(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯板をその幅方向に丸めて形成された鋼製外皮中にフラックスを充填してなるアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、フラックス率が２５乃至４５質量％であり、前記ワイヤの長手方向に垂直な断面にて前記帯板幅方向の両端部同士が重なるラップ部を有し、前記ラップ部の外側の帯板幅方向端部を点Ａとしたとき、この点Ａから前記フラックスを介して反対側の外皮の外表面に至る線分のうち最も長い線分と前記外表面との交点を点Ｂとし、この点Ｂを通って前記ラップ部の内側の帯板幅方向端部に接する線分ＢＣの延長線が前記ラップ部の外側の帯板の外表面と交わる点を点Ｄとし、前記点Ａと前記点Ｄとを結ぶ線分の長さをＲＬとしたとき、前記ワイヤの平均直径Ｗｄに対する前記ＲＬの割合Ｒｒ（＝（ＲＬ／Ｗｄ）×１００（％））は３乃至３０％であることを特徴とするアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
前記ワイヤの平均直径Ｗｄに対する前記外皮の平均肉厚Ｆｔの割合Ｆｒ（＝（Ｆｔ／Ｗｄ）×１００（％））は１０乃至２０％であることを特徴とする請求項１に記載の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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラックスに含まれるスラグ造滓剤を著しく減少させ、スラグの発生を著しく低減させたアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤに関し、特に、溶接作業性の向上を図ったアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フラックス入りワイヤ（以下、ＦＣＷ（flux-cored wire）という。）は、鋼製外皮の中にフラックスを充填させており、そのフラックス量及び種類が溶接作業生及び溶着金属性能等、ＦＣＷの品質に大きく影響する。
【０００３】
ＦＣＷの中には、スラグ造滓剤をフラックス質量当たり１０乃至５０質量％含有させ、溶接作業性又は機械的性能等を付与させたものと、スラグ造滓剤を極端に減少させ、スラグ発生が極端に少ないメタル系のものとがある。特に、メタル系のワイヤは、１９８０年頃に開発され、従来のソリッドワイヤが使用されている市場・分野向けのＦＣＷとして画期的なものである。
【０００４】
メタル系ＦＣＷの最大の特徴は、ソリッドワイヤと比較して、高溶着の溶接が可能であり、且つフラックスを含有することにより、溶接時のスパッタを低減することができるということである。
【０００５】
従来、特公平５−２１６７７号公報には、フラックス率が１３乃至２５質量％の鉄粉系フラックス入りワイヤが開示されている（従来例１）。この公報に記載のフラックス入りワイヤにおいては、全ワイヤ中のＣ含有量、及びフラックス成分を規定することによって、鉄粉系フラックス入りワイヤにおけるスパッタ発生量の低減及び作業能率の向上を図っている。
【０００６】
また、特公平５−７１３５９号公報には、継ぎ目ありの溶接用フラックス入りワイヤが開示されている（従来例２）。この公報記載の溶接用フラックス入りワイヤは、帯板をその幅方向に丸めて形成される外皮内の中空部にフラックスが充填され、前記帯板の幅方向の端部が略円周方向に重なるラップ部を有する。そして、この従来例２においては、ラップ部における外皮の肉厚、ラップ部以外の外皮の肉厚及びラップ部の重なりであるラップ代の長さを規定し、更にフラックス粒度を規定することによって、フラックスのこぼれ及び潤滑剤の巻き込みの低減化及びワイヤの耐錆性の向上を図っている。なお、この従来例２は、フラックス率が１３乃至１６質量％である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソリッドワイヤの市場において、従来例１等のメタル系のＦＣＷはあまり実用化されていないのが現状である。この原因としては、メタル系ＦＣＷはソリッドワイヤと比較して溶着金属の粘性が低いことが挙げられる。特に、前進溶接での溶着時にスパッタ発生量が多くなる傾向にあり問題となっている。また、チタニヤ系のＦＣＷと比較すると、スパッタ発生量及びアークのソフト感等の点で大きく劣っているという問題点がある。
