(57)【要約】【課題】健全な表ビード形状と機械的性能を得ることができる片面サブマージアーク溶接用フラックスを提供する。【解決手段】フラックスを、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物（ＳｉＯ２換算値）：合計で６〜１２質量％、ＣａＯ：３〜９質量％、ＭｇＯ：１５〜３５質量％、ＴｉＯ２：５〜２３質量％、ＣａＦ２：２〜１０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜２３質量％、ＣＯ２：２〜９質量％、Ｎａ２Ｏ：０．５〜３質量％、Ｂ２Ｏ３：０．１〜１質量％、Ｍｏ：０．２〜１質量％、鉄粉：１０〜３０質量％を含有すると共に、Ｍｎ：０．９質量％以下、Ｔｉ：１質量％以下、Ａｌ：３質量％以下に規制され、かつ下記数式（Ｉ）〜（III）を満たす組成にする。2015033700.tif 000014【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（ＳｉＯ２換算値）：合計で６〜１２質量％、
ＣａＯ：３〜９質量％、
ＭｇＯ：１５〜３５質量％、
ＴｉＯ２：５〜２３質量％、
ＣａＦ２：２〜１０質量％、
Ａｌ２Ｏ３：５〜２３質量％、
ＣＯ２：２〜９質量％、
Ｎａ２Ｏ：０．５〜３質量％、
Ｂ２Ｏ３：０．１〜１質量％、
Ｍｏ：０．２〜１質量％、
鉄粉：１０〜３０質量％
を含有すると共に、
Ｍｎ：０．９質量％以下、
Ｔｉ：１質量％以下、
Ａｌ：３質量％以下
に規制され、
ＣａＯの含有量（質量％）を［ＣａＯ］、ＴｉＯ２の含有量（質量％）を［ＴｉＯ２］、Ａｌ２Ｏ３の含有量（質量％）を［Ａｌ２Ｏ３］、ＭｇＯの含有量（質量％）を［ＭｇＯ］、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量のＳｉＯ２換算値（質量％）を［Ｔ．ＳｉＯ２］としたとき、ＣａＯの含有量とＴｉＯ２の含有量との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が下記数式（Ｉ）〜（III）を満たす片面サブマージアーク溶接用フラックス。
2015033700.tif 000013
【請求項２】
Ｔｉを０．１〜１質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の片面サブマージアーク溶接用フラックス。
【請求項３】
Ｍｎを０．１〜０．９質量％含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の片面サブマージアーク溶接用フラックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１又は２以上の電極を使用して行う片面サブマージアーク溶接に用いられるフラックスに関する。より詳しくは、鉄粉を含有する片面サブマージアーク溶接用フラックスにおけるビード外観改善技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
片面サブマージアーク溶接では、通常、溶着量を確保し、大入熱溶接においても安定したビード形成を実現させるために、鉄粉が添加されたフラックスが使用されている（例えば、特許文献１，２参照。）。しかしながら、特許文献１に記載されているような鉄粉を含有する従来の片面サブマージアーク溶接用フラックスには、表ビードの表面に微小な鉄粒突起物が発生しやすいという問題がある。また、特許文献２に記載されているフラックス組成にした場合でも、鉄粒突起物を十分に抑制することはできない。
【０００３】
このような表ビード表面の突起物は、塗装工程で障害となる。例えば造船分野においては、国際海事機関（International Maritime Organization）により、船体の長寿命化や保守の容易化を目的に、全船舶のバラストタンク及びバルクキャリアの二重船側部を対象とする塗装基準が改訂され、例えば溶接時に発生するスパッタやビード表面汚れといった塗装性を阻害するものの除去実施の要件が定められた。このため、船舶の建造工程では、鉄粒突起物除去のために、ビード全線に亘ってグラインダー処理を余儀なくされている。
【０００４】
そこで、従来、片面サブマージアーク溶接用フラックスにおいて、鉄粒突起物の発生を抑制するための技術が提案されている（特許文献３，４参照。）。例えば、特許文献３に記載の片面サブマージアーク溶接用フラックスでは、粒径や見掛密度を特定の範囲にすることで、ビードの健全化を図っている。また、特許文献４に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスでは、鉄粒突起の発生を抑制するために、Ｆｅ成分の含有量を５質量％以下に規制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２６７８８３号公報
