JP6734356B2

JP6734356B2 - タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックス

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Publication number: JP6734356B2
Application number: JP2018228626A
Authority: JP
Inventors: 光宏曾
Original assignee: 國立屏東科技大學
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: US10792769B2; JP2019104060A; TWI633059B; TW201927691A; US20190176272A1

Description

本発明は、フラックスに関し、特に、タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼を溶接するためのフラックスに係るものである。

二相ステンレス鋼（duplex stainless steel）は、鉄−クロム−ニッケル系ステンレス鋼に属し、その顕微鏡組織は、フェライト（ferrite）及びオーステナイト（austenite）からなる二相構造（どちらかの含有量が少なくとも３０％超え）である。
二相ステンレス鋼は、優れた大気腐食耐性及び孔食耐性を有するだけでなく、優れた機械的強度、破壊靱性及び塩素イオン応力腐食割れに対する耐性などを有する。
二相ステンレス鋼は、腐食耐性、機械的強度及び加工性などの優れた性能を一身に集めた鋼材であるため、石油化学工業の設備、海水淡水化の設備、石油ガスパイプライン、圧力容器、抄紙機及び熱交換器などの工業分野に広く応用されている。

タングステン不活性溶接（Tungsten Inert Gas Welding）は、高品質なアーク溶接工程であり、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス鋼及びニッケル基超合金などの金属材料の溶接作業に良く応用されている。
タングステン不活性溶接は、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、或いはアルゴン−ヘリウム混合ガス）の保護で、タングステン電極によりアークを発生させて溶接熱源とし、二つのワークが当接する箇所に従来の溶接棒を溶融して、溶融された従来の溶接棒がその箇所で溶融池を形成し、溶融池が冷却し固化した後に二つのワークを緊密に結合させる溶接ビードを形成することで、二つのワークが溶接後に溶接物となり、溶接工程が完了する。
しかしながら、タングステン不活性溶接の低エネルギー密度熱源特性で、形成した溶接ビードは、幅広くて浅いものなので、厚さが３ｍｍを超えるワークを溶接する際に、溶込み深さが足りないという問題があった。

上記問題を解決するために、操作者は溶接する前に、ワークに対して開先加工の工程を行うことができる。
図４ａに示されるように、開先加工の工程として、フライスＭでワーク９の側縁９１をフライスして斜面９２を形成し、さらにもう一つのワーク９’の側縁９１’に対しても同様に斜面９２’を形成する。
続いて、図４ｂ、４ｃに示されるように、溶接する際に、操作者は、二つのワーク９、９’の側縁９１、９１’を当接させ、斜面９２、９２’が角度を有する開放した構造を成すようにし、タングステン電極Ｅ及び従来の溶接棒Ｗをもって、この構造にて複数回の溶接工程を行って溶接ビード９３を形成する。
しかしながら、開先加工の工程により、溶接ビード９３の溶込み深さを深くすることはできるが、溶接ビード９３の幅が広すぎる問題があった。
また、溶接する過程では、溶接熱源が溶接箇所の近傍で熱影響部を形成し、上記開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程がこの熱影響部を過度に拡大させてしまうので、得られる二相ステンレス鋼の機械的強度を低下させるだけでなく、溶接物に深刻な熱変形量及び残留応力が発生してしまう問題もあり、溶接ビードの腐食耐性を顕著に悪化させてしまうことがあった。
さらに、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程は、生産時間及び製造コストを増やしてしまう。
以上に鑑みて、二相ステンレス鋼を溶接するための二相ステンレス鋼用フラックスを提供できれば、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程を省くことができ、上記の問題を解決することができる。

台湾公告第Ｉ５７３６５４号

上記の問題を解決するために、本発明は、深くて狭い溶接ビードを形成することができ、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程を省くことができるタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスを提供することを目的とする。

本発明によるタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスは、２５〜３５重量％の二酸化ケイ素、２０〜２５重量％の酸化クロム(III)、１０〜２０重量％の三酸化モリブデン、１０〜１５重量％の酸化ニッケル(II)、５〜１０重量％の酸化鉄(II)、５〜１０重量％の四酸化三コバルト、５〜１０重量％の二酸化マンガン、及び、３〜５重量％の酸化銅(II)を含むことを特徴とする。

本発明によるタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスは、特定の配合比を成す二酸化ケイ素、酸化クロム(III)、三酸化モリブデン、酸化ニッケル(II)、酸化鉄(II)、四酸化三コバルト、二酸化マンガン、及び、酸化銅(II)により、二相ステンレス鋼の溶接に応用される際に形成した溶接ビードのアスペクト比を効果的に向上させることができ、溶接の際に発生する熱変形量及び残留応力を低減できるだけでなく、厚さが３ｍｍを超えるワークを溶接する際に、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程を省くことができ、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程による機械的強度の低下及び熱影響部が広すぎるという問題を避け、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程で増えた生産時間及び製造コストを低減できる効果を有する。

