JPWO2013168670A1 - 超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents
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Abstract
この超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記ワイヤ中に、CaF2、BaF2、SrF2、MgF2のうち1種または2種以上が含有され、その含有量の合計をαとしたとき、前記αがワイヤ全質量に対する質量%で2.0超〜8.0%であり、Ti酸化物、Si酸化物、Mg酸化物、Al酸化物のうち1種または2種以上が含有され、その含有量の合計をβとしたとき、前記βが前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.01〜1.20%であり、前記αに対する前記CaF2の含有量の比が0.50以上であり、前記βに対する前記αの比が2.0以上800.0以下であり、以下のa式で定義されるCeqが0.60〜1.20%である。Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 ・・・(a)
Description
本発明は、引張強度(引張強さ)950MPa以上1500MPa以下の超高張力鋼の溶接に用いられるフラックス入りワイヤに関する。特に、超高強度の溶接金属で発生する延性低下割れを防止し、優れた強度、靭性、伸びを有する溶接金属が得られる超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤに関する。
本願は、2012年5月8日に、日本に出願された特願2012−106607号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2012年5月8日に、日本に出願された特願2012−106607号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、建設クレーンなどの建設機械、産業機械の大型化、軽量化の要求が増加しており、それに伴って使用される鋼板も950MPa級鋼、1180MPa級鋼などの超高張力鋼板が使用されるようになっている。これら超高張力鋼板が使用される理由は、製品の軽量化、そして鋼材使用量が減ることで鋼材費用や運搬費用が減少することや、鋼材が薄手になり単重が減ることで、鋼材の取り回しが良く、溶接量も軽減することから、製造工期短縮、施工コスト削減が期待されるためである。
しかし、超高張力鋼に対する使用の要求は非常に高くなっているにも関わらず、950MPa級以上の超高張力鋼の使用量は全体量から見るとまだ僅かである。
この理由としては、950MPa級以上の超高張力鋼の溶接では、母材鋼板の性能に見合う高強度・高靱性の溶接金属を得ることがより困難となるため、そのような溶接に適合する溶接材料の開発が十分行われていなかったことがあげられる。
超高張力鋼の溶接では、高合金の溶接金属を得る必要がある。高合金の溶接ワイヤとしては、フラックス入りワイヤが製造性の点で有利であるため、特に、超高張力鋼の溶接に適用できるフラックス入りワイヤの開発が必要になっている。
この理由としては、950MPa級以上の超高張力鋼の溶接では、母材鋼板の性能に見合う高強度・高靱性の溶接金属を得ることがより困難となるため、そのような溶接に適合する溶接材料の開発が十分行われていなかったことがあげられる。
超高張力鋼の溶接では、高合金の溶接金属を得る必要がある。高合金の溶接ワイヤとしては、フラックス入りワイヤが製造性の点で有利であるため、特に、超高張力鋼の溶接に適用できるフラックス入りワイヤの開発が必要になっている。
このような状況の中で、超高張力鋼の溶接に必要な強度や靭性を確保することを目的に次のようなフラックス入りワイヤが提案されている。
特許文献1では、強度と靭性を確保するために有効なNiと、その他Mo、W、Nb、Vなどを適量添加して、溶接金属の引張強度と靭性が確保される。さらにワイヤ中に脱酸元素であるSi、Mn、Al、Ti、Mgを適量含有させることにより、溶接時の溶接金属中の酸素及び拡散性水素に起因する溶接金属の靭性及び延性の低下を防止し、且つ、y割れ溶接試験での割れ停止温度を150℃以下に低減できるフラックス入りワイヤが提案されている。
また、本発明者らによる特許文献2では、引張強度950MPa級以上の超高張力鋼の溶接において、特に、100℃の予熱温度で溶接できるように、フラックス中にMgを添加して溶接金属の拡散性水素量を低減し、高靭性で耐低温割れ性を向上させた溶接金属を得ることが可能なフラックス入りワイヤが提案されている。
特許文献3では、金属弗化物、金属酸化物を添加した490〜780MPa級高張力鋼用のフラックス入りワイヤについて開示されている。しかし、780MPa級を超える強度レベルの高張力鋼に対して問題となる延性低下割れについては、いずれも何ら検討されていない。
特許文献4では、プライマ塗布や錆発生の鋼材の溶接においても、ピットやガス溝等の気孔は発生せずに良好なビードを形成し得る金属弗化物を添加したフラックス入りワイヤについて開示されている。しかし、低強度の溶接材料であるためC、Mnやその他の合金成分を殆ど含有していない上、金属酸化物がフラックス組成の主体であり、延性低下割れ、及び、溶接金属の靭性についても検討されていない。また、金属弗化物は拡散性水素量を低減すると記されているが、金属弗化物の含有量も2.0%以下であり、その低減効果に関する定量的な分析は行われていない。
特許文献1では、強度と靭性を確保するために有効なNiと、その他Mo、W、Nb、Vなどを適量添加して、溶接金属の引張強度と靭性が確保される。さらにワイヤ中に脱酸元素であるSi、Mn、Al、Ti、Mgを適量含有させることにより、溶接時の溶接金属中の酸素及び拡散性水素に起因する溶接金属の靭性及び延性の低下を防止し、且つ、y割れ溶接試験での割れ停止温度を150℃以下に低減できるフラックス入りワイヤが提案されている。
また、本発明者らによる特許文献2では、引張強度950MPa級以上の超高張力鋼の溶接において、特に、100℃の予熱温度で溶接できるように、フラックス中にMgを添加して溶接金属の拡散性水素量を低減し、高靭性で耐低温割れ性を向上させた溶接金属を得ることが可能なフラックス入りワイヤが提案されている。
特許文献3では、金属弗化物、金属酸化物を添加した490〜780MPa級高張力鋼用のフラックス入りワイヤについて開示されている。しかし、780MPa級を超える強度レベルの高張力鋼に対して問題となる延性低下割れについては、いずれも何ら検討されていない。
特許文献4では、プライマ塗布や錆発生の鋼材の溶接においても、ピットやガス溝等の気孔は発生せずに良好なビードを形成し得る金属弗化物を添加したフラックス入りワイヤについて開示されている。しかし、低強度の溶接材料であるためC、Mnやその他の合金成分を殆ど含有していない上、金属酸化物がフラックス組成の主体であり、延性低下割れ、及び、溶接金属の靭性についても検討されていない。また、金属弗化物は拡散性水素量を低減すると記されているが、金属弗化物の含有量も2.0%以下であり、その低減効果に関する定量的な分析は行われていない。
溶接学会編、「新版 溶接・接合技術特論」、2005年発行、東京、産報出版株式会社、141頁
950MPa以上の超高張力鋼の溶接継手では、鋼材と同様に溶接金属も超高張力となることが要求されるが、超高張力の溶接金属では延性低下割れが発生するという問題が新たに生じてきた。
延性低下割れは、多層盛りの溶接において旧γ粒界が割れることで起こる現象である。超高張力鋼の溶接は、1パスあたりの入熱を制限することが望ましいことから多層盛り溶接で行われる。多層盛り溶接では、先に形成された溶接金属が次の溶接パスにより再加熱を受ける。その際、主としてCとSが旧γ粒界に偏析し、それにより脆化した旧γ粒界が、冷却される際に生じる熱収縮によって割れることで起こる。
このような延性低下割れは、通常の高張力鋼の溶接金属では見られないが、950MPaを超える超高張力鋼の溶接金属では、強度・靭性を確保するために、溶接金属を高合金にすることでマルテンサイト組織とせざるを得ず、そのような溶接金属では延性低下割れの発生が顕著となる。
延性低下割れは、多層盛りの溶接において旧γ粒界が割れることで起こる現象である。超高張力鋼の溶接は、1パスあたりの入熱を制限することが望ましいことから多層盛り溶接で行われる。多層盛り溶接では、先に形成された溶接金属が次の溶接パスにより再加熱を受ける。その際、主としてCとSが旧γ粒界に偏析し、それにより脆化した旧γ粒界が、冷却される際に生じる熱収縮によって割れることで起こる。
このような延性低下割れは、通常の高張力鋼の溶接金属では見られないが、950MPaを超える超高張力鋼の溶接金属では、強度・靭性を確保するために、溶接金属を高合金にすることでマルテンサイト組織とせざるを得ず、そのような溶接金属では延性低下割れの発生が顕著となる。
延性低下割れは、非常に微小な割れであり、引張試験時に割れの亀裂先端に応力が集中することで、早期に破断に至るようになるため、特に伸びが低値となる。伸びが低値であると、製造時に十分に曲げ加工ができないなど問題となる。
従って、このような超高張力鋼が広く使用されるようになるためには、優れた強度、靭性、伸びを有する溶接金属が得られるフラックス入り溶接ワイヤが強く要求される。
しかし、特許文献1、2、3、4では、引張強度950MPa級以上の高張力鋼の溶接において問題となる延性低下割れについては、いずれも何ら検討されておらず、その解決が望まれている。また、その鋼の溶接時に、予熱温度の一層の低減も望まれている。
従って、このような超高張力鋼が広く使用されるようになるためには、優れた強度、靭性、伸びを有する溶接金属が得られるフラックス入り溶接ワイヤが強く要求される。
しかし、特許文献1、2、3、4では、引張強度950MPa級以上の高張力鋼の溶接において問題となる延性低下割れについては、いずれも何ら検討されておらず、その解決が望まれている。また、その鋼の溶接時に、予熱温度の一層の低減も望まれている。
なお、特許文献1でも溶接金属の延性について考慮されているが、その表5などを参照すると、延性を−40℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーで評価しており、さらに、酸素量の低減により延性を向上させていることから、そこで用いられている「延性」という語は、靭性と同じ意味で用いられている。
一方、本発明で問題としている延性低下割れとは、例えば、非特許文献1に定義されているような、旧γ粒界のミクロ単位の局所的な延性の不足による割れであり、特許文献1で用いられている延性とは定義が異なる。実際、本発明において、延性の評価指標は、後述の実施例に示されるように室温で行う引張試験における破断伸びである。
一方、本発明で問題としている延性低下割れとは、例えば、非特許文献1に定義されているような、旧γ粒界のミクロ単位の局所的な延性の不足による割れであり、特許文献1で用いられている延性とは定義が異なる。実際、本発明において、延性の評価指標は、後述の実施例に示されるように室温で行う引張試験における破断伸びである。
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑み、950MPa以上1500MPa以下の超高張力鋼の溶接に際し、延性低下割れを抑制することで高強度高靭性かつ伸びの優れる溶接部を得ることができるフラックス入りワイヤを提供することを目的とする。
