JP2017502842A - 極低温衝撃靭性に優れた高強度溶接継手部及びこのためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ - Google Patents

極低温衝撃靭性に優れた高強度溶接継手部及びこのためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ Download PDF

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Abstract

【課題】極低温衝撃靭性に優れた高強度溶接継手部及びこのためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤが提供される。【解決手段】本発明は、極低温用高強度高Ｍｎ鋼を溶接して得られる溶接継手部であって、上記溶接継手部は重量％でＣ：０．１〜０．６１％、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：１４〜３５％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．４５〜３．５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．００１〜０．３％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含む極低温靭性に優れた高強度溶接継手部と、重量％でＣ：０．１５〜０．８％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：１５〜３４％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．３％、ＴｉＯ２：４〜１５％、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうち１種以上：０．０１〜９％、Ｋ、Ｎａ及びＬｉなどのアルカリ系元素のうち１種以上：０．５〜１．７％、ＦとＣａのうち１種以上：０．２〜１．５％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含むフラックスコアードアーク溶接用ワイヤに関する。【選択図】なし

Description

本発明は、極低温衝撃靭性に優れた高強度溶接継手部及びこのためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤに係り、より詳しくは、極低温環境でも靭性に優れたオーステナイト相に維持され、溶接時に高温割れが防止され、優れた低温衝撃靭性及び常温降伏強度を有する溶接継手部及びこれを提供するためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤに関する。
近年、液化天然ガス（以下、ＬＮＧと記す）に対する需要が爆発的に増加するにつれて、極低温ＬＮＧの輸送・保管のための輸送設備と貯蔵タンクに対する需要が爆発的に増えている。ＬＮＧを輸送したり貯蔵したりするタンクは、必然的にＬＮＧ温度である−１６２℃以下の温度で衝撃に十分に耐えられる構造を有しなければならない。このために、極低温における衝撃靭性が高い素材として代表的に用いられるものがＡｌ、９％Ｎｉ鋼、ステンレススチール（以下「ＳＴＳ」と記す）である。
しかしながら、Ａｌの場合は、引張強度が低いため、厚板を用いなければならず、溶接性がよくないという問題がある。また、９％Ｎｉ鋼の場合は、溶接材料（Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５素材：Ｎｉ ５０重量％以上、Ｃｒ ２０重量％以上含有）が高価であり、溶接部の降伏強度が低いという問題があり、ＳＴＳの場合は、価格が高く、熱変形率が低く、極低温を保障することができないなどの問題がある。
従って、オーステナイト安定化元素としてＮｉに比べて安価でありながらも溶接性を確保することができる極低温用高Ｍｎ系溶接継手部の開発が求められている。
上記のように、極低温領域である−１９６℃以下で溶接構造物の安定性を確保するためには、２７Ｊ以上の衝撃靭性を示す溶接継手部の確保が必須である。しかしながら、従来の研究では、常温降伏強度が３６０ＭＰａ級であったが、現在では、高Ｍｎ鋼材の常温降伏強度が５００〜８００ＭＰａ級であり、３６０ＭＰａの溶接材料を適用するには溶接継手部の強度が低いという問題が発生する。このような構造体の場合、溶接継手部の強度が低いことから溶接継手部を中心に設計を行うようになるため、鋼板の厚さも厚くなるという問題がある。
従って、これを解決するためには、常温降伏強度が４００ＭＰａ以上を示す溶接材料が必要である。これを解決するための手段として、従来は、Ｎｉ及びＣｒ含量が高い素材（Ｎｉ ５０重量％以上、Ｃｒ ２０重量％以上含有）を用いて確保しているが、合金含量及び価格的な面で低い水準を示す溶接材料や溶接継手部が存在しないという問題点がある。
従って、本発明は、極低温環境でも靭性に優れたオーステナイト相に維持されると共に、溶接時に高温割れが防止され、優れた低温衝撃靭性と常温降伏強度とを有する、サブマージド、フラックスコアード、ガスメタルアーク溶接から得られる溶接継手部を提供することをその目的とする。
また、本発明は、上記溶接継手部を提供するフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを提供することをその目的とする。
