JP6257508B2 - フラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Description
また例えば特許文献2には、上向を含む全姿勢溶接が可能で、溶接作業性が優れることなどを目的として、特定の組成に構成したステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する技術が開示されている。
このフラックス入りワイヤとして、外径が1.0〜1.6mmのものを用いることができる。
このフラックス入りワイヤは、例えば管状部材の溶接に用いられてもよい。
また、本発明は、前記フラックス入りワイヤを使用し、純Arガスをシールドガスとして用いてMIG溶接を行う溶接継手の製造方法を提供する。
本実施形態のフラックス入りワイヤは、外皮内にフラックスが充填されたものであり、フラックスコアードワイヤ(FCW)とも称される。本実施形態のフラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、TiO2を4.7〜8.5質量%、Al2O3を0.5〜3.5質量%、SiO2を0.5〜2.0質量%、ZrO2を0.8〜3.0質量%、及び金属酸化物を総量で8.0〜13.5質量%含有すると共に、金属フッ化物の含有量が0.02質量%以下に規制されている。これらの成分は、フラックス入りワイヤにおいて、フラックス成分として含有される成分である。
初層から最終層までTIG溶接で施工する方法では、それに用いる溶接材料及びシールドガスは各々1種類であるが、TIG溶接のため、ワイヤの溶融速度が低いことから施工効率は良くない。
初層をTIG溶接で施工し、2層目以降をAr−CO2混合ガス又はCO2ガスをシールドガスとして用いたMAG溶接で施行する方法では、初層と2層目以降とで用いる溶接材料及びシールドガスが各々2種類となり、例えば前述のプラント建設現場や高所などの施工現場において、溶接器具やガスボンベなどの運搬に非常に労力がかかり、現地での可搬性(運搬のし易さ)に難がある。
例えば初層を純Arガスをシールドガスとして使用したTIG溶接で施工し、2層目以降を本実施形態のフラックス入りワイヤで純Arガスをシールドガスとして用いたMIG溶接を行うことが可能となる。また、初層を本実施形態のフラックス入りワイヤを用いた半自動TIG溶接で施工し、2層目以降を本実施形態のフラックス入りワイヤを用いて純ArのシールドガスでMIG溶接を行うことが可能となる。
ただし、本実施形態のフラックス入りワイヤは、当該ワイヤをMIG溶接のみに適用する場合には、Arを主体として、CO2やO2などの活性ガスを5%まで含んだシールドガスの場合にも溶接可能である。
さらに、本実施形態のフラックス入りワイヤは、初層のTIG溶接にも適用可能である。この場合のTIG溶接は半自動TIG溶接であると効率がよい。このフラックス入りワイヤでの初層半自動TIG溶接は、一般的なスラグ入りTIG溶加棒での施工のように、バックシールドレス施工が可能である。初層のTIG溶接と2層目以降の高能率フラックス入りワイヤ施工の溶接材料を統一することにより、さらに可搬性が向上する。
なお、本実施形態のフラックス入りワイヤ中のTiO2、Al2O3、SiO2及びZrO2の各含有量は、フラックス入りワイヤを水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液に溶解させ、ICP分析器により測定することができる。また、本実施形態のフラックス入りワイヤ中のFの含有量は、高温処理で遊離したガスを中和滴定法により測定することができる。
TiO2はスラグの融点を上昇させ、全姿勢溶接を可能とするために必要な成分である。ワイヤ全質量あたりのTiO2の含有量が4.7質量%未満の場合、その効果は十分でなく、ビードの垂れ落ちが発生して立向姿勢及び上向姿勢での溶接が困難になることがある。また、ワイヤ全質量あたりのTiO2の含有量が8.5質量%を超えるとスラグの融点が高くなり過ぎ、逆に滑らかな溶接ビードが得られなくなることがあるほか、スラグ巻き込みの不良が発生することがある。
よって、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ワイヤ全質量あたりのTiO2の含有量を4.7〜8.5質量%の範囲にする。
また、滑らかな溶接ビードを得る観点及びスラグ巻き込み不良を抑制する観点から、ワイヤ全質量あたりのTiO2の含有量は、8.4質量%以下が好ましく、8.0質量%以下がより好ましい。