従来、強度レベルが低いところでは、延性低下割れが発生することが無く、これまで問題とならなかったため、延性低下割れの抑制については全く検討されていない。
本発明者らは、延性低下割れを抑制することを目的に種々検討した結果、鋼製外皮の内部にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、950MPa以上の溶接金属に要求される強度・靭性を確保するのに必要なフラックス配合・合金成分範囲で、金属弗化物とC、Mn及び、Vとを特定の条件でワイヤに添加することで、延性低下割れを抑制でき、優れた破断伸びが得られることを見出し、その知見を基にさらに検討を加えて本発明に到達した。
すなわち、本発明の要旨を好ましい実施形態とともに示すと、以下のとおりである。
本発明者らは、延性低下割れを抑制することを目的に種々検討した結果、鋼製外皮の内部にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、950MPa以上の溶接金属に要求される強度・靭性を確保するのに必要なフラックス配合・合金成分範囲で、金属弗化物とC、Mn及び、Vとを特定の条件でワイヤに添加することで、延性低下割れを抑制でき、優れた破断伸びが得られることを見出し、その知見を基にさらに検討を加えて本発明に到達した。
すなわち、本発明の要旨を好ましい実施形態とともに示すと、以下のとおりである。
(1)本発明の第一の態様に係る超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮の内部にフラックスが充填された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、前記ワイヤ中に、CaF2、BaF2、SrF2、MgF2のうち1種または2種以上が含有され、その含有量の合計をαとしたとき、前記αがワイヤ全質量に対する質量%で2.0超〜8.0%であり、Ti酸化物、Si酸化物、Mg酸化物、Al酸化物のうち1種または2種以上が含有され、その含有量の合計をβとしたとき、前記βが前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.01〜1.20%であり、CaCO3、BaCO3、SrCO3、MgCO3の含有量の合計を、前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.60%未満とし、前記フラックス中の鉄粉の含有量を、前記ワイヤ全質量に対する質量%で5.0%未満であり、前記αに対する前記CaF2の含有量の比が0.50以上であり、前記βに対する前記αの比が2.0以上800.0以下であり、化学成分が、前記ワイヤ全質量に対する質量%で:C:0.080超〜0.200%;Si:0.05〜1.50%;Mn:1.0〜2.2%;Al:0.001〜0.400%;Ni:1.0〜9.0%;V:0.050超〜0.300%;P:0.020%以下;S:0.020%以下;Cu:0〜0.800%;Cr:0〜2.5%;Mo:0〜2.0%;Ti:0〜0.300%;Nb:0〜0.05%;B:0〜0.0100%;Mg:0〜0.8%;Ca:0〜0.5%;REM:0〜0.0100%;残部:鉄および不純物;からなり、以下のa式で定義されるCeqが0.60〜1.20%である。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+
[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 ・・・(a)
但し、[]付元素は、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+
[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 ・・・(a)
但し、[]付元素は、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。
(2)上記(1)に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記ワイヤ中のCaOの含有量が、前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.15%未満であってもよい。
(3)上記(1)または(2)に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記αに対する前記CaF2の含有量の比が0.90以上であってもよい。
(4)上記(1)〜(3)のいずれか1項に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記ワイヤを用いたガスシールドアーク溶接に対する、日本工業規格JIS Z3111−2005に規定された溶着金属の引張試験において、前記溶着金属の引張強度が950MPa以上かつ1500MPa以下となってもよい。
(5)上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記鋼製外皮にスリット状の隙間が無くてもよい。
(6)上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤは、前記ワイヤの表面にパーフルオロポリエーテル油が塗布されていてもよい。
本発明によれば、引張強度(引張強さ)950MPa以上の超高張力鋼の溶接に用いられるフラックス入りワイヤにおいて、高強度、高靭性であり、かつ、延性低下割れを抑制することで優れた伸びを有する溶接金属を得ることができるフラックス入りワイヤを提供することができる。
本発明が対象とする鋼板1では、形成される溶接金属の強度(引張強さ)が950MPa以上1500MPa以下と高く、このような超高強度鋼板の溶接金属はマルテンサイトが90%以上の組織となる。溶接したままの状態の溶接金属では、旧γ粒界は非常に粗大となっている。加えて、マルテンサイト変態は無拡散変態であるため、溶接時に形成されたγ粒界は、偏析、不純物を含んだ状態で残る。このため、超高強度の溶接金属の旧γ粒界の靭性は元々低くなっている。
さらに、マルテンサイト変態であるため、Cは固溶した状態となっており、このような溶接金属が、多層盛り溶接の際に再熱を受けると、Cが粗大な旧γ粒界へ偏析し、顕著な脆化を引き起こす。同様にSも多層盛り溶接の際の再熱によって旧γ粒界へ偏析し、脆化を引き起こす。その状態で、冷却される際に生じる熱収縮によって、旧γ粒界に割れが生じることで延性低下割れが発生する。
さらに、マルテンサイト変態であるため、Cは固溶した状態となっており、このような溶接金属が、多層盛り溶接の際に再熱を受けると、Cが粗大な旧γ粒界へ偏析し、顕著な脆化を引き起こす。同様にSも多層盛り溶接の際の再熱によって旧γ粒界へ偏析し、脆化を引き起こす。その状態で、冷却される際に生じる熱収縮によって、旧γ粒界に割れが生じることで延性低下割れが発生する。
この問題に対し、本発明者らは、CとSを粒内に効果的にトラップして、粒界への偏析を防止する手段や溶接金属の伸びを高める手段を検討し、金属弗化物、金属酸化物、C、Mn及び、Vを適正に添加することにより、超高強度の溶接金属であっても延性低下割れを抑制することができ、優れた破断伸びを確保することができることを見出した。
このような知見が得られた実験についてその一例を示す。
本発明者らは、後述する実施例に示す例と同様に、ワイヤの成分を調整し、最終のワイヤ径がφ1.2mmのシームレスのフラックス入りワイヤを作製した。作製したワイヤでは、特にC、Mn、Vの含有量と金属弗化物及び金属酸化物の含有量とを変化させた。
このフラックス入りワイヤを用い、950MPa級の鋼板1の突き合わせ溶接を実施し、得られた溶接金属からJIS Z3111(1986年)に準拠したA1号の丸棒引張り試験片を採取し、室温にて引張試験を行って、溶接金属の引張強度、破断伸びを評価した。
本発明者らは、後述する実施例に示す例と同様に、ワイヤの成分を調整し、最終のワイヤ径がφ1.2mmのシームレスのフラックス入りワイヤを作製した。作製したワイヤでは、特にC、Mn、Vの含有量と金属弗化物及び金属酸化物の含有量とを変化させた。
このフラックス入りワイヤを用い、950MPa級の鋼板1の突き合わせ溶接を実施し、得られた溶接金属からJIS Z3111(1986年)に準拠したA1号の丸棒引張り試験片を採取し、室温にて引張試験を行って、溶接金属の引張強度、破断伸びを評価した。
図1に、引張試験で得られた破断伸び(標点距離50mm)と溶接ワイヤ中の金属弗化物量/金属酸化物量との関係を示す。ここで、記号○と記号●はVが0.05%超であることを示し、記号×はVが0.05%以下であることを示す。また、図2に、引張試験で得られた破断伸び(標点距離50mm)とワイヤ中のC含有量との関係を示す。
図1より、金属弗化物を、金属弗化物量/金属酸化物量の値が2.0以上となるように添加し、かつ、Cが質量%で、0.080%超、Mnが1.0%以上、Vが0.05%超となるように添加したワイヤでは、引張試験において12%以上の破断伸びが得られていることがわかった。
また、図2より、ワイヤ中のMn含有量が1%を下回る範囲では、破断伸びはワイヤ中のC含有量の増加とともに減少する。一方、ワイヤ中のMn含有量が1%以上の範囲では、ワイヤ中のC含有量が0.07%あたりまではMn量が少ない場合と同様の傾向を示すが、それを超えると、逆にワイヤ中のC含有量の増加とともに破断伸びが急激に増加するようになる。ワイヤ中のC含有量0.080%以上では、12%以上の優れた破断伸びを示すようになることがわかった。
また、図2より、ワイヤ中のMn含有量が1%を下回る範囲では、破断伸びはワイヤ中のC含有量の増加とともに減少する。一方、ワイヤ中のMn含有量が1%以上の範囲では、ワイヤ中のC含有量が0.07%あたりまではMn量が少ない場合と同様の傾向を示すが、それを超えると、逆にワイヤ中のC含有量の増加とともに破断伸びが急激に増加するようになる。ワイヤ中のC含有量0.080%以上では、12%以上の優れた破断伸びを示すようになることがわかった。
以上のような結果が得られた理由は次のように考えられる。
(i)フラックスに金属弗化物を特定の範囲で添加するとともに、金属酸化物との間に特定の関係が成り立つように添加することで、凝固時にSを酸化物にトラップさせて固溶S量を低減し、再熱時に旧γ粒界へのSの偏析を抑制することにより、延性低下割れの抑制に効果があったものと考えられる。
この推察は、図4A、4B〜図6A〜6Dに示すような実験結果に基づいている。
(i)フラックスに金属弗化物を特定の範囲で添加するとともに、金属酸化物との間に特定の関係が成り立つように添加することで、凝固時にSを酸化物にトラップさせて固溶S量を低減し、再熱時に旧γ粒界へのSの偏析を抑制することにより、延性低下割れの抑制に効果があったものと考えられる。
この推察は、図4A、4B〜図6A〜6Dに示すような実験結果に基づいている。
図4A、4Bは、従来技術のワイヤで溶接した後、溶接金属中の酸化物を多数、透過型電子顕微鏡で観察した結果の一例を、2個の酸化物1、2について示すもので、図4Aは酸化物の透過型電子顕微鏡観察写真であり、図4Bは写真中の酸化物の表層C点についてEDS分析した結果を示す。EDS分析の結果から、この例ではSがほとんど検出されていない。