しかしながら、本発明が解決しようとする課題は上述の課題に制限されず、上述していない他の課題は以下の記載から当業者に明確に理解されることができる。
上記目的を達成するために、本発明は、極低温用高強度高Ｍｎ鋼を溶接して得られる溶接継手部であって、上記溶接継手部は重量％でＣ：０．１〜０．６１％、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：１４〜３５％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．４５〜３．５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．００１〜０．３％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含む極低温靭性に優れた高強度溶接継手部を提供する。
また、本発明では、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちから選択された１種以上を合計で５重量％以下の範囲で更に含むことが好ましい。
また、Ｙ及び／又はＲＥＭを０．１重量％以下の範囲で更に含むことが好ましい。
また、Ｎｉを１０重量％以下の範囲で更に含むことが好ましい。
また、上記高Ｍｎ鋼は、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とする高Ｍｎ鋼であり得る。
また、本発明は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．８％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：１５〜３４％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０９〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．３％、ＴｉＯ２：４〜１５％、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうちから選択された１種以上の合計：０．０１〜９％、Ｋ、Ｎａ及びＬｉのうちから選択された１種以上の合計：０．５〜１．７％、ＦとＣａのうち１種以上：０．２〜１．５％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含む高強度と極低温衝撃靭性に優れたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを提供する。
また、本発明では、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちから選択された１種以上を合計で５重量％以下の範囲で添加することが好ましい。
また、Ｙ及び／又はＲＥＭを１重量％以下の範囲で更に添加することが好ましい。
また、Ｎｉを１０重量％以下の範囲で更に添加することが好ましい。
上記のような組成を有する本発明の溶接継手部は、極低温環境でも靭性に優れたオーステナイト相に維持されると共に、溶接時に高温割れが防止され、優れた低温衝撃靭性と常温降伏強度を有するため、ＬＮＧタンクなどの極低温用容器などの溶接に効果的に適用されることができる。
また、上記のような組成を有する本発明のフラックスコアード溶接用ワイヤは、上述の低温靭性及び常温降伏強度を有する溶接継手部が効果的に得られるため、極低温領域である−１９６℃以下で優れた衝撃靭性を有する溶接構造物の確保を可能にする。
以下、多様な実施例を挙げて本発明による技術構成をより詳細に説明する。
まず、本発明の極低温靭性に優れた溶接継手部を説明する。
本発明は、極低温用高強度高Ｍｎ鋼を溶接して得られる溶接継手部であって、上記溶接継手部は、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６１％、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：１４〜３５％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．４５〜３．５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．００１〜０．３％、残部のＦｅ及びその他の不可避な不純物から成る。以下では、各合金元素の特性及び組成範囲の臨界的意義について簡単に説明する。
炭素（Ｃ）：０．１〜０．６１重量％
炭素は、溶接継手部の強度を確保し、且つ溶接継手部の極低温衝撃靭性を確保することができるオーステナイト安定化元素であって、現存する最も強力な元素であり、本発明では必須の元素である。炭素含量の下限は０．１重量％であってもよい。しかしながら、炭素の含量が０．６１重量％を超えると、溶接時に二酸化炭素ガスなどが発生し、溶接継手部に欠陥を誘発する可能性があり、マンガン、クロムなどの合金元素と結合してＭＣ、Ｍ２３Ｃ６などのカーバイドを生成し、低温で衝撃靭性が低下するという問題点がある。従って、炭素の含量は０．１〜０．６１重量％に制限することが好ましい。
シリコン（Ｓｉ）：０．２３〜１．０重量％
シリコンは、溶接継手部内の脱酸効果及び溶接ビードの広がり性のために添加する元素である。シリコンの含量が不十分（０．２３重量％未満）であると、溶接継手部の流動性を低下させる可能性があり、シリコンの含量が１．０重量％を超える場合には、溶接継手部内の偏析などを誘発して低温衝撃靭性を低下させ、溶接割れ抵抗性に悪影響を及ぼすという問題点がある。従って、本発明では、上記シリコンの含量を０．２３〜１．０重量％に制限することが好ましい。
