JP5845168B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に造船や橋梁等の鋼構造物の水平すみ肉溶接に用いられるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法に関するものである。

従来から、溶接作業を高能率に行うために、フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接が様々な分野で行われている。例えば、水平すみ肉溶接に用いられるフラックス入りワイヤとして、シ−ルドガスとして安価なＣＯ_２ガスを使用し、且つ各溶接構造物の溶接において要求される高速溶接時のビード形状（オーバラップ、アンダカット）を改善するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、すみ肉溶接部の疲労強度集中に鑑みてなされた、ビード形状を改善するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平０９−２７１９８４号公報 特開平０２−９９２９７号公報

近年、船舶の分野では共通構造規則（ＣＳＲ）および新塗装基準（ＰＳＰＣ）といった新たな規則が改訂され対象船の建造が開始されている。ＣＳＲが適用されたことにより相対的に鋼板が厚くなる傾向にあり、それに付随して水平すみ肉溶接部の最大脚長が６ｍｍ程度から８ｍｍ程度へと増加していると共にその比率も増加している。しかし従来のすみ肉専用のフラックス入りワイヤでは、１Ｐａｓｓ施工で８ｍｍの脚長は得られないことから２Ｐａｓｓ施工となる場合もあり、建造能率を低下させるというデメリットが顕在化している。

また、１Ｐａｓｓ施工が可能であったとしても、１Ｐａｓｓ施工では溶接速度が必然的に低下し溶接入熱量が増加する。その結果、溶接ビードが下脚側に偏肉することが多く、母材とのなじみが悪くなり疲労強度の低下を招く。そのため、溶接後にグラインダーや補修溶接等の手直し作業が発生し、生産性を低下させていた。また、下脚側に偏肉したオーバラップ形状や、スラグ包被不良に起因するアンダカットが発生しやすいといった問題があった。更に、ＰＳＰＣが適用されたことにより、溶接ビード止端部近傍の塗装性の観点からもすみ肉の外観形状の改善がますます重要になっている。

また、従来から開発および実用化されている大脚長を考慮した水平すみ肉専用のフラックス入りワイヤは、溶接スラグ量を増加させることにより溶接ビードを改善させたものである。よって、スラグ発生量が多いために５ｍｍ程度の小さな脚長狙いの溶接時には耐気孔性が劣り、ビードの形状不良を起こすという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接スラグ量を増加させることなく、大脚長の水平すみ肉溶接で良好なビード形状を得ることができるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法を提供することを課題とする。

本発明者らは鋭意検討した結果、以下の事項を見出した。
図１は、溶接金属の脚長とスラグの状態を示す模式図である。
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いて数種類の鋼板を供試して水平すみ肉溶接時のビード形状を評価したところ、形状評価がそれぞれ異なるものであった。そこで溶接材料とビード形状の関係を把握・整理するためには、ワイヤ成分単体を考慮するだけでは不十分だと考えた。そして溶接後に形成されるスラグ１に着目し、スラグの主な特性である粘度と凝固温度に着目して整理したところ、溶接金属２におけるビード形状との関係をうまく整理できることを見出した。そこから数多くの溶接試験、評価を重ねスラグ特性とビード形状の関係を把握し、溶接スラグ量を増加させることなく、大脚長溶接時に形状が良好となる最適なスラグ成分範囲を特定した（図２参照）。
すなわち、本発明においては、ワイヤ成分ではその影響について十分に把握することができないことから、溶接後のスラグ特性について後記する式（１）〜（４）のパラメータを用いて規定することとした。
さらには、式（１）〜（４）の範囲とすることで、小脚長溶接時においても、耐気孔性を劣化させることなく、良好なビード形状を得ることができた。
なお、本発明において、大脚長とは７〜１０ｍｍ程度の脚長をいい、小脚長とは、４〜６ｍｍ程度の脚長をいう。

