ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ
【課題】優れた溶接作業性を有しつつ、溶接金属性能及び耐高温割れ性能が優れた溶接金属を得ることができるチタニヤ系フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】鋼製外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮のＣ量を外皮全質量当たり０．０４質量％以下に、ワイヤ全質量に対し、前記フラックス中のＴｉＯ２を４．５乃至７．０質量％、Ｍｇを０．３乃至０．７質量％、Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％、Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％含有し、前記Ｎａ、Ｋについて［Ｎａ］／［Ｋ］比率を２．０乃至５．０に、Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％に規制する。
【解決手段】鋼製外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮のＣ量を外皮全質量当たり０．０４質量％以下に、ワイヤ全質量に対し、前記フラックス中のＴｉＯ２を４．５乃至７．０質量％、Ｍｇを０．３乃至０．７質量％、Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％、Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％含有し、前記Ｎａ、Ｋについて［Ｎａ］／［Ｋ］比率を２．０乃至５．０に、Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％に規制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に耐高温割れ性能が良好な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。
【背景技術】
【０００２】
ガスシールドアーク溶接用のフラックス入りワイヤ（以下、ＦＣＷ（Flux-cored wire）という。）は、これを用いた溶接において溶接作業性が良好であるという特徴を有しているため、従来より、造船、鉄骨、橋梁等の突合せ溶接及び隅肉溶接に多用され、その使用量は増大している。
【０００３】
ＦＣＷは、鋼製外皮の中にフラックスを充填させており、そのフラックス量及び種類が溶接作業性及び溶着金属性能等、ＦＣＷの品質に大きく影響する。
【０００４】
このＦＣＷの中で、特に、スラグ造滓剤（主に酸化チタン）をフラックス質量当たり２５〜６０質量％（ＴｉＯ２換算で２０〜５０質量％）を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し、このため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。
【０００５】
しかしながら、チタニヤ系ＦＣＷの欠点の１つとして、耐高温割れ性能、特に溶接速度が速くなりやすい下向及び横向での片面溶接施工の初層部並びに狭隘部の溶接時の耐高温割れ性能が、同じ溶接用ワイヤであるソリッドワイヤと比較して劣る点が挙げられる。
【０００６】
従って、現状では、溶接電流を下げるとか、開先角度を大きくする等の溶接施工面での配慮により、高温割れの防止を図っているのが実情である。このことは、逆にいうと、チタニヤ系ＦＣＷは、これを用いることにより、ソリッドワイヤ使用時と比較して溶接能率が下がり、鋼板及び溶材の無駄が大きいという欠点を有していることである。その結果、片面溶接での初層の割れ特性を考慮するあまり、全体の溶接施工能率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００７】
上記の問題に対処するため、従来から種々の検討がなされている。例えば、特許文献１においては、チタニヤ系ＦＣＷの含有するＴｉＯ２に混入するＳｎの量を抑制することで耐高温割れ性能を向上できることを見出している。同文献では、このＳｎを抑制したチタニヤ系ＦＣＷを隅肉溶接に適用している。また、特許文献２には、このＳｎを抑制したチタニヤ系ＦＣＷを片面溶接方法に適用している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３１１４７６号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１４１６号公報
【特許文献３】特開平４−３０００９４号公報
【特許文献４】特開平４−３０００９５号公報
【特許文献５】特開平６−２３８４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、最近では、より一層の高能率化、狭開先化及び高速化のため、良好な溶接作業性及び良好な溶接金属性能を有しつつ、一層の耐高温割れ性能の向上が求められている。このため、特許文献１及び２に開示されたチタニヤ系ＦＣＷによっても、このような要求を十分に満足するものではない。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、優れた溶接作業性を有しつつ、溶接金属性能及び耐高温割れ性能が優れた溶接金属を得ることができるチタニヤ系フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％以下であり、前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、ＴｉＯ２を４．５乃至７．０質量％、Ｍｇを０．３乃至０．７質量％、Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％、Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％、Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％含有し、前記Ｎａ及びＫの換算値を夫々［Ｎａ］及び［Ｋ］とすると、［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０乃至５．０であり、ワイヤ全質量に対し、前記鋼製外皮及び前記フラックス中に、Ｆｅを８０乃至９０質量％含有することを特徴とする。
【００１２】
前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０３質量％以下であることが好ましい。また、前記Ｃａ及びＮａの換算値を夫々［Ｃａ］及び［Ｎａ］とすると、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５乃至０．２であることが好ましい。
【００１３】
更に、ワイヤ全質量に対し、前記フラックスは、Ｓｉを０．２乃至３．０質量％、Ｍｎを０．５乃至５．０質量％含有することが好ましい。
【００１４】
更にまた、前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、ＳｉＯ２を０．０５乃至２．０質量％含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、チタニヤ系フラックス入りワイヤのフラックスの組成を適切に規制することにより、良好な溶接作業性及び良好な溶接金属性能を有しつつ、耐高温割れ性能が優れた溶接金属を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について更に詳細に説明する。従来、ＦＣＷにおいては、スパッタ等の増加の原因になるため、Ｃａの量を抑制してきた。しかしながら、本願発明者等は、このＣａは、Ｎａ共存下では、Ｃａ化合物の効果により、溶接金属の耐高温割れ性能を改善することを見出した。
【００１７】
Ｃａは、従来、チタニヤ系ＦＣＷにおいては、例えば、ＣａＦ２又はＣａＣＯ３として含有された場合に溶接作業性に悪影響を与える元素として、できるだけ低い範囲に抑制すべきであると考えられてきた。また、ソリッドワイヤにおいても、ワイヤ表面に除去できずに残存した伸線潤滑剤（Ｃａ石鹸）中にＣａが残留し、これがアーク安定性を阻害することが知られている（例えば、特許文献３及び４等）。これらのＣａによるアーク安定性の低下は、ＦＣＷにおいても同様と考えられている。逆に、ＦＣＷにＣａを積極的に添加した例として、Ｃａ（金属成分）を脱酸剤として添加して溶接金属中の酸素量を低減することにより、溶接金属の靱性を向上させる技術も提案されている（特許文献５等）。
