JPH04313490A - サブマージアーク溶接用複合フラックス - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鋼の大入熱サブマージ
アーク溶接において溶着金属が高能率で得られる鉄粉添
加型フラックスに係わり、フラックスの極低水素化と良
好な溶接作業性を同時に可能にしたサブマージアーク溶
接用フラックスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】サブマージアーク溶接用フラックスは、
その製造方法から、溶融フラックスとボンドフラックス
に大別される。

【０００３】溶融フラックスは、各種鉱物原料を予め電
気炉等で溶融することによって均一のガラス状または結
晶質状の複酸化化合物として固化し、それを粉砕・粒度
調整したもので、一般のサブマージアーク溶接用として
広く使用されている。溶融フラックスは、化学成分的に
は均一に溶け合った酸化物や弗化物からなり、原料の付
着水や結晶水などの水分がフラックスに残留しないため
、溶接金属の低水素化が容易であるが、複酸化物組成で
あるため一般に軟化溶融温度が低く大入熱溶接には使用
できず、さらに、金属を脱酸剤として作用させる場合や
、ガス発生剤などを使用する場合には、フラックスに機
械的に混合するなどの方法で添加されており、後述のボ
ンドフラックスのように多量の鉄粉を均一に添加して溶
着速度を増加させる等は非常に困難である。

【０００４】一方、ボンドフラックスは、各種鉱物原料
や金属粉を水ガラスなどのバインダーで固め適当な粒度
に造粒したもので、溶融フラックスに比べ一般に高融点
であるが、溶着速度向上のための鉄粉、脱酸剤としての
金属やガス発生剤としての石灰石等の添加も容易なため
、溶融フラックスが適用しにくい大入熱溶接や低合金鋼
の溶接などに使用されている。特に最近では、鉄骨建築
のボックス柱角継手溶接用として鉄粉を約３０ｗｔ％含
んだ高能率な鉄粉添加型ボンドフラックスが極厚鋼板用
に多量に使用されている。しかし、このような極厚鋼板
の溶接にボンドフラックスを適用する場合にはフラック
スの水分に起因する溶接割れに注意する必要があり、溶
接施工管理を軽減するためにフラックスの極低水素化が
要望されている。

【０００５】ボンドフラックスはバインダーや鉱物原料
中の水分を除去する目的で通常約３００〜６００℃の温
度で焼成され、フラックス中の水分は焼成温度が高い程
除去されやすい。しかし、従来のように原材料を同時に
かつ無秩序に造粒した形態のフラックスでは、フラック
スの焼成時にフラックス粒子表面層の鉄粉類の鉄分が酸
化し、５００℃付近の高温で焼成した場合にはフラック
スの劣化を生じるため、鉄粉添加型ボンドフラックスの
焼成温度は４００℃前後の温度に限定され、フラックス
の極低水素化が困難であった。

【０００６】鉄の高温酸化反応の一例を（１）式　　数
１　　に示す。

【０００７】

【数１】３Ｆｅ＋２Ｏ２　→Ｆｅ３　Ｏ４　　　…（１
）

【０００８】このような鉄粉類の酸化反応を抑制する
ためには非酸化性雰囲気で焼成する方法や、鉄粉類の表
面に適当な保護皮膜を形成する方法が考えられるが、高
真空のような非酸化性雰囲気で焼成したり、鉄粉類にメ
ッキや化成処理のような保護皮膜を形成する方法は、フ
ラックスの製造に複雑な工程が必要となり、ひいては溶
接の大きなコストアップ要因となるため、実用化された
例は見あたらない。

【０００９】本発明はフラックスの粒子形態にその特徴
があるが、従来のボンドフラックスの粒子形態は各種原
料粉を同時に混合するため、フラックス粒子は原料が粒
子全体に無秩序に分散した形態となり、従って、鉄粉類
も表面層に露出した形態となっているのが普通であった
。フラックスの形態を制御した技術としては、特公昭４
２−４５６５号公報に予備造粒した特定組成のスラグ剤
の周囲に砂鉄および二酸化マンガンを被覆したフラック
ス、特開昭５１−１１９６４０号公報に特定成分の溶融
フラックスに無機質結合剤を付着させたフラックス、特
開昭６３−２５２６９３号公報に表面層の軟化溶融点を
高くして大入熱および小入熱両用とするフラックス等が
開示されているが、フラックス中の金属粉、特に鉄粉類
の酸化反応に着目してフラックスの形態を制御した例は
見あたらない。また、本発明フラックスは従来の分類で
はボンドフラックスに含まれるものであるが、複合化し
た粒子形態がその特徴であるため複合フラックスとして
従来のボンドフラックスと区別した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
鉄粉添加型ボンドフラックスは、鉄粉を多量に添加して
溶着速度を著しく向上させることが容易である反面、焼
成時や溶接時の鉄粉の酸化反応がフラックスの化学成分
を変化させるため、高温で焼成できず、従ってフラック
スの極低水素化が非常に困難であった。

