JP5968855B2

JP5968855B2 - Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ

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Publication number: JP5968855B2
Application number: JP2013227171A
Authority: JP
Inventors: 和博福田; 正樹島本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: CN104588912B; US10286499B2; KR20150050471A; ES2705552T3; EP2868425B1; US20150114944A1; EP2868425A1; CN104588912A; KR101692591B1; JP2015085366A

Description

本発明は、９％Ｎｉ鋼及び各種高Ｎｉ合金等の溶接において使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関する。

Ｎｉ基合金を成分とする溶接材料は、例えば低温用鋼として代表的な９％Ｎｉ鋼等の溶接に使用されている。９％Ｎｉ鋼等は、ＬＮＧ、液体窒素、また液体酸素などの貯蔵タンク等に広く用いられている。９％Ｎｉ鋼の溶接では、溶接継手部に母材と同等の−１９６℃の極低温における溶接部の靱性を確保するため、フェライト組織の９％Ｎｉ鋼に類似した成分を有する溶接ワイヤ（いわゆる、共金系ワイヤ）ではなく、Ｎｉ基合金溶接材料を使用するのが一般的である。これは共金系ワイヤを用いて溶接した場合の溶接継手部は、溶接ままでは９％Ｎｉ鋼と同等の強度と低温靭性を確保することができないからである。

近年、Ｎｉ基合金のような特殊溶接材料においても被覆アーク溶接やＴＩＧ溶接に比べて、より高い作業能率が期待できるＮｉ基合金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が拡大しつつある。一方、Ｎｉ基合金は完全オーステナイト組織であり、高温割れ感受性が高いことから、耐高温割れ性と溶接作業性の両立が難しく、溶接姿勢や溶接条件適用範囲が限られていた。そこで、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいては、この適用範囲拡大を目的に、耐高温割れ性を改善するため種々の検討がなされている。

例えば、特許文献１、２に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ成分および溶着金属化学成分を最適化する、すなわち、耐高温割れ性に悪影響を及ぼすＣｒやＮｂ含有量を低減し、Ｎｉ−Ｍｏ合金系を主体とした溶着金属化学成分にすることで、高温割れ感受性の低減を図っている。また、例えば、特許文献３に記載の低温鋼溶接用のＮｉ基複合ワイヤは、フラックス原料にＴｉ，Ａｌ，Ｚｒ及びＭｇを添加することで溶融金属中の脱酸反応を促進し、ＣＯガス反応を低減することでブローホールの低減を図っている。

特開２００５−５９０７７号公報特開２００７−２０３３５０号公報特開昭６０−４６８９６号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載のワイヤでは、いずれも耐高温割れ性の向上と全姿勢での溶接作業性の両立を図っているものの、耐気孔欠陥性（耐ブローホール性）については改善の余地がある。

また、特許文献３に記載のワイヤは、フラックス原料に脱酸成分を添加している。このようにフラックス原料から脱酸成分を添加しても、これらのフラックス原料中の脱酸成分の大部分は溶接中に溶融金属の脱酸反応が行われる前に酸化し、スラグとして排出される。そのため、溶融金属に対する脱酸効果は低いという問題がある。また、溶融金属の脱酸効果を十分に得るためには、フラックス中に大量に脱酸成分を添加する必要があり、大量に脱酸成分を添加することによりスパッタ増加による溶接作業性の低下が生じるという問題がある。そのため、全姿勢における溶接作業性と耐気孔欠陥性を両立させたＮｉ基合金フラックス入りワイヤの開発が望まれている。

そこで、本発明の課題は、９％Ｎｉ鋼又はＮｉ基合金の溶接において、全姿勢における溶接作業性に優れていると共に耐気孔欠陥性が優れた溶接金属が得られるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供することにある。

本発明者らは、耐高温割れ性の観点からＣｒやＮｂ含有量を少なく規制しているＮｉ−Ｍｏ合金系の全姿勢用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤで問題となっていたブローホールを低減することを目的とし、以下の事項を見出した。

Ｎｉ基合金系溶融金属中におけるＣ，Ｏ元素の平衡溶解度は、一般の炭素鋼に比べて極めて低く、溶接時に溶融金属が凝固する際の温度低下によるＣ，Ｏ元素の平衡溶解度の減少に起因して、ＣＯガス生成反応によるブローホールが発生しやすい傾向にある。特に、ＣｒやＮｂ含有量が少ないＮｉ−Ｍｏ系合金ではＮｉ−Ｃｒ−Ｎｂ系合金に比べ、Ｃ，Ｏ元素の平衡溶解度がさらに低いことから、ワイヤ中のＣ含有量が高い場合、容易にＣＯガスの生成に起因するブローホールが発生しやすい傾向がある。

