(57)【要約】【課題】高Ｃｒの溶接材料であっても、融合不良やビード形状不良等の溶接欠陥を抑制することで、溶接の自動化（連続して自動溶接すること）が可能となるガスシールドアーク溶接ワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法を提供する。【解決手段】ワイヤ全質量あたり質量％で、Ｃ：０．０１〜０．５０％、Ｓｉ：０．０１〜１．５０％、Ｍｎ：０．１０〜２．５０％、Ｃｒ：５〜１５％、Ｎｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍｏ：０．１〜２．０％、Ｖ：０．１〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％、Ｓ：０．００１０〜０．０２００％、Ｏ：０．０２５％以下（０％を含む）を含有し、かつ、下記式（１）を満足することを特徴とするガスシールドアーク溶接ワイヤ。  ３．０≦（Ｎｂ＋１０×ＲＥＭ）／（Ｓ＋Ｏ）≦２００．０  ・・・（１）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ全質量あたり
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜２．５０％、
Ｃｒ：５〜１５％、
Ｎｉ：０．０５〜１．５０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｖ：０．１〜１．０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％、
Ｓ：０．００１０〜０．０２００％、
Ｏ：０．０２５％以下（０％を含む）
を含有し、かつ、下記式（１）を満足することを特徴とするガスシールドアーク溶接ワイヤ。
３．０≦（Ｎｂ＋１０×ＲＥＭ）／（Ｓ＋Ｏ）≦２００．０  ・・・（１）
【請求項２】
ワイヤ全質量あたり
質量％で、
Ｎ：０．０１〜０．１０％、
Ｗ：３．０％以下（０％を含む）、
Ｃｏ：３．０％以下（０％を含む）、
Ｔａ：０．５％以下（０％を含む）、
Ｂ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｃｕ：２．０％以下（０％を含む）
をさらに含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からな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ワイヤ。
【請求項３】
前記Ｎｂおよび前記ＲＥＭの含有量の比率が、下記式（２）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
１．０≦Ｎｂ／ＲＥＭ≦８０．０  ・・・（２）
【請求項４】
前記ＲＥＭは、ＬａおよびＣｅを必須とし、前記Ｌａおよび前記Ｃｅの比率が、下記（３）式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
０．２≦Ｌａ／Ｃｅ≦１．１  ・・・（３）
【請求項５】
ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％、
Ｓ：０．００１０〜０．０２００％、
を含有し、かつ、下記式（４）および下記式（５）を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接ワイヤ。
０．１０≦Ｏ／Ｓ≦４．００  ・・・（４）
０．３０≦ＲＥＭ／（Ｓ＋Ｏ）≦６．５０・・・（５）
【請求項６】
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ワイヤを用い、シールドガス雰囲気中で溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
【請求項７】
前記シールドガスの組成が、
体積％で、
ＡｒまたはＨｅが１００％である不活性ガス、若しくはＡｒまたはＨｅの含有量が９０％以上である混合ガスを用いることを特徴とする請求項６に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【請求項８】
前記シールドガスの組成が、
体積％で、
ＣＯ２が１００％であるガス、またはＣＯ２の含有量が９０％以上である混合ガスを用い、
