JPH0122080B2

JPH0122080B2 -

Info

Publication number: JPH0122080B2
Application number: JP12146981A
Authority: JP
Inventors: Motoi Tokura; Hiroyuki Koike
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-08-04
Filing date: 1981-08-04
Publication date: 1989-04-25
Also published as: JPS5823596A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、チユーブラワイヤによる水平エレク
トロスラグ肉盛溶接法に関し、特に希釈率を低く
抑え、１層目より有効肉盛層を確保するととも
に、硬さの高い肉盛層を割れ発生なしに得ること
のできる水平エレクトロスラグ肉盛溶接法に関す
るものである。硬化肉盛、耐食肉盛を問わず、異材を低廉な母
材の上へ溶着する肉盛溶接では、希釈率を低く抑
え有効肉盛層をできるだけ早く確保することが経
済的であることは論を待たない。そのため、従来
の丸ワイヤによる潜弧溶接法にくらべると、はる
かに希釈率を低く抑えることのできる帯状電極に
よる潜弧溶接法が開発され、自動溶接法の主流を
占めて来たが、これでもまだ１層目を有効肉盛層
として見るだけのものは得られず、やむを得ず１
層目には、合金成分の多い帯状電極を使用するな
どの対策がとられていた。これらの点を改善するために開発されたのが帯
状電極による水平エレクトロスラグ溶接法であ
り、希釈率を10％以下に抑えることができ、合金
成分を過剰に含有する帯状電極を使用しなくて
も、１層目から有効肉盛層を確保できるようにな
つた。このように、広幅な電極である帯状電極で
は電流が広範囲に流れ、しかも大電流を流すこと
が可能であるので、比較的容易にエレクトロスラ
グ現象を呈することができる。しかしながら、広幅な帯状電極による水平エレ
クトロスラグ溶接法を硬化肉盛の分野に適用しよ
うとすると、水平エレクトロスラグ溶接用フラツ
クスへの合金添加は制限されるため酸化消耗を防
ぐていどの合金しか添加できず、高硬度の肉盛層
を得るためには必然的に帯状電極から、硬化元素
を添加せざるを得なくなり、帯状電極を製造する
際の圧延性が非常に劣化するため工場製品として
は、たかだかHv400ていどの硬度を有する肉盛層
を得ることのできる帯状電極の生産が限度であつ
た。又、耐食肉盛の分野においても、対象溶接物
が大きい溶接面をもつものだけでなく狭いパイプ
の肉盛溶接など帯状電極法で施工するには種種の
困難をともなう場合がしばしば見られた。本発明者らは、上述の問題点に鑑み、これを改
善すべく数多くの研究を行なつた結果、チユーブ
ラワイヤに内包されるフラツクス中の造滓剤成分
及びチユーブラワイヤに対する内包フラツクスの
比率、造滓剤の電気伝導度指数が適正な範囲であ
れば、フラツクス入りワイヤの如き小断面の消耗
電極を使用しても、容易に水平エレクトロスラグ
溶接をなしうるとともに、高硬度の肉盛層が得ら
れるという全く新たな知見を得て、本発明をなし
たものである。即ち、本発明の要旨はチユーブラワイヤとフラ
ツクスを用いて水平エレクトロスラグ肉盛溶接す
る方法であつて、チユーブラワイヤ中に内包され
るフラツクス中の造滓剤成分が10％以上であり、