また、炭素鋼やステンレス鋼に代表されるＦｅ基溶接材料の溶融金属の凝固開始温度が１４５０〜１５００℃であるのに対して、Ｎｉ基合金溶接材料の溶融金属の凝固開始温度は１３００〜１４００℃と比較的低いという特徴がある。したがって、Ｎｉ基合金溶接材料では、溶融金属表面における溶融スラグの凝固・形成が完了してから、溶融金属の凝固が開始するまでの時間差が長くなる傾向にある。さらに、立向姿勢での溶接が可能な全姿勢用スラグ系においては、溶融スラグの凝固が完了するまでの温度と溶融金属が凝固を開始するまでの温度との差が大きい。このように、溶融スラグの凝固が早いことから、溶融スラグの凝固が完了するまでに溶融金属からＣＯガスが放出される時間が短いため、特に全姿勢用Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤでは溶融金属中にＣＯガスがトラップされブローホールが発生しやすいという問題がある。

このように、Ｃ，Ｏ元素の平衡溶解度が炭素鋼に比べて極めて低いＮｉ基合金においては、溶接中に溶融金属内で容易にＣＯガスが発生することから、溶接中の極短時間の冶金反応が行われる際により効果的に脱酸を行う必要がある。そこで、外皮およびワイヤ全体のＣ含有量を低めに規制し、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｇ脱酸成分を外皮から添加することで、ブローホール発生量が極めて少ない良好な溶接金属を得ることができることを見出した。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術手段を講じている。
本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、Ｎｉ基合金を外皮とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、前記外皮の組成が、外皮全質量あたり、Ｎｉ：６０〜８０質量％、Ｃｒ：１〜１５質量％、Ｍｏ：８〜２２質量％、Ｔｉ：０．００２〜０．４０質量％、Ａｌ：０．０３〜０．４０質量％、Ｍｇ：０．００４〜０．０２５質量％、の範囲で含有し、且つＣ：０．０２０質量％以下、Ｓｉ：０．１５質量％以下、に抑制し、残部がＭｎ，Ｆｅ，Ｗおよび不可避的不純物であり、前記外皮成分と前記外皮に内包されるフラックス成分とをあわせたワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量あたり、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｗ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉについては純金属または合金の状態で存在する含有量で、Ｃｒについては酸化物、純金属または合金の状態で存在する含有量で、Ｎｉ：５３〜７５質量％、Ｃｒ：１〜１５質量％、Ｍｏ：１０〜２０質量％、Ｍｎ：１．５〜５．５質量％、Ｗ：１．５〜５．０質量％、Ｆｅ：２．０〜８．０質量％、Ｔｉ：０．００２〜０．５０質量％、Ａｌ：０．０２〜０．５０質量％、Ｍｇ：０．００３〜０. ０３質量％、の範囲で含有し、且つＣ：０．０５０質量％以下、Ｓｉ：０．２０質量％以下、Ｎｂ：０．０３０質量％以下、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１０質量％以下、に抑制し、残部が不可避的不純物およびスラグ成分であることを特徴とする。

かかる構成によれば、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ（以下、適宜、フラックス入りワイヤあるいは、単にワイヤという）は、外皮金属としてＮｉ基合金を使用することで、溶接金属の均一性が損なわれず、かつ、フラックスが充填過剰とならない。また、フラックス入りワイヤは、外皮に所定量のＣｒおよびＭｏを添加することで、溶接金属の耐食性及び強度が向上する。また、フラックス入りワイヤは、外皮に所定量のＴｉ、Ａｌ、Ｍｇを添加することで、極短時間で溶融金属中の溶存酸素量が低減するため、十分な脱酸効果が得られる。また、フラックス入りワイヤは、外皮のＣ含有量を所定量以下に抑制することで、溶融金属中のＣＯガス反応が抑制され、ブローホール発生量が低減する。また、フラックス入りワイヤは、外皮のＳｉ含有量を所定量以下に抑制することで、低融点化合物の生成が抑制され、耐高温割れ性の低下が抑制される。

さらに、かかる構成によれば、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全体の組成において、ワイヤ全質量あたり、所定量のＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗを添加することで、溶接金属の機械性能、耐食性及び強度が向上する。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、所定量のＭｎを添加することで、ＭｎがＳと結合し、Ｓが無害化されて耐高温割れ性の低下が抑制される。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたりのＦe含有量を所定量添加することで、溶接金属の延性が確保される。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、所定量のＴｉ、Ａｌ、Ｍｇを添加することで、極短時間で溶融金属中の溶存酸素量が低減するため、十分な脱酸効果が得られる。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたりのＣ含有量を所定量以下に抑制することで、溶融金属中のＣＯガス反応が抑制され、ブローホール発生量が低減する。また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたりのＳｉ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓ含有量を所定量以下に抑制することで、低融点化合物の生成が抑制され、耐高温割れ性の低下が抑制される。

