JP5194586B2 - 亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤに係わり、特に、溶接割れが発生せず、タッチアップ等の後処理を行わなくても耐食性が良好で、延性に優れる溶接部が得られ、溶接作業性が良好な、亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤに関するものである。

亜鉛めっき鋼板は、建築や自動車などの分野において構造部材の耐食性向上の観点から幅広く用いられている。従来構造物の耐食性向上については、非めっき材を溶接し、その後、亜鉛浴に浸漬し、鋼材および溶接部表面に付着させ、構造物全体の耐食性を確保する方法が用いられていた。しかし、この方法では、溶接した後にめっき処理されるため、生産性が劣るとともに、めっき浴等の設備が必要となり、製造コストを増加させる原因になっていた。

これを回避するため、予めめっきが施された亜鉛めっき鋼板を溶接することにより構造物を製造する方法が、適用されるようになってきた。また、最近、構造部材の耐食性をより向上させるために、従来の亜鉛めっき鋼板に比べて、更に耐食性を高めたＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきなどの亜鉛系合金めっきを鋼板表面に施した亜鉛系合金めっき鋼板を溶接して溶接構造物を製造するようになってきた（例えば、特許文献１、参照。）。

亜鉛めっき鋼板または亜鉛系合金めっき鋼板（以下、両者を区別しない場合は、両者を含めて、単に、亜鉛めっき鋼板ともいい、また、両者のめっきを含めて、単に、亜鉛めっきともいう。）を溶接して溶接構造物を製造する場合の特有な問題として、溶接金属及び溶接熱影響部で溶融めっきに起因する液体金属脆化割れ（以下、亜鉛脆化割れという。）が発生し易いことが従来から知られている。

亜鉛脆化割れは、溶接部の近傍に存在する熱影響部の表面に溶融状態で残存した亜鉛めっき成分が溶接部分の結晶粒界に浸入することが主な原因であると考えられている。なお、溶接部の表面に存在していた亜鉛めっきは溶接により蒸散して消滅するため、亜鉛脆化割れの原因とはならないと考えられている。

一方、従来から耐食性が要求されるステンレス鋼構造物の溶接には、ステンレス鋼の共金系溶接材料が用いられる。この場合、ステンレス鋼同士またはステンレス鋼と炭素鋼の接合部に形成されたステンレス鋼成分の溶接金属でも、ステンレス鋼の母材部と同様に、良好な耐食性が得られる。

しかし、本発明者らの確認試験結果によれば、亜鉛めっき鋼板を溶接する際に耐食性が良好な溶接金属を得るために、例えばＳＵＳ３０９系やＳＵＳ３２９系ステンレス鋼溶接材料などの溶接材料を用いても、溶接金属に亜鉛脆化割れが多数発生し、適用が困難であることが確認された。

溶接金属の亜鉛脆化割れの問題を解決する方法として、本発明者らは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ量の制御により溶接金属のフェライト組織の面積率と引張強度を適正化し、さらには、スラグ剤中のＴｉＯ_２量等を適正に制御することで、溶接金属の亜鉛脆化割れを防止するフラックス入り溶接ワイヤを提案している（特許文献２、参照。）。

しかし、この方法を用いて亜鉛系合金めっき鋼板を溶接する場合には、溶接条件によって溶接金属の亜鉛脆化割れが生じることがしばしばあり、安定してその発生を防止することはできなかった。また、この方法を用いて得られる溶着金属は延性が低く、加えて溶接作業性のアーク安定性が低く、スラグ剥離性が悪いという問題があった。

これに対し、本発明者らは、亜鉛脆化割れを防止する溶接継手について、さらに鋭意研究し、その結果得られた発明をＰＣＴ／ＪＰ２００６／３１９６１３号（特許文献３参照。）にて国際特許出願した。

特開２０００−０６４０６１号公報 特開２００６−０３５２９３号公報 ＷＯ２００７／０３７４４７号公報

本発明は、上記の特許文献３に記載の溶接継手の発明とともに上記の問題点を有利に解決する亜鉛系合金めっき鋼板溶接用フラックス入り溶接ワイヤに係わり、溶接金属部に亜鉛脆化割れが発生せず、タッチアップ等の後処理を行わなくても耐食性が良好で、延性に優れる溶接部が得られ、溶接作業性が良好な、亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤを提供することを目的とするものである。