【０００８】
また、従来例２の技術においても、フラックスのこぼれ及び潤滑剤の巻き込みを低減することはできるものの、スパッタ発生量が多く、溶接作業性が低いという欠点がある。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、前進溶接での溶接時においてもスパッタ発生量を低減することができると共に、優れた溶接作業性を有する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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤは、帯板をその幅方向に丸めて形成された鋼製外皮中にフラックスを充填してなるアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤにおいて、フラックス率が２５乃至４５質量％であり、前記ワイヤの長手方向に垂直な断面にて前記帯板幅方向の両端部同士が重なるラップ部を有し、前記ラップ部の外側の帯板幅方向端部を点Ａとしたとき、この点Ａから前記フラックスを介して反対側の外皮の外表面に至る線分のうち最も長い線分と前記外表面との交点を点Ｂとし、この点Ｂを通って前記ラップ部の内側の帯板幅方向端部に接する線分ＢＣの延長線が前記ラップ部の外側の帯板の外表面と交わる点を点Ｄとし、前記点Ａと前記点Ｄとを結ぶ線分の長さをＲＬとしたとき、前記ワイヤの平均直径Ｗｄに対する前記ＲＬの割合Ｒｒ（＝（ＲＬ／Ｗｄ）×１００（％））は３乃至３０％であることを特徴とする。
【００１１】
前記ワイヤの平均直径Ｗｄに対する前記外皮の平均肉厚Ｆｔの割合Ｆｒ（＝（Ｆｔ／Ｗｄ）×１００（％））は１０乃至２０％であることが好ましい。
【００１２】
本発明におけるワイヤの平均直径Ｗｄは、前記ワイヤの最大径及び最小径の平均値とする。また、外皮の平均肉厚Ｆｔは、シーム部近傍を除く最大肉厚及び最小肉厚の平均値とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳しく説明する。本願発明者等は、前述の課題を解決すべく、鋭意実験研究を行った。先ず、本願発明者等はメタル系のＦＣＷは、フラックスの約９０質量％が合金成分であるため、フラックスの原料変更又は成分調整のみによる方法では上述の課題は解決できないことを知見した。次に、ＦＣＷのうち、その約８０質量％を占める外皮（フープ）の化学成分を検討した。しかしながら、フープの化学成分を種々検討した結果、化学成分の違いによる効果の差はあるものの、その影響は余り大きくなかった。そこで、更に研究を重ねた結果、本願発明者等は、ＦＣＷの性能にはＦＣＷの断面形状、つまり、ワイヤに占めるフラックス率と、ワイヤの直径に対する外皮の重なり度合いとが極めて大きく影響することを知見した。即ち、従来のフラックス入りワイヤにおいて、例えば、従来例１ではフラックス率が１３乃至２５質量％、また、従来例２ではフラックス率が１３乃至１６質量％程度となっており、このようにフラックス率が低いことが、スパッタ発生量が多くなって溶接作業性を低下させてしまう原因であって、フラックス率を２５質量％以上と高くすることにより、スパッタ発生量を低減できることを知見した。更に、本発明においては、スパッタ発生量には、フラックス率のみでなく、ワイヤの直径に対する外皮の重なり割合いも影響し、この値をフラックス率と共に適切に規定することにより上述の課題を解決することができることを見出した。
【００１４】
