JP6185871B2 - サブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents
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Description
本発明は、サブマージアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。より詳しくは、高張力鋼材の溶接に適用されるサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。
高張力鋼材を用いた溶接部材や溶接構造物において、溶接金属部の耐水素脆化感受性向上が求められている。従来、溶接金属部の耐水素脆化感受性を向上させる技術として、溶接金属の組織中の残留オーステナイト量を制御する方法やワイヤ成分を特定する方法などが提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
特許文献１に記載の超高強度鋼管では、シーム溶接部の溶接金属において、本シーム溶接で形成される内面本溶接金属及び外面本溶接金属の少なくとも内面本溶接金属の組織中に残留オーステナイト相を１％以上含有させることにより、耐低温割れ性を向上させている。また、特許文献２に記載のサブマージアーク溶接用ワイヤでは、ワイヤ成分組成を特定することにより、溶接金属部の強度及び低温靭性向上を図っている。
しかしながら、特許文献１，２に記載の技術は、想定されている使用温度が−２０℃程度までであり、それよりも低温側の要求には対応できず、例えば−６０℃においては靭性などの特性が不十分となる。
そこで、本発明は、高張力鋼材の溶接において、耐水素脆化感受性及び低温靭性に優れた溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを主目的とする。
本発明に係るサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｍｎ：１．５０〜３．００質量％、Ｎｉ：１．００〜１．９５質量％、Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、Ｍｏ：０．１０〜０．４５質量％を含有すると共に、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものである。
このサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤは、例えば、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｎｉ含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、下記数式１を満たす。
このサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤは、例えば、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｎｉ含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、下記数式１を満たす。
本発明のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤは、前述した各成分に加えて、ワイヤ全質量あたり、Ｃｕ：０．０７〜０．４０質量％、Ｖ：０．０１９質量％以下、Ｚｒ：０．０５０質量％以下、Ｔｉ：０．０１０質量％以下及びＢ：０．００５０質量％以下のうち１種又は２種以上の元素を含有していてもよい。
本発明によれば、ワイヤ成分組成を特定しているため、高張力鋼材をサブマージアーク溶接したときに、耐水素脆化感受性及び低温靭性に優れた溶接金属を得ることができる。
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。
本発明の実施形態に係るソリッドワイヤは、サブマージアーク溶接に用いられるものであり、ワイヤ全質量あたり、Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、Ｓｉ：０．０５〜０．５０質量％、Ｍｎ：１．５０〜３．００質量％、Ｎｉ：１．００〜１．９５質量％、Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、Ｍｏ：０．１０〜０．４５質量％を含有すると共に、Ｐ：０．０１５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
以下、本実施形態のソリッドワイヤにおける成分組成の限定理由について説明する。なお、以下に示す各成分の含有量は、ワイヤ全質量あたりの含有量である。
［Ｃ：０．０８〜０．２０質量％］
