WO2020226148A1 - フラックス入りワイヤ、溶接方法及び溶接金属 - Google Patents

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直樹 迎井
瞬 泉谷
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Definitions

  • the present invention relates to a flux-cored wire, and particularly to a flux-cored wire having excellent welding efficiency.
  • the present invention also relates to a welding method using the flux-cored wire and a weld metal.
  • Flux-filled wire is a widely used welding material due to its excellent efficiency in construction and good welding workability. Therefore, various flux-cored wires have been developed for a wide range of fields of welding technology, and the feature is that welding is performed by applying positive electrode properties (hereinafter, also referred to as "DCEN") among them.
  • the positive electrode property is an electrode arrangement in which the wire is the cathode and the base metal is the anode.
  • Patent Document 1 discloses a gas shielded arc welding flux-cored wire capable of performing a stable spray arc over a wide current range and having good welding workability.
  • Patent Document 2 discloses a flux-cored wire having a small amount of spatter generated in a welding current range of low current to medium current and having good weldability and toughness in all postures.
  • the welding current range from low current to medium current is about 70 to 300 A.
  • Patent Document 3 also discloses a flux-cored wire having good omnidirectional welding workability and good toughness in a welding current range of low to medium current.
  • the welding current range from low current to medium current is about 50 to 300 A.
  • the wire melting speed is synonymous with the wire feeding speed and is directly linked to the welding speed, so it is an important controlling factor for welding efficiency. Therefore, in the present invention, the wire feeding speed can be increased without increasing the thermal energy such as the welding current, the construction efficiency at the same heat input is excellent, and the welding cost in the welding work can be reduced. It is an object of the present invention to provide a flux-cored wire for galvanic gas shielded arc welding.
  • the welding rate indicates the amount of weld metal formed per unit time.
  • a flux-cored wire used for positive gas shielded arc welding contains one or several kinds of metal compound powders, and When one or several metal elements constituting the metal compound powder are made stable compounds in a high temperature environment, the weighted synergistic average value of the work function of the stable compound is based on the wire diameter of the flux-filled wire.
  • a flux-filled wire that satisfies the following relationships.
  • D is the wire diameter (mm)
  • ⁇ is the weighted synergistic average value (eV) of the work function of the stable compound
  • ⁇ 1 to ⁇ m is the work function (eV) of m kinds of stable compounds.
  • N 1 to nm are the respective contents (mol / g) in the total mass of the flux-filled wire of the m-type metal element that is the stable compound of the m-type, and n total is the flux-filled wire of the m-type metal element. It means the total content (mol / g) in the total mass.
  • the metal compound powder contains one or several kinds of metal fluoride powders.
  • Flux-filled wire [9] The flux-cored wire according to the above [1], which has a pure Fe, Fe-based alloy or Ni-based alloy as an outer skin. [10] A weld metal formed by welding using the flux-cored wire according to any one of [1] to [9] above. [11] The welding method using the flux-cored wire and the shield gas according to any one of [1] to [9] above.
  • the flux-cored wire and the welding method using the flux-cored wire according to the present invention it is possible to increase the wire feeding speed without increasing the thermal energy such as the welding current. Therefore, the construction efficiency with the same heat input is excellent, the efficiency of the welding work can be improved, and the welding cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a graph showing the transition of the temperature of the tungsten electrode containing thorium.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thermionic current and the work function at 2300K for each wire diameter.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the wire diameter and the work function for obtaining stable hot cathode properties.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the weighted geometric mean value of the work function of the stable compound and the wire feeding rate.
  • the flux-cored wire (hereinafter, also simply referred to as “wire”) according to the present embodiment is used for positive electrode gas shielded arc welding, and is filled in a tubular outer skin and the inside of the outer skin. It is composed of the flux.
  • the positive electrode property is an electrode arrangement in which the electrode side is negative and the base metal side is positive.
  • the flux-cored wire may be in the form of a seamless type having no seam on the outer skin or a seam type having a seam on the outer skin. Further, the flux-cored wire may or may not be copper-plated on the wire surface which is the outside of the outer skin.
  • the material of the outer skin may be mild steel, stainless steel, or Ni-based alloy, and the weld metal may be Fe-based or Ni-based, and is not particularly limited as long as the characteristics of the present invention are satisfied.
  • the flux of the flux-cored wire according to the present embodiment contains one or several kinds of metal compound powders.
  • the weighted geometric mean values of the work functions of the stable compounds are as follows with respect to the wire diameter of the flux-filled wire. It is characterized by satisfying the relationship of.
  • D is the wire diameter (mm)
  • ⁇ is the weighted synergistic average value (eV) of the work function of the stable compound
  • ⁇ 1 to ⁇ m is the work function (eV) of m kinds of stable compounds.
  • N 1 to nm are the respective contents (mol / g) in the total mass of the flux-filled wire of the m-type metal element that is the stable compound of the m-type, and n total is the flux-filled wire of the m-type metal element. It means the total content (mol / g) in the total mass.
  • a general flux-cored wire is suitable for gas shielded arc welding having a reverse polarity (hereinafter, also referred to as "DCEP").
  • the reverse polarity is an electrode arrangement in which the wire is the anode and the base metal is the cathode.
  • the wire feeding speed of a general titanium oxide-based flux-cored wire having a wire diameter (D) of 1.2 mm at DCEP-200A was 8.4 m / min.
  • the flux-cored wire described in Patent Document 2 that is, Al content 2.3% by weight, Mg content 0.6% by weight, BaF 2 content 3% by weight, Zr content 0.1% by weight
  • a prototype of a flux-cored wire having a flux filling rate of 13% by weight and a wire diameter of 1.2 mm was tested, and the wire feeding speed of DCEN-200A was 5.3 m / min when positive electrode was used. It was. From this, it was found that the wire feeding speed at the same current was actually reduced by 37%.
  • the wire disclosed in the prior art has a significantly lower wire feeding rate for the same welding current as compared with a general flux-cored wire containing a large amount of titanium oxide.
  • the present invention targets a flux-cored wire to which positive electrode properties are applied, and clarifies a factor that has an important influence on the wire melting characteristics and a mechanism thereof.
  • this GTAW is excellent in arc stability
  • a stable arc can be obtained in positive electrode property even with a flux-cored wire, and the wire can be fed without an increase in thermal energy such as welding current.
  • the mechanism by which the feeding rate can be increased and the weldability is improved has been elucidated.
  • the mechanism of GTAW will be explained. Since the melting point of tungsten used for the electrode is as high as 3695 K, the electrode is heated to a very high temperature as a solid without melting during welding. It is known that a high-temperature substance emits thermions according to the following Richardson-Dushmann equation, and it is considered that the tungsten electrode during welding also emits thermions.
  • a current of 200A can be supplied by stable thermionic emission, and it can be said that the arc is stable.
  • the electrode can be maintained as a solid even when the arc of 2522K is stable.
  • the state of the cathode that supplies the current required for discharge by thermionic emission in this way is called a "hot cathode". In a hot cathode, the electrode temperature is maintained by losing energy due to thermionic emission, that is, by cooling.
  • the wire skin of the flux-cored wire is restricted by the type of base material to be welded and the desired joint performance.
  • steel is often used for the wire sheath. Since steel has a melting point of about 1770 K, it is included in a general flux-cored wire containing a large amount of titanium oxide to cover the thermions represented by the Richardson-Dushmann equation at the droplet temperature before separation from the solid or wire tip. Not possible with composition.
  • the general composition is titanium oxide (V w : 3.87 eV), silicon oxide (V w : 5.00 eV) (GV Samsonov, translated by Endo, latest oxide handbook: physical and scientific properties.
  • the flux-cored wire can also be a hot cathode by containing a substance that can potentially have a low work function as a flux and activating thermionic emission.
  • a substance that can potentially have a low work function is BaF 2 (hereinafter, also referred to as “barium fluoride”). Fluorine is liberated in barium fluoride in the presence of high-temperature oxygen, and barium has a high affinity for oxygen, so that barium oxide is generated in the presence of oxygen. Since the work function of this barium oxide is very low at 0.99 eV, it was found that the hot cathode property is easily established.
  • the wire outer skin and the metal powder contained in the flux are easily mixed.
  • the metal powder and the compound that is stable in the molten portion under a high temperature environment are not mixed.
  • examples of compounds that are stable in a high temperature environment include oxides, carbides, sulfides, nitrides, etc., but from the viewpoint of affinity, it is considered that they are often oxides like the above-mentioned barium oxide. Be done.
  • the stable compounds are easily mixed with each other, but the stable compound and the molten metal are not mixed with each other.
  • the molten metal refers to a state in which a single metal or an alloy is melted.
  • the portion of the molten metal portion and the stable compound portion having a low work function becomes the cathode point, and an arc is generated.
  • the work function (V w ) of iron is 4.67 to 4.81 eV and the work function of Ni (V w ) is 5.04 to 5.35 eV (CRC Handbook of Chemistry and Physics). , 78th edition, CRC Press (1998)), and the work function is relatively high. Therefore, it cannot be a stable cathode point, and the stability in positive electrode arc welding largely depends on the properties of the stable compound.
  • the present invention has excellent arc stability by controlling the work function of the stable compound acting as a cathode point, thereby suppressing a decrease in the wire feeding rate and maintaining a stable hot cathode property. It provides a wire having a.
  • the control of the work function of the stable compound will be described below. In explaining the control of the work function of stable compounds, first, the following 1. And 2. was assumed. 1. 1. The droplet surface temperature in stable MAG (metal active gas) welding is about 2300 K (see Yamazaki et al., Molten pond surface temperature measurement by infrared two-color radiation temperature measurement, Proceedings of the Welding Society, Vol. 27 (2009)). , Based on this. 2. The area of the arc generation part matches the wire cross-sectional area. Next, assuming an arc discharge from the wire tip, the relationship between the work function assumed for the stable compound and the corresponding current due to thermions at 2300 K was obtained from the Richardson-Dushmann equation. The calculation was performed in the range of wire diameter (D) of 1.0 to 2.0 mm.
  • D wire diameter
  • the composition of the stable compound was examined from the experimental results with reference to the work function of the stable compound that is expected to be produced from the added metal compound powder.
  • the stable compound will be described here as an oxide.
  • the work function of m-type stable compounds in a high-temperature environment is weighted by the mole fraction of each metal element with respect to m-type metal elements constituting one or several types of metal compound powder contained in the wire. It was found that the geometric mean value ( ⁇ ) and the wire feeding rate were well correlated as shown in FIG. Therefore, we thought that this value could be substituted as a work function of stable compounds.
  • the weighted geometric mean value of the work function of the stable compound is expressed by the following formula.
  • ⁇ ⁇ 1 n1 / ntotal ⁇ ⁇ 2 n2 / ntotal ⁇ ⁇ ⁇ m nm / ntotal
  • ⁇ is the weighted synergistic average value (eV) of the work function of the stable compound
  • ⁇ 1 to ⁇ m (m is a natural number) is the work function (eV) of m kinds of stable compounds
  • n 1 to nm are the above.
