JP2018039025A - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ及び溶接金属 - Google Patents
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Abstract
【課題】低温用鋼をガスシールドアーク溶接して構造物を組み立てる際に、良好な低温靭性を有する溶接金属を得ることができるフラックス入りワイヤ、及びその溶接金属を提供すること。
【解決手段】ワイヤ全質量あたり、C:0.03〜0.12質量%、Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、Mn:1.0〜4.0質量%、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、Al:0.005〜0.050質量%、Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及びFe:80質量%以上を含有し、(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【選択図】なし
【解決手段】ワイヤ全質量あたり、C:0.03〜0.12質量%、Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、Mn:1.0〜4.0質量%、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、Al:0.005〜0.050質量%、Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及びFe:80質量%以上を含有し、(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【選択図】なし
Description
本発明は、良好な低温靭性を有する溶接金属を得ることのできるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ、及びその溶接金属に関する。
近年、エネルギー開発はより寒冷の地域及び海域へと展開されており、これらの寒冷地域及び寒冷海域の構造物には、低温用鋼が使用されるに至っている。しかしながら、これらの寒冷地域及び寒冷海域の構造物には、従来の低温靭性要求に加え、構造物の稼動地域及び海域における気象条件を加味した構造物設計が実施されるようになっており、より高靭性の鋼材が求められている。更には、溶接の高能率化及び脱技能化を目的として、この種の低温用鋼の溶接にフラックス入りワイヤの適用の要求が高まっている。
このような背景のもと、特許文献1には、溶接金属の化学成分及び固溶Ti量を制御することにより、低温における靭性を向上した技術が開示されている。特許文献1に記載された技術は、旧γ粒内におけるアシキュラーフェライトの生成に着目したものである。
また、特許文献2には、引張強度が680N/mm2級以上の高張力鋼用のガスシールアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。特許文献2に記載された技術は、ワイヤ全重量に対し、C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr及びMoの含有量の適正範囲を規定し、Ta添加量を規制することにより、小入熱から大入熱までの広い使用範囲において母材強度に相当した強度及び良好な靭性を確保し、更に作業能率向上のため、フラックス中の金属粉の重量比率を規定したものである。
しかしながら、特許文献1では、旧γ粒内におけるアシキュラーフェライトの生成を抑制することにより靭性を向上させているが、介在物への応力集中を緩和する観点や、溶接金属の脆性破面率を低減する観点については何ら着目されていない。このため、低温用鋼を溶接したときの溶接金属の靭性は、十分なものではなかった。
また、特許文献2では、介在物への応力集中を緩和する観点や、溶接金属の脆性破面率を低減する観点については何ら着目されていない。このため、低温用鋼を溶接したときの溶接金属の靭性は、十分なものではなかった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、低温用鋼をガスシールドアーク溶接して構造物を組み立てる際に、良好な低温靭性を有する溶接金属を得ることができるフラックス入りワイヤ、及びその溶接金属を提供することを目的とする。
上述したように、特許文献1〜2では、脆性破面率について検討されていない。ここで、脆性破面率は、シャルピー衝撃試験において荷重が加わった際に生じる脆性破壊の割合を示したものである。脆性破壊が発生した部位では、破壊に至るまでに鋼材に吸収されるエネルギーが著しく小さくなり、容易に破壊が進行するようになるため、特に、低温での破壊を抑制するためには、汎用のシャルピー衝撃試験において低温での吸収エネルギーを改善するのみならず、脆性破面の出現を抑制することが、極めて重要な要件であると考えられる。
また、上述のように、エネルギー開発はより寒冷の地域及び海域へと展開されており、これらの寒冷地域及び寒冷海域の構造物としては低温靭性の改善が求められているが、特に、低温で使用する構造物としては、脆性破壊を伴う不安定破壊を回避して、低温環境下で使用される構造物の安全性をより一層高めることが重要である。ここで、フラックス入りワイヤを用いて、ガスシールドアーク溶接によって形成された低合金鋼溶接金属には、多量の酸素が含有され、その大部分は溶接金属中で酸化物系介在物として存在する。溶接金属が破壊する際、酸化物系介在物の周囲に応力集中が起こるが、特に低温の環境では酸化物系介在物周囲への応力集中により脆性破壊が促進されると考えられる。そのため、低温で使用する構造物の安全性をより一層高めるためには、脆性破壊を回避する必要があり、酸化物系介在物への応力集中を緩和することが重要になると考えられる。
上記考察に基づき、本発明者らは、酸化物系介在物への応力集中を緩和する手法を検討した結果、酸化物系介在物に存在するガラス相を低減することが有効であることを新たに知見した。酸化物系介在物は、ガラス相の他、様々な結晶相からなる複合相である。ここで、ガラス相は溶接金属の母相に比べてヤング率が低く、母相に比べてヤング率の低いガラス相には応力集中しやすいため、酸化物系介在物にガラス相が多く存在する場合は脆性破壊が起こりやすくなる。
そこで、本発明者らは、脆性破壊を抑制するため、酸化物系介在物中のガラス相を低減するための手段を検討した。また、ガラス相はSiO2を主体としていることに着目し、溶接金属の酸化物系介在物中のSiO2を低減することについてさらに検討した。そして、酸化物系介在物中のSiO2を低減するために、フラックス入りワイヤ中に含まれる脱酸元素(Mn、Ti、Al)とSiの比率を制御することを着想した。そして、これら知見に基づけば、溶接金属のシャルピー衝撃試験における低温での吸収エネルギーに加えて、低温での脆性破面率を改善できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
ワイヤ全質量あたり、
C:0.03〜0.12質量%、
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、
Mn:1.0〜4.0質量%、
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、
Al:0.005〜0.050質量%、
Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及び
Fe:80質量%以上を含有し、
(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
ワイヤ全質量あたり、
C:0.03〜0.12質量%、
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、
Mn:1.0〜4.0質量%、
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、
Al:0.005〜0.050質量%、
Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及び
Fe:80質量%以上を含有し、
(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
上記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、ZrO2:0.02〜0.50質量%、及びAl2O3:0.02〜0.80質量%をさらに含有してもよい。
また、上記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Cu:0.40質量%以下、Cr:1.0質量%以下、Mo:0.35質量%以下、Nb:0.030質量%以下、及びV:0.050質量%以下からなる群から選ばれる少なくとも1つをさらに含有してもよい。
また、上記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Li、NaおよびKの合計:1.0質量%以下、及びCa:1.0質量%以下からなる群から選ばれる少なくとも1つをさらに含有してもよい。
また、上記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Mg:1.0質量%以下をさらに含有してもよい。
また、上記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、F:1.0質量%以下をさらに含有してもよい。
また、上記ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの好ましい一態様は、
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.45質量%、
Mn:1.1〜3.4質量%、及び
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.0質量%、
を満足し、
Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0008〜0.012質量%の両方を含有するものである。
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.45質量%、
Mn:1.1〜3.4質量%、及び
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.0質量%、
を満足し、
Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0008〜0.012質量%の両方を含有するものである。
また、本発明は、
C:0.04〜0.12質量%、
Si:0.05〜0.30質量%、
Mn:0.80〜3.00質量%、
Ti:0.030〜0.100質量%、
Al:0.002〜0.010質量%、
O:0.030〜0.070質量%、
N:0超〜0.01質量%、及び
Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0005〜0.0070質量%のうちの少なくとも1つを含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足する
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
溶接金属にも関する。
C:0.04〜0.12質量%、
Si:0.05〜0.30質量%、
Mn:0.80〜3.00質量%、
Ti:0.030〜0.100質量%、
Al:0.002〜0.010質量%、
O:0.030〜0.070質量%、
N:0超〜0.01質量%、及び
Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0005〜0.0070質量%のうちの少なくとも1つを含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足する
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
溶接金属にも関する。
上記溶接金属は、Cu:0.40質量%以下、Cr:1.0質量%以下、Mo:0.35質量%以下、Nb:0.020質量%以下、及びV:0.050質量%以下からなる群から選ばれる少なくとも1つをさらに含有してもよい。
また、上記溶接金属の好ましい一態様は、
Si:0.05〜0.25質量%、
Mn:1.00〜2.40質量%、及び
Ti:0.030〜0.090質量%
を満足し、
Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0005〜0.0070質量%の両方を含有し、
