JPS62197294A - オ−ステナイト系ステンレス鋼のミグ・ア−ク溶接用ワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼を純不活性ガ
スシールド気中でミグ・アーク溶接するのに用いるワイ
ヤに関し、特に極低温で使用される超電導磁石容器等の
溶接に際して、優れた耐高温割れ性、高靭性、高強度を
有する溶接金属を得るための非磁性鋼の溶接用ワイヤを
提案するところにある。

（従来の技術） 一般に液体窒素や液体酸素などの低温用ガスの貯蔵タン
ク用材料として、９％旧鋼が用いられている。そして、
これらの鋼材の溶接材料としては共金糸のミグワイヤが
使用されている。また、さらに低温の液体水素（−２５
２，８℃）や液体ヘリウム（−２６８，９℃）貯蔵タン
ク、超電導応用装置用のものとしては、より高靭性のオ
ーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。これら
の溶接には、主としてＤ３０８、Ｉ］３０８Ｌ　、　Ｄ
３１６、Ｄ３１６Ｌなど（ＪＩＳ　ｚ３２２１　＞　の
被覆アーク溶接棒が適用され、かつそれらは溶接高温割
れ防止のためδフェライトを数％程度とするように成分
調整がされているのが普通である。

しかしながら、δフェライトが残存すると、極低温での
靭性低下や特に超電導応用装置で要求される非磁性が損
われるため、完全オーステナイト組織とする必要がある
。

この点通常の鋼板においては、圧延後の熱処理でδフェ
ライトを消失させ得るので、例えばオーステナイト系ス
テンレス鋼（ＳＵＳ　３１６Ｌ組成）にＮを富化させる
だけで充分その要求を達成することができる。

一方、被覆アーク溶接棒の分野でも、それらの要求を満
足させる溶接材料が特開昭５９−２１５２９６号として
ずでに開示されている。しかしながら、被覆アーク溶接
材料を用いた場合、溶接金属の酸素含有量が約０．０８
ｗ以下（以下、「％」で表示する）と非常に高いために
高靭性が得られず、加えて溶接能率の点から自動溶接化
が望まれているにもかかわらずそれができないという問
題点があった。

（発明が解決使用とする問題点） 本発明の目的は、溶接金属中の酸素含有量が高いために
高靭性を得るとこができないと共に耐高温割れ性に劣り
、かつ高能率な溶接ができないという従来技術の抱えて
いる問題点を克服するところにある。

（問題点を解決するための手段） そこで本発明は、上述した解決すべき課題に対し、まず
ワイヤ中に希土類元素を含有させて、純不活性ガスシー
ルド気中でも安定したミグ・アーク溶接を行い得るよう
にすると共に溶接金属中の酸素含有量を低く制御し、か
つ完全オーステナイト組織を確保して極低温における高
靭性を達成する。一方で溶接金属の低酸素化ミグ・アー
ク溶接に伴う高温割れを防止するためにも該希土類元素
を使用し、Ｍｎ含有量を高め、Ｃ含有量を低めに抑えて
耐高温割れ性を改善し、完全オーステナイトｍ織におい
ても高温割れを効果的に防止し、いわゆる上記の諸問題
を解決し、高強度、高靭性で非磁性を有する溶接金属を
得、加えて溶接作業性にも優れた、オーステナイト系ス
テンレス鋼を純不活性ガスシールド気中でミグ・アーク
溶接するのに用いるワイヤを得ることとした。

すなわち、本発明は次の事項を骨子とする構成；オース
テナイト系ステンレス鋼を純不活性ガスシールド気中に
てミグ・アーク溶接を行う際に使用するワイヤであって
、 Ｃ：０．０２〜０．０７ｗ以下、Ｓｉ：０．１０〜０．
７０ｗ以下、Ｍｎ：６．０〜１０．０ｗ以下、Ｎｉ：１
５．０〜２０．０ｔｎ以下、Ｃｒ：１５．０〜２０．０
ｗ以下、Ｍｏ：２．０〜４．０　ｗ以下、希土類元素：
ｏ、ｏ３〜ｏ、ａ。

