CN112512742A - 实心焊丝以及焊接接头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个技术方案涉及的实心焊丝，其化学组成包含C：0.003％以上且0.080％以下；Si：0.0010％以上且0.50％以下；Mn：0.050％以上且1.80％以下；Al：0.030％以上且0.500％以下；Ni：8.0％以上且16.0％以下；P：0.0200％以下；S：0.0100％以下；O：0.050％以下；Ta：0％以上且0.1000％以下；Cu：0％以上且0.5％以下；Cr：0％以上且0.5％以下；Mo：0％以上且0.5％以下；V：0％以上且0.20％以下；Ti：0％以上且0.10％以下；Nb：0％以上且0.10％以下；B：0％以上且0.010％以下；Mg：0％以上且0.80％以下；REM：0％以上且0.050％以下；以及余量：Fe和杂质，α为1.35％以上且5.50％以下，Ceq为0.250％以上且0.520％以下。

Description

实心焊丝以及焊接接头的制造方法

技术领域

本发明涉及实心焊丝以及焊接接头的制造方法。

背景技术

近年来，由于由地球变暖的问题导致的二氧化碳排放量限制加强，与石油、煤等相比，二氧化碳的排放量少的天然气的需求高涨，与此相伴，LNG储罐建造的需求也世界性地高涨。对于LNG储罐所使用的钢材，从要求确保在-196℃的极低温度下的韧性的观点出发，使用了包含6～9％Ni的Ni系低温用钢。

在该Ni系低温用钢的焊接中，通常使用能够使焊缝金属的组织为奥氏体(面心立方，以下记为FCC)的包含60～80质量％的Ni的Ni基合金焊接材料(以下称为Ni基合金焊接材料)。但是，由于Ni基合金焊接材料含有大量的Ni，所以价格极高。

而且，Ni基合金焊接材料容易产生热裂纹，另外，熔融金属的流动性差，所以容易产生熔合不良等焊接缺陷。根据现有技术，为了防止焊接缺陷，Ni基合金焊接材料与能够以低线能量焊接的焊接方法(例如焊条电弧焊接、埋弧焊接以及TIG焊接等)组合。因此，使用了Ni基合金焊接材料的焊接，施工效率低。可以说Ni基合金焊接材料在材料成本以及焊接施工成本这两方面都存在课题。

如果将焊接材料中的Ni量降低到与Ni系低温用钢的Ni量相同的程度，则能够降低材料成本。但是，若将焊缝金属中的Ni量降低到与Ni系低温用钢的Ni量同等的6～9质量％程度，则焊缝金属的晶体结构变为体心立方结构(以下记为BCC)。对于BCC焊缝金属，为了确保其低温韧性，需要将氧量降低到极低的水准。因此，根据现有技术，Ni量为与Ni系低温用钢的Ni量相同的程度的焊接材料必须与能够实现焊缝金属的低氧化的焊接方法、例如TIG焊接组合。根据非消耗电极式的TIG焊接，即使焊接材料的Ni量低，也能够得到健全的焊缝金属。但是，TIG焊接的焊接施工效率低。因此，即使使焊接材料中的Ni降低，也不能解决焊接施工成本的问题。

在产业界，期望获得可适用于焊接施工效率优异的焊接法且能够制造低温韧性优异的焊缝金属的焊接材料。作为焊接施工效率优异的焊接法，例如可举出MIG焊接以及MAG焊接等的气体保护电弧焊接法。MIG焊接被定义为采用氩、氦等惰性气体进行保护的气体保护金属电弧焊接，MAG焊接被定义为使用二氧化碳、氩与二氧化碳的混合气体等的活性的保护气体的气体保护金属电弧焊接(JIS Z3001：2008)。在保护气体中含有氧的气体保护金属电弧焊接也有时被称为MAG焊接。例如作为MAG焊接的保护气体，一般使用Ar－10～30％CO₂(即，以体积分数计为10～30％的CO₂且余量为Ar的混合气体)、100％CO₂、或Ar－2％O₂等，在气体中包含2％以上的作为活性气体的CO₂或O₂。

从焊接施工成本的观点、以及使电弧变细而使能量集中从而使焊接缺陷减少的观点出发，使保护气体含有活性气体是有利的。但是，MAG焊接存在氧容易进入到焊缝金属中的缺点。根据现有技术，将要求使焊缝金属的氧量减少的焊接材料与MAG焊接组合来焊接Ni系低温用钢并不容易。

作为极低温用钢的焊丝，曾提出了例如以下的丝。

在专利文献1中公开了一种以Ni基合金为外皮的药芯焊丝，其在焊药中包含相对于丝总质量以总量计为4.0质量％以上的TiO₂、SiO₂以及ZrO₂，还包含按MnO₂换算为0.6～1.2质量％的Mn氧化物，并且，在将TiO₂、SiO₂、ZrO₂以及MnO₂(换算量)的含量以质量％计分别记为[TiO₂]、[SiO₂]、[ZrO₂]以及[MnO₂]时，[TiO₂]/[ZrO₂]为2.3～3.3，[SiO₂]/[ZrO₂]为0.9～1.5，并且，([TiO₂]+[SiO₂]+[ZrO₂])/[MnO₂]为5～13。但是，在该丝中，Ni量为60～70％，没有实现焊接材料的低成本化。

在专利文献2中公开了一种TIG焊接用实心焊丝，其被使用于含有0.13重量％以下的C且抗拉强度为760～980N/mm²的高强度钢的TIG焊接，该实心焊丝的特征在于，利用JISZ 3111中所规定的方法得到的全部熔敷金属的马氏体相变开始温度为400℃以下，并且，相对于丝总重量，含有7.5～12.0重量％Ni，且限制成C为0.10重量％以下、H为2重量ppm以下。但是，对于专利文献2所公开的实心焊丝，焊接方法被限定于TIG焊接，因此使用了该实心焊丝的焊接的施工效率显著低。

