(57)【要約】【課題】  耐火鋼を使用した建築構造物の溶接部を耐火被覆なしで施工できるように、溶接作業性が良好で溶接欠陥がなく高温強度、常温強度および低温衝撃靱性に優れた溶接金属が得られる耐火鋼用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。【解決手段】  鋼製外皮内にフラックスを充填してなる耐火鋼用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、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックスに、ＢａＦ２：６．５〜１１．０％、Ｓｒ複合酸化物：３．０〜５．０％、Ｍｇ：１．０〜３．０％を含有し、かつ鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、Ｃ：０．０２〜０．０７％、Ｍｎ：０．５〜２．０％、Ａｌ：１．０〜２．５％、Ｎｉ：１．６〜３．０％、Ｍｏ：０．３〜０．８％を含有し、その他は鋼製外皮のＦｅ、３％以下の金属弗化物と金属炭酸塩の１種または２種、１０％以下の鉄粉および不可避不純物である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮内にフラックスを充填してなる耐火鋼用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、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックスに、
ＢａＦ２：６．５〜１１．０％、
Ｓｒ複合酸化物：３．０〜５．０％、
Ｍｇ：１．０〜３．０％
を含有し、かつ鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、
Ｃ：０．０２〜０．０７％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ａｌ：１．０〜２．５％、
Ｎｉ：１．６〜３．０％、
Ｍｏ：０．３〜０．８％
を含有し、その他は鋼製外皮のＦｅ、３％以下（０％を含む）の金属弗化物と金属炭酸塩の１種または２種、１０％以下（０％を含む）の鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする耐火鋼用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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に建築分野において使用される耐火鋼用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、特に耐火強度とともに、常温における高強度および低温衝撃靱性に優れた溶接金属が得られる耐火鋼用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。
【背景技術】
【０００２】
セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、フラックス中にガス発生剤成分を多量に含有しているので自己シールド性が強く、溶接時にアーク雰囲気および溶融池をシールドガスにより大気から遮断する必要がないという特徴を有している。
【０００３】
しかし、セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、シールドガスを使用するガスシールドアーク溶接用ワイヤに比べ溶接作業性が悪いという欠点がある。その欠点を改善するため、例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３などに溶接作業性を改善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が提案されており、屋外の特に建築構造物の施工に好んで使用されている。
【０００４】
一方、建築鋼構造物は、火災時の熱的倒壊防止のために鋼材として耐火鋼が使用されるようになり、その溶接部には耐火被覆を重厚に施すという耐火被覆施工が行われる。しかし、耐火被覆施工はコスト高になるとともに、建築物の利用スペースを狭くするものであり、無耐火被覆施工の要求が強い。
【０００５】
無耐火被覆施工の場合は、溶接金属についても耐火鋼材に相応した高温強度を確保しなければならない。また、平時における常温強度および低温衝撃靱性にも優れた溶接金属としなければならない。前述の特許文献１、特許文献２および特許文献３を適用した場合、溶接作業性は良好であるが高温強度および低温衝撃靭性を得ることができない。
【０００６】
無耐火被覆施工を目的とした耐火鋼用セルフシールドアーク溶接用ワイヤとして、例えば、特許文献４による提案があるが、最近の寒冷地立地の高層建築構造物で使用される高強度耐火鋼に対しては、溶接金属の低温衝撃靱性が得られないという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１２６８９３号公報
