JP7219133B2 - フラックス入りワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、フラックス入りワイヤに関する。
海洋構造物分野においては、エネルギー資源開発を進める海域の大水深化、北極海などの極限海域への資源探査・採掘域の拡大及び設備の大型化が進行している。このような技術動向を背景として、海洋構造物の設計では高強度化及び高靱性化が進み、溶接継手に対する要求性能もより厳しいものとなっている。
一方、溶接材料については、高能率化の観点から、全姿勢溶接用のフラックス入りワイヤが求められている。しかしながら、従来の全姿勢用のフラックス入りワイヤは、得られる溶接金属中の酸素量が高いため、これを用いてガスシールドアーク溶接した場合、溶接継手部の低温靭性を確保することが難しい。
例えば、特許文献１には、金属Ｔｉ及びＴｉ合金、金属Ａｌ及びＡｌ合金、並びにＶの含有率を特定範囲に規制し、さらに鋼製外皮におけるＴｉ含有率を特定範囲に規制したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが記載され、耐低温割れ性に加えて耐高温割れ性に優れ、かつ低温靭性に優れるとされている。
特開２０１６－７８１２１号公報
ところで、前述したように、海洋構造物は、極限海域に適用されるとともに設備の大型化が進んでおり、溶接継手などの溶接部には、強度、低温靱性などにおいてさらに厳しい性能が求められるようになってきている。このため、フラックス入りワイヤにおいても、さらなる改良が期待されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、溶接作業性が優れるとともに、良好な引張強度及び低温靱性を有する溶接金属が得られるフラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
本発明に係るフラックス入りワイヤは、鋼製外皮と、外皮に内包されるフラックスとを有し、前記ワイヤはそのワイヤの全質量中の各成分の含有率が、Ｆｅ：８３．０質量％以上９３．０質量％以下、ＴｉＯ２：５．０質量％以上７．０質量％以下、Ｓｉ：０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｃ：０．０２質量％以上０．１０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以上３．０質量％以下、Ｍｇ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、Ｎｉ：０．７０質量％以上３．００質量％以下、Ｃｒ：０．５０質量％以下、Ｆ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、並びにＮａ及びＫの総量：０．０５質量％以上０．３０質量％以下であり、前記外皮はその外皮の全質量あたり、Ｃ：０．０１０質量％以上０．０７０質量％以下、Ｍｎ：０．４０質量％以下、Ｓｉ：０．１０質量％以下、Ｎｉ：０．１０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以下、Ｎ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、及びＯ：０．００１０質量％以上０．００７５質量％以下を含有し、前記外皮の残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
本発明に係るフラックス入りワイヤは、前記外皮の酸素含有率［Ｏ］に対するワイヤのＭｇ含有率［Ｍｇ］の比である［Ｍｇ］／［Ｏ］が６５以上であってもよい。また、前記外皮は、継ぎ目なしに形成されていてもよい。また、ワイヤの全質量中における、Ｆ含有量を［Ｆ］、Ｎａ含有量を［Ｎａ］、Ｋ含有量を［Ｋ］、Ｍｇ含有量を［Ｍｇ］、及びＴｉＯ２含有量を［ＴｉＯ２］とするとき、これらの関係が下記式を満たしてもよい。
［Ｆ］／（［Ｎａ］＋［Ｋ］＋［Ｍｇ］／３＋［ＴｉＯ２］／１５）≧０．０５
さらに、本発明に係るフラックス入りワイヤはその全質量中の各成分の含有率が、ＺｒＯ２：０．５０質量％以下、Ａｌ２Ｏ３：０．５０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％以下、金属Ｔｉ：０．２５質量％以下、金属Ａｌ：０．２０質量％以下、Ｂ：０．０２００質量％以下、及びＬｉ：０．３０質量％以下のうち、いずれか１以上をさらに満たしてもよい。
本発明によれば、溶接作業性が優れるとともに、良好な引張強度及び低温靱性を有する溶接金属が得られるフラックス入りワイヤを提供することができる。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための、フラックス入りワイヤを例示するものであって、本発明は、以下に示すフラックス入りワイヤに限定されない。本実施形態のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスが充填されたものであり、その外径は、例えば０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である。また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各成分が本発明の範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、ワイヤの伸線性及び溶接時の作業性（送給性など）の観点から、例えばワイヤ全質量中の１０質量％以上２０質量％以下である。
