(57)【要約】【課題】            主に高速度溶接及び高溶着の片面溶接に使用されるサブマージアーク溶接に使用され、ビード表面に鉄粒突起が発生せず、耐アンダカット性が良好な健全な表ビードを得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を提供する。【解決手段】        ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、ＴｉＯ２：１２乃至２２質量％、ＳｉＯ２：１２乃至２２質量％、Ａｌ２Ｏ３：６乃至１２質量％、ＣａＯ：６乃至１２質量％、ＣＯ２：３．５乃至９．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１乃至５質量％、ＣａＦ２：１乃至１０質量％、Ｂ２Ｏ３：０．３乃至３．０質量％、Ｓｉ：０．５乃至２．５質量％、Ｍｏ：０．１乃至１．０質量％を含有し、TotalＦｅ：５．０質量％以下であり、ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２乃至２．０である。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、ＴｉＯ２：１２乃至２２質量％、ＳｉＯ２：１２乃至２２質量％、Ａｌ２Ｏ３：６乃至１２質量％、ＣａＯ：６乃至１２質量％、ＣＯ２：３．５乃至９．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１乃至５質量％、ＣａＦ２：１乃至１０質量％、Ｂ２Ｏ３：０．３乃至３．０質量％、Ｓｉ：０．５乃至２．５質量％、Ｍｏ：０．１乃至１．０質量％を含有し、TotalＦｅ：５．０質量％以下であり、ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２乃至２．０である組成を有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。
【請求項２】
２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接に使用することを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１電極又は２電極以上のサブマージアーク溶接又は２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接に使用されるサブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
サブマージアーク溶接は、被覆アーク溶接及びガスシールドアーク溶接等の溶接法と比べて、高電流及び高速度で溶接施工できるという特徴を有しており、造船、鉄骨及び橋梁分野等の大型鋼構造物の製作において、能率の観点から欠かすことのできない溶接法である。特に、近年では、鋼板の高強度化が進んでいるものの、被溶接部の板厚は厚肉化の方向であり、適用される溶接工程の能率向上が強く求められている。また、当然ながら高能率化と併せて、溶接金属の機械的性能及びビード形状・外観に対する要求も厳しくなる傾向にある。これらの分野では、大入熱を用いた片面溶接に１パス施工が多用されており、代表的な例として、フラックスを裏当材とするフラックスバッキング法（ＲＦ法）、フラックスと銅板を裏当材とするフラックス銅バッキング法（ＦＣＢ法）、ガラステープ、固形フラックス、耐火物等で構成された裏当材を押し当てる方法（ＦＡＢ法）などが挙げられる。
【０００３】
これらの片面サブマージアーク溶接について、溶接速度の高速化に関する技術は多々提案されており、また高溶着・高速度溶接が可能な片面溶接用ボンドフラックスについても、種々提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２７７８７８号
【特許文献２】特開平３−２３８１７４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の従来技術においては、特に溶接速度が１０００乃至２０００ｍｍ／分といった高速溶接においても充分な溶着金属量を確保するため、フラックス中にＦｅ成分が１０乃至３０質量％と多く含有されている。このため、形成されるビードの表面にはＦｅを主成分とする突起が必ず発生する。その鉄粒突起はビードの外観を損ない、場合によってはグラインダーなどによる除去作業といった余分な工程を要するという問題点がある。この鉄粒突起の主要因は、溶接金属の凝固過程の終了間際において、スラグ内の比較的質量の大きいＦｅ成分がビード表面に付着するためであり、その発生量はフラックスに含有する鉄粉量に依存する。
【０００６】
