WO2011074689A1

WO2011074689A1 - 全姿勢溶接が可能なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ

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Publication number: WO2011074689A1
Application number: PCT/JP2010/072834
Authority: WO
Inventors: 児嶋　一浩; 竜一志村; 笹木　聖人
Original assignee: 新日本製鐵株式会社
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-06-23
Also published as: KR101193273B1; JP4834191B2; US20120241433A1; KR20120084780A; TWI372089B; JPWO2011074689A1; US9211613B2; CN102655978A; TW201130594A; CN102655978B; EP2489461A1; EP2489461B1; EP2489461A4

Abstract

溶接金属の酸素を低減して靭性に優れた溶接継手を得ることができ、且つ直流逆極性で全姿勢溶接可能な、ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤであって、該ワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＯ：０．２～７．０％と、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＢａＦ₂の１種以上を合計で１．０％以上（該弗化物とＣａＯの合計３．０～１２．０％）と、Ｓｉ、Ａｌ（０．３％未満）、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの１種以上を合計で０．２～２．０％と、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｂ、Ｚｒの各酸化物の１種以上を合計で０．２～３．０％を含有し、α＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋Ｎｂ／１０＋５Ｂが０．１５～０．４０％であり、ＰとＳの合計０．０４０％以下、残部Ｆｅ、アーク安定剤、不可避不純物であり、フラックス中の鉄粉含有量５．０％以下よりなる。

Description

全姿勢溶接が可能なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ

　本発明は、全姿勢溶接が可能なガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に、溶接金属の酸素を３００質量ｐｐｍ以下に低減して靭性に優れた溶接金属を得ることができ、且つ直流逆極性（溶接ワイヤをプラスとする極性）で使用でき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。

　ガスシールド溶接用のフラックス入りワイヤは、高能率な溶接方法を可能にする溶接材料として広く産業界に普及しているが、その大半はルチルに代表されるようなＴｉ酸化物を主たるスラグ形成材としたフラックス入りワイヤ（以下、ルチル系ＦＣＷと表記することがある。）である。
　ルチル系ＦＣＷは優れた溶接作業性を有しており、下向、立向、上向、横向等各種の溶接姿勢において容易に溶接が施工できる特徴を有している。しかし、溶接金属の酸素が高いことが問題となる場合がある。即ち、ルチル系ＦＣＷを使用した場合には、高強度鋼や低温用鋼の溶接金属において、必要とされる程度の靭性の確保がしばしば困難となる。この原因として、溶接金属中の酸素が非金属介在物として存在し、この介在物が破壊の起点となることが、これまでの研究により広く知られている。この課題を解決すべく、溶接金属の酸素量低減を試みたルチル系ＦＣＷがこれまでも検討されてきた。具体的な検討の結果は、例えば特許文献１~３等によって開示されている。

　即ち、特許文献１においては、強脱酸元素であるＣａやＡｌを添加することで溶接金属中の酸素量を低減しているが、実施例でも３３４質量ｐｐｍまでしか酸素量は低減されておらず、その効果は満足できるものではない。
　特許文献２においては、脱酸元素であるＳｉ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｔｉを添加し、且つＴｉＯ_２を含む酸化物総添加量を規制して溶接金属の低酸素化を検討しているが、実施例では３５０質量ｐｐｍまでの低減効果しか確認されておらず不十分な改善である。
　特許文献３では、ＴｉＯ_２を含む酸化物総添加量の規制、ＣａＦ_２の添加、脱酸元素であるＳｉ、Ｍｎ、Ｍｇの添加により溶接金属の低酸素化を検討しているが、溶接金属の酸素量は３００質量ｐｐｍ以上であり、この発明も溶接金属酸素量を十分には低減できていない。

　フラックス入りワイヤにはルチル系以外にも弗化物を主たるスラグ形成材としているもの（以下、弗化物系ＦＣＷと表記することがある。）もある。弗化物系ＦＣＷはルチル系ＦＣＷと異なり、溶接金属の酸素量を容易に低減することが可能であるが、溶接姿勢が下向きや水平隅肉に限定され、立向、上向、横向での溶接が極めて困難であるという課題を有している。具体的な検討事例は、例えば以下に列挙する特許文献４~７によって開示されている。

　特許文献４においては、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｓｒの弗化物、及び、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｓｒの炭酸塩、複合酸化物を主たるスラグ系として検討を実施しているが、立向、上向、横向での溶接が評価されておらず、更に溶接金属の酸素量も靭性評価結果も開示されていない。即ち、特許文献４からは全姿勢溶接が実施可能で、且つ高靭性の溶接金属が得られるフラックス入りワイヤの技術指針は何ら得られない。
　特許文献５では、ＢａＦ_２、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、酸化物量の含有量を規制することで、溶接金属の酸素量を５０質量ｐｐｍまで低減しているが、これは溶接ワイヤをマイナス極とする直流正極性での溶接を前提としている。直流正極性では融合不良を発生しやすく、アークも不安定になりやすいので、ここで開示されている知見も十分ではない。