一方、図5A、5Bは、本発明のワイヤ(すなわち、金属弗化物を特定の範囲で添加するとともに、金属酸化物との間に特定の関係が成り立つように金属弗化物を添加したワイヤ)で溶接した後の結果の一例を、2個の酸化物A、Bについて図4A、4Bと同様に示したものである。EDS分析の結果から、この例では酸化物の表層にSが検出され、明瞭に存在していることがわかる。
一方、図5A、5Bは、本発明のワイヤ(すなわち、金属弗化物を特定の範囲で添加するとともに、金属酸化物との間に特定の関係が成り立つように金属弗化物を添加したワイヤ)で溶接した後の結果の一例を、2個の酸化物A、Bについて図4A、4Bと同様に示したものである。EDS分析の結果から、この例では酸化物の表層にSが検出され、明瞭に存在していることがわかる。
図6A〜6Dは、本発明のワイヤで溶接した溶接金属中の酸化物をイオンミリング処理によって薄膜化し、透過型電子顕微鏡を用いて内部を観察した結果の一例を示すもので、図6B、6C、6Dに示す酸化物内部のEDS元素マップから、酸化物の表層にSが存在していることが明瞭にわかる。
これらの結果より、本発明のワイヤで溶接した溶接金属は、凝固過程において酸化物表層にSが多く取り込まれることで、固溶Sが大幅に低下し、Sが旧γ粒界に偏析することが抑制され、これによって延性低下割れの抑制に効果があったと考えられる。
これらの結果より、本発明のワイヤで溶接した溶接金属は、凝固過程において酸化物表層にSが多く取り込まれることで、固溶Sが大幅に低下し、Sが旧γ粒界に偏析することが抑制され、これによって延性低下割れの抑制に効果があったと考えられる。
(ii)また、溶接金属中のMnはCと引力相互作用を持つことから、固溶Cの旧γ粒界への偏析を遅らせる効果を持つと考えられる。それに加えて、VはCと炭化物を形成しやすく、さらに凝固時の偏析が少なく、比較的、溶接金属内で均一に分散して存在する。溶接金属中にMnとVとを複合添加することで、溶接金属が再熱を受けた際に、Mnの引力相互作用によってCの旧γ粒界への移動速度を低下させ、その間にγ粒内でVが固溶Cと炭化物を形成することで、旧γ粒界へのCの偏析を抑制したものと考えられる。
(iii)さらに、旧γ粒内で析出する炭化物は、微細に分散して強度向上に寄与し、溶接金属内の強度差を小さくすることができる。また、Cが高くなる方が、析出物が増加し、溶接金属内の強度差を小さくすることができる。そのため、C含有量を高め、MnとVとを複合添加することにより、炭化物が旧γ粒内で微細に分散して析出し、加工時に溶接金属全体が均一に塑性変形するようになり、破断伸びが向上する効果があったものと考えられる。
次に、以上のような検討の結果なされた実施例のフラックス入りワイヤについて、特徴とする技術要件の限定理由について順次説明する。
先ず、実施例のフラックス入りワイヤを構成する鋼製外皮およびフラックス中に含有される合金成分、金属脱酸成分およびその他の各成分の含有量の限定理由について説明する。
以下の説明において、「%」は特に説明がない限り、「質量%」を意味し、各成分の含有量は、ワイヤ全質量に対する鋼製外皮およびフラックス中の各成分の質量%の合計となる成分含有量を意味するものとする。
先ず、実施例のフラックス入りワイヤを構成する鋼製外皮およびフラックス中に含有される合金成分、金属脱酸成分およびその他の各成分の含有量の限定理由について説明する。
以下の説明において、「%」は特に説明がない限り、「質量%」を意味し、各成分の含有量は、ワイヤ全質量に対する鋼製外皮およびフラックス中の各成分の質量%の合計となる成分含有量を意味するものとする。
(C:0.080超〜0.200%)
溶接金属の引張強度が950MPa以上となると、組織はマルテンサイト主体組織となる。マルテンサイト組織の強度に及ぼすCの影響は大きく、溶接ワイヤ中のC含有量が多いほど溶接金属中のC含有量も増加し、溶接金属の強度を高めることができる。
さらに、Mn、Vを本発明範囲で複合添加した場合は、旧γ粒内で炭化物が微細に分散して析出し、溶接金属内の強度差を小さくすることができる。これによって、加工時に溶接金属が均一に塑性変形するようになるため、破断伸びを向上させることができる。
これら効果を得るためには、Cは0.080%超含有する必要がある。ただし、0.200%を超えてCを含有すると、靭性の劣化が顕著となるため好ましくない。また、強度と破断伸びとを安定して確保するには、Cの下限を0.090%超、0.100%超、又は0.110%超としてもよく、C上限を、0.180%、0.160%又は、0.140%としてもよい。
溶接金属の引張強度が950MPa以上となると、組織はマルテンサイト主体組織となる。マルテンサイト組織の強度に及ぼすCの影響は大きく、溶接ワイヤ中のC含有量が多いほど溶接金属中のC含有量も増加し、溶接金属の強度を高めることができる。
さらに、Mn、Vを本発明範囲で複合添加した場合は、旧γ粒内で炭化物が微細に分散して析出し、溶接金属内の強度差を小さくすることができる。これによって、加工時に溶接金属が均一に塑性変形するようになるため、破断伸びを向上させることができる。
これら効果を得るためには、Cは0.080%超含有する必要がある。ただし、0.200%を超えてCを含有すると、靭性の劣化が顕著となるため好ましくない。また、強度と破断伸びとを安定して確保するには、Cの下限を0.090%超、0.100%超、又は0.110%超としてもよく、C上限を、0.180%、0.160%又は、0.140%としてもよい。
(Si:0.05〜1.50%)
Siは、脱酸元素であり、溶接金属のO量を低減して清浄度を高めるために、0.05%以上の含有が必要である。ただし、1.50%を超えて含有させると溶接金属の靱性を劣化させるため、Si含有量は0.05〜1.50%とする。また、溶接金属の靭性を安定して確保するには、Siの下限を0.20%、0.30%又は0.40%としてもよく、Siの上限は、1.20%、1.00%又は0.80%としてもよい。
Siは、脱酸元素であり、溶接金属のO量を低減して清浄度を高めるために、0.05%以上の含有が必要である。ただし、1.50%を超えて含有させると溶接金属の靱性を劣化させるため、Si含有量は0.05〜1.50%とする。また、溶接金属の靭性を安定して確保するには、Siの下限を0.20%、0.30%又は0.40%としてもよく、Siの上限は、1.20%、1.00%又は0.80%としてもよい。
(Mn:1.0〜2.2%)
Mnは、Cと引力相互作用を持っており、Cの旧γ粒界への偏析を抑制することで延性低下割れの抑制に効果がある。また、本発明の成分範囲内では、旧γ粒内での微細な炭化物の生成を促進し、溶接金属内の強度差を小さくすることで、破断伸びを向上させる効果もある。
その効果を確実に発揮するためには、1.0%以上含有させる必要がある。一方、2.2%を超えて含有させると、溶接金属中に残留オーステナイトが過剰に生成するようになる。残留オーステナイト内ではCが濃化しており、その状態で溶接による再熱を受けると、残留オーステナイトであったところで炭化物が過剰に生成し、顕著な脆化を引き起こす。
このため、Mn含有量は1.0〜2.2%とする。また、破断伸びを向上する効果を安定して確保するには、Mnの下限を1.2%、1.3%又は1.4%としてもよく、Mnの上限は、2.0%又は1.8%としてもよい。
Mnは、Cと引力相互作用を持っており、Cの旧γ粒界への偏析を抑制することで延性低下割れの抑制に効果がある。また、本発明の成分範囲内では、旧γ粒内での微細な炭化物の生成を促進し、溶接金属内の強度差を小さくすることで、破断伸びを向上させる効果もある。
その効果を確実に発揮するためには、1.0%以上含有させる必要がある。一方、2.2%を超えて含有させると、溶接金属中に残留オーステナイトが過剰に生成するようになる。残留オーステナイト内ではCが濃化しており、その状態で溶接による再熱を受けると、残留オーステナイトであったところで炭化物が過剰に生成し、顕著な脆化を引き起こす。
このため、Mn含有量は1.0〜2.2%とする。また、破断伸びを向上する効果を安定して確保するには、Mnの下限を1.2%、1.3%又は1.4%としてもよく、Mnの上限は、2.0%又は1.8%としてもよい。
(P:0.020%以下)
Pは不純物元素であり、溶接金属の靱性と延性とを阻害するため極力低減する必要がある。靱性と延性とへの悪影響が許容できる範囲として、P含有量は0.020%以下とする。靭性と延性との一層の向上のため、Pの上限を0.015%又は0.010%に制限してもよい。Pの下限を制限する必要はなく、その下限は、0%としてもよい。
Pは不純物元素であり、溶接金属の靱性と延性とを阻害するため極力低減する必要がある。靱性と延性とへの悪影響が許容できる範囲として、P含有量は0.020%以下とする。靭性と延性との一層の向上のため、Pの上限を0.015%又は0.010%に制限してもよい。Pの下限を制限する必要はなく、その下限は、0%としてもよい。
(S:0.020%以下)
Sも不純物元素であり、延性低下割れの発生を促進させ、さらに、過大に存在すると靱性と延性とをともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。靱性、延性への悪影響が許容できる範囲として、S含有量は0.020%以下とする。靭性の一層の向上のため、Sの上限を0.015%、0.010%又は0.008%に制限してもよい。Sの下限を制限する必要はなく、その下限は、0%としてもよい。
Sも不純物元素であり、延性低下割れの発生を促進させ、さらに、過大に存在すると靱性と延性とをともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。靱性、延性への悪影響が許容できる範囲として、S含有量は0.020%以下とする。靭性の一層の向上のため、Sの上限を0.015%、0.010%又は0.008%に制限してもよい。Sの下限を制限する必要はなく、その下限は、0%としてもよい。
(Al:0.001〜0.400%)
Alは脱酸元素であり、Siと同様、溶接金属中のO低減、清浄度向上に効果があり、その効果を発揮するために0.001%以上含有させる。一方、0.400%を超えて含有させると、窒化物や酸化物を形成して、溶接金属の靱性を阻害するため、その含有量を0.001〜0.400%とする。また、溶接金属の靭性を向上する効果を十分に得るには、Alの下限を0.0012%、又は0.0015%としてもよく、また、粗大酸化物の生成抑制のため、Alの上限を、0.200%、0.100%又は0.080%としてもよい。
Alは脱酸元素であり、Siと同様、溶接金属中のO低減、清浄度向上に効果があり、その効果を発揮するために0.001%以上含有させる。一方、0.400%を超えて含有させると、窒化物や酸化物を形成して、溶接金属の靱性を阻害するため、その含有量を0.001〜0.400%とする。また、溶接金属の靭性を向上する効果を十分に得るには、Alの下限を0.0012%、又は0.0015%としてもよく、また、粗大酸化物の生成抑制のため、Alの上限を、0.200%、0.100%又は0.080%としてもよい。
(Ni:1.0〜9.0%)
Niは固溶靱化(固溶により靭性を高める作用)により組織、成分によらず靱性を向上できる唯一の元素であり、特に、引張強度が950MPa以上の高強度の溶接金属で靱性を高めるのに有効な元素である。
固溶靱化効果を得るためには1.0%以上含有させることが好ましい。Ni含有量が多いほど靱性を向上する上で有利であるが、含有量が9.0%を超えると、その効果が飽和するのに加え、溶接ワイヤの製造コストが過大となるため、好ましくない。そのため、Niを含有させる場合の含有量を1.0〜9.0%とする。なお、Niの効果が確実に靭性向上に寄与するためには、Niの下限を1.4%、1.6%、2.1%とするのがよい。また、Niは高価な元素であり、その上限を7.0%、6.0%又は4.8%に制限してもよい。
