JP4255453B2 - 低合金鋼溶接金属及びフラックス入りワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接によって形成され、引張強さが４９０乃至６７０ＭＰａ級である低合金鋼溶接金属及びその溶接金属を得るフラックス入りワイヤに関し、特に、良好な低温靭性を有する低合金鋼溶接金属及びそれを得るためのフラックス入りワイヤに関するものである。
近年、エネルギー開発はより寒冷の地域及び海域へと展開されており、これらの寒冷地域及び寒冷海域の構造物には、低温用鋼が使用されるに至っている。しかしながら、これらの寒冷地域及び寒冷海域の構造物には、従来の低温靭性要求に加え、構造物の稼動地域及び海域における気象条件を加味した構造物設計が実施されるようになっており、より高靭性の鋼材が求められている。更には、溶接の高能率化及び脱技能化を目的として、この種の低温用鋼の溶接にフラックス入りワイヤの適用の要求が高まっている。
このような背景のもとに、溶接金属の化学成分及び固溶Ｔｉ量を制御することにより、低温における靭性を向上した技術が開示されている（特許文献１）。この公報に記載された従来技術は、旧γ粒内におけるアシキュラーフェライトの生成に着目したものである。
しかしながら、上記従来技術は、旧γ粒内におけるアシキュラーフェライトの生成を抑制することにより靭性を向上させたものであるが、旧γ粒界における現象については何ら着目されていない。このため、低温鋼を溶接したときの溶接金属の靭性は、十分なものではなかった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低温鋼用をガスシールドアーク溶接して構造物を組み立てる際に、溶接金属における靭性を向上させることができる低温鋼用溶接金属及びそれを得ることができるフラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係る低合金鋼溶接金属は、鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤを使用してガスシールドアーク溶接によって得られた低温靭性が優れた溶接金属であって、Ｃ：０．０４乃至０．０８質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．５０質量％、Ｍｎ：０．８０乃至１．７０質量％、Ｔｉ：０．０３０乃至０．０８０質量％、Ｎｉ：０．３０乃至３．００質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｂ：０．００２０乃至０．００７０質量％、Ｏ：０．０４０乃至０．０７０質量％を含有し、Ａｌを０．０１質量％以下に抑制し、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、Ｃ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｏの含有量を夫々［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｔｉ］、［Ｓｉ］、［Ｏ］とするとき、（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．２０乃至０．６０であり、柱状組織におけるフェライトサイドプレートの体積率が２０質量％以下であることを特徴とする。
本発明に係るメタル系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤであって、請求項１又は２に記載の溶接金属を得るメタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成として、Ｆｅ：９２．０乃至９８．５質量％、Ｃ：０．０３乃至０．０９質量％、Ｍｎ：１．０乃至２．５質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．６０質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．３０質量％（Ｔｉ合金及びＴｉ酸化物中のＴｉ換算量）、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％、Ｎｉ：０．３乃至３．０質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％を含有し、Ａｌを０．０５質量％以下に抑制した組成を有することを特徴とする。
本発明に係る下向、すみ肉溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤであって、請求項１又は２に記載の溶接金属を得る下向、すみ肉溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成として、Ｆｅ：８７乃至９５質量％、Ｔｉ：１．０乃至２．６質量％（Ｔｉ合金及びＴｉ酸化物中のＴｉ換算量）、Ｃ：０．０３乃至０．０９質量％、Ｍｎ：１．０乃至２．５質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．６０質量％、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％、Ｎｉ：０．３乃至３．０質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％を含有し、Ａｌを０．０５質量％以下に抑制した組成を有することを特徴とする。
