JP7024931B1

JP7024931B1 - ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP7024931B1
Application number: JP2021561016A
Authority: JP
Inventors: 充志 ▲高▼田; 圭治植田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2041-07-13
Also published as: US20230211441A1; KR20230025882A; EP4159884A1; JPWO2022030200A1; CN116137872A; WO2022030200A1

Abstract

溶接時にヒューム発生量が少なく、高Mn含有鋼材用の溶接材料として好適な、ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。本発明に係るソリッドワイヤは、質量％で、C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：15.0～30.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Al：0.020％以下、Ni：0.01～10.00％、Cr：6.0～15.0％、Mo：0.01～3.50％、O：0.010％以下、N：0.120％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するソリッドワイヤとする。

Description

本発明は、ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤに係り、とくに、極低温環境下で使用される高Mn含有鋼材溶接用ソリッドワイヤに関する。

近年、環境に対する規制が厳しくなっている。液化天然ガス（以下、LNGともいう）は、硫黄を含まないため、硫化酸化物等の大気汚染物質を発生させないクリーンな燃料と言われ、その需要が増加している。LNGの輸送または保管のために、LNGを輸送または貯蔵する容器（タンク）は、LNGの液化温度である-162℃以下の温度で、優れた極低温衝撃靭性を保持することが求められている。

しかし、優れた極低温衝撃靭性を保持することの必要性から、容器（タンク）等の材料用として、従来、アルミニウム合金、9％Ni鋼、オーステナイト系ステンレス鋼等が、用いられてきた。

しかし、アルミニウム合金は、引張強さが低いため、構造物の板厚を大きく設計する必要があり、また溶接性が悪いという問題がある。また、9％Ni鋼は、溶接材料として高価なNi基材料を用いることが必要なため、経済的に不利となる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、高価であり、母材強度も低いという問題がある。

このような問題から、LNGを輸送または貯蔵する容器（タンク）用の材料として、最近では、質量％で、Mnを10～35％程度含有する高Mn含有鋼（以下、高Mn鋼ともいう）の適用が検討されている。高Mn鋼は、極低温においても、オーステナイト相であり、脆性破壊が発生せず、またオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、高い強度を有するという特徴がある。そこで、このような高Mn含有鋼材を安定して溶接できる溶接材料の開発が要望されていた。

このような要望に対して、例えば特許文献１には、「極低温衝撃靭性に優れた高強度溶接継手部及びこのためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ」が提案されている。特許文献１に記載されたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤは、重量％で、C：0.15～0.8％、Si：0.2～1.2％、Mn：15～34％、Cr：6％以下、Mo：1.5～4％、S：0.02％以下、P：0.02％以下、B：0.01％以下、Ti：0.09～0.5％、N：0.001～0.3％、TiO₂：4～15％、SiO₂、ZrO₂及びAl₂O₃のうちから選択された１種以上の合計：0.01～9％、K、Na及びLiのうちから選択された１種以上の合計：0.5～1.7％、FとCaのうち１種以上：0.2～1.5％、残部Fe及びその他の不可避的不純物を含む組成を有するワイヤである。特許文献１に記載されたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを用いて溶接すれば、試験温度：-196℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーが28J以上の優れた低温靭性および常温引張強さが400MPa以上の高強度を有する溶接継手部が効果的に得られ、また、ワイヤ組成をMo：1.5％以上に調整しており、優れた耐高温割れ性を有する溶接継手部を確保できるとしている。

日本特表2017－502842号公報

しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載された技術では、溶接時にヒュームの発生量が多くなり、溶接者がヒューム量の多い環境下に晒されるという問題があった。

本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、溶接時にはヒューム発生量が少なく、かつ極低温環境下で使用される高Mn含有鋼材用の溶接材料として好適な、高強度と優れた極低温靭性とを兼備した溶接継手部を作製できる、ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。

なお、ここでいう「溶接時のヒューム発生量が少ない」とは、JIS Z 3930－2013に準拠して、シールドガス組成：80％Ar＋20％CO₂、溶接電流：250Aでガスメタルアーク溶接を行ったときのヒューム発生量が1200mg/min以下である場合をいうものとする。

