JP7231477B2 - フラックス入りワイヤ、溶接方法及び溶接金属 - Google Patents
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Description
また、特許文献2では、低電流から中電流の溶接電流範囲において、スパッタ発生量が少なく、全姿勢での溶接性および靱性が良好なフラックス入りワイヤが開示されている。なお、特許文献2において低電流から中電流の溶接電流範囲とは70~300A程度である。
特許文献3においても、低電流から中電流の溶接電流範囲)において、全姿勢溶接作業性が良好で、靱性が良好なフラックス入りワイヤが開示されている。なお、特許文献3において低電流から中電流の溶接電流範囲とは50~300A程度である。
[1]正極性の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であって、
前記フラックス入りワイヤのフラックスは1種又は数種の金属化合物粉を含有し、
前記金属化合物粉を構成する1種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たす、フラックス入りワイヤ。
1.00≦Φ≦-0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ=Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal・・・×Φm nm/ntotal
式中、Dはワイヤ径(mm)、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値(eV)、Φ1~Φm(mは自然数)はm種の安定化合物の各仕事関数(eV)、n1~nmは前記m種の安定化合物となるm種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量(mol/g)、ntotalは前記m種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量(mol/g)をそれぞれ意味する。
[2]前記安定化合物が酸化物又は酸化物の混合物である、前記[1]に記載のフラックス入りワイヤ。
[3]前記安定化合物の仕事関数が、いずれも4.0eV以下である、前記[1]又は[2]に記載のフラックス入りワイヤ。
[4]前記金属化合物粉は1種又は数種の金属フッ化物粉を含み、
前記金属化合物粉に含まれる金属酸化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して0.5質量%以下である、前記[1]~[3]のいずれか1に記載のフラックス入りワイヤ。
[5]沸点1600℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で1.0×10-4mol/g以上含有する、前記[1]~[4]のいずれか1に記載のフラックス入りワイヤ。
[6]純Fe、Fe基合金又はNi基合金を外皮とする、前記[1]~[5]のいずれか1に記載のフラックス入りワイヤ。
[7]前記[1]~[6]のいずれか1に記載のフラックス入りワイヤを用いた溶接により形成された溶接金属。
[8]前記[1]~[6]のいずれか1に記載のフラックス入りワイヤとシールドガスを用いた溶接方法。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤ(以下、単に「ワイヤ」とも言う。)は、正極性のガスシールドアーク溶接に用いられるものであって、筒状を呈する外皮と、その外皮の内側に充填されたフラックスとで構成される。なお、正極性とは、電極側がマイナス、母材側がプラスの電極配置である。
尚、フラックス入りワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。また、フラックス入り溶接ワイヤは、外皮の外側であるワイヤ表面に銅メッキを施されていても施されていなくてもよい。外皮の材質は特に問わず、軟鋼でもステンレス鋼でもNi基合金でもよく、その溶着金属はFe基でもNi基でも特に問わず、本発明の特徴が満たされていれば特に制限は無い。
前記金属化合物粉を構成する1種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たすことを特徴とする。
1.00≦Φ≦-0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ=Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal・・・×Φm nm/ntotal
式中、Dはワイヤ径(mm)、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値(eV)、Φ1~Φm(mは自然数)はm種の安定化合物の各仕事関数(eV)、n1~nmは前記m種の安定化合物となるm種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量(mol/g)、ntotalは前記m種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量(mol/g)をそれぞれ意味する。
