(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低炭素鋼の軟鋼用外皮にチタニア系をベースとするフラックスを充填した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、
前期フラックスは、ワイヤ全重量に対して重量でTiO2 4.0〜8.0%、Mn 1.0〜3.0%、Si 0.1〜1.0%、B 0.002〜0.02%、Mg 0.2〜0.45%、Al 0.15〜0.3%を含有し、
前期Alに対するMgの含有比率が1.45以上1.55以下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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラックス入りワイヤに関し、特に、チタニア系をベースとするフラックスが充填され、炭酸ガスまたはアルゴンと炭酸ガスとの混合ガスをシールドガスとして使用す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】
一般に、軟鋼および引張強度が５０ｋｇｆ／ｍｍ２以上である高張力鋼に主として適用しているチタニア系フラックス入りワイヤは、作業性は非常に良好であるものの、低温や大入熱溶接などの溶接金属では衝撃靭性が低いことが短所として指摘されてきた。特に、衝撃値を厳格に規定している船級規格グレードＩＩＩ（Ｇｒａｄｅ  ＩＩＩ；−２０℃で５５Ｊ以上）、アルミニウムキルド鋼などの低温用鋼（−４０℃〜−５０℃で２８Ｊ以上）では溶接金属の衝撃値が問題となり、その適用が困難であった。そこで、塩基性系のフラックスを充填することによって溶接金属の低温における衝撃値はある程度満足させることができたが、作業性においては全姿勢溶接が不安である、あるいはスパッタおよび溶接ヒュームの発生が増加するなどの問題が生じた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、使用上の作業性と低温衝撃値に優れた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にその目的がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、低炭素鋼の軟鋼用外皮にチタニア系をベースとするフラックスを充填した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、前記フラックスは、ワイヤ全重量に対して重量でＴｉＯ２  ４．０〜８．０％、Ｍｎ  １．０〜３．０％、Ｓｉ  ０．１〜１．０％、Ｂ  ０．００２〜０．０２％、Ｍｇ０．２〜０．４５％、Ａｌ  ０．１５〜０．３％を含有したことを特徴とする。ここで、前記Ａｌに対する前記Ｍｇの含有比率が１．４５以上１．５５以下であればより好ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成についてさらに詳細に説明する。
本発明において、軟鋼用外皮の内部に充填されるフラックスは、各々アーク安定剤、スラグ形成剤、脱酸剤および合金添加剤などの機能をし得るように配合して構成される。このうち、スラグ被包性と流動性を考慮して、酸化物としてＴｉＯ２成分の含量（以下、重量％）がワイヤ全重量に対して４．０〜８．０％となるようにする。また、脱酸剤としてＦｅ−Ｍｎ、Ｍｅ−Ｍｎ、その他のＭｎ合金鉄などをフラックス中に添加し、これらをＭｎ量で換算したとき、ワイヤ全重量に対して１．０〜３．０％の範囲となるようにする。
【０００６】
そして、脱酸機能とスラグの粘性などを考慮してＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂなどを添加するものの、その構成比は、Ｓｉで換算したとき、ワイヤ全重量に対して０．１〜１．０％範囲となるようにし、Ｂはワイヤ全重量に対して０．００２〜０．０２％となるように調整することによって、スラグの被包性と流動性を一定にし、安定した全姿勢溶接を可能にし、且つ低温における衝撃値も向上させることができる。
【０００７】
また、アーク安定性とビードの形状を改善するためにＭｇとＡｌを添加するが、Ａｌに対するＭｇの含有比率（Ｍｇ／Ａｌ）が式（１）を満足できるようにすることによって、アークの安定性と集中力をさらに向上させ、前述したフラックスの諸般機能をさらに向上させて全姿勢溶接を便利にすることができ、特に、低温における衝撃靭性をさらに向上させることができる。
１．４５≦Ｍｇ／Ａｌ≦１．５５    −  −  −  式（１）
一方、ここに使用される供給原料としてはＭｇ−Ａｌ、Ｍｅ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｍｅ−Ａｌなどを添加することができる。
【０００８】
