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特許7355718溶接用フラックス及びその製造方法、並びに該溶接用フラックスを使用したサブマージアーク溶接方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-25
(45)【発行日】2023-10-03
(54)【発明の名称】溶接用フラックス及びその製造方法、並びに該溶接用フラックスを使用したサブマージアーク溶接方法
(51)【国際特許分類】
B23K 35/362 20060101AFI20230926BHJP
【ＦＩ】
B23K35/362 310B
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020131935
(22)【出願日】2020-08-03
(65)【公開番号】P2022028494
(43)【公開日】2022-02-16
【審査請求日】2022-11-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】鳩本 大祐
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 統宣
【審査官】小川 進
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／１８２０２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００３－０３９１９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２３９８９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－０９９３９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０３７８３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－１３０７９３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ３５／３６２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接用フラックスであって、前記溶接用フラックスは酸化物を含有する粒子を有し、
前記酸化物はＳｉを含み、
前記粒子の外表面の少なくとも一部には化合物層が生成されており、
前記化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含み、
前記外表面の５０％以上に前記化合物層が生成されている前記粒子が、前記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在し、
溶接用フラックス全質量あたり、
全Ｆ量：５．０質量％以上、２０．０質量％以下、
全ＳｉのＳｉＯ ２ 換算値：１０．０質量％以上、２５．０質量％以下、
全ＡｌのＡｌ ２ Ｏ ３ 換算値：１４．０質量％以上、３０．０質量％以下、
Ｎａ及びＫのいずれか一方又は両方：全ＮａのＮａ ２ Ｏ換算値及び全ＫのＫ ２ Ｏ換算値の合計で１．０質量％以上、６．０質量％以下、
全ＴｉのＴｉＯ ２ 換算値：０．５質量％以上、５．０質量％以下、
全ＭｎのＭｎＯ換算値：０．５質量％以上、１３．０質量以下、及び
全ＦｅのＦｅＯ換算値：０．５質量％以上、７．０質量以下、
を含有するとともに、
Ｍｇ、Ｃａ及びＢａから選択された少なくとも一種を、
全ＭｇのＭｇＯ換算値：１５．０質量％以上、３０．０質量％以下、
全ＣａのＣａＯ換算値：７．０質量％以上、３０．０質量％以下、
全ＢａのＢａＯ換算値：８．０質量％以下、
の範囲で含有する、溶接用フラックス。
【請求項2】
前記強脱酸元素は、エリンガム図における５００～１０００℃の全温度領域において、酸化物標準生成ギブスエネルギーの値が、－８００ｋＪ／ｇ・ｍｏｌＯ２以下である酸化物を構成する元素である、請求項１に記載の溶接用フラックス。
【請求項3】
前記強脱酸元素は、Ｍｇ、Ｃａ及びＢａから選択された少なくとも一種の元素である、請求項１又は２に記載の溶接用フラックス。
【請求項4】
前記Ｓｉを含む酸化物は、Ｓｉ単体の酸化物、又は、Ｋ、Ｎａ及びＡｌから選択された少なくとも一種とＳｉとを含有する複合酸化物である、請求項１～３のいずれか１項に記載の溶接用フラックス。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか１項に記載の溶接用フラックスを製造する溶接用フラックスの製造方法であって、粉体原料を配合した配合フラックスに結合剤を添加して造粒後、５００～１０００℃の温度で焼成する工程を有し、
前記配合フラックスは、前記粉体原料として、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料、及び、強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を含有し、
前記強脱酸元素は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲でＳｉＯ２よりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する元素であり、
前記強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料、Ｃａを含む粉体原料及びＢａを含む粉体原料から選択された少なくとも一種の粉体原料を含有し、
前記Ｍｇを含む粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを２５質量％以上含有し、
前記Ｃａを含む粉体原料は、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを３０質量％以上含有し、
前記Ｂａを含む粉体原料は、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６０質量％以上含有するものであり、
前記Ｍｇを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＭｇを含む粉体原料の割合を、前記Ｍｇを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ａ］、
前記Ｃａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＣａを含む粉体原料の割合を、前記Ｃａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｂ］、
前記Ｂａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＢａを含む粉体原料の割合を、前記Ｂａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｃ］、
前記Ｓｉを含む酸化物の粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＳｉを含む酸化物の粉体原料の割合を、前記Ｓｉを含む酸化物の粉体原料全量に対する質量％で［ｄ］としたとき、
下記式（１）により得られる値が２．５以上である、溶接用フラックスの製造方法。
（［ａ］＋［ｂ］＋［ｃ］）／［ｄ］・・・（１）
【請求項6】
請求項１～４のいずれか１項に記載の溶接用フラックスを用いたサブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、耐吸湿性に優れた溶接用フラックス及びその製造方法、並びに該溶接用フラックスを使用したサブマージアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
溶接用フラックスが適用される溶接方法の例として、一般的にサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶接等が挙げられる。例えば、サブマージアーク溶接は、石油や天然ガス等を輸送するパイプライン用の造管溶接等に用いられる溶接方法である。このサブマージアーク溶接用に設計されたフラックスは、高温多湿の雰囲気に放置した場合、フラックス粒子の細孔内部や表面に水分が吸着して、吸湿しやすい性質を有している。そして、粒子に吸着した水分は、高温のアークにさらされると分解して水素及び酸素となり、溶接金属の拡散性水素量を増加させて低温割れを引き起こすとともに、溶接作業性に悪影響を及ぼす。したがって、サブマージアーク溶接においては、溶接用フラックスの耐吸湿性の向上が極めて重要な課題の一つとして挙げられている。
【0003】
そこで、特許文献１には、フラックス中のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＦ２換算値、ＭｎＯ換算値、Ｎａ２Ｏ換算値、Ｋ２Ｏ換算値及びＬｉ２Ｏ換算値のうち少なくとも一つ以上の合計、ＦｅＯ換算値、ＣａＯ、水溶性ＳｉＯ２、水溶性Ｎａ２Ｏ、並びに水溶性Ｋ２Ｏの含有量を適切に調整し、所定の数式により得られる値を限定したサブマージアーク溶接用フラックスが提案されている。
また、特許文献２には、フラックス中の上記酸化物及びＴｉＯ２の含有量、並びに所定の数式により得られる値を限定したサブマージアーク溶接用フラックスが開示されている。
また、特許文献２には、フラックス中の上記酸化物及びＴｉＯ２の含有量、並びに所定の数式により得られる値を限定したサブマージアーク溶接用フラックスが開示されている。
【0004】
上記特許文献１及び２には、フラックスの吸湿量及び溶接金属中の拡散性水素量を低減することが可能となる旨が記載されている。特に、吸湿量については、フラックスを再乾燥した後に、２時間の強制吸湿を実施し、フラックスが有する水分量を測定することにより評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１６－１４０８８８号公報
【文献】特開２０１６－１４０８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、一般的な使用現場では、再乾燥後に２時間を超えて放置されたフラックスを使用することがあり、上記特許文献１及び２に記載のサブマージアーク溶接用フラックスは、長時間放置後の吸湿性について、十分な検討がなされていなかった。
【0007】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであって、長時間放置された場合であっても優れた耐吸湿性を得ることができ、これにより、溶接金属の割れの要因の一つである溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる溶接用フラックス及びその製造方法、並びに該溶接用フラックスを使用したサブマージアーク溶接方法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】
【0008】
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、溶接用フラックスに含まれるＳｉを含む酸化物について着目した。すなわち、本発明者らは、このＳｉを含む酸化物を含有する粒子は極めて吸湿しやすいため、この粒子の表面に耐吸湿性の高い化合物層を生成させることによりフラックスの耐吸湿性を向上し、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができることを見出した。以下、溶接用フラックスを単にフラックスということがある。
【0009】
本発明の上記目的は、溶接用フラックスに係る下記［１］の構成により達成される。
【0010】
［１］ 溶接用フラックスであって、
前記溶接用フラックスは酸化物を含有する粒子を有し、
前記酸化物はＳｉを含み、
前記粒子の外表面の少なくとも一部には化合物層が生成されており、
前記化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含み、
