JP5524945B2

JP5524945B2 - 炭素鋼用フラックス入り溶接ワイヤ及びアーク溶接方法

Info

Publication number: JP5524945B2
Application number: JP2011286830A
Authority: JP
Inventors: 龍河西; 励一鈴木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: EP2610361A1; EP2610361B1; KR20130075687A; CN103182611B; CN103182611A; KR101446399B1; JP2013132690A; US20130161303A1; US9102013B2

Description

本発明は、炭素鋼用フラックス入り溶接ワイヤ及びこのフラックス入り溶接ワイヤを用いたアーク溶接方法に関する。より詳しくは、純アルゴンガスをシールドガスとしたアーク溶接に使用されるフラックス入り溶接ワイヤ及びこれを用いた炭素鋼のアーク溶接方法に関する。

一般に、炭素鋼をアーク溶接する際のシールドガスには、ＣＯ_２のような酸化性ガスか又はアルゴン（Ａｒ）と酸化性ガスとの混合ガスが使用されている。しかしながら、このようなシールドガスを使用して溶接すると、シールドガス中の酸化性ガスが、鋼板やワイヤに含まれるＳｉ及びＭｎなどの元素と反応し、ビード表面に多数のスラグが発生して、ビード外観が著しく劣化するという問題点がある。そこで、従来、シールドガスにＣＯ_２を使用したＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接においては、スラグ発生量を抑制するため、ワイヤ中のＳｉ量とＭｎ量との比（Ｓｉ／Ｍｎ）を特定の範囲にした溶接用ワイヤが提案されている（特許文献１参照）。

また、ビード表面にスラグが発生すると、溶接した継手を塗装する場合に、スラグ部分だけ塗装が付着しなかったり、スラグの剥離に伴い塗装が剥がれてしまったりして、塗装処理を施したにもかかわらず、その剥離部から腐食が進行することがある。この問題は、特に、電着塗装のような電気伝導性を要する塗装方法を行った場合に発生しやすい。ビード表面における塗装性改善技術としては、例えば、フラックス中にグラファイトを添加することによってスラグ発生量低減を図ったメタル系フラックス入り溶接ワイヤが提案されている（特許文献２参照）。

更に、酸化性ガスを使用せず、シールドガスに純Ａｒガスを使用すれば、スラグの発生は抑えられるが、従来、純Ａｒガスを使用して炭素鋼を溶接することは実質的に不可能であると考えられていた。その理由は、アーク溶接に使用されている炭素鋼用ソリッドワイヤは、シールドガス中の活性ガスの解離に伴う熱的ピンチ力が得られず、溶滴が細長く伸び、それが電磁力などによって振り回されるため、ローテーティング移行となりやすく、正常なビードを形成することができないためである。

一方、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接などの非消耗式電極による溶接方法では、純Ａｒガスを使用して炭素鋼の溶接を行うことが可能である。しかしながら、このような溶接方法は、ワイヤの電気抵抗発熱がないため、ワイヤを電極とするＭＡＧ溶接やＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接に比べて、ワイヤ溶融速度が遅く、必然的に溶接速度も遅くなり、作業効率が著しく低下する。また、従来、純Ａｒをシールドガスに用いたＭＩＧアーク溶接方法も提案されている（特許文献３参照）。この特許文献３に記載の溶接方法では、フラックス中に、グラファイト及び鉄粉を特定量含有させることにより、純Ａｒガス中での溶接を可能とし、それによりスラグ及びヒュームの発生を抑制している。

特開平１１−３２０１７８号公報特開２００６−２７２４０５号公報特開２００９−２５５１２５号公報

しかしながら、前述した従来の技術では、優れたビード外観は得られないという問題点がある。具体的には、特許文献１に記載の技術は、酸化性ガスを含むＭＡＧ溶接であるため、スラグの発生をなくすことはできず、また、発生したスラグは、凝集するだけでビード表面に点在することになるため、ビード外観の改善は見込めない。また、特許文献１に記載されている溶接ワイヤは、ソリッドワイヤであるため、前述したように、ローテーティング移行により純Ａｒガス中での溶接は困難である。