本実施形態のフラックス入りワイヤ（以下、単にワイヤともいう）は、鋼製外皮と、外皮（以下、単に外皮ともいう）に内包されるフラックスとを有する。ワイヤはそのワイヤの全質量中の各成分の含有率が、Ｆｅ：８３．０質量％以上９３．０質量％以下、ＴｉＯ２：５．０質量％以上７．０質量％以下、Ｓｉ：０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｃ：０．０２質量％以上０．１０質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以上３．０質量％以下、Ｍｇ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、Ｎｉ：０．７０質量％以上３．００質量％以下、Ｃｒ：０．５０質量％以下、Ｆ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、並びにＮａ及びＫの総量：０．０５質量％以上０．３０質量％以下である。また、外皮はその外皮の全質量あたり、Ｃ：０．０１０質量％以上０．０７０質量％以下、Ｍｎ：０．４０質量％以下、Ｓｉ：０．１０質量％以下、Ｎｉ：０．１０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以下、Ｎ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、及びＯ：０．００１０質量％以上０．００７５質量％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。
本実施形態のフラックス入りワイヤは、例えば、ガスシールドアーク溶接に用いられ、全姿勢溶接に適用することができる。また、得られる溶接金属が低温靱性及び引張強度に優れることから、厳しい要求性能に充分に応えることができる。次に、本実施形態のフラックス入りワイヤに含有される各成分の数値限定理由について説明する。
ワイヤの全質量に対する鉄（Ｆｅ）の含有率は、８３．０質量％以上９３．０質量％以下であり、好ましくは８５．０質量％以上であり、また好ましくは９２．０質量％以下である。Ｆｅ含有率が８３．０質量％以上であると充分な溶着量を確保することができる。
ワイヤの全質量に対する酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有率は、５．０質量％以上７．０質量％以下である。ＴｉＯ２はスラグの主成分であり、ＴｉＯ２含有率がワイヤ全質量に対して５．０質量％以上であると、下向以外の姿勢、例えば立向や上向などでの溶接が容易になり、全姿勢溶接性が確保できる。また、ＴｉＯ２含有率がワイヤ全質量に対して７．０質量％以下であると、溶接金属中にＴｉＯ２が微粒子として残留することが抑制され、溶接金属の靭性劣化が抑制される。ＴｉＯ２含有率は、好ましくは５．３質量％以上である。また、ＴｉＯ２含有率は、好ましくは６．８質量％以下、より好ましくは６．５質量％以下、さらに好ましくは６．０質量％以下である。
ワイヤの全質量に対するケイ素（Ｓｉ）の含有率は、Ｓｉ及びＳｉ化合物の総Ｓｉ量として、０．２質量％以上１．０質量％以下である。ここでＳｉ化合物中のＳｉ量は、Ｓｉ化合物量をそれぞれＳｉ単体量に換算して算出さる。Ｓｉには、溶融池の粘性を下げる効果があり、また、溶融スラグ中では、脱酸作用により、流動性を増加させる効果があるＳｉＯ２が生成する。ワイヤの全質量に対する総Ｓｉ含有率が０．２質量％以上であると、溶融金属の粘性が低下し、母材へのなじみが向上すると共に、脱酸効果が充分に得られ、溶接金属におけるブローホールの発生が抑制される。また、Ｓｉ含有率が、１．０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、割れの発生が抑制される。Ｓｉ含有率は、好ましくは０．８質量％以下であり、より好ましくは０．７質量％以下、さらに好ましくは０．６質量％以下である。
ワイヤの全質量に対する炭素（Ｃ）の含有率は、０．０２質量％以上０．１０質量％以下である。Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する。Ｃ含有率がワイヤ全質量に対して０．０２質量％以上であると、溶接金属の強度が充分に向上し、溶接金属の耐力が向上する。また、Ｃ含有率が０．１０質量％以下であると、溶接金属にマルテンサイトが島状に生成することが抑制され、靭性劣化が抑制される。Ｃ含有率は、好ましくは０．０３質量％以上である。また、Ｃ含有率は、好ましくは０．０８質量％以下である。ここで、Ｃ含有率には、炭酸塩などに起因するＣＯ２中のＣは含まない。
