JP2017030018A - Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】溶接時に高温割れが生じ難く、溶接金属に水素が多量に含有される場合であっても引張延性が良好な溶接金属を得ることができるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、フラックスが外皮に内包されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤであり、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ａｌを所定量含有し、Ｂ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計が０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｎｂをそれぞれ所定値以下としている。
【選択図】なし

Description

本発明は、９％Ｎｉ鋼および各種高Ｎｉ合金等の溶接において使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関する。

ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）貯蔵用のタンクなどには低温靱性に優れる９％Ｎｉ鋼の厚鋼板が用いられており、当該９％Ｎｉ鋼の溶接には、低温靱性に優れたＮｉ基合金溶接材が用いられている。Ｎｉ基合金溶接材には、溶接後に熱処理を経ることなく、溶接したままの状態で高い低温靱性を備えることが求められる。

Ｎｉ基合金溶接材のような特殊な溶接材においては被覆アーク溶接やＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接が行われることが多かったが、より高い作業能率が期待できることから、近年、Ｎｉ基合金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を行うことが多くなってきた。

このような状況のもと、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤに関する発明が多数開示されている。例えば、特許文献１には、金属外皮中のＣ量を規制し、脱酸成分を所定量添加したＮｉ基合金フラックス入りワイヤが開示されている。特許文献１によれば、前記Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、溶接金属の凝固割れを防止し、かつ溶接作業中のアークを安定させることができるため、優れた耐高温割れ性および溶接作業性を得ることができると記載されている。
なお、本明細書において「溶接金属」とは、溶接を施した際に溶接中に溶着金属と溶融母材とが溶融して凝固した金属をいう。
また、本明細書において「溶着金属」とは、溶接中に付加される金属材料である溶加材（ワイヤ）から、溶接部に移行した金属をいう。

また、特許文献２、３には、ワイヤ全体の組成またはワイヤ全体および外皮の組成を所定範囲に規定したＮｉ基合金フラックス入りワイヤが開示されている。特許文献２によれば、前記Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、耐高温割れ性および溶接作業性を優れたものとすることができると記載されている。また、特許文献３によれば、前記Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、耐割れ性が優れた溶接金属を得ることができ、また、溶接作業性をより一層向上させることができると記載されている。

特開２０１５−０８５３６６号公報 特開２００５−５９０７７号公報 特開平９−３１４３８２号公報

Ｎｉ基合金溶接材料において、溶接金属中に含まれる微量の水素が室温における溶接金属の機械的性質、特に引張破断伸びを低下させる問題がある。
溶接材料は、高温、多湿の環境下で長期間保管されると、溶接材料自身が吸湿し、その溶接材料に含まれている水分が溶接時に溶接金属に移行する、あるいは母材に水分等が残存している場合も同様である。
これが原因で引張延性（引張破断伸び）に乏しい溶接金属が形成される場合がある。
しかしながら、前記した特許文献１〜３に記載されている発明はいずれも溶接金属に水素が多量に含有されることによって生じる引張延性の不足を改善するものではない。

また、Ｎｉ基合金は完全オーステナイト組織であるため高温割れ感受性が高く、耐高温割れ性に劣る傾向がある。そのため、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤには、溶接時に高温割れが生じ難いこと、つまり、耐高温割れ性に優れていることが要求されている。

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、溶接時に高温割れが生じ難く、溶接金属に水素が多量に含有される場合であっても引張延性が良好な溶接金属を得ることができるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供することを課題とする。

前記課題を解決した本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、フラックスが外皮に内包されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤであり、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｎｉ：５０質量％以上７０質量％以下、Ｃｒ：１質量％以上１５質量％以下、Ｍｏ：１０質量％以上２０質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以上５．５質量％以下、Ｗ：１．５質量％以上５．０質量％以下、Ｆｅ：２．０質量％以上８．０質量％以下、Ａｌ：０．０１質量％以上０．４０質量％以下、Ｂ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、Ｃ：０．０５０質量％以下、Ｓｉ：０．１５質量％以下、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３質量％以下としている。

このように、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対してＢを所定量含有させているので、高温、多湿な環境に晒されて溶接後の溶接金属に水素が多量に含有される場合であっても引張延性が良好な（引張破断伸びが良好な）溶接金属を得ることができる。また、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対するＣ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｎｂなどの含有量を規制すると共にＡｌの含有量を所定の範囲としているので、耐高温割れ性の低下を抑制することができる。

本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、前記フラックスが、ワイヤ全質量に対して、ＴｉＯ₂：３．０質量％以上１０．０質量％以下、ＳｉＯ₂：０．１質量％以上４．０質量％以下、ＺｒＯ₂：０．５質量％以上２．０質量％以下、金属弗化物：Ｆ換算で０．０１質量％以上１．５質量％以下含有していることが好ましい。

