(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆剤と鋼心線とからなる被覆ア−ク溶接棒により、亜鉛めっき付着量が片面当たり６０〜４００ｇ／ｍ２  である溶融亜鉛系めっき鋼板をア−ク溶接する方法において、被覆剤中の炭素を被覆剤全体に対する重量％で０．０２〜０．５０％とし、溶接入熱を０．５〜１．５ｋＪ  ／ｍｍとなるように調節して溶接することを特徴とする溶融亜鉛系めっき鋼板の溶接方法。
【請求項２】
被覆剤が被覆剤全体の重量％で、
Ｃ：０．０２〜０．５０％
ＴｉＯ２：２５〜５５％
ＳｉＯ２：１０〜２５％
ＣａＣＯ３  ：４〜１６％
Ｆｅ−Ｍｎ  ：５〜１４％
鉄粉：１０〜４０％
を含有し、残部がスラグ生成剤、ア−ク安定剤、ガス発生剤、脱酸剤、固着剤および不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の溶融亜鉛系めっき鋼板の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融亜鉛系めっき鋼板で防食を施した鋼板の溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶融亜鉛系めっき鋼板は主として建築用材に使用されていたが、連続式亜鉛めっき設備が導入されて以来、外観、加工性などの品質が飛躍的に向上し、電気機器、自動車、土木など多方面に用いられるようになってきた。
【０００３】
溶融亜鉛系めっき鋼板を溶接する場合、鋼板表面から鉄より低い融点（４１９℃）と沸点（９０６℃）を持った亜鉛が、溶接時に溶滴ないし溶融池に侵入してその蒸気が突沸すると共に大気を巻き込み、溶接金属の凝固過程で浮上しきれずに気泡として残存し、ピットやブロ−ホ−ルを多発する。このような亜鉛の害を軽減する手段としては、予め溶接線上から亜鉛を機械的に除去することが有効であるが、手間がかかり非能率的である。
【０００４】
溶融亜鉛系めっき鋼板を使用した電気機器や自動車等の溶接にあたっては、屋内のロボット溶接が多くなっており、ガスシ−ルドア−ク溶接が多用され、専用のソリッドワイヤが開発されており、特開昭６３−７２４９８号公報には、ソリッドワイヤ中のＣ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓを限定し、さらにＴｉ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕを適宜含有させた溶接材料が提案されている。更に、特開平２−２６３５９４号公報では、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌを特定範囲とし、Ｃｕ、Ｎｂ，Ｖを特定範囲に限定することにより、ピットやブロ−ホ−ルが発生しにくく、高速溶接が可能なガスシ−ルドア−ク溶接ワイヤが開示されている。
【０００５】
一方、石油貯蔵タンクに代表される建築物における屋根板は、従来、熱延鋼板黒皮材を外側で溶接し、外面は手塗り塗装、内面は黒皮材のまま使用するのが一般的であった。このような、従来の黒皮材よりなるタンクにおいては、特に固定式屋根型石油貯蔵タンクにおいて、タンク内面の石油に接していない部分は、腐食が進行する。これに対して、本発明者等は、特開平７−１１２７９２号公報で開示したように屋根および胴体部の上部に溶融亜鉛めっき鋼板を配置することにより、耐食性を著しく向上させ、大幅にタンク寿命を延長可能とした。溶接施工は屋根になることから、風の影響を受けにくい被覆ア−ク溶接棒が使用される。