また、ここでいう「高強度」とは、JIS Z 3111の規定に準拠して作製した溶着金属の常温降伏強さ（0.2％耐力）が400MPa以上である場合をいい、また、「優れた極低温靭性」とは、JIS Z 3111の規定に準拠して作製した溶着金属の、試験温度：-196℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーvE_-196が28J以上である場合をいうものとする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、ガスメタルアーク溶接時のヒューム発生量に影響する要因について、鋭意検討した。その結果、ヒューム発生量を著しく低減するためには、溶接材料を、フラックスコアードワイヤではなく、ソリッドワイヤとすることが有効であることに思い至った。しかし、フラックスコアードワイヤに比べて、伸線加工時の加工量が大きいソリッドワイヤでは、とくにワイヤ組成が高Mn含有組成である場合に、伸線加工時に割れや断線が発生しやすく、ソリッドワイヤの製造性が低下するという問題があった。

そこで、本発明者らは、ワイヤの製造性に及ぼす各種要因について、鋭意検討を行った。割れや断線が生じた破面を調査した結果、10μm以上の粗大なAl₂O₃が起点となっていることを知見した。したがって、粗大なAl₂O₃の形成を抑制することにより、割れ等の欠陥発生がなく伸線加工が可能となることを知見した。そして、粗大なAl₂O₃の形成を抑制するためには、ワイヤ組成を、質量％で、Alが0.020％以下、かつO（酸素）が0.010％以下となるように調整することが肝要であることを知見した。

ついで、上記した伸線加工が可能となるワイヤの製造性を保持したうえ、溶接時にヒューム発生量が少なく、さらに、JIS Z 3111の規定に準拠して作製した溶着金属が、所望の高強度と所望の優れた極低温靭性とを兼備する溶着金属となるために必要な、ソリッドワイヤ組成について検討した。その結果、ソリッドワイヤを、質量％で、C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％の範囲に調整し、さらにMn：15.0～30.0％、Ni：0.01～10.00％、Cr：6.0～15.0％、Mo：0.01～3.50％と、特定範囲に調整したうえで、Al：0.020％以下、さらに不純物であるO（酸素）：0.010％以下に低減した組成を有するワイヤとする必要があることを知見した。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
本発明の要旨は、次のとおりである。
［１］質量％で、
C：0.20～0.80％、 Si：0.15～0.90％、
Mn：15.0～30.0％、 P：0.030％以下、
S：0.030％以下、 Al：0.020％以下、
Ni：0.01～10.00％、 Cr：6.0～15.0％、
Mo：0.01～3.50％、 O：0.010％以下、
N：0.120％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
［２］前記組成に加えてさらに、質量％で、V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する［１］に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
［３］前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する［１］または［２］に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
［４］ Mnを10～35％含有する高Mn含有鋼を、
質量％で、
C：0.20～0.80％、 Si：0.15～0.90％、
Mn：15.0～30.0％、 P：0.030％以下、
S：0.030％以下、 Al：0.020％以下、
Ni：0.01～10.00％、 Cr：6.0～15.0％、
Mo：0.01～3.50％、 O：0.010％以下、
N：0.120％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを用い、
JIS Z 3930－2013に準拠して、10～40%CO₂ガスと残部Arからなる不活性ガスとの混合ガスをシールドガスとして用い、溶接電流： 180～330Aで、ヒューム発生量が1200mg/min以下でガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接方法。
［５］前記組成に加えてさらに、質量％で、V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する［４］に記載のガスメタルアーク溶接方法。
［６］前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する［４］または［５］に記載のガスメタルアーク溶接方法。
［７］試験温度：-196℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーが28J以上の優れた低温靭性および常温引張強さが400MPa以上の高強度を有する溶接継手部を形成する［４］ないし［６］のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法。
［８］請求項４ないし７のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法を用いた溶接接手の製造方法。

本発明によれば、ワイヤ製造性に優れ、ガスメタルアーク溶接時にヒューム発生量を顕著に抑制でき、さらに、高Mn含有鋼材の溶接材料として、高強度でかつ極低温靭性に優れた溶接継手部を容易に製造できる、ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを提供でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明は、高Mn含有鋼材のガスメタルアーク溶接用として好適な、ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤである。本発明のソリッドワイヤを用いれば、高Mn含有鋼材同士をヒューム発生量を少なくして溶接できる。また、本発明のソリッドワイヤは、JISZ 3111に準拠してガスメタルアーク溶接により作製した溶着金属が、常温における0.2％耐力で400MPa以上の高強度と、試験温度：-196℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが28Ｊ以上である優れた極低温靭性と、を兼備する溶着金属となり、高強度で極低温靭性に優れた溶接継手部を作製できる溶接材料である。