このように、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対してＴｉＯ₂および金属弗化物をそれぞれ所定量含有しているので、アーク安定性を向上させることができる。また、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対してＳｉＯ₂およびＺｒＯ₂をそれぞれ所定量含有しているので、溶接作業性を向上させることができる。

本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、前記外皮が、当該外皮全質量に対して、Ｎｉ：６０質量％以上、Ｍｏ：８質量％以上２２質量％以下、Ｃｒ：１質量％以上１５質量％以下含有していることが好ましい。

このように、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮全質量に対してＮｉを所定量含有しているので、溶接金属の均一性を保つことができる。また、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮全質量に対してＭｏを所定量含有しているので、溶接金属の強度を確保することができる。さらに、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮全質量に対してＣｒを所定量含有しているので、溶接金属の耐食性および強度を向上させることができる。

本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、９％Ｎｉ鋼またはＮｉ基合金の溶接において、溶接時に高温割れが生じ難く、溶接金属に水素が多量に含有される場合であっても引張延性が良好な溶接金属を得ることができる

ワイヤ全質量に対するＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計（図１において、「Ｂ換算量の合計」と表記）と、溶着金属の引張破断伸びと、所定の溶接条件で高温割れが発生するか否かの関係とを示したグラフである。なお、横軸がＢ換算量の合計（質量％）であり、縦軸が溶着金属の引張破断伸び（％）である。所定の溶接条件は、電流が２８０Ａ、電圧が３４Ｖ、溶接速度が５００ｍｍ／ｍｉｎ．である（図１において、「２８０Ｖ−３４Ｖ−５００ｍｍ／ｍｉｎ．」と表記している）。 溶着金属の室温引張試験片を採取するための溶接が行われる開先形状を示す断面図である。 溶着金属の室温引張試験で用いた引張試験片の採取位置を示す断面図である。 高温割れ試験で溶接が行われる被溶接材の構成を示す断面図である。

以下、本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤ（以下、単に「ワイヤ」ということもある。）を実施するための形態について詳細に説明する。

本発明に係るワイヤは、フラックスが外皮に内包されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤである。なお、外皮について詳しくは後述するが、当該外皮はＮｉ基合金で形成されている。Ｎｉ基合金とは、主成分（最も含有量の多い成分）がＮｉである合金をいう。本発明に係るワイヤは、例えば、伸線加工により直径１．２ｍｍとすることができる（実径については、公称径についての誤差範囲を含む）が、これに限定されるものではなく、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤとして採用されているワイヤ径であればどのような径でも適用することができる。

本発明に係るワイヤは、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｎｉ：５０質量％以上７０質量％以下、Ｃｒ：１質量％以上１５質量％以下、Ｍｏ：１０質量％以上２０質量％以下、Ｍｎ：１．５質量％以上５．５質量％以下、Ｗ：１．５質量％以上５．０質量％以下、Ｆｅ：２．０質量％以上８．０質量％以下、Ａｌ：０．０１質量％以上０．４０質量％以下、Ｂ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下含有している。
また、本発明に係るワイヤは、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．０５０質量％以下、Ｓｉ：０．１５質量％以下、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３質量％以下としている。
以下、ワイヤの成分および組成について説明する。

