(57)【要約】【課題】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フラックス入りワイヤを提供する。【解決手段】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（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。【選択図】図４
2020182970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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＝Φ１ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍｎｍ／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。
【請求項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。
【請求項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又は２に記載のフラックス入りワイヤ。
【請求項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１〜３のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤ。
【請求項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１〜４のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤ。
【請求項６】
純Ｆｅ、Ｆｅ基合金又はＮｉ基合金を外皮とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤ。
【請求項７】
請求項１〜６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。
【請求項８】
請求項１〜６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０２−０５５６９６号公報
【特許文献２】特開平１１−２０７４９１号公報
【特許文献３】特開平１１−０５８０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［８］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＝Φ１ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍｎｍ／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］又は［２］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］〜［３］のいずれか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］〜［４］のいずれか１に記載のフラックス入りワイヤ。
［６］純Ｆｅ、Ｆｅ基合金又はＮｉ基合金を外皮とする、前記［１］〜［５］のいずれか１に記載のフラックス入りワイヤ。
［７］前記［１］〜［６］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。
［８］前記［１］〜［６］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。
【発明の効果】
【０００９】
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り、同一入熱での施工能率に優れることから、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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
＜＜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。
尚、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、フラックス入り溶接ワイヤは、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。
【００１３】
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。
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ことを特徴とする。
１．００≦Φ≦−０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７
Φ＝Φ１ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍｎｍ／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。
【００１４】
＜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（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％、ワイヤ径１．２ｍｍ）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／分であり、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、同一入熱での施工能率が悪く、実施工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。
【００１５】
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。
【００１６】
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高温（３６９５Ｋ）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。
【００１７】
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］）
【００１８】
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おり（安藤ら、溶接アーク現象（増補版）、産報（１９６７）参照）、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、前記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、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、このようなアークが安定した状態（２５２２Ｋ）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。
【００１９】
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、多くの場合は鋼である。鋼は融点が約１７７０Ｋであるので、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（酸化チタン（Ｖｗ：３．８７ｅＶ）、酸化ケイ素（Ｖｗ：５．００ｅＶ）（ゲ・ヴェ・サムソノフ、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）では不可能である。
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。
【００２０】
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、仕事関数が比較的高い（例えば、鉄（Ｖｗ：４．６７〜４．８１ｅＶ）、Ｎｉ（Ｖｗ：５．０４〜５．３５ｅＶ）（ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、７８版、ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ（１９９８）参照））ために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。
【００２１】
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し、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。
【００２２】
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。
【００２３】
計算したワイヤ径のうち、代表径における前記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。
【００２４】
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から、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＝Φ１ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍｎｍ／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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
＜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（外皮＋フラックス）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。
【００３０】
・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ことを特徴とする。
１．００≦Φ≦−０．０９０８Ｄ２＋０．５４７３Ｄ＋１．５４７
Φ＝Φ１ｎ１／ｎｔｏｔａｌ×Φ２ｎ２／ｎｔｏｔａｌ・・・×Φｍｎｍ／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。
【００３１】
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℃において前記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℃において前記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℃において前記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℃において前記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。
なお、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。
【００３２】
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（−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。
【００３３】
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（後述する実施例２に相当）、構成する金属元素は３種（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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（他のフッ化物粉を含まない）であってもよい。
【００４１】
（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。
【００４２】
・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。
【００４３】
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とにより、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。
【００４４】
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。
【００４５】
・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、前記金属化合物粉は、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。
【００４６】
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。
【００４７】
・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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
Ｎｉは溶接金属のオーステナイト組成を安定化させ、低温での靱性を向上させる成分であり、また、フェライト組成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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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、Ｓｂ、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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
Ｎｉは溶接金属のオーステナイト組成を安定化させ、低温での靱性を向上させる成分であり、また、フェライト組成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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
Ｎは溶接金属のオーステナイト組成を安定化させる、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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
＜＜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。
【００８７】
＜＜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。
【００８８】
＜＜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。
【実施例】
【００８９】
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。
【００９０】
＜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。
【００９１】
（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）
【００９２】
＜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。
【００９３】
【表１】
2020182970.tif 000003
【００９４】
【表２】
2020182970.tif 000004
【００９５】
【表３】
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【００９６】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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