(57)【要約】【課題】被溶接物の鋼種に関係なく、溶接時に被溶接物表面に活性フラックスを塗布する工程を省略し、通常のＴＩＧ溶接条件でも深い溶け込みが得られ、高能率なＴＩＧ溶接を可能とするＴＩＧ用溶接ワイヤを提供する。【解決手段】ワイヤ表面を、処理溶液と鋼板とを接触させて鋼板表面に酸化物被膜を形成する液相析出法を用いて酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化珪素、および、酸化鉄のうちの１種または２種以上からなる皮膜を全膜厚０．０５μｍ以上で被覆してなることを特徴とする溶け込み特性に優れたＴＩＧ溶接用ワイヤ。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ表面を、液相析出法を用いて酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化珪素、および、酸化鉄のうちの１種または２種以上からなる皮膜を全膜厚０．０５μｍ以上で被覆してなることを特徴とする溶け込み特性に優れたＴＩＧ溶接用ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＩＧ溶接用ワイヤに関し、詳しくはＴＩＧ溶接において、従来のＴＩＧ溶接用ワイヤに比べて溶接で深い溶け込みが得られ、高能率なＴＩＧ溶接を可能とするＴＩＧ溶接用ワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＩＧ溶接は、不活性ガス中で溶接が行われるため、シールド効果が良好で、溶接部の酸化が抑制されるとともに、安定したビードが得られる。このため、原子力、化学プラントなど高品質が要求される継手に多く適用されている。
【０００３】
しかしながら、ＴＩＧ溶接の通常の溶接条件では、溶け込み深さが２〜３ｍｍ程度のため、厚鋼板を溶接する場合は、開先加工を行い、溶接ワイヤを供給して多層盛溶接を行う必要がある。
【０００４】
そこで、溶接部において溶け込み深さを増すことを目的としたＴＩＧ溶接方法として、活性フラックスを使用したＴＩＧ溶接方法が古くから提案されている。この溶け込み深さを大幅に促進させる方法は、Ａ−ＴＩＧ法またはＡｃｔｉｖｅＴＩＧ法と呼ばれ、酸化物を主体とした粉末状の活性フラックスを揮発性溶剤に溶いて刷毛で母材表面に塗布し、ＴＩＧ溶接を行うものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
市販活性フラックスの成分は、メーカーや対象材料によって異なり（例えば、非特許文献２参照）、そして、ＴＩＧ溶接用活性フラックス組成物も知られている（例えば、特許文献１参照）。また、最近では、刷毛による塗布方法の他にスプレーによる活性フラックスの塗布方法も開発されている。
【０００６】
しかしながら、このＡ−ＴＩＧ法では、予め溶接前に活性フラックスを溶接線に沿って刷毛もしくはスプレーで塗布する必要があり、溶接効率が非常に悪く、かつ、塗布厚により溶け込み深さが変化しやすく、安定した溶接が困難であるという問題がある。
【０００７】
また、ステンレス鋼外皮中に活性フラックスを含有して深溶け込みが得られるフラックス入りワイヤがあるが（例えば、特許文献２参照）、対象材料がオーステナイト系ステンレス鋼に限定され、適用範囲が狭いという問題がある。
【０００８】
一方、液相析出法（以下、ＬＰＤ法ということもある。）は水溶液中から金属酸化物薄膜を均一に合成する方法として知られ、例えば、酸化チタンの過飽和処理溶液と基材とを接触させて基材表面に酸化チタン被膜を製造する方法がある（例えば、特許文献３及び４参照）。
【０００９】
しかしながら、これらの手法では、鋼板表面の腐食と成膜速度が遅いため生産性が低い。また、処理液のｐＨが低いため、水素発生反応により健全な皮膜が得られない等の問題があり、本質的な改善が必要であった。また、ＴＩＧ溶接とは技術分野を異にしている。
【００１０】
【非特許文献１】
「ＴＩＧ溶接における活性フラックスによる溶込み促進機構」２００２年第２号、ｐ９５−９９  溶接学会
【非特許文献２】
