JP2017148863A - エレクトロスラグ溶接用Ｎｉ基溶接材料 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎｉ基溶接材料を用いて大入熱溶接を施しても、強度および極低温靭性に優れた溶接継手を得ることが可能な溶接技術を提供する。【解決手段】本発明のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、質量％で、Ｃ：０％以上、０．３００％以下、Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下、Ｎｉ：４９．０％以上、７０％、Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下、Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下、Ａｌ：０％以上、０．１３％以下、Ｗ：１．０％以上、１４．０％以下、Ｆｅ：０％以上、６．０％以下、Ｍｇ：０％以上、１％以下、Ｎｂ：０％以上、４．０％以下、Ｎ：０％以上、０．２％以下、およびＺｒ：０％以上、０．０５％以下を含有する。【選択図】なし

Description

本発明は、エレクトロスラグ溶接に用いられるワイヤおよび投入れフラックス、並びにこれらの溶接材料を用いて得られる溶接継手に関する。

９％Ｎｉ鋼は、高い強度と、液体窒素温度（−１９６℃）程度の優れた極低温靱性を有している。そのため、９％Ｎｉ鋼は、液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ、ＬＮＧ）などのように低温で貯蔵される貯蔵タンクを溶接により製造するための母材として汎用されている。これらの貯蔵タンクでは、ＬＮＧなどの液体の温度域である−１６２℃以下の温度域での極低温靭性に優れることが要求される。そのため、９％Ｎｉ鋼を溶接して形成される溶接継手の溶接金属（溶接接合部）においても、同様に、優れた極低温靭性を有していることが要求される。

従来、９％Ｎｉ鋼の溶接に際し、Ｎｉ基溶接材料を用いた被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、自動ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接などの溶接方法が適用されてきた。これらの溶接方法で得られた溶接金属は極低温靭性に優れるものの、溶接の入熱量が低く、施工効率に劣るという問題がある。そのため、大入熱溶接が可能なＮｉ基溶接材料の開発が進められている。

例えば特許文献１には、入熱量が４．０ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接で溶接継手を製造した場合でも、６９０ＭＰａ以上の引張強さと４００ＭＰａ以上の降伏強さを兼ね備え、さらに、−１９６℃におけるシャルピー吸収エネルギーが平均値で５５Ｊ以上という優れた低温靭性を有する溶接継手およびそのような溶接継手を得るための溶接材料が開示されている。具体的には、Ｎｉ−Ｍｏ系合金を基本とする溶接材料を用い、マグ溶接またはエレクトロガスアーク溶接を施して溶接継手を製造する方法が記載されている。

特開２０１０−２７４２６８号公報

しかしながら、上記特許文献１で適用される入熱量は最大でも１１．５２ｋＪ／ｍｍであり、未だ不十分である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｎｉ基溶接材料を用いて、入熱量が例えば約１３ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接を施しても、強度および極低温靭性に優れた溶接継手を得ることが可能な溶接技術を提供することにある。

上記課題を解決し得る本発明の第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、質量％で、Ｃ：０％以上、０．３００％以下、Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下、Ｎｉ：４９．０％以上、７０％以下、Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下、Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下、Ａｌ：０％以上、０．１３％以下、Ｗ：１．０％以上、１４．０％以下、Ｆｅ：０％以上、６．０％以下、Ｍｇ：０％以上、１％以下、Ｎｂ：０％以上、４．０％以下、Ｎ：０％以上、０．２％以下、およびＺｒ：０％以上、０．０５％以下を含有する点に要旨を有する。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、質量％で、更に希土類元素：０％以上、１．０％以下を含有する。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤはＣｕめっきが施されたものである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤまたはメタル系フラックス入りワイヤである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤはスラグ系フラックス入りワイヤである。

本発明の好ましい実施形態において、前記フラックス中に、前記スラグ系フラックス入りワイヤ全質量に対し、スラグ形成剤を０％超、２０％以下含むものである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは立向き１パスでのエレクトロスラグ溶接に用いられるものである。

上記課題を解決し得る本発明の第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、質量％で、Ｃ：０％以上、０．３００％以下、Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下、Ｎｉ：４９．０％以上、７０％以下、Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下、Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下、Ａｌ：０％以上、０．１３％以下、Ｗ：４．６％以上、１４．０％以下、Ｆｅ：０％以上、６．０％以下、Ｍｇ：０％以上、１％以下、Ｎｂ：０％以上、０．５０％以下、Ｎ：０％以上、０．２％以下、Ｚｒ：０％以上、０．０５％以下、および希土類元素：０％超、１．０％以下を含有するものである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤはＣｕめっきが施されたものである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤまたはメタル系フラックス入りワイヤである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤはスラグ系フラックス入りワイヤである。

本発明の好ましい実施形態において、前記フラックス中に、前記スラグ系フラックス入りワイヤ全質量に対し、スラグ形成剤を０％超、２０％以下含むものである。

本発明の好ましい実施形態において、前記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは立向き１パスでのエレクトロスラグ溶接に用いられるものである。

上記課題を解決し得る本発明の投入れフラックスは、上記のいずれかに記載の第１、第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤと共にエレクトロスラグ溶接に用いられる投入れフラックスであって、質量％で、ＳｉＯ₂：１５％以上、５０％以下、ＣａＯ：１０％以上、４０％以下、ＣａＦ₂：５％以上、１５％以下、ＭｇＯ：０％以上、１２％以下、Ａｌ₂Ｏ₃：０％以上、１４％以下、ＭｎＯ：０％以上、２５％以下、ＴｉＯ₂：０％以上、１０％以下、およびＺｒＯ₂：０％以上、１０％以下を含有する点に要旨を有する。

また、上記課題を解決し得る本発明の第１の溶接継手は、上記のいずれかに記載の第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、および前記エレクトロスラグ溶接用投入れフラックスを用い、エレクトロスラグ溶接により作製される溶接継手であって、溶接金属は、質量％で、Ｃ：０％以上、０．２６０％以下、Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、Ｍｎ：１．０％以上、４．００％以下、Ｎｉ：４０．０％以上、７０．０％以下、Ｃｒ：７％以上、１５．０％以下、Ｍｏ：０％以上、２０．０％以下、Ｗ：０．５０％以上、１３．０％以下、Ｆｅ：０％以上、３２％以下、Ｎｂ：０％以上、２．５％以下、Ｎ：０．０１％以上、０．１１％以下、およびＯ：０％以上、０．０５５％以下を含有する点に要旨を有する。

本発明の好ましい実施形態において、前記溶接金属は、質量％で、Ｏ：０％以上、０．０２５％以下を含有する。

前記第１の溶接継手は、母材として質量％で５％以上、１０％以下のＮｉを含有する鋼板を用いるものである。

また、上記課題を解決し得る本発明の第２の溶接継手は、上記のいずれかに記載の第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、および前記エレクトロスラグ溶接用投入れフラックスを用い、エレクトロスラグ溶接により作製される溶接継手であって、前記溶接金属が、質量％で、Ｃ：０％以上、０．２６０％以下、Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、Ｍｎ：１．０％以上、４．００％以下、Ｎｉ：４０．０％以上、７０．０％以下、Ｃｒ：７％以上、１５．０％以下、Ｍｏ：０％以上、２０．０％以下、Ｗ：４．５０％以上、１３．０％以下、Ｆｅ：０％以上、３２％以下、Ｎｂ：０％以上、０．３０％以下、Ｎ：０．０１％以上、０．１１％以下、およびＯ：０％以上、０．０２５％以下を含有し、溶接金属中の金属間化合物が３５００個／ｍｍ²以下である。

前記第２の溶接継手は、母材として質量％で５％以上、１０％以下のＮｉを含有する鋼板を用いるものである。

本発明によれば、入熱量が例えば約１３ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接時であっても強度および極低温靭性に優れた溶接金属を有する溶接継手を提供することができる。

図１は、先願発明において、エレクトロスラグ溶接装置の概略構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示すエレクトロスラグ溶接装置をＴ方向から見た図である。 図３−１は、先願発明において、溶融スラグ浴の深さ、溶接ワイヤの長さ、溶接電流、溶込み幅の相関関係を示す図である。 図３−２は、先願発明において、溶融スラグ浴の深さ、溶接ワイヤの長さ、溶接電流、溶込み幅の相関関係を示す図である。 図３−３は、先願発明において、溶融スラグ浴の深さ、溶接ワイヤの長さ、溶接電流、溶込み幅の相関関係を示す図である。 図４は、先願発明において、溶融スラグ浴検出器の構成例を示す図である。 図５は、先願発明において、溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 図６−１は、先願発明において、溶接トーチを板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 図６−２は、先願発明において、溶接トーチを板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 図６−３は、先願発明において、溶接トーチを板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 図７は、図４に示す溶融スラグ浴検出装置にフィルタ回路を設けた構成例を示す図である。 図８は、先願発明において、フィルタ回路がない場合の溶接電圧波形の一例を示す図である。 図９は、先願発明において、フィルタ回路を介した場合の溶接電圧波形の一例を示す図である。 図１０は、先願発明において、検出端子を溶接トーチに連結させた構成の一例を説明するための図である。 図１１は、先願発明において、溶融スラグ浴検出器の他の構成例を示す図である。 図１２は、先願発明において、溶融スラグ浴検出器の他の構成例を示す図である。 図１３−１は、先願発明において、フラックス供給装置の構成例を示す図である。 図１３−２は、先願発明において、フラックス供給装置の構成例を示す図である。 図１４は、先願発明において、フラックス供給装置の他の構成例を示す図である。 図１５は、実施例で用いた溶接母材の開先形状を示す模式図である。

本発明者らは、上記課題を解決するため、Ｎｉ基溶接材料を用いた大入熱溶接法として、従来検討されていなかったエレクトロスラグ溶接を適用して検討を行なった。その結果、成分が適切に調整された溶接材料を用いれば、入熱量が例えば約１３ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接時であっても強度および極低温靭性に優れた溶接金属を有する溶接継手が得られることを見出し、本発明を完成した。

ここでエレクトロスラグ溶接は、溶融したスラグ浴の中に溶接ワイヤを入れ、主に溶融スラグのジュール熱を熱源として母材と溶接ワイヤを溶融させて溶接する方法である。エレクトロスラグ溶接によれば、造船や産業機械分野などのように板厚が大きい構造物の立向き溶接を１パスで行なうことが可能である。上記構造物の立向き溶接は、これまでエレクトロガスアーク溶接で行なわれてきたが、溶接作業者にとってアーク放射熱、ヒューム、スパッタ等の作業環境上の問題があった。さらに板厚が増すとシールドが劣化し、溶接部の機械的性能が劣化するなどの問題もある。これに対し、エレクトロスラグ溶接では、エレクトロガスアーク溶接のように露出したアークではなく溶融スラグ内で熱が発生してワイヤ及び母材を溶融するので、アーク放射熱が発生せず、またヒューム、スパッタの発生も少なく、作業環境が改善される。また溶融スラグで溶接金属を大気から遮蔽するのでシールドガスが不要であり、板厚が大きくなってもシールド効果が劣化することがなく、大気に存在する窒素などの溶融金属内への侵入を板厚に関係なく効果的に防止できるので、溶接金属の機械的な劣化も発生しない。

