JP6322093B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。より詳しくは、引張強さが４９０〜６７０ＭＰａ級の鋼材の溶接に使用されるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。

従来、引張強さが４９０〜６７０ＭＰａ級の鋼材をガスシールドアーク溶接する際に使用されるフラックス入りワイヤについて、溶接作業性の向上や溶接金属の機械特性向上などを目的として、種々の検討がなされている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特許文献１には、全姿勢での溶接作業性を良好にし、溶接のまま（ＡＷ）及び熱処理（ＰＷＨＴ）後の強度並びに低温靭性に優れた溶接金属を得るため、ワイヤ組成を特定したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが提案されている。この特許文献１に記載のフラックス入りワイヤは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｖ、Ｔｉ酸化物及び金属Ｔｉ、Ａｌ酸化物及び金属Ａｌ、Ｓｉ酸化物並びに金属弗化物を特定量含有すると共に、Ｐ及びＮｂが特定量以下に規制され、残部が鋼製外皮のＦｅ、鉄粉、鉄合金粉のＦｅ分、アーク安定剤及び不可避不純物からなる組成を有する。

また、特許文献２には、耐力が６９０ＭＰａ以上の高張力鋼の溶接において、高能率な全姿勢溶接を可能とし、耐割れ性に優れ、低温靭性が良好な溶接金属を得るため、ワイヤ及びフラックスの成分を特定した高張力鋼用フラックス入りワイヤが提案されている。具体的には、特許文献２に記載のフラックス入りワイヤは、必須元素としてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＡｌを特定量含有すると共に、選択元素としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＶのうち少なくとも１種を特定量含有し、かつ、フラックスに、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３及び弗素化合物を特定量含有し、残部が、Ｆｅ、アーク安定剤及び不可避不純物からなる組成を有する。更に、このフラックス入りワイヤでは、ワイヤの全水素量を１５ｐｐｍ以下にしている。

特開２０１２−１２１０５１号公報 特開２０１０−２７４３０４号公報

石油・ガスの開発や油・ガスの輸送では、硫化物応力腐食割れ（Sulfide Stress Corrosion Cracking：ＳＳＣＣ）や水素脆性というサワー腐食が問題となる。この問題に対応するため、米国防蝕技術協会（National Association of Corrosion Engineers：ＮＡＣＥ）の規格（ＮＡＣＥ ＭＲ０１７５）では、溶接金属中のＮｉ量が１質量％以下に規制されている。

しかしながら、前述した特許文献１のフラックス入りワイヤは、優れた低温靭性を確保するために、Ｎｉを０．１〜３．０質量％添加しているため、溶接金属のＮｉ含有量が１質量％を超えてしまう場合があり、ＮＡＣＥの要求に十分に対応することができない。また、特許文献１に記載のフラックス入りワイヤは、熱処理条件についての検討がなされておらず、より厳しい条件で熱処理した場合でも、耐力、強度及び低温靱性などに優れた溶接金属が得られるかは不明である。

また、引用文献２に記載のフラックス入りワイヤも、Ｎｉを１．０〜３．０質量％含有しているため、ＮＡＣＥの要求に対応することができない。また、このフラックス入りワイヤでは、熱処理後の溶接金属の性能についての検討がなされておらず、前述した引用文献１に記載のフラックス入りワイヤと同様に、より厳しい条件で熱処理した場合でも、強度及び低温靱性などに優れた溶接金属が得られるかが不明である。

そこで、本発明は、溶接作業性が良好で、かつ、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、溶接のまま及び熱処理後のいずれにおいても低温靭性が良好な溶接金属が得られるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤを提供することを主目的とする。

