JP6338593B2 - 衝撃靱性に優れた超高強度フラックスコアードアーク溶接継手を製造するための溶接ワイヤ - Google Patents

衝撃靱性に優れた超高強度フラックスコアードアーク溶接継手を製造するための溶接ワイヤ Download PDF

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Description

本発明は、衝撃靱性に優れた超高強度フラックスコアードアーク溶接継手を製造するための溶接ワイヤに係り、より詳しくは、海洋構造物、建築、橋梁、造船などの高張力鋼をフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）することにより得ることができるフラックスコアードアーク溶接継手（Ｆｌｕｘ Ｃｏｒｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｅｄ Ｊｏｉｎｔ）及びこれを製造するためのフラックスコアードアーク溶接ワイヤに関する。
最近、船舶、建築及び海洋構造物などは、付加価値を確保するための大型化が行われつつある。このような構造物などは、１回の事故で致命的な環境、人命、財産上の損失をもたらすため、これに使用される鋼材としては超高強度、極厚物化、及び衝撃靱性が高い素材が用いられている。
このような鋼材を健全且つ効率的に製作するためには、これに適した溶接技術が求められるが、これら鋼材を溶接する方法として最も広く用いられる溶接技術がフラックスコアードアーク溶接（Ｆｌｕｘ Ｃｏｒｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄ、ＦＣＡＷ）技術である。
このような溶接を行って得られた溶接構造物は、安全性が優先的に確保されなければならない。そのためには、溶接継手の引張強度及び衝撃靱性を確保することが何よりも重要である。また、溶接施工時にフラックスコアードアーク溶接において溶接部の低温割れの発生を防止するために、溶接材料内の拡散性水素量を減少させることが極めて重要である。
一般に、溶接時に形成される溶接継手は、溶接材料が溶融されて一部鋼材が希釈されて溶融プールを形成し、その後、凝固して粗大な柱状晶組織に発達するが、このような組織は溶接材料及び溶接施工時の入熱量によって変化するようになる。また、このような溶接継手は、粗大なオーステナイト結晶粒界に沿って粗大な粒界フェライト、ウィドマンステッテンフェライト（Ｗｉｄｍａｎｓｔａｔｔｅｎ ｆｅｒｒｉｔｅ）、マルテンサイト、及び島状マルテンサイト（Ｍ−Ａ、Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）などが形成されて衝撃靱性が劣化するという問題点がある。
よって、海洋構造物などの溶接材料の大部分は、低温における衝撃靱性を確保するために、脱酸、脱窒、脱水素元素剤の添加とともに、Ｎｉ、Ｔｉ及びＢなどの合金元素の複合添加を通じた溶接金属組織の微細化を追求している。
上記Ｔｉ−Ｂ−Ｎｉの複合添加による組織微細化のメカニズムは、Ｎｉによる母材（ｍａｔｒｉｘ）の強靭化、固溶Ｂの旧オーステナイト粒界偏析（Ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）による初析フェライト（Ｐｒｏ−ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ Ｆｅｒｒｉｔｅ）の生成抑制作用、及びＴｉ、Ｂ、酸化物及び窒化物を通じたオーステナイト粒内における微細フェライトの生成が考えられる。
このように、溶接構造物の安定性を確保するためには、溶接継手の微細組織を制御して溶接継手の衝撃靱性を確保する必要がある。
これと関連した従来技術として、特許文献１は、溶接継手の成分及び微細組織を規定した技術として、炭素を０．７〜０．８質量％含み、溶接金属部の微細組織がベイナイトとマルテンサイトが１０〜２０％と低く、針状フェライト（ａｃｉｃｕｌａｒ ｆｅｒｒｉｔｅ）を６０％以上含む低温靭性に優れた、９５０ＭＰａ級以上の超高強度ＳＡＷ溶接継手を開示している。
また、特許文献２及び３は、耐低温割れ性に優れたＳｅａｍ溶接部を有する超高強度鋼板とその製造方法に関する技術として、Ｓｅａｍ溶接金属部に残留オーステナイトを１％以上含有させることにより、耐亀裂抵抗性が優れるようにしているが、溶接金属部の衝撃靱性には多少問題がある。
特許文献４は、溶接材料の成分を規定しているが、これは直接的に溶接継手の微細組織、粒径などを制御するものではないため、このような溶接材料からは溶接継手の靭性に対するデータを十分に得ることが困難である。
一方、高強度溶接部の低温割れの発生を防止するためには、拡散性水素量を可能な限り低い水準に管理する必要がある。
従来市販されたルチル系フラックスコアードワイヤの場合、溶接部の拡散性水素量が８〜１０ｍｌ／１００ｇの水準で、これを用いて高強度厚物鋼材を溶接する場合、低温割れの防止のための予熱工程が必要とされる。これにより、施工者の追加費用が増加するという問題がある。
