(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮にフラックスを充填してなるＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、
フラックスは金属粉を９７質量％以上含み、
かつ、前記金属粉中には酸素量が０．２５％以下である鉄粉を、ワイヤ全質量に対する質量％で、４．０〜１５．５％含有し、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ワイヤ成分が、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｓｉ：０．５〜１．２％、
Ｍｎ：１．５〜３．５％、
Ｓ：０．００５〜０．０５％を含有し、
アルカリ金属酸化物、アルカリ金属弗化物および金属酸化物の１種または２種以上の合計：０．３５％以下で、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物のＮａ換算値とＫ換算値の合計が０．１０％以下、アルカリ金属弗化物のＦ換算値が０．１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｂ：０．００３〜０．０１０％の１種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤに係わるものであり、ショートアーク溶接およびスプレーアーク溶接で使用可能で、スラグ生成量およびスパッタ発生量が極めて少なく、ビード形状が良好であり、さらに溶接金属の低温靭性が良好なＡｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ（以下、Ａｒ−ＣＯ2溶接用メタル系フラックス入りワイヤという。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
建機・鉄骨等の分野では、すみ肉溶接や継手溶接の開先内を多層盛で連続溶接することが多く、ルチール系や塩基性系のようなスラグ生成量が多いフラックス入りワイヤは好まれず、スラグ生成量の少ないソリッドワイヤおよび高溶着高能率のメタル系フラックス入りワイヤが使用されている。メタル系フラックス入りワイヤは、連続多パス盛溶接におけるスラグ除去作業を簡便にして、また、低電流域でショートアーク溶接（短絡移行）ができるので、溶け落ちが生じやすい薄板や継手初層パスの裏波溶接にも好適である。
【０００３】
さらに、Ａｒ−ＣＯ2溶接用メタル系フラックス入りワイヤの特長は、ＣＯ2ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤに比較して、溶滴が小粒になり大粒のスパッタが発生しないこと、ビード形状がフラットで良好であること、また、ＭｎやＳｉなどの合金剤・脱酸剤の酸化によるスラグ化の度合いが小さいのでスラグ生成量が少なくできることにある。さらに、溶接金属の酸素量を低くでき、衝撃靱性を向上させるにも有効である。
【０００４】
従来のメタル系フラックス入りワイヤは主にＣＯ2ガスシールドアーク溶接で使用される場合の溶接作業性改善の技術が多い。例えば、特許文献１には、フラックスに鉄粉を５４〜８５％含む低電流域での溶接性を改善したメタル系フラックス入りワイヤが記載されている。しかし、カルボキシメチルセルローズを含有しているために、Ａｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接に適用した場合、スプレーアーク溶接でのアークが粗くスパッタ発生量が多くなる。また、特許文献２には、フラックスに金属粉を９０％以上含み、低電流域での溶接性を改善したメタル系フラックス入りワイヤが記載されている。しかし、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどの金属酸化物、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇなどの強脱酸成分が相当量含有されており、Ａｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接に適用した場合、アークが粗くスパッタ発生量が多く、スラグ生成量も多くなる。さらに、特許文献３には、フラックスに金属粉を９４％以上含み、ヒュームの発生量を少なくしたメタル系フラックス入りワイヤが記載されている。しかし、ＴｉまたはＴｉ酸化物を含有しているために、Ａｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接した場合、ビード表面をスラグが薄く覆いスラグ除去が困難となる。
【０００５】
これらに対し、特許文献４には、スラグ生成量が少なくビード形状を改善したＡｒ−ＣＯ2溶接用メタル系フラックス入りワイヤを提案しているが、金属粉の含有量が少ないので特にショートアーク溶接でスパッタ発生量が多く、低温靭性も得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２７４３９５号公報