【特許文献２】特開２０００−１０７８８５号公報
【特許文献３】特開平６−２７７８７８号公報
【特許文献４】特開２００６−２７２３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献３に記載の技術のように、フラックスの粒径や見掛密度を規制するだけでは、鉄粒突起の発生抑制に対する効果が小さい。また、特許文献４に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスのように、Ｆｅ含有量を規制すると、厚板の板継溶接において充分な溶着量を確保することが難しくなり、更に大入熱溶接においてビード形状が劣化する。このように、従来のビード外観改善技術では、片面サブマージアーク溶接において、フラックスへの鉄粉添加の効果を維持しつつ、鉄粒突起の発生を抑制して、ビード外観を健全化するには至っていない。
【０００７】
そこで、本発明は、健全な表ビード形状と機械的性能を得ることができる片面サブマージアーク溶接用フラックスを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、前述した課題を解決するために、１又は２以上の電極を用いた片面サブマージアーク溶接において、表ビードの健全性を確保すべく、鋭意実験検討を行った結果、鉄粒突起の発生抑制には、フラックスに含有させるＳｉＯ２量を抑制すると共に、ＣａＯ量とＴｉＯ２量との比に対して、ＭｇＯ量、Ａｌ２Ｏ３量、ＴｉＯ２量及びＳｉＯ２量の関係を特定することが有効であることを見出し、本発明に至った。
【０００９】
即ち、本発明に係る片面サブマージアーク溶接用フラックスは、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種（ＳｉＯ２換算値）：合計で６〜１２質量％、ＣａＯ：３〜９質量％、ＭｇＯ：１５〜３５質量％、ＴｉＯ２：５〜２３質量％、ＣａＦ２：２〜１０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜２３質量％、ＣＯ２：２〜９質量％、Ｎａ２Ｏ：０．５〜３質量％、Ｂ２Ｏ３：０．１〜１質量％、Ｍｏ：０．２〜１質量％、鉄粉：１０〜３０質量％を含有すると共に、Ｍｎ：０．９質量％以下、Ｔｉ：１質量％以下、Ａｌ：３質量％以下に規制され、ＣａＯの含有量（質量％）を［ＣａＯ］、ＴｉＯ２の含有量（質量％）を［ＴｉＯ２］、Ａｌ２Ｏ３の含有量（質量％）を［Ａｌ２Ｏ３］、ＭｇＯの含有量（質量％）を［ＭｇＯ］、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量のＳｉＯ２換算値（質量％）を［Ｔ．ＳｉＯ２］としたとき、ＣａＯの含有量とＴｉＯ２の含有量との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が下記数式１〜３を満たすものである。
【００１０】
【数１】
2015033700.tif 000002
【００１１】
【数２】
2015033700.tif 000003
【００１２】
【数３】
2015033700.tif 000004
【００１３】
本発明の片面サブマージアーク溶接用フラックスでは、ＣａＯ含有量とＴｉＯ２含有量との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）を特定の範囲にすると共に、Ａの値に応じて、Ａと、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、ＴｉＯ２含有量、並びにＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量との関係を特定している。これにより、スラグが凝固する過程においてスラグ内にＣａ・Ｔｉ系酸化物が生成することを抑制できると共に、溶接ビードが凝固する温度域においてスラグ内にＭｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物を積極的に生成することができる。Ｍｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物がスラグ内に生成されると、スラグ内の鉄粒が凝固したビード表面に沈降する前にこの酸化物と結合するため、ビード表面への微小突起物の生成が抑制される。
【００１４】
