JP2007319910A - フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フェライト系ステンレス鋼用ガスシールド溶接に用いるフラックス入りワイヤにおいて、フラックス入りワイヤが鋼合金製のワイヤ素線からなるものであり、ワイヤ全質量に対するSi、Mn、S、Crの含有量および、フラックス全質量中のスラグ造宰剤の含有量を所定範囲に規定し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、不可避的不純物のうちC、P、Niを抑制し、かつ、下記式(1)
X=0.32R1 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(1)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R1 eq=Cr質量%+1.5Si質量%である)を満足することを特徴とする。
【選択図】なし
Description
これらのフェライト系ステンレス鋼に使用する溶接ワイヤとしては、一般的には、17〜19質量%程度のCrを添加し、溶接金属がフェライト単相を呈するようにC、Si、Mnを調整したソリッドワイヤまたはメタル系フラックス入りワイヤが多く実用化されている。また、高温割れを防止すべく、結晶粒微細化のためにNbを適量添加したものも実用化されている。
自動車の排気系部品等に使用されるSUS鋼板は、その薄さによって、アーク溶接時に溶落ちが発生しやすいため、その改善が望まれていることから、使用するワイヤにおいても、耐溶落ち性が必要とされている。
そこで、耐溶落ち性に優れたTIG(Tungsten Inert Gas)溶接法やプラズマ溶接法が用いられているが、これらの溶接法では、能率が悪くコストも高いという問題がある。そのため、溶接能率とコストに優れる消耗電極式ガスシールドアーク溶接法、いわゆるMAG(Metal Active Gas)溶接法やMIG(Metal Inert Gas)溶接法での耐溶落ち性改善が望まれていた。
また、特許文献5のフラックス入りワイヤは、スラグが大量に発生するタイプであり、溶接後にスラグ除去工程が組まれない自動車分野では適用することはできないという問題があった。
X=0.32R1 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(1)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R1 eq=Cr質量%+1.5Si質量%である)
を満足することを特徴とする。
また、Sを所定量含有することで、アーク直下から溶接線後方に形成される溶融池の粘性、表面張力が低下し、アーク力+表面張力による溶融池の押し上げが小さくなることで、溶融池自体の重力が勝り、溶融池がアーク直下に落ち込みやすくなる。これにより、アーク直下での溶融池の深さが大きくなり、溶込み深さが低減する。
これらの作用により、耐溶落ち性が向上する。
その他、フラックス、スラグ造宰剤、所定の元素等を所定範囲に規定することで、耐溶落ち性、耐高温酸化性、耐割れ性等が向上する。
X=0.32R1 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(1)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R1 eq=Cr質量%+1.5Si質量%である)
を満足することを特徴とする。
X=0.32R2 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(2)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R2 eq=Cr質量%+1.5Si質量%+0.5(Nb質量%+V質量%)である)
を満足することを特徴とする。
本発明は、フラックス入りワイヤの成分を所定範囲に規定することを特徴とするフェライト系ステンレス鋼用ガスシールド溶接に用いるフラックス入りワイヤである。
