JP2013141681A - サブマージアーク溶接用ボンドフラックス、ワイヤ、溶接金属及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】−６０℃においても優れた低温靭性を有する溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用ボンドフラックス、ワイヤ、溶接金属及び溶接方法を提供する。
【解決手段】質量％で、ＭｇＯ：２５〜３５％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０％、ＣａＦ_２：１２〜２２％、ＳｉＯ_２：１０〜２０％、ＣａＯ：１０〜１５％、金属炭酸塩：３．０〜９．０％、金属Ｓｉ：０．６〜１．２％、金属Ｔｉ：０．１０〜０．８０％、金属Ｃａ：０．１５〜０．４０％、アルカリ金属の酸化物：２．０〜５．０％、Ａｌ：０．０１％以下、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］：０．０６〜０．１７のボンドフラックスと、Ｃ：０．０９〜０．１５％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｎｉ：１．８〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜１．２％、Ｎ：０．００８％以下、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）：０．４〜１．７のワイヤを使用する。
【選択図】なし

Description

本発明は、サブマージアーク溶接に用いられるボンドフラックス、ワイヤ及びこれらによって形成される溶接金属並びに溶接方法に関する。より詳しくは、海洋構造物やＬＰＧ（液化石油ガス）タンクなどの低温特性が要求される用途にも適したサブマージアーク溶接用ボンドフラックス、ワイヤ、溶接金属及び溶接方法に関する。

サブマージアーク溶接は、大電流での溶接が可能であり、他の溶接方法に比べて、溶着速度が速く、高能率であることから、主に、船舶、橋梁、ボイラ及び圧力容器などの大型鋼構造物に適用されている。このサブマージアーク溶接に用いられるフラックスは、溶融フラックスとボンドフラックスの２種類に大別される。そして、これら２種類のうちボンドフラックスは、比較的低温で製造されるため、炭酸塩や合金成分など広範な材料を添加することが可能であり、低酸素で高靱性の溶接金属を形成することができる（例えば、特許文献１，２参照）。

例えば、特許文献１に記載のサブマージアーク溶接用ボンドフラックスでは、２.５〜３.５％Ｎi鋼や小入熱溶接を強いられる高張力鋼などの溶接において、良好な作業性と高靭性な溶接金属を得ることを目的として、特定組成のボンドフラックスに、５０〜７０質量％の範囲で溶融型フラックスを配合している。また、特許文献２には、ソリッドワイヤとボンドフラックスとを組合わせたサブマージアーク溶接で多層盛溶接することにより形成される溶接金属において、強度が良好で、安定した靭性が得られる溶接金属組成が開示されている。

更に、従来、石油掘削用海洋構造物、運搬用船舶、ラインパイプなどの構造物やＬＰＧ運搬用や貯蔵用タンクなどに用いられる低温用鋼のサブマージアーク溶接用材料として、低温靭性に優れた溶接金属部が得られるボンドフラックス及びワイヤが提案されている（特許文献３参照）。また、−４０〜−６０℃程度の低温においても良好な靭性を有する溶接金属を得るために、微量にＡｌを添加したサブマージアーク溶接用ボンドフラックスも提案されている（特許文献４参照）。

特開平７−１５５９８６号公報 特開２００７−２６０６９６号公報 特開平１０−１１３７９１号公報 特開２０００−１０７８８５号公報

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。例えば、特許文献２に記載の溶接金属は、−２０℃程度の温度条件下であれば優れた靭性が得られるが、近年、より低い温度条件下で高い靭性を有することが求められている。一方、特許文献１に記載のボンドフラックスは、−１００℃の温度条件下で溶接金属の靭性を評価しており、良好な結果を得ているが、これはＮｉを３．５質量％程度含有するワイヤを使用した場合の結果であり、そのようなワイヤを使用すると、製造コストが増加するという問題点がある。

また、特許文献３に記載の溶接材料は、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Post Weld Heat Treatment）を前提としたものであり、得られる溶接金属の機械的強度、特に引張強度が７８０ＭＰａよりも低いという問題点がある。同様に、特許文献４に記載のボンドフラックスも、対象とする鋼板が軟鋼〜５５０ＭＰａ級鋼程度であるため、引張強度が７８０ＭＰａ以上の溶接金属は得られない。

そこで、本発明は、−６０℃においても優れた低温靭性を有する溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用ボンドフラックス、ワイヤ、溶接金属及び溶接方法を提供することを主目的とする。

