JP2013018012A - 高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】溶接作業性に優れ、機械的性質の優れた溶接金属が得られる高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】上記フラックス入りワイヤにおいて、(a)ワイヤの全質量に対する質量％で、(a1)Ｃ:0.03〜0.10%、Ｓｉ:0.25〜0.70%、Ｍｎ:1.0〜3.0%、Ｎｉ:1.0〜3.5%、Ｔｉ:0.01〜1.0%、Ｍｇ:0.1〜0.9%、Ｂ:0.001〜0.015%、Ａｌ:0.05%以下、Ｃｒ:0.05%以下を含有し、かつ、(a2)フラックスに、ＴｉＯ₂:2.5〜7.5%、ＳｉＯ₂:0.1〜0.5%、ＺｒＯ₂:0.2〜0.9%、Ａｌ₂Ｏ₃:0.1〜0.4%、弗素化合物の１種又は２種以上:Ｆ換算値の合計で0.41〜1.00%を含有し、(b)下記式の値が0.30〜1.30で、残部が、Ｆｅ、アーク安定剤、及び、不可避不純物からなり、(c)上記ワイヤの全水素量が、ワイヤ全体に対する質量比で15ppm以下である。(弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計＋Ｍｇ)/(1/2(ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃)＋ＳｉＯ₂)
【選択図】なし

Description

本発明は、主として耐力が６９０ＭＰａ以上の高張力鋼のガスシールドアーク溶接に使用するフラックス入りワイヤに関するもので、特に、機械的性質が優れた溶接金属が得られ、かつ、全姿勢溶接での溶接作業性が良好な高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関するものである。

建築機械や海洋構造物等で主に使用される高張力鋼の溶接には、靭性に優れた被覆アーク溶接法、サブマージアーク溶接法、ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接法が適用されている。なかでも、立向、上向、横向といった姿勢溶接が必要な鋼材の溶接には、被覆アーク溶接法、又は、ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接法が一般的に適用されている。

しかし、被覆アーク溶接法は溶接能率が低い。ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接法は、姿勢溶接でメタル垂れを防止するため、低電流での溶接が必要となるので、被覆アーク溶接法と同様に、高能率な溶接が困難である。一方、一般的に、耐力が６９０ＭＰａ未満の低張力鋼の全姿勢溶接には、多くの場合、フラックス入りワイヤを用いるガスシールドアーク溶接が適用される。

フラックス入りワイヤを用いるガスシールドアーク溶接は、溶接時に、ワイヤ中に充填した高融点のスラグ剤が、溶接金属より先に凝固して溶接金属を保持するので、立向上進溶接のような姿勢溶接でもメタル垂れが発生し難く、高電流、即ち、高溶着で、高能率な溶接が可能である。

しかし、フラックス入りワイヤを用いるガスシールドアーク溶接は、一般に、ワイヤに充填するスラグ剤が主に酸化物であるため、他の溶接法に比べ、靭性が良好な溶接金属を得ることが難しい。また、フラックス原料が含有する水分や、ワイヤ保管時の吸湿により、拡散性水素量がソリッドワイヤに比べ多いことから、溶接金属の低温割れが懸念され、高張力鋼の溶接への適用は困難であった。

さらに、従来の高張力鋼の溶接においては、溶接金属の低温割れ防止のために鋼板を１００℃以上に予熱する必要があり、作業能率が低下する原因となっている。

高張力鋼溶接用のフラックス入りワイヤについては、これまで種々の開発が進められている。例えば、特許文献１〜４には、高張力鋼用の全姿勢用フラックス入りワイヤのルチールを主体とするスラグ剤に、金属弗化物や塩基性酸化物を添加し、溶接金属の酸素量を低減することにより低温靭性を改善するフラックス入りワイヤが開示されている。

しかし、特許文献１〜４に開示のフラックス入りワイヤにおいて、溶接金属の耐低温割れ性は考慮されていない。

特許文献５には、旧γ粒界でのフェライトサイドプレートの発生を抑制して、溶接金属の低温靭性を得ることができるフラックス入りワイヤが開示されている。しかし、特許文献５に開示のフラックス入りワイヤにおいて、溶接金属の耐低温割れ性は考慮されていない。

