JPH11151592A - ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ及び片面溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 突合せ継手を少パス大入熱でガスシールドア
ーク溶接するに際し、耐高温割れ性、溶接作業性に優れ
るとともに、機械的性能の良い、特に靱性が良好な溶接
部が得られるメタル系フラックス入りワイヤを提供し、
また該ワイヤを用いた片面溶接方法を提供すること。 【解決手段】 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メタル系フラックス入りワイヤ
であって、ワイヤ全重量に対し、重量％で、Mn：2.0 〜
3.0 ％、Si：0.30〜0.90％、Ni：0.3 〜2.0 ％、Ti：0.
10〜0.50％、B ：0.0020〜0.0070％を含み、かつ、Xc＝
Mn／（Si＋50B ）が2.20〜7.50を満たすとともに、Xi＝
（Mn＋Ni＋100B）／〔10×（Ti−0.3 ）² ＋Si〕が3.5
〜15.0を満たすワイヤ組成を有し、ワイヤ全重量に対す
るフラックス充填率が10.0〜25.0％であることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軟鋼・高張力鋼よ
りなる中板・厚板で構成される突合せ継手を少パス大入
熱でガスシールドアーク溶接するのに好適なガスシール
ドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ、及び該
ワイヤを用いたガスシールドアーク片面溶接方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】造船，鉄骨，橋梁，タンクなどの大形溶
接構造物を製作する分野では、溶接の能率化を図るため
に、中板・厚板鋼板で構成される突合せ継手の溶接にあ
たり、継手の狭開先化を図る一方、１パス（pass，ある
いはrun ）当たりの溶着量を多くして１〜３パス程度の
できるだけ少ないパス数で溶接を完了させるようにする
ため、ガスシールドアーク溶接による少パス大入熱で施
工する高能率溶接法が採用されている。このような高能
率溶接法では、溶接用ワイヤには、ソリッドワイヤに比
べて溶着速度が大きいメタル系フラックス入りワイヤ
（合金剤などの金属粉が多くスラグ形成剤が少ないワイ
ヤ）が多用されている。また、前記高能率溶接法の代表
として、被溶接材（Ｖ形突合せ継手）を反転することな
く片側からの溶接で完全溶込みが得られるようにした片
面溶接が行われている。

【０００３】例えば、特公平４−４５２７０号公報に
は、メタル系フラックス入りワイヤが開示されるととも
に、該ワイヤを使用し、開先裏面に溶接線方向に沿って
裏当て材を当て、開先内に溶着量増加用の充填材を所定
量散布充填し、開先のおもて側からガスシールドアーク
溶接を行ってアークで充填材を溶かしながら裏当て材で
溶融金属を支えて裏波ビード（初層ビード）を形成し、
次いで２層目以後の溶接を行ってＶ形突合せ継手の溶接
を完了させるようにした片面溶接方法が開示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし前記従来のメタ
ル系フラックス入りワイヤでは、裏波ビード（初層ビー
ド）に高温割れが発生することがあった。この高温割れ
は、凝固中の溶接金属に負荷される拘束力、溶接金属の
成分、溶接条件などに起因して発生するものである。

【０００５】また、少パス大入熱の溶接に適用されるに
もかかわらず大入熱による悪影響に注意が払われておら
ず、溶接入熱量〔（溶接電流Ｉ×アーク電圧Ｅ）÷溶接
速度ｖ）が35ｋＪ／ｃｍを超えると低温（例えば−20
℃）での溶接金属の靱性が悪いという問題があった。ま
た、スパッタ発生量が比較的多く、さらに大入熱で用い
られるためビードへのスラグの焼付きが発生しやすいこ
となど、いわゆる溶接作業性の点でも満足できるもので
はなかった。