Al2O3は、溶融スラグの粘性を調整し、溶融金属のなじみ性を調整する効果がある。ワイヤ全質量あたりのAl2O3の含有量が0.5質量%未満であると、なじみ性が劣化することによる融合不良の欠陥が発生することがある。ワイヤ全質量あたりのAl2O3の含有量が3.5質量%を超えると、スラグ剥離性が低下し、焼き付き現象が発生することがある。
よって、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ワイヤ全質量あたりのAl2O3の含有量を0.5〜3.5質量%の範囲にする。
また、溶接後において、例えばハンマーを用いた容易なスラグ剥離性を確保する観点から、ワイヤ全質量あたりのAl2O3の含有量は、3.0質量%以下が好ましく、2.5質量%以下がより好ましく、2.0質量%以下がさらに好ましい。
SiO2も、Al2O3と同様に溶融スラグの粘性を調整し、溶融金属のなじみ性を調整する効果がある。ワイヤ全質量あたりのSiO2の含有量が0.5質量%未満であると、なじみ性が劣化することによる融合不良の欠陥が発生することがある。ワイヤ全質量あたりのSiO2の含有量が2.0質量%を超えると、スラグの融点が低下してしまい、立向姿勢や上向姿勢などの溶接時にビードの垂れ落ちが発生してしまうほか、スラグの粘性が増加するため、初層の半自動TIG溶接時に裏ビードにスラグが流れ難くなる。
よって、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ワイヤ全質量あたりのSiO2の含有量を0.5〜2.0質量%の範囲にする。
また、溶接時における溶融池の垂れ落ちを防止する観点及びスラグの粘性の増加を抑制する観点から、ワイヤ全質量あたりのSiO2の含有量は、1.9質量%以下が好ましく、1.8質量%以下がより好ましい。
ZrO2は、溶融スラグの粘性を調整する効果があり、また、スラグ包被性を良好にする役割を有する成分である。ワイヤ全質量あたりのZrO2の含有量が0.8質量%未満であると、スラグ被り状態が悪化し、局部的な焼き付きを発生することがある。ワイヤ全質量あたりのZrO2の含有量が3.0質量%を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり過ぎ、スラグ巻き込みの不良が発生することがある。
よって、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ワイヤ全質量あたりのZrO2の含有量を0.8〜3.0質量%の範囲にする。
また、溶融スラグの適度な粘性を得る観点から、ワイヤ全質量あたりのZrO2の含有量は、2.9質量%以下が好ましく、2.5質量%以下がより好ましく、2.2質量%以下がさらに好ましい。
金属酸化物の総量、すなわちワイヤ中のスラグを形成する成分の含有率(スラグ率)は、ワイヤ全質量あたり、8.0質量%未満であると、その絶対量が少ないために、溶融金属を支え難くなり、立向姿勢や上向姿勢での溶接適性を確保することが困難となる。また、金属酸化物の含有量が少ないと、初層を半自動TIG溶接にて行う場合に、裏ビードに十分な量のスラグが回らず、ビード表面の過剰な酸化が発生することがある。
一方、ワイヤ全質量あたりの金属酸化物の含有量が総量で13.5質量%を超えると、スラグ巻き込みの不良を招く。金属酸化物の含有量が過剰な場合、半自動TIG溶接においてもスラグ巻き込みが発生し易くなる。
よって、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ワイヤ全質量あたりの金属酸化物の含有量を総量で8.0〜13.5質量%の範囲にする。
また、スラグ巻き込みの不良を抑制する観点から、ワイヤ全質量あたりの金属酸化物の含有量は、総量で13.0質量%以下が好ましく、12.5質量%以下がより好ましい。
金属フッ化物は、活性ガス(CO2やAr−CO2)シールドでの溶接には耐気孔性を確保するために必要な成分であるが、純Arガスをシールドガスとして使用する場合にはアークの集中性を劣化させ、ビードのなじみ性を損なう。ワイヤ全質量あたりの金属フッ化物の含有量が0.02質量%以下の場合には、その影響は認められないが、当該含有量が0.02質量%を超える場合には、溶融金属のなじみ性の劣化に伴い、融合不良の欠陥が発生することがある。