さらに、特許文献６には、ＣａＦ₂を主としたフラックスを適用し、溶接ビード上に塩基性スラグを生成して、溶接金属の酸素量を少なくすることで、低温域まで高い衝撃靭性が得られるフラックス入りワイヤが開示されている。しかし、特許文献６に開示のフラックス入りワイヤは、全姿勢溶接には適用できないという課題を抱えている。

本発明者らは、従来技術の課題を踏まえ、耐力６９０ＭＰａ以上の高張力鋼の溶接に用いるフラックス入りワイヤにおいて、全姿勢で高能率な溶接が可能で、かつ、低酸素、低水素で、低温靭性及び耐割れ性に優れた溶接金属が得られるフラックス入りワイヤを開発し、特許文献７で開示した。

特開平０８−９９１９２号公報 特開平０９−２５３８８６号公報 特開平０３−４７６９５号公報 特開２００８−１４９３４１号公報 特開２００６−２８１２２３号公報 特開平０９−３１４３８３号公報 特開２０１０−２７４３０４号公報

特許文献７で開示した技術は、全姿勢で高能率な溶接が可能で、かつ、低酸素、低水素で、低温靭性及び耐割れ性に優れた溶接金属が得られるフラックス入りワイヤであるが、さらなる靭性の向上が求められている。

そこで、本発明は、特許文献７で開示したフラックス入りワイヤを改良し、さらに、溶接金属を低酸素、低水素にして、溶接金属の靭性が安定的に高く、耐低温割れ性に優れ、かつ、全姿勢で高能率な溶接が可能な高張力鋼のガスシールドアーク溶接用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、全姿勢溶接用のフラックス入りワイヤにおいて、高張力鋼の溶接金属の機械的性質として６９０ＭＰａ以上の耐力の他、所要の引張強度、靭性、及び、耐低温割れ性を確保でき、かつ、優れた溶接作業性を有する成分組成を見いだすべく、特許文献７で開示したフラックス入りワイヤの改良を念頭におき、鋭意、研究開発を行った。研究開発においては、次の点を狙いとした。

第一：溶接金属中の酸素及び水素を低減すれば、溶接金属の靭性を高めることができるので、弗素化合物の量を多くして、即ち、Ｆ換算値の合計を大きくして、溶接金属中の酸素及び水素をより低減する。

第二：アーク中で酸素と反応して生成するＡｌ₂Ｏ₃は硬質の介在物で、溶接金属の靭性を劣化させる要因となるので、弗素化合物の量を多くして、脱酸剤として添加するＡｌの量を低減する。

第三：Ｍｇを必須元素として添加して、溶接金属中の酸素と水素を一層低減する。

第四：焼入性向上元素のＣｒは、溶接金属の強度向上に有効であるが、一方で、窒化物を形成して、溶接金属の靭性劣化の原因となるので、Ｃｒ量を低減し、溶接金属の靭性を高める。溶接金属の焼入性は、ＭｎやＮｉで確保する。

第五：弗素化合物を多量に添加すると、溶接金属の融点が下がり、全姿勢溶接が難しくなるが、ルチール（チタン酸化物：ＴｉＯ₂）等の、溶接金属の融点を高める成分を最適な割合で添加して、全姿勢溶接を可能とする。

本発明は、上記研究開発で得た知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）鋼製外皮にフラックスを充填した高張力鋼ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤにおいて、（ａ）上記ワイヤの全質量に対する質量％で、(a1)Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．７０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：１．０〜３．５％、Ｔｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．１〜０．９％、Ｂ：０．００１〜０．０１５％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．０５％以下を含有し、かつ、(a2)フラックスに、ＴｉＯ₂：２．５〜７．５％、ＳｉＯ₂：０．１〜０．５％、ＺｒＯ₂：０．２〜０．９％、Ａｌ₂Ｏ₃：０．１〜０．４％、弗素化合物の１種又は２種以上：Ｆ換算値の合計で０．４１〜１．００％を含有し、（ｂ）下記式（１）の値が０．３０〜１．３０で、残部が、Ｆｅ、アーク安定剤、及び、不可避不純物からなり、（ｃ）上記ワイヤの全水素量が、ワイヤ全体に対する質量比で１５ｐｐｍ以下であることを特徴とする高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計＋Ｍｇ）／（１／２（ＴｉＯ₂
＋ＺｒＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）＋ＳｉＯ₂） ・・・（１）