本発明に係る全姿勢溶接チタニヤ系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤであって、請求項１又は２に記載の溶接金属を得る全姿勢溶接チタニヤ系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成として、Ｆｅ：８５乃至９３質量％、Ｔｉ：２．４乃至３．６質量％（Ｔｉ合金及びＴｉ酸化物中のＴｉ換算量）、Ｃ：０．０３乃至０．０９質量％、Ｍｎ：１．０乃至２．５質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．６０質量％、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％、Ｎｉ：０．３乃至３．０質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％を含有し、Ａｌを０．０５質量％以下に抑制した組成を有することを特徴とする。
本発明によれば、溶接金属の組成及び（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）を０．２０乃至０．６０にすることにより、溶接金属の柱状組織において、旧γ粒界でのフェライトサイドプレートの発生を抑制することができ、溶接金属として従来得られなかった低温靭性を得ることができる。また、フラックス入りワイヤの組成を適切にすることにより、上述の低温での靭性が優れた溶接金属を得ることができる。このため、本発明により、低温環境下で使用される構造物の安全性をより一層高めることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
（１）溶接金属
先ず、本発明の溶接金属の組成限定理由について説明する。
先ず、本発明の溶接金属の組成限定理由について説明する。
「Ｃ（炭素）」
ある程度の量のＣは、セメンタイトの安定化により、靭性を安定化する作用がある。溶接金属中において、Ｃが０．０４質量％未満では靭性の安定化効果が小さい。Ｃが０．０８質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣化する。Ｃのより好ましい範囲はＣ：０．０５乃至０．０７質量％である。
ある程度の量のＣは、セメンタイトの安定化により、靭性を安定化する作用がある。溶接金属中において、Ｃが０．０４質量％未満では靭性の安定化効果が小さい。Ｃが０．０８質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣化する。Ｃのより好ましい範囲はＣ：０．０５乃至０．０７質量％である。
「Ｓｉ（シリコン）」
Ｓｉは脱酸剤として作用すると共に、ミクロ組織へも影響を及ぼす。Ｓｉの量が多くなると旧γ粒界から発生するフェライトサイドプレートが多くなり、靭性の低下をもたらす。溶接金属中において、Ｓｉが０．２０質量％未満では、脱酸不足によりブローホールが発生し易い。Ｓｉが０．５０質量％を超えると、上述の旧γ粒界におけるフェライトサイドプレートの発生を抑制できなくなり、靭性が低下する。Ｓｉのより好ましい範囲は、Ｓｉ：０．２５乃至０．４５質量％である。
Ｓｉは脱酸剤として作用すると共に、ミクロ組織へも影響を及ぼす。Ｓｉの量が多くなると旧γ粒界から発生するフェライトサイドプレートが多くなり、靭性の低下をもたらす。溶接金属中において、Ｓｉが０．２０質量％未満では、脱酸不足によりブローホールが発生し易い。Ｓｉが０．５０質量％を超えると、上述の旧γ粒界におけるフェライトサイドプレートの発生を抑制できなくなり、靭性が低下する。Ｓｉのより好ましい範囲は、Ｓｉ：０．２５乃至０．４５質量％である。
「Ｍｎ（マンガン）」
Ｍｎは脱酸剤として作用すると共に、強度及び靭性へも影響を及ぼす。溶接金属中において、Ｍｎが０．８０質量％未満では、強度不足及び靭性が劣化する。Ｍｎが１．７０質量％を超えると、強度過多及び焼入れ性過多により靭性が低下する。Ｍｎのより好ましい範囲は、Ｍｎ：０．９０乃至１．６０質量％である。
Ｍｎは脱酸剤として作用すると共に、強度及び靭性へも影響を及ぼす。溶接金属中において、Ｍｎが０．８０質量％未満では、強度不足及び靭性が劣化する。Ｍｎが１．７０質量％を超えると、強度過多及び焼入れ性過多により靭性が低下する。Ｍｎのより好ましい範囲は、Ｍｎ：０．９０乃至１．６０質量％である。
「Ｔｉ（チタン）」
Ｔｉは溶接金属中では酸化物又は固溶体として存在するが、酸化物による旧γ粒内でのアシキュラーフェライトの核として靭性向上に寄与する。即ち、旧γ粒内においては、Ｔｉ酸化物を核としてアシキュラーフェライトが生成する。アシキュラーフェライトは組織の微細化に寄与し、靭性を向上させる作用を有する。溶接金属中において、Ｔｉが０．０３０質量％未満では、十分な核生成が出来ずフェライトの粗大化により靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．０８０質量％を超えると、固溶Ｔｉが過多となり、強度過多及び靭性が劣化する。より好ましいＴｉの範囲は０．０４０乃至０．０７０質量％である。
Ｔｉは溶接金属中では酸化物又は固溶体として存在するが、酸化物による旧γ粒内でのアシキュラーフェライトの核として靭性向上に寄与する。即ち、旧γ粒内においては、Ｔｉ酸化物を核としてアシキュラーフェライトが生成する。アシキュラーフェライトは組織の微細化に寄与し、靭性を向上させる作用を有する。溶接金属中において、Ｔｉが０．０３０質量％未満では、十分な核生成が出来ずフェライトの粗大化により靭性が低下する。一方、Ｔｉが０．０８０質量％を超えると、固溶Ｔｉが過多となり、強度過多及び靭性が劣化する。より好ましいＴｉの範囲は０．０４０乃至０．０７０質量％である。
「Ｎｉ（ニッケル）」
