JP7252051B2 - エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ及び溶接継手 - Google Patents

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Description

特許法第３０条第２項適用 一般社団法人溶接学会、第２３２回溶接冶金研究委員会、平成３０年５月２８日開催 ［刊行物等］ 一般社団法人日本鉄鋼協会、材料の組織と特性部会シンポジウム「鉄鋼のマルテンサイト／ベイナイト組織‐その基礎と応用‐」フォーラム、２０１９年３月２１日開催
本発明は、液化天然ガスなどを低温で貯蔵するタンクや使用する化学プラントに適用される極低温用鋼５．０～１０．０％Ｎｉ鋼のエレクトロスラグ溶接に用いられるソリッドワイヤおよびこれを用いて得られる溶接継手に関する。
９％Ｎｉ鋼は、高い強度と、液体窒素温度（－１９６℃）程度の優れた極低温靱性とを有している。そのため、９％Ｎｉ鋼は、液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ；ＬＮＧ）などのように低温で貯蔵される貯蔵タンクを溶接により製造するための母材として汎用されている。これらの貯蔵タンクでは、ＬＮＧなどの液体の温度域である－１６２℃以下の温度域での極低温靭性に優れることが要求される。そのため、９％Ｎｉ鋼を溶接して形成される溶接継手の溶接金属（溶接接合部）においても、同様に、高い強度と優れた極低温靭性を有していることが要求される。
従来、９％Ｎｉ鋼の溶接に際し、Ｎｉ基溶接材料を用いた被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、自動ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接などの溶接方法が適用されてきた。これらの溶接方法で得られた溶接金属は極低温靭性に優れるものの、９％Ｎｉ鋼母材よりも強度が低く、構造物の設計板厚はＮｉ基溶接金属部の強度に合わせて板厚を厚くしなければならない課題がある。一方、鉄鋼各社は極低温用鋼のＮｉ量削減を進めており、７％Ｎｉ鋼や５％Ｎｉ鋼の実用化・検討がなされている。
特許文献１～５には、極低温鋼用の溶接用ソリッドワイヤあるいはガスシールドアーク溶接（Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ；ＧＭＡＷ）用フラックス入りワイヤが提案されている。
特開２０１５－９２４７号公報 特開２０１６－２０００４号公報 特開２０１６－９３８２３号公報 特許第５８８０６６２号公報 特許第５２４４０５９号公報
しかしながら、特許文献１～５に記載のいずれの発明も純ＡｒもしくはＡｒに２％以下の酸素、炭酸ガスもしくはＨｅガスを用いたガスシールドアーク溶接で、入熱量は１．４～２．２ｋＪ／ｍｍ程度とＴＩＧ溶接と比較して能率は向上しているものの、さらなる高能率の施工法が望まれている。
本発明者らは、入熱量が例えば１０ｋＪ／ｍｍ以上といった高能率の溶接を達成するための施工法として、６．０～１５．０％Ｎｉ程度の溶接材料を用いた溶接において従来検討されていなかったエレクトロスラグ溶接を適用することについて検討を行った。
ここで、エレクトロスラグ溶接は、母材と水冷された銅当て金とで囲まれた開先内に形成された溶融スラグ浴の中に溶接ワイヤを入れ、主に溶融スラグのジュール熱を熱源として母材と溶接ワイヤとを溶融させて溶接する方法である。エレクトロスラグ溶接によれば、造船や産業機械分野などのように板厚が大きい構造物の立向き溶接を１パスで行なうことが可能である。そのため、多パス溶接が必要となる一般のアーク溶接と比較して高能率であるという利点がある。
しかしながら、エレクトロスラグ溶接では、溶接時の入熱が大きく、溶接金属が高温で長時間保持されるため、溶接金属の組織が著しく粗大化し、十分な極低温靭性を確保することが難しい。特に、水冷された銅当て金の近傍において溶接時の冷却速度が著しく大きくなるが、このような部位では溶接金属の強度が局所的に上昇し、その結果、吸収エネルギーが低下して極低温靱性が低下するというおそれがある。
以上を鑑みて、本発明は、入熱量が例えば１０ｋＪ／ｍｍ以上といった高能率で、強度に優れるとともに、溶接金属組織の微細化により極低温靱性にも優れた溶接金属を備える溶接継手を作製することができるエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ、及び該溶接金属を備える溶接継手を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するため、さらに鋭意検討を重ねた。その結果、エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤおよびそれを用いた溶接金属の化学成分系が特定の条件を満たすようにすることで、溶接金属の強度及び極低温靱性が良好となることを見出した。より具体的には、上記ソリッドワイヤにおいて、Ｓｉ、ＭｎおよびＮｉの各元素の含有量の上限を所定量以下に規制することで、強度の過大な上昇を抑制しつつ、ＲＥＭ（Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｍｅｔａｌ；希土類元素類）を所定量添加することで、溶接継手における溶接金属において介在物を起点とする粒内変態組織（アシキュラーフェライト）を発現させ、溶接金属組織を微細化して、上記課題を解決できることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明のエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量あたり、質量％で、
Ｃ ：０％超、０．０３％以下、
Ｓｉ：０％超、０．１０％以下、
Ｍｎ：０％超、０．２５％以下、
Ｎｉ：１０．５～１４．０％、
Ｓ：０％超、０．０１０％以下、
Ａｌ：０％超、０．２５０％以下、
ＲＥＭ：０．００２～０．０８０％、
Ｏ：０％超、０．００９０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
本発明の一態様に係るエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量あたり、質量％で、