かつチユーブラワイヤ全量に対する内包フラツク
スの比率が10〜70％であり、フラツクスもしくは
チユーブラワイヤの一方又は双方に下記(1)式で計
算される造滓剤成分の換算含有量KiでCaF₂20〜
60％、CaO又はCaCO₃2〜20％、SiO₂5〜30％、
TiO₂もしくはZrO₂の１種又は２種合計10〜50％
を含み、又はこれにさらにAl₂O₃、MgOもしくは
MnOの１種以上合計20％以下を含み、かつ(2)式
で示される電気伝導度指数Ｆが2.5〜5.5なること
を特徴とするチユーブラワイヤによる水平エレク
トロスラグ肉盛溶接法にある。 Ki＝Ei／ΣEn×100 ……(1) ここでEi＝Ai＋1.1（Ｂ／Ｃ×Di） Ki：ｉ成分の換算含有量（％） Ei：チユーブラワイヤ及びフラツクスから供給さ
れるｉ成分の和（％） Ai：フラツクス中のｉ成分の含有量（％）Ｂ：内包フラツクスの重量（ｇ）Ｃ：チユーブラワイヤの重量（ｇ） Di：内包フラツクス中のｉ成分の含有量（％） ΣEn：造滓剤の総和（％）Ｆ＝exp（1.911−1.38Gx−5.69G²x） ……(2) Gx＝0.036CaO（wt％）＋0.0012SiO₂（wt％）＋0.0063Ti
O₂（wt％）＋0.0041ZrO₂（wt％）＋0.0098Al₂O₃（wt％）Ｆ：電気伝導度指数以下、本発明を詳細に説明する。先ず、チユーブラワイヤ中に内包されるフラツ
クス中の造滓剤成分が10％以上であり、かつチユ
ーブラワイヤ全量に対する内包フラツクスの比率
（以下充填率と称する）を10〜70％とした理由は、
フラツクス中の造滓剤成分が10％未満であり、か
つ充填率が10％未満の場合には、ソリツドワイヤ
と同様な効果を生じ生成するスラグは実質的にフ
ラツクスのみから生じるものであり断面積が帯状
電極にくらべはるかに小さく大電流を流すことの
出来ない丸ワイヤによる水平エレクトロスラグ溶
接の場合、スラグ浴深さが浅いためワイヤが突込
みすぎる現象を生じアークが発生し満足なエレク
トロスラグ溶接が困難となるためである。又、例えエレクトロスラグ現象が生じ溶接でき
たとしても、細いワイヤを通じて、１点に集中し
て電流が流れるためワイヤを溶融することに大部
分のエネルギーを消耗しエレクトロスラグ状態に
するために必要なフラツクスの溶解、スラグ浴の
形成が遅れ、エレクトロスラグ状態を維持するに
足るスラグ浴を形成しようとすると、ワイヤを過
剰に溶かさねばならず、溶着量が過多となりオー
バーラツプし、次のパスを溶接した場合、スラグ
の巻込みなどの欠陥が生じ健全な溶接は困難とな
る。これに対し、フラツクス中の造滓剤成分が10％
以上であり、フラツクス充填率を10％以上とした
場合は、ワイヤの溶融にともなつてスラグ浴を形
成する成分が供給され、フラツクスの溶融と相ま
つて、エレクトロスラグ溶接現象を維持するに十
分なスラグ浴を形成するとともに、適正な溶着量
を確保することができ、上述の如き溶接欠陥は発
生せず健全な溶接が可能となる。又、フラツクス
充填率が70％超の場合は、チユーブラワイヤの生
産性が著しく低下するので好ましくない。尚、こ
こで云う造滓剤とは、金属粉、合金粉などの形で
添加される合金剤、脱酸剤以外の酸化物、弗化
物、炭酸塩などを総称するものである。又、造滓
剤成分は本発明溶接法の場合、フラツクス入りワ
イヤ及びフラツクスから供給されるので、各成分
をどちらから添加しても差し支えなく、スラグプ
ールを形成したとき所期の成分を有するものとな
つておればよい。ワイヤとフラツクスの溶融比率
