JP5375632B2 - メタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、鋼製外皮に金属粉を充填することで、ワイヤの成分組成の調整がソリッドワイヤに比べて容易な、メタル粉入りエレクトロスラグ溶接用ワイヤに関し、溶接ワイヤ厚鋼板のエレクトロスラグ溶接により接合されたＴ字継手、例えば建築鉄骨における四面ボックス柱とダイヤフラムとの接合部に生じる、裏当金を用いて溶接されるＴ字継手のエレクトロスラグ溶接において、靱性の優れた溶接金属を得るために好適なものに関する。特に、溶接ワイヤの形態に関しては、鋼製外皮にシームレスパイプを用いたものか、造管時にシーム部を溶接して外気と内部の充填剤とが直接接触しないようにして伸線加工した「シームレスワイヤ」に適用することを目的とする。
一般に、エレクトロスラグ溶接法は、大入熱１パス溶接が可能なため、他の溶接法に比べて高能率な溶接が可能であり、建築、橋梁などの溶接構造物における鉄骨のダイヤフラムなどを立向溶接する場合に多く用いられている。しかしながら、エレクトロスラグ溶接法は、その溶接入熱が５００ｋＪ／ｃｍ程度以上と、一般のアーク溶接に比べて大きいために、溶接で形成される溶接金属の冷却速度が小さく、その冷却過程でオーステナイト（以下、略称でγということもある）粒界から粗大な初析フェライト（以下、略称でαということもある）が生成されやすく、また、粒内に形成される組織も粗大化するため、溶接金属の靭性を確保することが容易ではない。
一方で、建築、橋梁などの溶接構造物において、地震時に脆性破壊により倒壊しないために、その溶接部の高靭性化の社会的要請が極めて大きく、母材、溶接熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）の靱性として、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーで７０Ｊ以上を保証する高ＨＡＺ靱性鋼が開発されている。溶接継手全体の安全性を高めるためには、溶接金属においても同等のレベルが要求されてきており、本要求に応えるために、最近、エレクトロスラグ溶接時の溶接金属の高靭性化が可能なエレクトロスラグ用溶接ワイヤがいろいろと提案されてきた。
例えば、特許文献１では凝固時のオーステナイト粒径の微細化を図ることで、引張強さ５００〜６００ＭＰａ級の溶接金属において、２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギーが１００Ｊ以上の優れた靭性を達成する技術を開示している。
一方、現在、建築分野で用いられるエレクトロスラグ溶接には、非消耗ノズル式が一般的で、溶接ワイヤには通常、鋼製の中実伸線であるソリッドワイヤが用いられるが、エレクトロスラグ溶接では母材希釈が大きいために、高強度でかつ高靭性の溶接金属を得ようとすると、鋼材組成や目標特性に応じて溶接ワイヤの組成を調整することが好ましいが、ソリッドワイヤではワイヤ素材のインゴットやスラブごとに成分が一定となってしまうため、ワイヤの成分を自由に変更することが容易でないという問題がある。
上記ソリッドワイヤにおける問題解決のためには、鋼製外皮からなるパイプあるいはチューブの内部にメタル粉やフラックスを充填するコアードワイヤが好ましい。なお、スラグ形成剤や脱酸材としての酸化物などのいわゆるフラックス成分を含まない成分調整用メタル粉やかさ増し材としての鉄粉のみを含むコアードワイヤもフラックス入りワイヤと呼ぶことがあり、以降、フラックス入りワイヤと称する場合は、特に断らない限りは両方を含むコアードワイヤのことを示すことし、逆にメタル粉入りワイヤという場合は、意図的にはスラグ形成剤や脱酸材としての酸化物などのフラックス成分を含まないワイヤのことを指すこととする。
フラックス入りワイヤであれば、鋼製外皮は一定組成として、ワイヤ全体としての成分は充填剤から自由に調整が可能であるため、鋼材組成に応じた組成のワイヤを容易に製造でき、かつ、その製造コストも抑制できる利点を有する。しかしながら、充填剤は基本的に微粒または粉体であるため、表面積が大きく、表面酸化によるワイヤの酸素（Ｏ）量がソリッドワイヤに比べて極めて多くなる。そのため、単にソリッドワイヤと同じ成分になるように合金成分を充填剤から含有させただけでは、溶接金属中の酸素含有量がソリッドワイヤによるよりも非常に多くなるため、溶接金属の靭性や延性が低下する。そのため、コアードワイヤにおいて、ソリッドワイヤなみに良好な靭性や延性を得るためには、溶接金属中の酸素含有量を低減するか、無害化する新たな技術が必要である。
特許文献２には、エレクトロスラグ溶接用のメタル粉入り溶接ワイヤが開示されているが、溶接金属中の酸素量には何ら注意が払われておらず、従って、溶接金属中の酸素量が多い分、靭性や延性がその溶接金属組成から期待されるよりは低下している可能性が高い。
本発明においては、エレクトロスラグ溶接用のメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、酸素を低減あるいは無害化し、さらには、メタル粉入り溶接ワイヤであることを活かして充填剤の種類を工夫することにより、ソリッドワイヤによる溶接金属以上に溶接金属の靭性や延性を向上させるメタル粉入り溶接ワイヤを得ることを課題とする。具体的には、溶接入熱が１２００ｋＪ／ｃｍ以下の非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接により形成された溶接金属の２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギーが７０Ｊ以上となる、充填フラックスが金属粉あるいは／および合金粉からなるメタル粉入り溶接ワイヤを得ることを課題とする。
非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接においては、溶接の開始時に開先底部に適正量のフラックスを散布しておき、該フラックスにより形成される溶融スラグ抵抗発熱により溶接ワイヤと母材とを溶融させる溶接方法であり、溶接中は溶融状態にある溶接金属表面を一定量の溶融スラグが覆う。該スラグの量は溶接の安定性を左右し、スラグ量が多くても少なくても溶接の安定性を損ない、スパッタが多くなったり、溶接が途中で停止したり、溶け込み不良を生じる。溶接ワイヤにスラグ形成剤や酸化物を含むフラックス入りワイヤで溶接を行うと、溶接が進行するにつれて、溶融スラグの量が増加し、かつその組成も刻々変化するため、安定した溶接を最後まで行うことが困難であることが判明した。従って、本発明者らは、エレクトロスラグ溶接用のフラックス入りワイヤとしては、意図的にはスラグ形成成分を含まないメタル粉入り溶接ワイヤとすることが必須であると考え、メタル粉入りワイヤにおける溶接金属の低酸素化とさらなる靭性、延性向上のための新たな手段を種々研究した。
その結果、適正な成分組成としたメタル粉入りワイヤにおいて、脱酸元素のうち、ＴｉとＭｇは溶接金属中の酸素量低減に有効である一方、Ａｌは逆に溶接金属中の酸素量を増加させること、ＴｉとＭｇとは、さらに、溶接金属中の酸素量を低減するだけでなく、酸化物をソリッドワイヤによる溶接金属中におけるよりも大幅に微細化し、その結果、ソリッドワイヤよりも溶接金属の靭性、延性を向上させることが可能であることを新たに知見した。
メタル粉入りワイヤを用いてエレクトロスラグ溶接したときの溶接金属中のＯ量に及ぼすＡｌ、Ｔｉ及びＭｇの効果を具体的に図１に示す。メタル粉入りワイヤのベース組成を質量％で、Ｃ：０．０２９％、Ｓｉ：０．５８％、Ｍｎ：２．２１％、Ｐ：０．０７％、Ｓ：０．００３５％、Ｍｏ：０．５１％、Ｂ：０．００５６％、Ｎ：０．００５９％とし、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ含有量を様々に変化させた溶接ワイヤ（直径１．６ｍｍ）を試作し、板厚５０ｍｍの引張強さ４９０ＭＰａ級の溶接構造用高張力鋼板を用いて、Ｔ字継手によるエレクトロスラグ溶接を実施した（継手形状は図２参照、溶接条件は実施例の表４の通り）。溶接後の溶接金属の成分分析を行い、溶接金属中のＯ量をワイヤ中Ｔｉ、Ｍｇ量ごとに層別してワイヤ中Ａｌ含有量で整理した結果が図１である。Ｔｉ、Ｍｇ添加有無によらず、溶接金属中のＯ量はワイヤ中Ａｌ量が増加するにともなって大きく増加しており、メタル粉入りワイヤを用いて溶接したときの溶接金属中のＯ量に対して、Ａｌの悪影響が最も強い。ただし、Ｔｉ、Ｍｇが無添加、Ｔｉ、Ｍｇ各単独添加の場合は、Ａｌ量がごく少ない場合を除いて溶接金属中のＯ量は０．０１５％を超えて多く含有され、これが、特に溶接金属靭性を劣化させる要因となる。一方、Ｔｉ、Ｍｇを適正量複合添加させると、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量の広い範囲で、安定的に溶接金属の低Ｏ化が達成され、特に、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量が０．０３％以下では、溶接金属中のＯ含有量は０．０１５％を十分下まわり、ほぼソリッドワイヤで溶接したときの溶接金属中のＯ含有量とほぼ同等かそれ以上に低減される。また、溶接金属中のＯ量は同じでも、酸化物はソリッドワイヤによるよりも均一微細分散され、その結果、溶接金属靭性が大きく改善される。
以上の実験結果から、メタル粉入りワイヤを用いてエレクトロスラグ溶接したときに溶接金属中のＯ量を十分低減して、溶接金属靭性を安定的に確保するためには、溶接ワイヤ中にＴｉ、Ｍｇを適正量添加した上で、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．０３％以下にすることが重要であることを新たに見出した。
なお、本発明は、特に、溶接ワイヤの形態に関して、鋼製外皮にシームレスパイプを用いたものか、或いは、造管時にシーム部を溶接して外気と内部の充填剤とが直接接触しないようにして伸線加工した「シームレス溶接ワイヤ」に適用することを目的とする。これは、外気との接触を遮断できない巻き締め型メタル粉入りワイヤでは、製造後、使用までの間の充填物の酸化を十分抑制することができず、本発明の成分要件を満足しても、溶接ワイヤの使用時期、保管状態によっては、溶接金属のＯ量低減を達成できない可能性があるためである。また、巻き締め型のメタル粉入りワイヤでは吸湿のために溶接金属中の拡散性水素を増加させて、鋼板や溶接金属の耐低温割れ性が劣る虞もあり、好ましくない。
本発明は上記新知見に基づき、さらに、詳細な実験を加えて発明するに至ったものであり、その発明の要旨は以下の通りである。
（１）鋼製外皮内にメタル粉を充填してなるエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤにおいて、前記鋼製外皮が鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００８％以下、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｏ ：０．０１０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１０〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００８％以下、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３０％、
Ｍｇ：０．０１５〜０．３０％、
Ｏ ：０．１５％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、［Ｍｇ］＋［Ｔｉ］／５＝０．０２０〜０．３０％であり、合わせて、前記メタル粉の充填率が溶接ワイヤ全体に対する質量％で５〜２０％であることを特徴とする、メタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
ただし、［Ｍｇ］、［Ｔｉ］は各々溶接ワイヤ全体の成分組成としてのＭｇとＴｉの質量％である。
Ｃ ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００８％以下、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｏ ：０．０１０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１０〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００８％以下、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３０％、
Ｍｇ：０．０１５〜０．３０％、
Ｏ ：０．１５％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、［Ｍｇ］＋［Ｔｉ］／５＝０．０２０〜０．３０％であり、合わせて、前記メタル粉の充填率が溶接ワイヤ全体に対する質量％で５〜２０％であることを特徴とする、メタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
ただし、［Ｍｇ］、［Ｔｉ］は各々溶接ワイヤ全体の成分組成としてのＭｇとＴｉの質量％である。
