フラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法
【課題】 引張強さが９５０ＭＰａ級以上である高張力鋼にも一般的に使用可能なフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０４〜０．３０％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｎｉ：１．０〜１２％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、炭素当量（Ｃｅｑ）が０．２５〜１．２％であり、さらに、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径が３０〜３００μｍであり、鋼製外皮に外気侵入の危険性のあるスリット状の継ぎ目が無いことを特徴とする。
【解決手段】 鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０４〜０．３０％、Ｓｉ：０．２〜２．０％、Ｍｎ：０．３〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ａｌ：０．００２〜０．０５％、Ｎｉ：１．０〜１２％、Ｍｇ：０．０１〜２．０％含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、炭素当量（Ｃｅｑ）が０．２５〜１．２％であり、さらに、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径が３０〜３００μｍであり、鋼製外皮に外気侵入の危険性のあるスリット状の継ぎ目が無いことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法に関し、特に建設機械および産業機械などの用途に適用される引張強さが９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接に使用される場合に、溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方をソリッドワイヤ並に低減できるフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法に関する。
【０００２】
ここでのフラックス入りワイヤは、フラックスを充填した後、鋼製外皮の継ぎ目を溶接することで継ぎ目を無くしたシームレスワイヤである。
【背景技術】
【０００３】
フラックス入りワイヤは、一般的に作業性、施工性の良さから使用されているが、引張強さが９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼用の溶接ワイヤでは、靭性確保、溶接低温割れの懸念からソリッドワイヤが使用されている。これは、フラックス入りワイヤを用いた溶接金属は、ソリッドワイヤを用いた溶接金属と比べ、溶接金属内の酸素量と拡散性水素量が高くなるために酸素による靭性の劣化と水素による溶接低温割れの発生が懸念されるためである。
【０００４】
酸素については、５９０〜７８０ＭＰａ級の溶接金属で酸化物を起点とする粒内変態を利用した組織微細化により靭性を向上させるために一定の酸素量が必要の場合があるが、酸素は一般に靭性を劣化させるものであり、特に引張強さが９５０ＭＰａ級以上の高張力となる溶接金属では、粒内変態がほとんど起こらないため、酸素が増加すれば、単調に靭性は劣化する。このため、９５０ＭＰａ級以上の溶接金属で、高い靭性を得るためには酸素を低減することが望まれる。
【０００５】
溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方を低減できる技術に関して、特許文献１や特許文献２が開示されている。特許文献１、特許文献２は共に強脱酸剤であるＭｇの利用に関してのものであるが、Ｍｇは吸湿しやすく、酸素低減効果を十分に発揮できないだけでなく、拡散性水素量を増加させる課題があると報告している。
【０００６】
特許文献１では、Ｍｇが拡散性水素量を増加させない範囲でＭｇを添加することにより、溶接金属の酸素量を低減し、かつ拡散性水素量の増加を抑制することで、引張強度および靭性に優れ、耐低温割れ性を改善した溶接金属を得ることができる溶接方法を提案している。しかしながら、これはＭｇの吸湿性を根本的に解決したものではない。
【０００７】
特許文献２では、Ｍｇの粒子表面に有機化合物を付着させることで耐吸湿性を向上させ、溶接金属中の拡散性水素を低減できると提案している。しかしながら、Ｍｇの表面に付着させた有機化合物は水素を含んでいるため、有機化合物自体は拡散性水素を増加させるが、吸湿することによる拡散性水素量の増加よりも少ないために相対的に拡散性水素量が低減しているだけである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５０１８６号公報
【特許文献２】特開平１１−１４７１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑み、フラックス入りワイヤのフラックスにＭｇを添加したワイヤに関して、特に、フラックスの平均粒径とワイヤの製造条件について検討することで、Ｍｇの吸湿問題を解消した。このことによって、Ｍｇが本来持っている脱酸効果を引き出し、かつ、吸湿していないＭｇは拡散性水素を低減する効果があることを見出し、溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方をソリッドワイヤ並に低減することを可能にすることで、フラックス入りワイヤの課題であった靭性、耐低温割れ性をソリッドワイヤ並みにできる。従って、本発明は、引張強さが９５０ＭＰａ級以上である高張力鋼にも一般的に使用可能なフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造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】
【００１０】
本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要件は下記のとおりである。
【００１１】
（１）鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０４〜０．３０％、
Ｓｉ：０．２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．０５％、
Ｎｉ：１．０〜１２％、
Ｍｇ：０．０１〜２．０％
含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、下記（式１）で示される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．２５〜１．２％であり、さらに、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径が３０〜３００μｍであり、鋼製外皮に外気侵入の危険性のあるスリット状の継ぎ目が無いことを特徴とする、フラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｍｏ］／４
＋［Ｃｒ］／５＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋［Ｎｂ］／３
＋［Ｖ］／５＋５×［Ｂ］ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （式１）
但し、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【００１２】
（２）前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