本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ（以下、適宜、フラックス入りワイヤあるいは、単にワイヤという）は、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、溶接後のスラグ特性のうち、１４５０〜１５００℃で測定したスラグの粘度の平均値をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、下記式（１）〜（４）
Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７ ・・・・・・（１）
Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５ ・・・・・（２）
Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０ ・・・・・・（３）
Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０ ・・・・・（４）
を満たし、前記溶接後のスラグ発生量が、ワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％であることを特徴とする。

かかる構成によれば、溶接後のスラグ特性のうち、１４５０〜１５００℃で測定したスラグの粘度の平均値をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、式（１）〜（４）を満たすことで、以下の作用を奏する。
式（１）を満たすことで、ビード止端部のなじみが悪化せずに、フラットなビード外観となる。式（２）を満たすことで、溶融状態のスラグが完全に固まるまでに時間を要することがなく、溶接金属のビード垂れが抑制される。式（３）を満たすことで、半溶融状態のスラグが溶接金属の凝固過程で長時間表面を覆うことがなく、ウォームホール等の気孔欠陥が生じない。式（４）を満たすことで、流動性の乏しい半溶融状態のスラグが即時に固まる傾向がなく、溶接金属のビード表面に凹凸が生じて形状が不均一になることが防止される。
また、かかる構成によれば、例えば５ｍｍ程度の小さな脚長狙いの溶接時においても耐気孔性がより良好となる。

本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記溶接後のスラグの成分のうち、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇＯ換算値：３〜１０質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％、
であることが好ましい。

かかる構成によれば、溶接後のスラグの成分のうち、所定量のＴｉを含有することで、アーク安定性およびスラグ包被がより良好となるとともに、スラグの粘性が高くなりすぎず、耐気孔性がより向上する。また、所定量のＳｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｍｎを含有することで、ビード形状、耐気孔性、溶接金属の機械性能、溶接作業性がより良好となる。

本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分のうち、ワイヤ全質量あたり、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉ換算値：２．０〜５．０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉ換算値：０．６〜２．０質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ換算値：０．２〜０．４質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒ換算値：０．６〜１．０質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇ換算値：０．２〜０．５質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎ換算値：２．０〜４．０質量％、
アーク安定剤：０．１〜１．０質量％、
であることが好ましい。

かかる構成によれば、所定量のＴｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｍｎを含有することで、ビード形状、耐気孔性、溶接金属の機械性能、溶接作業性がより良好となる。

本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法であって、溶接後のスラグ特性のうち、１４５０〜１５００℃で測定したスラグの粘度の平均値をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、下記式（１）〜（４）
Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７ ・・・・・・（１）
Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５ ・・・・・（２）
Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０ ・・・・・・（３）
Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０ ・・・・・（４）
を満たす範囲において溶接作業を行い、前記溶接後のスラグ発生量が、ワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％であることを特徴とする。

本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、前記溶接後のスラグの成分のうち、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇＯ換算値：３〜１０質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％、
であることが好ましい。

本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、前記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分のうち、ワイヤ全質量あたり、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉ換算値：２．０〜５．０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉ換算値：０．６〜２．０質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ換算値：０．２〜０．４質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒ換算値：０．６〜１．０質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇ換算値：０．２〜０．５質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎ換算値：２．０〜４．０質量％、
アーク安定剤：０．１〜１．０質量％、
であることが好ましい。

以上のような本発明に係るガスシールドアーク溶接方法の手順によれば、前記した本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤで説明した作用を奏する。

本発明に係るフラックス入りワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法によれば、大脚長の水平すみ肉溶接におけるビード形状を改善することができる。さらには小脚長の水平すみ肉溶接においても、良好なビード形状が得られる。そのため、溶接後の手直し作業時間を低減することができ、建造効率を向上させることができる。また、溶接構造物の品質向上に寄与することができる。