（２）前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．０１０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記（１）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．０１０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記（１）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（３）前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（１）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（４）前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（２）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（１）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（４）前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（２）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（５）前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記（２）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記（２）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（６）前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（３）または（４）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（７）前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有し、かつ、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記（４）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（８）前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（１）〜（７）のいずれかに記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（３）または（４）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（７）前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有し、かつ、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、前記（４）に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
（８）前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、前記（１）〜（７）のいずれかに記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
本発明によれば、エレクトロスラグ溶接において、鋼材の板厚や成分によらず、高靭性な溶接金属が得られる、汎用性が高く、かつ、安価な溶接ワイヤが得られ、産業上の効果は極めて顕著である。
本発明のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤは、鋼製外皮と内部の充填剤からなり、本発明が目的とする効果を発揮するための成分要件は、溶接ワイヤ全体と、鋼製外皮についても必要である。溶接ワイヤ全体としてだけでなく、鋼製外皮自体の成分組成を限定するのは、溶接ワイヤに占める鋼製外皮の割合が多いため、溶接金属の成分組成を安定的に確保するには、主要な元素については鋼製外皮の成分組成としても限定することが好ましいためである。以下、鋼製外皮の成分組成の限定理由、溶接ワイヤ全体としての成分組成の限定理由、メタル粉の充填率の限定理由を順次詳細に説明する。
［鋼製外皮の成分組成］
鋼製外皮の成分組成は、鋼製外皮全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００１〜０．０１０％、Ｏ：０．０１０％以下、を含有し、必要に応じて、Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、Ｗ：０．０１〜２．０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｔａ：０．００５〜０．５０％、Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、Ｂ：０．０００２〜０．００５０％の１種または２種以上を含有し、さらに、必要に応じて、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％、Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％の１種または２種以上を含有することが要件となる。
鋼製外皮の成分組成は、鋼製外皮全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００１〜０．０１０％、Ｏ：０．０１０％以下、を含有し、必要に応じて、Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、Ｗ：０．０１〜２．０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｔａ：０．００５〜０．５０％、Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、Ｂ：０．０００２〜０．００５０％の１種または２種以上を含有し、さらに、必要に応じて、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％、Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％の１種または２種以上を含有することが要件となる。
先ず、必須要件である、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの限定理由を述べる。ここで、に成分についての％は質量％を意味する。
「Ｃ：０．００５〜０．１０％」
鋼製外皮のＣは０．００５％以上とする。鋼製外皮のＣ含有量を０．００５％未満とすることは工業的には容易でないため、本発明においては鋼製外皮のＣ含有量の下限を０．００５％とする。一方、鋼製外皮のＣ含有量が０．１０％超であると、他の元素の含有量によっては鋼製外皮の強度が過度に高くなり、溶接ワイヤの製造性に問題が生じる場合があり、好ましくない。また、鋼製外皮のＣ含有量が０．１０％超であると、溶接ワイヤ全体のＣ量の調整範囲が制限されるため点も好ましくない。従って、本発明においては、鋼製外皮のＣ含有量を０．００５〜０．１０％の範囲に限定する。
鋼製外皮のＣは０．００５％以上とする。鋼製外皮のＣ含有量を０．００５％未満とすることは工業的には容易でないため、本発明においては鋼製外皮のＣ含有量の下限を０．００５％とする。一方、鋼製外皮のＣ含有量が０．１０％超であると、他の元素の含有量によっては鋼製外皮の強度が過度に高くなり、溶接ワイヤの製造性に問題が生じる場合があり、好ましくない。また、鋼製外皮のＣ含有量が０．１０％超であると、溶接ワイヤ全体のＣ量の調整範囲が制限されるため点も好ましくない。従って、本発明においては、鋼製外皮のＣ含有量を０．００５〜０．１０％の範囲に限定する。
「Ｓｉ：０．０１〜１．０％」
Ｓｉは脱酸元素であり、Ｏ量を低減して鋼の健全性を保つ上で必要な元素である。鋼製外皮中のＳｉ含有量が０．０１％未満であると、他の脱酸元素量によっては、Ｏ含有量が過度に高くなったり、欠陥が生じて、鋼製外皮の靭性や延性を劣化させ、鋼製外皮の製造性を損ねる虞がある。また、鋼製外皮中のＳｉ含有量が１．０％超であると、鋼中に粗大な介在物が形成されやすくなり、また、固溶強化により鋼製外皮の強度が過度に高くなるため、溶接ワイヤの製造性が阻害される可能性が高くなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、製外皮のＳｉ含有量を０．０１〜１．０％の範囲に限定する。
Ｓｉは脱酸元素であり、Ｏ量を低減して鋼の健全性を保つ上で必要な元素である。鋼製外皮中のＳｉ含有量が０．０１％未満であると、他の脱酸元素量によっては、Ｏ含有量が過度に高くなったり、欠陥が生じて、鋼製外皮の靭性や延性を劣化させ、鋼製外皮の製造性を損ねる虞がある。また、鋼製外皮中のＳｉ含有量が１．０％超であると、鋼中に粗大な介在物が形成されやすくなり、また、固溶強化により鋼製外皮の強度が過度に高くなるため、溶接ワイヤの製造性が阻害される可能性が高くなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、製外皮のＳｉ含有量を０．０１〜１．０％の範囲に限定する。
「Ｍｎ：０．１〜２．５％」
Ｍｎは脱酸元素としても有用であり、Ｓｉと同様、鋼製外皮の健全性を保ち、溶接ワイヤの製造性を阻害しないために必要である。また、溶接金属に適正量含有されることで、溶接金属の強度と靭性向上に重要な元素であるため、溶接ワイヤの成分元素として必須であり、本発明においては、溶接金属のＭｎ量安定確保のために、鋼製外皮の成分範囲も限定する。鋼製外皮中のＭｎ量が０．１％未満であると、他の脱酸元素量によっては、Ｏ含有量が過度に高くなったり、欠陥が生じて、鋼製外皮の靭性や延性を劣化させ、鋼製外皮の製造性を損ねる虞がある。また、溶接ワイヤ全体としてのＭｎ量を確保するためには充填剤中のＭｎ含有量を高める必要があるが、その場合、鋼製外皮に含有させる場合よりも、溶接中のスラグ生成量が多くなって、溶接作業性に問題が生じる虞が高くなるため、好ましくない。一方、鋼製外皮中のＭｎ含有量が２．５％超になると、鋼製外皮の強度が過度に高くなったり、伸線加工中の加工硬化量が顕著となるため、溶接ワイヤの伸線中にワイヤが破断したり等、溶接ワイヤの製造性が著しく劣化するため、好ましくない。従って、本発明においては、製外皮のＭｎ含有量を０．１〜２．５％の範囲に限定する。
Ｍｎは脱酸元素としても有用であり、Ｓｉと同様、鋼製外皮の健全性を保ち、溶接ワイヤの製造性を阻害しないために必要である。また、溶接金属に適正量含有されることで、溶接金属の強度と靭性向上に重要な元素であるため、溶接ワイヤの成分元素として必須であり、本発明においては、溶接金属のＭｎ量安定確保のために、鋼製外皮の成分範囲も限定する。鋼製外皮中のＭｎ量が０．１％未満であると、他の脱酸元素量によっては、Ｏ含有量が過度に高くなったり、欠陥が生じて、鋼製外皮の靭性や延性を劣化させ、鋼製外皮の製造性を損ねる虞がある。また、溶接ワイヤ全体としてのＭｎ量を確保するためには充填剤中のＭｎ含有量を高める必要があるが、その場合、鋼製外皮に含有させる場合よりも、溶接中のスラグ生成量が多くなって、溶接作業性に問題が生じる虞が高くなるため、好ましくない。一方、鋼製外皮中のＭｎ含有量が２．５％超になると、鋼製外皮の強度が過度に高くなったり、伸線加工中の加工硬化量が顕著となるため、溶接ワイヤの伸線中にワイヤが破断したり等、溶接ワイヤの製造性が著しく劣化するため、好ましくない。従って、本発明においては、製外皮のＭｎ含有量を０．１〜２．５％の範囲に限定する。
「Ｐ ：０．０２％以下」
Ｐは靭性、耐割れ性等を低下させる不純物元素であり、鋼製外皮中の含有量も少ない方が好ましい。ただし、鋼製外皮中の含有量が０．０２％以下であれば、鋼製外皮の製造性や、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、鋼製外皮中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
Ｐは靭性、耐割れ性等を低下させる不純物元素であり、鋼製外皮中の含有量も少ない方が好ましい。ただし、鋼製外皮中の含有量が０．０２％以下であれば、鋼製外皮の製造性や、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、鋼製外皮中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
「Ｓ ：０．００８％以下」
Ｓも不純物元素であるため、鋼製外皮中には極力含有しない方が好ましい。ただし、鋼製外皮中の含有量が０．００８％以下であれば、鋼製外皮の製造性や、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、鋼製外皮中のＳ含有量は０．００８％以下とする。
Ｓも不純物元素であるため、鋼製外皮中には極力含有しない方が好ましい。ただし、鋼製外皮中の含有量が０．００８％以下であれば、鋼製外皮の製造性や、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、鋼製外皮中のＳ含有量は０．００８％以下とする。
「Ａｌ：０．０３０％以下」
Ａｌは溶接金属中のＯ量を高めたり、溶接中のスラグを増やして、スパッタの発生等、溶接作業性を損なうため、本発明においては溶接ワイヤ中のＡｌ量は少ない方が好ましい。従って、鋼製外皮中のＡｌ量もその上限を規定する必要がある。溶接中にスラグが増加してスパッタ増加やそれに起因したワイヤの送給不良等を起こさず、また、溶接金属中のＯ量の増加が許容できる範囲内としては、溶接ワイヤにおける含有量の上限が０．０３０％であるたため、溶接ワイヤの大半を構成する鋼製外皮においてもＡｌの上限を０．０３０％とする。ただし、より確実にＡｌの悪影響を抑制するためには、鋼製外皮中のＡｌ含有量は０．０１０％未満とすることがより好ましい。
Ａｌは溶接金属中のＯ量を高めたり、溶接中のスラグを増やして、スパッタの発生等、溶接作業性を損なうため、本発明においては溶接ワイヤ中のＡｌ量は少ない方が好ましい。従って、鋼製外皮中のＡｌ量もその上限を規定する必要がある。溶接中にスラグが増加してスパッタ増加やそれに起因したワイヤの送給不良等を起こさず、また、溶接金属中のＯ量の増加が許容できる範囲内としては、溶接ワイヤにおける含有量の上限が０．０３０％であるたため、溶接ワイヤの大半を構成する鋼製外皮においてもＡｌの上限を０．０３０％とする。ただし、より確実にＡｌの悪影響を抑制するためには、鋼製外皮中のＡｌ含有量は０．０１０％未満とすることがより好ましい。
「Ｎ ：０．００１〜０．０１０％」