Ｖ ：０．００５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｂ ：０．００１〜０．０１５％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記（１）に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【００１３】
（３）前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【００１４】
（４）鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接し、溶接により得られた継ぎ目無しの管を縮径する前に、ワイヤを５００℃以上、７００℃以下の焼鈍温度で焼鈍することを特徴とする、上記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のフラックス入りワイヤによれば、引張強さ９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接において、フラックス入りワイヤでの課題であった溶接部の酸素量と拡散性水素量をソリッドワイヤ並みに低減できるため、高靭性、かつ、耐低温割れ性を向上した溶接金属を得ることが可能になる。このことで、フラックス入りワイヤの作業性、施工性の良さを維持しつつ、９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接に一般的にフラックス入りワイヤを使用できるようになることから、産業上の効果は極めて大きい。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
本発明は、鋼製外皮またはフラックス入りワイヤに所定範囲内の成分を含み、さらに充填するフラックスの平均粒径を調整したフラックス入りワイヤであり、実験研究を重ねた結果、フラックス入りワイヤの製造条件、特に焼鈍条件を所定範囲内にすることで、Ｍｇの吸湿性を解消し、Ｍｇの本来の脱酸効果を引き出した。さらに、吸湿の無いＭｇは拡散性水素を低減できることを見出したことで、高靭性、かつ、耐低温割れ性を向上した溶接金属を得ることができる。
【００１８】
まず、本発明のフラックス入りワイヤ成分の規定理由を説明する。各成分についての％は質量％を意味し、ワイヤ成分は鋼製外皮とフラックスを合わせた全体の成分値である。
【００１９】
［Ｃ：０．０４〜０．３０％］
Ｃは溶接金属の引張強さを高めるのに必須の元素であり、添加量が少ないと十分な溶接金属の引張強さが得られないため、０．０４％以上は必要である。しかし、０．３０％を超えて過剰に添加すると、溶接金属の靭性を劣化させるため、Ｃの添加量は、０．０４〜０．３０％とする。
【００２０】
［Ｓｉ：０．２〜２．０％］
Ｓｉは、脱酸元素であり、溶接金属中のＯ量を低減して清浄度を高めるためには溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．２％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量が２．０％を超えて過剰になると、粗大な酸化物を生成し溶接金属の靭性を著しく劣化させる。このため、本発明において溶接ワイヤ中のＳｉ含有量は０．２〜２．０％とする。
【００２１】
［Ｍｎ：０．３〜２．５％］
Ｍｎは、溶接金属の焼入性を確保して強度を高める。また、組織を微細化して靭性向上にも有効な元素であり、これらの効果を得るためには０．３％以上溶接ワイヤに含有する必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属中に残留オーステナイトが過剰に生成するため粒界脆化感受性が増加して溶接金属の靭性劣化、耐溶接割れ性劣化の可能性が高くなる。
このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は０．３〜２．５％とする。
【００２２】
［Ｐ：０．０２％以下］
Ｐは不純物元素であり、靭性を阻害するため極力低減する必要があるが、溶接ワイヤ中の含有量が０．０２％以下では靭性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
【００２３】
［Ｓ：０．０２％以下］
Ｓも不純物元素であり、溶接金属中に過大に存在すると靭性と延性をともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。
【００２４】
溶接ワイヤ中の含有量０．０２％以下では靭性、延性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＳ含有量は０．０２％以下とする。
【００２５】
［Ａｌ：０．００２〜０．０５％］
Ａｌは脱酸元素であり、Ｓｉと同様、溶接金属中の酸素量を低減し、清浄度向上に効果がある。効果を発揮するためには溶接ワイヤ中に０．００２％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に０．０５％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大な酸化物を形成して、この粗大酸化物が靭性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．００２〜０．０５％以下とする。
【００２６】
［Ｎｉ：１．０〜１２％］
Ｎｉは、固溶靭化により溶接金属の他の成分、組織によらず安定して靭性を向上できる唯一の元素であり、特に、高強度の溶接金属で靭性を確保するには必要な元素であり、１．０％以上含有させる必要がある。
【００２７】
Ｎｉ含有量が多いほど靭性を向上する上で有利ではあるが、溶接ワイヤ中の含有量が１２％を超えると、靭性向上効果が飽和する。
【００２８】
従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を１．０〜１２％に限定する。
なお、Ｎｉの効果が確実に靭性向上に寄与するためには２．５〜１０．０％がより好ましい。さらに、低温での靭性を確実に確保するには、５．１〜１０．０％がより好ましい。
【００２９】
［Ｍｇ：０．０１〜２．０％］
Ｍｇは強脱酸元素であり、溶接金属中の酸素量を低減させることで靭性を改善する効果を持つ。脱酸効果を発現するためには、酸化物やフッ化物の状態ではなく、金属または合金状態でフラックスに添加される必要がある。また、Ｍｇはアーク雰囲気中で蒸発ガス化した際に蒸気圧が高いため、アーク雰囲気中のＨ2分圧が低減し、溶接金属中の拡散性水素を低減させることができる。これら効果を発現するためには、最低限０．０１％必要である。一方、２．０％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、アークが不安定になり、溶接作業性に支障をきたす。なお、より確実に脱酸効果を発現するためには、０．２０〜２．０％が好ましく。さらに、より確実に拡散性水素量を低減するためには、０．５１〜２．０％が好ましい。
【００３０】
以上が本発明のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの基本成分である。なお、残部は鉄及び不可避不純物である。
【００３１】
本発明は、さらに、溶接金属の特定の機械的性質の調整のために、必要に応じて、ワイヤ中にさらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、および、Ｂのうちに１種または２種以上を以下の含有量の範囲で溶接ワイヤ中に含有させた場合、引張強さ、または、靭性に影響を与える。以下に述べる成分を必要に応じて添加する事ができる。
【００３２】
［Ｃｒ：０．１〜２．０％］
Ｃｒは、焼入れ性を高めることにより高強度化に有効な元素である。そのために溶接ワイヤ中に含有させる場合は、０．１％以上必要である。一方、２．０％を越えて過剰に含有させると、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、靭性を著しく劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中の含有量の上限を２．０％とする。
【００３３】