ワイヤの全質量に対するマンガン（Ｍｎ）の含有率は、Ｍｎ及びＭｎ化合物として含まれる総Ｍｎ量として、１．０質量％以上３．０質量％以下である。Ｍｎは、溶接金属の脱酸を促進すると共に、溶接金属の靭性及び強度を高める効果がある。Ｍｎ含有率がワイヤ全質量に対して１．０質量％以上であると、溶接金属の脱酸が充分に促進され、溶接金属におけるブローホールの発生が抑制され、溶接金属の靭性劣化が抑制される。また、Ｍｎ含有率が３．０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、割れの発生が抑制される。Ｍｎ含有率は、好ましくは１．２質量％以上であり、より好ましくは１．４質量％以上である。また、Ｍｎ含有率は、好ましくは２．８質量％以下であり、より好ましくは２．６質量％以下である。
ワイヤの全質量に対するマグネシウム（Ｍｇ）の含有率は、０．３０質量％以上０．７０質量％以下である。Ｍｇは、脱酸作用のある元素であり、ワイヤはＭｇ源として金属Ｍｇ及びＭｇ合金のうち少なくとも１種を含有してもよい。Ｍｇ含有率が０．３０質量％以上であると、充分な脱酸作用が得られ、溶接金属におけるブローホールの発生が抑制され、靭性劣化が抑制される。また、Ｍｇ含有率が０．７０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、割れの発生が抑制される。Ｍｇ含有率は、好ましくは０．３２質量％以上、より好ましくは０．３５質量％以上、さらに好ましくは０．４０質量％以上である。また、Ｍｇ含有率は、好ましくは０．６６質量％以下、より好ましくは０．６０質量％以下である。
ワイヤの全質量に対するニッケル（Ｎｉ）の含有率は、０．７０質量％以上３．００質量％以下である。Ｎｉは、母相強化により溶接金属の靭性確保に寄与する元素であり、Ｎｉ含有率が３．００質量％以下であると、溶接金属における高温割れの発生が抑制される。また、Ｎｉ含有率が０．７０質量％以上であると、溶接金属の靭性が向上する。Ｎｉ含有率は、好ましくは０．８５質量％以上である。また、Ｎｉ含有率は、好ましくは２．８５質量％以下、より好ましくは２．５０質量％以下である。Ｎｉは、例えばＮｉ単体又は合金として添加される。
ワイヤの全質量に対するクロム（Ｃｒ）の含有率は、０．５０質量％以下であり、好ましくは０．４５質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以下、さらに好ましくは０．３０質量％以下である。また、Ｃｒ含有率は、例えば０．００５質量％以上である。Ｃｒは溶接金属の強度向上に寄与する元素である。Ｃｒ含有率が０．５０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、低温割れの発生が抑制される。一方、Ｃｒ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の強度が充分に向上する。Ｃｒは、例えばＣｒ単体又は合金として添加される。
ワイヤの全質量に対するフッ素（Ｆ）の含有率は、０．１０質量％以上０．５０質量％以下であり、好ましくは０．３０質量％以下、より好ましくは０．２５質量％以下である。Ｆはフッ化物としてワイヤに含有され、Ｆ含有率はフッ化物に含まれるＦ換算値である。フッ化物は、溶接時に水素（Ｈ）と結合してＨＦを形成し、溶接金属の拡散水素量を低減する効果がある。ワイヤは、少なくとも１種のフッ化物を含有していればよい。フッ化物の具体例としては、ＣａＦ、ＢａＦ２、ＮａＦ、Ｋ２ＳｉＦ６、ＳｒＦ２、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、ＬｉＦなどが挙げられる。
Ｆ含有率が、フッ化物のＦ換算値でワイヤ全質量に対して０．１０質量％以上であると、溶接金属の拡散水素量が減少し、低温割れの発生が抑制されやすくなる。また、Ｆ含有率が、０．５０質量％以下であると、溶接中のヒューム発生量が抑制され良好な溶接性が得られる。
ワイヤの全質量に対するナトリウム（Ｎａ）及びカリウム（Ｋ）の総含有率は、０．０５質量％以上０．３０質量％以下であり、好ましくは０．１０質量％以上である。Ｎａ及びＫは、アークを安定させる効果があり、ワイヤはＮａ及びＫの少なくとも一方を含んでいればよい。Ｎａ及びＫはそれぞれ、Ｎａ化合物及びＫ化合物としてワイヤに含まれる。Ｎａ含有率は、Ｎａ化合物に含まれるＮａ換算値であり、Ｋ含有率は、Ｋ化合物に含まれるＫ換算値である。ワイヤはＮａ化合物及びＫ化合物の少なくとも１種を含んでいればよい。Ｎａ化合物の具体例としては、ＮａＦ、Ｎａ２Ｏ、Ｎａ２ＣＯ３などが挙げられる。Ｋ化合物の具体例としては、Ｋ２Ｏ、ＫＦ、Ｋ２ＳｉＦ６などが挙げられる。
Ｎａ及びＫの総含有率、すなわち、Ｎａ化合物含有率のＮａ換算値とＫ化合物含有率のＫ換算値の総計が、ワイヤの全質量に対して０．０５質量％以上であると、アークの安定性が充分に得られる。一方、Ｎａ及びＫの総含有率が０．３０質量％以下であると、ワイヤの含有水分量が抑制され、溶接金属の拡散水素量が低減されて、低温割れの発生が抑制されやすくなる。また、アークの過剰な広がりが抑制されて良好な溶接性が得られる。Ｎａ及びＫの総含有率は、好ましくは０．０８質量％以上である。また、Ｎａ及びＫの総含有率の上限は、好ましくは０．２６質量％以下、より好ましくは０．２０質量％以下である。
