低温用鋼のサブマージアーク溶接方法
【課題】高い引張強さと靭性が得られ、延性に優れた溶接継手が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】Ｎｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスのいずれか一方または両方の、下記（１）式から求められる各金属成分のＭ含有量を、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｍｎ：０．５〜２％、但し、１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：６０％以上、Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％、Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％とし、Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下で、上記Ｎｉ基合金ワイヤの残部を不可避不純物とし、上記焼成型フラックスの残部を不可避不純物等としたことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１） Ｍｗ：上記Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％、Ｍｆ：上記焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
【解決手段】Ｎｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスのいずれか一方または両方の、下記（１）式から求められる各金属成分のＭ含有量を、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｍｎ：０．５〜２％、但し、１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：６０％以上、Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％、Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％とし、Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下で、上記Ｎｉ基合金ワイヤの残部を不可避不純物とし、上記焼成型フラックスの残部を不可避不純物等としたことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１） Ｍｗ：上記Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％、Ｍｆ：上記焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温液体用貯槽タンクの建造材料などに使用される５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に関し、特に高い機械的特性を得るとともに欠陥のない高品質な溶接継手を得る上で好適な低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブマージアーク溶接方法は、予め粒状のフラックスを溶接線に沿って散布しておき、その中に電極ワイヤを連続的に供給し、この電極ワイヤの先端と母材との間でアークを発生させて溶接を連続的に行う方法である。このサブマージアーク溶接方法によれば、高能率で高品位な溶接継手が得られることから、低温用鋼の溶接に多く使用されている。また、溶接速度が速く、溶込みも深いため、用途としては造船、造管、橋梁、車両を始めとする大型構造物を溶接する際に威力を発揮する。
【０００３】
このサブマージアーク溶接をする上での実際の溶接姿勢は、通常のアーク溶接を行う場合における下向き溶接や水平すみ肉溶接を行う際の従来使用されている溶接姿勢で行う。また特に低温液体用貯槽タンクの建造時のサブマージアーク溶接は、横向姿勢溶接で行わなければならない場合もある。このため、かかる横向姿勢溶接が可能なフラックスも開発されている。
【０００４】
ところで５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼の溶接部は、熱処理を行わず溶接完了後の状態のままで低温靱性が要求されることから、電極ワイヤとしては母材よりもＮｉ含有量の多いＮｉ基合金ワイヤが適用されている。また現場施工において実際に下向姿勢や水平すみ肉溶接による溶接姿勢で行う場合にはサブマージアーク溶接方法を適用することができるが、立向姿勢溶接の場合には、フラックスを効果的に散布することが困難になることから、かかる方法を適用することができず、結局のところ被覆アーク溶接やＴＩＧ溶接方法により溶接せざるを得なくなる。さらに最近では、高能率で溶接作業性に優れるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの開発が進められているものの、耐割れ性が不十分であり、突合せ継手の溶接には、被覆アーク溶接方法が主流となっている。
【０００５】
しかし、この被覆アーク溶接方法は、溶接能率が低く、現場施工の工期短縮を図ることができないという問題点があった。このため、高能率で溶接金属の耐割れ性に優れる立向上進溶接も可能なサブマージアーク溶接材料およびその溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１の開示技術によれば、ＣａＦ２を低減し、Ａｌ２Ｏ３を積極的に添加することで、サブマージアーク溶接を立向姿勢で行うことが可能になることを見出したものである。実際にはＣａＦ２を４０％以下とすることにより、特に立向姿勢溶接においてアーク長の変動を抑えてアーク状態を安定化させるとともに、Ａｌ２Ｏ３を３１％以上とすることにより、溶接スラグの融点を高めて、立向姿勢溶接においてもビード形状を平滑化させることを期待したものである。
【０００６】
しかし、上述した特許文献１の開示技術を通じて、確かに立向上進溶接も可能なサブマージアーク溶接材料を提供することはできるものの、サブマージアーク溶接方法特有の問題点としての、母材の希釈率が高く、溶接金属中のＦｅが高くなることによる低靭性化を改善することができず、また溶接金属の引張強さをより向上させることができないという問題点があった。
【０００７】
また、極低温用鋼のサブマージアーク溶接方法として、耐割れ性、機械的性質に優れた溶接金属を得ることができる溶接方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２の開示技術によれば、金属Ａｌ含有係数の最適化を図ることにより、溶接時における耐ブローホール性を向上させることができる技術である。しかし、この開示技術では、Ｃｒを多量に含有しているので耐割れ性が不十分であるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−３９７６１号公報
【特許文献２】特公昭５９−６７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、低温液体用貯槽タンクの建造材料等に使用される５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等をサブマージアーク溶接する際において、下向き溶接、水平すみ肉溶接、横向及び立向姿勢溶接を実現でき、しかも高い引張強さと靭性が得られ、延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質の溶接継手が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接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】
本発明者らは、前記課題を解決するためにサブマージアーク溶接用ワイヤ及び焼成型フラックスの合金成分について種々検討を行った。その結果、Ｃ量を増加させることで、溶接継手の引張強さを増加できることがわかった。しかし、Ｃ量の過剰な増加は、固溶できないＣが炭化鉄として分散析出し、亀裂の伝播を容易にして溶接金属の靭性の著しい低下を招くことにもなる。即ち、本発明者らは、Ｃ量を増加させることにより溶接継手の高強度を図るほど却って低靭性になることを見出した。