【００１１】本発明の目的は、従来のボンドフラックス
の粒子形態では不可能であった鉄粉類を多量に含むフラ
ックスの高温焼成を可能にし、極低水素でかつ溶接作業
性の優れたフラックスを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はフラックス中の
粒子形態および造粒方法を種々検討した結果得られたも
のであり、その要旨は、金属、金属酸化物、金属弗化物
、金属炭酸化合物からなる原料粉の２種以上を混合造粒
して得られる粉粒体フラックスであって、個々のフラッ
クス粒子の中心部に造粒核として鉄または鉄合金の１種
以上を配置し、外殻部に難高温酸化性金属、金属酸化物
、金属弗化物、金属炭酸化合物の１種以上を配置してな
ることを特徴とするサブマージアーク溶接用複合フラッ
クス、および、個々のフラックス粒子の中心部に造粒核
として鉄または鉄合金の１種以上を配置し、外殻部に難
高温酸化性金属、金属酸化物、金属弗化物、金属炭酸化
合物の１種以上を配置してなる複合フラックス粒子をさ
らに２個以上結合させたことを特徴とするサブマージア
ーク溶接用複合フラックスである。この場合、比表面積
が５×１０−３ｍ２　／ｇ以上１×１０−１ｍ２　／ｇ
以下の鉄または鉄合金を造粒核とすることは好ましい。

【００１３】

【作用】以下、本発明の作用を詳細に説明する。

【００１４】まず第一に、個々の粒子の中心部に造粒核
として鉄または鉄合金の１種以上を配置し、外殻部に難
高温酸化性金属、金属酸化物、金属弗化物、金属炭酸化
合物の１種以上を配置すること、すなわちフラックスの
形態を複合型とすることによる作用であるが、鉄または
鉄合金をフラックス粒子の中心部に配置するのは、鉄ま
たは鉄合金の焼成時酸化によるフラックス性能の劣化を
防止するためである。

【００１５】ここで、難高温酸化性金属とは焼成条件下
では酸化され難い金属で、アルミニウム、チタニウム、
フェロシリコン、フェロクロム等の金属または合金であ
り、これらの金属はフラックス表面層に少量存在しても
、フラックスの溶接作業性に悪影響を及ぼす酸化鉄の増
加を引き起こさない。

【００１６】フラックスが高温に加熱された場合、フラ
ックス粒子には中心方向に温度勾配が生じ、脱水は表面
から除々に進行し、中心部の脱水が充分に行われた時点
で焼成は終了するが、従来のフラックスのように粒子内
に無秩序に鉄粉類が配置された場合には特にフラックス
表面層の鉄粉類が酸化しやすくなる。フラックス中の鉄
粉類が酸化したフラックスを使用して溶接した場合、フ
ラックスへの鉄粉添加の効果すなわち溶着速度向上効果
が得られないばかりか、スラグ中の酸化鉄成分が著しく
増加することによりスラグの融点および粘性が低下し、
溶接作業性劣化を引き起こす。このように劣化したフラ
ックスを極厚鋼板の超大入熱溶接に適用した場合等には
、特にビード形状およびスラグ剥離性が著しく劣化する
と共に、溶接金属中へのスラグ巻込等の欠陥が発生する
原因となる。

【００１７】図１（イ）〜（ハ）は本発明複合フラック
ス、図２は従来のボンドフラックスの形態を示す模式図
であるが、図１（イ）に示すように鉄または鉄合金の造
粒核１を中心部に配置するようにフラックスを複合化し
た場合、中心部の鉄または鉄合金が変質する前に外郭部
２の金属酸化物、金属弗化物、金属炭酸化合物等の含水
鉱物類の脱水が可能となるため、良好な溶接作業性を保
持したままでフラックスの低水素化が可能となる。また
、造粒核となる鉄または鉄合金が微粉の場合には、１回
造粒では図１（イ）のような形態に複合化する事が困難
であるため、図１（ロ）に示すように１種以上の金属と
他の材料を予備造粒したものを造粒核１ａとして配置す
る事によっても同様の効果が得られる。

