JP5096062B2 - 溶接金属及びチタニヤ系フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、チタニヤ（ＴｉＯ_２）系フラックス入りワイヤで溶接された溶接金属に関し、特に，ソリッドワイヤと同等又はそれ以上の耐高温割れ性を有する溶接金属に関する。

船舶及び橋梁等の海洋構造物を含む広範な分野において、チタニヤ（ＴｉＯ_２）系のフラックス入りワイヤが使用されている。このチタニヤ系フラックス入りワイヤ（ＦＣＷ：flux Cored Wire）は、鋼製シース内に、チタニヤ（ＴｉＯ_２）を含むフラックスを充填させたものであり、このチタニヤ系の全姿勢溶接用ＦＣＷを使用して、ガスシールドアーク溶接することにより、１本のワイヤで全姿勢溶接できるだけではなく、良好な溶接作業性、高能率性、及び良好な溶接金属性能が得られるという利点がある。

しかしながら、チタニヤ系ＦＣＷは、ソリッドワイヤと比較して、耐高温割れ性能、特に、開先初層部及び狭隘部の溶接時の耐高温割れ性能が劣るという欠点がある。このため、チタニヤ系ＦＣＷを使用して得られる溶接金属の高温割れ性能に関する研究が多数なされており（例えば、非特許文献１、２）、この非特許文献１、２は、Ｐ、Ｓ，及びＢ等の元素が耐高温割れ性を著しく劣化させること、また、この高温割れの防止のために、Ｍｎの添加が有効であること等が開示されている。

これらのＰ，Ｓ及びＢ等は、溶接金属が凝固するときに最終凝固部に凝集して低融点の共晶となる。この共晶の部分は、溶接金属の凝固過程で、最後まで溶融状態で残留し、周囲の部分が凝固したときの凝固収縮により、共晶の部分が凝固する際に、その境界で割れが発生するものと考えられる。

しかしながら、前述の如く、非特許文献１及び２には、Ｍｎの添加により溶接金属の高温割れを防止することが有効であることが開示されているものの、現状のチタニヤ系フラックス入りワイヤの耐高温割れ性は、近時の溶接性能向上の要求を満足するものではない。近時、耐高温割れ性能として、具体的には、ソリッドワイヤと同等の耐高温割れ性が要求されているが、従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤは、このような要求を満足するものではなかった。

また、特許文献１においては、Ｎｂの添加による溶接金属の組成的過冷と、ＡｌとＴｉの添加による核生成触媒効果との複合効果により、溶接金属中央部で柱状晶を等軸化することによって高温割れを抑制している。しかしながら、過剰のＡｌ添加は延性の低下の原因となるため、好ましくない。

特開２００４−３５８５５２号公報 溶接学会誌第４９巻（１９８０年）第１号第１９乃至２３頁 溶接学会誌第４４巻（１９７５年）第７号第２０乃至２５頁

上述の如く、従来のチタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して溶接された溶接金属は、近時の耐高温割れ性能についての要求を満足するものではなく、また、高温割れを抑制しようとすると、延性の低下が問題となるという難点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、チタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して溶接したときに、耐高温割れ性能を向上させることができる溶接金属を提供することを目的とする。

本発明に係る溶接金属は、チタニヤ系フラックス入りワイヤで溶接された溶接金属において、Ｂ：０．００５質量％以下（０は含まない）、Ｎ：０．００４５乃至０．０２質量％、Ｔｉ：０．０２５乃至０．１質量％、Ｍｎ：１．０乃至１．７質量％、Ｓｉ：０．２乃至０．７質量％、Ｃ：０．０５乃至０．０９質量％、及びＯ：０．０５乃至０．０９質量％を含有し、更に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を０．５質量％以下（０は含まない）を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０１５質量％以下、及びＳ：０．０１５質量％以下に規制し、Ｔｉ及びＮの含有量（質量％）を夫々［Ｔｉ］及び［Ｎ］とするとき、［Ｔｉ］／［Ｎ］は４乃至８であることを特徴とする。

