JP6881025B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ、及び溶接継手の製造方法 - Google Patents
ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ、及び溶接継手の製造方法 Download PDFInfo
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Description
特許文献2には、フラックス中に金属弗化物を添加し、酸素量を低減し、併せてNi添加で靭性を向上させるフラックス入りワイヤが開示されている。
特許文献3には、フラックス中のスラグ成分をTi酸化物系から金属弗化物系に置き換えることで溶接金属酸素量を低減させ、弗化物と酸化物の比を規定させて低温靭性を向上させるフラックス入りワイヤが開示されている。
特許文献4には、強度780MPa以上の溶接金属において−40℃の靭性を確保するためにフラックスをTi酸化物系から金属弗化物系に置き換え、Mo添加量を規定している。
非特許文献1には、Niを2%程度含有したフラックス入りワイヤを使用することで、−90℃での吸収エネルギーが100J程度となることが開示されている。
しかし、これら文献に開示されているフラックス入りワイヤを用いて溶接して得られた溶接金属に対して、−100℃で低温靱性を評価した場合、要求される水準に達しないことがあった。
(1)本発明の一態様に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮とフラックスとを備え、前記フラックスが、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、LiF、NaF、CaF2、BaF2、SrF2、及びMgF2のうちの1種又は2種以上である弗化物:合計2.00%以上10.00%以下、Ti酸化物:0.20%以上2.00%以下、及び、Si酸化物:0.20%以上1.00%以下を含有し、更に、前記フラックス入りワイヤの前記弗化物、及び前記酸化物を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、C:0.001%以上0.080%以下、Si:0.001%以上0.800%以下、Mn:0.10%以上1.50%以下、Al:0.010%以上0.500%以下、Ni:3.00%以上5.50%以下、Ti:0.010%以上0.100%以下、Mg:0.20%以上0.80%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Mo:0.001%以上0.500%以下、及びB:0.00001%以上0.01000%以下、を含有し、残部がFe及び不純物からなり、下記(1)式で定義される高温割れ感受性指標βが3.100以下であり、下記(2)で定義される伸び指標γが1.39以下である。
β=[Si]/6+[Mn]/1.5+[Ni]/3+200×[B]・・・(1)
γ=[Mn]+[Mo]+[Mg]・・・(2)
但し、(1)および(2)式の[]付元素は、それぞれの元素の含有量(質量%)を表す。
(2)上記(1)に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記弗化物、及び前記酸化物を除く前記化学成分が更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、Cu:0.50%以下、及びREM:0.050%以下からなる群から選択される一種以上を含有してもよい。
(3)上記(1)又は(2)に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、下記(3)式で示される焼入れ性指標αが0.250%以上0.590%以下であってもよい。
α=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+[Mo]/5・・・(3)
なお、式(3)の[]付元素は、前記弗化物、及び前記酸化物を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量を表す。
(4)本発明の別の態様に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮とフラックスとを備え、前記フラックスが、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、LiF、NaF、CaF 2 、BaF 2 、SrF 2 、及びMgF 2 