(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ全重量に対して重量％でＴｉＯ２：３．４〜９．９％、ＳｉＯ２：０．２〜２．５％、Ａｌ２Ｏ３：０．３〜１．７％、金属弗化物（Ｆ換算値）：０．３３〜０．５％、金属Ｔｉ（Ｔｉ換算値）：０．０８〜０．４４％とし、かつスラグ剤成分の合計がワイヤ全重量の７．３〜１１．１％であるフラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜２６％充填してなることを特徴とする二相ステンレス鋼の全姿勢溶接用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、二相ステンレス鋼の溶接に使用され、溶接金属性能が良好な全姿勢溶接性に優れた二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌのような二相ステンレス鋼は、優れた耐食性及び強度特性を持つステンレス鋼である。耐孔食性、耐隙間腐食性が要求される化学プラント機器や油井、ガス井等の耐食材料として、また、強度も高いことから、建築や車両等の構造材としても用いられている。これらの溶接に使用される材料には、母材と同等の溶接金属性能と良好な溶接作業性が求められる。溶接材料の中でも高能率に溶接できるフラックス入りワイヤが多く使用されるようになり特にその要求が高い。しかし、二相ステンレス鋼を従来のオーステナイト系ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤのスラグ系をベースとしたフラックス入りワイヤを用いて溶接した場合、溶接直後にスラグが飛散したり、一部が溶接ビードに焼き付いて残るという問題がある。さらに、全姿勢での溶接が困難であり、溶接電流を下げたり、高い溶接技量を必要とする。これらは溶接作業能率を著しく低下させる。
【０００３】
二相ステンレス鋼のような高窒素ステンレス鋼溶接用のフラックス入りワイヤは特開平３−２９４０９４号公報に開示されている。しかし、同公報ワイヤは主成分であるＴｉＯ２とＳｉＯ２、ＺｒＯ２、さらに合金成分を限定して溶接部の強度を要求したのもで、立向、上向等の姿勢での溶接は困難であった。また、特開平９−２３９５８６号公報にも開示されているが、同公報ワイヤは主成分であるＴｉＯ２とＳｉＯ２、及び金属弗化物、スラグ剤成分の合計量、さらに合金成分を限定して高隙間耐食性を要求したものであり、立向、上向等の姿勢での溶接は困難であった。そこで、溶接作業性及び溶接金属性能が良好な全姿勢溶接性に優れた二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの開発が強く要望されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するために、ワイヤ中のスラグ剤成分と金属弗化物、金属Ｔｉ量について種々検討したものであり、二相ステンレス鋼の全姿勢溶接において、アークが安定し、スパッタ発生量が少なく、さらにビード形状、スラグの被包性及び剥離性が優れ、かつ溶接金属性能が良好な二相ステンレス鋼の全姿勢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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、溶着金属のフェライト量が多い二相ステンレス鋼の溶着金属の伸びが低下する原因について究明した結果、溶着金属中に多量の水素を含有し水素脆化を起こすこと、そして、溶着金属中の水素量はＴｉと関係があり、ワイヤ中の金属Ｔｉ量が増加すると溶着金属中の水素量も増加することを知見した。
【０００６】
本発明は、上記知見に基づいて完成したもので、スラグ剤成分を所定の割合とすると共に、金属Ｔｉを所定割合に制限することにより、前記課題を達成し得たものである。
【０００７】