一方、特許文献２に記載の溶接方法では、フラックス入り溶接ワイヤを使用しているが、この技術は、ソリッドワイヤと同等までスラグ発生量を抑えているに過ぎず、スラグの発生そのものを回避することはできていない。また、特許文献２に記載されているフラックス入り溶接ワイヤは、ワイヤ中のＣ量が多く、継手の強度が高くなり過ぎるため、一般炭素鋼には不向きである。

これに対して、特許文献３に記載の技術では、スラグの発生を抑制することができるが、鋼板表面の酸化物などに由来した酸化皮膜がビード表面に分散して形成されることが多く、外観上問題がある。また、特許文献３に記載されているフラックス入り溶接ワイヤは、グラファイトを多量に含有しているため、溶接金属部の強度が高く、７８０ＭＰａ級高張力鋼板以上の鋼板には適するが、一般炭素鋼（軟鋼〜５９０ＭＰａ級）用としては、強度が高すぎて不向きである。

そこで、本発明は、炭素鋼のアーク溶接において、優れたビード外観が得られる炭素鋼用フラックス入り溶接ワイヤ及びアーク溶接方法を提供することを主目的とする。

本発明者等は、前述した課題を解決するため、鋭意実験検討を行った結果、以下に示す知見を得た。純Ａｒシールドガスで溶接するには、溶滴移行の形態から、ソリッドワイヤではなく、フラックス入り溶接ワイヤを使用する必要がある。また、前述した特許文献３に記載の技術では、高温で安定なグラファイトをアーク発生源として使用しているが、炭素鋼などの軟鋼を溶接する場合、溶接部が強度過多になるため、グラファイトは使えない。

そこで、本発明者等は、溶接部の強度過多を解消し、かつ、アークを安定させるための手段について検討した。具体的には、外皮とフラックスの融点を変え、これらの溶融時期をずらすことができる材料について検討を行い、グラファイトの代わりに特定量のＳをフラックスに添加することで、外皮とフラックスの溶融時期に差をつけられることを見出した。即ち、ワイヤ全体にＳを均等に添加するのではなく、フラックスのみにＳを添加し、フラックスと外皮とでＳ含有量が異なるようにする。Ｓは融点が低いため、このような構成にすることにより、フラックスを外皮よりも先に溶融させることが可能となる。

Ｓは、高温割れの原因となる元素であるため、通常は積極的に添加することはない。しかしながら、割れが発生する可能性が低い量に抑えて添加することにより、継手強度を大きく変えずに、溶滴を安定させることができる。更に、Ｓには、溶融池対流を変化させて表層に通常と逆向きの流れを作りだして、酸化皮膜をクレータに集める作用もあるという知見を得た。そして、このような知見に基づいてＳの添加量を制御し、ワイヤ成分を特定の範囲に調整したフラックス入り溶接ワイヤを使用することで、炭素鋼などの軟鋼においてもＴＩＧ溶接のように作業能率を犠牲にすることなく、純ＡｒガスでのＭＩＧ溶接が可能となることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明に係る炭素鋼用フラックス入り溶接ワイヤは、炭素鋼外皮内にフラックスが充填された炭素鋼溶接用フラックス入り溶接ワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０２〜０．１５質量％、Ｓｉ：０．３０〜１．５０質量％、Ｍｎ：０．７０〜２．３０質量％、Ｓ：０．０１０〜０．１００質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１８質量％、を含有すると共に、Ｐ：０．０３０％質量以下、Ｃｒ：０．１５％質量以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、フラックス率が１０．０〜３０．０質量％であり、前記フラックス中のＳ含有量が０．０３０〜０．６００質量％であり、フラックス中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｆ］、外皮中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｈ］としたとき、［Ｓ_ｆ］＞（［Ｓ_ｈ］＋０．０１０）であり、純Ａｒをシールドガスとしたアーク溶接に使用されるものである。
本発明においては、ワイヤ成分を特定の範囲にしているため、溶融池の粘性と表面張力が低下し、溶融池表面に通常と逆の（アークを追いかける）対流を生じる。これにより、溶融池表面に浮上している酸化皮膜をクレータ部まで集める効果が発現し、ビード外観が向上する。
このフラックス入り溶接ワイヤでは、フラックス中のＳ含有量を０．０６０〜０．３５０質量％としてもよい。