のうちの1種又は2種以上である弗化物:合計2.00%以上10.00%以下、Ti酸化物:0.20%以上2.00%以下、及び、Si酸化物:0.20%以上1.00%以下を含有し、前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、Al酸化物:0.50%未満、Ca酸化物:0.50%以下、Mn酸化物:0.50%以下、Mg酸化物:0.50%以下、炭酸塩:0.50%以下、及び、アーク安定剤:0.50%以下の1種又は2種以上を含有し、更に、前記フラックス入りワイヤの前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、C:0.001%以上0.080%以下、Si:0.001%以上0.800%以下、Mn:0.10%以上1.50%以下、Al:0.010%以上0.500%以下、Ni:3.00%以上5.50%以下、Ti:0.010%以上0.100%以下、Mg:0.20%以上0.80%以下、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Mo:0.001%以上0.500%以下、及びB:0.00001%以上0.01000%以下、を含有し、残部がFe及び不純物からなり、下記(1)式で定義される高温割れ感受性指標βが3.100以下であり、下記(2)で定義される伸び指標γが1.39以下である。
β=[Si]/6+[Mn]/1.5+[Ni]/3+200×[B]・・・(1)
γ=[Mn]+[Mo]+[Mg]・・・(2)
但し、(1)および(2)式の[]付元素は、それぞれの元素の含有量(質量%)を表す。
(5)上記(4)に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤでは、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分が更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、Cu:0.50%以下、及びREM:0.050%以下からなる群から選択される一種以上を含有してもよい。
(6)上記(4)又は(5)に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤでは、下記(3)式で示される焼入れ性指標αが0.250%以上0.590%以下であってもよい。
α=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+[Mo]/5・・・(3)
なお、式(3)の[]付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量を表す。
(7)上記(1)〜(6)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、鉄粉:10.0%未満を含有してもよい。
(8)上記(1)〜(7)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮がスリット状の隙間の無い形状であってもよい。
(9)上記(1)〜(7)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有する形状であってもよい。
(10)上記(1)〜(9)のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮の表面に、パーフルオロポリエーテル油を更に備えてもよい。
(11)本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、上記(1)〜(10)のいずれか一項に記載の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て鋼板を溶接する工程を備える。
(12)上記(11)に記載の溶接継手の製造方法は、前記溶接する工程において用いられるシールドガスが、Arと、5〜40Vol%CO2との混合ガスであってもよい。
本発明者らは、溶接金属の低温靱性が向上するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて検討した。低温環境下で使用される鋼材、特に、Ni系低温用鋼の接合で形成される溶接金属に対しては、−100℃での靱性(低温靭性)が34J以上であることが要求される。この低温靱性を確保するために、本発明者らは、(1−1)溶接金属中の酸素量の低減、及び(1−2)溶接金属の組織細粒化、及び(1−3)溶接金属中での粒界フェライト生成の抑制を行う必要があり、さらに(1−4)溶接金属中での第二相生成の抑制を行うことが好ましいと知見した。更に、(1−5)溶接金属中のNi量も靭性に大きく影響を与える。ただし、フラックス入りワイヤのNi量を増大させると製造コストが増大し、さらに高温割れ発生の恐れが増大するので、本発明者らは、Ni含有量は最低限とし、その他の(1−1)〜(1−4)の手段を用いて低温靭性を向上させることを試みた。
