(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材母材への塗布性能が優れたＴＩＧ溶接用フラックス組成物において、Ｗ酸化物及びＴｉ酸化物を必須成分とし、これらの２種の酸化物の混合物がフラックス全体の５０質量％以上であり、前記２種の酸化物の混合比はＷ酸化物／Ｔｉ酸化物の値で０．２５乃至４であり、フラックス組成物の全質量に対して総量で２乃至４０質量％の比率で、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３からなる群から選択された１種又は２種以上の酸化物が添加されており、フラックス組成物の全質量に対して総量で１乃至４０質量％の比率で、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅ３Ｏ４が添加されていることを特徴とするＴＩＧ溶接用フラックス組成物。
【請求項２】
フラックス組成物１００質量部に対し、沸点が１２０℃以下の速乾性有機溶剤の１種又は２種以上及び前記速乾性有機溶剤に溶解する非イオン系界面活性剤の１種又は２種以上からなる分散剤を、前記速乾性有機溶剤に対する前記分散剤の比（分散剤／速乾性有機溶剤）が０．００５乃至０．０５の割合となるように混合したものを、１００乃至２００質量部添加し、懸濁液としたことを特徴とする請求項１に記載のＴＩＧ溶接用フラックス組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＩＧ溶接に使用されるＴＩＧ溶接用フラックス組成物に関し、特に、炭素鋼又は低合金鋼等での溶込み性能、ビード形状、溶接金属清浄性、耐欠陥性及びアークスタート性を向上させたＴＩＧ溶接用フラックス組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＴＩＧ溶接法にて溶接した場合は、その溶込み深さが比較的浅く、厚さが５ｍｍ程度の板材を溶接するのにも、開先加工が必要である。このため、従来、通常の溶接条件で、開先加工しなくても厚さが５ｍｍ程度の板材を１パスで溶接することができるフラックスの開発が要望されていた。そして、このような要望に応えるべく、種々のＴＩＧ溶接用フラックス組成物が提案されている（特開２０００−７１０９４号公報及びＵＳＰ３，５８４，１８７号等）。
【０００３】
特開２０００−７１０９４号公報に開示されたＴＩＧ溶接用フラックス組成物は、Ｈｆを除く遷移金属ＩＶａ族の酸化物又は純金属とＷを除く遷移金属ＶＩａ族の酸化物との混合物からなり、この混合物中の酸素原子の割合が２４〜５０％、金属原子の割合が５０〜７６％である組成を有する。そして、このＴＩＧ溶接用フラックス組成物は特にステンレス鋼を溶接する際に有効であることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２０００−７１０９４号公報に開示されたＴＩＧ溶接用フラックス組成物は、これを炭素鋼に適用した場合、溶接ビードが乱れるという問題点がある。また、前記公報には、フラックス組成物の塗布方法等について開示されていないため、炭素鋼板又は低合金鋼板等をＩ型突合せ溶接で１パスで溶接することは困難であった。
【０００５】
一方、ＵＳＰ３，５８４，１８７号もステンレス鋼に限定されるものであり、塗布厚の記述はあるものの、粉末の分散方法については言及されていない。このため、同様に、厚さが５ｍｍ程度の炭素鋼板又は低合金鋼板等をＩ型突合せで１パスで溶融接合し、ビード表面形状が優れた溶接金属を得ることは極めて難しいという難点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、通常の溶接条件でも開先加工を必要とせず、厚さが５ｍｍ程度の炭素鋼板又は低合金鋼板等をＩ型突合せで１パスで溶融接合でき、ビード表面形状が優れた溶接金属を得ることができ、更に母材への塗布性能が優れ、高能率なＴＩＧ溶接を可能とするＴＩＧ溶接用フラックス組成物を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＴＩＧ溶接用フラックス組成物は、鋼材母材への塗布性能が優れたＴＩＧ溶接用フラックス組成物において、Ｗ酸化物及びＴｉ酸化物を必須成分とし、これらの２種の酸化物の混合物がフラックス全体の５０質量％以上であり、前記２種の酸化物の混合比はＷ酸化物／Ｔｉ酸化物の値で０．