JP2010115701A - 低温靭性に優れた高強度溶接金属 - Google Patents

Abstract

【課題】フラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接によって形成される溶接金属の強度を７００ＭＰａ以上とすると共に、−６０℃レベルの低温域での靭性にも優れた溶接金属を提供する。
【解決手段】フラックス入りワイヤを用い、ガスシールドアーク溶接によって形成された溶接金属であって、質量％で、 Ｃ：０．０２〜０．１２％、 Ｓｉ：０．１〜１．０％、 Ｍｎ：０．５〜３．０％、 Ａｌ：０．００２〜０.０３％、 Ｎｉ：０．５〜３.５％、 Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、 Ｏ：０．０３〜０．０８％を夫々含むと共に、 Ｎ：０．０１％以下に制限し、且つ
前記溶接金属断面を電子顕微鏡で観察したときに、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物が観察視野１ｍｍ²換算で１０×１０³〜５００×１０³個存在し、
且つ、前記最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物の内、個数割合で８０％以上の酸化物が、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包するものであり、
更に最大径が１μｍ以上の酸化物が観察視野１ｍｍ²換算で１５０個以下に抑えられたものであって、
前記溶接金属断面の組織において、観察されるベイナイト組織サイズが平均で２．０μｍ以下である
ことを特徴とする低温靭性に優れた高強度溶接金属である。
【選択図】なし

Description

本発明は、フラックス入りワイヤを用い、ガスシールドアーク溶接によって形成された溶接金属に関するものである。

構造物に使用される鋼材は近年益々高強度化しており、鋼材同士を接合する接合部にも高強度化が望まれている。鋼材同士を接合する方法としては種々あり、一般には溶接が用いられる。そのため鋼材同士を溶接したときに形成される溶接金属についても高強度化が求められており、７００ＭＰａ以上の強度レベルが要求されることがある。

ところで海洋構造物や液化ガスタンク、ラインパイプなど低温環境下で使用される構造物の素材としては、高強度の他に、例えば-４０℃以下のレベルでの低温環境下においても靭性が良好であることが強く求められている（以下、低温靭性という）。そのためこうした構造物用の素材を接合した溶接金属についても-４０℃以下のレベルでの低温環境下における良好な靭性が求められる。ところが溶接金属は鋼材と異なり、熱処理することで靭性を高めることはできないため、該溶接金属の低温靭性は鋼材の低温靭性よりも劣っているのが現状である。

こうした溶接金属の低温靭性は、該溶接金属の組織に大きく影響を受けることが知られており、低温靭性を改善する方法としては、旧γ粒内から核生成した微細なベイナイト組織（アシキュラーフェライト（acicular ferrite）とも呼ばれる。以下本件においては、ベイナイト組織と記述する）を生成させるのが有効であることも知られている。

本発明者らも溶接金属の低温靭性を改善すべく種々検討を進めており、その研究の一環として溶接金属の成分組成を厳密に規定すれば、溶接金属を高強度化し、且つ低温靭性を改善できることを見出し、その技術的意義が認められたので先に特許文献１として提案した。しかしこの技術は、主に溶接時にスラグを形成しないワイヤ（例えば、ソリッドワイヤ）を用いてガスシールドアーク溶接して得られた溶接金属の特性を向上させるものであり、こうした技術を、溶接時にスラグを形成するワイヤ（例えば、フラックス入りワイヤ）を用いて得られた溶接金属の特性向上に適用しようとしても、溶接金属の強度と低温靭性は充分に改善できないことが判明した。

ところでガスシールドアーク溶接時にソリッドワイヤ等を用いると、溶接時に溶接金属表面にスラグが殆ど生成しないため、全姿勢溶接できない。これに対し溶接時にスラグを形成するフラックス入りワイヤを用いると、溶接時に溶接金属表面にスラグが形成されるため全姿勢溶接できるようになる。そのため溶接にはフラックス入りワイヤを用いることが望まれている。しかし上述したように、フラックス入りワイヤを用いて得られた溶接金属の強度と低温靭性は満足のいくレベルではなく、改善が求められていた。
この様な状況から、本発明者らは、先に特許文献２の技術も提案している。この技術によれば、−４０℃レベルにおいては十分な靭性が発揮されうる。
しかし、近年では、さらに一層の低温靭性（−６０℃レベル）が求められる様になってきており、この特許文献２の技術によっても、−６０℃レベルでは未だ要求される低温靭性には達していなかった。
特開２００４−３１５９６２号公報 特開２００６−７５６３４号公報