「Ｗｅｌｄｉｎｇ  ＆  Ｍｅｔａｌ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」  Ｆｅｂｒｕａｒｙ（２０００），ｐ７−１０
【特許文献１】
特開２０００−７１０９４号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２６９２号公報
【特許文献３】
特開平１−９３４４３号公報
【特許文献４】
特開平４−１３２６３６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、こうした従来技術の実情に鑑みて、被溶接物の種類に関係なく、溶接時に被溶接物表面に活性フラックスを塗布する工程を省略し、通常のＴＩＧ溶接条件でも深い溶け込みが得られ、高能率なＴＩＧ溶接を可能とするＴＩＧ溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その発明の要旨は以下の通りである。
【００１３】
ワイヤ表面を、液相析出法を用いて酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化珪素、および、酸化鉄のうちの１種または２種以上からなる皮膜を全膜厚０．０５μｍ以上で被覆してなることを特徴とする溶け込み特性に優れたＴＩＧ溶接用ワイヤ。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を具体的に説明する。
【００１５】
活性フラックスを用いることによりＴＩＧ溶接時に溶け込み深さが増大する現象は、次のように説明される。
【００１６】
ＴＩＧ溶接時にワイヤ表面に施された金属酸化物がアークによって加熱、気化し、さらにアーク中で酸素を放出し解離することで熱が奪われる。この時、熱の放散が抑えられるためにアーク柱の表面積が小さくなるよう熱的ピンチ力が働き、アークは中心部に収縮する。収縮すれば電磁ピンチ力によってアークはさらに収縮し、アークの電流密度が増加して被溶接物表面の単位面積当たりの入熱量が増加する。また、溶融池表面のこれら酸化物のスラグ化合物は溶融池の表面張力を減少させ、溶湯の流れを溶融池の外側から中心部に向かわせる。これら２つの効果により、ＴＩＧアークの入熱は集中し、熱効率の高いものとなって深い溶け込みが得られることになる。
【００１７】
従来、ＴＩＧ溶接時に上記活性フラックスによる溶け込み深さ向上効果を得るための方法として、予め溶接前に、活性フラックスを含有する揮発性溶剤を刷毛またはスプレーなどにより少なくとも溶接部を含む母材表面の範囲に塗布方法が用いられていた。しかし、このような活性フラックスの塗布処理方法では、鋼板表面に形成する活性フラックスの金属酸化物層と鋼板との密着性が低く剥離しやすく、また、塗布層厚にばらつきが生じやすいために、溶接時に上記活性フラックスによる溶け込み深さ向上効果を安定して確実に発揮することが困難であった。
【００１８】
また、従来の溶接前の活性フラックスの塗布処理工程は、溶接施工時の作業性を低下させる原因でもあった。特に、鋼板を加工後に溶接する場合のような場合には、作業スペースの制約上従来のような塗布処理を行なうことが困難であることがあった。
【００１９】
そこで、本発明者らは、上記活性フラックスの溶け込み深さ向上効果を安定して確実に発揮でき、かつ溶接施工時の作業効率を向上するための方法として、表面に活性フラックスを施したワイヤについて検討した。
【００２０】
その結果、液相析出法を用いて活性フラックスの金属酸化皮膜を被覆した溶接ワイヤは、金属酸化皮膜とワイヤ母材との密着性が高く、かつ金属酸化皮膜の膜厚も均一であり、このワイヤをＴＩＧ溶接用ワイヤとして用いることにより、溶接時に活性フラックスの溶け込み深さ向上効果を安定して確実に発揮でき、かつ溶接施工時の作業効率を向上することを技術思想とするものである。
【００２１】
本発明において、液相析出法とは、金属イオンとハロゲンイオンをある濃度で含有する水溶液、例えばフルオロ錯体水溶液中に基材を浸漬、または基材をカソード電解することで、酸化物皮膜を形成する手法のことであり、溶接ワイヤを基材とする場合にも溶接ワイヤ特性への影響はなく、均一な膜厚の特定金属の酸化皮膜を鋼板表面に形成することができる方法である。
