(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼製の外皮中に、フラックスを充填したステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤにおいて、前記フラックスは、ワイヤ全重量比で、ＴｉＯ２を５．５乃至１０．０質量％、ＳｉＯ２を１．５乃至３．０質量％、Ａｌ２Ｏ３を０．５乃至１．５質量％、フッ素化合物（Ｆ換算値）を０．１０乃至０．１５質量％を夫々含有し、ＺｒＯ２が０．１質量％以下に規制されており、フラックス率が３０乃至４０％、スラグ形成剤の総量がワイヤ全重量比で８乃至１４質量％であることを特徴とするステンレス鋼アーク溶接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】
本発明は外皮がステンレス鋼からなり、ステンレス鋼の溶接、ステンレス鋼と炭素鋼又は低合金鋼との異材溶接、ステンレスクラッド鋼の合わせ材側の下盛り溶接、及び炭素鋼又は低合金鋼にステンレス鋼溶接金属等を肉盛する場合の下盛り溶接等に使用されるステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤに関し、特に、溶接電流が１５０Ａ以下の小電流での溶接に際し、優れた溶接作業性を有すると共に、良好な再アークスタート性を有するステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
優れた溶接作業性及び高能率化の要求により、近時、これらの特性を備えた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、各種の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。
【０００３】
また、ステンレス鋼の分野においては、所謂厚板の溶接は極めて少なく、薄板溶接が占める割合が高い。特に、板厚が３ｍｍ以下の溶接に関しては、０．８ｍｍ又は０．９ｍｍ等の細径ワイヤが使用されている。
【０００４】
一方、溶接電流が８０乃至１５０Ａの小電流域の溶接に関しては、特公昭６３−１３６９５号公報において、溶接作業性が優れたフラックス入りワイヤが開示されているが、この従来技術においては、板厚が２ｍｍ程度の場合には、０．８ｍｍ径のワイヤを適用しており、１．２ｍｍ径のワイヤでは、適用困難である。
【０００５】
一方、ステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤの製造に関しては、特開昭５６−８６６９９号公報に開示されているように、細径になるほど製造が困難になり、伸線加工工程の途中で、焼鈍等の加熱処理が必要になっている。従って、製造コストが上昇し、直径が１．２ｍｍ又は１．６ｍｍのワイヤと比較して、極めて高価であるという問題点がある。
【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、特に薄板ステンレス鋼の溶接時に良好な溶接作業性を得ることができるステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【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アーク溶接フラックス入りワイヤは、ステンレス鋼製の外皮中に、フラックスを充填したステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤにおいて、前記フラックスは、ワイヤ全重量比で、ＴｉＯ２を５．５乃至１０．０質量％、ＳｉＯ２を１．５乃至３．０質量％、Ａｌ２Ｏ３を０．５乃至１．５質量％、フッ素化合物（Ｆ換算値）を０．１０乃至０．１５質量％を夫々含有し、ＺｒＯ２が０．１質量％以下に規制されており、フラックス率が３０乃至４０％、スラグ形成剤の総量がワイヤ全重量比で８乃至１４質量％であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。従来、薄板ステンレス鋼の溶接を、１．２ｍｍ径のステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤを使用して溶接した場合、板厚が３ｍｍ以下の場合には、溶接電流を１２０Ａ以下に下げる必要があった。しかしながら、このような電流域においては、ワイヤ先端の溶滴が大きくなり、安定した溶滴の移行が得られず、スパッタが多くなり、ビード形状が不安定になるという問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明者等が低電流域でのアーク状態を安定化させるために、種々実験研究を繰り返した結果、１．２ｍｍ径のワイヤであっても、フラックス率を高く設計し、外皮を薄くすることにより、電流密度を上昇させれば、アーク状態が改善されることを見いだした。