本発明の要旨とするところは、ステンレス鋼からなる外皮の内部にワイヤ全重量に対して重量％でＴｉＯ２：３．４〜９．９％、ＳｉＯ２：０．２〜２．５％、Ａｌ２Ｏ３：０．３〜１．７％、金属弗化物（Ｆ換算値）：０．３３〜０．５％、金属Ｔｉ（Ｔｉ換算値）：０．０８〜０．４４％とし、かつスラグ剤成分の合計がワイヤ全重量の７．３〜１１．１％であるフラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜２６％充填してなることを特徴とする二相ステンレス鋼の全姿勢溶接用フラックス入りワイヤにある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤの各成分限定理由について説明する。
【０００９】
まず、スラグ剤成分の限定理由について説明する。
【００１０】
充填フラックス中のＴｉＯ２は、アークを安定にし、被包性及び剥離性の良いスラグを形成する。さらに、スラグの凝固を早め、立向及び上向溶接中に溶融金属の垂れを防ぎビード形状を良好にする効果がある。３．４％未満ではアークが不安定となり、スラグ被包性及び剥離性が悪く、また、立向及び上向溶接で溶融金属が垂れ、ビード形状が不良となる。９．９％を超えるとスラグの流動性が低下し、ビード形状が不良となる。また、スパッタ発生量が増加するばかりか、スラグ巻込みが発生しやすくなる。ＴｉＯ２としては、ルチール、チタンスラグ、イルミナイト、チタン酸カリ、チタン酸ソーダ等が使用できる。
【００１１】
ＳｉＯ２は、スラグの流動性調整に必要で、被包性及び剥離性の良いスラグを形成し、ビード形状を良化させる成分であるが、０．２％未満ではスラグの流動性が悪くビード形状が不良となり、２．５％を超えると、スラグが流れやすくなり、立向及び上向溶接で溶融金属が垂れ、全姿勢溶接が困難となりビード形状が不良となる。さらに、スラグの焼付きを生じ、スラグ剥離性が低下する。ＳｉＯ２としては、硅砂、硅石の他、カリ長石等が使用できる。
【００１２】
Ａｌ２Ｏ３はスラグ流動性の調整剤であり、被包性及び剥離性の良いスラグを形成し、ビード形状を良好とする成分であるが、０．３％未満ではスラグが流れやすくなり、立向及び上向溶接で溶融金属が垂れ、全姿勢溶接が困難となりビード形状が不良となる。さらに、スラグの被包性が悪く、スラグの焼付きを生じ、スラグの剥離性が低下する。１．７％を超えると、スパッタが発生しやすくなり、さらに、スラグの粘性が低下し、ビード形状が不良となる。Ａｌ２Ｏ３としては、アルミナ、カリ長石等が使用できる。
【００１３】
金属弗化物は、スラグ融点の調整であり、被包性及び剥離性の良いスラグ形成し、ビード形状を良好とする成分であるが、Ｆ換算値で０．３３％以上がスラグの被包性及び剥離性に好ましく、０．５％を超えるとスラグの融点が著しく低下し、立向及び上向溶接で溶融金属が垂れ、全姿勢溶接が困難となり、ビード形状が不良となる。また、弗素ガス発生に伴いヒュームが多量に発生する。金属弗化物はＬｉＦ、ＭｇＦ２、ＡｌＦ２、Ｋ２Ｚｒ２Ｆ６等が使用でき、いずれの金属弗化物を使用しても同様な効果が得られる。
【００１４】
次に、合金成分を調整する金属Ｔｉについては、金属Ｔｉはその殆どがアーク中で酸化反応しＴｉＯ２となりスラグとして作用するが、本来スラグ形成剤として使用しているＴｉＯ２の融点が１８４０℃であるのに対し、金属Ｔｉで１６６０℃、Ｆｅ−Ｔｉで１３１７℃とより融点が低いため早い時点でスラグ化し、凝固も早期に始まり溶融金属の垂れを防止する。そのため、立向及び上向溶接を容易にする。また、スラグの流動性を調整して被包性及び剥離性の良いスラグを形成し、ビード形状を良好にする成分であるが、Ｔｉ換算値で０．０８％未満では効果なく立向及び上向溶接中の溶融金属が垂れやすく、溶接が困難なばかりか、ビード形状が不良となる。
【００１５】
しかしながら、金属Ｔｉを多量に含有した場合溶着金属の伸びが低下する傾向が認められた。溶着金属のフェライト量が２５％を超える二相ステンレス鋼では、図１に示すように溶着金属中に多量の水素を含有すると水素脆化を起こし、溶着金属の引張試験において伸びが著しく低下する。
【００１６】
そこで本発明者らは、溶着金属中の水素量とＴｉ量に着目し検討した結果、図２に示すように溶着金属中の水素量は、Ｔｉと関係があり、ワイヤ中のＴｉ（Ｔｉ換算値）量が増加すると、溶着金属中の水素量も増加することが判明した。
【００１７】
これは、Ｔｉが水素の拡散を妨げ、固定しているためと考えられる。したがって、延性確保には水素脆化を起こさないために水素を極力押さえる必要があり、そのためにはワイヤ中のＴｉ量を制限する必要がある。