Ｎｉは、脆性破壊の遷移温度をより低温側へ移行し靭性を向上する作用があるが、添加量が多すぎると、高温割れ（凝固割れ）が発生し易くなる。溶接金属中のＮｉ含有量が０．３０質量％未満では、靭性を向上させる作用が小さい。一方、Ｎｉ含有量が３．００質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣化する。より好ましいＮｉの範囲は０．３５乃至２．８０質量％である。
Ｎｉは、脆性破壊の遷移温度をより低温側へ移行し靭性を向上する作用があるが、添加量が多すぎると、高温割れ（凝固割れ）が発生し易くなる。溶接金属中のＮｉ含有量が０．３０質量％未満では、靭性を向上させる作用が小さい。一方、Ｎｉ含有量が３．００質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣化する。より好ましいＮｉの範囲は０．３５乃至２．８０質量％である。
「Ｍｏ（モリブデン）」
Ｍｏは、強度を確保するために０．０１質量％以上添加するが、Ｍｏの添加量が多すぎると、脆性破壊の遷移温度を高温側へ移行させ、靭性が劣化する。溶接金属中のＭｏ含有量が０．２０質量％以下であれば、この靭性劣化への影響は殆ど無い。より好ましいＭｏの範囲は、Ｍｏ：０．０１乃至０．１５質量％である。
Ｍｏは、強度を確保するために０．０１質量％以上添加するが、Ｍｏの添加量が多すぎると、脆性破壊の遷移温度を高温側へ移行させ、靭性が劣化する。溶接金属中のＭｏ含有量が０．２０質量％以下であれば、この靭性劣化への影響は殆ど無い。より好ましいＭｏの範囲は、Ｍｏ：０．０１乃至０．１５質量％である。
「Ｂ（硼素）」
Ｂは、旧γ粒界へ偏析し、粒界フェライトの発生を抑制することによって、靭性を向上させる作用がある。Ｂの添加量が多すぎると、高温割れ（凝固割れ）が発生し易くなる。溶接金属中のＢが０．００２０質量％未満では、靭性を向上させる作用が小さい。一方、Ｂが０．００７０質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣化する。より好ましいＢの範囲は、０．００２５乃至０．００６０質量％である。
Ｂは、旧γ粒界へ偏析し、粒界フェライトの発生を抑制することによって、靭性を向上させる作用がある。Ｂの添加量が多すぎると、高温割れ（凝固割れ）が発生し易くなる。溶接金属中のＢが０．００２０質量％未満では、靭性を向上させる作用が小さい。一方、Ｂが０．００７０質量％を超えると、耐高温割れ性能が劣化する。より好ましいＢの範囲は、０．００２５乃至０．００６０質量％である。
「Ｏ（酸素）」
溶接金属中のＯは、その殆どが酸化物で存在すると考えられるが、Ｏの増加により、衝撃試験における上部棚エネルギー（アッパシェルフエネルギー）は低下する。従って、溶接金属においてより高靭性を得ようとすれば、Ｏを低く抑制することが重要である。しかしながら、フラックス入りワイヤにおいてＯを低く抑制すると、溶接作業性が著しく劣化（スパッタの増大及び全姿勢溶接性能の劣化など）するため、実用的ではない。本発明においては、溶接金属中のＯが０．０４０乃至０．０７０質量％においても、低温での靭性が確保されることを見出したものである。即ち、溶接金属中のＯが０．０４０質量％未満では、溶接作業性が著しく劣化する。一方、Ｏが０．０７０質量％を超えると、アッパシェルフエネルギーが低下することにより靭性が低下する。より好ましいＯの範囲は０．０４０〜０．０６０質量％である。
溶接金属中のＯは、その殆どが酸化物で存在すると考えられるが、Ｏの増加により、衝撃試験における上部棚エネルギー（アッパシェルフエネルギー）は低下する。従って、溶接金属においてより高靭性を得ようとすれば、Ｏを低く抑制することが重要である。しかしながら、フラックス入りワイヤにおいてＯを低く抑制すると、溶接作業性が著しく劣化（スパッタの増大及び全姿勢溶接性能の劣化など）するため、実用的ではない。本発明においては、溶接金属中のＯが０．０４０乃至０．０７０質量％においても、低温での靭性が確保されることを見出したものである。即ち、溶接金属中のＯが０．０４０質量％未満では、溶接作業性が著しく劣化する。一方、Ｏが０．０７０質量％を超えると、アッパシェルフエネルギーが低下することにより靭性が低下する。より好ましいＯの範囲は０．０４０〜０．０６０質量％である。
「Ａｌ（アルミニウム）」
Ａｌは溶接金属中では酸化物として存在し、旧γ粒界中におけるＴｉ酸化物によるアシキュラーフェライトの核生成を妨げる。溶接金属中において、Ａｌが０．０１質量％以下であればこれは抑制される。なお、より好ましくは、Ａｌ≦０．００８質量％とする。
Ａｌは溶接金属中では酸化物として存在し、旧γ粒界中におけるＴｉ酸化物によるアシキュラーフェライトの核生成を妨げる。溶接金属中において、Ａｌが０．０１質量％以下であればこれは抑制される。なお、より好ましくは、Ａｌ≦０．００８質量％とする。
「（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）」
低温での靭性を確保するためには、上述のように各成分の組成限定によってある程度達成できるが、本発明者等は、更に（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．２０乃至０．６０を満足する範囲であれば、十分な低温靭性を確保できることを見いだした。（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．２０未満では、焼入れ性の低下、アッパシェルフエネルギーの低下及びフェライトサイドプレートの増大等により靭性が低下する。また、（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．６０を超えると、焼入れ性過多により、靭性が低下する。なお、ミクロ組織観察の結果、良好な低温靭性を示す溶接金属の柱状組織におけるフェライトサイドプレートの体積比は２０体積％以下であり、より好ましくは１６体積％以下である。
