JPH01138097A - サブマージアーク溶接用溶融型フラックス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、比較的薄肉の鋼板の単層溶接から厚鋼板の
多層溶接まで適用できるサブマージアーク溶接用溶融型
フラックス、とくに多層溶接では開先内でのスラグはく
離性、ビート′外観が良好で、しかも機械的性能にも優
れた溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用溶融型
フラックスに関するものである。

（従来の技術） 鋼板の自動溶接方法としては、サブマージアーク溶接方
法、ＭＩＧ溶接方法およびＣＯ□溶接方法などがあるが
、その中でもサブマージアーク溶接方法は溶着量が多く
、しかも深溶は込みが得られるため、能率面、得られる
継手の信頼性の面で優れた溶接方法と考えられ、とくに
厚鋼板の溶接に広く用いられている。

ところでサブマージアーク溶接用フラックスには焼成型
と溶融型とがあり、前者は生の原材料を水ガラスなどの
バインダを用いて造粒、焼成したもので、フラックス中
にガス発生源を添加して、アーク中の水素分圧を低減す
ることにより拡散性水素量を減らしたり、フラックスか
ら合金元素の添加ができるなどの利点がある反面、吸湿
し易いことの他に、多電極高速溶接がむずかしいなどの
欠点がある。

一方、溶融型フラックスは、原材料を溶融後、ガラス状
に凝固させたものを粉砕することにより製造されるが、
通常はガラス状になっているため吸湿しにくく、しかも
多電極高速溶接に適しているという利点がある。

これらはそれぞれの特長が活かされるように目的に応じ
て使い分けされている。たとえばＵＯＥパイプの如（溶
接速度が、工場全体の生産能力に大きく影響する場合は
、多電極高速溶接法を採用する必要があり、−船釣には
溶融型フラックスを用いた多電極両面１層溶接方法が適
用されている。

この場合、フラックスに要求される特性は、高速でも欠
陥の無い良好なビードが得られること、および溶接金属
の機械的性能に優れていることである。

ところが厚肉の鋼板の如く多層溶接方法をとらざるを得
ない場合には、実溶接時間よりもむしろスラグ除去など
に要する時間の方が全体の能率に大きく影響し、従って
スラグはく離性の悪いフラックスでは、その除去に多大
の時間と労力を要し、好ましくない。

前述の如く、ＵＯＥパイプのような長手シーム溶接をシ
ステム化された工場で行う場合には、溶接速度が生産性
に大きく影響するが、鉄骨、橋梁など形状が様々であり
また単品に近いものでは確実にスラグがはく離でき、し
かもビード形状が良好で欠陥発生の無い溶接が行えれば
能率は良好となる。たとえば多層溶接において、はく離
性の悪いフラックスを使用すると、スラグ除去に多大の
時間と労力を要するばかりではなく、除去不完全の場合
には取り残したスラグが原因となって、溶込み不良やス
ラグ巻き込みなどの溶接欠陥が発生し易いという問題が
ある。

スラグのはく離性は、開先角度が狭い場合、とくに劣化
しやすく、通常のＸ開先では最もきつい初層溶接のスラ
グはく離性が問題となることが多い。

すなわち、従来、多層溶接用として一般に用いられてい
る５ｉ０２　　ＭｎＯ系、ＳｉＯ□Ｍｎ０−ＣａＯ系−
５＝ フラックスでは開先内でのスラグはく離性を良くするた
めに、開先角度を６０°以上まで広げ、しかもビード形
状の劣化を防止するために低速、低入熱溶接とすること
が多く、とても能率がいいとはいえなかった。

スラグはく離を改善する方法としては、ＳｉＯ□−Ｍｎ
Ｏ系フランクスにＰｂＯを少量添加する方法が特開昭５
３−１３３５４３号公報に提案されているが、この方法
ではｐｂの人体への影響が心配されるという問題がある
。

