JP6953870B2 - 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
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Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14:式1
Ms=613−406×[C]−64×[Mn]−32×[V]−18×[Cr]−15×[Ni]−9×[Cu]−5×[Mo]:式2
6.00≦[Ni]+[Cr]≦30.00:式3
式1、式2、及び式3中の角括弧で囲まれた元素記号は、前記フラックス入りワイヤの、前記弗化物、前記酸化物、前記Ti酸化物、前記Ca酸化物、および前記炭酸塩を除く、前記化学成分における各前記元素記号に対応する元素の、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量である。
(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では、式4によって算出されるX値が2.00%以下であってもよい。
X=0.3×([Na3AlF6]+[NaF]+[MgF2])+0.4×([K2SiF6]+[K2ZrF6])+0.5×([LiF])+1.8×([CaF2]):式4
式4中の角括弧で囲まれた化学式は、各前記化学式に対応する化合物の、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量である。
(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では、式5によって算出されるY値が5.0以上27.0以下であってもよい。
Y=([TiO2]+1.2×[SiO2]+1.4×[Al2O3]+1.5×[ZrO2])/(F)1/2:式5
式5中の角括弧で囲まれた化学式について、[TiO 2 ]はTi酸化物のTiO 2 換算値、[SiO 2 ]はSi酸化物のSiO 2 換算値、[Al 2 O 3 ]はAl酸化物のAl 2 O 3 換算値、[ZrO 2 ]はZr酸化物のZrO 2 換算値での、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する含有量であり、式5中のFは、前記弗化物のF換算値での合計含有量である。
(4)上記(1)〜(3)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では、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0%以上15.0%未満の鉄粉をさらに含んでもよい。
(5)上記(1)〜(4)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では、前記鋼製外皮がシームレス形状を有してもよい。
(6)上記(1)〜(5)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では、前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有してもよい。
(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、さらに、前記フラックス入りワイヤの表面にパーフルオロポリエーテル油を備えてもよい。
(8)本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、1パスから最終パスのいずれか1つ以上において、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を用いて、ガスシールドアーク溶接する工程を備える。
(9)本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、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を用いて、ガスシールドアーク溶接することで、溶接止端部に付加溶接をする工程を備える。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、弗化物と、Ti酸化物と、酸化物(Ti酸化物およびCa酸化物を除く)と、を含み、好ましくは、さらに炭酸塩を含む。また、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスには、Ca酸化物及び鉄粉がさらに含まれても良いが、Ca酸化物及び鉄粉は本実施形態に係るフラックス入りワイヤの課題を解決するために不要である。以下に、これら成分について詳細に説明する。なお、以下の説明において「%」は、特に説明がない限り、「フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%」を意味する。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、TiO2換算値で、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で4.0〜7.5%のTi酸化物を含む。なお、Ti酸化物のTiO2換算値とは、Tiの酸化物が全てTiO2であると仮定した場合の、TiO2の含有量を意味する。以下、「Ti酸化物のTiO2換算値での含有量」を「Ti酸化物の含有量」と略す場合がある。TiO2換算値は、フラックス入りワイヤに含まれる酸化物として存在するTiの質量をEPMA等の分析機器を用いて分析し、この酸化物としてのTiの質量に基づき算出することで求められる。なお、以下で説明するCa酸化物などについても、Ti酸化物に関し上述した事項と同様とする。