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために欠くことのできない元素である。ただし、Ｃ含有量が０．０８質量％未満であると、溶接金属の強度が不足したり、靭性を安定化させる効果が不足する。一方、Ｃ含有量が０．２０質量％を超えると、強度が過剰となり、溶接金属の低温靭性が劣化する。よって、Ｃ含有量は、０．０８〜０．２０質量％とする。
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために欠くことのできない元素である。ただし、Ｃ含有量が０．０８質量％未満であると、溶接金属の強度が不足したり、靭性を安定化させる効果が不足する。一方、Ｃ含有量が０．２０質量％を超えると、強度が過剰となり、溶接金属の低温靭性が劣化する。よって、Ｃ含有量は、０．０８〜０．２０質量％とする。
なお、溶接金属の強度向上及び靭性安定化の観点から、Ｃ含有量は０．１０質量％以上とすることが好ましく、低温靭性向上の観点からは、Ｃ含有量は０．１５質量％以下とすることが好ましい。
［Ｓｉ：０．０５〜０．５０質量％］
Ｓｉは、溶接金属中に固溶状態で存在することで、炭化物形成を遅らせ、残留オーステナイトを安定化させる作用がある。ただし、Ｓｉ含有量が０．０５質量％未満の場合、脱酸不足により、溶接金属の強度及び靭性が低下する。また、Ｓｉ含有量が０．５０質量％を超えると、マトリックス中のフェライトが脆化して、溶接金属の低温靭性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は、０．０５〜０．５０質量％とする。なお、溶接金属の低温靭性向上の観点から、Ｓｉ含有量は０．２０質量％以下とすることが好ましい。
Ｓｉは、溶接金属中に固溶状態で存在することで、炭化物形成を遅らせ、残留オーステナイトを安定化させる作用がある。ただし、Ｓｉ含有量が０．０５質量％未満の場合、脱酸不足により、溶接金属の強度及び靭性が低下する。また、Ｓｉ含有量が０．５０質量％を超えると、マトリックス中のフェライトが脆化して、溶接金属の低温靭性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は、０．０５〜０．５０質量％とする。なお、溶接金属の低温靭性向上の観点から、Ｓｉ含有量は０．２０質量％以下とすることが好ましい。
［Ｍｎ：１．５０〜３．００質量％］
Ｍｎは、溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。ただし、Ｍｎ含有量が１．５０質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足し、低温靭性も劣化する。また、Ｍｎ含有量が３．００質量％を超えると、強度及び焼き入れ性が過多となり、低温靭性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は、１．５０〜３．００質量％とする。
Ｍｎは、溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。ただし、Ｍｎ含有量が１．５０質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足し、低温靭性も劣化する。また、Ｍｎ含有量が３．００質量％を超えると、強度及び焼き入れ性が過多となり、低温靭性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は、１．５０〜３．００質量％とする。
なお、溶接金属の強度及び靭性の向上の観点から、Ｍｎ含有量は１．８０質量％以上とすることが好ましく、低温靭性向上の観点からは、Ｍｎ含有量は２．４０質量％以下とすることが好ましい。
［Ｎｉ：１．００〜１．９５質量％］
Ｎｉは、溶接金属の強度及び靭性を確保すると上で必要な元素である。ただし、Ｎｉ含有量が１．００質量％未満の場合、溶接金属の強度及び靭性を向上させる効果が不十分となり、また、必要な残留オーステナイト量が得られず、耐水素脆化感受性が劣化する。一方、Ｎｉ含有量が１．９５質量％を超えると、低温靭性が劣化する。よって、Ｎｉ含有量は、１．００〜１．９５質量％とする。
Ｎｉは、溶接金属の強度及び靭性を確保すると上で必要な元素である。ただし、Ｎｉ含有量が１．００質量％未満の場合、溶接金属の強度及び靭性を向上させる効果が不十分となり、また、必要な残留オーステナイト量が得られず、耐水素脆化感受性が劣化する。一方、Ｎｉ含有量が１．９５質量％を超えると、低温靭性が劣化する。よって、Ｎｉ含有量は、１．００〜１．９５質量％とする。
なお、溶接金属の強度及び靭性の向上の観点から、Ｎｉ含有量は１．６０質量％以上とすることが好ましく、低温靭性向上の観点からは、Ｎｉ含有量は１．９０質量％以下とすることが好ましい。
［Ｃｒ：０．５〜１．５質量％］