（ワイヤ全体におけるＮｉ：ワイヤ全質量に対して５０質量％以上７０質量％以下）
Ｎｉは、種々の金属と合金化して、溶接金属に優れた機械性能および耐食性を付与する。但し、ワイヤにおけるＮｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して５０質量％未満であると、溶接金属の優れた機械性能および耐食性が得られない。一方、ワイヤにおけるＮｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して７０質量％を超えると、他の合金元素の含有量が不十分となり、機械性能が確保できなくなる。従って、Ｎｉ含有量はワイヤ全質量に対して５０質量％以上７０質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＮｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る（含まれる可能性のある）金属Ｎｉ、Ｎｉ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＮｉに換算した値をＮｉ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＣｒ：ワイヤ全質量に対して１質量％以上１５質量％以下）
Ｃｒは、溶接金属の耐食性および強度を向上させる効果がある。但し、ワイヤにおけるＣｒ含有量が、ワイヤ全質量に対して１質量％未満であると、その効果が得られない。一方、ワイヤにおけるＣｒ含有量が、ワイヤ全質量に対して１５質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｃｒ含有量は、ワイヤ全質量に対して１質量％以上１５質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＣｒ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＣｒに換算した値をＣｒ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＭｏ：ワイヤ全質量に対して１０質量％以上２０質量％以下）
Ｍｏは、溶接金属の耐食性および強度を向上させる効果がある。但し、ワイヤにおけるＭｏ含有量が、ワイヤ全質量に対して１０質量％未満であると、溶接金属の耐食性および強度を確保することができない。一方、ワイヤにおけるＭｏ含有量が、ワイヤ全質量に対して２０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｍｏ含有量は、ワイヤ全質量に対して１０質量％以上２０質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＭｏ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ｍｏ、Ｆｅ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｏに換算した値をＭｏ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＭｎ：ワイヤ全質量に対して１．５質量％以上５．５質量％以下）
Ｍｎは、Ｎｉと低融点化合物を形成して耐高温割れ性を低下させるＳと結合し、Ｓを無害化する効果がある。但し、ワイヤにおけるＭｎ含有量がワイヤ全質量に対して１．５質量％未満であると、Ｓを無害化する効果が得られない。一方、ワイヤにおけるＭｎ含有量が、ワイヤ全質量に対して５．５質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は、ワイヤ全質量に対して１．５質量％以上５．５質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＭｎ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｎに換算した値をＭｎ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＷ：ワイヤ全質量に対して１．５質量％以上５．０質量％以下）
Ｗは、溶接金属の強度を向上させる成分である。但し、ワイヤにおけるＷ含有量が、ワイヤ全質量に対して１．５質量％未満であると、溶接金属の強度を確保することができない。一方、ワイヤにおけるＷ含有量が、ワイヤ全質量に対して５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｗ含有量は、ワイヤ全質量に対して１．５質量％以上５．０質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＷ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ｗ、Ｆｅ−Ｗ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＷに換算した値をＷ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＦｅ：ワイヤ全質量に対して２．０質量％以上８．０質量％以下）
Ｆｅは、溶接金属の延性を確保する成分である。ワイヤにおけるＦｅ含有量が、ワイヤ全質量に対して２．０質量％未満であると、溶接金属の延性を確保できない。一方、ワイヤにおけるＦｅ含有量が、ワイヤ全質量に対して８．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｆｅ含有量は、ワイヤ全量に対して２．０質量％以上８．０質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＦｅ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ｆｅ、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｍｏ合金、Ｆｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＦｅに換算した値をＦｅ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＡｌ：ワイヤ全質量に対して０．０１質量％以上０．４０質量％以下）
ワイヤに含まれるＡｌは、脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ガス）」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つが、過剰に添加すると耐高温割れ性を劣化させる。後記するように、本発明はＢを積極添加するものであるが、Ｂを積極添加した場合、ワイヤの高温割れ性が低下する傾向にある。本発明では、このようなワイヤにおけるＡｌ含有量をワイヤ全質量に対して０．０１質量％以上０．４０質量％以下とすることで溶接金属の耐高温割れ性を確保できることを見出した。従って、Ａｌ含有量はワイヤ全質量に対して０．０１質量％以上０．４０質量％以下とする。なお、本発明に係るワイヤにおけるＡｌ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＡｌに換算した値をＡｌ含有量として規定する。但し、このＡｌ含有量は、硫酸に溶解する金属ＡｌおよびＡｌ合金に由来するＡｌの含有量とし、硫酸に溶解しないＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物に由来するＡｌは含まない。

（ワイヤ全体におけるＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計：ワイヤ全質量に対して０．００５質量％以上０．０３０質量％以下）
本発明では、Ｂの積極添加、つまり、Ｂ化合物およびＢ合金のうち少なくとも一方を積極添加する。従来、ＢはＰ、Ｓ、Ｂｉと同様に論じられ、高温割れの原因となる成分とされていた。特に、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤによる溶接では被覆アーク溶接に比べて高電流・高速で溶接を行うため高温割れに対しては特に注意が必要であり、健全な溶接金属を得るためにはＢを抑制することが常識であった。

しかしながら、本発明者は、鋭意研究することにより、Ｂを積極添加しても高温割れ性が低下しない化学組成を見出す（図１参照）と共に、高温、多湿な環境に晒されて溶接金属に水素が多量に含有された場合であっても良好な引張破断伸びが得られる範囲を見出した。
なお、図１は、ワイヤ全質量に対するＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計と、溶着金属の引張破断伸びと、所定の溶接条件で高温割れが発生するか否かの関係とを示したグラフである。なお、横軸がＢ換算量の合計（質量％）であり、縦軸が溶着金属の引張破断伸び（％）である。図１については［実施例］の項目で詳述する。

ワイヤにおけるＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計が、ワイヤ全質量に対して０．００５質量％未満であると、溶接金属に水素が多量に含有されたときに溶接金属の引張破断伸びの低下が生じる。また、ワイヤにおけるＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計が、ワイヤ全質量に対して０．０３０質量％を超えると、高温割れが発生し易くなる。従って、Ｂ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計は、ワイヤ全質量に対して０．００５質量％以上０．０３０質量％以下とする。なお、ワイヤにおけるＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計は、より高い溶接金属の引張破断伸びを得る観点から、ワイヤ全質量に対して０．０１０質量％以上とするのが好ましく、より高い高温割れ性を得る観点から０．０２０質量％以下とするのが好ましい。なお、Ｂ化合物としてはＢ₂Ｏ₃等の酸化物が挙げられ、Ｂ合金としてはＦｅ−Ｂ合金等が挙げられる。Ｂ化合物およびＢ合金はフラックスに添加することができる。

（ワイヤ全体におけるＣ：ワイヤ全質量に対して０．０５０質量％以下）
Ｃは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるＣ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０５０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｃ含有量は、ワイヤ全質量に対して０．０５０質量％以下（０質量％を含む）に規制する。なお、本発明に係るワイヤにおけるＣ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金中や、フラックスに含まれる合金中、およびスラグ形成剤中に含まれる不可避的不純物のＣが挙げられ、これらの総量をＣ含有量として規定する。

（ワイヤ全体におけるＳｉ：ワイヤ全質量に対して０．１５質量％以下）
Ｓｉは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるＳｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．１５質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｓｉ含有量は、ワイヤ全質量に対して０．１５質量％以下（０質量％を含む）に規制する。なお、本発明に係るワイヤにおけるＳｉ含有量は、塩酸および硝酸に溶解する金属ＳｉおよびＳｉ合金に由来するＳｉの含有量とし、酸に溶解しないＳｉＯ₂等の酸化物に由来するＳｉは含まない。

（ワイヤ全体におけるＰ：ワイヤ全質量に対して０．０１５質量％以下）
（ワイヤ全体におけるＳ：ワイヤ全質量に対して０．０１０質量％以下）
ＰおよびＳは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるＰ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０１５質量％を超えると、および／または、Ｓ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０１０質量％を超えると、結晶粒界中にこれらの元素とＮｉとの低融点化合物が生成するため、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｐ含有量は、ワイヤ全質量に対して０．０１５質量％以下（０質量％を含む）に規制し、Ｓ含有量は、ワイヤ全質量に対して０．０１０質量％以下（０質量％を含む）に規制する。

（ワイヤ全体におけるＴｉ：ワイヤ全質量に対して０．２０質量％以下）
ワイヤに含まれるＴｉはＡｌと同様、脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ガス）」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つが、過剰に添加すると耐高温割れ性を劣化させる。前記したように、本発明はＢを積極添加するものであるが、Ｂを積極添加した場合、ワイヤの高温割れ性が低下する傾向にある。本発明では前記したようにＡｌを所定量添加することによって耐高温割れ性を確保しており、Ａｌと併せてＴｉを所定量含有させると、溶接金属の耐高温割れ性をより確実に確保することができる。しかしながら、前記したようにＴｉを過剰に添加すると耐高温割れ性が劣化するのでこれを防止するため、Ｔｉ含有量は、ワイヤ全質量に対して０．２０質量％以下（０質量％を含む）に規制する。なお、本発明に係るワイヤにおけるＴｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金や、フラックスに含まれ得る金属Ｔｉ、Ｆｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＴｉに換算した値をＴｉ含有量として規定する。但し、このＴｉ含有量は、硫酸に溶解する金属ＴｉおよびＴｉ合金に由来するＴｉの含有量とし、硫酸に溶解しないＴｉＯ₂等の酸化物に由来するＴｉは含まない。

（ワイヤ全体におけるＮｂ：ワイヤ全質量に対して０．０３質量％以下）
Ｎｂは、ワイヤ中に存在する不可避的不純物である。ワイヤにおけるＮｂ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０３質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。従って、Ｎｂ含有量は、ワイヤ全質量に対して０．０３質量％以下（０質量％を含む）に規制する。

なお、フラックスの残部としては、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯなどが挙げられる。例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、ＦｅおよびＡｌは外皮に含有されているが、ワイヤ全質量に対する規定範囲を満足するようにフラックスからも添加することができる。添加形態としてはＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕはそれぞれの金属粉で加えてもよいし、また鉄合金（Ｆｅ−合金）で添加してもよい。Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎｂはフラックス中では不純物である。

（フラックスの好ましい形態）
本発明に係るワイヤは、前記したフラックスが、ワイヤ全質量に対して、ＴｉＯ₂：３．０質量％以上１０．０質量％以下、ＳｉＯ₂：０．１質量％以上４．０質量％以下、ＺｒＯ₂：０．５質量％以上２．０質量％以下、金属弗化物：Ｆ換算で０．０１質量％以上１．５質量％以下含有していることが好ましい。