ｗ以下、Ｐ：０．Ｏ１５ｗ以下以下、Ｓ：０．Ｏ０５ｗ
以下以下、Ｎ：０．０２〜０．２ｈ以下、Ｏ：０．０１
０ｉ％以下を含有し、残部はＦｅ及び不可避不純物から
なり、かつ次式：％式％ で定義されるフエライトファククＤ値（％）が、−３４
，０≦Ｄ≦−５ からなるオーステナイト系ステンレス鋼用溶接ワイヤを
、上記課題解決手段として提案する。

なお、上記フェライトファクタＤ値（％）とは、プロン
グＭｉ織図を使って求めたＮｉ当量およびＣｒ当量から
推定される常温における溶接金属の組織形態（δフエラ
イト量）の計算値である。上記式で定義されるフェライ
トファクタＤ値（％）の示す意味は、マイナス（−）が
常温におけるδフェライト量不存在域であり、完全オー
ステナイト組織範囲である。いわゆる完全オーステナイ
ト組織になれば、靭性の向上、非磁性の確保が可能とな
るが、反面耐高温割れ性が低下することになるから上述
したようなり値の規制を必要とするのである。

（作　用） 次に本発明思想の基本的な着想について説明する。

オーステナイト系ステンレス鋼のミグ・アーク溶接ワイ
ヤ中に希土類元素を添加すれば、純不活性ガスシールド
気中でも安定したミグ・アーク溶接が可能になる。そこ
で本発明者らは、一般に用いられているＪＩＳＧ４３１
６．５ＵＳ−Ｙ３１６組成のワイヤに希土類元素を添加
し、さらにＭｎ、Ｎｉ含有量を増量した化学組成の溶接
ワイヤを用いて、純不活性ガスシールド気中でミグ・ア
ーク溶接試験を行った。

その結果溶接金属はＰ、Ｓと該希土類元素が高融点化合
物を形成するために耐高温割れ性が改善され、高靭性、
高強度化が図られると同時に非磁性が確保でき、超電導
応用分野で用いられる非磁性が要求されるオーステナイ
ト系ステンレス鋼の溶接に適用が可能となることを知見
した。

この発明において、シールドガス組成を純不活性ガスシ
ールドに規制したのは、溶接金属中酸素含有量を低く制
御して、高靭性化を図るためである。オーステナイト系
ステンレス鋼の溶接金属の靭性改善には、溶接金属中酸
素含有量をできるかぎり低く抑えることが有効である。

従って、シールドガス組成として、Ａｒガスまたは計ガ
スに）ｌｅガスを混合した純不活性ガスを用いれば高靭
性が得られるのである。

次に、完全オーステナイト組織においても充分な耐高温
割れ性を確保するために必要な、希土類元素、Ｃ，Ｍｎ
、Ｐ、Ｓ景と上記フェライトファクタＤ値について説明
する。

本発明者らは次のような実験を行った。すなわち、ＳＵ
Ｓ　３１６鋼板（２（１＋＋ａｔ　ｘ２００１１Ｗ　Ｘ
３００　ｍｍｊりを試験板１として、第１図に示すよう
なルート部ギャンプ２ｍ、拘束板２を使って開先角度を
６０度に拘束した試験開先４を準備した。ワイヤは第１
表に示す本発明ワイヤＪ〜０と比較ワイヤＡ−１を用い
て、開先４内を純Ａｒガスシールド気中としてミグ・ア
ーク溶接を行った。溶接条件は、電流３００Ａ、電圧２
４ｖ１速度３０ｃｍ／ｍｉｎ、大熱量１４．４ｋＪ／ｃ
ｍの直流逆極性（ワイヤ＋）、下向姿勢で、溶接長さ２
５０　ｎ＋のビードを１バス溶接した。溶接後、液体浸
透試験により、割れの長さを測定した。その結果を第２
表に示す。

