JP2005059077A - Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】 ９％Ｎｉ鋼及び各種高Ｎｉ合金等の溶接において、耐高温割れ性及び溶接作業性が優れたＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】 外皮の組成を、Ｎｉ：６５乃至８０質量％、Ｍｏ：８乃至２２質量％、Ｈ：０．０００５乃至０．００２０質量％、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｃａ：０．００２０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以下、Ｖ：０．０２０質量％以下、Ｏ：０．００５０質量％以下とし、ワイヤ全体の組成を、Ｎｉ：５５乃至７５質量％、Ｃｒ:１５．０質量％以下、Ｍｏ：１０乃至２０質量％、Ｗ：２．０乃至５．０質量％、Ｍｎ：１．５乃至５．５質量％、Ｔｉ：０．０１０乃至０．４００質量％、Ｆｅ：８．０質量％以下、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３０質量％以下、Ｖ：０．０３０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｂ：０．００５０質量％以下にする。
【選択図】 なし
【解決手段】 外皮の組成を、Ｎｉ：６５乃至８０質量％、Ｍｏ：８乃至２２質量％、Ｈ：０．０００５乃至０．００２０質量％、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｃａ：０．００２０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以下、Ｖ：０．０２０質量％以下、Ｏ：０．００５０質量％以下とし、ワイヤ全体の組成を、Ｎｉ：５５乃至７５質量％、Ｃｒ:１５．０質量％以下、Ｍｏ：１０乃至２０質量％、Ｗ：２．０乃至５．０質量％、Ｍｎ：１．５乃至５．５質量％、Ｔｉ：０．０１０乃至０．４００質量％、Ｆｅ：８．０質量％以下、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３０質量％以下、Ｖ：０．０３０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｂ：０．００５０質量％以下にする。
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Description
本発明は、Ｎｉ基合金を外皮とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関し、特に、液化天然ガスタンク等の極低温用容器及び化学機器等を溶接する際に使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関する。
Ｎｉ基合金系溶接材料は、既存の鉄系溶接材料及びステンレス系溶接材料に比べて耐食性及び耐熱性が飛躍的に優れているため、ＴＩＧ、ＭＩＧ及びＳＭＡＷ等の各種溶接法に適用されている。更に、Ｎｉ基合金系溶接材料は、耐熱性及び耐食性のみならず、極低温における強度及び靭性特性も優れているため、９％Ｎｉ鋼により製作されるＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）用等の極低温用タンクの溶接施工にも適用されている。
また、近時、溶接施工の高能率化が進み、種々のフラックス入りワイヤが開発されており、極低温用容器及び化学機器等の分野においても、溶接能率の高能率化を目指し、フラックス入りワイヤを導入する動きが活発になっている。しかしながら、従来のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ＬＮＧ用等の極低温環境で使用されるタンク及び圧力容器を製造する際に求められる品質を、十分満たしているとは言えない。例えば、現在市販されているＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、その耐割れ性能の限界から、適用範囲がごく一部の範囲に限られている。更に、現在市販されているＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、溶接作業性においても、炭素鋼用及びステンレス鋼用のフラックス入りワイヤに比べて十分ではなく、安定した溶接作業性の確保が大きな課題となっている。
従来、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤの溶接作業性を改善するため、種々の検討がなされている（例えば、特許文献１乃至５参照。）。特許文献１乃至５に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、スラグ形成材、アルカリ金属及び希土類金属等のフラックス充填剤の組成を最適化し、更にフラックスの充填率を規定することにより、溶接時のアークを安定させている。特に、特許文献３に記載のフラックス入りワイヤにおいては、フラックスに含まれるＭｏに注目し、その粒径及び含有量を適正化することにより、溶接作業性の向上を図っている。
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。前述の特許文献１乃至５に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、いずれも溶接作業性の向上を図ったものであり、耐高温割れ（凝固割れ）性能が十分ではないという問題点がある。そこで、耐高温割れ性を向上させるための検討がなされているが、未だ十分な性能は得られていない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、９％Ｎｉ鋼及び各種高Ｎｉ合金等の溶接において、耐高温割れ性及び溶接作業性が優れたＮｉ基合金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Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、Ｎｉ基合金を外皮とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、Ｎｉ：６５乃至８０質量％、Ｍｏ：８乃至２２質量％及びＨ：０．