JP5084076B2 - スラグ除去向上溶接ワイヤ - Google Patents

Description

【０００１】
【背景技術】
本発明は、一般的には、継手及び表面溶接に有用な溶接ワイヤに関し、更に具体的には、自己剥離性又は容易除去性のスラグアイランドを有する改良された溶接溶着を作る、むく及び金属芯溶接ワイヤ（ｓｏｌｉｄ ａｎｄ ｍｅｔａｌ−ｃｏｒｅ ｗｅｌｄ ｗｉｒｅ）に関する。
【０００２】
むく及び金属芯溶接ワイヤは、一般に、軟鋼及び低合金鋼母材の電気アーク溶接に使用される。これらのワイヤは、高溶接スピードの一本パス及び多重パスにおいて高強度の溶接をもたらす。これらの溶接ワイヤは、所望の最終用途の適用を満たす、引張り強度、延性強度及び衝撃強度を持つ、むくの、孔のない溶接ビードを提供するように調合される。また、むく及び金属芯ワイヤは、スラグを最小限にするように調合されるが、しばしば小さいスラグアイランド又は細いスラグラインが、溶接部の先端に生ずる。もし溶接部を塗装又は被覆した後に、これらのアイランド又はスラグラインが剥離すると、製品の外見を損ない、又は腐食開始部位になるので、アイランド又はスラグラインは、溶接部を塗装又は被覆する前に除去しなければならない。
【０００３】
むくワイヤは、溶接ワイヤの最も普及しているタイプのひとつである。被覆アーク溶接（棒溶接（ｓｔｉｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｅｌｄｉｎｇ））と比較すると、むくワイヤで可能な継続溶接は、高い生産性を導く。むくワイヤは、所望の直径に、特異的な化学性質のホットロールドロッドを引き伸ばすことによって作られる。次に、むくワイヤは、なめらかにされ、必要であれば銅めっきされる。むくワイヤにマンガンと珪素が存在すると、溶接過程の間に酸化し、分離された、細いスラグアイランドが生ずる。むくワイヤが提供する生産性の利益は、時として、溶接部の表面に形成されるスラグ析出物又はスラグアイランドの除去に必要とされる時間によって相殺される。
【０００４】
金属芯ワイヤは、構造組立で生産性を向上させるため、むく溶接ワイヤの代替として、ますます使用されている。金属芯溶接ワイヤは、様々な粉状原料の組成物を含む金属鞘及び芯を有する、複合管状充填金属溶接棒である。金属芯ワイヤの芯組成物は、鉄粉を、通常は充填材として含む。この芯組成物は、総ワイヤ重量のおおよそ１〜４５％を構成する。鉄粉含有量は、通常、多量であって、一般的には、総ワイヤ重量のおおよそ０〜４４％を構成する。金属芯ワイヤの製造において、芯組成物を混合して、スチールストリップの上に置き、形成ミルの中で芯組成物を管又は鞘に形成する。次に、芯組成物を取り囲む鉄鞘を、指定された直径になるよう、リデューシングダイに通して延伸する。金属芯ワイヤは、増大した溶接溶着速度を提供し、むくワイヤよりも、より広く、よりばらつきのない浸透断面を作る。加えて、金属芯ワイヤでは、ヒュームとスパッタの発生が少なく、むくワイヤと比較すると、改良された湿潤性を持つ溶接溶着を作る。しかしながら、金属芯ワイヤが提供するこれらの生産性の利益は、時として、溶接部の表面に形成されるスラグ析出物又はスラグアイランドの除去に必要とされる時間によって相殺される。
【０００５】