溶接金属中のＮは微量であれば、ＡｌやＴｉと窒化物を形成して、組織の微細化を通して、溶接金属の機械的性質を向上する効果を有する。従って、鋼製外皮中にも適正量含有させることは好ましい。鋼製外皮中のＮ含有量が０．００１％未満であると溶接金属の特性向上効果が明確でないことと、工業的に鋼中にＮ量を０．００１％未満とすることが容易でないことから、本発明においては、鋼製外皮中のＮ含有量の下限を０．００１％と定める。一方、溶接金属中にＮを過剰に含有すると、溶接金属の靭性を顕著に劣化させる。溶接金属に対するＮの悪影響が生じないとの観点から、鋼製外皮中のＮ量は０．０１０％以下とする必要がある。そのため、本発明においては、鋼製外皮のＮ含有量を０．００１〜０．０１０％の範囲に限定する。
溶接金属中のＮは微量であれば、ＡｌやＴｉと窒化物を形成して、組織の微細化を通して、溶接金属の機械的性質を向上する効果を有する。従って、鋼製外皮中にも適正量含有させることは好ましい。鋼製外皮中のＮ含有量が０．００１％未満であると溶接金属の特性向上効果が明確でないことと、工業的に鋼中にＮ量を０．００１％未満とすることが容易でないことから、本発明においては、鋼製外皮中のＮ含有量の下限を０．００１％と定める。一方、溶接金属中にＮを過剰に含有すると、溶接金属の靭性を顕著に劣化させる。溶接金属に対するＮの悪影響が生じないとの観点から、鋼製外皮中のＮ量は０．０１０％以下とする必要がある。そのため、本発明においては、鋼製外皮のＮ含有量を０．００１〜０．０１０％の範囲に限定する。
「Ｏ ：０．０１０％以下」
Ｏも不純物元素であり、鋼の延性を低下させたり、加工性を阻害するため、極力低減することが好ましい。鋼製外皮中のＯ量が０．０１０％超であると、第一に、溶接ワイヤに伸線加工するときに加工性が劣化して、断線等を引き起こす原因となるため、好ましくない。また、溶接ワイヤとしてのＯ量増加にもつながり、結果として溶接金属のＯ量を高めて延性や靭性劣化を生じるため、好ましくない。以上の理由から、本発明においては、鋼製外皮中のＯ含有量の上限を０．０１０％とする。
Ｏも不純物元素であり、鋼の延性を低下させたり、加工性を阻害するため、極力低減することが好ましい。鋼製外皮中のＯ量が０．０１０％超であると、第一に、溶接ワイヤに伸線加工するときに加工性が劣化して、断線等を引き起こす原因となるため、好ましくない。また、溶接ワイヤとしてのＯ量増加にもつながり、結果として溶接金属のＯ量を高めて延性や靭性劣化を生じるため、好ましくない。以上の理由から、本発明においては、鋼製外皮中のＯ含有量の上限を０．０１０％とする。
以上が、鋼製外皮の成分組成のうち、必須要件である、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの限定理由である。本発明においては、溶接金属の強度・靭性の調整のために、選択的に元素を用いることが可能であり、該選択元素を鋼製外皮にも必要に応じて含有させることができる。ただし、選択的に用いる場合でも、種々理由によりその含有量は限定することが必要である。以下に、鋼製外皮に含有させる選択元素の限定理由を述べる。
「Ｃｕ：０．０１〜１．５０％」
鋼製外皮中にＣｕを含有させる場合は、その範囲は０．０１〜１．５０％とする。Ｃｕは、溶接金属の強度向上に有効な元素である。本発明においても、必要に応じて鋼製外皮中にＣｕを含有させることが可能である。溶接金属におけるＣｕの効果を明確に発揮するために、鋼製外皮に含有させる場合は、Ｃｕは鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１％以上含有させる必要がある。一方、鋼製外皮に１．５０％を超えて含有させると、鋼製外皮製造中や溶接ワイヤ製造中に鋼製外皮に割れを生じる虞がある。また、溶接金属の含有量が過剰となって、溶接金属の靭性や耐高温割れ性を劣化させる虞があるため、本発明においては、鋼製外皮中にＣｕを含有させる場合、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜１．５０％に限定する。
鋼製外皮中にＣｕを含有させる場合は、その範囲は０．０１〜１．５０％とする。Ｃｕは、溶接金属の強度向上に有効な元素である。本発明においても、必要に応じて鋼製外皮中にＣｕを含有させることが可能である。溶接金属におけるＣｕの効果を明確に発揮するために、鋼製外皮に含有させる場合は、Ｃｕは鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１％以上含有させる必要がある。一方、鋼製外皮に１．５０％を超えて含有させると、鋼製外皮製造中や溶接ワイヤ製造中に鋼製外皮に割れを生じる虞がある。また、溶接金属の含有量が過剰となって、溶接金属の靭性や耐高温割れ性を劣化させる虞があるため、本発明においては、鋼製外皮中にＣｕを含有させる場合、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜１．５０％に限定する。
「Ｎｉ：０．０１〜６．０％」
Ｎｉは、一般的に鋼の靭性向上に極めて有効な元素である。本発明においても、必要に応じて溶接ワイヤ中にＮｉを含有させることが可能であるため、鋼製外皮中にも含有させることができる。その場合、Ｎｉによる高靭化効果を明確に享受するためには、鋼製外皮中に０．０１％以上含有させる必要がある。一方、鋼製外皮中に６．０％を超えて含有させることは鋼製外皮の製造コストが過大となるためと、溶接ワイヤの製造性が劣化するため、好ましくない。そのため、鋼製外皮中にＮｉを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜６．０％に限定する。
Ｎｉは、一般的に鋼の靭性向上に極めて有効な元素である。本発明においても、必要に応じて溶接ワイヤ中にＮｉを含有させることが可能であるため、鋼製外皮中にも含有させることができる。その場合、Ｎｉによる高靭化効果を明確に享受するためには、鋼製外皮中に０．０１％以上含有させる必要がある。一方、鋼製外皮中に６．０％を超えて含有させることは鋼製外皮の製造コストが過大となるためと、溶接ワイヤの製造性が劣化するため、好ましくない。そのため、鋼製外皮中にＮｉを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜６．０％に限定する。
「Ｃｒ：０．０１〜２．０％」
Ｃｒは強度を高めるのに有効な元素であるため、必要に応じて溶接ワイヤ中に含有させることができる。鋼製外皮中に含有させて溶接金属の高強度化に用いる場合は、その含有量は０．０１％以上とする必要がある。鋼製外皮中の含有量が０．０１％未満であると効果が明確でない。一方、鋼製外皮中含有量が２．０％を超えると、溶接ワイヤの製造性が劣化し、また、溶接金属中に過度に含有して靭性を劣化させる虞があるため、好ましくない。そこで、本発明においては、鋼製外皮中にＣｒを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
Ｃｒは強度を高めるのに有効な元素であるため、必要に応じて溶接ワイヤ中に含有させることができる。鋼製外皮中に含有させて溶接金属の高強度化に用いる場合は、その含有量は０．０１％以上とする必要がある。鋼製外皮中の含有量が０．０１％未満であると効果が明確でない。一方、鋼製外皮中含有量が２．０％を超えると、溶接ワイヤの製造性が劣化し、また、溶接金属中に過度に含有して靭性を劣化させる虞があるため、好ましくない。そこで、本発明においては、鋼製外皮中にＣｒを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
「Ｍｏ：０．０１〜２．０％」
Ｍｏは、焼入性を高めて溶接金属組織のベイナイトあるいはアシキュラーフェライトの微細化を通して靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効な元素である。この効果を得るために鋼製外皮にＭｏを含有させる場合は、０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、２．０％を超えて鋼製外皮に過剰に含有されると、伸線加工中の硬化が著しくなって、伸線加工中の破断等、溶接ワイヤの製造性を阻害する可能性が高くなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、鋼製外皮中にＭｏを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
Ｍｏは、焼入性を高めて溶接金属組織のベイナイトあるいはアシキュラーフェライトの微細化を通して靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効な元素である。この効果を得るために鋼製外皮にＭｏを含有させる場合は、０．０１％以上含有させる必要がある。しかしながら、２．０％を超えて鋼製外皮に過剰に含有されると、伸線加工中の硬化が著しくなって、伸線加工中の破断等、溶接ワイヤの製造性を阻害する可能性が高くなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、鋼製外皮中にＭｏを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
「Ｗ ：０．０１〜２．０％」
Ｗは溶接金属の機械的性質、溶接ワイヤの製造性に対して、Ｍｏとほぼ同一の靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効な効果を有するため、Ｍｏと同じ理由により、鋼製外皮中にＷを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
Ｗは溶接金属の機械的性質、溶接ワイヤの製造性に対して、Ｍｏとほぼ同一の靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効な効果を有するため、Ｍｏと同じ理由により、鋼製外皮中にＷを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
「Ｎｂ：０．００２〜０．１０％」
Ｎｂは、溶接金属中に含有されると、焼入性向上効果、析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。鋼製外皮にＮｂを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、鋼製外皮中のＮｂ含有量は０．００２％以上とする必要がある。一方、鋼製外皮中のＮｂ量が０．１０％を超えると、鋼製外皮の製造において、表面割れの問題が懸念され、また、溶接ワイヤ製造における伸線加工性を劣化させる虞も大きくなるため、好ましくない。また、鋼製外皮に０．１０％を超えてＮｂが含有されると、溶接金属中のＮｂ量が過大となって、溶接金属に粗大なＮｂ析出物が形成されるために、溶接金属の靭性劣化が著しくなる可能性もあるため、好ましくない。以上の理由により、本発明においては、鋼製外皮中にＮｂを含有させる場合、Ｎｂ含有量の範囲を０．００２〜０．１０％に限定する。
Ｎｂは、溶接金属中に含有されると、焼入性向上効果、析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。鋼製外皮にＮｂを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、鋼製外皮中のＮｂ含有量は０．００２％以上とする必要がある。一方、鋼製外皮中のＮｂ量が０．１０％を超えると、鋼製外皮の製造において、表面割れの問題が懸念され、また、溶接ワイヤ製造における伸線加工性を劣化させる虞も大きくなるため、好ましくない。また、鋼製外皮に０．１０％を超えてＮｂが含有されると、溶接金属中のＮｂ量が過大となって、溶接金属に粗大なＮｂ析出物が形成されるために、溶接金属の靭性劣化が著しくなる可能性もあるため、好ましくない。以上の理由により、本発明においては、鋼製外皮中にＮｂを含有させる場合、Ｎｂ含有量の範囲を０．００２〜０．１０％に限定する。
「Ｖ ：０．００５〜０．５０％」
Ｖは、溶接金属中に含有されると、主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。鋼製外皮にＶを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、鋼製外皮中のＶ含有量は０．００５％以上とする必要がある。一方、鋼製外皮のＶ含有量が０．５０％を超えて過大になると、Ｎｂと同様の理由により、鋼製外皮素材の製造性の劣化、溶接ワイヤの製造性の劣化、および、溶接金属の靭性劣化の可能性が無視できなくなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、鋼製外皮中にＶを含有させる場合、Ｖ含有量の範囲を０．００５〜０．５０％に限定する。
Ｖは、溶接金属中に含有されると、主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。鋼製外皮にＶを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、鋼製外皮中のＶ含有量は０．００５％以上とする必要がある。一方、鋼製外皮のＶ含有量が０．５０％を超えて過大になると、Ｎｂと同様の理由により、鋼製外皮素材の製造性の劣化、溶接ワイヤの製造性の劣化、および、溶接金属の靭性劣化の可能性が無視できなくなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、鋼製外皮中にＶを含有させる場合、Ｖ含有量の範囲を０．００５〜０．５０％に限定する。
「Ｔａ：０．００５〜０．５０％」
Ｔａは溶接金属の機械的性質、溶接ワイヤの製造性に対して、Ｖとほぼ同一の主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、Ｖと同じ理由により、鋼製外皮中にＴａを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
Ｔａは溶接金属の機械的性質、溶接ワイヤの製造性に対して、Ｖとほぼ同一の主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、Ｖと同じ理由により、鋼製外皮中にＴａを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
