Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ
【課題】９％Ｎｉ鋼及びＮｉ基合金鋼等の溶接において、全姿勢における溶接作業性が優れていると共に、良好な耐ピット性及びビード外観が得られ、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属が得られるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたりＴｉＯ２を３乃至１１質量％、ＳｉＯ２を０．２乃至１．３質量％、ＺｒＯ２を１乃至３質量％及びＭｎ酸化物をＭｎＯ２換算値で０．３乃至１．０質量％含有し、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量で０．２乃至１．０質量％含有する。また、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２含有量を夫々［ＴｉＯ２］、［ＳｉＯ２］及び［ＺｒＯ２］としたとき、前記ＳｉＯ２含有量に対する前記ＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］が、５．０乃至１４．５である。
【解決手段】Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたりＴｉＯ２を３乃至１１質量％、ＳｉＯ２を０．２乃至１．３質量％、ＺｒＯ２を１乃至３質量％及びＭｎ酸化物をＭｎＯ２換算値で０．３乃至１．０質量％含有し、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量で０．２乃至１．０質量％含有する。また、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２含有量を夫々［ＴｉＯ２］、［ＳｉＯ２］及び［ＺｒＯ２］としたとき、前記ＳｉＯ２含有量に対する前記ＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］が、５．０乃至１４．５である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉及び圧力容器等をガスシールドアーク溶接する際に使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関し、特に、Ｎｉ基合金、３０乃至４０質量％のＮｉを含有するインコロイ合金、１０質量％以下のＮｉを含有する低温用鋼、及びスーパーステンレス鋼等のガスシールドアーク溶接に使用され、スパッタ発生量を抑制し、スラグ剥離性等の溶接作業性が優れ、良好な耐ピット性及びビード外観が得られ、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属が得られるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
フラックス入りワイヤによるガスシールドアーク溶接は、被覆アーク溶接及びＴＩＧ溶接に比して作業能率が優れ、年々、適用対象も拡大しており、従って、Ｎｉ基合金、３０乃至４０質量％のＮｉを含有するインコロイ合金、９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼、及びスーパーステンレス鋼等のガスシールドアーク溶接においても、フラックス入りワイヤの開発及び改良が強く要望されるようになってきた。しかしながら、このように適用対象が多いフラックス入りワイヤの設計にあたっては、その用途を十分に考慮した上で、溶接作業性、及び耐割れ性等の溶着金属特性への配慮が必要である。
【０００３】
従来、フラックス入りワイヤを使用するガスシールドアーク溶接において、溶接作業性及び耐高温割れ性を改善するため、種々の検討がなされている。例えば、特許文献１には、フラックス中のスラグ形成剤としてのＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の含有量を規定することにより、溶接部の延性、靱性及び耐高温割れ性といった溶接部の機械的性能を良好にし、溶接作業性を向上させることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、Ｆｅ酸化物及びＭｎ酸化物を添加することにより、溶着金属中のＳｉ量を抑制し、耐高温割れ性を向上させることが開示されている。
【０００５】
上述の特許文献１及び２の技術は、耐高温割れ性を向上するものであるが、溶接部にピット等の溶接欠陥が発生するという問題点がある。本願発明者等は、特許文献１及び２の技術を使用した場合にピット等の溶接欠陥が発生することを防止するために、特許文献３において、スラグ形成剤としてのＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の夫々の含有量及びこれらのスラグ形成剤成分の総量と、ＭｎＯ２の含有量を規定することにより、耐ピット性を向上させる技術を提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１９８４８８号公報
【特許文献２】特開２０００−３４３２７７号公報
【特許文献３】特開２００８−２４６５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述の従来技術には以下のような問題点がある。特許文献１に開示されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、下向き溶接に比して溶融金属の凝固速度が速い水平すみ肉溶接及び横向き溶接において、ビード表面にピット等の溶接欠陥が発生しやすいという問題点がある。また、溶接作業時のアーク安定性が低下したり、下向き溶接に比して溶融金属の凝固速度が遅い立向上進溶接において、溶接作業性が劣化する場合がある。
【０００８】
また、上述の如く、特許文献２には、Ｆｅ酸化物及びＭｎ酸化物を添加することにより、溶着金属中のＳｉ量を抑制し、耐高温割れ性を向上させることが開示されているものの、これらのＦｅ酸化物及びＭｎ酸化物は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量が規定されたフラックス中に添加するものである。従って、組成によっては、溶着金属中のＳｉ量を抑制することができない場合があり、耐高温割れ性が低下する場合がある。
【０００９】
上述の如く、本願発明者等は、特許文献１及び２の技術を使用した場合に、ピット等の溶接欠陥が発生することを防止するために、特許文献３において、スラグ形成剤としてのＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の夫々の含有量及びこれらのスラグ形成剤成分の総量と、ＭｎＯ２の含有量を規定することにより、耐ピット性を向上させる技術を提案した。しかしながら、この特許文献３の技術を用いた場合においても、組成によっては溶接時のアーク安定性が劣化したり、耐高温割れ性が低下する場合がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、９％Ｎｉ鋼及びＮｉ基合金鋼等の溶接において、全姿勢における溶接作業性が優れていると共に、良好な耐ピット性及びビード外観が得られ、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属が得られるＮｉ基合金フラックス入りワイヤ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】
【００１１】
本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、Ｎｉ基合金からなる外皮にフラックスを充填してなるＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、前記フラックスは、ワイヤ全質量あたりＴｉＯ２を３乃至１１質量％、ＳｉＯ２を０．２乃至１．３質量％、ＺｒＯ２を１乃至３質量％及びＭｎ酸化物をＭｎＯ２換算値で０．３乃至１．０質量％含有し、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量で０．２乃至１．０質量％含有し、前記ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２含有量を夫々［ＴｉＯ２］、［ＳｉＯ２］及び［ＺｒＯ２］としたとき、前記ＳｉＯ２含有量に対する前記ＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］が、５．０乃至１４．５であることを特徴とする。