Ｃａ：０．００５～０．０５０％、
Ｍｇ：０．００１～０．０２０％、
のいずれか一方もしくは両方さらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係るエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量あたり、質量％で、
Ｃｕ：０％超、１．００％以下をさらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係るエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤ全質量あたり、質量％で、
Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、
Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、
Ｗ ：０％超、０．５０％以下、
Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、
Ｖ ：０％超、０．１０％以下、
Ｂ ：０％超、０．０１０％以下、
からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含有し、かつ、下記式（１）を満足していてもよい。
Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（１）
本発明の一態様に係るエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤは、ワイヤにＣｕめっきが施されていてもよい。
また、本発明の溶接継手は、該溶接継手における溶接金属が、質量％で、
Ｃ ：０％超、０．０７％以下、
Ｓｉ：０％超、０．３０％以下、
Ｍｎ：０％超、０．４０％以下、
Ｎｉ：１０．５～１４．０％、
Ｓ：０％超、０．００６５％以下
Ａｌ：０．００８～０．２２０％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
結晶方位が１５°以上の粒界で囲まれた大角粒のうち、円相当径が５～３０μｍのものの合計面積分率ＳＡ（％）が３０％以上であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る溶接継手は、溶接金属が、質量％で、
ＲＥＭ：０％超、０．０４０％以下、
をさらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係る溶接継手は、溶接金属が、質量％で、
ＲＥＭ：０．０４０％超、０．０８０％以下、
をさらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係る溶接継手は、溶接金属が、質量％で、
Ｃａ：０．０００３～０．０１０％、
をさらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係る溶接継手は、溶接金属が、質量％で、
Ｃｕ：０％超、１．００％以下、
をさらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係る溶接継手は、溶接金属が、質量％で、
Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、
Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、
Ｗ ：０％超、０．５０％以下、
Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、
Ｖ ：０％超、０．１０％以下、
Ｂ ：０％超、０．０１０％以下
からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含有し、かつ、下記式（２）を満足していてもよい。
Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（２）
本発明の一態様に係る溶接継手は、溶接金属が、質量％で、
Ｏ：０％超、０．０４０％以下、
Ｎ：０％以上、０．０１０％以下、
をさらに含有していてもよい。
本発明の一態様に係る溶接継手は、母材として５～１０％のＮｉを含有する鋼板を用いてもよい。
本発明のエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤによれば、入熱量が例えば１０ｋＪ／ｍｍ以上の高能率で、強度に優れるとともに、溶接金属組織の微細化により極低温靱性にも優れた溶接金属を備える溶接継手を作製することができる。
図１は、実施例における開先溶接の概略構成を示す図である。
以下、本発明について実施の形態を参照して、詳細に説明する。以下、「％」は特に断りのない限り、質量％を意味する。また、「～」とはその下限の値以上、その上限の値以下であることを意味する。また、本明細書では、エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤを単にワイヤと呼ぶ場合がある。
（エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ）
本発明の実施形態に係るエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤの成分は、以下のとおりである。
Ｃ：０％超、０．０３％以下
Ｃは、固溶強化および化合物を形成して強度確保に寄与する元素である。上記作用を有効に発揮させるため、Ｃ量は０．００１％以上であることが好ましい。但し、Ｃ量を過剰に添加すると強度の過大な上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｃ量を０．０３％以下とする。Ｃ量は、０．０１０％以下であることが好ましく、０．００８％以下であることがより好ましい。
Ｓｉ：０％超、０．１０％以下
Ｓｉは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素濃度を低下させることで極低温靭性の向上作用を有する。上記作用を有効に発揮させるため、Ｓｉ量は０．００３％以上であることが好ましい。但し、Ｓｉの過剰添加は固溶強化により極低温での強度の過大な上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｓｉ量を０．１０％以下とする。Ｓｉ量は、０．０８％以下であることが好ましく、０．０７％以下であることがより好ましい。