ワイヤは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を含んでいてもよい。ＺｒＯ２は、ビード形状を良好にする効果がある。ワイヤがＺｒＯ２を含む場合、ワイヤの全質量に対するＺｒＯ２含有率は、例えば、０．５０質量％以下であり、好ましくは０．３０質量％以下、より好ましくは０．２０質量％以下である。また、ＺｒＯ２含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。ＺｒＯ２含有率が０．００５質量％以上であると、良好なビード形状が得られる傾向がある。また、ＺｒＯ２含有率が０．５０質量％以下であると、ビード止端部のなじみが向上し、ビード形状が凸になることが抑制される。
ワイヤは、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含んでいてもよい。Ａｌ２Ｏ３は、ビード形状を良好にする効果がある。ワイヤがＡｌ２Ｏ３を含む場合、ワイヤの全質量に対するＡｌ２Ｏ３含有率は、例えば、０．５０質量％以下であり、好ましくは０．３０質量％以下、より好ましくは０．２０質量％以下である。また、Ａｌ２Ｏ３含有率は、例えば、０．０５質量％以上であり、好ましくは０．１０質量％以上である。Ａｌ２Ｏ３含有率が０．０５質量％以上であると、良好なビード形状が得られる傾向がある。また、Ａｌ２Ｏ３含有率が０．５０質量％以下であると、ビード止端部のなじみが向上し、ビード形状が凸になることが抑制される。
ＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３は、両方を含有することが好ましいが、いずれか一方のみを含有していてもよい。
ワイヤは、モリブデン（Ｍｏ）を含んでいてもよい。Ｍｏは、溶接金属の強度向上に寄与する元素である。ワイヤがＭｏを含む場合、ワイヤの全質量に対するＭｏ含有率は、例えば、０．５０質量％以下であり、好ましくは０．４５質量％以下、より好ましくは０．４質量％以下である。また、Ｍｏ含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。Ｍｏ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の引張強さが充分に得られる傾向がある。また、Ｍｏ含有率が０．５０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、低温割れの発生が抑制されやすくなる。Ｍｏは、例えばＭｏ単体や合金として添加される。
ワイヤは、銅（Ｃｕ）を含んでいてもよい。Ｃｕは、溶接金属の強度向上に寄与する元素である。ワイヤがＣｕを含む場合、ワイヤの全質量に対するＣｕ含有率は、例えば、０．５０質量％以下であり、好ましくは０．１０質量％以下であり、より好ましくは０．０５質量％以下である。また、Ｃｕ含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。Ｃｕ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の強度が充分に得られる。また、Ｃｕ含有率が０．５０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、低温割れの発生が抑制されやすくなる。また、ミクロ偏析による溶接金属の高温割れが抑制されやすくなる。Ｃｕは、例えばＣｕ単体や合金として添加される。
ワイヤは、酸化チタンに加えて金属チタン（Ｔｉ）を含んでいてもよい。金属Ｔｉは金属又は合金の形態で添加される。金属Ｔｉは、溶接金属の靭性向上に寄与する元素である。ワイヤが金属Ｔｉを含む場合、ワイヤの全質量に対する金属Ｔｉ含有率は、例えば、０．２５質量％以下であり、好ましくは０．２０質量％以下、より好ましくは０．１５質量％以下である。また、金属Ｔｉ含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。金属Ｔｉ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の靭性が充分に得られる。また、金属Ｔｉ含有率が０．２５質量％以下であると、溶接金属中の固溶Ｔｉ量が低減され、再熱部におけるＴｉＣ析出が抑制され、靭性を充分に確保できる。
ワイヤは、酸化アルミニウムに加えて金属アルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。金属Ａｌは金属又は合金の形態で添加される。金属Ａｌは、溶接金属の靭性向上に寄与する元素である。ワイヤが金属Ａｌを含む場合、ワイヤの全質量に対する金属Ａｌ含有率は、例えば、０．２０質量％以下であり、好ましくは０．０５質量％以下、より好ましくは０．０３質量％以下である。また、金属Ａｌ含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。金属Ａｌ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の靭性が充分に得られる。また、金属Ａｌ含有率が０．２０質量％以下であると、溶接金属中に粗大な酸化物が生成することが抑制され、靭性を充分に確保できる。
