(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスにおいて、フラックスの全質量％に対する質量％で、
ＳｉＯ２：２５〜４５％、
ＣａＯ：５〜１５％、
ＭｇＯ：１０〜３０％、
Ａｌ２Ｏ３：５〜１５％、
金属弗化物の１種または２種以上の合計：１〜８％、
Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計：１〜５％、
金属炭酸塩のＣＯ２換算値：２〜１０％、
Ｍｎ：１〜１０％、
Ａｌ：０．１〜０．８％、
Ｆｅ：５〜１５％
を含有し、
Ｓｉ：０．１％以下
で、残部は不可避不純物であることを特徴とする下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
【請求項２】
フラックスの全質量％に対する質量％で、Ｂ２Ｏ３：０．１〜１％を更に含有することを特徴とする請求項１に記載の下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下向きサブマージアーク溶接用ボンドフラックスに係り、特に建築および橋梁等に多く使用されるビルドＨといわれる溶接Ｈ型鋼の柱や梁の下向きすみ肉溶接に使用した場合に優れた溶接作業性、ビード形状および機械的性能の溶接金属を得ることができる下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、建築や橋梁等の鋼構造物に用いられる鋼板は厚肉化の傾向にあり、能率良く溶接するため、大入熱のサブマージアーク溶接が用いられている。また地震等の破壊事例等を教訓として鋼構造物全般の安全性に対する関心が高まっており、大入熱で溶接しても安定した溶接金属の機械的性能を得ることが求められている。
【０００３】
下向きすみ肉サブマージアーク溶接によって形成される溶接継手は、溶込み深さおよび必要脚長の確保、並びにビード形状の平滑性および溶接金属と母材とのなじみ性が良好であることが要求されている。また、近年では構造物の大型化により耐震性等を考慮し、溶接金属の良好な機械的性能が要求される傾向にある。
【０００４】
従来、下向きすみ肉サブマージアーク溶接用フラックスは、ボンドフラックスよりも高速溶接が可能な溶融型フラックスが多く使用されている。しかし、鋼材の厚肉化により溶接入熱量が大きくなり、溶融型フラックスではフラックス自体の融点が低いためにビードの平滑性が不良になるとともに溶接金属の所定の機械的性能を得ることができない。
【０００５】
そこで、これらの点を考慮し溶接作業性および溶接金属の機械的性能が良好なボンドフラックスが検討されている。例えば、特開平１１−３４７７８８号公報（特許文献１）や特開２００８−１６１９０２号公報（特許文献２）に、下向きすみ肉サブマージ溶接の溶接作業性が優れ良好な溶接金属性能が得られるボンドフラックスが開示されている。しかしながら、特許文献１および特許文献２のボンドフラックスは、ＳｉＯ２含有量が少なくＡｌ２Ｏ３含有量が多いので、大入熱溶接においては、平滑なビード形状が得られない。また、鉄粉の含有量が少ないので溶着金属量が少なくなり、さらに大入熱の溶接が必要となって溶接金属の靭性が低下するという問題がある。
【０００６】
また、特開２０１０−１２５５０８号公報（特許文献３）には、大入熱の下向きすみ肉サブマージアーク溶接における溶接作業性が良好で優れた溶接金属が得られる技術の開示がある。しかし、引用文献３のボンドフラックスは、ＴｉＯ２を含有するとともにＡｌ２Ｏ３含有量が多いのでビードの揃いが不連続でスラグ剥離性が不良になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３４７７８８号公報
【特許文献２】特開２００８−１６１９０２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２５５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、大入熱のサブマージアーク溶接においても良好な溶接作業性、ビード形状および溶接金属の機械的性能を得ることができる下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックス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】
【０００９】