Ｍｎ：０％超、０．２５％以下
Ｍｎは脱酸元素であり、溶接金属中の酸素濃度を低下させることで極低温靭性の向上作用を有する。上記作用を有効に発揮させるため、Ｍｎ量は０．００５％以上であることが好ましく、０．０１％以上であることがより好ましい。但し、Ｍｎの過剰添加は固溶強化により極低温での強度の過大な上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｍｎ量を０．２５％以下とする。Ｍｎ量は、０．２０％以下であることが好ましく、０．１０％以下であることがより好ましい。
Ｎｉ：１０．５～１４．０％
Ｎｉは、低温靭性の確保に必須の元素であり、かつ、溶接金属の低温でのマトリックス靭性を全般に向上させることで、溶接金属の冷却速度が大きい部位における粒界破壊の抑制にも効果的な元素であるため、Ｎｉ量を１０．５％以上とする。Ｎｉ量は１０．８％以上であることが好ましく、１１．０％以上であることがより好ましい。但し、Ｎｉの過剰添加は強度の上昇を招き、極低温靭性が低下するため、Ｎｉ量を１４．０％以下とする。Ｎｉ量は、１３．０％以下であることが好ましく、１２．８％以下であることがより好ましい。
Ｓ：０％超、０．０１０％以下
Ｓは、不可避的不純物として含有される元素であるが、溶接金属の冷却速度が大きい部位においては、旧オーステナイト粒界にＳ等の不純物が偏析し、粒界の結合力が低下することで、粒界破壊が発生しやすくなる。したがって、粒界破壊を良好に抑制するために、Ｓ量は０．０１０％以下とする。Ｓ量は０．００８％以下であることが好ましく、０．００６％以下であることがより好ましい。なお、Ｓは不可避的不純物として含有されるため、Ｓ量は０％超と規定する。
Ａｌ：０％超、０．２５０％以下
Ａｌは、脱酸元素として溶接金属の酸素量を安定的に下げる効果がある。Ａｌ量は、０．０１０％以上であることが好ましく、０．０１５％以上であることがより好ましい。但し、Ａｌの過剰添加は極低温靱性が確保できなくなるため、Ａｌ量を０．２５０％以下とする。Ａｌ量は、０．２００％以下であることが好ましく、０．１８０％以下であることがより好ましい。
ＲＥＭ：０．００２～０．０８０％
ＲＥＭは、溶接継手における溶接金属において、介在物粒子の表面に、フェライト相と良好な格子整合性を有する硫化物を形成することで、介在物起点の微細アシキュラーフェライト組織生成を促進し、極低温靱性を向上させる元素であるため、ＲＥＭ量を０．００２％以上とする。ＲＥＭ量は０．０１０％以上であることが好ましく、０．０１２％以上であることがより好ましい。但し、ＲＥＭの過剰添加は、介在物の粗大化をもたらし、粗大介在物を起点とした脆性破壊を助長することで、極低温靱性が確保できなくなるため、ＲＥＭ量を０．０８０％以下とする。ＲＥＭ量は０．０６０％以下であることが好ましく、０．０４５％以下であることがより好ましい。
なお、本実施形態で規定するＲＥＭの元素は特に問わない。例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等の元素から１種のみを選択しても良いし、２種以上を組み合せても良い。
また、ＲＥＭは溶融金属中で酸化物あるいは硫化物を形成して浮上分離しやすいため、たとえワイヤに添加されていても金属中に残存する割合は小さく、成分分析の検出下限を下回ることが多い。本実施形態において、検出下限を下回って溶接金属に含有されるＲＥＭは、不純物として扱うこととする。
Ｏ：０％超、０．００９０％以下
Ｏは、不可避的不純物として含有される元素であるが、粗大な酸化物を形成することで、極低温靱性を低下させる。したがって、Ｏ量は０．００９０％以下とする。Ｏ量は０．００８０％以下であることが好ましく、０．００７０％以下であることがより好ましい。なお、Ｏは不可避的不純物として含有されるため、Ｏ量は０％超と規定する。
Ｃａ：０．００５～０．０５０％
Ｃａは、本実施形態のワイヤに必須の元素ではないが、溶接継手における溶接金属において、介在物粒子の表面に、フェライト相と良好な格子整合性を有する硫化物を形成することで、介在物起点の微細アシキュラーフェライト組織生成を促進し、極低温靱性を向上させる元素であるため、０．００５％以上含有することが好ましい。また、Ｃａ量は０．００７％以上であることが好ましく、０．００８％以上であることがより好ましい。
但し、Ｃａの過剰添加は、介在物の粗大化をもたらし、粗大介在物を起点とした脆性破壊を助長することで、極低温靱性が確保できなくなるため、Ｃａ量を０．０５０％以下とする。また、Ｃａ量は０．０４０％以下であることが好ましく、０．０３５％以下であることがより好ましい。
Ｍｇ：０．００１～０．０２０％
Ｍｇは、本実施形態のワイヤに必須の元素ではないが、溶接継手における溶接金属において、介在物粒子の表面に、フェライト相と良好な格子整合性を有する酸化物を形成することで、介在物起点の微細アシキュラーフェライト組織生成を促進し、極低温靱性を向上させる元素であるため、０．００１％以上含有することが好ましい。また、Ｍｇ量は０．００１２％以上であることが好ましく、０．００４０％以上であることがより好ましい。
但し、Ｍｇの過剰添加は、介在物の粗大化をもたらし、粗大介在物を起点とした脆性破壊を助長することで、極低温靱性が確保できなくなるため、Ｍｇ量を０．０２０％以下とする。また、Ｍｇ量は０．０１８％以下であることが好ましく、０．０１６％以下であることがより好ましい。
なお、Ｍｇは溶融金属中で酸化物を形成して浮上分離しやすいため、たとえワイヤに添加されていても溶接金属中に残存する割合は小さく、成分分析の検出下限を下回ることが多い。本実施形態において、検出下限を下回って溶接金属に含有されるＭｇは、不純物として扱うこととする。
本実施形態においてＣａおよびＭｇは同様の作用を奏する元素であるため、ＣａおよびＭｇのいずれか一方を所定量含有するものであればよいが、両方を含有するものであってもよい。
Ｃｕ：０％超、１．００％以下