一般的なフラックス入りワイヤは逆極性(以下、「DCEP」とも記す。)のガスシールドアーク溶接に好適であることが知られている。なお、逆極性とはワイヤを陽極、母材を陰極とする電極配置である。例えば、ワイヤ径(D)が1.2mmの一般的な酸化チタン系フラックス入りワイヤのDCEP-200Aでのワイヤ送給速度は8.4m/分であった。一方で、特許文献2に記載のフラックス入りワイヤ(Al含有量2.3重量%、Mg含有量0.6重量%、BaF2含有量3重量%、Zr含有量0.1重量%、フラックス充填率13重量%、ワイヤ径1.2mm)を試作して実験を行ったところ、正極性とした場合のDCEN-200Aのワイヤ送給速度は5.3m/分であり、同一電流におけるワイヤ送給速度が実に37%も低下することがわかった。このように、従来技術で開示されるワイヤは、一般的な酸化チタンを多く含有するフラックス入りワイヤと比較して、同一の溶接電流に対しワイヤ送給速度が著しく低いことが見出され、同一入熱での施工能率が悪く、実施工における溶接コストに大きく影響すると言える。
以上のような背景に鑑み、本発明は正極性が適用されるフラックス入りワイヤを対象とし、ワイヤ溶融特性に重要な影響を及ぼす因子およびそのメカニズムを明らかにしたものである。
Je=A0T2exp(-eVw/kT)
Je:熱電子放出による電流密度[A/cm2]、A0:リチャードソン定数(120.4[A/cm2・K2])、T:絶対温度[K]、e:電気素量(1.602×10-19[C])、Vw:仕事関数[eV]、k:ボルツマン定数(1.381×10-23[J/K])
フラックス入りワイヤのワイヤ外皮は被溶接材となる母材の種類と目的とする継手性能によって制約を受け、多くの場合は鋼である。鋼は融点が約1770Kであるので、Richardson-Dushmannの式で示される熱電子を固体もしくはワイヤ先端から離脱前の溶滴温度で賄うことは、酸化チタンを多く含有する一般的なフラックス入りワイヤに含まれる組成(酸化チタン(Vw:3.87eV)、酸化ケイ素(Vw:5.00eV)(ゲ・ヴェ・サムソノフ、遠藤訳、最新酸化物便覧:物理的科学的性質、日・ソ通信社(1979)参照)、鉄および合金元素等)では不可能である。
そこで本発明では、フラックスとして潜在的に低仕事関数となり得る物質を含有させ、熱電子放出を活発にすることで、フラックス入りワイヤも熱陰極に成り得ると考えた。潜在的に低仕事関数となり得る物質としてBaF2(以下「フッ化バリウム」とも記す。)が挙げられる。フッ化バリウムは高温の酸素存在下でフッ素が遊離するとともに、バリウムは酸素との親和性が高いために、酸化バリウムを発生する。この酸化バリウムは仕事関数が0.99eVと非常に低いことから、容易に熱陰極性が成立することが判った。
したがって、ワイヤを正極性で用いると、溶融金属部と、安定化合物部のうち、仕事関数が低い箇所が陰極点となり、アークが発生する。これに対し溶融金属部は、仕事関数が比較的高い(例えば、鉄(Vw:4.67~4.81eV)、Ni(Vw:5.04~5.35eV)(CRC Handbook of Chemistry and Physics、78版、CRC Press(1998)参照))ために安定した陰極点には成り得ず、正極性のアーク溶接における安定性は、安定化合物の性質に大きく依存することとなる。
上記を踏まえ、本発明は、陰極点として作用する安定化合物の仕事関数を制御することによって、ワイヤ送給速度の低下を抑え、かつ安定した熱陰極性を維持することで、優れたアーク安定性を有するワイヤを提供するものである。
安定化合物の仕事関数の制御を説明するにあたって、まず、以下の1.及び2.を仮定した。
1.安定したMAG(metal active gas)溶接における溶滴表面温度は2300K程度であり(山崎ら、赤外線二色放射測温法による溶融池表面温度測定、溶接学会論文集、Vol.27(2009)参照)、これを基準とする。
2.アーク発生部の面積がワイヤ断面積と一致する。
次に、ワイヤ先端からのアーク放電を想定し、安定化合物に想定される仕事関数と、それに応じた2300Kにおける熱電子による電流との関係を、Richardson-Dushmannの式から求めた。計算はワイヤ径(D)1.0~2.0mmの範囲において行った。
y≦-0.0908x2+0.5473x+1.547
式中、x:ワイヤ径(mm)、y:安定した熱陰極性が得られる金属安定化合物の仕事関数値を表す。
その結果、ワイヤに含まれる1種または数種の金属化合物粉を構成するm種の金属元素に対し、高温環境下におけるm種の安定化合物の仕事関数を、各金属元素のモル分率によって重み付けした相乗平均値(Φ)とワイヤ送給速度とが図4に示すようによく相関することから、この値が安定化合物の仕事関数として代用できると考えた。なお、安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値とは、下記式で表されるものである。
Φ=Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal・・・×Φm nm/ntotal