本発明のソリッドワイヤは、基本組成として、質量％で、C：0.20～0.80％、Si：0.15～0.90％、Mn：15.0～30.0％、P：0.030％以下、S：0.030％以下、Al：0.020％以下、Ni：0.01～10.00％、Cr：6.0～15.0％、Mo：0.01～3.50％、O：0.010％以下、N：0.120％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する。

まず、基本組成の組成限定理由について説明する。なお、以下、組成における「質量％」は、単に「％」で記す。

C：0.20～0.80％
Cは、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる作用を有する元素であり、また、Cは、オーステナイト相を安定化させ、溶接金属の極低温衝撃靭性を向上させる。このような効果を得るためには、0.20％以上の含有を必要とする。しかし、0.80％を超えて含有すると、炭化物が析出し、極低温靭性が低下し、さらに、溶接時の高温割れが生じやすくなる。そのため、Cは0.20～0.80％の範囲に限定した。Cの含有量は、好ましくは、0.40％以上である。Cの含有量は、好ましくは、0.60％以下である。

Si：0.15～0.90％
Siは、脱酸剤として作用し、Mnの歩留りを高めるとともに、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持し、スパッタの発生を低減する効果がある。そのような効果を得るためには、0.15％以上の含有を必要とする。しかし、0.90％を超えて含有すると、溶接金属の極低温靭性を低下させる。また、Siは、凝固時に偏析し、凝固セル界面に液相を生成して、耐高温割れ性を低下させる。そのため、Siは0.15～0.90％の範囲に限定した。好ましくは、Siは、0.20％以上である。好ましくは、Siは、0.70％以下である。

Mn：15.0～30.0％
Mnは、安価に、オーステナイト相を安定化する元素であり、本発明では15.0％以上の含有を必要とする。Mnが15.0％未満では、溶接金属中にフェライト相が生成し，極低温での靭性が著しく低下する。一方、Mnが30.0％を超えると、凝固時に過度のMn偏析が発生し，高温割れを誘発する。そのため、Mnは15.0～30.0％の範囲に制限した。好ましくは、Mnは、18.0％以上である。好ましくは、Mnは、27.0％以下である。

P：0.030％以下
Pは、結晶粒界に偏析し、高温割れを誘発する元素であり、本発明では、できるだけ低減することが好ましいが、0.030％以下であれば、許容できる。そのため、Pは0.030％以下に限定した。なお、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Pは0.003％以上に調整することが好ましい。

S：0.030％以下
Sは、溶接金属中では、硫化物系介在物MnSとして存在する。MnSは、破壊の発生起点となるため、極低温靭性を低下させる。そのため、Sは0.030％以下に限定した。なお、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Sは0.001％以上に調整することが好ましい。

Al：0.020％以下
Alは、脱酸剤として作用する元素であり、鋼の溶解時に添加される。Alを0.020％を超えて添加すると粗大なAl₂O₃が形成され、ワイヤの伸線加工時に破壊の発生起点となり、断線が生じる。そのため、Alは0.020％以下に限定した。なお、好ましくは0.015％以下、より好ましくは0.009％未満である。

Ni：0.01～10.00％
Niは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界に偏析し、極低温靱性を向上させる。このような効果を得るためには、0.01％以上の含有を必要とする。また、Niは、オーステナイト相を安定化する効果もあるため、さらに含有量を増加すれば、オーステナイト相を安定化させて、溶接金属の極低温靭性を向上させる。しかし、Niは高価な元素であり、10.00％を超える含有は、経済的に不利となる。そのため、Niは0.01～10.00％に限定した。好ましくはNiは0.20％以上である。好ましくはNiは8.00％以下である。