「Ｚｒ：０．００５〜０．５０％」
Ｚｒも溶接金属の機械的性質、溶接ワイヤの製造性に対して、ＶやＴａとほぼ同一の主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、同じ理由により、鋼製外皮中にＺｒを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
Ｚｒも溶接金属の機械的性質、溶接ワイヤの製造性に対して、ＶやＴａとほぼ同一の主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、同じ理由により、鋼製外皮中にＺｒを含有させる場合は、鋼製外皮全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
「Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％」
Ｂは、溶接金属中に適正量含有されると、焼入性を高めて粗大な粒界フェライトを抑制し、靭性向上に顕著な効果を発揮するため、鋼製外皮中に適正量含有させることは好ましい。前記Ｂの効果を発揮するために鋼製外皮中にＢを含有させる場合は、０．０００２％以上含有させる必要がある。一方、０．００５０％を超えて鋼製外皮中の含有させると、鋼製外皮の素材のインゴットあるいはスラブの鋳造中で高温割れを生じる虞があり、好ましくない。そこで、本発明においては、鋼製外皮中にＢを含有させる場合は、その範囲を０．０００２〜０．００５０％に限定する。
Ｂは、溶接金属中に適正量含有されると、焼入性を高めて粗大な粒界フェライトを抑制し、靭性向上に顕著な効果を発揮するため、鋼製外皮中に適正量含有させることは好ましい。前記Ｂの効果を発揮するために鋼製外皮中にＢを含有させる場合は、０．０００２％以上含有させる必要がある。一方、０．００５０％を超えて鋼製外皮中の含有させると、鋼製外皮の素材のインゴットあるいはスラブの鋳造中で高温割れを生じる虞があり、好ましくない。そこで、本発明においては、鋼製外皮中にＢを含有させる場合は、その範囲を０．０００２〜０．００５０％に限定する。
また、鋼製外皮には溶接金属のＯ量を低減するために、以下に述べるように、Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％、Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％の１種または２種以上を必要に応じて含有させることができる。
「Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％」
Ｔｉは本発明が対象とするメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、溶接金属のＯ量を低減するために、溶接ワイヤ全体として適正量含有させることが必須の元素である。また、溶接金属中にＴｉを含有する微細な酸化物を均一に分散させるため、これを変態核として微細な粒内変態組織であるアシキュラーフェライトを生成することにより靭性向上に寄与する点でも重要である。その場合、Ｔｉは鋼製外皮中、充填材中のどちらでも、あるいは、両者に含まれていても構わないが、鋼製外皮中に含有させる場合は、その範囲を０．００５％〜０．０５０％に限定する。鋼製外皮中の含有量が０．００５％未満であると、溶接金属のＯ量低減効果や、溶接金属への好ましい効果が明確でないため、鋼製外皮中にＴｉを含有させる場合の下限を０．００５％とする。一方、鋼製外皮中に０．０５０％を超えてＴｉを含有させると、粗大な析出物を形成して溶接ワイヤの製造性を阻害する懸念が大きくなるため、本発明においては、鋼製外皮中にＴｉを含有させる場合の上限を０．０５０％とする。
Ｔｉは本発明が対象とするメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、溶接金属のＯ量を低減するために、溶接ワイヤ全体として適正量含有させることが必須の元素である。また、溶接金属中にＴｉを含有する微細な酸化物を均一に分散させるため、これを変態核として微細な粒内変態組織であるアシキュラーフェライトを生成することにより靭性向上に寄与する点でも重要である。その場合、Ｔｉは鋼製外皮中、充填材中のどちらでも、あるいは、両者に含まれていても構わないが、鋼製外皮中に含有させる場合は、その範囲を０．００５％〜０．０５０％に限定する。鋼製外皮中の含有量が０．００５％未満であると、溶接金属のＯ量低減効果や、溶接金属への好ましい効果が明確でないため、鋼製外皮中にＴｉを含有させる場合の下限を０．００５％とする。一方、鋼製外皮中に０．０５０％を超えてＴｉを含有させると、粗大な析出物を形成して溶接ワイヤの製造性を阻害する懸念が大きくなるため、本発明においては、鋼製外皮中にＴｉを含有させる場合の上限を０．０５０％とする。
「Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％」
ＭｇもＴｉと同様、溶接金属中のＯ量低減、組織微細化による靭性向上のために必要である。溶接ワイヤ全体としては含有させることが必須である。鋼製外皮に含有させるかどうかは選択できるが、鋼製外皮中に含有させる場合は、０．００２〜０．０１０％の範囲とする。これは、鋼製外皮中含有量が０．００２％未満であると、前記の溶接金属に対する効果が明確でなく、０．０１０％を超えて鋼製外皮中に含有させることは、工業的に容易でなく、また、含有させた場合には鋼製外皮の延性や靭性を劣化させて溶接ワイヤの製造性劣化を引き起こす可能性があるためである。
ＭｇもＴｉと同様、溶接金属中のＯ量低減、組織微細化による靭性向上のために必要である。溶接ワイヤ全体としては含有させることが必須である。鋼製外皮に含有させるかどうかは選択できるが、鋼製外皮中に含有させる場合は、０．００２〜０．０１０％の範囲とする。これは、鋼製外皮中含有量が０．００２％未満であると、前記の溶接金属に対する効果が明確でなく、０．０１０％を超えて鋼製外皮中に含有させることは、工業的に容易でなく、また、含有させた場合には鋼製外皮の延性や靭性を劣化させて溶接ワイヤの製造性劣化を引き起こす可能性があるためである。
「Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％」
ＣａもＭｇと同様の強脱酸元素であるが、ＴｉやＭｇのようにメタル粉入り溶接ワイヤによる溶接金属のＯ量低減効果やアシキュラーフェライト生成による靭性向上効果を示さない。ただし、Ｃａは硫化物を形成して固溶Ｓの有害性を抑制したり、介在物を微細化することで、鋼製外皮の加工性向上や溶接金属の延性向上には有用である。鋼製外皮に含有させて効果を発揮するためには少なくとも０．０００２％必要である。一方、鋼製外皮に０．００５０％を超えて含有させると粗大な介在物を形成して、逆に延性を劣化させ、その結果、溶接ワイヤの製造性を阻害する。そのため、本発明においては、鋼製外皮にＣａを含有させる場合には０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
ＣａもＭｇと同様の強脱酸元素であるが、ＴｉやＭｇのようにメタル粉入り溶接ワイヤによる溶接金属のＯ量低減効果やアシキュラーフェライト生成による靭性向上効果を示さない。ただし、Ｃａは硫化物を形成して固溶Ｓの有害性を抑制したり、介在物を微細化することで、鋼製外皮の加工性向上や溶接金属の延性向上には有用である。鋼製外皮に含有させて効果を発揮するためには少なくとも０．０００２％必要である。一方、鋼製外皮に０．００５０％を超えて含有させると粗大な介在物を形成して、逆に延性を劣化させ、その結果、溶接ワイヤの製造性を阻害する。そのため、本発明においては、鋼製外皮にＣａを含有させる場合には０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
「ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％」
ＲＥＭも強脱酸元素であり、Ｃａと同様の作用効果を有する元素であるため、前記Ｃａと同じ理由により、鋼製外皮中に含有させる場合の含有量は０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
ＲＥＭも強脱酸元素であり、Ｃａと同様の作用効果を有する元素であるため、前記Ｃａと同じ理由により、鋼製外皮中に含有させる場合の含有量は０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
以上が、鋼製外皮の成分組成の限定理由である。
［溶接ワイヤの成分組成］
本発明範囲の成分組成を有する鋼製外皮を用い、メタル粉の充填率を５〜２０％に限定した上で、溶接ワイヤ全体としての成分組成も限定する必要がある。その要件は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００１〜０．０１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３０％、Ｍｇ：０．０１５〜０．３０％、Ｏ：０．１５％以下、を含有し、かつ、［Ｍｇ］＋［Ｔｉ］／５＝０．０２０〜０．３０％であり、必要に応じて、Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、Ｗ：０．０１〜２．０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｔａ：０．００５〜０．５０％、Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、Ｂ：０．０００２〜０．０１０％、の１種または２種以上を含有し、さらに必要に応じて、Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、の１種または２種を含有することにある。
本発明範囲の成分組成を有する鋼製外皮を用い、メタル粉の充填率を５〜２０％に限定した上で、溶接ワイヤ全体としての成分組成も限定する必要がある。その要件は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０３０％以下、Ｎ：０．００１〜０．０１０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３０％、Ｍｇ：０．０１５〜０．３０％、Ｏ：０．１５％以下、を含有し、かつ、［Ｍｇ］＋［Ｔｉ］／５＝０．０２０〜０．３０％であり、必要に応じて、Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、Ｎｉ：０．０１〜６．０％、Ｃｒ：０．０１〜２．０％、Ｍｏ：０．０１〜２．０％、Ｗ：０．０１〜２．０％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．５０％、Ｔａ：０．００５〜０．５０％、Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、Ｂ：０．０００２〜０．０１０％、の１種または２種以上を含有し、さらに必要に応じて、Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、の１種または２種を含有することにある。
先ず、必須要件である、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｏの限定理由を述べる。
「Ｃ ：０．００５〜０．１０％」
溶接ワイヤのＣは、溶接金属の強度を向上させるために必要な成分であり、建築用途に用いられる引張強さが４００〜７８０ＭＰａ級まで溶接金属の強度を確保しようとすると、溶接ワイヤ中には０．００５％以上含有する必要がある。しかしながら、溶接ワイヤ中のＣが０．１０％を超えて含有されると、溶接金属中のＣ量も過大となり、溶接金属の靭性を劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては溶接ワイヤ中のＣ量は０．００５〜０．１０％に限定する。なお、溶接金属の靭性は溶接金属中のＣ量に強く影響されるため、強度を達成できる範囲で少ない方が好ましい。例えば、引張強さ４９０ＭＰａ級で、０℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１００Ｊ以上の高靱性を得ようとする場合には、溶接ワイヤのＣ含有量の上限を０．０３％未満に制限することがより好ましい。
溶接ワイヤのＣは、溶接金属の強度を向上させるために必要な成分であり、建築用途に用いられる引張強さが４００〜７８０ＭＰａ級まで溶接金属の強度を確保しようとすると、溶接ワイヤ中には０．００５％以上含有する必要がある。しかしながら、溶接ワイヤ中のＣが０．１０％を超えて含有されると、溶接金属中のＣ量も過大となり、溶接金属の靭性を劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては溶接ワイヤ中のＣ量は０．００５〜０．１０％に限定する。なお、溶接金属の靭性は溶接金属中のＣ量に強く影響されるため、強度を達成できる範囲で少ない方が好ましい。例えば、引張強さ４９０ＭＰａ級で、０℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが１００Ｊ以上の高靱性を得ようとする場合には、溶接ワイヤのＣ含有量の上限を０．０３％未満に制限することがより好ましい。
「Ｓｉ：０．１０〜１．５％」
Ｓｉは脱酸元素として、溶接金属中のＯ量を低減するために必須の元素である。溶接金属中に含有されれば、固溶強化により強度向上にも有効である。効果を発揮するためには、溶接ワイヤに０．１０％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中の含有量が１．５％を超えると、溶接金属中の含有量が増加して靭性を劣化させ、また、溶接中のスラグ量を若干ながら増加させて、溶接作業性を劣化させる可能性があるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤのＳｉ含有量を０．１０〜１．５％に限定する。
