JP2015027700A - 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】フェライト系耐熱鋼をガスシールドアーク溶接する際に用いられる、予熱作業を省略もしくは予熱温度を低下し、かつ直後熱を省略しても優れた耐溶接低温割れ性を有し、かつ優れた高温強度をも満足する溶接金属が形成できるフラックス入りワイヤを提供する。【解決手段】フラックス入りワイヤ中に、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ２を含む金属弗化物を２．５〜６．５％、金属酸化物を０．３〜１．２％含有し、さらに、フラックスに含有するＦｅ粉の含有量を１０％未満に制限し、合金成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．０％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜１３％、Ｍｏ：０．１〜２．５％、Ｎ：０．０８％以下およびＡｌ：０．０５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるフラックス入りワイヤとする。【選択図】なし

Description

本発明は、石油化学工業や発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いるフェライト系耐熱鋼を溶接する際に用いられる、予熱作業を省力化しても優れた耐溶接低温割れ性を有するフラックス入りワイヤに関する。

火力発電ボイラや石油化学精製装置等の耐熱、耐圧配管に用いられる高温材料としては、フェライト系耐熱鋼ならびにオーステナイト系耐熱鋼がよく知られている。フェライト系鋼は、Ｃｒを数％〜１２％、Ｍｏを数％含むことを特徴とし、オーステナイト系耐熱鋼に比べて熱膨張係数が小さくかつ安価であることから、使用環境に応じて様々なフェライト系耐熱鋼が多量に使用されている。

これらフェライト系耐熱鋼を使用する場合、溶接により組み立て、構造物とするのが一般的である。そして、溶接に際しては、母材であるフェライト系耐熱鋼と類似の合金成分、組織を有するフェライト系耐熱鋼用溶接材料が広く使用されている。

ところで、これらのフェライト系耐熱鋼用溶接材料を用いて溶接する場合、例えば、非特許文献１に記載の通り、溶接低温割れが問題となることが広く知られている。
それを防止するため、非特許文献１に併せて示されるように、溶接前に被溶接部を予熱する作業が取られている。また、特許文献１には、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の溶接低温割れを防止するために、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接などの溶接法に係らず、１５０〜３００℃の予熱を行うとの具体的な方法が示されている。
さらに、特許文献１では、溶接低温割れを防止するためには、溶接終了後に溶接部が３００℃未満に冷却される前に溶接部を母材厚さ２５ｍｍあたり、１５０〜３００℃の温度に１０分以上２時間以下に保持する直後熱が必要であることが記載されている。

しかしながら、これら文献に示されている予熱作業は被溶接部を高温に加熱するため、溶接効率を著しく損ない、溶接コストを増大させる。そのため、予熱作業の省略もしくは予熱温度の低下等が望まれている。加えて、直後熱も溶接後に溶接部が冷却される前に、高温に加熱、保持する必要があるため省略が望まれる。

予熱や直後熱の省略を可能とする溶接材料について、例えば、特許文献２には、Ｃなどの合金元素を調整することにより、ＣｒおよびＭｏをそれぞれ０．８〜１．５％および０．４〜１．２％ふくむＴＩＧ溶接材料が提案されている。しかしながら、ここで提案されている溶接材料は、元々、低温割れが問題となりにくいＴＩＧ溶接に使用するソリッドワイヤに関するものであり、近年、広く適用が広がりつつあるフラックス入りワイヤに適用し得るものではない。

一方、特許文献３には、ＣｏおよびＭｏをそれぞれ０．１〜３．０％含有する溶接材料において、Ｃｏの含有を必須とした被覆アーク溶接材料やフラックス入りワイヤにおいて予熱が省略できることが示されている。また、特許文献４には、外皮もしくはフラックスにＶを含有させることにより、耐低温割れ性を向上させた４９０〜７８０ＭＰａ級高張力用フラックス入りワイヤが提案されている。しかしながら、特許文献３に提案されている溶接材料は高価なＣｏの含有を必須としているとともに、特許文献４については、高温での強度については何ら考慮がなされていない。