０００５乃至０．００２０質量％を含有し、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｃａ：０．００２０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以下、Ｖ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制したＮｉ基合金により形成された外皮を有し、前記外皮成分と前記外皮に内包されるフラックス成分とをあわせたワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｎｉ：５５乃至７５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％以下、Ｍｏ：１０乃至２０質量％、Ｗ：２．０乃至５．０質量％、Ｍｎ：１．５乃至５．５質量％、Ｔｉ：０．０４０乃至０．４００質量％及びＦｅ：８．０質量％以下を含有し、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３０質量％以下、Ｖ：０．０３０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下及びＢ：０．００５０質量％以下に規制されていることを特徴とする。
本発明者等は、上述の問題点を解決するため鋭意実験検討を行った結果、外皮組成を適正化することにより、溶接ワイヤと給電チップとの間の通電性が安定し、アーク安定性を確保することができるということを見出した。そこで、本発明においては、ワイヤ全体の組成及び外皮の組成を上述の範囲内とする。これにより、溶接金属の凝固割れを防止することができると共に、溶接作業中のアークを安定させることができる。その結果、耐高温割れ性及び溶接作業性が向上する。
前記Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、更に、スラグ原料を含有していてもよい。また、前記フラックスは、融点が２０００℃以上の金属粉末を含有していないことが好ましい。更に、ワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．０２０質量％以下に規制することが好ましく、ワイヤ中のＣ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｐ含有量（質量％）を［Ｐ］、Ｓ含有量（質量％）を［Ｓ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］、Ｎｂ含有量（質量％）を［Ｎｂ］、Ｆｅ含有量（質量％）を［Ｆｅ］としたとき、下記数式１により与えられる高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）は、例えば、１２０以下である。これにより、耐高温割れ性が向上する。
本発明によれば、ワイヤ全体の組成を適正化すると共に、外皮の組成を適正化することにより、溶接金属の凝固割れを防止し、かつ溶接作業中のアークを安定させることができるため、優れた耐高温割れ性及び溶接作業性を得ることができる。
以下、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤについて、具体的に説明する。本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、Ｎｉ：６５乃至８０質量％、Ｍｏ：８乃至２２質量％及びＨ：０．０００５乃至０．００２０質量％を含有し、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｃａ：０．００２０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以下、Ｖ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制したＮｉ基合金により形成された外皮にフラックスが内包されている。そして、この外皮（Ｎｉ基合金）成分とフラックス成分とをあわせたワイヤ全体の組成は、ワイヤ全質量に対して、Ｎｉ：５５乃至７５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％以下、Ｍｏ：１０乃至２０質量％、Ｗ：２．０乃至５．０質量％、Ｍｎ：１．５乃至５．５質量％、Ｔｉ：０．０４０乃至０．４００質量％及びＦｅ：８．０質量％以下を含有し、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３０質量％以下、Ｖ：０．０３０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下及びＢ：０．００５０質量％以下に規制されている。
先ず、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤの外皮であるＮｉ基合金の組成限定理由について説明する。従来のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、金属外皮としてＡＷＳ−Ａ５．１４規格 ＥＲＮｉＣｒ−３、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−３、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−４、ＥＲＮｉＣｒＭｏ−１０等の合金系が使用されてきた。しかしながら、これらの合金はいずれもＣｒ含有量が高く、また、一部の合金はＮｂ及びＶを含有しているため、溶接金属の耐高温割れ性が不十分であった。そこで、本発明者等は、溶接金属の耐高温割れ性の改善、更にはアーク安定性の改善の観点から、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおける外皮成分系の適性化について検討を行い、以下の成分範囲を得た。
Ｎｉ：６５乃至８０質量％、Ｍｏ：８乃至２２質量％
