耐高温割れ特性に優れた高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法
【課題】 強度及び靭性並びに耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法を提供する。
【解決手段】 鋼製外皮内に充填フラックスを充填してなる隅肉溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｎｉ：５．０〜１２．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％を含有し、かつＣａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下に制限し、さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、および、Ｋ２Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有する。
【解決手段】 鋼製外皮内に充填フラックスを充填してなる隅肉溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｎｉ：５．０〜１２．０％、Ｍｎ：１．０〜３．５％を含有し、かつＣａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下に制限し、さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、および、Ｋ２Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、強度、靭性などの機械特性が要求される自動車用部品や、橋梁及び造船などの製造に適用される溶接ワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法に関し、より詳しくは、ワイヤ中にＮｉを５％以上含有し、隅肉溶接時に溶接金属の高温割れ発生を防止しつつ、強度、靭性などの機械特性に優れた溶接金属が得られる耐高温割れ特性に優れた高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接構造物の欠陥のほとんどは、溶接部に発生するため、溶接構造物の信頼性は、溶接部によって決定されるといっても過言ではない。
【０００３】
代表的な溶接部欠陥としては、高温割れと低温割れに大きく分類される溶接割れが知られている。高温領域で発生する高温割れは、溶接後に高温で溶融状態の溶接金属が冷却されて凝固するときに最終凝固部近傍にＰやＳなどの不純物の偏析することを原因として、発生する割れ形態であり、溶接金属成分の依存性が強いため、低温割れに比べて溶接施工によりその発生を防止することは難しい。
【０００４】
一方、強度、靭性などの機械特性が要求される自動車用部品や、橋梁及び造船などの製造の際に適用される隅肉溶接用ワイヤとして、Ｎｉ含有量が５％以上の高Ｎｉワイヤが知られている。Ｎｉは溶接金属の強度や靭性、さらには耐食性および疲労強度を向上させるために有効な元素として溶接ワイヤ中に含有する。特にＮｉは他の焼入れ性強化元素に比べて溶接金属中に多量に含有した場合でも靭性低下は少ないため、溶接金属の強度と靭性を向上させるために有効な元素として利用されている。
【０００５】
しかし、Ｎｉはオーステナイトフォーマーであり、また、相変態温度を低下させる元素でもあり、溶接金属の最終凝固部近傍にＳなどの不純物元素の偏析を助長し、高温割れ発生の原因となるため、溶接金属の高温割れ発生の点からワイヤ中のＮｉは好ましい元素ではない。特に、Ｎｉ含有量が５％以上の高Ｎｉワイヤを用いてガスシールドアーク溶接により隅肉溶接する場合に溶接金属の高温割れ発生の問題が顕著となる。
【０００６】
従来からＮｉを含有する溶接ワイヤを用いて溶接する際に溶接金属の高温割れ発生を防止するための方法が検討されている。
【０００７】
例えば、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を低下させ、低温側で発生するマルテンサイト変態膨張を利用することにより、溶接止端部近傍に圧縮残留応力導入し、継手の疲労強度を向上するために主成分としてＮｉとＣｒを鋼心線中に含有するとともに、高温割れに有害な鋼心線中のＰ及びＳの含有量を０．０１％以下に低減した、被覆アーク溶接棒が提案されている（例えば特許文献１、参照）。この溶接材料は、溶接金属の高温割れを助長するオーステナイトフォーマーであるＮｉを５〜１４％含有するとともに、フェライトフォーマーであるＣｒも同じ含有量で含有させることにより、溶接金属のオーステナイト相の割合を調整し、高温割れ発生を防止するものである。この溶接材料は、継手疲労強度向上および溶接金属の高温割れ発生を防止するためにＣｒを多量に含有する必要があるが、Ｃｒの多量添加によって溶接金属中の硬質組織が増加し、継手靭性が劣化するという問題が生じる。
【０００８】
したがって、溶接材料中に含有するＮｉの靭性向上効果が阻害され、溶接継手の強度とともに靭性を十分向上することは困難となる。
【０００９】
また、塩分が飛来する環境における耐候性を向上させるために、Ｎｉを０．２〜４％含有するとともに、Ｍｏを０．１〜４％、さらには、Ｃｕを０．１〜４％添加し、かつ溶接金属の高温割れ発生に有害なＰ含有量を０．０１５％以下、Ｐ含有量を０．０２％以下に低減した、サブマージアーク溶接用ワイヤおよびフラックスが提案されている（例えば特許文献２、３、参照）。この溶接材料は、Ｎｉ含有量を溶接金属の不純物元素の偏析による高温割れを発生させない４％以下に制限し、Ｎｉと同様に耐食性向上に有効なＭｏ、さらには、Ｃｕを複合添加することにより、溶接金属の耐食性を向上させるものである。
しかし、この溶接材料では、Ｎｉ含有量を制限しているため、溶接継手の強度とともに靭性を十分向上することは困難となる。
【００１０】
これら溶接に使用する溶接ワイヤ組成を最適化する以外に、溶接方法及び溶接条件から溶接金属の高温割れ発生を防止する方法も提案されている。
【００１１】
例えば、極厚鋼板を大入熱高効率の多層盛サブマージアーク溶接を行う際に問題となる初層溶接部の高温割れ発生を防止するために、２パス目の溶接を高電流で行い、１パス目の溶接金属で凝固割れが発生しやすい最終凝固部（中央部）近傍を再溶融する方法が提案されている（例えば特許文献４、参照）。
【００１２】
また、鋼板を多電極によりガスシールドアーク溶接し、溶接時に先行する第１電極と後行する第２電極間の距離Ｌを１００ｍｍ以下に制限し、第１電極のアークにより形成された溶接初層が高温割れを起こす前に、第２番電極のアークが通電されるように溶接することにより、溶接金属の高温割れを防止する方法が提案されている（例えば特許文献５、参照）。
【００１３】
以上の溶接方法及び溶接条件による溶接金属の高温割れ防止方法は、多層盛溶接や多電極溶接のみに適用され、さらに溶接時の各電極の配置や溶接電流などの条件が制限されるため、溶接施工の点から必ずしも好ましい方法とは言い難い。
【００１４】
また、これらの従来方法は、Ｎｉ添加量が１％未満の溶接材料を用いて多層盛または多電極での突合せ溶接をする場合に溶接金属の高温割れ防止効果は得られるが、Ｎｉ含有量が５％以上の高Ｎｉワイヤを用いて隅肉溶接する場合には溶接金属の高温割れ発生を防止することは困難である。
【００１５】
以上のように、溶接材料中のＮｉは、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させ、さらには、溶接金属の耐食性および疲労強度を向上させるためにも有効な元素である。
【００１６】
しかしながら、上記の通り、Ｎｉ含有量を５％以上に高めることにより、上記Ｎｉによる溶接金属の強度、靭性などの特性向上効果を十分に発揮しつつ、溶接金属中のＮｉ含有量の増加に起因する高温割れ発生を防止できる隅肉溶接用高Ｎｉワイヤは、現状実用化されていない。
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−４０８４５号公報
【特許文献２】特開２０００−２７１７８６号公報
【特許文献３】特開２０００−２７１７８７号公報
【特許文献４】特開平１１−２３９８７９号公報
【特許文献５】特開平９−８５４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
これら従来技術の問題点に鑑み、本発明は、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させるために有効なＮｉを５％以上含有し、溶接金属の高温割れ発生を防止できる、強度及び靭性並びに耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉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】
【００１９】
本発明者らは、以上の観点から、Ｎｉを５％以上含有した高Ｎｉフラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接した場合に問題となる溶接金属の高温割れ発生を防止するために有効なワイヤ成分組成を検討した。その結果、ワイヤ全体にＭｎとＣａを適正範囲で複合添加するとともに、ワイヤの鋼製外皮内の充填フラックスに含有する酸化物（ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上）の合計量を適正に制限することにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を抑制しつつ溶接金属中の拡散性元素であるＳをＭｎＳ及びＣａＳの硫化物として固定することにより、溶接後の溶接金属の最終凝固部近傍でのＳ不純物の偏析による高温割れ発生を防止することができることを見出した。また、これらのワイヤ全体に、さらにスラグ移行率の高い脱酸元素であるＭｇを含有させることにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を安定して抑制でき、上記Ｍｎ及びＣａの作用を高め、より安定して高温割れ発生を防止できることを確認した。
【００２０】
これらの知見を基になされた本発明はなされたものであり、その発明の要旨は以下の通りである。
【００２１】
（１）鋼製外皮内に充填フラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．８％、
Ｎｉ：５．０〜１２．０％、
Ｍｎ：１．０〜３．５％
を含有し、かつ
Ｃａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下
に制限し、
さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２２】
（２）さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｍｇ：０．０１〜０．２％を含有することを特徴とする前記（１）記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２３】
（３）さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を、これらのＣａ換算量が１．０％以下となるように含有することを特徴とする前記（１）または（２）記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２４】
（４）さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、および、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が３．０％以下となるように含有することを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２５】
（５）さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、および、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％
のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が０．７％以下となるように含有することを特徴とする前記（１）〜（４）の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２６】
（６）前記（１）〜（５）の何れか１項に記載の高Ｎｉフラックス入りワイヤを用い、かつシールドガスとして、ＣＯ2を５〜２５％含有し、残部がＡｒからなるシールドガスを用いて鋼板を隅肉溶接することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【００２７】
（７）前記シールドガス中に、さらに、酸素を１〜４％含有することを特徴とする前記（７）記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ワイヤ中にＮｉを５％以上含有し、溶接金属の高温割れ発生を防止しつつ、強度及び靭性を同時に向上することを可能とする、強度及び靭性並びに耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法を提供することができる。本発明のフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法を、強度、靭性などの機械特性が要求される自動車用部品や、橋梁及び造船などの製造に適用することにより、これらの溶接構造物の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３０】
