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技術 ガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 渡邊耕太郎富士本博紀
出願日 2016年3月15日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2016-051113
公開日 2017年9月21日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2017-164768
状態 特許登録済
技術分野 溶接用非金属材料(フラックス) 溶接材料およびその製造
主要キーワード 予熱作業 継目無し管 溶接跡 雰囲気管理 寿命回数 応力範囲 鋼材使用量 残部成分
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年9月21日)のものです。
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図面 (5)

課題

靭性疲労強度、および引張強さに優れた溶接部を得ることができ、耐低温割れ性に優れ、スパッタ発生量が少ないガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤを提供する。

解決手段

本発明のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、フラックスが、CaF2、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6からなる群から選択される1種又は2種以上の、F換算値の合計が0.20%以上である弗化物と、0.3%以上3.50%未満の酸化物と、を含み、CaF2の含有量が1.00%未満であり、Ti酸化物の含有量が0.10%以上2.50%未満であり、CaOの含有量が0.2%未満であり、鉄粉の含有量が10.0%未満であり、X値が3.0%以下であり、さらに、弗化物、酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分が所定の範囲内である。

概要

背景

近年、ビル橋梁などの建築構造物の大型化、高層化の要求が増加している。それに伴って、780MPa級(引張強さ780MPa以上)、又は、それ以上の引張強さの高強度鋼の使用量が増大している。

これら高強度鋼を部材の材料として用いることにより、部材に必要とされる強度を得るための鋼材の量を削減することができる。鋼材使用量が減ることで、鋼材費用及び鋼材運搬費用が減少し、さらに、構造物の重量が削減される。これにより、鋼材の取り扱いが容易になり、且つ溶接量が削減されるので、建設工期短縮及び施工コスト削減が期待される。

高強度及び高靭性などの機械特性が要求される、自動車用部品及び橋梁などの溶接構造物を製造する際は、溶接金属にも高強度及び高靭性が求められる。このような溶接構造物の製造のために用いられる溶接用ワイヤとして、5%以上のNiを含有する高Niフラックス入りワイヤが知られている(例えば、特許文献1参照)。Niは、他の焼入れ性強化元素に比べて、靭性への悪影響が少ないため、溶接金属の強度及び靭性の両方を向上させるために有効な元素である。なお、高Niフラックス入りワイヤとは、フラックス入りワイヤを構成する鋼製外皮及びフラックスに含まれるNiの合計量が高い溶接ワイヤである。従って、フラックスがNiを含まず、鋼製外皮がNiを含むフラックス入りワイヤも、高Niフラックス入りワイヤと称される。

また、高強度鋼を溶接して製造される溶接構造物においては、溶接部の引張残留応力を減少させることが求められる。溶接部の引張残留応力は、溶接部の疲労強度を低下させるからである。この要求を満たすためにも、Niをフラックス入りワイヤに含有させることは有効である。Niはオーステナイトフォーマーであり、相変態温度を低下させる元素でもある。その性質を利用して、疲労強度に優れた溶接部を得ることを目的とした高Niフラックス入りワイヤも知られている(例えば、特許文献2参照)。この溶接ワイヤを用いた溶接では、溶接金属を低温域マルテンサイト変態させることができる。マルテンサイト変態の際に、溶接金属は膨張する。この変態時の体積膨張を利用して、溶接部に圧縮残留応力を発生させ、溶接部の引張残留応力を低減することにより、あるいは溶接部に圧縮残留応力を付与することにより、溶接部の疲労強度を改善することができる。

さらに、橋梁及び造船分野等において行われる溶接では、溶接金属中拡散性水素に起因する低温割れを回避することを目的に、拡散性水素を溶接継手の外に放出するために行なわれる予熱作業の軽減が求められている。予熱作業は、作業負荷が大きく、製造コスト増につながるからである。予熱作業の負荷を低減させる(予熱無しにする、あるいは、予熱温度を低くする)ためには、溶接金属中の拡散性水素を低減する必要がある。特許文献3は、フラックス入りワイヤにCaF2主体とする弗化物を添加することで、溶接金属中に含まれる拡散性水素量を低減させ、耐低温割れ性を改善した画期的な技術である。

しかしながら、耐低温割れ性に優れた高Niフラックス入りワイヤを得ることは容易ではない。本発明者らは、耐低温割れ性に優れた高Niフラックス入りワイヤを開発するために、特許文献3及び特許文献2を参考に、CaF2をフラックス入りワイヤの全質量に対して2質量%超添加した高Niフラックス入りワイヤを試作し、溶接作業を行なった。その結果、強度、靭性、疲労強度および耐低温割れ性について良好な溶接部を有する溶接継手が得られた。しかし、シールドガスが100%CO2ガスである溶接作業に、上述のフラックス入りワイヤを用いた場合には、スパッタが多発し、作業性が著しく悪いという問題が起こった。100%CO2シールドガスは、Ar−CO2混合シールドガスに比べて、安価であるので、100%CO2シールドガスを用いる溶接に適用可能なフラックス入りワイヤの提供が求められている。

概要

靭性、疲労強度、および引張強さに優れた溶接部を得ることができ、耐低温割れ性に優れ、スパッタ発生量が少ないガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤを提供する。本発明のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、フラックスが、CaF2、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6からなる群から選択される1種又は2種以上の、F換算値の合計が0.20%以上である弗化物と、0.3%以上3.50%未満の酸化物と、を含み、CaF2の含有量が1.00%未満であり、Ti酸化物の含有量が0.10%以上2.50%未満であり、CaOの含有量が0.2%未満であり、鉄粉の含有量が10.0%未満であり、X値が3.0%以下であり、さらに、弗化物、酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分が所定の範囲内である。

目的

本発明の課題は、靱性、疲労強度、および引張強さが優れた溶接金属が得られ、耐低温割れ性が優れ、スパッタの発生量が少ないフラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

