WO2022030200A1 - ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents

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充志 ▲高▼田
圭治 植田
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Definitions

  • the present invention relates to a solid wire for gas metal arc welding, and more particularly to a solid wire for welding high Mn-containing steel materials used in an extremely low temperature environment.
  • liquefied natural gas (hereinafter also referred to as LNG) does not contain sulfur, it is said to be a clean fuel that does not generate air pollutants such as sulfide oxides, and its demand is increasing.
  • the container (tank) for transporting or storing LNG is required to maintain excellent ultra-low temperature impact toughness at a temperature of -162 ° C or lower, which is the liquefaction temperature of LNG. ..
  • high Mn-containing steel containing about 10 to 35% of Mn in mass% (hereinafter, also referred to as high Mn steel). Is being considered for application.
  • the high Mn steel has a characteristic that it is an austenitic phase even at an extremely low temperature, does not cause brittle fracture, and has high strength as compared with austenitic stainless steel. Therefore, there has been a demand for the development of a welding material capable of stably welding such a high Mn-containing steel material.
  • Patent Document 1 proposes "a high-strength welded joint portion having excellent ultra-low temperature impact toughness and a flux cored arc welding wire for this purpose".
  • the flux cored arc welding wire described in Patent Document 1 has a weight% of C: 0.15 to 0.8%, Si: 0.2 to 1.2%, Mn: 15 to 34%, Cr: 6% or less, Mo: 1.5.
  • the Charpy impact test at a test temperature of -196 ° C has excellent low temperature toughness with an absorption energy of 28 J or more and a room temperature tensile strength of 400 MPa or more. It is said that a welded joint with high strength can be effectively obtained, and the wire composition is adjusted to Mo: 1.5% or more, so that a welded joint with excellent high temperature crack resistance can be secured.
  • Patent Document 1 has a problem that the amount of fume generated during welding increases and the welder is exposed to an environment with a large amount of fume.
  • the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, has a small amount of toughness during welding, and has high strength and excellent ultra-low temperature, which is suitable as a welding material for high Mn-containing steel materials used in an extremely low temperature environment. It is an object of the present invention to provide a solid wire for gas metal arc welding capable of producing a welded joint portion having both toughness.
  • “high strength” here means that the room temperature yield strength (0.2% proof stress) of the weld metal manufactured in accordance with JIS Z 3111 is 400 MPa or more, and “excellent pole”.
  • “Low temperature toughness” means the case where the absorbed energy vE -196 of the Charpy impact test at the test temperature: -196 ° C of the weld metal manufactured in accordance with JIS Z 3111 is 28J or more.
  • the present inventors first diligently examined the factors affecting the amount of fume generated during gas metal arc welding. As a result, in order to significantly reduce the amount of fume generated, it was found that it is effective to use a solid wire as the welding material instead of the flux cored wire.
  • a solid wire having a larger amount of processing during wire drawing than a flux cored wire is liable to crack or break during wire drawing, especially when the wire composition has a high Mn content, and the solid wire. There was a problem that the manufacturability of the wire was lowered.
  • the present inventors have diligently studied various factors affecting the manufacturability of the wire. As a result of investigating the fracture surface where cracks and disconnections occurred, it was found that the starting point was coarse Al 2 O 3 of 10 ⁇ m or more. Therefore, it was found that by suppressing the formation of coarse Al 2 O 3 , wire drawing can be performed without the occurrence of defects such as cracks. In order to suppress the formation of coarse Al 2 O 3 , it is important to adjust the wire composition so that Al is 0.020% or less and O (oxygen) is 0.010% or less in mass%. I found that there is.
  • the solid wire composition required to obtain a welded metal having the desired excellent ultra-low temperature toughness was investigated. As a result, the solid wire was adjusted in the range of C: 0.20 to 0.80%, Si: 0.15 to 0.90% by mass%, and further Mn: 15.0 to 30.0%, Ni: 0.01 to 10.00%, Cr: 6.0 to 15.0.
  • the present invention has been completed with further studies based on such findings.
  • the gist of the present invention is as follows. [1] By mass%, C: 0.20 to 0.80%, Si: 0.15 to 0.90%, Mn: 15.0 to 30.0%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Al: 0.020% or less, Ni: 0.01-10.00%, Cr: 6.0-15.0%, Mo: 0.01-3.50%, O: 0.010% or less, N: Solid wire for gas metal arc welding containing 0.120% or less and having a composition consisting of the balance Fe and unavoidable impurities.
