(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮中にフラックスを充填してなるアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して、Ｓｎ：０．００４質量％以下、Ｂ：０．００５質量％以下、及びＢｉ＋Ｐｂ：０．００５質量％以下に規制し、Ｍｎ：２．５乃至３．０質量％、Ｓｉ：０．５乃至１．５質量％及びチタン酸化物原料：５．０乃至８．０質量％を含有し、前記チタン酸化物原料はチタン酸化物原料全質量あたりＳｎを０．０８質量％以下に抑制したものであることを特徴とするチタニヤ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】
本発明は全姿勢溶接性及び溶接作業性が優れているチタニヤ系フラックス入りワイヤに関し、特に、耐高温割れ性能の向上を図ったチタニヤ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の中で、特に、スラグ造滓剤（主に酸化チタン）を含有させたチタニヤ系の全姿勢溶接用ＦＣＷは、１つのワイヤで全姿勢溶接できるだけでなく、良好な溶接作業性、高能率性、及び良好な溶接金属性能等を有し、このため造船及び橋梁をはじめとする広範囲な分野で使用されている。
【０００４】
しかし、チタニヤ系ＦＣＷの欠点の一つとして、同じ溶接用ワイヤとして知られているソリッドワイヤに比較し、耐高温割れ性能、特に、開先初層部及び狭隘部の溶接時の耐高温割れ性能が劣る点が挙げられる。
【０００５】
従って、現在は、溶接電流を下げるか、又は開先角度を大きくする等の溶接施工面での配慮により、高温割れの防止を管理している。これは、逆に言うと、溶接能率が下がり、経済性の面から、好ましい状態ではない。従って、チタニヤ系のＦＣＷの優れた性能である全姿勢溶接性及び溶接作業性等を保持したままで耐高温割れ性能を向上することが望まれている。
【０００６】
従来、溶接金属の高温割れ性能に関する研究がなされており、例えば、溶接学会誌第４９巻（１９８０年）第１号１９乃至２３頁及び第４４巻（１９７５年）第７号第２０乃至２５頁等に記載されている（従来例１）。この従来例１の刊行物においては、Ｐ、Ｓ、及びＢ等の元素が耐高温割れ性を著しく劣化させること、また、この高温割れの防止としてＭｎの添加が有効であること等が記載されている。
【０００７】
また、特開平２−５５６９７号公報には、フラックス中にアルカリ土類金属の弗化物を含有させたガスシールドアーク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）。この従来例２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は、ワイヤのＣ量及び水分量を規定し、更に、フラックス中に適切な量のフッ化物を添加することによって、通常のチタニヤ系フラックス入りワイヤよりも耐割れ性の向上を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例１の研究成果が既に適用されているものの、それでも現状のチタニヤ系フラックス入りワイヤの耐高温割れ性は近時の溶接性能向上の要求を満足するものではない。近時、耐高温割れ性能として、具体的には、ソリッドワイヤと同等の耐高温割れ性能が要求されている。
【０００９】
また、従来例２の技術においては、弗化物をチタニヤ系のワイヤに添加した場合、少なからずスパッタが増加するという悪影響があり、実用上、使用可能なレベルに至っていないという問題点がある。
【００１０】
このように、良好な溶接作業性を有し、ソリッドワイヤレベルの耐高温割れ性能を有したチタニヤ系ＦＣＷは従来存在せず、このため、耐高温割れ性能が優れたチタニヤ系ＦＣＷの早期開発が望まれている。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、全姿勢溶接性、並びに優れた溶接作業性及び溶接金属性能を有すると共に、ソリッドワイヤレベルの耐高温割れ性能を有したチタニヤ系フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮中にフラックスを充填してなるアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して、Ｓｎ：０．００４質量％以下、Ｂ：０．００５質量％以下、及びＢｉ＋Ｐｂ：０．００５質量％以下に規制し、Ｍｎ：２．５乃至３．０質量％、Ｓｉ：０．５乃至１．５質量％及びチタン酸化物原料：５．０乃至８．０質量％を含有し、前記チタン酸化物原料はチタン酸化物原料全質量あたりＳｎを０．０８質量％以下に抑制したものであることを特徴とする。
