JPH04319094A

JPH04319094A - セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JPH04319094A
Application number: JP10965791A
Authority: JP
Inventors: Mikio Makita; 槇田　三宜男; Takeo Adachi; 足立　武夫; Kiyoshi Kato; 清加藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-04-16
Filing date: 1991-04-16
Publication date: 1992-11-10

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】本発明は厚さが２５ｍｍより薄い
、衝撃靱性を要求されない軽鋼構造物の主に下向および
横向姿勢の接合溶接に適用して、Ｘ線および曲げ性能の
良好な溶接部を安定して得ることの出来るセルフシール
ドアーク溶接用フラックス入りワイヤ（以下セルフシー
ルドワイヤという）に関する。

【０００２】

【従来の技術】セルフシールドワイヤを用いたセルフシ
ールドアーク溶接法は、溶接中のアークや溶融池を大気
からシールドするためフラックスまたはガスを他から供
給しないで溶接できるので、溶接装置及びトーチの構造
が単純で軽く、フラッスクの供給、除去またはガスの供
給、ボンベの入替え、配管等を必要としない。また、実
施工に当たっては大気シールドの面から潜弧溶接法では
姿勢に、ガスシールド法では屋外作業で問題となる風に
それぞれ制約されにくいなどの利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現実にはアー
ク電圧、即ち、アークの長さおよびその変動によるシー
ルド性の変化、ワイヤの突出し長さなどの施工条件、ワ
イヤの吸湿、錆、開先の錆、汚れおよび防錆塗料付着な
どの水分に敏感で許容範囲が狭いため、欠陥のない溶接
部を得るには特別な技量及び管理が必要である。従来の
セルフシールドワイヤでは大気シールドが完全でなく、
溶接中に侵入した窒素、酸素による溶接金属の気孔の発
生を防止するために脱窒、脱酸材として多量のＡｌ、Ｍ
ｇを添加する。そのためＡｌが溶接金属中に多量に残留
し、結晶粒が粗大化するため良好な曲げ性能および靱性
が得られなかった。また、この系ではスラグの凝固が遅
く、粘性が低いため立向、上向姿勢の溶接は極めて困難
であり、建築、建設などの現場接合溶接で特に多い横向
姿勢でもスラグ、ビードが垂れ易く特別の技量が必要で
ある。

【０００４】これらの欠点を解消するため、例えば特開
昭５４−１５５１３９号、特開昭５６−７４３９５号、
特開昭５９−４２１９８号、特開昭５９−１４１３９７
号、特開昭６２−２３８０９７号の各公報に、ワイヤを
細径化し、全姿勢での良好な使用特性と耐気孔性、低温
靱性および曲げ性能の向上を図ったセルフシールドワイ
ヤが開示されている。これらのワイヤは主なスラグ材で
ある金属ふっ化物としてＣａＦ２　の代わりにＢａＦ２
　を使用し、スラグの凝固点を高めることにより全姿勢
溶接性、衝撃靱性を向上している。しかし、これらのワ
イヤでは概して生成したスラグの除去が困難で、時間を
要し、また最終ビード外観が劣り、汎用材料としてはま
だ問題があることが分かってきた。すなわちＣａＦ２　
系ではスラグの剥離、ビード外観が良好であるが姿勢溶
接性、衝撃靱性が劣る。ＢａＦ２　系では全姿勢溶接性
、衝撃靱性は優れているがスラグの剥離、ビード外観が
劣るなど、それぞれに問題がある。

【０００５】更に、これらの問題を解消するため、Ｃａ
Ｆ２　、ＢａＦ２　を組合せ使用することが特開昭５８
−１４８０９５号、特開昭６３−６３６００号、特開平
１−２１０１９５号、特開平１−２８９５９６号の各公
報などで公知である。しかし、これらのワイヤも全姿勢
溶接性と衝撃靱性の向上を指向しており、一般に多用さ
れる下向、横向姿勢に限定すると他の溶接法、即ち、手
溶接、ガスシールド、潜弧溶接法等に比べ溶接作業性及
び溶接部の健全性にまだ問題があり、用途が限定されて
いる。