前記外表面の５０％以上に前記化合物層が生成されている前記粒子が、前記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在する、溶接用フラックス。
前記溶接用フラックスは酸化物を含有する粒子を有し、
前記酸化物はＳｉを含み、
前記粒子の外表面の少なくとも一部には化合物層が生成されており、
前記化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含み、
前記外表面の５０％以上に前記化合物層が生成されている前記粒子が、前記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在する、溶接用フラックス。
【0011】
また、溶接用フラックスに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［５］に関する。
【0012】
［２］ 前記強脱酸元素は、
エリンガム図における５００～１０００℃の全温度領域において、酸化物標準生成ギブスエネルギーの値が、－８００ｋＪ／ｇ・ｍｏｌＯ２以下である酸化物を構成する元素である、［１］に記載の溶接用フラックス。
エリンガム図における５００～１０００℃の全温度領域において、酸化物標準生成ギブスエネルギーの値が、－８００ｋＪ／ｇ・ｍｏｌＯ２以下である酸化物を構成する元素である、［１］に記載の溶接用フラックス。
【0013】
［３］ 前記強脱酸元素は、Ｍｇ、Ｃａ及びＢａから選択された少なくとも一種の元素である、［１］又は［２］に記載の溶接用フラックス。
【0014】
［４］ 前記Ｓｉを含む酸化物は、Ｓｉ単体の酸化物、又は、Ｋ、Ｎａ及びＡｌから選択された少なくとも一種とＳｉとを含有する複合酸化物である、［１］～［３］のいずれか１つに記載の溶接用フラックス。
【0015】
［５］ 溶接用フラックス全質量あたり、
全Ｆ量：５．０質量％以上、２０．０質量％以下、
全ＳｉのＳｉＯ２換算値：１０．０質量％以上、２５．０質量％以下、
全ＡｌのＡｌ２Ｏ３換算値：１４．０質量％以上、３０．０質量％以下、
Ｎａ及びＫのいずれか一方又は両方：全ＮａのＮａ２Ｏ換算値及び全ＫのＫ２Ｏ換算値の合計で１．０質量％以上、６．０質量％以下、
全ＴｉのＴｉＯ２換算値：０．５質量％以上、５．０質量％以下、
全ＭｎのＭｎＯ換算値：０．５質量％以上、１３．０質量以下、及び
全ＦｅのＦｅＯ換算値：０．５質量％以上、７．０質量以下、
を含有するとともに、
Ｍｇ、Ｃａ及びＢａから選択された少なくとも一種を、
全ＭｇのＭｇＯ換算値：１５．０質量％以上、３０．０質量％以下、
全ＣａのＣａＯ換算値：７．０質量％以上、３０．０質量％以下、
全ＢａのＢａＯ換算値：８．０質量％以下、
の範囲で含有する、［１］～［４］のいずれか１つに記載の溶接用フラックス。
全Ｆ量：５．０質量％以上、２０．０質量％以下、
全ＳｉのＳｉＯ２換算値：１０．０質量％以上、２５．０質量％以下、
全ＡｌのＡｌ２Ｏ３換算値：１４．０質量％以上、３０．０質量％以下、
Ｎａ及びＫのいずれか一方又は両方：全ＮａのＮａ２Ｏ換算値及び全ＫのＫ２Ｏ換算値の合計で１．０質量％以上、６．０質量％以下、
全ＴｉのＴｉＯ２換算値：０．５質量％以上、５．０質量％以下、
全ＭｎのＭｎＯ換算値：０．５質量％以上、１３．０質量以下、及び
全ＦｅのＦｅＯ換算値：０．５質量％以上、７．０質量以下、
を含有するとともに、
Ｍｇ、Ｃａ及びＢａから選択された少なくとも一種を、
全ＭｇのＭｇＯ換算値：１５．０質量％以上、３０．０質量％以下、
全ＣａのＣａＯ換算値：７．０質量％以上、３０．０質量％以下、
全ＢａのＢａＯ換算値：８．０質量％以下、
の範囲で含有する、［１］～［４］のいずれか１つに記載の溶接用フラックス。
【0016】
また、本発明の上記目的は、溶接用フラックスの製造方法に係る下記［６］の構成により達成される。
【0017】
［６］ ［１］～［５］のいずれか１つに記載の溶接用フラックスを製造する溶接用フラックスの製造方法であって、
粉体原料を配合した配合フラックスに結合剤を添加して造粒後、５００～１０００℃の温度で焼成する工程を有し、
前記配合フラックスは、前記粉体原料として、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料、及び、強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を含有し、
前記強脱酸元素は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲でＳｉＯ２よりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する元素である、溶接用フラックスの製造方法。
粉体原料を配合した配合フラックスに結合剤を添加して造粒後、５００～１０００℃の温度で焼成する工程を有し、
前記配合フラックスは、前記粉体原料として、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料、及び、強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を含有し、
前記強脱酸元素は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲でＳｉＯ２よりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する元素である、溶接用フラックスの製造方法。
【0018】
また、溶接用フラックスの製造方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［７］に関する。
【0019】
［７］ 前記強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料、Ｃａを含む粉体原料及びＢａを含む粉体原料から選択された少なくとも一種の粉体原料を含有し、
前記Ｍｇを含む粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを２５質量％以上含有し、
前記Ｃａを含む粉体原料は、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを３０質量％以上含有し、
前記Ｂａを含む粉体原料は、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６０質量％以上含有するものであり、
前記Ｍｇを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＭｇを含む粉体原料の割合を、前記Ｍｇを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ａ］、
前記Ｃａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＣａを含む粉体原料の割合を、前記Ｃａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｂ］、
前記Ｂａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＢａを含む粉体原料の割合を、前記Ｂａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｃ］、
前記Ｓｉを含む酸化物の粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＳｉを含む酸化物の粉体原料の割合を、前記Ｓｉを含む酸化物の粉体原料全量に対する質量％で［ｄ］としたとき、
下記式（１）により得られる値が２．５以上である、［６］に記載の溶接用フラックスの製造方法。
（［ａ］＋［ｂ］＋［ｃ］）／［ｄ］・・・（１）
前記Ｍｇを含む粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを２５質量％以上含有し、
前記Ｃａを含む粉体原料は、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを３０質量％以上含有し、
前記Ｂａを含む粉体原料は、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６０質量％以上含有するものであり、
前記Ｍｇを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＭｇを含む粉体原料の割合を、前記Ｍｇを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ａ］、
前記Ｃａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＣａを含む粉体原料の割合を、前記Ｃａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｂ］、
前記Ｂａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＢａを含む粉体原料の割合を、前記Ｂａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｃ］、
前記Ｓｉを含む酸化物の粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＳｉを含む酸化物の粉体原料の割合を、前記Ｓｉを含む酸化物の粉体原料全量に対する質量％で［ｄ］としたとき、
下記式（１）により得られる値が２．５以上である、［６］に記載の溶接用フラックスの製造方法。
（［ａ］＋［ｂ］＋［ｃ］）／［ｄ］・・・（１）
【0020】
また、本発明の上記目的は、サブマージアーク溶接方法に係る下記［８］の構成により達成される。
【0021】
［８］ ［１］～［５］のいずれか１つに記載の溶接用フラックスを用いたサブマージアーク溶接方法。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、長時間放置された場合であっても優れた耐吸湿性を得ることができ、これにより、溶接金属の割れの要因の一つである溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる溶接用フラックス及びその製造方法、並びに該溶接用フラックスを使用したサブマージアーク溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本明細書において、数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
本発明における溶接用フラックスとしては、サブマージアーク溶接用フラックス及びエレクトロスラグ溶接用フラックス等が挙げられる。以下、本実施形態においては、溶接用フラックスの一例として、サブマージアーク溶接用フラックスに関して説明するが、本発明はサブマージ溶接用フラックスに限定されるものではない。
本発明における溶接用フラックスとしては、サブマージアーク溶接用フラックス及びエレクトロスラグ溶接用フラックス等が挙げられる。以下、本実施形態においては、溶接用フラックスの一例として、サブマージアーク溶接用フラックスに関して説明するが、本発明はサブマージ溶接用フラックスに限定されるものではない。
【0025】
［溶接用フラックス］
本実施形態に係る溶接用フラックスは、酸化物を含有する粒子を有し、酸化物はＳｉを含み、粒子の外表面の少なくとも一部には化合物層が生成されており、化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含み、外表面の５０％以上に上記化合物層が生成されている粒子が、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在するものである。
以下、各要件について更に詳細に説明する。