Ｃｒは、粒界ベイナイト組織を微細化させることで、残留オーステナイト粒子の微細化に寄与する元素である。Ｃｒ含有量が０．５質量％未満の場合、溶接金属の焼入れ性が大幅に低下し、変態温度が上がって、強度及び低温靭性が共に低下する。Ｃｒ含有量が１．５質量％を超えると、残留オーステナイトの生成が抑制されて、必要な残留オーステナイト量を得られず、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｃｒ含有量は、０．５〜１．５質量％とする。
Ｃｒは、粒界ベイナイト組織を微細化させることで、残留オーステナイト粒子の微細化に寄与する元素である。Ｃｒ含有量が０．５質量％未満の場合、溶接金属の焼入れ性が大幅に低下し、変態温度が上がって、強度及び低温靭性が共に低下する。Ｃｒ含有量が１．５質量％を超えると、残留オーステナイトの生成が抑制されて、必要な残留オーステナイト量を得られず、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｃｒ含有量は、０．５〜１．５質量％とする。
なお、強度及び低温靭性の向上の観点から、Ｃｒ含有量は０．９質量％以上とすることが好ましく、溶接金属の耐水素脆化感受性改善の観点からは、Ｃｒ含有量は１．２質量％以下とすることが好ましい。
［Ｍｏ：０．１０〜０．４５質量％］
Ｍｏは、溶接金属中の強度向上に有用な元素である。ただし、Ｍｏ含有量が０．１０質量％未満の場合、溶接金属の焼入れ性が大幅に低下し、変態温度が上がって、強度及び低温靭性が共に低下する。一方、Ｍｏ含有量が０．４５質量％を超えると、残留オーステナイトの生成が抑制され、必要な残留オーステナイト量を得られず、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｍｏ含有量は、０．１０〜０．４５質量％とする。
Ｍｏは、溶接金属中の強度向上に有用な元素である。ただし、Ｍｏ含有量が０．１０質量％未満の場合、溶接金属の焼入れ性が大幅に低下し、変態温度が上がって、強度及び低温靭性が共に低下する。一方、Ｍｏ含有量が０．４５質量％を超えると、残留オーステナイトの生成が抑制され、必要な残留オーステナイト量を得られず、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｍｏ含有量は、０．１０〜０．４５質量％とする。
なお、強度及び低温靭性の向上の観点から、Ｍｏ含有量は０．２０質量％以上とすることが好ましく、溶接金属の耐水素脆化感受性改善の観点からは、Ｍｏ含有量は０．４０質量％以下とすることが好ましい。
［Ｐ：０．０１５質量％以下］
Ｐは、溶接金属の低温靭性を著しく低下させる。具体的には、Ｐ含有量が０．０１５質量％を超えると、溶接金属の低温靭性が不足する。よって、Ｐ含有量は、０．０１５質量％以下に規制する。なお、低温靭性向上の観点から、Ｐ含有量は０．０１０質量％以下に規制することが好ましい。
Ｐは、溶接金属の低温靭性を著しく低下させる。具体的には、Ｐ含有量が０．０１５質量％を超えると、溶接金属の低温靭性が不足する。よって、Ｐ含有量は、０．０１５質量％以下に規制する。なお、低温靭性向上の観点から、Ｐ含有量は０．０１０質量％以下に規制することが好ましい。
［Ｓ：０．０１５質量％以下］
Ｓは、溶接金属の低温靭性を著しく低下させる。具体的には、Ｓ含有量が０．０１５質量％を超えると、低温靭性が不足する。よって、Ｓ含有量は、０．０１５質量％以下に規制する。なお、低温靭性向上の観点から、Ｓ含有量は、０．００７質量％以下に規制することが好ましい。
Ｓは、溶接金属の低温靭性を著しく低下させる。具体的には、Ｓ含有量が０．０１５質量％を超えると、低温靭性が不足する。よって、Ｓ含有量は、０．０１５質量％以下に規制する。なお、低温靭性向上の観点から、Ｓ含有量は、０．００７質量％以下に規制することが好ましい。
［（［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］）／（［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］）：１．４〜４．０］
前述した各成分の組成限定により、溶接金属の低温靭性及び耐水素脆化感受性の両方を確保することができるが、本発明者は、更に、Ｃｒ及びＭｎの総含有量とＭｎ及びＮｉの総含有量との比（＝（［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］）／（［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］））を特定の範囲にすることにより、低温靭性及び耐水素脆化感受性を向上できることを見出した。
前述した各成分の組成限定により、溶接金属の低温靭性及び耐水素脆化感受性の両方を確保することができるが、本発明者は、更に、Ｃｒ及びＭｎの総含有量とＭｎ及びＮｉの総含有量との比（＝（［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］）／（［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］））を特定の範囲にすることにより、低温靭性及び耐水素脆化感受性を向上できることを見出した。