  • the weighted geometric mean value ( ⁇ , eV) of the work function of the metal stable compound calculated by the above formula is 1.00 or more, and (-0.0908D 2 + 0.5473D + 1) with respect to the wire diameter (D, mm).
  • the droplet transfer of MAG welding is a force generally called an electromagnetic pinch force, that is, a force that causes a substance flowing inside to contract toward the center of the flow acts on the molten part of the wire. Then, the molten portion at the tip of the wire is separated and drops as droplets.
  • an electromagnetic pinch force that is, a force that causes a substance flowing inside to contract toward the center of the flow acts on the molten part of the wire. Then, the molten portion at the tip of the wire is separated and drops as droplets.
  • the driving force for droplet migration in a form other than the electromagnetic pinch force, which is due to the explosive force associated with the gasification of the low boiling point substance contained in the flux.
  • the boiling point of the low boiling point substance is preferably 1600 ° C. or lower, which is close to the melting point of steel, and more preferably 1300 ° C. or lower.
  • the low boiling point substance include metal powder and inorganic compound powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower, and specific examples thereof include Li, Mg, Zn, and AlF 3 .
  • a metal even if it is an alloy, sufficient evaporation can be expected, so that it may be added with a metal powder such as an Al—Li alloy or an Al—Mg alloy.
  • the inorganic compound powder here also includes the metal compound powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower. Since the explosive power is determined by the volume after gasification, the total content of the low boiling point substances is preferably 1.0 ⁇ 10 -4 mol / g or more in terms of the amount of substances per total mass of the wire.
  • the flux-cored wire according to the present embodiment is used for positive gas shielded arc welding, and the flux contains one or several kinds of metal compound powder.
  • the weighted geometric mean values of the work functions of the stable compounds are as follows with respect to the wire diameter of the flux-filled wire. Meet the relationship.
  • D is the wire diameter (mm)
  • ⁇ is the weighted synergistic average value (eV) of the work function of the stable compound
  • ⁇ 1 to ⁇ m is the work function (eV) of m kinds of stable compounds.
  • N 1 to nm are the respective contents (mol / g) in the total mass of the flux-filled wire of the m-type metal element that is the stable compound of the m-type, and n total is the flux-filled wire of the m-type metal element. It means the total content (mol / g) in the total mass.
  • the standard production Gibbs energy of the oxide is ⁇ 150 kcal / molO 2 or less at 1500 to 1600 ° C., and the affinity with oxygen.
  • the oxide related to an element having a high affinity for oxygen is also referred to as a stable oxide or a stable composite oxide.
  • a sulfide it refers to a sulfide related to an element having a high affinity for sulfur, in which the standard enthalpy of formation of the sulfide is ⁇ 80 kcal / molS 2 or less at 1500 to 1600 ° C.
  • the sulfide related to an element having a high affinity for sulfur is also referred to as a stable sulfide or a stable composite sulfide.
  • a nitride it refers to a nitride related to an element having a high affinity for nitrogen, in which the standard enthalpy of formation of the nitride is ⁇ 50 kcal / molN 2 or less at 1500 to 1600 ° C.
  • a nitride related to an element having a high affinity for nitrogen is also referred to as a stable nitride or a stable composite nitride.
  • carbides In the case of carbides, it refers to carbides related to elements having a high affinity for carbon, wherein the standard enthalpy of formation of carbides is ⁇ 20 kcal / molC or less at 1500 to 1600 ° C. Carbides related to elements having a high affinity for carbon are also referred to as stable carbides or stable composite carbides. Many elements are often in the most stable oxide morphology, and stable oxides have a relatively low work function. Therefore, from the viewpoint of ease of control of the stable compound and work function, the stable compound is preferably a stable oxide or a stable composite oxide.
  • the metal compound powder is BaF 2
  • the stable state of the metal element Ba at 1500 to 1600 ° C. that is, the compound considered to have the lowest standard enthalpy of formation of Gibbs energy is the metal oxide of BaO. Its standard enthalpy of formation is -180 to -185 kcal / molO 2 , and the work function of BaO is 0.99 eV.
  • metal elements Mg, Al, Sr when the Ca, respectively compound of steady state at the same temperature range, become MgO, Al 2 O 3, SrO , metal oxides CaO, their work function They are 3.31 eV, 3.90 eV, 1.27 eV, and 1.77 eV, respectively (see Ando et al., Welding arc phenomenon (enhanced version), Sanpo (1967)).
  • the work function of the stable compound of each metal element is uniquely determined by the value peculiar to the compound.
  • the weighted geometric mean value ( ⁇ ) of the work function of the stable compound satisfies the above relationship with respect to the wire diameter (D).
  • the constituent metal elements are three kinds, that is, the formula.
  • the above is a composition corresponding to Example 2 described later.
  • the weighted geometric mean value ( ⁇ ) of the work function thus obtained is 1.00 eV or more, preferably 1.02 eV or more, and 1.04 eV or more from the viewpoint of obtaining a high wire feeding speed, that is, high welding property. More preferred. Further, from the viewpoint of obtaining arc stability, it is ⁇ -0.0908D 2 + 0.5473D + 1.547 ⁇ or less.
  • each stable compound produced from the metal fluoride powder in the wire melting portion is 4.0 eV or less from the viewpoint of improving the weldability.
  • the metal compound powder contained in the flux is a compound containing a metal element, and does not include a metal powder composed of a simple substance or an alloy.
  • the metal compound powder include metal fluoride powder, metal oxide powder, and metal carbonate powder, and among them, it is preferable to include one or several kinds of metal fluoride powder.
  • Metal fluoride powder examples include BaF 2 , SrF 2 , CaF 2 , AlF 3, and the like.
  • BaF 2 the cathode point is stabilized in positive electrode gas shielded arc welding, and the amount of spatter generated can be reduced by stabilizing the arc.
  • the content of BaF 2 is preferably 1.0% or more, more preferably 1.2% or more. Further, by setting the BaF 2 content to 4.5% or less, it is possible to suppress an excessive decrease in the work function in the wire melting portion and maintain high welding performance. Further, the content of BaF 2 is preferably 4.0% or less, more preferably 3.0% or less, from the viewpoint that high welding performance can be further improved.
  • SrF 2 , CaF 2 , and AlF 3 are all based on BaF 2, and by adding them, the work function in the wire melting portion can be controlled to increase the amount of welding.
  • the content of SrF 2 is preferably 1.5% or less, more preferably 1.3% or less.
  • the CaF 2 content is preferably 1.5% or less, more preferably 1.3% or less.
  • the content of AlF 3 is preferably 1.5% or less, more preferably 1.2% or less.
  • the total content of these is preferably 5.0% or less, more preferably 2.0% or less, from the viewpoint of further stabilizing the droplet transfer by suppressing excessive fluorine generation.
  • the total content thereof is preferably 0.1% or more from the viewpoint of maintaining high welding performance, and is 0.3. % Or more is more preferable.
  • the flux can also include fluoride powders other than BaF 2 , SrF 2 , CaF 2 , and AlF 3 .
  • fluoride powders other than BaF 2 , SrF 2 , CaF 2 , and AlF 3 .
  • other fluoride powders include LiF, NaF, MgF 2 , K 2 SiF 6 , KF and the like.
  • the total content of the fluoride powder is preferably more than 2% by mass with respect to the total mass of the wire from the viewpoint of stabilizing the cathode point, and more preferably 2.5% or more.
  • the total content of the fluoride powder is preferably 6% or less from the viewpoint of stabilizing droplet migration, more preferably 5% or less, still more preferably 4.5% or less.
  • the ratio of the total content of BaF 2 , SrF 2 , CaF 2 , and AlF 3 to the total content of fluoride powder ⁇ (BaF 2 + SrF 2 + CaF 2 + AlF 3 ) / total fluoride powder ⁇ is 0. 5.5 or more is preferable from the viewpoint of stabilizing the cathode point, and 0.6 or more is more preferable. Further, the upper limit is 1, that is, it does not have to contain other fluoride powder.
  • metal compound powder other than the metal fluoride powder examples include metal oxide powder, metal carbonate powder, and metal nitride powder.
  • the flux may contain metal powder, the metal powder may be a single metal powder or an alloy metal powder, and the contained metal powder may be one kind or a plurality of metal powders.
  • the metal element constituting the metal powder include Fe, Mn, Si, Al, Mg, Zr, C, Ni, Li, Zn, Cr and the like. Among them, it is preferable to contain a metal powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower, and more preferably to contain a low boiling point metal powder having a boiling point of 1300 ° C. or lower. Examples of the low boiling point metal powder include Li, Mg, Zn, etc., but Mg powder and Zn powder are more preferable, and Mg powder is further preferable. Further, examples of the form of the alloy include, but are not limited to, Fe—Al, Al—Mg, Fe—Mn, Fe—Si—Mn and the like.
  • Al, Mg, and Zr as metal powder are all powerful deoxidizers that reduce the amount of oxygen in the molten metal, increase the surface tension of the molten metal, and form a uniform oxide film on the surface of the molten pool. This has the effect of improving the bead shape against the influence of gravity in all-posture welding.
  • Mn, Si, Ni, and Cr are effective in ensuring mechanical performance such as strength and toughness of weld metal.
  • the flux may contain an inorganic compound powder, preferably contains an inorganic compound powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower, and more preferably an inorganic compound powder having a boiling point of 1300 ° C. or less.
  • the inorganic compound powder may be a compound powder of a metal element or a compound powder of a non-metal element such as boron.
  • the metal compound powder is contained in the inorganic compound powder as a compound powder of a metal element.
  • AlF 3 , KF and the like correspond to the inorganic compound powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower.
  • Examples of the inorganic compound powder other than fluoride include Sb 2 O 3 and the like.
  • the flux preferably contains at least one of a metal powder and an inorganic compound powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower from the viewpoint of arc stability, and the flux of the metal powder and the inorganic compound powder having a boiling point of 1300 ° C. or less. It is more preferable to contain at least one of them.
  • the total content of the metal powder and the inorganic compound powder having a boiling point of 1600 ° C. or lower is preferably 1.0 ⁇ 10 -4 mol / g or more with respect to the total mass of the wire from the viewpoint of arc stability. .0 ⁇ 10 -4 mol / g or more is more preferable, and 2.5 ⁇ 10 -4 mol / g or more is further preferable.
  • the total content is preferably 5.0 ⁇ 10 -4 mol / g or less, more preferably 4.5 ⁇ 10 -4 mol / g or less, and 4.0 ⁇ 10 -4 mol / g or less. It is more preferably g or less.
  • the optional component contained in the wire according to the present embodiment is added to the flux or the outer skin in the form of a pure metal, an alloy, or a compound such as an oxide, a carbide, or a nitride.
  • Optional components are C, Si, Mn, Ni, Mo, W, Nb, V, Cr, Ti, N, S, P, in a predetermined amount according to the required mechanical performance of the weld metal and welding construction conditions.
  • B, Cu, Ta, REM (rare earth element) and the like may be contained. Further, if necessary, an alkali metal or a compound thereof may be contained.
  • an iron group it is preferable that the balance is composed of Fe and unavoidable impurities.