本実施形態に係る溶接用フラックスは、酸化物を含有する粒子を有し、酸化物はＳｉを含み、粒子の外表面の少なくとも一部には化合物層が生成されており、化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含み、外表面の５０％以上に上記化合物層が生成されている粒子が、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在するものである。
以下、各要件について更に詳細に説明する。
【0026】
＜Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子＞
Ｓｉを含む酸化物は、溶融スラグに適度の粘性を与えることによって、主にビード外観及びビード形状を良好にするため、溶接用フラックスを製造するための粉体原料として、広く使用される。しかし、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子は極めて吸湿しやすいため、水分を多く含む特徴がある。そこで、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、後述する耐吸湿性の高い化合物層が生成されていると、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、これにより溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。
なお、Ｓｉを含む酸化物としては、Ｓｉ単体の酸化物、又は、Ｋ、Ｎａ及びＡｌから選択された少なくとも一種とＳｉとを含有する複合酸化物が挙げられ、これらは特に吸湿しやすい特性を有することから、本発明の効果が期待できる。また、Ｓｉを含む酸化物のうち、Ｋ、Ｎａ及びＡｌから選択された少なくとも一種とＳｉとを含有する複合酸化物は、より吸湿しやすい特性を有することから、本発明の効果がより期待できる。なお、上記複合酸化物の具体的な例としては、ＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８、ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８等が挙げられる。
Ｓｉを含む酸化物は、溶融スラグに適度の粘性を与えることによって、主にビード外観及びビード形状を良好にするため、溶接用フラックスを製造するための粉体原料として、広く使用される。しかし、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子は極めて吸湿しやすいため、水分を多く含む特徴がある。そこで、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、後述する耐吸湿性の高い化合物層が生成されていると、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、これにより溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。
なお、Ｓｉを含む酸化物としては、Ｓｉ単体の酸化物、又は、Ｋ、Ｎａ及びＡｌから選択された少なくとも一種とＳｉとを含有する複合酸化物が挙げられ、これらは特に吸湿しやすい特性を有することから、本発明の効果が期待できる。また、Ｓｉを含む酸化物のうち、Ｋ、Ｎａ及びＡｌから選択された少なくとも一種とＳｉとを含有する複合酸化物は、より吸湿しやすい特性を有することから、本発明の効果がより期待できる。なお、上記複合酸化物の具体的な例としては、ＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８、ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８等が挙げられる。
【0027】
＜化合物層＞
化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含有する。この化合物層は、例えば、酸素との親和性が高い強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料と、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料と、水ガラス等の結合剤を用いてフラックスを造粒し、所定の温度で焼成することにより生成することができる。
なお、化合物層は、Ｓｉを含む酸化物を含有する全ての粒子の外表面に生成されている必要はなく、また、粒子の外表面全面に生成されている必要もない。具体的には、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面の５０％以上に化合物層が生成されている粒子が、上記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在していればよい。また、上記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対する、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面の５０％以上に化合物層が生成されている粒子の割合は、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは６５％以上であり、更に好ましくは７５％以上である。
なお、ここで指す粒子の外表面とは、該粒子の断面における観察により判断するものとし、粒子の断面の円周を指す。また、本願明細書において、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料とは、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子を含む原料をいう。
化合物層は、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含有する。この化合物層は、例えば、酸素との親和性が高い強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料と、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料と、水ガラス等の結合剤を用いてフラックスを造粒し、所定の温度で焼成することにより生成することができる。
なお、化合物層は、Ｓｉを含む酸化物を含有する全ての粒子の外表面に生成されている必要はなく、また、粒子の外表面全面に生成されている必要もない。具体的には、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面の５０％以上に化合物層が生成されている粒子が、上記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在していればよい。また、上記酸化物を含有する粒子の全粒子数に対する、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面の５０％以上に化合物層が生成されている粒子の割合は、好ましくは６０％以上であり、より好ましくは６５％以上であり、更に好ましくは７５％以上である。
なお、ここで指す粒子の外表面とは、該粒子の断面における観察により判断するものとし、粒子の断面の円周を指す。また、本願明細書において、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料とは、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子を含む原料をいう。
【0028】
＜強脱酸元素＞
強脱酸元素とは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する元素を指し、例えば、Ｔｉ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｂａ、Ｃａ及びＭｇ等が挙げられる。上記化合物層は、強脱酸元素を含む金属又は化合物の粒子が、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に接触して、強脱酸元素を含む金属又は化合物の粒子と、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子とが、フラックス製造工程における焼成時の熱により、界面反応することで生成されると考えられる。したがって、上記化合物層を生成するためには、フラックス製造工程における焼成温度の範囲内において、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を、配合フラックスの粉体原料として用いることが必要である。
強脱酸元素とは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する元素を指し、例えば、Ｔｉ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｂａ、Ｃａ及びＭｇ等が挙げられる。上記化合物層は、強脱酸元素を含む金属又は化合物の粒子が、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に接触して、強脱酸元素を含む金属又は化合物の粒子と、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子とが、フラックス製造工程における焼成時の熱により、界面反応することで生成されると考えられる。したがって、上記化合物層を生成するためには、フラックス製造工程における焼成温度の範囲内において、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を、配合フラックスの粉体原料として用いることが必要である。
【0029】
これらの強脱酸元素のうち、特に、エリンガム図における５００～１０００℃の全温度領域において、標準生成ギブスエネルギーの値が、－８００ｋＪ／ｇ・ｍｏｌＯ２以下である酸化物を構成する元素を採用すると、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーとの差が大きくなり、より化合物層が生成されやすくなるため好ましい。５００～１０００℃の全温度領域において、標準生成ギブスエネルギーの値が、－８００ｋＪ／ｇ・ｍｏｌＯ２以下である酸化物を構成する元素としては、Ａｌ、Ｚｒ、Ｂａ、Ｃａ及びＭｇが挙げられる。なお、強脱酸元素としては、Ｍｇ、Ｃａ及びＢａから選択された少なくとも一種の元素を選択することがより好ましく、これらの強脱酸元素を含む金属又は化合物の粉体原料を使用すると、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に接触して、フラックス製造工程における焼成時の熱により界面反応することで、耐吸湿性が高い化合物層が生成される。
【0030】
＜フラックスの組成＞
以下、本実施形態に係るフラックスにおける各成分の含有量について説明する。なお、本実施形態における含有量とは、特に説明がない限り、フラックス全質量に対する質量％を意味する。なお、フラックスの含有量は、分析方法の制約上換算値で規定する成分が存在する。そのため、フラックス全質量に対する各成分の含有量の合計は、換算値を用いる性質上、１００質量％を超える場合がある。
以下、本実施形態に係るフラックスにおける各成分の含有量について説明する。なお、本実施形態における含有量とは、特に説明がない限り、フラックス全質量に対する質量％を意味する。なお、フラックスの含有量は、分析方法の制約上換算値で規定する成分が存在する。そのため、フラックス全質量に対する各成分の含有量の合計は、換算値を用いる性質上、１００質量％を超える場合がある。
【0031】
（全Ｆ量：５．０質量％以上、２０．０質量％以下）
フッ化物は、溶融スラグの電気伝導性や流動性を高める効果があり、また、溶融スラグの高温粘性に影響を与える成分の１つでもあることから、溶接作業性に寄与する。また、アーク溶接時のフッ化物の分解反応によって、アーク雰囲気中の水蒸気分圧を下げ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するフッ化物の含有量は、フラックス全質量に対するＦの質量％（全Ｆ量とも言う）で規定する。したがって、良好なスラグ剥離性と、スラグ焼付きの発生防止、及び溶接金属中の拡散性水素量の低減化の観点より、全Ｆ量は、５．０質量％以上であることが好ましく、１０．０質量％以上であることがより好ましく、１２．０質量％以上であることが更に好ましい。
