JP2008126281A

JP2008126281A - 非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ

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Publication number: JP2008126281A
Application number: JP2006314763A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Inoue; 裕滋井上; Shigeru Okita; 茂大北; Akira Usami; 明宇佐見; Isamu Kimoto; 勇木本; Daisuke Omura; 大輔大村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-11-21
Also published as: JP4874064B2

Abstract

【課題】非消耗電極式溶接した際に、薄板溶接時及び精密溶接時における溶接ビード外観形状及び溶接作業性を良好に維持しつつ、耐硫酸腐食性と耐塩酸腐食性とが共に優れ、かつ強度と衝撃靱性に優れた溶接部が得られる非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％を含有し、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下に制限し、更に金属粉にのみ、Ｃｕ含有量が１０〜３０質量％のＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金をワイヤ全質量あたりＣｕ：０．１〜１．０％、Ｓｂ含有量が４０〜６０質量％のＦｅ−Ｓｂ合金をワイヤ全質量あたりＳｂ：０．０１〜０．２５質量％含有し、残部が不可避的不純物からなる組成とし、金属粉に含まれるＦｅ粉中のＯ含有量を０．５質量％以下にする。
【選択図】なし

Description

本発明は、石炭焚きボイラー及びごみ焼却施設の煙道・煙突等のように硫酸及び塩酸による低温腐食を生じるような雰囲気、即ち、濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性を示す耐塩酸及び耐硫酸露点腐食鋼を溶接施工する際に使用される非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤに関する。

一般に、溶接構造物が腐食環境で使用される場合、溶接部と母材との間で耐食性に差異があると、耐食性の劣る方が選択的に腐食され、構造物の寿命が著しく短くなる。また、溶接部が選択的に腐食すると、腐食孔に応力集中が生じ、極端な場合は構造物の破壊を招く虞もある。このように、溶接構造物の利用において、腐食劣化が無視できない用途の場合には、母材だけでなく溶接部の耐食性も十分に確保する必要がある。

また、石炭焚き火力ボイラーやごみ焼却施設等における煙道・煙突等の排煙設備では、排ガス中の三酸化硫黄及び塩化水素に起因して、硫酸露点腐食及び／又は塩酸露点腐食が生じる。このため、このような環境下においては、一般に、耐硫酸露点腐食鋼（例えば、非特許文献１参照。）が使用されている。この耐硫酸露点腐食鋼用の溶接材料としては、耐食元素としてＣｕを単独で含有するものやＣｕ−Ｃｒを含有するもの等がある。しかしながら、これらの既存溶接材料を使用して溶接した場合、重油専焼ボイラーのプラント排煙装置で生じる硫酸露点腐食環境においては十分に優れた耐食性を示すが、石炭焚きボイラーやごみ焼却設備等では、硫酸露点腐食と塩酸露点腐食とが同時に生じるため、溶接部の耐食性が十分でないという問題がある。

そこで、従来、耐硫酸腐食性と耐塩酸腐食性とが共に優れた溶接金属を得るための溶接材料が提案されている。その中でも、特に、Ｃ、Ｓｉ及びＭｎを含有し、Ｐ及びＳの含有量を制限した鋼製材料中に、更に溶接金属の耐硫酸腐食性と耐塩酸腐食性の両方を向上するためにＣｕ、Ｓｂ及びＮｉを複合添加した溶接材料が有効である。このような成分系の溶接材料としては、それぞれ用途に応じて、被覆アーク溶接棒（例えば、特許文献１参照。）、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ（例えば、特許文献２参照。）、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ（例えば。特許文献３参照。）及びサブマージアーク溶接用フラックス（例えば、特許文献４参照。）が提案されている。

特開２００４−９００４４号公報特開２００４−９００４５号公報特開２００４−９００４２号公報特開２００４−９００５１号公報新日本製鐵株式会社、耐硫酸腐食鋼「Ｓ−ＴＥＮ」技術資料、第７版、Ｃａｔ．Ｎｏ．Ａｃ．１０７、２００５年

しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、前述した特許文献１〜４に記載されている溶接ワイヤはいずれも、ガスシールドアーク溶接等で消耗電極として使用される溶接材料であり、比較的板厚が厚い耐硫酸腐食性鋼板の溶接において溶接効率を向上させるには有効であるが、板厚が薄い鋼板の溶接及び精密溶接では、溶け落ち及び穴あき等が発生しやすいという問題点がある。

一方、薄板の溶接及び精密溶接に適した溶接方法としては、一般に、タングステンアーク溶接（ＴＩＧ溶接）、プラズマ溶接及びレーザ溶接等が知られているが、これらの溶接方法は、溶接ワイヤを電極としない非消耗電極式溶接である。このため、これらの溶接方法で耐硫酸腐食性鋼板を溶接する場合は、溶接熱源を利用して外部から成分を添加する非消耗電極式溶接用ワイヤが必要である。この非消耗電極式溶接用ワイヤには、母材と同等以上の耐硫酸腐食性を有する溶接金属を形成できることが要求されるが、前述した従来のガスシールドアーク溶接用ワイヤを非消耗電極式溶接用ワイヤとして適用した場合、溶接金属の耐食性は良好にできるものの、溶接金属表面のスラグに起因して溶接アークが不安定化し、溶接ビード外観形状の悪化及び溶接作業性低下という非消耗電極式溶接方法に特有な課題が生じるという問題点がある。