  • the composition of any component of the flux-containing wire used for mild steel, high-strength steel, low-temperature steel, weathering steel, etc. is, for example, C: 0.5% or less in terms of mass fraction to the total mass of the wire, Si. : 2.0% or less, Mn: 3.0% or less, Ni: 5.0% or less, Mo: 3.0% or less, W: 3.0% or less, Nb: 3.0% or less, V: 3 .0% or less, Cr: 5.0% or less, Ti: 3.0% or less, N: 0.05% or less, S: 0.05% or less, P: 0.05% or less, B: 0.05 It is preferable to further satisfy% or less, Cu: 2.0% or less, Ta: 3.0% or less, and REM: 0.1% or less. These elements may not be included.
  • the flux-cored wire generally used for mild steel, high-strength steel, low-temperature steel, weathering steel, etc. has an Fe-based alloy as an outer skin.
  • a metal powder and a metal compound composed of one or more alkali metal elements in the flux-filled wire may be further contained, and the alkali metal element in this case acts as an arc stabilizer.
  • the alkali metal element include K, Li, and Na.
  • the total content of the metal powder and the metal compound composed of the alkali metal element is preferably 3% or less, more preferably 2% or less, and the balance is Fe and impurities with respect to the total weight of the wire. Is preferable.
  • composition of the above optional components can be applied to iron-based alloys and flux-filled wires used for mild steel, high-strength steel or low-temperature steel conforming to JIS Z 3313: 2009, or for weathering steel of JIS Z 3320: 2012. It can be used in the same composition as a generally used composition. Specific preferred embodiments are as follows. Further, these elements do not necessarily have to be contained.
  • the strength range required for commonly used steel types such as mild steel, high-strength steel, and low-temperature steel is preferably 0.5% or less, more preferably 0.2% or less. On the other hand, 0.001% or more is preferable for strength adjustment.
  • Si is a component that affects the strength and toughness of weld metal.
  • the Si content is preferably 2.0% or less, more preferably 1.2% or less, in order to satisfy the range of mechanical performance required for commonly used steel types such as those for mild steel, high-strength steel and low-temperature steel. On the other hand, the Si content is preferably 0.1% or more.
  • Mn like Si, is a component that affects the strength and toughness of weld metal.
  • the Mn content is preferably 3.0% or less, more preferably 2.5% or less, in order to satisfy the range of mechanical performance required for commonly used steel types such as those for mild steel, high-strength steel and low-temperature steel.
  • the Mn content is preferably 0.5% or more.
  • Ni is a component that stabilizes the austenite structure of the weld metal and improves toughness at low temperatures, and is also a component that can adjust the amount of crystallization of the ferrite structure.
  • the Ni content is preferably 5.0% or less, more preferably 3.0% or less. When used for low-temperature steel or the like, the Ni content is preferably 0.20% or more.
  • Mo is a component that improves high temperature strength and pitting corrosion resistance.
  • the Mo content is preferably 3.0% or less, more preferably 2.0% or less, in order to satisfy the range of mechanical performance required for commonly used steel types such as those for mild steel, high-strength steel and low-temperature steel.
  • the Mo content is preferably 0.10% or more.
  • the W is a component that improves high temperature strength and pitting corrosion resistance.
  • the W content which is suitable as a range of mechanical performance required for commonly used steel types such as those for mild steel, high-strength steel, and low-temperature steel, is preferably 3.0% or less, more preferably 2.0% or less.
  • Nb is a component that affects mechanical performance such as strength.
  • the Nb content is preferably 3.0% or less, more preferably 2.0% or less, in order to satisfy the range of mechanical performance required for commonly used steel types such as those for mild steel, high-strength steel and low-temperature steel.
  • V exerts the effect of improving the strength of the weld metal, while lowering the toughness and crack resistance. Therefore, the V content is preferably 3.0% or less, more preferably 2.0% or less.
  • the Cr is a component that affects mechanical performance such as the strength of weld metal.
  • the Cr content is preferably 5.0% or less, more preferably 3.0% or less, in order to satisfy the range of mechanical performance required for commonly used steel types such as those for mild steel, high-strength steel and low-temperature steel.
  • the Cr content is preferably 0.10% or more.
  • Ti combines with C and N to contribute to the miniaturization of crystal grains, and is a component that mainly improves the toughness of weld metals.
  • the Ti content is preferably 3.0% or less, more preferably 1.0% or less.
  • the Ti content is preferably 0.01% or more.
  • N is a component that penetrates into the crystal structure and solid-solves to improve strength. On the other hand, since it may cause pore defects such as blow holes and pits in the weld metal, it is not positively added unless strength is particularly required.
  • the content of N is preferably 0.05% or less, more preferably 0.03% or less.
  • the N content is preferably 0.0010% or more.
  • the S content is preferably 0.05% or less, more preferably 0.03% or less.
  • the S content is preferably 0.0010% or more.
  • the P content is preferably suppressed to 0.05% or less, more preferably 0.03% or less.
  • the content of B is preferably 0.05% or less, more preferably 0.03% or less. Further, when it is desired to secure toughness, the content of B is preferably 0.0005% or more.
  • the Cu contributes to improving the strength and weather resistance of weld metal.
  • the Cu content is preferably 2.0% or less, more preferably 1.0% or less. ..
  • the Cu content is preferably 0.01% or more.
  • Ta is a component that affects mechanical performance such as strength.
  • the content of suitable Ta for satisfying the range of mechanical performance required for a steel grade often used for mild steel, high-strength steel, low-temperature steel, etc. is preferably 3.0% or less, more preferably 2.0% or less.
  • REM means a rare earth element, and examples thereof include Ce and La.
  • REM has a high affinity with S, suppresses grain boundary segregation of S, and also exhibits an effect of suppressing high-temperature cracking due to S. Therefore, when more stable arc is desired, the total content of REM is preferably 0.1% or less, more preferably 0.05% or less.
  • the balance is Fe and impurities.
  • the content of Fe as a balance is preferably 80% or more, and preferably 98% or less.
  • Impurities mean those that are not intentionally added, and examples of elements other than the above include Sn, Co, As, and the like. Further, when the element is contained as an oxide, O is also contained in the balance.
  • the total content of impurities is preferably 0.5% or less, more preferably 0.3% or less.
  • the composition of the alloy component of the flux-filled wire used for stainless steel, etc. is, for example, C: 0.5% or less, Si: 2.0% or less, Mn: 3.0% in terms of mass ratio with respect to the total weight of the wire.
  • Ni 5.0 to 20.0%, Mo: 3.0% or less, W: 3.0% or less, Nb: 3.0% or less, V: 3.0% or less, Cr: 15.0 ⁇ 30.0%, Ti: 3.0% or less, N: 0.50% or less, S: 0.05% or less, P: 0.05% or less, B: 0.05% or less, Cu: 2. It is preferable to further satisfy 0% or less, Ta: 3.0% or less, and REM: 0.1% or less. These elements may not be included.
  • a metal powder and a metal compound composed of one or more alkali metal elements in the flux-filled wire may be further contained, and the alkali metal element in this case acts as an arc stabilizer.
  • the alkali metal element include K, Li, and Na.
  • the total content of the metal powder and the metal compound composed of the alkali metal element is preferably 3% or less, more preferably 2% or less, based on the total mass of the wire.
  • the composition of the alloy component can be the same as the composition generally used for an iron-based alloy or a flux-cored wire used for stainless steel conforming to JIS Z 3323: 2007.
  • the elements other than Ni, Cr, Mo, Nb, and N are the composition of the alloy component of the flux-filled wire used for mild steel, high-strength steel, low-temperature steel, weathering steel, and the like. Is similar to.
  • Ni is a component that stabilizes the austenite structure of the weld metal and improves toughness at low temperatures, and is a component that is added in a fixed amount for the purpose of adjusting the amount of crystallization of the ferrite structure. From the balance of these performances, the Ni content may be in the same range as the general content of stainless steel, preferably 5.0% or more, and more preferably 9.0% or more. The Ni content is preferably 20% or less, more preferably 16% or less.
  • the Cr is a component that improves the corrosion resistance of the weld metal, but if it is contained more than necessary, it reacts with the oxidizing shield gas to form an oxide, which affects the balance of the slag component composition. From the balance of these performances, the Cr content may be in the same range as the content generally used for stainless steel, preferably 15% or more, and more preferably 17% or more. The Cr content is preferably 30% or less, more preferably 25% or less.
  • Mo is a component that improves corrosion resistance, especially pitting corrosion resistance, but is a rare and uneconomical component. From the balance of these performances, the Mo content may be in the same range as the content generally used for stainless steel, preferably 5.0% or less, and more preferably 4.0% or less.
  • Nb is a component that is immobilized by binding to C and improves corrosion resistance by suppressing deterioration of corrosion resistance due to the formation of Cr carbides, that is, sensitization, while being a component that deteriorates crack resistance. Therefore, the Nb content is preferably 3.0% or less, more preferably 2.0% or less. When used for sharpening resistant steel or the like, the Nb content is preferably 0.2% or more.
  • N is a component that exerts effects such as stabilizing the austenite structure of the weld metal, improving the strength of the weld metal, and improving the pitting corrosion resistance, while it is a component that causes pore defects. From the balance of these performances, the N content is preferably 0.5% or less, more preferably 0.4% or less. Further, when used for high corrosion resistant steel, extremely low temperature steel, etc., the N content is preferably 0.1% or more.
  • the composition of the alloy component of the flux-filled wire used for Ni-based alloys is, for example, C: 0.5% or less, Si: 2.0% or less, Mn: 4.0 in terms of mass fraction with respect to the total weight of the wire. % Or less, Fe: 10.0% or less, Mo: 20.0% or less, W: 5.0% or less, Nb: 4.5% or less, V: 3.0% or less, Cr: 10.0 to 35 .0%, Co: 2.5% or less, Ti: 1.0% or less, N: 0.50% or less, S: 0.05% or less, P: 0.05% or less, B: 0.05%
  • a metal powder and a metal compound composed of one or more alkali metal elements in the flux-filled wire may be further contained, and the alkali metal element in this case acts as an arc stabilizer.
  • the alkali metal element include K, Li, and Na.
  • the total content of the metal powder and the metal compound composed of the alkali metal element is preferably 3% or less, more preferably 2% or less, and the balance is Ni and impurities with respect to the total weight of the wire. Is preferable.
  • the composition of the alloy component can be the same as the composition generally used for a Ni-based alloy or a flux-cored wire used for a Ni-based alloy conforming to JIS Z 3335: 2014.
  • the elements other than Fe and Co have the same composition as the alloy component of the flux-cored wire used for stainless steel and the like.
  • Fe is a component added in order to improve the economic efficiency of the weld metal to the extent that it does not adversely affect the mechanical properties and corrosion resistance.
  • the upper limit is preferably 10.0% or less.
  • Co is a component that stabilizes the austenite structure like Ni. Moreover, since it is contained in a relatively large amount as an impurity in a general Ni material, it is an inevitable component. On the other hand, Co is extremely uneconomical, and aggressive addition is not preferable.
  • the Co content is preferably 2.5% or less.
