JP6502887B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、鋼構造物等に使用される鋼を溶接するにあたって全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、溶接のまま（以下、ＡＷという。）及び溶接後熱処理（溶接熱影響部の軟化、溶接部の靭性改善及び溶接残留応力の除去を目的に行われる熱処理：以下、ＰＷＨＴという。）後の強度及び低温靭性に優れた溶接金属を得るうえで好適なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
鋼を被溶接材とするガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤとしては、例えば、ルチール系フラックス入りワイヤや塩基性系フラックスワイヤが知られている。
ルチール系フラックス入りワイヤは、溶接能率、全姿勢溶接での溶接作業性が非常に優れているので、造船、橋梁、海洋構造物、鉄骨等の広い分野で適用されている。しかし、ルチール系フラックス入りワイヤの主原料であるルチールには不純物としてＮｂ及びＶが含まれており、これらはＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性を劣化させるため、ルチール系フラックス入りワイヤはＰＷＨＴ仕様の鋼構造物の溶接にはあまり適用されていなかった。
一方、塩基性系フラックス入りワイヤは、溶接金属の酸素量が低く、ＡＷ及びＰＷＨＴ後のいずれにおいても良好な低温靭性の溶接金属が得られるが、全姿勢溶接での溶接作業性がルチール系フラックス入りワイヤに比べ劣るため、実用化が困難であった。
ルチール系フラックス入りワイヤを用いて、ＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属を得るための技術は過去に検討されている。例えば、特許文献１には、ルチールの代わりに不純物としてのＮｂ、Ｖが非常に少ない酸化チタンを使用することにより、ＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属を得るという技術が開示されている。しかし、特許文献1に記載の技術では、全姿勢溶接においてのアークの安定性、ビード外観・形状、スラグ剥離性等の良好な溶接作業性が得られないという問題点があった。
また、特許文献２及び特許文献３には、全ワイヤ中のＮｂ、Ｖの含有量を制限することにより、ＰＷＨＴ後の低温靭性に優れた溶接金属を得るという技術が開示されている。しかし、特許文献２及び特許文献３に記載の技術においても、特許文献１と同様、全姿勢溶接においてのアークの安定性、ビード外観・形状、スラグ剥離性等の良好な溶接作業性が得られないという問題点があった。
一方、特許文献４には、Ｖの含有量を適正化することでＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靭性に優れた溶接金属が得られるとともに、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度がＡＷのものより大きく低下することを抑制することが可能なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの開示がある。しかし、この特許文献４の開示技術によれば、全姿勢溶接における溶接作業性は十分ではなく、−５０℃の低温域での強度、低温靭性はある程度確認できているものの、−６０℃のような低温域でのＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靭性を得ることができないという問題点があった。
本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、鋼構造物等に使用される鋼を溶接するにあたって全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靭性に優れた溶接金属が得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を提供することを目的とする。
本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％Ｍｎ：１．５〜３．０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１５％、Ｂ：０．００２〜０．０１５％、Ａｌ：０．０１〜０．５％を含有し、Ｖ：０．０２０％以下、Ｎｂ：０．０１５以下であり、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３〜８％、 Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．０１〜０．２５％、Ｍｇ：０．１〜０．８％、弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０１〜０．３０％、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計：０．０５〜０．２０％を含有し、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．１％以下であり、残部が、鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする。
また、ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｍｏ：０．０２〜０．３０％を更に含有することも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にある。
本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靱性に優れた溶接金属が安定して得られる。従って、溶接能率の向上及び溶接部の品質向上を図ることが可能となる。
本発明者らは、ルチール系のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靱性に非常に優れた溶接金属が得られるワイヤ成分組成について、種々検討を行った。
その結果、特にＶ及びＮｂの含有量を少なくすることによりＰＷＨＴ後の低温靭性を更に向上させることができることを見出した。
また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｂ、Ｔｉ、Ａｌ、ＭｇとＴｉ酸化物の含有量を適量とすることによって、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の強度及び低温靭性に優れた溶接金属が安定して得られることを見出した。
さらに、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌとＴｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｆｅ酸化物の含有量を適正量とし、さらに、Ｚｒ酸化物の含有量を制限することで、アークが安定し、特に全姿勢溶接での溶接作業性が良好となることを見出した。