一方、ビードの波目が粗くなってビード外観が劣化することを防ぎ、良好なビード形状を得るため、全Ｆ量は２０．０質量％以下であることが好ましく、１８．０質量％以下であることがより好ましく、１７．０質量％以下であることが更に好ましい。
フッ化物は、溶融スラグの電気伝導性や流動性を高める効果があり、また、溶融スラグの高温粘性に影響を与える成分の１つでもあることから、溶接作業性に寄与する。また、アーク溶接時のフッ化物の分解反応によって、アーク雰囲気中の水蒸気分圧を下げ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するフッ化物の含有量は、フラックス全質量に対するＦの質量％（全Ｆ量とも言う）で規定する。したがって、良好なスラグ剥離性と、スラグ焼付きの発生防止、及び溶接金属中の拡散性水素量の低減化の観点より、全Ｆ量は、５．０質量％以上であることが好ましく、１０．０質量％以上であることがより好ましく、１２．０質量％以上であることが更に好ましい。
一方、ビードの波目が粗くなってビード外観が劣化することを防ぎ、良好なビード形状を得るため、全Ｆ量は２０．０質量％以下であることが好ましく、１８．０質量％以下であることがより好ましく、１７．０質量％以下であることが更に好ましい。
【0032】
本実施形態のフラックスにおけるＦ源としては、主にＣａＦ２が挙げられ、その他にＢａＦ２、ＡｌＦ３やＭｇＦ２などが含まれることがあるが、全Ｆ量が上記範囲内であれば、前述したフッ化物の効果に変わりはない。
【0033】
（全ＳｉのＳｉＯ２換算値：１０．０質量％以上、２５．０質量％以下）
Ｓｉを含む酸化物は、溶融スラグに適度な粘性を与えることによって、主にビード外観及びビード形状を良好にする。また、金属Ｓｉ及びＦｅ－Ｓｉ等の合金中のＳｉは、還元剤として働き、溶接金属の酸素量の増加に伴う機械的性質の劣化を防ぎ、ポックマークの発生を抑制する。このフラックス全質量に対するＳｉの含有量は、フラックス中の全Ｓｉ量を、ＳｉＯ２に換算したＳｉＯ２換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＳｉＯ２換算値は１０．０質量％以上であることが好ましく、１１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、ＳｉＯ２換算値の上限が適切に規定されていると、ビード形状やスラグ剥離性及び靱性が劣化を防止することができる。したがって、ＳｉＯ２換算値は２５．０質量％以下であることが好ましく、２０．０質量％以下であることがより好ましい。
Ｓｉを含む酸化物は、溶融スラグに適度な粘性を与えることによって、主にビード外観及びビード形状を良好にする。また、金属Ｓｉ及びＦｅ－Ｓｉ等の合金中のＳｉは、還元剤として働き、溶接金属の酸素量の増加に伴う機械的性質の劣化を防ぎ、ポックマークの発生を抑制する。このフラックス全質量に対するＳｉの含有量は、フラックス中の全Ｓｉ量を、ＳｉＯ２に換算したＳｉＯ２換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＳｉＯ２換算値は１０．０質量％以上であることが好ましく、１１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、ＳｉＯ２換算値の上限が適切に規定されていると、ビード形状やスラグ剥離性及び靱性が劣化を防止することができる。したがって、ＳｉＯ２換算値は２５．０質量％以下であることが好ましく、２０．０質量％以下であることがより好ましい。
【0034】
なお、ここで規定するＳｉＯ２換算値には、前述したＳｉを含む酸化物、金属Ｓｉ及びＦｅ－Ｓｉ等の合金の他に、水ガラス等の結合剤に由来するＳｉのＳｉＯ２換算値も含まれる。
【0035】
（全ＡｌのＡｌ２Ｏ３換算値：１４．０質量％以上、３０．０質量％以下）
Ａｌは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。そのため、フラックス中にＡｌを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ａｌを含む化合物層が生成され、これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＡｌの含有量は、フラックス中の全Ａｌ量を、Ａｌ２Ｏ３に換算したＡｌ２Ｏ３換算値で規定する。上記効果を得るためには、Ａｌ２Ｏ３換算値は１４．０質量％以上であることが好ましい。また、３０．０質量％以下であることが好ましい。上記Ａｌを含む粉体原料として、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＦ３、金属Ａｌ及びＡｌ－Ｍｇ等の合金等の形態で添加することができる。特にＡｌ２Ｏ３は、スラグの剥離性や低温靱性の向上に大きく寄与し、溶接時のビード形状及びビード外観を良好にする成分であることから、Ａｌ２Ｏ３の形態で添加することが好ましい。良好なビード形状及びビード外観を得られることからＡｌ２Ｏ３換算値は、１６．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの融点が過度に上昇することを防ぎ、ビード端の良好なスラグ剥離性を保つことができるため、Ａｌ２Ｏ３換算値は、２７．０質量％以下であることがより好ましい。
Ａｌは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。そのため、フラックス中にＡｌを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ａｌを含む化合物層が生成され、これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＡｌの含有量は、フラックス中の全Ａｌ量を、Ａｌ２Ｏ３に換算したＡｌ２Ｏ３換算値で規定する。上記効果を得るためには、Ａｌ２Ｏ３換算値は１４．０質量％以上であることが好ましい。また、３０．０質量％以下であることが好ましい。上記Ａｌを含む粉体原料として、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＦ３、金属Ａｌ及びＡｌ－Ｍｇ等の合金等の形態で添加することができる。特にＡｌ２Ｏ３は、スラグの剥離性や低温靱性の向上に大きく寄与し、溶接時のビード形状及びビード外観を良好にする成分であることから、Ａｌ２Ｏ３の形態で添加することが好ましい。良好なビード形状及びビード外観を得られることからＡｌ２Ｏ３換算値は、１６．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの融点が過度に上昇することを防ぎ、ビード端の良好なスラグ剥離性を保つことができるため、Ａｌ２Ｏ３換算値は、２７．０質量％以下であることがより好ましい。
【0036】
（Ｎａ及びＫのいずれか一方又は両方：全ＮａのＮａ２Ｏ換算値及び全ＫのＫ２Ｏ換算値の合計で１．０質量％以上、６．０質量％以下）
アルカリ金属であるＮａ及びＫは、主に溶接時のアーク安定性とフラックスの吸湿特性に影響を与える成分である。溶接時のアーク安定性の観点より、フラックス中にＮａ及びＫのいずれか一方又は両方が含有されていることが好ましい。このフラックス全質量に対するＮａ及びＫの含有量は、フラックス中の全Ｎａ及び全Ｋ量を、それぞれＮａ２Ｏ及びＫ２Ｏに換算したＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値で規定する。良好なアーク安定性が得られることから、Ｎａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値の合計は１．０質量％以上であることが好ましく、１．５質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックスが過剰に吸湿することを防ぐため、Ｎａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値の合計は６．０質量％以下であることが好ましく、５．０質量％以下であることがより好ましい。Ｎａ及びＫを含む粉体原料として、例えばＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８、ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８等の酸化物の形態で添加することができるが、より良好なアーク安定性を得るためにＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８の形態でフラックス中に添加されることがより好ましい。
なお、ここで規定するＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値には、前述したＮａ及びＫを含む酸化物の他に、水ガラス等の結合剤に由来するＮａ及びＫのＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値も含まれる。
アルカリ金属であるＮａ及びＫは、主に溶接時のアーク安定性とフラックスの吸湿特性に影響を与える成分である。溶接時のアーク安定性の観点より、フラックス中にＮａ及びＫのいずれか一方又は両方が含有されていることが好ましい。このフラックス全質量に対するＮａ及びＫの含有量は、フラックス中の全Ｎａ及び全Ｋ量を、それぞれＮａ２Ｏ及びＫ２Ｏに換算したＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値で規定する。良好なアーク安定性が得られることから、Ｎａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値の合計は１．０質量％以上であることが好ましく、１．５質量％以上であることがより好ましい。
一方、フラックスが過剰に吸湿することを防ぐため、Ｎａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値の合計は６．０質量％以下であることが好ましく、５．０質量％以下であることがより好ましい。Ｎａ及びＫを含む粉体原料として、例えばＮａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８、ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８等の酸化物の形態で添加することができるが、より良好なアーク安定性を得るためにＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８の形態でフラックス中に添加されることがより好ましい。
なお、ここで規定するＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値には、前述したＮａ及びＫを含む酸化物の他に、水ガラス等の結合剤に由来するＮａ及びＫのＮａ２Ｏ換算値及びＫ２Ｏ換算値も含まれる。
【0037】
（全ＴｉのＴｉＯ２換算値：０．５質量％以上、５．０質量％以下）
Ｔｉは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＴｉを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｔｉを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＴｉの含有量は、フラックス中の全Ｔｉ量を、ＴｉＯ２に換算したＴｉＯ２換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＴｉＯ２換算値は０．５質量％以上であることが好ましい。また、５．０質量％以下であることが好ましい。上記Ｔｉを含む粉体原料として、例えばＴｉＯ２、金属Ｔｉ、又はＦｅ－Ｔｉ等の合金等の形態で添加することができる。特に、ＴｉＯ２は、スラグの剥離性や低温靱性を向上させることができる成分であるとともに、溶接時のビード形状及びビード外観を良好にする成分であることから、ＴｉＯ２の形態で添加することが好ましい。良好なビード形状及びビード外観を得られることからＴｉＯ２換算値は１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの融点が過度に上昇しすぎることを防ぎ、ビード端の良好なスラグ剥離性を保つことができるため、ＴｉＯ２換算値は４．０質量％以下であることがより好ましい。