マンガン（Ｍｎ）：１４〜３５重量％
マンガンは、低温安定相であるオーステナイトを生成させるための主要な元素であり、本発明において必ず添加しなければならない元素であり、ニッケルに比べて非常に安価な元素である。マンガンの含量が１４重量％未満の場合には、十分なオーステナイトが生成されず、極低温で靭性が非常に低くなる。これに対し、マンガンの含量が３５重量％を超える場合には、偏析が過剰に発生し、高温割れが誘発され、有害なヒューム（Ｆｕｍｅ）が発生する可能性がある。従って、マンガンの含量は１４〜３５重量％の範囲に制限することが好ましい。
クロム（Ｃｒ）：６重量％以下
クロムはフェライト安定化元素であり、一定含量のクロムによってオーステナイト安定化元素の含量を低くすることができるという長所がある。しかしながら、添加しなくても、既存のＣとＭｎとの含量が高い場合には基地をオーステナイトに維持することができるため、Ｃｒの含量の下限は０％とする。これに対し、クロムの含量が６重量％を超える場合には、クロム系炭化物が過剰に生成され、極低温靭性が低くなるという問題点がある。従って、クロムの含量は６重量％以下に制限することが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）：１．４５〜３．５重量％
モリブデンは、基地の強度を向上させることができる元素であり、含量が１．４５重量％を超える合金を用いた場合には、引張強度を４００ＭＰａ以上にすることができる。また、オーステナイト系溶接材料で施工した時に固液共存区間を狭めて高温Ｃｒａｃｋの発生を抑制する役割をすることができる。但し、モリブデンの含量が３．５重量％を超える場合には、モリブデン炭化物が過度に生成され、極低温靭性を低下させるという短所がある。従って、モリブデンの含量は１．４５〜３．５重量％に限定することが好ましい。
硫黄（Ｓ）：０．０２重量％以下
硫黄は、ＭｎＳ複合析出物を析出させる元素であるが、その含量が０．０２重量％を超える場合には、ＦｅＳなどの低融点化合物を形成させて高温割れを誘発する可能性があるため好ましくない。従って、硫黄の含量は０．０２重量％以下に制限することが好ましい。
リン（Ｐ）：０．０２重量％以下
リンは、低温靭性に影響を及ぼす元素であり、結晶粒界に脆化したリン化合物を生成させるため、その上限を０．０２重量％とすることが好ましい。
ホウ素（Ｂ）：０．００１〜０．０１重量％
ホウ素は、結晶粒界に偏析する特性を示す。偏析したホウ素は、結晶粒界の強度を向上させる役割をし、これにより、強度を向上させる効果を示すことができる。このような効果は、ホウ素が０．００１重量％のみ添加されても十分に示されている。しかしながら、０．０１重量％以上添加される場合には、強度向上の効果は大きいが、低温靭性を低下させる原因として作用する。従って、本発明では、上記ホウ素の含量を０．００１〜０．０１重量％に制限することが好ましい。
チタン（Ｔｉ）：０．００１〜０．２重量％
チタンは、酸化物又は窒化物の形で結晶粒内に存在し、高温で凝固する時に核生成サイトとして作用し、オーステナイトの結晶粒を小さくする役割をする。また、これらの酸化物及び窒化物（又は炭窒化物）は、組織内で強度を向上させる役割をする。チタンは０．００１％添加されてもその強度向上の効果が示されるため、本発明では、上記チタンの含量の下限を０．００１重量％とする。しかしながら、チタンが０．２重量％を超える場合には、強度向上の効果は大きいが、衝撃靭性を低下させ、低温靭性を低下させる原因として作用する可能性がある。これを考慮して、本発明では、上記チタンの含量を０．００１〜０．２重量％の範囲に制限することが好ましい。
窒素（Ｎ）：０．００１〜０．３重量％
窒素は、炭素と同一の特性を示す元素であって、チタンと共に窒化物を作る元素である。０．００１重量％添加されてもチタンと共に強度を向上させることができるため、０．００１重量％以上含まれることが好ましい。これに対し、窒素の含量が０．３重量％を超える場合には、溶接継手部内に気孔が発生しやすく、またチタンと共に窒化物の生成量を増加させることによって極低温衝撃靭性を低下させるため、上限を０．３重量％とすることが好ましい。
なお、上述の合金成分範囲は本発明の溶接継手部に好適に適用されることができる基本成分系であり、従って、後述の合金元素の添加によって溶接継手部により優れた物性を更に付与することができる。
タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）のうちから選択された１種以上の合計：５重量％以下
タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）又はバナジウム（Ｖ）は、常温強度を増加させる元素であり、本発明で選択的に含有させることができる成分である。これらの元素は溶接継手部内に炭素と結合して炭化物（又は炭窒化物）を生成し、この生成相によって常温引張強度が向上するという効果を発揮する。しかしながら、その含量が５重量％を超える場合には、クラックが発生しやすく、また、極低温衝撃靭性を低下させる原因として作用する。従って、本発明では、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）のうち１種以上の合計を５重量％以下に制限することがより好ましい。
イットリウム（Ｙ）及び／又は希土類金属（ＲＥＭ）：０．１重量％以下
