JP6988324B2 - 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

Description

本発明は、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に関する。

近年、ビル、橋梁、海洋構造物などの鋼構造物の大型化や軽量化への要求が多くなるに伴い、使用される鋼板の高張力化が進み、最近では高張力鋼（いわゆる７０キロ級鋼、８０キロ級鋼等）が一般的に使用されるようになった。

これら高張力鋼を使用する構造物の製造にあたっては、溶接金属の水素量が少なく耐割れ性に優れ、また高能率化に適するガスシールドアーク溶接方法が多く使用されている。

従来、高張力鋼のガスシールドアーク溶接には、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの成分を含有したガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤが使用されていた。しかし、特許文献１や特許文献２に記載のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤは、合金成分を多く含むことからワイヤが硬く剛性が向上し、溶接時のワイヤ送給装置内での抵抗が大きくなってしまう。その結果、ワイヤ送給性を安定化することができず、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなるという問題があった。

そこで、特許文献３や特許文献４に開示されているガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが用いられるようになった。しかし、特許文献３や特許文献４に開示されているガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ送給性やアークの安定性は優れているもののスラグ形成剤の含有量が多いので、溶接金属中の酸素量が多くなり、溶接金属の靭性を向上させることができないという問題がある。

溶接金属中の酸素量を低減する技術として、特許文献５に金属弗化物を多く含有す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示がある。しかし、特許文献５に記載のガスシールドアーク溶接用ワイヤは、低温における靭性は優れているものの金属弗化物を多く含むのでアークが荒くスパッタ発生量が多くなるという問題がある。

さらに、特許文献６や特許文献７には、合金粉を多く含む、いわゆるメタル系フラックス入りワイヤに関する技術の開示がある。しかし、特許文献６や特許文献７に記載のメタル系フラックス入りワイヤにおいても、アークが荒くビード外観及びビード形状を良好にすることができず、さらに靭性を確保することはできないという問題があった。

さらに、低温割れの抑制をすることも溶接材料に求められる。低温割れとは、溶接後、溶接部の温度が常温付近に低下してから溶接部に発生する割れの総称であり、ビード下割れ、及び止端割れなどは、低温割れに属する。低温割れの発生は、溶接前に溶接部に予熱を行うことによって抑制することができる。例えば、引張強さが７８０ＭＰａ以上の建築用の高張力鋼の溶接では５０〜１５０℃での予熱が必要とされることが通常である。しかし、予熱工程によって溶接作業に要する時間が多くなり、作業効率及び作業コストが著しく増大する。従って、予熱工程を省略するか、又は軽減することが可能な溶接材料が求められている。

しかしながら、溶接の高能率化及び溶接作業性の確保を行いながら低温割れの抑制をも可能である溶接材料は得られていない。例えば、特許文献８では、高張力鋼の溶接において適正な強度と、低温領域での良好で安定した靭性を有する溶接金属が得られ、溶接作業性に優れるとされるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが開示されている。しかしながら、特許文献８においては低温割れの抑制に関してなんら検討されていない。特許文献８に記載のフラックス入りワイヤの化学成分によれば、低温割れ発生因子である溶接金属中の拡散性水素量を減少させることができないと考えられる。

特公昭６０−５７９５３号公報 特開２０００−３０１３７９号公報 特開２００６−２８１２２３号公報 特開２００７−１４４５１６号公報 特開２０１１−２０１５４号公報 特開２００７−１４４５１６号公報 特開２００８−９３７１５号公報 特開２０１６−８７６２２号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、適正な引張強さと、良好で安定した靭性とを有する溶接金属が得られるとともに、アークの安定性並びにビードの外観及び形状に優れ、スパッタ発生量及びスラグ量が少ないなど溶接作業性に優れ、さらに低温割れ及び凝固割れを抑制可能である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を提供することを目的とする。

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、前記鋼製外皮に充填されたフラックスとを備え、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、合金成分として、Ｃ：０．０５〜０．１８％、Ｓｉ：０．３〜１．４％、Ｍｎ：１．２〜３．５％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｎｉ：０．８〜３．５％、Ｃｒ：０．０１〜１．４０％、Ｍｏ：０．１５〜１．００％、Ｔｉ：０．０４〜０．３０％、及びＡｌ：０．２００％以下を含有し、さらに、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、弗化物：Ｆ換算値の合計で０．１０％超０．３０％以下、Ｓｉ酸化物：ＳｉＯ_２換算値で０．０１０〜０．４００％、及びＮａ化合物及びＫ化合物：Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計で０．０６〜０．３５％を含有し、残部が鋼製外皮、鉄粉、及び鉄合金粉のいずれか一種以上の形態としてのＦｅと不純物とからなり、下記式（１）で示されるＰｔｓが０．６０〜１．５０である。
Ｐｔｓ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／７＋［Ｍｎ］／５＋［Ｃｕ］／７＋［Ｎｉ］／２０＋［Ｃｒ］／８＋［Ｍｏ］／２＋［Ｔｉ］／５・・・式（１）
但し、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｔｉ］は、前記合金成分として含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉのそれぞれ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％を示し、前記フラックス入りワイヤに含まれない元素の含有量については０％とみなす。
（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、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、前記合金成分としてＢ：０〜０．０１０％、Ｍｇ：０〜０．５０％、及びＳｎ：０〜０．４０％からなる群から選択される一種以上をさらに含有してもよい。
（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では、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、Ｃａ化合物：Ｃａ換算値で０〜０．３００％であってもよい。
（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、前記鋼製外皮が、前記鋼製外皮の全質量に対する質量％で、前記合金成分としてＡｌ：０．００３〜０．２０％を含有してもよい。
（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は、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、Ｚｒ化合物：Ｚｒ換算値で０〜０．３０％をさらに含有してもよい。
（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、前記鋼製外皮がシームレス形状であってもよい。
（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、前記鋼製外皮の外表面に送給潤滑剤をさらに備え、前記送給潤滑剤の、前記フラックス入りワイヤ１０ｋｇ当たりの量が０．２０〜１．００ｇであってもよい。
（８）本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法では、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鋼板をガスシールドアーク溶接する。