この場合に、前記［Ｔｉ］／［Ｎ］は４．８乃至７．１であることが好ましい。

また、本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤは、請求項１又は２に記載の溶接金属を得るための鋼製外皮に、フラックスを充填してなるチタニヤ系フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｂ：０．０１５５質量％以下（０は含まない）、Ｎ：０．００１乃至０．０２２質量％、Ｔｉ：０．６０質量％以下（０は含まない）、Ｍｎ：２．３０乃至３．７５質量％、Ｓｉ：０．８５質量％以下（０は含まない）、Ｃ：０．０３０乃至０．０５５質量％、及びＴｉＯ_２：５乃至７質量％を含有し、Ｔｉ、ＴｉＯ_２及びＮの含有量（質量％）を夫々［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］とするとき、以下の関係を満たすことを特徴とする。
２７０＜｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝＜５３０

この場合に、前記［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］は、以下の関係を満たすことが好ましい。
３２０＜｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝＜４７０

本発明によれば、溶接金属のＴｉ及びＮの含有量を夫々［Ｔｉ］及び［Ｎ］として、［Ｔｉ］／［Ｎ］を４乃至８の範囲に設定するので、溶接金属の耐高温割れ性を向上させることができると共に、Ａｌを添加していないので、延性を低下させることがないという効果を奏する。

以下、本発明について更に詳細に説明する。本発明者等は、チタニヤ系フラックス入りワイヤを使用して、造船用鋼板、橋梁用鋼板及び海洋構造物鋼板を溶接したときに得られた溶接金属の耐高温割れ性を調査し、優れた耐高温割れ性が得られる溶接金属を得るべく、種々実験研究した結果、溶接金属中のＴｉ及びＮの含有量を夫々［Ｔｉ］及び［Ｎ］としたときに、［Ｔｉ］／［Ｎ］を４乃至８の範囲、好ましくは、４．８乃至７．１にしたときに、溶接金属の耐高温割れ性を向上させることができることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

先ず、本発明の溶接金属の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

「Ｂ：０．００５質量％以下（０は含まない）」
Ｂは、溶接金属の結晶粒を微細化し、その強度を向上させる効果があるが、Ｂの含有量が０．００５質量％を超えると、著しく耐高温割れ性が低下する。このため、Ｂの含有量は、０．００５質量％以下（０は含まない）とする。

「Ｎ：０．００４５乃至０．０２質量％」
Ｎはその含有量が０．０２質量％を超えると、溶接金属の靭性を著しく低下させる。このため、Ｎの含有量を０．０２質量％以下にする。また、Ｎは、その含有により、溶接金属の強度確保、又はＢをＢＮとして固定化することで耐高温割れ感受性を改善することができる。この作用効果を得るためには、Ｎの含有量は、０．００４５質量％以上とすることが必要である。

「Ｔｉ：０．０２５乃至０．１質量％」
Ｔｉは、脱酸剤及び作業性の向上を目的として添加されるが、Ｔｉ含有量が０．０２５質量％未満ではその効果が十分でない。また、Ｔｉ含有量が０．１質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下するため、Ｔｉ含有量は０．１質量％以下とする。

「Ｍｎ：１．０乃至１．７質量％」
Ｍｎは脱酸剤及び溶接金属の機械的性質を調整するために溶接金属中に添加するが、Ｍｎ含有量が１．０質量％未満では、溶接金属の靭性（衝撃値）が低く、また、Ｍｎが１．７質量％を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎる。従って、Ｍｎ含有量は１．０乃至１．７質量％とする。

「Ｓｉ：０．２乃至０．７質量％」
Ｓｉは脱酸剤及び溶接金属の流動性を調整して溶接ビードのなじみを良くするために溶接金属中に添加する。しかし、Ｓｉが０．２質量％未満では、ビードが凸ビードになり易く、また、脱酸不足によるブローホール（気孔）が多発する。一方、Ｓｉが０．７質量％を越えると、溶接金属の強度が高くなりすぎて、溶接金属の靭性が著しく低下すると共に、耐高温割れ性が悪化する。従って、Ｓｉ含有量は、０．２乃至０．７質量％とする。

「Ｃ：０．０５乃至０．０９質量％」
Ｃは溶接金属の強度を増加させる元素であるが、Ｃが０．０５％未満では、溶接金属が所望の強度を得ることができない。一方、Ｃ含有量が０．０９質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下するため、望ましくない。このため、Ｃ含有量は０．０５乃至０．０９質量％とする。

