(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属外皮中にフラックスを充填してなり、立向下進溶接用のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、前記フラックスの組成は、ワイヤ全重量に対して、ＴｉＯ2：１．０乃至２．８５重量％、Ａｌ2Ｏ3：０．１０乃至０．３０重量％、Ｋ2Ｏ：０．０２乃至０．２重量％、Ｓｉ：０．４０乃至１．１０重量％、Ｍｎ：１．５乃至３．０重量％、Ｆｅ：５．０乃至１０重量％並びにＦｅＯ及びＦｅ2Ｏ3からなる群から選択された少なくとも１種の酸化鉄を含有し、前記ＴｉＯ2含有量を［ＴｉＯ2］、前記Ａｌ2Ｏ3含有量を［Ａｌ2Ｏ3］、前記Ｋ2Ｏ含有量を［Ｋ2Ｏ］、前記酸化鉄の含有量を［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］としたとき、数式（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］によって表される値が１０乃至６６であり、数式［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］で表される値が０．３乃至１．２であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
前記金属外皮は、軟鋼又は合金鋼であることを特徴とする請求項１に記載のガス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級の高張力鋼又は低合金鋼の溶接に適用することができるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に、作業性が優れており、厚さが２乃至６ｍｍ程度の薄鋼板の立向下進溶接においても良好なビード形状が得られるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤとして、立向下進溶接を含む全姿勢溶接が可能なチタニア系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが１９８０年頃に開発された。
【０００３】
このチタニア系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは高能率性及び優れた作業性等の理由から造船分野を中心に使用量が伸び現在に至っている。また、開発当初は造船、橋梁及び鉄骨等の分野への適用が主体であったが、近時、使用量が増加しているだけでなくその適用分野も著しく広くなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの適用分野の拡大に伴い従来のフラックス入りワイヤでは十分に適応することができない場合がある。例えば、製缶、軽量鉄骨及び建築等の分野で使用される厚さが２乃至６ｍｍ程度の薄板鋼板の溶接、特に立向下進溶接においてチタニア系全姿勢用フラックス入りワイヤを使用すると、溶接溶け落ち及びアンダーカット等の欠陥が多発してしまう。これを防止するために溶接電流を下げて施工を行うと、急激に溶滴移行が劣化し、スパッタの増大及びビードの外観劣化等の問題が生じる。このため、従来のフラックス入りワイヤを前述の製缶等の分野に適用することは極めて困難である。
【０００５】
また、現状では、被覆アーク溶接棒又はソリッドワイヤ（ショートアーク溶接）での施工が一般に行われているが、能率性及び作業性は高くない。
【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、立向下進溶接において高い電流で溶接を行ってもアンダーカットが抑制された良好なビード形状を得ることができ、作業能率を向上させることができるガス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目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、金属外皮中にフラックスを充填してなり、立向下進溶接用のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、前記フラックスの組成は、ワイヤ全重量に対して、ＴｉＯ2：１．０乃至２．８５重量％、Ａｌ2Ｏ3：０．１０乃至０．３０重量％、Ｋ2Ｏ：０．０２乃至０．２重量％、Ｓｉ：０．４０乃至１．１０重量％、Ｍｎ：１．５乃至３．０重量％、Ｆｅ：５．０乃至１０重量％並びにＦｅＯ及びＦｅ2Ｏ3からなる群から選択された少なくとも１種の酸化鉄を含有し、前記ＴｉＯ2含有量を［ＴｉＯ2］、前記Ａｌ2Ｏ3含有量を［Ａｌ2Ｏ3］、前記Ｋ2Ｏ含有量を［Ｋ2Ｏ］、前記酸化鉄の含有量を［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］としたとき、数式（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］によって表される値が１０乃至６６であり、数式［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］で表される値が０．３乃至１．２であることを特徴とする。
