JP2008221222A - 高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上で、かつ−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７J以上の溶接金属を達成できる、高強度高靭性鋼用溶接ワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤ全体に対する質量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ａｌ：０．００２〜０．１％、Ｎｉ：６．１〜１２％
を含み、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下に制限し、 さらに、Ｍｏ：０．１〜４．０％、Ｃｒ：０．０１〜４．０％、および、Ｗ：０．１〜３．０のうちの１種または２種以上を含有し、炭素当量（Ｃｅｑ）が０．５〜１．５％を満足し、かつ指数Ｘが２０〜２００を満足し、残部が不可避不純物ならびにＦｅからなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、建設機械および産業機械等に使用される超高強度鋼板を溶接する際に採用される溶接用ワイヤであり、特に引張り強度ＴＳで１３００ＭＰａ以上、かつ、靭性が−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験による吸収エネルギーで_ＶＥ_−４０＝２７Ｊ以上の低温靭性を確保した溶接金属を得ることができる超高強度鋼用溶接ワイヤに関する。

近年、建設機械および産業機械などの建造物の大型化、軽量化の要求から使用される鋼板の高張力化が進んでいる。最近では引張強さＴＳが７８０ＭＰａ級以上の高張力が一般的に使用されるようになり、今後は引張強さＴＳで９５０ＭＰａ以上、さらには引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の超高張力鋼の使用も増えると予想される。

また、鋼構造用鋼板の強度として、引張強さＴＳと同様に降伏応力ＹＰの向上も要求され、引張強さＴＳが９５０ＭＰａ以上の高張力鋼板に対して、降伏応力ＹＰは８５０ＭＰａ以上、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の高張力鋼では、降伏応力ＹＰで１２００ＭＰａ以上要求される場合もある。

将来的に、ＴＳが１５００ＭＰａ以上、降伏応力ＹＰで１３００ＭＰａ以上の超高強度鋼の開発も期待される。

このような引張強さＴＳと降伏強さが共に高い高張力鋼板を溶接して高構造物を製造する場合には、高張力鋼板と同様に溶接継手部、特に溶接金属の引張強さＴＳ及び降伏応力ＹＰの向上が要求される。通常の溶接継手においては溶接金属の強度が母材よりも高い、オーバーマッチングに設計されることが多いため、溶接金属の強度は、鋼板の引張強さと同等以上に高強度化する必要がある。

また、鋼構造物は、高強度化と同時に低温靭性が要求される用途に適用されることが多い。

引張強度が９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼板を用いて溶接継手を作製する場合には、溶接金属の靭性は低下し、高強度・高靭性の溶接金属を得ることは困難となる。また、高強度の鋼板、溶接金属では溶接金属中の含有水素による低温割れの発生が懸念される。
引張強度が９５０ＭＰａ以上の高張力鋼板を溶接する際に、溶接金属の母材並みの強度を維持しつつ靭性を向上させ、含有水素に起因する低温割れを抑制するためのガスシールドアーク溶接としては、Ａｒガスをシールドガスに使用し、溶接金属中の含有水素と酸素を低減できるＴＩＧ溶接を用いることが好ましい。

最近、高強度ワイヤの技術開発により、特許文献１に示すような引張強さＴＳが９５０ＭＰａ以上、降伏応力ＹＳが９００ＭＰａ以上で、−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が良好な溶接金属が得られるソリッドワイヤが実現されている。

しかし、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の強度でかつ−４０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験による吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上の靭性を満足するには、強度に対する割れ、延性低下の技術的課題があり、これら問題を防止し、強度・靭性を確保した溶接金属を形成する溶接ワイヤはまだ見出せていない。

特開２００６−１１０５８１号公報

上記背景技術に鑑み、本発明は、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ級の超高張力鋼板の溶接に用いるワイヤであり、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上で、かつ−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上の溶接金属を達成でき、かつ溶接金属のｙ型溶接割れ試験における低温割れ停止温度が１５０℃以下の耐低温割れ性を実現できる、溶接ワイヤを提供することを課題とする。