溶接金属の脚長とスラグの状態を示す模式図である。 本発明の溶接後のスラグ特性におけるスラグの粘度ρ［Ｐａ・ｓ］と、凝固温度Ｔｓ［℃］との関係を示すグラフである。 振動式粘度測定法で用いるグラフの一例である。 実施例での溶接条件における溶接ワイヤ狙い位置とトーチ角度を示す模式図である。 （ａ）は実施例におけるアンダカットの測定幅を示す模式図、（ｂ）は実施例におけるフランク角を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
≪フラックス入りワイヤ≫
本発明のフラックス入りワイヤは、溶接後のスラグ特性のうち、スラグの粘度をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、下記式（１）〜（４）
Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７ ・・・・・・（１）
Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５ ・・・・・（２）
Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０ ・・・・・・（３）
Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０ ・・・・・（４）
を満たすものである。
すなわち、この式（１）〜（４）は、図２の四角の枠で囲った範囲内となる。
以下、式（１）〜（４）の範囲とした理由について説明する。

＜Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７＞
ビードにおいては、スラグの凝固温度が高いほどビード垂れの少ないフラットなビード外観が得られる。一方、凝固温度が高すぎるとビード止端部のなじみが悪化する傾向がある。したがって、溶接後のスラグ特性は式（１）の範囲とする。

＜Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５＞
ビードにおいては、スラグの粘度および凝固温度が低いほど、溶融状態のスラグが完全に固まるまでに時間を要し、溶接金属のビード垂れを抑制することが出来なくなる。したがって、溶接後のスラグ特性は式（２）の範囲とする。

＜Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０＞
ビードにおいては、スラグの粘度が高く凝固温度が低いと半溶融状態のスラグが溶接金属の凝固過程で長時間表面を覆うこととなり、ウォームホール等の気孔欠陥を生じてしまう。したがって、溶接後のスラグ特性は式（３）の範囲とする。

＜Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０＞
ビードにおいては、スラグの粘度が高く、また凝固温度が高いほど、流動性の乏しい半溶融状態のスラグが即時に固まる傾向となり、溶接金属のビード表面に凹凸が生じて形状が不均一となる。したがって、溶接後のスラグ特性は式（４）の範囲とする。

スラグの粘度ρ［Ｐａ・ｓ］と、凝固温度Ｔｓ［℃］の測定は、例えばＪＩＳ Ｚ ８８０３に準拠した振動式粘度測定法により行うことができる。ここで、高温粘性の評価には振動片式粘度測定装置を用いることができる。この装置では、例えば、大気中で振動数１６.９Ｈｚ、振動幅１．５ｍｍに調整後、粘度計校正用標準液（ＪＩＳ ８８０９）にて校正を実施する。そして、白金ルツボ内でスラグを１６００℃付近まで溶融させたのち、冷却を開始し冷却過程における粘度を測定する。
本発明においては、例えば、前記装置を用い、スラグ粘度は、溶融金属の固液共存温度付近（１４５０〜１５００℃）での粘度を測定し平均した値にて評価し、また、凝固温度は、粘度立ち上がり時の温度にて評価する。
振動片式粘度測定法におけるスラグ粘度および凝固温度は、例えば、図３に示すようなグラフを用いて算出することができる。図３において、丸で囲った部位の付近が粘度立ち上がり時の温度である。なお、図３は、スラグ粘度および凝固温度の算出方法の一例について模式的に示したグラフである。

スラグの粘度およびスラグの凝固温度は特に限定されるものではないが、スラグの粘度は０．０２３〜０．０３０Ｐａ・ｓが好ましい。また、スラグの凝固温度は、１４１０〜１４５０℃が好ましい。

本発明のフラックス入りワイヤにおいて、前記溶接後のスラグの成分のうち、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇＯ換算値：３〜１０質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％、
であることが好ましい。

