JP2002307189A - 高靭性低温変態フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軟鋼および４９０ＭＰａ級鋼材を溶接する際
に、溶着金属の変態温度を下げ、溶接部の残留応力を低
減することにより、溶接部の疲労強度を向上する。 【解決手段】 ステンレス鋼外皮内に、ワイヤ全重量に
対する質量％で、ＴｉＯ ₂ ：４．０〜６．０％、ＳｉＯ
₂ ：１．０〜３．０％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：０．２〜０．９％
を含み、かつスラグ成分の合計がワイヤ全重量の６．０
〜９．０％である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、ワイヤ全重量に対する質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．０６％、Ｓｉ：０．３〜１．８％、
Ｍｎ：０．７〜２．７％、Ｃｒ：１５〜１７％、Ｎｉ：
９〜１１％を含み、かつ下記ＦＭ値が０〜４．０とす
る。 ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフラックス入りワイ
ヤに係り、さらに詳しくはＪＩＳ規格ＳＳ３３０、ＳＳ
４００、ＳＭ４００、ＳＭ４９０などの４９０ＭＰａ級
以下の構造用鋼の溶接部の残留応力を低減し疲労強度を
改善することを目的とする。すなわち、溶着金属の変態
温度を下げ、母材の軟鋼や４９０ＭＰａ級鋼材なみの靭
性を得るための高靭性低温変態フラックス入りワイヤに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶接部に発生する疲労亀裂は構造物全体
の信頼性に重大な影響を与えるため、その疲労特性を向
上させる手段は以前より試みられている。疲労亀裂は応
力集中、引張の残留応力が存在する溶接部に発生しやす
いことが判ってきている。そのため、機械的な方法ある
いはＴＩＧ溶接により化粧溶接を施して応力集中を減ら
す方法、またはショットブラストなどによるピーニング
を用いて疲労が発生する部位に圧縮残留応力を導入し同
時に応力集中を減らす方法などにより疲労強度の改善を
行ってきた。

【０００３】しかしながら、これらの方法は構造物製作
のコストアップになるため、これらの方法を用いずに疲
労強度が改善できる溶接施工法が望まれていた。最近に
なり、溶接金属の相変態による膨張を利用して残留応力
を低減させ、これにより疲労強度を向上させる手法が注
目されている。例えば特開平１１−１３８２９０号公報
では、溶接金属のマルテンサイト変態を利用し、該溶接
金属が室温においてマルテンサイト変態開始時より膨張
している状態とすることにより、溶接金属の引張残留応
力を緩和する技術が開示されている。さらには、「溶接
学会論文集」第１８巻平成１２年第１号の１４１ページ
から１４５ページにおいて、太田らはＣｒおよびＮｉを
重量％にてそれぞれ１０％含有する溶接材料を用いて角
回し溶接継手を製作すれば、疲労強度が改善するという
研究報告もなされている。

【０００４】特にこれら発明および研究報告は、鋼材強
度が高くなると鋼材の疲労強度は上昇するが、溶接金属
部の疲労強度は高くならず、構造物の強度が高くなると
鋼材の強度が疲労強度で支配されている場合には母時の
高張力化の利点が得られない、という産業界が抱える問
題点を指摘している。このため特に高張力鋼（例えば前
記太田らの研究報告では７８０ＭＰａ級鋼材を用いて疲
労強度改善を確認している）での疲労強度改善に重点を
置いている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記の溶接金属の変態
膨張を利用する技術も、必ずしも全ての溶接継手の疲労
強度改善に有効であるというわけではない。例えば、特
開平１１−１３８２９０号公報で開示されている技術に
よると、疲労強度を改善するためには室温での溶接金属
がマルテンサイト変態開始時より膨張していなければな
らない。確かに、この状態が実現すれば、溶接部には膨
張による圧縮の残留応力が導入され、溶接金属の引張残
留応力が緩和されるため疲労強度改善が期待できる。し
かし、室温での溶接金属がマルテンサイト変態開始時よ
り膨張していなければならないという条件は、実際の継
手ではほとんど実現不可能である。

