JP2011020154A - ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
【課題】全姿勢溶接における溶接作業性及び靭性が優れ、溶接後熱処理を行った後の溶接金属でも良好な靭性が得られるガスシールド溶接用フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＯ：０．３〜８．０％、金属弗化物：１．０〜８．０％を必須とするスラグ剤を含有し、さらに合金成分として、Ｃ：０．０３〜０．３０％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１０％以下、Ｖ：０．０1０％以下を含有し、残部が鉄、アーク安定剤および不可避的不純物からなり、Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］が０．２０〜１．２％であり、さらに、Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０が０．０１２％以下となるように規制したことを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＯ：０．３〜８．０％、金属弗化物：１．０〜８．０％を必須とするスラグ剤を含有し、さらに合金成分として、Ｃ：０．０３〜０．３０％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１０％以下、Ｖ：０．０1０％以下を含有し、残部が鉄、アーク安定剤および不可避的不純物からなり、Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］が０．２０〜１．２％であり、さらに、Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０が０．０１２％以下となるように規制したことを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、ＣａＯと金属弗化物を必須とするスラグ組成のフラックスを充填したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、全姿勢溶接における溶接作業性及び靭性が優れ、さらに溶接後熱処理（以下、ＰＷＨＴという）を行った後の溶接金属でも良好な靭性が得られるガスシールド溶接用フラックス入りワイヤに関する。
近年、構造物の大型化や軽量化の要求が多くなるにともない、使用される鋼板の高張力及び高靭性の要求が高まり、溶接金属に対しても同様に、溶接部の高張力及び高靭性が要求されている。
また溶接施工として、溶接棒に比べて高能率であり、全姿勢溶接が可能で、さらに溶接ビード形状およびビード外観が優れることからフラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接の採用が増加している。
また溶接施工として、溶接棒に比べて高能率であり、全姿勢溶接が可能で、さらに溶接ビード形状およびビード外観が優れることからフラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接の採用が増加している。
ルチル系フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接において溶接作業性及び能率性が良好であるが、Ｔｉ酸化物をワイヤ中に多量に含有し、スラグの塩基性も酸性であるため、溶接金属の酸素量は高く、靭性面から劣っていた。一方、弗化物系ワイヤは溶接金属の酸素量が比較的低く、良好な靭性が得られるが、全姿勢溶接の作業性がルチル系フラックス入りワイヤと比較すると格段に劣っている。
このため、溶接金属の高張力及び高靭性への要求に対し、全姿勢溶接が可能で且つ良好な靭性が得られるフラックス入りワイヤの開発は困難なものになっている。
このため、溶接金属の高張力及び高靭性への要求に対し、全姿勢溶接が可能で且つ良好な靭性が得られるフラックス入りワイヤの開発は困難なものになっている。
さらに、高張力部材の溶接では溶接部の残留応力緩和や溶接熱影響部の軟化、溶接金属中の水素を拡散放出する等の目的で、溶接部にＰＷＨＴを行うことが多い。しかし、ルチル系フラックス入りワイヤは、主原料のＴｉ酸化物に不可避的不純物であるＮｂ及びＶが多く含まれるため、ルチル系フラックス入りワイヤによって形成された溶接金属はＮｂ及びＶの含有量が高くなり、ＰＷＨＴによって脆化することが一般的に知られている。
特許文献１は、ＰＷＨＴによる脆化を抑制できる溶接ワイヤ中のＮｂ及びＶ量の許容範囲を示したルチル系フラックス入りワイヤに関するものである。しかし、この許容範囲は、一般的に使用されるＴｉ酸化物では達成不可能であり、これを達成するためには、特殊な方法でＴｉ酸化物からＮｂ及びＶを取り除き、純度を高めたＴｉ酸化物を使用する必要があり、高コストになる問題がある。さらに、ルチル系フラックス入りワイヤによって形成される溶接金属の酸素量が高いことによる靭性面の根本的な課題については解決されていない。