鋼製外皮と、前記鋼製外皮の内部に充填されたフラックスとを備えるガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤであって、前記フラックスが、CaF2、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6からなる群から選択される1種又は2種以上の弗化物であって、前記フラックス入りワイヤの全質量に対するF換算値の合計が0.20%以上である弗化物と、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0.30%以上3.50%未満の酸化物と、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0%以上10.0%未満の鉄粉と、を含み、前記弗化物に含まれる前記CaF2の含有量が前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で1.00%未満であり、前記酸化物に含まれるTi酸化物の含有量が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0.10%以上2.50%未満であり、前記酸化物に含まれるCaOの含有量が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0.2%未満であり、式1によって算出されるX値が3.0%以下であり、さらに、前記弗化物、前記酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、C:0.003〜0.080%、Si:0.21〜2.00%、Mn:0.81〜3.50%、P:0.020%以下、S:0.010%以下、Ni:5.0〜15.0%、を含有し、残部がFeおよび不純物からなることを特徴とするガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。X=[Na3AlF6]+[NaF]+[MgF2]+1.5×([K2ZrF6])+3.5×([CaF2])・・・(式1)ただし、式1に記載の括弧が付された化学式は、前記化学式に係る前記弗化物の、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量を表し、含有されない前記弗化物の含有量は0とみなす

請求項2

前記フラックス入りワイヤが、さらに、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、Cu:0.80%以下、Cr:5.0%以下、及びMo:2.0%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項3

前記フラックス入りワイヤが、さらに、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、Al:0.400%以下、Ti:0.30%以下、Nb:0.05%以下、及びB:0.0100%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項4

前記フラックス入りワイヤが、さらに、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、Mg:0.80%以下、Ca:0.500%以下、及びREM:0.0100%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項5

前記フラックスが、さらに、CaCO3、Na2CO3、及びMgCO3からなる群から選択される1種または2種以上の前記炭酸塩を、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で合計2.00%以下含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項6

前記鋼製外皮がスリット状の隙間のない形状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項7

前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有する形状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項8

前記フラックス入りワイヤの表面に塗布されたパーフルオロポリエーテル油をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ。

請求項9

請求項1〜8のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤを用いることを特徴とする溶接継手の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、フラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法に関するものである。

背景技術

0002

近年、ビル橋梁などの建築構造物の大型化、高層化の要求が増加している。それに伴って、780MPa級(引張強さ780MPa以上)、又は、それ以上の引張強さの高強度鋼の使用量が増大している。

0003

これら高強度鋼を部材の材料として用いることにより、部材に必要とされる強度を得るための鋼材の量を削減することができる。鋼材使用量が減ることで、鋼材費用及び鋼材運搬費用が減少し、さらに、構造物の重量が削減される。これにより、鋼材の取り扱いが容易になり、且つ溶接量が削減されるので、建設工期短縮及び施工コスト削減が期待される。

0004

高強度及び高靭性などの機械特性が要求される、自動車用部品及び橋梁などの溶接構造物を製造する際は、溶接金属にも高強度及び高靭性が求められる。このような溶接構造物の製造のために用いられる溶接用ワイヤとして、5%以上のNiを含有する高Niフラックス入りワイヤが知られている(例えば、特許文献1参照)。Niは、他の焼入れ性強化元素に比べて、靭性への悪影響が少ないため、溶接金属の強度及び靭性の両方を向上させるために有効な元素である。なお、高Niフラックス入りワイヤとは、フラックス入りワイヤを構成する鋼製外皮及びフラックスに含まれるNiの合計量が高い溶接ワイヤである。従って、フラックスがNiを含まず、鋼製外皮がNiを含むフラックス入りワイヤも、高Niフラックス入りワイヤと称される。

0005

また、高強度鋼を溶接して製造される溶接構造物においては、溶接部の引張残留応力を減少させることが求められる。溶接部の引張残留応力は、溶接部の疲労強度を低下させるからである。この要求を満たすためにも、Niをフラックス入りワイヤに含有させることは有効である。Niはオーステナイトフォーマーであり、相変態温度を低下させる元素でもある。その性質を利用して、疲労強度に優れた溶接部を得ることを目的とした高Niフラックス入りワイヤも知られている(例えば、特許文献2参照)。この溶接ワイヤを用いた溶接では、溶接金属を低温域マルテンサイト変態させることができる。マルテンサイト変態の際に、溶接金属は膨張する。この変態時の体積膨張を利用して、溶接部に圧縮残留応力を発生させ、溶接部の引張残留応力を低減することにより、あるいは溶接部に圧縮残留応力を付与することにより、溶接部の疲労強度を改善することができる。

0006

さらに、橋梁及び造船分野等において行われる溶接では、溶接金属中拡散性水素に起因する低温割れを回避することを目的に、拡散性水素を溶接継手の外に放出するために行なわれる予熱作業の軽減が求められている。予熱作業は、作業負荷が大きく、製造コスト増につながるからである。予熱作業の負荷を低減させる(予熱無しにする、あるいは、予熱温度を低くする)ためには、溶接金属中の拡散性水素を低減する必要がある。特許文献3は、フラックス入りワイヤにCaF2主体とする弗化物を添加することで、溶接金属中に含まれる拡散性水素量を低減させ、耐低温割れ性を改善した画期的な技術である。

0007

しかしながら、耐低温割れ性に優れた高Niフラックス入りワイヤを得ることは容易ではない。本発明者らは、耐低温割れ性に優れた高Niフラックス入りワイヤを開発するために、特許文献3及び特許文献2を参考に、CaF2をフラックス入りワイヤの全質量に対して2質量%超添加した高Niフラックス入りワイヤを試作し、溶接作業を行なった。その結果、強度、靭性、疲労強度および耐低温割れ性について良好な溶接部を有する溶接継手が得られた。しかし、シールドガスが100%CO2ガスである溶接作業に、上述のフラックス入りワイヤを用いた場合には、スパッタが多発し、作業性が著しく悪いという問題が起こった。100%CO2シールドガスは、Ar−CO2混合シールドガスに比べて、安価であるので、100%CO2シールドガスを用いる溶接に適用可能なフラックス入りワイヤの提供が求められている。

先行技術

0008

特開2008−168312号公報
特開2007−296535号公報
特許第5440744号

発明が解決しようとする課題

0009

本発明の課題は、靱性、疲労強度、および引張強さが優れた溶接金属が得られ、耐低温割れ性が優れ、スパッタの発生量が少ないフラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