【０００６】本発明は、軟鋼・高張力鋼よりなる中板・
厚板で構成される突合せ継手を少パス大入熱でガスシー
ルドアーク溶接するに際し、耐高温割れ性、溶接作業性
に優れるとともに、機械的性能の良い、特に靱性が良好
な溶接部が得られるガスシールドアーク溶接用メタル系
フラックス入りワイヤを提供し、また該ワイヤを用いた
ガスシールドアーク片面溶接方法を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本願請求項１の発明は、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メタル系フラッ
クス入りワイヤであって、ワイヤ全重量に対し、重量％
で、Mn：2.0 〜3.0 ％、Si：0.30〜0.90％、Ni：0.3 〜
2.0 ％、Ti：0.10〜0.50％、B ：0.0020〜0.0070％を含
み、かつ、Xc＝Mn／（Si＋50B ）が2.20〜7.50を満たす
とともに、Xi＝（Mn＋Ni＋100B）／〔10×（Ti−0.3 ）
² ＋Si〕が3.5 〜15.0を満たすワイヤ組成を有し、ワイ
ヤ全重量に対するフラックス充填率が10.0〜25.0％であ
るガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワ
イヤである。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載のガスシ
ールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにお
いて、さらに、ワイヤ全重量に対する重量％で、MgO ：
0.1〜1.0 ％を含有するものである。また、請求項３の
発明は、請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶
接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、さらに、
ワイヤ全重量に対する重量％で、TiO₂及びSiO₂の１種又
は２種：0.5 ％以下を含有するものである。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１、２又は３に
記載のガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入
りワイヤ、開先充填材及び裏波ビード形成用の裏当て材
を用い、ガスシールドアーク溶接にて突合せ継手の片面
溶接を行うガスシールドアーク片面溶接方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明によるメタル系フラックス
入りワイヤは、前記の構成にすることによって、中板・
厚板鋼板で構成される突合せ継手を少パス大入熱でガス
シールドアーク溶接するに際し、耐高温割れ性、溶接作
業性に優れるとともに、機械的性能の良い、特に靱性が
良好な溶接部が得られるようにしたものであり、以下に
そのワイヤ組成及びフラックス充填率（いずれもワイヤ
全重量に対する重量％）の限定理由について説明する。

【００１１】Mn：Mnは単体、あるいはフェロマンガン
（Fe−Mn）などの合金形態で、脱酸剤及び溶接金属の機
械的性質を調整するために添加するが、2.0 ％未満では
溶接金属の靱性（衝撃値）が低く、また3.0 ％を超える
と溶接金属の強度が高くなりすぎる。したがって、Mn量
は2.0 〜3.0 ％の範囲とする。そのより好ましい範囲は
2.2 〜2.8 ％である。なお、Mnはフラックス、鋼製外皮
のいずれから添加してもよい。

【００１２】Si：Siは単体、あるいはフェロシリコン
（Fe−Si）などの合金形態で、脱酸剤及び溶融金属の流
動性を調整して溶接ビードのなじみを良くするために添
加する。しかし、0.30％未満ではビードが凸ビードにな
り易く、また、脱酸不足によるブローホール（気孔）が
多発してＸ線性能を悪化し、一方、0.90％を超えると溶
接金属の強度が高くなりすぎて、溶接金属の靱性が大幅
に低下するとともに、耐高温割れ性が悪化する。したが
って、Si量は0.30〜0.90％の範囲とする。そのより好ま
しい範囲は0.40〜0.80％である。なお、Siはフラック
ス、鋼製外皮のいずれから添加してもよい。

【００１３】Ni：Niは単体、あるいは合金形態で、溶接
金属凝固時に微細な組織を生じさせて良好な靱性を得る
ために添加する。しかし、0.3 ％未満ではそのような効
果が得られず、一方2.0 ％を超えると強度が高くなりす
ぎ、また、アークの安定性を悪化させてスパッタが多量
に発生する。したがって、Ni量は0.3 〜2.0 ％の範囲と
する。そのより好ましい範囲は0.7 〜1.2 ％である。

【００１４】Ti：Tiはフェロチタン（Fe−Ti）などの合
金の形態で添加し、大電流溶接中のアーク安定剤として
の役割に加えて、機械的性質の調整ならびに脱酸剤とし
て作用させるものである。特に後述のB と併用して、溶
接金属の結晶粒を微細化して良好な靱性を得るために添
加している。しかし、0.10％未満ではこのような効果が
十分得られず、また0.50％を超えると強度が高くなりす
ぎて、溶接金属の靱性が大幅に低下する。したがって、
Ti量は0.10〜0.50％の範囲とする。そのより好ましい範
囲は0.20〜0.40％である。

【００１５】B ：B はTiと併用されて溶接金属凝固時に
微細な組織を生じさせ、良好な靱性を得るために添加す
る。B 量が0.0020％未満ではこのような効果が得られ
ず、一方、0.0070％を超えると溶接時の初層ビードに高
温割れを発生させる恐れがある。したがって、B 量は0.
0020〜0.0070％の範囲とする。そのより好ましい範囲は
0.0040〜0.0060％である。なお、B は、フェロボロン
（Fe−B ）、フェロシリコンボロン（Fe−Si−B ）等の
合金形態、あるいはB₂O₃を含んだ特殊ガラスの形態で添
加できる。

【００１６】ただし、前記Mn、Si、Ni、Ti及びB 各成分
は、以下に説明するように、Mn／（Si＋50B ）なる式で
表されるXc、並びに（Mn＋Ni＋100B）／〔10×（Ti−0.
3 ） ² ＋Si〕なる式で表されるXiが、それぞれ特定範囲
の値を満たすように添加する必要がある。

