JP7485594B2 - フラックス入りワイヤ及びガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、引張強さが６２０ＭＰａ級の鋼材の溶接に使用されるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ及びガスシールドアーク溶接方法に関する。

石油、ガス等の掘削及び生産に使用される海洋構造物や、油、ガス等の輸送に使用されるパイプラインは、設備の大型化や寒冷地での稼働が増加しており、これらの溶接構造物の建造に使用される鋼板や溶接材料には、高強度であるとともに低温での靱性に優れた特性が求められる。
ところで、上記のような溶接構造物を建造する場合に、溶接施工後に応力除去を目的とした溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）が施される場合がある。

しかし、このＰＷＨＴによって、溶接部の強度及び靱性が低下し、要求される特性が得られない場合がある。そこで、ＰＷＨＴ後の強度及び靱性を向上させるためには、Ｎｉが添加されたフラックス入りワイヤを使用することが一般的である。

一方、これらの溶接構造物のうち、油井管やＬＰＧタンクにおいては、原油や粗製プロパンに含まれる硫化水素が原因となって、腐食反応が起こりやすい。そして、この腐食反応で発生した水素が鋼中に侵入することにより、水素脆化割れの一種である、硫化物応力腐食割れが発生することがある。この応力腐食割れは、強度が高いほど起こりやすいため、フラックス入りワイヤにＮｉを過剰に添加すると、硫化物応力腐食割れが発生するリスクが高くなる。なお、ここで指す強度とは降伏強さ及び引張強さを指す。

そこで、上記問題に対応するため、米国防蝕技術協会（ＮＡＣＥ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）の規格（ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５）では、溶接金属中のＮｉ含有量が１質量％以下に規制されている。こうしたことから、溶接金属中のＮｉ含有量が１質量％以下であるとともに、ＰＷＨＴ後に優れた強度及び低温での靱性を有する溶接金属を得ることができる溶接材料が要望されている。

例えば、特許文献１には、ＴｉＯ_２を主成分とした金属酸化物、Ｎａ及びＫを含む化合物からなるスラグ成分と、最適な合金成分及び脱酸剤を含む炭酸ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。また、特許文献２には、ＴｉＯ_２を主成分とした金属酸化物、Ｎａ及びＫを含む弗素化合物からなるスラグ成分と、最適な合金成分及び脱酸剤を含むＡｒ－ＣＯ_２混合ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが提案されている。

上記特許文献１及び２によれば、全姿勢溶接での溶接作業性が良好であり、耐低温割れ性、低温靱性及びＣＴＯＤ（：Ｃｒａｃｋ Ｔｉｐ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）特性に優れた溶接金属を得ることができることが記載されている。

特開２０１７－１６４７７２号公報 特開２０１７－９４３６０号公報

しかしながら、特許文献１では、Ｎｉ量は０．８～３．０質量％であるため、ＮＡＣＥＭＲ０１７５で規定される溶接金属中のＮｉ含有量を満足しない場合があり、また、ＰＷＨＴ後の強度及び低温での靱性も考慮されていない。また、特許文献２では、Ｎｉ量が０．１～０．５質量％であるものの、ＰＷＨＴ後の強度及び低温での靱性が考慮されていない。
したがって、ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５で規定される溶接金属中のＮｉ含有量を満足するとともに、ＰＷＨＴ後の強度及び低温での靱性が優れた溶接金属を得ることができるフラックス入りワイヤへの要求が高くなっている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、ワイヤ中のＮｉ含有量が１質量％以下であっても、溶接のまま（以下、「Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ」ともいう。）のみならず、ＰＷＨＴ後においても、強度及び低温での靱性が優れた溶接金属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。

本発明の上記目的は、フラックス入りワイヤに係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ 鋼製外皮にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、
ワイヤ全質量に対して、
Ｃ：０．０２６質量％以上０．０６０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％超０．５０質量％以下、
Ｍｎ：１．３質量％以上２．８質量％以下、
Ｃｕ：０．２０質量％以上１．５０質量％以下、
Ｎｉ：０．４５質量％以上１．００質量％以下、
Ｍｏ：０．１５質量％以上０．６５質量％以下、
Ｍｇ：０．３０質量％以上０．６５質量％以下、及び
Ｂ：０．００１質量％以上０．０１０質量％以下、を含有し、
Ｃｒ：０．１０質量％以下、及び
Ａｌ：０．１０質量％以下、であるとともに、
ワイヤ中のＮｂ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｂ］と表し、
ワイヤ中のＶ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｖ］と表す場合に、
［Ｎｂ］＋［Ｖ］：０．０１５以下であることを特徴とするフラックス入りワイヤ。