更に、本願発明者が行った確認試験等の検討結果により、特許文献１〜４に記載されているような溶接金属の耐塩酸性及び耐硫酸性を向上させるために有効なＣｕ及びＳｂを含有したワイヤを用いて溶接した場合、Ｃｕ及びＳｂの溶融が不均一になると、これらの元素が溶融状態で溶接金属及び溶接熱影響部の表面に残留することが確認された。そして、Ｃｕ及びＳｂはスラグ成分よりも融点が低いため、スラグが凝固した後もスラグ中に溶融状態のまま残留し、これらＣｕ及びＳｂの溶融金属が溶接金属及び溶接熱影響部、特に溶融線近傍の粗大化したオーステナイト粒界に浸入し、これが原因となり、粒界脆化割れ（以下、これを液体金属脆化割れという）を発生させることがわかった。この液体金属脆化割れが発生すると、溶接部の靱性及び疲労強度等の機械的特性を低下させると共に、割れ発生部位が腐食の起点となるため、溶接継手に要求される母材と同等以上の機械的特性及び耐食性を確保することが困難となる。

特に、耐硫酸腐食性鋼板を非消耗電極式溶接する場合には、アーク等の溶接熱源によって外部から非消耗電極式溶接用ワイヤを溶融して溶接金属を形成する際に、ワイヤ中の含有成分の溶融が消耗電極式溶接に比べて不均一になりやすく、溶接金属及び溶接熱影響部に残留した溶融状態のＣｕ又はＳｂによる液体金属脆化割れが起き易いという問題点がある。また、シールドガスに純Ａｒを使用する非消耗電極式溶接方法では、通常、溶接後にビード表面を研削する等の後処理をしないため、ビード表面へのスラグ付着をなくす必要がある。

このような理由から、溶接金属の耐塩酸性及び耐硫酸性を向上させるために有効なＣｕ及びＳｂを含有するワイヤを用いて、耐塩酸及び耐硫酸露点腐食鋼をＴＩＧ等の非消耗電極式溶接する場合、薄板溶接及び精密溶接であっても、溶接ビード外観形状及び溶接作業性を良好に維持しつつ、Ｃｕ及びＳｂの低融点成分に起因する溶接部の液体金属脆化割れ性を抑制し、かつ溶接金属の耐硫酸腐食性と耐塩酸腐食性との両方を向上させることができる非消耗電極式溶接用ワイヤの開発が望まれている。

本発明は、上述した従来技術の問題点を鑑みてなさなれたものであって、非消耗電極式溶接で薄板溶接及び精密溶接する際に、溶接ビード外観形状及び溶接作業性を良好に維持しつつ、低融点成分であるＣｕ及びＳｂに起因する溶接金属の液体金属脆化割れ発生を抑制し、耐硫酸腐食性と耐塩酸腐食性とが共に優れ、かつ強度と衝撃靱性に優れた溶接部が得られる非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤを提供することを目的とする。

本発明に係る非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤは、鋼製外皮内に金属粉が充填されたメタルコアードワイヤにおいて、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％を含有すると共に、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下に制限し、更に、前記金属粉にのみ、Ｆｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃｕ：０．１〜１．０％を含有すると共に、Ｆｅ−Ｓｂ合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｓｂ：０．０１〜０．２５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、前記金属粉に含まれるＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金中のＣｕ含有量は１０〜３０質量％、Ｆｅ−Ｓｂ合金中のＳｂ含有量は４０〜６０質量％、Ｆｅ粉中のＯ含有量は０．５質量％以下であり、耐塩酸性と耐硫酸性に優れた鋼を溶接する際に使用されることを特徴とする。

この非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｓ：０．００５〜０．０３％であることが好ましい。

また、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ｍｏ：０．０１〜０．５％を含有することもできる。

更に、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．５％を含有していてもよい。

更にまた、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％及びＺｒ：０．００５〜０．２％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することもできる。

本発明によれば、鋼製外皮内の金属粉に、Ｃｕは、Ｆｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の形態で、Ｓｂは、Ｆｅ−Ｓｂ合金の形態で、夫々金属粉として含有させ、更に、この金属粉に含まれるＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金におけるＣｕ含有量、Ｆｅ−Ｓｂ合金におけるＳｂ含有量及びＦｅ粉におけるＯ含有量を適正範囲としているため、非消耗電極式溶接で薄板溶接及び精密溶接する際に溶接ワイヤとして使用した場合、溶接ビード外観形状及び溶接作業性を良好に維持しつつ、低融点成分であるＣｕ及びＳｂに起因する溶接金属の液体金属脆化割れ発生を抑制し、耐硫酸腐食性と耐塩酸腐食性とが共に優れ、かつ強度と衝撃靱性に優れた溶接部が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、以下の説明においては、組成における質量％は単に％と記載する。