溶接金属中の酸素量の低減手段としては、LiF、NaF、CaF2、及びMgF2などの弗化物成分をフラックス入りワイヤに含有させること、Si、Mn、Ti、及びAlなどの脱酸元素を脱酸成分として(即ち弗化物、酸化物、及び炭酸塩を構成しない形態で)フラックス入りワイヤに含有させること、及び不活性ガスを使用してガスシールドアーク溶接を行うことが考えられた。しかし、不活性ガスを使用したガスシールドアーク溶接は、アークが不安定となること、溶込み深さが十分に得られないこと、及び、溶接欠陥がない健全な溶接金属を得ることができないことがあるので、溶接金属中の酸素量の低減手段として使用することが難しい場合もあると本発明者らは考えた。従って本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいては、溶接金属中の酸素量を低減させるために、弗化物成分及び金属脱酸成分が所定範囲内とされる。
低温靭性を確保するための組織細粒化手段として、本発明者らは、微細な粒内変態組織の生成核と言われているTi化合物、及びAl化合物(主に、Ti酸化物及びAl酸化物)を活用することとした。溶接金属中に微細分散されたTi酸化物及びAl酸化物は、結晶粒の析出核として働くことにより、溶接金属の組織における結晶粒径を微細化させることができる。溶接金属に含まれるTi酸化物及びAl酸化物の個数を増大させるために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、合金Al含有量、合金Ti含有量、及びTi酸化物の含有量が所定範囲内とされる。なお、後述されるスラグ成分としてのTi酸化物及びAl酸化物は、その大半が溶接の際に溶接金属から排出されてスラグとなるので、溶接金属に含まれるTi酸化物及びAl酸化物とは区別される。
溶接による溶融・凝固後の溶接金属では、温度低下の際にオーステナイト組織から粒界フェライトが生成し、この粒界フェライトが溶接金属の低温靭性を劣化させる場合がある。従って、溶接金属の粒界フェライトの生成を抑制することも、溶接金属の低温靱性の向上に寄与する。
上記(1−1)〜(1−3)の手段により、Ni含有量を十分に低減させながら溶接金属の低温靭性を高めることができる。しかしながら、溶接金属における第二相の生成を抑制することにより、一層の低温靭性向上が可能となる。第二相とは、MA(島状マルテンサイト)などである。本発明者らは、以下の式(3)によって定義される焼入れ性指標αを所定範囲内とすることにより、溶接金属において第二相の生成が抑制されることを知見した。
α=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+([Mo])/5・・・(3)
なお、式(3)の[]付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤ全質量に対する質量%での含有量を表す。
低温靭性を確保するためには、フラックス入りワイヤ中にNiを添加することが有効であるが、Niは溶接金属における高温割れの発生を促進し、フラックス入りワイヤの耐高温割れ性を損なう元素でもある。
β=[Si]/6+[Mn]/1.5+[Ni]/3+200×[B]・・・(1)
高温割れ率と高温割れ発生指標βとの間の相関関係を確認するために、本発明者らは表5に示す試験用フラックス入りワイヤを作製して、これらフラックス入りワイヤを用いて溶接した際の高温割れ率について調査した。その結果を表6及び図3に示す。
溶接金属の伸びは、溶接金属の硬さ及び引張強さと反比例する傾向にある。従って本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、溶接金属に必要とされる引張強さを確保可能な範囲内で、C、Si、Mn、及びNiなどの焼入れ性を高める元素の量を減少させることで、溶接金属の伸びが確保される。また、B含有によりオーステナイト粒界の焼入れ性を高めることで、C、Si、Mn、Niなどの焼入れ性を高める元素の添加量を抑えることができるため、溶接金属の強度が過剰に上昇せず、靭性と伸びの一層の向上に繋がる。
γ=[Mn]+[Mo]+[Mg]・・・(2)
なお、式(2)の[]付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤ全質量に対する質量%での含有量を表す。
上述したように、低温靭性に優れた溶接金属を得るためには、フラックス入りワイヤに弗化物を含有させて溶接金属の酸素量を低減することが必須である。しかしながら弗化物は、溶接の際に生じるスパッタ発生量を著しく増大させる。多量のスパッタは、溶接後の塗装ムラ及び後続溶接におけるブローホールなどの溶接欠陥発生をもたらす。溶接欠陥は、溶接金属の強度、靱性、及び伸び等を損なう。
Cは、溶接金属の焼入れ性を向上させ、粒内変態を促進させ、これにより溶接金属の強度を確保する元素である。粒内変態を促進するためには、Cをフラックス入りワイヤに0.001%以上含有させる必要がある。溶接金属の強度の向上のために、C含有量の下限を0.005%、0.008%、0.010%、又は、0.013%としてもよい。一方で、多量のNiを含有する溶接金属では、焼入れ性が高い組織となるので、フラックス入りワイヤにCを0.080%超含有させると、溶接金属が極めて硬化し、その靭性及び伸びが大きく低下し、また、高温割れ及び低温割れが溶接金属に発生する。従ってC含有量の上限値は0.080%とする。安定して靭性を確保するためには、C含有量の上限を0.070%、又は、0.060%としてもよい。