フラックス入りワイヤ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。
［２］ ワイヤ中のＣｕ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃｕ］と表し、
ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｉ］と表し、
ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｏ］と表し、
ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｎ］と表し、
ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｓｉ］と表し、
ワイヤ中のＣｒ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃｒ］と表す場合に、
（［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］＋［Ｍｏ］）／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］＋１０（［Ｎｂ］＋［Ｖ］））：０．５５以上０．９０以下であることを特徴とする、［１］に記載のフラックス入りワイヤ。

［３］ ワイヤ中のＣｕ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃｕ］と表し、
ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｏ］と表す場合に、
［Ｃｕ］／［Ｍｏ］：０．５以上５．０以下であることを特徴とする、［１］又は［２］に記載のフラックス入りワイヤ。

［４］ 前記鋼製外皮中のＣ含有量を鋼製外皮全質量に対する質量％で［Ｃ］_Ｏと表し、
ワイヤ中のＣ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃ］_Ｂと表す場合に、
［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂ：０．３７以下であることを特徴とする、［１］～［３］のいずれか１つに記載のフラックス入りワイヤ。

［５］ さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種を、
ワイヤ全質量に対して、
Ｔｉ：３．３質量％以上６．０質量％以下、
Ｚｒ：０．２５質量％以下、
Ｆ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、及び
ＮａとＫとの総量：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、の範囲で含有することを特徴とする、［１］～［４］のいずれか１つに記載のフラックス入りワイヤ。

本発明の上記目的は、ガスシールドアーク溶接方法に係る下記［６］の構成により達成される。
［６］ ［１］～［５］のいずれか１つに記載のフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。

本発明によれば、ワイヤ中のＮｉ含有量が１質量％以下であっても、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、ＰＷＨＴ後においても、強度及び低温での靱性が優れた溶接金属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ができる。

図１は、縦軸をＰＷＨＴ後の－４０℃シャルピー吸収エネルギーとし、横軸をＰＷＨＴ後の引張強さとした場合の、吸収エネルギーと引張強さとの関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。

本実施形態における含有量とは、特に説明がない限り、フラックス入りワイヤ全質量に対する質量％を意味する。また、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに含有される各元素は、鋼製外皮及びフラックスのいずれかに含有されていればよく、鋼製外皮及びフラックスの両方に含有されていてもよい。
さらに、上記各元素は、特筆しない限り、金属の形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていても、化合物の形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていてもよく、また、金属及び化合物の両方の形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていてもよい。したがって、上記各元素がどのような形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていても、元素単体に換算した換算値で規定する。例えば、Ｓｉを例に挙げる場合に、Ｓｉ含有量とは、金属ＳｉとＳｉ化合物のＳｉ換算値の合計をいう。なお、金属Ｓｉとは、Ｓｉ単体及びＳｉ合金を含む。

［１．フラックス入りワイヤ］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤ（以下、単に「ワイヤ」ともいう。）は、鋼製外皮（以下、単に「外皮」ともいう。）にフラックスが充填されたものである。
本実施形態において、ワイヤの外径は特に限定されないが、例えば、０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であることが好ましい。また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各元素の含有量が本発明の範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、よりワイヤの伸線性及びワイヤ送給性を向上させるためには、例えば、ワイヤ全質量に対して１０質量％以上、２０質量％以下とすることが好ましい。さらに、ワイヤは、外皮に継ぎ目を有する場合、継ぎ目を有しない場合など、その継ぎ目の形態や断面の形状に制限はない。

本発明者らは、ＰＷＨＴ後の靱性が低下するメカニズムについて検討を行うとともに、優れた低温での靱性を有する溶接金属を得るため、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を見出し、本発明を完成するに至った。
ＰＷＨＴにより、溶接金属中の旧オーステナイト粒界への不純物元素の偏析、及び炭化物の析出が生じ、粒界結合力が低下する。その結果、粒界に沿った破壊が助長されて、焼戻脆化が起こるため、溶接金属の靱性が低下する。また、ＰＷＨＴによる粒界に析出する炭化物のサイズが粗大であるほど、靱性は低下する。

したがって、ＰＷＨＴ後に優れた低温靱性を確保するためには、（１）焼戻脆化の抑制、（２）旧オーステナイト粒界への不純物元素の偏析及び炭化物の析出の抑制、（３）粒界炭化物の粗大化の抑制、が重要である。そこで、本発明者らは、フラックス入りワイヤの化学成分組成を制御することで、上記（１）～（３）を達成し、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、ＰＷＨＴ後においても、高強度かつ低温での優れた靱性を有する溶接金属が得られることを見出した。

