JP7332946B2 - フラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法 - Google Patents

Description

本願は、フラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法に関し、詳しくは、ガスシールドアーク溶接においてビード形状を安定化することができ、特に限定するものではないが、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼の溶接に好適に用いることができるフラックス入りワイヤ、及びこれを用いた溶接継手の製造方法に関する。

ガスシールドアーク溶接は最も普及した溶接法であり、特に、高能率な溶接継手の製造を可能にすることから、鉄鋼材料の溶接に広く利用されている。また、ガスシールドアーク溶接に用いられる溶接材料（溶加材）としては、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤとに大別されるが、溶接作業性に優れて、より高い能率性が示されることから、フラックス入りワイヤが主に使用されている。

ここで、ガスシールドアーク溶接で用いられるシールドガスの役割は、溶接中に溶融金属と反応を起こさないようなガスをアークの周辺に流し、溶融金属と空気との接触を断つことである。すなわち、空気中の湿気による水素の侵入から溶融金属を護る必要があり、また、空気との反応により溶融鋼に窒素や酸素が溶解すると、気孔等の溶接欠陥の原因となってしまうことから、シールドガスとして、一般的にはアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスが用いられ、溶接性やコスト性を考慮して、更に二酸化炭素（ＣＯ_２、炭酸ガス）や酸素（Ｏ_２）を混合したものが使用される。

ところが、ガスシールドアーク溶接においては、ビード幅が広がらずにビード形状が凸の状態となってしまうことがある。このようなビード形状の凸化が起こると、ワイヤ狙い位置のずれ（溶接線の狙い位置に対するずれ）の許容範囲が小さくなり、溶接不良が起き易くなってしまう。これを防ぐために、溶接電圧を低くしてビード形状を広げることが考えられるが、その場合には溶け込み量が小さくなり、ハンピングビードのような不整ビードを生じてしまうおそれがある。

そこで、例えば、ワイヤの硫黄（Ｓ）濃度を高めることで、溶融金属に含まれるＳ濃度を多くして溶融金属の表面張力を下げると共に、パルス溶接におけるパルスピーク電流とパルスピーク期間とをそれぞれ所定の範囲に規定して、安定な溶滴移行を持続させることで、幅広かつ平坦なビード形状を得るようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、このような方法により溶接継手を製造しようとしても、パルス電源は高価であることに加えて、実際にはパルス波形の制御は難しい。また、Ｓ量を増加させると、鋼材やワイヤの他成分の影響によっては溶接金属の脆化をもたらすおそれがある。

一方で、電極を備えたアーク溶接トーチを用いて溶接を行う方法において、電極に接触させる中心ガス流とそれを取り囲む環状ガス流とを配送するようにして、その中心ガス流として２～８体積％の水素（Ｈ_２）を含んだアルゴンと水素の混合ガスを使用する方法が提案されている（特許文献２参照）。この方法においては、水素が二原子分子であるため、再結合中に放出されるエネルギーにより熱が供給され、しかも、水素は熱伝導率が高いことから、アークのエネルギーが高められて、自動ＴＩＧ溶接における高い移動速度（溶接速度）を達成できるとする。すなわち、上記のようなガスの組み合わせにより、溶融金属の体積の増加と溶接プールの温度上昇に伴う界面活性効果から溶接速度が高められ、ハンピングに関連するような欠陥をなくすことができる。

しかしながら、一般に、水素はフェライト鋼で低温亀裂（低温割れ）を引き起こすことから、この方法は、非硬化性鋼やオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に限られるとしており、また、混合ガス中の水素の含有量は厳しく制御する必要があるとしている（特許文献２の段落００４７参照）。

この低温割れについては、鋼材の化学成分、鋼材の板厚、及び溶着金属の拡散性水素量を基に、高張力鋼の溶接割れ感受性を示した指数（Ｐｃ）と予熱温度との関係が知られており（例えば非特許文献１参照）、このＰｃの値が増加するに従い、低温割れを防止するための予熱温度を高める必要がある。ところが、予熱作業は溶接施工コストの増大や作業負荷の増加を招くため、できるだけ低い温度で予熱作業を実施したり、予熱作業を低減又は不要とできるのが理想である。そのため、予熱作業により低温割れを防ぐことができるとは言え、鋼の溶接におけるシールドガスへの水素添加は溶接欠陥を招くおそれがあり、特に、合金成分の高い高強度鋼や板厚の大きい鋼材においてはこれまで禁忌とされてきた。

