JPS5921495A - 溶接用充填ワイヤの製造方法 - 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】 本発明は、鋼管を用いてなるフラックス入り充填ワイヤ
（以下シームレス充填がワイヤ）の製造方法に係り、特
にに低温靭性の確保が要求される各種鋼板の溶接を行な
った場合に、シームレス充填ワイヤ独自の問題として生
ずる溶接金属中のＮ２量の増加を防止することを目的と
して開発された溶接用充填ワイヤの製造方法に関するも
のである。

充填ワイヤは充填するフラックス組成として、合金元素
や脱酸剤、造滓剤、ガス発生剤などを自由に添加できる
ことから、ソリッドワイヤを使用した場合に比較しても
優れた溶接金属性能や良好な溶接作業性が得られるもの
であり、また、用途に応じて少量生産が可能であるとい
うコスト的なメリットをもつ。

従来は帯鋼を用いてなる折込式の充填ワイヤ（チューブ
ラーワイヤ）が主流であったが、近年、シームレス充填
ワイヤがガスシールドアーク溶接用ワイヤ、サブマージ
ア−ク溶接用ワイヤなはじめ、各種溶接用ワイヤとして
汎く普及しつつある。このことはシームレス充填ワイヤ
の場合、チューブラ−ワイヤでは不可能であったワイヤ
表面に、銅メッキや酸洗いなどの湿式処理を施すことが
できること、および製造後の長期保管中においても管内
フラックスの吸湿がないなどの利点をもつためであると
考えられる。

従来のシームレス充填ワイヤの製造方法の概略は、粉体
まま、あるいは水ガラス混合などにより造粒したフラッ
クスを、溶接ワイヤ径よりも太径の鋼管に充填し、その
まま後工程の線引により減径し、所定のワイヤ径とする
ものであった。また、特に溶接ワイヤ径と同径の鋼管に
フラックスを充填する（その後の線引加工なし）という
製造方法が用いられることもあった。なお、減径の中間
段階において、鋼管材質の加工硬化の緩和および管内水
分の除去を目的として応力除去焼鈍（以下ＳＲという）
処理を行なうこともあり、また前述のようにワイヤ表面
の防錆および清浄化のための銅メッキおよび酸洗いなど
の湿式処理を施す場合もある。

ところで、このような従来法で製造したシームレス充填
ワイヤを使用して溶接を行なった場合、溶接金属中のＮ
２量は同様の合金成分系の溶接金属が得られるソリッド
ワイヤを使用した場合の水準に比べ、明らかに高目とな
る傾向にあり、このため溶接金属の靭性が低下するとい
う問題が生じる。

本発明者らは、シームレス充填ワイヤを使用して溶接を
行なった場合においても、ソリッドワイヤを使用した場
合と同程度もしくは同程度以下に、溶接金属中のＮ２量
を減少させることを目的として、充填フラックス組成の
検討とともに製造方法について種々検討してきた。

この場合の鋼管材質については、ソリッドワイヤと同程
度のＮ２量（６５〜７５ｐｐｍ）を含有する軟鋼あるい
は低合金鋼を対象とするものであるから、鋼管材からの
Ｎ２の進入は考慮の対象外とすることができる。

一方、充填フラックス組成については、窒化物含有量を
考慮した原材料（特に合金剤）の選定およびガス発生剤
（ＣａＦ２などの弗化物やＣａＣＯ３などの炭酸塩）の
添加などが有効であることがわかったが、その効果は極
めて小さい。

そこで、溶接金属中のＮ２量の増加は、充填時にフラッ
クスとともに鋼管内に詰め込まれた空気に大部分起因す
るものであるとの結論に達し、先に溶接金属中のＮ２量
の低減を目的としたシームレス充填ワイヤの製造方法に
関し、特願昭５７−３１８８６号により、フラックス充
填後、真空吸引した後、窒素を含まない任意のガスを流
入させガス置換し、管内空隙に存在する空気な除去する
という手段を提案したが、本発明者らはその後も引続き
検討を加えた結果、さらに効率的な手段を開発したので
ここに新たに提案する。

即ち、本発明は鋼管を用いてなる充填ワイヤの製造にお
いて、フラックス充填後真空吸引し、管内空隙に存在す
る空気を除去すること、さらに真空吸引後、線引加工に
より減径後の単位長さ当りの管内容積（Ｖ０）および管
内フラックス粒が占める総容積（Ｖｎ）から算出される
管内空隙度（１−Ｖｎ／Ｖ０）が０．４０以下に達する
まで管内フラックスを圧縮し、実質的に管内への空気の
再侵入を防止することを特徴とする溶接用充填ワイヤの
製造方法である。