以下、具体的なワイヤの化学成分組成、その含有量の数値限定理由について、更に詳細に説明する。

＜Ｃ：０．０２６質量以上０．０６０質量％以下＞
Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する成分である。Ｃ含有量が０．０２６質量％未満であると、所望の強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＣ含有量は、０．０２６質量以上とし、０．０２８質量％以上であることが好ましく、０．０２９質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｃ含有量が０．０６０質量％を超えると、粒界炭化物の粗大化を助長し、ＰＷＨＴ後の低温での靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＣ含有量は０．０６０質量％以下とし、０．０５８質量％以下であることが好ましく、０．０５６質量％以下であることがより好ましい。

＜Ｓｉ：０質量％超０．５０質量％以下＞
Ｓｉは、硬質な島状マルテンサイトの生成を助長することで、ＰＷＨＴによって焼戻脆化を助長し、低温での靱性を低下させる成分である。Ｓｉ含有量が０．５０質量％を超えると、ＰＷＨＴ後の低温での靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量は、０．５０質量％以下とし、０．４５質量％以下であることがより好ましく、０．４０質量％以下であることがより好ましい。
一方、Ｓｉは、完全に０質量％とすることができない成分であるとともに、脱酸元素として気孔欠陥を抑制する効果を有する成分でもある。そして、ワイヤ中にたとえ微量であってもＳｉが含有されることにより、気孔欠陥を抑制する効果を得ることができる。したがって、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量は、０質量％超とし、０．１０質量％以上であることが好ましく、０．１５質量％以上であることがより好ましい。

＜Ｍｎ：１．３質量％以上２．８質量％以下＞
Ｍｎは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する成分である。Ｍｎ含有量が１．３質量％未満であると、所望の強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、１．３質量％以上とし、１．５質量％以上であることがより好ましく、１．７質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｍｎ含有量が２．８質量％を超えると、Ｐ等の粒界偏析が進み、ＰＷＨＴによって焼戻脆化を助長し、低温での靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、２．８質量％以下とする。なお、溶接金属において、原質領域が主体となる組織の粒界破壊の発生を抑制し、低温での靱性をより一層向上させるためには、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、２．７質量％以下であることが好ましく、２．５質量％以下であることがより好ましい。

＜Ｃｕ：０．２０質量％以上１．５０質量％以下＞
Ｃｕは、強度を維持しつつ、溶接金属の組織を微細化し、低温での靱性を向上させる効果を有する成分である。Ｃｕ含有量が０．２０質量％未満であると、所望の強度及び低温での靱性を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量は、０．２０質量％以上とし、０．３０質量％以上であることが好ましく、０．４０質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｃｕ含有量が１．５０質量％を超えると、ＰＷＨＴによって、析出物の生成を助長し、靱性を低下させる。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量は、１．５０質量％以下とし、１．３５質量％以下であることが好ましく、１．２０質量％以下であることがより好ましい。なお、ワイヤ表面にＣｕメッキを施す場合には、メッキ中に含まれるＣｕも、本実施形態において規定されるＣｕ含有量、すなわち０．２０質量％以上１．５０質量％以下の範囲に含まれる。

＜Ｎｉ：０．４５質量％以上１．００質量％以下＞
Ｎｉは、母相強化により溶接金属の低温での靱性を向上させる効果を有する成分である。Ｎｉ含有量が０．４５質量％未満であると、所望の低温での靱性を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｉ含有量は、０．４５質量％以上とし、０．５０質量％以上であることが好ましく、０．６０質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｎｉ含有量が１．００質量％を超えると、溶接金属中のＮｉ含有量がＮＡＣＥ ＭＲ０１７５で規定される範囲から外れ、硫化水素環境中において、硫化物応力腐食割れの感受性が高まる。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｉ含有量は、１．００質量％以下とする。