なお、前述した特許文献１にも本願発明と同様の観点から、エレクトロガスアーク溶接を用いて作製された溶接継手が開示されている。しかしながら、前述したとおり、上記特許文献１の実施例では、最大でも１１．５２ｋＪ／ｍｍの入熱しか行なっておらず、未だ不十分である。

また、特許文献１のワイヤは本発明に比べてワイヤ中のＡｌ量が著しく多いため、本発明のような大入熱溶接を行なうと極低温靭性が大きく低下すると考えられる。具体的には特許文献１ではワイヤのＡｌ量を１．２〜３．０％と規定しているのに対し、本発明におけるＡｌ量は０．１３％以下であり、特許文献１に比べて著しく少ない。本発明者らの検討結果によれば、Ａｌ量が本発明の上限（０．１３％）をほんの僅かに超えた０．１３８％のワイヤを用いて、特許文献１よりも入熱量の大きい約１７ｋＪ／ｍｍの大入熱溶接を行なうと、溶接金属の極低温靭性が著しく低下することが判明した（後記する実施例の表５−２のＮｏ．３５を参照）。Ａｌは酸化物を形成し易い元素であり、本発明のように入熱量の大きい大入熱溶接を行なうと、高温下に長時間曝されるため、Ａｌ酸化物の凝集・合体により当該酸化物は益々粗大化する。そのため、極低温靭性が著しく低下すると考えられる。このような大入熱溶接下でのＡｌ酸化物の超粗大化に伴う極低温靭性の著しい低下は、特許文献１のように、せいぜい、約１１ｋＪ／ｍｍ程度の入熱しか行なっていないときには予想されなかった事項である。また、本発明で規定するＡｌ量の範囲は、溶接金属の強度向上のためにＡｌを１．２％以上含有することしか教示していない特許文献１の技術から決して得られるものではない。

更に両者は、Ｃｕ量も相違している。特許文献１においてＣｕは、Ａｌと同様、溶接金属の強度向上に必須の成分であり、強度確保のためにＣｕを０．５％以上含有しているのに対し、本発明ではＣｕは実質的に含有していない。本発明では後述するとおり、好ましくはフラックス入りワイヤを用いており、当該フラックス入りワイヤはＣｕめっきで施されていることが多いが、Ｃｕめっき由来のＣｕがワイヤ中に混入することはあっても特許文献１で規定するＣｕ量の範囲にはならない。

更に本発明の好ましい態様ではワイヤ中に所定量のＲＥＭを含有しており、ＲＥＭの脱酸作用により溶接金属中の酸素（Ｏ）濃度が著しく低下して結果的に極低温靭性が大きく向上するが、上記特許文献１では、ワイヤ中に所定量のＲＥＭを添加するという構成、および上記構成による極低温靭性の著しい向上作用について何ら開示されていない。

本明細書では、エレクトロスラグ溶接用ワイヤを単にワイヤと呼ぶ場合がある。

以下、本発明について詳しく説明する。以下、％は特に断りのない限り、質量％を意味する。

（エレクトロスラグ溶接用ワイヤ）
本発明に係るエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤと第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤに大別できる。第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤのうち、希土類元素を必須成分として含有し、且つ、Ｗ量の下限が４．６％以上と高く、Ｎｂ量の上限が０．５０％以下と低く制御されたものである。本明細書では、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤを、単に第１、第２のワイヤと略記する場合がある。

なお、本発明では、後述するようにフラックス入りワイヤが好ましく用いられるが、その場合における第１、第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤの成分は、フラックス入りワイヤ（フープ＋フラックス）に含まれる各成分の質量％を当該フラックス入りワイヤの全質量に対する割合で規定したものである。

まず、本発明に係る第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤについて説明する。本発明に係る第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤの成分は以下のとおりである。即ち、Ｃ：０％以上、０．３００％以下、Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下、Ｎｉ：４９．０％以上、７０％以下、Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下、Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下、Ａｌ：０％以上、０．１３％以下、Ｗ：１．０％以上、１４．０％以下、Ｆｅ：０％以上、６．０％以下、Ｍｇ：０％以上、１％以下、Ｎｂ：０％以上、４．０％以下、Ｎ：０％以上、０．２％以下、およびＺｒ：０％以上、０．０５％以下を含有するものである。

Ｃ：０％以上、０．３００％以下
Ｃは、固溶強化および化合物を形成して強度確保に寄与する元素である。上記作用を有効に発揮させるため、Ｃ量は０．００５％以上であることが好ましい。但し、Ｃ量を過剰に添加すると化合物粒子数の増加を招き、当該化合物粒子がシャルピー試験時のボイド形成の起点として作用して極低温靭性が低下するため、Ｃ量を０．３００％以下とする。Ｃ量は、０．０５％以下であることが好ましく、０．０４０％以下であることがより好ましい。

Ｓｉ：０％以上、３．０％以下
Ｓｉは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素濃度を低下させることで極低温靭性の向上作用を有する。上記作用を有効に発揮させるため、Ｓｉ量は０．０１５％以上であることが好ましく、０．０２０％以上であることがより好ましい。但し、Ｓｉの過剰添加は強度の過大な上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｓｉ量を３．０％以下とする。Ｓｉ量は、１．５％以下であることが好ましく、１．０％以下であることがより好ましい。

Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下
Ｍｎは、固溶強化により強度確保に寄与する元素である。Ｍｎ量が不足すると、所定の強度が得られないため、Ｍｎ量を１．２０％以上とする。Ｍｎ量は１．６％以上であることが好ましく、１．８％以上であることがより好ましい。但し、Ｍｎの過剰添加は強度の過大な上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｍｎ量を４．２％以下とする。Ｍｎ量は、３．８％以下であることが好ましく、３．５％以下であることがより好ましい。

Ｎｉ：４９．０％以上、７０％以下
Ｎｉは、低温靭性の確保に必須の元素であり、Ｎｉ量を４９．０％以上とする。Ｎｉ量は５７％以上であることが好ましく、５８％以上であることがより好ましい。但し、Ｎｉの過剰添加は強度の低下を招くため、Ｎｉ量を７０％以下とする。Ｎｉ量は、６８％以下であることが好ましく、６５％以下であることがより好ましい。

Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下
Ｃｒは、固溶強化および化合物形成により強度確保に寄与する元素である。Ｃｒ量が不足すると、所定の強度が得られないため、Ｃｒ量を９％以上とする。Ｃｒ量は１０％以上であることが好ましく、１１％以上であることがより好ましい。但し、Ｃｒの過剰添加は強度の過大な上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｃｒ量を１８．５％以下とする。Ｃｒ量は、１８％以下であることが好ましく、１６％以下であることがより好ましい。

Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下
Ｍｏは、固溶強化および化合物形成により強度確保に寄与する元素である。Ｍｏ量が不足すると、所定の強度が得られないため、Ｍｏ量は、５％以上であることが好ましく、８％以上であることがより好ましい。但し、Ｍｏの過剰添加は化合物粒子数の増加を招き、当該化合物粒子がシャルピー試験時のボイド形成の起点として作用して極低温靭性が低下するため、Ｍｏ量を２４．０％以下とする。Ｍｏ量は、２０％以下であることが好ましく、１８％以下であることがより好ましい。

Ａｌ：０％以上、０．１３％以下
Ａｌは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素濃度を低下させて極低温靭性の改善作用を有する。このような作用を有効に発揮させるため、Ａｌ量は０．０１０％以上であることが好ましい。しかしながら、本発明のように入熱量の大きい大入熱施工を対象とする場合、前述したように溶接後の冷却速度が低いため、酸化物の凝集・合体による粗大化が進行しやすい。そのため、Ａｌを過剰に添加すると溶接金属中の粗大酸化物が増加し、所定の極低温靭性が確保できない。よって、Ａｌ量を０．１３％以下とする。Ａｌ量は、０．１０％以下であることが好ましく、０．０８％以下であることがより好ましい。

Ｗ：１．０％以上、１４．０％以下
Ｗは、固溶強化により強度確保に寄与する元素である。Ｗの添加量が不足すると所定の強度が得られないため、Ｗ量を１．０％以上とする。Ｗ量は、１．２％以上であることが好ましく、１．５％以上であることがより好ましい。但し、Ｗの過剰添加は強度の過大な上昇を招いて極低温靭性が低下するため、Ｗ量を１４．０％以下とする。Ｗ量は、１２％以下であることが好ましく、１１％以下であることがより好ましい。

Ｆｅ：０％以上、６．０％以下
Ｆｅは強度を低下させる元素であり、Ｆｅの過剰添加は強度低下を招くため、Ｆｅ量を６．０％以下とする。Ｆｅ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。

Ｍｇ：０％以上、１％以下
Ｍｇは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素濃度を低下させることで極低温靭性を改善する作用を有する。このような作用を有効に発揮させるためには、Ｍｇ量は０．０１％以上であることが好ましく、０．０４％以上であることがより好ましい。但し、Ｍｇの過剰添加は強度の過大な上昇を招いて極低温靭性が低下するため、Ｍｇ量を１％以下とする。Ｍｇ量は、０．７％以下であることが好ましく、０．６％以下であることがより好ましい。

Ｎｂ：０％以上、４．０％以下
Ｎｂは、固溶強化および化合物を形成して強度向上に寄与する元素である。このような作用を有効に発揮させるためには、Ｎｂ量は０．５％以上であることが好ましく、０．７％以上であることがより好ましい。但し、Ｎｂの過剰添加は化合物粒子数の増加を招き、当該化合物粒子がシャルピー試験時のボイド形成の起点として作用して極低温靭性が低下するため、Ｎｂ量を４．０％以下とする。Ｎｂ量は、３％以下であることが好ましく、２．５％以下であることがより好ましい。

Ｎ：０％以上、０．２％以下
Ｎは、固溶強化により強度確保に寄与する元素である。Ｎ量が不足すると、所定の強度が得られないため、Ｎ量は０．００１０％以上であることが好ましく、０．００１５％以上であることが好ましい。但し、Ｎを過剰に添加すると作業性の著しい低下を招くため、０．２％以下であることが好ましい。Ｎ量は、０．１５％以下であることが好ましく、０．１０％以下であることがより好ましい。

Ｚｒ：０％以上、０．０５％以下
Ｚｒは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素濃度を低下させることで極低温靭性を改善する作用を有する。このような作用を有効に発揮させるためには、Ｚｒ量は０．００５％以上であることが好ましく、０．０１０％以上であることがより好ましい。但し、Ｚｒの過剰添加は強度の過大な上昇を招いて極低温靭性が低下するため、Ｚｒ量を０．０５％以下とする。Ｚｒ量は、０．０１５％以下であることが好ましく、０．０１２％以下であることがより好ましい。

本発明に係る第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤの組成は上記のとおりであり、残部：不可避的不純物である。不可避的不純物として、例えばＰ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉなどが挙げられる。