（フラックス中のＴｉＯ₂：ワイヤ全質量に対して３．０質量％以上１０．０質量％以下）
ＴｉＯ₂は、アーク安定性向上のため添加する。ＴｉＯ₂源としてはルチール、イルミナイト等があり、本発明においては、これらをＴｉＯ₂量に換算した値として規定する。ＴｉＯ₂がワイヤ全質量に対して３．０質量％未満であるとアークを安定にする効果が得られない。一方、ＴｉＯ₂がワイヤ全質量に対して１０．０質量％を超えるとスラグの量が多くなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生し易くなる。従って、ＴｉＯ₂はワイヤ全質量に対して３．０質量％以上１０．０質量％以下とすることが好ましい。

（フラックス中のＳｉＯ₂：ワイヤ全質量に対して０．１質量％以上４．０質量％以下）
ＳｉＯ₂は、スラグの粘性を調整して被包性を良好にする効果がある。ＳｉＯ₂源としては珪灰石、長石およびマイカ等がある。ＳｉＯ₂がワイヤ全質量に対して０．１質量％未満であるとスラグの被包性が不十分であり溶接作業性が劣化する。一方、ＳｉＯ₂がワイヤ全質量に対して４．０質量％を超えるとスラグ量が多くなり、スラグ巻き込みが発生し易くなる。従って、ＳｉＯ₂はワイヤ全質量に対して０．１質量％以上４．０質量％以下とすることが好ましい。

（フラックス中のＺｒＯ₂：ワイヤ全質量に対して０．５質量％以上２．０質量％以下）
ＺｒＯ₂は、スラグの融点を上げて立向姿勢での溶接作業性を良好にするため添加する。ＺｒＯ₂源としてはジルコンサンド、ジルコンフラワーなどがある。ＺｒＯ₂がワイヤ全質量に対して０．５質量％未満であるとスラグの量が十分ではなく、スラグの被包性が劣化する。一方、ＺｒＯ₂がワイヤ全質量に対して２．０質量％を超えるとスラグの量が多くなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生し易くなる。従って、ＺｒＯ₂はワイヤ全質量に対して０．５質量％以上２．０質量％以下とすることが好ましい。

（フラックス中の金属弗化物：ワイヤ全質量に対してＦ換算で０．０１質量％以上１．５質量％以下）
金属弗化物は、アーク安定性を向上させ、スラグの流動性を向上させる効果がある。金属弗化物源としては、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ、Ｎａ₃ＡｌＦ₆、Ｋ₂ＳｉＦ₆、Ｋ₂ＴｉＦ₆等がある。金属弗化物がワイヤ全質量に対してＦ換算で０．０１質量％未満であると前記効果が十分に得られず、アーク安定性が低下する。一方、金属弗化物がワイヤ全質量に対してＦ換算で１．５質量％を超えるとスラグの粘性が低下し、立向姿勢において溶融池が垂れ易くなる。従って、金属弗化物はワイヤ全質量に対してＦ換算で０．０１質量％以上１．５質量％以下とすることが好ましい。

（外皮）
また、本発明に係るワイヤは、前記した外皮が、当該外皮全質量に対して、Ｎｉ：６０質量％以上、Ｍｏ：８質量％以上２２質量％以下、Ｃｒ：１質量％以上１５質量％以下を含有していることが好ましい。

（外皮中のＮｉ：外皮全質量に対して６０質量％以上）
外皮金属としてＮｉ基合金を使用するのは、溶接金属の均一性を損なわないようにするため、および、フラックスが充填過剰とならないようにフラックス中からの合金添加を抑えるためである。外皮中のＮｉ含有量が６０質量％未満であると、必然的にＮｉ以外の成分が多くなるが、外皮中のＣｒ、Ｍｏ等は外皮の伸線加工性を低下させ、生産性が低下する。なお、外皮中のＮｉ含有量が８０質量％を超えると、Ｎｉ以外の成分を全てフラックスに添加しなければならず、フラックス充填率（ワイヤ全質量に対するフラックス質量の割合）が過剰になってしまう。フラックス充填率が過剰になると、製造工程においてワイヤの伸線が困難になり、生産性が低下する。そのため、外皮中のＮｉ含有量は、外皮全質量に対して８０質量％以下に抑制するのが好ましい。従って、外皮中のＮｉ含有量は外皮全質量に対して６０質量％以上とすることが好ましく、８０質量％以下とすることが好ましい。