本発明の要旨は次のとおりである。

0011

(1)本発明の一態様に係るガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、鋼製外皮と、前記鋼製外皮の内部に充填されたフラックスとを備え、前記フラックスが、CaF2、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6からなる群から選択される1種又は2種以上の弗化物であって、前記フラックス入りワイヤの全質量に対するF換算値の合計が0.20%以上である弗化物と、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0.3%以上3.50%未満の酸化物と、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0%以上10.0%未満の鉄粉と、を含み、前記弗化物に含まれる前記CaF2の含有量が前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で1.00%未満であり、前記酸化物に含まれるTi酸化物の含有量が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0.10%以上2.50%未満であり、前記酸化物に含まれる前記CaOの含有量が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で0.2%未満であり、式1によって算出されるX値が3.0%以下であり、さらに、前記弗化物、前記酸化物、及び炭酸塩を除く前記化学成分が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、C:0.003〜0.080%、Si:0.21〜2.00%、Mn:0.81〜3.50%、P:0.020%以下、S:0.010%以下、Ni:5.0〜15.0%、を含有し、残部がFeおよび不純物からなる。
X=[Na3AlF6]+[NaF]+[MgF2]+1.5×([K2ZrF6])+3.5×([CaF2])・・・(式1)
ただし、式1に記載の括弧が付された化学式は、前記化学式に係る前記弗化物の、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量を表し、含有されない前記弗化物の含有量は0とみなす
(2)上記(1)に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、さらに、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、Cu:0.80%以下、Cr:5.0%以下、及びMo:2.0%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有してもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、さらに、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、Al:0.400%以下、Ti:0.30%以下、Nb:0.05%以下、及びB:0.0100%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有してもよい。
(4)上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、さらに、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、Mg:0.80%以下、Ca:0.500%以下、及びREM:0.0100%以下からなる群から選択される1種または2種以上を含有してもよい。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、前記フラックスが、さらに、CaCO3、Na2CO3、及びMgCO3からなる群から選択される1種または2種以上の前記炭酸塩を、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で合計2.00%以下含有してもよい。
(6)上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮がスリット状の隙間のない形状であってもよい。
(7)上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有する形状であってもよい。
(8)上記(1)〜(7)のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤは、前記フラックス入りワイヤの表面に塗布されたパーフルオロポリエーテル油をさらに備えてもよい。
(9)本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法では、上記(1)〜(8)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤを用いる。

発明の効果

0012

本発明は、高強度及び高靭性であり、かつ、疲労強度に優れた溶接金属を得ることができ、耐低温割れ性が優れ、さらに、スパッタの発生量が少ないガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法を提供することができる。特に本発明は、疲労強度及び靭性等が必要とされる部材(例えば、橋梁、造船、自動車建築、及びガスタンク等)に使用される780MPa以上の高強度鋼の溶接、及びシールドガスが100%CO2である溶接に適用された場合であっても、耐低温割れ性に優れ、スパッタ発生が少なく、高い溶接施工効率で溶接可能であるガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤ及び溶接継手の製造方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0013

X値とスパッタ量との関係を示すグラフである。
(a)エッジ面を突合せて溶接して作ったワイヤ、(b)エッジ面を突合せて作ったワイヤ、(c)エッジ面をかしめて作ったワイヤの断面の写真である。
実施例の評価のための試験片採取位置を示す図である。
疲労試験に用いる試験体を示す図である。

0014

本発明者らは、Niを5%以上含有したガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤにおいて、種々のスラグ成分量を変えて実験した。その結果、本発明者らは、Niを5.0〜15.0%含有した高Niフラックス入りワイヤを用いて厚手鋼板を溶接した場合に問題となる低温割れを改善することができ、かつ、シールドガスが100%CO2ガスである溶接に用いられた場合でもスパッタの発生量を抑制することができる弗化物の種類と添加量を見出した。

0015

本発明は以上のような検討の結果なされたものである。以下、本実施形態に係るフラックス入りワイヤについて、スラグ成分と合金成分とに分けて説明する。なお、溶接ワイヤについての説明中の成分の含有量は、特に断りが無い限り、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%を表す。
最初に、ワイヤの鋼製外皮の内部に挿入されるスラグ成分について説明する。

0016

(弗化物の、フラックス入りワイヤの全質量に対するF換算値の合計:0.20%以上)
(弗化物の種類:CaF2、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6からなる群から選択される一種以上を含む)
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、CaF2、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6からなる群から選択される一種以上の弗化物を、フラックス入りワイヤの全質量に対するF換算値合計で0.20%以上含有する。フラックス入りワイヤの全質量に対するF換算値とは、弗化物に含まれる弗素(F)の量を、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で示すものである。例えば、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%でn%のCaF2がフラックス入りワイヤに含まれる場合、CaF2のF換算値は以下の式2によって求められる。
(CaF2のF換算値)=n×(19.00×2/78.08)・・・(式2)
上の式2中の「19.00」は、Fの原子量であり、「2」は、1個のCaF2に含まれるF原子個数であり、「78.08」は、CaF2の分子量である。CaF2以外の弗化物に関しても、同様にF換算値が算出できる。フラックス中複数種類の弗化物が含まれる場合、各弗化物のF換算値の合計値が、フラックスに含まれる弗化物のF換算値とみなされる。

0017

弗化物は、溶接金属の拡散性水素量を低減させることができる。弗化物のF換算値の合計が0.20%未満では、溶接金属の拡散性水素量を安定して低減し、耐低温割れ性を満足することができない。溶接金属の拡散性水素量をより低減するために、弗化物のF換算値合計の下限を0.30%、0.40%、又は、0.50%としてもよい。

0018

弗化物の含有量が過剰である場合、溶接中のスパッタ量が増大する。しかしながら本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、弗化物のF換算値の上限値を定める必要はない。本発明者らは、弗化物の含有量の上限値を、後述するスパッタ生成指数X(X値)を用いて制限すべきである旨を見いだしたからである。弗化物のF換算値は、X値が以下に説明される範囲内である限り、適宜選択可能である。