本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、鋼製外皮内にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｃを０．０１〜０．１２質量％、Ｓｉを０．０５質量％以上０．３０質量％未満、Ｍｎを１．０〜３．５質量％、Ｎｉを０．１質量％以上１．０質量％未満、Ｍｏを０．１０〜０．３０質量％、Ｃｒを０．１〜０．９質量％、ＴｉＯ_２を４．５〜８．５質量％、ＳｉＯ_２を０．１０〜０．４０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を０．０３〜０．２３質量％、Ｆｅを８０質量％以上含有する。
このフラックス入りワイヤは、Ｖを、ワイヤ全質量あたり０．０２０質量％以下に規制してもよい。
また、ワイヤ全質量あたりのＣ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］としたとき、下記数式（Ａ）を満たす組成とすることもできる。

本発明のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、Ｍｇを、ワイヤ全質量あたり０．２〜０．７質量％含有していてもよい。
更に、Ｔｉを、ワイヤ全質量あたり０．０４〜０．０８質量％含有していてもよい。
更に、金属フッ化物を、ワイヤ全質量あたり、Ｆ換算値で０．０５〜０．３０質量％含有していてもよい。
更に、Ｎａ化合物若しくはＫ化合物又はその両方を、ワイヤ全質量あたり、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計で０．０１〜０．３０質量％含有していてもよい。
更に、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物のうち少なくとも１種を、ワイヤ全質量あたり、Ｂ換算値の合計で０．００１〜０．０２０質量％含有していてもよい。
一方、このフラックス入りワイヤは、ＺｒＯ_２を、ワイヤ全質量あたり、０．０２質量％未満に規制することもできる。

本発明によれば、溶接作業性が良好で、かつ、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、溶接のまま及び熱処理後のいずれにおいても低温靭性が良好な溶接金属が得られる。

Ｃ量及びＭｎ量と、Ｓｉ量、Ｍｏ量及びＣｒ量との関係が、溶接金属の機械特性に及ぼす影響を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本実施形態のフラックス入りワイヤは、鋼製外皮にフラックスを充填したものであり、ガスシールドアーク溶接に用いられる。そして、本実施形態のフラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、Ｃを０．０１〜０．１２質量％、Ｓｉを０．０５質量％以上０．３０質量％未満、Ｍｎを１．０〜３．５質量％、Ｎｉを０．１質量％以上１．０質量％未満、Ｍｏを０．１０〜０．３０質量％、Ｃｒを０．１〜０．９質量％、ＴｉＯ_２を４．５〜８．５質量％、ＳｉＯ_２を０．１０〜０．４０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を０．０３〜０．２３質量％、Ｆｅ含有量が８０質量％以上を含有する。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおける上記以外の成分、即ち、残部は、不可避的不純物である。

また、本実施形態のフラックス入りワイヤは、前述した各成分以外に、Ｍｇ、Ｔｉ、金属フッ化物、Ｎａ化合物、Ｋ化合物、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物などを含有していてもよい。一方、本実施形態のフラックス入りワイヤにＶやＺｒＯ_２が含有される場合は、これらの含有量を規制することが好ましい。

更に、本実施形態のフラックス入りワイヤは、Ｃ量及びＭｎ量と、Ｓｉ量、Ｍｏ量及びＣｒ量との関係が、下記数式（Ａ）を満たすことが好ましい。なお、下記数式（Ａ）における［Ｃ］はワイヤ全質量あたりのＣ含有量（質量％）、［Ｍｎ］はワイヤ全質量あたりのＭｎ含有量（質量％）、［Ｓｉ］はワイヤ全質量あたりのＳｉ含有量（質量％）、［Ｍｏ］はワイヤ全質量あたりのＭｏ含有量（質量％）、［Ｃｒ］はＣｒ含有量（質量％）である。

なお、前述した各成分の含有量は、容量法や重量法などの湿式化学分析法により測定することができる。例えば、Ｃは燃焼−赤外線吸収法で、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ及びＢはＩＣＰ発光分光分析方法で、Ｎａ及びＫは原子吸光分析方法で、Ｆは中和滴定法で、それぞれ測定することができる。

本実施形態のフラックス入りワイヤの外径は、特に限定されるものではないが、一般には１．０〜２．０ｍｍであり、実用上は１．２〜１．６ｍｍが好ましい。また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各成分が前述した範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、ワイヤの伸線性及び溶接時の作業性（送給性など）の観点から、ワイヤ全質量の１０〜３０質量％とすることが好ましい。更に、本実施形態のフラックス入りワイヤは、断面形状、シームの有無及び内部形状も、特に限定されない。