溶接金属は、溶接入熱により溶接用ワイヤと一部の鋼板が溶融後、凝固して形成され、その組織は一部再熱の影響は受けるものの、基本的には凝固まま組織であるため、圧延組織を有する鋼板のように明確な降伏現象をしめさない場合が多い。例えば、溶接金属中の合金成分の含有量を高めてマルテンサイト主体組織とし引張強さTSを向上させた場合、強度上昇に対して靭性の低下は避けられず、ＴＳが１３００ＭＰａ以上の溶接金属において、−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上の低温靭性を確保することは従来技術では達成されない。

本発明者らは、高張力鋼板のガスシールドアーク溶接において引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上で、かつ、−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験による吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上の低温靭性の溶接金属を形成できる、高強度高靭性溶接ワイヤの成分組成について実験などにより詳細に検討を行った。その結果、溶接金属において、引張強さＴＳで１３００ＭＰａ以上と同時に靭性の確保も同時に達成するためには、引張強さを向上させることができるＣを０．１２％以上含有させ、かつ、靭性を確保するためにＮｉを６．１％以上含有させることが必要であると知見した。しかし、Ｎｉは高強度溶接金属における靭性を高めることができるが、Ｎｉを多量に含有させると変態点が下がり、残留オーステナイトが生成するため強度を向上させるのが困難になる。また、Ｎｉ添加量増加により過剰に焼き入れ性が上昇するため、靭性向上の効果が十分に得られない。 以上の課題を解決するために、Ｃ、Ｎｉ添加適正量と、Ｎｉによる焼き入れ性過剰を抑えるために、他の合金元素の添加適正量を見出した。本発明はこの新たな知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。

（１）ワイヤ全体に対する質量％で、
Ｃ：０．１〜０．４％、
Ｓｉ：０．２〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜２．５％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％、
Ｎｉ：６．１〜１２％
を含み、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下
に制限し、
さらに、
Ｍｏ：０．１〜４．０％、
Ｃｒ：０．０１〜４．０％、および、
Ｗ：０．１〜３．０％
のうちの１種または２種以上を含有し、
下記（１）式で示される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．５〜１．５％を満足し、かつ下記（２）式で示される指数Ｘが２０〜２００を満足し、残部が不可避不純物ならびにＦｅからなることを特徴とする高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ。
Ｃｅｑ＝［Ｃ％］＋［Ｍｎ％］／６＋［Ｓｉ％］／２４＋［Ｎｉ％］／４０＋［Ｍｏ％］／４＋［Ｃｒ％］／５＋［Ｗ％］／８ ・ ・ ・（１）
Ｘ＝√［Ｃ％］×（１＋０．６４×［Ｓｉ％］）×（１＋４．１×［Ｍｎ％］）×（１＋０．５２［Ｎｉ％］）×（１．４４＋１．６［Ｃｒ％］）×（１＋３．１４×［Ｍｏ％］）×（１＋１．５７×［Ｗ％］） ・ ・ ・（２）
但し、［Ｃ％］、［Ｍｎ％］、［Ｓｉ％］、［Ｎｉ％］、［Ｍｏ％］、［Ｃｒ％］、及び、［Ｗ％］、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、及び、Ｗのそれぞれの含有量（質量％）を示す。

（２）ワイヤ全体に対する質量％で、さらに、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｖ：０．００５〜０．５％、
Ｔａ：０．００５〜０．５％、
Ｃｏ：０．０１〜６％、および、
Ｂ：０．００１〜０．０１５％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）項に記載の高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ。

（３）質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
および、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）項に記載の高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ。

本発明の高強度高靭性鋼用溶接ワイヤによれば、引張強さが１３００ＭＰａ級の超高張力鋼板におけるガスシールドアーク溶接において、靭性に優れた溶接金属を得ることができ、超高張力鋼板において強度が高く安全性に優れた溶接継手を提供することが可能である。本発明は、特に、溶接金属の引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上で、かつ、−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上の低温靭性を確保することが可能である。