本発明者らは、前記課題を解決するために溶接ワイヤの合金成分について種々検討を行った。その結果、溶接ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ量の適正化を図ると共に、その合計式であるＦ値（＝３×［Ｃｒ％］＋４．５×［Ｓｉ％］−２．８×［Ｎｉ％］−８４×［Ｃ％］−１．４×［Ｍｎ％］−１９．８）の増加により、亜鉛脆化割れを低減することができることを見出した。亜鉛めっき鋼板の溶接について、Ｆ値と割れ個数の関係を図１に示す（溶接条件等は、後述の実施例の溶接継手性能調査と同じである。）。

図１に示すように、Ｆ値が高くなるほど、割れの発生を抑制し、Ｆ値が３０以上、望ましくは４０以上となると割れが殆ど発生しないことが明らかとなった。

このＦ値は、フェライトの晶出し易さを示すが、３０未満であると、凝固途中でオーステナイトの晶出が起こるため、オーステナイト粒界に亜鉛の侵入が生じ易く、亜鉛脆化割れを防止することができなかった。一方、３０以上、望ましくは４０以上となると、初晶から室温までフェライト単相で凝固が完了するため、粒界に亜鉛の侵入が生じ難く、割れを防止することができた。

一方、耐亜鉛脆化割れの観点から考えると、Ｆ値は高いほど良好であるものの、Ｆ値が５０を超えるとフェライト量が多く、溶接部の延性を確保するためのオーステナイト量が不十分となる。その結果、溶接金属の伸びが不足し、溶接継手として求められる機械特性を満足できなくなる。そこで、良好な延性を得るために、凝固はフェライト単相で完了するものの、凝固後の冷却中に適度なオーステナイト相を析出させ、フェライトとオーステナイトの適正な二相組織とすることで、耐亜鉛脆化割れと延性の両方を満足することが可能であることを明らかにした。

更に、完全に亜鉛脆化割れを防止するため、種々検討を行った。その結果、スラグ剤成分のＡｌ_２Ｏ_３と割れ個数の関係を図２に示すように、スラグ剤中にＡｌ_２Ｏ_３を添加することで、亜鉛脆化割れを更に効果的に防止でき好ましいことが明らかとなった。ただし、Ｆ値が２０と低い場合、Ａｌ_２Ｏ_３が高いほど割れの発生が抑制されるものの、割れの発生を完全に防止することはできなかった。これに対し、Ｆ値が３０の場合、Ａｌ_２Ｏ_３を０．１％以上添加することで、割れの発生を皆無にできることが分かった。さらに、Ｆ値が４０の場合は、Ａｌ_２Ｏ_３量にかかわらず、割れの発生を皆無にできることが分かった。亜鉛は、一般的に他の金属や酸化物に固溶し難く、割れに有害な低融点金属として存在する。しかし、亜鉛と親和性が良いＡｌ_２Ｏ_３が添加されることで、Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系酸化物を生じ、割れに有害なＺｎから、割れの発生原因とならない酸化物としてスラグになるため、Ａｌ_２Ｏ_３の添加が割れの抑制に働くことが明らかとなった。

一方、溶接作業性に関し、亜鉛めっき鋼板の溶接は、アーク熱により、亜鉛は蒸発するものの、溶接金属の凝固に伴い、周辺の溶融化した亜鉛が、冷却しつつある溶接部にぬれ、ビード止端部のスラグに固着し、スラグの剥離性を阻害する。そこで、本発明者らは、スラグ剤主成分のＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２量の検討を行い、良好なスラグの被包性、剥離性が得られるようスラグ剤の適正化を図った。その結果、ビード止端部にスラグを厚く（多く）被包させることで、亜鉛が固着しても、良好なスラグ剥離性が得られることが明らかとなった。

また、亜鉛めっき鋼板の溶接では、アーク中に亜鉛蒸気が混入し、アーク状態が非常に不安定で溶接がやり難いという課題があった。このような場合でも、Ａｌ_２Ｏ_３を適正量添加することでアーク状態が安定でき好ましいという知見を得た。この機構は、上記の割れ抑制の効果に類似し、アーク中の亜鉛蒸気と、スラグ剤中の溶融されたＡｌ_２Ｏ_３とが結合し、Ａｌ−Ｚｎ系酸化物の発生を促すことで、亜鉛蒸気によるアーク安定性不良を抑制し、良好なアーク状態が得られるとの知見を得た。