  • the outer skin of the flux-cored wire is not particularly limited, but for example, ordinary steel, SUH409L (JIS G 4312: 2019), SUS430, SUS304L, SUS316L, SUS310S (all JIS G 4305: 2012), etc. Alloy600 (UNS N06600), Alloy625 (UNS N06625), Alloy22 (UNS N06022), Alloy276 (UNS N10276) and the like can be used.
  • the amount of flux in the flux-containing wire with respect to the internal voids formed by the outer skin is small, it becomes difficult to form a flux column during welding.
  • a flux movement phenomenon occurs in the wire.
  • the flux content in the longitudinal direction of the wire (hereinafter, also referred to as flux filling factor or flux factor) may vary depending on the vibration condition of the wire manufacturing line, and the quality of the wire may become unstable.
  • the content of the flux in the wire is preferably 10% or more, more preferably 11% or more in terms of mass fraction with respect to the total mass of the wire.
  • the flux content in the wire is preferably 20% or less, more preferably 18% or less.
  • the wire diameter (D) of the flux-cored wire is not particularly limited, but the diameter is preferably 0.9 mm or more, more preferably 1.0 mm or more, in consideration of the combination with a general welding device and welding workability. 2 mm or more is further preferable, 2.0 mm or less is preferable, and 1.6 mm or less is more preferable.
  • the cross-sectional shape of the wire is also not particularly limited, and can be used for a type of wire having a seam on the outer skin, a seamless type without the seam, and the like. Further, in the case of the seamless type, the surface may be plated with Cu or the like.
  • the flux-cored wire according to the present embodiment can be manufactured by the same method as the conventional method, and is not particularly limited.
  • the exodermis is filled with flux.
  • the composition of the exodermis, the composition of the flux, and the content rate are appropriately adjusted so as to be within the above-mentioned ranges.
  • the wire in which the flux is filled in the outer skin is rolled or drawn to reduce the diameter, and a flux-cored wire having a predetermined outer diameter can be obtained.
  • the welding method according to the present embodiment is gas shielded arc welding using the positive electrode flux-cored wire and shield gas.
  • the shield gas is not particularly limited, and a single shield gas having only one component may be used, or a mixed gas of two or more kinds may be used.
  • the welding current, welding voltage, welding speed, welding posture, shield gas flow rate, etc. are appropriately adjusted and determined.
  • the weld metal according to this embodiment is formed by welding using the flux-cored wire.
  • the base metal to be welded commonly used materials such as mild steel, high-strength steel, low-temperature steel, stainless steel and Ni-based alloy can be used.
  • the composition of the weld metal formed by welding differs depending on the welding conditions such as the composition of the base metal and wire and the type of shield gas, so it cannot be defined uniformly, but the wire feeding speed is high and the same input Excellent construction efficiency with heat.
  • Welding current 240A
  • Welding voltage Appropriate (20-23V)
  • Welding speed 30 cm / min
  • Welding posture downward, bead-on plate tip-base metal distance: 15 mm
  • Shield gas 100% CO 2 gas
  • Examples 1 to 17 and Comparative Example 1> A welding test was carried out under the above welding conditions using flux-cored wires having the compositions shown in Tables 1 to 3. In the composition of the flux, oxides and carbonates were not positively added, and the content with respect to the total mass of the wire was 0.5% or less in all the flux-containing wires. Further, the relationship between the weighted geometric mean value of the work function and the wire feeding speed is shown in FIG. 4, where (3) in FIG. 4 shows the result of Comparative Example 1 and ( ⁇ ) shows the result of the example.
  • the weighted geometric mean value ( ⁇ ) is the weighted geometric mean value ( ⁇ ) of the flux-cored wire of Comparative Example 1 in which the metal compound powder contained in the flux is only one type of BaF 2 and the weighted geometric mean value ( ⁇ ) of the work function is less than 1.00. ) Is 1.00 or more (-0.0908D 2 + 0.5473D + 1.547) or less, a significant improvement in the wire feeding speed is observed, and the result is that the weldability is excellent.

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Abstract

本発明は、正極性のガスシールドアーク溶接に用いられ、フラックスは１種又は数種の金属化合物粉を含有し、前記金属化合物粉を構成する１種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（Φ）が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径（Ｄ）に対して｛１．００≦Φ≦－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７｝の関係を満たす、フラックス入りワイヤに関する。

Description

フラックス入りワイヤ、溶接方法及び溶接金属
　本発明は、フラックス入りワイヤに関し、特に溶接能率に優れたフラックス入りワイヤに関する。また、本発明は前記フラックス入りワイヤを用いた溶接方法及び溶接金属にも関する。
　フラックス入りワイヤは施工面における優れた能率と良好な溶接作業性から広く普及している溶接材料である。その為、溶接技術の広範な分野を対象に種々のフラックス入りワイヤが開発されているが、その中に正極性（以下、「ＤＣＥＮ」とも記す。）を適用して溶接を行うことを特徴としたフラックス入りワイヤがある。なお、正極性とはワイヤを陰極、母材を陽極とする電極配置である。
　例えば、特許文献１では、広い電流範囲にわたって安定したスプレーアークが可能で溶接作業性が良好なガスシールドアーク溶接フラックス入りワイヤが開示されている。
　また、特許文献２では、低電流から中電流の溶接電流範囲において、スパッタ発生量が少なく、全姿勢での溶接性および靱性が良好なフラックス入りワイヤが開示されている。なお、特許文献２において低電流から中電流の溶接電流範囲とは７０～３００Ａ程度である。
　特許文献３においても、低電流から中電流の溶接電流範囲において、全姿勢溶接作業性が良好で、靱性が良好なフラックス入りワイヤが開示されている。なお、特許文献３において低電流から中電流の溶接電流範囲とは５０～３００Ａ程度である。
日本国特開平０２－０５５６９６号公報 日本国特開平１１－２０７４９１号公報 日本国特開平１１－０５８０６９号公報
　しかしながら、特許文献１～３に記載のフラックス入りワイヤはいずれも、使用される溶接電流域に着目されているものの、ワイヤ溶融速度には着目していない。そこで本発明者らが、フラックス入りワイヤの溶融速度に着目して研究を行った結果、これらのフラックス入りワイヤは、ワイヤ溶融速度が、一般的な酸化チタンを多く含有するフラックス入りワイヤと比較して著しく低いことを見出した。なお、ワイヤ溶融速度とは単位時間当たりのワイヤ溶融長さを示す。
　一方、ワイヤ溶融速度はワイヤ送給速度と同義であり、溶着速度に直結する為、溶接能率の重要な支配因子となる。そこで本発明では、溶接電流等の熱エネルギーの上昇を伴うことなく、ワイヤ送給速度を速くすることができ、同一入熱での施工能率に優れ、溶接施工における溶接コストの低減が可能な正極性のガスシールドアーク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。なお、溶着速度とは単位時間当たりの溶接金属形成量を示す。
　本発明者らは鋭意研究の結果、フラックス入りワイヤにおけるフラックスを構成する金属化合物粉に係る仕事関数を特定範囲のものにすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明は、以下の［１］～［１１］に係るものである。