【特許文献２】特開２０００−３０１３８２号公報
【特許文献３】特開２００７−２１６２８２号公報
【特許文献４】特開平２−２００３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、耐火鋼を使用した建築構造物の溶接部を耐火被覆なしで施工できるように、溶接作業性が良好で溶接欠陥がなく高温強度、常温強度および低温衝撃靱性に優れた溶接金属が得られる耐火鋼用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目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を解決するために、溶接作業性が良好なＢａＦ２系のセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを種々試作して検討した結果、特に溶接金属の主要な合金成分としたＣ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｏをそれぞれ適正範囲に含有させることにより、高強度耐火鋼の溶接において、高温強度、常温強度および低温衝撃靱性をいずれをも満足できることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
本発明の要旨は、次のとおりである。
【００１１】
（１）鋼製外皮内にフラックスを充填してなる耐火鋼用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、ワイヤ全質量に対する質量％で、フラックスに、
ＢａＦ２：６．５〜１１．０％、
Ｓｒ複合酸化物：３．０〜５．０％、
Ｍｇ：１．０〜３．０％
を含有し、かつ鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で、
Ｃ：０．０２〜０．０７％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ａｌ：１．０〜２．５％、
Ｎｉ：１．６〜３．０％、
Ｍｏ：０．３〜０．８％
を含有し、その他は鋼製外皮のＦｅ、３％以下（０％を含む）の金属弗化物と金属炭酸塩の１種または２種、１０％以下（０％を含む）の鉄粉および不可避不純物であることを特徴とする耐火鋼用セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の耐火鋼用セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、高強度耐火鋼の建築構造物に使用して、溶接作業性が良好で溶接欠陥がなく、溶接部の耐火被覆施工なしで火災時の耐火性とともに、強度および低温衝撃靱性に優れた溶接金属が得られるので、施工コストの低減および建築構造物の品質向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、溶接作業性が良好なＢａＦ２系のセルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを種々試作して検討した結果、特に溶接金属の主要な合金成分としたＣ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｏをそれぞれ適正範囲に含有させることにより、高強度耐火鋼の溶接において、高温強度、常温強度および低温衝撃靱性をいずれをも満足できることを見出した。
【００１４】
以下に、本発明の耐火鋼用セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分限定理由を述べる。
【００１５】
ＢａＦ２：６．５〜１１．０質量％（以下、％という。）
ワイヤ全質量に対する質量％で（以下同じ）、ＢａＦ２は主要なガス発生剤およびスラグ形成剤として含有させる。ＢａＦ２が６．５％未満ではシールド効果が不十分でビード表面および内部に気孔が発生しやすくなる。一方、ＢａＦ２が１１．０％を超えるとスラグ生成量が多くなりスラグ巻き込み欠陥が発生しやすくなる。より好ましい範囲は７．０〜１０．５％である。
【００１６】
Ｓｒ複合酸化物：３．０〜５．０％
Ｓｒ複合酸化物はスラグ形成剤として含有させる。Ｓｒ複合酸化物が３．０％未満では溶融スラグの凝固が速く小さい溶融プールとなる。このためアークが不安定でスラグ巻き込み欠陥が発生しやすくなる。一方、Ｓｒ複合酸化物が５．０％を超えると溶融プールが不安定になりスラグ巻き込み欠陥が発生しやすくなる。より好ましい範囲は３．３〜４．５％である。
【００１７】
なお、Ｓｒ複合酸化物とは、ＳｒＦｅ２Ｏ４、ＳｒＦｅ１２Ｏ１９およびＳｒＯ・６Ｆｅ２Ｏ３などをいう。
【００１８】
Ｍｇ：１．０〜３．０％
Ｍｇは強脱酸剤であるが、アーク安定剤およびスラグ形成剤としても作用する。Ｍｇが１．０％未満では脱酸不足による気孔が発生し、また溶滴が小粒とならずアーク不安定でスパッタ発生量も多くなる。一方、Ｍｇが３．０％を超えるとスラグ生成量が多くなりスラグ巻き込み欠陥が発生しやすくなる。より好ましい範囲は１．２〜２．７％である。