【００１２】
上述の本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、例えば前記外皮中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ及びＣｏの含有量を、夫々、外皮の全質量あたりＣ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．０８質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％以下、Ｖ：０．３５質量％以下、Ｃｏ：２．５質量％以下に規制し、前記外皮は、外皮の全質量あたりＣｒを１４．５乃至１６．５質量％、Ｍｏを１５．０乃至１７．０質量％、Ｆｅを４．０乃至７．０質量％、Ｗを３．０乃至４．５質量％及びＮｉを５０．０質量％以上含有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、フラックス中にＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｍｎ酸化物、並びにＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を適正な範囲で含有し、ＳｉＯ２の含有量をＴｉＯ２及びＺｒＯ２の含有量に対して適正な比で規定している。これにより、全姿勢溶接において、優れた溶接作業性が得られ、良好な耐ピット性及びビード外観と、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】フラックス入りワイヤの断面を示す図である。
【図２】実施例で用いた試験板形状を示す断面図である。
【図３】実施例で用いた全溶着金属成分の分析方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本願発明者等は、フラックス成分の組成の検討により、耐高温割れ性及び溶接作業性を改善すべく、請求項１に記載のフラックス組成を開発した。本願発明者等は、上述の如く、特許文献１及び２のＮｉ基合金フラックス入りワイヤを使用した場合に、溶接姿勢によってアーク安定性及び溶接作業性が低下するという問題点を解決すべく、特許文献３の技術を提案した。しかしながら、この特許文献３の技術を使用した場合においても、組成によっては溶接時のアーク安定性が低下したり、耐高温割れ性が低下することがあった。Ｎｉ基合金からなる溶着金属は、オーステナイト（γ）単層で凝固するため、本質的に凝固割れが発生しやすく、特に、溶着金属成分のうちのＰ、Ｓ、Ｓｉ成分はＮｉ基合金中において固液分配係数が小さく、低融点の共晶を形成する（Ｓｉの場合は、Ｎｉ−Ｎｉ３Ｓｉ及びＮｉ−Ｎｂ−Ｓｉ系）ため、Ｎｉ基合金溶着金属の凝固割れ感受性を高める大きな要因である。本願発明者は、上記従来のＮｉ基合金フラックス入りワイヤを使用した場合に、耐高温割れ性が低下し、フラックス入りワイヤの組成によってアーク安定性が低下したり、溶接姿勢によって溶接作業性が劣化するという問題点を解決すべく、鋭意実験検討を行った。そして、フラックス中のＳｉＯ２の含有量を適正に規定した上で、スラグ形成剤としてのＳｉＯ２の含有量を他のスラグ形成剤であるＴｉＯ２及びＺｒＯ２の総量に対して適正に規定し、更に、Ｍｎ酸化物を適正な範囲で添加すれば、Ｎｉ基合金の溶着金属中に溶着金属中にＳｉが歩留まることを抑制し、耐高温割れ性が低下することを防止することができることを知見した。その上で、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を適量添加すれば、溶接時のアーク安定性が低下したり、溶接姿勢によって溶接作業性が低下することも防止することができることを知見した。
【００１６】
なお、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮の組成及び外皮率が以下の範囲であることが好ましい。即ち、溶着金属成分の組成をＡＷＳ Ａ５．３４ ＥＮｉＣｒＭｏ４Ｔｘ−ｙに規定された組成とするための前提条件として、外皮の組成を以下のように規定することが好ましい。即ち、外皮中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ及びＣｏの含有量を、夫々、外皮の全質量あたりＣ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．０８質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％以下、Ｖ：０．３５質量％以下、Ｃｏ：２．５質量％以下に規制し、外皮の全質量あたりＣｒを１４．５乃至１６．５質量％、Ｍｏを１５．０乃至１７．０質量％、Ｆｅを４．０乃至７．０質量％、Ｗを３．０乃至４．５質量％及びＮｉを５０．０質量％以上含有することが好ましい。この組成は、ＡＷＳ Ａ５．１４ ＥＲＮｉＣｒＭｏ４に規定された成分範囲である。このように、使用する外皮の組成をＡＷＳ Ａ５．１４ ＥＲＮｉＣｒＭｏ４に規定された成分範囲とし、ＡＷＳ Ａ５．３４ ＥＮｉＣｒＭｏ４Ｔｘ−ｙに規定された組成の溶着金属を得ることにより、耐高温割れ性及び耐ピット性が優れた溶着金属を得ることができる。また、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮率（フラックス入りワイヤ全質量に対する外皮質量の比率）が７０乃至８０質量％であることが好ましい。このように、外皮率が高いフラックス入りワイヤにおいては、外皮の組成は溶着金属の組成と関連がある。
【００１７】
本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、例えば、Ｎｉ基合金、３０乃至４０質量％のＮｉを含有するインコロイ合金、９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼、及びスーパーステンレス鋼等を母材とする突き合わせ溶接、並びにクラッド鋼、低合金鋼、低合金耐熱鋼及びステンレス鋼等を母材とする肉盛溶接に好適に使用される。
【００１８】
以下、本発明の数値限定の理由について説明する。
【００１９】
「フラックス中のＴｉＯ２含有量［ＴｉＯ２］：ワイヤ全質量あたり３乃至１１質量％」
ＴｉＯ２は均一で被包性のよいスラグを形成し、アーク安定性の向上に効果があるため、スラグ形成剤の主成分として添加する。ＴｉＯ２源としては、例えばルチール、白チタン、チタン酸カリウム、チタン酸ソーダ及びチタン酸カルシウムを使用することができる。フラックス中のＴｉＯ２含有量がワイヤ全質量あたり３質量％未満であると、これらのスラグ形成剤としての特性を十分に発揮することができず、フラックス中のＴｉＯ２含有量がワイヤ全質量あたり１１質量％を超えると、ワイヤ中のスラグ成分が過多となり、溶接時のスラグ生成量が過剰となってスラグが溶接部から垂れ落ちやすくなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生しやすくなり、耐ピット性も低下する。従って、本発明においては、フラックス中のＴｉＯ２の含有量は、ワイヤ全質量あたり３乃至１１質量％と規定する。
【００２０】
「フラックス中のＳｉＯ２含有量［ＳｉＯ２］：ワイヤ全質量あたり０．２乃至１．３質量％」
ＳｉＯ２はＴｉＯ２と同様に、スラグの粘性を高め、良好なビード形状を得るためにスラグ形成剤として添加する。ＳｉＯ２の原材料としては、例えば、珪砂、カリ長石、珪灰石、珪酸ナトリウム及び珪酸カリウム等を使用することができる。ＳｉＯ２の含有量がワイヤ全質量あたり０．２質量％未満であると、スラグ形成剤としての上記効果を十分に得ることができない。一方、ＳｉＯ２の含有量がワイヤ全質量あたり１．３質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。また、ＳｉＯ２は、Ｔｉ等の強脱酸性元素によって還元されやすいため、添加しすぎると、溶着金属中のＳｉ量が過多となり、耐高温割れ性が低下しやすくなる。従って、本発明においては、フラックス中のＳｉＯ２の含有量は、ワイヤの全質量あたり０．２乃至１．３質量％と規定する。