【０００６】その理由はきわめて単純である。すなわ
ち、溶接部の温度分布は、アークの集中熱源により、溶
接金属およびその近傍は融点またはそれに近い温度まで
加熱されるが、それ以外のほとんどの部分は加熱されな
いため、溶接金属は加熱されていない部分から拘束を受
け、たとえ変態膨張しても変態膨張量とほぼ同じ量の圧
縮塑性ひずみが導入されてしまう。このため溶接金属の
熱収縮が変態に伴う膨張を相殺してしまうためである。
すなわち、溶接金属がマルテンサイト変態時より膨張し
ていることは実質的に不可能である。

【０００７】そのため、実際の溶接継手で特開平１１−
１３８２９０号公報が開示している条件を達成すること
は、非常に特殊な継手に限った場合となり、実用的な観
点からは問題が多い。太田ら溶接学会論文集の第１８巻
平成１２年第１号の研究報告も、実用的な観点からはま
だ問題がある。この研究報告では、母材として７８０Ｍ
Ｐａ級鋼材を用いた場合で疲労強度改善を確認してい
る。しかし、実際の構造物では、軟鋼および４９０ＭＰ
ａ級鋼材が使用される場合がほとんどであるが、このよ
うな鋼材を用いた溶接継手では太田らの疲労強度向上技
術がそのまま適用できないことが判明した。そこで本発
明は溶着金属の変態温度を下げ、母材の軟鋼や４９０Ｍ
Ｐａ級鋼材なみの靭性を得ることにより、４９０ＭＰａ
級鋼以下の構造用溶接部の残留応力を低減し疲労強度を
改善することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、フラックス入りワイヤにおいて、フ
ラックス中にワイヤ全重量に対する質量％で、Ｔｉ
Ｏ₂ ：４．０〜６．０％、ＳｉＯ₂ ：１．０〜３．０
％、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：０．２〜０．９％をスラグ成分として
含有し、かつスラグ成分の合計をワイヤ全重量の６．０
〜９．０％にすると共に、外皮およびフラックスの少な
くとも一方に、ワイヤ全重量に対する質量％で、Ｃ：
０．０１〜０．０６％、Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍ
ｎ：０．７〜２．７％、Ｃｒ：１５〜１７％、Ｎｉ：９
〜１１％を含み、前記フラックスをステンレス鋼外皮内
に１８〜２５％充填し、かつ下記（１）式から求められ
るＦＭ値が０〜４．０であることを特徴とする高靭性低
温変態フラックス入りワイヤである。 ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２ （１） またここにおいて、対象とする被溶接材が４９０ＭＰａ
級以下の構造用鋼であることも特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】従来技術における７８０ＭＰａ級
鋼材の場合と、本発明における４９０ＭＰａ級以下の鋼
材の場合とを比較すると、７８０ＭＰａ級鋼材を溶接す
るときの方が溶接金属への圧縮応力の導入が容易であ
る。なぜなら、母材強度が高いほど溶接金属の変態膨張
に対する拘束反力も大きく、結果的に圧縮弾性歪みも大
きくなるため、変態終了後の熱収縮が発生しても圧縮応
力状態にとどまっている可能性が大きいからである。一
方、軟鋼の場合、低強度であるが故に圧縮弾性歪みの最
大値は７８０ＭＰａ級鋼材の１／３程度しかない。この
ことは、圧縮応力状態から引張応力状態に変えてしまう
熱収縮ひずみ量が、７８０ＭＰａ級鋼材は軟鋼の３倍程
度までは許されるということを意味する。

【００１０】そのため、溶接金属が変態膨張した後の熱
収縮が多少大きくても７８０ＭＰａ級鋼材の場合は、圧
縮応力状態のままであるため、軟鋼の場合よりも疲労強
度を改善することが容易である。このことは、逆に軟鋼
などの低強度鋼材を用いた溶接継手の疲労強度を改善さ
せることは、７８０ＭＰａ級鋼材の場合よりはるかに難
しい技術であることを意味する。本発明者らはこのよう
なことから、軟鋼および４９０ＭＰａ級鋼材溶接部の残
留応力を低減し疲労強度を改善する溶着金属成分につい
て種々検討した結果、本発明のフラックス入りワイヤを
完成させた。