本発明者は、前述した課題を解決するため、溶接金属γ粒径が低温靭性に及ぼす影響について検討を行った。その結果、溶接に用いるボンドフラックス及び／又はワイヤに合金成分を特定量添加することにより、低温特性に優れた溶接金属が得られることを見出し、本発明に至った。なお、前述した特許文献１〜４に記載の技術においては、溶接金属の低温靭性とγ粒径との関係については、何ら検討がなされていない。

即ち、本発明に係るサブマージアーク溶接用ボンドフラックスは、ＭｇＯ：２５〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０質量％、ＣａＦ_２：１２〜２２質量％、ＳｉＯ_２：１０〜２０質量％、ＣａＯ：１０〜１５質量％、金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：３．０〜９．０質量％、金属Ｓｉ：０．６〜１．２質量％、金属Ｔｉ：０．１０〜０．８０質量％、金属Ｃａ：０．１５〜０．４０質量％、並びにＮａ、Ｋ及びＬｉからなる群から選択される少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物（Ｎａ、Ｋ及びＬｉをそれぞれＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＬｉ_２Ｏに換算した値の合計）：２．０〜５．０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．０１質量％以下に規制された組成を有し、金属Ｔｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、金属Ｃａの含有量（質量％）を［Ｃａ］、金属Ｓｉの含有量（質量％）を［Ｓｉ］、ＳｉＯ_２の含有量（質量％）を［ＳｉＯ_２］としたとき、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］が０．０６〜０．１７のものである。

また、本発明に係るサブマージアーク溶接用ワイヤは、サブマージアーク溶接においてボンドフラックスと組み合わせて使用される溶接用ワイヤであって、Ｃ：０．０９〜０．１５質量％、Ｍｎ：１．０〜３．０質量％、Ｎｉ：１．８〜３．５質量％及びＭｏ：０．４〜１．２質量％を含有すると共に、Ｎ：０．００８質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有し、Ｎｉの含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｍｏの含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）が０．４〜１．７のものである。

更に、本発明に係る溶接金属は、前述したボンドフラックスと、ワイヤとを使用したサブマージアーク溶接により形成され、Ｔｉ含有量が０．００５〜０．０２０質量％、Ｓｉ含有量が０．１０〜０．３０質量％であり、かつＴｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、Ｏの含有量（質量％）を［Ｏ］としたとき、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．２５〜０．５５のものである。

一方、本発明に係るサブマージアーク溶接用方法は、ＭｇＯ：２５〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０質量％、ＣａＦ_２：１２〜２２質量％、ＳｉＯ_２：１０〜２０質量％、ＣａＯ：１０〜１５質量％、金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：３．０〜９．０質量％、金属Ｓｉ：０．６〜１．２質量％、金属Ｔｉ：０．１０〜０．８０質量％、金属Ｃａ：０．１５〜０．４０質量％、並びにＮａ、Ｋ及びＬｉからなる群から選択される少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物（Ｎａ、Ｋ及びＬｉをそれぞれＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＬｉ_２Ｏに換算した値の合計）：２．０〜５．０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．０１質量％以下に規制され、かつ金属Ｔｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、金属Ｃａの含有量（質量％）を［Ｃａ］、金属Ｓｉの含有量（質量％）を［Ｓｉ］、ＳｉＯ_２の含有量（質量％）を［ＳｉＯ_２］としたとき、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］が０．０６〜０．１７であるボンドフラックスと、Ｃ：０．０９〜０．１５質量％、Ｍｎ：１．０〜３．０質量％、Ｎｉ：１．８〜３．５質量％及びＭｏ：０．４〜１．２質量％を含有すると共に、Ｎ：０．００８質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｉの含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｍｏの含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）が０．４〜１．７であるワイヤとを用いてサブマージアーク溶接し、Ｔｉ含有量が０．００５〜０．０２０質量％、Ｓｉ含有量が０．１０〜０．３０質量％であり、かつＴｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、Ｏの含有量（質量％）を［Ｏ］としたとき、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．２５〜０．５５である溶接金属を得る。

本発明によれば、サブマージアーク溶接に用いられるボンドフラックス及び又はワイヤの成分組成を特定の範囲にしているため、低温靭性が向上し、−６０℃においても優れた靭性を有する溶接金属が得られる。