なお、以下の説明において、ワイヤ組成における質量％は単に％と記載する。
【００３１】
上述したように、隅肉溶接時の溶接金属の高温割れは、溶接後に溶融状態の溶接金属が凝固するときに特に最終凝固部近傍でＳなどの不純物の偏析することを原因として、発生することが知れている。不純物の偏析程度は、溶接金属の成分組成に影響され、一般にオーステナイトフォーマーであるＮｉを多く含む溶接金属では、凝固部でのＳ偏析が助長されるため、溶接金属の高温割れが発生しやすくなることが知られている。したがって、従来のＮｉを含有するオーステナイト系ステンレス鋼用の溶接材料では、溶接時の高温割れを防止するために、ワイヤ中のオーステナイトフォーマーであるＮｉの含有量と、フェライトフォーマーであるＣｒ含有量を調整したワイヤが適用されてきた。
【００３２】
しかし、Ｎｉと同様にＣｒを多量に含有した従来のワイヤでは、溶接時の高温割れは防止できるものの、Ｃｒ含有量の増加により溶接金属の靭性は低下する結果、目的とする継手の強度とともに靭性を十分に向上することは困難となる。
【００３３】
そこで、本発明者らは、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させるために有効なＮｉを５％以上含有し、靭性低下の原因となるＣｒを用いずに、溶接後の溶接金属の最終凝固部近傍への拡散性元素であるＳの偏析を抑制するために有効なワイヤ成分として、Ｍｎ及びＣａに着目し、溶接金属の耐高温割れ性を向上するためのワイヤの最適成分組成について検討した。
【００３４】
一般に、ＭｎおよびＣａは鋼中でＳと結合し、それぞれＭｎＳおよびＣａＳなどの硫化物を形成するとともに、ＭｎおよびＣａは酸素とも結合しやすく、ＭｎＯやＣａＯを形成する脱酸成分としても知られている。
【００３５】
一方、ガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤでは、充填フラックスとして、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどが、フラックス造粒時に用いるバインダー（造粒剤）、スラグ形成材、アーク安定剤などの金属酸化物として多く含まれている。これらの金属酸化物は、溶接時にアーク中および溶接金属中の酸素供給源となるため、ワイヤ中に含有するＭｎやＣａと結合し、溶接金属の高温割れの原因となる拡散性元素であるＳをＭｎＳおよびＣａＳなどの安定硫化物として無害化する作用を阻害する。
【００３６】
本発明者は、これらの技術的課題を踏まえ、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させるために有効なＮｉを５％以上含有し、靭性を阻害する原因となるＣｒを用いずに、目的とする溶接金属の耐高温割れ性を向上するために有効となるフラックス入りワイヤの成分組成について鋭意検討を行った。
【００３７】
その結果、ワイヤ全体にＭｎとＣａを適正範囲で複合添加するとともに、ワイヤの鋼製外皮内の充填フラックスに含有する酸化物（ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上）の合計量を適正に制限することにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を抑制しつつ溶接金属中の拡散性元素であるＳをＭｎＳ及びＣａＳの硫化物として固定することにより、溶接後の溶接金属の最終凝固部近傍でのＳ不純物の偏析による高温割れ発生を防止することができることを見出した。また、これらのワイヤ全体に、さらに脱酸元素の中でもスラグ移行率の高いＭｇを含有させることにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を安定して抑制でき、上記Ｍｎ及びＣａの作用を高め、より安定して高温割れ発生を防止できることを確認した。また、Ｃａは、充填フラックスに、ＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有させ、かつこれらのＣａ換算量を所定値以下に制限することにより、溶接金属の耐高温割れ性の向上とともに、溶接時のアーク安定性を向上し、スパッタ量を抑制し、良好な溶接作業性を維持することができることを確認した。
【００３８】
本発明は、以上の知見に基づいてなされ、即ち、本発明の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤは、鋼製外皮内に充填フラックスが充填されたものであり、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｎｉ：５．０〜１２．０％及びＭｎ：１．０〜３．５％を含有し、かつＣａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、Ｐ：０．０２％以下及びＳ：０．０１％以下に制限している。また、鋼製外皮内に充填する充填フラックス中には、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有している。更に、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｇ：０．０１〜０．２％を含有し、または、この充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を、これらのＣａ換算量が１．０％以下となるように含有するのが好ましい。
【００３９】
なお、本発明のフラックス入りワイヤの鋼製外皮における残部、及び充填フラックス中に含まれる金属又は合金成分における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００４０】
このように、本発明のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮に充填フラックスを充填してなるものであるが、所要の特性を有する溶接金属を得るための基本成分であるＣ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐ及びＳ、並びに、後述する選択成分であるＣｕ、Ｃｒ、および、Ｍｏのうちの１種または２種以上、さらには、Ｔｉ、Ｖ、および、Ｎｂうちの１種または２種以上は、鋼製外皮及び充填フラックスのいずれか一方に含有していても、又は両方に含有していてもよい。一方、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上、さらに、ＣａＦ2及びＣａＯの１種又は２種は、充填フラックスに含有する。
【００４１】
また、本発明において規定しているワイヤ全質量に対する各成分の含有量Ｍｗは、下記数式（１）により求められる。なお、下記数式（１）におけるＭｃは鋼製外皮中の含有量（質量％）、Ｍｆは充填フラックス中の含有量（質量％）、Ｒはワイヤ全質量に対する充填フラックス全質量の割合（質量％）を夫々示す。
【００４２】
【数１】
【００４３】
以下、本発明のフラックス入りワイヤにおける成分組成の限定理由について説明する。
【００４４】
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、ワイヤ製造の観点からワイヤ線引き中の断線が生じないだけの鋼製外皮の強度を確保し、また、溶接継手強度を確保するために欠かせない元素であり、主として鋼製外皮、必要に応じて充填フラックスに０．０１％以上含有する必要がある。Ｃを充填フラックス中に含有する場合は、例えば、鉄粉中のＣ、グラファイトやＳｉＣなどの形態で含有させることができる。充填フラックス中のＣも、溶接時の溶融プールに溶融すると、鋼製外皮中のＣと同じ働きをする。
【００４５】
一方、ワイヤ全体のＣ含有量が０．１５％を上回る場合は、本発明が対象とするＮｉ含有量が５．０〜１２．０％のワイヤでは、ＣはＮｉとともに溶接金属凝固部でのＳ偏析を助長し、また、低融点物質を形成し、溶接金属の高温割れ発生の原因となるため好ましくない。これの理由から、ワイヤ全体のＣ含有量の上限値を０．１５％とした。
なお、溶接金属の過剰な硬化を防止し、溶接金属の靭性を向上するためには、ワイヤ全体のＣ含有量の上限を好ましくは０．１０％とすることが望ましい。
【００４６】
Ｓｉ：０．０５〜０．８％
Ｓｉは、脱酸元素及び溶滴の表面張力を抑える作用を有する元素である。Ｓｉのこれらの効果を十分に得るためにはワイヤ全体のＳｉ含有量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が過剰に高くなる場合は、特に継手の靭性が劣化するためワイヤ全体のＳｉ含有量の上限を０．８％とした。
【００４７】
Ｎｉ：５．０〜１２．０％
Ｎｉは、溶接金属の強度と靭性を共に向上させるために有効な元素である。また、Ｎｉは溶接金属の相変態温度を低下させ、溶接金属のベイナイト相やマルテンサイト相などの低温側での相変態温度を低下させ、相変態時の体積膨張を利用して溶接止端部に圧縮残留応力を発生させ、溶接継手の疲労強度を向上させるために有効な元素である。さらに、Ｎｉは溶接金属の耐食性を向上させる作用効果を有する。本発明ワイヤでは、これらのＮｉによる効果を十分に得るためにワイヤ全体のＮｉ含有量を５．０％以上とする必要がある。
【００４８】
一方、Ｎｉはオーステナイトフォーマーであり、溶接金属中の拡散性Ｓの偏析を助長し、また、相変態温度を低下させる作用も原因して、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。ワイヤ全体のＮｉ含有量を１２．０％を超える場合には、溶接金属の高温割れ感受性が急激に高まり、高温割れを防止することは困難となるため、本発明では、ワイヤ全体のＮｉ含有量の上限を１２．０％とした。
【００４９】
Ｍｎ：１．０〜３．５％
Ｍｎは、Ｃａと同様に拡散性Ｓと結合しＭｎＳなどの硫化物を形成することにより溶接金属中の拡散性Ｓを固定化し、無害化する働きがある。このＭｎの作用を利用し、溶接金属の凝固部への拡散性Ｓの偏析を防止し、高温割れ発生を防止するためには、ワイヤ全体のＭｎ含有量を１．０％以上とする必要がある。
【００５０】
一方、Ｍｎ含有量が３．５％を超えると、溶接金属の高温割れ防止効果はほぼ飽和するだけでなく、Ｍｎはオーステナイト形成元素であるため、溶接金属中のオーステナイト組織が多くなることによって凝固部でのＳの偏析が助長され、高温割れが発生しやすくなる。さらには、Ｍｎの過度の増加により焼入性が増加して靭性劣化をもたらす原因となる。このため、ワイヤ全体のＭｎ含有量の上限は３．５％とした。
【００５１】
Ｃａ、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％
Ｃａは、Ｍｎと同様に拡散性Ｓと結合しＣａＳなどの硫化物を形成することにより溶接金属中の拡散性Ｓを固定化し、無害化する働きがある。ＣａはＭｎとともにワイヤ中に含有させることにより、ＣａとＭｎの複合硫化物を形成し、溶接金属の凝固部への拡散性Ｓの偏析を防止し、高温割れ発生を防止する効果は高められる。本発明者らの検討の結果、ワイヤ中にＭｎとともにＣａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５以上となるように含有する場合に、ＣａとＭｎの相互作用による溶接金属の高温割れ防止効果が十分に発揮されることを確認した。この理由から、本発明では、ワイヤ全体のＣａ含有量［Ｃａ％］は、Ｍｎ含有量［Ｍｎ％］との関係で、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５以上となるように含有する。
一方、ワイヤ全体のＣａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係で、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］が３．７％を上回るような、ワイヤ中のＣａ含有量が過剰に高い場合には、溶接金属の高温割れ防止効果はほぼ飽和し、後述する溶接時のアーク不安定性を招き、スパッタ発生量の増加やビードの蛇行など溶接作業性を悪化さるため、好ましくない。この理由から、本発明では、ワイヤ全体のＣａ含有量［Ｃａ％］は、Ｍｎ含有量［Ｍｎ％］との関係で、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：３．７以下となるように含有する。
【００５２】
ＣａＦ2およびＣａＯ１種または２種のＣａ換算量：１．０％以下
本発明ワイヤでは、上記Ｃａは、鋼製外皮および充填フラックスの何れかに含有させることができる。鋼製外皮中にＣａを含有させる場合には、鋼製外皮用素材の製鋼工程でＣａが添加されるが、Ｃａは溶鋼中の酸素やＳと結合し、ＣａＯやＣａＳを形成し、溶鋼表面の浮上するため、鋼製外皮中にＣａを含有するにはその含有量に限度がある。一方、鋼製外皮内の充填フラックス中にＣａを、Ｃａ化合物として含有させる場合は、上記のようなワイヤ製造上の問題がなく、ワイヤ全体のＣａ含有量を高めるために好ましい。Ｃａ化合物としては、ＣａＦ2やＣａＯが好ましく、Ｃａ（ＯＨ）2は溶接金属の水素脆化割れの原因となるため好ましくない。この理由から、本発明では、充填フラックスにＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有させる。また、充填フラックスにＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有する場合には、これらのＣａに換算量が過度に増加すると、溶接時のアークが不安定化し、スパッタ発生量が多くなり、ビードの蛇行など溶接作業性を悪化させる原因となる。特にＣａに換算量が１．０％を上回ると、溶接時のスパッタ発生量の増加が顕著となるため、充填フラックスにＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有する場合には、これらのＣａ換算量を１．０％以下とするのが好ましい。