以下、本発明のＦＣＷに断面形状のＲｒ及びＦｒについて説明する。図１は、本発明の実施例に係るアーク溶接用メタル系ＦＣＷを示す模式的断面図である。図１に示すように、アーク溶接用メタル系ＦＣＷ１においては、鋼製の帯板をその幅方向に丸めて形成された外皮２内にフラックス３が充填されている。このＦＣＷ１におけるフラックス率は２５乃至４５質量％である。また、ＦＣＷ１は、帯板を幅方向に丸めて帯板の幅方向の両端部を重ね合わせることによりラップ部４が形成されており、これによりフラックス３が外皮２内に封入されている。そして、このＦＣＷ１の長手方向に垂直な方向の断面において、一端をラップ部４の外側の帯板幅方向端部の点Ａとし、この点Ａからフラックス３を介して反対側の外皮２の外表面に至る線分のうち最も長い線分と前記外表面との交点を点Ｂとする。更に、この点Ｂを通り、ラップ部４の内側の帯板幅方向端部である点Ｃと接する線分ＢＣの延長線がラップ部４の外側の帯板の外表面と交わる点を点Ｄとする。そして、点Ａと点Ｄとを結んだ線分の長さをＲＬとし、ＦＣＷ１の平均直径をＷｄとしたとき、平均直径Ｗｄに対する線分ＡＤの長さＲＬの割合Ｒｒ＝（ＲＬ／Ｗｄ）×１００（％）は、３乃至３０％となっている。また、ＦＣＷ１の外皮２の平均肉厚をＦｔとしたとき、平均直径Ｗｄに対するワイヤの平均肉厚Ｆｔの割合Ｆｒ＝（Ｆｔ／Ｗｄ）×１００（％）が１０乃至２０％となっている。なお、ＦＣＷ１の平均直径Ｗｄは、ＦＣＷ１の最大径及び最小径の平均値とする。また、外皮の平均肉厚Ｆｔは、シーム部以外の最大肉厚及び最小肉厚の平均値とする。
【００１５】
また、本発明では、ＦＣＷ１に対するフラックス３の割合、即ち、フラックス率が２５乃至４５質量％である。このようにフラックス率を高くすると、従来種々の問題が生じていたため、このような高フラックス率のワイヤについてはその適用が回避されていた。例えば、従来例１に記載されているように、フラックス率が２５質量％より大きくなると製造上の問題、特に、伸線性が劣化して断線する等の問題が生じるため、フラックス率を２５質量％より高くすることができなかった。また、フラックス率が高くなると、伸線潤滑剤のシーム部への詰まり（拡散性水素量の増加）、フラックスのこぼれ、及び溶接時のワイヤ送給性が劣化する等の問題が生じる。このため、従来、フラックス率が２５質量％を超えるような高フラックス率のワイヤは存在しない。
【００１６】
しかしながら、本願発明者等は、スパッタ発生量を低減して優れた溶接作業性が得られるメタル系のＦＣＷについて鋭意実験研究した結果、フラックス率が２５乃至４５質量％と高フラックス率の場合に、アークがソフトになり、前進溶接であってもスパッタが極端に減少する効果を得ることができることを知見した。
【００１７】
そして、本願発明者等は、フラックス率が２５乃至４５質量％であるＦＣＷにおいて、前進溶接での溶接時においてもスパッタ発生量を低減することができると共に優れた溶接作業性を有するためには、ラップ部の重なり度合の影響が大きいことを知見した。即ち、図１に示すＲｒが３０％以下であると、アークがソフトになり、前進溶接であってもスパッタが極めて低減する。なお、従来例２においては、ワイヤ径が１．２ｍｍ、ラップ代が０．３９乃至０．８０ｍｍであるＦＣＷが記載されているが、このラップ代はワイヤの直径に対して、３２乃至６７％程度になっており、本発明で規定するＲｒの上限値である３０％よりも大きい。従って、従来例２ではスパッタ発生量が多く、本発明の効果は得られない。一方、Ｒｒが小さくて、ラップ部の長さが短過ぎると、フラックスのこぼれ及びシーム部への伸線潤滑剤の詰まり等が起きるため、少なくともＲｒは３％以上とする。このＲｒが３％以上であれば、フラックスのこぼれ及びシーム部への伸線潤滑剤の詰まり等を実質的に防止することができる。
【００１８】
また、図１に示すＦｒが１０乃至２０％である場合には、更にアークのソフト感が安定し、前進溶接でのスパッタが減少する。これは、Ｆｒがフラックス率及びＲｒのみから一義的に決定されるものではなく、伸線法及びフラックス粒度等によって変化するためである。
【００１９】
以下、本発明で規定する数値限定理由について説明する。