【００１８】
しかし、本願発明者等の研究結果によれば、Ｎａ化合物をＮａ換算にて、通常より多い量（０．１乃至０．３質量％）含有させ、Ｋ化合物をＫ換算にて通常より少ない量（０．０２乃至０．１５質量％）含有させた場合、ＦＣＷの表面又はフラックス中に含有されるＣａがアーク安定性を阻害せず、溶接金属の耐高温割れ性能を向上させることがわかった。この場合に、Ｃａ量が０．０１質量％未満では、Ｃａ量が少なすぎて耐高温割れ性能向上の効果はない。逆に、Ｃａ量が０．０５質量％を超えると、さすがに本来のＣａの悪影響が出てしまい、アーク安定性を阻害し、スパッタ量が増大する。従って、Ｃａ量を０．０１乃至０．０５質量％とする。
【００１９】
次に、本発明のチタニヤ系ＦＣＷの組成限定理由について説明する。
【００２０】
「Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％」
Ｎａの添加量について、Ｎａ化合物を通常より多め（０．１質量％以上）に添加したのは、Ｎａ添加の効果であるアーク安定性によりＣａの悪影響であるスパッタ量の増大を抑制し、逆にＣａＳの生成による耐高温割れ性能を向上させるためである。但し、アルカリ金属は、弗化物、炭酸塩又は酸化物等の形で添加されるため、Ｎａが換算値で０．３質量％を超えると、スラグ粘性を下げる方向に作用し、スラグの垂れ落ちが生じやすくなり、その結果、ビード形状及び外観が劣化する。Ｎａ化合物がＮａ換算にて０．１質量％より少ないと、アーク安定性が低下し、スパッタ発生量が増大する。逆にＮａ化合物がＮａ換算にて０．３質量％より多いと、ビード外観、形状が劣化し、ビード揃いが不良となる。従って、Ｎａを換算値で０．１乃至０．３質量％とする。
【００２１】
「Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％」
Ｋの添加量について、Ｋ化合物を通常より少なめ（Ｋ換算値で、０．０２乃至０．１５質量％）に添加したのは、Ｎａ及びＫを共に添加することによりアーク安定性の向上の効果があるものの、ＫよりはＮａ主体とした方がＣａによる耐高温割れ性能が向上するためである。しかし、Ｋもアルカリ金属であり、Ｎａと同様の理由で０．１５質量％を超えると、ビード形状及び外観が劣化する。従って、Ｋ化合物をＫ換算値で０．０２質量％乃至０．１５質量％とする。Ｋ化合物がＫ換算にて０．０２質量％より少ないと、アーク安定性が低下する。逆に、Ｋ化合物がＫ換算にて０．１５質量％より多いと、アーク安定性が低下する。
【００２２】
「［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０乃至５．０」
Ｎａ化合物とＫ化合物とを上述した範囲に制限して添加することは、耐高温割れ性能向上のために必須であるが、それだけではＣａのアーク不安定化作用を補完することはできない。本願発明者等は、更に研究を進め、［Ｎａ］／［Ｋ］の比率が重要であることを知見した。
【００２３】
図１は、Ｎａ、Ｋの添加量と、アーク安定性、スパッタ量及びビード形状との関係を示すグラフ図である。縦軸はＫの添加量（質量％）、横軸はＮａの添加量（質量％）を示す。図中、ハッチング部は耐高温割れ性能及び溶接作業性が良好な範囲である。図１に示すように、Ｎａ化合物を通常より多い量（Ｎａ換算値［Ｎａ］：０．１乃至０．３質量％）含有させ、Ｋ化合物を通常より少ない量（Ｋ換算値［Ｋ］：０．０２乃至０．１５質量％）含有させることに加えて、［Ｎａ］／［Ｋ］を一定の比率（２．０乃至５．０）に保つことで、Ｃａとの共存下でＣａの耐高温割れ性能向上の効果が促進されることが判明した。逆に、［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０未満又は５．０を超える場合は、Ｃａがアーク安定性を阻害して、耐高温割れ性能向上よりも作業性劣化の問題が生じる。［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０より小さいと、アーク安定性が低下する。逆に［Ｎａ］／［Ｋ］比率が５．０より大きいと、アーク安定性が低下する。
【００２４】
「Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％」
Ｃａ量が０．０１質量％より少ないと、耐高温割れ性が低下する。逆に、Ｃａ量が０．０１質量％より多いと、アーク安定性が低下し、スパッタ発生量が増大する。
【００２５】
「［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５乃至０．２」
本願発明者等は、さらに、Ｃａ単独の場合よりもＣａがＮａと共存している場合に、ＣａＳの形成により耐高温割れ性能が向上すると推定した。図２は、Ｃａ、Ｎａの添加量と、耐高温割れ性能、ビード形状、アーク安定性等との関係を示すグラフ図である。図２の縦軸はＮａの添加量（質量％）、横軸はＣａの添加量（質量％）である。図２のハッチング部は耐高温割れ性能及び溶接作業性が良好な範囲である。図２に示すように、Ｃａが０．０１乃至０．０５質量％である場合において、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が一定（０．０５乃至０．２）のとき、耐高温割れ性能が良好となる。これは、Ｃａ化合物の場合においても高温ではＣａＳとなり、金属Ｃａ又はＣａ合金においても高温で優先的にＳと化合してＣａＳを形成するためである。逆に、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５未満の場合には、Ｎａに比較してＣａ量が不足する結果、耐高温割れ性能の低下が生じ、また、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．２を超えると、Ｃａ量に比較してＮａ量が不足するため、アーク安定性が低下する。なお、Ｃａ量は、金属Ｃａ又は合金Ｃａ或いはＣａ化合物を全てＣａに換算した値［Ｃａ］である。
【００２６】
続いて、本願発明者等は溶接作業性の向上について、鋼製外皮のＣ量、ＦＣＷ中のＦｅ量、フラックス中のＴｉＯ２、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＳｉＯ２の量を検討した。
【００２７】
「鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％以下」
先ず、鋼製外皮全質量当たりのＣ量について説明する。このＣ量は、ＦＣＷのヒューム発生量を低減させる目的で従来低く抑えられていた。これは、Ｃ量が多いと、Ｃが脱酸剤として酸素と反応してワイヤ先端に懸垂した溶滴が爆発現象を起こし、その結果、ヒューム源であるアーク中の高温蒸気を大気中に拡散させるため、ヒューム発生量が増大するからである。しかし、本願発明者等は、鋼製外皮全質量当たりのＣ量はアーク安定性に関連することを知見した。具体的には、鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％より多いと、耐高温割れ性能が低下し、アーク安定性が低下する。このため、鋼製外皮全質量当たりのＣ量を、０．０４質量％以下に規制することにより、アーク安定性を向上させる。より好ましくは、Ｃ量を０．０３質量％以下とする。
【００２８】
「Ｆｅ：ＦＣＷ全質量当たり８０乃至９０質量％」
次に、ＦＣＷ中のＦｅ量について説明する。本発明においては、ＦＣＷ全質量当たり、Ｆｅを８０乃至９０質量％添加する。このＦｅ量は、鋼製外皮に含まれるＦｅとフラックス中に含まれる鉄粉中のＦｅ及び各種Ｆｅ合金（Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等）中のＦｅの総計である。Ｆｅ量が８０質量％未満であると、合成成分（Ｓｉ，Ｍｎ等）及びスラグ形成剤（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等）が増加する。合成成分が増加すると、溶接金属の強度が過大となり、靭性が低下する。スラグ形成剤が増加すると、スラグ量が過剰となり、スラグ巻き等の溶接欠陥が生じやすくなる。Ｆｅ量が９０質量％を超えると、合金成分（Ｓｉ，Ｍｎ等）及びスラグ形成剤（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等）が減少する。合金成分が減少すると、溶接金属の脱酸不足による気孔が発生する。スラグ形成剤が減少すると、スラグの被包性が不十分となり、特に、立向及び上向き等全姿勢溶接が困難になり、その結果、ビード外観及びビード形状が不良となり、ビードの揃いが劣化する。なお、本発明において、適正なフラックス率は１０乃至２０質量％である。