特許第４７５５５７６号 特許第５７９７５６０号

社団法人溶接学会（編）（2005）新版 溶接・接合技術特論 産報出版株式会社（第146頁の図2.29）

上記の背景技術に鑑み、本願は、安定した溶接形状を得ることができ、溶接金属の拡散性水素量の低減を図ることができ、例えばフェライト鋼のような水素脆化しやすい高強度鋼に対しても適用可能な溶接継手の製造方法を開示する。

また、本願は、安定した溶接形状を得ることができ、溶接金属の拡散性水素量の低減を図ることができ、例えばフェライト鋼のような高強度鋼の溶接に好適に用いることができるフラックス入りワイヤを開示する。

本願は、上記課題を解決するための手段として、以下のフラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法を開示する。
（１）鋼製外皮と、前記鋼製外皮の内部に充填されたフラックスと、を有するフラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量に対する割合での全水分量が３００ｐｐｍ以下であり、前記フラックスが弗化物を含有し、ワイヤ全質量に対する割合での前記弗化物の量がＦ換算値の合計で０．１１質量％以上２．５０質量％以下である、ことを特徴とするフラックス入りワイヤ。
（２）本開示のフラックス入りワイヤは、温度３０℃－湿度８０％雰囲気での吸湿試験における７２時間経過後のワイヤ質量の増加割合が１００ｐｐｍ以下であってもよい。
（３）本開示のフラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対する割合での全水分量が１００ｐｐｍ以下であってもよい。
（４）本開示のフラックス入りワイヤは、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に準拠して、シールドガスとしてＨ_２を体積分率で１％含有し、残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて試験を行ったときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が５．０ｍｌ／１００ｇ以下であってもよい。
（５）本開示のフラックス入りワイヤは、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に準拠して、シールドガスとしてＨ_２を体積分率で３％含有し、残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて試験を行ったときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が１２．０ｍｌ／１００ｇ以下であってもよい。
（６）本開示のフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮がシームレス形状を有していてもよい。
（７）本開示のフラックス入りワイヤは、Ｈ_２含有ガスをシールドガスとして用いたガスシールドアーク溶接に用いられてもよい。
（８）本開示のフラックス入りワイヤを用いて、引張強さが７８０ＭＰａ以上の鋼材のガスシールドアーク溶接を行うこと、を含む、溶接継手の製造方法。
（９）本開示の製造方法は、体積分率で０．０５％以上５％以下のＨ_２を含有して残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて前記ガスシールドアーク溶接を行うこと、を含んでいてもよい。

本開示の溶接継手の製造方法によれば、溶接形状が向上してビードの凸化の問題を解消することができ、しかも、溶接金属の拡散性水素量の低減を図ることができることから、水素脆化しやすい高強度鋼を溶接する場合でも、予熱作業に特段の負荷を掛けずに低温割れを防ぐことができる。

また、本開示のフラックス入りワイヤによれば、安定した溶接形状が得られ、しかも、溶接金属の拡散性水素量の低減を図ることができることから、例えばフェライト鋼のような高強度鋼の溶接に好適に用いることができる。

図１は、実施例で用いたフラックス入りワイヤのワイヤ全質量に対する割合での全水分量とワイヤ全質量に対するＦ換算値の合計との関係を示すグラフである。

１．フラックス入りワイヤ
本開示のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮と、当該鋼製外皮の内部に充填されたフラックスと、を有し、少なくとも次の（ｉ）及び（ii）の性状を有することを特徴とする。
（ｉ）ワイヤ全質量に対する割合での全水分量が３００ｐｐｍ以下であること。
（ii）フラックスが弗化物を含有し、ワイヤ全質量に対する割合での当該弗化物の量がＦ換算値の合計で０．１１質量％以上２．５０質量％以下であること。

また、本開示のフラックス入りワイヤは、上記の（ｉ）及び（ii）の性状に加えて、次の（iii）の性状を有していてもよい。
（iii）温度３０℃－湿度８０％雰囲気での吸湿試験における７２時間経過後のワイヤ質量の増加割合が１００ｐｐｍ以下であること。

１．１ 全水分量
（ｉ）に関して、フラックス入りワイヤの水分量は、溶接中にフラックス入りワイヤから溶接部に移行する溶着金属の拡散性水素量に影響する。ワイヤ全質量に対する割合での全水分量が３００ｐｐｍ以下であることで、低温割れが抑制され易い。ワイヤ全質量に対する割合での全水分量は、２００ｐｐｍ以下、１５０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下、９５ｐｐｍ以下、９０ｐｐｍ以下、８５ｐｐｍ以下、８０ｐｐｍ以下、７５ｐｐｍ以下又は７０ｐｐｍ以下であってもよい。なお、ワイヤ全質量に対する全水分量は少ないほど良いが、水分量を下げるためにはコストが掛かる。コストを抑える観点から、全水分量は、例えば、１０ｐｐｍ以上であってもよい。