本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは次の通りである。

［１］ ステンレス鋼外皮の内部にフラックスが充填されたステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤにおいて、
金属または合金成分として、前記外皮およびフラックス中に、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０１〜０．０５％、
Ｓｉ：０．１〜１．５％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：７．０〜１０．０％、
Ｃｒ：２６．０〜３０．０％
を含有し、かつ下記（１）式で定義されるＦ値が３０〜５０の範囲を満足し、
さらに、スラグ形成剤として、前記フラックス中に、ワイヤ全質量に対する質量％で、
ＴｉＯ_２：０．６〜２．６％、
ＳｉＯ_２：１．８〜３．８％、
ＺｒＯ_２：１．０〜３．５％、
Ａｌ _２ Ｏ _３ ：０．１〜１．０％
を含有し、かつ該スラグ形成剤とその他のスラグ形成剤との合計量が１０％以下であり、
残部はＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする、亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤ。
Ｆ値＝３×［Ｃｒ％］＋４．５×［Ｓｉ％］−２．８×［Ｎｉ％］−８４×［Ｃ％］
−１．４×［Ｍｎ％］−１９．８ ・・・・・・・・ （１）
ただし、上記［Ｃｒ％］、［Ｓｉ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃ％］および［Ｍｎ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中の外皮およびフラックス中に含有するＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、ＣおよびＭｎのワイヤ全質量に対するそれぞれの質量％の合計を示す。

本発明の亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤによれば、溶接割れが発生せず、タッチアップ等の後処理を行わなくても耐食性が良好で、延性に優れる溶接部が得られ、且つ溶接作業性が良好であるなど、高品質の溶接部が得られる。

特に、めっき成分にＡｌ、Ｍｇを合金元素として含む、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板の溶接において顕著な効果を示す。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼板としては、例えば、めっき成分にＡｌを１１％、Ｍｇを３％、Ｓｉを０．２％含み残部を主にＺｎとする新日本製鐵株式会社製「スーパーダイマ（登録商標）」鋼板あるいはめっき成分にＡｌを７％、Ｍｇを３％含み残部を主にＺｎとする日新製鋼株式会社製「ＺＡＭ（登録商標）」鋼板等がある。

以下に本発明の詳細を説明する。

本発明者らは、ステンレス系溶接材料を用いて亜鉛めっき鋼板を溶接する際に溶接部の耐食性を向上させるとともに、この際に問題となるステンレス系成分の溶接金属と亜鉛めっきに起因する亜鉛脆化割れの発生を抑制するために、鋭意検討した。

その結果、
（１）ステンレス系成分の溶接金属の亜鉛脆化割れ感受性は、溶接金属の凝固形態に依存し、フェライト単相で凝固が完了する成分系の溶接金属は、オーステナイト単相またはオーステナイトとフェライトの２相で凝固が完了する成分系の溶接金属に比べて亜鉛脆化割れの発生が少ないこと、
（２）亜鉛脆化割れの原因物質である亜鉛めっきに由来するＺｎなどの低融点成分は、Ａｌ_２Ｏ_３と結合しやすいため、Ａｌ_２Ｏ_３の添加によって溶接金属からＡｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系酸化物（スラグ）として排出できる
ことを新たに知見した。

本発明は、これらの知見に基づいて、
（１）ステンレス系成分の溶接金属の亜鉛脆化割れ発生を抑制するために、溶接金属がフェライト単相で凝固完了するようにフラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として添加するフェライト形成成分およびオーステナイト形成成分を適正化するとともに、
（２）溶接金属から亜鉛めっきに由来するＺｎなどの低融点成分をＡｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系酸化物（スラグ）として排出させるためにフラックス入り溶接ワイヤ中にスラグ形成剤としてＡｌ_２Ｏ_３を適量含有する
ことを技術思想とする。