また、酸化ニッケル(II)及び二酸化マンガンが、前記タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスにおいて１５〜２０重量％を占めることを特徴とする。
これにより、本発明の二相ステンレス鋼用フラックスを二相ステンレス鋼の溶接に応用する際に、得られたフェライト含有量及びオーステナイト含有量は、それぞれ約５０％を占めるという良好な割合に維持することができ、二相ステンレス鋼の優れた腐食耐性を依然として維持するという効果を有する。

また、前記タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスの粉末粒子の粒径が、５０〜９０μｍであることを特徴とする。
これにより、二相ステンレス鋼用フラックスの粉末粒子の混合均一性を向上させ、二つのワークの表面に二相ステンレス鋼用フラックスをより均一に塗布し易くするだけでなく、溶接する際に二相ステンレス鋼用フラックスが溶接の熱源で熔融し易くなるので、溶接ビードの溶込み深さを深くするという効果を有する。

本発明に係る二相ステンレス鋼用フラックスを二つのワークが当接する箇所に塗布することを示す図。本発明に係る二相ステンレス鋼用フラックスにより製作されたロール式充填金属の斜視図（一）。本発明に係る二相ステンレス鋼用フラックスにより製作されたコーティング式充填金属の斜視図（二）。本発明に係る二相ステンレス鋼用フラックスにより製作されたロール式充填金属の斜視図（三）。本発明に係る二相ステンレス鋼用フラックスにより製作されたロール式充填金属の斜視図（四）。本発明に係る二相ステンレス鋼用フラックスにより製作されたロール式又はコーティング式充填金属で溶接を行う際の溶接状態を示す図。フラックスを塗布し、または、上記ロール式もしくはコーティング式充填金属で溶接を行った後に形成した溶接ビードの断面図。ワークに対して開先加工の工程で、予め開先加工することを示す図。ワークに対して開先加工の工程で、複数回の溶接工程を行うことを示す図。ワークに対して開先加工の工程で、複数回の溶接工程を経て形成した溶接ビードの断面図。

本発明の実施例について、以下、図面を参照して説明する。

本発明における二相ステンレス鋼は、ＵＮＳＳ３２１０１、ＵＮＳＳ３２３０４、ＵＮＳＳ３２２０５、及び、ＵＮＳＳ３２５５０などのスタンダードタイプ二相ステンレス鋼であっても良く、当業者が理解できるものであるが、これらに限定されるものではない。

本発明の一つの実施例における二相ステンレス鋼用フラックスは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化クロム(III)（Ｃｒ_２Ｏ_３）、三酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）、酸化ニッケル(II)（ＮｉＯ）、酸化鉄(II)（ＦｅＯ）、四酸化三コバルト（Ｃｏ_３Ｏ_４）、二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、及び、酸化銅(II)（ＣｕＯ）などの成分を含むことができ、タングステン不活性溶接と合わせて、厚さが３ｍｍを超えるワークを溶接するのに応用されることができる。

詳しく述べると、タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスは、２５〜３５重量％の二酸化ケイ素、２０〜２５重量％の酸化クロム(III)、１０〜２０重量％の三酸化モリブデン、１０〜１５重量％の酸化ニッケル(II)、５〜１０重量％の酸化鉄(II)、５〜１０重量％の四酸化三コバルト、５〜１０重量％の二酸化マンガン、及び、３〜５重量％の酸化銅(II) を含むことができ、形成した溶接ビードのアスペクト比を向上させることができる。
なお、酸化ニッケル(II)及び二酸化マンガンがタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスにおいて１５〜２０重量％を占めることで、得られた溶接ビードにおけるフェライト含有量及びオーステナイト含有量の割合を良好に維持し、二相ステンレス鋼の優れた腐食耐性を維持することができる。
また、タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスの粉末粒子の粒径を５０〜９０μｍとすることで、二相ステンレス鋼用フラックスの粉末粒子の混合均一性を向上させ、二つのワークの表面に二相ステンレス鋼用フラックスをより均一に塗布し易くするだけでなく、溶接する際に二相ステンレス鋼用フラックスが溶接の熱源で熔融し易くなるので、溶接ビードの溶込み深さを深くすることができる。

図１に示されるように、溶接する前に、操作者は、二つのワーク１、１’の側縁１１、１１’を当接させ、ブラシＢで二相ステンレス鋼用フラックス２を二つのワーク１、１’が当接する箇所に塗布し、塗布完了後に後続の溶接工程を行うことができる。

また、図２ａ〜図２ｄに示されるように、二相ステンレス鋼用フラックスは、充填金属Ｆと共に、フラックスを含む充填金属３として製作することができ、さらにタングステン不活性溶接による溶接工程に用いることができる。
フラックスを含む充填金属３は、二相ステンレス鋼用フラックス２を中空棒状の充填金属Ｆの内部に充填することで形成しても良く（図２ａ）、二相ステンレス鋼用フラックス２で中実棒状の充填金属Ｆの外部を囲むように覆うことで形成しても良い（図２ｂ）。
また、充填金属Ｆをシート状に圧延することで二相ステンレス鋼用フラックス２をくるんでも良く（図２ｃ）、或いは、充填金属Ｆは、ステンレス鋼用フラックス２をくるんだ後に少なくとも一つの延伸端３１を形成して、フラックスを含む充填金属３の内部に入り込んでも良い（図２ｄ）。
フラックスを含む充填金属３を使用することで、人力で二相ステンレス鋼用フラックスを塗布する不便さを省くことができ、且つ、溶接に係る自動化生産に応用できるため、生産効率を大幅に向上させることができる。