【０００８】
なお、前記金属外皮は、軟鋼又は合金鋼にすることができる。
【０００９】
本発明においては、フラックス中の含有成分の含有量が適切に規定されているので、立向下進溶接においても極めて良好なビード形状が得られる。また、スラグ剥離性も向上するので、スラグの除去時間が短縮されコストが低減される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本願発明者等は前記課題を解決すべく、以下の３項目等に着目して鋭意実験研究を重ねた。第１の項目は、低電流域でのア−クの不安定及び溶滴移行の悪化によりビード揃いが悪化しスパッタ量が増加していることである。第２の項目は、被溶接材である鋼板の温度上昇のためにアンダカットが発生しスラグの被覆性を保持する力が劣化するので、ビードの形状及び外観が悪化することである。第３の項目は、被溶接材である鋼板の温度上昇のためにスラグ焼付が多大となるので、スラグの剥離性が劣化することである。そして、この結果、本願発明者等は、使用するフラックスの化学成分を適正量に限定することにより、立向下進溶接における溶接作業性を著しく向上させることができることを見い出した。
【００１１】
以下、本発明におけるフラックス入りワイヤ全重量に対するフラックス中の含有成分の組成限定理由について説明する。
【００１２】
ＴｉＯ2：１．０乃至３．０重量％
フラックスとして使用されるＴｉＯ2はアークの安定性を向上させ、ビード表面を均一に被覆しビードの外観を向上させる作用を有する。ＴｉＯ2含有量が１．０重量％未満であると、スラグ量が不足となり、アークの安定性が低下すると共に、スラグの被包性が悪化するため、ビードの外観が悪化する。一方、ＴｉＯ2含有量が３．０重量％を超えると、アーク安定性は向上するが、スラグ量が増加するため、立向下進溶接では、スラグが垂れやすくなり、ビード揃いの悪化、のど厚不足及びビード外観の悪化等の不具合が生じる。従って、ワイヤ全重量に対するＴｉＯ2含有量は１．０乃至３．０重量％とする。なお、ＴｉＯ2はルチール、ルコキシン及びイルミナイト等から添加されるものである。
【００１３】
Ａｌ2Ｏ3：０．１０乃至０．３０重量％
フラックスとして使用されるＡｌ2Ｏ3はスラグの粘性を向上させ、アークを強くする作用を有する。特に、立向下進溶接では、スラグの垂れ流れを調節する効果を有する。Ａｌ2Ｏ3含有量が０．１０重量％未満であると、スラグが垂れてしまってビードが不揃いとなる。一方、Ａｌ2Ｏ3含有量が０．３０重量％を超えると、アークが強くなりすぎるため、溶接プールが不安定になってスパッタ量が増大する。また、スラグの粘性が過剰になり、スラグの凝固が不均一に進行しやすくなってビード外観が悪化する。従って、ワイヤ全重量に対するＡｌ2Ｏ3含有量は０．１０乃至０．３０重量％とする。なお、Ａｌ2Ｏ3はアルミナ及び長石等から添加されるものである。
【００１４】
Ｋ2Ｏ：０．０２乃至０．２重量％
フラックスとして使用されるＫ2Ｏはアークを安定させ、アークを柔軟にし、更にスラグの粘性を低下させる作用を有する。Ｋ2Ｏ含有量が０．０２重量％未満であると、アークが不安定になると共に、スパッタ量が多くなる。一方、Ｋ2Ｏ含有量が０．２重量％を超えると、アークの吹き付けが弱くなりすぎると共に、スラグの粘性が下がりすぎる。このため、スラグの垂れによるビード不揃い及び外観不良等の不具合が生じる。従って、ワイヤ全重量に対するＫ2Ｏ含有量は０．０２乃至０．２重量％とする。なお、Ｋ2Ｏはカリ長石、水ガラス及びソーダ長石等から添加されるものである。
【００１５】
Ｓｉ：０．４乃至１．１０重量％
フラックスとして使用されるＳｉは脱酸を促進させると共に、ビードのなじみ性を向上させる作用を有する。Ｓｉ含有量が０．４重量％未満であると、脱酸不足により気孔が発生し、ビードのなじみ性が悪化する。一方、Ｓｉ含有量が１．１０重量％を超えると、アークが強くなりすぎてスパッタ量が増加すると共に、靱性が劣化する。従って、ワイヤ全重量に対するＳｉ含有量は０．４乃至１．１０重量％とする。なお、Ｓｉは金属Ｓｉの他に、Ｆｅ−Ｓｉ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等のＳｉ合金から添加されるものである。
【００１６】
Ｍｎ：１．５乃至３．０重量％
フラックスとして使用されるＭｎは脱酸を促進させると共に、溶接金属の強度及び靱性を向上させる作用を有する。Ｍｎ含有量が１．５重量％未満であると、脱酸不足のために、気孔が発生したり、強度が不足する。一方、Ｍｎ含有量が３．０重量％を超えると、アークが拡がりにくくなるため、ビードのなじみ性が悪化する。また、溶接金属の強度が高くなりすぎるため、低温割れを発生しやすくなる。従って、ワイヤ全重量に対するＭｎ含有量は１．５乃至３．０重量％とする。なお、Ｍｎは金属Ｍｎの他に、Ｆｅ−Ｍｎ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等のＭｎ合金から添加されるものである。
