JPH04309493A - 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】本発明の鋼構造物の溶接に用いる
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関す
るものであり、さらに詳しくは３００Ａ／ｍｍ２　以上
の高電流密度溶接においても、溶接作業性に優れかつ良
好な溶け込み形状が得られるフラックス入りワイヤに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、溶接の自動化、高能率化の進展に
伴い、ガスシールドアーク溶接はますます広く使用され
ている。特に最近では１．２ｍｍφ程度の細径ワイヤに
高電流を投与して電流密度を高め、ワイヤの溶融速度を
増加させるいわゆる高電流密度溶接法が高能率溶接法と
して注目されている。

【０００３】しかし従来の鋼ワイヤを用いる高電流密度
溶接では、スパッタの多発、耐気孔性、耐われ性および
融合不良などの問題があり、実用する上で多くの制約が
ある。即ち、鋼ワイヤをＣＯ２　ガスと組み合わせて、
例えば３００Ａ／ｍｍ２　以上の高電流密度溶接を行う
場合（電流密度＝溶接電流／ワイヤ断面積）、溶け込み
は円形の良好な形状が得られるものの、安定した溶滴移
行が困難で大粒のスパッタが多発して母材に付着し、そ
の除去作業も困難である他、ビード表面が不均一になる
等、安定した高能率溶接ができない。

【０００４】またシールドガスとしてＡｒ−ＣＯ２　混
合ガスを使用すると、スパッタは大幅に減少するものの
、溶け込み形状が中央部が幅の狭い過大な溶け込みのい
わゆるフィンガー状の溶け込み形状（図１（ａ））にな
るため、特に多層溶接等において、融合不良（図１（ａ
），１）などの欠陥を生じる他、耐気孔性や耐割れ性に
も問題があった。

【０００５】このフィンガー状の溶け込み形状を円形状
の溶け込み形状（図１（ｂ））に改善する手段として、
例えば特開昭５９−４５０８４号公報のＡｒ−Ｈｅ−Ｃ
Ｏ２　−Ｏ２　の４種混合ガスによる溶接法が提案され
ている。この方法は溶滴がワイヤ先端で回転するいわゆ
るローテーティングスプレーアークになるためアークの
広がりにより溶け込み形状は改善されるが、微小溶滴が
ビード止端部に付着してその除去が困難であること、ま
た特殊なシールドガスであるためガスのコストが高くな
るという実用上の問題を残している。

【０００６】一方、鋼ワイヤの代わりにフラックス入り
ワイヤを用い、ＣＯ２　ガスもしくはＡｒ−ＣＯ２　混
合ガスと組み合わせて電流密度３００〜５５０Ａ／ｍｍ
２　で溶接する高電流密度溶接法が特開昭５６−１６０
８７８号公報に提案されている。しかしこの方法は、ス
ラグを多く生成するフラックス入りワイヤを用いている
ため、ビード外観は良好であるが多層溶接においては１
パス毎にスラグを除去する必要があること、またスラグ
巻き込み等の欠陥が生じ易いこと等の問題がある他、ワ
イヤ突き出し長さを非常に長くして溶接する方法のため
スパッタが多く発生するという問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
解決するためになされたものであって、３００Ａ／ｍｍ
２　以上の高電流密度溶接において、安価なＣＯ２　溶
接でもアークが安定でスパッタが少なく、かつ円形の良
好な溶け込み形状が得られると共に、耐割れ性が良好で
融合不良等の欠陥発生の少ない高品質な溶接部の得られ
る高電流密度溶接用フラックス入りワイヤを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係わるガスシールドアーク溶接用フラック
ス入りワイヤの要旨は、鉄粉を主体とする金属粉を９０
％以上含有する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であって、ワイヤの
ポテンシャル水素量を１２０ｐｐｍ　以下とし、かつワ
イヤ全重量に対し下記成分を必須とすることにある。 ３０％以上のＫを含むアルカリ金属；０．０２〜０．２
５％ 金属弗化物（Ｆ換算値）とＫの比（Ｆ／Ｋ）；０．０１
〜０．９０ Ｔｉ；０．０５〜０．４５％ Ｍｎ＋Ｓｉ；２．３〜４．８％でかつＭｎ／Ｓｉ；２．
０〜４．５ 以下に本発明に係わるワイヤを上記構成にした理由を詳
細に説明する。