図３ａに示されるように、操作者が上記フラックスを含む充填金属３を使用する際、タングステン電極Ｅを合わせて用いて、充填金属Ｆ及び二相ステンレス鋼用フラックス２を共に二つのワーク１、１’の側縁１１、１１’の間に熔融させて溶融池を形成し、溶融池が冷却し固化した後に溶接ビードを形成する。
図３ｂに示されるように、形成した溶接ビード１２は、溶込み深さが深く、幅が狭く、かつアスペクト比が大きい形態となる。

本発明に係るタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスは、確実に二相ステンレス鋼の溶接に応用されることができ、二つのワークを溶接物に形成させ、かつ、形成した溶接ビードのアスペクト比を向上させ、溶接ビードにおけるフェライト含有量及びオーステナイト含有量の割合を良好に維持できることを証明するために、以下の試験を行った。

本試験では、ワークとして厚さが５．５ｍｍであるＵＮＳＳ３２２０５二相ステンレス鋼板を選択し、表１に示される二相ステンレス鋼用フラックス（メタノール、アセトン、或いは、イソプロパノールなどの揮発性有機溶媒で調製したスラリー状混合物）を二つのワークの表面に塗布し、揮発性有機溶媒が完全に揮発すれば溶接を行うことができる。
なお、Ａ０組は、フラックスを塗布しない状態で直接にタングステン不活性溶接を行ったものである。

表１、各組の二相ステンレス鋼用フラックスの組成割合

溶接後に各組の溶接物の横断面を取得し、溶接ビードの溶込み深さ、幅及びアスペクト比を計算し、フェライト含有量を計測することで、溶接ビードの顕微鏡組織含有量（フェライト含有量／オーステナイト含有量）百分率を計算した結果を表２に示す。

表２、各組の溶接ビードのアスペクト比及びその顕微鏡組織含有量百分率

上記の結果によると、二相ステンレス鋼用フラックスを使用することで、形成した溶接ビードのアスペクト比を向上させる（＞０．８）ことは確実であり、且つ、得られたフェライト含有量及びオーステナイト含有量は、それぞれ約５０％を占めるという良好な割合に維持することができる。

以上により、本発明のタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスは、特定の配合比を成す二酸化ケイ素、酸化クロム(III)、三酸化モリブデン、酸化ニッケル(II)、酸化鉄(II)、四酸化三コバルト、二酸化マンガン、及び、酸化銅(II)により、二相ステンレス鋼の溶接に応用される際に形成した溶接ビードのアスペクト比を向上させることができ、溶接の際に発生する熱変形量及び残留応力を低減できるだけでなく、厚さが３ｍｍを超えるワークを溶接する際に開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程を省くことができ、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程による機械的強度の低下及び熱影響部が広すぎるという問題を避け、開先加工の工程及びそれに続く複数回の溶接工程で増えた生産時間及び製造コストを低減できる効果を有する。

本発明は、その精神と必須の特徴事項から逸脱することなく他のやり方で実施することができる。
従って、本明細書に記載した実施形態は、例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１・・・ワーク
１’ ・・・ワーク
１１・・・側縁
１１’・・・側縁
１２・・・溶接ビード
２・・・フラックス
３・・・フラックスを含む充填金属
３１・・・延伸端
９・・・ワーク
９’ ・・・ワーク
９１・・・側縁
９１’・・・側縁
９２・・・斜面
９２’・・・斜面
９３・・・溶接ビード
Ｂ・・・ブラシ
Ｅ・・・タングステン電極
Ｆ・・・充填金属
Ｍ・・・フライス
Ｗ・・・従来の溶接棒

Claims

２５〜３５重量％の二酸化ケイ素、２０〜２５重量％の酸化クロム(III)、１０〜２０重量％の三酸化モリブデン、１０〜１５重量％の酸化ニッケル(II)、５〜１０重量％の酸化鉄(II)、５〜１０重量％の四酸化三コバルト、５〜１０重量％の二酸化マンガン、及び、３〜５重量％の酸化銅(II)を含む、タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックスであって、
前記二相ステンレス鋼用フラックスの粉末粒子の粒径が、５０〜９０μｍであることを特徴とする、タングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックス。
前記酸化ニッケル(II)及び前記二酸化マンガンの合計含有量が、前記二相ステンレス鋼用フラックスにおいて１５〜２０重量％を占めていることを特徴とする請求項１に記載のタングステン不活性溶接に用いられる二相ステンレス鋼用フラックス。