一方、溶接速度が高速になると、溶融プールも溶接線方向に長くなり、従って冷却速度が速くなるために、溶融金属の凝固速度も速くなるという難点がある。このため、特に表ビード端部と母材とのなじみ性が低下し、ビード形状が不安定になり、またアンダカットが発生しやすくなる。更に、Ｆｅ成分の含有量が多いと、凝固点が下がり、高速溶接と重畳して、ビード端のなじみ性が悪くなるため、耐アンダカット性が著しく劣化するという問題点がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、主に高速度及び高溶着の片面溶接に使用されるサブマージアーク溶接に使用され、ビード表面に鉄粒突起が発生せず、耐アンダカット性が良好な健全な表ビードを得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】
本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、ＴｉＯ２：１２乃至２２質量％、ＳｉＯ２：１２乃至２２質量％、Ａｌ２Ｏ３：６乃至１２質量％、ＣａＯ：６乃至１２質量％、ＣＯ２：３．５乃至９．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１乃至５質量％、ＣａＦ２：１乃至１０質量％、Ｂ２Ｏ３：０．３乃至３．０質量％、Ｓｉ：０．５乃至２．５質量％、Ｍｏ：０．１乃至１．０質量％を含有し、TotalＦｅ：５．０質量％以下であり、ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２乃至２．０である組成を有することを特徴とする。
【０００９】
このサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、２電極以上の多電極片面サブマージアーク溶接に使用することが好ましい。
【００１０】
本発明者等が、表面ビードに鉄粒突起が発生せず、主として高速の片面溶接に使用されるサブマージアーク溶接においても耐アンダカット性が良好なフラックスを開発すべく種々研究を行った結果、以下の事実を見いだした。
【００１１】
（１）鉄粒突起の発生を抑制するためには、フラックスに含まれるＦｅ成分の含有量が５質量％以下であることが必要である。
【００１２】
（２）高速溶接においても耐アンダカットを確保するためには、ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２乃至２．０であることが必要である。
【００１３】
（３）Ｆｅ成分の含有量が５質量％以下のフラックスを使用した高速溶接においては、必要な溶着金属量を得るために、溶接電流を上げ、溶接ワイヤの溶融量を増加させて補うこととし、その高電流及び高入熱の条件においても良好なビード外観と靭性を得るために、スラグ形成剤と合金元素量を適正化することが必要である。
【００１４】
即ち、鉄粒突起の発生を防止するために、フラックス中のＦｅは極力排除する。その結果、溶着金属量が不足するが、これは溶着金属量を高電流側にして溶着金属量を確保する。従来のフラックスでは、そのような高電流にすると、アンダカットが生じてビードが荒れたりするという不都合が生じるが、これは、成分全体の構成比率を適正化すると共に、ＣａＦ２／ＣＯ２比を０．２乃至２．０とすることにより解消する。
【００１５】
本発明はこのような観点に基づいて完成されたものであり、本発明の特許請求の範囲の構成により、本発明の目的が達成される。
【発明の効果】
【００１６】
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によれば、高速片面サブマージアーク溶接において、ビード表面に鉄粒突起が発生することを防止でき、耐アンダカット性が優れた健全な表ビードを形成することができ、優れた溶接作業性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスの組成は、ＭｇＯ：２５乃至３５質量％、ＴｉＯ２：１２乃至２２質量％、ＳｉＯ２：１２乃至２２質量％、Ａｌ２Ｏ３：６乃至１２質量％、ＣａＯ：６乃至１２質量％、ＣＯ２：３．５乃至９．５質量％、Ｎａ２Ｏ：１乃至５質量％、ＣａＦ２：１乃至１０質量％、Ｂ２Ｏ３：０．３乃至３．０質量％、Ｓｉ：０．５乃至２．５質量％、Ｍｏ：０．１乃至１．０質量％、TotalＦｅ：５．０質量％以下であり、ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２乃至２．０である。以下、各成分の組成限定理由について説明する。
【００１８】
「ＭｇＯ：２５乃至３５質量％」
ＭｇＯは塩基性成分であり、溶接金属中の酸素量を低減して靭性を確保するために有効な成分である。また、ＭｇＯはスラグの粘性を低下させる作用を有している。ＭｇＯ含有量が２５質量％未満では、酸素量の低減効果が少なく、靭性が劣化し、表ビードにアンダカットが発生する。ＭｇＯが３５質量％を超えると、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化すると共に、ポックマークが発生しやすい。