下記式で定義されるアシキュラーフェライト生成率が15%以上である
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
ものである。
Si:0.05〜0.25質量%、
Mn:1.00〜2.40質量%、及び
Ti:0.030〜0.090質量%
を満足し、
Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0005〜0.0070質量%の両方を含有し、
下記式で定義されるアシキュラーフェライト生成率が15%以上である
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
ものである。
本発明によれば、溶接金属の組成及び酸化物系介在物の組成を制御することで、溶接金属として従来得られなかった低温靭性を得ることができる。また、フラックス入りワイヤの組成を適切にすることにより、上述の低温での靭性が優れた溶接金属を得ることができる。このため、本発明により、低温環境下で使用される構造物の安全性をより一層高めることができる。
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。
<ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ>
本実施形態のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ(以下、単に「フラックス入りワイヤ」又は「ワイヤ」ともいう)は、ワイヤ全質量あたり、C:0.03〜0.12質量%、Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、Mn:1.0〜4.0質量%、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、Al:0.005〜0.050質量%、Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及びFe:80質量%以上を含有し、(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するものである。
本実施形態のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ(以下、単に「フラックス入りワイヤ」又は「ワイヤ」ともいう)は、ワイヤ全質量あたり、C:0.03〜0.12質量%、Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、Mn:1.0〜4.0質量%、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、Al:0.005〜0.050質量%、Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及びFe:80質量%以上を含有し、(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するものである。
以下において、本実施形態のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに含有される各成分量の数値限定理由について説明する。なお、以下において、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ中の各成分量は、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの全質量に対する含有量であり、すなわち、ワイヤ全質量あたりの含有量である。
また、本明細書において、質量を基準とする百分率(質量%)は、重量を基準とする百分率(重量%)と同義である。
また、本明細書において、質量を基準とする百分率(質量%)は、重量を基準とする百分率(重量%)と同義である。
(C:0.03〜0.12質量%)
Cは、溶接金属の強度を高めるのに有効な元素である。ただし、Cが過剰であると、強度が過大に上昇して靱性が劣化するおそれがある。一方、Cが少なすぎると、強度が不足するおそれがあるとともに、靭性に悪影響をおよぼす粗大な粒界フェライトが生成するようになる。
以上の観点から、ワイヤ中のC量は0.12%以下であり、好ましくは0.09%以下であり、より好ましくは0.08%以下である。また、ワイヤ中のC量は0.03%以上であり、好ましくは0.04%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。
Cは、溶接金属の強度を高めるのに有効な元素である。ただし、Cが過剰であると、強度が過大に上昇して靱性が劣化するおそれがある。一方、Cが少なすぎると、強度が不足するおそれがあるとともに、靭性に悪影響をおよぼす粗大な粒界フェライトが生成するようになる。
以上の観点から、ワイヤ中のC量は0.12%以下であり、好ましくは0.09%以下であり、より好ましくは0.08%以下である。また、ワイヤ中のC量は0.03%以上であり、好ましくは0.04%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。
(Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%)
Siは、脱酸剤として作用する元素である。また、酸化物系介在物のガラス相の制御に重要である。ただし、Siが過剰であると、酸化物系介在物のガラス相が増加して靭性が低下するおそれがある。一方、Siが少なすぎると、脱酸不足によりブローホールが発生するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤ中のSi量は、Si合金及びSi化合物中のSi換算量で、0.50%以下であり、好ましくは0.30%以下であり、より好ましくは0.25%以下である。また、ワイヤ中のSi量は、Si合金及びSi化合物中のSi換算量で、0.10%以上であり、好ましくは0.13%以上であり、より好ましくは0.15%以上である。
ここで、Si源としては、SiO2、K2SiF6等の他、カリガラス、ソーダガラス等も例示される。
Siは、脱酸剤として作用する元素である。また、酸化物系介在物のガラス相の制御に重要である。ただし、Siが過剰であると、酸化物系介在物のガラス相が増加して靭性が低下するおそれがある。一方、Siが少なすぎると、脱酸不足によりブローホールが発生するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤ中のSi量は、Si合金及びSi化合物中のSi換算量で、0.50%以下であり、好ましくは0.30%以下であり、より好ましくは0.25%以下である。また、ワイヤ中のSi量は、Si合金及びSi化合物中のSi換算量で、0.10%以上であり、好ましくは0.13%以上であり、より好ましくは0.15%以上である。
ここで、Si源としては、SiO2、K2SiF6等の他、カリガラス、ソーダガラス等も例示される。
(Mn:1.0〜4.0質量%)
Mnは、脱酸剤として作用すると共に、強度および靭性に影響する元素である。ただし、Mnが過剰であると、強度が過大となるとともに、焼入れ性が過大となり靭性が低下するおそれがある。一方、Mnが少なすぎると、強度が不足するおそれがあるとともに、靭性に悪影響をおよぼす粗大な粒界フェライトが生成するようになる。
以上の観点から、ワイヤ中のMn量は4.0%以下であり、好ましくは3.0%以下であり、より好ましくは2.7%以下である。また、ワイヤ中のMn量は1.0%以上であり、好ましくは2.3%以上であり、より好ましくは2.6%以上である。
Mnは、脱酸剤として作用すると共に、強度および靭性に影響する元素である。ただし、Mnが過剰であると、強度が過大となるとともに、焼入れ性が過大となり靭性が低下するおそれがある。一方、Mnが少なすぎると、強度が不足するおそれがあるとともに、靭性に悪影響をおよぼす粗大な粒界フェライトが生成するようになる。
以上の観点から、ワイヤ中のMn量は4.0%以下であり、好ましくは3.0%以下であり、より好ましくは2.7%以下である。また、ワイヤ中のMn量は1.0%以上であり、好ましくは2.3%以上であり、より好ましくは2.6%以上である。
(Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%)
Tiは、脱酸剤として作用する元素である。また、その酸化物系介在物がアシキュラーフェライトの核として作用する。ただし、Tiが過剰であると、固溶Tiが過多となり、強度が過大となるとともに、靭性が劣化するおそれがある。一方、Tiが少なすぎると、フェライトが粗大化して靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤ中のTi量は、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量で、4.5%以下であり、好ましくは3.6%以下であり、より好ましくは3.2%以下である。また、ワイヤ中のTi量は、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量で、2.4%以上であり、好ましくは2.6%以上であり、より好ましくは2.8%以上である。
ここで、Ti源としては、TiO2等が挙げられる。
Tiは、脱酸剤として作用する元素である。また、その酸化物系介在物がアシキュラーフェライトの核として作用する。ただし、Tiが過剰であると、固溶Tiが過多となり、強度が過大となるとともに、靭性が劣化するおそれがある。一方、Tiが少なすぎると、フェライトが粗大化して靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤ中のTi量は、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量で、4.5%以下であり、好ましくは3.6%以下であり、より好ましくは3.2%以下である。また、ワイヤ中のTi量は、Ti合金及びTi化合物中のTi換算量で、2.4%以上であり、好ましくは2.6%以上であり、より好ましくは2.8%以上である。
ここで、Ti源としては、TiO2等が挙げられる。
(Al:0.005〜0.050質量%)
Alは、脱酸剤として作用する元素である。ただし、Alが過剰であると、アシキュラーフェライトの核生成が妨げられ、靭性が劣化するおそれがある。一方、Alが少なすぎると、脱酸不足によりブローホールが発生するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤ中のAl量は0.050%以下であり、好ましくは0.048%以下であり、より好ましくは0.045%以下である。また、ワイヤ中のAl量は0.005%以上であり、好ましくは0.008%以上であり、より好ましくは0.010%以上である。
Alは、脱酸剤として作用する元素である。ただし、Alが過剰であると、アシキュラーフェライトの核生成が妨げられ、靭性が劣化するおそれがある。一方、Alが少なすぎると、脱酸不足によりブローホールが発生するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤ中のAl量は0.050%以下であり、好ましくは0.048%以下であり、より好ましくは0.045%以下である。また、ワイヤ中のAl量は0.005%以上であり、好ましくは0.008%以上であり、より好ましくは0.010%以上である。
(Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ)
Niは、溶接金属の靭性を向上する作用を有する元素である。また、アシキュラーフェライトと競合する粒界ベイナイト組織の形成を遅らせることで、アシキュラーフェライト生成を促進する作用も有する。ただし、Niが過剰であると、高温割れが発生するおそれがある。また、マルテンサイト生成量が増え、強度が上昇することで、シャルピー衝撃吸収エネルギーが低下するおそれがある。一方、Niが少なすぎると、靭性が劣化するおそれがある。
同様に、Bは、溶接金属の靭性を向上する作用を有する元素であり、靭性に悪影響をおよぼす粒界フェライトを抑制することで、低温での脆性破面率低減に寄与する。ただし、Bが過剰であると、高温割れが発生するおそれがある。一方、Bが少なすぎると、靭性が劣化するおそれがある。
本実施形態のワイヤは、Ni及びBのうち少なくとも1種を特定の量範囲で含有する。
すなわち、Niを含有する場合、上記の観点から、ワイヤ中のNi量は3.50%以下であり、好ましくは3.00%以下であり、より好ましくは2.50%以下である。また、ワイヤ中のNi量は0.30%以上であり、好ましくは0.50%以上であり、より好ましくは0.70%以上であり、さらに好ましくは1.50%以上である。