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑み、全姿勢溶接が可能で、ＰＷＨＴを行った溶接金属でも脆化が生じず、良好な靭性を得ることができるフラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明者らは、ＣａＯと金属弗化物を必須とするスラグ組成のフラックスを充填したフラックス入りワイヤを使用することで、全姿勢溶接が可能で且つ溶接金属の酸素量をルチル系フラックス入りワイヤと比較して大幅に低減することできることから良好な靭性が得られることを見出した。さらに、このスラグ組成では、ルチル系フラックス入りワイヤに必須であるＴｉ酸化物を使用する必要がないことから、Ｔｉ酸化物に含まれる不可避的不純物であるＮｂ及びＶを大幅に低減することができることを見出した。
本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要件は下記のとおりである。
本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要件は下記のとおりである。
（１） 鋼製外皮の内部に、フラックスを充填して製造されるガスシールド溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＯ：０．３〜８．０％、金属弗化物：１．０〜８．０％を必須とするスラグ剤を含有し、さらに合金成分として、Ｃ：０．０３〜０．３０％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．０１０％以下、Ｖ：０．０１０％以下を含有し、残部が鉄、アーク安定剤および不可避的不純物からなり、以下に示す（式１）で定義されるＸが０．２０〜１．２％であり、さらに、以下に示す（式２）で定義されるＹが０．０１２％以下になるように規制したことを特徴とする、ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ。
Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５
＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］・・・（式１）
Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０ ・・・・・・・・・・・・・（式２）
（式１）および（式２）において、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５
＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］・・・（式１）
Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０ ・・・・・・・・・・・・・（式２）
（式１）および（式２）において、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
（２） 前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｎｉ：０．１〜１２％、Ｃｒ：０．１〜４．０％、Ｍｏ：０．１〜２．０％、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、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）に記載のガスシールド溶接用フラックスワイヤ。
（３） 前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｇ：０．０００２〜３．０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ。
（３） 前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｇ：０．０００２〜３．０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ。
本発明のフラックス入りワイヤによれば、高張力鋼の溶接において、全姿勢溶接が可能で、かつ、溶接部の酸素量をルチル系フラックス入りワイヤよりも大幅に低減できることから、靭性面でも優れる。さらに、ＰＷＨＴを行った溶接金属でも脆化が生じず、良好な靭性を得ることができることから、産業上の効果は極めて大きい。
以下に本発明の実施の形態について説明する。
まず、本発明のフラックス入りワイヤ成分の規定理由を説明する。各成分についての％はワイヤ全質量に対する質量％を意味する。本発明のフラックス入りワイヤは、スラグ剤と合金成分とを含有するものである。
まず、本発明のフラックス入りワイヤ成分の規定理由を説明する。各成分についての％はワイヤ全質量に対する質量％を意味する。本発明のフラックス入りワイヤは、スラグ剤と合金成分とを含有するものである。
（スラグ剤）
［ＣａＯ：０．３〜８．０％］
ＣａＯは高融点物質であり、ＣａＯを必須成分として含有させることでスラグの融点を高め、立向き溶接及び上向き溶接を可能にする。また、ＣａＯは酸化物であるが強い塩基性物質であり、ワイヤ中に含有されていても溶接金属の酸素量を著しく増加させない。立向き溶接及び上向き溶接を可能とする程度にスラグの融点を高めるには０．３％以上は必要である。しかし、８．０％を超えて過剰に含有させるとスラグ融点が高くなりすぎるためにスラグの凝固が早くなり、スラグの流動性が確保できない。このため、ＣａＯの含有量は０．３〜８．０％とする。また、ＣａＯの含有量は、１．５％以上であることが好ましく、２．５％以上であることがより好ましい。ＣａＯの含有量は、５．５％以下であることが好ましく、４．５％以下であることがより好ましい。