　特許文献６では、ＣａＦ_２を含有し、アルカリ金属やアルカリ土類金属とＴｉ、Ｓｉの複合酸化物を含むフラックスを用いることで溶接金属の酸素量を２５１質量ｐｐｍまで低減しているが、立向、上向、横向溶接に関する記述が無く、特許文献６からは全姿勢溶接を可能とするフラックス入りワイヤの技術指針は何ら得られない。

　特許文献７では、ＢａＦ_２を添加し、脱酸金属元素等のフラックス成分を調整することで溶接金属の酸素量低減を図っているが、下向と立向のみの検討であり、上向溶接、横向溶接は一切記述されておらず、全姿勢溶接を達成するには不十分な内容である。
　また、特許文献７では、立向溶接を可能とするための必須条件として、Ａｌ含有量を０．３％以上と規定しているため、溶接金属の靭性が劣化してしまう課題がある。特許文献７では、この靭性劣化を完全に回避できないことから、シャルピー試験で５５Ｊ以上の吸収エネルギーを合格としているが、５５Ｊの吸収エネルギーでは設計基準を満たさない構造物は多くある。
　高靭性な溶接金属を得るためには、ワイヤ中のＡｌ含有量を０．３％未満に制限する必要があるが、この要件を満たし且つ下向、立向、上向、横向での溶接を可能とする弗化物系ＦＣＷの技術指針は特許文献７からは何も得られない。

　以上を総括すると、直流逆極性（溶接ワイヤをプラスとする極性）とする電源極性が使用可能で、且つＡｌ含有量をワイヤ全質量に対する質量比で０．３％未満に制限して下向、立向、上向、横向の各溶接姿勢で溶接が可能であり、且つ溶接金属の酸素を安定的に３００質量ｐｐｍ以下に抑制でき、その結果としてシャルピー吸収エネルギーが２００Ｊを超えるフラックス入りワイヤは存在していないと結論できる。事実、現在に至るまでこれらの特性を満足するフラックス入りワイヤは実用化されていない。

特開平０６−２３８４８３号公報特開平０７−１６４１８４号公報特開平０７−２７６０８８号公報特開平０５−３２９６８４号公報特許第３５８６３６２号公報特開２００１−２０５４８２号公報特開２００８−１１９７４８号公報

　本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、従来には無い全く新しいフラックス組成を有するガスシールド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ものである。

　上述の課題を解決する本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）　鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールド溶接用フラックス入りワイヤにおいて、以下の（ａ）から（ｆ）の条件を同時に満足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。
（ａ）ＣａＯがワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、７．０％以下で含有されること。
（ｂ）ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２のうち１種または２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で１．０％以上であり、且つＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２のうち１種または２種以上とＣａＯの含有量の合計が、ワイヤ全質量に対する質量％で３．０％以上、１２．０％以下であること。
（ｃ）金属状態のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａのうち１種または２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対して、０．２％以上、２．０％以下であり、且つ、金属状態のＡｌの含有量の範囲は、ワイヤ全質量に対する質量％で０．３％未満に制限されていること。
（ｄ）下記の式（１）で定義されるαの値が０．１５以上、０．４０以下の範囲であり、且つＰとＳの含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．０４０％以下に制限されていること。
　α＝Ｎ（Ｃ）＋Ｎ（Ｓｉ）／３０＋Ｎ（Ｍｎ）／２０
　　　＋Ｎ（Ｃｕ）／２０＋Ｎ（Ｎｉ）／６０＋Ｎ（Ｃｒ）／
　　　２０＋Ｎ（Ｍｏ）／１５＋Ｎ（Ｖ）／１０＋Ｎ（Ｎｂ）／
　　　１０＋５Ｎ（Ｂ）　　・・・式（１）
　ここで、Ｎ（Ｘ）：ワイヤ全質量に対する元素Ｘの質量％。
（ｅ）Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、３．０％以下であること。
（ｆ）残部がＦｅ、アーク安定剤、及び不可避不純物であり、前記フラックス中の鉄粉含有量がワイヤ全質量に対する質量％で５．０％以下であること。

（２）さらに、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の１種又は２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、４．０％以下であることを特徴とする（１）に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（３）さらに、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの１種または２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、３．２％以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（４）前記鋼製外皮に吸湿の原因となるスリット状の隙間が無いことを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。

　本発明のワイヤを使用すれば溶接金属の酸素量を飛躍的に低減することが可能であり、さらに産業界に広く普及している直流逆極性をそのまま用いて下向き、立向き、上向き、横向きの各姿勢で溶接が可能となる。この知見は溶接施工能率の確保と溶接継手の安全性向上を同時に両立するものであり、産業上での利用価値はきわめて高いと言える。