【００１１】
そこで、溶接継手の引張強さと靭性のバランスを保ち、高強度かつ高靭性の得られる成分の検討をした結果、Ｃ量を増加させることにより引張り強さの向上を図りつつも、固溶できない余剰のＣを炭化マンガンとさせ、機械性能、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を向上させることができる点に着目した。このため、組合せるＮｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスの成分について、かかる炭化マンガンを生成させるべくＣとＭｎのバランスを適正化することにより、高い引張強さと靭性が得られ、延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質な溶接継手が得られることを明らかとした。
【００１２】
本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは、Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスとを組合せて低温用鋼を溶接するサブマージアーク溶接方法において、Ｎｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスのいずれか一方または両方の、下記（１）式から求められる各金属成分のＭ含有量を、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｍｎ：０．５〜２％、但し、１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：６０％以上、Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％、Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％とし、Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下で、上記Ｎｉ基合金ワイヤの残部を不可避不純物とし、上記焼成型フラックスの残部を酸化物、金属炭酸塩、金属フッ化物及び不可避不純物としたことを特徴とする。
Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１）
Ｍｗ：上記Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％
Ｍｆ：上記焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
また、焼成型フラックス中におけるＣの含有量を質量％で０．０１〜０．２０％としたことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼のサブマージアーク溶接方法によれば、上述した成分組成からなるＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスを用いてサブマージアーク溶接を行うことにより、Ｃ量を増加させることで、溶接金属の引張強さを増加させることができ、しかも過剰なＣについては、炭化マンガンとさせ、機械性能、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を向上させることが可能となり、しかも延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質の溶接継手を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態として、５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法について詳細に説明をする。
【００１５】
本発明は、特に５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼の溶接に用いるＮｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスの各成分組成は、それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものである。
【００１６】
ちなみに本発明では、Ｎｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスの各成分組成を定義する上でＭ含有量という概念を用いている。このＭ含有量は、下記（１）式に示すＭに基づいて換算される含有量である。
【００１７】
Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１）
Ｍｗ：Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％
Ｍｆ：焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
【００１８】
このＭは、Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％と、焼成型フラックス中の各金属成分の質量％の溶接金属の成分及び機械的性能に寄与する重み付けを１：０．５として換算したものである。この重み付けを、Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％と、焼成型フラックス中の各金属成分の質量％との間で１：０．５とした理由は、溶接金属の成分及び機械的性能に寄与する割合を考慮したものである。サブマージアーク溶接は、Ｎｉ基合金ワイヤの消費量１に対して、焼成型フラックスの消費量も約１となるが、焼成型フラックスがアーク熱によって溶融してスラグとはならず、未溶融部も形成される。このため、、かかる未溶融部の分を差し引くと、実際の焼成型フラックスの寄与率は、Ｎｉ基合金ワイヤの１/２程度となるため、上述した重み付けを行っている。
【００１９】
即ち、本発明では、Ｎｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスのそれぞれを個別に成分を規定するものではなく、あくまでＮｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスを組み合わせて一つのパラメータＭを介して成分を規定するものである。実際に溶接を行う際には、このＮｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスを組み合わせて行うため、成分についてもこれらを組み合わせた状態で規定するとともに、上述した理由によりＮｉ基合金ワイヤ中の金属成分に重み付けを重くしている。
【００２０】
以下、それぞれの各成分組成の添加理由およびＭ含有量の限定理由について説明をする。組成における質量％は、単に％と記載する。
【００２１】
Ｃ：０．０３〜０．１２％
Ｃは、溶接金属の引張強さを高める目的並びに脱酸を実現する目的の下でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロマンガン、フェロシリコンマンガン及びグラファイト等から添加する。上述した（１）式で求められるＣのＭ含有量が０．０３％未満では、引張強さを十分に向上させることができずれ得られる溶接金属の引張強さが低くなってしまう。一方、（１）式で求められるＣのＭ含有量が０．１２％を超える場合、Ｃが過剰であり、固溶できないＣが炭化鉄として分散析出し、これが溶接金属の靭性を著しく劣化させる。したがって、ＣのＭ含有量は０．０３〜０．１２％とする。
【００２２】
また、Ｃの一部はアーク中の酸素と反応し、ＣＯ２ガスとなって放出され溶接金属の酸素量を低減する効果がある。Ｃによる脱酸を有効に働かせるためには、Ｎｉ基合金ワイヤよりも焼成型フラックスから添加した方の効果が大きく、焼成型フラックス中のＣ量が０．０１％未満では十分な脱酸効果が得られず、ブローホールが発生しやすい。一方、焼成型フラックス中のＣ量が０．２０％を超えるとＣＯ２ガスが過多となり、アークの安定性を損なってかえってブローホールを生じやすくなる。したがって、焼成型フラックス中のＣ量は０．０１〜０．２０％とすることが望ましい。なお、後述するＡｌ及びＴｉも脱酸の効果を目的に添加するが、過多に添加すると窒化物等の介在物が溶接金属に内在しやすいため、より効果的な脱酸を行うためには、ＣとＡｌ及びＴｉを併用して添加する必要がある。
