JPH0413497A - 薄板用セルフシールドアーク溶接フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は外部からシールドガスやフラックスを供給する
ことなく溶接を行うことのできるセルフシールドアーク
溶接フラックス入すワイヤに係り、特に低電流域（２０
ＯＡ以下）でスパッタ発生量が少なく、優れたビート外
１！（形状）を有することを特長とし、薄板の溶接に適
したセルフシールドアーク溶接フラックス入すワイヤに
関するものである。

（従来の技術） 近年、薄板（板厚０．６〜３．２ｍｍ程度が中心）の需
要は自動車、住宅、農機具等を始めとして急激に伸びて
きており、鋼材需要の約４０％弱を占めるに至っている
。また耐食性や外観など製品の品質向上を目的とし、亜
鉛メツキ鋼板を中心とした表面処理鋼板の採用も進んで
いる。

現在、この分野で使用されている溶接材料は、溶接施工
の能率向上の観点より、主としてワイヤ径０．６ｍｍφ
〜１．２ｍｍφの細径ソリッドワイヤであり、これを使
用したガスシールドアーク溶接法が採用されている。

しかし乍ら、このようなソリッドワイヤによるガスシー
ルドアーク溶接は、 （１）スパッタの発生が多く、ビード外観（形状）が悪
い、 （２）表面処理鋼板において、欠陥（ピット、ブローホ
ール）が発生する、 （３）風による影響を受は易く、屋外での作業が困難で
ある（特に建築の現場溶接、農機具の補修溶接等）、 （４）高価なシールドガス（Ａｒ、Ｃ０２）を使用しな
ければならない場合もある、 等の難点があり、このため、スパッタ除去、欠陥の手直
し及び防風対策などに労力を費さねばならず、問題とな
っている。

（発明が解決しようとする課題） このような問題を解決する対策として、特開昭６１−１
６９１９６号が提案されている。しかシ、この提案に係
るセルフシールドアーク溶接フラックス入りワイヤは上
記問題点（１）〜（４）をほぼ解決してはいるものの、
特に低電流域（２０ＯＡ以下）における溶接作業性が不
充分なため、適用板厚が限定されるという欠点があり、
未だ実用化には至っていない。特に板厚０．６〜２．０
ｎ１１を程度の薄板の溶接、すなわち、低電流域の溶接
において。

（ｉ）スパッタ発生量が非常に多い、（ｉｉ）ビード外
観形状が悪い、という２点の問題があり、この範囲にお
いてはソリッドワイヤより作業能率が低下することが指
摘されている。

本発明は、上記セルフシールドアーク溶接フラックス入
すワイヤの低電流域（２０ＯＡ以下）での問題を解決す
るためになされたものであって、低電流域でスパッタ発
生量が少なく、優れたビード外観（形状）を有し、特に
薄板の溶接に適したセルフシールドアーク溶接フランク
ス入すワイヤを提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するため、本発明者は、低電流域でのス
パッタ発生機構を検討すると共に、ビード外観形状に関
して外皮金属組成、フラックス率、フラックス組成等々
について種々検討した結果、（外皮断面積）／（ワイヤ
断面積）比のワイヤ長手方向のバラツキとワイヤ水分量
、Ｃａ含有量、金属弗化物の量を特定することが効果的
であるとの知見を得た。

そこで、この知見に基づいてセルフシールドアーク溶接
フラックス入すワイヤの一般的要件についても更に詳細
に検討した結果、ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明に係るセルフシールドアーク溶接フラ
ックス入すワイヤは、ワイヤ水分量が３００〜１１００
０ｐｐで、鋼製外皮内に対ワイヤ全重量比で以下の成分
、 ■　金属弗化物（弗素換算）：０．１〜１．０％■　Ｃ
ａ　　：　０．１〜１．５％ ■　Ａｌ　：　２．０〜４．０％ ■　Ｍｇ：０．３〜１．５％ ■　Ｍｎ　　：　０．３〜１．８％ ■　　Ｃ：０．２〜０．５％ を必須成分として含むフラックスをフラックス率が６〜
２０重量となるように充填し、且つ（外皮断面積）／（
ワイヤ断面積）比のワイヤ長手方向のバラツキが０．０
５以下であることを特徴とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

