(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属炭酸塩をＣＯ２換算で４乃至９質量％含有することにより、比表面積を０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下とし、フラックス水分量を２００質量ｐｐｍ以下になるよう調整したものであり、フラックス粒が網目構造をなすことを特徴とするサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
【請求項２】
粒径が７５μｍ以下の粒が全粒度構成の７５質量％以上である金属炭酸塩をＣＯ２換算で４乃至９質量％含有するフラックス原料粉と、バインダーとしての水ガラスとを混合した後、造粒し、焼成することにより、比表面積が０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下であり、フラックス水分量が２００質量ｐｐｍ以下のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを製造することを特徴とするサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サブマージアーク溶接における耐割れ性の向上及び割れ停止予熱温度の低減を目的に、溶接金属の拡散性水素を低減する対策の１つとして、フラックスの水分量を低減したサブマージアーク溶接用ボンドフラックス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接金属中の拡散性水素は、溶接金属の耐割れ性に影響を及ぼす一因であり、あらゆる溶接材料において拡散性水素の低減による耐割れ性の向上が図られている。サブマージアーク溶接においては、フラックスの改良による拡散性水素量の低減が多数提案されている。特に、ボンドフラックスの場合、フラックス水分量が溶接金属中の拡散性水素量を支配していることに着目して、フラックス水分量を低減する方法が種々検討されている。
【０００３】
フラックスの水分量を低減するためには、一般的に、フラックスの焼成温度及び時間を適正に管理する方法が実施されているほか、フラックス形状に着目し、特開平９−９９３９２号公報に記載されているように、フラックスの比表面積をできるだけ小さくし、空気中からの水分に対する耐吸湿性を向上する方法が検討されている。また、フラックス原料に着目し、特開平１１−１８８４９６号公報に記載のように、もともと水分量の少ない溶融フラックスを原料として添加し、吸湿量を低減する方法等も考えられている。
【０００４】
一方、特公昭５１−１６１７２号公報、特公昭５２−２５８１９号公報、特公昭５６−８７１７号公報、特公昭５６−５３４７６号公報、特公昭５８−４９３５６号公報及び特開平６−３２８２９１号公報には、フラックス成分に着目し、フラックス中への炭酸塩添加量を増加させることにより、溶接時に発生するＣＯ２ガスを増加させて、Ｈ２分圧を低下させ、その結果、溶接金属への水素拡散を阻止する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来、上述の拡散性水素量の低減が図られても、なお、溶接部の割れ防止のためには、被溶接材の予熱が必要であった。特に、高強度鋼の溶接を実施する場合には予熱温度の管理が必須になっており、これは、ファブリケーターにとっては大きな負担である。このため、より予熱温度を低減できる溶接材料が要望されている。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接金属中の拡散性水素を低減し、割れ停止のための予熱温度を低減することができるサブマージアーク溶接用ボンドフラックス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、金属炭酸塩をＣＯ２換算で４乃至９質量％含有することにより、比表面積を０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下とし、フラックス水分量を２００質量ｐｐｍ以下になるよう調整したものであり、フラックス粒が網目構造をなすことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの製造方法は、粒径が７５μｍ以下の粒が全粒度構成の７５質量％以上である金属炭酸塩をＣＯ２換算で４乃至９質量％含有するフラックス原料粉と、バインダーとしての水ガラスとを混合した後、造粒し、焼成することにより、比表面積が０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下であり、フラックス水分量が２００質量ｐｐｍ以下のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスを製造することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックス及びその製造方法について詳細に説明する。
【００１０】
本発明者等が前記課題を解決すべく鋭意実験検討を重ねた結果、従来は、比表面積が小さいほど拡散性水素量を低減できるとされていたものが、極低レベルの拡散性水素量域においては、フラックスの比表面積と拡散性水素量との関係に極小値が存在することが判明した。
【００１１】
図１は横軸に比表面積をとり、縦軸に拡散性水素量をとって、拡散性水素量が１．５ｍｌ／１００ｇ以下の極低レベルの場合のフラックスの比表面積と拡散性水素量との関係を示すグラフ図である。この図１に示すように、比表面積が約０．３２ｍ２／ｃｍ３の場合に拡散性水素量が極小値となる。なお、比表面積はＢＴＥ法により測定されるものである。