このフラックスは、Ｔｉを０．１〜１質量％の範囲で含有していてもよい。
また、Ｍｎを０．１〜０．９質量％の範囲で含有していてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、フラックス成分及びその含有量を特定しているため、１電極又は多電極を用いた片面サブマージアーク溶接においても、裏当て構造によらず、健全なビード形状と機械的性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】片面サブマージアーク溶接過程における鉄粒発生挙動の想定図である。
【図２】本発明の実施例で使用した鋼板の開先形状を示す断面図である。
【図３】実施例及び比較例の各フラックスの成分組成と鉄粒突起発生との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
図１は片面サブマージアーク溶接過程における鉄粒発生挙動の想定図である。図１に示すように、片面サブマージアーク溶接において、従来の鉄粉５を含有するフラックス３を用いた場合、溶融・凝固中のフラックス（スラグ）４内で鉄粉５が凝集し（鉄粉の凝集６）、この凝集鉄粉（鉄粒）７が沈降して、母材１の溶接部に形成された溶接金属２の表面（ビード表面２ａ）に付着して、微小な突起物が発生すると想定される。そこで、本発明者等は、フラックスの特性を改善することで、鉄粒突起発生の問題を解決することにした。
【００１９】
具体的には、本発明の実施形態に係るフラックスは、片面サブマージアーク溶接に用いられるものであり、少なくとも、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣＯ２、Ｎａ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３、Ｍｏ及び鉄粉を特定量含有すると共に、Ｍｎ、Ｔｉ及びＡｌを特定量以下に規制した組成を有する。
【００２０】
このフラックスでは、ＣａＯの含有量とＴｉＯ２の含有量との比Ａを０．１〜１．７の範囲にしている。そして、Ａが０．７以上のときは下記数式４を満たすように、Ａが０．７未満のときは下記数式５を満たすように、ＣａＯ含有量、ＴｉＯ２含有量、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量をそれぞれ調整している。なお、下記数４，５において、［ＣａＯ］はＣａＯの含有量（質量％）を、［ＴｉＯ２］はＴｉＯ２の含有量（質量％）、［Ａｌ２Ｏ３］はＡｌ２Ｏ３の含有量（質量％）、［ＭｇＯ］はＭｇＯの含有量（質量％）、［Ｔ．ＳｉＯ２］はＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量（質量％）である。
【００２１】
【数４】
2015033700.tif 000005
【００２２】
【数５】
2015033700.tif 000006
【００２３】
以下、本実施形態のフラックスにおける組成限定理由について説明する。
【００２４】
［Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量：６〜１２質量％］
Ｓｉ及びＦｅ−ＳｉなどのＳｉ合金は、脱酸作用を有し、溶接金属中の酸素と反応してＳｉＯ２を生成し、このＳｉＯ２は、粘結剤やスラグ造滓剤として作用する。また、Ｓｉ酸化物も同様に、スラグ造滓剤として作用する。
【００２５】
ただし、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が、ＳｉＯ２換算で、１２質量％を超えると、溶融スラグ全体の粘性が増加し、スラグの流動性が低下する。そして、高速片面サブマージアーク溶接の場合、表ビード幅が広がらず、かつ不安定になるため、アンダーカットが発生しやすくなる。更には、鉄粒が発生しやすくなる。一方、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が、ＳｉＯ２換算で、６質量％未満の場合、溶融スラグの凝固温度が高くなり過ぎるため、良好な表ビード形状が得られない。
【００２６】
よって、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量は、ＳｉＯ２換算で、６〜１２質量％とする。なお、本実施形態のフラックスでは、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物のうちの少なくとも１種を含有していればよい。
【００２７】
［ＣａＯ：３〜９質量％］