以下に本発明を詳細に説明する。

第１図はまだ線引あるいはＳＲ処理が行なわれていない
充填直後の鋼管ｂ内の断面構造を示すものであって、同
図に見られる如くフラックス粒ｃをフラックス粒ｃ′、
フラックス粒ｃと管壁ｂ′、および特に充填フラックス
が造粒化されている場合には、個々のフラックス粒内部
にそれぞれ空隙ａが生じており、これら微小な空間には
空気がほぼ１気圧に近い状態で存在していると考えられ
る。

なお、フラックスの充填は回転振動が与えられた台上に
コイル状に巻かれた鋼管を載せ、上方に引き出した一方
の端口からフラックスを順次供給しながら行なう。

つまり、充填時にフラックスとともに管内に詰め込まれ
管内空隙に存在する空気は、後工程の線引加工時に、減
径にともなう管内容積の減少により若干の圧力を増し、
管外脱出の可能性もあるが、製造段階における鋼管の全
長からして、両端口に近い極めて一部を除き、ほぼその
全量が残存し、そのままワイヤ成分となるため溶接を行
なった場合、溶融プールに空気の主要成分であるＮ２が
直接吹きつけられた結果として、溶接金属中のＮ２量が
増加し靭性劣化などの原因となる。

一方、充填直後の管内には、上記第１図に示す如き空隙
が、減径開始後に比べ多く存在する（即ち、管内フラッ
クスはゆるい状態にある）ので、充填直後であれば真空
吸引による管内空気の除去は容易である。、 以上のことから、溶接金属中のＮ２量を低減するために
は、まず管内に存在する空気の除去を行なうことが必要
であり、かつ空気の除去は充填直後の管内フラックスが
まだゆるい状態にあるうちに行なうことが効率的である
ことがわかる。

次に第２図は、本発明における真空吸引による管内空気
除去の実施の一態様を示す模式図であって、同図に示す
如く、充填終了後に、コイルＨ状に巻かれた銅管Ｆの両
端口に、鋼管Ｆよりも細径でフラックスが充填されてい
ない鋼管Ｊを接続し、それぞれの先端にコックｆ１、ｆ
２およびフィルターｇを含むチューブＡ、Ｂを取付け、
さらに一方のチューブ（第２図ではＡ）に真空ポンプｄ
を直結させる。

実施手順としては、まずコックｆ２を閉じ真空ポンプに
より管内の真空吸引を開始する真空度はマノメーターｈ
２により確認するが、１０−２〜１０−３気圧程度に達
したならばコックｆ１な閉じ真空ポンプを止め、しばら
くして後、より正しい管内の真空度の確認をマノメ−タ
−ｈ１、ｈ２により行なう。最終的に管内圧が安定して
１０−２気圧以下になるまで真空吸引な継続しなければ
ならない。次に鋼管Ｊの先端に近い部分（第２図矢印部
）を密閉（圧着）した後、チューブＡ、Ｂを取外す。

このように管内空気の除去終了後の両端口は密閉され、
以後の工程においても密閉を保持したまま製造するもの
であるが、仕上ったワイヤを使用して実際に溶接を行な
う場合には、ワイヤは当然切断されることもあるし、ま
た各溶接パス毎に端口は開口状態となり、この時空気は
再侵入する。

つまり、ワイヤ使用時を考慮して、端口が開口の状態と
なっても空気の再侵入を防止し、溶接金属中のＮ２量の
増加を防止するという本発明の目的を達するに十分なも
のでなくてはならない。このことは、管内の真空吸引を
実施した後線引加工により、減径後（仕上りワイヤ径）
の管内の充填フラックスな非常に固く締まった状態に圧
縮することにより実質的に可能である。

フラックスが充填されている場合の線引加工による減径
にともなう鋼管および管内フラックスの状態変化の概略
は、ワイヤの断面構造および単位長さ当りの鋼管および
フラックス重量を順次測定することにより明らかとなる
。まず、減径開始前、つまり充填後真空吸引したまま減
径を行わない場合には、前記第１図に示した如く管内空
隙が多く存在し、空気の再侵入は容易に起こり得る。

次に線引が開始された初期（また減径の度合が小さい範
囲）においては、鋼管の長手方向への伸長は後期に比べ
比較的少なく管内容積が急速に減少する。この時、外観
的にも管内フラックスの圧縮が開始されたことが観察さ
れるが、この段階においてはなお空気の再侵入防止は不
可能である。

さらに減径を進め、各々減径後の管内フラックスの見掛
上の密度の上昇がほぼ横ばい、あるいは停止状態となる
まで非常に固く圧縮すると、鋼管の肉厚の減少が目立ち
始め、長手方向への伸長が著しくなる。この時、初めて
空気の再侵入の防止が可能となる。つまり、線引加工に
よる減径によって管内容積の減少にともない管内フラッ
クスが圧縮される結果として、管内空隙が減少し空気の
再侵入が防止できる。