本願発明者は、溶接金属の耐塩酸性及び耐硫酸性向上に有効なＣｕ及びＳｂといった低融点成分を含有するメタルコアードワイヤを用いて非消耗電極式溶接した場合に問題となるこれら低融点成分に起因する溶接部の液体金属脆化割れ発生を防止し、溶接部の液体金属脆化割れ発生を抑制しつつ、耐硫酸耐食性及び耐塩酸耐食性の両方に優れ、靭性等の機械的特性が良好な溶接金属が得られるフラックス入りワイヤの成分組成について鋭意実験検討を行った。

その結果、メタルコアードワイヤにおいて、（１）鋼製外皮内の金属粉中に、Ｃｕは、Ｆｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の形態で、Ｓｂは、Ｆｅ−Ｓｂ合金の形態で、夫々含有させ、かつこの金属粉に含まれるＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金におけるＣｕ含有量、及びＦｅ−Ｓｂ合金におけるＳｂ含有量を適正範囲とすることで、Ｃｕ及びＳｂをより高融点の合金として安定化させ、溶融状態のＣｕ及びＳｂに起因する溶接金属の液体金属脆化割れを抑制しつつ、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を向上することができること、（２）鋼製外皮内に充填された金属粉に含まれるＦｅ粉中のＯ含有量を制限することにより、溶接金属表面のスラグに起因する溶接アーク不安定化を抑制し、ビード外観性及び溶接作業性を良好に維持できること、を知見し、本発明に至った。

即ち、本発明の非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ（以下、単にメタルコアードワイヤともいう）は、鋼製外皮内に金属粉が充填されたものであり、ワイヤ全体で、Ｃ：０．０１〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．２〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜１．０％を含有すると共に、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下に制限している。また、本発明のメタルコアードワイヤに充填された金属粉には、Ｆｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金として、ワイヤ全質量あたり、Ｃｕ：０．１〜１．０％を添加すると共に、Ｆｅ−Ｓｂ合金として、ワイヤ全質量あたり、Ｓｂ：０．０１〜０．２５％を添加している。この金属粉に添加するＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金のＣｕ含有量は１０〜３０質量％であり、Ｆｅ−Ｓｂ合金のＳｂ含有量は４０〜６０質量％である。更に、本発明のメタルコアードワイヤでは、金属粉に含まれるＦｅ粉中のＯ含有量を０．５質量％以下としている。なお、上記組成を満たす鋼製外皮及び／又は金属粉の残部はＦｅ及び不可避的不純物である。

このように、本発明のメタルコアードワイヤは、鋼製外皮に金属粉を充填してなるものであるが、所要の特性を有する溶接金属を得るための基本成分であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ及びＳ、並びに選択成分であるＭｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＺｒは、鋼製外皮及び充填フラックスのいずれか一方に含有していても、又は両方に含有していてもよい。一方、Ｃｕ及びＳｂは、後述するようにＦｅ合金の粉末として、金属粉中に含有する。

また、本発明において規定しているワイヤ全質量に対する各成分の含有量Ｍｗは、下記数式（１）により求められる。なお、下記数式（１）におけるＭｃは鋼製外皮中の含有量（質量％）、Ｍｆは金属粉中の含有量（質量％）、Ｒはワイヤ全質量に対する金属粉の割合（質量％）をそれぞれ示す。

以下、本発明のメタルコアードワイヤにおける成分組成の限定理由について説明する。

Ｃ：０．０１〜０．２％
Ｃは、溶接構造用鋼の溶接継手としての強度を確保するために必要な元素である。しかしながら、その含有量が０．０１％未満であると十分な継手強度が得られない。一方、Ｃ含有量が０．２％を超えると耐硫酸腐食性が低下すると共に、溶接金属の伸び及び衝撃靱性が低下し、更には耐割れ性も劣化する。よって、Ｃ含有量は０．０１〜０．２％に限定する。なお、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性の観点からは、Ｃ含有量は少ないほど好ましく、０．１％以下とすることがより好ましい。

Ｓｉ：０．１〜２．０％
Ｓｉは、脱酸元素及び溶滴の表面張力を抑える元素として添加される。しかしながら、その含有量が０．１％未満場合、添加効果が十分に得られないため、Ｓｉは０．１％以上添加する必要がある。これにより、Ｃｕと共存し、特に４０％程度の硫酸濃度域での耐食性を向上させることができる。一方、Ｓｉ含有量が２．０％を超えると、耐食性の向上が飽和すると共に、延性低下に伴って靱性が大きく低下する。従って、Ｓｉ含有量は０．１〜２．０％に限定する。