【００１９】
「ＴｉＯ２：１２乃至２２質量％」
ＴｉＯ２は酸性成分であり、スラグの流動性を調整し、更に溶接金属中でＴｉ酸化物及びＴｉ窒化物として存在し、靭性向上に有効な成分である。ＴｉＯ２が１２質量％未満では溶接金属中のＴｉ量が不足し、靭性が劣化する。一方、ＴｉＯ２が２２質量％を超えると、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化する。
【００２０】
「ＳｉＯ２：１２乃至２２質量％」
ＳｉＯ２は酸性成分であり、スラグの粘性を調整するのに有効な成分である。ＳｉＯ２が１２質量％未満ではスラグの粘性が低下し、ビード幅の揃いが劣化する。一方、ＳｉＯ２が２２質量％を超えると、スラグ粘性が過剰となり、ビードの広がりが悪くなると共に、塩基度が低下するため、溶接金属の酸素量が増加し、靭性が劣化する。
【００２１】
「Ａｌ２Ｏ３：６乃至１２質量％」
Ａｌ２Ｏ３は中性成分であり、スラグの粘性及び凝固温度を調整するのに有効な成分である。Ａｌ２Ｏ３が６質量％未満では、スラグの粘性及び凝固温度が低くなり、ビード幅の揃いが劣化する。一方、Ａｌ２Ｏ３が１２質量％を超えると、スラグの凝固温度が高くなり過ぎるため、ビードの広がりが悪くなり、ビード形状が凸型となる。
【００２２】
「ＣａＯ：６乃至１２質量％」
ＣａＯは塩基性成分であり、フラックスの塩基度を高め、溶接金属中の酸素低減に極めて効果的な成分である。ＣａＯが６質量％未満では、シールド性の低下により、溶接金属の酸素量が高くなり、靭性が劣化する。一方、ＣａＯが１２質量％を超えると、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化する。
【００２３】
「ＣＯ２：３．５乃至９．５質量％」
ＣＯ２は溶接金属への窒素の侵入と、拡散性水素量の低減に有効な成分である。ＣＯ２が３．５質量％未満では溶接金属中の拡散性水素量が高くなり、低温割れ性が劣化する。一方、ＣＯ２が９．５質量％を超えると、ガス発生量が過大となり、ポックマークが発生する。なお、ＣＯ２成分は、金属炭酸塩としてフラックス中に添加される。
【００２４】
「Ｎａ２Ｏ：１乃至５質量％」
Ｎａ２Ｏはアーク安定性の確保のための重要な成分である。Ｎａ２Ｏが１質量％未満では、アークの安定性が極端に不安定となり、アーク切れが発生し、ビード形状及び溶込み不均一となる。一方、Ｎａ２Ｏが５質量％を超えると、耐吸湿性が劣化し、耐低温割れ性が劣化する。
【００２５】
「ＣａＦ２：１乃至１０質量％」
ＣａＦ２は塩基性成分であり、溶接金属中の酸素量を低下させると共に、スラグの流動性を調整し、スラグ−メタル反応を促進させるために有効な成分である。ＣａＦ２が１質量％未満では溶接金属中の酸素量が高くなり靭性が劣化し、さらに溶接スラグを形成するスラグ量が不足するためビードが蛇行し、揃いが劣化する。一方、ＣａＦ２が１０質量％を超えると、アーク安定性が劣化し、アーク切れを発生しやすくなる。
【００２６】
「Ｂ２Ｏ３：０．３乃至３．０質量％」
Ｂ２Ｏ３は溶接熱で還元され、Ｂとして溶接金属中に存在し、靱性を確保する効果を有する。Ｂ２Ｏ３が０．３質量％未満では、その効果が発揮されず、靱性が劣化する。Ｂ２Ｏ３が３．０質量％を超えると、強度が過大となり、高温割れが発生する。
【００２７】
「Ｓｉ：０．５乃至２．５質量％」
Ｓｉは溶接金属中の脱酸作用により酸素量を低減するのに有効な成分である。Ｓｉが０．５質量％未満では、溶接金属中の酸素が高くなり、靭性が劣化する。一方、Ｓｉが２．５質量％を超えると、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化すると共に、溶接金属の強度が過大となり、靱性が劣化する。なお、Ｓｉは単体の他、Ｆｅ−Ｓｉ等で添加することができる。
【００２８】
「Ｍｏ：０．１乃至１．０質量％」
Ｍｏは焼き入れ性を向上させるのに有効な成分である。Ｍｏが０．１質量％未満では、溶接金属の組織が粗大化し、靭性が劣化する。一方、Ｍｏが１．０質量％を超えると、溶接金属の強度が過大になり、また高温割れが発生する。なお、Ｍｏは単体の他、Ｆｅ−Ｍｏ等で添加できる。
【００２９】
「TotalＦｅ：５．０質量％以下」
Ｆｅは溶着金属量を補うために有効な成分であるが、TotalＦｅが５質量％以上であると、表面ビードに鉄粒突起が発生し、外観及び表面状態が劣化する。このため、TotalＦｅは５質量％以下に規制する必要がある。Ｆｅは、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｏ等の合金成分などに不可避的に含まれるが、このＦｅはビード外観及び表面形状を良好にするためには、極力少ないことが望ましい。なお、本発明におけるTotalＦｅとは、鉄粉、Ｆｅ合金、Ｆｅ酸化物及びＦｅ化合物中のＦｅの総量である。
