JP6418365B1 - サブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ、及び溶接継手の製造方法 - Google Patents

サブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ、及び溶接継手の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明の一態様に係るサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤは、化学組成が、質量％でＣ：０．００１〜０．０６０％、Ｓｉ：０．０１〜３．００％、Ｍｎ：０．０１〜６．００％、Ｍｏ：１５．０〜２５．０％、Ｗ：２．５〜１０．０％、Ｔａ：０．００２〜０．１００％、Ｎｉ：６５．０〜８２．４％、Ａｌ：０〜２．００％、Ｔｉ：０〜２．００％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｐ：０〜０．０２００％、Ｓ：０〜０．０２００％、Ｎ：０〜０．１０００％、Ｏ：０〜０．０１００％、Ｆｅ：０〜１０．００００％、Ｃｏ：０〜０．１０００％、Ｃｒ：０〜１．００００％、Ｖ：０〜０．１０００％、Ｎｂ：０〜０．１０００％、Ｂ：０〜０．０１００％、Ｂｉ：０〜０．０１００％、Ｃａ：０〜０．０２００％、ＲＥＭ：０〜０．０３００％、Ｚｒ：０〜０．１０００％、及び残部：不純物であり、Ｘ値が０．０１０〜０．１８０％である。

Description

本発明は、サブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ、及び溶接継手の製造方法に関する。
近年の地球環境問題の観点から、クリーンなエネルギーとして液化天然ガス（以下、ＬＮＧ）の需要がますます増加する傾向にある。ＬＮＧ貯蔵タンクの内槽材には、フェライト系の極低温材料、例えば、６〜７％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等が適用されてきた。
近年、ＬＮＧ貯蔵タンクの大型化に伴い、設計応力が高強度化している。サブマージアーク溶接（Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＳＡＷ）は、高能率で高品位な溶接継手が得られることから、低温用鋼の溶接に多く使用されている。下向溶接及び水平すみ肉溶接等の他、横向姿勢溶接にも適用可能なサブマージアーク溶接用フラックスが開発され、このフラックスは、低温液体用貯槽タンクの建造等に適用されている。
５．５％Ｎｉ鋼、６〜７％Ｎｉ鋼及び９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼の溶接部には、溶接まま（即ち、溶接を行った後の溶接部に、熱処理及びピーニング等による材質的な変化を与えていない状態のこと）で低温靱性が要求されるので、母材よりもＮｉ含有量の多いＮｉ基合金ワイヤが適用されている。現場施工では、下向姿勢及び水平すみ肉溶接等にはサブマージアーク溶接方法が適用され、立向姿勢溶接には被覆アーク溶接及びＴＩＧ溶接方法等が適用されている。さらに最近では、高能率且つ溶接作業性に優れるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの開発が進められている。しかし、このようなガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを用いた溶接では、耐割れ性が十分に確保できない。そのため、突合せ継手の溶接においては、被覆アーク溶接方法が現在の主流となっている。
しかし、被覆アーク溶接方法は、溶接能率が低く、現場施工の工期短縮という課題を有していた。
この課題を解決するための技術として、特許文献１には、低温液体用貯槽タンクの建造材料等に使用される５．５％Ｎｉ鋼、６〜７％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの溶接において、従来の下向、水平すみ肉および横向姿勢溶接に加え、立向姿勢溶接が可能な低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックスおよびその溶接方法が提案されている。
また、特許文献２には、低温液体用貯槽タンクの建造材料等に使用される５．５％Ｎｉ鋼、６〜７％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等をサブマージアーク溶接する際において、下向き溶接、水平すみ肉溶接、横向及び立向姿勢溶接を実現でき、しかも高い引張強さと靭性が得られ、延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質の溶接継手が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接方法が提案されている。
しかし、特許文献１及び２に記載の技術によって確保できる溶接金属の靱性も、十分なものとはいえない。さらに、高い信頼性が要求されるＬＮＧ貯蔵タンクの内槽材においては、高温割れを抑制することが極めて重要である。高温割れとは、溶接金属及び熱影響部（ＨＡＺ）において高温度域で発生する割れである。しかしながら、上述の技術によれば、高温割れを十分に抑制できない。特に、９％Ｎｉ鋼等では従来の強度レベル（降伏強さ：５９０ＭＰａ以上、引張強さ：６９０〜８３０ＭＰａ）より高い強度の鋼材（例えば、降伏強さ：６２０ＭＰａ以上、引張強さ：７５０〜８８０ＭＰａ）が開発されてきた。しかし、高強度化にともなう靱性の低下や耐高温割れ性の低下もあり、溶接材料については、降伏強さが４００ＭＰａ以上、引張強さが６９０ＭＰａ以上という従来の溶接材料しかなかった。このような高強度鋼用の高強度（例えば、降伏強さ：４３５ＭＰａ以上、引張強さ：７２０ＭＰａ以上）、高靱性（例えば、ｖＥ−１９６：３４Ｊ以上）および優れた耐高温割れ性等が得られるサブマージアーク溶接材料はなかった。なお、９％Ｎｉ鋼等の溶接材料の降伏強さ（０．２％耐力）は、鋼板の降伏強さより低いことは、よく知られている。