Ｍｎ：０．２〜３．０％
Ｍｎは、脱酸元素として作用する以外に、溶接金属の強度・衝撃靱性の向上に有効な元素である。しかしながら、その含有量が０．２％未満の場合、十分な効果が得られず、また、３．０％を超えてＭｎを添加すると、焼き入れ性が高まり、溶接金属の硬さが増加し、耐割れ性が劣化する。よって、Ｍｎ含有量は０．２〜３．０％に限定する。

Ｎｉ：０．０５〜１．０％
Ｎｉは、耐塩酸腐食性を向上させる元素として添加するが、その含有量が０．０５％未満の場合、十分な効果が得られない。一方、Ｎｉは、１．０％を超えて添加しても、耐食性はほぼ飽和すると共に、過度の強度上昇を招き、溶接割れ感受性が高まる。よって、Ｎｉ含有量は０．０５〜１．０％に限定する。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは、不純物元素であり、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を著しく阻害するため、少ないほど望ましい。具体的には、Ｐ含有量が０．０３％を超えると、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が低下する。よって、Ｐ含有量は０．０３％以下とする。

Ｓ：０．０３％以下
Ｓは、不純物元素であり、０．０３％を超える過度の含有は耐食性を低下させると共に溶接高温割れを助長するため、耐食性及び割れ性を確保する上で限定する必要がある。従って、Ｓ含有量は０．０３％以下とする。なお、Ｓは、Ｃｕ、Ｓｂ及びＭｏと共存することで耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を向上させる効果があり、その効果は０．００５％以上で顕著となる。このように、耐食性の観点からは、少量の含有は有効であるため、Ｓの含有量はＳ：０．００５〜０．０３％とすることが好ましい。

Ｃｕ：０．１〜１．０％
Ｃｕは、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性の向上のために添加する。しかしながら、その含有量が０．１％未満の場合、十分な効果が得られない。一方、１．０％を超えてＣｕを添加しても、耐食性はほぼ飽和すると共に、過度の強度上昇を招き、溶接割れ感受性が上昇する。よって、Ｃｕ含有量は０．１〜１．０％に限定する。

ただし、Ｃｕは低融点成分のため、純金属としてワイヤ中に含有させると、溶接時のアークによってメタルコアードワイヤが均一に溶解しなかった場合に、Ｃｕが溶融状態のまま残留し、溶接金属及び溶接熱影響部、特に溶融線近傍の粗大化したオーステナイト粒界に浸入し、液体金属脆化割れを発生させる原因となるため好ましくない。そこで、本発明のメタルコアードワイヤにおいては、溶接の際に溶接金属及び溶接熱影響部におけるＣｕを、より高融点の合金として安定化させ、溶融状態のＣｕに起因する溶接金属の液体金属脆化割れを抑制しつつ、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を向上するため、Ｃｕは純金属よりも融点が高いＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金の形態で、金属粉中に含有させる。その際、Ｆｅ−Ｃｕ合金及びＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金におけるＣｕ含有量が１０質量％未満の場合、Ｃｕによる耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性の向上効果が安定して得られない。一方、Ｆｅ−Ｃｕ合金及びＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金におけるＣｕ含有量が３０質量％を超えると、溶接の際に、溶融状態のＣｕに起因する溶接金属の液体金属脆化割れを抑制することができなくなる。よって、金属粉に含有させるＦｅ−Ｃｕ合金及びＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金におけるＣｕ含有量は１０〜３０質量％とする。

Ｓｂ：０．０１〜０．２５％
Ｓｂは、Ｃｕと共存して耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性をさらに向上させる元素である。しかしながら、Ｓｂ含有量が０．０１％未満の場合、その効果が得られない。一方、Ｓｂ含有量が０．２５％を超えると、アークが不安定となり、溶接作業性が劣化すると共に、溶接割れ感受性が上昇する。よって、Ｓｂ含有量は０．０１〜０．２５％に限定する。

また、前述したＣｕと同様にＳｂも低融点成分のため、Ｓｂを純金属としてワイヤ中に含有させると、溶接時のアークによってメタルコアードワイヤが均一に溶解しなかった場合に、Ｓｂが溶融状態のまま残留し、溶接金属及び溶接熱影響部、特に溶融線近傍の粗大化したオーステナイト粒界に浸入し、液体金属脆化割れを発生させる原因となるため好ましくない。そこで、本発明のメタルコアードワイヤにおいては、溶接の際に溶接金属及び溶接熱影響部におけるＳｂを、より高融点の合金として安定化させ、溶融状態のＳｂに起因する溶接金属の液体金属脆化割れを抑制しつつ、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を向上するため、Ｓｂは、純金属よりも融点が高いＦｅ−Ｓｂ合金の形態で、金属粉中に含有させる。ただし、このＦｅ−Ｓｂ合金におけるＳｂ含有量が４０質量％未満の場合、Ｓｂによる耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性の向上効果が安定して得られない。一方、Ｆｅ−Ｓｂ合金におけるＳｂ含有量が６０質量％を超えると、溶接の際に、溶融状態のＳｂに起因する溶接金属の液体金属脆化割れを抑制することができなくなる。よって、金属粉に含有させるＦｅ−Ｓｂ合金におけるＳｂ含有量は４０〜６０％とする。なお、このＦｅ−Ｓｂ合金の融点は、１０００℃以上とすることがより好ましい。