0019

(CaF2:フラックス入りワイヤの全質量に対して1.00%未満)
CaF2は、MgF2、Na3AlF6、NaF、及びK2ZrF6よりも、100%CO2ガスを使用するガスシールドアーク溶接において、スパッタを多量に発生させる。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤにはCaF2を添加しないことが好ましい。しかしながら、フラックスの原料にCaF2が含有されている場合がある。その場合、CaF2の含有量を1.00%未満に制限する。CaF2の含有量を1.00%未満に制限すれば、スパッタの問題は無視できる。スパッタの発生量をさらに低減するために、CaF2の含有量の上限を0.75%、又は、0.50%としてもよい。本実施形態に係るフラックス入りワイヤはCaF2を必要としないので、CaF2の含有量の下限値は0%である。

0020

(X値:3.0%以下)
シールドガスが100%CO2ガスであるガスシールドアーク溶接において、CaF2がスパッタを増加させることは上述した。さらに、本発明者らは、多種の弗化物を含有し、鋼製外皮にスリット状の隙間がなく、植物油が鋼製外皮に塗布された、1.2mmφのワイヤを多数作成して、これらのスパッタ特性調査した。銅製の捕集箱内で、鋼板上に、ビードオンプレートで、溶接電流280A、電圧27V、溶接速度25cm/min、シールドガス100%CO2(25l/min)、及び予熱なしの条件で、上述の種々のフラックス入りワイヤを用いて、1分間、溶接ビードを作製した。この溶接ビードの作成の間に箱内に飛散したスパッタおよび鋼板に付着したスパッタを回収し、これらのうち直径1.0mm超のものの総重量を測定した。スパッタ発生量、弗化物の種類、及び各弗化物の含有量のデータを多元解析した結果、式1を用いて算出されるX値とスパッタ発生量との間に、図1に示される良好な相関関係があることが見出された。
X=[Na3AlF6]+[NaF]+[MgF2]+1.5×([K2ZrF6])+3.5×([CaF2])・・・(式1)
式1において、括弧が付された化学式は、化学式に係る化合物(弗化物)の含有量を、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で表すものである。フラックス中に含まれない弗化物の含有量は0とする。式1で定義するX値を3.0%以下とすることで、上述の条件で溶接を行った際のスパッタ量を5g/min以下することができ、種々の条件で溶接を行ったとしてもスパッタ量を問題ない範囲に抑えることができることがわかった。なお、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、弗化物のX値の下限値を定める必要はない。弗化物の含有量の下限値は、上述されたF換算値を用いて規定されるからである。

0021

以上のように、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、X値及びF換算値が上述の範囲内となるように弗化物の種類と添加量とを選択することで、耐低温割れ性と、100%CO2シールドガス下での溶接におけるスパッタ抑制とを両立できる。これが、本発明のもっとも重要な技術思想である。

0022

弗化物が拡散性水素量を低減する理由については、必ずしも明らかではないが、弗化物が溶接アークにより分解し、生成されたフッ素水素と結合してHFガスとして大気中に散逸したか、又は、そのまま溶接金属中に水素がHFとして固定されたためではないかと考えられる。また、弗化物の種類によって、スパッタの発生量が異なる理由については、必ずしも明らかではないが、本発明者らは、弗化物と化学結合している金属元素が、何らかの理由でスパッタ生成に影響していると推測している。

0023

(酸化物の合計:フラックス入りワイヤの全質量に対して0.30%以上3.50%未満)
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、酸化物を合計で0.30%以上3.50%未満含有する。
酸化物は、溶接ビードの形状をよくすることができる。酸化物含有量の合計が0.30%未満である場合、溶接ビードの形状が悪くなることがある。溶接ビードの形状をよくするために、酸化物の合計含有量の下限を0.50%、又は、0.70%としてもよい。また、酸化物の合計含有量が3.50%以上である場合、溶接部の靭性を低下させることがある。溶接部の靱性の改善のために、酸化物の合計含有量の上限を3.00%、2.50%、又は、1.50%としてもよい。なお、酸化物は、Ti酸化物を後述する数値範囲内で必ず含み、任意に、Ca酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、及び、Al酸化物からなる群から選択される1種又は2種以上をさらに含む。フラックスの造粒に使用されるバインダーなどに含まれる、これら以外の酸化物がフラックス入りワイヤに含まれても良い。「酸化物の含有量の合計値」とは、Ti酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、及び、Al酸化物等の合計量に加え、フラックスの造粒に使用されるバインダーなどに含まれる酸化物の含有量も含む。なお、上述した酸化物に含まれるTi酸化物及びCaOの含有量に関しては、後述する、別の規定が併せて行われる。

0024

(Ti酸化物:フラックス入りワイヤの全質量に対して0.10%以上2.50%未満)
Ti酸化物が0.10%未満では、溶接ビード形状が悪くなることがある。また、Ti酸化物はアーク安定剤としての機能も有する。良好な溶接ビード形状を得るために、Ti酸化物の含有量の下限を0.30%、0.50%、又は、0.70%としてもよい。また、Ti酸化物の含有量が2.50%以上であると、溶接部の靭性を低下させることがある。溶接部の靱性の改善のために、Ti酸化物の上限を2.40%、2.00%、1.50%、1.00%、0.90%、又は、0.80%としてもよい。

0025

本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、Ni含有量を増大させることで溶接部の靭性を上げているが、さらに、酸化物の含有量を上述の範囲内とすることで、靭性を安定的に向上させることができる。

0026

(CaO:フラックス入りワイヤの全質量に対して0.2%未満)
CaOは、100%CO2ガスを使用するシールドアーク溶接においてスパッタを多く発生させる。フラックス入りワイヤが0.2%以上のCaOを含有する場合、100%CO2ガスを使用するシールドアーク溶接に適用することが困難になる。したがって、CaOの含有量は0.2%未満とする。CaOの含有量の下限値は0%である。

0027

(炭酸塩の合計含有量:フラックス入りワイヤの全質量に対して2.00%以下)
(炭酸塩の種類:CaCO3、Na2CO3、MgCO3からなる群から選択される一種以上を含む)
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、炭酸塩を含む必要はない。従って炭酸塩の含有量の下限値は0%である。しかしながら、本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、更に、MgCO3、Na2CO3、及びCaCO3からなる群から選択される1種又は2種以上の炭酸塩を合計で2.00%以下含有することが好ましい。

