(57)【要約】【課題】引張強さ、伸びおよび−１００℃における靱性に優れた溶接金属が得られ、高温割れの発生を抑制し、溶接作業性が高く、さらに高価な合金元素の量が削減されたフラックス入りワイヤ、並びにこれを用いた溶接継手の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るガスシールド溶接用フラックス入りワイヤは、フラックスが、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、弗化物：合計２．００％以上１０．００％以下、Ｔｉ酸化物：０．２０％以上２．００％以下、及び、Ｓｉ酸化物：０．２０％以上１．００％以下を含有し、更に、弗化物及び酸化物を除く化学成分が、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、Ａｌ：０．０１０％以上０．５００％以下、及びＮｉ：３．００％以上５．５０％以下等を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、高温割れ感受性指数βが３．１００以下であり、伸び指数γが１．３９以下である。【選択図】図１
2018192519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮とフラックスとを備えるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、
前記フラックスが、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、
ＬｉＦ、ＮａＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、及びＭｇＦ２のうちの１種又は２種以上である弗化物：合計２．００％以上１０．００％以下、
Ｔｉ酸化物：０．２０％以上２．００％以下、及び、
Ｓｉ酸化物：０．２０％以上１．００％以下
を含有し、
更に、前記フラックス入りワイヤの前記弗化物、酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、
Ｃ  ：０．００１％以上０．０８０％以下、
Ｓｉ：０．００１％以上０．８００％以下、
Ｍｎ：０．１０％以上１．５０％以下、
Ａｌ：０．０１０％以上０．５００％以下、
Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下、
Ｔｉ：０．０１０％以上０．１００％以下、
Ｍｇ：０．２０％以上０．８０％以下、
Ｐ  ：０．０３０％以下、
Ｓ  ：０．０３０％以下、及び
Ｍｏ：０．００１％以上０．５００％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、
下記（１）式で定義される高温割れ感受性指標βが３．１００以下であり、
下記（２）で定義される伸び指標γが１．３９以下である
ことを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
β＝［Ｓｉ］／６＋［Ｍｎ］／１．５＋［Ｎｉ］／３＋２００×［Ｂ］・・・（１）
γ＝［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］＋［Ｍｇ］・・・（２）
但し、（１）および（２）式の［］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、
Ａｌ酸化物：０．５０％未満、
Ｃａ酸化物：０．５０％以下、
Ｍｎ酸化物：０．５０％以下、
Ｍｇ酸化物：０．５０％以下、
前記炭酸塩：０．５０％以下、及び、
アーク安定剤：０．５０％以下
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項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。
【請求項３】
前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分が更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、
Ｂ  ：０．０１０００％以下、
Ｃｕ：０．５０％以下、及び
ＲＥＭ：０．０５０％以下
からなる群から選択される一種以上を含有することを特徴とする請求項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。
【請求項４】
下記（３）式で示される焼入れ性指標αが０．２５０％以上０．５９０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一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。
α＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋（［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］）／１５＋［Ｍｏ］／５・・・（３）
なお、式（３）の［］付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％での含有量を表す。
【請求項５】
前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、鉄粉：１０．０％未満を含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一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。
【請求項６】
前記鋼製外皮がスリット状の隙間の無い形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一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。
【請求項７】
前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有する形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一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。
【請求項８】
前記鋼製外皮の表面に、パーフルオロポリエーテル油を更に備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一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。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一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を用いて鋼板を溶接する工程を備えることを特徴とする溶接継手の製造方法。
【請求項１０】
前記溶接する工程において用いられるシールドガスが、Ａｒと、５〜４０Ｖｏｌ％ＣＯ２との混合ガスであることを特徴とする請求項９に記載の溶接継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、及び溶接継手の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス精製過程では、低炭素数の炭化水素ガスが副次的に生成される。この炭化水素ガスは、石油化学製品の原材料となる可能性が高い。このため、近年、炭化水素ガスの運搬船及び地上式タンクの建造需要が高まっている。
【０００３】
低炭素数の炭化水素ガスは、約−１００℃以下で保持される。約−１００℃以下の低温環境下で使用可能なタンク構造部材の候補としては、３．５％Ｎｉ鋼、Ａｌ合金、及び、ステンレス鋼が挙げられる。３．５％Ｎｉ鋼は、Ａｌ合金やステンレス鋼に比べて、鋼材コストや強度の点で優れており、更に、低温環境下においても靭性が良好である。炭化水素ガス用タンクの建造にあたっては、この３．５％Ｎｉ鋼を接合する溶接金属についても、−１００℃以下での低温環境下における良好な靭性が求められる。
【０００４】
このような低温環境下で使用される溶接構造物を構築するにあたっては、様々な溶接方法が適用されているが、作業効率に優れるという観点からすれば、フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接の適用が好ましい。しかし、現状として、３．５％Ｎｉ鋼の接合に対して、溶接金属の低温靭性を確保できる安価なフラックス入りワイヤが存在しない。厳格な安全性を満足する必要性があることから、６０〜８０％のＮｉを含むＮｉ基溶接材料が３．５％Ｎｉ鋼の接合のために使用されている。
【０００５】