本発明によれば、溶接時のアークの安定性並びにビード外観及び形状が優れ、スパッタ発生量及びスラグ量が少ないなど溶接作業性が良好であり、低温割れを抑制でき、高強度高靱性を有し且つ欠陥のない高品質な溶接金属が得られる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を提供することができる。

本発明者らは、上記課題を解決するために、ガスシールドアーク溶接において、溶接作業性が良好で、適正な強度及び靭性を有する溶接金属が得られ、低温割れの発生を防止できるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成について詳細に検討した。

その結果、低温割れ防止に関し、本発明者らは、フラックスに弗化物を含有させることが有効である旨を知見した。溶接時にＨＡＺに低温割れを生じさせる因子は、ＨＡＺの硬さ、継手拘束力、及び溶接金属中の拡散性水素量である。本発明者らは、フラックス中の弗化物が、低温割れを生じさせる因子の一つである溶接金属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とを知見した。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。ただし、フラックス中の弗化物は、溶接時にスパッタ量を増大させるので、その含有量は低温割れ抑制を達成できる範囲内で最小限に留める必要がある。

アークの安定性及びスパッタ発生量の低減は、上述の弗素量の抑制に加えて、酸化物及び／又は弗化物として含まれるＮａ及びＫの合計量を適正にすることが有効であることを発明者らは見出した。さらに、酸化物として含まれるＳｉの含有量を制御することでビード外観、及びビード形状を良好にすることが可能であることを本発明者らは見出した。

さらに、適正な強度及び靭性を兼備する溶接金属を得るためには、合金成分として含有されるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＴｉの各含有量のそれぞれの適正化が有効であることを知見した。

本発明の実施形態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、上述の本発明者らの知見に基づき、各成分組成それぞれの単独及び共存による相乗効果によりなし得たものであるが、以下にそれぞれの各成分組成の限定理由について説明する。なお、以下においては、フラックス入りワイヤの化学成分をワイヤの全質量に対する割合である質量％で表すものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載して説明する。

本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、鋼製外皮と、この鋼製外皮に充填されたフラックスとを備え、「フラックス入りワイヤの全質量」とは、鋼製外皮の質量とフラックスの質量との合計値である。以下に挙げる成分は、合金成分として（即ち、酸化物又は弗化物ではない状態として）フラックス入りワイヤに含まれる場合、鋼製外皮に含まれても、鋼製外皮の表面のめっきとして含まれても、金属粉又は合金粉としてフラックスに含まれても良い。一方、酸化物又は弗化物としてフラックス入りワイヤに含まれる成分は、フラックス中に含まれる。

まず、フラックス入りワイヤの合金成分について説明する。以下に説明するＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｂ、及びＭｇの含有量は、合金成分（即ち、酸化物、弗化物、又は炭酸塩の形態ではなく、単体金属または合金として存在する成分。Ｐ及びＳも、便宜上、合金成分に含まれるものとする）としてフラックス入りワイヤ中に存在するこれら元素の含有量を意味する。特に断りが無い限り、以下に説明する合金成分の数値範囲は、酸化物及び弗化物の形態でフラックス入りワイヤに含まれる元素の含有量を含まない。

［Ｃ：０．０５〜０．１８％］
Ｃは、合金成分としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、固溶強化により溶接金属の強度を向上させる。しかし、Ｃ含有量が０．０５％未満であると溶接金属の強度が得られない。一方、Ｃ含有量が０．１８％を超えると、溶接金属の強度が過度に高くなり靭性が低下する。また、Ｃ含有量が０．１８％を超えると、溶接割れ感受性が高くなる。従って、Ｃ含有量は０．０５〜０．１８％とする。Ｃ含有量の下限値を０．０７％、又は０．０８％としてもよい。Ｃ含有量の上限値を０．１６％、又は０．１７％としてもよい。