日本国特開２００９−３９７６１号公報 日本国特開２０１１−５６５６２号公報
本発明の課題は、下向溶接、水平すみ肉溶接、及び横向姿勢溶接に適用可能であり、高い引張強さ及び靭性を有し、さらに延性に優れ、ブローホール及び高温割れの発生が抑制された高品質の溶接継手が得られるサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤと、溶接継手の製造方法とを提供することである。
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の一態様に係るサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤは、化学組成が、質量％でＣ：０．００１〜０．０６０％、Ｓｉ：０．０１〜３．００％、Ｍｎ：０．０１〜６．００％、Ｍｏ：１５．０〜２５．０％、Ｗ：２．５〜１０．０％、Ｔａ：０．００２〜０．１００％、Ｎｉ：６５．０〜８２．４％、Ａｌ：０〜２．００％、Ｔｉ：０〜２．００％、Ｃｕ：０〜１．０％、Ｐ：０．０２００％以下、Ｓ：０．０２００％以下、Ｎ：０〜０．１０００％、Ｏ：０〜０．０１００％、Ｆｅ：０〜１０．００００％、Ｃｏ：０〜０．１０００％、Ｃｒ：０〜１．００００％、Ｖ：０〜０．１０００％、Ｎｂ：０〜０．１０００％、Ｂ：０〜０．０１００％、Ｂｉ：０〜０．０１００％、Ｃａ：０〜０．０２００％、ＲＥＭ：０〜０．０３００％、Ｚｒ：０〜０．１０００％、及び残部：不純物であり、下記式１によって定義されるＸ値が０．０１０〜０．１８０％である。
Ｘ＝［Ｔａ］＋１０×［ＲＥＭ］：式１
前記式１中に記載の記号は、これに係る物質の質量％での含有量である。
（２）上記（１）に記載のサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤでは、前記Ｘ値が０．０２０〜０．１５０％であってもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載のサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤでは、Ａｌ含有量及びＴｉ含有量の合計値が、質量％で、０．０１〜４．００％であってもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤでは、直径が１．２〜６．４ｍｍであってもよい。
（５）本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のＮｉ基合金ワイヤと、焼成型フラックスとを用いて鋼をサブマージアーク溶接する工程を備える。
本発明によれば、下向溶接、水平すみ肉溶接、及び横向姿勢溶接に適用可能であり、高い引張強さ及び靭性を有し、さらに延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥の発生が抑制された高品質の溶接継手が得られるサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤと、溶接継手の製造方法とを提供することができる。
サブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤのＸ値と、溶接金属の引張強さとの関係を示すグラフである。 サブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤのＸ値と、溶接金属の低温靭性との関係を示すグラフである。
本発明者らは、高い引張強さ及び高い靭性の両方を有する溶接金属が得られ、さらに耐高温割れ性を高めることができるワイヤ成分の検討をした。その結果、本発明者らは、ワイヤにＴａを含有させることで、金属間化合物を溶接金属に生成し、この金属間化合物が生じさせる析出強化によって溶接金属の一層の強度向上が実現されることを発見した。また、本発明者らは、Ｔａが溶接中に炭窒化物を形成することにより、溶接金属の耐高温割れ性を向上させることも発見した。加えて本発明者らは、Ｔａ及びＲＥＭに基づいて算出されるＸ値を所定範囲内とすることで、高強度及び耐高温割れ性の両方を一層向上させられることをも見出した。
以上の知見により得られた本発明の一態様に係るサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤの成分について、以下に説明する。特に断りが無い限り、ワイヤの成分に関する単位「％」は、質量％を意味する。
（Ｃ：０．００１〜０．０６０％）
Ｃは、溶接金属の引張強さを高める。また、Ｃはアーク中の酸素と反応してＣＯ２ガスとなり、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。Ｃ含有量が０．００１％未満である場合、それら効果が十分に得られず、溶接金属の引張強さが不足する。一方、Ｃ含有量が０．０６０％を超える場合、溶接金属の靭性が著しく劣化する。したがって、Ｃ含有量は０．００１〜０．０６０％とする。Ｃ含有量の好ましい下限値は０．００６％、０．０１１％、又は０．０１６％である。また、Ｃ含有量の好ましい上限値は０．０５４％、０．０４９％、又は０．０４４％である。