【００１８】さらに、図１（ハ）の模式図に示す様に、
複合フラックス粒子を２個以上結合させることによりフ
ラックスの粒子形状を長粒とし、かつフラックスの粒度
分布を容易に制御することができるため、開先形状や溶
接速度に応じた適正な粒子形状・粒度のフラックスとす
ることもできる。

【００１９】最後に造粒核となる鉄または鉄合金粉の比
表面積についてであるが、鉄または鉄合金粉を造粒核と
して鋼溶接用サブマージアーク溶接用複合フラックスを
製造する場合、前述の複合化造粒性および表面酸化性の
観点から最適な物性の鉄または鉄合金粉を適用すること
により品質の安定した複合フラックスを容易に供給する
ことが可能となる。

【００２０】フラックスを予備造粒無しに複合化し通常
の粒度分布の複合フラックスとするためには０．１ｍｍ
以上の粒径の鉄または鉄合金粉が必要であるが、一方、
表面酸化は酸素の拡散速度に律速されるため、鉄または
鉄合金粉の比表面積が小さい粒子であれば表面酸化の防
止が可能である。鉄または鉄合金粉の粒径は概ね比表面
積に反比例するが、同一の平均粒径の鉄粉でも鉄鉱石還
元品やアトマイズ品等があり、その製造履歴により著し
く比表面積の大きいものは高温での表面酸化が大となり
本発明の複合フラックスに適用するには予備造粒等の前
処理が必要となる。

【００２１】比表面積の限定範囲は種々の鉄または鉄合
金粉を用いてフラックスの複合化造粒性と耐高温酸化性
の実験を行った結果から得られたものであり、鉄または
鉄合金粉を予備造粒等の前処理をせずに本発明の複合化
効果を発揮できる鉄または鉄合金粉の比表面積は１×１
０−１ｍ２　／ｇ以下である。一方、比表面積が５×１
０−３ｍ２　／ｇ未満の場合は複合化するフラックスが
粗粒となり過ぎ、溶接アーク熱により均一にフラックス
を溶融することが困難となりアークが不安定となるため
逆に溶接作業性が劣化する。

【００２２】ここで、フラックスの焼成温度はフラック
スの組成すなわち原材料の分解温度により決定されるも
のであり特定する事は困難であるが、フラックスの水素
量を低減するためにはできるだけ高温であることが望ま
しい。

【００２３】

【実施例】実施例により本発明の効果を説明する。まず
フラックスの複合化による効果を明らかにするため、表
１に示すＦ１〜Ｆ３の３種類の複合フラックスと表２に
示すＳ１〜Ｓ２の従来の形態の比較用フラックスを製造
し、高温焼成した場合の拡散性水素量と溶接作業性とを
比較した。

【００２４】表１の複合フラックスＦ１は、表３の記号
Ｉ４に示す１．６５％Ｍｎ鋼ワイヤを円柱状に切断して
平均粒径０．５３ｍｍとしたカットワイヤを造粒核とし
て用い、水ガラスをバインダーとしてスラグ剤、脱酸剤
等をコーティングし図１（イ）に示す形態のフラックス
とした。同様に、Ｆ２は表３Ｉ１に示す鉄粉およびフェ
ロマンガン、さらに炭酸カルシウムを水ガラスを用いて
予備造粒したものを造粒核とした図１（ロ）に示す形態
の複合フラックス、Ｆ３は表３Ｉ２に示す鉄粉を造粒核
とした図１（ハ）に示す形態の複合フラックスである。 コーティングは、予め造粒核となる材料を投入した粉体
造粒装置を作動させながら、外核部となる難高温酸化性
金属やスラグ剤を水ガラスと共に造粒装置に供給するこ
とにより行った。これらの複合フラックスは全て５５０
℃×１ｈｒの条件で焼成した。

【００２５】比較用のボンドフラックスＳ１、Ｓ２およ
びＳ３は、鉄粉を他の材料と共に均一に予備混合し、水
ガラスにより全体を同時造粒することにより製造したも
ので、フラックスの形態は図２に示す形態である。さら
に、Ｓ３はＳ２と全く同じ組成で焼成条件を４００℃×
１ｈｒとしたものである。