ここで、「金属Ｔｉ」とは、「純金属Ｔｉ」および「合金Ｔｉ」のうちの一種以上を意味する。「金属Ｓｉ」、「金属Ａｌ」、「金属Ｚｒ」、「金属Ｍｇ」、「金属Ｍｎ」についても同様である。
また、「酸化物」とは、「単一酸化物」および「複合酸化物」のうちの一種以上を意味する。「単一酸化物」とは、例えば、ＴｉならばＴｉ単独の酸化物（ＴｉＯ_２）をいい、「複合酸化物」とは、これらの単一酸化物が複数種類集合したものと、例えば、Ｔｉ，Ｆｅ，Ｍｎといった複数の金属成分を含む酸化物との双方をいう。なお、「化合物」についても同様である。
また、「金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値」とは、「金属Ｔｉ」、「Ｔｉ酸化物」、および「Ｔｉ化合物」の合計を「ＴｉＯ_２」に換算した値である。他の元素についても同様である。
これらについては、後記するフラックス入りワイヤの成分においても同様である。

以下、スラグの成分限定理由について説明する。
＜ＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％＞
ＴｉＯ_２はチタニア系フラックス入りワイヤのスラグ主成分である。ＴｉＯ_２換算値が３５質量％以上であれば、溶接時のアーク安定性が向上しやすく、またスラグ包被が良好となりやすい。一方、５０質量％以下であれば、スラグの粘性が低くなり耐気孔性が向上しやすくなる。したがって、ＴｉＯ_２換算値は３５〜５０質量％とすることが好ましい。

＜ＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、Ａｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％＞
ＳｉＯ_２およびＡｌ_２Ｏ_３はスラグの粘度を増加させ、凝固温度を低下させる働きを持つ。大脚長溶接時のビード形状をフラットにするには凝固温度は高い方が望ましいため、本成分については、極力添加は抑えた方が望ましい。しかし、溶接金属の機械性能、溶接作業性とのバランスから最適な範囲として、ＳｉＯ_２換算値は９〜１６質量％、Ａｌ_２Ｏ_３換算値は３〜８質量％とすることが好ましい。

＜ＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、ＭｇＯ換算値：３〜１０質量％＞
ＺｒＯ_２およびＭｇＯはスラグの粘度を低下させ、凝固温度を増加する働きを持つ。本成分は、凝固温度を高くすることで溶接金属の凝固過程においてスラグが溶接ビード垂れを抑制する働きがある。また本成分の添加によりスラグ粘度が低下することでスラグの流動性が良く耐気孔性の向上にも繋がる。しかし、溶接金属の機械性能および溶接作業性とのバランスから最適な範囲として、ＺｒＯ_２換算値は７〜１４質量％、ＭｇＯ換算値は３〜１０質量％とすることが好ましい。

＜ＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％＞
ＭｎＯはスラグの粘度および凝固温度を共に低下させる働きがある。本成分は、上限を２０質量％とすることで溶接金属のビード垂れを最小限に抑えることができる。また、下限値は、溶接金属の機械性能とのバランスから１４質量％とすることが好ましい。したがって、ＭｎＯ換算値は１４〜２０質量％とすることが好ましい。

＜残部：Ｆｅおよび不可避的不純物＞
スラグの残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。
不可避的不純物として、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｆの酸化物および化合物等を各々、３質量％未満を含有してもよい。ただし、これらの成分、数値に限定されるものではない。

本発明のフラックス入りワイヤにおいて、前記溶接後のスラグ発生量が、ワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％であることが好ましい。
スラグ発生量をこの範囲とすることで、例えば５ｍｍ程度の小さな脚長狙いの溶接時においても耐気孔性がより良好となる。

本発明のフラックス入りワイヤの成分のうち、ワイヤ全質量あたり、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉ換算値：２．０〜５．０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉ換算値：０．６〜２．０質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ換算値：０．２〜０．４質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒ換算値：０．６〜１．０質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇ換算値：０．２〜０．５質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎ換算値：２．０〜４．０質量％、
アーク安定剤：０．１〜１．０質量％、
であることが好ましい。

また、フラックス充填率（ワイヤ全質量に対するフラックスの質量）は特に規定されるものではないが、一般的な水平すみ肉溶接用のフラックス入りワイヤと同様に１０〜２５質量％であることが好ましい。
また、溶接後のスラグ発生量をワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％とするために、ワイヤ全質量あたり、Ｔｉ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｍｎの酸化物量の合計を４〜９質量％含有させることが好ましい。

