(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼心線に被覆剤が被覆されているイルミナイト系被覆アーク溶接棒において、
前記鋼心線は、鋼心線全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、
前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、
金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：９〜２０％、
硫化鉄：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：１５〜３５％、
Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：１５〜３５％、
Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：２〜６％、
Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計：１〜５％、
有機物の１種又は２種以上の合計：３〜８％、
金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種以上のＭｎ換算値の合計：６〜１５％、
Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：２．５〜５．５％を含有し、残部は塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするイルミナイト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、スラグ剥離性及び耐棒焼け性に優れ、安定したアーク状態が得られ、ビード外観が良好で、深溶込みで溶接欠陥が無く、機械的性能に優れた溶接金属が得られるイルミナイト系被覆アーク溶接棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
非低水素系被覆アーク溶接棒は、低水素系被覆アーク溶接棒等に比べ、安定したアーク状態が得られ、ビード外観が良好で、スパッタ発生量が少なく、再アーク性が良好であるなど溶接作業性に優れるため、車両、建築等の一般構造物の溶接に広く使用されている。
【０００３】
しかし近年では、更なる溶接作業能率の向上が要求されることから、溶接部の融合不良やブローホール等の溶接欠陥の抑制が重要課題となっており、深い溶込みが得られ、かつ、優れた溶接作業性をも有する非低水素系被覆アーク溶接棒が要望されている。
【０００４】
中でもイルミナイト系被覆アーク溶接棒は、他の非低水素系被覆アーク溶接棒に比べてアークの吹付けが強く、比較的深い溶込みが得られることから、様々な環境下での溶接に適用される。しかしながら、このイルミナイト系被覆アーク溶接棒は、スラグ剥離性、ビード形状及び耐棒焼け性が悪いという問題があった。
【０００５】
イルミナイト系被覆アーク溶接棒のスラグ剥離性、ビード形状及び耐棒焼け性の改善に対しては、種々の提案がされている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、イルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤中のイルミナイトのＮｂ2Ｏ5、Ｖ2Ｏ5の含有量の合計を低減することで、スラグを多孔質化してスラグ剥離性を改善する技術が開示されている。
【０００７】
また特許文献２には、イルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤中の還元イルミナイト中のＳｉＯ2の含有量を所定範囲内に限定することで、溶接時の溶融速度を遅くして耐棒焼け性を改善する技術が開示されている。
【０００８】
しかしながら、これら特許文献１、２の開示技術によれば、従来からのイルミナイト系被覆アーク溶接棒の課題とされてきたスラグ剥離性、ビード形状、耐棒焼け性を改善することはできるものの、アークの吹付けを維持しつつ、これらの溶接作業性を向上させることは困難であった。
【０００９】
さらに、特許文献３には、イルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤中の粘土鉱物を適量含む炭酸石灰の量を所定範囲に限定することにより、アーク電圧が高められアークの吹付けが強くなり、深い溶込みが得られる技術が開示されている。しかしながら、この特許文献３の開示技術によれば、様々な溶接環境下では、十分な深溶込みを得ることができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２４３３５１号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１４７８号公報
【特許文献３】特開平８−２７６２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、スラグ剥離性及び耐棒焼け性に優れ、アークが安定してビード形状が良好で、深溶込みで溶接欠陥が無く、機械的性能に優れた溶接金属が得られるイルミナイト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】
【００１２】
本発明の要旨は、鋼心線に被覆剤が被覆されているイルミナイト系被覆アーク溶接棒において、前記鋼心線は、鋼心線全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、鋼心線に被覆剤が塗装されているイルミナイト系被覆アーク溶接棒において、前記鋼心線は、鋼心線全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１５％を含有し、前記被覆剤は、被覆剤全質量に対する質量％で、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：９〜２０％、硫化鉄：０．００５〜０．