(57)【要約】【課題】  従来型バックアップ材の化学組成と多孔質が原因で起こる諸々の欠陥発生を根本的に解決し、特に有機性防水剤や釉薬を用いること無く、空隙（気孔）率が極めて低く、高い防湿防水能力を有し、且つ品質の高い溶着金属が確保できる溶接用セラミックバックアップ材を提供する。【手段】  本発明によるガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材は、化学成分の重量含有率が、SiO２：３０〜５５％、Al2O3：３０〜５０％、Fe2O3：０．１〜１．５％、MgOおよび／またはCaO：３〜１７％、Na２Oおよび／またはK2O：０．８〜５．０％、TiO2および／またはZrO2：０．５〜５．０％であり、その空隙率が１５％以下であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分の重量含有率が、SiO２：３０〜５５％、Al2O3：３０〜５０％、Fe2O3：０．１〜１．５％、MgOおよび／またはCaO：３〜１７％、Na２Oおよび／またはK2O：０．８〜５．０％、TiO2および／またはZrO2：０．５〜５．０％であり、その空隙率が１５％以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材。
【請求項２】
化学成分の重量含有率が、SiO２：３７〜５３％、Al2O3：３０〜４５％、Fe2O3：０．１〜１．５％、MgOおよび／またはCaO：３〜１７％、Na２Oおよび／またはK2O：０．８〜５．０％、TiO2および／またはZrO2：０．５〜５．０％であり、その空隙率が１２％以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材。
【請求項３】
製造に当たり酸化物の粉末原料を調製、混練を施して造粒化した顆粒状原料の表面を、顆粒状原料１００重量部に対して０．４〜５．０重量部の無機固結剤でコーティングしたことを特徴とする請求項１または２に記載したガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造船・橋梁・建築鉄骨および圧力タンク・建設機械等の鋼構造物の溶接接合において、図１に示すように母材継手の裏面に取り付けるガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材（図２のＡ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記造船や鋼構造物の溶接分野においては、従来から電極棒によるガウジングを伴う両面溶接法が用いられているが、一方では図２に示すセラミックバックアップ材を母材の裏面（図１の３）に取付けて上面から片側のみを溶接する片面溶接法の採用が主流となっている。上記の両面溶接法は図３に示すように上面から溶接した溶着金属（図３のｂ）の裏面(図３のｃの点線部分)を電極棒により溶削した後に再度その部分（図３のｄ）を溶接するもので、溶接母材が反転できない場合には仰向けとなり上向き作業を強いられ、且つ適正な溶着金属の品質確保が困難であることが、この片面溶接法の普及理由である。
【０００３】
しかしながら、現在、この片面溶接法に用いられる図２に示めすセラミックバックアップ材は、一般的に耐火物系の材質が用いられおり、そのセラミックピース（図１および図２の１）の空隙率は２０％を超える多孔質である。
このようなバックアップ材は、高温の溶融金属がセラミックピースの表面に接触すると、その表面が溶化し、かつセラミック自体が膨張して気孔の膨張をも一層増大させて閉口気孔も開口させる結果となる。
このセラミックピース（図１および図２の１）自体が膨張と収縮が引き起こされる原因により溶着金属の裏ビード表面に窪みや余分な高さを生じさせて裏ビードに高低不揃いが発生するという問題がある。
また、セラミックバックアップ材の開梱後の放置、湿度の高い天候時の野外作業、および雨に出会った時などには、内在する気孔や空隙に吸湿・吸水を引き起こす。
上記の原因で一旦吸湿吸水したセラミックピースは、表面が乾燥していても、内部の開口・閉口気孔まで完全に乾燥させるのは困難であり、内部吸湿に気付かないで溶接施工に用いてしまうことがある。
