サブマージアーク溶接方法
【課題】 下向き１電極サブマージアーク溶接あるいは下向き多電極サブマージアーク溶接において、低温靭性が良好で且つ頂部スラグインの無い健全な溶接金属の作成方法を提供する。
【解決手段】 下向き１電極あるいは下向き多電極サブマージアーク溶接により引張強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属を作成する際において、ソリッドワイヤの電極の間あるいは最後尾の電極の後方の少なくとも１箇所以上にメタルコアードワイヤを所定の位置に配置することにより溶接金属中の酸素量を制御し、且つメタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合が５％以上４０％以下であり、且つ用いる特定組成のフラックスの塩基度が１．１以上３．２以下であり、且つ用いるメタルコアードワイヤの酸素量が質量％で０．０３％〜０．５０％以下であることを特徴とする、１溶融池を作成する下向きサブマージアーク溶接方法。
【解決手段】 下向き１電極あるいは下向き多電極サブマージアーク溶接により引張強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属を作成する際において、ソリッドワイヤの電極の間あるいは最後尾の電極の後方の少なくとも１箇所以上にメタルコアードワイヤを所定の位置に配置することにより溶接金属中の酸素量を制御し、且つメタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合が５％以上４０％以下であり、且つ用いる特定組成のフラックスの塩基度が１．１以上３．２以下であり、且つ用いるメタルコアードワイヤの酸素量が質量％で０．０３％〜０．５０％以下であることを特徴とする、１溶融池を作成する下向きサブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度ラインパイプあるいは高強度水圧鉄管等の溶接において、強度と靭性が要求される溶接金属を作成する際に使用する下向きサブマージアーク溶接方法に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
サブマージアーク溶接は効率が良く高速で溶接できることから、大型構造物の溶接に適用される。さらに必要な溶接効率により、電極数を１電極のみならず複数の電極を用いることも容易であり、より高能率の溶接にも対応できる優れた溶接方法である。
【０００３】
サブマージアーク溶接の溶接金属に要求される特性の一つに靭性がある。溶接金属の靭性は溶接金属中の酸素量を最適化することで向上できることは、多くの研究成果から言われている点で、これに基づき溶接材料の開発が進められている。近年溶接構造物の大型化や、施工コスト低減を目的に用いる鋼材は高強度化が進み、これに伴い用いる溶接金属も高強度化が進んでいる。しかし、溶接金属では強度が高くなれば一般に靭性が低下する傾向にあるため、高強度鋼になるにほど、溶接金属の靭性を確保するために酸素量の制御方法はより重要となる。
【０００４】
従来、サブマージアーク溶接金属の酸素量は使用するフラックスの組成を調整し制御していきた。例えば、特許文献１ではＵＯ鋼管でＸ１００クラスの高強度鋼に対して溶接金属のＴｉおよび酸素を低減することにより、低温靭性を確保している。また、特許文献２では、母剤や溶接金属の化学組成を限定して、高塩基性フラックスを使用することにより溶接金属の靭性を向上させようとしている。さらに、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６では、具体的に酸素を低減する手段としてフラックスの組成を最適化することにより、溶接金属の酸素量を低減し、且つビード形状等の溶接性を確保している。また特許文献７あるいは特許文献８では強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属に対して、溶接金属の酸素量およびＡｌと酸素の比率を制御することにより、溶接金属の靭性を確保しようとしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４３９１１公報
【特許文献２】特開平３−２８５７７０号公報
【特許文献３】特開平５−３７５号公報
【特許文献４】特開平７−２５６４８８号公報
【特許文献５】特開平９−２６２６９２号公報
【特許文献６】特開２００４−１５４８４０公報
【特許文献７】特開平１１−２６７８８４４号公報
【特許文献８】特開２０００−９６１８７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１においては溶接金属の低酸素化の効果については詳細に開示しているがその低酸素化の方法についてまでは開示していない。また、特許文献２では、母材の化学組成やワイヤの化学組成で溶接金属の組織を制御し靭性を向上させようとしているが、適用しようとしている溶接金属のＰｃｍが低いことから低強度の溶接金属しか適用できない。さらに、フラックスの具体的な処方までは開示されていない。これに対して、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６では具体的に低酸素化の実現方法としてフラックスの成分を検討しその方法を明らかにし、さらにワイヤの化学組成も検討し、靭性の向上手段を明らかにしていが、これらの溶接材料を使用する前提がＳＭ４９０やＸ６５相当の低強度の鋼材あるいは溶接金属である。
【０００７】
一方、先に述べた様に近年では８００ＭＰａ以上の高強度鋼の溶接構造物への適用の要望が高まっている。これらの鋼材に適用する８００ＭＰａ以上の高強度溶接金属では、強度を得るため合金元素が高く、そのため溶融金属の粘性が低強度の溶接金属とは変わる。そのため、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６で開示されている様な、低強度溶接金属への使用を前提とした組成のフラックスを、この様な高強度溶接金属を作成する際に使用した場合、図１に示す様なビード頂部にスラグインが発生するという新たな問題が発生するようになってきた。
【０００８】
頂部スラグインとは溶接ビードの余盛り頂上付近の溶接金属内に発生する直径０．１ｍｍから２．０ｍｍ程度のスラグインである。これは溶接中に溶融した溶接金属中の溶融スラグが浮上しきれずに、溶接ビード頂部の溶接金属内に残留したもので、欠陥として認識される。特許文献７では強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属に対して、Ａｌと酸素の比率や用いるフラックスの塩基度を制御して溶接金属の靭性を確保しているが、用いるフラックスの成分にまでは検討を加えておらず、やはり頂部スラグインの問題が発生する。特許文献８でも溶接金属のＡｌと酸素量の比を制御することにより溶接金属の靭性は確保しようとしているが、酸素の制御方法にまでは言及していない。特に、市販のフラックスを使用しており頂部スラグインの問題が回避できていない。
【０００９】
本発明者らは、この問題を解決するために頂部スラグインの生成傾向について検討した。その結果、頂部スラグインの発生傾向は主に、溶接金属の粘性、溶融スラグの粘性および溶接金属と溶融スラグとの界面張力の影響を受けることが判明した。溶接金属の粘性は溶接金属の組成により変化する。また、溶融スラグの粘性はスラグの成分により変化する。溶融金属と溶融スラグとの界面張力も溶接金属の成分と、溶融スラグの成分により変化する。一方、溶接金属の成分は溶接金属の強度を得るために最適化されている。また、溶融スラグの成分は当然フラックスの成分により決まる。そこで発明者らは、溶接金属の強度とフラックスの成分とにより頂部スラグインの発生傾向を整理することを試みた。
【００１０】
そのためにはフラックスの成分系を表す指標が必要である。フラックス成分の設計の重要な観点として酸素量の制御がある。フラックスと溶接金属中の酸素量の関係を示す指標としては塩基度があり、フラックスの成分系を決定する上で重要な指標である。そこで、頂部スラグインの発生傾向も塩基度を利用して整理することを試みた。
【００１１】
その結果を、図２に示す。図２の横軸は、用いるフラックスの成分のうちＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて式（１）で計算される塩基度、縦軸はソリッドワイヤを用いて作成した溶接金属の引張強度である。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式（１）は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。例えば、特開昭６０−１９１６９１号公報でも用いられていて、フラックスの塩基度として古くから用いられている式である。図２の作成に用いた溶接は３電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。図２が示す様に、式（１）で計算される塩基度と溶接金属の強度により頂部スラグインの発生傾向が整理でき、頂部スラグインは溶接金属の強度が高くなるに従いより高い塩基度でも発生するようになる。８００ＭＰａ以上の強度を持つ溶接金属では、式（１）で計算される塩基度が１．１以上でないと、頂部スラグインが発生することになる。
Ｂ＝６．０５Ｎ［ＣａＯ］＋４．０Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１Ｎ［ＣａＦ２］−０．２Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
ここで式（１）中の、Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を意味する。
【００１２】
【表１】
【００１３】
一方、強度が８００ＭＰａ以上の高強度溶接金属の靭性を確保するためには、溶接金属中の酸素量の制御が重要である。強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属においては、発明者等の知見から質量％で酸素量が０．０１８％〜０．０３５％の範囲で安定した靭性が得られることが判っている。これは酸素量が０．０１８％未満では組織の微細化に必要な量の酸化物が形成されず靭性が得られない。また、０．０３５％超では粗大な酸化物が形成され、これが破壊の基点となり靭性が低下するためである。図３は用いるフラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて式（１）で計算されるフラックスの塩基度と、そのフラックスを用いて作成した溶接金属中の酸素量の関係を示す。フラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて、式（１）で計算される塩基度を用いることにより、フラックスの成分と溶接金属中の酸素量は図２に示す様に良く整理することができる。図３の作成に用いた溶接は３電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度である。そのため、図３に示すように溶接金属中の酸素量はフラックスにより決まる。
【００１４】
図３から、溶接金属中の酸素量を安定的に０．０１８％以上得るためには、式（１）で計算される塩基度はおよそ１．１未満である必要がある。しかし、図２から溶接金属の強度が８００ＭＰａ以上では式（１）で計算される塩基度が１．１未満では頂部スラグインが発生し、溶接欠陥防止の観点から問題が生じる。
【００１５】
この様に、高強度溶接金属においては溶接性と靭性の両立が困難になることが判明した。さらに、特許文献で指摘されている様にフラックスの組成は溶接性に対して重要な影響を及ぼし、良好な溶接性と靭性を両立させるフラックスを開発するためには多くの工夫とコストが必要となる。もし、フラックスの成分設計をビード形状やスラグイン等の欠陥防止する溶接性の観点のみで実施し、酸素制御は別の方法で行えるのであれば、サブマージアーク溶接の溶接材料設計を行う上で非常に有効な手段となり得る。
【００１６】
本発明は、この様な観点から検討を加えられたものであり、下向きサブマージアーク溶接により、ビード形状の良好で且つ靭性のすぐれた高強度溶接金属の作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは上記の目的を達成するために、サブマージアーク溶接方法そのものに注目して酸素量の制御と溶接性を共に両立させる方法を検討した。その結果、サブマージアーク溶接において、電極として用いるソリッドワイヤ以外に電極としては用いないメタルコアードワイヤを使用することにより、容易に溶接金属の酸素量を制御しその結果良好な靭性を持つ溶接金属を得ることが出来ることを見いだし、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
【００１８】
（１） 引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、１電極を用いてサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記電極をソリッドワイヤとするとともに、該１電極の後方に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置し、前記電極と該メタルコアードワイヤとの距離を、前記１電極のソリッドワイヤの直径または複数電極のソリッドワイヤの最大直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記１電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【００１９】
（２）引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記複数電極をソリッドワイヤとし、該複数電極の何れかの隣接する２電極間あるいは最後尾電極の後方の少なくとも一カ所以上に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置するとともに、隣接する２電極間にメタルコアードワイヤを配置する場合は該メタルコアードワイヤの中心位置と溶接線までの最短距離が、前記複数電極のソリッドワイヤの最大直径の２倍以下となるようにし、最後尾電極の後方にメタルコアードワイヤを配置する場合は、複数電極のソリッドワイヤの最大直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記１電極の中心位置または複数電極のうちの最後尾電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【００２０】
（３）前記鋼材の成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０４を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のサブマージアーク溶接方法。
【００２１】
（４）前記鋼材の成分組成が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、および、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％のうちの何れか１種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【００２２】
（５）前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％以下、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％、
Ｏ：０．０３％〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記（１）〜（４）の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【００２３】
尚、本発明で言うソリッドワイヤとは通常のサブマージアーク溶接で使用される直径１．６ｍｍから６．４ｍｍ程度の中実の合金鋼の線状の溶接材料で、これを溶かして溶接金属を形成するものである。同時にサブマージアーク溶接ではアークを発生する電極として用いている。本発明でもソリッドワイヤと言った場合は電極として使用しているソリッドワイヤを指している。
【００２４】
また、本発明で言うメタルコアードワイヤとは、外皮と呼ぶ中空の鋼管の中に金属粉末および合金粉末のいずれかあるいは両方を充填した後に、さらに必要に応じて伸線加工をさらに加えて所要の直径にして製造した線状の溶接材料である。金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填する時期は、鋼管の形状にした後であっても、鋼管の成形過程の途中に同時に金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填しても本発明の効果は同じで、何れの充填方法を含む方法で製造されたメタルコアードワイヤも、本発明で言うメタルコアードワイヤに含まれる。本発明では、このメタルコアードワイヤは電極としては使用せずに、ソリッドワイヤが発生するアークの熱あるいは溶融池に直接挿入することにより溶融し、且つ溶接金属の一部を形成する目的で使用する。
【００２５】
外皮は、機械的なかしめによりシーム部を接合したかしめ型と、継目の無いシームレス鋼管あるいは継目が溶接により接合されている溶接鋼管であるシームレス型とがある。本発明で言うシームレス型とは、継目が無いことあるいは外皮である鋼管の縫目部において鋼管の外側と内側が気体あるいは水分に対して冶金的に遮断されていることを意味する。そのため、一般にかしめ型と比較して耐吸湿性に優れている。湿度の高い場所での長期の保管に対しても吸湿しにくく、その結果、特に低温割れ感受性の高い高強度溶接金属用の溶接材料として適している。
【００２６】
図４に、メタルコアードワイヤの断面の模式図を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）は外皮Ａの縫目部が機械的なかしめ部Ｂを形成したかしめ型の鋼管であるメタルコアードワイヤの断面の一例である。図４（ｃ）は、外皮Ｂとして縫目の無い鋼管を使用したメタルコアードワイヤの模式図であり、図４（ｄ）は外皮Ｂとして縫目部が溶接Ｗにより接合してある鋼管を使用したメタルコアードワイヤである。
【００２７】
本発明では図４（ａ）および図４（ｂ）の例に示される様な、外皮がかしめ型のメタルコアードワイヤをかしめ型メタルコアードワイヤと呼ぶ。また、図４（ｃ）および図４（ｄ）の例に示される様な、外皮がシームレス型のメタルコアードワイヤをシームレスメタルコアードワイヤと呼ぶ。さらに、かしめ型メタルコアードワイヤとシームレスメタルコアードワイヤとを総称してメタルコアードワイヤと呼ぶ。
【００２８】
メタルコアードワイヤの外皮Ａ又はＢの素材は、成形性や伸線行程での加工性の観点から、一般には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎおよび他はＦｅと不可避の不純物からなる軟鋼が使用され、溶接材料として必要な合金元素は内部に充填される金属粉末から添加される。しかし、合金添加量の多いメタルコアードワイヤでは必要に応じては外皮からも合金成分を添加することもある。酸素量は一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度しか含まれない。
【００２９】
メタルコアードワイヤの中に入れる金属粉末および合金粉末Ｃとは、具体的にはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＴｉ等の純金属粉末あるいは合金粉末があり、必要に応じて取捨選択される。金属粉末の中で、特にＦｅは他の金属粉末や合金粉末と異なり表面に酸素を吸着しやすく、また粉末の表面は酸化し微量の酸化鉄も形成し易く、本発明においては酸素を供給する粉末として重要な役割を果たす。また、必要に応じてメタルコアードワイヤの製造性を改善するために、金属粉末以外に水ガラス等の製造助剤や、溶接性をさらに改善するための酸化物、フッ化物等のアーク安定剤を添加するが、このことは本発明の効果に影響しない。また、これらの成分はメタルコアードワイヤの成分としては不可避の不純物として含まれる。元素としてはＭｇ、ＮａあるいはＣａが挙げられる。
【００３０】
メタルコアードワイヤの合金元素の平均組成は、外皮の化学組成、金属粉末の平均組成、および製造設備や製造行程で決まるメタルコアードワイヤの外皮と金属粉末の質量比がきまれば式（３）で決定される。
Ｍ（ＣＷ）＝Ｍ（ｇ）×ａ（ｇ）＋Ｍ（ｐ）×ａ（ｐ） ・・・（３）
但し
Ｍ（ＣＷ）：メタルコアードワイヤの元素Ｍの平均の質量％
Ｍ（ｇ） ：外皮の元素Ｍの質量％
ａ（ｇ） ：金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する外皮の単位長さの質量の比
Ｍ（ｐ） ：金属粉末中の元素Ｍの平均質量（％）
ａ（ｐ） ：金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する金属粉末の単位長さの質量の比
ａ（ｇ）＋ａ（ｐ）＝１
【発明の効果】
【００３１】
本発明のサブマージアーク溶接方法によれば、電極として用いるソリッドワイヤ以外にメタルコアードワイヤを使用することで、溶接金属の酸素量を容易に制御でき、頂部スラグインを生じさせることなく良好なビード形状の溶接ができる。その結果、溶接性が良好で、かつ靭性に優れた高強度溶接金属を得ることができるという顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は引張強度が８００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下の溶接金属に適用することを前提としている。それは、８００ＭＰａ未満の強度の溶接金属では、溶接金属の合金量が少なく従来技術でも靭性が良好でかつビード形状も良好な溶接部が得られるためである。また、１２００ＭＰａ超の溶接金属では組織がマルテンサイト組織となり、靭性確保が本発明の技術のみでは困難になる。