Ｓｉは脱酸元素として、溶接金属中のＯ量を低減するために必須の元素である。溶接金属中に含有されれば、固溶強化により強度向上にも有効である。効果を発揮するためには、溶接ワイヤに０．１０％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中の含有量が１．５％を超えると、溶接金属中の含有量が増加して靭性を劣化させ、また、溶接中のスラグ量を若干ながら増加させて、溶接作業性を劣化させる可能性があるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤのＳｉ含有量を０．１０〜１．５％に限定する。
「Ｍｎ：０．１〜２．５％」
溶接ワイヤのＭｎは、溶接金属の強度の向上及び脱酸作用を有するが、溶接ワイヤ中の含有量が０．１％を下回ると、十分な脱酸作用と溶接金属の十分な強度が得られず、また、溶接金属の酸素量が高くなるためと、溶接金属の組織粗大化により溶接金属の靭性を劣化させる。そのため、ワイヤ中の含有量の下限を０．１％とする。一方ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属組織が粗大なベイナイト組織となって靭性が劣化する可能性が高くなるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量の上限を２．５％とする。なお、溶接ワイヤ中のＭｎ量が多くなると、溶接中にスラグが増加する方向であるため、溶接中にスパッタが増加して、そのために溶接作業性を阻害する可能性がないとは言えない。溶接作業性を重視するのであれば、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は１．５％未満に制限するのがとり好ましい。
溶接ワイヤのＭｎは、溶接金属の強度の向上及び脱酸作用を有するが、溶接ワイヤ中の含有量が０．１％を下回ると、十分な脱酸作用と溶接金属の十分な強度が得られず、また、溶接金属の酸素量が高くなるためと、溶接金属の組織粗大化により溶接金属の靭性を劣化させる。そのため、ワイヤ中の含有量の下限を０．１％とする。一方ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属組織が粗大なベイナイト組織となって靭性が劣化する可能性が高くなるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量の上限を２．５％とする。なお、溶接ワイヤ中のＭｎ量が多くなると、溶接中にスラグが増加する方向であるため、溶接中にスパッタが増加して、そのために溶接作業性を阻害する可能性がないとは言えない。溶接作業性を重視するのであれば、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は１．５％未満に制限するのがとり好ましい。
「Ｐ ：０．０２％以下」
Ｐは靭性、耐割れ性等を低下させる不純物元素であり、溶接ワイヤ全体としての含有量も少ない方が好ましい。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が０．０２％以下であれば、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
Ｐは靭性、耐割れ性等を低下させる不純物元素であり、溶接ワイヤ全体としての含有量も少ない方が好ましい。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が０．０２％以下であれば、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
「Ｓ ：０．００８％以下」
Ｓも靭性、延性等を低下させる不純物元素であり、溶接ワイヤ全体としての含有量も少ない方が好ましい。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が０．００８％以下であれば、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＳ含有量は０．０２％以下とする。
Ｓも靭性、延性等を低下させる不純物元素であり、溶接ワイヤ全体としての含有量も少ない方が好ましい。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が０．００８％以下であれば、溶接金属の特性に対する悪影響の程度が許容できる範囲であるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＳ含有量は０．０２％以下とする。
「Ａｌ：０．０３０％以下」
Ａｌは溶接金属中のＯ量を高めて溶接金属の延性や靭性を劣化させ、かつ、溶接中のスラグを増やして、スパッタの発生等、溶接作業性を損なうため、本発明においては溶接ワイヤ中のＡｌ量は少ない方が好ましい。溶接ワイヤ中のＡｌ含有量が０．０３０％以下であれば、材質や作業性の劣化が許容できるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量は０．０３０％以下とする。ただし、より確実にＡｌの悪影響を抑制するためには、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量は０．０１０％未満とすることがより好ましい。
Ａｌは溶接金属中のＯ量を高めて溶接金属の延性や靭性を劣化させ、かつ、溶接中のスラグを増やして、スパッタの発生等、溶接作業性を損なうため、本発明においては溶接ワイヤ中のＡｌ量は少ない方が好ましい。溶接ワイヤ中のＡｌ含有量が０．０３０％以下であれば、材質や作業性の劣化が許容できるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量は０．０３０％以下とする。ただし、より確実にＡｌの悪影響を抑制するためには、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量は０．０１０％未満とすることがより好ましい。
「Ｎ ：０．００１〜０．０１０％」
溶接金属中のＮは微量であれば、ＡｌやＴｉと窒化物を形成して、組織の微細化を通して、溶接金属の機械的性質を向上する効果を有する。溶接ワイヤ中のＮ含有量が０．００１％未満であると溶接金属の特性向上効果が明確でないことと、工業的に鋼中にＮ量を０．００１％未満とすることが容易でないことから、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮ含有量の下限を０．００１％とする。一方、溶接金属中にＮを過剰に含有すると、溶接金属の靭性を顕著に劣化させる。溶接ワイヤ中のＮ含有量が０．０１０％未満であれば、溶接金属に対するＮの悪影響が許容範囲内であることから、溶接ワイヤ中のＮ量の上限を０．０１０％とする。
溶接金属中のＮは微量であれば、ＡｌやＴｉと窒化物を形成して、組織の微細化を通して、溶接金属の機械的性質を向上する効果を有する。溶接ワイヤ中のＮ含有量が０．００１％未満であると溶接金属の特性向上効果が明確でないことと、工業的に鋼中にＮ量を０．００１％未満とすることが容易でないことから、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮ含有量の下限を０．００１％とする。一方、溶接金属中にＮを過剰に含有すると、溶接金属の靭性を顕著に劣化させる。溶接ワイヤ中のＮ含有量が０．０１０％未満であれば、溶接金属に対するＮの悪影響が許容範囲内であることから、溶接ワイヤ中のＮ量の上限を０．０１０％とする。
「Ｔｉ：０．００５〜０．３０％」
Ｔｉは、本発明が対象とするメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、溶接金属のＯ量を低減するために、溶接ワイヤ全体として適正量含有させることが必須の元素である。また、溶接金属中にＴｉを含有する微細な酸化物を均一に分散させるため、これを変態核として微細な粒内変態組織であるアシキュラーフェライトを生成することにより靭性向上に寄与する点でも重要である。溶接ワイヤ中の含有量が０．００５％未満であると、溶接金属のＯ量低減効果や、溶接金属の靭性向上効果が明確でないため、下限を０．００５％とする。一方、溶接ワイヤ中に０．３０％を超えてＴｉを含有させると、溶接金属中に粗大な析出物を形成して溶接金属の靭性を劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量の上限を０．３０％とする。
Ｔｉは、本発明が対象とするメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、溶接金属のＯ量を低減するために、溶接ワイヤ全体として適正量含有させることが必須の元素である。また、溶接金属中にＴｉを含有する微細な酸化物を均一に分散させるため、これを変態核として微細な粒内変態組織であるアシキュラーフェライトを生成することにより靭性向上に寄与する点でも重要である。溶接ワイヤ中の含有量が０．００５％未満であると、溶接金属のＯ量低減効果や、溶接金属の靭性向上効果が明確でないため、下限を０．００５％とする。一方、溶接ワイヤ中に０．３０％を超えてＴｉを含有させると、溶接金属中に粗大な析出物を形成して溶接金属の靭性を劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量の上限を０．３０％とする。
「Ｍｇ：０．０１５〜０．３０％」
Ｍｇも、本発明が対象とするメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、溶接金属のＯ量を低減するために、溶接ワイヤ全体として適正量含有させることが必須の元素である。また、Ｔｉと同じ効果により組織微細化により靭性を向上させる。溶接ワイヤ中の含有量が０．０１５％未満であると、溶接金属のＯ量低減効果、靭性向上効果が明確でないため、下限を０．０１５％とする。特に、溶接金属中の酸化物微細化とそれによるの組織微細化を通した靭性向上効果は、Ｍｇが０．０１４％以下の微量ではほとんど効果が発揮されない。一方、溶接ワイヤ中に０．３０％を超えてＭｇを含有させると、溶接金属中のＭｇ量が過大となって、溶接金属の靭性を劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量の上限を０．３０％とする。なお、Ｍｇによる溶接金属のＯ量低減効果、靭性向上効果をより確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量は０．０３０％以上とすることがより好ましい。
Ｍｇも、本発明が対象とするメタル粉入り溶接ワイヤにおいて、溶接金属のＯ量を低減するために、溶接ワイヤ全体として適正量含有させることが必須の元素である。また、Ｔｉと同じ効果により組織微細化により靭性を向上させる。溶接ワイヤ中の含有量が０．０１５％未満であると、溶接金属のＯ量低減効果、靭性向上効果が明確でないため、下限を０．０１５％とする。特に、溶接金属中の酸化物微細化とそれによるの組織微細化を通した靭性向上効果は、Ｍｇが０．０１４％以下の微量ではほとんど効果が発揮されない。一方、溶接ワイヤ中に０．３０％を超えてＭｇを含有させると、溶接金属中のＭｇ量が過大となって、溶接金属の靭性を劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量の上限を０．３０％とする。なお、Ｍｇによる溶接金属のＯ量低減効果、靭性向上効果をより確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量は０．０３０％以上とすることがより好ましい。
「Ｍｇ＋Ｔｉ／５＝０．０２０〜０．３０％」
メタル粉入り溶接ワイヤにより溶接するに際して溶接金属中のＯ量をソリッドワイヤなみとするためには、前記のように、溶接ワイヤ中のＡｌを制限した上で、Ｔｉ、Ｍｇ各々を適正範囲内で含有させるが、Ｔｉ、ＭｇによるＯ低減効果を確実にするためには、ＭｇとＴｉの合計量をＭｇ＋Ｔｉ／５＝０．０２０〜０．３０％とする必要がある。Ｍｇ＋Ｔｉ／５が０．０２０％未満であると、各々の含有量が本発明範囲内であっても、溶接ワイヤの成分組成や溶接条件によっては溶接金属中のＯ量が過大となる虞がある。また、アシキュラーフェライトの生成核となる酸化物の個数が十分でなく、靭性が劣る可能性も生じる。一方、Ｍｇ＋Ｔｉ／５が０．３０％超であると、粗大な酸化物の形成やＴｉの析出脆化により、溶接金属の靭性劣化が著しくなる虞が大きくなる。そのため、本発明においては、溶接ワイヤのＴｉ、Ｍｇの含有量を、Ｍｇ＋Ｔｉ／５で０．００２〜０．３０％に制限する。
メタル粉入り溶接ワイヤにより溶接するに際して溶接金属中のＯ量をソリッドワイヤなみとするためには、前記のように、溶接ワイヤ中のＡｌを制限した上で、Ｔｉ、Ｍｇ各々を適正範囲内で含有させるが、Ｔｉ、ＭｇによるＯ低減効果を確実にするためには、ＭｇとＴｉの合計量をＭｇ＋Ｔｉ／５＝０．０２０〜０．３０％とする必要がある。Ｍｇ＋Ｔｉ／５が０．０２０％未満であると、各々の含有量が本発明範囲内であっても、溶接ワイヤの成分組成や溶接条件によっては溶接金属中のＯ量が過大となる虞がある。また、アシキュラーフェライトの生成核となる酸化物の個数が十分でなく、靭性が劣る可能性も生じる。一方、Ｍｇ＋Ｔｉ／５が０．３０％超であると、粗大な酸化物の形成やＴｉの析出脆化により、溶接金属の靭性劣化が著しくなる虞が大きくなる。そのため、本発明においては、溶接ワイヤのＴｉ、Ｍｇの含有量を、Ｍｇ＋Ｔｉ／５で０．００２〜０．３０％に制限する。
「Ｏ ：０．１５％以下」
Ｏは不純物元素であり、鋼の延性を低下させたり、加工性を阻害するため、極力低減することが好ましい。溶接ワイヤ中のＯ量が０．０１５％超であると、溶接金属のＯ量を高めて延性や靭性劣化を生じるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ全体としてはＯ含有量を０．０１５％以下に制限する。
Ｏは不純物元素であり、鋼の延性を低下させたり、加工性を阻害するため、極力低減することが好ましい。溶接ワイヤ中のＯ量が０．０１５％超であると、溶接金属のＯ量を高めて延性や靭性劣化を生じるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ全体としてはＯ含有量を０．０１５％以下に制限する。