なお、本発明において、上記亜鉛めっき鋼板とは、単純な亜鉛めっき鋼板の他、亜鉛めっき中に耐食性向上のためにＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉなどを添加したＺｎ−Ａｌ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきが表面に施されためっき鋼板の総称を意味するものとする。

先ず、本発明が目的する溶接金属の亜鉛脆化割れの発生防止において特に重要となるフラックス入りイヤ中の成分のＦ値およびＡｌ_２Ｏ_３について説明する。

本発者らの実験結果によれば、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属は、その成分系によって、溶接後の凝固時にオーステナイト相単独またはフェライト相単独で凝固が完了するか、もしくはフェライト相とオーステナイト相の二相で凝固が完了するものとに分類されることを確認している。また、この溶接金属凝固時のフェライトの晶出し易さは、主として溶接金属中のＳｉ及びＣｒのフェライト形成元素と、Ｃ、Ｍｎ及びＮｉのオーステナイト形成元素を基に、下記（１）式で定義されるＦ値によって整理できることを発見した。

Ｆ値＝３×［Ｃｒ％］＋４．５×［Ｓｉ％］−２．８×［Ｎｉ％］−８４×［Ｃ％］
−１．４×［Ｍｎ％］−１９．８ ・・・・・・・・ （１）
ただし、上記［Ｃｒ％］、［Ｓｉ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃ％］および［Ｍｎ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中の外皮およびフラックス中に含有するＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、ＣおよびＭｎのワイヤ全質量に対するそれぞれの質量％の合計を示す。

図１に亜鉛めっき鋼板を溶接する際に使用したフラックス入り溶接ワイヤのＦ値と亜鉛脆化割れ個数の関係を示す。なお、フラックス入り溶接ワイヤ中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量は０％（無添加）の条件で行った。

図１に示すようにフラックス入り溶接ワイヤのＦ値が高くなるほど、亜鉛めっき鋼板溶接時の亜鉛脆化割れ発生は減少する。Ｆ値が３０以上、望ましくは４０以上となると割れが殆ど発生しなくなる。

フラックス入り溶接ワイヤのＦ値が３０未満の場合には、溶接金属の初晶凝固相がオーステナイトでオーステナイト単独で凝固が完了するか、あるいは、初晶凝固相がフェライトでも凝固途中でオーステナイトの晶出が起こりフェライトとオーステナイトの二相で凝固が完了する。この際、オーステナイト相は柱状晶凝固するため、溶接時にオーステナイト粒界に亜鉛めっきに起因するＺｎなどの低融点成分が侵入し、溶接金属の亜鉛脆化割れが発生し易くなる。一方、フラックス入り溶接ワイヤのＦ値が３０以上の場合は、溶接金属はフェライトで初晶析出し、フェライト単相で凝固が完了するため、等軸晶凝固した微細化されたフェライト相により、溶接時に結晶粒界への亜鉛などの低融点成分の侵入が生じにくく、溶接金属の亜鉛脆化割れ発生は減少することが明らかになった。更に、Ｆ値が４０以上の場合は、溶接金属の凝固後の冷却過程において析出するオーステナイトが少なくなり、亜鉛脆化割れ抑制の効果がより顕著になることが明らかとなった。

これらの知見を基に、本発明では、後述するようにフラックス入り溶接ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの含有量を適正化すると共に、溶接金属の亜鉛脆化割れ発生を抑制するために上記（１）式で定義されるワイヤのＦ値を３０以上、望ましくは４０以上とする。

図１に示すように耐亜鉛脆化割れ抑制の観点からワイヤのＦ値は高いほど好ましい。しかし、ワイヤのＦ値が５０を超えると、溶接金属がフェライト単相で凝固完了した後、室温までの冷却過程でのオーステナイトの析出が極めて減少するため、室温での溶接金属中のフェライト量が多くなる。溶接金属の延性すなわち伸びを確保するためには、所定のオーステナイトの析出が必要でありＦ値の過度な増加は好ましくない。したがって、本発明では、室温での溶接金属組織をフェライトとオーステナイトの適正な二相組織とすることで、溶接金属の亜鉛脆化割れ発生を抑制するとともに、溶接金属の延性を十分に確保するためにワイヤのＦ値の上限を５０とする。