【００３３】
溶接方法は、下向きサブマージアーク溶接を用いる。電極の数は１電極あるいは２電極以上であるが、実用上最大で５電極までが望ましい。
次ぎに具体的に本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３４】
本発明では自動的に溶融池に送給されるメタルコアードワイヤを使用し、そのメタルコアードワイヤの配置を、１電極サブマージアーク溶接の場合はソリッドワイヤの後方に配置し、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの距離が用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下で且つソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度が１５度以下とした。また、多電極サブマージアーク溶接の場合はメタルコアードワイヤをソリッドワイヤの間あるいは最後尾のソリッドワイヤの後方の少なくとも１箇所以上に配置し、最後尾のソリッドワイヤの後方にメタルコアードワイヤを配置する場合は、最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの距離が用いているソリッドワイヤのうち最も太いソリッドワイヤの直径の８倍以下とし、且つ最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度を１５度以下とした。この理由をについて次に述べる
先ずメタルコアードワイヤを使用する理由について述べる。
【００３５】
先に述べた様に引張強度が８００ＭＰａ以上のサブマージアーク溶接金属において、良好な靭性を得るためには、溶接金属の酸素量を質量％で０．０１８％〜０．０３５％の範囲に制御する必要がある。一方、図２および図３が示す様にフラックスで酸素量を範囲に制御すると頂部スラグインが発生する。そのため、フラックス以外の何らかの方法で、溶接金属中の酸素量を増加する方法を考えなければならない。先に述べた様に、ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に不可避の不純物程度であるため、ソリッドワイヤを使用する限り、ワイヤから酸素を供給することはできない。そのため、本発明では安定して溶接金属の酸素量を質量％で０．０１８％〜０．０３５％の範囲にするために、メタルコアードワイヤを用いて酸素量を増加する。
【００３６】
図５に、サブマージアーク溶接の電極間あるいは最後尾の電極の後方にメタルコアードワイヤを１本以上配置した場合の、フラックスの式（１）で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す。図５の作成に用いた溶接は１電極〜５電極サブマージアーク溶接で電極にはソリッドワイヤを使用し、メタルコアードワイヤを１から４本使用して溶接したものである。サブマージアーク溶接の溶接条件は表２に示す条件を用いた。メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合は５％以上４０％以下の範囲で、メタルコアードワイヤの酸素量は０．０３％以上、０．５０％以下のものを使用した。
【００３７】
図５の横軸は式（１）で計算されるフラックスの塩基度、縦軸に溶接金属中の酸素量を示す。図中○は、図２で示したソリッドワイヤのみのサブマージアーク溶接による溶接金属中の酸素量である。図中●は電極として使用しないメタルコアードワイヤを１本以上用いて、溶接金属の酸素量を増加させた結果である。図５が示す様に、メタルコアードワイヤを使用することにより同じ式（１）で計算される塩基度のフラックスを使用しても、溶接金属中の酸素量を増加させることができる。
【００３８】
メタルコアードワイヤは先に述べた様に、金属粉末に含まれるＦｅ粉末の表面に酸素を吸着しているか表面が酸化しているため、ソリッドワイヤよりも酸素を多く含有させることができ、このメタルコアードワイヤを使用することにより効率良く安定して溶接金属に酸素を供給することができる。
【００３９】
メタルコアードワイヤから供給する酸素量は、メタルコアードワイヤの酸素量、メタルコアードワイヤを使用する本数、およびメタルコアードワイヤの送給速度で調整することができる。すなわち、酸素量の多いメタルコアードワイヤを使用すれば溶接金属に供給される酸素量は多くなる。メタルコアードワイヤの酸素は、金属粉末に含まれるＦｅ粉末の表面に吸着している酸素あるいは表面の酸化鉄が供給源となる。表面に吸着している酸素量は製造方法や保管方法により変化させることも可能である。また、金属粉末と皮材の重量比率を変えることにより同じ酸素量のＦｅ粉末を使用しても、メタルコアードワイヤの酸素量を変えることができる。
【００４０】
また、多電極サブマージアーク溶接に本発明を適用する場合は、用いるメタルコアードワイヤの数を増加しても容易に可能である。すなわち、例えば、３電極サブマージアーク溶接へ適用する場合は、例えば、第１電極と第２電極の間にのみメタルコアードワイヤを配置する場合と比較して、第１電極と第２電極の間および第２電極と第３電極の間の２カ所に配置することにより、より多くの酸素をメタルコアードワイヤから溶接金属に供給することができる。
【００４１】
また、メタルコアードワイヤは電極としては使用してないため、メタルコアードワイヤの送給速度を調節することによっても、メタルコアードワイヤからの酸素の供給量を増減することができる。すなわち、メタルコアードワイヤの送給量を多くすればそれだけ、全溶着金属量に占めるメタルコアードワイヤの量が増加し、メタルコアードワイヤから供給される酸素量が増加することになる。
【００４２】
次ぎにメタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合の限定理由について説明する。
【００４３】
本発明では、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合が５％以上４０％以下に規定したが、好ましくは１０〜３０％である。これは本発明の範囲の酸素量を持つメタルコアードワイヤでは、靭性を確保するために必要な酸素量を溶接金属に供給するためには、最低５％以上は必要である。一方、４０％超ではメタルコアードワイヤの量が多すぎて、溶融池内でメタルコアードワイヤが十分溶融することが出来ず、平均の溶接金属の酸素量は適正な範囲には言っても、酸素過剰で酸化物の多い部分が溶接金属中に発生し、溶接金属の靭性が低くなる。そのため４０％以下とした。
【００４４】
本発明ではメタルコアードワイヤを溶接部に送給するが、その送給方法は特段指定するものでは無い。ワイヤの送給速度を制御できる機構であればモーターとギヤを併用した送給機等の一般に駆動方法により自動的に送給すれば良い。そして次に述べる本発明の範囲内の位置に送給された場合、メタルコアードワイヤは溶融池に挿入され溶融するか、ソリッドワイヤからは発生するアークにより加熱され溶融する。あるいは両方の効果により溶融する。そして十分溶融池内で混合され均一な溶接金属を形成する。
【００４５】
次に、ソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤの配置について説明する。
【００４６】
図６は請求項１に関する１電極サブマージアーク溶接におけるソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤの配置を示す模式図である。図６（ａ）は溶接部の側面から見た模式図である。１電極サブマージアーク溶接の場合は、メタルコアードワイヤａはソリッドワイヤｂの後方に配置する。さらに、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの距離Ｌが用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下とした。これは、ソリッドワイヤの直径の８倍超の距離ではメタルコアードワイヤを配置する位置が溶融池の後方すぎて十分メタルコアードワイヤを溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されないためである。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低くなる。そのため、用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下、好ましくは６倍以下の距離とした。
【００４７】
また、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度が１５度以下とした。図６（ｂ）はメタルコアードワイヤａが溶接線Ｗｌ上に配置された場合の溶接部上面から見た模式図である。一方、図６（ｃ）はメタルコアードワイヤａが溶接線Ｗｌ上に配置されていない場合の溶接部上面から見た模式図であるが、ソリッドワイヤｂとメタルコアードワイヤａを結んだ線と溶接線Ｗｌのなす角度θが１５度超の場合はメタルコアードワイヤａ溶接ビードＷｂを形成する溶融池ｍの端部に挿入されることになり、十分メタルコアードワイヤが溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されない。そのため、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度θが１５度以下、好ましくは１２度以下とした。
【００４８】
次に請求項２に関わるワイヤの配置について説明する。
【００４９】
図７および図８は請求項２に関する、多電極サブマージアーク溶接におけるソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの配置の模式図である。多電極サブマージアーク溶接の場合は、ソリッドワイヤの間あるいは最後尾のソリッドワイヤの後方での少なくとも１箇所には位置する。図７はソリッドワイヤの間にメタルコアードワイヤを配置する場合の模式図である。図７（ａ）は母材Ｍの溶接部の側面から見た模式図である。第1、第2、第3電極のソリッドワイヤｂ、ｃ、ｄの間にメタルコアードワイヤａを挿入する場合、その両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ直線とメタルコアードワイヤａの先端の距離が使用しているソリッドワイヤうち最も太い直径の２倍以下とした。図７（ｂ）はメタルコアードワイヤａがその両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ線Ｗｌ上に配置されている場合の溶接部上面から見た模式図である。これに対して、図７（ｃ）はメタルコアードワイヤａがその両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ線上に無い場合の溶接部上面から見た模式図である。両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ直線とメタルコアードワイヤａの先端の距離Ｌが使用しているソリッドワイヤうち最も太い直径の２倍超の場合は、メタルコアードワイヤａの先端が溶融池ｍの端部に近づく。そのため、十分メタルコアードワイヤａを溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池ｍ内で攪拌されない。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低くなる。そのため、両側のソリッドワイヤを結んだ直線とメタルコアードワイヤの先端の距離Ｄが使用しているソリッドワイヤうち最も太い直径の２倍以下とした。
【００５０】
図８は最後尾のソリッドワイヤの後方にメタルコアードワイヤを配置した場合の模式図である。図８（ａ）は母材Ｍの溶接部の側面から見た模式図である。最終ソリッドワイヤｄの後方にメタルコアードワイヤａを配置する場合は最後尾のソリッドワイヤｄとメタルコアードワイヤａの距離Ｌが用いるソリッドワイヤのうち最も太いソリッドワイヤの直径の８倍以下でとした。この理由は１電極の場合と同様で、この距離がソリッドワイヤのうち最も太いソリッドワイヤの直径の８倍超ではメタルコアードワイヤを配置する位置が溶融池の後方すぎて十分メタルコアードワイヤを溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されないためである。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低くなる。そのため、用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下、好ましくは６倍以下の距離とした。
【００５１】
また、最後尾のソリッドワイヤｄとメタルコアードワイヤａを結んだ線と溶接線Ｗｌのなす角度θが１５度以下とした。図８（ｂ）はメタルコアードワイヤが溶接線上に配置された場合の模式図である。一方、図８（ｃ）はメタルコアードワイヤが溶接線上に配置されていない場合の模式図であるが、１５度超の場合にはメタルコアードワイヤは溶融池の端部に挿入されることになり、十分メタルコアードワイヤが溶融さすることができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されない。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低下する。そのため、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度θが１５度以下、好ましくは１２度以下とした。
【００５２】
図７および図８では、メタルコアードワイヤは各々の図で１本ずつしか記載されていないが、後に述べる様に、溶接金属に供給する酸素量を増加させる目的で図７において２本以上のメタルコアードワイヤを使用しても、又、図７と図８を併用しても本発明の効果は得られる。又、図６、図７および図８では簡便のためソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤは母材に対して垂直に位置しているが、ソリッドワイヤの角度は溶接条件により当然母材に対して適宜角度を持つことは当然であり、これは本発明の効果に影響を与えるものでは無い。
【００５３】
次に、フラックスのＳｉＯ２量の限定理由について述べる。
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＳｉＯ２の比率が質量％で、５．０％〜２０．０％未満と限定した。図９は横軸にフラックス中ＳｉＯ２量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のＳｉＯ２量の影響を示したものである。溶接は３電極サブマージアーク溶接を用い、溶接ワイヤは全てソリッドワイヤを用いた。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。また、図９で使用したフラックスのうちＳｉＯ２が１５．５％〜３１．０％の範囲フラックスは式（１）で計算される塩基度が１．１〜２．０で本発明の範囲である。また、ＳｉＯ２が３４．５％以上のフラックスは式（１）で計算される塩基度が−０．４〜０．８で本発明の範囲外である。
【００５４】
溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上ではＳｉＯ２量がおよそ２０．０％以上で頂部スラグインが発生している。これはＳｉＯ２が過剰に添加されると溶融したスラグがよりガラス質となり溶接金属中から浮上しにくくなり、溶接ビードの頂部に残留しやすくなるためである、また、ＳｉＯ２は溶融スラグの軟化温度を高くするため、スラグの粘性も高める。そのため、上限を２０．０％未満とした。下限は本発明の効果からは特に限定しないが、ＳｉＯ２はガラス成分で少ないとフラックスが結晶質となり吸湿しやすくなり、特に高強度では耐低温割れ性を阻害するため５．０％以上とした。
【００５５】
次にフラックスのＣａＦ２量の限定理由について述べる。
【００５６】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＦ２の比率が質量％で、３０．０％〜５０．０％とした。図１０は横軸にフラックス中ＣａＦ２量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のＣａＦ２量の影響を示したものである。図１０で使用したフラックスではすべて式（１）で計算される塩基度が１．１以上、３．２以下である。
【００５７】
溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上ではＣａＦ２量がおよそ３０％未満で頂部スラグインが発生している。これはＣａＦ２は溶融スラグの軟化溶融音素を下げて粘性を低くする効果があるが、３０％未満ではその効果が得られないためである。そのため、下限を３０．０％とした。上限は本発明の効果のためには限定しなくても良いが、ＣａＦ２量が過剰になるとアークの安定性が損なわれるため、５０．０％以下に限定した。
【００５８】
次にフラックスのＣａＯの限定理由について述べる。
【００５９】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＯの比率が重量％で５．０％〜２５．０％とした。ＣａＯは式（１）で計算される塩基度の調整に添加されるが５．０％以下では（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、５．０％以上必要である。また、ＣａＯは溶接金属の溶接ビード形状に影響をおよぼし、５．０％未満では軟化溶融温度が高くなり溶融ガスの放散の阻害によるあばたの発生等の溶接ビード表面の外観不良につながる。一方、過剰では溶接ビードの余盛りが高くなりビード形状を悪くする。またスラグの剥離性も低下する。そのため上限を２５．０％とした。
【００６０】
次にフラックスのＭｇＯの限定理由について述べる。
【００６１】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＭｇＯの比率が重量％で１．０％〜５．０％とした。ＭｇＯは式（１）で計算される塩基度の調整のために添加する。１％未満では、式（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、１．０％以上は必要である。５．０％超ではビード形状が凸ビードとなり、アンダーカットが発生する。そのため、上限は５％とした。
【００６２】
次にフラックスのＡｌ２Ｏ３の限定理由について述べる。
【００６３】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＡｌ２Ｏ３の比率が重量％で１５．０％〜３０．０％とした。
【００６４】
Ａｌ２Ｏ３も式（１）で計算される塩基度の調整のために添加する。１５．０％未満では式（１）で計算される塩基度が高くなりすぎるため１５％以上は必要となる。一方、３０％超添加すると式（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、上限を１５．０％とした。また、Ａｌ２Ｏ３は溶接作業性に対しても影響を与え、過剰ではアンダーカットや馬の背状の突起が溶接ビード頂部に生成するため、上限を３０％とした。
【００６５】
次に、フラックスの式（１）で計算される塩基度の限定理由について述べる。
使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２のモル分率を用いて式（１）で計算されるフラックスの塩基度が１．１〜３．２に限定した。
【００６６】
用いる高塩基性フラックスの構成成分としては、ＳｉＯ２およびＣａＦ２以外にＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＬｉＯ２、ＴｉＯ２等の酸化物、あるいはＣａＣＯ３等がスラグの生成、塩基度の調整、溶接ビード形状を整える効果等の目的で使用される。これらの成分の担体での量は頂部スラグインの生成には影響をおよぼさないが、これらの成分の内、ＳｉＯ２、ＣａＦ２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３の配合比によりスラグインが発生しやすくなる。具体的には、溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上の場合は、Ｓｉ０２量やＣａＦ２量が適正な範囲でも、式（１）で計算される塩基度が１．１未満では図２が示す様に頂部スラグインが発生する。そのため下限を１．１とした。
【００６７】
一方、上限は本発明の効果からは特に限定は無いが、式（１）で計算される塩基度が高くなるに従いフラックスがより結晶質になるため、フラックスの表面積が多くなり吸着水が多くなる結果、溶接金属中の水素が増加し割れ等の欠陥が発生する頻度が高くなる。そのためフラックスの乾燥や乾燥した後の保管方法で対策が必要でありコスト的に不利になる。そのため上限を３．２とした。
Ｂ＝６．０５Ｎ［ＣａＯ］＋４．０Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１Ｎ［ＣａＦ２］−０．２Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
ここで、Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を意味する。
【００６８】
次ぎに、溶接金属の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接においては溶接金属の特性はその化学組成で決まるため、成分範囲は重要である。
【００６９】
Ｃ：０．０３％〜０．１２％