【００１８】
そのため、ワイヤ中の金属ＴｉをＴｉ換算値でワイヤ全重量に対して０．４４％以下とする。したがって、金属Ｔｉ（Ｔｉ換算値）はワイヤ全重量に対して重量％で０．０８〜０．４４％とする。Ｔｉ源としては金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等が使用できる。
【００１９】
次に、スラグ剤成分の合計量及びフラックス充填率について説明すると、フラックス中のスラグ剤成分は、被包性及び剥離性の良いスラグを形成し、ビード形状を良好にする。スラグ剤成分の合計が合計で７．３％未満では、立向及び上向溶接において溶融金属の保持が十分できず、溶接が困難となり、ビード形状が不良となる。さらにスラグの被包性及び剥離性が不十分となり、スラグ焼付きを生じ、スラグ剥離性が低下する。１１．１％を超えるとスパッタが増加し、さらにスラグ過剰となりスラグ巻込みの欠陥が発生する。なお、本発明におけるスラグ剤成分とは、酸化物、弗化物等の非金属成分、不純物としてのＰ、Ｓ等を意味するものである。
【００２０】
ステンレス鋼外皮へのフラックス充填率が１８％未満では、外皮の肉厚が厚く、溶滴が肥大化しスパッタが増加する。２６％を超えると逆に外皮の肉厚が薄く、伸線加工中に断線が多発し、著しく生産能率を低下させる。
【００２１】
また、充填フラックスは溶接する二相ステンレス鋼板成分によって合金成分を調整する。調整剤としてＮｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、ステンレス粉、窒化金属等を用いる。さらに原材料粒度、フラックス成分、充填方法等に応じて固着剤によって造粒して用いることもあるが、その場合には固着剤からもたらされる成分、例えば水ガラスの場合では、ＳｉＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等が増加することをあらかじめ考慮するように原料の配合を行う必要がある。
【００２２】
なお、本発明のフラックス入りワイヤとは、図３（ａ）〜（ｄ）にその例を示す様な断面形状のワイヤで、オーステナイト系またはオーステナイト−フェライト系のステンレス鋼のパイプあるいは帯鋼から成る外皮１に、充填フラックス２を被包したもので、図３（ａ）に示す様な継ぎ目のないもの、あるいは図３（ｂ）〜（ｄ）の如く継ぎ目３を有するものでもよい。
【００２３】
【実施例】
表１に示す成分のオーステナイト系、オーステナイト−フェライト系ステンレス鋼のパイプ及び帯鋼を用い、表２及び表３に示すフラックスをワイヤ全重量に対する充填率を変えて、ワイヤ径１．２ｍｍのステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを製造した。なお、パイプは所定の充填率にフラックスが入る径まで管引きした後、フラックスを充填した。表２及び表３においてワイヤＮｏ．１〜１３が本発明例のフラックス入りワイヤ、Ｎｏ．１４〜２７が比較例である。
【００２４】
【表１】
0003589917.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003589917.tif 000003
【００２６】
【表３】
0003589917.tif 000004
【００２７】
溶接作業性評価は、電流１６０Ａ（ＤＣＥＰ）、電圧２４Ｖ、シールドガスは１００％ＣＯ２：２０リットル／ｍｉｎの溶接条件で半自動溶接にて評価した。
【００２８】
試験鋼板は、表１に示す成分のＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ鋼板を用いてＴ字型に組み立て、片側１パス立向上進溶接を行い確認した。さらに、溶接ビードを切断し、断面のスラグ巻込み欠陥の有無を確認した。作業性評価は実用上良好な場合は○、実用上問題がある場合は×とした。溶接作業性がすべて良好なものは、ＪＩＳＺ３３２３／Ａ１号試験片を採取し、引張試験を行った。判定は、溶接作業性に問題があるもの、引張試験においてＡＷＳ規格の伸びが２０％以上を満足しないもの、スラグ巻込みが発生しているものは×とした。それらの結果を表４に示す。