【００２９】
「ＴｉＯ２：４．５乃至７．０質量％」
次に、フラックス中のＴｉＯ２量について説明する。ＴｉＯ２はスラグ形成剤の基本成分である。ＴｉＯ２量が４．５質量％未満では、スラグの被包性が不十分で、特に立向き及び上向き等の全姿勢溶接が困難になり、その結果ビード外観及びビード形状が不良となり、ビード揃いが劣化する。逆に、ＴｉＯ２量が７．０質量％を超えると、スラグ量が過剰となり、スラグ巻き等の溶接欠陥が生じやすくなる。従って、ＴｉＯ２量は、４．５乃至７．０質量％とする。なお、本発明においては、ＴｉＯ２量は、従来のワイヤより高い方が好ましい。より好ましくは、ＴｉＯ２量は５．５乃至７．０質量％の範囲とする。ＴｉＯ２源としては、ルチール、合成ルチール、ルコキシン、イルミナイト、チタンスラグ及びチタン酸カリウム等がある。
【００３０】
「Ｍｇを０．３乃至０．７質量％」
フラックス中のＭｇ量については、Ｍｇは一般的には強力な脱酸剤として使用されることが多い。しかしながら、Ｍｇは、その他の強力な脱酸剤、例えばＴｉ、Ｚｒ及びＡｌと異なり、水平隅肉溶接におけるビード形状及びビードのなじみ性を向上させる効果がある。Ｍｇ量が０．３質量％未満では、溶接金属に対するスラグの被包性が不均一となり、水平隅肉溶接におけるビード外観及びビード形状が劣化する。また、溶接金属中の酸素量はＭｇの含有率を高めるにつれて低下するので、Ｍｇ量を０．３質量％以上とすれば溶接金属中の酸素量を６００ｐｐｍ以下に抑えることができる。その結果、低温靱性が向上する。逆に、Ｍｇ量が０．７質量％を超えると、スラグ中に高融点のＭｇＯが増加してスラグの流動性が低下し、スラグの被包性が低下すると同時に、スパッタ及びヒューム量が増加する。その結果、作業性が低下し、水平隅肉溶接におけるビード外観及びビード形状が劣化する。従って、Ｍｇ量は０．３乃至０．７質量％の範囲とする。なお、Ｍｇ源は、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｃａ−Ｍｇ、Ｃａ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等の合金化Ｍｇ等である。
【００３１】
「Ｍｎを０．５乃至５．０質量％」
外皮及びフラックス中のＭｎ量については、Ｍｎは脱酸剤及び溶接金属の強度を調整するための成分として添加される。Ｍｎ量がＦＣＷの全質量あたり０．５質量％未満では脱酸不足により気泡が発生する。逆に、ＭｎがＦＣＷの全質量あたり５．０質量％を超えると溶接金属の強度が高くなり過ぎて、耐高温割れ性能の面で好ましくない。従って、Ｍｎ量は、ＦＣＷの全質量あたり０．５乃至５．０質量％とする。このＭｎは鋼製外皮とフラックスの一方又は双方から添加することができる。フラックスに添加するＭｎ原料としては、電解Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等がある。
【００３２】
「Ｓｉを０．２乃至３．０質量％」
外皮及びフラックス中のＳｉ量について、ＳｉはＭｎと同様に脱酸剤及び溶接金属の強度を調整する目的の他、溶融金属の流動性を調整するために添加される。このため、Ｓｉ量がＦＣＷ全質量当たり０．２質量％未満ではビードが凸ビードになり易く、また、脱酸不足による気孔が多発する。逆に、Ｓｉ量がＦＣＷ全質量当たり３．０質量％を超えると、溶接金属の強度が過大となると共に靱性が低下する。従って、Ｓｉ量は、ＦＣＷ全質量当たり０．２乃至３．０質量％とする。Ｓｉは鋼製外皮とフラックスの一方又は双方から添加することができる。なお、Ｓｉ原料としては、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ，Ｓｉ−Ｍｇ等がある。
【００３３】
「ＳｉＯ２を０．５乃至２．０質量％」
ＳｉＯ２は、本発明に係るＦＣＷにおけるＴｉＯ２に次ぐフラックスの主成分であり、スラグ形成剤として作用して、特にビード表面の光沢を向上させる。加えて、ＳｉＯ２の添加は生成スラグの厚みを薄くさせる。ＳｉＯ２量がワイヤ全質量あたり０．５質量％未満の場合、ビード表面の光沢及び滑らかさが無くなる。逆にＳｉＯ２量が２．０質量％を超える場合、大粒のスパッタの発生量が増大する。従ってＦＣＷ全質量当たりのＳｉＯ２量は０．５乃至２．０質量％とする。なお、ＳｉＯ２原料としては、珪砂、長石、ジルコン、オリビンサンド、珪石灰石、ガラス等がある。
【００３４】
「その他の成分」
また、必要に応じて、その他の酸化物、弗化物、金属及び合金などを適量に添加することができる。例えば、スラグ量を調整するために、スラグ形成剤としてＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等の酸化物を２．０質量％以下添加できる。脱水素剤として、ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＭｇＦ２、Ｋ２ＳｉＦ６等の弗化物を０．５質量％以下添加できる。又は、脱酸剤としてＡｌ、Ｚｒ等を、溶接金属の靱性改善のためにＢ、Ｎｉ等を適宜添加できる。溶接金属の強度を調整するためにＭｏ、Ｃｒ、Ｖ等を添加できる。
【００３５】
なお、上述の各成分のうち、フラックス中に含まれる可能性があるものが、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｍｇ，Ｎａ、Ｋ、Ｃａ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅである。また、鋼製外皮中に含まれる可能性があるものは、Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅである。
【００３６】
また、ＦＣＷの断面形状は、適宜、他の形状にすることができ、更にケーシング材質、ワイヤ径、シールドガス組成等も特に制限されない。
【実施例】
【００３７】
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。ＦＣＷの化学成分は、ＦＣＷ全量を溶解し、発光分光分析及び原子吸光分光分析等の化学分析により、ＴｉＯ２、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅを分析した。
【００３８】
実施例に使用したワイヤ線径は、１．４ｍｍであり、その鋼製外皮の組成を下記表１に示す。この表１に示すように、鋼製外皮として、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４種の軟鋼を使用した。表２−１，表２−２、表３−１、表３−２は、本発明の実施例Ｂ１〜Ｂ１３及び比較例Ａ１〜Ａ１３のフラックス組成を示す。なお、フラックス率は、１４質量％とした。
【００３９】
表１の各成分（Ｃ、Ｓ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ）は、鋼製外皮中の鋼製外皮全質量当たりの割合（質量％）である。表２−１．表２−２、表３−１、表３−２に示す各成分の含有量は、ＦＣＷ全質量当たりの質量％である。前述の如く、フラックス中に含まれる可能性があるものは、ＴｉＯ２、Ｍｇ，Ｎａ、Ｋ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅであり、鋼製外皮中に含まれるものは、Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅである。
【００４０】
表１のＣ量の欄において、◎は、鋼製外皮のＣ量がより好ましい範囲(請求項２を満たす)内の場合、○は、鋼製外皮のＣ量がより発明範囲(請求項１を満たす)内である場合、×はＣ量が発明範囲外の場合である。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２−１】
