例として、カリウム金属化合物の単独または他のアルカリ金属化合物との混合物が挙げられる。

溶接ワイヤに内包されるアルカリ金属化合物が優れた効果を示す範囲は、アルカリ金属化合物の種類によって異なるが、溶接ワイヤの重量に対して０．１〜１０００ｐｐｍ、好ましくは０．５〜３００ｐｐｍである。

アルカリ金属化合物は微粉末状で内包させることもできるが、適当な溶媒に溶解または分散させて塗布し、内包させることができる。たとえば、一般に水ガラスと称される珪酸塩（珪酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸リチウムおよびこれらの混合物など）を用い、アルカリ金属化合物の高濃度水溶液として積層材の層間に塗布し、溶接ワイヤに内包させることができる。水ガラスは粘性の高い水飴状の液体であり、本発明の溶接ワイヤの作製・加工時に使用しやすい化合物である。

本発明の溶接ワイヤを用いることによって、従来フラックスの併用または活性ガスの添加なしでは非常に難しいと考えられていた溶接が、不活性ガス雰囲気中においても安定かつ迅速に行うことが可能となる。

不活性ガスには、たとえば、アルゴン、ヘリウムおよびこれらの混合ガスを使用することができる。そして、不活性ガス雰囲気中の不活性ガスの濃度を９５％超、より好ましくは９９．５％以上に制御することで、溶接金属部位への酸素の混入を抑制して、無欠陥で靭性や延性に優れた溶接を行うことができる。

なお、溶接条件にもよるが、本発明の溶接ワイヤの使用および不活性ガス雰囲気中の不活性ガスの濃度の制御により、溶接金属中の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下に制御することが可能である。
［試験例１］
１１Ｃｒ−９．５Ｎｉ系低変態温度溶接材料のワイヤを作製するためには、通常、その組成の合金を溶解し、線引き加工を行う。この素材では、線引きを行う段階で割れが発生することが多く、歩留まりは５０％程度となっている。

そこで、図２および表１に示した２種類の組成を有する金属材料を用い、組み合わせて溶接ワイヤを作製した。

板厚０．３８ｍｍのフープと０．４４ｍｍ径の芯線ワイヤを用い、組み合わせることにより組成が１１Ｃｒ−９．５Ｎｉ系低変態温度溶接材料相当の１．２ｍｍ径の溶接ワイヤを作製することができた。フープ、芯線ワイヤともに加工性がよく、線引きの段階で割れなどは発生せず、歩留まりが大幅に向上した。
［試験例２］
消耗電極式溶接では、溶接時に溶接ワイヤが安定に送給されなければ良好な溶接を行うことができない。溶接ワイヤが硬すぎると、送給抵抗が大きくなる。また、溶接ワイヤがコンタクトチップより著しく硬い場合には、コンタクトチップの摩耗が増え、目詰まりなどが生じて良好な溶接を行うことが困難になる。低変態温度溶接材料は、強度が１０００ＭＰａ以上の高強度材であり、溶接ワイヤの送給に問題があるが、試験例１の溶接ワイヤは強度が６００ＭＰａ以下であり、送給性が改善されると考えられる。

そこで、本試験例では、７８０ＭＰａ級の高強度溶接材料を取り上げた。

図３および表２に示したＳＭ４９０用ワイヤ成分のフープ０．５ｍｍ、インコネルの芯線ワイヤ０．２ｍｍ径を組み合わせると、組成がＨＴ７８０用溶接材料相当の溶接ワイヤを作製することができた。

芯線とフープは市販材料である必要はない。図４および表３に示したように、組成がＨＴ７８０用溶接材料相当の溶接ワイヤとなるようにフープおよび芯線を設計することができる。

この溶接ワイヤは、硬さがほぼＳＭ４９０用溶接材料レベルのものであり、送給性、コンタクトチップの摩耗などの問題のない溶接ワイヤであった。芯線径は０．６ｍｍであり、図３に示した溶接ワイヤに比べ、芯線を太くすることができ、溶接ワイヤの作製上のメリットが大きい。