  • High Mn-containing steel containing 10 to 35% of Mn, By mass%, C: 0.20 to 0.80%, Si: 0.15 to 0.90%, Mn: 15.0 to 30.0%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Al: 0.020% or less, Ni: 0.01-10.00%, Cr: 6.0-15.0%, Mo: 0.01-3.50%, O: 0.010% or less, N: Using a solid wire for gas metal arc welding containing 0.120% or less and having a composition consisting of the balance Fe and unavoidable impurities.
  • a mixed gas of 10-40% CO 2 gas and an inert gas consisting of the balance Ar is used as a shield gas, the welding current is 180-330A, and the amount of fume generated is 1200mg / min.
  • Test temperature Charpy impact test at -196 ° C Forming welded joints with excellent low-temperature toughness with absorption energy of 28 J or more and high strength with normal temperature tensile strength of 400 MPa or more
  • Test temperature Charpy impact test at -196 ° C Forming welded joints with excellent low-temperature toughness with absorption energy of 28 J or more and high strength with normal temperature tensile strength of 400 MPa or more
  • the gas metal arc welding method according to any one.
  • the wire manufacturability is excellent, the amount of fume generated during gas metal arc welding can be remarkably suppressed, and the welded joint portion having high strength and excellent ultra-low temperature toughness as a welding material for high Mn-containing steel materials. It is possible to provide a solid wire for gas metal arc welding that can be easily manufactured, and it is extremely effective in industry.
  • the present invention is a solid wire for gas metal arc welding suitable for gas metal arc welding of steel materials containing high Mn.
  • the weld metal produced by gas metal arc welding in accordance with JIS Z3111 has a high strength of 400 MPa or more with a 0.2% toughness at room temperature and a Charpy impact test at a test temperature of -196 ° C. It is a welded metal that has excellent ultra-low temperature toughness with an absorption energy of 28 J or more, and is a welding material capable of producing a welded joint portion having high strength and excellent ultra-low temperature toughness.
  • the solid wire of the present invention has a basic composition of C: 0.20 to 0.80%, Si: 0.15 to 0.90%, Mn: 15.0 to 30.0%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Al: It contains 0.020% or less, Ni: 0.01 to 10.00%, Cr: 6.0 to 15.0%, Mo: 0.01 to 3.50%, O: 0.010% or less, N: 0.120% or less, and has a composition consisting of the balance Fe and unavoidable impurities. ..
  • C 0.20-0.80% C is an element having an action of increasing the strength of the weld metal by strengthening the solid solution, and C stabilizes the austenite phase and improves the ultra-low temperature impact toughness of the weld metal. In order to obtain such an effect, a content of 0.20% or more is required. However, if it is contained in excess of 0.80%, carbides are precipitated, the cryogenic toughness is lowered, and high temperature cracking at the time of welding is likely to occur. Therefore, C was limited to the range of 0.20 to 0.80%.
  • the content of C is preferably 0.40% or more.
  • the content of C is preferably 0.60% or less.
  • Si acts as a deoxidizing agent, has the effect of increasing the yield of Mn, increasing the viscosity of the molten metal, stably maintaining the bead shape, and reducing the occurrence of spatter. In order to obtain such an effect, a content of 0.15% or more is required. However, if it is contained in excess of 0.90%, the cryogenic toughness of the weld metal is reduced. Further, Si segregates during solidification and forms a liquid phase at the interface of the solidified cell, which lowers the high temperature crack resistance. Therefore, Si was limited to the range of 0.15 to 0.90%. Preferably, Si is 0.20% or more. Preferably, Si is 0.70% or less.
  • Mn 15.0-30.0%
  • Mn is an element that stabilizes the austenite phase at low cost, and the content of Mn is required to be 15.0% or more in the present invention. If Mn is less than 15.0%, a ferrite phase is formed in the weld metal and the toughness at extremely low temperatures is significantly reduced. On the other hand, when Mn exceeds 30.0%, excessive Mn segregation occurs during solidification, inducing high-temperature cracking. Therefore, Mn was limited to the range of 15.0 to 30.0%. Preferably, Mn is 18.0% or more. Preferably, Mn is 27.0% or less.