一方スラグはく離性を改善し、狭開先溶接に適用できる
フラックスとしてすでにいくつかの提案がなされている
。たとえば特開昭５５−１０３５６号、同５５４０３５
７号および同５５−１０３５１１１号各公報などであり
、これらはフラックスの成分範囲を規定し、狭開先溶接
が可能となるようにしたものであるが、ＳｉＯ□を低減
し、Ａｌ２ｚＯ３を多量に添加しているため、フラック
ス融点が高くビード幅が出にくいという問題があり、通
常の単層または多層の突合せ溶接に適用した場合はＳｉ
Ｏ□の多いフラックスに比較し＝６− て幅が狭く、結果的にビード高さの高いビードとなりや
すく外観上好ましくない。

ここにスラグはく離性を改善する要件としては以下に示
す項目が考えられる。

（１）スラグの体積収縮量と溶接金属体積収縮量の差が
大きいこと。

（２）　　スラグと溶接金属との付着力が小さいこと。

（３）　　ビード断面形状が凹型で機械的にスラグを拘
束しないこと。

（１）に関しては、−船釣にはスラグの熱膨張係数が大
きいほうが有利であり、そのためにはスラグの分離凝固
温度は高いことが望ましいが、高すぎる場合にはビート
幅が出にく（なることから、この点を勘案して選定しな
ければならない。

（２）に関しては、スラグと溶接金属間の界面張力と密
接に関係し、界面エネルギーが増加するほど付着力は小
さくなる。

（３）に関しては、凸状ビードの場合エツジ部にアンダ
カントが生し、それが機械的にスラグを拘束してはく離
性をさまたげることがらビード形状はフラットか凹型に
する必要がある。このビード形状には溶接条件も関係す
るため、適切な条件を選定することはもちろん重要であ
る。

さらにスラグのはく離性が良好であることの他、溶接金
属のしん性が良好であること、さらには低温割れが発生
しないように溶接金属中波散性水素量が少ないことなど
が具備条件として挙げられる。

（発明が解決しようとする問題点） この発明は、サブマージアーク溶接において単層溶接時
に幅広の良好なビード外観を得ることは勿論のこと、多
層溶接時でもスラグはく離性が良好で、しかも外観なら
びに溶接金属の機械的性能も良好ならしめる溶融型フラ
ックスを提案することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） まず、この発明の解明経緯について説明する。

さて発明者らは、種々の組成を有するフラックスを溶製
し、単層溶接時のビード外観、形状、ならびに比較的角
度の小さい開先内多層溶接時におけるスラグはく離性、
ビード形状および溶接金属のしん性などを総合的に検討
した。

その結果５ｉＯ７，ＴｉＯ２，ＭｇＯを比較的多量に含
み、しかもＳｉＯ□とＴｉＯ７が一定の関係を満足して
いるときに、ビード幅が広く、またフラックス融点をそ
れほど高くしなくても開先内でのスラグはく離性が極め
て良好で、しかもビード断面形状もフラットまたは凹型
になることを見い出した。そのときのスラグはほぼガラ
ス質で顕微鏡観察、Ｘ線観察により、ごく少量のＴｉ０
ｚ系の結晶質が認められた　　。

が、このガラス質スラグの中にわずかに存在する結晶質
がスラグ全体の体積収縮量を大きくしていることが考え
られる。この観点に立てば、スラグ全体を結晶質にする
ことにより安定したスラグはく離性が得られると考えら
れるが、そのためにはＴｉ（ｈや１２０３を増やす必要
が生じるため、結果的にスラグ融点が高くなり、ビード
幅が出なくなるとともにフラックス中の水素量が増加す
ることから、これらをむやみに増やさない方が良いこと
も判明した。

加えて、５ｉ０２はビート幅を広くする上で一定量以上
添加しなければならないこと、また溶接金属しん性の面
からＭｇＯを少し多めに、さらにＣａｂ。

ＣａＦｚも一定量以上添加して溶接金属中酸素量を低減
する必要のあることも判った。このようにして、試作し
たフラックスは、単層溶接時に良好なビードが得られる
とともに、多層溶接時の開先内スラグはく離性も良好で
あったが、フラックス粒度との関係でさらに検討したと
ころ、一定の粒度条件を有しているフラックスの方が形
状のより良好なビードが得られることも併せて見い出し
た。