以下、本発明の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組成及びその含有率と、各成分組成の限定理由とについて説明する。なお、各成分組成の含有率は、ワイヤ全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載して表すこととする。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＣ：０．０１〜０．０８％］
Ｃは、溶接時にアークの安定化に寄与する効果がある。しかし、Ｃが０．０１％未満では、アークが不安定になる。一方、Ｃが０．０８％超では、Ｃが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＣは０．０１〜０．０８％とする。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属粉及び合金粉等から添加される。
Ｃは、溶接時にアークの安定化に寄与する効果がある。しかし、Ｃが０．０１％未満では、アークが不安定になる。一方、Ｃが０．０８％超では、Ｃが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＣは０．０１〜０．０８％とする。なお、Ｃは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属粉及び合金粉等から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉ：０．１〜１．０％］
Ｓｉは、溶接時に一部が溶接スラグとなることによりビード外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Ｓｉが０．１％未満では、ビード外観や形状を良好にする効果が十分に得られない。一方、Ｓｉが１．０％超では、Ｓｉが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１〜１．０％とする。なお、Ｓｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加される。
Ｓｉは、溶接時に一部が溶接スラグとなることによりビード外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。しかし、Ｓｉが０．１％未満では、ビード外観や形状を良好にする効果が十分に得られない。一方、Ｓｉが１．０％超では、Ｓｉが溶接金属中に過剰に歩留まることにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＳｉは０．１〜１．０％とする。なお、Ｓｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＭｎ：１．５〜３．０％］
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接時に一部が溶接スラグとなることによりビード外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。また、Ｍｎは、溶接金属に歩留まることにより、溶接金属の強度と低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｎが１．５％未満では、ビード外観や形状が不良で、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｍｎが３．０％超では、Ｍｎが溶接金属中に過剰に歩留まり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の強度が過剰になることにより、かえって低温靱性が低下する。従って、Ｍｎは１．５〜３．０％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからのＦｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加される。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接時に一部が溶接スラグとなることによりビード外観や形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する。また、Ｍｎは、溶接金属に歩留まることにより、溶接金属の強度と低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｎが１．５％未満では、ビード外観や形状が不良で、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の強度及び低温靭性が低下する。一方、Ｍｎが３．０％超では、Ｍｎが溶接金属中に過剰に歩留まり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の強度が過剰になることにより、かえって低温靱性が低下する。従って、Ｍｎは１．５〜３．０％とする。なお、Ｍｎは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからのＦｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の合金粉から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉ：０．１〜３．０％］
Ｎｉは、溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｎｉが０．１％未満では、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが３．０％超では、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が低下し、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉは０．１〜３．０％とする。なお、Ｎｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ等の合金粉から添加される。
Ｎｉは、溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｎｉが０．１％未満では、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｎｉが３．０％超では、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が低下し、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｉは０．１〜３．０％とする。なお、Ｎｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ等の合金粉から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉ：０．０１〜０．１５％］
Ｔｉは、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、その一部がＴｉ酸化物として溶接金属中に歩留まることにより、溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果もある。しかし、Ｔｉが０．０１％未満では、これらの効果が十分に得られず、アークが不安でスパッタ発生量が多く、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．１５％超では、アークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０１〜０．１５％とする。なお、Ｔｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉から添加される。