本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、前記外皮に含まれるＣ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇの質量％を［Ｃ］，［Ｔｉ］，［Ａｌ］，［Ｍｇ］としたとき、［Ｃ］／（［Ｔｉ］+［Ａｌ］+［Ｍｇ］×３）により算出される比率が０．１１以下であることが好ましい。
かかる構成によれば、フラックス入りワイヤは、ブローホール発生量がより低減する。

本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、前記外皮に内包されるフラックス中に、前記スラグ成分として、ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の総和：３〜１５質量％、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物の総和（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ単体換算の総和）：０．１〜１．０質量％、および不可避的不純物を含有することが好ましい。

かかる構成によれば、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、内包されるフラックス中における、ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の含有量の総和を規定することで、アーク安定性の向上や、ビード形状の良好化を図ることができる。
また、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、内包されるフラックス中における、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ単体換算の総和）の含有量を規定することで、スパッタの発生が抑制される。

本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、溶融金属中のＣＯガス生成反応を抑制することで、ブローホール発生量が極めて少ない良好な溶接金属を得ることができる。また、ＣＯガス発生そのものを抑制することで、スラグの凝固温度が高い全姿勢用スラグ系においてもブローホールが少ない良好な溶接金属を得ることができる。
さらに外皮からＡｌ，Ｔｉ，Ｍｇ脱酸成分を添加することで、極短時間で溶融金属中の溶存酸素量を低減することができることから、フラックスから脱酸成分を添加する場合に比べ極少量の添加量でも十分な脱酸効果が得られる。そのため、溶接作業性を損なわずにブローホールの低減を行うことが可能である。
また、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ビード外観に優れた溶接金属を得ることができる。

外皮成分とブローホール発生個数との関係を示すグラフである。実施例の立向突合せ溶接における突合せ溶接継ぎ手の開先形状および積層要領を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明のフラックス入りワイヤは、Ｎｉ基合金を外皮とするものである。そして、外皮の組成について、外皮全質量あたり、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを所定量の範囲で含有し、且つＣ、Ｓを所定量以下に抑制したものである。
また、外皮成分と外皮に内包されるフラックス成分とをあわせたワイヤ全体の組成について、ワイヤ全質量あたり、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇを所定量の範囲で含有し、且つＣ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓを所定量以下に抑制したものである。

また、フラックス入りワイヤは、外皮に含まれるＣ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇの質量％を［Ｃ］，［Ｔｉ］，［Ａｌ］，［Ｍｇ］としたとき、「［Ｃ］／（［Ｔｉ］+［Ａｌ］+［Ｍｇ］×３）」により算出される比率を０．１１以下とすることが好ましい。

さらに、フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、内包されるフラックス中に、ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の総和：３〜１５質量％、Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物の総和（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ単体換算の総和）：０．１〜１．０質量％、および不可避的不純物を含有することが好ましい。
以下、フラックス入りワイヤの成分限定理由について説明する。

以下、外皮の成分数値限定理由について説明する。
＜Ｎｉ：外皮中に６０〜８０質量％＞
外皮金属としてＮｉ基合金を使用するのは、溶接金属の均一性を損なわないため、及びフラックスが充填過剰とならないように、フラックス中からの合金添加を抑えるためである。Ｎｉ基合金中のＮｉ含有量が６０質量％未満であると、必然的にその他の元素が添加されることになるが、外皮中のＮｉ以外の元素Ｃｒ，Ｍｏ等は、外皮の伸線加工性を低下させ、生産性が低下する。一方、Ｎｉ含有量が８０質量％を超えると、その他の合金元素を全てフラックスに添加しなければならず、フラックス充填率（フラックス入りワイヤ全質量に対するフラックス質量の割合）が過剰になる。フラックス充填率が過剰になると、製造工程においてワイヤの伸線が困難になり、生産性が低下する。したがって、外皮中のＮｉ含有量は６０〜８０質量％とする。

＜Ｃｒ：外皮中に１〜１５質量％＞
Ｃｒは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果がある。前記効果を得るため、外皮中のＣｒ含有量は１質量％以上とする。一方、外皮中のＣｒ含有量が１５質量％を超えると、金属外皮の熱間加工性が低下して外皮の成形が困難になる。したがって、外皮中のＣｒ含有量は１〜１５質量％とする。