ＣａＯは、溶融スラグの粘度を低下させ、スラグの流動性を高めて、表ビード幅を広げる効果がある。しかしながら、ＣａＯ含有量が９質量％を超えると、溶融スラグの凝固温度が高くなり過ぎて、表ビード形状が損なわれる。一方、ＣａＯ含有量が３質量％未満の場合、溶融スラグの流動性を高める効果が得られず、表ビード幅が不足するため、アンダーカットが発生しやすくなる。よって、ＣａＯ含有量は３〜９質量％とする。
【００２８】
［ＭｇＯ：１５〜３５質量％］
ＭｇＯは、前述したＣａＯと同様に、溶融スラグの粘度を低下させ、スラグの流動性を高めて、表ビード幅を広げる効果がある。ただし、ＭｇＯの含有量が１５質量％未満の場合、溶融スラグの流動性を高める効果が得られず、表ビード幅が不足し、アンダーカットが発生しやすくなる。
【００２９】
一方、ＭｇＯは高融点の成分であることから、３５質量％を超えて添加すると、フラックス全体の溶融性が損なわれ、安定したビードが確保できず、中凸ビードとなりやすい。ここで、「中凸ビード」とは、溶接方向に対して表ビード中央部が凸状となることであり、塗装不良の要因の一つである。よって、本実施形態のフラックスでは、ＭｇＯ含有量は１５〜３５質量％とする。
【００３０】
なお、ＭｇＯ含有量は２０質量％以上とすることが好ましく、これにより、溶融スラグの流動性を向上し、表ビード形状を更に健全化することができる。
【００３１】
［ＴｉＯ２：５〜２３質量％］
ＴｉＯ２は、片面溶接におけるスラグ剥離性の改善に、特に有効な成分である。しかしながら、その含有量が２３質量％を超えると、表ビードの波目が粗くなる。また、ＴｉＯ２含有量が５質量％未満の場合、前述したスラグ剥離性の改善効果が得られず、更には鉄粒が発生しやすくなる。よって、ＴｉＯ２含有量は５〜２３質量％とする。
【００３２】
［Ａｌ２Ｏ３：５〜２３質量％］
Ａｌ２Ｏ３は中性成分であり、スラグの粘性及び凝固温度の調整に有効な成分である。しかしながら、Ａｌ２Ｏ３含有量が５質量％未満の場合、スラグの粘性及び凝固温度が低下し、ビード幅が不揃いになる。一方、２３質量％を超えてＡｌ２Ｏ３を添加すると、スラグの凝固温度が高くなり過ぎて、ビードが広がり難くなり、ビード形状が凸型となる。よって、Ａｌ２Ｏ３含有量は５〜２３質量％とする。
【００３３】
［ＣａＦ２：２〜１０質量％］
ＣａＦ２は、フラックス全体の溶融性を良好にする成分であり、特に片面サブマージアーク溶接のように、短時間にフラックスを溶かし、スラグを生成しなければならない溶接方法においては、不可欠な成分である。しかしながら、ＣａＦ２含有量が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。一方、ＣａＦ２含有量が２質量％未満の場合、フラックスの溶融性改善効果が得られず、ビード蛇行が発生する。よって、ＣａＦ２含有量は２〜１０質量％とする。
【００３４】
［ＣＯ２：２〜９質量％］
ＣＯ２は、溶接金属への窒素の侵入抑制と、拡散性水素量の低減に有効な成分であり、金属炭酸塩としてフラックス中に添加される。しかしながら、ＣＯ２含有量が２質量％未満の場合、溶接金属中の拡散性水素量が高くなり、耐低温割れ性が劣化する。一方、ＣＯ２含有量が９質量％を超えると、ガス発生量が過大となり、表ビードにポックマークが発生する。よって、ＣＯ２含有量は２〜９質量％とする。
【００３５】
［Ｎａ２Ｏ：０．５〜３質量％］
Ｎａ２Ｏはアーク安定性の確保のために必要な成分である。具体的には、Ｎａ２Ｏ含有量が０．５質量％未満の場合、アーク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が不均一となる。一方、Ｎａ２Ｏ含有量が３質量％を超えると、耐吸湿性が低下して、耐低温割れ性が劣化する。よって、Ｎａ２Ｏ含有量は０．５〜３質量％とする。
【００３６】
［Ｂ２Ｏ３：０．１〜１質量％］
Ｂ２Ｏ３は、溶接中に還元され、溶接金属中にＢとして存在して、靭性の確保に有効に作用する。しかしながら、Ｂ２Ｏ３含有量が０．１質量％未満の場合、その効果が十分に発揮されず、靭性が劣化する。一方、Ｂ２Ｏ３含有量が１質量％を超えると、強度が過大となり、高温割れが発生する。よって、Ｂ２Ｏ３含有量は０．１〜１質量％とする。
【００３７】
［Ｍｏ：０．２〜１質量％］
Ｍｏは、焼入れ性向上に有効な成分であり、Ｍｏ単体の他、Ｆｅ−Ｍｏなどの合金の形態で、フラックスに添加される。ただし、Ｍｏ含有量が０．２質量％未満の場合、溶接金属の組織が粗大化し、靭性が劣化する。一方、１質量％を超えてＭｏを添加すると、溶接金属の強度が過大となり、高温割れが発生する。よって、Ｍｏ含有量は０．２〜１質量％とする。
【００３８】
［鉄粉：１０〜３０質量％］