  • P 0.030% or less
  • P is an element that segregates at grain boundaries and induces high-temperature cracking. In the present invention, it is preferable to reduce it as much as possible, but 0.030% or less is acceptable. Therefore, P was limited to 0.030% or less. Excessive reduction leads to an increase in refining cost. Therefore, it is preferable to adjust P to 0.003% or more.
  • S 0.030% or less S exists as a sulfide-based inclusion MnS in the weld metal. Since MnS is the starting point of fracture, it reduces cryogenic toughness. Therefore, S was limited to 0.030% or less. Excessive reduction leads to an increase in refining cost. Therefore, it is preferable to adjust S to 0.001% or more.
  • Al 0.020% or less
  • Al is an element that acts as a deoxidizing agent and is added when steel is melted. When Al is added in excess of 0.020%, coarse Al 2 O 3 is formed, which becomes the starting point of fracture during wire drawing and disconnection occurs. Therefore, Al was limited to 0.020% or less. It should be noted that it is preferably 0.015% or less, more preferably less than 0.009%.
  • Ni 0.01-10.00%
  • Ni is an element that reinforces austenite grain boundaries and segregates at grain boundaries to improve cryogenic toughness. In order to obtain such an effect, the content of 0.01% or more is required. In addition, Ni also has the effect of stabilizing the austenite phase, so if the content is further increased, the austenite phase is stabilized and the cryogenic toughness of the weld metal is improved.
  • Ni is an expensive element, and a content of more than 10.00% is economically disadvantageous. Therefore, Ni was limited to 0.01 to 10.00%.
  • Ni is preferably 0.20% or more.
  • Ni is preferably 8.00% or less.
  • Cr acts as an element that stabilizes the austenite phase at cryogenic temperatures, improving the cryogenic toughness of the weld metal. Cr also has the effect of improving the strength of the weld metal. Further, Cr works effectively to increase the liquidus line of the molten metal and suppress the occurrence of high temperature cracking. Further, Cr also has an effect of suppressing high temperature cracking due to P by forming CrP in the liquid phase. In order to obtain such an effect, the content of 6.0% or more is required. If Cr is less than 6.0%, the above effect cannot be ensured. On the other hand, if it is contained in excess of 15.0%, Cr carbide is generated, which causes a decrease in cryogenic toughness. Furthermore, due to the formation of carbides, the workability at the time of wire drawing is lowered. Therefore, Cr was limited to the range of 6.0 to 15.0%. Preferably, Cr is 7.0% or more.
  • Mo 0.01% to 3.50%
  • Mo is an element that reinforces austenite grain boundaries and segregates at the grain boundaries to improve the strength of the weld metal. Such an effect becomes remarkable when the content is 0.01% or more. If the content exceeds 0.01%, it also has the effect of improving the strength of the weld metal by strengthening the solid solution. On the other hand, if it is contained in an amount of more than 3.50%, it precipitates as a carbide and the hot workability is lowered, and cracks are induced when the wire is drawn, so that the manufacturability of the wire is lowered. Therefore, Mo was limited to the range of 0.01 to 3.50%. Mo is preferably 0.1% or more. Preferably, Mo is 3.0% or less.
  • O 0.010% or less
  • O (oxygen) is an element that is inevitably mixed, and a deoxidizing agent such as Al, Si, or Mn is added to float and separate it as an oxide.
  • a coarse oxide is formed, and especially when Al is added in an amount of more than 0.020%, a coarse Al 2 O 3 (oxide) is formed.
  • These coarse oxides (Al 2 O 3 ) serve as the starting point of fracture, which reduces the manufacturability of the wire. Therefore, O (oxygen) was limited to 0.010% or less.
  • O (oxygen) is preferably 0.008% or less.
  • N 0.120% or less
  • N is an element that is inevitably mixed, but like C, it effectively contributes to improving the strength of the weld metal, stabilizes the austenite phase, and contributes to the stable improvement of ultra-low temperature toughness. do. Such an effect becomes remarkable when N is contained in an amount of 0.003% or more.
  • N when N is contained in an amount of more than 0.120%, a nitride is formed and the low temperature toughness is lowered. Therefore, N was limited to 0.120% or less.
  • N is 0.004% or more.
  • N is 0.080% or less.
  • the above-mentioned components are the basic components, but in the present invention, in addition to the above-mentioned basic composition, if necessary as a selection component, V: 1.0% or less, Ti: 1.0%.