よって、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ワイヤ全質量あたりの金属フッ化物の含有量を0.02質量%以下に規制する。
本実施形態のフラックス入りワイヤの成分組成における残部は、合金成分及び不可避的不純物である。したがって、本実施形態のフラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、TiO2を4.7〜8.5質量%、Al2O3を0.5〜3.5質量%、SiO2を0.5〜2.0質量%、ZrO2を0.8〜3.0質量%、及び金属酸化物を総量で8.0〜13.5質量%含有し、金属フッ化物の含有量が0.02質量%以下に規制されていると共に、目的の溶接金属組成を得るために必要な合金成分及び不可避的不純物からなる組成とすることができる。
この外皮の材質は、特に限定されず、適宜選択することができる。例えば、純Arガスをシールドガスとして用いるMIG溶接の場合、外皮の材質として、各種鋼材やNi基合金などが好適に用いられる。したがって、前記外皮の成分としては、Fe、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、Nb、W、V、Ti、Al、Mg、及びNなどが挙げられる。また、前記不可避的不純物としては、P及びSなどが挙げられる。
オーステナイト系ステンレスの他にも、SUS410L、SUS430などのフェライト系ステンレスも用いられる。
外皮にフェライト系鋼材を用いる場合、例えば、ワイヤ全質量あたり、Si:1質量%以下(例えば0.1〜1質量%)、Mn:1質量%以下(例えば0.1〜1質量%)、Cr:10.5〜20質量%を含有すると共に、C:0.15質量%以下に規制し、必要に応じてMo:2.5質量%以下及び/又はNb:1質量%以下、Cu:1質量%以下、Ti:1質量%以下、並びにZr:1質量%以下の範囲で添加され、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成とすることができる。
外皮にNi基合金を用いる場合、例えば、ワイヤ全質量あたり、Si:1.5質量%以下(例えば0.01〜1.5質量%)及びMn:9.5質量%以下(例えば0.1〜9.5質量%)を含有し、必要に応じてC:0.2質量%以下、Cr:35質量%以下、Mo:20質量%以下、Nb:4質量%以下、Ti:0.5質量%以下、W:5質量%以下、V:0.6質量%以下、Cu:2.5質量%以下及びFe:20質量%以下のうち1種又は2種以上が添加され、残部がNi及び不可避的不純物からなる組成とすることができる。
本実施形態のフラックス入りワイヤの外径は、1.0〜1.6mmの範囲であることが好ましい。フラックス入りワイヤの溶融特性に起因して、ワイヤ溶融量に対する入熱量を確保し、溶融金属のなじみ性を良好にする観点から、ワイヤの外径は、1.0mm以上が好ましく、1.1mm以上がより好ましく、1.2mm以上がさらに好ましい。また、溶滴移行形態を良好にし、大粒のスパッタの発生を抑制する観点から、ワイヤの外径は、1.6mm以下が好ましく、1.5mm以下がより好ましく、1.4mm以下がさらに好ましい。
外径が1.2〜1.4mmの範囲にあるフラックス入りワイヤを用いて、半自動TIG溶接などの溶接を行うことにより、良好な溶滴移行形態が形成され、良好に溶接作業を行うことが可能となる。
次に前述の実施形態に係るフラックス入りワイヤを使用した溶接継手の製造方法に関する実施形態について説明する。なお、本開示において、「溶接継手」は母材である被溶接金属がフラックス入りワイヤを用いて溶接された後の継手をいう。
なお、ワイヤ全質量あたりのフラックス成分量(質量%)については、TiO2、Al2O3、SiO2及びZrO2の各含有量は、フラックス入りワイヤを水酸化ナトリウム溶液に溶解させ、ICP分析器により測定した。また、Fの含有量は、高温処理で遊離したガスを中和滴定法により測定した。全溶着金属の化学成分(質量%)については、ASTM E 353及びASTM E 354により測定した。
初層半自動TIG溶接では、以下の(1)〜(4)の項目で述べる水準にて、それぞれの項目の評価を行った。
(1)立向・上向溶接性
立向姿勢及び上向姿勢で半自動TIG溶接を行った際に、溶接金属の垂れ落ちの懸念がほとんどなく、良好に作業を行えたものをA(非常に良い)、溶接金属の垂れ落ちの懸念があるが、溶接可能であったものをB(良い)、溶接金属の垂れ落ちの発生により、溶接不能であったものをC(悪い)と評価した。