Siは、溶接金属の清浄度を向上し、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制するために必要な元素である。これらの効果を得るためには、フラックス入りワイヤにおいて0.001%以上のSiの含有が必要である。溶接欠陥の発生を一層防止するために、Siの下限を0.250%、又は、0.300%としてもよい。一方で、多量のNiを含有する溶接金属では、Siはミクロ偏析しやすく、0.800%超のSiをフラックス入りワイヤに含有させると、Si偏析部で顕著な脆化が生じる。従ってSi含有量の上限値は0.800%とする。また、溶接金属の靭性を安定して確保するためには、上限を0.600%、又は、0.550%としてもよい。
Mnは、溶接金属の清浄度を向上し、さらにMnSを形成することで、Sを無害化し、溶接金属の靭性を向上させるのに必要な元素である。その効果を得るためには、フラックス入りワイヤにMnを0.10%以上含有させる必要がある。靭性の一層の向上のために、Mn含有量の下限を0.20%、0.30%、又は、0.40%としてもよい。一方、多量のNiを含有する溶接金属では、Mnはミクロ偏析しやすく、フラックス入りワイヤにMnを1.50%超含有させると、Mn偏析部で顕著な脆化が生じる。また、溶接金属の靭性を一層安定して確保するためには、Mn含有量の上限を1.10%、1.00%、又は、0.95%としてもよい。
Alは、強脱酸剤であり、スラグ剤であるTi酸化物からTiを還元し、溶接金属のミクロ組織微細化に有効な微細Ti酸化物を確保する上で必須の元素である。しかし、フラックス入りワイヤにおけるAl含有量が0.010%未満では、Alによるスラグ剤Ti酸化物の還元効果が不足するので、粒内フェライトの核となる溶接金属中の微細Ti酸化物が確保できない。この場合、溶接金属のミクロ組織が細粒化されないので、溶接金属の低温靱性が改善されない。従ってAl含有量は0.010%以上とする。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Al含有量の下限を0.030%、又は、0.040%としてもよい。一方、0.500%超のAlをフラックス入りワイヤに含有させると、Al酸化物量が大幅に増加して、Al酸化物とTi酸化物との大形の複合酸化物が溶接金属中に形成される。この結果、溶接金属中のTi酸化物が粒内フェライトの核として機能しなくなり、溶接金属のミクロ組織が微細化されないので、溶接金属の靱性が低下する。また、この場合、Al窒化物の生成量が多くなることによっても溶接金属の靭性が低下する。従ってAl含有量の上限を0.500%とする。また、溶接金属の靭性を一層安定して確保するためには、Al含有量の上限を0.200%、0.100%、又は0.050%としてもよい。
Niは、固溶靱化(固溶により靭性を高める作用)により、溶接金属の組織、成分によらず、その靱性を向上できる唯一の元素である。特に、−100℃での溶接金属の低温靭性を確保するためには、Niは必須の元素である。この効果を得るためには、3.00%以上のNiをフラックス入りワイヤに含有させる必要がある。一層安定して低温靭性を確保するためには、Ni含有量の下限を3.10%、3.20%、又は、3.50%としてもよい。一方、5.50%超のNiをフラックス入りワイヤに含有させると、その効果が飽和するのに加え、溶接材料コストが高騰し、さらに溶接金属の高温割れが発生するおそれが高まる。従って、Ni含有量を5.50%以下とする。Ni含有量の上限を5.30%、5.00%又は、4.80%にしてもよい。
Tiは、強脱酸剤であり、フラックス入りワイヤに含まれる金属Tiのうち一部が酸化されスラグオフされ、その残りが溶接金属中に留まる。この溶接金属中に留まるTiは、微細なTi介在物を形成して、粒内変態核として働き、溶接金属の組織を微細化させる。従って、Tiは溶接金属の低温靱性を向上させる働きがある。また、フラックス入りワイヤにBが含まれる場合、TiはBの効果を促進させる働きを有する。初期の溶融金属凝固過程の高温域で、TiはBより先に窒化物を形成してNを固定する。これにより、以降の溶融金属凝固過程でBがBNを形成することがない。つまりTiは、BをフリーBとしてオーステナイト粒界に偏析させる上で必須の成分である。このフリーBは、粒界での粗大なフェライトの生成を抑制することにより、Ti酸化物による粒内フェライト微細化効果と相乗して、溶接金属の低温靱性の改善効果を奏する。この効果は、Ti酸化物の還元によるTi量確保のみでは不十分であり、金属Tiをフラックス入りワイヤに含有させることにより初めて上記効果が得られる。しかし、フラックス入りワイヤにおけるTi含有量が0.010%未満では、金属Tiのほとんどが酸化消耗され、TiNを形成するために十分な量のTiが溶接金属に留まらないので、上記効果が十分得られず、ミクロ組織の微細化が不十分となり、靭性改善効果が得られない。靭性の一層の向上のために、Ti含有量の下限を0.030%、又は、0.040%としてもよい。また、0.100%超のTiをフラックス入りワイヤに含有させると、固溶Tiが増加し、溶接金属が過度に硬化し、著しく靱性が低下する。また、過剰量のTiには、スパッタ発生量を増大させて溶接作業性の悪化と溶接欠陥の発生とを生じさせる恐れもある。従って、Ti含有量は0.100%以下とする。また、溶接金属の靭性を一層安定して確保するためには、Ti含有量の上限を0.080%、又は、0.070%としてもよい。