本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、フラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接によって形成される溶接金属の強度を７００ＭＰａ以上とすると共に、−６０℃レベルの低温域での靭性にも優れた溶接金属を提供することにある。

本発明者らは、特許文献２の技術をベースとして、フラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接して形成された溶接金属の強度と一層の低温靭性の両立を図るべく鋭意検討を重ねた。その結果、低温靭性をさらに改善するには、溶接金属の成分組成を特許文献２の技術よりも更に厳密に制御しつつ、溶接金属内に形成される酸化物の形態に加えて、その内部状態まで適切に制御し、ベイナイト組織を微細にすることが重要であることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明に係る高強度溶接金属とは、フラックス入りワイヤを用い、ガスシールドアーク溶接によって形成された溶接金属であって、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、 Ｓｉ：０．１〜１．０％、 Ｍｎ：０．５〜３．０％、 Ａｌ：０．００２〜０．０３％、 Ｎｉ：０．５〜３．５％、 Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、 Ｏ：０．０３〜０．０８％をそれぞれ含むと共に、Ｎ：０．０１％以下に制御し、且つ
前記溶接金属断面を電子顕微鏡で観察したときに、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物が観察視野１ｍｍ²換算で１０×１０³〜５００×１０³個存在し、
且つ、前記最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物の内、個数割合で８０％以上の酸化物が、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包するものであり、
更に最大径が１μｍ以上の酸化物が観察視野１ｍｍ²換算で１５０個以下に抑えられたものであって、
前記溶接金属断面の組織において、観察されるベイナイト組織サイズが平均で２．０μｍ以下である
点に要旨を有する。

溶接金属の強度を一層向上させるには、更に他の元素として、Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、およびＶ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むものであることが好ましい。

溶接金属の低温靭性を一層改善するには、更に他の元素として、Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：２．０％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．０１０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むものであることが好ましい。

本発明によれば、溶接金属の成分組成を厳密に調整すると共に、溶接金属内の酸化物の形態を適切に制御することで、７００ＭＰａ以上の高強度で、且つ−６０℃域での低温靭性に優れた溶接金属を提供できる。本発明の溶接金属は、溶接時にフラックス入りワイヤを用いることで得られるため、溶接時に全姿勢溶接が可能となり、溶接作業性が改善される。

本発明の溶接金属は、酸化物が適正に分散しているところに特徴がある。即ち、フラックス入りワイヤには、溶接時に溶接金属の表面にスラグを形成するために、フラックス等にＴｉやＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ等の酸化物が配合される。そのためフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接して得られた溶接金属中には、ソリッドワイヤを用いてガスシールドアーク溶接して得られた溶接金属中よりも一般に多くの酸化物が生成することになる。従ってソリッドワイヤを用いて得られた溶接金属とフラックス入りワイヤを用いて得られた溶接金属では、溶接金属内に生成している酸化物量にはかなりの差がある。

そこで本発明に係る溶接金属は、微細な酸化物が適当に分散していると共に、当該微細な酸化物の内部状態が適切に制御され、加えて粗大な酸化物の生成が極力抑えられていることが重要である。溶接金属中の酸化物の形態・内部状態をバランスよく制御することによって、微細な酸化物がベイナイト組織の生成核となって低温靭性が改善され、粗大な酸化物が生成することによる低温靭性の劣化を防止できる。

上記酸化物とは、ＴｉやＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ等の酸化物、或いはこれらの元素を含む複合酸化物を意味する。Ｔｉの酸化物としては例えばＴｉ₂Ｏ₃、Ｓｉの酸化物としては例えばＳｉＯ₂、Ｍｎの酸化物としては例えばＭｎＯやＭｎＯ₂、Ａｌの酸化物としては例えばＡｌ₂Ｏ₃などが挙げられる。複合酸化物としては、例えばＴｉとＭｎを含む酸化物［例えば、（ＭｎＴｉ）Ｏ₃など］が挙げられる。

