JP6999461B2 - 高酸化チタン系被覆アーク溶接棒 - Google Patents

Description

本発明は、溶接作業性の諸性能を確保すると共に、薄鋼板の溶接においても、安定したアーク状態が得られ、ビード外観が良好な高酸化チタン系被覆アーク溶接棒に関するものである。

高酸化チタン系被覆アーク溶接棒は、他の各種被覆アーク溶接棒に比べて、アークがソフトで安定性が優れ、美麗なビード外観が得られ、スパッタ発生量が少ないため、ビード外観を重要視する薄板を主とした溶接構造物に広く利用されている。また高酸化チタン系被覆アーク溶接棒は、ライムチタニヤ系やイルミナイト系被覆アーク溶接棒に比べ、垂直部の立向下進溶接が可能なため、作業能率に優れる特徴も有している。

しかし、被覆アーク溶接の特性上、工場内溶接や現場溶接などにおいて、様々な溶接電源、溶接姿勢、板厚で用いられることが多く、特に低電流で溶接を行った場合、アークが不安定になりビード外観が悪化しやすい傾向がある。このため、補修溶接やグラインダー研削等での手直しを行うので、作業能率の低下を招いてしまうという問題点がある。

このため、高酸化チタン系被覆アーク溶接棒の作業能率の向上を図るために、従来より種々の提案がされている。例えば、特許文献１には、高酸化チタン系被覆アーク溶接棒の鋼心線の化学成分を規定し、溶接棒の溶着速度を速めることで作業能率を向上させる技術が開示されている。しかし、この特許文献１の開示技術では、低電流では良好なビード外観が得られないという問題点があった。

また、特許文献２には、ＴｉＯ₂又はＳｉＯ₂を主成分とする被覆アーク溶接棒において、被覆剤中の酸化鉄等を限定することで耐ブローホール性を良好にする技術が開示されている。さらに、特許文献３では、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＣａＣＯ₃及び／もしくはＭｇＣＯ₃を主成分とする被覆アーク溶接棒において、有機物、ＭｎＯの含有量を規定することで、傾斜した全ての溶接姿勢での作業性を向上させる技術が開示されている。しかし、この特許文献２及び特許文献３の開示技術も、共に低電流では良好なビード外観が得られないという問題点があった。

特開平１－２３３０９２号公報 特開昭５９－１３９５３号公報 特開昭５９－１５７５５号公報

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、溶接作業性等の諸性能を確保すると共に、特に低電流での溶接においても良好なビード外観が得られる高酸化チタン系被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、
（１）鋼心線に被覆剤が被覆されている高酸化チタン系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：３０～５５％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１０～３０％、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：２～８％、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：１～８％、Ｎａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値の合計：１～３％、Ｋ酸化物のＫ₂Ｏ換算値の合計：０．５～２．７％、有機物の１種又は２種以上の合計：３～８％、Ｍｎ：３～９％、Ｃ：０．０１～０．５％、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．１～５％を含有し、残部が塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする高酸化チタン系被覆アーク溶接棒。

本発明の高酸化チタン系被覆アーク溶接棒によれば、溶接作業性等の諸性能を確保すると共に、特に低電流での溶接においても良好なビード外観、ビード形状が得られるので、溶接作業能率の向上に大いに貢献できる。

本発明者らは、上述した課題を解決するために、高酸化チタン系被覆アーク溶接棒を作製し、低電流での溶接作業性とビード外観について詳細に調査した。その結果、低電流域での溶接では、アークが弱く不安定になりやすいので、溶融地を被包する溶融スラグの被包状態が不均一で、溶融スラグが溶接中の溶接棒先端に絡みやすく、ビード外観が不均一になることを突き止めた。

そこで、高酸化チタン系被覆アーク溶接棒の特徴である優れたビード外観やビード形状、アーク安定性、立向下進溶接性等の溶接作業性及び溶着金属の機械性能を維持しながら低電流でのビード外観を改善する方法を種々検討した結果、被覆剤中にＭｎを適量添加することで必要な溶着金属の機械性能を確保し、Ｔｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｎａ酸化物、Ｋ酸化物、有機物を適量添加することでアーク安定性を向上させてスパッタ発生量を低減し、Ｔｉ酸化物を適量添加することでビード外観やビード形状を良好にし、金属炭酸塩、有機物及びＭｎを適量添加することでブローホール等の溶接欠陥を防止できることを見出した。