［Ｓｉ：０．３〜１．４％］
Ｓｉは、合金元素、酸化物、及び弗化物からなる群から選択される一種以上の態様でフラックス入りワイヤに含まれ、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、溶接金属の脱酸元素として働く。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、合金成分として含まれるＳｉの量が０．３〜１．４％の範囲内とされる。Ｓｉ含有量が０．３％未満であると、溶接金属が脱酸不足となり靭性が低下する。一方、Ｓｉ含有量が１．４％を超えると、溶接金属の靭性が損なわれる。また、Ｓｉ含有量が過剰であると、スパッタ量も増加し、さらに、Ｓｉ酸化物に起因するスラグ巻込みが発生しやすくなる。Ｓｉ含有量の下限値を０．４％、又は０．５％としてもよい。Ｓｉ含有量の上限値を１．０％、又は１．２％としてもよい。

［Ｍｎ：１．２〜３．５％］
Ｍｎは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、溶接金属の靭性確保及び強度向上の働きを有する。Ｍｎ含有量が１．２％未満であると、溶接金属の強度が低く靭性が十分に確保できなくなる。一方、Ｍｎ含有量が３．５％を超えると、溶接金属の靭性が安定して得られない。また、Ｍｎ含有量が過剰であると、スパッタも増加する。従って、Ｍｎ含有量は１．２〜３．５％とする。Ｍｎ含有量の下限値を１．４％、又は１．６％としてもよい。また、Ｍｎ含有量の上限値を２．４％、又は３．０％としてもよい。

［Ｐ：０．０３０％以下］
［Ｓ：０．０３０％以下］
Ｐ及びＳは、溶接金属の靱性を損ね、溶接金属の凝固割れ発生を助長する一方で、有利な効果を有しない。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤはＰ及びＳを含む必要がなく、Ｐ及びＳの含有量の下限値は０％である。しかしながら、鋼製外皮及びフラックス中に不純物としてＰ及びＳが含まれる場合がある。Ｐ及びＳは可能な限り除去されるべきであるが、０．０３０％以下のＰ及び０．０３０％以下のＳの含有は許容される。Ｐ及びＳそれぞれの上限値を０．０２０％、又は０．０２５％としてもよい。

［Ｃｕ：０．０５〜０．５０％］
Ｃｕは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、析出強化作用を有し、変態温度を低下させ組織を微細化して靭性を安定させる。また、Ｃｕはワイヤ外皮の銅めっきに含まれてもよい。Ｃｕが０．０５％未満であると、安定した靭性が得られない。一方、Ｃｕが０．５０％を超えると、析出脆化が生じて靭性が低下する。また、高温割れが発生しやすくなる。従って、Ｃｕは０．０５〜０．５０％とする。Ｃｕ含有量の下限値を０．１０％、又は０．１５％としてもよい。また、Ｃｕ含有量の上限値を０．４０％、又は０．４５％としてもよい。

［Ｎｉ：０．８〜３．５％］
Ｎｉは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、溶接金属の変態温度を低下させて組織を微細化すると共に、溶接金属中に固溶して靭性を低下させることなく強度を高める作用を有する。Ｎｉ含有量が０．８％未満であると、靭性の低下を防止する効果が十分に得られない。一方、Ｎｉ含有量が３．５％を超えると、凝固割れが発生しやすくなる。従って、Ｎｉ含有量は０．８〜３．５％とする。Ｎｉ含有量の下限値を０．９％、又は１．０％としてもよい。また、Ｎｉ含有量の上限値を３．０％、又は３．２％としてもよい。

［Ｃｒ：０．０１〜１．４０％］
Ｃｒは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、溶接金属の変態温度を低下させ、溶接金属の組織を微細化して靭性を向上させる作用を有する。Ｃｒ含有量が０．０１％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｃｒ含有量が１．４０％を超えると、溶接金属の硬化が著しくなり靭性が低下する。従って、Ｃｒは０．０１〜１．４０％とする。Ｃｒ含有量の下限値を０．０２％、又は０．０３％としてもよい。また、Ｃｒ含有量の上限値を０．７０％、又は１．００％としてもよい。

［Ｍｏ：０．１５〜１．００％］
Ｍｏは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、Ｎｉ及びＣｒと同様に、溶接金属の変態温度を低下させ、組織を微細化して靭性を向上させる。Ｍｏ含有量が０．１５％未満であると、これらの効果が十分に得られない。一方、Ｍｏ含有量が１．００％を超えると、靭性が安定して得られない。従って、Ｍｏ含有量は０．１５〜１．００％とする。Ｍｏ含有量の下限値を０．２０％、又は０．２５％としてもよい。また、Ｍｏ含有量の上限値を０．７０％、又は０．８０％としてもよい。

［Ｔｉ：０．０４〜０．３０％］
Ｔｉは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、脱酸剤として作用するとともに溶接金属中にＴｉの微細酸化物を生成し溶接金属の靭性を向上させる。Ｔｉ含有量が０．０４％未満であると、溶接金属の靭性が安定して得られない。一方、Ｔｉ含有量が０．３０％を超えると、溶接金属中の固溶Ｔｉが多くなって靭性が低下する。また、Ｔｉが０．３０％を超えると溶接時に生成するスラグ量が増加してスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｔｉは０．０４〜０．３０％とする。Ｔｉ含有量の下限値を０．０７％、又は０．０９％としてもよい。また、Ｔｉ含有量の上限値を０．２５％、又は０．２７％としてもよい。