Niは固溶靱化(固溶により靭性を高める作用)により組織、成分によらず靱性を向上できる唯一の元素であり、特に、引張強度が950MPa以上の高強度の溶接金属で靱性を高めるのに有効な元素である。
固溶靱化効果を得るためには1.0%以上含有させることが好ましい。Ni含有量が多いほど靱性を向上する上で有利であるが、含有量が9.0%を超えると、その効果が飽和するのに加え、溶接ワイヤの製造コストが過大となるため、好ましくない。そのため、Niを含有させる場合の含有量を1.0〜9.0%とする。なお、Niの効果が確実に靭性向上に寄与するためには、Niの下限を1.4%、1.6%、2.1%とするのがよい。また、Niは高価な元素であり、その上限を7.0%、6.0%又は4.8%に制限してもよい。
(V:0.050超〜0.300%)
Vは溶接凝固時の偏析が少なく、比較的、溶接金属内で均一に分散して存在し、再熱を受けた際に固溶Cをトラップして炭化物を形成することで、旧γ粒界へのCの偏析を抑制することで、超高強度の溶接金属で発生する延性低下割れの抑制に効果がある。さらに、本発明の成分範囲内では、旧γ粒内で微細な炭化物を形成して析出し、溶接金属内の強度差を小さくするため、破断伸びを向上する効果を持つ。
その効果を得るには、0.050%超含有させる必要がある。V含有量が多いほど、延性低下割れの抑制効果は大きいが、含有量が0.300%を超えると、その効果が飽和するのに加え、靭性を劣化させるため好ましくない。なお、延性低下割れの抑制効果を高めるために、Vの下限を0.060%、0.080%、0.100%、0.120%としても良く、また、Vによる靭性劣化を抑制するために、Vの上限を0.280%、0.250%、0.230%と制限してもよい。
Vは溶接凝固時の偏析が少なく、比較的、溶接金属内で均一に分散して存在し、再熱を受けた際に固溶Cをトラップして炭化物を形成することで、旧γ粒界へのCの偏析を抑制することで、超高強度の溶接金属で発生する延性低下割れの抑制に効果がある。さらに、本発明の成分範囲内では、旧γ粒内で微細な炭化物を形成して析出し、溶接金属内の強度差を小さくするため、破断伸びを向上する効果を持つ。
その効果を得るには、0.050%超含有させる必要がある。V含有量が多いほど、延性低下割れの抑制効果は大きいが、含有量が0.300%を超えると、その効果が飽和するのに加え、靭性を劣化させるため好ましくない。なお、延性低下割れの抑制効果を高めるために、Vの下限を0.060%、0.080%、0.100%、0.120%としても良く、また、Vによる靭性劣化を抑制するために、Vの上限を0.280%、0.250%、0.230%と制限してもよい。
本発明のフラックス入りワイヤは、合金成分あるいは金属脱酸成分として以上の基本成分に加え、さらに、溶接する鋼板1の強度レベルや求める靭性の程度に応じて、Cu、Cr、Mo、Ti、Nb、B、Mg、Ca、およびREMのうちの一種または二種以上を含有させることができる。これらの成分の意図的添加の有無によらず、ワイヤ中の含有量が請求範囲内にあれば、そのワイヤは本発明の範囲内であると見なす。このため、本発明では、これらの合金成分は上限のみを規定しているため、請求項の記載を「(0〜上限)とする」、「(上限以下)とする」又は「(上限以下に)制限する」のいずれでもよい。
(Cu:0〜0.800%)
Cuは、ワイヤの外皮表面のめっき、および、フラックスに単体または合金として添加され、Cの旧γ粒内への偏析を抑制し、延性低下割れの抑制に効果がある。それらの効果を得るために、0.800%以下含有させてもよい。一方、含有量が0.800%を超えると靭性が低下する。そのため、Cuを含有させる場合の含有量は、0.800%以下とする。
なお、Cuの含有量については、外皮自体やフラックス中に含有されている分に加えて、ワイヤ表面に銅めっきされる場合にはその分も含む。より安定してCuの効果を得るには、Cuの上限を、0.600%、0.500%、又は0.400%としてもよい。Cuの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。必要があれば、その下限を0.050%又は0.100%としてもよい。
Cuは、ワイヤの外皮表面のめっき、および、フラックスに単体または合金として添加され、Cの旧γ粒内への偏析を抑制し、延性低下割れの抑制に効果がある。それらの効果を得るために、0.800%以下含有させてもよい。一方、含有量が0.800%を超えると靭性が低下する。そのため、Cuを含有させる場合の含有量は、0.800%以下とする。
なお、Cuの含有量については、外皮自体やフラックス中に含有されている分に加えて、ワイヤ表面に銅めっきされる場合にはその分も含む。より安定してCuの効果を得るには、Cuの上限を、0.600%、0.500%、又は0.400%としてもよい。Cuの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。必要があれば、その下限を0.050%又は0.100%としてもよい。
(Cr:0〜2.5%)
Crは、焼入性を高めることにより高強度化に有効な元素である。その効果を得るために、Crを0.1%以上含有させてもよい。一方、Crを2.5%を超えて過剰に含有させると、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、靱性を劣化させるため、Crを含有させる場合の含有量は、2.5%以下とする。より安定してCrの効果を得るには、Crの上限を、2.0%、1.8%、1.6%又は1.4%としてもよい。Crの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。
Crは、焼入性を高めることにより高強度化に有効な元素である。その効果を得るために、Crを0.1%以上含有させてもよい。一方、Crを2.5%を超えて過剰に含有させると、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、靱性を劣化させるため、Crを含有させる場合の含有量は、2.5%以下とする。より安定してCrの効果を得るには、Crの上限を、2.0%、1.8%、1.6%又は1.4%としてもよい。Crの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。
(Mo:0〜2.0%)
Moは、焼入性向上元素でありかつ、微細炭化物を形成して、析出強化により引張強度確保に有効である。これらの効果を発揮するために、Moを0.1%含有させてもよい。一方、2.0%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させるため、溶接ワイヤ中にMoを含有させる場合の含有量は2.0%以下とする。より安定してMoの効果を得るには、Moの上限を、1.8%、1.6%、1.4%又は1.2%としてもよい。Moの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。
Moは、焼入性向上元素でありかつ、微細炭化物を形成して、析出強化により引張強度確保に有効である。これらの効果を発揮するために、Moを0.1%含有させてもよい。一方、2.0%を超えて溶接ワイヤ中に含有させると、粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させるため、溶接ワイヤ中にMoを含有させる場合の含有量は2.0%以下とする。より安定してMoの効果を得るには、Moの上限を、1.8%、1.6%、1.4%又は1.2%としてもよい。Moの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。
(Ti:0〜0.300%)
TiもAlと同様、脱酸元素として有効であり、溶接金属中のO量を低減させる効果がある。また、固溶Nを固定して靱性への悪影響を緩和するためにも有効である。これら効果を発揮させるために、0.005%以上含有させてもよい。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が0.300%を超えて過剰になると、粗大な酸化物の形成に起因した靱性劣化、過度な析出強化による靱性劣化が生じる可能性が大きくなる。
このため、溶接ワイヤ中にTiを含有させる場合の含有量を0.300%以下とする。Tiの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。また、Tiによる溶接金属の靭性向上効果を十分に得るには、Tiの上限は、0.200%、0.100%又は0.050%としてもよい。
TiもAlと同様、脱酸元素として有効であり、溶接金属中のO量を低減させる効果がある。また、固溶Nを固定して靱性への悪影響を緩和するためにも有効である。これら効果を発揮させるために、0.005%以上含有させてもよい。ただし、溶接ワイヤ中の含有量が0.300%を超えて過剰になると、粗大な酸化物の形成に起因した靱性劣化、過度な析出強化による靱性劣化が生じる可能性が大きくなる。
このため、溶接ワイヤ中にTiを含有させる場合の含有量を0.300%以下とする。Tiの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。また、Tiによる溶接金属の靭性向上効果を十分に得るには、Tiの上限は、0.200%、0.100%又は0.050%としてもよい。
(Nb:0〜0.05%)
Nbは微細炭化物を形成して、析出強化により引張強度確保に有効である。これらの効果を得るために、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても0.01%以上含有させてもよい。一方、0.05%を超えて含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。
そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中に含有させる場合の含有量は0.05%以下とする。Nbの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。より安定してNbの効果を得るには、必要に応じて、Nbの上限を、0.04%、又は0.035%としてもよく、Nbの下限を、0.02%、又は0.03%としてもよい。
Nbは微細炭化物を形成して、析出強化により引張強度確保に有効である。これらの効果を得るために、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮しても0.01%以上含有させてもよい。一方、0.05%を超えて含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。
そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中に含有させる場合の含有量は0.05%以下とする。Nbの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。より安定してNbの効果を得るには、必要に応じて、Nbの上限を、0.04%、又は0.035%としてもよく、Nbの下限を、0.02%、又は0.03%としてもよい。
(B:0〜0.0100%)