以下に本発明の実施形態について説明をする。

溶接金属は基本的に凝固まま組織であり、鋼板のように熱間圧延等による細粒化工程や組織全体の焼き戻し処理工程により組織制御することができず、明確な降伏現象を示さないため、引張強さの上昇に比例して降伏応力を高めることが困難である。

引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の溶接金属は、合金元素の添加により焼き入れ性を高めてマルテンサイト単相の硬質組織とすることで実現できる。しかし、溶接金属中のマルテンサイト主体組織の生成に起因して、靭性_ＶＥ_−４０を低下させる原因となる可動転位密度が増加し、また、靭性_ＶＥ_−４０を低下させる原因となる溶接金属中の残留オーステナイトが生成する。このため、従来の引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の溶接金属では、−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験による吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上を確保した溶接金属を実現することができなかった。

この高強度の溶接金属の組織に起因した技術的課題に対して、本発明者らは、強度と靭性を確保するため、Ｎｉを所定量添加し、かつ、マルテンサイトの引張り強さを高めるのに有効な炭素を所定量添加した。また、Ｎｉによる焼き入れ性過剰を抑えるため他の合金元素添加量を最適化することにより、−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験による吸収エネルギー_ＶＥ_−４０が２７Ｊ以上を確保することが可能になる。

また、ガスシールドアーク溶接として、Ａｒガスをシールドガスに使用するＴＩＧ溶接を用いることにより、ＭＡＧ溶接などの他のガスシールドアーク溶接に比べて溶接金属中の水素量および酸素量を低減することができ、溶接金属の含有水素を起因とする低温割れ、溶接金属の酸素に起因する靭性低下を抑制し、強度及び靭性をともに向上させることができる。

以下に本発明の高強度高靭性鋼用溶接ワイヤの成分組成の限定理由について説明する。

なお、以下の説明において「％」は特に説明がない限り、「質量％」を意味するものとする。

また、以下の溶接ワイヤ中の各成分元素の含有量は、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤのワイヤ形態によらず、ワイヤ全体に対する割合（質量％）で示し、フラックス入りワイヤの場合は、鋼製外皮およびフラックス（但し、金属または合金の形態で含有するものに限る）の何れかまたは両方に含有する成分含有の合計量を意味する。

Ｃ：０．１０〜０．４％
Ｃは、マルテンサイト単相となる溶接金属の引張強さＴＳを高めるのに必須の元素であり、ＴＳを１３００ＭＰａ以上の溶接金属を得るには、Ｃを０．１０％以上含有させる必要がある。ただし、Ｃの過度な含有は溶接金属の靭性を著しく劣化させるため、溶接金属の−４０℃での靭性を確保するためには溶接ワイヤ中の上限を０．４％とする。従って、本発明において溶接ワイヤ中のＣ含有量は０．１０〜０．４％とする。なお、引張強さＴＳ≧１５００ＭＰａを確実に得るためには、Ｃ含有量を０．２％超とするのがより好ましい。

Ｓｉ：０．２〜１．５％
Ｓｉは、脱酸元素であり、溶接金属中のＯ量を低減して清浄度を高めるためには溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．２％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量が１．５％を超えて過剰になると、粗大な酸化物を生成し溶接金属の靭性を著しく劣化させる。このため、本発明において溶接ワイヤ中のＳｉ含有量は０．２〜１．５％とする。

Ｍｎ：０．２〜２．５％
Ｍｎは、溶接金属の焼入性を確保して強度を高める、また、組織を微細化して靭性向上にも有効な元素であり、これらの効果を得るためにはワイヤ中のＭｎ含有量を０．２％以上とする必要がある。一方、ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属中に降伏点が低い組織である残留オーステナイトが過剰に生成して溶接金属の降伏強度が向上しない上、粒界脆化感受性が増加して溶接金属の脆性劣化、耐溶接割れ性劣化の可能性が高くなる。

このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は０．２〜２．５％とする。

Ａｌ：０．００２〜０．１％
Ａｌは脱酸元素であり、Ｓｉと同様、溶接金属中の酸素量を低減し、清浄度向上に効果があるが、効果を発揮するためには溶接ワイヤ中に０．００２％以上含有させる必要がある。一方、Ａｌは溶接ワイヤ中に０．１％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大な酸化物を形成して、この粗大酸化物が靭性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．００２〜０．１％とする。