【００４３】
【表２−２】
【００４４】
【表３−１】
【００４５】
【表３−２】
【００４６】
なお、Ｎａ、Ｋの調整は、それぞれの化合物の添加で行い、Ｍｎ量の調整は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ、又は電解Ｍｎ等の添加で行い、ＴｉＯ２量の調整は、ルチール、合成ルチール、ルコキシン、イルミナイト、チタンスラグ、及びチタン酸カリウム等の添加で行い、Ｍｇ量の調整は、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｃａ−Ｍｇ、Ｃａ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等の合金化Ｍｇ等の添加で行い、Ｃａ量の調整は、金属Ｃａ又は合金Ｃａ或いはＣａ化合物等の添加で行い、Ｓｉ量の調整は、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｓｉ−Ｍｇ等の添加で行った。
【００４７】
次に、得られた供試材の評価方法について説明する。耐高温割れ性能は、厚さ３５ｍｍ、幅が２００＋２００ｍｍ、長さが６００ｍｍの鋼板（ＫＤ３２）を溶接母材とする溶接試験により評価した。下記表４は本試験で使用した溶接母材の組成を示す。溶接作業性試験の試験方法について下記表５に、片面溶接割れ試験の試験方法について表６に示す。
【００４８】
【表４】
【００４９】
【表５】
【００５０】
【表６】
【００５１】
溶接作業性試験では、アーク安定性と、ビード形状及び外観と、スパッタ発生量と、ビード揃いと、スラグ巻きとを、極めて良好な場合（◎）と、良好な場合（○）と、不良な場合（×）とで評価した。
【００５２】
次に、片面溶接割れ試験について、図３は、本溶接試験に使用する溶接母材の上面図、側面図及び断面図である。図３に示すように、溶接母材１はＶ形状の開先を有し、このＶ形状の開先部の裏面には、耐火物及びアルミニウムテープ等からなる裏あて材２が配置されている。この耐高温割れ性能試験においては、このＶ形状の開先角度を３０゜として、裏あて材２が配置されている部分のルートギャップを２〜９ｍｍとした。そして、溶接電流３００ｍＡ、運棒方法はストレート及びウィービング、繰り返し数を４回とし、片面溶接の初層溶接について、Ｘ線透過試験（ＪＩＳ Ｚ ３１０４）にて内部割れを確認し、その全長を測定した。
【００５３】
そして、下記数式１から割れ率（Ｗ）を算出した。なお、割れ率Ｗは、繰り返し数４回の平均値とした。
【００５４】
【数１】
【００５５】
実施例Ｂ１〜Ｂ９の耐高温割れ性能の溶接試験の結果を下記表７に示す。また、比較例Ａ１０〜Ａ１３及び実施例Ｂ１０〜Ｂ１３の耐高温割れ性能の溶接試験の結果を下記表８に示す。
【００５６】
表７、８の鋼製外皮のＣ量と、ＴｉＯ２量との欄において、◎は、より好ましい範囲内の場合、○は、より好ましい範囲外であるが発明範囲内の場合、×は発明範囲外の場合である。また、表７、８の「請求の範囲から外れるもの」欄において、成分量（質量％）又は［Ｎａ］／［Ｋ］比率、［Ｎａ］／［Ｃａ］比率が、高すぎるか、又は低すぎることにより、本発明の請求項にて規定した範囲外となるものを記載した。これらは、表２、３で示す組成に基づくものである。
【００５７】
表７、８の耐高温割れ性の欄において、◎は割れ率Ｗが０％の場合、○は割れ率Ｗが３％以下の場合、×は３％を超過する場合である。表７、８のアーク安定性と、ビード形状及び外観と、スパッタ発生量と、ビード揃いと、スラグ巻きとの欄において、◎は極めて良好な場合、○は良好な場合、×は不良な場合である。
【００５８】
【表７】
【００５９】
【表８】
【００６０】
表７、８に示すように、実施例Ｂ１〜Ｂ１３は、耐高温割れ性能の溶接試験において、良好な性能を示した。特に、実施例Ｂ２、Ｂ７、Ｂ９、Ｂ１０、Ｂ１１及びＢ１２以外は、ＴｉＯ２量が、より好ましい範囲であるので、ビード形状及び外観及びビード揃いについて、極めて良好（◎）であった。実施例Ｂ２、Ｂ７、Ｂ９、Ｂ１０、Ｂ１１及びＢ１は、ＴｉＯ２量が発明範囲内であるが、より好ましい範囲を外れているので、ビード形状、外観及びビード揃いについて、良好（○）であった。外皮種類がＡ又はＣの鋼製外皮を使用した実施例については、鋼製外皮のＣ量がより好ましい範囲であるから、割れ率Ｗが０％（耐高温割れ性能：◎）であった。外皮種類がＢの鋼製外皮を使用した実施例については、鋼製外皮のＣ量が発明範囲であるが、より好ましい範囲を外れているから、割れ率Ｗが３％以下（耐高温割れ性能：○）であった。
【００６１】
表８に示すように、比較例Ａ１は、外皮種類Ｄを使用している。鋼製外皮のＣ量が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。
【００６２】
比較例Ａ２は、ＴｉＯ２量が低すぎ、本発明の範囲から外れるので、ビード形状及び外観及びビード揃いが不良（×）であった。比較例Ａ３は、ＴｉＯ２量が高すぎ、発明範囲から外れるので、ビード形状、外観及びビード揃いが不良（×）であった。
【００６３】
比較例Ａ４は、Ｍｇ量が低すぎ、発明範囲から外れるので、ビード形状及び外観及びビード揃いについて不良（×）であった。比較例Ａ５は、Ｍｇ量が高すぎ発明範囲から外れるので、ビード形状、外観と、ビード揃いと、スパッタ発生量と、が不良（×）であった。
【００６４】
比較例Ａ６は、Ｎａ量が低すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性及びスパッタ発生量が不良（×）であった。比較例Ａ７は、Ｍｇ量が高すぎ、発明範囲から外れるので、ビード形状、外観及びビード揃いが不良（×）であった。
【００６５】
比較例Ａ８は、Ｋ量及び［Ｎａ］／［Ｋ］が低すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。比較例Ａ９は、Ｋ量及び［Ｎａ］／［Ｋ］が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。
【００６６】
比較例Ａ１０は、［Ｎａ］／［Ｋ］が低すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。比較例Ａ１１は、［Ｎａ］／［Ｋ］が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。
【００６７】
比較例Ａ１２は、Ｃａ量が低すぎ、発明範囲から外れるので、割れ率Ｗが３％超（耐高温割れ性能：×）であった。比較例Ａ１３は、Ｃａ量が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性及びスパッタ発生量が不良（×）であった。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】Ｎａ、Ｋの添加量の発明範囲を示した図である。
【図２】Ｎａ、Ｃａの添加量の発明範囲を示した図である。
【図３】本実施例における溶接試験に使用する溶接母材の上面図、側面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 溶接母材
２ 裏当て材
３ 拘束板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタニヤ系ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に耐高温割れ性能が良好な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。
【背景技術】
【０００２】
ガスシールドアーク溶接用のフラックス入りワイヤ（以下、ＦＣＷ（Flux-cored wire）という。）は、これを用いた溶接において溶接作業性が良好であるという特徴を有しているため、従来より、造船、鉄骨、橋梁等の突合せ溶接及び隅肉溶接に多用され、その使用量は増大している。
【０００３】
ＦＣＷは、鋼製外皮の中にフラックスを充填させており、そのフラックス量及び種類が溶接作業性及び溶着金属性能等、ＦＣＷの品質に大きく影響する。
【０００４】
このＦＣＷの中で、特に、スラグ造滓剤（主に酸化チタン）をフラックス質量当たり２５〜６０質量％（ＴｉＯ２換算で２０〜５０質量％）を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し、このため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。
