(57)【要約】【課題】  大入熱のサブマージアーク溶接においても良好な溶接作業性および溶接金属の機械的性能を得ることができる下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスを提供する。【解決手段】  質量％で、ＳｉＯ2：１２〜３０％、ＭｇＯ：１０〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：８〜２１％、ＣａＦ2：１〜７％、ＣａＯ：２〜１３％、ＴｉＯ2：１０〜３０％、Ｂ2Ｏ3：０．１〜１％、ＦｅＯ：１〜８％、Ｎａ2Ｏ：１〜５％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜１％、金属炭酸塩のＣＯ２分：２〜８、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｓｉ：０．１〜５％を含有し、その他は不可避不純物であることを特徴とする下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックス。【選択図】  図３
2010125508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、ＳｉＯ2：１２〜３０％、ＭｇＯ：１０〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：８〜２１％、ＣａＦ2：１〜７％、ＣａＯ：２〜１３％、ＴｉＯ2：１０〜３０％、Ｂ2Ｏ3：０．１〜１％、酸化鉄：１〜８％、Ｎａ2Ｏ：１〜５％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜１％、金属炭酸塩のＣＯ2分：２〜８％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｓｉ：０．１〜５％を含有し、その他は不可避不純物であることを特徴とする下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下向きサブマージアーク溶接用ボンドフラックスに係り、特に建築および橋梁等に多く使用されるビルドＨ材（３枚の鋼板を断面形状がＨ型となるように組み合わせてすみ肉溶接により接合した骨材）からなる柱、梁の下向きすみ肉溶接に使用した場合に優れた溶接作業性、ビード形状、溶込み深さおよび機械的性能の溶接金属を得ることができる下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、建築や橋梁等の鋼構造物に用いられる鋼板は厚肉化の傾向にあり、能率良く溶接するため、大入熱のサブマージアーク溶接が用いられている。また地震等の破壊事例等を教訓として鋼構造物全般の安全性に対する関心が高まっており、大入熱で溶接しても安定した溶接金属特性を得ることが求められている。
【０００３】
下向きすみ肉サブマージアーク溶接によって形成される溶接継手は、溶込み深さ、必要脚長の確保、並びにビード形状の平滑性および溶接金属と母材とのなじみ性が良好であることが要求されている。また、近年では構造物の大型化により耐震性等を考慮し、溶接金属の良好な機械的性能が要求される傾向にある。
【０００４】
従来、下向きすみ肉サブマージアーク溶接用フラックスは、ボンドフラックスよりも高速溶接が可能な溶融型フラックスが多く使用されている。しかし溶融型フラックスでは合金類の添加はワイヤからのみになってしまうので溶接金属の所定の機械的性能を得にくく、またフラックス自体の融点が低いために大入熱による溶接ができないので能率を上げることができない。
【０００５】
そこで、これらの点を考慮し溶接作業性および溶接金属の機械的性能が良好なボンドフラックスが検討されている。例えば、特許文献１、特許文献２では、下向きすみ肉サブマージ溶接の溶接作業性および良好な溶接金属性能を得られるボンドフラックスが開示されているが、ＳｉＯ2含有量が多いので溶接金属の酸素量が高くなり靭性が低下するという問題がある。
【０００６】
また、特許文献３には、大入熱の単層および多層の下向きすみ肉サブマージアーク溶接における溶接作業能率の向上および優れた溶接金属が得られる技術の開示があるが、Ｍｎ含有量が多く溶接金属の強度が高くなりすぎて低温割れが発生する場合がある。