【００２３】
Ｍｎ：０．５〜２％
Ｍｎは、溶接金属中の低融点硫化物のＳを固定し、ＭｎＳとなって溶接金属の耐割れ性を高める目的でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロマンガン、フェロシリコンマンガン及び金属マンガン等から添加する。上述した（１）式で求められるＭｎのＭ含有量が０．５％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の耐割れ性が低い。一方、ＭｎのＭ含有量が２％を超えてしまうとＭｎ酸化物が多く溶接金属に内在することとなり、曲げ応力が負荷された場合にこれが亀裂の起点となって開口し、曲げ延性を劣化させる。したがって、ＭｎのＭ含有量は０．５〜２％とする。
【００２４】
１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下
上述したＣのＭ換算値とＭｎのＭ換算値の１０×Ｃ／Ｍｎを１．５以下にすることによって溶接金属の靭性を劣化させることなく引張強さを高めることができる。ＣのＭ含有量は増加するほど溶接金属に固溶して引張強さを向上させることができるが、このＣ量を過剰に添加すると固溶できないＣが炭化鉄として分散析出し、亀裂の伝播を容易にして溶接金属の靭性を損なう。このため、ＭｎのＭ含有量を適正量添加することにより溶接金属の引張強さを向上させつつ、固溶できないＣをＭｎにより炭化マンガンとさせ、機械的特性、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を高めることができる。なお、この１０×Ｃ／Ｍｎが１．５を超えるとＭｎのＭ含有量と比較してＣのＭ含有量が過剰となり、溶接金属の引張強さは高くすることができるものの、過剰なＣをＭｎにより炭化マンガン化しきれずに残存してしまい、炭化鉄の析出により靭性が低くなる。
【００２５】
Ｎｉ基合金ワイヤにはＦｅが不純物として含有され、母在希釈のない溶着金属であれば、溶着金属の引張強さと靭性の両方を高めることが容易であるが、実構造物の溶接施工では、５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼の母材希釈があり、溶接金属のＦｅ量が高くなり、炭化鉄を析出して溶接金属の靭性を損ないやすい。そのためＣのＭ含有量及びＭｎのＭ含有量を満足するだけでなく、前述のようにＣのＭ含有量とＭｎのＭ含有量のバランスを適正に保つ必要がある。したがって、ＣのＭ含有量とＭｎのＭ含有量の１０×Ｃ／Ｍｎは１．５以下とする。
【００２６】
Ｎｉ：６０％以上
Ｎｉは、溶接金属の靭性を高める目的でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロニッケル及び金属ニッケル等から添加する。前記（１）式で求められるＮｉのＭ含有量が６０％未満では、溶接金属の靭性が低くなってしまう。したがって、ＮｉのＭ含有量は６０％以上とする。一方、上限は特に限定しないが、溶接金属の引張強さを高めることや、耐割れ性、耐ブローホール性等を考慮して、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ等を添加するため、これらの合計量を考えると、上限は８５％程度になる。
【００２７】
Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％
Ｍｏ及びＷは、溶接金属に固溶し引張強さを高める目的でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロモリブデン及び金属タングステン等から添加する。前記（１）式で求められるＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計が１９％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の引張強さが低くなってしまう。一方、２７％を超えて添加すると、溶接金属の伸びが低くなってしまう。したがって、ＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計は１５〜２７％とする。ＭｏとＷの効果は同じであるが、経済性やワイヤの生産性を考慮するとＭｏのＭ含有量が１５〜２５％、ＷのＭ含有量が１〜４％の範囲であることが好ましい。
【００２８】
Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％
Ａｌ及びＴｉは、脱酸及び脱窒素を行い、溶接金属中の耐ブローホール性改善を目的にＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロアルミ、金属アルミ、フェロチタン及び金属チタン等から添加する。前記（１）式で求められるＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計が０．３％未満では、その効果が得られず、ブローホールが発生する。一方、３％を超えて添加するとＡｌ及びＴｉの窒化物が溶接金属に多く内在し、曲げ応力が負荷された際に亀裂の起点となって開口し、曲げ延性を劣化する。したがって、ＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計は０．１〜３％とする。ＡｌとＴｉは、共に脱酸及び脱窒素の効果があるが、脱酸能はＡｌの方が高く、Ｔｉはやや劣る。一方、脱窒素能は、Ｔｉの方が高く、Ａｌはやや劣る。したがって、脱酸及び脱窒素の両方を行うためには、両元素の添加が好ましく、ＡｌのＭ含有量は０．３〜２％、ＴｉのＭ含有量は０．０５〜１．５％の範囲であることが好ましい。
【００２９】
Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下
Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕは、凝固温度幅を増加させ、ＰやＳなどの低融点介在物の生成を促進させて高温割れを生じやすくするため、低いほうが好ましい。したがって、ＳｉのＭ含有量、ＣｒのＭ含有量及びＣｕのＭ含有量の合計は１％以下とする。
【００３０】
なお、Ｐ及びＳは高いほど高温割れが発生しやすいため、Ｎｉ基合金ワイヤのＰ及びＳの合計は０．０１％未満とすることが好ましい。また、焼成型フラックスはＰ及びＳの低い原料を用いることが好ましい。
【００３１】
本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に使用する焼成型フラックスの金属成分以外の主な化学成分は、何れも質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３０〜６０％、ＣａＦ２：１０〜４０％、ＳｉＯ２：１〜１０％、Ｎａ２Ｏ：０．１〜５％、ＭｇＯ：１〜１０％、ＣａＣＯ３：１〜１０％、ＣａＯ：１〜２０％であることが好ましい。
【００３２】
Ａｌ２Ｏ３は、ビード幅の広いなじみの良好なビードを形成させるために添加される。Ａｌ２Ｏ３の添加量が３０％未満であるとなじみが悪化し、６０％を超えるとビードを平坦化させることができないため、このＡｌ２Ｏ３は、３０〜６０％とされていることが望ましい。
【００３３】
ＣａＦ２は、酸素を下げて靭性を向上させるべく添加される。このＣａＦ２が１０％未満では、酸素を十分に低下させることができず、６０％を超えると却ってアークが不安定化してしまうため、１０〜４０％とされていることが望ましい。
【００３４】
ＳｉＯ２は、スラグの粘性を増加させることにより、良好なビードを形成させるべく添加されるものである。このＳｉＯ２が１％未満では、かかる効果を奏することができず、またＳｉＯ２が１０％を超えると酸素が多くなりすぎて、上述した脱酸元素を添加しても十分な脱酸を実現できず、靭性が低下してしまう要因になる。このため、このＳｉＯ２は、１〜１０％とされていることが望ましい。
【００３５】
Ｎａ２Ｏは、アークの安定性、集中性を向上させる観点から添加されるものであるが、０．１％未満では、立向姿勢溶接においてその効果が十分に得られない。また、このＮａ２Ｏの含有量が５％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。このため、Ｎａ２Ｏは、０．１〜５％とされていることが望ましい。