Ｃは、溶接金属の焼き入れ性を確保し、強度と靭性を得るために重要な元素である。０．０３％未満では強度が得られない。一方、０．１２％を超えると強度が過剰となる。また、炭化物が形成し靭性が低下する。そのため、０．１２％以下とした。
【００７０】
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％
Ｓｉは脱酸元素として必要であり、０．０３％以上は必要である。一方、０．４０％を超えて添加するとＳｉが過剰となり、過剰Ｓｉは溶接金属中に固溶し靭性を低下する。そのため、上限を０．４０％とした。
【００７１】
Ｍｎ：０．５％〜３．０％
Ｍｎは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るために０．５％以上必要である。一方、３．０％を超えると強度が過剰となり靭性が低下するため、上限を３．０％とした。
【００７２】
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％
Ｔｉは溶接金属の組織を微細化するのに最低限０．００２％以上は必要である。しかし、０．０２５％を越えると、固溶Ｔｉが増加し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．０２５％とした。
【００７３】
Ａｌ：０．００２〜０．０３０％
Ａｌは、母材、ワイヤおよびフラックスから移行してくるため溶接金属中には不純物として存在する。しかし、０．０３０％を超えると粗大な酸化物が形成し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．０３０％とした。下限は本発明の効果からは特に限定する必要がないが、母材やフラックスかの不可避の不純物として０．００２％以上は含まれる。
【００７４】
Ｎｂ：０．０４％以下
Ｎｂは溶接材料には不可避の不純物程度にしか含まれないが、母材にはＮｂを添加する場合もあるため、母材から溶接金属に供給される。Ｎｂが過剰に溶接金属に含有すると炭化物を形成し靭性が低下する原因となる。そのため、上限を０．０４％とした。
【００７５】
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％
Ｏは溶接金属の靭性を確保するために重要な元素である。０．０１８％未満では、組織を微細化して靭性を向上させるのに必要な酸化物を形成することができない。そのため０．０１８％以上は必要である。しかし、０．０３５％を超えると、粗大な酸化物を形成するようになり、溶接金属の靭性は低下する。そのため、上限を０．０３５％とした。
【００７６】
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含む：
Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏは溶接金属の強度を向上させる元素であるため添加する。しかし、過剰添加は靭性あるいは溶接性を低下させるため上限をきめた
Ｃｒは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、１．５％を超えると、過剰のＣｒは溶接金属の靭性を低下させる。そのため、上限を１．５％とした。
【００７７】
Ｎｉは、溶接金属の強度と靭性を向上させるために添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、４．０％を超えると、溶接時の高温割れが発生する危険性が高くなる。そのため上限を４．０％とした。
【００７８】
Ｍｏは焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、２．０％を超えると、過剰のＭｏは溶接金属の強度を過剰に高め、靭性を低下させる。そのため、上限を２．０％とした。
【００７９】
次ぎに溶接金属の化学組成を用い低式（２）で計算されるＰｃｍの値を０．２２〜０．３８とした。０．２２以下では溶接金属の強度が８００ＭＰａ未満となるため、下限を０．２２とした。また、０．３８を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎるため、上限を０．３８とした。
【００８０】
次ぎに請求項３および請求項４に記載の母材の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接では母材の希釈率が高いため、サブマージアーク溶接の溶接金属の化学組成は母材の化学組成と溶接材料の化学組成との両方の影響を受ける。そのため、母材の化学組成を規定することにより容易に適切な化学組成の溶接金属を得ることができる。また、用いる母材の化学組成を限定することにより母材の特性を向上することができ、より良好な溶接継手を得ることができる。
【００８１】
Ｃ：０．０３％〜０．１５％
Ｃは焼き入れ性を高め、組織を微細化するために重要名元素であり。母材の強度を確保するためには０．０３％以上必要である。また、溶接金属に安定してＣを供給するために、０．０３％以上必要である。一方、０．１５％を越えて添加するとＣが過剰となる。そのため、母材の溶接熱影響部の硬化が著しく、靭性に悪影響をおよぼす。そのため上限を０．１５％とした。
【００８２】
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％
Ｓｉは母材の製造時に脱酸元素として必要であり、その効果を得るために０．０１％以上必要である。一方、０．５０％を超えて添加すると母材の靭性が低下する。また、溶接金属への移行するＳｉ量が過剰となり溶接金属の靭性も低下させる危険性があるため、上限を０．５％とした。
【００８３】
Ｍｎ：０．５％〜３．０％
Ｍｎは母材の焼き入れ性を高め強度を得るために必要な元素で、少なくとも０．５％以上必要である。一方、３．０％を超えて添加すると強度が高くなりすぎ靭性を低下させる。また、偏析が大きくなり、鋼材の組織も不均一にする。そのため、上限を３．０％とした。
【００８４】
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％
Ｔｉは、微量添加により母材の強度を向上させ靭性も改善するため、０．００１％以上必要である。しかし、過剰のＴｉは母材強度を過剰にする。そのため上限を０．０２％とした。
【００８５】
Ａｌ：０．００１％〜０．０４％
Ａｌは脱酸元素として母材に必要で、０．００１％以上添加される必要がある。しかし、０．０４％を超えて添加すると粗大な酸化物を形成して母材の靭性は低下すため、上限を０．０４％とした。
【００８６】
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％の何れか１種又は２種以上を含む：
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂは何れも母材の強度を向上させるために何れかを１種あるいは２種以上添加するが、過剰添加により、母材の靭性を低下させるため、上限を決めた。
Ｃｒは焼き入れ性を高めて、強度を確保するため添加する。この効果を得るためには、０．１％以上必要である。しかし、１．５％を超えて添加すると母材の靭性を低下させる。そのため、上限を１．５％とした。
【００８７】
Ｎｉは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．１％以上は必要である。しかし、２．５％を超えて添加すると溶接金属に移行するＮｉが過剰となり溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので上限を２．５％とした。
【００８８】
Ｍｏは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果をえるためには、０．１％以上必要である。しかし、２．０％を超えて添加すると母材の強度が過剰となり母材の靭性が低下する。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので、上限を２．０％とした。
【００８９】
Ｎｂは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．００５％以上必要である。しかし、０．０６％を超えて添加すると強度が過剰となり靭性が低下する危険性が高くなるため、上限を０．０６％とした。好ましくは０．００５〜０．０５％である。
【００９０】
次ぎに、請求項５に記載の用いるソリッドワイヤの化学組成およびメタルコアードワイヤの平均の化学組成の限定理由について説明する。溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料により決定される。そのため、溶接に用いるソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成を規定することにより、容易に溶接金属の組成を設計することができる。酸素量以外はソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとは化学組成の範囲は同じである。酸素量はメタルコアードワイヤのみ限定する。
【００９１】
Ｃ：０．０３％〜０．１５％
Ｃは焼き入れ性を高めて、溶接金属の強度を確保するために重要な元素である。そのため、０．０３％以上必要である。しかし、０．１５％を超えて添加すると溶接金属のＣ量が過剰となり強度が高くなり靭性が低下する。そのため、上限を０．１５％とした。
【００９２】
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％
Ｓｉは溶融した溶接金属の粘性を高める元素であり、作業性の観点から０．０２％以上は必要である。しかし。０．８０％を超えて添加すると溶接金属中のＳｉ量が過剰となり靭性が低下するため、上限を０．０８０％とした。
【００９３】
Ｍｎ：０．２％〜４．０％
ＭｎもＣと同様、溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために添加する元素である。そのため、０．２％以上は必要である。しかし、４．０％を超えて添加すると、溶接金属中のＭｎ量が過剰となり靭性が低下するため、上限を４．０％とした。
【００９４】
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％
Ｔｉは酸素と結合して酸化物を形成して、溶接金属の組織の微細化に役立つ重要な元素である。０．００２％未満ではワイヤからの添加量が足らず、その効果が得られないため、溶接金属の靭性が低下する。そのため、０．００２％以上は必要である。しかし。０．１０％を超えてワイヤに添加すると、酸化物を形成するに必要なＴｉ以上が溶接金属に供給されるため固溶したＴｉが溶接金属中に増加し、溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．１０％とした。
【００９５】
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％
Ａｌは溶接金属の靭性に対して酸化物を形成して低下させる。当然ワイヤからも溶接金属に移行するため、上限をさだめた。０．０２％を超えてワイヤに含まれると、溶接金属のＡｌ量が過剰となり靭性が低下する。下限は特に溶接金属の靭性の観点からは必要ないが通常０．００１％以上は不可避の不純物として含まれる。
【００９６】
Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％の何れか１種又は２種以上を含む：
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは溶接金属の強度を確保するために１種または２種以上添加する。そのため、母材から供給される量の不足分は溶接材料から供給される。
【００９７】
Ｃｒは溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために必要に応じてワイヤに添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、過剰のＣｒは靭性を低下させる。３．０％を超えて添加すると溶接金属中のＣｒが過剰となり溶接金属の靭性が低下する。そのため、３．０％以下とした。
【００９８】
ＮｉもＣｒと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、８．０％を超えてＮｉを添加すると、溶接金属中のＮｉ量が過剰となり、高温割れを引き起こす。そのため、上限を８．０％とした。
【００９９】
ＭｏもＮｉおよびＣｒと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、４．０％を超えてＭｏを添加すると、溶接金属の強度が過剰となり靭性が低下する。そのため、上限を４．０％とした。
【０１００】
次にメタルコアードワイヤの酸素量の限定理由について述べる。
【０１０１】
Ｏ：０．０３％〜０．５０％％
メタルコアードワイヤの酸素量を質量％で０．０３％〜０．５０％に限定した。本発明では、メタルコアードワイヤから酸素を溶接金属に添加するのが目的である。そのため、メタルコアードワイヤの酸素量を規定する。０．０３％未満では酸素量が少なく、溶接金属中に十分な酸素量が供給されない。そのため０．０３％以上は必要である。一方、０．５０％を超えると、酸素量が過剰となった結果、ガス成分が多くなりブローホール等の欠陥が生じ易くなる。そのため上限を０．５０％以下とした。また、０．５０％以下の酸素量のメタルコアードワイヤであれば、式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲のフラックスを用いている限り、溶接金属は酸素過剰にはならない。
【実施例１】
【０１０２】
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【０１０３】
実施例に用いた溶接方法は、１電極から５電極までのサブマージアーク溶接を使用した。表２に実施例で用いた溶接条件を示す。開先形状は図１１に示すＶ開先を用いた。開先角度は８０度で開先深さＤｋは表３に示す様に入熱に応じた開先深さを用いた。この開先内に表２に示した溶接条件で１層溶接を行った。
【０１０４】
表４に実施例で用いたソリッドワイヤを示す。ソリッドワイヤは化学組成が異なるワイヤを１６種類用いた。このうち、ワイヤＳ１からワイヤＳ１１までは、請求項５に記載された成分範囲を持つソリッドワイヤである。ソリッドワイヤの直径は主に３．２ｍｍで、一部の実施例で４．０ｍｍのソリッドワイヤを使用した。
【０１０５】
表５に実施例で用いたメタルコアードワイヤを示す。メタルコアードワイヤは化学組成の異なるかしめ型メタルコアードワイヤを２０種類準備した。強度レベルが１０００ＭＰａ未満のワイヤはかしめ型メタルコアードワイヤ、１０００ＭＰａ以上はシームレスメタルコアードワイヤを用いた。ワイヤＣ１からワイヤＣ１３までは請求項５に記載された成分範囲を持つメタルコアードワイヤである。Ｃ１２は、使用する直前まで開封せず、表面への酸素吸着を防いだ状態で保管した鉄粉を使用したため酸素量の少ないＣＷになっている。また、Ｃ１３は鉄粉量を多くしているため、ＣＷ中の酸素量が高い。ワイヤＣ１４からワイヤＣ２０までは化学成分の一部が請求項５の範囲外である。メタルコアードワイヤの直径はすべて３．２ｍｍである。
【０１０６】
表６に実施例に用いたフラックの組成を示す。フラックスはメルトタイプのフラックスを用いた。フラックスａからスラックスｇまではＣａＦ２量、ＳｉＯ２量および式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲内である。一方、フラックスｈからフラックスｋは式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲外である。また、スラックスｈは式（１）で計算される塩基度とともにＣａＦ２量も発明の範囲以上である。フラックスｊは式（１）で計算される塩基度とともにＳｉＯ２量が本発明の範囲外である。フラックスｋは式（１）で計算される塩基度とともにＣａＦ２量、ＳｉＯ２量も本発明の範囲外である。一方、フラックスｌからフラックスｎまでは式（１）で計算される塩基度は本発明の範囲であるが、ＣａＦ２およびＳｉＯ２のいずれか一方、あるいは両方の含有量が本発明の範囲外である。これらのフラックスは何れも、使用前に２５０℃で１時間乾燥した後に使用した。一部のフラックスは乾燥後の吸湿を防ぐため、使用直前まで容器に密閉して保管した。
【０１０７】
表７に実施例で用いた母材を示す。母材は板厚２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、幅１５０ｍｍの寸法で、強度が８５０ＭＰａ、９５０ＭＰａおよび１０００ＭＰａ級の鋼板を用いた。母材Ｂは請求項２の成分範囲の母材である。母材Ｃから母材Ｌまでは請求項３の範囲の成分を満足する母材である。これらの鋼板に、図１１に示した片面Ｖ開先を１０００ｍｍ長さの方向に全長にわたり加工し溶接に供した。
【０１０８】
これらの、化学組成の異なる母材、化学組成の異なるソリッドワイヤおよび化学組成の異なるメタルコアードワイヤを組み合わせることにより溶接金属の化学成分を調整し、溶接金属の強度を調整した。
【０１０９】
評価は、頂部スラグインの発生の有無、頂部スラグイン以外の内部欠陥の有無、ビード形状、ミクロ組織、溶接金属引張強度および−３０℃の溶接金属吸収エネルギーで評価した。ビード形状は、作成した溶接ビードの目視外観で評価した。頂部スラグインの発生の有無は、先ず溶接ままで全長にわたり放射線透過試験を行い、欠陥の調査をした。その後、溶接ビードの有る面とは逆側の裏面から１５ｍｍ減厚して頂部スラグイン以外の欠陥を除去した後、再度放射線透過試験を行い、頂部スラグインの有無を判断した。この際、頂部スラグイン以外の割れ等の内部欠陥も２回の放射線透過試験で評価を行った。引張試験のための試験片は、図１２に示す様に表面から５ｍｍの位置の溶接金属中央部から、丸棒型のＪＩＳＡ２号引張試験片Ｔｓを引張試験片の平行部が溶接線と平行になるように採取した。衝撃試験のための試験片は図１３に示す様に、表層から６ｍｍの位置よりノッチ方向が溶接線方向になるように２ｍｍＶシャルピー衝撃試験片Ｔｐを採取して測定した。また、組織観察用試験片を機械試験片採取用の溶接継手より溶接スタート側、溶接ビード長さの１／２位置および溶接クレータ側の３カ所から各溶接条件で３個づつ採取し、組織観察を行い組織の健全性を調査した。溶接継手は、放射線透過試験用と、それ以外の評価用に各々の条件につき２体づつ作成した。
【０１１０】
【表２】
【０１１１】
【表３】
【０１１２】
【表４】
【０１１３】
【表５】
【０１１４】
【表６】
【０１１５】
【表７】
【０１１６】
表８−１及び８−２は１電極サブマージアーク溶接へ適用した発明例である。発明例１から発明例２４まで、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．１以上のフラックスであるが、本発明の範囲内の酸素量を含有するメタルコアードワイヤを全溶着金属に対して適正な量を適正な位置で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置が本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生していない。
【０１１７】
発明例１８は、酸素量の少ないＣ１２のメタルコアードワイヤを使用しているが溶接金属中の酸素量は確保できている。また、発明例２４は、酸素量の多いＣ１３のメタルコアードワイヤを使用しているが酸素量は適正な範囲に入っている。また、メタルコアードワイヤの酸素量は本発明の範囲内のためピット等の溶接欠陥も発生していない。発明例１４、発明例２０、発明例２１および発明例２２は、同じソリッドワイヤ、メタルコアードワイヤおよびフラックスの組み合わせで、ソリッドワイヤの電極とメタルコアードワイヤの距離を変化させたものであるが、何れも本発明の範囲内のため均一な溶接金属が得られ、靭性は良好である。発明例２３は発明例１５と同じワイヤの組み合わせであるが、メタルコアードワイヤが溶接線上に無く、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結ぶ線と溶接線のなす角度が１３度である。しかし本発明の１５度以下の範囲に入っているために、溶融の不均一等も起こらず良好な靭性が得られている。
【０１１８】
【表８−１】
【０１１９】
【表８−２】
【０１２０】
表９から表１２に多電極サブマージアーク溶接の発明例を示す。
【０１２１】
表９−１及び９−２は、２電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例２５から発明例３３までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が３．０のフラックスｂおよびフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．７のフラックスｅを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量を溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１２２】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生していない。
【０１２３】
表１０−１及び１０−２は、３電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例３４から発明例７５までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が、１．２から２．８のフラックスを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１２４】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生せず良好な靭性を示している。