このような吸湿・吸水したセラミックバックアップ材を用いた溶接施工では、この水分が溶融池における冶金反応に悪影響を及ぼして溶接アークの不安定を招き、溶着金属内にブロホールの発生や大量なスパッタを発生させて溶着金属の品質を著しく低下させるという問題がある。
【０００４】
この多孔質の従来型セラミックバックアップ材は、正常な乾燥状態にあっても、溶接施工時に空隙（気孔）内に溜めた気体やセラミックピース（図２の１）をアルミシート（図２の２）に添付する有機性添着剤（図２の４）の分解・揮発によって発生したガス等がセラミックの空隙やセラミックピース間の隙間を通ってセラミック表面の溶化面に到達することになる。
この気体が溶着金属とセラミック表面の溶滓（スラグ）界面に押し出されて溶接裏ビード表面に無数の凹状の窪みが形成されて溶着金属に不良欠陥を発生させるという問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した従来型バックアップ材の化学組成と多孔質が原因で起こる諸々の欠陥発生を根本的に解決し、特に有機性防水剤や釉薬を用いること無く、空隙（気孔）率が極めて低く、高い防湿防水能力を有し、且つ品質の高い溶着金属が確保できる溶接用セラミックバックアップ材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題は、下記（１）および（１）と（２）の構成で達成させる。更に、前記構成に（３）を含めることよって、本発明の課題の解決をより一層確実なものとし、しかも品質の高い溶接用セラミックバックアップ材が完成される。
（１）  化学成分の重量含有率が、SiO２：３０〜５５％、Al2O3：３０〜５０％、Fe2O3：０．１〜１．５％、MgOおよび／またはCaO：３〜１７％、Na２Oおよび／またはK2O：０．８〜５．０％、TiO2および／またはZrO2：０．５〜５．０％であり、その空隙率が１５％以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材。
（２）  化学成分の重量含有率が、SiO２：３７〜５３％、Al2O3：３０〜４５％、Fe2O3：０．１〜１．５％、MgOおよび／またはCaO：３〜１７％、Na２Oおよび／またはK2O：０．８〜５．０％、TiO2および／またはZrO2：０．５〜５．０％であり、その空隙率が１２％以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材。
（３）  製造に当たり酸化物の粉末原料を調製、混練を施して造粒化した顆粒状原料の表面を、顆粒状原料１００重量部に対して０．４〜５．０重量部の無機固結剤でコーティングしたことを特徴とする請求項１または２に記載したガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、最適な高純度の原料選択とその原料調製・成形・焼成工程を通じて、空隙率の極めて低い、防湿防水性の高いセラミックピース１が得られ、且つ溶接施工に必須の脱滓性（スラグの剥離性）と冶金的性能を備えるものである。
本発明のセラミックバックアップ材は、ガスシールドアーク溶接の施工において従来のバックアップ材が持つ物性上の問題点を解決したもので、あらゆる溶接姿勢でも溶着金属の裏ビードは均一で滑らかに形成され、且つ健全な溶着金属を確保することが出来る。
その上、本発明のセラミックピースは空隙率が極めて低く、防湿防水性能も高いので湿気の高い環境や野外施工等に最適であり、その応用範囲の広さと利便性とで大いに期待されるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態によるガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材は、その化学成分の重量含有率が、SiO２：30〜55％、好ましくは３７〜５３％、Al2O3：30〜50％、好ましくは３０〜４５％、Fe2O3：0.1〜1.５％、MgOおよび／またはCaO：3〜17％、Na２Oおよび／またはK2O：0.８〜5.0％、TiO2および／またはZrO2：0.5〜5.0％であり、その空隙率が１５％以下、好ましくは１２％以下である。