＜Ｍｏ：０．１５質量％以上０．６５質量％以下＞
Ｍｏは、強度を向上させるとともに、焼き戻し脆化の抑制に効果を有する成分である。Ｍｏ_２Ｃが溶接金属の粒内へ微細析出することによって、粒界に析出する炭化物の成長を抑制し、ＰＷＨＴ後の低温での靱性の低下を抑制することができる。Ｍｏ含有量が０．１５質量％未満であると、所望の強度を確保しつつ、所望のＰＷＨＴ後の低温での靱性を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｏ含有量は、０．１５質量％以上とし、０．１８質量％以上であることが好ましく、０．２０質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｍｏ含有量が０．６５質量％を超えると、強度が過度に上昇し、ＰＷＨＴによって低温での靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｏ含有量は、０．６５質量％以下とし、０．６０質量％以下であることが好ましく、０．５５質量％以下であることがより好ましい。

＜Ｍｇ：０．３０質量％以上０．６５質量％以下＞
Ｍｇは脱酸作用を有し、強度を向上させる成分である。Ｍｇ含有量が０．３０質量％未満であると、所望の強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｇ含有量は、０．３０質量％以上とし、０．３３質量％以上であることが好ましく、０．３６質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｍｇ含有量が０．６５質量％を超えると、強度が過度に上昇し、低温での靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｇ含有量は、０．６５質量％以下とし、０．６２質量％以下であることが好ましく、０．６０質量％以下であることがより好ましい。

＜Ｂ：０．００１質量％以上０．０１０質量％以下＞
Ｂは、旧オーステナイト粒界に偏析し、初析フェライトを抑制することにより、溶接金属の靱性を向上させる効果を有する成分である。ワイヤ全質量に対するＢ含有量が０．００１質量％未満であると、溶接金属の靱性を向上させる効果を十分に得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＢ含有量は、０．００１質量％以上とし、０．００２質量％以上であることが好ましい。
一方、Ｂ含有量が０．０１０質量％を超えると、ＰＷＨＴによって析出物が過剰に生成して、靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＢ含有量は、０．０１０質量％以下とし、０．００９質量％以下であることが好ましい。

＜Ｃｒ：０．１０質量％以下＞
Ｃｒは、ＰＷＨＴによって粗大な粒界炭化物の析出及び成長を助長し、低温での靱性を低下させる成分である。ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量が０．１０質量％を超えると、ＰＷＨＴ後の低温での靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量は、０．１０質量％以下とし、０．０７質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以下であることがより好ましい。

＜Ａｌ：０．１０質量％以下＞
Ａｌは、ワイヤ中に過剰に含有されることにより、アシキュラーフェライトの核生成を妨げ、ＰＷＨＴの有無に関わらず靱性を低下させる成分である。Ａｌ含有量が０．１０質量％を超えると、溶接金属の靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＡｌ含有量は、０．１０質量％以下とし、０．０９質量％以下であることが好ましい。

＜［Ｎｂ］＋［Ｖ］：０．０１５以下＞
Ｎｂ及びＶは、ともにＰＷＨＴによって炭化物を析出させることにより、低温での靱性を低下させる成分である。ワイヤ中のＮｂ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｂ］と表し、ワイヤ中のＶ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｖ］と表す場合に、［Ｎｂ］＋［Ｖ］が０．０１５を超えると、ＰＷＨＴ後の低温での靱性が低下する。したがって、［Ｎｂ］＋［Ｖ］は０．０１５以下とし、０．０１０以下であることが好ましい。

＜式Ａ＝（［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］＋［Ｍｏ］）／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］＋１０（［Ｎｂ］＋［Ｖ］））：０．５５以上０．９０以下＞
本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、上記各成分の含有量に加えて、Ｍｎ含有量、Ｓｉ含有量、Ｃｒ含有量、Ｎｂ含有量及びＶ含有量と、Ｃｕ含有量、Ｎｉ含有量及びＭｏ含有量との関係も重要となる。本発明者らは、これら各成分の含有量を規定しつつ、下記式Ａにより得られる値を適切に制御することにより、ＰＷＨＴ後の低温での靱性をより一層向上させることができることを見出した。
（［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］＋［Ｍｏ］）／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］＋１０（［Ｎｂ］＋［Ｖ］））・・・（式Ａ）

上記式Ａにより得られる値が０．５５以上０．９０以下であると、ＰＷＨＴによる旧オーステナイト粒界への粗大な炭化物の析出を抑制するとともに、粗大な炭化物が析出した場合でも、析出した炭化物の成長を抑制することができる。その結果、溶接金属の強度を確保しつつ、ＰＷＨＴ後の低温での靱性をより一層向上させることができる。
したがって、上記式Ａにより得られる値は、０．５５以上０．９０以下であることが好ましく、０．５８以上０．８５以下であることがより好ましい。