前記フラックス入りワイヤは、鋼合金製のワイヤ素線からなるものであり、所定量のSi、Mn、S、Crを含有し、スラグ造宰剤を所定量以下に抑制し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、不可避的不純物として、C、P、Niを所定量以下に抑制したものである。
また、このワイヤ素線の表面に、Cuメッキ層を設けてもよい。
図1は、アーク溶接の様子を模式的に示した模式図であり、(a)は、従来のワイヤを用いた場合を示す模式図、(b)は、本発明に係るワイヤを用いた場合を示す模式図である。
また、チップ2/ワイヤ31通電点(主にチップ2先端)からアーク5の発生点までのいわゆる突出し部分Aおよび先端に形成される溶滴4自体の抵抗発熱が低い。
具体的には(1)の電気抵抗増大にはSi、Mn、必要に応じてNb、Vの増大を、(2)の溶融池の表面張力と粘性の低下にはSの増大を図ることで達成した。
以下、ワイヤの成分の限定理由について説明する。
前記のとおり、ソリッドワイヤよりもフラックス入りワイヤのほうが一般的に耐溶落ち性に優れる。
しかし、フラックスの充填率(ワイヤ全質量に対するフラックスの質量)が5質量%未満の場合は金属外皮により形成される円筒部分に多くの空隙が生じ、フラックスが均一に配分されず、ワイヤを安定して製造することが困難となり、アーク安定性が低下する。したがって、フラックス充填率は5質量%以上とする。一方、フラックスの充填率が30質量%を超えると、相対的に金属外皮の厚さが薄くなり、ワイヤの強度が著しく損なわれ、折れやすくなるため、ワイヤを安定して製造することが困難となる。したがって、フラックス充填率は、30質量%以下とする。
Siは脱酸反応に必要で、かつ突出し部分と溶滴の電気抵抗上昇に効果的である。耐溶落ち性向上に対して最低0.60質量%が必要であるため、Siの含有量は、0.60質量%以上、好ましくは0.80質量%以上とする。一方、1.50質量%を超えると溶滴が大粒化し、スパッタが増加すると共に、延性が低下する。したがって、Siの含有量は、1.50質量%以下、好ましくは1.30質量%以下とする。
Mnもまた脱酸反応に必要な元素であり、かつ突出し部分と溶滴の電気抵抗上昇に効果的である。しかし、マルテンサイトを生成しやすくする元素のため、通常は0.40質量%未満に抑えられているのが一般的である。本発明ではC含有量の低減、Si含有量の増加等によるフェライト相の安定化を図ることによりマルテンサイト生成を抑制しつつ、Mn含有量の増大を図っている。0.40質量%以上で耐溶落ち性向上に有効であるため、Mnの含有量は0.40質量%以上、好ましくは0.75質量%以上、さらに好ましくは、1.00質量%以上とする。一方、2.00質量%を超えると溶滴が大粒化し、スパッタが増加すると共に、延性が低下する。したがって、Mnの含有量は、2.00質量%以下とする。
Sは溶融池の粘性と表面張力を低下させる効果がある。それによってアーク後方からアーク直下に溶湯が流れ込み、深い溶融池を形成する。これによって溶込み深さが低減され、耐溶落ち性が向上する。この溶湯の流れ込みによる耐溶落ち性向上の効果を得るには、最低0.012質量%の含有が必要である。したがって、Sの含有量は、0.012質量%以上、好ましくは0.016質量%以上、より好ましくは0.025質量%以上とする。さらに、0.050質量%以上とすると、より効果的である。一方、0.100質量%を超えると耐高温割れ性が発生し、また、延性が低下するため、Sの含有量は、0.100質量%以下とする。
Crはステンレス鋼用としての耐食性や耐酸化性を得るために必須な元素である。SUS430等の排気系部品に使われる鋼材と同等の耐食性・耐酸化性とするためにはCr含有量も同等であることが好ましい。16.0質量%以上であれば耐食性・耐酸化性に問題は無いため、Crの含有量は、16.0質量%以上とする。一方20.0質量%を超えると高コスト化し、スパッタが増加すると共に、延性が低下するため、Crの含有量は、20.0質量%以下とする。
スラグ発生量を減少させるにはワイヤ中のスラグ造宰剤を減らすことが不可欠である。
ここでスラグ造宰剤とは金属粉末以外を指し、TiO2、SiO2、Na2O、K2O、CaO、Al2O3、Li2O、MnO、MgO等の酸化物、LiF、NaF、CaF2、KF、AlF3等のフッ化物が挙げられる。