【０００７】
さらに、溶接作業性が良好で優れたビード形状およびビード外観を得ることができ、高靭性の溶接金属を得ることができるボンドフラックスが特許文献４に開示されているが、ＴｉＯ2含有量が少ないのでビードの揃いが不連続になると共に、靭性向上の効果が得られないという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３３１３９０号公報
【特許文献２】特開平８−９９１９１号公報
【特許文献３】特開２００３−２３０９８３号公報
【特許文献４】特開２００８−１６１９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、大入熱のサブマージアーク溶接においても良好な溶接作業性、ビード形状および溶接金属の機械的性能を得ることができる下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の要旨は、質量％で、ＳｉＯ2：１２〜３０％、ＭｇＯ：１０〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：８〜２１％、ＣａＦ2：１〜７％、ＣａＯ：２〜１３％、ＴｉＯ2：１０〜３０％、Ｂ2Ｏ3：０．１〜１％、酸化鉄：１〜８％、Ｎａ2Ｏ：１〜５％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜１％、ＣＯ2：２〜８％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｓｉ：０．１〜５％を含有し、その他は不可避不純物であることを特徴とする下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスによれば、特にビルトＨ材などの開先加工有りおよび開先加工無しの大入熱の下向きすみ肉溶接においても深溶込みが得られ、良好な溶接作業性、ビード形状および優れた溶接金属の機械的性能を得ることができ、溶接能率の向上および高品質の溶接部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明者らは、まず下向きすみ肉サブマージアーク溶接に使用される従来の種々のフラックスについて検討したが、優れた溶接作業性、ビード形状および溶接金属の機械的性能のいずれをも満足できるフラックスを得ることはできなかった。例えば、溶融型フラックスを用いた場合、溶接金属に添加される合金元素の量が少なく、所定の機械的性能を得ることができなかった。また、ボンドフラックスを使用した場合においても、酸素量が高くなり、所定の靭性を得ることができなかったり、スラグの粘度が高く、ビード形状が凸ビードとなり、アンダカットが発生するなど溶接作業性、ビード形状および溶接金属の機械的性能の全てを満足することはできなかった。
【００１３】
そこでボンドフラックスの成分組成について種々検討を行った結果、ボンドフラックスにＦｅＯを添加することによって、溶融スラグの粘性および融点を調整し、ビード止端部のなじみを良好にし、ビード形状を平滑で良好な状態を得ることを見出した。また同時にスラグ剥離性も良好にするのに有効であることを見出した。
【００１４】
また、ボンドフラックスにＬｉ2Ｏを添加することによって、ボンドフラックスの吸湿性を抑制し、溶接金属中の水素量を低減することで、耐割れ性向上に有効であることを確認した。
【００１５】
以下、本発明における下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスの成分組成の限定理由について説明する。
【００１６】
ＳｉＯ2は溶融スラグが高粘性の性質を有し、溶接作業性、ビード形状および溶接金属の機械的性能に影響を与える。ＳｉＯ2が１２質量％（以下、％という。）未満であると溶融スラグの粘性が不足してビード形状が不良となりビードの蛇行やアンダカットが発生する。一方、３０％を超えると溶融スラグの粘性が高くなりすぎてビード趾端部がオーバラップとなりスラグ剥離性も劣化する。さらに、溶接金属の酸素量が高くなり靭性が劣化する。
【００１７】