（２）前記弗素化合物が、ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、及び、ＣａＦ₂の１種又は２種以上であることを特徴する前記（１）に記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。

（３）前記ワイヤが、さらに、該ワイヤの全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、及び、Ｖ：０．０１〜０．０５％未満の１種又は２種以上を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。

（４）前記ワイヤが、さらに、該ワイヤの全質量に対する質量％で、Ｃａ：０．０１〜０．５％、及び、ＲＥＭ：０．０１〜０．５％の１種又は２種を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。

（５）前記鋼製外皮に継ぎ目がないことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。

本発明によれば、耐力が６９０ＭＰａ以上の高張力鋼のガスシールドアーク溶接において、被覆アーク溶接法やソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接法に比べ、全姿勢で高能率な溶接が可能で、かつ、機械的性質の耐低温割れ性、靭性、耐力、及び、引張強度が良好な溶接金属が得られるので、溶接部の品質及び溶接能率の向上を経済的に図ることができる。

本発明の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ（以下「本発明ワイヤ」ということがある。）は、耐力６９０ＭＰａ以上の高張力鋼のガスシールドアーク溶接に用いるものであり、鋼製外皮にフラックスを充填して構成されている。

以下、本発明ワイヤの成分組成を限定する理由について説明する。なお、以下、成分組成に係る「％」は、ワイヤの全質量に対する「質量％」を意味する。

［Ｃ：０．０３〜０．１０％］
Ｃは、固溶強化で溶接金属の耐力及び引張強度を確保する重要な元素である。０．０３％未満では、溶接金属の耐力及び引張強度を確保できない。０．１０％を超えると、Ｃが溶接金属中に過剰に残留し、溶接金属の耐力及び引張強度が過度に上昇して靭性が低下する。それ故、Ｃは０．０３〜０．１０％とする。溶接金属の靭性及び耐力を安定的に確保するには、０．０４〜０．０８％が好ましい。

［Ｓｉ：０．２５〜０．７０％］
Ｓｉは、溶接金属の靭性を向上させる元素である。０．２５％未満では、靭性向上効果が得られない。０．７０％を超えると、スラグ生成量が多くなり、多層盛溶接した場合、スラグ巻込み欠陥が生じる。また、０．７０％を超えると、Ｓｉが溶接金属中に過剰に残留し、溶接金属の引張強度が過度に上昇して靭性が低下する。

それ故、Ｓｉは、０．２５〜０．７０％とする。溶接金属の靭性及び耐力をさらに安定して得るためには、０．２５〜０．４０％が好ましい。

［Ｍｎ：１．０〜３．０％］
Ｍｎは、溶接金属の靭性を確保し、さらに、溶接金属の焼入性を高めて、引張強度及び耐力を向上させる元素である。１．０％未満では、溶接金属中のＭｎ量が不足し、溶接金属の引張強度が低下する。３．０％を超えると、スラグ生成量が多くなり、多層盛溶接した場合、スラグ巻込み欠陥が生じる。

また、３．０％を超えると、溶接金属中のＭｎ量が過剰となり、溶接金属の引張強度が過度に上昇して靭性が低下する。それ故、Ｍｎは１．０〜３．０％とする。溶接金属の引張強度、耐力、及び、靭性をさらに安定して得るためには、１．８〜２．８％が好ましい。

