JP5419492B2

JP5419492B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ

Info

Publication number: JP5419492B2
Application number: JP2009044228A
Authority: JP
Inventors: 州司郎長島; 竜太朗千葉
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010194595A

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに係り、多層盛溶接においてスラグ除去の必要が無く連続溶接が可能で、良好なビード外観が得られるとともに、アーク状態が良好でスパッタ発生量の少ない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。

ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ（以下、フラックス入りワイヤという。）は、優れた溶接作業性や高能率な溶接が可能なことから各分野で使用されている。しかし、特に建機・鉄骨の分野では、すみ肉溶接および継手溶接の開先内を多層盛で連続溶接することが多く、ルチール系のようなスラグ生成量が多いフラックス入りワイヤは好まれず、スラグ除去作業がほとんど不要なソリッドワイヤおよび高溶着高能率のメタル系フラックス入りワイヤが使用されている。

一方、ソリッドワイヤを用いて溶接を行った場合は、フラックス入りワイヤを用いた場合に比べて、溶接電流が高くなるので半自動溶接を行った場合に溶接技能者の疲労が蓄積しやすい。また、無塗装鋼板を溶接した場合は、スパッタ発生量が多く、発生したスパッタが鋼板表面に付着するのでスパッタ除去作業の工数が多くなりスラグ除去作業が不要でも作業能率が悪いという問題がある。

従来、スラグ生成量の少ないフラックス入りワイヤとして、例えば特許文献１に充填フラックス中に鉄粉を３０〜８０質量％含む金属粉（メタル）系フラックス入りワイヤの開示がある。この特許文献１に記載の金属粉系フラックス入りワイヤは、スラグ生成量が少ないので多層盛溶接は可能であるが、ソリッドワイヤ並みの溶け込み性能を確保するためにフラックス充填率を低く規定しているのでアークが強くなり、溶接作業性が不良であった。また、スパッタ発生量も多く満足できるものではなかった。

また、特許文献２にワイヤ中のスラグ形成剤の総量が０．８〜４．０質量％で、鉄粉を５〜１２質量％含むフラックス入りワイヤの開示がある。この特許文献２に記載のフラックス入りワイヤは、スラグ生成量が少ないので多層盛溶接は可能であるが、脱酸剤としてＺｒを含有することが特徴であるのでアークが荒くなり溶接作業性が不良でスパッタ発生量も多く満足できるものではなかった。

溶着効率が高く、連続多層溶接性に優れ、かつスパッタ発生量が少なく、スラグ剥離性に優れたメタル系フラックス入りワイヤが、例えば特許文献３に開示されている。特許文献３に記載のメタル系フラックス入りワイヤは、スパッタ発生量が少なく、スラグ被包性、ビード外観およびスラグ剥離性が良好であるが、多層盛溶接の場合はスラグ量が多すぎてスラグを除去する必要があった。

特開２００１−１７９４８８号公報特開平１０−３１４９８５号公報特開平７−１１６８９２号公報

本発明は、アーク状態が良好でスパッタ発生量が少なく、さらにスラグの被包むらおよびスラグの焼付きがなく良好なスラグ剥離性およびビード外観が得られるとともに、特に多層盛連続溶接においてスラグ除去の必要が無く連続溶接が可能で、機械的性能も良好な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。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究し、その結果、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ中のＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂の量と弗素化合物を含むスラグ形成剤の量を適正にし、また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ量を適正にし、鉄粉の酸素およびその量、弗素化合物量およびＭｇ量を低く規制することにより、上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成した。

本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量％で、
鋼製外皮とフラックスの両方の合計で、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％、
Ｍｎ：１．５〜４．０％、
フラックスに、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値：１．０〜２．５％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：０．２〜２．０％、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値：０．０５〜０．７０％、
酸素量が０．２５％以下である鉄粉：２〜１５％、
弗素化合物のＦ換算値：０．１％以下、
Ｍｇ：０．２％以下、
弗素化合物を含むスラグ形成剤の合計が１．５〜４．５％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からな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にある。