１％、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：１５〜３５％、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：１５〜３５％、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：２〜６％、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計：１〜５％、有機物の１種又は２種以上の合計：３〜８％、金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種以上のＭｎ換算値の合計：６〜１５％、Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：２．５〜５．５％を含有し、残部は塗装剤、鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物からなることを特徴とするイルミナイト系被覆アーク溶接棒にある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイルミナイト系被覆アーク溶接棒によれば、良好なスラグ剥離性、耐棒焼け性が得られ、アーク状態及びビード形状が良好である等、優れた溶接作業性等を確保することができ、かつ溶接欠陥を抑制することができ、機械的性能にも優れた溶接金属を得ることができる。このため、溶接作業能率の向上及び溶接部の品質向上に大いに貢献できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明者らは、上述した課題を解決するために、各種イルミナイト系被覆アーク溶接棒を試作し、アークの吹付け等について詳細に調査した。その結果、鋼心線中のＣの含有量を適正な範囲とし、被覆剤中の金属炭酸塩、有機物の各含有量、Ｎａ酸化物及びＫ酸化物の合計の含有量を適正とすることにより、アークの吹付けが強くなり、溶接部の融合不良やブローホール等の溶接欠陥を抑制できることを見出した。
【００１５】
しかし、アーク安定性、スラグ剥離性、ビード形状及び耐棒焼け性等の溶接作業性が劣ることが判明したため、これらを改善するべく種々検討を行った。
【００１６】
その結果、アーク安定性は、被覆剤中のＴｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ａｌ酸化物の含有量を適正な範囲にすることで改善できることを見出した。
【００１７】
また、スラグ剥離性は、被覆剤中の硫化鉄、Ｓｉ酸化物の含有量を適正な範囲にすることで、ビード端部の焼き付きが抑制され、スラグ剥離性が改善されることを見出した。
【００１８】
ビード形状は、被覆剤中のＴｉ酸化物の含有量を適正な範囲にすることにより、スラグ流動性が良好となり、ビード表面をスラグが均一に被包することで改善されることを見出した。
【００１９】
耐棒焼け性は、被覆剤中のＭｎ酸化物の含有量を適正な範囲にすることで、被覆アーク溶接棒の赤熱を抑制して耐棒焼け性を改善できることを見出した。
【００２０】
また、優れた溶接金属の機械的性能を確保するために、被覆剤中の金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種の合計の含有量を適正な範囲とすることで、溶接金属の機械的性能を改善することができることを見出した。
【００２１】
以下、本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒の鋼心線の成分組成及び被覆剤の成分組成と、その成分組成の限定理由について詳細に説明する。なお、各成分組成の含有量は、質量％で表すこととし、その質量％を表すときには単に％と記載することとする。
【００２２】
［鋼心線全質量に対する質量％で、鋼心線中のＣ：０．０３〜０．１５％］
鋼心線中のＣは、溶接時のアークの吹付けを強くして溶込みを深くし、溶接部の融合不良やブローホール等の溶接欠陥を防止する効果を有する。鋼心線中のＣが０．０３％未満であると、アークの吹付けが弱くなって溶込みが浅くなり、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、鋼心線のＣが０．１５％を超えると、アークの吹付けが強くなりすぎ、ビード形状が不良になる。また鋼心線のＣが０．１５％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなって靭性が低下する。したがって、鋼心線中のＣは０．０３〜０．１５％とする。
【００２３】
以下において説明する被覆剤中の各成分組成の含有量は、被覆剤全質量に対する質量％で示す。
【００２４】
［金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計：９〜２０％］
金属炭酸塩は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸マンガン等から添加され、アーク中で分解してＣＯ2ガスを発生させて溶着金属を大気から遮蔽して保護するとともに、アークの吹付けを強くして溶込みを深くし、溶接欠陥を防止する効果を有する。金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が９％未満であると、シールド効果が不足するとともに、アークの吹付けが弱いので、ブローホール等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計が２０％を超えると、アークが不安定となり、ビード形状も不良になる。したがって、被覆剤中の金属炭酸塩の１種又は２種以上の合計は９〜２０％とする。
【００２５】
［硫化鉄：０．００５〜０．１％］
硫化鉄は、溶融スラグの表面張力を下げて溶融池とのなじみを良好にし、溶融スラグを溶融池全面に均一に被包させることで、溶接ビード表面へのスラグ焼き付きを防止してスラグ剥離性を改善する効果を有する。硫化鉄が０．００５％未満では、その効果が得られず、ビード表面にスラグ焼き付きが発生してスラグ剥離性が不良となる。一方、硫化鉄が０．１％を超えると、溶接金属の靭性が低下するとともに、高温割れが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の硫化鉄は０．００５〜０．１％とする。
【００２６】
［Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計：１５〜３５％］
