(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素鋼製外皮内にフラックスを充填してなり、軟鋼・４９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼の溶接に用いられるセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対する重量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０重量％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０重量％、Ｍｎ：０．１〜３．０重量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０重量％、Ｎｉ：０．１〜３．０重量％、Ａｌ：１．５〜４．０重量％、Ｍｇ：０．５〜２．０重量％、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの１種以上：３．０〜７．０重量％、Ｌｉ：０．０５〜０．３０重量％、Ｆ：０．５〜３．０重量％をそれぞれ含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、下記式(1) で定義される指標ＦＰが０以上であることを特徴とするセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
ＦＰ＝[C] −0.145 ×[Si]＋0.013 ×[Mn]−0.3 ×[Al]
＋0.196 ×[Ni]＋0.35×[Cu]＋0.393 ……(1)
【請求項２】
Ｃ：０．０１〜０．１０重量％、Ｍｎ：１．０〜２．５重量％、Ｃｕ：０．１〜１．０重量％、Ｎｉ：１．０〜２．０重量％である請求項１記載のセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
さらに、Ｍｏ：０．００１〜０．２５重量％を含有するものである請求項１又は２記載のセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟鋼・４９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼の溶接に用いられるセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、溶接作業性及び耐気孔性に優れ、かつ、靱性の高い溶接金属を得ることができるようにしたセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ（以下、セルフシールドワイヤという）は、鋼製外皮内にフラックスを充填してなるもので、外部からのシールドガスを必要とせず簡便であることから、土木・建築分野での屋外溶接を中心に用いられてきた。
【０００３】
ところが、セルフシールドワイヤは、そのフラックス中に、スラグを形成して溶接金属を被包するとともにアーク熱で一部気化してアーク雰囲気及び溶融池を大気から遮蔽するためのシールド剤を多く含むことから、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに比べ、溶接作業性（スパッタ、アーク安定性）が劣る。また、シールド剤としてＡｌ、Ｍｇ等を多く含むことから、溶接金属の結晶粒が粗大化し、溶接金属の靱性が低い。
【０００４】
そのため、セルフシールドワイヤの適用拡大を図るべく、これまでもアークの安定性向上やスパッタ発生量の低減という溶接作業性の改良や、高靱性化への取り組みがなされてきた。例えば、特開平３−１１８９９３号公報、特開平４−１３４９７号公報では、フラックス中に含有させる金属フッ化物，Ａｌ，Ｍｇ，Ｃなどの成分値を調整することにより、溶接作業性を改良するようにしたセルフシールドワイヤが提案されている。また、例えば特公昭６２−２５４７９号公報、特開平５−３９３号公報では、フラックス中にＬｉ酸化物，鉄系酸化物などを含有させることにより、溶接金属の靱性の向上を図ったセルフシールドワイヤが提案されている。