JPH04224094A - ガスシールドアーク溶接用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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明のガスシールドアーク溶接
用フラックス入りワイヤ（以下ワイヤと称す）は、溶接
作業性が良好で耐海水腐食性が優れ、且つ低温靭性特に
ＣＴＯＤ（Ｃｒａｃｋ　　Ｔｉｐ　　Ｏｐｅｎｉｎｇ　
　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）特性に優れたワイヤに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年エネルギー資源の開発は、極地化、
深海化の方向に有りこのため砕氷船や海洋構造物の建造
においても、低温靭性が優れ更に耐海水腐食性に優れた
鋼材及び溶接材料の開発が要望されていた。

【０００３】従来、海中構造物用の鋼材及び溶接部の腐
食防止法としては、十分な塗装を行うのが一般的であっ
た。しかし北極海のように氷が存在するところでは、氷
の衝突によるひっかき疵が塗装表面に発生し、この部分
から腐食が発生するので十分な防食手段とは言えない。 特に塗装が不十分な場合には鋼材全体腐食と局部的な腐
食が発生する。この内鋼材全体腐食は板厚を厚くするな
どの対策をとりうるが、局部的な腐食は応力集中を生じ
疲労その他破壊の原因ともなり大きな問題となっていた
。とりわけ溶接部は母材と化学成分や熱履歴が異なるこ
とにより耐食性に差が出るため、特に局部腐食が問題と
なる箇所である。また海中構造物の建造では、その耐海
水腐食性が重視されてきたが、最近使用範囲が極地化し
て来るに伴い同時に低温靭性特に、脆性破壊の面からＣ
ＴＯＤ特性の優れた構造物であることが大きな要求ポイ
ントになって来た。

【０００４】従来から使用されているフラックス入りワ
イヤは、ソリッドワイヤに比較して特にアークの安定性
、スパッタが少なく溶接作業性やビード外観の優れたル
チール系が主に使用されている。例えば特開昭５８−１
１９４９０号公報ではルチール系ワイヤにおいて、鋼製
外皮と鉄粉の窒素量を規制して低温靭性の向上が図られ
ているが、ルチール系の最大の欠点は溶接金属中の酸素
量が５００ｐｐｍ　以上と高いため溶接金属の性能が劣
ることにある。又特公昭５９−４４１５９号公報におい
て、フラックス中にＭｇを添加し更に、金属Ｔｉ或はＦ
ｅ−Ｔｉなどの状態でＴｉを添加し、溶接金属の酸素量
を低減させることによって低温靭性の改善を図るという
発明が開示されている。しかし、単にＭｇ及びＴｉを添
加するだけでは溶接金属の酸素量を減少させることはで
きず、従って低温靭性についても何等の改善もなされて
いなかった。更に特公昭５６−６８４０号公報では、Ｔ
ｉ及びＴｉＯ２　量とＢ及びＢ２　Ｏ３　量を制限する
ことにより、大入熱溶接を行った場合でも良好な低温靭
性を得るガス被包アーク溶接用複合ワイヤが開示されて
いる。 しかし、該発明においても溶接金属中の酸素量の低減は
不十分であり、そのため溶接金属の靭性は何等の改善も
なされていなかった。

【０００５】一方ルチール系以外のフラックスを用いて
低温靭性を改善するものとして、特公昭４６−２４１２
４号、特開昭５２−１２５４３７号公報等に示されるよ
うに、金属弗化物を主成分に金属炭酸塩、スラグ生成剤
、強脱酸剤の調整により低温靭性の向上が図られている
が、耐海水局部腐食性を有し且つ、低温靭性とＣＴＯＤ
特性を合わせ持つ性能を有するワイヤは無い。更に、耐
候性鋼用炭酸ガスアーク溶接フラックス入りワイヤ（Ｊ
ＩＳ　　Ｚ　　３３２０）としてＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒの成
分範囲が示されているがこれらは主に、建材、橋梁用に
用いられる鋼材で大気中における耐候性を有するもので
、耐海水腐食性に対してＣｒは逆に局部腐食を促進させ
る成分であり好ましくない。又、Ｃｕ，Ｎｉだけでは低
温靭性とＣＴＯＤ特性を大幅には改善できない。