は本発明溶接法の場合、ほぼ１：1.1であるので、
必要な換算含有Kiは(1)式の通りとなる。 Ki＝Ei／ΣEn×100 ……(1) ここでEi＝Ai＋1.1（Ｂ／Ｃ×Di） Ki：ｉ成分の換算含有量（％） Ei：チユーブラワイヤ及びフラツクスから供給さ
れるｉ成分の和（％） Ai：フラツクス中のｉ成分の含有量（％）Ｂ：内包フラツクスの重量（ｇ）Ｃ：チユーブラワイヤの重量（ｇ） Di：内包フラツクス中のｉ成分の含有量（％） ΣEn：造滓剤の総和（％）造滓剤成分のうちCaF₂を主成分としたのは、
電気伝導度を良好に保ち、安定したエレクトロス
ラグ溶接を行なううえ必須な成分であるためであ
り、20％以上の配合によりアークの連続的な発生
を抑制することが出来るためである。しかし、
CaF₂単味では電気伝導度が高すぎ、又溶接作業
性も劣るので他の成分を添加し適切な範囲に電気
伝導度を維持する必要があり、良好な溶接作業性
を維持するためには上限を60％とする必要があ
る。CaF₂を主成分とするスラグの電気伝導度は
一般に荻野氏による(3)がよく知られている。Ｋ（Ω^-1cm^-1）＝exp（1.911−1.38N−5.69N² _x）＋
0.39（ｔ−1973）……(3) Nx＝NAl₂O₃＋0.2NCao＋0.75NSiO₂＋0.5（NTiO₂＋NZ
rO₂）ｔ：1823〜2053〓 NAl₂O₃、NCaO、NSiO₂、NTiO₂、NZrO₂は
Al₂O₃、CaO、SiO₂、TiO₂、ZrO₂のモル分率しかし、(3)式は温度に依存する項があり水平エ
レクトロスラグ溶接、特に丸ワイヤによるスラグ
浴の小さな溶接の如き温度変化が激しい場合に
は、適当ではないので次式に示すように、相対的
な電気伝導の容易さを示す値により検討を行なつ
た。Ｆ＝exp（1.911−1.38Gx−5.69G²x） ……(2) Gx＝0.0036Ca（wt％）＋0.0012SiO₂（wt％）＋0.0063Ti
O₂（wt％）＋0.0041ZrO₂（wt％）＋0.0098Al₂O₃（wt％）Ｆ：電気伝導度指数なお、(2)式におけるGxを算出するための各成
分の係数はすべて荻野氏により得られた値（日本
金属学会会報第18巻第10号、1979）を採用し計算
を単純化するためmol分率表示を重量％表示に変
えたものである。別図に電気伝導度指数Ｆと溶込み率の関係を示
す。この場合はチユーブラワイヤとして蛍石55％、
フエロシリコン７％、金属マンガン14％、クロム
カーバイド24％の材料を配合した内包フラツクス
を軟鋼製帯鋼に充填率30％で封入し、ワイヤ径
3.2mmとしたものを用いた。又、フラツクスは
CaF₂を20〜60％の範囲に設定しCaO、SiO₂、
TiO₂、Al₂O₃の配合比率を変化させることにより
種々の電気伝導度指数Ｆが得られるようにした。電気伝導度指数Ｆが小さくほぼ1.8以下の場合
は、アークが発生し通常のサブマージアーク溶接
がみられる領域で溶込み率も30〜40％と通常のア
ーク溶接と同様である。次でＦ＝1.8〜2.5の範囲
に（アーク＋エレクトロスラグ）混在域があり溶
込み率もエレクトロスラグ現象が占める割合が大
きくなるに従つて急激に低下し10％前後となる。
次でＦの値が2.5以上となると完全なエレクトロ
スラグ領域となり、溶込率も低く安定したものに
なる。このような現象に鑑み、Ｆの値を2.5以上
とすることが本発明溶接法にり溶込み率の低い肉
盛層を得るために必要であるが、Ｆの値が5.5以
上となると急激に溶接作業性が劣化するので電気
