(57)【要約】【課題】  高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、優れた機械性能の溶接金属が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接方法を提供する。【解決手段】  フラックス入りワイヤのワイヤ全質量％で、鋼製外皮と充填フラックスの一方または両方の合計で、Ｃ：０．０２〜０．３０％、Ｓｉ：０．０８〜０．６％、Ｍｎ：１．２〜３．４％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜０．８％を含有し、かつ、充填フラックスに、Ｃ：０．０１〜０．２７％、ＣａＦ2：２〜１５％、金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％を含有し、残部は鋼製外皮のＦｅ、合金粉中のＦe、鉄粉および不可避的不純物からなり、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下で、前記成分中の充填フラックスのフラックス充填率が１０〜３０％からなる鋼製外皮に継ぎ目が無いことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラックス入りワイヤのワイヤ全質量％で、鋼製外皮と充填フラックスの一方または両方の合計で、Ｃ：０．０２〜０．３０％、Ｓｉ：０．０８〜０．６％、Ｍｎ：１．２〜３．４％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜０．８％を含有し、かつ、充填フラックスに、Ｃ：０．０１〜０．２７％、ＣａＦ2：２〜１５％、金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％を含有し、残部は鋼製外皮のＦｅ、合金粉中のＦe、鉄粉および不可避的不純物からなり、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下で、前記成分中の充填フラックスのフラックス充填率が１０〜３０％からなる鋼製外皮に継ぎ目が無いことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
質量％で、ＳｉＯ2：８〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：３０〜５０％、ＭｇＯ：０．５〜５．０％、ＭｎＯ：０．５〜５．０％、ＣａＯ：５〜２０％、ＣａＦ2：２５〜５０％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜５．０％を含有し、その他は酸化鉄および不可避不純物である溶融型フラックスと請求項１に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤとを組合せて溶接する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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＰＧ貯蔵タンク、低温用機器、寒冷地向け鋼構造物などの溶接に使用される低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接方法に関し、特に高速度の溶接条件においても優れた機械性能の溶接金属、ビード形状および溶接作業性が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サブマージアーク溶接は、高能率で安定した溶接作業性および溶接金属の機械的性能が得られることから、造管、鉄骨、橋梁、車両など幅広い分野で適用されている。近年、エネルギー産業の発展に伴い、低温用鋼は幅広く用いられており、年々使用比率が増加している。そこで、サブマージアーク溶接においては、低温用鋼を用いた施工における生産性の向上や安全性、耐久性の確保のため、更なる品質向上が求められており、その中でも特に溶接の高能率化と溶接金属の高靭化の要望が極めて大きい。
【０００３】
従来、低温用鋼のサブマージアーク溶接用ワイヤは、溶接金属の高靭化を目的として、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ等の合金成分を含有したソリッドワイヤが主に使用されている。しかし、溶接金属の高靭化のためにワイヤの合金成分量を増加すると、ワイヤ自体が高強度となり、溶接用ワイヤ製造の伸線加工時に、加工硬化が加わりさらにワイヤが硬化する。ワイヤが硬化するとダイス磨耗や断線が多くなるため、製造が困難となる。そこで、一般的には伸線途中で熱処理を行いワイヤの強度を低下させるが、合金成分量が多い場合はワイヤの変態温度が低下するため、焼なまし処理により軟化を行う場合に長時間の保持が必要になる。また、高温の焼ならし処理により軟化を行う場合では、高強度の組織に変態しやすい。したがって、ワイヤを軟化するためには熱処理温度を低く設定し、長時間の保持や徐冷が必要となるため、生産性が非常に悪い。