［ＣａＯ：０．３〜８．０％］
ＣａＯは高融点物質であり、ＣａＯを必須成分として含有させることでスラグの融点を高め、立向き溶接及び上向き溶接を可能にする。また、ＣａＯは酸化物であるが強い塩基性物質であり、ワイヤ中に含有されていても溶接金属の酸素量を著しく増加させない。立向き溶接及び上向き溶接を可能とする程度にスラグの融点を高めるには０．３％以上は必要である。しかし、８．０％を超えて過剰に含有させるとスラグ融点が高くなりすぎるためにスラグの凝固が早くなり、スラグの流動性が確保できない。このため、ＣａＯの含有量は０．３〜８．０％とする。また、ＣａＯの含有量は、１．５％以上であることが好ましく、２．５％以上であることがより好ましい。ＣａＯの含有量は、５．５％以下であることが好ましく、４．５％以下であることがより好ましい。
［金属弗化物：１．０〜８．０％］
ＣａＦ２、ＮａＦ、ＭｇＦ２、ＳｒＦ２、ＢａＦ２、Ｋ２ＺｒＦ６等の金属弗化物は、スラグの塩基度を高め、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。また、スラグの粘性に大きく影響し、ＣａＯと複合添加されることで、スラグ融点を適切な温度に調整することが可能である。これら効果を発現するためには、ワイヤに含有されている金属弗化物のワイヤ全質量に対する合計質量が１．０％以上である必要があり、１．５％以上であることが好ましく、２．５％以上であることがより好ましい。しかし、８．０％を超えて含有させるとスラグ量が過剰となると共に、アークが不安定となり溶接姿勢性が劣化する。金属弗化物のワイヤ全質量に対する合計質量は、５．５％以下であることが好ましく、５．０％以下であることがより好ましい。
ＣａＦ２、ＮａＦ、ＭｇＦ２、ＳｒＦ２、ＢａＦ２、Ｋ２ＺｒＦ６等の金属弗化物は、スラグの塩基度を高め、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。また、スラグの粘性に大きく影響し、ＣａＯと複合添加されることで、スラグ融点を適切な温度に調整することが可能である。これら効果を発現するためには、ワイヤに含有されている金属弗化物のワイヤ全質量に対する合計質量が１．０％以上である必要があり、１．５％以上であることが好ましく、２．５％以上であることがより好ましい。しかし、８．０％を超えて含有させるとスラグ量が過剰となると共に、アークが不安定となり溶接姿勢性が劣化する。金属弗化物のワイヤ全質量に対する合計質量は、５．５％以下であることが好ましく、５．０％以下であることがより好ましい。
（合金成分）
［Ｃ：０．０３〜０．３０％］
Ｃは溶接金属の引張強さを高める元素であり、含有量が少ないと十分な溶接金属の引張強さが得られないため、溶接ワイヤ中のＣ含有量を０．０３％以上とする必要がある。しかし、０．３０％を超えて過剰に含有させると、溶接金属の靭性を劣化させる。このため、本発明において溶接ワイヤ中のＣ含有量は、０．０３〜０．３０％とする。
［Ｃ：０．０３〜０．３０％］
Ｃは溶接金属の引張強さを高める元素であり、含有量が少ないと十分な溶接金属の引張強さが得られないため、溶接ワイヤ中のＣ含有量を０．０３％以上とする必要がある。しかし、０．３０％を超えて過剰に含有させると、溶接金属の靭性を劣化させる。このため、本発明において溶接ワイヤ中のＣ含有量は、０．０３〜０．３０％とする。
［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。さらにビード外観及びビード形状を良好なものにする。これら効果を得る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。
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。さらにビード外観及びビード形状を良好なものにする。これら効果を得る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：０．５〜２．５％］
Ｍｎは、脱酸及び溶接金属の焼入性を高める。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０．５％以上溶接ワイヤに含有する必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属中に残留オーステナイトが過剰に生成するため粒界脆化感受性が増加して溶接金属の靭性劣化や、強度が必要以上に高まり、溶接割れが発生しやすくなる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は０．５〜２．５％とする。
Ｍｎは、脱酸及び溶接金属の焼入性を高める。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０．５％以上溶接ワイヤに含有する必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属中に残留オーステナイトが過剰に生成するため粒界脆化感受性が増加して溶接金属の靭性劣化や、強度が必要以上に高まり、溶接割れが発生しやすくなる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は０．５〜２．５％とする。
［Ｐ：０．０２％以下］