【特許文献２】特開昭６３−２１５３９５号公報
【特許文献３】特開平６−２２６４９２号公報
【特許文献４】特開２０００−１９７９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ショートアーク溶接およびスプレーアーク溶接に使用して、スラグ生成量およびスパッタ発生量が極めて少なく、良好なビード形状が得られ、さらに溶接金属の低温靭性も良好なＡｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ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】
【０００８】
本発明の要旨は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、
鋼製外皮にフラックスを充填してなるＡｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、
フラックスは金属粉を９７質量％以上含み、
かつ、前記金属粉中には酸素量が０．２５％以下である鉄粉を、ワイヤ全質量に対する質量％で、４．０〜１５．５％含有し、
さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ワイヤ成分が、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｓｉ：０．５〜１．２％、
Ｍｎ：１．５〜３．５％、
Ｓ：０．００５〜０．０５％を含有し、
アルカリ金属酸化物、アルカリ金属弗化物および金属酸化物の１種または２種以上の合計：０．３５％以下で、
残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００９】
また、アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物のＮａ換算値とＫ換算値の合計が０．１０％以下、アルカリ金属弗化物のＦ換算値が０．１０％以下であることを特徴とする。
【００１０】
さらに、Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｂ：０．００３〜０．０１０％の１種以上を含有することを特徴とするＡｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＡｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤによれば、建機、鉄骨分野のすみ肉溶接や継手多層盛溶接に使用して、スラグやスパッタの除去作業が大幅に軽減でき、ビード形状が良好であり、さらに低温用鋼に使用した場合の溶接金属の低温靱性が良好なので、高品質の溶接部を高能率に得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、前記課題を解決するためにフラックス入りワイヤを種々試作して、Ａｒ−ＣＯ2混合ガスシールドアーク溶接でスプレーアーク溶接およびショートアーク溶接におけるアーク状態、スパッタ発生量、スラグ生成量、ビード形状、スラグ剥離性および溶接金属の機械的性質に及ぼす各成分組成の影響を調査した。
【００１３】
その結果、特にスラグ生成量を増加させるアルカリ金属酸化物、アルカリ金属弗化物および金属酸化物の含有量を低くしてより極低スラグとし、かつ、鉄粉の酸素量を低く規制することにより溶接金属の酸素量を低くし安定した低温靱性が得られることを見出した。また、Ｎａ、ＫおよびＦ量を限定することによってスプレーアーク溶接およびショートアーク溶接のアーク状態を両立して極めて良好にし、スパッタ発生量を著しく低減することができることを見出した。
【００１４】
さらに、ＮｉまたはＢの１種以上を含有することによって、さらに低温における溶接金属の靭性が得られることも見出した。
【００１５】
以下に本発明のフラックス入りワイヤの成分限定理由について説明する。
【００１６】
（フラックスの金属粉：９７質量％以上）
メタル系フラックス入りワイヤの高溶着性、極低スラグで連続多層盛溶接も可能といった特性を増大させるためにスラグになる成分を最少限に抑え、フラックスの金属粉を９７質量％（以下、％という。）以上とした。フラックスの金属粉が９７％未満であると相対的にスラグとなる成分量が増加し、スラグ生成量が増加し多層盛溶接でスラグ除去に時間を要し溶接能率が低下する。また、スラグ生成剤が多いと特にショートアーク溶接ではアークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。なお、フラックスの金属粉は主にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ等の合金原料および鉄粉からなる。
【００１７】