【０１２５】
発明例６８から発明例７１までは、最後尾のソリッドワイヤとその後方に配置されたメタルコアードワイヤの距離が違うが何れも頂部スラグインの無い良好な靭性を持つ溶接金属が得られている。
【０１２６】
発明例７２から発明例７４までは全てのソリッドワイヤの直径が４．０ｍｍの例である。第３電極のソリッドワイヤの後方３０ｍｍの位置にメタルコアードワイヤを配置しているが、３２ｍｍ以下の位置のため、メタルコアードワイヤは十分溶解し溶融池内で十分攪拌されているため、良好な靭性を示している。さらに、発明例７５は第一電極のソリッドワイヤの直径が４．０ｍｍの例である。それ以外の電極のソリッドワイヤは３．２ｍｍである。第３電極の後方３０ｍｍの位置にメタルコアードワイヤを配置しているが、最も太いワイヤの４．０ｍｍの８倍の距離以下の位置のため溶融池内で溶融したメタルコアードワイヤは攪拌され、良好な靭性を示している。
【０１２７】
表１１−１及び１１−２は４電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例７６から発明例８０までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．２のフラックスｇを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１２８】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生せず良好な靭性を示している。
【０１２９】
発明例７８、発明例７９および発明例８０は、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合は８％と小さいが、溶接金属中の酸素量は適正な範囲に入り、良好な溶接金属靭性が得られている。発明例８０は発明例７９と比較して、最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとを結ぶ線と溶接線とのなす角度が１５度の場合である。しかし、本発明の範囲内のため、メタルコアードワイヤは十分溶融し溶融池内で攪拌されているため、冶金的な問題は生じることなく、良好な靭性が得られている。
【０１３０】
表１２−１及び１２−２は５電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例８１から発明例８９までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．２および３．２のフラックスを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１３１】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生せず良好な靭性を示している。
【０１３２】
メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合は６％から３８％までの範囲があるが、いずれも本発明の範囲内のメタルコアードワイヤを使用しているため溶接金属中の酸素量は適正な範囲であり、その結果溶接金属の靭性は良好である。
【０１３３】
【表９−１】
【０１３４】
【表９−２】
【０１３５】
【表１０−１】
【０１３６】
【表１０−２】
【０１３７】
【表１１−１】
【０１３８】
【表１１−２】
【０１３９】
【表１２−１】
【０１４０】
【表１２−２】
【０１４１】
次に比較例について説明する。
【０１４２】
表１３−１及び１３−２はメタルコアードワイヤを使用しない場合の比較例である。メタルコアードワイヤは使用せずソリッドワイヤのみ使用して溶接した場合の比較例である。比較例１および比較例２は１電極サブマージアーク溶接、比較例３から比較例５までは２電極サブマージアーク溶接、比較例６から比較例２５までは３電極サブマージアーク溶接の比較例である。
【０１４３】
フラックスａからフラックスｇを使用している比較例１から比較例４および比較例６から比較例１４ではフラックスのＣａＦ２量、ＳｉＯ２量および式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲内のため頂部スラグインは発生していないが、溶接金属の酸素量を増加する手段を講じていないため溶接金属中の酸素量が少なく、そのため溶接金属の靭性が低い。
【０１４４】
比較例１５はフラックスｈを使用している。このフラックスは式（１）で計算される塩基度が高く、ＣａＦ２量が多く、ＳｉＯ２量が少ないため、頂部スラグインは発生していない。しかし、高塩基性のフラックスのため溶接金属の酸素量が低く靭性が低い。また、フラックス中のＣａＦ２量が過剰でアークが安定せず、そのため溶接ビードが蛇行している。さらに、式（１）で計算される塩基度が高すぎるフラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１４５】
比較例５および比較例１６から比較例２０はフラックスｉあるいはフラックスｊを使用している。溶接金属の酸素量は０．０１８％以上、０．０３５％以下のため溶接金属の靭性は良好であるが、頂部スラグインが発生している。
【０１４６】
比較例２１および比較例２２はフラックスｋを使用している。溶接金属の酸素量も過剰のため溶接金属の靭性が低い。またＣａＦ２が本発明の範囲未満で且つＳｉＯ２が本発明の範囲を超えているため、頂部スラグインも発生している。
【０１４７】
比較例２３はフラックスｌを使用している。このフラックスは、ＳｉＯ２が２５．０％以下、ＣａＦ２は３０．０％以上で、式（１）で計算される塩基度は１．１以上のため頂部スラグインは発生していないが、溶接金属の酸素量が低くそのため溶接金属の靭性が低い。さらにＣａＦ２量が本発明の範囲を超えているため、アークの安定性が損なわれて溶接ビードが蛇行している。さらに、ＳｉＯ２量が本発明の範囲未満のため、フラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１４８】
比較例２４はフラックスｍを使用している。フラックスのＣａＦ２量が本発明の範囲未満のため、頂部スラグインが発生している。また、溶接金属の酸素量が少なく、溶接金属の靭性が低い。
【０１４９】
比較例２５はフラックスｎを使用している。フラックスのＳｉＯ２量が本発明の範囲を越えているため頂部スラグインが発生している。また、溶接金属中の酸素量が少ないため、溶接金属の靭性も低い。
【０１５０】
【表１３−１】
【０１５１】
【表１３−２】
【０１５２】
表１４−１及び１４−２は１電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。メタルコアードワイヤの配置位置、メタルコアードワイヤの添加量、用いているソリッドワイヤ、フラックスおよび母材は本発明の範囲である。しかし比較例２６はメタルコアードワイヤに酸素量が本発明の範囲を超えているＣ２０を使用しているため、ピットが発生している。比較例２７は逆に、酸素量が本発明の範囲未満のメタルコアードワイヤＣ１９を使用しているため、溶接金属中の酸素量が低く溶接金属の靭性が低い。
【０１５３】
【表１４−１】
【０１５４】
【表１４−２】
【０１５５】
表１５−１及び１５−２は３電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。比較例２８は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、第３電極とその後方に配置されたメタルコアードワイヤとの距離が３０ｍｍである。電極に使用しているワイヤの直径が３．２ｍｍであるため、その８倍の２５．６ｍｍ以上の距離である。そのため、メタルコアードワイヤの挿入位置が溶融池の後方によりすぎ、メタルコアードワイヤが完全に溶融できず、さらに溶融池の中で十分攪拌されていない。その結果、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１５６】
比較例２９は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとを結ぶ線と溶接線とのなす角度が２０度の場合の例である。角度が本発明の範囲以上のため、メタルコアードワイヤが十分溶融・攪拌されていない。その結果、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１５７】
比較例３０は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、第２電極と第３電極のソリッドワイヤを結んだ線とメタルコアードワイヤとの距離が８ｍｍで、本発明の範囲であるソリッドワイヤの直径の２倍の６．４ｍｍ以上である。そのため、メタルコアードワイヤが十分溶融・攪拌されていない。その結果、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１５８】
比較例３１はフラックスｈを使用した例である。塩基度の高いフラックスを使用しているがメタルコアードワイヤを３本使用して溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属中の酸素量は適正範囲である。そのため溶接金属の靭性は良好である。しかし、フラックス中のＣａＦ２量が本発明の範囲を超えて過剰でアークが安定せず、そのため溶接ビードが蛇行している。さらに、式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲を超え高いためフラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１５９】
比較例３２は３電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤ３本使用したものである。塩基度の高いフラックスのフラックスｌを使用しているがメタルコアードワイヤを使用しているため溶接金属の酸素量は適正範囲である。そのため、溶接金属の靭性は良好である。また、フラックスｌは、ＳｉＯ２が２５．０％以下、ＣａＦ２は３０．０％以上で、式（１）で計算される塩基度は１．１以上のため頂部スラグインは発生していない。しかし、ＣａＦ２量が本発明の範囲を超えているため、アークの安定性が損なわれて溶接ビードが蛇行している。さらに、ＳｉＯ２量が低いため、フラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１６０】
比較例３３は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、メタルコアードワイヤの送給速度を速くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を本発明の範囲を超える４５％まで高めた。その結果、メタルコアードワイヤが十分溶融できず溶融池の中で完全に攪拌されていないため、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１６１】
比較例３４は第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、メタルコアードワイヤの送給速度を遅くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を本発明の範囲未満の３％まで小さくした。その結果、用いているメタルコアードワイヤは酸素量の高いＣ１３を用いているにも関わらず、溶接金属の酸素量が低く溶接金属の靭性は低い。
【０１６２】
比較例３５から比較例４４までは用いているフラックスは本発明の範囲内であるが、用いているソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成の一部が過剰かあるいは不足しているため、溶接金属の成分が本発明の範囲から外れている。その結果、強度過剰ともに靭性が低い、あるいは強度不足等の問題が生じている。さらには比較例３７および比較例４３では溶接金属のＮｉ量が過剰で、その結果高温割れが生じている。
【０１６３】
比較例３５は、Ｃ量が請求項５の範囲未満のソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤを使用している。そのため、溶接金属中のＣが不足している。また、溶接金属のＰｃｍも本発明の範囲未満である。そのため、強度が低い。比較例３６は用いているソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤのＭｏ量およびＴｉ量が過剰で、そのため溶接金属の化学組成もＭｏ量およびＴｉ量が過剰となり靭性が低い。また、Ｐｃｍも高いため強度が過剰である。
【０１６４】
比較例３７は溶接金属中のＮｉ量が過剰となり高温割れが発生している。また、溶接金属中のＭｏ量も過剰のため、靭性も低い。比較例３８は、溶接金属中のＣ量およびＭｎ量も過剰となっている。そのため、溶接金属のＰｃｍが本発明の範囲を超えており、強度過剰で溶接金属の靭性が低い。
【０１６５】
比較例３９は、溶接金属中のＡｌ量が過剰で低強度であるにもかかわらず靭性が低い。比較例４０はＭｎ量およびＴｉ量の多いＳ１６およびＣ１８を使用しているため溶接金属のＭｎ量およびＴｉ量が過剰で靭性が低い。比較例４１はＰｃｍが本発明の範囲未満であり低強度である。しかし溶接金属中のＡｌ量が高いため低強度にもかかわらず靭性が低い。比較例４２は溶接金属中のＣｒ量、Ｍｎ量およびＴｉ量も過剰で、溶接金属のＰｃｍも本発明の範囲を超えている。その結果靭性が低い。また溶接金属中のＮｂ量も高く、これも溶接金属の靭性を低下させている。比較例４３は溶接金属のＣ量、Ｓｉ量およびＮｉ量が過剰で強度が過剰となり靭性が低い。さらに、Ｎｉ量が過剰のため溶接時に高温割れが発生している。また、溶接金属中のＮｂ量も高く、これも溶接金属の靭性を低下させている。比較例４４は溶接金属のＣｒ量が過剰で、溶接金属のＰｃｍも本発明の範囲を超えている。また溶接金属中のＮｂ量も高い。これらの原因で溶接金属の靭性が低い。
【０１６６】
表１６−１及び１６−２は４電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。比較例４５は４電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤを４本使用したものである。用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲未満のため、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を４０％であるにもかかわらず、溶接金属中の酸素量が低く溶接金属の靭性が低い。
【０１６７】
比較例４６は４電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤの送給速度を遅くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を３％まで小さくしたものである。その結果、用いているメタルコアードワイヤは酸素量の高いＣ６を用いているにも関わらず、溶接金属の酸素量が低く溶接金属の靭性は低い。
【０１６８】
表１７−１及び１７−２は５電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。比較例４７は５電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤを５本使用したものである。用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲未満のため、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を４０％であるにもかかわらず、溶接金属中の酸素量が低く溶接金属の靭性が低い。
比較例４８は５電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤの送給速度を遅くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を３％まで小さくしたものである。その結果、用いているメタルコアードワイヤは酸素量の高いＣ６を用いているにも関わらず、溶接金属の酸素量が低く溶接金属の靭性は低い。
【０１６９】
【表１５−１】
【０１７０】
【表１５−２】
【０１７１】
【表１６−１】
【０１７２】
【表１６−２】
【０１７３】
【表１７−１】
【０１７４】
【表１７−２】
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
以上の様に、本発明を用いることにより容易に靭性の優れた頂部スラグインの無い下向きサブマージ溶接部を得ることができ、産業上貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】頂部スラグインの模式図である。
【図２】フラックスの式（１）で計算される塩基度と頂部スラグインの発生傾向の関係を示す図である。
【図３】フラックスの式（１）で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す図である。
【図４】メタルコアードワイヤの断面図である。
【図５】メタルコアードワイヤを使用した場合の溶接金属中の酸素量を示す図である。
【図６】１電極サブマージアーク溶接におけるソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤの配置図である。
【図７】多電極サブマージアーク溶接においてソリッドワイヤ間にメタルコアードワイヤの配置した場合の模式図である。
【図８】多電極サブマージアーク溶接において最後尾のソリッドワイヤの後方にメタルコアードワイヤの配置した場合の模式図である。
【図９】フラックス中のＳｉＯ２量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図１０】フラックス中のＣａＦ２量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図１１】実施例に用いた開先形状を示す図である。
【図１２】引張試験片採取要領を示す図である。
【図１３】衝撃試験片採取要領を示す図である。
【符号の説明】
【０１７７】
Ｓ：頂部スラグイン
Ａ：かしめ型メタルコアードワイヤの外皮
Ｂ：シームレスメタルコアードワイヤの外皮
Ｃ：金属粉末あるいは合金粉末
Ｗ：シームレスメタルコアードワイヤの外皮の溶接部
Ｋ：かしめ型メタルコアードワイヤのかしめ部
ａ：電極でないメタルコアードワイヤ
ｂ：第１電極のソリッドワイヤ
ｃ：第２電極のソリッドワイヤ
ｄ：第３電極のソリッドワイヤ
ｍ：溶融池
ｗｌ：溶接線
ｗｂ：溶接ビード
Ｍ：母材
Ｄｋ：開先き深さ
Ｌ：１電極サブマージアーク溶接においては電極、多電極サブマージアーク溶接においては最後尾の電極とその後方に配置されたメタルコアードワイヤとの距離
Ｄ：電極の間にメタルコアードワイヤを配置した場合の両側の電極を結んだ線とメタルコアードワイヤの先端との距離
θ：１電極サブマージアーク溶接においては電極、多電極サブマージアーク溶接においては最後尾の電極とその後方に配置されたメタルコアードワイヤとを結んだ線と、溶接線とのなす角度
Ｔｓ：引張り試験片
Ｔｐ：衝撃試験片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度ラインパイプあるいは高強度水圧鉄管等の溶接において、強度と靭性が要求される溶接金属を作成する際に使用する下向きサブマージアーク溶接方法に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
サブマージアーク溶接は効率が良く高速で溶接できることから、大型構造物の溶接に適用される。さらに必要な溶接効率により、電極数を１電極のみならず複数の電極を用いることも容易であり、より高能率の溶接にも対応できる優れた溶接方法である。
【０００３】
サブマージアーク溶接の溶接金属に要求される特性の一つに靭性がある。溶接金属の靭性は溶接金属中の酸素量を最適化することで向上できることは、多くの研究成果から言われている点で、これに基づき溶接材料の開発が進められている。近年溶接構造物の大型化や、施工コスト低減を目的に用いる鋼材は高強度化が進み、これに伴い用いる溶接金属も高強度化が進んでいる。しかし、溶接金属では強度が高くなれば一般に靭性が低下する傾向にあるため、高強度鋼になるにほど、溶接金属の靭性を確保するために酸素量の制御方法はより重要となる。
【０００４】
従来、サブマージアーク溶接金属の酸素量は使用するフラックスの組成を調整し制御していきた。例えば、特許文献１ではＵＯ鋼管でＸ１００クラスの高強度鋼に対して溶接金属のＴｉおよび酸素を低減することにより、低温靭性を確保している。また、特許文献２では、母剤や溶接金属の化学組成を限定して、高塩基性フラックスを使用することにより溶接金属の靭性を向上させようとしている。さらに、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６では、具体的に酸素を低減する手段としてフラックスの組成を最適化することにより、溶接金属の酸素量を低減し、且つビード形状等の溶接性を確保している。また特許文献７あるいは特許文献８では強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属に対して、溶接金属の酸素量およびＡｌと酸素の比率を制御することにより、溶接金属の靭性を確保しようとしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４３９１１公報
【特許文献２】特開平３−２８５７７０号公報
【特許文献３】特開平５−３７５号公報
【特許文献４】特開平７−２５６４８８号公報
【特許文献５】特開平９−２６２６９２号公報
【特許文献６】特開２００４−１５４８４０公報
【特許文献７】特開平１１−２６７８８４４号公報