具体的には、（［Ｍｎ］＋［Ｎｉ］）／（［Ｃｒ］＋［Ｍｏ］）を１．４〜４．０の範囲にすると、溶接金属中における残留オーステナイトの生成を促進し、マトリックスの強化及び変態温度の制御による組織の微細化を実現すると共に、強度のバランスをとることができる。これにより、溶接金属の低温靭性及び耐水素脆化感受性を大幅に向上させることができる。
［Ｃｕ：０．０７〜０．４０質量％］
Ｃｕは、溶接金属の強度及び低温靭性に対する寄与が小さく、ワイヤ本体に積極的には添加する必要はないが、ワイヤ表面にＣｕめっきを施すと、防錆に大きな効果がある。ただし、Ｃｕ含有量が０．０７質量％未満の場合、防錆効果が小さく、また、Ｃｕ含有量が０．４０質量％を超えると、ワイヤ送給性が低下する。そこで、本実施形態のソリッドワイヤでは、Ｃｕめっきなどを施す場合は、Ｃｕ含有量を０．０７〜０．４０質量％とすることが好ましい。
Ｃｕは、溶接金属の強度及び低温靭性に対する寄与が小さく、ワイヤ本体に積極的には添加する必要はないが、ワイヤ表面にＣｕめっきを施すと、防錆に大きな効果がある。ただし、Ｃｕ含有量が０．０７質量％未満の場合、防錆効果が小さく、また、Ｃｕ含有量が０．４０質量％を超えると、ワイヤ送給性が低下する。そこで、本実施形態のソリッドワイヤでは、Ｃｕめっきなどを施す場合は、Ｃｕ含有量を０．０７〜０．４０質量％とすることが好ましい。
［Ｖ：０．０１９質量％以下］
Ｖは、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｖ含有量が０．０１９質量％を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｖを添加する場合は、０．０１９質量％以下とする。
Ｖは、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｖ含有量が０．０１９質量％を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｖを添加する場合は、０．０１９質量％以下とする。
［Ｚｒ：０．０５０質量％以下］
Ｚｒは、Ｖと同様に、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｚｒ含有量が０．０５０質量％を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず、耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｚｒを添加する場合は、０．０５０質量％以下とする。
Ｚｒは、Ｖと同様に、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｚｒ含有量が０．０５０質量％を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず、耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｚｒを添加する場合は、０．０５０質量％以下とする。
［Ｔｉ：０．０１０質量％以下］
Ｔｉは、Ｖ及びＺｒと同様に、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｔｉ含有量が０．０１０質量％を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｔｉを添加する場合は、０．０１０質量％以下とする。
Ｔｉは、Ｖ及びＺｒと同様に、析出強化により、少量の添加で強度、特に耐力を上昇させる元素であるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｔｉ含有量が０．０１０質量％を超えると、溶接金属の強度が上昇し、低温靭性が低下すると共に、残留オーステナイトの生成を阻害するため、必要な残留オーステナイト量が得られず耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｔｉを添加する場合は、０．０１０質量％以下とする。
［Ｂ：０．００５０質量％以下］
Ｂは、旧オーステナイト粒界からのフェライト生成を抑制し、溶接金属の強度を向上させる効果がある。ただし、Ｂ含有量が０．００５０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｂを添加する場合は、０．００５０質量％以下とする。
Ｂは、旧オーステナイト粒界からのフェライト生成を抑制し、溶接金属の強度を向上させる効果がある。ただし、Ｂ含有量が０．００５０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、耐水素脆化感受性が劣化する。よって、Ｂを添加する場合は、０．００５０質量％以下とする。
［残部］