（Ｃ：０．０３〜０．１２％）
Ｃは、黒鉛の他、鋼製外皮、フェロマンガン、フェロシリコンマンガンおよび鉄粉に含有されるＣ成分等により添加され、溶接金属の強度を確保するために重要な成分である。また、アークの集中性やアーク力を強める効果を持つ。特にＡｒ−ＣＯ2溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいては、Ｃ量がアーク状態に及ぼす影響が大きく、安定したアーク状態を得るためにはＣ量の規定範囲内であることが重要である。Ｃが０．０３％未満では、溶接金属の強度および靭性が低下する。また、アークの集中性、アーク力が弱くなり、スプレーアーク溶接の低電流側では、大粒のスパッタが多発し母材に付着する。一方、０．１２％を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎて靭性が低下する。また、アーク力が強くなりすぎてスパッタ発生量が多くなる。
【００１８】
（Ｓｉ：０．５〜１．２％）
Ｓｉは、鋼製外皮、金属シリコン、フェロシリコンおよびフェロシリコンマンガン等により添加され、溶接金属の強度および靭性を確保するために重要な成分である。また、溶融金属の粘性を大きくしてビード形状を整える役割も果たす。Ｓｉが０．５％未満では、強度および靭性が低下し、また、溶融金属の粘性不足でビード形状が凸ビードになる。一方、１．２％を超えると溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。
【００１９】
（Ｍｎ：１．５〜３．５％）
Ｍｎは、鋼製外皮、金属マンガン、フェロマンガンおよびフェロシリコンマンガン等により添加され、溶接金属の強度および靭性を確保するために重要な成分である。Ｍｎが１．５％未満では、溶接金属の強度および靭性が低下する。一方、３．５％を超えると溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。
【００２０】
（Ｓ：０．００５〜０．０５％）
Ｓは鋼製外皮成分および硫化鉄等により添加され、スラグ凝集剤およびスラグ剥離剤として作用する。本発明のＡｒ−ＣＯ2溶接用メタル系フラックス入りワイヤは、スラグ生成量が極めて少ないので、スラグ除去を効率的に行うためにはスラグを塊状に凝集させて、かつ剥離しやすくする必要がある。Ｓが０．００５％未満では、スラグがビード表面に小さく散在するようになり除去が困難になる。また、０．０５％を超えると高温割れが生じやすくなる。
【００２１】
（鉄粉の酸素量が０．２５％以下の鉄粉：４．０〜１５．５％）
鉄粉は、メタル系フラックス入りワイヤの高溶着で極低スラグという特性を確保するために必須な成分である。鉄粉が４．０％未満では、高溶着性が低下してメタル系コアードワイヤの特性が十分に発揮できない。一方、１５．５％を超えるとワイヤ製造段階の伸線工程でワイヤ長手方向にフラックス充填率の変動が生じるようになり、アーク状態が不安定でスパッタ発生量が多くなる。
【００２２】
本発明のＡｒ−ＣＯ2混合ガス溶接用メタル系フラックス入りワイヤでは、溶接金属の酸素量を低減して低温衝撃靱性を確保するために、低酸素量の鉄粉を用いる。鉄粉の酸素量が０．２５％を超えると溶接金属の酸素量が増加して、溶接金属の衝撃靭性が低値となる。鉄粉の酸素量が０．２５％以下の水素還元鉄粉、アトマイズド鉄粉等を用いることによって、Ｔｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＺｒ等のようなスラグ生成量を増加させる強脱酸剤を添加することなく溶接金属の酸素量を０．０５％以下まで抑えることができ低温靭性が得られる。
【００２３】
（アルカリ金属酸化物、アルカリ金属弗化物および金属酸化物の１種または２種以上の合計：０．３５％以下）
チタン酸カリウム、珪酸カリウム、珪酸ナトリウム等によるアルカリ金属酸化物、弗化ソーダ、珪弗化カリ、氷晶石、弗化リチウム等によるアルカリ金属弗化物およびＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2等の金属酸化物の合計が０．３５％を超えると、スラグ生成量を増加させ多層盛溶接でスラグ除去に時間を要し溶接能率が低下する。また、特にショートアーク溶接ではアークが不安定になりスパッタ発生量が多くなる。さらに、溶接金属の酸素量を増加させるので靭性が低下する。
【００２４】
（アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物のＮａ換算値とＫ換算値の合計：０．１０％以下）
アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物はアーク安定剤としても作用するのでＮａ換算値とＫ換算値の合計で０．１０％以下添加することができる。Ｎａ換算値とＫ換算値の合計が０．１０％を超えると、剥離性の悪いスラグが付着する。
【００２５】
（アルカリ金属弗化物のＦ換算値：０．１０％以下）