現在溶接技術体系＜第１４巻＞ 耐熱鋼・耐熱材料の溶接、産報出版株式会社（１９８０）、Ｐ．５５−５８

特開平８−１６４４８１号公報 特開２００２−１５７９号公報 特開２００６−９０７０号公報 特開平８−２５７７８５号公報

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、石油化学工業や発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いるフェライト系耐熱鋼を、ガスシールドアーク溶接する際に用いられる、予熱作業を省略もしくは予熱温度を低下し、かつ直後熱を省略しても優れた耐溶接低温割れ性を有し、かつ優れた高温強度をも満足する溶接金属が形成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、前記した課題を解決するために調査を行った結果、フラックス入りワイヤにおいて、フラックス中の弗化物量を適正な範囲に管理することで、溶接金属中の拡散性水素量を低減し、予熱作業が簡略化できること、さらに、ワイヤ全体として合金成分を所定の範囲とすることで、必要な高温強度との両立が可能となることが分かった。
これによって、耐溶接低温割れ性や高温強度を含む溶接金属に必要な性能が得られ、溶接作業性にも問題のないフラックス入りワイヤが得られることが分かり、本発明の想到に至った。

そのようにしてなされた本発明のフラックス入りワイヤは、
（１） 鋼製外皮の内部にフラックスが充填されたガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、該ワイヤ中に、ワイヤ全質量に対する質量％で、
ＣａＦ_２を含む金属弗化物を２．５〜６．５％、金属酸化物を０．３〜１．２％含有し、
さらに、フラックスに含有するＦｅ粉の含有量を１０％未満に制限し、
合金成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．０％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜１３％、Ｍｏ：０．１〜２．５％、Ｎ：０．０８％以下およびＡｌ：０．０５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とする。

さらに、（２） 前記フラックス入りワイヤが、ワイヤ全質量に対する質量％で、合金成分としてのＦｅの一部に代えて、下記の第１群から第４群から選択される１種以上の元素を含有するものであってもよい。
第１群 Ｖ：0.5％以下、Ｎｂ：0.5％以下、Ｔｉ：0.5％以下、Ｔａ：0.5％以下
第２群 Ｃｕ：1％以下、Ｎｉ：1％以下、Ｃｏ：5％以下、Ｂ：0.02％以下
第３群 Ｗ：4％以下
第４群 Ｃａ：0.5％以下、ＲＥＭ：0.1％以下

さらに、（３） 前記フラックス入りワイヤに含有される金属弗化物が、ＣａＦ_２と、ＢａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＭｇＦ_２のうちの１種以上とからなり、金属弗化物中のＣａＦ_２の割合が質量％で８０％以上であってもよい。

さらに、（４） 前記鋼製外皮にスリット状の隙間が無いことを特徴とする前記（１）〜（３）に記載のフラックス入りワイヤであってもよい。
さらに、（５） 前記鋼製外皮にスリット状の隙間が有ることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載のフラックス入りワイヤであってもよい。
さらに、（６） 前記鋼製外皮の表面にパーフルオロポリエーテル油が塗布されていることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載のフラックス入りワイヤであってもよい。

ここで、ＣａＦ_２を含む金属弗化物が、溶接金属中の拡散性水素量を低減する理由は、次の通り推察された。
即ち、金属弗化物は溶接中にアークにより解離し、生成されたフッ素が水素と結合してＨＦガスとして大気中に散逸、もしくは、そのまま溶接金属中にＨＦとして固定されるため拡散性水素量が減少し、予熱省略もしくは予熱温度の低減による簡略化が可能となるものと考えられた。
尚、金属弗化物が拡散性水素量を低減する作用を有することは、被覆アーク溶接棒では知られているが、フラックス入りワイヤでこの効果を明らかにした例はなく、特に、フェライト系耐熱鋼で検討した例はない。

本発明のフラックス入りワイヤを用いることにより、従来、フェライト系耐熱鋼を溶接する際に実施されている予熱作業の省略もしくは予熱温度の低下ならびに直後熱を省略することができる。

フラックス入りワイヤの切断断面の一例を示す図である。

まず、本発明のフラックス入りワイヤを構成する鋼製外皮およびフラックス中に含有される合金成分、金属脱酸成分からなる各成分を限定する理由は次のとおりである。なお、以下の説明において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味し、各成分の含有量はワイヤ全質量に対する鋼製外皮およびフラックス中の各成分の質量％の合計となる成分含有量を意味するものである。