横軸にボンドフラックスのＳｉＯ_２の含有量（［ＳｉＯ_２］）をとり、縦軸にＴｉ、Ｃａ及びＳｉの総含有量（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）をとって、これらの比（（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］）が溶接金属性能に及ぼす影響を示す図である。 横軸にワイヤのＭｎ及びＭｏの総含有量（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）をとり、縦軸にＮｉ含有量（［Ｎｉ］）をとって、これらの比（［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］））が溶接金属性能に及ぼす影響を示す図である。 横軸に溶接金属のＴｉ含有量（［Ｔｉ］）をとり、縦軸に−６０℃における吸収エネルギーと高温での粒径をとって、［Ｔｉ］／［Ｏ］が溶接金属の低温靭性とγ粒径に及ぼす影響を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係るボンドフラックスについて説明する。本実施形態のボンドフラックスは、サブマージアーク溶接に用いられるものであり、その組成は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、金属炭酸塩、金属Ｓｉ、金属Ｔｉ、金属Ｃａ、並びにＮａ、Ｋ及びＬｉからなる群から選択される少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物を特定量含有すると共に、Ａｌ含有量が規制された成分組成となっている。

また、本実施形態のボンドフラックスでは、金属Ｔｉ、金属Ｃａ及び金属Ｓｉの総含有量（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）と、ＳｉＯ_２含有量（［ＳｉＯ_２］）との比が特定の範囲になるように、各成分量が調整されている。

［ＭｇＯ：２５〜３５質量％］
ＭｇＯは、フラックスの塩基度を高めると共に、脱酸素剤として溶接金属中の酸素を抑制する作用がある。このため、フラックスにＭｇＯを添加することにより、溶接金属の酸素量を低減することができ、更に、スラグの耐火性も向上する。ただし、ＭｇＯの含有量が、フラックス全質量の２５質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、３５質量％を超えると、スラグ剥離やビード外観の劣化が生じる。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、ＭｇＯ含有量は２５〜３５質量％とする。

［Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０質量％］
Ａｌ_２Ｏ_３は、スラグ形成剤として作用し、ビードのスラグ剥離性を確保する効果がある。また、Ａｌ_２Ｏ_３にはアークの集中性及び安定性を向上させる効果もある。ただし、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が、フラックス全質量の１０質量％未満の場合、スラグ剥離性が低下すると共に、アークが不安定となり溶接が困難になる。一方、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が２０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して、靭性が低下する。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、Ａｌ_２Ｏ_３含有量は１０〜２０質量％とする。

［ＣａＦ_２：１２〜２２質量％］
ＣａＦ_２には、一般に知られている生成スラグの融点を調整するという効果と共に、溶融金属中の酸素を低減させる効果がある。ただし、ＣａＦ_２の含有量が、フラックス全質量の１２質量％未満の場合、前述した効果が得られない。また、ＣａＦ_２の含有量が２２質量％を超えると、アークが不安定となり、ビード外観が劣化し、ビード上にポックマークが発生することもある。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、ＣａＦ_２含有量は１２〜２２質量％とする。

［ＳｉＯ_２：１０〜２０質量％］
ＳｉＯ_２はスラグ形成剤として、ビード外観及びビード形状を整える効果がある。ただし、ＳｉＯ_２の含有量が、フラックス全質量の１０質量％未満の場合、前述した効果が得られない。また、ＳｉＯ_２の含有量が２０質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して、靭性が低下する。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、ＳｉＯ_２含有量は１０〜２０質量％とする。

［ＣａＯ：１０〜１５質量％］
ＣａＯは、フラックスの塩基度を高め、溶接金属中の酸素量を低減する効果がある。ただし、ＣａＯの含有量が、フラックス全質量の１０質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、１５質量％を超えると、アーク安定性が低下すると共にビード外観が劣化する。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、ＣａＯ含有量は１０〜１５質量％とする。

［金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：３．０〜９．０質量％］
金属炭酸塩は、溶接熱によりガス化して、アーク雰囲気中の水蒸気分圧を下げ、溶接金属中の拡散性水素量を低下させるアークのシールド効果を有する。ただし、金属炭酸塩の含有量が、フラックス全質量の３．０質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、９．０質量％を超えると、スラグ剥離性が低下して、ビード上にポックマークが発生することがあり、作業性が不良となる。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、金属炭酸塩含有量は３．０〜９．０質量％とする。

なお、ここで規定する「金属炭酸塩含有量」は、フラックスに含有される金属炭酸塩の総量をＣＯ_２で換算した値である。また、本実施形態のボンドフラックスに添加される金属炭酸塩としては、例えばＣａＣＯ_３やＢａＣＯ_３などが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、適宜選択して使用することができる。ただし、アルカリ金属炭酸塩は除く。また、金属炭酸塩は、１種のみ添加してもよいが、複数種を組み合わせて添加することもできる。

［金属Ｓｉ：０．６〜１．２質量％］
金属Ｓｉは、溶接金属中の酸素量を抑制する脱酸効果を有し、例えばＦｅ−ＳｉやＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ合金などの形態で添加される。ただし、金属Ｓｉの含有量が、フラックス全質量の０．６質量％未満の場合、前述した効果が得られない。また、金属Ｓｉを１．２質量％を超えて添加しても、脱酸素効果は向上せず、溶接金属のビード形状が劣化すると共に、溶接金属の強度が過大となり、靭性が低下する。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、金属Ｓｉ含有量は０．６〜１．２質量％とする。