Ｔｉは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＴｉを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｔｉを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＴｉの含有量は、フラックス中の全Ｔｉ量を、ＴｉＯ２に換算したＴｉＯ２換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＴｉＯ２換算値は０．５質量％以上であることが好ましい。また、５．０質量％以下であることが好ましい。上記Ｔｉを含む粉体原料として、例えばＴｉＯ２、金属Ｔｉ、又はＦｅ－Ｔｉ等の合金等の形態で添加することができる。特に、ＴｉＯ２は、スラグの剥離性や低温靱性を向上させることができる成分であるとともに、溶接時のビード形状及びビード外観を良好にする成分であることから、ＴｉＯ２の形態で添加することが好ましい。良好なビード形状及びビード外観を得られることからＴｉＯ２換算値は１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの融点が過度に上昇しすぎることを防ぎ、ビード端の良好なスラグ剥離性を保つことができるため、ＴｉＯ２換算値は４．０質量％以下であることがより好ましい。
【0038】
（全ＭｎのＭｎＯ換算値：０．５質量％以上、１３．０質量％以下）
Ｍｎは、溶融スラグの粘性及び凝固温度に影響を与えるとともに、耐ポックマーク性改善に有効である。また、フラックス中にＭｎが適切な量で含まれていると、良好な低温靱性が得られ、気孔欠陥の発生を防止することができる。このフラックス全質量に対するＭｎの含有量は、フラックス中の全Ｍｎ量を、ＭｎＯに換算したＭｎＯ換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＭｎＯ換算値で０．５質量％以上であることが好ましく、０．６％質量％以上であることがより好ましく、０．８質量％以上であることがさらにより好ましい。
一方、溶接金属の低温における機械的性質の劣化を防ぎ、スラグ焼付きの発生を抑制することができるとともに、良好なビード形状及びスラグ剥離性を得ることができることから、ＭｎＯ換算値で１３．０質量％以下であることが好ましく、１１．０質量％以下であることがより好ましく、５．０質量％以下であることが更に好ましい。Ｍｎを含む粉体原料として、例えばＭｎＯ、ＭｎＯ２及びＭｎ２Ｏ３などの酸化物、金属Ｍｎ及びＦｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等の合金の形態で添加することができるが、各種形態の中でも、特に酸化物の形態で添加するとともに、ＭｎＯ換算値が０．５質量％以上、１３．０質量％以下であると、Ｍｎの有用性がより発揮されるため、より好ましい。
Ｍｎは、溶融スラグの粘性及び凝固温度に影響を与えるとともに、耐ポックマーク性改善に有効である。また、フラックス中にＭｎが適切な量で含まれていると、良好な低温靱性が得られ、気孔欠陥の発生を防止することができる。このフラックス全質量に対するＭｎの含有量は、フラックス中の全Ｍｎ量を、ＭｎＯに換算したＭｎＯ換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＭｎＯ換算値で０．５質量％以上であることが好ましく、０．６％質量％以上であることがより好ましく、０．８質量％以上であることがさらにより好ましい。
一方、溶接金属の低温における機械的性質の劣化を防ぎ、スラグ焼付きの発生を抑制することができるとともに、良好なビード形状及びスラグ剥離性を得ることができることから、ＭｎＯ換算値で１３．０質量％以下であることが好ましく、１１．０質量％以下であることがより好ましく、５．０質量％以下であることが更に好ましい。Ｍｎを含む粉体原料として、例えばＭｎＯ、ＭｎＯ２及びＭｎ２Ｏ３などの酸化物、金属Ｍｎ及びＦｅ－Ｓｉ－Ｍｎ等の合金の形態で添加することができるが、各種形態の中でも、特に酸化物の形態で添加するとともに、ＭｎＯ換算値が０．５質量％以上、１３．０質量％以下であると、Ｍｎの有用性がより発揮されるため、より好ましい。
【0039】
（全ＦｅのＦｅＯ換算値：０．５質量％以上、７．０質量％以下）
Ｆｅは、脱酸現象を促進し、耐ポックマーク性を高める効果があり、特に溶接電流が直流（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）の場合に、より高い効果を得ることができる。このフラックス全質量に対するＦｅの含有量は、フラックス中の全Ｆｅ量を、ＦｅＯに換算したＦｅＯ換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＦｅＯ換算値で０．５質量％以上であることが好ましく、１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの凝固温度を適切にしてビード外観、ビード形状及びスラグ剥離性を向上させるため、ＦｅＯ換算値で７．０質量％以下であることが好ましく、４．０質量％以下であることがより好ましい。Ｆｅを含む粉体原料として、例えばＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４などの酸化物、金属Ｆｅ及びＦｅ－Ｓｉ等の合金の形態で添加することができるが、特に、Ｆｅ－Ｓｉ等の合金や金属Ｆｅの形態で添加するとともに、ＦｅＯ換算値が０．５質量％以上、７．０質量％以下であると、Ｆｅの有用性がより発揮されるため、より好ましい。
Ｆｅは、脱酸現象を促進し、耐ポックマーク性を高める効果があり、特に溶接電流が直流（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）の場合に、より高い効果を得ることができる。このフラックス全質量に対するＦｅの含有量は、フラックス中の全Ｆｅ量を、ＦｅＯに換算したＦｅＯ換算値で規定する。上記効果を得るためには、ＦｅＯ換算値で０．５質量％以上であることが好ましく、１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの凝固温度を適切にしてビード外観、ビード形状及びスラグ剥離性を向上させるため、ＦｅＯ換算値で７．０質量％以下であることが好ましく、４．０質量％以下であることがより好ましい。Ｆｅを含む粉体原料として、例えばＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４などの酸化物、金属Ｆｅ及びＦｅ－Ｓｉ等の合金の形態で添加することができるが、特に、Ｆｅ－Ｓｉ等の合金や金属Ｆｅの形態で添加するとともに、ＦｅＯ換算値が０．５質量％以上、７．０質量％以下であると、Ｆｅの有用性がより発揮されるため、より好ましい。
【0040】
本実施形態のフラックスは、前述した含有成分に加えて、上記強脱酸元素として、Ｍｇ、Ｂａ及びＣａから選択された少なくとも一種を以下に示す含有量で含有することがより好ましく、Ｍｇ及びＣａから選択された少なくとも一種を以下に示す含有量で含有することが更に好ましく、Ｍｇ及びＣａの両方を、いずれも以下に示す含有量で含有することが最も好ましい。これらの成分の好ましい含有量について、以下に説明する。
【0041】
（全ＭｇのＭｇＯ換算値：１５．０質量％以上、３０．０質量％以下）
Ｍｇは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＭｇを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物粒子の外表面に、Ｍｇを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＭｇの含有量は、フラックス中の全Ｍｇ量を、ＭｇＯに換算したＭｇＯ換算値で規定する。上記効果を得るため、ＭｇＯ換算値は１５．０質量％以上であることが好ましい。また、ＭｇＯ換算値は３０．０質量％以下であることが好ましい。ＭｇＯに換算されるＭｇ源としては、例えばＭｇＯ、ＭｇＦ２、ＭｇＣＯ３、Ａｌ－Ｍｇ等の合金、又は金属Ｍｇ等の形態が挙げられる。特に、上記Ｍｇ源のうち、スラグ剥離性の向上にも大きく寄与する成分であることから、ＭｇＯの形態であることが好ましい。電極の極性によらず、良好なスラグ剥離性を確保し、スラグ焼付きを防ぐことができることから、ＭｇＯ換算値は１９．０質量％以上であることがより好ましく、２０．０質量％以上であることが更に好ましい。
一方、ビード形状が凸になるのを防ぐことができ、良好なスラグ剥離性を保つことができるため、ＭｇＯ換算値は２６．０質量％以下であることがより好ましく、２５．０質量％以下であることが更に好ましい。
Ｍｇは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＭｇを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物粒子の外表面に、Ｍｇを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＭｇの含有量は、フラックス中の全Ｍｇ量を、ＭｇＯに換算したＭｇＯ換算値で規定する。上記効果を得るため、ＭｇＯ換算値は１５．０質量％以上であることが好ましい。また、ＭｇＯ換算値は３０．０質量％以下であることが好ましい。ＭｇＯに換算されるＭｇ源としては、例えばＭｇＯ、ＭｇＦ２、ＭｇＣＯ３、Ａｌ－Ｍｇ等の合金、又は金属Ｍｇ等の形態が挙げられる。特に、上記Ｍｇ源のうち、スラグ剥離性の向上にも大きく寄与する成分であることから、ＭｇＯの形態であることが好ましい。電極の極性によらず、良好なスラグ剥離性を確保し、スラグ焼付きを防ぐことができることから、ＭｇＯ換算値は１９．０質量％以上であることがより好ましく、２０．０質量％以上であることが更に好ましい。
一方、ビード形状が凸になるのを防ぐことができ、良好なスラグ剥離性を保つことができるため、ＭｇＯ換算値は２６．０質量％以下であることがより好ましく、２５．０質量％以下であることが更に好ましい。
【0042】
（全ＣａのＣａＯ換算値：７．０質量％以上、３０．０質量％以下）
Ｃａは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＣａＯを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｃａを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＣａの含有量は、フラックス中の全Ｃａ量を、ＣａＯに換算したＣａＯ換算値で規定する。上記効果を得るため、ＣａＯ換算値は７．０質量％以上であることが好ましい。また、ＣａＯ換算値は３０．０質量％以下であることが好ましい。ＣａＯに換算されるＣａ源としては、例えばＣａＯ、ＣａＦ２、ＣａＣＯ３、Ｃａ－Ｓｉ等の合金、又は金属Ｃａ等の形態が挙げられる。特に、ＣａＦ２は、スラグ剥離性の向上にも大きく寄与する成分であることから、ＣａＦ２の形態で添加することが好ましい。スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めることにより、溶接金属の機械的性質を向上させるため、ＣａＯ換算値は１７．０質量％以上であることがより好ましく、２０．０質量％以上であることが更に好ましい。
一方、溶融スラグの流動性が過度に高くなることを防ぎ、良好なビード外観及び形状を得ることができるため、ＣａＯ換算値は２６．０質量％以下であることがより好ましく、２４．０質量％以下であることが更に好ましい。
