(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して、ギャップを有する被溶接物をすみ肉溶接する炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法において、前記被溶接物のギャップを３．０〜５．０ｍｍ、溶接電流を２５０〜３５０Ａ、溶接速度を４０〜９０ｃｍ／分とし、ワイヤ全質量に対する各成分の質量比（質量％）が、Ｓｎ≦０．０１０質量％、Ｂ≦０．００５質量％、Ｂｉ＋Ｐｂ≦０．００５質量％、２．５≦Ｍｎ≦３．０質量％、７．０≦ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｉＯ２≦８．０質量％以下であるチタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して、水平すみ肉溶接又は立向下進溶接により溶接することを特徴とする炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法。
【請求項２】
前記ワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量比（質量％）で、０．０５≦Ａｌ≦０．３０質量％を含むことを特徴とする請求項１に記載の炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法。
【請求項３】
前記ワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量比（質量％）で、Ｎｂ＋Ｖ≦０．０２０質量％に抑制することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭酸ガスアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して、被溶接物をすみ肉溶接する炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の如く、フラックス入りワイヤ（以下、ＦＣＷ（Flux Cored Wire））は、鋼製外皮の中にフラックスを含有させており、そのフラックス量及び種類は、溶接作業性、溶着金属性能等のＦＣＷの品質に大きく影響している。
【０００３】
ＦＣＷの中で、特に、スラグ造滓剤をフラックス質量当たり２５〜６０質量％（ＴｉＯ２：２０〜５０質量％）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するという理由で、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】
しかしながら、チタニヤ系ＦＣＷの欠点の一つとして、すみ肉溶接での溶接開先部にギャップを有した溶接施工を１パスで実施する場合、特に溶接速度が速くなりやすい立向下進溶接での耐高温割れ性が劣るとされている。このようなギャップは、造船及び橋梁等の大型構造物を建造し、建築する場合に、鋼板切断、配材の精度悪化、溶接又はガス切断による熱歪み等によって不可避的に発生してしまうという施工上の問題がある。従って、現状では、２パスで溶接施工を実施するとか、溶接電流を下げるとか、立向の場合には、上進溶接方法を適用する等の配慮により、高温割れの防止を図っているのが実状である。このことは、逆にいうと、チタニヤ系ＦＣＷは、溶接能率が低く、溶接施工能率の面からは問題が大きいという欠点を有している。
【０００５】
換言すれば、１パスでのすみ肉溶接施工における耐高温割れ性が低いという欠点が技術的に解決されれば、チタニヤ系ＦＣＷは、溶接施工時間が短縮され、優れたメリットを有しているため、これが生きてくることになる。なお、ギャップとは、溶接開先部の間隙であって、開先面内の目違い又は開先部の板同士の隙間をいう。以下、これを単にギャップという。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、造船溶接施工ハンドブック等に記載されているように、立向すみ肉継手の場合、３ｍｍ以上のギャップを有する場合においては、立向上進溶接を適用するとされている。しかしながら、実質上は、すみ肉での１パス以下の施工においては、２ｍｍ以下のギャップで下進の１パス溶接が実施されているのが現状である。従って、実質的には、３ｍｍ以上のギャップについては、すみ肉の１パス施工では不可能である。
【０００７】
また、すみ肉溶接ではないが、チタニヤ系以外のワイヤでは、特開平１１−３４７７２５号公報に記載されているように、耐高温割れ性が優れたものも開示されているが、これは正極性溶接であり、溶着効率が悪く、市場に広く受け入れられるものではない。溶接施工においては、特公平７−２３３号公報及び特公平７−７７６６６号公報に記載されているように、シーリングビードをおくことにより、耐高温割れ性を含めた溶接継手の信頼性を向上させた溶接方法が開示されているが、基本的にすみ肉溶接ではなく、また、１パス施工ではない。
