(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱酸剤として、Si含有量が30〜80wt％であって、かつ粒径：106 μm 超が重量比率で10％以下、粒径：45μm 未満が重量比率で50％以下の粒度分布を有するFe−Si粒子を、１〜10wt％の割合で配合した焼成型フラックス原料を、造粒後、750 ℃以上の温度で焼成を施して成るサブマージアーク溶接用フラックスの製造方法において、焼成に際し、 700℃以上、（最高温度−50℃）以下の温度域を５℃/min以上の昇温速度で昇温することを特徴とするサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、フラックス成分が、
total SiO2：30〜70wt％、
マンガン酸化物（MnＯ量換算で) ：５〜40wt％、
MgＯ：３〜30wt％、
A1203 ：２〜20wt％
を含む組成になるサブマージアーク溶接用焼成型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、船舶、海洋構造物、貯槽、鉄骨および橋梁等の鋼構造物の溶接に用いて好適なサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの製造方法に関し、とくに建築用鉄骨の梁などに用いられる溶接組立式Ｈ型部材の隅肉継手溶接を高速サブマージアーク溶接で行う場合等において、欠陥のない溶接部が安定して得られる優れた溶接作業性を有するサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サブマージアーク溶接（潜弧溶接）用フラックスは、通常、２酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主体とし、それに酸化マグネシウム  （ＭｇＯ）  、マンガン酸化物  （ＭｎＯ、Ｍｎ３０４  等）  、酸化カルシウム  （ＣａＯ）  、アルミナ（Ａｌ２０３）  およびその他の酸化物、ふっ化物等を添加配合して製造されている。
そして、このサブマージアーク溶接用フラックスは、その製造方法の違いにより、溶融型フラックス、焼成型フラックス（焼結型フラックスも含む、以下同じ）および混合型フラックスに分類される。
【０００３】
このうち焼成型フラックスは、一般に、酸化物やふっ化物等のフラックス原料粉に結合剤（バインダ）として水ガラス（珪酸ソーダ）などを添加し、混練、造粒、乾燥、焼成という工程を経て製造されている。まれに、結合剤が省略される場合もある。このような焼成型フラックスは、比較的簡単な設備で製造可能なために安価なだけでなく、脱酸剤や合金元素の添加が可能なために溶接金属成分を調整できるという利点がある。
【０００４】
しかしながら、この焼成型フラックスは、原料によってフラックスの品質ひいては溶接部の特性が大きく変化する。
例えば、ピットやポックマーク等の溶接欠陥が溶接部に発生する。これらの溶接欠陥は、原料中の結晶水等の水分または原料酸化物が酸素源となり、溶接時に生じるＣＯ，ＣＯ２  ガスに起因して発生するものである。
【０００５】
上記の問題に対して、低温（７００℃以下）  で焼成する低温焼成型フラックスでは、フラックス中に炭酸塩や脱酸剤を添加することによって耐溶接欠陥性の改善を図ってきた。
これに対し、高温（７００〜１２００℃）  で焼成する高温焼成型フラックスは、炭酸塩を用いずに溶着金属の低水素化が図れるため、高速溶接性には優れるものの、使用可能な脱酸剤の種類が非常に限られていることもあって、耐ポックマーク性は劣っていた。しかも、その検討はほとんど行われていないのが現状である。
【０００６】
脱酸を目的として金属粉を添加する例としては、例えば特公昭３２−４０９  号公報や特公昭４４−１３２４９  号公報に、Ｆｅ−ＳｉおよびＳｉ−Ｍｎの例が記載されている。高温焼成型フラックスでは、高温焼成時に脱酸剤が変質（酸化や窒化）して脱酸剤としての作用効果が減退する場合が多いことから、脱酸剤として使用されているのはこの２種類が主である。