5質量%を超えるとスラグ過剰で後工程の塗装に問題が生じ、また、アーク安定性が低下することからワイヤ中のスラグ造宰剤の質量の合計は、5質量%以下とし、好ましくは3質量%以下とする。なお、スラグ造宰剤は、本発明の効果を妨げない範囲において含有することは許容されるが、スラグ造宰剤は少ないほうが好ましい。そのため、下限は設定しないが0質量%でもよい。
Cは耐食性・耐酸化性を低下させ、マルテンサイトを生成させやすくし、また、延性の低下や、割れを発生しやすくするため、極力少ない方が好ましい。上限としては0.07質量%まで許容可能である。好ましくは0.03質量%以下である。下限は設けないが、溶製が困難なため、現実的には0.001質量%程度が工業的に下限となる。
Pは耐割れ性を劣化させる元素のため、極力低減する。上限としては0.025質量%までであれば実用上問題ないため、これを上限とする。なお、Pは少ないほうが好ましいため下限は設定しないが0質量%でもよい。
Niはフェライト系ステンレス鋼には不要な元素である。Niが多いほどフェライト層が不安定化し耐高温酸化性が低下するのでNiの含有量は少ない方が好ましい。工業的に0.30質量%以下に抑制してあれば問題ないので、Niの含有量は0.30質量%以下とする。なお、Niは少ないほうが好ましいため下限は設定しないが0質量%でもよい。
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R1 eq=Cr質量%+1.5Si質量%である)
ここで、NeqはNi当量を表し、R1 eqはCr当量を表す。X≧0の時に形成される溶接金属はフェライト層となる。逆にX<0の場合はマルテンサイト層が析出し、耐腐食性・耐酸化性の低下、熱サイクルに対する疲労性能低下、延性の低下が発生するのでX≧0を必須とする。
<メッキ層のCu:0.24質量%以下>
チップ磨耗の抑制、耐錆性の向上、製造時の伸線性の向上といった目的でCuメッキを施しても良いが、ワイヤ通電点の電気抵抗を低下させ、ワイヤの発熱効果が低下して耐溶落ち性が低下しやすい。したがって、Cuメッキを施す場合、フラックス入りワイヤでは、0.24質量%以下であれば許容範囲であるため、メッキ層のCu含有量は、0.24質量%以下とする。
Nは無添加でも問題ないが、少量の添加で焼入れ性を高め、結晶粒を微細化して耐高温割れ性を向上させる。しかし、0.050質量%を超えるとブローホールが発生し、また、延性が低下するため、Nの含有量は、0.050質量%以下とする。また、この効果は0.0040質量%以上で顕著となるため、Nの含有量は、0.0040質量%以上とするのが好ましい。
Nb、Vは無添加でも問題ないが、添加することによりフェライトを安定化し、耐割れ性を向上させると共に、耐腐食性・耐酸化性も向上させることが出来る。しかし、それぞれ1.00質量%を超えると延性が低下するので、Nb、Vの含有量は、それぞれ1.00質量%以下とする。また、この効果はそれぞれ0.10質量%以上で顕著となるため、Nb、Vの含有量は、それぞれ0.10質量%以上とするのが好ましい。
ここで、NeqはNi当量を表し、R2 eqはCr当量を表す。X≧0の時に形成される溶接金属はフェライト層となる。逆にX<0の場合はマルテンサイト層が析出し、耐腐食性・耐酸化性の低下、熱サイクルに対する疲労性能低下、延性の低下が発生するのでX≧0を必須とする。
Al、Tiは無添加でも問題ないが、Nb、Vと同様に添加することにより結晶粒を微細化し、耐割れ性を向上させると共に、耐腐食性・耐酸化性も向上させることが出来る。しかし、それぞれ0.60質量%を超えると延性が低下すると共に、スラグが多く発生して塗装性を低下させるので、Al、Tiの含有量は、それぞれ0.60質量%以下とする。また、この効果はそれぞれ0.05質量%以上で顕著となるため、Al、Tiの含有量は、それぞれ0.05質量%以上とするのが好ましい。
Moは無添加でも問題ないが、添加することにより結晶粒を微細化し、耐割れ性を向上させると共に、耐腐食性・耐酸化性も向上させることが出来る。しかし、2.50質量%を超えると延性が低下するので、Moの含有量は、2.50質量%以下とする。また、この効果は0.05質量%以上で顕著となるため、Moの含有量は、0.05質量%以上とするのが好ましい。特に、鋼板がMoを必須添加とするSUS444等に適用する場合は、溶接金属にも必須となるため、この場合は、同程度添加させる。