［Ｎｉ：１．０〜３．５％］
Ｎｉは、溶接金属の靭性を確保し、さらに、溶接金属の焼入性を高め、耐力及び引張強度を向上させる元素である。１．０％未満では、添加効果が不十分であり、３．５％を超えると、溶接金属の耐力及び引張強度が過度に上昇して靭性が低下する。それ故、Ｎｉは１．０〜３．５％とする。溶接金属の靭性及び耐力をさらに安定して得るためには、１．８〜２．５％が好ましい。

［Ｔｉ：０．０１〜１．０％］
Ｔｉは、脱酸剤として機能し、溶接金属の酸素を低減し、靭性を向上させる元素である。０．０１％未満では、添加効果が不十分であり、１．０％を超えると、アーク中で激しく酸素と反応し、スパッタやヒュームの発生量が増大する。

これは、溶接作業性を悪化させる。それ故、Ｔｉは０．０１〜１．０％とする。溶接金属の靭性及び溶接作業性を確保する観点から、好ましくは０．０３〜０．８％である。

［Ｍｇ：０．１〜０．９％］
Ｍｇは、脱酸剤として機能し、溶接金属の酸素を低減し、靭性を向上させる元素である。本発明者らは、Ｍｇが、溶接金属の水素も低減する実験結果を得たことから、必須元素とした。Ｍｇは、０．１％未満では、添加効果が不十分であり、０．９％を超えると、アーク中で激しく酸素と反応し、スパッタやヒュームの発生量が増大する。

これは、溶接作業性を悪化させる。それ故、Ｍｇは０．１〜０．９％とする。溶接金属の靭性及び溶接作業性を確保する観点から、好ましくは、０．３〜０．７％である。溶融金属の靭性及び溶接作業性を確保する観点から、さらに好ましくは、０．５５〜０．７０％である。

［Ｂ：０．００１〜０．０１５％］
ワイヤ成分のＢは、微量の添加で、溶接金属の焼入性を高め、溶接金属の引張強度及び低温靭性を向上させる元素である。０．００１％未満では、添加効果が不十分であり、０．０１５％を超えると、引張強度が過大となり低温靭性が劣化する。それ故、Ｂは０．００１〜０．０１５％とする。溶接金属の引張強度と靭性を、さらに安定して得るためには、０．００５〜０．０１０％が好ましい。

なお、Ｂの効果は、Ｂ単体、合金、又は、酸化物の何れの形態でも発現するので、Ｂをフラックスに添加する場合の形態は自由である。

［Ａｌ：０．０５％以下］
Ａｌは、溶融池に溶解した酸素と結合する脱酸剤として機能するので、これまで、意図的に添加した元素である。しかし、溶接金属中に生成する非金属介在物Ａｌ₂Ｏ₃は硬質であるので、溶接金属の靭性が低下することがある。それ故、Ａｌは０．０５％以下とする。Ｔｉ及びＭｇが脱酸剤として機能するので、Ａｌは０％でもよいが、添加する場合は、０．００５％以上が好ましい。

［Ｃｒ：０．０５％以下］
Ｃｒは、溶接金属の焼入性を高め、溶接金属の耐力と引張強度を向上させる元素であるが、窒化物を形成し、靭性を劣化させる場合がある。そこで、本発明ワイヤでは、Ｃｒ量を低減し、溶接金属の靭性を高めることとし、溶接金属の焼入性は、ＭｎやＮｉの添加で確保する。Ｃｒが０．０５％を超えると、窒化物が生成して靭性が低下するので、上限を０．０５％とする。靭性確保の観点から、好ましくは、０．０３％以下である。Ｃｒは０％でもよいが、不可避的に０．００５％以上は混入する。

［ＴｉＯ₂：２．５〜７．５％］
フラックス成分のＴｉＯ₂は、アーク安定剤であるとともに、スラグ剤の主成分である。スラグは、溶接時に、溶接金属を被包して大気から遮断するとともに、適度な粘性により、溶接金属のビード形状を適正に保持する。特に、立向上進溶接では、他の金属成分とのバランスにより、メタルの垂れ性に大きく影響する。