【０００６】本発明はこのような状況に着目し、なされ
たものである。即ち、溶接姿勢を一般に最も使用頻度の
高い下向、横向姿勢に限定し、高い技量を必要としない
で能率良く、良好な形状のビードおよび健全な溶接部を
与えるセルフシールドワイヤの提供を目的としたもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
、本発明者は従来技術を基に、目的を阻害する要因につ
いて種々検討を重ねた結果、構成する原材料およびその
量は公知範囲であっても、各構成成分間の微妙な比率に
よりアークの安定性、ビード形状、溶接部の健全性およ
び曲げ性能が大幅に変化することを見いだした。本発明
は従来のセルフシールドワイヤの問題点を解消する目的
で従来の原材料および量の範囲でその構成成分比率を微
妙に調整することによりなし得たものである。

【０００８】すなわち、本発明に係るセルフシールドワ
イヤは、鋼製外皮の内側に金属ふっ化物としてＣａＦ２
　およびＢａＦ２　を合計で４〜１０％（ワイヤ全重量
に対する重量％、以下同じ）、且つＢａＦ２　／ＣａＦ
２　：０．５〜０．７５未満、Ａｌ、Ａｌ合金の１種ま
たは２種以上をＡｌ換算で１．７〜２．５％（外皮中の
Ａｌを含む）、Ｍｇ、Ｍｇ合金の１種または２種以上を
Ｍｇ換算で０．９〜２．０％、Ｌｉ、Ｂａの１種または
２種の炭酸塩を０．１〜２．３％、ＭｎまたはＭｎ合金
をＭｎ換算で０．４〜１．０％（外皮中のＭｎを含む）
、炭酸塩を含むフラックス中、ワイヤ表面および外皮の
Ｃの総和０．１０〜０．３５％を必須成分として含有し
、好ましくは重量比でＡｌ／（ＣａＦ２　＋ＢａＦ２　
）：０．３〜０．４、Ｃの総和／Ａｌ：０．０７以上で
あり、必要に応じてＬｉ、Ｋ、Ｎａ化合物の１種または
２種以上を元素に換算して０．０２〜０．２％含有する
フラックスを１０〜２５％となるように充填したことを
特徴とするものである。

【０００９】

【作用】以下に、本発明のセルフシールドワイヤを上記
構成に限定した理由を説明する。

【００１０】金属ふっ化物としてのＣａＦ２　とＢａＦ
２　は、次に述べるＡｌおよびＭｇと共にスラグを構成
する主な成分であると共に、溶接時アーク熱により一部
気化しアーク雰囲気および溶融池を大気からシールドす
る効果がある。しかし、４％未満ではスラグ量が不足し
、凝固点の高いＡｌ、Ｍｇ酸化物の比が多くなるためス
ラグの凝固点が上がり、流動性も悪くなるためビードを
安定して覆うことが出来ず、良好なビード外観、形状お
よび耐気孔性を得ることが出来ない。１０％を超えて添
加するとスラグ量が多くなると共にスラグ中のふっ化物
の比率が多くなり、凝固点の低下、流動性の増加などに
より開先内でスラグが先行し、アークが不安定となる。特に横向姿勢ではスラグが垂れ下がり、溶接作業性が悪
化する。

【００１１】本発明者は下、横向溶接作業性を更に改善
する目的で、ＣａＦ２　とＢａＦ２　の重量比と溶接作
業性の関係を詳細に検討した。表２の実施例３のフラッ
クス組成をベースに、表１に示すようにＣａＦ２　とＢ
ａＦ２　の比を変化させ、２．０ｍｍ径のワイヤを製造
して、板厚２０ｍｍの横向継手溶接時の作業性を調査し
た。結果の要約を表１に示すように、添加量が前記範囲
であってもＢａＦ２　／ＣａＦ２　が０．５より小さい
と低電圧でアークが安定せず、広がりが無い。特に溶接
速度の速い横向姿勢では溶融池が長く、スラグの凝固が
遅れ、ビードが凸になる。また０．７５以上にするとア
ークが広がり過ぎ、母材への濡れが不安定となり、溶け
込みが減少し、スラグの剥離が劣化し、融合不良を起こ
し易くなる事が分かった。従って、金属ふっ化物ＢａＦ
２　およびＣａＦ２　は合わせて４〜１０％の範囲で添
加し、この範囲でさらにその比ＢａＦ２　／ＣａＦ２　
を０．５０〜０．７５未満に制御する必要がある。