また、Bを含有する場合、上記の観点から、ワイヤ中のB量は0.012%以下であり、好ましくは0.010%以下であり、より好ましくは0.007%以下である。また、ワイヤ中のB量は0.0008%以上であり、好ましくは0.0010%以上であり、より好ましくは0.0015%以上である。
Niは、溶接金属の靭性を向上する作用を有する元素である。また、アシキュラーフェライトと競合する粒界ベイナイト組織の形成を遅らせることで、アシキュラーフェライト生成を促進する作用も有する。ただし、Niが過剰であると、高温割れが発生するおそれがある。また、マルテンサイト生成量が増え、強度が上昇することで、シャルピー衝撃吸収エネルギーが低下するおそれがある。一方、Niが少なすぎると、靭性が劣化するおそれがある。
同様に、Bは、溶接金属の靭性を向上する作用を有する元素であり、靭性に悪影響をおよぼす粒界フェライトを抑制することで、低温での脆性破面率低減に寄与する。ただし、Bが過剰であると、高温割れが発生するおそれがある。一方、Bが少なすぎると、靭性が劣化するおそれがある。
本実施形態のワイヤは、Ni及びBのうち少なくとも1種を特定の量範囲で含有する。
すなわち、Niを含有する場合、上記の観点から、ワイヤ中のNi量は3.50%以下であり、好ましくは3.00%以下であり、より好ましくは2.50%以下である。また、ワイヤ中のNi量は0.30%以上であり、好ましくは0.50%以上であり、より好ましくは0.70%以上であり、さらに好ましくは1.50%以上である。
また、Bを含有する場合、上記の観点から、ワイヤ中のB量は0.012%以下であり、好ましくは0.010%以下であり、より好ましくは0.007%以下である。また、ワイヤ中のB量は0.0008%以上であり、好ましくは0.0010%以上であり、より好ましくは0.0015%以上である。
((Ti+Mn+Al)/Si≧15)
(Ti+Mn+Al)/Siは、溶接金属の酸化物系介在物中のガラス相の量の指標となるパラメータである。酸化物系介在物中のガラス相はSiO2を主体とするため、溶接金属の酸化物系介在物中のSiO2を低減することにより、酸化物系介在物中のヤング率の低いガラス相の割合を抑制でき、脆性破壊の発生を抑制することができる。
この観点から、本実施形態では、ワイヤ中に含まれる脱酸元素(Mn、Ti、Al)の合計量とSi量との比率((Ti+Mn+Al)/Si)を15以上とし、好ましくは20以上、より好ましくは30以上とする。一方、(Ti+Mn+Al)/Siの上限は特に限定されるものではないが、好ましくは200以下であり、より好ましくは150以下である。
(Ti+Mn+Al)/Siは、溶接金属の酸化物系介在物中のガラス相の量の指標となるパラメータである。酸化物系介在物中のガラス相はSiO2を主体とするため、溶接金属の酸化物系介在物中のSiO2を低減することにより、酸化物系介在物中のヤング率の低いガラス相の割合を抑制でき、脆性破壊の発生を抑制することができる。
この観点から、本実施形態では、ワイヤ中に含まれる脱酸元素(Mn、Ti、Al)の合計量とSi量との比率((Ti+Mn+Al)/Si)を15以上とし、好ましくは20以上、より好ましくは30以上とする。一方、(Ti+Mn+Al)/Siの上限は特に限定されるものではないが、好ましくは200以下であり、より好ましくは150以下である。
(Feおよび不可避的不純物)
本実施形態のフラックス入りワイヤの残部は、Fe及び不可避的不純物である。
残部のFeは、外皮を構成するFe、フラックスに添付されている鉄粉、合金粉のFeが相当する。本実施形態のフラックス入りワイヤは、Feを80質量%以上含有し、好ましくは82質量%以上含有し、さらに好ましくは84質量%以上含有する。
なお、Feの上限は特に限定されないが、他の成分組成との関係から、たとえば96質量%以下とする。
残部の不可避的不純物とは、前記成分以外の成分(P、S、Sn、Pb、Sb等)や、後述する成分であって選択的に添加する成分(Nb、V等)等が不可避的に含まれるものも該当し、本発明の効果を妨げない範囲で含有することが許容される。なお、前述した各元素が酸化物や窒化物として添加された場合は、本実施形態のフラックス入りワイヤの残部には、OやNも含まれる。
本実施形態のフラックス入りワイヤの残部は、Fe及び不可避的不純物である。
残部のFeは、外皮を構成するFe、フラックスに添付されている鉄粉、合金粉のFeが相当する。本実施形態のフラックス入りワイヤは、Feを80質量%以上含有し、好ましくは82質量%以上含有し、さらに好ましくは84質量%以上含有する。
なお、Feの上限は特に限定されないが、他の成分組成との関係から、たとえば96質量%以下とする。
残部の不可避的不純物とは、前記成分以外の成分(P、S、Sn、Pb、Sb等)や、後述する成分であって選択的に添加する成分(Nb、V等)等が不可避的に含まれるものも該当し、本発明の効果を妨げない範囲で含有することが許容される。なお、前述した各元素が酸化物や窒化物として添加された場合は、本実施形態のフラックス入りワイヤの残部には、OやNも含まれる。
また、本実施形態のフラックス入りワイヤは、上述した各成分に加えて、さらに、下記の少なくとも1種の成分を所定量含有させてもよい。
(Cu:0.40質量%以下)
Cuは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Cuが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにCuを含有させる場合、ワイヤ中のCu量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、ワイヤ中のCu量は、好ましくは0.40%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下である。
Cuは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Cuが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにCuを含有させる場合、ワイヤ中のCu量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、ワイヤ中のCu量は、好ましくは0.40%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下である。
(Cr:1.0質量%以下)
Crは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Crが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにCrを含有させる場合、ワイヤ中のCr量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、ワイヤ中のCr量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.8%以下であり、さらに好ましくは0.6%以下である。
Crは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Crが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにCrを含有させる場合、ワイヤ中のCr量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、ワイヤ中のCr量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.8%以下であり、さらに好ましくは0.6%以下である。
(Mo:0.35質量%以下)
Moは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Moが過剰になると、強度が過大となり、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにMoを含有させる場合、ワイヤ中のMo量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、ワイヤ中のMo量は、好ましくは0.35%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下であり、よりさらに好ましくは0.20%以下である。
Moは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Moが過剰になると、強度が過大となり、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにMoを含有させる場合、ワイヤ中のMo量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、ワイヤ中のMo量は、好ましくは0.35%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下であり、よりさらに好ましくは0.20%以下である。
(Nb:0.030質量%以下)
Nbは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Nbが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにNbを含有させる場合、ワイヤ中のNb量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、ワイヤ中のNb量は、好ましくは0.030%以下であり、より好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
Nbは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Nbが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにNbを含有させる場合、ワイヤ中のNb量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、ワイヤ中のNb量は、好ましくは0.030%以下であり、より好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
(V:0.050質量%以下)
Vは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Vが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにVを含有させる場合、ワイヤ中のV量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、ワイヤ中のV量は、好ましくは0.050%以下であり、より好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
Vは、溶接金属の強度確保に有効な元素である。ただし、Vが過剰になると、強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにVを含有させる場合、ワイヤ中のV量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、ワイヤ中のV量は、好ましくは0.050%以下であり、より好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
(Li、NaおよびKの合計:1.0質量%以下)
Li、NaおよびKは、アーク安定性を向上させ、スパッタ発生量を低減させる効果を有する元素である。ただし、これら元素が過剰になると、ワイヤの耐吸湿性が劣化し、耐低温割れ性及び耐気孔性に問題が生じるおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにLi、NaおよびKのうちの1種以上を含有させる場合、ワイヤ中のLi、NaおよびKの合計量は0%超であればよいが、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.010%以上であり、さらに好ましくは0.020%以上である。また、ワイヤ中のLi、NaおよびKの合計量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.50%以下であり、さらに好ましくは0.20%以下である。
Li、NaおよびKは、アーク安定性を向上させ、スパッタ発生量を低減させる効果を有する元素である。ただし、これら元素が過剰になると、ワイヤの耐吸湿性が劣化し、耐低温割れ性及び耐気孔性に問題が生じるおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにLi、NaおよびKのうちの1種以上を含有させる場合、ワイヤ中のLi、NaおよびKの合計量は0%超であればよいが、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.010%以上であり、さらに好ましくは0.020%以上である。また、ワイヤ中のLi、NaおよびKの合計量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.50%以下であり、さらに好ましくは0.20%以下である。