本実施形態のソリッドワイヤにおける残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。なお、本実施形態のソリッドワイヤにおける不可避的不純物としては、Ｏ、Ｎ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃａ及びＭｇなどがある。
本実施形態のソリッドワイヤにおける残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。なお、本実施形態のソリッドワイヤにおける不可避的不純物としては、Ｏ、Ｎ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃａ及びＭｇなどがある。
［フラックス］
本実施形態のソリッドワイヤは、例えば焼結型フラックスと組み合わせて使用される。フラックスの組成は、特に限定されるものではないが、例えば、フラックス全質量あたり、ＭｇＯ：２５〜３５質量％、Ａｌ２Ｏ３：１０〜２０質量％、ＣａＦ２：１２〜２２質量％、ＳｉＯ２：１０〜２０質量％、金属炭酸塩（ＣＯ２換算値）：３〜９質量％、ＣａＯ：１０〜１５質量％、金属Ｓｉ：０．３〜４．０質量％を含有するものを使用することができる。
本実施形態のソリッドワイヤは、例えば焼結型フラックスと組み合わせて使用される。フラックスの組成は、特に限定されるものではないが、例えば、フラックス全質量あたり、ＭｇＯ：２５〜３５質量％、Ａｌ２Ｏ３：１０〜２０質量％、ＣａＦ２：１２〜２２質量％、ＳｉＯ２：１０〜２０質量％、金属炭酸塩（ＣＯ２換算値）：３〜９質量％、ＣａＯ：１０〜１５質量％、金属Ｓｉ：０．３〜４．０質量％を含有するものを使用することができる。
＜ＭｇＯ：２５〜３５質量％＞
ＭｇＯは、フラックスの塩基度を高めると共に、脱酸剤として溶接金属中の酸素を抑える作用があるため、酸素低減に効果があり、更に、スラグの耐火性も高まる。ただし、フラックスのＭｇＯ含有量が２５質量％未満の場合、この作用が発揮されない。また、ＭｇＯ含有量が３５質量％を超えるフラックスを用いると、スラグの剥離及びビード外観が劣化することがある。よって、フラックスのＭｇＯ含有量は、２５〜３５質量％であることが好ましい。
ＭｇＯは、フラックスの塩基度を高めると共に、脱酸剤として溶接金属中の酸素を抑える作用があるため、酸素低減に効果があり、更に、スラグの耐火性も高まる。ただし、フラックスのＭｇＯ含有量が２５質量％未満の場合、この作用が発揮されない。また、ＭｇＯ含有量が３５質量％を超えるフラックスを用いると、スラグの剥離及びビード外観が劣化することがある。よって、フラックスのＭｇＯ含有量は、２５〜３５質量％であることが好ましい。
＜Ａｌ２Ｏ３：１０〜２０質量％＞
Ａｌ２Ｏ３は、スラグ形成剤として作用し、ビードのスラグ剥離性を確保する効果がある。また、Ａｌ２Ｏ３は、アークの集中性及び安定性を高める働きもある。しかしながら、フラックスのＡｌ２Ｏ３含有量が１０質量％未満の場合、スラグ剥離性が劣化して、アークが不安定となり、溶接困難になることがある。また、フラックスのＡｌ２Ｏ３含有量が２０質量％を超えると、溶接金属中の酸素が増加し、靭性が劣化することがある。よって、フラックスのＡｌ２Ｏ３含有量は、１０〜２０質量％であることが好ましい。
Ａｌ２Ｏ３は、スラグ形成剤として作用し、ビードのスラグ剥離性を確保する効果がある。また、Ａｌ２Ｏ３は、アークの集中性及び安定性を高める働きもある。しかしながら、フラックスのＡｌ２Ｏ３含有量が１０質量％未満の場合、スラグ剥離性が劣化して、アークが不安定となり、溶接困難になることがある。また、フラックスのＡｌ２Ｏ３含有量が２０質量％を超えると、溶接金属中の酸素が増加し、靭性が劣化することがある。よって、フラックスのＡｌ２Ｏ３含有量は、１０〜２０質量％であることが好ましい。
＜ＣａＦ２：１２〜２２質量％＞
ＣａＦ２は、一般的に知られている生成スラグの融点を調整するという作用に加えて、溶接金属中の酸素を低減させる効果も有する。しかしながら、フラックスのＣａＦ２含有量が１２質量％未満の場合、これらの効果が得られず、またフラックスのＣａＦ２含有量が２２質量％を超えると、アークが不安定になり、ビード外観が劣化し、またビード上にポックマークが発生することがある。よって、フラックスのＣａＦ２含有量は、１２〜２２質量％であることが好ましい。
ＣａＦ２は、一般的に知られている生成スラグの融点を調整するという作用に加えて、溶接金属中の酸素を低減させる効果も有する。しかしながら、フラックスのＣａＦ２含有量が１２質量％未満の場合、これらの効果が得られず、またフラックスのＣａＦ２含有量が２２質量％を超えると、アークが不安定になり、ビード外観が劣化し、またビード上にポックマークが発生することがある。よって、フラックスのＣａＦ２含有量は、１２〜２２質量％であることが好ましい。
＜ＳｉＯ２：１０〜２０質量％＞