イットリウム（Ｙ）及び／又は希土類金属（ＲＥＭ）は、本発明で選択的に含有される元素であり、高温で酸化物を生成し、これによって高温で凝固時に核生成サイトとして作用し、オーステナイトの結晶粒を小さくする役割をする。これにより、強度を向上させる役割をする。しかしながら、０．１重量％を超えると、溶接時に継手部に欠陥などを発生させる原因となるため、その含量を０．１重量％以下に制御する必要がある。従って、本発明では、イットリウム（Ｙ）及び／又は希土類金属（ＲＥＭ）を０．１重量％以下含有することがより好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）：１０％以下
ニッケルは、本発明で選択的に含有される元素であり、オーステナイト安定化元素として添加される成分である。ニッケルを添加すると、低温衝撃靭性が非常に高速で増加するが、これは、溶接継手部内のＳｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ Ｅｎｅｒｇｙを高める役割をするためである。これにより、低温衝撃靭性が増加する。しかしながら、ニッケルは、強度を低下させるだけでなく溶接材料の価格も増加させる元素であるため、１０重量％以下に制限することがより好ましい。
上記組成の他、残りはＦｅ及び不可避不純物を含む。但し、これにより他の組成の添加を排除するものではない。
なお、本発明の溶接継手部は、極低温で高強度と低温靭性とが求められる多様な高Ｍｎ鋼に適用することができ、特定の溶接母材の組成に制限されない。好ましい例として、上記高Ｍｎ鋼は、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とするものである。
次に、本発明の高強度と極低温衝撃靭性に優れたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを詳細に説明する。
本発明のフラックスコアードアーク溶接用ワイヤは、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．８％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：１５．０〜３４．０％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０９〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．３％、ＴｉＯ２：４〜１５％、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうちから選択された１種以上の合計：０．０１〜９％、Ｋ、Ｎａ及びＬｉのうちから選択された１種以上の合計：０．５〜１．７％、ＦとＣａのうち１種以上：０．２〜１．５％、残部はＦｅ及びその他の不可避不純物を含む。以下では、各合金元素の特性及び組成範囲の臨界的意義について簡単に説明する。
炭素（Ｃ）：０．１５〜０．８重量％
炭素は、溶接継手部の強度を確保し、溶接継手部の極低温衝撃靭性を確保することができるオーステナイト安定化元素であって現存する最も強力な元素であり、本発明では必須の元素である。炭素含量が低い場合には全てのオーステナイトが安定化しないため、適正量の炭素を維持する必要があり、下限を０．１５重量％とした。炭素の含量が０．８重量％を超える場合には、溶接時に二酸化炭素ガスなどが発生し、溶接継手部に欠陥を誘発する可能性があり、マンガン、クロムなどの合金元素と結合してＭＣ、Ｍ２３Ｃ６などの炭化物を生成し、低温で衝撃靭性が低下するという問題点がある。従って、本発明では、上記炭素の含量を０．１５〜０．８重量％に制限することが好ましい。
ケイ素（Ｓｉ）：０．２〜１．２重量％
ケイ素の含量が０．２重量％未満の場合には、溶接継手部内の脱酸効果が不十分であり、溶接継手部の流動性を低下させる可能性がある。これに対し、シリコンの含量が１．２重量％を超える場合には、溶接継手部内の偏析などを誘発して低温衝撃靭性を低下させ、溶接割れ感受性に悪影響を及ぼすという問題点がある。従って、本発明では、上記ケイ素の含量を０．２〜１．２重量％に制限することが好ましい。
マンガン（Ｍｎ）：１５．０〜３４．０重量％
マンガンは、加工硬度を高めると共に低温安定相であるオーステナイトを生成させる主要な元素であり、本発明のワイヤに必ず含まれなければならない成分である。また、Ｃと共に炭化物生成元素として作用すると共に、ニッケルと同様にオーステナイト安定化元素としての役割をする。
マンガンの含量が１５．０重量％未満の場合には、十分なオーステナイトが生成されず、低温衝撃靭性が低下するという問題があるのに対し、マンガンの含量が３４．０重量％を超える場合には、溶接時に多量のヒューム（Ｆｕｍｅ）が発生するため、その含量を１５．０〜３４．０重量％の範囲に制限することが好ましい。
クロム（Ｃｒ）：６．０重量％以下
クロムはフェライト安定化元素であり、クロムを添加することによりオーステナイト安定化元素の含量を低くすることができるという長所がある。また、クロムは、ＭＣ、Ｍ２３Ｃ６のような炭化物の生成に核心的な成分として作用する。即ち、一定量のクロムが添加されると、より高い水準の析出硬化度が得られるだけでなく、オーステナイト安定化元素の含量を低くしてもよいため、一定量のクロム成分が添加されることが好ましいが、必ず添加される必要はない。また、クロムは、強力な耐酸化防止元素であり、外部の酸化雰囲気に対応する耐酸化度を高めるという長所がある。
これに対し、クロムの含量が６．０重量％を超える場合には、価格が上昇するという問題点が発生すると共に、析出相によって極低温衝撃靭性が急激に低下する。従って、クロムの含量は、６．０重量％以下に制限することが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）：１．５〜４．０重量％