Ｔｉは、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、その一部がＴｉ酸化物として溶接金属中に歩留まることにより、溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果もある。しかし、Ｔｉが０．０１％未満では、これらの効果が十分に得られず、アークが不安でスパッタ発生量が多く、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．１５％超では、アークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＴｉは０．０１〜０．１５％とする。なお、Ｔｉは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金粉から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＢ：０．００２〜０．０１５％］
Ｂは、微量の添加により溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｂが０．００２％未満では、この効果が十分に得られず、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１５％超では、溶接金属が過度に硬化することによりＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。また、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００２〜０．０１５％とする。なお、Ｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｂ、Ｆｅ−Ｂ、Ｍｎ−Ｂ等の合金粉から添加される。
Ｂは、微量の添加により溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果がある。しかし、Ｂが０．００２％未満では、この効果が十分に得られず、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｂが０．０１５％超では、溶接金属が過度に硬化することによりＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。また、溶接金属に高温割れが発生し易くなる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＢは０．００２〜０．０１５％とする。なお、Ｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｂ、Ｆｅ−Ｂ、Ｍｎ−Ｂ等の合金粉から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌ：０．０１〜０．５％］
Ａｌは、溶接時にＡｌ酸化物として溶接スラグに含まれることによって、溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接においては溶融メタルが垂れ落ちるのを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌが０．０１％未満では、この効果が十分に得られず、立向上進溶接において溶融メタルが垂れ落ちる。一方、Ａｌが０．５％を超えると、酸化物として過度に溶接金属に残留してＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌは０．０１〜０．５％とする。なお、Ａｌは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金粉から添加される。
Ａｌは、溶接時にＡｌ酸化物として溶接スラグに含まれることによって、溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接においては溶融メタルが垂れ落ちるのを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌが０．０１％未満では、この効果が十分に得られず、立向上進溶接において溶融メタルが垂れ落ちる。一方、Ａｌが０．５％を超えると、酸化物として過度に溶接金属に残留してＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＡｌは０．０１〜０．５％とする。なお、Ａｌは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金粉から添加される。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＶ：０．０２０％以下］
Ｖは、ＰＷＨＴにより溶接金属中にＶ炭化物やＶ窒化物を形成し、特にＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。Ｖが０．０２０％以下であれば、溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＶは０．０２０％以下とする。なお、Ｖは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックス中のルチール、チタンスラグ、イルメナイト等のＴｉ酸化物に微量含まれるので、鋼製外皮及び酸化物から厳選したものを用いる。
Ｖは、ＰＷＨＴにより溶接金属中にＶ炭化物やＶ窒化物を形成し、特にＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。Ｖが０．０２０％以下であれば、溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＶは０．０２０％以下とする。なお、Ｖは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックス中のルチール、チタンスラグ、イルメナイト等のＴｉ酸化物に微量含まれるので、鋼製外皮及び酸化物から厳選したものを用いる。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＮｂ：０．０１５％以下］
Ｎｂは、ＰＷＨＴにより溶接金属中にＮｂ炭化物やＮｂ窒化物を形成し、特にＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。Ｎｂが０．０１５％以下であれば、溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｂは０．０１５％以下とする。なお、Ｎｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからのルチール、チタンスラグ及びイルメナイト等のＴｉ酸化物に微量含まれるので、鋼製外皮及び酸化物から厳選したものを用いる。
