(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製外皮中にフラックスを充填してなるステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量比で、
金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＳｉ源の濃度をＳｉに換算して［Ｓｉ］としたとき、［Ｓｉ］＝１．０乃至４．０質量％であり、
金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＴｉ源の濃度をＴｉに換算して［Ｔｉ］とし、金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＺｒ源の濃度をＺｒに換算して［Ｚｒ］としたとき、Ｔｉ源及びＺｒ源の１種又は２種を
［Ｓｉ］／（［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］）≧０．８
の含有量で含有し、
金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＣｒ源の濃度をＣｒに換算して［Ｃｒ］としたとき、［Ｃｒ］＝１６乃至３０質量％であり、
フラックス中に含有されるＮａ源の濃度をＮａに換算して［Ｎａ］、フラックス中に含有されるＫ源の濃度をＫに換算して［Ｋ］としたとき、Ｎａ源及びＫ源の１種又は２種を
（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２≦５０
の含有量で含有し、
［Ｔｉ］及び［Ｚｒ］の合計が０．８乃至３．０質量％であり、
［Ｎａ］及び［Ｋ］の合計が０．０３乃至０．１５質量％であることを特徴とするステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
前記金属製外皮が１８質量％以上のＣｒを含有するステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
前記［Ｔｉ］及び［Ｚｒ］は夫々０．８乃至３．０質量％であり、前記［Ｎａ］及び［Ｋ］は夫々０．０３乃至０．１５質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のステンレス鋼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、ステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを使用して溶接する際に発生するスラグ及びヒューム中に含まれる水に可溶性のＣｒの低減を図ったステンレス鋼溶接用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は、優れた溶接作業性を有し、高能率であることから、近時、フラックス入りワイヤの使用量が増加している。特に、ステンレス鋼の溶接の場合、フラックス入りワイヤの使用比率は高く、各種母材に合わせた組成のフラックス入りワイヤ及び溶接姿勢に応じたフラックス入りワイヤ等が開発されている。しかしながら、従来のステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを使用して溶接を行った場合に発生するスラグ及びヒューム中には、Ｃｒが１０質量％以上含まれており、このＣｒには水に可溶性の所謂６価Ｃｒが含有されている。
【０００３】
近年、ダイオキシン及びフロンに代表されるような地球環境問題に対する意識の高まりがあり、自動車用鋼板としてＣｒメッキ鋼板の使用が抑制されている。溶接時に発生するスラグに関しては、廃棄物処理の際に、６価Ｃｒが規制されており、溶出試験において、６価Ｃｒの量が１．５ｐｐｍの基準値以下であることが必要である。また、溶接中に発生するヒューム中の溶出６価Ｃｒを低減する技術も提案されている（特開昭５２−１１４４４７公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公報に記載された発明においては、ヒューム中の溶出６価Ｃｒの値は極小値でも７００ｐｐｍであり、未だ極めて高い値である。
【０００５】
なお、６価Ｃｒを含有した固体及び廃液を化学的に処理し、６価Ｃｒの溶出を抑制する方法が提案されている（特開平１０−１１３６７６及び特開平９−２４８５４３）が、本来、人体に有害性がある６価Ｃｒは、その発生自体を抑制することが重要である。
【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、ステンレス鋼の溶接時に発生するスラグ及びヒューム中に含有される６価Ｃｒを低減し、良好な溶接作業性を有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤは、金属製外皮中にフラックスを充填してなるステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量比で、