本発明の要旨は、下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスにおいて、フラックスの全質量％に対する質量％で、ＳｉＯ２：２５〜４５％、ＣａＯ：５〜１５％、ＭｇＯ：１０〜３０％、Ａｌ２Ｏ３：５〜１５％、金属弗化物の１種または２種以上の合計：１〜８％、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計：１〜５％、金属炭酸塩のＣＯ２換算値：２〜１０％、Ｍｎ：１〜１０％、Ａｌ：０．１〜０．８％、Ｆｅ：５〜１５％を含有し、Ｓｉ：０．１％以下で、残部は不可避不純物であることを特徴とする。
また、Ｂ２Ｏ３：０．１〜１％を更に含有することも特徴とする下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスによれば、特に溶接Ｈ型鋼などの開先加工有りおよび開先加工無しの大入熱の下向きすみ肉溶接において、アークの安定性、スラグ剥離性およびビード形状等の溶接作業性が良好で、溶接金属の機械的性能が優れるなど、高溶接能率で高品質の溶接部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のすみ肉溶接における継手形状を示す図であって、（ａ）は開先加工なしの場合、（ｂ）と（ｃ）は開先加工ありの場合である。
【図２】本発明の実施例に用いた溶接試験板の開先形状を示す断面図である。
【図３】シャルピー衝撃試験片の採取位置を示す溶接後の試験板の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のフラックスが使用される溶接方法はすみ肉サブマージアーク溶接であるが、前記のように開先加工有りの場合と開先加工無しの場合とがある。図１は本発明のすみ肉溶接における継手形状を示す図であって、（ａ）は開先加工なしの場合、（ｂ）と（ｃ）は開先加工ありの場合であり、１１は立板、１２は下板、１３、１４は溶接ビードである。（ａ）図の開先加工なしは一般的なすみ肉溶接であって、溶接後の不溶着部の長さｄが大きい。（ｂ）図は開先加工によって溶接後の不溶着部の長さｄを小さくしたもので、これに応じて疲れ強さを大きくできるなど優れた継手性能が得られる。（ｃ）図はさらに開先を深くして溶接後の不溶着部の長さをゼロにしたものであって、Ｋ開先の突合せ溶接と同等になる。本発明において、すみ肉サブマージアーク溶接とは上記図１（ａ）から図１（ｃ）に至る範囲の継手形状をすべて包含するものである。
【００１３】
本発明者らは、大入熱の溶接条件で耐火度の高いスラグが得られるボンドフラックスの成分組成について種々検討を行い、溶接作業性および溶接金属の機械的性能に及ぼす影響について調査した。
その結果、アークの安定性は、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２ＯおよびＣＯ２を適量とすることにより得られる。また、ビード形状は、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、金属弗化物、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｍｎ、ＡｌおよびＦｅの調整により良好な形状が得られる。スラグ剥離性は、ＳｉＯ２、ＣａＯ、金属弗化物およびＡｌを調整することによって平滑でなじみの良好なビード形状が得られることを見出した。さらに、溶接金属の機械的性能は、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、金属弗化物、ＣＯ２、Ｍｎ、ＡｌおよびＳｉを適量とすることによって優れた性能が得られることを見出した。
【００１４】
本発明の下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、各成分組成それぞれ単独および共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下に本発明の下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスの成分組成の限定理由について説明する。なお、各成分の含有量は、下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックス全質量に対する質量％で表わすこととし、その質量％を表すときは単に％と記載して表すこととする。
【００１５】
［ＳｉＯ２：２５〜４５％］