外皮金属としてＮｉ基合金を使用するのは、溶接金属の均一性を損なわないため、及びフラックスが充填過剰とならないように、フラックス中からの合金添加を抑えるためである。Ｎｉ基合金中のＮｉ含有量が６５質量％未満であると、必然的にその他の元素が添加されることになるが、溶接金属中のＮｉ以外の元素は、溶接金属の凝固過程における固−液２相領域の温度幅を大きくして、溶接金属の耐高温割れ性を劣化させる。一方、Ｎｉ含有量が８０質量％を超えると、その他の合金元素を全てフラックスに添加しなければならず、フラックス充填率（フラックス入りワイヤ全質量に対するフラックス質量の割合）が過剰になる。フラックス充填率が過剰になると、製造工程においてワイヤの伸線が困難になり、生産性が低下する。
外皮金属としてＮｉ基合金を使用するのは、溶接金属の均一性を損なわないため、及びフラックスが充填過剰とならないように、フラックス中からの合金添加を抑えるためである。Ｎｉ基合金中のＮｉ含有量が６５質量％未満であると、必然的にその他の元素が添加されることになるが、溶接金属中のＮｉ以外の元素は、溶接金属の凝固過程における固−液２相領域の温度幅を大きくして、溶接金属の耐高温割れ性を劣化させる。一方、Ｎｉ含有量が８０質量％を超えると、その他の合金元素を全てフラックスに添加しなければならず、フラックス充填率（フラックス入りワイヤ全質量に対するフラックス質量の割合）が過剰になる。フラックス充填率が過剰になると、製造工程においてワイヤの伸線が困難になり、生産性が低下する。
また、Ｍｏは溶接金属の強度を確保するために不可欠な元素であるが、外皮中のＭｏ含有量が少ない場合には、足りない分をフラックスに添加しなければならない。フラックスにＭｏを添加する場合は、通常金属Ｍｏを使用するが、金属Ｍｏは融点が高いため、溶接時に溶け残って欠陥になりやすい。そのため、比較的融点が低いＭｏ合金を添加することが考えられるが、外皮中で不足しているＭｏをＭｏ合金により補完するためには、金属Ｍｏを添加する場合より多量に添加しなければならない。しかしながら、一般的にＭｏ合金はＰ及びＳ等の不純物の含有量が高いため、多量に添加すると溶接金属の耐高温割れ性が低下する。このような理由から、フラックス入りワイヤに必要なＭｏは、金属外皮に添加することが好ましい。なお、外皮中のＭｏ含有量が８質量％未満であると、溶接金属の強度を得るためにフラックスにＭｏを添加しなければならなくなる。一方、外皮中のＭｏ含有量が２２質量％を超えると、金属外皮の熱間加工性が低下して外皮の成形が困難になる。よって、外皮を形成するＮｉ基合金としては、Ｎｉ含有量が６５乃至８０質量％であり、且つＭｏ含有量が８乃至２２質量％であるＮｉ−Ｍｏ合金を使用する。
Ｈ：０．０００５乃至０．００２０質量％
Ｈは１価の陰イオンになりアークを安定させる効果がある。但し、Ｈ含有量が０．０００５質量％未満の場合、その効果が得られない。一方、Ｈ含有量が０．００２０質量％を超えると、帯鋼を圧延する際に割れが発生しやすくなる。よって、外皮中のＨ含有量は０．０００５乃至０．００２０質量％とする。なお、本発明においては、ＬＥＣＯ法により測定した外皮中の全Ｈ量を、外皮中のＨ含有量として規定する。
Ｈは１価の陰イオンになりアークを安定させる効果がある。但し、Ｈ含有量が０．０００５質量％未満の場合、その効果が得られない。一方、Ｈ含有量が０．００２０質量％を超えると、帯鋼を圧延する際に割れが発生しやすくなる。よって、外皮中のＨ含有量は０．０００５乃至０．００２０質量％とする。なお、本発明においては、ＬＥＣＯ法により測定した外皮中の全Ｈ量を、外皮中のＨ含有量として規定する。
Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｃａ：０．００２０質量％以下、Ｏ：０．００５０質量％以下
Ａｌ、Ｃａ及びＯは外皮中に存在する不可避的不純物である。外皮中のＯ含有量が０．００５０質量％を超え、且つＡｌ含有量が０．０２０質量％を超えると、外皮金属中に介在物であるＡｌ系酸化物が生成する。このＡｌ系酸化物が、溶接時に外皮表面、即ち、給電チップとの接触面に存在すると、通電が著しく劣化してアークが不安定になる。また、外皮中のＣａ含有量が０．００２０質量％を超えると、前述のＡｌ系酸化物が大きくなって、アーク不安定の原因となる。よって、外皮中のＡｌ、Ｃａ及びＯの含有量は、夫々、Ａｌ含有量を０．００２０質量％以下、Ｃａ含有量を０．００２０質量％以下及びＯ含有量を０．００５０質量％以下に規制する。
Ａｌ、Ｃａ及びＯは外皮中に存在する不可避的不純物である。外皮中のＯ含有量が０．００５０質量％を超え、且つＡｌ含有量が０．０２０質量％を超えると、外皮金属中に介在物であるＡｌ系酸化物が生成する。このＡｌ系酸化物が、溶接時に外皮表面、即ち、給電チップとの接触面に存在すると、通電が著しく劣化してアークが不安定になる。また、外皮中のＣａ含有量が０．００２０質量％を超えると、前述のＡｌ系酸化物が大きくなって、アーク不安定の原因となる。よって、外皮中のＡｌ、Ｃａ及びＯの含有量は、夫々、Ａｌ含有量を０．００２０質量％以下、Ｃａ含有量を０．００２０質量％以下及びＯ含有量を０．００５０質量％以下に規制する。
Ｎｂ：０．０２０質量％以下、Ｖ：０．０２０質量％以下
Ｎｂ及びＶは外皮中に存在する不可避的不純物である。外皮中のＮｂ含有量及びＶ含有量が高くなると、必然的にフラックス入りワイヤにおけるＮｂ含有量及びＶ含有量も高くなる。フラックス入りワイヤ中においてこれらの含有量が高くなると、溶接金属の耐高温割れ性が劣化する。従って、外皮中のＮ及びＶの含有量は、フラックス入りワイヤに使用しても溶接金属の耐高温割れ性を劣化させない程度、具体的には、Ｎｂ含有量を０．０２０質量以下、Ｖ含有量を０．０２０質量％以下に規制する。
Ｎｂ及びＶは外皮中に存在する不可避的不純物である。外皮中のＮｂ含有量及びＶ含有量が高くなると、必然的にフラックス入りワイヤにおけるＮｂ含有量及びＶ含有量も高くなる。フラックス入りワイヤ中においてこれらの含有量が高くなると、溶接金属の耐高温割れ性が劣化する。従って、外皮中のＮ及びＶの含有量は、フラックス入りワイヤに使用しても溶接金属の耐高温割れ性を劣化させない程度、具体的には、Ｎｂ含有量を０．０２０質量以下、Ｖ含有量を０．０２０質量％以下に規制する。