「Ｏ：０．０５乃至０．０９質量％」
一般に、鋼材中の酸素は靭性及び展性特性を低下させる傾向があり、Ｏは０．０９質量％以下とする。その一方で、これとは反対に、溶接金属内に０．０５質量％以上の酸素を含有することで、微細に分散された介在物が形成され、良好な靭性が得られる。以上のことから、酸素含有量は、０．０５乃至０．０９質量％とする。

「Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，及びＶ：総量で０．５質量％以下（０を含まない）」
また、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，及びＶからなる群から選択された少なくとも１種を含有することにより、溶接金属の強度及び靭性を向上させることができる。この場合に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を総量で、０．５質量％を超えて添加すると、逆に溶接金属の強度が上がりすぎ、また靭性が低下するため、望ましくない。このため、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を総量で、０．５質量％以下添加する。

「不可避的不純物」
不可避的不純物としては、Ｐ及びＳがある。この場合に、不可避的不純物としてのＰの含有量が０．０１５質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が著しく劣るため、Ｐは０．０１５質量％以下に規制することが必要である。

また、不可避的不純物としてのＳの含有量が０．０１５質量％を超えると、同様に溶接金属の耐高温割れ性が著しく劣るため、Ｓは０．０１５質量％以下とすることが必要である。

「［Ｔｉ］／［Ｎ］：４乃至８、好ましくは、４．８乃至７．１」
［Ｔｉ］／［Ｎ］を４乃至８、好ましくは、４．８乃至７．１にすることにより、溶接金属の耐高温割れ性を向上させることができる。［Ｔｉ］／［Ｎ］が４未満では、溶接金属中のＮ量が過剰となり、溶接金属の液相線温度から凝固温度までの温度域が広がり、溶接金属の凝固割れが発生し、耐高温割れ性が低下する。一方、［Ｔｉ］／［Ｎ］が８を超えると、溶接金属中のＴｉ量が過剰となり、溶接金属の液相線温度から凝固温度までの温度域が広がり、溶接金属に凝固割れが発生し、耐高温割れ性が低下する。このため、［Ｔｉ］／［Ｎ］は４乃至８の範囲内にする。好ましくは、［Ｔｉ］／［Ｎ］は４．８乃至７．１とする。

「ワイヤの組成」
本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤは、鋼製外皮に、フラックスを充填してなるチタニヤ系フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｂ：０．０１５５質量％以下（０は含まない）、Ｎ：０．００１乃至０．０２２質量％、Ｔｉ：０．６０質量％以下（０は含まない）、Ｍｎ：２．３０乃至３．７５質量％、Ｓｉ：０．８５質量％以下（０は含まない）、Ｃ：０．０３０乃至０．０５５質量％、及びＴｉＯ_２：５乃至７質量％を含有するものである。

この場合に、Ｔｉ、ＴｉＯ_２及びＮの含有量（質量％）を夫々［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］とするとき、これらは、以下の関係を満たすものである。
２７０＜｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝＜５３０
｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝が２７０未満では、溶接金属中のＮ量が過剰となり、溶接金属の液相線温度から凝固温度までの温度域が広がり、溶接金属の凝固割れが発生しやすくなり、耐高温割れ性が低下する。一方、｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝が５３０を超えると、溶接金属中のＴｉ量が過剰となり、溶接金属の液相線温度から凝固温度までの温度域が広がり、溶接金属に凝固割れが発生しやすくなり、耐高温割れ性が低下する。このため、Ｔｉ及びＮ等は、上記関係を満たすことが好ましい。

更に、前記［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］は、以下の関係を満たすことがより好ましい。
３２０＜｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝＜４７０