なお、上記式Ａにおいて、［Ｃｕ］は、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量を質量％で表す値とする。
［Ｎｉ］は、ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｍｏ］は、ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｍｎ］は、ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｓｉ］は、ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｃｒ］は、ワイヤ中のＣｒ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｎｂ］は、ワイヤ中のＮｂ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｖ］は、ワイヤ中のＶ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。

＜式Ｂ＝［Ｃｕ］／［Ｍｏ］：０．５以上５．０以下＞
Ｃｕは、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度を維持しつつ、低温での靱性を向上させる効果を有する成分であり、Ｍｏは、ＰＷＨＴ後の低温での靱性を維持しつつ、強度を向上させる効果を有する成分である。本発明者らは、これらの効果を有するＣｕとＭｏの比、すなわち下記式Ｂにより得られる値を０．５以上５．０以下とすることにより、ＰＷＨＴ後の溶接金属の強度と、低温での靱性とのバランスを、より一層向上させることができることを見出した。
［Ｃｕ］／［Ｍｏ］・・・（式Ｂ）

したがって、上記式Ｂにより得られる値は０．５以上５．０以下であることが好ましく、１．２以上３．５以下であることがより好ましい。
なお、上記式Ｂにおいて、［Ｃｕ］は、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量を質量％で表す値とし、［Ｍｏ］は、ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。

＜［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂ：０．３７以下＞
本発明者らは、外皮中とフラックス中に含有されるＣの、溶接金属への歩留まりに着目した結果、フラックス中のＣよりも外皮中のＣの方が、溶接金属へのＣの歩留まりが低下し、ＰＷＨＴ後の低温での靱性をより一層向上させることができることを見出した。すなわち、鋼製外皮中のＣ含有量を鋼製外皮全質量に対する質量％で［Ｃ］_Ｏと表し、ワイヤ中のＣ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃ］_Ｂと表す場合に、［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂが０．３７以下であると、旧オーステナイト粒界における粗大な炭化物の析出を抑制し、ＰＷＨＴ後の低温での靱性をより一層向上させる効果を得ることができる。
したがって、［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂは０．３７以下であることが好ましく、０．３５以下であることがより好ましい。

一方、［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂの下限については特に規定しないが、外皮の硬性を高め、ワイヤ送給性を向上させる場合は、０．１０以上であることが好ましく、０．１３以上であることがより好ましい。

＜Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ及びＶの含有量の合計：３．０質量％以上７．０質量％以下＞
本実施形態において、上記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ及びＶの含有量の合計は、溶接作業性向上の観点より、３．０質量％以上とすることが好ましく、３．５質量％以上とすることがより好ましい。また、ワイヤの伸線性向上の観点より、上記成分の含有量の合計は、７．０質量％以下とすることが好ましく、６．０質量％以下とすることがより好ましい。

なお、本実施形態に係るワイヤは、さらに、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種を、それぞれ下記に示す含有量の範囲内で含有することが好ましい。これらの元素がワイヤ中に含有される場合の各含有量の限定理由について、以下に説明する。

＜Ｔｉ：３．３質量％以上６．０質量％以下＞
Ｔｉは、スラグ生成剤として機能し、下向姿勢以外の溶接姿勢、例えば、立向上進や上向姿勢などでの溶接を容易とし、全姿勢において、良好な溶接作業性を得る効果を有する成分である。ワイヤ中にＴｉを含有させる場合に、スラグ生成量を適正に保ち、良好な溶接作業性を得るには、ワイヤ全質量に対するＴｉ含有量は、３．３質量％以上６．０質量％以下とすることが好ましく、３．６質量％以上５．５質量％以下とすることがより好ましい。

＜Ｚｒ：０．２５質量％以下＞
Ｚｒは、ビードのなじみを向上させ、フラットなビード形状を得る効果を有する成分である。ワイヤ中にＺｒを含有させる場合に、良好なスラグ剥離性を維持しつつ、ビードのなじみを向上させ、フラットなビード形状を得るには、ワイヤ全質量に対するＺｒ含有量は、０．２５質量％以下とすることが好ましく、０．２０質量％以下とすることがより好ましい。

＜Ｆ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下＞
Ｆは、アークを安定化させる効果を有する成分である。ワイヤ中にＦを含有させる場合に、スパッタ発生量を抑制でき、アーク安定性を十分に得ることができることから、ワイヤ全質量に対するＦ含有量は、０．０５質量％以上０．３０質量％以下とすることが好ましく、０．１０質量％以上０．２５質量％以下とすることがより好ましい。