次に、本実施形態のフラックス入りワイヤに含有される各成分の数値限定理由について説明する。なお、以下に示す各成分の含有量は、特に断りのない限り、ワイヤ全質量あたりの値である。また、数値限定理由に記載した効果などは、特に断りのない限り、溶接のままの溶接金属及び応力除去焼なまし（Stress Relieving：ＳＲ）後の溶接金属の両方に共通の効果などである。

［Ｃ：０．０１〜０．１２質量％］
Ｃは、溶接のまま及びＳＲ後における溶接金属の強度を確保するために必要な元素である。ただし、Ｃ含有量が０．０１質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足すると共に、靭性の安定化効果が十分に得られない。一方、Ｃ含有量が０．１２質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が劣化すると共に、溶接金属の強度が過度に上昇して低温靭性も劣化する。よって、Ｃ含有量は０．０１〜０．１２質量％とする。

Ｃ含有量は、溶接金属の強度向上及び靭性向上の観点から、０．０３質量％以上とすることが好ましく、また、溶接金属の耐高温割れ性向上及び低温靭性向上の観点から、０．１０質量％以下とすることが好ましい。なお、Ｃはフラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＣ源としては、フラックス成分として添加されるグラファイト、及びＦｅ−ＭｎやＦｅ−Ｓｉに付随するＣ、鋼製外皮に添加されるＣなどが挙げられる。

［Ｓｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％未満］
Ｓｉも、溶接のまま及びＳＲ後における溶接金属の強度を確保するために必要な元素である。ただし、Ｓｉ含有量が０．０５質量％未満の場合、脱酸不足により、溶接金属の低温靭性が劣化する。Ｓｉ含有量が０．３０質量％以上の場合、Ｓｉ量が過多となり、Ｓｉがフェライトに固溶し、マトリクッスフェライトの強度が高くなり、溶接金属、特にＳＲ後の溶接金属の低温靭性が低下する。よって、Ｓｉ含有量は、０．０５質量％以上０．３０質量％未満とする。

Ｓｉ含有量は、脱酸効果を高めて溶接金属の低温靭性を向上させる観点から、０．０８質量％以上であることが好ましく、また、ＳＲ後の溶接金属の低温靭性を向上させる観点から、０．２０質量％以下とすることが好ましい。なお、Ｓｉはフラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＳｉ源としては、フラックス成分として添加されるＦｅ−Ｓｉ及びＳｉ−Ｍｎや、鋼製外皮に添加されるＳｉなどが挙げられる。

［Ｍｎ：１．０〜３．５質量％］
Ｍｎは、溶接時に微細組織生成の起点となる酸化物を形成し、溶接金属の強度向上及び靭性向上に有効な元素である。ただし、Ｍｎ含有量が１．０質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足したり、靭性が劣化したりする。一方、Ｍｎ含有量が３．５質量％を超えると、強度過多及び焼入れ性過多により溶接金属の靭性が低下する。よって、Ｍｎ含有量は１．０〜３．５質量％とする。

Ｍｎ含有量は、溶接金属の強度向上及び靭性向上の観点から、１．２質量％以上とすることが好ましく、また、溶接金属の強度及び焼入れ性を調整し靭性を向上させる観点から、３．０質量％以下とすることが好ましい。なお、Ｍｎはフラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＭｎ源としては、フラックス成分として添加される金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ及びＳｉ−Ｍｎや、鋼製外皮に添加されるＭｎなどが挙げられる。

［Ｎｉ：０．１質量％以上１．０質量％未満］
従来のフラックス入りワイヤでは、低温靭性を完全に確保できる量のＮｉを溶接金属に添加するため、ワイヤ全質量あたりのＮｉ量を１質量％以上にしていた。しかしながら、溶接金属にＮｉが多量に含まれていると、Ｈ_２Ｓ環境中において硫化物応力腐食割れ（ＳＳＣＣ）の感受性が高まる。そこで、本実施形態のフラックス入りワイヤでは、ＮＡＣＥ規格に合致させるため、Ｎｉ含有量を従来よりも低い範囲にした。