【０００５】
しかしながら、チタニヤ系ＦＣＷの欠点の１つとして、耐高温割れ性能、特に溶接速度が速くなりやすい下向及び横向での片面溶接施工の初層部並びに狭隘部の溶接時の耐高温割れ性能が、同じ溶接用ワイヤであるソリッドワイヤと比較して劣る点が挙げられる。
【０００６】
従って、現状では、溶接電流を下げるとか、開先角度を大きくする等の溶接施工面での配慮により、高温割れの防止を図っているのが実情である。このことは、逆にいうと、チタニヤ系ＦＣＷは、これを用いることにより、ソリッドワイヤ使用時と比較して溶接能率が下がり、鋼板及び溶材の無駄が大きいという欠点を有していることである。その結果、片面溶接での初層の割れ特性を考慮するあまり、全体の溶接施工能率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００７】
上記の問題に対処するため、従来から種々の検討がなされている。例えば、特許文献１においては、チタニヤ系ＦＣＷの含有するＴｉＯ２に混入するＳｎの量を抑制することで耐高温割れ性能を向上できることを見出している。同文献では、このＳｎを抑制したチタニヤ系ＦＣＷを隅肉溶接に適用している。また、特許文献２には、このＳｎを抑制したチタニヤ系ＦＣＷを片面溶接方法に適用している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３１１４７６号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１４１６号公報
【特許文献３】特開平４−３０００９４号公報
【特許文献４】特開平４−３０００９５号公報
【特許文献５】特開平６−２３８４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、最近では、より一層の高能率化、狭開先化及び高速化のため、良好な溶接作業性及び良好な溶接金属性能を有しつつ、一層の耐高温割れ性能の向上が求められている。このため、特許文献１及び２に開示されたチタニヤ系ＦＣＷによっても、このような要求を十分に満足するものではない。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、優れた溶接作業性を有しつつ、溶接金属性能及び耐高温割れ性能が優れた溶接金属を得ることができるチタニヤ系フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％以下であり、前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、ＴｉＯ２を４．５乃至７．０質量％、Ｍｇを０．３乃至０．７質量％、Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％、Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％、Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％含有し、前記Ｎａ及びＫの換算値を夫々［Ｎａ］及び［Ｋ］とすると、［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０乃至５．０であり、ワイヤ全質量に対し、前記鋼製外皮及び前記フラックス中に、Ｆｅを８０乃至９０質量％含有することを特徴とする。
【００１２】
前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０３質量％以下であることが好ましい。また、前記Ｃａ及びＮａの換算値を夫々［Ｃａ］及び［Ｎａ］とすると、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５乃至０．２であることが好ましい。
【００１３】
更に、ワイヤ全質量に対し、前記フラックスは、Ｓｉを０．２乃至３．０質量％、Ｍｎを０．５乃至５．０質量％含有することが好ましい。
【００１４】
更にまた、前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、ＳｉＯ２を０．０５乃至２．０質量％含有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、チタニヤ系フラックス入りワイヤのフラックスの組成を適切に規制することにより、良好な溶接作業性及び良好な溶接金属性能を有しつつ、耐高温割れ性能が優れた溶接金属を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について更に詳細に説明する。従来、ＦＣＷにおいては、スパッタ等の増加の原因になるため、Ｃａの量を抑制してきた。しかしながら、本願発明者等は、このＣａは、Ｎａ共存下では、Ｃａ化合物の効果により、溶接金属の耐高温割れ性能を改善することを見出した。
【００１７】
Ｃａは、従来、チタニヤ系ＦＣＷにおいては、例えば、ＣａＦ２又はＣａＣＯ３として含有された場合に溶接作業性に悪影響を与える元素として、できるだけ低い範囲に抑制すべきであると考えられてきた。また、ソリッドワイヤにおいても、ワイヤ表面に除去できずに残存した伸線潤滑剤（Ｃａ石鹸）中にＣａが残留し、これがアーク安定性を阻害することが知られている（例えば、特許文献３及び４等）。これらのＣａによるアーク安定性の低下は、ＦＣＷにおいても同様と考えられている。逆に、ＦＣＷにＣａを積極的に添加した例として、Ｃａ（金属成分）を脱酸剤として添加して溶接金属中の酸素量を低減することにより、溶接金属の靱性を向上させる技術も提案されている（特許文献５等）。
【００１８】
しかし、本願発明者等の研究結果によれば、Ｎａ化合物をＮａ換算にて、通常より多い量（０．１乃至０．３質量％）含有させ、Ｋ化合物をＫ換算にて通常より少ない量（０．０２乃至０．１５質量％）含有させた場合、ＦＣＷの表面又はフラックス中に含有されるＣａがアーク安定性を阻害せず、溶接金属の耐高温割れ性能を向上させることがわかった。この場合に、Ｃａ量が０．０１質量％未満では、Ｃａ量が少なすぎて耐高温割れ性能向上の効果はない。逆に、Ｃａ量が０．０５質量％を超えると、さすがに本来のＣａの悪影響が出てしまい、アーク安定性を阻害し、スパッタ量が増大する。従って、Ｃａ量を０．０１乃至０．０５質量％とする。
【００１９】
次に、本発明のチタニヤ系ＦＣＷの組成限定理由について説明する。
【００２０】
「Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％」
Ｎａの添加量について、Ｎａ化合物を通常より多め（０．１質量％以上）に添加したのは、Ｎａ添加の効果であるアーク安定性によりＣａの悪影響であるスパッタ量の増大を抑制し、逆にＣａＳの生成による耐高温割れ性能を向上させるためである。但し、アルカリ金属は、弗化物、炭酸塩又は酸化物等の形で添加されるため、Ｎａが換算値で０．３質量％を超えると、スラグ粘性を下げる方向に作用し、スラグの垂れ落ちが生じやすくなり、その結果、ビード形状及び外観が劣化する。Ｎａ化合物がＮａ換算にて０．１質量％より少ないと、アーク安定性が低下し、スパッタ発生量が増大する。逆にＮａ化合物がＮａ換算にて０．３質量％より多いと、ビード外観、形状が劣化し、ビード揃いが不良となる。従って、Ｎａを換算値で０．１乃至０．３質量％とする。
【００２１】
「Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％」
Ｋの添加量について、Ｋ化合物を通常より少なめ（Ｋ換算値で、０．０２乃至０．１５質量％）に添加したのは、Ｎａ及びＫを共に添加することによりアーク安定性の向上の効果があるものの、ＫよりはＮａ主体とした方がＣａによる耐高温割れ性能が向上するためである。しかし、Ｋもアルカリ金属であり、Ｎａと同様の理由で０．１５質量％を超えると、ビード形状及び外観が劣化する。従って、Ｋ化合物をＫ換算値で０．０２質量％乃至０．１５質量％とする。Ｋ化合物がＫ換算にて０．０２質量％より少ないと、アーク安定性が低下する。逆に、Ｋ化合物がＫ換算にて０．１５質量％より多いと、アーク安定性が低下する。
【００２２】
「［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０乃至５．０」