［１］正極性のガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤであって、
　前記フラックス入りワイヤのフラックスは１種又は数種の金属化合物粉を含有し、
　前記金属化合物粉を構成する１種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たす、フラックス入りワイヤ。
　１．００≦Φ≦－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７
　Φ＝Φ１ ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍ ｎｍ／ｎｔｏｔａｌ
式中、Ｄはワイヤ径（ｍｍ）、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（ｅＶ）、Φ１～Φｍ（ｍは自然数）はｍ種の安定化合物の各仕事関数（ｅＶ）、ｎ１～ｎｍは前記ｍ種の安定化合物となるｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量（ｍｏｌ／ｇ）、ｎｔｏｔａｌは前記ｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量（ｍｏｌ／ｇ）をそれぞれ意味する。
［２］前記安定化合物が酸化物又は酸化物の混合物である、前記［１］に記載のフラックス入りワイヤ。
［３］前記安定化合物の仕事関数が、いずれも４．０ｅＶ以下である、前記［１］に記載のフラックス入りワイヤ。
［４］前記金属化合物粉は１種又は数種の金属フッ化物粉を含み、
　前記金属化合物粉に含まれる金属酸化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して０．５質量％以下である、前記［１］に記載のフラックス入りワイヤ。
［５］沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、前記［１］に記載のフラックス入りワイヤ。
［６］沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、前記［２］に記載のフラックス入りワイヤ。
［７］沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、前記［３］に記載のフラックス入りワイヤ。
［８］沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、前記［４］に記載のフラックス入りワイヤ。
［９］純Ｆｅ、Ｆｅ基合金又はＮｉ基合金を外皮とする、前記［１］に記載のフラックス入りワイヤ。
［１０］前記［１］～［９］のいずれか１に記載のフラックス入りワイヤを用いた溶接により形成された溶接金属。
［１１］前記［１］～［９］のいずれか１に記載のフラックス入りワイヤとシールドガスを用いた溶接方法。
　本発明に係るフラックス入りワイヤおよびそれを用いた溶接方法によれば、溶接電流等の熱エネルギーの上昇を伴うことなく、ワイヤ送給速度を速くすることが可能となる。そのため、同一入熱での施工能率に優れ、溶接作業の能率性を向上させることが可能となり、溶接コストを低減することができる。
図１は、トリウム入りタングステン電極温度の推移を表すグラフである。 図２は、２３００Ｋにおける、熱電子による電流と仕事関数との関係を、ワイヤ径ごとに表すグラフである。 図３は、ワイヤ径と安定した熱陰極性が得られる仕事関数の関係を表すグラフである。 図４は、安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値とワイヤ送給速度との関係を表すグラフである。
　以下、本発明に係るフラックス入りワイヤ、並びにこれを用いた溶接方法及び溶接金属を実施するための形態（実施形態）について説明する。しかしながら、本実施形態は１例であり、本発明を限定するものではない。また、特に記載がない場合には、「％」とは「質量％」であることを意味する。
＜＜フラックス入りワイヤ＞＞
　本実施形態に係るフラックス入りワイヤ（以下、単に「ワイヤ」とも言う。）は、正極性のガスシールドアーク溶接に用いられるものであって、筒状を呈する外皮と、その外皮の内側に充填されたフラックスとで構成される。なお、正極性とは、電極側がマイナス、母材側がプラスの電極配置である。
　フラックス入りワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。また、フラックス入りワイヤは、外皮の外側であるワイヤ表面に銅メッキを施されていても施されていなくてもよい。外皮の材質は特に問わず、軟鋼でもステンレス鋼でもＮｉ基合金でもよく、その溶着金属はＦｅ基でもＮｉ基でも特に問わず、本発明の特徴が満たされていれば特に制限は無い。
　本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、１種又は数種の金属化合物粉を含有する。
　金属化合物粉を構成する１種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、上記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たすことを特徴とする。
　１．００≦Φ≦－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７
　Φ＝Φ１ ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍ ｎｍ／ｎｔｏｔａｌ
式中、Ｄはワイヤ径（ｍｍ）、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（ｅＶ）、Φ１～Φｍ（ｍは自然数）はｍ種の安定化合物の各仕事関数（ｅＶ）、ｎ１～ｎｍは前記ｍ種の安定化合物となるｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量（ｍｏｌ／ｇ）、ｎｔｏｔａｌは前記ｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量（ｍｏｌ／ｇ）をそれぞれ意味する。
＜フラックス入りワイヤの送給速度向上メカニズム＞
　一般的なフラックス入りワイヤは逆極性（以下、「ＤＣＥＰ」とも記す。）のガスシールドアーク溶接に好適であることが知られている。なお、逆極性とはワイヤを陽極、母材を陰極とする電極配置である。例えば、ワイヤ径（Ｄ）が１．２ｍｍの一般的な酸化チタン系フラックス入りワイヤのＤＣＥＰ－２００Ａでのワイヤ送給速度は８．４ｍ／分であった。一方で、特許文献２に記載のフラックス入りワイヤ、すなわち、Ａｌ含有量２．３重量％、Ｍｇ含有量０．６重量％、ＢａＦ２含有量３重量％、Ｚｒ含有量０．１重量％、フラックス充填率１３重量％、及びワイヤ径１．２ｍｍであるフラックス入りワイヤを試作して実験を行ったところ、正極性とした場合のＤＣＥＮ－２００Ａのワイヤ送給速度は５．３ｍ／分であった。このことから、同一電流におけるワイヤ送給速度が実に３７％も低下することがわかった。このように、従来技術で開示されるワイヤは、一般的な酸化チタンを多く含有するフラックス入りワイヤと比較して、同一の溶接電流に対しワイヤ送給速度が著しく低いことが見出された。その結果、同一入熱での施工能率が悪く、実際の工事における溶接コストに大きく影響すると言える。
　以上のような背景に鑑み、本発明は正極性が適用されるフラックス入りワイヤを対象とし、ワイヤ溶融特性に重要な影響を及ぼす因子およびそのメカニズムを明らかにしたものである。
　一般的に、溶接ワイヤを正極性で使用すると、アークの安定性が劣り、良好な溶接が実施できなくなることが知られている。これに対し、正極性用に設計された特許文献１～３に開示されているような塩基性のフラックス入りワイヤを用いると、正極性においても安定したアークが得られる。また、非消耗式電極としてタングステン電極を用いて、一般的に正極性で溶接を行うガスタングステンアーク溶接（以下、「ＧＴＡＷ」とも記す。）においても、安定したアークが得られることが知られている。このＧＴＡＷがアーク安定性に優れる理由をもとに、本発明では、フラックス入りワイヤであっても正極性において安定したアークが得られ、溶接電流等の熱エネルギーの上昇を伴うことなく、ワイヤ送給速度を速くすることができ、溶着性が向上するメカニズムを解明した。
　最初に、ＧＴＡＷのメカニズムを説明する。電極に使用されるタングステンの融点は３６９５Ｋと高温である為に、溶接中に電極が溶融することなく、固体のまま非常に高温に加熱される。高温の物質は以下に示すＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ－Ｄｕｓｈｍａｎｎの式に従って熱電子を放出することが知られており、溶接中のタングステン電極も熱電子を放出していると考えられる。
Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ－Ｄｕｓｈｍａｎｎの式
　Ｊｅ＝Ａ０Ｔ２ｅｘｐ（－ｅＶｗ／ｋＴ）
Ｊｅ：熱電子放出による電流密度［Ａ／ｃｍ２］、Ａ０：リチャードソン定数（１２０．４［Ａ／ｃｍ２・Ｋ２］）、Ｔ：絶対温度［Ｋ］、ｅ：電気素量（１．６０２×１０－１９［Ｃ］）、Ｖｗ：仕事関数［ｅＶ］、ｋ：ボルツマン定数（１．３８１×１０－２３［Ｊ／Ｋ］）
　ここで例えば２００Ａの溶接電流が流れている場合を考える。ＧＴＡＷの電極に広く使用されるトリウム入りタングステン電極の仕事関数（Ｖｗ）は２．６３ｅＶであることが知られている（安藤ら、溶接アーク現象（増補版）、産報（１９６７）参照）。ここで、電極先端角度６０°で先端から１．５ｍｍの範囲からアークが発生している場合、アーク発生部表面積は４．７１ｍｍ２となる。この場合に、上記Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ－Ｄｕｓｈｍａｎｎの式によれば、図１に示すようなトリウム入りタングステン電極温度の推移が予測される。この推移によれば、アーク発生部が２５２２Ｋに加熱されていると安定した熱電子放出によって２００Ａの電流を賄うことができることとなり、アークが安定するといえる。これに対してタングステンの融点は３６９５Ｋである為、２５２２Ｋというアークが安定した状態であっても、電極を固体のまま維持することができる。このように、熱電子放出によって放電に必要な電流を供給する陰極の状態を「熱陰極」と呼ぶ。熱陰極では熱電子放出によって電極がエネルギーを失う、つまり冷却されることによって、電極温度が維持される。
　上記を踏まえ、次にフラックス入りワイヤについて検討する。
　フラックス入りワイヤのワイヤ外皮は被溶接材となる母材の種類と目的とする継手性能によって制約を受ける。その結果多くの場合、ワイヤ外皮には鋼が採用される。鋼は融点が約１７７０Ｋなので、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ－Ｄｕｓｈｍａｎｎの式で示される熱電子を固体もしくはワイヤ先端から離脱前の溶滴温度で賄うことは、酸化チタンを多く含有する一般的なフラックス入りワイヤに含まれる組成では不可能である。なお、かかる一般的な組成とは酸化チタン（Ｖｗ：３．８７ｅＶ）、酸化ケイ素（Ｖｗ：５．００ｅＶ）（Ｇ．Ｖ．Ｓａｍｓｏｎｏｖ、遠藤訳、最新酸化物便覧：物理的科学的性質、日・ソ通信社（１９７９）参照）、鉄および合金元素等である。
　そこで本発明では、フラックスとして潜在的に低仕事関数となり得る物質を含有させ、熱電子放出を活発にすることで、フラックス入りワイヤも熱陰極に成り得ると考えた。潜在的に低仕事関数となり得る物質としてＢａＦ２（以下「フッ化バリウム」とも記す。）が挙げられる。フッ化バリウムは高温の酸素存在下でフッ素が遊離するとともに、バリウムは酸素との親和性が高いために、酸素存在下で酸化バリウムを発生する。この酸化バリウムは仕事関数が０．９９ｅＶと非常に低いことから、容易に熱陰極性が成立することが判った。
　フラックス入りワイヤにおいてワイヤが溶融すると、ワイヤ外皮とフラックスに含有される金属粉は、容易に混合される。しかし、金属粉と、溶融部において高温環境下で安定する化合物（以後、「安定化合物」とも言う。）とは混合されない。なお、高温環境下で安定する化合物としては、酸化物、炭化物、硫化物、窒化物等が挙げられるが、親和性の観点から、上述した酸化バリウムのように酸化物となる場合が多いと考えられる。この安定化合物同士は混合され易いが、安定化合物と溶融金属とは混合されない。なお、溶融金属とは単一金属または合金が溶融した状態を言う。
　したがって、ワイヤを正極性で用いると、溶融金属部と、安定化合物部のうち、仕事関数が低い箇所が陰極点となり、アークが発生する。これに対し溶融金属部は、例えば、鉄の仕事関数（Ｖｗ）が４．６７～４．８１ｅＶ、Ｎｉの仕事関数（Ｖｗ）が５．０４～５．３５ｅＶ（ＣＲＣ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、７８版、ＣＲＣ　Ｐｒｅｓｓ（１９９８）参照）と、仕事関数が比較的高い。そのため、安定した陰極点には成り得ず、正極性のアーク溶接における安定性は、安定化合物の性質に大きく依存することとなる。
　フラックス中に金属化合物粉としてフッ化バリウムを添加した場合、上述の通り、溶接中のワイヤ溶融部において酸化バリウムが生成する。この酸化バリウムという安定化合物によって容易に熱電子を放出する為に非常に安定した熱陰極となる。しかしながら、フッ化バリウムを単独で添加すると、強い冷却効果を受ける為に、ワイヤの送給速度が低下することが判った。
　上記を踏まえ、本発明は、陰極点として作用する安定化合物の仕事関数を制御することによって、ワイヤ送給速度の低下を抑え、かつ安定した熱陰極性を維持することで、優れたアーク安定性を有するワイヤを提供するものである。