本発明に係るアーク溶接方法は、外皮が炭素鋼からなり、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０２〜０．１５質量％、Ｓｉ：０．３０〜１．５０質量％、Ｍｎ：０．７０〜２．３０質量％、Ｓ：０．０１０〜０．１００質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１８質量％を含有すると共に、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１５質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、フラックス率が１０．０〜３０．０質量％で、前記フラックス中のＳ含有量が０．０３０〜０．６００質量％であり、フラックス中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｆ］、外皮中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｈ］としたとき、［Ｓ_ｆ］＞（［Ｓ_ｈ］＋０．０１０）であるフラックス入り溶接ワイヤを使用し、純Ａｒガスをシールドガスとし、ピーク電流が３４０〜５４０Ａ、ピーク電流期間が０．７〜２．５ｍｓｅｃ（ミリ秒）のパルス電流を溶接電流として、炭素鋼をアーク溶接する。
本発明においては、シールドガスを純Ａｒガスとしているため、スラグの発生が抑制される。また、Ｓが添加されたフラックスを使用しているため、ビード表面の酸化皮膜がクレータ部に集約し、ビード外観が向上する。このフラックス入り溶接ワイヤと純Ａｒシールドガスとの組み合わせにより、フラックスにグラファイトを添加しなくても安定した溶接が可能となる。更に、パルス電流の溶接を適用すると、従来のソリッドワイヤよりもスパッタ発生量が低減し、作業環境が改善される。

本発明によれば、特定組成のフラックス入り溶接ワイヤを使用しているため、純Ａｒシールドガスで炭素鋼をアーク溶接しても、優れたビード外観を得ることができる。

（ａ）及び（ｂ）はビード外観の評価基準を示す図であり、（ａ）はビード外観が不良の場合を示し、（ｂ）はビード外観が良好の場合を示す。横軸にピーク時間、縦軸にピーク電流をとって、パルス条件とスパッタ量との関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係るフラックス入り溶接ワイヤについて説明する。本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤは、純Ａｒをシールドガスとしたアーク溶接に使用されるものであり、炭素鋼外皮内にフラックスが充填された構成となっている。そして、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤでは、外皮及びフラックスからなるワイヤ全体で、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ及びＴｉを特定量含有すると共に、Ｐ及びＣｒの含有量を特定量以下に規制している。

また、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤは、フラックス率が１０．０〜３０．０質量％、フラックス中のＳ含有量が０．０３０〜０．６００質量％であり、かつ、フラックス中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｆ］、外皮中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｈ］としたとき、下記数式（１）を満たすものである。

［Ｃ：０．０２〜０．１５質量％］
Ｃは、溶接金属の強度に影響を及ぼすため、一般炭素鋼に適したある程度の量が含有されている必要がある。具体的には、ワイヤ全質量あたり、Ｃ含有量が０．０２質量％未満の場合、十分な強度が確保できない。一方、Ｃ含有量が０．１５質量％を超えると、純Ａｒガスをシールドガスに使用しても、スパッタが多発する。よって、Ｃ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０２〜０．１５質量％とする。なお、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤにおいては、積極的にＣ源を添加する必要はなく、外皮を構成する鋼板や、フェロシリコン及びフェロマンガンなどのフラックス中に含まれているＣを調整することで、前述した範囲にすることが可能である。