なお、本件出願人が先に出願した上記特許文献２で記述しているように、溶接時にフラックス入りワイヤを用いると、該フラックス入りワイヤには酸化物が多く含まれるため、溶接金属中の酸素源が多くなる。そのため溶接金属中では、まず脱酸力の強いＴｉが酸素と結合して酸化物を形成し、これが粗大な酸化物に成長するのであるが、溶接金属中のＴｉが脱酸によって消費された後にも酸素が残存することとなる。この残存する酸素は、ＳｉやＭｎ、Ａｌ等を結合して微細な酸化物を形成するため、こうした微細な酸化物についてもベイナイト組織の生成核となるのである。つまり溶接金属中の酸素源が少ない場合は、主にＴｉによる脱酸のみが進行し、Ｔｉを含まない酸化物は殆ど生成しないが、溶接時にスラグを形成するフラックス入りワイヤを用いた場合には、溶接金属中の酸素源が多くなるため、Ｔｉを含まない酸化物も多く生成するのである。

従って、溶接金属内に生成している個々の酸化物についてその成分組成を測定したところ、粗大な酸化物はＴｉを含むものが多いが、微細な酸化物にはＴｉを含むものと含まないものが混在していた。

上記微細な酸化物とは、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物であり、こうした酸化物は、ベイナイト組織の生成核となる。最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物は、溶接金属の断面を電子顕微鏡で観察したときに、観察視野１ｍｍ²換算で１０×１０³〜５００×１０³個存在している必要がある。

酸化物が１０×１０³個未満では、酸化物の生成量が少なく、アシキュラーフェライトの生成が促進されず、低温靭性を改善できない。好ましくは５０×１０³個以上、より好ましくは１００×１０³個以上である。しかし５００×１０³個を超えると、酸化物の生成量が多くなり、ボイドの連結を容易にしてしまうため却って低温靭性が劣化する。好ましくは４５０×１０³個以下、より好ましくは４００×１０³個以下である。

微細な酸化物の個数は、走査型電子顕微鏡を用いて５０００倍で観察視野４００μｍ²の範囲を異なる領域で５箇所測定し、測定した値を平均したものを１ｍｍ²当たりに換算して算出する。

一方、上記粗大な酸化物とは、最大径が１μｍ以上の酸化物であり、こうした酸化物が生成してもアシキュラーフェライトの生成核とならず、却って低温靭性に悪影響を及ぼす。最大径が１μｍ以上の酸化物は、溶接金属の断面を電子顕微鏡で観察したときに、観察視野１ｍｍ²換算で１５０個以下に抑えられている必要がある。１５０個までであれば許容できるが、できるだけ少ない方が好ましい。好ましくは１４０個以下、より好ましくは１３０個以下、更に好ましくは１２０個以下である。

粗大な酸化物の個数は、走査型電子顕微鏡を用いて１０００倍で観察視野１ｍｍ²の範囲を異なる領域で５箇所測定し、測定した値を平均して算出する。なお、電子顕微鏡で観察する位置は、溶接金属の断面であれば特に限定されない。
また、本発明の溶接金属は、上記酸化物が適性に分散したものであるが、溶接金属の低温靭性を更に向上させるために、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物の内部状態及びベイナイト組織サイズを厳密に制御することが重要である。即ち、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物の内、個数割合で８０％以上の酸化物が、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包するものに調整し、ベイナイト組織サイズを平均で２．０μｍ以下とすることが重要である。
この様な制御をする理由は以下のとおりである。粒内変態の促進メカニズムを考えると、ベイナイトと酸化物間の界面エネルギー、ならびにベイナイトとオーステナイト間の界面エネルギーの両方を低下させる酸化物が変態核として効果的である。そして、この様な変態核として効果的な酸化物を多数生成させれば、ベイナイト組織が結果として微細になる。この観点で、高温のオーステナイトにおいては液体化し、その後の冷却過程において結晶化する挙動を示す酸化物が有効であると考えられる。
このような酸化物が、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物であって、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包するものなのである。最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満であって、且つ、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物が、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物全体に対して個数割合で８０％以上であるとき、ベイナイト組織は均一に微細化して、平均サイズで２．０μｍ以下となり、−６０℃レベルでも十分な靭性を発揮しうるようになる。
なお、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満であって、且つ、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて、約２５μm²の面積範囲を異なる領域で１０ヶ所測定して算出したものである。複合形態については、Ｓｉ、Ｔｉなどの成分はＥＤＸ（エネルギー分散型X線分析装置）によって分析し、ディフラクションパターン解析によって非晶質か結晶質か同定し、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物とそれ以外の酸化物の個数をカウントする。 また、ベイナイト組織サイズは、ＦＥ−ＳＥＭのＥＢＳＤ解析によって算出した。約１００００μm²の面積範囲について結晶方位解析を行ない、１５°以上の方位差を持つ境界で囲まれたベイナイト組織を一つの組織単位として、その短径を測定し、前記観察面積範囲全体で測定された全てのベイナイト組織を対象に平均値を算出した。
Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物の個数割合が８０％に満たない場合は、ベイナイト組織サイズが不均一となり、平均サイズで２．０μｍを超えるようになって、靭性が低下する