なお、外皮中のＣｒ含有量が５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が劣化することがある。そこで、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいては、外皮中のＣｒ含有量を５．０質量％以下にすることが好ましい。
次に、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおける外皮（Ｎｉ基合金）及びフラックスに含まれる各成分を合計したワイヤ全体の組成限定理由について説明する。
Ｎｉ：ワイヤ全質量あたり５５乃至７５質量％
Ｎｉは種々の金属と合金化して、溶接金属に優れた機械性能及び耐食性を付与する。但し、フラックス入りワイヤにおけるＮｉ含有量が５５質量％未満の場合、溶接金属が希釈されたときに安定したオーステナイト組織が形成されない。一方、Ｎｉ含有量が７５質量％を超えると、他の合金元素の添加量が不十分となり、機械性能が確保できなくなる。よって、Ｎｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり５５乃至７５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおおけるＮｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックス中に含まれる金属Ｎｉ及びＮｉ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＮｉに換算した値をＮｉ含有量として規定する。
Ｎｉは種々の金属と合金化して、溶接金属に優れた機械性能及び耐食性を付与する。但し、フラックス入りワイヤにおけるＮｉ含有量が５５質量％未満の場合、溶接金属が希釈されたときに安定したオーステナイト組織が形成されない。一方、Ｎｉ含有量が７５質量％を超えると、他の合金元素の添加量が不十分となり、機械性能が確保できなくなる。よって、Ｎｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり５５乃至７５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおおけるＮｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックス中に含まれる金属Ｎｉ及びＮｉ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＮｉに換算した値をＮｉ含有量として規定する。
Ｃｒ：ワイヤ全質量あたり１５．０質量％以下
Ｃｒは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果があるが、フラックス入りワイヤ中のＣｒ量が１５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｃｒ含有量は、ワイヤ全質量あたり１５．０質量％以下とする。また、より好ましくは、Ｃｒ含有量が４．０質量％以下である。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＣｒ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ合金及びＣｒ２Ｏ３等があり、本発明においては、これらの含有量をＣｒに換算した値をＣｒ含有量として規定する。
Ｃｒは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果があるが、フラックス入りワイヤ中のＣｒ量が１５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｃｒ含有量は、ワイヤ全質量あたり１５．０質量％以下とする。また、より好ましくは、Ｃｒ含有量が４．０質量％以下である。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＣｒ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ合金及びＣｒ２Ｏ３等があり、本発明においては、これらの含有量をＣｒに換算した値をＣｒ含有量として規定する。
Ｍｏ：ワイヤ全質量あたり１０乃至２０質量％
Ｍｏは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＭｏ含有量が１０質量％未満の場合、溶接金属の耐食性及び強度を確保することができない。一方、Ｍｏ含有量が２０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｍｏ含有量は、ワイヤ全質量あたり１０乃至２０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＭｏ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｏ及びＦｅ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｏに換算した値をＭｏ含有量として規定する。
Ｍｏは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＭｏ含有量が１０質量％未満の場合、溶接金属の耐食性及び強度を確保することができない。一方、Ｍｏ含有量が２０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｍｏ含有量は、ワイヤ全質量あたり１０乃至２０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＭｏ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｏ及びＦｅ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｏに換算した値をＭｏ含有量として規定する。
Ｗ：ワイヤ全質量あたり２．０乃至５．０質量％