（Ｓｉ：０．０１〜３．００％）
Ｓｉは、溶接金属の強度を向上させ、さらに溶接金属の酸素量を低減することにより溶接金属の靱性も向上させる。Ｓｉ含有量が０．０１％未満では、その効果が得られない。一方、Ｓｉは、溶接金属の凝固温度幅を増加させ、Ｐ及びＳ等の低融点介在物の生成を促進させて高温割れを生じやすくするので、Ｓｉ含有量が３．００％超である場合、高温割れが発生しやすくなる。したがってＳｉ含有量は０．０１〜３．００％とする。Ｓｉ含有量の好ましい下限値は０．０３％、０．０８％、又は０．１３％である。また、Ｓｉ含有量の好ましい上限値は２．５０％、２．００％、１．３０％又は０．９０％である。
（Ｍｎ：０．０１〜６．００％）
Ｍｎは、ＭｎＳを形成することによりＳを固定し、溶接金属の耐割れ性を高める。Ｍｎ含有量が０．０１％未満である場合、その効果が十分に得られず、溶接金属の耐割れ性が不十分となる。一方、Ｍｎ含有量が６．００％超である場合、溶接金属に多量のＭｎ酸化物が発生する。このＭｎ酸化物は、溶接金属に曲げ応力が加えられた際に破壊起点となるので、溶接金属の曲げ延性を劣化させる。したがって、Ｍｎ含有量は０．０１〜６．００％とする。Ｍｎ含有量の好ましい下限値は０．１０％、０．２０％、０．３０％又は０．４０％である。また、Ｍｎ含有量の好ましい上限値は５．００％、４．００％、３．００％又は２．５０％である。
（Ｍｏ：１５．０〜２５．０％）
Ｍｏは、溶接金属に固溶して、溶接金属の引張強さを高める。Ｍｏ含有量が１５．０％未満である場合、その効果が十分に得られず、溶接金属の引張強さが不足する。一方、Ｍｏ含有量が２５．０％超である場合、溶接金属の伸びが不足する。したがって、Ｍｏ含有量は１５．０〜２５．０％とする。Ｍｏ含有量の好ましい下限値は１６．０％、１７．０％、１７．５％又は１８．０％である。また、Ｍｏ含有量の好ましい上限値は２３．０％、２１．０％、２０．０％又は１９．０％である。
（Ｗ：２．５〜１０．０％）
Ｗは、溶接金属に固溶して、溶接金属の引張強さを高める。Ｗ含有量が２．５％未満である場合、その効果が十分に得られず、溶接金属の引張強さが不足する。一方、Ｗ含有量が１０．０％超である場合、溶接金属の伸びが不足する。したがって、Ｗ含有量は２．５〜１０．０％とする。Ｗ含有量の好ましい下限値は３．０％、３．４％、３．８％又は４．２％である。また、Ｗ含有量の好ましい上限値は９．０％、８．０％、７．０％又は６．０％である。
（Ｔａ：０．００２〜０．１００％）
Ｔａは、本実施形態に係るワイヤにおいて極めて重要な元素である。ワイヤに含まれるＴａは、溶接金属中でＮｉ−Ｍｏ−Ｔａ系化合物及びＮｉ−Ｗ−Ｔａ系化合物等を生成し、これら化合物が析出強化によって溶接金属の引張強さを向上させると考えられる。またＴａは高融点の炭窒化物を形成するため、高温割れ感受性を低減する。この効果を得るためには、Ｔａ含有量を０．００２％以上とする必要がある。一方、Ｔａ含有量が０．１００％超である場合、靱性が劣化する。また、この場合、併せて高強度化によって、曲げ延性が劣化する。従って、Ｔａ含有量は０．００２〜０．１００％とする。Ｔａ含有量の好ましい下限値は０．００４％、０．００８％、０．０１３％、０．０１８％又は０．０２２％である。また、Ｔａ含有量の好ましい上限値は０．０８０％、０．０７０％、０．０６０％又は０．０５０％である。
（Ｎｉ：６５．０〜８２．４％）
Ｎｉは、溶接金属の主元素であり、溶接金属の組織をオーステナイト組織とし、低温（例えば−１９６℃）における溶接金属の引張強さ及び靱性を確保するために必須の元素である。母材（被溶接材）による希釈を考慮すると、ワイヤのＮｉ含有量は６５．０％以上とする必要がある。Ｎｉ含有量の上限値は特に規定されないが、ワイヤに含まれる他の合金元素の量を考慮すると、Ｎｉ含有量の実質的な上限値は約８２．４％である。Ｎｉは高価な元素であるので、Ｎｉ含有量を減少させることにより、材料コストを低減することができる。Ｎｉ含有量の好ましい下限値は６５．０％、６６．０％、６７．５％又は６９．０％である。Ｎｉ含有量の好ましい上限値は７９．０％、７６．０％、７４．０％又は７１．０％である。
本実施形態に係るワイヤは、上述の必須元素に加えて、以下に説明する元素からなる群から選択される一種以上を任意に含有することができる。ただし、任意元素を含まなくとも本実施形態に係るワイヤはその課題を解決することができるので、各任意元素の下限値は０％である。
（Ａｌ：０〜２．００％）
（Ｔｉ：０〜２．００％）
Ａｌ及びＴｉは、脱酸作用及び脱窒素作用を有し、溶接金属の靱性及び耐ブローホール性を高める。従って、本実施形態に係るワイヤはＡｌ及びＴｉの一方又は両方を含有しても良い。一方、Ａｌ含有量が２．００％超、及び／又はＴｉ含有量が２．００％超である場合、溶接金属に多量のＡｌ窒化物及び／又はＴｉ窒化物が発生し、溶接金属に曲げ応力が加えられた際にこれら窒化物が破壊起点となるので、溶接金属の曲げ延性及び低温靱性が劣化する。従って、Ａｌ含有量は０〜２．００％とし、Ｔｉ含有量は０〜２．００％とする。Ａｌの含有は必須でなく、その下限は０％である。Ａｌ含有量の好ましい下限値は０．０１％、０．０４％、０．０８％又は０．１２％である。また、Ａｌ含有量の好ましい上限値は１．５０％、１．２０％、０．９０％又は０．６０％％である。Ｔｉの含有は必須でなく、その下限は０％である。Ｔｉ含有量の好ましい下限値は０．０３％、０．０６％、０．０９％又は０．１２％である。また、Ｔｉ含有量の好ましい上限値は１．５０％、１．２０％、０．９０％又は０．６０％である。