Cr：6.0～15.0％
Crは、極低温ではオーステナイト相を安定化させる元素として働き、溶接金属の極低温靭性を向上させる。また、Crは、溶接金属の強度を向上させる作用も有する。また、Crは、溶融金属の液相線を高めて、高温割れの発生を抑制するのに有効に作用する。さらに、Crは、液相中でCrPを形成することで、Pによる高温割れを抑制する作用も有する。このような効果を得るためには6.0％以上の含有を必要とする。Crが6.0％未満では、上記した効果を確保できない。一方、15.0％を超えて含有すると、Cr炭化物が生成し、極低温靭性の低下を招く。またさらに、炭化物の生成により、ワイヤ伸線時の加工性が低下する。そのため、Crは6.0～15.0％の範囲に限定した。好ましくは、Crは7.0％以上である。

Mo：0.01％～3.50％
Moは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界に偏析し、溶接金属の強度を向上させる。このような効果は0.01％以上の含有で顕著となる。なお、0.01％を超える含有では、固溶強化により溶接金属の強度を向上させる作用も有する。一方、3.50％を超えて含有すると、炭化物として析出し、熱間加工性が低下し、また、ワイヤの伸線時に割れを誘発させるなど、ワイヤの製造性が低下する。そのため、Moは0.01～3.50％の範囲に限定した。好ましくはMoは0.1％以上である。好ましくは、Moは3.0％以下である。

O：0.010％以下
O（酸素）は、不可避的に混入する元素であり、AlやSi、Mnなどの脱酸剤を添加し、酸化物として浮上分離される。Oが0.010％を超えると粗大な酸化物を形成し、とくにAlが0.020％を超えて添加される場合には、粗大なAl₂O₃（酸化物）を形成する。これら粗大な酸化物（Al₂O₃）が破壊の発生起点となり、ワイヤの製造性が低下する。このため、O（酸素）は0.010％以下に限定した。なお、好ましくはO（酸素）は0.008％以下である。

N：0.120％以下
Nは、不可避的に混入する元素であるが、Cと同様に、溶接金属の強度向上に有効に寄与するとともに、オーステナイト相を安定化し、極低温靱性の安定的向上に寄与する。このような効果は、Nは0.003％以上の含有で顕著となる。一方、Nは0.120％を超えて含有すると、窒化物を形成し、低温靱性が低下する。そのため、Nは0.120％以下に限定した。好ましくはNは0.004％以上である。好ましくは、Nは0.080％以下である。

本発明のソリッドワイヤは、上記した成分が基本の成分であるが、本発明では、上記した基本の組成に加えてさらに、選択成分として必要に応じて、V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上、および/または、Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を選択して含有できる。

V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
V、Ti、Nbはいずれも、炭化物の形成を促進し、溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて本発明のソリッドワイヤは、選択した１種または２種以上を含有できる。

Vは、炭化物形成元素であり、微細な炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する。このような効果を得るためにはVは0.001％以上含有することが望ましいが、しかし、Vは1.0％を超えて含有すると、炭化物が粗大化して、ソリッドワイヤの伸線加工時に割れの発生起点となり、伸線加工性を低下させ、ワイヤの製造性を低下させる。そのため、含有する場合には、Vは1.0％以下に限定することが好ましい。好ましくはVは0.002％以上である。好ましくはVは0.8％以下である。

Tiは、炭化物形成元素であり、微細な炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する。また、Tiは、溶接金属の凝固セル界面に炭化物を析出させて、高温割れの発生抑制に寄与する。このような効果を得るためにはTiを0.001％以上含有することが望ましいが、しかし、Tiは、1.0％を超えて含有すると、炭化物が粗大化して、ソリッドワイヤの伸線加工時に割れの発生起点となり、伸線加工性を低下させ、ワイヤの製造性を低下させる。そのため、Tiを含有する場合には、Tiは1.0％以下に限定することが好ましい。好ましくはTiは0.002％以上である。好ましくはTiは0.8％以下である。

Nbは、炭化物形成元素であり、炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する元素である。また、Nbは、溶接金属の凝固セル界面に炭化物を析出させて、高温割れの発生抑制に寄与する。このような効果を得るためには0.001％以上含有することが望ましいが、しかし、Nbが1.0％を超えると、炭化物が粗大化して、ソリッドワイヤの伸線加工時に割れの発生起点となり、伸線加工性を低下させ、ワイヤの製造性を低下させる。そのため、Nbを含有する場合には、Nbは1.0％以下に限定することが好ましい。好ましくはNbは0.002％以上である。好ましくは、Nbは0.8％以下である。

Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Cuはオーステナイト安定化に寄与する元素であり、Ca、REMは加工性向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有できる。