更に本発明の第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、以下の選択成分を含有することができる。

希土類元素：０％超、１．０％以下
希土類元素（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ；ＲＥＭ）は強い脱酸作用を有する元素であり、極低温靭性の向上に寄与する。詳細には、ＲＥＭの脱酸作用により溶接金属中の酸素濃度が著しく低下して、極低温靭性の向上に悪影響を及ぼす酸化物粒子の個数が減少することにより極低温靭性が顕著に向上する。このような作用を有効に発揮させるため、ＲＥＭ量は０．０１％以上であることが好ましく、０．１％以上であることがより好ましく、０．２％以上であることが更に好ましい。但し、ＲＥＭの過剰添加は、溶接金属の溶け込み不足を招くため、ＲＥＭ量は１．０％以下であることが好ましい。ＲＥＭ量は、０．８％以下であることが好ましく、０．７％以下であることがより好ましい。

本発明においてＲＥＭとは、原子番号５７〜７１の全ての元素を意味する。ＲＥＭは上記元素を単独で含んでいても良いし、二種以上を含んでいても良い。上記ＲＥＭ量とは、単独で含むときはその含有量であり、二種以上の元素を含むときはそれらの合計量である。

或は、本発明の作用を阻害しない範囲で、例えばＯ、Ｆ、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｂなどの元素を選択成分として添加しても良い。これら元素の合計含有量は、おおむね、０〜３％であることが好ましい。

上記成分を満足する本発明に係る第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤを用いてエレクトロスラグ溶接を行えば、入熱量が例えば約１３ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接時であっても強度が６００ＭＰａ超で、吸収エネルギーＩＶが４０Ｊ以上の極低温靭性に優れた溶接金属を有する溶接継手を提供できる。

次に、本発明に係る第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤについて説明する。本発明者らが更に検討したところ、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤのうち、必須元素として希土類元素を含有したうえで、Ｎｂ量を一段と低減し、Ｗ量を一段と増加させた第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤを用いれば、入熱量が例えば約１３ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接時であっても、強度が７００ＭＰａ超と一層高く、吸収エネルギーＩＶが６０Ｊ以上と極低温靭性に一層優れた溶接金属を提供できることが明らかとなった。その理由としては、上記第２のワイヤを用いることにより溶接金属中の金属間化合物（更には酸化物）の個数密度を低減できたことが挙げられる。即ち、Ｎｉ基溶接金属のシャルピー衝撃試験破面は１００％の延性破面を呈し、ディンプル（くぼみ模様と呼ばれることがある）の底には金属間化合物や酸化物の粒子が観察される。これらの粒子がディンプルの起点として作用することで、シャルピー衝撃試験時の延性破壊が助長され、吸収エネルギーが低下する。よって、吸収エネルギーを高めて極低温靭性を改善するためには、Ｎｉ基溶接金属に含まれる金属間化合物などの粒子数（個数密度）を低減することが有効である。後述するように金属間化合物はＮｂを主成分として含有するが、本発明者らの検討結果によれば、Ｎｂの量が０．５０％以下に低減されたワイヤを用いると溶接金属中の金属間化合物を低減できることが判明した。また、希土類元素は強い脱酸作用を有するため、希土類元素を含むワイヤを用いると溶接金属中の酸化物を低減できる。なお、Ｗは金属間化合物の主成分ではないが、第１のワイヤの欄で述べたように固溶強化により強度向上に寄与する元素であり、Ｗを４．６％以上含むワイヤを用いると溶接金属の強度が向上する。よって、Ｎｂ、希土類元素、Ｗの各含有量が適切に制御された上記第２のワイヤを用いることにより、良好な強度と極低温靭性に優れた溶接金属が得られる。

以下、第２のワイヤを特徴付ける希土類元素、Ｎｂ、Ｗについて詳述する。

希土類元素は、前述したように強い脱酸作用を有する元素であり、溶接金属中の酸素濃度が低下し、極低温靭性の向上に悪影響を及ぼす酸化物の個数密度低減に寄与する。そのため、上記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤにおいては、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤでは選択成分としていた希土類元素を必須成分として０％超、１．０％以下の範囲で含有する。希土類元素量の好ましい範囲は、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤと同じである。

Ｎｂは、極低温靭性の向上に悪影響を及ぼす金属間化合物の個数密度低減に寄与する。そのため、上記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤにおいては、Ｎｂ：０％以上、０．５０％以下とする。Ｎｂ量は、好ましくは０．２０％以下、より好ましくは０．１５％以下である。Ｎｂはできるだけ低減することが好ましく、最も好ましくは０％である。

Ｗは、固溶強化により強度確保に寄与する元素であり、Ｎｂ量低減による強度低下分を補うために、Ｗを４．６％以上含有させる必要がある。Ｗ量は、５．０％以上であることが好ましく、５．３％以上であることがより好ましい。但し、Ｗ量が多くなり過ぎると強度の過大な上昇を招いて極低温靭性が低下するため、Ｗ量を１４．０％以下とする。Ｗ量は、１２％以下であることが好ましく、１１％以下であることがより好ましい。

上記以外の他の成分（例えば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎ、Ｚｒなど）は、上述した第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤの成分組成と同じである。

上記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤを用いてエレクトロスラグ溶接を行えば、入熱量が例えば約１３ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接時であっても７００ＭＰａ超の強度および吸収エネルギーＩＶが６０Ｊ以上の極低温靭性に優れた溶接金属を有する溶接継手を提供できる。

次に、第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤの共通事項について説明する。

本発明のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、通電性を高めるため、表面にＣｕめっきが施されていることが好ましい。上記作用を有効に発揮させるため、エレクトロスラグ溶接用ワイヤ全体に占めるＣｕ量は０．００５％以上であることが好ましく、０．０１％以上であることがより好ましい。但し、Ｃｕ量が過剰にあると、ワイヤ送給性が低下するなどの問題がある。エレクトロスラグ溶接用ワイヤ全体に占めるＣｕ量は、０．２５％以下であることが好ましく、０．２０％以下であることがより好ましい。

本発明のエレクトロスラグ溶接用ワイヤは、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤの両方を含む。フラックス入りワイヤは、スラグ系形成剤の有無により、スラグ系形成剤を含まず金属成分を主体とするメタル系とスラグ系形成剤を含むスラグ系のフラックス入りワイヤに分類される。このうちフラックス入りワイヤは、外皮（フープ）にフラックスが充填されたものであり、成分設計がし易く、また溶着速度および溶着効率などにも優れている。本発明で対象とするエレクトロガスアーク溶接では、一般的にフラックス入りワイヤが使用されている。

上記フープの組成は、フラックス入り溶接ワイヤの組成が上記範囲であれば特に限定されず、軟鋼、ステンレス鋼のいずれであっても良い。但し、フラックス入り溶接ワイヤ自体に耐食性を付与して錆を防止する観点から、ステンレス鋼が好ましい。

上記フラックスは酸化物系および金属系に大別されるが、溶接金属における酸素濃度低減などを考慮すると、金属系フラックスが好ましく用いられる。金属系フラックス入りワイヤは特に、メタルコアドワイヤと呼ばれることがある。上記フラックスの組成は、フラックス入り溶接ワイヤの組成が上記範囲であれば特に限定されない。

フラックス入りワイヤのフラックス充填率は、約５〜３３％であることが好ましい。これらの範囲を外れると、作業性が劣化する。ここで上記フラックス充填率は、フープ内に充填されるフラックスの充填率を、ワイヤ（フープ＋フラックス）の全質量に対する割合で規定したものである。

上記フラックス入りワイヤは、作業性の観点からはフラックス中にスラグ形成剤が配合されていることが好ましく、特に酸化物系成分をフラックスの主体とするスラグ系（酸化物系）フラックス入りワイヤがより好ましい。ここでスラグ形成剤としては、例えばＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等が挙げられる。スラグ形成剤の使用により、エレクトロスラグ溶接時に当該スラグ形成剤が溶融してスラグ化し、スラグがビード表面と当金との間に介在することで当金の円滑な摺動を保証すると共に、ビード外観が良好に保たれる。スラグ形成剤による上記作用を有効に発揮させるため、スラグ系（酸化物系）フラックス入りワイヤ全質量に対するスラグ形成剤の含有量は０．５％以上であることが好ましく、１％以上であることがより好ましく、３％以上であることが更に好ましい。但し、過剰に添加すると溶接金属中の酸素濃度が過剰となるため、フラックス入りワイヤ全質量に対するスラグ形成剤の含有量は２０％以下であることが好ましい。より好ましくは１５％以下であり、更に好ましくは１３％以下である。

フラックス入り溶接ワイヤの製造方法は特に限定されず、一般的な工程で製造すれば良い。例えば、軟鋼またはステンレスのフープをＵ字状に成型し、Ｕ字状成型フープにフラックスを充填した後、フラックスを内部に充填した筒状型に成型し、目的の径まで伸線して製造される。

（投入れフラックス）
エレクトロスラグ溶接に用いられる投入れフラックスは、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ共に共通である。エレクトロスラグ溶接では、溶接が進むにつれて減少する溶融スラグを補うためにフラックスが追加投入されるが、このフラックスを本明細書では投入れフラックスという。エレクトロスラグ溶接では、溶接が進行するにつれて溶融金属は冷却されて溶接金属となり、溶融スラグ浴の一部は溶融スラグ層となるが、溶接の進行につれて溶融スラグ層が冷却されて固化スラグとなって溶融スラグが消費する。この溶融スラグ浴の減少を補うため、投入れフラックスが用いられる。投入れフラックスは、溶融型フラックスとボンド型（焼成型）フラックスに大別される。溶融型フラックスは、種々の原料を電気炉などで溶解し、粉砕することにより製造される。一方、焼成型フラックスは、種々の原料をケイ酸アルカリなどのバインダーにより結合し、造粒した後、焼成することにより製造される。これらのうち、焼成型フラックスはビード外観やビード形状の劣化などの問題があるのに対し、溶融型フラックスは偏析が少ないため、好ましく用いられる。

本発明に用いられる投入れフラックスの組成は以下のとおりである。

ＳｉＯ₂：１５％以上、５０％以下
ＳｉＯ₂は酸性成分であり、溶融スラグの粘性及び融点を調整するために有効な成分である。ＳｉＯ₂量が１５％未満の場合、溶融スラグの粘性が不足して、凸ビードとなり、ビード外観が悪化するため、ＳｉＯ₂量を１５％以上とする。ＳｉＯ₂量は２２％以上であることが好ましく、２５％以上であることがより好ましい。但し、ＳｉＯ₂量が５０％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり、溶込み不良が生じるため、ＳｉＯ₂量を５０％以下とする。ＳｉＯ₂量は４５％以下であることが好ましく、４０％以下であることがより好ましい。

ＣａＯ：１０％以上、４０％以下
ＣａＯは塩基性成分であり、溶融スラグの粘性及び融点を調節するために有効な成分であると共に、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。ＣａＯ量が１０％未満の場合、溶融スラグの粘性が不足して、凸ビードとなり、ビード外観が悪化するため、ＣａＯ量を１０％以上とする。ＣａＯ量は１５％以上であることが好ましく、１７％以上であることがより好ましい。但し、ＣａＯ量が４０％を超えると、アンダーカット及びスラグ巻き込みが発生するため、ＣａＯ量を４０％以下とする。ＣａＯ量は３５％以下であることが好ましく、３２％以下であることがより好ましい。