【００２１】
「フラックス中のＺｒＯ２含有量［ＺｒＯ２］：ワイヤ全質量あたり１乃至３質量％」
ＺｒＯ２はアークの吹きつけ性を向上させ、低溶接電流域においてもアークの安定性を向上させる作用がある。また、スラグの凝固を速め、立向上進溶接において、溶接作業性を向上させる作用がある。ＺｒＯ２源としては、例えばジルコンサンド及びジルコニア等を使用することができる。フラックス中のＺｒＯ２の含有量がワイヤの全質量あたり１質量％未満であると、アーク安定性及び溶接作業性の向上効果を十分に得られない。一方、フラックス中のＺｒＯ２の含有量がワイヤの全質量あたり３質量％を超えると、スラグの凝固開始温度が高くなってスラグの凝固が遅くなり、凝固中の溶着金属から発生するガスが凝固中のスラグを通して排出されることができず、溶接部に発生するピットの数が増加する。従って、本発明においては、ＺｒＯ２の含有量は、ワイヤの全質量あたり１乃至３質量％と規定する。
【００２２】
「フラックス中のＭｎ酸化物含有量（ＭｎＯ２換算値）：ワイヤ全質量あたり０．３乃至１．０質量％」
Ｍｎ酸化物及びＳｉ酸化物の標準生成自由エネルギー変化は、０乃至２４００℃の範囲においてはＳｉ酸化物の方が低く、Ｓｉ酸化物をＭｎ酸化物よりも安定に反応させることができる。即ち、フラックスにＭｎＯ２を添加することにより、溶融金属内において、ＭｎＯ２→Ｍｎ＋Ｏ２及びＳｉ＋Ｏ２→ＳｉＯ２の反応が促進され、反応後のＳｉＯ２はスラグとして浮上する。従って、ＳｉＯ２が溶着金属中にＳｉとして歩留まることを抑制することができる。また、ＭｎＯ２は、融点が５５０℃と低く、フラックス中にＭｎＯ２を添加することにより、溶融スラグの凝固開始温度を低くすることができ、凝固中の溶着金属から発生するガスの溶接部への残留を防止することによりピットの発生を抑制することができる。フラックス中のＭｎ酸化物の含有量がワイヤの全質量あたり０．３質量％未満であると、溶着金属中のＳｉの歩留まり防止効果及びピット抑制性効果を十分に得ることができず、また、耐高温割れ性が低下する。一方、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量がワイヤの全質量あたり１．０質量％を超えると、スラグがビード表面に焼き付きやすくなってスラグ剥離性が低下し、溶融スラグの凝固開始温度の低下により、立向上進溶接の作業性も低下する。従って、本発明においては、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量は、ワイヤの全質量あたり０．３乃至１．０質量％と規定する。
【００２３】
「フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物：Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．２乃至１．０質量％」
フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉは、アーク安定剤として作用し、スパッタの発生を抑制する。本発明においては、Ｎａ、Ｋ及びＬｉを、夫々Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物として添加する。具体的には、例えば、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６、Ｋ２ＴｉＦ６、ソーダ長石及びカリウム長石等を使用することができる。フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の含有量が夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．２質量％未満であると、アーク安定剤としての作用を十分に得ることができず、耐ピット性も低下する。フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の含有量が１．０質量％を超えると、逆にスパッタの発生量が増加する。従って、本発明においては、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物は、Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．２乃至１．０質量％と規定する。
【００２４】
「フラックス中のＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］：５．０乃至１４．５」
ＳｉＯ２は、上述の如く、スラグの粘性を高め、ビード形状を良好なものにする。しかしながら、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が１４．５を超えると、スラグの流動性が低下してスラグが均一に形成されにくくなってスラグ巻き込みが発生しやすくなり、ビードのなじみも低下する。また、スラグの凝固開始温度が高くなってスラグの凝固が遅くなり、凝固中の溶着金属から発生するガスが凝固中のスラグを通して排出されることができず、溶接部に発生するピットの数が増加する。一方、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が５．０未満であると、スラグがビードに密着し（焼き付き）やすくなり、スラグ剥離性が低下する。従って、本発明においては、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］を５．０乃至１４．５と規定する。より好ましくは、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比は、７．０乃至１４．０である。
【００２５】
本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、上記以外の成分としてフラックス中に炭酸塩、及びＣａＦ２等の塩基性原料を含有することができる。しかしながら、炭酸塩、及びＣａＦ２等の塩基性原料を添加すると、アーク安定性が低下しやすくなり、スパッタの発生量も増加して、溶接作業性が低下しやすくなる。従って、本発明においては、これらの炭酸塩、及びＣａＦ２等の塩基性原料をワイヤの全質量あたり０．１質量％以下の範囲で添加することができる。
【実施例】
【００２６】
以下、本実施形態のＮｉ基合金フラックス入りワイヤの効果を示す実施例について、その比較例と比較して具体的に説明する。先ず、表１に示す組成のＮｉ基合金からなる厚さ０．４ｍｍ、幅９．０ｍｍの帯を湾曲させて、図１に示すような円筒状の外皮１１ａ（Ｎｏ．Ａ乃至Ｃ）を作製した。これらの外皮に、金属原料とスラグ成分とからなるフラックス１１ｂを内包したフラックス入りワイヤ１１（Ｎｏ．１乃至２９）を作製した。このフラックスの組成は下記表２−１乃至表２−３に示すとおりである。なお、表２−１乃至表２−３に示すフラックス組成は、全てフラックス入りワイヤ全質量あたりの含有量である。このワイヤ１１を、直径が１．２ｍｍになるように伸線加工したものを供試ワイヤとした。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２−１】
【００２９】
【表２−２】
【００３０】
【表２−３】
【００３１】
前述の方法で製造したＮｏ．１乃至２９のフラックス入りワイヤ１１を使用して水平すみ肉溶接を行い、溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部の耐ピット性、ビード外観及びスラグ剥離性を評価した。
【００３２】
水平すみ肉溶接は、板厚が１２ｍｍ、幅が８０ｍｍ、長さが３００ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板を使用した。その際の溶接条件は、溶接電流が２００Ａ（直流ワイヤプラス）、アーク電圧が２８Ｖであり、シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とし、溶接速度を３０ｃｍ／分とした。