【０００８】
ワイヤに関しては、前述の如く、チタニヤ系のＦＣＷは、全姿勢溶接性及び溶接作業性が良好であることが、性能に関する最大の特長である。ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２に代表されるスラグ造滓剤は、このような性能を引き出していることから、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、従来の性能（全姿勢溶接性、溶接作業性等）を有したままで、すみ肉溶接での耐高温割れ性能を向上させることが望まれていた。
【０００９】
溶材の面では、これまで、溶接金属の高温割れ性能に関する研究が古くからなされており、例えば、溶接学会誌第４９巻第１号１９（１９８０）及び同誌第４４巻第７号（１９７５）等がある。これらの文献には、化学成分的には、Ｐ、Ｓ、Ｂ等の元素が高温割れ性を著しく劣化させること、及びその防止効果がある元素としてＭｎがあること等が記載されている。
【００１０】
しかしながら、これらの技術は既に適用されているものの、近時の耐高温割れ性能に対する要求には不十分である。また、特開平２−５５６９７号公報には、アルカリ土類金属の弗化物の作用について開示されているが、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、受け入れられるものではない。従って、良好な溶接作業性を有し、すみ肉溶接における耐高温割れ性能が優れたチタニヤ系ＦＣＷについては、従来、存在せず、このため、すみ肉溶接での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た。
【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、優れた全姿勢溶接性、良好な溶接作業性及び良好な溶接金属性能を有しつつ、すみ肉溶接での良好な耐高温割れ性能を有する溶接金属を得ることができる炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法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】
本発明に係る炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法は、炭酸ガスアーク溶接用チタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して、ギャップを有する被溶接物をすみ肉溶接する炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法において、前記被溶接物のギャップを３．０〜５．０ｍｍ、溶接電流を２５０〜３５０Ａ、溶接速度を４０〜９０ｃｍ／分とし、ワイヤ全質量に対する各成分の質量比（質量％）が、Ｓｎ≦０．０１０質量％、Ｂ≦０．００５質量％、Ｂｉ＋Ｐｂ≦０．００５質量％、２．５≦Ｍｎ≦３．０質量％、７．０≦ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｉＯ２≦８．０質量％以下であるチタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して、水平すみ肉溶接又は立向下進溶接により溶接することを特徴とする。
【００１３】
この炭酸ガスアーク溶接によるすみ肉溶接方法において、例えば、前記ワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量比（質量％）で、０．０５≦Ａｌ≦０．３０質量％を含む。また、例えば、前記ワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量比（質量％）で、Ｎｂ＋Ｖ≦０．０２０質量％に抑制する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳細に説明する。上述のように、チタニヤ系ＦＣＷのすみ肉溶接での耐高温割れ性能が劣る理由としては、以下のことが考えられる。ＦＣＷの場合、フラックスの中にＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２に代表される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いと共に、造滓剤原料に不可避的に含まれる不純物成分が多いという相違点がある。従って、酸素又は不純物成分の量を下げて、不純物成分中の酸化物量を下げるのが有効である。
【００１５】