＜Ｍｏ：外皮中に８〜２２質量％＞
Ｍｏは溶接金属の強度を確保するために不可欠な元素である。外皮中のＭｏ含有量が８質量％未満であると、溶接金属の強度を得るためにフラックスにＭｏを添加しなければならなくなり、フラックス充填率が過剰になる。一方、外皮中のＭｏ含有量が２２質量％を超えると、金属外皮の熱間加工性が低下して外皮の成形が困難になる。したがって、外皮中のＭｏ含有量は８〜２２質量％とする。

＜Ｔｉ：外皮中に０．００２〜０．４０質量％＞
外皮中のＴｉは脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ（ガス）」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。外皮中のＴｉ含有量が０．００２質量％未満であると、その効果が得られない。一方、外皮中のＴｉ含有量が０．４０質量％を超えると、Ｎｉ_３Ｔｉなどの金属間化合物が析出する影響で、金属外皮の熱間加工性が低下して外皮の成形が困難になる。したがって、外皮中のＴｉ含有量は０．００２〜０．４０質量％とする。外皮中のＴｉ含有量は、好ましくは０．０３質量％以上である。また、好ましくは０．１０質量％以下である。

＜Ａｌ：外皮中に０．０３〜０．４０質量％＞
外皮中のＡｌは脱酸成分としてＴｉと同様に溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。外皮中のＡｌ含有量が０．０３質量％未満であると、その効果が得られない。一方、外皮中のＡｌ含有量が０．４０質量％を超えると、Ｎｉ_３Ａｌなどの金属間化合物が析出する影響で、金属外皮の熱間加工性が低下して外皮の成形が困難になる。したがって、外皮中のＡｌ含有量は０．０３〜０．４０質量％とする。外皮中のＡｌ含有量は、好ましくは０．０６質量％以上である。また、好ましくは０．１０質量％以下である。

＜Ｍｇ：外皮中に０．００４〜０．０２５質量％＞
外皮中のＭｇは脱酸成分としてＴｉと同様に溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。外皮中のＭｇ含有量が０．００４質量％未満であると、その効果が得られない。一方、外皮中のＭｇ含有量が０．０２５質量％を超えると、溶接時にスパッタ量が増加し、溶接作業性が低下する。したがって、外皮中のＭｇ含有量は０．００４〜０．０２５質量％とする。外皮中のＭｇ含有量は、好ましくは０．０１０質量％以上である。また、好ましくは０．０２０質量％以下である。

＜Ｃ：外皮中に０．０２０質量％以下＞
外皮中のＣは不可避的不純物として存在している。外皮中のＣは溶接中に容易にＯと結合し、ＣＯガスとなってブローホールの発生原因となる。したがって、外皮中のＣ含有量は０．０２０質量％以下とする。より好ましくは、外皮中のＣ含有量は０．０１０質量％以下である。

＜Ｓｉ：外皮中に０．１５質量％以下＞
外皮中のＳｉは不可避的不純物として存在している。外皮中のＳｉは不可避的不純物として存在しているＮｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。したがって、外皮中のＳｉ含有量は０．１５質量％以下とする。

＜残部＞
外皮の成分の残部は、Ｍｎを４．０質量％以下で、Ｆｅを７．０質量％以下で、Ｗを４．０質量％以下で含有してもよい。ただし、それぞれ、外皮中のＭｎが４．０質量％、Ｗが４．０質量％を超えると金属外皮の熱間加工性が低下して外皮の成形が困難になる。また、外皮中のＦｅが７．０質量％を超えると耐高温割れ性が低下する。その他は不可避的不純物である。不可避的不純物としては、前記したＣ、Ｓｉの他、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎ等が挙げられる。

以下、ワイヤ全質量あたりの成分数値限定理由について説明する。
＜Ｎｉ：ワイヤ全質量に対して５３〜７５質量％＞
Ｎｉは種々の金属と合金化して、溶接金属に優れた機械性能及び耐食性を付与する。但し、フラックス入りワイヤにおけるＮｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して５３質量％未満であると、溶接金属が希釈されたときに安定したオーステナイト組織が形成されない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＮｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して７５質量％を超えると、他の合金元素の添加量が不十分となり、機械性能が確保できなくなる。したがって、Ｎｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり５３〜７５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＮｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックス中に含まれる金属Ｎｉ及びＮｉ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＮｉに換算した値をＮｉ含有量として規定する。

＜Ｃｒ：ワイヤ全質量に対して１〜１５質量％＞
Ｃｒは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＣｒ含有量が、ワイヤ全質量に対して１質量％未満であると、その効果が得られない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＣｒ含有量が、ワイヤ全質量に対して１５質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は、ワイヤ全質量あたり１〜１５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＣｒ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ合金及びＣｒ_２Ｏ_３等があり、本発明においては、これらの含有量をＣｒに換算した値をＣｒ含有量として規定する。