【００３３】
【表３】
【００３４】
上記フラックス入りワイヤを使用した溶接により得られる溶着金属の組成は、表１の外皮Ｎｏ．Ａ乃至Ｃ及び表２−１乃至２−３のワイヤＮｏ．１乃至２９に応じて、下記表４に示す全溶着金属成分組成となるものであった。なお、全溶着金属成分の分析方法は、ＡＷＳ Ａ５．３４に準拠し、図３に示す溶接部から採取した。
【００３５】
各実施例及び比較例のフラックス入りワイヤについて、溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部の耐ピット性、ビード外観及びスラグ剥離性の評価結果を下記表５に示す。なお、溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部のビード外観及びスラグ剥離性は、夫々、極めて良好であった場合を◎、良好であった場合を○、やや不良であった場合を△、不良であった場合を×と評価した。耐ピット性については、ビード表面に染色探傷試験を施して、検出された染色点の個数によって評価した。なお、この際、溶接ビードの始端部及び終端部については、夫々の端部から５０ｍｍの部分を評価対象外領域とした。そして、ビードの長さが５０ｍｍあたりの平均ピットの発生数が０個であった場合を◎、１乃至１０個であった場合を○、１１乃至３０個であった場合を△、３１個以上であった場合を×と評価した。
【００３６】
また、各実施例及び比較例による溶接部について、拘束割れ試験を実施し、耐高温割れ性を評価した。拘束割れ試験は、表３に示す板厚が２０ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板を使用し、図２に示すように、開先角度が６０°になるように板厚の半分まで斜面が形成された幅が１２５ｍｍ、長さが３００ｍｍの母材を間隔が２ｍｍになるように調整して、自動溶接機によるシングルビード溶接を行った。その際、溶接条件は、外皮の種別が表１のＡ又はＣであった場合（実施例Ｎｏ．１乃至９，比較例Ｎｏ．１６乃至２５）は、溶接電流値を２４０Ａ（直流ワイヤプラス）とし、外皮の種別が表１のＢであった場合（実施例Ｎｏ．１０乃至１５，比較例Ｎｏ．２６乃至２９）は、溶接電流値を２００Ａ（直流ワイヤプラス）とし、アーク電圧を３０Ｖとした。シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とし、溶接速度を４０ｃｍ／分とした。そして、溶接線方向の割れ長さの合計値を測定し、全ビード長に対する割れ率（溶接線方向の割れ長さの合計値／全ビード長）により耐高温割れ性を評価した。なお、高温割れ試験においては、溶接ビードの始端部及び終端部については、夫々の端部から２０ｍｍの部分を評価対象外領域とした。そして、割れ率が０％（割れなし）であった場合を◎、ビードに割れがあり割れ率が５％未満であった場合を○、割れ率が５％を超えた場合を×と評価した。各実施例及び比較例のフラックス入りワイヤについて、耐高温割れ性の評価結果を表５にあわせて示す。
【００３７】
更に、板厚が１２ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ３００ｍｍの２枚のＳＭ４９０Ａ鋼板を使用し、すみ肉Ｔ継手を立向上進溶接により半自動溶接した際の溶接作業性を評価した。その際、溶接条件は、溶接電流を１５０Ａ（直流ワイヤプラス）、アーク電圧を２６Ｖとした。シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とし、溶接速度を６ｃｍ／分とした。そして、溶接作業性が極めて良好（溶接電流値が１６０乃至１７０Ａでもビードの垂れ落ちなし）だった場合を◎、溶接作業性が良好だった場合を○、ビードの垂れ落ちが発生した場合を△、溶接ができなかった場合を×と評価した。そして、耐ピット性、アーク安定性、ビード外観及びスラグ剥離性、立向上進溶接作業性、スパッタ抑制性、並びに耐高温割れ性の全ての項目が◎であったものを総合評価としては◎、前述の項目のうち、◎の他に○が１項目でもあったものを総合評価としては○と評価し、×の項目が１項目でもあったものを総合評価としては×、△の項目が１項目でもあって×の項目が１項目もなかったものを総合評価としては△と評価した。各実施例及び比較例の総合評価について、表５にあわせて示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
【表５】
【００４０】
表５に示すように、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至１５は、溶接時のアーク安定性、スパッタ抑制性、及び立向上進溶接性が優れており、溶接部の耐ピット性、ビード外観及びスラグ剥離性が良好であり、耐高温割れ性も良好であった。比較例Ｎｏ．１６はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明の範囲を超え、ビード外観及びスラグ剥離性が劣化し、耐高温割れ性も低下した。比較例Ｎｏ．１７はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明の範囲を下回り、ビード外観及びスラグ剥離性が劣化し、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を超え、溶接部に発生するピットの数が増加した。
【００４１】
比較例Ｎｏ．１８は、フラックス中のＺｒＯ２の含有量が本発明の範囲を下回り、ＺｒＯ２の添加による溶接作業性の向上効果を十分に得ることができなかった。比較例Ｎｏ．１９は、フラックス中のＺｒＯ２の含有量と、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を超え、耐ピット性が低下した。比較例Ｎｏ．２０は、フラックス中のＴｉＯ２の含有量が本発明の範囲を下回り、アークの安定性の低下により溶接作業性が劣化し、ビード外観及びスラグ剥離性も劣化した。比較例Ｎｏ．２１はフラックス中のＴｉＯ２の含有量が本発明の範囲を超え、耐ピット性が低下した。
【００４２】
比較例Ｎｏ．２２は、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量が本発明の範囲を下回り、耐ピット性が低下し、溶着金属中のＳｉの歩留まりを防止することができず、耐高温割れ性も低下した。比較例Ｎｏ．２３は、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量が本発明の範囲を超え、スラグ剥離性が低下し、溶融スラグの凝固開始温度の低下により、立向上進溶接の作業性も低下した。比較例Ｎｏ．２４は、フラックス中のＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を下回り、スラグ剥離性及び立向上進溶接作業性が低下した。比較例Ｎｏ．２５は、フラックス中のＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を超え、耐ピット性が低下した。
【００４３】
比較例Ｎｏ．２６は、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量が本発明の範囲を下回り、アーク安定性が低下してスパッタ抑制性も低下し、耐ピット性も低下した。比較例Ｎｏ．２７は、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量が本発明の範囲を超え、スパッタの発生量が増加した。比較例Ｎｏ．２８及びＮｏ．２９は、Ｍｎ酸化物を含有せず、耐ピット性及び耐高温割れ性が低下した。
【００４４】
本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至１５のうち、実施例Ｎｏ．１乃至５は、外皮の組成が本発明の好ましい範囲を満足する実施例であり、外皮の組成が本発明の好ましい範囲を満足しない実施例Ｎｏ．６乃至１５に比して優れた耐高温割れ性を得ることができた。
【符号の説明】
【００４５】