Ｃ：０．０２〜０．１５％
Ｃは炭化物を形成し、高温強度の確保に寄与するとともにベイナイトならびにマルテンサイト組織を得るのに有効な元素であるため必須の添加元素である。その効果を得るためには、本発明のＣｒおよびＭｏ含有範囲においては、０．０２％以上含有する必要がある。しかしながら、過剰に含有する場合、溶接金属の硬さが高くなり、如何にフラックスの成分を調整しようとしても予熱の簡略化は達成しえない。そのため、０．１５％を上限とする。望ましい範囲は０．０３〜０．１３％、さらに望ましい範囲は０．０４〜０．１１％である。

Ｓｉ：０．０５〜０．５％
Ｓｉは溶接金属表面に緻密な酸化被膜を形成し、耐水蒸気酸化特性の確保に有効な元素である。その効果を得るためには０．０５％以上含有させる必要がある。しかしながら、過剰の含有はクリープ延性および靭性の低下を招く。そのため、上限を０．５％とする。望ましい範囲は０．１〜０．４５％、さらに望ましい範囲は０．１５〜０．４％である。

Ｍｎ：１．０％未満
Ｍｎは焼き入れ性を高め、ベイナイトやマルテンサイト組織を得るのに有効な元素であることが知られているが、フェライト系耐熱鋼においては、過剰に含有する場合、クリープ脆化および靭性の低下を招く。そのため、特に下限は設けず、上限を１．０％未満とする。望ましくは０．８％以下、さらに望ましくは０．６％以下である。尚、特に、焼き入れ性を高める効果を得たい場合には、０．０５％以上とするのが望ましく、０．１％以上とするのがさらに望ましい。

Ｐ：０．０３％以下
Ｐは不純物として含まれるが、溶接金属においては凝固割れ感受性を高めるとともに、高温での使用中に粒界に偏析し、脆化割れを生じさせるため、０．０３％以下とする。望ましくは０．０２５％以下、さらに望ましくは０．０２％以下である。

Ｓ：０．０３％以下
ＳはＰと同様、不純物として含まれるが、溶接金属においては凝固割れ感受性を高めるとともに、高温での使用中に粒界に偏析し、脆化割れを生じさせるため、０．０３％以下とする。望ましくは０．０２５％以下、さらに望ましくは０．０２％以下である。

Ｃｒ：０．３〜１３%
Ｃｒは耐熱鋼において耐酸化性および耐高温腐食性を確保するとともにマトリックスのベイナイトならびにマルテンサイト組織を安定して得るために必須の元素である。その効果を得るためには、０．３％以上含有することが必要である。しかし、過剰に含有すると、高温での使用中に多量のＣｒ炭化物の生成により炭化物の安定性を低下させ、クリープ強度の低下を招くとともに靭性も劣化させる。そのため１３％以下とする必要がある。望ましい範囲は０．５〜１２．５％、さらに望ましい範囲は１．０〜１２．０％である。

Ｍｏ：０．１〜２．５％
Ｍｏはマトリックスを固溶強化し、クリープ強度の向上に寄与する元素である。この効果を得るために０．１％以上含有する必要がある。しかし、２．５％を超えて含有すると、その効果が飽和するとともに、粗大な炭化物を生成し、靭性の低下を招く。望ましい範囲は０．３〜２．２%、さらに望ましい範囲は０．５〜２．０％である。

Ｎ：０．０８％以下
Ｎは一般に不純物としても含有されるが、耐熱鋼においては微細な窒化物を形成し、クリープ強度の確保に有効な元素である。しかしながら、過剰に含有する場合、析出量が過剰となり、脆化の原因となる。そのため０．０８％以下とする。望ましくは０．０７％以下、さらに望ましくは０．０６％以下である。下限は特に設ける必要はないが、窒化物によるクリープ強度の効果を積極的に活用したい場合は０．００１％以上が望ましく、さらには０．００３％以上が望ましい。