前述の如く、従来技術の問題点を解決するため。

本発明者は種々の基礎実験を行った。

まず、セルフシールドアーク溶接フラックス入すワイヤ
の低電流域（２０ＯＡ以下）でのスパッタ発生機構につ
いてアーク現象の高速度カメラｍ察を含め、種々検討し
た結果、アーク不安定に起因するスパッタが殆どであり
、以下に示す如く、低スパツタ化の支配因子としては、 ■（外皮断面積）／（ワイヤ断面積）比のワイヤ長手方
向のバラッキ ■ワイヤ水分 が重要であることが認められた。

なお、実験条件（供試ワイヤ、溶接条件、スパッタ量の
測定方法）は以下のとおりとした。

〔供試ワイヤ〕

ワイヤ径：１．Ｏｍｍφ 使用フープ：軟鋼 断面形状：第４図（Ａ） フラックス：後述実施例中のＮα１の配合フラックス率
：１３％ 〔溶接条件〕 溶接電流：８０Ａ、　　　極性：　ＤＣＥＮアーク電圧
：アーク長約ｌｌｌ１１となる電圧溶接速度：　１５ｃ
ｍ／＋ｉｎ チップ・母材間距離：１５ｍｍ 母材：　Ｓ　Ｓ４１（１２ｍ＋ａｔ） 溶接法：ビードオンフレート法 〔スパッタ量の測定方法〕 後述の実施例の場合と同じ方法。

第１図は（外皮断面積）／（ワイヤ断面積）比のワイヤ
長手方向のバラツキ（以下、ΔＳという）とスパッタ発
生量の関係を示したものである。ここで、（外皮断面積
）／（ワイヤ断面積）比の測定は、ワイヤ断面における
外皮面積、ワイヤ面積を画像処理（面積分析）により求
め、その比を計算して測定し。

この比のバラツキは、ワイヤ長手方向１０ｃｍ間隔でｎ
＝３０測定し、その比の最大値と最小値を計算して求め
た。その際、ワイヤ断面のサンプリングについては、ス
プール巻きの場合は１スプールの中央部よりサンプリン
グし、またパック入りワイヤの場合は収納中央部よりサ
ンプリングした。

第１図より、ΔＳの低減が低スパツタ化に有効であるこ
とが認められる。ΔＳが大きいと局部的に電流密度が変
化するため、アーク長が変動し、スパッタが発生する。

すなわち、ΔＳが０．０５を超えると、アーク長の変動
が大きくなり、スパッタが急増する。なお、従来のセル
フシールドアーク溶接フラックス入りワイヤのΔＳは０
．０７〜０．０８であった。

これより、スパッタの低減には、ΔＳをｏ、Ｏ５以下に
管理することが重要であることが判明した。

なお、ΔＳの調整は、成型、伸線時の速度、ダイススケ
ジュールなどの生産技術面及びフラックス粒度などのワ
イヤ組成面の調整により行うことができる。

また、第２図はワイヤ水分とスパッタ発生量の関係を示
したものである。ここでいう水分量とは酸素雰囲気中７
５０℃でワイヤより抽出した水分をカールフィッシャー
法で定量した値である。

第２図に示す如く、ワイヤ水分の増加はスパッタ低減に
効果のあることがわかる。その量は３００　ｐｐｍ以上
で有効である。水分はアークの吹き付は力、集中性を増
す特性があり、特に低電流域でのアークの安定性に効果
がある。しかし、１００ｏ　ｐｐｍを超えると耐気孔性
が劣化するので、ワイヤ水分の適正範囲は３００〜１１
０００ｐｐの範囲とすべきであることが判明した。

以上説明したように、本発明は、従来技術に比較して、
（１）ΔＳの安定化を図ること、（２）ワイヤ水分を高
目に調整することに特徴があり、これにより、特に低電
流域でのスパッタ発生量を顕著に減少させ得たものであ
る。