以下、ワイヤの成分限定理由について説明する。
＜Ｔｉ換算値：２．０〜５．０質量％＞
ＴｉＯ_２はチタニア系フラックス入りワイヤのスラグ主成分であり、スラグの粘度を増加させ、凝固温度を低下させる働きがある。またワイヤ中の金属Ｔｉ、Ｔｉ化合物についてもアーク直下でイオンに分解され、酸素と結合することでＴｉＯ_２と同等の効果が得られる。そのため、本成分のワイヤ中の含有量は特に定めないが、Ｔｉ換算値で２．０〜５．０質量％添加することが好ましい。

＜Ｓｉ換算値：０．６〜２．０質量％＞
ＳｉＯ_２はスラグの粘度を増加させ、凝固温度を低下させる働きがある。またワイヤ中の金属Ｓｉ、Ｓｉ化合物についてもアーク直下でイオンに分解され、酸素と結合することでＳｉＯ_２と同等の効果が得られる。そのため、本成分のワイヤ中の含有量は特に定めないが、Ｓｉ換算値で０．６〜２．０質量％添加することが好ましい。

＜Ａｌ換算値：０．２〜０．４質量％＞
Ａｌ_２Ｏ_３はＳｉＯ_２と同様にスラグの粘度を増加させ、凝固温度を低下させる働きがある。またワイヤ中の金属Ａｌ、Ａｌ化合物についてもアーク直下でイオンに分解され、酸素と結合することでＡｌ_２Ｏ_３と同等の効果が得られる。そのため、本成分のワイヤ中の含有量は特に定めないが、Ａｌ換算値で０．２〜０．４質量％添加することが好ましい。

＜Ｚｒ換算値：０．６〜１．０質量％＞
ＺｒＯ_２はスラグの粘度を低下させ、凝固温度を増加させる働きがある。またワイヤ中の金属Ｚｒ、Ｚｒ化合物についてもアーク直下でイオンに分解され、酸素と結合することでＺｒＯ_２と同等の効果が得られる。そのため、本成分のワイヤ中の含有量は特に定めないが、Ｚｒ換算値で０．６〜１．０質量％添加することが好ましい。

＜Ｍｇ換算値：０．２〜０．５質量％＞
ＭｇＯはＺｒＯ_２と同様にスラグの粘度を低下させ、凝固温度を増加させる働きがある。またワイヤ中の金属Ｍｇ、Ｍｇ化合物についてもアーク直下でイオンに分解され、酸素と結合することでＭｇＯと同等の効果が得られる。そのため、本成分のワイヤ中の含有量は特に定めないが、Ｍｇ換算値で０．２〜０．５質量％添加することが好ましい。

＜Ｍｎ換算値：２．０〜４．０質量％＞
ＭｎＯはスラグの粘度、凝固温度を共に低下させる働きがあるが、機械性能とのバランスからＭｎの添加は必要不可欠であり、添加量に上限を設けることで溶接時のビード垂れを最小限に抑えている。ワイヤ中の金属Ｍｎ、Ｍｎ化合物についてもアーク直下でイオンに分解され、酸素と結合することでＭｎＯと同等の効果が得られる。そのため、本成分のワイヤ中の含有量は特に定めないが、Ｍｎ換算値で２．０〜４．０質量％添加することが好ましい。

＜アーク安定剤：０．１〜１．０質量％＞
フラックス入りワイヤは、アーク安定剤として、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ｆを０．１〜１．０質量％添加することが好ましい。なお、Ｎａ、Ｋ、Ｆ源としてはソーダ長石、カリ長石、珪フッ化カリ、珪フッ化ソーダ等から添加される。