Ｃｕは本実施形態のワイヤに必須の元素ではないが、極低温での強度上昇を抑制しつつ、室温強度を向上させることで、極低温靱性と室温強度のバランスを改善させる作用がある。このため、Ｃｕは含有することが好ましく、０．０１％以上含有することがより好ましく、０．０８％以上含有することが更に好ましい。但し、Ｃｕの過剰添加は強度が過大となり、極低温靱性が確保できなくなるため、Ｃｕ量を１．００％以下とする。Ｃｕ量は、０．５０％以下であることが好ましく、０．４０％以下であることがより好ましく、０．３０％以下であることが更に好ましい。
また、Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、Ｗ：０％超、０．５０％以下、Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、Ｖ：０％超、０．１０％以下、Ｂ：０％超、０．０１０％以下からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含有し、かつ、下記式（１）を満足することが好ましい。
なお、式（１）中のＣｒ、ＭｏおよびＷは、ワイヤ全質量あたりのそれぞれの含有量（質量％）であるが、単位を省略している。
Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（１）
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、ＶおよびＢは、強度確保に寄与する元素である。上記ワイヤがＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、ＶおよびＢのうち少なくとも一種を所定量含有し、かつ、式（１）を満足することで、靱性を大きく低下させることなく、強度が向上するという効果が得られる。
Ｃｒ、ＭｏおよびＷ量は、それぞれ０．０１％以上であることが好ましく、０．０２％以上であることがより好ましく、また、０．３０％以下であることが好ましく、０．１５％以下であることがより好ましい。
ＮｂおよびＶ量は、それぞれ０．００５％以上であることが好ましく、０．００８％以上であることがより好ましく、また、０．０５０％以下であることが好ましく、０．０４５％以下であることがより好ましい。
Ｂ量は、０．０００５％以上であることが好ましく、０．０００８％以上であることがより好ましく、また、０．００５０％以下であることが好ましく、０．００４５％以下であることがより好ましい。
式（１）左辺のパラメータは、０．４０以下が好ましく、０．３８以下がより好ましい。また、式（１）左辺のパラメータは０の場合を含む。
本実施形態に係るエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤに含有し得るその他の成分としては、例えば、対象母材と同様、基本成分であるＦｅおよび不可避的不純物があり、ある態様においては、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物として、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｎなどが挙げられる。その内、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、ＳｎおよびＢｉはそれぞれ０．０１０％以下、Ｎは０．００５％以下に規制される。これらの元素は、この範囲内であれば、不可避的不純物として含有される場合だけではなく、積極的に添加された場合であっても、本実施形態の効果を妨げない。
本実施形態のエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤは、通電性を高めるため、表面にＣｕめっきが施されていることが好ましい。そのＣｕめっき量は、０．１０％以上が好ましく、また、０．３０％以下であることが好ましい。
（溶接継手）
上記エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤを用いて、エレクトロスラグ溶接を実施することにより、入熱量が例えば１０．０ｋＪ／ｍｍ以上の高能率で、強度及び極低温靱性に優れた溶接金属を有する溶接継手を作製できる。上記溶接継手における溶接金属中の成分（元素）は、エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ中の成分と同じであって、各成分の作用効果も同一である。したがって、以下の記載において、前述したエレクトロガス溶接用ソリッドワイヤと重複する成分の作用効果は、説明の重複を避けるため省略して、好ましい範囲のみ記載する。
Ｃ：０％超、０．０７％以下
好ましい上限：０．０５％、より好ましくは０．０４％
好ましい下限：０．００３％、より好ましくは０．００８％
Ｓｉ：０％超、０．３０％以下
好ましい上限：０．２５％、より好ましくは０．１８％
好ましい下限：０．００５％、より好ましくは０．０１０％
Ｍｎ：０％超、０．４０％以下
好ましい上限：０．３７％、より好ましくは０．３４％
好ましい下限：０．０５％
Ｎｉ：１０．５～１４．０％
好ましい上限：１３．０％、より好ましくは１２．８％
好ましい下限：１０．８％、より好ましくは１１．０％
Ｓ：０％超、０．００６５％以下
好ましい上限：０．００５２％、より好ましくは０．００４５％
Ａｌ：０．００８～０．２２０％
好ましい上限：０．１００％、より好ましくは０．０８０％
好ましい下限：０．０１０％、より好ましくは０．０１５％
上記溶接金属は、ＲＥＭ、ＣａまたはＣｕをそれぞれ以下の成分範囲でさらに含有していてもよい。
ＲＥＭ：０％超、０．０４０％以下
好ましい上限：０．０３５％、より好ましくは０．０３０％
好ましい下限：０．００３％、より好ましくは０．００４％
ＲＥＭ：０．０４０％超、０．０８０％以下
好ましい上限：０．０７０％、より好ましくは０．０６０％
好ましい下限：０．０４５％、より好ましくは０．０５０％
Ｃａ：０．０００３～０．０１０％
好ましい上限：０．００５％、より好ましくは０．００４％
好ましい下限：０．０００５％、より好ましくは０．００１０％
Ｃｕ：０％超、１．００％以下
好ましい上限：０．５％、より好ましくは０．４％
好ましい下限：０．０１％、より好ましくは０．０８％