【００１０】
しかし、外皮を薄くすることにより、ワイヤの単位長あたりの電気抵抗が上昇し、同一電流で溶接する際には、外皮を薄くしない通常の１．２ｍｍ径のワイヤを使用した場合と比較して溶接金属量が多くなるという問題点が生じた。特に、ステンレス鋼の外皮については、炭素鋼外皮よりも電気抵抗が高いために、溶着速度（単位時間あたりの溶接金属量ｇ／分）の上昇が著しい。具体的には、溶接金属の量が多くなると、低電流であっても、溶接金属の熱収縮が大きくなり、母材の変形量が大きくなる。
【００１１】
そこで、この問題点を解消するために、本発明者等が更に実験研究した結果、高フラックス率設計の場合でも、スラグ形成剤の量を多くすることにより、適正なレベルに溶接金属の量を調整できることを見いだした。通常、スラグ量の過剰は、スラグ巻き込み等の溶接欠陥を発生させやすく、Ｘ線性能を劣化させるために、スラグは適正量に調整することが必要である。また、薄板溶接の観点からは、特にスラグ剥離性と再アークスタート性が重要であるが、高フラックス率設計の場合でも、特定のフラックス成分系を選択することにより、低電流で薄板ステンレス鋼を溶接する際に、アーク安定性とビード形状が優れていると共に、スラグ剥離性及び再アークスタート性に優れた溶接作業性が得られることを見いだした。
【００１２】
以下、本発明のステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤについて、更に詳細に説明する。先ず、フラックスの組成について説明する。
【００１３】
「ＴｉＯ２：５．５乃至１０．０質量％」
ＴｉＯ２は、本発明における主要なスラグ形成剤であり、スラグの流動性を改善し、スラグの被包性と剥離性を良好にする。また、アークを切ったときのワイヤ先端の通電性を改善し、再アークスタート性を良好にする。これらの効果を得るためには、ＴｉＯ２を５．５質量％以上添加することが必要である。逆に、ＴｉＯ２が１０．０質量％を超えると、スラグの粘性が高くなりすぎてスラグ巻き込みなどの欠陥が発生し易くなる。ＴｉＯ２源としては、ルチール及びルコキシン等が有効である。より好ましいＴｉＯ２の範囲は５．５乃至８．０質量％である。
【００１４】
「ＳｉＯ２：１．５乃至３．０質量％」
ＳｉＯ２は低電流域での溶滴の切れを円滑にする効果があり、ＳｉＯ２の添加により、アークの集中性も向上し、薄板溶接時に小ビードが得られ易い。これらの効果を得るためには、ＳｉＯ２を１．５質量％以上添加することが必要であり、逆にＳｉＯ２が３．０質量％を超えると、スラグ焼きつきが発生し、剥離性を劣化させる。ＳｉＯ２源としては、珪砂等の酸化物及び長石等の複合酸化物として添加することが有効である。
【００１５】
「Ａｌ２Ｏ３：０．５乃至１．５質量％」
Ａｌ２Ｏ３もＴｉＯ２、及びＳｉＯ２と共に主要なスラグ形成剤であり、特にＡｌ２Ｏ３はビード形状を整え、母材とのなじみを向上させる効果がある。特に、Ａｌ２Ｏ３はスラグの粘性を調整することに有効な原料であり、これらの効果を得るためには０．５質量％以上の添加が必要である。しかし、Ａｌ２Ｏ３が１．５質量％を超えると、スラグの粘性が高くなり過ぎるため、スラグ巻きを起こし易くなり、またスラグ剥離性も劣化する。Ａｌ２Ｏ３源としては、アルミナ等の酸化物及び長石等の複合酸化物として添加することが有効である。
【００１６】
「フッ素化合物（フッ素換算値）：０．１０乃至０．１５質量％」
フッ素化合物はピット及びブローホールの発生を抑制し、耐気孔性を改善するために有効であり、また溶滴の離脱を促進する効果があると共に、特に低電流域のアーク安定性を改善する効果がある。これらの効果は、フッ素化合物がフッ素換算値で０．１０質量％未満では得られず、逆に０．１５質量％を超えると、ヒューム・スパッタの発生量を著しく増加させる。フッ素源としては、蛍石、フッ化ソーダ及び珪フッ化カリ等のアルカリ金属やアルカリ土類金属フッ化物として、添加することが有効である。また、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の有機フッ素化合物も、ワイヤ表面又はフラックス中に含有されると同様の効果がある。いずれもフッ素換算値として上記範囲内の量で添加する。
【００１７】
「ＺｒＯ２：≦０．１質量％」
ＺｒＯ２は、一般的には、スラグの粘性を大きくし、ビード形状を改善する効果が得られ、特に全姿勢で溶接する場合のスラグ垂れ落ち及びビード形状劣化の防止に有効な成分である。しかし、本発明におけるスラグ成分系においては、ＺｒＯ２を添加すると凝固後のスラグが硬くなり、スラグ除去が困難になる傾向が認められ、またアークを切ったワイヤ先端部を硬いスラグが強固に覆うため、再アークスタート性を極めて阻害する。これらの理由により、ＺｒＯ２は０．１質量％以下に制限する。