前記溶接ワイヤ側の極性をマイナス極とすることを特徴とする請求項６に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動化溶接に好適なガスシールドアーク溶接ワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電に構成される発電ボイラは、高温高圧の環境下において長時間安定して使用できる材料が必要であり、溶接材料に関しても特に高温強度に優れた材料が求められる。従来、この溶接材料には高Ｃｒ鋼が用いられ、例えば、特許文献１や特許文献２に開示のものが挙げられる。
【０００３】
特許文献１は、高温高圧の環境下で作動する火力発電プラント等の溶接で用いられるフェライト系耐熱鋼用溶接材料に関するものである。当該文献によれば、規定範囲内で化学組成を調整することにより、ガスメタルアーク溶接（Ｇａｓ  Ｍｅｔａｌ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＧＭＡＷ）等の比較的手間のかからない簡便な溶接を行うだけで、溶着金属の機械的強度を高くすることができ、さらに溶接作業性を向上できることが開示されている。
【０００４】
特許文献２は、溶接材料に関し、特に高温強度に優れた８〜１３％Ｃｒ鋼をガスメタルアーク（ＧＭＡ）溶接する際に好適な溶接材料およびＧＭＡ溶接方法に関するものである。当該文献によれば、規定範囲内で化学組成を調整することにより、ＧＭＡ溶接を可能とした溶接材料について開示されている。また、この溶接材料を用い、ＡｒガスおよびＨｅガスの混合ガスからなるシールドガス中の酸素濃度を０．２５％以下とすることで、アーク安定性に優れた溶接方法についても開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−９３２８７号公報
【特許文献２】特開２００１−２１９２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように、高温高圧の環境下における機械的性能や溶接作業性が求められる一方で、溶接効率の向上の観点から、発電ボイラ等に用いられる耐熱鋼の溶接自動化（ロボットによる自動化を含む）に関する技術が望まれる。しかし、耐熱鋼の溶接において、ＧＭＡＷを行うと、溶接中の溶融池表面および溶融池の際に強固なＣｒ酸化物が形成される。そして、形成されたＣｒ酸化物による湯流れの阻害や、Ｃｒ酸化物を起点とする陰極点分散によって生じるアーク偏向によって、融合不良やビード形状不良等の溶接欠陥が生じる。この溶接欠陥は、２パス以上の多層盛溶接において特に顕著に生じるため、多層盛溶接を必須とする発電ボイラ等に用いられる耐熱鋼の溶接において自動化は困難であった。そのため、従来は常に人の監視を必要とするガスタングステンアーク溶接（Ｇａｓ  Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＧＴＡＷ）のような高品質溶接や、手動の被覆アーク溶接が用いられてきた。
【０００７】
特許文献１では、高Ｃｒ鋼の機械的性能に特化して着目されており、Ｃｒに関してはその含有量を８．０〜１４．０質量％必要とすることが開示されているが、溶接中に生じるＣｒ酸化物の影響においては特に考慮されておらず、自動化の妨げとなるＣｒ酸化物に起因した溶接欠陥についても考慮されていない。
【０００８】
また、特許文献２では、Ｃｒ含有量が８〜１３重量％のＧＭＡ溶接材料とその溶接方法について開示され、ＲＥＭ（希土類金属元素）を添加することで、アーク安定性が向上することが開示されているが、溶融池表面に生じるＣｒ酸化物については何ら考慮されておらず、湯流れの阻害が起き、融合不良やビード形状不良等の溶接欠陥が生じやすくなるため、本技術を自動化に適用することは難しい。
【０００９】
よって、本発明は、高Ｃｒの耐熱鋼用溶接材料であっても、融合不良やビード形状不良等の溶接欠陥を抑制することで、溶接の自動化（連続して自動溶接すること）が可能となるガスシールドアーク溶接ワイヤおよびガスシールドアーク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】
【００１０】
上記課題を解決する本発明のガスシールドアーク溶接ワイヤは、ワイヤ全質量あたり質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．５０％、
Ｓｉ：０．０１〜１．５０％、
Ｍｎ：０．１０〜２．５０％、
Ｃｒ：５〜１５％、
Ｎｉ：０．０５〜１．５０％、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｖ：０．１〜１．０％、