また、Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、Ｗ：０％超、０．５０％以下、Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、Ｖ：０％超、０．１０％以下、Ｂ：０％超、０．０１０％以下からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含有し、かつ、下記式（２）を満足することが好ましい。なお、式（２）中のＣｒ、ＭｏおよびＷは、溶接金属全質量あたりのそれぞれの含有量（質量％）であるが、単位を省略している。
Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（２）
Ｃｒ、ＭｏおよびＷ量は、それぞれ０．０１％以上であることが好ましく、０．０２％以上であることがより好ましく、また、０．３０％以下であることが好ましく、０．１５％以下であることがより好ましい。
ＮｂおよびＶ量は、それぞれ０．００５％以上であることが好ましく、０．００８％以上であることがより好ましく、また、０．０５０％以下であることが好ましく、０．０４５％以下であることがより好ましい。
Ｂ量は、０．０００５％以上であることが好ましく、０．０００８％以上であることがより好ましく、また、０．００５０％以下であることが好ましく、０．００４５％以下であることがより好ましい。
式（２）左辺のパラメータは、０．４０以下が好ましく、０．３８以下がより好ましい。また、式（２）左辺のパラメータは０の場合を含む。
Ｏ：０％超、０．０４０％以下
Ｏは酸化物を形成し、当該酸化物がシャルピー試験時のボイド形成の起点、或いは脆性破壊の起点として作用するため、極低温靭性が低下する。したがって、Ｏ量は、０．０４０％以下とすることが好ましく、０．０３５％以下とすることがより好ましく、０．０３２％以下とすることが更に好ましい。なお、Ｏは不可避的不純物として含有されるため、Ｏ量は０％超と規定する。
Ｎ：０％以上、０．０１０％以下
Ｎは固溶元素として溶接金属部のマトリックスを強化する一方、脆性破壊を誘発する元素でもあり、極低温靭性が低下する。したがって、Ｎ量は、０．０１０％以下とすることが好ましく、０．００８％以下とすることがより好ましく、０．００６％以下とすることが更に好ましく、もっとも望ましくは含有しない（０％の場合を含む）。
本実施形態に係る溶接金属の基本組成は上記のとおりであり、残部は、Ｆｅ不可避的不純物である。不可避的不純物として、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉ等が挙げられる。その内、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、ＳｎおよびＢｉはそれぞれ０．０１０％以下に規制される。これらの元素は、この範囲内であれば、不可避的不純物として含有される場合だけではなく、積極的に添加された場合であっても、本実施形態の効果を妨げない。
本実施形態に係る溶接金属では、ＲＥＭを含む介在物を起点とする微細なアシキュラーフェライト組織の形成により、良好な靭性を実現している。具体的には、結晶方位が１５°以上の粒界で囲まれた大角粒のうち、円相当径が５～３０μｍのものの合計面積分率ＳＡ（％）を３０％以上に制御することで、所定の靭性が得られる。ＳＡは、３１％以上とすることが好ましく、３２％以上とすることがより好ましい。
上記溶接継手の作製に用いられる母材は、５～１０％のＮｉを含有する鋼板を用いることが好ましい。Ｎｉ量が５％未満では、極低温靭性が確保できないなどの問題がある。Ｎｉ量は、好ましくは５．２％以上であり、より好ましくは６．５％以上である。但し、Ｎｉ量が１０％を超えると鋼材コストが上昇するため、Ｎｉ量は１０％以下であることが好ましく、９．５％以下であることがより好ましい。
（フラックス）
エレクトロスラグ溶接では、溶接が進むにつれて減少する溶融スラグを補うためにフラックスが追加投入されるが、このフラックスを本明細書では単にフラックスという。エレクトロスラグ溶接では、溶接が進行するにつれて溶融金属は冷却されて溶接金属となり、溶融スラグ浴の一部は溶融スラグ層となるが、溶接の進行につれて溶融スラグ層が冷却されて固化スラグとなり、溶融スラグが消費される。この溶融スラグ浴の減少を補うため、フラックスが用いられる。
フラックスは、溶融型フラックスとボンド型（焼成型）フラックスとに大別される。溶融型フラックスは、種々の原料を電気炉などで溶解し、粉砕することにより製造される。一方、焼成型フラックスは、種々の原料をケイ酸アルカリなどのバインダーにより結合し、造粒した後、焼成することにより製造される。焼成型フラックスは前述の炭酸塩を原料として用いる場合があるが、溶接時に炭酸塩が熱により分解し、ＣＯ２ガスを発生し、溶接金属中の酸素量が増加し、極低温靭性に影響を及ぼす。従って、好ましくは溶融型フラックスを用いる。
本実施形態に用いられるフラックスは、特段限定されないが、一般的には次のような組成範囲で用いられる。
ＣａＯ：５～６０％
ＣａＯは塩基性成分であり、溶融スラグの粘性および融点を調節するために有効な成分であると共に、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。ＣａＯ量が５％未満の場合、溶接金属の酸素量が増加するため、ＣａＯ量は５％以上であることが好ましく、１０％以上がより好ましい。但し、ＣａＯ量が６０％を超えると、アンダーカットおよびスラグ巻き込みが発生するため、ＣａＯ量は６０％以下が好ましく、５５％以下がより好ましい。
ＣａＦ２：３～５０％
ＣａＦ２も塩基性成分であり、溶融スラグの粘性および融点を調節するために有効な成分であると共に、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。ＣａＦ２量が３％未満の場合、溶接金属の酸素量が増加するため、ＣａＦ２量は３％以上が好ましく、５％以上がより好ましい。但し、ＣａＦ２量が５０％を超えると、アンダーカットおよびスラグ巻き込みが発生し易くなると共に、溶接時にフッ化ガスが発生して溶接が安定しないため、ＣａＦ２量は５０％以下が好ましく、４５％以下がより好ましい。
ＢａＦ２：０～２０％
ＢａＦ２も塩基性成分であり、溶融スラグの粘性および融点を調節するために有効な成分であると共に、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。本実施形態では、他成分で粘性および融点、さらには溶接金属酸素量の調整が可能であり、ＢａＦ２を含まなくてもよい。一方、含有する場合は、ＢａＦ２量が２０％を超えると溶融スラグの融点が低くなり過ぎて粘性が不足し、摺動式銅当て金と溶接金属との間から溶融スラグが排出しやすくなり過ぎ、溶融スラグによる溶融金属の抑えが効かなくなり溶落する。このため、ＢａＦ２量は２０％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。