溶接棒の系統としては、主にＪＩＳのＤ４３０１（イルミナイト系）、Ｄ４３０３（ライムチタニヤ系）およびＤ４３１３（高酸化チタン系）が使用されているが、溶融亜鉛系めっき鋼板の溶接においてピット・ブローホールが発生しにくく、欠陥の少ない溶接金属を得るには、充分に満足のゆくものではない。また、タンク外側からの溶接の熱影響部近傍でタンク内側の亜鉛めっきが溶接熱により消失しダメ−ジを受けて腐食する問題もあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のように石油貯蔵タンクの屋根材として適用する溶融亜鉛系めっき鋼板の溶接において、ピットやブロ−ホ−ル等の欠陥発生の少ない被覆ア−ク溶接棒を用いて溶接し、溶接熱影響部近傍においても亜鉛めっきがダメ−ジを受けない溶接方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述した要望に応えるため、溶接施工方法および被覆剤成分を種々検討して得られたものであって、その要旨とするところは、  被覆剤と鋼心線とからなる被覆ア−ク溶接棒により、亜鉛めっき付着量が片面当たり６０〜４００ｇ／ｍ２  である溶融亜鉛系めっき鋼板をア−ク溶接する方法において、被覆剤中の炭素を被覆剤全体に対する重量％で０．０２〜０．５０％とし、式１で表される溶接入熱Ｗ  を０．５〜１．５ｋＪ  ／ｍｍとなるように調節して溶接し、更に、被覆剤が被覆剤全体の重量％で、Ｃ：０．０２〜０．５０％、ＴｉＯ２：２５〜５５％、ＳｉＯ２：１０〜２５％、ＣａＣＯ３  ：４〜１６％、Ｆｅ−Ｍｎ  ：５〜１４％、鉄粉：１０〜４０％を含有し、残部がスラグ生成剤、ア−ク安定剤、ガス発生剤、脱酸剤、固着剤および不可避不純物からなることを特徴とする溶融亜鉛系めっき鋼板の溶接方法にある。
【０００８】
本発明において、鋼板の表面に防錆を目的としてＺｎ、５％以下のＭｇを添加したＺｎ−Ｍｇめっき鋼板および５％以下のＡｌを添加したＺｎ−Ａｌめっき鋼板を施したものを総称して溶融亜鉛系めっき鋼板という。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、亜鉛めっき鋼板の溶接において、ピットやブロ−ホ−ルの発生しやすい理由として、溶接時に亜鉛の突沸による空気の巻き込みを助長すると共に、溶融金属に入った亜鉛は鉄に溶解しにくく、かつ低沸点であるため溶融金属が凝固過程においても蒸気状態であり、これが残存して気泡となること、また被覆ア−ク溶接棒では、清浄な溶接金属を得るために被覆に脱酸剤を過剰に添加すると溶融状態の亜鉛は酸化されず気泡として残存し、ピット・ブロ−ホ−ルの発生をさらに助長することに起因すると考察した。また、溶接によりタンク内側の亜鉛めっきがダメージを受けるのは、亜鉛めっきにより溶接作業性が大きく低下し、溶接速度を遅くしなければならないことに起因すると考察した。
【００１０】
本発明者等は、これら亜鉛の影響を軽減するには、（１）有害な亜鉛を固定する、あるいはＺｎＯとしてスラグオフさせる、（２）溶融金属および溶融スラグの粘性を低下し、亜鉛蒸気を放出させる、（３）溶融スラグの追従性を良好にして溶接速度を速くすること、これらが有効であるとの観点から、被覆剤組成分について鋭意検討を行い、本発明を構成するに至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、（ａ）被覆剤の炭素量を限定することにより、溶融金属の酸化力を適正化し、亜鉛の酸化を促進すること、すなわち亜鉛蒸気の発生抑制に酸化反応熱による溶融金属の温度上昇を図り、さらには溶融金属の撹拌作用の強化によるガス放出の促進による亜鉛の影響の軽減を図ること、また、（ｂ）タンク外面からの溶接で生ずる溶接熱によるタンク内面側熱影響部の亜鉛めっき消失を低減させるため、水平すみ肉溶接は無論のこと、入熱が大きくなる傾斜部でも下進溶接が可能で、かつ低入熱溶接ができる被覆ア−ク溶接棒を開発したこと、に最大の特徴がある。