［Ｍｏ：０．１〜２．０％］
Ｍｏは、溶接金属の引張強さＴＳを高めるための焼入性向上元素である。また、焼もどし抵抗性を増すことにより強度と靭性を確保することができる。これらの効果を発揮するためには、ワイヤ中にＭｏを０．１％以上含有させる必要がある。
【００３４】
一方、Ｍｏを溶接ワイヤ中に２．０％を超えて含有させると、溶接金属中に粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させる。このため、本発明において、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量は０．１〜２．０％とする。
【００３５】
［Ｃｕ：０．０１〜１．５％］
Ｃｕは強度向上には有効な元素であり、溶接金属の強度向上効果を十分に得るためには、ワイヤ中に含有するＣｕの含有量、さらに表面にＣｕがメッキされる場合にはワイヤ中に含有するＣｕとメッキされるＣｕの合計含有量を０．０１％以上とする必要がある。
【００３６】
一方、ワイヤ中のＣｕ含有量が１．５％を超えると、ワイヤ表面にメッキされる場合、あるいは、ワイヤ中に含有する場合のいずれも、溶接金属の靭性が劣化するため好ましくない。したがって、本発明では、ワイヤ中のＣｕ含有量を０．０１〜１．５％とするのが好ましい。
【００３７】
［Ｖ：０．００５〜１．０％］
Ｖは微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。また、Ｖは溶接金属中に析出物を形成することで、拡散性水素をトラップする効果を持つ。本発明のような拡散性水素量が少ない溶接金属においては、少量の拡散性水素をトラップするだけでも耐低温割れ性を向上させる効果が大きい。これら効果を発現するためには、最低限０．００５％必要である。一方、１．０％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。
【００３８】
そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＶを含有させる場合の含有量は０．００５〜１．０％とする。
【００３９】
なお、析出強化により確実に強度を向上させるためには、０．２１〜１．０％がより好ましい。さらに、拡散性水素のトラップ効果を確実に発揮させるためには、０．５１〜１．０％がより好ましい。
【００４０】
［Ｔｉ：０．００５〜０．３％］
Ｔｉは溶接金属において脱酸元素として有効であり、かつ溶接金属中の固溶Ｎを窒化物として固定して固溶Ｎの靭性への悪影響を緩和でき、さらにはＴｉＮを形成して多層盛溶接の場合に溶接金属の再加熱領域における加熱オーステナイト粒を微細化する作用もある。これらのＴｉの作用により溶接金属の靭性向上効果を発揮するためには溶接ワイヤ中にＴｉを０．００５％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量が０．３％を超えて過剰になると、溶接金属中の粗大な酸化物の形成、および、ＴｉＮの過度な析出による靭性劣化が顕著に生じる可能性が大となる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量を０．００５〜０．３％とする。
【００４１】
［Ｎｂ：０．００５〜０．１％］
Ｎｂもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。これらの効果を発揮するために、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮し、ワイヤ中のＮｂ含有量を０．００５％以上とする必要がある。一方、ワイヤ中のＮｂ含有量が０．１％を越えると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。
【００４２】
そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＮｂを含有させる場合の含有量は０．００５〜０．１％とする。
【００４３】
［Ｂ：０．００１〜０．０１５％］
Ｂは、焼入れ性を高めて溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、また、溶接金属中の固溶Ｎと結びついてＢＮを形成して、溶接金属の靭性を向上する作用も有する。これらの効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＢ含有量は０．００１％以上必要である。一方、溶接ワイヤ中のＢ含有量が０．０１５％超となると、溶接金属中のＢが過剰となり、粗大なＢＮやＦｅ23（Ｃ、Ｂ）6等のＢ化合物を形成して靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、Ｂ含有量を０．００１〜０．０１５％に限定するのがこのましい。
【００４４】
［ＣａおよびＲＥＭのうちの１種または２種以上：０．０００２〜０．０１％］
本発明では、上記成分に加えて、さらに、溶接金属の延性、靭性を調整する目的で、必要に応じて、Ｃａ、および、ＲＥＭのうちの１種または２種以上を以下の範囲内でワイヤ中に含有させることができる。
【００４５】
Ｃａ、および、ＲＥＭはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性及び靭性向上に有効である。これらの効果を十分に発揮するためには、Ｃａ、および、ＲＥＭの含有量はいずれも０．０００２％以上とするのが好ましい。一方、ワイヤ中にＣａ、および、ＲＥＭを０．０１％を超えて過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招き、また、溶接ビード形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じる。このため、ワイヤ中のＣａ、および、ＲＥＭの含有量の上限はいずれも０．０１％とするのが好ましい。
【００４６】
次に、本発明で、目標とする引張強さＴＳと靭性を確保するには、以上の成分をそれぞれの含有量の規定範囲内で添加する際に、さらに、下記（式１）で示される溶接金属の焼入れ硬さを示す炭素当量（Ｃｅｑ）が所定範囲内にワイヤ中の各成分の含有量となる場合である。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｍｏ］／４
＋［Ｃｒ］／５＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋［Ｎｂ］／３
＋［Ｖ］／５＋５×［Ｂ］ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （式１）
但し、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【００４７】
目標の引張強さを確保するためには、溶接ワイヤ中に含有するＣ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、及び、Ｂの含有量を基に上記（式１）で求められる焼入れ硬さの指標である炭素当量Ｃｅｑを０．２５％以上に限定する必要がある。炭素当量Ｃｅｑが０．２５％未満では、焼入れ硬さが不足するため目標の引張強さＴＳが９５０ＭＰａを満足できない。炭素当量が大きい程焼入れ硬さが高くなるが、１．０％超えて過剰となると、溶接金属の靭性が劣化するため好ましくない。以上の理由により、本発明においては、溶接ワイヤの炭素当量（Ｃｅｑ）を０．２５〜１．０％に限定する。
【００４８】
また、本発明において、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径を３０〜３００μｍに限定することを特徴としている。限定の理由は新たに知見した具体的な内容のところに記載する。
【００４９】
次に本発明のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法について説明する。本発明のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法では、鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接し、溶接により得られた継ぎ目無しの管を、５００℃以上、７００℃以下の焼鈍温度で焼鈍することを特徴としている。