在专利文献3中公开了一种用于焊接镍钢的有芯丝，其特征在于，其具备钢外皮和填充元素，相对于所述丝的重量，含有2～15％的氟、8～13％的镍、和铁。但是，采用专利文献3所公开的丝得到的焊缝金属的低温韧性(在-196℃下的冲击试验中的夏比冲击吸收能)低。近年来，对于焊接部(焊接区)，要求在-196℃下的冲击试验中的夏比冲击吸收能达到50J以上的低温韧性，但是专利文献3所公开的丝不能达到该要求。另外，在将专利文献3的有芯丝与MAG焊接组合的情况下，推定为飞溅量增大从而产生许多焊接缺陷。

在非专利文献1中公开了一种通过使用将Ni降低到约10％的铁合金的实心焊丝，进行使用100％Ar保护气体的MIG焊接，来得到与TIG焊接相同的程度的焊缝金属的技术。在该技术中，显著地降低了上述丝中的P和S的量，所以确保了韧性，但是，在本发明人的实验中，当使用非专利文献1的方法进行焊接时，电弧不规则地产生，因而产生了焊道蜿蜒，多发焊接缺陷的问题。该问题在与MAG焊接组合的情况下特别显著地发生。

这样，能够通过焊接施工成本低的焊接方法(例如气体保护电弧焊接，特别是MAG焊接)与将Ni量降低到与6～9％Ni钢的Ni量相同的程度的廉价的焊接材料的组合而获得具有充分的低温韧性的焊缝金属的技术尚未实现。

在先技术文献

专利文献

专利文献1:日本国特开2008－246507号公报

专利文献2:日本国特开平09－253860号公报

专利文献3:日本国特开2008－161932号公报

非专利文献

非专利文献1:阿草一男、古生正昭等，川崎制铁技报，vol.14，No.3(1982)，9％Ni钢的纯氩保护同质合金MIG焊接

发明内容

鉴于上述背景技术的问题，本发明的课题是提供实心焊丝以及使用了该实心焊丝的焊接接头的制造方法，所述实心焊丝能够大幅度降低焊接材料成本，即使应用于焊接施工效率优异的焊接方法也焊接操作性优异，并且能获得抗拉强度和-196℃的低温韧性均优异的焊缝金属。

本发明的要旨如下。

(1)本发明的一个技术方案涉及的实心焊丝，其化学组成以相对于所述实心焊丝的总质量的质量％计包含：C：0.003％以上且0.080％以下；Si：0.0010％以上且0.50％以下；Mn：0.050％以上且1.80％以下；Al：0.030％以上且0.500％以下；Ni：8.0％以上且16.0％以下；P：0.0200％以下；S：0.0100％以下；O：0.050％以下；Ta：0％以上且0.1000％以下；Cu：0％以上且0.5％以下；Cr：0％以上且0.5％以下；Mo：0％以上且0.5％以下；V：0％以上且0.20％以下；Ti：0％以上且0.10％以下；Nb：0％以上且0.10％以下；B：0％以上且0.010％以下；Mg：0％以上且0.80％以下；REM：0％以上且0.050％以下；以及余量：Fe和杂质，用下述式a定义的α为1.35％以上且5.50％以下，用下述式b定义的Ceq为0.250％以上且0.520％以下，α＝2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta]…(式a)

Ceq＝[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…(式b)

其中，式a和式b中的带[]的元素表示各元素的以相对于所述实心焊丝的所述总质量的质量％计的含量。

(2)根据上述(1)所述的实心焊丝，上述化学组成以相对于所述实心焊丝的总质量的质量％计可以含有选自Ta：0.0005％以上且0.1000％以下、Cu：0.1％以上且0.5％以下、Cr：0.01％以上且0.5％以下、Mo：0.01％以上且0.5％以下、V：0.01％以上且0.20％以下、Ti：0.005％以上且0.10％以下、Nb：0.002％以上且0.10％以下、B：0.0003％以上且0.010％以下、Mg：0.10％以上且0.80％以下、和REM：0.001％以上且0.050％以下之中的一种以上。

(3)根据上述(1)或(2)所述的实心焊丝，所述实心焊丝中的所述REM的含量以相对于所述实心焊丝的所述总质量的质量％计可以为0.010％以下。

(4)根据上述(1)～(3)的任一项所述的实心焊丝，在表面可以具有全氟聚醚油。

(5)根据上述(1)～(4)的任一项所述的实心焊丝，抗拉强度可以为500MPa以上且1000MPa以下。

(6)本发明的另一技术方案涉及的焊接接头的制造方法，使用上述(1)～(5)的任一项所述的实心焊丝来焊接钢材。

(7)根据上述(6)所述的焊接接头的制造方法，所述钢材可以是板厚为6mm以上且100mm以下，Ni的含量为5.5质量％以上且9.5质量％以下，抗拉强度为660MPa以上且900MPa以下。

(8)根据上述(6)或(7)所述的焊接接头的制造方法，所述焊接可以是气体保护电弧焊接。

(9)根据上述(8)所述的焊接接头的制造方法，保护气体可以是以下气体之中的任一者：纯Ar气体；纯He气体；包含Ar和合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体；以及包含He和合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体。

本发明的实心焊丝，通过将Ni量降低到与Ni系低温用钢的Ni量同等从而能够大幅度降低焊接材料成本，并且，即使应用于焊接施工效率优异的气体保护电弧焊接(例如MIG焊接以及MAG焊接等)也能够确保焊缝金属的韧性。例如，在LNG储罐、化学设备等所使用的含有5.5～9.5％程度的Ni的Ni系低温用钢的焊接中应用了本发明的实心焊丝以及使用了该实心焊丝的焊接接头的制造方法的情况下，能够廉价且高效率地得到-196℃的低温韧性优异的焊缝金属。