Bは、溶接金属中に適正量含有させると、固溶Nと結びついてBNを形成して、固溶Nの靭性に対する悪影響を減じる効果があり、また、焼入性を高めて強度向上に寄与する効果もある。これらの効果を得るために、溶接ワイヤ中にBを0.0003%以上含有させてもよい。一方、含有量が0.0100%超になると、溶接金属中のBが過剰となり、粗大なBNやFe23(C、B)6等のB化合物を形成して靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。
そこで、Bを含有させる場合は、その含有量を0.0100%以下とする。Bの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。靭性向上のため、Bの上限を、0.0080%、0.0060%、0.0040%、又は0.0030%としてもよく、Bの下限を、0.0004%、又は0.0005%としてもよい。
Bは、溶接金属中に適正量含有させると、固溶Nと結びついてBNを形成して、固溶Nの靭性に対する悪影響を減じる効果があり、また、焼入性を高めて強度向上に寄与する効果もある。これらの効果を得るために、溶接ワイヤ中にBを0.0003%以上含有させてもよい。一方、含有量が0.0100%超になると、溶接金属中のBが過剰となり、粗大なBNやFe23(C、B)6等のB化合物を形成して靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。
そこで、Bを含有させる場合は、その含有量を0.0100%以下とする。Bの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。靭性向上のため、Bの上限を、0.0080%、0.0060%、0.0040%、又は0.0030%としてもよく、Bの下限を、0.0004%、又は0.0005%としてもよい。
(Mg:0〜0.8%)
Mgは強脱酸元素であり、溶接金属中のO量を低減し、溶接金属の延性及び靭性を向上させる。この効果を得るために0.1%以上含有させてもよい。しかし、溶接ワイヤ中のMg含有量が0.8%を超えると、溶接金属中での粗大酸化物の形成による靭性低下が無視できなくなり、また、溶接中のアークの安定性が劣化し、ビード形状を悪化させる原因にもなる。
このため、Mgを含有させる場合には、その含有量を0.8%以下とする。Mgの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。溶接作業の安定性の確保のために、Mgの上限を0.7%、又は0.6%としても良く、Mgの下限を、0.2%、又は0.3%としてもよい。
Mgは強脱酸元素であり、溶接金属中のO量を低減し、溶接金属の延性及び靭性を向上させる。この効果を得るために0.1%以上含有させてもよい。しかし、溶接ワイヤ中のMg含有量が0.8%を超えると、溶接金属中での粗大酸化物の形成による靭性低下が無視できなくなり、また、溶接中のアークの安定性が劣化し、ビード形状を悪化させる原因にもなる。
このため、Mgを含有させる場合には、その含有量を0.8%以下とする。Mgの下限を定める必要はなく、その下限は0%である。溶接作業の安定性の確保のために、Mgの上限を0.7%、又は0.6%としても良く、Mgの下限を、0.2%、又は0.3%としてもよい。
(Ca:0〜0.5%)
(REM:0〜0.0100%)
Ca、REMはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性及び靭性向上に有効である。その効果を得るために、Ca又はREMを含有してよい。一方、過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招くため、また、溶接ビード3の形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じるため、それぞれの上限を、Caでは0.5%、REMでは0.0100%とする。CaとREMの下限を定める必要はなく、それらの下限は0%である。
(REM:0〜0.0100%)
Ca、REMはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性及び靭性向上に有効である。その効果を得るために、Ca又はREMを含有してよい。一方、過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招くため、また、溶接ビード3の形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じるため、それぞれの上限を、Caでは0.5%、REMでは0.0100%とする。CaとREMの下限を定める必要はなく、それらの下限は0%である。
(炭素当量Ceq:0.60〜1.20%)
本発明のフラックス入りワイヤでは、合金成分あるいは金属脱酸成分として以上のように各元素を含有する。溶接金属の引張強度を確保するために、下記a式で表される日本溶接協会(WES)で定める炭素当量Ceqが0.60〜1.20%となるように、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Vの含有量をさらに調整する。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+
[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 ・・・(a)
但し、[]付元素は、それぞれの元素の質量%での含有量を示す。
本発明のフラックス入りワイヤでは、合金成分あるいは金属脱酸成分として以上のように各元素を含有する。溶接金属の引張強度を確保するために、下記a式で表される日本溶接協会(WES)で定める炭素当量Ceqが0.60〜1.20%となるように、C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Vの含有量をさらに調整する。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+
[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 ・・・(a)
但し、[]付元素は、それぞれの元素の質量%での含有量を示す。
Ceqは、その値が高い程、溶接金属が硬化するため引張強度が向上するが、一方で靭性が低下し、また溶接割れ感受性が高くなるため低温割れ抑制の対策が必要となる。このCeqの値が0.60%未満では、溶接金属において目的とする強度(引張強さ)950MPa以上を満足しない。Ceqの値が1.20%を超えると、溶接金属の引張強度が過剰となり、溶接金属の靭性が低下する。そのため、Ceqの範囲は、0.60〜1.20%とする。溶接金属の引張強度を高めるために、Ceqの下限を0.63%、0.66%、0.70%としてもよい。溶接金属の靭性の劣化を小さくするのに、Ceqの上限を1.10%、1.00%又は0.90%としてもよい。
なお、以上の合金成分あるいは金属脱酸成分として含有される元素の含有量には、それらの元素が弗化物、金属酸化物、金属炭酸塩として含有される場合の含有量は含めない。また、それらの元素は必ずしも純物質(不可避不純物の含有は可)である必要はなく、Cu−Ni等の合金の形態で含有されていても何ら問題はない。また、それらの元素は鋼製外皮中に含有されていても、フラックスとして含有されていても、その効果は同じであるため、鋼製外皮とフラックスの何れでも含有することが可能である。
次に、ワイヤの外皮内に挿入されるフラックス成分について説明する。
実施例のフラックス入りワイヤでは、CaF2、BaF2、SrF2、MgF2の金属弗化物の1種または2種以上含有され、その含有量の合計(α)をワイヤ中に2.0超〜8.0%以下とする。
金属弗化物は、溶融池の塩基度を変化させる。溶融池の塩基度を変化させることで、凝固時にSが酸化物にトラップされるのを促進する。酸化物にトラップされるSが増加することで、凝固後の固溶Sが減少する。それによって、溶接金属が再熱を受けた際に旧γ粒界への固溶Sが偏析するのを抑制し、超高強度の溶接金属で発生する延性低下割れを抑制することができる。また、金属弗化物によって塩基度が変化することで、溶接金属の酸素を低減させることにも有効であり、それによって溶接金属の靭性の向上も期待できる。
実施例のフラックス入りワイヤでは、CaF2、BaF2、SrF2、MgF2の金属弗化物の1種または2種以上含有され、その含有量の合計(α)をワイヤ中に2.0超〜8.0%以下とする。
金属弗化物は、溶融池の塩基度を変化させる。溶融池の塩基度を変化させることで、凝固時にSが酸化物にトラップされるのを促進する。酸化物にトラップされるSが増加することで、凝固後の固溶Sが減少する。それによって、溶接金属が再熱を受けた際に旧γ粒界への固溶Sが偏析するのを抑制し、超高強度の溶接金属で発生する延性低下割れを抑制することができる。また、金属弗化物によって塩基度が変化することで、溶接金属の酸素を低減させることにも有効であり、それによって溶接金属の靭性の向上も期待できる。
これら効果を得るには、金属弗化物の含有量の合計αを2.0%超含有させる必要がある。金属弗化物の含有量の合計αが2.0%以下では、これら十分な効果を得ることができない。また、8.0%を超えると、溶接ヒューム、スラグが過剰に生成するため、溶接作業性が著しく劣化し、好ましくない。また、酸素量の低減効果を大きく得るには、合計αの下限を2.1%以上、2.2%以上、2.5%以上、2.8%以上又は3.0%以上としても良く、溶接作業性の劣化を抑えるために、合計αの上限を7.0%以下、6.5%以下、6.0%以下としてもよい。
なお、金属弗化物として、延性低下割れを抑制する効果の面からは、CaF2、BaF2、SrF2、MgF2のいずれでも用いることができるが、溶接作業性の面からCaF2を主成分として含むようにした。さらに、アーク安定性確保、スパッタ抑制などの溶接作業性を優先する場合には、添加する金属弗化物のうち、合計αに対するCaF2の割合を50%以上とする。つまり、上記αに対するCaF2の含有量の比を0.50以上とする。必要に応じて、80%以上、90%以上又は100%としてもよい。
実施例のフラックス入りワイヤでは、スラグ形成剤として、Ti酸化物(例えば、TiO2)、Si酸化物(例えば、SiO2)、Mg酸化物(例えば、MgO)、Al酸化物(例えば、Al2O3)の1種または2種以上を添加する。これらは溶接ビード3の形状を良好に維持するために必要に応じて添加され、その適正な効果を得るためには、ワイヤ全質量に対して、0.01%以上添加する必要がある。しかし、これらの金属酸化物の含有量の合計βが1.20%を超えて添加すると、溶接金属の酸素量が増加し、靭性を劣化させるため好ましく無い。
したがって、これらの金属酸化物の含有量の合計βは、0.01〜1.20%とする。これらの金属酸化物の含有量は、TiO2、SiO2、MgO、Al2O3の合計量に加え、フラックスの造粒に使用されるバインダーなどに含まれる上記の金属酸化物も合計した含有量とする。また、金属酸化物の添加による靭性の劣化を極力抑制するために、合計βの上限を1.00%、0.90%、0.80%としてもよい。必要に応じて、合計βの下限を、0.05%、0.10%、0.15%又は0.20%としてもよい。
したがって、これらの金属酸化物の含有量の合計βは、0.01〜1.20%とする。これらの金属酸化物の含有量は、TiO2、SiO2、MgO、Al2O3の合計量に加え、フラックスの造粒に使用されるバインダーなどに含まれる上記の金属酸化物も合計した含有量とする。また、金属酸化物の添加による靭性の劣化を極力抑制するために、合計βの上限を1.00%、0.90%、0.80%としてもよい。必要に応じて、合計βの下限を、0.05%、0.10%、0.15%又は0.20%としてもよい。