式中、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値(eV)、Φ1~Φm(mは自然数)はm種の安定化合物の各仕事関数(eV)、n1~nmは前記m種の安定化合物となるm種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量(mol/g)、ntotalは前記m種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量(mol/g)をそれぞれ意味する。
低沸点物質としては、沸点が1600℃以下である金属粉や無機化合物粉が挙げられ、具体的には、Li、Mg、Zn、AlF3等が考えられる。金属の場合は、合金であっても蒸発は十分見込めるので、Al-Li合金、Al-Mg合金等の金属粉による添加でもよい。また、ここでの無機化合物粉とは、前記金属化合物粉のうち、沸点が1600℃以下のものも含む。
爆発力はガス化後の体積によって決定される為、低沸点物質の合計の含有量は、ワイヤ全質量当たりの物質量で1.0×10-4mol/g以上が好ましい。
上記メカニズムを反映し、想到した本実施形態に係るフラックス入りワイヤの組成について、以下、詳細を説明する。なお、各成分の規定は特に明文化しない限り、ワイヤ(外皮+フラックス)に含まれる各成分の質量をワイヤの全質量に対する割合(%)で規定するものとする。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、正極性のガスシールドアーク溶接に用いられ、フラックスは1種又は数種の金属化合物粉を含有し、前記金属化合物粉を構成する1種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たすことを特徴とする。
1.00≦Φ≦-0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ=Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal・・・×Φm nm/ntotal
式中、Dはワイヤ径(mm)、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値(eV)、Φ1~Φm(mは自然数)はm種の安定化合物の各仕事関数(eV)、n1~nmは前記m種の安定化合物となるm種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量(mol/g)、ntotalは前記m種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量(mol/g)をそれぞれ意味する。
硫化物である場合、1500~1600℃において前記硫化物の標準生成ギブスエネルギーが-80kcal/molS2以下となる、硫黄との親和性が高い元素に係る硫化物を言う。なお、硫黄との親和性が高い元素に係る硫化物とは安定硫化物又は安定複合硫化物とも言う。
窒化物である場合、1500~1600℃において前記窒化物の標準生成ギブスエネルギーが-50kcal/molN2以下となる、窒素との親和性が高い元素に係る窒化物を言う。なお、窒素との親和性が高い元素に係る窒化物は、安定窒化物又は安定複合窒化物とも言う。
炭化物である場合は、1500~1600℃において前記炭化物の標準生成ギブスエネルギーが-20kcal/molC以下となる、炭素との親和性が高い元素に係る炭化物を言う。なお、炭素との親和性が高い元素に係る炭化物は安定炭化物又は安定複合炭化物とも言う。
なお、多くの元素は酸化物の形態が最も安定な状態である場合が多く、かつ安定酸化物は比較的仕事関数が低い性質をもつ。よって、安定化合物の制御のし易さ、仕事関数の観点から、安定化合物は安定酸化物又は安定複合酸化物であることが好ましい。
ここで、例えばフラックスに含まれる金属化合物粉がBaF2:CaF2:AlF3=2.4:0.4:0.7(質量比)である場合(後述する実施例2に相当)、構成する金属元素は3種(m=3)であり、それらの比はBa:Ca:Al=0.52:0.18:0.30(モル分率)となる。また、これらの安定化合物はそれぞれBaO(仕事関数0.99eV)、CaO(仕事関数1.77eV)、Al2O3(仕事関数3.90eV)であることから、その重み付け相乗平均値(Φ)は(0.990.52×1.770.18×3.900.30)=1.66eVとなる。
金属フッ化物粉としては、BaF2、SrF2、CaF2、AlF3等が挙げられる。
BaF2は、正極性のガスシールドアーク溶接において、陰極点が安定し、アークを安定化させることによってスパッタ発生量を減らすことができる。BaF2の含有量は1.0%以上が好ましく、1.2%以上がより好ましい。
また、BaF2の含有量を4.5%以下とすることで、ワイヤ溶融部における仕事関数の過度な低下を抑制し、高溶着性能を維持できる。また、高溶着性能をより高めることができる点からBaF2の含有量は4.0%以下が好ましく、3.0%以下がより好ましい。