Ｎｂ：０．０１〜０．２０％、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％、
Ｓ：０．００１０〜０．０２００％、
Ｏ：０．０２５％以下（０％を含む）
を含有し、かつ、下記式（１）を満足することを特徴とするガスシールドアーク溶接ワイヤである。
３．０≦（Ｎｂ＋１０×ＲＥＭ）／（Ｓ＋Ｏ）≦２００．０  ・・・（１）
【００１１】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接ワイヤは、ワイヤ全質量あたり質量％で、
Ｎ：０．０１〜０．１０％、
Ｗ：３．０％以下（０％を含む）、
Ｃｏ：３．０％以下（０％を含む）、
Ｔａ：０．５％以下（０％を含む）、
Ｂ：０．００５％以下（０％を含む）、
Ｃｕ：２．０％以下（０％を含む）
をさらに含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接ワイヤは、前記Ｎｂおよび前記ＲＥＭの含有量の比率が、下記式（２）を満足することを特徴とする。
１．０≦Ｎｂ／ＲＥＭ≦８０．０  ・・・（２）
【００１３】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接ワイヤは、前記ＲＥＭは、ＬａおよびＣｅを必須とし、前記Ｌａおよび前記Ｃｅの比率が、下記（３）式を満足することを特徴とする。
０．２≦Ｌａ／Ｃｅ≦１．１  ・・・（３）
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接ワイヤは、
ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％、
Ｓ：０．００１０〜０．０２００％以下、
を含有し、かつ、下記式（４）および下記式（５）を満足することを特徴とする。
０．１０≦Ｏ／Ｓ≦４．００  ・・・（４）
０．３０≦ＲＥＭ／（Ｓ＋Ｏ）≦６．５０・・・（５）
【００１５】
上記課題を解決する本発明のガスシールドアーク溶接方法は、上記のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接ワイヤを用い、シールドガス雰囲気中で溶接することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法である。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接方法は、前記シールドガスの組成が、体積％で、ＡｒまたはＨｅが１００％である不活性ガス、若しくはＡｒまたはＨｅの含有量が９０％以上である混合ガスを用いることを特徴とする。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接方法は、前記シールドガスの組成が、体積％で、ＣＯ２が１００％であるガス、またはＣＯ２の含有量が９０％以上である混合ガスを用い、前記溶接ワイヤ側の極性をマイナス極とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るガスシールドアーク溶接ワイヤおよびガスシールドアーク溶接方法によれば、アークを安定化させつつ、溶接中の溶融池表面に発生するＣｒ酸化物を抑制することによって、融合不良やビード形状不良等の溶接欠陥を抑制し、溶接の自動化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る溶接システムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は、実施例における溶接試験板の開先形状を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、高温割れ性評価を行う溶接試験板の開先形状を示す模式図（正面図）である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、高温割れ性評価を行う溶接試験板の開先形状を示す模式図（平面図）である。
【図４】図４は、シャルピー衝撃試験片及びクリープ試験片の試験片採取位置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るガスシールドアーク溶接ワイヤおよびこれを用いたガスシールドアーク溶接方法を実施するための形態（実施形態）について説明する。
【００２１】