Ｎｉ基溶接材料は、多量のＮｉを含有しているため、極めて高価である。また、Ｎｉ基溶接材料には、高温割れを発生させ易いという欠陥もある。更に、Ｎｉ基溶接材料は、溶融金属の湯流れが悪いため、融合不良などの溶接欠陥を発生させ易い。溶接欠陥を防止するために、Ｎｉ基溶接材料を使用する溶接では低入熱での溶接が必要とされるので、Ｎｉ基溶接材料には溶接施工効率に関しても課題がある。
【０００６】
このような現状に対し、低温用鋼のフラックス入りワイヤとして、たとえば、次のような溶接材料が提案されている。
【０００７】
特許文献１には、−１００℃において優れた靭性を有する溶接金属を得るために、溶接金属中の酸素量が低減するように、フラックス中のＴｉ酸化物を低減した金属フッ化物を主体とするフラックス入りワイヤが開示されている。
特許文献２には、フラックス中に金属弗化物を添加し、酸素量を低減し、併せてＮｉ添加で靭性を向上させるフラックス入りワイヤが開示されている。
特許文献３には、フラックス中のスラグ成分をＴｉ酸化物系から金属弗化物系に置き換えることで溶接金属酸素量を低減させ、弗化物と酸化物の比を規定させて低温靭性を向上させるフラックス入りワイヤが開示されている。
特許文献４には、強度７８０ＭＰａ以上の溶接金属において−４０℃の靭性を確保するためにフラックスをＴｉ酸化物系から金属弗化物系に置き換え、Ｍｏ添加量を規定している。
非特許文献１には、Ｎｉを２％程度含有したフラックス入りワイヤを使用することで、−９０℃での吸収エネルギーが１００Ｊ程度となることが開示されている。
しかし、これら文献に開示されているフラックス入りワイヤを用いて溶接して得られた溶接金属に対して、−１００℃で低温靱性を評価した場合、要求される水準に達しないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−０６４０８７号公報
【特許文献２】特許第３１２０９１２号公報
【特許文献３】特開平９−５７４８８号公報
【特許文献４】特許第５６４４９８４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｋａｚｕｈｉｒｏ  Ｋｏｊｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．，  ＯＭＡＥ９９／ＭＡＴ−２１０２，「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｏｆｆｓｈｏｒｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｓｔｅｅｌｓ  ａｎｄ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  Ｕｌｔｒａ  Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ  ３−  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような実情に鑑み、引張強さ、伸びおよび−１００℃における靱性に優れた溶接金属が得られ、高温割れの発生を抑制し、溶接作業性が高く、さらに高価な合金元素の量が削減されたフラックス入りワイヤ、並びにこれを用いた溶接継手の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）本発明の一態様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、鋼製外皮とフラックスとを備え、前記フラックスが、前記フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、及びＭｇＦ２のうちの１種又は２種以上である弗化物：合計２．００％以上１０．００％以下、Ｔｉ酸化物：０．２０％以上２．００％以下、及び、Ｓｉ酸化物：０．２０％以上１．００％以下を含有し、更に、前記弗化物、酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分が、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００１％以上０．０８０％以下、Ｓｉ：０．００１％以上０．８００％以下、Ｍｎ：０．１０％以上１．５０％以下、Ａｌ：０．０１０％以上０．５００％以下、Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下、Ｔｉ：０．０１０％以上０．１００％以下、Ｍｇ：０．２０％以上０．８０％以下、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、及びＭｏ：０．００１％以上０．５００％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなり、下記（１）式で定義される高温割れ感受性指標βが３．１００以下であり、下記（２）で定義される伸び指標γが１．３９以下である。
β＝［Ｓｉ］／６＋［Ｍｎ］／１．５＋［Ｎｉ］／３＋２００×［Ｂ］・・・（１）
γ＝［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］＋［Ｍｇ］・・・（２）
但し、（１）および（２）式の［］付元素は、それぞれの元素の含有量（質量％）を表す。
（２）上記（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は、前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、Ａｌ酸化物：０．５０％未満、Ｃａ酸化物：０．５０％以下、Ｍｎ酸化物：０．５０％以下、Ｍｇ酸化物：０．５０％以下、前記炭酸塩：０．５０％以下、及び、アーク安定剤：０．５０％以下の１種又は２種以上を含有してもよい。
（３）上記（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は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分が更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、Ｂ：０．０１０００％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、及びＲＥＭ：０．０５０％以下からなる群から選択される一種以上を含有してもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一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は、下記（３）式で示される焼入れ性指標αが０．２５０％以上０．５９０％以下であってもよい。
α＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋（［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］）／１５＋［Ｍｏ］／５・・・（３）
なお、式（３）の［］付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％での含有量を表す。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一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は、前記フラックスが更に、前記フラックス入りワイヤの前記全質量に対する質量％で、鉄粉：１０．０％未満を含有してもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一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は、前記鋼製外皮がスリット状の隙間の無い形状であってもよい。
（７）上記（１）〜（５）のいずれか一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は、前記鋼製外皮がスリット状の隙間を有する形状であってもよい。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一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は、前記鋼製外皮の表面に、パーフルオロポリエーテル油を更に備えてもよい。
（９）本発明の別の態様に係る溶接継手の製造方法は、上記（１）〜（８）のいずれか一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を用いて鋼板を溶接する工程を備える。