従来のむく及び金属芯ワイヤを使用すると、スラグアイランドは、溶接部の先端及び縁に形成される傾向がある。この位置において、溶接部は、図１に示したようにややくぼんだ外形を有する。このスラグ析出物は、この凹所の中に引っ張られる傾向があり、スラグ除去が非常に困難となる。本発明によれば、むく及び金属芯ワイヤに一定の合金を加えることによって、溶接部の縁から隔たった場所にスラグアイランドが生ずる優れた傾向があることを見出した。これらの位置では、スラグ析出物が自己剥離するか又は容易に除去される。
【０００６】
Ｇｏｄａｉらの米国特許第４３４５１４０号明細書は、溶接ステンレス鋼に使用するフラックス入り複合ワイヤに関する。その特許には、鉛や銅、ビスマス、アンチモン、スズ酸化物のような低融点の金属酸化物の添加が、スラグの分離性を高めるのに有用であることが開示されている。この低融点の金属酸化物を、好ましくは、総量約０．１〜０．２５％添加する。ステンレス鋼溶接用の複合フラックス入りワイヤは、基本的に、本発明の軟鋼及び低合金鋼溶接ワイヤと異なる。ステンレス鋼を溶接するフラックス入りワイヤは、非金属の無機成分を含むフラックスを含有し、比較すると、軟又は低合金金属芯ワイヤの溶接ワイヤよりも、有意な高パーセンテージ（例えば、５〜１０％）で存在する。フラックス入りワイヤは、溶接の全表面を覆い、除去が非常に困難な、溶接ビードに強く付着するスラグを生じさせる。金属芯ワイヤは、非金属成分の量を十分に減少させた（例えば５％より少ない）金属粉及び合金粉を主に含む芯組成を有する。金属芯ワイヤと比較して、フラックス入りワイヤは、溶接溶着の範囲の先端において、小さなスラグアイランドを生じない。
【０００７】
【発明の概要】
溶接合金へのアンチモン、ビスマス及び/又はゲルマニウムを添加すると、軟鋼及び低合金鋼の溶接ビードの先端又は縁から隔たった位置にスラグ析出物又はスラグアイランドが生じ、それによってスラグアイランドの除去が促進されることが見出された。これらの成分を、金属、合金又は金属化合物（例えば、酸化物や炭酸塩、フッ化物、硫酸塩、硫化物）として添加することができる。従って、本発明の特徴は、これらの金属の添加を含む溶接であり、本発明の別のより具体的な特徴は、これらの添加を含む軟鋼又は低合金鋼の溶接である。また本発明は、スラグアイランドが先端から隔たった範囲に位置する、溶接ビードを含む。本発明の他の特徴は、スラグアイランドの除去促進に十分な量のアンチモン、ビスマス及び/又はゲルマニウムを含む、低合金溶接である。好ましい添加は、アンチモン又はアンチモン酸化物である。
【０００８】
更に、本発明の他の特徴は、アンチモン、ビスマス及び/又はゲルマニウムを含む、むく又は金属芯ワイヤである。他の特徴は、鞘及び芯の少なくとも１つにアンチモン、ビスマス及び/又はゲルマニウムを含有する、鋼鞘及び芯を含む金属芯ワイヤである。更に本発明の特徴によれば、ワイヤは軟鋼又は低合金鋼溶接を提供するよう、調合される。
【０００９】
本発明の他の特徴は、既に述べられた組成を有する、むく又は金属芯ワイヤを溶融することを含む溶接の形成方法である。
【００１０】
更に、本発明の他の特徴は、電気アークの適用によって、ここで述べられる組成を有する金属芯ワイヤを溶融することを含む、溶接部の形成方法である。
【００１１】
本発明に係るむく及び金属芯ワイヤは、表１３に示したワイヤの総重量に基づいて、おおよその範囲内で、ワイヤ組成物を有する：
表１３