Ti酸化物は主にスラグ形成剤として作用する。Ti酸化物の含有量が4.00%未満であるフラックス入りワイヤを用いて立向上進溶接を行う場合、溶融金属を垂れ落ちないように支えるために十分な量のスラグを確保することができないので、立向溶接性が確保できない。従って、Ti酸化物の含有量の下限値を4.00%とする。Ti酸化物の含有量の下限値は、より好適には4.20%である。立向溶接性を向上させるために、Ti酸化物の含有量の下限値を、4.40%、4.60%、4.80%、又は、5.30%としてもよい。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%で合計0.10〜3.00%の弗化物を含む。フラックス中の弗化物は、溶接金属中の拡散性水素量を減少させて、溶接金属の耐低温割れ性を顕著に向上させる働きを有する。この理由は明らかではないが、弗化物中のFと水素(H)とが溶接中に結合して弗化水素(HF)となり、このHFが溶接金属外に放出されるからであると推測される。しかしながら、フラックス中の弗化物量の合計が0.10%未満である場合、溶接金属中の拡散性水素量が十分に低減されないので、溶接金属の耐低温割れ性が不十分になる。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、合計0.10%以上の弗化物を含むことが必要とされる。溶接金属の拡散性水素量をさらに低減するために、弗化物の合計量の下限を0.15%、0.20%、又は0.25%としてもよい。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤの弗化物は、CaF2、MgF2、LiF、NaF、K2ZrF6、K2SiF6、及びNa3AlF6からなる群から選択される1種または2種以上である。これら弗化物が電離して生じたCa、Mg、Li、Na、K、Zr、Si、およびAlは、酸素と結合して溶接金属中の酸素量を低減させる、脱酸元素として作用する。これら各種の弗化物の含有量の下限値は、弗化物の合計が0.10%以上となる限り、特に限定されない。
弗化物の含有量が大きすぎる場合、溶接の際に生じるスパッタの量が過剰になり、溶接性が劣化する。本発明者らは、弗化物量を可能な限り増加させ、かつスパッタ量を許容範囲内まで減少させる方法について検討を行った。その結果、本発明者らは、Na3AlF6、NaF、およびMgF2は他の種類の弗化物よりもスパッタ量を増大させにくく、CaF2は他の種類の弗化物よりもスパッタ量を増大させやすいことを見出した。そして本発明者らはさらなる検討を行った結果、以下の式4によって算出されるスパッタ発生指数X(X値)とスパッタ量との間に良好な相関関係があることを見いだした。
X=0.3×([Na3AlF6]+[NaF]+[MgF2])+0.4×([K2SiF6]+[K2ZrF6])+0.5×([LiF])+1.8×([CaF2]):式4
なお、含有されない弗化物については、上式にゼロを代入する。
上述の式4において、角括弧で囲まれた化学式は、各化学式に対応する弗化物の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量である。本発明者らは、各種弗化物の添加量とスパッタ発生量との関係を調査し、各弗化物がスパッタの発生量に及ぼす影響を明らかにする回帰式を得た。図1は、フラックス入りワイヤのX値とスパッタ量との関係を示すグラフである。図1のグラフの横軸は、上述の式4によって得られるX値であり、縦軸はスパッタ発生量である。スパッタ発生量は、溶接姿勢が下向き、ワイヤ径が1.2mm、電極極性がプラス、電流値が220A、電圧値が22V、速度が25cm/min、シールドガス種がAr−20%CO2ガス、及びシールドガス流量が25L/minである直流ガスシールドアーク溶接を行った際に発生したスパッタの重量を、溶接時間で割った値である。
CaF2は、特にスパッタ量を増大させやすい弗化物である。本発明者らは、2.00%超のCaF2は、多量のスパッタを発生させ、溶接作業性を悪化させることを知見した。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、CaF2の含有量を2.00%以下とする必要がある。CaF2の含有量の好ましい上限値は1.50%である。必要に応じて、CaF2の含有量を、1.00%以下、0.50%以下、又は0.05%以下としてもよい。また、本実施形態に係るフラックス入りワイヤはCaF2を必須としないので、CaF2の含有量の下限値は0%である。
(Ti酸化物及びCa酸化物を除く酸化物の種類:Fe酸化物、Na酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Mn酸化物、及びK酸化物からなる群から選択される1種または2種以上)
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、上述の通りTi酸化物を含む。また、後述の通り、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスでは、Ca酸化物の含有量(CaO換算値)が0.10%以下とされる。本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、これらTi酸化物およびCa酸化物以外の酸化物も、スラグ形成剤として含む。本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいて、スラグ形成剤としての酸化物は、Fe酸化物、Na酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Mn酸化物、及びK酸化物からなる群から選択される1種または2種以上である。以降、単に「酸化物」と記載した場合、その用語は上述の酸化物群を意味し、Ti酸化物及びCa酸化物を含まない。