更に、（ｃ）被覆剤中のＴｉＯ２、    ＳｉＯ２、    ＣａＣＯ３  の量を限定することによって、適正な粘性のスラグを形成し溶接作業性を確保すること、（ｄ）適正量のＭｎを添加することにより、溶接金属の酸化力を適正化し、亜鉛の酸化を促進すること、すなわち亜鉛蒸気の発生の抑制に、酸化反応熱による溶接金属の温度上昇と溶融金属の粘性の低下を図り、更には溶融金属の撹拌作用の強化によるガス放出の促進による亜鉛の影響の軽減を図ること、の複合作用により、さらにピットやブロ−ホ−ルの発生を抑制することができる。
【００１２】
以下に本発明における構成要件を説明する。
図２は、鋼材により製作された固定式屋根型石油貯蔵タンクの構造を示した図であって、基礎コンクリ−ト１の上面に、鋼製底板２が載置されて固定され、その底板２の周囲の上面に、鋼板からなる円筒状の胴体部３の下端部が載置されて溶接により固着され、前記底板２の上面の中央部に、鋼製支柱４の下端部が載置されて固着され、前記支柱４の上端部と胴体部３とに、鋼製屋根骨ラフタ−５が固着され、円錐形の鋼製屋根６は、前記屋根骨ラフタ−５と胴体部３の上端部と支柱４の上端部とに溶接により固着されて、石油貯蔵タンク７が構成され、その石油貯蔵タンク７内に、石油類８が貯蔵され、その石油類８と屋根６との間に気相部９が設けられている。また、図２において、胴体部３におけるハッチング部分が普通鋼板であり、胴体部３における黒い太線部分が、溶融亜鉛系めっき鋼板であり、屋根６にも溶融亜鉛系めっき鋼板が用いられている。
本発明において、耐食性を特に必要とする対象部位である屋根６の内面と胴体部３の上部は石油に接しておらず、気相部となっており、本部位での腐食環境は、ｐＨ５、３５℃の硫酸酸性水溶液噴霧試験で簡便な腐食シュミレ−ションが出来ることが、前述の特開平７−１１２７９２号公報に記載されている。そこで、本発明者等は、本腐食シュミレーション試験を用いて、溶融亜鉛系めっき鋼板継手部の耐食性を調査した。
【００１３】
その結果を図１に示す。図１は、タンク内面に溶融亜鉛系めっきを想定した場合の耐食性を示すグラフである。すなわち、Ｃ；０．１１〜０．３４重量％、ＳｉＯ２  ；１５〜１９重量％、ＴｉＯ２；２９〜３６重量％、ＣａＣＯ３  ；５〜９重量％、Ａｌ２Ｏ３  ；０〜２重量％、有機物；１〜４重量％、Ｆｅ−Ｍｎ；６〜１１重量％、鉄粉；１２〜２４重量％、その他０〜６重量％からなる被覆剤を直径５ｍｍ、長さ４００ｍｍの炭素鋼心線に被覆率２３〜４６％になるように製造した後、乾燥し試験溶接棒を作製し、この溶接棒により０．５％Ｍｇ含有亜鉛めっき鋼板ＪＩＳＧ３３０２・ＳＧＨ４００  Ｚ４５（板厚４．５ｍｍ、幅２５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ）を図３に示すごとく２枚重ねて、１５度下進すみ肉溶接を行い、上記腐食試験を実施して、溶接部裏面の溶接熱影響部の残存めっき厚みを測定した。残存めっき厚みが１０μｍ  以上あれば耐食性に問題はないと判定した。その結果、めっき付着量が片面当たり６０ｇ／ｍ２  未満では、耐食性が不十分となる。また、片面当たり４００ｇ／ｍ２  を超えると溶接性が劣化する。特に、ピットやブロ−ホ−ルの発生が顕著になる。更に溶融亜鉛系めっき鋼板の製造方法については、特に限定されず種々の方法を適用できる。