低温での靭性を確保するためには、上述のように各成分の組成限定によってある程度達成できるが、本発明者等は、更に（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．２０乃至０．６０を満足する範囲であれば、十分な低温靭性を確保できることを見いだした。（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．２０未満では、焼入れ性の低下、アッパシェルフエネルギーの低下及びフェライトサイドプレートの増大等により靭性が低下する。また、（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．６０を超えると、焼入れ性過多により、靭性が低下する。なお、ミクロ組織観察の結果、良好な低温靭性を示す溶接金属の柱状組織におけるフェライトサイドプレートの体積比は２０体積％以下であり、より好ましくは１６体積％以下である。
「溶接金属の残部」
溶接金属の残部はＦｅ及び不可避不純物である。ここで不可避不純物とは、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｏ及びＳｎがあり、夫々Ｐ≦０．０２質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｃｕ≦０．３質量％（鋼製外皮がＣｕメッキされている場合は、このメッキ分含む）、Ｃｒ≦０．１質量％、Ｖ≦０．０５質量％、Ｎｂ≦０．０５質量％、Ｚｒ≦０．０１質量％、Ｃｏ≦０．０１質量％、Ｓｎ≦０．０２質量％に抑制することが好ましい。
溶接金属の残部はＦｅ及び不可避不純物である。ここで不可避不純物とは、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｏ及びＳｎがあり、夫々Ｐ≦０．０２質量％、Ｓ≦０．０２質量％、Ｃｕ≦０．３質量％（鋼製外皮がＣｕメッキされている場合は、このメッキ分含む）、Ｃｒ≦０．１質量％、Ｖ≦０．０５質量％、Ｎｂ≦０．０５質量％、Ｚｒ≦０．０１質量％、Ｃｏ≦０．０１質量％、Ｓｎ≦０．０２質量％に抑制することが好ましい。
（２）フラックス入りワイヤ
メタル系フラックス入りワイヤ、下向・水平すみ肉溶接用フラックス入りワイヤ及び全姿勢用フラックス入りワイヤでは、以下の範囲を満足すれば、溶接金属の機械的性質及び溶接作業性を十分満足した実用的なフラックス入りワイヤを得ることができる。
メタル系フラックス入りワイヤ、下向・水平すみ肉溶接用フラックス入りワイヤ及び全姿勢用フラックス入りワイヤでは、以下の範囲を満足すれば、溶接金属の機械的性質及び溶接作業性を十分満足した実用的なフラックス入りワイヤを得ることができる。
「Ｃ（炭素）」
溶接金属中のＣ：０．０４乃至０．０８質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全質量あたりＣ：０．０３乃至０．０９質量％とする。より好ましいＣの範囲は、Ｃ：０．０４乃至０．０８質量％である。なお、Ｃ源としては、グラファイト、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ、及び鋼製外皮へのＣの添加などが挙げられるが、フラックス又は鋼製外皮のいずれからＣを添加してもよい。
溶接金属中のＣ：０．０４乃至０．０８質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全質量あたりＣ：０．０３乃至０．０９質量％とする。より好ましいＣの範囲は、Ｃ：０．０４乃至０．０８質量％である。なお、Ｃ源としては、グラファイト、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ、及び鋼製外皮へのＣの添加などが挙げられるが、フラックス又は鋼製外皮のいずれからＣを添加してもよい。
「Ｓｉ（シリコン）」
溶接金属中のＳｉ：０．２０乃至０．５０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全重量あたりＳｉ：０．２０乃至０．６０質量％とする。Ｓｉのより好ましい範囲は、Ｓｉ：０．２５乃至０．５５質量％である。なお、Ｓｉ源としては、Ｆｅ−Ｓｉ，Ｓｉ−Ｍｎ、鋼製外皮へのＳｉの添加などが挙げられるが、フラックス又は鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
溶接金属中のＳｉ：０．２０乃至０．５０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全重量あたりＳｉ：０．２０乃至０．６０質量％とする。Ｓｉのより好ましい範囲は、Ｓｉ：０．２５乃至０．５５質量％である。なお、Ｓｉ源としては、Ｆｅ−Ｓｉ，Ｓｉ−Ｍｎ、鋼製外皮へのＳｉの添加などが挙げられるが、フラックス又は鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
「Ｍｎ（マンガン）」
溶接金属中のＭｎ：０．８０乃至１．７０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全重量あたりＭｎ：１．０乃至２．５０質量％とする。Ｍｎのより好ましい範囲は、Ｍｎ：１．１乃至２．４質量％である。なお、Ｍｎ源としては、金属Ｍｎ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｓｉ−Ｍｎ、鋼製外皮へのＭｎの添加などが挙げられるが、フラックス又は鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