Ｎｂは、ＰＷＨＴにより溶接金属中にＮｂ炭化物やＮｂ窒化物を形成し、特にＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靱性を低下させる元素である。Ｎｂが０．０１５％以下であれば、溶接金属の低温靭性について許容できる範囲となる。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＮｂは０．０１５％以下とする。なお、Ｎｂは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからのルチール、チタンスラグ及びイルメナイト等のＴｉ酸化物に微量含まれるので、鋼製外皮及び酸化物から厳選したものを用いる。
［フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３〜８％］
Ｔｉ酸化物は、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、溶接時に溶接スラグとなることにより溶接ビードの形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ｔｉ酸化物は、その一部が溶接金属中に歩留まることにより、溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果もある。また、Ｔｉ酸化物は、立向上進溶接において、溶接スラグにＴｉ酸化物として含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、これらの効果が十分に得られず、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くビード外観及び形状が劣化し、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性も低下する。また、立向上進溶接において溶融メタルが垂れて溶接の継続が困難になる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が８％超では、アークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。従って、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３〜８％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等から添加される。
Ｔｉ酸化物は、溶接時にアークの安定化に寄与するとともに、溶接時に溶接スラグとなることにより溶接ビードの形状を良好にし、溶接作業性の向上に寄与する効果がある。また、Ｔｉ酸化物は、その一部が溶接金属中に歩留まることにより、溶接金属のミクロ組織を微細化し、溶接金属の低温靱性を向上させる効果もある。また、Ｔｉ酸化物は、立向上進溶接において、溶接スラグにＴｉ酸化物として含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３％未満では、これらの効果が十分に得られず、アークが不安定で、スパッタ発生量が多くビード外観及び形状が劣化し、ＰＷＨＴ後の溶接金属の低温靭性も低下する。また、立向上進溶接において溶融メタルが垂れて溶接の継続が困難になる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が８％超では、アークが安定してスパッタ発生量も少ないが、溶接金属にＴｉ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。従って、フラックス中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は３〜８％とする。なお、Ｔｉ酸化物は、フラックスからのルチール、酸化チタン、チタンスラグ、イルメナイト等から添加される。
［フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％］
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を向上させる効果がある。しかし、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．１％未満では、スラグ被包性が悪くビード外観が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が１．０％超では、溶融スラグの塩基度が低下することにより、溶接金属の酸素量が増加してＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靭性が低下する。従って、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．１〜１．０％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの珪砂、珪酸カリ及び珪酸ソーダ等から添加される。
Ｓｉ酸化物は、溶融スラグの粘性や融点を調整してスラグ被包性を向上させる効果がある。しかし、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が０．１％未満では、スラグ被包性が悪くビード外観が不良となる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が１．０％超では、溶融スラグの塩基度が低下することにより、溶接金属の酸素量が増加してＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靭性が低下する。従って、フラックス中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は０．１〜１．０％とする。なお、Ｓｉ酸化物は、フラックスからの珪砂、珪酸カリ及び珪酸ソーダ等から添加される。
［フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％］
Ａｌ酸化物は、溶接時に溶接スラグに含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．１％未満では、立向上進溶接で溶融メタルが垂れる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が１．２％を超えると、溶接金属中にＡｌ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。従って、フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．１〜１．２％とする。なお、Ａｌ酸化物は、フラックスからのアルミナ等から添加される。
Ａｌ酸化物は、溶接時に溶接スラグに含まれることによって溶融スラグの粘性や融点を調整し、特に立向上進溶接における溶融メタルが垂れるのを防ぐ効果がある。しかし、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が０．１％未満では、立向上進溶接で溶融メタルが垂れる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が１．２％を超えると、溶接金属中にＡｌ酸化物が過剰に残存することにより、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靱性が低下する。従って、フラックス中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は０．１〜１．２％とする。なお、Ａｌ酸化物は、フラックスからのアルミナ等から添加される。