一般に、フラックスコアードアーク溶接技術では、ルチル系フラックスコアードワイヤを用いる。ルチル系フラックスコアードワイヤは、溶接中に拡散性水素の発生源として作用する結晶水及び結合水を多量に含有している充填フラックスをワイヤに充填した後、このワイヤの径を溶接するのに適したサイズに伸線して製造する。しかし、上記伸線過程中に付着及び残留した潤滑剤の有機成分が、溶接中に溶接部の拡散性水素を増加させるという問題がある。
この問題を解決するために、特許文献５では、チューブ状のワイヤを６００〜８００℃において高温熱処理する技術を提示しているが、上記高温熱処理は、生産速度の低下及び熱処理費用の増加を伴うので、商用化するのは困難である。
また、特許文献６では、Ｖ：０．０５〜０．２５％を基本に、アーク安定剤及びスラグ形成剤：０．５〜４．５％、脱酸剤：１．０〜４．０％を含有した、４９０Ｍｐａ級以上の高張力鋼用無予熱フラックスコアードワイヤを提供し、Ｖの添加によってＶＣの形成を通じた拡散性水素のトラッピング（Ｔｒａｐｐｉｎｇ）、及び炭素固定の効果を特徴として開示している。しかし特許文献６記載のフラックスコアードワイヤは、溶接中にＶによる拡散性水素の低減の効果がわずかであり、またアルカリ及びアルカリ土金属系フッ素化合物による総Ｆの含量が１．０〜２．０％で、その含量が高くて安定したアーク特性を確保することが困難であるという問題点を有する。
特許文献７では、ワイヤの総質量を基準に、ＴｉＯ２：４．０〜８．０％、アルカリフッ素化物（フッ素量換算値）：０．０２〜０．４％及びＰＴＦＥ（フッ素換算値）：０．０２〜０．４％を含有し、アルカリ土金属フッ化物のフッ素量換算値が０．０１％以下に低減され、（アルカリ金属フッ化物のフッ素量換算値＋０．３５）／（ＰＴＦＥのフッ素量換算値）を１以上に制御する技術を開示しているが、これは鉱物状態であるフッ化物に比べてＰＴＦＥの比重が低いため、ワイヤの内部充填及び表面適用が困難であり、相対的に価格も高くて商用化するのが困難である。
したがって、溶接時に拡散性水素を低減しながら、同時に溶接継手の衝撃靱性を改善させることができる溶接材料の開発が求められている実情である。
韓国公開特許第２００９−００１６８５４号 日本公開特許公報第１９９９−０６３１８５号 日本公開特許公報第２００２−１１５０３２号 日本特許公開公報第２０００−３２１３１６号 韓国公開特許第１９９８−００６８５６１号 日本特許公開公報第１９９６−２５７７８５号 韓国公開特許第２００７−００３５９９６号
本発明の一側面は、引張強度９００ＭＰａ以上の超高強度鋼材を溶接して構成した溶接構造体において、衝撃靱性に優れた溶接継手を提供することである。
本発明のさらに他の一側面は、超高強度鋼材をフラックスコアードアーク溶接するにあたり、衝撃靱性に優れた溶接継手を得ることができるとともに、拡散性水素量を減らすことができる溶接材料、即ち、フラックスコアードアーク溶接ワイヤを提供することである。
本発明の一側面は、質量％で、炭素（Ｃ）：０．０１〜０．０６％、シリコン（Ｓｉ）：０．１〜０．５％、マンガン（Ｍｎ）：１．５〜３．０％、ニッケル（Ｎｉ）：２．５〜３．５％、モリブデン（Ｍｏ）：０．５〜１．０％、銅（Ｃｕ）：０．４〜１．０％、クロム（Ｃｒ）：０．４〜１．０％、チタン（Ｔｉ）：０．０１〜０．１％、ホウ素（Ｂ）：０．００３〜０．００７％、窒素（Ｎ）：０．００１〜０．００６％、リン（Ｐ）：０．０２％以下（０は除く）、硫黄（Ｓ）：０．０１％以下（０は除く）、酸素（Ｏ）：０．０３〜０．０７％、残部Ｆｅ及び不可避不純物を含み、下記関係式１で示される炭素当量Ｃｅｑ値が０．７３〜０．８５％を満たし、
微細組織は、面積分率で４０％以上の針状フェライト（Ａｃｉｃｕｌａｒ ｆｅｒｒｉｔｅ）、及び４０〜５０％のベイナイトとマルテンサイトの混合組織を含む衝撃靱性に優れた超高強度フラックスコアードアーク溶接継手を提供する。
＜関係式１＞
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
本発明の他の一側面は、ワイヤ全体の質量を１００質量％とした場合に、炭素（Ｃ）：０．０３〜０．１２％、シリコン（Ｓｉ）：０．３〜１．４％、マンガン（Ｍｎ）：１．５〜３．５％、ニッケル（Ｎｉ）：２．５〜３．５％、モリブデン（Ｍｏ）：０．３〜１．０％、クロム（Ｃｒ）：０．３〜１．０％、銅（Ｃｕ）：０．４〜１．０％、ホウ素（Ｂ）：０．００１〜０．０２０％、チタン（Ｔｉ）＋マグネシウム（Ｍｇ）：０．０２〜１．５％、残部Ｆｅ及びその他の不純物を含み、
ＴｉＯ２：４．５〜９．０％、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の１種又は２種：０．２〜２．０％、ＣａＣＯ３：０．１〜１．０％、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ系アルカリ酸化物の１種又は２種以上：０．１０〜１．５％、フッ素（Ｆ）量０．０２５〜０．５％のアルカリ及びアルカリ土金属系フッ素化合物を含む高強度フラックスコアードアーク溶接ワイヤを提供する。
本発明によると、超高強度物性を有しながら、同時に優れた衝撃靱性を有するフラックスコアードアーク溶接継手を提供することができる。また、上記溶接継手を製造することができ、拡散性水素量を効果的に減らすことができるフラックスコアードアーク溶接ワイヤを提供することができる。
本発明による発明例２の微細組織を光学顕微鏡で観察した結果を示したものである。