　図１は、試作ワイヤの製造工程を説明する図である。
　図２は、本発明の評価に用いた横向溶接の開先形状を示す図である。
　図３は、本発明の評価に用いた下向溶接、立向溶接、及び上向溶接の開先形状を示す図である。
　図４は、ビードの蛇行を評価する方法を示す図である。
　図５は、ビードの止端角を計測する方法を示す図である。

　以下に、請求項に記載した内容を具体的に説明することで本発明の効果を記す。
　本発明と従来知見との明確な差異は、請求項１の（ａ）に記載したようにＣａＯの含有量を明確に規定している点である。直流逆極性で従来の弗化物系ＦＣＷを用いた場合に立向、上向、横向での溶接ができなかった原因は、スラグの融点が低いために、これらの溶接姿勢では溶融プールを保持できないことである。
　この対策として、本発明のワイヤでは、高融点物質であるＣａＯを必須成分として含有している。ＣａＯは酸化物ではあるが強い塩基性物質であり、ワイヤ中に含まれていても溶接金属酸素量を著しく増加させることは無い。更にＣａＯの融点は約２５７０℃と非常に高温であるため、スラグの融点を高めることも可能である。

　ＣａＯの含有量はワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、７．０％以下と定めたが、この理由は０．２％未満の場合には含有量が少なすぎて立向、上向、横向での溶接を可能とする程度にはスラグの融点を高めることができないからである。逆に７．０％を超えて含有するとスラグ融点が高すぎるためにスラグの凝固が早くなり、スラグの流動性が確保できないためスラグ巻込みが発生しやすくなる。このためワイヤ全質量に対するＣａＯの含有量は０．２％以上、７．０％以下と規定した。

　また、スラグの凝固タイミングを最適化すれば、アンダーカットを抑制することが可能であり、このためにはＣａＯの含有量をワイヤ全質量に対する質量％で０．７％以上、６．３％以下の範囲とすることが好ましい。さらに、アーク安定化によるスパッタ低減効果と、アンダーカット抑制効果とを併せて同時に発現させるために、ＣａＯの含有量をワイヤ全質量に対する質量％で１．４％以上、５．６％以下の範囲とすることがより好ましい。また、必要に応じ、その下限を１．７％以上とし、上限を４．９％以下としてもよい。
　なお、ＣａＯ・ＳｉＯ_２のような複合酸化物をＣａＯとして含む場合には、ＣａＯの部分のみの質量で含有量を計算することとする。

　次に、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の添加について述べる。
　これらの弗化物はスラグの塩基度を高め、溶接金属の酸素量を低減するのに有効である。加えて、これらの弗化物がＣａＯとともに含有されることにより、スラグ融点を適切な温度に調整することが可能となる。ＣａＯの融点は約２５７０℃と非常に高温であるが、これら４つの弗化物は融点が１２５５℃から１４００℃と比較的近い範囲にあるため、これら４つの弗化物は１種又は２種以上含有させることが可能である。

　これら４つの弗化物のうち１種または２種以上の合計質量はその効果を発現するために、ワイヤ全質量に対する質量％で１．０％以上含有されることが必要である。さらに、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の１種または２種以上とＣａＯの合計質量は、ワイヤ全質量に対する質量％で３．０％以上、１２．０％以下とする必要がある。
　その理由は、合計質量が３．０％未満では含有量が少なすぎて、立向、上向、横向の姿勢では溶融池を保持するのに十分なスラグ量が得られないからである。逆に１２．０％を超えて含有されると、アークの安定性が保てなくなり、全ての姿勢で溶融池が不安定となることからヒューム発生量が多くなり、溶接作業環境に悪影響を生じやすくなる。
　このため、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の１種または２種以上とＣａＯの合計質量は、ワイヤ全質量に対して３．０％以上、１２．０％以下と規定した。

　なお、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の１種または２種以上とＣａＯの合計含有量を最適化すると、アーク安定性が更に向上し、その結果としてビード幅を安定化する効果が得られる。この観点からＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の１種または２種以上とＣａＯの合計含有量はワイヤ全質量に対して４．０％以上、１０．０％以下の範囲であることが好ましい。また、必要に応じ、その下限を５．０％以上とし、上限を９．０％以下としてもよい。

　次に、脱酸作用を有する金属元素に関してその作用を説明する。
　金属状態のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａは何れも強力な脱酸作用を有し、溶接金属の低酸素化に有効な元素であることが知られており、これらの元素の１種または２種以上を、ワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、２．０％以下添加する。
　しかし、Ａｌについては、ワイヤ中に過剰に含有されると、Ｔｉ酸化物を核とした粒内変態による微細ミクロ組織の生成を抑制するため、溶接金属の靭性を劣化させる。そのため、Ａｌの含有量をワイヤ全質量に対する質量％で０．３％未満と定めた。必要に応じて、０．２％以下又は０．１％以下に制限してもよい。

　Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの１種または２種以上の合計質量が、０．２％未満の場合には、含有量が少なすぎて溶接金属の酸素量低減に効果を発現しない。また、２．０％を超えて含有されると、溶接金属中でマルテンサイト・オーステナイト・コンスティテューエント（以下、ＭＡＣと表記）のような硬質ミクロ組織が生成しやすくなり溶接金属の靭性を劣化させる。
　したがって金属状態のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａのうち１種または２種以上の合計質量を、ワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、２．０％以下とした。その合計質量は、必要に応じて、下限を０．６％以上又は０．８％以上とし、上限を１．８％以下又は１．５％以下としてもよい。
　なお、これらの金属元素は必ずしも純金属（不可避不純物の含有は可）である必要は無く、Ａｌ−Ｍｇ等の合金の形態で含有されていても何ら問題ない。なお、ここでは溶接中の脱酸反応を前提としているので、酸化物、弗化物、炭酸塩として含まれるＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａは対象外である。また、これらの金属元素は鋼製外皮中に含有されていても、フラックスとして含有されていても、その効果は同じであるため、鋼製外皮とフラックスの何れでも含有することが可能である。

　次に、以下の式（１）で規定されるαの値について説明を記す。
　本発明は高靭性な溶接金属を得ることを主眼に置いているが、溶接金属の高靭性化は酸素を低減するだけでは達成されない。溶接金属の焼入れ性が適切な範囲に制御されていなければ、溶接金属は粗大ミクロ組織や硬質ミクロ組織を有するようになる。この状態では、いくら低酸素化しても高靭性溶接金属を得ることはできない。
　この観点から、溶接金属の焼入れ性に影響を及ぼす代表的な元素であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂの含有量に関して、下記の式（１）で示されるαの値を用いて検討を進めてきた。
　その結果、αの値が０．１５未満である場合は、焼入れ性が不足で粗大な粒界フェライトが生成し溶接金属の靭性を低下させることが判明した。逆に、αの値が０．４０を超えると、焼入れ性が過剰となり、マルテンサイトのような硬質組織の分率が増加して、溶接金属の靭性は劣化する。
　以上の理由により、以下の式（１）で規定されるαの値は、０．１５以上、０．４０以下の範囲に制限することが必要であるとの結論に至った。この範囲は、必要に応じて、下限を０．１８以上又は０．２０以上に、上限を０．３６以下又は０．３４以下にそれぞれ制限してもよい。

　α＝Ｎ（Ｃ）＋Ｎ（Ｓｉ）／３０＋Ｎ（Ｍｎ）／２０
　　　＋Ｎ（Ｃｕ）／２０＋Ｎ（Ｎｉ）／６０＋Ｎ（Ｃｒ）／
　　　２０＋Ｎ（Ｍｏ）／１５＋Ｎ（Ｖ）／１０＋Ｎ（Ｎｂ）／
　　　１０＋５Ｎ（Ｂ）　　・・・式（１）
　ここで、Ｎ（Ｘ）：ワイヤ全質量に対する元素Ｘの質量％。
　なお、式（１）では溶接金属の焼入れ性を議論しているので、酸化物、弗化物、炭酸塩として含有される元素は対象外である。これらの元素は、先のＳｉなどと同様の形態で含有できる。

　また、Ｐ、Ｓに関しては、一般的に凝固割れや靭性の低下等の原因となる有害な元素として広く知られているので、Ｐ、Ｓは、その合計質量がワイヤ全質量に対する質量％で０．０４０％以下と規定した。なお、ＰとＳの合計質量は極力低くすることが望ましいが、ワイヤ全質量に対する質量比を０．００１％以下とすることは精錬工程に過剰な負荷を強いることとなり、生産性を著しく阻害するので現実的ではない。したがって、とＰとＳの合計質量はワイヤ全質量に対して０．００１％未満にまで低減する必要はない。

　次に、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物に関して述べる。
　これらの酸化物がスラグ中に含まれると、溶接金属の酸素量が増加することがこれまでの研究により知られている。従って、溶接金属の酸素量を低減するには、これら酸化物の含有量は極力低く抑制されることが好ましい。しかしながら、これらの酸化物は溶接ビードをスラグが包皮する際に、包皮の均一性を高め、溶融池の挙動を安定化させることから、ビード蛇行を抑制する効果がある。