＜ＮａとＫとの総量：０．１０質量％以上０．３０質量％以下＞
Ｎａ及びＫは、アークを安定化させる効果を有する成分である。ワイヤ中に、Ｎａ及びＫの少なくとも一方を含有させる場合に、スパッタ発生量を抑制でき、アーク安定性を十分に得ることができることから、ワイヤ全質量に対するＮａとＫとの総量は、０．１０質量％以上０．３０質量％以下とすることが好ましく、０．１２質量％以上０．２８質量％以下とすることがより好ましい。

＜その他の成分及び不純物＞
Ｆｅは、本実施形態に係るワイヤの主成分である。ワイヤ全質量に対するＦｅ含有量は、８２質量％以上であることが好ましく、８５質量％以上であることがより好ましい。
また、本実施形態において、上記成分の他に、О（酸素）、Ｃａ、Ｂａ、Ｌｉ等を含んでいても良く、ワイヤ全質量に対するО（酸素）の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、５質量％以下であることが好ましい。また、ワイヤ全質量に対するＣａ、Ｂａ、Ｌｉ等の含有量の合計値は、１質量％以下であることが好ましい。その他の残部は不可避的不純物とし、不可避的不純物の総量は、ワイヤ全質量に対して、０．１５質量％以下に規制されることが好ましい。不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ等が挙げられ、高温割れ防止の観点から、ワイヤ全質量に対するＰ及びＳの含有量は、各々０．０１５質量％以下であることが好ましい。

［２．フラックス入りワイヤの製造方法］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、例えば、以下に示す方法で製造することができる。まず、外皮を構成する鋼帯を、長手方向に送りながら成形ロールにより成形し、Ｕ字状のオープン管にする。次に、所定の化学組成となるように、金属又は合金、化合物等とを所定量配合したフラックスを外皮に充填した後、断面が円形になるように加工する。このとき、外皮の合わせ目に溶接等を施すことにより継ぎ目無しとすることもできる。その後、冷間加工により伸線し、例えば０．９ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下のワイヤ径とすることにより、フラックス入りワイヤを製造することができる。なお、冷間加工の途中に焼鈍を施してもよい。

［３．ガスシールドアーク溶接方法］
本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法は、上記［１．フラックス入りワイヤ］で説明した本実施形態に係るフラックス入りワイヤを用いて溶接する方法である。
なお、本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法において、本実施形態に係るフラックス入りワイヤを用いること以外の各種溶接条件については特に限定されず、母材の種類、溶接電圧、溶接電流、溶接姿勢等について、フラックス入りワイヤを用いた溶接方法における一般的な条件を用いることができる。シールドガスについても限定されないが、より溶接作業性を向上させる観点からＭＡＧであることが好ましく、８０体積％Ａｒ－２０体積％ＣＯ_２であることがより好ましい。

以下、本実施形態に係るフラックス入りワイヤの発明例及び比較例について説明する。

［Ｉ．溶接金属の機械的性質の評価］
（ワイヤの作製）
まず、帯状の鋼製外皮に、フラックスを充填し、下記表１に示す種々の成分を有する直径が１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを作製した。また、フラックスの充填率は、１３．５質量％以上１５．５質量％以下の範囲となるようにした。

（ガスシールドアーク溶接）
次に、得られたフラックス入りワイヤを使用して、下記表２に示す板厚及び化学成分を有する母材に対して、ガスシールドアーク溶接を実施した。
本実施例においては、母材の開先面及び裏当て鋼板表面に厚さ３ｍｍ以上のバタリングを施した後、Ｖ開先を形成し、下記表３に示す溶接条件ＣＩにてガスシールドアーク溶接を実施し、溶着金属を形成した。

（機械的性質の評価）
溶着金属の機械的性質は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５に規定される「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」に準拠し、溶着金属の板厚方向中央部から引張試験片（Ａ０号）及び衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して、引張性能及び衝撃性能を評価した。

引張試験は、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの試験片、及び６２０℃の温度で８時間のＰＷＨＴを施した試験片に対して試験温度を室温（約２０±２℃）として実施し、降伏応力及び引張強さを測定することにより、引張性能を評価した。
なお、本発明例では、所望の強度をＡｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後の各々において、降伏応力（ＹＳ）が５００ＭＰａ以上、かつ引張強さ（ＴＳ）が６２０ＭＰａ以上である場合に、強度が良好であると判断した。

