(57)【要約】【課題】溶接時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溶接を可能とする鋼板を提供する。【解決手段】鋼板表面の少なくとも一部を、形成させたい酸化物の金属イオンとフッ素イオンを含有する処理溶液と鋼板とを接触させて鋼板表面に酸化物皮膜を形成する液相析出法（ＬＰＤ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ＴＩＧ溶接の溶け込み特性に優れた鋼板。形成された皮膜は鋼板との密着性が高く、膜圧も均一であってＴＩＧ溶接施行時に剥離しない。【選択図】      図１
2004285395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板表面の少なくとも一部を、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ＴＩＧ溶接の溶け込み特性に優れた鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＩＧ溶接において、従来の鋼板に比べて溶接で深い溶け込みが得られ、より高能率なＴＩＧ溶接を可能とする鋼板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程度と比較的浅いため、厚鋼板を溶接する場合は、充分な継ぎ手強度を得るために予め接合部に開先加工を行い、多層盛溶接を行う必要がある。
【０００４】
また、各種配管に使用される薄肉パイプの造管にもＴＩＧ溶接が適用されるが、近年の製鋼技術の進歩により鋼中のＳ量が低減し、良好な溶け込みが得られない場合もある。
【０００５】
そこで、溶接部において溶け込み深さを増し、良好な溶け込み形状を得ること目的とした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。
【０００６】
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Ａｃｔｉｖｅ  ＴＩＧ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）。
【０００７】
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。
【０００８】
しかしながら、このＡ−ＴＩＧ法では、予め溶接前に少なくとも鋼材の接合線を含む範囲に対して刷毛もしくはスプレーにより活性フラックスを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。
【０００９】
一方、液相析出法（以下、ＬＰＤ法ともいうこともある。）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２及び３参照）。
【００１０】
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。
【００１１】
【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】
特開平１−９３４４３号公報
【特許文献３】
特開平４−１３２６３６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の実情に鑑みて、溶接時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溶接を可能とする鋼板を提供することを目的とする。
【００１３】
【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。
【００１４】
鋼板表面の少なくとも一部を、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ＴＩＧ溶接の溶け込み特性に優れた鋼板。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を具体的に説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
ＴＩＧ溶接時に鋼板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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
そこで、本発明者らは、ＴＩＧ溶接時に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ことができる、活性フラックスの金属酸化皮膜を被覆した鋼板について検討した。
【００２１】
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鋼板における金属酸化皮膜は、従来法の金属酸化物層に比べて、膜密度および鋼板との密着性が高く、かつ膜厚も均一となることを確認した。
【００２２】
本発明は、この知見をもとに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鋼板をＴＩＧ溶接用鋼板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。
【００２３】
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、鋼板を基材とする場合にも鋼板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。
【００２４】
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鋼板表面に形成されるが、必要に応じてこの鋼板を熱処理することも可能である。
【００２５】
液相析出法による鋼板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、基材である鋼板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鋼板表面に形成させる。
【００２６】
本発明者らは、本手法により鋼板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母材表面に塗布して鋼板表面に形成された酸化物層に比べて鋼板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。
【００２７】
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鋼板表面に塗布し、自然乾燥して得られた鋼板と、▲２▼本手法（アルミニウムとＳＵＳ３０４鋼板を短絡し、０．０２Ｍの（ＮＨ４）２ＴｉＦ６水溶液に浸漬により膜厚１００ｎｍと３００ｎｍのＴｉＯ２皮膜を鋼板表面に形成させた鋼板について、ニチバン製セロハンテープによる剥離試験を行なった。
【００２８】