  • V 1.0% or less
  • Ti 1.0%.
  • Nb 1.0% or less
  • Ca 0.010% or less
  • REM 0.020% or less. Two or more types can be selected and contained.
  • the solid wire of the present invention can contain one or more selected types, if necessary.
  • V is a carbide-forming element, which precipitates fine carbides and contributes to improving the strength of the weld metal.
  • V is contained in an amount of 0.001% or more, but if V is contained in an amount of more than 1.0%, the carbide becomes coarse and the starting point of cracking during wire drawing of the solid wire. Therefore, the wire drawing workability is lowered and the wire manufacturability is lowered. Therefore, when it is contained, it is preferable to limit V to 1.0% or less.
  • V is 0.002% or more.
  • V is preferably 0.8% or less.
  • Ti is a carbide-forming element, which precipitates fine carbides and contributes to improving the strength of the weld metal. Further, Ti deposits carbides on the interface of the solidified cell of the weld metal and contributes to suppressing the occurrence of high temperature cracking. In order to obtain such an effect, it is desirable to contain Ti of 0.001% or more, but if Ti is contained in excess of 1.0%, carbides become coarse and cracks occur during wire drawing of solid wire. It serves as a starting point, lowers wire drawing workability, and lowers wire manufacturability. Therefore, when Ti is contained, it is preferable to limit Ti to 1.0% or less. Ti is preferably 0.002% or more. Ti is preferably 0.8% or less.
  • Nb is a carbide-forming element, which is an element that precipitates carbides and contributes to improving the strength of the weld metal.
  • Nb precipitates carbides at the interface of the solidified cell of the weld metal, which contributes to suppressing the occurrence of high-temperature cracking.
  • Nb it is desirable to contain 0.001% or more, but if Nb exceeds 1.0%, the carbides become coarse and become the starting point of cracking during wire drawing of solid wire, and the wire is drawn. It reduces workability and reduces wire manufacturability. Therefore, when Nb is contained, it is preferable to limit Nb to 1.0% or less.
  • Nb is 0.002% or more.
  • Nb is 0.8% or less.
  • Cu 1.00% or less, Ca: 0.010% or less and REM: 0.020% or less
  • Cu is an element that contributes to austenite stabilization, and Ca and REM contribute to improving workability. It is an element to be used, and can be selected as necessary and contains one kind or two or more kinds.
  • Cu is an element that stabilizes the austenite phase, stabilizes the austenite phase even at extremely low temperatures, and improves the cryogenic toughness of the weld metal. In order to obtain such an effect, it is desirable that Cu is contained in an amount of 0.01% or more. However, if Cu is contained in a large amount exceeding 1.00%, the hot ductility is lowered and the manufacturability of the wire is lowered. Therefore, when it is contained, it is preferable to limit Cu to 1.00% or less. More preferably, Cu is 0.02% or more. Preferably, Cu is 0.8% or less.
  • Ca combines with S in the molten metal to form a high melting point sulfide CaS. Since CaS has a higher melting point than MnS, it maintains a spherical shape without advancing in the rolling direction during hot working of solid wire, which is advantageous for improving workability of solid wire. Such an effect becomes remarkable when the content of Ca is 0.001% or more. On the other hand, if Ca is contained in an amount of more than 0.010%, the arc is disturbed during welding, which makes stable welding difficult. Therefore, when it is contained, it is preferable to limit Ca to 0.010% or less. More preferably, Ca is 0.001% or more. Ca is preferably 0.008% or less.
  • REM is a powerful deoxidizer and exists in the form of REM oxide in weld metals.
  • the REM oxide becomes a nucleation site during solidification, which makes the crystal grains finer and contributes to the improvement of the strength of the weld metal. Such an effect becomes remarkable when the content is 0.001% or more. However, if it is contained in excess of 0.020%, the stability of the arc will decrease. Therefore, when it is contained, it is preferable to limit the REM to 0.020% or less. More preferably, REM is 0.002% or more. Preferably REM is 0.018% or less.
  • the rest other than the above components consist of Fe and unavoidable impurities.
  • the method for manufacturing the solid wire of the present invention will be described.
  • the production of the solid wire of the present invention does not need to be particularly limited to the production method other than using the molten steel having the above-mentioned composition, and any of the conventional methods for producing a solid wire for welding can be applied.