＜Ｍｏ：ワイヤ全質量に対して１０〜２０質量％＞
Ｍｏは溶接金属の耐食性及び強度を向上させる効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＭｏ含有量が、ワイヤ全質量に対して１０質量％未満であると、溶接金属の耐食性及び強度を確保することができない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＭｏ含有量が、ワイヤ全質量に対して２０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は、ワイヤ全質量あたり１０〜２０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＭｏ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｏ及びＦｅ−Ｍｏ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｏに換算した値をＭｏ含有量として規定する。

＜Ｍｎ：ワイヤ全質量に対して１．５〜５．５質量％＞
ＭｎはＮｉと低融点化合物を形成して耐高温割れ性を低下させるＳと結合し、Ｓを無害化する効果がある。但し、フラックス入りワイヤにおけるＭｎ含有量がワイヤ全質量に対して１．５質量％未満であると、Ｓを無害化する効果が得られない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＭｎ含有量が、ワイヤ全質量に対して５．５質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。したがって、Ｍｎ含有量は、ワイヤ全質量あたり１．５〜５．５質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＭｎ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｎ及びＦｅ−Ｍｎ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｎに換算した値をＭｎ含有量として規定する。

＜Ｗ：ワイヤ全質量に対して１．５〜５．０質量％＞
Ｗは溶接金属の強度を向上させる成分である。但し、フラックス入りワイヤにおけるＷ含有量が、ワイヤ全質量に対して１．５質量％未満であると、溶接金属の強度を確保することができない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＷ含有量が、ワイヤ全質量に対して５．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｗ含有量は、ワイヤ全質量あたり１．５〜５．０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＷ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｗ及びＦｅ−Ｗ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＷに換算した値をＷ含有量として規定する。

＜Ｆｅ：ワイヤ全質量に対して２．０〜８．０質量％＞
Ｆｅは溶接金属の延性を確保するために添加する。フラックス入りワイヤにおけるＦｅ含有量が、ワイヤ全質量に対して２．０質量％未満であると、溶接金属の延性を確保できない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＦｅ含有量が、ワイヤ全質量に対して８．０質量％を超えると、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｆｅ含有量は、ワイヤ全量あたり２．０〜８．０質量％以下とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＦｅ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｆｅ、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｍｏ合金及びＦｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＦｅに換算した値をＦｅ含有量として規定する。

＜Ｔｉ：ワイヤ全質量に対して０．００２〜０．５０質量％＞
フラックス入りワイヤに含まれるＴｉは、脱酸成分として溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、「Ｃ＋Ｏ=ＣＯ（ガス）」の反応を抑制し、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。フラックス入りワイヤにおけるＴｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．００２質量％未満であると、その効果が得られない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＴｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．５０質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｔｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．００２〜０．５０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＴｉ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＴｉに換算した値をＴｉ含有量として規定する。但し、このＴｉ含有量は、硫酸に溶解する金属Ｔｉ及びＴｉ合金に由来するＴｉの含有量とし、硫酸に溶解しないＴｉＯ_２等の酸化物に由来するＴｉは含まない。

＜Ａｌ：ワイヤ全質量に対して０．０２〜０．５０質量％＞
フラックス入りワイヤに含まれるＡｌは、脱酸成分としてＴｉ同様に溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。フラックス入りワイヤにおけるＡｌ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０２質量％未満であると、その効果が得られない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＡｌ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．５０質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０２〜０．５０質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＡｌ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ａｌ及びＦｅ−Ａｌ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＡｌに換算した値をＡｌ含有量として規定する。但し、このＡｌ含有量は、硫酸に溶解する金属Ａｌ及びＡｌ合金に由来するＡｌの含有量とし、硫酸に溶解しないＡｌ_２Ｏ_３等の酸化物に由来するＡｌは含まない。

＜Ｍｇ：ワイヤ全質量に対して０．００３〜０．０３質量％＞
フラックス入りワイヤに含まれるＭｇは、脱酸成分としてＴｉ同様に溶融金属中の溶存酸素量を低下させ、ブローホール発生量を減少させる役割を持つ。フラックス入りワイヤにおけるＭｇ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．００３質量％未満であると、その効果が得られない。一方、フラックス入りワイヤにおけるＭｇ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０３質量％を超えると、溶接時にスパッタ量が増加し、溶接作業性が低下する。したがって、Ｍｇ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．００３〜０．０３質量％とする。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＭｇ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる金属Ｍｇ及びＮｉ−Ｍｇ合金等があり、本発明においては、これらの含有量をＭｇに換算した値をＭｇ含有量として規定する。但し、このＭｇ含有量は、硫酸に溶解する金属Ｍｇ及びＭｇ合金に由来するＭｇの含有量とし、硫酸に溶解しないＭｇＯ等の酸化物に由来するＭｇは含まない。