珪砂、珪灰石、水ガラス（珪酸ソーダ、珪酸カリウム）などを原料とするＳｉＯ２は、溶融スラグの粘性を高くし、溶接作業性、ビード形状および溶接金属の機械的性能に影響を与える。ＳｉＯ２が２５％未満であると、溶融スラグの粘性が不足してビード形状が不良となりビードの蛇行やアンダーカットが発生する。一方、ＳｉＯ２が４５％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなりすぎてビード止端部がオーバーラップとなりスラグ剥離性も劣化する。さらに、溶接金属の酸素量が高くなり靭性が劣化する。したがって、ＳｉＯ２は２５〜４５％とする。
【００１６】
［ＣａＯ：５〜１５％］
珪灰石、炭酸カルシウムなどを原料とするＣａＯは、溶融スラグの融点および流動性を調整するために重要な成分である。ＣａＯが５％未満では、溶融スラグの融点が低く流動性が大きくなりビード止端部のなじみが悪くアンダーカットが生じる。一方、ＣａＯが１５％を超えると、溶融スラグの融点が高く流動性が小さくなりビード高さが不均一でスラグ剥離性が劣化する。したがって、ＣａＯは５〜１５％とする。
【００１７】
［ＭｇＯ：１０〜３０％］
マグネシアクリンカー、炭酸マグネシウムなどを原料とするＭｇＯは、溶接金属の酸素量を低減するのに有効な成分で、溶融スラグの融点および粘性を高くする性質も有している。ＭｇＯが１０％未満であると、溶接金属の酸素量が高くなり靭性が低下する。また、溶融スラグの粘性が不足してビードの蛇行やアンダーカットが発生する。一方、ＭｇＯが３０％を超えるとフラックスの融点が高くなり十分なビード幅が得られず、また溶融スラグの粘性も高くなるのでビード止端部がオーバーラップとなる。したがって、ＭｇＯは１０〜３０％とする。
【００１８】
［Ａｌ２Ｏ３：５〜１５％］
アルミナを主原料とするＡｌ２Ｏ３は、溶融スラグの粘性を調整するのに有効な成分である。Ａｌ２Ｏ３が５％未満であると、溶融スラグの粘性が不足するのでアンダーカットが発生しやすくなる。一方、Ａｌ２Ｏ３が１５％を超えると、溶融スラグの粘性が過剰となりビードが凸状となる。したがって、Ａｌ２Ｏ３は５〜１５％とする。
【００１９】
［金属弗化物の１種または２種以上の合計：１〜８％］
蛍石、弗化アルミニウム、弗化バリウム、弗化マグネシウムなどを原料とする金属弗化物は、溶融スラグの融点および粘性を低くする性質を有しており、大入熱の溶接条件でビードを平滑に保つのに有効な成分である。また、溶接金属の酸素を低減して靭性を向上させる。金属弗化物の１種または２種以上の合計が１％未満では、ビード形状が平滑にならず、また溶接金属の靭性が劣化する。一方、金属弗化物の１種または２種以上の合計が８％を超えると、溶融スラグの流動性が過剰となりアンダーカットが発生しやすく、スラグ剥離性も劣化する。したがって、金属弗化物の１種または２種以上の合計は１〜８％とする。
【００２０】
［Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計：１〜５％］
水ガラス（珪酸ソーダ、珪酸カリウム）を主原料とするＮａ２ＯおよびＫ２Ｏは、アークの安定性を良好にしてビードの波目を細かくしてビード外観を良好にするのに有効な成分である。Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計が１％未満では、アークが不安定でビードが蛇行しやすくなる、一方、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計が５％を超えると、アンダーカットが生じる。したがって、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計は１〜５％とする。
【００２１】
［金属炭酸塩のＣＯ2換算値：２〜１０％］
炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）や炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）などの金属炭酸塩からのＣＯ2換算値は、溶融金属を大気から遮断するとともにアークを安定にする効果がある。金属炭酸塩のＣＯ2換算値が２％未満であると、アークが不安定になるとともにシールドが不足して溶接金属のＮ量が多くなって溶接金属の靭性が劣化する。一方、金属炭酸塩のＣＯ2換算値が１０％を超えると、ガス量が過剰となりポックマークが発生する。したがって、金属炭酸塩のＣＯ2換算値は２〜１０％とする。
【００２２】
［Ｍｎ：１〜１０％］
金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎを原料とするＭｎは、溶接金属の焼入れ性を向上させて強度および靭性を高めるのに有効な成分である。また、ビード表面を平滑にする作用がある。Ｍｎが１％未満であると、溶接金属の焼入れ性が不足して靭性が低下する。また、平滑なビード形状が得られない。一方、Ｍｎが１０％を超えると、溶接金属の焼入れ性が過剰となり強度が高くなり過ぎ靭性が低下する。したがって、Ｍｎは１〜１０％とする。