ワイヤは、ホウ素（Ｂ）を含んでいてもよい。ＢはＢ単体又はＢ化合物の形態で添加される。Ｂは、旧オーステナイト粒界に偏析し、初析フェライトの析出を抑制することで、溶接金属の靭性を向上させる効果がある。Ｂ化合物としてはＦｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、Ｂ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３を含む複合酸化物などが挙げられる。ワイヤがＢを含む場合、ワイヤの全質量に対するＢ含有率は、例えば、０．０２００質量％以下であり、好ましくは０．０１００質量％以下であり、より好ましくは０．００９０質量％以下である。また、Ｂ含有率は、例えば、０．００１０質量％以上である。ここで、Ｂ含有率は、Ｂ単体とＢ化合物に含まれるＢ換算値の合計である。Ｂ含有率が０．００１０質量％以上であると、溶接金属の靭性が充分に得られる。また、Ｂ含有率が０．０２００質量％以下であると、溶接金属における高温割れの発生が抑制される。
ワイヤは、リチウム（Ｌｉ）を含んでいてもよい。ＬｉはＬｉ単体又はＬｉ化合物の形態で添加される。Ｌｉは、例えば、アーク安定性の向上、溶接金属の靭性向上等に寄与し得る元素である。Ｌｉ化合物としては、ＬｉＦ等のフッ化物、ＢａＬｉＦ３等複合フッ化物などが挙げられる。ワイヤがＬｉを含む場合、ワイヤの全質量に対するＬｉ含有率は例えば、０．３０質量％以下であり、好ましくは０．０５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。また、Ｌｉ含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。ここで、Ｌｉ含有率は、Ｌｉ単体とＬｉ化合物に含まれるＬｉ換算値の合計である。Ｌｉ含有率が０．００５質量％以上であると、アーク安定性がより向上し、溶接金属の靭性がより向上する場合がある。また、Ｌｉ含有率が０．３０質量％以下であると、溶接時におけるスパッタの過剰発生が抑制され、溶接作業性がより向上する場合がある。
ワイヤの成分組成における残部は、不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えばＳ、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓなどが挙げられる。ワイヤには、合金剤及びその化合物を構成するバナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）が更に含まれていてもよく、アーク安定剤、スラグ形成剤等が更に含まれていてもよい。
ワイヤはバナジウム（Ｖ）を含んでいていてもよい。Ｖは、粒界に偏析し、粒界破壊の原因ともなり得る元素である。ワイヤがＶを含む場合、ワイヤの全質量に対するＶ含有率は例えば、０．０１質量％以下であり、好ましくは０．００５質量％以下である。Ｖ含有率が、０．０１質量％以下であると、溶接金属の靭性劣化が抑制される。
ワイヤはニオブ（Ｎｂ）を含んでいていてもよい。Ｎｂは、合金剤であるが、粒界に偏析しやすく、粒界破壊の原因ともなり得る元素である。ワイヤがＮｂを含む場合、ワイヤの全質量に対するＮｂ含有率は、例えば、０．０１質量％以下である。Ｎｂ含有率が０．０１質量％以下であると、粒界破壊が抑制され、溶接金属の靭性劣化が抑制される。
ワイヤはイオウ（Ｓ）を含んでいていてもよい。Ｓは、溶接金属の靭性を低下させる場合もあるため、一般には、その含有量を低減する規制元素として扱われているが、ビード止端部のなじみをよくする効果があるため、積極的に添加することもできる。ワイヤがＳを含む場合、ワイヤの全質量に対するＳ含有率は、例えば、０．００５質量％以上である。一方、Ｓ含有率は、例えば、０．０３質量％以下である。Ｓ含有率が０．００５質量％以上であると、ビード止端部のなじみが向上する。また、Ｓ含有率が０．０３質量％以下であると、溶接金属の耐高温割れ性の低下が抑制される。
ワイヤはリン（Ｐ）を含んでいていてもよい。Ｐは不可避的不純物であり、ワイヤの全質量に対するＰ含有率は、例えば、０．０３質量％以下である。Ｐ含有率が０．０３質量％以下であると、溶接金属の耐高温割れ性の低下が抑制される。
外皮は、特定の微量元素を特定の含有率で含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼製である。外皮に含まれる元素は、フラックス内に含まれる元素と比較して溶融時の消耗が少ないため、一般に溶接金属に与える影響が大きい。このため、外皮に含まれる各種微量元素を以下のように規定する。なお、外皮の各元素の含有率は外皮の全質量あたりとする。