［Ｂ：好ましくは０〜０．０１０％］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいてＢの含有は必須ではなく、従ってその含有量の下限値は０％である。しかしＢは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれた場合、溶接金属の焼入れ性を高め、溶接金属の引張強さの確保に寄与する。従って、Ｂ含有量の下限値を０．０００５％、又は０．０００７％としてもよい。一方、０．０１０％超のＢは、溶接金属を過剰に硬化させることにより、溶接金属の靱性を損なう場合がある。従って、Ｂ含有量の上限値は０．０１０％とすることが好ましい。Ｂ含有量の上限値を０．００７％、又は０．００５％としてもよい。

［Ａｌ：０．２００％以下］
Ａｌは、本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいてＡｌの含有は必須ではない。従ってその含有量の下限値は０％である。合金Ａｌ含有量が０．２００％を超えると、アークが不安定となり、スパッタ発生量が増加する。さらに、合金Ａｌ含有量が０．２００％を超えると、溶接金属の靱性が損なわれる。従って、Ａｌの含有量は０．２００％以下とする。ただし、極少量含まれるＡｌは、ビード形状を改善する効果を有するので、Ａｌ含有量の下限値を０．００４％、又は０．００６％としてもよい。なお、鋼製外皮の全質量に対する質量％で、鋼製外皮が０．００３〜０．１００％、又は０．００３〜０．２００％のＡｌを含む場合がある。鋼製外皮に含まれるＡｌはビード形状を改善する効果が大きい。

［Ｍｇ：好ましくは０〜０．５０％］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいてＭｇの含有は必須ではない。従ってＭｇの含有量の下限値は０％である。しかしＭｇは、合金元素としてフラックス入りワイヤに含まれる場合、脱酸効果を有し、これにより溶接金属の酸素量を低減して溶接金属の靱性を向上させる。従って、Ｍｇ含有量の下限値を０．０３％、又は０．０６％としてもよい。一方、Ｍｇ含有量が０．５０％を超えると、生成スラグ量が増加してスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｍｇ含有量の上限値を０．５０％とする。Ｍｇ含有量の上限値を０．２０％、又は０．３５％としてもよい。

［Ｓｎ：好ましくは０〜０．４０％］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいてＳｎの含有は必須ではなく、従ってその含有量の下限値は０％である。しかし、Ｓｎは溶接金属の耐食性を向上させる働きがあるので、Ｓｎ含有量の下限値を０．０７％としてもよい。一方、Ｓｎ含有量が０．４０％を超える場合、液体金属脆化割れが生じるおそれがある。従って、Ｓｎ含有量の上限値を０．４０％とする。Ｓｎ含有量の上限を０．３５％、又は０．３０％としてもよい。

次に、フラックス入りワイヤの化合物成分について説明する。

［Ｓｉ酸化物：ＳｉＯ_２換算値で０．０１０〜０．４００％］
Ｓｉは、珪砂（ＳｉＯ_２）、ジルコンサンド（ＺｒＳｉＯ_４）、珪酸ソーダ（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）、及び珪酸カリウム（Ｋ_２ＳｉＯ_３）等のＳｉ酸化物としてフラックス入りワイヤのフラックスに含まれた場合、ビード止端部のなじみを良好にしてビード外観及びビード形状を良好にする働きを有する。

以上の事情に鑑みて、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、酸化物として含まれるＳｉの量が、ＳｉＯ_２換算値で０．０１０〜０．４００％の範囲内とされる。Ｓｉ酸化物含有量がＳｉＯ_２換算値で０．０１０％未満であると、ビード止端部のなじみが悪くなりビード外観及びビード形状が悪くなる。一方、Ｓｉ酸化物含有量がＳｉＯ_２換算値で０．４００％を超えると、ビード表面のスラグ量が多くなって、多層盛溶接においてはスラグを除去する必要が生じる。従って、Ｓｉ酸化物の含有量はＳｉＯ_２換算値で０．０１０〜０．４００％とする。Ｓｉ酸化物含有量の下限値をＳｉＯ_２換算値で０．０２０％、又は０．１００％としてもよい。Ｓｉ酸化物含有量の上限値をＳｉＯ_２換算値で０．３００％、又は０．２５０％としてもよい。

なお、「フラックス入りワイヤ中のＳｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値」とは、フラックス入りワイヤ中のＳｉ酸化物に含まれるＳｉが全てＳｉＯ_２であると見なした場合の、ＳｉＯ_２のフラックス入りワイヤの全質量に対する質量％での含有量を意味する。フラックス入りワイヤ中のＳｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値は、フラックス入りワイヤに含まれるＳｉ酸化物を構成するＳｉの量を求め、これに２．１４（＝（２８．１＋１６．０×２）／２８．１、２８．１はＳｉの原子量であり、１６．０は酸素の原子量である）を乗じることにより得られる。