［金属Ｔｉ：０．１０〜０．８０質量％］
金属Ｔｉは、主に酸化物として溶接金属中に存在し、溶接金属のγ粒径を制御して組織を微細化し、靭性を向上させる効果がある。ただし、金属Ｔｉの含有量が、フラックス全質量の０．１０質量％未満の場合、溶接金属中の介在物がＳｉ−Ｍｎ系となり、組織の微細化による靭性向上の効果が得られない。また、０．８０質量％を超えて金属Ｔｉを添加すると、溶接金属においてＴｉ_２Ｏ_３などの大型の酸化物が析出し、靭性が低下する。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、金属Ｔｉ含有量は０．１０〜０．８０質量％とする。なお、金属Ｔｉは、例えばＦｅ−Ｔｉ合金などの形態で添加することができる。

［金属Ｃａ：０．１５〜０．４０質量％］
金属Ｃａは、溶接金属中の酸素量を低減する効果があり、溶接金属の靭性向上に有効な成分である。ただし、金属Ｃａの含有量が、フラックス全質量の０．１５質量％未満の場合、前述した酸素低減効果が得られない。一方、金属Ｃａ含有量が０．４０質量％を超えると、フラックスを製造する際に発熱反応が生じて、製造が困難になったり、ビードの焼き付きが発生して、ビード外観が劣化したりする。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、金属Ｃａ含有量は０．１５〜０．４０質量％とする。

ここで、本実施形態のボンドフラックスに添加される金属Ｃａは、例えばＣａ−Ｓｉなどの形態で添加することができる。また、添加する金属Ｃａは、１種のみでもよいが、複数種を組み合わせて添加することもできる。その場合、金属Ｃａの総量を、前述した範囲内とする。なお、本実施形態のボンドフラックスにおいては、金属Ｃａの一部又は全部を希土類元素に置き換えてもよい。

［アルカリ金属の酸化物：合計で２．０〜５．０質量％］
アルカリ金属であるＮａ、Ｋ及びＬｉの酸化物は、アークを安定させる効果がある。ただし、これらの総含有量が２．０質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、５．０質量％を超えて添加しても、脱酸素効果は向上せず、溶接金属の溶接金属の強度が過大となって靭性が低下する。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、アルカリ金属の酸化物の含有量は２．０〜５．０質量％とする。なお、ここで規定する「アルカリ金属酸化物の含有量」は、Ｎａ、Ｋ及びＬｉの含有量を、それぞれＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＬｉ_２Ｏに換算した値の合計をいう。

［Ａｌ：０．０１質量％以下］
Ａｌは、金属Ｔｉにより組織微細化効果を抑制し、溶接金属の靭性を低下させる。よって、本実施形態のボンドフラックスにおいては、Ａｌ含有量を０．０１質量％以下に規制する。なお、ここで規定する「Ａｌ」は、金属Ａｌ又はＡｌ合金に由来するものであり、Ａｌ酸化物などに由来するものは含まない。

［（金属Ｔｉ＋金属Ｃａ＋金属Ｓｉ）／ＳｉＯ_２：０．０６〜０．１７］
溶接金属の破壊靭性向上と、良好な溶接作業性の確保は、前述した各成分組成によりある程度達成することができるが、更に、金属Ｔｉ、金属Ｃａ及び金属Ｓｉの総含有量（質量％）とＳｉＯ_２含有量（質量％）との比、即ち、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］を０．０６〜０．１７の範囲にすることにより、溶接金属の低温靭性も向上させることが可能となる。

図１はボンドフラックスのＴｉ、金属Ｃａ及びＳｉの総含有量（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）と、ＳｉＯ_２の含有量（［ＳｉＯ_２］）との比が、溶接金属性能に及ぼす影響を示す図である。図１に示すように、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］が０．０６未満の場合、溶接金属の酸素量が増加して粗大が組織が形成されるため、低温靭性が低下する。

また、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］が０．１７を超えると、スラグ剥離性やビード形状などの溶接作業性が劣化すると共に、溶接金属の強度が過大となり、低温靭性が低下する。なお、本実施形態のボンドフラックスにおける（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］の好適な範囲は、０．０９〜０．１４であり、この範囲にすることにより、溶接金属の低温靭性と溶接作業性を更に向上させることができる。