【０００４】
また、高強度のソリッドワイヤを使用して溶接すると、ワイヤの矯正が困難となり、開先中心とのセンターずれが起きやすく、良好なビードが得られない。このように高強度のソリッドワイヤは生産性および溶接性が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、種々のフラックス入りワイヤが開発されてきたが、高靭性の溶接金属を得るためには溶接金属の酸素量を低くする必要があり、また低温用鋼の溶接は低温割れ（水素割れ）が発生しやすいためフラックス入りワイヤを低水素化する必要があり、これまでのフラックス入りワイヤでは適用が困難であった。
【０００６】
また、ソリッドワイヤの生産性やワイヤ送給性等の溶接性を考慮し、合金成分の少ない低強度のワイヤを使用し、合金成分の添加量を調整できる焼成型フラックス（ボンドフラックス）を適用した溶接方法もあるが、焼成型フラックスは溶融型フラックスに比べ、フラックスの溶融速度が遅いため、高速溶接に適用することは難しく、また、吸湿しやすいことや溶接金属の靭性のバラツキが若干発生すること、ビード形状が若干凸形状になることなど、焼成型フラックスでは、高速溶接において良好な溶接作業性が得られにくいという問題がある。
【０００７】
これらの点を考慮しワイヤの生産性および溶接性が良好で高靭性の溶接金属が得られるサブマージアーク溶接用ワイヤおよび溶接方法の開発が試みられている。
【０００８】
例えば、ワイヤの引張強度の低いサブマージアーク溶接用複合ワイヤが特許文献１に開示されており、ワイヤの生産性および送給性は改善されるが、このフラックス入りワイヤでは、ワイヤ中の酸素量が高いため溶接金属中の酸素量が増加し、良好な低温靭性が得られない。さらに、ワイヤ断面形状は継ぎ目を有すフラックス入りワイヤであるので、大気中の水分を吸湿する。したがって、フラックスの水分量を減少しただけでは不十分であり、溶接金属中の拡散性水素量が増加して溶接後に低温割れが発生し易くなる。
【０００９】
また、特許文献２には、充填するフラックスに高塩基性のスラグ形成成分を含有し、中性フラックスまたは弱塩基性フラックスと組合せて使用することにより、良好な溶接作業性および高靭性の溶接金属が得られる潜弧溶接用複合ワイヤが開示されている。しかし、ワイヤのフープ材にＳｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉが添加されているためワイヤ自体の引張強度が高く、ワイヤ送給性が劣ることや、充填するフラックス中にスラグ形成成分を多量に含んでいるため、合金成分が不足し、溶接金属のより一層の高靭性化の要求に対しては不十分である。
【００１０】
また、サブマージアーク溶接用高靭性複合ワイヤが特許文献３に開示されており、溶接金属の高靭化と溶接作業性の改善を図っているが、特許文献３に記載のワイヤ成分では溶接金属の高靭化と良好な溶接作業性の両立は得られない。
【００１１】
また、低温用鋼の大入熱潜弧溶接用太径シームレスフラックス入りワイヤが特許文献４に開示されているが、特許文献４に記載のワイヤ成分では良好な溶接金属の靭性を得ることはできず、また、ワイヤの外皮に適用する鋼材の合金成分が低くても、ワイヤ径が４．５〜１０ｍｍと太いため、ワイヤ自体の剛性は強くなり、ワイヤ送給性劣化や溶接部の開先が広い施工法にしか適用できないため、使用範囲が限定されて生産能率が低下するという問題もある。
【００１２】
さらに、サブマージアーク溶接用複合ワイヤが特許文献５に開示されており、溶接金属の高靭化と溶接作業性の改善を図っているが、ワイヤ成分に多量のＭｎが添加されているため、溶接金属の強度が過剰に高くなり、割れが発生しやすくなることや、ＳｉＯ2およびＴｉＯ2等の酸化物がワイヤ成分中に含有されているため、溶接金属の酸素量が高くなり靭性が劣化する問題があり、溶接金属の高靭化と良好な溶接作業性の両立は得られない。
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−１４２３７７号公報
【特許文献２】特開昭４８−８５４４３号公報
【特許文献３】特開昭４９−１０３８５８号公報
【特許文献４】特開昭６１−２４２７９１号公報
【特許文献５】特開昭６２−６１７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、特に高速度の溶接条件においても溶接作業性が良好で、優れた機械性能の溶接金属が得られる低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび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】