［フラックス中のＦｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．０１〜０．２５％］
Ｆｅ酸化物は、アークを安定させる効果がある。しかし、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が０．０１％未満では、アークが不安定となる。一方、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が０．２５％を超えると、溶接金属の酸素量が増加してＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靭性が低下する。従って、フラックス中のＦｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計は０．０１〜０．２５％とする。なお、Ｆｅ酸化物は、フラックスからの酸化鉄、チタンスラグ及びイルミナイト等から添加される。
Ｆｅ酸化物は、アークを安定させる効果がある。しかし、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が０．０１％未満では、アークが不安定となる。一方、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が０．２５％を超えると、溶接金属の酸素量が増加してＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに低温靭性が低下する。従って、フラックス中のＦｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計は０．０１〜０．２５％とする。なお、Ｆｅ酸化物は、フラックスからの酸化鉄、チタンスラグ及びイルミナイト等から添加される。
［フラックス中のＭｇ：０．１〜０．８％］
Ｍｇは、強脱酸剤として機能することにより溶接金属中の酸素を低減し、溶接金属の低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｇが０．１％未満では、この効果が十分に得られず、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｍｇが０．８％超では、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してスパッタやヒュームの発生量が多くなる。従って、フラックス中のＭｇは０．１〜０．８％とする。なお、Ｍｇは、フラックスからの金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金粉から添加される。
Ｍｇは、強脱酸剤として機能することにより溶接金属中の酸素を低減し、溶接金属の低温靱性を高める効果がある。しかし、Ｍｇが０．１％未満では、この効果が十分に得られず、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の低温靭性が低下する。一方、Ｍｇが０．８％超では、溶接時にアーク中で激しく酸素と反応してスパッタやヒュームの発生量が多くなる。従って、フラックス中のＭｇは０．１〜０．８％とする。なお、Ｍｇは、フラックスからの金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金粉から添加される。
［フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０１〜０．３０％］
弗素化合物は、アークを安定させる効果がある。しかし、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０１％未満では、この効果が十分に得られず、アークが不安定になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．３０％を超えると、アークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが発生しやすくなる。従って、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０１〜０．３０％とする。なお、弗素化合物は、ＣａＦ2、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ2、Ｋ2ＳｉＦ6、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＡｌＦ3等から添加でき、Ｆ換算値はそれらに含有されるＦ量の合計である。
弗素化合物は、アークを安定させる効果がある。しかし、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．０１％未満では、この効果が十分に得られず、アークが不安定になる。一方、弗素化合物のＦ換算値の合計が０．３０％を超えると、アークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが発生しやすくなる。従って、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値の合計は０．０１〜０．３０％とする。なお、弗素化合物は、ＣａＦ2、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＭｇＦ2、Ｋ2ＳｉＦ6、Ｎａ3ＡｌＦ6、ＡｌＦ3等から添加でき、Ｆ換算値はそれらに含有されるＦ量の合計である。
［フラックス中のＮａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種以上の合計：０．０５〜０．２０％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤及びスラグ形成剤として作用する。しかし、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計が０．０５％未満であると、アークが不安定となり、スパッタ発生量が多くなる。また、ビード形状及び外観も不良になる。一方、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計が０．２０％を超えると、スラグ剥離性が不良となる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが発生しやすくなる。従って、フラックス中のＮａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計は０．０５〜０．２０％とする。なお、Ｎａ化合物及びとＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、チタン酸カリウム、チタン酸ナトリウム等から添加できる。