［Ｓｉ：０．３０〜１．５０質量％］
本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤは、純Ａｒシールドガスを使用したアーク溶接に使用されるため、脱酸素剤としてＳｉを添加する必要はない。しかし、炭素鋼に適した強度確保及びビード止端のなじみ改善の観点から、Ｓｉはある程度添加する必要がある。具体的には、ワイヤ全質量あたり、Ｓｉ含有量が０．３０質量％未満の場合、ビードのなじみ改善効果が得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．５０質量％を超えると、溶接部の硬度などが高くなりすぎて、健全性が損なわれる。

よって、Ｓｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．３０〜１．５０質量％とする。なお、Ｓｉ含有量は、母材とのバランスの観点から、０．５０質量％以上とすることが好ましい。また、溶融池の粘性の上昇を抑え、後述するＳの添加による酸化皮膜を凝集する効果を安定して得るためには、Ｓｉ含有量を１．２０質量％以下にすることが好ましい。

［Ｍｎ：０．７０〜２．３０質量％］
本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤは、純Ａｒシールドガスを使用したアーク溶接に使用されるため、脱酸素剤としてＭｎを添加する必要はないが、強度確保の観点から、Ｍｎを添加する。ただし、Ｍｎ含有量が、ワイヤ全質量あたり０．７０質量％未満の場合、溶接金属が脆化するため、溶接部の健全性が損なわれる。一方、Ｍｎ含有量が２．３０質量％を超えると、粘性が上がりすぎてしまい、後述するＳの添加による効果が低下する。

よって、Ｍｎ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．７０〜２．３０質量％とする。なお、Ｍｎ含有量は１．００質量％以上とすることが好ましく、これによりビード形状を改善することができる。また、Ｍｎ含有量が２．１０質量％を超えると、ＭｎとＳとが反応して硫化物を形成し、Ｓの添加効果が低下することがあるため、Ｍｎ含有量は２．１０質量％以下とすることが好ましい。

［Ｓ：０．０１０〜０．１００質量％］
Ｓは、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤにおいて、重要な元素である。具体的には、Ｓには、溶融池の粘性及び表面張力を低下させて溶融池の対流を変化させ、アークを追いかけるような前向きの流れを表層に作り出し、表面の酸化皮膜をクレータ部まで集める効果がある。ただし、Ｓ含有量がワイヤ全質量あたり０．０１０質量％未満の場合、この効果が発現しない。一方、Ｓを過剰に添加すると、具体的には、Ｓ含有量が０．１００質量％を超えると、高温割れの危険性が高まり、他の元素調整によっても高温割れを防止できなくなる。

よって、Ｓ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０１０〜０．１００質量％とする。なお、Ｓ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０１５〜０．０６０質量％とすることが好ましく、これにより、高温割れの発生を抑制しつつ、前述した効果を十分に発現させることができる。

また、Ｓは、低融点元素であるため、主にフラックス中に添加することで、フラックスの融点を下げて、その溶融時期を外皮からずらすことができる。これにより、ワイヤ断面が段階的に溶融するようになるため、過剰に長い溶滴を呈する不安定なストリーミング移行を防止して、純Ａｒシールドガス中でも安定して溶接することが可能となる。

そこで、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤでは、前述したワイヤ全体の含有量に加えて、フラックス中のＳ含有量も規定する。具体的には、フラックス中のＳ含有量を、０．０３０〜０．６００質量％とする。ここで、フラックス中のＳ含有量が０．０３０質量％未満の場合、溶融池の対流を変化させる作用が弱く、酸化皮膜をクレータ部に集める効果が不十分となるため、定常部に酸化皮膜が残り、ビード外観の劣化を招く。一方、フラックス中のＳ含有量が０．６００質量％を超えると、高温割れが発生する虞がある。なお、フラックス中のＳ含有量は、０．０６０〜０．３５０質量％であることが好ましく、これにより、高温割れのリスクを低減しつつ、対流変化効果を発現させることができる。