２５乃至４であり、フラックス組成物の全質量に対して総量で２乃至４０質量％の比率で、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３からなる群から選択された１種又は２種以上の酸化物が添加されており、フラックス組成物の全質量に対して総量で１乃至４０質量％の比率で、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅ３Ｏ４が添加されていることを特徴とする。
【００１０】
更にまた、ＴＩＧ溶接用フラックス組成物は、例えば、前記フラックス組成物１００質量部に対し、沸点が１２０℃以下の速乾性有機溶剤の１種又は２種以上及び前記速乾性有機溶剤に溶解する非イオン系界面活性剤の１種又は２種以上からなる分散剤を、前記速乾性有機溶剤に対する前記分散剤の比（分散剤／速乾性有機溶剤）が０．００５乃至０．０５の割合となるように混合したものを、１００乃至２００質量部添加し、懸濁液としたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明に使用するＴｉ酸化物は、溶融池表面の表面張力を減少させるために添加する。また、本発明に使用するＷ酸化物は、アーク熱により母材面から蒸発しやすく、アーク中で酸素を放出し、アークから熱を奪い、アークを緊縮させるために添加する。
【００１２】
従来の特開２０００−７１０９４号では、Ｗ酸化物を除いており、この理由として、Ｗ電極が酸化（消耗）することを挙げている。しかし、特に母材を炭素鋼に重点をおいた場合、Ｗ酸化物の持つ強いアーク緊縮性を使用することが必要であり、本発明においてはＷ酸化物をあえて添加している。本発明においては、電極先端は、溶接後も鋭角も保っている。例えば、Ｗ酸化物としてＷＯ３、母材としてＳＳ４００を使用した場合、ＷＯ３の融点（約１５００℃）がＳＳ４００の融点（約１５００℃）に近く、ＷＯ３の添加が特に好ましい。
【００１３】
また、フラックス中に含有される酸素量の規定（５０ａｔ％以下）についても、同様に、特に母材として炭素鋼を使用した場合、表面張力流よりも、アーク緊縮作用に重点をおく必要があるため、酸素量は５０ａｔ％以上となっている。しかし、Ｗ電極（陰極）の先端は、溶接後も鋭角を保っている。
【００１４】
炭素鋼の熱伝導率は、例えばＳＳ４００で０．５９Ｊ／ｃｍ３・秒であり、ステンレス鋼の熱伝導率は、例えばＳＵＳ３０４で０．２１Ｊ／ｃｍ３・秒であるので、炭素鋼の熱伝導率はステンレス鋼の熱伝導率に比べて高いため、ステンレス鋼において開発されたフラックス組成物を使用しても、溶融池の中心部と外周部とでの温度差がステンレス鋼の場合よりも小さく、表面張力差が小さいために、ステンレス鋼と同様な溶融池の撹拌は得られない。このため、アーク緊縮作用の大きいフラックスの添加が必要になる。
【００１５】
そこで、本発明においては、アーク緊縮作用が強いＷ酸化物を添加する。このＷ酸化物の量は、Ｔｉ酸化物に対するＷ酸化物の比率Ｗ酸化物／Ｔｉ酸化物として、０．２５乃至４として規定される。
【００１６】
以下、本発明のＴＩＧ溶接用フラックス組成物の数値限定理由について説明する。
【００１７】
「Ｗ酸化物及びＴｉ酸化物の混合物：フラックス全体の５０質量％以上」
Ｗ酸化物及びＴｉ酸化物の２種の混合物の添加量がフラックス全体の５０質量％未満では、溶込み深さの不足及びビード外観の劣化が生じ、作業性が劣化する。従って、本発明においては、Ｗ酸化物及びＴｉ酸化物を必須成分とし、これらの２種の酸化物の混合物の添加量はフラックス全体の５０質量％以上とする。
【００１８】
「Ｗ酸化物／Ｔｉ酸化物：０．２５乃至４」
Ｗ酸化物／Ｔｉ酸化物の比の値が０．２５未満では、Ｗ酸化物の効果が小さく、良好な溶込み性能が得られない。一方、Ｗ酸化物／Ｔｉ酸化物の比の値が４を超えると、Ｗ酸化物の効果が大きすぎるために、アークが不安定になり、ビード形状が劣化し、Ｗ電極の先端が消耗して丸くなる。また、過剰なＷ酸化物が溶融池中に入り込み、分解することにより、ブローホールが発生する原因となる。従って、Ｗ酸化物／Ｔｉ酸化物＝０．２５乃至４とする。
【００１９】
「Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３からなる群から選択された１種又は２種以上：総量で２乃至４０質量％」
Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３は、溶込み深さを減少させるものではなく、主にビード形状を整えるのに寄与する。Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３からなる群から選択された１種又は２種以上の含有量が２質量％未満では、その効果がない。一方、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３からなる群から選択された１種又は２種以上の含有量が４０質量％を超えると、必須成分組成の効果を阻害する。従って、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３からなる群から選択された１種又は２種以上を添加する場合は、その総含有量を２乃至４０質量％とする。
【００２０】
「Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅ３Ｏ４：総量で１乃至４０質量％」
Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４は、溶込み深さを減少させるものではない。これらの酸化物は他の酸化物に比べ電気伝導度が高いため、アークスタート性能に寄与する。特に、全自動ＴＩＧ溶接でタッチアークスタート方式を採用している機器に好ましい。Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅ３Ｏ４の含有量が１質量％未満では、その効果がない。一方、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅ３Ｏ４の含有量が４０質量％を超えると、必須成分組成の効果を阻害する。従って、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＦｅ３Ｏ４の含有量は総量で１乃至４０質量％とする。
【００２１】
「沸点が１２０℃以下の速乾性有機溶剤の１種又は２種以上及び前記速乾性有機溶剤に溶解する非イオン系界面活性剤の１種又は２種以上からなる分散剤：１００乃至２００質量部」
フラックス組成物を分散させる溶剤は、溶剤の沸点が１２０℃以下であるものが望ましく、塗布後、すばやく蒸発するものである必要がある。
【００２２】
フラックス１００ｇに対する分散剤と溶剤との混合液（以下、溶液という）の混合量が２００ｇを超えると、母材に塗布されるフラックス組成物の量が少なくなりすぎて塗膜厚が薄くなりすぎ、溶込みに対して良好な効果を発揮することができなくなる。逆に、フラックス１００ｇに対する溶液の混合量が１００ｇ未満では、母材へのフラックスの塗布が均一にできなくなって塗膜厚が一定ではなくなり、ビード形状が劣化する。
【００２３】
分散剤と溶剤との比、即ち分散剤／溶剤が０．００５未満では、フラックスの溶剤への分散効果が十分でなく、長時間放置しておくと、フラックス（酸化物）のハードケーキングを引き起こしやすくなる。一方、分散剤／溶剤が０．０５を超えると、分散剤が母材表面に残存し、溶接金属に欠陥が発生しやすくなるため望ましくない。ここで使用する溶剤としては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、メチルエチルケトン、アセトン、ヘキサン、ヘプタン、トルエン又はトリクロロエチレン等を使用することができる。分散剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテル、ポリオキシエチレンソルビタンアルキルエステル、アミン類又はアルキロールアミド等を使用することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明のＴＩＧ溶接用フラックス組成物の実施例について、その特性を試験した結果を、比較例と比較して具体的に説明する。
【００２５】
「第１試験例」