以下、本発明によるフラックスコアードアーク溶接継手及びこれを製造することができるフラックスコアードアーク溶接ワイヤに対する一具現例について詳細に説明するが、本発明は、下記実施例によって制限されない。したがって、該当分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を外れない範囲内において本発明を多様な形態に具現することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、衝撃靱性に優れた９００ＭＰａ級以上の超高強度フラックスコアードアーク溶接継手を提供することができる方法を開発するために詳細に研究した結果、超高強度と衝撃靱性のバランスを確保することができる最適の組織分率を考案し、このような組織分率を確保するためには、溶接金属の成分及び炭素等量式の範囲を適切に制御することによって、溶接継手の衝撃靱性だけでなく、９００ＭＰａ級以上の超高強度を確保できることを新しく解明し、その結果に基づいて本発明を完成させた。
また、本発明者らは、溶接部の低温割れの発生を助長する原因の一つである拡散性水素を効果的に低減させるために深く研究した結果、フラックスコアードアーク溶接ワイヤに脱水素反応を効果的に起こすことができる成分を制御しようとした。
まず、本発明の衝撃靱性に優れた超高強度フラックスコアードアーク溶接継手について詳細に説明する。
本発明の一側面である衝撃靱性に優れた超高強度フラックスコアードアーク溶接継手は、溶接金属全体の質量を１００質量％とした場合の質量％で、炭素（Ｃ）：０．０１〜０．０６％、シリコン（Ｓｉ）：０．１〜０．５％、マンガン（Ｍｎ）：１．５〜３．０％、ニッケル（Ｎｉ）：２．５〜３．５％、モリブデン（Ｍｏ）：０．５〜１．０％、銅（Ｃｕ）：０．４〜１．０％、クロム（Ｃｒ）：０．４〜１．０％、チタン（Ｔｉ）：０．０１〜０．１％、ホウ素（Ｂ）：０．００３〜０．００７％、窒素（Ｎ）：０．００１〜０．００６％、リン（Ｐ）：０．０２％以下（０は除く）、硫黄（Ｓ）：０．０１％以下（０は除く）、酸素（Ｏ）：０．０３〜０．０７％、残部Ｆｅ、及び不可避不純物を含む。
以下、上記のように成分を制限する理由について詳細に説明する。このとき、各成分含量は質量％を意味する。
Ｃ：０．０１〜０．０６％
炭素（Ｃ）は、溶接金属の強度及び硬化性を確保するのに有利な元素で、上述の効果を得るためには、Ｃを０．０１％以上添加する必要がある。但し、Ｃの含量が０．０６％を超過すると、溶接時に溶接部の低温割れが発生しやすく、溶接継手の衝撃靱性が大きく低下するという問題点があるため、その上限を０．０６％に制限することが好ましい。
Ｓｉ：０．１〜０．５％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸効果のために添加する元素で、その含量が０．１％未満であると、溶接金属内の脱酸効果が十分ではなく、溶接金属の流動性を低下させる。これに対し、０．５％を超過すると、溶接金属内の島状マルテンサイト（Ｍ−Ａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ）の変態を促進させて衝撃靱性を低下させ、溶接割れ感受性に影響を及ぼすという短所があるため、本発明では、Ｓｉの含量を０．１〜０．５％に制限することが好ましい。
Ｍｎ：１．５〜３．０％
マンガン（Ｍｎ）は、脱酸作用及び強度を向上させるのに必須の元素で、ＴｉＯ酸化物の周りにＭｎＳの形態で析出して、Ｔｉ複合酸化物が靭性の改善に有利な針状フェライトの生成を促進させる役割をする。また、Ｍｎは母材組織内に置換型固溶体を形成して、母材を固溶強化させて強度及び靭性を確保する。このような効果を得るために、Ｍｎを１．５％以上添加する必要がある。但し、３．０％を超過すると、低温変態組織を生成させて靭性が低下するという問題があるため、その上限を３．０％に制限することが好ましい。
Ｎｉ：２．５〜３．５％
ニッケル（Ｎｉ）は、固溶強化によって母材（ｍａｔｒｉｘ）の強度及び靭性を向上させる必須の元素である。上記効果を得るために、Ｎｉを２．５％以上添加する必要があるが、３．５％を超過して多すぎる場合は、焼入性を大きく増加させ、高温割れが発生する可能性があるため好ましくない。したがって、本発明では、Ｎｉの含量を２．５〜３．５％に制限することが好ましい。
Ｍｏ：０．５〜１．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、母材の強度を向上させる元素で、このような効果を得るために、０．５％以上添加する必要があるが、１．０％を超過すると、その効果が飽和し、溶接硬化性が大きく増加してマルテンサイトの変態を促進させて溶接低温割れを発生させたり、靭性を低下させたりするという問題がある。したがって、本発明では、Ｍｏの含量を０．５〜１．０％に制限することが好ましい。
Ｃｕ：０．４〜１．０％
銅（Ｃｕ）は、母材に固溶されて固溶強化の効果により、強度及び靭性を確保するのに有利な元素で、このような効果を得るために、０．４％以上のＣｕを添加することが好ましい。但し、その含量が１．０％を超過すると、溶接継手において硬化性を増加させて靭性を低下させるという問題があるため、Ｃｕの含量を０．４〜１．０％に制限することが好ましい。