Ｆｅ粉中のＯ含有量：０．５％以下
Ｆｅ粉は、上述した各金属又は合金成分と共に金属粉中に添加することにより、溶接時のアークを安定化させて金属粉を効率的に溶融し、目的とする溶接金属の成分組成とする効果がある。金属粉におけるＦｅ粉の含有量は特に限定する必要はないが、鉄粉中のＯ含有量が高い場合には溶接時に発生するスラグが溶融池上に浮上して、溶融金属の湯流れを阻害し、溶融池が拡がるのを妨害するため、溶接ビード幅が不安定に蛇行する。また、凝固後には、溶接ビード表面へのスラグ付着等が発生するため、溶接作業性が低下する。

図１は横軸にＦｅ粉中の酸素量をとり、縦軸にスラグ発生量をとって、Ｆｅ粉の酸素含有量とスラグ発生量との関係を示すグラフ図である。図１には、鋼製外皮中に、Ｏ含有量が異なるＦｅ粉を、金属粉全質量あたり８０％又は６５％含有する金属粉を充填したメタルコアードワイヤを用いて、低合金鋼をＴＩＧ溶接した場合の溶接長さ５００ｍｍあたりに発生するスラグ量を示している。なお、図１に示すスラグ量は、溶接後に、溶接長さ５００ｍｍあたりの溶接金属表面に残留したスラグ粒子の個数を測定し、求めた値である。図１に示すように、Ｆｅ粉のＯ含有量が０．５％以下となると、発生スラグ量が１０個／５００ｍｍ以下に低減され、スラグ粒子径も小さくなった。この傾向は、金属粉中に添加するＦｅ粉量が８０％と６５％の場合でほぼ同じであった。また、Ｆｅ粉のＯ含有量が０．５％以下の場合には、溶接時にスラグが溶融池表面に浮上して溶融金属の湯流れを阻害し、溶融池が拡がるのを妨害することによる溶接ビード幅の蛇行は抑制され、アークの不安定化も抑制されることが確認された。

本発明のメタルコアードワイヤでは、これらの知見を基に、溶接時に発生するスラグ量を低減し、溶融金属表面へのスラグ浮上によるビード幅の蛇行及びアーク不安定化等の溶接作業性の低下を防止し、凝固後の溶接ビード表面に付着したスラグにスラグ除去等の処理を省略するために、金属粉中含有するＦｅ粉のＯ含有量を０．５％以下に限定する。なお、Ｆｅ粉のＯ含有量が０．５％を超えると、スラグ発生量が増加し、溶接ビード幅の蛇行及び溶接ビード表面へのスラグ付着等が生じる。

なお、前述したように、本発明のメタルコアードワイヤにおいては、金属粉におけるＦｅ粉含有量は特に限定する必要はなく、その他の金属又は合金として添加する成分とのバランスを考慮して調整される。ただし、金属粉中のＦｅ粉量が少なすぎる場合には、溶接時に金属粉の溶融が鋼製外皮よりも遅れて、金属粉が未溶融のまま突き出され、その結果、溶接時のアークが不安定となり、溶接能率が低下するため、金属粉に含まれるＦｅ粉含有量は金属粉全質量あたり７０％以上とすることが好ましい。また、金属粉中の鉄粉量が多すぎる場合は、金属粉中のその他の金属又は合金として添加する成分の絶対量が不足し、溶接作業性が劣化すると共に所望の溶接金属特性が得られなくなるため、金属粉のＦｅ粉含有量は、金属粉全質量あたり９０％以下とすることが好ましい。

また、本発明のメタルコアードワイヤは、上記各成分に加えて、鋼製外皮及び／又は金属粉に、Ｍｏを含有していてもよい。

Ｍｏ：０．０１〜０．５％
Ｍｏは、Ｃｕとの共存下で耐塩酸腐食性を著しく向上させる元素であり、必要に応じて添加する。その効果はＣｕ及びＳｂの複合効果でさらに増大する。しかしながら、Ｍｏ含有量が０．０１％未満の場合、添加効果が得られない。一方、０．５％を超えてＭｏを添加すると、耐塩酸腐食性のみならず耐硫酸腐食性も低下する。よって、Ｍｏを添加する場合は、その含有量を０．０１〜０．５％とする。