第２表 耐温度割れ性試験結果の考察； （１）ワイヤ中希土類元素の不適正 ワイヤＡについては溶接金属の液体浸透試験を実施した
ところ、希土類元素含有量不足に起因すると思われる高
温割れが見つかった。

（２）ワイヤ中Ｃの不適正 ワイヤＣについては、高Ｃ含有量に起因すると思われる
顕著な高温割れが見つかった。

（３）ワイヤ中Ｍｎの不適正 ワイヤＢ、Ｂについては低Ｍｎ含有量のため、ニッケル
リン化合物、ニッケル硫化物の生成に伴うと思われる高
温割れが見つかった。

（４）ワイヤ中Ｐ、　　Ｓの不適正 ワイヤ■については高Ｐ、高Ｓに伴うと思われる高温割
れが見つかった。

（５）フェライトファクタＤ値の不適正ワイヤＤ、Ｅに
示すようにフェライトファクタＤ値が−３５，０未満の
場合高温割れの発生が確認された。

以上の結果をふまえて各成分の範囲を整理すると、 希土類元素は、純不活性ガスシールド気中において安定
したミグ・アーク溶接を持続して行うのに０．０２％以
上必要である。また、低酸素化を図ったミグ・アーク溶
接においては、Ｐ、Ｓと高融点な化合物を形成して溶接
高温割れを防止するために、第２表に示した実験結果か
ら、０．０３％以上が必要なため、下限値を０．０３％
に限定する。しかしながら多量に添加すれば酸化不純物
が靭性に悪影響を与えるために、上限値を０．３０％以
下に限定した。

Ｃは、オーステナイト安定化元素で、侵入型固溶元素と
してオーステナイト地の強化に有効であり、０．０２％
未満では溶接金属の強度を確保できないため下限を０．
０２％とする。また０、０７％を超えて添加すれば強度
上昇は期待できるものの高温割れを助長するため、０．
０２〜０．０７％に限定する。なお、溶接金属熱影響部
の耐食性の劣化防止を考慮すれば、０．０２〜０．０５
％が好適である。

Ｓｔは、脱酸元素でると同時に、ミグ・アーク溶接の溶
滴移行現象に影響を与え、０．１０％以上の添加が必要
であるが、０．７０％を超えると高温割れを助長するた
め、０．１０〜０．７０％に限定する。

Ｍｎは、脱酸元素であるとともに、オーステナイト安定
化元素であり、さらに不純物Ｐ、Ｓと高融点のマンガン
リン化合物、マンガン硫化物を形成して高温割れを防止
するのに有効なので６．０％以上必要である。しかしな
がら多量に添加すると、Ｍｎヒユームが発生するため、
６．０〜１０．０％に限定する。なお、拘束度がより大
きい厚鋼材の溶接を考慮すれば、７．０〜１０．０％が
より好適である。

Ｎｉは、オーステナイト安定化元素であり、かつマトリ
ックスの靭性を高めるために１５．０％以上必要である
が、２０．０％を超えて添加してもその効果は飽和する
し高価なため、１５．０〜２０．０％に限定する。

Ｃｒは、耐食性と強度上昇さらに、Ｎｉ当量とのバラン
スのために１５．０％以上必要であるが、２０．０％を
超えると透磁率が上昇するため１５．０〜２０．０％に
限定する。

Ｍｏは、耐食性および強度上昇さらに耐高温割れ性改善
に２．０％以上必要であるが、４．０％を超えると透磁
率が上昇するために２．０〜４．０％に限定する。

Ｎば、Ｃと同様にオーステナイト安定化元素であり、ま
た侵入型固溶元素としてオーステナイト地の強化に有効
であることから０．０２％以上が必要であるが、０．２
５％を超えて添加すれば溶接金属にブローホールを発生
させるため、０．０２〜０．２５％に限定する。