Ｎｉ：６．１〜１２％
Ｎｉは、固溶靭化により溶接金属の他の成分、組織によらず安定して靭性を向上できる唯一の元素であり、特に、引張り強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の高強度の溶接金属で靭性を確保するには必須の元素であり、６．１％以上含有させる必要がある。

Ｎｉ含有量が多いほど靭性を向上する上で有利ではあるが、溶接ワイヤ中の含有量が１２％を超えると、靭性向上効果が飽和することに加え、溶接金属中に降伏強度が低い組織である残留オーステナイトが過剰に生成して溶接金属の降伏強度が向上しない。
従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を６．１〜１２％に限定する。なお、Ｎｉの効果が確実に靭性向上に寄与するためには６．２〜９．２％がより好ましい。

Ｐ：０．０２％以下
Ｐは不純物元素であり、靭性を阻害するため極力低減する必要があるが、溶接ワイヤ中の含有量が０．０２％以下では靭性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＰ含有量は０．０２％以下とする。

Ｓ：０．０１％以下
Ｓも不純物元素であり、溶接金属中に過大に存在すると靭性と延性をともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。

溶接ヤイヤ中の含有量０．０１％以下では靭性、延性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＳ含有量は０．０１％以下とする。

引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上となるような、特に超高強度の溶接金属においては、Ｓの延性、靭性への悪影響がより顕著に表れるため、溶接ワイヤ中の含有量を０．００５％以下にする方がより好ましい。

本発明において、目標とする１３００ＭＰａ以上の引張強さＴＳを確保するために、上記成分に加えて、さらに溶接ワイヤ中に、Ｍｏ、Ｃｒ、および、Ｗのうちの１種、または、２種以上を以下の所定範囲で含有する必要がある。

Ｍｏ：０．１〜４．０％
Ｍｏは、溶接金属の引張強さＴＳを高めるための焼入性向上元素であり、かつフェライト安定化元素であるために溶接金属の降伏強度が低い組織である残留オーステナイト低減に有効な元素である。また、焼もどし抵抗性を増すことにより強度と靭性を確保することができる。これらの効果を発揮するためには、ワイヤ中にＭｏを０．１％以上含有させる必要がある。

一方、Ｍｏを溶接ワイヤ中に４．０％を超えて含有させると、溶接金属中に粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させるとともに、熱間及び冷間での変形抵抗が過大となって加工性が劣化し、ワイヤ製造に困難を生じる。このため、本発明において、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量は０．１〜４．０％とする。

Ｃｒ：０．０１〜４．０％
Ｃｒは、焼入れ性を高めることにより高強度化に有効元素である。そのために溶接ワイヤ中に含有させる場合は、０．０１％以上必要である。一方、４．０％を越えて過剰に含有させると、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、靭性を著しく劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中の含有量の上限を４．０％とする。

Ｗ：０．１〜３．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に、焼入れ性向上元素であり、かつ、フェライト安定化元素であるために降伏強度が低い組織である残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細化炭化物を形成して、析出強化により降伏強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限０．１％必要である。一方、３．０％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、靭性劣化が著しくなる。

このため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＷを含有させる場合の含有量は０．１〜３．０％とする。

本発明では、目的とする溶接金属の引張強さＴＳ（１３００ＭＰａ以上）、靭性（−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー_ＶＥ_−４０で２７Ｊ以上）を達成するために、以上の成分をそれぞれの含有量の規定範囲内で添加する際に、さらに、下記（１）式で示される溶接金属の焼入れ硬さを示す炭素当量（Ｃｅｑ）が所定範囲内を満足するようにワイヤ中の各成分の含有量を調整する必要がある。
Ｃｅｑ＝［Ｃ％］＋［Ｍｎ％］／６＋［Ｓｉ％］／２４＋［Ｎｉ％］／４０＋［Ｍｏ％］／４＋［Ｃｒ％］／５＋［Ｗ％］／８ ・ ・ ・（１）
但し、［Ｃ％］、［Ｍｎ％］、［Ｓｉ％］、［Ｎｉ％］、［Ｍｏ％］、［Ｃｒ％］、及び、［Ｗ％］は、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、及び、Ｗのそれぞれの含有量（質量％）を示す。