本発明者の新たな知見によると、フラックス入りワイヤの全水分量を低減するためには、フラックス入りワイヤの焼鈍条件、フラックス入りワイヤの保管条件、或いは、ワイヤ製造直前の前処理の条件等を工夫することが有効である。特に、フラックス入りワイヤに対して６００℃以上の温度にて３０分以上に亘って熱処理を施すことによって、フラックス入りワイヤの全水分量を１００ｐｐｍ以下にまで低減することができる。熱処理温度の上限は例えば７３０℃以下であってよい。尚、本開示のフラックス入りワイヤがシームレスワイヤである場合においても、当該シームレスワイヤを所定温度で熱処理すると、鋼製外皮の内部の水分は鋼製外皮の内壁面と反応する等して水素となり、当該水素は鋼製外皮を透過してワイヤの外へと放出され得る。すなわち、フラックス入りワイヤがシームレスワイヤである場合も、焼鈍処理等を工夫することで、ワイヤを適宜軟化させつつ、初期水分量を顕著に低下させることができる。

尚、従来においては、生産性の観点から、上記したような焼鈍処理等の工夫が行われず、フラックス入りワイヤに含まれる全水分量が多量となる傾向にあった。

１．２ 弗化物
（ii）については、フラックスに含まれる弗化物は高温での蒸気圧が高く、溶接中にガス化するため、溶接雰囲気での水素分圧を下げることができる。一方で、弗化物の含有量が多過ぎると、溶接時にアークの不安定を招いたり、弗化物に付着した水分によって溶接材料の水分量が増大する虞がある。フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する割合での当該弗化物の量がＦ換算値の合計で０．１１質量％以上２．５質量％以下であることで、上記した問題を回避できる。ワイヤ全質量に対する割合での当該弗化物の量は、Ｆ換算値の合計で、０．２１質量％以上であってもよいし、２．３質量％以下であってもよい。

この弗化物については特に制限されないが、構成元素として、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫから選ばれる少なくとも一つの元素を含む弗化物を用いてもよい。例えば、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＬｉＦ、ＮａＦ、Ｋ_２ＺｒＦ_６、ＢａＦ_２、Ｋ_２ＳｉＦ_６、及びＮａ_３ＡｌＦ_６からなる群から選ばれる１種又は２種以上の弗化物であってもよい。これら弗化物は各々単独で用いられてもよいし、後述するように複数種類の弗化物の混合物を溶融及び凝固させて得られる溶融フラックスの形で用いられてもよい。これら弗化物が電離して生じたＣａ、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｚｒ、Ｂａ、Ｓｉ、及びＡｌは、酸素と結合して溶接金属中の酸素量を低減させる脱酸元素として作用するため、溶接金属の靱性を向上させる点で有利である。なお、これら各種の弗化物の含有量の下限値は、Ｆ換算値の合計が０．１１質量％以上となる限り、特に限定されない。また、フラックス入りワイヤの全質量に対するＦ換算値は、弗化物に含まれる弗素（Ｆ）の量を、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で示すものであることから、例えば上記のような弗化物の場合、このＦ換算値は次の式（１）より求めることができる。
０．４８７×ＣａＦ_２＋０．６１０×ＭｇＦ_２＋０．７３２×ＬｉＦ＋０．４５２×ＮａＦ＋０．４０２×Ｋ_２ＺｒＦ_６＋０．２１７×ＢａＦ_２＋０．５１７×Ｋ_２ＳｉＦ_６＋０．５４３×Ｎａ_３ＡｌＦ_６ ・・・式（１）
ここで、式（１）中の弗化物の化学式は、各化学式に対応する弗化物の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％を示す。各弗化物の化学式の係数は、各弗化物の化学式量から算出したものである。

１．３ 耐吸湿性
（iii）については、溶接現場での使用環境やその保管の際にワイヤ内部のフラックスが吸湿すると、実際の溶接時に上記（ｉ）の全水分量が満たされ難くなり、溶着金属の拡散性水素量が低減され難くなる。この点、本開示のフラックス入りワイヤは、温度３０℃－湿度８０％雰囲気での吸湿試験における７２時間経過後のワイヤ質量の増加割合が１００ｐｐｍ以下であってもよく、９０ｐｐｍ以下、８０ｐｐｍ以下、７０ｐｐｍ以下、６０ｐｐｍ以下、５０ｐｐｍ以下、４０ｐｐｍ以下、３０ｐｐｍ以下又は２０ｐｐｍ以下であってもよい。なお、この吸湿試験は、温度３０℃、相対湿度８０％に保持された恒温恒湿容器内にフラックス入りワイヤを入れ、７２時間保管後の質量増分から算出することができる。また、このワイヤ質量の増加割合について、理論的には、下限値は０（ゼロ）である。