外皮における窒素（Ｎ）の含有率は０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下である。また、酸素（Ｏ）の含有率は０．００１０質量％以上０．００７５質量％以下である。
窒素の含有率が０．００５０質量％よりも多いと、溶接金属の靭性、特に低温下における靭性が低下する。また、酸素の含有率が０．００７５質量％より多いと、溶接金属の靭性、特に低温下における靭性が低下する。
ここで、窒素の含有率は、好ましくは０．００４５質量％以下、より好ましくは０．００４０質量％以下である。また、酸素の含有率は好ましくは０．００７０質量％以下であり、より好ましくは０．００６０質量％以下、更に好ましくは０．００５０質量％以下である。なお、外皮における酸素及び窒素の含有率は、例えば、市販の酸素・窒素分析装置で測定される。
外皮における炭素（Ｃ）の含有率は０．０１０質量％以上０．０７０質量％以下である。外皮におけるＣ含有率が０．０１０質量％以上であると溶接金属の強度が充分に向上し、耐力が向上する傾向がある。一方、Ｃ含有率が０．０７０質量％以下であると、溶接金属にマルテンサイトが島状に生成することが抑制され、靭性劣化が抑制される。外皮のＣ含有率は、好ましくは０．０６０質量％以下、より好ましくは０．０５０質量％以下、さらに好ましくは０．０４０質量％以下である。
外皮におけるマンガン（Ｍｎ）の含有率は、０．４０質量％以下であり、好ましくは０．３０質量％以下である。また下限は、例えば０．１０質量％以上であり、好ましくは０．２０質量％以上である。Ｍｎ含有率が０．１０質量％以上であると、溶接金属の強度が向上する。また、溶接金属におけるブローホールの発生が抑制され、溶接金属の靭性劣化が抑制される。一方、Ｍｎ含有率が、０．４０質量％以下であると溶接金属における割れの発生が抑制される傾向がある。
外皮におけるケイ素（Ｓｉ）の含有率は、０．１０質量％以下であり、好ましくは０．０５質量％以下である。また下限は、例えば０．００５質量％以上であり、好ましくは０．００８質量％以上である。外皮におけるＳｉ含有率が０．００５質量％以上であると、溶融金属の粘性増加が抑制され、母材へのなじみが向上すると共に、充分な脱酸効果が得られ、溶接金属におけるブローホールの発生が抑制される。一方、外皮におけるＳｉ含有率が０．１０質量％以下であると、溶接金属における割れの発生が抑制される傾向がある。
外皮におけるニッケル（Ｎｉ）の含有率は、０．１０質量％以下であり、好ましくは０．０５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。またＮｉ含有率は、好ましくは０．００５質量％以上である。Ｎｉ含有率が０．１０質量％以下であると、溶接金属における高温割れの発生が抑制される。一方、Ｎｉ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の靭性が向上する。
外皮におけるクロム（Ｃｒ）の含有率は、０．１０質量％以下であり、好ましくは０．０５質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下である。また、Ｃｒ含有率は、例えば０．００５質量％以上である。Ｃｒ含有率が０．１０質量％以下であると、溶接金属の強度が適度に得られ、低温割れの発生が抑制される。一方、Ｃｒ含有率が０．００５質量％以上であると、溶接金属の強度が充分に向上する。
外皮の成分組成における残部は、主成分である鉄（Ｆｅ）及びＡｌ、Ｔｉ、Ｐ、Ｓ等の不可避的不純物である。外皮がＡｌ、Ｔｉ、Ｐ、Ｓ等を含む場合、それらの含有率はそれぞれ、例えば、０．０３質量％以下である。
外皮の酸素含有率［Ｏ］に対するワイヤのＭｇ含有率［Ｍｇ］の比である［Ｍｇ］／［Ｏ］は、例えば、６５以上であり、好ましくは７０以上、より好ましくは７５以上である。一方、［Ｍｇ］／［Ｏ］の上限は、例えば、２３０以下である。［Ｍｇ］／［Ｏ］が６５以上であると、低温靱性がより向上する傾向がある。これは例えば、溶接金属中に残存すると低温靱性を低下させる酸素元素の含有量が、脱酸剤として機能し得るＭｇによって低減されるためと考えることができる。
ワイヤは、外皮が継ぎ目なしに、すなわち、シームレスに形成されていることが好ましい。外皮に継ぎ目がないことで、外皮に内包されるフラックスが外部から吸湿することが抑制される。これにより溶接金属中の拡散性水素量を低減することができ、耐水素脆化特性を向上させることが出来る。
ワイヤの成分組成は、ワイヤの全質量中における、フッ化物のＦ換算含有率を［Ｆ］、Ｎａ成分のＮａ換算含有率を［Ｎａ］、Ｋ成分のＫ換算含有率を［Ｋ］、Ｍｇ成分のＭｇ換算含有率を［Ｍｇ］、及びＴｉＯ２の含有率を［ＴｉＯ２］とするとき、下記式１で表される関係を満たすことが好ましい。
式１ ［Ｆ］／（［Ｎａ］＋［Ｋ］＋［Ｍｇ］／３＋［ＴｉＯ２］／１５）≧０．０５
式１は、ワイヤの吸湿性に関与する元素群の含有量に対するフッ素元素の含有量の比であり、これが所定の関係を満たす場合、溶接金属中における拡散性水素量が充分に低減されて、優れた低温靱性を達成することができる。式１の下限値は、例えば０．０５以上であるが、好ましくは０．１０以上である。また、式１の上限値は、例えば、１．０以下である。