【００５３】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不可避的不純物であり、Ｓに比べると溶接金属の高温割れ特性への影響は小さいが、Ｓと同様に溶接金属の凝固部に偏析し、高温割れの原因となる元素のため、可能な限り低減することが好ましい。本発明が対象とするＮｉ含有量が５．０〜１２．０％のワイヤでは、Ｐ含有量が０．０２％を上回る場合は、溶接金属の高温割れが発生する危険が生じるためワイヤ全体のＰ含有量は０．０２％以下に制限した。
【００５４】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、不可避的不純物であり、溶接金属の凝固部に偏析し、高温割れを発生させる原因となる主要元素であるため、可能な限り低減することが好ましい。本発明が対象とするＮｉ含有量が５．０〜１２．０％のワイヤでは、溶接金属の高温割れ感受性が高まるため、ワイヤ中のＳ含有量を低減するだけでは、溶接金属の高温割れ発生を完全に防止することは困難であり、また、Ｓ含有量の過度の制限はワイヤ製造コストを増加させ、実用的観点からも好ましくない。
【００５５】
本発明ワイヤでは、上述したようにＭｎおよびＣａにより、溶接金属中の拡散性Ｓの一部はＭｎＳおよびＣａＳなどの硫化物として固定化し、無害化できるが、Ｓ含有量が０．０１％を上回る場合は、溶接金属の高温割れが発生する危険が生じるためワイヤ全体のＳ含有量は０．０１％以下に制限した。
【００５６】
ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上：０．０５〜１．０％
本発明のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮内に充填フラックスとして、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上からなる金属酸化物を含有し、これらは、フラックス造粒時のバインダー（造粒剤）、ワイヤを線引き加工時の潤滑材、溶接時のスラグ形成材やアーク安定剤などとして機能するガスシールドアーク溶接による隅肉溶接に必要不可欠な成分である。ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上の合計量が０．０５％を下回る場合は、これらの金属酸化物によるフラックス造粒性、ワイヤ線引き加工性、溶接ビードおよびアーク安定性を良好に維持することが困難となるため、これらの合計量を０．０５％以上とした。
【００５７】
一方、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上の合計量が１．０％を上回る場合には、上記効果は飽和するのみならず、Ｍｎ及びＣａを酸化させ、溶接金属中の拡散性ＳをＭｎＳ及びＣａＳなどの硫化物として固定化し、無害化する作用効果を妨げる原因となる。また、金属酸化物の過剰な添加は、溶接時のスラグ発生量を増加させ、溶接金属表面のスラグを除去処理する必要が生じ、溶接施工性の観点からも好ましくない。これらの理由から、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上の合計量の上限を１．０％とした。
【００５８】
Ｍｇ：０．０１〜０．２％
Ｍｇは、脱酸元素であるが、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌなどの他の脱酸元素に比べてＭｇＯ酸化物のスラグ移行率は高く、溶接金属にとどまらず、その多くはスラグ中に移行するため、酸化物形成による継手靭性の低下は少ない。このため、継手靭性をさらに向上させるためには、ワイヤ中にＭｇを添加し、Ｍｇにより溶接金属の平均酸素量をさらに低減させることが好ましい。これらのＭｇの作用により継手靭性を十分向上させるためには、ワイヤ全体のＭｇ含有量を０．０１％以上とする必要がある。
【００５９】
一方、ワイヤ全体のＭｇ含有量が０．２％を超える場合には、スラグ中のＭｇＯ量の増加により、スラグが硬化し、溶接後のスラグ剥離性が悪化するため、ワイヤ全体のＭｇ含有量の上限は０．２％とした。
【００６０】
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、及び、Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏは何れも溶接金属の焼入性を高める作用を有する元素であり、継手強度をさらに高めるために、必要に応じてワイヤ中に添加しても良い。
【００６１】
Ｃｕは、Ｃｕ含有量が０．０５％を下回る場合には、継手強度改善効果が見られないため、ワイヤ全体のＣｕ含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。一方、Ｃｕ含有量が０．５％を超える場合には、溶接金属のＣｕ割れが発生する危険が生じるため、ワイヤ全体のＣｕ含有量の上限は０．５％とするのが好ましい。なお、Ｃｕは、ワイヤ表面にめっきすることで、溶接時のワイヤ導電性を改善させる作用を有するため、継手強度向上の他に、ワイヤ導電性を改善するためにワイヤ中に添加することも可能である。
【００６２】
Ｃｒは、Ｃｒ含有量が０．０５％を下回る場合には、継手強度改善効果が見られないため、ワイヤ全体のＣｒ含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が２．０％を超える場合には、溶接金属の焼入性の上昇による硬化が著しくなり、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＣｒ含有量の上限を２．０％とするのが好ましい。
【００６３】
Ｍｏは、ワイヤ全体のＭｏ含有量が０．０５％を下回る場合には、継手強度改善効果が見られないため、ワイヤ全体のＭｏ含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。一方、にＭｏ含有量が１．０％を超える場合には、溶接金属の焼入性の上昇による硬化が著しくなり、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＭｏ含有量の上限を１．０％とするのが好ましい。
【００６４】
継手強度をさらに高めるために、Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏのうちの１種又は２種以上をワイヤ中に含有する場合には、これらの合計量が３．０％を上回ると、溶接金属の硬化が著しくなり、継手靭性を低下させる原因となるため、上記各成分の含有量の範囲を満足すると共に、これらの合計量が３．０％以下となるように各含有量を調整することが好ましい。
【００６５】
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｖ：０．０１〜０．５％、及び、Ｎｂ：０．００５〜０．２％
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏは溶接金属の焼入性を高める作用を有する元素であり、継手強度をさらに高めるために、必要に応じてワイヤ中に添加しても良い。
【００６６】
Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂは何れも、溶接金属中のＣやＮなどと結合し、炭窒化物を形成し、継手強度を向上させるために有効な析出元素であり、継手強度をさらに高めるために、必要に応じてワイヤ中に添加しても良い。
【００６７】
Ｔｉは、Ｔｉ含有量が０．００５％を下回る場合には、炭化物の析出による継手強度向上効果が見られないため、ワイヤ全体のＴｉ含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。一方、Ｔｉ含有量が０．２％を超える場合には、溶接金属の強度増加が著しく、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＴｉ含有量の上限を０．２％とするのが好ましい。なお、Ｔｉは、アークを安定させる働きもあるため、継手強度向上の他に、溶接時のアーク安定性を向上するためにワイヤ中に添加することも可能である。
【００６８】
Ｖは、Ｖ含有量が０．０１％を下回る場合には、炭化物の析出による強度向上効果が見られないため、ワイヤ全体のＶ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。一方、Ｖ含有量が０．５％を上回る場合には、強度増加が著しく、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＶ含有量の上限を０．５％とするのが好ましい。
【００６９】
Ｎｂは、Ｎｂ含有量が０．００５％を下回る場合には、炭化物の析出による強度向上効果が見られないため、ワイヤ全体のＮｂ含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。一方、Ｎｂ含有量が０．２％を上回る場合には、強度増加が著しく、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＮｂ含有量の上限を０．２％とするのが好ましい。
【００７０】
継手強度をさらに高めるために、Ｔｉ、Ｖ及びＮｂのうちの１種又は２種以上をワイヤ中に含有する場合には、これらの合計量が０．７％を上回ると、溶接金属の硬化が著しくなり、継手靭性を低下させる原因となるため、上記各成分の含有量の範囲を満足すると共に、これらの合計量が０．７％以下となるように各含有量を調整することが好ましい。
【００７１】
以上説明した本発明のフラックス入りワイヤは、特にガスシールドアーク溶接による隅肉溶接時に顕著な問題となる溶接金属の高温割れを防止するために効果を発揮する。
【００７２】
次に、本発明のフラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接する場合の最良な実施形態について述べる。
【００７３】
図１（ａ）に隅肉溶接継手の代表的な実施形態として、底板１に縦板２を取り付けた継手形状の隅肉溶接継手及び溶接金属３の凝固方向４（図中の白矢印）を示す。また、これと比較するために、図１（ｂ）にはビードオンプレート溶接継手及び溶接金属の凝固方向４（図中の白矢印）を示す。
【００７４】
図１（ｂ）に示したビードオンプレート溶接の場合には、溶接後の溶融金属は鋼板５表面側から溶接ビード表面の方向に凝固が進行し、ビード表面７で最終凝固が完了するため、凝固の方向が交わらない。これに対して、図１（ａ）に示した隅肉溶接の場合には、溶接後の溶融金属は底板１及び縦板２のそれぞれの表面側から中央方向に凝固が進行し、これら２方向からの凝固が交わる溶接ビード中央部分６が、最終凝固部となる。このように２方向からの凝固がぶつかる溶接ビード中央部分６には、ＳやＰ等の不可避的不純物の偏析が生じやすく、これが隅肉溶接における溶接金属の高温割れ発生の主な原因となっている。
【００７５】
また、溶接金属の高温割れ感受性は、オーステナイト組織の場合に高くなるため、オーステナイトフォーマーであるＮｉの含有量が高い溶接金属の場合には、溶接金属中のＳやＰ等の不可避的不純物が少ない場合でも高温割れが発生しやすくなる。
【００７６】
本発明では、通常のガスシールドアーク溶接による隅肉溶接において、上記の本発明の規定範囲を満足する成分組成のフラックス入りワイヤを用いることにより、溶接金属の高温割れを防止することが可能となるが、本発明の効果を安定して発揮させるためには、溶接時のガスシールド条件を適正化することが好ましい。
【００７７】
以下に溶接時のシールドガスの好ましい条件について説明する。
【００７８】
通常のガスシールド溶接においては、シールドガスとして、１００ｖｏｌ％ＣＯ2ガス、または、ＡｒとＣＯ2の混合ガスが用いられるが、シールドガス中のＣＯ2は酸素源となるため、本発明ワイヤ中のＭｎ及びＣａを酸化させ、硫化物形成による拡散性Ｓの無害化作用を阻害する原因となる。
【００７９】
このシールドガス中のＣＯ2濃度が２５ｖｏｌ％を超える場合には、溶接時にＣＯ2の熱分解により生成したＯが、ワイヤ中のＭｎ及びＣａと結合し、ＭｎＯ及びＣａＯなどの酸化物を形成するため、Ｍｎ及びＣａの硫化物形成による溶接金属中の拡散性Ｓの無害化作用が阻害される。この結果、本発明ワイヤによる溶接金属の高温割れ発生防止効果が十分に発揮できなくなる。また、シールドガス中のＣＯ2含有量が過度に多くなると溶接時のスパッタ発生量が増加し、溶接作業性を低下する原因となり好ましくない。これらの理由から、隅肉溶接する際に使用するＡｒとＣＯ2の混合ガスからなるシールドガス中のＣＯ2濃度は２５ｖｏｌ％以下に制限するのが好ましい。
【００８０】
一方、ＡｒとＣＯ2の混合ガスからなるシールドガス中のＣＯ2濃度が３ｖｏｌ％未満の場合には、溶接アークの安定性が低下するため、シールドガス中のＣＯ2濃度の下限は、３％とするのが好ましい。
【００８１】
また、ＡｒガスやＣＯ2中に不純物として含有するＯ2も同様にＭｎ及びＣａの硫化物形成による溶接金属中の拡散性Ｓの無害化作用を阻害するため、溶接金属の高温割れ防止効果を発揮させるためにＯ2ガスを低減することが好ましい。シールドガス中のＯ2濃度が４％を上回る場合は、ＭｎとＣａの酸化が進み、Ｍｎ及びＣａの硫化物形成による溶接金属中の拡散性Ｓの無害化作用が阻害され、高温割れ発生防止効果が十分に得られなくなるため、シールドガス中のＯ2濃度の上限は４％とするのが好ましい。一方、シールドガス中のＯ2濃度を１ｖｏｌ％未満に低減する場合には、ＡｒガスやＣＯ2中のＯ2を除去するためのガス精製コストが増加し、シールドガスが高価となるため、シールドガス中のＯ2濃度の下限は１ｖｏｌ％とする。