【０００６】本発明者らは、特開平２−２０７９９６号
公報で金属弗化物系を提案しているが更に研究を重ねた
結果、酸素量の低減が不可能とされていたルチール系で
、溶接作業性を損なうことなく酸素量を大幅に低減する
と共に、耐海水腐食性と低温靭性に優れたワイヤを見い
だした。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題点を解決し氷海域における海洋構造物や砕氷船の
建造において、溶接作業性が良好で耐海水腐食性に優れ
ると共に、優れたＣＴＯＤ特性を有する溶接金属が得ら
れるワイヤを提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、鋼製外
皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接
用フラックス入りワイヤにおいて、鋼製外皮の成分が、
Ｃ：０．０６％（重量％：以下同じ）以下、Ｐ：０．０
１２％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．００４０
％以下、Ｏ：０．０１５０％以下であり、フラックスは
ワイヤ全重量に対して、ＴｉＯ２　：２．５〜５．５％
、金属弗化物：Ｆ量として０．３６〜１．５０％、脱酸
剤：１．０〜６．０％、Ｃｕ：０．１〜０．６％、Ｎｉ
：０．２〜２．５％、Ｂ：０．００２〜０．０２０％、
酸化物ＴｉＯ２　を含めて８．０％以下を含有すること
を特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入り
ワイヤである。又、上記ワイヤにＴｉを０．０１〜０．
２０％含有してなるガスシールドアーク溶接用フラック
ス入りワイヤにある。

【０００９】従来より溶接金属のＣＴＯＤ特性を向上さ
せるため適量のＴｉ及びＢを添加し、そのミクロ組織を
微細化、均一化することが有効であることが知られてい
る。又、鋼の耐海水腐食性改善には、Ｃｕ，Ｃｒの添加
が有効なことが知られている。鋼構造物における溶接部
は、母材と化学成分や熱履歴が異なるため、特に局部腐
食を受け易く、溶接金属が母材より先に選択腐食を受け
る場合には、母材との面積比により急速に腐食が進み、
重大な破壊につながる恐れがある。この防止には溶接金
属を母材よりも電気化学的に貴にすることが必要であり
、とりわけＣｕ，Ｎｉの添加が局部腐食防止に有効なこ
とが見いだされた。本発明は、かかる知見に基ずいてな
されたものであり、以下に作用と共に詳細に説明する。

【００１０】

【作用】まず本発明で鋼製外皮の成分が、Ｃ：０．０６
％以下、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１０％以下
、Ｎ：０．００４０％以下、Ｏ：０．０１５０％以下で
ある鋼材を使用する必要がある。即ち高靭性の溶接金属
を得るには、溶接金属中のＣを０．０７％以下にする必
要があるが、フラックスやワイヤ表面の潤滑剤を考慮す
ると鋼製外皮のＣは０．０６％以下にすべきである。 又、Ｐ，Ｓ，ＮやＯは不可避的不純物であるが、Ｐ，Ｓ
は溶接金属の耐高温割れ性を阻害し、Ｎは靭性を著しく
劣化させるため、Ｐは０．０１２％以下、Ｓは０．０１
０％以下、Ｎは０．００４０％以下にするのが望ましい
。更にＯは溶接時の溶滴移行性に影響を与える他、脱酸
剤特にＳｉ，Ｍｎ，Ｔｉの歩留まりを低下させるのでこ
れらの成分変動要因となるので０．０１５％以下にすべ
きである。

