JPS6357155B2

JPS6357155B2 -

Info

Publication number: JPS6357155B2
Application number: JP57152430A
Authority: JP
Inventors: Yosha Sakai; Yasuhiro Nagai; Kazuo Ikemoto; Tetsuo Suga; Masaharu Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1982-08-31
Filing date: 1982-08-31
Publication date: 1988-11-10
Also published as: JPS5942198A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はセルフシールドアーク溶接用フラツク
ス入りワイヤに関し、特にピツトや融合不良等の
溶接欠陥がなく且つ高靭性の溶接金属を全姿勢溶
接で得ることのできるフラツクス入りワイヤに関
するものである。フラツクス入りワイヤとは金属鞘内にフラツク
スを充填したものであり、ここで使用されるフラ
ツクスの一般的組成はスラグ形成剤又はシールド
剤としてのCaF₂、脱酸・脱窒剤としてのAl、脱
酸・シールド剤としてのMg等を主成分とするも
のである。このフラツクス入りワイヤを用いると
きは、シールドガスやフラツクスを別途供給する
必要がないので溶接作業性が良く、且つ耐風性に
優れている等種々の利点を有している。しかしながら現在のところその用途は土木・建
築等における屋外溶接の特定分野に限られてお
り、十分に活用されているとは言い難い。この様
に用途が限定され、他分野への普及が遅れている
理由としては、次の様な欠点が挙げられる。脱酸・脱窒剤として添加するAl及び脱酸・
シールド剤として添加するMg等に由来する高
融点のMgOやAl₂O₃が生成スラグの主成分とな
るので、特に多層溶接に適用したときにスラグ
の巻込みを生じ易い。溶着金属中に多量のAlが歩留る他、酸素の
異常減少（50〜100ppm程度）によつて結晶粒
が粗大化し易く、良好な切欠靭性が得られな
い。生成スラグ及び溶融金属の表面張力が大きす
ぎるので、立向上進姿勢や上向姿勢のときにビ
ードが垂れ易くなる。適正アーク電圧範囲が狭く、電圧やワイヤ突
出し長さを厳密に管理しなければピツトやブロ
ーホールをなくすことができない。充填フラツクス成分として蒸気圧の高いMg
やCaF₂を多量使用するので、ヒユーム発生量
が多く作業環境を著しく損なう。本発明者等は上記の様なフラツクス入りワイヤ
の欠点を解消し、その最大の特長である優れた耐
風性を幅広く活用できる様にしようとして鋭意研
究を進めてきた。本発明はこうした研究の結果完
成したものであつて、その構成は、鋼製鞘内に、
下記の成分を必須成分として含有する粉粒状フラ
ツクスを、ワイヤ全重量に対して15〜30％（重量
％：以下同じ）充填してなるところに要旨が存在
する。 BaF₂：32〜70％アルカリ金属のふつ化物：１〜30％ Ca、Sr及びBaよりなる群から選択されるアルカ
リ土類金属の酸化物と、Fe、Mn、Ni、Co、Ti、
Al、Zrよりなる群から選択される金属の酸化物
との複合酸化物：１〜30％ Al：３〜12％ Mg：２〜10％ Mn：0.5〜10％以下本発明において粉粒状フラツクスの含有成
分を定めた理由を詳細に説明する。まず主なスラグ形成々分としてBaF₂を32〜70
％含有させる。即ちBaF₂は、スラグ形成剤とし
て一般に使用されているCaF₂やSrF₂等に比べて
溶滴移行性及びシールド性が良好であると共に、
立向上進姿勢における溶融金属の垂れ落ちを抑制
する作用があり、こうした特徴は直流正極性の場
合に特に顕著に発揮される。BaF₂が32％未満で
はこれらの特徴が有効に発揮されず、一方70％を
越えるとスラグ生成量が過剰になつスラグ巻込み
等の溶接欠陥が発生し易くなる他溶接作業性も低
下する。ところでBaF₂は、スラグ形成剤としての性能
からすれば次の様な欠点を有している。即ち
BaF₂は従来のCaF₂やSrF₂等に比べて溶込みを浅
くする性質があり、しかも後述の脱酸剤・脱窒剤
として添加されるAlやMgの反応生成物である
Al₂O₃やMgOと共に高融点のスラグを形成する
為、スラグの巻込みや融合不良等の溶接欠陥を生
じ易く、しかもビードの光沢及び外観も良好とは
言えない。こうしたBaF₂の欠点を改良する為、本発明で
は適量のアルカリ金属ふつ化物及び、アルカ
リ土類金属酸化物と後述する金属酸化物との複合
酸化物の２者を併用する。まずアルカリ金属（Li、Ｋ、Na等）ふつ化物
は、生成スラグの融点及び粘性を調整すると共に
アーク力を強く且つ安定化して溶込みを深くし、
スラグの巻込み及び融合不良等の欠陥を抑える機
能を果たす。こうした機能を確保する為には１％
以上含有させなければならないが、30％を越える
とスラグの流動性が過大となつて被包性が低下し
ビード外観が悪化すると共に、スラグが異常に強
く固着して剥離性が悪くなり、更には立向姿勢や
上向姿勢でスラグ及び溶融金属の垂れ落ちが著し
くなる。尚フラツクス中の水分は溶接金属に気孔