更に、フラックスを外皮よりも先に溶融させるためには、フラックス中のＳ成分が外皮中のＳ成分より十分に多い必要がある。そこで、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤにおいては、フラックス中のＳ含有量［Ｓ_ｆ］（質量％）と、外皮中のＳ含有量［Ｓ_ｈ］（質量％）との関係が、数式（１）を満たすようにしている。

［Ｔｉ：０．０１〜０．１８質量％］
Ｔｉは、表面張力及び粘性を上昇させる作用があるが、特定量添加すると、溶滴のふらつきが減少してアークが安定する。具体的には、Ｔｉ含有量が、ワイヤ全質量あたり０．０１質量％未満の場合この効果が発現せず、また、０．１８質量％を超えて過剰に添加すると割れが発生したり、逆にアークが不安定になったりする。よって、Ｔｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０１〜０．１８質量％とする。なお、Ｔｉ含有量は０．０２〜０．０９質量％であることが好ましく、これにより、アークの安定性を更に向上させることができる。

［Ｐ：０．０３０％質量以下］
Ｐは、耐高温割れ性を劣化させるため、極力低下させることが好ましく、あえて添加する必要はない。そこで、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤにおいては、工業的生産性の観点から、Ｐ含有量を、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下に規制する。

［Ｃｒ：０．１５％質量以下］
Ｃｒは、Ｔｉと同様に、表面張力と粘性を上げる作用があるため、ワイヤにＣｒが含有されていると、Ｓの添加効果が低減する虞がある。従って、Ｃｒは積極的に添加する必要はなく、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤにおいては、Ｃｒ含有量を、ワイヤ全質量あたり０．１５質量％以下に規制する。

［残部］
本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤの成分組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。なお、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤは、前述した各成分に加えて、通常のフラックス入り溶接ワイヤに含まれる脱酸素剤及び弗化物などを含有していてもよい。

［フラックス率：１０．０〜３０．０質量％］
フラックス率が特定の範囲内にないと、前述したフラックスと外皮の溶融時期をずらして、溶滴を安定移行させる機構がうまく働かず、アーク不安定やスパッタ増加に繋がる。具体的には、フラックス率が１０．０質量％に満たないと、ワイヤ断面積に占める外皮の断面積が多く、フラックスよりも後に溶ける外皮の量が多くなるため、溶滴が大きくなってスパッタが増加する。一方、フラックス率が３０．０質量％を超えると、外皮の断面積が少なくなるため、外皮の電気抵抗が高くなり、溶融しやすくなる。その結果、フラックスと外皮の溶融時期をずらす効果が薄れ、溶滴移行が不安定になる。よって、フラックス率は１０．０〜３０．０質量％とする。

なお、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤにおけるワイヤ断面形状、ワイヤ径などの条件は、特に限定されるものではなく、用途や溶接条件などに応じて、適宜選択することができる。

以上詳述したように、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤでは、ワイヤ成分を前述した範囲にしているため、ＴＩＧ溶接のように作業能率を犠牲にすることなく、純ＡｒガスでのＭＩＧ溶接が可能である。そして、純Ａｒをシールドガスとして用いることで、スラグの発生を抑えることができる。

また、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤでは、フラックス中に特定量のＳが添加されているため、従来の溶接法では相対的に大きかったアーク力による溶融池の流動を抑制すると共に、温度バランスの不均一によって発生する対流の方向を変化させ、ビード表面に発生した酸化皮膜を、クレータ部に集約することができる。これにより、定常部のビード外観が著しく向上する。このように、ビード外観を改善するために酸化皮膜をクレータ部に凝集させる技術は、従来、存在しなかったものである。