附图说明

图1是表示实施例中的试样的制取位置的图(JIS Z3111：2005)。

图2是表示实施例中的焊道的整合性的评价方式的图。

具体实施方式

对于Ni系低温用钢的焊缝金属，要求-196℃的低温韧性，为了确保在-196℃下的吸收能，需要降低焊缝金属的氧量。虽然使用将Ni量降低到与6～9％Ni钢的Ni量同等的实心焊丝得到的焊缝金属的晶体结构为BCC结构，但是通过使该焊缝金属中的氧量降低，能够抑制脆性断裂，焊缝金属的低温韧性充分提高。

本发明人在将Ni含量降低到与Ni系低温用钢的Ni量相同的程度的实心焊丝中，导入用于将作为脱氧元素的Mn、Al、Ti和Mg、以及Ta的含量最佳化的参数(α)，而且使C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V的含量以各种比例变化，使用这样地试制出的实心焊丝，通过使用了Ar与活性气体的混合气体的气体保护电弧焊接来实施了Ni系低温用钢的焊接。

其结果发现了以下事项。

(i)如果使用α值将Mn、Al、Ti和Mg以及Ta的含量最佳化，则即使采用使用了Ar与活性气体的混合气体的气体保护电弧焊接，也能够大幅度降低焊缝金属的氧量。

(ii)除上述(i)以外，通过将C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V的含量设为特定的范围，能够得到在-196℃下的优异的低温韧性。

(iii)根据满足上述(i)和(ii)的必要条件的实心焊丝，由于能够使用气体保护电弧焊接，因此焊接施工效率与TIG焊接相比提高。

再者，α值是通过以下的式子算出的。该式子是通过对具有各种化学组成的实心焊丝的评价结果进行重回归分析而得到的。

α＝2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta]…(式a)

本发明是基于以上那样的研究的结果而完成的，以下针对本实施方式的实心焊丝依次说明作为特征的技术要件的限定理由、优选的方式。

首先，说明本实施方式的实心焊丝中所含有的合金成分、金属脱氧成分以及各成分的含量的限定理由。

在以下的实心焊丝的化学组成的说明中，只要没有特别说明，“％”就意味着“质量％”。再者，本实施方式涉及的实心焊丝可以在其表面具有镀层。在该情况下，实心焊丝的合金成分的分布不一样，但实心焊丝的合金成分作为实心焊丝整体中的平均值来把握。即，以下说明的各合金成分的含量意味着成为各成分的相对于实心焊丝总质量的质量％的合计的成分含量。

(C：0.003％以上且0.080％以下)

C是使焊缝金属的强度提高的元素。为了确保焊缝金属的强度，需要使实心焊丝含有0.003％以上的C。为了提高焊缝金属的强度，可以将实心焊丝的C含量的下限设为0.005％、0.008％、0.010％、或0.013％。另一方面，含有8～16％的Ni的焊缝金属变为硬的马氏体组织。C对马氏体的硬度造成的影响非常大，当实心焊丝的C含量超过0.080％时，焊缝金属极其硬化，韧性大大下降。因此，将实心焊丝的C含量的上限设为0.080％。为了稳定地确保焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的C含量的上限设为0.075％、0.070％、0.065％、0.060％、0.055％、或0.050％。

(Si：0.0010％以上且0.50％以下)

Si是提高焊缝金属的洁净度、抑制气孔等焊接缺陷的发生所需要的元素。为了获得这些效果，实心焊丝需要含有0.0010％以上的Si。为了进一步防止焊接缺陷的发生，可以将实心焊丝的Si含量的下限设为0.0050％或0.0100％。另一方面，在含有8～16％的Ni的焊缝金属中，Si容易显微偏析，当实心焊丝的Si含量超过0.50％时，在偏析部产生显著的脆化。因此，将0.50％作为实心焊丝的Si含量的上限。另外，为了稳定地确保焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Si含量的上限设为0.40％或0.30％。

(Mn：0.050％以上且1.80％以下)

Mn是脱氧元素，进一步提高焊缝金属的洁净度。而且，Mn是通过在焊缝金属中形成MnS来抑制由S引起的热裂纹的发生、并使焊缝金属的韧性提高所需要的元素。为了获得该效果，需要使实心焊丝含有0.050％以上的Mn。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Mn含量的下限设为0.100％、0.120％、0.200％、或0.300％。另一方面，在含有8～16％的Ni的焊缝金属中，Mn容易显微偏析，当实心焊丝的Mn含量超过1.80％时，在偏析部产生显著的脆化。因此，将1.80％作为实心焊丝的Mn含量的上限。另外，为了稳定地确保焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Mn含量的上限设为1.60％、1.40％、或1.20％。

(Al：0.030％以上且0.500％以下)

Al是脱氧元素，与Si及Mn同样地在抑制气孔等焊接缺陷的发生以及提高洁净度等方面具有效果。为了发挥该效果，使实心焊丝含有0.030％以上的Al。另一方面，当使实心焊丝含有超过0.500％的Al时，Al形成氮化物、氧化物，损害焊缝金属的韧性。因此，将0.500％作为实心焊丝的Al含量的上限。另外，为了充分地得到提高焊缝金属的韧性的效果，可以将实心焊丝的Al含量的下限设为0.031％、0.033％、0.035％、0.040％、0.045％、0.050％、0.051％、0.053％、或0.055％。另外，为了抑制氧化物的生成，可以将实心焊丝的Al含量的上限设为0.480％、0.450％、0.400％、0.350％、0.300％、或0.200％。

(Ni：8.0％以上且16.0％以下)