さらに、亜鉛めっき鋼板の溶接において、フラックス入り溶接ワイヤのＦ値が２０（上記本発明の規定範囲外）の場合と、Ｆ値が３０あるいは４０（上記本発明の規定範囲内）の場合で、溶接時の亜鉛脆化割れ発生に対するフラックス入り溶接ワイヤ中のスラグ剤成分であるＡｌ_２Ｏ_３の影響を検討した。

図２に、亜鉛系合金めっき鋼板を溶接する際に使用したフラックス入り溶接ワイヤ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量と溶接金属の亜鉛脆化割れ個数の関係を示す。

溶接ワイヤのＦ値が２０、３０の何れの場合においても、溶接ワイヤ中のＡｌ_２Ｏ_３含有量（溶接ワイヤ全質量に対する質量％）が高いほど、溶接金属の亜鉛脆化割れの発生は抑制される。これは、亜鉛めっき鋼板を溶接する際に溶接入熱により溶融した亜鉛めっき中の亜鉛などの低融点成分は、その他の金属や酸化物に固溶しにくく、溶接金属の凝固が完了する際に亜鉛脆化割れに有害な低融点物質として残存する。この際、亜鉛めっきに起因する亜鉛などの低融点成分と親和性が良いＡｌ_２Ｏ_３が溶接金属に添加されると、Ａｌ_２Ｏ_３が亜鉛などの低融点成分と結合し、Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系酸化物を生じ、溶接金属からスラグとして排出されるため、溶接金属の亜鉛脆化割れ発生は減少するためである。

しかし、溶接ワイヤのＦ値が２０と低い（上記本発明の規定範囲外）場合は、上述した理由から溶接金属の亜鉛脆化割れ感受性が高くなるため、割れ発生を完全に防止することはできない。溶接ワイヤのＦ値が３０以上、望ましくは４０以上（上記本発明の規定範囲内）とし、望ましくは、フラックス入り溶接ワイヤ中にスラグ剤としてＡｌ_２Ｏ_３を溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上添加することで、溶接金属の亜鉛脆化割れの発生を防止することができる。したがって、本発明では、溶接金属の亜鉛脆化割れ発生を抑制するために上記のように溶接ワイヤのＦ値を３０以上、望ましくは４０以上とする。また、必要に応じて、フラックス入り溶接ワイヤ中にスラグ剤としてＡｌ_２Ｏ_３を溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上とすることによって、より一層の亜鉛脆化割れの抑制が可能となる。

以上が溶接ワイヤ中の成分のＦ値およびＡｌ_２Ｏ_３の限定理由であるが、溶接金属の亜鉛脆化割れの発生防止、さらに、溶接金属の特性および溶接作業性の観点から、フラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として添加する成分、及び、スラグ形成剤を以下のように限定する必要がある。

以下に本発明の各成分組成の添加理由および限定理由を述べる。

なお、以下の説明において、「％」は特に説明がない限り、「質量％」を意味するものとする。

先ず、本発明では、フラックス入り溶接ワイヤの外皮、および、この外皮内部に充填されるフラックス中に、金属または合金として含有するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの各成分を、溶接ワイヤ全質量に対する質量％の合計で、以下のように限定する。

Ｃは、耐食性に有害であるが、溶接金属の強度確保、溶接時のアーク状態を安定化させる目的で０．０１％以上添加する。一方、０．０５％を超えて添加すると炭化物が多く析出するため、溶接金属の延性が低下する。従って、フラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として含有するＣは０．０１〜０．０５％にする必要がある。

Ｓｉは、スラグ剥離性を良好とする目的で０．１％以上添加する。一方、１．５％を超えて添加すると、低融点ＳｉＯ_２系酸化物を析出するため、溶接金属の延性が低下する。従って、フラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として含有するＳｉは、０．１〜１．５％にする必要がある。

Ｍｎは、室温での溶接金属組織中のオーステナイト相を安定化させ、溶接金属の延性を得る目的で０．５％以上添加する。一方、３．０％を超えて添加すると、スラグ剥離性が悪くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として含有するＭｎは、０．５〜３．０％にする必要がある。