更に、本発明のメタルコアードワイヤは、鋼製外皮及び／又は金属粉に、Ｃｒが添加されていてもよい。

Ｃｒ：０．０５〜１．５％
Ｃｒは、一般に耐塩酸腐食性を低下させる元素であるが、逆に、耐硫酸腐食性を向上させる元素でもある。そこで、本発明のメタルコアードワイヤでは、特に排ガス中の硫黄酸化物量が多いプラントで生じる硫酸露点腐食環境での耐食性を確保する場合等に、必要に応じて添加する。ただし、Ｃｒ含有量が０．０５％未満の場合、十分な耐硫酸腐食性向上効果が得られない。一方、１．５％を超えてＣｒを添加すると、却って耐硫酸腐食性を阻害する。よって、Ｃｒを添加する場合は、その含有量を０．０５〜１．５％とする。

更にまた、本発明のメタルコアードワイヤにおいては、鋼製外皮及び／又は金属粉に、Ａｌ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を添加することもできる。

Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％及びＺｒ：０．００５〜０．２％
Ａｌは、脱酸元素として添加されると共に、衝撃靱性の改善に有効な元素として、必要に応じて添加される。しかしながら、Ａｌ含有量が０．００５％未満ではその効果が十分でなく、一方、Ａｌ含有量が０．２％を超えると溶接作業性を阻害する。よって、Ａｌを添加する場合は、その含有量を０．００５〜０．２％とする。また、Ｔｉは、Ａｌと同様に脱酸元素であると共に、Ｔｉ酸化物を形成し、溶接金属のミクロ組織を微細化し、靱性の改善に有効な元素でもあり、必要に応じて添加される。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．００５％未満ではその効果が十分でなく、一方、Ｔｉ含有量が０．２％を超えるとスラグの焼き付きが増加すると共に、衝撃靱性を低下させる。よって、Ｔｉを添加する場合は、その含有量を０．００５〜０．２％とする。更に、Ｚｒは、Ａｌ及びＴｉと同様に脱酸元素であり、これらの元素と複合添加することにより、靱性の改善に有効な元素であるため、必要に応じて添加される。しかしながら、Ｚｒ含有量が０．００５％未満ではその効果が十分でなく、一方、Ｚｒ含有量が０．２％を超えると、Ａｌ及びＴｉと同様にスラグの焼き付きが増加すると共に、衝撃靱性を低下させる。よって、Ｚｒを添加する場合は、その含有量を０．００５〜０．２％とする。

なお、本発明のメタルコアードワイヤでは、金属粉の充填率は特に限定されない。更に、ワイヤの断面形状は、Ｃ断面及び重ね断面等のように合わせ目があるもの、又は、合わせ目のないシームレスタイプでもよい。また、鋼製外皮の厚さ及びワイヤ径も特に限定されるものではなく、適宜選択することができる。更に、本発明のメタルコアードワイヤは、タングステンアーク溶接（ＴＩＧ溶接）、プラズマ溶接、レーザ溶接等の溶接ワイヤを電極としない非消耗電極式溶接に適用することができる。

上述の如く、本発明のメタルコアードワイヤにおいては、Ｃｕ及びＳｂをより高融点の合金として安定化させることにより、溶融状態のＣｕ及びＳｂに起因する溶接金属の液体金属脆化割れを抑制しつつ、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性を向上することができる。従って、火力ボイラー及びごみ焼却装置の排煙設備等に使用される耐硫酸露点腐食鋼製構造体の信頼性を長期にわたって確保でき、かつ溶接部のメンテナンス性改善による経済性効果を向上させることができる等、本発明により産業の発展に貢献するところは極めて大きい。

本発明のメタルコアードワイヤは、耐塩酸性及び耐硫酸露点腐食鋼を溶接する際に使用されるものであり、溶接構造物の製作に適用すると共に、それら構造物の補修溶接又は肉盛りなどにも適用できる。具体的には、石炭焚きボイラー及びごみ焼却施設の煙道・煙突のように硫酸及び塩酸による低温腐食を生じるような雰囲気、即ち、濃厚硫酸及び濃厚塩酸環境下で優れた耐食性を示す耐塩酸性及び耐硫酸露点腐食低合金鋼の溶接施工に使用される。より詳しくは、例えば、重油及び石炭等の化石燃料、液化天然ガス等のガス燃料、都市ごみ等の一般廃棄物、木工屑、繊維屑、廃油、プラスチック、廃タイヤ、医療廃棄物等の産業廃棄物及び下水汚泥等を燃焼させるボイラー等の排煙設備等、又は、塩酸及び硫酸等の単独若しくは混合の酸洗液を収める鋼製酸洗槽等の用途に適用される耐塩酸性及び耐硫酸露点腐食鋼の非消耗電極式溶接に使用することができる。