【００５０】
本発明者らが今回新たに知見した具体的な内容を以下に説明する。
【００５１】
従来から、Ｍｇは吸湿しやすいことが知られており、吸湿した水分子は、溶接金属内の酸素、及び、水素を増加させる要因となっている。ただし、Ｍｇは強脱酸剤であるため、吸湿した水分子が増加させる酸素よりも、脱酸による酸素低減効果の方が勝っているため、溶接金属の酸素量は低減されていた。当然ながら、吸湿したＭｇでは、十分にＭｇの脱酸効果を発現できていない。また、吸湿したＭｇは、拡散性水素量も増加させる問題があった。これら問題を解消するために、高温焼鈍によって吸湿した水分子を取り除く方法が開示されているが、高温ではＭｇは非常に酸化されやすいため、Ｍｇ周辺の空気によってＭｇが酸化してしまい、結局は酸素を十分に低減することはできなかった。
【００５２】
本発明では、フラックス入りワイヤのフラックスにＭｇを添加し、鋼製外皮の継ぎ目を溶接して、継ぎ目無しの管にすることで、高温焼鈍で吸湿した水分子を取り除き、かつ、Ｍｇの酸化を防ぐことが可能になり、Ｍｇが本来持っている脱酸効果を発現させることができた。さらにＭｇは、アーク雰囲気中で蒸発ガス化した際に蒸気圧が高いため、アーク雰囲気中のＨ2分圧が低減し、溶接金属中の拡散性水素を低減させることができる。
【００５３】
ワイヤの焼鈍温度を５００℃以上にすることで、Ｍｇに吸湿した水分子を十分に除去できる。焼鈍温度が７００℃を超えると、それ以上に水分子を除去する効果はない上に、製造コストが高くなるため好ましくない。また、フラックスの平均粒径を３０〜３００ｕｍにすることで、ワイヤ内のフラックス間の空隙が十分に埋められ、Ｍｇの周辺にはほとんど空気がない状態ができ、高温焼鈍によるＭｇの酸化を防ぐことが可能になる。尚、フラックスの平均粒径が３０ｕｍ未満となるほど細か過ぎれば、フラックス充填時に偏析を起し、ワイヤ成分の均一性が損なわれる。一方、フラックスの平均粒径が３００ｕｍよりも大きければ、フラックス間の空隙が大きくなりＭｇの酸化を防ぐことができない。
【実施例】
【００５４】
以下本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
【００５５】
表１−１に示す成分の鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部から、金属、合金、脱酸剤またはアーク安定剤からなる粉体を造粒したフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接することで継ぎ目無しとし、内部のフラックスが次工程に移る運搬作業などで動かなくなるまでワイヤを一次縮径した後に、焼鈍と二次縮径を実施して、ワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。本発明では表１−１に示す成分（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼製外皮を使用したが、鋼製外皮の成分は特に限定せず、一般的な汎用鋼の成分であれば鋼製外皮に使用することができる。試作したフラックス入りワイヤの組成及び製造条件を表１−２〜表１−５に示す。表１−２〜表１−５のワイヤ成分（残部はＦｅ及び不可避不純物）の内、表１−１に示す鋼製外皮成分を除く合金成分はフラックスから添加した。
【００５６】
【表１−１】
【００５７】
【表１−２】
【００５８】
【表１−３】
【００５９】
【表１−４】
【００６０】
【表１−５】
【００６１】
このワイヤを使用して、機械特性試験、酸素量測定、拡散性水素量測定、ｙ形溶接割れ試験を実施した。結果を表２−１〜表２−４に示す。
【００６２】
【表２−１】
【００６３】
【表２−２】
【００６４】
【表２−３】
【００６５】
【表２−４】
【００６６】
機械特性試験は、板厚が１９ｍｍの鋼板で、溶接条件が、溶接電流２８０Ａ、電圧２８〜３０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎとし、予熱、パス間温度を１００℃に管理し、Ａｒ＋２０％ＣＯ2ガスを用いたシールドガス溶接で行い、ＪＩＳ Ｚ３１１１（溶着金属の引張及び衝撃試験方法）に準拠した方法で溶接試験体を作製した。溶接の際に溶接作業性を評価し問題が無かったものを合格とした。溶接金属からは、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠したＡ１号引張り試験片と４号シャルピー試験片を採取し、溶接金属の強度と靭性を評価した。なお、その評価は、引張強さ９５０ＭＰａ以上、且つ０℃でのシャルピー衝撃試験で、吸収エネルギーが４７Ｊ以上であるものを合格とした。
【００６７】
溶接金属の酸素量測定は、不活性ガス溶解赤外線吸収法により測定した。酸素量の評価は、Ａｒ＋２０％ＣＯ2ガスを使用したシールドガス溶接をソリッドワイヤで行った際に得られる溶接金属の酸素量並みとなる３５０ｐｐｍ以下のものを合格とした。
【００６８】
拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ Ｚ３１１８（鋼溶接部の水素量測定方法）に準拠したガスクロマトグラフ法にて実施した。測定した拡散性水素量がソリッドワイヤ並の２．０ｍｌ／１００ｇ以下を合格とした。そのワイヤの耐低温割れ性は、予熱温度７５℃、溶接電流２８０Ａ、電圧２８〜３０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ、下向き姿勢で、板厚２５ｍｍの鋼板を使用して、ＪＩＳ Ｚ３１５８（ｙ形溶接割れ試験）に準拠した方法で実施し、ルート割れ率が２０％未満のものを合格、２０％以上のものを不合格として評価した。
【００６９】
以上の試験結果から、本発明のフラックス入り高強度鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法により、フラックス入りワイヤで溶接した溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方をソリッドワイヤ並に低減することを可能にし、フラックス入りワイヤの課題であった靭性、耐低温割れ性をソリッドワイヤ並みにできることで、引張強さが９５０ＭＰａ級以上である高張力鋼にもフラックス入りワイヤを一般的に使用可能となるので、本発明の産業的な意義は非常に多大である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法に関し、特に建設機械および産業機械などの用途に適用される引張強さが９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接に使用される場合に、溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方をソリッドワイヤ並に低減できるフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法に関する。
【０００２】
ここでのフラックス入りワイヤは、フラックスを充填した後、鋼製外皮の継ぎ目を溶接することで継ぎ目を無くしたシームレスワイヤである。
【背景技術】
【０００３】
フラックス入りワイヤは、一般的に作業性、施工性の良さから使用されているが、引張強さが９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼用の溶接ワイヤでは、靭性確保、溶接低温割れの懸念からソリッドワイヤが使用されている。これは、フラックス入りワイヤを用いた溶接金属は、ソリッドワイヤを用いた溶接金属と比べ、溶接金属内の酸素量と拡散性水素量が高くなるために酸素による靭性の劣化と水素による溶接低温割れの発生が懸念されるためである。
【０００４】