一方、これら減径開始前（真空吸引のまま）、および減
径終了後の仕上りワイヤ径（溶接ワイヤ径）における単
位長さ当りの管内容積（Ｖ０）および管内フラックス粒
が占める総容積（Ｖｎ、個々の粒子の体積の総和に同じ
）から算出される管内空隙度（１−Ｖｎ／Ｖ０）と、実
際に溶接を行なった場合の溶接金属中のＮ２量との関係
から、空気の再侵入の有無について詳細に調査した結果
、第３図に３．５％Ｎｉ鋼用試作ワイヤの場合の一例を
示す如く、管内空隙度（１−Ｖｎ／Ｖ０）は減径が進行
するにつれ小さくなり、溶接ワイヤ径における管内空隙
度（１−Ｖｎ／Ｖ０）が０．４０以下に達するまで、管
内フラックスを圧縮した場合に溶接金属中のＮ２量（図
中（内）の数字で示すｐｐｍ）が減少すること、即ち空
気の再侵入を防止できることがわかった。

また減径により管内フラックスを圧縮したとしても、管
内空隙度（１−Ｖｎ／Ｖ０）が０．４０を超える場合に
は空気が再侵入し溶接金属のＮ２量は増加する。

なお、第３図に示した試作ワイヤ（Ｉ、■、■）は、外
径１２．５ｍｍφ、肉厚２．０ｍｍ（公称）の軟鋼材質
の鋼管にフラックスを充填しないで線引加工により減径
し、外径６．２ｍｍφ〜１０．６ｍｍφとした鋼管に、
ＣａＦ２、ＣａＣＯ３、金属粉、Ｆｅ粉などを含む同一
組成の造粒フラックスを振動充填後、前記第２図に示す
要領で管内空気の除去を行なった後、線引加工により減
径し溶接ワイヤ径（４．０〜６．２ｍｍφ）としたもの
であり、両端口を開口のまま放置後、高塩基性の溶融型
溶接用フラックスと組合せて、板厚２５ｍｍの３．％Ｎ
ｉ鋼を■開先、開先角度３０°、ルート間隙１２．５ｍ
ｍ、裏当金つきの開先とし、１層２パス多層盛溶接を行
ない、溶接金属中央部から分析試料を採取して、溶接金
属中のＮ２の値を求めたものである）。また、溶接条件
はＡＣ電源５５０Ａｍｐ　−　２８Ｖｏｌｔ−３０ｍ／
ｍｉｎ、予熱、パス間温度は１５０℃とした。

ここに、減径後の単位長さ当りの管内容積（Ｖ０）は、
単位長さ当りのワイヤ総重量、フラックス充填量（対ワ
イヤ比重量％）および鋼管材質の密度の測定、あるいは
ワイヤ断面構造の測定などによっても容易に計算して得
られる値であり、また減径後の管内フラックス粒が占め
る　Ｅ’ｃス容債（Ｖｎ）ぱ減｛１一後のワイヤから採
取したフラックスにつて、フラックス組成を考慮した液
体を使用して、その液中に攪拌しながら沈積させること
などによって求められる値である。

以下に本発明の効果を実施例によりさらに具体的に示す
。

実施例 外径１２．５ｍｍ、肉厚２．０ｍｍ　（公称）の軟鋼材
質の鋼管および同鋼管にフラックスを充填しないで線引
加工より減径し、外径６．２〜１２．０ｍｍφとした鋼
管に、第１表に示す組成のフラックス（粉体まま、およ
び造粒フラックス、粒度１２メッシュ以下）を振動充填
後、前記第２図に示す要領で管内空気の除去を行なった
後、線引加工による減径の度合を大きくし管内フラツク
スを圧縮し、減径後の管内空隙度（１−Ｖｎ／Ｖ０）を
０．４以下とした本発明法によるシームレス充填ワイヤ
（ワイヤ径４．０ｍｍφ、４．８ｍｍφ、および充填後
に管内空気の除去なし、あるいは充填後に管内空気の除
去は行なったが、充填時に上記鋼管のうち外径の小さい
鋼管を用いることにより、線引加工による減径の度合を
小さくし、管内フラックスの圧縮の程度を弱くし、減径
後の管内空隙度（１−Ｖｎ／Ｖ０）が０．４０超の比較
シームレス充填ワイヤ（ワイヤ径４．０ｍｍφ、４．８
ｍｍφ）をそれぞれ１００〜４００Ｋｇずつ試作製造し
た。