モリブデンは溶接継手部の強度を向上させることができる元素であり、本発明では、溶接材料内に１．５重量％以上のＭｏを入れた場合には溶接継手部の引張強度が４００ＭＰａ以上を示している。また、オーステナイト系溶接材料で施工時に固液共存区間を狭めて高温クラックの発生を抑制する役割をすることができる。但し、モリブデンの含量が４．０重量％を超える場合には、モリブデン炭化物が溶接継手部内に過度に生成し、極低温靭性を低下させるという短所がある。従って、モリブデンの含量は１．５〜４．０重量％に限定することが好ましい。
リン（Ｐ）：０．０２重量％以下
リンは、溶接時に高温割れ（Ｃｒａｃｋ）を助長する不純物元素であるため、できるだけ低くすることが好ましい。従って、高温における割れの防止のためにその含量を０．０２％以下とすることが好ましい。
硫黄（Ｓ）：０．０２重量％以下
硫黄は、リンと共に溶接時に高温割れ（Ｃｒａｃｋ）を助長する不純物元素であるため、できるだけ低くすることが好ましい。その含量が０．０２重量％を超えると、ＦｅＳなどの低融点化合物を形成させて高温割れを誘発する可能性があるため好ましくない。従って、高温における割れの防止のために硫黄の含量は０．０２重量％以下とすることが好ましい。
ホウ素（Ｂ）：０．０１重量％以下
ホウ素は、溶接継手部内の結晶粒界に偏析する特性を示す。偏析したホウ素は、結晶粒界の強度を向上させる役割をし、これにより、強度を向上させる効果を示す。ホウ素は０．００１％添加されても十分な効果を示している。しかしながら、その含量が０．０１％を超えると、溶接継手部内における強度向上の効果は大きいが、低温靭性を低下させる原因として作用するため、その上限を０．０１重量％に制限することが好ましい。
チタン（Ｔｉ）：０．０９〜０．５重量％
チタンは、溶接時にアーク安定性及び酸化剤として作用し、溶接継手部の清浄度を増加させる元素である。他方では、溶接完了後に溶接継手部内に回収されたチタンは、酸化物及び窒化物（又は炭窒化物）を生成させて溶接継手部の強度を向上させる元素であるため、その含量を０．０９％以上とすることが好ましい。しかしながら、チタンが溶接後に溶接継手部内に多量に含有された場合には衝撃靭性を低下させるが、その含量が０．５重量％を超えると、強度向上の効果は大きいが、低温靭性を低下させる原因として作用するため、その上限を０．５重量％に限定することが好ましい。
窒素（Ｎ）：０．００１〜０．３重量％
窒素は、添加時に耐食性を向上させると共にオーステナイトを安定化させる成分であり、炭素とほぼ類似した物性を有する元素である。従って、上記窒素成分は炭素の成分をそのまま代替することができ、その効果は少量を添加する場合にも示されることが確認できる。しかしながら、その含量が０．３を超える場合には、衝撃靭性が大きく低下するため、本発明では、その含量を０．００１〜０．３重量％の範囲に制限することが好ましい。
ＴｉＯ２（二酸化チタン）：４〜１５重量％
ＴｉＯ２は、スラグ形成剤として全姿勢溶接が可能であるように液状の溶接継手部が凝固する前に凝固し、液状の溶接継手部が流れ落ちることを抑制する役割をする。このような効果を示すためには、本発明では４重量％以上添加することが好ましい。しかしながら、その含量が１５重量％を超える場合には、溶接継手部内の酸化物の含量が急激に増加し、極低温衝撃靭性が低下するという短所がある。従って、本発明では、ＴｉＯ２の含量を４〜１５重量％に制限することが好ましい。
ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうちから選択された１種以上の合計：０．０１〜９．０重量％
ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうち１種以上の合計が０．０１重量％未満の場合には、スラグの塗布及び剥離性とアーク安定性が劣悪になり、全姿勢作業性と溶接ビードの形成が劣悪になる。これに対し、９．０重量％を超えると、溶融スラグの量が急速に増大し、スラグの粘性も増大し、全姿勢溶接性とビード形状が劣悪になる。また、シリコン、アルミニウムなどが溶着金属に移行することが増加するようになり、衝撃靭性が低下する。
これを考慮して、本発明では、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうち１種以上の含量の合計を０．０１〜９．０重量％に制限することが好ましい。
カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）のうちから選択された１種以上の合計：０．５〜１．７重量％
上記アルカリ金属は、溶接中にアークのイオン化ポテンシャルを低下させてアークの発生を容易にし、溶接中に安定したアークを維持させることができる。上記アルカリ金属を０．５重量％以上添加した場合にこのような効果を明らかに示すことができる。しかしながら、その含量が１．７重量％を超えると、高い蒸気圧によって溶接ヒューム（Ｆｕｍｅ）が過多に発生する可能性がある。ここで、アルカリ金属としてはカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）系アルカリ金属のうちの１種又は２種以上が含まれることができ、本発明において上記アルカリ金属の添加効果はそれぞれの含量比とは関係がない。
フッ素（Ｆ）及び／又はカルシウム（Ｃａ）：０．２〜１．５重量％