伝導度指数Ｆは2.5〜5.5の範囲にあることが必要
である。次にCaCO₃は溶接ジユール熱による熱分解に
より発生するCO₂ガスの還元性雰囲気をもつて大
気より溶融部を遮蔽し酸素、水素、チツ素などの
浸入を防止するのに有効に作用するとともに、そ
の分解生成物であるCaOは強塩基性のスラグを形
成し精練作用が期待されうる。この場合、エレク
トロスラグ溶接であり、溶接部周辺は溶融スラグ
で覆われており必らずしも多量のCO₂ガスによる
雰囲気の保護を必要とせず、むしろCaOによるス
ラグ精練作用への効果が必要となるので、
CaCO₃をCaOに置換することとも可能である。
又、CaO自体、スラグの電気伝導度指数Ｆを左右
する因子であるので、他の因子との関連で適正な
電気伝導度指数を維持する効果も期待しうる。
CaO又はCaCO₃が２％未満では上記効果が期待
できず、合金の歩留も低くなる。又、20％超の配
合はスラグが過剰に塩基性となりすぎ、スラグの
粘性が増大しすぎ、溶接作業性を損うのでその配
合量は２〜20％に限定されるべきである。 SiO₂は５％以上配合することによりスラグの
流動性が良好になり安定した溶接ができるが、30
％を超えた配合では溶接金属中へSiが過剰に含ま
れるので、５〜30％の範囲内で電気伝導度指数Ｆ
を制御すべきである。 TiO₂およびZrO₂はスラグの流動性を良好に保
ちビード幅を拡げ溶滴の移行を安定化させること
ができ、これにより溶融プールの安定化に効果が
あるが、TiO₂もしくはZrO₂の１種又は２種合計
10％未満では、その効果は期待できない。しか
し、50％を超えると逆にスラグの流動性が大とな
りすぎ、ビード形状が乱れる傾向があるので50％
以下とする必要があり、電気伝導度指数Ｆもこの
範囲内で制御すべきである。更に上記造滓剤にAl₂O₃、MgO、MnOの１種
以上をスラグの粘性増大、スラグの剥離性の改良
を目的として添加することができるが、20％を超
えると逆にスラグ粘性が過大となりビード形状が
不良となるので20％以下とする必要がある。なお、フラツクス製造方法としては溶融する方
法、焼結する方法、焼成する方法いずれでもよ
い。又、チユーブラワイヤに使用するフープ材は、
ワイヤの生産性を考慮すると軟鋼が適している
が、合金剤添加を目的とする場合には、フエライ
ト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス
鋼なども一般的に利用される。以下に本発明の効果を実施例によりさらに具体
的に示す。実施例母材は全試験とも、第１表に示すSM41B（板厚
20mm）を使用した。溶接条件を第２表に示す。

【表】

【表】第３表に使用したチユーブラワイヤを、第４表
に使用したメルトフラツクスを一括して示した。比較のため本発明法の範囲外の充填率及び内包
フラツクスに対する造滓剤比率を有するチユーブ
ラワイヤＷ−11、Ｗ−12、Ｗ−13及びソリツドワ
イヤＷ−14を使用して試験を行なつたが、いずれ
もワイヤが突込みすぎ、健全なビードが形成され
なかつたので以後の試験は中断した。第５表にチユーブラワイヤＷ−１〜Ｗ−10とフ
ラツクスＦ−１〜Ｆ−８を適宜組合せて溶接した
結果を示す。比較例として示した、フラツクスＦ−６とワイ
ヤＷ−４及びＷ−９との組合せ、フラツクスＦ−
８とＷ−４との組合せはワイヤが突込みすぎ、ア
ークが発生し健全な水平エレクトロスラグ溶接は
不可能である。又、フラツクスＦ−７とワイヤＷ−１、Ｗ−５
及びＷ−８との組合せは、エレクトロスラグ溶接