このバックアップ材のセラミックピース（図１および図２の１）の製造に当たり、上記に記載した化学成分の重量含有値に基づき、高純度の酸化物粉末原料を配合混練・造粒化して、その顆粒状原料の表面をこの原料１００重量部に対して0.4〜5.0重量部に相当する無機質の固結剤でコーティングした後、成形工程および焼結工程を経ることによって、空隙率を更に低下させることができる。
【０００９】
本発明の最良な実施形態について、更にセラミックピースの融点、空隙率、冶金反応等の技術説明を下記に詳しく述べる。
（１）セラミックバックアップ材を用いた溶接施工では、その初層においてセラミックピースの表面が溶融金属熱で一部溶解されてセラミックの溶滓（スラグ）になり、その溶滓と溶融金属の両者間には冶金反応が起こる。
その良好な冶金反応を安定させ健全な溶接裏ビードの確保には、このセラミック溶滓が溶融金属内に浸潤しないようにするために良好な脱溶滓性（スラグの剥離）が要求される。
この脱溶滓性は、セラミックピースの融点に関わる化学組成が重要な鍵となる。
それは溶接施工において溶接アークが進行方向に移動して、溶融池底部が金属融点まで冷却した時に溶融金属は結晶し始める。この時、バックアップ材のセラミックピースの融点が金属の融点（1,535℃）より高い場合には、セラミックの溶滓は溶融金属より先に凝固して溶滓と金属の剥離（脱滓）が困難となり、溶着金属の裏ビード面に高低不揃いが生じ、更に溶着金属の機械的強度までも低下させることになる。
したがって、セラミックピースは化学的冶金性能を必要とし、その融点が金属の融点より高くなってはならないのである。
（２）セラミックバックアッブプ材を用いた溶接施工における溶融金属の凝固過程でセラミック表面の溶化によって生成される溶滓（スラグ）は、適切な粘度と表面張力を備わっていなければならない。その溶滓の粘度と表面張力が高過ぎる場合には溶融金属に溶滓の巻き込み（欠陥）が発生して、滑らかな溶接裏ビード面の確保が不可能なばかりか、適正な機械的強度のある溶着金属が得られない。
一方、逆に溶滓の粘度と表面張力が低く過ぎる場合にも溶滓が不安定となり、前記同様に健全な裏ビードと適正な溶着金属の確保は得られない。
（３）溶接用バックアップ材のセラミックピースの化学組成中、SiO２（酸化珪素）とAl2O3（酸化アルミニュウム）の含有量が高い場合には、セラミックの融点と生成される溶滓の粘度は上昇する。
特に後者のAl2O3の含有率が高い場合には融点上昇が顕著となり前記理由によりバックアップ材の物性としては不向きである。
この生成される溶滓（スラグ）の粘度を低くし、且つ融点を抑制するには、その作用効果があるMgO（酸化マグネシュウム）とCaO（酸化カルシュウム）の含有量を増やすことにより解決できる。
したがって、従来からコージェライト（２MgO・２Al2O3・５SiO２の三成分系から成る鉱物結晶）を基本的にセラミックバックアップ材に応用されているのは、上記した技術的理由によるものである。
本発明のセラミックピースではMgO と同じ作用を持つCaO を加えてMgOおよび／またはCaOの４成分系セラミックス組成として、融点上昇の抑制、溶滓（スラグ）の粘度および表面張力の適正化を図った。
また、Na２OとK2Oは融点の抑制と溶滓（スラグ）の表面張力を少なくする作用効果を持つ点についても上記成分と同じであり、本発明を実施する上で固結剤に用いる珪酸ナトリウム（Na２O・2SiO２）の添加は最良の手段である。
また、Fe2O3の含有値が高い場合には溶滓（スラグ）の表面張力も高まり、著しく融点を低下させることになるので本発明では上限1.５%、下限を0.1%とした。
また、TiO2は触媒効果、ZrO2は焼結の促進効果があり、共に溶接アークの安定化と融点の低下を抑制するために上限を5.0%、下限を0.5%の含有率が最良の形態である。
上記により化学成分に関する最良の形態は、本発明である［0006］に記載した各化学成分の含有値（重量％）の範囲である。