【００１９】
Ｃ：０．０２〜０．０７％
Ｃは溶接金属に要求される機械的性質を確保する。Ｃが鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で０．０２％未満では常温強度が低く、また溶接金属のミクロ的組織の微細化が不十分で衝撃靱性が低下する。一方、Ｃが０．０７％を超えると強度が高くなり衝撃靱性が低下する。より好ましい範囲は０．０２〜０．０６％である。
【００２０】
Ｍｎ：０．５〜２．０％
Ｍｎは溶接金属に要求される機械的性質を確保する。Ｍｎが鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で０．５％未満では常温強度不足や衝撃靱性が低下する。一方、Ｍｎが２．０％を超えると強度が高くなり衝撃靱性が低下する。より好ましい範囲は０．７〜１．８％である。
【００２１】
Ａｌ：１．０〜２．５％
Ａｌは強脱剤および大気から浸入した窒素を固定して気孔を防止する。Ａｌが鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で１．０％未満では気孔が発生しやすくなる。一方、Ａｌが２．５％を超えると溶接金属に歩留まるＡｌ量が過剰になりミクロ組織が粗大化して衝撃靱性が低下する。より好ましい範囲は１．２〜２．３％である。
【００２２】
Ｎｉ：１．６〜３．０％
Ｎｉは低温衝撃値を向上させる。Ｎｉが鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で１．６％未満では衝撃靱性が低下する。一方、Ｎｉが３．０％を超えると強度上昇による低温割れが生じやすくなる。また、ワイヤのコストが高くなる。より好ましい範囲は１．８〜２．８％である。
【００２３】
Ｍｏ：０．３〜０．８％
Ｍｏは特に高温強度を確保する。Ｍｏが鋼製外皮とフラックスの一方または両方の合計で０．３％未満では高温強度低下して耐火性が得られないまた、常温強度も低くなる。一方、Ｍｏが０．８％を超えると常温強度が高くなりすぎて衝撃値が低下する。より好ましい範囲は０．３５〜０．７５％である。
【００２４】
以上、本発明の耐火鋼用用セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの構成要件の限定理由を述べたが、必要に応じて、その他の成分としては金属弗化物（ＢａＦ２は除く）としてＳｒＦ２やＣａＦ２等をガス発生剤およびスラグ形成剤として補助的に少量含有させることは可能であるが、スパッタ発生量が増加するので、これらは合計で２％以下に抑えることが好ましい。また、ＮａＦやＬｉＦなどの金属弗化物、ＢａＣＯ３、Ｌｉ２ＣＯ３、ＣａＣＯ３などの金属炭酸塩をガス発生剤として少量含有させることも可能であるが、これらについても同様にスパッタ発生量を増加させるので１％以下に抑えることが好ましい。いずれにしても、合計量として３％以下の金属弗化物と金属炭酸塩の１種又は２種を添加すればガス発生剤およびスラグ形成剤としての効果を得ることが可能となるが、必ずしも添加しなくても良い。したがって、金属弗化物と金属炭酸塩の１種又は２種を合計量として３％以下（０％を含む）とした。鋼製外皮およびフラックスに起因する微量成分および不純物については、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＺｒＯ２：０．２％以下、Ｓｉ：０．２％以下、Ｐ：０．００２０％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｖ：０．０１５％以下、Ｎｂ：０．０１５％以下、Ｃｒ：０．２％以下であることが好ましい。Ｃｕをワイヤ表面へのめっきやフラックス原料から溶接金属に故意に含有させて耐候性や低温衝撃値を高める場合は、耐高温割れ性の観点から上限を０．５％以下に抑えることが好ましい。さらに、フラックス成分として鉄粉を１０％以下の範囲で含有させることは、アーク安定性と同一電流におけるワイヤ溶融速度を向上させることができる。鉄粉が１０％を超えるとワイヤ製造が困難となるので１０％以下（０％を含む）とすることが好ましい。
【００２５】
本発明の耐火鋼用セルフシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、軟鋼または低合金鋼の鋼製外皮内に、フラックスをワイヤ全質量に対して１５〜２５％程度を充填後、孔ダイス伸線やローラ圧延加工により所定のワイヤ径（１．６〜２．４ｍｍ）に縮径して製造する。
【００２６】
ワイヤ断面形態は図１（ａ）のシームレス（合せ目なし）、（ｂ）および（Ｃ）に示す合せ目ありのいずれでもよい。図１の１は鋼製外皮、２はフラックス、３は合せ目を示す。
【００２７】
以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００２８】