酸素については、５９０〜７８０ＭＰａ級の溶接金属で酸化物を起点とする粒内変態を利用した組織微細化により靭性を向上させるために一定の酸素量が必要の場合があるが、酸素は一般に靭性を劣化させるものであり、特に引張強さが９５０ＭＰａ級以上の高張力となる溶接金属では、粒内変態がほとんど起こらないため、酸素が増加すれば、単調に靭性は劣化する。このため、９５０ＭＰａ級以上の溶接金属で、高い靭性を得るためには酸素を低減することが望まれる。
【０００５】
溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方を低減できる技術に関して、特許文献１や特許文献２が開示されている。特許文献１、特許文献２は共に強脱酸剤であるＭｇの利用に関してのものであるが、Ｍｇは吸湿しやすく、酸素低減効果を十分に発揮できないだけでなく、拡散性水素量を増加させる課題があると報告している。
【０００６】
特許文献１では、Ｍｇが拡散性水素量を増加させない範囲でＭｇを添加することにより、溶接金属の酸素量を低減し、かつ拡散性水素量の増加を抑制することで、引張強度および靭性に優れ、耐低温割れ性を改善した溶接金属を得ることができる溶接方法を提案している。しかしながら、これはＭｇの吸湿性を根本的に解決したものではない。
【０００７】
特許文献２では、Ｍｇの粒子表面に有機化合物を付着させることで耐吸湿性を向上させ、溶接金属中の拡散性水素を低減できると提案している。しかしながら、Ｍｇの表面に付着させた有機化合物は水素を含んでいるため、有機化合物自体は拡散性水素を増加させるが、吸湿することによる拡散性水素量の増加よりも少ないために相対的に拡散性水素量が低減しているだけである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５０１８６号公報
【特許文献２】特開平１１−１４７１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑み、フラックス入りワイヤのフラックスにＭｇを添加したワイヤに関して、特に、フラックスの平均粒径とワイヤの製造条件について検討することで、Ｍｇの吸湿問題を解消した。このことによって、Ｍｇが本来持っている脱酸効果を引き出し、かつ、吸湿していないＭｇは拡散性水素を低減する効果があることを見出し、溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方をソリッドワイヤ並に低減することを可能にすることで、フラックス入りワイヤの課題であった靭性、耐低温割れ性をソリッドワイヤ並みにできる。従って、本発明は、引張強さが９５０ＭＰａ級以上である高張力鋼にも一般的に使用可能なフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ及びその製造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】
【００１０】
本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要件は下記のとおりである。
【００１１】
（１）鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０４〜０．３０％、
Ｓｉ：０．２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．０５％、
Ｎｉ：１．０〜１２％、
Ｍｇ：０．０１〜２．０％
含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、下記（式１）で示される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．２５〜１．２％であり、さらに、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径が３０〜３００μｍであり、鋼製外皮に外気侵入の危険性のあるスリット状の継ぎ目が無いことを特徴とする、フラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｍｏ］／４
＋［Ｃｒ］／５＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋［Ｎｂ］／３
＋［Ｖ］／５＋５×［Ｂ］ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （式１）
但し、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【００１２】
（２）前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
Ｖ ：０．００５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｂ ：０．００１〜０．０１５％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする、上記（１）に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【００１３】
（３）前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【００１４】
（４）鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接し、溶接により得られた継ぎ目無しの管を縮径する前に、ワイヤを５００℃以上、７００℃以下の焼鈍温度で焼鈍することを特徴とする、上記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のフラックス入りワイヤによれば、引張強さ９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接において、フラックス入りワイヤでの課題であった溶接部の酸素量と拡散性水素量をソリッドワイヤ並みに低減できるため、高靭性、かつ、耐低温割れ性を向上した溶接金属を得ることが可能になる。このことで、フラックス入りワイヤの作業性、施工性の良さを維持しつつ、９５０ＭＰａ級以上の高張力鋼の溶接に一般的にフラックス入りワイヤを使用できるようになることから、産業上の効果は極めて大きい。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
本発明は、鋼製外皮またはフラックス入りワイヤに所定範囲内の成分を含み、さらに充填するフラックスの平均粒径を調整したフラックス入りワイヤであり、実験研究を重ねた結果、フラックス入りワイヤの製造条件、特に焼鈍条件を所定範囲内にすることで、Ｍｇの吸湿性を解消し、Ｍｇの本来の脱酸効果を引き出した。さらに、吸湿の無いＭｇは拡散性水素を低減できることを見出したことで、高靭性、かつ、耐低温割れ性を向上した溶接金属を得ることができる。
【００１８】
まず、本発明のフラックス入りワイヤ成分の規定理由を説明する。各成分についての％は質量％を意味し、ワイヤ成分は鋼製外皮とフラックスを合わせた全体の成分値である。
【００１９】
［Ｃ：０．０４〜０．３０％］
Ｃは溶接金属の引張強さを高めるのに必須の元素であり、添加量が少ないと十分な溶接金属の引張強さが得られないため、０．０４％以上は必要である。しかし、０．３０％を超えて過剰に添加すると、溶接金属の靭性を劣化させるため、Ｃの添加量は、０．０４〜０．３０％とする。
【００２０】
［Ｓｉ：０．２〜２．０％］
Ｓｉは、脱酸元素であり、溶接金属中のＯ量を低減して清浄度を高めるためには溶接ワイヤ中のＳｉ含有量を０．２％以上とする必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量が２．０％を超えて過剰になると、粗大な酸化物を生成し溶接金属の靭性を著しく劣化させる。このため、本発明において溶接ワイヤ中のＳｉ含有量は０．２〜２．０％とする。
【００２１】
［Ｍｎ：０．３〜２．５％］