溶接金属の引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上とするためには、焼入れ硬さを十分に確保して溶接金属の変態組織をマルテンサイト単相組織またはマルテンサイトの割合が９０％以上のマルテンサイト主体組織とする必要がある。マルテンサイト主体組織の場合には、残部組織として、わずかなベイナイト組織の含有は許容されるが、降伏強度が低い残留オーステナイト組織は溶接金属の降伏強度低下をもたらすためその含有量を極力低減するのが好ましい。

そのためには、溶接ワイヤ中に含有する焼入れ成分である、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、及び、Ｗの含有量を基に上記（１）式で求められる焼入れ硬さの指標である炭素当量Ｃｅｑを０．５％以上に限定する必要がある。炭素当量Ｃｅｑが０．５％未満の場合には、溶接金属の引張り強さＴＳが１３００ＭＰａ以上とするための焼入れ硬さが十分に確保できない。

炭素当量が大きい程安定した焼入れ硬さが確保できるが、１．５％超えて過剰となると、引張強度の上昇は飽和する上、降伏強度が低い残留オーステナイト組織の生成により溶接金属の降伏強度が逆に低下し、また、溶接金属の靭性も劣化するため好ましくない。
以上の理由により、本発明においては、溶接ワイヤの炭素当量（Ｃｅｑ）を０．５〜１．５％に限定する。

また、目標とするＴＳ１３００ＭＰａ以上で、かつ−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験における吸収エネルギーで_ＶＥ_−４０＝２７Ｊ以上の低温靭性を確保するためには、上記（１）式で示される炭素当量（Ｃｅｑ）、を満足するのに加え、下記（２）式で示される焼入れ性を表す指数であるＸ値が所定範囲内を満足するようにワイヤ中の各成分の含有量を調整する必要がある。
Ｘ＝√［Ｃ％］×（１＋０．６４×［Ｓｉ％］）×（１＋４．１×［Ｍｎ％］）×（１＋０．５２［Ｎｉ％］）×（１．４４＋１．６［Ｃｒ％］）×（１＋３．１４×［Ｍｏ％］）×（１＋１．５７×［Ｗ％］） ・ ・ ・（２）
但し、［Ｃ％］、［Ｓｉ％］、［Ｍｎ％］、［Ｎｉ％］、［Ｃｒ％］、［Ｍｏ％］、及び、［Ｗ％］は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、及び、Ｗのそれぞれの含有量（質量％）を示す。

上記（２）式で示されるＸ値は、溶接し、凝固した溶接ビードが次の溶接により再熱を受けるような多層盛溶接で形成された溶接金属において、マルテンサイトの割合が９０％以上のマルテンサイト主体組織とするために必要な焼入れ性を示す指標である。

Ｘ値が２０より低い場合には、溶接ビードが次の溶接により再熱を受けた場合にベイナイト組織に変態しやすくなり、マルテンサイト組織の割合が９０％以上のマルテンサイト主体組織とすることが困難となり、溶接金属の強度を十分に向上させることができない。

一方、上記（２）式で示されるＸ値が２００を超えると、Ｍ_Ｓ点が過剰に低下し、合金元素の周囲に過剰な固溶炭素雰囲気が形成され、マルテンサイト組織を必要以上に硬化させる結果、溶接金属の靭性を劣化させる。

これらの理由から、本発明においては、ワイヤ中の成分組成を上記（２）式で示されるＸ値が２０〜２００の範囲内を満足するように限定する。

以上が本発明の溶接ワイヤの基本成分元素及び制限すべき不純物の含有量の限定理由である。本発明は、目的とする溶接金属の基本特性を阻害しない範囲内で、さらに、溶接金属の特定の機械的性質の調整のために、必要に応じて、ワイヤ中に、さらに、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｃｏ、および、Ｂのうちの１種または２種以上を以下の含有量の範囲で溶接ワイヤ中に含有させることができる。