　そこで本発明者らは、これらの酸化物について、溶接金属の酸素量を安定的に３００質量ｐｐｍ以下とすることが可能な含有範囲を実験的に探索した。その結果、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の合計質量が、ワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、３．０％以下であれば、溶接金属の酸素量を３００質量ｐｐｍ以下に抑制でき、且つビード蛇行を抑制する効果も同時に発現することを見出した。
　以上の理由により、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の合計質量はワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、３．０％以下に制限されることが必須である。また、これらの合計質量は、必要に応じて、下限を０．５％以上又は０．７％以上に、上限を２．８％以下又は２．２％以下にそれぞれ制限してもよい。
　なお、上記酸化物が複合酸化物の場合には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２では、Ａｌ_２Ｏ_３の部分をＡｌ酸化物、ＳｉＯ_２の部分をＳｉ酸化物とするように、それぞれ当該する部分の質量を計算して合計質量を求めることとし、Ｓｉ酸化物はＳｉＯ_２換算値、Ｍｎ酸化物はＭｎＯ_２換算値、Ａｌ酸化物はＡｌ_２Ｏ_３換算値、Ｔｉ酸化物はＴｉＯ_２換算値、Ｂ酸化物はＢ_２Ｏ_３換算値、Ｚｒ酸化物はＺｒＯ_２換算値にて含有量を定義する。

　本発明のワイヤに含有される成分のうち、上記成分を除いた残部はＦｅ、アーク安定剤、及び不可避不純物である。
　なお、鋼製外皮に充填されるフラックス中の鉄粉の含有量はワイヤ全質量に対する質量％で５．０％以下であることが必須である。鉄粉をフラックス中に含有することによる溶着効率の向上やアーク安定性の改善が知られているが、鉄粉は粉末であるため表面積が大きく、鉄粉表面に不可避的に生成している極薄い鉄酸化物でも溶接金属の酸素を増加させる場合がある。

　本発明者らは、溶接金属酸素量を３００ｐｐｍ以下に安定的して抑制しうるフラックス中の鉄粉含有量を検討した結果、フラックス中に含まれる鉄粉の含有量はワイヤ全質量に対する質量％で５．０％以下とすることが必須であることを見出した。さらにその含有量を３％未満とした場合には、溶接金属の酸素量を２７０ｐｐｍ以下まで低減することが可能であり、更に好ましいことも新たに知見した。
　また、フラックス中に含まれる鉄粉の含有量は、必要に応じて、４．０％以下又は２．４％以下に制限してもよい。
　尚、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｒのような合金形態のＦｅを含む粉末がフラックス中に含有されている場合、これら合金中のＦｅ相当質量は、ここで定義する鉄粉に加算される。

　アーク安定剤としては従来知見で知られているようなＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂを含む酸化物、弗化物、炭酸塩等を適宜選択して用いることができる。また、アーク安定剤の質量はワイヤ全質量に対する質量比で０．０１％以上、１．０％以下程度の含有量が適切とされており、この範囲での含有が好ましい。

　以上が、本発明の基本構成であり、これにより溶接金属の低酸素化と下向、立向、上向、横向での溶接とを両立している。
　次に本発明の溶接ワイヤに関して、その特性を更に向上させる手段に関して説明する。

　まず、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３に関して説明する。
　これらの炭酸塩はアーク熱で熱分解し、炭酸ガスをワイヤ内部から発生することで、溶接時にワイヤ先端に形成される溶滴の離脱を容易にし、溶滴を細かくする効果がある。このため、溶融池に大粒の溶滴が移行しないので、スパッタ発生のうち、特に大粒のスパッタ発生比率を低減することが可能となる。大粒のスパッタが被溶接物に付着するとビード外観を劣化させるだけでなく、大粒スパッタは除去に手間が掛かる場合が多い。このため大粒スパッタ発生比率を低減する効果の価値は大きい。

　この効果を発現するためには、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の１種又は２種以上の合計含有量が、ワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上であることが好ましい。逆に、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の１種又は２種以上の合計含有量が、ワイヤ全質量に対する質量％で４．０％を超えて含有されると、ワイヤ内部から発生するガスがワイヤ先端の液滴を吹き飛ばし、大粒のスパッタが著しく増加する。
　以上の理由より、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の１種又は２種以上の合計含有量はワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、４．０％以下が好ましい。大粒スパッタ発生比率を一層低減するために、その下限を０．７％以上又は１．４％以上に、上限を３．６％以下又は２．３％以下にすることがより好ましい。

　なお、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３は、それぞれ、以下の式（２）から式（５）に示すとおり、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯを含有している物質であり、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３が含有される場合には、熱分解によって生成するＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯは前述のＣａＯ、及び後述のＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯのそれぞれの含有量に加算される。
　ＣａＣＯ_３→ＣａＯ＋ＣＯ_２　・・・式（２）
　ＭｇＣＯ_３→ＭｇＯ＋ＣＯ_２　・・・式（３）
　ＢａＣＯ_３→ＢａＯ＋ＣＯ_２　・・・式（４）
　ＳｒＣＯ_３→ＳｒＯ＋ＣＯ_２　・・・式（５）