Ｍｎは、溶接金属の焼入性を確保して強度を高める。また、組織を微細化して靭性向上にも有効な元素であり、これらの効果を得るためには０．３％以上溶接ワイヤに含有する必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５％を超えると、溶接金属中に残留オーステナイトが過剰に生成するため粒界脆化感受性が増加して溶接金属の靭性劣化、耐溶接割れ性劣化の可能性が高くなる。
このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＭｎ含有量は０．３〜２．５％とする。
【００２２】
［Ｐ：０．０２％以下］
Ｐは不純物元素であり、靭性を阻害するため極力低減する必要があるが、溶接ワイヤ中の含有量が０．０２％以下では靭性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＰ含有量は０．０２％以下とする。
【００２３】
［Ｓ：０．０２％以下］
Ｓも不純物元素であり、溶接金属中に過大に存在すると靭性と延性をともに劣化させるため、極力低減することが好ましい。
【００２４】
溶接ワイヤ中の含有量０．０２％以下では靭性、延性への悪影響が許容できるため、本発明では溶接ワイヤ中のＳ含有量は０．０２％以下とする。
【００２５】
［Ａｌ：０．００２〜０．０５％］
Ａｌは脱酸元素であり、Ｓｉと同様、溶接金属中の酸素量を低減し、清浄度向上に効果がある。効果を発揮するためには溶接ワイヤ中に０．００２％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中に０．０５％を超えて過剰に含有させると、溶接金属中に粗大な酸化物を形成して、この粗大酸化物が靭性を著しく劣化させるため、好ましくない。従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＡｌ含有量を０．００２〜０．０５％以下とする。
【００２６】
［Ｎｉ：１．０〜１２％］
Ｎｉは、固溶靭化により溶接金属の他の成分、組織によらず安定して靭性を向上できる唯一の元素であり、特に、高強度の溶接金属で靭性を確保するには必要な元素であり、１．０％以上含有させる必要がある。
【００２７】
Ｎｉ含有量が多いほど靭性を向上する上で有利ではあるが、溶接ワイヤ中の含有量が１２％を超えると、靭性向上効果が飽和する。
【００２８】
従って、本発明においては、溶接ワイヤ中のＮｉ含有量を１．０〜１２％に限定する。
なお、Ｎｉの効果が確実に靭性向上に寄与するためには２．５〜１０．０％がより好ましい。さらに、低温での靭性を確実に確保するには、５．１〜１０．０％がより好ましい。
【００２９】
［Ｍｇ：０．０１〜２．０％］
Ｍｇは強脱酸元素であり、溶接金属中の酸素量を低減させることで靭性を改善する効果を持つ。脱酸効果を発現するためには、酸化物やフッ化物の状態ではなく、金属または合金状態でフラックスに添加される必要がある。また、Ｍｇはアーク雰囲気中で蒸発ガス化した際に蒸気圧が高いため、アーク雰囲気中のＨ2分圧が低減し、溶接金属中の拡散性水素を低減させることができる。これら効果を発現するためには、最低限０．０１％必要である。一方、２．０％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、アークが不安定になり、溶接作業性に支障をきたす。なお、より確実に脱酸効果を発現するためには、０．２０〜２．０％が好ましく。さらに、より確実に拡散性水素量を低減するためには、０．５１〜２．０％が好ましい。
【００３０】
以上が本発明のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの基本成分である。なお、残部は鉄及び不可避不純物である。
【００３１】
本発明は、さらに、溶接金属の特定の機械的性質の調整のために、必要に応じて、ワイヤ中にさらに、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、および、Ｂのうちに１種または２種以上を以下の含有量の範囲で溶接ワイヤ中に含有させた場合、引張強さ、または、靭性に影響を与える。以下に述べる成分を必要に応じて添加する事ができる。
【００３２】
［Ｃｒ：０．１〜２．０％］
Ｃｒは、焼入れ性を高めることにより高強度化に有効な元素である。そのために溶接ワイヤ中に含有させる場合は、０．１％以上必要である。一方、２．０％を越えて過剰に含有させると、ベイナイトやマルテンサイトを不均一に硬化させ、靭性を著しく劣化させるため、本発明においては、溶接ワイヤ中の含有量の上限を２．０％とする。
【００３３】
［Ｍｏ：０．１〜２．０％］
Ｍｏは、溶接金属の引張強さＴＳを高めるための焼入性向上元素である。また、焼もどし抵抗性を増すことにより強度と靭性を確保することができる。これらの効果を発揮するためには、ワイヤ中にＭｏを０．１％以上含有させる必要がある。
【００３４】
一方、Ｍｏを溶接ワイヤ中に２．０％を超えて含有させると、溶接金属中に粗大な析出物が生じて溶接金属の靭性を劣化させる。このため、本発明において、溶接ワイヤ中のＭｏ含有量は０．１〜２．０％とする。
【００３５】
［Ｃｕ：０．０１〜１．５％］
Ｃｕは強度向上には有効な元素であり、溶接金属の強度向上効果を十分に得るためには、ワイヤ中に含有するＣｕの含有量、さらに表面にＣｕがメッキされる場合にはワイヤ中に含有するＣｕとメッキされるＣｕの合計含有量を０．０１％以上とする必要がある。
【００３６】
一方、ワイヤ中のＣｕ含有量が１．５％を超えると、ワイヤ表面にメッキされる場合、あるいは、ワイヤ中に含有する場合のいずれも、溶接金属の靭性が劣化するため好ましくない。したがって、本発明では、ワイヤ中のＣｕ含有量を０．０１〜１．５％とするのが好ましい。
【００３７】
［Ｖ：０．００５〜１．０％］
Ｖは微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。また、Ｖは溶接金属中に析出物を形成することで、拡散性水素をトラップする効果を持つ。本発明のような拡散性水素量が少ない溶接金属においては、少量の拡散性水素をトラップするだけでも耐低温割れ性を向上させる効果が大きい。これら効果を発現するためには、最低限０．００５％必要である。一方、１．０％を越えて溶接ワイヤ中に含有させると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。
【００３８】
そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＶを含有させる場合の含有量は０．００５〜１．０％とする。
【００３９】
なお、析出強化により確実に強度を向上させるためには、０．２１〜１．０％がより好ましい。さらに、拡散性水素のトラップ効果を確実に発揮させるためには、０．５１〜１．０％がより好ましい。
【００４０】
［Ｔｉ：０．００５〜０．３％］
Ｔｉは溶接金属において脱酸元素として有効であり、かつ溶接金属中の固溶Ｎを窒化物として固定して固溶Ｎの靭性への悪影響を緩和でき、さらにはＴｉＮを形成して多層盛溶接の場合に溶接金属の再加熱領域における加熱オーステナイト粒を微細化する作用もある。これらのＴｉの作用により溶接金属の靭性向上効果を発揮するためには溶接ワイヤ中にＴｉを０．００５％以上含有させる必要がある。一方、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量が０．３％を超えて過剰になると、溶接金属中の粗大な酸化物の形成、および、ＴｉＮの過度な析出による靭性劣化が顕著に生じる可能性が大となる。このため、本発明においては、溶接ワイヤ中のＴｉ含有量を０．００５〜０．３％とする。
【００４１】
［Ｎｂ：０．００５〜０．１％］
Ｎｂもフェライト安定化元素であり、残留オーステナイト低減に有効であり、また、微細炭化物を形成して、析出強化により強度確保に有効である。これらの効果を発揮するために、他の同様の効果を有する元素との複合効果を考慮し、ワイヤ中のＮｂ含有量を０．００５％以上とする必要がある。一方、ワイヤ中のＮｂ含有量が０．１％を越えると、溶接金属中に過剰に含有され、粗大な析出物を形成して靭性を劣化させるため好ましくない。
【００４２】