Ｃｕ：０．０１〜１．５％
Ｃｕは強度向上には有効な元素であり、また、表面にメッキすることでワイヤの通電性を高める作用も有する。本発明では、溶接金属の強度向上効果を十分に得るためには、ワイヤ中に含有するＣｕの含有量、さらに表面にＣｕがメッキされる場合にはワイヤ中に含有するＣｕとメッキされるＣｕの合計含有量を０．０１％以上とする必要がある。

一方、ワイヤ中のＣｕ含有量が１．５％を超えると、ワイヤ表面にメッキされる場合、あるいは、ワイヤ中に含有する場合のいずれも、溶接金属の靭性の劣化や耐高温割れ性の劣化が生じやすくなるため、好ましくない。

したがって、本発明では、ワイヤ中のＣｕ含有量を０．０１〜１．５％とするのが好ましい。

Ｔｉ：０．００５〜０．３％
Ｔｉは溶接金属において脱酸元素として有効であり、かつ溶接金属中の固溶Ｎを窒化物として固定して固溶Ｎの靭性への悪影響を緩和でき、さらにはＴｉＮを形成して多層盛溶接の場合に溶接金属の再加熱領域における過熱オーステナイト粒を微細化する作用もある。これらのＴｉの作用により溶接金属の靭性向上効果を発揮するためには溶接ワイヤ中にＴｉを０．００５％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量が０．３％を超えて過剰になると、溶接金属中の粗大な酸化物の形成、および、ＴｉＮの過度な析出による靭性劣化が顕著に生じる可能性が大となる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量を０．００５〜０．３％とする。

Ｎｂ：０．００５〜０．１％
Ｎｂもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。これらの効果を発揮するために、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮し、ワイヤ中のＮｂ含有量を０．００５％以上とする必要がある。一方、ワイヤ中のＮｂ含有量が０．１％を越えると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。

そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＮｂを含有させる場合の含有量は０．００５〜０．１％とする。

Ｖ：０．００５〜０．５％
Ｖもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限０．００５％必要である。一方、０．５％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。

そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＶを含有させる場合の含有量は０．００５〜０．５％とする。

Ｔａ：０．００５〜０．５％
Ｔａもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。これらの効果を発揮するためには、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても最低限０．００５％必要である。一方、０．５％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＴａを含有させる場合の含有量は０．００５〜０．５％とする。

Ｃｏ：０．０１〜６％
Ｃｏは、溶接金属のベイナイトおよびマルテンサイトの変態点が極端に低下することを抑制する作用により、溶接金属の強度調整、および、溶接金属中の残留オーステナイトの生成を抑制し、溶接金属の降伏強度を向上するために有効な元素である。これらの効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中に０．０１％以上含有させる必要がある。一方、６％を越えてワイヤ中に含有させてもこれらの効果が飽和し、ワイヤの製造コストが過大となる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＣｏを含有させる場合はその含有量の範囲を０．０１〜６％とするのが好ましい。

Ｂ：０．００１〜０．０１５％
Ｂは、焼入れ性を高めて溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、また、溶接金属中の固溶Ｎと結びついてＢＮを形成して、溶接金属の靭性を向上する作用も有する。これらの効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＢ含有量は０．００１％以上必要である。一方、溶接ワイヤ中のＢ含有量が０．０１５％超となると、溶接金属中のＢが過剰となり、粗大なＢＮやＦｅ_２３（Ｃ、Ｂ）₆等のＢ化合物を形成して靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。

そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、Ｂ含有量を０．００１〜０．０１５％に限定するのがこのましい。

Ｃａ、および、REMのうちの１種または２種以上：０．０００２〜０．０１％
本発明では、上記成分に加えて、さらに、溶接金属の延性、靭性を調整する目的で、必要に応じて、Ｃａ、Ｍｇ、および、ＲＥＭのうちの１種または２種以上を以下の範囲内でワイヤ中に含有させることができる。