以上が、溶接ワイヤの成分組成のうち、必須要件である、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ａｌ、Ｎ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｏの限定理由である。本発明においては、溶接金属の強度・靭性の調整のために、選択的に元素を用いることが可能であり、該選択元素を溶接ワイヤに必要に応じて含有させることができる。ただし、選択的に用いる場合でも、種々理由によりその含有量は限定することが必要である。以下に、溶接ワイヤに含有させる選択元素の限定理由を述べる。
「Ｃｕ：０．０１〜１．５０％」
溶接ワイヤ中にＣｕを含有させる場合は、その範囲は０．０１〜１．５０％とする。Ｃｕは、溶接金属の強度向上に有効な元素である。本発明においても、必要に応じて溶接ワイヤ中にＣｕを含有させることが可能である。溶接金属におけるＣｕの効果を明確に発揮するためには、Ｃｕは溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤに１．５０％を超えて含有させると、溶接金属の含有量が過剰となって、溶接金属の靭性や耐高温割れ性を劣化させる虞があるため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＣｕを含有させる場合、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜１．５０％に限定する。なお、溶接ワイヤ表面にＣｕめっきを施す場合、本発明においては、Ｃｕめっき分も溶接ワイヤのＣｕ含有量に含む。
溶接ワイヤ中にＣｕを含有させる場合は、その範囲は０．０１〜１．５０％とする。Ｃｕは、溶接金属の強度向上に有効な元素である。本発明においても、必要に応じて溶接ワイヤ中にＣｕを含有させることが可能である。溶接金属におけるＣｕの効果を明確に発揮するためには、Ｃｕは溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤに１．５０％を超えて含有させると、溶接金属の含有量が過剰となって、溶接金属の靭性や耐高温割れ性を劣化させる虞があるため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＣｕを含有させる場合、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜１．５０％に限定する。なお、溶接ワイヤ表面にＣｕめっきを施す場合、本発明においては、Ｃｕめっき分も溶接ワイヤのＣｕ含有量に含む。
「Ｎｉ：０．０１〜６．０％」
Ｎｉは、一般的に鋼の靭性向上に極めて有効な元素であるため、本発明においても、溶接金属の靭性向上のために、必要に応じて溶接ワイヤ中にＮｉを含有させることが可能である。その場合、Ｎｉによる高靭化効果を明確に享受するためには、溶接ワイヤ中に０．０１％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に６．０％を超えて含有させることは、効果が飽和する一方で、溶接ワイヤの製造コストを過度に高めるため、好ましくない。そのため、溶接ワイヤにＮｉを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜６．０％に限定する。
Ｎｉは、一般的に鋼の靭性向上に極めて有効な元素であるため、本発明においても、溶接金属の靭性向上のために、必要に応じて溶接ワイヤ中にＮｉを含有させることが可能である。その場合、Ｎｉによる高靭化効果を明確に享受するためには、溶接ワイヤ中に０．０１％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に６．０％を超えて含有させることは、効果が飽和する一方で、溶接ワイヤの製造コストを過度に高めるため、好ましくない。そのため、溶接ワイヤにＮｉを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜６．０％に限定する。
「Ｃｒ：０．０１〜２．０％」
Ｃｒは強度を高めるのに有効な元素であるため、必要に応じて溶接ワイヤ中に含有させることができる。溶接金属の高強度化に用いる場合は、溶接ワイヤ中の含有量が０．０１％未満であると効果が明確でないため、溶接ワイヤ中にＣｒを含有させる場合は、含有量の下限を０．０１％とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中の含有量が２．０％を超えると、溶接金属に粗大なベイナイトや硬質相を生成して溶接金属の靭性を劣化させる虞があるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＣｒを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
Ｃｒは強度を高めるのに有効な元素であるため、必要に応じて溶接ワイヤ中に含有させることができる。溶接金属の高強度化に用いる場合は、溶接ワイヤ中の含有量が０．０１％未満であると効果が明確でないため、溶接ワイヤ中にＣｒを含有させる場合は、含有量の下限を０．０１％とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中の含有量が２．０％を超えると、溶接金属に粗大なベイナイトや硬質相を生成して溶接金属の靭性を劣化させる虞があるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＣｒを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
「Ｍｏ：０．０１〜２．０％」
Ｍｏは、焼入性を高めて溶接金属組織のベイナイトあるいはアシキュラーフェライトの微細化を通して靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効な元素である。この効果を得るために溶接ワイヤにＭｏを含有させる場合は、０．０１％以上含有させる必要がある。溶接ワイヤ中のＭｏ含有量が０．０１％未満では溶接金属の強度向上効果が明確でない。一方、２．０％を超えて溶接ワイヤに過剰に含有されると、溶接金属中のＭｏ含有量が過大となって、溶接金属の靭性が著しく劣化する可能性が大きくなるため、本発明において、溶接ワイヤにＭｏを含有させる場合、その上限は２．０％に制限する。
Ｍｏは、焼入性を高めて溶接金属組織のベイナイトあるいはアシキュラーフェライトの微細化を通して靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効な元素である。この効果を得るために溶接ワイヤにＭｏを含有させる場合は、０．０１％以上含有させる必要がある。溶接ワイヤ中のＭｏ含有量が０．０１％未満では溶接金属の強度向上効果が明確でない。一方、２．０％を超えて溶接ワイヤに過剰に含有されると、溶接金属中のＭｏ含有量が過大となって、溶接金属の靭性が著しく劣化する可能性が大きくなるため、本発明において、溶接ワイヤにＭｏを含有させる場合、その上限は２．０％に制限する。
「Ｗ ：０．０１〜２．０％」
Ｗは溶接金属の機械的性質に対して、焼入性を高めて溶接金属組織のベイナイトあるいはアシキュラーフェライトの微細化を通して靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効なＭｏとほぼ同一の効果を有するため、Ｍｏと同じ理由により、溶接ワイヤ中にＷを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
Ｗは溶接金属の機械的性質に対して、焼入性を高めて溶接金属組織のベイナイトあるいはアシキュラーフェライトの微細化を通して靱性向上に有効な元素であり、かつ、固溶強化、析出強化により強度向上にも有効なＭｏとほぼ同一の効果を有するため、Ｍｏと同じ理由により、溶接ワイヤ中にＷを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．０１〜２．０％に限定する。
「Ｎｂ：０．００２〜０．１０％」
Ｎｂは、溶接金属中に含有されると、焼入性向上効果、析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。溶接ワイヤにＮｂを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＮｂ含有量は０．００２％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＮｂ量が０．１０％を超えると、溶接金属中のＮｂ量が過大となって、溶接金属に粗大なＮｂ析出物が形成されるために、溶接金属の靭性劣化が著しくなる可能性もあるため、好ましくない。以上の理由により、本発明においては、溶接ワイヤ中にＮｂを含有させる場合、Ｎｂ含有量の範囲を０．００２〜０．１０％に限定する。
Ｎｂは、溶接金属中に含有されると、焼入性向上効果、析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。溶接ワイヤにＮｂを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＮｂ含有量は０．００２％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＮｂ量が０．１０％を超えると、溶接金属中のＮｂ量が過大となって、溶接金属に粗大なＮｂ析出物が形成されるために、溶接金属の靭性劣化が著しくなる可能性もあるため、好ましくない。以上の理由により、本発明においては、溶接ワイヤ中にＮｂを含有させる場合、Ｎｂ含有量の範囲を０．００２〜０．１０％に限定する。
「Ｖ ：０．００５〜０．５０％」
Ｖは、溶接金属中に含有されると、主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。溶接ワイヤにＶを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＶ含有量は０．００５％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤのＶ含有量が０．５０％を超えて過大になると、Ｎｂと同様の理由により、溶接金属の靭性劣化の可能性が無視できなくなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＶを含有させる場合、Ｖ含有量の範囲を０．００５〜０．５０％に限定する。
Ｖは、溶接金属中に含有されると、主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効である。溶接ワイヤにＶを含有させる場合、この効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＶ含有量は０．００５％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤのＶ含有量が０．５０％を超えて過大になると、Ｎｂと同様の理由により、溶接金属の靭性劣化の可能性が無視できなくなるため、好ましくない。そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＶを含有させる場合、Ｖ含有量の範囲を０．００５〜０．５０％に限定する。
「Ｔａ：０．００５〜０．５０％」
Ｔａは溶接金属の機械的性質に対して、Ｖとほぼ同一主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、Ｖと同じ理由により、溶接ワイヤ中にＴａを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
Ｔａは溶接金属の機械的性質に対して、Ｖとほぼ同一主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、Ｖと同じ理由により、溶接ワイヤ中にＴａを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
「Ｚｒ：０．００５〜０．５０％」
Ｚｒも溶接金属の機械的性質に対して、ＶやＴａとほぼ同一の主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、ＶやＴａと同じ理由により、溶接ワイヤ中にＺｒを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
Ｚｒも溶接金属の機械的性質に対して、ＶやＴａとほぼ同一の主として析出強化によって、溶接金属の強度向上に有効な効果を有するため、ＶやＴａと同じ理由により、溶接ワイヤ中にＺｒを含有させる場合は、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で０．００５〜０．５０％に限定する。
「Ｂ ：０．０００２〜０．０１０％」
Ｂは、溶接金属中に適正量含有されると、焼入性を高めて粗大な粒界フェライトを抑制し、靭性向上に顕著な効果を発揮するため、溶接ワイヤ中に適正量含有させることは好ましい。前記Ｂの効果を発揮するために溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、０．０００２％以上含有させる必要がある。一方、０．０１０％を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中のＢ含有量も過大となり、焼入性が過大となって、粗大なベイナイトや硬質のマルテンサイト相が生成して靭性を劣化させる虞があるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、その範囲を０．０００２〜０．０１０％に限定する。
Ｂは、溶接金属中に適正量含有されると、焼入性を高めて粗大な粒界フェライトを抑制し、靭性向上に顕著な効果を発揮するため、溶接ワイヤ中に適正量含有させることは好ましい。前記Ｂの効果を発揮するために溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、０．０００２％以上含有させる必要がある。一方、０．０１０％を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中のＢ含有量も過大となり、焼入性が過大となって、粗大なベイナイトや硬質のマルテンサイト相が生成して靭性を劣化させる虞があるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、その範囲を０．０００２〜０．０１０％に限定する。
