(57)【要約】【課題】特に交流電源を用いた場合においても、アーク切れを抑制し、安価に溶接に供することができる低水素系被覆アーク溶接棒を提供する。【解決手段】  心線に被覆剤が被覆されている低水素系被覆アーク溶接棒において、前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり、質量％で、ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物：６．０％以上、金属炭酸塩：３０〜６０％、金属弗化物：５．０〜２０％、ルチール：５．０〜２０％を含有し、前記鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子が前記鉱物全質量あたり２５質量％未満であることを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
心線に被覆剤が被覆されている低水素系被覆アーク溶接棒において、
前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり、質量％で、
ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物：６．０％以上、
金属炭酸塩：３０〜６０％、
金属弗化物：５．０〜２０％、
ルチール：５．０〜２０％を含有し、
前記鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子が前記鉱物全質量あたり２５質量％未満であることを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒。
【請求項２】
前記低水素系被覆アーク溶接棒全質量に対する前記被覆剤の割合が２５質量％〜３５質量％であることを特徴とする請求項１に記載の低水素系被覆アーク溶接棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低水素系被覆アーク溶接棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟鋼などの心線に対して被覆剤が被覆されている低水素系被覆アーク溶接棒は、使用する電源の種類、特に交流電源および直流電源の相違に基づいて、アーク安定性が異なる。特に交流電源を用いた場合においては、低水素系被覆アーク溶接棒のアーク切れが多発するという問題があった。このような低水素系被覆アーク溶接棒のアーク切れを改善する方法として、アーク安定剤やＡｌ−Ｍｇ、Ｍｇなどを被覆剤中に添加することが行われているが、当該方法では、アーク力が弱くなり過ぎて、溶接を行うに足るような十分な強度のアークを得ることができないという問題があった。
【０００３】
また、特許文献１には、平均粒径を限定したカリ長石を低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤中に添加してアーク切れを防止することが開示されているが、カリ長石は結晶水を含むために、当該被覆剤を有するアーク棒で溶接を行った場合に、溶接金属の耐割れ性が劣化してしまうという問題があった。
【０００４】
さらに、特許文献２には、被覆剤中のルチールやアルミナを適正含量として低水素系被覆アーク溶接棒のアーク切れを防止することが試みられているが、このような方法では、アーク切れを十分に防止することはできなかった。
【０００５】
このような状況に鑑み、特許文献３では、低水素系被覆アーク溶接棒の被覆剤中に所定の粒度のチタン酸カリウムを含有させてアーク切れを抑制することが開示されているが、チタン酸カリウムは非汎用的な原料であり高価であるために、被覆剤、すなわちアーク棒自体が高価となり、溶接コストが増大してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２１２５８６号公報
【特許文献２】特開２０００−１１７４８７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１４３８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、特に交流電源を用いた場合においても、アーク切れを抑制し、安価に溶接に供することができる低水素系被覆アーク溶接棒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】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った。その結果、以下の事実を見出すに至った。
【０００９】