溶接金属中のＭｎ：０．８０乃至１．７０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全重量あたりＭｎ：１．０乃至２．５０質量％とする。Ｍｎのより好ましい範囲は、Ｍｎ：１．１乃至２．４質量％である。なお、Ｍｎ源としては、金属Ｍｎ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｓｉ−Ｍｎ、鋼製外皮へのＭｎの添加などが挙げられるが、フラックス又は鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
「Ｔｉ（チタン）」
また、溶接金属中のＴｉ：０．０３０乃至０．０８０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ中のＴｉ（Ｔｉ酸化物及びＴｉ合金のＴｉ換算量）は、メタル系フラックス入りワイヤでは０．０５乃至０．３０質量％、下向・すみ肉用フラックス入りワイヤでは１．０乃至２．６質量％、全姿勢用フラックス入りワイヤでは２．４乃至３．６質量％とする。なお、Ｔｉ源としては、ルチル、酸化チタン、Ｆｅ−Ｔｉ、鋼製外皮へのＴｉの添加などが挙げられるが、フラックス及び鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
また、溶接金属中のＴｉ：０．０３０乃至０．０８０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ中のＴｉ（Ｔｉ酸化物及びＴｉ合金のＴｉ換算量）は、メタル系フラックス入りワイヤでは０．０５乃至０．３０質量％、下向・すみ肉用フラックス入りワイヤでは１．０乃至２．６質量％、全姿勢用フラックス入りワイヤでは２．４乃至３．６質量％とする。なお、Ｔｉ源としては、ルチル、酸化チタン、Ｆｅ−Ｔｉ、鋼製外皮へのＴｉの添加などが挙げられるが、フラックス及び鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
「Ｂ（ボロン）」
溶接金属中のＢ含有量を０．００２０乃至０．００７０質量％とするために、フラックス入りワイヤ中のＢ含有量をフラックス全質量あたり、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％とする。より好ましいワイヤ中のＢ含有量はＢ：０．００４乃至０．０１１質量％である。なお、Ｂ源としては、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金等がある。
溶接金属中のＢ含有量を０．００２０乃至０．００７０質量％とするために、フラックス入りワイヤ中のＢ含有量をフラックス全質量あたり、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％とする。より好ましいワイヤ中のＢ含有量はＢ：０．００４乃至０．０１１質量％である。なお、Ｂ源としては、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金等がある。
「Ｎｉ（ニッケル）」
溶接金属中のＮｉ：０．３０乃至３．００質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全質量あたりＮｉ：０．３乃至３．０質量％とする。より好ましいＮｉの範囲は、Ｎｉ：０．３乃至２．９質量％である。なお、Ｎｉ源としては、金属Ｎｉ，Ｎｉ−Ｍｇ、鋼製外皮へのＮｉの添加などが挙げられるが、フラックス及び鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
溶接金属中のＮｉ：０．３０乃至３．００質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全質量あたりＮｉ：０．３乃至３．０質量％とする。より好ましいＮｉの範囲は、Ｎｉ：０．３乃至２．９質量％である。なお、Ｎｉ源としては、金属Ｎｉ，Ｎｉ−Ｍｇ、鋼製外皮へのＮｉの添加などが挙げられるが、フラックス及び鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
「Ｍｏ（モリブデン）」
溶接金属中のＭｏ：０．０１乃至０．２０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全質量あたりＭｏ：０．０１乃至０．２０質量％とした。より好ましいＭｏの範囲はＭｏ：０．０１乃至０．１５質量％である。なお、Ｍｏ源としては、金属Ｍｏ，Ｆｅ−Ｍｏ、鋼製外皮へのＭｏの添加などが挙げられるが、フラックス及び鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
溶接金属中のＭｏ：０．０１乃至０．２０質量％を得るために、フラックス入りワイヤ全質量あたりＭｏ：０．０１乃至０．２０質量％とした。より好ましいＭｏの範囲はＭｏ：０．０１乃至０．１５質量％である。なお、Ｍｏ源としては、金属Ｍｏ，Ｆｅ−Ｍｏ、鋼製外皮へのＭｏの添加などが挙げられるが、フラックス及び鋼製外皮のいずれから添加してもよい。
「Ａｌ（アルミニウム）」
溶接金属中のＡｌ含有量を０．０１質量％以下に抑制するために、フラックス入りワイヤ中のＡｌ含有量をフラックス全質量あたり、Ａｌ：０．０５質量％以下とする。
溶接金属中のＡｌ含有量を０．０１質量％以下に抑制するために、フラックス入りワイヤ中のＡｌ含有量をフラックス全質量あたり、Ａｌ：０．０５質量％以下とする。
「Ｆｅ（鉄）」