ＡｌとＴｉが共存する場合、ＡｌおよびＴｉを組み合わせた場合、酸化物が凝集し、溶接金属中の酸化物がより浮上しやすくなるため、溶接金属の靭性が向上する。このため、Ａｌ含有量及びＴｉ含有量の合計値を０．０１％以上とした方が好ましい。Ａｌ含有量及びＴｉ含有量の合計値の下限を０．０５％、０．１０％又は０．１５％としてもよく、その上限を４．００％、３．００％、２．００％、１．５０％又は１．２０％としてもよい。
（Ｃｕ：０〜１．０％）
Ｃｕは、ワイヤの表面にめっきされた場合、ワイヤの電気伝導率を向上させて溶接電流を安定化させる。従って、本実施形態に係るワイヤはＣｕを含有しても良い。一方、Ｃｕ含有量が１．０％超である場合、溶接金属の低温靱性が劣化する。従って、Ｃｕ含有量は０〜１．０％とする。Ｃｕの含有は必須でなく、その下限は０％である。Ｃｕ含有量の好ましい下限値は０．０５％、０．１％、又は０．２％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限値は０．６％、０．４％、又は０．３％である。
（Ｐ：０．０２００％以下）
Ｐは不純物元素であり、溶接金属の靱性を著しく劣化させるので、その含有量は可能な限り低減させることが好ましいが、０．０２００％以下のＰは許容される。Ｐの含有は必須でなく、その下限は０％である。精錬コストの低減のため、Ｐ含有量の下限値は０．００１０％、０．００２０％、又は０．００４０％としてもよい。溶接金属の靱性を一層向上させるために、Ｐ含有量の上限値を０．０１５０％、０．０１００％、０．００７０％、又は０．００５０％としてもよい。
（Ｓ：０．０２００％以下）
Ｓは不純物元素であり、溶接金属の靱性を著しく劣化させるので、その含有量は可能な限り低減させることが好ましいが、０．０２００％以下のＳは許容される。Ｓの含有は必須でなく、その下限は０％である。精錬コストの低減のため、Ｓ含有量の好ましい下限値を０．００１０％、０．００２０％、又は０．００３０％としてもよい。溶接金属の靱性を一層向上させるために、Ｓ含有量の上限値を０．０１７０％、０．０１４０％、０．０１１０％、又は０．００８０％としてもよい。
（Ｎ：０〜０．１０００％）
Ｎは、溶接金属中のオーステナイトを安定化させ、低温靱性を向上させる効果を有する。また、Ｎは、溶接金属の強度を高める効果も有する。従って、本実施形態に係るワイヤはＮを含有しても良い。一方、Ｎ含有量が０．１０００％超である場合、溶接金属の靱性の劣化、及びブローホール発生量の増大等が生じる。従って、Ｎ含有量は０〜０．１０００％とする。Ｎの含有は必須でなく、Ｎ含有量の下限は０％である。Ｎ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００２０％、０．００５０％又は０．０１００％をＮ含有量の下限としてもよい。Ｎ含有量の好ましい上限値は０．０８００％、０．０６５０％、又は０．０５００％である。
（Ｏ：０〜０．０１００％）
Ｏは、アーク溶接時にアークを安定化させる。従って、本実施形態に係るワイヤはＯを含有しても良い。一方、Ｏ含有量が０．０１００％超である場合、溶接金属中で酸化物が生成することにより溶接金属の靱性及び疲労強度が不足する。従って、Ｏ含有量は０〜０．０１００％とする。Ｏの含有は必須でなく、Ｏ含有量の下限は０％である。Ｏ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００１０％、０．００２０％又は０．００３０％をＯ含有量の下限としてもよい。Ｏ含有量の好ましい上限値は０．００８０％、０．００６５％、又は０．００５０％である。
（Ｆｅ：０〜１０．００００％）
Ｆｅは、ワイヤの原料を溶製する過程で不純物として含まれる場合がある。また、Ｆｅは、Ｎｉ含有量を減少させて材料コストを低減するために、Ｎｉに代えてワイヤに含有される場合がある。１０．００００％以下のＦｅは許容される。Ｆｅの含有は必須でなく、Ｆｅ含有量の下限は０％である。Ｆｅ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．００１０％、０．０１００％、０．１０００％、０．５０００％又は１．００００％をＦｅ含有量の下限としてもよい。Ｆｅ含有量の好ましい上限値は９．００００％、８．００００％、７．００００％又は６．００００％である。
（Ｃｏ：０〜０．１０００％）
Ｃｏは、Ｎｉ、Ｍｏ、及びＷ等との金属間化合物を形成し、これにより溶接金属の引張強さを向上させる。従って、本実施形態に係るワイヤはＣｏを含有しても良い。一方、Ｃｏ含有量が０．１０００％超である場合、溶接金属の延性が低下し、靱性が損なわれる。従って、Ｃｏ含有量は０〜０．１０００％とする。Ｃｏの含有は必須でなく、Ｃｏ含有量の下限は０％である。Ｃｏ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．０１００％、０．０２００％、又は０．０３００％をＣｏ含有量の下限としてもよい。Ｃｏ含有量の好ましい上限値は０．０９００％、０．０８００％、又は０．０７００％である。
（Ｃｒ：０〜１．００００％）
Ｃｒは、溶接金属に固溶して、溶接金属の引張強さを高める。従って、本実施形態に係るワイヤはＣｒを含有しても良い。一方、Ｃｒ含有量が１．００００％を超える場合、溶接金属中の酸素量が増加して、溶接金属の低温靱性が劣化する。従って、Ｃｒ含有量は０〜１．００００％以下とする。Ｃｒの含有は必須でなく、Ｃｒ含有量の下限は０％である。Ｃｒ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．０１００％、０．０５００％、又は０．１０００％をＣｒ含有量の下限としてもよい。Ｃｒ含有量の好ましい上限値は０．９０００％、０．８０００％、又は０．７０００％である。