【０００９】

【作用】本発明者らは、高電流密度ガスシールド溶接に
おけるアーク現象およびビード形成性等について種々実
験を重ねた結果、次のような知見を得た。 （１）ＣＯ２　溶接におけるアーク安定性は、鋼ワイヤ
よりフラックス入りワイヤが優れる。また多層溶接を想
定した場合は、極力スラグ生成量を少なくした方が溶着
速度が早くかつスラグ巻き込み等の溶接欠陥が発生しに
くいため、高能率な連続多層溶接が可能になる。 （２）溶け込み形状はアークの広がりに支配され、アー
クの広がりの大きい方が円形の良好な溶け込みが得られ
る。金属粉系フラックス入りワイヤのアークの広がりは
主として充填フラックス中のアルカリ量に依存するが、
溶滴移行性やアーク安定性の観点からある範囲に制御す
る必要がある。 （３）高電流密度溶接における溶接金属の材質を高品質
なものにするには、脱酸性元素の調整が必要である。 本発明は上記知見に基づいて完成したものであり、以下
に本発明の構成理由について詳細に説明する。

【００１０】まず本発明においてフラックス中の金属粉
を９０％以上と限定したのは、余分なスラグを溶接中に
生成させず溶着速度を高めると共に、スラグを除去しな
くとも連続多層溶接が可能でスラグ巻き込み等の溶接欠
陥を生じさせない高品質な溶接部を得るためである。フ
ラックス中の金属粉の比率が９０％未満では、相対的に
スラグ形成剤が多くなり溶着効率が低下すると共に生成
スラグ量が多くなって、１パス毎にスラグを除去する必
要があり溶接能率が低下する。またスラグ巻き込み等の
溶接欠陥も発生しやすくなる。従ってフラックスの９０
％以上は金属粉でなければならない。なお、ここでいう
金属粉とは、鉄粉の他、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ
，Ｃａ等の脱酸性元素とＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｂ等
の合金元素を意味している。これら元素の添加方法とし
ては、各々単体で添加しても、またこれらの元素の合金
として添加してもよい。

【００１１】次にワイヤのポテンシャル水素量を１２０
ｐｐｍ　と限定したのは次の理由による。即ちワイヤ中
の水素は充填フラックス、鋼外皮およびワイヤ表面付着
物に含有されているが、この水素は溶接中のアーク雰囲
気の水素分圧を上げて溶融金属に侵入し、特に母材の板
厚が厚い場合や拘束の大きい場合などに、この水素に起
因する低温割れが発生することがある。またアーク雰囲
気中の水素は、アークの冷却作用が大きいためアークの
断面が収縮するいわゆる熱的ピンチ効果により、アーク
が集中する結果フィンガー状の溶け込みを形成し、融合
不良等の欠陥を生じ易い。これらを防止するためにはワ
イヤのポテンシャル水素量を低く押さえることが必要で
あり、実験の結果、後述するアルカリ等のフラックス成
分を調整したとしても１２０ｐｐｍ　以下に制限する必
要がある。１２０ｐｐｍ　以下であれば上記問題は発生
せずに良好な溶け込み形状が得られると共に低温割れも
発生しない。従ってワイヤ中のポテンシャル水素量は１
２０ｐｐｍ　以下とした。なおワイヤのポテンシャル水
素量は、不活性ガス雰囲気中で２０００℃以上に加熱し
て抽出される全水素量を示し、充填フラックス、外皮お
よび表面付着物に含有する水素量の合計した値である。