すなわち、交流電源を使用した場合にアーク切れが発生したときの低水素系被覆アーク溶接棒（以下、単に「アーク溶接棒」ともいう）の先端を確認したところ、被覆剤で形成された部分（以下、「保護筒」ともいう）の先端から心線先端までの距離が長くなっていることが確認された。保護筒が長い場合、被溶接材料の先端から心線の先端までの距離が長くなるため、再点弧に要する電圧（以下、「再点弧電圧」ともいう）が高くなる。このことから、上述のようなアーク溶接棒のアーク切れは、保護筒が長くなって再点弧電圧が無負荷電圧よりも大きくなったためであると推察された。
【００１０】
このような知見に基づき、本発明者らはさらに鋭意検討を行った。そして、アーク溶接棒の被覆剤の成分に着目し、被覆剤成分のうち、スラグ生成剤として機能する硅石粉の粒度が、アーク溶接棒のアーク切れに影響することを突き止めた。そして、本発明者らはさらに検討を重ねた結果、粒度の小さい硅石粉を少なくすることによって、保護筒の先端から心線の先端までの距離を短くすることができ、それによって、アーク溶接棒の再点弧電圧を、無負荷電圧に比較して十分に低減でき、アーク切れの発生を抑制できることを見出した。
【００１１】
すなわち、本発明は、心線に被覆剤が被覆されている低水素系被覆アーク溶接棒において、
前記被覆剤は、被覆剤全質量あたり、質量％で、
ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物：６．０％以上、
金属炭酸塩：３０〜６０％、
金属弗化物：５．０〜２０％、
ルチール：５．０〜２０％を含有し、
前記鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子が、前記鉱物全質量あたり２５質量％未満であることを特徴とする低水素系被覆アーク溶接棒に関する。
【００１２】
本発明の低水素系被覆アーク溶接棒によれば、ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物が、被覆剤中に被覆剤全質量あたり６．０％以上含有され、これら鉱物において粒度５３μｍ未満の粒子が、上記鉱物全質量あたり２５質量％未満に抑制されているため、アーク溶接棒における保護筒の先端から心線の先端までの距離が短くなる。その結果、アーク溶接棒の再点弧電圧が無負荷電圧に比較して十分に低減され、アーク切れの発生が抑制される。
【００１３】
また、上記鉱物は硅石粉等である。硅石粉は、上述のようにスラグ生成剤として使用するものであり、チタン酸カリウム等のような特殊な材料に比較して安価であるため、本発明の低水素系被覆アーク溶接棒はコストの面でも有利である。なお、本明細書において、硅石粉は、上述した「ＳｉＯ２成分を９０％以上の割合で含む鉱物」に含まれるものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、特に交流電源を用いた場合においても、アーク切れを抑制し、安価に溶接に供することができる低水素系被覆アーク溶接棒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施例及び比較例の低水素系被覆アーク溶接棒における被覆剤中の鉱物の粒度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明の実施の形態に基づき、本発明について詳しく説明する。以下、％は特に断りのない限り、質量％を意味する。また、本明細書において、質量を基準とする百分率（質量％）は、重量を基準とする百分率（重量％）と同義である。
【００１７】
本発明の低水素系被覆アーク溶接棒における被覆剤は、以下で説明するような成分組成を有する。なお、被覆剤中の各成分量は、特に断りのない限り、被覆剤全質量あたりの質量％を意味する。
【００１８】
［ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物：６．０％以上］
本実施形態において、ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物は、いわゆるスラグ生成剤であって、スラグの粘度を適切に保持すると共に、アークの吹き付け力を増加させてアークの安定性を向上させる効果を有する成分であり、被覆剤中の鉱物の含有量を適切に調整することにより、全般的な溶接作業性を向上させる効果を得ることができる。被覆剤全質量あたりの上記鉱物の含有量が６．０％未満であると、アークの吹き付け力が弱くなり、裏波溶接のように、特に低電流での溶接時においては、アークが不安定となるため、被覆剤全質量あたりの上記鉱物の含有量は６．０％以上とする。一方、被覆剤中の上記鉱物の含有量が１５％を超えると、アークの吹き付けは強くなるが、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、ビード形状が凸状となり、ビード観が劣化するおそれがあるため、被覆剤全質量あたりの上記鉱物の含有量は１５％以下とすることが好ましい。