【００１２】

【表１】

【００１３】Ａｌは溶接金属中に過剰に侵入した窒素を
固定し、また脱酸材としてピット、ブローホール等の気
孔発生を抑制する目的で添加する。また、先に述べた金
属ふっ化物および次に述べるＭｇと共にスラグを構成す
る主な成分であり、溶接作業性に大いに影響を与える。１．７％より少ないと脱窒、脱酸が不十分で溶接金属に
気孔が発生し、Ｘ線性能が劣化する。また、２．５％を
超えて添加すると溶接金属中のＡｌが過剰となり結晶粒
が粗大化し、衝撃靱性、曲げ性能が劣化する。これは後
述するＣの総和との比とも大いに関係する。

【００１４】尚、Ａｌ原料は金属ＡｌおよびＦｅ−Ａｌ
、Ａｌ−Ｍｇ、Ｚｒ−Ａｌ、Ｌｉ−Ａｌ、Ｃａ−Ａｌ、
Ｃａ−Ａｌ−Ｍｇなどの合金の形で添加してもよい。

【００１５】Ｍｇは溶接中アーク熱により気化しアーク
を大気雰囲気からシールドし、大気成分分圧を低下させ
ると共に脱酸材としても作用する。更に、適正量添加す
ると溶滴の移行を安定化させ、適正なアークの強さを与
え、溶け込みを増加させる。また、先に述べた金属ふっ
化物、Ａｌと共に主なスラグ構成成分のひとつである。特にＭｇが０．９％より少ないと溶滴の移行が不安定と
なる。逆に２．０％を超えてもスラグの被包性が劣化す
る。またヒューム、スパッタ量が増加し、溶着率を低下
させる。また溶接部にスラグの巻き込みが発生し易くな
り、引張試験片の伸びおよび曲げ性能を低下させる。従
って、Ｍｇは０．９〜２．０％の範囲で添加することが
必要である。Ｍｇ原料は金属ＭｇおよびＡｌ−Ｍｇ、Ｎ
ｉ−Ｍｇ、Ｌｉ−Ｍｇ、Ｃａ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ｍｇなどの
合金の形で添加する事ができる。

【００１６】ＬｉおよびＢａの炭酸塩は溶接中に分解し
てＣＯ２　ガスを発生し、金属ふっ化物、Ｍｇと共に大
気シールド性を、Ｍｇ添加と同様にワイヤ先端からの溶
滴移行性を向上させ、適当な溶け込みを与える。又、分
解後の酸化物はスラグとなる。アルカリ金属、アルカリ
土金属の中で特にＬｉ、Ｂａの炭酸塩を選択使用したの
は、Ｌｉ炭酸塩は水分量が低く、１ｍｏｌ当りのＣＯ２
　量が最も高い。アルカリ金属の中では最も低い温度か
ら徐々に分解を初め炭酸ガスを放出し、酸化物の凝固温
度も溶接金属に近い。アーク長さを短く保ち、溶滴の移
行をスムースにする。Ｂａは低い電圧でもアークが安定
に持続する。特に分解温度が鉄の凝固温度に近いためシ
ールド効率がよく、スラグとなる酸化生成物の凝固点が
高く比重が重いため溶融鉄との分離がよい等の特徴がそ
れぞれあるため添加する。添加量が０．１％より少ない
と上記効果が認められない。また２．３％を超えて添加
するとガスの発生量が過剰となりかえってアークが不安
定となり、スパッタ量が増加する。従ってＬｉおよび／
またはＢａの炭酸塩は０．１〜２．３％の範囲で添加す
る。原材料は炭酸リチウム、炭酸バリウムの形で添加す
る。