ＳｉＯ２は、スラグ形成剤としてビード外観及びビード形状を整える作用がある。しかしながら、フラックスのＳｉＯ２含有量が１０質量％未満の場合、この効果が発揮されず、またフラックスのＳｉＯ２含有量が２０質量％を超えると、溶接金属中の酸素が増加して、靭性が劣化することがある。よって、フラックスのＳｉＯ２含有量は、１０〜２０質量％であることが好ましい。
ＳｉＯ２は、スラグ形成剤としてビード外観及びビード形状を整える作用がある。しかしながら、フラックスのＳｉＯ２含有量が１０質量％未満の場合、この効果が発揮されず、またフラックスのＳｉＯ２含有量が２０質量％を超えると、溶接金属中の酸素が増加して、靭性が劣化することがある。よって、フラックスのＳｉＯ２含有量は、１０〜２０質量％であることが好ましい。
＜金属炭酸塩（ＣＯ２換算値）：３〜９質量％＞
金属炭酸塩は、溶接熱によりガス化し、アーク雰囲気中の水蒸気分圧を下げて、溶接金属中の拡散性水素量を低下させるアークのシールド効果を有する。しかしながら、フラックスの金属炭酸塩含有量が、ＣＯ２換算で、３質量％未満の場合、この効果が得られない。
金属炭酸塩は、溶接熱によりガス化し、アーク雰囲気中の水蒸気分圧を下げて、溶接金属中の拡散性水素量を低下させるアークのシールド効果を有する。しかしながら、フラックスの金属炭酸塩含有量が、ＣＯ２換算で、３質量％未満の場合、この効果が得られない。
一方、フラックスの金属炭酸塩含有量が、ＣＯ２換算で、９質量％を超えると、スラグの剥離性が劣化し、ビード上にポックマークが発生して作業性が不良になることがある。よって、フラックスの金属炭酸塩含有量は、ＣＯ２換算で、３〜９質量％であることが好ましい。ここで、フラックスに添加される金属炭酸塩としては、ＣａＣＯ３やＢａＣＯ３などが挙げられる。
＜ＣａＯ：１０〜１５質量％＞
ＣａＯは、フラックスの塩基度を高め、溶接金属中の酸素低減に効果がある。しかしながら、フラックスのＣａＯ含有量が１０質量％未満の場合、この効果は発揮されない。また、フラックスのＣａＯ含有量が１５質量％を超えると、アーク安定性及びビード外観が劣化する。よって、フラックスのＣａＯは、１０〜１５質量％であることが好ましい。
ＣａＯは、フラックスの塩基度を高め、溶接金属中の酸素低減に効果がある。しかしながら、フラックスのＣａＯ含有量が１０質量％未満の場合、この効果は発揮されない。また、フラックスのＣａＯ含有量が１５質量％を超えると、アーク安定性及びビード外観が劣化する。よって、フラックスのＣａＯは、１０〜１５質量％であることが好ましい。
＜金属Ｓｉ：０．３〜４．０質量％＞
金属Ｓｉは、溶接金属中の酸素量を抑える脱酸効果を有している。しかしながら、フラックスの金属Ｓｉ含有量が０．３質量％未満の場合、この効果が得られない。また、フラックスの金属Ｓｉ含有量が４．０質量％を超えると、脱酸効果が向上せず、溶接金属のビード形状が劣化すると共に強度が上がり、靭性が低下する。よって、金属Ｓｉ含有量は０．３〜４．０質量％であることが好ましい。ここで、金属Ｓｉは、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ合金などの形態で、フラックスに添加される。
金属Ｓｉは、溶接金属中の酸素量を抑える脱酸効果を有している。しかしながら、フラックスの金属Ｓｉ含有量が０．３質量％未満の場合、この効果が得られない。また、フラックスの金属Ｓｉ含有量が４．０質量％を超えると、脱酸効果が向上せず、溶接金属のビード形状が劣化すると共に強度が上がり、靭性が低下する。よって、金属Ｓｉ含有量は０．３〜４．０質量％であることが好ましい。ここで、金属Ｓｉは、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ合金などの形態で、フラックスに添加される。
＜その他の成分＞
フラックスにおける上記以外の成分は、金属炭酸塩におけるＣＯ２換算値以外の成分、アルカリ金属酸化物及び不可避的不純物などである。
フラックスにおける上記以外の成分は、金属炭酸塩におけるＣＯ２換算値以外の成分、アルカリ金属酸化物及び不可避的不純物などである。
以上詳述したように、本実施形態のソリッドワイヤでは、ワイヤ成分組成を特定の範囲にしているため、残留オーステナイトを制御し、溶接金属の耐水素脆化感受性及び低温靭性を向上させることができる。また、本実施形態のソリッドワイヤは、引張強さが７８０ＭＰａ級の高張力鋼材の溶接に特に好適であり、耐水素脆化感受性及び低温靭性に加え、強度も優れた溶接金属が得られる。
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、下記表１に示す成分組成で実施例及び比較例のソリッドワイヤ（ワイヤ径４．０ｍｍ）を作製し、性能確認試験を実施した。なお、下記表１に示すＷ１〜Ｗ１３のワイヤが本発明の範囲内の実施例であり、Ｗ１４〜Ｗ２４のワイヤが本発明の範囲から外れる比較例である。また、下記表１に示すワイヤの成分組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
＜全溶着金属溶接＞