Ｎｉは、オーステナイト形成元素であり、室温での溶接金属組織中のオーステナイト相を安定化させ、溶接金属の延性を得る目的で７．０％以上必要である。一方、１０．０％を超えて添加すると、Ｐ、Ｓ等の割れに有害な微量成分の偏析を促進し、更に亜鉛脆化割れが発生し易くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として含有するＮｉは７．０〜１０．０％、好ましくは８．０〜１０．０％にする必要がある。

Ｃｒは、溶接金属の耐食性を向上するために寄与する元素である。また、Ｃｒはフェライト形成元素であり、溶接金属を凝固完了時にフェライト単相とし、溶接金属の亜鉛脆化割れを抑制するために寄与する。本発明では、Ｃｒ含有量は溶接金属の耐食性を十分に得るために２６．０％以上とする。通常、ステンレス鋼の溶接金属はＣｒ量１３．０％程度で良好な耐食性が得られるが、本発明は、Ｃｒを含有しない亜鉛めっき鋼板に適用し、母材希釈を約５０％受けても、溶接金属のＣｒ量が約１３％確保できることを考慮しており、そのため２６．０％以上のＣｒ量が必要となる。一方、３０．０％を超えて添加すると、Ｃｒ_２３Ｃ_６等の炭化物やσ相の析出が生じ易く、延性が得られなくなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として含有するＣｒは２６．０〜３０．０％にする必要がある。

以上のフラックス入り溶接ワイヤ中に金属または合金として含有するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの各成分含有量（溶接ワイヤ全質量に対する質量％の合計量）は、上述したように、溶接金属の亜鉛脆化割れ発生を抑制し、かつ溶接金属の延性を良好に確保するために、上記（１）式で定義されるＦ値が３０〜５０の範囲内となるようにする。

なお、上記本発明で規定する成分以外に、さらに、必要に応じて溶接金属の０．２％耐力、引張強さ、延性（全伸び）、０℃でのシャルピー衝撃吸収エネルギーなどの機械性能の調整やスラグ剥離性の調整などの目的で、他の成分として、Ｍｏ≦２．０％、Ｃｕ≦０．１％、Ｖ≦０．１％、Ｎｂ≦０．１％、Ｂｉ≦０．１％、Ｎ≦０．１％等の合金剤の１種又は２種以上を組合せて添加することができる。

但し、Ｎについては、延性を劣化させることから、０．０５％未満とすることが望ましい。また、溶接部の脱酸を目的としたＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ等の脱酸剤も適宜添加調整することができる。

次に、本発明では、金属または合金成分以外に、フラックス入り溶接ワイヤの外皮内部に充填されるフラックス中に、スラグ形成剤として含有するＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２を、さらに、必要に応じて、Ａｌ_２Ｏ_３をワイヤ全質量に対する質量％で、以下のように限定する。

ＴｉＯ_２は、被包性の良好なスラグを得るため０．６％以上必要である。一方、２．６％を越えて添加すると、スパッタが多くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤのフラックス中にスラグ形成剤として含有するＴｉＯ_２は、０．６〜２．６％にする必要がある。また、ＴｉＯ_２のスラグ被包性について更に言及すると、後述のＳｉＯ_２及びＺｒＯ_２と共に適正量添加することで、溶接止端部のスラグに亜鉛が固着しても、良好なスラグ剥離性が得られるよう、止端部に適正な厚みを持たせたスラグの被包状態を得る目的で添加する。

ＳｉＯ_２は、スラグ剥離性を良好とするため１．８％以上添加する。一方、３．８％を超えて添加するとスパッタが多くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤのフラックス中にスラグ形成剤として含有するＳｉＯ_２は、１．８〜３．８％にする必要がある。またＳｉＯ_２のスラグ剥離性について更に言及すると、ＺｒＯ_２とは異なり、亜鉛の固着に関わらず、溶接ビード全体のスラグ剥離性を良好とすることを目的として添加する。

ＺｒＯ_２は、溶接止端部のスラグに亜鉛が固着しても良好なスラグ剥離性を得る目的で１．０％以上添加する。一方、３．５％を超えて添加すると、スパッタが多くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤのフラックス中にスラグ形成剤として含有するＺｒＯ_２は１．０〜３．５％にする必要がある。