この発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、この発明は、 ５ｊ０２　：　２０〜３０　ｉｙ以下（以下単に％テ示
す）ＴｉＯ□：１３〜２０　　％でかつ ＳｉＯ３／ＴｉＯ□−１，０〜１．５５　．１２０３：
２〜８％ ＭｎＯ：　７〜１５％ ＭｇＯ：　１２〜２０％ ＣａＯ：５〜１７％ ＣａＦ２：５〜１５％および Ｎａ２Ｏ、Ｌｏのうちから選んだ一種又は二種合計：０
．１〜２．０％ の組成になるフラックスであって、粒子径が３５１μＭ
より粗粒のものが全体の５％以下、７４　　μｍより細
粒のものが全体の５〜２０％を占めることからなるサブ
マージアーク溶接用溶融型フラックスである。

またこの発明は、 ＳｉＯ□　：２０〜３０　　％ ＴｉＯ□　：１３〜２０　　％でかつ ＳｉＯ□／ＴｉＯ□−１，０〜１．５５　　、Ａ１．ｚ
０３：２〜８％ ＭｎＯ：　７〜１５％ ＭｇＯ：１２〜２０％ ＣａＯ：５〜１７％ Ｂ、０３：　１．０％以下 ＣａＦ２：５〜１５％および Ｎａ２Ｏ，Ｋ２Ｏのうちから選んだ一種又は二種合計：
０．１〜２．０％ の組成になるフラックスであって、粒子径が３５１　μ
ｍより粗粒のものが全体の５％以下、７４μｍより細粒
のものが全体の５〜２０％を占めることからなるサブマ
ージアーク溶接用溶融型フラックスである。

（作　用） まずこの発明において、成分組成を上記の範囲に限定し
た理由について説明する。

ＳｉＯ□：２０〜３０％ ＳｉＯ□は、フラックスを構成する重要な成分でビード
外観、溶接金属のしん性などに大きな影響を与える。配
合量が２０％未満ではビード幅が出にくく、外観上好ま
しくないビードとなり、一方３０％を超えると溶接金属
中酸素量が増加してじん性を劣化させることから、２０
〜３０％にする必要がある。

ＴｉＯ□＝１３〜２０％ ＴｉＯ７は、開先内でのスラグはく離性に大きく影害し
、１３％未満ではスラグがビードにこびり付き易く、一
方２０％を超えるとスラグが全面的に結晶質となってビ
ード幅が出にくくなり、また溶接金属中酸素量が増加し
てじん性も劣化するため、１２〜２０％にする必要があ
る。

さらに５ｉＯ７，ＴｉＯ□についての組成条件として、
ＳｉＯ□／　Ｔ　ｉ　Ｏ□−１，０〜１．５５とした理
由はつぎのとおりである。

５ｉ０２／ＴｉＯ□　の値は開先内でのスラグはく離性
とビード外観に関係する値でこの値が１．０より小さい
場合には、ビード幅の狭い余盛の高い凸ビードとなって
結果的にビードエツジ部のスラグはく離性が悪くなる。

一方、１．５５より大きい場合には、ビード外観は良好
となるもののスラグが完全にガラス化して開先内でのは
く離性が劣化するので、ＳｉＯ□／ＴｉＯ□の値は１．
０〜１．５５にする必要がある。

１ｚｏ３　：２〜８％ Ａρ２０３は、スラグの軟化温度に大きく影響すると共
にはく離性の向上にも有効に寄与する。

しかしながら２％未満では、スラグはく離性が劣化し、
一方８％を超えると融点が高くなりすぎて良好なビード
が得られなくなることから、２〜８％とした。

Ｍｎ０＝７〜１５％ ＭｎＯは、ビード形状、溶接金属のしん性に関係する成
分である。その含有量が少ない場合にはビードが凸状に
なりやすく、結果的にスラグのはく離性を劣化させ、ま
た溶接金属中のＭｎの歩留りが悪くなって焼入性が不足
しじん性が劣化するので、少なくとも７％の添加が必要
である。しかしながら多すぎるとＭｎＯの還元により酸
素が増加し、逆にしん性が劣化することから、１５％以
下にする必要がある。