鋼製外皮（Ｃ：０．０１〜０．０４％、Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．２５〜０．４３％、Ｐ：０．０１０〜０．０１２％、Ｓ：０．００４〜０．００６％、Ａｌ：０．００５〜０．０１％）に、フラックスをワイヤ全質量に対し２０〜２３質量％充填し、縮径して、図１（ｃ）に示した断面形状でワイヤ径が２．０ｍｍのフラックス入りワイヤを各種試作した。表１にそれぞれの試作ワイヤを示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
これら試作ワイヤについて、図２に開先形状を示した試験板（板厚２５ｍｍの５９０Ｎ／ｍｍ２級鋼板の開先面に各試作ワイヤでライニングを施した。）を用いて開先形状を開先角度４５°、ギャップ１２ｍｍの裏当付きとし、表２に示す溶接条件で溶着金属試験を行った。図２の斜線部はライニング部（バタリング溶接部）を示している。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
各試験ワイヤについて、アーク安定性（スパッタ）、気孔発生の有無およびＸ線透過試験による内部気孔およびスラグ巻き込みの有無を評価した。各試験の評価基準は、アーク安定性は○：アークが安定しスパッタが少ない、×：アークが不安定でスパッタ多発、を示す。耐気孔性は○：ピットやブローホールの発生なし、×：ピットやブローホールの発生あり、を示す。気孔の生じなかった試験体についてＸ線透過試験を行い、Ｘ線透過試験結果は○：ＪＩＳ  Ｚ３１０４の１種１級、×：１種２級以上不合格、を示す。
【００３３】
次に、溶接作業性、気孔発生およびＸ線透過試験の評価が良好であった試験体について、試験板表面１０ｍｍ下の溶着金属部位置から高温引張試験片、常温引張試験片およびシャルピー衝撃試験片を採取して、それぞれ機械試験に供した。
【００３４】
高温引張は６００℃における０．２％耐力が３００Ｎ／ｍｍ２以上、常温引張は０．２％耐力が６００Ｎ／ｍｍ２以上で引張強さが７００Ｎ／ｍｍ２以上、シャルピー衝撃試験は試験温度−３０℃で吸収エネルギーが２７Ｊ以上を合格とした。これら結果を表３にまとめて示す。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
表１および表３中ワイヤ記号ＦＲ１〜ＦＲ１０が本発明例、ワイヤ記号ＦＲ１１〜ＦＲ２４は比較例である。
【００３７】
本発明例であるワイヤ記号ＦＲ１〜ＦＲ１０は、フラックスのＢａＦ２、ＳｒＯ・６Ｆｅ２Ｏ３およびＭｇ量が適量で、鋼製外皮とフラックスからのＣ、Ｍｎ、Ａｌ、ＮｉおよびＭｏ量が適正であるので、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ピットやブローホールが生じず耐気孔性が優れ、スラグ巻き込み欠陥が生じることなくＸ線結果も良好であり、高温引張試験における０．２％耐力、常温引張試験における０．２％耐力および引張強さが十分得られ、吸収エネルギーも高値が得られるなど極めて満足な結果であった。
【００３８】
比較例中ワイヤ記号ＦＲ１１はＢａＦ２が少ないので、ワイヤ記号ＦＲ２１はＡｌが低いので、どちらもビード表面にピットが生じた。
【００３９】
ワイヤ記号ＦＲ１２はＢａＦ２が多いので、ワイヤ記号ＦＲ１４はＳｒＯ・６Ｆｅ２Ｏ３が多いので、ワイヤ記号ＦＲ１６はＭｇが多いのでいずれもスラグ巻き込みが生じた。
【００４０】
ワイヤ記号ＦＲ１３は、ＳｒＯ・６Ｆｅ２Ｏ３が少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、スラグ巻き込みも生じた。
【００４１】
ワイヤ記号ＦＲ１５は、Ｍｇが少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、ビード表面にピットが生じた。
【００４２】
ワイヤ記号ＦＲ１７はＣが少ないので、ワイヤ記号ＦＲ１９はＭｎが少ないので、どちらも常温での引張強さが低く、吸収エネルギーも低値であった。
【００４３】
ワイヤ記号ＦＲ１８はＣが多いので、ワイヤ記号ＦＲ２０はＭｎが多いので、ワイヤ記号ＦＲ２４はＭｏが多いので、いずれも常温での引張強さが高く、吸収エネルギーが低値であった。
【００４４】
ワイヤ記号ＦＲ２２は、Ａｌが多いので吸収エネルギーが低値であった。また、Ｍｏが少ないので高温引張の０．２％耐力も低かった。
ワイヤ記号ＦＲ２３は、Ｎｉが少ないので吸収エネルギーが低値であった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】フラックス入りワイヤの断面形状を示す模式図で、（ａ）はシームレス（合せ目のない）、（ｂ）および（ｃ）は合せ目のあるワイヤの例を示す図である。
【図２】実施例に用いた試験板の開先形状を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  鋼製外皮
２  フラックス
３  合せ目
【図１】
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【図２】
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