(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼外皮の中にフラックスを充填してなるセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全質量に対する質量％で、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計で、
Ｃ：０．０４％以下、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：１１〜１４％、
Ｃｒ：２３．０〜２５．５％、
Ｔｉ：０．０１〜０．５％を含有し、
フラックス中に、
ＴｉＯ2：４．０〜７．５％、
ＳｉＯ2：０．２〜１．８％、
ＺｒＯ2：０．０１〜０．１０％、
Ａｌ2Ｏ3：０．０１〜０．１０％、
Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計：０．０１〜０．２０％、
弗素化合物のＦ換算値：０．１〜１．０％を含有し、残部がＦｅ分および不可避不純物からなることを特徴とするセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスを必要としないステンレス鋼のセルフシールドアーク溶接に適用され、特に耐欠陥性及び耐割れ性が良好で、靭性に優れる溶接金属が得られ、かつ溶接作業性が良好なセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
セルフシールドアーク溶接法は、自動溶接法の一つであり、溶接時においてワイヤ中に充填されたフラックスが分解して発生するガスにより、アーク中の溶滴及び溶融池が大気と接触するのを防止しながら溶接を行う方法である。このようなセルフシールドアーク溶接法では、溶接トーチからシールドガスを外部から供給しなくても溶接することができる。このため、セルフシールドアーク溶接法は、耐風性に優れていることから、土木及び建築などの屋外作業分野に適用され、シールドガスや溶接環境を無風状態にする天幕設置などのコストが削減できるというメリットがある。このセルフシールドアーク溶接の普及は進んでいないものの、鋼管杭やコンクリートパイルなどの現地溶接継手の一部にセルフシールドアーク溶接が適用されている。また、ステンレス鋼などの構造物においても、シールドガス削減などのコストメリットの点から、一部でセルフシールドアーク溶接が肉盛溶接などに適用されている。
【０００３】
セルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤは、シールドガスが無い状態でステンレス鋼の溶接に用いられるため、アーク雰囲気や溶融池を大気から保護する目的から、シールド剤として弗化物や金属炭酸塩などを多量に含んでいる。そのため、通常のガスシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤと比較すると、溶接時のスパッタ発生量が多く、溶接作業性やビード形状が悪い。また、大気中の窒素が溶融金属中に固溶されてフェライト量が低下するため、耐割れ性が悪くなる。さらに、固溶限界を超えた窒素がブローホールを発生させやすくなり、靭性も悪くなるといった問題がある。以上のことから、耐欠陥性及び割れ性が良好で、かつ、靭性に優れる溶接金属が得られ、かつ溶接作業性が良好なセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤの開発が望まれている。
【０００４】
セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、例えば、特許文献１に、溶接用ワイヤ中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｌ及びＴｉの各含有量を規定した硬化肉盛用セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。このセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いてセルフシールドアーク溶接した場合、その溶接金属の成分は高炭素高クロム系の鉄合金となり、ステンレス鋼の溶接金属と比較してオーステナイト相の析出量が低いので、窒素の固溶度が低くなり、ブローホールが発生しやすいといった問題がある。
【０００５】