　次に、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの効果について述べる。
　ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはスラグの粘性を低下させる働きがあるため、溶接ビードの止端部をなだらかにし、溶接継手部への応力集中を抑制させる効果を有する。この効果を得るためには、ワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上含有させることが必要であるが、含有量が多すぎるとスラグの粘性が著しく低下し、立向き、上向き、横向き溶接で溶融池を保持できず、溶接不能となりやすい。このため、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯを含有する場合には、その合計含有量はワイヤ全質量に対して０．１％以上、３．２％以下に制限することが好ましい。また、その合計含有量を、必要に応じて、下限を０．３％以上又は０．５％以上に、上限を２．７％以下又は２．０％以下にそれぞれ制限してもよい。

　次に、溶接ワイヤの鋼製外皮に関する説明を記載する。
　本発明のワイヤは鋼製外皮に吸湿の原因となるスリット状の隙間が無いことが特に好ましい。本発明のワイヤに使用するフラックスは、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、弗化物のような基本的に吸湿を起こしやすい物質を含んでいる。このため、吸湿の原因となるスリット状の隙間を無くすことは、ワイヤの吸湿を防止し溶接ワイヤの品質を安定させる観点から極めて有用である。鋼製外皮にスリット状の隙間がある場合には、使用直前まで密閉容器に梱包してフラックス入りワイヤの吸湿を抑制することが好ましい。
　更に、拡散性水素を低減する観点から、ワイヤ表面に塗布される潤滑油は、パーフルオロポリエーテルのようにＨを含まない油が好ましい。

　なお、本発明のワイヤの直径に関しては特段の制約は無いが、溶接能率とワイヤ生産性の両方を鑑みて、１．２ｍｍから１．６ｍｍの範囲とすることが好ましい。

　また、鋼製外皮内に充填されたフラックス全質量はワイヤ全質量に対する質量％（以下、この値をフラックス充填率と記す）で６．０％以上、１８．０％以下であることが好ましい。鋼製外皮中に含有されているフラックスは粉末の状態であり、フラックスは鋼製外皮から巻き締められることでワイヤ内の位置を安定させている。フラックス充填率が６．０％未満では鋼製外皮の内部に生成した空間に対して存在するフラックス量が少なすぎ、フラックスを巻き締める強度が弱くなる。このため、ワイヤ内でフラックスが移動してしまい、ワイヤ中の成分が不安定になる可能性が高くなる。逆に、フラックス充填率が１８．０％を越えると、ワイヤ製造時の伸線工程で断線が頻発し、生産性を阻害するので現実的ではない。以上の理由により、フラックス充填率は６．０％以上、１８．０％以下が好ましい。
　また、本発明ワイヤではＣａＯ、ＭｇＯ，Ｓｉ酸化物、Ｔｉ酸化物はスラグ剥離性に影響を及ぼす傾向が認められ、より良好なスラグ剥離性を発現する観点から、ワイヤ全質量に対する質量比で、（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／（Ｔｉ酸化物＋Ｓｉ酸化物）の比率は１．５０を超えることが好ましい。

　以下、実施例を用いて本発明と比較例を検証する。
　まず、試作ワイヤの製造工程に関して説明する。表１に示す成分の鋼製外皮を、図１に示すようにＵ型に成形し、この段階で上部よりフラックスを鋼製外皮内に充填する。この後にＯ型へと成形し、スリット有のワイヤは伸線工程を経て直径φ１．２ｍｍの試作ワイヤに仕上げた。またスリット無しのワイヤはフラックス充填後に鋼製外皮の合わせ目を溶接し、フラックスの吸湿原因となる鋼製外皮のスリット状隙間を無くする工程を経てから伸線を実施し、直径φ１．２ｍｍの試作ワイヤへと仕上げた。本発明の実施例では、ワイヤの成分は全て鋼製外皮の内部に充填するフラックスで調整した。

　ＪＩＳ　Ｇ　３１０６に定めるＳＭ４９０Ｂ鋼板を用いて図２および図３に示す開先を加工し、上述の試作ワイヤを、下向き、立向き、上向き、横向きの溶接姿勢で溶接し、評価した。試験に使用したＳＭ４９０Ｂ鋼材の成分を表２に示す。また、それぞれの溶接姿勢における溶接条件を表３に示し、試作ワイヤの評価項目と合格基準を表４に記す。なお、実施例ではＡｒ＋２０％ＣＯ_２のガスを使用したが、本発明のワイヤはＡｒ＋２０％ＣＯ_２以外のシールドガス（例えばＣＯ_２ガス、Ｈｅガスなどの一般的に使用される他のシールドガス）を使用しても十分に使用できるものである。