Pは、不純物元素であり、溶接金属に高温割れを生じさせ、さらに溶接金属の靱性を劣化させる場合があるので、極力低減することが好ましい。この悪影響が許容できる範囲として、フラックス入りワイヤのP含有量を0.030%以下に制限する。溶接金属の靭性の一層の向上のために、P含有量の上限を0.015%、0.010%、0.008%、又は、0.006%としてもよい。
Sは、不純物元素であり、溶接金属に高温割れを生じさせ、さらに溶接金属の靱性を著しく劣化させる場合があるので、極力低減することが好ましい。溶接金属の靱性への悪影響が許容できる範囲として、フラックス入りワイヤのS含有量を0.030%以下に制限する。溶接金属の靭性の一層の向上のために、0.008%、0.006%、0.004%、又は、0.003%としてもよい。
Mgは、強脱酸元素である。脱酸には、溶接金属の酸素を低減し、溶接金属の靭性を改善する効果がある。また、脱酸によりブローホールの発生も抑制される。この効果を得るために、フラックス入りワイヤのMg含有量を0.20%以上とする。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Mg含有量の下限を0.25%又は0.30%としてもよい。一方、0.80%超のMgをフラックス入りワイヤに含有させると、溶接時にスパッタ発生量が増加し、さらにアーク安定性が損なわれるので、溶接作業性が劣化する。溶接作業性の向上のために、Mg含有量の上限を0.70%、0.60%、又は、0.50%としてもよい。
Moは、溶接金属の強度を高めるために有効な元素である。この効果を得るために、フラックス入りワイヤのMo含有量を0.001%以上とする。一方、Mo含有量が0.500%を超えると溶接金属の靭性が低下するので、Mo含有量は0.500%以下とする。溶接金属の靭性の向上のために、Mo含有量の上限を0.300%、0.200%又は0.100%としてもよい。上述の効果を得るためには、Mo含有量の下限を0.010%としてもよい。
Bは、フラックス入りワイヤを介して溶接金属中に適正量含有させると、固溶Nと結びついてBNを形成して、溶接金属の靭性に対する固溶Nの悪影響を減じる効果がある。また、溶接金属においてオーステナイト粒界の焼入れ性を高めることで、粗大な粒界フェライト生成を抑制し、低温靭性を確保できる効果がある。しかし、フラックス入りワイヤにBを0.01000%超含有させると、溶接金属中のBが過剰となり、粗大なBNやFe23(C、B)6などのB化合物を形成して靭性を逆に劣化させる。靭性の一層の向上のために、B含有量の上限を0.00800%、又は、0.00600%としてもよい。B含有の効果を一層確実に得るためには、B含有量の下限を0.00001%、0.00005%、0.00010%又は0.00015%としてもよい。
Cuは、ワイヤの外皮表面のめっき、及び、フラックスに単体又は合金として含有される場合があり、溶接金属の強度を向上させる効果がある。しかし0.50%超のCuをフラックス入りワイヤに含有させると、溶接金属の靭性が低下する。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Cu含有量の上限を0.30%、0.20%、又は、0.10%としてもよい。なお、Cuの含有量については、外皮自体やフラックス中に含有されている分に加えて、ワイヤ表面に銅めっきされる場合には、その分も含む。上述の効果を得るためには、Cu含有量の下限を0.01%としてもよい。
REMは、溶接金属中での硫化物及び酸化物のサイズを微細化して、溶接金属の靭性向上に寄与することができる元素である。上述の効果を得るために、REM含有量の下限を0.001%としてもよい。しかし、フラックス入りワイヤに0.050%超のREMを含有させると、スパッタが激しくなり、溶接作業性が劣悪となる。また、スパッタの低減及びアークの安定に寄与するために、REM含有量の上限を、0.030%、0.020%、0.010%、0.005%、又は0.001%としてもよい。なお「REM」との用語は、Sc、Yおよ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。
溶接金属の靱性を高めるために、下記(1)式で示される焼入れ性の指標αが0.250%以上0.590%以下となるように、合金成分又は脱酸成分(即ち弗化物、酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分)の含有量を調整することが好ましい。焼入れ性指標αが0.250%以上である場合、溶接金属の靭性を損なう粒界フェライトの生成を一層抑制することができるからである。一方、焼入れ性指標αが0.590%以下である場合、溶接金属の靭性を損なう第二相(例えばMA等)の生成を一層抑制し、さらに溶接金属の過剰な硬化を確実に防ぐこともできる。