ＣａＦ₂：５％以上、１５％以下
ＣａＦ₂も塩基性成分であり、溶融スラグの粘性及び融点を調節するために有効な成分である。ＣａＦ₂量が５％未満の場合、溶融スラグの粘性が不足して、凸ビードとなり、ビード外観が悪化するため、ＣａＦ₂量を５％以上とする。ＣａＦ₂量は８．５％以上であることが好ましく、９％以上であることがより好ましい。但し、ＣａＦ₂量が１５％を超えると、アンダーカット及びスラグ巻き込みが発生し易くなると共に、スラグ剥離性が劣化するため、ＣａＦ₂量を１５％以下とする。ＣａＦ₂量は１３％以下であることが好ましく、１２％以下であることがより好ましい。

ＭｇＯ：０％以上、１２％以下
ＭｇＯも塩基性成分であり、溶融スラグの粘性及び融点を調整するために有効な成分である。ＭｇＯを含有しない場合、溶融スラグの粘性が不足して、凸ビードとなり、ビード外観が悪化する。ＭｇＯ量は１％以上であることが好ましく、３％以上であることがより好ましい。但し、ＭｇＯ量が１２％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり、溶込み不良が生じるため、ＭｇＯ量を１２％以下とする。ＭｇＯ量は８％以下であることが好ましい。

Ａｌ₂Ｏ₃：０％以上、１４％以下
Ａｌ₂Ｏ₃も塩基性成分であり、溶融スラグの粘性及び融点を調整するために有効な成分である。Ａｌ₂Ｏ₃を含有しない場合、溶融スラグの粘性が不足して、凸ビードとなり、ビード外観が悪化する。Ａｌ₂Ｏ₃量は１％以上であることが好ましい。一方、Ａｌ₂Ｏ₃量が５％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり、溶込み不良が生じるため、１４％以下とする。Ａｌ₂Ｏ₃量は５％以下であることが好ましい。

ＭｎＯ：０％以上、２５％以下
ＭｎＯは、溶融スラグの粘性及び融点を調整するために有効な成分である。ＭｎＯを含有しない場合、溶融スラグの粘性が不足して、凸ビードとなり、ビード外観が悪化する。ＭｎＯ量は３％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。一方、ＭｎＯ量が２５％を超えると、スラグ剥離性が低下し、ビード外観が悪化するため、２５％以下する。ＭｎＯ量は２２％以下であることが好ましい。

ＴｉＯ₂：０％以上、１０％以下
ＴｉＯ₂は、溶融スラグの融点を調整するために有効な成分である。このような作用を有効に発揮させるため、ＴｉＯ₂量は１％以上であることが好ましく、３％以上であることがより好ましい。但し、ＴｉＯ₂量が１０％を超えると、融点付近で粘度が急激に高くなるため、スラグ巻込みが発生しやすくなる。そのため、ＴｉＯ₂量を１０％以下とする。ＴｉＯ₂量は８％以下であることが好ましい。

ＺｒＯ₂：０％以上、１０％以下
ＺｒＯ₂は、溶融スラグの融点を調整するために有効な成分である。このような作用を有効に発揮させるため、ＺｒＯ₂量は１％以上であることが好ましく、３％以上であることがより好ましい。但し、ＺｒＯ₂量が１０％を超えると、融点付近で粘度が急激に高くなるため、スラグ巻込みが発生しやすくなるため、１０％以下とする。ＺｒＯ₂量は８％以下であることが好ましい。

本発明に係る投入れフラックスの組成は上記のとおりであり、残部：ＦｅＯである。

（溶接継手）
本発明の第１の溶接継手は、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤおよび投入れフラックスを用い、エレクトロスラグ溶接により作製される。一方、本発明の第２の溶接継手は、上記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤおよび投入れフラックスを用い、エレクトロスラグ溶接により作製される。

まず、第１の溶接継手について説明する。上記第１の溶接継手における溶接金属の組成は以下のとおりである。以下の記載において、前述した第１のエレクトロガス溶接用ワイヤと重複する成分の作用は、説明の重複を避けるため省略して、好ましい範囲のみ記載する。

なお、上述した第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤと第１の溶接継手における溶接金属とは組成が相違しており、第１のワイヤに含まれるＡｌ、Ｍｇ、Ｚｒ、およびＲＥＭは、溶接の過程で大部分が酸化物などを形成してスラグとして抜けていくため、溶接金属での含有量は極めて少なくなる。

Ｃ：０％以上、０．２６０％以下
好ましい上限：０．１２％、より好ましい上限：０．０６％
好ましい下限：０．００３％、より好ましい下限：０．００５％

Ｓｉ：０％以上、３．０％以下
好ましい上限：０．５％、より好ましい上限：０．３０％
好ましい下限：０．０８％、より好ましい下限：０．１％

Ｍｎ：１．０％以上、４．００％以下
好ましい上限：３．５％、より好ましい上限：３．０％
好ましい下限：１．６％、より好ましい下限：１．８％

Ｎｉ：４０．０％以上、７０．０％以下
好ましい上限：６５％、より好ましい上限：６０％
好ましい下限：４２％、より好ましい下限：４４％

Ｃｒ：７％以上、１５．０％以下
好ましい上限：１３％、より好ましい上限：１２％
好ましい下限：８％、より好ましい下限：９％

Ｍｏ：０％以上、２０．０％以下
好ましい上限：１９％、より好ましい上限：１５％
好ましい下限：８％、より好ましい下限：８．５％

Ｗ：０．５０％以上、１３．０％以下
好ましい上限：１２％、より好ましい上限：１１％
好ましい下限：１％、より好ましい下限：１．２％

Ｆｅ：０％以上、３２％以下
好ましい上限：３０％、より好ましい上限：２８％
好ましい下限：４％、より好ましい下限：１０％

Ｎｂ：０％以上、２．５％以下
好ましい上限：２．２％、より好ましい上限：２．０％
好ましい下限：０．１％、より好ましい下限：０．３％

Ｎ：０．０１％以上、０．１１％以下
好ましい上限：０．０８％、より好ましい上限：０．０７％
好ましい下限：０．０２％、より好ましい下限：０．０２５％

Ｏ：
第１のワイヤ中にＲＥＭを含有しないときは０％以上、０．０５５％以下
第１のワイヤ中に好ましくは所定量のＲＥＭを含有するときは０％以上、０．０２５％以下
Ｏは酸化物を形成し、当該酸化物がシャルピー試験時のボイド形成の起点として作用するため、極低温靭性が低下する。そのため、第１のワイヤ中にＲＥＭを含まないときは、Ｏ量を０．０５５％以下とする。好ましくは０．０５％以下であり、より好ましくは０．０４５％以下である。一方、第１のワイヤ中に所定量のＲＥＭを含むときは、Ｏ量は好ましくは０．０２５％以下であり、より好ましくは０．０２２％以下、更に好ましくは０．０２０％以下である。

本発明に係る溶接金属の基本組成は上記のとおりであり、残部：鉄および不可避的不純物である。不可避的不純物として、例えばＰ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉ等が挙げられる。

本発明の溶接金属は、本発明の作用を阻害しない範囲で、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｂ、ＲＥＭなどを含有しても良い。これら元素の合計含有量は、おおむね、０〜１０％であることが好ましい。

次に、第２の溶接継手について説明する。上記第２の溶接継手における溶接金属は、Ｗ：４．５０％以上、１３．０％以下、Ｎｂ：０％以上、０．３０％以下、Ｏ：０％以上、０．０２５％以下を含有するところに特徴があり、Ｗ、Ｎｂ、Ｏ以外の成分組成は、上述した第１の溶接継手における溶接金属の成分組成と同じである。以下の記載において、前述した第１のエレクトロガス溶接用ワイヤと重複する成分の作用は、説明の重複を避けるため省略し、Ｗ、Ｎｂ、およびＯの好ましい範囲のみ記載する。

Ｗ：４．５０％以上、１３．０％以下
好ましい上限：１２％、より好ましい上限：１１％
好ましい下限：４．８％、より好ましい下限：５．０％

Ｎｂ：０％以上、０．３０％以下
好ましい上限：０．１２％、より好ましい上限：０．０５％

Ｏ：０％以上、０．０２５％以下
より好ましい上限：０．０２２％以下、更に好ましい上限：０．０２０％以下

上記第２の溶接継手は、溶接金属中の金属間化合物が３５００個／ｍｍ²以下に低減されており、その結果、極低温靭性が向上する。上記金属間化合物の個数密度は、好ましくは３０００個／ｍｍ²以下、より好ましくは２５００個／ｍｍ²以下である。

本発明において上記金属間化合物とは、二種類以上の金属が結合した化合物であって、ＮｂまたはＭｏを主成分として含有する化合物を意味する。ここで主成分とは、金属間化合物を構成する金属のうち含有量が最も多い金属を意味する。上記金属間化合物にはＮｉも含まれるが、Ｎｉは主成分ではなく、ＮｉよりもＮｂまたはＭｏがより多く含まれる。上記金属間化合物には、上記Ｎｂ、Ｍｏ、Ｎｉの他に、ワイヤ成分などに由来するＷ、Ｃｒ、Ｆｅ等が含まれていても良い。上記金属間化合物は、更に窒素、酸素などの非金属が含まれていても良い。なお、前述したＡｌ酸化物、ＲＥＭ酸化物は、金属間化合物に該当しない。

上記金属間化合物の個数密度は、該溶接金属の溶接方向に垂直な断面を電界放出型走査電子顕微鏡を用いて撮影し、画像解析ソフトは使用せずに目視で画像分析した結果、白色または灰色のコントラストで示されるものを全て金属間化合物として抽出し、これらの個数を測定することにより算出する。ここで、白色のコントラストで観察される金属間化合物はＭｏを主成分とする金属間化合物であり、例えば４２．７％Ｍｏ−１１．２％Ｃｒ−１３．４％Ｆｅ−２．６％Ｗ−３０．１％Ｎｉなどが例示される。一方、灰色のコントラストで観察される金属間化合物はＮｂを主成分とする金属間化合物であり、例えば９３．７％Ｎｂ−２．５％Ｃｒ−１．２％Ｆｅ−２．６％Ｎｉなどが例示される。

上記第１、第２の溶接継手の作製に用いられる母材は、質量％で５〜１０％のＮｉを含有する鋼板を用いることが好ましい。Ｎｉ量が５％未満では、極低温靭性が確保できない。Ｎｉ量は、より好ましくは５．２％以上であり、更に好ましくは６．５％以上である。但し、Ｎｉ量が１０％を超えると鋼材コストが上昇するため、Ｎｉ量は１０％以下であることが好ましい。Ｎｉ量は、より好ましくは９．６％以下であり、更に好ましくは９．４％以下である。

上記母材において、Ｎｉ以外の組成は特に限定されないが、例えば、好ましい化学成分は以下のとおりである。なお、上記母材の残部は、鉄および不可避的不純物である。
Ｃ：０．０２％以上、０．０９％以下
Ｓｉ：０．０５％以上、０．３０％以下
Ｍｎ：０．４％以上、１．４％以下
Ｐ：０％超、０．０２０％以下
Ｓ：０％超、０．０２０％以下
Ａｌ：０％超、０．０５０％以下
Ｃｕ：０％超、１．０％以下
Ｃｒ：０％超、１．５％以下
Ｍｏ：０％超、０．６％以下