0028

炭酸塩は、アークによって電離し、CO2ガスを発生させる。炭酸塩から生成されたCO2ガスは、水素分圧下げ、溶接金属中の拡散性水素量を低減させる。この効果を得るために炭酸塩をフラックス入りワイヤに添加する場合、炭酸塩の含有量の合計を0.30%以上とすることが好ましい。溶接金属中の拡散性水素の量をさらに低減するために、炭酸塩の含有量の合計の下限を0.50%又は1.00%としてもよい。また、炭酸塩の合計含有量が2.00%超では、溶接ヒュームが過剰に発生する。溶接ヒューム発生の回避のために、炭酸塩含有量合計の上限を1.80%、1.50%、又は、1.30%としてもよい。

0029

次に、本実施形態に係るフラックス入りワイヤを構成する鋼製外皮及びフラックス中に含有される合金成分及び金属脱酸成分について説明する。本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいて、合金成分及び金属脱酸成分とは、弗化物、酸化物、及び炭酸塩を構成しない成分のことである。合金成分は、金属粉または合金粉の状態でフラックスに含まれても、鋼製外皮に含まれても、鋼製外皮にめっきされてもよい。

0030

(C:0.003〜0.080%)
Cは、溶接金属の強度を向上させる元素であり、必要とされる溶接金属の強度に応じて0.080%以下の範囲で本実施形態に係るフラックス入りワイヤに含有させる。合金成分のC含有量が0.080%を上回る場合は、溶接金属が硬化し、溶接金属の靭性にとって好ましくない。継手強度や鋼の製造の際の脱炭コストの点からは、C含有量の下限を0.003%とする。

0031

(Si:0.21〜2.00%)
Siは、脱酸元素である。本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、溶接金属のO量を低減して清浄度を高めるために、0.21%以上のSiを含有する必要がある。ただし、2.00%を超えてSiを含有させると溶接金属の靱性を劣化させる。従って、Si含有量は0.21〜2.00%とする。また、溶接金属の靭性を安定して確保するためには、Si含有量の下限を0.30%又は0.40%としてもよく、Si含有量の上限は、1.20%、1.00%又は0.80%としてもよい。

0032

(Mn:0.81〜3.50%)
Mnは、溶接金属の焼入性を確保して強度を高める元素であり、必要とされる溶接金属の強度に応じて3.50%以下の範囲で本実施形態に係るフラックス入りワイヤに含有させる。3.50%を超えてMnを含有させると、溶接金属の粒界脆化感受性が増加して、溶接金属の靱性が劣化する。本実施形態に係るワイヤは、Niを5.0%以上含有するので、Mnの含有量は少なくてもよい。しかしMnは、SをMnSとして固定化し、高温割れの発生を防止する効果も有する。この効果を得るために、Mn含有量の下限を0.81%とすることが望ましい。Mn含有量の下限値を、1.00%、1.10%、または1.20%としてもよい。Mn含有量の上限値を、3.40%、3.30%、または3.20%としてもよい。

0033

(P:0.020%以下)
Pは不純物元素であり、溶接金属の靱性を阻害するため、極力低減する必要があるが、靱性への悪影響が許容できる範囲として、P含有量は0.020%以下とする。靭性の一層の向上のため、Pの上限を0.010%に制限してもよい。

0034

(S:0.010%以下)
Sも不純物元素であり、過大に存在すると、溶接金属の靱性と延性とをともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。溶接金属の靱性及び延性への悪影響が許容できる範囲として、S含有量は0.010%以下とする。溶接金属の靭性の一層の向上のため、Sの上限を0.005%に制限してもよい。

0035

(Ni:5.0〜15.0%)
Niは、固溶靱化(固溶により靭性を高める作用)により、いかなる組織及び成分を有する溶接金属であっても靱性を向上できる唯一の元素である。特に、Niは、引張強さが650MPa以上の高強度の溶接金属の靱性を高めるために有効な元素である。また、Niは、溶接金属のベイナイト相及びマルテンサイト相などの低温側での相変態温度を低下させる働きを有する。低温側の相変態温度を低下させ、溶接金属の組織をベイナイトまたはマルテンサイトとすると、ベイナイト変態またはマルテンサイト変態時の体積膨張を利用して溶接部に圧縮残留応力を発生させて、溶接部の疲労強度を高めることができる。従って、Niは、溶接継手の疲労強度を向上させるために有効な元素である。さらに、Niは溶接金属の耐食性を向上させる作用効果を有する。これらの効果を十分に得るために、ワイヤの合金成分のNi含有量を5.0%以上とする必要がある。

0036

Ni含有量が多いほど、溶接金属の靱性が向上する。しかしがら、Ni含有量が15.0%を超えると、その効果が飽和するのに加え、溶接ワイヤの製造コストが過大となるため、好ましくない。このため、Niの含有量を5.0〜15.0%とする。なお、Niは高価な元素であり、また、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素でもあるので、その上限を12.0%としてもよい。

0037

本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、合金成分または金属脱酸成分として、以上の基本成分に加え、さらに、溶接する鋼板の強度レベル及び求められる溶接部の靭性の程度に応じて、Cu、Cr、Moからなる群から選択される一種または二種以上、さらには、Al、Ti、Nb、Bからなる群から選択される一種または二種以上を含有させることができる。ただし、Cu、Cr、Mo、Al、Ti、Nb、及びBが含まれない場合でも、本実施形態に係るフラックス入りワイヤは課題を解決できるので、これら元素の含有量の下限値は0%である。

0038

(Cu:0.80%以下)
Cuは、ワイヤの鋼製外皮、鋼製外皮の表面のめっき、および、フラックスに単体または合金として添加され、溶接金属の焼入性を高める効果がある。この効果を十分に得るために、添加する場合は、0.10%以上のCuを含有させることが好ましい。一方、含有量が0.80%を超えると靭性が低下する。そのため、Cuを含有させる場合の含有量は、0.80%以下とする。なお、Cuの含有量については、鋼製外皮自体やフラックス中に含有されている分に加えて、ワイヤの鋼製外皮の表面に銅めっきされる場合には、その分も含む。