Ｗは溶接金属の強度を向上させる成分である。但し、フラックス入りワイヤにおけるＷ含有量が２．０質量％未満の場合、溶接金属の強度を確保することができない。一方、Ｗ含有量が５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｗ含有量は、ワイヤ全質量あたり２．０乃至５．０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＷ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｗ、Ｆｅ−Ｗ合金、ＷＣ等があり、本発明においては、これらの含有量をＷに換算した値をＷ含有量として規定する。
Ｗは溶接金属の強度を向上させる成分である。但し、フラックス入りワイヤにおけるＷ含有量が２．０質量％未満の場合、溶接金属の強度を確保することができない。一方、Ｗ含有量が５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｗ含有量は、ワイヤ全質量あたり２．０乃至５．０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＷ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｗ、Ｆｅ−Ｗ合金、ＷＣ等があり、本発明においては、これらの含有量をＷに換算した値をＷ含有量として規定する。
Ｍｎ：ワイヤ全質あたり１．５乃至５．５質量％
ＭｎはＮｉと低融点化合物を形成して耐高温割れ性を劣化させるＳと結合し、Ｓを無害化する効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＭｎ含有量が１．５質量％未満の場合、Ｓを無害化する効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が５．５質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は、ワイヤ全質量あたり１．５乃至５．５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＷ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｎ、ＦｅＭｎ合金、ＭｎＯ２及びＭｎＣＯ３等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｎに換算した値をＭｎ含有量として規定する。
ＭｎはＮｉと低融点化合物を形成して耐高温割れ性を劣化させるＳと結合し、Ｓを無害化する効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＭｎ含有量が１．５質量％未満の場合、Ｓを無害化する効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が５．５質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は、ワイヤ全質量あたり１．５乃至５．５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＷ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｎ、ＦｅＭｎ合金、ＭｎＯ２及びＭｎＣＯ３等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｎに換算した値をＭｎ含有量として規定する。
Ｔｉ：ワイヤ全質量あたり０．０４０乃至０．４００質量％
Ｔｉは溶接金属の脱酸剤として効果がある成分であるが、フラックス入りワイヤのＴｉ含有量が０．０４０質量％未満の場合、この脱酸効果を十分確保することができない。一方、Ｔｉ含有量が０．４００質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｔｉ含有量は、ワイヤ全量あたり０．０４０乃至０．４００質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＴｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＴｉに換算した値をＴｉ含有量として規定する。但し、このＴｉ含有量は、硫酸に溶解する金属Ｔｉ及びＴｉ合金に由来するＴｉの含有量とし、硫酸に溶解しないＴｉＯ２等の酸化物に由来するＴｉは含まない。
Ｔｉは溶接金属の脱酸剤として効果がある成分であるが、フラックス入りワイヤのＴｉ含有量が０．０４０質量％未満の場合、この脱酸効果を十分確保することができない。一方、Ｔｉ含有量が０．４００質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｔｉ含有量は、ワイヤ全量あたり０．０４０乃至０．４００質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＴｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＴｉに換算した値をＴｉ含有量として規定する。但し、このＴｉ含有量は、硫酸に溶解する金属Ｔｉ及びＴｉ合金に由来するＴｉの含有量とし、硫酸に溶解しないＴｉＯ２等の酸化物に由来するＴｉは含まない。
Ｆｅ：ワイヤ全質あたり８．０質量％以下
Ｆｅは溶接金属の延性を確保するために添加する。但し、Ｆｅ含有量が８．０質量％を超えると、耐高温割れ性が劣化する。よって、Ｆｅ含有量は、ワイヤ全量あたり８．０質量％以下とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＦｅ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｆｅ、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｍｏ合金及びＦｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＦｅに換算した値をＦｅ含有量として規定する。
Ｆｅは溶接金属の延性を確保するために添加する。但し、Ｆｅ含有量が８．０質量％を超えると、耐高温割れ性が劣化する。よって、Ｆｅ含有量は、ワイヤ全量あたり８．０質量％以下とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＦｅ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｆｅ、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｍｏ合金及びＦｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＦｅに換算した値をＦｅ含有量として規定する。