Ｎａ化合物とＫ化合物とを上述した範囲に制限して添加することは、耐高温割れ性能向上のために必須であるが、それだけではＣａのアーク不安定化作用を補完することはできない。本願発明者等は、更に研究を進め、［Ｎａ］／［Ｋ］の比率が重要であることを知見した。
【００２３】
図１は、Ｎａ、Ｋの添加量と、アーク安定性、スパッタ量及びビード形状との関係を示すグラフ図である。縦軸はＫの添加量（質量％）、横軸はＮａの添加量（質量％）を示す。図中、ハッチング部は耐高温割れ性能及び溶接作業性が良好な範囲である。図１に示すように、Ｎａ化合物を通常より多い量（Ｎａ換算値［Ｎａ］：０．１乃至０．３質量％）含有させ、Ｋ化合物を通常より少ない量（Ｋ換算値［Ｋ］：０．０２乃至０．１５質量％）含有させることに加えて、［Ｎａ］／［Ｋ］を一定の比率（２．０乃至５．０）に保つことで、Ｃａとの共存下でＣａの耐高温割れ性能向上の効果が促進されることが判明した。逆に、［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０未満又は５．０を超える場合は、Ｃａがアーク安定性を阻害して、耐高温割れ性能向上よりも作業性劣化の問題が生じる。［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０より小さいと、アーク安定性が低下する。逆に［Ｎａ］／［Ｋ］比率が５．０より大きいと、アーク安定性が低下する。
【００２４】
「Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％」
Ｃａ量が０．０１質量％より少ないと、耐高温割れ性が低下する。逆に、Ｃａ量が０．０１質量％より多いと、アーク安定性が低下し、スパッタ発生量が増大する。
【００２５】
「［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５乃至０．２」
本願発明者等は、さらに、Ｃａ単独の場合よりもＣａがＮａと共存している場合に、ＣａＳの形成により耐高温割れ性能が向上すると推定した。図２は、Ｃａ、Ｎａの添加量と、耐高温割れ性能、ビード形状、アーク安定性等との関係を示すグラフ図である。図２の縦軸はＮａの添加量（質量％）、横軸はＣａの添加量（質量％）である。図２のハッチング部は耐高温割れ性能及び溶接作業性が良好な範囲である。図２に示すように、Ｃａが０．０１乃至０．０５質量％である場合において、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が一定（０．０５乃至０．２）のとき、耐高温割れ性能が良好となる。これは、Ｃａ化合物の場合においても高温ではＣａＳとなり、金属Ｃａ又はＣａ合金においても高温で優先的にＳと化合してＣａＳを形成するためである。逆に、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５未満の場合には、Ｎａに比較してＣａ量が不足する結果、耐高温割れ性能の低下が生じ、また、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．２を超えると、Ｃａ量に比較してＮａ量が不足するため、アーク安定性が低下する。なお、Ｃａ量は、金属Ｃａ又は合金Ｃａ或いはＣａ化合物を全てＣａに換算した値［Ｃａ］である。
【００２６】
続いて、本願発明者等は溶接作業性の向上について、鋼製外皮のＣ量、ＦＣＷ中のＦｅ量、フラックス中のＴｉＯ２、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ及びＳｉＯ２の量を検討した。
【００２７】
「鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％以下」
先ず、鋼製外皮全質量当たりのＣ量について説明する。このＣ量は、ＦＣＷのヒューム発生量を低減させる目的で従来低く抑えられていた。これは、Ｃ量が多いと、Ｃが脱酸剤として酸素と反応してワイヤ先端に懸垂した溶滴が爆発現象を起こし、その結果、ヒューム源であるアーク中の高温蒸気を大気中に拡散させるため、ヒューム発生量が増大するからである。しかし、本願発明者等は、鋼製外皮全質量当たりのＣ量はアーク安定性に関連することを知見した。具体的には、鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％より多いと、耐高温割れ性能が低下し、アーク安定性が低下する。このため、鋼製外皮全質量当たりのＣ量を、０．０４質量％以下に規制することにより、アーク安定性を向上させる。より好ましくは、Ｃ量を０．０３質量％以下とする。
【００２８】
「Ｆｅ：ＦＣＷ全質量当たり８０乃至９０質量％」
次に、ＦＣＷ中のＦｅ量について説明する。本発明においては、ＦＣＷ全質量当たり、Ｆｅを８０乃至９０質量％添加する。このＦｅ量は、鋼製外皮に含まれるＦｅとフラックス中に含まれる鉄粉中のＦｅ及び各種Ｆｅ合金（Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｔｉ等）中のＦｅの総計である。Ｆｅ量が８０質量％未満であると、合成成分（Ｓｉ，Ｍｎ等）及びスラグ形成剤（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等）が増加する。合成成分が増加すると、溶接金属の強度が過大となり、靭性が低下する。スラグ形成剤が増加すると、スラグ量が過剰となり、スラグ巻き等の溶接欠陥が生じやすくなる。Ｆｅ量が９０質量％を超えると、合金成分（Ｓｉ，Ｍｎ等）及びスラグ形成剤（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等）が減少する。合金成分が減少すると、溶接金属の脱酸不足による気孔が発生する。スラグ形成剤が減少すると、スラグの被包性が不十分となり、特に、立向及び上向き等全姿勢溶接が困難になり、その結果、ビード外観及びビード形状が不良となり、ビードの揃いが劣化する。なお、本発明において、適正なフラックス率は１０乃至２０質量％である。
【００２９】
「ＴｉＯ２：４．５乃至７．０質量％」
次に、フラックス中のＴｉＯ２量について説明する。ＴｉＯ２はスラグ形成剤の基本成分である。ＴｉＯ２量が４．５質量％未満では、スラグの被包性が不十分で、特に立向き及び上向き等の全姿勢溶接が困難になり、その結果ビード外観及びビード形状が不良となり、ビード揃いが劣化する。逆に、ＴｉＯ２量が７．０質量％を超えると、スラグ量が過剰となり、スラグ巻き等の溶接欠陥が生じやすくなる。従って、ＴｉＯ２量は、４．５乃至７．０質量％とする。なお、本発明においては、ＴｉＯ２量は、従来のワイヤより高い方が好ましい。より好ましくは、ＴｉＯ２量は５．５乃至７．０質量％の範囲とする。ＴｉＯ２源としては、ルチール、合成ルチール、ルコキシン、イルミナイト、チタンスラグ及びチタン酸カリウム等がある。
【００３０】
「Ｍｇを０．３乃至０．７質量％」
フラックス中のＭｇ量については、Ｍｇは一般的には強力な脱酸剤として使用されることが多い。しかしながら、Ｍｇは、その他の強力な脱酸剤、例えばＴｉ、Ｚｒ及びＡｌと異なり、水平隅肉溶接におけるビード形状及びビードのなじみ性を向上させる効果がある。Ｍｇ量が０．３質量％未満では、溶接金属に対するスラグの被包性が不均一となり、水平隅肉溶接におけるビード外観及びビード形状が劣化する。また、溶接金属中の酸素量はＭｇの含有率を高めるにつれて低下するので、Ｍｇ量を０．３質量％以上とすれば溶接金属中の酸素量を６００ｐｐｍ以下に抑えることができる。その結果、低温靱性が向上する。逆に、Ｍｇ量が０．７質量％を超えると、スラグ中に高融点のＭｇＯが増加してスラグの流動性が低下し、スラグの被包性が低下すると同時に、スパッタ及びヒューム量が増加する。その結果、作業性が低下し、水平隅肉溶接におけるビード外観及びビード形状が劣化する。従って、Ｍｇ量は０．３乃至０．７質量％の範囲とする。なお、Ｍｇ源は、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｃａ−Ｍｇ、Ｃａ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等の合金化Ｍｇ等である。
【００３１】
「Ｍｎを０．５乃至５．０質量％」