以下、本発明で好ましく用いられるエレクトロスラグ溶接について説明する。本発明では、特願２０１５−１００４１５号に記載のエレクトロガス溶接方法およびエレクトロガス溶接装置（以下、先願発明と呼ぶ場合がある。）を用いることが好ましい。先願発明によれば、摺動式当て金を用いたエレクトロスラグ溶接において、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちながら溶接を行い、健全な溶込みを確保して溶接金属の機械的性質の劣化を防止することができる。

以下、先願発明について詳しく説明する。

先願発明は、エレクトロスラグ溶接において、コンタクトチップ先端からスラグ浴までの溶接ワイヤの長さが予め定めた長さとなるようにフラックスを供給し、基準電流値に対して溶接電流が予め定めた関係となるように溶接トーチと摺動式当て金とを搭載した走行台車の走行速度を調整し、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちつつ溶接を行うエレクトロスラグ溶接方法である。

上記先願発明は、溶接ワイヤに給電するコンタクトチップを有する溶接トーチと、摺動式当て金と、溶接トーチ及び摺動式当て金を搭載した走行台車と、走行台車制御装置と、スラグ浴検出器と、フラックス供給装置と、フラックス供給制御装置とを備え、スラグ浴検出器は、コンタクトチップの先端から予め定めた長さの位置にスラグ浴が上昇してきた場合にスラグ浴を検出し、フラックス供給制御装置は、コンタクトチップの先端からスラグ浴までの溶接ワイヤの長さが予め定めた長さとなるように、スラグ浴検出器がスラグ浴を検出した場合にはフラックスの供給を停止し、スラグ浴検出器がスラグ浴を検出していない場合にはフラックスの供給を行うようにフラックス供給装置を制御し、走行台車制御装置は、ワイヤ送給速度に応じて定められた基準電流値に対して溶接電流が予め定めた関係となるように走行台車の走行速度を制御し、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちつつ溶接を行うエレクトロスラグ溶接装置である。
また、走行台車制御装置は、予め定めた関係として、溶接電流が基準電流値より大きくなると走行台車の走行速度を増大させ、溶接電流が基準電流値より小さくなると走行台車の走行速度を減少させるように制御することを特徴とすることができる。
さらに、スラグ浴検出器は、スラグ浴検出器の検出端子がスラグ浴と接触したときに溶接電圧を検知して、スラグ浴を検出することを特徴とすることができる。
そして、スラグ浴検出器は、検知した溶接電圧を、ウィービング周期の１／２〜２倍を時定数とするフィルタで処理して、スラグ浴を検出したか否かの判定を行うことを特徴とすることができる。
また、検出端子は、溶接トーチと連結されていることを特徴とすることができる。
さらに、スラグ浴検出器は、スラグ浴検出器の検出端子に直流電源から抵抗を通して電圧を印加し、検出端子がスラグ浴と接触したとき、検出端子の電圧が低下することによりスラグ浴を検出することを特徴とすることができる。
そして、スラグ浴検出器は、フォトセンサーを有し、スラグ浴の光を検出して、スラグ浴を検出することを特徴とすることができる。
また、フラックス供給装置は、ソレノイドにより駆動される弁によりフラックスを供給することを特徴とすることができる。
さらに、フラックス供給装置は、モータによって駆動されるスクリューによりフラックスを供給することを特徴とすることができる。
そして、基準電流値は、ワイヤ送給速度を変更した場合、ワイヤ送給速度と基準電流値との関係を示す予め定められた関数をもとに、自動的に変更されることを特徴とすることができる。
また、基準電流値は、溶接ワイヤの種別に応じて定められる関数により種別ごとに求められることを特徴とすることができる。

以下、添付図面を参照して、先願発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜溶接装置の構成＞
まず、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００について説明する。図１は、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００の概略構成の一例を示す図である。図１において、矢印Ｚの示す方向を垂直方向（上下方向）の上方向とし、矢印Ｘの示す方向を板厚方向（左右方向）の右方向とするとともに、紙面に対して垂直に裏面より表面に向かう方向を水平横方向Ｙの手前方向とする。また、図２は、図１に示すエレクトロスラグ溶接装置１００を矢印Ｔから見た図である。すなわち、図２は、エレクトロスラグ溶接装置１００を上方より見下ろした図である。ただし、図２では、後述する溶接トーチ４、フラックス供給装置１４、フラックス供給制御装置１５、走行台車１６、走行台車制御装置１７等を省略している。先願発明における「フラックス」は、本発明における投入れフラックスである。

図１に示すように、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００は、固定の銅当て金１及び摺動式銅当て金２と、溶接トーチ４と、溶融スラグ浴検出器１３と、フラックス供給装置１４と、フラックス供給制御装置１５と、走行台車１６と、走行台車制御装置１７とを備える。

エレクトロスラグ溶接装置１００において、開先の裏側には固定の銅当て金１が配置されており、開先の表側には摺動式銅当て金２が配置される。ここで、裏側の銅当て金１の代わりに、耐熱性のセラミックスから構成される裏当て材を用いても良い。また、表側の摺動式銅当て金２は、上下方向に摺動する銅当て金であり、水冷されている。ただし、摺動式銅当て金２として、銅の代わりのものを用いても良い。

溶接トーチ４は、溶接電源（不図示）から供給される溶接電流８により溶接ワイヤ６を給電して溶接母材３を溶接する。また、溶接トーチ４は、コンタクトチップ５を有しており、コンタクトチップ５は、溶接ワイヤ６を案内するとともに溶接ワイヤ６に溶接電流８を供給する。

溶融スラグ浴検出器１３は、溶融スラグ浴７の位置を検出する。

フラックス供給装置１４は、溶融スラグ浴７にフラックス１２を投入する。フラックス１２は溶融して溶融スラグになるため、フラックス１２を投入することにより、溶融スラグ浴７の量が増えることとなる。

フラックス供給制御装置１５は、フラックス供給装置１４の動作を制御し、溶融スラグ浴７に投入されるフラックス１２の量を調整する。

走行台車１６は、摺動式銅当て金２、溶接トーチ４、溶融スラグ浴検出器１３、フラックス供給装置１４、フラックス供給制御装置１５、走行台車制御装置１７を搭載しており、上方向（矢印ｚの示す方向）に移動する。すなわち、走行台車１６は、摺動式銅当て金２、溶接トーチ４、溶融スラグ浴検出器１３、フラックス供給装置１４、フラックス供給制御装置１５、走行台車制御装置１７と一体となって移動するため、それぞれの相対的な位置関係は変わらない。走行台車１６が上昇することにより、上方向に沿って溶接が行われる。

走行台車制御装置１７は、走行台車１６の走行速度を増大させたり減少させたりして、走行台車１６の動作を制御する。

そして、溶接母材３、銅当て金１及び摺動式銅当て金２に囲まれた開先内に、溶接トーチ４のコンタクトチップ５から溶接ワイヤ６が送給され、開先内に形成された溶融スラグ浴７内に送り込まれる。溶接電流８は、溶接ワイヤ６から溶融スラグ浴７を通して溶融金属９に流れる。このとき、溶融スラグ浴７を流れる溶接電流８及び溶融スラグ浴７の抵抗により、ジュール熱が発生し、溶接ワイヤ６及び溶接母材３を溶融しながら溶接が進行する。

溶接が進行するにつれて、溶融金属９は冷却されて溶接金属１０となり、溶融スラグ浴７の一部は、銅当て金１と溶接金属１０との間、及び摺動式銅当て金２と溶接金属１０との間に形成された溶融スラグ層となり、この溶融スラグ層が冷却されて固化スラグ１１となる。このようにして、溶融スラグ浴７は、その一部がビード表面を覆う固化スラグ１１となるので、溶接の進行につれて消費され、溶融スラグ浴７の深さＬｓが減少していくことになる。この溶融スラグ浴７の減少を補うためには、溶融して溶融スラグ浴７となるフラックス１２を追加投入する必要がある。

ビード表面を覆う固化スラグ１１の量は、ビード幅や溶接開先の幅によって変動する。また、固化スラグ１１の量は、銅当て金１及び摺動式銅当て金２の密着度合や冷却状態によっても変動する。そのため、固化スラグ１１の量は一定ではなく、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定に保つためには投入するフラックス１２の量も変化させる必要がある。しかしながら、溶融スラグ浴７の深さＬｓがわからないために、フラックス１２の投入量が適切でない場合には、溶融スラグ浴７の深さＬｓが変動することになる。

そこで、本実施の形態では、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための制御を行う。ここで、一定とは、溶融スラグ浴７の深さＬｓが常に１つの値になる場合に限られず、誤差を考慮して溶融スラグ浴７の深さＬｓが一定の範囲内の値を示す場合も含まれる。すなわち、溶融スラグ浴７の深さＬｓは、予め定めた深さに保つように制御される。

そして、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第１の要件は、コンタクトチップ５の先端から溶融スラグ浴７の上面までの溶接ワイヤ長Ｌｄ（以下、ドライエクステンションＬｄと称する）が予め定めた長さになるように制御することである。また、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第２の要件は、ワイヤ送給速度に応じて定められた基準電流値に対して溶接電流８が予め定めた関係、すなわち、基準電流値と溶接電流８とが等しくなるように、走行台車制御装置１７が走行台車１６の走行速度を制御することである。

＜溶融スラグ浴の深さを一定にする要件＞
まず、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第１の要件について説明する。フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出していない場合、すなわち、摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触していない場合には、フラックス１２を投入するようにフラックス供給装置１４を制御する。一方、フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出している場合、すなわち、摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触している場合には、フラックス１２の投入を停止するようにフラックス供給装置１４を制御する。このように、フラックス供給装置１４は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出するようにフラックス１２を投入し、溶融スラグ浴７の深さＬｓを調整する。

ここで、溶接トーチ４、摺動式銅当て金２、溶融スラグ浴検出器１３は全て走行台車１６に搭載されており、走行台車１６が移動しても、相対的な位置関係は変わらない。そのため、コンタクトチップ５の先端と溶融スラグ浴検出器１３との間の距離も変わらない。そして、コンタクトチップ５の先端から予め定めた長さの位置（すなわち、溶融スラグ浴検出器１３の位置）に溶融スラグ浴７が上昇してきた場合に、溶融スラグ浴検出器１３は溶融スラグ浴７を検出する。フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出するようにフラックス１２の投入量を制御するため、コンタクトチップ５先端から溶融スラグ浴７の上面までの距離、すなわちドライエクステンションＬｄは、予め定めた長さになるように制御される。

次に、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第２の要件について説明する。図３−１〜図３−３は、溶融スラグ浴７の深さ、溶接ワイヤ６の長さ、溶接電流８、溶込み幅の相関関係を示す図である。ここで、図３−１〜図３−３に示すように、ドライエクステンションＬｄが予め定めた長さに制御された状態において、溶融スラグ浴７の深さＬｓが、Ｌｓ１＞Ｌｓ２＞Ｌｓ３と変化すると、溶接ワイヤ６が溶融スラグ浴７に浸漬している長さ（以下、ウェットエクステンションＬｗと称する）は、ほぼ比例してＬｗ１＞Ｌｗ２＞Ｌｗ３と変化し、溶込み幅Ｌｍは、Ｌｍ１＜Ｌｍ２＜Ｌｍ３と変化する。一方、溶接電流８の値をＩｗとすると、溶接電流Ｉｗとワイヤ送給速度Ｖｗとの関係は、次の数１式のように表される。