フラックス入りワイヤがこのような耐吸湿性を備えるための手段については特に制限されない。例えば、フラックス入りワイヤの鋼製外皮がシームレス形状を有する場合に高い耐吸湿性が確保され易い。なお、本技術分野における「シームレス形状」とは、鋼製外皮に隙間が無いものを指し、代表的には、鋼製外皮がシームレス鋼管を伸管して得られたもの、および、鋼製外皮が隙間なくシーム溶接されたものなどを含む概念である。シームレスワイヤにおいては、鋼製外皮がシームレス形状を有する。例えば、連続的に供給される外皮帯鋼（鋼製外皮）をＵ型に成形し、フラックスを充填した後、Ｕ形に成形された外皮帯鋼の両エッジ面を突き合わせ、重なった部分を隙間なく溶接する造管溶接（シーム溶接）を行う。これにより、鋼製外皮の内部のフラックスを密閉することができ、また、フラックスが密閉されたことで、フラックスが内部に持ち込んだ水分を除去するための高温度脱水素処理が可能になるほか、銅めっきなどの湿式表面処理を行うこともできるようになる。また同様に、シームレス鋼管の内部にフラックスを充填し、伸管することによってシームレス形状を有するフラックス入りワイヤを得ることができる。

鋼製外皮の内部に充填されるフラックスが溶融フラックスである場合、フラックス入りワイヤの耐吸湿性がさらに向上し易い。溶融フラックスは、例えば、所定の弗化物や酸化物をアークや高周波誘導加熱で溶融させたうえで凝固させ、その後、凝固物を粉砕して非晶質の粉体としたり、ガスアトマイズ法により非晶質の粉体にすることなどによって、得ることができる。

１．４ 拡散性水素量
本開示のフラックス入りワイヤは、上述したような性状を有して、溶接金属の拡散性水素量の低減を図ることができる。本開示のフラックス入りワイヤは、例えば、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７（鋼溶接部の水素量測定方法）に準拠して、シールドガスとしてＨ_２を体積分率で１％含有し、残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて試験を行ったときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が５．０ｍｌ／１００ｇ以下であってもよい。同様に、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７（鋼溶接部の水素量測定方法）に準拠して、シールドガスとしてＨ_２を体積分率で３％含有し、残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて試験を行ったときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が１２．０ｍｌ／１００ｇ以下であってもよい。

尚、本願において、シールドガスに含まれるＨ_２の体積分率は、±０．２％の誤差を許容するものである。例えば、「Ｈ_２を体積分率で１％含有するシールドガス」において、Ｈ_２の体積分率は１％±０．２％であってよい。シールドガスに含まれ得るその他のガス（例えばＣＯ_２）の体積分率についても同様に±０．２％の誤差を許容する。

このように、本開示のフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を行う場合、シールドガスがＨ_２を含む場合でも溶着金属の拡散性水素量の増加を抑制できることから、例えば引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼材の溶接において、従来に比べて低い温度で予熱作業を実施したり、予熱作業の低減が可能になり、場合によっては、予熱作業を不要とすることもできる。加えて、溶接部での溶け込み形状の改善等を目的として、例えば、体積分率で０．０５％以上５％以下のＨ_２を含有し、残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて、高強度鋼材のガスシールドアーク溶接を行うことができる。これにより溶接形状が向上して、ビードの凸化の問題等が解消できるようになる。

１．５ フラックス入りワイヤを構成するその他の成分
本開示のフラックス入りワイヤは、例えば、溶接する鋼材の強度レベルや求める靭性の程度に応じたり、スラグの形成を考慮するなどの必要から、所定量の弗化物に加えて、金属酸化物や金属炭酸塩等を含有するようにしてもよい。すなわち、本開示のフラックス入りワイヤにおいては、公知のフラックス入りワイヤと同様に、溶接金属の化学成分や炭素当量（Ｃｅｑ）等を制御するための合金成分を含有させることができる。このような金属酸化物としては、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａの酸化物等が挙げられ、これらの複合酸化物であってもよい。また、金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３、ＦｅＣＯ_３、ＬｉＣＯ_３等が挙げられ、これらの複合炭酸塩であってもよい。このようなワイヤ成分については、溶接する鋼材の種類や溶接作業性等を考慮して具体的に規定される。金属酸化物や金属炭酸塩等は、上記の弗化物とともに鋼製外皮の内部に充填され得る。鋼製外皮の内部に充填される成分のうち、弗化物と弗化物以外の成分（金属酸化物や金属炭酸塩等）との割合は、特に限定されるものではないが、例えば、鋼製外皮の内部に充填される成分の全体（すなわち、鋼製外皮を除いた成分の全体）を１００質量％として、弗化物の含有量が、Ｆ換算値で０．４質量％以上３２質量％以下であってもよい。