（Ｖ：０〜０．１０００％）
Ｖは溶接金属中でＶＣを生成して、このＶＣが析出強化を生じさせることで、溶接金属の引張強さが向上する。従って、本実施形態に係るワイヤはＶを含有しても良い。一方、Ｖ含有量が０．１０００％を超える場合、溶接金属の曲げ延性及び低温靱性が劣化する。したがって、Ｖ含有量は０〜０．１０００％とする。Ｖの含有は必須でなく、Ｖ含有量の下限は０％である。Ｖ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００１０％、０．００７０％、０．０１００％又は０．０１５０％をＶ含有量の下限としてもよい。Ｖ含有量の好ましい上限値は０．０９００％、０．０８００％、又は０．０７００％である。
（Ｎｂ：０〜０．１０００％）
Ｎｂは、溶接金属中でＮｂＣを生成して、このＮｂＣが析出強化を生じさせることで、溶接金属の引張強さが向上する。従って、本実施形態に係るワイヤはＮｂを含有しても良い。一方、Ｎｂ含有量が０．１０００％を超える場合、凝固偏析により、溶接金属の粒界に濃化したＮｂが低融点の金属間化合物を形成し、この金属間化合物が溶接時に凝固割れ及び再熱液化割れ等を生じさせる。さらに、Ｎｂ含有量が０．１０００％を超える場合、溶接金属中でＮｂＣ等の炭化物が粗大化し、溶接金属の靭性が劣化する。従って、Ｎｂ含有量は０〜０．１０００％とする。Ｎｂの含有は必須でなく、Ｎｂ含有量の下限は０％である。Ｎｂ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００２％、０．００２０％、０．００５０％、０．０１００％又は０．０２００％をＮｂ含有量の下限としてもよい。Ｎｂ含有量の好ましい上限値は０．０９００％、０．０７００％、０．０６００％、０．０５００％又は０．０４００％である。
（Ｂ：０〜０．０１００％）
Ｂは溶接金属の焼入れ性を高めることにより、溶接金属の引張強さを高める。従って、本実施形態に係るワイヤはＢを含有しても良い。一方、Ｂ含有量が０．０１００％を超える場合、溶接金属の曲げ延性及び低温靱性が劣化する。従って、Ｂ含有量は０〜０．０１００％とする。Ｂの含有は必須でなく、Ｂ含有量の下限は０％である。Ｂ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００１０％、０．００２０％又は０．００３０％である。Ｂ含有量の好ましい上限値は０．００９０％、０．００８０％、０．００７０％又は０．００６０％である。
（Ｂｉ：０〜０．０１００％）
Ｂｉは、スラグの剥離性を改善する。従って、本実施形態に係るワイヤはＢｉを含有してもよい。一方、Ｂｉ含有量が０．０１００％超である場合、溶接金属に凝固割れが発生しやすくなる。従って、Ｂｉ含有量は０〜０．０１００％とする。Ｂｉの含有は必須でなく、Ｂｉ含有量の下限は０％である。Ｂｉ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００１０％、０．００２０％又は０．００３０％をＢｉ含有量の下限としてもよい。Ｂｉ含有量の好ましい上限値は０．００９０％、０．００８０％、０．００７０％又は０．００６０％である。
（Ｃａ：０〜０．０２００％）
Ｃａは、ＣａＳを形成することによりＳを固定し、溶接金属の耐割れ性を高める。従って、本実施形態に係るワイヤはＣａを含有してもよい。一方、Ｃａ含有量が０．０２０％超である場合、溶接金属の清浄性が損なわれ、靱性等の機械的性能が損なわれる。また、Ｃａ含有量が０．０２０％超である場合、スパッタ量が増大し、アークが乱れ、これにより溶接欠陥が多発する。従って、Ｃａ含有量は０〜０．０２０％とする。Ｃａの含有は必須でなく、Ｃａ含有量の下限は０％である。Ｃａ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．０００５％、又は０．００１０％をＢｉ含有量の下限としてもよい。Ｃａ含有量の好ましい上限値は０．０１６０％、０．０１３０％、又は０．０１００％である。
（ＲＥＭ：０〜０．０３００％）
「ＲＥＭ」との用語は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドからなる合計１７元素を指し、上記「ＲＥＭの含有量」とは、これらの１７元素の合計含有量を意味する。ランタノイドをＲＥＭとして用いる場合、工業的には、ＲＥＭはミッシュメタルの形で添加される。
ＲＥＭは、溶接中に溶融金属中で硫化物を形成し、溶融金属中のＳ濃度を低下させ、これにより高温割れの発生を抑制する。さらに、ＲＥＭは凝固組織の微細化に寄与し、これにより溶接金属を一層高強度化する。従って、本実施形態に係るワイヤはＲＥＭを含有してもよい。一方、ＲＥＭ含有量が０．０３００％超である場合、スパッタ量が増大し、溶接作業性が劣悪となる。また、ＲＥＭ含有量が０．０３００％超である場合、スパッタ量増大などに伴う溶接欠陥及び微小欠陥等が溶接金属に生じ、これにより溶接金属の靱性が損なわれる。従って、ＲＥＭ含有量は０〜０．０３００％とする。ＲＥＭの含有は必須でなく、ＲＥＭ含有量の下限は０％である。ＲＥＭ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００１０％、０．００２０％又は０．００５０％をＲＥＭ含有量の下限としてもよい。ＲＥＭ含有量の好ましい上限値は０．０２００％、０．０１５０％、又は０．０１２０％である。
（Ｚｒ：０〜０．１０００％）