超高強度の溶接金属の延性低下割れを抑制するには、上記の金属弗化物と金属酸化物とのそれぞれの含有量に加え、質量%で表される金属酸化物の含有量に対する金属弗化物の含有量の比(金属弗化物量/金属酸化物量、つまり合計α/合計β)の値が2.0以上800.0以下を満たすようにする必要がある。金属酸化物の含有量に対する金属弗化物の含有量の比(α/β)が2.0未満では、延性低下割れを抑制するのに必要な酸化物へのSのトラップ効果が消失する。金属酸化物の含有量に対する金属弗化物の含有量の比(α/β)が800.0を超えると、アーク状態が不安定となり、ビード形状が不良になるため好ましく無い。必要に応じて、上記の比(α/β)の下限を3.0、4.0又は5.0としてもよく、その上限を500、300又は200としてもよい。
鉄粉は、フラックス入りワイヤの充填率の調整や溶着効率の向上のために必要に応じて添加してもよい。鉄粉は添加しなくてもよく、その下限は0%である。しかし、鉄粉の表層は酸化されており、鉄粉を添加すると溶接金属の酸素量を増加させて靭性を低下させる。引張強度(引張強さ)が950MPa以上では、強度が極めて高いため、靭性の確保が難しく、鉄粉添加による酸素増加は許容されなくなる。
したがって、鉄粉は添加しなくてもよいが、充填率の調整のために添加する場合には、靭性を確保するために、鉄粉の含有量は5.0%未満に制限する。靭性改善のため、その上限を3.0%、2.0%又は1.0%に制限してもよい。
したがって、鉄粉は添加しなくてもよいが、充填率の調整のために添加する場合には、靭性を確保するために、鉄粉の含有量は5.0%未満に制限する。靭性改善のため、その上限を3.0%、2.0%又は1.0%に制限してもよい。
本発明のフラックス入りワイヤでは、CaCO3、BaCO3、SrCO3、MgCO3の金属炭酸塩の1種または2種以上を、アーク安定性作用とアーク集中性を高める目的でさらに添加できるが、0.60%以上添加すると、アークの集中性が強すぎてスパッタ発生量が多くなる。したがって、これらの金属炭酸塩を含有させる場合には、その含有量を合計で0.60%未満とする。これらの金属炭酸塩の含有量の合計の下限は0%である。
本発明においては、フラックスにCaOを意図的に添加しないことが好ましい。しかしながら、フラックスの原料にCaOが含有されている場合がある。CaOは、大気に触れることで、CaOHに変化し、溶接金属の拡散性水素を増加させる。超高張力鋼の溶接においては、拡散性水素が増加すると低温割れを抑制するために実施する予熱作業の負荷が増大するため好ましくない。不純物として混入する場合であっても、意図的に添加する場合であっても、ワイヤ全質量に対する質量%で、CaOの含有量を0.20%未満とすることが望ましい。このような知見が得られた実験について図8に示す。図8から、CaOが増加するにつれて拡散性水素が増加し、0.15%まででは、拡散性水素が1.0ml/100g以下が得られることがわかった。したがって、予熱作業の負荷増大を抑制するために、CaOは0.15%未満とすることが好ましい。つまり、この範囲を満たすように、フラックスの原料を選定することが好ましい。なお、必要に応じて、CaOの含有量の上限を0.12%、0.10%又は0.08%としてもよい。
本発明においては、フラックスにCaOを意図的に添加しないことが好ましい。しかしながら、フラックスの原料にCaOが含有されている場合がある。CaOは、大気に触れることで、CaOHに変化し、溶接金属の拡散性水素を増加させる。超高張力鋼の溶接においては、拡散性水素が増加すると低温割れを抑制するために実施する予熱作業の負荷が増大するため好ましくない。不純物として混入する場合であっても、意図的に添加する場合であっても、ワイヤ全質量に対する質量%で、CaOの含有量を0.20%未満とすることが望ましい。このような知見が得られた実験について図8に示す。図8から、CaOが増加するにつれて拡散性水素が増加し、0.15%まででは、拡散性水素が1.0ml/100g以下が得られることがわかった。したがって、予熱作業の負荷増大を抑制するために、CaOは0.15%未満とすることが好ましい。つまり、この範囲を満たすように、フラックスの原料を選定することが好ましい。なお、必要に応じて、CaOの含有量の上限を0.12%、0.10%又は0.08%としてもよい。
以上が本発明のフラックス入りワイヤの成分組成に関する限定理由であるが、その他の残部成分は鉄と不純物である。鉄成分としては、鋼製外皮のFe、フラックス中に添加された鉄粉及び合金成分中のFeが含まれる。また鉄を主成分とする残部が本発明の特性を阻害しない範囲で、製造過程等で混入する不純物を含有してもよい。
以上の他、必要に応じてアーク安定剤をさらに含有させてもよい。アーク安定剤としては、Na、Kの酸化物や弗化物(例えば、Na2O、NaF、K2O、KF、K2SiF6、K2ZrF6)などがあり、その含有量の合計は0.001〜0.40%が適当である。含有しなくてもよいので、その下限は0%である。なお、ここで例示した酸化物、弗化物は、金属酸化物、金属弗化物には含めない。必要に応じて、NaおよびKの酸化物や弗化物が多いと、アークが強くなりスパッタ等が増加するため、必要に応じて、これらの含有量の合計を0.30%以下、0.20%以下、0.10%未満、0.08%以下に制限してもよい。
フラックス入りワイヤには、鋼製外皮にスリット状の継目がないシームレスワイヤと、鋼製外皮の継目にスリット状の隙間を有するシームを有するワイヤとに大別できるが、本発明ではいずれの断面構造も採用することができる。スリット状の隙間があると、ワイヤ保管中にその隙間から大気中の水分が侵入し、フラックスが吸湿する。このまま溶接を行うと、溶接金属中の拡散性水素量が増加する。これを避けるため、スリット状の継目がないシームレスワイヤとする方がのぞましい。
また、ワイヤ表面に滑り性を有する潤滑剤を塗布して、溶接時のワイヤの送給性を向上させる方法が一般的に行われている。そのような溶接ワイヤ用の潤滑剤としては、ふっ素系の潤滑油であるパーフルオロポリエーテル油(PFPE油)が利用できる。パーフルオロポリエーテル油は水素源を含まないため、潤滑剤としてワイヤに塗布しても溶接金属の拡散性水素を増加させない。
本発明において、溶接金属又は溶着金属の引張強さは、950MPa以上1500MPaの引張強さを有する超高張力鋼と同等レベルの引張強度としている。溶接金属又は溶着金属の引張強さは、当該のフラックス入りワイヤを用いて製作された溶接継手から溶接金属又は溶着金属の引張試験を行うことで測定できる。また、硬さと引張強さにはよい相関関係があることが知られている。これを利用して、溶接継手の溶接金属又は溶着金属の硬さを測定し、硬さから換算して溶接金属又は溶着金属の引張強さを求めてもよい。また、フラックス入りワイヤが入手できるのであれば、超高張力鋼を用いた溶接継手を製作しなくとも、日本工業規格JIS Z3111−2005に規定された溶着金属の引張試験を行って、溶接金属又は溶着金属の引張強さを求めてもよい。なお、必要があれば、溶接金属又は溶着金属の引張強さの上限を、1400MPa又は1350MPaに制限してもよい。
また、ワイヤ表面に滑り性を有する潤滑剤を塗布して、溶接時のワイヤの送給性を向上させる方法が一般的に行われている。そのような溶接ワイヤ用の潤滑剤としては、ふっ素系の潤滑油であるパーフルオロポリエーテル油(PFPE油)が利用できる。パーフルオロポリエーテル油は水素源を含まないため、潤滑剤としてワイヤに塗布しても溶接金属の拡散性水素を増加させない。
本発明において、溶接金属又は溶着金属の引張強さは、950MPa以上1500MPaの引張強さを有する超高張力鋼と同等レベルの引張強度としている。溶接金属又は溶着金属の引張強さは、当該のフラックス入りワイヤを用いて製作された溶接継手から溶接金属又は溶着金属の引張試験を行うことで測定できる。また、硬さと引張強さにはよい相関関係があることが知られている。これを利用して、溶接継手の溶接金属又は溶着金属の硬さを測定し、硬さから換算して溶接金属又は溶着金属の引張強さを求めてもよい。また、フラックス入りワイヤが入手できるのであれば、超高張力鋼を用いた溶接継手を製作しなくとも、日本工業規格JIS Z3111−2005に規定された溶着金属の引張試験を行って、溶接金属又は溶着金属の引張強さを求めてもよい。なお、必要があれば、溶接金属又は溶着金属の引張強さの上限を、1400MPa又は1350MPaに制限してもよい。
本発明のフラックス入りワイヤは、通常のフラックス入りワイヤの製造方法と同様の製造工程によって製造することができる。
すなわち、まず、外皮となる鋼帯、及び、金属弗化物、合金成分、金属酸化物、金属炭酸塩及びアーク安定剤が所定の含有量になるように配合したフラックスを準備する。鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管(U字型)に成形して鋼製外皮とし、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合せシーム溶接する。溶接により得られた継目無し管を伸線し、伸線途中あるいは伸線工程完了後に焼鈍処理して、所望の線径を有するシームレスワイヤを得る。また、一部は、シーム溶接をしない継目有りの管とし、それを伸線することでシームを有するワイヤを得る。
すなわち、まず、外皮となる鋼帯、及び、金属弗化物、合金成分、金属酸化物、金属炭酸塩及びアーク安定剤が所定の含有量になるように配合したフラックスを準備する。鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管(U字型)に成形して鋼製外皮とし、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合せシーム溶接する。溶接により得られた継目無し管を伸線し、伸線途中あるいは伸線工程完了後に焼鈍処理して、所望の線径を有するシームレスワイヤを得る。また、一部は、シーム溶接をしない継目有りの管とし、それを伸線することでシームを有するワイヤを得る。
次に、実施例により本発明の実施可能性及び効果についてさらに詳細に説明する。
鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給する。開口部の相対するエッジ面を突合わせシーム溶接することで継目無し管とし、造管したワイヤの伸線作業の途中で焼鈍を加え、最終のワイヤ径がφ1.2mmのフラックス入りワイヤを試作した。また、一部は、シーム溶接をしない継目有りの管とし、それを伸線することで、ワイヤ径がφ1.2mmのフラックス入りワイヤを試作した。試作したフラックス入りワイヤの成分組成を[表1−1]〜[表1−5]、[表2−1]〜[表2−5]に示す。
鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給する。開口部の相対するエッジ面を突合わせシーム溶接することで継目無し管とし、造管したワイヤの伸線作業の途中で焼鈍を加え、最終のワイヤ径がφ1.2mmのフラックス入りワイヤを試作した。また、一部は、シーム溶接をしない継目有りの管とし、それを伸線することで、ワイヤ径がφ1.2mmのフラックス入りワイヤを試作した。試作したフラックス入りワイヤの成分組成を[表1−1]〜[表1−5]、[表2−1]〜[表2−5]に示す。