（１０）上記（９）に記載の溶接継手の製造方法は、前記溶接する工程において用いられるシールドガスが、Ａｒと、５〜４０Ｖｏｌ％ＣＯ２との混合ガスであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ｎｉ含有量をＮｉ系低温用鋼並みの５．５０質量％以下に低減しながら、溶接金属の低温靱性を３４Ｊ以上とすることができるフラックス入りワイヤが得られる。本発明によるフラックス入りワイヤは、ガスシールドアーク溶接において溶接施工効率に優れ、安価であり、耐高温割れ性に優れ、更に、引張強さ、伸び、及び−１００℃での低温靭性が優れる溶接金属を提供することができる。特に、液化ガスや化学プラントなどに使用される低温用鋼の溶接材料として本発明は好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】フラックス入りワイヤのＴｉＯ２含有量に対する溶接金属のシャルピー吸収エネルギーの関係を示す図である。
【図２】フラックス入りワイヤのＡｌ含有量に対する溶接金属のシャルピー吸収エネルギーの関係を示す図である。
【図３】フラックス入りワイヤの高温割れ感受性指数βに対する溶接金属の高温割れ率の関係を示す図である。
【図４】フラックス入りワイヤの伸び指数γに対する溶接金属の伸びの関係を示す図である。
【図５】フラックス入りワイヤの切断面に関し、（ａ）はエッジ面を突合せて溶接して作ったフラックス入りワイヤ、（ｂ）はエッジ面を突合せて作ったフラックス入りワイヤ、（ｃ）はエッジ面をかしめて作ったフラックス入りワイヤを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（１）溶接金属の低温靭性について
本発明者らは、溶接金属の低温靱性が向上するガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤについて検討した。低温環境下で使用される鋼材、特に、Ｎｉ系低温用鋼の接合で形成される溶接金属に対しては、−１００℃での靱性（低温靭性）が３４Ｊ以上であることが要求される。この低温靱性を確保するために、本発明者らは、（１−１）溶接金属中の酸素量の低減、及び（１−２）溶接金属の組織細粒化、及び（１−３）溶接金属中での粒界フェライト生成の抑制を行う必要があり、さらに（１−４）溶接金属中での第二相生成の抑制を行うことが好ましいと知見した。更に、（１−５）溶接金属中のＮｉ量も靭性に大きく影響を与える。ただし、フラックス入りワイヤのＮｉ量を増大させると製造コストが増大し、さらに高温割れ発生の恐れが増大するので、本発明者らは、Ｎｉ含有量は最低限とし、その他の（１−１）〜（１−４）の手段を用いて低温靭性を向上させることを試みた。
【００１５】
（１−１）酸素量の低減
溶接金属中の酸素量の低減手段としては、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＣａＦ２、及びＭｇＦ２などの弗化物成分をフラックス入りワイヤに含有させること、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、及びＡｌなどの脱酸元素を脱酸成分として（即ち弗化物、酸化物、及び炭酸塩を構成しない形態で）フラックス入りワイヤに含有させること、及び不活性ガスを使用してガスシールドアーク溶接を行うことが考えられた。しかし、不活性ガスを使用したガスシールドアーク溶接は、アークが不安定となること、溶込み深さが十分に得られないこと、及び、溶接欠陥がない健全な溶接金属を得ることができないことがあるので、溶接金属中の酸素量の低減手段として使用することが難しい場合もあると本発明者らは考えた。従って本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいては、溶接金属中の酸素量を低減させるために、弗化物成分及び金属脱酸成分が所定範囲内とされる。
【００１６】
（１−２）組織細粒化
低温靭性を確保するための組織細粒化手段として、本発明者らは、微細な粒内変態組織の生成核と言われているＴｉ化合物、及びＡｌ化合物（主に、Ｔｉ酸化物及びＡｌ酸化物）を活用することとした。溶接金属中に微細分散されたＴｉ酸化物及びＡｌ酸化物は、結晶粒の析出核として働くことにより、溶接金属の組織における結晶粒径を微細化させることができる。溶接金属に含まれるＴｉ酸化物及びＡｌ酸化物の個数を増大させるために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、合金Ａｌ含有量、合金Ｔｉ含有量、及びＴｉ酸化物の含有量が所定範囲内とされる。なお、後述されるスラグ成分としてのＴｉ酸化物及びＡｌ酸化物は、その大半が溶接の際に溶接金属から排出されてスラグとなるので、溶接金属に含まれるＴｉ酸化物及びＡｌ酸化物とは区別される。
【００１７】
この知見を得るに至った実験について以下に説明する。本発明者らは、ＴｉＯ２を種々の含有量で含有する試験用フラックス入りワイヤを作成した。試験用フラックス入りワイヤの鋼製外皮は、スリット状の隙間がない形状とし、試験用フラックス入りワイヤの径はφ１．２ｍｍとした。試験用フラックス入りワイヤの成分組成を表１に示す。
【００１８】
【表１】
2018192519.tif 000003
【００１９】
これら試験用フラックス入りワイヤを用いて溶接することにより得られた溶接金属の機械特性をＪＩＳ  Ｚ３１１１（２００５年）に準拠して評価した。具体的には、試験用フラックス入りワイヤを用いて鋼板同士を溶接し、試験体を作成し、この試験体から、Ａ０号引張り試験片（丸棒）（径＝１０ｍｍ）とシャルピー試験片（２ｍｍＶノッチ）とを採取し、それぞれの機械特性試験を行った。機械特性試験では、溶接金属の引張強度及び全伸びと、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーを測定した。得られた機械特性の測定結果を表２に示す。また、図１に、ＴｉＯ２含有量に対するシャルピー吸収エネルギーの関係を示す。引張強度は４５０ＭＰａ以上、全伸びは２５％以上、シャルピー吸収エネルギーは３４Ｊ以上を合格とした。
【００２０】
【表２】
2018192519.tif 000004
【００２１】
表２及び図１に示すように、ＣａＦ２を３．８％含有するフラックス入りワイヤにおいては、ＴｉＯ２含有量を増加させていくと、ＴｉＯ２含有量０．２０％を境界として、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーが高くなり、また、ＴｉＯ２含有量２．００％を境界として、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーが低くなること、つまり、ＴｉＯ２を０．２０％以上２．００％以下含有させることで、溶接金属の低温靱性が向上することを本発明者らは知見した。そして、このＴｉＯ２含有量に対する、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーの変化傾向は、弗化物の含有量の合計値を２．００％以上１０．００％以下の範囲内で変化させたフラックス入りワイヤにおいても確認された。
【００２２】
なお特許文献１に開示の技術では、金属弗化物のＦ換算値を用いて、金属Ｔｉ、Ｔｉ合金及びＴｉ化合物のＴｉ換算値の上限を限定しており、Ｆ換算値の増加とともに溶接金属へのＴｉの残留率が増加すること、及び過度のＴｉは溶接金属の低温靭性を低下させることが記載されている。この技術を適用すると、弗化物を３．０％含有するフラックス入りワイヤに対するＴｉ換算値の上限は０．２％となり、ＴｉＯ２は０．２％まで含有させることが好ましいことになる。しかし、本発明者らによる上記実験の結果、弗化物を３．０％以上含有させた場合、低温靱性を確保するために必要なＴｉ酸化物含有量は０．３０％以上２．００％以下であることが判明した。
【００２３】
さらに本発明者らは、Ａｌを種々の含有量で含有する試験用フラックス入りワイヤを作成し、溶接金属の引張強度及び全伸びと、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーとを測定した。測定方法は、表２に示される測定値を得た際の測定方法と同じであった。表３に、試験用フラックス入りワイヤの成分組成を示し、表４に、得られた機械特性の測定結果を示す。また、図２に、Ａｌ含有量に対するシャルピー吸収エネルギーの関係を示す。引張強度は４５０ＭＰａ以上、全伸びは２５％以上、シャルピー吸収エネルギーは３４Ｊ以上を合格とした。
【００２４】
【表３】
2018192519.tif 000005
【００２５】
【表４】
2018192519.tif 000006
【００２６】
表４及び図２に示すように、ＣａＦ２を３．８０％、ＴｉＯ２を０．４０％含有するフラックス入りワイヤにおいて、Ａｌ含有量を増加させていくと、Ａｌ含有量０．０１０％を境界として、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーが高くなり、また、Ａｌ含有量０．５００％を境界として、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーが低くなること、つまり、Ａｌを０．０１０％以上０．５００％以下フラックス入りワイヤに含有させることで、溶接金属の低温靱性が向上することを知見した。そして、このＡｌ含有量に対する、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーの変化傾向は、２．００％以上１０．００％以下の種々含有量の弗化物、及び、０．２０％以上２．００％以下の種々含有量のＴｉＯ２を含有させたフラックス入りワイヤにおいても確認された。