【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。上述したように、チタニヤ系ＦＣＷの耐高温割れ性能がソリッドワイヤに比較して劣る理由としては、以下の点が考えられる。即ち、ＦＣＷの場合、フラックス中にＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2などのスラグ造滓剤を多量に含有させており、ソリッドワイヤに比較して、溶接金属中の酸素量が高く、不純物が多い等の難点がある。しかし、スラグ造滓剤は、チタニヤ系のＦＣＷ最大の特徴である全姿勢溶接性及び良好な溶接作業性等の性能をもたらすために必須のものである。このため、チタニヤ系のＦＣＷからスラグ造滓剤を削除することは本質的に不可能である。従って、酸素又は不純物成分量を下げて、不純物からなる酸化物の量を低減することが有効である。
【００１４】
本願発明者等は、種々のワイヤを試作し、先ず、溶接金属中の酸素を下げることを試みた。しかしながら、ＴｉＯ2及びＺｒＯ2は、元来、酸化物であることから、チタニヤ系ＦＣＷの溶接金属中の酸素量を大きく低下させることができない。
【００１５】
次に、本願発明者等は不純物成分量を下げることを試みた。本願発明者等は溶接中に溶接金属から不純物を除去して溶接金属を浄化する方法等に比して、最初からワイヤ中に不純物を添加しない方法の方が不純物成分量の低減に有効であることを知見した。そして、本願発明者等は、逆に、どの原料から不純物が混入しているかを調査したところ、先ず、衝撃性能向上及びスラグ剥離性向上のため、積極的に添加しているＢ、Ｂｉ及びＰｂを削除することにより、低融点酸化物を排除できることを見い出した。このＢ、Ｂｉ及びＰｂの削除の結果、衝撃性能及びスラグ剥離性が劣化するが、この衝撃性能及びスラグ剥離性の劣化は、Ｍｎの量及びスラグ造滓剤量を共に増加することにより改善できる。また、従来例１に記載されているように、Ｍｎ量の増加は、耐高温割れ性能の面からも望ましく、効果的である。
【００１６】
更に、本願発明者等は、耐高温割れ性に対して、チタン酸化物原料に混入する不純物の影響が最も大きいことを知見した。ＦＣＷの場合、鋼製外皮中に含まれる不純物と、フラックス中に含まれる不純物とがある。前者の不純物（主に、Ｐ、Ｓ）は、外皮自体が製鋼メーカで製造上管理されていることから、不純物が比較的安定して低いのに対して、フラックス原料（特に、造滓剤）は、経済性の面から、天然鉱石を使用することが多く、従って、産地及び時期等によって不純物の種類及び量が異なる。その中でも、チタン酸化物原料に混入するＳｎが耐高温割れ性能に大きな影響を及ぼし、Ｓｎ量を低値に管理することで、飛躍的に耐高温割れ性能を向上させることができることを本願発明者等が見い出した。また、溶接金属中からＳｎを減少させることは、衝撃性能向上の面からも好ましい。なお、チタン酸化物原料中のＳｎの含有量は通常０．２％程度である。その除去方法としては、浮選選鉱又は湿式共洗い法等、比較的簡易な方法で行えるので経済的にも有用である。
【００１７】
更に、チタン酸化物原料中に含有されるＮｂ及びＶもその量を少なくするように管理することが好ましい。これにより、耐高温割れ性能及び衝撃性能を向上することができる。しかしながら、Ｎｂ及びＶは、Ｓｎのように簡単に除去することができないことから、製造コストが上昇してしまう。
【００１８】
以下、本発明のチタニヤ系フラックス入りワイヤの組成及び数値の限定理由について説明する。
【００１９】
Ｓｎ含有量：０．００４質量％以下
Ｓｎ含有量が０．００４質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣る。また、衝撃性能も劣る。従って、Ｓｎ含有量は０．００４質量％以下に制限する。なお、Ｓｎの含有量は、Ｓｎ単体の量とＳｎ化合物中のＳｎ換算量との総和である。
【００２０】
Ｂ含有量：０．００５質量％以下
Ｂ含有量が０．００５質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣る。従って、Ｂ含有量は０．００５質量％以下に制限する。なお、Ｂの含有量は、Ｂ単体の量とＢ化合物中のＢ換算量との総和である。
【００２１】
Ｂｉ＋Ｐｂ含有量：０．００５質量％以下
Ｂｉ＋Ｐｂ含有量が０．００５質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣る。従って、Ｂｉ＋Ｐｂ含有量は０．００５質量％以下に制限する。なお、Ｂｉの含有量は、Ｂｉ単体及びＢｉ化合物中のＢｉ換算量の総和であり、Ｐｂの含有量は、Ｐｂ単体及びＰｂ化合物中のＰｂ換算量の総和である。
【００２２】
Ｍｎ含有量：２．５乃至３．０質量％
Ｍｎ含有量が２．５質量％より少ないと、衝撃性能が劣化する。一方、Ｍｎ含有量が３．０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく高くなり、低温割れ性能が劣化する。従って、Ｍｎ含有量は、２．５乃至３．０質量％とする。溶接金属の強度を考慮すると、Ｍｎ含有量は２．５乃至２．７質量％とすることが好ましい。