【００３０】
「ＣａＦ２／ＣＯ２比：０．２乃至２．０」
ＣａＦ２／ＣＯ２比は健全なビード形状と良好な靭性を得るために、所定の範囲に規制する必要がある。ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２％未満であると、スラグの流動性が低下するため、ビードが蛇行しやすく、特にビード幅の揃いが劣化し、アンダカットが発生する。また、ＣａＦ２／ＣＯ２比が０．２％未満であると、溶接金属中の酸素量が増加し、靱性も劣化する。一方、ＣａＦ２／ＣＯ２比が２．０％を超えると、アーク安定性が劣化し、アーク切れが発生しやすくなると共に、アンダカットが発生する。
【００３１】
また、上記成分の他に、フラックスにはＫ２Ｏ、ＢａＯ、ＦｅＯ、ＺｒＯ２などの酸化物を添加することができる。また、溶接金属の機械的性能の面から、Ｍｎ及びＴｉ等の金属成分を単体又は合金成分等で添加することができる。しかし、それらの含有量は総量で５質量％以下とする。
【実施例】
【００３２】
次に、本発明の効果を説明するために、本発明の実施例についてその比較例と比較して説明する。下記表１に示す鋼板及び下記表２に示す溶接ワイヤを使用し、下記表３、表４、表５、及び図１に示す溶接条件により、前述のＦＣＢ法により、２電極、３電極、及び４電極で、片面サブマージアーク溶接を行った。溶接後に、目視によるアンダカット数の測定、ポックマークの有無、ビード幅の揃い等を官能評価した。その後、超音波探傷試験（ＵＴ試験）により割れの有無を確認し、溶接金属の酸素量の測定、−２０℃でのシャルピー衝撃試験を実施した。下記表６は供試フラックスの成分組成を示す。実施例１乃至１０は組成及びＣａＦ２／ＣＯ２比が本発明の範囲に入るものであり、比較例１１乃至３８が夫々いずれかの成分組成又はＣａＦ２／ＣＯ２比が本発明の範囲から外れるものである。下記表７に４電極ＦＣＢ溶接による試験結果、表８に３電極ＦＣＢによる試験結果、表９に２電極ＦＣＢによる試験結果を示す。また、図２乃至図４は、夫々４電極、３電極、２電極のＦＣＢ溶接におけるアンダカット発生数をＣａＦ２／ＣＯ２比との関係で示したグラフ図である。この図２乃至図４は、表６のＣａＦ２／ＣＯ２比と、表７乃至９のアンダカットの発生の有無との関係を抽出してまとめたものである。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
【表２】
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【００３５】
【表３】
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【００３６】
【表４】
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【００３７】
【表５】
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【００３８】
【表６】
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【００３９】
【表７】
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【００４０】
【表８】
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【００４１】
【表９】
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【００４２】
本発明の実施例１乃至１０は、溶接作業性（アンダカット、ビード外観評価）、非破壊検査（割れ）及び靭性（―２０℃のシャルピ衝撃エネルギ）の全てが良好であった。
【００４３】
一方、比較例１１はフラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アンダカットが発生すると共に、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例１２はフラックス中のＭｇＯの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スラグ剥離性が劣化し、ポックマークが発生した。比較例１３はフラックス中のＴｉＯ２の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、靭性が劣化した。比較例１４はフラックス中のＴｉＯ２の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スラグが焼付き、スラグ剥離性が劣化した。比較例１５はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ビード幅の揃いが劣化した。