［残部］
なお、本実施形態のボンドフラックスには、前述した各成分以外に、例えばＦｅ、Ｐ、Ｓ及びＦｅ_２Ｏ_３などが含有されていてもよい。

このように、本実施形態のボンドフラックスでは、各成分の含有量、特に、溶接金属の組織微細化効果があるＴｉ含有量を特定の範囲にし、更に、金属Ｔｉ、金属Ｃａ及び金属Ｓｉの総含有量とＳｉＯ_２含有量との比を、低温靭性向上効果のある範囲にしているため、溶接作業性が良好で、−６０℃においても優れた低温靭性を有する溶接金属が得られる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る溶接用ワイヤについて説明する。本実施形態の溶接用ワイヤは、サブマージアーク溶接において、前述した第１の実施形態のボンドフラックスと組み合わせて使用されるものであり、その組成は、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＭｏを特定量含有すると共に、Ｎ含有量が規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。また、本実施形態のワイヤでは、Ｎｉ含有量（［Ｎｉ］）と、Ｍｎ及びＭｏの総含有量（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）との比が、特定の範囲になるように、各成分量が調整されている。

［Ｃ：０．０９〜０．１５質量％］
Ｃは、脱酸元素として作用すると共に、溶接金属の強度確保に有効な元素であるが、溶接金属の低温靭性を良好にするためには、その含有量を低く抑える必要がある。具体的には、Ｃ含有量が、ワイヤ全質量あたり０．１５質量％を超えると、低温靭性が良好な溶接金属が得られない。また、Ｃ含有量が０．０９質量％未満の場合、脱酸素不足となり、溶接金属の靭性が低下する。よって、本実施形態の溶接用ワイヤでは、Ｃ含有量は０．０９〜０．１５質量％とする。

［Ｍｎ：１．０〜３．０質量％］
Ｍｎは、溶接金属の焼入れ性を確保し、粒内フェライトの変態核を生成するために必要な元素である。ただし、Ｍｎの含有量が、ワイヤ全質量の１．０質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、Ｍｎ含有量が３．０質量％を超えると、溶接金属の焼入れ性が過大となり、靭性が低下する。よって、本実施形態の溶接用ワイヤにおいては、Ｍｎ含有量は１．０〜３．０質量％とする。

［Ｎｉ：１．８〜３．５質量％］
Ｎｉは、溶接金属のマトリクスに固溶して、フェライトそのものを高靭化する効果がある。ただし、Ｎｉの含有量が、ワイヤ全質量の１．８質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、Ｎｉ含有量が３．５質量％を超えると、溶接金属中のＰやＳが粒界に析出して、高温割れが生じやすくなる。よって、本実施形態の溶接用ワイヤでは、Ｎｉ含有量は１．８〜３．５質量％とする。

［Ｍｏ：０．４〜１．２質量％］
Ｍｏは、溶接金属の焼入れ性を確保する効果がある。ただし、Ｍｏの含有量が、ワイヤ全質量の０．４質量％未満の場合、前述した効果が得られず、また、Ｍｏ含有量が１．２質量％を超えると、溶接金属の焼入れ性が過大となり、靭性が低下する。よって、本実施形態の溶接用ワイヤにおいては、Ｍｏ含有量は０．４〜１．２質量％とする。

［Ｎ：０．００８質量％以下］
Ｎは、溶接金属の靭性を低下させる元素であることから、その含有量はできるだけ低いことが望ましい。そこで、本実施形態の溶接用ワイヤでは、Ｎ含有量を、ワイヤ全質量あたり０．００８質量％以下に規制する。これにより、低温靭性が良好な溶接金属を形成することができる。

［Ｎｉ／（Ｍｎ＋Ｍｏ）：０．４〜１．７］
溶接用ワイヤを、前述した各成分組成にすることにより、溶接金属の低温靭性と耐高温割れ性をある程度向上させることができるが、更に、Ｎｉ含有量（質量％）と、Ｍｎ及びＭｏの総含有量（質量％）との比、即ち、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）を０．４〜１．７の範囲にすることにより、低温靭性及び耐高温割れ性の両方が優れた溶接金属を得ることができる。

図２はワイヤのＮｉ含有量（［Ｎｉ］）と、Ｍｎ及びＭｏの総含有量（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）との比が、溶接金属性能に及ぼす影響を示す図である。図２を示すように、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）が０．４未満の場合、溶接金属の焼き入れ性が過大となり、低温靭性が低下する。また、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）１．７を超えると、溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。なお、本実施形態の溶接用ワイヤにおける［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）の好適な範囲は、０．７〜１．３であり、この範囲にすることにより、溶接金属の低温靭性及び耐高温割れ性を更に向上させることができる。