本発明の溶接金属の強度を向上させ、低温靭性も確保するため成分組成も厳密に調整することが重要である。即ち、本発明の溶接金属は、必須成分として、Ｃ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ａｌ：０．００２〜０．０３％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、Ｏ：０．０３〜０．０８％を夫々含有すると共に、Ｎ：０．０１％以下に制限するものである。こうした範囲を定めた理由を以下説明する。

Ｃ：０．０２〜０．１２％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために欠くことのできない元素であり、０．０２％以上含有させる必要がある。好ましくは０．０３％以上、より好ましくは０．０５％以上である。しかし０．１２％を超えると硬質組織の生成を増加させて溶接金属の強度が過度に上昇し、低温靭性の劣化を招くので、Ｃ含有量は０．１２％以下に抑える必要がある。好ましくは０．１０％以下、より好ましくは０．０９％以下である。

Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、脱酸作用を有する元素であり、溶接金属を清浄化する。また溶接金属内に歩留まった場合はフェライトを固溶強化させる。こうした効果を発揮させるには、０．１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２％以上である。しかし１．０％を超えると溶接金属の強度が過度に上昇して低温靭性が低下する原因となる。また、硬質の第二相を生成させて溶接金属の低温靭性を劣化させる原因となる。好ましくは０．８％以下であり、より好ましくは０．５％以下である。

Ｍｎ：０．５〜３．０％
Ｍｎは、溶接金属の強度および−６０℃レベルでの低温靭性を確保するために欠かせない元素であり、こうした効果を発揮させるために０．５％以上含有させる。好ましくは０．８％以上、より好ましくは１％以上である。しかし３．０％を超えると焼入性が増大し過ぎて却って低温靭性を低下させる。また、偏析により硬質の第二相が生成することによっても低温靭性の低下を招く。好ましくは２．８％以下、より好ましくは２．５％以下である。 Ａｌ：０．００２〜０．０３％
Ａｌは脱酸作用により溶接金属を清浄にする。またSiとともに非晶質の酸化物を構成する。こうした効果を発揮させるために、０．００２％以上含有させる。好ましくは０．００３％以上である。しかし、０．０３％を超えると溶接金属内に粗大な酸化物を形成するようになる。好ましくは０．０２％以下、より好ましくは０．０１％以下、更に好ましくは０．００８％以下である。

Ｎｉ：０．５〜３．５％
Ｎｉは、Ｍｎと同様に、溶接金属の強度および靭性を確保するうえで重要な元素であり、特に低温靭性の向上に有効に作用する。こうした作用を発揮させるには、０．５％以上含有させる必要がある。好ましくは０．７５％以上、より好ましくは１％以上である。しかし３．５％を超えると焼入性が増大して溶接金属の低温靭性を劣化させるので、Ｎｉ含有量は３．５％以下に抑える。好ましくは３．０％以下、より好ましくは２．５％以下である。

Ｔｉ：０．００５〜０．２０％
Ｔｉは、溶接金属中にベイナイト組織を生成させるための核となる酸化物を形成する元素として重要であり、Ｔｉ含有量が０．００５％未満では酸化物が充分に生成せず、ベイナイト組織も生成し難くなり、満足のいく低温靭性が得られない。そこで酸化物を生成させるため、Ｔｉ含有量は０．００５％以上とすべきである。好ましくは０．０１％以上、より好ましくは０．０３％以上である。しかしＴｉ含有量が０．２０％を超えると炭化物（ＴｉＣ）が析出して溶接金属の強度を著しく高めて低温靭性を劣化させるので、Ｔｉ含有量は０．２０％以下に抑える。好ましくは０．１５％以下、より好ましくは０．１０％以下である。