【００２２】
また、本手法によれば成膜のみで酸化物および／または水酸化物膜が溶接ワイヤ表面に形成されるが、必要に応じてこの溶接ワイヤを熱処理することも可能である。
【００２３】
液相析出法による溶接ワイヤ表面への酸化皮膜の形成は、形成させたい酸化物の金属イオンとフッ素イオンをある比率で含有する水溶液、例えばフルオロ錯体水溶液をｐＨ３〜７に調整し、アルミニウムやホウ素を溶解させた処理液に、基材である溶接ワイヤを浸漬することで行う。さらに、生産性を考慮して成膜速度を上げるためには、または基材が低耐食性の場合は、形成させたい酸化物の金属イオンとフッ素イオンをある比率で含有する水溶液、例えばフルオロ錯体水溶液をｐＨ３〜７に調整した水溶液に基材とアルミニウムと短絡させて浸漬するか、対極にアルミニウムを用いてカソード電解すればよい。あるいは、予めアルミニウムを溶解した処理液で、対極に不活性電極を用いてカソード電解すればよい。このようにして、所定の厚さの金属酸化物を溶接ワイヤに形成させる。
【００２４】
本発明者らは、本手法により基材表面に形成された金属酸化皮膜は、従来からＡ−ＴＩＧ法において用いられていた酸化物を主体とした粉末状の活性フラックスを揮発性溶剤に溶いて刷毛で基材表面に塗布して基材表面に形成された酸化物層に比べて基材への密着性が向上できることを、例えば以下の密着性試験結果から確認している。
【００２５】
つまり、本発明者らは、▲１▼ＨＯＢＡＲＴ社製ＦＡＳＴＩＧ−ＳＳ７（Ｃｒ２Ｏ３＋ＴｉＯ２＋ＳｉＯ２の混合物）の粉末、または、ＴｉＯ２（粒径１〜２μｍ）の粉末をメタノール中で分散させた溶液（粉末１ｇ、メタノール５ｇ）を刷毛でＳＵＳ３０４鋼板（基材）表面に塗布し、自然乾燥して得られたＳＵＳ３０４鋼板と、▲２▼本手法（アルミニウムとＳＵＳ３０４鋼板（基材）を短絡し、０．０２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６水溶液に浸漬により膜厚１００ｎｍと３００ｎｍのＴｉＯ２皮膜をＳＵＳ３０４鋼板（基材）表面に形成させたＳＵＳ３０４鋼板について、ニチバン製セロハンテープによる剥離試験を行なった。
【００２６】
その結果、前者の従来手法による鋼板は、切り込み無でも簡単に全面剥離したが、後者の本手法による鋼板は、碁盤目（１ｍｍ間隔、１ｃｍ角）に切り込みを入れても、全く剥離しないほど、密着性が高いことを確認している。
【００２７】
本発明の液相析出法を用いて活性フラックスの金属酸化皮膜を被覆した溶接ワイヤは、ワイヤ表面に形成された金属酸化皮膜の鋼板との密着性が高く、溶接施工時に剥離することがなく、また、膜厚も均一であるため、ＴＩＧ溶接時に活性フラックスの溶け込み深さ向上効果を安定して確実に発揮でき、かつ溶接施工時の作業効率を向上することができる。
【００２８】
溶接ワイヤ表面に形成させる酸化皮膜は、溶接ワイヤをアーク中に挿入した際、アーク熱によりワイヤ表面から蒸発しやすく、かつ、酸素を解離しやすいものであり、また、スラグ化合物となったとき、溶融池表面の表面張力を減少させるものが溶け込み深さを深くするのに有効であるため、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化珪素、および、酸化鉄のうちの１種または２種以上からなる皮膜とする。この皮膜は、上記酸化物成分の単一成分皮膜でも、多成分皮膜でも良い。
【００２９】
ここで、多成分皮膜とは、上記酸化物成分からなる複合酸化物皮膜、濃度傾斜皮膜、その他の第３成分を分散させた皮膜等を意味する。また、この皮膜は炭層でも２層以上の積層皮膜であってもよい。
【００３０】
酸化皮膜の厚さは、０．０５μｍ未満では、溶け込み深さ改善に効果がみられないため、０．０５μｍ以上とする。
【００３１】
また、酸化皮膜の厚さの上限は特に限定するものではないが、１μｍを超えると上記効果が飽和するとともに成膜効率低下により溶接ワイヤの生産性が低下し経済性が悪化するため、１μｍ以下とするのが好ましい。
【００３２】