２．５％未満では、立向上進溶接においてメタルの垂れが発生し易く、全姿勢溶接が困難となる。７．５％を超えると、スラグ量が過剰となってスラグ巻込みが発生し、非金属介在物が増加して、靭性が低下する。それ故、ＴｉＯ₂は２．５〜７．５％とする。全姿勢溶接をより安定して行い、かつ、靭性を十分に確保する観点からは、４．５〜６．５％が好ましい。

［ＳｉＯ₂：０．１〜０．５％］
フラックス成分のＳｉＯ₂は、溶融スラグの粘性を高め、スラグ被包性を向上させる元素である。０．１％未満では、溶融スラグの粘性が不足して、スラグ被包性が不十分となり、立向上進溶接においてメタル垂れが発生する。０．５％を超えると、溶融スラグの粘性が過剰となり、スラグ剥離性及びビード形状が不良となる。それ故、ＳｉＯ₂は０．１〜０．５％とする。全姿勢溶接をより安定して行い、良好なビード形状を得るためには、０．２〜０．４％が好ましい。

［ＺｒＯ₂：０．２〜０．９％］
フラックス成分のＺｒＯ₂は、溶融スラグの粘性及び凝固温度を調整し、スラグ被包性を高める元素である。０．２％未満では、添加効果が不十分で、立向上進溶接において、メタル垂れが発生する。０．９％を超えると、ビード形状が凸状となり、スラグ巻込みや融合不良を発生し易くなる。それ故、ＺｒＯ₂は０．２〜０．９％とする。全姿勢溶接をより安定して行い、良好なビード形状を得るためには、０．３〜０．６％が好ましい。

［Ａｌ₂Ｏ₃：０．１〜０．４％］
フラックス成分のＡｌ₂Ｏ₃は、ＺｒＯ₂と同様に、溶融スラグの粘性及び凝固温度を調整し、スラグ被包性を高める元素である。０．１％未満では、添加効果が不十分で、立向上進溶接において、メタル垂れが発生する。０．４％を超えると、ビード形状が凸状となり、スラグ巻込みや融合不良を発生し易くなる。

それ故、Ａｌ₂Ｏ₃は０．１〜０．４％とする。全姿勢溶接をより安定して行い、良好なビード形状を得るためには、０．２〜０．３％が好ましい。

［弗素化合物の１種又は２種以上：Ｆ換算値の合計で０．４１〜１．００％］
フラックス成分の弗素化合物は、スラグ剤として溶接金属を被包して、ビード形状を良好にするとともに、溶接金属からのスラグの浮上分離を促し、溶接金属の酸素量と水素量を低減して靭性を向上させて、良好な機械的性質を形成する作用を有する。

弗素化合物としては、金属弗化物、アルカリ金属弗化物、アルカリ土類金属弗化物を用いる。具体的には、ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＡｌＦ₃、ＬｉＦ、ＮａＦ、Ｋ₂ＺｒＦ₆、Ｋ₂ＳｉＦ₆、Ｎａ₃ＡｌＦ₆等が有効である。アルカリ金属弗化物を使用すると、アークの安定性が向上する。

フラックス成分の弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計が０．４１％未満では、弗素化合物添加の効果が不十分であり、１．００％を超えると、スラグの流動性が過剰になるとともに、アークが不安定となり、立向上進溶接においてメタル垂れが発生する。

それ故、フラックス成分の弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計は０．４１〜１．００％とする。溶接金属の靭性向上とメタル垂れ防止の観点から、好ましくは、０．４１〜０．８０％である。

［（弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計＋Ｍｇ）／（１／２（ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）＋ＳｉＯ₂）：０．３０〜１．３０］
弗素化合物及びＭｇは、溶接金属中の酸素と水素を低減し、靭性を向上させる元素である。十分に酸素と水素を低減するため、弗素化合物を多く添加すると、スラグの融点が下がり、全姿勢溶接が難しくなる。

一方、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃のような酸性酸化物は、スラグの融点を上げて、溶接作業性を向上させるが、溶接金属の酸素量が増加することになる。