（４）本発明のセラミックピースの空隙（気孔）率は、15％以下であるが、最良の形態は、表２および表３が示す溶接実験結果から判断すると表１に記載した実施例１〜８が示す12.0％以下0.1％の範囲が最も好ましい。上記したセラミックピースの空隙率（気孔）の確保は、前記化学成分値に基づいた原料調製工程において固結剤として珪酸ナトリウムを添加し、更に造粒工程を経た顆粒状原料の表面を原料１００重量部に対して0.4〜5.0重量部の珪酸ナトリウムでコーティングする製造工程を加えることにより達成される。
このコーティング工程を加えた粒状坏土原料の粒径は、焼結工程で生成されるガラス固相で顆粒坏土のスケルトン間の間隙を封鎖し易くするために４ｍｍφ以下が好ましい。
この珪酸ナトリウムの過剰な添加や粒径が４ｍｍφを超えるものでも低い間隙率（気孔率）は得られるが、反面、ガラス固相の生成過多となり融点および耐熱衝撃性の著しい低下によってセラミックピース自体が溶接施工中に割れや破断が起こって溶接不具合が発生する。
したがって、コーティング剤の量と粒径は上記の範囲が最良の形態である。
【実施例】
【００１０】
本発明の実施例は、下記の手法にて１０種類のバックアップ材のセラミックピースを作製した。
この実施例の化学組成および空隙率に関する詳細な数値は、表１に示す通りである。
（１）実施例１から実施例１０のセラミックピースの化学成分含有量（重量％）は、SiO２：下限３０．１９%・上限５１．９０％、Al2O3：下限３０．１５％・上限４８．００％、Fe2O3：下限0.31％・上限1.08％、MgOとCaOの合計：下限8.90％・上限１６．４５％、Na２OとK2Oの合計：下限１．４７％・上限２．５２％、TiO2とZrO2の合計：下限１．６０％・上限3.93％であり、これら酸化物の粉末１００重量部に対して、珪酸ナトリウムを固結剤として３重量部を添加した。
（２）この粉末原料を混練・造粒化した顆粒状原料の表面を、顆粒状原料１００重量部に対して0.4から5.0重量部（表１に示した）の固結剤としての珪酸ナトリウムでコーティングする工程を加えて、その粒径が４ｍｍφを越えない坏土を作った。
（３）その顆粒状坏土を成形、および焼結工程を経て空隙率が下限0.8％上限15.0％のセラミックピースを作製し、図２に図示するようにアルミシートに添着してガスシールドアーク溶接用のセラミックバックアツブ材を完成した。
【００１１】
溶接実験
本件溶接試験は、下記に示す条件で行う。
試験体    ：  溶接用圧延鋼板（JIS3106）板厚12ｍｍ、溶接長400mm
開先形状  ：  突合せ継ぎ手、V形50°開先、ルート間隙6ｍｍ
溶接機    ：  炭酸ガスシールドアーク半自動溶接機
溶接材料  ：  フラックス入りコアードワイヤ、1.2ｍｍφ
溶接条件  ：  下向き溶接(実験１)          200〜210A、27V
立向き上進溶接(実験2)      160〜180A、24V
【００１２】
実験供試材
溶接実験に供試するセラミックピースの化学成分値・空隙率は表１に示す通りである。
（１）実施例1から実施例１０は、表１に表示した実施例［０００８］において製作したセラミックスピースである。
（２）比較例２種類のセラミックピースは、表１に表示した従来型の一般的に多用されている多孔質のセラミックバックアップ材である。比較例１は、三成分系から成るセラミックス組成で化学成分含有量（重量％）SiO2：５４．３０％、Al2O3：２９．８０％、MgO：１３．８０％を基本にしたもので、空隙率が２４．３％である。
比較例２は、比較例１と同様に３成分系であるが、SiO２の含有値が高く、強酸性型の多孔質のものである。
以上１２種類を［0009］に記載した実験用試験体に装着して溶接実験をおこなった。
なお、この表１に記載した化学成分値の測定は定量分析による各々３個の平均値を採った。また、空隙率は日本工業規格（JIS,R2205）に基づいて各々６個の測定した平均値である。
（表１）
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【００１３】
溶接実験要領
本件の溶接実験は、表１に記載する１２種類を［0009］に掲げる溶接条件で２種類の溶接姿勢で実験を実施した。その実験要領は下記の通りである。
（１）溶接実験１は、上記表１に示す実施例１０種類と比較例2種類の合計１２種類のセラミックピースをパレットに冷水を満たし、その中に１５分間浸した後、布で表面の水滴を拭き取ってアルミシートに添着し、前記試験用母材の裏面に装着して下向き溶接姿勢で実施した。