しかしながら、このＦｅ−ＳｉおよびＳｉ−Ｍｎを脱酸剤として用いた場合でも、高温焼成条件等により脱酸剤が変質したり、フラックスを繰り返し使用した場合に安定して良好な耐ポックマーク性や優れた溶接作業性が得られないなどの問題を残していた。
【０００７】
その他、特開昭６２−６８６９５  号公報には、フラックス中のＳｉが  ０．５ｗｔ％以下の高温焼成型フラックスが開示されている。
しかしながら、この技術は、フラックス中のＳｉ量を  ０．５ｗｔ％以下に抑制することによって、高温焼成時における脱酸剤の変質による溶接作業性への影響を少なくしたもので、脱酸剤およびフラックスの焼成方法等は検討されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した現状に鑑み開発されたもので、脱酸剤としてＦｅ−Ｓｉを使用し、造粒後の焼成処理の際、  ７００℃以上の温度域における昇温速度を制御することによって、欠陥のない溶接部が安定して得られ、優れた溶接作業性を有するサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの有利な製造方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、７５０  ℃以上の温度で焼成するサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの製造に際し、欠陥のない溶接部を安定して得る方法について鋭意検討した結果、脱酸を目的としてＦｅ−Ｓｉを添加するフラックスでは、製造時の焼成条件の最適化が溶接時における作業性の改善および欠陥発生の抑制に有効であることを見出した。
本発明は、上記知見に立脚するものである。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．脱酸剤として、Si含有量が30〜80wt％であって、かつ粒径：106 μm 超が重量比率で10％以下、粒径：45μm 未満が重量比率で50％以下の粒度分布を有するFe−Si粒子を、１〜10wt％の割合で配合した焼成型フラックス原料を、造粒後、750 ℃以上の温度で焼成を施して成るサブマージアーク溶接用フラックスの製造方法において、焼成に際し、 700℃以上、（最高温度−50℃）以下の温度域を５℃/min以上の昇温速度で昇温することを特徴とするサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの製造方法。
【００１１】
２．上記１において、フラックス成分が、
ｔｏｔａｌ  ＳｉＯ２：３０〜７０ｗｔ％、
マンガン酸化物（ＭｎＯ量換算で）  ：５〜４０ｗｔ％、
ＭｇＯ：３〜３０ｗｔ％、
Ａ１２０３  ：２〜２０ｗｔ％
を含む組成になるサブマージアーク溶接用焼成型フラックスの製造方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明を由来するに至った経緯を実験結果に基づいて説明する。
表１に示すような配合比率になるように調整した原料を、水ガラスを結合剤として１２〜２００  メッシュに造粒し、１１００℃，  ５分の条件で焼成した。
この際、フラックスの焼成は定置式バッチ炉を用いて行い、フラックス焼成時の昇温速度の影響について調査した。
なお、昇温速度は、フラックス充填層内で平均的昇温速度位置と考えられる、フラックス充填容器の中央部の表面より充填高さの１／４の箇所の温度を熱電対を用いて測定し、  ７００〜１０５０℃の温度域での平均昇温速度を求めた。
【００１４】
これらのフラックスと、２ｗｔ％Ｍｎ系ワイヤ（４．８ｍｍφ）を用い、溶接電流：７５０  Ａ，溶接電圧：３５Ｖ，溶接速度：４０ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件で、ＳＳ４００  相当の鋼板を下向き隅肉シングル溶接し、ビード外観を調査した。