　安定化合物の仕事関数の制御について、次に説明する。
　安定化合物の仕事関数の制御を説明するにあたって、まず、以下の１．及び２．を仮定した。
１．安定したＭＡＧ（ｍｅｔａｌ　ａｃｔｉｖｅ　ｇａｓ）溶接における溶滴表面温度は２３００Ｋ程度であり（山崎ら、赤外線二色放射測温法による溶融池表面温度測定、溶接学会論文集、Ｖｏｌ．２７（２００９）参照）、これを基準とする。
２．アーク発生部の面積がワイヤ断面積と一致する。
　次に、ワイヤ先端からのアーク放電を想定し、安定化合物に想定される仕事関数と、それに応じた２３００Ｋにおける熱電子による電流との関係を、Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ－Ｄｕｓｈｍａｎｎの式から求めた。計算はワイヤ径（Ｄ）１．０～２．０ｍｍの範囲において行った。
　計算したワイヤ径のうち、代表径における仕事関数と電流との関係を図２に示す。また、計算の結果から求めた、各ワイヤ径（Ｄ）に対する、熱電子による電流が２００Ａを超える仕事関数の値を図３のプロットで示す。図３中のプロットを２次の近似曲線でフィッティングすると、以下の式の右辺が得られる。この右辺の値が、ワイヤ径に対する、安定した熱陰極性が得られる金属安定化合物の仕事関数値の上限を示すものと言うことができる。
　ｙ≦－０．０９０８ｘ２＋０．５４７３ｘ＋１．５４７
式中、ｘ：ワイヤ径（ｍｍ）、ｙ：安定した熱陰極性が得られる金属安定化合物の仕事関数値を表す。
　なお、実際の溶接において、アーク発生部の温度、面積およびワイヤ溶融部での安定化合物の仕事関数についての正確な測定は困難である。そのため、添加する金属化合物粉から生成が想定される安定化合物の仕事関数を参考に、実験結果から安定化合物の組成を検討した。なお、安定化合物はここでは酸化物として説明する。
　その結果、ワイヤに含まれる１種または数種の金属化合物粉を構成するｍ種の金属元素に対し、高温環境下におけるｍ種の安定化合物の仕事関数を、各金属元素のモル分率によって重み付けした相乗平均値（Φ）とワイヤ送給速度とが図４に示すようによく相関することが分かった。そのため、この値が安定化合物の仕事関数として代用できると考えた。なお、安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値とは、下記式で表されるものである。
　Φ＝Φ１ ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍ ｎｍ／ｎｔｏｔａｌ
式中、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（ｅＶ）、Φ１～Φｍ（ｍは自然数）はｍ種の安定化合物の各仕事関数（ｅＶ）、ｎ１～ｎｍは前記ｍ種の安定化合物となるｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量（ｍｏｌ／ｇ）、ｎｔｏｔａｌは前記ｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量（ｍｏｌ／ｇ）をそれぞれ意味する。
　上記式により算出される金属安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（Φ、ｅＶ）を、１．００以上、かつワイヤ径（Ｄ、ｍｍ）に対して（－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７）で表される値以下と制御することにより、正極性におけるアークの安定と高溶着速度を両立することができるようになる。
　上記に加え、アーク安定性をさらに向上させるためには、低沸点物質をフラックス入りワイヤのフラックス中に添加するとよいことが判った。以下に、低沸点物質の効果について説明する。
　通常、ＭＡＧ溶接の溶滴移行は電磁ピンチ力と一般的に呼称される力、すなわち、内部に電流が流れる物質が当該流れの中心方向に収縮しようとする力がワイヤの溶融部分に作用することで、ワイヤ先端の溶融部分が離脱し、溶滴となって落下する。一方、上述の通り正極性で安定したアークを得られるフラックス入りワイヤは、安定化合物から主として電流が流れる為、ワイヤ先端の溶滴には大きな電流が流れないこととなる。その為、溶滴移行の駆動力を電磁ピンチ力以外の形で与える必要があるが、それはフラックスに含有される低沸点物質のガス化に伴う爆発力による。
　低沸点物質にはワイヤ先端近傍で蒸発し溶滴に爆発力を与えることが求められる。つまり、低沸点物質の沸点は鋼の融点に近い１６００℃以下が好ましく、１３００℃以下であることがより好ましい。
　低沸点物質としては、沸点が１６００℃以下である金属粉や無機化合物粉が挙げられ、具体的には、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、ＡｌＦ３等が考えられる。金属の場合は、合金であっても蒸発は十分見込めるので、Ａｌ－Ｌｉ合金、Ａｌ－Ｍｇ合金等の金属粉による添加でもよい。また、ここでの無機化合物粉とは、前記金属化合物粉のうち、沸点が１６００℃以下のものも含む。
　爆発力はガス化後の体積によって決定される為、低沸点物質の合計の含有量は、ワイヤ全質量当たりの物質量で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上が好ましい。
＜フラックス＞
　上記メカニズムを反映し、想到した本実施形態に係るフラックス入りワイヤの組成について、以下、詳細を説明する。なお、各成分の規定は特に明文化しない限り、ワイヤ、すなわち、外皮とフラックスの合計に含まれる各成分の質量をワイヤの全質量に対する割合（％）で規定するものとする。
・金属化合物粉
　本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、正極性のガスシールドアーク溶接に用いられ、フラックスは１種又は数種の金属化合物粉を含有する。金属化合物粉を構成する１種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たす。
　１．００≦Φ≦－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７
　Φ＝Φ１ ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍ ｎｍ／ｎｔｏｔａｌ
式中、Ｄはワイヤ径（ｍｍ）、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（ｅＶ）、Φ１～Φｍ（ｍは自然数）はｍ種の安定化合物の各仕事関数（ｅＶ）、ｎ１～ｎｍは前記ｍ種の安定化合物となるｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量（ｍｏｌ／ｇ）、ｎｔｏｔａｌは前記ｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量（ｍｏｌ／ｇ）をそれぞれ意味する。
　金属化合物粉を構成する金属元素の高温環境下における安定化合物とは、酸化物である場合、１５００～１６００℃において酸化物の標準生成ギブスエネルギーが－１５０ｋｃａｌ／ｍｏｌＯ２以下となる、酸素との親和性が高い元素に係る酸化物を言う。なお、酸素との親和性が高い元素に係る酸化物とは安定酸化物又は安定複合酸化物とも言う。
　硫化物である場合、１５００～１６００℃において硫化物の標準生成ギブスエネルギーが－８０ｋｃａｌ／ｍｏｌＳ２以下となる、硫黄との親和性が高い元素に係る硫化物を言う。なお、硫黄との親和性が高い元素に係る硫化物とは安定硫化物又は安定複合硫化物とも言う。
　窒化物である場合、１５００～１６００℃において窒化物の標準生成ギブスエネルギーが－５０ｋｃａｌ／ｍｏｌＮ２以下となる、窒素との親和性が高い元素に係る窒化物を言う。なお、窒素との親和性が高い元素に係る窒化物は、安定窒化物又は安定複合窒化物とも言う。
　炭化物である場合は、１５００～１６００℃において炭化物の標準生成ギブスエネルギーが－２０ｋｃａｌ／ｍｏｌＣ以下となる、炭素との親和性が高い元素に係る炭化物を言う。なお、炭素との親和性が高い元素に係る炭化物は安定炭化物又は安定複合炭化物とも言う。
　多くの元素は酸化物の形態が最も安定な状態である場合が多く、かつ安定酸化物は比較的仕事関数が低い性質をもつ。よって、安定化合物の制御のし易さ、仕事関数の観点から、安定化合物は安定酸化物又は安定複合酸化物であることが好ましい。
　例えば、金属化合物粉がＢａＦ２である場合、その金属元素であるＢａの１５００～１６００℃での安定状態、すなわち最も標準生成ギブスエネルギーが低いと考えられる化合物はＢａＯの金属酸化物である。その標準生成ギブスエネルギーは－１８０～－１８５ｋｃａｌ／ｍｏｌＯ２であり、ＢａＯの仕事関数は０．９９ｅＶである。同様に例えば、金属元素がＭｇ、Ａｌ、Ｓｒ、Ｃａの場合、同温度域での安定状態の化合物はそれぞれ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＯ、ＣａＯの金属酸化物となり、それらの仕事関数は各々、３．３１ｅＶ、３．９０ｅＶ、１．２７ｅＶ、１．７７ｅＶである（安藤ら、溶接アーク現象（増補版）、産報（１９６７）参照）。その他、各金属元素の安定化合物の仕事関数は、化合物特有の値で一義に定まる。
　安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（Φ）はワイヤ径（Ｄ）に対して上記の関係を満たす。
　ここで、例えばフラックスに含まれる金属化合物粉がＢａＦ２：ＣａＦ２：ＡｌＦ３＝２．４：０．４：０．７（質量比）である場合、構成する金属元素は３種、すなわち式中ｍ＝３であり、それらの比はＢａ：Ｃａ：Ａｌ＝０．５２：０．１８：０．３０（モル分率）となる。また、これらの安定化合物はそれぞれＢａＯ（仕事関数０．９９ｅＶ）、ＣａＯ（仕事関数１．７７ｅＶ）、Ａｌ２Ｏ３（仕事関数３．９０ｅＶ）であることから、その重み付け相乗平均値（Φ）は（０．９９０．５２×１．７７０．１８×３．９００．３０）＝１．６６ｅＶとなる。なお、上記は後述する実施例２に相当する組成である。
　このように得られる仕事関数の重み付け相乗平均値（Φ）は、速いワイヤ送給速度、すなわち高溶着性を得る観点から１．００ｅＶ以上であり、１．０２ｅＶ以上が好ましく、１．０４ｅＶ以上がより好ましい。また、アーク安定性を得る観点から｛－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７｝以下である。
　金属フッ化物粉からワイヤ溶融部で生成される各安定化合物の仕事関数は、いずれも４．０ｅＶ以下であることが溶着性向上の点から好ましい。
　フラックスに含まれる金属化合物粉は、金属元素を含む化合物であって、金属単体又は合金からなる金属粉は含まれない。金属化合物粉としては、例えば金属フッ化物粉や金属酸化物粉、金属炭酸塩粉が挙げられ、中でも１種または数種の金属フッ化物粉を含むことが好ましい。
（金属フッ化物粉）
　金属フッ化物粉としては、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、ＡｌＦ３等が挙げられる。
　ＢａＦ２は、正極性のガスシールドアーク溶接において、陰極点が安定し、アークを安定化させることによってスパッタ発生量を減らすことができる。ＢａＦ２の含有量は１．０％以上が好ましく、１．２％以上がより好ましい。
　また、ＢａＦ２の含有量を４．５％以下とすることで、ワイヤ溶融部における仕事関数の過度な低下を抑制し、高溶着性能を維持できる。また、高溶着性能をより高めることができる点からＢａＦ２の含有量は４．０％以下が好ましく、３．０％以下がより好ましい。
　ＳｒＦ２、ＣａＦ２、及びＡｌＦ３は共に、ＢａＦ２を基に、これらを添加することで、ワイヤ溶融部における仕事関数を制御することにより、溶着量を増加させることができる。一方、その含有量が多すぎると仕事関数が過剰に高くなり、アークが不安定になる。そのためＳｒＦ２の含有量は１．５％以下が好ましく、１．３％以下がより好ましい。ＣａＦ２の含有量は１．５％以下が好ましく、１．３％以下がより好ましい。ＡｌＦ３の含有量は１．５％以下が好ましく、１．２％以下がより好ましい。これらの合計の含有量は過度なフッ素発生を抑制することで、より溶滴移行を安定化させる点から、５．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。
　また、ＳｒＦ２、ＣａＦ２及びＡｌＦ３からなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましく、それらの合計の含有量は０．１％以上が高溶着性能維持の点から好ましく、０．３％以上がより好ましい。
　フラックスには、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、及びＡｌＦ３以外の他のフッ化物粉を含むこともできる。他のフッ化物粉としては、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＭｇＦ２、Ｋ２ＳｉＦ６、ＫＦ等が挙げられる。
　フッ化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量％で２％超が陰極点の安定化の点から好ましく、２．５％以上がより好ましい。また、フッ化物粉の合計の含有量は６％以下が溶滴移行の安定化の点から好ましく、５％以下がより好ましく、４．５％以下がさらに好ましい。
　フッ化物粉の合計の含有量に対する、前記ＢａＦ２、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、及びＡｌＦ３の合計の含有量の割合｛（ＢａＦ２＋ＳｒＦ２＋ＣａＦ２＋ＡｌＦ３）／フッ化物粉の合計｝は０．５以上が陰極点の安定化の点から好ましく、０．６以上がより好ましい。また、上限は１、すなわち他のフッ化物粉を含まなくてもよい。