Ｓｉ：ワイヤ全質量あたり０．２０質量％以下
Ｓｉはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＳｉ量が、ワイヤ全質量あたり０．２０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０２０質量％以下に規制する。なお、本発明におけるＳｉ含有量は、塩酸及び硝酸に溶解する金属Ｓｉ及びＳｉ合金に由来するＳｉの含有量とし、酸に溶解しないＳｉＯ２等の酸化物に由来するＳｉは含まない。
Ｓｉはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＳｉ量が、ワイヤ全質量あたり０．２０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０２０質量％以下に規制する。なお、本発明におけるＳｉ含有量は、塩酸及び硝酸に溶解する金属Ｓｉ及びＳｉ合金に由来するＳｉの含有量とし、酸に溶解しないＳｉＯ２等の酸化物に由来するＳｉは含まない。
Ｎｂ：ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下
Ｎｂはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＮｂ量が、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｎｂ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下に規制する。
Ｎｂはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＮｂ量が、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｎｂ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下に規制する。
Ｖ：ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下
Ｖはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＶ量が、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｖ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下に規制する。
Ｖはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＶ量が、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｖ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下に規制する。
Ｐ：ワイヤ全質量あたり０．０１０質量％、Ｓ：ワイヤ全質量あたり０．０１０質量％、Ｂ：ワイヤ全質量あたり０．００５０質量％
Ｐ、Ｓ及びＢはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＰ量又はＳ量がワイヤ全質量あたり０．０１０質量％を超えるか、又は、Ｂ量がワイヤ全質量あたり０．００５０質量％を超えると、結晶粒界中にこれらの元素とＮｉとの低融点化合物が生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｐ、Ｓ及びＢの含有量は夫々、Ｐ：ワイヤ全質量あたり０．０１０質量％以下、Ｓ：ワイヤ全質量あたり０．０１０質量％以下、Ｂ：ワイヤ全質量あたり０．００５０質量％に規制する。
Ｐ、Ｓ及びＢはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤ中のＰ量又はＳ量がワイヤ全質量あたり０．０１０質量％を超えるか、又は、Ｂ量がワイヤ全質量あたり０．００５０質量％を超えると、結晶粒界中にこれらの元素とＮｉとの低融点化合物が生成するため、耐高温割れ性が低下する。よって、Ｐ、Ｓ及びＢの含有量は夫々、Ｐ：ワイヤ全質量あたり０．０１０質量％以下、Ｓ：ワイヤ全質量あたり０．０１０質量％以下、Ｂ：ワイヤ全質量あたり０．００５０質量％に規制する。
また、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいては、ワイヤの目的に応じて、適当な量及び組成のスラグ原料を添加することができる。本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤに添加されるスラグ原料としては、金属酸化物及び金属弗化物等の非金属成分が挙げられる。これらは、アークを安定化し、ビード形状を整える効果がある。なお、本発明は、外皮の組成及びワイヤ全体の合金組成について規定するものであり、スラグ原料の組成については特に言及しない。
更に、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおけるフラックスは、融点が２０００℃以上の金属粉末を含有していないことが好ましい。フラックス中の合金原料として、Ｍｏ及びＷ等の融点が２０００℃以上の金属粉末を含有していると、溶接条件によってはこれらの合金原料が溶接中に完全に溶けきらず、溶接金属中に残留して溶接欠陥となることがある。このため、フラックス中には、融点が２０００℃以上の金属粉末を含まないことが望ましい。融点が２０００℃以上の金属粉末を添加する必要がある場合は、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ及びＦｅ−Ｗ等のように、他の元素と合金化し、融点が２０００℃以下になるように調整した金属原料粉末を使用することが好ましい。