（外皮中のＭｏ：外皮全質量に対して８質量％以上２２質量％以下）
Ｍｏは、溶接金属の強度を確保する効果がある。外皮中のＭｏ含有量が外皮全質量に対して８質量％未満であると、溶接金属の強度を得るためにフラックスからＭｏを添加しなければならなくなり、フラックス充填率が過剰になる。一方、外皮中のＭｏ含有量が外皮全質量に対して２２質量％を超えると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。従って、外皮中のＭｏ含有量は外皮全質量に対して８質量％以上２２質量％以下とすることが好ましい。

（外皮中のＣｒ：外皮全質量に対して１質量％以上１５質量％以下）
Ｃｒは、溶接金属の耐食性および強度を向上させる効果がある。外皮中のＣｒ含有量が外皮全質量に対して１質量％未満であるとこれらの効果を得ることができない。一方、外皮中のＣｒ含有量が外皮全質量に対して１５質量％を超えると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。従って、外皮中のＣｒ含有量は外皮全質量に対して１質量％以上１５質量％以下とすることが好ましい。

（外皮のその他の成分：Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ）
外皮のその他の成分としては、例えば、Ｔｉ：外皮中に、外皮全質量に対して０．００２質量％以上０．４０質量％以下、Ａｌ：外皮中に、外皮全質量に対して０．０３質量％以上０．４０質量％以下、Ｍｇ：外皮中に、外皮全質量に対して０．００４質量％以上０．０２５質量％以下とすることが挙げられる。

外皮中のＴｉ、Ａｌ、Ｍｇは、脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ガス）」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。外皮のその他の成分としてＴｉ、Ａｌ、Ｍｇのうち一種のみを含有する場合において、外皮中のＴｉ含有量が外皮全質量に対して０．００２質量％未満であったり、Ａｌ含有量が外皮全質量に対して０．０３質量％未満であったり、Ｍｇ含有量が外皮全質量に対して０．００４質量％未満であったりすると、その効果が得られない。一方、外皮中のＴｉ含有量が外皮全質量に対して０．４０質量％を超えたり、Ａｌ含有量が外皮全質量に対して０．４０質量％を超えたり、Ｍｇ含有量が外皮全質量に対して０．０２５質量％を超えたりすると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。従って、外皮中のＴｉ含有量は外皮全質量に対して０．００２質量％以上０．４０質量％以下とすることが好ましく、外皮中のＡｌ含有量は外皮全質量に対して０．０３質量％以上０．４０質量％以下とすることが好ましく、外皮中のＭｇ含有量は外皮全質量に対して０．００４質量％以上０．０２５質量％以下とすることが好ましい。

（外皮のその他の成分：Ｃ）
外皮中のＣは、不可避的不純物として存在している。外皮中のＣは溶接中にＣＯガスとなってブローホールの発生原因となる。これを回避するため、外皮中のＣ含有量は外皮全質量に対して０．０２０質量％以下（０質量％を含む）とすることが好ましい。

（外皮のその他の成分：Ｓｉ）
外皮中のＳｉは、不可避的不純物として存在している。外皮中のＳｉは溶接時に低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。これを回避するため、外皮中のＳｉ含有量は外皮全質量に対して０．１５質量％以下（０質量％を含む）とすることが好ましい。

（外皮におけるその他の成分：残部）
残部は、例えば、Ｍｎ：外皮全質量に対して４．０質量％以下、Ｆｅ：外皮全質量に対して７．０質量％以下、Ｗ：外皮全質量に対して４．０質量％以下で含有させることができる（いずれも０質量％を含む）。但し、外皮中のＭｎ含有量が外皮全質量に対して４．０質量％を超えたり、Ｗ含有量が４．０質量％を超えたりすると外皮の熱間加工性が低下するため、外皮の成形が困難になる。また、外皮中のＦｅ含有量が７．０質量％を超えると耐高温割れ性が低下する。
また、外皮におけるその他の成分として不可避的不純物が挙げられる。不可避的不純物としては、前記したＣ、Ｓｉのほか、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎ等が挙げられる。なお、Ｐの許容含有量は０．０１０質量％であり、Ｓの許容含有量は０．０１０質量％であり、Ｃｕの許容含有量は０．０１質量％であり、Ｎｂの許容含有量は０．１０質量％であり、Ｖの許容含有量は０．１０質量％であり、Ｎの許容含有量は０．０１０質量％である（いずれも０質量％を含む）。

本発明に係るワイヤにおいては、ワイヤ全質量に対するフラックス充填率を１５質量％以上３０質量％以下とするのが好ましく、２０質量％以上２５質量％以下とするのがより好ましい。

