(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮中にフラックスを充填してなるアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対するフラックス率が５乃至１０質量％であり、前記外皮の内面に、Ｃが外皮質量当たり０．００５乃至０．０３０質量％塗布され、フラックス中に鉄粉をフラックス質量当たり３０乃至８０質量％含有することを特徴とするアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
前記鉄粉はその粒子表面にＮａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素が総量で鉄粉質量当たり０．１乃至５質量％膜状に被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラックスに主な成分が鉄粉であるアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤに関し、特に、フラックス率が低く、良好な溶接作業性を有すると共に、ソリッドワイヤ並みの溶込み性能と低スラグ性とを有するアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラックス入りワイヤ（以下、ＦＣＷという）は、鋼製外皮の中にフラックスを充填させており、このフラックスの量及び種類は、溶接作業性及び溶着金属性能等のＦＣＷの品質に大きく影響する。
【０００３】
ＦＣＷの中には、スラグ造滓剤をフラックス質量当たり１０乃至５０質量％含有させ、溶接作業性及び溶接金属の機械的性能を向上させたＦＣＷと、スラグ造滓剤を極端に減少させスラグの発生を極端に少なくしたメタル系のＦＣＷとがある。特に、後者のメタル系のＦＣＷは、１９８０年代頃に開発されたものであり、従来、ソリッドワイヤが使用されていた市場及び分野に使用可能のＦＣＷとして画期的なものと考えられている。
【０００４】
このメタル系のＦＣＷの最大の特徴は、ソリッドワイヤと比較して、高溶着の溶接が可能であり、且つフラックスを含有しているので、溶接時のスパッタを少なくすることができるという点である。従来、メタル系のＦＣＷとして、フラックス率（以下、Ｆ％ともいう）が１０乃至２５％程度のＦＣＷが一般的である（特開平１１−１５１５９２号公報）。これは、Ｆ％を低下させると、フラックス量の低下に従い溶滴が大きくなり、スパッタが増加するためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メタル系のＦＣＷはソリッドワイヤが使用されているような分野において、あまり拡販されていない。この原因としては、メタル系のＦＣＷは溶接時のアークが極めてソフトであるため、ソリッドワイヤと比較して、溶込み性能が劣るということが挙げられ、これがメタル系のＦＣＷの問題点になっている。
【０００６】
また、多層盛り溶接等の場合においては、ソリッドワイヤに比較してメタル系のＦＣＷはスラグの発生量が多いことも指摘されている。従って、メタル系のＦＣＷにソリッドワイヤ並みの溶込み性能と低スラグ性とを付与することが、従来ソリッドワイヤが使用されていた市場において、メタル系のＦＣＷを拡販するために必要である。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、良好な溶接作業性を有すると共に、ソリッドワイヤ並みの溶込み性能と低スラグ性とを有するアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮中にフラックスを充填してなるアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対するフラックス率が５乃至１０質量％であり、前記外皮の内面に、Ｃが外皮質量当たり０．００５乃至０．０３０質量％塗布され、フラックス中に鉄粉をフラックス質量当たり３０乃至８０質量％含有することを特徴とする。
【０００９】