更にまた、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいては、不可避的不純物であるＣの含有量を、ワイヤ全質量あたり０．０２０質量以下に規制することが好ましい。フラックス入りワイヤ中のＣ量が、０．０２０質量％を超えると、溶接金属の延性が低下して耐高温割れ性が低下することがある。
更にまた、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいては、上記数式１から求められる高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）が１２０以下であることが好ましい。高温割れ感受性は、溶接金属の凝固過程における固−液２相領域の温度幅（ＢＴＲ）に大きく影響され、その幅は合金成分により決定される。上記数式１から求められる高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）が１２０を超えると、固−液２相領域の温度幅が大きくなって、高温割れ感受性が大きくなる。なお、高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）は、１００以下であることがより好ましい。更に好ましくは、高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）が９０以下である。
以下、本発明の実施例のアーク安定性及び耐高温割れ性について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、下記表１．１及び表１．２に示す組成のＮｉ基合金からなる厚さ０．４ｍｍ、幅９．０ｍｍの帯を湾曲させて、円筒状の外皮（Ｎｏ．Ａ乃至Ｇ）を作製した。なお、外皮Ｎｏ．Ｇは、前述のＡＷＳ−Ａ５．１４規格 ＥＲＮｉＣｒ−３に、外皮Ｎｏ．Ｃ及び外皮Ｎｏ．ＤはＥＲＮｉＣｒＭｏ−３に、外皮Ｎｏ．ＥはＥＲＮｉＣｒＭｏ−４に、Ｎｏ．ＦはＥＲＮｉＣｒＭｏ−１０に相当する。これらの外皮に、金属原料と下記表２に示すスラグ成分とからなるフラックスを内包し、下記表３．１及び表３．２に示す組成のフラックス入りワイヤ（Ｎｏ．１乃至３２）を作製した。このワイヤを、直径が１．２ｍｍになるように伸線加工した後、通電過熱により、ワイヤ中に含まれる水分を４００ｐｐｍ以下にしたものを供試ワイヤとした。
次に、前述の方法で製造したＮｏ．１乃至３２のワイヤについて、アーク安定性及び耐高温割れ性について評価を行った。アーク安定性は、板厚２０ｍｍ、直径４００ｍｍの鋼管を回転させながら、その外周を１０分間連続溶接したときのアーク電圧の変化により評価した。その際の溶接条件は、電流を２００Ａ、電圧を３０Ｖとし、シールドガスにはＡｒ−８０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とした。そして、溶接時に溶接電流とアーク電圧とを連続的に測定して、電圧が３５Ｖを超えた場合を通電不良によるアーク不安定であるとし、通電不良が起こらなかったものを◎、通電不良が起こったものを×とした。
耐高温割れ性の評価は、トランス・バレストレイン試験により行った。図１はトランス・バレストレイン試験の試験片の溝形状及び積層方法を示す断面図である。図２（ａ）はトランス・バレストレイン試験の試験片を示す平面図であり、図２（ｂ）は試験方法を示す断面図である。先ず、図１に示すように、板厚５０ｍｍ、幅３５０ｍｍ、長さ５００ｍｍのＳＭ４９０鋼板１に、幅６０ｍｍ、深さ１０ｍｍ、開先角度３０°の溝を形成した。そして、この鋼板１の溝部分を供試ワイヤにより３層溶接した。次に、鋼板１から溶接部２をなるべく含むようにして、厚さ１０ｍｍ、幅３５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片を切りだした。そして、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、試験片の長さ方向に沿って、溶接部２をＴＩＧ溶接法により再溶接しながら、試験片の幅方向に伸びひずみを与え、これにより溶接金属に生じた最大割れ長さを測定した。
その際のＴＩＧ溶接条件は、電流を２００Ａ、電圧を１３Ｖ、溶接速度を１０ｃｍ／分とし、シールドガスには１００％Ａｒを使用し、シールドガスの流量は２０リットル／分とした。また、試料片を、溶接部２が曲げブロック５の湾曲部に位置するようにして、曲げブロック５上に配置し、その一方の端部をクランプ４で固定した。そして、ＴＩＧトーチ６にアークを発生させてから２４秒後に、試料片の他方の端部に加重を加えて試験片を曲げ変形させ、試験片に３．３％のひずみがかかるようにした。
アーク安定性の評価結果及びトランス・バレストレイン試験における最大割れ長さを下記表４に示す。また、下記表４には各供試ワイヤの高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）を併せて示す。
上記表４に示すように、本発明の実施例であるＮｏ．１乃至９、Ｎｏ．１７及びＮｏ．２１のワイヤは、１０分間連続溶接を行ってもアーク電圧が安定しており、アーク安定性が優れていた。また、これらのワイヤは、最大割れ長さが１．２ｍｍ未満であり、耐高温割れ性も優れていた。図３は横軸に高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）をとり、縦軸に試験片の最大割れ長さをとって、ＢＴＲＣＡＬと最大割れ長さとの関係を示すグラフ図である。図３に示すように、本実施例のワイヤは、ＢＴＲＣＡＬが小さくなるに従い、最大割れ長さが短くなり、ＢＴＲＣＡＬが１００以下のワイヤでは、最大割れ長さは１．０ｍｍ以下であった。このように、本発明の実施例であるＮｏ．１乃至９、Ｎｏ．１７及びＮｏ．２１のワイヤは、アーク安定性及び耐高温割れ性共に優れていた。但し、Ｎｏ．９のワイヤは、フラックスに融点が２０００℃以上である金属Ｍｏ粉末及び金属Ｗ粉末を添加しているため、トランス・バレストレイン試験の際に、Ｍｏの溶け残りが原因であると考えられる欠陥が若干検出された。また、Ｎｏ．２１のワイヤは、ＢＴＲＣＡＬの値が１２０を超えているため、耐高温割れ性がやや劣っていた。