＜Ｃ：ワイヤ全質量に対して０．０５０質量％以下＞
フラックス入りワイヤのＣは不可避的不純物である。フラックス入りワイヤにおけるＣ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０５０質量％を超えると、ＣＯガスを主成分とするブローホールの発生量が増大する。したがって、Ｃ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０５０質量％以下に規制する。なお、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＣ源としては、外皮を形成するＮｉ基合金、フラックスに含まれる合金成分中やスラグ形成剤中に含まれる不可避的不純物のＣをＣ含有量として規定する。

＜Ｓｉ：ワイヤ全質量に対して０．２０質量％以下＞
Ｓｉはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤにおけるＳｉ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．２０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．２０質量％以下に規制する。なお、本発明におけるＳｉ含有量は、塩酸及び硝酸に溶解する金属Ｓｉ及びＳｉ合金に由来するＳｉの含有量とし、酸に溶解しないＳｉＯ_２等の酸化物に由来するＳｉは含まない。

＜Ｎｂ：ワイヤ全質量に対して０．０３０質量％以下＞
Ｎｂはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤにおけるＮｂ量が、ワイヤ全質量に対して０．０３０質量％を超えると、Ｎｉと化合して低融点化合物を生成するため、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｎｂ含有量は、ワイヤ全質量あたり０．０３０質量％以下に規制する。

＜Ｐ：ワイヤ全質量に対して０．０１５質量％以下，Ｓ：ワイヤ全質量に対して０．０１０質量％以下＞
Ｐ及びＳはフラックス入りワイヤ中に存在する不可避的不純物である。フラックス入りワイヤにおけるＰ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０１５質量％を超えると、または、Ｓ含有量が、ワイヤ全質量に対して０．０１０質量％を超えると、結晶粒界中にこれらの元素とＮｉとの低融点化合物が生成するため、耐高温割れ性が低下する。したがって、Ｐ及びＳの含有量は夫々、Ｐをワイヤ全質量あたり０．０１５質量％以下、Ｓをワイヤ全質量あたり０．０１０質量％以下に規制する。

＜残部：不可避的不純物＞
フラックス入りワイヤ全体としての成分の残部は、不可避的不純物である。不可避的不純物としては、前記したＣ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｐ、Ｓの他、例えば、Ｃｕ、Ｖ、Ｎ等が挙げられる。
また、前記したワイヤ成分の他、ワイヤ成分としてフラックス中に、Ｃａ、Ｌｉ等を脱酸等の微調整剤として、少量含有させることもできる。

以下、その他の数値限定理由について説明する。
＜外皮中のＣ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇの質量％を［Ｃ］，［Ｔｉ］，［Ａｌ］，［Ｍｇ］としたとき、［Ｃ］／（［Ｔｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｇ］×３）により算出される比率が０．１１以下＞
外皮中のＣはＣＯガスブローホールの発生源となる元素であり、一方、Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇは脱酸成分としてブローホール発生の抑制に有効な成分である。本発明者らはＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、外皮中のＣ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇの質量％を［Ｃ］，［Ｔｉ］，［Ａｌ］，［Ｍｇ］としたとき、［Ｃ］／（［Ｔｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｇ］×３）により算出される比率がブローホール発生量と密接な関係にあることを見出した（図１参照）。すなわち、この比率が０．１１を超えるとブローホールが急増する。このため、上述の外皮中のＣ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ含有量、ワイヤ全体のＣ含有量を規定するとともに、［Ｃ］／（［Ｔｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｇ］×３）により算出される比率を０．１１以下に規制することが好ましい。より好ましくは、［Ｃ］／（［Ｔｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｇ］×３）により算出される比率は０．０５以下である。なお、前記式は、実験により導き出したものである。

＜ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の総和：ワイヤ全質量あたり３〜１５質量％＞
ＴｉＯ_２は均一で被包性のよいスラグを形成し、アーク安定性の向上に効果があるため、スラグ形成剤の主成分として添加する。ＴｉＯ_２源としては、例えばルチール、白チタン、チタン酸カリウム、チタン酸ソーダ及びチタン酸カルシウムを使用することができる。ＳｉＯ_２はＴｉＯ_２と同様に、スラグの粘性を高め、良好なビード形状を得るためにスラグ形成剤として添加する。ＳｉＯ_２の原材料としては、例えば、珪砂、カリ長石、珪灰石、珪酸ナトリウム及び珪酸カリウム等を使用することができる。ＺｒＯ_２はアークの吹きつけ性を向上させ、低溶接電流域においてもアークの安定性を向上させる作用がある。また、スラグの凝固を速め、立向上進溶接において、溶接作業性を向上させる作用がある。そのため、スラグ形成剤として添加する。ＺｒＯ_２源としては、例えばジルコンサンド及びジルコニア等を使用することができる。