ＭｇＯは、溶接金属の酸素量を低減するのに有効な成分で、溶融スラグの融点および粘性を高くする性質も有している。ＭｇＯが１０％未満であると溶接金属の酸素量が高くなり靭性が低下する。また、溶融スラグの粘性が不足してビードの蛇行やアンダカットが発生する。一方、ＭｇＯが２５％を超えるとフラックスの融点が高くなり十分なビード幅が得られず、また溶融スラグの粘性も高くなるのでビード趾端部がオーバラップとなる。
【００１８】
Ａｌ2Ｏ3は、溶融スラグの粘性を調整するのに有効な成分である。Ａｌ2Ｏ3が８％未満であると溶融スラグの粘性が不足するのでアンダカットが発生しやすくなる。一方、２１％を超えると溶融スラグの粘性が過剰となりビード形状が凸型となる。
【００１９】
ＣａＦ2は、溶融スラグの融点および粘性を低くする性質を有しており、大入熱の溶接条件でビードを平滑に保つのに有効な成分である。また、溶接時に弗素ガスが発生して溶接金属のシールド効果で酸素を低減して靭性を向上させる。ＣａＦ2が１％未満ではビード形状および靭性の向上に効果がなく、７％を超えると溶融スラグの流動性が過剰となりアンダカットが発生しやすく、スラグ剥離性も劣化する。
【００２０】
ＣａＯは、溶融スラグの融点および流動性を調整するために重要な成分である。ＣａＯが２％未満ではビード止端部のなじみが悪くアンダカットが生じる。一方、１３％を超えるとビード高さが不均一でスラグ剥離性が劣化する。
【００２１】
ＴｉＯ2は、ビード表面の平滑性を得るのに効果がある。また、溶接金属中にＴｉを含む酸化物として歩留まりアシキュラーフェライトの核となって靭性の向上に非常に有効な成分である。ＴｉＯ2が１０％未満であるとビードの揃いが不連続となり、溶接金属の靭性の向上にも効果がない。一方、３０％を超えるとスラグが焼付いてスラグ剥離性が劣化する。
【００２２】
Ｂ2Ｏ3は、還元されてＢとして溶接金属中に歩留まり、粗大な粒界フェライトの生成を抑制して溶接金属の靭性の向上に非常に有効な成分である。Ｂ2Ｏ3が０．１％未満では溶接金属の靭性向上の効果が得られず、１％を超えると高温割れが発生しやすくなる。
【００２３】
酸化鉄は、溶融スラグの粘性および融点を調整するに最も有効な成分で、主としてＦｅＯが挙げられる。また、スラグ剥離性を良好にする。酸化鉄が１％未満ではビード止端部のなじみが悪く、ビード形状が凹凸となる。一方、８％を超えると溶融スラグの流動性が過剰になりアンダカットが発生しやすくなる。また、ビード形状が不揃で、スラグが焼き付いてスラグの剥離性を劣化させ、ビード表面が鱗状になる。
【００２４】
Ｎａ2Ｏは、アークの安定性を良好にしビードの波目を細かくしてビード外観を良好にするのに有効な成分である。Ｎａ2Ｏが１％未満ではアークが不安定でアーク切れが発生し、ビードが蛇行して溶込みが不均一となる、一方、５％を超えると耐吸湿性が劣化してピットおよびポックマークが発生する。
【００２５】
Ｌｉ2Ｏは、ボンドフラックスの吸湿を防ぎ、溶接金属中の拡散性水素量を低くすることができる有効な成分である。また、溶融スラグの溶融温度と粘性を低くして溶融ビードの湯流れを安定させるので溶接ビード幅を均一にして溶接ビード形状を良好にする。Ｌｉ2Ｏが０．１％未満では十分な効果は得られず、１％を超えて添加しても効果の増進は無くコスト高となる。
【００２６】
ＣＯ2は、溶接金属のシールド効果があり、拡散性水素量の低減に有効である。金属炭酸塩のＣＯ2分が、２％未満であるとシールドが不足して拡散性水素量が高くなるので低温割れが生じる場合がある。一方、８％を超えるとガス量が過剰となりポックマークが発生する。なお、ＣＯ2源は金属炭酸塩であるＣａＣＯ3、ＭｇＣＯ3、Ｎａ2ＣＯ3およびＬｉ2ＣＯ3の１種以上を使用する。
【００２７】
Ｍｎは、溶接金属の焼入れ性を向上させて強度および靭性を高めるのに有効な成分である。Ｍｎが０．１％未満であると溶接金属の焼入れ性が不足して靭性が低下する。一方、１％を超えると溶接金属の焼入れ性が過剰となり強度が高くなり低温割れが発生する場合がある。なお、Ｍｎ源としては金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｓｉ−Ｍｎの１種以上を使用することができる。
【００２８】