Ｃａ、Ｍｇ、および、ＲＥＭはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性及び靭性向上に有効である。これらの効果を十分に発揮するためには、Ｃａ、Ｍｇ、および、ＲＥＭの含有量はいずれも０．０００２％以上とするのが好ましい。一方、ワイヤ中にＣａ、Ｍｇ、および、ＲＥＭを０．０１％を超えて過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招き、また、溶接ビード形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じる。このため、ワイヤ中のＣａ、Ｍｇ、および、ＲＥＭの含有量の上限はいずれも０．０１％とするのが好ましい。

Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％
なお、以上の溶接ワイヤの化学組成は最終のワイヤ形態での値であり、該化学組成が本発明を満足していれば、溶接ワイヤがソリッドワイヤでも鋼製外皮の中に金属または合金、フラックス等の粒状または粉状原料で充填されたワイヤであっても本発明の効果を損なうものではない。

本発明の効果を実施例によりさらに詳細に説明する。種々の化学組成のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを用いて図１に示すような継手を作製し、丸棒引張試験、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験により溶接金属の強度、靭性を評価した。鋼板は板厚１２ｍｍの、降伏応力ＹＰ:１１００ＭＰａ、引張強さＴＳ:１２００ＭＰａ級の鋼板を用い、Ｖ形開先の突合せ継手とし、表１の条件で、表２の化学組成を有する直径１．２ｍｍの溶接ワイヤを用いたＴＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接により多層盛溶接を行った。

図１に示すように、裏当材２を用いて溶接した溶接後の継手の溶接金属３から２ｍｍＶノッチシャルピー試験片４および丸棒引張り試験片５を採取し、機械的性質を調査した。引張強度の測定は、鋼板１の板厚中心および溶接金属幅中央のそれぞれから、平行部径が６ｍｍ、平行部長さが３２ｍｍの丸棒引張試験片５を試験片長手方向が溶接ビード長手方向に平行になるように採取し、室温において引張試験を行うことにより測定した。全ての溶接金属において、明確な降伏点、降伏伸びを生じなかったため、降伏応力ＹＰとしては０．２％耐力（０．２％Ｐ．Ｓ）を採用した。

靭性は、図１に示すように、試験片の中心が鋼板の板厚１／４位置で、ノッチが溶接金属の幅方向中央にくるような位置から１０ｍｍ×１０ｍｍ角で、長片長さ：５５ｍｍの試験片４を採取し、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の−４０℃における平均吸収エネルギー_ＶＥ_−４０（３本の測定値の平均）により評価した。

表２に溶接ワイヤの化学組成及び機械試験結果を示す。継手Ａ１〜継手Ａ１３は本発明の化学組成を有する溶接ワイヤを用いて溶接した継手である。継手Ａ１〜継手Ａ１３の溶接金属の強度は、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上を達成し、降伏応力ＹＰ（０．２％耐力Ｐ．Ｓ）も１１００ＭＰａ以上となる、十分な強度を得られる。また、溶接金属の靭性についても、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ以上の極めて高い強度の溶接金属であって、全て−４０℃での２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験による吸収エネルギー（_ＶＥ_−４０）で２７Ｊ以上が得られており、十分な低温靭性を達成している。

一方、継手Ｂ１〜Ｂ９は本発明の要件を満足しないワイヤにより溶接した比較例であり、溶接ワイヤの組成が本発明を満足していないために、強度、あるいは、靭性が十分でない。

継手Ｂ１は、溶接ワイヤのＣ含有量が不足のため引張強さＴＳが本発明の目標値（ＴＳ≧１３００ＭＰａ）を下回っている。

継手Ｂ２は、溶接ワイヤのＣ含有量が過大であるため、溶接金属の靭性_ＶＥ_−４０が１０．８Ｊであり、本発明例に比べて大幅に劣化している。

継手Ｂ３は、溶接ワイヤのＳ含有量が過大であるため、溶接金属の靭性_ＶＥ_−４０が１２．１Ｊであり、本発明例に比べて明らかに靭性が劣る。

継手Ｂ４であり、溶接ワイヤのＰ含有量が過大であるため、溶接金属の靭性_ＶＥ_−４０が１０．３Ｊであり、本発明例に比べて明らかに靭性が劣る。

継手Ｂ５は、Ｎｉ含有量が過小のため、固溶靭化が不足し、靭性_ＶＥ_−４０が２２．８Ｊと目標値を下回っている。

継手Ｂ６は、溶接ワイヤのＣｒ含有量が過大であるため、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、溶接金属の靭性_ＶＥ_−４０が１７．９Ｊであり、著しく劣る。