【００１２】高電流密度溶接において円形の良好な溶け
込み形状を得るためにはアークの集中を抑制しアークを
広げる必要がある。アルカリ金属はアーク安定剤として
溶接材料によく用いられているが、本発明においてはア
ークを安定化してスパッタを低減させると共にアークの
広がりを得るために添加する。アルカリ金属としてはＫ
，Ｎａ，Ｌｉ，Ｒｂ，Ｃｓなどかあるが、本発明の目的
に最もよく合致するのはＫである。即ち、Ｋは高電流密
度溶接においてもアークを広げる作用とアーク安定化効
果が大きく、良好な溶け込み形状が得られ易い。一方、
Ｋ以外のアルカリ金属はアーク安定化効果はあるがアー
クを広げる作用はそれほど大きくなく、Ｋを除いたアル
カリ金属の添加のみでは溶け込み形状を改善できない。 良好な溶け込み形状とアーク安定性を確保するためには
、アルカリ金属中にＫが３０％以上含む必要がある。３
０％以上のＫを含むアルカリ金属がワイヤ全重量に対し
て０．０２％未満では上記効果が得られず、一方、０．
２５％を越えて添加するとアークの安定性やアークの広
がりをそれ以上に改善することはできないばかりでなく
、逆に溶滴移行性が劣化してスパッタが多くなる。従っ
て３０％以上のＫを含むアルカリ金属の添加量は０．０
２〜０．２５％とする。なお、アルカリ源としては上記
アルカリ金属の酸化物、弗化物、炭酸塩、珪酸塩等の他
、フラックスの造粒用バインダーとして用いられる水ガ
ラス成分（Ｋ２　ＳｉＯ３　，ＮＡ２　ＳｉＯ３　等）
も挙げられる。

【００１３】更に実際の溶接において、溶接条件の変動
即ち溶接速度、ワイヤ突き出し長さ、あるいはトーチ角
度等が変動すると、アーク安定性の劣化を招きスパッタ
増大を招くことがあるが、このような悪条件下でもスパ
ッタ発生量を最小限に押さえる条件について検討した。 その結果アーク長が極端に長い場合や短い場合にアーク
安定性は劣化しスパッタが多発するが、アーク長が一定
に保持できればスパッタを減少できる。そして上記要件
を満足した上で、更にアークを広げかつアーク長を長く
する作用を持つＫとその反対の作用を持つＦを適正に添
加すれば目的が達成できることを究明した。即ち表１に
示す基本フラックスにＫとＦの量を種々変化させたフラ
ックスを鋼製外皮に充填率が１２％となるように充填し
、図２（ｄ）の断面形状の１．２ｍｍφのワイヤを試作
し実験を行った。図４はこれら試作ワイヤのスパッタ量
および溶け込み形状を示す実験結果のグラフである。な
おスパッタ量の採取は銅製捕集箱を用い、またビード溶
け込み形状は図３に示すように、最大溶け込み深さ（Ｐ
）の１／２の位置（Ｐ／２）における溶け込み幅（Ｗ１
）と最大ビード幅（Ｗ）の比Ｗ１／Ｗを測定した。この
場合、Ｗ１／Ｗ＜０．５がいわゆるフィンガー状の溶け
込み形状とした。但し本実験を行った高電流密度溶接条
件は下記の通りである。 ［溶接条件］ 溶接電流；５００Ａ、　　　　　　　　　　　　電流密
度；４４２Ａ／ｍｍ２　、アーク電圧；４４Ｖ、　　　
　　　　　　　　　溶接速度；５０ｃｍ／ｍｉｎ　、ワ
イヤ突出し長さ；２５ｍｍ、　　　　　　シールドガス
；ＣＯ２　　　２５ｌ／ｍｉｎ　、溶接姿勢；下向き、
ビードオンプレート溶接

【００１４】

【表１】

【００１５】図４から、ＦとＫの比Ｆ／Ｋが０．０１未
満では溶け込み形状はＷ１／Ｗが０．５以上で良好であ
るが、アーク長が過大になりすぎ溶滴移行性が劣化し大
粒のスパッタが発生する。逆にＦ／Ｋが０．９０を超え
るとＦの影響が強くなりすぎてアークが集中し、Ｗ１／
Ｗが０．５以下のフィンガー状の溶け込み形状となって
融合不良等の欠陥を生じる。Ｆ／Ｋの比が０．０１〜０
．９０の範囲ではアーク長およびアークの広がりが適正
に維持されて、スパッタ量、溶け込み形状も良好となる
。従ってＦ／Ｋの比は０．０１〜０．９０とした。なお
弗素源としてはＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａ，Ａｌ等の
弗化物やＫ２　ＳｉＦ６　等の珪弗化アルカリ金属化合
物等が用いられる。