０は、オーステナイト溶接金属の靭性改善には低いほど
有効であり、０．０１０％を超えると急激に靭性低下を
招くため、０．０１０％以下に限定する。

Ｐは、不純物として含有しており溶接高温割れを助長す
るため低い方が望ましいが、製鋼上脱リンが難しいので
０．０１５％までを許容上限とした。

Ｓは、溶接高温割れにとくに有害であるため、０．００
５％を許容上限の含有量とした。

なお、上記成分の限定範囲はいずれもワイヤ中のものに
ついて示したが、純不活性ガスシールド気中におけるミ
グ・アーク溶接に限定しているため、酸化されることが
ないから溶着金属中の化学成分と同一視して考えること
ができる。ただし、希土類元素については、溶着金属中
の化学成分範囲はワイヤ中の１７２になることが実験事
実として確認されている。

下記（１）式で示されるフェライトファクタＤ値（％）
については、上記成分限定範囲内であれば、高温割れを
防止するために−３４，０％以上が必要である。しかし
、−５，０％を超えると透磁率が上昇するために−３４
，０〜５．０％に限定する。

Ｄ　−３，２Ｘ　（（Ｃｒχ）　＋　［Ｍｏχ〕→−１
，５Ｘ　（Ｓｉｘ）　）　−２，５Ｘ　（（Ｎｉχ：ｌ
　＋０．５Ｘ　（Ｍｎχ）　＋３０ｘ　（（ＣＺ）　＋
　（Ｎχ）　））　−２４，７−−−　　（１，１ （実施例） 実施例１ 第１表に示した本発明ワイヤＪ、Ｌ、Ｎ、比較ワイヤＦ
、Ｇと板厚２５龍のＳＯ３３１６ＬＮ鋼板（Ｃ：０．０
２５　　％、Ｓｉ：０．４５　　％、Ｍｎ：０．９５　
　％、Ｐ：０．０１５　　％、Ｓ：０．００２　　％、
Ｎｉ：１１．５　　％、Ｃｒ：１７．９　　％、Ｍｏ：
２．５８％、Ｎ：０．２１％、Ｏ：０．００３５％）を
用いて、母板３上に第２図に示すように３層６パス、Ａ
ｒガスシールド気中で、ミグ・アーク溶接を行った。溶
接条件は、２８ＯＡ−２５Ｖ−２０ｃｍ／ｍｉｎ、入熱
量２１ｋＪ／ｃｍで行った。溶接金属部の透磁率を米国
セバン社製の低透磁率針で測定した結果を第３表に示す
。

使用目的が主に超電導応用装置のため透磁率μの基準値
をμ≦１．０１とした。

本発明ワイヤを用いれば、母材の希釈を受けた１パス目
においても、いずれもμ≦１．０１で基準値を満足した
が、フェライトファクタＤ値が＋５．７と−３，９の比
較ワイヤＦ、Ｇは基準値を満足できなかった。

丈夫Ｉ津λ 本発明ワイヤに、Ｏ１比較ワイヤＦ、　　Ｇ、　　Ｈと
実施例１で用いたＳＵＳ　３１６ＬＮ鋼板を用いて、ル
ート部開先幅１２ｍｍ、開先角度２°の狭開先内に、ミ
グ・アーク？容接した。シールドガス組成はＡｒ＋３０
％ｌｌｅとし、直流逆極性、３００Ａ−２８Ｖ−２３ｃ
ｍ／ｍａｎ、入熱量２１　、９ＫＪ　／　ｃｍの条件で
、１層１パスで６パス下向姿勢で溶接した。

溶接時のアーク安定性は希土類元素を適量添加している
ため、狭開先内においても非常に良好で、溶滴移行は安
定した瞬間的短絡移行を示した。

溶接金属の一１９６℃、−２６９°Ｃにおけるシャルビ
衝撃特性を調査するために、表面２鶴切削７ｉＪＴＳ　
Ｚ２２０２−４号の２１１１Ｖノツチシヤルピ一衝撃試
験片を採取し、ノツチを溶接金属部に加工した。また、
−１９６°Ｃにおける引張特性を調べるために溶接金属
部から平行部面径６龍、長さが３２鶴のＪＩＳ　ｚ３１
１１−Ａ２号試験片を採取して各々試験を行った。第４
表にその試験結果を示す。