【００１１】本発明ワイヤの特徴は鋼製外皮の成分を規
制し充填フラックスにＣｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｂを添加して
溶接金属の耐海水腐食性を大幅に向上させなおかつ、良
好なＣＴＯＤ特性をも合わせ持つ性能を有する点にある
。溶接部の局部腐食を防止するには、溶接金属の成分を
母材よりも電気化学的に貴にする必要があり、Ｃｕ，Ｎ
ｉは非常に有効な成分である。

【００１２】Ｃ：０．０５％、Ｐ：０．０１０％、Ｓ：
０．００８％、Ｎ：０．００２５％、Ｏ：０．０１２０
％の鋼製外皮材を用いて、ワイヤ全重量に対し、ＴｉＯ
２　：４．０％、ＣａＦ２　：２．０％（Ｆ量として：
０．９７％）、ＳｉＯ２　：０．５％、ＭｇＯ：０．３
％、Ｆｅ−Ｓｉ（４０％Ｓｉ）：１．０％、Ｍｎ：２．
０％、Ｍｇ：０．４％、Ｂ（２％Ｂ含有鉄粉）：０．４
％、Ｎｉ：０．３％、Ｃｕ：０〜０．９％、残部鉄粉及
び不可避的不純物からなるフラックスを含有したワイヤ
を１０種類試作して１．２ｍｍφに仕上げ、深さ１０ｍ
ｍのＶ溝をもつＣ：０．１％、Ｓｉ：０．３％、Ｍｎ：
１．３％、Ｃｕ：０．４％、Ｎｉ：０．３％、Ｍｏ：０
．２％の成分で、厚さ２５ｍｍの鋼材に、溶接電流２５
０Ａ、アーク電圧２７Ｖ、溶接入熱１５ｋｊ／ｃｍ、シ
ールドガス（８０％Ａｒ−２０％ＣＯ２　）２５　　ｌ
／ｍｉｎ　の条件で溶接し、表面下１ｍｍから厚さ５ｍ
ｍの試験片を採取し、３％食塩水中で３ヶ月間回転浸漬
試験を行った。図１はその結果を示したものである。同
図の横軸はワイヤ中のＣｕ量、縦軸は溶接金属の腐食減
量である。尚、腐食減量とは図３に示すように腐食試験
後の測定部溶接金属の最低厚さｌを測定し、試験片の試
験前の厚さｔ（５ｍｍ）との差を求めたものである。

【００１３】Ｃｕを含まないワイヤによる溶接金属の腐
食減量は１．７ｍｍとなった。これに対しワイヤ中にＣ
ｕを添加したものは腐食減量が低下する傾向を示してい
る。特に、Ｃｕ量が０．１％以上のものは腐食減量が全
て０．４ｍｍ以下になり良好な耐海水腐食性を示した。 Ｃｕを０．６％を超えて添加しても耐海水腐食性に大き
な改善効果が見られず逆に、粒界偏析による脆化を起こ
すのでＣｕの添加量を、０．１〜０．６％と限定した。 又、Ｃｕの添加方法として、フラックス中に添加せずに
Ｃｕメッキ分のみでも同等の効果が得られ、外皮または
充填フラックスの一方または両方から添加しても同等の
効果が得られることが判明した。

【００１４】又、Ｎｉは通常フェライトへの固溶効果に
よる靭性向上のため添加されているが、Ｃｕと同様溶接
金属の耐海水腐食性向上に有効なことが判った。図２は
前記と類似の外皮とフラックスでＣｕの添加量を０．３
％に固定し、Ｎｉ　添加量を０〜３．０％と変化させて
ワイヤを試作し回転浸漬試験を行って、ワイヤ中のＮｉ
量と腐食減量の関係を調査したものである。ワイヤ中に
Ｎｉを含まない溶接金属の腐食減量は１．３ｍｍとなる
のに対し、Ｎｉを添加したものは腐食減量が大幅に減少
した。ワイヤ中のＮｉ量が０．２％未満では耐海水腐食
性が十分ではなく、又、２．５％を超えて添加してもそ
れ以上の改善効果が得られないばかりか高価となるので
、Ｎｉのワイヤ中への添加範囲を０．２〜２．５％とし
た。Ｎｉは金属Ｎｉの外、Ｆｅ−Ｎｉ，Ｎｉ−Ｍｇ等の
合金としても添加して良い。又、Ｎｉは、Ｃｕと同様に
外皮、フラックスの一方または両方に添加しても良い。