Ｃａ　　　量、金　　化　の量： 次に、本発明者は、第２の課題であるビード外観形状（
不均一なスラグ被包性、スラグ焼付き等に起因した外観
の悪化、凸ビード）について、外皮金属組成、フラック
ス率、フラックス組成等を種々検討した結果、Ｃａ含有
量、金属弗化物の量を特定することにより、低電流域（
２００Ａ以下）の溶接においても良好なビード外観形状
が得られることを見い出した。

なお、実験条件（供試ワイヤ、溶接条件、ビード形状評
価方法）は以下のとおりとした。

〔供試ワイヤ〕

前述の基礎実験と同一のワイヤ 〔溶接条件〕 溶接電流：８０Ａ、　　　極性：ＤｃＥＮアーク電圧：
アーク長約１ｍｍとなる電圧溶接速度：　１５ｃｍ／ｗ
ｉｎ チップ・母材量比１１１：　１５ｍｍ 母材：　５Ｓ４１（１，２ｔＸ５０ｗＸ５００１１）溶
接姿勢＝Ｔ型水平すみ肉 〔ビード外観形状の評価方法〕 後述の実施例の場合と同一で、ビードの光沢、波目の揃
い、等脚性、フランク角θ等により総合的に評価した。

金属弗化物は、シールド剤であると共に主要なスラグ形
成作用があるが、弗素換算で０．１％未満ではシールド
不十分になり、ピット、ブローホール等の欠陥が生し、
またビード形状も劣化する。

一方、１．０％を超えるとスラグの融点が下がりすぎる
ため、ビード形状が劣化し、またヒユームも増大する。

したがって、金属弗化物の量は弗素換算でＯ０１〜１．
０％の範囲に規制する。

但し、この金属弗化物は、ＳｒＦ２を４０％以上含む弗
化物とすることが好ましい。前述の如く、金属弗化物は
主要なスラグ剤であり、その種類によりスラグの物性が
違ってくるため、ビード形状に及ぼす影響も異なってく
る。すなわち、第３図に示す如くより、良好なビード形
状を得るには４０％以上のＳｒＦ２が好ましい。なお、
残部の金属弗化物としてはＣａＦ２、ＢａＦ２、ＬｉＦ
２、ＮａＦ、Ｎａ２５ｉＦ、等のいずれの金属弗化物を
使用してもよい。

次にＣａに関しては、Ｃａは一般的に脱酸、脱窒剤とし
ての作用を目的として使用されるが、本発明では、Ｃａ
Ｏがスラグ剤として添加されるのと同様、Ｃａをスラグ
剤としての効果を目的として添加するものである。しか
し、Ｃａ量が０．１％未満ではそのような効果がなく、
また１、５％を超えるとヒユーム、スパッタが増大する
ので好ましくない。Ｃａ源としては、Ｃａ−Ａ　Ｑ　、
Ｃａ　−Ｓｉ、Ｃａ　　Ｍｇ、　Ｃａ　−Ａ　ｎ　−Ｍ
ｇ等の金属間化合物を使用するが、作業性面（特にスパ
ッタ、ヒユーム）よりＣａ−Ａｌの使用が望ましい。な
お、参考までに、Ｃａ　Ｏはスラグの被包性を均一化し
、剥離性を向上させ、また、ビード外観、特にビードの
光沢、波目の揃いの改善に有効である。

以上の基礎実験に基づき、本発明に係るセルフシールド
アーク溶接フラックス入りワイヤの主な構成は、従来技
術に比較して、特に、（１）ΔＳの安定化を図ったこと
、（２）金属弗化物の量を低目に設定すること、（３）
Ｃａ源の添加、等を特徴とし、これにより、低電流域（
２００Ａ以下）でのスパッタの発生及びビード外観形状
を大幅に改善したものであり、板厚２．３＋＋ｍ以上の
溶接は勿論のこと、板厚２　、３　ｍｍ未満の薄板の溶
接を可能にしたのである。

本発明の目的を十分達成するためには、更にセルフシー
ルドアーク溶接フラックス入すワイヤの一般的要件も併
せて具備する必要があり、以下に説明するようにフラッ
クス成分、フラックス率を規制する。

Ａｌ： Ａｌは脱酸、脱窒剤として作用するものであるが、２．
０％未満ではピット及びブローホール等の溶接欠陥が発
生する。また４、０％を超えると溶着金属中に残存する
Ａｌが増加するため、著しく延性を損なうので好ましく
ない。またヒユーム量も増大する。したがって、Ａｌは
２．０〜４．０％の範囲とする。