数１式において、Ｋ１〜Ｋ４は溶接ワイヤ６の径、構造及び材質により定まる定数である。

さらに、ワイヤ送給速度Ｖｗを一定にして溶接している状態で、上述の第１の要件で示したようにフラックス供給制御装置１５によりドライエクステンションＬｄが予め定めた長さに制御される条件下では、数１式は、次の数２式のように表される。

すなわち、数２式より、溶接電流Ｉｗは、ウェットエクステンションＬｗに逆比例して変化し、ウェットエクステンションＬｗが大きくなると、溶接電流Ｉｗは小さくなる。また、上述したように、溶融スラグ浴７の深さＬｓは、ウェットエクステンションＬｗに比例することから、適切な溶融スラグ浴７の深さＬｓ２のときの溶接電流Ｉｗを基準電流値Ｉｗ２として設定しておく。そして、溶接の進行に伴って、溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２より大きくなった場合は、溶融スラグ浴７の深さＬｓがＬｓ２より小さくなり、溶込み幅ＬｍがＬｍ２より大きくなったと判断して、走行台車制御装置１７は走行台車１６の走行速度を増大させる。走行台車１６の走行速度が増大することにより、ワイヤ突き出し長（Ｌｄ＋Ｌｗ）が大きくなり、溶接電流Ｉｗが小さくなって基準電流値Ｉｗ２になるように制御される。一方、溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２より小さくなった場合は、溶融スラグ浴７の深さＬｓがＬｓ２より大きくなり、溶込み幅ＬｍがＬｍ２より小さくなったと判断して、走行台車制御装置１７は走行台車１６の走行速度を減少させる。

付言すると、初めに、溶融スラグ浴７の深さＬｓは、予め定めた深さとしてＬｓ２に調整されて、溶接が開始される。また、走行台車１６の走行速度は、溶接電流Ｉｗの大きさに合わせて決定される。そして、溶接の進行に伴い、溶融スラグ浴７の一部は固化スラグ１１となり消費されるため、溶融スラグ浴７の深さＬｓは減少する。摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触しない程度まで減少すると、フラックス供給制御装置１５は、フラックス１２を投入するようにフラックス供給装置１４を制御する。しばらく投入し、フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出する場合、すなわち、摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触すると、フラックス１２の投入を停止するようにフラックス供給装置１４を制御する。このように、コンタクトチップ５先端から溶融スラグ浴７の上面までの距離、すなわちドライエクステンションＬｄは、予め定めた長さになるように制御される。一方、適切な溶融スラグ浴深さの場合の溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２として設定されているため、ドライエクステンションＬｄが上記の制御で一定となれば、ウェットエクステンションＬｗも一定となり、スラグ浴深さも一定となる。

このように、走行台車制御装置１７は、溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２と等しくなるように走行台車１６の走行速度を制御することにより、溶融スラグ浴７の深さＬｓが適切な深さＬｓ２で一定になるように制御され、適切な溶込み幅Ｌｍ２を得ることができる。また、安定した機械的性質を有する溶接金属を得ることができる。

また、基準電流値Ｉｗ２を決定するにあたり、まず、エレクトロスラグ溶接装置１００において、ある溶接ワイヤ６を用いて、ワイヤ送給速度Ｖｗを固定として溶接すると、ドライエクステンションＬｄは予め定めた長さに制御される。ここで何種類かの溶接電流Ｉｗを用いて溶接を行うと、それぞれ異なったウェットエクステンションＬｗ及び溶込み幅Ｌｍの溶接が行われる。このとき最適な溶込み幅Ｌｍ２が得られたときの溶接電流Ｉｗが、ワイヤ送給速度Ｖｗの基準電流値Ｉｗ２として決定される。

次に、ワイヤ送給速度Ｖｗを変更して、同様に最適な基準電流値Ｉｗ２を求める。これを繰り返して、基準電流値Ｉｗ２をワイヤ送給速度Ｖｗの関数として得ることができる。この関数（基準電流値Ｉｗ２とワイヤ送給速度Ｖｗとの関係を示す関数）を走行台車制御装置１７に記憶させておき、ワイヤ送給速度設定器の出力、あるいはワイヤ送給速度の検出値を用いて、基準電流値Ｉｗ２を設定するように制御すれば、ワイヤ送給速度Ｖｗに応じて基準電流値Ｉｗ２が設定される。ワイヤ送給速度Ｖｗを変更した場合には、変更後のワイヤ送給速度Ｖｗに合わせて自動的に基準電流値Ｉｗ２も変更される。そして、自動的に最適な溶込みの得られるウェットエクステンションＬｗ（または溶融スラグ浴７の深さＬｓ）で溶接することができる。

また、溶接ワイヤ６を変更して、上記手順を行うことで、各種溶接ワイヤ６についても、ワイヤ送給速度Ｖｗに応じた基準電流値Ｉｗ２を求めることができる。ここで、基準電流値Ｉｗ２は、例えば、溶接ワイヤ６の径、構造及び材質などの溶接ワイヤ６の種別ごとに、ワイヤ送給速度Ｖｗの関数で求められることとなる。付言すると、ワイヤ送給速度Ｖｗの関数は、溶接ワイヤ６の種別に応じて定められ、基準電流値Ｉｗ２は、溶接ワイヤ６の種別ごとの関数により求められる。

＜溶融スラグ浴検出器の構成＞
次に、溶融スラグ浴検出器１３の構成について詳細に説明する。図４は、溶融スラグ浴検出器１３の構成例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態に係る溶融スラグ浴検出器１３は、検出端子１８、差動増幅器１９、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１を有し、検出端子１８は導電性金属である銅からなり、一般には水冷されている。検出端子１８は、溶融スラグ浴７に接触すると溶接電圧の一部の電圧を検出する。

差動増幅器１９は、検出端子１８の電圧と、摺動式銅当て金２の電圧とを入力として、両電圧の差を出力する。摺動式銅当て金２は溶接母材３と接触しているので、摺動式銅当て金２の電圧は母材電圧である。

接触判定基準信号設定器２０は、検出端子１８が溶融スラグ浴７に接触したときに検出する電圧の半分程度の電圧を、基準信号として出力する。例えば、図５に溶融スラグ浴７表面の溶接電圧分布の一例を示すが、検出端子１８は通常６ボルト（電圧の単位：Ｖ）程度の溶接電圧を検出するので、例えば、基準信号としてはその半分の約３Ｖの電圧に設定される。検出端子１８が溶融スラグ浴７に接触していないときは、溶接電圧が検出端子１８にかからないので、検出端子１８の電圧は０Ｖである。

比較器２１は、差動増幅器１９の出力信号と接触判定基準信号設定器２０の基準信号とを入力として、差動増幅器１９の出力信号が接触判定基準信号設定器２０の基準信号より大きくなったとき、検出端子１８と溶融スラグ浴７とが接触したと判断した信号を作成する。作成された信号は、フラックス供給制御装置１５に送られ、フラックス供給装置１４によりフラックス１２の供給及び停止が行われ、溶融スラグ浴７の上面がコンタクトチップ５の先端から予め定めた長さに位置するように制御され、ドライエクステンションＬｄが予め定めた長さに保たれる。

また、図６−１〜図６−３は、溶接トーチ４を板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴７表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。まず、図６−２に示す溶接電圧分布は、溶接ワイヤ６が板厚中央にいるときのものであり、検出端子１８が検出する溶接電圧は６Ｖ程度である。そこで、板厚方向の溶込みを均一化するために溶接トーチ４を揺動させ、溶接トーチ４が銅当て金１の近傍にいるときは、摺動式銅当て金２の近傍に配置されている検出端子１８の検出する電圧は、図６−１に示すように、６Ｖの半分の３Ｖ程度に低下する。逆に、図６−３に示すように、溶接トーチ４が摺動式銅当て金２の近傍に来たときには、検出端子１８の検出する溶接電圧は、１２Ｖ程度と高くなる。

ここで、接触判定基準信号設定器２０の基準信号の電圧を１．５Ｖ程度に設定すれば、比較器２１は溶融スラグ浴７と検出端子１８とが接触していることを正しく判断できるが、基準信号の値が小さいため、溶接の状態あるいは外部ノイズ等で正しい判断ができない可能性もある。この誤検知を防止するため、溶融スラグ浴検出装置１３は、差動増幅器１９の後にフィルタ回路２２が設置され、フィルタ回路２２により処理をした溶接電圧をもとに溶融スラグ浴７を検出したか否かの判定を行うこととしても良い。図７は、図４に示す溶融スラグ浴検出装置１３にフィルタ回路２２を設けた構成例を示す図である。フィルタ回路２２は、溶接トーチ４の揺動周期程度、すなわち周期の１／２から２倍程度の時定数をもったフィルタ回路２２とすることが望ましい。

図８は、フィルタ回路２２がない場合の溶接電圧波形の一例を示す図であり、図９は、フィルタ回路２２を介した場合の溶接電圧波形の一例を示す図である。具体的には、図８に示す波形は、サンプリング周期２５０ｍｓのフィルタのない場合に検出された溶接電圧波形である。また、図９に示す波形は、２７データの移動平均、すなわち６．７５秒（６７５０ｍｓ）の区間の移動平均の溶接電圧波形である。ここで、縦軸の１目盛りは３．０００Ｖを示し、横軸の１目盛りは１秒（ｓｅｃ）を示している。また、図８及び図９に示す例では溶接トーチ４の揺動周期が８秒であるので、溶接電圧波形は溶接トーチ４の揺動周期と同等である。

これらの溶接電圧波形から明らかなように、フィルタがない場合には、溶接トーチ４が銅当て金１の近傍にあるときは、検出端子１８が検出する電圧は３Ｖ程度まで低下し、溶接トーチ４が摺動式銅当て金２の近傍にあるときは、１２Ｖ程度の検出電圧となる。また、検出された溶接電圧は大きな変動をもっている。これに対して、フィルタを介した溶接電圧波形は、９Ｖから１２Ｖの範囲に平均化されている。そのため、フィルタ回路２２を用いた場合には、接触判定の基準信号を３Ｖ〜６Ｖとすることができ、誤判定のリスクは大きく減少する。ここでは、揺動周期とほぼ同等な時定数を用いた例を示したが、揺動周期の１／２から２倍程度の時定数を用いたフィルタでも効果が確認された。

また、検出端子１８は、溶接トーチ４と連結させることとしても良い。図１０は、検出端子１８を溶接トーチ４に連結させた構成の一例を説明するための図である。図１０に示す例では、差動増幅器１９、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１、フィルタ回路２２の構成は、図７に示す構成と同様であるが、検出端子１８は溶接トーチ４と連結されている。そして、溶接トーチ４が揺動したときは、検出端子１８も溶接トーチ４とともに揺動するため、検出端子１８は、常に溶接ワイヤ６の近傍に位置する。このため、図６−１〜図６−３に示す溶接電圧分布を参照すると、検出端子１８が溶融スラグ浴７と接触したときには、２４Ｖ程度の溶接電圧を検出することができ、かつ溶接トーチ４の揺動にかかわらず、略一定の電圧を検出することができる。したがって、ノイズ等の影響を受けるリスクが減少する。