(Ca:1.0質量%以下)
Caは、アーク安定性を向上させ、スパッタを減少させる効果を有する元素である。ただし、Caが過剰になると、スパッタ発生量がかえって増加してしまう。
以上の観点から、ワイヤにCaを含有させる場合、ワイヤ中のCa量は0%超であればよいが、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.050%以上であり、さらに好ましくは0.20%以上である。また、ワイヤ中のCa量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.90%以下であり、さらに好ましくは0.70%以下である。
Caは、アーク安定性を向上させ、スパッタを減少させる効果を有する元素である。ただし、Caが過剰になると、スパッタ発生量がかえって増加してしまう。
以上の観点から、ワイヤにCaを含有させる場合、ワイヤ中のCa量は0%超であればよいが、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.050%以上であり、さらに好ましくは0.20%以上である。また、ワイヤ中のCa量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.90%以下であり、さらに好ましくは0.70%以下である。
(Mg:1.0質量%以下)
Mgは、アーク安定性を向上させ、スパッタを減少させる効果を有する元素である。ただし、Mgが過剰になると、スパッタ発生量がかえって増加してしまう。
以上の観点から、ワイヤにMgを含有させる場合、ワイヤ中のMg量は0%超であればよいが、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.050%以上であり、さらに好ましくは0.20%以上である。また、ワイヤ中のMg量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.90%以下であり、さらに好ましくは0.70%以下である。
Mgは、アーク安定性を向上させ、スパッタを減少させる効果を有する元素である。ただし、Mgが過剰になると、スパッタ発生量がかえって増加してしまう。
以上の観点から、ワイヤにMgを含有させる場合、ワイヤ中のMg量は0%超であればよいが、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.050%以上であり、さらに好ましくは0.20%以上である。また、ワイヤ中のMg量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.90%以下であり、さらに好ましくは0.70%以下である。
なお、MgとCaの両方を含有させる場合、MgとCaの合計量が1.0%以下であることが好ましく、0.90%以下であることがより好ましく、0.70%以下であることがさらに好ましい。また、MgとCaの合計量は、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.050%以上であり、さらに好ましくは0.20%以上である。
(F:1.0質量%以下)
Fは、アークの吹き付け力(集中性)を調整するため、及び、溶着金属中の拡散水素量を低減させるために、ワイヤ中に含有させてもよい。ただし、Fが過剰になると、ヒューム及びスパッタ発生量が増加するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにFを含有させる場合、ワイヤ中のF量は0%超であればよいが、好ましくは0.010%以上であり、より好ましくは0.025%以上であり、さらに好ましくは0.050%以上である。また、ワイヤ中のF量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.60%以下であり、さらに好ましくは0.40%以下である。
Fは、アークの吹き付け力(集中性)を調整するため、及び、溶着金属中の拡散水素量を低減させるために、ワイヤ中に含有させてもよい。ただし、Fが過剰になると、ヒューム及びスパッタ発生量が増加するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにFを含有させる場合、ワイヤ中のF量は0%超であればよいが、好ましくは0.010%以上であり、より好ましくは0.025%以上であり、さらに好ましくは0.050%以上である。また、ワイヤ中のF量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.60%以下であり、さらに好ましくは0.40%以下である。
(ZrO2:0.02〜0.50質量%)
ZrO2は、ビードの平滑性を向上させる効果を有する成分である。ただし、ZrO2が過剰になると、立向姿勢でのビード形状が凸化するおそれがある。一方、ZrO2が少なすぎると、ビードの平滑性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにZrO2を含有させる場合、ワイヤ中のZrO2量は、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。また、ワイヤ中のZrO2量は、好ましくは0.50%以下であり、より好ましくは0.45%以下である。
ZrO2は、ビードの平滑性を向上させる効果を有する成分である。ただし、ZrO2が過剰になると、立向姿勢でのビード形状が凸化するおそれがある。一方、ZrO2が少なすぎると、ビードの平滑性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにZrO2を含有させる場合、ワイヤ中のZrO2量は、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。また、ワイヤ中のZrO2量は、好ましくは0.50%以下であり、より好ましくは0.45%以下である。
(Al2O3:0.02〜0.80質量%)
Al2O3は、ビードの平滑性を向上させる効果を有する成分である。ただし、Al2O3が過剰になると、ビードなじみ性が劣化し、また、スパッタが発生するおそれがある。一方、Al2O3が少なすぎると、ビードの平滑性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにAl2O3を含有させる場合、ワイヤ中のAl2O3量は、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。また、ワイヤ中のAl2O3量は、好ましくは0.80%以下であり、より好ましくは0.60%以下である。
なお、Al2O3には、金属Alは含まれないものとする。
Al2O3は、ビードの平滑性を向上させる効果を有する成分である。ただし、Al2O3が過剰になると、ビードなじみ性が劣化し、また、スパッタが発生するおそれがある。一方、Al2O3が少なすぎると、ビードの平滑性が劣化するおそれがある。
以上の観点から、ワイヤにAl2O3を含有させる場合、ワイヤ中のAl2O3量は、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.05%以上である。また、ワイヤ中のAl2O3量は、好ましくは0.80%以下であり、より好ましくは0.60%以下である。
なお、Al2O3には、金属Alは含まれないものとする。
また、本実施形態のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの好ましい一態様は、Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.45質量%、Mn:1.1〜3.4質量%、及びTi合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.0質量%、を満足し、Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0008〜0.012質量%の両方を含有するものである。
すなわち、本好ましい一態様に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤとは、
ワイヤ全質量あたり、
C:0.03〜0.12質量%、
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.45質量%、
Mn:1.1〜3.4質量%、
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.0質量%、
Al:0.005〜0.050質量%、
Ni:1.00〜3.50質量%、
B:0.0008〜0.012質量%、及び
Fe:80質量%以上を含有し、
(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤである。
ワイヤ全質量あたり、
C:0.03〜0.12質量%、
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.45質量%、
Mn:1.1〜3.4質量%、
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.0質量%、
Al:0.005〜0.050質量%、
Ni:1.00〜3.50質量%、
B:0.0008〜0.012質量%、及び
Fe:80質量%以上を含有し、
(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤである。
本態様のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、上述した理由により、溶接金属の酸化物系介在物中のヤング率の低いガラス相を低減できる。加えて、特定量のNi及び特定量のBの両方を含有し、またSi量、Mn量及びTi量をそれぞれさらに特定範囲に制御することで、靱性に悪影響を及ぼす粗大な粒界フェライトの生成を抑制しつつ、アシキュラーフェライトと競合する粒界ベイナイトを抑制し、低温靭性の改善に有効な、介在物を起点として生成する微細アシキュラーフェライト(AF)組織を増加することができる。これにより、低温靱性をさらに改善することができる。
本実施形態のフラックス入りワイヤは、典型的には鋼製外皮にフラックスを充填したものである。詳細には、本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、筒状を呈するステンレス鋼または軟鋼製の外皮とその外皮の内部(内側)に充填されるフラックスからなる。
なお、フラックス入りワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ表面(外皮の外側)にメッキ等が施されていても施されていなくてもよい。
なお、フラックス入りワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ表面(外皮の外側)にメッキ等が施されていても施されていなくてもよい。
つづいて、本実施形態のフラックス入りワイヤの製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態のフラックス入りワイヤを製造する際は、先ず、鋼製外皮内にフラックスを充填する。その際、外皮には、伸線加工性が良好な軟鋼や低合金鋼を使用することが好ましい。また、フラックスの組成及び充填率は、ワイヤ全体の組成が前述した範囲になるよう外皮の組成や厚さなどに応じて適宜調整することができる。
次に、外皮内にフラックスが充填されたワイヤを、孔ダイスやローラダイスを用いて伸線することにより縮径し、所定の外径を有するフラックス入りワイヤを得る。
本実施形態のフラックス入りワイヤを製造する際は、先ず、鋼製外皮内にフラックスを充填する。その際、外皮には、伸線加工性が良好な軟鋼や低合金鋼を使用することが好ましい。また、フラックスの組成及び充填率は、ワイヤ全体の組成が前述した範囲になるよう外皮の組成や厚さなどに応じて適宜調整することができる。
次に、外皮内にフラックスが充填されたワイヤを、孔ダイスやローラダイスを用いて伸線することにより縮径し、所定の外径を有するフラックス入りワイヤを得る。
本実施形態のフラックス入りワイヤの外径は、特に限定されるものではないが、ワイヤの生産性の観点から、好ましくは1.0〜2.0mmであり、より好ましくは1.2〜1.6mmである。
また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各成分が本発明の範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、ワイヤの伸線性及び溶接時の作業性(送給性など)の観点から、ワイヤ全質量の10〜25質量%であることが好ましく、13〜16質量%であることがより好ましい。なお、このフラックス充填率は、外皮内に充填されるフラックスの質量を、ワイヤ(外皮+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。