なお、Ａｌ源としてはＭｅ−Ａｌのほか、Ｆｅ−Ａｌ、
Ａｌ−Ｌｉ、Ａｌ−Ｍｇ等の合金を使用できる。

Ｍｌ： Ｍｇは脱酸剤として作用し、且つ溶接時金属蒸気を発生
してアーク柱や溶融プールをシールドし、アークを安定
にする効果がある。しかし、０．３％未満では効果が十
分でなく、ピット、ブローホール等の溶接欠陥が発生す
る。またアークが不安定になり易い。また１、５％を超
えるとアークの吹き付は力が強くなりすぎるため、ヒユ
ームが増大する。したがって、Ｍｇは０．３〜１．５％
の範囲とする。

なお、ＭＥ源としてはＭｅ−Ｍｇのほか、Ａｌ−Ｍｇ、
Ｎｉ−Ｍｇ、Ｓｌ−Ｍｇ等の合金を使用することができ
る。

Ｍｎ： Ｍｎは脱酸剤として作用し、溶接金属中の強度を保持す
るためのものであるが、０．３％未満では強度不足とな
り、１．８％を超えると強度が過剰となり、曲げ延性を
損なうので、０．３〜１．８％の範囲とする。

なお、Ｍｎ源としてはＦｅ−Ｍｎ、　ＦｅＦｅ−８ｉ−
等を使用することができる。

Ｃ： Ｃは溶接金属の硬度強化用元素であると共にアークの吹
き付は力を増す作用があり、０．２〜０゜４％の範囲で
添加する必要がある。０．２％未満では効果がなく、ア
ーク吹き付は力が弱く、特に低電流域でアーク不安定と
なり易い。また０、４％を超えると硬度過大となり、衝
撃性能が劣化する。更にアーク吹き付は力が強くなりす
ぎてヒユームが増大する。

なお、Ｃ源としてはグラファイトや、Ｃを含有する合金
等が使用できる。

Ｌｉ、Ｓｒの　含酸化物： Ｌｉ、Ｓｒの複合酸化物はスラブ形成剤として作用する
もので、ビード外観（光沢）及びスラグの剥離性の向上
に効果があるので、必要に応じて、１゜０％以下で添加
することができる。１．０％を超えるとヒユームが増大
するので望ましくない。なお、これら複合酸化物として
はＬｉ２５ｉｎ、、ＬｉＦｅ○２、Ｌｉ２ＭｎＯ３、Ｌ
ｉ２Ｔｉｅ、、Ｌｉ２ＺｒＯ３，５ｒＦｅ２０４等を使
用することができる。

兎よ藍兄秦： 希土類元素（Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ等）は
溶融金属及びスラブの粘性を低下させるため、亜鉛メツ
キ鋼板等の表面処理鋼板の耐気孔性改善に効果があるの
で、必要に応じて０．２％以下の範囲で添加することが
できる。０．２％を超えるとビード形状が劣化するので
好ましくない。

その他： 本発明で使用する外皮金属（帯鋼フープ）としては、成
形性の観点から深絞り性の良好な冷間圧延鋼や熱間圧延
鋼が使用されるが、特に制限されるものではない。しか
し、Ｃ量は極力少ないものを使用する方が有利である。

また金属中のＭｎやＳｉ等は脱酸剤として作用し、溶滴
移行中のＣｅ及びＣｅ２の発生量を抑制する効果がある
から、ある程度含有させる方が有利である。しかし、こ
れらの含有量が多すぎると加工性が低下するので外皮金
属中のＭｎ量は２．０％以下、Ｓｉ量は１．０％以下に
抑えるのがよい。

更に、本発明ではあらゆる断面形状のワイヤとすること
ができる。例えば、第４図（Ａ）〜（Ｄ）にワイヤの断
面形状を４種類例示したが、これらのいずれの形状であ
ってもよい。