金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＳｉ源の濃度をＳｉに換算して［Ｓｉ］としたとき、［Ｓｉ］＝１．０乃至４．０質量％であり、
金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＴｉ源の濃度をＴｉに換算して［Ｔｉ］とし、金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＺｒ源の濃度をＺｒに換算して［Ｚｒ］としたとき、Ｔｉ源及びＺｒ源の１種又は２種を
［Ｓｉ］／（［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］）≧０．８
の含有量で含有し、
金属製外皮及びフラックスの双方又は一方に含有されるＣｒ源の濃度をＣｒに換算して［Ｃｒ］としたとき、［Ｃｒ］＝１６乃至３０質量％であり、
フラックス中に含有されるＮａ源の濃度をＮａに換算して［Ｎａ］、フラックス中に含有されるＫ源の濃度をＫに換算して［Ｋ］としたとき、Ｎａ源及びＫ源の１種又は２種を
（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２≦５０
の含有量で含有し、
［Ｔｉ］及び［Ｚｒ］の合計が０．８乃至３．０質量％であり、
［Ｎａ］及び［Ｋ］の合計が０．０３乃至０．１５質量％であることを特徴とする。
【０００８】
このステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいて、例えば、前記金属製外皮が１８質量％以上のＣｒを含有するステンレス鋼であることを特徴とする。
【０００９】
また、前記［Ｔｉ］及び［Ｚｒ］は夫々０．８乃至３．０質量％であり、前記［Ｎａ］及び［Ｋ］は夫々０．０３乃至０．１５質量％であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明者等がＣｒを含有するステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤについて調査したところ、スラグとヒュームの双方に６価Ｃｒが含有される場合、常にヒューム中のＣｒ含有量の値が、スラグ中のＣｒ含有量の数十乃至数百倍も高いことが明らかになった。従って、ヒューム中の６価Ｃｒ量を低減すれば、必然的にスラグ中の６価Ｃｒ量も目標レベルまで低減可能となる。また、同一Ｃｒ含有量のフラックス入りワイヤにおいて、スラグ組成を検討した結果、一般のルチールタイプといわれるワイヤよりも、シリカが多いタイプの方が溶出６価Ｃｒ値は低いことが明らかとなった。そこで、これらの観点より、本発明者等が前記課題を解決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、ワイヤ中のスラグ成分を調整し、Ｎａ、Ｋ量を低減し、フープ（外皮）中のＣｒ量を高めることにより、スラグ及びヒューム中の溶出６価Ｃｒを抑制することができ、良好な溶接作業性を得ることができることを見出した。
【００１１】
以下、本発明に係るステンレス鋼溶接用フラックス入りワイヤについて、成分添加理由及び組成限定理由について説明する。なお、以下の説明において、例えば、［Ｓｉ］と表示したときは、Ｓｉに換算したＳｉ源の濃度であり、その他の元素及びその元素の供給源の量についても同様である。
【００１２】
▲１▼Ｓｉ：１．０乃至４．０質量％
溶出Ｃｒ量を低減するためには、スラグ及びヒュームを非晶質化（ガラス化）することが重要である。非晶質化を促進すると共に、その添加により溶接作業性を損なわないようにするためには、Ｓｉ源を添加することが有効である。但し、Ｓｉ源が１．０質量％未満ではこの効果が得られず、４．０質量％を超えると溶接スラグの剥離性が極端に劣化する。Ｓｉ源としては、金属外皮中に含有されるＳｉ以外に、フラックス中に含有される金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、珪砂、長石等の化合物がある。
【００１３】
▲２▼Ｔｉ及びＺｒの１種又は２種：［Ｓｉ］／（［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］）≧０．８