【特許文献８】特開２０００−９６１８７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１においては溶接金属の低酸素化の効果については詳細に開示しているがその低酸素化の方法についてまでは開示していない。また、特許文献２では、母材の化学組成やワイヤの化学組成で溶接金属の組織を制御し靭性を向上させようとしているが、適用しようとしている溶接金属のＰｃｍが低いことから低強度の溶接金属しか適用できない。さらに、フラックスの具体的な処方までは開示されていない。これに対して、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６では具体的に低酸素化の実現方法としてフラックスの成分を検討しその方法を明らかにし、さらにワイヤの化学組成も検討し、靭性の向上手段を明らかにしていが、これらの溶接材料を使用する前提がＳＭ４９０やＸ６５相当の低強度の鋼材あるいは溶接金属である。
【０００７】
一方、先に述べた様に近年では８００ＭＰａ以上の高強度鋼の溶接構造物への適用の要望が高まっている。これらの鋼材に適用する８００ＭＰａ以上の高強度溶接金属では、強度を得るため合金元素が高く、そのため溶融金属の粘性が低強度の溶接金属とは変わる。そのため、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６で開示されている様な、低強度溶接金属への使用を前提とした組成のフラックスを、この様な高強度溶接金属を作成する際に使用した場合、図１に示す様なビード頂部にスラグインが発生するという新たな問題が発生するようになってきた。
【０００８】
頂部スラグインとは溶接ビードの余盛り頂上付近の溶接金属内に発生する直径０．１ｍｍから２．０ｍｍ程度のスラグインである。これは溶接中に溶融した溶接金属中の溶融スラグが浮上しきれずに、溶接ビード頂部の溶接金属内に残留したもので、欠陥として認識される。特許文献７では強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属に対して、Ａｌと酸素の比率や用いるフラックスの塩基度を制御して溶接金属の靭性を確保しているが、用いるフラックスの成分にまでは検討を加えておらず、やはり頂部スラグインの問題が発生する。特許文献８でも溶接金属のＡｌと酸素量の比を制御することにより溶接金属の靭性は確保しようとしているが、酸素の制御方法にまでは言及していない。特に、市販のフラックスを使用しており頂部スラグインの問題が回避できていない。
【０００９】
本発明者らは、この問題を解決するために頂部スラグインの生成傾向について検討した。その結果、頂部スラグインの発生傾向は主に、溶接金属の粘性、溶融スラグの粘性および溶接金属と溶融スラグとの界面張力の影響を受けることが判明した。溶接金属の粘性は溶接金属の組成により変化する。また、溶融スラグの粘性はスラグの成分により変化する。溶融金属と溶融スラグとの界面張力も溶接金属の成分と、溶融スラグの成分により変化する。一方、溶接金属の成分は溶接金属の強度を得るために最適化されている。また、溶融スラグの成分は当然フラックスの成分により決まる。そこで発明者らは、溶接金属の強度とフラックスの成分とにより頂部スラグインの発生傾向を整理することを試みた。
【００１０】
そのためにはフラックスの成分系を表す指標が必要である。フラックス成分の設計の重要な観点として酸素量の制御がある。フラックスと溶接金属中の酸素量の関係を示す指標としては塩基度があり、フラックスの成分系を決定する上で重要な指標である。そこで、頂部スラグインの発生傾向も塩基度を利用して整理することを試みた。
【００１１】
その結果を、図２に示す。図２の横軸は、用いるフラックスの成分のうちＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて式（１）で計算される塩基度、縦軸はソリッドワイヤを用いて作成した溶接金属の引張強度である。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式（１）は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。例えば、特開昭６０−１９１６９１号公報でも用いられていて、フラックスの塩基度として古くから用いられている式である。図２の作成に用いた溶接は３電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。図２が示す様に、式（１）で計算される塩基度と溶接金属の強度により頂部スラグインの発生傾向が整理でき、頂部スラグインは溶接金属の強度が高くなるに従いより高い塩基度でも発生するようになる。８００ＭＰａ以上の強度を持つ溶接金属では、式（１）で計算される塩基度が１．１以上でないと、頂部スラグインが発生することになる。
Ｂ＝６．０５Ｎ［ＣａＯ］＋４．０Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１Ｎ［ＣａＦ２］−０．２Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
ここで式（１）中の、Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を意味する。
【００１２】
【表１】
【００１３】
一方、強度が８００ＭＰａ以上の高強度溶接金属の靭性を確保するためには、溶接金属中の酸素量の制御が重要である。強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属においては、発明者等の知見から質量％で酸素量が０．０１８％〜０．０３５％の範囲で安定した靭性が得られることが判っている。これは酸素量が０．０１８％未満では組織の微細化に必要な量の酸化物が形成されず靭性が得られない。また、０．０３５％超では粗大な酸化物が形成され、これが破壊の基点となり靭性が低下するためである。図３は用いるフラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて式（１）で計算されるフラックスの塩基度と、そのフラックスを用いて作成した溶接金属中の酸素量の関係を示す。フラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて、式（１）で計算される塩基度を用いることにより、フラックスの成分と溶接金属中の酸素量は図２に示す様に良く整理することができる。図３の作成に用いた溶接は３電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度である。そのため、図３に示すように溶接金属中の酸素量はフラックスにより決まる。
【００１４】
図３から、溶接金属中の酸素量を安定的に０．０１８％以上得るためには、式（１）で計算される塩基度はおよそ１．１未満である必要がある。しかし、図２から溶接金属の強度が８００ＭＰａ以上では式（１）で計算される塩基度が１．１未満では頂部スラグインが発生し、溶接欠陥防止の観点から問題が生じる。
【００１５】
この様に、高強度溶接金属においては溶接性と靭性の両立が困難になることが判明した。さらに、特許文献で指摘されている様にフラックスの組成は溶接性に対して重要な影響を及ぼし、良好な溶接性と靭性を両立させるフラックスを開発するためには多くの工夫とコストが必要となる。もし、フラックスの成分設計をビード形状やスラグイン等の欠陥防止する溶接性の観点のみで実施し、酸素制御は別の方法で行えるのであれば、サブマージアーク溶接の溶接材料設計を行う上で非常に有効な手段となり得る。
【００１６】
本発明は、この様な観点から検討を加えられたものであり、下向きサブマージアーク溶接により、ビード形状の良好で且つ靭性のすぐれた高強度溶接金属の作成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは上記の目的を達成するために、サブマージアーク溶接方法そのものに注目して酸素量の制御と溶接性を共に両立させる方法を検討した。その結果、サブマージアーク溶接において、電極として用いるソリッドワイヤ以外に電極としては用いないメタルコアードワイヤを使用することにより、容易に溶接金属の酸素量を制御しその結果良好な靭性を持つ溶接金属を得ることが出来ることを見いだし、本発明を完成した。
すなわち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
【００１８】
（１） 引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、１電極を用いてサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記電極をソリッドワイヤとするとともに、該１電極の後方に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置し、前記電極と該メタルコアードワイヤとの距離を、前記１電極のソリッドワイヤの直径または複数電極のソリッドワイヤの最大直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記１電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【００１９】
（２）引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記複数電極をソリッドワイヤとし、該複数電極の何れかの隣接する２電極間あるいは最後尾電極の後方の少なくとも一カ所以上に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置するとともに、隣接する２電極間にメタルコアードワイヤを配置する場合は該メタルコアードワイヤの中心位置と溶接線までの最短距離が、前記複数電極のソリッドワイヤの最大直径の２倍以下となるようにし、最後尾電極の後方にメタルコアードワイヤを配置する場合は、複数電極のソリッドワイヤの最大直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記１電極の中心位置または複数電極のうちの最後尾電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【００２０】
（３）前記鋼材の成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０４を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のサブマージアーク溶接方法。
【００２１】
（４）前記鋼材の成分組成が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、および、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％のうちの何れか１種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【００２２】
（５）前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％以下、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％、
Ｏ：０．０３％〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記（１）〜（４）の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【００２３】
尚、本発明で言うソリッドワイヤとは通常のサブマージアーク溶接で使用される直径１．６ｍｍから６．４ｍｍ程度の中実の合金鋼の線状の溶接材料で、これを溶かして溶接金属を形成するものである。同時にサブマージアーク溶接ではアークを発生する電極として用いている。本発明でもソリッドワイヤと言った場合は電極として使用しているソリッドワイヤを指している。
【００２４】
また、本発明で言うメタルコアードワイヤとは、外皮と呼ぶ中空の鋼管の中に金属粉末および合金粉末のいずれかあるいは両方を充填した後に、さらに必要に応じて伸線加工をさらに加えて所要の直径にして製造した線状の溶接材料である。金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填する時期は、鋼管の形状にした後であっても、鋼管の成形過程の途中に同時に金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填しても本発明の効果は同じで、何れの充填方法を含む方法で製造されたメタルコアードワイヤも、本発明で言うメタルコアードワイヤに含まれる。本発明では、このメタルコアードワイヤは電極としては使用せずに、ソリッドワイヤが発生するアークの熱あるいは溶融池に直接挿入することにより溶融し、且つ溶接金属の一部を形成する目的で使用する。
【００２５】
外皮は、機械的なかしめによりシーム部を接合したかしめ型と、継目の無いシームレス鋼管あるいは継目が溶接により接合されている溶接鋼管であるシームレス型とがある。本発明で言うシームレス型とは、継目が無いことあるいは外皮である鋼管の縫目部において鋼管の外側と内側が気体あるいは水分に対して冶金的に遮断されていることを意味する。そのため、一般にかしめ型と比較して耐吸湿性に優れている。湿度の高い場所での長期の保管に対しても吸湿しにくく、その結果、特に低温割れ感受性の高い高強度溶接金属用の溶接材料として適している。
【００２６】
図４に、メタルコアードワイヤの断面の模式図を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）は外皮Ａの縫目部が機械的なかしめ部Ｂを形成したかしめ型の鋼管であるメタルコアードワイヤの断面の一例である。図４（ｃ）は、外皮Ｂとして縫目の無い鋼管を使用したメタルコアードワイヤの模式図であり、図４（ｄ）は外皮Ｂとして縫目部が溶接Ｗにより接合してある鋼管を使用したメタルコアードワイヤである。
【００２７】
本発明では図４（ａ）および図４（ｂ）の例に示される様な、外皮がかしめ型のメタルコアードワイヤをかしめ型メタルコアードワイヤと呼ぶ。また、図４（ｃ）および図４（ｄ）の例に示される様な、外皮がシームレス型のメタルコアードワイヤをシームレスメタルコアードワイヤと呼ぶ。さらに、かしめ型メタルコアードワイヤとシームレスメタルコアードワイヤとを総称してメタルコアードワイヤと呼ぶ。
【００２８】
メタルコアードワイヤの外皮Ａ又はＢの素材は、成形性や伸線行程での加工性の観点から、一般には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎおよび他はＦｅと不可避の不純物からなる軟鋼が使用され、溶接材料として必要な合金元素は内部に充填される金属粉末から添加される。しかし、合金添加量の多いメタルコアードワイヤでは必要に応じては外皮からも合金成分を添加することもある。酸素量は一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度しか含まれない。
【００２９】
メタルコアードワイヤの中に入れる金属粉末および合金粉末Ｃとは、具体的にはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＴｉ等の純金属粉末あるいは合金粉末があり、必要に応じて取捨選択される。金属粉末の中で、特にＦｅは他の金属粉末や合金粉末と異なり表面に酸素を吸着しやすく、また粉末の表面は酸化し微量の酸化鉄も形成し易く、本発明においては酸素を供給する粉末として重要な役割を果たす。また、必要に応じてメタルコアードワイヤの製造性を改善するために、金属粉末以外に水ガラス等の製造助剤や、溶接性をさらに改善するための酸化物、フッ化物等のアーク安定剤を添加するが、このことは本発明の効果に影響しない。また、これらの成分はメタルコアードワイヤの成分としては不可避の不純物として含まれる。元素としてはＭｇ、ＮａあるいはＣａが挙げられる。
【００３０】
メタルコアードワイヤの合金元素の平均組成は、外皮の化学組成、金属粉末の平均組成、および製造設備や製造行程で決まるメタルコアードワイヤの外皮と金属粉末の質量比がきまれば式（３）で決定される。
Ｍ（ＣＷ）＝Ｍ（ｇ）×ａ（ｇ）＋Ｍ（ｐ）×ａ（ｐ） ・・・（３）
但し
Ｍ（ＣＷ）：メタルコアードワイヤの元素Ｍの平均の質量％
Ｍ（ｇ） ：外皮の元素Ｍの質量％
ａ（ｇ） ：金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する外皮の単位長さの質量の比
Ｍ（ｐ） ：金属粉末中の元素Ｍの平均質量（％）
ａ（ｐ） ：金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する金属粉末の単位長さの質量の比
ａ（ｇ）＋ａ（ｐ）＝１
【発明の効果】
【００３１】
本発明のサブマージアーク溶接方法によれば、電極として用いるソリッドワイヤ以外にメタルコアードワイヤを使用することで、溶接金属の酸素量を容易に制御でき、頂部スラグインを生じさせることなく良好なビード形状の溶接ができる。その結果、溶接性が良好で、かつ靭性に優れた高強度溶接金属を得ることができるという顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は引張強度が８００ＭＰａ以上、１２００ＭＰａ以下の溶接金属に適用することを前提としている。それは、８００ＭＰａ未満の強度の溶接金属では、溶接金属の合金量が少なく従来技術でも靭性が良好でかつビード形状も良好な溶接部が得られるためである。また、１２００ＭＰａ超の溶接金属では組織がマルテンサイト組織となり、靭性確保が本発明の技術のみでは困難になる。
【００３３】
溶接方法は、下向きサブマージアーク溶接を用いる。電極の数は１電極あるいは２電極以上であるが、実用上最大で５電極までが望ましい。
次ぎに具体的に本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３４】
本発明では自動的に溶融池に送給されるメタルコアードワイヤを使用し、そのメタルコアードワイヤの配置を、１電極サブマージアーク溶接の場合はソリッドワイヤの後方に配置し、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの距離が用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下で且つソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度が１５度以下とした。また、多電極サブマージアーク溶接の場合はメタルコアードワイヤをソリッドワイヤの間あるいは最後尾のソリッドワイヤの後方の少なくとも１箇所以上に配置し、最後尾のソリッドワイヤの後方にメタルコアードワイヤを配置する場合は、最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの距離が用いているソリッドワイヤのうち最も太いソリッドワイヤの直径の８倍以下とし、且つ最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度を１５度以下とした。この理由をについて次に述べる
先ずメタルコアードワイヤを使用する理由について述べる。
【００３５】
先に述べた様に引張強度が８００ＭＰａ以上のサブマージアーク溶接金属において、良好な靭性を得るためには、溶接金属の酸素量を質量％で０．０１８％〜０．０３５％の範囲に制御する必要がある。一方、図２および図３が示す様にフラックスで酸素量を範囲に制御すると頂部スラグインが発生する。そのため、フラックス以外の何らかの方法で、溶接金属中の酸素量を増加する方法を考えなければならない。先に述べた様に、ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に不可避の不純物程度であるため、ソリッドワイヤを使用する限り、ワイヤから酸素を供給することはできない。そのため、本発明では安定して溶接金属の酸素量を質量％で０．０１８％〜０．０３５％の範囲にするために、メタルコアードワイヤを用いて酸素量を増加する。
【００３６】
図５に、サブマージアーク溶接の電極間あるいは最後尾の電極の後方にメタルコアードワイヤを１本以上配置した場合の、フラックスの式（１）で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す。図５の作成に用いた溶接は１電極〜５電極サブマージアーク溶接で電極にはソリッドワイヤを使用し、メタルコアードワイヤを１から４本使用して溶接したものである。サブマージアーク溶接の溶接条件は表２に示す条件を用いた。メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合は５％以上４０％以下の範囲で、メタルコアードワイヤの酸素量は０．０３％以上、０．５０％以下のものを使用した。
【００３７】
図５の横軸は式（１）で計算されるフラックスの塩基度、縦軸に溶接金属中の酸素量を示す。図中○は、図２で示したソリッドワイヤのみのサブマージアーク溶接による溶接金属中の酸素量である。図中●は電極として使用しないメタルコアードワイヤを１本以上用いて、溶接金属の酸素量を増加させた結果である。図５が示す様に、メタルコアードワイヤを使用することにより同じ式（１）で計算される塩基度のフラックスを使用しても、溶接金属中の酸素量を増加させることができる。
【００３８】
メタルコアードワイヤは先に述べた様に、金属粉末に含まれるＦｅ粉末の表面に酸素を吸着しているか表面が酸化しているため、ソリッドワイヤよりも酸素を多く含有させることができ、このメタルコアードワイヤを使用することにより効率良く安定して溶接金属に酸素を供給することができる。
【００３９】