そのため、（弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計＋Ｍｇ）／（１／２（ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）＋ＳｉＯ₂）の値の、高張力鋼の溶接に適用できる範囲を検討した。その結果、上記値は０．３０〜１．３０である必要があることが解った。

上記値が、０．３０未満であると、溶接金属の酸素量が過剰となり、靭性が劣化する。また、上記値が、１．３０超であると、メタル垂れが発生し易くなり、全姿勢溶接が困難となる。上記値が０．３０〜１．３０であると、Ｍｇの脱酸効果に、アークによってガス化した弗素ガスが弗素分圧を上げ、相対的な酸素分圧を下げる効果が重畳して、溶接金属の酸素量が減少し、良好な低温靭性を得ることができる。

［ワイヤの全水素量：１５ｐｐｍ以下］
ワイヤの全水素量は、不活性ガス融解熱伝導度法などにより測定することができる。ワイヤ中の水素は、溶接金属の拡散性水素源となるので、できるだけ低減する必要がある。ワイヤの水素量が、ワイヤ全体の質量比で１５ｐｐｍを超えると、拡散性水素量が多くなり、低温割れの感受性が高まる。それ故、ワイヤの全水素量は１５ｐｐｍ以下とする。好ましくは、９ｐｐｍ以下である。

なお、ワイヤの全水素量は、水素含有量の低い充填フラックスを選択するか、又は、フラックス充填後のワイヤ素線を焼鈍することで、低減することができる。

［弗素化合物：ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、及び、ＣａＦ₂の１種又は２種以上］
ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、及び、ＣａＦ₂は、スラグ剤として溶接金属を被包してビード形状を良好にするとともに、溶接金属からのスラグの浮上分離を促し、より一層、溶接金属の酸素量を低減して、靭性を向上させ、良好な機械的性質を形成する作用をなすフラックス成分である。

ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、及び、ＣａＦ₂は、原料調達が容易な弗素化合物であるが、上記作用効果が、他の弗素化合物よりも顕著であるので、本発明ワイヤでもフラックス成分として使用する。

［Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、及び、Ｖ：０．０１〜０．０５％未満の１種又は２種以上］
Ｍｏ、Ｎｂ、及び、Ｖは、いずれも、溶接金属の耐力及び引張強度を向上させる元素である。Ｍｏが１．０％を超え、Ｎｂが０．０５％を超え、及び／又は、Ｖが０．０５％以上となると、引張強度が上昇し過ぎて靭性が低下する。

Ｍｏが０．１％未満、Ｎｂが０．０１％未満、及び／又は、Ｖが０．０１％未満であると、溶接金属の耐力及び引張強度の向上効果が得られない。それ故、Ｍｏは０．１〜１．０％、Ｎｂは０．０１〜０．０５％、Ｖは０．０１〜０．０５％未満とする。溶接金属の靭性と強度の観点から、Ｍｏは、好ましくは０．１〜０．３％未満である。

［Ｃａ：０．０１〜０．５％、及び、ＲＥＭ：０．０１〜０．５％の１種又は２種］
ワイヤ成分のＣａ及びＲＥＭは、脱酸剤として、溶接金属中の酸素を低減し、靭性を向上させる元素である。Ｃａが０．５％を超え、及び／又は、ＲＥＭが０．５％を超えると、アーク中で激しく酸素と反応して、スパッタやヒュームの発生量が増大する。

一方、Ｃａが０．０１％未満、及び／又は、ＲＥＭが０．０１％未満であると、脱酸剤として溶接金属の酸素量を低減し靭性を向上させる効果が得られない。それ故、Ｃａは０．０１〜０．５％とし、ＲＥＭは０．０１〜０．５％とする。

［鋼製外皮に継ぎ目がないこと］
フラックス入りワイヤは、鋼製外皮をパイプ状に成形し、その内部にフラックスを充填した構造で、製造の過程で成形した鋼製外皮の合わせ目を溶接した継ぎ目がないワイヤと、上記合わせ目を溶接せず隙間のまま残すワイヤとに大別できる。