ＭｇＯ：０～２０％
ＭｇＯも塩基性成分であり、溶融スラグの粘性および融点を調整するために有効な成分である。本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、ＭｇＯを含まなくてもよい。一方、含有する場合は、ＭｇＯ量が２０％を超えると溶融スラグの融点が高くなり過ぎ粘性も高くなる結果、溶込み不良が生じるため、ＭｇＯ量は２０％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。
ＢａＯ：０～２０％
ＢａＯは、塩基性成分であり、溶融スラグの粘性および融点を調節するために有効な成分であると共に、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。ただし、本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、ＢａＯを含まなくてもよい。一方、含有する場合は、ＢａＯ量が２０％を超えると、溶融スラグの融点が低くなり過ぎて粘性が不足し、摺動式銅当て金と溶接金属との間から溶融スラグが排出しやすくなり過ぎ、溶融スラグによる溶融金属の抑えが効かなくなり溶落する。このため、ＢａＯ量は、２０％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。
Ｎａ２Ｏ：０～１０％
Ｎａ２Ｏは、溶融スラグの粘性を調整するために非常に有効な成分である。ただし、本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、Ｎａ２Ｏを含まなくてもよい。一方、含有する場合は、Ｎａ２Ｏ量が１０％を超えると、溶融スラグの融点が低くなり過ぎて粘性が不足し、摺動式銅当て金と溶接金属との間から溶融スラグが排出しやすくなり過ぎ、溶融スラグによる溶融金属の抑えが効かなくなり溶落するため、１０％以下が好ましく、より好ましくは７％以下である。
Ｋ２Ｏ：０～１０％
Ｋ２Ｏは、溶融スラグの粘性を調整するために非常に有効な成分である。ただし、本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、Ｋ２Ｏを含まなくてもよい。一方、含有する場合は、Ｋ２Ｏ量が１０％を超えると、溶融スラグの融点が低くなり過ぎて粘性が不足し、摺動式銅当て金と溶接金属との間から溶融スラグが排出しやすくなり過ぎ、溶融スラグによる溶融金属の抑えが効かなくなり溶落する。このため、Ｋ２Ｏ量は、１０％以下が好ましく、７％以下がより好ましい。
ＳｉＯ２：０～３５％
ＳｉＯ２は酸性成分であり、溶融スラグの粘性および融点を調整する成分である。本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、ＳｉＯ２を含まなくてもよい。一方、含有する場合は、ＳｉＯ２量が３５％を超えると、溶融スラグの粘性が高くなり、溶込み不良が生じるため、ＳｉＯ２量は３５％以下が好ましく、３０％以下がより好ましい。
Ａｌ２Ｏ３：０～６５％
Ａｌ２Ｏ３は溶融スラグの粘性および融点を調整するために有効な成分である。本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、Ａｌ２Ｏ３を含まなくてもよい。一方、含有する場合は、Ａｌ２Ｏ３量が６５％を超えると溶融スラグの粘性が高くなり、溶込み不良が生じるため、６５％以下であることが好ましく、６０％以下がより好ましい。また、Ａｌ２Ｏ３量は、３％以上が好ましい。
ＴｉＯ２：０～１０％およびＺｒＯ２：０～１０％
ＴｉＯ２およびＺｒＯ２は、溶融スラグの融点を調整するために有効な成分である。本実施形態では、他成分で融点の調整が可能であり、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２を含まなくてもよい。一方、含有する場合、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２がそれぞれ１０％を超えると、融点付近で粘度が急激に高くなるため、スラグ巻込みが発生しやすくなる。そのため、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２量はそれぞれ１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。
ＭｎＯ：０～２０％
ＭｎＯは、溶融スラグの粘性および融点を調整するために有効な成分である。本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、ＭｎＯを含まなくてもよい。一方、含有する場合は、ＭｎＯ量が２０％を超えると、溶融スラグの融点が低くなり過ぎて粘性が不足し、摺動式銅当て金と溶接金属との間から溶融スラグが排出しやすくなり過ぎ、溶融スラグによる溶融金属の抑えが効かなくなり溶落する。このため、ＭｎＯ量は２０％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。
ＦｅＯ：０～５％
ＦｅＯは、溶融スラグの粘性および融点を調整するために有効な成分であると共に、溶接金属の酸素量を低減させる効果が高い。本実施形態では、他成分で粘性および融点の調整が可能であり、ＦｅＯを含まなくてもよい。一方、含有する場合は、ＦｅＯ量が５％を超えると、ビード表面にスラグが生成して焼付きやすくなるため、５％以下が好ましく、３％以下がより好ましい。
フラックスの組成は、溶接金属の酸素量低減に効果的であり、溶接金属部の靭性向上に繋がるため、各成分量の限定範囲内かつ式（３）を満足することが好ましい。なお、式（３）中のＣａＯ、ＣａＦ２等の各成分の表記は、フラックス全質量あたりのそれぞれの含有量（質量％）である。
（ＣａＯ＋ＣａＦ２＋ＢａＦ２＋ＭｇＯ＋ＢａＯ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）／（ＳｉＯ２＋０．５（Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２＋ＭｎＯ＋ＦｅＯ））≧１．００ ・・・（３）