メタルコアードワイヤから供給する酸素量は、メタルコアードワイヤの酸素量、メタルコアードワイヤを使用する本数、およびメタルコアードワイヤの送給速度で調整することができる。すなわち、酸素量の多いメタルコアードワイヤを使用すれば溶接金属に供給される酸素量は多くなる。メタルコアードワイヤの酸素は、金属粉末に含まれるＦｅ粉末の表面に吸着している酸素あるいは表面の酸化鉄が供給源となる。表面に吸着している酸素量は製造方法や保管方法により変化させることも可能である。また、金属粉末と皮材の重量比率を変えることにより同じ酸素量のＦｅ粉末を使用しても、メタルコアードワイヤの酸素量を変えることができる。
【００４０】
また、多電極サブマージアーク溶接に本発明を適用する場合は、用いるメタルコアードワイヤの数を増加しても容易に可能である。すなわち、例えば、３電極サブマージアーク溶接へ適用する場合は、例えば、第１電極と第２電極の間にのみメタルコアードワイヤを配置する場合と比較して、第１電極と第２電極の間および第２電極と第３電極の間の２カ所に配置することにより、より多くの酸素をメタルコアードワイヤから溶接金属に供給することができる。
【００４１】
また、メタルコアードワイヤは電極としては使用してないため、メタルコアードワイヤの送給速度を調節することによっても、メタルコアードワイヤからの酸素の供給量を増減することができる。すなわち、メタルコアードワイヤの送給量を多くすればそれだけ、全溶着金属量に占めるメタルコアードワイヤの量が増加し、メタルコアードワイヤから供給される酸素量が増加することになる。
【００４２】
次ぎにメタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合の限定理由について説明する。
【００４３】
本発明では、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合が５％以上４０％以下に規定したが、好ましくは１０〜３０％である。これは本発明の範囲の酸素量を持つメタルコアードワイヤでは、靭性を確保するために必要な酸素量を溶接金属に供給するためには、最低５％以上は必要である。一方、４０％超ではメタルコアードワイヤの量が多すぎて、溶融池内でメタルコアードワイヤが十分溶融することが出来ず、平均の溶接金属の酸素量は適正な範囲には言っても、酸素過剰で酸化物の多い部分が溶接金属中に発生し、溶接金属の靭性が低くなる。そのため４０％以下とした。
【００４４】
本発明ではメタルコアードワイヤを溶接部に送給するが、その送給方法は特段指定するものでは無い。ワイヤの送給速度を制御できる機構であればモーターとギヤを併用した送給機等の一般に駆動方法により自動的に送給すれば良い。そして次に述べる本発明の範囲内の位置に送給された場合、メタルコアードワイヤは溶融池に挿入され溶融するか、ソリッドワイヤからは発生するアークにより加熱され溶融する。あるいは両方の効果により溶融する。そして十分溶融池内で混合され均一な溶接金属を形成する。
【００４５】
次に、ソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤの配置について説明する。
【００４６】
図６は請求項１に関する１電極サブマージアーク溶接におけるソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤの配置を示す模式図である。図６（ａ）は溶接部の側面から見た模式図である。１電極サブマージアーク溶接の場合は、メタルコアードワイヤａはソリッドワイヤｂの後方に配置する。さらに、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの距離Ｌが用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下とした。これは、ソリッドワイヤの直径の８倍超の距離ではメタルコアードワイヤを配置する位置が溶融池の後方すぎて十分メタルコアードワイヤを溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されないためである。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低くなる。そのため、用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下、好ましくは６倍以下の距離とした。
【００４７】
また、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度が１５度以下とした。図６（ｂ）はメタルコアードワイヤａが溶接線Ｗｌ上に配置された場合の溶接部上面から見た模式図である。一方、図６（ｃ）はメタルコアードワイヤａが溶接線Ｗｌ上に配置されていない場合の溶接部上面から見た模式図であるが、ソリッドワイヤｂとメタルコアードワイヤａを結んだ線と溶接線Ｗｌのなす角度θが１５度超の場合はメタルコアードワイヤａ溶接ビードＷｂを形成する溶融池ｍの端部に挿入されることになり、十分メタルコアードワイヤが溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されない。そのため、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度θが１５度以下、好ましくは１２度以下とした。
【００４８】
次に請求項２に関わるワイヤの配置について説明する。
【００４９】
図７および図８は請求項２に関する、多電極サブマージアーク溶接におけるソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの配置の模式図である。多電極サブマージアーク溶接の場合は、ソリッドワイヤの間あるいは最後尾のソリッドワイヤの後方での少なくとも１箇所には位置する。図７はソリッドワイヤの間にメタルコアードワイヤを配置する場合の模式図である。図７（ａ）は母材Ｍの溶接部の側面から見た模式図である。第1、第2、第3電極のソリッドワイヤｂ、ｃ、ｄの間にメタルコアードワイヤａを挿入する場合、その両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ直線とメタルコアードワイヤａの先端の距離が使用しているソリッドワイヤうち最も太い直径の２倍以下とした。図７（ｂ）はメタルコアードワイヤａがその両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ線Ｗｌ上に配置されている場合の溶接部上面から見た模式図である。これに対して、図７（ｃ）はメタルコアードワイヤａがその両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ線上に無い場合の溶接部上面から見た模式図である。両側のソリッドワイヤｃ、ｄを結んだ直線とメタルコアードワイヤａの先端の距離Ｌが使用しているソリッドワイヤうち最も太い直径の２倍超の場合は、メタルコアードワイヤａの先端が溶融池ｍの端部に近づく。そのため、十分メタルコアードワイヤａを溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池ｍ内で攪拌されない。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低くなる。そのため、両側のソリッドワイヤを結んだ直線とメタルコアードワイヤの先端の距離Ｄが使用しているソリッドワイヤうち最も太い直径の２倍以下とした。
【００５０】
図８は最後尾のソリッドワイヤの後方にメタルコアードワイヤを配置した場合の模式図である。図８（ａ）は母材Ｍの溶接部の側面から見た模式図である。最終ソリッドワイヤｄの後方にメタルコアードワイヤａを配置する場合は最後尾のソリッドワイヤｄとメタルコアードワイヤａの距離Ｌが用いるソリッドワイヤのうち最も太いソリッドワイヤの直径の８倍以下でとした。この理由は１電極の場合と同様で、この距離がソリッドワイヤのうち最も太いソリッドワイヤの直径の８倍超ではメタルコアードワイヤを配置する位置が溶融池の後方すぎて十分メタルコアードワイヤを溶融することができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されないためである。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低くなる。そのため、用いているソリッドワイヤの直径の８倍以下、好ましくは６倍以下の距離とした。
【００５１】
また、最後尾のソリッドワイヤｄとメタルコアードワイヤａを結んだ線と溶接線Ｗｌのなす角度θが１５度以下とした。図８（ｂ）はメタルコアードワイヤが溶接線上に配置された場合の模式図である。一方、図８（ｃ）はメタルコアードワイヤが溶接線上に配置されていない場合の模式図であるが、１５度超の場合にはメタルコアードワイヤは溶融池の端部に挿入されることになり、十分メタルコアードワイヤが溶融さすることができず、また溶けたメタルコアードワイヤが十分溶融池内で攪拌されない。その結果、組織の不均一が発生し溶接金属の靭性が低下する。そのため、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結んだ線と溶接線のなす角度θが１５度以下、好ましくは１２度以下とした。
【００５２】
図７および図８では、メタルコアードワイヤは各々の図で１本ずつしか記載されていないが、後に述べる様に、溶接金属に供給する酸素量を増加させる目的で図７において２本以上のメタルコアードワイヤを使用しても、又、図７と図８を併用しても本発明の効果は得られる。又、図６、図７および図８では簡便のためソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤは母材に対して垂直に位置しているが、ソリッドワイヤの角度は溶接条件により当然母材に対して適宜角度を持つことは当然であり、これは本発明の効果に影響を与えるものでは無い。
【００５３】
次に、フラックスのＳｉＯ２量の限定理由について述べる。
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＳｉＯ２の比率が質量％で、５．０％〜２０．０％未満と限定した。図９は横軸にフラックス中ＳｉＯ２量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のＳｉＯ２量の影響を示したものである。溶接は３電極サブマージアーク溶接を用い、溶接ワイヤは全てソリッドワイヤを用いた。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。また、図９で使用したフラックスのうちＳｉＯ２が１５．５％〜３１．０％の範囲フラックスは式（１）で計算される塩基度が１．１〜２．０で本発明の範囲である。また、ＳｉＯ２が３４．５％以上のフラックスは式（１）で計算される塩基度が−０．４〜０．８で本発明の範囲外である。
【００５４】
溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上ではＳｉＯ２量がおよそ２０．０％以上で頂部スラグインが発生している。これはＳｉＯ２が過剰に添加されると溶融したスラグがよりガラス質となり溶接金属中から浮上しにくくなり、溶接ビードの頂部に残留しやすくなるためである、また、ＳｉＯ２は溶融スラグの軟化温度を高くするため、スラグの粘性も高める。そのため、上限を２０．０％未満とした。下限は本発明の効果からは特に限定しないが、ＳｉＯ２はガラス成分で少ないとフラックスが結晶質となり吸湿しやすくなり、特に高強度では耐低温割れ性を阻害するため５．０％以上とした。
【００５５】
次にフラックスのＣａＦ２量の限定理由について述べる。
【００５６】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＦ２の比率が質量％で、３０．０％〜５０．０％とした。図１０は横軸にフラックス中ＣａＦ２量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のＣａＦ２量の影響を示したものである。図１０で使用したフラックスではすべて式（１）で計算される塩基度が１．１以上、３．２以下である。
【００５７】
溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上ではＣａＦ２量がおよそ３０％未満で頂部スラグインが発生している。これはＣａＦ２は溶融スラグの軟化溶融音素を下げて粘性を低くする効果があるが、３０％未満ではその効果が得られないためである。そのため、下限を３０．０％とした。上限は本発明の効果のためには限定しなくても良いが、ＣａＦ２量が過剰になるとアークの安定性が損なわれるため、５０．０％以下に限定した。
【００５８】
次にフラックスのＣａＯの限定理由について述べる。
【００５９】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＯの比率が重量％で５．０％〜２５．０％とした。ＣａＯは式（１）で計算される塩基度の調整に添加されるが５．０％以下では（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、５．０％以上必要である。また、ＣａＯは溶接金属の溶接ビード形状に影響をおよぼし、５．０％未満では軟化溶融温度が高くなり溶融ガスの放散の阻害によるあばたの発生等の溶接ビード表面の外観不良につながる。一方、過剰では溶接ビードの余盛りが高くなりビード形状を悪くする。またスラグの剥離性も低下する。そのため上限を２５．０％とした。
【００６０】
次にフラックスのＭｇＯの限定理由について述べる。
【００６１】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＭｇＯの比率が重量％で１．０％〜５．０％とした。ＭｇＯは式（１）で計算される塩基度の調整のために添加する。１％未満では、式（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、１．０％以上は必要である。５．０％超ではビード形状が凸ビードとなり、アンダーカットが発生する。そのため、上限は５％とした。
【００６２】
次にフラックスのＡｌ２Ｏ３の限定理由について述べる。
【００６３】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＡｌ２Ｏ３の比率が重量％で１５．０％〜３０．０％とした。
【００６４】
Ａｌ２Ｏ３も式（１）で計算される塩基度の調整のために添加する。１５．０％未満では式（１）で計算される塩基度が高くなりすぎるため１５％以上は必要となる。一方、３０％超添加すると式（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、上限を１５．０％とした。また、Ａｌ２Ｏ３は溶接作業性に対しても影響を与え、過剰ではアンダーカットや馬の背状の突起が溶接ビード頂部に生成するため、上限を３０％とした。
【００６５】
次に、フラックスの式（１）で計算される塩基度の限定理由について述べる。
使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２のモル分率を用いて式（１）で計算されるフラックスの塩基度が１．１〜３．２に限定した。
【００６６】
用いる高塩基性フラックスの構成成分としては、ＳｉＯ２およびＣａＦ２以外にＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＬｉＯ２、ＴｉＯ２等の酸化物、あるいはＣａＣＯ３等がスラグの生成、塩基度の調整、溶接ビード形状を整える効果等の目的で使用される。これらの成分の担体での量は頂部スラグインの生成には影響をおよぼさないが、これらの成分の内、ＳｉＯ２、ＣａＦ２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３の配合比によりスラグインが発生しやすくなる。具体的には、溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上の場合は、Ｓｉ０２量やＣａＦ２量が適正な範囲でも、式（１）で計算される塩基度が１．１未満では図２が示す様に頂部スラグインが発生する。そのため下限を１．１とした。
【００６７】
一方、上限は本発明の効果からは特に限定は無いが、式（１）で計算される塩基度が高くなるに従いフラックスがより結晶質になるため、フラックスの表面積が多くなり吸着水が多くなる結果、溶接金属中の水素が増加し割れ等の欠陥が発生する頻度が高くなる。そのためフラックスの乾燥や乾燥した後の保管方法で対策が必要でありコスト的に不利になる。そのため上限を３．２とした。
Ｂ＝６．０５Ｎ［ＣａＯ］＋４．０Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１Ｎ［ＣａＦ２］−０．２Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
ここで、Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を意味する。
【００６８】
次ぎに、溶接金属の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接においては溶接金属の特性はその化学組成で決まるため、成分範囲は重要である。
【００６９】
Ｃ：０．０３％〜０．１２％
Ｃは、溶接金属の焼き入れ性を確保し、強度と靭性を得るために重要な元素である。０．０３％未満では強度が得られない。一方、０．１２％を超えると強度が過剰となる。また、炭化物が形成し靭性が低下する。そのため、０．１２％以下とした。
【００７０】
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％
Ｓｉは脱酸元素として必要であり、０．０３％以上は必要である。一方、０．４０％を超えて添加するとＳｉが過剰となり、過剰Ｓｉは溶接金属中に固溶し靭性を低下する。そのため、上限を０．４０％とした。
【００７１】
Ｍｎ：０．５％〜３．０％
Ｍｎは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るために０．５％以上必要である。一方、３．０％を超えると強度が過剰となり靭性が低下するため、上限を３．０％とした。
【００７２】
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％
Ｔｉは溶接金属の組織を微細化するのに最低限０．００２％以上は必要である。しかし、０．０２５％を越えると、固溶Ｔｉが増加し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．０２５％とした。
【００７３】
Ａｌ：０．００２〜０．０３０％
Ａｌは、母材、ワイヤおよびフラックスから移行してくるため溶接金属中には不純物として存在する。しかし、０．０３０％を超えると粗大な酸化物が形成し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．０３０％とした。下限は本発明の効果からは特に限定する必要がないが、母材やフラックスかの不可避の不純物として０．００２％以上は含まれる。
【００７４】
Ｎｂ：０．０４％以下
Ｎｂは溶接材料には不可避の不純物程度にしか含まれないが、母材にはＮｂを添加する場合もあるため、母材から溶接金属に供給される。Ｎｂが過剰に溶接金属に含有すると炭化物を形成し靭性が低下する原因となる。そのため、上限を０．０４％とした。
【００７５】
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％
Ｏは溶接金属の靭性を確保するために重要な元素である。０．０１８％未満では、組織を微細化して靭性を向上させるのに必要な酸化物を形成することができない。そのため０．０１８％以上は必要である。しかし、０．０３５％を超えると、粗大な酸化物を形成するようになり、溶接金属の靭性は低下する。そのため、上限を０．０３５％とした。
【００７６】
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含む：
Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏは溶接金属の強度を向上させる元素であるため添加する。しかし、過剰添加は靭性あるいは溶接性を低下させるため上限をきめた
Ｃｒは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、１．５％を超えると、過剰のＣｒは溶接金属の靭性を低下させる。そのため、上限を１．５％とした。
【００７７】
Ｎｉは、溶接金属の強度と靭性を向上させるために添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、４．０％を超えると、溶接時の高温割れが発生する危険性が高くなる。そのため上限を４．０％とした。
【００７８】
Ｍｏは焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、２．０％を超えると、過剰のＭｏは溶接金属の強度を過剰に高め、靭性を低下させる。そのため、上限を２．０％とした。
【００７９】
次ぎに溶接金属の化学組成を用い低式（２）で計算されるＰｃｍの値を０．２２〜０．３８とした。０．２２以下では溶接金属の強度が８００ＭＰａ未満となるため、下限を０．２２とした。また、０．３８を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎるため、上限を０．３８とした。
【００８０】
次ぎに請求項３および請求項４に記載の母材の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接では母材の希釈率が高いため、サブマージアーク溶接の溶接金属の化学組成は母材の化学組成と溶接材料の化学組成との両方の影響を受ける。そのため、母材の化学組成を規定することにより容易に適切な化学組成の溶接金属を得ることができる。また、用いる母材の化学組成を限定することにより母材の特性を向上することができ、より良好な溶接継手を得ることができる。
【００８１】
Ｃ：０．０３％〜０．１５％