アルカリ金属弗化物は、スプレーアーク溶接のアークの集中性を高めアーク状態を良好にし、アーク不安定に起因するアンダーカットが発生しにくくなるのでアルカリ金属弗化物のＦ換算値で０．１０％以下添加することができる。Ｆ換算値が０．１０％を超えると、アークが強くなりすぎてスパッタ発生量が多くなる。
【００２６】
（Ｎｉ：０．３〜１．５％、Ｂ：０．００３〜０．０１０％の１種以上）
ＮｉおよびＢは、溶接金属の低温における靱性をさらに向上させる。Ｎｉが０．３０％未満およびＢが０．００３％未満であると溶接金属の靭性向上は望めない。一方、Ｎｉが１．５％超またはＢが０．０１０％超になると高温割れが生じやすくなる。
【００２７】
なお、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2等の金属酸化物は、極力少なくすることによってアーク状態が安定し、スパッタ発生量が少なくなる。また、溶接金属の酸素量を増加させて低温靱性を低下させるので金属酸化物の合計は０．１５％以下に抑えることがよい。さらに、溶接金属の酸素量低減のためにＴｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＺｒ等の強脱酸剤の添加については、それぞれそれらの金属酸化物となりスラグ生成量を増加させるので避けることが好ましい。
【００２８】
また、フラックス充填率（ワイヤ全質量に対する充填されたフラックス質量の割合）は、低いとショートアーク溶接およびスプレーアーク溶接でスパッタ発生量が多くなり、ビード形状は凸状で母材とのなじみが悪くなる。一方、高いとスプレーアーク溶接の高電流側でアークが広がりすぎるため母材にアンダーカットが発生しやすくなる。また、アーク力が弱まるため溶け込み深さが浅くなり、すみ肉溶接で溶け込み不足が発生しやすくなる。したがって、フラックス充填率は８〜２０％であることが好ましい。
【００２９】
溶接時のシールドガスは、スラグ生成量および溶接金属の酸素量を低減するためにＡｒ−５〜２５％ＣＯ2の混合ガスとする。
【００３０】
本発明のＡｒ−ＣＯ2溶接用メタル系フラックス入りワイヤは、フラックス充填後の伸線加工性が良好な軟鋼または合金鋼の外皮内にフラックスを充填後、ダイス伸線やローラ圧延加工により所定のワイヤ径（１．０〜１．６ｍｍ）に縮径して製造されるものである。ワイヤの断面構造は、市販のフラックス入りワイヤと同じでよく、特に限定するものではない。
【００３１】
以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００３２】
まず、鋼製外皮にＪＩＳ  Ｇ３１４１  ＳＰＣＣ帯鋼を使用し、表１に示すワイヤ径１．２ｍｍの各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。なお、フラックス充填率は８．５〜１９％とした。
【００３３】
表１に示すフラックス入りワイヤを用いて、板厚１２ｍｍの鋼板（ＪＩＳ  Ｇ３１０６  ＳＭ４９０Ａ）をＴ字すみ肉試験体（長さ５００ｍｍ）とし、表２に示す溶接条件で水平すみ肉溶接を行い、スプレーアーク溶接（条件Ｎｏ．１）およびショートアーク溶接（条件Ｎｏ．２）でアーク状態を調べた。また、スプレーアーク溶接（条件Ｎｏ．１）でスパッタ発生量、ビード形状、スラグ生成量を調査した。スパッタ発生量の測定は発生したスパッタ全量を捕集して溶接時間1分間当たりの発生質量に換算し、０．５ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。スラグ生成量は、ビード長１ｍ当りの生成量に換算し、６ｇ／ｍ以下を良好とした。
【００３４】
【表１】
0005207994.tif 000002
【００３５】
【表２】
0005207994.tif 000003
【００３６】
次に、ＪＩＳ  Ｚ３３１３に準じて、板厚２０ｍｍの鋼板（ＪＩＳ  Ｇ３１２６  ＳＬＡ２３５Ａ）を用いて溶着金属試験を表２に示す溶接条件Ｎｏ．１で行い、引張試験片と衝撃試験片を採取して試験した。なお、引張強さは５２０〜６４０Ｎ／ｍｍ2、吸収エネルギーは試験温度−４０℃で３本の平均値が６０Ｊ以上を良好とした。それらの結果を表３にまとめて示す。
【００３７】
【表３】
0005207994.tif 000004
【００３８】
表１および表３中ワイヤＮｏ．１〜１０が本発明例、ワイヤＮｏ．１１〜１９は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．１〜１０は、フラックスの金属粉量、ワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、鉄粉および鉄粉の酸素量、アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物および金属酸化物の合計ともに適切であるので、スプレーアーク溶接およびショートアーク溶接ともにアーク状態、スパッタ発生量、ビード形状、スラグ生成量、スラグ剥離性のいずれも良好で、また、溶着金属試験における機械的性質も優れており極めて満足な結果であった。