本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、アーク状態が良好でスパッタ発生量が少なく、さらに溶接ビード全体に少量のスラグが薄く均一に被包してスラグの被包むらおよびスラグの焼付きがないので良好なスラグ剥離性およびビード外観が得られるとともに、特に多層盛溶接においてスラグが少量なのでスラグ除去の必要が無く連続溶接が可能である。また、同一溶着量を得るのに電流を低くできるので、溶接技能者の負担が小さくなり、かつ、高電流の溶接条件においても良好なアーク状態が得られるので非常に高い溶着効率で溶接を行うことができる。さらに、溶接金属中の酸素量も低いので高品質の溶接部を高能率に得ることが可能となる。

本発明者らは、前記課題を解決するためにフラックス入りワイヤを種々試作して、多層盛溶接に適用してアーク状態、スパッタ発生量、スラグの被包性、スラグ焼き付きおよびスラグ剥離状態、さらに機械的性質に及ぼす各成分組成の影響を調べた。

その結果、ワイヤ中のＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂の量と弗素化合物を含むスラグ形成剤の量を適正にし、また、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ量を適正にし、鉄粉の酸素およびその量、弗素化合物量およびＭｇ量を低く規制することにより、アーク状態が良好でスパッタ発生量が少なく、さらに溶接ビード全体に少量のスラグが薄く均一に被包してスラグの被包むらおよびスラグの焼付きもないので良好なスラグ剥離性およびビード外観が得られるとともに、特に多層盛溶接においてスラグが少量なのでスラグを除去する必要が無く連続溶接が可能で、溶着金属中の酸素量も低くなるので溶接金属の機械的性能も良好となることを見出した。

以下、本発明のフラックス入りワイヤの成分組成およびその含有量の限定理由について説明する。

（Ｃ：０．０３〜０．１２質量％）
Ｃは、鋼製外皮、フラックス中に含有されるフェロマンガン、フェロシリコンマンガンおよびグラファイト等から添加され、溶接金属の強度を調整する重要な元素の１つである。Ｃが０．０３質量％（以下、％という。）未満であると溶接金属の強度および靭性が低下する。一方、０．１２％を超えるとアークが強くなりすぎて高電流域の溶接が困難となり、スパッタ発生量が多くなる。さらに溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。

（Ｓｉ：０．５〜１．５％）
Ｓｉは、鋼製外皮、フラックス中に含有される金属シリコン、フェロシリコンおよびフェロシリコンマンガン等から添加され、溶接金属の強度および靭性を確保するために重要な成分である。Ｓｉが０．５％未満であると強度および靭性が低下する。一方、１．５％を超えると溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。

（Ｍｎ：１．５〜４．０％）
Ｍｎは、鋼製外皮、フラックス中に含有される金属マンガン、フェロマンガンおよびフェロシリコンマンガン等から添加され、溶接金属の強度および靭性を確保するために重要な成分である。Ｍｎが１．５％未満であると溶接金属の強度および靭性が低下する。一方、４．０％を超えると溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。

（Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値：１．０〜２．５質量％）
ＴｉＯ₂は、フラックス成分のＴｉ酸化物のルチール、酸化チタン、チタン酸ソーダ、チタンスラグ、イルミナイト等から添加される。これらはビード全体を均一に被包する作用を有する。また、アークを持続して安定させスパッタ発生量を低減させる効果がある。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値が１．０％未満であると、スラグ生成量が不足してビードを均一に被包できないのでスラグがビード表面に焼き付きビード外観が不良になる。また、アークを安定させる効果がなくなりスパッタ発生量も増加する。一方、２．５％を超えると、アークは安定してスパッタ発生量は減少するが、スラグが厚くなるので多層盛溶接連続溶接を行うときに途中でスラグを除去する工程が必要となる。

（Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値：０．２〜２．０％）
ＳｉＯ₂は、フラックス成分の珪砂、ジルコンサンド等より添加されスラグ形成剤として作用し、少量でスラグ粘性を大きくする効果がある。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値が０．２％未満であるとスラグ形成剤としての効果が無くスラグ被包性が悪くなりスラグが焼き付きビード形状が劣化する。一方、２．０％を超えると、アークが荒くなりスパッタ発生量が多くなる。

（Ｚｒ酸化物のＺｒＯ₂換算値：０．０５〜０．７０％）
ＺｒＯ₂は、フラックス成分のジルコンサンドおよび酸化ジルコニウム等から添加され、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ₂換算値が０．０５％以上でスラグ被包性を改善してビード形状を改善するスラグ形成剤として作用する。一方、０．７０％を超えると、アークが荒くなりスパッタ発生量が多くなるとともに、スラグが硬くなりビードにスラグが均一に被包し難くなるので、焼付いてスラグ除去が困難となりスラグ剥離性が悪くなる。