TiO2換算値で管理される上述のTi酸化物の含有量と同様に、Fe酸化物、Na酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Mn酸化物、及びK酸化物の含有量は、FeO、Na2O、SiO2、ZrO2、MgO、Al2O3、MnO2及びK2Oの含有量それぞれに換算した値で管理される。以下「Fe酸化物、Na酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Mn酸化物、及びK酸化物からなる群から選択される1種または2種以上である酸化物の、FeO、Na2O、SiO2、ZrO2、MgO、Al2O3、MnO2又はK2Oの各々の換算値での含有量の合計値」を、単に「酸化物の合計量」と略す。
本実施形態に係るフラックスワイヤでは、以下の式5によって算出されるY値を5.0以上27.0以下とすることが好ましい。
Y=([TiO2]+1.2×[SiO2]+1.4×[Al2O3]+1.5×[ZrO2])/(F)1/2:式5
なお、含有されない酸化物についてはは、上式にゼロを代入する。
上の式5中の角括弧で囲まれた各化学式に対応する化合物は、各化合物の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量を示し、先述のような各酸化物に対応する換算値での含有量を示す。式5中の「F」は、弗化物のF換算値での合計含有量であり、下記の式Aにより表される。
0.487×[CaF2]+0.610×[MgF2]+0.732×[LiF]+0.452×[NaF]+0.402×[K2ZrF6]+0.517×[K2SiF6]+0.543×[Na3AlF6]:式A
なお、含有されない弗化物については、上式にゼロを代入する。
上の式A中の角括弧で囲まれた弗化物の化学式は、各化学式に対応する弗化物の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%を示す。
本発明者らは、酸化物のうちTi酸化物(TiO2換算値)、Si酸化物(SiO2換算値)、Al酸化物(Al2O3換算値)、及びZr酸化物(ZrO2換算値)の量と弗化物量(F換算値)との関係を適正な範囲内にすることが好ましい旨を見いだした。弗化物量に対してTi酸化物、Si酸化物、Al酸化物、及びZr酸化物の量が多すぎる、すなわち、Y値が27.0超であるフラックス入りワイヤを用いて溶接を行った場合、高融点を有する酸化物系スラグの量が多くなるので、スラグ巻込みが生じやすくなることを本発明者らは知見した。一方、弗化物量に対してTi酸化物、Si酸化物、Al酸化物、及びZr酸化物の量が少なすぎる、すなわち、Y値が5.0未満であるフラックス入りワイヤを用いて溶接を行った場合、弗化物によってアーク力が高まり、溶融金属が圧迫され、ビード形状の劣化と立向溶接性の劣化とが生じやすくなることを本発明者らは知見した。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのY値は5.0〜27.0とされることが好ましい。Y値の下限値は、さらに好ましくは7.0、9.0、10.0、11.0、又は12.0である。Y値の上限値は、さらに好ましくは25.0、22.5、20.0、18.0、16.0又は15.0である。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは、炭酸塩を含む必要がない。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、炭酸塩の含有量の下限値は0%である。しかしながら炭酸塩は、アークによって電離し、CO2ガスを発生させる。CO2ガスは、溶接雰囲気中の水素分圧を下げ、溶接金属中の拡散性水素量を低減させる。この効果を得るために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスは炭酸塩を含んでも良い。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスに含まれる炭酸塩の種類は、MgCO3、Na2CO3、LiCO3、CaCO3、K2CO3、FeCO3、及びMnCO3からなる群から選択される1種または2種以上である。炭酸塩の含有量が上述の範囲内である限り、炭酸塩の種類および組成は限定されない。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスにCa酸化物が含まれる場合がある。しかしながら、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、フラックス中のCa酸化物の含有量を0.20%未満(CaO換算)にする必要がある。Ca酸化物はスパッタを増大させて溶接性を悪化させる場合がある。Ca酸化物の含有量の好ましい上限値は0.15%、0.10%、0.05%、0.02%、又は、0.01%である。Ca酸化物は含まれないほうが好ましいので、Ca酸化物の含有量の下限値は0%である。Ca酸化物は、通常のフラックスの材料に不純物として0.20%以上含まれるおそれがあるので、本実施形態に係るフラックス入りワイヤの製造の際には、Ca酸化物が含まれない材料を選定する必要がある。
上述の通り、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックスに鉄粉が含まれていても良い。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、または溶着効率の向上のために必要に応じて含有させる場合がある。
鉄粉含有量は特に規定されない。しかし、鉄粉の表層に付着した酸素が、溶接金属の酸素量を増加させて靭性を低下させる場合がある。したがって、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、鉄粉の含有量を15.0%未満、又は10.0%未満にすることが好ましい。必要に応じて、鉄粉の含有量の上限値を8.0%、6.0%、4.0%、2.0%、又は、1.0%に制限してもよい。本実施形態に係るフラックス入りワイヤの課題を解決するために鉄粉は不要であるので、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、鉄粉の含有量の下限値は0%である。