【００２７】
Ｔｉ酸化物とＡｌとを含むフラックス入りワイヤが低温靱性に優れた溶接金属を得られる理由は、以下の通りであると推定される。フラックス中のＴｉ酸化物は、通常は、溶接の際にスラグとして溶接金属の外部に排出される。しかし、Ｔｉ酸化物とＡｌとの両方をフラックス入りワイヤに含有させた場合、溶接金属中にＴｉ酸化物が微細分散される。これは、溶接中にＡｌがフラックス中のＴｉ酸化物を脱酸し、フラックス中のＴｉ酸化物が一旦Ｔｉとなって溶接金属内に残存し、このＴｉが再び酸化されて溶接金属内に微細分散されたからであると推定される。この溶接金属中のＴｉ酸化物が粒内変態核として働き、溶接金属の組織を微細化させていると本発明者らは考えている。
【００２８】
また、フラックス入りワイヤに含まれるＡｌも、その一部がＡｌ酸化物として溶接金属中に微細分散され、粒内変態核として働き、溶接金属の組織を微細にすることに寄与していると考えられる。
【００２９】
（１−３）粒界フェライト生成の抑制
溶接による溶融・凝固後の溶接金属では、温度低下の際にオーステナイト組織から粒界フェライトが生成し、この粒界フェライトが溶接金属の低温靭性を劣化させる場合がある。従って、溶接金属の粒界フェライトの生成を抑制することも、溶接金属の低温靱性の向上に寄与する。
【００３０】
そこで本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、粒界フェライト生成の抑制のために、Ｎｉを所定量含有することとされ、好ましくはＢも所定量含有される。すなわち、フラックス入りワイヤのＮｉ含有量、及び好ましくはＢ含有量を増加させることにより、オーステナイト粒界の焼入れ性を向上させて、粒界フェライト生成を抑制することができる。ただし、Ｎｉ含有量が過剰である場合、溶接金属の高温割れが生じるおそれが高まる。本実施形態におけるフラックス入りワイヤでは、上記（１−１）及び（１−２）の手段によっても低温靱性が高められるので、Ｎｉ含有量は従来の低温用鋼のフラックス入りワイヤよりもはるかに低い水準とされる。
【００３１】
（１−４）第二相生成の抑制
上記（１−１）〜（１−３）の手段により、Ｎｉ含有量を十分に低減させながら溶接金属の低温靭性を高めることができる。しかしながら、溶接金属における第二相の生成を抑制することにより、一層の低温靭性向上が可能となる。第二相とは、ＭＡ（島状マルテンサイト）などである。本発明者らは、以下の式（３）によって定義される焼入れ性指標αを所定範囲内とすることにより、溶接金属において第二相の生成が抑制されることを知見した。
α＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋（［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］）／１５＋（［Ｍｏ］）／５・・・（３）
なお、式（３）の［］付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤ全質量に対する質量％での含有量を表す。
【００３２】
溶接金属における第二相の生成は、溶接金属の焼入れ性を好適な範囲内とすることにより抑制できる。また、αを制御することにより、溶接金属の焼入れ性を制御することができる。本発明者らは、第二相の生成を抑制できる好適なαの数値範囲を知見したので、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは好ましくはαが所定範囲内とされる。
【００３３】
（２）高温割れの抑制
低温靭性を確保するためには、フラックス入りワイヤ中にＮｉを添加することが有効であるが、Ｎｉは溶接金属における高温割れの発生を促進し、フラックス入りワイヤの耐高温割れ性を損なう元素でもある。
【００３４】
本発明者らは、高温割れ発生の抑制のための検討を行った結果、Ｎｉに加えてＳｉ、Ｍｎ、及びＢも高温割れ発生を促進する作用を有し、その作用の強さが元素の種類によって異なることを知見した。そこで、これら元素の含有量を種々異ならせたワイヤを用いて実験を重ね、実験結果を重回帰分析した結果、ＪＩＳ  Ｚ  ３１５５「Ｃ形ジグ拘束突合せ溶接割れ試験方法」によって得られる割れ率（高温割れ率）と、以下の式１によって定義される高温割れ発生指標βとの間に良好な相関関係があることを知見した。
β＝［Ｓｉ］／６＋［Ｍｎ］／１．５＋［Ｎｉ］／３＋２００×［Ｂ］・・・（１）
高温割れ率と高温割れ発生指標βとの間の相関関係を確認するために、本発明者らは表５に示す試験用フラックス入りワイヤを作製して、これらフラックス入りワイヤを用いて溶接した際の高温割れ率について調査した。その結果を表６及び図３に示す。
【００３５】
【表５】
2018192519.tif 000007
【００３６】
【表６】
2018192519.tif 000008
【００３７】
表６及び図３に示されるように、高温割れ発生指標βが３．１００以下である場合に高温割れが発生しないことを本発明者らは見出した。また、この相関関係は、フラックス入りワイヤの成分を変化させても維持されることも分かった。従って、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、高温割れ発生指標βが３．１００以下とされる。
【００３８】
（３）溶接金属の伸び及び引張強さについて
溶接金属の伸びは、溶接金属の硬さ及び引張強さと反比例する傾向にある。従って本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、溶接金属に必要とされる引張強さを確保可能な範囲内で、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＮｉなどの焼入れ性を高める元素の量を減少させることで、溶接金属の伸びが確保される。また、Ｂ含有によりオーステナイト粒界の焼入れ性を高めることで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉなどの焼入れ性を高める元素の添加量を抑えることができるため、溶接金属の強度が過剰に上昇せず、靭性と伸びの一層の向上に繋がる。
【００３９】
さらに、本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、以下の式によって定義される伸び指標γを所定範囲内とする。
γ＝［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］＋［Ｍｇ］・・・（２）
なお、式（２）の［］付元素は、前記弗化物、前記酸化物、及び前記炭酸塩を除く前記化学成分に含まれる元素の前記フラックス入りワイヤ全質量に対する質量％での含有量を表す。
【００４０】
本発明者らは、フラックス入りワイヤに含まれる合金成分のＭｎ、Ｍｏ、及びＭｇの合計量と、溶接金属の伸びとの間に比較的強い相関関係があることを見いだした。さらに本発明者らは、Ｍｎ、Ｍｏ、及びＭｇの合計含有量を伸び指標γとして管理し、所定範囲内とすることで、溶接金属の伸びを一層向上させることができる旨を知見した。この知見の効果を確認するために、本発明者らは、伸び指標γを種々の値とした試験用フラックス入りワイヤを作成した。試験用フラックス入りワイヤの成分組成を表７に示す。
【００４１】
【表７】
2018192519.tif 000009
【００４２】
図４に示されるように、伸び指標γと溶接金属の伸びとの間には良好な相関関係があり、この相関関係はフラックス入りワイヤの成分を変化させても維持されることが分かった。本発明者らは、溶接金属の伸びを２５％以上とするために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおける伸び指標γの上限を１．３９と定めた。
【００４３】
（４）溶接の際のスパッタ発生の抑制
上述したように、低温靭性に優れた溶接金属を得るためには、フラックス入りワイヤに弗化物を含有させて溶接金属の酸素量を低減することが必須である。しかしながら弗化物は、溶接の際に生じるスパッタ発生量を著しく増大させる。多量のスパッタは、溶接後の塗装ムラ及び後続溶接におけるブローホールなどの溶接欠陥発生をもたらす。溶接欠陥は、溶接金属の強度、靱性、及び伸び等を損なう。
【００４４】
スパッタ発生量を抑制するために、本発明者らは、溶接金属の機械特性を向上させるためにフラックス入りワイヤが含有すべき上述された酸化物及び弗化物の含有量、並びに炭酸塩の含有量を所定範囲内とすることが必要である旨を知見した。
【００４５】
本発明者らは、以上のような検討過程を経て本実施形態に係るフラックス入りワイヤに至った。本実施形態に係るフラックス入りワイヤについて、さらに、必要な要件や好ましい要件について順次説明する。
【００４６】