１：フラックス入りワイヤ、１ａ：外皮、１ｂ：フラックス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉及び圧力容器等をガスシールドアーク溶接する際に使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関し、特に、Ｎｉ基合金、３０乃至４０質量％のＮｉを含有するインコロイ合金、１０質量％以下のＮｉを含有する低温用鋼、及びスーパーステンレス鋼等のガスシールドアーク溶接に使用され、スパッタ発生量を抑制し、スラグ剥離性等の溶接作業性が優れ、良好な耐ピット性及びビード外観が得られ、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属が得られるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
フラックス入りワイヤによるガスシールドアーク溶接は、被覆アーク溶接及びＴＩＧ溶接に比して作業能率が優れ、年々、適用対象も拡大しており、従って、Ｎｉ基合金、３０乃至４０質量％のＮｉを含有するインコロイ合金、９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼、及びスーパーステンレス鋼等のガスシールドアーク溶接においても、フラックス入りワイヤの開発及び改良が強く要望されるようになってきた。しかしながら、このように適用対象が多いフラックス入りワイヤの設計にあたっては、その用途を十分に考慮した上で、溶接作業性、及び耐割れ性等の溶着金属特性への配慮が必要である。
【０００３】
従来、フラックス入りワイヤを使用するガスシールドアーク溶接において、溶接作業性及び耐高温割れ性を改善するため、種々の検討がなされている。例えば、特許文献１には、フラックス中のスラグ形成剤としてのＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の含有量を規定することにより、溶接部の延性、靱性及び耐高温割れ性といった溶接部の機械的性能を良好にし、溶接作業性を向上させることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、Ｆｅ酸化物及びＭｎ酸化物を添加することにより、溶着金属中のＳｉ量を抑制し、耐高温割れ性を向上させることが開示されている。
【０００５】
上述の特許文献１及び２の技術は、耐高温割れ性を向上するものであるが、溶接部にピット等の溶接欠陥が発生するという問題点がある。本願発明者等は、特許文献１及び２の技術を使用した場合にピット等の溶接欠陥が発生することを防止するために、特許文献３において、スラグ形成剤としてのＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の夫々の含有量及びこれらのスラグ形成剤成分の総量と、ＭｎＯ２の含有量を規定することにより、耐ピット性を向上させる技術を提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１９８４８８号公報
【特許文献２】特開２０００−３４３２７７号公報
【特許文献３】特開２００８−２４６５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述の従来技術には以下のような問題点がある。特許文献１に開示されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、下向き溶接に比して溶融金属の凝固速度が速い水平すみ肉溶接及び横向き溶接において、ビード表面にピット等の溶接欠陥が発生しやすいという問題点がある。また、溶接作業時のアーク安定性が低下したり、下向き溶接に比して溶融金属の凝固速度が遅い立向上進溶接において、溶接作業性が劣化する場合がある。
【０００８】
また、上述の如く、特許文献２には、Ｆｅ酸化物及びＭｎ酸化物を添加することにより、溶着金属中のＳｉ量を抑制し、耐高温割れ性を向上させることが開示されているものの、これらのＦｅ酸化物及びＭｎ酸化物は、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの総量が規定されたフラックス中に添加するものである。従って、組成によっては、溶着金属中のＳｉ量を抑制することができない場合があり、耐高温割れ性が低下する場合がある。
【０００９】
上述の如く、本願発明者等は、特許文献１及び２の技術を使用した場合に、ピット等の溶接欠陥が発生することを防止するために、特許文献３において、スラグ形成剤としてのＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の夫々の含有量及びこれらのスラグ形成剤成分の総量と、ＭｎＯ２の含有量を規定することにより、耐ピット性を向上させる技術を提案した。しかしながら、この特許文献３の技術を用いた場合においても、組成によっては溶接時のアーク安定性が劣化したり、耐高温割れ性が低下する場合がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、９％Ｎｉ鋼及びＮｉ基合金鋼等の溶接において、全姿勢における溶接作業性が優れていると共に、良好な耐ピット性及びビード外観が得られ、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属が得られるＮｉ基合金フラックス入りワイヤ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】
【００１１】
本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、Ｎｉ基合金からなる外皮にフラックスを充填してなるＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、前記フラックスは、ワイヤ全質量あたりＴｉＯ２を３乃至１１質量％、ＳｉＯ２を０．２乃至１．３質量％、ＺｒＯ２を１乃至３質量％及びＭｎ酸化物をＭｎＯ２換算値で０．３乃至１．０質量％含有し、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量で０．２乃至１．０質量％含有し、前記ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２含有量を夫々［ＴｉＯ２］、［ＳｉＯ２］及び［ＺｒＯ２］としたとき、前記ＳｉＯ２含有量に対する前記ＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］が、５．０乃至１４．５であることを特徴とする。
【００１２】
上述の本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、例えば前記外皮中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ及びＣｏの含有量を、夫々、外皮の全質量あたりＣ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．０８質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％以下、Ｖ：０．３５質量％以下、Ｃｏ：２．５質量％以下に規制し、前記外皮は、外皮の全質量あたりＣｒを１４．５乃至１６．５質量％、Ｍｏを１５．０乃至１７．０質量％、Ｆｅを４．０乃至７．０質量％、Ｗを３．０乃至４．５質量％及びＮｉを５０．０質量％以上含有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、フラックス中にＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｍｎ酸化物、並びにＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を適正な範囲で含有し、ＳｉＯ２の含有量をＴｉＯ２及びＺｒＯ２の含有量に対して適正な比で規定している。これにより、全姿勢溶接において、優れた溶接作業性が得られ、良好な耐ピット性及びビード外観と、良好な耐高温割れ性を有する溶着金属を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】フラックス入りワイヤの断面を示す図である。
【図２】実施例で用いた試験板形状を示す断面図である。