（その他の金属化合物粉）
　金属フッ化物粉以外の金属化合物粉としては、金属酸化物粉、金属炭酸塩粉、金属窒化物粉等が挙げられる。
・金属粉
　フラックスには金属粉が含まれていてもよく、金属粉は単体の金属粉であっても合金の金属粉であってもよく、含まれる金属粉は１種でも複数でもよい。
　金属粉を構成する金属元素は、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｃ、Ｎｉ、Ｌｉ、Ｚｎ、Ｃｒ等が挙げられる。中でも、沸点が１６００℃以下の金属粉を含むことが好ましく、沸点が１３００℃以下の低沸点金属粉を含むことがより好ましい。低沸点金属粉としては、例えばＬｉ、Ｍｇ、Ｚｎ等が挙げられるが、Ｍｇ粉、Ｚｎ粉がより好ましく、Ｍｇ粉がさらに好ましい。
　また、合金の形態としてはＦｅ－ＡｌやＡｌ－Ｍｇ、Ｆｅ－Ｍｎ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
　金属粉としてのＡｌ、Ｍｇ、Ｚｒはいずれも、強力な脱酸剤として溶融金属中の酸素量を低減させて溶融金属の表面張力を高め、かつ溶融池表面に均一な酸化膜を形成させる。これにより、全姿勢溶接での重力の影響に抗してビード形状を良くする効果がある。
　その他の金属粉として、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒは溶接金属の強度や靱性といった機械的性能の確保に効果がある。
・無機化合物粉
　フラックスには無機化合物粉が含まれていてもよく、沸点が１６００℃以下の無機化合物粉が含まれることが好ましく、沸点が１３００℃以下の無機化合物粉がより好ましい。無機化合物粉は、金属元素の化合物粉でもホウ素等の非金属元素の化合物粉でもよい。なお、上記金属化合物粉は、金属元素の化合物粉として、無機化合物粉に含まれるものである。
　沸点が１６００℃以下の無機化合物粉としては、上記金属フッ化物粉の中ではＡｌＦ３、ＫＦ等が該当する。また、フッ化物以外の無機化合物粉としては、Ｓｂ２Ｏ３等が挙げられる。
　フラックスは、沸点が１６００℃以下である、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を含有することがアーク安定性の点から好ましく、沸点が１３００℃以下である、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を含有することがより好ましい。また、沸点が１６００℃以下である金属粉及び無機化合物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して、１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上がアーク安定性の点から好ましく、２．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上がより好ましく、２．５×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上がさらに好ましい。また、同様の観点から、合計の含有量は５．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以下が好ましく、４．５×１０－４ｍｏｌ／ｇ以下がより好ましく、４．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以下がさらに好ましい。
・その他の組成
　その他、本発明の効果を損なわない範囲で、他の成分がフラックスに含まれていてもよい。
＜任意成分＞
　本実施形態に係るワイヤに含まれる任意成分とは、フラックスまたは外皮に純金属、合金、又は酸化物、炭化物、窒化物等の化合物の形態で添加される。
　任意成分は、必要とする溶接金属の機械的性能や溶接施工条件に合わせて、所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎ、Ｓ、Ｐ、Ｂ、Ｃｕ、Ｔａ、ＲＥＭ（希土類元素）等を含有してもよい。また、必要に応じて、アルカリ金属またはその化合物を含有してもよい。
　なお、鉄基とする場合は残部がＦｅおよび不可避的不純物で構成されることが好ましい。
　軟鋼用、高張力鋼用、低温鋼用、耐候性鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤの任意成分の組成としては、例えば、ワイヤ全質量に対する質量分率でＣ：０．５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｍｏ：３．０％以下、Ｗ：３．０％以下、Ｎｂ：３．０％以下、Ｖ：３．０％以下、Ｃｒ：５．０％以下、Ｔｉ：３．０％以下、Ｎ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｔａ：３．０％以下、及びＲＥＭ：０．１％以下をさらに満たすことが好ましい。これらの元素は含まれなくてもよい。なお、一般的に軟鋼用、高張力鋼用、低温鋼用、耐候性鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤはＦｅ基合金を外皮としている。
　上記に加え、フラックス入りワイヤにおける１種又は複数のアルカリ金属元素から構成される金属粉及び金属化合物をさらに含んでいてもよく、この場合のアルカリ金属元素はアーク安定剤として作用する。なお、アルカリ金属元素は、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ等が挙げられる。アルカリ金属元素から構成される金属粉及び金属化合物の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して３％以下であることが好ましく、２％以下がより好ましく、また、残部がＦｅ及び不純物であることが好ましい。
　上記任意成分の組成は、鉄基合金やＪＩＳ　Ｚ　３３１３：２００９年に準拠した軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用、又は、ＪＩＳ　Ｚ　３３２０：２０１２年の耐候性鋼用として用いられるフラックス入りワイヤに一般的に用いられる組成と同様の組成で用いることができる。
　具体的な好ましい態様は以下のとおりである。また、これら元素は必ずしも含有していなくともよい。
　Ｃは溶接金属の強度に影響を及ぼす成分であり、含有量が増すほど強度が高まる。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる強度範囲においては、０．５％以下が好ましく、０．２％以下がより好ましい。一方で、強度調整のため０．００１％以上が好ましい。
　Ｓｉは溶接金属の強度、靱性に影響を及ぼす成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲を満たすために、Ｓｉの含有量は２．０％以下が好ましく、１．２％以下がより好ましい。一方、Ｓｉの含有量は０．１％以上が好ましい。
　ＭｎもＳｉと同様に溶接金属の強度、靱性に影響を及ぼす成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲を満たすために、Ｍｎの含有量は３．０％以下が好ましく、２．５％以下がより好ましい。また、Ｍｎの含有量は０．５％以上が好ましい。
　Ｎｉは溶接金属のオーステナイト組織を安定化させ、低温での靱性を向上させる成分であり、また、フェライト組織の晶出量を調整できる成分である。Ｎｉの含有量は５．０％以下が好ましく、３．０％以下がより好ましい。また、低温鋼等に用いられる場合は、Ｎｉの含有量は０．２０％以上が好ましい。
　Ｍｏは、高温強度及び耐孔食性を向上させる成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲を満たすために、Ｍｏの含有量は３．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。また、高張力鋼や耐熱鋼等に用いられる場合は、Ｍｏの含有量は０．１０％以上が好ましい。
　Ｗは高温強度及び耐孔食性を向上させる成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲として適しているＷの含有量は３．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。
　Ｎｂは強度等機械的性能に影響を及ぼす成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲を満たすために、Ｎｂの含有量は３．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。
　Ｖは溶接金属の強度を向上させる効果を発揮する一方で、靱性や耐割れ性を低下させる。そのためＶの含有量は３．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。
　Ｃｒは、溶接金属の強度等、機械的性能に影響を及ぼす成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲を満たすために、Ｃｒの含有量は５．０％以下が好ましく、３．０％以下がより好ましい。また、耐熱鋼等に用いられる場合は、Ｃｒの含有量は０．１０％以上が好ましい。
　ＴｉはＣ、Ｎと結合して結晶粒の微細化に寄与し、主に溶接金属の靱性を向上させる成分となる。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種において靱性の向上を狙う場合は、Ｔｉの含有量は３．０％以下が好ましく、１．０％以下がより好ましい。また、Ｔｉの含有量は０．０１％以上が好ましい。
　Ｎは結晶構造内に侵入型固溶して強度を向上させる成分である。一方、溶接金属にブローホールやピットといった気孔欠陥を発生させる原因ともなることから、特に強度を必要とする場合以外は積極的な添加は行わない。Ｎの含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０３％以下がより好ましい。また、Ｎの含有量は０．００１０％以上が好ましい。
　Ｓはワイヤが溶融した際の溶滴の粘性や表面張力を低下させ、溶滴移行を円滑にすることによって、スパッタを小粒化させ、溶接作業性を向上させる効果を発揮する一方で、耐割れ性を低下させる元素である。そのためＳの含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０３％以下がより好ましい。また、Ｓの含有量は０．００１０％以上が好ましい。
　Ｐは耐割れ性や溶接金属の機械的性質を低下させるため、Ｐの含有量は０．０５％以下に抑制することが好ましく、０．０３％以下がより好ましい。
　Ｂは溶接金属中の窒素による靱性の低下を防止する一方で、耐割れ性を低下させる。そのためＢの含有量は０．０５％以下が好ましく、０．０３％以下がより好ましい。また、靱性を確保したい場合、Ｂの含有量は０．０００５％以上が好ましい。
　Ｃｕは溶接金属の強度や耐候性の向上に寄与する。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる範囲で強度、耐候性を得たい場合は、Ｃｕの含有量は２．０％以下が好ましく、１．０％以下がより好ましい。また、溶接金属の強度や耐候性を確保したい場合は、Ｃｕの含有量は０．０１％以上が好ましい。
　Ｔａは強度等機械的性能に影響を及ぼす成分である。軟鋼、高張力鋼若しくは低温鋼用等よく用いられる鋼種に求められる機械的性能の範囲を満たすための適するＴａの含有量は３．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。
　ＲＥＭは希土類元素を意味し、ＣｅやＬａ等が挙げられる。ＲＥＭはＳとの親和性が高く、Ｓの粒界偏析を抑制し、Ｓによる高温割れを抑制する効果も発揮する。よって、よりアークの安定化を望む場合は、ＲＥＭの合計の含有量は０．１％以下とすることが好ましく、０．０５％以下がより好ましい。
　また、残部がＦｅ及び不純物であることが好ましい。
　残部となるＦｅの含有量は８０％以上が好ましく、また、９８％以下が好ましい。
　不純物とは、意図的に添加しないものを意味し、上記以外の元素として、例えばＳｎ、Ｃｏ、Ａｓ等が挙げられる。また、前記元素が酸化物として含まれる場合には、Ｏも残部に含まれることとなる。不純物の含有量は合計で０．５％以下が好ましく、０．３％以下がより好ましい。
　ステンレス鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤの合金成分の組成としては、例えば、ワイヤ全質量に対する質量分率でＣ：０．５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｎｉ：５．０～２０．０％、Ｍｏ：３．０％以下、Ｗ：３．０％以下、Ｎｂ：３．０％以下、Ｖ：３．０％以下、Ｃｒ：１５．０～３０．０％、Ｔｉ：３．０％以下、Ｎ：０．５０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｔａ：３．０％以下、及びＲＥＭ：０．１％以下をさらに満たすことが好ましい。これらの元素は含まれなくてもよい。
　上記に加え、フラックス入りワイヤにおける１種又は複数のアルカリ金属元素から構成される金属粉及び金属化合物をさらに含んでいてもよく、この場合のアルカリ金属元素はアーク安定剤として作用する。なお、アルカリ金属元素は、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ等が挙げられる。アルカリ金属元素から構成される金属粉及び金属化合物の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して３％以下であることが好ましく、２％以下がより好ましい。