【００１２】
フラックス粒中の水分の存在形態としては、図２に示すように、▲１▼フラックス粒１の表面に吸着する表面吸着水２、▲２▼フラックス粒１の内部に封じ込められた状態で存在する浸透吸着水３、▲３▼フラックス成分と結合した水酸化物基又は水和水等が挙げられる。本発明においては、浸透吸着水３に着目し、フラックス粒１を網目構造とすることにより浸透吸着水３を放出しやすくした。
【００１３】
フラックス粒１が網目構造になると、比表面積が増加するため、図４（ａ）に示すように、表面吸着水２が増加するが、一方で、図４（ｂ）に示すように、浸透吸着水３の放出がすすむため、図４（ｃ）に示すように、比表面積の増加に伴ってフラックス水分量に極小領域が出現する。なお、フラックスを網目構造にするためには、製造条件においては造粒方法及び乾燥条件等を調整する方法があるものの、本発明者等は、特にＣＯ２換算で４乃至９質量％である金属炭酸塩の添加によって、製造条件を大幅に調整することなく、フラックス水分量の極小領域が存在する網目構造にすることができることを見出した。この場合に、粒径が７５μｍ以下の粒が全粒度構成の７５質量％以上である金属炭酸塩を使用することが必要である。
【００１４】
なお、網目構造とするだけではフラックス水分は低減しないため、フラックス製造時に使用した水ガラスの水分又は空気中から吸着される水分を、フラックスから十分に放出させておくことが重要であり、フラックス水分量を２００質量ｐｐｍ以下としておく必要がある。
【００１５】
以下、本発明のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの数値限定理由について説明する。
【００１６】
比表面積：０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下
比表面積はＢＥＴ法により測定される。比表面積が０．２０ｍ２／ｃｍ３以下の場合は、表面吸着水が低減できるものの、浸透吸着水が放出されず、水分が十分に低減できない。一方、比表面積が０．４０ｍ２／ｃｍ３より大であると、表面吸着水が増加しすぎ、浸透吸着水が十分放出されても、フラックス全体の水分量は増加する。従って、比表面積は０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下とする。
【００１７】
金属炭酸塩：ＣＯ２換算で４乃至９質量％
金属炭酸塩がＣＯ２換算で４質量％未満ではフラックスが網目構造になりにくい傾向があるため、そのままでは浸透吸着水を放出できないので、拡散性水素量を低減できない。また、金属炭酸塩が少ないと、網目構造化するためには、造粒時間を短くした上で更に乾燥時間を長くする必要が生じ、生産性が悪い。このため、製造コストが極めて高くなるので、実用的でない。
【００１８】
一方、金属炭酸塩がＣＯ２換算で９質量％を超えると、比表面積が大きくなる傾向があるため、そのままでは表面吸着水が増大してしまう。比表面積を適度に小さくするためには、造粒時間を長くする等の必要があるが、やはり生産性が低下するため、実用的な対策ではない。従って、金属炭酸塩はＣＯ２換算で４乃至９質量％とする。なお、金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ３又はＢａＣＯ３が一般的である。上述の如く、金属炭酸塩をＣＯ２換算で４乃至９質量％含有することにより比表面積を０．２０を超え、０．４０ｍ２／ｃｍ３以下にするが、この比表面積の調整には、金属炭酸塩の調整に加えて、その他の手段も併用してもよい。
【００１９】
フラックス水分量：２００質量ｐｐｍ以下
フラックス水分量は７５０℃の雰囲気における水分量を測定する。フラックス水分量が２００質量ｐｐｍより多いと、拡散性水素量が十分低くならない。従って、フラックス水分量は２００質量ｐｐｍ以下とする。
【００２０】
粒径が７５μｍ以下の粒が全粒度構成の７５質量％以上である金属炭酸塩
粒径が７５μｍ以下の粒が全粒度構成の７５質量％以上である金属炭酸塩を使用することにより、フラックスの製造条件を特別に調整したり、変更することなく容易に網目構造とすることができる。
【００２１】
粒径が７５μｍ以下の粒が７５質量％未満であると、フラックスを網目構造にするために、造粒方法及び乾燥条件を調整する必要が生じるため、生産性が低下する傾向にあり、コストアップに繋がるため、望ましくない。また、調整が不十分な場合、十分な網目構造にならず、浸透吸着水の放出が十分にならなくなる虞がある等、実用上の問題が多い。
【００２２】
焼成温度：４５０℃以上、６５０℃未満
また、焼成温度は４５０℃以上、６５０℃未満とすることが望ましい。焼成温度が４５０℃未満であると、水分の放出が十分に進行せず、水分が低減しない。
【００２３】
一方、焼成温度が６５０℃以上であると、金属炭酸塩が分解して酸化物になってしまい、製造後に常温まで冷却する過程で水酸化物が生じやすくなるため、拡散性水素量が増加する。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の範囲に入る実施例のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスについて、本発明の範囲から外れる比較例と比較してその効果について説明する。
【００２５】
下記表１及び２はフラックスの配合原料粉、焼成温度、製造後の比表面積、フラックス水分量を示す。なお、本実施例のフラックスには、その他の成分として、ＮａＯ２、Ｋ２Ｏ、ＦｅＯ及びＬｉＯ２等の成分が含まれる。