そのため、本発明においては、溶接ワイヤ中にＮｂを含有させる場合の含有量は０．００５〜０．１％とする。
【００４３】
［Ｂ：０．００１〜０．０１５％］
Ｂは、焼入れ性を高めて溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、また、溶接金属中の固溶Ｎと結びついてＢＮを形成して、溶接金属の靭性を向上する作用も有する。これらの効果を確実に発揮するためには、溶接ワイヤ中のＢ含有量は０．００１％以上必要である。一方、溶接ワイヤ中のＢ含有量が０．０１５％超となると、溶接金属中のＢが過剰となり、粗大なＢＮやＦｅ23（Ｃ、Ｂ）6等のＢ化合物を形成して靭性を逆に劣化させるため、好ましくない。そこで、本発明においては、溶接ワイヤ中にＢを含有させる場合は、Ｂ含有量を０．００１〜０．０１５％に限定するのがこのましい。
【００４４】
［ＣａおよびＲＥＭのうちの１種または２種以上：０．０００２〜０．０１％］
本発明では、上記成分に加えて、さらに、溶接金属の延性、靭性を調整する目的で、必要に応じて、Ｃａ、および、ＲＥＭのうちの１種または２種以上を以下の範囲内でワイヤ中に含有させることができる。
【００４５】
Ｃａ、および、ＲＥＭはいずれも硫化物の構造を変化させ、また溶接金属中での硫化物、酸化物のサイズを微細化して延性及び靭性向上に有効である。これらの効果を十分に発揮するためには、Ｃａ、および、ＲＥＭの含有量はいずれも０．０００２％以上とするのが好ましい。一方、ワイヤ中にＣａ、および、ＲＥＭを０．０１％を超えて過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗大化を生じ、延性、靭性の劣化を招き、また、溶接ビード形状の劣化、溶接性の劣化の可能性も生じる。このため、ワイヤ中のＣａ、および、ＲＥＭの含有量の上限はいずれも０．０１％とするのが好ましい。
【００４６】
次に、本発明で、目標とする引張強さＴＳと靭性を確保するには、以上の成分をそれぞれの含有量の規定範囲内で添加する際に、さらに、下記（式１）で示される溶接金属の焼入れ硬さを示す炭素当量（Ｃｅｑ）が所定範囲内にワイヤ中の各成分の含有量となる場合である。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｍｏ］／４
＋［Ｃｒ］／５＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋［Ｎｂ］／３
＋［Ｖ］／５＋５×［Ｂ］ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （式１）
但し、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【００４７】
目標の引張強さを確保するためには、溶接ワイヤ中に含有するＣ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、及び、Ｂの含有量を基に上記（式１）で求められる焼入れ硬さの指標である炭素当量Ｃｅｑを０．２５％以上に限定する必要がある。炭素当量Ｃｅｑが０．２５％未満では、焼入れ硬さが不足するため目標の引張強さＴＳが９５０ＭＰａを満足できない。炭素当量が大きい程焼入れ硬さが高くなるが、１．０％超えて過剰となると、溶接金属の靭性が劣化するため好ましくない。以上の理由により、本発明においては、溶接ワイヤの炭素当量（Ｃｅｑ）を０．２５〜１．０％に限定する。
【００４８】
また、本発明において、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径を３０〜３００μｍに限定することを特徴としている。限定の理由は新たに知見した具体的な内容のところに記載する。
【００４９】
次に本発明のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法について説明する。本発明のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法では、鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接し、溶接により得られた継ぎ目無しの管を、５００℃以上、７００℃以下の焼鈍温度で焼鈍することを特徴としている。
【００５０】
本発明者らが今回新たに知見した具体的な内容を以下に説明する。
【００５１】
従来から、Ｍｇは吸湿しやすいことが知られており、吸湿した水分子は、溶接金属内の酸素、及び、水素を増加させる要因となっている。ただし、Ｍｇは強脱酸剤であるため、吸湿した水分子が増加させる酸素よりも、脱酸による酸素低減効果の方が勝っているため、溶接金属の酸素量は低減されていた。当然ながら、吸湿したＭｇでは、十分にＭｇの脱酸効果を発現できていない。また、吸湿したＭｇは、拡散性水素量も増加させる問題があった。これら問題を解消するために、高温焼鈍によって吸湿した水分子を取り除く方法が開示されているが、高温ではＭｇは非常に酸化されやすいため、Ｍｇ周辺の空気によってＭｇが酸化してしまい、結局は酸素を十分に低減することはできなかった。
【００５２】
本発明では、フラックス入りワイヤのフラックスにＭｇを添加し、鋼製外皮の継ぎ目を溶接して、継ぎ目無しの管にすることで、高温焼鈍で吸湿した水分子を取り除き、かつ、Ｍｇの酸化を防ぐことが可能になり、Ｍｇが本来持っている脱酸効果を発現させることができた。さらにＭｇは、アーク雰囲気中で蒸発ガス化した際に蒸気圧が高いため、アーク雰囲気中のＨ2分圧が低減し、溶接金属中の拡散性水素を低減させることができる。
【００５３】
ワイヤの焼鈍温度を５００℃以上にすることで、Ｍｇに吸湿した水分子を十分に除去できる。焼鈍温度が７００℃を超えると、それ以上に水分子を除去する効果はない上に、製造コストが高くなるため好ましくない。また、フラックスの平均粒径を３０〜３００ｕｍにすることで、ワイヤ内のフラックス間の空隙が十分に埋められ、Ｍｇの周辺にはほとんど空気がない状態ができ、高温焼鈍によるＭｇの酸化を防ぐことが可能になる。尚、フラックスの平均粒径が３０ｕｍ未満となるほど細か過ぎれば、フラックス充填時に偏析を起し、ワイヤ成分の均一性が損なわれる。一方、フラックスの平均粒径が３００ｕｍよりも大きければ、フラックス間の空隙が大きくなりＭｇの酸化を防ぐことができない。
【実施例】
【００５４】
以下本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
【００５５】
表１−１に示す成分の鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部から、金属、合金、脱酸剤またはアーク安定剤からなる粉体を造粒したフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接することで継ぎ目無しとし、内部のフラックスが次工程に移る運搬作業などで動かなくなるまでワイヤを一次縮径した後に、焼鈍と二次縮径を実施して、ワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。本発明では表１−１に示す成分（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼製外皮を使用したが、鋼製外皮の成分は特に限定せず、一般的な汎用鋼の成分であれば鋼製外皮に使用することができる。試作したフラックス入りワイヤの組成及び製造条件を表１−２〜表１−５に示す。表１−２〜表１−５のワイヤ成分（残部はＦｅ及び不可避不純物）の内、表１−１に示す鋼製外皮成分を除く合金成分はフラックスから添加した。
【００５６】
【表１−１】
【００５７】
【表１−２】
【００５８】
【表１−３】
【００５９】
【表１−４】
【００６０】
【表１−５】
【００６１】
このワイヤを使用して、機械特性試験、酸素量測定、拡散性水素量測定、ｙ形溶接割れ試験を実施した。結果を表２−１〜表２−４に示す。
【００６２】
【表２−１】
【００６３】
【表２−２】
【００６４】
【表２−３】
【００６５】
【表２−４】
【００６６】