Ａｌ：０．０５％以下
Ａｌは脱酸元素として含有されるが、過剰に含有する場合、クリープ延性および靭性の低下を招く。そのため上限を０．０５％とする。望ましくは０．０２５％、さらに望ましくは０．０２％以下とする。下限は特に設ける必要はないが、過度の低減は溶接中の脱酸効果が十分に得られず溶接金属の清浄度を劣化させるため、望ましくは０．００１％以上、さらに望ましくは０．００２％以上とする。

また、本発明のフラックス入りワイヤを構成する各成分は上記の元素に加えて、Ｆｅの一部に代えて、下記の第１群から第４群から選択される１種以上の元素を含有してもよい。

第１群 Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下
これらはいずれも高温での使用中に炭素や窒素と結合して炭窒化物として析出し、クリープ強度に寄与するため含有してもよい。しかし、過剰に含有すると多量に析出し、靭性の低下を招くため、第１群の元素を含有する場合には、いずれも０．５％以下とする。望ましくは０．４％以下、さらに望ましくは０．３％以下とする。また、これらの効果を安定して得るためには、０．０３％以上、さらには０．０３％以上含有することが望ましい。

第２群 Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｏ：５％以下、Ｂ：０．０２％以下
これらはいずれも焼入れ性を高め、ベイナイトもしくはマルテンサイト組織を得るのに有効な元素であるので含有してもよい。しかしながら、過剰に含有した場合、クリープ延性の低下が生じるため、第２群の元素を含有する場合には、ＣｕおよびＮｉは１％、Ｃｏは５％、Ｂは０．０２％を上限とする。望ましくはＣｕおよびＮｉは０．８％以下、Ｃｕは４．５％以下およびＢは０．０１８％以下、さらに望ましくはＣｕおよびＮｉは０．６％以下、Ｃｏは４％以下およびＢは０．０１５％以下である。また、これらの効果を安定して得るためには、Ｃｕ、ＮｉおよびＣｏは０．１％以上、Ｂは０．０００５％以上、さらにはＣｕ、ＮｉおよびＣｏは０．２％以上、Ｂは０．００１％以上含有することが望ましい。

第３群 Ｗ：４％以下
Ｗはマトリックスを固溶強化し、クリープ強度の向上に寄与する元素であるため含有してもよい。しかし、過剰に含有すると、粗大な金属間化合物を生成し、靭性の低下を招くため、Ｗを含有する場合には４％を上限とする。望ましくは３．８％以下、さらに望ましくは３．５％以下とする。また、効果を安定して得るためには、０．１％以上、さらには０．２％以上含有することが望ましい。

第４群 Ｃａ：０．５％以下、ＲＥＭ：０．１％以下
ＣａとＲＥＭ（希土類元素）は、Ｓとの親和力が強く、溶接金属においては高温使用中の脆化を軽減する効果を有するので含有してもよい。しかしながら、過剰の含有は酸素と結合し、清浄を著しく低下させ、却って靭性を劣化させるため、これらの元素を含有させる場合、Ｃａは０．５％を上限とし、ＲＥＭは０．１％を上限とする。Ｃａは望ましくは０．４％以下、さらに望ましくは０．３％以下、ＲＥＭは望ましくは０．０８％以下、さらに望ましくは０．０６％以下とする。とする。また、これらの効果を安定して得るためには、ＣａおよびＲＥＭいずれも０．０００５％以上、さらには０．００１％以上含有することが望ましい。

尚、上記の合金成分あるいは金属脱酸成分として含有される元素の含有量には、それらの元素が弗化物、金属酸化物として含有される場合の含有量は含めない。また、それらの元素は必ずしも純物質（不可避不純物の含有は可）である必要はなく、Ｃｕ−Ｎｉ等の合金の形態で含有されていても何ら問題はない。また、それらの元素は鋼製外皮中に含有されていても、フラックスとして含有されていても、その効果は同じであるため、鋼製外皮とフラックスの何れでも含有することが可能である。