【００１５】
本発明の要旨は、以下のとおりである。
【００１６】
（１）フラックス入りワイヤのワイヤ全質量％で、鋼製外皮と充填フラックスの一方または両方の合計で、Ｃ：０．０２〜０．３０％、Ｓｉ：０．０８〜０．６％、Ｍｎ：１．２〜３．４％、Ｎｉ：０．５〜３．５％、Ｍｏ：０．０３〜０．８％を含有し、かつ、充填フラックスに、Ｃ：０．０１〜０．２７％、ＣａＦ2：２〜１５％、金属炭酸塩のＣＯ2分：０．０５〜０．７％を含有し、残部は鋼製外皮のＦｅ、合金粉中のＦe、鉄粉および不可避的不純物からなり、ワイヤの全水素量が５０ｐｐｍ以下で、前記成分中の充填フラックスのフラックス充填率が１０〜３０％からなる鋼製外皮に継ぎ目が無いことを特徴とする低温用鋼のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【００１７】
（２）質量％で、ＳｉＯ2：８〜２５％、Ａｌ2Ｏ3：３０〜５０％、ＭｇＯ：０．５〜５．０％、ＭｎＯ：０．５〜５．０％、ＣａＯ：５〜２０％、ＣａＦ2：２５〜５０％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜５．０％を含有し、その他は酸化鉄および不可避不純物である溶融型フラックスと（１）に記載のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤとを組合せて溶接する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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の低温用鋼のサブマージアーク溶接用ワイヤおよび溶接方法によれば、低温用鋼の高速サブマージアーク溶接において、多量の合金成分を含有したワイヤの製造を容易にし、溶接金属中の酸素および窒素量が低く高靭性の溶接金属を得ることができ、さらに良好な溶接作業性およびビード形状が得られ、溶接金属の拡散性水素量を低くすることができるので溶接欠陥のない高品質の溶接部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明者らは、前記課題を解決するために、フラックス入りワイヤの鋼製外皮と充填フラックスの合計であるワイヤ成分、充填フラックス成分、ワイヤの全水素量、フラックス充填率およびワイヤに組合せる溶融型フラックスの化学成分組成などについて鋭意検討した。
【００２０】
溶接金属の高靭性化については、溶接金属の酸素バランスおよび合金元素添加による結晶粒組織適正化が最も重要である。そこで本発明者らは、先ず、ワイヤ自体の強度を上げずに、必要な合金成分を自由に調整できるフラックス入りワイヤの適用を検討した。
【００２１】
まず、ワイヤ成分において、強脱酸剤のＭｇやＡｌを適用し、溶接金属の酸素量コントロールを行ったが、Ｍｇは水素吸蔵合金として知られているように、Ｍｇ原材料自体の水素量も多いため、溶接金属の拡散性水素量が高くなり、低温割れが発生した。また、Ｍｇは溶接中にＭｇ＋２Ｈ2Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）2＋Ｈ2の反応を起こし、水素ガスを発生させるため、ブローホールやピットおよびポックマークが多量に発生した。さらに、Ａｌは溶接金属に粗大なＡｌ酸化物を多量に生成させるため、低温用鋼のアシキュラーフェライト主体組織では、粗大な酸化物が破壊の起点となり、靭性を著しく低下させた。
【００２２】
以上のことから、溶接金属の酸素量コントロールは、ワイヤに少量のＭｇおよびＡｌを含有することによって容易に調整することが可能であったが、低温割れ、ブローホール、ピット、ポックマーク等の溶接欠陥発生、溶接金属の強度および靭性の低下により、適用が困難な状態であった。そこで、ＭｇおよびＡｌに代わる強脱酸剤として新たに見出したのがＣの添加である。ただし、脱酸の効果を有意に働かせるためには、鋼製外皮のＣを多くするより、フラックスのＣを多くした方が効果は大きい傾向が認められた。これは、サブマージアーク溶接の場合、溶接電流が高いため、鋼製外皮中に添加されたＣは、溶融金属中の酸素と結びつく前に、酸化消耗する傾向が認められた。そこで、Ｃが溶接金属の脱酸をする前に酸化消耗せずに溶融プールまで維持させるために、充填フラックスに添加させることにした。鋼製外皮にＣを添加し、溶接金属の酸素量をコントロールする場合は、Ｃの酸化消耗を考慮し、多量に添加する必要があり、多量に添加すると、ワイヤ自体の引張強度が高くなるため、生産性、ワイヤ送給性および溶接作業性が劣る結果となった。
【００２３】
ワイヤ成分およびフラックス充填率の調整、低水素原材料の適用等により優れた機械的性能を有する溶接金属を得ることが可能となったが、さらに、鋼製外皮に継ぎ目をなくすことによって、製造工程中、焼鈍を行うことが可能となり、ワイヤの水素量をより低減することができ、また酸洗処理やメッキ処理を行うことも可能となるため、ワイヤ表面状態の清浄化および耐錆性の向上を図ることができ、ワイヤ送給性が良好となり溶接作業性を向上させることが可能となった。