実施例及び比較例の各ソリッドワイヤと、下記表２に示す焼結型フラックス（IIW塩基度ＢＬ＝３．５）とを用いて、下記表３に示す組成の引張強さ７８０ＭＰａ級鋼板を母材とし、下記表４に示す条件にて溶接を行った。なお、下記表３に示す鋼板の成分組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
実施例及び比較例の各ソリッドワイヤと、下記表２に示す焼結型フラックス（IIW塩基度ＢＬ＝３．５）とを用いて、下記表３に示す組成の引張強さ７８０ＭＰａ級鋼板を母材とし、下記表４に示す条件にて溶接を行った。なお、下記表３に示す鋼板の成分組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
そして、得られた溶接金属について、下記の方法により、その機械的性質及び残留オーステナイト相の体積分率を測定すると共に、耐水素脆化感受性を評価した。
＜引張試験＞
溶接金属中央で板厚中央の位置から、ＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ１号試験片を採取し、この試験片を用いて、試験温度を室温（２０〜２３℃）とし、引張試験を行った。その結果、引張強さが７７０ＭＰａ以上のものを合格とした。
溶接金属中央で板厚中央の位置から、ＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ１号試験片を採取し、この試験片を用いて、試験温度を室温（２０〜２３℃）とし、引張試験を行った。その結果、引張強さが７７０ＭＰａ以上のものを合格とした。
＜衝撃試験＞
溶接金属中央で板厚中央の位置から、ＪＩＳ Ｚ３１１１のＶノッチ試験片を採取し、この試験片を用いて、試験温度を−６０℃として、衝撃試験を行った。その結果、−６０℃の吸収エネルギーが平均４７J以上であったものを合格とした。
溶接金属中央で板厚中央の位置から、ＪＩＳ Ｚ３１１１のＶノッチ試験片を採取し、この試験片を用いて、試験温度を−６０℃として、衝撃試験を行った。その結果、−６０℃の吸収エネルギーが平均４７J以上であったものを合格とした。
＜残留オーステナイト相の体積分率＞
溶接金属の最終パス原質部について、その表面を電解研磨し、リガク社製の二次微小部Ｘ線回折装置 ＲＩＮＴ−ＲＡＰＩＤＩＩによりＸ線回折測定を実施した。その結果から、フェライト相の（１１０）、(２００)、(２１１)、(２２０)の各格子面のピーク及び残留オーステナイト相の（１１１）、(２００)、(２２０)、(３１１)の各格子面のピークについて、各ピークの積分強度比に基づき、残留オーステナイト相の(１１１)、(２００)、(２２０)、(３１１)の体積分率をそれぞれ算出した。そして、これらの平均値（算術平均）を求め、これを「残留オーステナイト相の体積分率」とした。
溶接金属の最終パス原質部について、その表面を電解研磨し、リガク社製の二次微小部Ｘ線回折装置 ＲＩＮＴ−ＲＡＰＩＤＩＩによりＸ線回折測定を実施した。その結果から、フェライト相の（１１０）、(２００)、(２１１)、(２２０)の各格子面のピーク及び残留オーステナイト相の（１１１）、(２００)、(２２０)、(３１１)の各格子面のピークについて、各ピークの積分強度比に基づき、残留オーステナイト相の(１１１)、(２００)、(２２０)、(３１１)の体積分率をそれぞれ算出した。そして、これらの平均値（算術平均）を求め、これを「残留オーステナイト相の体積分率」とした。
＜耐水素脆化感受性＞
溶接金属の中央部から、溶接方向に平行にＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ０号試験片を採取し、下記（Ａ）に示す条件で水素チャージを行った後、水素の逃散を防ぐために下記（Ｂ）に示す条件で亜鉛めっきを施した。この試験片を用いて、クロスヘッド速度を３．０×１０−２ｍｍ／分（歪速度：６．９４×１０−６／秒)としてＳＳＲＴ（Slow Strain Rate Technique）試験（低歪速度引張試験）を実施した。その結果、試験片の破断伸びが２．０％を超えたものを、「耐水素脆化感受性に優れる」と評価した。
溶接金属の中央部から、溶接方向に平行にＪＩＳ Ｚ３１１１のＡ０号試験片を採取し、下記（Ａ）に示す条件で水素チャージを行った後、水素の逃散を防ぐために下記（Ｂ）に示す条件で亜鉛めっきを施した。この試験片を用いて、クロスヘッド速度を３．０×１０−２ｍｍ／分（歪速度：６．９４×１０−６／秒)としてＳＳＲＴ（Slow Strain Rate Technique）試験（低歪速度引張試験）を実施した。その結果、試験片の破断伸びが２．０％を超えたものを、「耐水素脆化感受性に優れる」と評価した。
（Ａ）水素チャージ条件
・処理溶液：水１Ｌ中にＮａＣｌ：３０ｇとＫＳＣＮ：１ｇとを溶解した水溶液
・電流密度：０．１Ａ／ｄｍ２
・チャージ時間：１００時間
・処理溶液：水１Ｌ中にＮａＣｌ：３０ｇとＫＳＣＮ：１ｇとを溶解した水溶液
・電流密度：０．１Ａ／ｄｍ２