［Ｎａ化合物及びＫ化合物：Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計で０．０６〜０．３５％］
Ｎａ_２Ｏ、及びＮａ_２ＳｉＯ_３等の酸化物としてフラックス入りワイヤに含有されたＮａ、並びにＫ_２Ｏ、及びＫ_２ＳｉＯ_３等の酸化物としてフラックス入りワイヤに含有されたＫは、アークを安定化して、スパッタ量を抑制する働きを有する。なお、Ｎａは後述するＮａＦ等の弗化物として、Ｋは後述するＫ_２ＳｉＦ_６等の弗化物として含まれた場合はアークを安定化する働きを持ち、さらに拡散性水素量の低減に寄与するが、これは後述されるＦの効果として理解される。Ｎａ化合物及びＫ化合物は、珪酸ソーダ及び珪酸カリウムからなる水ガラスの固質成分、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｋ_２ＳｉＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３、ＮａＦ、及びＫ_２ＳｉＦ_６等の粉末の形態で含有させることができる。

以上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においては、Ｎａ化合物及びＫ化合物の含有量を、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計で０．０６％以上とする必要がある。Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計が０．３５％を超えると、逆にアークが強くなってスパッタ発生量が多くなる。また、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計が０．３５％を超えると、ビード止端部のなじみが悪くなり、ビード外観及びビード形状が不良となる。さらに、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計が０．３５％を超えると、ビード表面のスラグ量が多くなって、多層盛溶接においてはスラグを除去する必要が生じる。従って、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計の上限値を０．３５％とする。Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計の下限値を０．０８％、又は０．１０％としてもよい。また、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計の上限値を０．２５％、又は０．３０％としてもよい。

なお、「フラックス入りワイヤ中のＮａ化合物のＮａ換算値」とは、フラックス入りワイヤ中のＮａ化合物に含まれるＮａの、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％での含有量を意味し、「フラックス入りワイヤ中のＫ化合物のＫ換算値」とは、フラックス入りワイヤ中のＫ化合物に含まれるＫの、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％での含有量を意味する。後述する「フラックス入りワイヤ中の弗化物のＦ換算値」、「フラックス入りワイヤ中のＣａ化合物のＣａ換算値」、及び「フラックス入りワイヤ中のＺｒ化合物のＺｒ換算値」も、同様に、フラックス入りワイヤ中の弗化物に含まれるＦ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、フラックス入りワイヤ中のＣａ化合物に含まれるＣａ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、及びフラックス入りワイヤ中のＺｒ化合物に含まれるＺｒのフラックス入りワイヤの全質量に対する質量％での含有量を示す。

［弗化物：Ｆ換算値の合計で０．１０％超０．３０％以下］
Ｆは、蛍石（ＣａＦ_２）、弗化ソーダ（ＮａＦ）、弗化カリウム（ＫＦ）、弗化リチウム（ＬｉＦ）、弗化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、珪弗化カリウム（Ｋ_２ＳｉＦ_６）、六弗化ジルコン酸カリウム（Ｋ_２ＺｒＦ_６）_、氷晶石（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）、弗化アルミニウム（ＡｌＦ_３）等の弗化物としてフラックス入りワイヤに含有され、溶接金属の拡散性水素量を低減して低温割れを防止する効果を有する。また、ＮａＦ、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、Ｋ_２ＳｉＦ_６、及びＭｇＦ_２等は、含有量が適切であれば、アーク安定剤としての働きも有する。しかし、Ｆ含有量が０．１０％以下である場合は、低温割れを十分に抑制できない。一方、弗化物はスパッタを増大させる働きを有し、特にＦ含有量が０．３０％を超えると、アークが荒く不安定になりスパッタ発生量が許容上限を超える。従って、Ｆ含有量は０．１０％超０．３０％以下とする。Ｆ含有量の下限値を０．１１％、または０．１２％としてもよい。Ｆ含有量の上限値を０．２５％、または０．２７％としてもよい。

［Ｃａ化合物：好ましくはＣａ換算値で０〜０．３００％］
Ｃａは、上述のように弗化物（蛍石）、又はＣａ酸化物のようなＣａ化合物としてフラックス入りワイヤに含まれる場合がある。ただし、Ｃａ化合物はスパッタ量を特に増大させやすい化合物である。従って、Ｃａ化合物は含まれないことが好ましく、その含有量の下限値は、フラックスワイヤの全質量に対するＣａ換算値で０％である。但し、Ｃａが不純物としてフラックス中に混入する場合がある。不純物としてのＣａ化合物は、フラックスワイヤの全質量に対するＣａ換算値で約０．３００％まで含有を許容される。Ｃａ化合物の含有量の上限値をフラックスワイヤの全質量に対するＣａ換算値で０．２００％、又は０．１５０％としてもよい。

［Ｚｒ化合物：好ましくはＺｒ換算値で０〜０．３０％］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいてＺｒ化合物の含有は必須ではない。従ってＺｒ化合物の含有量の下限値は０％である。しかし、Ｚｒ化合物は、フラックス入りワイヤに含まれる場合、脱酸効果を有しておりこれにより溶接金属の酸素量を低減させる。また、Ｚｒ化合物にはビード止端部の形状を改善する効果がある。このため、０．０６％以上のＺｒ化合物を含有させても良い。一方、Ｚｒ化合物の含有量が０．３０％を超えると、生成スラグ量が増加してスラグ巻込み等の溶接欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｚｒ化合物の含有量の上限値は０．３０％とされる。Ｚｒ化合物の含有量の上限値を０．２０％、又は０．２５％としてもよい。Ｚｒ化合物は、ＺｒＳｉＯ_４やＫ_２ＺｒＦ_６などとして含有される。