得られた結果を表２に示すが、同表から明らかなように、フラックス焼成時の昇温速度が溶接ビード外観に及ぼす影響は極めて大きいことが分かる。
【００１５】
【表１】
0003577995.tif 000002
【００１６】
【表２】
0003577995.tif 000003
【００１７】
フラックス焼成時の昇温速度が溶接ビード外観と密接な関係がある理由としては、次のようなことが考えられる。
通常、脱酸を目的として高温焼成型フラックスに添加される金属粉としては、Ｆｅ−ＳｉおよびＳｉ−Ｍｎが一般に知られているが、これらも  ７００℃以上の温度域では、反応速度は遅いものの、徐々に変質（酸化）して脱酸剤としての作用効果が減退する。この点、  ７００℃以上の温度域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上にすると、最高温度付近での脱酸剤の酸化速度に影響を及ぼすような脱酸剤酸化挙動に変化（昇温時の酸化量が少なく、またその酸化進行を遅らせる）が生じ、その結果、脱酸剤の酸化ロスが格段に低減するものと考えられる。
【００１８】
以下、本発明における構成要件を、前記の範囲に限定した理由について説明する。
本発明では、焼成工程の昇温過程において、  ７００℃以上、（最高温度−５０℃）以下の温度域を５℃／ｍｉｎ以上の昇温速度で昇温する必要がある。
まず、昇温速度を制御すべき温度範囲の下限を  ７００℃としたのは、温度が  ７００℃以上になると、上述したとおり、Ｆｅ−Ｓｉ粒子の変質（酸化）が懸念されるからである。一方、フラックス粉体は熱伝達性があまり良くないので、均熱により均一材質とするには均熱温度域（最高温度〜最高温度−５０℃の温度域）において少なくとも５分程度の均熱処理が必要である。従って、かかる均熱温度域に至るまでの昇温過程における温度範囲の上限として（最高温度−５０℃）を定めた。
また、かかる温度域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上に限定したのは、昇温速度が５℃／ｍｉｎ未満ではＦｅ−Ｓｉ粒子が変質（酸化）して、溶接時における脱酸効果が小さくなるからである。
【００１９】
次に、原料配合時に、脱酸剤として用いるＦｅ−Ｓｉが備えるべき条件について説明する。
Ｆｅ−ＳｉのＳｉ含有量：３０〜８０ｗｔ％
Ｓｉ含有量が８０ｗｔ％を超えると、添加するＦｅ−Ｓｉの絶対量が少量となりフラックス全体に均一に分布させるのが困難となるため、８０ｗｔ％以下とした。また、Ｓｉ含有量が３０ｗｔ％未満では、Ｆｅ−Ｓｉを多量に添加する必要が生じ、その多量添加によりフラックス中の鉄分が増大し、これが原因となって溶接ビード表面性状が劣化するので、３０ｗｔ％以上にした。
【００２０】
Ｆｅ−Ｓｉの粒度構成：１０６  μｍ  を超える粒子の割合が１０ｗｔ％以下で、かつ４５μｍ  未満の粒子の割合が５０ｗｔ％以下
Ｆｅ−Ｓｉ粒子のうち、１０６  μｍ  を超える粒子の割合が１０ｗｔ％を超えると繰り返し利用していくうちに脱酸効果および脱酸効率が低下して、ポックマークが出易くなるため、１０ｗｔ％以下に限定した。一方４５μｍ  未満の粒子の割合が５０ｗｔ％以上になると高温焼成時に細かいＦｅ−Ｓｉの粒子が酸化消失するため、５０ｗｔ％以下に限定した。
【００２１】
フラックス中におけるＦｅ−Ｓｉの含有量：１〜１０ｗｔ％
フラックス全体に対してＦｅ−Ｓｉの含有量が１ｗｔ％に満たないと所望の脱酸効果が得られず、一方１０ｗｔ％を超えて添加しても脱酸効果は飽和に達するので、Ｆｅ−Ｓｉ含有量は１〜１０％の範囲に限定した。
【００２２】
本発明では、サブマージアーク溶接用フラックスの製造に当たり、基本的に、  ７００℃以上、（最高温度−５０℃）以下の温度域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上に規制することにより、また好ましくはさらに、フラックス中に脱酸剤として添加するＦｅ−Ｓｉ粒子について、その成分、粒度構成および添加量を上記の範囲に制限することによって、所望の効果を得ることができるが、焼成型フラックスのその他の代表組成については、次のとおりである。