【００２４】
しかし、ここで鋼製外皮に継ぎ目の無いフラックス入りワイヤを製造する工程上、ワイヤ内に窒素が混入し、密封されるため、溶接金属中の窒素量が高くなり、靭性が低下する問題が発生した。そこで、窒素がワイヤ内に混入されないよう不活性ガスであるアルゴンガスやヘリウムガス等を充填させながら製造した結果、溶接金属の窒素量の低減効果は得られたが、製造コストが非常に高くなり、また、ガスを吹き込むことによって充填されたフラックスがワイヤ内で流れてしまうため、充填率がばらつき、溶接作業性の劣化や溶接金属の靭性及び強度のばらつきが大きくなり、実用化は不可能であった。
【００２５】
以上のことから、製造工程上でワイヤ中の窒素量を低減させることは困難であったため、ワイヤ中の窒素量が高くても、溶接時に窒素が溶接金属に混入されないような手法を検討した結果、充填フラックス中に金属炭酸塩を添加すると溶接金属中の窒素量が低減する効果が得られた。これは、溶接時のアーク熱によって金属炭酸塩が分解し、ＣＯまたはＣＯ2を発生してアーク中の窒素分圧を下げることによって溶接金属中の窒素含有量を低減するものである。
【００２６】
また、高速度化および溶接金属の高靭性化に関しては、フラックスの化学組成も重要であり、非常に大きな影響を及ぼす。そこで、フラックスは溶融型フラックスを適用することで高速度の溶接が可能となり、ビード形状もフラットで波目の細かい美しい外観が得られた。しかし、溶接金属の高靭性化のためにはフラックスの塩基度を高める必要があり、塩基性の鉱物原材料の添加量を増加した結果、溶接金属の靭性は向上したが、逆にスラグ剥離性、ビード外観、アーク安定性が劣化した。一般的にフラックスの塩基度を高めると溶接作業性が劣ることは公知であり、単に塩基度を上げるだけでは良好な溶接作業性と溶接金属機械的性能の両立は図れない。そこで、良好な溶接金属機械的性能を維持し、優れた溶接作業性を得るために新たに見出したのがＡｌ2Ｏ3の添加増量である。Ａｌ2Ｏ3は良好なスラグ剥離性およびビード外観を得るための極めて重要な成分であり、またアーク安定性を良好にする効果もある。また、Ａｌ2Ｏ3は中性酸化物であるため、多少添加量を増量させても溶接金属の酸素量は高くならないことが明らかとなった。これにより、Ａｌ2Ｏ3をはじめフラックスの化学組成を適正化することで、高速度の溶接における溶接金属機械的性能と溶接作業性をさらに向上させることが可能となった。
【００２７】
以上の結果から、フラックス入りワイヤの化学組成、ワイヤ全水素量、フラックス充填率を限定し、組合せる溶融型フラックスの化学組成を限定することにより、低温用鋼の高速サブマージアーク溶接において、高靭性の溶接金属を得ることができ、良好な溶接作業性およびビード形状が得られ、溶接金属の拡散性水素量が低く、溶接欠陥のない高品質の溶接部を得ることができることを見出した。
【００２８】
以下に本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成等の限定理由について説明する。なお、以下の％は、質量％を示す。
【００２９】
フラックス入りワイヤ全体のＣは、固溶強化により溶接金属の強度を確保する重要な元素であると共に、アーク中の酸素と反応しアーク雰囲気および溶接金属の酸素量を低減する効果がある。鋼製外皮と充填フラックスの一方または両方の合計（以下、ワイヤ成分という。）のＣが０．０２％未満では、前記脱酸および強度確保の効果が不十分であり、靭性も低下する。一方、０．３０％を超えると溶接金属のＣが高くなるためマルテンサイト主体の組織となり、強度が高く、靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＣは０．０２〜０．３０％とする。
【００３０】
また、Ｃによる脱酸の効果を有意に働かせるためには、鋼製外皮のＣを多くするより充填フラックスのＣを多くした方が効果は大きいため、充填フラックスのＣは０．０１〜０．２７％とする。充填フラックスのＣが０．０１％未満であると、十分な脱酸効果が得られず靭性が劣化する。一方、０．２７％を超えると脱酸が過剰となり、溶接金属の強度が高くなって靭性が劣化する。
【００３１】
ワイヤ成分のＳｉは、溶接金属の強度および靭性向上に重要な元素であり、溶接中に酸素と結合しスラグ成分となり、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。ワイヤ成分のＳｉが０．０８％未満では、溶接金属の強度が低く、酸素量が多くなって靭性が低下する。一方、０．６％を超えると溶接金属のマトリックスを固溶強化するが、フェライト結晶粒を粗大化させるため、著しく靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＳｉは０．０８〜０．６％とする。