【００２０】
フラックス率：２５乃至４５質量％
フラックス率が２５質量％未満の場合には、溶接作業性を向上させる効果が小さい。一方、フラックス率が４５質量％を超えると、溶接作業性は優れているものの、伸線性が低下する。従って、優れた溶接作業性及び伸線性を得るためには、フラックス率を２５乃至４５質量％とする。
【００２１】
なお、本発明において、フラックス率は、成型工程終了後（線径：製品径乃至４．０ｍｍ程度）、フラックス入りワイヤ全体の質量と、このフラックス入りワイヤを捻って外皮を削ぎ、中のフラックスを除いた後の外皮の質量とを測定し、この質量差から求めることができる。本発明においては、５つの測定値の平均値をフラックス率とした。
【００２２】
Ｒｒ＝（ＲＬ／Ｗｄ）×１００：３乃至３０質量％
Ｒｒが３％未満であると、フラックスのこぼれ及び伸線潤滑剤の詰まりが多くなり、夫々溶接時のコンジットライナ内の詰まり量の増加及び溶接時の拡散性水素量の増加が生じる。逆に、Ｒｒが３０％を超えると、フラックス率が２５乃至４５質量％であっても、優れた溶接作業性を得る効果が低減する。従って、フラックスのこぼれ及び伸線潤滑剤のつまりを防止し、且つ優れた溶接作業性得るために、Ｒｒは３乃至３０％とする。
【００２３】
本発明において、Ｒｒは以下のように測定される。即ち、製品径（２．０乃至０．９ｍｍ）に伸線後、ワイヤの長手方向に垂直な断面において、例えば顕微鏡（マイクロスコープ）等によるワイヤの断面写真等によりＲＬ及びＷｄを測定することができる。ＲＬは、図１に示したように、点Ａ乃至点Ｄを決定して点Ａと点Ｄとの間の距離を測定し、また、Ｗｄは最大径及び最小径を測定してその平均値により求める。
【００２４】
Ｆｒ＝（Ｆｔ／Ｗｄ）×１００：１０乃至２０％
Ｆｒが１０％未満の場合には、アークのソフト感はあるものの、溶滴のふらつきを増加させる。一方、Ｆｔが２０％を超えると、アークのソフト感が低下する場合があるため、Ｆｒは１０乃至２０％が好ましい。
【００２５】
なお、本発明において、Ｆｒは、製品径（直径２．０乃至０．９ｍｍ）に伸線した後、ワイヤの長手方向に垂直な３断面から平均値を求めることができ、Ｆｔはシーム部近傍を除く部位、即ち、外皮が重なり合うラップ部を除く部位の最大肉厚及び最小肉厚の平均値、Ｗｄは、上述した如く最大径及び最小径の平均値として求める。測定方法としては、Ｒｒと同様、例えばマイクロスコープ等によるワイヤの断面写真等から測定することができる。
【００２６】
このような断面形状となる本発明のアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤの製造方法においては、フラックスを充填する帯板の幅及びワイヤの伸線率等を調整することにより、重なり部分の線分ＡＤの長さＲＬを調整し、これによりＲｒを所望の値に制御することができる。即ち、同径のワイヤにおいては、帯板の幅を広くしてＲＬを大きくするか、又は幅を狭くしてＲＬを小さくすることにより、Ｒｒを調節できる。また、帯板の厚さ及びワイヤの伸線方法を調整することにより、Ｆｔ及びＦｒを調整することができる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明のアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤを実際に製造し、本発明範囲から外れる比較例と比較してその効果について説明する。
【００２８】
下記表１に使用したワイヤのフラックス組成を示す。この表１のフラックスを使用して、スラックス率、Ｒｒ及びＦｒ等を種々変更した。なお、フラックス率を変更する時にはワイヤ成分が同様になるように、フラックス組成を変更した。また、表１におけるスラグ形成剤は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ等の金属酸化物（ＴｉＯ2は除く）であり、メタル成分は、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｇ等である。