0039

(Cr:5.0%以下)
Crは、溶接金属の焼入性を高めることにより高強度化に有効な元素である。その効果を得るために、添加する場合は0.1%以上のCrを含有させるのがよい。一方、5.0%を超えて過剰にCrを含有させると、ベイナイト及びマルテンサイトを不均一に硬化させ、靱性を劣化させる。従って、Crを含有させる場合のCr含有量は、5.0%以下とする。

0040

(Mo:2.0%以下)
Moは、溶接金属の焼入性向上元素であり、かつ、微細炭化物を形成して、析出強化により溶接金属の引張強さを向上させる元素である。これらの効果を発揮するために、添加する場合は、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても、0.1%以上のMoを含有させるのが好ましい。一方、2.0%を超えてMoを溶接ワイヤ中に含有させると、粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させる。従って、Moを含有させる場合の含有量は2.0%以下とする。

0041

(Al:0.400%以下)
Alは脱酸元素であり、Siと同様に、溶接金属中のO量を低減し、溶接金属の清浄度を向上させる効果がある。その効果を発揮するために添加する場合は、0.001%以上のAlを含有させるのがよい。一方、0.400%を超えてAlを含有させると、AlはAl窒化物及びAl酸化物を形成して、溶接金属の靱性を阻害する。従って、Al含有量を0.4%以下とする。また、溶接金属の靭性を向上する効果を十分に得るためには、Al含有量の下限を0.004%としてもよく、また、粗大酸化物の生成抑制のために、Al含有量の上限を、0.200%、0.100%又は0.080%としてもよい。

0042

(Ti:0.300%以下)
TiもAlと同様に、脱酸元素として有効であり、溶接金属中のO量を低減させる効果がある。また、Tiは、固溶Nを固定して靱性への悪影響を緩和するためにも有効である。これら効果を発揮させるために添加する場合は、0.005%以上のTiを含有させるのがよい。ただし、溶接ワイヤ中のTi含有量が0.300%を超えて過剰になると、粗大なTi酸化物の形成に起因した溶接金属の靱性の劣化、及び過度な析出強化による溶接金属の靱性劣化が生じる可能性が大となる。そのため、Tiを含有させる場合の含有量は、0.300%以下とする。

0043

(Nb:0.05%以下)
Nbは微細炭化物を形成して、析出強化により溶接金属の引張強さを向上させる。これらの効果を得るために添加する場合は、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても、0.01%以上のNbを含有させるのがよい。一方、0.05%を超えてNbを含有させると、溶接金属中に過剰に含有されたNbが粗大な析出物を形成して、溶接金属の靭性を劣化させるため好ましくない。そのため、Nbを含有させる場合のNb含有量は、0.05%以下とする。

0044

(B:0.0100%以下)
Bは、溶接金属中に適正量含有させると、固溶Nと結びついてBNを形成して、固溶Nの靭性に対する悪影響を減じる効果がある。また、Bは、焼入性を高めて強度向上に寄与する効果も有する。これらの効果を得るために添加する場合は、溶接ワイヤ中のB含有量は0.0003%以上とすることが好ましい。一方、B含有量が0.0100%超になると、溶接金属中のBが過剰となり、BN及びFe23(C、B)6等の粗大なB化合物を形成して、溶接金属の靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。そのため、Bを含有させる場合のB含有量は、0.0100%以下とする。

0045

本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、上記成分に加えて、さらに、溶接金属の延性及び靭性を調整する目的で、必要に応じて、Mg、Ca、および、REMからなる群から選択される1種または2種以上を、以下の範囲内でワイヤ中に含有させることができる。ただし、Mg、Ca、および、REMが含まれない場合でも、本実施形態に係るフラックス入りワイヤは課題を解決できるので、これら元素の含有量の下限値は0%である。

0046

(Mg:0.80%以下)
Mgは強脱酸元素であり、溶接金属中のO量を低減し、溶接金属の延性及び靭性を向上させる。この効果を得るために添加する場合は、0.10%以上のMgを含有させるのがよい。しかし、溶接ワイヤ中のMg含有量が0.80%を超えると、Mgが溶接金属中で粗大酸化物を形成し、無視できない水準靭性低下を招く。また、溶接ワイヤ中のMg含有量が0.80%を超えると、溶接中のアークの安定性が劣化し、ビード形状を悪化させる原因にもなる。そのため、Mgを含有させる場合には、その含有量を0.80%以下とする。

0047

(Ca:0.500%以下)
(REM:0.0100%以下)
Ca、及びREMはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して、溶接金属の延性及び靭性向上に有効である。その効果を得るために添加する場合、Ca含有量を0.100%以上とし、REM含有量を0.0020%以上としてもよい。一方、Ca及びREMを過剰に含有すると、硫化物及び酸化物の粗大化を生じ、溶接金属の延性及び靭性の劣化を招く。また、Ca及びREMを過剰に含有すると、溶接ビード形状の劣化及び溶接性の劣化の可能性も生じる。従って、Ca含有量の上限値を0.500%とし、REM含有量の上限値を0.0100%とする。

0048

なお、以上の合金成分あるいは金属脱酸成分として含有される元素の含有量には、それらの元素が弗化物、酸化物、炭酸塩として含有される場合の含有量は含めない。また、それらの元素は必ずしも純物質である必要はなく、Cu−Ni等の合金の形態で含有されていても何ら問題はない。また、それらの元素は鋼製外皮中に含有されていても、フラックスとして含有されていても、その効果は同じであるので、鋼製外皮及びフラックスの何れに含有させてもよい。

0049

(鉄粉:10%未満)
鉄粉は、フラックス入りワイヤにおけるフラックスの充填率の調整のために、または溶着効率の向上のために必要に応じて含有させる場合がある。しかし、鉄粉の表層酸化されているので、フラックスが鉄粉を過剰に含有すると、溶接金属の酸素量を増加させて靭性を低下させる場合がある。したがって、鉄粉は含有させなくてもよい。充填率の調整のために鉄粉を含有させる場合には、溶接金属の靭性を確保するために、鉄粉の含有量を10%未満にする。