【００１７】Xc：本発明者は、突合せ継手の片面溶接の
ように少パス大入熱でのガスシールドアーク溶接におい
て、初層ビードの耐高温割れ性を改善するために種々の
実験を行った結果、前記した式で示され、初層ビードの
耐高温割れ性に影響を与えるパラメータであるXcを2.20
〜7.50の範囲にすることが極めて有効であることが判明
した。しかし、Xc値がこの範囲を外れると前記改善効果
が得られなかった。

【００１８】Xi：本発明者は、突合せ継手の片面溶接の
ように少パス大入熱でのガスシールドアーク溶接におい
て、溶接金属の靱性を向上するために種々の実験を行っ
た結果、前記した式で示され、靱性向上のための金属添
加量の関数であるXiを3.5 〜15.0の範囲にすることが極
めて有効であることが判明した。Xi値が3.5 未満では結
晶粒微細化による靱性向上効果があらわれず、また15.0
を超えるとアークが不安定になってスパッタが多量に発
生するので好ましくない。

【００１９】MgO ：MgO は、スラグの凝固点，粘性を高
め、ビードに対するスラグ被りを均一にしてスラグ剥離
性を良好にするとともに、ビードの光沢を良くする効果
がある。MgO 量が0.1 ％未満ではこのような効果が発揮
されず、一方、1.0 ％を超えるとスラグの粘性が過剰と
なり、スラグ被包性が不均一となってビード外観が悪化
し、またスパッタ発生量が増大して溶接作業性を悪化さ
せる。したがって、MgO 量は0.1 〜1.0 ％の範囲がよ
く、そのより好ましい範囲は0.2 〜0.5 ％である。な
お、MgO は酸化物又は金属Mgとして、あるいは両者の組
み合わせの形で添加してよい。

【００２０】TiO₂、SiO₂：金属酸化物であるTiO₂，SiO₂
は、スラグ剥離性を良くしスパッタを減らすなどの溶接
作業性を良好にし、ビードを美しくする効果がある。し
かし、大入熱での溶接ではスラグの焼き付きが発生して
逆にスラグ剥離性を悪化させることがある。したがっ
て、TiO₂及びSiO₂の１種又は２種の量（総和）は、0.5
％以下、より好ましくは0.3 ％以下である。

【００２１】フラックス充填率：フラックスの充填率
は、10.0〜25.0％の範囲とする。10.0％未満では十分な
量の金属粉などを充填することができず、溶接作業性
（アーク安定性、スパッタなど）が悪化するとともに、
高溶着速度などの本来の性能を発揮できない。一方、2
5.0％を超えると鋼製外皮を薄肉にしなければならず、
ワイヤが柔らかくなり、ワイヤ送給性が悪くなる。した
がって、フラックス充填率は10.0〜25.0％の範囲とす
る。

【００２２】なお、ワイヤ断面形状については特に制限
されるものではなく、例えば図３（ａ）〜（ｄ）に例示
する種々の形状ものに適用できる。図３では符号Ｍは鋼
製外皮、Ｆはフラックスをそれぞれ示す。図３（ｄ）の
形状（継目無し）の場合にはワイヤ表面にCuメッキを施
してもよい。また、シールドガスとしては、炭酸ガスま
たは炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガスのいずれも使
用可能である。

【００２３】このような構成のメタル系フラックス入り
ワイヤ及び該ワイヤを用いるガスシールドアーク片面溶
接方法によると、溶接作業性が良好で、初層ビードに高
温割れの発生がなく、機械的性能の良い、特に従来に比
べて靱性が良好な溶接部が得られる片面溶接を行うこと
ができる。

【００２４】

【実施例】表１に示す化学成分の鋼製外皮（JIS G 3141
SPCC 相当）を用いて、表４に示す構成の各メタル系フ
ラックス入りワイヤを製作した。ワイヤ断面形状は図３
（ｂ）とした。

【００２５】これらのワイヤ、及び表２に示す供試材料
を使用し、表３に示す溶接条件にて490 Ｎ／ｍｍ² 級高
張力鋼よりなるＶ形突合せ継手の炭酸ガスアーク溶接に
よる下向姿勢の片面溶接を実施し、初層ビードの高温割
れの有無、溶接作業性（スパッタ発生量、スラグ剥離
性）及び溶接金属の機械的性質（引張強さ、衝撃値）に
ついて検査・評価した。溶接金属の機械的性能試験はＪ
ＩＳ Ｚ ３１１１（引張試験片サイズはＡ１号）に準
拠して実施した。