Cuは、オーステナイト相を安定化する元素であり、極低温でもオーステナイト相を安定化させて、溶接金属の極低温靭性を向上させる。このような効果を得るためには、Cuは0.01％以上含有することが望ましい。しかし、Cuは1.00％を超えて多量に含有すると、熱間延性が低下し、ワイヤの製造性が低下する。そのため、含有する場合には、Cuは1.00％以下に限定することが好ましい。より好ましくはCuは0.02％以上である。好ましくは、Cuは0.8％以下である。

Caは、溶融金属中でSと結合し、高融点の硫化物CaSを形成する。CaSは、MnSよりも高融点であるため、ソリッドワイヤの熱間加工時に圧延方向に進展せずに球形を維持し、ソリッドワイヤの加工性向上に有利に働く。このような効果はCaが0.001％以上の含有で顕著となる。一方、Caは0.010％を超えて含有すると、溶接時にアークに乱れが生じ、安定な溶接が困難となる。そのため、含有する場合には、Caは0.010％以下に限定することが好ましい。より好ましくはCaは0.001％以上である。好ましくはCaは0.008％以下である。

REMは、強力な脱酸剤であり、溶接金属中でREM酸化物の形態で存在する。REM酸化物は凝固時の核生成サイトとなることで、結晶粒を微細化し、溶接金属の強度の向上に寄与する。このような効果は0.001％以上の含有で顕著となる。しかし、0.020％を超えて含有すると、アークの安定性が低下する。そのため、含有する場合には、REMは0.020％以下に限定することが好ましい。より好ましくはREMは0.002％以上である。好ましくはREMは0.018％以下である。

上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
つぎに、本発明のソリッドワイヤの製造方法について説明する。
本発明のソリッドワイヤの製造は、上記した組成を有する溶鋼を使用すること以外、とくにその製造方法を限定する必要はなく、常用の溶接用ソリッドワイヤの製造方法がいずれも適用できる。

本発明のソリッドワイヤは、上記した組成を有する溶鋼を、電気炉、真空溶解炉等の常用の溶製炉で溶製し、所定形状の鋳型等に鋳造する鋳造工程と、ついで、得られた鋼塊を、所定温度に加熱する加熱工程と、加熱された鋼塊に、熱間圧延を施し、所定形状の鋼素材（棒状）とする熱延工程と、を順次行い、ついで、得られた鋼素材（棒状）を複数回の冷間圧延（冷間伸線加工）と、必要に応じて、焼鈍温度：900～1200℃とする焼鈍と、を施して、所望寸法のワイヤとする冷延工程を行う、ことが好ましい。
また、本発明は、ガスメタルアーク溶接方法として実施することができる。本発明に係るガスメタルアーク溶接方法は、Mnを10～35％含有する高Mn含有鋼を、質量％で、
C：0.20～0.80％、 Si：0.15～0.90％、
Mn：15.0～30.0％、 P：0.030％以下、
S：0.030％以下、 Al：0.020％以下、
Ni：0.01～10.00％、 Cr：6.0～15.0％、
Mo：0.01～3.50％、 O：0.010％以下、
N：0.120％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを用い、JIS Z 3930－2013に準拠して、10～40%CO₂ガスと残部Arからなる不活性ガスとの混合ガスをシールドガスとして用い、溶接電流：180～330Aでヒューム発生量が1200mg/min以下でガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接方法として実施することができる。
また、このガスメタルアーク溶接方法は、試験温度：-196℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーが28J以上の優れた低温靭性および常温引張強さが400MPa以上の高強度を有する溶接継手部を形成するガスメタルアーク溶接方法として実施することができる。
ガスメタルアーク溶接方法において、上記成分組成は、さらに、質量％で、V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有してもよい。上記成分組成は、さらに、質量％で、Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有してもよい。
本発明は、上記のガスメタルアーク溶接方法を用いた溶接接手の製造方法としても実施することができる。

以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。

表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、鋳造して鋼塊1000kgとした。得られた鋼塊を、1200℃に加熱したのち、熱間圧延と、その後の冷間圧延とにより、1.2mmφのガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤとした。なお、ワイヤ製造に際しては、圧延荷重（伸線荷重）の測定、割れの観察、ワイヤ断面の観察等を行って、各ソリッドワイヤの製造性を評価した。圧延荷重（伸線荷重）が高く、圧延（伸線）加工が不可能であると判断された場合、割れの発生が認められる場合、発生した割れに起因して、それ以上工程を進めることができなくなる場合等を、ワイヤ製造性が「×」と評価した。それ以外は、ワイヤ製造性が「○」と評価した。