Cは、固溶強化によって溶接金属の耐力及び引張強さを確保するために重要な元素である。フラックス入りワイヤの化学成分のC含有量が0.003%未満では、溶接金属の耐力及び引張強さを確保できない。一方、フラックス入りワイヤの化学成分のC含有量が0.150%を超えると、溶接金属中のC含有量が過剰になり、溶接金属の耐力及び引張強さが過度に上昇して、溶接金属の靭性が低下する。溶接金属の靭性、耐力、及び引張強さの全てを安定的に確保するためには、フラックス入りワイヤの化学成分のC含有量の下限値を0.003%にすることが好ましく、フラックス入りワイヤの化学成分のC含有量の上限値を0.080%にすることが好ましい。必要に応じて、C含有量の下限を0.010%、0.020%、0.030%、0.040%、0.050%、又は0.060%としてもよい。同様に、C含有量の上限を0.120%、0.100%、0.090%、0.080%、又は0.070%としてもよい。
Siは、脱酸元素であり、溶接金属の酸素量を低減して溶接金属の清浄度を高める働きを有する。さらに本発明者らは、フラックス入りワイヤに含まれるSiが溶接金属の粘性を高め、立向溶接時の溶接金属の垂れを防ぎ、立向溶接性を向上させることを知見した。シールドガスをAr−20%CO2とした場合、フラックス入りワイヤのSi含有量が0.35%以上にすることにより、垂れ落ち上限電流値が顕著に上昇した。以上の知見に基づき、本発明者らは、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのSi含有量の下限値を0.35%と規定した。ただし、フラックス入りワイヤの化学成分のSi含有量が1.00%を超える場合、Siが溶接金属の靱性を劣化させる。溶接金属の靭性を安定して確保するために、フラックス入りワイヤの化学成分のSi含有量の上限は、0.90%、0.80%、0.70%又は0.60%としてもよい。必要に応じて、Si含有量の下限を0.40%、0.45%、0.50%、又は0.60%としてもよい。
Mnは、溶接金属の焼入性を確保して溶接金属の強度を高めるために必要な元素である。その効果を確実に得るためには、フラックス入りワイヤの化学成分のMn含有量を0.10%以上にする必要がある。溶接金属の強度をさらに高めるために、フラックス入りワイヤの化学成分のMn含有量の下限値を0.15%、0.20%、0.30%としてもよい。一方、フラックス入りワイヤの化学成分のMn含有量が3.50%を超える場合、溶接金属の粒界脆化感受性が増加して溶接金属の靱性が劣化する。従って、Mn含有量の上限値を1.80%とする。好ましくは、Mn含有量の上限値は1.70%、1.50%、1.30%、1.10%である。
Pは不純物元素であり、溶接金属の靱性を低下させるので、フラックス入りワイヤ中のP含有量は極力低減させる必要がある。従って、フラックス入りワイヤの化学成分のP含有量の下限値は0%である。また、フラックス入りワイヤの化学成分のP含有量が0.030%以下であれば、Pの靱性への悪影響が許容できる範囲内となる。溶接金属の凝固割れを防止するために、フラックス入りワイヤの化学成分のP含有量は、より好適には、0.020%以下、0.015%以下、又は0.010%以下である。
Sも不純物元素であり、溶接金属中に過大に存在すると、溶接金属の靱性と延性とをともに劣化させるので、フラックス入りワイヤ中のS含有量は極力低減させることが好ましい。従って、フラックス入りワイヤの化学成分のS含有量の下限値は0%である。また、フラックス入りワイヤの化学成分のS含有量が0.020%以下であれば、溶接金属の靱性及び延性にSが及ぼす悪影響が許容できる範囲内となる。フラックス入りワイヤの化学成分のS含有量は、より好適には、0.010%以下、0.008%以下、0.006%以下、又は0.005%以下である。
Alは脱酸元素であり、Siと同様に、溶接金属中の酸素量を低減させ、溶接金属の清浄度向上効果を有する。フラックス入りワイヤの化学成分のAl含有量が0.001%未満では、溶接金属中の酸素量が高くなり、靭性を確保できない。フラックス入りワイヤの化学成分のAl含有量が0.500%を超える場合、Alが窒化物及び酸化物等を形成して、溶接金属の靱性を減少させ、さらにAlがスパッタも増加させる。従って、フラックス入りワイヤの化学成分のAl含有量の上限を0.500%とする。フラックス入りワイヤの化学成分のAl含有量の上限値は、好ましくは0.480%、0.450%、0.400%、又は0.300%である。フラックス入りワイヤの化学成分のAl含有量の下限値は、好ましくは0.005%、0.010%、0.050%、0.100%、0.150%又は0.200%である。
(Cr:0〜16.00%)
(3.00≦[Ni]+[Cr]≦30.00)
Niは溶接金属のMs点を低下させ、溶接部の疲労強度を向上させる効果がある。また、Niの固溶靭化により、溶接金属の靭性が向上する。しかし、Niを16.00%超添加すると、溶接金属の耐高温割れ性および靭性が低下する。Niが0.60%以下となると、溶接金属の靭性が確保できないので、Niは0.60%超添加する必要がある。
3.00≦[Ni]+[Cr]≦30.00:式3
式3中の角括弧で囲まれた元素記号は、フラックス入りワイヤの弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、および炭酸塩を除く、化学成分における各元素記号に対応する元素の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量である。