（但し、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｎＯ、およびＦｅＯのいずれも含まない場合は＞１００とする。）
本発明に用いられるフラックスの好ましい組成は上記のとおりであり、残部はＰ、Ｓ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉ等の不可避的不純物である。
本実施例では、母材として９％Ｎｉ鋼、表１に示す組成を有するエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ、およびＳｉＯ２、ＣａＯ、ＣａＦ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＦｅＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ２等を含有する一般的なフラックスを用い、下記の溶接条件にて溶接金属を作製した。なお、表１および表２において、各成分組成における“‐”なる表記は、組成分析における検出限界値未満であるか、或いは添加していないことを意味する。
また、試験したワイヤとして全てソリッドワイヤを用いた。これらワイヤは、すべてＣｕめっきを施したものである。Ｃｕめっき量は、０．１０～０．３０％の範囲とし、表１のワイヤＣｕ量は、Ｃｕめっき以外でワイヤに合金として含有する量の総和を示している。
Figure 0007252051000001
また、図１に示すように、銅当て金１（開先の裏側）および摺動式銅当て金２（開先の表側）に囲まれた開先の幅は１０ｍｍであり、２０°Ｖ開先溶接を行った。なお、銅当て金１および摺動式銅当て金２はいずれも、水冷されたものを用いた。
溶接方法：エレクトロスラグ溶接
溶接条件：
母材の板厚：３０ｍｍ
開先形状：図１を参照
ワイヤ：表１を参照
ワイヤ径＝１．６ｍｍ
入熱条件：約１７．３～２１．８ｋＪ／ｍｍ（溶接電流３４０～４００Ａ－溶接電圧３２～４０Ｖ）
溶接姿勢：立向き１パス
このようにして得られた溶接金属の組成（残部はＦｅおよび不可避的不純物である）を表２に示す。なお、Ｎｏ．１およびＮｏ．２の溶接金属は、同じワイヤＡを用いたが、異なるフラックスを使用したため組成が相違している。続いて、上記溶接金属について、以下の特性を評価した。
（溶接金属組織に存在する大角粒のうち、円相当径が５～３０μｍのものの合計面積分率：ＳＡ）
溶接方向に垂直な断面で、溶接金属の板表面から７．５μｍの位置をＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ－Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定した。
ＥＢＳＤ測定条件
・装置：日本電子株式会社製、ＪＥＯＬ－５４１０またはＪＳＭ－ＩＴ１００
・測定面積：３００×３００μｍ
・ステップ（ピクセル）サイズ：０．４μｍ
・考慮する相：フェライト、オーステナイト
得られたＥＢＳＤデータを、株式会社ＴＳＬソリューションズ製解析ソフトＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｉｓにより解析した。データ点のうち、測定方位の信頼性を示すコンフィデンズ・インデックス（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ Ｉｎｄｅｘ）が０．１００以下の点は解析対象から除外し、隣接するピクセルとの結晶方位が１５°以上の粒界で囲まれたユニットを大角粒と定義した。また、大角粒のうち、円相当径が５～３０μｍのものの合計面積分率ＳＡ（％）を算出した。本実施例では、ＳＡが３０％以上のものを好ましいと判断し、３１％以上のものをより好ましいと判断し、３２％以上のものを更に好ましいと判断した。
（引張強度：ＴＳ）
溶接金属の中央部より、溶接線方向に平行にＪＩＳ Ｚ３１１１記載のＡ２号引張試験片あるいはＪＩＳ Ｇ０５６７記載のつば付棒状試験片を採取して、ＪＩＳ Ｚ２２４１に記載の方法で引張り試験を行った。本実施例では、引張強度ＴＳ＞６９０ＭＰａの溶接金属を合格とした。
（極低温靭性：ｖＥ－１９６℃）
得られた溶接金属の板表面から７．５ｍｍ位置にシャルピー試験片の中心軸が位置するように、溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ３１１１ ４号Ｖノッチ試験片）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に記載の方法で－１９６℃でのシャルピー衝撃試験を実施した。同様の試験を３回行い、その平均値を算出したとき、吸収エネルギーｖＥ－１９６℃が４０Ｊ以上の溶接金属を極低温靭性に優れると評価した。
なお、得られた溶接金属の板表面から７．５ｍｍ位置にシャルピー試験片の中心軸が位置するように、溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片を採取したのは、特に冷却速度が大きいため極低温靱性の低下が生じやすい、水冷された銅当て金および摺動式銅当て金の近傍の溶接金属について極低温靱性の試験を行うためである。
Figure 0007252051000002
表２の結果より、以下のように考察することができる。
まず、表２のＮｏ．１～１０の溶接金属は、本発明の要件を満足する表１のワイヤＡ～Ｉを用いた例（実施例）であり、１０．０ｋＪ／ｍｍ以上の大入熱溶接を施したにもかかわらず、引張強度ＴＳ＞６９０ＭＰａを満たすとともに、ＳＡが３０％以上の高い値を示した結果、吸収エネルギーｖＥ－１９６℃が４０Ｊ以上となり、引張強度および極低温靭性の両方に優れた溶接金属が得られた。
これに対し、表２のＮｏ．１１、１２の溶接金属は、本発明の要件を満足しない表１のワイヤＪ、Ｋを用いた例（比較例）であり、以下の不具合を有している。
ワイヤＪは、ＲＥＭが添加されていない。それを用いて作製されたＮｏ．１１の溶接金属は、ＳＡが低く、極低温靱性が劣っていた。
ワイヤＫは、ＲＥＭが添加されていないのに加え、Ｎｉ量が所定の値を下回っている。それを用いて作製されたＮｏ．１２の溶接金属は、ＳＡが低く、極低温靱性が劣っており、また、引張強度ＴＳについても６９０ＭＰａ未満の低い値を示した。