また、Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、の１種または２種を必要に応じて含有させることができる。
「Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％」
ＣａはＭｇと同様の強脱酸元素であるが、ＴｉやＭｇのようにメタル粉入り溶接ワイヤによる溶接金属のＯ量低減効果やアシキュラーフェライト生成による靭性向上効果を示さない。ただし、Ｃａは硫化物を形成して固溶Ｓの有害性を抑制したり、介在物を微細化することで、鋼製外皮の加工性向上や溶接金属の延性向上には有用である。溶接ワイヤに含有させて効果を発揮するためには少なくとも０．０００２％必要である。一方、溶接ワイヤに０．００５０％を超えて含有させると溶接金属中に粗大な介在物を形成して、溶接金属の延性や靭性を劣化させる虞がある。そのため、本発明においては、鋼製外皮にＣａを含有させる場合には、その溶接ワイヤ中の含有量は０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
ＣａはＭｇと同様の強脱酸元素であるが、ＴｉやＭｇのようにメタル粉入り溶接ワイヤによる溶接金属のＯ量低減効果やアシキュラーフェライト生成による靭性向上効果を示さない。ただし、Ｃａは硫化物を形成して固溶Ｓの有害性を抑制したり、介在物を微細化することで、鋼製外皮の加工性向上や溶接金属の延性向上には有用である。溶接ワイヤに含有させて効果を発揮するためには少なくとも０．０００２％必要である。一方、溶接ワイヤに０．００５０％を超えて含有させると溶接金属中に粗大な介在物を形成して、溶接金属の延性や靭性を劣化させる虞がある。そのため、本発明においては、鋼製外皮にＣａを含有させる場合には、その溶接ワイヤ中の含有量は０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
「ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％」
ＲＥＭもＣａと同様の強脱酸元素であり、硫化物を形成して固溶Ｓの有害性を抑制したり、介在物を微細化することで、鋼製外皮の加工性向上や溶接金属の延性向上には有用であるため、前記Ｃａと同じ理由により、溶接ワイヤ中に含有させる場合の含有量は０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
ＲＥＭもＣａと同様の強脱酸元素であり、硫化物を形成して固溶Ｓの有害性を抑制したり、介在物を微細化することで、鋼製外皮の加工性向上や溶接金属の延性向上には有用であるため、前記Ｃａと同じ理由により、溶接ワイヤ中に含有させる場合の含有量は０．０００２〜０．００５０％の範囲に限定する。
［メタル粉の充填率］
以上が本発明のメタル粉入り溶接ワイヤにおける、鋼製外皮ならびに溶接ワイヤ全体としての成分組成の限定理由である。なお、鋼製外皮と溶接ワイヤの成分組成が本発明範囲内であっても、下記の理由により、メタル粉の充填率も限定する必要がある。すなわち、メタル粉の質量％が５％未満であると、溶接ワイヤの成分組成の変化が限定されるため、溶接ワイヤの成分組成の調整が容易に行えるとのメタル粉入り溶接ワイヤの大きな利点の一つが著しく制限されるため、本発明においては、メタル粉の充填率の下限を５％とする。一方、メタル粉の充填率が２０％を超えると、溶接ワイヤの成分組成が本発明の範囲内であっても、溶接ワイヤの伸線加工中の断線率が無視できない程度に高くなるため、また、溶接中のスラグの増加が多く、溶接作業性を阻害する可能性が高くなるため、本発明においては、メタル粉の充填率の上限を２０％とする。なお、本発明においては、メタル粉の充填率は、溶接ワイヤ全質量に対するメタル粉の質量％で表す。
以上が本発明のメタル粉入り溶接ワイヤにおける、鋼製外皮ならびに溶接ワイヤ全体としての成分組成の限定理由である。なお、鋼製外皮と溶接ワイヤの成分組成が本発明範囲内であっても、下記の理由により、メタル粉の充填率も限定する必要がある。すなわち、メタル粉の質量％が５％未満であると、溶接ワイヤの成分組成の変化が限定されるため、溶接ワイヤの成分組成の調整が容易に行えるとのメタル粉入り溶接ワイヤの大きな利点の一つが著しく制限されるため、本発明においては、メタル粉の充填率の下限を５％とする。一方、メタル粉の充填率が２０％を超えると、溶接ワイヤの成分組成が本発明の範囲内であっても、溶接ワイヤの伸線加工中の断線率が無視できない程度に高くなるため、また、溶接中のスラグの増加が多く、溶接作業性を阻害する可能性が高くなるため、本発明においては、メタル粉の充填率の上限を２０％とする。なお、本発明においては、メタル粉の充填率は、溶接ワイヤ全質量に対するメタル粉の質量％で表す。
以下、本発明に係るメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤについての実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、もとより下記実施例に限定されるものではなく、前、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に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含まれるものである。
実施例には、種々の化学組成のメタル粉入り溶接ワイヤ、鋼板を用い、高層建築構造物の柱によく用いられる、スキンプレートとダイヤフラムとからなる４面ボックス柱を模した、図２に示すような鋼板（スキンプレート）１と鋼板（ダイや不ラム）２とを開先幅ａにて対向させ、裏当金３を排泄させたＴ字継手により溶接継手を作製し、図３に示す位置から引張試験片５および２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片６を採取して、開先中央の溶接金属の強度、靱性を調べた。強度は室温の丸棒引張試験により評価し、靭性は２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギーで評価した。また、溶接中状況を目視観察し、スパッタの多少により、溶接作業性を比較した。
表１に鋼板の化学組成を示す。種々組成、製造方法による板厚５０ｍｍあるいは６０ｍｍの鋼板を用いた。一つの溶接継手においては、ダイヤフラム相当鋼板とスキンプレート相当鋼板とには同一の鋼板を用いた。鋼板素組成については、その組成に合わせて本願発明の溶接ワイヤの組成を適宜調整することで溶接金属の特性を確保することが可能であるため、鋼板組成により本願発明の効果が損なわれることはない。ただし、エレクトロスラグ溶接は母材希釈が比較的大きいため、鋼板組成も一定範囲内に限定することが好ましい。具体的には、Ｃ：０．０３〜０．１５％、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．１〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０７％以下、Ｎ：０．０１０％以下、を含有し、炭素当量：０．２５〜０．６０％の範囲内で必要に応じてＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖの１種または２種以上含有し、さらに必要に応じて、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｔｉ：０／００２〜０．０５％、Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、Ｂ：０．０００２〜０．０２０％、Ｃａ：０．０００２〜０．０２０％の１種または２種以上を含有する鋼板組成とすることがより好ましい。ただし、炭素当量（Ｃｅｑ．）は、Ｃｅｑ．＝Ｃ（質量％）＋Ｓｉ（質量％）／２４＋Ｍｎ（質量％）／６＋Ｎｉ（質量％）／４０＋Ｃｒ（質量％）／５＋Ｍｏ（質量％）／４＋Ｖ（質量％）／１４、の式により求めた値である。
メタル粉入り溶接ワイヤは表２に化学組成を示す鋼製外皮を用い、メタル粉の成分組成や充填率を調整することによって、ワイヤ全体の組成が表３−１および表３−２のような溶接ワイヤに製造した。鋼製外皮は板厚０．８ｍｍの帯鋼とし、連続的にＵ形に冷間成型しつつメタル粉を充填し、さらに冷間により断面がほぼ円形になるようにした後、端部を連続的にシーム溶接して、シームレスの充填管に造管し、さらに冷間伸線により最終径１．６ｍｍの溶接ワイヤに製造した。成分調整のメタル粉添加量と充填率との差の調整は鉄粉により行った。また、メタル粉は純金属または鉄合金または種々合金で添加した。Ｃを添加する場合はグラファイトまたはＣを多めに含有した鉄合金を用いた。なお、表３−１および表３−２のうち、Ｃｕについては、鋼製外皮とメタル粉、さらには表面をＣｕめっきした場合にはこのめっき成分も含めた割合を示している。表２の鋼製外皮の内、外皮記号ＨＡ１〜ＨＡ２４は本発明の鋼製外皮に係わる要件を満足しているものであり、外皮記号ＨＢ１〜ＨＢ１７は本発明の鋼製外皮に係わる要件を満足していない例である。また、表３−１の溶接ワイヤのうち、溶接ワイヤ記号ＷＡ１〜ＷＡ３４は本発明の要件を満足している例であり、表３−２の比較例のうち、溶接ワイヤ記号ＷＢ１〜ＷＢ２９は本発明の要件を満足していない比較例である。なお、溶接ワイヤ記号ＷＢ１、ＷＢ３、ＷＢ５、ＷＢ２８及びＷＢ２９は溶接ワイヤの伸線加工段階において、断線が頻発して、溶接に供することができる溶接ワイヤを製造できなったため、溶接継手の作製、溶接金属特性の調査を実施しなかった。他の比較例でも溶接ワイヤの伸線加工中に断線を生じるものはあったが、溶接金属特性が評価可能な程度の溶接長を確保できた溶接ワイヤについては一応溶接継手作製、溶接金属特性調査を実施している。
溶接は図２に示すＴ字継手を組み立て、表４に示す溶接条件により、定常部を十分確保できるよう、５００ｍｍ以上の溶接ビードができるまで溶接した。溶接条件を表４に示すように、鋼板板厚５０ｍｍと板厚６０ｍｍとも１電極式で、給電ノズルをオシレートして溶接する方法を用いているが、溶接条件は板厚ごとに変えている。ただし、開先幅（図２中のa）は鋼板板厚によらず２５ｍｍ一定とした。なお、実施例ではノズルをオシレートさせる１電極溶接を用いているが、２電極によるエレクトロスラグ溶接でも本発明の効果は変わらない。
図２に示すように、ボックス構造のスキンプレートにダイヤフラムを溶接するエレクトロスラグ溶接においては開先断面を閉断面とするために裏当金を用いる必要がある。溶接時に裏当金も一部溶融して溶接金属の一部を構成することになるが、その希釈率はせいぜい１０％であるため、本発明の溶接ワイヤを用いるに際しては、その組成は本発明の効果に影響を与えることはなく、特にその組成を限定する必要はないが、Ｃ、Ｎ量については溶接金属の靭性に対する影響がやや大きいため、Ｃ：０．２０％以下、Ｎ：０．０１５％以下の成分組成を用いる鋼を用いることがより好ましい。本実施例においては断面サイズが２８ｍｍ×５０ｍｍで、組成が、Ｃ：０．１１％、Ｓｉ：０．２９％、Ｍｎ：１．３４％、Ｐ：０．０１３％、Ｓ：０．０１３％、Ｃｕ：０．１０％、Ｎｉ：０．０５％、Ｎｂ：０．０１５％、Ａｌ：０．０３％、Ｎ：０．０９９％のフラットバーを使用した。
表５に溶接ワイヤと鋼板の組み合わせ条件、溶接金属の強度、靭性を示す。表５のうち、本発明の溶接ワイヤを用いて溶接した継手記号ＴＡ１〜ＴＡ３５の溶接金属は、いずれの強度レベルにおいても（引張強さで５２６〜６９２ＭＰａ）、０℃における２ｍｍＶノッチシャルピー吸収エネルギーは全て７０Ｊ以上を安定して達成しており、本発明によれば、メタル粉入り溶接ワイヤによるエレクトロスラグ溶接における溶接金属は極めて良好な靭性を達成できることが明らかである。また、表３−１および表３−２に示すように、一部の比較例とは異なり、溶接ワイヤの製造性に問題があったり、溶接作業性が劣るようなことも全くなかった。
一方、比較例である、溶接ワイヤＷＢ１〜ＷＢ２９は、表２、表３−１、表３−２及び表５から、ワイヤ製造性、溶接作業性、溶接金属靭性の一つまたは二つあるいは全部が本発明のメタル粉入り溶接ワイヤに比べて劣っていることが明白である。
すなわち、溶接ワイヤＷＢ１は、鋼製外皮のＣ含有量が過大であるため、鋼製外皮の延性特性が十分でなく、そのため、伸線加工中に破断が頻発し、溶接継手作製に供試できる溶接ワイヤとなすことができなかった。すなわち、ワイヤ製造性が極めて劣るため、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ２（継手ＴＢ１）は、鋼製外皮のＳｉ含有量が過小であるため、鋼製外皮中のＯ含有量が多く、粗大な酸化物も多いため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量も過小であるため、その結果、溶接金属中のＯ含有量が過大となり、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ２は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣るため、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ３は、鋼製外皮のＳｉ含有量が過大であることが原因で、鋼製外皮の延性特性が十分でないため、伸線加工中に破断が頻発し、溶接継手作製に供試できる溶接ワイヤとなすことができなかった。