【００３９】
比較例中ワイヤＮｏ．１１は、フラックス中の金属粉が少ないので相対的にアルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物および金属酸化物（スラグ生成剤）の合計量が増加したためスラグ発生量が多くスラグ除去に時間を要し、溶着量も少なかった。また、ショートアーク溶接ではアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。さらに、溶接金属の酸素量が多くなって吸収エネルギーが低値であった。
【００４０】
ワイヤＮｏ．１２は、Ｃが少ないのでアーク力が弱いためスプレーアーク溶接でアークが安定せず、大粒のスパッタが多発した。また、鉄粉が少ないので溶着量が少なかった。
【００４１】
ワイヤＮｏ．１３は、Ｃが多いので溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。また、アークが強くなりすぎてスパッタ発生量が多かった。さらに、Ｓが少ないのでビード上にスラグが小さく散在して除去するのが困難であった。
【００４２】
ワイヤＮｏ．１４は、Ｓｉが少ないので凸ビードとなった。また、引張強さが低く吸収エネルギーも低値であった。さらに、アルカリ金属弗化物のＦ換算値が多いのでアークが強くなりすぎてスパッタ発生量が多かった。
【００４３】
ワイヤＮｏ．１５は、Ｓｉが高いので溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。また、アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物のＮａ換算値とＫ換算値の合計が多いのでスラグ剥離性が不良であった。
【００４４】
ワイヤＮｏ．１６は、Ｍｎが少ないので引張強さが低く吸収エネルギーも低値であった。また、鉄粉が多いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。
【００４５】
ワイヤＮｏ．１７は、Ｍｎが多いので溶接金属の引張強さが高く吸収エネルギーが低値であった。また、Ｓが多いのでクレータ割れが生じた。
【００４６】
ワイヤＮｏ．１８は、鉄粉の酸素量が多いので溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【００４７】
ワイヤＮｏ．１９は、アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物および金属酸化物（スラグ生成剤）の合計量が多いのでスラグ量が多くスラグ除去に時間を要した。また、ショートアーク溶接ではアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。さらに、溶接金属の酸素量が多くなって吸収エネルギーも低値であった。
【実施例２】
【００４８】
鋼製外皮にＪＩＳ  Ｇ３１４１  ＳＰＣＣ帯鋼を使用し、表４に示すワイヤ径１．２ｍｍの各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。表４に示すフラックス入りワイヤを用いて、ＪＩＳ  Ｚ３３１３に準じて、板厚２０ｍｍの鋼板（ＪＩＳ  Ｇ３１２６  ＳＬＡ２３５Ｂ）を用いて溶着金属試験を表２に示す溶接条件Ｎｏ．１で行い、引張試験片と衝撃試験片を採取して試験した。なお、引張強さは５２０〜６４０Ｎ／ｍｍ2、吸収エネルギーは試験温度−６０℃で３本の平均値が６０Ｊ以上を良好とした。それらの結果も表４にまとめて示す。
【００４９】
【表４】
0005207994.tif 000005
【００５０】
表４中ワイヤＮｏ．２０〜２５が本発明例、ワイヤＮｏ．２６〜２９は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．２０〜２５は、ワイヤのＮｉまたはＢの１種以上を適量含有しているので溶着金属試験における機械的性質が非常に優れていた。また、フラックスの金属粉量、ワイヤのＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、鉄粉および鉄粉の酸素量、アルカリ金属酸化物およびアルカリ金属弗化物および金属酸化物の合計ともに適切であるので、別途すみ肉溶接試験をしたスプレーアーク溶接およびショートアーク溶接のアーク状態、スパッタ発生量、ビード形状、スラグ生成量、スラグ剥離性のいずれも良好な結果であった。
【００５１】
比較例中ワイヤＮｏ．２６はＮｉおよびＢともに少ないので、ワイヤＮｏ．２８はＢが少ないので、いずれも溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【００５２】
ワイヤＮｏ．２７はＮｉが多いので、ワイヤＮｏ．２９はＢが多いので、いずれもクレータ割れが生じた。