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
１ 銅当て金
２ 摺動式銅当て金

Claims (13)

  1. ワイヤ全質量あたり、
    質量％で、
    Ｃ ：０％超、０．０３％以下、
    Ｓｉ：０％超、０．１０％以下、
    Ｍｎ：０％超、０．２５％以下、
    Ｎｉ：１０．５～１４．０％、
    Ｓ：０％超、０．０１０％以下、
    Ａｌ：０％超、０．２５０％以下、
    ＲＥＭ：０．００２～０．０８０％、
    Ｏ：０％超、０．００９０％以下、
    Ｃａ：０．００５～０．０５０％、Ｍｇ：０．００１～０．０２０％、のいずれか一方もしくは両方、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ。
  2. ワイヤ全質量あたり、
    質量％で、
    Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、
    Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、
    Ｗ ：０％超、０．５０％以下、
    Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、
    Ｖ ：０％超、０．１０％以下、
    Ｂ ：０％超、０．０１０％以下、
    からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含有し、
    かつ、下記式（１）を満足することを特徴とする、請求項１に記載のエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ。
    Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（１）
  3. ワイヤ全質量あたり、
    質量％で、
    Ｃ ：０％超、０．０３％以下、
    Ｓｉ：０％超、０．１０％以下、
    Ｍｎ：０％超、０．２５％以下、
    Ｎｉ：１０．５～１４．０％、
    Ｓ：０％超、０．０１０％以下、
    Ａｌ：０％超、０．２５０％以下、
    ＲＥＭ：０．００２～０．０８０％、
    Ｏ：０％超、０．００９０％以下、
    Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、Ｗ：０％超、０．５０％以下、Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、Ｖ：０％超、０．１０％以下、Ｂ：０％超、０．０１０％以下、からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
    かつ、下記式（１）を満足することを特徴とする、エレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ。
    Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（１）
  4. ワイヤ全質量あたり、
    質量％で、
    Ｃｕ：０％超、１．００％以下、
    をさらに含有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ。
  5. 前記ワイヤにＣｕめっきが施されたことを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のエレクトロスラグ溶接用ソリッドワイヤ。
  6. 溶接継手であって、
    前記溶接継手における溶接金属は、質量％で、
    Ｃ ：０％超、０．０７％以下、
    Ｓｉ：０％超、０．３０％以下、
    Ｍｎ：０％超、０．４０％以下、
    Ｎｉ：１０．５～１４．０％、
    Ｓ：０％超、０．００６５％以下、
    Ａｌ：０．００８～０．２２０％、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
    結晶方位が１５°以上の粒界で囲まれた大角粒のうち、円相当径が５～３０μｍのものの合計面積分率ＳＡ（％）が３０％以上であることを特徴とする、溶接継手。
  7. 前記溶接金属は、質量％で、
    ＲＥＭ：０％超、０．０４０％以下、
    をさらに含有することを特徴とする、請求項６に記載の溶接継手。
  8. 前記溶接金属は、質量％で、
    ＲＥＭ：０．０４０％超、０．０８０％以下、
    をさらに含有することを特徴とする、請求項６に記載の溶接継手。
  9. 前記溶接金属は、質量％で、
    Ｃａ：０．０００３～０．０１０％、
    をさらに含有することを特徴とする、請求項６～８のいずれか１項に記載の溶接継手。
  10. 前記溶接金属は、質量％で、
    Ｃｕ：０％超、１．００％以下、
    さらに含有することを特徴とする、請求項６～９のいずれか１項に記載の溶接継手。
  11. 前記溶接金属は、質量％で、
    Ｃｒ：０％超、０．５０％以下、
    Ｍｏ：０％超、０．５０％以下、
    Ｗ ：０％超、０．５０％以下、
    Ｎｂ：０％超、０．１０％以下、
    Ｖ ：０％超、０．１０％以下、
    Ｂ ：０％超、０．０１０％以下
    からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素をさらに含有し、
    かつ、下記式（２）を満足することを特徴とする、請求項６～１０のいずれか１項に記載の溶接継手。
    Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｗ≦０．５０ ・・・（２）
  12. 前記溶接金属は、質量％で、
    Ｏ：０％超、０．０４０％以下、
    Ｎ：０％以上、０．０１０％以下、
    をさらに含有することを特徴とする、請求項６～１１のいずれか１項に記載の溶接継手。
  13. 母材として５～１０％のＮｉを含有する鋼板を用いることを特徴とする、請求項６～１２のいずれか１項に記載の溶接継手。
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