具体的には、Ｎｉ含有量は、０．１０質量％以上１．０質量％未満とする。Ｎｉ含有量が０．１０質量％未満の場合、溶接金属の靭性を向上させる効果が不十分となる。一方、Ｎｉ含有量が１．０質量％以上の場合、ＮＡＣＥ規格を満たす溶接金属が得られず、また、溶接金属の耐高温割れ性能も劣化する。Ｎｉ含有量は、溶接金属の靭性向上の観点から０．３０質量％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．０５以上である。また、ＮＡＣＥ規格を満たしつつ耐高温割れ性能を更に向上させるには、Ｎｉ含有量を０．９５質量％以下にすることが好ましい。

なお、Ｎｉはフラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＮｉ源としては、フラックス成分として添加される金属Ｎｉ及びＮｉ−Ｍｇや、鋼製外皮に添加されるＮｉなどが挙げられる。

［Ｍｏ：０．１０〜０．３０質量％］
Ｍｏは、粒界炭化物の粗大化及び焼鈍軟化を抑制し、組織を微細化する効果があり、本実施形態のフラックス入りワイヤにとって重要な元素である。ただし、Ｍｏ含有量が０．１０質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足する。一方、Ｍｏ含有量が０．３０質量％を超えると、脆性破壊の遷移温度が高温側へに移行し、溶接金属の靭性が劣化する。よって、Ｍｏ含有量は、０．１０〜０．３０質量％とする

Ｍｏ含有量は、溶接金属の強度向上の観点から０．１５質量％以上であることが好ましく、また、溶接金属の靭性向上の観点から０．２５質量％以下であることが好ましい。なお、Ｍｏは、フラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＭｏ源としては、フラックス成分として添加される金属Ｍｏ及びＦｅ−Ｍｏや、鋼製外皮に添加されるＭｏなどが挙げられる。

［Ｃｒ：０．１〜０．９質量％］
Ｃｒは、ＳＲ時に生成する粒界炭化物を微細化する作用を有する。ただし、Ｃｒ含有量が０．１質量％未満の場合、溶接金属の強度が不足すると共に、旧γ粒界に存在する粗大な粒界炭化物を微細化する作用が小さく、結果としてＳＲ後の溶接金属の靭性が劣化する。一方、Ｃｒ含有量が０．９質量％を超えると、溶接金属の強度及び焼き入れ性が過多になるため、低温靭性が低下する。よって、Ｃｒ含有量は０．１〜０．９質量％とする。Ｃｒ含有量は、溶接金属の強度向上及びＳＲ後の靭性向上の観点から０．２質量％以上であることが好ましい。

なお、Ｃｒは、フラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＣｒ源としては、フラックス成分として添加される金属Ｃｒ及びＦｅ−Ｃｒや、鋼製外皮に添加されるＣｒなどが挙げられる。

［ＴｉＯ_２：４．５〜８．５質量％］
ＴｉＯ_２は、アーク安定剤であると共に、スラグ剤の主成分である。ただし、ＴｉＯ_２含有量が４．５質量％未満の場合、溶接作業性が劣化し、全姿勢溶接が困難になる。一方、ＴｉＯ_２含有量が８．５質量％を超えると、溶接金属中の酸素量が増加して靭性が低下する。よって、ＴｉＯ_２含有量は４．５〜８．５質量％とする。溶接金属の靭性向上の観点から、ＴｉＯ_２含有量は５．５〜８．０質量％であることが好ましい。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＴｉＯ_２源としては、フラックス成分として添加されるルチル及び酸化チタンなどが挙げられる。