以下、本発明の実施例を挙げて、本発明の作用及び効果について更に詳細に説明する。本実施例においては、下記表１に示す組成で、板厚が１２ｍｍの耐塩酸性及び耐硫酸露点腐食鋼を母材とし、これに、ＴＩＧ溶接用として開先角度が６０゜でルート面が１ｍｍのＶ開先、又はプラズマ溶接用及びアーク溶接用として機械切断のままのＩ開先を形成した。また、下記表２に示す組成の鋼製外皮に、下記表３に示す組成の金属粉を充填し、ワイヤの直径が１．２ｍｍのメタルコアードワイヤを作製した。各メタルコアードワイヤの詳細を下記表４に示す。なお、下記表４に示すメタルコアードワイヤ全体の化学組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。また、下記表３及び表４における下線は、本発明の範囲外であることを示す。

次に、上記表４に示す各実施例及び比較例のメタルコアードワイヤを使用し、上記表１に示す組成の耐塩酸及び耐硫酸露点腐食鋼を、下記表５に示す溶接条件で、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接又はレーザ溶接を行い、溶接継手を作製した。

その後、以下に示す方法で、各溶接継手から、腐食試験片、引張試験片、衝撃試験片及び表曲げ試験片を採取し、試験及び評価を行った。腐食試験は、各継手から、溶接部が中央に位置するようにして、縦２５ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ４ｍｍの試験片を採取し、全表面を４００番エメリー紙で湿式研磨した後、７０℃の５０％硫酸に２４時間浸漬するか、又は８０℃の１０．５％塩酸に２４時間浸漬し、片面あたりの腐食板厚減少量を測定した。引張試験は、ＪＩＳＺ３１２１の溶接継手引張試験方法に準拠し、１Ａ号試験片で評価した。衝撃試験は、ＪＩＳＺ３１２８に準拠し、溶接金属に切欠が位置するように、ＪＩＳＺ２２０２に規定の２ｍｍＶノッチ試験片を採取し、試験温度０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。表曲げ試験は、ＪＩＳＺ３１２２に準拠し、Ｒ＝２ｔ（３２ｍｍ）として実施した。また、溶接時に発生する溶接長さ５００ｍｍあたりのスラグ量及びビード形状等を調査し、溶接作業性の評価を行った。以上の結果を下記表６にまとめて示す。なお、下記表６に示す継手引張試験結果は、母材で破断したものを○、それ以外の部分で破断したものを×とした。また、腐食試験結果は、母材の腐食板厚減少量が０．１２〜０．１５ｍｍであることから、試験片（溶接金属）の腐食板厚減少量が０．１５ｍｍ未満のものを合格とした。更に、衝撃試験結果は、シャルピー吸収エネルギーが５０Ｊ以上のものを合格とした。そして、これらの試験に表曲げ試験結果及び溶接作業性評価結果を含めて総合評価を行った。

上記表６に示すように、Ｎｏ．１〜９の継手は、本発明の範囲内で作製したフラックス入りワイヤ（Ｎｏ．Ａ〜Ｎｏ．Ｉ）を使用し、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接又はレーザ溶接を実施した実施例である。これらの実施例の継手はいずれも、液体金属脆化割れは発生せず、良好な溶接作業性を有し、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性に優れ、かつ、強度、衝撃靱性及び曲げ特性の良好な溶接金属部が得られた。

一方、本発明の範囲から外れるフラックス入りワイヤ（Ｎｏ．Ｊ〜Ｎｏ．Ｘ）を使用して、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接又はレーザ溶接を実施した比較例Ｎｏ．１０〜２４の継手は、耐食性、衝撃靱性、割れ性及び溶接作業性のいずれか１つ以上に不適があり、総合評価として不合格となった。具体的には、比較例Ｎｏ．１０の継手（ワイヤＮｏ．Ｊ）は、Ｓｉ含有量が本発明の成分範囲未満であるため、耐硫酸腐食性が劣り、かつ、フラックス中のＳｂ源に純Ｓｂを使用しているため、液体金属脆化割れが発生した。Ｎｏ．１１（ワイヤＮｏ．Ｋ）の継手は、Ｃｕ含有量が本発明の成分範囲未満であるため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が共に劣っていた。また、充填金属粉中のＦｅ粉のＯ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、スラグ発生多く、ビード幅も不安定で溶接作業性にも劣っていた。Ｎｏ．１２（ワイヤＮｏ．Ｌ）の継手は、Ｃｕ含有量が本発明範囲より多いため、過度の硬さ上昇を招き、靱性が劣化すると共に溶接割れが発生した。また、充填金属粉中のＦｅ粉のＯ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、スラグが多量に生成して、ビード幅も不安定となり溶接作業性にも劣っていた。