Ｔｉ及びＺｒは主に溶接作業性の調整のために添加されるが、この含有量（複合添加の場合は総量）がＳｉの量よりも多くなると、スラグ及びヒュームのガラス化率が低くなり、溶出Ｃｒ量が増加する傾向にある。このため、そのＴｉ及びＺｒの量（複合添加の場合は総量）をＳｉの含有量に関連付けて規制する。即ち、ガラス化率を確保し、溶出Ｃｒ量を低減するために、（［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］）≦［Ｓｉ］／０．８とする。但し、Ｔｉ及びＺｒには、溶接時に発生するスラグの被包性を改善し、ビード形状を良好にする作用があり、この効果を得るためには、［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］を０．８質量％以上とすることが好ましい。また、［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］が３．０質量％を超えると、スラグが硬くなり、スラグ剥離性が劣化する。従って、［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］が０．８乃至３．０質量％となるように添加することが好ましい。
【００１４】
Ｔｉ源としては、金属外皮中に含有されるＴｉ及びフラックス中に含有される金属Ｔｉ又はＦｅ−Ｔｉと、ルチール等の酸化物がある。Ｚｒ源としては、金属外皮中に含有されるＺｒ及びフラックス中に含有される酸化Ｚｒ又はジルコンサンド等の化合物が挙げられる。
【００１５】
▲３▼Ｃｒ：１６乃至３０質量％
ステンレス鋼としての必須成分であるＣｒの含有量が１６質量％未満では、溶接中に発生するスラグ及びヒューム中の溶出Ｃｒ量は問題にならないレベルである。また、Ｃｒ含有量が３０質量％を超えて含有される場合には、その作業性の調整が極めて困難であるため、Ｃｒ含有量は１６乃至３０質量％にする。
【００１６】
更に好ましくは、金属外皮として、１８質量％以上のＣｒを含有するステンレス鋼を使用することにより、即ち、ステンレス鋼の溶接に使用するフラックス入りワイヤにおいて、Ｃｒの供給源として、フラックスではなく、金属外皮（１８質量％以上のＣｒを含有するステンレス鋼）とすることにより、溶出Ｃｒ量を低減できる。１８質量％以上Ｃｒを含有するステンレス鋼としては、ＪＩＳ記載のＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０９Ｓ等が挙げられる。
【００１７】
▲４▼Ｎａ源及びＫ源の１種又は２種：（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２≦５０
Ｎａ及びＫ量が増加すると、スラグ及びヒューム中の溶出Ｃｒ量も増加することが確認され、このため、Ｎａ及びＫは少ない方が好ましいが、ー方で、これらのＮａ及びＫの添加はアーク安定性の向上に有効である。また、本発明者等は、溶出Ｃｒ量とワイヤＣｒ量には相関関係があり、ワイヤ中のＣｒ量が増加するに従い、特にヒューム中の溶出Ｃｒ量は指数関数的に増加することを知見した。
【００１８】
図１はワイヤ中のＣｒ含有量と溶接時に発生したヒューム及びスラグ中に含まれる水に可溶性のＣｒの量との関係を示すグラフ図である。溶接条件は下記表５のＮｏ．１である。この図１に示されているように、ワイヤ中のＣｒ量と、スラグ中及びヒューム中の水に可溶性のＣｒ量との間には、相関関係があり、ワイヤ中のＣｒ量が増加するにつれて、スラグ中及びヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が指数関数的に増加している。また、ワイヤ中のＣｒ含有量が同一である場合に、水に可溶性のＣｒはヒューム中に多量に含まれ、ヒューム中にスラグ中の１００倍以上含有されている。
【００１９】
そこで、本発明者等は、ワイヤ中のＣｒ量並びにワイヤ中のＮａ及びＫ量と、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量との間の関係を調査した結果、上式を満足することで、溶出Ｃｒ量の低減と作業性の維持を両立できることを見いだした。図２は横軸にワイヤ中のＣｒ量をとり、縦軸にワイヤ中の（Ｎａ＋Ｋ）量をとって、ワイヤ中のＣｒ量及び（Ｎａ＋Ｋ）量と、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量との関係を示すグラフ図である。溶接条件は表５の溶接条件Ｎｏ．１である。図２において、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が１００ｐｐｍ以下の場合を△で示し、更にヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が１０ｐｐｍ以下の場合を○で示し、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が１００ｐｐｍを超える場合を×で示すが、この図２に示すように、ワイヤ中のＮａ＋Ｋ量をワイヤ中のＣｒ量に応じて低減することにより、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量を１００ｐｐｍ以下（△及び○）にすることができる。