【実施例】
【００８２】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００８３】
表２及び表５に示されたフラックス入りワイヤを用いて、図２に示す底板１と縦板２からなる隅肉溶接継手８を作製した。
【００８４】
表２に示されたワイヤ記号１０１〜１０７のフラックス入りワイヤは、本発明で規定する成分組成を満足する発明例に相当するワイヤであり、ワイヤ記号１５１〜１５５は本発明で規定する成分組成を満足する比較例に相当するワイヤである。表２に示されたワイヤ記号１５１、１５２は、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より低く外れた比較例であり、ワイヤ記号１５３、１５４、１５５は［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より高く外れた比較例である。
【００８５】
また、表２に示したワイヤを作成するときに用いた鋼製外皮の成分組成を表１に示す。
【００８６】
なお、表１及び表２にそれぞれ示した鋼製外皮及びフラックス入りワイヤの成分組成はいずれも、ワイヤ全質量に対する各成分の質量％を示す。表２に示したフラックス入りワイヤの成分組成は、フラックス及び鋼製外皮の何れかまたは両方に含有する各成分の含有量の合計値をワイヤ全質量に対する各成分の質量％で示したものである。フラックス入りワイヤの成分がフラックスのみ、鋼製外皮のみ、または、フラックスと鋼製外皮の両方の何れの場合の成分によるものかを注釈１）〜３）で示した。表２中のフラックスと鋼製外皮の両方に含有する金属または合金の成分は、表１に記載の鋼製外皮の成分含有量に対して、その不足分をフラックスから添加したものである。
【００８７】
なお、金属または合金として添加する各成分は、ワイヤ全体での各成分含有量がワイヤ全質量に対する質量％で所定範囲内にあれば、フラックスのみ、鋼製外皮のみ、または、フラックスと鋼製外皮の両方の何れから各成分を添加してもその効果は変わらない。
【００８８】
また、表５に示されたワイヤ記号２０１〜２０７のフラックス入りワイヤは、本発明で規定する成分組成を満足する発明例に相当するワイヤであり、ワイヤ記号２５１〜２５４は本発明で規定する成分組成を満足する比較例に相当するワイヤである。表５に示されたワイヤ記号２５１、２５２は、ワイヤ中にＣａは含有されず、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より低く外れた比較例であり、ワイヤ記号２５３は、ワイヤ中に含有するＣａＦ2及びＣａＯの合計量のＣａ換算値が高く外れ、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より高く外れた比較例である。ワイヤ２５４は、ワイヤ中のＣａが含有されず、Ｍｎが過大であり、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より高く外れた比較例である。
【００８９】
なお、表４及び表５にそれぞれ示した鋼製外皮及びフラックス入りワイヤの成分組成はいずれも、ワイヤ全質量に対する各成分の質量％を示す。表５に示したフラックス入りワイヤの成分組成は、フラックス及び鋼製外皮の何れかまたは両方に含有する各成分の含有量の合計値をワイヤ全質量に対する各成分の質量％で示したものである。フラックス入りワイヤの成分がフラックスのみ、鋼製外皮のみ、または、フラックスと鋼製外皮の両方の何れの場合の成分によるものかを注釈１）〜３）で示した。表５中のフラックスと鋼製外皮の両方に含有する金属または合金の成分は、表４に記載の鋼製外皮の成分含有量に対して、その不足分をフラックスから添加したものである。
【００９０】
なお、表２に示された発明例に相当するワイヤは、本発明におけるワイヤのＭｎ含有量が２．０％以上の条件で、表５に示された発明例に相当するワイヤは、本発明におけるワイヤのＭｎ含有量が２．０％以下の条件で、それぞれＣａの含有により［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］を本発明の規定範囲内に調整したワイヤである。なお、Ｍｎを２．０％で区別する理由は特になく、便宜的なものである。
【００９１】
隅肉溶接継手８の試験体は、幅Ｗ：２００ｍｍおよび長さＬ１：３００ｍｍの底板と、高さＨ：１５０ｍｍおよび長さＬ２：３００ｍｍ縦板とからなるＴ字形のすみ肉溶接継手であり、底板１の板厚Ｔ１と縦板２の板厚Ｔ２は何れも２５ｍｍである。
【００９２】
隅肉溶接は、溶接電流：３００Ａ、溶接電圧：３２Ｖ、溶接速度：２５ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件で、縦板２の片側を水平すみ肉溶接した後、縦板２の反対側を同様に水平すみ肉溶接した。隅肉溶接継手８の試験体は、溶接金属が冷却された後に、１つの試験体から１０個の断面マクロを採取し、溶接金属の割れを観察し、高温割れ発生率を評価した。
【００９３】
溶接金属の高温割れの評価は、１０個の断面マクロの中で、溶接金属に割れが観察された断面マクロの個数の比率％を求めることで行った。
【００９４】
隅肉溶接時のスパッタ発生量の評価は以下のように実施した。
【００９５】
まず、あらかじめ質量を測定した鋼板を用い、溶接ビードを形成する範囲の以外の鋼板表面を別の金属板で覆ってビードオンプレート溶接する。なお、ビードオンプレート溶接の溶接条件は、上記隅肉溶接と同じ条件で行った。溶接後、鋼板表面を覆っていた金属板表面に付着しているスパッタを採取し、そのスパッタの質量を測定する。一方、ビードオンプレート溶接継手の質量を測定し、溶接前の鋼板の質量を差し引くことにより、溶着金属の質量を求める。ビードオンプレート溶接により形成された溶着金属の質量とスパッタの質量の合計質量に対するスパッタの質量の比率％をスパッタ損失割合とし、このスパッタ損失割合により隅肉溶接時のスパッタ発生量を評価した。
【００９６】
また、隅肉溶接時のビード形状の評価は、上記ビードオンプレート溶接をした溶接継手におけるビード形状の概観検査により、行った。
【００９７】
また、隅肉溶接継手８の試験体の中で、溶接金属に割れが発生しなかった試験体については、この試験体の溶接に用いられたワイヤを用いて溶着金属試験を実施し、溶接金属からシャルピー試験用試験片および丸棒引っ張り試験用試験片を採取した後、これらのシャルピー試験および丸棒引っ張り試験を行い、−５℃における吸収エネルギーおよび室温における引張り強度を測定した。なお、シャルピー試験は、３回繰り返し、これらの−５℃における吸収エネルギーの測定値の平均値を求めて評価した。なお、試験体作製方法および試験方法は、ＪＩＳ Ｚ３１１１に従った。
【００９８】
表３及び表６に、各フラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接した場合の溶接金属の割れ発生率（％）、スパッタ損失割合（％）、ビード形状、溶接金属の−５℃における吸収エネルギーおよび室温における引張り強度の結果を示す。なお、表３及び表６には隅肉溶接時に用いたシールドガス中の成分組成も示す。
【００９９】
本発明で規定する成分組成を満足する表２及び表５に示されたワイヤ記号１０１〜１０７及びワイヤ記号２０１〜２０７のフラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接した継手記号Ａ１〜Ａ９及び継手記号Ｂ１〜Ｂ９の本発明例では、溶接金属の高温割れは観察されず、スパッタ損失割合は１〜９％と低く、ビード形状も良好であり、溶接金属の−５℃における吸収エネルギーは５５Ｊ以上と高く、溶接金属の室温における引張り強度は７３８ＭＰａ以上と高く、何れの評価結果も良好である。
【０１００】
一方、本発明で規定する成分組成からは外れたワイヤ記号１５１〜１５５及び２５１〜２５４は、隅肉溶接時の溶接金属の割れ発生率（％）、スパッタ損失割合（％）、ビード形状、溶接金属の−５℃における吸収エネルギーおよび室温における引張り強度の何れかが悪化し、本願の目的とする結果を満足するものではなかった。
【０１０１】
継手記号Ａ１０、Ｂ１０及びＢ１１の比較例は、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より低く外れた表２及び表５に示されたワイヤ記号１５１、２５１及び２５２のワイヤを用いて隅肉溶接したため、Ｍｎ及びＣａにより溶接金属中の拡散性Ｓを硫化物として固定化し、無害化する効果が十分に得られず、溶接金属の高温割れ発生率が４０〜５０％と高かった。
【０１０２】
継手記号Ａ１１の比較例は、Ｃｒ含有量が９．５％と本発明の規定範囲より高く外れた表２に示されたワイヤ記号１５２のワイヤを用いて隅肉溶接したため、−５℃シャルピー吸収エネルギー（ＶＥ−５）は１６Ｊと最も低い結果であった。なお、ワイヤ記号１５２のワイヤは、従来のオーステナイトフォーマーであるＮｉと共に、フェライトフォーマーであるＣｒを同等量溶接ワイヤ中に含有することにより溶接金属の高温割れ感受性を低下させた従来溶接ワイヤ（前述の特許文献１、参照）に相当するため、ワイヤの［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］は本発明の規定範囲より低く外れているものの、溶接金属割れは発生していない。
【０１０３】
継手記号Ａ１２、Ａ１４の比較例は、ワイヤ中のＭｎ含有量が本発明の規定範囲より高く外れ、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］も高く外れた表２に示されたワイヤ記号１５３、１５５のワイヤを用いて隅肉溶接したため、溶接金属の凝固組織でのＳの偏析を過度に促進させたため高温割れが発生した。
【０１０４】
継手記号Ｂ１４も継手記号Ａ１２と同様に、表５に示されたワイヤ記号２５４のワイヤを用いて隅肉溶接をしたため、Ｍｎ過多による溶接金属の凝固組織でのＳの偏析促進から、高温割れが防止できなかったものである。
【０１０５】
継手記号Ａ１３、Ｂ１２及びＢ１３の比較例は、ワイヤ中に含有したＣａＦ2のＣａ換算値が本発明の規定範囲より高く外れ、ワイヤの［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が高く外れた表２及び表５に示されたワイヤ記号１５４及び２５３のワイヤを用いて隅肉溶接したため、アークが不安定となり、スパッタ損出割合が１８〜２１％と急激に増加し、ビードが蛇行したためビード形状が不良であった。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
【表２】
【０１０８】
【表３】
【０１０９】
【表４】
【０１１０】
【表５】
【０１１１】
【表６】
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】溶接継手形状と凝固方向を示す概念図であり、（ａ）は隅肉溶接継手、（ｂ）はビードオンプレート溶接継手の場合を示す。また、図中の矢印は、凝固方向を示す。
【図２】実施例に用いたすみ肉溶接継手試験体の形状と寸法を示す概念図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 底板
２ 縦板
３ 溶接金属
４ 凝固方向
５ 鋼板
６ ビード中央部
７ ビード表面
８ 隅肉溶接継手
Ｌ１ 底板の長さ
Ｌ２ 縦底の長さ
Ｗ 底板の幅
Ｈ 縦底の高さ
Ｂ 溶接ビード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、強度、靭性などの機械特性が要求される自動車用部品や、橋梁及び造船などの製造に適用される溶接ワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法に関し、より詳しくは、ワイヤ中にＮｉを５％以上含有し、隅肉溶接時に溶接金属の高温割れ発生を防止しつつ、強度、靭性などの機械特性に優れた溶接金属が得られる耐高温割れ特性に優れた高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接構造物の欠陥のほとんどは、溶接部に発生するため、溶接構造物の信頼性は、溶接部によって決定されるといっても過言ではない。
【０００３】
代表的な溶接部欠陥としては、高温割れと低温割れに大きく分類される溶接割れが知られている。高温領域で発生する高温割れは、溶接後に高温で溶融状態の溶接金属が冷却されて凝固するときに最終凝固部近傍にＰやＳなどの不純物の偏析することを原因として、発生する割れ形態であり、溶接金属成分の依存性が強いため、低温割れに比べて溶接施工によりその発生を防止することは難しい。
【０００４】
一方、強度、靭性などの機械特性が要求される自動車用部品や、橋梁及び造船などの製造の際に適用される隅肉溶接用ワイヤとして、Ｎｉ含有量が５％以上の高Ｎｉワイヤが知られている。Ｎｉは溶接金属の強度や靭性、さらには耐食性および疲労強度を向上させるために有効な元素として溶接ワイヤ中に含有する。特にＮｉは他の焼入れ性強化元素に比べて溶接金属中に多量に含有した場合でも靭性低下は少ないため、溶接金属の強度と靭性を向上させるために有効な元素として利用されている。
【０００５】
しかし、Ｎｉはオーステナイトフォーマーであり、また、相変態温度を低下させる元素でもあり、溶接金属の最終凝固部近傍にＳなどの不純物元素の偏析を助長し、高温割れ発生の原因となるため、溶接金属の高温割れ発生の点からワイヤ中のＮｉは好ましい元素ではない。特に、Ｎｉ含有量が５％以上の高Ｎｉワイヤを用いてガスシールドアーク溶接により隅肉溶接する場合に溶接金属の高温割れ発生の問題が顕著となる。
【０００６】