を発生させる原因となるので、アルカリ金属ふつ
化物としては難吸湿性のNa₂ZrF₆、K₂SiF₆、
K₂ZrF₆、LiF、LiBaF₃等が最適である。次にCa、Sr及びBaよりなる群から選択される
アルカリ土類金属酸化物と、Fe、Mn、Ni、Co、
Ti、Al、Zrよりなる群から選択される金属の酸
化物との複合酸化物は、ビードの外観及び光沢を
改善し且つスラグシールド効果を高めると共に、
AlやMg等の強力脱酸剤により過剰に脱酸された
溶着金属に酸素を補給して切欠靭性を高める作用
があり、これらの機能を有効に発揮させる為には
上記複合酸化物を１％以上含有させなければなら
ない。しかし30％を越えると溶滴が大きくなつて
スパツタが多発すると共にスラグの剥離性も悪化
する。ところで前述のアルカリ土類金属酸化物は空気
中で吸湿したりCO₂を吸収し易く且つ高融点であ
るので、これを単独で使用すると気孔及びスラグ
巻込み等の溶接欠陥を起こし易く、スパツタも多
発する。しかしこれと前述の金属酸化物との間で
複合酸化物を形成させると難吸湿性で安定な化合
物となり、またFe、Mnの酸化物との複合酸化物
はアルカリ土類金属酸化物単体よりも融点が低く
なる。これらの複合酸化物はM_xN_yO_zの一般式
（式中ＭはCa、Sr、Baのいずれか、ＮはFe、
Mn、Ni、Co、Ti、Al、Zrのいずれか、ｘ、ｙ
及びｚは正数を示す）で表わすことができ、例え
ばＭがCaである複合酸化物としてはCaFe₂O₄、
Ca₂FeO₅、Ca₂MnO₄、CaMn₂O₄、CaMn₃O₁₀等
が、ＭがSrである複合酸化物としてはSr₂FeO₄、
Sr₇Fe₁₀O₂₂、SrFeO_2.5、Sr₂Fe₂O₅、Sr₃SiO₅、
SrSio₃、SrMnO₃、Sr₂MnO₄、Sr₃Mn₂O₇、
SrNiO₃、SrTiO₃、Sf₃Al₂O₆、Sr₂ZrO₄等が、ま
たＭがBaである複合酸化物としてはBaFe₂O₄、
Ba（MnO₄）₂、Ba₃NiO₄、BaSiO₄、BaSiO₃、
Ba₃SiO₄等が、夫々代表的なものとして例示され
る。ただし、Siを含有する複合酸化物は、強力脱
酸剤であるAl、Mgにより還元されて、溶着金属
にSiとして歩留り、フエライト結晶組織を粗大化
して靭性を低下させるので本発明の必須元素とし
なかつた。 Alは強力脱酸剤及び脱窒剤としてまた窒素固
定剤として不可欠の元素であり、大気中から侵入
する酸素や窒素を捕足して気孔の発生を防止す
る。こうしたAlの効果を発揮させる為にはフラ
ツクス中に３％以上含有させなければならない
が、多すぎると溶着金属中に過剰量のAlが走留
つて結晶粒が粗大化し脆弱になるので12％以下に
抑えるべきである。尚Al源としては金属Alの他、
Fe−Al、Al−Mg、Al−Li等のAl合金を使用す
ることもできる。 Mgは強力な脱酸機能を有する他、アーク熱に
よつて容易に金属蒸気となり優れたシールド効果
を発揮する。Mg量が２％未満ではこうした効果
が十分に発揮されず、しかも併用するAlの歩留
りが低下してAlの脱窒効果及び窒素固定効果が
十分に発揮されなくなる。しかし多すぎるとヒユ
ーム発生量が著しく増加して溶融池の観察が困難
になると共に作業環境を汚染し、またスパツタの
増大及びスラグの粘性増大による被包性の悪化を
招くので10％以下に抑えるべきである。尚Mg源
としては金属Mgを使用することも可能である
が、これはアーク熱によつて気化が爆発的に進行
しスパツタが多発する傾向があるので、Al−
Mg、Mg−Si、Mg−Si−Ca、Ni−Mg、Li−
Mg等のMg合金として含有させるのがよい。 Mnは溶着金属の強度を高めると共に、溶融金
属の表面張力を下げてビード形状を整える作用も
あり、少なくとも0.5％含有させなければならな
い。しかし10％を越えると溶着金属の強度が過大
になつて延性や耐割れ性が乏しくなる。Mn源と
しては金属MnやFe−Mn、Fe−Si−Mn等のMn
合金が使用されるが、この他のMnOやMnO₂等
の酸化物更にはLi₂MnO₃、SrMnO₃、Ba（MnO₄）
の様な複合酸化物もMn源として使用することも
できる。その理由は、本発明で使用するフラツク
ス中には、Mnよりも酸素との親和力の大きい元
素（AlやMg）が多量含まれているので、Mn酸
化物は脱酸を受けて金属Mnに変換されるからで
ある。本発明で使用するフラツクスの必須成分は上記
の通りであるが、特に海洋構造物の様な低温靭性
〔一般に（−10）〜（−60）℃〕が要求される分
野に適用する場合は、更にNi：0.5〜20％、Zr：
0.1〜４％、Ti：0.01〜0.5％、Ｂ：0.01〜0.2％を
配合し、またCe等の希土類元素を配合すること
も効果的である。以下これらの副配合成分につい
ても簡単に説明を加える。 Niはオーステナイト生成元素であり、多量の
Alの歩留りによるフラツクス結晶粒の粗大化を
抑制し溶融金属の切欠靭性を高める作用がある。
こうした効果は0.5％以上の配合で有効に発揮さ
れるが、20％を越えると強度が過大になつて耐割
れ性が乏しくなる。Ni源としては金属Niの他、
Fe−Ni−Cr、Ni−Mg等のNi合金、あるいは
NiO、Ba₂NiO₄等の酸化物、複合酸化物が挙げら