＜残部：Ｆｅおよび不可避的不純物＞
フラックス入りワイヤ全体としての残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。そして、前記したワイヤ成分の他、ワイヤ成分としてフラックス中に、Ｃａ、Ｌｉ等を脱酸等の微調整剤として、また、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎを溶接金属のさらなる硬化剤として、少量含有させることもできる。これらの元素は、本発明の目的には影響を及ぼさない。また、フラックス中には上記の元素以外のアルカリ金属化合物を微量に含む。
また、不可避的不純物として、例えば、Ｃ、Ｂ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ等を各々、Ｃ：０．１質量％未満、Ｂ：０．０００３質量％未満、Ｎｉ：０．１質量％未満、Ｍｏ：０．０１質量％未満、Ｃｒ：０．３０質量％未満、Ｎｂ：０．１０質量％未満、Ｖ：０．１０質量％未満を含有してもよい。ただし、これらの成分、数値に限定されるものではない。

＜その他＞
フラックス入りワイヤの製造方法としては、帯鋼の長さ方向にフラックスを散布してから包み込むように円形断面に成形し伸線する方法や、太径の鋼管にフラックスを充填して伸線する方法がある。しかしながら、いずれの方法でも本発明には影響しないため、いずれの方法で製造しても良い。さらにシームが有るものと無いものがあるが、これもいずれでも良い。外皮の成分については何ら規定する必要はないが、コスト面と伸線性の面から軟鋼の材質を用いるのが一般的である。また、表面に銅めっきを施す場合もあるが、めっきの有無は問わない。

本発明のフラックス入りワイヤは、前記ワイヤ成分の範囲内で各成分を調整することで、スラグ粘度と凝固温度を調整することができる。ただし、本発明で規定する式（１）〜（４）を満たすものであれば、前記ワイヤ成分の範囲に限定されるものではない。

≪ガスシールドアーク溶接方法≫
本発明のガスシールドアーク溶接方法は、前記した構成のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いて行われる。

前記フラックス入りワイヤの成分のうち、ワイヤ全質量あたり、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉ換算値：２．０〜５．０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉ換算値：０．６〜２．０質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ換算値：０．２〜０．４質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒ換算値：０．６〜１．０質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇ換算値：０．２〜０．５質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎ換算値：２．０〜４．０質量％、
アーク安定剤：０．１〜１．０質量％、
であることが好ましい。

そして、溶接後のスラグ特性のうち、スラグの粘度をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、下記式（１）〜（４）
Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７ ・・・・・・（１）
Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５ ・・・・・（２）
Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０ ・・・・・・（３）
Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０ ・・・・・（４）
を満たす範囲において溶接作業を行う。
前記式（１）〜（４）とした理由については、前記した本発明のフラックス入りワイヤと同様であるので、ここでは説明を省略する。

また、前記溶接後のスラグの成分のうち、
金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％、
金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、
金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％、
金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、
金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇＯ換算値：３〜１０質量％、
金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％、
であることが好ましい。

また、前記溶接後のスラグ発生量が、ワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％であることが好ましい。

これら溶接後のスラグの成分、スラグ発生量、ワイヤ成分の限定理由については、前記した本発明のフラックス入りワイヤと同様であるので、ここでは説明を省略する。

溶接条件等については、特に規定されるものではなく、一般的なフラックス入りワイヤを用いた水平すみ肉溶接での条件で行えばよい。一例として、シールドガスとして１００％炭酸ガスを用い、溶接電流２５０〜４００Ａ、アーク電圧３０〜３６Ｖ、溶接速度２００〜７５０ｍｍ／ｍｉｎで行うことができる。

以下、本発明の効果を説明するために、本発明の範囲に入る実施例と、本発明の範囲から外れる比較例とを比較して説明する。

表１に示すワイヤ成分を有するフラックス入りワイヤを用いて、表２に示す条件にて溶接を実施した。ワイヤ狙い位置とトーチ角度について図４に示す。なお、図４において符号３は供試鋼板（横板）、符号４は供試鋼板（立板）、符号５はプライマ、符号６はワイヤである。また、脚長のサイズは、約９ｍｍである。次に、この溶接で生成したスラグについて、スラグ粘度および凝固温度を測定するとともに、スラグ成分を分析した。この結果を表３に示す。