Ｓｉは、溶接金属の焼入れ性を向上させると共に脱酸成分として有効な成分であり、溶接金属の強度および靭性を高める。Ｓｉが０．１％未満であると溶接金属の脱酸効果が得られず靭性が低下する。一方、５％を超えると溶接金属の硬さが過剰となり靭性が劣化する。なお、Ｓｉ源としては、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｍｎの１種以上を使用することができる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明の効果を詳細に説明する。
表１に示す化学成分の板厚３２ｍｍおよび２５ｍｍのウェブ鋼板Ｓ１と板厚３２ｍｍのフランジ鋼板Ｓ２とを、開先ありの場合は板厚３２ｍｍのウェブ鋼板Ｓ１を図１に示す開先角度４５°、ルートフェイス８ｍｍの両面対称開先（開先あり）とし、また、図２に開先加工を行わなかった（開先なし）の場合は板厚２５ｍｍのウェブ鋼板Ｓ１を用いた。フランジ鋼板Ｓ２を水平に対して５５°傾斜させて、フランジ鋼板Ｓ２の表面中央部に対して垂直となるように、ウェブ鋼板Ｓ１の端面を当接させて組み立てた開先とした。試験板長さは１０００ｍｍとした。なお、この溶接試験では、図１に示す開先ありの場合の先行電極の狙い位置をＬ１、後行電極の狙い位置をＴ１とし、図２に示す開先なしの場合の先行電極の狙い位置をＬ２、後行電極の狙い位置をＴ２として示している。
表２に示すワイヤと表３に示す種々の成分組成のボンドフラックスを組み合わせて、表４に示す溶接条件で２電極による１パス盛りの下向きすみ肉サブマージアーク溶接を実施した。なお、先行電極のみフランジ鋼板側に９°電極を傾斜した。
【００３０】
【表１】
2010125508.tif 000003
【００３１】
【表２】
2010125508.tif 000004
【００３２】
【表３】
2010125508.tif 000005
【００３３】
【表４】
2010125508.tif 000006
【００３４】
開先あり、なし共に溶接後、スラグ剥離性、ビード形状、ビード趾端部のなじみ、溶接欠陥、溶込み深さ、溶接金属の靭性および拡散性水素量を調査した。
【００３５】
スラグ剥離の評価は、ハンマーまたはタガネを用いてスラグを軽打して簡単にスラグが剥離すれば良好とし○、軽打でスラグが剥離しなければ劣るとし×とした。ビード形状は、ビード幅および高さが均一で美しいビード形状であれば良好とし○、1つでも劣るものについては×とした。
【００３６】
ビード趾端部のなじみは、母材と溶接金属の端部の形状が平滑でなじみが良ければ良好とし○、そうでなければ劣るとし×とした。溶接欠陥の有無は、外観検査および超音波探傷試験によりアンダカット、ブローホール、ピット、スラグ巻き込み、融合不良、割れの有無を調査した。溶込み深さは図３に示すように最初に溶接した溶接金属Ｍ１と後から溶接した溶接金属Ｍ２の溶接金属溶込み部が接触する完全溶込みの場合は良好とし○、溶込み部が接触しない場合は劣るとし×とした。
【００３７】
溶接金属の靭性は、図３に示す後から溶接した溶接金属Ｍ２のビード表面下７ｍｍを中心としてシャルピー衝撃試験片ａ（ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２  ４号）を採取し、靭性の評価は０℃におけるシャルピー衝撃試験により評価した。なお、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーは、繰り返し３本の平均値が１００Ｊ以上であれば良好とした。
溶接金属の拡散性水素量は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１８に準拠して測定し、６ｍｌ／１００ｇ以下を良好とした。それらの結果を表５にまとめて示す。
【００３８】
【表５】
2010125508.tif 000007
【００３９】
表５中溶接記号１〜１０が本発明例、溶接記号１１〜２１は比較例である。本発明例である溶接記号１〜１０は、組み合せたフラックス記号Ａ１〜Ａ１０の各成分の量が適量であるので、スラグ剥離性が良く、ビード形状は平滑で滑らかであり、ビード止端部のなじみもよく、アンダカット、オーバラップ等の溶接欠陥もなく、溶込み深さは両側の溶接金属が接触する良好な完全溶込みが得られ良好な溶接作業性とビード外観が得られた。また、溶接金属の吸収エネルギーが１００Ｊ以上の良好な値が得られた。さらに、拡散性水素量も低く極めて満足な結果であった。
【００４０】