前記フラックス入りワイヤの、前記弗化物、前記酸化物、前記金属酸化物、および前記金属炭酸塩を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００１～０．２％、Ｓｉ：０．００１～２．００％、Ｍｎ：０．４～３．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｒ：０～２５％、Ｎｉ：０～１６％、Ｍｏ：０．１～３．５％、Ａｌ：０．７００％以下、Ｃｕ：１．００％以下、Ｎｂ：０．５０％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｔｉ：０．５００％以下、Ｂ：０～０．０２０％、Ｍｇ：０～０．９０％、Ｂｉ：０～０．０３０％を含み、残部がＦｅおよび不純物からなることが好ましい。

そして、主たるスラグ形成剤をチタニア（ＴｉＯ_２）とした場合は、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、弗化物をＦ換算値の合計で０．１１％以上２．００％未満、Ｔｉ酸化物をＴｉＯ_２換算の質量％で２．５０％以上８．５０％未満、その他の酸化物を合計で０．３０％以上１３．００％未満、炭酸塩を合計で２．００％以下、鉄粉を０％以上７．５％未満の範囲で含むことが好ましい。

主たるスラグ形成剤をライム系とした場合は、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、弗化物をＦ換算値の合計で０．１１％以上、Ｔｉ酸化物をＴｉＯ_２換算で０％以上２．５０％未満、その他の酸化物を合計で０．３０％以上３．５０％未満、炭酸塩を合計で０～３．５０％、鉄粉を０％以上１０．０％未満の範囲で含むことが好ましい。

一方で、スラグをほぼ形成しないメタル系とした場合は、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、弗素化合物をＦ換算値の合計で０～０．０５０％、酸化物を合計で０．０１～０．５％、鉄粉を１．０～１２．０％の範囲で含み、Ｔｉ酸化物は添加しないことが好ましい。

以上が本開示のフラックス入りワイヤの成分組成に関する限定理由であるが、その他の残部成分はＦｅ及び不純物であってよい。Ｆｅ成分としては、鋼製外皮のＦｅ、フラックス中に含まれる鉄粉及び合金成分中のＦｅが含まれる。また、フラックス入りワイヤは、製造過程等で混入する不純物を含有してもよい。

また、溶接時にフラックス入りワイヤの送給性を向上させるために、フラックス入りワイヤの表面に潤滑剤を塗布するようにしてもよい。フラックス入りワイヤ用の潤滑剤としては、様々な種類のものが使用でき、例えば、パーフルオロポリエーテル油（ＰＦＰＥ油）や植物油等を使用することができる。

１．６ フラックスの充填率
本開示のフラックス入りワイヤは、例えば、以下のフラックス充填率を有していてもよい。すなわち、本開示のフラックス入りワイヤは、当該フラックス入りワイヤの全体の質量を１００％とした場合に、フラックスが８．０質量％以上を占めていてもよいし、２５．０質量％以下を占めていてもよい。また、本開示のフラックス入りワイヤの線径（直径）は、特に限定されるものではないが、例えば、０．５ｍｍ以上であってもよく、５．０ｍｍ以下であってもよい。また、本開示のフラックス入りワイヤにおける鋼製外皮の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、０．１ｍｍ以上であってもよく、２．０ｍｍ以下であってもよい。

１．７ フラックス入りワイヤの製造方法
本開示のフラックス入りワイヤは、例えば、以下の工程を経ることで製造することができる。先ず、上述したシームレス形状のワイヤを製造する場合には、鋼製外皮となる鋼帯と、所定の含有量になるように配合したフラックスとを準備する。次いで、鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールにより成形してオープン管（Ｕ字型）とし、これを鋼製外皮とする。鋼帯の成形の途中でオープン管の開口部からフラックスを供給する。鋼帯の成形の後に、開口部の相対するエッジ面を突合せシーム溶接し、フラックス入りの鋼管を得る。この鋼管を伸管し、伸管工程の途中又は伸管工程の完了後に鋼管を焼鈍処理する。このとき、上記の通り焼鈍条件等を工夫することでワイヤにおける全水分量を低減することができる。以上の工程により、所望の線径を有し、鋼製外皮の内部にフラックスが充填されたシームレスワイヤを得ることができる。またほかに、シームレス鋼管の内部にフラックスを充填し、伸管後に焼鈍することによっても、本開示にかかるシームレス形状を有するワイヤを製造することができる。一方、シームレス形状を有さないフラックス入りワイヤについては、オープン管の開口部からフラックスを供給した後、開口部の相対するエッジ面を突合せて管とし、その管のシーム溶接をしないまま、伸管することで得ることができる。