【００１５】次に、前記ワイヤに加えてＢを添加する理
由を説明する。Ｂは強力な脱酸性炭化物生成元素である
からこれをワイヤに添加することによって、溶接金属に
於ける結晶核生成作用が促進され柱状晶の成長が阻害さ
れることにより、結晶粒は微細化する。又、溶接金属の
焼き入れ性を高める効果がありこのような効果を得るた
めには、最少限０．００２％のＢ量が必要でそれ未満で
は効果がなく、又、多すぎると溶接金属に高温割れが発
生し易くなるので上限を０．０２％とする。Ｂ源として
はＦｅ−Ｂ、アトマイズＢ等の合金として又、Ｂ２　Ｏ
３　等の酸化物の形で添加し脱酸剤による還元添加する
こともできる。尚、ＢもＣｕ，Ｎｉと同様に外皮、フラ
ックスの一方または両方に添加しても良い。

【００１６】本発明では上記特性を踏まえ更に、溶接金
属の酸素量の低減が不可能とされていたルチール系フラ
ックスで溶接作業性を損なうことなく、酸素量を大幅に
低減（４００ｐｐｍ　以下）すると共に、溶接金属の結
晶組織を微細化することにより、低温靭性特にＣＴＯＤ
特性を向上させるために各成分の含有率を下記のように
限定した。

【００１７】ＴｉＯ２　は、ルチール系フラックス入り
ワイヤの主要成分であり、他のスラグ形成剤にはない優
れた被包性及び剥離性を有する他、アーク安定剤として
不可欠の成分であり、２．５％未満では良好なビード外
観、形状が得られない。一方、５．５％を超えるとスク
ラグ生成量が過剰となり、スラグ巻込みが起こると共に
酸性成分である為に溶接時にスラグとして分離されづら
く、溶接金属中に大形の非金属介在物が増加するためミ
クロ組織が微細化されず、酸素量も増加し靭性を低下さ
せる。従って２．５〜５．５％の範囲とする。ＴｉＯ２
　源としては、ルチールや合成ルチール、チタンスラグ
等が使用される。

【００１８】金属弗化物は、アーク安定性を高めると共
に脱水素作用によって溶接金属の低温靭性を向上させる
作用がある。これらの作用はＦ量換算で０．３６％以上
添加することにより有効に発揮される。しかし１．５％
を超えるとスラグの流動性が過大となりスラグ被包性が
悪くビード形状が悪化する。従って０．３６〜１．５０
％の範囲とする。弗化物としてはＮａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｍｇ
，Ｃａ等のアルカリ金属、及びアルカリ土類金属の弗化
物が一般的に用いられる。

【００１９】脱酸剤としては、Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｍｇ
等を添加する。Ｓｉは、有効な脱酸剤で溶接金属の酸素
量を低減すると共に、ビード形状、外観及び溶接作業性
を改善する。Ｍｎは、スラグの流動性を調整しビード形
状を改善すると共に溶接金属の脱酸を促進し、かつ強度
、靭性を改善する。Ａｌは、強脱酸剤であり溶接金属の
酸化を妨げ、かつミクロ組織を微細化し、靭性改善に効
果がある。Ｍｇは、高度のアーク中に於て酸素と反応し
、ワイヤ先端の溶滴の段階で脱酸反応が行われる。その
結果、脱酸生成物が溶融池内に残留しないこと、更には
溶融池内で反応するＳｉ，Ｍｎの脱酸反応を助け、溶接
金属の酸素量を減少させる上で効果がある。