0050

以上が本実施形態に係るフラックス入りワイヤの成分組成に関する限定理由であるが、その他の残部成分はFeと不純物である。Fe成分としては、鋼製外皮のFe、フラックス中に添加された鉄粉及び合金成分中のFeが含まれる。

0051

続いて、フラックス入りワイヤの形態について説明する。
図2に、フラックス入りワイヤの切断面を示す。図2(a)に、エッジ面を突合せて溶接して作ったフラックス入りワイヤ、図2(b)に、エッジ面を突合せて作ったフラックス入りワイヤ、及び、図2(c)に、エッジ面をかしめて作ったフラックス入りワイヤを示す。このように、フラックス入りワイヤには、図2(a)に示すように鋼製外皮にスリット状の隙間がないワイヤと、図2(b)、(c)に示すように鋼製外皮にスリット状の隙間を有するワイヤとに大別できる。本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、いずれの断面構造も採用することができるが、溶接金属の低温割れを抑制するためには、スリット状の隙間がないワイヤ(シームレスワイヤともいう)とすることが好ましい。

0052

溶接時に溶接部に侵入する水素は、溶接金属内及び鋼材側に拡散し、応力集中部集積して低温割れの発生原因となる。この水素源は、溶接材料が保有する水分、大気から混入する水分、並びに鋼表面に付着した錆び及びスケール等である。十分に溶接部の清浄度、及びガスシールドの条件が管理された溶接の下では、ワイヤ中に含有される水分の水素が、溶接継手の拡散性水素の主な供給源となる。

0053

このため、鋼製外皮をスリット状の隙間がない管とし、ワイヤ製造後から使用するまでの間に、鋼製外皮からフラックスへの大気中の水素の侵入を抑制することが望ましい。鋼製外皮を、スリット状の隙間(シーム)を有する管とした場合には、大気中の水分は外皮のスリット状の隙間部からフラックス中に侵入しやすいので、水分等の水素源の侵入を防止することはできない。鋼製外皮がスリットを有し、かつ製造後使用するまでの期間が長い場合は、ワイヤ全体を真空包装するか、またはワイヤを乾燥した状態に保持できる容器内で保存することが望ましい。

0054

また、ワイヤの送給性をよくするため、ワイヤ表面潤滑油が塗布される場合がある。拡散性水素を低減するために、ワイヤ表面に塗布される潤滑油は、パーフルオロポリエーテル油(PFPE)のように水素分を含まない油であることが好ましい。

0055

本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、通常のフラックス入りワイヤの製造方法と同様の製造工程によって製造することができる。
すなわち、まず、外皮となる鋼帯、並びに、弗化物、合金成分、酸化物、及び炭酸塩等が所定の含有量になるように配合したフラックスを準備する。鋼帯を、長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管(U字型)に成形して鋼製外皮とする。この成形途中で、オープン管の開口部からフラックスを供給する。開口部の相対するエッジ面を突合せ、スリット状の隙間を溶接する。溶接法は、例えば電縫溶接レーザー溶接、又は、TIG溶接などである。溶接により得られたスリット状の隙間のない管を伸線し、伸線途中又は伸線工程完了後焼鈍処理して、所望の線径を有するスリット状の隙間のないワイヤを得る。また、開口部の相対するエッジ面を突合せた後にスリット状の隙間を溶接しないことにより、鋼製外皮をスリット状の隙間有りの管とし、それを伸線することで、スリット状の隙間を有するワイヤを得る。

0056

突合せシーム溶接されたスリット状の隙間が無いワイヤを切断した断面は、図2(a)に示される。この断面では、研磨及びエッチングされない限り、溶接跡が観察されない。そのため、上記のようにスリット状の隙間が無いワイヤをシームレスワイヤと呼ぶことがある。例えば、溶接学会編「新版溶接・接合技術入門」(2008年)産報出版、p.111には、スリット状の隙間が無いワイヤがシームレスタイプのワイヤと記載されている。

0057

図2(b)に、鋼帯のエッジ面を突き合わせたワイヤの例を示し、図2(c)に鋼帯のエッジ面をかしめたワイヤの例を示す。図2(b)のように突合せてから、隙間をろう付けしたり、図2(c)のようにかしめてから、隙間をろう付けしたりしても、スリット状の隙間が無いワイヤが得られる。また、図2(b)及び図2(c)のワイヤは、その隙間がろう付けされない場合、スリット状の隙間が有るワイヤとなる。

0058

本実施形態に係る高Niフラックス入りワイヤは、いかなる種類の鋼板にも適用可能である。例えば、引張強度490〜1080MPa程度で板厚6〜32mmの鋼板のガスシールドアーク溶接に、本実施形態に係る高Niフラックス入りワイヤを使用することができる。

0059

本実施形態に係る高Niフラックス入りワイヤは、いかなる種類のシールドガスが用いられる溶接にも適用可能である。シールドガスは、溶接金属の酸素量をより低いものとし、ヒューム発生量を抑制し、溶接アークの安定性を確保するためには、例えば、Arと3〜20vol%CO2との混合ガス、Arと1〜10vol%O2との混合ガス、および100%CO2ガス等を用いることができる。本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、これらのシールドガスを用いてもスパッタの発生が少ない。特に、本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、従来技術によればスパッタを生じさせやすい100%CO2ガスがシールドガスである溶接に用いられても、スパッタの発生量を抑制することができる。

0060

本実施形態に係る溶接継手の製造方法では、上述された本実施形態に係るガスシールドアーク溶接用高Niフラックス入りワイヤが用いられる。本実施形態に係る溶接継手の製造方法では、低温割れを防止するための予熱作業が不要、又は、予熱作業を著しく低減することができ、さらに、スパッタの発生量を少なくすることができる。本実施形態に係る溶接継手の製造方法で用いられるシールドガスの種類及び鋼板の種類は特に限定されない。しかし、シールドガスが100%CO2ガスであり、鋼板が780MPa以上の高強度鋼である場合、本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、従来技術による溶接継手の製造方法と比較して、顕著にスパッタ発生量を減少させ、且つ顕著に耐低温割れ性を向上させることができるので、溶接作業性を向上させることができる。また、この場合、本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、従来技術による溶接継手の製造方法と比較して、溶接部の引張残留応力を低減することにより、溶接部の疲労強度を改善することができる。