（２）溶接実験２は、上記表１に示す実施例１０種類と比較例2種類の合計１２種類のセラミックピースの総てを乾燥した状態でアルミシートに添着したものを前記試験用母材の裏面に装着して立ち向き上進溶接をおこなった。
【００１４】
溶接実験の結果
溶接実験１の結果を評価して表２に、溶接実験２の結果を評価して表３に示す。
表１および表２の評価は、◎○△▲×式の５段階表示と短評を追記した。
なお、項目５は、主に裏ビードの均一性について外観検査を行い総合評価として表示した。
（１）溶接実験１の結果
（表２）
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（２）溶接実験２の結果
（表３）
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【００１５】
実験の評価
（１）溶接実験１の吸水試験直後の状態時の下向き溶接試験と溶接実験２の乾燥状態時の上向き上進溶接試験において、本発明の実施例１から実施例８の評価は、表2および表３が示す通り溶接金属の裏ビードの形成状況はすべて優秀なものであった。
亦、溶接実験過程においても溶接アークは安定しており、如何なる溶接欠陥も見られなかった。
しかしながら、溶接実験１において本発明の実施例９は、表１に示すようにアークの乱れと脱滓性に多少の不安があったが、問題がない程度であったので総合評価５で(○)良好とした。この実施例９の溶接実験２では総ての項目における評価は優秀であった。本発明の実施例１０は、溶接実験１において表１の項目４で示すように極く少量のブロホール、スパッタの発生があったが、溶接欠陥としては問題がない程度であったので総合評価５で(○)良好とした。この実施例１０の溶接実験２の上進溶接では、溶接実験１で多少の不安があったスパッタやブロホールの発生がなく、裏ビードの均一性にも問題が無く総合評価は優秀なものであった。
（２）比較例１および比較例２の溶接実験１における吸湿(水)試験直後の状態での下向き溶接の結果は、アークが不安定で、スパッタの大量発生と大きなブロホールも発生して正常な溶接施工は不可能であった。
（３）比較例１および比較例２の溶接実験２における乾燥状態での立ち向き上進溶接では、実施例および比較例の双方共に溶接アークも安定しブロホールの発生も少なく良好であった。しかしながら、比較例１および２においては、裏ビードの表面に微小な凸型の粒状の突起が無数に発生した。また、気圧による窪みも発生する結果となった。
この現象はセラミックピースが多孔質であることが原因で、発生したスパッタが少量であっても（*印）溶接アークの進行する先のセラミックピース表面にスパッタが潜り込むように付着したものであり、その後の溶接アークで溶解出来なったものである。
（４）上記の実験結果が示すように、本発明セラミックバックアップ材は、各化学成分値の範囲、および極めて低い空隙率の確保による高い防水防湿能力を備え、且つスパッタの付着までをも防止できるものであることを確認した。
以上、溶接実験１および溶接実験２の結果から確認できる通り、総合的に本発明のガスシールドアーク溶接用セラミックバックアップ材はあらゆる条件下でも良好な裏ビードと健全な溶着金属の確保ができる卓越した冶金的化学性能を備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のバックアップ材を溶接母材に取り付けた位置関係を示した断面図である。
【図２】本発明の総体図である。
【図３】両面溶接法の図解である。
【符号の説明】
【００１７】
Ａ    セラミックバックアップ材の総体図
１    バックアップ材のセラミックピース
２    アルミ箔部
３    被溶接母材
４    添着剤貼付部
５    添着剤保護紙
ａ    被溶接母材
ｂ    上面の溶着金属
ｃ    電極棒にて溶削する部分
ｄ    裏面溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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