この△を結ぶ線分を数式で表すと、（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２＝５０となり、（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２が５０以下であれば、○又は△になり、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が１００ｐｐｍ以下になる。よって、本発明においては、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量を１００ｐｐｍ以下にするため、（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２≦５０とする。
【００２０】
しかしながら、Ｎａ及びＫの含有量を零にすると、アーク安定性が劣化するため、好ましくは、［Ｎａ］＋［Ｋ］が０．０３乃至０．１５質量％の範囲になるように、Ｎａ又はＫを添加する。Ｎａ源及びＫ源としては、フラックス中に含有されるこれらのＮａ及びＫのフッ化物又は酸化物及び長石等の化合物がある。
【００２１】
図３は横軸に溶接電流をとり、縦軸にヒューム中の水に可溶性のＣｒ量をとって、両者の関係を示すグラフ図である。なお、シールドガスは１００％ＣＯ２である。この図３に示すように、溶接電流が２５０Ａ以上、更には３００Ａ以上になると、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が増大する。よって、溶接電流は、好ましくは、２５０Ａ以下、更に好ましくは２００Ａ以下とする。
【００２２】
また、図４は横軸にシールドガス中のＡｒガスの割合（残部がＣＯ２ガス）をとり、縦軸にヒューム中の水に可溶性のＣｒ量をとって、両者の関係を示すグラフ図である。なお、溶接電流は２００Ａである。この図４に示すように、シールドガスがＣＯ２の場合には、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量は極めて少ないが、シールドガス中のＡｒガスの割合が６０％以上、更には８０％以上になると、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量が増大する。よって、Ａｒガス及びＣＯ２ガスからなるシールドガス中のＡｒガスの割合は、好ましくは、８０％以下、更に好ましくは６０％以下とする。
【００２３】
【実施例】
下記表１乃至表３に示す各種フラックス入りワイヤを、下記表４に示す成分組成（単位は質量％）の金属外皮を用いて製造し、下記表５に示す溶接条件で溶接試験を行い、溶出Ｃｒ量と溶接作業性を評価した。その結果を下記表６及び表７に示す。
【００２４】
【表１】
0003765772.tif 000002
【００２５】
【表２】
0003765772.tif 000003
【００２６】
【表３】
0003765772.tif 000004
【００２７】
【表４】
0003765772.tif 000005
【００２８】
【表５】
0003765772.tif 000006
【００２９】
【表６】
0003765772.tif 000007
【００３０】
【表７】
0003765772.tif 000008
【００３１】
具体的な試験方法は以下に示すとおりである。
【００３２】
［溶接方法及びヒューム・スラグの採取方法］
ヒュームの採取は、ＪＩＳ  Ｚ３９３０（被覆アーク溶接棒の全ヒューム量測定方法）に準拠した。即ち、被覆アーク溶接棒の全ヒューム量測定方法であるＪＩＳ  Ｚ３９３０の方法を改良し、ヒューム量測定装置内に、溶接卜一チ部、試験板及び走行台車を入れて、フラックス入りワイヤにおいてもヒュームを採取できるようにした。この装置を用い、各ワイヤを使用して表５に示す溶接条件にて溶接を行い、発生するヒュームを捕集した。溶接終了後に、ろ紙を取り外し、ヒュームを集めて試験に供した。
【００３３】
スラグの採取は、表５の条件にて下向きの肉盛溶接を実施し、２層目以上の溶接ビードから行った。また、採取したスラグは形及び長さが一定ではないため、一旦、めのう乳鉢にて粉砕し、篩い分けした後、０．５〜５．０ｍｍの大きさに揃えてから、試験に供した。
【００３４】
（溶出試験方法）
溶出方法は、産業廃棄物に含まれる金属等の検出方法（昭４８．２．１７環告１３号、以降改正アリ）に準拠した。スラグに関しては、具体的には、以下の方法により溶出した。
▲１▼スラグ５０ｇに対して、混合水が合計５００ｃｃになるように蒸留水を混合した。
▲２▼▲１▼の液を常温常圧で、振とう機により２００回／分で６時間振とうした。
▲３▼▲２▼の液をガラス繊維フィルター（１μｍ）にてろ過し、溶出検液とした。
【００３５】
ヒュームに関しては、発生量が少ないため、採取量を少なくし簡便な方法とした。具体的には、以下の方法により溶出した。