２．フラックス入りワイヤの用途
本開示のフラックス入りワイヤは、例えば、Ｈ_２含有ガスをシールドガスとして用いたガスシールドアーク溶接に用いられてもよい。特に、Ｈ_２含有ガスをシールドガスとして用いて、引張強さが７８０ＭＰａ以上の高強度鋼材のような水素脆化しやすい鋼材をガスシールドアーク溶接する場合により好適に用いられる。ただし、本開示のフラックス入りワイヤは、これ以外の鋼材の溶接に用いてもよいし、Ｈ_２が添加されないシールドガスを用いたガスシールドアーク溶接やシールドガスを用いないセルフシールドアーク溶接、サブマージアーク溶接等に用いてもよい。特に、本開示のフラックス入りワイヤは、低温割れ感受性が高い鋼材を溶接する場合でも、予熱を行わずに、又は予熱を著しく軽減しながら低温割れの発生を抑制することができる。

３．溶接継手の製造方法
本開示のフラックス入りワイヤを用いて鋼材のガスシールドアーク溶接を行うことで、溶接継手を製造することができる。本開示の溶接継手の製造方法は、例えば、上記のフラックス入りワイヤを用いて、引張強さが７８０ＭＰａ以上の鋼材のガスシールドアーク溶接を行うこと、を含んでいてもよい。より具体的には、体積分率で０．０５％以上５％以下のＨ_２を含有して残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いてガスシールドアーク溶接を行うこと、を含んでいてもよい。溶接対象である鋼材の種類やシールドガスの種類については特に限定されない。

次に、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの内容に制限されるものではない。

先ず、フラックスの作製方法としては、溶融型と非溶融型の２種類を採用した。このうち、溶融型のフラックス作製方法では、所定の酸化物及び弗化物をアーク溶解し、るつぼに取り出して粉砕することで、粉体として仕上げた。それらを金属成分と混合し、溶融型のフラックス素材とした。一方の非溶融型のフラックス作製方法では、所定の酸化物、弗化物、及び金属の粉体を混合し、珪酸ナトリウムや珪酸カリウムの水溶液からなる粘結剤を加えて混合して、乾燥させて粉体状にさせることで、非溶融型のフラックス素材とした。そして、それぞれのフラックス素材を３５０℃にて１～１０時間で熱処理した後、次のような２種類のワイヤ作製方法によりフラックスを充填して、フラックスワイヤとした。

ひとつはシームレス型のワイヤ作製方法である。このシームレス型では、鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給して、開口部の相対するエッジ面を突合わせ、スリット状の隙間を溶接することで、スリット状の隙間のない管とした。そして、造管したワイヤの伸線作業の途中で６００～８００℃の温度範囲で１～１０時間で保持し、その後炉冷する焼鈍を加え、最終のワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを得た。焼鈍条件を工夫することで、ワイヤに含まれる全水分量を調整した。具体的には、フラックス入りワイヤに対して、６００℃以上で３０分以上に亘って熱処理を施すことで、全水分量を１００ｐｐｍ以下にまで低減できた。尚、熱処理温度が５００℃である場合は、熱処理時間を１０時間としても全水分量は１００ｐｐｍ超であった。もうひとつは巻締め型のワイヤ作製方法である。巻締め型では、鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給して、ロール圧延機による伸線加工による巻締めを行い、隙間がある最終のワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを得た。これらフラックス入りワイヤ（ワイヤ番号１～２２、２４、３２、３８～４５）の構成を表１－１、表１－２、表１－３及び表１－４に示す。