この場合、前記鉄粉はその粒子表面にＮａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素が総量で鉄粉質量当たり０．１乃至５質量％膜状に被覆されていることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係るアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤについて詳細に説明する。本願発明者等は実験研究の結果、フラックス率を低下させることにより、溶込み性能と低スラグ性との両方を向上させることができることを見出した。即ち、ＦＣＷに占める外皮（鋼の部分）をより多くすることにより、ＦＣＷはソリッドワイヤに近いワイヤ形状となり、溶込み性能及び低スラグ性の両方が向上する。具体的には、フラックス率が１０％以下になると、ＦＣＷの溶込み性能及び低スラグ性がほぼソリッドワイヤの溶込み性能及び低スラグ性と等しくなる。
【００１１】
上述のことから、本願発明者等はＦ％を低下させた場合においても、スパッタを増加させないようなメタル系のＦＣＷの開発に注力し、種々の実験研究の結果、外皮の内面に脱酸剤であるＣを塗布し、溶滴の表面張力を上昇させることにより、溶滴の離脱が飛躍的に向上することを明らかにした。このＣは、単にフラックスに含有させるだけではその効果は発揮されず、あくまでＦＣＷの外面に近い側（溶滴の表面に近い側）に存在することに意味があることが判明した。
【００１２】
ＦＣＷの最表面という意味においては、外皮の外面（ＦＣＷの表面）にＣを塗布する方法もあり、本願発明者等はこの方法においても溶滴の離脱が飛躍的に向上する効果を得ることができることを確認している。しかし、外皮の外面にＣを塗布した場合には、ワイヤ送給系でＣが脱離してしまう。このＣの脱離は、溶滴の離脱の効果が不安定になると共に、溶接時の通電性の不安定さを促進させる要因となり、ワイヤ送給系にＣが堆積しワイヤ送給系を詰まらせる要因ともなる。
このため、外皮の内面にＣを塗布することが現実的である。なお、Ｃの塗布方法としては、外皮にフラックスを投入する前に、外皮の内面を処理してＣを添着する方法、又は外皮の内面をダル加工（梨地加工）し、Ｃを物理的に外皮の内面に付着させる方法等の種々の方法が挙げられる。
【００１３】
また、塗布するＣの種類としては、粒径が２乃至１０μｍの粒子があり、そのうち、Ｃの平均粒径が３μｍものが、溶滴の離脱の効果を最も発揮する。
【００１４】
更に、本願発明者等はメタル系のＦＣＷのフラックスの主成分である鉄粉の表面に、例えばＮａ又はＫ等のアルカリ金属を被覆することにより、溶接作業性が向上することを見出した。これは、アーク安定剤としてのＮａ及びＫがフラックス全体に均一に分布すると共に、溶滴の主成分である鉄粉の表面にアーク安定剤が存在することが影響しているためである。鉄粉だけでなく、全てのフラックスの成分をアルカリ金属で被覆した場合には、アルカリ金属の量が過多になり、かえって溶接作業性が劣化する。
【００１５】
また、鉄粉の表面をＮａ及び／又はＫを含有する膜で被覆する表面処理を施すことにより、フラックス中にアーク安定剤として添加しているフラックス原料（アルカリ弗化物又は長石類等）を減少させることができる。このため、より一層低スラグ性を増すことができる。なお、鉄粉の表面処理方法としては、例えば水ガラスで造粒する方法がある。この方法は、鉄粉、Ｎａ粉末及びＫ粉末を水ガラス中に添加して混合し、乾燥させた後、粉末状に造粒するものである。これにより、鉄粉にＮａ及びＫが膜状に被覆される。
【００１６】
以下、本発明のアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤの数値限定理由について、説明する。
【００１７】
フラックス率：ワイヤ全質量に対して５乃至１０質量％
ワイヤ全質量に対するフラックス率が５質量％未満の場合には、溶接作業性が劣化しすぎると共に、脱酸剤が不足し、更に、ＦＣＷを安定して製造することができないという問題点が生じるので現実的ではない。一方、ワイヤ全質量に対するフラックス率が１０質量％を超える場合には、溶込み性能及び低スラグ性等の点が劣化する。従って、ワイヤ全質量に対するフラックス率は５乃至１０質量％とする。溶接作業性、溶込み性能及び低スラグ性等を考慮すると、ワイヤ全質量に対するフラックス率は７乃至９質量％が好ましい範囲である。
【００１８】
外皮の内面のＣの塗布量：外皮質量当たり０．００５乃至０．０３０質量％
外皮の内面のＣの塗布量が外皮質量当たり０．００５質量％未満の場合、スパッタの発生量を低減する効果が発揮されない。一方、外皮の内面のＣの塗布量が外皮質量当たり０．０３０質量％を超える場合、溶接作業性が劣化すると共に、ヒューム量も増加する。従って、外皮の内面のＣの塗布量は外皮質量当たり０．００５乃至０．０３０質量％とする。なお、低スパッタ性を考慮すると、外皮の内面のＣの塗布量は外皮質量当たり０．０１０乃至０．０２０質量％が好ましい範囲である。