継手Ｂ７は、溶接ワイヤのＭｏ含有量が過大であるため、粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性_ＶＥ_−４０が１６．４Ｊであり、著しく劣化した。また、ワイヤの熱間および冷間での変形抵抗が過大となって加工性も劣化し、ワイヤ製造にも困難を生じた。

継手Ｂ８は、溶接ワイヤの指数Ｘが過小であるため焼入れによる強度向上効果が十分に得られず、引張強さＴＳが本発明の目標値（ＴＳ≧１３００ＭＰａ）を下回っている。

継手Ｂ９は、溶接ワイヤのＷ含有量が過大であるため、粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性_ＶＥ_−４０が１２．７Ｊであり、著しく劣る。

以上の実施例からも、本発明によれば、引張強さＴＳが１３００ＭＰａ級以上の高張力鋼板におけるガスシールドアーク溶接において、引張強さＴＳ、靭性_ＶＥ_−４０に優れた溶接金属を得ることができ、鋼構造物で適用される高張力鋼板の溶接において強度および靭性が高く安全性に優れた溶接継手を提供することが可能であることが明らかである。

実施例に用いた溶接継手の開先形状と２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片の採取要領とを示す模式図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 裏当金
３ 溶接ビード
４ ２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片
５ 丸棒引張り試験片

Claims (3)

1. ワイヤ全体に対する質量％で、
   Ｃ：０．１〜０．４％、
   Ｓｉ：０．２〜１．５％、
   Ｍｎ：０．２〜２．５％、
   Ａｌ：０．００２〜０．１％、
   Ｎｉ：６．１〜１２％
   を含み、
   Ｐ：０．０２％以下、
   Ｓ：０．０１％以下
   に制限し、
   さらに、
   Ｍｏ：０．１〜４．０％、
   Ｃｒ：０．０１〜４．０％、および、
   Ｗ：０．１〜３．０％
   のうちの１種または２種以上を含有し、
   下記（１）式で示される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．５〜１．５％を満足し、かつ下記（２）式で示される指数Ｘが２０〜２００を満足し、残部が不可避不純物ならびにＦｅからなることを特徴とする高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ。
   Ｃｅｑ＝［Ｃ％］＋［Ｍｎ％］／６＋［Ｓｉ％］／２４＋［Ｎｉ％］／４０＋［Ｍｏ％］／４＋［Ｃｒ％］／５＋［Ｗ％］／８ ・ ・ ・（１）
   Ｘ＝√［Ｃ％］×（１＋０．６４×［Ｓｉ％］）×（１＋４．１×［Ｍｎ％］）×（１＋０．５２［Ｎｉ％］）×（１．４４＋１．６［Ｃｒ％］）×（１＋３．１４×［Ｍｏ％］）×（１＋１．５７×［Ｗ％］） ・ ・ ・（２）
   但し、［Ｃ％］、［Ｍｎ％］、［Ｓｉ％］、［Ｎｉ％］、［Ｍｏ％］、［Ｃｒ％］、及び、［Ｗ％］、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、及び、Ｗのそれぞれの含有量（質量％）を示す。
2. ワイヤ全体に対する質量％で、さらに、
   Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
   Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
   Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
   Ｖ：０．００５〜０．５％、
   Ｔａ：０．００５〜０．５％
   Ｃｏ：０．０１〜６％、および、
   Ｂ：０．００１〜０．０１５％
   のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ。
3. ワイヤ全体に対する質量％で、さらに、
   Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
   Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、および、
   ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
   のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の高強度高靭性鋼用溶接ワイヤ。

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