【００２０】これらの脱酸剤の添加量が１．０％未満で
は上記効果が不足し、溶接金属は多孔質となりＸ線性能
が劣化する。一方、６．０％を超えて添加すると脱酸剤
が溶接金属に多量に歩留るため、溶接金属は硬化し靭性
と耐割れ性の低下をきたす。このため本発明ワイヤでは
フラックス中の脱酸剤は１．０〜６．０％の範囲で添加
する。尚、脱酸剤の添加方法は、単体もしくは鉄合金や
合金の形態で添加してもよい。

【００２１】更に本発明では、スラグ形成剤として酸化
鉄、ＳｉＯ２　，Ａｌ２　Ｏ３　，ＺｒＯ２　，ＭｎＯ
，ＭｇＯ，ＢｉＯ３　，Ｎａ２　Ｏ，Ｋ２　Ｏ等の酸化
物を併用することができるが、前記ＴｉＯ２　を含めた
酸化物の添加量の総和が８．０％を超えると、溶接金属
中の酸素量を４００ｐｐｍ　以下にすることができなく
なる。本発明は、充填フラックス組成の効果を詳細に検
討した結果成し得た成果である。酸化物は、スラグ生成
量を多くさせると共にスラグ巻込みを起こし易くし、か
つ溶接金属中の酸素量を増加させるので、８．０％を超
えて添加すると本発明の成果を達成することができない
。

【００２２】本発明のフラックス入りワイヤには、上記
成分や他に下記のＴｉを更に加えても良い。ＴｉはＴｉ
酸化物を形成して溶接金属のミクロ組織を微細化し、靭
性改善に有効であるが０．０１％未満ではこの効果も望
めず下限を０．０１％とする。又、０．２０％を超える
と靭性を著しく損なうので上限を０．２０％とする。Ｔ
ｉは金属Ｔｉの外、Ｆｅ−Ｔｉ等の合金として添加して
も良い。ＴｉもＣｕ，Ｎｉ，Ｂと同様に外皮、フラック
スの一方または両方に添加しても良い。

【００２３】本発明で用いられるフラックス入りワイヤ
に要求される組成は以上の通りであるが、上記の要件を
満足し得る範囲で他の合金元素等を併用することもでき
る。例えば鉄粉は、溶着速度を高める目的として、又ス
ラグの粘性を調整すると共にアーク安定剤として、Ｃａ
ＣＯ３　，Ｌｉ２　ＣＯ３　，Ｋ２　ＣＯ３　，ＢａＣ
Ｏ３　，ＭｇＣＯ３　，ＭｎＣＯ３　，ＳｒＣＯ３　等
の炭酸塩が有効であるが、炭酸塩は過剰に添加すると、
アーク雰囲気中で分解されたＣＯ２　ガス中のＣが溶接
金属中に留まって靭性を劣化させるので好ましくない。

【００２４】ワイヤ外皮としては、成分規制範囲内であ
る低炭素鋼を用いるが、成分規制範囲を満足する低合金
鋼を用いることもできる。又、フラックスの充填率は特
に限定されないが、伸線性を考慮してワイヤ全重量に対
して１０〜３０％の範囲が最も適当である。

【００２５】尚、ワイヤの断面形状には何らの制限もな
く、２ｍｍφ以下の細径の場合は比較的単純な円筒状の
ものがよく、又、２．４〜３．２ｍｍφ程度の太径ワイ
ヤの場合は、鞘材を内部へ複雑に折りこんだ構造のもの
が一般的である。又、シームレスワイヤにおいては、表
面にＣｕ等のメッキ処理を施すことも有効である。