本願発明者等は、種々のワイヤを試作し、先ず、溶接金属中の酸素量を下げることを試みた。しかしながら、必須成分であるＴｉＯ２及びＺｒＯ２は、元来、酸化物であることから、チタニヤ系ＦＣＷ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。
【００１６】
次に、チタニヤ系ＦＣＷ全体の不純物成分量を下げることを試みた。この場合に、本願発明者等は、溶接中に、溶接金属中から不純物を除去して溶接金属を清浄化する方法よりも、供給ワイヤ中に不純物を添加しないことが、不純物成分量の低減に最も効果があることを知見した。この知見に基づき、逆にどの原料から不純物が混入しているかを調査した。先ず、衝撃性能向上及びスラグ剥離性向上のために積極的に添加しているＢ、Ｂｉ、Ｐｂを削除することにより、低融点酸化物を排除した。その結果、衝撃性能及びスラグ剥離性は劣化するが、Ｍｎ量及びスラグ造滓剤量を適正化（いずれも、増加）することにより、衝撃性能及びスラグ剥離性の劣化を補償することができることを確認した。上述したように、Ｍｎの増加は、耐高温割れ性能の面からも望ましく、有効である。
【００１７】
しかしながら、不純物の排除としては、未だ不十分であり、更に実験研究した結果、ＴｉＯ２に混入する不純物の影響が最も大きいことを見出した。ＦＣＷの場合、不純物は、鋼製外皮中に含まれる不純物とフラックス中の不純物に大別される。前者の不純物（主に、Ｐ、Ｓ）は、外皮自体、製鋼メーカーで人工的に製造・管理されることから、不純物量が比較的、安定して低いのに対し、フラックス原料（特に、スラグ造滓剤）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、産地及び時期によっては不純物の種類及び量が違ってくる。
【００１８】
その中でも、ＴｉＯ２に混入するＳｎが耐高温割れ性能に大きな影響を及ぼすことを把握し、Ｓｎ量を管理することで飛躍的に耐高温割れ性能が向上することを見いだした。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望ましい。尚、ＴｉＯ２中に含有されるＳｎの削除方法としては浮選選鉱及び湿式共洗い法等、比較的簡易な方法で行えるので、処理コストも低いという利点がある。
【００１９】
また、適正なＡｌ量が溶接金属に添加された場合、脱酸作用を有し、Ｍｎの歩留まりを安定させ、耐割れ性が向上し、衝撃性能の安定化作用として有効である。更に一層効果を得るためには、ＴｉＯ２中に含有されるＮｂ、Ｖも所定範囲に管理することで、耐高温割れ性能が向上し、衝撃性能向上に有効であることも把握した。しかしながら、Ｎｂ，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、これらの元素を除去するためには、処理コストがかかるという問題点がある。
【００２０】
一方、溶接施工法から見てみると、上記従来技術の限界から、一般的なすみ肉溶接のギャップは３ｍｍ以下である。ギャップを制限している理由としては、ギャップが大きい場合、ビードの断面形状が梨型形状になりやすく、凝固形態の点から高温割れが発生しやすくなるからである。従って、上記のようなワイヤを開発することによりギャップが３ｍｍ以上の場合のすみ肉溶接施工が可能となる。
【００２１】
次に、本発明のチタニヤ系フラックス入りワイヤの組成限定理由について説明する。
【００２２】
Ｓｎ≦０．０１０質量％
Ｓｎが０．０１０質量％より多いと、耐高温割れ性が劣ると共に、衝撃性能も劣る。なお、Ｓｎの量は、Ｓｎ単体の含有量と、Ｓｎ化合物中のＳｎ換算量の総量である。
【００２３】
Ｂ≦０．００５質量％
Ｂが０．００５質量％より多いと、耐高温割れ性能が劣る。また、Ｂ含有量は、Ｂ単体の含有量と、Ｂ化合物中のＢ換算量との総量である。
【００２４】
Ｂｉ＋Ｐｂ≦０．００５質量％
Ｂｉ＋Ｐｂが０．００５質量％より多いと、耐高温割れ性能が劣る。
【００２５】
２．５≦Ｍｎ≦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。逆に、Ｍｎ含有量が３．０質量％より多くなると、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。溶接金属の強度を考慮すると、Ｍｎ含有量は２．５〜２．８質量％が望ましい。なお、Ｍｎの量は、Ｍｎ単体の含有量と、Ｍｎ化合物中のＭｎ換算量との総量である。
【００２６】
７．０≦ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｉＯ２≦８．０質量％
ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２の総量が７．０質量％より少ないと、スラグ剥離性が劣化する。逆に、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２の総量が８．０質量％より多くなると、スラグ量が多くなり過ぎて、スラグ巻きを起こしやすくなり、溶接作業性上好ましくない。なお、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２の分析方法は、ワイヤ全量を溶解し、吸光光度法等の化学分析により分析されるＴｉ、Ｚｒ、Ｓｉを全てＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２に換算すればよい。即ち、金属Ｔｉ、合金Ｔｉ、Ｔｉ化合物などに含まれるＴｉをＴｉＯ２に換算した値とする。ＺｒＯ２及びＳｉＯ２についても同様である。
【００２７】
０．０５≦Ａｌ≦０．３０質量％
Ａｌ含有量が０．０５質量％より少ないと、衝撃性能の安定性効果が発揮されない。逆に、Ａｌ量が３．０質量％より多くなると、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。なお、Ａｌ量は、Ａｌ単体の含有量と、Ａｌ化合物中のＡｌ換算量との総量である。
【００２８】
Ｎｂ＋Ｖ≦０．０２０質量％
Ｎｂ＋Ｖが０．０２０質量％より多いと、耐高温割れ性能及び衝撃性能の向上効果が発揮されない。耐高温割れ性能及び衝撃性能を考慮すると、Ｎｂ＋Ｖは、０．００５質量％以下が望ましい。なお、Ｎｂ、Ｖは、夫々Ｎｂ又はＶ単体の含有量と、Ｎｂ化合物又はＶ化合物中のＮｂ又はＶ換算量との総量である。
【００２９】
次に、溶接施工条件について説明する。
【００３０】
ギャップ：３．０〜５．０ｍｍ
ギャップが３．０ｍｍより小さい場合は、従来の溶接施工と変わりがなく、本発明を適用するだけのメリットがない。一方、ギャップが５．０ｍｍを超えると、１パス施工自体が困難になる。
【００３１】
溶接電流：２５０〜３５０Ａ
溶接電流が２５０Ａより小さい場合、溶接速度が遅くなり、能率性が損なわれる。溶接電流が３５０Ａより大きい場合、溶接速度が速くなり、耐高温割れ性能が劣化すると共に、アーク力増加により、１パス施工が困難になり、アークが被溶接材の裏面側に抜けてしまう。
【００３２】
溶接速度：４０〜９０ｃｍ／分
溶接速度が４０ｃｍ／分より小さい場合、溶接速度が遅いために能率性が損なわれるのに加え、溶融池が先行し、スラグ巻き込みが発生したり、特に、立向下進溶接において、十分な溶け込みが得られなくなる。溶接速度が９０ｃｍ／分より大きい場合、溶接速度が速いために、耐高温割れ性能が劣化する。これは、一般に溶接速度が速いと、溶融池が長くなり、ビードの形状が割れやすい形（所謂梨型ビード）になりやすいためである。また、一般に、溶接速度は、ギャップの大きさ及び溶接電流だけで決まるものではなく、アーク電圧、ワイヤ種又は運棒方法等に影響される。
【００３３】
【実施例】
第１実施例
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。ワイヤ化学成分は、ワイヤ全量を溶解し、吸光光度法等の化学分析により、Ｓｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｖを分析した。
【００３４】
実施例に使用したワイヤ線径は、１．２ｍｍであり、外皮金属組成として、下記表１に示す軟鋼を使用した。なお、フラックス率は１４，５質量％とした。
【００３５】
【表１】
0003836045.tif 000002
【００３６】
なお、Ｓｎ、Ｂ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｖの調整は、それぞれの酸化物試薬を使用し、Ｍｎの調整としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ、又は電解Ｍｎ等の添加量で行い、Ａｌの調整としてはＡｌ−Ｍｇ、Ｆｅ−Ａｌ、又は金属Ａｌ等の添加量で行った。
【００３７】
耐高温割れ性能は片面溶接の初層溶接にて評価した。具体的な方法は、下記表２に溶接試験条件を示し、下記表３に供試鋼板の組成を示す。なお、１パスの脚長としては、２〜７ｍｍ程度とした。
【００３８】
【表２】
0003836045.tif 000003
【００３９】
【表３】
0003836045.tif 000004
【００４０】
表７の耐高温割れ性の欄において、割れ無し（Ｎ＝４の試験ですべてが割れ無し）の場合を○、割れ有り（Ｎ＝４の試験で一つでも割れ有り）の場合を△で表示した。
【００４１】
溶接金属の衝撃性能及び強度は以下のようにして試験した。即ち、ＪＩＳ  Ｚ３３１３に規定される全溶着金属の試験方法に準じて行った。その試験方法を下記表４に示し、供試鋼板の組成を下記表５に示す。
【００４２】
【表４】
0003836045.tif 000005
【００４３】
【表５】
0003836045.tif 000006
【００４４】