このように、本実施形態の溶接用ワイヤでは、各成分の含有量を特定の範囲にし、更に、Ｎｉ含有量と、Ｍｎ及びＭｏの総含有量との比を、低温靭性向上効果のある範囲にしているため、高強度で、かつ−６０℃においても優れた低温靭性を有する溶接金属が得られる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るサブマージアーク溶接方法（以下、単に溶接方法ともいう。）について説明する。本実施形態の溶接方法では、前述した第１の実施形態のボンドフラックスと、第２の実施形態のワイヤとを使用して、低温用鋼などをサブマージアーク溶接する。その際の溶接条件は、特に限定されるものではなく、母材の種類などに応じて適宜選択することができる。

そして、本実施形態の溶接方法により得られる溶接金属は、Ｔｉ含有量が０．００５〜０．０２０質量％、Ｓｉ含有量が０．１０〜０．３０質量％であり、かつＴｉ含有量（［Ｔｉ］）と、Ｏ含有量（［Ｏ］）との比（［Ｔｉ］／［Ｏ］）が、０．２５〜０．５５となっている。

［Ｔｉ：０．００５〜０．０２０質量％］
溶接金属のＴｉ含有量が０．００５質量％未満の場合、粒内アシキュラーフェライト変態核の生成効果及び初析フェライトの抑制効果が得られず、靭性が低下する。また、０．０２０質量％を超えてＴｉを含有する溶接金属は、焼き入れ性が過大となり、大型酸化物が生成し、靭性が低下する。一方、溶接金属のＴｉ含有量を０．００５〜０．０２０質量％にすることにより、靭性を良好にすることができる。

［Ｓｉ：０．１０〜０．３０質量％］
溶接金属のＳｉ含有量が０．１０質量％未満の場合、粒内アシキュラーフェライトの変態核の生成が抑制され、靭性が低下する。また、０．３０質量％を超えてＳｉを含有する溶接金属では、粗大なラス状ベイナイトが生成し、靭性が低下する。一方、溶接金属のＳｉ含有量を０．１０〜０．３０質量％にすることにより、良好な靭性が得られる。

［Ｔｉ／Ｏ：０．２５〜０．５５］
図３はＴｉ含有量とＯ含有量との比が溶接金属の低温靭性とγ粒径に及ぼす影響を示す図である。図３に示すように、Ｔｉ含有量（質量％）とＯ含有量（質量％）との比、即ち、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．２５未満の溶接金属では、脱酸不足となり、粗大な初析フェライトが生成し、靭性が低下する。また、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．５５を超える溶接金属では、粗大なラス状ベイナイトが生成し、靭性が低下する。一方、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．２５〜０．５５の範囲の溶接金属では、良好な靭性が得られる。

このように、本実施形態の溶接方法では、前述した第１の実施形態のボンドフラックスと、第２の実施形態の溶接用ワイヤとを組み合わせて使用しているため、強度及び低温靭性に優れた溶接金属が得られる。具体的には、０．２％耐力が６９０ＭＰａ以上、引張強さが７８０ＭＰａ以上、−６０℃でシャルピー衝撃試験を行ったときの吸収エネルギーが平均で６９Ｊ以上の溶接金属を実現することができる。この溶接方法は、海洋構造物やＬＰＧ（液化石油ガス）タンクなどのように、低温特性、特に低温靭性が要求される用途に好適である。

以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、組成を変えて複数のボンドフラックス及びワイヤを作製し、それらを使用してサブマージアーク溶接したときの溶接作業性及び形成される溶接金属の機械的特性などを評価した。

本実施例においては、先ず、下記表１に示す組成の６種類（Ｗ１〜Ｗ６）のワイヤを作製した。ここで、下記表１に示すＷ１〜Ｗ３のワイヤは請求項２の範囲内で作製したものであり、Ｗ４〜Ｗ６は請求項２の範囲から外れるものである。また、各ワイヤの直径はいずれも４．０ｍｍとした。

次に、下記表２に示す組成の１５種類（Ｆ１〜Ｆ１５）のボンドフラックスを作製した。これらのボンドフラックスは、水ガラスを固着材として原料粉を造粒した後、それぞれ５００℃で焼成し、１０〜４８メッシュの粒度の整粒した。なお、下記表２に示すＦ１〜Ｆ５のボンドフラックスは請求項１の範囲内で作製したものであり、Ｆ６〜Ｆ１５は請求項１の範囲から外れるものである。