【００２９】
【表４】
0003589917.tif 000005
【００３０】
本発明例であるワイヤＮｏ．１、３、６〜８およびワイヤＮｏ．１０〜１３は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、金属弗化物のＦ換算値、金属ＴｉのＴｉ換算値及びスラグ剤成分の合計が適正量からなるフラックスをステンレス鋼外皮に適量充填されているので、溶接作業性、溶接金属の引張試験においても良好で、生産能率も低下させることなく極めて良好な結果であった。
【００３１】
比較例中ワイヤＮｏ．１４は、ＴｉＯ２量が多いのでスパッタが多発し、溶接作業性が劣化した。さらに、スラグの流動性が劣化し、ビード形状が不良となった。さらに、スラグ巻込みの欠陥が発生した。
【００３２】
ワイヤＮｏ．１５は、ＴｉＯ２量が少ないのでアーク状態が不安定となり、スラグの被包性及び剥離性が悪くなった。さらに、溶接中の溶融金属が垂れ、ビード形状が不良となった。
【００３３】
ワイヤＮｏ．１６は、ＳｉＯ２量が多いのでスラグが流れやすく、溶接中の溶融金属が垂れ、ビード形状が不良となった。さらに、スラグの焼付きを生じ、スラグ剥離性が悪くなった。
【００３４】
ワイヤＮｏ．１７は、ＳｉＯ２量が少ないのでスラグの流動性が悪く、ビード形状が不良となった。
【００３５】
ワイヤＮｏ．１８は、Ａｌ２Ｏ３量が多いのでスパッタが多発した。さらにスラグの粘性が低下し、ビード形状が不良となった。
【００３６】
ワイヤＮｏ．１９は、Ａｌ２Ｏ３量が少ないのでスラグが流れやすく、溶接中の溶融金属が垂れ、ビード形状が不良となった。さらに、スラグの被包性が悪く焼付きを生じ、スラグ剥離性が悪くなった。
【００３７】
ワイヤＮｏ．２０は、金属弗化物のＦ換算値が多いので弗素ガス発生量が過剰となり溶接ヒュームの発生量が多くなった。また、スラグの融点が下がり、溶接中の溶融金属が垂れ、ビード形状が不良となった。
【００３８】
ワイヤＮｏ．２１は、金属弗化物のＦ換算値が少ないのでスラグが溶接金属に均一に被包せず、スラグが焼き付き、スラグ剥離性が悪かった。
【００３９】
ワイヤＮｏ．２２は、金属Ｔｉ量のＴｉ換算値が多いので溶接作業性は良好であるが、溶着金属の引張試験において伸びがＡＷＳ規格である２０％以上を満足しなかった。
【００４０】
ワイヤＮｏ．２３は、金属Ｔｉ量のＴｉ換算値が少ないのでスラグ凝固が遅く溶接中の溶融金属が垂れ、全姿勢溶接が困難であり、ビード形状も不良となった。
【００４１】
ワイヤＮｏ．２４は、スラグ剤成分の合計が多いのでスパッタが増加し、スラグ巻込みの欠陥が発生した。
【００４２】
ワイヤＮｏ．２５は、スラグ剤成分の合計が少ないので、立向及び上向溶接において溶融金属の保持が十分できず、溶接が困難で、ビード形状も不良となった。さらにスラグの被包性が不十分となり、スラグが焼き付きを生じ、スラグ剥離が悪かった。
【００４３】
ワイヤＮｏ．２６は、フラックス充填率が高いので伸線加工中に断線が多発し、生産能率を著しく低下させた。したがって、ワイヤ径１．２ｍｍまで伸線を行わなかった。
【００４４】
ワイヤＮｏ．２７は、フラックス充填率の低いので溶滴が肥大化しスパッタが増加した。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤは、二相ステンレス鋼の溶接において、機械的性能を満足しつつ、アーク状態、スパッタ発生量、スラグ被包・剥離性等の全姿勢溶接作業性に優れた二相ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤとして有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶着金属の伸びと溶着金属中の水素量の関係を示す図である。
【図２】溶着金属中の水素量とワイヤ中のＴｉ（Ｔｉ換算値）量の関係を示す図である。
【図３】フラックス入りワイヤの断面図である。
【符号の説明】
１  外皮
２  充填フラックス
３  継ぎ目
【図１】
0003589917.tif 000006
【図２】
0003589917.tif 000007
【図３】
0003589917.tif 000008