Ｐは不純物元素であり、靭性を劣化させる。また、ＰはＰＷＨＴを行うと結晶粒界に脆いＰの化合物が析出するため、さらに靭性を劣化させる。このため、Ｐは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。
Ｐは不純物元素であり、靭性を劣化させる。また、ＰはＰＷＨＴを行うと結晶粒界に脆いＰの化合物が析出するため、さらに靭性を劣化させる。このため、Ｐは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：０．０２％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。溶接ワイヤ中の含有量０．０２％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０．０２％以下とする。
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。溶接ワイヤ中の含有量０．０２％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０．０２％以下とする。
［Ａｌ：０．００２〜０．０５％］
Ａｌは脱酸元素であり、Ｓｉ及びＭｎ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。効果を発揮するためには溶接ワイヤ中にＡｌを０．００２％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に０．０５％を超えてＡｌを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０．００２〜０．０５％以下とする。
Ａｌは脱酸元素であり、Ｓｉ及びＭｎ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。効果を発揮するためには溶接ワイヤ中にＡｌを０．００２％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に０．０５％を超えてＡｌを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０．００２〜０．０５％以下とする。
［Ｎｂ：０．０１０％以下］
Ｎｂは析出硬化元素であり、ＰＷＨＴのように高温で長時間保持されると著しく脆化する。溶接ワイヤ中のＮｂ含有量が０．０１０％以下になれば、ＰＷＨＴによる脆化がなく、良好な靭性が得られる。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｂ含有量を０．０１０％以下に制限する。
Ｎｂは析出硬化元素であり、ＰＷＨＴのように高温で長時間保持されると著しく脆化する。溶接ワイヤ中のＮｂ含有量が０．０１０％以下になれば、ＰＷＨＴによる脆化がなく、良好な靭性が得られる。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｂ含有量を０．０１０％以下に制限する。
［Ｖ：０．０１０％以下］
ＶもＮｂ同様に析出硬化元素であり、ＰＷＨＴのように高温で長時間保持されると著しく脆化する。溶接ワイヤ中のＶ含有量が０．０１０％以下になれば、ＰＷＨＴによる靭性の脆化がほとんどなく、良好な靭性が得られる。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＶ含有量を０．０１０％以下に制限する。
ＶもＮｂ同様に析出硬化元素であり、ＰＷＨＴのように高温で長時間保持されると著しく脆化する。溶接ワイヤ中のＶ含有量が０．０１０％以下になれば、ＰＷＨＴによる靭性の脆化がほとんどなく、良好な靭性が得られる。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＶ含有量を０．０１０％以下に制限する。
以上が本発明のガスシールド溶接用フラックス入りワイヤの基本成分である。なお、残部は鉄、アーク安定剤及び不可避不純物である。
アーク安定剤としては従来知見で知られているようなＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｓｒなどを含む酸化物を選択して用いることができる。また、アーク安定剤の質量はワイヤ全質量に対する質量比で０．０１〜１．０％以下程度の含有量が適切であるとされており、この範囲での含有が好ましい。
アーク安定剤としては従来知見で知られているようなＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｓｒなどを含む酸化物を選択して用いることができる。また、アーク安定剤の質量はワイヤ全質量に対する質量比で０．０１〜１．０％以下程度の含有量が適切であるとされており、この範囲での含有が好ましい。
本発明は、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、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇおよび、ＲＥＭ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た場合、引張強さ、または、靭性に影響を与える。以下に述べる成分を必要に応じて含有させる事ができる。
［Ｎｉ：０．１〜１２％］