また、ＣｕとＮｉとを複合添加する場合、これらの合計は３．５％未満に制限することが好ましい。これは、上記二つの元素の和が３．５％を超過すると、焼入性が増加して靭性及び溶接性に悪影響を及ぼすためである。
Ｃｒ：０．４〜１．０％
クロム（Ｃｒ）は、母材に固溶されて焼入性及び強度を向上させるのに必須の元素で、強度及び靭性を確保するのに有利な元素である。上記効果を得るために、Ｃｒを０．４％以上添加する必要がある。但し、その含量が１．０％を超過すると、溶接継手の硬化性を増加させて靭性を低下させるという問題がある。したがって、本発明では、Ｃｒの含量を０．４〜１．０％に制限することが好ましい。
Ｔｉ：０．０１〜０．１％
チタン（Ｔｉ）は、酸素（Ｏ）と結合して微細なＴｉ酸化物を形成させるだけでなく、微細なＴｉＮ析出物を形成させて針状フェライトの形成を促進することにより強度と靭性を向上させる元素である。このように、Ｔｉによる微細なＴｉＯ酸化物及びＴｉＮ複合析出物の効果を得るために、Ｔｉを０．０１％以上添加する必要があるが、多すぎると粗大な酸化物又は析出物が形成されて靭性が低下するという問題があるため、その上限を０．１％に制限することが好ましい。
Ｂ：０．００３〜０．００７％
ホウ素（Ｂ）は、焼入性を向上させる元素で、粒界に偏析されて粒界フェライトの変態を抑制する役割をする。即ち、固溶Ｂは、溶接継手の強度を向上させる硬化能の確保の役割をするとともに、結晶粒界に拡散されて結晶粒界のエネルギーを低くして粒界フェライトの変態を抑制し、針状フェライトの変態を促進させる。上記効果を得るために、０．００３％以上のＢを含有することが好ましいが、その含量が０．００７％を超過すると、その効果が飽和し、溶接硬化性が大きく増加して低温変態相を促進させて、溶接低温割れを発生し、靭性を低下させるという問題がある。したがって、Ｂの含量は０．００３〜０．００７％に制限することが好ましい。
Ｎ：０．００１〜０．００６％
窒素（Ｎ）は、ＴｉＮ及びＶＮ析出物などを形成させるのに必須不可欠な元素で、Ｎｉの量が増加するほど微細なＴｉＮ及びＶＮ析出物の量を増加させる。特に、ＴｉＮ析出物のサイズ及び析出物の間隔、析出物の分布、酸化物との複合析出の頻度数、及び析出物そのものの高温安定性などに顕著な影響を及ぼすため、その含量は０．００１％以上に設定することが好ましい。但し、多すぎて０．００６％を超過すると、その効果が飽和し、溶接金属内に存在する固溶窒素量の増加によって靭性の低下をもたらす可能性があるため、Ｎの含量は０．００１〜０．００６％に制限することが好ましい。
Ｐ：０．０２％以下（０は除く）
リン（Ｐ）は、高温割れを助長する不純物で、できる限り低く管理することが好ましく、その上限は０．０２％以下に限定することが好ましい。
Ｓ：０．０１％以下（０は除く）
硫黄（Ｓ）は、Ｍｎと結合してＭｎＳ複合酸化物を析出させる元素として作用するが、その含量が０．０１％を超過すると、ＦｅＳなどの低融点化合物を形成させて高温割れを誘発しかねないため、Ｓの含量を０．０１％以下に制限することが好ましい。
Ｏ：０．０３〜０．０７％
酸素（Ｏ）は、溶接継手の凝固中にＴｉと反応してＴｉ酸化物を形成させる元素で、Ｔｉ酸化物は溶接継手内において針状フェライトの変態を促進させる。このとき、Ｏの含量が０．０３％未満であると、Ｔｉ酸化物を溶接継手に適切に分布させない。これに対し、０．０７％を超過すると、粗大なＴｉ酸化物及びその他のＦｅＯなどの酸化物が生成されて溶接継手の衝撃靱性に影響を及ぼすため好ましくない。
本発明の一側面による溶接継手は、上述の成分以外にも、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ及びＺｒで構成されたグループより選択された１種又は２種以上と、カルシウム及び希土類金属より選択された１種又は２種をさらに含むことができる。
Ｎｂ：０．００１〜０．１％
ニオビウム（Ｎｂ）は、焼入性の向上を目的に添加される元素で、特にＡｒ３の温度を低下させ、冷却速度が低い範囲においてもベイナイトの生成範囲を広げるという効果があるため、ベイナイト組織を得るのに有利な元素である。上述の効果とともに強度の向上を得るために、Ｎｂを０．００１％以上添加する必要がある。但し、その含量が０．１％を超過すると、溶接時に溶接継手において島状マルテンサイト（ＭＡ）の組織の形成を促進することにより溶接継手の靭性に悪影響を及ぼすため好ましくない。
Ｖ：０．００１〜０．１％
バナジウム（Ｖ）は、Ｎと結合してＶＮ析出物を形成させることによりフェライトの変態を促進する元素で、上述の効果を得るために、Ｖを０．００１％以上添加する必要がある。但し、その含量が０．１％を超過すると、溶接継手にカーバイド（Ｃａｒｂｉｄｅ）のような硬化相を形成させて溶接継手の靭性に悪影響を及ぼすため好ましくない。
Ｗ：０．０５〜０．５０％
タングステン（Ｗ）は、高温強度を向上させ、析出強化に効果的な元素である。このようなＷの含量が０．０５％未満であると、強度上昇の効果がわずかである。これに対し、０．５０％を超過すると、高強度溶接継手の衝撃靱性に悪影響を及ぼすため好ましくない。
Ｚｒ：０．００５〜０．５％
ジルコニウム（Ｚｒ）は、酸素（Ｏ）と結合して微細なＺｒ複合酸化物を形成する。このような微細なＺｒ複合酸化物の分散効果を得るために、Ｚｒを０．００５％以上添加することが好ましいが、０．５％を超過すると、粗大なＺｒ複合酸化物及び粗大なＺｒＮの析出物が形成されて衝撃靱性に悪影響を及ぼすため好ましくない。