しかしながら、これらのセルフシールドワイヤも、溶接作業性、耐気孔性および靱性をともに満足させるという点で改善の余地があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情のもとでなされたものであって、溶接作業性及び耐気孔性に優れ、かつ、靱性の高い溶接金属を得ることができるセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することをその課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）  本発明者らは前記課題を解決すべく研究を重ねた結果、耐気孔性（溶接金属にブローホール、ピットなどの気孔欠陥の発生し難さの度合い）を良好にするための因子として、（イ）溶接金属中の窒素固定、（ロ）アーク雰囲気中の窒素分圧の低減、（ハ）溶融金属中への窒素溶解反応の抑制が大切であることがわかった。さらに、各々の因子に最も有効に寄与する成分元素については、（イ）の溶接金属中の窒素固定にはＡｌ、（ロ）の窒素分圧の低減にはＭｇ、（ハ）の窒素溶解反応の抑制にはＬｉが効果のあることがわかった。
【０００７】
（２）  次に、溶接作業性の改善に寄与する成分元素について検討の結果、Ａｌについては添加量が多いほどアーク安定性の向上、スパッタ発生量の低減に有効であること、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの添加がアーク安定性の向上に有効であること、Ｆの添加がスパッタ発生量の低減に有効であることがわかった。
【０００８】
（３）  また、溶接金属の高靱性化については、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃ，Ｍｏなどの添加が有効であることを見出した。これについて以下詳しく説明する。前述のようにＡｌの添加は、耐気孔性及び溶接作業性の向上に効果がある。しかし、Ａｌはその添加量が多いほど溶接金属中に必要以上に歩留り、溶接金属の組織を粗大化させ靱性を大きく低下させる。この原因を検討したところ、Ａｌが溶接金属中に固溶することにより、フェライトが安定となり、凝固時に生成する粗大なδフェライトが冷却後も残存するために、靱性が低下することがわかった。
【０００９】
鋼の溶接金属は通常、凝固時に粗大なδフェライトが生成するが、その後の冷却過程において一旦完全にオーステナイトに変態し、さらにオーステナイトから微細なフェライトへと変態するため、溶接金属の組織は最終的には微細となり、靱性も良好となる。この点から、Ａｌが溶接金属中に固溶した場合においても、靱性を悪化させないためには、δフェライトを残存させなければよいこと、逆にいえば、完全にオーステナイトに変態させればよいことを見出した。
【００１０】
またさらに、Ａｌの添加により、結晶の再熱微細化領域が小さくなることがわかった。通常、溶接金属上に次層の溶接を行うと、前層の溶接金属は熱影響を受けて結晶粒が微細化する。Ａｌを含有しないワイヤによる溶接では、この再熱微細化領域が大きく、溶接金属の靱性確保に有効となっている。ところが、Ａｌが多量に固溶すると、再熱微細化領域が小さく、溶接金属の靱性が低いことがわかった。さらに、この現象は、Ａｌの固溶によりＡC3点（オーステナイトが単相化する最低温度）が高温側に移動することに起因していることがわかった。
【００１１】
このような結果から、Ａｌの存在下において靱性向上を図るべく、δフェライトの残存を抑制し、またＡC3点を下げるには、溶接金属のマトリックス組成のバランスが重要であることを見出した。
【００１２】
すなわち、具体的には、δフェライトを残存させないための手段について検討した結果、前述のように冷却過程で完全にオーステナイトに変態させればよいが、これは溶接金属中のマトリックス組織によって決定され、フェライトを安定させるＡｌが多量に存在する場合は、オーステナイトを安定化するＮｉ，Ｍｎ，Ｃなどの元素を適量添加することが効果的であることがわかった。また、ＡC3点を下げるための検討した結果、ＣｕとＮｉの複合添加が効果的であることがわかった。このＣｕとＮｉはＡC3点を下げるだけでなく、オーステナイトの安定化にも寄与してδフェライトの残存を抑制することで溶接金属の靱性向上をもたらす効果もある。
【００１３】
（４）  さらに、完全にオーステナイトに変態させるための溶接金属組成について、熱力学的解析及び実験により研究した結果、下記式(1) で決められる指標ＦＰの値が０以上の場合に完全にオーステナイトに変態することを見出した。すなわち、ＦＰ≧０とする溶接金属組成にすることにより、溶接金属の靱性をより良好にできることがわかった。ここで、式(1) において、[C] ：Ｃ含有量（重量％）、[Si]：Ｓｉ含有量（重量％）、[Mn]：Ｍｎ含有量（重量％）、[Al]：Ａｌ含有量（重量％）、[Ni]：Ｎｉ含有量（重量％）、[Cu]：Ｃｕ含有量（重量％）である。いずれも、ワイヤ全重量（鋼製外皮とフラックスの合計重量）に対する重量％である。