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、鋼製外皮と、この鋼製外皮に充填されたフラックスとを備える。まず、鋼製外皮及びフラックス中に含有される合金成分及び金属脱酸成分の成分組成及びその限定理由について説明する。なお、本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおいて、合金成分及び金属脱酸成分とは、弗化物、酸化物、又は炭酸塩を構成しない成分のことである。従って、弗化物、金属酸化物、又は炭酸塩を構成する元素の含有量は、合金成分及び金属脱酸成分に含まれない。以下に説明する合金成分及び金属脱酸成分は、金属粉又は合金粉の状態でフラックスに含まれても、鋼製外皮に合金元素として含まれても、鋼製外皮にめっきされてもよい。各成分の含有量は、ワイヤ全質量に対する鋼製外皮及びフラックス中の各成分の質量％の合計となる成分含有量を意味するものとする。
【００４７】
（Ｃ：０．００１％以上０．０８０％以下）
Ｃは、溶接金属の焼入れ性を向上させ、粒内変態を促進させ、これにより溶接金属の強度を確保する元素である。粒内変態を促進するためには、Ｃをフラックス入りワイヤに０．００１％以上含有させる必要がある。溶接金属の強度の向上のために、Ｃ含有量の下限を０．００５％、０．００８％、０．０１０％、又は、０．０１３％としてもよい。一方で、多量のＮｉを含有する溶接金属では、焼入れ性が高い組織となるので、フラックス入りワイヤにＣを０．０８０％超含有させると、溶接金属が極めて硬化し、その靭性及び伸びが大きく低下し、また、高温割れ及び低温割れが溶接金属に発生する。従ってＣ含有量の上限値は０．０８０％とする。安定して靭性を確保するためには、Ｃ含有量の上限を０．０７０％、又は、０．０６０％としてもよい。
【００４８】
（Ｓｉ：０．００１％以上０．８００％以下）
Ｓｉは、溶接金属の清浄度を向上し、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制するために必要な元素である。これらの効果を得るためには、フラックス入りワイヤにおいて０．００１％以上のＳｉの含有が必要である。溶接欠陥の発生を一層防止するために、Ｓｉの下限を０．２５０％、又は、０．３００％としてもよい。一方で、多量のＮｉを含有する溶接金属では、Ｓｉはミクロ偏析しやすく、０．８００％超のＳｉをフラックス入りワイヤに含有させると、Ｓｉ偏析部で顕著な脆化が生じる。従ってＳｉ含有量の上限値は０．８００％とする。また、溶接金属の靭性を安定して確保するためには、上限を０．６００％、又は、０．５５０％としてもよい。
【００４９】
（Ｍｎ：０．１０％以上１．５０％以下）
Ｍｎは、溶接金属の清浄度を向上し、さらにＭｎＳを形成することで、Ｓを無害化し、溶接金属の靭性を向上させるのに必要な元素である。その効果を得るためには、フラックス入りワイヤにＭｎを０．１０％以上含有させる必要がある。靭性の一層の向上のために、Ｍｎ含有量の下限を０．２０％、０．３０％、又は、０．４０％としてもよい。一方、多量のＮｉを含有する溶接金属では、Ｍｎはミクロ偏析しやすく、フラックス入りワイヤにＭｎを１．５０％超含有させると、Ｍｎ偏析部で顕著な脆化が生じる。また、溶接金属の靭性を一層安定して確保するためには、Ｍｎ含有量の上限を１．１０％、１．００％、又は、０．９５％としてもよい。
【００５０】
（Ａｌ：０．０１０％以上０．５００％以下）
Ａｌは、強脱酸剤であり、スラグ剤であるＴｉ酸化物からＴｉを還元し、溶接金属のミクロ組織微細化に有効な微細Ｔｉ酸化物を確保する上で必須の元素である。しかし、フラックス入りワイヤにおけるＡｌ含有量が０．０１０％未満では、Ａｌによるスラグ剤Ｔｉ酸化物の還元効果が不足するので、粒内フェライトの核となる溶接金属中の微細Ｔｉ酸化物が確保できない。この場合、溶接金属のミクロ組織が細粒化されないので、溶接金属の低温靱性が改善されない。従ってＡｌ含有量は０．０１０％以上とする。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Ａｌ含有量の下限を０．０３０％、又は、０．０４０％としてもよい。一方、０．５００％超のＡｌをフラックス入りワイヤに含有させると、Ａｌ酸化物量が大幅に増加して、Ａｌ酸化物とＴｉ酸化物との大形の複合酸化物が溶接金属中に形成される。この結果、溶接金属中のＴｉ酸化物が粒内フェライトの核として機能しなくなり、溶接金属のミクロ組織が微細化されないので、溶接金属の靱性が低下する。また、この場合、Ａｌ窒化物の生成量が多くなることによっても溶接金属の靭性が低下する。従ってＡｌ含有量の上限を０．５００％とする。また、溶接金属の靭性を一層安定して確保するためには、Ａｌ含有量の上限を０．２００％、０．１００％、又は０．０５０％としてもよい。
【００５１】
（Ｎｉ：３．００％以上５．５０％以下）
Ｎｉは、固溶靱化（固溶により靭性を高める作用）により、溶接金属の組織、成分によらず、その靱性を向上できる唯一の元素である。特に、−１００℃での溶接金属の低温靭性を確保するためには、Ｎｉは必須の元素である。この効果を得るためには、３．００％以上のＮｉをフラックス入りワイヤに含有させる必要がある。一層安定して低温靭性を確保するためには、Ｎｉ含有量の下限を３．１０％、３．２０％、又は、３．５０％としてもよい。一方、５．５０％超のＮｉをフラックス入りワイヤに含有させると、その効果が飽和するのに加え、溶接材料コストが高騰し、さらに溶接金属の高温割れが発生するおそれが高まる。従って、Ｎｉ含有量を５．５０％以下とする。Ｎｉ含有量の上限を５．３０％、５．００％又は、４．８０％にしてもよい。
【００５２】
（Ｔｉ：０．０１０％以上０．１００％以下）
Ｔｉは、強脱酸剤であり、フラックス入りワイヤに含まれる金属Ｔｉのうち一部が酸化されスラグオフされ、その残りが溶接金属中に留まる。この溶接金属中に留まるＴｉは、微細なＴｉ介在物を形成して、粒内変態核として働き、溶接金属の組織を微細化させる。従って、Ｔｉは溶接金属の低温靱性を向上させる働きがある。また、フラックス入りワイヤにＢが含まれる場合、ＴｉはＢの効果を促進させる働きを有する。初期の溶融金属凝固過程の高温域で、ＴｉはＢより先に窒化物を形成してＮを固定する。これにより、以降の溶融金属凝固過程でＢがＢＮを形成することがない。つまりＴｉは、ＢをフリーＢとしてオーステナイト粒界に偏析させる上で必須の成分である。このフリーＢは、粒界での粗大なフェライトの生成を抑制することにより、Ｔｉ酸化物による粒内フェライト微細化効果と相乗して、溶接金属の低温靱性の改善効果を奏する。この効果は、Ｔｉ酸化物の還元によるＴｉ量確保のみでは不十分であり、金属Ｔｉをフラックス入りワイヤに含有させることにより初めて上記効果が得られる。しかし、フラックス入りワイヤにおけるＴｉ含有量が０．０１０％未満では、金属Ｔｉのほとんどが酸化消耗され、ＴｉＮを形成するために十分な量のＴｉが溶接金属に留まらないので、上記効果が十分得られず、ミクロ組織の微細化が不十分となり、靭性改善効果が得られない。靭性の一層の向上のために、Ｔｉ含有量の下限を０．０３０％、又は、０．０４０％としてもよい。また、０．１００％超のＴｉをフラックス入りワイヤに含有させると、固溶Ｔｉが増加し、溶接金属が過度に硬化し、著しく靱性が低下する。また、過剰量のＴｉには、スパッタ発生量を増大させて溶接作業性の悪化と溶接欠陥の発生とを生じさせる恐れもある。従って、Ｔｉ含有量は０．１００％以下とする。また、溶接金属の靭性を一層安定して確保するためには、Ｔｉ含有量の上限を０．０８０％、又は、０．０７０％としてもよい。
【００５３】
（Ｐ：０．０３０％以下）
Ｐは、不純物元素であり、溶接金属に高温割れを生じさせ、さらに溶接金属の靱性を劣化させる場合があるので、極力低減することが好ましい。この悪影響が許容できる範囲として、フラックス入りワイヤのＰ含有量を０．０３０％以下に制限する。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Ｐ含有量の上限を０．０１５％、０．０１０％、０．００８％、又は、０．００６％としてもよい。
【００５４】
（Ｓ：０．０３０％以下）
Ｓは、不純物元素であり、溶接金属に高温割れを生じさせ、さらに溶接金属の靱性を著しく劣化させる場合があるので、極力低減することが好ましい。溶接金属の靱性への悪影響が許容できる範囲として、フラックス入りワイヤのＳ含有量を０．０３０％以下に制限する。溶接金属の靭性の一層の向上のために、０．００８％、０．００６％、０．００４％、又は、０．００３％としてもよい。
【００５５】
（Ｍｇ：０．２０％以上０．８０％以下）
Ｍｇは、強脱酸元素である。脱酸には、溶接金属の酸素を低減し、溶接金属の靭性を改善する効果がある。また、脱酸によりブローホールの発生も抑制される。この効果を得るために、フラックス入りワイヤのＭｇ含有量を０．２０％以上とする。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Ｍｇ含有量の下限を０．２５％又は０．３０％としてもよい。一方、０．８０％超のＭｇをフラックス入りワイヤに含有させると、溶接時にスパッタ発生量が増加し、さらにアーク安定性が損なわれるので、溶接作業性が劣化する。溶接作業性の向上のために、Ｍｇ含有量の上限を０．７０％、０．６０％、又は、０．５０％としてもよい。