Ｃａは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＣａＯを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｃａを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＣａの含有量は、フラックス中の全Ｃａ量を、ＣａＯに換算したＣａＯ換算値で規定する。上記効果を得るため、ＣａＯ換算値は７．０質量％以上であることが好ましい。また、ＣａＯ換算値は３０．０質量％以下であることが好ましい。ＣａＯに換算されるＣａ源としては、例えばＣａＯ、ＣａＦ２、ＣａＣＯ３、Ｃａ－Ｓｉ等の合金、又は金属Ｃａ等の形態が挙げられる。特に、ＣａＦ２は、スラグ剥離性の向上にも大きく寄与する成分であることから、ＣａＦ２の形態で添加することが好ましい。スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めることにより、溶接金属の機械的性質を向上させるため、ＣａＯ換算値は１７．０質量％以上であることがより好ましく、２０．０質量％以上であることが更に好ましい。
一方、溶融スラグの流動性が過度に高くなることを防ぎ、良好なビード外観及び形状を得ることができるため、ＣａＯ換算値は２６．０質量％以下であることがより好ましく、２４．０質量％以下であることが更に好ましい。
【0043】
（全ＢａのＢａＯ換算値：８．０質量％以下）
Ｂａは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＢａＯを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｂａを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＢａの含有量は、フラックスの全Ｂａ量を、ＢａＯに換算したＢａＯ換算値で規定する。
上記効果を得るため、任意でＢａを添加する場合、ＢａＯ換算値は０．１質量％以上であることが好ましい。また、ＢａＯ換算値は８．０質量％以下であることが好ましい。ＢａＯに換算されるＢａ源としては、例えばＢａＯ、ＢａＦ２、ＢａＣＯ３、又は金属Ｂａ等の形態が挙げられる。ＢａＯ換算値の下限値は特に限定されるものではないが、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めることにより、溶接金属の機械的性質を向上させるため、任意でＢａを添加する場合、ＢａＯ換算値は１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの流動性が過度に高くなることを防ぎ、良好なビード外観及び形状を得ることができるため、ＢａＯ換算値は６．０質量％以下であることが好ましい。
Ｂａは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＢａＯを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｂａを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。このフラックス全質量に対するＢａの含有量は、フラックスの全Ｂａ量を、ＢａＯに換算したＢａＯ換算値で規定する。
上記効果を得るため、任意でＢａを添加する場合、ＢａＯ換算値は０．１質量％以上であることが好ましい。また、ＢａＯ換算値は８．０質量％以下であることが好ましい。ＢａＯに換算されるＢａ源としては、例えばＢａＯ、ＢａＦ２、ＢａＣＯ３、又は金属Ｂａ等の形態が挙げられる。ＢａＯ換算値の下限値は特に限定されるものではないが、スラグの塩基度を高めて溶接金属の清浄度を高めることにより、溶接金属の機械的性質を向上させるため、任意でＢａを添加する場合、ＢａＯ換算値は１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶融スラグの流動性が過度に高くなることを防ぎ、良好なビード外観及び形状を得ることができるため、ＢａＯ換算値は６．０質量％以下であることが好ましい。
【0044】
ところで、上記で示した全Ｆ量、ＳｉＯ２換算値、Ａｌ２Ｏ３換算値、Ｎａ２Ｏ換算値、Ｋ２Ｏ換算値、ＴｉＯ２換算値、ＭｇＯ換算値、ＣａＯ換算値、ＢａＯ換算値、ＭｎＯ換算値及びＦｅＯ換算値の合計は、良好なスラグ剥離性及びビード形状を得る観点から９２質量％以上であることが好ましく、９５質量％以上がより好ましく、９８質量％以上が更に好ましい。
【0045】
本実施形態のフラックスは、前述した成分に加えて、必要に応じてＺｒ及びＢから選択された少なくとも一種を含有してもよい。これらの元素の含有量について、以下に説明する。
【0046】
（全ＢのＢ２Ｏ３換算値：０．５０質量％以下）
Ｂは、溶接金属の靱性向上に有効な成分である。フラックス全質量に対するＢの含有量は、フラックス中の全Ｂ量を、Ｂ２Ｏ３に換算したＢ２Ｏ３換算値で規定する。Ｂ２Ｏ３換算値の下限は特に設けないが、上記効果を得たい場合は、Ｂ２Ｏ３換算値は０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０３質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶接金属の硬化による高温割れの発生及び靱性の低下を防止することができることから、Ｂ２Ｏ３換算値は０．５０質量％以下であることが好ましく、０．３０質量％以下であることがより好ましい。Ｂを含む粉体原料として、例えば金属Ｂ、Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ等の合金、Ｂの酸化物等の形態で添加することができる。
Ｂは、溶接金属の靱性向上に有効な成分である。フラックス全質量に対するＢの含有量は、フラックス中の全Ｂ量を、Ｂ２Ｏ３に換算したＢ２Ｏ３換算値で規定する。Ｂ２Ｏ３換算値の下限は特に設けないが、上記効果を得たい場合は、Ｂ２Ｏ３換算値は０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０３質量％以上であることがより好ましい。
一方、溶接金属の硬化による高温割れの発生及び靱性の低下を防止することができることから、Ｂ２Ｏ３換算値は０．５０質量％以下であることが好ましく、０．３０質量％以下であることがより好ましい。Ｂを含む粉体原料として、例えば金属Ｂ、Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ等の合金、Ｂの酸化物等の形態で添加することができる。
【0047】
（全ＺｒのＺｒＯ２換算値：３．０質量％以下）
Ｚｒは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＺｒを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｚｒを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。また、Ｚｒは溶融スラグの粘性及び凝固温度に影響を与えるとともに、高速度の溶接でのアーク安定性、良好なビード形状及びビード外観、良好なスラグ剥離性を得るために有効な成分である。フラックス全質量に対するＺｒの含有量は、フラックス中の全Ｚｒ量を、ＺｒＯ２に換算したＺｒＯ２換算値で規定する。Ｚｒを含む粉体原料は比較的高価であるため、特に下限は設けないが、上記効果を得たい場合は、ＺｒＯ２換算値は０．０１質量％以上であることが好ましく、３．０質量％以下とすることが好ましい。Ｚｒを含む粉体原料として、例えばＺｒＯ２、ＺｒＳｉＯ４及びＺｒを含む合金等の形態で添加することができる。
Ｚｒは、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素の一つである。したがって、フラックス中にＺｒを含む粉体原料を添加することにより、上記Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、Ｚｒを含む化合物層が生成される。これにより、フラックスの耐吸湿性を向上させることができ、溶接金属中の拡散性水素量を低減することができる。また、Ｚｒは溶融スラグの粘性及び凝固温度に影響を与えるとともに、高速度の溶接でのアーク安定性、良好なビード形状及びビード外観、良好なスラグ剥離性を得るために有効な成分である。フラックス全質量に対するＺｒの含有量は、フラックス中の全Ｚｒ量を、ＺｒＯ２に換算したＺｒＯ２換算値で規定する。Ｚｒを含む粉体原料は比較的高価であるため、特に下限は設けないが、上記効果を得たい場合は、ＺｒＯ２換算値は０．０１質量％以上であることが好ましく、３．０質量％以下とすることが好ましい。Ｚｒを含む粉体原料として、例えばＺｒＯ２、ＺｒＳｉＯ４及びＺｒを含む合金等の形態で添加することができる。
【0048】
本実施形態のフラックスは、前述した含有成分に加えて、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＣｒ等の元素を含有していてもよい。フラックス中にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＣｒを添加する場合に、これらの合計値は、５質量％以下とすることが好ましい。
【0049】
フラックスに含まれる上記以外の元素として、Ｐ、Ｓ、Ｎｂ及びＶなどの不可避的不純物が挙げられる。これらの不可避的不純物のうち、Ｎｂ及びＶは溶接金属の低温靱性を低下させるため、フラックス全質量に対して各々０．５質量％以下に規制することが好ましく、溶接品質に影響するＰ及びＳはそれぞれ、フラックス全質量に対して０．２０質量％以下に規制することが好ましい。
【0050】
［溶接用フラックスの製造方法］
本発明の溶接用フラックスは、以下の粉体原料を配合した配合フラックスに結合剤を添加して造粒後、５００～１０００℃の温度で焼成することにより得られる。
上記配合フラックスは、粉体原料として、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料、及び、上述の強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を含有するものである。強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料としては、上記Ｍｇを含む粉体原料、上記Ｃａを含む粉体原料及び上記Ｂａを含む粉体原料の他、上述したフラックスの成分を含む酸化物の粉体原料、及びフッ化物又は炭酸塩等を含む粉体原料が挙げられる。さらに、結合剤としては、例えば、水ガラス、ポリビニルアルコール等を使用することができる。造粒法は、特に限定されるものではないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機などを用いる方法が好ましい。
本発明の溶接用フラックスは、以下の粉体原料を配合した配合フラックスに結合剤を添加して造粒後、５００～１０００℃の温度で焼成することにより得られる。
上記配合フラックスは、粉体原料として、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料、及び、上述の強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料を含有するものである。強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料としては、上記Ｍｇを含む粉体原料、上記Ｃａを含む粉体原料及び上記Ｂａを含む粉体原料の他、上述したフラックスの成分を含む酸化物の粉体原料、及びフッ化物又は炭酸塩等を含む粉体原料が挙げられる。さらに、結合剤としては、例えば、水ガラス、ポリビニルアルコール等を使用することができる。造粒法は、特に限定されるものではないが、転動式造粒機や押し出し式造粒機などを用いる方法が好ましい。
【0051】