下記表１及び２は、実施例No.１乃至６及び比較例No.７乃至１６のフラックス組成を示す。この表１及び２に示す酸化物を使用して以下の方法でフラックスを夫々調整した。各成分を電子天秤で０．０１ｇの位まで測定し、乳鉢にて乾式混合した。上述のようにして調整された各フラックスを表３に示す混合液に分散させ、以下に示す試験を行って溶接性の評価を行った。なお、表２において示す「−」は添加していないことを示す。
【００２６】
試験方法は、試験材として、板厚１０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１５０ｍｍのＳＳ４００鋼板を使用し、フラックスをエアゾール又は刷毛で前記鋼板表面に塗布したものを使用した。なお、各フラックスは、エタノールとアルキロールアミドとの混合液に分散させている。
【００２７】
溶接はタッチアーク方式の自動ＴＩＧ溶接機を使用し、前記試験材表面をメルトランで行った。試験材溶接時の溶接条件は、溶接電流２００Ａ、溶接電圧１１．５Ｖ、溶接速度１０ｃｍ／分で、シールドガスに１００％アルゴンガスを使用し、その流量を２０リットル／分とした。溶接後、溶込み深さ、ビード形状・外観、溶接性及び溶接金属性能を次の方法で測定した。
【００２８】
溶込み深さは以下のようにして測定した。溶込み深さ観察用の試験片は、試験材をビード断面方向に切断し、ＳｉＣ研磨紙にて＃１２０まで研磨した後、断面を硝酸とピクリン酸とアルコールとを混合した溶液にて腐食して作製した。その後、５倍のマクロ写真撮影を行い、この際、試験片と共にものさしも撮影し、写真上でノギスを使用してビード幅及び溶込み深さを０．１ｍｍの位まで測定した。その際、ものさしの１ｍｍの長さも同様に測定し、ビード幅及び溶込み深さの実寸法を計算から求めた。
【００２９】
ビード形状はスタート、クレーター部を除いたビード幅の最大ビード幅と、最小ビード幅との差（ビード振れ幅）にて評価した。
【００３０】
ビード形状・外観は目視にて観察し、以下の基準で評価を行った。
○：ビードの乱れなし
×：ビードの乱れあり
【００３１】
スパッタ発生の有無は目視にて観察し、以下の基準で評価を行った。
○：スパッタ発生なし
×：スパッタ発生あり
【００３２】
アークスタート（点弧）性能は、１０回の点弧回数に対し、アークスタートしなかった回数で評価した。
【００３３】
耐ブローホール（気孔）性能は、単位溶接長当たりのブローホール発生数を測定し、評価した。
【００３４】
拡散性水素量は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１８−１９９２に規定される鋼溶接部の水素量測定方法に従い測定を行った。
【００３５】
陰極消耗の有無は、溶接後のＷ電極の先端を観察し、以下の基準で評価した。
○：陰極先端鋭角
×：陰極先端丸まり
【００３６】
表４及び５に溶込み深さ、ビード形状・外観、溶接性及び溶接金属性能評価結果を示す。
【００３７】
また、比較例No.７乃至１６においても、下記表１及び２に示す組成（本発明の範囲外）で、上述の実施例の場合に準じてフラックスを夫々調整し、表３に示す混合溶液に分散させた。各フラックスを使用して実施例と同じ試験を行い、溶込み深さ、ビード形状・外観、溶接性及び溶接金属性能を評価した。この結果を下記表４及び５に示す。なお、比較例No.１６はブランクとして、フラックスを塗布しない例であり、同様にして評価し、評価結果を表４及び５に示す。
【００３８】
【表１】
0004526193.tif 000002
【００３９】
【表２】
0004526193.tif 000003
【００４０】
【表３】
0004526193.tif 000004
【００４１】
【表４】
0004526193.tif 000005
【００４２】
【表５】
0004526193.tif 000006
【００４３】
上記表４及び５に示すように、実施例No.１乃至６においては、いずれの場合も、顕著な溶込み深さの増加が認められた。また、これらのフラックスを塗布した場合、スパッタの発生はなく、ビード振れ幅、ビード形状・外観及びアークスタート性能は、ブランク（比較例No.１６）と何ら変わらず、ブローホールも発生しないことが認められた。また、拡散性水素量は、ブランクの０．９ミリリットル／１００ｇに比べ約２倍に増加することが認められた。陰極消耗は、溶接終了後にＷ電極の先端を観察したが発生しておらず、陰極先端は鋭角を保っていた。但し、陰極の色がブランクに比べて濃く陰極の酸化はブランクに比べて若干激しく発生していた。