【００３２】
ワイヤ成分のＭｎは、焼入れ性を向上させて、強度を高めるのに有効な成分である。ワイヤ成分のＭｎが１．２％未満では、焼入れ性が不足して強度が低くなる。一方、３．４％を超えると焼入れ性が過多となり、溶接金属の強度が高くなり靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＭｎは１．２〜３．４％とする。
【００３３】
ワイヤ成分のＮｉは、溶接金属の強度および靭性確保を目的とする。ワイヤ成分のＮｉが０．５％未満では、強度が低く靭性が低下する。一方、３．５％を超えると、Ｎｉはオーステナイト安定化元素であるため、オーステナイト粒径を粗大化させて溶接金属の靭性を劣化させる。したがって、ワイヤ成分のＮｉは０．５〜３．５％とする。
【００３４】
ワイヤ成分のＭｏは、溶接金属の強度確保を目的とする。ワイヤ成分のＭｏが０．０３％未満では、強度が低くなる。一方、０．８％を超えると溶接金属中に金属間化合物を生成し、溶接金属を著しく硬化させて靭性が低下する。したがって、ワイヤ成分のＭｏは０．０３〜０．８％とする。
【００３５】
充填フラックスのＣａＦ2は、溶接金属の靭性向上に重要な元素であり、溶接中にアーク雰囲気中の酸素分圧を下げ、溶接金属の酸素量を低減する効果がある。充填フラックスのＣａＦ2が２％未満では、溶接金属中の酸素量が高くなり靭性が低下する。一方、１５％を超えるとアークが不安定となり、またワイヤ中のスラグ成分が増えるため、溶着量が減少し、溶着効率を低下させる。したがって、充填フラックスのＣａＦ2は２〜１５％とする。
【００３６】
充填フラックスの金属炭酸塩は、溶接金属の靭性向上に重要な元素であり、溶接中に金属炭酸塩が分解してＣＯまたＣＯ2ガスがアーク雰囲気中の窒素分圧を下げ、溶接金属の窒素量を低減する効果がある。充填フラックスの金属炭酸塩のＣＯ2分が０．０５％未満では、溶接金属中の窒素量が高くなり靭性が低下する。一方、０．７％を超えると溶接ビード表面にポックマークやピット、アンダーカット等の溶接欠陥が発生する。したがって、充填フラックスの金属炭酸塩のＣＯ2分は０．０５〜０．７％とする。
【００３７】
なお、金属炭酸塩はＣａＣＯ3、ＢａＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＭｎＣＯ3を用いることができる。
【００３８】
フラックス入りワイヤに含まれる全水素量が多くなると、溶接時に水素ガスとしてブローホールやピット、ポックマークなどの溶接欠陥を発生させる。また、溶接金属の拡散性水素量が多くなるため、低温割れが発生しやすくなる。したがって、溶接欠陥や低温割れを防ぐためには、ワイヤの全水素量を５０ｐｐｍ以下にする必要がある。
【００３９】
前記成分中の充填フラックスのフラックス充填率は１０〜３０％とする。フラックス充填率が１０％未満では、目的の高靭性化に対して必要な合金成分が不足し、十分な機械的性能が得られない。一方、３０％を超えると、シームレスフラックス入りワイヤの製造時、成型後にシーム部を溶接し継ぎ目を無くすが、溶接時シーム部にフラックスが入り込みやすくなり、溶接欠陥が発生し、生産性が劣化する。また、フラックス充填率が多くなると、充填フラックスの酸素量が増加し、溶接金属の酸素量も増加するため、靭性が低下する。
【００４０】
充填フラックス中の合金成分は、鋼製外皮の成分とその含有量を考慮して、各限定した範囲内で配合成分を調整し、種々の鋼材（母材）の成分に応じたフラックス入りワイヤとすることができる。
【００４１】
また、溶接金属の酸素量を低下させるために、充填フラックスの主体は金属粉とし、スラグ形成剤となる酸化物等は添加しないことが望ましい。
【００４２】
次に組合せる溶融型フラックスの成分組成について述べる。
【００４３】
ＳｉＯ2は、良好な溶接ビードを形成するための重要な成分であるが、過多になると溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化する。８％未満ではビード趾端部のなじみが悪くなり、スラグ剥離性が劣化し、また特に高速度の溶接においてはアンダーカットも生じる。一方、２５％を超えると溶接金属の酸素量が増加して靭性が劣化するため、その含有量は８〜２５％とする。
【００４４】
Ａｌ2Ｏ3は、高速度の溶接において、良好なスラグ剥離性およびビード外観を得るためには極めて重要な成分であり、またアーク安定性を良好にする効果もある。その含有量が３０％未満ではその効果が得られない。一方、５０％を超えると凸ビードとなりスラグ剥離性も不良になるため、その含有量は３０〜５０％とする。
【００４５】