［ＳｉＯ_２：０．１０〜０．４０質量％］
ＳｉＯ_２は、ビード形状を良好にする効果がある。ただし、ＳｉＯ_２含有量が０．１０質量％未満の場合、その効果が十分に得られず、ビード形状が劣化する。一方、ＳｉＯ_２含有量が０．４０質量％を超えると、スパッタ発生量が増大する。よって、ＳｉＯ_２含有量は０．１０〜０．４０質量％とする。ＳｉＯ_２含有量は、ビード形状向上の観点から０．１５質量％以上とすることが好ましく、また、スパッタ抑制の観点から０．３５質量％以下とすることが好ましい。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＳｉＯ_２源としては、フラックス成分として添加されるシリカ、カリガラス及びソーダガラスなどが挙げられる。

［Ａｌ_２Ｏ_３：０．０３〜０．２３質量％］
Ａｌ_２Ｏ_３も、ビード形状を良好にする効果がある。ただし、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が０．０３質量％未満の場合、その効果が十分に得られず、ビード形状が劣化する。一方、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が０．２３質量％を超えると、スパッタ発生量が増大する。よって、Ａｌ_２Ｏ_３含有量は０．０３〜０．２３質量％とする。Ａｌ_２Ｏ_３含有量は、ビード形状向上の観点から０．０７質量％以上とすることが好ましく、また、スパッタ抑制の観点から０．１９質量％以下とすることが好ましい。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＡｌ_２Ｏ_３源としては、フラックス成分として添加されるアルミナなどが挙げられる。

［Ｆｅ：８０質量％以上］
例えば全姿勢溶接用フラックス入りワイヤの場合、Ｆｅ含有量が８０質量％未満の場合、スラグ発生量が過多となり、ビード形状が劣化する。ビード形状向上の観点から、Ｆｅ含有量は、８２〜９３質量％とすることが好ましい。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＦｅ源は、鋼製外皮の他、フラックスに添加される鉄粉及びＦｅ系合金などが挙げられる。

［（１０×Ｃ＋Ｍｎ）／（Ｓｉ＋Ｍｏ＋Ｃｒ）：１．６〜５．６］
本実施形態のフラックス入りワイヤにおいては、前述した各成分の含有量に加えて、Ｃ量、Ｍｎ量、Ｓｉ量、Ｍｏ量及びＣｒ量の関係も重要となる。ワイヤ組成を前述した範囲にすることで、溶接金属の引張強度及び低温靭性と、溶接作業性とを、ある程度のレベルにすることはできるが、本発明者は、更に、Ｃ量、Ｍｎ量、Ｓｉ量、Ｍｏ量及びＣｒ量の関係が、前述した数式（Ａ）を満たすようにすることで、溶接金属の引張強度及び低温靭性と、溶接作業性とを、更に向上させることができることを見出した。

（１０×［Ｃ］＋［Ｍｎ］）／（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋［Ｃｒ］）を１．６〜５．６の範囲にすることにより、焼き入れ性を向上させて、溶接金属の引張強度を高めることができる。また、Ｐ及びＳなどの不可避的不純物に起因する焼戻し脆化、Ｍｏ_２Ｃなどの微細炭化物の析出硬化及びＡＣ１変態温度の低下を抑制することができるため、ＳＲ後の溶接金属の低温靭性が向上する。更に、旧γ粒界に粗大な炭化物が生成することを抑制すると共に、旧γ粒界に粗大な炭化物が生成した場合でも、それを微細化することができるため、ＳＲ後の溶接金属の引張強度と低温靭性を共に向上させることができる。加えて、溶融プールの粘度低下を防止することができるため、立向溶接作業性も向上する。

なお、（１０×［Ｃ］＋［Ｍｎ］）／（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋［Ｃｒ］）が１．６未満の場合、焼入れ性が不足して、溶接金属の引張強度が低下することがある。また、Ｐ及びＳなどの不可避的不純物に起因する焼戻し脆化や、Ｍｏ_２Ｃなどの微細炭化物の析出硬化が促進されて、ＳＲ後の溶接金属の低温靭性が劣化することもある。一方、（１０×［Ｃ］＋［Ｍｎ］）／（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋［Ｃｒ］）が５．６を超えると、ＡＣ１変態温度の低下や、旧γ粒界に粗大な炭化物の生成が促進されることにより、ＳＲ後の溶接金属の低温靭性が劣化することがある。また、焼入れ性不足、溶融池の粘度低下、及び旧γ粒界にある粗大な炭化物を微細化する効果が低下して、立向溶接作業性、ＳＲ後の引張強度及び低温靭性が劣化することがある。