鉄粉は、一度に多量の溶着金属が必要とされる片面サブマージアークにおいて必須の添加成分である。そして、鉄粉含有量が１０質量％未満の場合、溶着金属量を補う効果が得られなくなると共に、フラックスの見掛密度が小さくなるため、耐吹き上げ性が劣化する。一方、３０質量％を超えて鉄粉を含有させると、溶融・凝固中のフラックス内で鉄粉が凝集しやすくなり、凝集鉄粉が沈降する量が多くなって、ビード表面に鉄粒が付着しやすくなる。加えて、フラックスの見掛密度が高くなり、ビード幅が確保できなくなる。よって、鉄粉の含有量は１０〜３０質量％とする。
【００３９】
［Ａ（＝ＣａＯ／ＴｉＯ２）：０．１〜１．７］
前述したように、ＣａＯ及びＴｉＯ２はスラグの流動性やスラグ剥離性の向上に有効な成分であるが、ＣａＯ含有量（質量％）とＴｉＯ２含有量（質量％）との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が０．１未満の場合、アークが不安定となり、ビードに凹凸が生じやすくなる。一方、Ａが１．７を超えるとビードが蛇行する。そこで、本実施形態のフラックスでは、ＣａＯ含有量及びＴｉＯ２含有量を前述した範囲にすると共に、大入熱において良好な溶接作業性を確保するため、ＣａＯ含有量とＴｉＯ２含有量との比Ａを０．１〜１．７の範囲にする。
【００４０】
［Ｔｉ：１質量％以下］
Ｔｉは、前述したＳｉやＳｉ合金と同様に、溶接金属中の酸素量低減に有効な成分であるが、この効果はＳｉ及び／又はＳｉ合金の添加などによって十分達成可能であるため、本実施形態のフラックスにおいて、Ｔｉは必須の成分ではない。また、Ｔｉ含有量が１質量％を超えると、スラグがビード表面に焼付き、スラグ剥離性が劣化する。よって、Ｔｉ含有量は１質量％以下に規制する。
【００４１】
一方、Ｔｉを０．１質量％以上含有していると、溶接金属の更なる脱酸効果が実現し、靭性の向上を図ることができる。そこで、本実施形態のフラックスでは、必要に応じて、Ｔｉを０．１〜１質量％の範囲で含有することができる。なお、Ｔｉは、Ｔｉ単体の他、Ｆｅ−Ｔｉなどの合金の形態で、フラックスに添加される。
【００４２】
［Ｍｎ：０．９質量％以下］
Ｍｎは、前述したＭｏと同様に、焼入れ性を向上させる効果があり、強度及び靭性の向上に有効な成分であるが、Ｍｎ含有量が０．９質量％を超えると、スラグがビード表面に焼付き、スラグ剥離性が劣化する。また、本実施形態のフラックスでは、Ｍｏを添加しており、それにより焼入れ性の効果が得られるため、Ｍｎ含有量は０．９質量％以下に規制する。
【００４３】
一方、Ｍｎを０．１質量％以上含有していると、更なる焼入れ性の向上が実現し、靭性が改善する。そこで、本実施形態のフラックスでは、必要に応じて、Ｍｎを０．０〜０．９質量％の範囲で含有することができる。なお、Ｍｎは、Ｍｎ単体の他、Ｆｅ−Ｍｎなどの合金の形態で、フラックスに添加される。
【００４４】
［Ａｌ：３質量％以下］
Ａｌは、溶接金属の組織を微細にして、靭性の向上に有効な成分である。しかしながら、この効果は他成分の添加により十分達成可能であるため、本実施形態のフラックスにおいて、Ａｌは必須の成分ではない。また、Ａｌ含有量が３質量％を超えると、焼入れが過度となり、強度が上昇して低温割れが発生する。よって、Ａｌ含有量は３質量％以下に規制する。なお、Ａｌは不可避的不純物であるが、前述したように溶接金属の組織を微細化する効果があることから、３質量％以下の含有は許容される。
【００４５】
［ＣａＯ含有量、ＴｉＯ２含有量、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量の関係］
本実施形態のフラックスでは、各成分の含有量を前述した範囲にすると共に、上記数式４又は数式５を満たすように、ＣａＯ含有量、ＴｉＯ２含有量、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、並びにＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量を調整する。これにより、スラグが凝固する過程においてスラグ内のＣａ・Ｔｉ系酸化物の生成を抑制すると共に、溶接ビードが固まる温度付近の温度においてスラグ内にＭｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物を積極的に生成することが可能となる。
【００４６】