【００２３】
Ｓｉ：０．５乃至１．５質量％
Ｓｉ含有量が０．５質量％未満であると、ビードのなじみ性が劣化し、ビード形状が悪化する。逆に、Ｓｉ含有量が１．５質量％より超えると、衝撃性能が劣化する。従って、Ｓｉの含有量は０．５乃至１．５質量％とする。
【００２４】
Ｓｎを０．０８質量％以下（チタン酸化物原料全質量あたり）に抑制したチタン酸化物原料：５．０乃至８．０質量％
チタン酸化物原料にはＳｎが混入しているが、本件発明者等は、このＳｎが耐高温割れ性能に大きな影響を及ぼし、Ｓｎ量を低値に管理することで、飛躍的に耐高温割れ性能を向上させることができることを見出した。チタン酸化物原料中のＳｎの含有量は通常０．２％程度である。本発明においては、チタン酸化物原料中のＳｎを０．０８質量％以下に制限したものを使用する。これにより、耐高温割れ性が飛躍的に向上する。チタン酸化物原料中のＳｎの除去方法としては、浮選選鉱又は湿式共洗い法等、比較的簡易な方法で行えるので経済的にも有用である。
【００２５】
チタン酸化物原料の含有量はワイヤ全質量あたり５．０乃至８．０質量％である。チタン酸化物原料が５．０質量％未満では、全姿勢溶接性が劣り、特に立て向き上進、上向き溶接においてビード形状が悪化すると共に、スラグ剥離性も劣化する。逆に、チタン酸化物原料が８．０質量％よりも多くなると、スラグ量が多くなりすぎるため、スラグ巻き込み等の溶接欠陥が生じやすくなり、耐気孔性も劣る。チタン酸化物原料としては一般的なルチール、チタンスラグ、ルコキシン、合成ルチール等を使用できるが、いずれにしても、Ｓｎを除去する等して、Ｓｎの含有量を０．０８質量％以下に規制したものを使用する。なお、合成ルチールはＳｎ以外の不純物も少ないので好適である。
【００２６】
なお、Ｎｂ＋Ｖ含有量を０．０２０質量％以下に規制することにより、耐高温割れ性能及び衝撃性能を更に向上させることができる。従って、Ｎｂ＋Ｖ含有量は０．０２０質量％以下に規制することが好ましい。また、耐高温割れ性能及び衝撃性能を更に高めるために、Ｎｂ＋Ｖ含有量は０．００５質量％以下に規制することが更に好ましい。なお、Ｎｂの含有量は、Ｎｂ単体の量とＮｂ化合物のＮｂ換算量との総和であり、Ｖの含有量は、Ｖ単体の量とＶ化合物のＶ換算量との総和である。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明のチタニヤ系フラックス入りワイヤを実際に製造し、その特性を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】
実施例に使用したワイヤは、線径が直径１．２ｍｍ、外皮金属組成は、例えば下記表１に示す軟鋼等である。なお、フラックス率は、１４．５％である。また、ワイヤの中のＳｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、及びＶの調整は、使用するチタン酸化物原料を選定したり、各酸化物試薬を原料として行った。下記表２は使用したチタン酸化物原料の組成を示す。また、Ｍｎ、Ｓｉの調整としては、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金を使用した。下記表３にワイヤ組成（配合値）を示す。なお、表３のその他の欄は、殆どがＦｅで、Ａｌ２Ｏ３及びフッ素化合物等を若干含む。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
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【００３１】
【表３】
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【００３２】
次に、得られた供試材の評価方法について説明する。耐高温割れ性能は、大きさが厚さ２０ｍｍ、幅１５０＋１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍの鋼板（ＳＭ４９０Ａ）を溶接母材とする溶接試験により評価した。下記表４は本実施例で使用した溶接母材の組成を示す。
【００３３】
【表４】
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【００３４】
図１は本実施例の耐高温割れ性能試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。図１に示すように、溶接母材１はＶ形状の開先を有し、このＶ形状の開先部の裏面には、耐火物及びアルミニウムテープ等からなる裏あて材２が配置されている。本実施例の耐高温割れ性能試験においては、このＶ形状の開先角度を３０゜として、裏あて材２が配置されている部分のルート間隔を５ｍｍとした。そして、溶接電流２２０Ａ、運棒方法はストレート、繰り返し数を４回とし、片面溶接の初層溶接について、Ｘ線透過試験（ＪＩＳ  Ｚ  ３１０４）にて内部割れを確認し、その全長を測定した。そして、下記数式１から割れ率（Ｗ）を算出した。なお、割れ率Ｗは、繰り返し数４回の平均値とした。