＜全溶着金属溶接試験＞
上記表１に示すワイヤと、上記表２に示すボンドフラックスとを組み合わせて、下記表３に示す鋼板（ＪＩＳ Ｇ３１２８ ＳＨＹ６８５Ｎ／板厚２５ｍｍ）をサブマージアーク溶接した。その際、開先形状は３０°のＶ開先、ルートギャップは１３ｍｍとし、裏当金を使用した。また、溶接姿勢は下向、溶接条件は電流：５５０Ａ、電圧：３０Ｖ、速度：４０ｃｍ／分、溶接入熱：２．５ｋＪ／ｍｍとした。更に、積層数は７層１５パス、予熱・パス間温度は１４０〜１６０℃とした。

［評価方法］
（ａ）溶接金属の組成
ＪＩＳ Ｇ１２５３及びＪＩＳ Ｚ２６１３に基づいて、溶接金属中央かつ板厚中央の部分を化学成分分析した。

（ｂ）機械的特性
ＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠する方法で、溶接金属中央かつ板厚中央の部分から採取したＡ１号試験片を使用し、室温（２０〜２３℃）において引張試験を行い、「０．２％耐力」及び「引張強さ」を求めた。その結果、０．２％耐力（降伏強度）は６９０ＭＰａ以上、引張強さは７８０ＭＰａ以上のものを、それぞれ合格とした。

また、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠する方法で、溶接金属中央かつ板厚中央の部分から採取したＶ−ｎｏｔｃｈ試験片を使用し、−６０℃の温度条件で衝撃試験を行った。その結果、−６０℃における吸収エネルギー（平均値）が６９Ｊ以上のものを合格とした。

（ｃ）γ粒径
高温レーザ顕微鏡により溶接金属を観察した。試験温度は、１２００〜１３００℃とした。

（ｄ）溶接作業性
溶接作業性は、全溶着金属試験の際に、スラグ剥離性、ビード外観、ポックマーク、ビードの焼き付き及び拡散水素量の各項目について評価した。そして、「スラグ剥離性」の評価は、７層１５パスの溶接において、各パスでスラグが自然に剥離したものを○とし、スラグをタガネ又はエアーハンマーで取らなければ剥離しなかったものを×とした。また、「ビード外観」の評価は、ビードの幅がほぼ一定で、母材との揃いが良好であったものを○、ビードの幅が変動し、母材との揃いが不良であったものを×とした。

「ボックマーク」の評価は、ビード表面にポックマークが無かったものを○、１つでもあった場合は×とした。また、「ビードの焼き付き」の評価は、ビード表面にスラグの残留がないものを○とし、スラグの残留が見られるものを×とした。この評価では、前述したスラグ剥離性が○の場合でも、わずかでもビード表面にスラグが残留していたものは×とした。一方、拡散水素量は、ＡＷＳ Ａ４．３に準拠し、ガスクロマトグラフィー法により測定した。

＜耐高温割れ性能＞
上記表１に示すワイヤと、上記表２に示すボンドフラックスとを組み合わせて、上記表３に示す鋼板（ＪＩＳ Ｇ３１２８ ＳＨＹ６８５Ｎ／板厚２５ｍｍ）をサブマージアーク溶接した。その際、開先形状を３０°のＶ開先とし、ルートフェースを１０ｍｍ、ルートギャップを３．０ｍｍとした。また、溶接姿勢は下向、溶接条件は、電流：６００Ａ、電圧：３２Ｖ、速度：４０ｃｍ／分とした。更に、積層数は１層１パス、予熱温度は室温（２０〜３０℃）とし、繰り返し回数は２回とした。

［評価方法］
耐高温割れ性能は、形成された溶接金属について、拘束突合せ溶接割れ性試験を行い、耐割れ率により評価した。「耐割れ率」は、破断したビードのビード長に対する割れの長さの比率とし、１０％以下を合格（クレータ割れを含む）とした。

これらの評価結果を、下記表４及び表５にまとめて示す。なお、下記表４に示す溶接金属組成において、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。

表４及び表５に示すように、請求項１の範囲内で作製したボンドフラックスＦ１〜Ｆ５を使用して溶接した場合、良好な溶接作業性が得られた。また、これらにより形成されたＴ１〜Ｔ７の溶接金属は、いずれも０．２％耐力（降伏強度）が６９０ＭＰａ以上、引張強さが７８０ＭＰａ以上、−６０℃における吸収エネルギー（平均値）が６９Ｊ以上であり、機械的特性に優れていた。特に、Ｆ１〜Ｆ５のボンドフラックスと、請求項２の範囲内で作製したＷ１〜Ｗ３のワイヤとを組み合わせて使用したＴ１〜Ｔ５の溶接金属は、低温靭性が優れていた。