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、高強度の溶接金属で靭性を確保するには必要な元素であり、０．１％以上含有させることが好ましい。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。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を０．１〜１２％にすることが好ましい。
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、高強度の溶接金属で靭性を確保するには必要な元素であり、０．１％以上含有させることが好ましい。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。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を０．１〜１２％にすることが好ましい。
［Ｃｒ：０．１〜４．０％］
Ｃｒは、焼入れ性を高めることにより高強度化に有効な元素である。そのために溶接ワイヤ中に含有させる場合は、０．１％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Ｃｒ含有量の上限を４．０％とすることが好ましい。
Ｃｒは、焼入れ性を高めることにより高強度化に有効な元素である。そのために溶接ワイヤ中に含有させる場合は、０．１％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Ｃｒ含有量の上限を４．０％とすることが好ましい。
［Ｍｏ：０．１〜２．０％］
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る。また、Ｍｏは、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％以上含有させることが好ましい。一方、Ｍｏを溶接ワイヤ中に２．０％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。このため、本発明において、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量は０．１〜２．０％とすることが好ましい。
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る。また、Ｍｏは、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％以上含有させることが好ましい。一方、Ｍｏを溶接ワイヤ中に２．０％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。このため、本発明において、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量は０．１〜２．０％とすることが好ましい。
［Ｃｕ：０．０１〜１．５％］
Ｃｕは強度向上には有効な元素であり、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％以上とすることが好ましい。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、溶接金属の靭性が劣化す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。
Ｃｕは強度向上には有効な元素であり、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％以上とすることが好ましい。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、溶接金属の靭性が劣化す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：０．００５〜０．２０％］
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加熱オーステナイト粒を微細化する作用もある。また、ＰＷＨＴした溶接金属でも酸素量と窒素量に適したＴｉを含有することで溶接金属の靭性低下を抑制することもできる。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％以上含有させることが好ましい。一方、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量が０．２０％を超えて過剰になると、固溶Ｔｉ量が増加し、溶接まま及びＰＷＨＴした溶接金属においても靭性劣化が顕著に生じる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量を０．００５〜０．２０％とすることが好ましい。
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加熱オーステナイト粒を微細化する作用もある。また、ＰＷＨＴした溶接金属でも酸素量と窒素量に適したＴｉを含有することで溶接金属の靭性低下を抑制することもできる。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％以上含有させることが好ましい。一方、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量が０．２０％を超えて過剰になると、固溶Ｔｉ量が増加し、溶接まま及びＰＷＨＴした溶接金属においても靭性劣化が顕著に生じる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量を０．００５〜０．２０％とすることが好ましい。