【００１４】
亜鉛目付量が６０ｇ／ｍ２以上の鋼板では、式（１）で表される溶接入熱Ｗが０．６ｋＪ／ｍｍ  と１．４ｋＪ／ｍｍ  では良好な耐食性を有しているが、溶接入熱２．１ｋＪ／ｍｍ  では、残存めっき厚みが１０μｍ  以下であり、耐食性が劣化する。つまり溶接入熱を０．５〜１．５ｋＪ／ｍｍ  としたのは、溶接入熱が０．５ｋＪ／ｍｍ  未満の場合は、溶接欠陥が発生すること、１．５ｋＪ／ｍｍ  を超える場合は、外面からの溶接で生ずる溶接熱によるタンク内面側の熱影響部の亜鉛めっきが消失してしまい耐食性が劣るためである。
【００１５】
Ｗ  ＝  ６０  ＩＶ／Ｓ（ｋＪ  ／ｍｍ）………………（１）
Ｉ  ：溶接電流（Ａ）
Ｖ：溶接電圧（Ｖ）
Ｓ：溶接速度（ｍｍ／ｓｅｃ）
次に、本発明者等は、亜鉛目付量が６０〜４００ｇ／ｍ２  の鋼板を溶接する場合において、ピット・ブロ−ホ−ルが極めて発生しにくい被覆アーク溶接棒を種々検討した結果、溶接棒被覆剤中の炭素量を限定することによりこの問題を解決できることを見いだした。図４は、被覆剤中の炭素量とピット・ブロ−ホ−ル発生数の関係を示すグラフである。すなわち、Ｓ  ｉＯ２  ；１５〜１９重量％、ＴｉＯ２；２９〜３６重量％、ＣａＣＯ３  ；５〜９重量％、Ａｌ２Ｏ３  ；０〜２重量％、有機物；１〜４重量％、Ｆｅ−Ｍｎ；６〜１１重量％、鉄粉；１２〜２４重量％、その他０〜６重量％からなる被覆剤を、Ｃ；０．０６重量％、Ｓｉ；０．０１重量％、Ｍｎ；０．４９重量％を含有する直径５ｍｍ、長さ４００ｍｍの炭素鋼心線に被覆率２３〜４６％になるように製造した後、乾燥し試験溶接棒を作製し、この溶接棒により０．５％Ｍｇ含有亜鉛めっき鋼板ＪＩＳ  Ｇ３３０２・ＳＧＨ４００  Ｚ４５（板厚４．５ｍｍ、幅２５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ）を図３に示すごとく２枚重ねて、溶接入熱０．９〜１．４ｋＪ／ｍｍ  で１５度下進すみ肉溶接を行い、すみ肉溶接部に発生するピットとブロ−ホ−ルを比較した。計測は、ピット個数を目測で計測し、その後、放射線透過試験を行い計測した。図４から明らかなように被覆剤中の炭素量を限定することによって、ピットとブロ−ホ−ルが減少することが明らかである。炭素の添加量が０．０２重量％以上で効果がある。しかし、０．５０重量％を超えて添加すると、溶融状態の亜鉛が酸化されず気泡として溶接金属中に残り、そのまま凝固しピットやブロ−ホ−ルとなる。また、溶接金属が著しく硬化し、延性を損ない耐割れ性が劣化する。被覆剤に含有される炭素は、主にＦｅ−Ｍｎやグラファイトより添加される。ちなみに、鋼心線中の炭素量が０．０４〜０．０８重量％程度含有されていれば、前述の効果が得られる。
【００１６】
タンク屋根６の内面および胴体部３の上部内面に、溶融亜鉛系めっき鋼板を適用することにより、耐食性が向上する理由は、酸性腐食環境である硫酸性湿潤環境において亜鉛腐食生成物の防食効果による。また、溶接熱影響部の耐食性が良好であるのは、熱影響部に残存する亜鉛と周辺部に存在する亜鉛の電気防食効果による。また、石油タンクの種類についても特に限定されず、屋根固定型石油タンクのみならず、屋根浮揚式タンク等、他の種々のタンクにも適用可能である。その他に、浮き屋根タンク付属物の屋根シ−ル部の雨よけ板およびシ−ル材取付部の部材等にも適用が可能である。
【００１７】