【００１７】
Ｆｅ：５．０乃至１０重量％
フラックスとして使用されるＦｅは溶着金属の量を増加させる作用、即ち、下進溶接におけるビードののど厚を増加させる作用を有する。Ｆｅ含有量が５．０重量％未満であると、ビードののど厚不足が生じる。一方、Ｆｅ含有量が１０％を超えると、溶着金属の量が増加しすぎるため、ビードの拡がりがなくなり、ビードが垂れやすくなる。従って、ワイヤ全重量に対するＦｅ含有量は５．０乃至１０重量％とする。なお、Ｆｅはアトマイズ鉄粉等から添加されるものである。
【００１８】
また、フラックス中には、ＦｅＯ若しくはＦｅ2Ｏ3又はこれらの双方の酸化鉄が含有されている。なお、ＦｅＯ及びＦｅ2Ｏ3は赤鉱石等から添加されるものである。
【００１９】
更に、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｋ2Ｏ及び酸化鉄の含有量を夫々重量％で、［ＴｉＯ2］、［Ａｌ2Ｏ3］、［Ｋ2Ｏ］及び［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］と表したとき、ビード形状及びビードのなじみ性を向上させるため、以下の数式によって算出される数値を限定する必要がある。
【００２０】
（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］：１０乃至６６
Ｋ2Ｏはアークの安定性を保ちスラグの粘性を低下させる作用を有するため、比較的粘性が高いＴｉＯ2及びＡｌ2Ｏ3との混合比を適切に規定する必要がある。
【００２１】
立向下進溶接において溶接ビードを均一に形成させるためには、スラグの粘性、スラグの量、スラグの被包性及びアークの吹付け力等を均一にする必要がある。
【００２２】
本発明においては、前述のように、ワイヤ全重量に対するＴｉＯ2含有量を１．０乃至３．０重量％、Ａｌ2Ｏ3含有量を０．１０乃至０．３０重量％、Ｋ2Ｏ含有量を０．０２乃至０．２重量％と規定しているので、板厚が６ｍｍを超える板の下進溶接では、従来のチタニア系ワイヤと同様に、ビードの形状及び外観等が良好であり、十分な性能が得られる。しかし、これらの化合物の混合比を適切に規定していない場合、薄鋼板の下進溶接では、鋼板温度が著しく上昇し鋼板が赤熱状態となって温度のむらが大きくなるので、スラグの粘性及びスラグの被包性等の均一性が崩れやすくなる。このため、ビードの外観及び形状等が劣化しやすくなる。
【００２３】
そこで、本願発明者等は、数式（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］で表される値とスラグの垂れ及び被包性との関係について調査した。図１は横軸にＴｉＯ2及びＡｌ2Ｏ3の総含有量をとり、縦軸にＫ2Ｏの含有量をとって、数式（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］で表される値とスラグの被包性との関係を示すグラフ図である。図１中の実線Ｌ１は（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］＝１０を示し、一点鎖線Ｌ２は（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］＝６６を示している。そして、領域Ａはスラグの垂れが多発した領域であり、領域Ｂはスラグの垂れがなくスラグの被包性が良好であった領域であり、領域Ｃはスラグの被包性が悪化した領域である。
【００２４】
図１に示すように、（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］が１０未満であると、スラグの垂れが多発するので、ビードの外観不良及びのど厚不足が生じる。一方、（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］が６６を超えると、スラグの凝固にむらが生じるので、スラグの被包性が劣化しスラグによる被りが不均一となる。このため、ビードの外観が著しく悪化する。また、（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］が１０乃至６６の範囲内にあると、薄鋼板の立向下進溶接においても、スラグは垂れずに均一にビードを被覆する。このため、優れた外観及び形状を有するビードが得られる。従って、（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］は１０乃至６６とする。
【００２５】
［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］：０．３乃至１．２
フラックスとして使用されるＦｅＯ及びＦｅ2Ｏ3はスラグのスラグの粘性を低下させたり、スラグを多孔質にして砕けやすくする作用を有する。