［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％以上であることが好ましい。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Ｆｅ２３（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％に限定するのが好ましい。
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％以上であることが好ましい。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Ｆｅ２３（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％に限定するのが好ましい。
本発明では、上記成分に加えて、さらに、必要に応じて、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。
［Ｍｇ：０．０００２〜３．０％］
Ｍｇは、金属Ｍｇ単体、他の金属元素との合金、及びＭｇ酸化物の形態で添加され、脱酸剤として溶接金属の酸素量を低減する効果がある。また、Ｍｇは、溶融プール内でＭｇＯとなりスラグの粘性に影響を与える。脱酸の効果を得るにはワイヤ中のＭｇの含有量は０．０００２％以上必要であり、一方、３．０％を超えて過剰に含有すると、スラグの粘性を低下させ、溶接作業性を劣化させる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量を０．０００２〜３．０％とすることが好ましい。
［Ｍｇ：０．０００２〜３．０％］
Ｍｇは、金属Ｍｇ単体、他の金属元素との合金、及びＭｇ酸化物の形態で添加され、脱酸剤として溶接金属の酸素量を低減する効果がある。また、Ｍｇは、溶融プール内でＭｇＯとなりスラグの粘性に影響を与える。脱酸の効果を得るにはワイヤ中のＭｇの含有量は０．０００２％以上必要であり、一方、３．０％を超えて過剰に含有すると、スラグの粘性を低下させ、溶接作業性を劣化させる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量を０．０００２〜３．０％とすることが好ましい。
［ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％］
ＲＥＭは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、ＲＥＭの含有量は０．０００２％以上とするのが好ましい。一方、ワイヤ中に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ＲＥＭの含有量の上限はいずれも０．０１％以下とするのが好ましい。
ＲＥＭは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、ＲＥＭの含有量は０．０００２％以上とするのが好ましい。一方、ワイヤ中に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ＲＥＭの含有量の上限はいずれも０．０１％以下とするのが好ましい。
また、本発明ではＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＴｉおよびＢの成分をそれぞれの含有量の規定範囲内で含有させる際に、引張強さを確保するために、さらに、下記（式１）で定義されるＸを０．２０〜１．２％に限定する。Ｘが０．２０％未満では、ＰＷＨＴを行った溶接金属が必要以上に軟化するため強度を維持できない。また、Ｘが１．２％を超えて過剰となると、溶接金属の靭性が劣化するため好ましくない。
Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５
＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］ ・・・（式１）
（式１）において、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
なお、（式１）は引張強さに影響を及ぼす元素の含有量を限定するものであり、（式１）の各元素の含有量とは、合金成分として本発明のフラックス入りワイヤに含有されている各元素の含有量を意味する。したがって、金属酸化物または金属弗化物として本発明のフラックス入りワイヤに含まれている元素は、（式１）に記載の元素であっても対象外であり、（式１）の各元素の含有量には加えられない。
Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５
＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］ ・・・（式１）
（式１）において、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
なお、（式１）は引張強さに影響を及ぼす元素の含有量を限定するものであり、（式１）の各元素の含有量とは、合金成分として本発明のフラックス入りワイヤに含有されている各元素の含有量を意味する。したがって、金属酸化物または金属弗化物として本発明のフラックス入りワイヤに含まれている元素は、（式１）に記載の元素であっても対象外であり、（式１）の各元素の含有量には加えられない。