（鉄粉の酸素量が０．２５％以下の鉄粉：２〜１５％）
鉄粉は、フラックス入りワイヤの高溶着で極低スラグという特性を確保するためにフラックス成分として必須な成分である。鉄粉が２％未満では、高溶着性が得られずフラックス入りワイヤの特性が十分に発揮できない。一方、１５％を超えるとワイヤ製造段階の伸線工程でワイヤ長手方向にフラックス充填率の変動が生じるようになり断線が発生しやすくなるとともに、溶接時のアーク状態が不安定でスパッタ発生量が多くなる。

本発明のフラックス入りワイヤでは、溶接金属の酸素量を低減して衝撃靱性を確保するために、低酸素量の鉄粉を用いる。鉄粉の酸素量が０．２５％を超えると溶接金属の酸素量が増加して、溶接金属の靭性が低値となる。鉄粉の酸素量が０．２５％以下の水素還元鉄粉、アトマイズド鉄粉等を用いることによって、Ｔｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＺｒ等のようなスラグ生成量を増加させる強脱酸剤を添加することなく溶接金属の酸素量を低下させることができる。

（弗素化合物のＦ換算値：０．１％以下）
Ｆは、フラックス成分のフラックスの弗化ソーダ、珪弗化カリ、氷晶石、弗化アルミ、弗化リチウムおよびホタル石等から添加され、アークの安定性を向上させるが、弗素化合物のＦ換算値が０．１％を超えるとアークが強くなり、スパッタ発生量が増大する。また、スラグの粘性が低下してスラグ被包性が悪くスラグが焼き付いてビード外観が悪くなる。

（Ｍｇ：０．２％以下）
Ｍｇは、フラックス成分の金属ＭｇおよびＡｌ−Ｍｇ等から添加されて脱酸剤として作用するので添加することが好ましいが、本発明のようにスラグ量が少ない場合には、Ｍｇが０．２％を超えるとスラグの粘性が過剰となりスラグが均一に被包しなくなり、スラグが焼き付きビード外観が悪くなるので、上限を０．２％とした。

（弗素化合物を含むスラグ形成剤の合計：１．５〜４．５％）
スラグ形成剤は、ビード外観を整える作用がある。弗素化合物を含むスラグ形成剤の合計が１．５％未満であると、スラグ生成量が不足してビードを均一に被包できないのでスラグが焼き付きスラグ剥離性が悪くなるとともにビード外観を整えることができなくなる。また、アークが荒くなりスパッタ発生量が多くなる。一方、４．５％を超えるとアークが安定してスパッタも減少するが、スラグ生成量が多くなるため多層盛連続溶接を行うときに途中でスラグを除去する工程が必要となる。

なお、スラグ形成剤は弗素化合物も含み、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＦｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＭｇＯ等の酸化物の合計をいう。

そして、これら成分の残部はＦｅおよび不可避不純物からなっている。ここで、Ｆｅは、鋼製外皮からのＦｅや鉄合金（Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等のフェロアロイ）粉からのＦｅである。

また、本発明のフラックス入りワイヤは、フラックス充填後の伸線加工性が良好な軟鋼または合金鋼の外皮内にフラックスを充填後、孔ダイス伸線やローラ圧延加工により所定のワイヤ径（１．０〜１．６ｍｍ）に縮径して製造されるものである。ワイヤの断面構造は、特に限定するものではない。

以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。

まず、鋼製外皮にＪＩＳＧ３１４１ＳＰＣＣ帯鋼を使用し、表１に示すワイヤ径１．２ｍｍの各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。

表１に示すフラックス入りワイヤを用いて、板厚２０ｍｍの鋼板（ＪＩＳＧ３１０６ＳＭ４９０Ａ）でＺＩＳＺ３１１１に準じて試験体を作成し、表２に示す溶接条件で各パススラグを除去することなく溶接を行い、アーク状態、スパッタ発生量、スラグ被包性、スラグ剥離性、ビード外観を調査した。スラグ剥離性は、自然剥離せず軽打で剥離するものを良好とした。また、溶接後の試験体から引張試験片と衝撃試験片を採取して試験した。なお、引張強さは５４０〜６５０Ｎ／ｍｍ²、吸収エネルギーは試験温度０℃で３本の平均値が１００Ｊ以上を良好とした。