また、低電流域での優れたアーク安定性と良好なビード外観は、Ｔｉ酸化物、Ｋ酸化物を適量添加することでアーク安定性を向上させ、溶融スラグの粘性を適正にすることで、溶接中の溶接棒先端へのスラグの絡みを防止することを見出した。

また、Ｃを適量添加することで、アークの吹付けを強くしてアーク安定性をさらに良好にし、Ｆｅ酸化物の添加量を制限することによってさらにスラグの流動性を改善させ、ビード外観が良好になることも見出した。

以下、本発明における高酸化チタン系被覆アーク溶接棒の被覆剤の成分組成と、その成分組成の限定理由について詳細に説明する。なお、各成分組成の含有量は、被覆剤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％と記載することとする。

［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：３０～５５％］
Ｔｉ酸化物は、ルチール、酸化チタン、イルミナイト、ルコクシン、チタン酸ソーダ、チタンスラグ等から添加され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びビード外観やビード形状を改善する効果を有する。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が３０％未満であると、アークが不安定になるとともに、スラグ流動性が悪くなってビード形状や外観が不良となる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計が５５％を超えると、スラグが緻密になってスラグ剥離性が不良となる。したがって、被覆剤中のＴｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計は３０～５５％とする。

［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１０～３０％］
Ｓｉ酸化物は、珪砂、長石、水ガラス等から添加され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びスラグ剥離性を改善する効果を有する。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が１０％未満であると、アークが弱く不安定になるとともに、生成したスラグのガラス質が少なくなり、スラグ剥離性が不良になる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計が３０％を超えると、スラグの粘性が高くなってビード形状が不良となる。したがって、被覆剤中のＳｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計は１０～３０％とする。

［Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：２～８％］
Ａｌ酸化物は、アルミナ、長石、珪砂、マイカ等から添加され、アークを安定にする効果を有する。Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が２％未満では、アークが弱く不安定となる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計が８％を超えると、スラグ剥離性が不良となる。したがって、被覆剤中のＡｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計は２～８％とする。

［金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：１～８％］
金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン、炭酸リチウム等から添加され、アーク中で分解してＣＯ₂ガスを発生させて溶着金属を大気から遮蔽して保護する効果を有する。金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が１％未満であると、シールド効果が不足してブローホールが発生しやすくなる。一方、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が８％を超えると、アークが強く不安定になり、スパッタ発生量も増加し、スラグ剥離性も悪くなる。したがって、被覆剤中の金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計は１～８％とする。

［Ｎａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値の合計：１～３％］
Ｎａ酸化物は、水ガラス中の珪酸ソーダ、ソーダ長石等から添加され、アーク安定性を改善する効果を有する。Ｎａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値が１％未満では、アークが不安定になる。一方、Ｎａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値が３％を超えると、アークの吹き付けが強くなりすぎ、スパッタ発生量も増加し、ビード形状が不良になる。したがって、被覆剤中のＮａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値は１～３％とする。

［Ｋ酸化物のＫ₂Ｏ換算値の合計：０．５～２．７％］
Ｋ酸化物は、水ガラス中の珪酸カリウム、カリ長石、カリガラス等から添加され、アーク安定性を改善する効果を有する。Ｋ酸化物のＫ₂Ｏ換算値の合計が０．５％未満では、アークが不安定になる。一方、Ｋ酸化物のＫ₂Ｏ換算値の合計が２．７％を超えると、スラグの粘性が低下しスラグが溶接棒先端に絡みやすくなり、ビード外観が劣化する。したがって、被覆剤中のＫ酸化物のＫ₂Ｏ換算値は０．５～２．７％とする。

［有機物の１種又は２種以上の合計：３～８％］
有機物は、セルロース、デキストリン、小麦粉、澱粉、コーンスターチ等から添加され、アーク中で分解してＣＯ₂ガスを発生させて溶着金属を大気から遮蔽して保護する効果を有する。またアーク安定剤として作用する。有機物の１種又は２種以上の合計が３％未満であると、シールド効果が不足してブローホールが発生しやすくなり、またアークも弱く不安定となる。一方、有機物の１種又は２種以上の合計が８％を超えると、アークが強くなりすぎアークが不安定になって、スパッタ発生量も増加する。また有機物の１種又は２種以上の合計が８％を超えると、被覆剤が赤熱して棒焼けが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の有機物の１種又は２種以上の合計は３～８％とする。