Fは無添加でも問題ないが、添加することによりアークの安定性と集中性の向上に効果がある。しかし、0.3質量%を超えるとかえってアークの安定性が低下し、スパッタが増加する。したがって、Fの含有量は、0.3質量%以下とする。また、この効果は0.01質量%以上で顕著となるため、Fの含有量は、0.01質量%以上とするのが好ましい。なお、一般的にはFは金属外皮から添加することは困難であり、フラックスから添加される。Fを添加するためのフッ化物としては、LiF、NaF、BaF、CaF2、AlF3等が代表的である。
<K、Na、Li合計:フラックスとして合計0.30質量%以下>
K、Na、Liは無添加でも問題ないが、Ar+酸化性ガス(O2、CO2)を用いた溶接においてアーク安定剤として働く。アーク不安定時には、アーク長が変化し、アーク力も変動するが、これによって耐溶落ち性が劣化するので、アークはできるだけ安定であることが好ましい。しかし、0.30質量%を超えると逆にアーク安定性が損なわれるのでK、Na、Liの合計は、0.30質量%以下とする。また、アーク安定剤を含有させると耐溶落ち性向上に有効となるが、その効果は0.002質量%以上で有効であるため、K、Na、Liの合計は、0.002質量%以上とするのが好ましい。なお、フラックスとしての添加方法はK2O、Na2O、Li2O等の酸化物、Li2CO3等の炭酸塩、Liフェライト等の合金を原料として用いるのが一般的である。
添加成分は金属外皮から添加するか、フラックスから添加するかは特に問わないが、ワイヤの突出し部分でより発熱させるためには、金属外皮に成分添加し、電気抵抗を高めることが効果的である。
先ず、表1に示す金属外皮α,βを用いて、1.2mmφのフラックス入りワイヤを試作した。ワイヤの成分組成、使用した鋼板(試験板)を表2、3に示す。なお、表1〜3において成分を含有していないものについては「−」で示し、表3において、本発明の構成を満たさないものについては、数値に下線を引いて示す。なお、表2、3において、FCWは、フラックス入りワイヤのことである。
耐溶落ち性については、SUS430または一部SUS444の2.0mm厚さのステンレス鋼板を用いて、開先無し、ルートギャップなしの下向I型突合せを速度80cm/minで行った。シールドガスはAr80体積%+CO220体積%、溶接機は定電圧インバータ制御機(パルス無し)である。ワイヤ送給速度を変化させて、溶落ちが発生しない限界の最大溶着量を限界溶着量として求めた。限界溶着量が大きい方が耐溶落ち性に優れていると評価した。40g/min以上を良好、それ未満は不合格とした。
耐高温酸化性については、JIS Z3321に従い全溶着金属試験を行い、その溶接金属中央から厚さ1.5mm、幅10mm、長さ40mmの酸化試験片を採取し、大気中で900℃×200時間保持して試験前後の重量を測定した。その酸化増量が少ない方が耐高温酸化性に優れていると判断した。5g/m2以下を良好、それを超えたものは不合格とした。
金属組織状態については、溶接金属のミクロ組織観察により、フェライト単相となっているものを合格、マルテンサイト相が析出しているものはフェライト系マルテンサイト鋼用として不適切と判断した。
JIS Z3155「C型冶具拘束突合せ溶接割れ試験方法」に従い、溶接条件を耐溶落ち性の限界溶着量を求めた時の電流、電圧、溶接速度にて行った。割れが生じたものは不合格、生じないものを合格とした。
アーク安定性については、耐溶落ち性の試験の際に官能にて安定性を評価した。溶滴移行が安定でスパッタが少ない場合やワイヤ送給性が良く、アーク長が乱れない場合は良好とした。溶滴移行が不安定でスパッタが多い場合やワイヤ送給性が悪く、アーク長が乱れる場合は不合格(×)とした。
曲げ性能については、全溶着金属試験の継手から板厚の表側5mmをスライスして切り出し、JIS Z3122「突合せ溶接継手の曲げ試験方法」に従って表曲げ試験を行った。R10mmで180°曲げを行い、割れの有無を確認した。無欠陥を延性良好として合格、割れが生じたものは不合格(×)とした。