【００１８】
「フラックス率：２５乃至４５％（ワイヤ全質量に対する充填フラックスの質量％）」
フラックス率を２５乃至４５％と高くすることが本発明の特徴の一つであり、本発明の効果を得るために最重要な項目である。フラックス率を２５乃至４５％とすることは、低電流での溶接作業性を良好にする最大の要因である。つまり、フラックス率が２５％未満では、ワイヤ径が１．２ｍｍの場合には、外皮が厚くなり、電流密度の上昇が小さく、低電流溶接時のアーク状態が悪くなる。また、フラックス率が４５％より大きくなると、外皮の厚さが薄くなり過ぎるために、溶着速度が上昇し、薄板溶接には適しなくなる。また、極端にワイヤの強度も低下するため、送給性が劣化し、安定した溶接が行えなくなる。フラックス率のより好ましい範囲は３０乃至４０％である。
【００１９】
「スラグ形成剤の合計：８乃至１４質量％」
本発明において、スラグ形成剤とは、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＯ及びＦｅＯ（鉄酸化物）の総量をいう。フッ素化合物、Ｂｉ２Ｏ３又はアルカリ金属酸化物等は、スラグ形成剤に含めない。これらのフラックス組成は、気化しやすく、スラグには殆ど含有されず、以下に述べる効果には影響を及ぼさないためである。
【００２０】
高フラックス率のワイヤにおいて、溶接金属量を調整するためにスラグ形成剤の量を制限する必要があり、スラグ形成剤の量が８質量％未満では、溶接金属量が多くなり、母材の変形が大きくなり、スラグが少なく、ビード全面を均一に被包できず、ビード形状及びスラグ剥離性が劣化する。また、スラグ形成剤の量が１４質量％を超えると、スラグ量が多すぎるため、スラグ巻き込みなどの欠陥が発生し易くなると共に、ビードを覆うスラグが厚くなり、スラグの除去が困難になる。更に好ましくは、スラグ形成剤量を９乃至１２質量％とする。
【００２１】
「その他の添加成分」
なお、上記成分以外の添加成分としては、スラグの剥離性を改善するために、Ｂｉ２Ｏ３又はＳを添加することができる。また、脱酸剤としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｎ等を添加することができ、更に溶接金属の成分を調整する目的で、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｃ、Ｎ又はＦｅ等を適宜添加することができる。但し、Ｆｅはフラックス入りワイヤ製造時の伸線工程において、加工時に伸びてフラックス内にも電気が流れるようになるため、フラックス全体の４５質量％以下に規制することが好ましい。更に、金属外皮はステンレス鋼であるが、特にその成分に関しては特定する必要は無く、ワイヤの断面形状に関しても特に規定する必要は無い。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入る実施例について、その効果を本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。下記表１乃至表６はフラックス入りワイヤのフラックス組成、フラックス率、スラグ形成剤量を示す。また、下記表７はステンレス鋼からなる外皮の組成（単位質量％）を示す。この表７に記載の外皮を使用し、表１乃至表６のフラックスを充填して、フラックス入りワイヤを製造した。なお、フラックスの組成値はワイヤ全質量に対する質量％である。また、各表において、ブランクは実質的にその成分を含んでいないことを示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
【表４】
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【００２７】
【表５】
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【００２８】
【表６】
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【００２９】
【表７】
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【００３０】
これらのフラックス入りワイヤを使用して、下記表８に示す溶接条件Ａ，Ｂ，Ｃで各種試験を行い、評価した。具体的な試験方法を以下に示す。
【００３１】
【表８】
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【００３２】