低合金鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいては、合金成分の他に用途によってスラグ形成剤及びアーク安定剤などを添加する。これらは、フラックス入りワイヤの種類によって最適な範囲が異なる。すなわち、メタル系フラックス入りワイヤの場合、ワイヤ全重量あたり９２．０質量％未満ではスラグ発生量が多くなるため、その溶接作業性上の特性（少ないスラグ量）が失われる。また、Ｆｅが９８．５質量％を超えると、必須合金成分の添加ができなくなる。下向・水平すみ肉用フラックス入りワイヤの場合、Ｆｅが８７質量％未満では、スラグ発生量が多くなるため、プライマー塗布鋼板等においては耐気孔性が劣化する。また、Ｆｅが９５質量％を超えると、必須合金成分の添加ができなくなる。全姿勢用フラックス入りワイヤの場合、Ｆｅが８５質量％を超えると、スラグ発生量が過多となり、スラグ巻込などの溶接欠陥が発生し易くなる。また、Ｆｅが９３質量％を超えると、必須合金成分の添加ができなくなる。なお、Ｆｅ源としては、鋼製外皮以外にフラックスでは鉄粉及びＦｅ系合金等がある。
低合金鋼溶接用フラックス入りワイヤにおいては、合金成分の他に用途によってスラグ形成剤及びアーク安定剤などを添加する。これらは、フラックス入りワイヤの種類によって最適な範囲が異なる。すなわち、メタル系フラックス入りワイヤの場合、ワイヤ全重量あたり９２．０質量％未満ではスラグ発生量が多くなるため、その溶接作業性上の特性（少ないスラグ量）が失われる。また、Ｆｅが９８．５質量％を超えると、必須合金成分の添加ができなくなる。下向・水平すみ肉用フラックス入りワイヤの場合、Ｆｅが８７質量％未満では、スラグ発生量が多くなるため、プライマー塗布鋼板等においては耐気孔性が劣化する。また、Ｆｅが９５質量％を超えると、必須合金成分の添加ができなくなる。全姿勢用フラックス入りワイヤの場合、Ｆｅが８５質量％を超えると、スラグ発生量が過多となり、スラグ巻込などの溶接欠陥が発生し易くなる。また、Ｆｅが９３質量％を超えると、必須合金成分の添加ができなくなる。なお、Ｆｅ源としては、鋼製外皮以外にフラックスでは鉄粉及びＦｅ系合金等がある。
「ＺｒＯ２」
ワイヤ全質量あたりフラックス中にＺｒＯ２が０．０２質量％未満では、下向及び水平すみ肉溶接でのビードの平滑性が劣化する。一方、ＺｒＯ２が０．５０質量％を超えると、水平すみ肉溶接におい等脚性が劣化する。また、立向姿勢でのビード形状が凸形状となる。より好ましいＺｒＯ２の範囲は０．０５乃至０．４５質量％である。なお、ＺｒＯ２源としては、ジルコンサンド、ジルコニア等がある。
ワイヤ全質量あたりフラックス中にＺｒＯ２が０．０２質量％未満では、下向及び水平すみ肉溶接でのビードの平滑性が劣化する。一方、ＺｒＯ２が０．５０質量％を超えると、水平すみ肉溶接におい等脚性が劣化する。また、立向姿勢でのビード形状が凸形状となる。より好ましいＺｒＯ２の範囲は０．０５乃至０．４５質量％である。なお、ＺｒＯ２源としては、ジルコンサンド、ジルコニア等がある。
「Ａｌ２Ｏ３」
ワイヤ全質量あたり、フラックス中に０．０２質量％未満では、下向及び水平すみ肉溶接でのビードの平滑性が劣化する。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が０．８０質量％を超えると、下向及び水平すみ肉溶接でのビードのなじみ性が劣化する。また、スパッタ発生量が増大する。より好ましいＡｌ２Ｏ３の範囲は０．０５乃至０．６０質量％である。なお、Ａｌ２Ｏ３源としては、アルミナなどが挙げられる。
ワイヤ全質量あたり、フラックス中に０．０２質量％未満では、下向及び水平すみ肉溶接でのビードの平滑性が劣化する。一方、Ａｌ２Ｏ３の含有量が０．８０質量％を超えると、下向及び水平すみ肉溶接でのビードのなじみ性が劣化する。また、スパッタ発生量が増大する。より好ましいＡｌ２Ｏ３の範囲は０．０５乃至０．６０質量％である。なお、Ａｌ２Ｏ３源としては、アルミナなどが挙げられる。
「ＳｉＯ２」
ＳｉＯ２がワイヤ全重量あたりフラックス中に０．１質量％未満では、下向及び水平すみ肉溶接でのビードの平滑性が劣化する。一方、ＳｉＯ２が０．５質量％を超えると、水平すみ肉溶接での耐気孔性が劣化する。また、立向姿勢でのビード形状が凸形状となる。より好ましいＳｉＯ２範囲は０．１５〜０．４５質量％である。なお、ＳｉＯ２源としては、シリカ、カリガラス、ソーダガラスなどが挙げられる。
ＳｉＯ２がワイヤ全重量あたりフラックス中に０．１質量％未満では、下向及び水平すみ肉溶接でのビードの平滑性が劣化する。一方、ＳｉＯ２が０．５質量％を超えると、水平すみ肉溶接での耐気孔性が劣化する。また、立向姿勢でのビード形状が凸形状となる。より好ましいＳｉＯ２範囲は０．１５〜０．４５質量％である。なお、ＳｉＯ２源としては、シリカ、カリガラス、ソーダガラスなどが挙げられる。
「Ｍｇ」
Ｍｇがワイヤ全質量あたりフラックス中に０．２質量％未満では、十分な脱酸がなされず靭性が劣化する。Ｍｇが１．０質量％を超えると、スパッタが増大し、溶接作業性が劣化する。より好ましいＭｇの範囲は０．２５〜０．９質量％である。なお、Ｍｇ源としては、金属Ｍｇ，Ａｌ−Ｍｇ，Ｎｉ−Ｍｇなどが挙げられる。
Ｍｇがワイヤ全質量あたりフラックス中に０．２質量％未満では、十分な脱酸がなされず靭性が劣化する。Ｍｇが１．０質量％を超えると、スパッタが増大し、溶接作業性が劣化する。より好ましいＭｇの範囲は０．２５〜０．９質量％である。なお、Ｍｇ源としては、金属Ｍｇ，Ａｌ−Ｍｇ，Ｎｉ−Ｍｇなどが挙げられる。
「その他」
その他、必要に応じて本発明に記載以外の合金元素またはアーク安定剤等を添加してもよい。また、フラックス入りワイヤのワイヤ径は直径１．０乃至２．０ｍｍの間であれば、いかなるサイズであってもよいが、実用上のより好ましい範囲は１．２乃至１．６ｍｍである。フラックス入りワイヤの断面形状については特に制限するものではなく、シームの有無及びワイヤ内部形状はいかなるものであってもよい。