現象を呈するが、スラグの通電性が良すぎるため
溶接現象が不安定であり、ビード形状が劣化す
る。これと比較して本発明例では、安定した溶接作
業性を示し溶着金属に割れも発生せず良好な結果
を示した。以上詳細に説明したように、本発明法により従
来スラグ浴深さが浅いために困難であつた丸ワイ
ヤによる水平エレクトロスラグ溶接を可能にした
優れたものである。

【表】

【表】【図面の簡単な説明】

図面は電気伝導度指数Ｆと溶込み率との関係を
示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１チユーブラワイヤとフラツクスを用いて水平
エレクトロスラグ肉盛溶接する方法であつて、チ
ユーブラワイヤ中に内包されるフラツクスの造滓
剤成分が10％以上であり、かつ、チユーブラワイ
ヤ全量に対する内包フラツクスの比率が10〜70％
であり、フラツクスもしくはチユーブラワイヤの
一方又は双方に(1)式で計算される造滓剤成分の換
算含有量KiでCaF₂20〜60％、CaO又はCaCO₃2〜
20％、SiO₂5〜30％、TiO₂もしくはZrO₂の１種
又は２種合計10〜50％を含み、かつ、(2)式で示さ
れる電気伝導度指数Ｆが2.5〜5.5となることを特
徴とするチユーブラワイヤによる水平エレクトロ
スラグ肉盛溶接法。 Ki＝Ei／ΣEn×100 ……(1) ここでEi＝Ai＋1.1（Ｂ／Ｃ×Di） Ki：ｉ成分の換算含有量（％） Ei：チユーブラワイヤ及びフラツクスから供給さ
れるｉ成分の和（％） Ai：フラツクス中のｉ成分の含有量（％）Ｂ：内包フラツクスの重量（ｇ）Ｃ：チユーブラワイヤの重量（ｇ） Di：内包フラツクス中のｉ成分の含有量（％） ΣEn：造滓剤の総和（％）Ｆ＝exp（1.911−1.38Gx−5.69G²x） ……(2) Gx＝0.0036CaO（wt％）＋0.0012SiO₂（wt％）＋0.0063T
iO₂（wt％）＋0.0041ZrO₂（wt％）＋0.0098Al₂O₃（wt％）Ｆ：電気伝導度指数２チユーブラワイヤとフラツクスを用いて水平
エレクトロスラグ肉盛溶接する方法であつて、チ
ユーブラワイヤ中に内包されるフラツクス中の造
滓剤成分が10％以上であり、かつチユーブラワイ
ヤ全量に対する内包フラツクスの比率が10〜70％
であり、フラツクスもしくは、チユーブラワイヤ
の一方又は双方に(1)式で計算される造滓剤成分の
換算含有量はKiでCaF₂20〜60％、CaO又は
CaCO₃2〜20％、SiO₂5〜30％、TiO₂もしくは
ZrO₂の１種又は２種合計10〜50％を含みさらに
Al₂O₃、MgOもしくはMnOの１種以上合計20％
以下を含みかつ、(2)式で示される電気伝導度指数
Ｆが2.5〜5.5となることを特徴とするチユーブラ
ワイヤによる水平エレクトロスラグ肉盛溶接法。 Ki＝Ei／ΣEn×100 ……(1) ここでEi＝Ai＋1.1（Ｂ／Ｃ×Di） Ki：ｉ成分の換算含有量（％） Ei：チユーブラワイヤ及びフラツクスから供給さ
れるｉ成分の和（％） Ai：フラツクス中のｉ成分の含有量（％）Ｂ：内包フラツクスの重量（ｇ）Ｃ：チユーブラワイヤの重量（ｇ） Di：内包フラツクス中のｉ成分の含有量（％） ΣEn：造滓剤の総和（％）Ｆ＝exp（1.911−1.38Gx−5.69G²x） ……(2) ここで Gx＝0.0036CaO（wt％）＋0.0012SiO₂（wt％）＋0.0063T
iO₂（wt％）＋0.0041ZrO₂（wt％）＋0.0098Al₂O₃（wt％）Ｆ：電気伝導度指数