＜溶融スラグ浴検出器の他の構成例＞
次に、溶融スラグ浴検出器１３の他の構成例について説明する。図１１及び図１２は、溶融スラグ浴検出器１３の他の構成例を示す図である。図１１に示す例では、溶融スラグ浴検出器１３は、検出端子１８、直流電源２３、抵抗２４、差動増幅器１９、フィルタ回路２２、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１を有している。直流電源２３は、例えば１００Ｖ〜２００Ｖ程度の電源であり、この直流電源２３の出力は、抵抗２４を通して検出端子１８に接続される。ここで抵抗２４の値は、例えば２０ｋΩ〜５００ｋΩである。

検出端子１８が溶融スラグ浴７に接触していない場合には、電流が流れないので、ほぼ直流電源２３の電圧が検出端子１８に印加される。一方、検出端子１８が溶融スラグ浴７と接触すると、検出端子１８から溶融スラグ浴７を通して摺動式銅当て金２に電流が流れるので、直流電源２３の電圧が抵抗２４によりドロップして、検出端子１８の電圧は溶接電圧の一部、すなわち３Ｖ〜１２Ｖ程度まで低下する。この変化を差動増幅器１９、フィルタ回路２２、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１で判定して、溶融スラグ浴７を検出する。これらの動作については、前述の方法と同様であるので説明を省略する。この方法によれば、検出端子１８と溶融スラグ浴７とが接触していないときの検出端子１８の電圧は１００Ｖ〜２００Ｖであるのに対して、検出端子１８と溶融スラグ浴７とが接触しているときの検出端子１８の電圧は３Ｖ〜１２Ｖとなり、両電圧の差が大きいので、信頼性のある動作が期待される。

また、図１２に示す例では、溶融スラグ浴検出器１３は、フォトセンサーとして、溶融スラグ浴７の表面から放たれる光を受光する受光器２５と、受光器２５の光量があるレベルになったときを判定する受光判定器２６とを有する。光量の判定レベルはあらかじめ決められたものとし、受光器２５の角度等を調整して、ドライエクステンションＬｄが目標とする予め定めた長さとなるように調整する。また、この判定結果は、フラックス供給制御装置１５に送られ、ドライエクステンションＬｄが一定になるようにフラックス１２が供給される。

付言すると、受光判定器２６が受光器２５の光量があるレベルに達していると判定した場合、溶融スラグ浴７がコンタクトチップ５の先端から予め定めた長さの位置まで上昇してきたこととなる。この場合、ドライエクステンションＬｄは予め定めた長さ以下になるため、フラックス供給制御装置１５はフラックス１２の投入を停止するように制御する。一方、受光判定器２６が受光器２５の光量があるレベルに達していないと判定した場合、溶融スラグ浴７はコンタクトチップ５の先端から予め定めた長さの位置まで上昇していないこととなる。この場合、ドライエクステンションＬｄは予め定めた長さより大きい状態であり、フラックス供給制御装置１５はフラックス１２を投入するように制御する。

＜フラックス供給装置の構成＞
次に、フラックス供給装置１４の構成について詳細に説明する。図１３−１及び図１３−２は、フラックス供給装置１４の構成例を示す図である。図１３−１に示すように、本実施の形態に係るフラックス供給装置１４は、ソレノイド２７が矢印２８のように往復動することにより、回転軸２９を中心として、弁３０が矢印３１のように回転し、フラックス供給ノズル３２が開閉する。この動作により、フラックスホッパー３３のフラックス１２が溶融スラグ浴７に供給される。ここで、図１３−１は、フラックス供給ノズル３２が閉じている状態を示している。一方、図１３−２は、フラックス供給ノズル３２が開いている状態を示しており、フラックス供給ノズル３２が開くことにより、フラックスホッパー３３のフラックス１２がフラックス供給ノズル３２を介して溶融スラグ浴７に供給される。

＜フラックス供給装置の他の構成例＞
次に、フラックス供給装置１４の他の構成例について説明する。図１４は、フラックス供給装置１４の他の構成例を示す図である。図１４に示す例では、フラックス供給装置１４において、モータ３４によって駆動されるスクリュー３５の回転により、フラックスホッパー３３からフラックス１２が押し出され、図示していない経路を経て、溶融スラグ浴７へと供給される。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

実施例１
本実施例では、第１のワイヤを用いて実験を行った。詳細には、先願発明に記載された図１のエレクトロスラグ溶接装置を用い、母材として９％Ｎｉ鋼板（神戸製鋼所製）、および表１〜４の溶接材料を用いて下記の溶接条件にて表５−１および表５−２に示す溶接金属を作製した。下記表３−１および表３−２のワイヤＮｏ．１〜４５は、上記第１のエレクトロスラグ溶接用ワイヤに該当する。また、下記表５−１および表５−２の実験Ｎｏ．１〜４５は、上記第１の溶接継手における溶接金属に該当する。本実施例ではＲＥＭ添加に際し、１２〜１５％のＣｅ、４〜８％のＬａを含むＳｉ−ＲＥＭ−Ｃａ−Ｆｅ合金を用いた。

より詳細には溶接材料として、表１に記載の各フープに、表２−１または表２−２に記載の各フラックスが充填された表３−１または表３−２のフラックス入りワイヤ（残部は不可避的不純物。ワイヤ径１．６ｍｍ）、および表４の投入れフラックス（残部はＦｅＯ）を用いた。フラックス入りワイヤは全て、表面にＣｕめっきが施されていない。

表３−１または表３−２の各フラックス入りワイヤには、使用した表１のフープ番号と、表２−１または表２−２のフラックス番号と、フラックス入りワイヤ（フープ＋フラックス）全質量に対するフラックスの充填率を記載しており、これらに基づいて各フラックス入りワイヤの成分量が決定される。例えば表３−１のフラックス入りワイヤＮｏ．１のＣ量は、表１−１のフープＮｏ．Ａのフープ（Ｃ量＝０．００６％）と表２−１のフラックスＮｏ．１のフラックス（Ｃ量＝０．０１７％）を用いた例であり、フラックスの充填率は２５％であるため、下記の計算式により０．００９％となる。
表３−１のフラックス入りワイヤＮｏ．１のＣ量
＝（０．００６％×０．７５）＋（０．０１７％×０．２５）
≒０．００９％

また、表２−１および表２−２にはフラックス中に含まれるスラグ形成剤の含有率（％）を、表３−１および表３−２にはフラックス入りワイヤに対するスラグ形成剤の含有率（％）をそれぞれ示している。例えば表３−１のフラックス入りワイヤＮｏ．１は、表２−１のフラックスＮｏ．１のフラックス（フラックス中のスラグ形成剤は１２．７％）を用いた例であり、フラックスの充填率は２５％であるため、フラックス入りワイヤに対するスラグ形成剤の含有率は、１２．７％×０．２５≒３％となる。

また、図１５に示すように、銅当て金１（開先の裏側）及び摺動式銅当て金２（開先の表側）に囲まれた開先の幅は１０ｍｍであり、２０°Ｖ開先溶接を行った。なお、銅当て金１及び摺動式銅当て金２はいずれも、水冷されたものを用いた。

溶接方法：エレクトロスラグ溶接
溶接条件：
母材の板厚：３０ｍｍ
開先形状：図１５を参照
ワイヤ送給速度１５．４ｍ／ｍｉｎ
チップ母材距離を４５ｍｍ
スラグ浴深さ２５ｍｍで溶接を開始
ワイヤ：フラックス入りワイヤ（ＦＣＷ、表３−１および表３−２を参照）
ワイヤ径＝１．６ｍｍ
入熱条件：約１７ｋＪ／ｍｍ（溶接電流３４０〜３６０Ａ−溶接電圧４４Ｖ、溶接速度５．４ｃｍ／ｍｉｎ）
溶接姿勢：立向き１パス

このようにして得られた溶接金属の組成（残部は鉄および不可避的不純物）を表５−１および表５−２に示す。上記溶接金属について、強度、極低温靭性、ビード外観を評価した。

（強度）
溶接金属の中央部より、溶接線方向に平行にＪＩＳ Ｚ２２０２に記載の方法で引張り試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ２２４１に記載の方法で引張り試験を行った。本実施例では、引張り強度ＴＳ＞６００ＭＰａの溶接金属を合格とした。

（極低温靭性）
上記のようにして得られた溶接金属の板厚中央部より、溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ３１１１ ４号Ｖノッチ試験片）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に記載の方法で−１９６℃でのシャルピー衝撃試験を実施した。同様の試験を３回行い、その平均値を算出したとき、吸収エネルギーＩＶが４０Ｊ以上の溶接金属を極低温靭性に優れると評価した。

（ビード外観）
ビード外観は目視にて行い、下記基準で評価した。
合格：ビードの際が揃って直線性に優れているもの
不合格：ビードが大きく蛇行しているもの、またはアンダーカットが発生したもの

これらの結果を表５−１および表５−２に併記する。

表５−１および表５−２の結果より、以下のように考察することができる。

まず、表５−１または表５−２の実験Ｎｏ．１〜３１、４５は、本発明の要件を満足する表３−１または表３−２のワイヤＮｏ．１〜３１、４５のワイヤを用いた例であり、約１７ｋＪ／ｍｍの大入熱溶接を施したにもかかわらず、極低温靭性ＩＶおよび強度ＴＳの両方に優れた溶接金属が得られた。

更に表５−２の実験Ｎｏ．４１〜４４は、ワイヤ中に所定量のＲＥＭを添加した例であり、上記実験Ｎｏ．１〜３１に比べて溶接金属中の酸素含有量が一層低減されているため、強度が約６４５〜６９３ＭＰａと比較的高いにもかかわらず、同程度の強度を有する例に比べて極低温靭性が著しく向上した。

これらのうち、投入れフラックスとして本発明の組成を満足する表４のａ〜ｇを用いた表５−１または表５−２の実験Ｎｏ．１〜３、９〜３０、４１〜４５は、ビード外観も良好であった。

これに対し、表５−２の実験Ｎｏ．３２〜４０は、本発明の要件を満足しない表３−２のワイヤＮｏ．３２〜４０のワイヤを用いた例であり、以下の不具合を有している。

まず、表５−２の実験Ｎｏ．３２は、Ｍｎ量およびＣｒ量が多い表３−２のワイヤＮｏ．３２のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＭｎ量およびＣｒ量も多いため、極低温靭性が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３３は、Ｎｉ量が多くＣｒ量が少ない表３−２のワイヤＮｏ．３３のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＮｉ量が多くＣｒ量も少ないため、強度が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３４は、Ｎｉ量が少ない表３−２のワイヤＮｏ．３４のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＮｉ量も少ないため、極低温靭性が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３５は、Ａｌ量が多い表３−２のワイヤＮｏ．３５のワイヤを用いた例であり、極低温靭性が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３６は、Ｗ量が多い表３−２のワイヤＮｏ．３６のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＷ量も多いため、極低温靭性が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３７は、Ｍｏ量が多い表３−２のワイヤＮｏ．３７のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＭｏ量も多いため、極低温靭性が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３８は、Ｗ量が少なくＦｅ量が多い表３−２のワイヤＮｏ．３８のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＷ量が少なくＦｅ量が多いため、強度が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．３９は、Ｍｎ量が少ない表３−２のワイヤＮｏ．３９のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＭｎ量が少なため、強度が低下した。