　まず、ＣａＯの含有量に関する検証を表５に示すワイヤ番号１から１３のワイヤを用いて実施した。試験結果を表６および表７に示す。
　ＣａＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、７．０％以下であるワイヤ番号１から１１では全て合格判定となる良好な結果が得られた。また、ＣａＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．７％以上、６．３％以下であるワイヤ番号２から１０ではアンダーカット抑制効果が認められた。更に、ＣａＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で１．４％以上、５．６％以下であるワイヤ番号３から９ではアンダーカット抑制とスパッタ低減の効果が同時に得られることが確認された。

　一方、ＣａＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％のワイヤ番号１２番を使用した場合には、ＣａＯ含有量が少なすぎたため下向き溶接は可能であったが、その他の溶接姿勢では溶融金属の垂れが発生し溶接不能であったため不合格となった。
　また、ＣａＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で７．１％のワイヤ番号１３番を使用した場合には、スラグの流動性が不十分となり、溶接金属中にはスラグ巻き込みが認められたため不合格となった。

　次にＣａＯ、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の含有量を表８に記すワイヤを用いて検証した。試験結果を表９および表１０に記す。
　ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の合計含有量がワイヤ全質量に対して１．０％以上であり、且つＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＯの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で３．０％以上、１２．０％以下であるワイヤ番号１４から２９においては、全て合格判定となる良好な結果が得られた。

　また、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の合計含有量がワイヤ全質量に対して１．０％以上であり、且つＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＯの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量４．０％以上、１０．０％以下であるワイヤ番号１８番から２３番においては、上述の結果に加えてビード幅安定の改善効果も兼ね備えた結果が得られた。

　一方、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２の合計含有量がワイヤ全質量に対して１．０％未満であるワイヤ番号３０番は、スラグの凝固温度が高すぎたため、スラグの流動性が不十分となり、溶接金属中にはスラグ巻き込みが認められただけでなく、溶接金属の酸素量、シャルピー試験の合格基準を満たさなかったため、不合格となった。

　ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＯの合計含有量がワイヤ全質量に対して３．０％未満であった３１番ワイヤは、スラグ量が不足していたため、下向溶接は可能であったが、その他の溶接姿勢では溶融金属の垂れが発生し溶接不能であったため、不合格となった。

　ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２、ＣａＯの合計含有量がワイヤ全質量に対し１２．０％を超えた３２番ワイヤは、スラグ量が過剰となり、溶融プールが不安定であった。この結果、溶接時のヒューム発生量が合格基準を満たさず不合格であった。

　次に、脱酸金属元素の含有量を表１１のワイヤを用いて検証した。試験結果を表１２および表１３に示す。
　Ａｌの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．３％未満であり、且つＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で、０．２％以上、２．０％以下であるワイヤ番号３３から５３では、全て合格判定となる良好な結果が得られた。

　一方、Ａｌの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．３％であるワイヤ番号５４では、粒内変態による微細組織が生成しなかったため、溶接金属の靭性が合格基準を満たさず、不合格となった。
　また、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で、０．１％であるワイヤ番号５５では、脱酸が不十分であるため、ブローホールが発生し、不合格となった。
　また、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で２．１％であるワイヤ番号５６では、溶接金属中にＭＡＣのような硬質ミクロ組織が生成したため、シャルピー試験が合格基準を満たさず不合格となった。

　次に、合金元素含有量の指標としてαの値とＰ、Ｓの合計含有量を表１４のワイヤを用いて検証した。試験結果を表１５に示す。
　αの値が０．１５％以上０．４０％以下であり、ＰとＳの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．０４０％以下であるワイヤ番号５７から６５においては、全て合格判定となる良好な結果が得られた。

　一方、αの値が０．１４であったワイヤ番号６６は、焼入れ性不足のため、粒界フェライトやフェライトサイドプレートのような粗大ミクロ組織が生成し、溶接金属の靭性が合格基準を満たさなかったため不合格となった。
　また、αの値が０．４１であったワイヤ番号６７は、焼入れ性過剰のため、マルテンサイトのような硬質組織が生成し、溶接金属の靭性が合格基準を満たさなかったため不合格となった。
　また、ＰとＳの合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．０４１％であるワイヤ番号６８番では、溶接金属中に高温割れが発生し、シャルピー試験も合格基準を満たさなかったため、不合格となった。

　次に、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の合計含有量を表１６のワイヤを用いて検証した。結果を表１７および表１８に示す。
　Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、３．０％以下であったワイヤ番号６９から８４、及び、１４９から１５１は全て合格判定となる良好な結果が得られた。

　一方、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％であったワイヤ番号８５は、スラグの包皮が不均一となり、ビード蛇行が合格基準を満たさなかったため不合格となった。
　また、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で３．１％であったワイヤ番号８６及び１５２は、溶接金属の酸素量とシャルピー試験が合格基準を満たさなかったため不合格となった。