Ｃａ及びＲＥＭ：それぞれ０．０００５〜０．００５％及び０．００５〜０．０５％
カルシウム（Ｃａ）及び希土類金属（ＲＥＭ）は、溶接時にアークを安定させ、溶接継手において酸化物の形成を抑制する役割をする。また、冷却過程においてオーステナイト結晶粒の成長を抑制して、粒内フェライトの変態を促進させることにより溶接継手の靭性を向上させるのに有効な元素である。上述の効果を得るために、Ｃａの場合は０．０００５％以上、ＲＥＭの場合は０．００５％以上添加する必要があるが、Ｃａが０．００５％を超過したり、ＲＥＭが０．０５％を超過すると、粗大な酸化物を形成することにより、靭性を阻害するおそれがある。このとき、ＲＥＭとしてはＣｅ、Ｌａ、Ｙ及びＨｆなどで構成された群より選択された１種又は２種以上の元素であることができ、いかなる元素を用いても上述の効果を得るのに問題がない。
残りはＦｅ及び不可避不純物からなる。
本発明においてフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）後に形成される溶接継手の微細組織は、面積分率で４０％以上の針状フェライト（Ａｃｉｃｕｌａｒ ｆｅｒｒｉｔｅ）、及び４０〜５０％のベイナイトとマルテンサイトの混合組織を含むことが好ましい。
ＦＣＡＷによって形成された溶接継手の微細組織のうち強度が高いマルテンサイト又はベイナイトの組織分率が高くなると、強度は容易に達成することができるが、衝撃靱性の側面では満足できない結果をもたらす可能性がある。これに対し、靭性に優れた針状フェライトの組織分率が高くなると、溶接継手の靭性は優れるように確保することができるが、強度の側面において目的とする超高強度級に及ぶことができなくなる可能性がある。したがって、強度及び靭性をともに優れるように確保するための溶接継手の組織は、４０％以上の針状フェライトと、４０〜５０％のベイナイト及びマルテンサイトの混合組織と、からなることが好ましい。
また、上記のような溶接継手の混合組織を得るためには、母材と溶加材が通常の溶接条件によって希釈されて形成された溶接継手の成分設計が、下記に示された炭素当量Ｃｅｑ値が０．７３〜０．８５％の範囲を満たすように行われなければならない。
＜関係式１＞
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
上記関係式１で示される炭素当量Ｃｅｑ値が０．７３〜０．８５％の範囲を満たさなければ、溶接継手において衝撃靱性と超高強度のバランスがとれず、このとき、溶接継手の組織が上述のような混合組織からなることができない。上記溶接継手の炭素当量Ｃｅｑ値が０．７３％未満である場合は、衝撃靱性には優れるが、超高強度を達成できない。これに対し、０．８５％を超過すると、超高強度は確保することができるが、衝撃靱性が低下するおそれがある。
また、ＦＣＡＷを適用して形成される溶接継手において、発生する可能性がある割れを防止するために、溶接熱による鋼材の溶接継手の溶接割れ感受性を低く維持する必要がある。したがって、下記関係式２で示される溶接割れ感受性指数Ｐｃｍ値は０．３５％以下を満たすことが好ましい。
＜関係式２＞
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋（Ｍｎ＋Ｃｕ＋Ｃｒ）／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
上記溶接継手の溶接割れ感受性指数Ｐｃｍ値が０．３５％を超過すると、溶接継手において割れが発生する可能性が高い。したがって、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎなどの含量は低く制御される必要がある。
上述の通り、成分組成及び微細組織だけでなく、各成分の関係によってＣｅｑ及びＰｃｍ値が本発明で提案することを満たす溶接継手は、−５℃における衝撃吸収エネルギー（ｖＥ）が８０Ｊ以上で、優れた衝撃靱性を有する。
次に、本発明の溶接継手を製造することができるフラックスコアードアーク溶接ワイヤについて詳細に説明する。
本発明者らは、以下の通り、溶接ワイヤの条件を制御してアークの長さを制御した場合に、溶接ワイヤから拡散性水素を容易に放出できることを発見し、これを基礎に本発明を完成させた。
［１］溶接ワイヤのＣの含量を制御し、炭酸塩を含ませることにより、溶接中のアークによって分解されてアーク内部の水素分圧を減少させることができる。
［２］溶接ワイヤにアルカリ及びアルカリ土金属系フッ素化合物を含ませることにより、フッ素が高温のアークによって水素と反応して水素を効果的に低減させることができる。
本発明の一側面による高強度フラックスコアードアーク溶接ワイヤは、ワイヤ全体の質量を１００質量％とした場合に、
炭素（Ｃ）：０．０３〜０．１２％、シリコン（Ｓｉ）：０．３〜１．４％、マンガン（Ｍｎ）：１．５〜３．５％、ニッケル（Ｎｉ）：２．５〜３．５％、モリブデン（Ｍｏ）：０．３〜１．０％、クロム（Ｃｒ）：０．３〜１．０％、銅（Ｃｕ）：０．４〜１．０％、ホウ素（Ｂ）：０．００１〜０．０２０％、チタン（Ｔｉ）＋マグネシウム（Ｍｇ）：０．０２〜１．５％、残部のＦｅ及び不可避の不純物と、