衝撃試験は、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの試験片、及び６２０℃の温度で８時間のＰＷＨＴを施した試験片に対して実施した。各試験片について、試験温度を－４０℃として、シャルピー吸収エネルギー（ｖＥ－４０℃）を測定することにより、靱性を評価した。
なお、本発明例では、所望の靱性をＡｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後の－４０℃における吸収エネルギーが５０Ｊ以上である場合に、靱性が良好であると判断した。
そして、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後の強度及び靱性がいずれも良好であったものを合格とし、それ以外のものを不合格とした。

使用したワイヤの化学成分を下記表４及び５に示し、機械的性質の評価結果を下記表５に併せて示す。なお、下記表４及び５において、［Ｃ］_Ｏとは、外皮中のＣ含有量を鋼製外皮全質量に対する質量％で表した値であり、［Ｃ］_Ｂとは、ワイヤ中のＣ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｎｂ］とは、ワイヤ中のＮｂ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値であり、［Ｖ］とは、ワイヤ中のＶ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。

式Ａとは、（［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］＋［Ｍｏ］）／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］＋１０（［Ｎｂ］＋［Ｖ］））を表す。
式Ａにおいて、［Ｃｕ］は、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量を質量％で表した値である。
［Ｎｉ］は、ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｍｏ］は、ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｍｎ］は、ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｓｉ］は、ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｃｒ］は、ワイヤ中のＣｒ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｎｂ］は、ワイヤ中のＮｂ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
［Ｖ］は、ワイヤ中のＶ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。

式Ｂとは、［Ｃｕ］／［Ｍｏ］を表す。式Ｂにおいて、［Ｃｕ］は、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量を質量％で表した値である。［Ｍｏ］は、ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。

表４及び５に記載のワイヤの化学成分の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物であった。また、表４中のＭｏ含有量において、「－」と記載されているものは定量限界値以下の０．０１０質量％以下であり、表５中のＺｒ含有量において、「－」と記載されているものは、定量限界値以下の０．０１０質量％以下であったことを示す。さらに、表５中の「式Ｂにより得られる値」において、分母となるＭｏ含有量が「－；定量限界値以下」であるものは、計算不能であるため、「－」と表した。また、比較例Ｎｏ．１４，１５，１７は、分子であるＣｕ含有量が分母であるＭｏ含有量よりも極めて小さいため、小数点以下第２位を四捨五入して、「０．０」と表した。
なお、表５に示す機械的性質の評価においては、発明例の全ての試験片に対して、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後の引張試験及び衝撃試験を実施したが、ＰＷＨＴ後に所望の強度及び靱性を満たさない一部の試験片に対しては、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの評価は実施しておらず、評価結果欄に「－」と表した。

上記表４及び５に示すように、ワイヤ中の各成分の含有量が本発明の数値範囲内であった発明例Ｎｏ．１～７は、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後の降伏応力（ＹＳ）が所望の５００ＭＰａ以上、かつ、引張強さ（ＴＳ）が所望の６２０ＭＰａ以上であり、更に、－４０℃における吸収エネルギーが所望の５０Ｊ以上であったことから、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、ＰＷＨＴ後においても、強度及び低温での靱性が優れた溶接金属を得ることができた。
特に、発明例Ｎｏ．１～６は、［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂが本発明の好ましい数値範囲内であったため、ＰＷＨＴ後の－４０℃における吸収エネルギーが５５Ｊ以上であり、発明例Ｎｏ．７と比較して、ＰＷＨＴ後の低温での靱性をより一層向上させることができた。また、発明例Ｎｏ．２～６は、式Ａにより得られる値が本発明の好ましい数値範囲内であったため、ＰＷＨＴ後の－４０℃における吸収エネルギーが６５Ｊ以上であり、ＰＷＨＴ後の靱性をさらにより一層向上させることができた。

図１は、縦軸をＰＷＨＴ後の－４０℃シャルピー吸収エネルギー（Ｊ）とし、横軸をＰＷＨＴ後の引張強さ（ＭＰａ）とした場合の、吸収エネルギーと引張強さとの関係を示すグラフである。図１中、「○」は発明例を示し、「×」は比較例を示す。なお、〇の隣に記載されている「Ｎｏ．」は、発明例に係る「Ｎｏ．」であり、比較例については「Ｎｏ．」を省略している。また、発明例である「○」の線状近似による直線を、図１中に一点鎖線で示す。
図１中の破線で囲まれた領域にある発明例Ｎｏ．２、３、５及び６は、式Ｂにより得られる値が本発明の好ましい数値範囲内であった。したがって、ＰＷＨＴ後の引張強さ及び靱性のバランスが、より一層優れたものとなった。