Mgは脱酸剤であり、溶接金属の酸素量を低減し、これにより溶接金属の靭性を向上させる元素である。その効果を十分に得るために、フラックス入りワイヤの化学成分のMg含有量を0.10%以上とする必要がある。Mg含有量が0.10%未満である場合、溶接金属中の酸素量が多くなりすぎて、溶接金属の靭性を確保できない。一方、フラックス入りワイヤの化学成分のMg含有量が0.90%を超える場合、アーク中で激しくMgと酸素とが反応し、スパッタ及びヒュームの発生量が増大する。従って、Mg含有量を0.90%以下とする。なお、フラックス入りワイヤの化学成分のMg含有量の好ましい下限値は、0.15%、0.20%、0.25%、又は0.30%である。フラックス入りワイヤの化学成分のMg含有量の好ましい上限値は、0.70%、0.55%、0.45%、又は0.35%である。
Tiは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のTi含有量の下限値は0%である。一方、Tiは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素量を低減させる効果がある。また、フラックス入りワイヤの化学成分に含まれるTiは、溶接金属中に僅かに残留して固溶Nを固定するので、固溶Nが溶接金属の靱性に及ぼす悪影響を緩和する効果を有する。従って、フラックス入りワイヤの化学成分が0.01%以上のTiを含有してもよい。しかしながら、フラックス入りワイヤの化学成分のTi含有量が0.10%を越えると、溶接金属において過度な析出物の生成による靱性劣化が生じるおそれがある。なお、フラックス入りワイヤの化学成分にTiを含有させる場合、一般的には、フェロチタン(鉄とチタンとの合金)をフラックス中に含有させる。フラックス入りワイヤの化学成分のTi含有量の上限値は、好ましくは0.08%、0.06%、0.04%、又は0.02%である。
Bは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のB含有量の下限値は0%である。一方、Bは、溶接金属において固溶Nと結びついてBNを形成するので、固溶Nが溶接金属の靭性に及ぼす悪影響を減じる効果を有する。また、Bは溶接金属の焼入性を高めるので溶接金属の強度を向上させる効果も有する。従って、フラックス入りワイヤの化学成分が0.0005%以上のBを含有してもよい。しかしながら、フラックス入りワイヤの化学成分のB含有量が0.0200%超になると、溶接金属中のBが過剰となり、粗大なBN及びFe23(C、B)6等のB化合物を形成して溶接金属の靭性を劣化させるので、好ましくない。フラックス入りワイヤの化学成分のB含有量の上限値は、好ましくは0.0150%、0.0100%、0.0050%、0.0030%、又は0.0010%である。
Moは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のMo含有量の下限値は0%である。一方、Moは、溶接金属の焼入性を向上させる効果を有するので、溶接金属の高強度化に有効な元素である。その効果を得るためには、フラックス入りワイヤの化学成分のMo含有量を0.01%以上とすることが好ましい。しかしながら、フラックス入りワイヤの化学成分のMo含有量が1.00%を超える場合、溶接金属の靭性が劣化するので、フラックス入りワイヤの化学成分のMo含有量は、1.00%以下とする。フラックス入りワイヤの化学成分のMo含有量の上限値は、好ましくは0.75%、0.50%、0.30%、0.10%、又は0.06%である。
Cuは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のCu含有量の下限値は0%である。一方、Cuは、溶接金属の強度と靭性を向上させる効果を有する。その効果を十分に得るためには、フラックス入りワイヤの化学成分のCu含有量を0.01%以上とすることが好ましい。Cuは、フラックス入りワイヤの鋼製外皮の表面のめっきに含まれてもよく、および、フラックスに単体または合金として含まれても良い。Cuメッキは、防錆性、通電性、及び、耐チップ磨耗性を向上させる効果も有する。従って、フラックス入りワイヤの化学成分のCu含有量は、鋼製外皮及びフラックスに含有されているCuと、ワイヤ表面のめっきに含まれるCuとの合計量である。一方、フラックス入りワイヤの化学成分のCu含有量が0.50%を超えると、溶接金属の靭性が低下する。フラックス入りワイヤの化学成分のCu含有量の上限値は、好ましくは0.40%、0.30%、又は0.20%である。
Nbは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のNb含有量の下限値は0%である。一方、Nbは、溶接金属において微細炭化物を形成し、この微細炭化物が溶接金属中で析出強化を生じさせるので、Nbは溶接金属の引張強さを向上させる。その効果を十分に得るためには、フラックス入りワイヤの化学成分のNb含有量を0.005%以上とすることが好ましい。しかしながら、フラックス入りワイヤの化学成分のNb含有量が0.20%を超えることは、Nbが溶接金属中で粗大な析出物を形成して溶接金属の靭性を劣化させるので、好ましくない。フラックス入りワイヤの化学成分のNb含有量の上限値は、好ましくは0.08%、0.06%、0.04%、又は0.02%である。
Vは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のV含有量の下限値は0%である。一方、Vは溶接金属の焼入性を向上させるので、溶接金属の高強度化に有効な元素である。その効果を十分に得るためには、フラックス入りワイヤの化学成分のV含有量を0.01%以上とすることが好ましい。フラックス入りワイヤの化学成分のV含有量が0.20%を超える場合、溶接金属中のV炭化物の析出量が過剰となり、溶接金属が過剰に硬化し、溶接金属の靭性を劣化させる。フラックス入りワイヤの化学成分のV含有量の上限値は、好ましくは0.16%、0.12%、0.08%、0.04%、又は0.02%である。