【００３６】
ＭｇＯは、スラグの融点を高くし、ビード形状を整える目的で添加され、１％以上でかかる効果を発現させることができるが、添加量が１０％を超えると、スラグの剥離性が悪化してしまう。このため、ＭｇＯは、１〜１０％とされていることが望ましい。
【００３７】
ＣａＣＯ３は、溶接中にＣＯ２ガスを発生させ、溶接金属をシールドするために添加され、かかる効果を発現させるためには、１％以上含有させる必要がある。しかしながら、このＣａＣＯ３の含有量が１０％を超えてしまうと却ってアーク状態が不安定となるため、このＣａＣＯ３の含有量は、１〜１０％とされていることが望ましい。
【００３８】
ＣａＯは、酸素を下げて靭性を向上させる観点から添加される。このＣａＯ含有量が１％未満では、酸素を下げることができず、２０％を超えるとビード形状を最適化させることができない。このため、ＣａＯの含有量は、１〜２０％とされていることが望ましい。
【００３９】
以上、本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に用いるＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスの各成分組成のＭ含有量の限定理由について説明をした。上述した成分組成からなるＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスを用いてサブマージアーク溶接を行うことにより、Ｃ量を増加させることで、溶接金属の引張強さを増加させることができ、しかも過剰なＣについては、炭化マンガンとさせ、機械性能、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を向上させることが可能となる。
【００４０】
なお、焼成型フラックスの製造方法についてさらに言及すると、粉末原材料を、配合、撹拌した後、固着剤（珪酸ソーダおよび／または珪酸カリの水溶液）を添加し、その後流動乾燥、焼成を行い、ボンド状フラックスにする。溶接作業性の向上を目的として、事前に溶解、粉砕したメルトフラックスを原材料として用いるようにしてもよい。
【００４１】
また本発明は、サブマージアーク溶接方法として具体化することができることに加え、Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスとからなるサブマージアーク溶接用の溶接材料としても具体化されていてもよいことは勿論である。かかる場合には、上述したＭ含有量となるように、Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスの各成分組成が調整された溶接用キットに適用されることになる。
【実施例１】
【００４２】
上述した構成からなる本発明を適用したサブマージアーク溶接方法の実施例について詳細に説明する。
【００４３】
先ず供試材として、Ｎｉ基合金ワイヤとしては表１に示すワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ６により規定される成分組成を、また、焼成型フラックスについては、表２に示す成分組成からなるものを用いた。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
また、これらＮｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスを組み合わせてサブマージアーク溶接を行う上で換算されるＭ含有量を表３に示す。表１に示すＮｉ基合金ワイヤのワイヤ径は下向および横向姿勢溶接は２．４ｍｍ、立向姿勢溶接は１．２ｍｍとしている。
【００４７】
【表３】
【００４８】
実際のサブマージアーク溶接は、９％Ｎｉ鋼の板厚１６ｍｍを用い、ＪＩＳ Ｚ ３３３３の溶接継手の曲げ試験片採取用溶接試験体に準拠し、下向姿勢溶接および横向姿勢溶接を行った。立向姿勢溶接については、下向姿勢溶接と同様の開先形状とした。ブローホールおよび割れの発生の有無については、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じて放射線透過試験を行い、透過写真の観察を行い、ブローホール及び割れの有無を調査した。
【００４９】
溶接金属の機械的性質は、上記ＪＩＳ Ｚ ３３３３に従って作成した溶接継手を用い、試験片を採取した。引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１ Ａ２号を溶接金属から採取（溶接線方向から採取）して試験を行い、引張強さは６９０ＭＰａ以上を、伸びは２５％以上を良好とした。また衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１ ４号（ノッチ位置は溶接金属中央）を採取し、試験温度−１９６℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギーが５０Ｊ以上を良好とした。さらに曲げ試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１２２に準じて縦表曲げ試験片を採取して、曲げ半径３・１／３ｔ（３３Ｒ）の試験を行い、曲げ性能の確認を実施した。
【００５０】
溶接条件は、電極の極性をＤＣ（＋）とし、下向姿勢溶接および横向姿勢溶接の場合、溶接電流：３００〜４００Ａ、立向姿勢溶接の場合、溶接電流：１５０〜２３０Ａとした。それらの結果を表３にまとめて示す。表３中、試験Ｎｏ．１〜８が本発明例、試験Ｎｏ．９〜１５は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜８は、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、ＣｕのＭ含有量、１０×Ｃ／Ｍｎの比および焼成型フラックス中のＣ量が、何れも上述した本発明において規定した範囲内であるので、溶接金属の引張強さ、伸び、吸収エネルギー、曲げ延性、耐割れ性及び耐ブローホール性が何れも良好で、極めて満足な結果であった。
【００５１】
比較例中試験Ｎｏ．９は、ＣのＭ含有量が０．０３％未満であり少ないので溶接継手の引張強さが低かった。また、ＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量の合計が０．３％未満であり少ないのでブローホールが発生した。
【００５２】
試験Ｎｏ．１０は、ＣのＭ含有量が０．１２％超であり多いので溶接金属の吸収エネルギーが４２Ｊであり低かった。また、ＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量の合計が３％超であり多いので曲げ性能が悪かった。
【００５３】
試験Ｎｏ．１１は、ＭｎのＭ含有量が０．５％未満であり少ないので割れが発生した。また、ＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量の合計が１９％未満であり低いので溶接金属の引張強さが低かった。
【００５４】
試験Ｎｏ．１２は、ＭｎのＭ含有量が２％超であり多いので曲げ性能が悪かった。また、ＳｉのＭ含有量、ＣｒのＭ含有量及びＣｕのＭ含有量の合計が１％超であり多いので、割れが発生した。
【００５５】
試験Ｎｏ．１３は、ＮｉのＭ含有量が６０％未満であり少ないので、吸収エネルギーが低かった。またＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量の合計が２７％超であり多いので溶接金属の伸びが低かった。さらに、焼成型フラックス中のＣ量が０％であり少ないのでブローホールが発生した。
【００５６】
試験Ｎｏ．１４は、１０×Ｃ／Ｍｎの比が１．５超であり高いので吸収エネルギーが低かった。
【００５７】
試験Ｎｏ．１５は、１０×Ｃ／Ｍｎの比が１．５超であり高いので吸収エネルギーが低かった。また。焼成型フラックス中のＣ量が０．２％超であり多いのでアークが不安定になってブローホールが発生した。
【００５８】