α=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+[Mo]/5・・・(1)
なお、式(1)の[]付元素は、合金成分又は脱酸成分として含まれるそれぞれの元素のフラックス入りワイヤ全質量に対する質量%での含有量を表す。
フラックス入りワイヤに含有される合金成分は、高温割れを発生させやすくする場合があり、これを抑制するべく、下記式(2)で示される高温割れ感受性の指標βが3.100以下となるように、合金成分又は脱酸成分の含有量を調整する必要がある。
β=[Si]/6+[Mn]/1.5+[Ni]/3+200×[B]・・・(2)
なお、式(2)の[]付元素は、合金成分又は脱酸成分として含まれるそれぞれの元素のフラックス入りワイヤ全質量に対する質量%での含有量を表す。
溶接金属の伸びを改善すべく、下記(3)式で示される伸びの指標γが1.39以下となるように合金成分又は脱酸成分の含有量を調整する必要がある。
γ=[Mn]+[Mo]+[Mg]・・・(3)
なお式(3)の[]付元素は、合金成分又は脱酸成分として含まれるそれぞれの元素のフラックス入りワイヤ全質量に対する質量%での含有量を表す。
フラックスに含まれるTiO2等のTi酸化物は、溶接中にその大半がスラグとして溶接金属の外部に放出される。しかし上述されたように、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックス中のTi酸化物の一部は、Alによって一旦還元されて金属Tiとなった後、溶接金属中の酸素と結びついて、溶接金属中で、溶接金属のミクロ組織微細化に有効なTi酸化物となる。従って、Ti酸化物は、合金成分としてのAlとの相乗効果として、溶接金属の微細化及び低温靭性向上に寄与する。さらにTi酸化物は、スラグ剥離性を良好なものとし、且つアーク安定性を向上させる効果も有する。これら効果を発揮するために、0.20%以上のTi酸化物をフラックス入りワイヤに含有させる。Ti酸化物の含有量の下限を0.50%、又は、0.80%としてもよい。一方で、2.00%を超えてTi酸化物を含有させると、溶接金属酸素量を増加させ、溶接金属の低温靭性を低下させる。また、過剰量の酸化物を含有させた場合、スパッタ量が増大して溶接作業性の低下と溶接欠陥の発生とを招く恐れがある。従ってTi酸化物の含有量は2.00%以下とされる。安定して溶接金属の低温靭性を確保するためには、Ti酸化物の含有量の上限を1.70%、又は、1.40%としてもよい。また、Ti酸化物としてはTiO2が例示される。
Si酸化物は、スラグ形状を整え、溶接後のスラグ剥離を容易にし、さらにアークを安定化させるために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに0.20%以上含有させる。Si酸化物の含有量の下限を0.30%、又は、0.40%としてもよい。しかし、1.00%超のSi酸化物をフラックス入りワイヤに含有させると、Si酸化物に含まれる酸素が溶融池に入りこむことで溶接金属の酸素量が増加し、溶接金属の靱性が低下する。また、過剰量の酸化物を含有させた場合、スパッタ量が増大して溶接作業性の低下と溶接欠陥の発生とを招く恐れがある。従って、Si酸化物の含有量を1.00%以下とする。安定して低温靭性を確保するためには、上限を0.80%、又は、0.70%としてもよい。また、Si酸化物としてはSiO2が例示される。
Al酸化物、Ca酸化物、Mn酸化物、及び、Mg酸化物は、スラグ形状を整え、溶接後のスラグ剥離を容易にし、アークを安定にするために添加することができる。しかし、Al酸化物を0.50%以上、Ca酸化物を0.50%超、Mn酸化物を0.50%超、又は、Mg酸化物を0.50%超含有させると、各金属酸化物に含まれる酸素が溶融池に入りこむことで溶接金属の酸素量が増加し、溶接金属の靱性が低下する。また、過剰量の酸化物を含有させた場合、スパッタ量が増大して溶接作業性の低下と溶接欠陥の発生とを招く恐れがある。一方、上述の効果を得るために、これらの酸化物それぞれの下限を0.05%とすることができる。また、Al酸化物としてはAl2O3、Ca酸化物としてはCaO、Mn酸化物としてはMnO、Mg酸化物としてはMgOが例示される。
炭酸塩は、アーク安定化作用を有し、さらにアーク集中性を高めることができる。炭酸塩としては、CaCO3、BaCO3、SrCO3、MgCO3、及びLi2CO3が例示される。しかし炭酸塩を合計で0.50%超含有させると、アークの集中性が強すぎて、スパッタ発生量が多くなる。また、炭酸塩の合計含有量の上限を0.40%、0.20%、0.10%、又は、0.07%としてもよい。