　上記合金成分の組成は、鉄基合金や、ＪＩＳ　Ｚ　３３２３：２００７年に準拠したステンレス鋼用として用いられるフラックス入りワイヤに一般的に用いられる組成と同様の組成で用いることができる。
　具体的な好ましい態様として、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎ以外の元素は、上記軟鋼用、高張力鋼用、低温鋼用、耐候性鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤの合金成分の組成と同様である。
　Ｎｉは溶接金属のオーステナイト組織を安定化させ、低温での靱性を向上させる成分であり、また、フェライト組織の晶出量を調整する目的で一定量添加される成分である。それら性能のバランスから、Ｎｉの含有量はステンレス鋼として一般的な含有量と同様の範囲でよく、５．０％以上が好ましく、９．０％以上がより好ましい。また、Ｎｉの含有量は２０％以下が好ましく、１６％以下がより好ましい。
　Ｃｒは溶接金属の耐食性を向上させる成分である一方で、必要以上に含有すると酸化性シールドガスと反応して酸化物を生成し、スラグ成分組成のバランスに影響を及ぼす成分である。それら性能のバランスから、Ｃｒの含有量はステンレス鋼として一般的な含有量と同様の範囲でよく、１５％以上が好ましく、１７％以上がより好ましい。また、Ｃｒの含有量は３０％以下が好ましく、２５％以下がより好ましい。
　Ｍｏは耐食性、特に耐孔食性を向上させる成分である一方で、希少で経済性の悪い成分である。それら性能のバランスから、Ｍｏの含有量はステンレス鋼として一般的な含有量と同様の範囲でよく、５．０％以下が好ましく、４．０％以下がより好ましい。
　ＮｂはＣと結合することで固定化し、Ｃｒ炭化物の生成による耐食性劣化、すなわち鋭敏化を抑制することで耐食性を向上する成分である一方で、耐割れ性を劣化させる成分である。そのため、Ｎｂの含有量は３．０％以下が好ましく、２．０％以下がより好ましい。耐鋭敏化鋼等に用いられる場合はＮｂの含有量は０．２％以上が好ましい。
　Ｎは溶接金属のオーステナイト組織を安定化させる、溶接金属の強度を向上させる、耐孔食性を向上させる等の効果を発揮する成分である一方で、気孔欠陥を招く成分である。それら性能のバランスから、Ｎの含有量は０．５％以下が好ましく、０．４％以下がより好ましい。また、高耐食鋼、極低温用鋼等に用いられる場合はＮの含有量は０．１％以上が好ましい。
　Ｎｉ基合金用等として用いられるフラックス入りワイヤの合金成分の組成としては、例えば、ワイヤ全質量に対する質量分率でＣ：０．５％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：４．０％以下、Ｆｅ：１０．０％以下、Ｍｏ：２０．０％以下、Ｗ：５．０％以下、Ｎｂ：４．５％以下、Ｖ：３．０％以下、Ｃｒ：１０．０～３５．０％、Ｃｏ：２．５％以下、Ｔｉ：１．０％以下、Ｎ：０．５０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｔａ：３．０％以下、及びＲＥＭ：０．１％以下をさらに満たすことが好ましい。これらの元素は含まれなくてもよい。
　上記に加え、フラックス入りワイヤにおける１種又は複数のアルカリ金属元素から構成される金属粉及び金属化合物をさらに含んでいてもよく、この場合のアルカリ金属元素はアーク安定剤として作用する。なお、アルカリ金属元素は、Ｋ、Ｌｉ、Ｎａ等が挙げられる。アルカリ金属元素から構成される金属粉及び金属化合物の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して３％以下であることが好ましく、２％以下がより好ましく、また、残部がＮｉ及び不純物であることが好ましい。
　上記合金成分の組成は、Ｎｉ基合金や、ＪＩＳ　Ｚ　３３３５：２０１４年に準拠したＮｉ基合金用として用いられるフラックス入りワイヤに一般的に用いられる組成と同様の組成で用いることができる。
　具体的な好ましい態様として、Ｆｅ、Ｃｏ以外の元素は、ステンレス鋼用等として用いられるフラックス入りワイヤの合金成分の組成と同様である。
　Ｆｅは溶接金属の経済性を向上させるために、機械的特性や耐食性等に悪影響を及ぼさない程度に添加される成分である。Ｎｉ基合金に求められる耐食性、耐熱性等を発揮する為には、上限は１０．０％以下が好ましい。
　ＣｏはＮｉと同様にオーステナイト組織を安定化させる成分である。また、一般的なＮｉ素材に不純物として比較的多量に含有されるため、不可避的に含まれる成分である。一方、Ｃｏは極めて経済性が悪く、積極的な添加は好ましくない。Ｃｏの含有量は２．５％以下が好ましい。
　フラックス入りワイヤの外皮も特に限定されるものではないが、例えば、普通鋼、ＳＵＨ４０９Ｌ（ＪＩＳ　Ｇ　４３１２：２０１９年）、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ（いずれもＪＩＳ　Ｇ　４３０５：２０１２年）等や、Ａｌｌｏｙ６００（ＵＮＳ　Ｎ０６６００）、Ａｌｌｏｙ６２５（ＵＮＳ　Ｎ０６６２５）、Ａｌｌｏｙ２２（ＵＮＳ　Ｎ０６０２２）、Ａｌｌｏｙ２７６（ＵＮＳ　Ｎ１０２７６）等を使用することができる。
　フラックス入りワイヤは、外皮によって形成される内部空隙に対するフラックス量が少ないと、溶接時にフラックス柱の形成がし難くなる。また、ワイヤ内でフラックスの移動現象が発生する。その場合、ワイヤの製造ラインの振動状況等によってワイヤの長手方向のフラックス含有率（以下、フラックス充填率又はフラックス率とも記す。）にバラつきが生じ、ワイヤの品質が不安定になることが懸念される。そのため、ワイヤ中のフラックスの含有率は、ワイヤ全質量に対する質量分率で１０％以上が好ましく、１１％以上がより好ましい。
　一方、多量のフラックスを少量の外皮で包み込むためには、肉厚の薄い外皮材を使用すればよいものの、外皮材が極度に薄い場合には、ワイヤの伸線工程で外皮材が破れ、ワイヤが破断することが懸念される。そのため、ワイヤ中のフラックス含有率は２０％以下が好ましく、１８％以下がより好ましい。
　フラックス入りワイヤのワイヤ径（Ｄ）は特に限定されないが、一般的な溶接装置との組み合わせや溶接作業性を考慮すると、直径は０．９ｍｍ以上が好ましく、１．０ｍｍ以上がより好ましく、１．２ｍｍ以上がさらに好ましく、また、２．０ｍｍ以下が好ましく、１．６ｍｍ以下がより好ましい。
　ワイヤの断面形状についても特に限定されず、外皮に合わせ目があるタイプのワイヤや、当該合わせ目のないシームレスタイプ等に用いることができる。また、シームレスタイプの場合は表面にＣｕ等のめっき処理を施してもよい。
＜＜製造方法＞＞
　本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、従来と同様の方法で製造することができ、特に限定されない。例えば、外皮内にフラックスを充填する。その際、外皮の組成、フラックスの組成及び含有率が各々前述した範囲になるよう適宜調整する。次いで、外皮内にフラックスが充填されたワイヤを、圧延、もしくは伸線することにより縮径し、所定の外径を有するフラックス入りワイヤを得ることができる。
＜＜溶接方法＞＞
　本実施形態に係る溶接方法は、正極性の上記フラックス入りワイヤとシールドガスを用いたガスシールドアーク溶接である。
　シールドガスは特に限定されず、一成分のみの単一のシールドガスを用いても、２種以上の混合ガスを用いてもよい。例えば、活性ガス成分であるＣＯ２ガスを６０体積％以上含むことが好ましく、また、不活性ガス成分であるＡｒガスを６０体積％以上含むことも好ましい。
　その他、溶接に際し、溶接電流、溶接電圧、溶接速度、溶接姿勢、シールドガス流量等を適宜調整して決定する。
＜＜溶接金属＞＞
　本実施形態に係る溶接金属は、上記フラックス入りワイヤを用いた溶接により形成される。溶接される母材は、軟鋼、高張力鋼、低温鋼、ステンレス鋼若しくはＮｉ基合金等、通常用いられるものを使用することができる。
　溶接により形成された溶接金属の組成は、母材やワイヤの組成や、シールドガスの種類等の溶接条件によって異なることから一様に定義することはできないが、ワイヤ送給速度が速く、同一入熱での施工能率に優れる。
　以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
＜評価方法＞
（高溶着性評価）
　下記に示す溶接条件により溶接を行い、溶接中のワイヤ送給速度の測定により高溶着性評価を行った。
　ワイヤ送給速度は、比較例１のフラックス入りワイヤを用いた際のワイヤ送給速度３．６９（ｍ／分）を基準として評価を行ったが、その改善率が５％以上であると、高溶着性能を有するといえる。なお、改善率とは比較例１のワイヤ送給速度に対する増加割合を示す。
（溶接条件）
溶接電流：２４０Ａ
溶接電圧：適正（２０～２３Ｖとする。）
溶接速度：３０ｃｍ／分
溶接姿勢：下向き、ビードオンプレート
チップ－母材間距離：１５ｍｍ
シールドガス：ＣＯ２ガス１００％
ガス流量：２５Ｌ／分
母材：ＳＭ４９０Ａ（溶接構造用圧延鋼材）
＜実施例１～１７及び比較例１＞
　表１～３に示す組成を有するフラックス入りワイヤを用いて、上記溶接条件により溶接試験を実施した。なお、フラックスの組成において、酸化物及び炭酸塩は積極的添加がされておらず、ワイヤ全質量に対する含有量はいずれも、すべてのフラックス入りワイヤにおいて、０．５％以下であった。
　また、仕事関数の重み付け相乗平均値とワイヤ送給速度との関係を図４に示すが、図４中の■は比較例１の結果を示し、◆は実施例の結果を示すものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　フラックスに含まれる金属化合物粉がＢａＦ２の一種のみであり、仕事関数の重み付け相乗平均値（Φ）が１．００未満である比較例１のフラックス入りワイヤに対し、当該重み付け相乗平均値（Φ）を１．００以上（－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７）以下とすることにより、ワイヤ送給速度の大幅な改善が見られ、溶着性に優れる結果となった。
　本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は２０１９年５月９日出願の日本特許出願（特願２０１９－０８９０１４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (11)

  1. 　正極性のガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤであって、
    　前記フラックス入りワイヤのフラックスは１種又は数種の金属化合物粉を含有し、
    　前記金属化合物粉を構成する１種又は数種の金属元素は、高温環境下における安定化合物とした際に、前記安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値が、前記フラックス入りワイヤのワイヤ径に対して以下の関係を満たす、フラックス入りワイヤ。
    　１．００≦Φ≦－０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７
    　Φ＝Φ１ ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍ ｎｍ／ｎｔｏｔａｌ
    式中、Ｄはワイヤ径（ｍｍ）、Φは安定化合物の仕事関数の重み付け相乗平均値（ｅＶ）、Φ１～Φｍ（ｍは自然数）はｍ種の安定化合物の各仕事関数（ｅＶ）、ｎ１～ｎｍは前記ｍ種の安定化合物となるｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の各含有量（ｍｏｌ／ｇ）、ｎｔｏｔａｌは前記ｍ種の金属元素のフラックス入りワイヤ全質量中の合計の含有量（ｍｏｌ／ｇ）をそれぞれ意味する。
  2. 　前記安定化合物が酸化物又は酸化物の混合物である、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  3. 　前記安定化合物の仕事関数が、いずれも４．０ｅＶ以下である、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  4. 　前記金属化合物粉は１種又は数種の金属フッ化物粉を含み、
    　前記金属化合物粉に含まれる金属酸化物粉の合計の含有量は、ワイヤ全質量に対して０．５質量％以下である、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  5. 　沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  6. 　沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、請求項２に記載のフラックス入りワイヤ。
  7. 　沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、請求項３に記載のフラックス入りワイヤ。
  8. 　沸点１６００℃以下の、金属粉及び無機化合物粉の少なくともいずれか一方を、ワイヤ全質量に対して合計で１．０×１０－４ｍｏｌ／ｇ以上含有する、請求項４に記載のフラックス入りワイヤ。
  9. 　純Ｆｅ、Ｆｅ基合金又はＮｉ基合金を外皮とする、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤを用いた溶接により形成された溶接金属。
  11. 　請求項１～９のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤとシールドガスを用いた溶接方法。
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