Ｏ：０．０３〜０．０８％
Ｏ（酸素）は、溶接金属中にベイナイト組織の生成核となる酸化物を生成させて低温靭性を高めるために極めて重要な元素である。こうした効果を発揮させるには０．０３％以上含有させる必要がある。好ましくは０．０４％以上である。しかし０．０８％を超えて含有させると酸化物が粗大化してベイナイト組織の生成核になり難くなり、却って低温靭性が劣化する原因となる。そのためＯ含有量は０．０８％以下に抑える。好ましくは０．０７％以下、より好ましくは０．０６％以下である。

本発明の溶接金属は、上記元素を必須成分として含有するものであるが、更に、Ｎは０．０１％以下に制限する（０％を含む）。
Ｎは、溶接金属内に固溶し、歪時効効果により低温靭性を劣化させるため、極力抑えることが好ましいからである。こうしたことから上限を０．０１％と定めた。より好ましくは０．００９％以下、更に好ましくは０．００８％以下である。
なお、本発明の溶接金属には、必要に応じて、更に他の元素として、下記（ａ）や（ｂ）に示す元素を含むことが好ましい。

（ａ）Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種
Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖは、いずれも溶接金属の強度を一層向上させる元素である。これらの元素は、夫々単独で、或いは任意に選ばれる２種以上を組み合わせて含有させることができる。こうした範囲を規定した理由は次の通りである。

Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）
Ｃｕは、Ｎｉと同様の作用を有しており、溶接金属の低温靭性を損なうことなく強度を高めることができる。このような作用は少量の添加で発揮するが、好ましくは０．００５％以上含有させることが推奨され、より好ましくは０．０１％以上である。しかし２．０％を超えると溶接金属の焼入性が増大して低温靭性を劣化させるので、Ｃｕ含有量は２．０％以下に抑えるのがよい。より好ましくは１．８％以下、更に好ましくは１．７％以下である。

Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）および／またはＶ：０．２％以下（０％を含まない）
ＮｂやＶは、少量の添加で溶接金属の焼入性を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。しかしＮｂ含有量が０．２％を超えるか、Ｖ含有量が０．２％を超えると溶接金属中に炭化物が析出して低温靭性を劣化させるので、Ｎｂ含有量は０．２％以下、Ｖ含有量は０．２％以下に抑えることが好ましい。Ｎｂ含有量は、０．１５％以下とすることがより好ましく、更に好ましくは０．１％以下である。Ｖ含有量は、０．１５％以下とすることがより好ましく、更に好ましくは０．１％以下である。ＮｂとＶを併用する場合は、合計で０．３％以下とするのが好ましく、より好ましくは０．２％以下、更に好ましくは０．１％以下である。

（ｂ）Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、Ｃｒ：２．０％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．０１０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種
Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂは、いずれも溶接金属の低温靭性を一層改善する元素である。これらの元素は、夫々単独で、或いは任意に選ばれる２種以上を組み合わせて含有させることができる。こうした範囲を規定した理由は次の通りである。

Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）
Ｍｏは、溶接金属の組織を微細化し、低温靭性を改善する元素である。またフェライトが粒界から生成するのを抑える作用を有し、溶接金属の強度を高めることができる。更に焼戻しによる軟化抵抗を増加させる作用も有する。こうした効果は少量の添加で発揮するが、好ましくは０．０１％以上含有させることが望ましく、より好ましくは０．０５％以上である。しかし１．０％を超えると、溶接金属の強度が高くなり過ぎて低温靭性が劣化するため、上限は１．０％とする。より好ましくは０．８％以下、更に好ましくは０．７％以下である。

Ｃｒ：２．０％以下（０％を含まない）
Ｃｒは、溶接金属の焼入性を高めて粒界からのフェライト生成を抑制し、組織を微細化して低温靭性を改善する作用を有している。こうした作用は少量の添加で発揮するが、好ましくは０．０１％以上含有させることが望ましい。より好ましくは０．０２％以上、更に好ましくは０．０３％以上である。しかしＣｒ含有量が２．０％を超えると溶接金属の強度が高くなり過ぎて却って低温靭性を劣化させるので、上限は２．０％とする。好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．５％以下である。