造粒後の焼成は、ロータリーキルン、定置式バッチ炉及びベルト式焼成炉などで行うことができる。本発明においては、エリンガム図における５００～１０００℃の温度範囲で、ＳｉＯ２標準生成ギブスエネルギーよりも低い標準生成ギブスエネルギーを有する酸化物を構成する強脱酸元素を含むフラックス原料を採用するため、焼成温度は５００～１０００℃とし、７００～９００℃とすることが好ましい。
【0052】
また、本発明者らは、上記粉体原料の粒径を適切に規定することにより、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に化合物層が生成されやすいことを見出した。本発明では、後述する式（１）で表されるように、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下である粒子が特に吸湿しやすいことから、種々の強脱酸元素を含む金属の粉体原料及び化合物の粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下である粉体原料の合計量の質量割合が、Ｓｉを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下である粉体原料の質量割合よりも大きいことを好ましいとしている。これにより、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料の表面と、強脱酸元素を含む金属の粉体原料又は化合物の粉体原料の粒子の表面との接触面積及び接触回数が増加し、反応層が生成されやすくなる。
なお、『粒径が７５μｍ以下』とは、ＪＩＳ Ｚ ８８１５：１９９４に準拠した方法により、ＪＩＳ Ｚ ８８０１：２０１９に基づく目開き７５μｍの篩いを用いてふるい分けを行った際に、その篩いを通過することを意味する。
なお、『粒径が７５μｍ以下』とは、ＪＩＳ Ｚ ８８１５：１９９４に準拠した方法により、ＪＩＳ Ｚ ８８０１：２０１９に基づく目開き７５μｍの篩いを用いてふるい分けを行った際に、その篩いを通過することを意味する。
【0053】
なお、上記強脱酸元素を含む金属の粉体原料及び化合物の粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料、Ｃａを含む粉体原料及びＢａを含む粉体原料から選択された少なくとも一種の粉体原料を含有することが好ましい。また、Ｍｇを含む粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを２５質量％以上含有し、Ｃａを含む粉体原料は、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを３０質量％以上含有し、Ｂａを含む粉体原料は、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６０質量％以上含有するものであることが好ましい。
さらに、Ｍｇを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＭｇを含む粉体原料の割合を、上記Ｍｇを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ａ］、上記Ｃａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＣａを含む粉体原料の割合を、上記Ｃａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｂ］、上記Ｂａを含む粉体原料の割合を、上記Ｂａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｃ］、上記Ｓｉを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＳｉを含む粉体原料の割合を、上記Ｓｉを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｄ］としたとき、下記式（１）により得られる値が２．５以上であると、反応層が所望の被覆率で生成されやすくなるため、好ましい。
（［ａ］＋［ｂ］＋［ｃ］）／［ｄ］・・・（１）
さらに、Ｍｇを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＭｇを含む粉体原料の割合を、上記Ｍｇを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ａ］、上記Ｃａを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＣａを含む粉体原料の割合を、上記Ｃａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｂ］、上記Ｂａを含む粉体原料の割合を、上記Ｂａを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｃ］、上記Ｓｉを含む粉体原料のうち、粒径が７５μｍ以下であるＳｉを含む粉体原料の割合を、上記Ｓｉを含む粉体原料全質量に対する質量％で［ｄ］としたとき、下記式（１）により得られる値が２．５以上であると、反応層が所望の被覆率で生成されやすくなるため、好ましい。
（［ａ］＋［ｂ］＋［ｃ］）／［ｄ］・・・（１）
【0054】
Ｍｇを含む粉体原料としては、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを５０質量％以上含有するものを用いることがより好ましく、５２質量％以上含有するものを用いることがより好ましい。このようなＭｇを含む粉体原料としては、例えば、ＭｇＯ及びＭｇＣＯ３、ＭｇＦ２等を用いることができる。
また、Ｃａを含む粉体原料としては、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを４０質量％以上含有するものを用いることがより好ましく、４５質量％以上含有するものを用いることが更に好ましい。このようなＣａを含む粉体原料としては、例えば、ＣａＦ２及びＣａＣＯ３、ＣａＯ等を用いることができる。
また、Ｂａを含む粉体原料としては、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６２質量％以上含有するものを用いることがより好ましく、６５質量％以上含有するものを用いることが更に好ましい。このようなＢａを含む粉体原料としては、例えば、ＢａＦ２及びＢａＣＯ３、ＢａＯ等を用いることができる。
また、Ｃａを含む粉体原料としては、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを４０質量％以上含有するものを用いることがより好ましく、４５質量％以上含有するものを用いることが更に好ましい。このようなＣａを含む粉体原料としては、例えば、ＣａＦ２及びＣａＣＯ３、ＣａＯ等を用いることができる。
また、Ｂａを含む粉体原料としては、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６２質量％以上含有するものを用いることがより好ましく、６５質量％以上含有するものを用いることが更に好ましい。このようなＢａを含む粉体原料としては、例えば、ＢａＦ２及びＢａＣＯ３、ＢａＯ等を用いることができる。
【0055】
ここで、Ｍｇ、Ｃａ及びＢａを含む粉体原料全質量に対する各元素の含有量について説明する。例えば、Ｍｇを含む粉体原料で例示すると、ＭｇОのみからなる粉体原料のみを使用する場合は、ＭｇОのみからなる粉体原料全質量に対するＭｇ含有量とし、６０質量％となる。また、マグネシアクリンカーのようなＭｇО以外の成分や不純物を含む粉体原料の場合は、マグネシアクリンカー全質量に対するＭｇ含有量となる。さらに、Ｍｇを含む粉体原料を複数種使用する場合は、全てのＭｇを含む粉体の全質量に対するＭｇ含有量となる。
【0056】
さらに、Ｓｉを含む酸化物の粉体原料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８、ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８等を用いることができ、これらのうち、ＳｉＯ２、ＫＡｌＳｉ３Ｏ８、ＮａＡｌＳｉ３Ｏ８を用いることがより好ましい。
【0057】
［溶接用フラックスを使用したサブマージアーク溶接方法］
本発明は、上記本発明の溶接用フラックスを用いたサブマージアーク溶接方法にも関する。溶接用フラックスの構成及び好ましい成分については、上記の通りである。
本発明は、上記本発明の溶接用フラックスを用いたサブマージアーク溶接方法にも関する。溶接用フラックスの構成及び好ましい成分については、上記の通りである。
【0058】
（溶接条件）
本実施形態に係るフラックスを用いた１電極溶接として、例えば以下の条件が例示できるが、下記条件になんら限定されるものではない。なお、１ｓｔとは鋼板の表面側の溶接を表し、２ｎｄとは鋼板の裏面側の溶接を表す。
溶接電流：４００～１０００Ａ（１ｓｔ）、６００～１０００Ａ（２ｎｄ）
アーク電圧：２６～３６Ｖ（１ｓｔ）、２６～３６Ｖ（２ｎｄ）
溶接速度：６０～１５０ｃｍ／分（１ｓｔ、２ｎｄ）
鋼種：ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５準拠
板厚：９～６０ｍｍ
突出し長さ：１５～４５ｍｍ
本実施形態に係るフラックスを用いた１電極溶接として、例えば以下の条件が例示できるが、下記条件になんら限定されるものではない。なお、１ｓｔとは鋼板の表面側の溶接を表し、２ｎｄとは鋼板の裏面側の溶接を表す。
溶接電流：４００～１０００Ａ（１ｓｔ）、６００～１０００Ａ（２ｎｄ）
アーク電圧：２６～３６Ｖ（１ｓｔ）、２６～３６Ｖ（２ｎｄ）
溶接速度：６０～１５０ｃｍ／分（１ｓｔ、２ｎｄ）
鋼種：ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５準拠
板厚：９～６０ｍｍ
突出し長さ：１５～４５ｍｍ
【0059】
本実施形態に係るフラックスを用いた２電極溶接として、例えば以下の条件が例示できるが、下記条件になんら限定されるものではない。なお、Ｌ極とは先行極を表し、Ｔ極とは後行極を表す。
溶接電流／アーク電圧：５００～１２００Ａ／２６～４０Ｖ（１ｓｔ、Ｌ極）、
５００～１２００Ａ／２６～４０Ｖ（１ｓｔ、Ｔ極）、
５００～１５００Ａ／２６～４０Ｖ（２ｎｄ、Ｌ極）、
５００～１５００Ａ／２６～４０Ｖ（２ｎｄ、Ｔ極）
溶接速度：１０～１０００ｃｍ／分（１ｓｔ、２ｎｄ）
電極配置：Ｌ極とＴ極とのなす角が０～４５°
鋼種：ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５準拠
溶接電流／アーク電圧：５００～１２００Ａ／２６～４０Ｖ（１ｓｔ、Ｌ極）、
５００～１２００Ａ／２６～４０Ｖ（１ｓｔ、Ｔ極）、
５００～１５００Ａ／２６～４０Ｖ（２ｎｄ、Ｌ極）、
５００～１５００Ａ／２６～４０Ｖ（２ｎｄ、Ｔ極）
溶接速度：１０～１０００ｃｍ／分（１ｓｔ、２ｎｄ）
電極配置：Ｌ極とＴ極とのなす角が０～４５°
鋼種：ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５準拠
【実施例】
【0060】
以下に実施例を挙げて本実施形態を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0061】
＜発明例Ｎｏ．１～５及び比較例Ｎｏ．６～１２＞
ＪＩＳ Ｚ ８８１５：１９９４に準拠した方法により、ＪＩＳ Ｚ ８８０１：２０１９に基づく目開き７５μｍの篩いを用いてふるい分けを行った下記表１に示す粒度分布を有する粉体原料と、その他の粉体原料を配合し、結合剤としての水ガラスとともに混錬した後、造粒し、更にロータリーキルンを使用して６００～９００℃で焼成して、整粒することにより、下記表２に示す溶接用フラックスを製造した。
なお、発明例Ｎｏ．１～５及び比較例Ｎｏ．６～１２において、Ｍｇを含む粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを５３～５８質量％含有し、Ｃａを含む粉体原料は、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを４５～５０質量％含有し、Ｂａを含む粉体原料は、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６５～７０質量％含有する粉体原料を使用した。