【００２６】
一般に、下向溶接の場合に、ＦｅＯ又はＦｅ2Ｏ3をフラックスに添加すると、スラグが砕けやすくなりスラグ剥離性が向上する。しかし、立向下進溶接の場合には、ビードの外観及び形状を良好にするためにスラグで薄く均一にビード表面を被覆する必要がある。また、鋼板温度は極めて高温になるので、スラグ剥離に必要なスラグの膨張と収縮との差がなくなり、スラグ剥離性は良好とはいえない。
【００２７】
本発明においては、融点を高めるＡｌ2Ｏ3（融点：約２０００℃）並びにＦｅＯ及びＦｅ2Ｏ3（融点：１３００乃至１４００℃）をそれらの混合比を適切に設定してフラックスに添加することにより、薄鋼板の下進溶接においても極めて良好なスラグ剥離性を得ることができる。
【００２８】
［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］が０．３未満であると、薄鋼板の立向下進溶接において良好なスラグ剥離性が得られない。同様に、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］が１．２を超えると、薄鋼板の立向下進溶接において良好なスラグ剥離性が得られない。従って、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］は０．３乃至１．２とする。
【００２９】
なお、本発明に係るフラックス入りワイヤのワイヤ断面形状、ワイヤ径及びシールドガス等の条件は特に限定されるものではない。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００３１】
先ず、フラックス中における全ての含有成分等が本発明の範囲内であるものを実施例とし、少なくとも１種が本発明の範囲から外れているものを比較例として、鋼製外皮中にフラックスを充填してワイヤ径が１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを作製した。各フラックス中の含有成分（重量％）等を下記表１乃至４に示す。
【００３２】
【表１】
0004040765.tif 000002
【００３３】
【表２】
0004040765.tif 000003
【００３４】
【表３】
0004040765.tif 000004
【００３５】
【表４】
0004040765.tif 000005
【００３６】
次に、これらのワイヤを使用して、下記表５に示す溶接方法によって鋼板を溶接し、スラグの被包性、ビードの形状及びスパッタの発生量性等を観察することによって、溶接作業性を評価した。これらの評価結果を下記表６及び７に示す。なお、表６及び７において、◎は極めて良好であることを示し、○は良好であることを示し、△は不良であることを示し、×は極めて不良であることを示す。
【００３７】
【表５】
0004040765.tif 000006
【００３８】
【表６】
0004040765.tif 000007
【００３９】
【表７】
0004040765.tif 000008
【００４０】
上記表６及び７に示すように、実施例１乃至３においては、フラックス中の化学成分等が全て本発明の範囲内であるので、優れた溶接作業性を示した。
【００４１】
一方、比較例４においては、ＴｉＯ2含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アークが不安定となり、スラグの被包性が不良である。このため、スパッタが多く発生しビードの形状及び外観が不良となった。
【００４２】
比較例５においては、ＴｉＯ2含有量及びＡｌ2Ｏ3含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スパッタが垂れやすくなると共に、スラグの被りが不均一となった。このため、ビードの外観が極めて不良であった。更に、スパッタの発生量が多大であった。
【００４３】
比較例６においては、Ａｌ2Ｏ3含有量が本発明範囲の上限を超えており、Ｋ2Ｏ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アークが不安定で強くなりすぎ、スパッタ量が増大しビードの外観及び形状が不良であった。
【００４４】
比較例７においては、Ｋ2Ｏ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、アークが弱くなると共に、スラグが垂れやすくなり、ビードの形状及び外観が不良であった。
【００４５】
比較例８においては、Ｋ2Ｏ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、アークが不安定となりスパッタ量が増大した。
【００４６】
比較例９においては、Ｓｉ及びＭｎの含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ピットが発生しやすくなってビードのなじみ性が劣化しその形状が不良であった。