Ni是通过固溶韧化(通过固溶来提高韧性的作用)，不论焊缝金属的组织以及成分如何而能够提高焊缝金属的韧性的唯一的元素。特别是为了确保-196℃的低温韧性，Ni是必需的元素。为了获得该效果，实心焊丝的Ni含量需要设为8.0％以上。另一方面，当实心焊丝的Ni含量超过16.0％时，除了其效果饱和以外，焊接材料成本变得过大，因此不优选。而且，在实心焊丝的Ni含量超过16.0％的情况下，容易发生热裂纹，熔融金属的流动性变差，容易发生熔合不良等焊接缺陷，因此变得难以将实心焊丝应用于气体保护电弧焊接等的高效率焊接。因此，将实心焊丝的Ni含量的上限值设为16.0％。也可以将实心焊丝的Ni含量的上限限制为15.5％、15.0％、或14.5％。为了稳定地确保焊缝金属的低温韧性，可以将实心焊丝的Ni含量的下限设为8.5％、9.0％、或9.5％、进而设为10.0％。

(P：0.0200％以下)

P是杂质元素，过量添加会存在使热裂纹发生的倾向，使焊缝金属的韧性劣化，因此优选极力降低。作为能够容许对焊缝金属的韧性造成的不良影响的范围，实心焊丝的P含量设为0.0200％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的P含量的上限设为0.0150％、0.0100％、0.0080％、或0.0060％。从确保焊缝金属的韧性的观点出发，不需要限制实心焊丝的P含量的下限，P含量的下限为0％。另一方面，从降低精炼成本的观点出发，可以将实心焊丝的P含量的下限设为0.0010％、0.0020％、或0.0030％。

(S：0.0100％以下)

S是杂质元素，过量添加会存在使热裂纹发生的倾向，使焊缝金属的韧性显著劣化，因此优选极力降低。作为能够容许对焊缝金属的韧性造成的不良影响的范围，实心焊丝的S含量设为0.0100％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的S含量的上限设为0.0080％、0.0060％、0.0040％、或0.0030％。从确保焊缝金属的韧性的观点出发，不需要限制实心焊丝的S含量的下限，S含量的下限为0％。另一方面，从降低精炼成本的观点出发，可以将实心焊丝的S含量的下限设为0.0005％、0.0010％、或0.0020％。

(O：0.050％以下)

O是杂质，使焊缝金属的韧性显著劣化，因此优选极力降低。作为能够容许对焊缝金属的韧性造成的不良影响的范围，实心焊丝的O含量设为0.050％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的O含量的上限设为0.020％、0.015％、0.010％、或0.005％。从确保焊缝金属的韧性的观点出发，不需要限制实心焊丝的O含量的下限，O含量的下限为0％。另一方面，从降低精炼成本的观点出发，可以将实心焊丝的O含量的下限设为0.0005％、0.001％、或0.002％。

出于以下所说明的目的，能够使本实施方式涉及的实心焊丝含有Ta、Cu、Cr、Mo、V、Ti、Nb、B、Mg、REM的各元素之中的一种或两种以上来作为选择元素。但是，由于在不含有这些选择元素的情况下，本实施方式涉及的实心焊丝能够解决其课题，因此这些选择元素的下限值为0％。

(Ta：0％以上且0.1000％以下)

Ta是析出强化元素，具有使焊缝金属的强度提高的效果。而且，Ta是能够与存在于高温电弧中的氧结合来降低焊缝金属中的氧含量的元素。另一方面，在实心焊丝的Ta含量超过0.1000％的情况下，焊缝金属中的氧量变成一定，难以进一步降低，而焊缝金属的强度变得过量，损害焊缝金属的低温韧性。因此，将实心焊丝的Ta含量的上限设为0.1000％。为了充分获得焊缝金属的高强度化以及降低氧量的效果，可以将实心焊丝的Ta含量的下限设为0.0005％、0.0010％、0.0015％、0.0020％、0.0025％、或0.0030％。另外，为了进一步提高焊缝金属的低温韧性，可以将实心焊丝的Ta含量的上限值设为0.090％、0.080％、0.070％、0.060％、或0.050％。

(Cu：0％以上且0.5％以下)

Cu在作为实心焊丝的表面的镀层而以单质或合金的形式包含于实心焊丝的情况下，具有通过固溶强化而使焊缝金属的强度提高的效果。另外，在Cu以单质或合金的形式包含于实心焊丝中的情况下也能够获得同样的效果。实心焊丝的Cu含量的下限设为0％，但实心焊丝也可以含有Cu。例如，为了得到由含有Cu带来的效果，可以将实心焊丝的Cu含量的下限设为0.1％。另一方面，当实心焊丝的Cu含量超过0.5％时，焊缝金属的韧性下降。因此，将实心焊丝的Cu含量的设为0.5％以下。为了提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Cu含量上限设为0.3％、或0.2％。

(Cr：0％以上且0.5％以下)

Cr是对提高焊缝金属的强度有效的元素。实心焊丝的Cr含量的下限设为0％，但为了得到由含有Cr带来的效果，可以将实心焊丝的Cr含量的下限设为0.01％。另一方面，在使实心焊丝含有Cr的情况下，当实心焊丝的Cr含量超过0.5％时焊缝金属的韧性下降。因此，将实心焊丝的Cr含量的设为0.5％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Cr含量的上限设为0.3％、0.2％、或0.1％。

(Mo：0％以上且0.5％以下)

Mo是通过析出强化而对提高焊缝金属的强度有效的元素。实心焊丝的Mo含量的下限设为0％，但为了得到由含有Mo带来的效果，可以将实心焊丝的Mo含量的下限设为0.01％。在使实心焊丝含有Mo的情况下，当实心焊丝的Mo含量超过0.5％时焊缝金属的韧性下降。因此，将实心焊丝的Mo含量设为0.5％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Mo含量的上限设为0.3％、0.2％、或0.1％。