また、特許文献２には、溶接用ワイヤ中のＡｌ、Ｍｇ−Ｆｅ系複合酸化物、Ｍｎ、Ｎｉ及びＭｇの各含有量を限定したセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。このフラックス入りワイヤをセルフシールドアーク溶接に適用した場合、溶接用ワイヤ中のＡｌ及びＭｇの含有量が多いので、溶滴移行中に脱酸反応が過剰に促進されて円滑な溶滴移行が行われず、溶接時のスパッタ発生量が多くなるといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１１７４８９号公報
【特許文献２】特開２００２−３２１０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、シールドガスを必要しないステンレス鋼のセルフシールドアーク溶接に適用され、耐欠陥性及び耐割れ性が良好で、靭性に優れる溶接金属が得られ、かつ溶接作業性が良好なセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤは、上述した課題を解決するために、ステンレス鋼外皮の中にフラックスを充填してなるセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：１１〜１４％、Ｃｒ：２３．０〜２５．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．５％を含有し、フラックス中に、ＴｉＯ2：４．０〜７．５％、ＳｉＯ2：０．２〜１．８％、ＺｒＯ2：０．０１〜０．１０％、Ａｌ2Ｏ3：０．０１〜０．１０％、Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計：０．０１〜０．２０％、弗素化合物のＦ換算値：０．１〜１．０％を含有し、残部がＦｅ分および不可避不純物からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤによれば、シールドガスを必要しないステンレス鋼のセルフシールドアーク溶接で、耐欠陥性及び割れ性が良好で、靭性に優れる溶接金属が得られ、かつ、溶接作業性が良好であるなど、低コストで高品質の溶接部を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、各種成分組成のフラックス入りワイヤを試作して詳細に検討した。その結果、Ｎ固溶度の高いＣｒを調整することによって、大気中から混入するＮをオーステナイト相に固溶し、ブローホールなどの発生を低減させ、耐欠陥性を向上できることを見出した。
【００１１】
ただし、Ｎはオーステナイト生成元素のため、溶接金属中のフェライト量が低くなり、耐高温割れ性が低くなるといった問題がある。そこで、オーステナイト生成元素であるＮｉ添加量の適正化を行うことによって、フェライト量を低く抑え、耐割れ性が向上できることを見出した。
【００１２】
また、大気中のＮをオーステナイト相に固溶させると、溶接金属とスラグ界面に窒化物を生成し、スラグ剥離性が低下するため、さらなる検討を行った結果、ＺｒＯ2を調整することによって、スラグ界面の窒化物を抑制し、スラグ剥離性を向上できることを見出した。
【００１３】
溶接作業性については、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及び弗素化合物を調整することで良好にすることができ、また、溶接金属の機械的性能については、Ｃ、Ｎｉ等を調整することで、優れた靭性が得られることを見出した。
【００１４】
本発明を適用したセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤは、ステンレス鋼外皮及び充填フラックスの各成分組成それぞれの単独及び共存による相乗効果によりなし得たものである。以下にそれぞれの各成分組成の添加理由及びその含有量の限定理由を述べる。なお、各成分組成の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量％で示し、ステンレス鋼外皮とフラックスの合計で、以下のとおりに限定する。以下、各成分組成における質量％は、単に％と記載する。
【００１５】
［Ｃ：０．０４％以下］
Ｃは、ステンレス鋼外皮、フェロマンガン及びフェロシリコンマンガン等から添加される。このＣが０．０４％超の場合、Ｃｒ炭化物を生成して靭性を劣化させる。従って、Ｃは０．０４％以下とする。
【００１６】
［Ｓｉ：０．１〜１．０％］
Ｓｉは、ステンレス鋼外皮、金属シリコン、フェロシリコン及びフェロシリコンマンガン等から添加され、ビード形状やスラグ被包性を改善する効果を有する。Ｓｉが０．１％未満では、溶融金属の粘性が高くなるので、ビードが凸形状で、ビード形状が不良になる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、溶接時の脱酸反応によって形成されるスラグが過多となり、スラグ被包性が不良になる。従って、Ｓｉは０．１〜１．０％とする。