溶接ビードの凝固温度の近傍で、スラグ内にＭｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物が生成すると、スラグ内の鉄粒をビード表面に落下する前にスラグ内に留まらせることができるため、ビード表面における微小突起物の発生を抑制することができる。なお、Ｍｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物は単相に限定されるものではなく、複相生成してもよい。
【００４７】
また、スラグ内に生成するＣａ・Ｔｉ系酸化物は、主にＣａＴｉＯ３（ペロブスカイト）であり、フラックス中のＣａＯ量及びＴｉＯ２量が、モル比（＝ＣａＯ／ＴｉＯ２）で１程度、質量比（＝ＣａＯ／ＴｉＯ２）の場合は０．７程度のときに、最も生成しやすくなる傾向がある。ペロブスカイトなどのＣａ・Ｔｉ系酸化物には、鉄粒をスラグ内に留まらせる効果はないため、その生成を抑制することが重要である。
【００４８】
そこで、本実施形態のフラックスにおいては、ＣａＯとＴｉＯ２との比（＝ＣａＯ／ＴｉＯ２）が質量比で０．７のときを基準とし、ペロブスカイトの生成が多いときにはＭｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物の生成量（にＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量に対する比率）を増やすことで、鉄粒欠陥の発生を抑制することとした。具体的には、ＣａＯ含有量（質量％）とＴｉＯ２含有量（質量％）との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が０．７以上のときは上記数式４を満たし、Ａが０．７未満のときは、上記数式５を満たすように、各成分の配合量を調整する。
【００４９】
なお、ＣａＯ含有量、ＴｉＯ２含有量、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、並びにＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が、上記数式４又は数式５を満足しない場合、即ち、ＣａＯ含有量（質量％）とＴｉＯ２含有量（質量％）との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が、０．７≦Ａ＜−０．２５×｛（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］｝＋２．０３、又は、０．５２×｛（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］｝―２．０７＜Ａ＜０．７の場合は、溶接時にスラグ内においてＣａ・Ｔｉ系酸化物の生成量が増加し、Ｍｇ・Ａｌ・Ｔｉ系酸化物の生成が抑制される。その結果、溶接ビードの凝固温度近傍でスラグ内の鉄粒が凝固したビード表面に落下し、微小突起物が発生する。
【００５０】
［その他の成分］
本実施形態のフラックスにおける上記以外の成分は、ＦｅＯ、ＺｒＯ２及びＫ２Ｏなどである。
【００５１】
以上詳述したように、本実施形態のフラックスは、微小突起物の発生機構から創意工夫を行ない、新たな視点でフラックス成分及び含有量を特定しているため、１電極又は多電極を用いた片面サブマージアーク溶接においても、裏当て構造によらず、健全なビード形状と機械的性能を得ることができる。
【００５２】
具体的には、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量を従来よりも少ない６〜１２質量％とすると共に、ＣａＯ含有量（質量％）とＴｉＯ２含有量（質量％）との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が０．７以上の場合は、Ａ≧−０．２５×｛（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］｝＋２．０３とし、Ａが０．７未満の場合は、Ａ≦０．５２×｛（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］｝−２．０７としているため、溶融・凝固中のフラックス内での鉄粉の凝集及び生成した鉄粒の表ビードへの付着を抑制することができる。これにより、片面サブマージアーク溶接において、機械的性質に優れ、鉄粒突起のない健全な表ビードを形成することが可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態のフラックスは、主に片面サブマージアーク溶接方法で用いるものであるが、その裏当方法については、特に限定されるものではなく、フラックスと銅を裏当材とするフラックス銅裏当法、フラックスのみを裏当材とするフラックス裏当法、固形フラックスを用いた裏当て法など、いずれの方法にも適用することができる。また、裏当フラックスについても、特に限定されるものではなく、従来のフラックスをそのまま適用することが可能である。