ＭｇＯ’　：　１２〜２０％ ＭｇＯは、塩基性成分であって溶接金属の酸素量を低減
してじん性を向上させる作用があるが、１２％未満では
その効果が小さく、一方２０％を超えて添加するとスラ
グ軟化温度が高くなりすぎ凸状ビードになりやすいこと
から、１２〜２０％とした。

ＣａＯ：５〜１７％ ＣａＯは、フラックス塩基度を高め溶接金属の酸素量を
低減してじん性を改善するのに有効に寄与するが、５％
未満ではその効果が期待できず、−方１７％を超えると
ビード表面に通称あばたと呼ばれるポックマークが発生
しやすくなり、かつフラックス中の水素量も増加するた
め、５〜１７％の範囲にしなければならない。

ＣａＦ２　：　５〜１５％ ＣａＦ２は、溶接金属の酸素量を低減する作用があり、
少なすぎる場合にはその効果が期待できない。

また（：ａＦ２はスラグ粘性を低下させる作用が強く、
添加しすぎるとスラグの流動性が大きくなりすぎて開先
内でのはく離性が劣化する。しかだってこれらの理由か
ら５〜１５％の範囲に限定した。

Ｎａ　２０および／またはに２０　　：ｏ、ｘ　〜２．
０％溶接においてアークを安定に保ことは良好なビード
を得るための基本的条件であり、とくに狭開先溶接のよ
うな通常の溶接よりも厳しい条件の場合には必須の要件
であるが、これらのアルカリ酸化物は少量でサブマージ
アーク溶接時のアーク安定性を大幅に向上させる作用が
ある。しかしながらこれらの配合量が０．１％に満たな
いとアーク安定性を向上させる効果に乏しく、一方２．
０％を超えると、フラックス中の水分量が増加し、結果
的に溶接金属拡散水素量の増加を招くため、これらの配
合量は単独添加または複合添加いずれの場合であっても
０．１〜２．０％にする必要がある。

Ｂ２Ｏ３：　１．０％以下 フラックス中のＢ２Ｏ３は還元により溶接金属へのＢの
添加を可能とし、Ｔｉ−Ｂ光溶接金属としてじん性を向
上させる点で有効である。しかしながら１．０％を超え
て添加すると高温割れが発生し易くなるため１．０％以
下で添加するものとした。

なお不可避的に混入するＦｅＯやＺｒＯ□、　ＢａＯな
どについてはそれらの合計が５％以下であれば何ら問題
はない。

さらに発明者らの研究によれば、上記の成分範囲を満足
していてもフラックス粒度を適正範囲に調整しない場合
にはアークを安定に保って良好なビード形状を得ること
ができないことが判明した。

すなわち、粒度が粗い場合にはアーク中で発生するガス
の逸出と、アーク圧力のバランスが悪くなって不連続な
吹き上げが起こり易く、良好なビードが得られないため
、全体の構成を細粒側に移行させる必要があるが、逆に
細粒が多すぎるとガスが抜けにくくなるため、この場合
も良好なビードが得られにくい。即ち単層溶接、多層溶
接両者において良好なビードを得るためには発生ガス逸
出がスムーズに行われ、アーク空洞圧力がほぼコンスタ
ントに保持される必要がある。

これを達成するためには、フラックスの粒子径が３５１
μｍより粗粒のものが全体の５％以下でかつ、７４μｍ
より細粒のものが全体の５〜２０％の範囲にする必要が
ある。

（実施例） 実施燃上 第１表に示した組成に調整した種々のフラックスと、１
．８　Ｍｎ−０，５Ｍｏ系ワイヤとを組合せ、角度＝７
０°、深さ：８ｍｍの■溝加工を施した２０ｍｍ厚のＪ
ＩＳ　ＳＭ　５０　Ｂ相当鋼板に、第２表に示す条件で
２電極ザブマージアーク熔接を行い。ビード形状、溶接
欠陥などを調査した。