外皮及びフラックス中のＭｎ量については、Ｍｎは脱酸剤及び溶接金属の強度を調整するための成分として添加される。Ｍｎ量がＦＣＷの全質量あたり０．５質量％未満では脱酸不足により気泡が発生する。逆に、ＭｎがＦＣＷの全質量あたり５．０質量％を超えると溶接金属の強度が高くなり過ぎて、耐高温割れ性能の面で好ましくない。従って、Ｍｎ量は、ＦＣＷの全質量あたり０．５乃至５．０質量％とする。このＭｎは鋼製外皮とフラックスの一方又は双方から添加することができる。フラックスに添加するＭｎ原料としては、電解Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等がある。
【００３２】
「Ｓｉを０．２乃至３．０質量％」
外皮及びフラックス中のＳｉ量について、ＳｉはＭｎと同様に脱酸剤及び溶接金属の強度を調整する目的の他、溶融金属の流動性を調整するために添加される。このため、Ｓｉ量がＦＣＷ全質量当たり０．２質量％未満ではビードが凸ビードになり易く、また、脱酸不足による気孔が多発する。逆に、Ｓｉ量がＦＣＷ全質量当たり３．０質量％を超えると、溶接金属の強度が過大となると共に靱性が低下する。従って、Ｓｉ量は、ＦＣＷ全質量当たり０．２乃至３．０質量％とする。Ｓｉは鋼製外皮とフラックスの一方又は双方から添加することができる。なお、Ｓｉ原料としては、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ，Ｓｉ−Ｍｇ等がある。
【００３３】
「ＳｉＯ２を０．５乃至２．０質量％」
ＳｉＯ２は、本発明に係るＦＣＷにおけるＴｉＯ２に次ぐフラックスの主成分であり、スラグ形成剤として作用して、特にビード表面の光沢を向上させる。加えて、ＳｉＯ２の添加は生成スラグの厚みを薄くさせる。ＳｉＯ２量がワイヤ全質量あたり０．５質量％未満の場合、ビード表面の光沢及び滑らかさが無くなる。逆にＳｉＯ２量が２．０質量％を超える場合、大粒のスパッタの発生量が増大する。従ってＦＣＷ全質量当たりのＳｉＯ２量は０．５乃至２．０質量％とする。なお、ＳｉＯ２原料としては、珪砂、長石、ジルコン、オリビンサンド、珪石灰石、ガラス等がある。
【００３４】
「その他の成分」
また、必要に応じて、その他の酸化物、弗化物、金属及び合金などを適量に添加することができる。例えば、スラグ量を調整するために、スラグ形成剤としてＭｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等の酸化物を２．０質量％以下添加できる。脱水素剤として、ＣａＦ２、ＳｒＦ２、ＭｇＦ２、Ｋ２ＳｉＦ６等の弗化物を０．５質量％以下添加できる。又は、脱酸剤としてＡｌ、Ｚｒ等を、溶接金属の靱性改善のためにＢ、Ｎｉ等を適宜添加できる。溶接金属の強度を調整するためにＭｏ、Ｃｒ、Ｖ等を添加できる。
【００３５】
なお、上述の各成分のうち、フラックス中に含まれる可能性があるものが、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｍｇ，Ｎａ、Ｋ、Ｃａ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅである。また、鋼製外皮中に含まれる可能性があるものは、Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅである。
【００３６】
また、ＦＣＷの断面形状は、適宜、他の形状にすることができ、更にケーシング材質、ワイヤ径、シールドガス組成等も特に制限されない。
【実施例】
【００３７】
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。ＦＣＷの化学成分は、ＦＣＷ全量を溶解し、発光分光分析及び原子吸光分光分析等の化学分析により、ＴｉＯ２、Ｍｇ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｆｅを分析した。
【００３８】
実施例に使用したワイヤ線径は、１．４ｍｍであり、その鋼製外皮の組成を下記表１に示す。この表１に示すように、鋼製外皮として、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４種の軟鋼を使用した。表２−１，表２−２、表３−１、表３−２は、本発明の実施例Ｂ１〜Ｂ１３及び比較例Ａ１〜Ａ１３のフラックス組成を示す。なお、フラックス率は、１４質量％とした。
【００３９】
表１の各成分（Ｃ、Ｓ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ）は、鋼製外皮中の鋼製外皮全質量当たりの割合（質量％）である。表２−１．表２−２、表３−１、表３−２に示す各成分の含有量は、ＦＣＷ全質量当たりの質量％である。前述の如く、フラックス中に含まれる可能性があるものは、ＴｉＯ２、Ｍｇ，Ｎａ、Ｋ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅであり、鋼製外皮中に含まれるものは、Ｃａ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｆｅである。
【００４０】
表１のＣ量の欄において、◎は、鋼製外皮のＣ量がより好ましい範囲(請求項２を満たす)内の場合、○は、鋼製外皮のＣ量がより発明範囲(請求項１を満たす)内である場合、×はＣ量が発明範囲外の場合である。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２−１】
【００４３】
【表２−２】
【００４４】
【表３−１】
【００４５】
【表３−２】
【００４６】
なお、Ｎａ、Ｋの調整は、それぞれの化合物の添加で行い、Ｍｎ量の調整は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ、又は電解Ｍｎ等の添加で行い、ＴｉＯ２量の調整は、ルチール、合成ルチール、ルコキシン、イルミナイト、チタンスラグ、及びチタン酸カリウム等の添加で行い、Ｍｇ量の調整は、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｃａ−Ｍｇ、Ｃａ−Ｍｇ、Ｎｉ−Ｍｇ等の合金化Ｍｇ等の添加で行い、Ｃａ量の調整は、金属Ｃａ又は合金Ｃａ或いはＣａ化合物等の添加で行い、Ｓｉ量の調整は、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｓｉ−Ｍｇ等の添加で行った。
【００４７】
次に、得られた供試材の評価方法について説明する。耐高温割れ性能は、厚さ３５ｍｍ、幅が２００＋２００ｍｍ、長さが６００ｍｍの鋼板（ＫＤ３２）を溶接母材とする溶接試験により評価した。下記表４は本試験で使用した溶接母材の組成を示す。溶接作業性試験の試験方法について下記表５に、片面溶接割れ試験の試験方法について表６に示す。
【００４８】
【表４】
【００４９】
【表５】
【００５０】
【表６】
【００５１】
溶接作業性試験では、アーク安定性と、ビード形状及び外観と、スパッタ発生量と、ビード揃いと、スラグ巻きとを、極めて良好な場合（◎）と、良好な場合（○）と、不良な場合（×）とで評価した。
【００５２】
次に、片面溶接割れ試験について、図３は、本溶接試験に使用する溶接母材の上面図、側面図及び断面図である。図３に示すように、溶接母材１はＶ形状の開先を有し、このＶ形状の開先部の裏面には、耐火物及びアルミニウムテープ等からなる裏あて材２が配置されている。この耐高温割れ性能試験においては、このＶ形状の開先角度を３０゜として、裏あて材２が配置されている部分のルートギャップを２〜９ｍｍとした。そして、溶接電流３００ｍＡ、運棒方法はストレート及びウィービング、繰り返し数を４回とし、片面溶接の初層溶接について、Ｘ線透過試験（ＪＩＳ Ｚ ３１０４）にて内部割れを確認し、その全長を測定した。
【００５３】
そして、下記数式１から割れ率（Ｗ）を算出した。なお、割れ率Ｗは、繰り返し数４回の平均値とした。
【００５４】
【数１】
【００５５】
実施例Ｂ１〜Ｂ９の耐高温割れ性能の溶接試験の結果を下記表７に示す。また、比較例Ａ１０〜Ａ１３及び実施例Ｂ１０〜Ｂ１３の耐高温割れ性能の溶接試験の結果を下記表８に示す。
【００５６】
表７、８の鋼製外皮のＣ量と、ＴｉＯ２量との欄において、◎は、より好ましい範囲内の場合、○は、より好ましい範囲外であるが発明範囲内の場合、×は発明範囲外の場合である。また、表７、８の「請求の範囲から外れるもの」欄において、成分量（質量％）又は［Ｎａ］／［Ｋ］比率、［Ｎａ］／［Ｃａ］比率が、高すぎるか、又は低すぎることにより、本発明の請求項にて規定した範囲外となるものを記載した。これらは、表２、３で示す組成に基づくものである。