本発明に係るワイヤは、以上に説明した成分組成としているので、溶接時に高温割れが生じ難く、高温、多湿な環境に晒されるなどして溶接金属に水素が多量に含有される場合であっても引張延性が良好な溶接金属を得ることができる。
そのため、本発明に係るワイヤは、９％Ｎｉ鋼や各種高Ｎｉ合金等の低温用鋼の溶接に際し、Ａｒ＋ＣＯ₂混合ガスを用いたガスシールドアーク溶接等に好適に用いることができる。

以下、本発明の要件を満たす実施例とそうでない比較例とを比較して、本発明に係るワイヤについて具体的に説明する。

表１に示す組成のＮｉ基合金からなる厚さ０．４ｍｍ、幅９．０ｍｍの帯を湾曲させて、円筒状の外皮（Ｎｏ．Ａ、Ｂ）を作製した。これらの外皮に、表２に示すフラックス成分（Ｎｏ．Ｉ、ＩＩ）のフラックスを内包し、ワイヤ全体の組成が表３に示す組成となるＮｉ基合金フラックス入りワイヤ（Ｎｏ．１〜１８）を作製した（フラックス充填率：２０〜２５％）。このワイヤを、直径が１．２ｍｍになるように伸線加工した後、通電加熱によってワイヤ中に含まれる水分を４００ｐｐｍ以下にしたものを供試ワイヤとした。

Ｎｏ．１〜１８に係る供試ワイヤを使用して、［１］溶着金属の室温引張試験、および［２］高温割れ試験としてフィスコ割れ試験を行った。

［１］溶着金属の室温引張試験
溶着金属の室温引張試験（ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」）を行うことにより、溶着金属の引張破断伸びを測定し、判定した。溶着金属の室温引張試験は、次のようにして行った。
図２に示すように、板厚２０ｍｍのＳＭ４９０鋼板の開先面に、開先角度が４５°になるように斜面を形成し、この開先部を供試ワイヤでバタリングして、バタリング層２を形成した。その後、バタリングされた母材１同士をルートギャップが１２ｍｍとなるように配置し、開先が狭まる側に、同様に表面をバタリングした裏当金３（鋼材）を配置した。この開先にＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５に準じて溶接し、溶着金属を作製した。そして、作製した溶着金属から図３に示す要領で引張試験片４（ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５のＡ１号）を採取して前記試験を行った。

前記溶接の条件は、溶接電流が２００Ａ、電圧が２９Ｖ、溶接速度が３００〜４００ｍｍ／ｍｉｎ．である。なお、ワイヤが過剰に吸湿し、溶着金属中に水素が約１０ｐｐｍ含有した状態を模擬するため、９８％Ａｒ−２％Ｈ₂ガスと１００％ＣＯ₂ガスをそれぞれ８：２の体積比で混合したシールドガスを使用した。シールドガスの流量は２５Ｌ／ｍｉｎ．とした。

溶着金属の引張破断伸びの判定基準については、引張破断伸びの数値（％）を示すと共に、４０％以上を◎（優良）、３５％以上４０％未満を○（良）、３０％以上３５％未満を△（実用上問題ない）、３０％未満を×（不良）とした。溶着金属の引張破断伸びは、◎および○を合格とし、△および×を不合格とした。なお、△は実用上全く問題ないが本発明ではより高い性能の製品を提供することを目的としていることから不合格とした。

［２］高温割れ試験
高温割れ試験（ＪＩＳ Ｚ ３１５５：１９９３「Ｃ形ジグ拘束突合わせ溶接割れ試験方法」（Method of FISCO test））を行うことにより、耐高温割れ性を評価した。高温割れ試験は次のようにして行った。
表４に示す成分の母材（板厚２０ｍｍ、幅１２５ｍｍ、長さ３００ｍｍ）を使用し、図４に示すように、母材１０の開先角度が６０°になるように板厚の半分まで斜面を形成した。そして、母材１０と母材１０の間隔が２ｍｍになるように調整して、ＪＩＳ Ｚ ３１５５：１９９３に準拠して試験を行った。溶接は、供試ワイヤを用いて自動溶接機によるシングルビード溶接を行い、スタートとクレータを除く溶接金属部に発生する割れの有無を確認した。

なお、高温割れ試験の溶接条件は、電流を２８０Ａ、電圧を３４Ｖ、溶接速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ．、シールドガスには８０％Ａｒ−２０％ＣＯ₂を使用し、シールドガスの流量は２５Ｌ／ｍｉｎ．とした。

高温割れ試験の判定については、スタートとクレータを除く溶接金属部の総割れ長さが０ｍｍのものを◎（優良）、０ｍｍを超え１ｍｍ未満のものを○（良）、１ｍｍ以上３ｍｍ未満のものを△（実用上問題ない）、３ｍｍ以上のものを×（不良）とした。耐高温割れ性は、◎および○を合格とし、△および×を不合格とした。なお、△は前記と同様の理由により本発明では不合格とした。