このフラックス入りワイヤを用い、板厚が19mmの鋼板1を、図3に示すように、ルートギャップ12mm、開先角度45°で突き合わせ、裏当金2を用いて、1及び2層目は1又は2パス、3層目から最終層までは2又は3パスで溶接を行った。[表3−1]〜[表3−5]に示す溶接条件で溶接を実施した。なお、鋼板1及び裏当金2にはJIS G3106のSM490Aを使用したが、鋼板1の開先面及び裏当金2の表面には、試験を行うフラックス入りワイヤを用いて2層以上、かつ3mm以上のバタリングを実施して使用した。ここで、Ti酸化物、Si酸化物、Mg酸化物、Al酸化物は、それぞれTiO2,SiO2,MgO,Al2O3を使用した。表1−1〜表1−7において、「金属炭酸塩」とはCaCO3、BaCO3、SrCO3、MgCO3である。ここで、ワイヤ番号36はBaCO3であり、ワイヤ番号37はSrCO3であり、ワイヤ番号51はMgCO3であり、これら以外は全てCaCO3である。「アーク安定剤」とはNaおよびKの酸化物や弗化物である。
得られた溶接金属3から、図3に示すように、JIS Z3111(1986年)に準拠したA1号引張り試験片(丸棒)(径=12.5mm)5とシャルピー試験片(2mmVノッチ)4を採取し、それぞれの機械特性試験を行って、溶接金属の降伏強度、引張強度、破断伸び、シャルピー吸収エネルギー及び拡散性水素量を測定した。
得られた機械特性の測定結果と評価結果を[表4−1]〜[表4−5]に示す。
なお、機械特性の評価は、引張強度が950MPa以上、破断伸びが12%以上、且つ靭性が、−40℃でのシャルピー衝撃試験で、吸収エネルギーが27J以上であるものを合格とした。
得られた機械特性の測定結果と評価結果を[表4−1]〜[表4−5]に示す。
なお、機械特性の評価は、引張強度が950MPa以上、破断伸びが12%以上、且つ靭性が、−40℃でのシャルピー衝撃試験で、吸収エネルギーが27J以上であるものを合格とした。
[表4−1]〜[表4−5]の試験結果に示されるように、本発明例であるワイヤ番号1〜108は、強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。
一方、比較例であるワイヤ番号109〜160は、フラックス組成、合金成分について本発明で規定する要件を満たしていないため、強度、伸び、靭性を満足できなかったり、溶接作業性不良などにより特性の評価ができなかったりして、いずれも総合判定で不合格となった。
一方、比較例であるワイヤ番号109〜160は、フラックス組成、合金成分について本発明で規定する要件を満たしていないため、強度、伸び、靭性を満足できなかったり、溶接作業性不良などにより特性の評価ができなかったりして、いずれも総合判定で不合格となった。
ワイヤ番号127、129は、ワイヤに含まれる金属弗化物が本発明範囲よりも少ないため、延性低下割れを抑制できずに破断伸びが低値となり、靭性も低値となり不合格となった。
ワイヤ番号128、130は、ワイヤに含まれる金属弗化物が本発明範囲を超えて多かったため、アークが不安定となりビード形状不良のため評価できず不合格となった。
ワイヤ番号124〜126、131、132は、金属酸化物の含有量に対する金属弗化物の含有量の比が、本発明範囲よりも小さいため延性低下割れを抑制できずに破断伸びが低値となり不合格となった。
ワイヤ番号133、134は、ワイヤに含まれる金属酸化物、及び、鉄粉が本発明範囲を超えて多かったため、溶接金属の酸素量が増加したことで靭性が低下し、不合格となった。
ワイヤ番号135は、ワイヤに含まれる金属炭酸塩が本発明範囲を超えて多かったため、溶接性作業性が悪く不合格となった。
ワイヤ番号147は、金属弗化物中のCaF2の割合が低く、溶接作業性が不良のため評価しなかった。
ワイヤ番号128、130は、ワイヤに含まれる金属弗化物が本発明範囲を超えて多かったため、アークが不安定となりビード形状不良のため評価できず不合格となった。
ワイヤ番号124〜126、131、132は、金属酸化物の含有量に対する金属弗化物の含有量の比が、本発明範囲よりも小さいため延性低下割れを抑制できずに破断伸びが低値となり不合格となった。
ワイヤ番号133、134は、ワイヤに含まれる金属酸化物、及び、鉄粉が本発明範囲を超えて多かったため、溶接金属の酸素量が増加したことで靭性が低下し、不合格となった。
ワイヤ番号135は、ワイヤに含まれる金属炭酸塩が本発明範囲を超えて多かったため、溶接性作業性が悪く不合格となった。
ワイヤ番号147は、金属弗化物中のCaF2の割合が低く、溶接作業性が不良のため評価しなかった。
ワイヤ番号109〜123、136〜146、148〜160は、ワイヤに含まれる合金成分、金属脱酸成分が本発明範囲から外れており、強度、伸び、及び、靭性のいずれかを満足できず不合格となった。また、ワイヤ番号147は溶接作業性が不良のため、評価しなかった。
ワイヤ番号109〜110、115〜116、136は、Cが本発明範囲よりも少ないため、引張強度が低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号137は、Cが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号138は、Siが本発明範囲よりも少ないため、溶接金属の酸素量を低減できず靭性が低下し、不合格となった。また、ワイヤ番号139は、Siが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号111〜112、122〜123、140は、Mnが本発明範囲よりも少ないため、破断伸びが低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号117〜121、141は、Mnが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号144は、Alが本発明範囲よりも少ないため、溶接金属の酸素量を低減できず靭性が低下し、不合格となった。また、ワイヤ番号145は、Alが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号146は、Niが本発明範囲よりも少ないため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号113〜114、148は、Vが本発明範囲よりも少ないため延性低下割れを抑制できず、破断伸びが低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号149は、Vが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号142は、Pが本発明範囲よりも多いため、破断伸びと靱性とが低値となり不合格となった。
ワイヤ番号143は、Sが本発明範囲よりも多いため、破断伸びと靱性とが低値となり不合格となった。
ワイヤ番号150〜158は、Cu、Cr、Mo、Ti、Nb、B、Mg、Ca、REMがそれぞれ本発明範囲よりも多いため、靱性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号159は、Ceqの値が本発明範囲よりも少ないため、引張強度が低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号160は、Ceqの値が本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号109〜110、115〜116、136は、Cが本発明範囲よりも少ないため、引張強度が低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号137は、Cが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号138は、Siが本発明範囲よりも少ないため、溶接金属の酸素量を低減できず靭性が低下し、不合格となった。また、ワイヤ番号139は、Siが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号111〜112、122〜123、140は、Mnが本発明範囲よりも少ないため、破断伸びが低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号117〜121、141は、Mnが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号144は、Alが本発明範囲よりも少ないため、溶接金属の酸素量を低減できず靭性が低下し、不合格となった。また、ワイヤ番号145は、Alが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号146は、Niが本発明範囲よりも少ないため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号113〜114、148は、Vが本発明範囲よりも少ないため延性低下割れを抑制できず、破断伸びが低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号149は、Vが本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号142は、Pが本発明範囲よりも多いため、破断伸びと靱性とが低値となり不合格となった。
ワイヤ番号143は、Sが本発明範囲よりも多いため、破断伸びと靱性とが低値となり不合格となった。
ワイヤ番号150〜158は、Cu、Cr、Mo、Ti、Nb、B、Mg、Ca、REMがそれぞれ本発明範囲よりも多いため、靱性が低値となり不合格となった。
ワイヤ番号159は、Ceqの値が本発明範囲よりも少ないため、引張強度が低値となり不合格となった。また、ワイヤ番号160は、Ceqの値が本発明範囲よりも多いため、靭性が低値となり不合格となった。
[表1−6]、[表2−6]に示すワイヤ番号161〜175については、JIS Z3111(2005年)に準拠して評価した。すなわち、図7(試験板の記号1.3)に示すような要領とした。板厚が20mmの鋼板1をルートギャップ16mm、開先角度20°で突き合わせ、裏当金2を用いて、1及び2層目は1又は2パス、3層目から最終層までは2又は3パスで溶接を行った。溶接条件を[表3−6]に示す。なお、鋼板1及び裏当金2にはSM490Aを使用したが、鋼板1の開先面及び裏当金2の表面には、試験を行うフラックス入りワイヤを用いて2層以上、かつ3mm以上のバタリングを実施して使用した。機械試験片はJIS Z3111(2005年)に準拠したA0号引張り試験片(丸棒)(径=10mm)5とシャルピー試験片(2mmVノッチ)4を採取し、それぞれの機械特性試験を行って、溶接金属の降伏強度、引張強度、破断伸び及びシャルピー吸収エネルギーを測定した。得られた機械特性の測定結果と評価結果を[表4−6]に示す。
本発明例であるワイヤ番号161〜170は、強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。一方、比較例であるワイヤ番号171は、金属酸化物が本発明範囲よりも少ないため、溶接ビード3の形状が不良になったため、不合格となった。ワイヤ番号172、173は金属弗化物が少ない、または金属弗化物を含まない比較例であるが、金属弗化物が少ないため拡散性水素が低減されなかった。ワイヤ番号174はソリッドワイヤの比較例であるが、本発明のワイヤほど拡散性水素は低減されない。本発明例であるワイヤ番号175は、不純物としてのCaO含有量が高いフラックスを使用したため、ワイヤ全質量に対する質量%で0.28%のCaOが含有されていた。ワイヤ番号175の試験結果は、強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。