Ａｌ_２Ｏ_３は、亜鉛脆化割れを抑制し、加えて亜鉛蒸気が混入するアーク雰囲気においても、アーク安定性を良好とする目的で、必要に応じて、０．１％以上添加する。一方、１．０％を超えて添加すると、スパッタが多くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤのフラックス中にスラグ形成剤として、Ａｌ_２Ｏ_３は、０．１〜１．０％にするのが好ましい。

本発明では、フラックス入り溶接ワイヤのフラックス中に上記スラグ形成剤以外にその他のスラグ形成剤を含有することが可能である。但し、上記スラグ形成剤とその他のスラグ形成剤の合計量が１０％を超えると、溶接時にスパッタの発生が多くなる。従って、フラックス入り溶接ワイヤの上記スラグ形成剤とその他のスラグ形成剤の合計量は１０％以下にする。

上記スラグ形成剤とその他のスラグ形成剤の合計量の下限は特に限定する必要がないが、溶接金属表面のスラグ被包性を良好に維持するためには、この合計量の下限を５％とするのが好ましい。

上記ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３以外のその他スラグ形成剤として、溶接ワイヤ製造工程のボンドフラックスを製造する際に添加される珪酸カリおよび珪酸ソーダなどの固着剤や、主としてアーク安定剤として用いられるＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＣＯ_３、ＢａＣＯ_３などの金属酸化物や金属炭酸塩や、主としてスラグ粘性の調整やスラグ剥離性確保のために用いられるＡｌＦ_３、ＮａＦ、Ｋ_２ＺｒＦ_６、ＬｉＦ等の弗化物や、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３等の鉄酸化物などを適宜添加することができる。

本発明の亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤの製造は、特に限定する必要はなく、通常知られているフラックス入り溶接ワイヤの製造方法を用いて製造できる。

例えば、上記金属または合金を含有したオーステナイト系ステンレス鋼からなる帯鋼（外皮）をＵ形に成形した後、予め上記金属または合金や上記スラグ形成剤を配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に満たした後、さらに、帯鋼（外皮）を管状に成形し、引き続き、所定のワイヤ径まで伸線する。

この際、管状に成形した外皮シームを溶接することで、シームレスタイプのフラックス入り溶接ワイヤとすることもできる。

また、上記の以外の方法として、予め管状に成形されたパイプを外皮として用いる場合には、パイプを振動させてフラックスを充填し、所定のワイヤ径まで伸線する。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

表１に示す化学成分のステンレス鋼外皮を用いて表２及び表３に示す組成のステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤを試作した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。

溶着金属性能は、ＪＩＳ Ｚ ３３２３に従い引張試験を行った。また衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠した。溶接継手性能調査は、ＪＩＳ Ｇ ３３０２の溶融亜鉛めっき鋼板、ＪＩＳ Ｇ ３３１７ 溶融亜鉛−５％アルミニウム合金めっき鋼板、ＪＩＳ Ｇ ３３２１ 溶融５５％アルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板、及び新日本製鐵株式会社製「スーパーダイマ（登録商標）」鋼板（Ｚｎ−１１％Ａｌ−３％Ｍｇ−０．２％Ｓｉめっき）を用いた。溶接要領は、板厚３ｍｍの鋼板に対し、ギャップ０〜３ｍｍ、開先なし、裏当てとして銅板を使用とした。その後ＪＩＳ Ｚ ３１０６に従い、放射線透過試験を実施し、溶接継手部の割れ発生状況の確認を行った。加えて、溶接金属の亜鉛脆化割れの有無確認として、染色浸透探傷試験を行った。耐食性は、ＪＩＳ Ｚ ２３７１の塩水噴霧試験（ＳＳＴ）に準拠し、試験時間を５００時間とした。評価は、溶着金属の伸び：１０％以上を良好とした。放射線透過試験及び染色浸透探傷試験は、割れ発生なしを良好とした。耐食性は、目視による外観検査を行い、母材切断端面部を除き、溶接部及び熱影響部の赤さび発生状況の観察を行い、さび発生なしを良好とした。溶接作業性は、溶接継手作成時の官能評価により判定を行った。なお、溶着金属試験、溶接継手試験および溶接作業性の調査の溶接電流は１２０〜２５０Ａ、下向溶接、シールドガス：ＣＯ_２にて実施した。それらの結果を表４及び表５にまとめて示す。