［Ｖ：０．０２０質量％以下］
Ｖは、ＳＲ後の溶接金属の低温靭性に影響するため、その含有量を０．０２０質量％以下に規制することが好ましい。これにより、ＳＲ後の溶接金属の低温靭性を向上させることができる。

［ＺｒＯ_２：０．０２質量％未満］
ワイヤがＺｒＯ_２を過剰に含有すると、立向溶接作業性が劣化することがある。このため、ＺｒＯ_２含有量は０．０２質量％未満に規制することが好ましく、これにより溶接作業性を向上させることができる。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＺｒＯ_２源としては、ジルコンサンドやジルコニアなどが挙げられる。

［Ｍｇ：０．２〜０．７質量％］
Ｍｇは、脱酸元素であり、溶接金属の靭性向上に効果があるため、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｍｇ含有量が０．２質量％未満では、十分な脱酸効果が得られず、溶接金属の靭性向上は期待できない。また、０．７質量％を超えてＭｇを含有すると、スパッタ量が増加し、溶接作業性が低下する。よって、Ｍｇを添加する場合は、その含有量が０．２〜０．７質量％になるようにする。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＭｇ源としては、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ及びＮｉ−Ｍｇなどが挙げられる。

［Ｔｉ：０．０５〜０．３０質量％］
Ｔｉも、溶接金属の靭性向上の効果があり、必要に応じて添加することができる。ただし、Ｔｉ含有量が０．０５質量％未満の場合、充分な核生成がされず、溶接金属の靭性向上の効果が不十分となる。一方、０．３０質量％を超えてＴｉを含有させると、固溶Ｔｉが過多となり、溶接金属の強度が過多となり、靭性も劣化する。よって、本実施形態のフラックス入りワイヤにＴｉを添加する場合は、その含有量が０．０５〜０．３０質量％になるようにする。これにより、更に靭性に優れた溶接金属が得られる。

なお、Ｔｉは、フラックス及び鋼製外皮のいずれに含有されていてもよい。本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＴｉ源としては、フラックス成分として添加される金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉや、鋼製外皮に添加されるＴｉなどが挙げられる。

［金属フッ化物（Ｆ換算値）：０．０５〜０．３０質量％］
金属フッ化物は、溶接時にアークの安定化に寄与する効果があるため、必要に応じて添加することができる。ただし、金属フッ化物の含有量がＦ換算値で０．０５質量％未満の場合、アークの安定化効果が小さく、スパッタ発生量が多くなることがある。一方、金属フッ素化合物の含有量がＦ換算値で０．３０質量％を超えると、ビード形状が劣化する。よって、金属フッ化物を添加する場合は、その含有量がＦ換算値で０．０５〜０．３０質量％になるようにする。

［Ｎａ化合物（Ｎａ換算値）、Ｋ化合物（Ｋ換算値）：合計で０．０１〜０．３０質量％］
Ｎａ化合物及びＫ化合物は、アーク安定剤として、必要に応じて、１種又は２種以上をフラックスに添加することができる。ただし、Ｎａ化合物及びＫ化合物の総含有量が、それぞれＮａ換算値及びＫ換算値で、０．０１質量％未満の場合、アークの安定化効果が小さく、スパッタ発生量が多くなることがある。一方、Ｎａ化合物及びＫ化合物の総含有量が、それぞれＮａ換算値及びＫ換算値で、０．３０質量％を超えると、ビード形状が劣化する。よって、Ｎａ化合物及びＫ化合物を添加する場合は、その総含有量が、それぞれＮａ換算値及びＫ換算値で０．０１〜０．３０質量％になるようにする。