【００１６】Ｔｉは主として脱酸剤としての機能を発揮
して溶接金属の機械的性質を改善する。特に入熱の高く
なる高電流密度溶接においてミクロ組織の微細化に効果
がある。さらにＴｉは電離電圧が低いため優れたアーク
安定化作用を有しスパッタの抑制にも効果を発揮する。 Ｔｉが０．０５％以下では上記効果が発揮されずスパッ
タの発生や溶接金属の機械的性質特に靭性の劣化を生じ
る。一方０．４５％を超えると溶接金属が多量に歩留ま
り機械的性質が劣化する。従ってＴｉの添加量は０．０
５〜０．４５％とする。

【００１７】Ｓｉ，Ｍｎはいずれも脱酸剤としての機能
を有するが、この機能を発揮させるためにはＳｉ，Ｍｎ
の合計が２．３％以上でなければならない。２．３％未
満では脱酸不足による気孔が発生する。逆にＳｉ，Ｍｎ
の合計が４．８％を超えると溶接金属の強度が高くなり
すぎ靭性が劣化したり割れが発生するのでこれらの合計
が４．８％を上限とする。またＳｉ，Ｍｎが上記範囲を
満足した上でＭｎ／Ｓｉを規定したのは溶接金属の機械
的性質特に靭性を向上させるためである。即ちＭｎは高
電流密度溶接のような入熱の高い場合に焼入れ性を高め
て靭性劣化を防止する効果を有するが、Ｍｎ／Ｓｉが２
．０未満ではこの効果が発揮されず溶接金属材質に問題
を生じる。一方Ｍｎ／Ｓｉが４．５を超えると溶接金属
の強度が高くなりすぎて靭性が劣化する。従ってＭｎ／
Ｓｉは２．０〜４．５の範囲とする。

【００１８】以上が本発明の主要構成であるが、アーク
の安定化やビード形状の良好化を図るために、例えばＴ
ｉＯ２　，ＳｉＯ２　，ＭｎＯ，ＺｒＯ２　，ＭｇＯ，
ＦｅＯ，Ａｌ２　Ｏ３　等の酸化物、ＣａＣＯ３　，Ｍ
ｇＣＯ３　等の炭酸塩などの非金属成分をその総量が１
０％を超えない範囲で添加することができる。

【００１９】さらに溶接金属の機械的性質を向上させる
ためにＮｉ，Ｍｏ，Ｂ，Ｃｒなどの合金元素を添加でき
る。特にＭｏは高電流密度溶接による連続多層大入熱溶
接においては、強度低下や靭性劣化の防止に効果がある
。

【００２０】また本発明は、フラックスの充填率は上述
の構成要件を満たす限り７〜２０％の範囲で選択でき、
ワイヤ径は特に制限されないが高電流密度溶接法におい
ては溶着速度の観点から１．２〜１．６ｍｍφ程度の細
径ワイヤの方が望ましい。ワイヤの断面形状は図２の何
れの形状も採用できるがアークの安定性、ワイヤ送給性
および直進性の優れた図２（ｄ）のシームレスタイプが
最適である。

【００２１】以上のように構成されたフラックス入りワ
イヤを用いて電流密度３００Ａ／ｍｍ２　以上の高電流
密度溶接を行うと、アークが安定でスパッタが少なく、
かつ良好な溶け込み形状が得られるため、融合不良等の
溶接欠陥発生の少ない高品質な溶接部が高能率で得られ
る。 次に実施例に基づいて本発明ワイヤを更に具体的に説明
する。