＝１７− 溶接作業性の評価結果および溶接金属の性能は一括して
、第３表に示した。

なお、２ｍｍＶノツチシャルピー衝撃試験片は外表面２
ｍｍの位置から採取した。

また溶接欠陥検査は目視によるアンダカット検査のはか
Ｘ線透過検査による内部欠陥検査を実施した。

さらに全フラックスについて、ＪＩＳ　Ｚ　３１１６　
　に基づく水素試験を実施し、その結果も第３表に併記
した。

第２表　■溝１層溶接条件 第３表に示したとおり、この発明に従うフラックスは、
スラグはく離性、ビード形状が良好で欠陥が無く、溶接
金属のしん性も優れており、さらには拡散性水素量も２
　ｃｃ／　１００ｇ　Ｄ、Ｍ以下と少なく、水素割れの
危険性も小さかった。

一方、比較フラックスにおいては、■溝１層溶接である
ため化学組成、粒度構成が発明範囲外であってもスラグ
はく離性はとくに問題なかったが、化学組成や、粒度構
成等の関係で多少の問題があるものがあった。

すなわちＢ１ではとくに大きな問題は無かった（後述す
るように多層溶接では問題がある）が、Ｂ２ではＳｉＯ
□量が多いため、５ｉ０２の還元による溶接金属中の酸
素量増加が原因で溶接金属しん性が低い。

Ｂ３は、粒度が粗目であるため、ビード形状が凸ぎみで
アンダカットが発生した。

Ｂ４ば、Ｂ１同様Ｖ溝１層溶接では作業性の上でとくに
大きな問題は無かったが、ＭｎＯが多く、ＭｇＯが少な
いので溶接金属のしん性が低かった。

Ｂ５は、粒度がやや粗く多少凸状ビードとなり易く、ま
たＣａＯが多いためアバタが発生した。

Ｂ６は、細粒が多すぎて溶接待に吹き上げが起り、結果
的にビードが蛇行する結果となった。またビード幅も狭
い傾向が認められた。

ｚ隻皿Ｉ 第１表に示したフラックスを用い、Ｘ開先を加工した板
厚３８門のＳＭ　５０Ｂに１〜２電極サブマ一ジアーク
多層溶接を実施した。ワイヤは実施例１と同様１．８０
　Ｍｎ−０，５Ｍｏ系のものを用いた。

第１図は、Ｘ開先の形状を示したもので、この場合第２
図の如く内面側は１パス仕上げとし、外面側は１層１〜
２パス積層法で５パス溶接とした。

初層のみ高温割れ防止１電極溶接とした。第４表は、こ
のときの溶接条件を示したものである。

検査項目として外面側多層溶接時のスラグはく離性、ビ
ード形状を調査し、さらに完全に積層した後にＸ線透過
検査により欠陥を調査した結果を第５表に示す。

第４表　Ｘ開先多層溶接条件 第５表から明らかなように、この発明フラックスは内面
の一層溶接はもちろんのこと、多層溶接となる外面溶接
においてもスラグはく離性、ビード形状ともに良好であ
って、Ｘ線透過検査によってもスラグ巻込みは発生して
おらず、内外面ビードのラップも十分であるため溶接能
率は非常に良かった。

一方、比較フラックスでは■溝−層溶接となる内面溶接
ではあまり大きな問題は無く、実施例１とほぼ同様の結
果であったが、多層溶接となる外面側の溶接では開先内
スラグはく離性が悪かったり、あるいはビード形状が悪
かったりなどの問題点があった。比較フラックス全てに
共通していたのはスラグはく離性が悪いことであり、ビ
ードにこびり付いたスラグをピッチングハンマーやタガ
ネで除去するのに多大の時間を要した。

すなわちＢ１では、フラックス粒度構成は狙い道りのも
のであったが、３４０２／ＴｉＯ□値がこの発明の適正
範囲から逸脱しているため、ビード形状は良好であって
もスラグがビード表面にこびり付きはく離が悪かった。