【００２３】
ｔｏｔａｌ  ＳｉＯ２：３０〜７０ｗｔ％
ＳｉＯ２は、ビード外観を良好に保つための造滓剤として添加する。しかしながら、ｔｏｔａｌ  ＳｉＯ２が３０ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、特に高速隅肉溶接のようにビード端部のなじみが重要な場合には、３０ｗｔ％未満では良好なビード形状を保持できない。一方、７０ｗｔ％を超えて多量に含まれると粘性が高くなりすぎてかえってビード外観が乱れ易くなり、またスラグの剥離性が劣化するなどの不具合が生じる。従って、ｔｏｔａｌ  ＳｉＯ２量は３０〜７０ｗｔ％程度とするのが好ましい。
【００２４】
マンガン酸化物：５〜４０ｗｔ％（ＭｎＯ量換算で）
隅肉溶接用フラックスとしては、溶接速度が速くなってもビード端部のなじみが良好である必要がある。そのためには、マンガン酸化物を含有するスラグとすることが好適であるが、添加量がＭｎＯ量換算で５ｗｔ％に満たないとその効果が認められず、一方４０ｗｔ％を超えて含有されると溶融池でＣＯ反応が激しくなる結果、ビード外観が劣化するので、マンガン酸化物量は５〜４０ｗｔ％程度とすることが好ましい。
【００２５】
ＭｇＯ：３〜３０ｗｔ％
ＭｇＯは、スラグの融点および粘性を調整し、スラグ剥離性を確保するのに有用な成分である。しかしながら、含有量が３ｗｔ％未満では十分な効果が得られず、一方３０ｗｔ％を超えると粘性が低下しすぎたり、融点が上昇しすぎてビード外観が劣化する傾向が現れる。それ故、ＭｇＯは３〜３０ｗｔ％程度とするのが望ましい。
【００２６】
Ａｌ２０３  ：２〜  ２０  ｗｔ％
Ａｌ２０３  は、スラグの粘性および融点を調整する上で重要な成分であるが、２ｗｔ％未満ではその添加効果に乏しく、一方２０ｗｔ％を超えると融点が上昇しすぎてビード形状の劣化を招くので、含有量は２〜２０ｗｔ％程度とするのが望ましい。
【００２７】
また、その他に、ＣａＯやＣａＦ２を含有させることも好ましい。
ＣａＯ：１０ｗｔ％以下
ＣａＯは、スラグの流動性に影響を及ぼす成分であり、１０ｗｔ％を超えて多量に含有されると流動性が阻害されてビード形状の劣化を招くので、ＣａＯは１０ｗｔ％以下程度とするのが好ましい。
【００２８】
ＣａＦ２：１５ｗｔ％以下
ＣａＦ２は、スラグの流動性を向上させる成分であるが、１５ｗｔ％を超えるとスラグが流動し易くなるので、ＣａＦ２は１５ｗｔ％以下程度とするのが望ましい。なお、特に好ましい範囲は５ｗｔ％以下である。
【００２９】
以上、代表的なフラックス組成について説明したが、その他にも必要に応じてＴｉＯ２：１０ｗｔ％以下、ＢａＯ：５ｗｔ％以下、ＺｒＯ２：５ｗｔ％以下、Ｂ２０３：４ｗｔ％以下、  ＣａＣＯ３：５ｗｔ％以下から選ばれる１種以上を添加しても良い。
ＴｉＯ２は、溶接中に還元され、溶接金属中へＴｉが移行して溶接金属の靱性を向上させる作用がある。しかしながら、１０ｗｔ％を超えるとかえって靱性を劣化させる。
ＢａＯ，ＺｒＯ２は、スラグの塩基度や融点を調整するために添加する。しかしながら、５ｗｔ％を超える添加はいずれもビード外観やスラグ剥離性を劣化させる。
Ｂ２０３は、溶接中の還元反応により、溶接金属中にＢが移行して溶接金属の靱性改善に寄与する。しかしながら、４ｗｔ％を超えると溶着金属の凝固割れを助長する。
ＣａＣＯ３  は、溶接中に分解して  ＣＯ２を発生し、水素分圧を下げるため溶接金属中の水素量の低減に有効である。しかしながら、５ｗｔ％を超えるとビード外観を劣化させる。
【００３０】
上述した好適組成となるようにフラックス原料粉と、前述した成分および粒度構成に調整されたＦｅ−Ｓｉとを適正量添加、配合して、結合剤と共に混練した後、造粒し、ついで前述した焼成条件で焼成する。
造粒法はとくに限定しないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機を用いるのが好ましい。
造粒したのち、ダストの除去や粗大粒の解砕などの整粒処理を行って、粒子径：０．０７５  〜２．５  ｍｍの大きさの粒子にするのが好ましい。整粒処理は焼成後に行っても良い。