【００１４】
【数１】
0004593699.tif 000002
【００１５】
（５）  また、δフェライトの残存の有無の他に、オーステナイトからの変態組織も影響を与えていることも突き止め、Ｍｏを微量添加することにより、オーステナイトからの変態組織が微細化し、溶接金属の靱性をより良好にできることも見出した。
【００１６】
以上の知見に基づき本発明を完成したものである。すなわち、請求項１の発明は、炭素鋼製外皮内にフラックスを充填してなり、軟鋼・４９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼の溶接に用いられるセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全重量に対する重量％で、Ｃ：０．０１〜０．３０重量％、Ｓｉ：０．０１〜０．２０重量％、Ｍｎ：０．１〜３．０重量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０重量％、Ｎｉ：０．１〜３．０重量％、Ａｌ：１．５〜４．０重量％、Ｍｇ：０．５〜２．０重量％、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの１種以上：３．０〜７．０重量％、Ｌｉ：０．０５〜０．３０重量％、Ｆ：０．５〜３．０重量％をそれぞれ含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ、前記式(1) で定義される指標ＦＰが０以上であることを特徴とするセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤである。
【００１７】
請求項２の発明は、前記請求項１記載のセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、Ｃ：０．０１〜０．１０重量％、Ｍｎ：１．０〜２．５重量％、Ｃｕ：０．１〜１．０重量％、Ｎｉ：１．０〜２．０重量％であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項３の発明は、前記請求項１又は２記載のセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、さらに、Ｍｏ：０．００１〜０．２５重量％を含有することを特徴とするものである。
【００１９】
以下、ワイヤ化学成分等の限定理由を説明する。
【００２０】
Ｃはオーステナイト安定化元素の１つで、δフェライトの残存を抑制する効果がある他、溶接金属の強度に影響を与える元素でもある。Ｃの含有量が０．０１重量％未満ではδフェライトの残存を抑制し溶接金属の靱性を高める効果がなく、また、０．３０重量％を超えると溶接金属の強度上昇により靱性が低下する。したがって、Ｃ量は０．０１〜０．３０重量％の範囲とするのがよく、確実な高靱性化の点から、０．０１〜０．１０重量％の範囲がより好ましい。
【００２１】
Ｓｉは溶接金属の粘性を良好にし、母材と溶接金属とのなじみを良くし溶接ビード形状を良好にする効果がある。また、固溶強化元素である一方、フェライト安定化元素でもある。Ｓｉの含有量が０．０１重量％未満では溶接ビード形状を良くする効果が発揮されない。一方、０．２０重量％を超えると溶接金属の強度が過大となって靱性が低下する。したがって、Ｓｉ量は０．０１〜０．２０重量％とする。
【００２２】
ＭｎはＣと同じくオーステナイト安定化元素の１つで、δフェライトの残存を抑制する効果があり、又、オーステナイトからの変態組織を微細にして溶接金属の靱性を高める効果もある。Ｍｎの含有量が０．１重量％未満ではこれらの効果が発揮されず、一方、３．０重量％を超えると強度が高くなりすぎて逆に靱性を悪化させる。したがって、Ｍｎ量は０．１〜３．０重量％の範囲とするのがよく、確実な高靱性化の点から、１．０〜２．５重量％の範囲がより好ましい。
【００２３】
ＣｕはＡC3点を下げて溶接金属の再熱微細化領域が狭まることを防ぐとともに、オーステナイト安定化元素の１つで、δフェライトの残存を抑制し靱性を高める効果がある。Ｃｕの含有量が０．０５重量％未満ではこのような効果が発揮されず、一方、２．０重量％を超えると溶接金属の強度が過大となって逆に靱性が低下する。したがって、Ｃｕ量は０．０５〜２．０重量％の範囲とするのがよく、確実な高靱性化の点から、０．１〜１．０重量％の範囲がより好ましい。
【００２４】