(V：0％以上且0.20％以下)

V是通过析出强化而对提高焊缝金属的强度有效的元素。实心焊丝的V含量的下限设为0％，但为了得到含有V的效果，可以将实心焊丝的V含量的下限设为0.01％。在使实心焊丝含有V的情况下，当实心焊丝的V含量超过0.20％时焊缝金属的韧性下降。因此，含有V的情况下的实心焊丝的V含量设为0.20％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的V含量的上限设为0.15％、0.10％、或0.05％。

(Ti：0％以上且0.10％以下)

Ti固定固溶N从而对缓和对焊缝金属的韧性造成的不良影响有效。另外，Ti作为脱氧元素也是有效的，具有使焊缝金属中的氧量降低的效果。实心焊丝的Ti含量的下限设为0％，为了获得由含有Ti带来的效果，可以将实心焊丝的Ti含量的下限设为0.005％。在使实心焊丝含有Ti的情况下，当实心焊丝的Ti含量超过0.10％而变得过量时，生成碳化物从而使焊缝金属的韧性劣化。因此，含有Ti的情况下的实心焊丝的Ti含量设为0.10％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Ti含量的上限设为0.06％、0.04％、或0.02％。

(Nb：0％以上且0.10％以下)

Nb通过析出强化而对提高焊缝金属的强度有效。实心焊丝的Nb含量的下限设为0％，但为了得到由含有Nb带来的效果，可以将Nb含量的下限设为0.002％。在使实心焊丝含有Nb的情况下，当实心焊丝的Nb含量超过0.10％而变得过量时，在焊缝金属中形成粗大的析出物从而使焊缝金属的韧性劣化。而且，当实心焊丝的Nb含量超过0.10％而变得过量时，具有发生热裂纹的倾向。因此，含有Nb的情况下的实心焊丝的Nb含量设为0.10％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Nb含量的上限设为0.06％、0.04％、或0.02％。

(B：0％以上且0.010％以下)

在焊缝金属中含有适量的B时，B与固溶N结合而形成BN从而具有减少固溶N对韧性的不良影响的效果。实心焊丝的B含量的下限设为0％，但为了得到由含有B带来的效果，可以将实心焊丝的B含量的下限设为0.0003％。在使实心焊丝含有B的情况下，当实心焊丝的B含量超过0.010％时，焊缝金属中的B变得过量，形成粗大的BN、Fe₂₃(C，B)₆等的B化合物，反而使焊缝金属的韧性劣化。而且，当实心焊丝的B含量超过0.010％时，具有发生热裂纹的倾向。因此，含有B的情况下的实心焊丝的B含量设为0.010％以下。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的B含量的上限设为0.006％、0.004％、或0.002％。

(Mg：0％以上且0.80％以下)

Mg是脱氧元素，在降低焊缝金属的氧、改善焊缝金属的韧性方面具有效果。实心焊丝的Mg含量的下限设为0％，但为了充分得到降低焊缝金属中的氧量的效果，可以将实心焊丝的Mg含量的下限设为0.10％、0.15％、0.20％、0.25％、或0.30％。另一方面，在实心焊丝的Mg含量超过0.80％的情况下，飞溅增加，使焊接操作性劣化。因此，将0.80％作为实心焊丝的Mg含量的上限。为了进一步提高焊接操作性，可以将实心焊丝的Mg含量的上限设为0.78％、0.75％、0.73％、0.70％、0.65％、或0.60％。

(REM：0％以上且0.050％以下)

REM不是解决本实施方式涉及的实心焊丝的课题所必需的，因此REM含量的下限设为0％。但是，REM是使电弧稳定化的元素，因此也可以使实心焊丝含有REM。为了获得该效果，可以将实心焊丝的REM含量的下限设为0.001％、0.010％、或0.020％。在使实心焊丝含有REM的情况下，飞溅降低且电弧变得稳定的有效的REM含量为0.050％以下。另一方面，当实心焊丝过量地含有REM时，飞溅变得激烈，焊接操作性恶化。因此，为了有助于飞溅的降低以及电弧的稳定，可以将实心焊丝的REM含量的上限设为0.030％、0.020％、0.010％、0.005％、或0.001％。再者，“REM”这一术语是指包含Sc、Y以及镧系元素的合计17种元素，上述“REM含量”意味着这17种元素的合计含量。在作为REM使用镧系元素的情况下，在工业上REM以混合稀土合金(Misch metal)的形式添加。

本实施方式涉及的实心焊丝的化学组成，含有上述的元素，其余量是Fe以及杂质。所谓杂质是指在工业性制造实心焊丝时通过矿石或废料等之类的原料混入或者因制造工序的各种因素而混入的成分，且是指在不对本实施方式涉及的实心焊丝的特性造成不良影响的范围内容许的成分。

(α：1.35％以上且5.50％以下)

本实施方式的实心焊丝含有上述的各元素，但为了确保焊缝金属的-196℃的低温韧性，还需要控制其各元素的含量以使得用下述式a表示的α成为1.35％以上且5.50％以下。

α＝2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta]…(式a)