【００２３】
［Ａｌ：０．１〜０．８％］
金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌを原料とするＡｌは、脱酸剤として作用するとともに溶融金属の粘性を調整してビード形状を平滑にする。Ａｌが０．１％未満であると、溶接金属の靭性が低下する。また、溶融金属の粘性が低くなりビードの波目が粗くなってスラグ剥離性が不良となる。一方、Ａｌが０．８％を超えると、溶融金属の粘性が高くなってビードが凸状となる。したがって、Ａｌは０．１〜０．８％とする。
【００２４】
［Ｆｅ：５〜１５％］
鉄粉、鉄合金（Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ａｌ）のＦｅ分を原料とするＦｅは、溶接中にＦｅが溶融池に移行して溶着量を増加する。Ｆｅが５％未満であると、溶着量が不足し溶接能率が低下する。一方、Ｆｅが１５％を超えると、ビードが凸状となる。したがって、Ｆｅは５〜１５％とする。
【００２５】
［Ｓｉ：０．１％以下］
Ｓｉは、脱酸成分として有効な成分であるが、大入熱の下向きすみ肉溶接においては母材の希釈量が多く、母材から希釈されたＳｉで十分である。フラックスのＳｉが０．１％を超えると、溶接金属の硬さが過剰となり靭性が劣化する。したがて、Ｓｉは０．１％以下とする。
【００２６】
［Ｂ２Ｏ３：０．１〜１％］
硼砂、酸化ボロンを主原料とするＢ２Ｏ３は、溶接熱で還元されＢとして溶接金属に歩留まって溶接金属の靭性を向上する。Ｂ２Ｏ３が０．１％未満であると、靭性向上の効果は得られない。一方、Ｂ２Ｏ３が１％を超えると、溶接金属に高温割れが生じるようになる。したがって、Ｂ２Ｏ３は０．１〜１％とする。
【００２７】
なお、本発明の下向きすみ肉サブマージアーク溶接用ボンドフラックスのその他は、ＦｅＯ、ＴｉＯ２、ＭｎＯ、Ｐ、Ｓ等の不可避不純物であり、ＰおよびＳは共に溶接金属の高温割れを助長するので、できるだけ少ないことが好ましい。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例により本発明の効果を詳細に説明する。
表１に示す化学成分の板厚３２ｍｍの鋼板を、図２に示すようにウェブ鋼板１を４５°、ルートフェイスｒが１６ｍｍの両面対称開先とし、フランジ鋼板２の表面中央部に対して垂直となるように、ウェブ鋼板１の端面を当接させて組み立てた開先とした。試験板長さは１０００ｍｍとし、溶接に際しては下向き溶接になるようにフランジ鋼板２を水平に対して６０°傾斜させた。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表２に示すワイヤと表３に示す種々の成分組成のボンドフラックスを組み合わせて、表４に示す溶接条件で２電極による１パス盛りの下向きすみ肉サブマージアーク溶接を実施した。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
【表３】
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【００３３】
【表４】
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【００３４】
評価項目は、アークの安定性、スラグ剥離性、ビード形状、溶接欠陥の有無および溶接金属の靭性を調査した。
スラグ剥離性の評価は、ハンマーまたはタガネを用いてスラグを軽打して簡単にスラグが剥離すれば良好とし、軽打でスラグが剥離しなければ不良とした。
【００３５】
溶接金属の靭性は、図３に示す最初に溶接した溶接金属３、後から溶接した溶接金属４
のうち後から溶接した溶接金属のビード表面下７ｍｍを中心としてシャルピー衝撃試験片５（ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２  Ｖノッチ試験片）を採取し、試験温度０℃におけるシャルピー衝撃試験を繰り返し３本行い、吸収エネルギーの平均値が５０Ｊ以上であれば良好とした。それらの結果を表５にまとめて示す。
【００３６】
【表５】
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【００３７】