0061

次に、実施例により本発明の実施可能性及び効果についてさらに詳細に説明する。

0062

鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせシーム溶接することで鋼帯を継目無し管とし、造管したワイヤの伸線作業の途中で焼鈍を加えることにより、最終のワイヤ径がφ1.2mmのフラックス入りワイヤを試作した。また、シーム溶接をしない継目有りの管を伸線することで、ワイヤ径がφ1.2mmのフラックス入りワイヤを試作した。試作したフラックス入りワイヤの成分組成を表1、及び表2に示す。

0063

鋼製外皮となる鋼帯には、C:0.002%、Si:0.02%、Mn:0.1%、P:0.002%、S:0.002%、及びAl:0.005%を含有し、残部が鉄及び不純物からなる成分の軟質鋼板を用いた。ここで、%はすべて、外皮のみの質量を100%としたときの質量%を意味する。なお、表1、及び表2に記載する成分%は、ワイヤ(外皮とフラックスもすべて含めた)全質量に対する成分質量%を意味している。したがって、例えば、表2に記載されたNi含有量は、鋼製外皮ではなく、Ni粉としてフラックス中に含有されている。

0064

No.2のみ、図2(C)に示されるような、継目がかしめられ且つろう付けされていない継目ありフラックス入りワイヤとした。溶接作業直前まで、No.2のフラックス入りワイヤ全体が真空包装された。それ以外の例は、鋼製外皮がシーム溶接され、鋼製外皮に継目がないフラックス入りワイヤとした。No.3のみ、フラックス入りワイヤの表面にパーフルオロポリエーテル油が塗布された。それ以外のワイヤには、植物油を塗布した。

0065

これらフラックス入りワイヤを用い、板厚が20mmの鋼板1を、図3に示すように、ルートギャップ12mm及び開先角度45°で突き合わせ、裏当金2を用いて、溶接電流280A、電圧27V、溶接速度25cm/min、シールドガス100%CO2(25 l/min)、予熱なし、及びパス間温度100〜150℃の溶接条件で、溶接した。なお、鋼板1及び裏当金2はSM490Aとしたが、鋼板1の開先面及び裏当金2の表面には、試験を行うフラックス入りワイヤを用いて、2層以上、かつ3mm以上のバタリングを実施した。得られた溶接継手の耐低温割れ性は、表4に示す溶接構造用高張力鋼板の板厚50mmの鋼板を用いて、JIS Z 3157(U形溶接溶接割れ試験)に準拠した、温度0℃−湿度60%の一定雰囲気管理下における試験によって評価された。試験ビー度作成から48時間後に、溶接部に表面及び断面に割れがない試料にかかるフラックス入りワイヤが、耐低温割れ性に関し合格と判断された。

0066

また、Ti酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、及び、Al酸化物は、それぞれTiO2、SiO2、ZrO2、MgO、及び、Al2O3とした。

0067

得られた溶接金属(溶接ビード3)の溶着金属から、図3に示すように、JIS Z3111−2005「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」に準拠したA1号引張試験片丸棒)5と4号シャルピー試験片(2mmVノッチ)4とを採取し、各試験片に機械特性試験を行うことにより、各試験片の溶接金属の引張強さとシャルピー吸収エネルギーとを測定した。引張強さが室温で780MPa以上である溶着金属にかかるフラックス入りワイヤが、引張強さに関し合格と判断された。破断伸びが室温で12%以上である溶着金属に係るフラックスワイヤが、伸びに関し合格と判断された。0℃でのシャルピー衝撃試験で、吸収エネルギーが60J以上の溶着金属に係るフラックス入りワイヤが、靱性に関し合格と判断された。

0068

また、疲労試験は、試作したフラックスワイヤを用いて図4に示す十字溶接継手試験体を作成して行った。疲労試験は、応力比0.1、応力範囲100MPa、及び周波数10Hzの条件にて実施し、繰返し寿命回数Nを測定して疲労寿命を評価した。Nが6×106以上で破断しない試験体に係るフラックス入りワイヤが、疲労寿命に関し合格とされた。また、フラックス入りワイヤの溶接作業性は、アーク安定性、スラグ剥離性およびビード形状から判断された。

0069

各フラックス入りワイヤに係るスパッタ発生量は以下の手段により測定された。銅製の捕集箱内で、鋼板上に、ビードオンプレートで、溶接電流280A、電圧27V、溶接速度25cm/min、シールドガス100%CO2(25l/min)、及び予熱なしの条件で、試験対象となるフラックス入りワイヤを用いて、1分間、溶接ビードを作製した。この溶接ビードの作成の間に箱内に飛散したスパッタおよび鋼板に付着したスパッタを回収し、これらのうち直径1.0mm超のものの総重量を測定した。測定結果を、g/minを単位として表3に示す。スパッタ発生量が5g/min以下であるフラックス入りワイヤを、スパッタ抑制性能に関し合格とした。

0070

0071

0072

0073

0074

0075

各フラックス入りワイヤの評価結果を表3に示す。表3の試験結果に示されるように、本発明例であるワイヤ番号1〜15は、強度、靭性、疲労特性、U形割れ試験結果、及びスパッタ発生量の少なさのすべてが優れ、いずれも総合判定で合格であった。

実施例

0076

一方、比較例であるワイヤ番号16〜30は、フラックス組成及び合金成分の少なくとも一方について、本発明で規定する要件を満たしていないので、強度、靭性、及び疲労特性の少なくとも1つ以上を満足できないという理由、又は、溶接作業性不良、若しくはU形割れ試験における割れ発生などにより特性の評価ができないという理由により、いずれも総合判定で不合格と判定された。

0077

本発明によれば、低温割れを防止するための予熱作業が不要、又は、予熱作業を著しく低減することができ、さらに、スパッタの発生量を少なくすることができる。特に、780MPa以上の高強度鋼の溶接、及びシールドガスが100%CO2である溶接に本発明が適用された場合、従来技術と比べて溶接施工能率を著しく向上させることができるので、本発明の産業界における価値はきわめて高い。

0078

1鋼板
2裏当金
3溶接ビード
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