一方、比較例Ｎｏ．８は、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えるとともに、ワイヤ中のＮｉ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．９は、ワイヤ中のＣ含有量及びＭｎ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。また、ＰＷＨＴ後の靱性は良好であると判断される値ではあったが、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、各発明例と比較して低下した。

比較例Ｎｏ．１０は、ワイヤ中のＭｎ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、ＰＷＨＴ後の靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．１１は、ワイヤ中のＣｒ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、ＰＷＨＴ後の靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．１２は、ワイヤ中のＣｕ含有量、Ｍｏ含有量及びＭｇ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後の降伏応力及び引張強さが低下した。

比較例Ｎｏ．１３は、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の降伏応力及び引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．１４は、ワイヤ中のＣｒ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えるとともに、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの引張強さ及びＰＷＨＴ後の靱性が低下した。また、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．１５は、ワイヤ中のＣｒ含有量及びＭｇ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えるとともに、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の靱性が低下した。

比較例Ｎｏ．１６は、ワイヤ中のＭｇ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えるとともに、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ及びＰＷＨＴ後のいずれにおいても、靱性が低いものとなった。
比較例Ｎｏ．１７は、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えるとともに、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．１８は、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。

比較例Ｎｏ．１９は、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の降伏応力及び引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．２０は、ワイヤ中のＳｉ含有量及びＡｌ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えるとともに、ワイヤ中のＣｕ含有量、Ｎｉ含有量及びＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、ＰＷＨＴ後の靱性が低下した。また、ワイヤ中のＣｕ含有量及びＭｏ含有量が特に過少であったため、ＰＷＨＴ後の降伏応力及び引張強さが低下した。

［ＩＩ．溶接作業性の評価］
上記溶接金属の機械的性質の評価で用いたワイヤと同一のワイヤを使用して、ＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳМ４９０Ａ準拠の母材に対して、上記表３に示す溶接条件ＣＩＩを適用してガスシールドアーク溶接を実施し、溶接作業性を評価した。

その結果、上記発明例Ｎｏ．１～７のいずれのワイヤを使用した場合であっても、溶接作業性は良好であった。

Claims (6)

1. 鋼製外皮にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、
   ワイヤ全質量に対して、
   Ｃ：０．０２６質量％以上０．０６０質量％以下、
   Ｓｉ：０質量％超０．５０質量％以下、
   Ｍｎ：１．３質量％以上２．８質量％以下、
   Ｃｕ：０．２０質量％以上１．５０質量％以下、
   Ｎｉ：０．４５質量％以上１．００質量％以下、
   Ｍｏ：０．１５質量％以上０．６５質量％以下、
   Ｍｇ：０．３０質量％以上０．６５質量％以下、及び
   Ｂ：０．００１質量％以上０．０１０質量％以下、
   Ｔｉ：３．３質量％以上６．０質量％以下、
   Ｆ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、及び
   ＮａとＫとの総量：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、
   を含有し、
   Ｃｒ：０．１０質量％以下、及び
   Ａｌ：０．１０質量％以下、であるとともに、
   ワイヤ中のＮｂ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｂ］と表し、
   ワイヤ中のＶ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｖ］と表す場合に、
   ［Ｎｂ］＋［Ｖ］：０．０１５以下であることを特徴とするフラックス入りワイヤ。
2. ワイヤ中のＣｕ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃｕ］と表し、
   ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｉ］と表し、
   ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｏ］と表し、
   ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｎ］と表し、
   ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｓｉ］と表し、
   ワイヤ中のＣｒ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃｒ］と表す場合に、
   （［Ｃｕ］＋［Ｎｉ］＋［Ｍｏ］）／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］＋［Ｃｒ］＋１０（［Ｎｂ］＋［Ｖ］））：０．５５以上０．９０以下であることを特徴とする、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
3. ワイヤ中のＣｕ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃｕ］と表し、
   ワイヤ中のＭｏ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｏ］と表す場合に、
   ［Ｃｕ］／［Ｍｏ］：０．５以上５．０以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフラックス入りワイヤ。
4. 前記鋼製外皮中のＣ含有量を鋼製外皮全質量に対する質量％で［Ｃ］_Ｏと表し、
   ワイヤ中のＣ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｃ］_Ｂと表す場合に、
   ［Ｃ］_Ｏ／［Ｃ］_Ｂ：０．３７以下であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤ。
5. さらに、
   ワイヤ全質量に対して、
   Ｚｒ：０．２５質量％以下、の範囲で含有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤ。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。

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