溶接ワイヤＷＢ４（継手ＴＢ２）は、鋼製外皮のＭｎ含有量が過小であるため、鋼製外皮中のＯ含有量が多く、粗大な酸化物も多いため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量が過小であるため、溶接金属中のＯ含有量が過大となり、また、溶接金属のミクロ組織も粗大となるため、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ４は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣るため、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ５は、鋼製外皮のＭｎ含有量が過大であるため、伸線加工中に外皮の強度が過大となり、伸線加工中に破断が頻発し、溶接継手作製に供試できる溶接ワイヤとなすことができなかった。
溶接ワイヤＷＢ６（継手ＴＢ３）は、溶接ワイヤのＰ含有量が過大なため、溶接金属中のＰ含有量も多く、そのため、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ７（継手ＴＢ４）は、溶接ワイヤのＳ含有量が過大なため、溶接金属中のＳ含有量も多く、そのため、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ８（継手ＴＢ５）は、鋼製外皮のＡｌ含有量が過大であることにより溶接ワイヤのＡｌ含有量も過大であるため、溶接中にスラグ量が増加してスパッタが発生して溶接作業性が劣化するとともに、溶接金属中のＯ含有量が過大であるために、溶接金属中の靭性も劣り、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ９（継手ＴＢ６）は、鋼製外皮のＮ含有量が過大であることにより溶接ワイヤのＮ含有量も過大であるため、溶接金属中のＯ含有量が過大となり、溶接金属中の靭性が劣り、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ１０（継手ＴＢ７）は、鋼製外皮のＳｉ含有量とＭｎ含有量とがともに過大であるため、鋼製外皮の延性が十分でないため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、溶接ワイヤ中のＳｉとＭｎ含有量が過大であるため、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ１０は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣るため、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ１１（継手ＴＢ８）は、鋼製外皮のＡｌ含有量が過大なため、溶接ワイヤ全体としてのＡｌ含有量も過大となり、溶接ワイヤＷＢ８と同様、溶接中にスラグ量が増加してスパッタが発生して溶接作業性が劣化するとともに、溶接金属中のＯ含有量が過大であるために、溶接金属中の靭性も劣り、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ１２（継手ＴＢ９）は、溶接ワイヤＷＢ１１と同様、鋼製外皮のＡｌ含有量が過大なため、溶接ワイヤ全体としてもＡｌ含有量が過大であるため、溶接中にスラグ量が増加してスパッタが発生して溶接作業性が劣化するとともに、溶接金属中のＯ含有量が過大であるために、溶接金属中の靭性も劣り、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ１３（継手ＴＢ１０）は、溶接ワイヤＷＢ１１、ＷＢ１２と同様、鋼製外皮のＡｌ含有量が過大なため、溶接ワイヤ全体としてもＡｌ含有量が過大であるため、溶接中にスラグ量が増加してスパッタが発生して溶接作業性が劣化するとともに、溶接金属中のＯ含有量が過大であるために、溶接金属中の靭性も劣る。
溶接ワイヤＷＢ１４（継手ＴＢ１１）は、鋼製外皮のＣ量が過大であるため、鋼製外皮の延性特性が劣り、そのため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、鋼製外皮のＣ含有量が過大であることに起因して溶接ワイヤ中のＣ含有量が過大であるため、溶接金属中のＣ含有量も過大となり、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ１４は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣る。
溶接ワイヤＷＢ１５（継手ＴＢ１２）は、鋼製外皮のＳｉ量が過大であるため、鋼製外皮の延性特性が劣り、そのため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、鋼製外皮のＳｉ含有量が過大であることに起因して溶接ワイヤ中のＳｉ含有量が過大であるため、溶接金属中のＳｉ含有量も過大となり、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ１５は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣る。
溶接ワイヤＷＢ１６（継手ＴＢ１３）は、鋼製外皮のＭｎ量が過大であるため、鋼製外皮の強度が伸線中に過度に高くなったため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、鋼製外皮のＭｎ含有量が過大であることに起因して溶接ワイヤ中のＭｎ含有量が過大であるため、溶接金属中のＭｎ含有量も過大となり、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ１６は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣る。
溶接ワイヤＷＢ１７（継手ＴＢ１４）は、鋼製外皮のＯ量が過大であるため、鋼製外皮の延性特性が劣り、溶接ワイヤの伸線加工中に破断が生じた。溶接は実施できたが、鋼製外皮のＯ含有量が過大であることが主要因となって溶接ワイヤ中のＯ含有量が過大であるため、溶接金属中のＯ含有量も過大となり、溶接金属の靭性が劣る。すなわち、溶接ワイヤＷＢ１７は溶接ワイヤの製造性と溶接金属靭性とがともに劣る。
溶接ワイヤＷＢ１８（継手ＴＢ１５）は、鋼製外皮は本発明を満足しているため、溶接ワイヤの製造性には問題はないが、溶接ワイヤ全体としてのＣ含有量が過大であるため、溶接金属中のＣ含有量も過大となり、靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ１９（継手ＴＢ１６）は、鋼製外皮は本発明を満足しているため、溶接ワイヤの製造性には問題はないが、溶接ワイヤ全体としてのＭｎ含有量が過大であるため、溶接金属中のＭｎ含有量も過大となり、靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ２０（継手ＴＢ１７）は、鋼製外皮は本発明を満足しているが、溶接ワイヤのＡｌ含有量としては過大であるため、Ａｌの悪影響が生じ、溶接作業性、溶接金属靭性が本発明に比べて劣る。
溶接ワイヤＷＢ２１（継手ＴＢ１８）は、溶接ワイヤ全体でＴｉを実質的に全く含有していないため、溶接金属中のＯ含有量もが過大となり、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ２２（継手ＴＢ１９）は、溶接ワイヤ中にＴｉは含有されているものの、その含有量が十分でないため、溶接ワイヤＷＢ２１と同様、溶接金属中のＯ含有量もが過大となり、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ２３（継手ＴＢ２０）は、溶接ワイヤＷＢ２１、ＷＢ２２とは反対に、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量が過大なため、また、Ｍｇ＋Ｔｉ／５の値も本発明を逸脱して過大であるため、溶接金属中に粗大な析出物を形成し、また、Ｔｉの析出脆化が生じて溶接金属の靭性を劣化させており、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ２４（継手ＴＢ２１）は、溶接ワイヤ中にＴｉとＭｇとがともに含有されておらず、従って、Ｍｇ＋Ｔｉ／５も過小であるため、溶接金属中のＯ含有量もが過大となり、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ２５（継手ＴＢ２２）は、溶接ワイヤ中にＭｇが含有されておらず、Ｍｇ＋Ｔｉ／５も過小であるため、溶接金属中のＯ含有量もが過大となり、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ２６（継手ＴＢ２３）は、溶接ワイヤ中にＭｇは含有されているものの、その含有量が過小であり、また、Ｍｇ＋Ｔｉ／５も過小であるため、溶接金属中のＯ含有量もが過大となり、溶接金属の靭性が劣る。
溶接ワイヤＷＢ２７（継手ＴＢ２４）は、溶接ワイヤ中のＭｇ含有量が過大なため、また、Ｍｇ＋Ｔｉ／５の値も本発明を逸脱して過大であるため、Ｍｇによる靭性劣化、Ｔｉの析出脆化により溶接金属の靭性が劣っており、好ましくない。
溶接ワイヤＷＢ２８は及び溶接ワイヤＷＢ２９は、メタル粉の充填率が過大であるため、溶接ワイヤの伸線加工中に破断を頻発した。そのため、溶接継手作製に供すべき溶接ワイヤを製造できなかった。
以上の実施例からも、本発明によれば、非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接により形成された溶接金属の２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験の０℃における吸収エネルギーが７０Ｊ以上となる、充填フラックスが金属粉あるいは／および合金粉からなるメタル粉入り溶接ワイヤを得られることが明らかである。
１ 鋼板（スキンプレート）
２ 鋼板（ダイヤフラム）
３ 裏当金
ａ 開先幅
４ 溶接金属
５ 引張試験片
６ ２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片
２ 鋼板（ダイヤフラム）
３ 裏当金
ａ 開先幅
４ 溶接金属
５ 引張試験片
６ ２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片
Claims (8)
- 鋼製外皮内にメタル粉を充填してなるエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤにおいて、前記鋼製外皮が鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００８％以下、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｏ ：０．０１０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．００５〜０．１０％、
Ｓｉ：０．１０〜１．５％、
Ｍｎ：０．１〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．００８％以下、
Ａｌ：０．０３０％以下、
Ｎ ：０．００１〜０．０１０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３０％、
Ｍｇ：０．０１５〜０．３０％、
Ｏ ：０．１５％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、［Ｍｇ］＋［Ｔｉ］／５＝０．０２０〜０．３０％であり、合わせて、前記メタル粉の充填率が溶接ワイヤ全体に対する質量％で５〜２０％であることを特徴とする、メタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
ただし、［Ｍｇ］、［Ｔｉ］は各々溶接ワイヤ全体の成分組成としてのＭｇとＴｉの質量％である。 - 前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．０１０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。 - 前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。 - 前記溶接ワイヤが、さらに、溶接ワイヤ全体の成分組成が、溶接ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、請求項２に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。 - 前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項２に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。 - 前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、請求項３または４に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。 - 前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．００５０％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種を含有し、かつ、
Ｃｕ：０．０１〜１．５０％、
Ｎｉ：０．０１〜６．０％、
Ｃｒ：０．０１〜２．０％、
Ｍｏ：０．０１〜２．０％、
Ｗ ：０．０１〜２．０％、
Ｎｂ：０．００２〜０．１０％、
Ｖ：０．００５〜０．５０％、
Ｔａ：０．００５〜０．５０％、
Ｚｒ：０．００５〜０．５０％、
Ｂ ：０．０００２〜０．００５０％、
の１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項４に記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。 - 前記鋼製外皮が、さらに、鋼製外皮全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５０％、
Ｍｇ：０．００２〜０．０１０％、
の１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のメタル粉入りエレクトロスラグ溶接用溶接ワイヤ。
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