【００１２】
この表において、元素の割合は、百分率で報告されており、しかしながら、当業者には、これらの割合が工業標準を反映し、本発明の技術的限界ではないということが認識される。アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）は、組合せで又は代替的に使用することができる。既に言及されているが、Ｓｂは、好ましい添加剤である。本発明における最も代表的な態様としては、ワイヤ（及び溶接ビード）は、最低０．５％のマンガン（Ｍｎ）及び最低０．２％の珪素（Ｓｉ）を含む。ヒュームの発生を最小限にするため炭素を最小限にすることが好ましいが、一般的には、ワイヤ（及び溶接ビード）は、最低０．００３％の炭素を含む。軟及び低合金鋼の業界標準では、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）を組合せた総量が、０．５％未満に制限されている。業界標準を満足せずに、より高い総量を使用してもよい。
【００１３】
本発明に係る溶接部の分析によって、合金を添加すると溶接部にスラグアイランドに対抗する性質が存することが示され、金属芯ワイヤの場合、金属添加を鞘又は芯にすることができるという結論が導かれる。好都合なことに、一般には、芯に添加する。金属芯ワイヤの総ワイヤ重量に基づく芯と鞘の組成を、表１４及び表１５に規定する：
表１４

表１５

アンチモンを元素金属として、又はＳｂ_２Ｓ_３；ＳｂＦ_３；Ｓｂ_２（ＳＯ_４）_３；又はＳｂ_２Ｏ_３のような化合物又は合金として、芯に添加できる。ビスマスを金属として、（ＢｉＯ）_２ＣＯ_３、Ｍｎ_２Ｂｉ_３、又はＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２として、添加できる。ゲルマニウムを金属として又は前記のビスマスとの化合物として、添加できる。驚くべきことに、アンチモンの酸化物を金属粉に添加でき、本発明の利点が生ずる。スラグは酸化物で構成されている。スラグの量を減少させる目的で、芯組成物中の酸化物の量は最小限に保つことが公に実施されている。このことは、予想に反して、芯組成物に酸化物を添加させる。好ましくは、スラグ変性添加剤を、約０．３〜２．０質量％（ワイヤの０．０４〜０．３質量％）の量で芯組成に混合する。当業者であれば、もし芯にＳｂ／Ｂｉ／Ｇｅを添加すれば、鞘に添加する必要がなく、もし鞘に添加すれば、芯に添加する必要がないことは理解する。もちろん鞘と芯の両方に部分的に添加することは、あらかじめ除外される。本発明のこれらの組成物によれば、即ち、全体として、鞘として又は芯としてのワイヤの組成は、スラグアイランドの配置と続いて起こる解離を促進する十分な量のアンチモン、ビスマス又はゲルマニウム、又はこれらの化合物の量が含まれるように変更される。一般には、これらの原料を、ワイヤの総重量を基準として、約０．０４〜０．３％、好ましくは０．１４〜０．２１％総量で添加する。
【００１４】
アンチモンを添加すると、溶接部の衝撃強度が減少することが認められている。業界標準では、ＡＷＳ Ａ５．１８で規定されているＥ７０Ｃ−３Ｍワイヤにおいて、−１８℃（０°Ｆ）での衝撃強度が少なくとも２６ｍ−Ｎ（２０ｆｔ−ｌｂｆ）であることが求められ、Ｅ７０Ｃ−６Ｍワイヤにおいて、−２９℃（−２０°Ｆ）での衝撃強度が２６ｍ−Ｎ（２０ｆｔ−ｌｂｆ）であることが求められる。これらの業界標準を満たすため、アンチモンの添加を補う目的で、ニッケル及び／又はチタン及びホウ素の組合せを溶接部に加えることが好ましい。一般的には、芯組成物にこれらの金属を添加する。軟鋼溶接に対しては、溶接金属を基準として０．５％までの量のニッケルを添加する。低合金鋼溶接の業界標準によれば、溶接金属を基準として３．７５％までの量のニッケルを添加できる。０．７５％までの量のＴｉを芯組成物に添加し、一般的には、溶接金属中に０．００２−０．００４％添加する。ニッケル及びＴｉ−Ｂは、一般的に鞘に添加しないが、これは、単独でも、芯に対する添加と一緒に組合せてもすることができる。Ｔｉ及びＢの添加の議論に対しては、Ｏｈ，Ｄ．Ｗ．ら、Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｂｏｒｏｎ ａｎｄ Ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｎ Ｌｏｗ−Ｃａｒｂｏｎ Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｌｄ Ｍｅｔａｌ、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ａｐｒｉｌ，１９９０，ｐｐ１５１−Ｓ〜１５８−Ｓを参照されたい。鞘の添加は、溶接部が所望の衝撃強度を示し、業界化学組成標準を満たすように調整される。
【００１５】
本発明によって形成された溶接部は、特にマンガン及び珪素の、スラグとヒュームにおける非常にわずかな損失を除いては、本質的にワイヤと同じ組成を有する。従って、表１における前記の割合のセットは、溶接部の組成を明確にすることにも使用されよう。
【００１６】
以下（これに限定されない）の本発明によれば、大量生産によって入手可能な炭素鋼及び低合金鋼の金属芯ワイヤを、ここで述べられたアンチモン、ビスマス及び／又はゲルマニウムを含むことによって変更できる。以下の表は、これらの製品及びこれらの代表的な溶着化学組成を表す。
表１６