ＭｇＯは、スラグの耐火性および塩基度を向上させる効果がある。その含有量が０．５％未満ではフラックスの塩基度が低くなり、溶接金属中の酸素量が増加し、靭性が劣化する。一方、５．０％を超えるとフラックスの軟化溶融点が高くなり、ビード表面に突起物の発生や波目が粗くなり、スラグ剥離性およびビード外観が不良となる。したがって、ＭｇＯの含有量は０．５〜５．０％とする。
【００４６】
ＭｎＯは、スラグの粘性、流動性、融点の調整をするのに有効な成分である。その含有量が０．５％未満ではスラグの粘度が低下し、流動性が劣化するため、特に高速度の溶接においてはビード蛇行、アンダーカットが生じる。一方、５．０％を超えるとスラグの粘度が高くなりすぎ、スラグ巻き込み、焼き付きが発生し、スラグ剥離性が劣化する。したがって、ＭｎＯの含有量は０．５〜５．０％とする。
【００４７】
ＣａＯは、スラグの融点および流動性を調整するために重要な成分である。５％未満ではビード趾端部のなじみが悪く、ビード外観が不良となり、高速度の溶接ではアンダーカットも生じる。一方、２０％を超えるとスラグ流動性が不良となり、ビード高さが不均一でスラグ剥離性も不良になるため、その含有量は５〜２０％とする。
【００４８】
ＣａＦ2は、靭性改善に効果があるが、融点が低いため過多になるとビードの平滑性が損なわれる。２５％未満では靭性改善の効果がなく、５０％を超えるとビード外観が不良となるため、その含有量は２５〜５０％とする。
【００４９】
Ｌｉ2Ｏはビード形状を良好にするための有効な成分であり、溶融スラグの溶融温度と粘度を下げ、ビード形状を良好にする。またビードの湯流れも安定化させるためビード幅が均一となる。その含有量が０．１％未満ではその効果が得られない。一方、５．０％を超えるとビード表面に微細な凹凸が生じ、ビード外観が劣化するため、その含有量は０．１〜５．０％とする。
【００５０】
なお、フラックスの粒度構成は、溶融金属の大気とのシールド性およびガス抜けを考慮して１．４×０．２１ｍｍで、粒径が０．２１ｍｍ未満のフラックスが１２％以下であることが好ましい。
【００５１】
その他は、酸化鉄（ＦｅＯ等）およびＰ、Ｓ等の不純物であり、ＰおよびＳは共に低融点の化合物を生成して、靭性を低下させるため、できるだけ低いことが好ましい。
【００５２】
本発明のサブマージアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび低温用鋼のサブマージアーク溶接方法は、安定したアーク、ワイヤ送給性、溶着効率向上を可能とした溶接をするために、組合せるワイヤ外径は１．０〜４．０ｍｍとすることが好ましい。
【００５３】
また、このワイヤは、鋼製外皮に継ぎ目の無い（以下、シームレスという。）断面形状のため、耐吸湿性能に優れており、さらに製造工程中に焼鈍を行うことができるため、溶接金属の拡散性水素量を極力低減することができる。帯鋼から成形し、シーム部の溶接を行わない通常のシーム有りのフラックス入りワイヤでは、充填フラックスが吸湿しやすく、また製造工程中、焼鈍を行うことができないため、溶接金属の拡散性水素量は多くなる傾向がある。このシーム有りのフラックス入りワイヤが製造工程中に焼鈍できない理由は、シーム部に若干の間隙が空いているため、焼鈍を行うと、充填フラックス中の合金剤が酸化および金属炭酸塩が分解して酸化物となってしまうため、溶接金属の酸素量が増加してしまうことや所定の焼入れ特性を得ることができず、また窒素量が増加して溶接金属の強度および靭性が低下してしまうからである。シーム有りのフラックス入りワイヤは、ワイヤ断面が非対称となり、ワイヤ自体がねじれ易く、溶接時に開先中心とのセンターずれを生じ易いが、シームレスワイヤはワイヤ断面が同心円からなり、全ての方向について対称であり、扱いやすく、ねじれが発生し難いワイヤを得ることができる。
【００５４】
なお、シームレスワイヤは、製造工程中に酸洗処理やめっき処理を行うことも可能となるため、ワイヤ表面状態を清浄化および耐錆性を向上することができるので、ワイヤ送給性が良好となり溶接作業性を向上させることができる。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例により本発明の効果をさらに詳細に説明する。
【００５６】
表１に示す鋼製外皮を用いて表２に示す各種フラックス入りワイヤを試作し、表３に示す各種成分の溶融型フラックスとを組合せて、多層盛溶接の溶接金属機械的性能評価として、表４に示す板厚２５ｍｍの鋼板を、図１に示す開先角度：３０°、ルート間隔１３ｍｍの開先形状３に加工し、表５に示す溶接条件および図２に示す溶接チップ１にワイヤ２を２本セットした２ワイヤ１電極方式にて、溶接試験を実施した。また、溶接作業性評価は、水平すみ肉溶接で、表４に示す板厚２５ｍｍの鋼板を、図３に示すようにＴ字に組立て、ワイヤ２を溶接チップ１にセットし、表６に示す溶接条件にて２ワイヤ１電極方式で溶接長１ｍの溶接試験を実施した。
【００５７】