続いて、ワイヤの鋼製外皮の内部に挿入されるフラックス成分について説明する。
ＣａＦ_２を含む金属弗化物：２．５〜６．５％
本発明のフラックス入りワイヤでは、ＣａＦ_２を主成分とする金属弗化物を合計でワイヤ中に２．５〜６．５％含有することを特徴とする。金属弗化物として、他にＢａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＭｇＦ_２のうちの１種または２種以上を必要に応じて含有してもよい。
金属弗化物を２．５％以上含有させることで、溶接金属中の拡散性水素量を減少させ、耐低温割れ性を改善し、予熱省略もしくは予熱温度低減による簡略化ができるとともに直後熱も省略できる。しかしながら、過剰に含まれる場合、溶接ヒュームが多量に発生し、シールドガスに混入し、ガスシールドの効果が低下し、大気が巻き込まれる等、溶接作業性が著しく劣化するため、６．５％を上限とする。望ましい範囲は２．８〜６．２％、さらに望ましい範囲は３．０〜６．０％である。
尚、金属弗化物として、靭性を向上する効果の面からは、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＭｇＦ_２のいずれでも用いることができるが、溶接作業性の面からＣａＦ_２を主成分として含むようにした。具体的には、金属弗化物に対するＣａＦ_２の質量割合を２０％以上とするのが良い。さらに、アーク安定性確保、スパッタ抑制などの溶接作業性を優先する場合には、ＣａＦ_２の割合を好ましくは５０％以上、さらには８０％以上とするのが好ましい。

金属酸化物：０．３〜１．２％
フラックス中の金属酸化物はスラグ形成材として含有し、溶接ビード形状を良好に維持する効果を有する。本発明においては、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯの金属酸化物の１種または２種以上を含有する。この効果を得るためには、金属酸化物を合計で０．３％以上含有する必要がある。しかし、過剰に含有すると、溶接金属の酸素量が増加し、靭性が低下するため、１．２％以下とする。望ましくは０．４〜１．１％、さらに望ましくは０．５〜１．０％である。

これら金属酸化物の含有量は、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯの合計量に加え、フラックスの造粒に使用されるバインダーなどに含まれる金属酸化物も合計した含有量とする。
尚、特に良好なビード形状を得るためには、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２を、ＴｉＯ_２：０．１〜０．５％、ＳｉＯ_２：０．２〜０．６％の範囲でともに含有するのが好ましい。

さらに、本発明において、拡散性水素量の低減効果を安定して得るためには、フラックス中にＣａＯは含有しないのが好ましい。しかしながら、フラックスの原料にＣａＯが含有されている場合があるので、その場合は、０．２％以下に制限するのが好ましい。

Ｆｅ粉：１０％未満
Ｆｅ粉は、フラックス入りワイヤの充填率の調整や溶着効率の向上のために必要に応じて含有する（添加量０％を含む）。しかし、Ｆｅ粉の表層は酸化されており、Ｆｅ粉を含有すると溶接金属の酸素量を増加させて靭性を低下させる。したがって、Ｆｅ粉は含有しなくてもよいが、充填率の調整のために添加する場合には、靭性を確保するために、含有量は１０％未満に制限する必要がある。

以上が本発明のフラックス入りワイヤの成分組成に関する限定理由であるが、その他の残部成分はＦｅと不可避的不純物である。Ｆｅ成分としては、鋼製外皮のＦｅ、フラックス中に添加された鉄粉及び合金成分中のＦｅが含まれる。
以上の他、必要に応じてＮａ、Ｋの酸化物や弗化物（Ｎａ_２Ｏ、ＮａＦ、Ｋ_２Ｏ、ＫＦ、Ｋ_２ＳｉＦ_６、Ｋ_２ＺｒＦ_６）、さらには金属炭酸塩（ＣａＣＯ_３）などをアーク安定剤としてさらに含有させてもよい。なお、ここで例示した酸化物、弗化物は、上記の金属酸化物、金属弗化物には含めない。

続いて、フラックス入りワイヤの形態について説明する。
フラックス入りワイヤには、図１（ａ）に示すような鋼製外皮にスリット状の隙間がないシームレスワイヤと、図１（ｂ）、（ｃ）に示すような鋼製外皮にスリット状の隙間を有するシームを有するワイヤとに大別できる。
本発明ではいずれの断面構造も採用することができるが、溶接金属の低温割れを抑制するためには、鋼製外皮にスリット状の隙間がないワイヤ（シームレスワイヤ）とすることが好ましい。
また、溶接時のワイヤの送給性を向上させるために、ワイヤ表面に潤滑剤を塗布することができる。溶接ワイヤ用の潤滑剤としては、様々な種類のものを使用できるが、溶接金属の低温割れを抑制するためには、パーフルオロポリエーテル油(ＰＦＰＥ油)を使用することが好ましい。