【００１９】
鉄粉：フラックス質量当たり３０乃至８０質量％
鉄粉の含有量がフラックス質量当たり３０質量％未満である場合、メタル系のＦＣＷ特有の溶接の高能率性能が劣化する。一方、鉄粉の含有量がフラックス質量当たり８０質量％を超える場合、Ｓｉ又はＭｎ等の脱酸剤の量が不足する。従って、フラックス中の鉄粉の含有量はフラックス質量当たり３０乃至８０質量％とする。
【００２０】
鉄粉の粒子の表面に被覆されたＮａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素：総量で鉄粉質量当たり０．１乃至５質量％
Ｎａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素の含有量が総量で鉄粉質量当たり０．１質量％未満である場合、フラックス中のＮａ及び／又はＫの含有量が総量でフラックス質量当たり８０質量％を超えていても、スパッタ発生の低減の効果は発揮されない。一方、Ｎａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素の含有量が総量で鉄粉質量当たり５質量％を超える場合、フラックス中のＮａ及び／又はＫの合計の含有量がフラックス質量当たり３０質量％未満であっても、溶接作業性が劣化したり、ワイヤの水分量が上昇し溶接金属に欠陥を発生させる要因となる。従って、Ｎａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素の含有量は総量で鉄粉質量当たり０．１乃至５質量％とすることが好ましい。なお、低スパッタ性を考慮すると、Ｎａ及びＫからなる群から選択された少なくとも１種の元素の含有量は総量で鉄粉質量当たり０．２乃至２質量％が好ましい範囲である。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入るアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤの実施例について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００２２】
下記表１に示すフラックスと下記表２に示す軟鋼製外皮とを使用して溶接用ＦＣＷを試作した。このＦＣＷのフラックス率、外皮の内面のＣの塗布量及び表面処理鉄粉の割合を種々変更させ、各種のＦＣＷを作製した。この結果を表３及び４に示す。なお、フラックス率を変更する時には、ワイヤ成分が全てのワイヤにおいて等しくなるように、フラックスの各組成の量を調整した。また、ＦＣＷの線径は１．２ｍｍである。
【００２３】
なお、表１に示すスラグ形成剤は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ及びＢａ等の金属酸化物である。但し、ＴｉＯ2は除く。また、メタル成分は、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｎｉ及びＭｇ等である。
【００２４】
【表１】
0003729320.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003729320.tif 000003
【００２６】
以下、フラックス率の測定方法、Ｃ量の測定方法並びにＮａ及びＫの測定方法について説明する。
【００２７】
次に、フラックス率の測定方法について説明する。先ず、ＦＣＷ（線径：製品径は約４ｍｍ）の成形工程が終了した後、ＦＣＷの質量を測定する。次に、フープを剥いてフラックスを取り除き、外皮の質量を測定する。ワイヤ質量と外皮質量との差からフラックス質量を求め、これをワイヤ全質量で除してフラックス率を算出する。
【００２８】
次に、Ｃ量の測定方法について説明する。先ず、外皮の外面を有機溶剤で洗浄し、外皮の外面のＣを除去する。次に、外皮を有機溶剤中で超音波洗浄し、外皮の内面に付着したＣを有機溶剤中に回収する。これにより、外皮内面に付着したＣのみを抽出することができる。次に、このＣの量を燃焼赤外線吸収法により測定し、これを外皮内面のＣ量とする。
【００２９】