本発明の溶接ワイヤはアルカリ金属系及びアルカリ土類金属系フッ素化合物のうちフッ素（Ｆ）及び／又はカルシウム（Ｃａ）を更に含む場合に本発明の効果をより向上させることができる。上記フッ素化合物は、溶接ワイヤの内部に０．２重量％以上添加されることにより高温のアークでフッ素をアーク中に発生させ、溶接中に水素と反応して脱水素反応を起こすため、拡散性水素を効果的に低減させるが、１．５重量％を超えると、高い蒸気圧の特性によって溶接ヒューム（Ｆｕｍｅ）が過多に発生し、ＴｉＯ２が主なスラグ成分であるルチル系で溶融池のスラグ粘度を過度に減少させ、不安定化したビードを形成するようになる。従って、その含量を０．２〜１．５重量％に制限することが好ましい。
一方、上述の合金成分範囲は本発明の溶接用ワイヤに好適に適用されることができる基本成分系であり、従って、後述の合金元素の添加によって溶接材料により優れた物性を更に付与することができる。
Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちから選択された１種以上の合計：５重量％以下
タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）及びバナジウム（Ｖ）は常温強度を増加させる元素である。これらの元素は、溶接継手部内に炭素と結合して炭化物（又は炭窒化物）を生成させ、この生成相によって常温引張強度が向上するという効果を発揮する。しかしながら、これらの合計が５％を超えると、クラックが発生しやすく、また、極低温衝撃靭性を低下させる原因として作用する。従って、本願発明では、これらの添加量を５％以下に制限することがより好ましい。
Ｙ及び／又はＲＥＭ：１重量％以下
イットリウム（Ｙ）と希土類金属（ＲＥＭ）は、溶接時に強力な酸化剤として作用すると共にアーク安定性を向上させる元素である。他方では、溶接継手部内に酸化物として生成され、これらによって高温で凝固時に核生成サイトとして作用し、オーステナイトの結晶粒を小さくする役割をする。これにより、強度を向上させる役割をする。しかしながら、その含量が１重量％を超えると、溶接時に継手部に欠陥などを発生させる要因となるため、その含量を１重量％以下に制御する必要がある。従って、本発明では、イットリウム（Ｙ）及び／又は希土類金属（ＲＥＭ）を１％以下の範囲に制限することがより好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）：１０％以下
ニッケルは、オーステナイト安定化元素として添加される元素である。ニッケルを添加すると、溶接継手部の低温衝撃靭性が非常に高速で増加するが、これは、溶接継手部内のＳｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ Ｅｎｅｒｇｙを高める役割をするためである。しかし、これとは逆に、ニッケルは、強度を低下させるだけでなく溶接材料の価格も増加させる元素であるため、その含量を１０重量％以下に維持することがより好ましい。
上記組成の他、残りはＦｅ及び不可避不純物を含む。但し、これにより他の組成の添加を排除するものではない。
以下、好ましい実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。但し、下記の実施例は、本発明を例示してより詳細に説明するためのものに過ぎず、本発明の権利範囲を限定するものではない。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項と、ここから合理的に類推される事項によって決定される。
（実施例１）
直径１．２ｍｍのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを用意した。このときに用いられたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤの組成は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．８％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：１５〜３４％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０９〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．３％、ＴｉＯ２：４〜１５％、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうちから選択された１種以上の合計：０．０１〜９％、Ｋ、Ｎａ及びＬｉのうちから選択された１種以上の合計：０．５〜１．７％、ＦとＣａのうち１種以上：０．２〜１．５％、残部のＦｅ及びその他の不可避な不純物を含み、必要に応じて、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうち１種以上：５％以下、Ｙ及び／又はＲＥＭ：１％以下、及びＮｉ：１０％以下を含有するようにした。
上記溶接用ワイヤを利用して、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とする極低温高Ｍｎ鋼を溶接母材として用いて溶接を行った。このときの溶接は、１００％ＣＯ２保護ガス下で行われ、ＤＣは２９０Ａ、３０Ｖ、３１ＣＰＭ、入熱量は１．７ｋＪ／ｍｍの条件で行った。また、層間温度は１５０℃未満、予熱は湿気のみを除く条件下で１００℃とした。
上記のような溶接で得られた溶接継手部の合金組成を分析して下記表１に示した。また、その溶接継手部の組成による溶接継手部の低温靭性と引張強度をと測定して下記表１に示した。具体的には、溶接継手部の機械的特性を評価するためにシャルピー衝撃試験（−１９６℃）を行ってその結果（Ｊ）を下記表１に示し、また、上記溶接継手部の引張強度（ＭＰａ）を測定して下記表１に示した。