【００５６】
（Ｍｏ：０．００１％以上０．５００％以下）
Ｍｏは、溶接金属の強度を高めるために有効な元素である。この効果を得るために、フラックス入りワイヤのＭｏ含有量を０．００１％以上とする。一方、Ｍｏ含有量が０．５００％を超えると溶接金属の靭性が低下するので、Ｍｏ含有量は０．５００％以下とする。溶接金属の靭性の向上のために、Ｍｏ含有量の上限を０．３００％、０．２００％又は０．１００％としてもよい。上述の効果を得るためには、Ｍｏ含有量の下限を０．０１０％としてもよい。
【００５７】
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、合金成分又は脱酸成分として、上述された基本成分（必須元素）に加え、さらに、溶接する鋼板の強度レベル又は求める靭性の程度に応じて、Ｂ、Ｃｕ及びＲＥＭからなる群から選択される一種以上を選択元素として含有することができる。しかしながら、これら選択元素は本実施形態に係るフラックス入りワイヤの課題を解決するために必須ではないので、これら選択元素の含有量の下限値は０％である。
【００５８】
（Ｂ：０．０１０００％以下）
Ｂは、フラックス入りワイヤを介して溶接金属中に適正量含有させると、固溶Ｎと結びついてＢＮを形成して、溶接金属の靭性に対する固溶Ｎの悪影響を減じる効果がある。また、溶接金属においてオーステナイト粒界の焼入れ性を高めることで、粗大な粒界フェライト生成を抑制し、低温靭性を確保できる効果がある。しかし、フラックス入りワイヤにＢを０．０１０００％超含有させると、溶接金属中のＢが過剰となり、粗大なＢＮやＦｅ２３（Ｃ、Ｂ）６などのＢ化合物を形成して靭性を逆に劣化させる。靭性の一層の向上のために、Ｂ含有量の上限を０．００８００％、又は、０．００６００％としてもよい。Ｂ含有の効果を一層確実に得るためには、Ｂ含有量の下限を０．００００１％、０．００００５％、０．０００１０％又は０．０００１５％としてもよい。
【００５９】
（Ｃｕ：０．５０％以下）
Ｃｕは、ワイヤの外皮表面のめっき、及び、フラックスに単体又は合金として含有される場合があり、溶接金属の強度を向上させる効果がある。しかし０．５０％超のＣｕをフラックス入りワイヤに含有させると、溶接金属の靭性が低下する。溶接金属の靭性の一層の向上のために、Ｃｕ含有量の上限を０．３０％、０．２０％、又は、０．１０％としてもよい。なお、Ｃｕの含有量については、外皮自体やフラックス中に含有されている分に加えて、ワイヤ表面に銅めっきされる場合には、その分も含む。上述の効果を得るためには、Ｃｕ含有量の下限を０．０１％としてもよい。
【００６０】
（ＲＥＭ：０．０５０％以下）
ＲＥＭは、溶接金属中での硫化物及び酸化物のサイズを微細化して、溶接金属の靭性向上に寄与することができる元素である。上述の効果を得るために、ＲＥＭ含有量の下限を０．００１％としてもよい。しかし、フラックス入りワイヤに０．０５０％超のＲＥＭを含有させると、スパッタが激しくなり、溶接作業性が劣悪となる。また、スパッタの低減及びアークの安定に寄与するために、ＲＥＭ含有量の上限を、０．０３０％、０．０２０％、０．０１０％、０．００５％、又は０．００１％としてもよい。なお「ＲＥＭ」との用語は、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドからなる合計１７元素を指し、上記「ＲＥＭの含有量」とは、これらの１７元素の合計含有量を意味する。ランタノイドをＲＥＭとして用いる場合、工業的には、ＲＥＭはミッシュメタルの形で添加される。
【００６１】
（焼入れ性指標α：０．２５０％以上０．５９０％以下）
溶接金属の靱性を高めるために、下記（１）式で示される焼入れ性の指標αが０．２５０％以上０．５９０％以下となるように、合金成分又は脱酸成分（即ち弗化物、酸化物、及び炭酸塩を除く化学成分）の含有量を調整することが好ましい。焼入れ性指標αが０．２５０％以上である場合、溶接金属の靭性を損なう粒界フェライトの生成を一層抑制することができるからである。一方、焼入れ性指標αが０．５９０％以下である場合、溶接金属の靭性を損なう第二相（例えばＭＡ等）の生成を一層抑制し、さらに溶接金属の過剰な硬化を確実に防ぐこともできる。
α＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／２４＋［Ｍｎ］／６＋（［Ｎｉ］＋［Ｃｕ］）／１５＋［Ｍｏ］／５・・・（１）
なお、式（１）の［］付元素は、合金成分又は脱酸成分として含まれるそれぞれの元素のフラックス入りワイヤ全質量に対する質量％での含有量を表す。
【００６２】
（高温割れ感受性指標β：３．１００以下）
フラックス入りワイヤに含有される合金成分は、高温割れを発生させやすくする場合があり、これを抑制するべく、下記式（２）で示される高温割れ感受性の指標βが３．１００以下となるように、合金成分又は脱酸成分の含有量を調整する必要がある。
β＝［Ｓｉ］／６＋［Ｍｎ］／１．５＋［Ｎｉ］／３＋２００×［Ｂ］・・・（２）
なお、式（２）の［］付元素は、合金成分又は脱酸成分として含まれるそれぞれの元素のフラックス入りワイヤ全質量に対する質量％での含有量を表す。
【００６３】
上述の通り、低温靭性を確保するためには、フラックス入りワイヤ中にＮｉを添加することが有効であるが、Ｎｉは溶接金属における高温割れの発生を促進し、フラックス入りワイヤの耐高温割れ性を損なう元素でもある。本発明者らは、高温割れ発生の抑制のための検討を行った結果、Ｎｉに加えてＳｉ、Ｍｎ、及びＢについても高温割れ発生を促進する作用を有し、その作用の強さが元素の種類によって異なることを知見して、式（２）を得た。高温割れ感受性指標βが３．１００以下である場合、溶接金属における高温割れを効果的に抑制することができる。高温割れ指標γの上限値を３．０００、２．９００、又は２．８００としてもよい。高温割れ指標γの下限値を規定する必要はないが、上述されたＮｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、及びＢの含有量の下限値に鑑みると、高温割れ指標γの実質的下限値は１．０６７である。
【００６４】
（伸び指標γ：１．３９以下）
溶接金属の伸びを改善すべく、下記（３）式で示される伸びの指標γが１．３９以下となるように合金成分又は脱酸成分の含有量を調整する必要がある。
γ＝［Ｍｎ］＋［Ｍｏ］＋［Ｍｇ］・・・（３）
なお式（３）の［］付元素は、合金成分又は脱酸成分として含まれるそれぞれの元素のフラックス入りワイヤ全質量に対する質量％での含有量を表す。
【００６５】
上述の通り、本発明者らは、フラックス入りワイヤに含まれる合金成分のＭｎ、Ｍｏ、及びＭｇの合計量と、溶接金属の伸びとの間に比較的強い相関関係があることを見いだした。さらに本発明者らは、Ｍｎ、Ｍｏ、及びＭｇの合計含有量を伸び指標γとして管理し、所定範囲内とすることで、溶接金属の伸びを一層向上させることができる旨を知見した。溶接金属の伸びを２５％以上とするために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤにおける伸び指標γの上限は１．３９とされる。伸び指標γの上限を１．３２、１．３０、１．２５、または１．１０としてもよい。伸び指標γの下限値を規定する必要はないが、上述されたＭｎ、Ｍｏ、及びＭｇの含有量の下限値に鑑みると、伸び指標γの実質的下限値は０．３０である。
【００６６】
続いて、フラックス入りワイヤの鋼製外皮の内部に挿入されるスラグ成分について説明する。以下に説明されるスラグ成分は弗化物、酸化物、又は炭酸塩であり、上述された合金成分及び金属脱酸成分とは区別される。
【００６７】
（ＬｉＦ、ＮａＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、及びＭｇＦ２からなる群から選択される１種又は２種以上の弗化物の合計量：２．００％以上１０．００％以下）
【００６８】
ＬｉＦ、ＮａＦ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、及びＭｇＦ２からなる群から選択される１種又は２種以上の弗化物（以下、特に断りが無い限り「弗化物」と略す）は、溶接金属の低温靱性向上に繋がる溶接金属酸素量の低減効果を有し、かつ溶接金属の低温割れ抑制に繋がる拡散性水素低減効果を有する。−１００℃での靭性を確保するには、溶接金属中の酸素量を低減することが重要である。さらに弗化物は、アークを安定させることにより、溶接作業性を向上させ、且つ溶接欠陥の発生を抑制する効果も有する。この効果を発揮するために、弗化物を合計で２．００％以上フラックス入りワイヤに含有させる。溶接金属の靭性の一層の向上のために、弗化物の合計含有量の下限を２．５０％、又は、３．００％としてもよい。一方、合計１０．００％を超えて弗化物を含有させると、アークが不安定となり、且つスパッタ発生量が増大するので、溶接が困難となり、且つ溶接金属に欠陥が生じやすくなる。従って、弗化物の合計含有量は１０．００％以下とされる。これら悪影響を確実に回避するために、弗化物の合計含有量の上限を８．００％、又は、７．００％としてもよい。なお、ＣａＦ２は安価であるので、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％でのＣａＦ２の含有量を０．５０％以上、０．８０％以上、又は１．００％以上とすると、ワイヤの製造コストを削減できるので好ましい。