其中，带[]的元素表示各元素的含量(质量％)。

对于本实施方式的实心焊丝，要求：能够应用于使用纯Ar、纯He作为保护气体的气体保护电弧焊接(所谓的MIG焊接)；以及即使在也应用于使用以Ar和/或He为主成分且含有合计为20体积％以下的O₂和/或CO₂的混合气体作为保护气体的气体保护电弧焊接(所谓的MAG焊接)的情况下也能够进行稳定的焊接。此时，在使焊缝金属的洁净度提高的Mn、Al、Ti、Mg以及Ta的量不充分的情况下，认为由于实心焊丝中所含有的氧而使焊缝金属中残留氧，生成氧化物，该氧化物使焊缝金属的低温韧性劣化。为了抑制该低温韧性的劣化，需要调整实心焊丝的化学组成以使得上述α值成为1.35％以上。因此，将1.35％作为实心焊丝的α的下限值。另一方面，在以α超过5.50％的程度在实心焊丝中含有Mn、Al、Ti、Mg以及Ta的情况下，这些元素过量地残留在焊缝金属中，生成氮化物、碳化物，由于这些物质的缘故，焊缝金属过度地高强度化，焊缝金属的低温韧性劣化。另外，在这些元素过量的情况下，这些元素在电弧中未被氧化，在电弧中产生Mn、Al、Ti、Mg、Ta的金属蒸汽，使电弧不稳定。因此，在实心焊丝的α超过5.50％的情况下，发生焊接缺陷。因此，将5.50％作为实心焊丝的α的上限值。为了更切实地提高焊缝金属的低温韧性，可以将实心焊丝的α的下限值设为1.36％、1.40％、1.45％、或1.50％。另外，可以将实心焊丝的α的上限值设为5.40％、5.30％、5.20％、5.10％、5.00％、4.90％、4.80％、4.70％、或4.50％。

(碳当量Ceq：0.250％以上且0.520％以下)

而且，在本实施方式的实心焊丝中，进一步调整C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V的含量以使得用下述式b表示的由日本焊接协会(WES)制定的碳当量Ceq为0.250％以上且0.520％以下。

Ceq＝[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…(式b)

其中，带[]的元素表示各元素的以质量％计的含量。

实心焊丝的Ceq越高，焊缝金属的抗拉强度越提高，但另一方面，焊缝金属的韧性越降低，另外，焊接裂纹敏感性越高。因此，在实心焊丝的Ceq高的情况下，需要用于抑制冷裂纹的对策。当该实心焊丝的Ceq的值小于0.250％时，在焊缝金属中不能满足作为目标的强度(抗拉强度)660MPa以上。另一方面，当实心焊丝的Ceq的值超过0.520％时，焊缝金属的抗拉强度变得过量，焊缝金属的韧性降低。因此，将实心焊丝的Ceq的范围设为0.250％以上且0.520％以下。为了进一步稳定地确保焊缝金属的强度，可以将实心焊丝的Ceq的下限设为0.260％、0.270％、0.280％、0.320％、或0.360％。为了进一步提高焊缝金属的韧性，可以将实心焊丝的Ceq的上限设为0.510％、0.500％、或0.490％。

另外，为了提高焊接时的实心焊丝的送丝性，实心焊丝也可以在其表面还具有润滑剂。作为实心焊丝用的润滑剂，能够使用各种润滑剂(例如植物油、矿物油等)，但为了抑制焊缝金属的冷裂纹，优选使用全氟聚醚油(PFPE油)。再者，润滑剂的成分不包含在上述的实心焊丝的化学组成中。原因是来自润滑剂的化学组成相对于实心焊丝的总质量是非常微量的。在本公开中，实心焊丝的化学组成的测定是除去涂敷在实心焊丝的表面的润滑剂后实施的。

实心焊丝的直径不特别限定。考虑到目前在市场流通的实心焊丝以及焊接设备，例如可以将本实施方式涉及的实心焊丝的直径设为0.5～2.4mm。也可以将实心焊丝的直径设为0.8mm以上、或1.0mm以上。也可以将实心焊丝的直径设为1.6mm以下、或1.4mm以下。

实心焊丝的机械性质也不特别限定。从提高焊接中的实心焊丝的送丝性的观点出发，优选实心焊丝的抗拉强度低，例如可以将实心焊丝的抗拉强度设为950MPa以下、900MPa以下、850MPa、800MPa、750MPa、或700MPa以下。

通过使用了本实施方式涉及的实心焊丝的气体保护电弧焊接而得到的熔敷金属的抗拉强度优选成为660MPa～900MPa。该熔敷金属的抗拉强度是指基于日本工业标准JISZ 3111：2005中的“熔敷金属的拉伸以及冲击试验方法”测定出的抗拉强度。该熔敷金属的抗拉强度是与具有660MPa以上且900MPa以下的抗拉强度的高强度钢同等的水平。再者，如果需要，则可以控制实心焊丝的化学组成以使得能够将由本实施方式涉及的实心焊丝得到的熔敷金属的抗拉强度的下限限制为685MPa、将其上限限制为850MPa。再者，在JIS Z3001：2013中，“熔敷金属”(Deposited metal)被定义为“从填充金属转移到焊接部的金属”，“焊缝金属”(Weld metal)被定义为“是焊接部的一部分，且是在焊接中熔融凝固了的金属”。

在本实施方式中使用的实心焊丝，能够采用与通常的实心焊丝的制造方法同样的制造工序进行制造。即，首先，熔化具有上述的化学组成的钢，然后，如果需要则进行锻造加工。然后，经过轧制加工，将该钢加工成棒状。通过将该棒状的钢拉丝，得到实心焊丝。再者，可以对实心焊丝适当进行热处理以使得不损害送丝性。进而，也可以对该实心焊丝进行镀敷。在该情况下，需要使包含镀敷成分在内的实心焊丝整体的平均化学组成在上述的范围内。另外，也可以在该实心焊丝的表面涂敷润滑剂。由于如上述那样，来自润滑剂的化学组成相对于实心焊丝的总质量是非常微量的，因此不需要考虑润滑剂的种类以及涂敷量对实心焊丝的化学组成造成的影响。