ＴｉＯ２は、下進溶接性に重要な成分であり、スラグ生成剤、粘性調整剤およびア−ク安定剤として使用される。添加量は、２５重量％未満ではスラグの粘性が低すぎ、下進溶接でスラグの被包性が悪く、アンダカットが発生しやすく、ビード形状も悪い。５５重量％を超えて添加するとスラグの粘性が高くなり、ビ−ド形状が劣化すると共にブロ−ホ−ルも増加する。
【００１８】
ＳｉＯ２は、スラグ生成剤として使用される。添加量が１０重量％未満では被覆筒が浅く、ア−クが荒くなり、スパッタの発生が多くなる。２５重量％を超えて添加すると被覆剤の融点が高くなり、被覆筒が長くなりすぎ、不安定なア−ク状態となり、ビ−ド波形が悪くなる。
【００１９】
ＣａＣＯ３  は、下進溶接性に重要な成分であり、ガス発生剤、スラグ生成剤として使用される。添加量が４重量％未満では、スラグの粘性が低下し、ビ−ド形状が悪くなると共に、ガス発生剤としての効果が不十分で、ピット・ブロ−ホ−ルが発生する。１６重量％を超えるとア−ク電圧が低下し、ア−クが不安定となり短絡しやすく、ア−ク切れも発生する。
【００２０】
Ｆｅ−Ｍｎは脱酸剤および合金剤としての効果がある。また、前述の炭素源としても添加される。添加量が５重量％未満では脱酸不足となり、清浄な溶接金属が得られない。１４重量％を超えると脱酸過剰となり、亜鉛蒸気の影響が大きく働き、ピット・ブロ−ホ−ルが発生すると共に、溶接金属が硬化し、耐割れ性が劣化する。
【００２１】
鉄粉は、ア−ク安定剤および溶着金属量増加の目的で添加する。添加量が１０重量％未満では溶着量が不足し、すみ肉溶接でアンダカットが発生する。４０重量％を超えると被覆筒が弱くなり、短絡し易くなると共に、溶接金属の温度が低下しガスの放出が不十分になり、ピット・ブロ−ホ−ル発生の原因となる。
【００２２】
さらに、上記以外のア−ク安定剤、スラグ生成剤、ガス発生剤、脱酸剤とは、ＭｇＯやＦｅ２  Ｏ３  、Ａｌ２  Ｏ３  あるいは有機物等をさす。本発明溶接棒は、以上述べた配合フラックスを、珪酸ソ−ダ、珪酸カリで代表される水ガラス等の粘結剤により、鋼心線の周囲に被覆率が２０〜４５％となるように通常の押し出し式溶接棒塗装機により被覆塗装した後、水分を除去するために１２０〜２５０℃で乾燥して製造する。
【００２３】
【実施例】
次に実施例により本発明の効果を具体的に示す。各種溶融亜鉛系めっき鋼板を用いて、Ｃ；０．１１〜０．３４重量％、ＳｉＯ２  ；１５〜１９重量％、ＴｉＯ２；２９〜３６重量％、ＣａＣＯ３  ；５〜９重量％、Ａｌ２Ｏ３  ；０〜２重量％、有機物；１〜４重量％、Ｆｅ−Ｍｎ；６〜１１重量％、鉄粉；１２〜２４重量％、その他０〜６重量％からなる被覆剤を直径５ｍｍ、長さ４００ｍｍの炭素鋼心線に被覆率２３〜４６％になるように製造した後、乾燥し試験溶接棒を作製したものを用いて溶接し、耐食性試験用試験片を製作し、実機タンク屋根に組込み３ヶ月適用した結果を表１に示す。腐食の評価は、地鉄浸食量が０ｍｍの場合を○、０．０１ｍｍ未満を△、０．０１ｍｍ以上を×とした。その結果、本発明のＡ−５  〜Ａ−９  、Ａ−１１、Ａ−１２、Ａ−１６、Ａ−１７は、本発明範囲内の溶接施工での溶融亜鉛系めっき鋼板製タンクであり、内面、外面共に耐食性が優れていることが明らかである。Ａ−１  は、黒皮材であり、Ａ−２  〜Ａ−４  は、めっき厚みが薄いため、耐食性が劣った。Ａ−１０、Ａ−１５は、溶接入熱が低いため、またＡ−１４は、めっき厚みが厚いため溶接欠陥が多く発生し、腐食試験を実施しなかった。Ａ−４  、Ａ−１３、Ａ−１８は、溶接入熱が大きいためタンク内面の熱影響部がダメ−ジを受けて耐食性が劣化した。