【００２９】
ワイヤの線径は１．４ｍｍとし、外皮金属としては、下記表２に示す軟鋼系を使用した。また、フープサイズ（帯板サイズ）は下記表３に示すＲｒ及びＦｒを有する断面形状になるように、厚さ及び幅を適宜調整した。
【００３０】
得られたフラックス入りワイヤの断面写真から、上述した方法により、図１に示すＲＬ、Ｗｄ、及びＦｔの長さを測定し、Ｒｒ及びＦｒの値を求めた。なお、Ｗｄは、ワイヤの最大径及び最小径の平均値、Ｆｒは最大肉厚及び最小肉厚の平均値とし、更にＦｒは３断面から求め、その平均値とした。
【００３１】
図２（ａ）及び（ｂ）は夫々実施例１及び比較例１のワイヤの断面写真のトレー図である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）は直径が１．４ｍｍで、夫々フラックス率が３０及び１６質量％のワイヤの断面を倍率５０倍で写した写真をトレースしたものである。図２（ａ）に示す実施例１のワイヤに比べ、図２（ｂ）に示す比較例１のワイヤはフラックス率が小さいため、外皮の肉厚が厚い。
【００３２】
得られたワイヤを使用して、溶接作業性（スパッタ発生量）を評価した。溶接は、前進溶接により、前進角１５゜とし、ビードオンプレートにおいて、箱型スパッタ捕手法により実施した。溶接条件は、３２０Ａ、適正電圧、供給速度３０ｃｍ／分、ワイヤ突き出し長さ（Ｅｘｔ）を２５ｍｍとし、１分間に発生したスパッタ量のトータル量で溶接作業性を評価した。スパッタ量が１．０ｇ／分未満のものを◎、１．０乃至１．２ｇ／分のものを○、１．２乃至１．５ｇ／分のものを△、１．５ｇ／分を超えるものを×とした。
【００３３】
図３は、作製した溶接ワイヤの詰まり量を測定するのに使用した試験機を示す図であって、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）はその側面図である。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、スプール１１から巻き解かれた溶接ワイヤ１３は、コンジットライナ１２内を進行する。コンジットライナ１２は、トーチ（図示せず）までの途中に直径が３００ｍｍの２つの円環部が形成されており、溶接ワイヤ１３は、これらの円環部をワイヤ経路▲１▼〜▲６▼の順に通過し、トーチに運ばれる。スプール１１とコンジットライナ１２との間には、コンジットライナ１２に溶接ワイヤ１３を適切に供給するためのステンレス製のチューブ１５及びインレットガイド１４が設けられている。この試験機を使用して、溶接ワイヤ１３を１０ｋｇインチング送給したときの試験前後のコンジットライナ１２、ステンレス製チューブ１５及びインレットガイド１４の質量の増分により、コンジットライナ１２、ステンレス製のチューブ１５及びインレットガイド１４内の詰まり量を定量した。そして、詰まり量が０．０３ｇ／（１０ｋｇ・ワイヤ）以下を○、０．０３ｇ／（１０ｋｇ・ワイヤ）より多いものを△とした。なお、試験前にはコンジットライナ２を十分に洗浄した。また、実際には溶接は行わないものの、送給量は、ワイヤ径１．４ｍｍ、３２０Ａの送給量に相当する１０乃至１３ｍ／分とした。
【００３４】
【表１】
0004467139.tif 000002
【００３５】
Ｂａｌ．は残部を示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
【表３】
0004467139.tif 000004
【００３８】
従来例（Ｎｏ．１）は、フラックス率が少ない従来のフラックス入りワイヤであり、前進角でのスパッタ発生量が多く溶接作業性が劣った。
【００３９】
比較例１（Ｎｏ．２）は、フラックス率を２０％に上昇させたが、フラックス率及びＲｒが本発明範囲から外れるため、溶接作業性は改善されるものの前進角でのスパッタ発生量が十分ではない。
【００４０】
実施例１（Ｎｏ．３）は、フラックス率を２５質量％まで上昇させ、Ｒｒを３０．０％としてフラックス率及びＲｒを本発明範囲内としたため、溶接作業性が良好であった。