【００１７】
［Ｍｎ：０．５〜３．０％］
Ｍｎは、ステンレス鋼外皮、金属マンガン、フェロマンガン及びフェロシリコンマンガン等から添加され、アークを安定にすると共に、低融点化合物の偏析を低減して耐割れ性を改善する効果を有する。Ｍｎが０．５％未満では、オーステナイト粒界に低融点化合物が偏析して耐割れ性が不良になる。一方、Ｍｎが３．０％を超えると、溶接時に生じる脱酸反応によって溶滴移行が阻害されてアークが不安定になる。従って、Ｍｎは０．５〜３．０％とする。
【００１８】
［Ｎｉ：１１〜１４％］
Ｎｉは、ステンレス鋼外皮、金属ニッケル及びフェロニッケル等から添加され、オーステナイト相を安定化させる元素であり、フェライト量の調整及び耐割れ性を改善する効果を有する。Ｎｉが１１％未満では、オーステナイトの晶出量が減少してフェライト量が高くなって靭性が低くなる。一方、Ｎｉが１４％を超えると、フェライトの晶出量が少なくなり、低融点化合物の偏析が助長されて耐割れ性が不良になる。従って、Ｎｉは１１〜１４％とする。
【００１９】
［Ｃｒ：２３．０〜２５．５％］
Ｃｒは、ステンレス鋼外皮、金属クロム及びフェロクロム等から添加され、フェライト相を安定化させると共に、Ｎ固溶度を増加させてブローホールなどの耐欠陥性を改善する効果を有する。Ｃｒが２３．０％未満では、固溶限界を超えた窒素がブローホールなどの欠陥が発生する。一方、Ｃｒが２５．５％を超えると、Ｃｒ窒化物の生成が多くなり、靭性が低くなる。従って、Ｃｒは２３．０〜２５．５％とする。
【００２０】
［Ｔｉ：０．０１〜０．５％］
Ｔｉは、ステンレス鋼外皮、金属チタン及びフェロチタン等から添加され、スパッタ発生量を低減し、スラグ剥離性を改善する効果を有する。Ｔｉが０．０１％未満では、スラグ剥離性が悪くなる。一方、Ｔｉが０．５％を超えると、溶滴移行時の脱酸反応によって、溶滴の一部がスパッタとなるのでスパッタ発生量が多くなる。従って、Ｔｉは０．０１〜０．５％とする。
【００２１】
またフラックス中に含有する成分組成は、ワイヤ全質量に対する質量％で、を、以下の通りに含有する。
【００２２】
［ＴｉＯ2：４．０〜７．５％］
ＴｉＯ2は、ルチール、酸化チタン、チタン酸ソーダ、チタンスラグ、イルミナイト等から添加され、アークを持続して溶滴移行を安定させる効果がある。ＴｉＯ2が４．０％未満であると、溶滴の移行が阻害されてアークが不安定になる。一方、ＴｉＯ2が７．５％を超えると、溶接直後の高温域でスラグが自然剥離してビード表面にテンパーカラーが発生するため、ビード外観が不良になる。従って、ＴｉＯ2は４．０〜７．５％とする。
【００２３】
［ＳｉＯ2：０．２〜１．８％］
ＳｉＯ2は、珪砂、ジルコンサンド等より添加され、スラグ形成剤として作用してビード形状及びスラグ被包性を改善する効果がある。ＳｉＯ2が０．２％未満であると、スラグの粘性が高くなってビードは凸形状となり、ビード形状が不良になる。一方、ＳｉＯ2が１．８％を超えると、スラグ粘性が低くなり、ビード中央部のスラグ被包性が不良になる。従って、ＳｉＯ2は０．１〜１．８％とする。
【００２４】
[ＺｒＯ2：０．０１〜０．１０％]
ＺｒＯ2は、ルチールなどのチタン酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として含有され、微量でスラグ剥離性を改善する効果を有する。ＺｒＯ2が０．０１％を未満であると、上記の効果が不十分で、スラグ被包性が不良となる。一方、ＺｒＯ2が０．１０％を超えると、大気中から侵入するＮとの親和力が高いので、Ｎと化合物を形成してビード表面にスラグが焼付き、スラグ剥離性が不良になる。従って、ＺｒＯ2は０．０１〜０．１０％とする。
【００２５】
［Ａｌ2Ｏ3：０．０１〜０．１０％］
Ａｌ2Ｏ3はルチールなどのチタン酸化物、カリ長石、硅砂の不純物として含有され、微量でスラグの粘性を改善してスラグ被包性を改善する効果を有する。Ａｌ2Ｏ3が０．０１％を未満であると、スラグ流動性が悪くなり、スラグ被包性が不良となる。一方、Ａｌ2Ｏ3が０．１０％を超えると、スラグの粘性が高くなり、スラグ流動性が悪くなってスラグ被包性が不良になる。従って、Ａｌ2Ｏ3は０．０１〜０．１０％とする。
【００２６】
[Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計：０．０１〜０．２０％]