Ｂ２では、ＳｉＯ□が多いだけでな（Ｓｉｎｇ　／　Ｔ
ｉ（ｈも大きいためＢ１同様開先内スラグはく離性が不
良であった。ただしビード形状の劣化はとくに認められ
なかった。

Ｂ３では５ｉＯｚ　／Ｔｉ０ｚ値が適正範囲外で大きい
ため開先内でのスラグはく離性が不良であり、粒度構成
も３５１μｍより粗粒の粒子が１９．４％と多く、７４
μｍより細粒のものが４．４％と少ないためビード形状
も凸となり、次パスでの溶接狙い位置を決定しにくかっ
た。

Ｂ４は、Ｂ１同様、ビード形状は良好であってもスラグ
はく離性が悪かった。

Ｂ５．Ｂ６も化学組成がこの発明の適正範囲外であるた
め開先内スラグはく離性が悪く、粉体特性もはずれてい
るため、凸ぎみやアンダカットぎみのビードとなってい
る。

裏旌拠ユ 実施例１で使用したフラックスＡ３およびＡ６にＢ２Ｏ
３を０．３％添加したフラックス２種類を用い、また実
施例１と同様の溶接条件、鋼板ワイヤを用いて■溝１層
溶接を行った。

その結果は第６表に示したとおりで、溶接金属しん性は
Ｂ２Ｏ３の存在しない場合いに比べてさらに向上、して
いる。

第６表 −２８〜 （発明の効果） かくしてこの発明フラックスによれば、１層溶接で良好
なビードが得られるのはいうまでもなく、比較的角度の
小さい開先内での多層溶接においても良好なスラグはく
離性、ビード形状、外観が得られ、しかも得られる溶接
金属の性能にも優れているため、従来法に比較して溶接
工数の大幅な短縮が可能となる。

なお、この発明フラックスは、大入熱多層溶接にももち
ろん通用できるものであり、その工業的価値は極めて大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例２で用いたＸ開先形状を示した図、 第２図は、実施例２における積層要領の説明図である。 −２９〜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＳｉＯ＿２：２０〜３０ｗｔ％ ＴｉＯ＿２：１３〜２０ｗｔ％でかつ ＳｉＯ＿２／ＴｉＯ＿２＝１．０〜１．５５、Ａｌ＿２
   Ｏ＿３：２〜８ｗｔ％ ＭｎＯ：７〜１５ｗｔ％ ＭｇＯ：１２〜２０ｗｔ％ ＣａＯ：５〜１７ｗｔ％ ＣａＦ＿２：５〜１５ｗｔ％および Ｎａ＿２Ｏ、Ｋ＿２Ｏのうちから選んだ一種又は二種合
   計：０．１〜２．０ｗｔ％ の組成になるフラックスであって、粒子径が３５１μｍ
   より粗粒のものが全体の５ｗｔ％以下、７４μｍより細
   粒のものが全体の５〜２０ｗｔ％を占めることを特徴と
   するサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。 ２、ＳｉＯ＿２：２０〜３０ｗｔ％ ＴｉＯ＿２：１３〜２０ｗｔ％でかつ ＳｉＯ＿２／ＴｉＯ＿２＝１．０〜１．５５、Ａｌ＿Ｏ
   ＿３：２〜８ｗｔ％ ＭｎＯ：７〜１５ｗｔ％ ＭｇＯ：１２〜２０ｗｔ％ ＣａＯ：５〜１７ｗｔ％ Ｂ＿２Ｏ＿３：１．０ｗｔ％以下 ＣａＦ＿２：５〜１５ｗｔ％および Ｎａ＿２Ｏ、Ｋ＿２Ｏのうちから選んだ一種又は二種合
   計：０．１〜２．０ｗｔ％ の組成になるフラックスであって、粒子径が３５１μｍ
   より粗粒のものが全体の５ｗｔ％以下、７４μｍより細
   粒のものが全体の５〜２０ｗｔ％を占めることを特徴と
   するサブマージアーク溶接用溶融型フラックス。