【００１７】本発明では、溶接中の強い還元性雰囲気で
ワイヤ中のＭｎは金属、酸化物等形態を問わず殆ど還元
され、溶接金属中に合金成分として入る。Ｍｎは適正な
抗張力を与える為に添加する。０．４％より少ないと累
層した溶接金属中のＭｎ量が不足し、目標とする鋼材の
抗張力に達しない。また１．０％を超えて添加すると累
層したビードの抗張力が高くなり過ぎる。従って、ワイ
ヤ中のＭｎ量は外皮のＭｎを含めて０．４〜１．０％範
囲に限定した。Ｍｎ原材料は金属ＭｎおよびＦｅ−Ｍｎ
、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等鉄合金を含む各種合金や、ＭｎＯ
の様な酸化物、Ｌｉ２　ＭｎＯ２　の様な複合酸化物の
形でも添加できる。

【００１８】Ｃは溶接金属の強度および衝撃靱性に影響
を与える元素であるが、ワイヤ中のＣの総和が０．３５
％を超えると溶接中のヒューム量が増大し、アークが強
くなり過ぎアンダーカットの発生が多くなる。また、溶
接金属の硬さ、抗張力が高くなり過ぎ衝撃靱性が低下す
る。逆に０．１０％より少ないとアーク力が弱くなり、
溶滴の移行が不安定となり、十分な溶け込みが得られな
い。また、目標とする張力が得られない。Ｃ源としては
炭酸塩、外皮、Ｆｅ−Ｍｎが主体であるが、不足する場
合は単体のＣ、ＳｉＣ等のＣ含有化合物により添加する
。

【００１９】フラックス充填率は、１０％未満ではどん
なにフラックス成分、比率を調整しても必要なスラグ量
が確保できず、健全な溶接部を得ることが出来ない。逆
に２５％を超えると外皮断面積が減少し、伸線中に断線
が多発し生産能率が極度に低下する。従って、本発明で
はフラックス率を１０〜２５％とする。

【００２０】さらに、Ａｌと金属ふっ化物の重量比Ａｌ
／（ＣａＦ２　＋ＢａＦ２　）を０．３〜０．４に規制
すると好ましい理由は、溶接作業性を更に改善するべく
検討した結果、ＢａＦ２　／ＣａＦ２　と相俟ってＡｌ
との比も影響することが分かったためである。即ち、Ａ
ｌ／（ＣａＦ２　＋ＢａＦ２　）が０．３より小さいと
他成分を調整しても溶接中の溶滴移行が粗く、スムーズ
でなくなると共にスラグの凝固点が低下し、流動性が増
しビードの母材への濡れが低下する。そのため、ビード
が凸になるなど溶接作業性の低下を来す。逆に、０．４
より大きいとスラグの凝固点が上がり、流動性が低下す
ることによりスラグのビード被包性が劣化し、外観が悪
くなると共にスラグの巻き込みなどの溶接欠陥が増加す
るためである。

【００２１】本発明は板厚２５ｍｍ未満の比較的薄い鋼
材の容易な接合を意図しているが、３層以上になるよう
な場合にはワイヤ中のＡｌが前記１．７〜２．５％の範
囲であっても表曲げで破断することがある。しかし、Ｃ
の総和／Ａｌ：０．０７以上であれば溶接金属組織は細
粒化し、引張試験における伸び率が良く、曲げ試験の成
績も向上する事が分かった。これは、ワイヤ中のＡｌ、
Ｃ量が前記範囲であってもＣの総和／Ａｌが０．０７未
満であると溶接金属の結晶が粗大化し、伸びが急激に低
下するためで、曲げおよび衝撃靱性が劣化する。