従来からＮｉを含有する溶接ワイヤを用いて溶接する際に溶接金属の高温割れ発生を防止するための方法が検討されている。
【０００７】
例えば、溶接金属のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）を低下させ、低温側で発生するマルテンサイト変態膨張を利用することにより、溶接止端部近傍に圧縮残留応力導入し、継手の疲労強度を向上するために主成分としてＮｉとＣｒを鋼心線中に含有するとともに、高温割れに有害な鋼心線中のＰ及びＳの含有量を０．０１％以下に低減した、被覆アーク溶接棒が提案されている（例えば特許文献１、参照）。この溶接材料は、溶接金属の高温割れを助長するオーステナイトフォーマーであるＮｉを５〜１４％含有するとともに、フェライトフォーマーであるＣｒも同じ含有量で含有させることにより、溶接金属のオーステナイト相の割合を調整し、高温割れ発生を防止するものである。この溶接材料は、継手疲労強度向上および溶接金属の高温割れ発生を防止するためにＣｒを多量に含有する必要があるが、Ｃｒの多量添加によって溶接金属中の硬質組織が増加し、継手靭性が劣化するという問題が生じる。
【０００８】
したがって、溶接材料中に含有するＮｉの靭性向上効果が阻害され、溶接継手の強度とともに靭性を十分向上することは困難となる。
【０００９】
また、塩分が飛来する環境における耐候性を向上させるために、Ｎｉを０．２〜４％含有するとともに、Ｍｏを０．１〜４％、さらには、Ｃｕを０．１〜４％添加し、かつ溶接金属の高温割れ発生に有害なＰ含有量を０．０１５％以下、Ｐ含有量を０．０２％以下に低減した、サブマージアーク溶接用ワイヤおよびフラックスが提案されている（例えば特許文献２、３、参照）。この溶接材料は、Ｎｉ含有量を溶接金属の不純物元素の偏析による高温割れを発生させない４％以下に制限し、Ｎｉと同様に耐食性向上に有効なＭｏ、さらには、Ｃｕを複合添加することにより、溶接金属の耐食性を向上させるものである。
しかし、この溶接材料では、Ｎｉ含有量を制限しているため、溶接継手の強度とともに靭性を十分向上することは困難となる。
【００１０】
これら溶接に使用する溶接ワイヤ組成を最適化する以外に、溶接方法及び溶接条件から溶接金属の高温割れ発生を防止する方法も提案されている。
【００１１】
例えば、極厚鋼板を大入熱高効率の多層盛サブマージアーク溶接を行う際に問題となる初層溶接部の高温割れ発生を防止するために、２パス目の溶接を高電流で行い、１パス目の溶接金属で凝固割れが発生しやすい最終凝固部（中央部）近傍を再溶融する方法が提案されている（例えば特許文献４、参照）。
【００１２】
また、鋼板を多電極によりガスシールドアーク溶接し、溶接時に先行する第１電極と後行する第２電極間の距離Ｌを１００ｍｍ以下に制限し、第１電極のアークにより形成された溶接初層が高温割れを起こす前に、第２番電極のアークが通電されるように溶接することにより、溶接金属の高温割れを防止する方法が提案されている（例えば特許文献５、参照）。
【００１３】
以上の溶接方法及び溶接条件による溶接金属の高温割れ防止方法は、多層盛溶接や多電極溶接のみに適用され、さらに溶接時の各電極の配置や溶接電流などの条件が制限されるため、溶接施工の点から必ずしも好ましい方法とは言い難い。
【００１４】
また、これらの従来方法は、Ｎｉ添加量が１％未満の溶接材料を用いて多層盛または多電極での突合せ溶接をする場合に溶接金属の高温割れ防止効果は得られるが、Ｎｉ含有量が５％以上の高Ｎｉワイヤを用いて隅肉溶接する場合には溶接金属の高温割れ発生を防止することは困難である。
【００１５】
以上のように、溶接材料中のＮｉは、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させ、さらには、溶接金属の耐食性および疲労強度を向上させるためにも有効な元素である。
【００１６】
しかしながら、上記の通り、Ｎｉ含有量を５％以上に高めることにより、上記Ｎｉによる溶接金属の強度、靭性などの特性向上効果を十分に発揮しつつ、溶接金属中のＮｉ含有量の増加に起因する高温割れ発生を防止できる隅肉溶接用高Ｎｉワイヤは、現状実用化されていない。
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−４０８４５号公報
【特許文献２】特開２０００−２７１７８６号公報
【特許文献３】特開２０００−２７１７８７号公報
【特許文献４】特開平１１−２３９８７９号公報
【特許文献５】特開平９−８５４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
これら従来技術の問題点に鑑み、本発明は、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させるために有効なＮｉを５％以上含有し、溶接金属の高温割れ発生を防止できる、強度及び靭性並びに耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉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】
【００１９】
本発明者らは、以上の観点から、Ｎｉを５％以上含有した高Ｎｉフラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接した場合に問題となる溶接金属の高温割れ発生を防止するために有効なワイヤ成分組成を検討した。その結果、ワイヤ全体にＭｎとＣａを適正範囲で複合添加するとともに、ワイヤの鋼製外皮内の充填フラックスに含有する酸化物（ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上）の合計量を適正に制限することにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を抑制しつつ溶接金属中の拡散性元素であるＳをＭｎＳ及びＣａＳの硫化物として固定することにより、溶接後の溶接金属の最終凝固部近傍でのＳ不純物の偏析による高温割れ発生を防止することができることを見出した。また、これらのワイヤ全体に、さらにスラグ移行率の高い脱酸元素であるＭｇを含有させることにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を安定して抑制でき、上記Ｍｎ及びＣａの作用を高め、より安定して高温割れ発生を防止できることを確認した。
【００２０】
これらの知見を基になされた本発明はなされたものであり、その発明の要旨は以下の通りである。
【００２１】
（１）鋼製外皮内に充填フラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．８％、
Ｎｉ：５．０〜１２．０％、
Ｍｎ：１．０〜３．５％
を含有し、かつ
Ｃａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下
に制限し、
さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２２】
（２）さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｍｇ：０．０１〜０．２％を含有することを特徴とする前記（１）記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２３】
（３）さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を、これらのＣａ換算量が１．０％以下となるように含有することを特徴とする前記（１）または（２）記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２４】
（４）さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、および、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が３．０％以下となるように含有することを特徴とする前記（１）〜（３）の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２５】
（５）さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、および、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％
のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が０．７％以下となるように含有することを特徴とする前記（１）〜（４）の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【００２６】
（６）前記（１）〜（５）の何れか１項に記載の高Ｎｉフラックス入りワイヤを用い、かつシールドガスとして、ＣＯ2を５〜２５％含有し、残部がＡｒからなるシールドガスを用いて鋼板を隅肉溶接することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【００２７】
（７）前記シールドガス中に、さらに、酸素を１〜４％含有することを特徴とする前記（７）記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ワイヤ中にＮｉを５％以上含有し、溶接金属の高温割れ発生を防止しつつ、強度及び靭性を同時に向上することを可能とする、強度及び靭性並びに耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法を提供することができる。本発明のフラックス入りワイヤおよびこれを用いた隅肉溶接方法を、強度、靭性などの機械特性が要求される自動車用部品や、橋梁及び造船などの製造に適用することにより、これらの溶接構造物の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００３０】
なお、以下の説明において、ワイヤ組成における質量％は単に％と記載する。
【００３１】
上述したように、隅肉溶接時の溶接金属の高温割れは、溶接後に溶融状態の溶接金属が凝固するときに特に最終凝固部近傍でＳなどの不純物の偏析することを原因として、発生することが知れている。不純物の偏析程度は、溶接金属の成分組成に影響され、一般にオーステナイトフォーマーであるＮｉを多く含む溶接金属では、凝固部でのＳ偏析が助長されるため、溶接金属の高温割れが発生しやすくなることが知られている。したがって、従来のＮｉを含有するオーステナイト系ステンレス鋼用の溶接材料では、溶接時の高温割れを防止するために、ワイヤ中のオーステナイトフォーマーであるＮｉの含有量と、フェライトフォーマーであるＣｒ含有量を調整したワイヤが適用されてきた。
【００３２】
しかし、Ｎｉと同様にＣｒを多量に含有した従来のワイヤでは、溶接時の高温割れは防止できるものの、Ｃｒ含有量の増加により溶接金属の靭性は低下する結果、目的とする継手の強度とともに靭性を十分に向上することは困難となる。
【００３３】
そこで、本発明者らは、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させるために有効なＮｉを５％以上含有し、靭性低下の原因となるＣｒを用いずに、溶接後の溶接金属の最終凝固部近傍への拡散性元素であるＳの偏析を抑制するために有効なワイヤ成分として、Ｍｎ及びＣａに着目し、溶接金属の耐高温割れ性を向上するためのワイヤの最適成分組成について検討した。
【００３４】
一般に、ＭｎおよびＣａは鋼中でＳと結合し、それぞれＭｎＳおよびＣａＳなどの硫化物を形成するとともに、ＭｎおよびＣａは酸素とも結合しやすく、ＭｎＯやＣａＯを形成する脱酸成分としても知られている。
【００３５】
一方、ガスシールドアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤでは、充填フラックスとして、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどが、フラックス造粒時に用いるバインダー（造粒剤）、スラグ形成材、アーク安定剤などの金属酸化物として多く含まれている。これらの金属酸化物は、溶接時にアーク中および溶接金属中の酸素供給源となるため、ワイヤ中に含有するＭｎやＣａと結合し、溶接金属の高温割れの原因となる拡散性元素であるＳをＭｎＳおよびＣａＳなどの安定硫化物として無害化する作用を阻害する。
【００３６】
本発明者は、これらの技術的課題を踏まえ、溶接金属の強度と靭性を同時に向上させるために有効なＮｉを５％以上含有し、靭性を阻害する原因となるＣｒを用いずに、目的とする溶接金属の耐高温割れ性を向上するために有効となるフラックス入りワイヤの成分組成について鋭意検討を行った。
【００３７】
その結果、ワイヤ全体にＭｎとＣａを適正範囲で複合添加するとともに、ワイヤの鋼製外皮内の充填フラックスに含有する酸化物（ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上）の合計量を適正に制限することにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を抑制しつつ溶接金属中の拡散性元素であるＳをＭｎＳ及びＣａＳの硫化物として固定することにより、溶接後の溶接金属の最終凝固部近傍でのＳ不純物の偏析による高温割れ発生を防止することができることを見出した。また、これらのワイヤ全体に、さらに脱酸元素の中でもスラグ移行率の高いＭｇを含有させることにより、Ｍｎ及びＣａの酸化を安定して抑制でき、上記Ｍｎ及びＣａの作用を高め、より安定して高温割れ発生を防止できることを確認した。また、Ｃａは、充填フラックスに、ＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有させ、かつこれらのＣａ換算量を所定値以下に制限することにより、溶接金属の耐高温割れ性の向上とともに、溶接時のアーク安定性を向上し、スパッタ量を抑制し、良好な溶接作業性を維持することができることを確認した。