本発明ワイヤは、いずれの構造も採用することができるが、鋼製外皮に継ぎ目がないワイヤは、ワイヤ中の全水素量を低減することを目的として、熱処理を施すことが可能であり、また、製造後の吸湿がないので、拡散性水素量を低減し耐低温割れ性を向上させる目的において、より望ましい。

なお、フラックスの合金成分の量は、鋼製外皮の成分とその含有量を考慮して、限定した範囲内で調整する。フラックスの合金成分の量を調整することにより、種々の高張力鋼（母材）の成分組成に対応したフラックス入りワイヤを得ることができる。

Ｐ及びＳは、ともに、低融点の化合物を生成して、粒界の引張強度を低下させ、溶接金属の靭性を低下させるので、ワイヤに含まれるＰは０．０１５％以下、Ｓは０．０１０％以下とすることが好ましい。Ｐは０．０１５％以下の範囲で、Ｓは０．０１０％以下の範囲で、できるだけ低減することがより好ましい。

フラックス充填率を１０〜２０％に調整するため、鉄粉を用いるが、鉄粉は、フラックス中に酸素を持ち込むので、添加量は少ないほうが望ましい。

ワイヤ中のその他の成分として、鋼製外皮のＦｅ、フラックス中に添加された合金成分中のＦｅ、アーク安定剤としてのアルカリ金属の酸化物やアルカリ土類金属の酸化物を含む。

ワイヤ表面に、防錆性、通電性、及び、耐チップ磨耗性に有効なＣｕメッキを施した場合は、ワイヤ中のその他の成分として、０．３％程度のＣｕを含む。Ｃｕメッキを施したフラックス入りワイヤも、本発明ワイヤの範囲である。

本発明ワイヤのワイヤ径は１．０〜２．０ｍｍが好ましい。ワイヤ径が１．０〜２．０ｍｍであれば、溶接時の電流密度を高くし、高溶着率を得ることができる。より好ましくは１．２〜１．６ｍｍである。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

鋼製外皮を成形する工程で、帯鋼をＵ型に成形し、鋼製外皮内に各種のフラックス成分を充填し、さらに、鋼製外皮をＯ型に成形し、その後、鋼製外皮の合わせ目を溶接した継ぎ目がないワイヤと、溶接せず隙間の有るワイヤを造管し、伸線して、表１〜表１０に示すワイヤ径が１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。

ワイヤ記号Ｂ１８のワイヤ以外のワイヤには、全て、水素含有量の低いフラックスを充填し、さらに、フラックス充填後、ワイヤを６５０℃で４時間焼鈍した。ワイヤ記号Ｂ１８のワイヤには、水素含有量の低いフラックスを充填したが、焼鈍は行わなかった。

試作したワイヤの全水素量を、株式会社堀場製作所製の水素分析装置：ＥＭＧＡ−６２１を用いて測定した。その後、ＪＩＳ Ｇ３１２８（２００９）のＳＨＹ６８５に規定される鋼板を用いて、立向上進隅肉溶接を行い、溶接作業性を評価し、また、溶着（溶接）金属試験で機械特性を評価した。さらに、試作したワイヤを用いて溶接した鋼板に対し、溶接割れ試験を実施した。表１１に溶接条件を示す。

立向上進隅肉溶接は、半自動溶接で実施し、溶接作業性の評価として、メタル垂れの有無、スパッタ発生量、スラグ剥離性及びビード形状を目視で調査し、溶接作業性を評価した。その後、マクロ断面を５断面採取して、スラグ巻込み欠陥の有無を目視で調査した。

機械特性評価は、引張試験片（ＪＩＳ Ｚ３１１１（２００５）Ａ０号）、及び、衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ３１１１（２００５）４号）を、それぞれ、溶接金属の板厚中央部から採取して、ＪＩＳ Ｚ３１１１（２００５）に従った引張試験及び衝撃試験に供し、０．２％耐力が６９０ＭＰａ以上、引張強度が７７０ＭＰａ以上、試験温度−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが６９Ｊ以上を合格とした。