Ｃは焼き入れ性を高め、組織を微細化するために重要名元素であり。母材の強度を確保するためには０．０３％以上必要である。また、溶接金属に安定してＣを供給するために、０．０３％以上必要である。一方、０．１５％を越えて添加するとＣが過剰となる。そのため、母材の溶接熱影響部の硬化が著しく、靭性に悪影響をおよぼす。そのため上限を０．１５％とした。
【００８２】
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％
Ｓｉは母材の製造時に脱酸元素として必要であり、その効果を得るために０．０１％以上必要である。一方、０．５０％を超えて添加すると母材の靭性が低下する。また、溶接金属への移行するＳｉ量が過剰となり溶接金属の靭性も低下させる危険性があるため、上限を０．５％とした。
【００８３】
Ｍｎ：０．５％〜３．０％
Ｍｎは母材の焼き入れ性を高め強度を得るために必要な元素で、少なくとも０．５％以上必要である。一方、３．０％を超えて添加すると強度が高くなりすぎ靭性を低下させる。また、偏析が大きくなり、鋼材の組織も不均一にする。そのため、上限を３．０％とした。
【００８４】
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％
Ｔｉは、微量添加により母材の強度を向上させ靭性も改善するため、０．００１％以上必要である。しかし、過剰のＴｉは母材強度を過剰にする。そのため上限を０．０２％とした。
【００８５】
Ａｌ：０．００１％〜０．０４％
Ａｌは脱酸元素として母材に必要で、０．００１％以上添加される必要がある。しかし、０．０４％を超えて添加すると粗大な酸化物を形成して母材の靭性は低下すため、上限を０．０４％とした。
【００８６】
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％の何れか１種又は２種以上を含む：
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂは何れも母材の強度を向上させるために何れかを１種あるいは２種以上添加するが、過剰添加により、母材の靭性を低下させるため、上限を決めた。
Ｃｒは焼き入れ性を高めて、強度を確保するため添加する。この効果を得るためには、０．１％以上必要である。しかし、１．５％を超えて添加すると母材の靭性を低下させる。そのため、上限を１．５％とした。
【００８７】
Ｎｉは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．１％以上は必要である。しかし、２．５％を超えて添加すると溶接金属に移行するＮｉが過剰となり溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので上限を２．５％とした。
【００８８】
Ｍｏは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果をえるためには、０．１％以上必要である。しかし、２．０％を超えて添加すると母材の強度が過剰となり母材の靭性が低下する。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので、上限を２．０％とした。
【００８９】
Ｎｂは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．００５％以上必要である。しかし、０．０６％を超えて添加すると強度が過剰となり靭性が低下する危険性が高くなるため、上限を０．０６％とした。好ましくは０．００５〜０．０５％である。
【００９０】
次ぎに、請求項５に記載の用いるソリッドワイヤの化学組成およびメタルコアードワイヤの平均の化学組成の限定理由について説明する。溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料により決定される。そのため、溶接に用いるソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成を規定することにより、容易に溶接金属の組成を設計することができる。酸素量以外はソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとは化学組成の範囲は同じである。酸素量はメタルコアードワイヤのみ限定する。
【００９１】
Ｃ：０．０３％〜０．１５％
Ｃは焼き入れ性を高めて、溶接金属の強度を確保するために重要な元素である。そのため、０．０３％以上必要である。しかし、０．１５％を超えて添加すると溶接金属のＣ量が過剰となり強度が高くなり靭性が低下する。そのため、上限を０．１５％とした。
【００９２】
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％
Ｓｉは溶融した溶接金属の粘性を高める元素であり、作業性の観点から０．０２％以上は必要である。しかし。０．８０％を超えて添加すると溶接金属中のＳｉ量が過剰となり靭性が低下するため、上限を０．０８０％とした。
【００９３】
Ｍｎ：０．２％〜４．０％
ＭｎもＣと同様、溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために添加する元素である。そのため、０．２％以上は必要である。しかし、４．０％を超えて添加すると、溶接金属中のＭｎ量が過剰となり靭性が低下するため、上限を４．０％とした。
【００９４】
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％
Ｔｉは酸素と結合して酸化物を形成して、溶接金属の組織の微細化に役立つ重要な元素である。０．００２％未満ではワイヤからの添加量が足らず、その効果が得られないため、溶接金属の靭性が低下する。そのため、０．００２％以上は必要である。しかし。０．１０％を超えてワイヤに添加すると、酸化物を形成するに必要なＴｉ以上が溶接金属に供給されるため固溶したＴｉが溶接金属中に増加し、溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．１０％とした。
【００９５】
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％
Ａｌは溶接金属の靭性に対して酸化物を形成して低下させる。当然ワイヤからも溶接金属に移行するため、上限をさだめた。０．０２％を超えてワイヤに含まれると、溶接金属のＡｌ量が過剰となり靭性が低下する。下限は特に溶接金属の靭性の観点からは必要ないが通常０．００１％以上は不可避の不純物として含まれる。
【００９６】
Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％の何れか１種又は２種以上を含む：
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは溶接金属の強度を確保するために１種または２種以上添加する。そのため、母材から供給される量の不足分は溶接材料から供給される。
【００９７】
Ｃｒは溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために必要に応じてワイヤに添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、過剰のＣｒは靭性を低下させる。３．０％を超えて添加すると溶接金属中のＣｒが過剰となり溶接金属の靭性が低下する。そのため、３．０％以下とした。
【００９８】
ＮｉもＣｒと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、８．０％を超えてＮｉを添加すると、溶接金属中のＮｉ量が過剰となり、高温割れを引き起こす。そのため、上限を８．０％とした。
【００９９】
ＭｏもＮｉおよびＣｒと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、４．０％を超えてＭｏを添加すると、溶接金属の強度が過剰となり靭性が低下する。そのため、上限を４．０％とした。
【０１００】
次にメタルコアードワイヤの酸素量の限定理由について述べる。
【０１０１】
Ｏ：０．０３％〜０．５０％％
メタルコアードワイヤの酸素量を質量％で０．０３％〜０．５０％に限定した。本発明では、メタルコアードワイヤから酸素を溶接金属に添加するのが目的である。そのため、メタルコアードワイヤの酸素量を規定する。０．０３％未満では酸素量が少なく、溶接金属中に十分な酸素量が供給されない。そのため０．０３％以上は必要である。一方、０．５０％を超えると、酸素量が過剰となった結果、ガス成分が多くなりブローホール等の欠陥が生じ易くなる。そのため上限を０．５０％以下とした。また、０．５０％以下の酸素量のメタルコアードワイヤであれば、式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲のフラックスを用いている限り、溶接金属は酸素過剰にはならない。
【実施例１】
【０１０２】
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【０１０３】
実施例に用いた溶接方法は、１電極から５電極までのサブマージアーク溶接を使用した。表２に実施例で用いた溶接条件を示す。開先形状は図１１に示すＶ開先を用いた。開先角度は８０度で開先深さＤｋは表３に示す様に入熱に応じた開先深さを用いた。この開先内に表２に示した溶接条件で１層溶接を行った。
【０１０４】
表４に実施例で用いたソリッドワイヤを示す。ソリッドワイヤは化学組成が異なるワイヤを１６種類用いた。このうち、ワイヤＳ１からワイヤＳ１１までは、請求項５に記載された成分範囲を持つソリッドワイヤである。ソリッドワイヤの直径は主に３．２ｍｍで、一部の実施例で４．０ｍｍのソリッドワイヤを使用した。
【０１０５】
表５に実施例で用いたメタルコアードワイヤを示す。メタルコアードワイヤは化学組成の異なるかしめ型メタルコアードワイヤを２０種類準備した。強度レベルが１０００ＭＰａ未満のワイヤはかしめ型メタルコアードワイヤ、１０００ＭＰａ以上はシームレスメタルコアードワイヤを用いた。ワイヤＣ１からワイヤＣ１３までは請求項５に記載された成分範囲を持つメタルコアードワイヤである。Ｃ１２は、使用する直前まで開封せず、表面への酸素吸着を防いだ状態で保管した鉄粉を使用したため酸素量の少ないＣＷになっている。また、Ｃ１３は鉄粉量を多くしているため、ＣＷ中の酸素量が高い。ワイヤＣ１４からワイヤＣ２０までは化学成分の一部が請求項５の範囲外である。メタルコアードワイヤの直径はすべて３．２ｍｍである。
【０１０６】
表６に実施例に用いたフラックの組成を示す。フラックスはメルトタイプのフラックスを用いた。フラックスａからスラックスｇまではＣａＦ２量、ＳｉＯ２量および式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲内である。一方、フラックスｈからフラックスｋは式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲外である。また、スラックスｈは式（１）で計算される塩基度とともにＣａＦ２量も発明の範囲以上である。フラックスｊは式（１）で計算される塩基度とともにＳｉＯ２量が本発明の範囲外である。フラックスｋは式（１）で計算される塩基度とともにＣａＦ２量、ＳｉＯ２量も本発明の範囲外である。一方、フラックスｌからフラックスｎまでは式（１）で計算される塩基度は本発明の範囲であるが、ＣａＦ２およびＳｉＯ２のいずれか一方、あるいは両方の含有量が本発明の範囲外である。これらのフラックスは何れも、使用前に２５０℃で１時間乾燥した後に使用した。一部のフラックスは乾燥後の吸湿を防ぐため、使用直前まで容器に密閉して保管した。
【０１０７】
表７に実施例で用いた母材を示す。母材は板厚２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、幅１５０ｍｍの寸法で、強度が８５０ＭＰａ、９５０ＭＰａおよび１０００ＭＰａ級の鋼板を用いた。母材Ｂは請求項２の成分範囲の母材である。母材Ｃから母材Ｌまでは請求項３の範囲の成分を満足する母材である。これらの鋼板に、図１１に示した片面Ｖ開先を１０００ｍｍ長さの方向に全長にわたり加工し溶接に供した。
【０１０８】
これらの、化学組成の異なる母材、化学組成の異なるソリッドワイヤおよび化学組成の異なるメタルコアードワイヤを組み合わせることにより溶接金属の化学成分を調整し、溶接金属の強度を調整した。
【０１０９】
評価は、頂部スラグインの発生の有無、頂部スラグイン以外の内部欠陥の有無、ビード形状、ミクロ組織、溶接金属引張強度および−３０℃の溶接金属吸収エネルギーで評価した。ビード形状は、作成した溶接ビードの目視外観で評価した。頂部スラグインの発生の有無は、先ず溶接ままで全長にわたり放射線透過試験を行い、欠陥の調査をした。その後、溶接ビードの有る面とは逆側の裏面から１５ｍｍ減厚して頂部スラグイン以外の欠陥を除去した後、再度放射線透過試験を行い、頂部スラグインの有無を判断した。この際、頂部スラグイン以外の割れ等の内部欠陥も２回の放射線透過試験で評価を行った。引張試験のための試験片は、図１２に示す様に表面から５ｍｍの位置の溶接金属中央部から、丸棒型のＪＩＳＡ２号引張試験片Ｔｓを引張試験片の平行部が溶接線と平行になるように採取した。衝撃試験のための試験片は図１３に示す様に、表層から６ｍｍの位置よりノッチ方向が溶接線方向になるように２ｍｍＶシャルピー衝撃試験片Ｔｐを採取して測定した。また、組織観察用試験片を機械試験片採取用の溶接継手より溶接スタート側、溶接ビード長さの１／２位置および溶接クレータ側の３カ所から各溶接条件で３個づつ採取し、組織観察を行い組織の健全性を調査した。溶接継手は、放射線透過試験用と、それ以外の評価用に各々の条件につき２体づつ作成した。
【０１１０】
【表２】
【０１１１】
【表３】
【０１１２】
【表４】
【０１１３】
【表５】
【０１１４】
【表６】
【０１１５】
【表７】
【０１１６】
表８−１及び８−２は１電極サブマージアーク溶接へ適用した発明例である。発明例１から発明例２４まで、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．１以上のフラックスであるが、本発明の範囲内の酸素量を含有するメタルコアードワイヤを全溶着金属に対して適正な量を適正な位置で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置が本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生していない。
【０１１７】
発明例１８は、酸素量の少ないＣ１２のメタルコアードワイヤを使用しているが溶接金属中の酸素量は確保できている。また、発明例２４は、酸素量の多いＣ１３のメタルコアードワイヤを使用しているが酸素量は適正な範囲に入っている。また、メタルコアードワイヤの酸素量は本発明の範囲内のためピット等の溶接欠陥も発生していない。発明例１４、発明例２０、発明例２１および発明例２２は、同じソリッドワイヤ、メタルコアードワイヤおよびフラックスの組み合わせで、ソリッドワイヤの電極とメタルコアードワイヤの距離を変化させたものであるが、何れも本発明の範囲内のため均一な溶接金属が得られ、靭性は良好である。発明例２３は発明例１５と同じワイヤの組み合わせであるが、メタルコアードワイヤが溶接線上に無く、ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤを結ぶ線と溶接線のなす角度が１３度である。しかし本発明の１５度以下の範囲に入っているために、溶融の不均一等も起こらず良好な靭性が得られている。
【０１１８】
【表８−１】
【０１１９】
【表８−２】
【０１２０】
表９から表１２に多電極サブマージアーク溶接の発明例を示す。
【０１２１】
表９−１及び９−２は、２電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例２５から発明例３３までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が３．０のフラックスｂおよびフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．７のフラックスｅを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量を溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１２２】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生していない。
【０１２３】
表１０−１及び１０−２は、３電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例３４から発明例７５までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が、１．２から２．８のフラックスを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１２４】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生せず良好な靭性を示している。
【０１２５】
発明例６８から発明例７１までは、最後尾のソリッドワイヤとその後方に配置されたメタルコアードワイヤの距離が違うが何れも頂部スラグインの無い良好な靭性を持つ溶接金属が得られている。
【０１２６】
発明例７２から発明例７４までは全てのソリッドワイヤの直径が４．０ｍｍの例である。第３電極のソリッドワイヤの後方３０ｍｍの位置にメタルコアードワイヤを配置しているが、３２ｍｍ以下の位置のため、メタルコアードワイヤは十分溶解し溶融池内で十分攪拌されているため、良好な靭性を示している。さらに、発明例７５は第一電極のソリッドワイヤの直径が４．０ｍｍの例である。それ以外の電極のソリッドワイヤは３．２ｍｍである。第３電極の後方３０ｍｍの位置にメタルコアードワイヤを配置しているが、最も太いワイヤの４．０ｍｍの８倍の距離以下の位置のため溶融池内で溶融したメタルコアードワイヤは攪拌され、良好な靭性を示している。
【０１２７】
表１１−１及び１１−２は４電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例７６から発明例８０までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．２のフラックスｇを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１２８】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生せず良好な靭性を示している。
【０１２９】
発明例７８、発明例７９および発明例８０は、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合は８％と小さいが、溶接金属中の酸素量は適正な範囲に入り、良好な溶接金属靭性が得られている。発明例８０は発明例７９と比較して、最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとを結ぶ線と溶接線とのなす角度が１５度の場合である。しかし、本発明の範囲内のため、メタルコアードワイヤは十分溶融し溶融池内で攪拌されているため、冶金的な問題は生じることなく、良好な靭性が得られている。
【０１３０】
表１２−１及び１２−２は５電極サブマージアーク溶接についての発明例である。発明例８１から発明例８９までは、何れも用いているフラックスは式（１）で計算される塩基度が１．２および３．２のフラックスを使用しているが、本発明の範囲内の酸素量のメタルコアードワイヤを、本発明の範囲内の量で溶融池に加えることで溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属の酸素量は適正で溶接金属の低温靭性は良好である。
【０１３１】
また、用いているフラックスの成分、フラックスの式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲に入っているため、頂部スラグインは発生していない。さらに、メタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲であるため、ピット等の欠陥も発生していない。さらに溶着金属量の全溶着金属量に占める割合や、メタルコアードワイヤの配置位置も本発明の範囲にはいっているため、溶接金属中にも未溶融等の冶金的問題も発生せず良好な靭性を示している。
【０１３２】
メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合は６％から３８％までの範囲があるが、いずれも本発明の範囲内のメタルコアードワイヤを使用しているため溶接金属中の酸素量は適正な範囲であり、その結果溶接金属の靭性は良好である。
【０１３３】
【表９−１】
【０１３４】
【表９−２】
【０１３５】
【表１０−１】
【０１３６】
【表１０−２】
【０１３７】
【表１１−１】
【０１３８】
【表１１−２】
【０１３９】
【表１２−１】
【０１４０】
【表１２−２】
【０１４１】
次に比較例について説明する。
【０１４２】
表１３−１及び１３−２はメタルコアードワイヤを使用しない場合の比較例である。メタルコアードワイヤは使用せずソリッドワイヤのみ使用して溶接した場合の比較例である。比較例１および比較例２は１電極サブマージアーク溶接、比較例３から比較例５までは２電極サブマージアーク溶接、比較例６から比較例２５までは３電極サブマージアーク溶接の比較例である。
【０１４３】
フラックスａからフラックスｇを使用している比較例１から比較例４および比較例６から比較例１４ではフラックスのＣａＦ２量、ＳｉＯ２量および式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲内のため頂部スラグインは発生していないが、溶接金属の酸素量を増加する手段を講じていないため溶接金属中の酸素量が少なく、そのため溶接金属の靭性が低い。