【００１９】
なお、上記鉱物はいわゆる硅石の範疇に属するが、硅石およびそれに類する鉱物の種類は極めて広範囲であるため、本実施形態では、ＳｉＯ２成分の含有量が９０質量％以上である硅石およびそれに類するものを単に鉱物と定義している。
ここで、上記ＳｉＯ２成分の含有量は、上記鉱物全質量あたりの含有量を意味する。
【００２０】
［鉱物中における粒度が５３μｍ未満の粒子の含有率が２５質量％未満］
本実施形態においては、上記鉱物は粒度が５３μｍ未満の粒子の含有率が２５質量％未満であることが必要である。ここで、上記鉱物中における粒度が５３μｍ未満の粒子の含有率とは、上記鉱物全質量あたりに占める粒度が５３μｍ未満の粒子の含有率（質量％）を表す。前記含有率が２５質量％未満であれば、保護筒の先端から心線先端までの距離が短くなり、アーク溶接棒の再点弧電圧を、無負荷電圧に比較して十分に低減することができる。したがって、特に交流電源を用いた場合においても、アーク溶接棒のアーク切れを抑制することができる。
なお、上記鉱物中において、粒度が５３μｍ未満の粒子が存在するとアーク切れの原因になり得るため、粒度が５３μｍ未満の粒子の含有率は理論上０質量％であっても構わない。ただし、製造コスト等の観点からは、上記鉱物が、粒度が５３μｍ未満の粒子を一定量以上含有することは、実質的には避けられない。
【００２１】
なお、上記鉱物中における粒度が５３μｍ未満の粒子の割合は、アーク溶接棒の被覆剤を素懐して水ガラス成分を取り除いた後、ＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）を用いて測定したデータをＲＩＲ法（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｒａｔｉｏ法）に基づいて定量分析を行うことにより測定することができる。さらなる詳細については、実施例の欄において説明する。
【００２２】
また、上記鉱物中における粒度が５３μｍ未満の粒子の含有率を２５質量％未満に抑制するには、例えば、上記鉱物の粒度が小さくならないよう、被覆剤原料の捏和時間を短く設定すればよい。
【００２３】
［金属炭酸塩：３０〜６０％］
金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン、炭酸マグネシウムなどを指し、低水素系溶接棒としての耐気孔性を向上させると共に、全般の溶接作業性を良好に維持するために必要な成分である。被覆剤全質量あたりの金属炭酸塩の含有量が３０％未満であると、シールド効果が不足して、ブローホールが発生しやすくなるため、金属炭酸塩の含有量は３０％以上、好ましくは３５％以上とする。一方、被覆剤全質量あたりの金属炭酸塩の含有量が６０％を超えると、アークの吹き付けが弱くなり、アークが不安定になるため、金属炭酸塩の含有量は６０％以下、好ましくは５０％以下とする。
【００２４】
［金属弗化物：５．０〜２０％］
金属弗化物は蛍石、弗化バリウム、弗化マグネシウム、弗化アルミニウムなどを指し、スラグの粘性を下げて流動性のよいスラグを作り優れたビード形状とする成分である。また、アーク雰囲気中の水素分圧を下げて耐割れ性を向上させる効果も有する。被覆剤全質量あたりの金属弗化物の含有量が５．０％未満であると、適当なスラグの粘性が得られずビード形状が劣化するため、金属弗化物の含有量は５．０％以上とし、好ましくは６．０％以上とする。一方、被覆剤全質量あたりの金属弗化物の含有量が２０％を超えると、アークが不安定になるとともにスラグ剥離性が劣化するため、金属弗化物の含有量は２０％以下とし、好ましくは１０％以下とする。
【００２５】
［ルチール：５．０〜２０％］
ルチールは、裏波溶接時におけるスラグの流動性の過多によって裏波ビードが形成不良となることを防止することができる成分である。被覆剤全質量あたりのルチールの含有量が５．０％未満であると、スラグの粘性を十分に高めることができず、良好な裏波ビードを得ることは困難となるため、ルチールの含有量は５．０％以上、好ましくは１０％以上とする。一方、被覆剤全質量あたりのルチールの含有量が２０％を超えると、２層目以降の溶接時にはスラグの粘度が高くなりすぎて、特に、立向姿勢および上向姿勢の溶接時にスラグの流れが低下し、ビード形状が凸状となってビード観が劣化するため、ルチールの含有量は２０％以下、好ましくは１５％以下とする。
【００２６】
なお、本実施形態においては、上記各成分の他にも、本発明の効果を阻害しない範囲で、スラグ生成剤、合金剤、脱酸剤、増粘剤等のその他の成分を被覆剤中に配合してもよい。ここで、スラグ生成剤としては、珪灰石、アルミナ、セリサイト等が挙げられる。また、合金剤としては、フェロシリコン、フェロマンガン、シリコンマンガン、金属マンガン等が挙げられる。また、脱酸剤としては、マグネシウム、アルミマグネシウム、フェロアルミニウム等が挙げられる。さらに、増粘剤としては、マイカ、アルギン酸ソーダ等が挙げられる。