【００２２】

【実施例】表２に本発明ワイヤおよび比較ワイヤのフラ
ックス組成を示す。何れも軟鋼外皮Ｃ：０．０４９、Ｓ
ｉ：０．０２％、Ｍｎ：０．２９％、残実質的Ｆｅより
なる軟鋼外皮を用い、断面形状が図２（ｄ）のようにな
るフラックス入りワイヤ（１．２ｍ）を作製した。なお
表２の中のフラックス中の金属粉とは、鉄粉の他Ｆｅ−
Ｓｉ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｔｉ，Ｆｅ−Ｍｏ，Ａｌ−Ｍ
ｇ等の金属粉の合計を示す。これらワイヤを用いて、図
５に示す断面形状の鋼板試験片（鋼種ＳＭ−５０Ｂ，ｔ
＝２５ｍｍ，ｗ＝１５０ｍｍ，長さ５００ｍｍ）に、表
３に示す高電流密度溶接条件でビードオンプレート溶接
を行った。また図６に示す継手形状の鋼板試験片（ＳＭ
−５０Ｂ，ｔ＝２５ｍｍ，Ｇ＝１２ｍｍ，θ＝３５°）
を表４に示す溶接条件で連続多層溶接（４層溶接）を行
い継手溶接試験を行った。その結果を表５に示す。なお
ビードオンプレート溶接における評価基準として、アー
クの安定性については非常に良好を二重丸印、やや不安
定ではあるが実用できるものを一重丸印、アーク不安定
でスパッタ多発し実用不可をバツ印とした。またスパッ
タ量については、図４の実験と同じく銅製捕集箱を用い
て採取し、溶け込み形状についても図４の実験と同様Ｗ
１／Ｗを測定した。継手溶接試験においては、Ｘ線試験
により溶接欠陥の調査を行うと共に、機械試験を実施し
て溶接金属の引張強度および靭性（０℃における衝撃吸
収エネルギー）を調査した。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】

【表６】

【００２８】表２および表５においてＮｏ．１〜Ｎｏ．
９が本発明例、Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．２０が比較例である
。本発明の要件を満足するＮｏ．１〜Ｎｏ．９はいずれ
も、高電流密度溶接においてもアーク安定性、スパッタ
、溶け込み形状および継手性能が良好であった。

【００２９】これに対し、Ｎｏ．１０はフラックス中の
金属粉が少ないため相対的にスラグ量が多くなりスラグ
巻き込みが生じている。またＮｏ．１１はポテンシャル
水素量が多くフィンガー状の溶け込みとなりＸ線性能が
悪い。Ｎｏ．１２，１３，１４はアルカリ量が本発明の
要件を満足していないためいずれもスパッタが多発した
り溶け込み形状がフィンガー状となった。さらにＮｏ．
１５はＦ／Ｋの比が小さくてスパッタが多く、逆にＮｏ
．１６はＦ／Ｋの比が大きくて融合不良が発生した。ま
たＮｏ．１６〜Ｎｏ．２０はいずれもＴｉ，Ｓｉ，Ｍｎ
の添加量あるいはその比率が本発明の要件を外れている
ため、特に継手性能が劣化した。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、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は、高電流密度
溶接において、安価なＣＯ２　ガスを使用してもアーク
が安定でスパッタが少なく、さらにビードの溶け込み形
状が良好で融合不良等の溶接欠陥発生がなく良好な溶接
部が高能率で得られる。従って溶接の高能率化、低コス
ト化および溶接部の信頼性向上に大きく貢献するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶接継手部の溶け込み形状を示す模式図である
。

【図２】フラックス入りワイヤの断面図である。

【図３】溶接継手部の溶け込み形状を示す図である。

【図４】Ｆ／Ｋとスパッタ量および溶け込み形状の関係
を示す実験結果の図である。

【図５】ビードオンプレートの試験片断面図である。

【図６】継手溶接部試験片断面図である。

【符号の説明】

１　　融合不良 ２　　鋼製外皮 ３　　フラックス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　鋼製外皮中に鉄粉を主体とする金属粉
   を９０％以上含有する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、ワ
   イヤのポテンシャル水素量が１２０ｐｐｍ　以下であり
   、かつワイヤ全重量に対し下記成分を必須とすることを
   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。 ３０％以上のＫを含むアルカリ金属；０．０２〜０．２
   ５％ 金属弗化物（Ｆ換算値）とＫの比（Ｆ／Ｋ）；０．０１
   〜０．９０ Ｔｉ；０．０５〜０．４５％ Ｍｎ＋Ｓｉ；２．３〜４．８％でかつＭｎ／Ｓｉ；２．
   ０〜４．５