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク長を調整してアーク安定性を改善する効果を有する。Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計が０．０１％未満では、アーク長が短く、アークが不安定になる。一方、Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計が０．２０％を超えると、スラグ流動性が低くなり、スラグ被包性が不良になる。従って、Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計は０．０１〜０．２０％とする。
【００２７】
［弗素化合物のＦ換算値：０．１〜１．０％］
Ｆは、弗化ソーダ、珪弗化カリ、氷晶石、弗化アルミ、弗化リチウム及び蛍石等から添加され、スパッタ発生量及びヒューム発生量を低減する効果を有する。弗素化合物のＦ換算値が０．１％未満では、アーク長が安定せずスパッタ発生量が多くなる。一方、弗素化合物のＦ換算値が１．０％を超えると、融点が低く、かつ、蒸気圧が高くなるので、溶接アーク中で蒸発してヒューム発生量が多くなる。従って、弗素化合物のＦ換算値は０．１〜１．０％とする。
【００２８】
残部は、Ｆｅ分および不可避不純物からなる。ここで、Ｆｅ分とは、ステンレス鋼外皮のＦｅ成分、フラックスの鉄粉、鉄合金（Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等のフェロアロイ）粉等からのＦｅ分である。不可避的不純物は、不可避的に混入される不純物である。
【００２９】
なお、耐割れ性の観点から、不可避不純物中のＰは０．０４０％以下、Ｓは０．０３０％以下であることが好ましい。
【００３０】
以上、本発明を適用したセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤの成分組成の限定理由について説明をしたが、その製造方法は以下の通りである。例えば、ステンレス鋼外皮を帯鋼から管状に成形する場合、配合、撹拌、乾燥した充填フラックスをＵ形に成形した溝に満たした後、丸形に成形し、所定のワイヤ径まで伸線される。この際、成形した外皮シームを溶接してシームレスタイプのフラックス入りワイヤとすることもできる。また、ステンレス鋼外皮がパイプの場合、パイプを振動させてフラックスを充填し、０．８〜３．６ｍｍのワイヤ径まで伸線することができる。
【００３１】
なお、フラックスは、供給及び充填が円滑に行えるように、水ガラス（珪酸カリ及び珪酸ソーダの水溶液）を添加して造粒して用いることもできる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００３３】
表１に示す化学成分のオーステナイト系ステンレス鋼外皮を用い、表２に示す各種成分組成のセルフシールドアーク溶接用ステンレス鋼フラックス入りワイヤを試作した。なお、ワイヤ径は１．２ｍｍとした。
【００３４】
【表１】
0006017406.tif 000002
【００３５】
【表２】
0006017406.tif 000003
【００３６】
溶接作業性は、表３に示す鋼板成分のＳＭ４９０Ａ及びＳＵＳ３０４を用い、表４に示す溶接条件を適用し、下向すみ肉溶接姿勢にて調査を行った。溶接作業性の評価は、アーク安定性、スパッタ発生量、ビード形状、ビード外観、ヒューム発生量、スラグ被包性及びスラグ剥離性について調査した。なお、スラグ被包性及びスラグ剥離性については、目視試験にて良否を判断した。
【００３７】
ヒューム発生量は、表３に示すＳＵＳ３０４を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ３９３０に準拠し、表５に示す溶接条件で３０秒間のヒューム発生量の測定を行い、０．４０ｍｇ以下を良好とした。
【００３８】
溶着金属試験は、表３に示すＳＭ４９０Ａに二層バタリングを行い、ＪＩＳ  Ｚ  ３３２３に準拠し、表５に示す溶接条件で行った。なお、耐欠陥性について、溶接後にＪＩＳ  Ｚ  ３１０６に準拠してＸ線透過試験を実施し、ブローホール発生状況の調査を行った。また、機械的性能については、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１に準拠し、衝撃試験を行った。耐欠陥性の評価は、Ｘ線透過試験において、キズの像の分類をＪＩＳ  Ｚ  ３１０４に準拠して行い、第１種のきず点数３点未満を良好とした。また、機械的性能の評価は、試験温度−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）が３本の平均値で２０Ｊ以上を良好とした。
【００３９】