極低温分野への応用を考慮して一１９６℃における吸収
エネルギーＶＥ−１９６は１０ｋｇｆ−ｍ以上、−２６
９℃におけるｖＥ−ｚｂｑは８ｋｇ１ｍ以上を基準値と
した。

また、引張特性は、−１９６℃における０、２％耐力σ
ｙ−＋ｑｂは６５ｋｇｆ／璽Ｉ２以上を基準値とした。

本発明ワイヤに、Ｏを用いた溶接金属のＶＥ−１９６は
いずれも１５ｋｇｆ−ｍ以−りを、吸収エネルギーｖＥ
−ｚｂｑは１４ｋｇ１ｍ以上を示し、すぐれテイタ。

また、０．２％耐力σｙ−＋ｑｂは６９ｋｇｆ／ｍｍ２
以上を示し、特に高Ｎ材のワイヤＫを用いた溶接金属は
Ｎによる固溶強化のため７２．２ｋｇｆ／ｍｕ２を示し
た。比較ワイヤＦは十分低酸素化が図られているので、
吸収エネルギーＶＥ−１９６、シＥ−２６９は基準値を
満足したが、低Ｃのため、０．２％耐力σｙ−１，６は
基準値を若干下回った。また、比較ワイヤＧ、　　Ｈは
酸素含有量が高いため、シＥ−１９６、シＥ−２６’９
が基準値を下回った。

以上説明した実施例では純不活性ガスシールドミグ・ア
ーク溶接について示したが、シールドガス組成として純
不活性ガス（主としてアルゴンガス）を用いるティグ・
アーク溶接用ワイヤとして（発明の効果） 以上説明したようにこの発明によれば極低温域の分野で
用いられるオーステナイト系ステンレス鋼を使用する。

特に非磁性、高靭性、高強度が要求される超電導磁石応
用装置などの溶接に際し、耐高温割れ性を改善した溶接
ワイヤと１７で好適であり、かつ溶接作業性にすぐれる
と共にワイヤ製造時の加工性にも優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、拘束割れ試験板の横断面図、第２図は、溶接
金属の透磁率測定試料の溶接積層横断面図を示す。 ■　試験板　　　　　　２−拘束板 ３−母板　　　　　　　４−開先 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、オーステナイト系ステンレス鋼を純不活性ガスシー
   ルド気中にてミグ・アーク溶接を行う際に使用するワイ
   ヤであって、 Ｃ：０．０２〜０．０７ｗｔ％、Ｓｉ：０．１０〜０．
   ７０ｗｔ％、Ｍｎ：６．０〜１０．０ｗｔ％、Ｎｉ：１
   ５．０〜２０．０ｗｔ％、Ｃｒ：１５．０〜２０．０ｗ
   ｔ％、Ｍｏ：２．０〜４．０ｗｔ％、希土類元素：０．
   ０３〜０．３０ｗｔ％、Ｐ：０．０１５ｗｔ％以下、Ｓ
   ：０．００５ｗｔ％以下、Ｎ：０．０２〜０．２５ｗｔ
   ％、Ｏ：０．０１０ｗｔ％以下を含有し、残部はＦｅ及
   び不可避不純物からなり、かつ次式； Ｄ＝３．２×（〔Ｃｒ％〕＋〔Ｍｏ％〕＋１．５×〔Ｓ
   ｉ％〕）−２．５×｛〔Ｎｉ％〕＋０．５×〔Ｍｎ％〕
   ＋３０×（〔Ｃ％〕＋〔Ｎ％〕）｝−２４で定義される
   フェライトファクタＤ値（％）が、 −３４．０≦Ｄ≦−５ であるオーステナイト系ステンレス鋼のミグ・アーク溶
   接用ワイヤ。