【００１１】本発明のフラックス入りワイヤとは図１
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すような断面
形状で、パイプまたは帯鋼から成る外皮１にフラックス
２を充填したものである。図２（ａ）のような継目のな
いもの、図２（ｂ）ないし（ｃ）のような継目３がある
ものいずれも含まれる。なお、本発明のワイヤはＣｒお
よびＮｉ含有量が大なので、充填率の制限のためこれら
の全量をフラックスから供給するのは困難である。した
がって、外皮はステンレス鋼を使用する。次に本発明の
ベースとも言える充填フラックスについて、成分限定理
由を述べる。なお、以下において％は特に説明がない限
りはワイヤ全重量に対する質量％を示す。

【００１２】ＴｉＯ₂ は緻密な剥離性の良いスラグを形
成し、アークの安定性をもたらすが、４．０％未満では
その効果が発揮できず、６．０％を超えるとスラグの流
動性が増すと共に、アークの吹付けが強く広がりがなく
なるためビード形状が不良となる。したがってＴｉＯ₂
は４．０〜６．０％とする。原材料としてはルチル、チ
タンスラグ、イルミナイト、さらにはチタン酸カリ、チ
タン酸ソーダ等のチタン酸塩等がこれら単独あるいは複
合で用いられる。

【００１３】ＳｉＯ₂ は適度の粘性と共に被包性の良い
スラグを形成するのに必要な成分であるが、１．０％未
満ではその効果が発揮できずスラグ被包性は劣化する。
一方、３．０％を超えるとスラグの融点を低下させ、立
向および上向溶接において溶融金属の垂れが生じビード
形成が困難となる。したがってＳｉＯ₂ は１．０〜３．
０％とする。なお、ＳｉＯ₂ の原材料としては珪砂、珪
石の他、珪灰石、ジルコンサンド、カリ長石等の他成分
の原料の副成分も利用できる。

【００１４】Ａｌ₂ Ｏ₃ はＳｉＯ₂ 同様に適度の粘性と
共に被包性の良いスラグを形成するの必要な成分であ
り、さらにスラグの融点を上げることにより、スラグの
凝固を早め溶融金属の垂れを防止するのに有効である。
０．２％未満ではその効果が不十分であり、逆に０．９
％を超えた場合スラグが硬くなり剥離性が劣化し、スパ
ッタも増加する。したがってＡｌ₂ Ｏ₃ は０．２〜０．
９％とする。原材料としてはアルミナ、カリ長石等を用
いる。

【００１５】フラックス中のスラグ成分が合計で６．０
％未満では、スラグの被包性が不十分となり、立向およ
び上向溶接において溶融金属の保持が十分出来ずビード
形成が困難となる。一方、９．０％を超えるとスパッタ
が増加し、スラグインクルージョンが発生しやすくな
る。したがってフラックス中のスラグ成分の合計はワイ
ヤ全重量の６．０〜９．０％とする。なお本発明におい
てスラグ成分とは、前記ＴｉＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ
₃ を含む非金属成分を意味する。この他にスラグ成分と
してスラグの被包性、剥離性、アーク安定性向上のため
に、ＺｒＯ₂ 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 、ＦｅＯ等の酸化物を添加す
ることができる。

【００１６】以下の成分は外皮およびフラックスの少な
くとも一方に含有させる。なお、以下の説明における％
は前記のフラックス成分と同様にワイヤ全重量に対する
重量％を示す。

【００１７】Ｃは鉄に添加することによりＭｓ点（マル
テンサイト変態開始）温度を下げる働きをするため０．
０２％以上必要である。しかし、過度の添加は溶接割れ
や靭性劣化の問題を引き起こすため０．０６％を上限と
した。