対象となる溶接ワイヤの鋼種、成分は特に限定するものではなく、被溶接物の成分、材質にマッチングした溶接ワイヤに前記液相析出法（ＬＰＤ法）で酸化皮膜を形成させる。また、溶接ワイヤの種類もソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤのいずれにも適用され、ワイヤ径も特に限定するものではない。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例にて本発明を説明する。
【００３４】
試験材は、表１に示す板厚５．０ｍｍのＳＳ４００軟鋼板およびＳＵＳ３０４ステンレス鋼板で、それぞれＩ開先のＴＩＧ突き合わせ溶接を行った。使用したＴＩＧ用溶接ワイヤは、表２に示す２鋼種で、ワイヤＡはＳＳ４００軟鋼用、ワイヤＢはＳＵＳ３０４ステンレス鋼用であり、いずれも線径１．６ｍｍφのソリッドワイヤである。ワイヤＡおよびワイヤＢには液相析出法（ＬＰＤ法）で表３および表４に示す各種酸化皮膜を表面に形成させた。
【００３５】
本発明の酸化皮膜は以下の二通りの方法で作製した。
【００３６】
記号Ａ１，Ａ４，Ａ７，Ｂ１，Ｂ４，Ｂ７は金属イオンとフッ化イオンのモル比が１：６の混合水溶液を用い、フッ酸とアンモニウム水でｐＨ４に調整した処理液を用いた。アルミニウムと前記ＳＵＳ３０４鋼板を短絡させて処理液に浸漬し、表中記載の膜厚になるまで処理後、水洗し、風乾した。
【００３７】
記号Ａ２〜３，Ａ５〜６，Ａ８〜１４，Ｂ２〜３，Ｂ５〜６，Ｂ８〜１４は表中「皮膜の種類」記載の各種金属のフルオロ錯体水溶液をｐＨ４に調整した処理液を用いた。アルミニウムを電極として、表中記載の膜厚になるまでカソード電解し、水洗し、風乾した。
【００３８】
突き合わせ溶接時の溶接条件は、電流２００Ａ、電圧１４Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎ、流量２０リットル／ｍｉｎの１００％アルゴンガスシールドであり、溶接ワイヤ送給量は５ｇ／ｍｉｎとした。溶接後、ビード断面を観察し、溶け込み深さを測定した。その結果を表３および表４に併せて示す。
【００３９】
【表１】
2004283858.tif 000002
【００４０】
【表２】
2004283858.tif 000003
【００４１】
【表３】
2004283858.tif 000004
【００４２】
【表４】
2004283858.tif 000005
【００４３】
比較例の記号Ａ１５およびＢ１５は、液相析出処理を施さず、溶接ワイヤ表面に酸化皮膜を形成させていない無垢のワイヤＡでＳＳ４００軟鋼板をＴＩＧ突き合わせ溶接した場合および無垢のワイヤＢでＳＵＳ３０４ステンレス鋼板をＴＩＧ突き合わせ溶接した場合で、この時の溶け込み深さはそれぞれ２．６ｍｍおよび２．８ｍｍである。また、比較例記号Ａ１６〜Ａ２３およびＢ１６〜Ｂ２３は、液相析出法で酸化皮膜を形成した溶接ワイヤを使用した場合であるが、その皮膜厚さが薄いため、溶け込み深さの増大は認められず、裏まで貫通溶接はできていない。一方、本発明の記号Ａ１〜Ａ１４およびＢ１〜Ｂ１４では、溶接ワイヤ表面の酸化皮膜厚が０．０５μｍ以上で、溶け込み深さが急増し、板厚５．０ｍｍのＳＳ４００軟鋼板およびＳＵＳ３０４ステンレス鋼板の１パス貫通溶接が可能となっている。また、被溶接物および溶接ワイヤが軟鋼もしくはステンレス鋼に関係なく、酸化皮膜の金属種の違いによる溶け込み深さの差は認められず、本発明で規定した金属酸化皮膜を単独もしくは複合して形成することによって、顕著な溶け込み深さの向上が認められる。さらに、スパッタの発生や電極の損耗も見られず、溶接性も良好であり、かつ、溶接金属の靱性、延性などの機械的特性の劣化も認められない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の溶接ワイヤを用いることにより、被溶接物の鋼種に関係なく、溶接時に被溶接物表面に活性フラックスを塗布する工程を省略し、通常のＴＩＧ溶接条件でも従来に比べて溶け込み深さを安定して確実に向上することができ、かつ溶接施工時の作業効率を向上することでき、板厚５ｍｍの鋼板の１パス貫通溶接が可能となり、高能率なＴＩＧ溶接が可能となる。また、溶接金属部の機械的特性は酸化皮膜を形成しない場合と同等である。