【００４４】
これに対し、比較例No.７は必須フラックスの合計が５０質量％未満であるため、良好な溶込みが得られていない。
【００４５】
比較例No.８はＷＯ３の含有量が多く、ＷＯ３／ＴｉＯ２の比が４以上であるために、良好な溶込みは得られているものの、ビード外観が悪化し、スパッタの発生及びブローホールの発生が見られる。また、陰極先端が消耗し、丸まってしまっている。
【００４６】
比較例No.９はＷＯ３の含有量が少なく、ＷＯ３／ＴｉＯ２の比が０．２５以下であるため、良好な溶込みが得られていない。また、Ｆｅ系酸化物が含まれていないため、アークスタートがブランクに比べて悪くなっている。
【００４７】
比較例No.１０は必須フラックスの合計が５０質量％未満であるため、良好な溶込みが得られていない。また、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３の含有量が多いためにビード形状は良好であるが、良好な溶込みが得られていない。
【００４８】
比較例No.１１は必須フラックスの合計が５０質量％未満であるため、良好な溶込みが得られていない。また、Ｆｅ系酸化物の含有量が多いために、良好な溶込みが得られておらず、Ｃｒ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２及びＭｏＯ３の添加量が少ないためにビード振れ幅が大きく、ビード形状が不良である。
【００４９】
比較例No.１２はＷＯ３の含有量が少なく、ＷＯ３／ＴｉＯ２の比が０．２５以下であり、フラックスに対する溶液の混合量が多すぎるために、母材に塗布されるフラックス量が少なくなり、良好な溶込みが得られていない。
【００５０】
比較例No.１３はＷＯ３の含有量が多く、ＷＯ３／ＴｉＯ２の比が４以上であり、フラックスに対する溶液の混合量が少なすぎるために溶込みは良好であるが、母材に均一にフラックスを塗布できなくなり、ビード振れ幅が大きく、ビード形状が不良である。また、陰極先端が消耗し、丸まってしまっている。
【００５１】
比較例No.１４はＷＯ３の含有量が多く、ＷＯ３／ＴｉＯ２の比が４以上であり、溶剤に対する分散剤の比率が多すぎるために溶込みは良好であるが、溶接時に分散剤の揮発が起こり、耐ブローホール性能が劣化し、拡散性水素量が増加している。また、ビード振れ幅が大きくビード形状が不良であり、スパッタも発生している。更に、陰極先端が消耗し、丸まってしまっている。
【００５２】
比較例No.１５はＷＯ３の含有量が少なく、ＷＯ３／ＴｉＯ２の比が０．２５以下であるために良好な溶込みが得られていない。また、溶剤に対する分散剤の比率が少なすぎるために長時間放置しておくとフラックスのハードケーキングが発生する。
【００５３】
溶接金属の化学成分は、ＳＳ４００母材の化学成分とほとんど同じであるが、酸素量が塗布したフラックスの酸化物の影響により、最大６０質量ｐｐｍ程度まで増加した。酸素量の増加による溶接金属の靭性劣化は、０℃の衝撃試験においては認められなかったが、−３０℃の衝撃試験においては、フラックスを塗布しない場合に比べ最大約３０％程度の衝撃吸収エネルギの低下が認められた。同様にして、ＳＭ４９０Ａについても衝撃試験を実施したが、０℃及び−３０℃における衝撃吸収エネルギの低下は認められなかった。
【００５４】
ＳＵＳ３０４について本発明のフラックスを使用し、板厚６ｍｍのステンレス鋼板をＩ型突合せ溶接を行った結果、炭素鋼鋼板の場合と、同様に深い溶込みが得られ良好な裏波形成性能を有し、継手性能も良好であることが確認された。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、遷移金属ＶＩａ族のＷ酸化物と、Ｔｉ酸化物とを必須成分とし、２種の混合物の総量がフラックス全体の５０質量％以上としているので、通常の溶接条件でも開先加工を必要とせず、厚さが５ｍｍ程度の炭素鋼板又は低合金鋼板等をＩ型突合せで１パスで溶融接合でき、ビード表面形状が優れた溶接金属を得ることができ、更に母材への塗布性能が優れ、高能率なＴＩＧ溶接を行うことができる。