Ｚｒは、溶接金属中でＺｒＣを生成して、このＺｒＣが析出強化を生じさせることで、溶接金属の引張強さが向上する。従って、本実施形態に係るワイヤはＺｒを含有してもよい。一方、Ｚｒ含有量が０．１０００％を超える場合、溶接金属の曲げ延性及び低温靱性が劣化する。したがって、Ｚｒ含有量は０〜０．１０００％とする。Ｚｒの含有は必須でなく、Ｚｒ含有量の下限は０％である。Ｚｒ含有量の下限値を特に規定する必要はないが、０．０００１％、０．００１０％、又は０．００２０％をＺｒ含有量の下限としてもよい。Ｚｒ含有量の好ましい上限値は０．０９００％、０．０８００％、又は０．０６００％である。
（残部：不純物）
本実施形態に係るワイヤの残部は不純物である。不純物とは、ワイヤを工業的に製造する際に、鉱石若しくはスクラップ等のような原料から、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係るワイヤに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
（Ｘ値：０．０１０〜０．１８０％）
本実施形態に係るワイヤでは、下記式１によって定義されるＸ値を０．０１０〜０．１８０％とする必要がある。
Ｘ＝［Ｔａ］＋１０×［ＲＥＭ］：式１
式１中に記載の記号は、これに係る物質の単位質量％での含有量である。ＲＥＭの単位質量％での含有量が０％である場合、式１の「ＲＥＭ」には０を代入する。式１から、Ｘ値の単位は質量％である。
発明者らは、Ｔａ含有量及びＲＥＭ含有量が相違する種々のワイヤを用いて溶接金属を製造し、その引張強さと靭性とを調査した。実験の結果、図１及び図２に示されるように、Ｘ値が０．０１０％未満である場合に溶接金属の引張強さを確保できないが低温靭性が確保されていることが見出された。一方、図２に示されるように、Ｘ値が０．１８０％超である場合、溶接金属の低温靭性が低下することが見出された。即ち本発明者らは、Ｘ値を０．０１０〜０．１８０％の範囲内とすることにより、溶接金属の高強度化、高靭性化をすべて実現できることを見出した。耐高温割れ性のため、Ｘ値の下限値を０．０２０％、０．０３０％、０．０４０％又は０．０５０％とすることがより好ましい。また、同様な理由により、Ｘ値の上限値を０．１７０％、０．１５０％、０．１３０％、０．１１０％又は０．１００％である。
Ｘ値に応じて上述の現象が生じる理由は、以下に述べるようなものであると推測される。Ｔａは、溶接金属中で金属間化合物（Ｎｉ−Ｍｏ−Ｔａ系化合物、及びＮｉ−Ｗ−Ｔａ系化合物等）を生成することで析出強化を生じさせ、溶接金属の高強度化に寄与する。またＴａは高融点の炭窒化物を形成するため、高温割れを抑制する。ＲＥＭは、溶接金属の凝固組織を微細化することにより、溶接金属の高強度化に寄与する。また、ＲＥＭは、溶接中に溶融金属中で硫化物を形成し、溶融金属中のＳ濃度を低下させ、これにより高温割れの発生を抑制する。従って、Ｘ値が不足する場合、溶接金属の引張強さが不足し、且つ高温割れ発生率が増大するものと考えられる。一方、ＲＥＭを過剰に含有させると、アークが不安定になり、溶接欠陥、及び微小欠陥が溶接金属に生じ、これにより溶接金属の靭性が低下するものと考えられる。ただし、Ｔａのみでも高温割れ抑制及び引張強さの向上は可能であり、上述のＸ値の規定が満たされる限り、上述されたようにＲＥＭの含有量は０％でもよい。
（直径：好ましくは１．２〜６．４ｍｍ）
本実施形態に係るワイヤの直径は特に限定されず、溶接電流などの溶接条件などに応じて適宜変更することができる。現在用いられる通常の溶接条件などでは、ワイヤの直径は１．２〜６．４ｍｍとされることが多い。代表的なワイヤの直径としては、１．６ｍｍ、２．４ｍｍ、３．２ｍｍが挙げられる。
本実施形態に係るワイヤの製造方法は特に限定されない。例えば、上述した本実施形態に係るワイヤの化学組成と同一の化学組成を有し、且つ上述した本実施形態に係るワイヤのＸ値規定を満たす合金を溶製し、これに鍛造、圧延及び伸線などを施すことにより、本実施形態に係るワイヤを得ることができる。また、ワイヤの化学組成が一様である必要は無く、例えば上述した通り、ワイヤがその表面にＣｕめっき等を有しても良い。ワイヤの平均的な化学組成、及びこれから算出されるＸ値が上述の範囲内であれば、ワイヤは溶接中に溶融し、上述された効果を奏する。ワイヤの化学組成は、例えば、ワイヤをある程度の長さ（例えば１０ｃｍ）に切断し、これを成分分析することにより得られる。
次に、本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法について、以下に説明する。
本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、本実施形態に係るＮｉ基合金ワイヤと、焼成型フラックス（以下、「フラックス」と略す）とを用いて鋼をサブマージアーク溶接する工程を含む。フラックスとしては、被溶接材である鋼材の成分、及び機械特性等を考慮しながら、ＬＮＧ貯蔵タンク用のフラックスとして市場で入手可能なものを適宜利用することができる。フラックスの例として、ＪＩＳ Ｚ ３３３３：２００７に規定されたフラックスであるＦＳ−９Ｎｉ−Ｆ又はＦＳ−９Ｎｉ−Ｈ等がある。その他にも、日鉄住金溶接工業株式会社のＮＩＴＥＴＳＵ ＦＬＵＸ１０Ｈ、株式会社神戸製鋼所のＵＳ−７０９Ｓ、ＥＳＡＢのＯＫ ＦＬＵＸ １０．９０などが挙げられる。これらは、各溶接材料メーカーのカタログ等に、ＬＮＧ貯蔵タンク用のサブマージアーク溶接用の焼成型フラックスとして掲載されており、市場で容易に入手可能である。本実施形態に係る溶接継手の製造方法において用いられるワイヤは、溶接部に所要の機械特性を付与するためのＮｉ等の合金元素を十分に含むので、被溶接材の種類に関わらず、良好な引張強さ、及び低温靱性等を有する溶接継手を製造可能である。５．５％Ｎｉ鋼、６〜７％Ｎｉ鋼及び９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼を被溶接材とした場合、溶接継手全体に良好な引張強さ、及び低温靱性等を付与することができるので、特に好適である。