＜スラグ粘度および凝固温度の測定方法＞
スラグ粘度および凝固温度の測定は、振動片式粘度測定装置を用い、ＪＩＳ Ｚ ８８０３に準拠した振動式粘度測定法により行った。
具体的には、大気中で振動数１６.９Ｈｚ、振動幅１．５ｍｍに調整後、粘度計校正用標準液（ＪＩＳ ８８０９）にて校正を実施した。そして、白金ルツボ内でスラグを１６００℃付近まで溶融させたのち、冷却を開始し冷却過程における粘度を測定した。
スラグ粘度は、溶融金属の固液共存温度付近（１４５０〜１５００℃）での粘度を測定し平均した値にて評価し、また、凝固温度は、粘度立ち上がり時の温度にて評価した。

さらに、スラグおよび溶接金属について、以下の測定および評価を行った。
また、前記と同条件にて、小脚長として脚長のサイズを約５ｍｍとする溶接を実施した。小脚長については、後記する耐気孔性（ピット、ウォームホール）のみを評価した。

＜アンダカットおよびフランク角＞
アンダカットは、図５（ａ）に示す幅を測定した。フランク角は、図５（ｂ）に示す角度を測定した。なお、フランク角は１３０度以上が好ましい。

＜溶接金属性能＞
ＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠して、引張強さ、０℃吸収エネルギー（靭性）を測定した。
引張試験片はＡ１号、衝撃試験片はＶノッチ試験片である。なお、引張強さは４９０〜６５５ＭＰａ、衝撃値は４７Ｊ以上（０℃）が好ましい。

＜ビード形状評価＞
ビード形状については、アンダカット、オーバラップ、ビード垂れ、表面の凹凸、ピット、ウォームホールを官能にて評価した。
具体的には、アンダカットが０．３ｍｍを超えるものを「×」、オーバラップが生じたものを「△」、ややビード垂れが生じたものを「△」、ビード垂れが激しかったものを「×」、表面に凹凸が生じたものを「×」とした。また、ピットあるいはウォームホールが生じたものを「×」とした。そして、これらに該当しないものを「○」とした。

＜溶接作業性＞
溶接作業性については、溶接時に官能にて評価した。溶滴移行が安定でスパッタが少ない場合は「○」とした。溶滴移行が不安定でスパッタ発生量がやや目立つ場合は「△」とした。
これらの結果を表４に示す。

総合評価は、形状評価、小脚長時の耐気孔性、および溶接作業性のいずれも「○」の場合に「○」、形状評価および小脚長時の耐気孔性が「○」で、溶接作業性が「△」の場合に「△」、形状評価が「△」および小脚長時の耐気孔性が「○」で、溶接作業性が「○」または「△」の場合に「△」、形状評価または小脚長時の耐気孔性が「×」の場合に「×」とした。

表４に示すように、Ｎｏ．１〜１８は、本発明の範囲を満たすため、各評価において良好な結果を得られた。
一方、Ｎｏ．１９〜３２は、式（１）〜（４）の条件を満たさないため、良好な結果が得られなかった。

なお、Ｎｏ．３１、３２のサンプルは、それぞれ、特許文献１、特許文献２に記載された従来のフラックス入りワイヤを想定したものである。Ｎｏ．３１は、特許文献１の表２のＷ１５の成分の換算値であり、Ｎｏ．３２は、特許文献２の表１のＮｏ．１２の成分の換算値である。本実施例で示すように、この従来のフラックス入りワイヤは、前記の評価において一定の水準を満たさないものである。従って、本実施例によって、本発明に係るフラックス入りワイヤが従来のフラックス入りワイヤと比較して、優れていることが客観的に明らかとなった。

また、本発明に係るフラックス入りワイヤは、従来のフラックス入りワイヤと比較してスラグ発生量が低減されているため、小脚長の水平すみ肉の溶接ビード外観形状を改善することができるといえる。