(2)溶滴移行の安定性
溶接時において、連続的に橋絡し、安定的移行であったものをA(非常に良い)、大粒の溶滴が形成されたものの、やや安定な移行であったものをB(良い)、さらに大粒の溶滴の形成が確認され、溶融池外への落下があることなどから、融合不良の懸念があったものをC(悪い)と評価した。
(3)裏ビードのスラグ被り性
スラグが均一に裏ビードを覆っていたものをA(非常に良い)、スラグ厚さが薄い箇所が発生したが、健全な溶接ビードが得られたものをB(良い)、スラグ膜が切れ、溶接金属に過剰な酸化が発生したものをC(悪い)と評価した。
(4)スラグ巻き込み
スラグ巻き込みが確認されなかったものをA(非常に良い)、AWS A5.22の規格で合格のものをB(良い)、不合格のものをC(悪い)と評価した。
純Arシールドガスを用いたMIG溶接では、以下の(5)〜(10)の項目で述べる水準にて、それぞれの項目の評価を行った。
(5)立向・上向溶接性
立向姿勢及び上向姿勢でMIG溶接を行った際に、溶接金属の垂れ落ちの懸念がほとんどなく、良好に作業を行えたものをA(非常に良い)、溶接金属の垂れ落ちの懸念があるが、溶接可能であったものをB(良い)、溶接金属の垂れ落ちの発生により、溶接不能であったものをC(悪い)と評価した。
(6)スラグ剥離性
スケールハンマーによる打撃で容易にスラグを除去できたものをA(非常に良い)、スケールハンマーによる打撃では完全なスラグの除去は不可能であったものの、たがねで除去することができたものをB(良い)、焼き付きによりたがねでも除去不能であったものをC(悪い)と評価した。
(7)溶滴移行の安定性(大粒スパッタの発生状況)
溶接時において、安定したスプレー移行であったものをA(非常に良い)、グロービュール移行であったものをB(良い)、グロービュール移行となり、大粒スパッタが大量に発生したものをC(悪い)と評価した。
(8)スラグ巻き込み
スラグ巻き込みが確認されなかったものをA(非常に良い)、AWS A5.22の規格で合格のものをB(良い)、不合格のものをC(悪い)と評価した。
(9)融合不良
融合不良が確認されなかったものをA(非常に良い)、AWS A5.22の規格で合格のものをB(良い)、不合格のものをC(悪い)と評価した。
一方、比較例1〜11のフラックス入りワイヤを用いた場合、いずれかの評価項目でC(悪い)の結果があり、不合格であった。
実施例1〜4はワイヤ径を変化させた実験例である。外径1.2mmの実施例1及び外径1.4mmの実施例3では、全ての評価項目でAの良好な結果となっている。一方、外径1.0mmの実施例2では、ワイヤ溶融量に対する入熱量が低下する。そのため、なじみ性がやや劣り、合格範囲ではあるが、融合不良が見られた。また、外径1.6mmの実施例4では、溶滴サイズが大きくなり、ボタボタとして溶接作業性が悪く感じ、大きな溶滴がスパッタとして飛散することもあり、初層TIG溶接においても溶滴移行の安定性が劣る傾向があった。実施例1〜4の結果から、ワイヤの外径は、1.0〜1.6mmで適用可能であり、好ましくは1.1〜1.5mm、より好ましくは1.2〜1.4mmであることが示唆された。
実施例5〜9は、308L系以外の溶接金属成分となるよう調整を行ったものである。フープ種類、合金量を大きく変化させたものであるが、フラックスの成分量が適切な範囲であるため、良好な溶接を行うことができた。
実施例10及び比較例1はTiO2の含有量が、他の例に比べて低めの例である。また、TiO2の含有量が少ないために、金属酸化物の総量(スラグ含有量)も少ない。実施例10ではスラグ量が少ないために、初層のTIG溶接時に裏ビードに十分な量のスラグが回らず、スラグ被り性に劣化傾向が見られたが、合格のレベルに至った。また、実施例10では、TiO2の含有量が少ないためにスラグ融点が十分に高く無く、MIG溶接時の立向姿勢及び上向姿勢での溶接において、垂れ落ちの懸念があった。比較例1では、さらにTiO2の含有量が4.7質量%未満であったため、初層のTIG溶接において、スラグ膜が切れ、過剰な酸化の発生が確認され、また、2〜4層目のMIG溶接においては、垂れ落ちの問題から、立向姿勢及び上向姿勢での溶接作業が不可能で、不合格となった。
実施例11及び比較例2は、TiO2の含有量が他の例に比べて高めの例である。実施例11ではTiO2の含有量が多いため、スラグ融点が高くなり、微少なスラグ巻き込み不良が見られたが、合格レベルであった。一方、比較例2では、さらにTiO2の含有量が多く、8.5質量%を超えていたため、MIG溶接において不合格レベルのスラグ巻き込みが発生した。