更に、Ｓは低融点材料であり、このＳをフラックスに添加することで、本実施形態のフラックス入り溶接ワイヤは、外皮とフラックスの溶融時期をずらし、段階的に溶融する設計としている。このため、一度に溶融して不安定なストリーミング移行となることがない。その結果、前述した特許文献３に記載の技術のようにフラックスにグラファイトを添加しなくても、安定した溶接が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るアーク溶接方法について説明する。本実施形態のアーク溶接方法においては、前述した第１の実施形態のフラックス入り溶接ワイヤを使用し、純Ａｒシールドガスで、炭素鋼をアーク溶接する。その際、ピーク電流が３４０〜５４０Ａ、ピーク電流期間が０．７〜２．５ｍｓｅｃ（ミリ秒）のパルス電流を溶接電流とする。

ここで、溶接電流をパルス電流にしている理由は、作業性とビード外観、具体的にはスパッタ低減のためである。ただし、ピーク電流が３４０Ａ未満の場合、ピーク期間中に溶滴離脱が完了しないため、落下時に次のピークがきてスパッタが増加する。一方、ピーク電流が５４０Ａを超えると、溶滴が大きくなりすぎて、スパッタが増加する。また、ピーク電流期間が０．７ｍｓｅｃ未満の場合、離脱前にピークが終わり、落下時に次のピークがきて、スパッタが増加する。一方、ピーク電流期間が２．５ｍｓｅｃを超えると、離脱後もピークがあるため、スパッタが増加する。よって、パルスのピーク電流は３４０〜５４０Ａ、ピーク電流期間は０．７〜２．５ｍｓｅｃとする。

本実施形態のアーク溶接方法では、シールドガスに純Ａｒを使用しているため、スラグの発生を抑制することができる。また、純Ａｒシールドガスと併せて、前述した第１の実施形態のフラックス入り溶接ワイヤを使用しているため、フラックスにグラファイトを添加しなくても、安定した溶接が可能となる。更に、第１の実施形態のフラックス入り溶接ワイヤには、フラックス中にＳが添加されているため、ビード表面の酸化皮膜がクレータ部に集約され、優れたビード外観が得られる。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。

（第１実施例）
先ず、本発明の第１の実施形態に対応する第１実施例として、ワイヤ組成及びシールドガスを変えて、炭素鋼をアーク溶接し、ビード外観及びスパッタ量について評価した。その際、母材には、炭素鋼であるＳＳ４００を黒皮をグラインダ除去して使用し、溶接条件は、ビードオン、突き出し長さ（Ｅｘｔ）１５ｍｍ、溶接速度：６０ｃｍ／ｍｉｎ、ワイヤ供給速度：１０ｍ／ｍｉｎ、ガス流量：２５Ｌ／ｍｉｎとした。

また、溶接電流及び溶接電圧は、純Ａｒシールドガス＋フラックス入り溶接ワイヤ：２６０Ａ−２３Ｖ、純Ａｒシールドガス＋ソリッドワイヤ：２８０Ａ−２３Ｖ、Ａｒ・ＣＯ_２混合シールドガス＋フラックス入り溶接ワイヤ：２８０Ａ−２８Ｖ、Ａｒ・ＣＯ_２混合シールドガス＋ソリッドワイヤ：２９０Ａ−２８Ｖとした。更に、溶接電流は、パルス電流とし、そのピーク電流を４５０Ａ、ピーク期間を１．２ｍｓｅｃとした。

＜評価＞
図１（ａ）及び（ｂ）はビード外観の評価基準を示す図である。ビード外観の評価は、図１（ａ）に示すように酸化皮膜４又はスラグが溶接ビード１の定常部（金属地肌３）に３箇所以上点在していた場合は×、図１（ｂ）に示すように酸化皮膜４やスラグがない場合又は終端に集まっていた場合を○とした。なお、クレータ部２の酸化皮膜４は、ビード外観に影響することがないため、評価対象から除外した。