溶接時に溶接部に侵入する水素は、溶接金属内及び鋼材側に拡散し、応力集中部に集積して低温割れの発生原因となる。この水素源は溶接材料が保有する水分、大気から混入する水分、鋼表面に付着した錆びやスケール等が上げられるが、十分に溶接部の清浄性、ガスシールドの条件が管理された溶接の下では、ワイヤ中に主として水分で含有される水素が、溶接継手の拡散性水素の主要因となる。
このため、鋼製外皮をスリット状の隙間がない（シームレスの）管とし、ワイヤ製造後から使用するまでの間に、鋼製外皮からフラックスへの大気中の水素の侵入を抑制することが望ましい。

鋼製外皮を、スリット状の隙間（シーム）を有する管とした場合には、スリット状の隙間がない（シームレスの）管とした場合に比較して、大気中の水分は外皮の隙間（シーム部）からフラックス中に侵入しやすく、そのままでは、水分等の水素源の侵入を防止することはできないので、製造後使用するまでの期間が長い場合は、ワイヤ全体を真空包装するか、乾燥した状態に保持できる容器内で保存することが望ましい。あるいは、ろう付けなどの方法で隙間を埋めるなどの水素源侵入防止策をとることが望ましい。

以上のように構成される本発明のフラックス入りワイヤは、通常のフラックス入りワイヤの製造工程によって製造することができる。
すなわち、まず、外皮となる鋼帯、及び、金属弗化物、合金成分、金属酸化物及びアーク安定剤が所定の含有量になるように配合したフラックスを準備し、鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管（Ｕ字型）に成形して鋼製外皮とし、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せシーム溶接し、鋼製外皮にスリット状の隙間が無い管とする。溶接により得られた隙間無しの管を伸線し、伸線途中あるいは伸線工程完了後に焼鈍処理して、所望の線径を有し、鋼製外皮の内部にフラックスが充填された、鋼製外皮にスリット状の隙間がないワイヤ（シームレスワイヤ）を得る。また、鋼製外皮にスリット状の隙間が有るワイヤ（シームを有するワイヤ）は、オープン管の開口部からフラックスを供給した後、シーム溶接をしない隙間有りの管とし、それを伸線することで得られる。

突合せシーム溶接されて作ったスリット状の隙間が無いワイヤを切断した断面は、図１（ａ）のように見える。この断面は、研磨して、エッチングすれば、溶接跡が観察されるが、エッチングしないと溶接跡は観察されない。そのため、上記のようにシームレスと呼ぶことがある。例えば、溶接学会編「新版 溶接・接合技術入門」（2008年）産報出版、p.111には、シームレスタイプと記載されている。
図１（ｂ）にエッジ面を突き合わせた例を、図１（ｃ）にエッジ面をかしめた例を示すが、図１（ｂ）のように突合せてから、ろう付けしたり、図１（ｃ）のようにかしめてから、ろう付けしたりしても、スリット状の隙間が無いワイヤが得られる。また、図１（ｂ）、（ｃ）において、ろう付けせず、そのままのワイヤは、スリット状の隙間が有るワイヤとなる。

本発明のフラックス入りワイヤは、Ｃｒ：０．３〜１３％、Ｍｏ：０．１〜２．５％を含有し、板厚４ｍｍ以上のフェライト系耐熱鋼のガスシールドアーク溶接に使用するのに適している。
シールドガスの条件としては特に限定はしないが、一般的に多用されている体積％で１００％の炭酸ガスやＡｒと３〜２０体積％ＣＯ₂の混合ガスが好ましい。