本実施形態に係る溶接継手の製造方法における、フラックス成分の特に好ましい一例は、以下の通りである。なお、特に断りが無い限り、フラックスの成分に関する単位「％」は、フラックスの全質量に対する質量％を意味する。
（Ａｌ２Ｏ３：１０％以上３０％未満）
Ａｌ２Ｏ３は、スラグ形成剤であり、溶接ビードの平滑性、溶接ビードの始端部の濡れ性、及び溶接ビードの直線性を適切に確保し、溶接ビード外観及び溶接ビード形状を向上させる。この効果を確実に得るためには、Ａｌ２Ｏ３含有量を１０％以上とすることが好ましい。一方、Ａｌ２Ｏ３含有量が３０％以上であると、溶接金属の酸素量が過剰となり、低温時の衝撃性能が劣化するおそれがある。したがって、Ａｌ２Ｏ３含有量は１０％以上３０％未満とすることが好ましい。
（ＣａＯ：０．１〜１５．０％）
ＣａＯは、スラグの融点及び流動性を調整することにより、ビード始端部のなじみを良好にし、ビード外観を向上させ、さらにアンダーカット発生を防止する。この効果を確実に得るためには、ＣａＯ含有量を０．１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃａ含有量が１５．０％を超えると、スラグ流動性が不良となり、ビード高さが不均一となり、スラグ剥離性が不良になるおそれがある。したがって、ＣａＯ含有量は０．１〜１５．０％とすることが好ましい。
（ＳｉＯ２：０．１〜１０．０％）
ＳｉＯ２は、溶融スラグの粘性を適切に確保し、溶接ビード形状を良好にする。この効果を確実に得るためには、ＳｉＯ２含有量を０．１％以上とすることが好ましい。一方、ＳｉＯ２含有量が同じく１０．０％を超える場合、溶融スラグの粘性が過剰となり、溶接ビードの直線性が低下して溶接ビードの形状が劣化したり、溶接ビード幅が狭小となってアンダーカットが生じたりするおそれがある。したがって、ＳｉＯ２含有量は０．１〜１０．０％とすることが好ましい。
（金属弗化物：２０〜５０％）
金属弗化物は、溶接金属の酸素量を下げて、溶接金属の靭性を一層向上させる。また、金属弗化物はフラックスの融点を調整するために用いられる場合もある。この効果を確実に得るためには、金属弗化物の含有量をフラックス全質量あたり２０％以上とすることが好ましい。一方、金属弗化物の含有量が５０％超である場合、フラックスの融点が過度に低下することでビード形状が不安定化するおそれがあり、またアークが不安定化するおそれがある。したがって、金属弗化物含有量は２０〜５０％とすることが好ましい。なお、金属弗化物は例えば、ＬｉＦ、ＫＦ、ＮａＦ、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＡｌＦ３、Ｎａ２Ｆ、ＢａＦ２、ＡｌＮａ３Ｆ６、ＺｒＳｉ３Ｆ６、及びＫ２Ｆ等からなる群から選択される一種以上である。
（金属炭酸塩：０．１〜１０．０％）
金属炭酸塩は、溶接中にＣＯ２ガスを発生させ、溶接金属をシールドする。この効果を確実に得るためには、金属炭酸塩の含有量を０．１％以上とすることが好ましい。一方、金属炭酸塩の含有量が１０．０％超である場合、アーク状態が不安定となり、ビード形状が不良となるおそれがある。したがって、金属炭酸塩の含有量は、０．１〜１０．０％とすることが好ましい。なお、金属炭酸塩は例えば、ＣａＣＯ３、ＭｇＣＯ３、ＢａＣＯ３等からなる群から選択される一種以上である。
（焼成型フラックスの残部）
焼成型フラックスの残部は、酸化鉄等の酸化物、及び不純物である。なお、フラックスが金属物質（即ち、単体の金属元素からなる金属粉、及び複数の金属元素の合金からなる合金粉等）を含んでも良い。フラックス中の金属物質は、溶接中に溶融して、ワイヤを構成する金属と同様の作用効果を奏する。
本実施形態に係る溶接継手の製造に供する鋼材として、公知のＬＮＧタンク用鋼、例えば、ＪＩＳ Ｇ ３１２７：２０１３のＳＬ７Ｎ５９０又はＳＬ９Ｎ５９０、ＡＳＴＭ Ａ５５３のＴｙｐｅ−１、ＡＳＴＭ Ａ８４１のＧｒａｄｅ Ｇ Ｃｌａｓｓ ９又はＣｌａｓｓ １０などを用いることができる。
溶接条件としては、原則として、各溶接材料メーカーのカタログ等に記載されている既存の溶接材料と同じ条件を用いてよい。なお、ＬＮＧタンクの溶接施工に十分な経験を有する者であれば、通常の溶接施工要領書を作成するときのように、必要に応じて、事前の溶接試験などにより、ワイヤ径や溶接姿勢毎などに応じて最適な溶接条件を容易に決定することができる。
表１に示す焼成型フラックス、表２−１〜表２−４に示すワイヤ径２．４ｍｍのＮｉ基合金ワイヤ、および板厚１６ｍｍの６％Ｎｉ鋼板（ＡＳＴＭ Ａ８４１ Ｇｒａｄｅ Ｇ Ｃｌａｓｓ １０の鋼板）を用い、ＪＩＳ Ｚ ３３３３：２００７の溶接継手の曲げ試験片採取用溶接試験体に準拠し、下向および横向姿勢溶接を行った。溶接条件は表３に記載された通りとした。ブローホールおよび割れ率については、ＪＩＳ Ｚ ３１０６：２００１に準じて放射線透過試験を行い、透過写真の観察を行い、ブローホールの有無及び割れ率を調査した。割れ率は、生じた割れの長さの合計を溶接長（Ｘ検査した溶接長）で割った値とした。ブローホール又は割れが認められた試料は、溶接作業性について不合格と判定された。なお、表１に記載のフラックス中の各成分の含有量は、フラックスの原料のカタログ値から算出した値であり、残部は不純物と考えられる。表２−１〜表２−４において、発明範囲外である値には下線を付した。
溶接金属の機械的性質は、以下の手順で評価した。上記ＪＩＳ Ｚ ３３３３：２００７に従って作成した溶接継手から、引張試験用の試験片、衝撃試験用の試験片、及び曲げ試験用の試験片を採取した。