【００２６】図１はテストピース（溶接試験用のＶ形突
合せ継手）の説明図で、その（ａ）は平面図、（ｂ）は
側面図である。耐高温割れ性を評価するために拘束板付
きのテストピースを製作した。同図に示すように、２枚
の開先付き供試鋼板１を突き合わせてなるＶ形突合せ継
手（板厚ｔ：２０，２５ｍｍ、幅Ｗ：３００ｍｍ、長さ
Ｌ：６００ｍｍ）の裏面に４枚の拘束板（板厚２０ｍｍ
×１５０ｍｍ×３００ｍｍ）２を溶接接合してテストピ
ースを製作した。各拘束板２はその脚部（開先長手方向
に対し直角方向へ延びる部位）の両サイドをすみ肉溶接
（全長）して継手裏面に溶接接合してある。符号３は開
先面内仮付け溶接部（のど厚１５ｍｍ）、４は裏当て材
である。図２にテストピースの開先部を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】

【表４】

【００３１】

【表５】

【００３２】結果を表５に示す。比較例（Ｎｏ．８〜Ｎ
ｏ．２０）では本発明に係るワイヤで規定する要件の何
れかを欠くために、次のような問題があった。すなわ
ち、Ｎｏ．８はXc値が下限値を下回るため初層ビードに
高温割れが発生した。Ｎｏ．９はXi値が下限値を下回る
ため靱性（衝撃値）が低下し、一方、Ｎｏ．２０はXi値
が上限値を上回るためスパッタが多発した。Ｎｏ．１０
はSi量が下限値を下回るためブローホールが多発し、ま
た、TiO₂及びSiO₂の総和が上限値を上回るためスラグ剥
離性が悪かった。一方、Ｎｏ．１８はSi量が上限値を上
回るため高温割れが発生し、また靱性が低かった。Ｎ
ｏ．１１及びＮｏ．１７はMn量が規定値を外れるため靱
性が低かった。

【００３３】また、同じく比較例において、Ｎｏ．１２
はNi量が下限値を下回るため靱性が低く、一方、Ｎｏ．
１９はNi量が上限値を上回るためスパッタ発生量が増大
した。Ｎｏ．１３及びＮｏ．１４は、Ti量が規定範囲を
外れるとともにXi値が下限値を下回るため靱性が低かっ
た。Ｎｏ．１５はB 量が下限値を下回るため靱性が低
く、一方、Ｎｏ．１６はB 量が上限値を上回るため高温
割れが発生した。

【００３４】これに対して、本発明例（Ｎｏ．１〜Ｎ
ｏ．７）では、突合せ継手の少パス大入熱によるガスシ
ールドアーク片面溶接において、スパッタが少なくスラ
グ剥離性が良いなどの溶接作業性が良好で、初層ビード
に高温割れの発生がなく、機械的性能の良い、特に靱性
が良好な溶接部を得ることができた。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によると、中
板・厚板鋼板で構成される突合せ継手を片面溶接のよう
に少パス大入熱でガスシールドアーク溶接するに際し、
スパッタが少なくスラグ剥離性が良いなどの溶接作業性
が良好で、また、初層ビードに高温割れの発生がなく、
機械的性能の良い、特に靱性が良好な溶接部を得ること
ができ、中板・厚板鋼板の溶接能率化の進展に寄与する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】テストピース（溶接試験用のＶ形突合せ継手）
の説明図で、その（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図であ
る。

【図２】テストピースの開先部を示す図である。

【図３】本発明に係るフラックス入りワイヤのワイヤ断
面形状の例を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１…供試鋼板 ２…拘束板 ３…開先面内仮付け溶接部
４…裏当て材 Ｍ…鋼製外皮 Ｆ…フラックス

Claims (4)

【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メタル系フラックス入りワイヤ
   であって、ワイヤ全重量に対し、重量％で、Mn：2.0 〜
   3.0 ％、Si：0.30〜0.90％、Ni：0.3 〜2.0 ％、Ti：0.
   10〜0.50％、B ：0.0020〜0.0070％を含み、かつ、Xc＝
   Mn／（Si＋50B ）が2.20〜7.50を満たすとともに、Xi＝
   （Mn＋Ni＋100B）／〔10×（Ti−0.3 ）² ＋Si〕が3.5
   〜15.0を満たすワイヤ組成を有し、ワイヤ全重量に対す
   るフラックス充填率が10.0〜25.0％であることを特徴と
   するガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入り
   ワイヤ。
2. 【請求項２】 さらに、ワイヤ全重量に対する重量％
   で、MgO ：0.1 〜1.0％を含有する請求項１記載のガス
   シールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
3. 【請求項３】 さらに、ワイヤ全重量に対する重量％
   で、TiO₂及びSiO₂の１種又は２種：0.5 ％以下とする請
   求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接用メタル
   系フラックス入りワイヤ。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３に記載のガスシール
   ドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ、開先充
   填材及び裏波ビード形成用の裏当て材を用い、ガスシー
   ルドアーク溶接にて突合せ継手の片面溶接を行うことを
   特徴とするガスシールドアーク片面溶接方法。