【００６９】
（Ｔｉ酸化物：０．２０％以上２．００％以下）
フラックスに含まれるＴｉＯ２等のＴｉ酸化物は、溶接中にその大半がスラグとして溶接金属の外部に放出される。しかし上述されたように、本実施形態に係るフラックス入りワイヤのフラックス中のＴｉ酸化物の一部は、Ａｌによって一旦還元されて金属Ｔｉとなった後、溶接金属中の酸素と結びついて、溶接金属中で、溶接金属のミクロ組織微細化に有効なＴｉ酸化物となる。従って、Ｔｉ酸化物は、合金成分としてのＡｌとの相乗効果として、溶接金属の微細化及び低温靭性向上に寄与する。さらにＴｉ酸化物は、スラグ剥離性を良好なものとし、且つアーク安定性を向上させる効果も有する。これら効果を発揮するために、０．２０％以上のＴｉ酸化物をフラックス入りワイヤに含有させる。Ｔｉ酸化物の含有量の下限を０．５０％、又は、０．８０％としてもよい。一方で、２．００％を超えてＴｉ酸化物を含有させると、溶接金属酸素量を増加させ、溶接金属の低温靭性を低下させる。また、過剰量の酸化物を含有させた場合、スパッタ量が増大して溶接作業性の低下と溶接欠陥の発生とを招く恐れがある。従ってＴｉ酸化物の含有量は２．００％以下とされる。安定して溶接金属の低温靭性を確保するためには、Ｔｉ酸化物の含有量の上限を１．７０％、又は、１．４０％としてもよい。また、Ｔｉ酸化物としてはＴｉＯ２が例示される。
【００７０】
（Ｓｉ酸化物：０．２０％以上１．００％以下）
Ｓｉ酸化物は、スラグ形状を整え、溶接後のスラグ剥離を容易にし、さらにアークを安定化させるために、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに０．２０％以上含有させる。Ｓｉ酸化物の含有量の下限を０．３０％、又は、０．４０％としてもよい。しかし、１．００％超のＳｉ酸化物をフラックス入りワイヤに含有させると、Ｓｉ酸化物に含まれる酸素が溶融池に入りこむことで溶接金属の酸素量が増加し、溶接金属の靱性が低下する。また、過剰量の酸化物を含有させた場合、スパッタ量が増大して溶接作業性の低下と溶接欠陥の発生とを招く恐れがある。従って、Ｓｉ酸化物の含有量を１．００％以下とする。安定して低温靭性を確保するためには、上限を０．８０％、又は、０．７０％としてもよい。また、Ｓｉ酸化物としてはＳｉＯ２が例示される。
【００７１】
また、溶接金属の低温靭性を向上させるためには、溶接金属中の酸素量を極力低減させることが重要である。そのため、溶接金属の酸素源となりえる酸化物（上述されたＴｉ酸化物及びＳｉ酸化物のみならず、後述されるＡｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｎ酸化物、及び、Ｍｇ酸化物も含む）の含有量の合計と、溶接金属の酸素を低減する効果がある弗化物の含有量との比率には、適切な範囲がある。酸化物の含有量の合計量と弗化物の含有量の合計量との比（即ち、酸化物の含有量の合計量を弗化物の含有量の合計量で除して得られる値）は０．６０以下であることが望ましい。酸化物の含有量の合計量と弗化物の含有量の合計量との比の上限は０．５５、０．５０、０．４５、又は０．４０としてもよい。
【００７２】
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、スラグ成分として、上述された基本成分（必須成分）に加え、更に、溶接する鋼板の強度レベル又は求める靭性の程度に応じて、Ａｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｍｇ酸化物、炭酸塩、及び、アーク安定剤の１種又は２種以上を選択成分として含有することができる。ただし、これら選択成分が含まれない場合であっても本実施形態に係るフラックス入りワイヤは課題を解決できるので、これら選択成分の含有量の下限値は０％である。
【００７３】
（Ａｌ酸化物：好ましくは０．５０％未満、Ｃａ酸化物：好ましくは０．５０％以下、Ｍｎ酸化物：好ましくは０．５０％以下、Ｍｇ酸化物：好ましくは０．５０％以下）
Ａｌ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｎ酸化物、及び、Ｍｇ酸化物は、スラグ形状を整え、溶接後のスラグ剥離を容易にし、アークを安定にするために添加することができる。しかし、Ａｌ酸化物を０．５０％以上、Ｃａ酸化物を０．５０％超、Ｍｎ酸化物を０．５０％超、又は、Ｍｇ酸化物を０．５０％超含有させると、各金属酸化物に含まれる酸素が溶融池に入りこむことで溶接金属の酸素量が増加し、溶接金属の靱性が低下する。また、過剰量の酸化物を含有させた場合、スパッタ量が増大して溶接作業性の低下と溶接欠陥の発生とを招く恐れがある。一方、上述の効果を得るために、これらの酸化物それぞれの下限を０．０５％とすることができる。また、Ａｌ酸化物としてはＡｌ２Ｏ３、Ｃａ酸化物としてはＣａＯ、Ｍｎ酸化物としてはＭｎＯ、Ｍｇ酸化物としてはＭｇＯが例示される。
【００７４】
（炭酸塩：０．５０％以下）
炭酸塩は、アーク安定化作用を有し、さらにアーク集中性を高めることができる。炭酸塩としては、ＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＭｇＣＯ３、及びＬｉ２ＣＯ３が例示される。しかし炭酸塩を合計で０．５０％超含有させると、アークの集中性が強すぎて、スパッタ発生量が多くなる。また、炭酸塩の合計含有量の上限を０．４０％、０．２０％、０．１０％、又は、０．０７％としてもよい。
【００７５】
（アーク安定剤：０．５０％以下）
アーク安定剤をフラックス中に含有させてもよい。アーク安定剤としては、Ｎａ、又は、Ｋの酸化物又は弗化物（たとえば、Ｎａ２Ｏ、ＮａＦ、Ｋ２Ｏ、ＫＦ、Ｋ２ＳｉＦ６、Ｋ２ＺｒＦ６）がある。また、０．５０％超のアーク安定剤を含有させると、アークが強くなりすぎて、スパッタ発生量の増加などが生じる。アーク安定剤の含有量の合計を０．４０％以下、０．３０％以下、０．２０％以下、０．１０％以下に制限してもよい。なお、アーク安定剤としての酸化物及び弗化物は、上述されたスラグ形成剤としての酸化物、及び、弗化物には含めない。
【００７６】
（鉄粉：１０．０％未満）
鉄粉は、フラックス入りワイヤにおけるフラックスの充填率の調整のために、又は、溶着効率の向上のために、必要に応じてフラックス入りワイヤに含有させる場合がある。しかし、鉄粉の表層は、酸化されているので、フラックスが鉄粉を過剰に含有すると、溶接金属の酸素量を増加させて溶接金属の靭性を低下させる場合がある。したがって、鉄粉はフラックス入りワイヤに含有させなくてもよく、その含有量の下限値は０％である。充填率の調整のために鉄粉をフラックス入りワイヤに含有させる場合には、溶接金属の靭性を確保するために、鉄粉の含有量を１０．０％未満とする。
【００７７】
以上が本実施形態に係るフラックス入りワイヤの成分組成に関する限定理由であるが、その他の残部成分はＦｅと不純物である。Ｆｅ成分としては、鋼製外皮のＦｅ、フラックス中に添加された鉄粉及び合金成分中のＦｅが含まれる。不純物とは、フラックス入りワイヤを工業的に製造する際に、原料、又は製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
【００７８】
続いて、フラックス入りワイヤの形態について説明する。
図５に、フラックス入りワイヤの切断面を示す。図５（ａ）に、エッジ面を突合せて溶接して作ったフラックス入りワイヤ、図５（ｂ）に、エッジ面を突合せて作ったフラックス入りワイヤ、及び、図５（ｃ）に、エッジ面をかしめて作ったフラックス入りワイヤを示す。このように、フラックス入りワイヤには、図５（ａ）に示すように鋼製外皮にスリット状の隙間がないフラックス入りワイヤと、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように鋼製外皮のスリット状の隙間を有するフラックス入りワイヤとに大別できる。本実施形態に係るフラックス入りワイヤでは、いずれの断面構造も採用することができるが、溶接金属の低温割れを抑制するためには、スリット状の隙間がないフラックス入りワイヤ（シームレスワイヤ）とすることが好ましい。
【００７９】
溶接時に溶接部に侵入する水素は、溶接金属内及び鋼材側に拡散し、応力集中部に集積して低温割れの発生原因となる。この水素源は溶接材料が保有する水分、大気から混入する水分、鋼表面に付着した錆びやスケールなどが上げられるが、十分に溶接部の清浄性、ガスシールドの条件が管理された溶接の下では、フラックス入りワイヤ中に主として水分で含有される水素が、溶接継ぎ手の拡散性水素の主要因となる。
【００８０】