ワイヤを用いて形成される溶接金属における低温靱性は、例えば、低温環境下におけるシャルピー吸収エネルギー及びシャルピー脆性破面率で評価することができる。－６０℃におけるシャルピー吸収エネルギーは、例えば、７０Ｊ以上であり、好ましくは７５Ｊ以上である。また－６０℃におけるシャルピー脆性破面率は、例えば、４０％以下であり、好ましくは３８％以下、より好ましくは３５％以下、さらに好ましくは３０％以下である。
フラックス入りワイヤは、例えば、以下に示す方法で製造することができる。外皮を構成する鋼帯を、長手方向に送りながら成形ロールにより成形し、Ｕ字状のオープン管にする。所定の化学組成となるように、酸化物と、金属又は合金と、Ｆｅ粉などとを所要量配合したフラックスを外皮に充填した後、断面が円形になるように加工する。外皮の合わせ目に溶接等を施すことにより継ぎ目無しとすることも出来る。その後、冷間加工により伸線し、例えば１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下のワイヤ径とする。なお、冷間加工途中に焼鈍を施してもよい。
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、成分組成が下記表１に示す範囲にある炭素鋼により形成した管状の外皮にフラックスを充填し、実施例及び比較例のフラックス入りワイヤ（直径１．２ｍｍ）を作製した。なお、下記表１に示す外皮形成に用いた炭素鋼の成分の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。その際、フラックスの充填率は、ワイヤ全質量に対して１２．５質量％以上１４．５質量％以下の範囲になるようにした。
Figure 0007219133000001
下記表２に、実施例及び比較例の各フラックス入りワイヤのワイヤ全体の成分組成及び外皮の成分組成を示す。なお、ワイヤ成分はワイヤ全質量あたりとし、外皮成分は外皮全質量あたりとする。下記表２に示すワイヤ成分の残部は不可避的不純物であり、外皮成分の残部はＦｅ及び不可避的不純物である。また、表２には、ワイヤの断面における外皮の継ぎ目の有無、［Ｍｇ］／［Ｏ］、式１の値を併せて示す。なお、Ｎｏ．１から１５が実施例に、Ｎｏ．１６から２２が比較例に該当する。
Figure 0007219133000002
次に、実施例及び比較例の各フラックス入りワイヤを使用して、下記表３に示す母材に対して、ガスシールドアーク溶接を行った。なお、下記表３に示す母材組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
Figure 0007219133000003
溶接条件は、以下の通りである。
・シールドガス:８０％Ａｒ－２０％ＣＯ２、２５リットル/分
・ワイヤ径：φ１．２ｍｍ
・溶接姿勢：下向
・開先形状：Ｖ型
・開先角度：２０°
・開先ギャップ：１６ｍｍ
・溶接電流：２８０Ａ
・アーク電圧：２９Ｖ
・溶接速度：３５０ｍｍ／分
そして、実施例及び比較例の各フラックス入りワイヤを使用したガスシールドアーク溶接により得られた溶接金属について、以下に示す方法で、機械的性質及び拡散水素量を評価した。
＜機械的性質＞
溶接金属の機械的性質は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５に規定される「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」に準拠した引張試験及び衝撃試験により評価した。その結果、降伏応力（ＹＳ）については、４６０ＭＰａ以上であったものを合格とした。引張強度（ＴＳ）については５７０ＭＰａ以上８５０ＭＰａ以下の範囲であったものを合格とした。また、低温靭性については、－６０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが７０Ｊ以上であって、且つ、－６０℃におけるシャルピー脆性破面率が４０％以下であったものを合格とした。
＜拡散水素量＞
溶接金属の拡散水素量の評価は、３０℃、８０％ＲＨ環境下で１週間放置したワイヤについて、ＪＩＳ Ｚ ３１１８：２００７に準拠した方法により行った。その結果、拡散性水素量が５ｍｌ／１００ｇ以下のものを合格とした。
＜溶接作業性＞
溶接作業性は、上記表３に示す母材に対して、立向上進すみ肉溶接を行い、以下により評価した。その結果、滑らかなすみ肉ビードに対して、凸部が２ｍｍ未満の場合をＡ、凸部が２ｍｍ以上３ｍｍ未満の場合をＢ、凸部が３ｍｍ以上又は溶融金属が垂れ落ち溶接不可の場合をＣとした。また、スパッタ量、ヒューム量について、母材への付着量や溶接アークの見づらさの観点で溶接作業性を阻害する場合についてもＣとした。評価がＡのものを合格とした。
溶接条件は、以下の通りである。
・シールドガス：８０％Ａｒ－２０％ＣＯ２、２５リットル／分
・ワイヤ径：φ１．２ｍｍ
・開先ギャップ：０ｍｍ
・溶接電流：２２０Ａ
・アーク電圧：２４Ｖ
・溶接速度：１５０ｍｍ／分
・ウィービング幅：１０ｍｍ
以上の結果を、下記表４に示す。