れる。 Zrは溶着金属の結晶粒を微細化すると共に侵
入した窒素を固定して切欠靭性を改善する作用を
有しており、これらの効果は0.1％以上の添加で
有効に発揮されるが、４％を越えるとスラグの焼
付きが著しくなつて剥離性が悪化する他、切欠靭
性もかえつて低下する。ちなみに第１図は、
BaF₂：50％、LiF：3.5％、SrMnO₃：６％、
Al：9.2％、Mg：７％、Mn：0.2％、Ni：５％、
残部Feよりなる基本組成のフラツクスに、Zrを
Fe−Zr（Zr：30％）の形で0.1〜５％配合した粉
粒状フラツクスを、軟鋼製鞘内にワイヤ全重量に
対して20％充填し伸線加工して得た1.6mmφのフ
ラツクス入りワイヤを用いて溶接実験を行ない、
フラツクス中のZr量と切欠靭性の関係を調べた
ものである。尚溶接試験条件は次の通りであた。〔試験条件〕母材：SM−50A、板厚19mm 溶接姿勢：下向き、７層13バス溶接電流：250A、DC（−）溶接電圧：21V 溶接速度：15〜22cm／分ワイヤ突出長さ：25mm 切欠靭性試験：JIS Z3112の２mmＶノツチシヤル
ピー試験法第１図からも明らかな様に、Zrをフラツクス
中に0.1〜４％配合すると切欠靭性が著しく改善
される。尚Zr源としてはFe−Zr、Zr−Si等の合
金やK₂ZrF₆、Na₂ZrF₆等のふつ化物、あるいは
ZrO₂、ZrSiO₄（ジルコンサンド）、Li₂ZrO₃等の酸
化物、複合酸化物が挙げられる。 Tiは極めて少量で切欠靭性を高める作用があ
り、その効果は0.01％以上で有効に発揮される。
この場合前述した範囲のZrや0.01〜0.2％のＢと
併用するとその効果は一段と顕著になる。但し
Ti量が0.5％を越えるとスラグの焼付きが著しく
なり、ビード外観及び溶接能率が悪化する。尚
Ti源としては金属Ti、Fe−Ti等の合金の他、
TiO₂やTi₂O₃等の酸化物、あるいはLi₂TiO₃、
CaTi₂O₄、CaTiO₃等の複合酸化物を使用するこ
ともできる。Ｂは単独では切欠靭性改善効果を殆んど示さな
いが、前述の様に適量のTiと併用することによ
つてTiの効対を助長する働きがある。こうした
効果は0.01％以上の配合で有効に発揮されるが、
0.2％を越えると焼入れ硬化によつて耐割れ性が
低下し、切欠靭性も乏しくなる。。Ｂ源としては
Fe−Ｂ等の合金やB₂O₃等の酸化物、あるいは
Li₂B₄O₇、Na₂B₄O₇等の複合酸化物が挙げられ
る。この他フラツクス中には、スラグ形成剤として
Al₂O₃、MgO、FeO、Fe₂O₃、Na₂O、K₂O、
LiFeO₂、Li₂MnO₃、Li₂SiO₃、SiO₂等の酸化物や
CaF₂、SrF₂、MgF₂、NaF、Na₃AlF₆、Na₂SiF₆
等のふつ化物、更にはLi₂CO₃、Na₂CO₃、
BaCO₃、CaCO₃、MgCO₃、SrCO₃、MnCO₃等の
炭酸塩を配合することができ、又、溶接金属の高
温強度等の機械的性質や耐食性を改善する為に
Cr、Mo、Cu、Nb、Ｖ、Co、Ｐ等の元素を配合
することもできる。以上、鋼製鞘内に充填するフラツクス組成につ
いて説明したが、それら各成分の効果を有効に発
揮させる為にはフラツクスの充填率も極めて重要
であり、ワイヤ全重量に対する充填量が15〜30％
の範囲となる様に充填率を設定しなければならな
い。即ち充填率が15％未満では先に規定したフラ
ツクス構成々分の個々の含有量が不足する為に満
足な効果を得ることができず、一方30％を越える
と溶着金属中のAl等の合金量が過剰になつて目
標程度の機械的性質が得られなくなつたり、ある
いは生成スラグ量が過大になつてスラグの巻込み
が著しくなつたり溶接作業性が低下する等の問題
が現われる。鋼製鞘の材質としては軟鋼が最も一般的である
が、用途によつては低合金鋼や高合金鋼等を使用
することもでき、またその断面構造も特に限定さ
れないが、２mmφ以下の細径の場合は比較的単純
な円筒形のものが、また2.4〜４mmφ程度の太径
ワイヤの場合は鞘材を内部へ複雑に折り込んだ構
造のものが一般的である。本発明は概略以上の様に構成されており、特に
鋼製鞘内へ充填するフラツクスの成分組成を特定
することによつて、ピツトや融合不良等の溶接欠
陥がなく且つ機械的諸特性（特に靭性）の優れた
溶接金属をあらゆる溶接姿勢で得ることのできる
セルフシールドアーク溶接用フラツクス入りワイ
ヤを提供し得ることになつた。次に実験例を挙げて本発明の効果を明確にす
る。実験例第１表に示す化学成分の鋼製鞘内に第２表に示
す成分組成の粉粒状フラツクスを充填（充填率20
％）して伸線加工し、２mmφのフラツクス入りワ
イヤを製造した。得られる各ワイヤを用いて下記の条件で溶接実
験を行なつた。結果を第３表に示す。〔溶接条件〕試験板：JIS G3106、SM−50A、板厚45mm×長
さ500mm 開先形状：Ｘ開先（第２図）溶接電流：250(A)、DC〔ワイヤ（−）〕溶接電圧：21〜22（Ｖ）溶接速度：13〜24（cm／分）ワイヤ突出長さ：20〜25（mm）累層法：表・裏側共に８層14パス溶接姿勢：下向裏はつり：アークエアガウジング後グラインダで
黒皮除去〔試験法〕引張時間：JIS Z3111 衝撃試験：JIS Z3112 側曲げ試験：JIS Z3122 超音波探傷試験：JIS Z3060