【００２２】Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ化合物はアークの安定化、
およびスラグの物性を微調整するために必要に応じて添
加する。各々の元素に換算して０．０２％未満では上記
効果が認められず、０．２％を超えて添加すると低電圧
でのアークは安定となるがアークが必要以上に長く、ま
た広がるため特に横向姿勢の溶接では溶融池が大きく垂
れ落ち易く、最終パスの上側がアンダーカットになるな
どビード形状が悪化する。従って、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ化合
物は元素に換算して０．０２〜０．２％の範囲で添加す
る。原材料の形態は、炭酸リチュームを除き、複合酸化
物を含む酸化物、ふっ素酢塩を含むふっ化物、例えばＬ
ｉＦｅＯ２　、Ｋ２　Ｏ・ＳｉＯ２　、ＬｉＦ、ＮａＦ
、ＬｉＢａＦ３　、Ｋ２　ＳｉＦ６　、Ｎａ２　ＳｉＦ
６　、Ｋ２　ＺｒＦ６　、Ｋ２　ＴｉＦ６　等の形で添
加できる。

【００２３】Ｆｅはフラックス率、溶融速度の調整、フ
ラックス溶融状態の改善を目的としてフラックス中に主
に鉄粉で添加し、その他のＦｅは鉄合金から入ってくる
。添加する鉄分量はワイヤ中に３〜１０％程度が好まし
い。その他成分として、例えばＰ、Ｓ、Ｓｉ、ＳｉＯ２
　、ＣａＯ、Ｃｒ、Ｍｏ等不可避不純物および微調整用
成分を１％を上限として含んでもよい。

【００２４】なお、本発明で使用する外皮は特に規制し
ないが、フラックス入りワイヤを通常の方法で製造出来
る物、即ち通常市販されている帯鋼などであれば良い。従って、通常の範囲を越えるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、
Ａｌ、Ｃｒ、Ｎ、Ｏ等の成分の外皮は除外する事が望ま
しい。また、本発明のフラックス入りワイヤは通常の製
造法で生産することが出来る。更に、ワイヤの断面形状
も図１に示すように特に規制しないが、２．４ｍｍ径以
下では図１（ａ）〜（ｄ）に示す様な単純な円、それ以
上の径では同図（ｅ）の様な外皮を複雑に折り込んだ断
面形状の物が望ましい。また、本発明のフラックス入り
ワイヤは強い還元性の雰囲気で溶接するため、水分は非
常に活発に反応し溶接部に気孔を発生させ易い。従って
、水分は極力少ない方が望ましい。しかし、ワイヤの内
外には通常付着水、結合水等の形で水分がわずかに含ま
れるので、本発明では原材料の水分、粒度に留意し、必
要に応じて熱処理を行いワイヤの水分量を０．３％以下
にする事が望ましい。

【００２５】使用鋼板は、板厚２５ｍｍ未満の比較的薄
い衝撃靱性を要求されない５０キロ級以下に制限する。溶接条件は特に規制しないが、直流電源を使用しワイヤ
（−）が望ましい。

【００２６】

【実施例】つぎに本発明の実施例を示す。表２に示すワ
イヤ組成により２．０ｍｍ径のフラックス入りワイヤを
常法に従って製造した。ワイヤの断面は図１（ａ）の単
純な円状で、外皮はＣ：０．０６％、Ｓｉ：０．１％、
Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：０．０５％、Ａｌ：０．００２
％、Ｎ：０．００５％（ｗｔ％）の磨き帯鋼を使用した
。次に、これらワイヤを使用して２０ｍｍ厚のＳＭ５０
Ａ鋼でレ形開先（裏板付き、ギャップ５ｍｍ、開先角度
４０°）で横向姿勢の溶接を行い、溶接作業性、Ｘ線、
曲げ、引張、衝撃試験および溶接金属の成分を調べた。溶接条件は直流電極負（ＤＣＥＮ）、電流：２８０Ａ、
電圧：２２〜２４Ｖ、ワイヤの突出し長さ：１５〜２５
ｍｍであった。試験の結果を表３に示す。

【００２７】Ｎｏ．１〜８は本発明例であり、いずれも
溶接作業性が優れていると共に溶接部に欠陥は認められ
ず、優れたＸ線、引張特性および曲げ性能が得られてい
る。

【００２８】Ｎｏ．９〜２３は比較例の試験結果を示し
たものである。

【００２９】Ｎｏ．９、１０は金属ふっ化物が本発明の
範囲を外れる場合で、添加量が少ない場合はブローホー
ル、多い場合はスラグ巻き込みが発生し、曲げ性能が得
られない。