・チャージ時間：１００時間
（Ｂ）めっき条件
・めっき液：水１Ｌ中にＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ：３５０ｇ、９７体積％のＨ２ＳＯ４：２０．６ｇ及びＮａ２ＳＯ４：６０ｇを溶解した水溶液
・浴温：６０℃
・電流密度：５０Ａ／ｄｍ２
・めっき時間：３分間
・めっき液：水１Ｌ中にＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ：３５０ｇ、９７体積％のＨ２ＳＯ４：２０．６ｇ及びＮａ２ＳＯ４：６０ｇを溶解した水溶液
・浴温：６０℃
・電流密度：５０Ａ／ｄｍ２
・めっき時間：３分間
以上の評価結果を下記表５及び表６にまとめて示す。
上記表６に示すように、Ｃ含有量が本発明の範囲に満たないＷ１４のワイヤを使用した比較例１，１２は、溶接金属の低温靭性が低下し、引張強さも低かった。また、Ｃ含有量が本発明の範囲を超えているＷ１８のワイヤを使用した比較例５，１６も、溶接金属の低温靭性が著しく低下し、更に、耐水素脆化感受性も劣っていた。
Ｓｉを含有せず、更にＣｒ含有量が本発明の範囲を超えているＷ１５のワイヤを使用した比較例２，１３は、低温靭性及び引張強さが低下し、更に、耐水素脆化感受性も劣っていた。同様に、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を超えているＷ２０のワイヤを使用した比較例７，１８も、溶接金属の低温靭性が低下し、更に、耐水素脆化感受性も劣っていた。
Ｍｎ含有量が本発明の範囲未満で、Ｍｏ含有量が本発明の範囲を超えているＷ１６のワイヤを使用した比較例３，１４は、溶接金属の耐水素脆化感受性が劣っていた。一方、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を超えているＷ１９のワイヤを使用した比較例６，１７は、溶接金属の低温靭性が劣っていた。
また、Ｐ含有量が本発明の範囲を超えているＷ１７のワイヤを使用した比較例４，１５は、溶接金属の低温靭性が著しく低下した。Ｓ含有量が本発明の範囲を超えているＷ２１のワイヤを使用した比較例８，１９は、溶接金属の低温靭性が著しく低下し、更に、耐水素脆化感受性も劣っていた。
Ｎｉ含有量が本発明の範囲に満たないＷ２２のワイヤを使用した比較例９，２０は、溶接金属の低温靭性が低下した。一方、Ｎｉ含有量が本発明の範囲を超えているＷ２４のワイヤを使用した比較例１１，２２は、溶接金属の低温靭性が低下した。Ｃｒを含有しないＷ２３のワイヤを使用した比較例１０，２１は、溶接金属の低温靭性が低下し、引張強さも低かった。
これに対して、表５に示すように、本発明の範囲内で作製したＷ１〜Ｗ１３のワイヤを使用した実施例１〜２６は、低温靭性及び耐水素脆化感受性に優れた溶接金属が得られた。
Claims (7)
- ワイヤ全質量あたり、
Ｃ：０．０８〜０．２０質量％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５０質量％、
Ｍｎ：１．５０〜３．００質量％、
Ｎｉ：１．００〜１．９５質量％、
Ｃｒ：０．５〜１．５質量％、
Ｍｏ：０．１０〜０．４５質量％
を含有すると共に、
Ｐ：０．０１５質量％以下、
Ｓ：０．０１５質量％以下
に規制され、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる
サブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。 - Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｎｉ含有量（質量％）を［Ｎｉ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］としたとき、下記数式（Ａ）を満たす請求項１に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Ｃｕ：０．０７〜０．４０質量％を含有する請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Ｖ：０．０１９質量％以下を含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Ｚｒ：０．０５０質量％以下を含有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Ｔｉ：０．０１０質量％以下を含有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
- 更に、ワイヤ全質量あたり、Ｂ：０．００５０質量％以下を含有する請求項１〜６のいずれか１項に記載のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤ。
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