溶接割れ試験は、Ｕ形溶接割れ試験方法（ＪＩＳ Ｚ３１５７（１９９３））に準拠し、試験体の予熱温度７５℃にて実施した。溶接後４８時間経過した試験体について、表面割れ及び断面割れ（５断面）の発生有無を浸透探傷試験（ＪＩＳ Ｚ２３４３（２００１））により調査した。

評価結果及び調査結果を表１２〜１６に示す。

表１〜１６において、ワイヤ記号Ａ１〜Ａ７９が発明例で、ワイヤ記号Ｂ１〜Ｂ４３が比較例である。

ワイヤ記号Ａ１〜Ａ７９（発明例）においては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｂ、Ｃｒの含有量、フラックス中のＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、及び、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量、弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計、ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、及び、ＣａＦ₂の１種又は２種以上のＦ換算値の合計、及び、全水素量が適量であり、さらに、Ｍｏ、Ｎｂ、及び、Ｖから選ばれる１種又は２種以上の含有量、及び、Ｃａ及びＲＥＭの１種又は２種の含有量も適量であるので、溶接作業性が良好で、かつ、溶接金属の耐力、引張強度、及び、シャルピー吸収エネルギー値も良好な値が得られ、さらに、低温割れも生じていないので、極めて満足な結果が得られている。

これに対し、ワイヤ記号Ｂ１〜Ｂ４３（比較例）においては、ワイヤのいずれかの成分の含有量（ワイヤ全質量に対する質量％）が本発明の範囲外であるため、機械的特性又は溶接作業性が劣る結果となっている。

前述したように、本発明によれば、耐力が６９０ＭＰａ以上の高張力鋼のガスシールドアーク溶接において、被覆アーク溶接法やソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接法に比べ、全姿勢で高能率な溶接が可能で、かつ、機械的性質の耐低温割れ性、靭性、耐力、及び、引張強度が良好な溶接金属が得られるので、溶接部の品質及び溶接能率の向上を経済的に図ることができる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。

Claims (5)

1. 鋼製外皮にフラックスを充填した高張力鋼ガスシールド溶接用フラックス入りワイヤにおいて、
   （ａ）上記ワイヤの全質量に対する質量％で、
   (a1) Ｃ：０．０３〜０．１０％、Ｓｉ：０．２５〜０．７０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：１．０〜３．５％、Ｔｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｇ：０．１〜０．９％、Ｂ：０．００１〜０．０１５％、Ａｌ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．０５％以下を含有し、かつ、
   (a2) フラックスに、ＴｉＯ₂：２．５〜７．５％、ＳｉＯ₂：０．１〜０．５％、ＺｒＯ₂：０．２〜０．９％、Ａｌ₂Ｏ₃：０．１〜０．４％、弗素化合物の１種又は２種以上：Ｆ換算値の合計で０．４１〜１．００％を含有し、
   （ｂ）下記式（１）の値が０．３０〜１．３０で、残部が、Ｆｅ、アーク安定剤、及び、不可避不純物からなり、
   （ｃ）上記ワイヤの全水素量が、ワイヤ全体に対する質量比で１５ｐｐｍ以下である
   ことを特徴とする高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
   （弗素化合物の１種又は２種以上のＦ換算値の合計＋Ｍｇ）／（１／２（ＴｉＯ₂
   ＋ＺｒＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃）＋ＳｉＯ₂） ・・・（１）
2. 前記弗素化合物が、ＢａＦ₂、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂の１種又は２種以上であることを特徴する請求項１に記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
3. 前記ワイヤが、さらに、該ワイヤの全質量に対する質量％で、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．０５％、及び、Ｖ：０．０１〜０．０５％未満の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
4. 前記ワイヤが、さらに、該ワイヤの全質量に対する質量％で、Ｃａ：０．０１〜０．５％、及び、ＲＥＭ：０．０１〜０．５％の１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
5. 前記鋼製外皮に継ぎ目がないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高張力鋼ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。