Biは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のBi含有量の下限値は0%である。一方、Biは、スラグの剥離性を改善する元素である。その効果を十分に得るために、フラックス入りワイヤの化学成分のBi含有量を0.005%以上、0.010%以上又は0.012%以上とすることが好ましい。一方、フラックス入りワイヤの化学成分のBi含有量が0.030%を超える場合、溶接金属に凝固割れが発生しやすくなるので、フラックス入りワイヤの化学成分のBi含有量の上限値は0.030%である。フラックス入りワイヤの化学成分のBi含有量の上限値は、好ましくは0.025%、0.020%、0.017%、または0.015%である。
(REM:0〜0.010%)
Ca及びREMは必須成分ではないので、フラックス入りワイヤの化学成分のCa含有量及びREM含有量の下限値は0%である。一方、Ca及びREMは、いずれも溶接金属中での硫化物の構造を変化させ、また、硫化物及び酸化物のサイズを微細化させ、これにより溶接金属の延性及び靭性を向上させる働きを有する。従って、フラックス入りワイヤの化学成分のCa含有量を0.002%以上としてもよく、フラックス入りワイヤの化学成分のREM含有量を0.0002%以上としてもよい。一方、フラックス入りワイヤの化学成分のCa含有量及びREM含有量が過剰である場合、スパッタ量が増大し、溶接性が損なわれる。従って、フラックス入りワイヤの化学成分のCa含有量の上限値は0.50%であり、フラックス入りワイヤの化学成分のREM含有量の上限値は0.010%である。
以上が本実施形態のフラックス入りワイヤの、弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、および炭酸塩を除く化学成分の限定理由であるが、その他の残部成分はFeと不純物を含む。残部のFeは、例えば鋼製外皮に含まれるFe、およびフラックス中に添加された合金粉中のFe等である。不純物とは、フラックス入りワイヤを工業的に製造する際に、原料に由来して、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、本実施形態に係るフラックス入り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。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤのCeqとは、以下の式1によって算出される、焼入性を示す指標(炭素当量)である。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14:式1
なお、含有されない元素については、上式にゼロを代入する。
式1中の角括弧で囲まれた元素記号は、フラックス入りワイヤの、弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、および炭酸塩を除く、化学成分における各元素記号に対応する元素の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量である。すなわち、本実施形態のフラックス入りワイヤの化学成分から算出されるCeq(フラックス入りワイヤのCeq)は、弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、または炭酸塩の状態でフラックス入りワイヤに含まれている元素の含有量を考慮せずに算出される。弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、または炭酸塩の状態でフラックス入りワイヤに含まれている元素は、溶接の際にスラグとして溶接金属の外部に排出されるので、溶接金属の焼入性に影響しない。
本発明者らは、溶接金属の冷却過程における変態膨張を活用することで、その近傍に圧縮残留応力を導入することが、溶接部の疲労強度を高めるために効果的である旨を知見した。これを達成するためには、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度(Ms点)をなるべく低くすることが必要である。そこで本発明者らがさらなる検討を重ねた結果、下記の式2によって得られるフラックス入りワイヤのMs点を450℃以下とすることで、必要な疲労強度が確保できることを知見した。
Ms=613−406×[C]−64×[Mn]−32×[V]−18×[Cr]−15×[Ni]−9×[Cu]−5×[Mo]:式2
なお、含有されない元素については、上式にゼロを代入する。
式2中の角括弧で囲まれた元素記号は、フラックス入りワイヤの、弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、および炭酸塩を除く化学成分における各元素記号に対応する元素の、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量%での含有量である。すなわち、本実施形態のフラックス入りワイヤの化学成分から算出されるMs点(フラックス入りワイヤのMs点)も、フラックス入りワイヤのCeqと同じく、弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、または炭酸塩の状態でフラックス入りワイヤに含まれている元素の含有量を考慮せずに算出される。弗化物、酸化物、Ti酸化物、Ca酸化物、または炭酸塩の状態でフラックス入りワイヤに含まれている元素は、溶接の際にスラグとして溶接金属の外部に排出されるので、溶接金属のMs点に影響しない。
通常、フラックス入りワイヤは、鋼製外皮の継目が溶接されているのでスリット状の隙間がない形状(シームレス形状)を有するワイヤ(シームレスワイヤと呼ぶことがある)と、鋼製外皮の継目が溶接されていないのでスリット状の隙間を含む形状を有するワイヤとのいずれかに区別される。