【００３５】
【数１】
割れ率Ｗ＝（割れトータル長さ）／（溶接長）×１００
【００３６】
この耐高温割れ性試験の結果を下記表５に示す。表５の耐高温割れ性の欄において、○は割れなし、△は割れ率が５％以下、×は割れ率が５％を超得る場合である。
【００３７】
【表５】
0004206222.tif 000006
【００３８】
また、溶接金属の衝撃性能及び強度は、ＪＩＳ  Ｚ  ３３１３に規定される全溶着金属の試験方法に準じて行った。即ち、大きさが厚さ２０ｍｍ、幅１５０＋１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍであって、下記表６に示す組成の鋼材（ＳＭ４９０Ａ）を溶接母材として使用した。図２は本実施例の衝撃性能及び引張強度試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。図２に示すように、溶接母材３はＶ形状の開先を有し、このＶ形状の開先部の裏面には、溶接母材３と同一の化学組成を有する裏あて金４が配置されている。本実施例の衝撃性能及び引張強度試験においては、このＶ形状の開先角度を４５゜として、裏あて金４が配置されている部分のルート間隔を１２ｍｍとした。そして、溶接電流は２８０Ａ、積層方法は５層１０パス、繰り返し数は２回とし、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１１により、衝撃試験及び引張試験を行った。
【００３９】
【表６】
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【００４０】
この衝撃試験及び引張試験の結果を表５に併せて示す。衝撃性能については、シャルピー衝撃値が１１０Ｊ以上のものを◎、８０以上１１０Ｊ未満のものを○、５０以上８０Ｊ未満のものを△、５０Ｊ未満のものを×とした。引張強度については、４９０以上６２０Ｎ／ｍｍ2未満のものを○、６２０Ｎ／ｍｍ2以上のものを△とした。
【００４１】
全姿勢での作業性は従来ワイヤレベルを○、従来ワイヤ以下を△とする官能評価にて行った。この全姿勢作業性についても表５に併せて示す。
【００４２】
表５に示すように本発明の実施例１乃至６は、全ての組成について本発明範囲内であり、優れた耐高温割れ性を示した。また、実施例１乃至６は、良好な全姿勢溶接性及び衝撃性能を示した。
【００４３】
一方、従来例７はＭｎ以外にＳｎのワイヤ全体の含有量、チタン酸化物原料のＳｎ量、Ｂ、Ｂｉ＋Ｐｂの量が本発明の範囲外であり、耐高温割れ性が悪い。
【００４４】
比較例８はＴｉ酸化物のＳｎ含有量が本発明範囲より多い例であり、Ｔｉ酸化物の含有量は下限値であるものの、耐高温割れ性が劣化した。比較例９、１０はＴｉＯ２酸化物の含有量が本発明の範囲から外れている。比較例９は、チタン酸化物が少なすぎるため、全姿勢溶接（特に、立向上進溶接及び立向溶接）での作業性が劣り、スラグ剥離性が劣化した。比較例１０は、ＴｉＯ２酸化物が多すぎるため、スラグ巻が発生し易く、耐気孔性も劣化した。比較例１１〜１３はＴｏｔａｌＳｎ、Ｂ、Ｂｉ＋Ｐｂの含有量が本発明範囲から外れているので、いずれの場合も耐高温割れ性能が劣るものであった。比較例１４、１５はＭｎの含有量が本発明の範囲から外れものである。比較例１４はＭｎが少なすぎるため、衝撃性能が劣化した。比較例１５はＭｎが多すぎるため、引張強度が高くなりすぎ、耐低温割れ感受性が増大した。比較例１６，１７はＳｉの含有量が本発明の範囲から外れるものである。比較例１６はＳｉ含有量が少なすぎるため、ビードのなじみが劣り、ビード形状が悪化した。また、比較例１７は、Ｓｉが多すぎるため、衝撃性能が劣化した
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ワイヤに含有する組成を適切に規定したため、全姿勢溶接性及び溶接作業性等が優れていると共にソリッドワイヤと同等以上の耐高温割れ性を有するチタニヤ系フラックス入りワイヤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の耐高温割れ性能試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例の衝撃性能及び引張強度試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。
【符号の説明】
１、３；溶接母材
２；裏あて材（セラミックタイプ）
４；裏あて金（ＳＭ４９０Ａ）
【図１】
0004206222.tif 000008
【図２】
0004206222.tif 000009