【図３】実施例で用いた全溶着金属成分の分析方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本願発明者等は、フラックス成分の組成の検討により、耐高温割れ性及び溶接作業性を改善すべく、請求項１に記載のフラックス組成を開発した。本願発明者等は、上述の如く、特許文献１及び２のＮｉ基合金フラックス入りワイヤを使用した場合に、溶接姿勢によってアーク安定性及び溶接作業性が低下するという問題点を解決すべく、特許文献３の技術を提案した。しかしながら、この特許文献３の技術を使用した場合においても、組成によっては溶接時のアーク安定性が低下したり、耐高温割れ性が低下することがあった。Ｎｉ基合金からなる溶着金属は、オーステナイト（γ）単層で凝固するため、本質的に凝固割れが発生しやすく、特に、溶着金属成分のうちのＰ、Ｓ、Ｓｉ成分はＮｉ基合金中において固液分配係数が小さく、低融点の共晶を形成する（Ｓｉの場合は、Ｎｉ−Ｎｉ３Ｓｉ及びＮｉ−Ｎｂ−Ｓｉ系）ため、Ｎｉ基合金溶着金属の凝固割れ感受性を高める大きな要因である。本願発明者は、上記従来のＮｉ基合金フラックス入りワイヤを使用した場合に、耐高温割れ性が低下し、フラックス入りワイヤの組成によってアーク安定性が低下したり、溶接姿勢によって溶接作業性が劣化するという問題点を解決すべく、鋭意実験検討を行った。そして、フラックス中のＳｉＯ２の含有量を適正に規定した上で、スラグ形成剤としてのＳｉＯ２の含有量を他のスラグ形成剤であるＴｉＯ２及びＺｒＯ２の総量に対して適正に規定し、更に、Ｍｎ酸化物を適正な範囲で添加すれば、Ｎｉ基合金の溶着金属中に溶着金属中にＳｉが歩留まることを抑制し、耐高温割れ性が低下することを防止することができることを知見した。その上で、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を適量添加すれば、溶接時のアーク安定性が低下したり、溶接姿勢によって溶接作業性が低下することも防止することができることを知見した。
【００１６】
なお、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮の組成及び外皮率が以下の範囲であることが好ましい。即ち、溶着金属成分の組成をＡＷＳ Ａ５．３４ ＥＮｉＣｒＭｏ４Ｔｘ−ｙに規定された組成とするための前提条件として、外皮の組成を以下のように規定することが好ましい。即ち、外皮中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ及びＣｏの含有量を、夫々、外皮の全質量あたりＣ：０．０２質量％以下、Ｓｉ：０．０８質量％以下、Ｍｎ：１．０質量％以下、Ｐ：０．０４質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％以下、Ｖ：０．３５質量％以下、Ｃｏ：２．５質量％以下に規制し、外皮の全質量あたりＣｒを１４．５乃至１６．５質量％、Ｍｏを１５．０乃至１７．０質量％、Ｆｅを４．０乃至７．０質量％、Ｗを３．０乃至４．５質量％及びＮｉを５０．０質量％以上含有することが好ましい。この組成は、ＡＷＳ Ａ５．１４ ＥＲＮｉＣｒＭｏ４に規定された成分範囲である。このように、使用する外皮の組成をＡＷＳ Ａ５．１４ ＥＲＮｉＣｒＭｏ４に規定された成分範囲とし、ＡＷＳ Ａ５．３４ ＥＮｉＣｒＭｏ４Ｔｘ−ｙに規定された組成の溶着金属を得ることにより、耐高温割れ性及び耐ピット性が優れた溶着金属を得ることができる。また、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、外皮率（フラックス入りワイヤ全質量に対する外皮質量の比率）が７０乃至８０質量％であることが好ましい。このように、外皮率が高いフラックス入りワイヤにおいては、外皮の組成は溶着金属の組成と関連がある。
【００１７】
本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、例えば、Ｎｉ基合金、３０乃至４０質量％のＮｉを含有するインコロイ合金、９％Ｎｉ鋼等の低温用鋼、及びスーパーステンレス鋼等を母材とする突き合わせ溶接、並びにクラッド鋼、低合金鋼、低合金耐熱鋼及びステンレス鋼等を母材とする肉盛溶接に好適に使用される。
【００１８】
以下、本発明の数値限定の理由について説明する。
【００１９】
「フラックス中のＴｉＯ２含有量［ＴｉＯ２］：ワイヤ全質量あたり３乃至１１質量％」
ＴｉＯ２は均一で被包性のよいスラグを形成し、アーク安定性の向上に効果があるため、スラグ形成剤の主成分として添加する。ＴｉＯ２源としては、例えばルチール、白チタン、チタン酸カリウム、チタン酸ソーダ及びチタン酸カルシウムを使用することができる。フラックス中のＴｉＯ２含有量がワイヤ全質量あたり３質量％未満であると、これらのスラグ形成剤としての特性を十分に発揮することができず、フラックス中のＴｉＯ２含有量がワイヤ全質量あたり１１質量％を超えると、ワイヤ中のスラグ成分が過多となり、溶接時のスラグ生成量が過剰となってスラグが溶接部から垂れ落ちやすくなり、溶接部にスラグ巻き込みが発生しやすくなり、耐ピット性も低下する。従って、本発明においては、フラックス中のＴｉＯ２の含有量は、ワイヤ全質量あたり３乃至１１質量％と規定する。
【００２０】
「フラックス中のＳｉＯ２含有量［ＳｉＯ２］：ワイヤ全質量あたり０．２乃至１．３質量％」
ＳｉＯ２はＴｉＯ２と同様に、スラグの粘性を高め、良好なビード形状を得るためにスラグ形成剤として添加する。ＳｉＯ２の原材料としては、例えば、珪砂、カリ長石、珪灰石、珪酸ナトリウム及び珪酸カリウム等を使用することができる。ＳｉＯ２の含有量がワイヤ全質量あたり０．２質量％未満であると、スラグ形成剤としての上記効果を十分に得ることができない。一方、ＳｉＯ２の含有量がワイヤ全質量あたり１．３質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。また、ＳｉＯ２は、Ｔｉ等の強脱酸性元素によって還元されやすいため、添加しすぎると、溶着金属中のＳｉ量が過多となり、耐高温割れ性が低下しやすくなる。従って、本発明においては、フラックス中のＳｉＯ２の含有量は、ワイヤの全質量あたり０．２乃至１．３質量％と規定する。
【００２１】
「フラックス中のＺｒＯ２含有量［ＺｒＯ２］：ワイヤ全質量あたり１乃至３質量％」
ＺｒＯ２はアークの吹きつけ性を向上させ、低溶接電流域においてもアークの安定性を向上させる作用がある。また、スラグの凝固を速め、立向上進溶接において、溶接作業性を向上させる作用がある。ＺｒＯ２源としては、例えばジルコンサンド及びジルコニア等を使用することができる。フラックス中のＺｒＯ２の含有量がワイヤの全質量あたり１質量％未満であると、アーク安定性及び溶接作業性の向上効果を十分に得られない。一方、フラックス中のＺｒＯ２の含有量がワイヤの全質量あたり３質量％を超えると、スラグの凝固開始温度が高くなってスラグの凝固が遅くなり、凝固中の溶着金属から発生するガスが凝固中のスラグを通して排出されることができず、溶接部に発生するピットの数が増加する。従って、本発明においては、ＺｒＯ２の含有量は、ワイヤの全質量あたり１乃至３質量％と規定する。
【００２２】
「フラックス中のＭｎ酸化物含有量（ＭｎＯ２換算値）：ワイヤ全質量あたり０．３乃至１．０質量％」
Ｍｎ酸化物及びＳｉ酸化物の標準生成自由エネルギー変化は、０乃至２４００℃の範囲においてはＳｉ酸化物の方が低く、Ｓｉ酸化物をＭｎ酸化物よりも安定に反応させることができる。即ち、フラックスにＭｎＯ２を添加することにより、溶融金属内において、ＭｎＯ２→Ｍｎ＋Ｏ２及びＳｉ＋Ｏ２→ＳｉＯ２の反応が促進され、反応後のＳｉＯ２はスラグとして浮上する。従って、ＳｉＯ２が溶着金属中にＳｉとして歩留まることを抑制することができる。また、ＭｎＯ２は、融点が５５０℃と低く、フラックス中にＭｎＯ２を添加することにより、溶融スラグの凝固開始温度を低くすることができ、凝固中の溶着金属から発生するガスの溶接部への残留を防止することによりピットの発生を抑制することができる。フラックス中のＭｎ酸化物の含有量がワイヤの全質量あたり０．３質量％未満であると、溶着金属中のＳｉの歩留まり防止効果及びピット抑制性効果を十分に得ることができず、また、耐高温割れ性が低下する。一方、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量がワイヤの全質量あたり１．０質量％を超えると、スラグがビード表面に焼き付きやすくなってスラグ剥離性が低下し、溶融スラグの凝固開始温度の低下により、立向上進溶接の作業性も低下する。従って、本発明においては、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量は、ワイヤの全質量あたり０．３乃至１．０質量％と規定する。