【００５７】
表７、８の耐高温割れ性の欄において、◎は割れ率Ｗが０％の場合、○は割れ率Ｗが３％以下の場合、×は３％を超過する場合である。表７、８のアーク安定性と、ビード形状及び外観と、スパッタ発生量と、ビード揃いと、スラグ巻きとの欄において、◎は極めて良好な場合、○は良好な場合、×は不良な場合である。
【００５８】
【表７】
【００５９】
【表８】
【００６０】
表７、８に示すように、実施例Ｂ１〜Ｂ１３は、耐高温割れ性能の溶接試験において、良好な性能を示した。特に、実施例Ｂ２、Ｂ７、Ｂ９、Ｂ１０、Ｂ１１及びＢ１２以外は、ＴｉＯ２量が、より好ましい範囲であるので、ビード形状及び外観及びビード揃いについて、極めて良好（◎）であった。実施例Ｂ２、Ｂ７、Ｂ９、Ｂ１０、Ｂ１１及びＢ１は、ＴｉＯ２量が発明範囲内であるが、より好ましい範囲を外れているので、ビード形状、外観及びビード揃いについて、良好（○）であった。外皮種類がＡ又はＣの鋼製外皮を使用した実施例については、鋼製外皮のＣ量がより好ましい範囲であるから、割れ率Ｗが０％（耐高温割れ性能：◎）であった。外皮種類がＢの鋼製外皮を使用した実施例については、鋼製外皮のＣ量が発明範囲であるが、より好ましい範囲を外れているから、割れ率Ｗが３％以下（耐高温割れ性能：○）であった。
【００６１】
表８に示すように、比較例Ａ１は、外皮種類Ｄを使用している。鋼製外皮のＣ量が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。
【００６２】
比較例Ａ２は、ＴｉＯ２量が低すぎ、本発明の範囲から外れるので、ビード形状及び外観及びビード揃いが不良（×）であった。比較例Ａ３は、ＴｉＯ２量が高すぎ、発明範囲から外れるので、ビード形状、外観及びビード揃いが不良（×）であった。
【００６３】
比較例Ａ４は、Ｍｇ量が低すぎ、発明範囲から外れるので、ビード形状及び外観及びビード揃いについて不良（×）であった。比較例Ａ５は、Ｍｇ量が高すぎ発明範囲から外れるので、ビード形状、外観と、ビード揃いと、スパッタ発生量と、が不良（×）であった。
【００６４】
比較例Ａ６は、Ｎａ量が低すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性及びスパッタ発生量が不良（×）であった。比較例Ａ７は、Ｍｇ量が高すぎ、発明範囲から外れるので、ビード形状、外観及びビード揃いが不良（×）であった。
【００６５】
比較例Ａ８は、Ｋ量及び［Ｎａ］／［Ｋ］が低すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。比較例Ａ９は、Ｋ量及び［Ｎａ］／［Ｋ］が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。
【００６６】
比較例Ａ１０は、［Ｎａ］／［Ｋ］が低すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。比較例Ａ１１は、［Ｎａ］／［Ｋ］が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性が不良（×）であった。
【００６７】
比較例Ａ１２は、Ｃａ量が低すぎ、発明範囲から外れるので、割れ率Ｗが３％超（耐高温割れ性能：×）であった。比較例Ａ１３は、Ｃａ量が高すぎ、発明範囲から外れるので、アーク安定性及びスパッタ発生量が不良（×）であった。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】Ｎａ、Ｋの添加量の発明範囲を示した図である。
【図２】Ｎａ、Ｃａの添加量の発明範囲を示した図である。
【図３】本実施例における溶接試験に使用する溶接母材の上面図、側面図及び断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１ 溶接母材
２ 裏当て材
３ 拘束板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％以下であり、前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、ＴｉＯ２を４．５乃至７．０質量％、Ｍｇを０．３乃至０．７質量％、Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％、Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％、Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％含有し、
前記Ｎａ及びＫの換算値を夫々［Ｎａ］及び［Ｋ］とすると、［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０乃至５．０であり、
ワイヤ全質量に対し、前記鋼製外皮及び前記フラックス中に、Ｆｅを８０乃至９０質量％含有す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。
【請求項２】
前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０３質量％以下であ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フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
前記Ｃａ及びＮａの換算値を夫々［Ｃａ］及び［Ｎａ］とすると、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５乃至０．２であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項４】
前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、Ｓｉを０．２乃至３．０質量％、Ｍｎを０．５乃至５．０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項１】
鋼製外皮内にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０４質量％以下であり、前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、ＴｉＯ２を４．５乃至７．０質量％、Ｍｇを０．３乃至０．７質量％、Ｎａ化合物をＮａ換算にて０．１乃至０．３質量％、Ｋ化合物をＫ換算にて０．０２乃至０．１５質量％、Ｃａを０．０１乃至０．０５質量％含有し、
前記Ｎａ及びＫの換算値を夫々［Ｎａ］及び［Ｋ］とすると、［Ｎａ］／［Ｋ］比率が２．０乃至５．０であり、
ワイヤ全質量に対し、前記鋼製外皮及び前記フラックス中に、Ｆｅを８０乃至９０質量％含有す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。
【請求項２】
前記鋼製外皮のＣ量が外皮全質量当たり０．０３質量％以下であ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フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
前記Ｃａ及びＮａの換算値を夫々［Ｃａ］及び［Ｎａ］とすると、［Ｃａ］／［Ｎａ］比率が０．０５乃至０．２であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項４】
前記フラックスは、ワイヤ全質量に対し、Ｓｉを０．２乃至３．０質量％、Ｍｎを０．５乃至５．０質量％含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２６４８６８（Ｐ２００８−２６４８６８Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３９９８０（Ｐ２００８−３９９８０）
【出願日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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