また、比較例として、鋼製外皮と該鋼製外皮に金属粉末およびフラックス粉末を内包したフラックスコアードワイヤを作製した。質量％で、0.1％C－0.2％Si－0.5％Mn－残部Feからなる組成を有する薄鋼板（板厚0.5mm）を鋼製外皮素材として、幅方向に冷間曲げ加工を施し、Ｕ字形状とした。そして、得られた鋼製外皮に、表２に示すワイヤ組成となるように、成分調整した金属粉末およびフラックス粉末を封入し、冷間で伸線加工して、溶接用フラックスコアードワイヤ（直径：1.2mmφ）とした。また、表２に示す成分は、鋼製外皮、金属粉末およびフラックス粉末の合計値である。

ついで、得られたソリッドワイヤまたはフラックスコアードワイヤを溶接材料として、JIS Z3930の規定に準拠して、溶接ヒューム捕集装置内で、ガスメタルアーク溶接を行い、発生したヒュームをろ過材（ガラス繊維製）で捕集し、ヒューム発生量（mg/min）を測定した。なお、ガスメタルアーク溶接の溶接条件は、電流：250A、電圧：34V、溶接速度：30cm/min、シールドガス：80％Ar＋20％CO₂（流量：20L/min）とした。

また、試験板として、極低温用高Mn含有鋼板（板厚：12mm）を用意し、JIS Z 3111に準拠して、突き合わせて、45°Ｖ開先を形成し、得られたソリッドワイヤまたはフラックスコアードワイヤを溶接材料として、ガスメタルアーク溶接を行って、上記した開先内に溶着金属を得た。なお、試験板として使用した極低温用高Mn含有鋼板は、質量％で、0.5％C－0.4％Si－25％Mn－3％Cr－残部Feからなる組成を有する鋼板である。

ガスメタルアーク溶接は、表１および表２に示す組成の各ソリッドワイヤ（直径1.2mm）または各フラックスコアードワイヤ（直径1.2mm）を用いて、予熱なし、下向き姿勢で、電流：180～330A（DCEP）、電圧：24～33V、溶接速度：30cm/minで、パス間：100～150℃、シールドガス：Ar-10～40%CO₂、として実施した。

溶接後、溶着金属を光学顕微鏡で観察し、溶接割れの有無を判定した。溶接割れは、高温割れであり、割れ発生が認められる場合は耐高温割れ性が低下しているとして「×」と評価した。割れ発生が認められない場合は、耐高温割れ性に優れるとして「○」と評価した。

また、目視によって溶接ビードの外観を観察し、溶接ビード外観の判定を実施した。アンダーカット、オーバーラップ、ピットが認められる場合は、溶接ビード外観が不良として「×」と評価した。これらが認められない場合は、ビード外観が良好として「○」と評価した。

得られた溶着金属から、JIS Z 3111の規定に準拠して、溶着金属の引張試験片（平行部径6mmφ）、および溶着金属のシャルピー衝撃試験片（Vノッチ）を採取し、引張試験、衝撃試験を実施した。

引張試験は、室温で、各３本実施し、得られた値（0.2％耐力）の平均値を当該ワイヤを用いた溶着金属の引張特性とした。また、シャルピー衝撃試験は、各３本実施し、試験温度：-196℃における吸収エネルギーvE_-196を求め、その平均値を当該ワイヤを用いた溶着金属の極低温靭性とした。

得られた結果を表３に示す。

本発明例はいずれも、ワイヤの製造性に優れ、JIS Z 3930－2013に準拠して、溶接電流：250Aでガスメタルアーク溶接を行ったときのヒューム発生量が1200mg/min以下であり、ヒューム発生量の少ない溶接材料である、といえる。

また、本発明例はいずれも、溶接時に溶接割れ（高温割れ）の発生がなく、耐高温割れ性に優れ、溶接ビード外観も良好な溶着金属が得られる溶接材料である、といえる。

さらに、本発明例はいずれも、常温における降伏強さ（0.2％耐力）が400MPa以上で、試験温度：-196℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーvE_-196が、28Ｊ以上と、高強度と優れた極低温靭性とを兼備する溶接金属を得ることができる溶接材料（ソリッドワイヤ）である、といえる。