また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各成分が本発明の範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、ワイヤの伸線性及び溶接時の作業性(送給性など)の観点から、ワイヤ全質量の10〜25質量%であることが好ましく、13〜16質量%であることがより好ましい。なお、このフラックス充填率は、外皮内に充填されるフラックスの質量を、ワイヤ(外皮+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。
<溶接金属>
また、本実施形態の溶接金属(低合金鋼溶接金属)は、C:0.04〜0.12質量%、Si:0.05〜0.30質量%、Mn:0.80〜3.00質量%、Ti:0.030〜0.100質量%、Al:0.002〜0.010質量%、O:0.030〜0.070質量%、N:0超〜0.01質量%、及び、Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0005〜0.0070質量%のうちの少なくとも1つを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足するものである。
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
また、本実施形態の溶接金属(低合金鋼溶接金属)は、C:0.04〜0.12質量%、Si:0.05〜0.30質量%、Mn:0.80〜3.00質量%、Ti:0.030〜0.100質量%、Al:0.002〜0.010質量%、O:0.030〜0.070質量%、N:0超〜0.01質量%、及び、Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0005〜0.0070質量%のうちの少なくとも1つを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足するものである。
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
本実施形態の溶接金属は、たとえば上述したガスシールドアーク溶接用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により得られる、低温靱性に優れた溶接金属である。
以下において、本実施形態の溶接金属に含有される各成分量の数値限定理由について説明する。なお、溶接金属中の各成分量は、溶接金属の全質量に対する含有量であり、すなわち、溶接金属全質量あたりの含有量である。
(C:0.04〜0.12質量%)
溶接金属中のC量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のC量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のC量は0.12%以下であり、好ましくは0.10%以下であり、より好ましくは0.08%以下である。また、溶接金属中のC量は0.04%以上であり、好ましくは0.05%以上であり、より好ましくは0.06%以上である。
溶接金属中のC量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のC量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のC量は0.12%以下であり、好ましくは0.10%以下であり、より好ましくは0.08%以下である。また、溶接金属中のC量は0.04%以上であり、好ましくは0.05%以上であり、より好ましくは0.06%以上である。
(Si:0.05〜0.30質量%)
溶接金属中のSi量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のC量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のSi量は0.30%以下であり、好ましくは0.25%以下であり、より好ましくは0.20%以下であり、さらに好ましくは0.15%以下である。また、溶接金属中のSi量は0.05%以上であり、好ましくは0.07%以上であり、より好ましくは0.09%以上である。
溶接金属中のSi量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のC量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のSi量は0.30%以下であり、好ましくは0.25%以下であり、より好ましくは0.20%以下であり、さらに好ましくは0.15%以下である。また、溶接金属中のSi量は0.05%以上であり、好ましくは0.07%以上であり、より好ましくは0.09%以上である。
(Mn:0.80〜3.00質量%)
溶接金属中のMn量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のMn量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のMn量は3.00%以下であり、好ましくは2.50%以下であり、より好ましくは1.90%以下である。また、溶接金属中のMn量は0.80%以上であり、好ましくは1.20%以上であり、より好ましくは1.50%以上である。
溶接金属中のMn量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のMn量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のMn量は3.00%以下であり、好ましくは2.50%以下であり、より好ましくは1.90%以下である。また、溶接金属中のMn量は0.80%以上であり、好ましくは1.20%以上であり、より好ましくは1.50%以上である。
(Ti:0.030〜0.100質量%)
溶接金属中のTi量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のTi量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のTi量は0.100%以下であり、好ましくは0.080%以下であり、より好ましくは0.070%以下である。また、溶接金属中のTi量は0.030%以上であり、好ましくは0.040%以上であり、より好ましくは0.050%以上である。
溶接金属中のTi量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のTi量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のTi量は0.100%以下であり、好ましくは0.080%以下であり、より好ましくは0.070%以下である。また、溶接金属中のTi量は0.030%以上であり、好ましくは0.040%以上であり、より好ましくは0.050%以上である。
(Al:0.002〜0.010質量%)
溶接金属中のAl量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のAl量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のAl量は0.010%以下であり、好ましくは0.008%以下であり、より好ましくは0.006%以下である。また、溶接金属中のAl量は0.002%以上であり、好ましくは0.003%以上であり、より好ましくは0.004%以上である。
溶接金属中のAl量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のAl量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属中のAl量は0.010%以下であり、好ましくは0.008%以下であり、より好ましくは0.006%以下である。また、溶接金属中のAl量は0.002%以上であり、好ましくは0.003%以上であり、より好ましくは0.004%以上である。
(O:0.030〜0.070質量%)
Oは、溶接作業性を確保するスラグ形成に寄与する元素である。Oが過剰であると、酸化物系介在物が増加し、靭性が劣化するおそれがある。また、Oが少なすぎると、溶接作業性が著しく劣化するおそれがある。
以上の観点から、溶接金属中のO量は0.070%以下であり、好ましくは0.060%以下であり、より好ましくは0.055%以下である。また、溶接金属中のO量は0.030%以上であり、好ましくは0.035%以上であり、より好ましくは0.040%以上である。
Oは、溶接作業性を確保するスラグ形成に寄与する元素である。Oが過剰であると、酸化物系介在物が増加し、靭性が劣化するおそれがある。また、Oが少なすぎると、溶接作業性が著しく劣化するおそれがある。
以上の観点から、溶接金属中のO量は0.070%以下であり、好ましくは0.060%以下であり、より好ましくは0.055%以下である。また、溶接金属中のO量は0.030%以上であり、好ましくは0.035%以上であり、より好ましくは0.040%以上である。
(N:0超〜0.01質量%)
Nは、過剰に含有させると強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがあるが、工業的には0%に抑制することは困難である。
したがって、溶接金属中のN量は、0超〜0.01%に制御する。N量は、好ましくは0.007%以下であり、より好ましくは0.006%以下である。
Nは、過剰に含有させると強度が過大に上昇し、靭性が劣化するおそれがあるが、工業的には0%に抑制することは困難である。
したがって、溶接金属中のN量は、0超〜0.01%に制御する。N量は、好ましくは0.007%以下であり、より好ましくは0.006%以下である。
(Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0005〜0.0070質量%のうちの少なくとも1つ)
溶接金属中のNi量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のNi量の数値限定理由と同様である。
また、溶接金属中のB量の数値限定理由も、上述したワイヤ中のB量の数値限定理由と同様である。
本実施形態の溶接金属は、Ni及びBのうち少なくとも1種を特定の量範囲で含有する。
溶接金属にNiが含有される場合、溶接金属中のNi量は3.50%以下であり、好ましくは3.00%以下であり、より好ましくは2.70%以下である。また、ワイヤ中のNi量は0.30%以上であり、好ましくは0.80%以上であり、より好ましくは1.00%以上であり、さらに好ましくは2.00%以上である。
また、溶接金属にBが含有される場合、溶接金属中のB量は0.0070%以下であり、好ましくは0.0050%以下であり、より好ましくは0.0030%以下である。また、ワイヤ中のB量は0.0005%以上であり、好ましくは0.0010%以上であり、より好ましくは0.0015%以上である。
溶接金属中のNi量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のNi量の数値限定理由と同様である。
また、溶接金属中のB量の数値限定理由も、上述したワイヤ中のB量の数値限定理由と同様である。
本実施形態の溶接金属は、Ni及びBのうち少なくとも1種を特定の量範囲で含有する。
溶接金属にNiが含有される場合、溶接金属中のNi量は3.50%以下であり、好ましくは3.00%以下であり、より好ましくは2.70%以下である。また、ワイヤ中のNi量は0.30%以上であり、好ましくは0.80%以上であり、より好ましくは1.00%以上であり、さらに好ましくは2.00%以上である。
また、溶接金属にBが含有される場合、溶接金属中のB量は0.0070%以下であり、好ましくは0.0050%以下であり、より好ましくは0.0030%以下である。また、ワイヤ中のB量は0.0005%以上であり、好ましくは0.0010%以上であり、より好ましくは0.0015%以上である。
(Feおよび不可避的不純物)
本実施形態の溶接金属の残部は、Fe及び不可避的不純物である。
残部のFeは、たとえば90質量%以上であり、好ましくは90.5質量%以上であり、さらに好ましくは91質量%以上である。
なお、Feの上限は特に限定されないが、他の成分組成との関係から、たとえば98.8質量%以下とする。
残部の不可避的不純物とは、前記成分以外の成分(P、S、Sn、Pb、Sb等)や、後述する成分であって選択的に含有されうる成分(Nb、V、Cu等)等が不可避的に含まれるものも該当し、本発明の効果を妨げない範囲で含有することが許容される。