その他、必要に応じて本発明に記載以外の合金元素またはアーク安定剤等を添加してもよい。また、フラックス入りワイヤのワイヤ径は直径１．０乃至２．０ｍｍの間であれば、いかなるサイズであってもよいが、実用上のより好ましい範囲は１．２乃至１．６ｍｍである。フラックス入りワイヤの断面形状については特に制限するものではなく、シームの有無及びワイヤ内部形状はいかなるものであってもよい。
（３）母材
本発明において、請求項１に記載の溶接金属を得るための溶接母材の組成は、以下のとおりである。
Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％
Ｓｉ：０．１０乃至０．５０質量％
Ｍｎ：０．８０乃至１．８０質量％
Ｐ：≦０．０２質量％
Ｓ：≦０．０２質量％
Ｎｉ：０．０１乃至３．００質量％
Ｃｒ：≦０．２質量％
Ｍｏ：≦０．２質量％
Ｔｉ：≦０．０８質量％
Ａｌ：≦０．０５質量％
Ｂ：≦０．００５質量％
Ｃｕ：≦０．３質量％
Ｖ：≦０．０５質量％
Ｎｂ：≦０．０５質量％
Ｚｒ：≦０．０１質量％
Ｃｏ：≦０．０１質量％
Ｓｎ：≦０．０２質量％
Ｆｅ：９４乃至９９質量％
残部：不可避的不純物
本発明において、請求項１に記載の溶接金属を得るための溶接母材の組成は、以下のとおりである。
Ｃ：０．０３乃至０．１５質量％
Ｓｉ：０．１０乃至０．５０質量％
Ｍｎ：０．８０乃至１．８０質量％
Ｐ：≦０．０２質量％
Ｓ：≦０．０２質量％
Ｎｉ：０．０１乃至３．００質量％
Ｃｒ：≦０．２質量％
Ｍｏ：≦０．２質量％
Ｔｉ：≦０．０８質量％
Ａｌ：≦０．０５質量％
Ｂ：≦０．００５質量％
Ｃｕ：≦０．３質量％
Ｖ：≦０．０５質量％
Ｎｂ：≦０．０５質量％
Ｚｒ：≦０．０１質量％
Ｃｏ：≦０．０１質量％
Ｓｎ：≦０．０２質量％
Ｆｅ：９４乃至９９質量％
残部：不可避的不純物
軟鋼製の鋼製外皮にフラックスを１３〜２０質量％充填して第１表に示す組成のフラックス入りワイヤ（ワイヤ径１．２ｍｍ）を作製した。このフラックス入りワイヤを用いて、以下に示すとおりの性能確認試験を実施した。
試験１．突合せ溶接
下記表１乃至表３に示すフラックス入りワイヤ及び下記表４に示す組成の低温用鋼板を用い、下記表５に示す試験条件によって溶接した溶接金属の機械的性質、化学成分及びミクロ組織を下記表６に示す試験方法によって求めた。機械的性質においては、引張強さが４９０ＭＰａ以上及び吸収エネルギーが８０Ｊ以上を合格とした。なお、表１のワイヤＮｏ．１乃至５は、本願請求項３のメタル系フラックス入りワイヤの組成範囲に入るものであり、表２のワイヤＮｏ．７乃至１１は、本願請求項４の下向き、済み肉溶接用フラックス入りワイヤの組成範囲に入るものであり、表３のワイヤＮｏ．１３乃至１７は、本願請求項５の全姿勢溶接チタニヤ系フラックス入りワイヤの組成範囲に入るものである。なお、表１のワイヤＮｏ．６は請求項３からＭｎ含有量のみ外れるものであり、表２のワイヤＮｏ．１２は請求項４からＭｎ含有量のみ外れるものであり、表３のワイヤＮｏ．１８は請求項５からＭｎ含有量のみ外れるものである。
下記表１乃至表３に示すフラックス入りワイヤ及び下記表４に示す組成の低温用鋼板を用い、下記表５に示す試験条件によって溶接した溶接金属の機械的性質、化学成分及びミクロ組織を下記表６に示す試験方法によって求めた。機械的性質においては、引張強さが４９０ＭＰａ以上及び吸収エネルギーが８０Ｊ以上を合格とした。なお、表１のワイヤＮｏ．１乃至５は、本願請求項３のメタル系フラックス入りワイヤの組成範囲に入るものであり、表２のワイヤＮｏ．７乃至１１は、本願請求項４の下向き、済み肉溶接用フラックス入りワイヤの組成範囲に入るものであり、表３のワイヤＮｏ．１３乃至１７は、本願請求項５の全姿勢溶接チタニヤ系フラックス入りワイヤの組成範囲に入るものである。なお、表１のワイヤＮｏ．６は請求項３からＭｎ含有量のみ外れるものであり、表２のワイヤＮｏ．１２は請求項４からＭｎ含有量のみ外れるものであり、表３のワイヤＮｏ．１８は請求項５からＭｎ含有量のみ外れるものである。
試験２．耐高温割れ性能
表１乃至表３に示すフラックス入りワイヤ及び表４に示す組成の低温用鋼板を使用し、下記表７に示す試験条件によって溶接した溶接金属の耐高温割れ性をＣ形ジグ拘束突合せ溶接割れ試験によって求めた。割れ率は、破断したビードのビード長に対する割れ長さの比率（質量％）とし、１０質量％以下を合格（クレータ割れを含む）とした。
表１乃至表３に示すフラックス入りワイヤ及び表４に示す組成の低温用鋼板を使用し、下記表７に示す試験条件によって溶接した溶接金属の耐高温割れ性をＣ形ジグ拘束突合せ溶接割れ試験によって求めた。割れ率は、破断したビードのビード長に対する割れ長さの比率（質量％）とし、１０質量％以下を合格（クレータ割れを含む）とした。
試験３．すみ肉溶接試験（溶接作業性）
表２及び表３に示すフラックス入りワイヤ及び表４に示す組成の溶接構造用鋼板（無機ジンクプライマー塗布）を使用し、下記表８に示す試験条件によって溶接し、溶接作業性を試験した。
表２及び表３に示すフラックス入りワイヤ及び表４に示す組成の溶接構造用鋼板（無機ジンクプライマー塗布）を使用し、下記表８に示す試験条件によって溶接し、溶接作業性を試験した。
上記試験１乃至３の試験結果を下記表９乃至表１２に示す。表９及び表１０は夫々本発明の実施例及び比較例の母材（表４）、溶接ワイヤ（表１乃至３）、及び溶接金属組成（残部はＦｅ及び不可避的不純物）を示す。また、表９及び表１０において、式欄は、（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）の値である。更に、表１１及び表１２は夫々本発明の実施例及び比較例の機械的性質、フェライトサイドプレートの割合、割れ率及び溶接作業性を示す。表１１及び表１２において、割れ率は母材Ａ（表４参照）を使用し、溶接作業性は母材Ｃ（表４参照）を使用した。なお、溶接作業性欄の○は良好、×は不良を示す。×の理由は溶接作業性欄に記載した。