ＴｉＯ２：４．５〜９．０％、ＳｉＯ２：０．２〜２．０％、ＣａＣＯ３：０．１〜１．０％、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ系アルカリ酸化物の１種又は２種以上：０．１０〜１．５％、フッ素（Ｆ）量が０．０２５〜０．５％であるアルカリ及びアルカリ土金属系フッ素化合物と、
で組成されることが好ましい。
以下、本発明の溶接ワイヤの成分を上記のように限定した理由について詳細に説明する。
Ｃ：０．０３〜０．１２％
炭素（Ｃ）は、溶接継手の強度を確保し、溶接の硬化性を確保するための必須の元素で、このような効果を得るために、０．０３％以上添加されることが好ましい。但し、その含量が０．１２％を超過すると、溶接性が大きく低下し、溶接継手の低温割れの発生を助長するという問題があるため好ましくない。
Ｓｉ：０．３〜１．４％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸効果のために添加する元素で、その含量が０．３％未満である場合、溶接継手内の脱酸効果が十分ではなく、溶接継手の流動性を低下させる。これに対し、その含量が１．４％を超過すると、溶接継手内の島状マルテンサイト（Ｍ−Ａ）の変態を促進させて低温衝撃靱性を低下させ、溶接低温割れ感受性に影響を及ぼすため好ましくない。
Ｍｎ：１．５〜３．５％
マンガン（Ｍｎ）は、鋼中において脱酸作用及び強度向上に有用な元素で、母材組織内に置換型固溶体を形成して母材を固溶強化させて強度及び靭性を確保するのに有利である。上述の効果を得るためには、Ｍｎを１．５％以上含むことが好ましいが、その含量が多すぎて３．５％を超過すると、溶接継手の硬化性を増加させて溶接継手の衝撃靱性を劣化させるという問題があるため好ましくない。
Ｎｉ：２．５〜３．５％
ニッケル（Ｎｉ）は、固溶強化によって母材の強度及び靭性を向上させるのに有効な元素である。上述の効果を得るために、Ｎｉを２．５％以上添加する必要がある。これに対し、その含量が３．５％を超過すると、鋼の焼入性を大きく増加させ、溶接継手の高温割れを助長するおそれがあるため好ましくない。
Ｍｏ：０．３〜１．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、焼入性を増加させ、強度向上に有効な元素で、その含量が０．３％未満では上述の効果を得ることができない。これに対し、その含量が１．０％を超過すると、高強度溶接金属部の靭性に影響を及ぼすため好ましくない。
Ｃｒ：０．３〜１．０％
クロム（Ｃｒ）は、焼入性を増加させ、強度向上に有効な元素で、その含量が０．３％未満では上述の効果を得ることができない。これに対し、その含量が１．０％を超過すると、溶接継手の靭性の劣化をもたらすという問題があるため好ましくない。
Ｃｕ：０．４〜１．０％
銅（Ｃｕ）は、母材に固溶されて固溶強化の効果によって強度及び靭性を向上させるのに有効な元素で、その含量が０．４％未満である場合、上述の効果を得ることができない。これに対し、その含量が１．０％を超過すると、溶接継手の硬化性を増加させて靭性を低下させ、溶接継手において高温割れを助長するという問題があるため好ましくない。
Ｂ：０．００１〜０．０２０％
ホウ素（Ｂ）は、焼入性を増加させる元素で、特に粒界に偏析されて粒界のフェライト変態を抑制するのに非常に有用な元素である。このような効果のために、Ｂを０．００１％以上添加する必要があるが、その含量が０．０２０％を超過すると、上記効果が飽和し、溶接硬化性が大きく増加して溶接継手内のマルテンサイト変態を促進させて溶接低温割れの発生及び靭性の低下を誘発しかねないため好ましくない。
Ｔｉ＋Ｍｇ：０．０２〜１．５％
チタン（Ｔｉ）は、Ｏと結合して微細なＴｉ酸化物を形成させるだけでなく、微細なＴｉＮ析出物を形成させる元素で、マグネシウム（Ｍｇ）はＯと結合してＭｇ酸化物を形成させる元素である。
溶接継手に微細なＴｉ酸化物、ＴｉＮ析出物とともにＭｇ酸化物を形成させて、これによる効果を得るためには、ＴｉとＭｇの含量をその和で０．０２％以上含むことが好ましい。但し、その含量が１．５％を超過すると、粗大な酸化物又は析出物が形成されて溶接継手の靭性の確保に悪影響を及ぼすため好ましくない。
より好ましく、Ｔｉは０．０１〜０．３％、Ｍｇは０．０１〜１．２％の範囲を満たすように添加する場合、上述の効果を十分に得ることができる。
ＴｉＯ２：４．５〜９．０％
ＴｉＯ２は、スラグ生成剤（スラグ形成剤）として作用し、このようなＴｉＯ２の含有量が４．５％未満であると、垂直上向き溶接において溶融金属の垂れを妨げるほどの十分な量のスラグが確保されることができないという問題がある。この場合、ビード形状が不良になるという問題がある。これに対し、その含量が９．０％を超過すると、溶接継手中の酸素量が多すぎるようになって片面溶接時に初層における高温割れを助長する可能性があり、衝撃靱性を劣化させるおそれがあるため好ましくない。
ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の１種又は２種：０．２〜２．０％