また、スパッタ量の評価は、０．６ｇ／ｍｉｎ以下の場合を○、０．６ｇ／ｍｉｎを超えた場合を×とした。なお、本発明の範囲内で作製したフラックス入り溶接ワイヤを純Ａｒシールドガスを使用し、パルス電流を使用せずにアーク溶接した場合のスパッタ量は０．７〜０．８ｇ／ｍｉｎ程度である。以上の結果を、下記表１〜４にまとめて示す。なお、下記表１〜４に示す「Ｓ量判定」は、フラックス中のＳ含有量［Ｓ_ｆ］と、外皮中のＳ含有量［Ｓ_ｈ］との関係が、数式（１）を満たすか否かの判定である。

表１に示すように、本発明の範囲内で作製したＮｏ．１〜２３のフラックス入り溶接ワイヤを使用した実施例１〜２３は、ビード外観及びスパッタ量のいずれも良好であった。特に、全ての成分が好ましい範囲内であるＮｏ．３のフラックス入り溶接ワイヤを使用した実施例３は、ビード外観及びスパッタ量ともに優れていた。

これに対して、表１〜４に示す比較例１〜８５では、ビード外観やスパッタ量に問題があった。具体的には、フラックス中のＳ含有量［Ｓ_ｆ］と、外皮中のＳ含有量［Ｓ_ｈ］との関係が、数式（１）を満たしていないＮｏ．２４〜２７のフラックス入り溶接ワイヤを使用した比較例１〜４では、溶滴移行が安定せず、大粒のスパッタが発生した。

また、ワイヤ組成のいずれかの成分が、本発明の範囲を外れているＮｏ．２８〜３９のフラックス入り溶接ワイヤを使用した比較例５〜１６では、ビード外観又はスパッタ量が不良が認められた。更に、これらの比較例のうち、フラックス率が本発明の範囲から外れている比較例５〜８では、溶滴移行が安定せず、ビード外観不良が生じた。

一方、比較例１７〜３９では、実施例と同様にＮｏ．１〜２３のフラックス入り溶接ワイヤを使用しているが、シールドガスがＡｒとＣＯ_２の混合ガス（ＣＯ_２含有量：２０体積％）であるため、スラグが発生し、スパッタも多く発生した。また、Ｎｏ．１〜２３のフラックス入り溶接ワイヤと同等成分を有するソリッドワイヤを使用し、純Ａｒガスで溶接した比較例４０〜６２は、純Ａｒシールドガスでの溶接が困難で、正常なビードを形成することができなかった。また、スパッタ量を測定したところ、大粒のスパッタが飛散し、多量に発生した。

比較例６３〜８５は、前述した比較例４０〜６２と同じソリッドワイヤを使用し、ＡｒとＣＯ_２の混合ガス（ＣＯ_２含有量：２０体積％）をシールドガスとして、アーク溶接したものである。このＡｒ＋２０％ＣＯ_２シールドガスを使用すると、フラックス入り溶接ワイヤよりもソリッドワイヤの方が、スパッタ量が若干少なくなることが知られている。そして、比較例６３〜８５では、比較例４０〜６２よりもスパッタ量は少なくなっていたが、判定基準を合格するものはなく、また、いずれのビードにもスラグが発生し、ビード外観でも良好な結果は得られなかった。

（第２実施例）
次に、本発明の第２の実施形態に対応する第２実施例として、本発明の範囲内で作製したフラックス入り溶接ワイヤを使用し、パルス条件を変えて、純Ａｒシールドガスで炭素鋼をアーク溶接し、スパッタ量について評価した。その際、母材には、炭素鋼であるＳＳ４００を黒皮をグラインダ除去して使用し、ワイヤは全て表１に示すＮｏ．３のフラックス入り溶接ワイヤを使用した。また、溶接条件は、ビードオン、突き出し長さ（Ｅｘｔ）１５ｍｍ、溶接速度：６０ｃｍ／ｍｉｎ、ガス流量：２５Ｌ／ｍｉｎとし、パルスピーク電流は３２０〜５５０Ａ、ピーク期間は０．６〜２．６ｍｓｅｃの範囲とした。