実施例１〜２１が溶接金属化学成分及び（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が本発明の範囲を満足するものであり、いずれも低温における靭性が良好であった。一方、比較例２２〜４３は、溶接金属化学成分及び（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）のいずれかが本発明の範囲から外れるため、低温靭性が目標値である８０Ｊを満足しない。これらの実施例１〜２１は、ワイヤＮｏ．１〜１２の溶接ワイヤを使用したものである。このワイヤＮｏ．１〜１８の溶接ワイヤを使用することにより、本発明の実施例の溶接金属を得ることができる上、他の性能（耐高温割れ性、溶接作業性）も実用上問題ないものであった。特に、溶接ワイヤＮｏ．７〜１１は水平隅肉溶接に好適であり（溶接作業性良好）、溶接ワイヤＮｏ．１３〜１７は立向上進隅肉溶接に好適であり（溶接作業性良好）、溶接ワイヤＮｏ．７〜１１は下向、隅肉溶接用ワイヤとして好適であり、溶接ワイヤＮｏ．１３〜１７は全姿勢溶接チタニヤ系溶接ワイヤとして好適である。これに対し、ワイヤＮｏ．１９〜３６の溶接ワイヤでは、割れ率が高い場合があり、また溶接作業性が悪いものがあり、更に、本発明の実施例の溶接金属を得ることができない。
Claims (4)
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤを使用してガスシールドアーク溶接によって得られた低温靭性が優れた溶接金属であって、Ｃ：０．０４乃至０．０８質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．５０質量％、Ｍｎ：０．８０乃至１．７０質量％、Ｔｉ：０．０３０乃至０．０８０質量％、Ｎｉ：０．３０乃至３．００質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％、Ｂ：０．００２０乃至０．００７０質量％、Ｏ：０．０４０乃至０．０７０質量％を含有し、Ａｌを０．０１質量％以下に抑制し、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、Ｃ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｏの含有量を夫々［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｔｉ］、［Ｓｉ］、［Ｏ］とするとき、（［Ｃ］×［Ｍｎ］×［Ｔｉ］）／（［Ｓｉ］×［Ｏ］）が０．２０乃至０．６０であり、柱状組織におけるフェライトサイドプレートの体積率が２０質量％以下であることを特徴とする低合金鋼溶接金属。
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤであって、請求項１に記載の溶接金属を得るメタル系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成として、Ｆｅ：９２．０乃至９８．５質量％、Ｃ：０．０３乃至０．０９質量％、Ｍｎ：１．０乃至２．５質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．６０質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．３０質量％（Ｔｉ合金及びＴｉ酸化物中のＴｉ換算量）、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％、Ｎｉ：０．３乃至３．０質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％を含有し、Ａｌを０．０５質量％以下に抑制した組成を有することを特徴とするメタル系フラックス入りワイヤ。
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤであって、請求項１に記載の溶接金属を得る下向、すみ肉溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成として、Ｆｅ：８７乃至９５質量％、Ｔｉ：１．０乃至２．６質量％（Ｔｉ合金及びＴｉ酸化物中のＴｉ換算量）、Ｃ：０．０３乃至０．０９質量％、Ｍｎ：１．０乃至２．５質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．６０質量％、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％、Ｎｉ：０．３乃至３．０質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％を含有し、Ａｌを０．０５質量％以下に抑制した組成を有することを特徴とする下向、すみ肉溶接用フラックス入りワイヤ。
- 鋼製外皮にフラックスを充填してなるフラックス入りワイヤであって、請求項１に記載の溶接金属を得る全姿勢溶接チタニヤ系フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体の組成として、Ｆｅ：８５乃至９３質量％、Ｔｉ：２．４乃至３．６質量％（Ｔｉ合金及びＴｉ酸化物中のＴｉ換算量）、Ｃ：０．０３乃至０．０９質量％、Ｍｎ：１．０乃至２．５質量％、Ｓｉ：０．２０乃至０．６０質量％、Ｂ：０．００３乃至０．０１２質量％、Ｎｉ：０．３乃至３．０質量％、Ｍｏ：０．０１乃至０．２０質量％を含有し、Ａｌを０．０５質量％以下に抑制した組成を有することを特徴とする全姿勢溶接チタニヤ系フラックス入りワイヤ。
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