表１－１、表１－２に示された各弗化物の含有量、各酸化物の含有量、及び炭酸塩の含有量はフラックス入りワイヤ全質量に対する質量％である。ここで、酸化物の含有量は所定の酸化物の換算値で表しており、具体的には次のとおりである。すなわち、Ｔｉ酸化物はＴｉＯ_２、Ｓｉ酸化物はＳｉＯ_２、Ｚｒ酸化物はＺｒＯ_２、Ｆｅ酸化物はＦｅＯ、Ｍｎ酸化物はＭｎＯ_２、Ａｌ酸化物はＡｌ_２Ｏ_３、Ｎａ酸化物はＮａＯ、Ｍｇ酸化物はＭｇＯ、及びＣａ酸化物はＣａＯを表す。また、Ｆ換算値は上述した式（１）より求めた値である。更に、フラックス充填率は、フラックス入りワイヤにおけるフラックスの質量割合を表す。更にまた、炭酸塩の含有量は各炭酸塩を合計した合計量を表す。一方、表１－３、表１－４では、合金成分として含まれる各元素の含有量をフラックス入りワイヤ全質量に対する質量％で示している。なお、表に開示されたフラックス入りワイヤの残部（すなわち、表１－１、１－２、表１－３及び表１－４に開示された各成分以外の成分）は、鉄及び不純物であった。また、表に開示された各ワイヤ番号のフラックス入りワイヤは、それぞれ潤滑油として植物油を塗布した。

上記で得られたフラックス入りワイヤについて、それぞれの性状を次のようにして評価した。先ず、ワイヤ全質量に対する割合での全水分量は、ＪＩＳ Ｋ００６８：２００１に準拠したカールフィッシャー法（KF法）により測定した。測定試料としてフラックス入りワイヤを１～２ｍｍの長さに切断して、切断片を計１～５ｇ採取した。この測定試料を９００℃に加熱した炉内に装入し、気化させた水分を電量滴定法にて測定した。また、フラックス入りワイヤの質量増加割合は、作製したフラックス入りワイヤを１ｋｇ用意し、温度３０℃、相対湿度８０％に保持された恒温恒湿容器内に７２時間保管したときの保管後の質量増分から算出した。

一方で、これらのフラックス入りワイヤを用いて溶接したときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７（鋼溶接部の水素量測定方法）に準拠したガスクロマトグラフ法にて実施した。溶接の際、シールドガスとしては、炭酸ガス（ＣＯ_２）１００ｖｏｌ.％の場合、１ｖｏｌ.％の水素ガス（Ｈ_２）を含むように調整したＨ_２とＣＯ_２との混合ガスの場合、及び、３ｖｏｌ.％のＨ_２を含むように調整したＨ_２とＣＯ_２との混合ガスの場合の３種類で評価した。また、溶接条件としては、表２に記載の範囲で実施した。尚、拡散性水素量の測定用の母材としては、質量％で、Ｃ：０．１４％、Ｓｉ：０．２０％、Ｍｎ：０．７６％、Ｐ：０．０２０％、Ｓ：０．００８％、及び、残部：Ｆｅ及び不純物からなる鋼板を用いた。これらの評価に基づくフラックス入りワイヤの性状について、結果を表３－１、表３－２にまとめて示す。ここで、表３－１、表３－２では、各フラックス入りワイヤでのフラックスの作製方法、ワイヤの作製方法を併せて示している。また、上記拡散性水素量の測定結果について、炭酸ガス（ＣＯ_２）１００vol.％のシールドガスを用いたときに溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が４．０ｍｌ／１００ｇを超える場合、１ｖｏｌ.％の水素ガス（Ｈ_２）とＣＯ_２との混合ガスからなるシールドガスを用いたときに溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が５．０ｍｌ／１００ｇを超える場合、３ｖｏｌ.％の水素ガス（Ｈ_２）とＣＯ_２との混合ガスからなるシールドガスを用いたときに溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が１２．０ｍｌ／１００ｇを超える場合には、表３－２において数値に下線を付してある。

また、各フラックス入りワイヤを用いて、平坦な鋼材の上面にビード溶接を行った。ここで、溶接条件は表４の通りとした。また、鋼材はＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５に規定されるＳＭ４００Ａを用いた。鋼材の寸法は厚さ１２ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ３００ｍｍとし、溶接ビードは２００ｍｍ作製した。外観の目視調査により正常なビードが形成できないものをＤとし、正常なビードが形成できるものの、溶け込み深さをビード幅で除した値が０．３未満となるものをＣとし、正常なビードが形成でき、かつ溶け込み深さをビード幅で除した値が０．３以上０．６未満となるものをＢとし、正常なビードが形成でき、かつ溶け込み深さをビード幅で除した値が０．６以上０．９未満となるものをＡとして評価した。結果は表３－２に示した通りである。