【表】

【表】第２、３表からも明らかな様に、本発明で規定
する要件を充足するワイヤ（No.１〜７）を用いた
場合は、溶接作業性が良好でブローホールやスラ
グ巻込み、融合不良等の欠陥がなく、溶着金属の
機械的性質も良好である。中でもフラツクス中に
適量のTi及びZrを配合したワイヤ（No.６、７）、
Ti及びＢを配合したワイヤ（No.３）、を用いて得
た溶着金属の低温（−30℃）切欠靭性は極めて優
れている。これに対し本発明の要件を欠く比較ワ
イヤを用いた場合は、溶接作業性、超音波探傷性
能及び機械的性質の何れかが劣悪であり、本発明
の目的を達成することができない。

【図面の簡単な説明】

第１図はフラツクス中のZr量と衝撃値の関係
を示す実験グラフ、第２図は溶接実験で採用した
開先形状を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１鋼製鞘内に、下記の成分を必須成分として含
有する粉粒状フラツクスを、ワイヤ全重量に対し
て15〜30重量％充填してなることを特徴とするセ
ルフシールドアーク溶接用フラツクス入りワイ
ヤ。 BaF₂：32〜70重量％アルカリ金属のふつ化物：１〜30重量％ Ca、Sr及びBaよりなる群から選択されるアルカ
リ土類金属の酸化物と、Fe、Mn、Ni、Co、Ti、
Al、Zrよりなる群から選択される金属の酸化物
との複合酸化物：１〜30重量％ Al：３〜12重量％ Mg：２〜10重量％ Mn：0.5〜10重量％