Ｔｉ酸化物は、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、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びビード形状を改善する効果を有する。Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が１５％未満であると、アークが不安定になるとともに、スラグ流動性が悪くなってビード形状が不良となる。一方、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が３５％を超えると、スラグが緻密になってスラグ剥離性が不良となる。したがって、被覆剤中のＴｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計は１５〜３５％とする。
【００２７】
［Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計：１５〜３５％］
Ｓｉ酸化物は、珪砂、長石、水ガラス等から添加され、スラグ生成剤及びアーク安定剤として作用し、アーク安定性及びスラグ剥離性を改善する効果を有する。Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が１５％未満であると、アークが不安定になるとともに、生成したスラグのガラス質が少なくなってスラグ剥離性が不良になる。一方、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が３５％を超えると、スラグの粘性が高くなってビード形状が不良となる。したがって、被覆剤中のＳｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計は１５〜３５％とする。
【００２８】
［Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計：２〜６％］
Ａｌ酸化物は、アルミナ、砂鉄、長石、珪砂、マイカ等から添加され、アークを安定にする効果を有する。Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が２％未満であると、アークが弱くなって不安定になる。一方、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が６％を超えると、スラグ剥離性が不良となる。したがって、被覆剤中のＡｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計は２〜６％とする。
【００２９】
［Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計：１〜５％］
Ｍｎ酸化物は、酸化マンガン、二酸化マンガン等から添加され、棒焼けを防止する効果を有する。Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が１％未満であると、その効果が得られず、棒焼けが発生しやすくなる。一方、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が５％を超えると、ビード形状が不良となる。したがって、被覆剤中のＭｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計は１〜５％とする。
【００３０】
［有機物の１種又は２種以上の合計：３〜８％］
有機物は、セルロース、デキストリン、小麦粉、澱粉、コーンスターチ等から添加され、アーク吹付けを強くして溶込みを深くし、ブローホール等の溶接欠陥を防止する効果がある。有機物の１種又は２種以上の合計が３％未満であると、アークの吹付けが弱くなり、溶込みが浅くなってブローホール等の溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、有機物の１種又は２種以上の合計が８％を超えると、棒焼けが発生しやすくなる。したがって、被覆剤中の有機物の１種又は２種以上の合計は３〜８％とする。
【００３１】
［金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種以上のＭｎ換算値の合計：６〜１５％］
金属Ｍｎ及びＭｎ合金は、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等から添加され、脱酸剤として添加する他、溶接金属の強度及び靭性向上に有効である。金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種以上のＭｎ換算値の合計が６％未満では、脱酸不足となり、ブローホールが発生しやすくなり、また溶接金属の強度及び靭性が低下する。一方、金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種以上のＭｎ換算値の合計が１５％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなって靭性が低下する。したがって、被覆剤中の金属Ｍｎ及びＭｎ合金の１種又は２種以上のＭｎ換算値の合計は６〜１５％とする。
【００３２】
［Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計：２．５〜５．５％］
Ｎａ酸化物及びＫ酸化物は、水ガラス中の珪酸ソーダ、珪酸カリウム、カリ長石、カリガラス及びソーダ長石等から添加され、アークを安定にする効果を有する。Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が２．５％未満では、アークが不安定になる。一方、Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が５．５％を超えると、アークの吹付けが強くなりすぎ、ビード形状が不良になる。したがって、被覆剤中のＮａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計は２．５〜５．５％とする。
【００３３】
なお、本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒の被覆剤の残部は、塗装剤として、タルク、ヘクトライト等の１種以上を合計で被覆剤全重量に対する質量％で４％以下含有することができ、その他はＭｇＯ、ＣａＯ、ＦｅＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等の鉄合金からのＦｅ分及び不可避不純物である。
【００３４】