【実施例】
【００５４】
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。本実施例においては、下記表１に示す鋼板及び表２に示すワイヤを使用し、下記表３に示す溶接条件及び図２に示す鋼板（母材１０）の開先形状により、片面サブマージアーク溶接を実施し、実施例及び比較例の各フラックスの性能を評価した。なお、本実施例では、下記表４及び表５に示す組成となるように原料を配合し、結合剤（水ガラス）と共に混練した後、造粒し、更にロータリーキルンを用いて４００〜６５０℃で焼成し、整粒することにより、粒子径が２．５ｍｍ以下のフラックスを得た。
【００５５】
【表１】
2015033700.tif 000007
【００５６】
【表２】
2015033700.tif 000008
【００５７】
【表３】
2015033700.tif 000009
【００５８】
【表４】
2015033700.tif 000010
【００５９】
【表５】
2015033700.tif 000011
【００６０】
なお、上記表１に示す鋼板組成及び上記表２に示すワイヤ組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、上記表４及び表５に示す「Ａ」はＣａＯ含有量（質量％）とＴｉＯ２含有量（質量％）との比（［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）であり、「ＡＭＴ／Ｔ．Ｓ」は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ及びＴｉＯ２の総含有量とＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量との比（（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］）である。
【００６１】
実施例及び比較例の各フラックスの評価は、溶接作業性（ビード外観、アンダーカットなど）、ＪＩＳ  Ｚ３０６０に準拠した超音波探傷（ＵＴ）試験（割れ、スラグ巻き込みなどの有無）及びＪＩＳ  Ｚ２２４２に準拠したシャルピー衝撃試験により行った。これらの評価結果を下記表６に示す。
【００６２】
【表６】
2015033700.tif 000012
【００６３】
なお、上記表６に示す溶接作業性の評価において、「鉄粒突起」とは、フラックス中に含まれる鉄粉が溶融・凝集してビード表面に付着した部分のことであり、塗装不良の原因の一つとなる。本実施例では、ビード表面観察により、粒径２００μｍ以上の鉄粒がビード長１ｍあたり１００個以上存在する場合を、「鉄粒突起あり」とした。
【００６４】
また、「中凸ビード」とは、溶接方向に対して表ビード中央部が凸状となることであり、塗装不良の要因の一つとなる。「スラグ焼付き」とは、溶接後のスラグがビードに焼付いて剥離しにくくなることであり、剥離後のビード外観が劣化するために塗装不良の原因の一つとなる。「アンダーカット」とは、溶接の止端に沿って母材が掘られて、溶着金属が満たされないで溝となって残っている部分のことで、溶接欠陥の一種である。
【００６５】
「波目粗い」とは、連続する５ピッチの合計長さが４０ｍｍを超えることを指し、ビード外観が劣化するために塗装不良の原因の一つとなる。「ビード不揃い」とは、任意の５０ｍｍ幅のビード最大幅と最小幅の差が５．０ｍｍを超える箇所が一箇所を超える場合を指し、ビード外観が劣化するために塗装不良の原因の一つとなる。なお、「アンダーカット」、「波目粗い」及び「ビード不揃い」に関する詳細は、１９８３年３月に（社）日本溶接協会により制定された「外観試験の合否判定指針」に記載されている。
【００６６】
一方、シャルピー衝撃試験は、試験温度−２０℃におけるシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）が５０Ｊ以上のものを合格、５０Ｊ未満のものを不合格とした。
【００６７】
表６に示すように、本発明の範囲内で作製した実施例１〜１８のフラックスは、溶接作業性、超音波探傷（ＵＴ）試験及び靭性（ｖＥ−２０℃）の全てにおいて、良好であった。
【００６８】