以上の実験結果から、本発明例に関しては、何れも総合評価が良好（○）であるのに対して、本発明において規定した範囲から逸脱した比較例は、何れも総合評価が（×）であるのが分かる。このため、本発明において規定した範囲においてＭ含有量を調整することにより、満足な結果が得られることを検証することができた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温液体用貯槽タンクの建造材料などに使用される５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に関し、特に高い機械的特性を得るとともに欠陥のない高品質な溶接継手を得る上で好適な低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブマージアーク溶接方法は、予め粒状のフラックスを溶接線に沿って散布しておき、その中に電極ワイヤを連続的に供給し、この電極ワイヤの先端と母材との間でアークを発生させて溶接を連続的に行う方法である。このサブマージアーク溶接方法によれば、高能率で高品位な溶接継手が得られることから、低温用鋼の溶接に多く使用されている。また、溶接速度が速く、溶込みも深いため、用途としては造船、造管、橋梁、車両を始めとする大型構造物を溶接する際に威力を発揮する。
【０００３】
このサブマージアーク溶接をする上での実際の溶接姿勢は、通常のアーク溶接を行う場合における下向き溶接や水平すみ肉溶接を行う際の従来使用されている溶接姿勢で行う。また特に低温液体用貯槽タンクの建造時のサブマージアーク溶接は、横向姿勢溶接で行わなければならない場合もある。このため、かかる横向姿勢溶接が可能なフラックスも開発されている。
【０００４】
ところで５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼の溶接部は、熱処理を行わず溶接完了後の状態のままで低温靱性が要求されることから、電極ワイヤとしては母材よりもＮｉ含有量の多いＮｉ基合金ワイヤが適用されている。また現場施工において実際に下向姿勢や水平すみ肉溶接による溶接姿勢で行う場合にはサブマージアーク溶接方法を適用することができるが、立向姿勢溶接の場合には、フラックスを効果的に散布することが困難になることから、かかる方法を適用することができず、結局のところ被覆アーク溶接やＴＩＧ溶接方法により溶接せざるを得なくなる。さらに最近では、高能率で溶接作業性に優れるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの開発が進められているものの、耐割れ性が不十分であり、突合せ継手の溶接には、被覆アーク溶接方法が主流となっている。
【０００５】
しかし、この被覆アーク溶接方法は、溶接能率が低く、現場施工の工期短縮を図ることができないという問題点があった。このため、高能率で溶接金属の耐割れ性に優れる立向上進溶接も可能なサブマージアーク溶接材料およびその溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１の開示技術によれば、ＣａＦ２を低減し、Ａｌ２Ｏ３を積極的に添加することで、サブマージアーク溶接を立向姿勢で行うことが可能になることを見出したものである。実際にはＣａＦ２を４０％以下とすることにより、特に立向姿勢溶接においてアーク長の変動を抑えてアーク状態を安定化させるとともに、Ａｌ２Ｏ３を３１％以上とすることにより、溶接スラグの融点を高めて、立向姿勢溶接においてもビード形状を平滑化させることを期待したものである。
【０００６】
しかし、上述した特許文献１の開示技術を通じて、確かに立向上進溶接も可能なサブマージアーク溶接材料を提供することはできるものの、サブマージアーク溶接方法特有の問題点としての、母材の希釈率が高く、溶接金属中のＦｅが高くなることによる低靭性化を改善することができず、また溶接金属の引張強さをより向上させることができないという問題点があった。
【０００７】
また、極低温用鋼のサブマージアーク溶接方法として、耐割れ性、機械的性質に優れた溶接金属を得ることができる溶接方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２の開示技術によれば、金属Ａｌ含有係数の最適化を図ることにより、溶接時における耐ブローホール性を向上させることができる技術である。しかし、この開示技術では、Ｃｒを多量に含有しているので耐割れ性が不十分であるという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−３９７６１号公報
【特許文献２】特公昭５９−６７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、低温液体用貯槽タンクの建造材料等に使用される５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等をサブマージアーク溶接する際において、下向き溶接、水平すみ肉溶接、横向及び立向姿勢溶接を実現でき、しかも高い引張強さと靭性が得られ、延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質の溶接継手が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接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】
本発明者らは、前記課題を解決するためにサブマージアーク溶接用ワイヤ及び焼成型フラックスの合金成分について種々検討を行った。その結果、Ｃ量を増加させることで、溶接継手の引張強さを増加できることがわかった。しかし、Ｃ量の過剰な増加は、固溶できないＣが炭化鉄として分散析出し、亀裂の伝播を容易にして溶接金属の靭性の著しい低下を招くことにもなる。即ち、本発明者らは、Ｃ量を増加させることにより溶接継手の高強度を図るほど却って低靭性になることを見出した。
【００１１】
そこで、溶接継手の引張強さと靭性のバランスを保ち、高強度かつ高靭性の得られる成分の検討をした結果、Ｃ量を増加させることにより引張り強さの向上を図りつつも、固溶できない余剰のＣを炭化マンガンとさせ、機械性能、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を向上させることができる点に着目した。このため、組合せるＮｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスの成分について、かかる炭化マンガンを生成させるべくＣとＭｎのバランスを適正化することにより、高い引張強さと靭性が得られ、延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質な溶接継手が得られることを明らかとした。
【００１２】
本発明は以上の知見によりなされたもので、その要旨とするところは、Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスとを組合せて低温用鋼を溶接するサブマージアーク溶接方法において、Ｎｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスのいずれか一方または両方の、下記（１）式から求められる各金属成分のＭ含有量を、質量％で、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｍｎ：０．５〜２％、但し、１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：６０％以上、Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％、Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％とし、Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下で、上記Ｎｉ基合金ワイヤの残部を不可避不純物とし、上記焼成型フラックスの残部を酸化物、金属炭酸塩、金属フッ化物及び不可避不純物としたことを特徴とする。
Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１）
Ｍｗ：上記Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％
Ｍｆ：上記焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