［Ｂ、Ｂ合金（Ｂ換算値）、Ｂ酸化物（Ｂ換算値）：少なくとも１種を合計で０．００１〜０．０２０質量％］
Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物は、溶接金属の靭性向上に効果があるため、必要に応じて、１種又は２種以上を添加することができる。ただし、これらの総含有量がＢ換算値で、０．００１質量％未満の場合、溶接金属の靭性向上効果が小さく、また、０．０２０質量％を超えると、溶接金属の耐高温割れ性が低下する。よって、本実施形態のフラックス入りワイヤにＢ、Ｂ合金及びＢ酸化物を添加する場合は、総含有量がＢ換算値で０．００１〜０．０２０質量％になるようにする。これにより、更に靭性に優れた溶接金属が得られる。

Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物の総含有量は、溶接金属の靭性向上の観点から、Ｂ換算値で０．００３質量％以上とすることがより好ましく、また、溶接金属の耐高温割れ性の観点から、Ｂ換算値で０．０１５質量％以下とすることがより好ましい。なお、本実施形態のフラックス入りワイヤにおけるＢ源としては、Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金及びＢ_２Ｏ_３などが挙げられる。

［残部］
本実施形態のフラックス入りワイヤの成分組成における残部は、不可避的不純物である。本実施形態のフラックス入りワイヤにおける不可避的不純物としては、Ｖ、Ｓ、Ｐ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎａ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｎｂ、Ｌｉ、Ｓｂ及びＡｓなどが挙げられる。また、本実施形態のフラックス入りワイヤには、前述した各成分の他に、本発明の効果が阻害されない範囲で、前述した元素以外の合金元素、スラグ形成剤及びアーク安定剤などが添加されていてもよい。なお、前述した各元素が酸化物や窒化物として添加された場合は、本実施形態のフラックス入りワイヤの残部には、ＯやＮも含まれる。

本実施形態のフラックス入りワイヤは、ワイヤ成分を特定しているため、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、溶接のまま及び熱処理後のいずれにおいても低温靭性が良好な溶接金属が得られる。これにより、低温環境下で使用される構造物の安全性をより一層高めることができ、特に、各プラットフォームやプラント向のパイプ溶接において、溶接作業性が良好で、耐サワー特性及び低温靭性が優れた溶接金属が得られるフラックス入りワイヤを実現することができる。

更に、Ｃ量、Ｍｎ量、Ｓｉ量、Ｍｏ量及びＣｒ量の関係が、数式（Ａ）を満たすようにすることで、溶接金属の脆性破壊の遷移温度を低温側へ移行させることができると共に、スパッタの発生を抑制することが可能となる。その結果、溶接金属の低温靭性及び溶接作業性の両方を更に向上させることができる。

以下、本発明の実施例、比較例及び参考例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、軟鋼からなる鋼製外皮に、フラックスを１３〜２０質量％充填し、下記表１及び表２に示す組成の実施例及び比較例の各フラックス入りワイヤを作製した。その際、ワイヤ径は１．２ｍｍとした。なお、下記表１に示すワイヤＮｏ．１〜１１は本発明の範囲内の実施例であり、下記表１に示すＮｏ．１２及び１３は参考例であり、下記表２に示すワイヤＮｏ．１４〜２８は本発明の範囲から外れる比較例である。

次に、実施例、比較例及び参考例の各フラックス入りワイヤを使用して、以下に示す性能確認試験を実施した。

＜全溶着金属溶接＞
母材に下記表３に示す鋼板を用いて、下記表４に示す条件で、ガスシールドアーク溶接を行い、得られた溶接金属について、下記表５に示す方法で機械的性質を測定した。なお、下記表３に示す母材組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。機械的性質の評価は、６２０℃、８時間のＳＲ後の０．２％耐力が５００ＭＰａ以上、引張強さが６００ＭＰａ以上で、かつ−４０℃の吸収エネルギーが７０Ｊ以上のものを合格とした。