さらに、表２に示す溶接条件でビードオンプレート試験により１．５ｍｉｎ溶接してスパッタ発生量を測定した。スパッタ発生量は、発生したスパッタ全量を捕集し、溶接時間1分間当たりの発生量に換算した。なお、スパッタ発生量は５ｇ／ｍｉｎ以下が良好である。

それらの結果を表３にまとめて示す。

表１および表３中ワイヤＮｏ．１〜１０が本発明例、ワイヤＮｏ．１１〜２０は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．１〜１０は、ワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ₂換算値、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ₂換算値、Ｚｒ酸化物のＺｒＯ₂換算値、低酸素の鉄粉、弗素化合物のＦ換算値、Ｍｇおよび弗素化合物を含むスラグ形成剤の合計量が適量であるのでアーク状態、スラグ被包性、スラグ剥離性およびビード外観が良好で、スラグ生成量が少ないので多層盛り連続溶接が可能で、スパッタ発生量が少なく、さらに溶接金属の機械的性能も優れており極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤＮｏ．１１は、ＴｉＯ₂換算値が多いのでスラグ量が多くなり、多層盛連続溶接を行う途中でスラグを除去する必要であった。また、Ｃが少ないので引張強さおよび吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤＮｏ．１２は、ＺｒＯ₂換算値が少ないのでスラグの被包性が不良でスラグ焼き付きが生じてビード外観が悪かった。また、Ｃが多いのでアークが強くスパッタ発生量が多くなり、引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤＮｏ．１３は、金属弗化物のＦ換算値が多いのでアークが強くスパッタ発生量が多くなり、スラグの被包性が不良でスラグ焼き付きが生じてビード外観が悪かった。また、Ｓｉが少ないので引張強さが低く吸収エネルギーも低値であった。

ワイヤＮｏ．１４は、ＳｉＯ₂換算値が少ないのでスラグ包被性が不良でスラグ焼き付けが生じてビード外観も不良であった。また、Ｓｉが多いので引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤＮｏ．１５は、スラグ生成剤の合計が少ないのでスラグ生成量が不足してスラグ被包性が不良でスラグ焼き付きが生じてビード外観が悪くなり、アークが荒くスパッタ発生量が多かった。また、Ｍｎが少ないので引張強さが低く吸収エネルギーも低値であった。

ワイヤＮｏ．１６は、ＴｉＯ₂換算値が少ないのでスラグ被包性が不良でスラグ焼き付きが生じてビード外観が悪かった。また、Ｍｎが多いので引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤＮｏ．１７は、ＳｉＯ₂換算値が多いのでアークが荒くスパッタ発生量が多かった。また、鉄粉が少ないので溶着量が少なくなり溶接の積層数が多かった。

ワイヤＮｏ．１８は、スラグ生成剤の合計が多いので多層盛連続溶接を行う途中でスラグの除去が必要であった。また、鉄粉の酸素量が多いので吸収エネルギーが低値であった。

ワイヤＮｏ．１９は、Ｍｇが多いのでスラグ被包性が不良でスラグ焼き付きが生じてビード外観が不良であった。また、鉄粉が多いのでワイヤ製造時に断線が多発し、溶接時のアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤＮｏ．２０は、ＺｒＯ₂換算値が多いのでアークが荒くスパッタ発生量が多くなり、スラグ被包性が不良でスラグ焼き付きが生じてビード外観が悪かった。

Claims

鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量％で、
鋼製外皮とフラックスの両方の合計で、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％、
Ｍｎ：１．５〜４．０％、
フラックスに、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ_２換算値：１．０〜２．５％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値：０．２〜２．０％、
Ｚｒ酸化物のＺｒＯ_２換算値：０．０５〜０．７０％、
酸素量が０．２５％以下である鉄粉：２〜１５％、
弗素化合物のＦ換算値：０．１％以下、
Ｍｇ：０．２％以下、
弗素化合物を含むスラグ形成剤の合計が１．５〜４．５％
を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からな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。