Figure 2017502842
上記表１に示したように、溶接継手部の合金組成が本発明の範囲を満たす発明例１〜３は、溶接継手部の低温靭性が２８Ｊ以上であり、引張強度も４００ＭＰａを超えることが分かる。
これに対し、Ｃｒの含量が多すぎる比較例１は、引張強度は高いが、低温靭性が１４Ｊと良くない。また、Ｓｉ含量が多すぎる比較例２は、溶接後に得られた溶接継手部の内部にクラックが発生し、Ｎの含量が多すぎる比較例３は、溶接継手部の内部に気孔が形成された。また、希土類元素が多量に含有された比較例４も、溶接継手部の内部に気孔が形成された。
（実施例２）
直径４．０ｍｍのサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤを用意した。このときに用いたサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤの組成は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．８％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：１５〜３２％、Ｃｒ：５．５％以下、Ｍｏ：１．５〜３％、Ｓ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０５〜１．２％、Ｎ：０．００５〜０．５％、残部のＦｅ及びその他の不可避な不純物を含み、必要に応じて、Ｗ、Ｎｂ及びＶのうち１種以上の合計：６重量％以下、Ｙ及び／又はＲＥＭ：１重量％以下、及びＮｉ：１０重量％以下を含有するようにした。
上記溶接用ワイヤを利用して、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とする極低温高Ｍｎ鋼を溶接母材として用いて溶接を行い、溶接時、アルミナベーシック型のフラックスを利用した。このときの溶接は、ＤＣは６００Ａ前後、３２Ｖ前後、２９ＣＰＭ前後、入熱量は約４．０ｋＪ／ｍｍの条件で行われた。また、層間温度は１５０℃未満、予熱は湿気のみを除く条件下で１００℃程度とした。
上記のような溶接で得られた溶接継手部の合金組成を分析して下記表２に示した。また、その溶接継手部の組成による溶接継手部の低温靭性と引張強度を測定して下記表２に示した。具体的には、溶接継手部の機械的特性を評価するためにシャルピー衝撃試験（−１９６℃）を行ってその結果（Ｊ）を下記表２に示し、また、上記溶接継手部の引張強度（ＭＰａ）を測定して下記表２に示した。
Figure 2017502842
上記表２に示したように、溶接継手部の組成成分が本発明の範囲を満たす発明例１〜７は、溶接継手部の低温靭性が２７Ｊ以上であり、引張強度も４００ＭＰａを超えることが分かる。
これに対し、Ｃｒ含量やＢ含量が高い比較例１〜２は、引張強度は高いが、低温靭性が２５Ｊ以下と良くない。また、Ｍｏの含量が少なすぎる比較例３は、低温靭性はよいが、引張強度が４００ＭＰａ以下と良くない。また、Ｃ、Ｐ及びＳの含量が多すぎる比較例４は、溶接継手部の内部にクラックが発生し、ＣとＳｉ含量が多すぎる比較例５も、溶接継手部の内部にクラックが発生した。
一方、窒素の含量が多すぎる比較例６、及び炭素と希土類金属元素を過多に含有した比較例７は、溶接後に得られた溶接継手部の内部に気孔が形成された。
（実施例３）
径１．２ｍｍのガスメタルアーク溶接用ワイヤを設けた。このときに用いられたガスメタルアーク溶接用ワイヤの組成は、実施例２におけるサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤの組成と同一である。
上記溶接用ワイヤを利用して、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とする極低温高Ｍｎ鋼を溶接母材として用いて溶接を行った。このときの溶接は、ＤＣは２００Ａ、３０Ｖ、４０ＣＰＭ、入熱量は０．９ｋＪ／ｍｍの条件で行った。また、層間温度は１５０℃未満、予熱は湿気のみを除く条件下で１００℃とした。
上記のような溶接で得られた溶接継手部の合金組成を分析して下記表３に示した。また、その溶接継手部の組成による溶接継手部の低温靭性と引張強度を測定して下記表３に示した。具体的には、溶接継手部の機械的特性を評価するためにシャルピー衝撃試験（−１９６℃）を行ってその結果（Ｊ）を下記表３に示し、また、上記溶接継手部の引張強度（ＭＰａ）を測定して下記表３に示した。
Figure 2017502842
上記表３に示したように、溶接継手部の組成成分が本発明の範囲を満たす発明例１〜４は、溶接継手部の低温靭性が３１Ｊ以上であり、引張強度も４００ＭＰａを超えることが分かる。
これに対し、Ｂ含量が多すぎる比較例１は、引張強度は良好であるが、低温靭性が２４Ｊと良くなく、Ｍｏの含量が少なすぎる比較例２は、低温靭性は良好であるが、引張強度が３９２．１ＭＰａと良くない。
また、Ｎの含量が多すぎる比較例３は、溶接後に得られる溶接継手部の内部に気孔が形成された。
（実施例４）
下記表４のような直径１．２ｍｍのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを用意した。上記溶接用ワイヤを利用して、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とする極低温高Ｍｎ鋼を溶接母材として用いて溶接を行った。このときの溶接は、１００％ＣＯ２保護ガス下で行われ、ＤＣは２９０Ａ、３０Ｖ、３１ＣＰＭ、入熱量は１．７ｋＪ／ｍｍの条件で行った。また、層間温度は１５０℃未満、予熱は湿気のみを除く条件下で１００℃とした。