【００２７】
また、アーク溶接棒を構成する心線は、軟鋼や低合金鋼から構成することができる。ここで、アーク溶接棒に占める被覆剤の割合は、アーク溶接棒全質量に対し２５質量％〜３５質量％とすることが好ましい。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。
【００２９】
まず、ＪＩＳ  Ｇ３５２３に規定された炭素鋼心線の外表面に以下に示す組成の被覆剤を塗布した後、１１０℃〜１３０℃で１０〜６０分予備乾燥し、その後、４００〜５５０℃で１０〜１２０分ベーキングを行ってアーク溶接棒を作製した。次いで、このようにして得たアーク溶接棒を用い、交流電源（電流値９０Ａ）を用いてアークを点弧させて、ＳＳ４００の母材に対しビードを直線状に形成した。
【００３０】
表１に記載するＳＴＤ−１〜ＳＴＤ−２及びＴＥＳＴ−１〜ＴＥＳＴ−５で使用したアーク溶接棒の被覆剤組成、心線組成、アーク溶接棒に占める被覆剤の割合を以下に記載する。
【００３１】
〔被覆剤組成〕（質量％）
ＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物：１０％
金属炭酸塩：４５〜６０％
蛍石（ＣａＦ２）：５．０〜１０％
Ｆｅ−Ｓｉ：１０〜１３％
ルチール：５．０〜１５．０％
残部：スラグ造成剤、脱酸剤等、および不可避的不純物
【００３２】
〔心線組成〕（質量％）
Ｃ：０．１５％以下
Ｓｉ：０．１％以下
Ｍｎ：１．０％以下
Ｐ：０．０１３％以下
Ｓ：０．０１％以下
残部：Ｆｅおよび不可避的不純物
【００３３】
〔アーク溶接棒に占める被覆剤の割合〕
被覆剤：アーク溶接棒全質量に対して２５〜３０質量％
【００３４】
表１は、上記ビード形成時におけるアーク切れの回数を示す。なお、表１において、ＳＴＤ−１およびＳＴＤ−２は、上記鉱物の含有量が被覆剤全質量あたり６質量％以上であり、かつ、上記鉱物中に粒度５３μｍ未満の粒子が２５質量％以上含有されている例（比較例）であり、ＴＥＳＴ−１〜ＴＥＳＴ−５は、上記鉱物の含有量が被覆剤全質量あたり６質量％以上であり、かつ、上記鉱物中に粒度５３μｍ未満の粒子が２５質量％未満含有されている例（実施例）である。
【００３５】
また、上記鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子の含有率は、以下のように算出した。まず、オートクレーブ処理によりアーク溶接棒から被覆剤を剥いだ。剥いだ被覆剤から水ガラス成分を取り除いた。水ガラス成分を取り除いた被覆剤のうち、２０ｇを水２００ｍｌを満たしたビーカーに投入し、温度３００℃、圧力９ＭＰａで１時間撹拌した。その後、上澄みを取り除いて濾過し、残った濾過物のみを採取した。次いで、採取した濾過物をロボットシフターにてふるい分けした後、ＸＲＤを用いて測定したデータをＲＩＲ法に基づいて定量分析を行った。得られた定量値から上記鉱物の粒度毎の割合を算出して上記鉱物の粒度分布とし、これより上記鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子の含有率（質量％）を得た。
【００３６】
【表１】
2018114512.tif 000002
【００３７】
表１から明らかなように、本発明の要件を満足するＴＥＳＴ−１〜ＴＥＳＴ−５は、３回のビード形成試験においてアーク切れの回数が平均で２．３回以下であるのに対し、本発明の要件を満足しないＳＴＤ−１およびＳＴＤ−２においては、上記アーク切れの回数が平均で３．７〜５．３回であった。
【００３８】
結果として、被覆剤全質量あたりのＳｉＯ２成分を９０質量％以上の割合で含む鉱物の含有量が６．０質量％以上である低水素系被覆アーク溶接棒において、当該鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子の含有率を２５質量％未満とすることにより、交流電源を用いた場合においても、アーク切れを抑制し、安価に溶接に供することができることが分かる。
【００３９】
なお、ＳＴＤ−１およびＴＥＳＴ−１〜ＴＥＳＴ−２における上記鉱物の粒度分布を図１に示す。図１より、上記鉱物中における粒度５３μｍ未満の粒子の含有率は、ＳＴＤ−１では８２質量％であり、ＴＥＳＴ−１では１３質量％であり、ＴＥＳＴ−２では２４質量％であることが確認される。
【００４０】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【図１】
2018114512.tif 000003