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。
【００２９】
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鋼板は、鋼板表面に形成された金属酸化皮膜が、従来法の金属酸化物層に比べて、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。
【００３０】
鋼板表面に形成させる酸化皮膜は、アーク熱により鋼板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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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鋼板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。
【００３４】
また、酸化皮膜は、鋼板表面の全てに形成させなくとも、少なくとも溶接により溶接金属が形成させる溶接部の範囲を被覆することで十分な効果が得られる。また、本発明において、母材鋼板は特に限定する必要はなく、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼などが用いられる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例にて本発明を説明する。
【００３６】
表１に鋼板（母材）の板厚（ｍｍ）と化学組成（質量％）とを示す。表２に９．０ｍｍ厚材における酸化皮膜の性状と溶け込み深さとを示す。
【００３７】
表１に示す板厚９．０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板（幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）の表面に液相析出法（ＬＰＤ法）で表２に示した各種酸化皮膜を形成し、ＴＩＧ溶接法でメルトラン溶接を行った。
【００３８】
【表１】
2004285395.tif 000003
【００３９】
【表２】
2004285395.tif 000004
【００４０】
本発明の酸化皮膜は以下の二通りの方法で作製した。
【００４１】
記号１、５、８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。
【００４２】
記号２〜４、６、７、９〜１５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。
【００４３】
試験片溶接時の溶接条件は、電流２００Ａ、電圧１４Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎで、シールドガスに１００％アルゴンを用い、その流量を２０リットル／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２に併せて示す。
【００４４】
比較例の記号１６は、液相析出法を施さず、鋼板表面に酸化皮膜を形成させていない無垢のＳＵＳ３０４鋼板をＴＩＧメルトラン溶接した場合で、この時の溶け込み深さは２．８ｍｍである。また、比較例記号１７〜２１では、液相析出法で酸化皮膜を形成した鋼板であるが、その厚さが薄いため、溶け込み深さの増大は認められない。一方、本発明の記号１〜１５では、皮膜厚が０．０５μｍ以上であり、溶け込み深さが５ｍｍ以上に増大している。また、酸化皮膜の金属種による溶け込み深さの差は無く、本発明に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。
【００４５】
次に、表１に示す板厚５．０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板表面（幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）に液相析出法（ＬＰＤ法）で皮膜厚を変えた酸化チタン皮膜を形成させ、Ｉ開先にてＴＩＧメルトラン溶接した場合の溶け込み深さを図１に示す。皮膜形成は、９ｍｍ厚の場合記と同様に処理し、溶接条件も前記と同じく、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る。酸化チタン皮膜の厚さが増すにしたがい、溶け込み深さは増加する傾向にあるが、皮膜厚が０．０５μｍ以上では急激に溶け込み深さが増し、板厚５．０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板の１パス貫通溶接が可能となる。
【００４６】
次に、表１に示す板厚１．０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板（幅１００ｍｍ、長さ５００ｍｍ）に液相析出法（ＬＰＤ法）で皮膜厚０．１μｍの酸化チタン皮膜を形成させ、Ｉ開先にてＴＩＧメルトラン溶接した場合に、裏ビードが１ｍｍ以上形成する溶接電流と溶接速度の関係（●）を図２に示す。また、比較のために酸化皮膜を形成させない無垢の同一鋼板の場合に、裏ビードが１ｍｍ以上形成する溶接電流と溶接速度の関係（○）を図２に併せて示す。酸化皮膜を形成させない場合に比べて、０．１μｍの酸化チタン皮膜を形成させた鋼板では、同一溶接速度において裏ビードが１ｍｍ幅以上形成する溶接電流は、約１／３に減少している。また、同一溶接電流では、酸化チタン皮膜を形成させた方が溶接速度にして約２〜３倍高速化が可能であることがわかる。さらに、表ビードの幅については、酸化皮膜を形成させない場合は３〜４ｍｍであるのに対し、酸化チタン皮膜を形成させた場合は１〜１．５ｍｍ程度と小さくなっており、溶接金属の縮小化に有効である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の鋼板を用いることにより、予め溶接前に少なくとも鋼材の接合線を含む範囲に対して刷毛もしくはスプレーにより活性フラックスを塗布する必要がなく、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が可能となる。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、５ｍｍ未満の薄鋼板の溶接では溶接電流を大幅に低減した溶接が可能となり、ビード幅も小さくなる。
【００４８】
さらに、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】液相析出法による酸化皮膜の厚さと溶接時の溶け込み深さの関係グラフである。
【図２】本発明鋼板と比較鋼板におけるＴＩＧメルトラン溶接時の溶接速度と溶接電流の関係グラフである。
【図１】
2004285395.tif 000005
【図２】
2004285395.tif 000006