【００３８】
本発明は、以上の知見に基づいてなされ、即ち、本発明の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤは、鋼製外皮内に充填フラックスが充填されたものであり、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜０．８％、Ｎｉ：５．０〜１２．０％及びＭｎ：１．０〜３．５％を含有し、かつＣａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、Ｐ：０．０２％以下及びＳ：０．０１％以下に制限している。また、鋼製外皮内に充填する充填フラックス中には、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有している。更に、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｍｇ：０．０１〜０．２％を含有し、または、この充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を、これらのＣａ換算量が１．０％以下となるように含有するのが好ましい。
【００３９】
なお、本発明のフラックス入りワイヤの鋼製外皮における残部、及び充填フラックス中に含まれる金属又は合金成分における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。
【００４０】
このように、本発明のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮に充填フラックスを充填してなるものであるが、所要の特性を有する溶接金属を得るための基本成分であるＣ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐ及びＳ、並びに、後述する選択成分であるＣｕ、Ｃｒ、および、Ｍｏのうちの１種または２種以上、さらには、Ｔｉ、Ｖ、および、Ｎｂうちの１種または２種以上は、鋼製外皮及び充填フラックスのいずれか一方に含有していても、又は両方に含有していてもよい。一方、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏのうちの１種又は２種以上、さらに、ＣａＦ2及びＣａＯの１種又は２種は、充填フラックスに含有する。
【００４１】
また、本発明において規定しているワイヤ全質量に対する各成分の含有量Ｍｗは、下記数式（１）により求められる。なお、下記数式（１）におけるＭｃは鋼製外皮中の含有量（質量％）、Ｍｆは充填フラックス中の含有量（質量％）、Ｒはワイヤ全質量に対する充填フラックス全質量の割合（質量％）を夫々示す。
【００４２】
【数１】
【００４３】
以下、本発明のフラックス入りワイヤにおける成分組成の限定理由について説明する。
【００４４】
Ｃ：０．０１〜０．１５％
Ｃは、ワイヤ製造の観点からワイヤ線引き中の断線が生じないだけの鋼製外皮の強度を確保し、また、溶接継手強度を確保するために欠かせない元素であり、主として鋼製外皮、必要に応じて充填フラックスに０．０１％以上含有する必要がある。Ｃを充填フラックス中に含有する場合は、例えば、鉄粉中のＣ、グラファイトやＳｉＣなどの形態で含有させることができる。充填フラックス中のＣも、溶接時の溶融プールに溶融すると、鋼製外皮中のＣと同じ働きをする。
【００４５】
一方、ワイヤ全体のＣ含有量が０．１５％を上回る場合は、本発明が対象とするＮｉ含有量が５．０〜１２．０％のワイヤでは、ＣはＮｉとともに溶接金属凝固部でのＳ偏析を助長し、また、低融点物質を形成し、溶接金属の高温割れ発生の原因となるため好ましくない。これの理由から、ワイヤ全体のＣ含有量の上限値を０．１５％とした。
なお、溶接金属の過剰な硬化を防止し、溶接金属の靭性を向上するためには、ワイヤ全体のＣ含有量の上限を好ましくは０．１０％とすることが望ましい。
【００４６】
Ｓｉ：０．０５〜０．８％
Ｓｉは、脱酸元素及び溶滴の表面張力を抑える作用を有する元素である。Ｓｉのこれらの効果を十分に得るためにはワイヤ全体のＳｉ含有量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ含有量が過剰に高くなる場合は、特に継手の靭性が劣化するためワイヤ全体のＳｉ含有量の上限を０．８％とした。
【００４７】
Ｎｉ：５．０〜１２．０％
Ｎｉは、溶接金属の強度と靭性を共に向上させるために有効な元素である。また、Ｎｉは溶接金属の相変態温度を低下させ、溶接金属のベイナイト相やマルテンサイト相などの低温側での相変態温度を低下させ、相変態時の体積膨張を利用して溶接止端部に圧縮残留応力を発生させ、溶接継手の疲労強度を向上させるために有効な元素である。さらに、Ｎｉは溶接金属の耐食性を向上させる作用効果を有する。本発明ワイヤでは、これらのＮｉによる効果を十分に得るためにワイヤ全体のＮｉ含有量を５．０％以上とする必要がある。
【００４８】
一方、Ｎｉはオーステナイトフォーマーであり、溶接金属中の拡散性Ｓの偏析を助長し、また、相変態温度を低下させる作用も原因して、溶接金属の高温割れ感受性を高める元素である。ワイヤ全体のＮｉ含有量を１２．０％を超える場合には、溶接金属の高温割れ感受性が急激に高まり、高温割れを防止することは困難となるため、本発明では、ワイヤ全体のＮｉ含有量の上限を１２．０％とした。
【００４９】
Ｍｎ：１．０〜３．５％
Ｍｎは、Ｃａと同様に拡散性Ｓと結合しＭｎＳなどの硫化物を形成することにより溶接金属中の拡散性Ｓを固定化し、無害化する働きがある。このＭｎの作用を利用し、溶接金属の凝固部への拡散性Ｓの偏析を防止し、高温割れ発生を防止するためには、ワイヤ全体のＭｎ含有量を１．０％以上とする必要がある。
【００５０】
一方、Ｍｎ含有量が３．５％を超えると、溶接金属の高温割れ防止効果はほぼ飽和するだけでなく、Ｍｎはオーステナイト形成元素であるため、溶接金属中のオーステナイト組織が多くなることによって凝固部でのＳの偏析が助長され、高温割れが発生しやすくなる。さらには、Ｍｎの過度の増加により焼入性が増加して靭性劣化をもたらす原因となる。このため、ワイヤ全体のＭｎ含有量の上限は３．５％とした。
【００５１】
Ｃａ、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％
Ｃａは、Ｍｎと同様に拡散性Ｓと結合しＣａＳなどの硫化物を形成することにより溶接金属中の拡散性Ｓを固定化し、無害化する働きがある。ＣａはＭｎとともにワイヤ中に含有させることにより、ＣａとＭｎの複合硫化物を形成し、溶接金属の凝固部への拡散性Ｓの偏析を防止し、高温割れ発生を防止する効果は高められる。本発明者らの検討の結果、ワイヤ中にＭｎとともにＣａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５以上となるように含有する場合に、ＣａとＭｎの相互作用による溶接金属の高温割れ防止効果が十分に発揮されることを確認した。この理由から、本発明では、ワイヤ全体のＣａ含有量［Ｃａ％］は、Ｍｎ含有量［Ｍｎ％］との関係で、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５以上となるように含有する。
一方、ワイヤ全体のＣａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係で、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］が３．７％を上回るような、ワイヤ中のＣａ含有量が過剰に高い場合には、溶接金属の高温割れ防止効果はほぼ飽和し、後述する溶接時のアーク不安定性を招き、スパッタ発生量の増加やビードの蛇行など溶接作業性を悪化さるため、好ましくない。この理由から、本発明では、ワイヤ全体のＣａ含有量［Ｃａ％］は、Ｍｎ含有量［Ｍｎ％］との関係で、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：３．７以下となるように含有する。
【００５２】
ＣａＦ2およびＣａＯ１種または２種のＣａ換算量：１．０％以下
本発明ワイヤでは、上記Ｃａは、鋼製外皮および充填フラックスの何れかに含有させることができる。鋼製外皮中にＣａを含有させる場合には、鋼製外皮用素材の製鋼工程でＣａが添加されるが、Ｃａは溶鋼中の酸素やＳと結合し、ＣａＯやＣａＳを形成し、溶鋼表面の浮上するため、鋼製外皮中にＣａを含有するにはその含有量に限度がある。一方、鋼製外皮内の充填フラックス中にＣａを、Ｃａ化合物として含有させる場合は、上記のようなワイヤ製造上の問題がなく、ワイヤ全体のＣａ含有量を高めるために好ましい。Ｃａ化合物としては、ＣａＦ2やＣａＯが好ましく、Ｃａ（ＯＨ）2は溶接金属の水素脆化割れの原因となるため好ましくない。この理由から、本発明では、充填フラックスにＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有させる。また、充填フラックスにＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有する場合には、これらのＣａに換算量が過度に増加すると、溶接時のアークが不安定化し、スパッタ発生量が多くなり、ビードの蛇行など溶接作業性を悪化させる原因となる。特にＣａに換算量が１．０％を上回ると、溶接時のスパッタ発生量の増加が顕著となるため、充填フラックスにＣａＦ2とＣａＯのいずれかまたは両方を含有する場合には、これらのＣａ換算量を１．０％以下とするのが好ましい。
【００５３】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不可避的不純物であり、Ｓに比べると溶接金属の高温割れ特性への影響は小さいが、Ｓと同様に溶接金属の凝固部に偏析し、高温割れの原因となる元素のため、可能な限り低減することが好ましい。本発明が対象とするＮｉ含有量が５．０〜１２．０％のワイヤでは、Ｐ含有量が０．０２％を上回る場合は、溶接金属の高温割れが発生する危険が生じるためワイヤ全体のＰ含有量は０．０２％以下に制限した。
【００５４】
Ｓ：０．０１％以下
Ｓは、不可避的不純物であり、溶接金属の凝固部に偏析し、高温割れを発生させる原因となる主要元素であるため、可能な限り低減することが好ましい。本発明が対象とするＮｉ含有量が５．０〜１２．０％のワイヤでは、溶接金属の高温割れ感受性が高まるため、ワイヤ中のＳ含有量を低減するだけでは、溶接金属の高温割れ発生を完全に防止することは困難であり、また、Ｓ含有量の過度の制限はワイヤ製造コストを増加させ、実用的観点からも好ましくない。
【００５５】
本発明ワイヤでは、上述したようにＭｎおよびＣａにより、溶接金属中の拡散性Ｓの一部はＭｎＳおよびＣａＳなどの硫化物として固定化し、無害化できるが、Ｓ含有量が０．０１％を上回る場合は、溶接金属の高温割れが発生する危険が生じるためワイヤ全体のＳ含有量は０．０１％以下に制限した。
【００５６】
ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上：０．０５〜１．０％
本発明のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮内に充填フラックスとして、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上からなる金属酸化物を含有し、これらは、フラックス造粒時のバインダー（造粒剤）、ワイヤを線引き加工時の潤滑材、溶接時のスラグ形成材やアーク安定剤などとして機能するガスシールドアーク溶接による隅肉溶接に必要不可欠な成分である。ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上の合計量が０．０５％を下回る場合は、これらの金属酸化物によるフラックス造粒性、ワイヤ線引き加工性、溶接ビードおよびアーク安定性を良好に維持することが困難となるため、これらの合計量を０．０５％以上とした。
【００５７】
一方、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上の合計量が１．０％を上回る場合には、上記効果は飽和するのみならず、Ｍｎ及びＣａを酸化させ、溶接金属中の拡散性ＳをＭｎＳ及びＣａＳなどの硫化物として固定化し、無害化する作用効果を妨げる原因となる。また、金属酸化物の過剰な添加は、溶接時のスラグ発生量を増加させ、溶接金属表面のスラグを除去処理する必要が生じ、溶接施工性の観点からも好ましくない。これらの理由から、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｎａ2Ｏ、および、Ｋ2Ｏの１種又は２種以上の合計量の上限を１．０％とした。
【００５８】
Ｍｇ：０．０１〜０．２％
Ｍｇは、脱酸元素であるが、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｉ、Ａｌなどの他の脱酸元素に比べてＭｇＯ酸化物のスラグ移行率は高く、溶接金属にとどまらず、その多くはスラグ中に移行するため、酸化物形成による継手靭性の低下は少ない。このため、継手靭性をさらに向上させるためには、ワイヤ中にＭｇを添加し、Ｍｇにより溶接金属の平均酸素量をさらに低減させることが好ましい。これらのＭｇの作用により継手靭性を十分向上させるためには、ワイヤ全体のＭｇ含有量を０．０１％以上とする必要がある。
【００５９】