このため、鋼製外皮をスリット状の隙間がない管とし、フラックス入りワイヤ製造後から使用するまでの間に、鋼製外皮からフラックスへの大気中の水素の侵入を抑制することが望ましい。鋼製外皮にスリット状の隙間（シーム）を有する管とした場合には、大気中の水分は外皮のスリット状の隙間部からフラックス中に侵入しやすく、そのままでは、水分等の水素源の侵入を防止することはできないので、製造後使用するまでの期間が長い場合は、フラックス入りワイヤ全体を真空包装するか、乾燥した状態に保持できる容器内で保存することが望ましい。
【００８１】
また、フラックス入りワイヤの送給性を向上させるために、フラックス入りワイヤが、その表面に塗布された潤滑剤をさらに備えても良い。フラックス入りワイヤ表面に塗布される潤滑剤としては、様々な種類のもの、例えば各種の植物油を使用できるが、溶接金属の低温割れを抑制するためには、パーフルオロポリエーテル油（ＰＦＰＥ油）のように水素分を含まない油が好ましい。
【００８２】
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、通常のフラックス入りワイヤの製造方法と同様の製造工程によって製造することができる。すなわち、まず、外皮となる鋼帯、及び、合金成分、酸化物、弗化物、炭酸塩及びアーク安定剤が所定の含有量になるように配合したフラックスを準備する。鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管（Ｕ字型）に成形して鋼製外皮とし、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合せスリット状の隙間を溶接する。溶接法は電縫溶接、レーザー溶接、又は、ＴＩＧ溶接が用いられる。溶接により得られたスリット状の隙間のない管を伸線し、伸線途中又は伸線工程完了後に焼鈍処理して、所望の線径を有するスリット状の隙間のないフラックス入りワイヤを得る。また、スリット状の隙間を溶接しないスリット状の隙間有りの管とし、それを伸線することでスリット状の隙間を有するフラックス入りワイヤを得る。
【００８３】
突合せシーム溶接されて作ったスリット状の隙間が無いフラックス入りワイヤを切断した断面は、図５（ａ）のように見える。この断面は、研磨して、エッチングすれば、溶接跡が観察されるが、エッチングしないと溶接跡は観察されない。そのため、上記のようにシームレスと呼ぶことがある。例えば、溶接学会編「新版  溶接・接合技術入門」（２００８年）産報出版、ｐ．１１１には、シームレスタイプと記載されている。
【００８４】
図５（ｂ）にエッジ面を突き合わせた例を、図５（ｃ）にエッジ面をかしめた例を示すが、図５（ｂ）のように突合せてから、ろう付けしたり、図５（ｃ）のようにかしめてから、ろう付けしたりしても、スリット状の隙間が無いフラックス入りワイヤが得られる。また、図５（ｂ）、（ｃ）において、ろう付けせず、そのままのフラックス入りワイヤは、スリット状の隙間が有るワイヤとなる。
【００８５】
次に、以上説明した本実施形態に係るワイヤを用いた溶接継手の製造方法について説明する。
本実施形態に係るフラックス入りワイヤの用途は限定されず、任意の種類のシールドガスを用いた、任意の鋼材の溶接に適用することができるが、３．５％Ｎｉ鋼などの低温用鋼のガスシールドアーク溶接において特に好適に用いることができる。また、溶接の際に用いるシールドガスは、純Ａｒガス又は純Ｈｅガスのそれぞれに５〜４０ｖｏｌ％以下の範囲内でＯ２又はＣＯ２を混合させた混合ガスとすることが、溶接作業性及び溶接金属の欠陥の防止の観点から好ましい。また、電流、電圧などの溶接条件についても通常用いられている条件で良い。
【００８６】
製造される溶接継手の形状は、用途などに応じて決定され、特に限定されるものではない。通常の突合せ継手、角継手、Ｔ継手など、開先を形成する溶接継手に適用できる。したがって、溶接される鋼板の形状も、少なくとも溶接継手を形成する部分が板状であればよく、全体が板でなくともよく、たとえば、形鋼なども含むものである。また、別々の鋼板から構成されるものに限定されず、１枚の鋼板を管状などの所定の形状に成形したものの突合せ溶接継手であってもよい。
【実施例】
【００８７】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００８８】
鋼帯を長手方向に送りながら成形ロールによりオープン管に成形し、この成形途中でオープン管の開口部からフラックスを供給し、開口部の相対するエッジ面を突合わせシーム溶接することで継目無し管とし、造管したフラックス入りワイヤの伸線作業の途中で焼鈍を加え、最終のワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。フラックス入りワイヤの化学成分を表８−１〜表９−２に示す。フラックス入りワイヤのフラックスには、フラックス入りワイヤの全質量に対する質量％で１０．０％未満の鉄粉を含有させた。試作後、フラックス入りワイヤ表面には潤滑剤を塗布した。表において、ＰＦＰＥ油と記載していないものは、すべて、植物油を塗布した。また、一部は、シーム溶接をしない継目有りの管とし、それを伸線することで、ワイヤ径がφ１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。ただし、フラックス入りワイヤ全体の残部は、Ｆｅ及び不純物である。
【００８９】
【表８−１】
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【００９０】
【表８−２】
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【００９１】
【表９−１】
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【００９２】
【表９−２】
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【００９３】
このフラックス入りワイヤを用いて、ＪＩＳ  Ｚ３１１１（２００５年）に準拠して溶接金属の機械特性を評価した。すなわち、板厚が２０ｍｍの鋼板同士を、ルートギャップ１６ｍｍ、開先角度２０°で突き合わせ、同鋼板の裏当金を用いて、表１０及び表１１に示す溶接条件で溶接を実施した。鋼板の開先面及び裏当金の表面には、試験を行うフラックス入りワイヤを用いて２層以上、かつ余盛高さ３ｍｍ以上のバタリングを実施し、試験体を作成した。このバタリングにより、溶接材料の成分が母材により希釈されることが防止され、溶接材料の特性を正確に評価することができる。表１０及び表１１に示すシールドガスの組成はｖｏｌ％である。
【００９４】
【表１０】
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【００９５】
【表１１】
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【００９６】
作製した試験体から、機械試験片としてＪＩＳ  Ｚ３１１１（２００５年）に準拠したＡ０号引張り試験片（丸棒）（径＝１０ｍｍ）とシャルピー試験片（２ｍｍＶノッチ）を採取し、それぞれの機械特性試験を行って、溶接金属の引張強度及び全伸びと、−１００℃でのシャルピー吸収エネルギーを測定した。得られた機械特性の測定結果を表１２及び表１３に示す。引張強度は４５０ＭＰａ以上、全伸びは２５％以上、シャルピー吸収エネルギーは３４Ｊ以上を合格とした。
【００９７】
【表１２】
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【００９８】
【表１３】
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【００９９】
表１２及び表１３の試験結果に示されるように、本発明例であるフラックス入りワイヤは、引張強さ、伸び、及び低温靭性に優れ、且つ割れを含まない溶接金属が得られ、且つ溶接作業性が良好であった。
一方、比較例であるフラックス入りワイヤは、本発明で規定する要件を満たしていないため、溶接金属の引張強さ、伸び、及び低温靭性、並びに割れ抑制性能及び溶接作業性のうち１つ以上の項目を満足できず、不合格となった。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明によれば、Ｎｉ含有量をＮｉ系低温用鋼並みの５．５０質量％以下に低減しながら、溶接金属の低温靱性を３４Ｊ以上とすることができるフラックス入りワイヤが得られる。本発明によるフラックス入りワイヤは、ガスシールドアーク溶接において溶接施工効率に優れ、安価であり、耐高温割れ性に優れ、更に引張強さ、伸び、及び−１００℃での低温靭性が優れる溶接金属を提供することができる。特に、液化ガスや化学プラントなどに使用される低温用鋼の溶接材料として本発明は好適である。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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