本実施形態の溶接金属の残部は、Fe及び不可避的不純物である。
残部のFeは、たとえば90質量%以上であり、好ましくは90.5質量%以上であり、さらに好ましくは91質量%以上である。
なお、Feの上限は特に限定されないが、他の成分組成との関係から、たとえば98.8質量%以下とする。
残部の不可避的不純物とは、前記成分以外の成分(P、S、Sn、Pb、Sb等)や、後述する成分であって選択的に含有されうる成分(Nb、V、Cu等)等が不可避的に含まれるものも該当し、本発明の効果を妨げない範囲で含有することが許容される。
また、本実施形態の溶接金属において、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足する。
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
(Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70%)
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2は酸化物系介在物の組成を示すパラメータであり、70%未満では、介在物を起点とする微細アシキュラーフェライト組織が減少し、低温靭性が低下するおそれがある。
したがって、本実施形態の溶接金属では、酸化物系介在物の平均組成が、質量%で、Al2O3+SiO2+MnO+TiO2が70%以上、好ましくは75%以上、より好ましくは80%以上を満足するように制御する。
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2は酸化物系介在物の組成を示すパラメータであり、70%未満では、介在物を起点とする微細アシキュラーフェライト組織が減少し、低温靭性が低下するおそれがある。
したがって、本実施形態の溶接金属では、酸化物系介在物の平均組成が、質量%で、Al2O3+SiO2+MnO+TiO2が70%以上、好ましくは75%以上、より好ましくは80%以上を満足するように制御する。
((TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2は、酸化物系介在物中のガラス相量の指標となるパラメータであり、5未満では、ガラス相量が増加して靭性が劣化するおそれがある。
したがって、本実施形態の溶接金属では、酸化物系介在物の平均組成が、(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2が5以上、好ましくは10以上、より好ましくは20以上を満足するように制御する。
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2は、酸化物系介在物中のガラス相量の指標となるパラメータであり、5未満では、ガラス相量が増加して靭性が劣化するおそれがある。
したがって、本実施形態の溶接金属では、酸化物系介在物の平均組成が、(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2が5以上、好ましくは10以上、より好ましくは20以上を満足するように制御する。
なお、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成は、電子線マイクロプローブX線分析(Electron Probe X−ray Micro Analyzer:EPMA)法により測定することができる。また、該酸化物系介在物は、TiO2、MnO、Al2O3、SiO2を含有し、残部成分は不可避的酸化物と不可避的フッ化物である。不可避的酸化物とは、溶接等で不可避的に含まれる酸化物であり、例えば、ZrO2、Cr2O3、Li2O、Na2O、MgO、CaO、FeO、Fe3O4、Fe2O3が挙げられる。また、不可避的フッ化物としては、CaF2があげられる。不可避的酸化物や不可避的フッ化物は、前記特性に悪影響を及ぼさず、所望の特性が得られる限度において含まれてもよい。前記酸化物系介在物の全質量に対する不可避的酸化物や不可避的フッ化物の合計質量百分率は、おおむね、30%未満であることが好ましく、20%以下であることがより好ましい。又、ZrO2、Cr2O3、Li2O、Na2O、CaO、MgO、FeO、Fe3O4、Fe2O3、CaF2は、それぞれ、前記酸化物系介在物の全質量に対する質量百分率が10%未満の範囲で、含有することができる。また、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物が上記要件(1)及び(2)を満足するためには、使用するワイヤの組成、母材の組成、各種溶接条件等を適宜調整すればよい。
また、本実施形態の溶接金属には、上述した各成分に加えて、さらに、下記の少なくとも1種の成分が所定量含有されてもよい。
(Cu:0.40質量%以下)
溶接金属中のCu量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のCu量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にCuが含有される場合、溶接金属中のCu量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、溶接金属中のCu量は、好ましくは0.40%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下である。
溶接金属中のCu量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のCu量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にCuが含有される場合、溶接金属中のCu量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、溶接金属中のCu量は、好ましくは0.40%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下である。
(Cr:1.0質量%以下)
溶接金属中のCr量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のCr量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にCrが含有される場合、溶接金属中のCr量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、溶接金属中のCr量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.8%以下であり、さらに好ましくは0.6%以下である。
溶接金属中のCr量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のCr量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にCrが含有される場合、溶接金属中のCr量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、溶接金属中のCr量は、好ましくは1.0%以下であり、より好ましくは0.8%以下であり、さらに好ましくは0.6%以下である。
(Mo:0.35質量%以下)
溶接金属中のMo量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のMo量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にMoが含有される場合、溶接金属中のMo量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、溶接金属中のMo量は、好ましくは0.35%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下であり、よりさらに好ましくは0.20%以下である。
溶接金属中のMo量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のMo量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にMoが含有される場合、溶接金属中のMo量は0%超であればよいが、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.05%以上であり、さらに好ましくは0.10%以上である。また、溶接金属中のMo量は、好ましくは0.35%以下であり、より好ましくは0.30%以下であり、さらに好ましくは0.25%以下であり、よりさらに好ましくは0.20%以下である。
(Nb:0.020質量%以下)
溶接金属中のNb量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のNb量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にNbが含有される場合、溶接金属中のNb量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、溶接金属中のNb量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.012%以下である。
溶接金属中のNb量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のNb量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にNbが含有される場合、溶接金属中のNb量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、溶接金属中のNb量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは0.015%以下であり、さらに好ましくは0.012%以下である。
(V:0.050質量%以下)
溶接金属中のV量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のV量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にVが含有される場合、溶接金属中のV量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、溶接金属中のV量は、好ましくは0.050%以下であり、より好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
溶接金属中のV量の数値限定理由は、上述したワイヤ中のV量の数値限定理由と同様である。
これより、溶接金属にVが含有される場合、溶接金属中のV量は0%超であればよいが、好ましくは0.001%以上であり、より好ましくは0.005%以上であり、さらに好ましくは0.008%以上である。また、溶接金属中のV量は、好ましくは0.050%以下であり、より好ましくは0.020%以下であり、さらに好ましくは0.015%以下である。
また、上記溶接金属の好ましい一態様は、Si:0.05〜0.25質量%、Mn:1.00〜2.40質量%、及びTi:0.030〜0.090質量%を満足し、Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0005〜0.0070質量%の両方を含有し、下記式で定義されるアシキュラーフェライト生成率が15%以上である溶接金属である。
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
すなわち、本好ましい一態様に係る溶接金属とは、
C:0.04〜0.12質量%、
Si:0.05〜0.25質量%、
Mn:1.00〜2.40質量%、
Ti:0.030〜0.090質量%、
Al:0.002〜0.010質量%、
O:0.030〜0.070質量%、
N:0超〜0.01質量%、
Ni:1.00〜3.50質量%、及び
B:0.0005〜0.0070質量%を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足する
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
下記式で定義されるアシキュラーフェライト生成率が15%以上である
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
溶接金属である。
C:0.04〜0.12質量%、
Si:0.05〜0.25質量%、
Mn:1.00〜2.40質量%、
Ti:0.030〜0.090質量%、
Al:0.002〜0.010質量%、
O:0.030〜0.070質量%、