なお、表２に示すフラックス入りワイヤは、表１に示す鋼製外皮を用いて、Ｆ１の鋼製パイプの場合、フラックスを振動充填した後、縮径、焼鈍して素線とした。Ｆ２の帯鋼は、成型工程でＵ字型に成型してフラックスを充填し、Ｏ字型に成型してシーム部を溶接後、縮径、焼鈍して素線とした。Ｆ３の帯鋼は、成型工程でＵ字型に成型してフラックスを充填し、ラップ型に成型後、縮径して素線とした。さらに、それらの素線を２．０ｍｍ径まで伸線した。なお、ワイヤ全水素量は２．０ｍｍ径のワイヤを熱伝導度方式による高周波加熱法によって測定した。
【００５８】
また、表３に示す溶融型フラックスは、各種鉱物原材料を１５００℃以上の高温度で溶融し、冷却後粉末状に粉砕し、１．４×０．２１ｍｍの粒度に整粒したものを用いた。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
【表２】
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【００６１】
【表３】
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【００６２】
【表４】
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【００６３】
【表５】
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【００６４】
【表６】
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【００６５】
各試作フラックス入りワイヤおよび組合せ溶融型フラックスの評価は、溶接金属の拡散性水素量、水平すみ肉溶接後のビード外観・形状、スラグ剥離性およびアンダーカットの有無、多層盛溶接後の溶接欠陥の有無、溶接金属の酸素量および窒素量、引張強度および靭性を調査した。
【００６６】
溶接金属の拡散性水素量の測定は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１１８に準拠して表２に示す各種フラックス入りワイヤと表３に示す各種成分の溶融型フラックスを表７に示す組合せで測定し、６ｍｌ／１００ｇ以下を良好とした。
【００６７】
【表７】
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【００６８】
多層盛溶接の溶接欠陥はＸ線透過試験で調査した。
【００６９】
溶接金属の機械的性能評価は、多層盛溶接試験体の鋼板表面下７ｍｍを中心にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ  Ｚ２２０２  ４号）および引張試験片（ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１  Ａ１号）を採取して、機械試験を実施した。靭性の評価は−６０℃におけるシャルピー衝撃試験により行い、各々繰返し数３本の平均により評価した。なお、シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーは１００Ｊ以上を良好とした。引張強度の評価は５６０ＭＰａ以上を良好とした。これらの調査結果を表７にまとめて示す。
【００７０】
表７から明らかなように、本発明例である試験記号Ｔ１〜Ｔ１０は、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ１０および組合せたフラックス記号ＭＦ１〜ＭＦ１０が本発明の構成要件を満足するため、拡散性水素量が低く、水平すみ肉溶接における溶接作業性が良好で、多層盛溶接部に欠陥が無く、溶接金属の機械的性能も優れており、極めて満足な結果であった。
【００７１】
これに対し、比較例である試験記号Ｔ１１は、ワイヤ記号Ｗ１３のフラックス充填率が高いので、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であり、さらにＣａＦ2が高いため、アークが不安定となった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１４のＳｉＯ2が低いため、ビード外観およびスラグ剥離性が不良でアンダーカットも発生した。
【００７２】
試験記号Ｔ１２は、ワイヤ記号Ｗ１４の充填フラックス中のＣが低いため、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であり、さらにＭｏが低いため、引張強度が低かった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１６のＣａＯが低いため、ビード外観が不良でアンダーカットも生じた。
【００７３】
試験記号Ｔ１３は、ワイヤ記号Ｗ１５の充填フラックス中のＣが高いため、溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１７のＭｎＯが低いため、ビードが蛇行してアンダーカットも生じた。