【００２６】以上のフラックスＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｓ１
、Ｓ２およびＳ３を用いて、溶接金属水素試験および角
継手による２電極１ラン１層大入熱溶接による溶接作業
性試験を行った。溶接金属の水素量測定は、表４に示す
ワイヤ径４．０ｍｍのワイヤを用い、ＪＩＳ　　Ｚ３１
１８−１９８６の方法に従い実施した。溶接作業性試験
は、表４に示すワイヤ径６．４ｍｍのワイヤを用い、表
５の溶接条件で溶接を行った。表６に溶接作業性試験に
用いた試験体の化学成分、図３に溶接作業性試験の試験
体の開先形状寸法（単位：ｍｍ）を示す。

【００２７】表７に溶接金属水素量測定結果および溶接
作業性試験結果を示す。Ｔ１〜Ｔ３に示すように、複合
化したフラックスは、従来型の形態で高温焼成を行った
フラックスＴ４、Ｔ５のような溶接作業性劣化が認めら
れない。さらに、溶接作業性が劣化しない程度の低温（
４００℃）で焼成したフラックスＴ６では、５５０℃で
焼成した他のフラックスに比べ溶接金属の水素量が高い
。

【００２８】本発明フラックスは図１（イ）、（ロ）、
（ハ）にそれぞれ示す形態に複合化することにより十分
その効果を発揮するが、造粒核となる鉄または鉄合金の
比表面積を限定することにより、予備造粒等の前処理を
行わない図１（イ）または図１（ハ）の形態で容易に複
合化できる。

【００２９】表３に示す種々の比表面積の鉄または鉄合
金粉を用いて表８に示す組成の複合フラックスを作製し
、溶接作業性を比較した結果を表９に示す。表８に示す
複合フラックスは図１（イ）または図１（ハ）に示す形
態で、製造条件はそれぞれ表１Ｆ１またはＦ３と同一で
ある。ここで、比表面積が１×１０−１ｍ２　／ｇを超
える鉄粉を使用したフラックスＦ８の場合は、鉄粉が細
粒でかつ高温酸化しやすいため、予備造粒を用いない製
造方法ではフラックスを図１（イ）のような形態とする
ことができず、５５０℃の焼成でフラックスが劣化して
しまい、溶接作業性が不良となる。一方、比表面積が５
×１０−３ｍ２　／ｇ未満の鉄合金粉を使用したフラッ
クスＦ７の場合、フラックス粒が全体に粗大となりすぎ
溶接作業性劣化を引き起こす。比表面積が５×１０−３
〜１×１０−１ｍ２　／ｇの範囲に含まれるフラックス
Ｆ４〜Ｆ６の場合でのみ良好な溶接作業性が得られる。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】

【表４】

【００３４】

【表５】

【００３５】

【表６】

【００３６】

【表７】

【００３７】

【表８】

【００３８】

【表９】

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明の複合フラックス
により、溶着金属が高能率で得られる金属粉添加過多大
入熱溶接においてフラックスの極低水素化と同時に良好
な溶接作業性を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明フラックスの形態を説明するための模式
図である。

【図２】従来のボンドフラックスの形態を説明する模式
図である。

【図３】本発明実施例に用いた試験体の開先形状を説明
する正面図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ…造粒核２、
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ…外殻部３…従来
フラックスの粒子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属、金属酸化物、金属弗化物、金属
   炭酸化合物からなる原料粉の２種以上を混合造粒して得
   られる粉粒体フラックスであって、個々のフラックス粒
   子の中心部に造粒核として鉄または鉄合金の１種以上を
   配置し、外殻部に難高温酸化性金属、金属酸化物、金属
   弗化物、金属炭酸化合物の１種以上を配置してなること
   を特徴とするサブマージアーク溶接用複合フラックス。
2. 【請求項２】　　金属、金属酸化物、金属弗化物、金属
   炭酸化合物からなる原料粉の２種以上を混合造粒して得
   られる粉粒体フラックスであって、個々のフラックス粒
   子の中心部に造粒核として鉄または鉄合金の１種以上を
   配置し、外殻部に難高温酸化性金属、金属酸化物、金属
   弗化物、金属炭酸化合物の１種以上を配置してなる複合
   フラックス粒子をさらに２個以上結合させたことを特徴
   とするサブマージアーク溶接用複合フラックス。
3. 【請求項３】　　比表面積が５×１０−３ｍ２　／ｇ以
   上１×１０−１ｍ２　／ｇ以下の鉄または鉄合金を造粒
   核としたことを特徴とする請求項１または２記載のサブ
   マージアーク溶接用複合フラックス。