表５−２の実験Ｎｏ．４０は、Ｓｉ量およびＮｂ量が多い表３−２のワイヤＮｏ．４０のワイヤを用いた例であり、溶接金属中のＳｉ量およびＮｂ量も多いため、極低温靭性が低下した。

実施例２
本実施例では、第２のワイヤを用いて前述した実施例１と同様にして実験を行なった。詳細には、上記実施例１と同様に、表１、表４、表６、表７の溶接材料を用いて下記の溶接条件にて表８に示す溶接金属を作製した。下記表７のワイヤＮｏ．４６〜５１は、上記第２のエレクトロスラグ溶接用ワイヤに該当する。また、下記表８の実験Ｎｏ．４６〜５１は、上記第２の溶接継手における溶接金属に該当する。本実施例においてもＲＥＭ添加に際し、１２〜１５％のＣｅ、４〜８％のＬａを含むＳｉ−ＲＥＭ−Ｃａ−Ｆｅ合金を用いた。

より詳細には溶接材料として、表１に記載の各フープに、表６に記載の各フラックスが充填された表７のフラックス入りワイヤ（残部は不可避的不純物。ワイヤ径１．６ｍｍ）、および表４の投入れフラックス（残部はＦｅＯ）を用いた。フラックス入りワイヤは全て、表面にＣｕめっきが施されていない。

溶接は、上記実施例１と同じ条件で行った。得られた溶接金属の組成（残部は鉄および不可避的不純物）を表８に示す。上記溶接金属について、上記実施例１と同様、強度、極低温靭性、ビード外観を評価した。また、実施例２においては、更に溶接金属中の金属間化合物の個数密度を測定した。

（金属間化合物の個数密度）
前述した方法で金属間化合物の個数密度を求めた。具体的には、日本電子株式会社製の電界放出型走査電子顕微鏡「ＪＳＭ−７００１Ｆ（ＦＥ−ＳＥＭ）」を用い、加速電圧：１５ｋＶ、観察倍率：１５００倍の条件で反射電子像を各試料につき４視野撮影した。白色または灰色のコントラストで示される金属間化合物の個数を測定し、４視野の合計面積＝０．０１８５ｍｍ²で除することで、金属間化合物の個数密度を算出した。

これらの結果を表８に併記する。

表８から以下のように考察できる。

表８の実験Ｎｏ．４６〜５１は、本発明の要件を満足する表７のワイヤＮｏ．４６〜５１のワイヤを用いた例であり、溶接金属中の金属間化合物が３５００個／ｍｍ²以下に抑えられている。そのため、第１のワイヤを用いた前記実施例１に比べて、引張り強度ＴＳが７００ＭＰａ超、吸収エネルギーＩＶが６０Ｊ以上と、強度および極低温靭性の両方が向上した。

これに対し、前述した実施例１においてＮｂ量が０．５０％を超える第１のワイヤを用いて得られた溶接金属の一部（表５−１の実験Ｎｏ．１、２、５）について金属間化合物の個数密度を測定したところ、いずれも溶接金属に含まれるＮｂ量が０．３０％を超えているため、金属間化合物の個数密度はそれぞれ、９３５１個／ｍｍ²（実験Ｎｏ．１）、８２７０個／ｍｍ²（実験Ｎｏ．２）、３５６８個／ｍｍ²（実験Ｎｏ．５）と多くなり、前記実験Ｎｏ．４６〜５１並の高い極低温靭性は得られなかった。

１ 銅当て金
２ 摺動式銅当て金
３ 溶接母材
４ 溶接トーチ
５ コンタクトチップ
６ 溶接ワイヤ
７ 溶融スラグ浴
８ 溶接電流
９ 溶融金属
１０ 溶接金属
１１ 固化スラグ
１２ フラックス（投入れフラックス）
１３ 溶融スラグ浴検出器
１４ フラックス供給装置
１５ フラックス供給制御装置
１６ 走行台車
１７ 走行台車制御装置
１８ 検出端子
１９ 差動増幅器
２０ 接触判定基準信号設定器
２１ 比較器
２２ フィルタ回路
２３ 直流電源
２４ 抵抗
２５ 受光器
２６ 受光判定器
２７ ソレノイド
２８ 矢印
２９ 回転軸
３０ 弁
３１ 矢印
３２ フラックス供給ノズル
３３ フラックスホッパー
３４ モータ
３５ スクリュー
１００ エレクトロスラグ溶接装置

Claims (20)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０％以上、０．３００％以下、
   Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、
   Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下、
   Ｎｉ：４９．０％以上、７０％以下、
   Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下、
   Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下、
   Ａｌ：０％以上、０．１３％以下、
   Ｗ ：１．０％以上、１４．０％以下、
   Ｆｅ：０％以上、６．０％以下、
   Ｍｇ：０％以上、１％以下、
   Ｎｂ：０％以上、４．０％以下、
   Ｎ ：０％以上、０．２％以下、および
   Ｚｒ：０％以上、０．０５％以下
   を含有することを特徴とするエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
2. 更に、質量％で
   希土類元素：０％超、１．０％以下を含有する請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
3. 前記ワイヤにＣｕめっきが施されたものである請求項１または２に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
4. 前記ワイヤは、ソリッドワイヤまたはメタル系フラックス入りワイヤである請求項１〜３のいずれかに記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
5. 前記ワイヤはスラグ系フラックス入りワイヤである請求項１〜３のいずれかに記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
6. 前記フラックス中に、前記スラグ系フラックス入りワイヤ全質量に対し、スラグ形成剤を０％超、２０％以下含む請求項５に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
7. 立向き１パスでのエレクトロスラグ溶接に用いられるものである請求項１〜６のいずれかに記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
8. 質量％で、
   Ｃ ：０％以上、０．３００％以下、
   Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、
   Ｍｎ：１．２０％以上、４．２％以下、
   Ｎｉ：４９．０％以上、７０％以下、
   Ｃｒ：９％以上、１８．５％以下、
   Ｍｏ：０％以上、２４．０％以下、
   Ａｌ：０％以上、０．１３％以下、
   Ｗ ：４．６％以上、１４．０％以下、
   Ｆｅ：０％以上、６．０％以下、
   Ｍｇ：０％以上、１％以下、
   Ｎｂ：０％以上、０．５０％以下、
   Ｎ ：０％以上、０．２％以下、
   Ｚｒ：０％以上、０．０５％以下、および
   希土類元素：０％超、１．０％以下
   を含有することを特徴とするエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
9. 前記ワイヤにＣｕめっきが施されたものである請求項８に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
10. 前記ワイヤは、ソリッドワイヤまたはメタル系フラックス入りワイヤである請求項８または９に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
11. 前記ワイヤは、スラグ系フラックス入りワイヤである請求項８または９に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
12. 前記フラックス中に、前記スラグ系フラックス入りワイヤ全質量に対し、スラグ形成剤を０％超、２０％以下含む請求項１１に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
13. 立向き１パスでのエレクトロスラグ溶接に用いられるものである請求項８〜１２のいずれかに記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ。
14. 請求項１〜７のいずれかに記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤと共にエレクトロスラグ溶接に用いられる投入れフラックスであって、
    前記投入れフラックスは、質量％で、
    ＳｉＯ₂：１５％以上、５０％以下、
    ＣａＯ：１０％以上、４０％以下、
    ＣａＦ₂：５％以上、１５％以下、
    ＭｇＯ：０％以上、１２％以下、
    Ａｌ₂Ｏ₃：０％以上、１４％以下、
    ＭｎＯ：０％以上、２５％以下、
    ＴｉＯ₂：０％以上、１０％以下、および
    ＺｒＯ₂：０％以上、１０％以下
    を含有することを特徴とするエレクトロスラグ溶接用投入れフラックス。
15. 請求項８〜１３のいずれかに記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤと共にエレクトロスラグ溶接に用いられる投入れフラックスであって、
    前記投入れフラックスは、質量％で、
    ＳｉＯ₂：１５％以上、５０％以下、
    ＣａＯ：１０％以上、４０％以下、
    ＣａＦ₂：５％以上、１５％以下、
    ＭｇＯ：０％以上、１２％以下、
    Ａｌ₂Ｏ₃：０％以上、１４％以下、
    ＭｎＯ：０％以上、２５％以下、
    ＴｉＯ₂：０％以上、１０％以下、および
    ＺｒＯ₂：０％以上、１０％以下
    を含有することを特徴とするエレクトロスラグ溶接用投入れフラックス。
16. 請求項５または６に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、および請求項１４に記載のエレクトロスラグ溶接用投入れフラックスを用い、エレクトロスラグ溶接により作製される溶接継手であって、
    溶接金属は、質量％で、
    Ｃ ：０％以上、０．２６０％以下、
    Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、
    Ｍｎ：１．０％以上、４．００％以下、
    Ｎｉ：４０．０％以上、７０．０％以下、
    Ｃｒ：７％以上、１５．０％以下、
    Ｍｏ：０％以上、２０．０％以下、
    Ｗ ：０．５０％以上、１３．０％以下、
    Ｆｅ：０％以上、３２％以下、
    Ｎｂ：０％以上、２．５％以下、
    Ｎ ：０．０１％以上、０．１１％以下、および
    Ｏ ：０％以上、０．０５５％以下
    を含有することを特徴とする溶接継手。
17. 前記溶接金属は、質量％で、Ｏ：０％以上、０．０２５％以下を含有する請求項１６に記載の溶接継手。
18. 母材として、質量％で５％以上、１０％以下のＮｉを含有する鋼板を用いるものである請求項１６または１７に記載の溶接継手。
19. 請求項１１または１２に記載のエレクトロスラグ溶接用ワイヤ、および請求項１５に記載のエレクトロスラグ溶接用投入れフラックスを用い、エレクトロスラグ溶接により作製される溶接継手であって、
    前記溶接金属は、質量％で、
    Ｃ ：０％以上、０．２６０％以下、
    Ｓｉ：０％以上、３．０％以下、
    Ｍｎ：１．０％以上、４．００％以下、
    Ｎｉ：４０．０％以上、７０．０％以下、
    Ｃｒ：７％以上、１５．０％以下、
    Ｍｏ：０％以上、２０．０％以下、
    Ｗ ：４．５０％以上、１３．０％以下、
    Ｆｅ：０％以上、３２％以下、
    Ｎｂ：０％以上、０．３０％以下、
    Ｎ ：０．０１％以上、０．１１％以下、および
    Ｏ ：０％以上、０．０２５％以下
    を含有し、
    溶接金属中の金属間化合物が３５００個／ｍｍ²以下であることを特徴とする溶接継手。
20. 母材として、質量％で５％以上、１０％以下のＮｉを含有する鋼板を用いるものである請求項１９に記載の溶接継手。

Images