【００１８】Ｓｉは溶接金属における脱酸剤として酸素
量を低減し靭性を向上させると共に、強度も向上させ
る。０．３％未満ではその効果が不十分である一方、
１．８％を超えると溶接金属への歩留りが過剰になり低
温靭性を劣化させる。したがってＳｉは０．３〜１．８
％とした。

【００１９】Ｍｎは強度を上げる元素として本発明の変
態膨張時の降伏点確保のため必要で、また焼入性を増加
させる効果もある。このために０．７％以上とするが、
一方、過度の添加は靭性を劣化させるため上限を２．７
％とした。

【００２０】Ｃｒはフェライトフォーマーであるが、溶
接入熱が低く冷速が大きい溶接部はフェライトとならず
にマルテンサイトとなる。したがって、Ｃｒ添加はマル
テンサイト変態による焼入性の増加とＭｓ点温度の低下
の効果がある。これにより変態膨張を利用し残留応力を
低減するには１５％以上必要であり、一方、１７％を越
えてもその効果は変わらないため、Ｃｒは１５〜１７％
とする。

【００２１】Ｎｉはオーステナイトフォーマーであり溶
接金属の靭性改善に効果があり、このためには９％以上
必要である。一方、１１％を越えるとＣｒの添加により
下げられたＭｓ点温度がさらに下がると共に、Ｍｆ点
（マルテンサイト変態終了）温度が常温以下となり、変
態途中の段階で室温に達してしまうので残留応力の低減
がなくなる。したがって、Ｎｉは９〜１１％とする。

【００２２】さらに本発明では、残留応力を低減し疲労
強度を改善する溶着金属成分としてフェライト、オース
テナイト、マルテンサイトを適正な比率で制御するた
め、下記（１）式から求められるＦＭ値を０〜０．４と
した。 ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２ （１）

【００２３】ステンレス鋼外皮へのフラックスの充填率
が１８％未満では外皮の肉厚が厚くなり、溶滴が肥大化
しスパッタが増加し、２５％を超えると逆に外皮の肉厚
が薄くなり伸線加工中に断線が発生しやすくなる。した
がってステンレス鋼外皮へのフラックスの充填は１８〜
２５％とする。

【００２４】

【実施例】表１に示す外皮および表２、表３に示す充填
フラックスからなる図１（ａ）に示す断面形状の１．２
ｍｍ径のフラックス入りワイヤを製造した。図２（ａ）
の平面図、（ｂ）の側面図に示す板厚１０ｍｍのＪＩＳ
Ｚ３１０１ ＳＳ４９０の一般構造用圧延鋼材へシー
ルドガスＣＯ₂ ガス、流量２０ｌ／ｍｉｎで、１８０
Ａ、２６Ｖの条件にてＪＩＳ Ｚ３３１３ ＹＦＷ−Ｃ
５０ＤＲタイプの１．２ｍｍ径のフラックス入りワイヤ
で下向でビードオンプレート溶接を行った。このビード
４の両側に平行して、上記の試験用フラックス入りワイ
ヤを使用して同条件で下向溶接を行った。図２において
５は試験用ワイヤによる溶接ビードである。溶接後の試
験板はＪＩＳ Ｚ３１０３「アーク溶接継手の片振り引
張疲れ試験方法」に準拠し、１５０ＭＰａの応力で亀裂
が発生するまでの繰返し数を測定して評価し、１．０×
１０⁶ 以上を良好とした。その結果は表４、表５に示す
通りであって、溶接作業性のアーク安定性、スパッタ発
生、スラグ剥離およびビード外観の評価は、○：良好、
×：不良とした。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】

【表５】

【００３０】比較例のＳｉＯ₂ およびスラグ成分合計の
多いワイヤＮｏ．１８は、スパッタがやや多く、スラグ
の被包性が劣り、ビード形状も不良であった。一方、ス
ラグ成分合計の少ないワイヤＮｏ．１９は、スラグの被
包が不十分でビード形状も不良であった。

【００３１】Ａｌ₂ Ｏ₃ の多いワイヤＮｏ．２０は、ス
パッタが多く、スラグ剥離も劣った。また、ＴｉＯ₂ の
多いワイヤＮｏ．２１は、アーク状態が強くやや不良
で、スラグ被包性が劣り、ビード形状も不良であった。