＜耐高温割れ性＞
母材に上記表３に示す鋼板を使用し、下記表６に示す条件でガスシールドアーク溶接にてＣ形治具拘束突合せ溶接割れ試験（ＪＩＳ Ｚ ３１５５）を行い、得られた溶接金属の割れ率を求めた。割れ率は、破断したビードのビード長に対する割れ（クレータ割れを含む）長さの比率（質量％）とし、耐高温割れ性の評価は、割れ率が１０質量％以下のものを合格とした。

＜溶接作業性＞
母材に上記表３に示す鋼板を使用し、下記表７に示す条件でガスシールドアーク溶接を行い、溶接作業性を評価した。その結果、溶接作業性が良好であったものを○、不良であったものを×とした。

実施例、比較例及び参考例の各フラックス入りワイヤにより得た各溶接金属（ＳＲ後）の機械的性質、溶接作業性及び割れ率の評価結果を、下記表８にまとめて示す。なお、機械的性質は、溶接のままの溶接金属についても評価を行ったが、実施例及び参考例のフラックス入りワイヤを用いたものは、全て目標値を満足するものであった。

図１はフラックス入りワイヤにおけるＣ量及びＭｎ量と、Ｓｉ量、Ｍｏ量及びＣｒ量との関係が、溶接金属の機械特性に及ぼす影響を示す図である。図１に示すように、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｏ及びＣｒの各元素の含有量の関係、即ち（１０×［Ｃ］＋［Ｍｎ］）／（［Ｓｉ］＋［Ｍｏ］＋［Ｃｒ］）が１．６〜５．６の範囲のものは、範囲外のものよりも、溶接作業性が良好で、溶接金属の靭性及び強度も優れていた。

以上の結果から、本発明によれば、溶接作業性が良好で、かつ、Ｎｉ含有量が１質量％以下であっても、溶接のまま及び熱処理後のいずれにおいても低温靭性が良好な溶接金属が得られるフラックス入りワイヤを実現できることが確認された。

Claims (8)

1. 鋼製外皮内にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、
   ワイヤ全質量あたり、
   Ｃを０．０１〜０．１２質量％、
   Ｓｉを０．０５質量％以上０．３０質量％未満、
   Ｍｎを１．０〜３．５質量％、
   Ｎｉを０．１質量％以上１．０質量％未満、
   Ｍｏを０．１０〜０．３０質量％、
   Ｃｒを０．１〜０．９質量％、
   ＴｉＯ_２を４．５〜８．５質量％、
   ＳｉＯ_２を０．１０〜０．４０質量％、
   Ａｌ_２Ｏ_３を０．０３〜０．２３質量％、
   Ｎａ化合物若しくはＫ化合物又はその両方を、Ｎａ換算値及びＫ換算値の合計で０．０１〜０．３０質量％、及び
   Ｆｅを８０質量％以上
   含有するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
2. Ｖが、ワイヤ全質量あたり、０．０２０質量％以下に規制された請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
3. ワイヤ全質量あたりのＣ含有量（質量％）を［Ｃ］、Ｍｎ含有量（質量％）を［Ｍｎ］、Ｓｉ含有量（質量％）を［Ｓｉ］、Ｍｏ含有量（質量％）を［Ｍｏ］、Ｃｒ含有量（質量％）を［Ｃｒ］としたとき、下記数式（Ａ）を満たす請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
   
4. 更に、Ｍｇを、ワイヤ全質量あたり０．２〜０．７質量％含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
5. 更に、Ｔｉを、ワイヤ全質量あたり０．０５〜０．３０質量％含有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
6. 更に、金属フッ化物を、ワイヤ全質量あたり、Ｆ換算値で０．０５〜０．３０質量％含有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
7. 更に、Ｂ、Ｂ合金及びＢ酸化物のうち少なくとも１種を、ワイヤ全質量あたり、Ｂ換算値の合計で０．００１〜０．０２０質量％含有する請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
8. ＺｒＯ_２が、ワイヤ全質量あたり、０．０２質量％未満に規制された請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。