なお、Ｂ源としては、Ｆｅ−Ｂ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ，Ｂ_２Ｏ_３等がある。Ｐ，Ｓ源は鋼製外皮及びフラックス原料の不純物。Ｎ源は鋼製外皮及びチッ化クロム、チッ化チタン、フラックス原料の不純物等がある。Ｔｉ源としては、金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉ等がある。ＴｉＯ_２源はルチール、チタン酸カルシウム、チタン酸カリガラス、及びルコキシン等がある。なお、ＴｉＯ_２の下限よりも低くなると立向の作業性が劣化し、上限を超えると溶接金属の酸素量が高くなる傾向にある。Ｍｎ源としては、鋼製外皮中のＭｎ，金属Ｍｎ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等がある。Ｓｉ源としては、鋼製外皮中のＳｉ，Ｆｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ，ＲＥＭ（希土類元素）−Ｃａ−Ｓｉ等がある。Ｃ源としては、鋼製外皮中のＣ，Ｃ単体、及び鉄粉又は金属粉中のＣ等がある。

本発明のフラックス入りワイヤは、Ｆｅを８０質量％以上含有し、そのＦｅ源は、鋼製外皮、鉄粉、Ｆｅ合金のＦｅ等がある。その他、残部は、前述のＢ，Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｔｉ，ＴｉＯ_２，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃ源として使用する原料の該当成分以外の成分と、金属Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｖ，Ｃａ，Ｚｎ等の不可避的不純物及びスラグ生成剤を含む。なお、スラグ生成剤としては、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，Ｎａ_２Ｏ，ＺｒＯ_２，Ｋ_２Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｌｉ_２Ｏ，Ｂｉ_２Ｏ_３，Ｋ_２ＳｉＦ_６，ＣａＦ_２，ＢａＦ_２，ＮａＦ，Ｖ_２Ｏ_５，ＦｅＯ，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，ＳｒＦ_２，ＡｌＦ_３，ＭｇＦ_２，ＬｉＦ，ＣａＣＯ_３，ＭｇＣＯ_３，ＢａＣＯ_３，Ｌｉ_２ＣＯ_３，Ｎａ_２ＣＯ_３，又はＳｒ_２ＣＯ_３等がある。また、フラックス入りワイヤのフラックス充填率は１０〜２０％とすることが好ましい。

次に、本発明の効果を実証するための実験結果について説明する。ＪＩＳ ＳＭ４００Ｂ鋼を溶接対象鋼種に選定し、図１に示す開先形状にて溶接試験を行った。図１は、本実施例の耐高温割れ性能試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。溶接母材１はＶ形状の開先を有し、このＶ形状の開先部の裏面には、耐火物２及びアルミニウムテープ３等からなる裏あて材が配置されている。本実施例の耐高温割れ性能試験においては、このＶ形状の開先角度を３５゜として、裏あて材が配置されている部分のルート間隔を４ｍｍとした。そして、溶接電流を２４０Ａ、運棒方法はストレート、繰り返し数を２回とし、片面溶接の初層溶接について、Ｘ線透過試験（ＪＩＳ Ｚ ３１０４）にて内部割れを確認し、その全長を測定した。そして、割れ率Ｗを、（割れの全長）／（溶接長）×１００として、割れ率Ｗを算出した。なお、割れ率Ｗは、繰り返し数２回の平均値とした。供試材のＳＭ４００Ｂ材の組成を下記表１に示す。また、使用した溶接ワイヤの組成（質量％）を下記表２に示す。なお、溶接ワイヤのＴｉ、ＴｉＯ_２及びＮの含有量（質量％）を夫々［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］とするとき、｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝の値を下記表２に示す。

なお、表２−２における残部は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ、Ａｌ，Ｎｂ，又はＶ等である。

上記表１に示す組成のＳＭ４００Ｂ鋼板を、図１に示す開先形状で、表２に示す溶接ワイヤを使用して下記表３に示す溶接条件で溶接した。

その結果、下記表４に示す組成（質量％）の溶接金属が得られた。なお、溶接金属の［Ｔｉ］／［Ｎ］は、下記表５に示す。

この表４において、溶接金属の実施例Ｎｏ．１乃至３は、溶接ワイヤの実施例Ｎｏ．１乃至３を使用し、溶接金属の比較例Ｎｏ，４乃至８は、溶接ワイヤの比較例Ｎｏ．４乃至８を使用し、溶接金属の実施例Ｎｏ．９乃至２３は、溶接ワイヤの実施例Ｎｏ．９乃至２３を使用した。