　次に、フラックス中に含まれる鉄粉の含有量を表１９に示すワイヤを用いて検証した。試験結果を表２０および表２１に示す。
　フラックス中の鉄粉含有量がワイヤ全質量に対する質量％で５．０％以下であるワイヤ番号８７から９５では、全て合格判定となる良好な結果が得られた。

　一方、フラックス中の鉄粉含有量がワイヤ全質量に対する質量％で５．１％であるワイヤ番号９６番では、溶接金属の酸素量、シャルピー試験結果が合格基準を満たさず、不合格となった。

　次に、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の合計含有量を表２２のワイヤを用いて検証した。結果を表２３および表２４に示す。
　ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、４．０％以下であったワイヤ番号９８番から１１１番では全て合格であり、大粒スパッタ発生比率を抑制する改善効果も確認できた。また、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３が含有されていないワイヤ番号９７も合格であった。

　一方、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の合計含有量がワイヤ全質量に対する質量％で４．１％であったワイヤ番号１１２は、含有量が過剰であったため、スパッタ全量、大型スパッタ比率共に合格基準を満たさず不合格であった。

　次に、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯの含有量を表２５のワイヤを用いて検証した。結果を表２６および表２７に示す。
　ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、３．２％以下であった１１４から１２３では全て合格であり、且つビード止端角をなだらかにする効果も確認された。またＭｇＯがワイヤ中に含有されていないワイヤ番号１１３も合格判定であった。
　更に（ＣａＯ＋ＭｇＯ）／（Ｓｉ酸化物＋Ｔｉ酸化物）の含有比率が１．５０を超えているワイヤ番号１１７及びワイヤ番号１２０から１２３では、スラグ剥離の改善効果が認められ、より溶接作業が行いやすい結果であった。

　一方、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯの含有量がワイヤ全質量に対する質量％で３．３％であったワイヤ番号１２４及び１５３から１５５では、含有量が過剰のため溶接が不能となり、立向き、上向き、横向きの姿勢で溶接不能であったため不合格となった。

　最後に、鋼製外皮のスリットの検証を表２８のワイヤを用いて検証した。すなわち、表２８の左側のワイヤ番号の試作ワイヤと、鋼製外皮に吸湿の原因となるスリット状の隙間の有無のみが相違点である表２８の右側のワイヤ番号の試作ワイヤとを製造し、それぞれ拡散性水素の評価を行った。結果を表２９に示す。
　鋼製外皮にスリットがあるワイヤと鋼製外皮にスリットが無いワイヤの両者において、全て合格であったが、鋼製外皮にスリットが無いワイヤにおいては、拡散性水素を低減する効果が明瞭に認められた。

　以上に説明した実施例の試験結果を総合評価結果として表３０にまとめて示す。

Claims

　鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールド溶接用フラックス入りワイヤにおいて、以下の（ａ）から（ｆ）の条件を同時に満足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。
（ａ）ＣａＯがワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、７．０％以下で含有されること。
（ｂ）ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２のうち１種または２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で１．０％以上であり、且つＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２のうち１種または２種以上とＣａＯの含有量の合計が、ワイヤ全質量に対する質量％で３．０％以上、１２．０％以下であること。
（ｃ）金属状態のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａのうち１種または２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対して、０．２％以上、２．０％以下であり、且つ、金属状態のＡｌの含有量の範囲は、ワイヤ全質量に対する質量％で０．３％未満に制限されていること。
（ｄ）下記の式（１）で定義されるαの値が０．１５以上、０．４０以下の範囲であり、且つＰとＳの含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．０４０％以下に制限されていること。
　α＝Ｎ（Ｃ）＋Ｎ（Ｓｉ）／３０＋Ｎ（Ｍｎ）／２０
　　　＋Ｎ（Ｃｕ）／２０＋Ｎ（Ｎｉ）／６０＋Ｎ（Ｃｒ）／
　　　２０＋Ｎ（Ｍｏ）／１５＋Ｎ（Ｖ）／１０＋Ｎ（Ｎｂ）／
　　　１０＋５Ｎ（Ｂ）　　・・・式（１）
　ここで、Ｎ（Ｘ）：ワイヤ全質量に対する元素Ｘの質量％。
（ｅ）Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｂ酸化物、Ｚｒ酸化物の含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．２％以上、３．０％以下であること。
（ｆ）残部がＦｅ、アーク安定剤、及び不可避不純物であり、前記フラックス中の鉄粉含有量がワイヤ全質量に対する質量％で５．０％以下であること。
　さらに、ＣａＣＯ_３、ＭｇＣＯ_３、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３の１種又は２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、４．０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
　さらに、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの１種または２種以上が含有され、その含有量の合計がワイヤ全質量に対する質量％で０．１％以上、３．２％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
　前記鋼製外皮に吸湿の原因となるスリット状の隙間が無いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。