これに対して、比較例１のフラックスは、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が本発明範囲の下限未満であったため、中凸ビードが発生した。一方、比較例２のフラックスは、Ｓｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量が本発明範囲の上限を超えていたため、アンダーカットと鉄粒突起が発生した。また、比較例３のフラックスは、ＣａＯ含有量が本発明範囲の下限未満であったため、アンダーカットが発生した。一方、比較例４のフラックスは、ＣａＯ含有量が本発明範囲の上限を超えていたため、ビードが凸型となった。
【００６９】
比較例５のフラックスは、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ったため、アンダーカットが発生した。一方、比較例６のフラックスは、ＭｇＯの含有量が本発明範囲の上限を超えていたため、中凸ビードが発生した。また、比較例７のフラックスは、ＴｉＯ２含有量が本発明範囲の下限未満であっため、鉄粒突起が発生し、また、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を超えていため、スラグ焼付きが発生した。一方、比較例８のフラックスは、ＴｉＯ２含有量が本発明範囲の上限を超えていたため、ビードの波目が粗くなった。
【００７０】
比較例９のフラックスは、Ａｌ２Ｏ３含有量が本発明範囲の下限未満であったため、ビード幅の揃いが不良であった。一方、比較例１０のフラックスは、Ａｌ２Ｏ３含有量が本発明範囲の上限を超えていたため、ビードが凸型となった。
【００７１】
比較例１１〜１４のフラックスは、ＣａＯ含有量とＴｉＯ２含有量との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）と、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、ＴｉＯ２含有量並びにＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量との関係が、本発明の範囲から外れているものである。具体的には、比較例１１及び比較例１４は、Ａが０．７以上であるが、Ａ≧−０．２５×｛（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］｝＋２．０３を満足しないものであり、比較例１２及び比較例１３は、Ａが０．７未満であるが、Ａ≦０．５２×｛（［Ａ１２Ｏ３］＋［ＭｇＯ］＋［ＴｉＯ２］）／［Ｔ．ＳｉＯ２］｝−２．０７を満足しないものである。このため、比較例１１〜１４のフラックスでは、いずれもビード表面に鉄粒突起が発生した。
【００７２】
比較例１５のフラックスは、ＣａＯ含有量とＴｉＯ２含有量との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）が本発明範囲の上限を超えていたため、ビードが不揃いになった。一方、比較例１６のフラックスは、Ａが本発明範囲の下限未満であったため、中凸ビードが発生した。
【００７３】
図３は実施例及び比較例の各フラックスの成分組成と鉄粒突起発生との関係を示す図である。図３に示すように、ＣａＯ含有量とＴｉＯ２含有量との比Ａ（＝［ＣａＯ］／［ＴｉＯ２］）と、Ａｌ２Ｏ３含有量、ＭｇＯ含有量、ＴｉＯ２含有量、並びにＳｉ、Ｓｉ合金及びＳｉ酸化物の総含有量との関係が、本発明の範囲から外れるフラックスでは、鉄粒突起が発生することが確認された。
【００７４】
なお、前述した実施例及び比較例の各フラックスの評価では、固形フラックスで生成された裏当材を用いて片面サブマージアーク溶接を実施したが、銅板と裏当フラックスを用いるフラックス銅裏当法及び銅板を使用せずに裏当フラックスを固化させながら行うフラックス裏当法においても、ほぼ同様の結果が得られた。また、表４及び表５には３電極溶接の結果を示しているが、その他に１電極、２電極、更には４電極溶接においても、溶接後のフラックスの溶融・凝固過程に違いは無いため、表４及び表５に示す３電極溶接の場合と同様の結果が得られた。
【００７５】
以上の結果から、本発明のフラックスを使用することにより、１電極又は多電極の片面サブマージアーク溶接において、健全な表ビード形状と機械特性が得られることが確認された。
【符号の説明】
【００７６】
１、１０  母材
２  溶接金属
２ａ  ビード表面
３  未溶融のフラックス
４  溶融・凝固中のフラックス（スラグ）
５  鉄粉
６  鉄粉の凝集
７  凝集鉄粉（鉄粒）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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