【００７４】
試験記号Ｔ１４は、ワイヤ記号Ｗ２０のＭｎが高いため、溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【００７５】
試験記号Ｔ１５は、ワイヤ記号Ｗ１１のシーム有りタイプのワイヤであるため、ワイヤ全水素量が高く、溶接金属の拡散性水素量が高くなり、多層盛溶接後のＸ線透過試験で溶接金属内部に割れが発生していた。また、Ｓｉが高いため、フェライト結晶粒が粗大化し、吸収エネルギーが低値であった。さらに、組合せたフラックス記号ＭＦ１５のＭｇＯが高いため、ビード外観およびスラグ剥離性が不良であった。
【００７６】
試験記号Ｔ１６は、フラックス記号ＭＦ１２のＳｉＯ2が高いため、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。また、Ａｌ2Ｏ3が低いため、アークが不安定で、スラグ剥離性およびビード外観が不良であった。
【００７７】
試験記号Ｔ１７は、ワイヤ記号Ｗ１８のＳｉが低いため、溶接金属の引張強度が低く、酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ２１のＬｉ2Ｏが多いため、ビード外観が不良であった。
【００７８】
試験記号Ｔ１８は、ワイヤ記号Ｗ１９のＭｎが低いので、溶接金属の引張強度が低く、さらに金属炭酸塩であるＣａＣＯ3のＣＯ2分が低いので、溶接金属中の窒素量が高くなり吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ２２のＬｉ2Ｏが含有されていないため、ビード形状が不良であった。
【００７９】
試験記号Ｔ１９は、ワイヤ記号Ｗ１２のフラックス充填率が低いので、引張強度および吸収エネルギーが低値であり、さらに金属炭酸塩であるＣａＣＯ3のＣＯ2分が高いので、溶接ビード表面にポックマークやピット、アンダーカット等の溶接欠陥が発生し、多層盛溶接後のＸ線透過試験で溶接金属内部にブローホールが発生していた。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１１のＡｌ2Ｏ3が高いため、ビード形状およびスラグ剥離性が不良であった。
【００８０】
試験記号Ｔ２０は、フラックス記号ＭＦ１３のＭｇＯが低いため、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。また、ＭｎＯが高いため、スラグ剥離性が不良で、多層盛溶接ではスラグ巻き込み欠陥が生じた。
【００８１】
試験記号Ｔ２１は、ワイヤ記号Ｗ２２のＮｉが高いため、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【００８２】
試験記号Ｔ２２は、ワイヤ記号Ｗ１６のトータル（ワイヤ成分）Ｃが低いため、溶接金属の引張強度が低く、酸素量が多くなって吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ１８のＣａＯが高いため、ビード外観およびスラグ剥離性が不良であった。
【００８３】
試験記号Ｔ２３は、ワイヤ記号Ｗ１７のトータルＣが高いため、溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であった。また、組合せたフラックス記号ＭＦ２０のＣａＦ2が高いため、ビード形状が不良であった。
【００８４】
試験記号Ｔ２４は、ワイヤ記号Ｗ２３のＭｏが高いため、溶接金属の強度が高く吸収エネルギーが低値であった。
【００８５】
試験記号Ｔ２５は、ワイヤ記号Ｗ２４のＣａＦ2が低いため、溶接金属の酸素量が多く吸収エネルギーが低値であった。
【００８６】
試験記号Ｔ２６は、ワイヤ記号Ｗ２１のＮｉが低いため、溶接金属の引張強度および吸収エネルギーが低値であった。
【００８７】
試験記号Ｔ２７は、フラックス記号ＭＦ１９のＣａＦ2が低いため、溶接金属の吸収エネルギーが低値であった。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施例で用いた平継手多層盛溶接試験板の開先形状を示す図である。
【図２】本発明の実施例における溶接方法の模式を示す図である。
【図３】本発明の実施例で用いた水平すみ肉溶接用試験板の開先形状、溶接方法の模式を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１  溶接チップ
２  ワイヤ
３  開先形状
【図１】
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【図２】
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【図３】
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