耐割れ性は、Ｃ型ジグ拘束突合せ溶接割れ試験を行った。Ｃ型ジグ拘束突合せ溶接割れ試験は、表３に示す成分のＳＵＳ３０４を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ３１５５に準拠し、試験板のルート間隔２ｍｍとし、表５に示す溶接条件のもと、試験ビード長さ約８０ｍｍを２本溶接した。評価は、平均割れ率が５％以下のものを良好とした。それらの試験結果を表６にまとめて示す。
【００４０】
【表３】
0006017406.tif 000004
【００４１】
【表４】
0006017406.tif 000005
【００４２】
【表５】
0006017406.tif 000006
【００４３】
【表６】
0006017406.tif 000007
【００４４】
表２及び表６中のワイヤＮｏ．１〜１１が本発明例、ワイヤＮｏ．１２〜２１は比較例である。本願発明であるワイヤＮｏ．１〜１１は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉおよびフラックス中のＴｉＯ2、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3の各含有量、Ｎａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計及び弗素化合物のＦ換算値が本発明において規定した範囲内にあるので、吸収エネルギー、耐割れ性、耐欠陥性及び溶接作業性も良好であり、極めて満足な結果であった。
【００４５】
比較例中ワイヤＮｏ．１２は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＴｉが多いのでスパッタ発生量が多かった。また、フラックス中のＡｌ2Ｏ3が少ないのでスラグ被包性が不良になった。
【００４６】
ワイヤＮｏ．１３は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＣが多いので吸収エネルギーが低かった。また、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＴｉが少ないのでスラグ剥離性が不良であった。さらに、フラックス中のＡｌ2Ｏ3が多いのでスラグ被包性が不良であった。
【００４７】
ワイヤＮｏ．１４は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＭｎが少ないので割れ率が高かった。また、フラックス中のＳｉＯ2が少ないのでビード形状が不良であった。さらに、フラックス中のＺｒＯ2が少ないのでスラグ剥離性が不良であった。
【００４８】
ワイヤＮｏ．１５は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＭｎが多いのでアークが不安定であった。また、フラックス中のＳｉＯ2が多いのでビード外観が不良であった。さらに、フラックス中のＺｒＯ2が多いのでスラグ剥離性が悪かった。
【００４９】
ワイヤＮｏ．１６は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＮｉが少ないので吸収エネルギーが低かった。また、フラックス中のＴｉＯ2が少ないのでアークが不安定であった。
【００５０】
ワイヤＮｏ．１７は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＮｉが多いので割れ率が高かった。また、フラックス中のＴｉＯ2が多いのでビード外観が不良であった。
【００５１】
ワイヤＮｏ．１８は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＳｉが少ないのでビード形状が悪かった。また、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＣｒが少ないのでブローホールが発生した。
【００５２】
ワイヤＮｏ．１９は、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＳｉが多いのでスラグ被包性が悪かった。また、ステンレス鋼外皮とフラックスとの合計中のＣｒが多いので、吸収エネルギーが低かった。
【００５３】
ワイヤＮｏ．２０は、フラックス中のＮａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計が少ないのでアークが不安定性であった。また、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値が少ないので、スパッタの発生量が多かった。
【００５４】
ワイヤＮｏ．２１は、フラックス中のＮａ化合物のＮａ換算値及びＫ化合物のＫ換算値の１種または２種の合計が多いのでスラグ被包性が不良であった。また、フラックス中の弗素化合物のＦ換算値が多いのでヒュームの発生量が多かった。