一方、本発明の比較例であるＮｏ．１０乃至１６、Ｎｏ．１８乃至２０及びＮｏ．２２乃至３２のワイヤは、アーク安定性及び耐高温割れ性が前述の実施例のワイヤよりも劣っていた。例えば、Ｎｏ．１０のワイヤは、ワイヤ全体におけるＭｏ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。また、Ｎｏ．１１のワイヤは、ワイヤ全体におけるＷ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．１２のワイヤは、ワイヤ全体におけるＭｎ含有量が本発明の範囲未満であるため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．１３のワイヤは、ワイヤ全体におけるＭｎ含有量が本発明の範囲を超えているため、スラグ剥離性が劣っていた。Ｎｏ．１４のワイヤは、ワイヤ全体におけるＴｉ含有量が本発明の範囲未満であるため、脱酸が不十分となり、バレストレイン試験片を加工している際にブローホールが検出された。Ｎｏ．１５のワイヤは、ワイヤ全体におけるＴｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．１６のワイヤは、ワイヤ全体におけるＦｅ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。
Ｎｏ．１８のワイヤは、ワイヤ全体におけるＰ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．１９のワイヤは、ワイヤ全体におけるＳ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．２０のワイヤは、ワイヤ全体におけるＢ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．２２のワイヤは、ワイヤ全体におけるＶ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．２３のワイヤは、ワイヤ全体におけるＳｉ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．２４のワイヤは、外皮成分が本発明の範囲外であると共に、ワイヤ全体におけるＮｂ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．２５乃至２７、Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３１及びＮｏ．３２のワイヤは、外皮成分が本発明の範囲外であると共に、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。Ｎｏ．２８のワイヤは、ワイヤ全体の組成は本発明の範囲内であるが、外皮成分が本発明の範囲外であるため、耐高温割れ性が劣っていた。特に、Ｎｏ．２５乃至Ｎｏ．２９、Ｎｏ．３１及びＮｏ．３２のワイヤはＢＴＲＣＡＬが本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が著しく劣っていた。また、Ｎｏ．３０のワイヤは、外皮成分が本発明の範囲外であり、ワイヤ全体におけるＶ含有量が本発明の範囲を超えているため、耐高温割れ性が劣っていた。更に、Ｎｏ３０のワイヤは、ワイヤ全体におけるＮｉ含有量が本発明の範囲未満であるため、溶接時に希釈を受けて安定したオーステナイト組織が得られなかった。
１：鋼板
２：溶接部
３：再溶接部
４：クランプ
５：曲げブロック
６：ＴＩＧトーチ
２：溶接部
３：再溶接部
４：クランプ
５：曲げブロック
６：ＴＩＧトーチ
Claims (5)
- Ｎｉ基合金を外皮とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、Ｎｉ：６５乃至８０質量％、Ｍｏ：８乃至２２質量％及びＨ：０．０００５乃至０．００２０質量％を含有し、Ａｌ：０．０２０質量％以下、Ｃａ：０．００２０質量％以下、Ｎｂ：０．０２０質量％以下、Ｖ：０．０２０質量％以下及びＯ：０．００５０質量％以下に規制したＮｉ基合金により形成された外皮を有し、前記外皮成分と前記外皮に内包されるフラックス成分とをあわせたワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｎｉ：５５乃至７５質量％、Ｃｒ：１５．０質量％以下、Ｍｏ：１０乃至２０質量％、Ｗ：２．０乃至５．０質量％、Ｍｎ：１．５乃至５．５質量％、Ｔｉ：０．０４０乃至０．４００質量％及びＦｅ：８．０質量％以下を含有し、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３０質量％以下、Ｖ：０．０３０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下及びＢ：０．００５０質量％以下に規制されていることを特徴とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
- 更に、スラグ原料を含有することを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
- 前記フラックスは、融点が２０００℃以上の金属粉末を含有していないことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
- ワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．０２０質量％以下に規制したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
- ワイヤ中のＣ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｐ含有量（質量％）を［Ｐ］、Ｓ含有量（質量％）を［Ｓ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］、Ｎｂ含有量（質量％）を［Ｎｂ］、Ｆｅ含有量（質量％）を［Ｆｅ］としたとき、下記数式により与えられる高温割れ感受性指数（ＢＴＲＣＡＬ）が、１２０以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
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