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤及びスラグ形成剤として作用する。しかし、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計が０．０５％未満であると、アークが不安定となり、スパッタ発生量が多くなる。また、ビード形状及び外観も不良になる。一方、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計が０．２０％を超えると、スラグ剥離性が不良となる。また、立向上進溶接ではメタル垂れが発生しやすくなる。従って、フラックス中のＮａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計は０．０５〜０．２０％とする。なお、Ｎａ化合物及びとＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリからなる水ガラスの固質成分、チタン酸カリウム、チタン酸ナトリウム等から添加できる。
［フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．１％以下］
Ｚｒ酸化物は、Ｔｉ酸化物に微量含有する場合がある。しかし、Ｚｒ酸化物は、スラグ剥離性を不良にし、特にＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．１％を超えるとスラグ剥離性が著しく不良になる。従って、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．１％以下とする。なお、Ｚｒ酸化物は、必須の成分ではなく、含有率がＺｒＯ2換算値で０％とされていてもよい。
Ｚｒ酸化物は、Ｔｉ酸化物に微量含有する場合がある。しかし、Ｚｒ酸化物は、スラグ剥離性を不良にし、特にＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が０．１％を超えるとスラグ剥離性が著しく不良になる。従って、フラックス中のＺｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計は０．１％以下とする。なお、Ｚｒ酸化物は、必須の成分ではなく、含有率がＺｒＯ2換算値で０％とされていてもよい。
［鋼製外皮とフラックスの合計でＭｏ：０．０２〜０．３０％］
Ｍｏは、溶接金属の強度を高める効果がある。しかし、Ｍｏが０．０２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏが０．３０％超では、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の強度が高くなりすぎ、かえって溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｏを含有させる場合、その含有量は０．０２〜０．３０％とする。なお、Ｍｏは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｍｏ、Ｆｅ−Ｍｏ等の合金粉から添加される。
Ｍｏは、溶接金属の強度を高める効果がある。しかし、Ｍｏが０．０２％未満では、この効果が十分に得られない。一方、Ｍｏが０．３０％超では、ＡＷ及びＰＷＨＴ後ともに溶接金属の強度が高くなりすぎ、かえって溶接金属の低温靱性が低下する。従って、鋼製外皮とフラックスの合計でＭｏを含有させる場合、その含有量は０．０２〜０．３０％とする。なお、Ｍｏは、鋼製外皮に含まれる成分の他、フラックスからの金属Ｍｏ、Ｆｅ−Ｍｏ等の合金粉から添加される。
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、鋼製外皮をパイプ状に成形し、その内部にフラックスを充填した構造である。ワイヤの種類としては、成形した鋼製外皮の合わせ目を溶接して得られる鋼製外皮に継ぎ目の無いワイヤと、鋼製外皮の合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継ぎ目を有するワイヤとに大別できる。本発明においては、何れの断面構造のワイヤを採用してもよい。但し、鋼製外皮に継ぎ目が無いワイヤは、ワイヤ中の水分量を低減することを目的に５００〜１０００℃での熱処理が可能であり、また製造後のフラックスの吸湿が無いため、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性の向上を図ることができるので、鋼製外皮に継ぎ目が無いワイヤを用いるのが好ましい。
本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの残部は、鋼製外皮のＦｅ、成分調整のために添加する鉄粉、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ合金等の鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物である。また、フラックス充填率は特に制限はしないが、生産性の観点から、ワイヤ全質量に対して８〜２０％とするのが好ましい。
以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
鋼製外皮にＪＩＳ Ｇ ３１４１ ＳＰＣＣを使用して、表１及び表２に示す各種成分組成の鋼製外皮に継目のないワイヤ径１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。
表１に示すフラックス入りワイヤを用いて、板厚１２ｍｍの鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳＭ４９０Ａ）をＴ継手の試験体として、表３に示す溶接作業性評価の溶接条件で立向上進溶接による溶接作業性評価を行った。また、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準じて、板厚２０ｍｍの鋼板（ＪＩＳ Ｇ ３１２６ ＳＬＡ３２５Ａ）を試験体として、表３に示す溶着金属試験の溶接条件で溶着金属試験を行った。
立向上進溶接による溶接作業性の評価は、アークの安定性、スパッタ発生状態、ヒューム発生状態、ビード形状、ビード外観及び溶融メタル垂れ状況について調査した。
溶着金属試験は、ＡＷの溶着金属と、ＰＷＨＴ後の溶着金属とを評価対象とした。ＰＷＨＴは、６２０℃、４時間の条件で行った。溶着金属の板厚方向中央部から引張試験（Ａ１号）、衝撃試験（Ｖノッチ試験片）を採取して各試験に供した。機械的性質の評価は、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の溶着金属について、−６０℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、各々繰り返し３本の吸収エネルギーの平均が５０Ｊ以上、ＡＷの引張強さ（以下、ＴＳＡという。）とＰＷＨＴ後の引張強さ（以下、ＴＳＰという。）がいずれも４９０〜６５０ＭＰａのものを合格とした。これらの結果を表４にまとめて示す。
表１、表２及び表４のワイヤ記号Ａ０１〜１７は本発明例、ワイヤ記号Ｂ０１〜１９は比較例である。本発明例であるワイヤ記号Ａ０１〜１７は、各成分の組成が本発明において規定した範囲内であるので、溶接作業性が良好であるとともに、溶着金属のＴＳＡ、ＴＳＰ、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーも良好な値が得られるなど極めて満足な結果であった。