なお、本実施形態に係るフラックス入りワイヤの成分である弗化物、Ｓｉ酸化物、Ｎａ化合物、Ｋ化合物、Ｃａ化合物、及びＺｒ化合物のうち２以上に該当する化合物の含有量は、その化合物が属する物質それぞれの含有量に算入することとする。例えばＺｒＳｉＯ_４はＺｒ化合物に該当し、且つＳｉ酸化物にも該当するが、ＺｒＳｉＯ_４がフラックス入りワイヤに含まれる場合、ＺｒＳｉＯ_４の含有量は、Ｚｒ化合物の含有量（Ｚｒ換算値）、及びＳｉ酸化物の含有量（ＳｉＯ_２換算値）のいずれにも算入するものとする。換言すると、ＺｒＳｉＯ_４の含有量のうちＺｒが占める部分が、Ｚｒ化合物の含有量（Ｚｒ換算値）に算入され、ＺｒＳｉＯ_４の含有量のうちＳｉが占める部分が、Ｓｉ酸化物の含有量（ＳｉＯ_２換算値）に算入される。同様に、Ｋ_２ＺｒＦ_６がフラックス入りワイヤに含まれる場合、Ｋ_２ＺｒＦ_６の含有量は、Ｚｒ化合物の含有量（Ｚｒ換算値）、Ｋ化合物の含有量（Ｋ換算値）及び弗化物の含有量（Ｆ換算値）のいずれにも算入するものとする。

［Ｐｔｓ：好ましくは０．６０〜１．５０］
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＴｉの含有量（フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％）を独立変数とし、溶接金属の強度及び靭性を従属変数とする重回帰分析を行い、Ｃ含有量の係数を１として他の成分の回帰係数として表現したのが下記式（１）のＰｔｓである。この式（１）によりフラックス入りワイヤの成分に基づいて算出される溶接金属の強度及び靭性の推定値をＰｔｓとした。
Ｐｔｓ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／７＋［Ｍｎ］／５＋［Ｃｕ］／７＋［Ｎｉ］／２０＋［Ｃｒ］／８＋［Ｍｏ］／２＋［Ｔｉ］／５・・・式（１）
但し、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｔｉ］は、合金元素として含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉのそれぞれのフラックス入りワイヤの全質量に対する質量％を示す。フラックス入りワイヤに含まれない元素の含有量については「０％」とみなす。

Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＴｉの含有量を、式（１）によって得られるＰｔｓが０．６０〜１．５０となるように制御することが好ましい。この場合、強度を確保しつつ、一層良好で安定した靭性を有する溶接金属が得られる。Ｐｔｓが０．６０未満であると、溶接金属の強度が不足する場合がある。一方、Ｐｔｓが１．５０を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎて、靭性が不足する場合がある。

［残部：Ｆｅ及び不純物］
本実施形態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の成分の残部は、Ｆｅ及び不純物である。Ｆｅは、鋼製外皮、充填率調整のための鉄粉、並びにＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｍｎ、及びＦｅ−Ｔｉ合金などの鉄合金粉からなる群から選択されるいずれか一種以上の形態としてフラックス入りワイヤに含まれることとなる。鉄粉の種類は特に限定されないが、溶接金属の酸素量の増加を抑制するためにアトマイズ鉄粉が望ましい。不純物とは、本実施形態に係るフラックス入りワイヤを工業的に製造する際に、原料、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。例えば不純物として鋼製外皮の製鋼時に含有されうるＡｌは、上述されたように溶接金属中に非金属介在物を形成して靭性を低下させるので少ない方が好ましいが、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で０．２００％以下であれば許容される。Ｐ及びＳは、上述されたように溶接金属の靭性を低下させるが、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で０．０３０％以下であれば許容される。Ｎは、固溶Ｎとして溶接金属に含まれた場合に溶接金属の靭性を損なうが、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で０．０１％以下であれば許容される。

本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいて、フラックス充填率（フラックス入りワイヤの全質量に対するフラックスの全質量の割合）は特に限定しないが、生産性の観点から８〜２０％とするのが好ましい。

［フラックス入りワイヤの形状：好ましくはシームレス形状］
本実施形態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、鋼製外皮をパイプ状に成型し、その内部にフラックスを充填した構造である。ワイヤの種類としては、成形された鋼製外皮の合わせ目を溶接して得られる鋼製外皮に継目の無いワイヤと、鋼製外皮に合わせ目の溶接を行わないままとした鋼製外皮に継目を有する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においては、何れの断面構造のワイヤをも採用することができるが、鋼製外皮に継目を有するワイヤは、保存時に継ぎ目から水分が侵入し、この水分が水素源となって低温割れを生じさせる場合がある。一方、鋼製外皮に継目が無いワイヤ、即ちシームレス形状を有するワイヤは、ワイヤ中の全水素量を低減することを目的とした熱処理が可能であり、また製造後のフラックスの吸湿が無いので、溶接金属の拡散性水素量を低減し、耐低温割れ性の向上を図ることができるので、一層好ましい。