一方、ワイヤ全体のＭｇ含有量が０．２％を超える場合には、スラグ中のＭｇＯ量の増加により、スラグが硬化し、溶接後のスラグ剥離性が悪化するため、ワイヤ全体のＭｇ含有量の上限は０．２％とした。
【００６０】
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜２．０％、及び、Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏは何れも溶接金属の焼入性を高める作用を有する元素であり、継手強度をさらに高めるために、必要に応じてワイヤ中に添加しても良い。
【００６１】
Ｃｕは、Ｃｕ含有量が０．０５％を下回る場合には、継手強度改善効果が見られないため、ワイヤ全体のＣｕ含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。一方、Ｃｕ含有量が０．５％を超える場合には、溶接金属のＣｕ割れが発生する危険が生じるため、ワイヤ全体のＣｕ含有量の上限は０．５％とするのが好ましい。なお、Ｃｕは、ワイヤ表面にめっきすることで、溶接時のワイヤ導電性を改善させる作用を有するため、継手強度向上の他に、ワイヤ導電性を改善するためにワイヤ中に添加することも可能である。
【００６２】
Ｃｒは、Ｃｒ含有量が０．０５％を下回る場合には、継手強度改善効果が見られないため、ワイヤ全体のＣｒ含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。一方、Ｃｒ含有量が２．０％を超える場合には、溶接金属の焼入性の上昇による硬化が著しくなり、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＣｒ含有量の上限を２．０％とするのが好ましい。
【００６３】
Ｍｏは、ワイヤ全体のＭｏ含有量が０．０５％を下回る場合には、継手強度改善効果が見られないため、ワイヤ全体のＭｏ含有量を０．０５％以上とするのが好ましい。一方、にＭｏ含有量が１．０％を超える場合には、溶接金属の焼入性の上昇による硬化が著しくなり、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＭｏ含有量の上限を１．０％とするのが好ましい。
【００６４】
継手強度をさらに高めるために、Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏのうちの１種又は２種以上をワイヤ中に含有する場合には、これらの合計量が３．０％を上回ると、溶接金属の硬化が著しくなり、継手靭性を低下させる原因となるため、上記各成分の含有量の範囲を満足すると共に、これらの合計量が３．０％以下となるように各含有量を調整することが好ましい。
【００６５】
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｖ：０．０１〜０．５％、及び、Ｎｂ：０．００５〜０．２％
Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏは溶接金属の焼入性を高める作用を有する元素であり、継手強度をさらに高めるために、必要に応じてワイヤ中に添加しても良い。
【００６６】
Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂは何れも、溶接金属中のＣやＮなどと結合し、炭窒化物を形成し、継手強度を向上させるために有効な析出元素であり、継手強度をさらに高めるために、必要に応じてワイヤ中に添加しても良い。
【００６７】
Ｔｉは、Ｔｉ含有量が０．００５％を下回る場合には、炭化物の析出による継手強度向上効果が見られないため、ワイヤ全体のＴｉ含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。一方、Ｔｉ含有量が０．２％を超える場合には、溶接金属の強度増加が著しく、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＴｉ含有量の上限を０．２％とするのが好ましい。なお、Ｔｉは、アークを安定させる働きもあるため、継手強度向上の他に、溶接時のアーク安定性を向上するためにワイヤ中に添加することも可能である。
【００６８】
Ｖは、Ｖ含有量が０．０１％を下回る場合には、炭化物の析出による強度向上効果が見られないため、ワイヤ全体のＶ含有量を０．０１％以上とするのが好ましい。一方、Ｖ含有量が０．５％を上回る場合には、強度増加が著しく、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＶ含有量の上限を０．５％とするのが好ましい。
【００６９】
Ｎｂは、Ｎｂ含有量が０．００５％を下回る場合には、炭化物の析出による強度向上効果が見られないため、ワイヤ全体のＮｂ含有量を０．００５％以上とするのが好ましい。一方、Ｎｂ含有量が０．２％を上回る場合には、強度増加が著しく、継手靭性が低下する問題が生じるため、ワイヤ全体のＮｂ含有量の上限を０．２％とするのが好ましい。
【００７０】
継手強度をさらに高めるために、Ｔｉ、Ｖ及びＮｂのうちの１種又は２種以上をワイヤ中に含有する場合には、これらの合計量が０．７％を上回ると、溶接金属の硬化が著しくなり、継手靭性を低下させる原因となるため、上記各成分の含有量の範囲を満足すると共に、これらの合計量が０．７％以下となるように各含有量を調整することが好ましい。
【００７１】
以上説明した本発明のフラックス入りワイヤは、特にガスシールドアーク溶接による隅肉溶接時に顕著な問題となる溶接金属の高温割れを防止するために効果を発揮する。
【００７２】
次に、本発明のフラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接する場合の最良な実施形態について述べる。
【００７３】
図１（ａ）に隅肉溶接継手の代表的な実施形態として、底板１に縦板２を取り付けた継手形状の隅肉溶接継手及び溶接金属３の凝固方向４（図中の白矢印）を示す。また、これと比較するために、図１（ｂ）にはビードオンプレート溶接継手及び溶接金属の凝固方向４（図中の白矢印）を示す。
【００７４】
図１（ｂ）に示したビードオンプレート溶接の場合には、溶接後の溶融金属は鋼板５表面側から溶接ビード表面の方向に凝固が進行し、ビード表面７で最終凝固が完了するため、凝固の方向が交わらない。これに対して、図１（ａ）に示した隅肉溶接の場合には、溶接後の溶融金属は底板１及び縦板２のそれぞれの表面側から中央方向に凝固が進行し、これら２方向からの凝固が交わる溶接ビード中央部分６が、最終凝固部となる。このように２方向からの凝固がぶつかる溶接ビード中央部分６には、ＳやＰ等の不可避的不純物の偏析が生じやすく、これが隅肉溶接における溶接金属の高温割れ発生の主な原因となっている。
【００７５】
また、溶接金属の高温割れ感受性は、オーステナイト組織の場合に高くなるため、オーステナイトフォーマーであるＮｉの含有量が高い溶接金属の場合には、溶接金属中のＳやＰ等の不可避的不純物が少ない場合でも高温割れが発生しやすくなる。
【００７６】
本発明では、通常のガスシールドアーク溶接による隅肉溶接において、上記の本発明の規定範囲を満足する成分組成のフラックス入りワイヤを用いることにより、溶接金属の高温割れを防止することが可能となるが、本発明の効果を安定して発揮させるためには、溶接時のガスシールド条件を適正化することが好ましい。
【００７７】
以下に溶接時のシールドガスの好ましい条件について説明する。
【００７８】
通常のガスシールド溶接においては、シールドガスとして、１００ｖｏｌ％ＣＯ2ガス、または、ＡｒとＣＯ2の混合ガスが用いられるが、シールドガス中のＣＯ2は酸素源となるため、本発明ワイヤ中のＭｎ及びＣａを酸化させ、硫化物形成による拡散性Ｓの無害化作用を阻害する原因となる。
【００７９】
このシールドガス中のＣＯ2濃度が２５ｖｏｌ％を超える場合には、溶接時にＣＯ2の熱分解により生成したＯが、ワイヤ中のＭｎ及びＣａと結合し、ＭｎＯ及びＣａＯなどの酸化物を形成するため、Ｍｎ及びＣａの硫化物形成による溶接金属中の拡散性Ｓの無害化作用が阻害される。この結果、本発明ワイヤによる溶接金属の高温割れ発生防止効果が十分に発揮できなくなる。また、シールドガス中のＣＯ2含有量が過度に多くなると溶接時のスパッタ発生量が増加し、溶接作業性を低下する原因となり好ましくない。これらの理由から、隅肉溶接する際に使用するＡｒとＣＯ2の混合ガスからなるシールドガス中のＣＯ2濃度は２５ｖｏｌ％以下に制限するのが好ましい。
【００８０】
一方、ＡｒとＣＯ2の混合ガスからなるシールドガス中のＣＯ2濃度が３ｖｏｌ％未満の場合には、溶接アークの安定性が低下するため、シールドガス中のＣＯ2濃度の下限は、３％とするのが好ましい。
【００８１】
また、ＡｒガスやＣＯ2中に不純物として含有するＯ2も同様にＭｎ及びＣａの硫化物形成による溶接金属中の拡散性Ｓの無害化作用を阻害するため、溶接金属の高温割れ防止効果を発揮させるためにＯ2ガスを低減することが好ましい。シールドガス中のＯ2濃度が４％を上回る場合は、ＭｎとＣａの酸化が進み、Ｍｎ及びＣａの硫化物形成による溶接金属中の拡散性Ｓの無害化作用が阻害され、高温割れ発生防止効果が十分に得られなくなるため、シールドガス中のＯ2濃度の上限は４％とするのが好ましい。一方、シールドガス中のＯ2濃度を１ｖｏｌ％未満に低減する場合には、ＡｒガスやＣＯ2中のＯ2を除去するためのガス精製コストが増加し、シールドガスが高価となるため、シールドガス中のＯ2濃度の下限は１ｖｏｌ％とする。
【実施例】
【００８２】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００８３】
表２及び表５に示されたフラックス入りワイヤを用いて、図２に示す底板１と縦板２からなる隅肉溶接継手８を作製した。
【００８４】
表２に示されたワイヤ記号１０１〜１０７のフラックス入りワイヤは、本発明で規定する成分組成を満足する発明例に相当するワイヤであり、ワイヤ記号１５１〜１５５は本発明で規定する成分組成を満足する比較例に相当するワイヤである。表２に示されたワイヤ記号１５１、１５２は、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より低く外れた比較例であり、ワイヤ記号１５３、１５４、１５５は［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より高く外れた比較例である。
【００８５】
また、表２に示したワイヤを作成するときに用いた鋼製外皮の成分組成を表１に示す。
【００８６】
なお、表１及び表２にそれぞれ示した鋼製外皮及びフラックス入りワイヤの成分組成はいずれも、ワイヤ全質量に対する各成分の質量％を示す。表２に示したフラックス入りワイヤの成分組成は、フラックス及び鋼製外皮の何れかまたは両方に含有する各成分の含有量の合計値をワイヤ全質量に対する各成分の質量％で示したものである。フラックス入りワイヤの成分がフラックスのみ、鋼製外皮のみ、または、フラックスと鋼製外皮の両方の何れの場合の成分によるものかを注釈１）〜３）で示した。表２中のフラックスと鋼製外皮の両方に含有する金属または合金の成分は、表１に記載の鋼製外皮の成分含有量に対して、その不足分をフラックスから添加したものである。
【００８７】
なお、金属または合金として添加する各成分は、ワイヤ全体での各成分含有量がワイヤ全質量に対する質量％で所定範囲内にあれば、フラックスのみ、鋼製外皮のみ、または、フラックスと鋼製外皮の両方の何れから各成分を添加してもその効果は変わらない。
【００８８】
また、表５に示されたワイヤ記号２０１〜２０７のフラックス入りワイヤは、本発明で規定する成分組成を満足する発明例に相当するワイヤであり、ワイヤ記号２５１〜２５４は本発明で規定する成分組成を満足する比較例に相当するワイヤである。表５に示されたワイヤ記号２５１、２５２は、ワイヤ中にＣａは含有されず、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より低く外れた比較例であり、ワイヤ記号２５３は、ワイヤ中に含有するＣａＦ2及びＣａＯの合計量のＣａ換算値が高く外れ、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より高く外れた比較例である。ワイヤ２５４は、ワイヤ中のＣａが含有されず、Ｍｎが過大であり、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より高く外れた比較例である。
【００８９】
なお、表４及び表５にそれぞれ示した鋼製外皮及びフラックス入りワイヤの成分組成はいずれも、ワイヤ全質量に対する各成分の質量％を示す。表５に示したフラックス入りワイヤの成分組成は、フラックス及び鋼製外皮の何れかまたは両方に含有する各成分の含有量の合計値をワイヤ全質量に対する各成分の質量％で示したものである。フラックス入りワイヤの成分がフラックスのみ、鋼製外皮のみ、または、フラックスと鋼製外皮の両方の何れの場合の成分によるものかを注釈１）〜３）で示した。表５中のフラックスと鋼製外皮の両方に含有する金属または合金の成分は、表４に記載の鋼製外皮の成分含有量に対して、その不足分をフラックスから添加したものである。
【００９０】
なお、表２に示された発明例に相当するワイヤは、本発明におけるワイヤのＭｎ含有量が２．０％以上の条件で、表５に示された発明例に相当するワイヤは、本発明におけるワイヤのＭｎ含有量が２．０％以下の条件で、それぞれＣａの含有により［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］を本発明の規定範囲内に調整したワイヤである。なお、Ｍｎを２．０％で区別する理由は特になく、便宜的なものである。
【００９１】