【００２４】
【表１】
0003559445.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003559445.tif 000003
【００２６】
次に、耐ピット・ブロ−ホ−ルを調査するため試験を実施した。表２に本発明例溶接棒および比較のために用いた溶接棒の被覆剤組成並びに各種試験結果を示す。溶接棒の作製にあたっては、直径５．０ｍｍ、長さ４００ｍｍの炭素鋼心線に被覆率３１％になるように製造した後、乾燥し試験溶接棒を作製した。この溶接棒により、図３に示すごとく溶融亜鉛系めっき鋼板ＪＩＳ    Ｇ３３０２  ・ＳＧＨ４００  Ｚ４５  （板厚４．５ｍｍ、幅２５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ）を２枚重ねて、１５度下進すみ肉溶接を行い、すみ肉溶接部に発生するピットとブロ−ホ−ルを比較した。なお、この際に溶接作業性を判定した。この溶接条件は、溶接電流２２０Ａ、溶接入熱０．９〜１．２ｋＪ／ｍｍ  で行った。溶接終了後、ビ−ド表面に発生するピットの個数を目視で計測した。その後、溶接ビ−ドを放射線透過試験を行い計測した。ピットとブロ−ホ−ルの個数が５個／ｍ以下を良好（○印）とし、それ以上を不良（×印）とした。溶接作業性の判定は、優れるものを○印とし、やや劣るものを△印として評価した。本発明溶接棒であるＢ−１からＢ−５は、適正の炭素量であり、他被覆剤も適正量含有されているため、ピットとブロ−ホ−ルの数が少なく、さらに溶接作業性も優れていた。
【００２７】
一方、Ｃ−１は、炭素量が少なくピットとブロ−ホ−ルが多く発生した。Ｃ−２は、炭素量が多すぎるためピットとブロ−ホ−ル発生した。Ｃ−３〜Ｃ−５は、本発明範囲内だが被覆剤の炭素以外の成分がより好ましい範囲からは外れる例である。溶接作業性がやや劣るものの、ピットとブローホールの発生はなく、総合的には良好な溶接を行うことができた。Ｃ−３は、ＳｉＯ２  が多く、またＴｉＯ２  が少ないため、Ｃ−４は、ＳｉＯ２  とＣａＣＯ３  が少ないため下進溶接性がやや劣った。Ｃ−５は、ＣａＣＯ３  とＦｅ−Ｍｎが多いため、ア−クが不安定となり溶接作業性がやや劣った。Ｃ−６は、鉄粉が多いため被覆筒が弱くなり溶接作業性がやや劣った。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶融亜鉛めっき鋼板の施工において高耐食性を有し、ピットやブロ−ホ−ル等の欠陥の少ない優れた溶接方法であることから、その工業的意義は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】タンク内面に溶融亜鉛系めっきを想定した場合の耐食性を示すグラフである。
【図２】固定式屋根型石油貯蔵タンクの構造を示す縦断側面図である。
【図３】試験に用いられた試験板形状を示す斜視図である。
【図４】被覆剤中の炭素量とピット・ブロ−ホ−ル発生数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  基礎コンクリ−ト
２  鋼製底板
３  胴体部
４  支柱
５  屋根骨ラフタ−
６  屋根
７  石油貯蔵タンク
８  石油類
９  気相部
Ｗ  幅
Ｌ  長さ
【図１】
0003559445.tif 000004
【図２】
0003559445.tif 000005
【図３】
0003559445.tif 000006
【図４】
0003559445.tif 000007