［Ｍｎ：３～９％］
Ｍｎは、金属Ｍｎ、Ｆｅ－Ｍｎ等から添加され、脱酸剤として添加する他、溶着金属の強度及び靭性向上に有効である。Ｍｎが３％未満では、脱酸不足となり、ブローホールが発生しやすくなり、また溶着金属の強度及び靭性が低下する。一方、Ｍｎが９％を超えると、溶着金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。したがって、被覆剤中のＭｎは３～９％とする。

［Ｃ：０．１～０．５％］
Ｃは、Ｆｅ－Ｍｎから添加され、アークの吹き付けを強くしアークを安定にする効果を有する。Ｃが０．１％未満では、アークが弱く不安定となる。一方、Ｃが０．５％を超えると溶着金属の強度が過剰に高くなり、靭性が低下する。したがって、被覆剤中のＣは０．１～０．５％が好ましい。

［Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計：１～５％］
Ｆｅ酸化物は、酸化鉄、ミルスケール、イルミナイトから添加され、スラグの流動性を調整してビード外観をさらに良好にする効果がある。Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が１％未満であるとビード外観を良好にする効果が得られない。一方、Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が５％を超えると、かえってスラグの流動性が劣化し、スラグ剥離性が不良となる。従って被覆剤中のＦｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計は、１～５％が好ましい。

なお、本発明を適用した高酸化チタン系被覆アーク溶接棒の被覆剤における残部には、塗装剤としてアルギン酸ソーダ、マイカ等の１種以上を合計で６％以下含有することができ、その他はＦｅ－Ｍｎ等の鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物である。

また、使用する軟鋼心線は、ＪＩＳ Ｇ３５２３ ＳＷＹ１１を用いることが好ましい。さらに、軟鋼心線中のＣは、軟鋼心線全質量に対する質量％で０．０５～０．０８％、被覆アーク溶接棒全質量に対する質量％で、軟鋼心線と被覆剤の合計でＣは０．０６～０．２０％、Ｐは靭性が低化するので０．０１０％以下であることが好ましい。また、被覆剤の軟鋼心線への被覆率（アーク溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％）は、２５～４０％であることが好ましい。

本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

表１に示す各種成分組成の被覆剤を直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩＳ Ｇ３５２３ ＳＷＹ１１の軟鋼心線（軟鋼心線全質量に対して、Ｃ:０．０６質量％、Ｓｉ:０．０１質量％、Ｍｎ:０．４８質量％、Ｐ:０．００９質量％、Ｓ:０．００５質量％）に被覆率２４％で塗装、乾燥して各種高酸化チタン系被覆アーク溶接棒を試作した。

表１に示す試作溶接棒を使用し、溶接作業性及び機械性能について調査した。

溶接作業性の評価は、板厚３．２ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１３１ ＳＰＨＣ鋼板を用い、二次側無負荷電圧が６０Ｖの小型溶接機を使用し、溶接電流６０～１３０Ａでの下向溶接を行い、アーク状態、スパッタ発生状態、スラグ剥離性、ビード外観及びビード形状、棒焼けの有無を調査した。

機械性能の評価は、板厚１６ｍｍのＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳＭ４００Ａを用い、ＪＩＺ Ｚ３１１１に準じて交流溶接機で溶着金属試験を行い、引張試験片（Ａ０号）と衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して引張試験及び衝撃試験を行った。

引張試験の評価は、引張強さが４００～５６０ＭＰａを良好とした。また、靭性の評価は、試験温度０℃でシャルピー衝撃試験を行い、各々繰り返し３回の吸収エネルギーの平均値が３０Ｊ以上を良好とした。

溶接欠陥の評価は、溶着金属試験後の試験体を、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、ブローホール及び融合不良等の有無を調査した。これらの調査結果を表２にまとめて示す。

表１及び表２中、溶接棒Ｎｏ．１～Ｎｏ．１０が本発明例、溶接棒Ｎｏ．１１～Ｎｏ．１９は比較例である。

本発明例である溶接棒Ｎｏ．１～Ｎｏ．１０は、被覆剤中のＴｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計、Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計、金属炭酸塩の合計、Ｎａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値の合計、Ｋ酸化物及びＫ₂Ｏ換算値の合計、有機物の合計、Ｍｎが適正であるので、アークが安定で、スパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性及びビード外観及びビード形状が良好であった。また、棒焼けも発生せず、ブローホール、融合不良もなく、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好で、極めて満足な結果であった。