また、SrF2、CaF2及びAlF3からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましく、それらの合計の含有量は0.1%以上が高溶着性能維持の点から好ましく、0.3%以上がより好ましい。
フッ化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量%で2%超が陰極点の安定化の点から好ましく、2.5%以上がより好ましい。また、フッ化物粉の合計の含有量は6%以下が溶滴移行の安定化の点から好ましく、5%以下がより好ましく、4.5%以下がさらに好ましい。
金属フッ化物粉以外の金属化合物粉としては、金属酸化物粉、金属炭酸塩粉、金属窒化物粉等が挙げられる。
フラックスには金属粉が含まれていてもよく、金属粉は単体の金属粉であっても合金の金属粉であってもよく、含まれる金属粉は1種でも複数でもよい。
金属粉を構成する金属元素は、Fe、Mn、Si、Al、Mg、Zr、C、Ni、Li、Zn、Cr等が挙げられる。中でも、沸点が1600℃以下の金属粉を含むことが好ましく、沸点が1300℃以下の低沸点金属粉を含むことがより好ましい。低沸点金属粉としては、例えばLi、Mg、Zn等が挙げられるが、Mg粉、Zn粉がより好ましく、Mg粉がさらに好ましい。
また、合金の形態としてはFe-AlやAl-Mg、Fe-Mn、Fe-Si-Mn等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
フラックスには無機化合物粉が含まれていてもよく、沸点が1600℃以下の無機化合物粉が含まれることが好ましく、沸点が1300℃以下の無機化合物粉がより好ましい。無機化合物粉は、金属元素の化合物粉でもホウ素等の非金属元素の化合物粉でもよい。なお、前記金属化合物粉は、金属元素の化合物粉として、無機化合物粉に含まれるものである。
沸点が1600℃以下の無機化合物粉としては、上記金属フッ化物粉の中ではAlF3、KF等が該当する。また、フッ化物以外の無機化合物粉としては、SB2O3等が挙げられる。
その他、本発明の効果を損なわない範囲で、他の成分がフラックスに含まれていてもよい。
本実施形態に係るワイヤに含まれる任意成分とは、フラックスまたは外皮に純金属、合金、又は酸化物、炭化物、窒化物等の化合物の形態で添加される。
任意成分は、必要とする溶接金属の機械的性能や溶接施工条件に合わせて、所定量のC、Si、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V、Cr、Ti、N、S、P、B、Cu、Ta、REM(希土類元素)等を含有してもよい。また、必要に応じて、アルカリ金属またはその化合物を含有してもよい。
なお、鉄基とする場合は残部がFeおよび不可避的不純物で構成されることが好ましい。
具体的な好ましい態様は以下のとおりである。また、これら元素は必ずしも含有していなくともよい。
不純物とは、意図的に添加しないものを意味し、上記以外の元素として、例えばSn、Co、Sb、As等が挙げられる。また、前記元素が酸化物として含まれる場合には、Oも残部に含まれることとなる。不純物の含有量は合計で0.5%以下が好ましく、0.3%以下がより好ましい。
具体的な好ましい態様として、Ni、Cr、Mo、Nb、N以外の元素は、上記軟鋼用、高張力鋼用、低温鋼用、耐候性鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤの合金成分の組成と同様である。
具体的な好ましい態様として、Fe、Co以外の元素は、ステンレス鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤの合金成分の組成と同様である。
一方、多量のフラックスを少量の外皮で包み込むためには、肉厚の薄い外皮材を使用すればよいものの、外皮材が極度に薄い場合には、ワイヤの伸線工程で外皮材が破れ、ワイヤが破断することが懸念される。そのため、ワイヤ中のフラックス含有率は20%以下が好ましく、18%以下がより好ましい。
ワイヤの断面形状についても特に限定されず、外皮に合わせ目があるタイプのワイヤや、当該合わせ目のないシームレスタイプ等に用いることができる。また、シームレスタイプの場合は表面にCu等のめっき処理を施してもよい。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、従来と同様の方法で製造することができ、特に限定されない。例えば、外皮内にフラックスを充填する。その際、外皮の組成、フラックスの組成及び含有率が各々前述した範囲になるよう適宜調整する。次いで、外皮内にフラックスが充填されたワイヤを、圧延、もしくは伸線することにより縮径し、所定の外径を有するフラックス入りワイヤを得ることができる。
本実施形態に係る溶接方法は、正極性の上記フラックス入りワイヤとシールドガスを用いたガスシールドアーク溶接である。
シールドガスは特に限定されず、一成分のみの単一のシールドガスを用いても、2種以上の混合ガスを用いてもよい。例えば、活性ガス成分であるCO2ガスを60体積%以上含むことが好ましく、また、不活性ガス成分であるArガスを60体積%以上含むことも好ましい。
その他、溶接に際し、溶接電流、溶接電圧、溶接速度、溶接姿勢、シールドガス流量等を適宜調整して決定する。