ＳｉＯ２及びＺｒＯ２は、アーク安定性及びスラグ流動性の確保に効果的な成分で、このような酸化物の含量が０．２％未満であると、スラグの流動性が不安定で、溶接ビードの形状が不良になるという問題がある。これに対し、その含量が２．０％を超過すると、スラグの流動性は確保することができるが、スパッタの発生が増加して溶接性及びビード形状が劣位となるという問題がある。
ＣａＣＯ３：０．１〜１．０％
ＣａＣＯ３は、アーク中の水素分圧を効果的に減少させて溶接継手中の拡散性水素を低減させるのに効果的である。このような効果を得るために、ＣａＣＯ３を０．１％以上添加する必要がある。但し、その含量が１．０％を超過すると、過度なＣａＣＯ３の分解によってアークが不安定で、溶接ヒューム（Ｆｕｍｅ）を過度に増加させるという問題があるため好ましくない。
一方、本発明は、上記ＣａＣＯ３以外にその他の炭酸塩を含むこともできる。
Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ系アルカリ酸化物の１種又は２種以上：０．１０〜１．５％
Ｋ、Ｎａ及びＬｉ系アルカリ酸化物は、溶接中のアークのイオン化ポテンシャルを下げてアークの発生を容易にし、溶接中に安定化されたアークを維持させる役割をする。このような効果を奏するためには、これらアルカリ酸化物の１種又は２種以上を０．１０％以上含むことが好ましいが、その含量が１．５％を超過すると、高蒸気圧によって溶接ヒューム（Ｆｕｍｅ）が過多に発生することがあり、溶融プールのスラグ粘度を過度に減少させて不安定なビードを形成させるという問題がある。
アルカリ及びアルカリ土金属系フッ素化合物のＦ量：０．０２５〜０．５％
フッ素化合物は、高温のアークにおいてフッ素をアーク中に発生させて、溶接中に水素と反応して脱水素反応を起こすため、溶接継手の拡散性水素を効果的に低減させることができるという効果がある。このような効果を奏するためには、フッ素化合物のＦの含量を０．０２５％以上含むことが好ましい。但し、その含量が多すぎて０．５％を超過すると、高蒸気圧によって溶接ヒューム（Ｆｕｍｅ）が過多に発生する可能性があり、スラグ粘度が過度に減少して不安定なビードが形成されるおそれがあるため、好ましくない。
本発明において、上記フッ素化合物としては、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２の１種又は２種以上であることが好ましい。
本発明が提案するフラックスコアードアーク溶接材料は、上述の合金組成の他に残部のＦｅとその他の製造工程上不可避に含有される不純物を含んでなることができる。また上述の合金組成を満たすことにより、溶接材料において基本的に求められる溶接性を確保することができるだけでなく、優れた耐衝撃性及び耐摩耗性を有する溶接継手を提供することができる。更に、全姿勢溶接が可能であるため、作業現場においてパイプ溶接を容易に具現することができる。
上述の成分組成を満たす高強度フラックスコアードアーク溶接ワイヤを用いて溶接を行って形成される溶接継手は、その微細組織が４０％以上の針状フェライト（Ａｃｉｃｕｌａｒ ｆｅｒｒｉｔｅ）と、４０〜５０％のベイナイト及びマルテンサイトの混合組織と、からなることにより、引張強度９００ＭＰａ以上の超高強度、及び−２０℃における衝撃靱性が７５Ｊ以上である高靭性を確保することができる。また、拡散性水素量が６〜９ｍｌ／１００ｇであるので、拡散性水素量を効果的に低下させることができる。
本発明において提供されるフラックスコアードアーク溶接ワイヤは、ワイヤの外皮である軟鋼材質のフープ、及びワイヤの内部に充填されるフラックスで構成され、上記フラックスは、溶接金属の物性確保用金属粉末、及び溶接時の溶接確保用として添加される無機物及び金属粉末で構成される。通常、フラックスコアードアーク溶接ワイヤの総質量を１００％とした場合のフラックスの質量は１３〜２５％である。
本発明では、フラックス内でも溶着金属の物性確保用金属粉末の量及び種類、溶接時のスパッタの発生量が非常に少なく、健全な溶着金属のビード形状の確保など、溶接性確保用無機物及び金属（ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｚｒ２Ｏ、ＣａＣＯ３、ＣａＦ２、Ｔｉ＋Ｍｇ）粉末の種類及び添加量を調節することにより、従来のチタニウム含有フラックスコアードワイヤ程度の溶接性を向上させるとともに、機械的物性に優れた溶接継手を得ようとした。
以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。但し、下記実施例は、本発明を例示してより詳細に説明するためのものであるだけであって、本発明の権利範囲を限定するためのものではないことに留意する必要がある。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項とそれから合理的に類推される事項によって決定される。
［実施例１］
質量％で、Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．１３％、Ｍｎ：２．５％、Ｐ：０．００８％、Ｓ：０．００２％、その他のＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂを含む建設用鋼材であるＨＳＡ８００鋼に対し、直径が１．６ｍｍであるワイヤを用いて１００％のＣＯ２保護ガスを適用して２０ｋＪ／ｍｍの入熱量でフラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）を実施した。上記ＦＣＡＷは、電流：２７０Ａ、電圧：２８Ｖ、溶接速度：２３ｃｍ／ｍｉｎ、層間温度：１５０℃以下の条件で実施した。