性能調査には、外径が１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを用いて行った。表１および表２に作製したワイヤのフラックス組成およびワイヤ化学成分を示す。
尚、表１、表２におけるワイヤWA1〜7、WB1〜4、WC1〜4、WD1〜4、WE1、WF1は、鋼帯を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、鋼製外皮にスリット状の隙間が無い管とし、途中で焼鈍を行いながら伸線して作製したもので、鋼製外皮にスリット状の隙間が無いフラックス入りワイヤの例である。また、ワイヤWG1は、前記オープン管の開口部の相対するエッジ面を図１（ｃ）のようにかしめた後、シーム溶接をしないで伸線して作製したもので、鋼製外皮にスリット状の隙間が有るフラックス入りワイヤの例であり、溶接施工するまで、ワイヤ全体を真空包装して乾燥した状態に保持できる容器に保存した。

溶接金属の溶接低温割れ性の評価は、表３に示す化学組成を有し、厚さ２０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼板を使用したＪＩＳ Ｚ ３１５７（１９９３）に記載のＵ型溶接割れ試験体を用いて行った。
Ｕ型溶接割れ試験体の開先内に、予熱温度を種々変更し、シールドガスとしてＣＯ_２を用いたガスメタルアーク溶接方法により、溶接入熱 約１６ｋＪ／ｃｍにて試験溶接を行った。尚、溶接後に直後熱は実施しなかった。その後、溶接ビードの横断面を５断面現出し、溶接金属の割れ有無を観察し、溶接低温割れが発生しない予熱温度の下限を明らかにした。

予熱温度の判定には、ＡＷＳ Ａ５．５（１９９６）に規定されている値を基準とした。この規格には、被覆アーク溶接材料について最低予熱温度が規定されている。表１の個々のフラックス入りワイヤについて、この規格から、金属成分組成が類似で強度レベルが同等の被覆アーク溶接材料を選び、その被覆アーク溶接材料で求められている最低予熱温度をそのワイヤの予熱温度の基準とし、その基準温度より予熱温度が５０℃以上下回るものを「合格」とし、それ以外のものを「不合格」とした。
尚、代符ＷＤ１〜ＷＤ４については、同規格に類似の組成、同等の強度レベルを有する被覆溶接材料が規定されていないため、より厳しい、代符ＷＣ１〜ＷＣ４に求められる最低予熱温度を基準とした。

さらに、溶接低温割れ性評価の結果、合格となったワイヤについては、先の溶接低温割れ性試験で用いた鋼板と同じ化学組成の厚さ２０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼板上に溶接低温割れが発生しない下限の予熱温度を適用し、前述と同じ溶接方法、溶接条件にて多層肉盛り溶接により全溶着金属を作製した。
得られた全溶着金属に、代符ＷＡ、ＷＢ、ＷＥ、ＷＦおよびＷＧシリーズについては、７４０℃×１時間、空冷、ＷＣおよびＷＤシリーズについては７２０℃×１時間の溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を施した後、平行部径６ｍｍ、平行部長さ３０ｍｍの丸棒クリープ破断試験片を採取し、それぞれの溶接材料が使用される母材の５５０℃での目標破断時間が約１０００時間となる応力条件でクリープ破断試験を行い、１０００時間を超えたものを「合格」とした。

尚、多層溶接において溶接作業性が悪く、ビード形状が不芳となり、積層欠陥が多発して試験に供するに耐えうるクリープ試験片が採取できなかったものは、溶接作業性を「不合格」とした。一方、多層溶接時にグラインダーなどによる大幅な手入れを必要としたが、クリープ試験片を採取できたものを溶接作業性「可」、グラインダーなどによる大幅な手入れを行うことなく、クリープ試験片を採取できたものを溶接作業性「可」とした。
また、ここで付与したＰＷＨＴは適正な溶接部の機械的特性を得るために行われる後熱処理であって、水素を低減し、低温割れを防止するために行われる直後熱とは目的、熱処理条件が異なる。

表４に溶接低温割れ性を評価した結果を示す。
フラックス中の金属弗化物が合計でワイヤ中に必要な量以上含まれなかった代符ＷＡ５、ＷＢ３、ＷＣ３およびＷＤ３は、十分な拡散性水素の低減効果が得られず、Ｕ型溶接割れ試験の結果、ＡＷＳ Ａ５．５（１９９６）に記載されている類似の組成、同等の強度レベルを有する被覆アーク溶接材料に求められる最低予熱温度程度まで予熱を行わなければ、溶接低温割れを防止できず、予熱作業軽減の効果が得られていないことが分かる。