アーク安定剤をフラックス中に含有させてもよい。アーク安定剤としては、Na、又は、Kの酸化物又は弗化物(たとえば、Na2O、NaF、K2O、KF、K2SiF6、K2ZrF6)がある。また、0.50%超のアーク安定剤を含有させると、アークが強くなりすぎて、スパッタ発生量の増加などが生じる。アーク安定剤の含有量の合計を0.40%以下、0.30%以下、0.20%以下、0.10%以下に制限してもよい。なお、アーク安定剤としての酸化物及び弗化物は、上述されたスラグ形成剤としての酸化物、及び、弗化物には含めない。
鉄粉は、フラックス入りワイヤにおけるフラックスの充填率の調整のために、又は、溶着効率の向上のために、必要に応じてフラックス入りワイヤに含有させる場合がある。しかし、鉄粉の表層は、酸化されているので、フラックスが鉄粉を過剰に含有すると、溶接金属の酸素量を増加させて溶接金属の靭性を低下させる場合がある。したがって、鉄粉はフラックス入りワイヤに含有させなくてもよく、その含有量の下限値は0%である。充填率の調整のために鉄粉をフラックス入りワイヤに含有させる場合には、溶接金属の靭性を確保するために、鉄粉の含有量を10.0%未満とする。
図5に、フラックス入りワイヤの切断面を示す。図5(a)に、エッジ面を突合せて溶接して作ったフラックス入りワイヤ、図5(b)に、エッジ面を突合せて作ったフラックス入りワイヤ、及び、図5(c)に、エッジ面をかしめて作ったフラックス入りワイヤを示す。このように、フラックス入りワイヤには、図5(a)に示すように鋼製外皮にスリット状の隙間がないフラックス入りワイヤと、図5(b)、(c)に示すように鋼製外皮のスリット状の隙間を有するフラックス入りワイヤとに大別できる。本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、いずれの断面構造も採用することができるが、溶接金属の低温割れを抑制するためには、スリット状の隙間がないフラックス入りワイヤ(シームレスワイヤ)とすることが好ましい。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤの用途は限定されず、任意の種類のシールドガスを用いた、任意の鋼材の溶接に適用することができるが、3.5%Ni鋼などの低温用鋼のガスシールドアーク溶接において特に好適に用いることができる。また、溶接の際に用いるシールドガスは、純Arガス又は純Heガスのそれぞれに5〜40vol%以下の範囲内でO2又はCO2を混合させた混合ガスとすることが、溶接作業性及び溶接金属の欠陥の防止の観点から好ましい。また、電流、電圧などの溶接条件についても通常用いられている条件で良い。
一方、比較例であるフラックス入りワイヤは、本発明で規定する要件を満たしていないため、溶接金属の引張強さ、伸び、及び低温靭性、並びに割れ抑制性能及び溶接作業性のうち1つ以上の項目を満足できず、不合格となった。
Claims (12)
- 鋼製外皮とフラックスとを備えるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、
前記フラックスが、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、
LiF、NaF、CaF2、BaF2、SrF2、及びMgF2のうちの1種又は2種以上である弗化物:合計2.00%以上10.00%以下、
Ti酸化物:0.20%以上2.00%以下、及び、
Si酸化物:0.20%以上1.00%以下
を含有し、
更に、前記フラックス入りワイヤの前記弗化物、及び前記酸化物を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、
C :0.001%以上0.080%以下、
Si:0.001%以上0.800%以下、
Mn:0.10%以上1.50%以下、
Al:0.010%以上0.500%以下、
Ni:3.00%以上5.50%以下、
Ti:0.010%以上0.100%以下、
Mg:0.20%以上0.80%以下、
P :0.030%以下、
S :0.030%以下、
Mo:0.001%以上0.500%以下、及び
B :0.00001%以上0.01000%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
下記(1)式で定義される高温割れ感受性指標βが3.100以下であり、
下記(2)で定義される伸び指標γが1.39以下である
ことを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
β=[Si]/6+[Mn]/1.5+[Ni]/3+200×[B]・・・(1)
γ=[Mn]+[Mo]+[Mg]・・・(2)
但し、(1)および(2)式の[]付元素は、それぞれの元素の含有量(質量%)を表す。 - 前記弗化物、及び前記酸化物を除く前記化学成分が更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、
Cu:0.50%以下、及び
REM:0.050%以下
からなる群から選択される一種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - 下記(3)式で示される焼入れ性指標αが0.250%以上0.590%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