また、焼成型フラックス中におけるＣの含有量を質量％で０．０１〜０．２０％としたことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼などの低温用鋼のサブマージアーク溶接方法によれば、上述した成分組成からなるＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスを用いてサブマージアーク溶接を行うことにより、Ｃ量を増加させることで、溶接金属の引張強さを増加させることができ、しかも過剰なＣについては、炭化マンガンとさせ、機械性能、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を向上させることが可能となり、しかも延性に優れ、ブローホール及び割れ欠陥のない高品質の溶接継手を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態として、５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法について詳細に説明をする。
【００１５】
本発明は、特に５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼の溶接に用いるＮｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスの各成分組成は、それぞれの共存による単独および相乗効果によりなし得たものである。
【００１６】
ちなみに本発明では、Ｎｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスの各成分組成を定義する上でＭ含有量という概念を用いている。このＭ含有量は、下記（１）式に示すＭに基づいて換算される含有量である。
【００１７】
Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１）
Ｍｗ：Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％
Ｍｆ：焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
【００１８】
このＭは、Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％と、焼成型フラックス中の各金属成分の質量％の溶接金属の成分及び機械的性能に寄与する重み付けを１：０．５として換算したものである。この重み付けを、Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％と、焼成型フラックス中の各金属成分の質量％との間で１：０．５とした理由は、溶接金属の成分及び機械的性能に寄与する割合を考慮したものである。サブマージアーク溶接は、Ｎｉ基合金ワイヤの消費量１に対して、焼成型フラックスの消費量も約１となるが、焼成型フラックスがアーク熱によって溶融してスラグとはならず、未溶融部も形成される。このため、、かかる未溶融部の分を差し引くと、実際の焼成型フラックスの寄与率は、Ｎｉ基合金ワイヤの１/２程度となるため、上述した重み付けを行っている。
【００１９】
即ち、本発明では、Ｎｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスのそれぞれを個別に成分を規定するものではなく、あくまでＮｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスを組み合わせて一つのパラメータＭを介して成分を規定するものである。実際に溶接を行う際には、このＮｉ基合金ワイヤ並びに焼成型フラックスを組み合わせて行うため、成分についてもこれらを組み合わせた状態で規定するとともに、上述した理由によりＮｉ基合金ワイヤ中の金属成分に重み付けを重くしている。
【００２０】
以下、それぞれの各成分組成の添加理由およびＭ含有量の限定理由について説明をする。組成における質量％は、単に％と記載する。
【００２１】
Ｃ：０．０３〜０．１２％
Ｃは、溶接金属の引張強さを高める目的並びに脱酸を実現する目的の下でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロマンガン、フェロシリコンマンガン及びグラファイト等から添加する。上述した（１）式で求められるＣのＭ含有量が０．０３％未満では、引張強さを十分に向上させることができずれ得られる溶接金属の引張強さが低くなってしまう。一方、（１）式で求められるＣのＭ含有量が０．１２％を超える場合、Ｃが過剰であり、固溶できないＣが炭化鉄として分散析出し、これが溶接金属の靭性を著しく劣化させる。したがって、ＣのＭ含有量は０．０３〜０．１２％とする。
【００２２】
また、Ｃの一部はアーク中の酸素と反応し、ＣＯ２ガスとなって放出され溶接金属の酸素量を低減する効果がある。Ｃによる脱酸を有効に働かせるためには、Ｎｉ基合金ワイヤよりも焼成型フラックスから添加した方の効果が大きく、焼成型フラックス中のＣ量が０．０１％未満では十分な脱酸効果が得られず、ブローホールが発生しやすい。一方、焼成型フラックス中のＣ量が０．２０％を超えるとＣＯ２ガスが過多となり、アークの安定性を損なってかえってブローホールを生じやすくなる。したがって、焼成型フラックス中のＣ量は０．０１〜０．２０％とすることが望ましい。なお、後述するＡｌ及びＴｉも脱酸の効果を目的に添加するが、過多に添加すると窒化物等の介在物が溶接金属に内在しやすいため、より効果的な脱酸を行うためには、ＣとＡｌ及びＴｉを併用して添加する必要がある。
【００２３】
Ｍｎ：０．５〜２％
Ｍｎは、溶接金属中の低融点硫化物のＳを固定し、ＭｎＳとなって溶接金属の耐割れ性を高める目的でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロマンガン、フェロシリコンマンガン及び金属マンガン等から添加する。上述した（１）式で求められるＭｎのＭ含有量が０．５％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の耐割れ性が低い。一方、ＭｎのＭ含有量が２％を超えてしまうとＭｎ酸化物が多く溶接金属に内在することとなり、曲げ応力が負荷された場合にこれが亀裂の起点となって開口し、曲げ延性を劣化させる。したがって、ＭｎのＭ含有量は０．５〜２％とする。
【００２４】
１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下
上述したＣのＭ換算値とＭｎのＭ換算値の１０×Ｃ／Ｍｎを１．５以下にすることによって溶接金属の靭性を劣化させることなく引張強さを高めることができる。ＣのＭ含有量は増加するほど溶接金属に固溶して引張強さを向上させることができるが、このＣ量を過剰に添加すると固溶できないＣが炭化鉄として分散析出し、亀裂の伝播を容易にして溶接金属の靭性を損なう。このため、ＭｎのＭ含有量を適正量添加することにより溶接金属の引張強さを向上させつつ、固溶できないＣをＭｎにより炭化マンガンとさせ、機械的特性、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を高めることができる。なお、この１０×Ｃ／Ｍｎが１．５を超えるとＭｎのＭ含有量と比較してＣのＭ含有量が過剰となり、溶接金属の引張強さは高くすることができるものの、過剰なＣをＭｎにより炭化マンガン化しきれずに残存してしまい、炭化鉄の析出により靭性が低くなる。
【００２５】
Ｎｉ基合金ワイヤにはＦｅが不純物として含有され、母在希釈のない溶着金属であれば、溶着金属の引張強さと靭性の両方を高めることが容易であるが、実構造物の溶接施工では、５．５％Ｎｉ鋼や９％Ｎｉ鋼の母材希釈があり、溶接金属のＦｅ量が高くなり、炭化鉄を析出して溶接金属の靭性を損ないやすい。そのためＣのＭ含有量及びＭｎのＭ含有量を満足するだけでなく、前述のようにＣのＭ含有量とＭｎのＭ含有量のバランスを適正に保つ必要がある。したがって、ＣのＭ含有量とＭｎのＭ含有量の１０×Ｃ／Ｍｎは１．５以下とする。
【００２６】
Ｎｉ：６０％以上
Ｎｉは、溶接金属の靭性を高める目的でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロニッケル及び金属ニッケル等から添加する。前記（１）式で求められるＮｉのＭ含有量が６０％未満では、溶接金属の靭性が低くなってしまう。したがって、ＮｉのＭ含有量は６０％以上とする。一方、上限は特に限定しないが、溶接金属の引張強さを高めることや、耐割れ性、耐ブローホール性等を考慮して、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ等を添加するため、これらの合計量を考えると、上限は８５％程度になる。