比較例１６はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例１７はフラックス中のＡｌ２Ｏ３の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ビード幅の揃いが劣化した。比較例１８はフラックス中のＡｌ２Ｏ３の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、ビード幅が過小となり、凸型ビードとなった。比較例１９はフラックス中のＣａＯの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例２０はフラックス中のＣａＯの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スラグが焼付き、剥離性が劣化した。比較例２１はフラックス中のＣＯ２の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、溶接金属中の拡散性水素量が増加し、低温割れが発生した。比較例２２はフラックス中のＣＯ２の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、ポックマークが発生した。比較例２３はフラックス中のＮａ２Ｏの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、溶接中にアーク切れが発生した。比較例２４はフラックス中のＮａ２Ｏの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、耐吸湿性が劣化し、低温割れが発生した。比較例２５はフラックス中のＣａＦ２の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ビードの揃いが劣化し、更に溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例２６はフラックス中のＣａＦ２の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、溶接中にアーク切れが発生した。比較例２７はＢ２Ｏ３の含有量が本発明範囲の下限未満であるので、靱性が劣化した。比較例２８はフラックス中のＢ２Ｏ３の含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。比較例２９はフラックス中のＳｉの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化した。比較例３０はフラックス中のＳｉの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スラグが焼付き、剥離性が劣化すると共に、靱性が劣化した。比較例３１はフラックス中のＭｏの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、溶接金属の焼き入れ不足により靭性が劣化した。比較例３２はフラックス中のＭｏの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、高温割れが発生した。比較例３３はフラックス中のＦｅの含有量が本発明範囲の上限を超えているので、ビード表面に鉄粒突起が発生し外観が損なわれた。比較例３４、３５はフラックス中のＣａＦ２／ＣＯ２比が本発明範囲の下限未満であるので、ビードの揃いが劣化し、アンダカットが発生した。また、溶接金属の酸素量も増加し、靱性も劣化した。比較例３６、３７、３８はフラックス中のＣａＦ２／ＣＯ２比が本発明範囲の上限を超えているので、アーク安定性が劣化し、アンダカットが多発した。
【００４４】
以上詳述したように、本発明によれば、サブマージアーク溶接用のボンドフラックスにおける成分系を適切に規制しているので良好な溶接作業性と靭性を得ることができる。なお、本実施例では、ＦＣＢ法で試験を行っているが、ＲＦ法においても同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例の開先形状を示す図である。
【図２】４電極ＦＣＢ溶接におけるＣａＦ２／ＣＯ２比とアンダカット発生数（溶接長１５００ｍｍ）との関係を示す。
【図３】３電極ＦＣＢ溶接におけるＣａＦ２／ＣＯ２比とアンダカット発生数（溶接長１５００ｍｍ）との関係を示す。
【図４】２電極ＦＣＢ溶接におけるＣａＦ２／ＣＯ２比とアンダカット発生数（溶接長１５００ｍｍ）との関係を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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