フラックス入りワイヤを用いて得られる溶接金属の機械特性(引張強さと靭性)及び拡散性水素量を評価するために、このフラックス入りワイヤを用い、板厚が20mmの母材を、ルートギャップ16mm及び開先角度20度で突き合わせ、裏当金を用いて、表7に示す溶接条件1で下向溶接して、図2に示される評価用の継手を得た。母材1及び裏当金2はSM490Aであった。母材1の開先面及び裏当金2の表面には、試験されるフラックス入りワイヤを用いて2層以上かつ余盛高さ3mm以上のバタリングを実施した。このようにして得られた溶接金属3の強度は引張試験によって評価し、靭性は0℃でのシャルピー衝撃試験によって評価した。下向溶接試験で得られた溶接金属3から、図2に示すように、JIS Z3111(2005年)に準拠したA1号引張試験片(丸棒)5と4号シャルピー試験片(2mmVノッチ)4とを採取し、引張試験及びシャルピー衝撃試験に供した。溶接金属の引張強さが780MPa以上となるフラックス入りワイヤを、引張強さに関し合格とした。溶接金属の0℃でのシャルピー吸収エネルギーが47J以上となるフラックス入りワイヤを、低温靱性に関し合格とした。
発明例及び比較例を用いて得られる溶接金属の拡散性水素量を評価する際の溶接条件は、表7に記載の条件4とした。溶接金属の拡散性水素量の測定は、JIS Z 3118(鋼溶接部の水素量測定方法)に準拠したガスクロマトグラフ法によって実施した。溶接金属の拡散性水素量が1.0ml/100g以下となるフラックス入りワイヤを、拡散性水素量に関し合格とした。
また、フラックス入りワイヤを用いた立向溶接の溶接作業性などを評価するために、立向上進隅肉溶接と立向上進ビードオンプレート溶接とを、上述の母材に行った。溶接条件は、スパッタ量を評価する場合は表7に示される溶接条件2とし、立向溶接性、ビード形状、及びスラグ巻込みを評価する場合は表7に示される溶接条件3とした。メタル垂れの有無、スパッタ発生量、スラグ剥離性及びビード形状の目視調査結果に基づいて、立向溶接の作業性を評価した。その後、上述の方法で得られた溶接部の5箇所の断面において、スラグ巻込み欠陥の有無を目視で調査した。なお、メタル垂れの有無の判定、スラグ剥離性の評価、及びビード形状の評価は、立向上進隅肉溶接と立向上進ビードオンプレート溶接との両方で行われた。スラグ巻込み欠陥の有無の判定は、立向上進隅肉溶接のみで行われた。
立向溶接性は、溶接電流180Aで溶接し、溶融金属の垂れが発生した場合を不合格とし、溶融金属の垂れが発生しない場合を合格とした。スラグの剥離性は、スチールブラシによるブラッシングで剥離しないものを不合格、剥離するものを合格とした。ビード形状の外観評価は、アンダーカット、凸ビードが発生した場合を不合格とし、これらの欠陥が発生しない場合を合格とした。スラグ巻込み欠陥の有無の判定は、5断面中に1断面でもスラグ巻き込みがあった場合には不合格とし、5断面全てでスラグ巻き込みがないものを合格とした。スパッタ発生量は、溶接中に発生したスパッタの重量を、溶接時間で割って得られる、アークタイム1分間当たりのスパッタ発生量で評価した。スパッタ発生量が3.5g/min以下となるフラックス入りワイヤを、スパッタ発生量に関し合格とした。
耐低温割れ性の評価は、温度5℃かつ湿度60%の一定雰囲気管理下において、板厚が20mmである引張強さ780MPa級鋼に、表7の溶接条件5で溶接を行い、これにより得られた溶接継手にJIS Z 3157(U形溶接割れ試験方法)及びJIS Z 3158(y形溶接割れ試験方法)に準拠した試験を行うことにより実施した。U形溶接割れ試験及びy形溶接割れ試験の両方で割れが生じなかった溶接継手にかかるフラックス入りワイヤを、耐低温割れ性に関し合格とした。
図3に示す角回し継手を作製した。角回し継手は、疲労荷重を受ける構造部材13と、面外ガゼット11と、構造部材13と面外ガゼット11とを接合する回し溶接部14と、回し溶接部14の端部に設けられた付加ビード15とを備える。母材(構造部材13及び面外ガゼット11)には、U形溶接割れ試験で用いた鋼と同じものを使用した。疲労試験は、応力比0.1、応力範囲80MPa、周波数:10Hzの条件にて実施し、繰返し寿命回数Nを測定して評価し、Nが5×106以上で破断しない場合を合格とした。なお、疲労試験時には、図3中の荷重負荷方向12に沿って疲労荷重を負荷した。溶接は1パスのみ(即ち、図3の回し溶接4の作製のみ)、又は1パスと付加ビード(即ち、図3の回し溶接4及び付加ビード5の両方を作製)の2パターンで行った。発明例及び比較例の評価では、1パスと付加ビードのいずれか一方、もしくは両方に本発明の溶接材料を用いた。表において「1パス目のみ」と記載された試料は、回し溶接部14を評価対象ワイヤで作製し、付加ビード15を作製しなかったものである。「1パス+付加ビード」と記載された試料は、回し溶接部14と付加ビード15との両方を評価対象ワイヤで作製したものである。「付加ビード」と記載された試料は、回し溶接部14と付加ビード15との両方を作製したが、評価対象ワイヤは付加ビード15の作製時のみ用いられたものである。本発明の溶接材料によらず作製された回し溶接部14又は付加ビード15は、日鐵住金溶接工業製 YM−80Cによって作製された。なお、溶接金属の拡散性水素量が過剰であった試料には疲労試験を行わず、その疲労試験結果の欄には「未実施(DH)」と記載した。溶接金属にスラグ巻込みが生じた試料には疲労試験を行わず、その疲労試験結果の欄には「未実施(スラグ巻込)」と記載した。
2 裏当金
3 溶接金属
4 4号シャルピー試験片(2mmVノッチ)
5 A1号引張試験片(丸棒)
11 面外ガゼット
12 荷重負荷方向
13 疲労荷重を受ける構造部材
14 回し溶接部
15 付加ビード
Claims (9)
- 鋼製外皮と、
前記鋼製外皮の内部に充填されたフラックスと、
を備える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%で合計0.10〜3.00%の、CaF2、MgF2、LiF、NaF、K2ZrF6、K2SiF6、及びNa3AlF6からなる群から選択される1種または2種以上である弗化物と、
前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対するTiO2換算値が4.00〜7.50%のTi酸化物と、