比較例中溶接記号１１は、フラックス記号Ｂ１のＳｉＯ2が低いので溶融スラグの粘性が不足してビードが蛇行してビード趾端部にアンダカットも発生した。また、Ｍｎが低いので溶接金属の焼入れ性が不足して吸収エネルギーが低値となった。
【００４１】
溶接記号１２は、フラックス記号Ｂ２のＳｉＯ2が高いので溶融スラグの粘性が高くビード趾端部にオーバラップが発生してスラグ剥離性も劣化し、溶接金属の酸素量が高くなり吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌ2Ｏ3が低いので溶融スラグの粘性が不足してアンダカットが発生した。さらに、ＣＯ2が高いのでガス量が過剰となりポックマークが発生した。
【００４２】
溶接記号１３は、フラックス記号Ｂ３のＭｇＯが低いので溶融スラグの粘性が低下しビードが蛇行してビード趾端部にアンダカットも発生した。また、溶接金属の酸素量が高くなり吸収エネルギーが低値であった。さらに、ＴｉＯ2が高いのでスラグの焼付きが発生してスラグ剥離性が劣化した。
【００４３】
溶接記号１４は、フラックス記号Ｂ４のＭｇＯが高いので溶融スラグの粘性が高くなりビード趾端部にオーバラップが発生した。また、Ｎａ2Ｏが高いので耐吸湿性が劣化してピットおよびポックマークが発生し、拡散性水素量も多かった。さらに、Ｓｉが低いので溶接金属の十分な脱酸効果が得られず吸収エネルギーが低値であった。
【００４４】
溶接記号１５は、フラックス記号Ｂ５のＣａＯが低いので溶融スラグの流動性が不足してビード外観が不良となり、アンダカットも発生した。また、Ａｌ2Ｏ3が高いので溶融スラグの粘性が過剰となりビード形状が凸型となった。さらに、Ｍｎが高いので溶接金属の焼入れ性が過剰になり吸収エネルギーが低値であった。
【００４５】
溶接記号１６は、フラックス記号Ｂ６のＣａＯが高いので溶融スラグの粘性が過剰になりビード高さが不均一で、スラグ剥離性も劣化した。また、Ｓｉが高いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。さらに、ＣＯ2が低いので拡散性水素量が多かった。
【００４６】
溶接記号１７は、フラックス記号Ｂ７のＣａＦ2が低いので溶融スラグの融点および粘性が高くなりビード形状が乱れ、溶接金属の吸収エネルギーも低値であった。また、ＦｅＯが高いので溶融スラグの流動性が過剰になりアンダカットが発生し、スラグが焼付いてスラグ剥離性も劣化した。
【００４７】
溶接記号１８は、フラックス記号Ｂ８のＣａＦ2が高いので溶融スラグの流動性が過剰となりアンダカットが発生しスラグ剥離も劣化した。
【００４８】
溶接記号１９は、フラックス記号Ｂ９のＴｉＯ2が低いのでビード形状が劣化し、溶接金属中のＴｉを含んだ酸化物が不足して吸収エネルギーが低値であった。また、Ｂ2Ｏ3が高いので高温割れが発生した。
【００４９】
溶接記号２０は、フラックス記号Ｂ１０のＦｅＯが低いのでビード止端部のなじみが悪くなりビード形状が凹凸となった。また、Ｌｉ2Ｏが低いので拡散性水素量が多かった。
【００５０】
溶接記号２１は、フラックス記号Ｂ１１のＢ2Ｏ3が低いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。また、Ｎａ2Ｏが低いのでアークが不安定でビードが蛇行して溶込みが不均一であった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例に用いた開先加工有りの溶接試験板の開先形状を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例に用いた開先加工無しの溶接試験板の開先形状を示す断面図である。
【図３】溶接金属の溶込み状態およびシャルピー衝撃試験片の採取位置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｓ１  ウェブ鋼板
Ｓ２  フランジ鋼板
Ｍ１  最初に溶接した溶接金属
Ｍ２  後から溶接した溶接金属
ａ    シャルピー衝撃試験片
Ｌ１  先行電極狙い位置
Ｔ１  後行電極狙い位置
Ｌ２  先行電極狙い位置
Ｔ２  後行電極狙い位置
【図１】
2010125508.tif 000008
【図２】
2010125508.tif 000009
【図３】
2010125508.tif 000010