また、表５に、溶接低温割れ性評価の結果、合格となったフラックス入りワイヤについて、全溶着金属を得るための多層肉盛り溶接を行った後、クリープ試験を実施した結果を示す。
表５に示すように代符ＷＡ６、ＷＢ４、ＷＣ４およびＷＤ４は、フラックス中の金属弗化物が合計で６．５％を超えて過剰に含有されたため、溶接ヒュームが多量に発生し、シールドガスに混入し、ガスシールドの効果が低下し、溶接作業性が著しく低下し、多量のブローホール等の欠陥が発生したため、クリープ試験に供するに足る溶接ビードが得られなかった。
また、代符ＷＡ７はフラックス中の金属酸化物が必要量以上含有されなかったため、溶接ビードの形状が不整となり、融合不良等の積層欠陥が多発し、同様にクリープ試験に供するに足る溶接ビードが得られなかった。
これら以外については、金属弗化物中のＣａＦ_２の割合が８０％を下回った代符ＷＡ３、ＷＤ２についてはグラインダー手入れが必要であったものの、溶接作業性は合格と判断された。

また、クリープ試験を実施した結果では、代符ＷＥ１はＭｏが必要量以上含有せず、また、代符ＷＦ１はＣｒが過剰に含有されたため、それぞれ求められるクリープ破断時間に到達しなかった。一方、これら以外の代符のフラックス入りワイヤは、溶接作業性が良好で、かつ必要な溶接金属のクリープ破断強さを有した。
以上のように、本発明の範囲を満足するフラックス入りワイヤのみが、予熱作業を軽減させる効果と溶接作業性、溶接金属のクリープ破断強さを併せて具備し得ることが分かる。

本発明のフラックス入りワイヤを用いることにより、石油化学工業や発電用ボイラ等、高温で使用される機器に用いるフェライト系耐熱鋼を溶接する際に予熱作業を省略もしくは予熱温度を低下し、かつ直後熱を省略しても溶接低温割れが発生せず、優れた溶接効率が得られる。さらに、得られた溶接金属はクリープ強度や靭性等、使用用途に応じた必要性能が得られる。

Claims (6)

1. 鋼製外皮の内部にフラックスが充填されたガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、該ワイヤ中に、ワイヤ全質量に対する質量％で、
   ＣａＦ_２を含む金属弗化物を２．５〜６．５％、金属酸化物を０．３〜１．２％含有し、
   さらに、フラックスに含有するＦｅ粉の含有量を１０％未満に制限し、
   合金成分として、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：１．０％未満、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：０．３〜１３％、Ｍｏ：０．１〜２．５％、Ｎ：０．０８％以下およびＡｌ：０．０５％以下を含有し、
   残部がＦｅおよび不純物からなることを特徴とするフラックス入りワイヤ。
2. 前記フラックス入りワイヤがワイヤ全質量に対する質量％で、合金成分としてのＦｅの一部に代えて、下記の第１群から第４群から選択される１種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
   第１群 Ｖ：０．５％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下
   第２群 Ｃｕ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｏ：５％以下、Ｂ：０．０２％以下
   第３群 Ｗ：４％以下
   第４群 Ｃａ：０．５％以下、ＲＥＭ：０．１％以下
3. 前記フラックス入りワイヤに含有される金属弗化物が、ＣａＦ_２と、ＢａＦ_２、ＳｒＦ_２、ＭｇＦ_２のうちの１種以上とからなり、金属弗化物中のＣａＦ_２の割合が質量％で８０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のフラックス入りワイヤ。
4. 前記鋼製外皮にスリット状の隙間が無いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載のフラックス入りワイヤ。
5. 前記鋼製外皮にスリット状の隙間が有ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載のフラックス入りワイヤ。
6. 前記鋼製外皮の表面にパーフルオロポリエーテル油が塗布されていることを特徴とする請求項1〜５のいずれか1項に記載のフラックス入りワイヤ。