X線透過試験にて溶接金属にブローホールが発見された場合、ワイヤ送給性が悪い場合、スラグ量が多く塗装性劣化の懸念が高い場合等を記し、不合格とした。
これらの結果を表4、5に示す。なお、表5において、耐溶落ち性および耐高温酸化性が不合格のものについては、数値に下線を引いて示す。
2 チップ
3、31 ワイヤ
4 溶滴
5 アーク
6 溶融池
Claims (6)
- 金属外皮中にフラックスを充填して、フェライト系ステンレス鋼用ガスシールド溶接に用いるフラックス入りワイヤにおいて、
前記フラックス入りワイヤが鋼合金製のワイヤ素線からなるものであって、
ワイヤ全質量に対するフラックス充填率が5〜30質量%であり、ワイヤ全質量に対し、Si:0.60〜1.50質量%、Mn:0.40〜2.00質量%、S:0.012〜0.100質量%、Cr:16.0〜20.0質量%含有し、更に、フラックス全質量中のスラグ造宰剤を5質量%以下に抑制し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、C:0.07質量%以下、P:0.025質量%以下、Ni:0.30質量%以下であり、かつ、下記式(1)
X=0.32R1 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(1)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R1 eq=Cr質量%+1.5Si質量%である)
を満足することを特徴とするフラックス入りワイヤ。 - 金属外皮中にフラックスを充填して、フェライト系ステンレス鋼用ガスシールド溶接に用いるフラックス入りワイヤにおいて、
前記フラックス入りワイヤが鋼合金製のワイヤ素線の表面にCuメッキ層を設けたものであって、
ワイヤ全質量に対するフラックス充填率が5〜30質量%であり、ワイヤ全質量に対し、Si:0.60〜1.50質量%、Mn:0.40〜2.00質量%、S:0.012〜0.100質量%、Cr:16.0〜20.0質量%含有し、更に、フラックス全質量中のスラグ造宰剤を5質量%以下に抑制し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、C:0.07質量%以下、P:0.025質量%以下、Ni:0.30質量%以下であり、前記Cuメッキ層がCu:0.24質量%以下であり、かつ、下記式(1)
X=0.32R1 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(1)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R1 eq=Cr質量%+1.5Si質量%である)
を満足することを特徴とするフラックス入りワイヤ。 - 請求項1または請求項2に記載のフラックス入りワイヤにおいて、更に、N:0.050質量%以下、Nb:1.00質量%以下、V:1.00質量%以下、Al:0.60質量%以下、Ti:0.60質量%以下、Mo:2.50質量%以下、F:0.3質量%以下のうち1種以上を含有し、かつ、下記式(2)
X=0.32R2 eq−3.86−Neq、 X≧0 ・・・(2)
(式中、Neq=Ni質量%+30C質量%+0.5Mn質量%、R2 eq=Cr質量%+1.5Si質量%+0.5(Nb質量%+V質量%)である)
を満足することを特徴とするフラックス入りワイヤ。 - 前記Nが0.0040〜0.050質量%、前記Nbが0.10〜1.00質量%、前記Vが0.10〜1.00質量%、前記Alが0.05〜0.60質量%、前記Tiが0.05〜0.60質量%、前記Moが0.05〜2.50質量%、前記Fが0.01〜0.3質量%であることを特徴とする請求項3に記載のフラックス入りワイヤ。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のフラックス入りワイヤにおいて、
更に、K、Na、Liの1種以上を合計0.30質量%以下含有することを特徴とするフラックス入りワイヤ。 - 前記K、Na、Liの1種以上の合計が0.002〜0.30質量%であることを特徴とする請求項5に記載のフラックス入りワイヤ。
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