さらに、ＰＷＨＴを行った溶接金属を脆化させる元素としてＮｂ、ＶおよびＴｉが良く知られており、それぞれの含有量が規定範囲内であっても下記（式２）で定義されるＹが０．０１２％を超えるとＰＷＨＴによる脆化が生じる。このため、Ｙは０．０１２％以下に規制する必要がある。
Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０ ・・・・・・・・・・・・（式２）
Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０ ・・・・・・・・・・・・（式２）
本発明のフラックス入りワイヤは、フラックスを鋼製外皮内に充填することで製造される。この鋼製外皮には、加工性が良い熱間圧延鋼材又は冷間圧延鋼材を使用すればよい。
フラックスの充填率は特に限定しないが、ワイヤの製造性、安定した溶接作業性を得るのに必要なスラグ量を考慮するとワイヤ全質量に対する質量％で、５．０〜３０％の範囲が好ましい。
フラックスの充填率は特に限定しないが、ワイヤの製造性、安定した溶接作業性を得るのに必要なスラグ量を考慮するとワイヤ全質量に対する質量％で、５．０〜３０％の範囲が好ましい。
また、フラックス入りワイヤは、製造過程で繋ぎ目にシーム溶接を行いスリット状の隙間のないワイヤ（以下、シームレスワイヤという。）と、かしめによる機械締結したワイヤ（以下、かしめワイヤという。）の大きく分けて二種類があり、シームレスワイヤが好ましいが、かしめワイヤであっても本発明の効果についてなんら影響はない。また、シームレスワイヤ表面にＡｌ又はＣｕ等のメッキ処理を施してもよい。
さらに、適用するシールドガスもＣＯ２単独ガス、ＡｒまたはＨｅとＣＯ２の混合ガスさらに、これらのガスに少量のＯ２を添加したもの等の通常のＭＡＧ溶接に使用されるシールドガスであれば何れも使用可能である。
さらに、適用するシールドガスもＣＯ２単独ガス、ＡｒまたはＨｅとＣＯ２の混合ガスさらに、これらのガスに少量のＯ２を添加したもの等の通常のＭＡＧ溶接に使用されるシールドガスであれば何れも使用可能である。
本発明者らが今回新たに知見した具体的な内容を以下に説明する。
従来から、弗化物系フラックス入りワイヤが立向き及び上向き溶接が出来ない原因は、スラグの融点が低く溶融プールを保持出来ないためである。本発明は、高融点物質であるＣａＯに着目し、ＣａＯによって融点を適正に調整することで、全姿勢溶接を可能にした。さらに、ＣａＯは酸化物ではあるが強い塩基性物質であり、ワイヤ中に添加しても溶接金属酸素量を著しく増加させることはなく、ルチル系フラックス入りワイヤよりも溶接金属内の酸素を低減できることから、靭性面でも優れる。
従来から、弗化物系フラックス入りワイヤが立向き及び上向き溶接が出来ない原因は、スラグの融点が低く溶融プールを保持出来ないためである。本発明は、高融点物質であるＣａＯに着目し、ＣａＯによって融点を適正に調整することで、全姿勢溶接を可能にした。さらに、ＣａＯは酸化物ではあるが強い塩基性物質であり、ワイヤ中に添加しても溶接金属酸素量を著しく増加させることはなく、ルチル系フラックス入りワイヤよりも溶接金属内の酸素を低減できることから、靭性面でも優れる。
また、従来は全姿勢溶接性を確保するためにはＴｉ酸化物が不可欠であった。しかし、Ｔｉ酸化物には、不可避的不純物としてＮｂ及びＶが含まれており、これがＰＷＨＴをした後の溶接金属を脆化させる問題を抱えていた。
本発明のＣａＯを用いたスラグ組成ならば、Ｔｉ酸化物を使用しなくても全姿勢溶接が可能となることから、Ｎｂ及びＶを大幅に低減でき、ＰＷＨＴをした後の溶接金属でも脆化が抑制されることを知見した。また、ＰＷＨＴの過程で粒内にＮｂ及びＶなどが析出することで粒内強度が高まり、粒内変形に先行する粒界すべりが粒界割れを発生させる、いわゆる再熱割れに対しても割れ抑制の効果があることを見出した。
本発明のＣａＯを用いたスラグ組成ならば、Ｔｉ酸化物を使用しなくても全姿勢溶接が可能となることから、Ｎｂ及びＶを大幅に低減でき、ＰＷＨＴをした後の溶接金属でも脆化が抑制されることを知見した。また、ＰＷＨＴの過程で粒内にＮｂ及びＶなどが析出することで粒内強度が高まり、粒内変形に先行する粒界すべりが粒界割れを発生させる、いわゆる再熱割れに対しても割れ抑制の効果があることを見出した。
以下本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせシーム溶接することで継ぎ目無し（シームレス）とし、ワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。一部のワイヤについては、シーム溶接をせずにかしめによる機械締結したかしめのフラックス入りワイヤにした。試作したフラックス入りワイヤのスラグ剤、アーク安定剤の含有量を表１〜表６に示し、合金成分を表７〜表１２に示す。
鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせシーム溶接することで継ぎ目無し（シームレス）とし、ワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。一部のワイヤについては、シーム溶接をせずにかしめによる機械締結したかしめのフラックス入りワイヤにした。試作したフラックス入りワイヤのスラグ剤、アーク安定剤の含有量を表１〜表６に示し、合金成分を表７〜表１２に示す。