溶接条件Ａでは、図１に示す板厚２ｍｍの水平すみ肉試験板にて、溶接作業性と再アークスタート性を評価した。ステンレス鋼の試験板１をＴ字形に組み立て、その直交する部分を水平すみ肉溶接した。符号２は溶接金属である。また、再アークスタート性の評価は、アークを切った後、ワイヤ先端を切断せずに３０秒間待ち、再びアークがスムースに発生するかどうかで判定し、同一ワイヤで２０回繰り返し、その成功率で評価した。溶接条件Ｂでは、図２に示すように、ステンレス鋼試験板１を水平に突合せ、突合せ継ぎ手にて下向き多層溶接を行い、溶接作業性とＸ線性能を評価した。Ｘ線性能の評価はＪＩＳ  Ｚ３１０６に従い判定した。溶接条件Ｃでは、図３に示すように、ステンレス鋼の試験板１上に肉盛溶接を行い、溶接作業性とワイヤの送給性を評価した。ワイヤ送給性の評価は、１５分間の連続溶接を行い、アークストップの有無で評価した。また、試験板はいずれもＪＩＳ  Ｇ４３０４又はＧ４３０５に規定されるステンレス鋼板でワイヤと同成分系のものを使用した。
【００３３】
これらの評価結果を下記表９乃至表１１に示す。なお、これらの表９乃至１１において、◎、○、△、及び×の評価基準を下記表１２に示す。
【００３４】
【表９】
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【００３５】
【表１０】
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【００３６】
【表１１】
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【００３７】
【表１２】
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【００３８】
ワイヤＮｏ１乃至１４は本発明例であり、下向き及び水平すみ肉溶接において低電流域で極めて優れた溶接作業性、再アークスタート性、Ｘ線性能が得られている。
【００３９】
一方、ワイヤＮｏ１５はＴｉＯ２が５．５質量％未満であり、アークの状態及び再アークスタート性、特にスラグの剥離性が劣っている。ワイヤＮｏ１６はＴｉＯ２が１０質量％を超えており、スラグの粘性が高くスラグ巻き込みが発生したため、Ｘ線性能が劣っている。ワイヤＮｏ１７はＳｉＯ２が１．５質量％未満であり、アークの安定性及び集中性が劣っている。ワイヤＮｏ１８はＳｉＯ２が３．０質量％を超えており、スラグの剥離性が極めて悪く、ビード表面に焼き付きも発生している。ワイヤＮｏ１９はＡｌ２Ｏ３が０．５質量％未満であり、ビードの母材へのなじみが劣っている。また、ＺｒＯ２が０．１０質量％を超えているため、再アークスタート性も著しく劣化している。
【００４０】
ワイヤＮｏ２０はＡｌ２Ｏ３が１．５質量％を超えており、スラグの粘性が高く、スラグ巻き込みが発生したため、Ｘ線性能が劣っている。ワイヤＮｏ２１はフッ素化合物のＦ素換算値が０．１０質量％未満であり、低電流域のアーク安定性が劣っており、また、Ｘ線性能も劣化している。ワイヤＮｏ２２はフッ素化合物のＦ素換算値が０．１５質量％を超えており、スパッタ発生量が極めて多くなっている。ワイヤＮｏ２３はＺｒＯ２が０．１質量％を超えており、再アークスタート性能が著しく劣化しており、スラグ剥離性も悪くなっている。ワイヤＮｏ２４はフラックスの合計量が２５質量％未満であり、低電流域のアーク安定性とスパッタ発生量が劣っている。
【００４１】
ワイヤＮｏ２５はフラックスの合計量が４５質量％を超えており、ワイヤの送給性が劣化しており、溶接金属量も増加しているため、母材の変形量が大きくなっている。ワイヤＮｏ２６はスラグ形成剤の合計が８．０質量％未満であり、スラグ剥離性とビード形状が劣っており、溶接金属過多のため母材変形が大きくなっている。ワイヤＮｏ２７はスラグ形成剤の合計が１４質量％を超えており、スラグ剥離性が劣っており、スラグ量が多くスラグ巻き込みが発生したため、Ｘ線性能が劣っている。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、薄板ステンレス鋼用の溶接材料として低電流域での溶接作業性が優れており、また、通常使用される電流域でも優れた性能を有したステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤを得ることとができる。従って、本発明はフラックス入りワイヤの更に一層の普及拡大に寄与し、作業の高能率化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】板厚２ｍｍの水平すみ肉試験板にて、溶接作業性と再アークスタート性を評価した試験方法を示す図である。
【図２】突合せ継ぎ手にて下向き多層溶接を行い、溶接作業性とＸ線性能を評価した試験方法を示す図である。
【図３】試験板上に肉盛溶接を行い、溶接作業性とワイヤの送給性を評価した試験方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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