表１７

【００１７】
図１及び図３は、従来の金属芯ワイヤを使用して形成された溶接部１０を説明し、図２及び図４は、本発明に係る溶接部１０を説明する。図に示したように、溶接部１０の先端部１２は、隣接した溶接部分と一緒になって凹所を形成する。スラグ析出物１４が、この凹所に引っ張られると、除去が非常に困難になる。これとは対照的に、本発明によれば、アンチモンの添加によって、溶接溶着が凸状になっている溶接部の縁１２から離れてスラグ析出物１４が生じる。図２及び図４に示したように、以下に限定されるものではないが、スラグ析出物と溶接部との間の接触角は、溶接部スラグ析出物と先端部における溶接部との間の接触角（未測定）よりもずっと大きく、先端部から隔たったところにスラグアイランドを配置させる。これによってスラグアイランドがずっと除去しやすくなり、場合によっては、溶接部と対照してみると、スラグの冷却速度における差異の結果、これらのスラグ析出物が簡単にポンと外れる。
【００１８】
本発明を、以下の実施例によって、より詳細に説明する。
【００１９】
【実施例】
以下の表に示した量で、芯にスラグ変性添加剤を加えたＭｅｔａｌｌｏｙ（登録商標）７６芯溶接ワイヤを準備した。
表中において：
ａ．元素％芯は、芯組成物の総重量を基準とした添加剤の元素の割合である。
ｂ．ＡＲＣは、次のアーク特性：安定性、粘稠度、及び使いやすさを含む、０（最悪）から１０（最良）の主観的評価である。
ｃ．Ｓｉアイランドは、スラグアイランドの数である。８又はより高い値であれば、溶接の長さに沿ってほとんど完全にスラグのラインと一致する。
ｄ．位置は、アイランドの位置の説明であり、Ｃは中央を、Ｔは先端を意味する。
スラグ溶着部を除去し、その除去の容易さをブラインドスタディで評価し、結果を以下の表に示した。
表１８

【００２０】
ここでの議論に基づいて、むく又は管状ワイヤのコーティングの中にスラグ変性添加剤を配置することによって、スラグ変性添加剤を導入できることも当業者は理解する。例えば、むくワイヤに銅コーティングすることは周知である。思うに、スラグ変性添加剤を、このコーティングに混ぜてもよく、又はスラグ変性添加剤自体のコーティングに応用してもよい。また、スラグ変性添加剤は、化学的蒸気析出のような技術を使用してむく又は金属芯ワイヤの表面に応用してもよい。
【００２１】
詳細な、それについての具体的態様を示すことによって本発明を述べたが、本発明の精神と目的から離れることなく非常に多くの改良と変形が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接部先端のスラグアイランドが現れた従来の金属芯溶接部のスラグ析出物を表示する概略断面図である。
【図２】溶接部中心のスラグアイランドが分離している本発明による溶接部におけるスラグ溶着を表示する概略断面図である。
【図３】従来の金属芯溶接部を使用して作られた溶接部表面の概略図である。
【図４】ここで述べられた本発明による金属芯ワイヤを使用して作られた溶接部表面の概略図である。
【図５】実施例の、表６のテスト３による金属芯ワイヤで形成された溶接部の写真である。
【図６】ホバートブラザーズ社から大量生産により入手可能なＭｅｔａｌｌｏｙ７６を使用して形成された溶接部の写真である。
【符号の説明】
１０ 溶接部
１２ 先端部
１４ スラグ析出物

Claims (2)

1. 鋼鞘及び芯を含む軟鋼溶接ワイヤであって、芯組成物が、アンチモン、ビスマス、ゲルマニウム、これらの金属酸化物、金属炭酸塩、金属フッ化物、金属硫酸塩又は金属硫化物からなる群より選ばれるスラグ変性添加剤を前記ワイヤの全質量に基づくSb、Bi、Geの元素として0.04〜0.3質量％含み、更に以下の元素を含むことを特徴とする溶接ワイヤ。
   

   
2. 前記芯組成物が、更に５質量％未満の非金属無機成分を含む請求項１記載の軟鋼溶接ワイヤ。

Images