次いで、本発明のフラックスにおける数値限定の理由について詳細に説明する。チタニア系フラックスの主成分であるＴｉＯ２は、スラグ形成剤の機能とアーク安定剤の機能を果たす非常に重要な成分であって、スラグ形成剤としては珍しく優れた被包性と剥離性を有している。しかし、前記ＴｉＯ２は、４．０％未満では良好なビード外観と形状が得られなく、スラグ被包性に乏しくなり、アーク安定性も悪化されながらスパッタ発生量が増加することになる。また、８．０％を超えると、スラグ過多が発生してスラグ層が厚くなり、溶融池の浮上過程で非金属介在物として残存したり、スラグ混入が起こったりする恐れがある。
【０００９】
このＴｉＯ２の供給原料としては鉱石としてのルチルサンドや還元イルミナイトまたは酸化チタン、ルコキシンなどが使用される。脱酸剤として添加されるＭｎは、脱酸剤としての主機能とともに、溶接金属の酸素量を減らして低温靭性を向上させる付加的機能も果たす。しかし、前記Ｍｎは、１．０％未満では脱酸力が不充分なのでアークが不安定になる、もしくはブローホールが発生し易くなる。また、３．０％を超えると、強度が規定規格を超える、あるいは高温における割れが発生し易くなる。したがって、Ｍｎの含量は、ワイヤ全重量に対して１．０〜３．０％が好適で、供給原料としてはＦｅ−Ｍｎ、Ｍｅ−Ｍｎ、Ｓｉ−Ｍｎなどが使用される。
【００１０】
脱酸剤として添加されるＳｉは、溶接金属内の酸素を減らしたり、ＳｉＯ２形態のスラグとなって流動性と被包性をよくしたりし、且つ、スラグの粘性を調整してより容易に立向上進姿勢での溶接ができるようにする。しかし、０．１％未満では、その機能が不充分なので脱酸力が劣り、ブローホールの発生による溶接欠陥を引き起こしたり、スラグの被包性と粘性の不足によって立向上進姿勢での使用適用性が低下したりする。また、１．０％を超える場合には、溶接金属内のＳｉ含量が増加されてシグマ相を促進させ、低温靭性の劣化を生じさせる逆効果があるので注意が必要である。また、スパッタの発生量と溶接ヒュームの発生量を増加させたりすることもあるので、ワイヤ全重量に対して１．０％以下に限定するのが好ましく、供給原料としてはＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎなどがある。
【００１１】
Ｂは、溶接金属の組織を微細化して低温靭性を向上させる役割をするが、限定された範囲を超えると急速に金属を硬化させて高温割れを発生させるので、その使用量に対しては格別な注意が必要とされている。したがって、前記Ｂの添加量の限定範囲はワイヤ全重量に対して０．００２〜０．０２％にするのが好適である。
【００１２】
Ｍｇは、アーク安定剤と強力な脱酸剤としての機能を有し、アーク中で瞬間的な酸化反応によってＭｇＯに変化するが、このＭｇＯは、スラグの凝固点を上昇させることから、立向上進姿勢でビードの垂れのない溶接外観を可能にする。しかし、０．２％未満ではその効果は殆どなく、０．４５％を超える場合にはスパッタ発生量を増加させ、スラグの形成を弱くし、かえってビードの形状を悪くするので、その含量をワイヤ全重量に対して０．２〜０．４５％に限定する。
【００１３】
Ａｌは、脱酸剤としての機能を有し、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉとの複合的な作用によってスラグ形成を助け、溶融金属の垂れを防止する。しかし、０．３％を超える場合には、ビードの形状を悪くし、アーク感覚を硬くすることもあり、低温靭性を低下させるので、その添加量は０．１５〜０．３％にするのが好ましい。
【００１４】
前記ＭｇとＡｌの添加比率のＭｇ／Ａｌを、１．４５よりは大きく１．５５よりは小さくすると、本発明の主要特性の一つである全姿勢での溶接性を向上させ、立向上進姿勢での溶接をさらに便利にすることができる。また、アークの安定性による溶接能率を向上させることができ、−４０℃のアルミニウムキルド鋼で適用可能な水準の低温靭性値である５０Ｊ以上を得ることができる。
【００１５】
このようにＭｇとＡｌの適切な組合せによって他の脱酸剤の機能を上昇させることができると同時に、スラグの融点調整などが可能となって全姿勢の適用性にも優れていると言える。しかし、本発明で要求する範囲を外れる場合には、その他のフラックスの組成比を満足させてもその効果は半減されることになる。
【００１６】
次いで、本発明の実施例を比較例に基づいて具体的に比較、説明する。
【００１７】
【実施例】
軟鋼用外皮の内部に充填されるフラックスの成分と組成比が本発明の設計限定範囲内にあるものを実施例とし、少なくとも１種以上のフラックスが設計限定範囲を外れたものを比較例として試作品を製造した。
実施例と比較例に対するフラックスの組成比を表１に表した。
試作品は、充填率を１５％として１．２ｍｍ径に製造し、評価した。
【００１８】