【００２７】
Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％
Ｍｏ及びＷは、溶接金属に固溶し引張強さを高める目的でＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロモリブデン及び金属タングステン等から添加する。前記（１）式で求められるＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計が１９％未満では、その効果が十分に得られず、溶接金属の引張強さが低くなってしまう。一方、２７％を超えて添加すると、溶接金属の伸びが低くなってしまう。したがって、ＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計は１５〜２７％とする。ＭｏとＷの効果は同じであるが、経済性やワイヤの生産性を考慮するとＭｏのＭ含有量が１５〜２５％、ＷのＭ含有量が１〜４％の範囲であることが好ましい。
【００２８】
Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％
Ａｌ及びＴｉは、脱酸及び脱窒素を行い、溶接金属中の耐ブローホール性改善を目的にＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスに含有されるフェロアルミ、金属アルミ、フェロチタン及び金属チタン等から添加する。前記（１）式で求められるＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計が０．３％未満では、その効果が得られず、ブローホールが発生する。一方、３％を超えて添加するとＡｌ及びＴｉの窒化物が溶接金属に多く内在し、曲げ応力が負荷された際に亀裂の起点となって開口し、曲げ延性を劣化する。したがって、ＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量のいずれか一方または両方の合計は０．１〜３％とする。ＡｌとＴｉは、共に脱酸及び脱窒素の効果があるが、脱酸能はＡｌの方が高く、Ｔｉはやや劣る。一方、脱窒素能は、Ｔｉの方が高く、Ａｌはやや劣る。したがって、脱酸及び脱窒素の両方を行うためには、両元素の添加が好ましく、ＡｌのＭ含有量は０．３〜２％、ＴｉのＭ含有量は０．０５〜１．５％の範囲であることが好ましい。
【００２９】
Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下
Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕは、凝固温度幅を増加させ、ＰやＳなどの低融点介在物の生成を促進させて高温割れを生じやすくするため、低いほうが好ましい。したがって、ＳｉのＭ含有量、ＣｒのＭ含有量及びＣｕのＭ含有量の合計は１％以下とする。
【００３０】
なお、Ｐ及びＳは高いほど高温割れが発生しやすいため、Ｎｉ基合金ワイヤのＰ及びＳの合計は０．０１％未満とすることが好ましい。また、焼成型フラックスはＰ及びＳの低い原料を用いることが好ましい。
【００３１】
本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に使用する焼成型フラックスの金属成分以外の主な化学成分は、何れも質量％で、Ａｌ２Ｏ３：３０〜６０％、ＣａＦ２：１０〜４０％、ＳｉＯ２：１〜１０％、Ｎａ２Ｏ：０．１〜５％、ＭｇＯ：１〜１０％、ＣａＣＯ３：１〜１０％、ＣａＯ：１〜２０％であることが好ましい。
【００３２】
Ａｌ２Ｏ３は、ビード幅の広いなじみの良好なビードを形成させるために添加される。Ａｌ２Ｏ３の添加量が３０％未満であるとなじみが悪化し、６０％を超えるとビードを平坦化させることができないため、このＡｌ２Ｏ３は、３０〜６０％とされていることが望ましい。
【００３３】
ＣａＦ２は、酸素を下げて靭性を向上させるべく添加される。このＣａＦ２が１０％未満では、酸素を十分に低下させることができず、６０％を超えると却ってアークが不安定化してしまうため、１０〜４０％とされていることが望ましい。
【００３４】
ＳｉＯ２は、スラグの粘性を増加させることにより、良好なビードを形成させるべく添加されるものである。このＳｉＯ２が１％未満では、かかる効果を奏することができず、またＳｉＯ２が１０％を超えると酸素が多くなりすぎて、上述した脱酸元素を添加しても十分な脱酸を実現できず、靭性が低下してしまう要因になる。このため、このＳｉＯ２は、１〜１０％とされていることが望ましい。
【００３５】
Ｎａ２Ｏは、アークの安定性、集中性を向上させる観点から添加されるものであるが、０．１％未満では、立向姿勢溶接においてその効果が十分に得られない。また、このＮａ２Ｏの含有量が５％を超えて添加すると、スラグの剥離性が悪くなる。このため、Ｎａ２Ｏは、０．１〜５％とされていることが望ましい。
【００３６】
ＭｇＯは、スラグの融点を高くし、ビード形状を整える目的で添加され、１％以上でかかる効果を発現させることができるが、添加量が１０％を超えると、スラグの剥離性が悪化してしまう。このため、ＭｇＯは、１〜１０％とされていることが望ましい。
【００３７】
ＣａＣＯ３は、溶接中にＣＯ２ガスを発生させ、溶接金属をシールドするために添加され、かかる効果を発現させるためには、１％以上含有させる必要がある。しかしながら、このＣａＣＯ３の含有量が１０％を超えてしまうと却ってアーク状態が不安定となるため、このＣａＣＯ３の含有量は、１〜１０％とされていることが望ましい。
【００３８】
ＣａＯは、酸素を下げて靭性を向上させる観点から添加される。このＣａＯ含有量が１％未満では、酸素を下げることができず、２０％を超えるとビード形状を最適化させることができない。このため、ＣａＯの含有量は、１〜２０％とされていることが望ましい。
【００３９】
以上、本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法に用いるＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスの各成分組成のＭ含有量の限定理由について説明をした。上述した成分組成からなるＮｉ基合金ワイヤおよび焼成型フラックスを用いてサブマージアーク溶接を行うことにより、Ｃ量を増加させることで、溶接金属の引張強さを増加させることができ、しかも過剰なＣについては、炭化マンガンとさせ、機械性能、耐割れ性等に影響がない炭化物にすることで、溶接金属の引張強さを高めたまま、靭性を向上させることが可能となる。
【００４０】
なお、焼成型フラックスの製造方法についてさらに言及すると、粉末原材料を、配合、撹拌した後、固着剤（珪酸ソーダおよび／または珪酸カリの水溶液）を添加し、その後流動乾燥、焼成を行い、ボンド状フラックスにする。溶接作業性の向上を目的として、事前に溶解、粉砕したメルトフラックスを原材料として用いるようにしてもよい。
【００４１】
また本発明は、サブマージアーク溶接方法として具体化することができることに加え、Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスとからなるサブマージアーク溶接用の溶接材料としても具体化されていてもよいことは勿論である。かかる場合には、上述したＭ含有量となるように、Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスの各成分組成が調整された溶接用キットに適用されることになる。
【実施例１】
【００４２】
上述した構成からなる本発明を適用したサブマージアーク溶接方法の実施例について詳細に説明する。
【００４３】
先ず供試材として、Ｎｉ基合金ワイヤとしては表１に示すワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ６により規定される成分組成を、また、焼成型フラックスについては、表２に示す成分組成からなるものを用いた。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