N:0超〜0.01質量%、
Ni:1.00〜3.50質量%、及び
B:0.0005〜0.0070質量%を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足する
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
下記式で定義されるアシキュラーフェライト生成率が15%以上である
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
溶接金属である。
本態様の溶接金属においては、上述した理由により、溶接金属の酸化物系介在物中のヤング率の低いガラス相が低減される。加えて、特定量のNi及び特定量のBの両方が含有され、またSi量、Mn量及びTi量がそれぞれさらに特定範囲にあることで、靱性に悪影響を及ぼす粗大な粒界フェライトの生成が抑制されつつ、アシキュラーフェライトと競合する粒界ベイナイトが抑制され、低温靭性の改善に有効な、介在物を起点として生成する微細アシキュラーフェライト(AF)組織が増加する。これにより、低温靱性がさらに改善される。
ここで、アシキュラーフェライト(AF)生成率(%)とは、(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100で規定される、低温靭性の改善に寄与する微細アシキュラーフェライト(AF)の生成能を示すパラメータである。
以上の観点から、本態様の溶接金属におけるアシキュラーフェライト生成率は、15%以上、より好ましくは18%以上、さらに好ましくは20%以上である。
以上の観点から、本態様の溶接金属におけるアシキュラーフェライト生成率は、15%以上、より好ましくは18%以上、さらに好ましくは20%以上である。
なお、アシキュラーフェライト生成率は、以下のようにして測定することができる。
まず、溶接金属を溶接方向に垂直な面で切断し、ナイタール(硝酸:エタノール=5:95)腐食液でエッチングする。つづいて、最終パス原質部の165μm×219μmの範囲を光学顕微鏡により400倍で4視野撮影し、写りこんだ介在物粒子のうち、円相当径が1.5μm以上のものを選定する。そして、介在物粒子を起点に放射上に伸張した組織を、アシキュラーフェライトと定義し、下記式に基づきアシキュラーフェライト生成率(%)を測定する。
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
まず、溶接金属を溶接方向に垂直な面で切断し、ナイタール(硝酸:エタノール=5:95)腐食液でエッチングする。つづいて、最終パス原質部の165μm×219μmの範囲を光学顕微鏡により400倍で4視野撮影し、写りこんだ介在物粒子のうち、円相当径が1.5μm以上のものを選定する。そして、介在物粒子を起点に放射上に伸張した組織を、アシキュラーフェライトと定義し、下記式に基づきアシキュラーフェライト生成率(%)を測定する。
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
また、本実施形態の溶着金属は、JIS Z2202に準拠した引張り試験による引張り強度が490MPa超であることが好ましく、690MPa超であることがより好ましく、780MPa超であることがさらに好ましい。
<溶接条件>
以下において、上述したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接するときの、好ましい溶接条件について説明する。
以下において、上述したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接するときの、好ましい溶接条件について説明する。
(入熱量)
入熱量は、特に限定されるものではないが、2.5kJ/mm以下とすることが好ましい。入熱量が2.5kJ/mmを超えると、溶接時の冷却速度が低下することで粗大組織が形成されやすくなり、靭性が低下する傾向がある。
入熱量は、特に限定されるものではないが、2.5kJ/mm以下とすることが好ましい。入熱量が2.5kJ/mmを超えると、溶接時の冷却速度が低下することで粗大組織が形成されやすくなり、靭性が低下する傾向がある。
(シールドガス)
シールドガスとしては、特に限定されるものではないが、20体積%以下のCO2を含み、残部はArよりなる混合ガスを用いることが好ましい。CO2量が20体積%を超えると、粗大な酸化物が形成されやすくなり、靭性が低下する傾向がある。
シールドガスとしては、特に限定されるものではないが、20体積%以下のCO2を含み、残部はArよりなる混合ガスを用いることが好ましい。CO2量が20体積%を超えると、粗大な酸化物が形成されやすくなり、靭性が低下する傾向がある。
(予熱−パス間温度)
予熱−パス間温度は、特に限定されるものではないが、50〜200℃であることが好ましい。50℃を下回ると、溶接時の割れが発生しやすくなる傾向がある。また、200℃を超えると、溶接時の冷却速度が低下することで粗大組織が形成されやすくなり、靭性が低下する傾向がある。
予熱−パス間温度は、特に限定されるものではないが、50〜200℃であることが好ましい。50℃を下回ると、溶接時の割れが発生しやすくなる傾向がある。また、200℃を超えると、溶接時の冷却速度が低下することで粗大組織が形成されやすくなり、靭性が低下する傾向がある。
母材としては、本発明の効果が得られる限りにおいて、特に限定されるものではなく、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの組成や溶接条件等を考慮して、適宜選択することができる。
以下、実施例及び比較例により、本発明の効果について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(例1〜32)
ワイヤ径:1.2mm、フラックス充填率:13.5%で、下記表1に示す化学成分組成を有する例1〜32のフラックス入りワイヤを作製した。なお、各フラックス入りワイヤの残部は、鉄及び不可避的不純物である。また、表1中、Si換算量とはSi合金及びSi化合物中のSi換算量を表し、Ti換算量とはTi合金及びTi化合物中のTi換算量を表す。
ワイヤ径:1.2mm、フラックス充填率:13.5%で、下記表1に示す化学成分組成を有する例1〜32のフラックス入りワイヤを作製した。なお、各フラックス入りワイヤの残部は、鉄及び不可避的不純物である。また、表1中、Si換算量とはSi合金及びSi化合物中のSi換算量を表し、Ti換算量とはTi合金及びTi化合物中のTi換算量を表す。
板厚20mmのSM490A鋼板に20°V字開先を施し、各例のフラックス入りワイヤを用いて、下記の条件でガスシールドアーク溶接した。
シールドガス:20%CO2−80%Ar混合ガス
極性:DCEP(直流棒プラス)
電流−電圧−速度:280A−29V−35cpm
入熱:1.4kJ/mm
予熱温度:100℃−110℃
パス間温度:140℃−160℃
積層法:7層14パス
溶接姿勢:下向き
シールドガス:20%CO2−80%Ar混合ガス
極性:DCEP(直流棒プラス)
電流−電圧−速度:280A−29V−35cpm
入熱:1.4kJ/mm
予熱温度:100℃−110℃
パス間温度:140℃−160℃
積層法:7層14パス
溶接姿勢:下向き
得られた各例に係る溶接金属の化学成分組成を表2に示す。また、各例に係る溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成、及び、その平均組成におけるAl2O3+SiO2+MnO+TiO2及び(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2について、表3に示す。なお、各例に係る溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成の残部は、不可避的不純物である。また、各例に係る溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成は、溶接金属から切出したミクロ試料の研磨面を、日本電子データム社製の電子線マイクロプローブX線分析装置(Electron Probe X−ray Micro Analyzer:EPMA、商品名「JXA−8500F」)を用いて観察することで、定量分析された。詳細には次の通りである。ミクロ試料の研磨面での観察面積を100mm2として、介在物の中央部の組成が特性X線の波長分散分光により定量分析された。分析対象元素は、Al、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Na、K、Cr、O(酸素)とし、既知物質を用いて各元素のX線強度と元素濃度の関係を予め検量線として求めておき、分析対象とする前記介在物から得られたX線強度と前記検量線から、各介在物に含まれる元素量を定量し、その結果を算術平均することで、介在物の組成が求められた。このようにして定量分析された介在物のうち、酸素(O)含量が5質量%以上の介在物を酸化物系介在物とした。このとき、一つの酸化物系介在物から複数の元素が観測された場合には、それらの元素の存在を示すX線強度の比から各元素の単独酸化物に換算して酸化物の組成が算出された。本発明では、前記単独酸化物として質量換算したものを平均して、酸化物の組成とした。
得られた溶接金属について、下記の評価試験により、各種性能(強度、低温靱性)を評価した。これらの評価結果を表4に示す。
(強度)
溶接線に平行に、溶接金属の中央部からJIS Z2202に準拠した引張り試験片を採取して引張り試験を行い、引張り強度にして490MPaを超えるものを合格とした。
溶接線に平行に、溶接金属の中央部からJIS Z2202に準拠した引張り試験片を採取して引張り試験を行い、引張り強度にして490MPaを超えるものを合格とした。
(低温靭性)
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の要領で、−40℃での吸収エネルギー及び脆性破面率を測定した。3回の測定の平均値として、−40℃での吸収エネルギーが47J以上かつ脆性破面率が20%以下であるものを、低温靭性に優れると評価した。
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の要領で、−40℃での吸収エネルギー及び脆性破面率を測定した。3回の測定の平均値として、−40℃での吸収エネルギーが47J以上かつ脆性破面率が20%以下であるものを、低温靭性に優れると評価した。
また、立向姿勢でのビード形状の凸化、ブローホールの発生、ビードなじみ性の劣化、スパッタの発生、ビード平滑性の劣化、耐気孔性の劣化、溶接作業性の劣化、高温割れの発生等が生じたものについては、その他の特性として表4にあわせて示す。
例3〜7、16及び19〜26は実施例であり、例1〜2、8〜15、17〜18及び27は比較例である。
例1では、ワイヤ中のC量が0.14%と高く、また、溶接金属中のC量が0.13%と高かったため、低温靱性に劣っていた。また、ワイヤ中のZrO2量が0.53%と高かったため、立向姿勢でのビード形状の凸化が見られた。
例2では、ワイヤ中のSi換算量が0.58%と高く、(Ti+Mn+Al)/Siが14と低く、溶接金属中のSi量が0.31%と高く、また、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成における(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2が4と低かったため、低温靱性に劣っていた。
例8では、ワイヤ中のSi換算量が0.09%と低く、また、溶接金属中のSi量が0.04%と低かったため、ブローホールが発生した。また、ワイヤ中のAl2O3量が0.83%と高かったため、ビードなじみ性が劣化し、スパッタが発生した。
例9では、ワイヤ中のMn量が4.1%と高く、また、溶接金属中のMn量が3.05質量%と高かったため、低温靱性に劣っていた。また、ワイヤ中のAl2O3量が0.01%と低かったため、ビード平滑性が劣化した。
例10では、ワイヤ中のTi換算量が4.6%と高く、また、溶接金属中のTi量が0.103%と高かったため、低温靱性に劣っていた。
例11では、ワイヤ中のTi換算量が1.7%と低く、また、溶接金属中のTi量が0.027%と低かったため、低温靱性に劣り、立向姿勢でのビード形状の凸化が見られ、耐気孔性が劣化した。
例12では、ワイヤ中のAl量が0.057%と高く、また、溶接金属中のAl量が0.011%と高かったため、低温靱性に劣っていた。また、ワイヤ中のZrO2量が0.01%と高かったため、ビード平滑性が劣化した。
例13では、ワイヤ中のAl量が0.004%と低く、また、溶接金属中のAl量が0.011%と低かったため、ブローホールが発生し、ビード平滑性が劣化した。
例14では、ワイヤ中のNi量が3.6%と高く、また、溶接金属中のNi量が3.51%と高かったため、高温割れが発生した。