Ｂ：０．０１０以下（０％を含まない）
Ｂは、溶接金属中に固溶したＮを固定する作用と粒界からフェライトが生成するのを抑制する作用を有する元素であり、低温靱性向上に寄与する元素である。こうした効果は少量の添加で発揮されるが、０．０００５％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．００１％以上である。しかし０．０１０％を超えるとベイナイト組織の生成を阻害し、低温靭性を劣化させて溶接割れを起こし易くなるので、Ｂ含有量は０．０１０％以下に抑制することが好ましい。より好ましくは０．００８％以下、更に好ましくは０．００５％以下である。

本発明の溶接金属の成分組成は上述した通りであり、残部はＦｅおよび不可避不純物である。不可避不純物としては、例えばＡｓ、Ｓｂ、Ｓｎ等が挙げられる。

本発明の溶接金属は、上記成分組成の範囲を満足すると共に、溶接金属中に酸化物が適正に分散しているものであり、該溶接金属の形成方法は特に限定されないが次の方法を採用できる。

上記要件を満足する溶接金属を得るには、ガスシールドアーク溶接時にフラックス入りワイヤを用いると共に、該フラックス入りワイヤの成分組成を適切に制御すればよい。

フラックス入りワイヤを用いることで、全姿勢溶接が可能となり、溶接作業性を改善できる。

上記フラックス入りワイヤの成分組成は、フラックス入りワイヤ全体の質量に対してＭｇを０．４０％以上含有すると共に、フラックス入りワイヤに含まれるＴｉ、Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌ（以下、酸化物形成元素ということがある）のバランスを適正に調整することが重要である。

Ｍｇは、脱酸剤として作用し、溶接金属内に生成する酸化物の形態を制御するのに作用する元素である。０．４０％未満では、溶接時における溶接金属の脱酸が不充分となり、酸化物が多く生成し、この酸化物が凝集して粗大化する。その結果、低温靭性を高めることができない。Ｍｇは０．４３％以上含有させることが好ましく、より好ましくは０．４５％以上である。

フラックス入りワイヤにＭｇを添加する部位は特に限定されず、鋼外皮（フープ）に含有させてもよいし、フラックスに含有させてもよい。Ｍｇを添加する形態についても特に限定されず、金属Ｍｇのまま添加してもよいし、ＭｇＯなどの化合物として添加してもよい。

上記フラックス入りワイヤに含まれる酸化物形成元素は、下記（１）式を用いて上記フラックス入りワイヤに含まれるＴｉ、Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌの量から算出されるＺ値が９０〜２２０の範囲となるように調整する。
Ｚ値＝７×（Ｔｉ）＋１５０×（Ｓｉ）＋３５×（Ｍｎ）-１８０×（Ａｌ）…（１）

Ｚ値が９０未満では、溶接金属内に形成される酸化物量が少なくなり、ベイナイト組織が生成し難くなる。そのため溶接金属の低温靭性を向上させることができない。より好ましくは１１０以上であり、更に好ましくは１３０以上である。しかしＺ値が２２０を超えると、溶接金属内に形成される酸化物量が多くなり、酸化物同士が凝集して粗大な酸化物が多くなる。そのため溶接金属の低温靭性が却って劣化する。より好ましくは２１０以下であり、更に好ましくは２００以下である。

式中、（Ｔｉ）、（Ｓｉ）、（Ｍｎ）、（Ａｌ）は、フラックス入りワイヤ全体に含まれる各元素の全量（トータル量。単位は質量％。）を意味している。即ち、フラックス入りワイヤは、鋼外皮（フープ）とフラックスから構成されており、その両方に、ＴｉやＳｉ、Ｍｎ、Ａｌを夫々単独元素として、或いはＴｉＯ₂やＳｉＯ₂等の化合物として含有させる。そこで本発明の溶接金属を得るには、こうした化合物に含まれる元素も換算して全量を求める。具体的には、（Ｔｉ）には、Ｔｉ元素としての配合量に、ＴｉＯ₂等の化合物量からＴｉ元素相当量を算出した値を足したものを代入する。（Ｓｉ）には、Ｓｉ元素としての配合量に、ＳｉＯ₂等の化合物量からＳｉ元素相当量を算出した値を足したものを代入する。（Ｍｎ）には、Ｍｎ元素としての配合量に、ＭｎＯやＭｎＯ₂等の化合物量からＭｎ元素相当量を算出した値を足したものを代入する。（Ａｌ）には、Ａｌ元素としての配合量に、ＡｌＯ₂等の化合物量からＡｌ元素相当量を算出した値を足したものを代入する。