ワイヤ番号１～２２、２４のフラックス入りワイヤでは、いずれのシールドガスを用いた場合でもビード形状は良好であった。特に、３ｖｏｌ.％のＨ_２とＣＯ_２との混合ガスの場合には、溶け込み深さをビード幅で除した値がより大きくなり、熱が集中して溶接部での溶け込み形状をより理想的にしながら、拡散性水素量を抑えることができる。一方で、ワイヤ番号３２のフラックス入りワイヤではビードの形状が安定せずに、ＣＯ_２ガス１００ｖｏｌ.％のシールドガスの場合には、正常なビードを形成することができなかった。更に、ワイヤ番号３８～４５のフラックス入りワイヤでは、正常なビードを形成することはできても溶接金属での拡散性水素量を抑えることはできなかった。なお、図１には、これらのフラックス入りワイヤのワイヤ全質量に対する割合での全水分量とワイヤ全質量に対するＦ換算値の合計との関係がグラフで示されている。

尚、上記のフラックス入りワイヤのうち、いくつかのワイヤを用いて、引張強さが７８０ＭＰａ以上である鋼材（ＷＥＳ ３００１に規定されるＨＷ６８５）に対して同様にビード溶接を行ったところ、上記のＳＭ４００Ａを用いた場合とほぼ同様の結果が得られた。すなわち、当業者からすれば、溶接ビードの評価に関して、鋼材としてＳＭ４００Ａを用いた場合でもＨＷ６８５を用いた場合でも、同様の結果が得られることが明らかである。

また、得られたフラックス入りワイヤに関して、ＪＩＳ Ｚ ３１８４：２００３に規定される化学分析用溶着金属の作製方法及び試料の採取方法に従い、溶接金属の成分を分析した。結果は表５－１、表５－２に示した通りである。

Claims (7)

1. 鋼製外皮と、前記鋼製外皮の内部に充填されたフラックスと、を有するフラックス入りワイヤであって、
   ワイヤ全質量に対する割合での全水分量が３００ｐｐｍ以下であり、
   前記フラックスが弗化物を含有し、
   ワイヤ全質量に対する割合での前記弗化物の量がＦ換算値の合計で０．１１質量％以上２．５０質量％以下であり、
   温度３０℃－湿度８０％雰囲気での吸湿試験における７２時間経過後のワイヤ質量の増加割合が１００ｐｐｍ以下であり、
   ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に準拠して、シールドガスとしてＨ _２ を体積分率で１％含有し、残部がＣＯ _２ 及び不純物からなるシールドガスを用いて試験を行ったときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が５．０ｍｌ／１００ｇ以下である、
   ことを特徴とするフラックス入りワイヤ（ただし、ポリテトラフルオロエチレンを含有するものを除く）。
2. ワイヤ全質量に対する割合での全水分量が１００ｐｐｍ以下である、
   請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
3. ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に準拠して、シールドガスとしてＨ_２を体積分率で３％含有し、残部がＣＯ_２及び不純物からなるシールドガスを用いて試験を行ったときの溶着金属の質量当たりの拡散性水素量が１２．０ｍｌ／１００ｇ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。
4. 前記鋼製外皮がシームレス形状を有する、
   請求項１～３のいずれかに記載のフラックス入りワイヤ。
5. 体積分率で０．０５質量％以上５％以下のＨ_２ を含有するガスをシールドガスとして用いたガスシールドアーク溶接に用いられる、
   請求項１～４のいずれかに記載のフラックス入りワイヤ。
6. フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、弗化物をＦ換算値の合計で０．１１％以上２．００％未満、Ｔｉ酸化物をＴｉＯ _２ 換算の質量％で２．５０％以上８．５０％未満、その他の酸化物を合計で０．３０％以上１３．００％未満、炭酸塩を合計で２．００％以下、鉄粉を０％以上７．５％未満の範囲で含むか、
   フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、弗化物をＦ換算値の合計で０．１１％以上、Ｔｉ酸化物をＴｉＯ _２ 換算で０％以上２．５０％未満、その他の酸化物を合計で０．３０％以上３．５０％未満、炭酸塩を合計で０～３．５０％、鉄粉を０％以上１０．０％未満の範囲で含むか、又は、
   フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、酸化物を合計で０．０１～０．５％、鉄粉を１．０～１２．０％の範囲で含み、Ｔｉ酸化物は添加されない、
   請求項１～５のいずれかに記載のフラックス入りワイヤ。
7. 請求項１～６のいずれかに記載のフラックス入りワイヤを用い、かつ、体積分率で０．０５％以上５％以下のＨ _２ を含有して残部がＣＯ _２ 及び不純物からなるシールドガスを用いて、引張強さが７８０ＭＰａ以上の鋼材のガスシールドアーク溶接を行うこと、を含む、
   溶接継手の製造方法。