  • the solid wire of the present invention was obtained by a casting step of melting molten steel having the above-mentioned composition in a common rolling mill such as an electric furnace or a vacuum melting furnace and casting it into a mold having a predetermined shape.
  • a heating step of heating the ingot to a predetermined temperature and a hot rolling step of hot rolling the heated steel ingot to obtain a steel material (rod shape) having a predetermined shape were sequentially performed, and then obtained.
  • the steel material (rod-shaped) is cold-rolled multiple times (cold wire drawing) and, if necessary, annealed to an annealing temperature of 900 to 1200 ° C. to obtain a wire of the desired size. It is preferable to carry out the process.
  • the present invention can be implemented as a gas metal arc welding method.
  • the gas metal arc welding method according to the present invention comprises high Mn-containing steel containing 10 to 35% of Mn in mass%.
  • C 0.20 to 0.80%, Si: 0.15 to 0.90%, Mn: 15.0 to 30.0%, P: 0.030% or less, S: 0.030% or less, Al: 0.020% or less, Ni: 0.01-10.00%, Cr: 6.0-15.0%, Mo: 0.01-3.50%, O: 0.010% or less
  • N Using a solid wire for gas metal arc welding containing 0.120% or less and having a composition consisting of the balance Fe and unavoidable impurities, from 10-40% CO 2 gas and the balance Ar in accordance with JIS Z 3930-2013.
  • this gas metal arc welding method can be carried out as a gas metal arc welding method in which a mixed gas with an inert gas is used as a shield gas and gas metal arc welding is performed at a welding current of 180 to 330 A and a fume generation amount of 1200 mg / min or less.
  • this gas metal arc welding method is a gas that forms a welded joint with excellent low temperature toughness with a Charpy impact test absorption energy of 28 J or more at a test temperature of -196 ° C and high strength with a normal temperature tensile strength of 400 MPa or more. It can be carried out as a metal arc welding method.
  • the above component composition further contains one or more selected from V: 1.0% or less, Ti: 1.0% or less and Nb: 1.0% or less in mass%. You may.
  • the above-mentioned component composition may further contain one or more selected from Cu: 1.00% or less, Ca: 0.010% or less, and REM: 0.020% or less in mass%.
  • the present invention can also be carried out as a method for manufacturing a welded joint using the above-mentioned gas metal arc welding method.
  • the molten steel having the composition shown in Table 1 was melted in a vacuum melting furnace and cast to make 1000 kg of steel ingot.
  • the obtained ingot was heated to 1200 ° C., then hot-rolled and then cold-rolled to obtain a 1.2 mm ⁇ solid wire for gas metal arc welding.
  • the manufacturability of each solid wire was evaluated by measuring the rolling load (wire drawing load), observing cracks, observing the cross section of the wire, and the like. If it is judged that rolling (wire drawing) processing is impossible due to a high rolling load (wire drawing load), if cracks are found, it is possible to proceed further due to the cracks that have occurred.
  • the wire manufacturability was evaluated as "x" when it became impossible. Other than that, the wire manufacturability was evaluated as " ⁇ ".
  • a steel outer skin and a flux cored wire in which the metal powder and the flux powder were encapsulated in the steel outer skin were produced.
  • a thin steel plate (thickness 0.5 mm) having a composition of 0.1% C-0.2% Si-0.5% Mn-remaining Fe in mass% is used as a steel outer skin material and is cold-bent in the width direction to form a U-shape. The shape was used.
  • the obtained steel outer skin is filled with the metal powder and the flux powder whose components have been adjusted so as to have the wire composition shown in Table 2, and the wire is drawn cold to obtain a flux cored wire for welding (diameter). : 1.2mm ⁇ ).
  • the components shown in Table 2 are the total values of the steel outer skin, the metal powder and the flux powder.
  • gas metal arc welding is performed in a welded fume collector in accordance with the regulations of JIS Z3930, and the generated fume is filtered (glass fiber).
  • the amount of fume generated was measured.
  • the welding conditions for gas metal arc welding were current: 250A, voltage: 34V, welding speed: 30cm / min, shield gas: 80% Ar + 20% CO 2 (flow rate: 20L / min).
  • a high Mn-containing steel plate for ultra-low temperature (plate thickness: 12 mm) was prepared as a test plate, and the solid wire or flux obtained by abutting to form a 45 ° V groove in accordance with JIS Z3111. Gas metal arc welding was performed using the cored wire as a welding material to obtain a weld metal in the groove described above.