（Ｔｉ）、（Ｓｉ）、（Ｍｎ）および（Ａｌ）は、上記Ｚ値を満足する範囲でフラックス入りワイヤに配合すればよいが、具体的には次の範囲で配合すればよい。（Ｔｉ）は６．０％以下（０％を含まない）、（Ｓｉ）は１．４％以下（０％を含まない）、（Ｍｎ）は３．８％以下（０％を含まない）、（Ａｌ）は１％以下（０％を含まない）の範囲である。
さらに、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満であって、且つ、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物を所望の量確保するには、溶接ワイヤ全重量（ワイヤ外皮＋フラックス）に対しＳｉＯ_２を０．１５％以上含有させ、かつＴｉＯ_２/ＳｉＯ_２が１８〜３０となるようフラックスを配合しておく必要がある。この比率を制御することで、非晶質酸化物であるＳｉ系の酸化物と、ベイナイトと良好な格子整合性を持つＴｉ系の酸化物の両方を包含する複合酸化物が形成できるようになる。

フラックス入りワイヤは、上述したように、Ｍｇ、Ｔｉ、ＳｉおよびＡｌ量を調整し、ＳｉＯ_２を０．１５％以上含有し、かつＴｉＯ_２/ＳｉＯ_２が１８〜３０となるようフラックスを配合しておいたものを用いればよく、残部の成分組成は特に限定されない。他の元素としては、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｂ等を配合すればよい。残部はＦｅおよび不可避不純物（例えばＡｓ、Ｓｂ、Ｓｎ等）である。こうした元素は、溶接後に得られる溶接金属の成分組成が上記範囲を満足するようにフラックス入りワイヤに配合すればよい。具体的には次の範囲で配合すればよい。Ｃは０．１５％以下（０％を含まない）、Ｎｉは３．７％以下（０％を含まない）、Ｃｕは２．１％以下（０％を含む）、Ｎｂは０．２５％以下（０％を含む）、Ｖは０．２５％以下（０％を含む）、Ｍｏは１．３％以下（０％を含む）、Ｃｒは２．１％以下（０％を含む）、Ｂは０．０１２％以下（０％を含む）の範囲である。

但し、フラックス入りワイヤの成分組成を厳密に規定しても、溶接金属内に形成される酸化物の形態は、溶接条件にも大きく影響を受けるため、本発明の溶接金属を得るには、上記フラックス入りワイヤを用い、シールドガスとして、ＣＯ₂：Ａｒ＝２０体積％：８０体積％の混合ガスを用い、電流：２８０Ａ、電圧：２８〜３０Ｖ、溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ程度でガスシールドアーク溶接する。即ち、成分組成が上記Ｚ値を満足するフラックス入りワイヤを用い、上記条件でガスシールドアーク溶接すれば、溶接金属内に存在する酸化物の形態を適切に制御できる。但し、ＣＯ₂ガスの比率を高くすると、溶接金属中の酸素源が多くなるため、酸化物の生成量が増える。そのため上記Ｚ値は低めに調整すればよい。一方、ＣＯ₂ガスの比率を低くすると、溶接金属中の酸素源が少なくなるため、酸化物の生成量が減少する。そのため上記Ｚ値は高めに調整すればよい。また、電流や電圧を高める場合や、溶接速度を小さくすると、酸化物は粗大化する傾向を示すため、上記Ｚ値は低めに調整すればよい。

なお、従来ではガスシールドアーク溶接時のシールドガスとしては、ＣＯ₂ガスを単独で用いることが一般的であったが、本発明の溶接金属を形成する際には、上述した様にシールドガスとしてＣＯ₂とＡｒの混合ガスを用いる。

上記要件を満足する本発明の溶接金属は、７００ＭＰａ以上の高強度で、且つ−６０℃域での低温靭性にも優れているので、例えば、海洋構造物や液化ガスタンク、ラインパイプなど低温環境下で使用される構造物を溶接したときの溶接金属として好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。

フラックス入りワイヤを用いて、鋼材同士をガスシールドアーク溶接して溶接金属を形成した。

フラックス入りワイヤとしては、溶製して得られたシースの中に、フラックスを入れてワイヤを作製し、このフラックス入りワイヤをφ１．２ｍｍに伸線加工した。フラックス入りワイヤの成分組成（残部はＦｅおよび不可避不純物）を下記表１に示す。なお、下記表１に示したフラックス入りワイヤの成分組成は、シースとフラックスの成分組成を併せたものを示している。Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌについては、フラックス入りワイヤに含まれている夫々の元素の含有量の全量を示している。Ｔｉ、Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌ量から 前記（１）式を用いてパラメータ値（Ｚ値）を算出したものを表１に併せて示す。