なお、本明細書では、ガスシールドアーク溶接ワイヤを単に「溶接ワイヤ」または「ワイヤ」と呼ぶ場合がある。また、以下、％は特に断りの無い限り、質量％を意味する。また、「〜」とはその下限の値以上、その上限の値以下であることを意味する。
【００２２】
＜溶接ワイヤ＞
本発明に係る溶接ワイヤの形態は、特に問わず、ソリッドワイヤでも良いし、フラックス入りワイヤでも良い。
【００２３】
ソリッドワイヤは、ワイヤ断面が中実で断面同質になっている針金状のワイヤとなる。ソリッドワイヤにはその表面に銅めっきを施すものと施さないものがあるが、どちらの形態であっても良い。
【００２４】
フラックス入りワイヤは、筒状を呈する外皮と、その外皮の内側に充填されたフラックスとで構成される。なお、フラックス入りワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であっても良い。また、フラックス入り溶接ワイヤは、ワイヤ表面（外皮の外側）に銅メッキを施されていても施されていなくても良い。なお、外皮の材質は特に問わず、軟鋼であろうともステンレス鋼であろうとも良く、溶接ワイヤ全重量における組成が規定範囲となっていれば特に制限は無い。
【００２５】
さらに、本発明に係る溶接ワイヤは、所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、ＲＥＭ、ＳおよびＯを含有し、Ｎｂ、ＲＥＭ、Ｓ、Ｏの含有量がそれぞれ所定の関係を満たすことを特徴とする。また、必要に応じて、Ｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｂ、Ｃｕを含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物で構成されることが好ましい。
【００２６】
以下、溶接ワイヤの各成分量の数値範囲を、その限定理由と共に説明する。なお、成分量は、ワイヤの全質量に対する割合で規定する。なお、フラックス入りワイヤに関しては、外皮とフラックスにおける成分量の総和で表わし、ワイヤ（外皮＋フラックス）に含まれる各成分の質量をワイヤの全質量に対する割合で規定する。
【００２７】
（Ｃ：０．０１〜０．５０％）
Ｃは炭化物を形成させ、溶接金属のクリープ強度を確保するために必要な元素となる。また、オーステナイト安定化元素としても機能し、溶接金属中のδフェライト相の残存を抑制する。しかし、Ｃ含有量が０．０１％を下回ると、炭化物が形成されず、十分なクリープ強度が確保されず、また靱性が劣化する。一方、Ｃ含有量が０．５０％を超えると、高温割れの感受性が高まる。さらに、炭化物の析出量が増大し、強度過多による靱性の劣化も起こり、またクリープ強度にも劣る。したがって、Ｃ含有量は０．０１〜０．５０％の範囲で規定する。なお、より好ましいＣ含有量の上限は０．１５％であり、より好ましいＣ含有量の下限は０．０４％である。
【００２８】
（Ｓｉ：０．０１〜１．５０％）
Ｓｉは脱酸剤として作用し、溶接金属中の酸素を低減させることで、溶接金属の強度や靱性を向上させる。しかし、Ｓｉ含有量が０．０１％を下回ると、脱酸効果が弱くなるため、クリープ強度および靱性が劣化し、また融合不良などの溶接欠陥を生じやすくなる。一方、Ｓｉ含有量が１．５０％を超えると、スラグ量過多となり、多層盛り溶接時のアーク不安定やスラグ巻込みといった溶接欠陥の発生を助長させる。また、強度過剰による靱性劣化が起こる。したがって、Ｓｉ含有量は０．０１〜１．５０％の範囲で規定する。なお、より好ましいＳｉ含有量の上限は０．８０％であり、より好ましいＳｉ含有量の下限は０．０１％である。
【００２９】
（Ｍｎ：０．１０〜２．５０％）
ＭｎはＳｉと同様、脱酸剤として作用し、溶接金属の強度や靱性を向上させる。さらに、Ｍｎはオーステナイト安定化元素としても機能し、溶接金属中のδフェライト相の残存を抑制する。しかし、Ｍｎ含有量が０．１０％を下回ると、脱酸効果が弱くなるため、靱性が劣化する。一方、Ｍｎ含有量が２．５０％を超えると、スラグ量過多となり、多層盛り溶接時のアーク不安定やスラグ巻込みといった溶接欠陥の発生を助長させる。また、炭化物が粗大に成長しクリープ強度が劣化する。したがって、Ｍｎ含有量は０．１０〜２．５０％の範囲で規定する。なお、より好ましいＭｎ含有量の上限は１．８０％であり、より好ましいＭｎ含有量の下限は０．４０％である。
【００３０】
（Ｃｒ：５〜１５％）