【００２６】

【実施例】表１に示す成分の外皮を用い、表２に示すフ
ラックス組成にて試作したワイヤを用いて溶接を行った
。その試験結果を表３に示す。表２，表３において、ワ
イヤ記号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７が比較例で、Ｎｏ．８〜Ｎ
ｏ．２４が本発明になる実施例である。いずれのワイヤ
も１．２ｍｍφのワイヤに仕上げ、前述と同様の方法に
より耐海水腐食性を調査する回転浸漬試験を行うと共に
同一鋼材を５０°Ｖ開先に組み立て、平均入熱量３０ｋ
ｊ／ｃｍで立向溶接を行い、その際の溶接作業性及び溶
接部の機械的性能を調査した。ＣＴＯＤ試験は英国規格
ＢＳ５７６２−１９７９に基づき溶接金属の中心部に疲
労ノッチを入れたＣＴＯＤ試験片を作製し、−５０℃に
おいてＣＴＯＤ試験を行った。又、シールドガスは８０
％Ａｒ−２０％ＣＯ２　の混合ガスを用いた。尚試験結
果の判定は、ＣＴＯＤ値が０．３ｍｍ以上、腐食原料が
０．４ｍｍ以下を良好とした。

【００２７】表３に示す試験結果から明らかなように、
比較例のＮｏ．１，２，３は、本発明の必須成分である
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｂのいずれかの成分が範囲外で、耐腐食性
が悪く、Ｎｏ．４はＣＴＯＤ値は良好であるがやはりＣ
ｕ，Ｎｉが添加されてないため腐食減量が多い。又Ｎｏ
．５，６，７は、耐腐食性は良好であるがＮｏ．５は、
酸化物の総和が８％超有り、低温靭性及び溶接作業性が
劣り、Ｎｏ．６は低温靭性は良好であるが、Ｂが添加さ
れてないためＣＴＯＤ値が低い。Ｎｏ．７は、Ｃｕが本
発明の範囲を超えたため、溶接金属が粒界偏析により脆
化したため低温靭性及びＣＴＯＤ値の向上が認められな
かった。一方本発明になるＮｏ．８〜Ｎｏ．２４のワイ
ヤは溶接作業性が良好で、いずれも遷移温度が全て−７
０℃以下であり、又、ＣＴＯＤ値も０．７ｍｍ以上でか
つ腐食減量も０．３ｍｍ以下であることから、良好な性
能が得られることが確認できた。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】

【表６】

【００３４】

【表７】

【００３５】

【発明の効果】本発明ワイヤは、溶接作業性が良好で、
低温靭性特に、ＣＴＯＤ特性が極めて優れ、且つ耐海水
腐食性が格段に向上したワイヤである。これは従来のガ
スシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤでは到底
達成し得ないものであり、特に、北極海のような氷海域
に於ける海洋構造物や砕氷船の建造等に於て優れた効果
を発揮し、これら産業の発展に貢献するところ極めて大
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】耐海水腐食性試験に於けるワイヤに含まれるＣ
ｕ量、Ｎｉ量と腐食減量との関係を示す図表である。

【図２】耐海水腐食性試験に於けるワイヤに含まれるＣ
ｕ量、Ｎｉ量と腐食減量との関係を示す図表である。

【図３】耐海水腐食性試験に於ける腐食減量の測定要領
を示す側面図である。

【符号の説明】

１　　腐食減量の試験片

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　鋼製外皮にフラックスを充填してなる
   ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおい
   て、鋼製外皮の成分が、Ｃ：０．０６％（重量％）以下
   、Ｐ：０．０１２％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：
   ０．００４０％以下、Ｏ：０．０１５０％以下であり、
   フラックスはワイヤ全重量に対して下記量の成分を含有
   することを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラッ
   クス入りワイヤ。 ＴｉＯ２　：２．５〜５．５％ 金属弗化物：Ｆ量として０．３６〜１．５０％脱酸剤：
   １．０〜６．０％ Ｃｕ：０．１〜０．６％ Ｎｉ：０．２〜２．５％ Ｂ：０．００２〜０．０２０％ 酸化物：ＴｉＯ２　を含めて８．０％以下
2. 【請求項２】
   　　付加成分として、Ｔｉを０．０１〜０．２０％含有
   してなる請求項１記載のガスシールドアーク溶接用フラ
   ックス入りワイヤ。