次に、Ｎａ及びＫの測定方法について説明する。鉄粉中に、Ｎａ及びＫは通常含有されない。そこで、先ず、Ｎａ及びＫの皮膜が被着した鉄粉の全質量を測定する。次に、鉄粉全量を塩酸、硫酸、硝酸又は王水等により溶解する。そして、溶解液を原子吸光法により分析してＮａ及びＫの量を測定する。そして、このように測定されたＮａ及びＫの量を前述の如くして予め測定されている鉄粉の全質量当たりの量に換算し、Ｎａ及びＫの鉄粉質量当たりの被着量とする。従って、このＮａ及びＫの量を規定する際の基準となる鉄粉の量はＮａ及び／又はＫを含んだ量である。
【００３０】
表１のフラックスにおいて、表３及び４に示すＦＣＷについて、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量を評価した。図１はビードの被溶接板に対する溶込み状態を示す断面図である。
【００３１】
溶込み性能については、溶接電流を２８０Ａ、溶接電圧を適正電圧とした溶接条件で被溶接板１にビードオンプレート溶接を行い、被溶接板１に対するビード２の溶込み深さＤをソリッドワイヤ及び従来のＦＣＷと比較して評価した。この比較に使用したソリッドワイヤはＹＧＷ１１（ＪＩＳ  Ｚ３３１１）であり、同じく従来のＦＣＷはＹＦＷＣ５０ＤＭ（ＪＩＳ  Ｚ３３１３）である。いずれのワイヤも直径は１．２ｍｍである。
【００３２】
また、溶込み性能については、被溶接板１に対するビード２の溶込み深さＤに基づいて評価した。溶込み深さＤが４．５ｍｍ以上（ソリッドワイヤ並）のものを◎とし、溶込み深さＤが４.３ｍｍを超え４．５ｍｍ未満（従来のＦＣＷより上ソリッドワイヤ未満）のものを○+とし、溶込み深さＤが４.０ｍｍを超え４．３ｍｍ以下（従来のＦＣＷより上ソリッドワイヤ未満）のものを○とし、溶込み深さＤが４．０ｍｍ以下（従来のＦＣＷ）のものを△とした。
【００３３】
溶接作業性については、溶接電流を２８０Ａ、溶接電圧を適正電圧、溶接速度を３０ｃｍ／分、ワイヤ突出し長さを２５ｍｍとした溶接条件で、被溶接板にビードオンプレート溶接を行い、箱型スパッタ捕集法により、１分間に発生したスパッタを捕集し、このスパッタの発生量を評価した。
【００３４】
また、溶接作業性については、１分間に発生したスパッタ量の総量（トータル量）及び官能評価により評価した。スパッタ発生量が１．２ｇ／分未満で官能評価が良好なのものを◎+とし、スパッタ発生量が１．２ｇ／分未満のものを◎とし、スパッタ発生量が１．２乃至１．５ｇ／分で官能評価が良好なのものを○+とし、スパッタ発生量が１．２乃至１．５ｇ／分のものを○とし、スパッタ発生量が１．５ｇ／分を超えるものを△とした。
【００３５】
スラグ発生量については、溶接電流を２８０Ａ、溶接電圧を適正電圧、溶接速度を３０ｃｍ／分、ワイヤ突出し長さを２５ｍｍとした溶接条件で、被溶接板にビードオンプレート溶接を行い１分間に発生したスラグ発生量を測定し、このスラグ発生量を評価した。なお、スラグ発生量の測定方法は、ビードの上に発生したスラグを剥離させてその質量を測定した。
【００３６】
スラグ発生量の評価については、１分間に発生したスラグ発生量のトータル量をソリッドワイヤ及び従来のＦＣＷと比較して評価した。スラグ発生量が１．５ｇ／分未満のものを◎とし、スラグ発生量が１．５乃至１．８ｇ／分のものを○とし、スラグ発生量が１．８ｇ／分を超えるものを△とした。
【００３７】
また、溶接溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の結果に基づいて総合判定を下した。これらの結果を表５及び６に示す。
【００３８】
総合判定の評価については、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価が全て○であるものは総合判定を○とし、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価うち、いずれか１つでも○+があるものは総合判定を○+とし、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価うち、いずれか１つでも◎があるものは総合判定を◎とし、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価うち、いずれか１つでも◎+があるものは総合判定を◎+とした。また、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価うち、△がいずれか１つでもあるものは総合判定を△とした。