▲１▼ヒューム１ｇに対して、混合水が合計１００ｃｃになるように蒸留水を混合した。
▲２▼▲１▼の液を常温常圧で、５分間振とう後、恒温振とう水槽にて７０℃×２時間振とうした。
▲３▼▲２▼の液を静置し、室温まで冷却後、ガラス繊維フィルター（０．４５μｍ）にてろ過し、溶出検液とした。
【００３６】
以上のような手順で作成した各溶出検液における６価Ｃｒ濃度を、ＪＩＳ  Ｋ０１０２により測定した。但し、ヒュームの測定結果は値を１０倍とし、スラグの検液濃度に合わせた。
【００３７】
下記表６及び表７に夫々比較例及び実施例の試験結果を示す。表１に示すワイヤＮｏ．９〜Ｎｏ．１９は本発明の実施例のワイヤであり、表７に示すように、これらのワイヤを使用した実施例１乃至１４においては、いずれも溶出Ｃｒ量の低減と溶接作業性の両立を達成できた。
【００３８】
但し、ワイヤＮｏ．９のワイヤを高電流で溶接（表５の溶接条件２）した実施例２の場合、又は、ワイヤＮｏ．９のワイヤをＡｒ−２０％ＣＯ２シールドで溶接（表５の溶接条件４）した実施例４の場合は、夫々、低電流（表５の溶接条件３）の実施例３の場合、及び１００％ＣＯ２（表５の溶接条件１）の実施例１の場合に比して、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量は若干増加する傾向にあった。
【００３９】
また、ワイヤＮｏ．１２のワイヤは、ワイヤ中の［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］量が少ないために、それを使用した実施例７は、スラグ被包性がやや劣っていた。また、ワイヤＮｏ．１３は［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］が多いために、それを使用した実施例８はスラグが硬く、スラグ剥離性が若干劣っていた。
【００４０】
また、ワイヤＮｏ．１８のワイヤは、表４に示すように、外皮Ｎｏ．２の外皮を使用しており、ワイヤ全Ｃｒ量に対して金属外皮中のＣｒ量が少ないために、また、ワイヤＮｏ．１６のワイヤは、表１に示すように、ワイヤ中のＣｒ量が多い割には、外皮中のＣｒ量が少ない（外皮Ｎｏ．１）ために、これらを使用した実施例１１，１３は、水に可溶性のＣｒ量が若干増加していた。更に、ワイヤＮｏ．１９は［Ｎａ］＋［Ｋ］の量が多いために、それを使用した実施例１４は水に可溶性のＣｒ量が若干増加していた。
【００４１】
これに対して比較例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８のワイヤは以下に示す問題点がある。比較例Ｎｏ．１はＳｉ含有量が少なく、［Ｓｉ］／（［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］）比も小さいため、溶出Ｃｒ量が抑制されていない。比較例Ｎｏ．２はＳｉ含有量が高すぎるため、溶接スラグの剥離が極端に悪く、実用不可能のレベルであった。比較例Ｎｏ．３及び４は、［Ｓｉ］／（［Ｔｉ］＋［Ｚｒ］）比が小さいため、溶出Ｃｒ量を抑制できていない。比較例Ｎｏ．５及び６は、［Ｃｒ］量に対して［Ｎａ］＋［Ｋ］量が多すぎるため、（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２の値が大きすぎ、溶出Ｃｒの抑制が不十分であった。比較例Ｎｏ．７は［Ｎａ］＋［Ｋ］量に対して、［Ｃｒ］量が多すぎるために、（［Ｎａ］＋［Ｋ］）×［Ｃｒ］２の値が大きすぎ、溶出Ｃｒの抑制が不十分であった。比較例Ｎｏ．８はＣｒ含有量が高すぎるため、溶出Ｃｒ量の抑制と溶接作業性が不十分であった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ステンレス鋼の溶接時に発生するスラグ及びヒューム中に含有される６価Ｃｒを低減し、溶接作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワイヤ中のＣｒ含有量と溶接時に発生したヒューム及びスラグ中に含まれる水に可溶性のＣｒ量との関係を示すグラフ図である。
【図２】ワイヤ中のＣｒ含有量とＮａ＋Ｋ量がヒューム中の水に可溶性のＣｒ量に及ぼす影響を示すグラフ図である。
【図３】溶接電流がヒューム中の水に可溶性のＣｒ量に及ぼす影響（シールドガス：１００％ＣＯ２）を示すグラフ図である。
【図４】シールドガス中に含まれるＡｒガス量が、ヒューム中の水に可溶性のＣｒ量に及ぼす影響（溶接電流：２００Ａ）を示すグラフ図である。
【図１】
0003765772.tif 000009
【図２】
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【図３】
0003765772.tif 000011
【図４】
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