【００４１】
比較例２（Ｎｏ．４）は、フラックス率を２５質量％まで上昇させたが、Ｒｒが本発明範囲の上限を超える３２．１％としたため、溶接作業性は比較例１よりは改善されるのの十分ではない。
【００４２】
実施例２（Ｎｏ．５）は、フラックス率及びＲｒを本発明範囲内である夫々２５質量％及びＲｒを３０．０％とし、更にＦｒを本発明の好ましい範囲内の１８．９％としたため、溶接作業性が実施例１乃至９のうちで最も良好となった。
【００４３】
実施例３（Ｎｏ．６）は、フラックス率及びＲｒを本発明範囲内である夫々２５．０質量％及び１９．１％としたため、溶接作業性が実施例１と比較して更に良好であった。
【００４４】
実施例４（Ｎｏ．７）は、フラックス率を更に上昇させ、フラックス率及びＲｒを本発明範囲内である夫々３０．０質量％及び２５．１％としたため、溶接作業性が良好であった。
【００４５】
実施例５（Ｎｏ．８）は、フラックス率を更に上昇させ、フラックス率及びＲｒを本発明範囲内である夫々３５．０質量％及び２２．４％としたため、溶接作業性が更に良好になった。
【００４６】
実施例６（Ｎｏ．９）は、フラックス率を更に上昇させ、フラックス率及びＲｒを本発明範囲内である夫々４５．０質量％及び２０．７％としたため、溶接作業性が更に良好であった。
【００４７】
比較例３（Ｎｏ．１０）は、Ｒｒは本発明範囲内の１０．２％であるものの、フラックス率を上昇させ本発明範囲の上限を超える５０質量％とたため、溶接作業性は極めて良好になるものの、伸線が困難となり、実用的でない。
【００４８】
実施例７乃至９（Ｎｏ．１１乃至１３）は、フラックス率及びＲｒを本発明範囲内である夫々３０質量％及び５．３乃至１５．４％としたため、溶接作業性が良好であった。
【００４９】
比較例４（Ｎｏ．１４）は、フラックス率は３０質量％で本発明範囲内であるものの、Ｒｒが２．３％で本発明範囲の下限未満であったため溶接作業性は良好であるものの詰まり量が増加した。
【００５０】
実施例１０（Ｎｏ．１５）は、フラックス率及びＲｒは、夫々３０質量％及び２５．１であり、溶接作業性が良好であった。
【００５１】
比較例６（Ｎｏ．１６）は、フラックス率は３０質量％で本発明範囲内であるが、Ｒｒが３１．３％で本発明範囲の上限を超えたため、溶接作業性が改善されるものの充分ではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、フラックス率が２５乃至４５質量％と高くすると共にアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤの平均直径に対するラップ部の重なり具合を適切に規定することにより、フラックスのこぼれ及びシーム部への伸線潤滑剤の詰まり等を防止して溶接時のコンジットライナ内の詰まり等を防止することができると共に前進溶接での溶接時においてもスパッタ発生量を低減して優れた溶接作業性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るアーク溶接用メタル系フラックス入りワイヤを示す模式的断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は夫々実施例１及び比較例１のワイヤの断面写真をトレースした図である。
【図３】作製した溶接ワイヤの詰まり量を測定するのに使用した試験機を示す図であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【符号の説明】
１；ＦＣＷ
２；外皮
３；フラックス
４；ラップ部
１１；スプール
１２；コンジットライナ
１３；溶接ワイヤ
１４；インレットガイド
１５；ステンレス製チューブ
【図１】
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【図２】
0004467139.tif 000006
【図３】
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