前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する、FeO、Na2O、SiO2、ZrO2、MgO、Al2O3、MnO2及びK2Oの各々の換算値で合計0.05〜2.00%の、Fe酸化物、Na酸化物、Si酸化物、Zr酸化物、Mg酸化物、Al酸化物、Mn酸化物、及びK酸化物からなる群から選択される1種または2種以上である酸化物と、
前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%で合計0〜0.60%の、MgCO3、Na2CO3、LiCO3、CaCO3、K2CO3、FeCO3、及びMnCO3からなる群から選択される1種または2種以上である炭酸塩と、
を含み、
前記CaF2の含有量が、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0〜2.00%であり、
CaO換算でのCa酸化物の含有量が、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0%以上0.20%未満であり、
前記フラックス入りワイヤの、前記弗化物、前記酸化物、前記Ti酸化物、前記Ca酸化物、およ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:0.003〜0.150%、
Si:0.35〜1.00%、
Mn:0.01〜2.00%、
P:0.030%以下、
S:0.020%以下、
Al:0.001〜0.500%、
Ni:0.60超16.00%以下、
Cr:0〜16.00%、
Mg:0.10〜0.90%、
Ti:0〜0.10%、
B:0〜0.0200%、
Mo:0〜1.00%、
Cu:0〜0.50%、
Nb:0〜0.20%、
V:0〜0.20%、
Bi:0〜0.030%、
Ca:0〜0.50%、及び
REM:0〜0.010%を含み、
残部がFe及び不純物からなり、
式1によって算出されるCeqが0.35〜4.50%であり、
式2によって算出されるMs点が450℃以下であり、
さらに式3が満たされる
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。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14:式1
Ms=613−406×[C]−64×[Mn]−32×[V]−18×[Cr]−15×[Ni]−9×[Cu]−5×[Mo]:式2
6.00≦[Ni]+[Cr]≦30.00:式3
式1、式2、及び式3中の角括弧で囲まれた元素記号は、前記フラックス入りワイヤの、前記弗化物、前記酸化物、前記Ti酸化物、前記Ca酸化物、および前記炭酸塩を除く、前記化学成分における各前記元素記号に対応する元素の、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量である。 - 式4によって算出されるX値が2.00%以下であ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。
X=0.3×([Na3AlF6]+[NaF]+[MgF2])+0.4×([K2SiF6]+[K2ZrF6])+0.5×([LiF])+1.8×([CaF2]):式4
式4中の角括弧で囲まれた化学式は、各前記化学式に対応する化合物の、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量%での含有量である。 - 式5によって算出されるY値が5.0以上27.0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。
Y=([TiO2]+1.2×[SiO2]+1.4×[Al2O3]+1.5×[ZrO2])/(F)1/2:式5
式5中の角括弧で囲まれた化学式について、[TiO 2 ]はTi酸化物のTiO 2 換算値、[SiO 2 ]はSi酸化物のSiO 2 換算値、[Al 2 O 3 ]はAl酸化物のAl 2 O 3 換算値、[ZrO 2 ]はZr酸化物のZrO 2 換算値での、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する含有量であり、式5中のFは、前記弗化物のF換算値での合計含有量である。 - 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0%以上15.0%未満の鉄粉をさらに含むことを特徴とする請求項1〜3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。
- 前記鋼製外皮がシームレス形状を有することを特徴とする請求項1〜4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ことを特徴とする請求項1〜5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。
- 前記フラックス入りワイヤが、さらに、前記フラックス入りワイヤの表面にパーフルオロポリエーテル油を備え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。
- 1パスから最終パスのいずれか1つ以上において、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を用いて、ガスシールドアーク溶接する工程を備える溶接継手の製造方法。
- 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を用いて、ガスシールドアーク溶接することで、溶接止端部に付加溶接する工程を備える溶接継手の製造方法。
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