上記フラックスコアードアーク溶接後に形成された溶接継手の組成を下表１に示し、上記溶接時の溶接条件、溶接後の溶接継手の微細組織の構成、及び機械的性質を測定して下表２に示した。上記機械的性質のうち衝撃靱性は、ＫＳ規格（ＫＳ Ｂ ０８０９）の衝撃試験片を用いてシャルピー衝撃試験によって溶接継手の衝撃吸収エネルギー（ｖＥ）を評価した。
Figure 0006338593
Figure 0006338593
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上記表１及び２に示すように、本発明で提案する成分組成、成分関係及び微細組織をすべて満たす溶接継手は、強度だけでなく衝撃靱性に優れていることを示す。これは、発明例の場合は、比較例とは異なって、成分組成及び成分関係を満たすことにより微細組織が制御されたことによって、強度及び靭性が大きく向上したものと考えられる。特に、図１に示すように、本発明による溶接継手は、微細組織が針状フェライトと、マルテンサイト及びベイナイトで形成されることが確認できた。
これに対し、比較例は、溶接継手の成分組成及び成分関係が本発明で提案するものを満たさない場合であって、形成された微細組織のうち針状フェライトの分率が低すぎたり、又はベイナイト＋マルテンサイトの分率が低すぎるか、もしくは高すぎるため、強度及び靭性が低下するという結果を示すことが確認できた。
上記の結果により、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）時に本発明を満たす溶接継手は、比較例の溶接継手に比べて、強度及び衝撃靱性の側面において優れた特性を示すことが分かる。
［実施例２］
下表３に示したような成分組成を有するフラックスを充填したフラックスコアードアーク溶接ワイヤを製造した。
その後、上記それぞれの溶接ワイヤを用いて溶接電流２７０〜２９０Ａ、電圧３０〜３２Ｖ、溶接速度２５〜２７ｃｍ／ｍｉｎ、溶接入熱量１８〜２５ｋＪ／ｃｍの条件でフラックスコアードアーク溶接を実施した。上記溶接後に形成された溶接継手の成分組成を下表４に示し、また上記溶接継手の機械的物性及び拡散性水素の結果と溶接ワイヤのアーク安定性を評価した結果を下表４に示す。
このとき、溶接のための母材として、低炭素（Ｃ）系引張強度８００ＭＰａ以上で、低降伏比型ＨＳＡ８００鋼材を用いた。
上記引張試験のための試験片は溶接継手の中央部から採取しており、引張試験片はＫＳ規格（ＫＳ Ｂ ０８０１）の４号試験片を用いた。引張試験はクロスヘッド速度（ｃｒｏｓｓ ｈｅａｄ ｓｐｅｅｄ）の１０ｍｍ／ｍｉｎで試験した。また、衝撃試験片はＫＳ（ＫＳ Ｂ ０８０９）の３号試験片に基づいて製造された。
なお、溶接ワイヤの拡散性水素量はＩＳＯ ３６９０に基づいてガスクロマトグラフィー（Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）法で測定し、アーク安定性はスパッタの発生及びアークの偏りなどの因子を用いて溶接者が直接判断した。
Figure 0006338593
 （上記表３においてＢ＊を除く成分組成の含量単位は質量％である。）
Figure 0006338593
Figure 0006338593
上記表５に示されているように、本発明による溶接ワイヤを用いてフラックスコアードアーク溶接を実施する場合（発明鋼１から５）、１９ｋＪ／ｃｍ以上の溶接入熱量にも９００ＭＰａ以上の高強度物性を有するとともに、衝撃靱性の確保が可能であり、特に拡散性水素量が１０ｍｇ／１００ｇ以下と低いことが確認できる。
これに対し、成分組成が本発明で提案することを満たさない溶接ワイヤを用いて溶接した比較鋼１から５は、強度及び衝撃靱性のうち一つ以上の物性が劣位し、特に拡散性水素量がすべて１０ｍｇ／１００ｇ以上と低位であることが確認できる。

Claims (1)

  1. ワイヤ全体の質量を基準に、
    炭素（Ｃ）：０．０３乃至０．１２％、シリコン（Ｓｉ）：０．３乃至１．４％、マンガン（Ｍｎ）：１．５乃至３．５％、ニッケル（Ｎｉ）：２．５乃至３．５％、モリブデン（Ｍｏ）：０．３乃至１．０％、クロム（Ｃｒ）：０．３乃至１．０％、銅（Ｃｕ）：０．４乃至１．０％、ホウ素（Ｂ）：０．００１乃至０．０２０％、チタン（Ｔｉ）＋マグネシウム（Ｍｇ）：０．０２乃至１．５％、及び、
    ＴｉＯ２：４．５乃至９．０％、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の１種又は２種：０．２乃至２．０％、ＣａＣＯ３：０．１乃至１．０％、Ｋ、Ｎａ、Ｌｉ系アルカリ酸化物の１種又は２種以上：０．１０乃至１．５％、フッ素（Ｆ）量０．０２５乃至０．５％のアルカリ、及びアルカリ土金属系フッ素化合物と、
    を含み、残部のＦｅ及び不可避な不純物を含むことを特徴とするフラックスコアード
    アーク溶接ワイヤ。
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