そして、ワイヤ径は、用途に応じてＱ　、　９　ｍｍφ
、１．０ｍｌｌ１φ、１．２ｍｍφ、１．４１１ＩＩＩ
ｌφ、１．６ｍｍφ、２．０ｍｍφ、２．４ｍｍφ、３
．２ｍｍφ等の中から任意に決めることができる。

また、本発明は種々の鋼種に適用でき、主として軟鋼、
高張力鋼であるが、用途により低合金鋼、高合金鋼など
に拡大しても差し支えない。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 第１表に示す条件のフラックス入りワイヤを常法により
作成した。ワイヤ径は１．２ｍｍφ、ワイヤ断面形状は
第４図の（Ｂ）のものとした。また該ワイヤの外皮金属
としては軟鋼を使用し、その含有成分はＣ：０．０４％
、Ｍｎ：０．３５％、Ｓｉ：０゜０１％、Ｐ：０．０１
４％、Ｓ：０．０１％である。

次いで、これらのフラックス入りワイヤを使用し、次の
溶接条件にて溶接試験を行った。

産後粂作 溶接電流：１２０Ａ、　　極性：　ＤＣＥＮアーク電圧
：アーク長約１ｍ＋ｎとなる電圧溶接速度：　２５ｃｍ
／ｗｉｎ チップ・母材間距離：１５ｍｍ 母材：　ＳＳ４１（１２ｍｍｔ） 溶接法：下向きビードオンプレート法 溶接試験結果（スパッタ発生量、ビード形状、耐気孔性
、溶接作業性、送給性等）を第２表に示す。

なお、スパッタ発生量の測定には、下向きビードオンプ
レート法により溶接し、第５図に示す装置（３はスパッ
タ捕集板、４はワイヤ送給装置、５はトーチ、６は母材
、７は台車を示す）を使用した。すなわち、スパッタ発
生量は、第５図に示す捕集板を用いてアーク点のまわり
に飛散するスパッタを捕集し、重量を測定することによ
り求めた。測定時間は１分間とし、単位時間当たりの値
（ｇ／膳ｉｎ）を算出した。

また、ビード外観形状の評価方法としては、Ｔ型水平す
み肉溶接を行い、ビードの光沢、波目の揃い、等脚柱、
フランク角θにより総合的に評価した。

具体的には、ビードの光沢及び波目は、官能評価した１
等脚性及びフランク角θは、断面マクロ採取しくｎ＝３
）、撮影機により溶接部を拡大して測定した。すなわち
１等脚性は、第６図に示すように上脚（ａ）と下脚（ｂ
）との差がｌｌｌ１ｍ未満の場合を合格とし、フランク
角θは、第７図（１０は溶着金属、１１はボンド部、１
２は熱影響部である）に示すように、水平すみ肉溶接部
止端部のフランク角θを測定し、ビード形状が悪くなる
（凸ビード）はどフランク角θは大きくなるので、θが
５５°未渦の場合を合格とした。そして、■ビードの光
沢、波目の揃い、■等脚性、■フランク角θのすべてを
満足する場合のみ、総合評価を０（良）とした。

また、耐気孔性は下向ビードオン溶接部のＸ線透過結果
により評価した。

第２表より、以下の如く考察される。

Ｎ１１ｌ−ＮＱ６は本発明例であり、低電流域において
スパッタの発生が極めて少なく、ビード形状も優れてい
る。勿論、ピット、ブローホール等の欠陥が発生せず、
溶接作業性、送給性等も良好である。

ＮＱ７〜＆８はワイヤ水分の量が本発明範囲外にある比
較例であり、ワイヤ水分量が少なすぎるとスパッタが増
大し、多すぎるとピット、ブローホール等の溶接欠陥が
発生し耐気孔性が劣る。

翫９は（外皮断面積）／（ワイヤ断面積）比のワイヤ長
手方向のバラツキΔＳが大きすぎる比較例であり、アー
クの変動が起こり、そのためスパッタが増加している。

＆１０”＆１１はフラックス充填率が本発明範囲外にあ
る比較例であり、フラックス充填率が小さすぎるとアー
クの安定性が劣り、スパッタもやや増加する。大きすぎ
るとワイヤが軟弱になり、送給トラブル（断線等）が発
生する。