【００２３】
「フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物：Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．２乃至１．０質量％」
フラックス中のＮａ、Ｋ及びＬｉは、アーク安定剤として作用し、スパッタの発生を抑制する。本発明においては、Ｎａ、Ｋ及びＬｉを、夫々Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物として添加する。具体的には、例えば、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｋ２ＳｉＦ６、Ｋ２ＴｉＦ６、ソーダ長石及びカリウム長石等を使用することができる。フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の含有量が夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．２質量％未満であると、アーク安定剤としての作用を十分に得ることができず、耐ピット性も低下する。フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の含有量が１．０質量％を超えると、逆にスパッタの発生量が増加する。従って、本発明においては、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物は、Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量でワイヤ全質量あたり０．２乃至１．０質量％と規定する。
【００２４】
「フラックス中のＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］：５．０乃至１４．５」
ＳｉＯ２は、上述の如く、スラグの粘性を高め、ビード形状を良好なものにする。しかしながら、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が１４．５を超えると、スラグの流動性が低下してスラグが均一に形成されにくくなってスラグ巻き込みが発生しやすくなり、ビードのなじみも低下する。また、スラグの凝固開始温度が高くなってスラグの凝固が遅くなり、凝固中の溶着金属から発生するガスが凝固中のスラグを通して排出されることができず、溶接部に発生するピットの数が増加する。一方、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が５．０未満であると、スラグがビードに密着し（焼き付き）やすくなり、スラグ剥離性が低下する。従って、本発明においては、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］を５．０乃至１４．５と規定する。より好ましくは、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比は、７．０乃至１４．０である。
【００２５】
本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、上記以外の成分としてフラックス中に炭酸塩、及びＣａＦ２等の塩基性原料を含有することができる。しかしながら、炭酸塩、及びＣａＦ２等の塩基性原料を添加すると、アーク安定性が低下しやすくなり、スパッタの発生量も増加して、溶接作業性が低下しやすくなる。従って、本発明においては、これらの炭酸塩、及びＣａＦ２等の塩基性原料をワイヤの全質量あたり０．１質量％以下の範囲で添加することができる。
【実施例】
【００２６】
以下、本実施形態のＮｉ基合金フラックス入りワイヤの効果を示す実施例について、その比較例と比較して具体的に説明する。先ず、表１に示す組成のＮｉ基合金からなる厚さ０．４ｍｍ、幅９．０ｍｍの帯を湾曲させて、図１に示すような円筒状の外皮１１ａ（Ｎｏ．Ａ乃至Ｃ）を作製した。これらの外皮に、金属原料とスラグ成分とからなるフラックス１１ｂを内包したフラックス入りワイヤ１１（Ｎｏ．１乃至２９）を作製した。このフラックスの組成は下記表２−１乃至表２−３に示すとおりである。なお、表２−１乃至表２−３に示すフラックス組成は、全てフラックス入りワイヤ全質量あたりの含有量である。このワイヤ１１を、直径が１．２ｍｍになるように伸線加工したものを供試ワイヤとした。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２−１】
【００２９】
【表２−２】
【００３０】
【表２−３】
【００３１】
前述の方法で製造したＮｏ．１乃至２９のフラックス入りワイヤ１１を使用して水平すみ肉溶接を行い、溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部の耐ピット性、ビード外観及びスラグ剥離性を評価した。
【００３２】
水平すみ肉溶接は、板厚が１２ｍｍ、幅が８０ｍｍ、長さが３００ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板を使用した。その際の溶接条件は、溶接電流が２００Ａ（直流ワイヤプラス）、アーク電圧が２８Ｖであり、シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とし、溶接速度を３０ｃｍ／分とした。
【００３３】
【表３】
【００３４】
上記フラックス入りワイヤを使用した溶接により得られる溶着金属の組成は、表１の外皮Ｎｏ．Ａ乃至Ｃ及び表２−１乃至２−３のワイヤＮｏ．１乃至２９に応じて、下記表４に示す全溶着金属成分組成となるものであった。なお、全溶着金属成分の分析方法は、ＡＷＳ Ａ５．３４に準拠し、図３に示す溶接部から採取した。
【００３５】
各実施例及び比較例のフラックス入りワイヤについて、溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部の耐ピット性、ビード外観及びスラグ剥離性の評価結果を下記表５に示す。なお、溶接時のアーク安定性及びスパッタ抑制性と、溶接部のビード外観及びスラグ剥離性は、夫々、極めて良好であった場合を◎、良好であった場合を○、やや不良であった場合を△、不良であった場合を×と評価した。耐ピット性については、ビード表面に染色探傷試験を施して、検出された染色点の個数によって評価した。なお、この際、溶接ビードの始端部及び終端部については、夫々の端部から５０ｍｍの部分を評価対象外領域とした。そして、ビードの長さが５０ｍｍあたりの平均ピットの発生数が０個であった場合を◎、１乃至１０個であった場合を○、１１乃至３０個であった場合を△、３１個以上であった場合を×と評価した。
【００３６】
また、各実施例及び比較例による溶接部について、拘束割れ試験を実施し、耐高温割れ性を評価した。拘束割れ試験は、表３に示す板厚が２０ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板を使用し、図２に示すように、開先角度が６０°になるように板厚の半分まで斜面が形成された幅が１２５ｍｍ、長さが３００ｍｍの母材を間隔が２ｍｍになるように調整して、自動溶接機によるシングルビード溶接を行った。その際、溶接条件は、外皮の種別が表１のＡ又はＣであった場合（実施例Ｎｏ．１乃至９，比較例Ｎｏ．１６乃至２５）は、溶接電流値を２４０Ａ（直流ワイヤプラス）とし、外皮の種別が表１のＢであった場合（実施例Ｎｏ．１０乃至１５，比較例Ｎｏ．２６乃至２９）は、溶接電流値を２００Ａ（直流ワイヤプラス）とし、アーク電圧を３０Ｖとした。シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とし、溶接速度を４０ｃｍ／分とした。そして、溶接線方向の割れ長さの合計値を測定し、全ビード長に対する割れ率（溶接線方向の割れ長さの合計値／全ビード長）により耐高温割れ性を評価した。なお、高温割れ試験においては、溶接ビードの始端部及び終端部については、夫々の端部から２０ｍｍの部分を評価対象外領域とした。そして、割れ率が０％（割れなし）であった場合を◎、ビードに割れがあり割れ率が５％未満であった場合を○、割れ率が５％を超えた場合を×と評価した。各実施例及び比較例のフラックス入りワイヤについて、耐高温割れ性の評価結果を表５にあわせて示す。