［ワイヤ表面の送給潤滑剤：好ましくはフラックス入りワイヤ１０ｋｇ当たり０．２０〜１．００ｇ］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、鋼製外皮の外表面に送給潤滑剤をさらに備えてもよい。フラックス入りワイヤの表面の送給潤滑剤は、特に半自動溶接の場合にフラックス入りワイヤの送給性を良好にして、アークが安定でスパッタの発生量を少なくするとともに、溶接欠陥の発生を防止する。フラックス入りワイヤの表面の送給潤滑剤の量がワイヤ１０ｋｇ当たり０．２０ｇ未満であると、ワイヤ送給性が不良となりアークが不安定でスパッタ発生量が多くなる場合がある。また、この場合、スラグ巻込み欠陥が生じやすくなる場合がある。一方、フラックス入りワイヤ表面の送給潤滑剤がワイヤ１０ｋｇ当たり１．００ｇを超えると、送給ローラ部でフラックス入りワイヤがスリップして、アークが不安定となってスパッタ発生量が多くなる場合がある。また、この場合、溶接金属の拡散性水素量が多くなって低温割れが生じやすくなる場合がある。

送給潤滑剤は、動植物油、鉱物油あるいは合成油の何れでもよい。動植物油としてはパーム油、菜種油、ひまし油、豚油、牛油、魚油等を、鉱物油としてはマシン油、タービン油、スピンドル油等を用いることができる。合成油としては炭化水素系、エステル系、ポリグリコール系、ポリフェノール系、シリコーン系、フロロカーボン系を用いることができる。さらに、油脂またはエステルの１種以上の基油に硫黄を含有する硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または２種以上である硫黄含有の潤滑油を用いることもできる。なお、上述したフラックス入りワイヤの成分規定は、フラックス入りワイヤの鋼製外皮及びフラックスに関するものであり、送給潤滑剤の成分は含まない。送給潤滑剤の塗布量はフラックス入りワイヤの質量に対して非常に小さいので、フラックス入りワイヤの成分を規定するにあたり、送給潤滑剤は実質的な影響を有しない。

次に、本実施形態に係る溶接継手の製造方法について説明する。本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、上述された本実施形態に係る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を特徴とする。本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、溶接作業性が良好であり、低温割れ防止のための予熱工程を軽減又は省略することができ、さらに、溶接金属の強度及び靭性を十分に確保することができる。

本実施形態に係る溶接継手の製造方法において、溶接条件は特に限定されず、通常の範囲内から適宜選択可能である。例えば、シールドガス種は特に限定されないが、安価な１００％ＣＯ_２ガスとした場合、特に従来技術に対する顕著な効果を奏する。また、溶接継手の母材も特に限定されない。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。

低炭素鋼製の鋼板（Ｃ：０．０１〜０．０７％）を鋼製外皮の材料として使用し、鋼製外皮を成形する工程でＵ字型に成形した後、鋼製外皮の合わせ目を溶接した継目が無いワイヤを造管、伸線し、ワイヤ表面に送給潤滑剤としてパーム油を塗布して表に示す各種成分のフラックス入りワイヤを試作した。フラックスには、充填率調整のために鉄粉（アトマイズ鉄粉）を適宜添加した。ワイヤ径は１．２ｍｍとした。なお、鋼製外皮の合わせ目を溶接した継目が無いワイヤは、伸線途中で焼鈍を実施した。また、フラックスを含まない中実のソリッドワイヤも、本発明の効果を確認するために作成し、評価した。ソリッドワイヤは、所定の化学成分を有する原材料を伸線及び焼鈍することによって得られた。

表に記載の「Ｆ換算値」は、溶接材料に含まれる弗化物のＦ換算値であり、「ＳｉＯ_２」は、溶接材料に含まれるＳｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値であり、「Ｎａ＋Ｋ」は、溶接材料に含まれるＮａ化合物のＮａ換算値と、Ｋ化合物のＫ換算値との合計値であり、「Ｃａ」は、溶接材料に含まれるＣａ化合物のＣａ換算値であり、「Ｚｒ」は、溶接材料に含まれるＺｒ化合物のＺｒ換算値である。なお、上述の項目のうち２以上に該当する物質の含有量は、その物質が属する項目それぞれの値に算入した。例えば、Ｚｒ化合物及びＳｉ酸化物の何れにも該当するＺｒＳｉＯ_４の含有量は、Ｚｒ化合物のＺｒ換算値にもＳｉ酸化物のＳｉＯ_２換算値にも算入した。本発明で規定される範囲から外れる数値、又は本発明の合否基準に満たない値には下線を付した。また、化学成分や化合物などの含有量に係る表中の空欄は、その化学成分や化合物などが意図的に添加されていないことを意味する。

試作した溶接材料（フラックス入りワイヤ及びソリッドワイヤ）を用いて、溶接作業性、溶着金属性能及び耐割れ性の調査を行った。

溶接金属の引張強さは、以下の手順で評価した。まず、ＢＴ−ＨＴ６３０に規定される板厚２０ｍｍの鋼板を用いて、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準じて表４に示す「溶着金属試験」の溶接条件で溶着金属を作成した。溶接時のワイヤ送給は、６ｍ長さのコンジットケーブルを用いた。この溶着金属部からＡ０号引張試験片を採取し、これに引張試験を行うことによって測定した。６９０ＭＰａ以上の引張強さを有する溶接金属が得られる溶接材料を、引張強さに関して合格と判定した。