また、これらＮｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスを組み合わせてサブマージアーク溶接を行う上で換算されるＭ含有量を表３に示す。表１に示すＮｉ基合金ワイヤのワイヤ径は下向および横向姿勢溶接は２．４ｍｍ、立向姿勢溶接は１．２ｍｍとしている。
【００４７】
【表３】
【００４８】
実際のサブマージアーク溶接は、９％Ｎｉ鋼の板厚１６ｍｍを用い、ＪＩＳ Ｚ ３３３３の溶接継手の曲げ試験片採取用溶接試験体に準拠し、下向姿勢溶接および横向姿勢溶接を行った。立向姿勢溶接については、下向姿勢溶接と同様の開先形状とした。ブローホールおよび割れの発生の有無については、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じて放射線透過試験を行い、透過写真の観察を行い、ブローホール及び割れの有無を調査した。
【００４９】
溶接金属の機械的性質は、上記ＪＩＳ Ｚ ３３３３に従って作成した溶接継手を用い、試験片を採取した。引張試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１ Ａ２号を溶接金属から採取（溶接線方向から採取）して試験を行い、引張強さは６９０ＭＰａ以上を、伸びは２５％以上を良好とした。また衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１ ４号（ノッチ位置は溶接金属中央）を採取し、試験温度−１９６℃での衝撃試験を行い、吸収エネルギーが５０Ｊ以上を良好とした。さらに曲げ試験は、ＪＩＳ Ｚ ３１２２に準じて縦表曲げ試験片を採取して、曲げ半径３・１／３ｔ（３３Ｒ）の試験を行い、曲げ性能の確認を実施した。
【００５０】
溶接条件は、電極の極性をＤＣ（＋）とし、下向姿勢溶接および横向姿勢溶接の場合、溶接電流：３００〜４００Ａ、立向姿勢溶接の場合、溶接電流：１５０〜２３０Ａとした。それらの結果を表３にまとめて示す。表３中、試験Ｎｏ．１〜８が本発明例、試験Ｎｏ．９〜１５は比較例である。本発明例である試験Ｎｏ．１〜８は、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃｒ、ＣｕのＭ含有量、１０×Ｃ／Ｍｎの比および焼成型フラックス中のＣ量が、何れも上述した本発明において規定した範囲内であるので、溶接金属の引張強さ、伸び、吸収エネルギー、曲げ延性、耐割れ性及び耐ブローホール性が何れも良好で、極めて満足な結果であった。
【００５１】
比較例中試験Ｎｏ．９は、ＣのＭ含有量が０．０３％未満であり少ないので溶接継手の引張強さが低かった。また、ＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量の合計が０．３％未満であり少ないのでブローホールが発生した。
【００５２】
試験Ｎｏ．１０は、ＣのＭ含有量が０．１２％超であり多いので溶接金属の吸収エネルギーが４２Ｊであり低かった。また、ＡｌのＭ含有量及びＴｉのＭ含有量の合計が３％超であり多いので曲げ性能が悪かった。
【００５３】
試験Ｎｏ．１１は、ＭｎのＭ含有量が０．５％未満であり少ないので割れが発生した。また、ＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量の合計が１９％未満であり低いので溶接金属の引張強さが低かった。
【００５４】
試験Ｎｏ．１２は、ＭｎのＭ含有量が２％超であり多いので曲げ性能が悪かった。また、ＳｉのＭ含有量、ＣｒのＭ含有量及びＣｕのＭ含有量の合計が１％超であり多いので、割れが発生した。
【００５５】
試験Ｎｏ．１３は、ＮｉのＭ含有量が６０％未満であり少ないので、吸収エネルギーが低かった。またＭｏのＭ含有量及びＷのＭ含有量の合計が２７％超であり多いので溶接金属の伸びが低かった。さらに、焼成型フラックス中のＣ量が０％であり少ないのでブローホールが発生した。
【００５６】
試験Ｎｏ．１４は、１０×Ｃ／Ｍｎの比が１．５超であり高いので吸収エネルギーが低かった。
【００５７】
試験Ｎｏ．１５は、１０×Ｃ／Ｍｎの比が１．５超であり高いので吸収エネルギーが低かった。また。焼成型フラックス中のＣ量が０．２％超であり多いのでアークが不安定になってブローホールが発生した。
【００５８】
以上の実験結果から、本発明例に関しては、何れも総合評価が良好（○）であるのに対して、本発明において規定した範囲から逸脱した比較例は、何れも総合評価が（×）であるのが分かる。このため、本発明において規定した範囲においてＭ含有量を調整することにより、満足な結果が得られることを検証することができた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスとを組合せて低温用鋼を溶接するサブマージアーク溶接方法において、
Ｎｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスのいずれか一方または両方の、下記（１）式から求められる各金属成分のＭ含有量を、質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｍｎ：０．５〜２％、
但し、１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下、
Ｎｉ：６０％以上、
Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％、
Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％とし、
Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下で、
上記Ｎｉ基合金ワイヤの残部を不可避不純物とし、
上記焼成型フラックスの残部を酸化物、金属炭酸塩、金属フッ化物及び不可避不純物としたことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。
Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１）
Ｍｗ：上記Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％
Ｍｆ：上記焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
【請求項２】
上記焼成型フラックス中におけるＣの含有量を質量％で０．０１〜０．２０％としたこと
を特徴とする請求項１に記載の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。
【請求項１】
Ｎｉ基合金ワイヤと焼成型フラックスとを組合せて低温用鋼を溶接するサブマージアーク溶接方法において、
Ｎｉ基合金ワイヤ及び焼成型フラックスのいずれか一方または両方の、下記（１）式から求められる各金属成分のＭ含有量を、質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．１２％、
Ｍｎ：０．５〜２％、
但し、１０×Ｃ／Ｍｎ：１．５以下、
Ｎｉ：６０％以上、
Ｍｏ及びＷのいずれか一方または両方の合計：１９〜２７％、
Ａｌ及びＴｉのいずれか一方または両方の合計：０．３〜３％とし、
Ｓｉ、Ｃｒ及びＣｕの合計：１％以下で、
上記Ｎｉ基合金ワイヤの残部を不可避不純物とし、
上記焼成型フラックスの残部を酸化物、金属炭酸塩、金属フッ化物及び不可避不純物としたことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。
Ｍ＝Ｍｗ＋０．５×Ｍｆ・・・（１）
Ｍｗ：上記Ｎｉ基合金ワイヤ中の各金属成分の質量％
Ｍｆ：上記焼成型フラックス中の各金属成分の質量％
【請求項２】
上記焼成型フラックス中におけるＣの含有量を質量％で０．０１〜０．２０％としたこと
を特徴とする請求項１に記載の低温用鋼のサブマージアーク溶接方法。
【公開番号】特開２０１１−５６５６２（Ｐ２０１１−５６５６２Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１１０２４（Ｐ２００９−２１１０２４）
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
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