ＮｉはＡC3点を下げて溶接金属の再熱微細化領域が狭まることを防ぐとともに、オーステナイト安定化元素の１つで、Ｃｕに比べより効果的にδフェライトの残存を抑制し靱性を高める効果がある。Ｎｉの含有量が０．１重量％未満ではこのような効果が発揮されず、一方、３．０重量％を超えると溶接金属の強度が過大となって逆に靱性が低下する。したがって、Ｎｉ量は０．１〜３．０重量％の範囲とするのがよく、確実な高靱性化の点から、１．０〜２．０重量％の範囲がより好ましい。
【００２５】
Ａｌはアークの安定性を高めスパッタ発生量を減らし、よって溶接作業性を向上させる効果があり、また、溶接金属中の窒素を固定してブローホール、ピットなどの発生を抑制する効果もある。かかる点からセルフシールドワイヤでは最も重要な元素である。Ａｌの含有量が１．５重量％未満ではこれらの効果が得られず、一方、４．０重量％を超えると溶接金属中に粗大なδフェライトが析出し、靱性が低下する。したがって、Ａｌ量は１．５〜４．０重量％とする。
【００２６】
Ｍｇは高蒸気圧金属で、高温のアーク中で容易に気化し金属蒸気となる。その結果、アーク内の窒素分圧を下げ、溶接金属中に溶解する窒素量を減らすことによりブローホールなどの発生を抑制する優れたシールド効果がある。Ｍｇの含有量が０．５重量％未満ではこうした効果が得られず、一方、２．０重量％を超えるとＭｇが爆発的に気化するため、アークが乱れて溶接作業性が悪化する。したがって、Ｍｇ量は０．５〜２．０重量％とする。
【００２７】
Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａは、いずれも、アークの安定性を高めスパッタ発生量を減らし、よって溶接作業性を向上させる効果があり、また、スラグの形成にも寄与してビード形状を整えて安定化させる効果もある。Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの量の合計が３．０重量％未満ではこれらの効果が得られず、一方、７．０重量％を超えるとスラグ生成量が過剰になってアークが不安定となり、さらにスラグの粘度上昇によってスラグ流動性が悪くなるためビードを安定して覆うことができず、ビード形状が不安定になる。したがって、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの１種又は２種以上の量の合計は、３．０〜７．０重量％とする。これらの元素は、通常、フッ化物，炭酸塩，酸化物の形態でフラックス中に添加されるが、このいずれの形態で用いても効果は同じであり、特には、ＣａＦ2 ，ＳｒＦ2 ，ＢａＦのような金属フッ化物の形態で添加するのが好ましい。
【００２８】
Ｌｉはスラグを低融点化し、スラグの粘性も下げ、また、溶接金属との界面エネルギーも小さくするため溶接金属表面や溶滴表面を均一に覆い、その結果、溶融金属中への窒素溶解反応を抑制して耐気孔性を良好にするという効果がある。Ｌｉの含有量が０．０５重量％未満ではこうした効果が発揮されず、０．３０重量％を超えるとアークが乱れ、溶接作業性が悪化する。したがって、Ｌｉ量は０．０５〜０．３０重量％の範囲とする。なお、Ｌｉ源としては、合金あるいは複合酸化物の形態があるが、最も好ましいのはＬｉフェライト（ＬｉＦｅＯ2 ）などのような複合酸化物である。
【００２９】
Ｆはアークの安定性を高めスパッタ発生量を減らし、よって溶接作業性を向上させる効果がある。Ｆの含有量が０．５重量％未満ではこの溶接作業性向上効果が得られず、一方、３．０重量％を超えるとアークが乱れて逆に溶接作業性が悪化する。したがって、Ｆ量は０．５〜３．０重量％の範囲とする。なお、Ｆ源としては各種フッ化物が考えられるが、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａとのフッ化物が最も好ましい。
【００３０】
Ｍｏはオーステナイトからの変態組織を微細にして靱性を高める効果がある。Ｍｏの含有量が０．００１重量％未満ではこの靱性向上効果が発揮されず、一方、０．２５重量％を超えると溶接金属の強度上昇により逆に靱性が悪化する。したがって、Ｍｏ量は０．００１〜０．２５重量％の範囲とする。
【００３１】
指標ＦＰは、前記の(1) 式より求められ値であり、溶接金属が冷却中に完全にオーステナイトに変態するか否かの指標である。この指標ＦＰの値が０以上の場合に完全にオーステナイトに変態し、溶接金属の靱性をより高くすることができる。ＦＰの値が０未満の場合は、オーステナイトへの完全な変態が起こり難くδフェライトが少し残存するため、靱性は低下する傾向がある。このような点から、ＦＰが０以上となるようにしておくことがよい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