比較例3はAl2O3の含有量が他の例に比べて低めの例である。Al2O3の含有量が少なく、0.5質量%未満であったため、MIG溶接時のなじみ性が劣化し、融合不良が多発した。また、Al2O3の含有量の低下に伴って、金属酸化物の総量(スラグ量)も少なく、8.0質量%未満であったため、初層のTIG溶接時の裏ビードのスラグ被り性が悪いほか、立向姿勢及び上向姿勢での溶接が不能であった。
実施例12、13、比較例4及び5は、Al2O3の含有量が他の例に比べて多めの例である。実施例12と13を比較すると、Al2O3の含有量の増加に伴って、MIG溶接時のスラグ剥離性に劣化傾向があることが示唆された。比較例4及び5では、さらにAl2O3の含有量が多く、比較例5においては除去不能なレベルのスラグ焼き付き状況となった。また、比較例4及び5ではAl2O3の含有量の増加に伴って、金属酸化物の総量(スラグ量)が過剰で13.5質量%を超えていたため、スラグ巻き込みなどの欠陥が多発していた。
比較例6及び7は、SiO2の含有量が他の例に比べて低めの例である。比較例6では、SiO2含有量が0.5質量%未満であったため、なじみ性が劣化し、融合不良が発生し、不合格となった。比較例7では、比較例6と比較してSiO2の含有量が高いため、融合不良による問題は生じなかったが、どちらにおいてもスラグ量が少ないために立向姿勢及び上向姿勢での溶接が不能であった。
実施例14及び比較例8は、SiO2の含有量が他の例に比べて高めの例である。実施例14では良好に溶接が行えたが、比較例8ではSiO2の含有量が2.0質量%超と過剰なために、スラグの融点が低下してしまい、立向姿勢及び上向姿勢での溶接が不能であった。また、初層のTIG溶接では、スラグの粘性が増加するために裏ビードにスラグが流れ難くなり、裏ビードのスラグ被り性も劣化傾向となった。
実施例15及び比較例9は、ZrO2の含有量が他の例に比べて低めの例である。実施例15ではスラグ剥離性が維持されていることがわかるが、比較例9では、ZrO2の含有量が0.8質量%未満であることから、スラグ被り性が悪化し、局部的なスラグ焼き付きが発生したため、スラグが除去不能となった。
実施例16及び比較例10はZrO2の含有量が他の例に比べて高めの例である。実施例16では欠陥の発生は合格範囲であったが、比較例10では溶融スラグの粘性が高くなり過ぎるためにスラグ巻き込み不良が不合格レベルで発生した。
実施例17及び18並びに比較例11は、金属フッ化物を含有する例である。金属フッ化物の含有量が0.02質量%未満の実施例18では良好に溶接が可能であり、当該含有量がさらに少ない実施例17では実施例18よりもより良好に溶接が可能であることが確認されたが、当該含有量が過剰な比較例11ではアークの集中性が劣化するため、ビードのなじみが悪くなり、その結果、融合不良の欠陥が多発した。
前述の実施例10及び15では、金属酸化物の総量、すなわちスラグを形成する成分の含有率(スラグ率)が低いために、立向姿勢及び上向姿勢での溶接作業性が悪くなる傾向にあった。また、比較例1、3、6、7及び9では、金属酸化物の総量が8.0質量%未満であるため、立向姿勢及び上向姿勢での溶接が不能となった。実施例16では、スラグ率が十分であり、立向姿勢及び上向姿勢での良好な溶接作業性が得られた。一方、比較例4及び5では、金属酸化物の総量が13.5質量%を超えていたため、スラグ巻き込みの欠陥が多発する結果となった。
Claims (3)
- 外皮内にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤを使用し、純Arガスをシールドガスとして用いてMIG溶接を行う溶接継手の製造方法であって、前記フラックス入りワイヤはワイヤ全質量あたり、
TiO2:4.7〜8.5質量%、
Al2O3:0.5〜3.5質量%、
SiO2:0.5〜2.0質量%、
ZrO2:0.8〜3.0質量%、及び
金属酸化物:総量8.0〜13.5質量%を含有すると共に、
金属フッ化物:0.02質量%以下に規制されたフラックス入りワイヤである溶接継手の製造方法。 - 前記フラックス入りワイヤの外径が1.0〜1.6mmである請求項1に記載の溶接継手の製造方法。
- 管状部材に溶接を行う請求項1又は2に記載の溶接継手の製造方法。
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