例15では、ワイヤ中のNi量が0.2%と低く、また、溶接金属中のNi量が0.27%と低かったため、低温靱性に劣っていた。
例17では、ワイヤ中のB量が0.0132%と高く、また、溶接金属中のB量が0.0074%と高かったため、高温割れが発生した。
例18では、ワイヤ中のB量が0.0005%と低く、また、溶接金属中のB量が0.0004%と低かったため、低温靱性に劣っていた。
例27では、ワイヤ中の(Ti+Mn+Al)/Siが14と低く、また、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成における(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2が4と低かったため、低温靱性に劣っていた。
一方、本発明に規定の範囲内である例3〜7、16及び19〜26は、低温靱性に優れ、かつその他の特性も良好であった。
例1では、ワイヤ中のC量が0.14%と高く、また、溶接金属中のC量が0.13%と高かったため、低温靱性に劣っていた。また、ワイヤ中のZrO2量が0.53%と高かったため、立向姿勢でのビード形状の凸化が見られた。
例2では、ワイヤ中のSi換算量が0.58%と高く、(Ti+Mn+Al)/Siが14と低く、溶接金属中のSi量が0.31%と高く、また、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成における(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2が4と低かったため、低温靱性に劣っていた。
例8では、ワイヤ中のSi換算量が0.09%と低く、また、溶接金属中のSi量が0.04%と低かったため、ブローホールが発生した。また、ワイヤ中のAl2O3量が0.83%と高かったため、ビードなじみ性が劣化し、スパッタが発生した。
例9では、ワイヤ中のMn量が4.1%と高く、また、溶接金属中のMn量が3.05質量%と高かったため、低温靱性に劣っていた。また、ワイヤ中のAl2O3量が0.01%と低かったため、ビード平滑性が劣化した。
例10では、ワイヤ中のTi換算量が4.6%と高く、また、溶接金属中のTi量が0.103%と高かったため、低温靱性に劣っていた。
例11では、ワイヤ中のTi換算量が1.7%と低く、また、溶接金属中のTi量が0.027%と低かったため、低温靱性に劣り、立向姿勢でのビード形状の凸化が見られ、耐気孔性が劣化した。
例12では、ワイヤ中のAl量が0.057%と高く、また、溶接金属中のAl量が0.011%と高かったため、低温靱性に劣っていた。また、ワイヤ中のZrO2量が0.01%と高かったため、ビード平滑性が劣化した。
例13では、ワイヤ中のAl量が0.004%と低く、また、溶接金属中のAl量が0.011%と低かったため、ブローホールが発生し、ビード平滑性が劣化した。
例14では、ワイヤ中のNi量が3.6%と高く、また、溶接金属中のNi量が3.51%と高かったため、高温割れが発生した。
例15では、ワイヤ中のNi量が0.2%と低く、また、溶接金属中のNi量が0.27%と低かったため、低温靱性に劣っていた。
例17では、ワイヤ中のB量が0.0132%と高く、また、溶接金属中のB量が0.0074%と高かったため、高温割れが発生した。
例18では、ワイヤ中のB量が0.0005%と低く、また、溶接金属中のB量が0.0004%と低かったため、低温靱性に劣っていた。
例27では、ワイヤ中の(Ti+Mn+Al)/Siが14と低く、また、溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成における(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2が4と低かったため、低温靱性に劣っていた。
一方、本発明に規定の範囲内である例3〜7、16及び19〜26は、低温靱性に優れ、かつその他の特性も良好であった。
(例33〜61)
また、ワイヤ径:1.2mm、フラックス充填率:13.5%で、下記表5に示す化学成分組成を有する例33〜61のフラックス入りワイヤを作製した。なお、各フラックス入りワイヤの残部は、鉄及び不可避的不純物である。また、表5中、Si換算量とはSi合金及びSi化合物中のSi換算量を表し、Ti換算量とはTi合金及びTi化合物中のTi換算量を表す。
また、ワイヤ径:1.2mm、フラックス充填率:13.5%で、下記表5に示す化学成分組成を有する例33〜61のフラックス入りワイヤを作製した。なお、各フラックス入りワイヤの残部は、鉄及び不可避的不純物である。また、表5中、Si換算量とはSi合金及びSi化合物中のSi換算量を表し、Ti換算量とはTi合金及びTi化合物中のTi換算量を表す。
板厚20mmのSM490A鋼板に20°V字開先を施し、各例のフラックス入りワイヤを用いて、下記の条件でガスシールドアーク溶接した。
シールドガス:20%CO2−80%Ar混合ガス
極性:DCEP(直流棒プラス)
電流−電圧−速度:280A−29V−35cpm
入熱:1.4kJ/mm
予熱温度:100℃−110℃
パス間温度:140℃−160℃
積層法:7層14パス
溶接姿勢:下向き
シールドガス:20%CO2−80%Ar混合ガス
極性:DCEP(直流棒プラス)
電流−電圧−速度:280A−29V−35cpm
入熱:1.4kJ/mm
予熱温度:100℃−110℃
パス間温度:140℃−160℃
積層法:7層14パス
溶接姿勢:下向き
得られた各例に係る溶接金属の化学成分組成を表6に示す。また、各例に係る溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物の平均組成におけるAl2O3+SiO2+MnO+TiO2及び(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2について、表6に示す。
また、溶接金属のアシキュラーフェライト生成率を、以下のようにして測定した。
まず、溶接金属を溶接方向に垂直な面で切断し、ナイタール(硝酸:エタノール=5:95)腐食液でエッチングした。つづいて、最終パス原質部の165μm×219μmの範囲を光学顕微鏡により400倍で4視野撮影し、写りこんだ介在物粒子のうち、円相当径が1.5μm以上のものを選定した。そして、介在物粒子を起点に放射上に伸張した組織を、アシキュラーフェライトと定義し、下記式に基づきアシキュラーフェライト生成率(%)を測定した。
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
まず、溶接金属を溶接方向に垂直な面で切断し、ナイタール(硝酸:エタノール=5:95)腐食液でエッチングした。つづいて、最終パス原質部の165μm×219μmの範囲を光学顕微鏡により400倍で4視野撮影し、写りこんだ介在物粒子のうち、円相当径が1.5μm以上のものを選定した。そして、介在物粒子を起点に放射上に伸張した組織を、アシキュラーフェライトと定義し、下記式に基づきアシキュラーフェライト生成率(%)を測定した。
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
得られた溶接金属について、下記の評価試験により、低温靱性を評価した。
すなわち、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の要領で、−60℃での吸収エネルギー及び脆性破面率を測定した。これらの評価結果を表6に示す。3回の測定の平均値として、−60℃での吸収エネルギーが60J以上かつ脆性破面率が30%以下であるものを、低温靭性に特に優れると評価した。
すなわち、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の要領で、−60℃での吸収エネルギー及び脆性破面率を測定した。これらの評価結果を表6に示す。3回の測定の平均値として、−60℃での吸収エネルギーが60J以上かつ脆性破面率が30%以下であるものを、低温靭性に特に優れると評価した。
Si換算量:0.10〜0.45質量%、Mn:1.1〜3.4質量%、及びTi換算量:2.4〜4.0質量%を満足し、Ni:1.00〜3.50質量%及びB:0.0008〜0.012質量%の両方を含有するワイヤを用いて得られた、Si:0.05〜0.25質量%、Mn:1.00〜2.40質量%、及びTi:0.030〜0.090質量%を満足し、Ni:1.00〜3.50質量%及びB:0.0005〜0.0070質量%の両方を含有し、アシキュラーフェライト生成率が15%以上である例33〜50の溶接金属は、3回の測定の平均値として、−60℃での吸収エネルギーが60J以上かつ脆性破面率が30%以下であり、低温靭性に特に優れていた。
Claims (10)
- ワイヤ全質量あたり、
C:0.03〜0.12質量%、
Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.50質量%、
Mn:1.0〜4.0質量%、
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.5質量%、
Al:0.005〜0.050質量%、
Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0008〜0.012質量%のうちの少なくとも1つ、及び
Fe:80質量%以上を含有し、
(Ti+Mn+Al)/Si≧15を満足するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量あたり、
ZrO2:0.02〜0.50質量%、及び
Al2O3:0.02〜0.80質量%
をさらに含有する請求項1に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量あたり、
Cu:0.40質量%以下、
Cr:1.0質量%以下、
Mo:0.35質量%以下、
Nb:0.030質量%以下、及び
V:0.050質量%以下
からなる群から選ばれる少なくとも1つをさらに含有する請求項1または2に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量あたり、
Li、NaおよびKの合計:1.0質量%以下、及び
Ca:1.0質量%以下
からなる群から選ばれる少なくとも1つをさらに含有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量あたり、
Mg:1.0質量%以下
をさらに含有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - ワイヤ全質量あたり、
F:1.0質量%以下
をさらに含有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - Si合金及びSi化合物中のSi換算量でのSi:0.10〜0.45質量%、
Mn:1.1〜3.4質量%、及び
Ti合金及びTi化合物中のTi換算量でのTi:2.4〜4.0質量%、
を満足し、
Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0008〜0.012質量%の両方を含有する請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - C:0.04〜0.12質量%、
Si:0.05〜0.30質量%、
Mn:0.80〜3.00質量%、
Ti:0.030〜0.100質量%、
Al:0.002〜0.010質量%、
O:0.030〜0.070質量%、
N:0超〜0.01質量%、及び
Ni:0.30〜3.50質量%およびB:0.0005〜0.0070質量%のうちの少なくとも1つを含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなる溶接金属であって、
前記溶接金属中に含まれる短径1μm以上の酸化物系介在物は、その平均組成が、質量%で、下記要件(1)及び(2)を満足する
Al2O3+SiO2+MnO+TiO2≧70% (1)
(TiO2+MnO+Al2O3)/SiO2≧5 (2)
溶接金属。 - Cu:0.40質量%以下、
Cr:1.0質量%以下、
Mo:0.35質量%以下、
Nb:0.020質量%以下、及び
V:0.050質量%以下
からなる群から選ばれる少なくとも1つをさらに含有する請求項8に記載の溶接金属。 - Si:0.05〜0.25質量%、
Mn:1.00〜2.40質量%、及び
Ti:0.030〜0.090質量%
を満足し、
Ni:1.00〜3.50質量%、及びB:0.0005〜0.0070質量%の両方を含有し、
下記式で定義されるアシキュラーフェライト生成率が15%以上である
アシキュラーフェライト生成率(%)=(アシキュラーフェライトを起点として作用した介在物数/全介在物数)×100
請求項8又は9に記載の溶接金属。
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