本実施形態に係る溶接金属は、上記フラックス入りワイヤを用いた溶接により形成される。溶接される母材は、軟鋼、高張力鋼、低温鋼、ステンレス鋼若しくはNi基合金等、通常用いられるものを使用することができる。
溶接により形成された溶接金属の組成は、母材やワイヤの組成や、シールドガスの種類等の溶接条件によって異なることから一様に定義することはできないが、ワイヤ送給速度が速く、同一入熱での施工能率に優れる。
(高溶着性評価)
下記に示す溶接条件により溶接を行い、溶接中のワイヤ送給速度の測定により高溶着性評価を行った。
ワイヤ送給速度は、比較例1のフラックス入りワイヤを用いた際のワイヤ送給速度3.69(m/分)を基準として評価を行ったが、その改善率が5%以上であると、高溶着性能を有するといえる。なお、改善率とは比較例1のワイヤ送給速度に対する増加割合を示す。
溶接電流:240A
溶接電圧:適正(20~23Vとする。)
溶接速度:30cm/分
溶接姿勢:下向き、ビードオンプレート
チップ-母材間距離:15mm
シールドガス:CO2ガス100%
ガス流量:25L/分
母材:SM490A(溶接構造用圧延鋼材)
表1~3に示す組成を有するフラックス入りワイヤを用いて、上記溶接条件により溶接試験を実施した。なお、フラックスの組成において、酸化物及び炭酸塩は積極的添加がされておらず、ワイヤ全質量に対する含有量はいずれも、すべてのフラックス入りワイヤにおいて、0.5%以下であった。
また、仕事関数の重み付け相乗平均値とワイヤ送給速度との関係を図4に示すが、図4中の■は比較例1の結果を示し、◆は実施例の結果を示すものである。
Claims (6)
- 正極性の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であって、
前記フラックス入りワイヤのフラックスは1種又は数種の金属化合物粉を含有し、
前記金属化合物粉は1種又は数種の金属フッ化物粉を含み、
前記金属フッ化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量%で2%超4.5%以下であり、
前記フラックスは、沸点1600℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で1.0×10 -4 mol/g以上含有し、
前記金属化合物粉を構成する1種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たし、
前記安定化合物の仕事関数が、いずれも4.0eV以下であり、
前記安定化合物は、酸化物、炭化物、硫化物及び窒化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の化合物であり、
前記酸化物は、1500~1600℃における標準生成ギブスエネルギーが-150kcal/molO 2 以下であり、
前記炭化物は、1500~1600℃における標準生成ギブスエネルギーが-20kcal/molC以下であり、
前記硫化物は、1500~1600℃における標準生成ギブスエネルギーが-80kcal/molS 2 以下であり、
前記窒化物は、1500~1600℃における標準生成ギブスエネルギーが-50kcal/molN 2 以下である、フラックス入りワイヤ。
1.00≦Φ≦-0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ=Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal・・・×Φm nm/ntotal
式中、Dはワイヤ径(mm)、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値(eV)、Φ1~Φm(mは自然数)はm種の安定化合物の各仕事関数(eV)、n1~nmは前記m種の安定化合物となるm種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量(mol/g)、ntotalは前記m種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量(mol/g)をそれぞれ意味する。 - 前記安定化合物が酸化物又は酸化物の混合物である、請求項1に記載のフラックス入りワイヤ。
- 前記金属化合物粉に含まれる金属酸化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して0.5質量%以下である、請求項1又は2に記載のフラックス入りワイヤ。
- 純Fe、Fe基合金又はNi基合金を外皮とする、請求項1~3のいずれか1項に記載のフラックス入りワイヤ。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載のフラックス入りワイヤを用いた溶接により形成された溶接金属。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載のフラックス入りワイヤとシールドガスを用いた溶接方法。
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