表３中および表５中フラックス記号Ｆ１〜Ｆ１０が本発明例、フラックス記号Ｆ１１〜Ｆ２４は比較例である。本発明例であるフラックス記号Ｆ１〜Ｆ１０は、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、金属弗化物の１種または２種以上の合計、Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏの１種または２種の合計、金属炭酸塩のＣＯ２換算値、Ｍｎ、Ａｌ、ＦｅおよびＳｉの量が適量であるので、アークが安定で、スラグ剥離性が良く、ビード形状は平滑で滑らかであり、アンダーカットやオーバーラップ等の溶接欠陥もなく、溶接金属の吸収エネルギーも良好な値が得られた。なお、フラックス記号Ｆ４、Ｆ５およびＦ７〜Ｆ９は、Ｂ２Ｏ３を適量含有するので吸収エネルギーが５０Ｊ以上得られ極めて満足な結果であった。
【００３８】
比較例中フラックス記号Ｆ１１は、ＳｉＯ２が少ないので、ビードが蛇行しアンダーカットも生じた。また、Ａｌが少ないので、スラグ剥離性が不良で、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【００３９】
フラックス記号Ｆ１２は、ＳｉＯ２が多いので、スラグ剥離性が不良でオーバーラップとなった。また、溶接金属の吸収エネルギーも低値であった。なお、Ｂ２Ｏ３を添加したが量が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの向上効果は得られなかった。
【００４０】
フラックス記号Ｆ１３は、ＣａＯが少ないので、ビード止端部のなじみが悪くアンダーカットが生じた。また、Ｍｎが少ないので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
フラックス記号Ｆ１４は、ＣａＯが多いので、スラグ剥離性が不良でビード高さが不均一であった。また、ＣＯ２換算値が多いので、ポックマークが生じた。
【００４１】
フラックス記号Ｆ１５は、ＭｇＯが少ないので、ビードが蛇行してアンダーカットも生じた。また、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。さらに、Ｆｅが少ないので、溶着量が少なかった。
フラックス記号Ｆ１６は、ＭｇＯが多いので、ビード幅が狭くオーバーラップとなった。また、Ｂ２Ｏ３が多いので、クレータ割れが生じた。
【００４２】
フラックス記号Ｆ１７は、Ａｌ２Ｏ３が少ないので、アンダーカットが生じた。また、Ｎａ２ＯとＫ２Ｏの合計が少ないので、アークが不安定でビードが蛇行した。
フラックス記号Ｆ１８は、Ａｌ２Ｏ３が多いので、ビードが凸状となった。また、Ｓｉが多いので、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【００４３】
フラックス記号Ｆ１９は、金属弗化物の合計が少ないので、ビード形状が平滑にならなかった。また、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。なお、Ｂ２Ｏ３を添加したが量が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの向上効果は得られなかった。
フラックス記号Ｆ２０は、金属弗化物の合計が多いので、スラグ剥離性が不良でアンダーカットも生じた。
【００４４】
フラックス記号Ｆ２１は、Ｎａ２ＯとＫ２Ｏの合計が多いので、アンダーカットが生じた。また、Ｂ２Ｏ３が多いので、クレータ割れが生じた。
フラックス記号Ｆ２２は、ＣＯ２換算値が少ないので、アークが不安定であった。また、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。さらに、Ａｌが多いので、ビードが凸状となった。
【００４５】
フラックス記号Ｆ２３は、Ｍｎが多いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。なお、Ｂ２Ｏ３を添加したが量が少ないので、溶接金属の吸収エネルギーの向上効果は得られなかった。
フラックス記号Ｆ２４は、Ｆｅが多いので、ビードが凸状となった。
【符号の説明】
【００４６】
１    ウェブ鋼板
２    フランジ鋼板
３    最初に溶接した溶接金属
４    後から溶接した溶接金属
５    シャルピー衝撃試験片
１１    立板
１２    下板
１３、１４    溶接ビード
ｄ    不溶着部の長さ
ｒ    ルートフェイスの長さ
【図１】
0006434386.tif 000007
【図２】
0006434386.tif 000008
【図３】
0006434386.tif 000009