引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５ Ａ２号試験片を溶接金属から採取（試験片長手方向と溶接線方向とが一致するように採取）して試験を行い、７２０ＭＰａ以上の引張強さ、及び４３５ＭＰａ以上の降伏強さを有する試験片に係る例を、溶接金属の機械特性に関して良好と判断した。なお、現在の溶接材料の商取引などにおいて、溶接金属の降伏強さの要求はないが、本実施例では本発明の課題に鑑みて暫定的に４３５ＭＰａ以上で評価した。
衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５ ４号試験片（試験片のノッチ位置は溶接金属中央）を採取し、試験温度−１９６℃での衝撃試験を行い、５０Ｊ以上の吸収エネルギーを有する試験片のかかる例を、低温靭性に関して良好と判断した。
曲げ試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１２２：２０１３に準じて縦表曲げ試験片を溶接金属から採取し、裏面から試験片の厚さ（ｔ）を１０ｍｍに減肉加工し、これに曲げ半径Ｒが１．０×ｔ（つまり、曲げ半径Ｒ＝１０ｍｍ）の曲げ加工を行い、その後試験片を目視で評価することにより実施した。試験片に、目視で割れが確認されなかった例を、曲げ性に関して良好と判断した。
試験に用いたフラックスおよびワイヤの種類も含め、すべての試験結果を表４−１及び表４−２にまとめて示す。ただし、上述の方法で評価されたブローホール有無調査の結果、全発明例及び比較例においてブローホールの存在が確認されなかったので、表４−１及び表４−２においてブローホールの試験結果の記載は省略された。
Figure 0006418365
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本発明の要件をすべて満たすワイヤＹ１〜Ｙ１６は、試験において良好な特性を示した。即ち、ワイヤＹ１〜Ｙ１６を用いた溶接の結果、溶接金属にブローホール及び割れが発生せず、ビード形状が良好であり、さらに溶接金属の機械特性も良好であった。
一方、本発明の要件のうち１つ以上を満たさない比較例ワイヤＺ１〜Ｚ１９においては、以下の不具合が生じた。
Ｚ１は、Ｔａが不足した。そのため、Ｚ１を用いた溶接では、割れが生じ、降伏強さ及び引張強さが不足した。
Ｚ２は、Ｔａが過剰であった。そのため、Ｚ２を用いた溶接では、低温靭性及び曲げ延性が不足した。
Ｚ３、Ｚ５、及びＺ６は、Ｘ値が不足した。そのため、これらを用いた溶接では、降伏強さ及び引張強さが不足した。さらにＺ６においては溶接金属に割れが発生し、曲げ延性も不足した。
Ｚ４、Ｚ７、及びＺ８は、Ｘ値が過剰であった。そのため、これらを用いた溶接では、低温靭性が不足した。さらにＺ４では降伏強さ不足及びビード形状不良が生じた。Ｚ７ではビード形状不良及び曲げ延性不足が生じた。Ｚ８では降伏強さ不足及び曲げ延性不足が生じた。

Claims (5)

  1. サブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤであって、
    化学組成が、質量％で
    Ｃ：０．００１〜０．０６０％、
    Ｓｉ：０．０１〜３．００％、
    Ｍｎ：０．０１〜６．００％、
    Ｍｏ：１５．０〜２５．０％、
    Ｗ：２．５〜１０．０％、
    Ｔａ：０．００２〜０．１００％、
    Ｎｉ：６５．０〜８２．４％、
    Ａｌ：０〜２．００％、
    Ｔｉ：０〜２．００％、
    Ｃｕ：０〜１．０％、
    Ｐ：０．０２００％以下、
    Ｓ：０．０２００％以下、
    Ｎ：０〜０．１０００％、
    Ｏ：０〜０．０１００％、
    Ｆｅ：０〜１０．００００％、
    Ｃｏ：０〜０．１０００％、
    Ｃｒ：０〜１．００００％、
    Ｖ：０〜０．１０００％、
    Ｎｂ：０〜０．１０００％、
    Ｂ：０〜０．０１００％、
    Ｂｉ：０〜０．０１００％、
    Ｃａ：０〜０．０２００％、
    ＲＥＭ：０〜０．０３００％、
    Ｚｒ：０〜０．１０００％、及び
    残部：不純物であり、
    下記式１によって定義されるＸ値が０．０１０〜０．１８０％である
    ことを特徴とするサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ。
    Ｘ＝［Ｔａ］＋１０×［ＲＥＭ］：式１
    前記式１中に記載の記号は、これに係る物質の質量％での含有量である。
  2. 前記Ｘ値が０．０２０〜０．１５０％である
    ことを特徴とする請求項１に記載のサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ。
  3. Ａｌ含有量及びＴｉ含有量の合計値が、質量％で、０．０１〜４．００％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ。
  4. 直径が１．２〜６．４ｍｍである
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のサブマージアーク溶接用Ｎｉ基合金ワイヤ。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のＮｉ基合金ワイヤと、焼成型フラックスとを用いて鋼をサブマージアーク溶接する工程
    を備える溶接継手の製造方法。
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