鋼材としては、板厚：２０ｍｍ、開先形状：４５°Ｖ型開先のものを用い、該鋼材同士を溶接した。溶接条件は、溶接電流：２８０Ａ、電圧：２８〜３０Ｖ、溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ程度とし、６層１２パスのガスシールドアーク溶接を行なった。シールドガスとしては、ＣＯ₂とＡｒを体積比で２０体積％：８０体積％で混合した混合ガスを用いた。得られた溶接金属の成分組成を下記表２に示す。

得られた溶接金属中に含まれる酸化物の個数やサイズ、及び、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満であって、且つ、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物の割合、ベイナイト組織サイズなどは前記した手順で測定した。算出結果を表２に併記する。なお、表２には最大径が１μｍ以上の酸化物の個数については記載していないが、いずれのサンプルも観察視野１ｍｍ²換算で１５０個以下に抑えられていることを確認している。

次に、溶接金属の機械的性質として引張特性と衝撃特性について評価した。試験片はＪＩＳ-Ｚ２２０２に準じて溶接金属から切り出したものを用いた。

引張特性は引張試験を行って引張強度（ＴＳ）を測定して評価した。７００ＭＰａ以上を合格とする。測定結果を表２に併記する。なお、降伏強度（ＹＳ）についても測定し、参考値として表２に示した。

衝撃特性はシャルピー衝撃試験を行って評価した。シャルピー衝撃試験は、−６０℃における吸収エネルギー（ｖＥ_-60）を測定し、８０Ｊ以上を合格とする。測定結果を表２に併記する。

表２から次の様に考察できる。Ｎｏ．１〜１２は、本発明で規定する要件を満足する例であり、７００ＭＰａ以上の高強度（ＴＳ）を有し、且つ−６０℃における吸収エネルギーが８０Ｊ以上の良好な低温靭性を有している。一方、Ｎｏ．１３〜２０は、本発明で規定する何れかの要件を満足しない例であり、低温靭性が劣っている。なお、Ｎｏ．２０は前記特許文献２の技術に相当する例であり、−４０℃クラスでは十分な靭性を発揮する状態ではあるものの、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満であって、且つ、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包する様な酸化物の割合、ベイナイト組織サイズが本発明の範囲を外れているため、−６０℃クラスでの靭性は本発明における合格基準である８０Ｊに達していない。

Claims (3)

1. フラックス入りワイヤを用い、ガスシールドアーク溶接によって形成された溶接金属であって、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１２％、 Ｓｉ：０．１〜１．０％、 Ｍｎ：０．５〜３．０％、 Ａｌ：０．００２〜０.０３％、 ＮＩ：０．５〜３．５％、 Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、 Ｏ：０．０３〜０．０８％を夫々含むと共に、 Ｎ：０．０１％位下に制限し、且つ
   前記溶接金属断面を電子顕微鏡で観察したときに、最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物が観察視野１ｍｍ²換算で１０×１０³〜５００×１０³個存在し、
   且つ、前記最大径が０．１μｍ以上、１μｍ未満の酸化物の内、個数割合で８０％以上の酸化物が、Ｔｉを含有する結晶質の酸化物および/またはＳｉを含有する非晶質の酸化物を内包するものであり、
   更に最大径が１μｍ以上の酸化物が観察視野１ｍｍ²換算で１５０個以下に抑えられたものであって、
   前記溶接金属断面の組織において、観察されるベイナイト組織サイズが平均で２．０μｍ以下である
   ことを特徴とする低温靭性に優れた高強度溶接金属。
2. 更に他の元素として、
   Ｃｕ：２．０％以下（０％を含まない）、
   Ｎｂ：０．２％以下（０％を含まない）、および
   Ｖ ：０．２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むものである請求項１に記載の溶接金属。
3. 更に他の元素として、
   Ｍｏ：１．０％以下（０％を含まない）、
   Ｃｒ：２．０％以下（０％を含まない）、および
   Ｂ ：０．０１０％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる少なくとも１種を含むものである請求項１または２に記載の溶接金属。