表４のワイヤＮｏ．０〜１２及び２５が本発明例、表５のワイヤＮｏ．１３〜２４は比較例である。本発明であるワイヤＮｏ．０〜１２及び２５は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆ値、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、スラグ剤の合計量が適正であるので、割れが発生せず、耐食性が良好で、延性に優れ、接作業性も良好であり極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤＮｏ．１３は、Ｎｉが低いので、伸びが低かった。また、ＴｉＯ_２が低かったので、スラグの被包性が悪く、スラグの剥離性が悪かった。

ワイヤＮｏ．１４は、Ｎｉが高いので、割れが生じた。また、ＴｉＯ_２が高かったので、スパッタが多かった。

ワイヤＮｏ．１５は、Ｃｒが低いので、耐食性が低かった。また、ＳｉＯ_２が低かったので、スラグの剥離性が悪かった。

ワイヤＮｏ．１６は、Ｃｒが高いので、伸びが低かった。また、ＳｉＯ_２が高かったので、スパッタが多かった。

ワイヤＮｏ．１７は、Ｆ値が低いので、割れが発生した。また、ＺｒＯ_２が低いので、スラグの剥離性が悪かった。

ワイヤＮｏ．１８は、Ｆ値が高いので、溶接部の延性、すなわち伸びが低かった。また、ＺｒＯ_２が高いので、スパッタが多かった。

ワイヤＮｏ．１９は、Ｃは低いので、アーク安定性が悪かった。また、Ａｌ_２Ｏ_３が高いので、スパッタが多かった。

ワイヤＮｏ．２０は、Ｃが高いので、伸びが低かった。また、Ａｌ_２Ｏ_３が低いので、アーク安定性が悪く、割れが発生した。なお、Ｆ値が３０以上を満足するため割れの程度は小さかった。

ワイヤＮｏ．２１は、Ｓｉが低いので、スラグの剥離性が悪かった。また、スラグ量の合計が少ないので、スラグの被包性が悪かった。

ワイヤＮｏ．２２は、Ｓｉが高いので、伸びが低かった。また、スラグ量の合計が多いので、スパッタが多かった。

ワイヤＮｏ．２３は、Ｍｎが低いので、伸びが低かった。

ワイヤＮｏ．２４は、Ｍｎが高いので、スラグの剥離性が悪かった。

Ｆ値と割れ個数の関係を示す図である。 Ａｌ_２Ｏ_３と割れ個数の関係を示す図である。

Claims (1)

1. ステンレス鋼外皮の内部にフラックスが充填されたステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤにおいて、
   金属または合金成分として、前記外皮およびフラックス中に、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
   Ｃ ：０．０１〜０．０５％、
   Ｓｉ：０．１〜１．５％、
   Ｍｎ：０．５〜３．０％、
   Ｎｉ：７．０〜１０．０％、
   Ｃｒ：２６．０〜３０．０％
   を含有し、かつ下記（１）式で定義されるＦ値が３０〜５０の範囲を満足し、
   さらに、スラグ形成剤として、前記フラックス中に、ワイヤ全質量に対する質量％で、
   ＴｉＯ_２：０．６〜２．６％、
   ＳｉＯ_２：１．８〜３．８％、
   ＺｒＯ_２：１．０〜３．５％、
   Ａｌ _２ Ｏ _３ ：０．１〜１．０％
   を含有し、かつ該スラグ形成剤とその他のスラグ形成剤との合計量が１０％以下であり、
   残部はＦｅおよび不可避的不純物であることを特徴とする、亜鉛めっき鋼板溶接用ステンレス鋼フラックス入り溶接ワイヤ。
   Ｆ値＝３×［Ｃｒ％］＋４．５×［Ｓｉ％］−２．８×［Ｎｉ％］−８４×［Ｃ％］
   −１．４×［Ｍｎ％］−１９．８ ・・・・・・・・ （１）
   ただし、上記［Ｃｒ％］、［Ｓｉ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃ％］および［Ｍｎ％］は、それぞれ、溶接ワイヤ中の外皮およびフラックス中に含有するＣｒ、Ｓｉ、Ｎｉ、ＣおよびＭｎのワイヤ全質量に対するそれぞれの質量％の合計を示す。

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