本发明的另一技术方案涉及的焊接接头的制造方法，使用本实施方式涉及的实心焊丝来焊接钢材。钢材的种类不特别限定，但优选设为：板厚为6mm以上且100mm以下，Ni的含量为5.5质量％以上且9.5质量％以下，抗拉强度为660MPa以上且900MPa以下的钢材(即，Ni系低温用钢)。该焊接优选为气体保护电弧焊接。例如作为LNG储罐使用了Ni含量为5.5质量％以上且9.5质量％以下，板厚为6mm以上且100mm以下，抗拉强度为660MPa以上且900MPa以下的钢材。对于该钢材的焊接，能够使用本实施方式的实心焊丝。在焊接时使用的保护气体不特别限定，但只要设为例如纯Ar气体、纯He气体、包含Ar和合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体、包含He和合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体之中的任一者即可。即，在本实施方式涉及的焊接接头的制造方法中，可以使用纯Ar气体或纯He气体作为保护气体。另一方面，如果O₂或CO₂在20体积％以下的范围内，则即使采用向纯Ar气体或纯He气体中混合了O₂或CO₂的混合气体作为保护气体，也能够得到本实施方式涉及的实心焊丝以及焊接接头的制造方法的效果。

在本公开中，在作为保护气体使用纯Ar气体或纯He气体的情况下，这种方式对应于MIG焊接。从避免向焊缝金属混入氧的观点出发，优选为该方式。

在本公开中，在作为保护气体使用向Ar气体或He气体中添加了合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体的情况下，这种方式对应于MAG焊接。在重视焊接时的电弧稳定性的情况下，优选为该方式。

再者，在本公开中，作为焊接材料的形态，采用实心焊丝，没有采用药芯焊丝。在药芯焊丝中，大多添加金属粉体、氧化物来作为焊缝金属的材料。其结果，来源于在金属粉体表面产生的氧化物、或者作为添加物的氧化物，容易向焊缝金属中混入氧。在本公开中，特别地设想采用向Ar气体或He气体中混合了O₂或CO₂的混合气体作为保护气体的情况，为了降低氧向焊缝金属中的混入而采用了实心焊丝的形态。

实施例

接着，利用实施例进一步详细地说明本发明的可实施性以及效果。

制造了具有各种化学组成的实心焊丝。在实心焊丝的拉丝作业的途中施以退火，另外，使最终的实心焊丝直径成为Φ1.2mm。退火条件设为在650℃保持4小时。在试制后，在实心焊丝的表面涂敷了润滑剂。对于在表1－1～表1－2中未记载涂敷PFPE油的实心焊丝，全部涂敷了植物油。实心焊丝的成分的分析通过进行化学分析、气体分析等来实施。分析是在实心焊丝表面没有润滑剂的状态下实施的。

将试制的实心焊丝的化学组成、有无涂敷PFPE油、以及实心焊丝的抗拉强度(“丝强度”)示出在表1－1～表1－2中。表1－1～表1－2中所示的实心焊丝的化学组成是利用上述的分析方法分析出的结果。再者，对在本发明的范围外的值附加了下划线。另外，检出界限(检测极限)以下的元素的含量没有记入而以空白来表示。实心焊丝的抗拉强度的单位是MPa。

使用表1－1～表1－2中所示的实心焊丝，依据JIS Z 3111：2005评价了熔敷金属的机械特性。即，设为图1所示那样的要领。将板厚为20mm的钢板1以根部间隙16mm、坡口角度20°进行对接，并使用了焊接衬垫2。作为钢板1以及焊接衬垫2使用了SM490A，但在钢板1的坡口面和焊接衬垫2的表面，使用作为试验对象的实心焊丝实施了2层以上且余高高度为3mm以上的隔离层堆焊。然后，第一层和第二层以1或2道进行焊接，第三层～最终层以2或3道进行焊接，从而制作了试验体。将焊接条件示于表2和表4(保护气体的组成按体积％来记载)。表2示出MAG焊接的焊接条件，表4示出MIG焊接的焊接条件。由表2可知，在以下焊接条件下进行焊接：电流值为280A，电压值为24～28V，焊接速度为30cm/分，层间温度为150℃以下，使用Ar与15体积％CO₂的混合气体作为保护气体，气体流量为25升/分。由表4可知，在以下焊接条件下进行焊接：电流值为260A，电压值为22～26V，焊接速度为30cm/分，层间温度为150℃以下，使用Ar气体作为保护气体，气体流量为25升/分。

如图1所示，从所制作的试验体制取基于JIS Z3111：2005的A0号拉伸试样(圆棒)5(直径＝10mm)和夏比冲击试样(2mmV型缺口)4来作为机械试样，进行各机械特性试验，测定了熔敷金属的抗拉强度以及夏比冲击吸收能。但是，在焊接缺陷非常严重、不能实施机械特性试验的情况下，记录了“不能评价”的意思。关于使用各实心焊丝通过上述的手段得到的熔敷金属的机械特性的测定结果和评价结果，将表2的MAG焊接的结果示于表3－1、表3－2，将表4的MIG焊接的结果示于表5－1、表5－2。在这些表中，对不满足是否合格的基准的值附加了下划线。在基于表2的条件(MAG焊接)的试验、以及基于表4的条件(MIG焊接)的试验这两者中，将合格的实心焊丝判定为焊接操作性优异且能够得到抗拉强度和-196℃的低温韧性优异的焊缝金属的实心焊丝。评价方法和是否合格的判定基准，在基于表2的条件(MAG焊接)的试验和基于表4的条件(MIG焊接)的试验这两者中设为相同。

在评价机械特性时，将抗拉强度为660～900MPa且在-196℃下的夏比冲击试验中吸收能为50J以上的试样判为合格。

另外，从所得到的熔敷金属制取试样，测定了熔敷金属中的氧量。熔敷金属中的氧量测定，是采用脉冲加热炉-惰性气体熔融红外吸收法来测定的。将所测定出的熔敷金属中的氧量示于表3－1～表3－2。