［実施例１］
カリウム金属化合物として珪酸カリウム系水ガラス（化学組成：約２５ｗｔ％ＳｉＯ₂、約１５ｗｔ％Ｋ₂Ｏ、約１ｗｔ％Ｎａ₂Ｏ、残部水）を試験例１−３に示した溶接ワイヤにおける積層材の層間に塗布した。カリウム金属化合物は溶接ワイヤ内部に包含されるため、溶接ワイヤ送給時に剥がれることがなく、塗布状態を安定に保った。この溶接ワイヤを陽極とし、純アルゴンガス雰囲気中でアーク溶接した。図５（ａ）はカリウム金属化合物を層間に塗布しない場合、図５（ｂ）はカリウム金属化合物を層間に塗布した場合を示している。カリウム金属化合物の層間塗布により、溶接ワイヤの溶融先端部（陽極点）でのアークの拡がりが抑制された。図６に図５に対応する写真を示した。

カリウム金属化合物を層間に内包した溶接ワイヤを用いて溶接した溶接後の溶接金属中の酸素含有量と靭性を測定した。図７に示したように、酸素含有量は５６ｐｐｍ、靭性を示す０℃での吸収エネルギーは１０５Jの値が得られ、ＴＩＧ溶接とほぼ同等の優れた溶接が行われたことが確認される。

図７には、純アルゴンを用いたＴＩＧ溶接とともに、９８％Ａｒ−２％Ｏ₂ガスを用いたＭＩＧ溶接および８０％Ａｒ−２０％ＣＯ₂ガスを用いたＭＡＧ溶接による溶接金属中の酸素含有量および靭性の測定値を参考例として示した。本発明の溶接方法と同じ消耗電極（溶接ワイヤ）式であるＭＩＧ溶接およびＭＡＧ溶接による溶接金属中の酸素含有量および靭性の測定値は、本発明の溶接方法の結果に比べてはるかに劣っている。

図８にアーク溶接後の溶接部位の写真を示した。カリウム金属化合物を層間に塗布しないと、アークが不安定になることに起因する不安定なビードが形成された。一方、カリウム金属化合物の層間塗布によって、アークが安定するため、直線状のビードが得られた。
［実施例２］
図９に示したように、陰極安定化元素として希土類金属（ＲＥＭ）を含む組成の金属材料の層間に、陽極アーク安定化元素として実施例１と同じカリウム金属化合物が包含された溶接ワイヤを作製した。この溶接ワイヤを用いて純アルゴンガス中でアーク溶接した。図９に示したように、ワイヤ側の溶滴では、純アルゴンガス中でも陽極アーク安定化元素であるカリウムの共存効果によりアークが集中し、安定な溶滴移行が可能となった。溶融池側では、陰極安定化元素であるＲＥＭにより陰極点が集中し、アークが不安定に動き回ることがなかった。アーク溶接後の溶接部位の写真を図１０に示した。アークが安定しているので、クリーニング域のない、より安定なビードが得られた。溶接部位の酸素含有量は５６ｐｐｍであり、靭性に優れた溶接が可能であることが確認される。

なお、実施例においては、市販の希土類金属（ＲＥＭ）を混入させた金属材料を使用して積層し、溶接ワイヤを作製したが、希土類金属（ＲＥＭ）の混入のない金属材料の層間にカリウム金属化合物とともに希土類金属（ＲＥＭ）化合物を内包させて溶接ワイヤを作製することも可能であり、この溶接ワイヤについても、実施例で作製した溶接ワイヤと同等の効果が期待される。

Claims (6)

1. フラックスを含まず、要求される組成となるような複数の金属材料を積層し、層間にアルカリ金属化合物を包含させたことを特徴とする溶接ワイヤ。
2. アルカリ金属化合物がカリウム金属化合物であることを特徴とする請求の範囲１に記載の溶接ワイヤ。
3. 金属材料またはカリウム金属化合物中に希土類金属化合物を混入させたことを特徴とする請求の範囲１または２に記載の溶接ワイヤ。
4. 金属材料が異種の材料であることを特徴とする請求の範囲１ないし３いずれか一つに記載の溶接ワイヤ。
5. 請求の範囲１ないし４いずれか一つに記載の溶接ワイヤを用いた溶接方法であって、不活性ガスを含有する不活性ガス雰囲気中で溶接することを特徴とする溶接方法。
6. 不活性ガス雰囲気中の不活性ガスの濃度を９５％超に制御することを特徴とする請求の範囲５に記載の溶接方法。