【実施例】
表２及び表３に示す諸元の各セルフシールドワイヤを常法により作製した。一般にセルフシールドワイヤのワイヤ断面形状には図１に示す４つのタイプのものがあるが、本実施例及び比較例のワイヤの断面形状は図１（ｃ）に示すラップ型構造のものとした。図１中、符号Ｍは鋼製外皮、符号ＦＬＸはフラックスをそれぞれ示す。鋼製外皮は通常の炭素鋼（ＪＩＳ  Ｇ３１４１  ＳＰＣＣ）を使用し、その鋼製外皮成分（重量％）はＣ：０．０４％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．１９％、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．００８％である。また、本実施例及び比較例のワイヤいずれも、ワイヤ径はφ１．４ｍｍ、フラックス充填率は２０重量％である。
【００３４】
これらのワイヤによるセルフシールドアーク溶接を行い、溶接作業性、耐気孔性及び溶接金属の靱性について調べた。表１に示す試験板及び溶接条件で溶接を行った。そして、溶接作業性については、溶接中のアークの安定性及びスパッタ発生状況を目視観察し、良好（○），不良（×）の評価を行った。耐気孔性は、溶接された継手試験片についてＪＩＳ  Ｚ  ３１０４に従ってＸ線透過試験を行い、分類が１種１類のものを良好（○）とし、それ以外のものは不良（×）とした。溶接金属の靱性については、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１に従って試験を行い、０℃での衝撃値が７０Ｊ以上のものを良好（○）とした。表４，５に試験結果を示す。
【００３５】
【表１】
0004593699.tif 000003
【００３６】
【表２】
0004593699.tif 000004
【００３７】
【表３】
0004593699.tif 000005
【００３８】
【表４】
0004593699.tif 000006
【００３９】
【表５】
0004593699.tif 000007
【００４０】
試験結果から、Ｎｏ．１１〜３０の比較例では本発明で規定する要件の何れかを欠くため、次のような問題があった。Ｎｏ．１１はＣ量が下限値を下回り、Ｎｏ．１２はＣ量が逆に上限値を上回り、両方とも溶接金属の靱性が低かった。Ｎｏ．１３はＳｉ量が下限値を下回るために溶接ビード形状が悪く、Ｎｏ．１４はＳｉ量が上限値を上回るために靱性が低かった。Ｎｏ．１５はＭｎ量が下限値を下回り、Ｎｏ．１６はＭｎ量が逆に上限値を上回り、両方とも溶接金属の靱性が低かった。Ｎｏ．１７はＣｕ量が下限値を下回り、Ｎｏ．１８はＣｕ量が逆に上限値を上回り、両方とも溶接金属の靱性が低かった。Ｎｏ．１９はＮｉ量が下限値を下回り、Ｎｏ．２０はＮｉ量が逆に上限値を上回り、両方とも溶接金属の靱性が低かった。
【００４１】
また、Ｎｏ．２１はＡｌ量が下限値を下回るために溶接作業性及び耐気孔性が悪く、一方、Ｎｏ．２２は逆にＡｌ量が上限値を上回るためにＭｏの添加にもかかわらず靱性が極めて悪かった。Ｎｏ．２３はＭｇ量が下限値を下回るために耐気孔性が悪く、Ｎｏ．２４はＭｇ量が上限値を上回るためにアーク安定性が悪かった。Ｎｏ．２５はＣａ，Ｓｒ，Ｂａの合計量が下限値を下回り、Ｎｏ．２６は逆に上限値を上回り、両方とも溶接作業性が悪かった。Ｎｏ．２７はＬｉ量が下限値を下回るために耐気孔性が悪く、Ｎｏ．２８はＬｉ量が上限値を上回るためにアーク安定性が悪かった。Ｎｏ．２９はＦ量が下限値を下回り、Ｎｏ．３０は逆に上限値を上回り、両方とも溶接作業性が悪かった。
【００４２】
これに対して、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の本発明例の各セルフシールドワイヤは、溶接作業性、耐気孔性及び溶接金属の靱性のいずれも良好であった。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、溶接作業性及び耐気孔性に優れ、かつ、靱性の高い溶接金属を得ることができるセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することができ、これによりセルフシールドワイヤの適用拡大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの断面形状の例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
Ｍ…鋼製外皮  ＦＬＸ…フラックス
【図１】
0004593699.tif 000008