【００２６】
フラックスは、原料配合後、水ガラスを加えて造粒し、所定の乾燥温度に０．５乃至１．５時間加熱して乾燥することにより製造した。水分量は、主として乾燥温度と時間によって調整したもので、７５０℃で抽出・測定した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
次に、表３に示す成分組成のワイヤと組合せて、ＪＩＳ  Ｚ３１１８に準拠した拡散性水素試験を実施した。更に、同じワイヤを用い、図５に示す窓枠拘束多層溶接割れ試験を実施し、溶接作業性の確認と割れ停止予熱温度を求めた。図５（ｃ）に示す板厚が５０ｍｍの９５０ＭＰａ級高張力鋼からなる試験板に、開先角度が５０°、ルートフェイスが１０ｍｍの開先を形成し、図５（ｂ）に示すように、板厚が１００ｍｍの鋼製拘束板に試験板を拘束溶接した。
【００３０】
その後、下記表４に示す溶接条件で、開先を多層溶接しながら溶接作業性を評価した。溶接後、９６時間放置してから拘束を外し、目視観察、超音波探傷試験及び磁粉探傷試験によって割れの有無を確認し、更に鋼板を２ｍｍずつ切削しながら磁粉探傷試験を実施し、詳細に割れの有無を確認した。その結果を下記表５に示す。なお、従来の溶接材料では、１５０℃の予熱が必要であった。また、表５において、比較例１５及び１６の「拡散性水素量」及び「割れ停止予熱温度」の欄に示す「―」は拡散性水素試験及び磁粉探傷試験を行わなかったことを示すものである。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
【表４】
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【００３３】
【表５】
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【００３４】
実施例１乃至６は拡散性水素量が少なく、割れ停止予熱温度が５０℃以下と低いものであった。なお、実施例７は焼成温度が好ましい範囲を超えており、割れ停止予熱温度が１００℃であった。
【００３５】
比較例８は金属炭酸塩の含有量が少ないため、比表面積が小さくなった。そのため、フラックス内部の水分の放出が不十分となり、拡散性水素量を低減できず、割れ停止予熱温度の低減に至らなかった。
【００３６】
比較例９は金属炭酸塩の含有量が多いため、比表面積が大きくなった。そのため、フラックス表面の吸着水が増加し、拡散性水素量が増加し、割れ停止予熱温度を低減できなかった。
【００３７】
比較例１０は金属炭酸塩の粒度構成のうち、粒径が７５μｍ以下の粒を７５質量％未満にし、粗めの粒を増加させたため、比表面積が小さくなってしまった。そのため、フラックス表面の吸着水が増加し、拡散性水素量が増加し、割れ停止予熱温度を低減できなかった。
【００３８】
比較例１１は造粒方法を調整し、比表面積が小さくなるようにフラックスを製造したが、フラックス内部の水分の放出が不十分となり、拡散性水素量を低減できず、割れ停止予熱温度の低減には至らなかった。
【００３９】
比較例１２は造粒方法を調整し、比表面積が小さくなるようにフラックスを製造したが、フラックス表面の吸着水が増加し、拡散性水素量が増加し、割れ停止予熱温度を低減できなかった。
【００４０】
比較例１３は本発明例のとおりに製造したフラックスを多湿雰囲気に放置し、吸湿を促進したものである。その結果、フラックス水分の増加に伴い、拡散性水素量も増加し、割れ停止温度が上昇してしまった。
【００４１】
比較例１４は乾燥温度を調整し、４５０℃未満で乾燥したが、フラックスの乾燥が不十分なため、フラックス水分を低減できなかった。このため、拡散性水素量を低減できず、割れ停止予熱温度を低減できなかった。
【００４２】
比較例１５は金属炭酸塩の含有量が少ないため、規定の比表面積の範囲にするには造粒時間を短くした上で更に乾燥時間を長くする必要が生じ、生産性が悪かった。
【００４３】
比較例１６は金属炭酸塩の含有量が多いため、規定の比表面積の範囲にするには造粒時間を長くする必要があり、生産性が悪かった。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、溶接金属中の拡散性水素を一層低減することができ、割れ停止のための予熱温度を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】横軸に比表面積をとり、縦軸に拡散性水素量をとって、フラックスの比表面積と拡散性水素量との関係を示すグラフ図である。
【図２】フラックス粒中の水分の存在形態を示す模式図である。
【図３】フラックス粒の構造の違いによる水分の放出の違いを示す模式図である。
【図４】（ａ）は横軸に比表面積、縦軸に表面吸着水をとって比表面積と表面吸着水との関係を示すグラフ図、（ｂ）は横軸に比表面積、縦軸に浸透吸着水をとって比表面積と浸透吸着水との関係を示すグラフ図、（ｃ）は横軸に比表面積、縦軸にフラックス水分量をとって比表面積とフラックス水分量との関係を示すグラフ図である。
【図５】（ａ）は窓枠拘束多層溶接割れ試験に使用される試験体を示す平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部拡大図である。
【符号の説明】
１：フラックス粒
２：表面吸着水
３：浸透吸着水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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