Figure 0007219133000004
表４に示すように、外皮における酸素元素及び窒素元素の含有率並びにその他の各成分の含有率が本発明の範囲内であるＮｏ．１から１５のフラックス入りワイヤは、良好な引張強度を有し、低温靱性及び作業性に優れていた。なお、外皮に継ぎ目があるＮｏ．１５では、拡散性水素量が多くなった。
ワイヤ全体におけるナトリウムとカリウムの総含有率が本発明の範囲を越えるＮｏ．１６のフラックス入りワイヤは、アークが広がりすぎて作業性に劣っていた。またワイヤ全体におけるフッ素含有率が本発明の範囲未満であるＮｏ．１６のフラックス入りワイヤは、式１の関係を満たさず、拡散性水素量が多くなった。
外皮における酸素及び窒素の含有率が本発明の範囲外であり、かつ外皮の酸素含有率に対するワイヤ全体のＭｇ含有率の比が６５未満であるＮｏ．１７のフラックス入りワイヤは、低温靱性に劣っていた。
ワイヤ全体におけるフッ素含有率が本発明の範囲を越えるＮｏ．１８のフラックス入りワイヤは、ヒューム量が多く作業性に劣っていた。また、ワイヤ全体におけるナトリウムとカリウムの総含有率が本発明の範囲を越えるＮｏ．１８のフラックス入りワイヤは、アークが広がりすぎて作業性に劣っていた。
ワイヤ全体における炭素含有率が本発明の範囲を超え、また、ワイヤ全体におけるニッケル含有率が本発明の範囲を超えるＮｏ．１９のフラックス入りワイヤは、引張強度が必要以上に強くなり、低温靱性に劣る結果となった。
ワイヤ全体における酸化チタン含有率が本発明の範囲未満であるＮｏ．２０のフラックス入りワイヤは、作業性に劣っていた。また、ワイヤ全体におけるマンガン含有率とマグネシウム含有率が本発明の範囲未満であるＮｏ．２０のフラックス入りワイヤは、引張強度に劣っていた。
ワイヤ全体におけるニッケル含有率が本発明の範囲未満であるＮｏ．２１のフラックス入りワイヤは、引張強度に劣っていた。
ワイヤ全体におけるナトリウムとカリウムの総含有率が本発明の範囲未満であるＮｏ．２２のフラックス入りワイヤは、アークの安定性が低く作業性に劣っていた。

Claims (3)

  1. 鋼製外皮と、該外皮に内包されるフラックスとを有するフラックス入りワイヤであり、
    該ワイヤはそのワイヤの全質量中の各成分の含有率が、
    Ｆｅ：８３．０質量％以上９３．０質量％以下、
    ＴｉＯ ２ ：５．０質量％以上７．０質量％以下、
    Ｓｉ：０．２質量％以上１．０質量％以下、
    Ｃ：０．０２質量％以上０．１０質量％以下、
    Ｍｎ：１．０質量％以上３．０質量％以下、
    Ｍｇ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、
    Ｎｉ：０．７０質量％以上３．００質量％以下、
    Ｃｒ：０．５０質量％以下、
    Ｆ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、並びに
    Ｎａ及びＫの総量：０．０５質量％以上０．３０質量％以下
    であり、
    該外皮はその外皮の全質量あたり、
    Ｃ：０．０１０質量％以上０．０７０質量％以下、
    Ｍｎ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下、
    Ｓｉ：０．００５質量％以上０．１０質量％以下、
    Ｎｉ：０．００５質量％以上０．１０質量％以下、
    Ｃｒ：０．００５質量％以上０．１０質量％以下、
    Ｎ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、及び
    Ｏ：０．００１０質量％以上０．００７５質量％以下を含有し、
    残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる外皮であり、
    前記外皮の酸素含有率［Ｏ］に対する前記ワイヤのＭｇ含有率［Ｍｇ］の比である［Ｍｇ］／［Ｏ］が６５以上であり、
    前記ワイヤの全質量中における、Ｆ含有量を［Ｆ］、Ｎａ含有量を［Ｎａ］、Ｋ含有量を［Ｋ］、Ｍｇ含有量を［Ｍｇ］、及びＴｉＯ２含有量を［ＴｉＯ２］とするとき、これらの関係が下記式を満たす、フラックス入りワイヤ。
    ［Ｆ］／（［Ｎａ］＋［Ｋ］＋［Ｍｇ］／３＋［ＴｉＯ２］／１５）≧０．０５
  2. 前記外皮は、継ぎ目なしに形成されている請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  3. 前記ワイヤはその全質量中の各成分の含有率が、さらに
    ＺｒＯ２：０．５０質量％以下
    Ａｌ２Ｏ３：０．５０質量％以下
    Ｍｏ：０．５０質量％以下
    Ｃｕ：０．５０質量％以下
    金属Ｔｉ：０．２５質量％以下
    金属Ａｌ：０．２０質量％以下
    Ｂ：０．０２００質量％以下、及び
    Ｌｉ：０．３０質量％以下
    のうち、いずれか１以上を満たす請求項１又は請求項２に記載のフラックス入りワイヤ。
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