以上のとおり、本発明に係るフラックス入りワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法によれば、溶接スラグ量を増加させることなく、大脚長の水平すみ肉の溶接ビード外観形状を改善することができる。そのため、例えば８ｍｍ程度の脚長の水平すみ肉溶接に好適に用いることができる。また、スラグ発生量が少ないため、小脚長、例えば５ｍｍ程度の脚長の水平すみ肉溶接においても好適に用いることができる。よって、小脚長の水平すみ肉溶接でも良好なビード形状を得ることができるフラックス入りワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法を提供するという課題も解決することができる。このように、本発明によれば、大脚長の水平すみ肉溶接と小脚長の水平すみ肉溶接とで、ワイヤを使いわける必要がない。

以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。

１ スラグ
２ 溶接金属
３ 供試鋼板（横板）
４ 供試鋼板（立板）
５ プライマ
６ ワイヤ

Claims (6)

1. ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、
   溶接後のスラグ特性のうち、１４５０〜１５００℃で測定したスラグの粘度の平均値をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、下記式（１）〜（４）
   Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７ ・・・・・・（１）
   Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５ ・・・・・（２）
   Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０ ・・・・・・（３）
   Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０ ・・・・・（４）
   を満たし、
   前記溶接後のスラグ発生量が、ワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
2. 前記溶接後のスラグの成分のうち、
   金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％、
   金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、
   金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％、
   金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、
   金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇＯ換算値：３〜１０質量％、
   金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％、
   であることを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
3. 前記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分のうち、ワイヤ全質量あたり、
   金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉ換算値：２．０〜５．０質量％、
   金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉ換算値：０．６〜２．０質量％、
   金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ換算値：０．２〜０．４質量％、
   金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒ換算値：０．６〜１．０質量％、
   金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇ換算値：０．２〜０．５質量％、
   金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎ換算値：２．０〜４．０質量％、
   アーク安定剤：０．１〜１．０質量％、
   であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
4. ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法であって、
   溶接後のスラグ特性のうち、１４５０〜１５００℃で測定したスラグの粘度の平均値をρ［Ｐａ・ｓ］、凝固温度をＴｓ［℃］としたときに、下記式（１）〜（４）
   Ｔｓ≦６６６７ρ＋１２７７ ・・・・・・（１）
   Ｔｓ≧−５０００ρ＋１５４５ ・・・・・（２）
   Ｔｓ≧６６６７ρ＋１２３０ ・・・・・・（３）
   Ｔｓ≦−５０００ρ＋１５８０ ・・・・・（４）
   を満たす範囲において溶接作業を行い、
   前記溶接後のスラグ発生量が、ワイヤ単位質量あたり５〜１２質量％であることを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
5. 前記溶接後のスラグの成分のうち、
   金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉＯ_２換算値：３５〜５０質量％、
   金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉＯ_２換算値：９〜１６質量％、
   金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ_２Ｏ_３換算値：３〜８質量％、
   金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒＯ_２換算値：７〜１４質量％、
   金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇＯ換算値：３〜１０質量％、
   金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎＯ換算値：１４〜２０質量％、
   であることを特徴とする請求項４に記載のガスシールドアーク溶接方法。
6. 前記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分のうち、ワイヤ全質量あたり、
   金属Ｔｉ、Ｔｉ酸化物およびＴｉ化合物のＴｉ換算値：２．０〜５．０質量％、
   金属Ｓｉ、Ｓｉ酸化物およびＳｉ化合物のＳｉ換算値：０．６〜２．０質量％、
   金属Ａｌ、Ａｌ酸化物およびＡｌ化合物のＡｌ換算値：０．２〜０．４質量％、
   金属Ｚｒ、Ｚｒ酸化物およびＺｒ化合物のＺｒ換算値：０．６〜１．０質量％、
   金属Ｍｇ、Ｍｇ酸化物およびＭｇ化合物のＭｇ換算値：０．２〜０．５質量％、
   金属Ｍｎ、Ｍｎ酸化物およびＭｎ化合物のＭｎ換算値：２．０〜４．０質量％、
   アーク安定剤：０．１〜１．０質量％、
   であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のガスシールドアーク溶接方法。

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