これに対して、請求項１の範囲から外れるボンドフラックスＦ６〜Ｆ１５を使用して溶接して形成されたＴ８〜Ｔ１８の溶接金属は、機械的特性が劣り、溶接作業性も不良であった。特に、チタン含有量と酸素含有量との比（［Ｔｉ］／［Ｏ］）が０．２５〜０．５５の範囲から外れるＴ１０〜Ｔ１２、Ｔ１４、Ｔ１５及びＴ１７の溶接金属は、低温靭性が劣っていた。

以上の結果から、本発明によれば、低温靭性が向上し、−６０℃においても優れた靭性を有する溶接金属が得られることが確認された。

Claims (4)

1. ＭｇＯ：２５〜３５質量％、
   Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０質量％、
   ＣａＦ_２：１２〜２２質量％、
   ＳｉＯ_２：１０〜２０質量％、
   ＣａＯ：１０〜１５質量％、
   金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：３．０〜９．０質量％、
   金属Ｓｉ：０．６〜１．２質量％、
   金属Ｔｉ：０．１０〜０．８０質量％、
   金属Ｃａ：０．１５〜０．４０質量％、
   Ｎａ、Ｋ及びＬｉからなる群から選択される少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物（Ｎａ、Ｋ及びＬｉをそれぞれＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＬｉ_２Ｏに換算した値の合計）：２．０〜５．０質量％
   を含有すると共に、
   Ａｌ：０．０１質量％以下に規制され、
   かつ、金属Ｔｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、金属Ｃａの含有量（質量％）を［Ｃａ］、金属Ｓｉの含有量（質量％）を［Ｓｉ］、ＳｉＯ_２の含有量（質量％）を［ＳｉＯ_２］としたとき、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］が０．０６〜０．１７であるサブマージアーク溶接用ボンドフラックス。
2. サブマージアーク溶接において、請求項１に記載のボンドフラックスと組み合わせて使用される溶接用ワイヤであって、
   Ｃ：０．０９〜０．１５質量％、
   Ｍｎ：１．０〜３．０質量％、
   Ｎｉ：１．８〜３．５質量％、
   Ｍｏ：０．４〜１．２質量％
   を含有すると共に、
   Ｎ：０．００８質量％以下に規制され、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
   Ｎｉの含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｍｏの含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）が０．４〜１．７であるサブマージアーク溶接用ワイヤ。
3. 請求項１に記載のボンドフラックスと、請求項２に記載のワイヤとを使用したサブマージアーク溶接により形成され、
   Ｔｉ含有量が０．００５〜０．０２０質量％、Ｓｉ含有量が０．１０〜０．３０質量％であり、かつＴｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、Ｏの含有量（質量％）を［Ｏ］としたとき、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．２５〜０．５５である溶接金属。
4. ＭｇＯ：２５〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０質量％、ＣａＦ_２：１２〜２２質量％、ＳｉＯ_２：１０〜２０質量％、ＣａＯ：１０〜１５質量％、金属炭酸塩（ＣＯ_２換算値）：３．０〜９．０質量％、金属Ｓｉ：０．６〜１．２質量％、金属Ｔｉ：０．１０〜０．８０質量％、金属Ｃａ：０．１５〜０．４０質量％、Ｎａ、Ｋ及びＬｉからなる群から選択される少なくとも１種のアルカリ金属の酸化物（Ｎａ、Ｋ及びＬｉをそれぞれＮａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＬｉ_２Ｏに換算した値の合計）：２．０〜５．０質量％を含有すると共に、Ａｌ：０．０１質量％以下に規制され、かつ、金属Ｔｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、金属Ｃａの含有量（質量％）を［Ｃａ］、金属Ｓｉの含有量（質量％）を［Ｓｉ］、ＳｉＯ_２の含有量（質量％）を［ＳｉＯ_２］としたとき、（［Ｔｉ］＋［Ｃａ］＋［Ｓｉ］）／［ＳｉＯ_２］が０．０６〜０．１７であるボンドフラックスと、
   Ｃ：０．０９〜０．１５質量％、Ｍｎ：１．０〜３．０質量％、Ｎｉ：１．８〜３．５質量％、Ｍｏ：０．４〜１．２質量％を含有すると共に、Ｎ：０．００８質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｉの含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｍｎの含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｍｏの含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］）が０．４〜１．７であるワイヤとを用いてサブマージアーク溶接し、
   Ｔｉ含有量が０．００５〜０．０２０質量％、Ｓｉ含有量が０．１０〜０．３０質量％であり、かつＴｉの含有量（質量％）を［Ｔｉ］、Ｏの含有量（質量％）を［Ｏ］としたとき、［Ｔｉ］／［Ｏ］が０．２５〜０．５５である溶接金属を得るサブマージアーク溶接方法。

Images