【００３２】Ａｌ₂ Ｏ₃ のないワイヤＮｏ．２２は、ス
ラグの粘性および被包性が劣り、ビード形状も不良であ
った。またＳｉＯ₂ の少ないワイヤＮｏ．２３は、スラ
グの被包性が劣り、ビード形状も不良であった。

【００３３】ＴｉＯ₂ が少なくスラグ成分合計の少ない
ワイヤＮｏ．２４は、アーク状態がやや不良で、スパッ
タが多く、スラグ剥離が劣った。一方、スラグ成分合計
が多いワイヤＮｏ．２５は、スパッタが多く発生した。

【００３４】また、Ｍｎの少ないワイヤＮｏ．２５、Ｎ
ｉの少ないワイヤＮｏ．２６、Ｃの多いワイヤＮｏ．２
７、Ｓｉの少ないワイヤＮｏ．２８、Ｍｎの多いワイヤ
Ｎｏ．２９、Ｓｉの多いワイヤＮｏ．３０、Ｃｒが少な
くＦＭ値の低いワイヤＮｏ．３１、Ｃｒが多くＦＭ値の
多いワイヤＮｏ．３２、Ｎｉが多くＦＭ値の低いワイヤ
Ｎｏ．３３、Ｃの少ないワイヤＮｏ．３４およびＦＭ値
の高いワイヤＮｏ．３５は、片振り引張疲れ試験の結果
１５０ＭＰａの応力で、繰返し数が１．０×１０⁶ 未満
でＨＡＺにき裂が発生し不良であった。

【００３５】これらに対し、ＴｉＯ₂ 、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ
₂ Ｏ₃ 、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＮｉが適量であっ
て、ＦＭ値が適正、フラックス中のスラグ成分の合計、
充填率の適正な本発明ワイヤＮｏ．１〜１７は、アーク
状態、スパッタ、スラグ、ビード外観等の溶接作業性が
良好であった。また片振り引張疲れ試験の結果も１５０
ＭＰａの応力で、繰返し数が１．０×１０⁶ 以上で良好
であった。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明は、溶着金属の変態
温度を下げ、４９０ＭＰａ級以下の構造用鋼の溶接部の
残留応力を低減し疲労強度を改善したものであって、溶
接部の品質向上に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は各種フラックス入りワイヤの
断面形状を示す図

【図２】試験板形状を示す図で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は側面図

【符号の説明】 １ 外皮 ２ 充填フラックス ３ 継目 ４ ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲワイヤによる溶接ビード ５ 試験用ワイヤによる溶接ビード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 糟谷 正 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 4E084 AA02 AA03 AA07 BA03 BA04 BA05 BA06 BA08 CA06 DA10 GA02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フラックス入りワイヤにおいて、フラッ
   クス中にワイヤ全重量に対する質量％で、 ＴｉＯ₂ ：４．０〜６．０％、 ＳｉＯ₂ ：１．０〜３．０％、 Ａｌ₂ Ｏ₃ ：０．２〜０．９％ をスラグ成分として含有し、かつスラグ成分の合計をワ
   イヤ全重量の６．０〜９．０％にすると共に、外皮およ
   びフラックスの少なくとも一方に、ワイヤ全重量に対す
   る質量％で、 Ｃ ：０．０１〜０．０６％、 Ｓｉ：０．３〜１．８％、 Ｍｎ：０．７〜２．７％、 Ｃｒ：１５〜１７％、 Ｎｉ：９〜１１％ を含み、前記フラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜
   ２５％充填し、かつ下記（１）式から求められるＦＭ値
   が０〜４．０であることを特徴とする高靭性低温変態フ
   ラックス入りワイヤ。 ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２ （１）
2. 【請求項２】 対象とする被溶接材が４９０ＭＰａ級以
   下の構造用鋼であることを特徴とする請求項１に記載の
   高靭性低温変態フラックス入りワイヤ。