ＪＩＳ Ｚ ８８１５：１９９４に準拠した方法により、ＪＩＳ Ｚ ８８０１：２０１９に基づく目開き７５μｍの篩いを用いてふるい分けを行った下記表１に示す粒度分布を有する粉体原料と、その他の粉体原料を配合し、結合剤としての水ガラスとともに混錬した後、造粒し、更にロータリーキルンを使用して６００～９００℃で焼成して、整粒することにより、下記表２に示す溶接用フラックスを製造した。
なお、発明例Ｎｏ．１～５及び比較例Ｎｏ．６～１２において、Ｍｇを含む粉体原料は、Ｍｇを含む粉体原料全質量に対してＭｇを５３～５８質量％含有し、Ｃａを含む粉体原料は、Ｃａを含む粉体原料全質量に対してＣａを４５～５０質量％含有し、Ｂａを含む粉体原料は、Ｂａを含む粉体原料全質量に対してＢａを６５～７０質量％含有する粉体原料を使用した。
【0062】
その後、得られたフラックスの断面を観察し、化合物層の有無及びその組成等を測定するとともに、フラックスの耐吸湿性を測定した。
フラックス断面の観察方法、耐吸湿性及び拡散性水素量の測定方法等について、以下に具体的に説明する。また、これらの測定結果を下記表３に示す。
フラックス断面の観察方法、耐吸湿性及び拡散性水素量の測定方法等について、以下に具体的に説明する。また、これらの測定結果を下記表３に示す。
【0063】
（フラックス断面の観察）
得られた溶接用フラックスを樹脂に埋め込んで、フラックス垂直断面が観察面となるように研磨を行い、観察面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）で観察した。なお、ＳＥＭの倍率を１０００倍、加速電圧を５～１５ｋＶとし、反射電子（ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ；ＢＳＥ）像による組成像を観察することにより、化合物層の生成有無及び状態を確認した。
得られた溶接用フラックスを樹脂に埋め込んで、フラックス垂直断面が観察面となるように研磨を行い、観察面を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）で観察した。なお、ＳＥＭの倍率を１０００倍、加速電圧を５～１５ｋＶとし、反射電子（ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ；ＢＳＥ）像による組成像を観察することにより、化合物層の生成有無及び状態を確認した。
【0064】
また、化合物層の断面に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＥＤＸ）を用いて元素分析をし、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子、及びその周りの化合物層に含まれる元素を、マッピングにて分析した。
ＳＥＭによるＥＤＸ分析は次のようにして行うことができる。例えば、卓上顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ製：Ｍｉｎｉｓｃｏｐｅ ＴＭ３０３０）を用いて、上記研磨を行った観察面を１０００倍の倍率にて観察する。
本実施例では、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の有無を観察するとともに、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子において、Ｓｉ以外の元素について調査した。また、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面における化合物層を観察し、被覆率の評価を行った。
なお、下記表３に示す「Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子中のＳｉ以外の元素」における、Ｋ、Ｎａ、Ｔｉ、Ａｌ及びＭｇの欄において、これらの元素が検出されたものを「○」、検出されなかったものを「－」とした。
ＳＥＭによるＥＤＸ分析は次のようにして行うことができる。例えば、卓上顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ製：Ｍｉｎｉｓｃｏｐｅ ＴＭ３０３０）を用いて、上記研磨を行った観察面を１０００倍の倍率にて観察する。
本実施例では、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の有無を観察するとともに、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子において、Ｓｉ以外の元素について調査した。また、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面における化合物層を観察し、被覆率の評価を行った。
なお、下記表３に示す「Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子中のＳｉ以外の元素」における、Ｋ、Ｎａ、Ｔｉ、Ａｌ及びＭｇの欄において、これらの元素が検出されたものを「○」、検出されなかったものを「－」とした。
【0065】
化合物層の観察による被覆率の評価は、２００μｍ×１７０μｍの矩形である任意の３視野（視野１、視野２、視野３）を選定し、各３視野について、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子を任意で１粒子選択することにより行った。具体的には、１視野につき１粒子の外表面を観察し、外表面の５０％以上の領域に化合物層が生成されている視野を「○」、外表面に化合物層が生成されているが、化合物層の生成領域が粒子の外表面の５０％未満である視野を「△」、外表面に化合物層が生成されていない視野を「×」とし、視野１、視野２及び視野３の観察結果として、下記表３の「任意の１粒子における化合物層の被覆率評価」の欄にそれぞれ示す。
また、上記３視野における化合物層の観察による被覆率の評価結果に基づき、全３視野に対する上記で「○」と判断した視野の比率を分数で表し、下記表３の「被覆率評価で「○」と判断した視野の比率」の欄に示す。
さらに、２視野以上で「○」となったもの、すなわち、上記比率が２／３以上であるものを、化合物層が「有」と評価し、２視野以上で「○」とならなかったもの、すなわち上記比率が１／３以下であるものを、化合物層が「無」と評価し、下記表３の「化合物層の有無」の欄に示す。
また、上記３視野における化合物層の観察による被覆率の評価結果に基づき、全３視野に対する上記で「○」と判断した視野の比率を分数で表し、下記表３の「被覆率評価で「○」と判断した視野の比率」の欄に示す。
さらに、２視野以上で「○」となったもの、すなわち、上記比率が２／３以上であるものを、化合物層が「有」と評価し、２視野以上で「○」とならなかったもの、すなわち上記比率が１／３以下であるものを、化合物層が「無」と評価し、下記表３の「化合物層の有無」の欄に示す。
【0066】
また、上記元素分析により、化合物層に含まれる元素について調査した。下記表３に示す「化合物層に含まれる元素」におけるＳｉ、Ｔｉ、Ｃｅ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｂａ、Ｃａ及びＭｇの欄において、これらの成分が検出されたものを「○」、検出されなかったものを「－」とした。
【0067】
図１は、本実施形態により得られた溶接用フラックスの断面を撮影したＳＥＭ写真の一例である。図１に示すように、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子１の外表面には、化合物層２が生成されている。粒子１及び化合物層２について、ＥＤＸにより元素分析を実施すると、粒子１にはＳｉ、Ｏ、Ｋ、Ｎａ及びＡｌ等が観測され、化合物層２にはＭｇ及びＣａが観測された。
【0068】
（耐吸湿性）
耐吸湿性は、２４時間の強制吸湿後のフラックスの水分量により評価した。具体的には、得られたフラックスに対して、２５０℃で１時間の再乾燥を実施した後、気温が摂氏３０℃、湿度が８０ＲＨ％である条件下において２４時間放置し、水分測定装置（三菱化学株式会社製 ＣＡ－２００）を用いて、フラックス中の水分量をカールフィッシャー（ＫＦ）法により測定した。本実施例においては、ＫＦ法により測定された水分量が１２００ｐｐｍ以下であるものを合格とした。
耐吸湿性は、２４時間の強制吸湿後のフラックスの水分量により評価した。具体的には、得られたフラックスに対して、２５０℃で１時間の再乾燥を実施した後、気温が摂氏３０℃、湿度が８０ＲＨ％である条件下において２４時間放置し、水分測定装置（三菱化学株式会社製 ＣＡ－２００）を用いて、フラックス中の水分量をカールフィッシャー（ＫＦ）法により測定した。本実施例においては、ＫＦ法により測定された水分量が１２００ｐｐｍ以下であるものを合格とした。
【0069】
また、得られたフラックスを使用して、以下に示す溶接条件にてサブマージアーク溶接を実施し、得られた溶接金属中の拡散性水素量を測定した。
【0070】
溶接電流：４５０～５５０Ａ
アーク電圧：３０～３４Ｖ
溶接速度：４８０～５２０ｍｍ／分
鋼種：ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５ ＳＭ４００準拠
板厚：１２ｍｍ
突出し長さ：３０ｍｍ
アーク電圧：３０～３４Ｖ
溶接速度：４８０～５２０ｍｍ／分
鋼種：ＪＩＳ Ｇ ３１０６：２０１５ ＳＭ４００準拠
板厚：１２ｍｍ
突出し長さ：３０ｍｍ
【0071】
（拡散性水素量）
直径が４．０ｍｍであり、ＪＩＳ Ｚ ３３５１ ２０１２に準拠した組成を有するワイヤを使用して、上記溶接条件でサブマージアーク溶接を実施し、得られた溶接金属について拡散性水素量を測定した。拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に規定される鋼溶接部の水素量測定方法に準拠して測定した。本実施例では、溶接金属中の拡散性水素量が３．５ｍｌ／１００ｇ以下であるものを合格とした。耐吸湿性及び溶接金属中の拡散性水素量の測定結果を下記表３に併せて示す。
直径が４．０ｍｍであり、ＪＩＳ Ｚ ３３５１ ２０１２に準拠した組成を有するワイヤを使用して、上記溶接条件でサブマージアーク溶接を実施し、得られた溶接金属について拡散性水素量を測定した。拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に規定される鋼溶接部の水素量測定方法に準拠して測定した。本実施例では、溶接金属中の拡散性水素量が３．５ｍｌ／１００ｇ以下であるものを合格とした。耐吸湿性及び溶接金属中の拡散性水素量の測定結果を下記表３に併せて示す。
【0072】
【表1】
【0073】
【表2】
【0074】
【表3】
【0075】
上記表１～表３に示すように、発明例Ｎｏ．１～５は、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、所定の被覆率、すなわち外表面の５０％以上で強脱酸元素を含む化合物層が生成されているものが、酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％以上の割合で存在するため、優れた耐吸湿性を得ることができ、これにより、溶接金属中の拡散性水素量を３．５ｍｌ／１００ｇ以下とする溶接用フラックスを得ることができた。
【0076】
一方、比較例Ｎｏ．６～１２は、Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子の外表面に、上記所定の被覆率で所定の化合物層が生成されているものが、酸化物を含有する粒子の全粒子数に対して５０％未満であったため、発明例と比較してフラックスの水分量が高くなり、このフラックスを用いて得られた溶接金属中の拡散性水素量が、発明例と比較して高くなった。
【符号の説明】
【0077】
１ Ｓｉを含む酸化物を含有する粒子
２ 化合物層
２ 化合物層
【図1】