【００４７】
比較例１０においては、Ｓｉ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、アークが強くなりすぎ、スパッタ量が増大した。
【００４８】
比較例１１においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、ビードのなじみ性が低くビードの形状が不良であった。
【００４９】
比較例１２においては、Ｆｅ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、所望ののど厚が得られず、ビード形状が不良であった。
【００５０】
比較例１３においては、Ｆｅ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、ビードが垂れやすく、ビードの外観及び形状が不良であった。また、Ｋ2Ｏ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、スラグが極めて垂れやすかった。
【００５１】
比較例１４においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、ビードのなじみ性が低下しビードの形状が不良であった。
【００５２】
比較例１５においては、Ｆｅ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ビードののど厚が不足しその形状が不良であった。
【００５３】
比較例１６及び１８においては、（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］が本発明範囲の下限未満であるので、スラグが垂れやすくなりビードの外観及び形状が不良であった。
【００５４】
比較例１７及び１９においては、（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］が本発明範囲の上限を超えているので、スラグの被包性が劣化しビードの外観及び形状が不良であった。
【００５５】
比較例２０及び２１においては、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］以外の数値は本発明で規定する範囲内にあるので、スラグ剥離性を除いた溶接作業性が優れていた。しかし、ＦｅＯ又はＦｅ2Ｏ3のいずれもが含有されていないので、スラグ剥離性が不良であった。
【００５６】
比較例２２においては、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］以外の数値は本発明で規定する範囲内にあるので、スラグ剥離性を除いた溶接作業性が優れていた。しかし、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］の値が本発明範囲の下限未満であるので、即ち、Ｆｅ酸化物の含有量がＡｌ2Ｏ3含有量より相対的に高いので、スラグ剥離性が不良であった。
【００５７】
比較例２３においては、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］の値以外の化合物の含有量は本発明で規定する範囲内にあるので、スラグ剥離性を除いた溶接作業性が優れていた。しかし、［Ａｌ2Ｏ3］／［ＦｅＯ＋Ｆｅ2Ｏ3］の値が本発明範囲の上限を超えているので、即ち、即ち、Ｆｅ酸化物の含有量がＡｌ2Ｏ3含有量より相対的に低いので、スラグ剥離性が不良であった。
【００５８】
比較例２４においては、Ａｌ2Ｏ3含有量が本発明範囲の下限未満であるので、スラグが垂れ、ビード外観が極めて悪かった。
【００５９】
比較例２５においては、Ｓｉ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ピットが発生し、且つビードのなじみが悪くなり、ビードの外観及び形状が不良であった。
【００６０】
比較例２６においては、Ｍｎ含有量が本発明範囲の下限未満であるので、ピットが発生し、ビードの外観及び形状が不良であった。
【００６１】
なお、比較例４乃至１３、比較例１６乃至２１及び比較例２４乃至２６においては、Ｆｅ酸化物が含有されていないので、全体的にスラグの剥離性が不良であった。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、厚さが２乃至６ｍｍ程度の薄鋼板の立向下進溶接においてもアンダーカットがなく形状、外観及び揃い具合が極めて良好なビードを得ることができる。また、薄鋼板の溶接におけるスラグ剥離性を著しく向上させることができるので、スラグを除去するための時間を短縮することができる。従って、溶接工程数を低減して作業能率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】数式（［ＴｉＯ2］＋［Ａｌ2Ｏ3］）／［Ｋ2Ｏ］で表される値とスラグの被包性との関係を示すグラフ図である。
【図１】
0004040765.tif 000009