  • the high Mn-containing steel sheet for cryogenic temperature used as a test plate is a steel sheet having a composition of 0.5% C ⁇ 0.4% Si-25% Mn-3-% Cr—residue Fe in mass%.
  • Gas metal arc welding uses solid wires (1.2 mm in diameter) or flux cored wires (1.2 mm in diameter) with the compositions shown in Tables 1 and 2, with no preheating, in a downward position, and current: 180-330 A. (DCEP), voltage: 24-33V, welding speed: 30cm / min, pass interval: 100-150 ° C, shield gas: Ar-10-40% CO 2 .
  • weld metal was observed with an optical microscope to determine the presence or absence of welding cracks.
  • Weld cracks are high-temperature cracks, and if cracks are observed, they are evaluated as "x" because the high-temperature crack resistance is reduced. When no cracking was observed, it was evaluated as " ⁇ " because of its excellent high temperature cracking resistance.
  • the appearance of the weld bead was visually observed to determine the appearance of the weld bead.
  • the appearance of the weld bead was evaluated as "x" as poor.
  • the bead appearance was evaluated as “ ⁇ ” as good.
  • a tensile test piece (parallel part diameter 6 mm ⁇ ) of the weld metal and a Charpy impact test piece (V notch) of the weld metal are collected in accordance with JIS Z3111, and the tensile test and impact are performed. The test was carried out.
  • All of the examples of the present invention have excellent wire manufacturability, and the amount of fume generated when gas metal arc welding is performed with a welding current of 250 A in accordance with JIS Z3930-2013 is 1200 mg / min or less, and fume. It can be said that it is a welding material with a small amount of generation.
  • all of the examples of the present invention are welding materials that do not generate welding cracks (high temperature cracks) during welding, have excellent high temperature crack resistance, and can obtain a welded metal having a good weld bead appearance.
  • the yield strength (0.2% proof stress) at room temperature is 400 MPa or more
  • the absorbed energy vE -196 of the Charpy impact test at the test temperature: -196 ° C is 28 J or more, which is high strength and excellent. It can be said that it is a welding material (solid wire) capable of obtaining a weld metal having both ultra-low temperature toughness.
  • the amount of fume generated exceeds 1200 mg / min, the wire manufacturability is poor, or welding cracks (high temperature cracks) occur and the high temperature crack resistance is lowered. Whether the weld bead is defective and the appearance of the weld bead is poor, or the 0.2% proof stress at room temperature is less than 400 MPa, or the absorbed energy vE -196 is less than 28 J, at the time of desired welding. Welded metal with a small amount of fume generation and high strength and excellent ultra-low temperature toughness has not been obtained.
  • the 0.2% proof stress of the weld metal is less than 400 MPa, which is the desired high strength. Has not been secured. Furthermore, high temperature cracking has occurred in wire No. 15.
  • the wire No. 16 which is a comparative example has a high temperature crack because the Mn content is high outside the range of the present invention.
  • the wire No. 17 as a comparative example has a Ti and Nb content
  • the wire No. 18 has an Al content
  • the wire No. 19 has an O (oxygen) content, which are far from the scope of the present invention. Therefore, the wire drawing workability deteriorated, and the wire could not be drawn to a desired wire diameter.
  • the wire No. 20 as a comparative example has a low Mn content outside the range of the present invention, so that the stability of the austenite phase is low. Is declining.
  • the absorption energy vE -196 is less than 28J, and the cryogenic toughness is lowered.
  • the wire No. 22 as a comparative example has a Si content
  • the wire No. 23 has a P content
  • the wire No. 24 has a C content. Is generated, and the high temperature crack resistance is lowered.
  • the absorption energy vE -196 is less than 28 J, and the cryogenic toughness is lowered.
  • the wire No. 25 which is a comparative example, since the amount of Si is low outside the range of the present invention, a good bead shape cannot be obtained and pits are generated.
  • the wires No. 26, No. 27, No. 28, and No. 29, which are comparative examples, are all flux cored wires, the amount of fumes generated exceeds 1200 mg / min, and a large amount of fumes is generated during welding. is doing.

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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

ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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 (8)

  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。
  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。
  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種以上を含有する請求項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種以上を含有する請求項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。
  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。
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