α=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+[Mo]/5・・・(3)
なお、式(3)の[]付元素は、前記弗化物、及び前記酸化物を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量を表す。 - 鋼製外皮とフラックスとを備えるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、
前記フラックスが、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で、
LiF、NaF、CaF 2 、BaF 2 、SrF 2 、及びMgF 2 のうちの1種又は2種以上である弗化物:合計2.00%以上10.00%以下、
Ti酸化物:0.20%以上2.00%以下、及び、
Si酸化物:0.20%以上1.00%以下
を含有し、
前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、
Al酸化物:0.50%未満、
Ca酸化物:0.50%以下、
Mn酸化物:0.50%以下、
Mg酸化物:0.50%以下、
炭酸塩:0.50%以下、及び、
アーク安定剤:0.50%以下
の1種又は2種以上を含有し、
更に、前記フラックス入りワイヤの前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、
C :0.001%以上0.080%以下、
Si:0.001%以上0.800%以下、
Mn:0.10%以上1.50%以下、
Al:0.010%以上0.500%以下、
Ni:3.00%以上5.50%以下、
Ti:0.010%以上0.100%以下、
Mg:0.20%以上0.80%以下、
P :0.030%以下、
S :0.030%以下、
Mo:0.001%以上0.500%以下、及び
B :0.00001%以上0.01000%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
下記(1)式で定義される高温割れ感受性指標βが3.100以下であり、
下記(2)で定義される伸び指標γが1.39以下である
ことを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
β=[Si]/6+[Mn]/1.5+[Ni]/3+200×[B]・・・(1)
γ=[Mn]+[Mo]+[Mg]・・・(2)
但し、(1)および(2)式の[]付元素は、それぞれの元素の含有量(質量%)を表す。 - 前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分が更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、
Cu:0.50%以下、及び
REM:0.050%以下
からなる群から選択される一種以上を含有することを特徴とする請求項4に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。 - 下記(3)式で示される焼入れ性指標αが0.250%以上0.590%以下であることを特徴とする請求項4又は5に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
α=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+([Ni]+[Cu])/15+[Mo]/5・・・(3)
なお、式(3)の[]付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量を表す。 - 前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で、鉄粉:10.0%未満を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記鋼製外皮がスリット状の隙間の無い形状であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有する形状であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記鋼製外皮の表面に、パーフルオロポリエーテル油を更に備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の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て鋼板を溶接する工程を備えることを特徴とする溶接継手の製造方法。
- 前記溶接する工程において用いられるシールドガスが、Arと、5〜40Vol%CO2との混合ガスであることを特徴とする請求項11に記載の溶接継手の製造方法。
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