溶着金属の引張破断伸びの判定結果および耐高温割れ性の判定結果がいずれも◎であるものを総合評価◎（優良）とし、いずれか一方が○であるものを総合評価○（良）とした。他方、溶着金属の引張破断伸びの判定結果および耐高温割れ性の判定結果のうち少なくとも一方が△または×であるものについては総合評価×（不良）とした。
表５に溶着金属の引張破断伸びの判定結果、耐高温割れ性の判定結果、および総合評価を示す。

また、図１に、得られたＮｏ．１〜１２、１４〜１８に係る供試ワイヤにおける溶着金属の引張破断伸びの測定結果および耐高温割れ性の判定結果と、ワイヤ全質量に対するＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計に関するグラフを示す。図１から明らかなように、Ｂ換算量の合計（Ｂ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計）を０．０３０質量％以下とすれば、前記した高温割れ試験の溶接条件（２８０Ａ−３４Ｖ−５００ｍｍ／ｍｉｎ．）で溶接した場合であっても高温割れが発生せず、Ｂ換算量の合計が０．０３０質量％を超えると高温割れが発生することが分かった。

表５に示すように、本発明の要件を満たすＮｏ．１〜６に係る供試ワイヤは、溶着金属の引張破断伸びおよび耐高温割れ性ともに良好な結果であり、総合評価は◎または○となった。特に、Ｎｏ．１〜４に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計が好ましい範囲にあったため、溶着金属の引張破断伸びの判定結果および耐高温割れ性の判定結果がいずれも◎となり、総合評価も◎となった。すなわち、Ｎｏ．１〜４に係る供試ワイヤはより好ましい態様であることが確認できた。

一方、本発明の要件を満たさないＮｏ．７〜１８に係る供試ワイヤは、溶着金属の引張破断伸びの判定結果または耐高温割れ性の判定結果が良好ではない結果となった。Ｎｏ．７〜１８に係る供試ワイヤの総合評価はいずれも×となった。
具体的には、Ｎｏ．７〜１０に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計が低過ぎたため、溶着金属の引張破断伸びが低下した。
Ｎｏ．１１〜１３に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＢ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計が高過ぎたため、耐高温割れ性が低下した。

Ｎｏ．１４に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＡｌ含有量が高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
Ｎｏ．１５に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＴｉ含有量が高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
Ｎｏ．１６に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量およびＳ含有量が共に高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
Ｎｏ．１７に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＣ含有量およびＰ含有量が共に高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。
Ｎｏ．１８に係る供試ワイヤは、ワイヤ全質量に対するＮｂ含有量が高過ぎたため、耐高温割れ性が合格レベルに達しなかった。

以上、発明を実施する形態および実施例により本発明に係るワイヤを詳細に説明したが、本発明の趣旨はこれらの内容に限定されることなく、その権利範囲（技術的範囲）は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。

１、１０ 母材
２ バタリング層
３ 裏当金
４ 引張試験片

Claims (3)

1. フラックスが外皮に内包されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤであり、ワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量に対して、
   Ｎｉ：５０質量％以上７０質量％以下、
   Ｃｒ：１質量％以上１５質量％以下、
   Ｍｏ：１０質量％以上２０質量％以下、
   Ｍｎ：１．５質量％以上５．５質量％以下、
   Ｗ：１．５質量％以上５．０質量％以下、
   Ｆｅ：２．０質量％以上８．０質量％以下、
   Ａｌ：０．０１質量％以上０．４０質量％以下、
   Ｂ化合物およびＢ合金のいずれか一方または双方のＢ換算量の合計：０．００５質量％以上０．０３０質量％以下、
   Ｃ：０．０５０質量％以下、
   Ｓｉ：０．１５質量％以下、
   Ｐ：０．０１５質量％以下、
   Ｓ：０．０１０質量％以下、
   Ｔｉ：０．２０質量％以下、
   Ｎｂ：０．０３質量％以下である
   ことを特徴とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
2. 前記フラックスが、ワイヤ全質量に対して、
   ＴｉＯ₂：３．０質量％以上１０．０質量％以下、
   ＳｉＯ₂：０．１質量％以上４．０質量％以下、
   ＺｒＯ₂：０．５質量％以上２．０質量％以下、
   金属弗化物：Ｆ換算量で０．０１質量％以上１．５質量％以下含有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
3. 前記外皮が、当該外皮全質量に対して、
   Ｎｉ：６０質量％以上、
   Ｍｏ：８質量％以上２２質量％以下、
   Ｃｒ：１質量％以上１５質量％以下含有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。

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