Figure 2017502842
Figure 2017502842

＊上記表においてＡ１はＶ＋Ｎｂ＋Ｗ、Ａ２はＹ＋ＲＥＭ、Ａ３はＴｉＯ２、Ａ４はＳｉＯ２＋ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３、Ａ５はＫ＋Ｎａ＋Ｌｉ、Ａ６はＦ＋Ｃａの合計をそれぞれ示す。
このように溶接された溶接継手部の機械的特性を評価するためにシャルピー衝撃試験（−１９６℃）を行ってその結果（Ｊ）を上記表４に示した。また、上記溶接継手部の引張強度（ＭＰａ）を測定して上記表４に示した。一方、上記物性測定基準はＫＳ試験規格に沿い、溶接性は肉眼で評価した。
上記表４に示したように、フラックスコアードワイヤの組成成分が本発明の範囲を満たす発明例１〜７は全てその溶接性に優れるだけでなく、低温衝撃靭性が２７Ｊ以上、引張強度が４００ＭＰａ以上であることから、溶接継手部の機械的特性に優れることが分かる。
これに対し、Ｃｒが過多に添加された比較例１は、低温衝撃靭性が１４Ｊと悪く、Ｂ、Ｔｉ含量が本発明の範囲を外れた比較例２も、低温衝撃靭性が良くない。また、Ｍｏの含量が本発明の範囲を外れた比較例３は、低温靭性には優れるが、引張強度が３９６．０８ＭＰａと良くない。
また、Ｐ、Ｓ含量やＳｉ、Ｔｉ含量が本発明の範囲を外れた比較例４〜５は、溶接後に得られた溶接継手部の内部にクラックが形成され、Ｎ含量やＴｉ含量などが本発明の範囲を外れた比較例６〜７は、溶接継手部の内部に気孔が形成された。
一方、ＴｉＯ２含量、ＳｉＯ２＋ＺｒＯ２＋Ａｌ２Ｏ３含量、Ｋ＋Ｎａ＋Ｌｉ含量又はＦ＋Ｃａ含量が本発明の範囲を外れた比較例８〜１０は、溶接時に高温でクラックが発生し、溶接が不可能であった。
以上、実施例を参照して本発明を説明したが、当該技術分野における当業者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができる。

Claims (9)

  1. 極低温用高強度高Ｍｎ鋼を溶接して得られる溶接継手部であって、
    前記溶接継手部は、重量％で、Ｃ：０．１〜０．６１％、Ｓｉ：０．２３〜１．０％、Ｍｎ：１４〜３５％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．４５〜３．５％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｔｉ：０．００１〜０．２％、Ｎ：０．００１〜０．３％、残部Ｆｅ、及びその他の不可避不純物を含むことを特徴とする極低温靭性に優れた高強度溶接継手部。
  2. Ｗ、Ｎｂ及びＶのうちから選択された１種以上を合計で５重量％以下更に含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温靭性に優れた高強度溶接継手部。
  3. Ｙ及び／又はＲＥＭを０．１重量％以下の範囲で更に含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温靭性に優れた高強度溶接継手部。
  4. Ｎｉを１０重量％以下の範囲で更に含むことを特徴とする請求項１に記載の極低温靭性に優れた高強度溶接継手部。
  5. 前記高Ｍｎ鋼は、Ｍｎ２４Ｃ０．４Ｃｒ４Ｓｉ０．３を基本組成とすることを特徴とする請求項１に記載の極低温靭性に優れた高強度溶接継手部。
  6. 重量％で、Ｃ：０．１５〜０．８％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：１５〜３４％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．５〜４％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０９〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．３％、ＴｉＯ２：４〜１５％、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３のうちから選択された１種以上の合計：０．０１〜９％、Ｋ、Ｎａ及びＬｉのうちから選択された１種以上の合計：０．５〜１．７％、ＦとＣａのうち１種以上：０．２〜１．５％、残部Ｆｅ及びその他の不可避不純物を含むことを特徴とする高強度と極低温衝撃靭性に優れたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ。
  7. Ｗ、Ｎｂ及びＶのうち１種以上を合計で５重量％以下の範囲で更に含むことを特徴とする請求項６に記載の高強度と極低温衝撃靭性に優れたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ。
  8. Ｙ及び／又はＲＥＭを１重量％以下の範囲で更に含むことを特徴とする請求項６に記載の高強度と極低温衝撃靭性に優れたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ。
  9. Ｎｉを１０重量％以下の範囲で更に含むことを特徴とする請求項６に記載の高強度と極低温衝撃靭性に優れたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ。
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