これらの試作ワイヤを表１３の溶接条件で溶接した。溶接はＪＩＳ Ｇ３１０６に定めるＳＭ４９０Ｂ鋼板に図１に示す開先を加工して溶接した。
溶接作業性は、下向き、立向き、上向きの各溶接姿勢でのアーク安定性、スパッタ発生量、ビード形成状態を評価した。溶接途中でアークが不安定になることによるアークの消弧、スパッタ発生量が多く溶接トーチが詰まることでガスシールドが不十分となり大気を巻き込むことによるピットの発生、スラグによる溶融金属の保持が不十分で溶融金属が垂れ落ちることによるビード形成不能など、溶接が不可能となる問題があるものを不良、無いものを合格と判断した。
溶接作業性は、下向き、立向き、上向きの各溶接姿勢でのアーク安定性、スパッタ発生量、ビード形成状態を評価した。溶接途中でアークが不安定になることによるアークの消弧、スパッタ発生量が多く溶接トーチが詰まることでガスシールドが不十分となり大気を巻き込むことによるピットの発生、スラグによる溶融金属の保持が不十分で溶融金属が垂れ落ちることによるビード形成不能など、溶接が不可能となる問題があるものを不良、無いものを合格と判断した。
機械特性試験は、下向き溶接を行った試験体について評価した。試験体のビード長手方向の中央部を目安に鋸によって二つに切断し、片方は６２０℃×１０時間のＰＷＨＴを行った。それぞれの試験体の板厚中央部からＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠したＡ１号引張り試験片と４号シャルピー試験片を採取し、溶接金属の強度と靭性を評価した。なお、その評価は、ＰＷＨＴが行われる可能性がある引張強さの溶接金属を対象とし、溶接したままの溶接金属、ＰＷＨＴを行った溶接金属の両方が、引張り強さＴＳが４５０以上であり、且つ、−３０℃でのシャルピー衝撃試験で吸収エネルギーが２７以上、さらに、溶接したままとＰＷＨＴを行った後のシャルピー衝撃試験で得られる吸収エネルギーの低下が１０Ｊ以下であるものを合格とした。
溶接金属の酸素量測定は、下向き溶接をした溶接金属から分析試料を採取し、不活性ガス溶解赤外線吸収法により測定した。酸素量の評価は、Ａｒ＋２０％ＣＯ２ガスを使用したシールドガス溶接を一般のルチル系フラックス入りワイヤで行った際に得られる溶接金属の酸素量６００〜９００質量ｐｐｍと比較して、明確な靭性の改善が見られる４００質量ｐｐｍ以下のものを合格とした。
その結果を表１４〜表１９に示す。
その結果を表１４〜表１９に示す。
以上の試験結果から、本発明のガスシールド溶接用フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接が可能で、かつ、従来のルチル系フラックス入りワイヤに比べて溶接金属の酸素量を大幅に低減できることから靭性が優れる。さらに、本発明のフラックス入りワイヤによって形成された溶接金属はＰＷＨＴを行った後でも脆化が起こらず、優れた靭性を得ることができることから、産業上での利用価値は極めて高い。
Claims (3)
- 鋼製外皮の内部に、フラックスを充填して製造されるガスシールド溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、
ＣａＯ：０．３〜８．０％、
金属弗化物：１．０〜８．０％
を必須とするスラグ剤を含有し、さらに合金成分として、
Ｃ ：０．０３〜０．３０％、
Ｓｉ：０．２〜１．５％、
Ｍｎ：０．５〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．０５％、
Ｎｂ：０．０１０％以下、
Ｖ：０．０１０％以下
を含有し、残部が鉄、アーク安定剤および不可避的不純物からなり、以下に示す（式１）で定義されるＸが０．２０〜１．２％であり、さらに、以下に示す（式２）で定義されるＹが０．０１２％以下になるように規制したことを特徴とする、ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ。
Ｘ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｃｒ］／５
＋［Ｍｏ］／４＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋５×［Ｂ］・・・（式１）
Ｙ＝[Ｎｂ]＋[Ｖ]／２＋[Ｔｉ]／２０ ・・・・・・・・・・・・・（式２）
（式１）および（式２）において、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。 - 前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｎｉ：０．１〜１２％、
Ｃｒ：０．１〜４．０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
Ｔｉ：０．００５〜０．２０％、
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に記載のガスシールド溶接用フラックスワイヤ。 - 前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｍｇ：０．０００２〜３．０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載のガスシールド溶接用フラックス入りワイヤ。
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