一方、本発明の範囲を外れる比較例では、ヒューム発生量が1200mg/minを超えて多いか、ワイヤの製造性が劣るか、溶接割れ（高温割れ）が発生し耐高温割れ性が低下しているか、溶接ビードに欠陥があり溶接ビード外観が不良であるか、あるいは、常温における0.2％耐力が400MPa未満であるか、吸収エネルギーvE_-196が28Ｊ未満であるかして、所望の溶接時のヒューム発生量が少なく、高強度と優れた極低温靭性を兼備する溶着金属が得られていない。

比較例であるワイヤNo.14はC含有量が、ワイヤNo.15はCr含有量がそれぞれ、本発明の範囲を低く外れているため、溶着金属の0.2％耐力が400MPa未満と所望の高強度を確保できていない。さらに、ワイヤNo.15では高温割れが発生している。

また、比較例であるワイヤNo.16はMn含有量が、本発明の範囲を高く外れているため、高温割れが発生している。

また、比較例であるワイヤNo.17はTiおよびNb含有量が、ワイヤNo.18はAl含有量が、No.19はO（酸素）含有量がそれぞれ、本発明の範囲を高く外れているため、伸線加工性が低下し、所望のワイヤ径まで伸線できなかった。

また、比較例であるワイヤNo.20はMn含有量が、本発明の範囲を低く外れているため、オーステナイト相の安定性が低く、そのため、吸収エネルギーvE_-196が28Ｊ未満と、極低温靭性が低下している。

また、比較例であるワイヤNo.21はNi含有量が、本発明の範囲を低く外れているため、吸収エネルギーvE_-196が28Ｊ未満と、極低温靭性が低下している。

また、比較例であるワイヤNo.22はSi含有量が、ワイヤNo.23はP含有量が、ワイヤNo.24はC含有量がそれぞれ、本発明の範囲を高く外れているため、溶接割れが発生し、耐高温割れ性が低下している。なお、ワイヤNo.22は、吸収エネルギーvE_-196が28Ｊ未満と、極低温靭性が低下している。

また、比較例であるワイヤNo.25はSi量が、本発明の範囲を低く外れているため、良好なビード形状が得られず、ピットが発生している。また、比較例であるワイヤNo.26、No.27、No.28、No.29はいずれも、フラックスコアードワイヤであるため、ヒューム発生量が1200mg/minを超え、溶接時にヒュームが多量発生している。

Claims

質量％で、
C：0.20～0.80％、 Si：0.15～0.90％、
Mn：15.0～30.0％、 P：0.030％以下、
S：0.030％以下、 Al：0.020％以下、
Ni：0.01～10.00％、 Cr：6.0～15.0％、
Mo：0.01～3.50％、 O：0.010％以下、
N：0.120％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
前記組成に加えてさらに、質量％で、V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１または２に記載のガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ。
Mnを10～35％含有する高Mn含有鋼を、
質量％で、
C：0.20～0.80％、 Si：0.15～0.90％、
Mn：15.0～30.0％、 P：0.030％以下、
S：0.030％以下、 Al：0.020％以下、
Ni：0.01～10.00％、 Cr：6.0～15.0％、
Mo：0.01～3.50％、 O：0.010％以下、
N：0.120％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有するガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを用い、
JIS Z 3930－2013に準拠して、10～40%CO₂ガスと残部Arからなる不活性ガスとの混合ガスをシールドガスとして用い、溶接電流： 180～330Aで、ヒューム発生量が1200mg/min以下でガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接方法。
前記組成に加えてさらに、質量％で、V：1.0％以下、Ti：1.0％以下およびNb：1.0％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項４に記載のガスメタルアーク溶接方法。
前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：1.00％以下、Ca：0.010％以下およびREM：0.020％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項４または５に記載のガスメタルアーク溶接方法。
試験温度：-196℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーが28J以上の優れた低温靭性および常温引張強さが400MPa以上の高強度を有する溶接継手部を形成する請求項４ないし６のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法。
請求項４ないし７のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法を用いた溶接接手の製造方法。