在本发明的实心焊丝中，通过降低熔敷金属中的氧量来提高韧性。通过发明例和比较例确认到：如果氧量不设为160ppm以下，则不能确保在-196℃下的夏比冲击吸收能。

接着，关于各实心焊丝，评价了耐焊接缺陷性。这是评价对于表6中所示的板厚25mm的低温用钢在表2的焊接条件下制作了平焊的1道焊道时的气孔缺陷的发生率(焊接缺陷长度相对于焊接长度的比例)、焊道的整合性的。在焊接缺陷评价中，将焊接缺陷长度为5％以下、且没有由飞溅过量引起的焊道形状不良和热裂纹的试样判为合格，并在表中记载为“无”。另外，在焊道的整合性评价中，以目视来确定在通过上述焊接而形成的焊道中产生了最大的蜿蜒之处，将如图2所示那样焊道蜿蜒时的焊道的趾部与正常的焊道的趾部的距离(长度b)成为焊道宽度(长度a)的25％以下的试样判为合格。再者，将由b/a×100得到的值称为焊道整合率。关于电弧稳定性，将电弧的消弧时间的合计为总电弧发生时间的10％以下(即，表3－1和表3－2的“电弧持续时间”超过90％)的情况判为合格。

如表3－1和表5－1的试验结果所示，作为本发明例的实心焊丝A1～A23号，抗拉强度、韧性、耐焊接缺陷性、电弧稳定性以及焊道整合性都优异，是合格的。

另一方面，如表3－2和表5－2的试验结果所示，作为比较例的实心焊丝B1～B22号，由于不满足在本发明中规定的必要条件，因此抗拉强度、韧性、耐焊接缺陷性、电弧稳定性和焊道整合性之中的一项以上不能得到满足，综合判定为不合格。

表2

表3-1

表3-2

表4

表5-1

表5-2

产业上的可利用性

本实施方式涉及的实心焊丝，通过降低Ni量能够大幅度降低焊接材料成本。另外，本实施方式涉及的实心焊丝能够应用于焊接施工效率优异的气体保护电弧焊接(例如MIG焊接以及MAG焊接等)。而且，本实施方式涉及的实心焊丝，通过含有脱氧元素以及微量元素来降低焊缝金属中的氧量，由此能够得到-196℃的低温韧性优异的焊缝金属。本实施方式涉及的实心焊丝在被用于例如含有5.5～9.5％程度的Ni的Ni系低温用钢的焊接的情况下，相对于现有技术，能够发挥显著的效果。因此，本实施方式涉及的实心焊丝在产业界的价值极高。

附图标记说明

1：钢板

2：焊接衬垫

3：焊道

4：夏比冲击试样(2mmV型缺口)

5：A0号拉伸试样(圆棒)

Claims (9)

1.一种实心焊丝，其特征在于，

化学组成以相对于所述实心焊丝的总质量的质量％计包含：

C：0.003％以上且0.080％以下；

Si：0.0010％以上且0.50％以下；

Mn：0.050％以上且1.80％以下；

Al：0.030％以上且0.500％以下；

Ni：8.0％以上且16.0％以下；

P：0.0200％以下；

S：0.0100％以下；

O：0.050％以下；

Ta：0％以上且0.1000％以下；

Cu：0％以上且0.5％以下；

Cr：0％以上且0.5％以下；

Mo：0％以上且0.5％以下；

V：0％以上且0.20％以下；

Ti：0％以上且0.10％以下；

Nb：0％以上且0.10％以下；

B：0％以上且0.010％以下；

Mg：0％以上且0.80％以下；

REM：0％以上且0.050％以下；和

余量：Fe以及杂质，

用下述式a定义的α为1.35％以上且5.50％以下，

用下述式b定义的Ceq为0.250％以上且0.520％以下，

α＝2×[Mn]+[Al]+1.5×[Ti]+[Mg]+10×[Ta]…式a

Ceq＝[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14…式b

其中，式a和式b中的带[]的元素表示各元素的以相对于所述实心焊丝的所述总质量的质量％计的含量。

2.根据权利要求1所述的实心焊丝，其特征在于，

所述化学组成以相对于所述实心焊丝的总质量的质量％计含有选自

Ta：0.0005％以上且0.1000％以下、

Cu：0.1％以上且0.5％以下、

Cr：0.01％以上且0.5％以下、

Mo：0.01％以上且0.5％以下、

V：0.01％以上且0.20％以下、

Ti：0.005％以上且0.10％以下、

Nb：0.002％以上且0.10％以下、

B：0.0003％以上且0.010％以下、

Mg：0.10％以上且0.80％以下、和

REM：0.001％以上且0.050％以下

之中的一种以上。

3.根据权利要求1或2所述的实心焊丝，其特征在于，

所述实心焊丝中的所述REM的含量以相对于所述实心焊丝的所述总质量的质量％计为0.010％以下。

4.根据权利要求1～3的任一项所述的实心焊丝，其特征在于，

在表面具有全氟聚醚油。

5.根据权利要求1～4的任一项所述的实心焊丝，其特征在于，

抗拉强度为500MPa以上且1000MPa以下。

6.一种焊接接头的制造方法，其特征在于，

使用权利要求1～5的任一项所述的实心焊丝来焊接钢材。

7.根据权利要求6所述的焊接接头的制造方法，其特征在于，

所述钢材的板厚为6mm以上且100mm以下，Ni含量为5.5质量％以上且9.5质量％以下，抗拉强度为660MPa以上且900MPa以下。

8.根据权利要求6或7所述的焊接接头的制造方法，其特征在于，

所述焊接是气体保护电弧焊接。

9.根据权利要求8所述的焊接接头的制造方法，其特征在于，

保护气体是以下气体之中的任一者：

纯Ar气体；

纯He气体；

包含Ar和合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体；和

包含He和合计为20体积％以下的选自O₂和CO₂之中的一者或两者的气体。

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