＆１２〜Ｎｎ１３は金属弗化物の量が本発明範囲外にあ
る比較例であり、少なすぎるとシールド不足となり、溶
接欠陥（ピット、ブローホール）が発生する。多すぎる
とビード形状が劣化し、凸ビードとなる。

＆１４〜−１５はフラックス中のＡｌの量が本発明範囲
外にある比較例であり、少なすぎるとピット、ブローホ
ールが発生する。多すぎると延性、靭性が劣化すると共
にヒユームも増大する。

Ｎａ１６〜翫１７はフラックス中のＭｇの量が本発明範
囲外にある比較例であり、少なすぎると脱酸不足となり
、ピット、ブローホールが発生する。

更にアークもやや不安定となる。一方、多すぎるとヒユ
ームが増大する。

嵐１８〜ＮＱ１９はフラックス中のＭｎの量が本発明範
囲外にある比較例であり、少なすぎると強度不足となり
、多すぎると曲げ延性が劣化する。

Ｎｎ２０−＆２１はＣａの量が本発明範囲外にある比較
例であり、少なすぎるとスラグの剥離性が悪く、ビード
の光沢、波目の揃いが劣化し、多すぎるとヒユーム、ス
パッタが増加する。

ＮＧ２２〜＆２３はフラックス中のＣの量が本発明範囲
外にある比較例であり、少なすぎるとアークが不安定と
なり、多すぎるとヒユームが増大すると共に靭性が劣化
する。

【以下余白１ （発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、要するに、（外
皮−面積）／（ワイヤ断面積）比のワイヤ長手方向のバ
ラツキΔＳの安定化を図ること、ワイヤ水分を高目に調
整すること、金属弗化物の量を低目に設定すること、Ｃ
ａ源を含有させること等により、従来のセルフシールド
アーク溶接フラックス入りワイヤの問題点である低電流
域（２００Ａ以下）でのスパッタの発生及びビード外観
形状を大幅に改善することが可能となり、セルフシール
ドアーク溶接フラックス入りワイヤの用途拡大に大きく
寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は（外皮断面積）／（ワイヤ断面積）比のワイヤ
長手方向のバラツキΔＳとスパッタ発生量の関係を示す
図。 第２図はワイヤ水分とスパッタ発生量の関係を示す図、 第３図は金属弗化物の量及びＳｒＦ２の割合とビード形
状の関係を示す図、 第４図（Ａ）〜（Ｄ）はワイヤ断面形状の一例を示す概
略断面図、 第５図はスパッタ捕集装置を示す図で、（ａ）は側面図
、（ｂ）は平面図であり。 第６図はビードの上脚と下脚を説明する図、第７図はヒ
ート形状評価方法におけるフランク角を説明する図であ
る。 １・・・外皮金属、２・・・フラックス、３・・・スパ
ッタ捕集板、４・・・ワイヤ送給装置、５・・・トーチ
、６・・・母材、７・・・台車、８・・・台車駆動装置
、９・・・溶着金属、１０・・・ボンド部、１１・・・
熱影響部。 特許出願人　　株式会社神戸製鋼所 代理人弁理士　中　　村　　　尚 スパッタΔさ１量（１−７） スｌ”ｙＶＲ生−１（、ｆｉｎ） 普

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ワイヤ水分量が３００〜１０００ｐｐｍで、鋼製
   外皮内に対ワイヤ全重量比で下記成分を必須成分として
   含むフラックスをフラックス率が６〜２０重量となるよ
   うに充填し、且つ（外皮断面積）／（ワイヤ断面積）比
   のワイヤ長手方向のバラツキが０．０５以下であること
   を特徴とするセルフシールドアーク溶接フラックス入り
   ワイヤ。 記 ［１］金属弗化物（弗素換算）：０．１〜１．０％ ［２］Ｃａ：０．１〜１．５％ ［３］Ａｌ：２．０〜４．０％ ［４］Ｍｇ：０．３〜１．５％ ［５］Ｍｎ：０．３〜１．８％ ［６］Ｃ：０．２〜０．５％
2. （２）前記フラックスにおいて、Ｃａ源としてＣａ−Ａ
   ｌを使用する請求項１に記載のセルフシールドアーク溶
   接フラックス入りワイヤ。