なお、結合剤（バインダ）としては、ポリビニルアルコールなどの水溶液や水ガラスが好適である。中でも、従来から用いられているＳｉＯ２とＮａ２Ｏのモル比：１〜５の珪酸ソーダ（水ガラス）が有利に適合する。また、水ガラス使用量はフラックス原料１ｋｇあたり８０〜１５０  ｃｃ程度でよい。
また、焼成温度については、焼成温度が  ７５０℃を下回ると結合剤（バインダ）より持ち込まれた水分の乾燥が不十分となり、溶着金属中拡散性水素の増加を招くので、焼成温度は  ７５０℃以上とする必要がある。
なお、焼成は、ロータリーキルン、定置式バッチ炉およびベルト式焼成炉などを用いて行う。
【００３１】
【実施例】
実施例１
表１に示したような比率になるように配合した原料を、水ガラスを結合剤として１２〜２００  メッシュに造粒し、１０００℃、５分の条件で焼成した。Ｆｅ−Ｓｉとしては、１０６  μｍ  超が１０ｗｔ％以下、４５μｍ  未満が５０ｗｔ％以下の粒度分布を有し、Ｓｉ含有量が１８〜７６ｗｔ％のものを用いた。なお、フラックスの焼成はロータリーキルンにより行い、  ７００〜９５０  ℃の温度域における平均昇温速度は１２℃／ｍｉｎであった。なお、昇温速度は、１０ｍｍ角の鉄片を付けた熱電対を用いて測定した。
これらのフラックスと２ｗｔ％Ｍｎ系ワイヤ（４．８ｍｍφ）を用いて、溶接電流：８５０  Ａ，  溶接電圧：４０Ｖ，  溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件で、ＳＭ４００  相当の鋼板に対して下向き隅肉溶接を行い、ビード外観について調査した。
得られた結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】
0003577995.tif 000004
【００３３】
同表から明らかなように、焼成時における昇温速度、さらにはＦｅ−Ｓｉの成分および添加量が本発明の適正範囲を満足するフラックス（Ｎｏ．２，  ３）を用いた場合には良好なビード外観を得ることができた。
これに対し、Ｆｅ−Ｓｉ中のＳｉ含有量が適正範囲に満たないもの（Ｎｏ．１）は、ポックマーク発生個数が適合例に比べると非常に多く、ビード表面性状が格段に劣っていた。
【００３４】
実施例２
表４に示す組成のオリビンサンドを用いて、表５に示す比率になるように配合した原料を、水ガラスを造粒剤として混練し、１２〜２００  メッシュに造粒後、乾燥、焼成したのち、粒度調整を行い、フラックスを得た。
フラックスの焼成はベルト式焼成炉により行い、  ９００℃、５分の条件で焼成した。炉内におけるフラックス充填層厚は変化させず、炉内への投入量、ベルト速度および炉内設定温度を変化させることにより、フラックス焼成時の昇温速度を変化させた。なお、フエロシリコンとしては、粒度分布を調整したＦｅ−４７ｗｔ％Ｓｉを用いた。
これらのフラックスと２ｗｔ％Ｍｎ系ワイヤ（４．８ｍｍφ）を用いて、溶接電流：９００  Ａ，  溶接電圧：４０Ｖ，  溶接速度：６０ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件で、ＳＳ４００  相当の鋼板に対して下向き隅肉シングル溶接を行い、ビード外観について調査した。
得られた結果を表６に示す。
【００３５】
【表４】
0003577995.tif 000005
【００３６】
【表５】
0003577995.tif 000006
【００３７】
【表６】
0003577995.tif 000007
【００３８】
表６から明らかなように、本発明の要件を満足する条件で製造したフラックスを用いた場合には、良好なビード外観を得ることができた。
【００３９】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、高速溶接時においても、ガスの発生を効果的に抑制して、耐ポックマーク性に優れるだけでなく、良好な溶接作業性を有するサブマージアーク溶接用の高温焼成型フラックスを安定して得ることができる。