溶接金属の靱性は、上述の手順で得られた溶着金属部から衝撃試験片を採取し、−２０℃でシャルピー衝撃試験を行うことによって評価した。３回のシャルピー衝撃試験を行い、全ての試験において吸収エネルギーが５０Ｊ以上であり、且つ３回の試験結果の平均値が７０Ｊ以上である溶接金属が得られる溶接材料を、低温靱性に関して合格と判定した。

アーク安定性、スラグ量、ビードの外観並びに形状は、以下の通り評価した。表４に示す「スラグ、スパッタ試験」溶接条件で得られた溶接部において、アーク不安定や不適切な量のスラグに起因したスラグ巻込みやスラグ剥離不良を生じさせなかった溶接材料を、これら事項に関して合格と判定した。

スパッタ発生量は、表４に示す「スラグ、スパッタ試験」溶接条件での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ある。上述の手順で溶着金属試験を行った際に、粒径１ｍｍ以上のスパッタ発生量が０．３０ｇ／ｍｉｎ以下となる溶接材料を、スパッタ抑制能に関して合格と判定した。

耐低温割れ性及び耐凝固割れ性は、ＢＴ−ＨＴ６３０に規定される板厚８５ｍｍの鋼板を用いて、ＪＩＳ Ｚ３１５７に準拠して表２に示す溶接割れ試験の溶接条件でＵ形溶接割れ試験を実施することにより評価した。溶接後４８時間経過した試験体について、表面割れ及び断面割れ（５断面）の割れ発生有無を調査した。これらの結果を表３−１及び表３−２にまとめて示す。全ての評価において合格した溶接材料について、総合評価を合格とした。

本発明の範囲内である発明例Ａ１〜Ａ２２は、適正な引張強さと、良好で安定した靭性とを有する溶接金属が得られるとともに、アークの安定性並びにビードの外観及び形状に優れ、スパッタ発生量及びスラグ量が少ないなど溶接作業性に優れ、さらに低温割れ及び凝固割れを抑制することができた。一方、本発明の範囲外である比較例Ｂ１〜Ｂ２１については、評価項目の１つ以上に関し不合格となり、総合評価が不合格と判定された。

Claims (8)

1. 鋼製外皮と、前記鋼製外皮に充填された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、
   前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、合金成分として、
   Ｃ：０．０５〜０．１８％、
   Ｓｉ：０．３〜１．４％、
   Ｍｎ：１．２〜３．５％、
   Ｐ：０．０３０％以下、
   Ｓ：０．０３０％以下、
   Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、
   Ｎｉ：０．８〜３．５％、
   Ｃｒ：０．０１〜１．４０％、
   Ｍｏ：０．１５〜１．００％、
   Ｔｉ：０．０４〜０．３０％、及び
   Ａｌ：０．２００％以下を含有し、
   さらに、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、
   弗化物：Ｆ換算値の合計で０．１０％超０．３０％以下、
   Ｓｉ酸化物：ＳｉＯ_２換算値で０．０１０〜０．４００％、及び
   Ｎａ化合物及びＫ化合物：Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計で０．０６〜０．３５％
   を含有し、
   残部が鋼製外皮、鉄粉、及び鉄合金粉のいずれか一種以上の形態としてのＦｅと不純物とからなり、
   下記式（１）で示されるＰｔｓが０．６０〜１．５０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。
   Ｐｔｓ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／７＋［Ｍｎ］／５＋［Ｃｕ］／７＋［Ｎｉ］／２０＋［Ｃｒ］／８＋［Ｍｏ］／２＋［Ｔｉ］／５・・・式（１）
   但し、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｕ］、［Ｎｉ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｔｉ］は、前記合金成分として含まれるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉのそれぞれ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％を示し、前記フラックス入りワイヤに含まれない元素の含有量については０％とみなす。
2. 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、前記合金成分として
   Ｂ：０〜０．０１０％、
   Ｍｇ：０〜０．５０％、及び
   Ｓｎ：０〜０．４０％
   からなる群から選択される一種以上をさらに含有する
   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。
3. 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、
   Ｃａ化合物：Ｃａ換算値で０〜０．３００％
   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。
4. 前記鋼製外皮が、前記鋼製外皮の全質量に対する質量％で、前記合金成分として
   Ａｌ：０．００３〜０．２０％を含有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
5. 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、
   Ｚｒ化合物：Ｚｒ換算値で０〜０．３０％
   をさらに含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。
6. 前記鋼製外皮がシームレス形状であ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。
7. 前記鋼製外皮の外表面に送給潤滑剤をさらに備え、
   前記送給潤滑剤の、前記フラックス入りワイヤ１０ｋｇ当たりの量が０．２０〜１．００ｇである
   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。
8. 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鋼板をガスシールドアーク溶接することを特徴とする溶接継手の製造方法。