Ｎｏ．１３（ワイヤＮｏ．Ｍ）の継手は、Ｓｂ含有量が本発明の成分範囲未満であるため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が共に劣っていた。また、Ｃ及びＡｌが本発明範囲より多いため、靱性が劣ると共に、溶接作業性も劣っていた。Ｎｏ．１４（ワイヤＮｏ．Ｎ）の継手は、Ｓｂ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、溶接割れが発生した。Ｎｏ．１５（ワイヤＮｏ．Ｏ）の継手は、Ｎｉ含有量が本発明の成分範囲未満であるため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が劣っていた。また、フラックス中のＣｕ源として添加されているＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金のＣｕ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、融点が下がり、液体金属脆化割れを起こした。Ｎｏ．１６（ワイヤＮｏ．Ｐ）の継手は、Ｎｉ及びＴｉが本発明の成分範囲を超えているため、過度の硬さ上昇を招き、靱性が劣ると共に、溶接作業性も劣っていた。Ｎｏ．１７（ワイヤＮｏ．Ｑ）の継手は、フラックス中のＳｂ源として添加されているＦｅ−Ｓｂ合金のＳｂ含有量が本発明の成分範囲未満であるため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が劣っていた。Ｎｏ．１８（ワイヤＮｏ．Ｒ）の継手は、フラックス中のＣｕ源として添加されているＦｅ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量が本発明の成分範囲未満であるため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が劣っていた。

Ｎｏ．１９（ワイヤＮｏ．Ｓ）の継手は、フラックス中のＳｂ源として添加されているＦｅ−Ｓｂ合金のＳｂ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、融点が下がり、液体金属脆化割れを起こしている。Ｎｏ．２０（ワイヤＮｏ．Ｔ）の継手は、フラックス中のＣｕ源として添加されているＦｅ−Ｃｕ合金のＣｕ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、融点が下がり、液体金属脆化割れを起こしている。また、充填金属粉中のＦｅ粉の含有酸素量が本発明の成分範囲を超えているため、スラグ発生多く、ビード幅も不安定で溶接作業性にも劣っている。Ｎｏ．２１（ワイヤＮｏ．Ｕ）の継手は、Ｓ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、耐硫酸腐食性が劣ると共に溶接凝固割れが発生した。また、充填金属粉中のＦｅ粉のＯ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、スラグ発生多く、ビード幅も不安定で溶接作業性にも劣っていた。Ｎｏ．２２（ワイヤＮｏ．Ｖ）の継手は、Ｍｏ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が共に劣化した。また、Ｍｎ含有量も本発明の成分範囲を超えているため、溶接金属の硬さが増加して溶接割れが発生した。さらに、充填金属粉中のＦｅ粉のＯ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、スラグ発生多く、ビード幅も不安定で溶接作業性にも劣っていた。

Ｎｏ．２３（ワイヤＮｏ．Ｗ）の継手は、Ｃｒ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、耐硫酸腐食性及び耐塩酸腐食性が共に劣化した。また、フラックス中のＳｂ源として添加されているＦｅ−Ｓｂ合金のＳｂ含有量が本発明の成分範囲を超えているため、融点が下がり、液体金属脆化割れを起こした。Ｎｏ．２４（ワイヤＮｏ．Ｘ）の継手は、フラックス中のＣｕ源に純Ｃｕを使用しているため、液体金属脆化割れが発生した。

以上のように、本発明のメタルコアードワイヤを使用して溶接することにより、液体金属脆化割れの発生を抑制しつつ、硫酸環境下及び塩酸環境下での耐食性が優れ、かつ強度、靭性及び耐割れ性に優れた溶接金属が得られ、更に、良好な溶接作業性向上に顕著な効果が得られる。

横軸にＦｅ粉中の酸素量をとり、縦軸にスラグ発生量をとって、Ｆｅ粉のＯ含有量とスラグ発生量との関係を示すグラフ図である。

Claims

鋼製外皮内に金属粉が充填されたメタルコアードワイヤにおいて、
ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜２．０％、
Ｍｎ：０．２〜３．０％、
Ｎｉ：０．０５〜１．０％
を含有すると共に、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０３％以下
に制限し、
更に、前記金属粉にのみ、Ｆｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃｕ：０．１〜１．０％を含有すると共に、Ｆｅ−Ｓｂ合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｓｂ：０．０１〜０．２５質量％を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、
前記金属粉に含まれるＦｅ−Ｃｕ合金又はＦｅ−Ｃｕ−Ｓｉ合金中のＣｕ含有量は１０〜３０質量％、Ｆｅ−Ｓｂ合金中のＳｂ含有量は４０〜６０質量％、Ｆｅ粉中のＯ含有量は０．５質量％以下であり、
耐塩酸性と耐硫酸性に優れた鋼を溶接する際に使用されることを特徴とする非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ。
ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｓ：０．００５〜０．０３％であることを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ。
更に、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ｍｏ：０．０１〜０．５％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ。
更に、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ｃｒ：０．０５〜１．５％を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ。
更に、ワイヤ全体で、金属又は合金として、質量％で、Ａｌ：０．００５〜０．２％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％及びＺｒ：０．００５〜０．２％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非消耗電極式溶接用メタルコアードワイヤ。