使用したチタニヤ系ＦＣＷの組成と、裏当材の組成を下記表６に示す。また、溶接試験により求められた耐高温割れ性、衝撃性能、引張強度、スラグ剥離性の評価結果を、下記表７に示す。この表８において、衝撃性能欄は、衝撃エネルギが９０Ｊ以上の場合を◎、６０Ｊ以上９０Ｊ未満の場合を○、６０Ｊ未満の場合を△とした。引張強度欄は、４９０以上６００Ｎ／ｍｍ２未満の場合を◎、６００以上６３０Ｎ／ｍｍ２未満の場合を○、６３０Ｎ／ｍｍ２未満の場合を△で表示した。スラグ剥離性の評価は、耐高温割れ試験の初層溶接時のスラグ剥離性を官能評価することにより行った。○は従来ワイヤレベル、△は従来ワイヤ以下である。
【００４５】
【表６】
0003836045.tif 000007
【００４６】
【表７】
0003836045.tif 000008
【００４７】
この表７に示すように、従来例１は従来のＦＣＷであり、耐高温割れ性が劣る。比較例２は、従来例１のワイヤにおいて、Ｂｉ＋Ｐｂ量を微量ににしたＦＣＷであるが、耐高温割れ性が劣り、且つ、スラグ剥離性も劣化した。比較例３は、比較例２のワイヤにおいて、Ｂ量を微量（Ｔｒ）にしたＦＣＷであるが、耐高温割れ性、スラグ剥離性が劣り、且つ衝撃性能も劣化した。比較例４は比較例３のワイヤにおいて、Ｓｎ量を０．００７質量％にしたＦＣＷであるが、耐高温割れ性が向上していない。比較例５は、比較例３のワイヤにおいて、Ｓｎ量を０．００５質量％にしたＦＣＷであるが、耐高温割れ性は向上するものの、衝撃性能及びスラグ剥離性は改善されない。比較例６乃至１０は、比較例５のワイヤにおいて、Ｍｎ量を２．４〜３．２質量％にしたＦＣＷであるが、いずれのワイヤも良好な耐高温割れ性及び良好な衝撃性能を有しているものの、比較例１０は引張強度が高すぎ、またいずれのワイヤもスラグ剥離性が低いという欠点を有する。また、比較例１１は、比較例８のワイヤにおいて、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｉＯ２量を６．６質量％にしたＦＣＷであるが、スラグ剥離性が改善されていない。
【００４８】
これに対し、実施例１２乃至１４は、比較例８のワイヤにおいて、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｉＯ２量を７．０〜７．８質量％にしたＦＣＷである。この実施例１２乃至１４のワイヤにおいては、スラグ剥離性が改善されている。また、比較例１５のワイヤは、比較例８のワイヤにおいて、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＳｉＯ２量を８．２質量％にしたＦＣＷであり、スラグ剥離性は改善されているものの、スラグが多くなりすぎて、スラグ巻きが発生し易く、実用的でない。一方、実施例１６〜１８は、実施例１３のワイヤにおいて、Ａｌ量を０．０４〜０．２０質量％にしたＦＣＷであるが、実施例１７，１８は耐高温割れ性能を維持したまま、衝撃値性能が優れたものとなっている。
【００４９】
実施例１９乃至２３は、実施例１４のワイヤにおいて、Ｎｂ＋Ｖ量を０．０２５〜０．００５質量％にしたＦＣＷであるが、耐高温割れ性能及び衝撃値性能がより一層向上し、実施例１９は、耐高温割れ性及び衝撃性能が特に良好である。
【００５０】
第２実施例
次に、溶接施工法の試験結果について説明する。表２の試験条件に加えて、ギャップ、溶接電流、溶接速度を種々検討し、割れ発生の有無を判定した、判定方法は前述と同様である。また、溶接姿勢としては、水平すみ肉（ＨＦ）及び立向下進（ＶＤ）の双方を使用した。使用したワイヤは、表６の従来例１及び実施例１７のワイヤである。１パスの脚長としては、約２〜７ｍｍである。
【００５１】
下記表８にその試験結果をまとめて示す。
【００５２】
【表８】
0003836045.tif 000009
【００５３】
この表８に示すように、従来例１〜４は、従来のＦＣＷを使用し、３ｍｍのギャップですみ肉溶接施工した場合であるが、高温割れ性と能率性とが両立していないことがわかる。
【００５４】
比較例５は本発明の範囲に入るＦＣＷを使用し、３ｍｍギャップで２４０Ａの溶接電流、３２ｃｍ／分の溶接速度ですみ肉溶接施工を実施した場合である。この比較例５は耐高温割れ性は良好であるが、能率性が劣るものである。
【００５５】
比較例８，１１，１４は、本発明のＦＣＷを使用し、種々のギャップ、種々の溶接電流、種々の溶接速度ですみ肉溶接施工した場合のものであるが、いずれも耐高温割れ性が劣るものである。
【００５６】
これに対し、実施例６，７，９，１０，１２，１３は、本発明のＦＣＷを使用し、種々のギャップ、種々の溶接電流、種々の溶接速度ですみ肉溶接施工した場合のものであり、高温割れ性及び能率性がいずれも十分なものであった。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して３．０〜５．０ｍｍのギャップを有する被溶接物をすみ肉溶接する際に、優れた全姿勢溶接性、良好な溶接作業性及び良好な溶接金属性能を有し、優れた耐高温割れ性能を有する溶接金属を得ることができるという効果を奏する。