比較例中ワイヤ記号Ｂ０１は、Ｃが多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌが少ないで、溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｂ０２は、Ｃが少ないので、アークが不安定であった。また、Ｎｉが少ないので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ０３は、Ｓｉが多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、スラグ被包性が悪くビード外観が不良であった。
ワイヤ記号Ｂ０４は、Ｓｉが少ないので、ビード外観及び形状が不良であった。また、Ｂが少ないので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ０５は、Ｍｎが多いので、溶着金属のＴＳＡ及びＴＳＰが高くなり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が少ないので、溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｂ０６は、Ｍｎが少ないので、ビード外観及び形状が不良であり、溶着金属のＴＳＡ及びＴＳＰが低値で、かつＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーも低値であった。また、Ｍｏが少ないので、溶着金属のＴＳＡ及びＴＳＰの向上効果が得られなかった。
ワイヤ記号Ｂ０７は、Ｎｉが多いので、高温割れが発生した。また、溶着金属のＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。さらに、Ｍｇが多いので、スパッタ及びヒュームの発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｂ０８は、Ｔｉが多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、弗素化合物のＦ換算値の合計が多いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。さらに、溶融メタルに垂れが生じた。
ワイヤ記号Ｂ０９は、Ｔｉが少ないので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、溶着金属のＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。さらに、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
ワイヤ記号Ｂ１０は、Ｂが多いので、高温割れが発生した。また、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。さらに、弗素化合物のＦ換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。
ワイヤ記号Ｂ１１は、Ａｌが多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の合計が多いので、メタル垂れが発生し、スラグ剥離性も不良であった。
ワイヤ記号Ｂ１２は、Ｖが多いので、溶着金属のＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１３は、Ｎｂが多いので、溶着金属のＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１４は、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、ビード外観及び形状が不良であり、スパッタ発生量も多かった。
ワイヤ記号Ｂ１５は、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スパッタ発生量が多く、ビード外観・形状も不良であり、溶融メタル垂れも生じた。また、溶着金属のＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１６は、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１７は、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１８は、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が多いので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ１９は、Ｍｇが少ないので、溶着金属のＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
ワイヤ記号Ｂ２０は、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。また、Ｍｏが多いので、溶着金属のＴＳＡ及びＴＳＰが高くなり、ＡＷ及びＰＷＨＴ後の吸収エネルギーが低値であった。
Claims (2)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、
Ｃ：０．０１〜０．０８％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｍｎ：１．５〜３．０％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｔｉ：０．０１〜０．１５％
Ｂ：０．００２〜０．０１５％、
Ａｌ：０．０１〜０．５％を含有し、
Ｖ：０．０２０％以下、
Ｎｂ：０．０１５以下であり、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックス中に、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：３〜８％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：０．１〜１．０％、
Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：０．１〜１．２％、
Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．０１〜０．２５％
Ｍｇ：０．１〜０．８％、
弗素化合物のＦ換算値の合計：０．０１〜０．３０％、
Ｎａ化合物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ化合物のＫ2Ｏ換算値の１種または２種の合計：０．０５〜０．２０％を含有し、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ2換算値の合計：０．１％以下であり、
残部が、鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分及び不可避不純物からな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。 - ワイヤ全質量に対する質量％で、鋼製外皮とフラックスの合計で、Ｍｏ：０．０２〜０．３０％を更に含有す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。
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