＜評価＞
スパッタ量の評価は、前述した第１実施例と同様に、０．６ｇ／ｍｉｎ以下の場合を○、０．６ｇ／ｍｉｎを超えた場合を×とした。その結果を、下記表５，６に示す。また、図２は横軸にピーク時間、縦軸にピーク電流をとって、パルス条件とスパッタ量との関係を示す図である。

表５に示す実施例１０１〜１３５では、溶滴がワイヤから離脱する瞬間にパルスピーク期間があり、スパッタが最も発生しやすい溶滴が溶融池に落下した瞬間には、ベース期間であるという、いわゆる１パルス１ドロップの形態になっていたため、スパッタ量が少なかった。

これに対して、表６に示す比較例１０１〜１０６は、パルスピーク期間が短いため、溶滴が離脱する前にピーク期間が終了し、溶滴が溶融池に落下した時には次のピーク期間が来てしまうため、スパッタが増えていた。また、比較例１０７〜１１４は、パルスピーク電流が低いため、ピーク期間中に溶滴離脱が完了せず、落下時に次のピーク期間が到来してしまうため、スパッタが増えていた。

比較例１１４〜１１９は、ピーク期間が長すぎるため、溶滴が離脱後もピーク期間が存在し、スパッタ発生に繋がった。また、比較例１２０〜１２２は、ピーク電流が高すぎるため、ピーク期間中にできる溶滴が大きくなりすぎて、溶滴が溶融池に落下した際に発生するスパッタが多くなった。更に、比較例１２３はノンパルスであるため、スパッタが最も多く発生した。

以上の結果から、本発明によれば、純Ａｒシールドガスで炭素鋼をアーク溶接した場合でも、スパッタ発生量が少なく、優れたビード外観が得られることが確認された。

１溶接ビード
２クレータ部
３金属地肌
４酸化皮膜

Claims

炭素鋼外皮内にフラックスが充填された炭素鋼溶接用フラックス入り溶接ワイヤであって、
ワイヤ全質量あたり、
Ｃ：０．０２〜０．１５質量％、
Ｓｉ：０．３０〜１．５０質量％、
Ｍｎ：０．７０〜２．３０質量％、
Ｓ：０．０１０〜０．１００質量％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１８質量％、
を含有すると共に、
Ｐ：０．０３０％質量以下、
Ｃｒ：０．１５％質量以下、
に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、
フラックス率が１０．０〜３０．０質量％であり、
前記フラックス中のＳ含有量が０．０３０〜０．６００質量％であり、
フラックス中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｆ］、外皮中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｈ］としたとき、［Ｓ_ｆ］＞（［Ｓ_ｈ］＋０．０１０）であり、
純Ａｒをシールドガスとしたアーク溶接に使用されるフラックス入り溶接ワイヤ。
フラックス中のＳ含有量が０．０６０〜０．３５０質量％であることを特徴とする請求項１に記載のフラックス入り溶接ワイヤ。
外皮が炭素鋼からなり、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０２〜０．１５質量％、Ｓｉ：０．３０〜１．５０質量％、Ｍｎ：０．７０〜２．３０質量％、Ｓ：０．０１０〜０．１００質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１８質量％を含有すると共に、Ｐ：０．０３０質量％以下、Ｃｒ：０．１５質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、フラックス率が１０．０〜３０．０質量％で、前記フラックス中のＳ含有量が０．０３０〜０．６００質量％であり、フラックス中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｆ］、外皮中のＳ含有量（質量％）を［Ｓ_ｈ］としたとき、［Ｓ_ｆ］＞（［Ｓ_ｈ］＋０．０１０）であるフラックス入り溶接ワイヤを使用し、
純Ａｒガスをシールドガスとし、ピーク電流が３４０〜５４０Ａ、ピーク電流期間が０．７〜２．５ｍｓｅｃのパルス電流を溶接電流として、炭素鋼をアーク溶接するアーク溶接方法。