また、使用する軟鋼心線は、ＪＩＳ  Ｇ３５２３  ＳＷＹ１１を用いることが好ましい。さらに、被覆剤の軟鋼心線への被覆率は、溶接棒全質量に対する被覆剤の質量％で２５〜４０％であることが好ましい。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を適用したイルミナイト系被覆アーク溶接棒の実施例について具体的に説明する。
【００３６】
表１に示す各種成分組成で、直径３．２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＪＩＳ  Ｇ３５２３  ＳＷＹ１１の軟鋼心線に、表２に示す各種成分組成の被覆剤を被覆率２８〜３１％で塗装することで被覆した後、乾燥させて各種イルミナイト系被覆アーク溶接棒を試作した。
【００３７】
【表１】
0006688162.tif 000002
【００３８】
【表２】
0006688162.tif 000003
【００３９】
これら試作した各種イルミナイト系被覆アーク溶接棒を使用し、溶接作業性及び機械的性能について調査した。
【００４０】
溶接作業性の評価は、板厚４．５ｍｍ、幅７５ｍｍ、長さ４５０ｍｍのＪＩＳ  Ｇ  ３１０１  ＳＳ４００の軟鋼板をＴ字に組んだ試験体を用い、二次側無負荷電圧が６０Ｖの小型溶接機を使用し、溶接電流１００〜１２０Ａで下向溶接、溶接電流８０〜１００Ａで立向上進溶接を行い、アークの吹付け、アーク安定性、スラグ剥離性、ビード形状、棒焼け及び高温割れの有無を調査した。また、耐棒焼け性は、１５０Ａで下向溶接した際、鋼心線が発熱して棒焼けしないものを棒焼け無しとして良好なものと判断した。
【００４１】
機械的性能の評価は、板厚１６ｍｍのＪＩＳ  Ｇ  ３１０６  ＳＭ４９０Ａを用い、ＪＩＺ  Ｚ３１１１に準じて交流溶接機で溶着金属試験を行い、引張試験片（Ａ２号）と衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して引張試験及び衝撃試験を行った。
【００４２】
引張試験の評価は、引張強さが４４０〜５５０ＭＰａを良好とした。また、靭性の評価は、試験温度０℃でシャルピー衝撃試験を行い、各々繰り返し３回の吸収エネルギーの平均値が６０Ｊ以上を良好とした。
【００４３】
溶接欠陥は、溶着金属試験後の試験体を、ＪＩＳ  Ｚ  ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、ブローホール及び融合不良等の有無を調査した。これらの調査結果を表３にまとめて示す。
【００４４】
【表３】
0006688162.tif 000004
【００４５】
表２及び表３中、溶接棒記号Ｒ１〜Ｒ８が本発明例、溶接棒記号Ｒ９〜Ｒ１７は比較例である。
【００４６】
本発明例である溶接棒記号Ｒ１〜Ｒ８は、鋼心線中のＣ、被覆剤中の金属炭酸塩の合計
、硫化鉄、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計、有機物の合計、金属ＭｎとＭｎ合金のＭｎ換算値の合計、Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値及びＫ2Ｏ換算値の合計が適正であるので、アークの吹付けが適正で深い溶込みが得られたので溶接部の溶接欠陥が無く、アークが安定し、スラグ剥離性に優れ、ビード形状が良好であった。また、棒焼けも発生せず、高温割れもなく、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーも良好で、極めて満足な結果であった。
【００４７】
比較例中溶接棒記号Ｒ９は、鋼心線中のＣが多いので、アークの吹付けが過剰に強く、ビード形状が不良で、溶着金属の引張り強さが高く、吸収エネルギーが低かった。また、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
【００４８】
溶接棒記号Ｒ１０は、鋼心線中のＣが少ないので、アークの吹付けが弱くて溶込みが浅くなり、溶接部に融合不良が発生した。また被覆剤中の金属炭酸塩の合計が多いので、アークが不安定で、ビード形状が不良であった。さらに、金属Ｍｎ及びＭｎ合金のＭｎ換算値の合計が多いので、溶着金属の引張り強さが高く、吸収エネルギーが低かった。
【００４９】
溶接棒記号Ｒ１１は、被覆剤中の金属炭酸塩の合計が少ないので、アークの吹付けが弱くて溶込みが浅くなり、溶接部にブローホールが発生した。また硫化鉄が多いので、溶着金属の吸収エネルギーが低く、溶接部には高温割れが発生した。さらに、Ｔｉ酸化物のＴｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、ビード形状が不良であった。
【００５０】
溶接棒記号Ｒ１２は、硫化鉄が少ないので、スラグ剥離性が不良であった。また、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値の合計が少ないので、アークが不安定であった。さらに、金属Ｍｎ及びＭｎ合金のＭｎ換算値の合計が少ないので、溶着金属の引張強さ及び吸収エネルギーが低かった。また、溶接部にはブローホールが発生した。
【００５１】
溶接棒記号Ｒ１３は、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が少ないので、アークが不安定で、スラグ剥離性が不良であった。また、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が多いので、ビード形状が不良であった。さらに、有機物の合計が少ないので、アークの吹付けが弱くて溶込みが浅く、溶接部にブローホールが発生した。
【００５２】
溶接棒記号Ｒ１４は、Ａｌ酸化物のＡｌ2Ｏ3換算値が多いので、スラグ剥離性が不良であった。
【００５３】
溶接棒記号Ｒ１５は、有機物の合計が多いので、棒焼けが発生した。また、Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が多いので、アークの吹付けが過剰に強く、ビード形状が不良であった。
【００５４】
溶接棒記号Ｒ１６は、Ｓｉ酸化物のＳｉＯ2換算値の合計が多いので、ビード形状が不良であった。
【００５５】
溶接棒記号Ｒ１７は、Ｍｎ酸化物のＭｎＯ換算値の合計が少ないので、棒焼けが発生した。また、Ｎａ酸化物及びＫ酸化物のＮａ2Ｏ換算値とＫ2Ｏ換算値の合計が少ないので、アークの吹付けは弱くて溶込みが浅く、溶接部に融合不良が発生した。