次いで、試作製造されたワイヤを用いて表２に表した溶接条件にしたがって試験片溶接を施し、溶接時のアーク安定性、スパッタ発生量、スラグ剥離性およびヒューム発生量を確認した。
【表１】
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【表２】
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【００１９】
また、立向上進では、図１に示すＴ形の試験片に連続的にビード積層を施し、溶接に際して溶融金属の垂れの程度と溶接後のビード垂れなどを肉眼で観察し、その結果を表３に表した。（図面符号１は母材、２は溶接ビード、Ｄは溶接方向）
【表３】
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注）◎：非常に良好      Ｏ：良好      △：普通      Ｘ：不良
＊：溶接初層またはクレーターでビード割れの多発
【００２０】
溶接部の性能評価は、溶接金属の機械物理的試験のための試験片の製作を船級協会で決める規定に基づいて行い、表４に試験片の製作のための溶接条件を示した。溶接部の高温割れ試験は、機械物理試験用の板材と同じ鋼種で図２ａおよび図２ｂに示すような試験片を製作し、ルートギャップを６ｍｍ与え２５０Ａ／３１Ｖで毎分２４ｃｍの溶接速度で溶接を施した後、スラグを取除き、液状浸透法によってビード割れの有無を確認した。（図面符号３は試験板材、４は溶接ビード、５は拘束台、６はバッキングセラミック材、Ｄは溶接方向である）
【００２１】
引張試験と低温衝撃並びに高温割れ試験の結果を表５に表した。
【表４】
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【表５】
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【００２２】
前記表１に表すようなフラックスの構成比のうち化学成分の組成比が本発明の請求範囲内にある実施例１ないし実施例８のワイヤは、優れた溶接作業性とともに、立向上進姿勢の溶接においても溶融金属の垂れやビードの垂れが生じず、極めて良好なビード外観が得られた。また、引張強度は規格を満足し、低温衝撃値においても−４０℃の温度で米国溶接協会規格（ＡＷＳ）の規定を満足する結果値を得た。そして、高温割れ試験においても溶接金属の溶接ビードでは割れが発生しない良好な結果を得た。
【００２３】
しかし、フラックスの構成と組成比において１種以上のフラックスが本発明の請求範囲を外れた比較例では、使用上の作業性が劣るとか、機械物理的性質のうち衝撃値が要求水準に達しない結果が表れた。特に、比較例９は、脱酸剤としてのＭｎの不足とＭｇ／Ａｌの比が本発明の請求範囲を外れた場合であって、脱酸力の不足によるブローホール発生頻度の増加とアーク安定性の不足、そして立向上進姿勢でのビード垂れの発生によって溶接の能率性が劣化された。
【００２４】
比較例１０の場合は、作業性は概ね良好であったが、低温衝撃特性が要求水準を満足できなかったし、ビードの形状もやや不揃いな状態を表した。
【００２５】
また、比較例１１の場合は、ＴｉＯ２とＭｇ／Ａｌの比が本発明の請求範囲を外れた場合であって、スラグの不足によって被包性が悪く、溶融スラグの粘性不足によって立向上進でビードの垂れが生じた。
【００２６】
また、比較例１２ないし比較例１５は、Ｍｇ／Ａｌの比が本発明の請求範囲を超えた場合であって、ヒューム発生量の増加とビードの偏りが発生し、かえって本発明で追求する溶接性に逆効果をもたらし、特に、比較例１５および比較例１６の場合は、Ｂの添加量超過によって溶接ビードの高温割れ発生が増加する結果となった。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、全姿勢での溶接作業性に優れているとともに、低温靭性の良好な溶接金属が得られる効果がある。また、良好なビード形状とアーク安定性、そしてスパッタ発生量の最小化によって溶接能率性が極めて良好になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例と比較例に対する溶接作業性を試験するために使用された立向上進溶接用の試験片を示す斜視図。
【図２】図２ａは、本発明の実施例と比較例に対する溶接部の高温割れ試験のために使用された試験片を示す平面図であり、図２ｂは、図２ａのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１  母材
２、４  溶接ビード
３  試験板材
５  拘束台
６  バッキングセラミック材
Ｄ  溶接方向
【図１】
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【図２】
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