この時、本発明法による場合、第２図の要領により油回
転真空ポンプを使用して真空吸引を行なった後の管内の
真空度は、ほぼ１０−２．５気圧（吸引時間２０〜４０
ｍｉｎ）に達した。また、実用化の状況を想定し、減径
後は両端口を開口状態とし、１０〜２５Ｋｇコイル巻に
仕上げた。

第２表に試作ワイヤの詳細を示す。

これら試作したシームレス充填ワイヤおよび溶接金属の
合金成分が、ほぼ同じ成分系となる６０ＨＴ鋼用および
３．５％Ｎｉ鋼用ワイヤとして試作した大気溶解による
ソリッドワイヤ（ワイヤ径４．０ｍｍφ）を、高塩基性
の溶融型溶接用フラックスと組合わせて、板厚２５ｍｍ
の６０ＨＴ鋼および３．５％Ｎｉ鋼（ＡＳＴＭ．Ａ２０
３ＧｒＥ）を■開先、開先角度３０°、ルート間隙１２
．５ｍｍ裏当金つきの開先とし、１層２パスの多層盛溶
接（サブマージアーク溶接）を行なった。

溶接条件はＡＣ電源、５５０Ａｍｐ、２８Ｖ０ｌｔ、３
０ｃｍ／ｍｉｎ、予熱パス間温度は１５０℃である。

得られた溶接金属について、溶接金属中央部から分析試
科および特に上記ソリッドワイヤと、溶接金属が同様の
合金成分系となるようにフラックス充填量を調整して製
造したワイヤを使用した場合に限り、第４図に示す如く
ノツチ位置（Ｃ）または（Ｄ）をもつＪＩＳ４号２ｍｍ
Ｖノツチシヤルピー衝撃試験片を採取し、それぞれ試験
に供した。

第４図中、１は上層ビードによる熱影響部（主に細粒部
）、２は柱状晶的粗粒部、３は被溶接母材の熱影響部、
４は被溶接母材である。第３表にこれら結果をまとめて
示す。

本発明法により製造したワイヤを使用した試験Ｎｏ．１
、３、５、８、９、１２、１４は、比較例即ち管内空気
の除去（真空吸引）なし、あるいは管内空気の除去を行
なったにも拘わらず、減径後の管内空隙度（１−Ｖｎ／
Ｖ０）が０．４０以下に達するまで、管内フラックスを
圧縮しないで製造したワイヤを使用した場合（Ｎｏ．２
、４、６、７、１０、１１、１３）に比べ、溶接金属中
のＮ２量が著しく低減し、ソリッドワイヤを使用した場
合（Ｎｏ１５、１６）とほぼ同程度となった。

さらに、一部ワイヤについて実施した衝撃試験結果につ
いても、本発明法により製造したワイヤを使用した場合
は明らかにＮ２量が低減した効果により、各々衝撃値が
向上した。なお、溶接作業性はいずれも問題なく良好で
あつたが、本発明法で製造したワイヤを使用した場合、
若干、アーク安定性が向上するという付随的な効果も認
められた。

以上、述ベた如く本発明はシームレス充填ワイヤを使用
して溶接を行なった場合に問題となる溶接金属中のＮ２
量の増加を防止することを可能とした高品質な充填ワイ
ヤの製造方法であり、工業的実用性は極めて高いもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はフラックス充填直後のワイヤ断面構造な示す図
、第２図は本発明方法の実施の一態様を示す模式図、第
３図は管内空隙度（１−Ｖｎ−Ｖ０）と充填峙の鋼管お
よび減径後のワイヤ外径、および溶接金属中のＮ２量の
関係を示す図、第４図は衝撃試験片の採取位置を示す図
である。 ａ・・・鋼管内の空隙　ｂ・・・鋼管 ｂ′・・・管壁　ｃ、ｃ′フラックス粒ｄ・・・真空ポ
ンプ　ｆ１、ｆ２・・・コックｇ・・フィルター　ｈ１
、ｈ２・・・マノメータ−Ａ　、Ｂ・・・チューブ　Ｆ
・・・鋼管Ｊ・・・鋼管　Ｈ・・・コイル （Ｃ）および（Ｄ）・・・衝撃試験片のノツチ位置１・
・・細粒部　２・・・粗粒部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 鋼管を用いてなる充填ワイヤの製造において、フラック
   ス充填後真空吸引し、管内空隙に存在する空気を除去す
   ること、さらに真空吸引後、線引加工により減径後の単
   位長さ当りの管内容積（Ｖ０）および管内フラックス粒
   が占める総容積（Ｖｎ）から算出される管内空隙度（１
   −Ｖｎ／Ｖ０）が０．４０以下に達するまで管内フラッ
   クスを圧縮し、実質的に管内への空気の再侵入を防止す
   ることを特徴とする溶接用充填ワイヤの製造方法。