【００３０】Ｎｏ．１１、１２はＢａＦ２　／ＣａＦ２
　比が本発明の範囲を外れた場合で、いずれもスラグの
性状が適正でなくスラグの巻き込みが発生し、良好な溶
接部が得られない。

【００３１】Ｎｏ．１３はＡｌ添加量が少なく、溶接部
にピットが発生したので試験を中止した。

【００３２】Ｎｏ．１４はＡｌの添加量が多すぎ、Ａｌ
／（ＣａＦ２　＋ＢａＦ２　）が０．４より大きいため
スラグの凝固点が上がり、流動性が低下したことにより
スラグの巻き込みが発生し、良好な曲げ性能が得られな
い。

【００３３】Ｎｏ．１５、１６はＭｇ量が本発明を外れ
て添加した場合で、いずれもアーク状態、スラグ物性に
問題があり、健全な溶接部が得られない。

【００３４】Ｎｏ．１７はＣ／Ａｌの比が本発明外の場
合で溶接金属組織が粗大となり、ほとんど伸びがなく、
曲げ試験で破断する。

【００３５】Ｎｏ．１８は炭酸塩が含有されておらず、
またＮｏ．１９は炭酸塩を本発明の範囲を外れて添加し
た場合で、少ない場合はシールド性が低下しブローホー
ルが発生し、多い場合はアークが不安定となると共にス
ラグ物性が適当でなく、健全な溶接部が得られていない
。

【００３６】Ｎｏ．２０、２１はＭｎを本発明の範囲を
外れて添加した場合で、いずれも溶接作業性、Ｘ線性能
は良いが良好な曲げ性能が得られない。

【００３７】Ｎｏ．２２、２３はフラックスの充填比率
を本発明の範囲外とした場合で、いずれも溶接作業性、
溶接部の健全性が劣り曲げ性能が得られない。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明のセルフシー
ルドアーク溶接用フラックス入りワイヤにより下、横向
姿勢の健全な溶接継手を容易に作ることが出来る。これ
によりこの分野の適用拡大が図れ、能率の向上、コスト
低減に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で採り得るワイヤ断面の例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１　　鋼製外皮２　　充填フラックス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　鋼製外皮の内側にフラックスが充填さ
れ、且つ該フラックスが金属ふっ化物としてＣａＦ２　
およびＢａＦ２　を合計で４〜１０％（ワイヤ全重量に
対する重量％、以下同じ）、且つＢａＦ２　／ＣａＦ２
　：０．５０〜０．７５未満、Ａｌ、Ａｌ合金の１種ま
たは２種以上をＡｌ換算で１．７〜２．５％（外皮中の
Ａｌを含む）、Ｍｇ、Ｍｇ合金の１種または２種以上を
Ｍｇ換算で０．９〜２．０％、Ｌｉ、Ｂａの１種または
２種の炭酸塩を０．１〜２．３％、ＭｎまたはＭｎ合金
をＭｎ換算で０．４〜１．０％（外皮中のＭｎを含む）
、且つ炭酸塩を含むフラックス中、ワイヤ表面および外
皮のＣの総和０．１０〜０．３５％、残部鉄および１％
以下のその他成分（不可避不純物を含む）からなり、該
フラックスを１０〜２５％となるように充填したことを
特徴とするセルフシールドアーク溶接用フラックス入り
ワイヤ。
【請求項２】　　Ａｌ／（ＣａＦ２　＋ＢａＦ２　）：
０．３〜０．４、Ｃの総和／Ａｌ：０．０７以上である
ことを特徴とする請求項１記載のセルフシールドアーク
溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項３】　　Ｌｉ、Ｋ、Ｎａ化合物の１種または２
種以上を各元素に換算して０．０２〜０．２％含有した
ことを特徴とする請求項２記載のセルフシールドアーク
溶接用フラックス入りワイヤ。