【００３７】
更に、板厚が１２ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ３００ｍｍの２枚のＳＭ４９０Ａ鋼板を使用し、すみ肉Ｔ継手を立向上進溶接により半自動溶接した際の溶接作業性を評価した。その際、溶接条件は、溶接電流を１５０Ａ（直流ワイヤプラス）、アーク電圧を２６Ｖとした。シールドガスにはＡｒ−２０％ＣＯ２を使用し、シールドガスの流量は２５リットル／分とし、溶接速度を６ｃｍ／分とした。そして、溶接作業性が極めて良好（溶接電流値が１６０乃至１７０Ａでもビードの垂れ落ちなし）だった場合を◎、溶接作業性が良好だった場合を○、ビードの垂れ落ちが発生した場合を△、溶接ができなかった場合を×と評価した。そして、耐ピット性、アーク安定性、ビード外観及びスラグ剥離性、立向上進溶接作業性、スパッタ抑制性、並びに耐高温割れ性の全ての項目が◎であったものを総合評価としては◎、前述の項目のうち、◎の他に○が１項目でもあったものを総合評価としては○と評価し、×の項目が１項目でもあったものを総合評価としては×、△の項目が１項目でもあって×の項目が１項目もなかったものを総合評価としては△と評価した。各実施例及び比較例の総合評価について、表５にあわせて示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
【表５】
【００４０】
表５に示すように、本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至１５は、溶接時のアーク安定性、スパッタ抑制性、及び立向上進溶接性が優れており、溶接部の耐ピット性、ビード外観及びスラグ剥離性が良好であり、耐高温割れ性も良好であった。比較例Ｎｏ．１６はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明の範囲を超え、ビード外観及びスラグ剥離性が劣化し、耐高温割れ性も低下した。比較例Ｎｏ．１７はフラックス中のＳｉＯ２の含有量が本発明の範囲を下回り、ビード外観及びスラグ剥離性が劣化し、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を超え、溶接部に発生するピットの数が増加した。
【００４１】
比較例Ｎｏ．１８は、フラックス中のＺｒＯ２の含有量が本発明の範囲を下回り、ＺｒＯ２の添加による溶接作業性の向上効果を十分に得ることができなかった。比較例Ｎｏ．１９は、フラックス中のＺｒＯ２の含有量と、ＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を超え、耐ピット性が低下した。比較例Ｎｏ．２０は、フラックス中のＴｉＯ２の含有量が本発明の範囲を下回り、アークの安定性の低下により溶接作業性が劣化し、ビード外観及びスラグ剥離性も劣化した。比較例Ｎｏ．２１はフラックス中のＴｉＯ２の含有量が本発明の範囲を超え、耐ピット性が低下した。
【００４２】
比較例Ｎｏ．２２は、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量が本発明の範囲を下回り、耐ピット性が低下し、溶着金属中のＳｉの歩留まりを防止することができず、耐高温割れ性も低下した。比較例Ｎｏ．２３は、フラックス中のＭｎ酸化物の含有量が本発明の範囲を超え、スラグ剥離性が低下し、溶融スラグの凝固開始温度の低下により、立向上進溶接の作業性も低下した。比較例Ｎｏ．２４は、フラックス中のＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を下回り、スラグ剥離性及び立向上進溶接作業性が低下した。比較例Ｎｏ．２５は、フラックス中のＳｉＯ２含有量に対するＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比が本発明の範囲を超え、耐ピット性が低下した。
【００４３】
比較例Ｎｏ．２６は、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量が本発明の範囲を下回り、アーク安定性が低下してスパッタ抑制性も低下し、耐ピット性も低下した。比較例Ｎｏ．２７は、フラックス中のＮａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物の夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量が本発明の範囲を超え、スパッタの発生量が増加した。比較例Ｎｏ．２８及びＮｏ．２９は、Ｍｎ酸化物を含有せず、耐ピット性及び耐高温割れ性が低下した。
【００４４】
本発明の範囲を満足する実施例Ｎｏ．１乃至１５のうち、実施例Ｎｏ．１乃至５は、外皮の組成が本発明の好ましい範囲を満足する実施例であり、外皮の組成が本発明の好ましい範囲を満足しない実施例Ｎｏ．６乃至１５に比して優れた耐高温割れ性を得ることができた。
【符号の説明】
【００４５】
１：フラックス入りワイヤ、１ａ：外皮、１ｂ：フラックス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉ基合金からなる外皮にフラックスを充填してなるＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、
前記フラックスは、ワイヤ全質量あたりＴｉＯ２を３乃至１１質量％、ＳｉＯ２を０．２乃至１．３質量％、ＺｒＯ２を１乃至３質量％及びＭｎ酸化物をＭｎＯ２換算値で０．３乃至１．０質量％含有し、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量で０．２乃至１．０質量％含有し、前記ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２含有量を夫々［ＴｉＯ２］、［ＳｉＯ２］及び［ＺｒＯ２］としたとき、前記ＳｉＯ２含有量に対する前記ＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］が、５．０乃至１４．５であることを特徴とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
【請求項１】
Ｎｉ基合金からなる外皮にフラックスを充填してなるＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、
前記フラックスは、ワイヤ全質量あたりＴｉＯ２を３乃至１１質量％、ＳｉＯ２を０．２乃至１．３質量％、ＺｒＯ２を１乃至３質量％及びＭｎ酸化物をＭｎＯ２換算値で０．３乃至１．０質量％含有し、Ｎａ化合物、Ｋ化合物及びＬｉ化合物を夫々Ｎａ、Ｋ及びＬｉ換算値総量で０．２乃至１．０質量％含有し、前記ＴｉＯ２、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２含有量を夫々［ＴｉＯ２］、［ＳｉＯ２］及び［ＺｒＯ２］としたとき、前記ＳｉＯ２含有量に対する前記ＴｉＯ２及びＺｒＯ２含有量の総量の比（［ＴｉＯ２］＋［ＺｒＯ２］）／［ＳｉＯ２］が、５．０乃至１４．５であることを特徴とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１４００６４（Ｐ２０１１−１４００６４Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３４４０（Ｐ２０１０−３４４０）
【出願日】平成２２年１月９日（２０１０．１．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月９日（２０１０．１．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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