[表1−7]、[表2−7]に示す、実施例のワイヤ番号5−2、6−2、30−2、61−2、62−2、90−2は、[表1−1]〜[表1〜3]の実施例のワイヤ番号5、6、30、61、62、90と同じワイヤである。このワイヤを用いて、JIS Z3111(2005年)に準拠して評価した。溶接条件を[表3−7]に示す。機械特性の測定結果と評価結果を[表4−7]に示す。JIS Z3111(1986年)での評価結果と同様に強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。従って、JIS Z3111−2005とJIS Z3111−1986の評価方法の違いによる特性の差は無い。
[表1−6]に示すワイヤ番号161〜175と、[表1−7]に示すワイヤ番号5−2、6−2、30−2、61−2、62−2、90−2においては、フラックス中のCaO含有量の分析を行った。
本発明例であるワイヤ番号161〜170は、強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。一方、比較例であるワイヤ番号171は、金属酸化物が本発明範囲よりも少ないため、溶接ビード3の形状が不良になったため、不合格となった。ワイヤ番号172、173は金属弗化物が少ない、または金属弗化物を含まない比較例であるが、金属弗化物が少ないため拡散性水素が低減されなかった。ワイヤ番号174はソリッドワイヤの比較例であるが、本発明のワイヤほど拡散性水素は低減されない。本発明例であるワイヤ番号175は、不純物としてのCaO含有量が高いフラックスを使用したため、ワイヤ全質量に対する質量%で0.28%のCaOが含有されていた。ワイヤ番号175の試験結果は、強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。
[表1−7]、[表2−7]に示す、実施例のワイヤ番号5−2、6−2、30−2、61−2、62−2、90−2は、[表1−1]〜[表1〜3]の実施例のワイヤ番号5、6、30、61、62、90と同じワイヤである。このワイヤを用いて、JIS Z3111(2005年)に準拠して評価した。溶接条件を[表3−7]に示す。機械特性の測定結果と評価結果を[表4−7]に示す。JIS Z3111(1986年)での評価結果と同様に強度、伸び、靭性のすべてが優れ、合格であった。従って、JIS Z3111−2005とJIS Z3111−1986の評価方法の違いによる特性の差は無い。
[表1−6]に示すワイヤ番号161〜175と、[表1−7]に示すワイヤ番号5−2、6−2、30−2、61−2、62−2、90−2においては、フラックス中のCaO含有量の分析を行った。
拡散性水素量の測定は、鋼溶接部の水素量測定方法(JIS Z 3118(2005年))に準拠したガスクロマトグラフ法にて実施した。溶接条件は、電流280A、電圧30V、溶接速度350mm/minとした。結果を[表4−1]〜[表4−7]に示す。いずれのワイヤも拡散性水素量が1.0ml/100g以下と低水素が得られた。本発明のフラックス入りワイヤは、金属弗化物によって拡散性水素が低減されたと考えられる。従って、本発明のフラックス入りワイヤは、耐低温割れ性にも優れ、溶接をする際の予熱温度を低減できる。
実施例のワイヤ番号161〜164、166、169は、表3−6に示すように溶接継手を作る際の予熱を無しにして溶接を行った。いずれの溶接継手でも低温割れは認められず、本発明のフラックス入りワイヤは、優れた耐低温割れ性を有することが示された。
さらに、試作したワイヤの耐低温割れ性を評価するため、ワイヤ記号161〜163、168、170、172〜175について耐低温割れ性の評価試験を実施した。耐低温割れ性の評価試験は、雰囲気を温度20℃−湿度60%の一定に管理できる部屋の中で、板厚25mmのTS1180MPa鋼を用いて、機械特性試験と同じ表3の溶接条件でJIS Z 3157(y形溶接割れ試験)に準拠した方法で実施した。表6にy形溶接割れ試験に使用した鋼板の成分と機械特性を示す。得られたy形溶接割れ試験の割れ停止温度を表5に示す。金属弗化物量の少ないワイヤ番号172、173では割れ停止温度が150℃、ソリッドワイヤのワイヤ番号174では割れ停止温度が100℃であるのに対し、本発明ワイヤでは50℃以下であり、本発明ワイヤは、拡散性水素が低減されることで耐低温割れ性にも優れることが示された。本発明ワイヤはフラックス入りワイヤであるため、内包されるフラックスには少なからず結晶水など、水素源となるものを含んでいる。このため、本発明ワイヤの溶接金属の拡散性水素量は、ソリッドワイヤのものより高くなる筈であるが、全く逆の結果であった。本発明ワイヤでの割れ停止温度も、ソリッドワイヤのものより低温となっている。このように拡散性水素量が低下し、割れ停止温度が低温となった理由は、溶接時に弗化物中のフッ素が水素と結合し弗化水素として大気中に放出されるため、溶接金属中の拡散性水素が低下したためと考えられる。つまり、本発明ワイヤを使用することにより、ソリッドワイヤを使用した場合より予熱温度を低くすることができる。
なお、ワイヤ番号175では、CaOの含有量が高かったため、拡散性水素量が高くなり、耐低温割れ性が低下したものと考えられる。このことからも、耐低温割れ性を向上させるためには、CaOの含有量の上限を制限することが望ましいことが判る。
実施例のワイヤ番号161〜164、166、169は、表3−6に示すように溶接継手を作る際の予熱を無しにして溶接を行った。いずれの溶接継手でも低温割れは認められず、本発明のフラックス入りワイヤは、優れた耐低温割れ性を有することが示された。
さらに、試作したワイヤの耐低温割れ性を評価するため、ワイヤ記号161〜163、168、170、172〜175について耐低温割れ性の評価試験を実施した。耐低温割れ性の評価試験は、雰囲気を温度20℃−湿度60%の一定に管理できる部屋の中で、板厚25mmのTS1180MPa鋼を用いて、機械特性試験と同じ表3の溶接条件でJIS Z 3157(y形溶接割れ試験)に準拠した方法で実施した。表6にy形溶接割れ試験に使用した鋼板の成分と機械特性を示す。得られたy形溶接割れ試験の割れ停止温度を表5に示す。金属弗化物量の少ないワイヤ番号172、173では割れ停止温度が150℃、ソリッドワイヤのワイヤ番号174では割れ停止温度が100℃であるのに対し、本発明ワイヤでは50℃以下であり、本発明ワイヤは、拡散性水素が低減されることで耐低温割れ性にも優れることが示された。本発明ワイヤはフラックス入りワイヤであるため、内包されるフラックスには少なからず結晶水など、水素源となるものを含んでいる。このため、本発明ワイヤの溶接金属の拡散性水素量は、ソリッドワイヤのものより高くなる筈であるが、全く逆の結果であった。本発明ワイヤでの割れ停止温度も、ソリッドワイヤのものより低温となっている。このように拡散性水素量が低下し、割れ停止温度が低温となった理由は、溶接時に弗化物中のフッ素が水素と結合し弗化水素として大気中に放出されるため、溶接金属中の拡散性水素が低下したためと考えられる。つまり、本発明ワイヤを使用することにより、ソリッドワイヤを使用した場合より予熱温度を低くすることができる。
なお、ワイヤ番号175では、CaOの含有量が高かったため、拡散性水素量が高くなり、耐低温割れ性が低下したものと考えられる。このことからも、耐低温割れ性を向上させるためには、CaOの含有量の上限を制限することが望ましいことが判る。
本発明によれば、引張強度950MPa以上の超高張力鋼の溶接に用いられるフラックス入りワイヤにおいて、高強度、高靭性であり、かつ、延性低下割れを抑制することで優れた伸びを有する溶接金属を得ることができるフラックス入りワイヤを提供することができる。
1 鋼板
2 裏当金
3 溶接ビード
4 シャルピー試験片(2mmVノッチ)
5 引張り試験片(丸棒)
2 裏当金
3 溶接ビード
4 シャルピー試験片(2mmVノッチ)
5 引張り試験片(丸棒)
Claims (6)
- 鋼製外皮の内部にフラックスが充填された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、前記ワイヤ中に、
CaF2、BaF2、SrF2、MgF2のうち1種または2種以上が含有され、その含有量の合計をαとしたとき、前記αがワイヤ全質量に対する質量%で2.0超〜8.0%であり、
Ti酸化物、Si酸化物、Mg酸化物、Al酸化物のうち1種または2種以上が含有され、その含有量の合計をβとしたとき、前記βが前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.01〜1.20%であり、
CaCO3、BaCO3、SrCO3、MgCO3の含有量の合計を、前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.60%未満とし、
前記フラックス中の鉄粉の含有量を、前記ワイヤ全質量に対する質量%で5.0%未満であり、
前記αに対する前記CaF2の含有量の比が0.50以上であり、
前記βに対する前記αの比が2.0以上800.0以下であり、
化学成分が、前記ワイヤ全質量に対する質量%で:
C:0.080超〜0.200%;
Si:0.05〜1.50%;
Mn:1.0〜2.2%;
Al:0.001〜0.400%;
Ni:1.0〜9.0%;
V:0.050超〜0.300%;
P:0.020%以下;
S:0.020%以下;
Cu:0〜0.800%;
Cr:0〜2.5%;
Mo:0〜2.0%;
Ti:0〜0.300%;
Nb:0〜0.05%;
B:0〜0.0100%;
Mg:0〜0.8%;
Ca:0〜0.5%;
REM:0〜0.0100%;
残部:鉄および不純物;
からなり、
以下のa式で定義されるCeqが0.60〜1.20%である
ことを特徴とする超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+
[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 ・・・(a)
但し、[]付元素は、それぞれの元素の質量%での含有量を表す。 - 前記ワイヤ中のCaOの含有量が、前記ワイヤ全質量に対する質量%で0.15%未満であることを特徴とする請求項1に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記αに対する前記CaF2の含有量の比が0.90以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記ワイヤを用いたガスシールドアーク溶接に対する、日本工業規格JIS Z3111−2005に規定された溶着金属の引張試験において、前記溶着金属の引張強度が950MPa以上かつ1500MPa以下となることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記鋼製外皮にスリット状の隙間が無いことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
- 前記ワイヤの表面にパーフルオロポリエーテル油が塗布されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の超高張力鋼溶接用フラックス入りワイヤ。
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