機械特性試験は、板厚が１９ｍｍの鋼板で、溶接条件が、溶接電流２８０Ａ、電圧２８〜３０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎとし、予熱、パス間温度を１００℃に管理し、Ａｒ＋２０％ＣＯ2ガスを用いたシールドガス溶接で行い、ＪＩＳ Ｚ３１１１（溶着金属の引張及び衝撃試験方法）に準拠した方法で溶接試験体を作製した。溶接の際に溶接作業性を評価し問題が無かったものを合格とした。溶接金属からは、ＪＩＳ Ｚ３１１１に準拠したＡ１号引張り試験片と４号シャルピー試験片を採取し、溶接金属の強度と靭性を評価した。なお、その評価は、引張強さ９５０ＭＰａ以上、且つ０℃でのシャルピー衝撃試験で、吸収エネルギーが４７Ｊ以上であるものを合格とした。
【００６７】
溶接金属の酸素量測定は、不活性ガス溶解赤外線吸収法により測定した。酸素量の評価は、Ａｒ＋２０％ＣＯ2ガスを使用したシールドガス溶接をソリッドワイヤで行った際に得られる溶接金属の酸素量並みとなる３５０ｐｐｍ以下のものを合格とした。
【００６８】
拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ Ｚ３１１８（鋼溶接部の水素量測定方法）に準拠したガスクロマトグラフ法にて実施した。測定した拡散性水素量がソリッドワイヤ並の２．０ｍｌ／１００ｇ以下を合格とした。そのワイヤの耐低温割れ性は、予熱温度７５℃、溶接電流２８０Ａ、電圧２８〜３０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ、下向き姿勢で、板厚２５ｍｍの鋼板を使用して、ＪＩＳ Ｚ３１５８（ｙ形溶接割れ試験）に準拠した方法で実施し、ルート割れ率が２０％未満のものを合格、２０％以上のものを不合格として評価した。
【００６９】
以上の試験結果から、本発明のフラックス入り高強度鋼用溶接ワイヤ及びその製造方法により、フラックス入りワイヤで溶接した溶接金属の酸素量と拡散性水素量の両方をソリッドワイヤ並に低減することを可能にし、フラックス入りワイヤの課題であった靭性、耐低温割れ性をソリッドワイヤ並みにできることで、引張強さが９５０ＭＰａ級以上である高張力鋼にもフラックス入りワイヤを一般的に使用可能となるので、本発明の産業的な意義は非常に多大である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０４〜０．３０％、
Ｓｉ：０．２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．０５％、
Ｎｉ：１．０〜１２％、
Ｍｇ：０．０１〜２．０％
含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、下記（式１）で示される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．２５〜１．２％であり、さらに、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径が３０〜３００μｍであり、鋼製外皮に外気侵入の危険性のあるスリット状の継ぎ目が無いことを特徴とする、フラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｍｏ］／４
＋［Ｃｒ］／５＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋［Ｎｂ］／３
＋［Ｖ］／５＋５×［Ｂ］ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （式１）
但し、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
Ｖ ：０．００５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｂ ：０．００１〜０．０１５％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【請求項４】
鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接し、溶接により得られた継ぎ目無しの管を縮径する前に、ワイヤを５００℃以上、７００℃以下の焼鈍温度で焼鈍することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法。
【請求項１】
鋼製外皮の内部に、少なくとも金属または合金を含有するフラックスが充填されたフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０４〜０．３０％、
Ｓｉ：０．２〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｐ ：０．０２％以下、
Ｓ ：０．０２％以下、
Ａｌ：０．００２〜０．０５％、
Ｎｉ：１．０〜１２％、
Ｍｇ：０．０１〜２．０％
含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、下記（式１）で示される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．２５〜１．２％であり、さらに、フラックス入りワイヤに充填するフラックスの平均粒径が３０〜３００μｍであり、鋼製外皮に外気侵入の危険性のあるスリット状の継ぎ目が無いことを特徴とする、フラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
Ｃｅｑ＝［Ｃ］＋［Ｍｎ］／６＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｎｉ］／４０＋［Ｍｏ］／４
＋［Ｃｒ］／５＋［Ｃｕ］／４０＋［Ｔｉ］／３０＋［Ｎｂ］／３
＋［Ｖ］／５＋５×［Ｂ］ ・・・・・・・・・・・・・・・・ （式１）
但し、［ ］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｒ：０．１〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０１〜１．５％、
Ｖ ：０．００５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｂ ：０．００１〜０．０１５％
のうちの１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【請求項３】
前記フラックス入りワイヤが、さらに、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％
のうちの１種または２種を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤ。
【請求項４】
鋼帯をこれの長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせ溶接し、溶接により得られた継ぎ目無しの管を縮径する前に、ワイヤを５００℃以上、７００℃以下の焼鈍温度で焼鈍することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフラックス入り高張力鋼用溶接ワイヤの製造方法。
【公開番号】特開２０１１−５５３１（Ｐ２０１１−５５３１Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２９５６（Ｐ２００９−１５２９５６）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【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２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【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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