ワイヤ全質量あたり、内包されるフラックス中のＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の総和が３質量％未満であると、これらのスラグ形成剤としての特性を十分に発揮することができない。一方、１５質量％を超えると、ワイヤ中のスラグ成分が過多となり、溶接時のスラグ生成量が過剰となってスラグが溶接部から垂れ落ちやすくなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生しやすくなる。したがって、本発明においては、ワイヤ全質量あたり、内包されるフラックス中のＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の総和を３〜１５質量％とする。

＜Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ単体換算の総和）：ワイヤ全質量あたり０．１〜１．０質量％＞
フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉは、アーク安定剤として作用し、スパッタの発生を抑制する。本発明においては、Ｎａ、Ｋ及びＬｉを、夫々Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物として添加する。具体的には、例えば、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、Ｋ_２ＳｉＦ_６、Ｋ_２ＴｉＦ_６、ソーダ長石及びカリウム長石等を使用することができる。フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の含有量が、夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．１質量％未満であると、アーク安定剤としての作用を十分に得ることができず、耐ピット性も低下する。一方、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の含有量がワイヤ全質量あたり１．０質量％を超えると、逆にスパッタの発生量が増加する。したがって、本発明においては、ワイヤ全質量あたり、内包されるフラックス中のＮａ，Ｋ，Ｌｉフッ化物、酸化物などの化合物のＮａ，Ｋ，Ｌｉ単体換算総和は０．１〜１．０質量％とする。
なお、フラックスの残部はＭｎ、Ｗ、Ｆｅ及び不可避的不純物である。

以上説明した本発明のフラックス入りワイヤは、９％Ｎｉ鋼や各種高Ｎｉ合金等の低温用鋼の溶接に際し、Ａｒ＋ＣＯ_２混合ガスを用いたガスシールドアーク溶接等に好適に用いることができる。

以下、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
先ず、下記表１に示す組成のＮｉ基合金からなる厚さ０．４ｍｍ，幅９．０ｍｍの帯を湾曲させて、円筒状の外皮（Ｎｏ．Ａ〜Ｌ）を作製した。これらの外皮に、金属原料と下記表２に示すスラグ成分（Ｎｏ．Ｉ〜III）とからなるフラックスを内包し、下記表３に示す組成のフラックス入りワイヤ（Ｎｏ．１〜１５）を作製した。このワイヤを、直径が１．２ｍｍになるように伸線加工した後、通電加熱により、ワイヤ中に含まれる水分を４００ｐｐｍ以下にしたものを供試ワイヤとした。

前述の方法で製造したＮｏ．１〜１５のフラックスワイヤを使用して立向突合せ溶接を行い、溶接時のアーク安定性、溶接時のスパッタ抑制性、溶接部のビード外観および耐ブローホール性を評価した。評価基準は以下のとおりである。
溶接は、表４に示す板厚が１２ｍｍ、幅が２５０ｍｍ、長さが３００ｍｍの９％Ｎｉ鋼板を使用した。図２に示す開先角度６０°、ルートギャップ５ｍｍの裏当て金付きの母材を半自動溶接にて３層３パスで立向上進溶接を行った。その際の溶接条件は、溶接電流が１６０Ａ（直流ワイヤプラス）、アーク電圧が２６Ｖであり、シールドガスには８０％Ａｒ−２０％ＣＯ_２を使用し、シールドガスの流量は２５Ｌ／ｍｉｎ．とし、溶接速度を１１〜１５ｃｍ／ｍｉｎ．とした。

評価基準は以下のとおりである。
溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部のビード外観は、夫々、極めて良好であった場合を◎、良好であった場合を○、やや不良であった場合を△、不良であった場合を×と評価した。

耐ブローホール性については、余盛、裏当て金を削除した後、放射線透過試験を行い、検出された０．４ｍｍ以上の球状欠陥の個数（すなわち、ブローホール個数）によって評価した。この際、溶接ビードの始端部及び終端部については、夫々の端部から３０ｍｍの部分を評価対象外領域とした。ビードの長さが２４０ｍｍあたりのブローホールの発生数が５個以下であった場合を◎、６〜１０個であった場合を○、１１〜１５個であった場合を△、１６個以上であった場合を×と評価した。
これらの結果を表５に示す。