そして、得られた各溶接金属の割れ率、耐高温割れ性及び溶接速度を、溶接金属の［Ｔｉ］／［Ｎ］と共に、下記表５に示す。

表４に示すように、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉの含有量は、実施例１乃至３，９乃至２３と比較例４乃至８の全てが本発明の範囲を満たしている。しかし、［Ｔｉ］／［Ｎ］の値が、実施例１乃至３，９乃至２３は、本発明の範囲を満たすのに対し、比較例４乃至８は、本発明の範囲から外れるものである。

その結果、表５から明らかなように、溶接速度は、ほぼ同程度であるにも拘わらず、実施例１乃至３，９乃至２３は、割れ率が低く、比較例４乃至８は、割れ率が実施例の数倍以上も高いものであった。このため、実施例１乃至３、９乃至２３は、耐高温割れ性が優れている（○）が、比較例４乃至８は耐高温割れ性が劣るものであった（×）。

図２（ａ）及び（ｂ）は、この割れ率を縦軸にとり、［Ｔｉ］／［Ｎ］を横軸にとって、表５の関係をグラフ化したものである。図２（ａ）は、表５の実施例１乃至３及び比較例４乃至８をプロットしたものであり、図２（ｂ）は、表５の実施例１乃至３，比較例４乃至８及び実施例９乃至２３の全てをプロットしたものである。この図２（ａ）、（ｂ）に示すように、［Ｔｉ］／［Ｎ］が４乃至８の場合に、それ以外のものに比較して、割れ率が極めて小さくなることがわかる。この場合に、［Ｔｉ］／［Ｎ］が４．８乃至７．１の範囲にある場合には、更に一層割れ率が低くなる。

以上のように、［Ｔｉ］／［Ｎ］を４乃至８、好ましくは［Ｔｉ］／［Ｎ］を４．８乃至７．１にすることにより、高温割れの割れ率をこの範囲から外れる場合に比較して、著しく低下させることができる。

本発明の実施例の耐高温割れ性能試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は横軸に［Ｔｉ］／［Ｎ］をとり、縦軸に割れ率（％）をとって、両者の関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１：溶接母材
２：耐火材
３：アルミニウムテープ

Claims (4)

1. チタニヤ系フラックス入りワイヤで溶接された溶接金属において、Ｂ：０．００５質量％以下（０は含まない）、Ｎ：０．００４５乃至０．０２質量％、Ｔｉ：０．０２５乃至０．１質量％、Ｍｎ：１．０乃至１．７質量％、Ｓｉ：０．２乃至０．７質量％、Ｃ：０．０５乃至０．０９質量％、及びＯ：０．０５乃至０．０９質量％を含有し、更に、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，及びＶからなる群から選択された少なくとも１種の元素を０．５質量％以下（０は含まない）を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０１５質量％以下、及びＳ：０．０１５質量％以下に規制し、Ｔｉ及びＮの含有量（質量％）を夫々［Ｔｉ］及び［Ｎ］とするとき、［Ｔｉ］／［Ｎ］は４乃至８であることを特徴とする溶接金属。
2. 前記［Ｔｉ］／［Ｎ］は４．８乃至７．１であることを特徴とする請求項１に記載の溶接金属。
3. 請求項１又は２に記載の溶接金属を得るための鋼製外皮に、フラックスを充填してなるチタニヤ系フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｂ：０．０１５５質量％以下（０は含まない）、Ｎ：０．００１乃至０．０２２質量％、Ｔｉ：０．６０質量％以下（０は含まない）、Ｍｎ：２．３０乃至３．７５質量％、Ｓｉ：０．８５質量％以下（０は含まない）、Ｃ：０．０３０乃至０．０５５質量％、及びＴｉＯ_２：５乃至７質量％を含有し、Ｔｉ、ＴｉＯ_２及びＮの含有量（質量％）を夫々［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］とするとき、以下の関係を満たすことを特徴とするチタニヤ系フラックス入りワイヤ。
   ２７０＜｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝＜５３０
4. 前記［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］及び［Ｎ］は、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載のチタニヤ系フラックス入りワイヤ。
   ３２０＜｛９．０×［Ｔｉ］＋［ＴｉＯ_２］−２．４｝／｛［Ｎ］＋０．００７｝＜４７０

Images