隅肉溶接継手８の試験体は、幅Ｗ：２００ｍｍおよび長さＬ１：３００ｍｍの底板と、高さＨ：１５０ｍｍおよび長さＬ２：３００ｍｍ縦板とからなるＴ字形のすみ肉溶接継手であり、底板１の板厚Ｔ１と縦板２の板厚Ｔ２は何れも２５ｍｍである。
【００９２】
隅肉溶接は、溶接電流：３００Ａ、溶接電圧：３２Ｖ、溶接速度：２５ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件で、縦板２の片側を水平すみ肉溶接した後、縦板２の反対側を同様に水平すみ肉溶接した。隅肉溶接継手８の試験体は、溶接金属が冷却された後に、１つの試験体から１０個の断面マクロを採取し、溶接金属の割れを観察し、高温割れ発生率を評価した。
【００９３】
溶接金属の高温割れの評価は、１０個の断面マクロの中で、溶接金属に割れが観察された断面マクロの個数の比率％を求めることで行った。
【００９４】
隅肉溶接時のスパッタ発生量の評価は以下のように実施した。
【００９５】
まず、あらかじめ質量を測定した鋼板を用い、溶接ビードを形成する範囲の以外の鋼板表面を別の金属板で覆ってビードオンプレート溶接する。なお、ビードオンプレート溶接の溶接条件は、上記隅肉溶接と同じ条件で行った。溶接後、鋼板表面を覆っていた金属板表面に付着しているスパッタを採取し、そのスパッタの質量を測定する。一方、ビードオンプレート溶接継手の質量を測定し、溶接前の鋼板の質量を差し引くことにより、溶着金属の質量を求める。ビードオンプレート溶接により形成された溶着金属の質量とスパッタの質量の合計質量に対するスパッタの質量の比率％をスパッタ損失割合とし、このスパッタ損失割合により隅肉溶接時のスパッタ発生量を評価した。
【００９６】
また、隅肉溶接時のビード形状の評価は、上記ビードオンプレート溶接をした溶接継手におけるビード形状の概観検査により、行った。
【００９７】
また、隅肉溶接継手８の試験体の中で、溶接金属に割れが発生しなかった試験体については、この試験体の溶接に用いられたワイヤを用いて溶着金属試験を実施し、溶接金属からシャルピー試験用試験片および丸棒引っ張り試験用試験片を採取した後、これらのシャルピー試験および丸棒引っ張り試験を行い、−５℃における吸収エネルギーおよび室温における引張り強度を測定した。なお、シャルピー試験は、３回繰り返し、これらの−５℃における吸収エネルギーの測定値の平均値を求めて評価した。なお、試験体作製方法および試験方法は、ＪＩＳ Ｚ３１１１に従った。
【００９８】
表３及び表６に、各フラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接した場合の溶接金属の割れ発生率（％）、スパッタ損失割合（％）、ビード形状、溶接金属の−５℃における吸収エネルギーおよび室温における引張り強度の結果を示す。なお、表３及び表６には隅肉溶接時に用いたシールドガス中の成分組成も示す。
【００９９】
本発明で規定する成分組成を満足する表２及び表５に示されたワイヤ記号１０１〜１０７及びワイヤ記号２０１〜２０７のフラックス入りワイヤを用いて隅肉溶接した継手記号Ａ１〜Ａ９及び継手記号Ｂ１〜Ｂ９の本発明例では、溶接金属の高温割れは観察されず、スパッタ損失割合は１〜９％と低く、ビード形状も良好であり、溶接金属の−５℃における吸収エネルギーは５５Ｊ以上と高く、溶接金属の室温における引張り強度は７３８ＭＰａ以上と高く、何れの評価結果も良好である。
【０１００】
一方、本発明で規定する成分組成からは外れたワイヤ記号１５１〜１５５及び２５１〜２５４は、隅肉溶接時の溶接金属の割れ発生率（％）、スパッタ損失割合（％）、ビード形状、溶接金属の−５℃における吸収エネルギーおよび室温における引張り強度の何れかが悪化し、本願の目的とする結果を満足するものではなかった。
【０１０１】
継手記号Ａ１０、Ｂ１０及びＢ１１の比較例は、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が本発明の規定範囲より低く外れた表２及び表５に示されたワイヤ記号１５１、２５１及び２５２のワイヤを用いて隅肉溶接したため、Ｍｎ及びＣａにより溶接金属中の拡散性Ｓを硫化物として固定化し、無害化する効果が十分に得られず、溶接金属の高温割れ発生率が４０〜５０％と高かった。
【０１０２】
継手記号Ａ１１の比較例は、Ｃｒ含有量が９．５％と本発明の規定範囲より高く外れた表２に示されたワイヤ記号１５２のワイヤを用いて隅肉溶接したため、−５℃シャルピー吸収エネルギー（ＶＥ−５）は１６Ｊと最も低い結果であった。なお、ワイヤ記号１５２のワイヤは、従来のオーステナイトフォーマーであるＮｉと共に、フェライトフォーマーであるＣｒを同等量溶接ワイヤ中に含有することにより溶接金属の高温割れ感受性を低下させた従来溶接ワイヤ（前述の特許文献１、参照）に相当するため、ワイヤの［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］は本発明の規定範囲より低く外れているものの、溶接金属割れは発生していない。
【０１０３】
継手記号Ａ１２、Ａ１４の比較例は、ワイヤ中のＭｎ含有量が本発明の規定範囲より高く外れ、［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］も高く外れた表２に示されたワイヤ記号１５３、１５５のワイヤを用いて隅肉溶接したため、溶接金属の凝固組織でのＳの偏析を過度に促進させたため高温割れが発生した。
【０１０４】
継手記号Ｂ１４も継手記号Ａ１２と同様に、表５に示されたワイヤ記号２５４のワイヤを用いて隅肉溶接をしたため、Ｍｎ過多による溶接金属の凝固組織でのＳの偏析促進から、高温割れが防止できなかったものである。
【０１０５】
継手記号Ａ１３、Ｂ１２及びＢ１３の比較例は、ワイヤ中に含有したＣａＦ2のＣａ換算値が本発明の規定範囲より高く外れ、ワイヤの［Ｍｎ％］＋１．４［Ｃａ％］が高く外れた表２及び表５に示されたワイヤ記号１５４及び２５３のワイヤを用いて隅肉溶接したため、アークが不安定となり、スパッタ損出割合が１８〜２１％と急激に増加し、ビードが蛇行したためビード形状が不良であった。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
【表２】
【０１０８】
【表３】
【０１０９】
【表４】
【０１１０】
【表５】
【０１１１】
【表６】
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】溶接継手形状と凝固方向を示す概念図であり、（ａ）は隅肉溶接継手、（ｂ）はビードオンプレート溶接継手の場合を示す。また、図中の矢印は、凝固方向を示す。
【図２】実施例に用いたすみ肉溶接継手試験体の形状と寸法を示す概念図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１ 底板
２ 縦板
３ 溶接金属
４ 凝固方向
５ 鋼板
６ ビード中央部
７ ビード表面
８ 隅肉溶接継手
Ｌ１ 底板の長さ
Ｌ２ 縦底の長さ
Ｗ 底板の幅
Ｈ 縦底の高さ
Ｂ 溶接ビード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮内に充填フラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．８％、
Ｎｉ：５．０〜１２．０％、
Ｍｎ：１．０〜３．５％
を含有し、かつ
Ｃａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下
に制限し、
さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、および、Ｋ２Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項２】
さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｍｇ：０．０１〜０．２％を含有することを特徴とする請求項１記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項３】
さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ２とＣａＯのいずれかまたは両方を、これらのＣａ換算量が１．０％以下となるように含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項４】
さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、および、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が３．０％以下となるように含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項５】
さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、および、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％
のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が０．７％以下となるように含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項６】
前記請求項１〜５の何れか１項に記載の高Ｎｉフラックス入りワイヤを用い、かつシールドガスとして、ＣＯ２を５〜２５％含有し、残部がＡｒからなるシールドガスを用いて鋼板を隅肉溶接することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【請求項７】
前記シールドガス中に、さらに、酸素を１〜４％含有することを特徴とする請求項６記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【請求項１】
鋼製外皮内に充填フラックスを充填してなるフラックス入りワイヤにおいて、
ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０５〜０．８％、
Ｎｉ：５．０〜１２．０％、
Ｍｎ：１．０〜３．５％
を含有し、かつ
Ｃａを、Ｃａ含有量［Ｃａ％］とＭｎ含有量［Ｍｎ％］との関係が、［Ｍｎ％］＋１．４×［Ｃａ％］：１．５〜３．７％となるように含有すると共に、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０１％以下
に制限し、
さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、および、Ｋ２Ｏのうちの１種又は２種以上を、これらの合計量が０．０５〜１．０％となるように含有することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項２】
さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｍｇ：０．０１〜０．２％を含有することを特徴とする請求項１記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項３】
さらに、前記充填フラックスに、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＣａＦ２とＣａＯのいずれかまたは両方を、これらのＣａ換算量が１．０％以下となるように含有することを特徴とする請求項１または２記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項４】
さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％、
Ｃｒ：０．０５〜２．０％、および、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が３．０％以下となるように含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項５】
さらに、ワイヤ全体で、金属または合金として、ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．２％、
Ｖ：０．０１〜０．５％、および、
Ｎｂ：０．００５〜０．２％
のうちの１種または２種以上を、これらの合計量が０．７％以下となるように含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接用高Ｎｉフラックス入りワイヤ。
【請求項６】
前記請求項１〜５の何れか１項に記載の高Ｎｉフラックス入りワイヤを用い、かつシールドガスとして、ＣＯ２を５〜２５％含有し、残部がＡｒからなるシールドガスを用いて鋼板を隅肉溶接することを特徴とする耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【請求項７】
前記シールドガス中に、さらに、酸素を１〜４％含有することを特徴とする請求項６記載の耐高温割れ特性に優れた隅肉溶接方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−１６８３１２（Ｐ２００８−１６８３１２Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３３８（Ｐ２００７−２３３８）
【出願日】平成１９年１月１０日（２００７．１．１０）
【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２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１０日（２００７．１．１０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]