表５に示すように、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１〜８は、立向上進溶接時のアーク安定性、スパッタ抑制性、ビード外観が良好であり、溶接部の耐ブローホール性も良好であった。
本発明の範囲を満足する実施例であるＮｏ．１〜８のうち、Ｎｏ．１〜５は外皮の化学成分によって求められる［Ｃ］／（［Ｔｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｇ］×３）により算出される比率がより好ましい規定を満足する実施例であり、Ｎｏ．６〜８と比較して、優れた耐ブローホール性を得ることができた。

Ｎｏ．８は外皮中のＣ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｇ量は本発明の範囲を満足していたものの、［Ｃ］／（［Ｔｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｇ］×３）により算出される比率が０．１１を超えたものである。したがって、耐ブローホール性に優れていたものの、Ｎｏ．６、７のブローホールの発生数が６〜７個であるのに対し、Ｎｏ．８のブローホールの発生数は１０個であり、Ｎｏ．６、７に比べると、耐ブローホール性にやや劣った。

比較例であるＮｏ．９〜１５は立向上進溶接作業性が良好であったものの、耐ブローホール性が不十分であった。Ｎｏ．９は、外皮中およびワイヤ全質量当りのＡｌ，Ｍｇ含有量が本発明の範囲を下回ったため、耐ブローホール性が低下した。

Ｎｏ．１０およびＮｏ．Ｎｏ．１１は、外皮中のＡｌ，Ｔｉ，Ｍｇ含有量が本発明の範囲内であったが、外皮中のＣ含有量が本発明の範囲を超えたため、耐ブローホール性が低下した。Ｎｏ．１２は、外皮中およびワイヤ全質量当りのＡｌ含有量が本発明の範囲を下回ったため、耐ブローホール性が低下した。
Ｎｏ．１３は、外皮中のＣ含有量が本発明の範囲を超え、外皮中のＡｌ含有量が本発明の範囲を下回ったため、耐ブローホール性が低下した。

Ｎｏ．１４は、外皮中のＭｇ含有量が本発明の範囲を下回ったため、耐ブローホール性が低下した。Ｎｏ．１５は、外皮中のＣ，Ａｌ，Ｔｉ含有量が本発明の範囲内であったが、ワイヤ全質量あたりのＣ含有量が０．０５０質量％を超えたため、耐ブローホール性が低下した。

以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。

Claims

Ｎｉ基合金を外皮とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、
前記外皮の組成が、外皮全質量あたり、
Ｎｉ：６０〜８０質量％、
Ｃｒ：１〜１５質量％、
Ｍｏ：８〜２２質量％、
Ｔｉ：０．００２〜０．４０質量％、
Ａｌ：０．０３〜０．４０質量％、
Ｍｇ：０．００４〜０．０２５質量％、
の範囲で含有し、且つ
Ｃ：０．０２０質量％以下、
Ｓｉ：０．１５質量％以下、
に抑制し、残部がＭｎ，Ｆｅ，Ｗおよび不可避的不純物であり、
前記外皮成分と前記外皮に内包されるフラックス成分とをあわせたワイヤ全体の組成が、ワイヤ全質量あたり、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｗ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉについては純金属または合金の状態で存在する含有量で、Ｃｒについては酸化物、純金属または合金の状態で存在する含有量で、
Ｎｉ：５３〜７５質量％、
Ｃｒ：１〜１５質量％、
Ｍｏ：１０〜２０質量％、
Ｍｎ：１．５〜５．５質量％、
Ｗ：１．５〜５．０質量％、
Ｆｅ：２．０〜８．０質量％
Ｔｉ：０．００２〜０．５０質量％、
Ａｌ：０．０２〜０．５０質量％、
Ｍｇ：０．００３〜０. ０３質量％、
の範囲で含有し、且つ
Ｃ：０．０５０質量％以下、
Ｓｉ：０．２０質量％以下、
Ｎｂ：０．０３０質量％以下、
Ｐ：０．０１５質量％以下、
Ｓ：０．０１０質量％以下、
に抑制し、残部が不可避的不純物およびスラグ成分であることを特徴とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
前記外皮に含まれるＣ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｍｇの質量％を［Ｃ］，［Ｔｉ］，［Ａｌ］，［Ｍｇ］としたとき、
［Ｃ］／（［Ｔｉ］+［Ａｌ］+［Ｍｇ］×３）により算出される比率が０．１１以下であることを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
ワイヤ全質量あたり、前記外皮に内包されるフラックス中に、前記スラグ成分として、
ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２からなる群から選択された２種類以上の総和：３〜１５質量％、
Ｎａ，Ｋ，Ｌｉの化合物の総和（Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ単体換算の総和）：０．１〜１．０質量％、
および不可避的不純物を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。