なお、溶接棒Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．６、Ｎｏ．８及びＮｏ．１０は、Ｃを適量含むので、アークが非常に安定していた。また、溶接棒Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１０はＦｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計が適量であるので、ビード外観が非常に良好であった。

比較例中溶接棒Ｎｏ．１１は、ＴｉＯ₂換算値が多いので、スラグが緻密になってスラグ剥離性が不良となった。また、有機物の合計が多いのでアークが強くなりすぎ不安定となり、スパッタ発生量も多かった。さらに、被覆剤が赤熱して棒焼けが発生しやすくなった。

溶接棒Ｎｏ．１２は、ＴｉＯ₂換算値が少ないので、アークが不安定になるとともに、スラグ流動性が悪くなってビード外観及びビード形状が不良となった。また、Ｍｎが多いので、溶着金属の強度が高くなり、靭性が低下した。さらに、Ｃが少ないのでアークの吹付けを強くして、安定性を向上させる効果が得られなかった。また、ＦｅＯ換算値が少ないのでビード外観を良好にさせる効果が得られなかった。

溶接棒Ｎｏ．１３は、ＳｉＯ₂換算値が多いので、スラグの粘性が高くなってビード形状が不良となった。また、金属炭酸塩の合計が多いので、アークが強く不安定で、スパッタ発生量が多く、スラグ剥離性も悪くなった。

溶接棒Ｎｏ．１４は、Ｋ₂Ｏ換算値が多いので、スラグの粘性が低下しスラグが溶接棒先端に絡み、ビード外観が不良であった。また、有機物の合計が少ないので、アークが弱くなりすぎ不安定となり、シールド効果が不足してブローホールも発生した。さらに、Ｃが少ないのでアークの吹付けを強くして、安定性を向上させる効果が得られなかった。また、ＦｅＯ換算値が少ないのでビード外観を良好にさせる効果が得られなかった。

溶接棒Ｎｏ．１５は、Ａｌ₂Ｏ₃換算値が多いので、スラグ剥離性が不良となった。また、Ｋ₂Ｏ換算値が少ないので、アークが不安定になった。

溶接棒Ｎｏ．１６は、Ａｌ₂Ｏ₃換算値が少ないので、アークが弱く不安定となった。また、Ｃが多いので、溶着金属の強度が高くなり、靭性が低下した。

溶接棒Ｎｏ．１７は、Ｎａ₂Ｏ換算値が多いので、アークが強く不安定となり、スパッタ発生量が多く、ビード形状が不良になった。また、ＦｅＯ換算値が多いのでスラグ剥離性が不良となった。さらに、Ｃが少ないのでアークの吹付けを強くして、安定性を向上させる効果が得られなかった。

溶接棒Ｎｏ．１８は、金属炭酸塩の合計が少ないので、シールド効果が不足してブローホールが発生した。また、Ｎａ₂Ｏ換算値が少ないので、アークが不安定になった。

溶接棒Ｎｏ．１９は、ＳｉＯ₂換算値が少ないので、アークが弱く不安定になり、スラグ剥離性も不良であった。また、Ｍｎが少ないので、脱酸不足となり、ブローホールが発生し、溶着金属の強度及び靭性が低下した。

Claims (1)

1. 鋼心線に被覆剤が被覆されている高酸化チタン系被覆アーク溶接棒において、
   前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、
   Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値の合計：３０～５５％、
   Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値の合計：１０～３０％、
   Ａｌ酸化物のＡｌ₂Ｏ₃換算値の合計：２～８％、
   金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：１～８％、
   Ｎａ酸化物のＮａ₂Ｏ換算値の合計：１～３％、
   Ｋ酸化物のＫ₂Ｏ換算値の合計：０．５～２．７％、
   有機物の１種又は２種以上の合計：３～８％、
   Ｍｎ：３～９％、
   Ｃ：０．０１～０．５％、
   Ｆｅ酸化物のＦｅＯ換算値の合計：０．１～５％を含有し、
   残部が塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とする高酸化チタン系被覆アーク溶接棒。