【００３９】
但し、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価うち、◎が２つあるものでも、総合判定は◎とした。また、溶込み性能、溶接作業性及びスラグ発生量の評価が◎又は○であっても、その他の不具合があれば総合判定は△とした。
【００４０】
【表３】
0003729320.tif 000004
【００４１】
【表４】
0003729320.tif 000005
【００４２】
【表５】
0003729320.tif 000006
【００４３】
【表６】
0003729320.tif 000007
【００４４】
上記表５に示すように、実施例No.１乃至９は、フラックス率を低下させ、外皮の外面にＣを塗布したＦＣＷであって、溶込み性能及びスラグ発生量が向上し、溶接作業性も良好であり、総合判定についても良好な結果を得ることができた。特に、実施例No.３は、フラックス率が好ましい範囲内にあるので、溶込み性能が特に良好であった。また、実施例No.６及び７は、外皮の内面のＣ量が好ましい範囲内にあるので、溶接作業性が更に良好であった。
【００４５】
実施例No.１０乃至１２は、フラックス率を低下させ、外皮の内面にＣを塗布し、且つ表面処理鉄粉を使用したＦＣＷであって、溶込み性能が良好であり、スラグ発生量がより一層少なく、溶接作業性もより一層良好であり、総合判定についても更に良好な結果を得ることができた。
【００４６】
実施例No.１３は、請求項１は満足するものの、Ｎａ＋Ｋ量が請求項２の上限値を超えているため、総合判定が更に良好ではないが、良好であった。
【００４７】
実施例No.１４及び１５は、フラックス率を低下させ、外皮の内面にＣを塗布し、且つ表面処理鉄粉を使用したＦＣＷであって、溶込み性能が良好であり、スラグ発生量が少なく、溶接作業性が極めて良好であり、総合判定についても極めて良好な結果を得ることができた。
【００４８】
実施例No.１６は、請求項１は満足するものの、Ｎａ＋Ｋ量が請求項２の下限値未満であるため、総合判定が更に良好ではないが良好であった。
【００４９】
一方、比較例No.１７は、従来のフラックス入りワイヤであり、フラックス率が本発明の上限値を超えているので、溶込み性能及びスラグ発生量が劣り、総合判定の評価が劣った。
【００５０】
比較例No.１８乃至２０は、外皮の内面のＣの塗布量が本発明の下限値未満であるので、溶込み性能が良好であり、スラグ発生量が少なかったが、溶接作業性が劣り、総合判定の評価が劣った。
【００５１】
比較例No.２１は、外皮の内面のＣの塗布量が本発明の上限値を超えているので、溶込み性能が良好であり、スラグ発生量が少なかったが、溶接作業性が劣り、総合判定の評価が劣った。
【００５２】
比較例No.２２及び２３は、フラックス率が本発明の下限値未満であるので、溶込み性能が良好であり、スラグ発生量が少なかったが、溶接作業性が劣り、総合判定の評価が劣った。
【００５３】
比較例No.２４は、鉄粉の含有量が本発明の上限値を超えているので、合金不足となり溶着金属性能が劣り、総合判定の評価が劣った。
【００５４】
比較例No.２５は、フラックス率が本発明の上限値を超えているので、溶込み性能が劣り、総合判定の評価が劣った。
【００５５】
比較例No.２６は、鉄粉の含有量が本発明の下限値未満であるが、溶込み性能が良好であり、スラグ発生量が少なく、溶接作業性も良好であるが、メタル系の特徴である高能率性が劣るため、実用的でない。
【００５６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、フラックス率、外皮の内面のＣの塗布量及びフラックスの組成を所定の範囲に規定することにより、良好な溶接作業性を有すると共に、ソリッドワイヤ並みの溶込み性能と低スラグ性とを有するアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤを得ることができる。また、フラックスの成分の１つである鉄粉の表面にＮａ及び／又はＫの元素を被覆することにより、更に溶接作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ビードの被溶接板に対する溶込み状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１；被溶接板
２；ビード
【図１】
0003729320.tif 000008