【０１４４】
比較例１５はフラックスｈを使用している。このフラックスは式（１）で計算される塩基度が高く、ＣａＦ２量が多く、ＳｉＯ２量が少ないため、頂部スラグインは発生していない。しかし、高塩基性のフラックスのため溶接金属の酸素量が低く靭性が低い。また、フラックス中のＣａＦ２量が過剰でアークが安定せず、そのため溶接ビードが蛇行している。さらに、式（１）で計算される塩基度が高すぎるフラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１４５】
比較例５および比較例１６から比較例２０はフラックスｉあるいはフラックスｊを使用している。溶接金属の酸素量は０．０１８％以上、０．０３５％以下のため溶接金属の靭性は良好であるが、頂部スラグインが発生している。
【０１４６】
比較例２１および比較例２２はフラックスｋを使用している。溶接金属の酸素量も過剰のため溶接金属の靭性が低い。またＣａＦ２が本発明の範囲未満で且つＳｉＯ２が本発明の範囲を超えているため、頂部スラグインも発生している。
【０１４７】
比較例２３はフラックスｌを使用している。このフラックスは、ＳｉＯ２が２５．０％以下、ＣａＦ２は３０．０％以上で、式（１）で計算される塩基度は１．１以上のため頂部スラグインは発生していないが、溶接金属の酸素量が低くそのため溶接金属の靭性が低い。さらにＣａＦ２量が本発明の範囲を超えているため、アークの安定性が損なわれて溶接ビードが蛇行している。さらに、ＳｉＯ２量が本発明の範囲未満のため、フラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１４８】
比較例２４はフラックスｍを使用している。フラックスのＣａＦ２量が本発明の範囲未満のため、頂部スラグインが発生している。また、溶接金属の酸素量が少なく、溶接金属の靭性が低い。
【０１４９】
比較例２５はフラックスｎを使用している。フラックスのＳｉＯ２量が本発明の範囲を越えているため頂部スラグインが発生している。また、溶接金属中の酸素量が少ないため、溶接金属の靭性も低い。
【０１５０】
【表１３−１】
【０１５１】
【表１３−２】
【０１５２】
表１４−１及び１４−２は１電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。メタルコアードワイヤの配置位置、メタルコアードワイヤの添加量、用いているソリッドワイヤ、フラックスおよび母材は本発明の範囲である。しかし比較例２６はメタルコアードワイヤに酸素量が本発明の範囲を超えているＣ２０を使用しているため、ピットが発生している。比較例２７は逆に、酸素量が本発明の範囲未満のメタルコアードワイヤＣ１９を使用しているため、溶接金属中の酸素量が低く溶接金属の靭性が低い。
【０１５３】
【表１４−１】
【０１５４】
【表１４−２】
【０１５５】
表１５−１及び１５−２は３電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。比較例２８は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、第３電極とその後方に配置されたメタルコアードワイヤとの距離が３０ｍｍである。電極に使用しているワイヤの直径が３．２ｍｍであるため、その８倍の２５．６ｍｍ以上の距離である。そのため、メタルコアードワイヤの挿入位置が溶融池の後方によりすぎ、メタルコアードワイヤが完全に溶融できず、さらに溶融池の中で十分攪拌されていない。その結果、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１５６】
比較例２９は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが最後尾のソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとを結ぶ線と溶接線とのなす角度が２０度の場合の例である。角度が本発明の範囲以上のため、メタルコアードワイヤが十分溶融・攪拌されていない。その結果、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１５７】
比較例３０は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、第２電極と第３電極のソリッドワイヤを結んだ線とメタルコアードワイヤとの距離が８ｍｍで、本発明の範囲であるソリッドワイヤの直径の２倍の６．４ｍｍ以上である。そのため、メタルコアードワイヤが十分溶融・攪拌されていない。その結果、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１５８】
比較例３１はフラックスｈを使用した例である。塩基度の高いフラックスを使用しているがメタルコアードワイヤを３本使用して溶接金属に酸素を供給しているため、溶接金属中の酸素量は適正範囲である。そのため溶接金属の靭性は良好である。しかし、フラックス中のＣａＦ２量が本発明の範囲を超えて過剰でアークが安定せず、そのため溶接ビードが蛇行している。さらに、式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲を超え高いためフラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１５９】
比較例３２は３電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤ３本使用したものである。塩基度の高いフラックスのフラックスｌを使用しているがメタルコアードワイヤを使用しているため溶接金属の酸素量は適正範囲である。そのため、溶接金属の靭性は良好である。また、フラックスｌは、ＳｉＯ２が２５．０％以下、ＣａＦ２は３０．０％以上で、式（１）で計算される塩基度は１．１以上のため頂部スラグインは発生していない。しかし、ＣａＦ２量が本発明の範囲を超えているため、アークの安定性が損なわれて溶接ビードが蛇行している。さらに、ＳｉＯ２量が低いため、フラックスが結晶質となり吸湿しやすいため、溶接直前まで容器に密閉する必要があった。
【０１６０】
比較例３３は第２電極と第３電極の間、および第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、メタルコアードワイヤの送給速度を速くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を本発明の範囲を超える４５％まで高めた。その結果、メタルコアードワイヤが十分溶融できず溶融池の中で完全に攪拌されていないため、酸素量は適正な範囲に入っているにもかかわらず溶接金属の靭性が低い。
【０１６１】
比較例３４は第３電極の後方にメタルコアードワイヤを配置しているが、メタルコアードワイヤの送給速度を遅くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を本発明の範囲未満の３％まで小さくした。その結果、用いているメタルコアードワイヤは酸素量の高いＣ１３を用いているにも関わらず、溶接金属の酸素量が低く溶接金属の靭性は低い。
【０１６２】
比較例３５から比較例４４までは用いているフラックスは本発明の範囲内であるが、用いているソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成の一部が過剰かあるいは不足しているため、溶接金属の成分が本発明の範囲から外れている。その結果、強度過剰ともに靭性が低い、あるいは強度不足等の問題が生じている。さらには比較例３７および比較例４３では溶接金属のＮｉ量が過剰で、その結果高温割れが生じている。
【０１６３】
比較例３５は、Ｃ量が請求項５の範囲未満のソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤを使用している。そのため、溶接金属中のＣが不足している。また、溶接金属のＰｃｍも本発明の範囲未満である。そのため、強度が低い。比較例３６は用いているソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤのＭｏ量およびＴｉ量が過剰で、そのため溶接金属の化学組成もＭｏ量およびＴｉ量が過剰となり靭性が低い。また、Ｐｃｍも高いため強度が過剰である。
【０１６４】
比較例３７は溶接金属中のＮｉ量が過剰となり高温割れが発生している。また、溶接金属中のＭｏ量も過剰のため、靭性も低い。比較例３８は、溶接金属中のＣ量およびＭｎ量も過剰となっている。そのため、溶接金属のＰｃｍが本発明の範囲を超えており、強度過剰で溶接金属の靭性が低い。
【０１６５】
比較例３９は、溶接金属中のＡｌ量が過剰で低強度であるにもかかわらず靭性が低い。比較例４０はＭｎ量およびＴｉ量の多いＳ１６およびＣ１８を使用しているため溶接金属のＭｎ量およびＴｉ量が過剰で靭性が低い。比較例４１はＰｃｍが本発明の範囲未満であり低強度である。しかし溶接金属中のＡｌ量が高いため低強度にもかかわらず靭性が低い。比較例４２は溶接金属中のＣｒ量、Ｍｎ量およびＴｉ量も過剰で、溶接金属のＰｃｍも本発明の範囲を超えている。その結果靭性が低い。また溶接金属中のＮｂ量も高く、これも溶接金属の靭性を低下させている。比較例４３は溶接金属のＣ量、Ｓｉ量およびＮｉ量が過剰で強度が過剰となり靭性が低い。さらに、Ｎｉ量が過剰のため溶接時に高温割れが発生している。また、溶接金属中のＮｂ量も高く、これも溶接金属の靭性を低下させている。比較例４４は溶接金属のＣｒ量が過剰で、溶接金属のＰｃｍも本発明の範囲を超えている。また溶接金属中のＮｂ量も高い。これらの原因で溶接金属の靭性が低い。
【０１６６】
表１６−１及び１６−２は４電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。比較例４５は４電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤを４本使用したものである。用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲未満のため、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を４０％であるにもかかわらず、溶接金属中の酸素量が低く溶接金属の靭性が低い。
【０１６７】
比較例４６は４電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤの送給速度を遅くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を３％まで小さくしたものである。その結果、用いているメタルコアードワイヤは酸素量の高いＣ６を用いているにも関わらず、溶接金属の酸素量が低く溶接金属の靭性は低い。
【０１６８】
表１７−１及び１７−２は５電極サブマージアーク溶接にメタルコアードワイヤを使用した場合の比較例である。比較例４７は５電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤを５本使用したものである。用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲未満のため、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を４０％であるにもかかわらず、溶接金属中の酸素量が低く溶接金属の靭性が低い。
比較例４８は５電極サブマージアーク溶接で、メタルコアードワイヤの送給速度を遅くして、メタルコアードワイヤから供給される溶着金属量の全溶着金属量に占める割合を３％まで小さくしたものである。その結果、用いているメタルコアードワイヤは酸素量の高いＣ６を用いているにも関わらず、溶接金属の酸素量が低く溶接金属の靭性は低い。
【０１６９】
【表１５−１】
【０１７０】
【表１５−２】
【０１７１】
【表１６−１】
【０１７２】
【表１６−２】
【０１７３】
【表１７−１】
【０１７４】
【表１７−２】
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
以上の様に、本発明を用いることにより容易に靭性の優れた頂部スラグインの無い下向きサブマージ溶接部を得ることができ、産業上貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】頂部スラグインの模式図である。
【図２】フラックスの式（１）で計算される塩基度と頂部スラグインの発生傾向の関係を示す図である。
【図３】フラックスの式（１）で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す図である。
【図４】メタルコアードワイヤの断面図である。
【図５】メタルコアードワイヤを使用した場合の溶接金属中の酸素量を示す図である。
【図６】１電極サブマージアーク溶接におけるソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤの配置図である。
【図７】多電極サブマージアーク溶接においてソリッドワイヤ間にメタルコアードワイヤの配置した場合の模式図である。
【図８】多電極サブマージアーク溶接において最後尾のソリッドワイヤの後方にメタルコアードワイヤの配置した場合の模式図である。
【図９】フラックス中のＳｉＯ２量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図１０】フラックス中のＣａＦ２量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図１１】実施例に用いた開先形状を示す図である。
【図１２】引張試験片採取要領を示す図である。
【図１３】衝撃試験片採取要領を示す図である。
【符号の説明】
【０１７７】
Ｓ：頂部スラグイン
Ａ：かしめ型メタルコアードワイヤの外皮
Ｂ：シームレスメタルコアードワイヤの外皮
Ｃ：金属粉末あるいは合金粉末
Ｗ：シームレスメタルコアードワイヤの外皮の溶接部
Ｋ：かしめ型メタルコアードワイヤのかしめ部
ａ：電極でないメタルコアードワイヤ
ｂ：第１電極のソリッドワイヤ
ｃ：第２電極のソリッドワイヤ
ｄ：第３電極のソリッドワイヤ
ｍ：溶融池
ｗｌ：溶接線
ｗｂ：溶接ビード
Ｍ：母材
Ｄｋ：開先き深さ
Ｌ：１電極サブマージアーク溶接においては電極、多電極サブマージアーク溶接においては最後尾の電極とその後方に配置されたメタルコアードワイヤとの距離
Ｄ：電極の間にメタルコアードワイヤを配置した場合の両側の電極を結んだ線とメタルコアードワイヤの先端との距離
θ：１電極サブマージアーク溶接においては電極、多電極サブマージアーク溶接においては最後尾の電極とその後方に配置されたメタルコアードワイヤとを結んだ線と、溶接線とのなす角度
Ｔｓ：引張り試験片
Ｔｐ：衝撃試験片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、１電極を用いてサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記電極をソリッドワイヤとするとともに、該電極の後方に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置し、前記電極と該メタルコアードワイヤとの距離を、前記電極のソリッドワイヤの直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【請求項２】
引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記複数電極をソリッドワイヤとし、該複数電極の何れかの隣接する２電極間あるいは最後尾電極の後方の少なくとも一カ所以上に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置するとともに、隣接する２電極間にメタルコアードワイヤを配置する場合は該メタルコアードワイヤの中心位置と溶接線までの最短距離が、前記複数電極のソリッドワイヤの最大直径の２倍以下となるようにし、最後尾電極の後方にメタルコアードワイヤを配置する場合は、複数電極のソリッドワイヤの最大直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記１電極の中心位置または複数電極のうちの最後尾電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および
、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【請求項３】
前記鋼材の成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０４を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項１または２に記載のサブマージアーク溶接方法。
【請求項４】
前記鋼材の成分組成が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、および、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％のうちの何れか１種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【請求項５】
前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％以下、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％、
Ｏ：０．０３％〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【請求項１】
引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、１電極を用いてサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記電極をソリッドワイヤとするとともに、該電極の後方に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置し、前記電極と該メタルコアードワイヤとの距離を、前記電極のソリッドワイヤの直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【請求項２】
引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成するサブマージアーク溶接方法において、
前記複数電極をソリッドワイヤとし、該複数電極の何れかの隣接する２電極間あるいは最後尾電極の後方の少なくとも一カ所以上に、鋼製外皮中に金属粉末または合金粉末を充填し、かつワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤを配置するとともに、隣接する２電極間にメタルコアードワイヤを配置する場合は該メタルコアードワイヤの中心位置と溶接線までの最短距離が、前記複数電極のソリッドワイヤの最大直径の２倍以下となるようにし、最後尾電極の後方にメタルコアードワイヤを配置する場合は、複数電極のソリッドワイヤの最大直径の８倍以下とし、かつ、溶接線上にある前記１電極の中心位置または複数電極のうちの最後尾電極の中心位置と該メタルコアードワイヤの中心間を結ぶ線と、溶接線とのなす角度が１５度以下となるようにするとともに、
前記電極から発生するアーク内、または、該アークによって形成された溶融池内に、前記メタルコアードワイヤを挿入し、該メタルコアードワイヤの溶着金属量が、溶着金属全体に対する質量％で５％〜４０％となるように、該メタルコアードワイヤを溶融し、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および
、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］ ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５ ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【請求項３】
前記鋼材の成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０４を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項１または２に記載のサブマージアーク溶接方法。
【請求項４】
前記鋼材の成分組成が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、および、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％のうちの何れか１種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【請求項５】
前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％以下、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％、
Ｏ：０．０３％〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のサブマージアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−５０８６６（Ｐ２００９−５０８６６Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１７６５４（Ｐ２００７−２１７６５４）
【出願日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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