Ｃｒは高温高圧の環境下に用いられる耐熱鋼用溶接ワイヤにおいて必須とされる主要元素であって、溶接金属の耐酸化性、耐食性及びクリープ強度を確保する。しかし、Ｃｒ含有量が５％を下回ると、炭化物の析出量が低下し、クリープ強度が劣化する。一方、Ｃｒ含有量が１５％を超えると、高温感受性割れを高めるとともに、δフェライト量過多によるクリープ強度および靭性の劣化が起こる。したがって、Ｃｒ含有量は５〜１５％の範囲で規定する。なお、より好ましいＣｒ含有量の上限は１２％であり、より好ましいＣｒ含有量の下限は８％である。
【００３１】
（Ｎｉ：０．０５〜１．５０％）
Ｎｉはオーステナイト安定化元素として機能し、溶接金属中のδフェライト相の残存を抑制する。しかし、Ｎｉ含有量が０．０５％を下回ると、δフェライト相の残存を抑制できず、靱性の劣化が起こる。一方、Ｎｉ含有量が１．５０％を超えると、溶接金属のＡｃ１変態点が低下するためＰＷＨＴ（溶接後熱処理；Ｐｏｓｔ  Ｗｅｌｄ  Ｈｅａｔ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）の温度設定を制限しなければならない他、炭化物が粗大に成長しクリープ強度が劣化する。したがって、Ｎｉ含有量は０．０５〜１．５０％の範囲で規定する。なお、より好ましいＮｉ含有量の上限は１．００％であり、より好ましいＮｉ含有量の下限は０．０５％である。
【００３２】
（Ｍｏ：０．１〜２．０％）
Ｍｏは固溶強化元素であり、溶接金属中に固溶し、クリープ強度を向上させる。しかし、Ｍｏ含有量が０．１％を下回ると、クリープ強度の向上効果が得られない。一方、２．０％を超えると、Ｍｏはフェライト生成元素であるため、δフェライト相が残存し、靱性の劣化が起こる。したがって、Ｍｏ含有量は０．１〜２．０％の範囲で規定する。なお、より好ましいＭｏ含有量の上限は１．２％であり、より好ましいＭｏ含有量の下限は０．２％である。
【００３３】
（Ｖ：０．１０〜１．００％）
Ｖは炭窒化物を生成して、溶接金属のクリープ強度を向上させる析出強化元素である。しかし、Ｖ含有量が０．１０％を下回ると、クリープ強度の向上効果が得られない。一方、Ｖ含有量が１．００％を超えると、析出物過多による強度過剰によって靱性劣化や炭窒物粗大化によるクリープ性能劣化が起こる。したがって、Ｖ含有量は０．１０〜１．００％の範囲で規定する。なお、より好ましいＶ含有量の上限は０．２５％であり、より好ましいＶ含有量の下限は０．１５％である。
【００３４】
（Ｎｂ：０．０１〜０．２０％）
（ＲＥＭ：０．００１〜０．０５０％）
（Ｓ：０．００１〜０．０２０％）
（Ｏ：０．０２５％以下（０％を含む））
上述の通り、Ｃｒは高温高圧の環境下に用いられる耐熱鋼用溶接ワイヤにおいて必須とされる主要元素であるが、溶接金属のクリープ強度または靱性の観点で最適とする、本実施形態の規定範囲でＣｒが含有されると、溶接中の溶融池表面や溶融池の際に強固なＣｒ酸化物が形成される。このＣｒ酸化物は溶融池の湯流れを阻害し、融合不良といった溶接欠陥を引き起こす。この溶融池の湯流れを阻害する要因は、比較的酸素との親和性が高いＣｒ酸化物であるＣｒ２Ｏ３の融点が２３３４℃と高く、溶融池表面上に酸化膜が生じることにある。この酸化膜を抑制するためには、Ｃｒよりも酸素との親和性が高く、かつ酸化物の融点が低い元素の添加が有効である。
【００３５】
本発明者らは、これらの特性を満たす元素としてＮｂを見出した。ＮｂはＣｒよりも酸素との親和性が高く、酸化物であるＮｂ２Ｏ５の融点は鉄の融点（１５３８℃）よりも低い１４９０℃である。よって、Ｎｂを溶接ワイヤ中に適量添加することにより、Ｃｒ酸化物の生成を抑制し、結果として溶融池の湯流れが改善する。このＣｒ酸化物の抑制効果を発揮するためには、Ｎｂ添加量が０．０１％以上必要である。一方、ＮｂはＰＷＨＴ時に炭化物または窒化物を形成し、溶着金属のクリープ強度を向上させる効果を有しつつも、過剰に添加すると炭化物または窒化物の析出量が増大し、溶接金属の強度過剰による靱性劣化が生じることから、Ｎｂ添加量は０．２０％以下に抑える必要がある。また、Ｎｂの過剰添加は粒界に低融点化合物を形成し、高温割れが起きやすい。したがって、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．２０％の範囲で規定する。
【００３６】
しかし、Ｎｂの適量添加により溶融池の湯流れは改善できるものの、単純にＮｂを添加しただけでは、アーク不安定が起こるという新たな課題が発生する。アークは溶融池上の酸化物が陰極点として作用し、アークを安定化させるのであるが、Ｎｂを添加することにより、Ｃｒ酸化物が抑制されるため、陰極点が安定に供給されず、結果としてアーク不安定となり、溶接作業性が劣化する。特に、発電ボイラ機器の溶接では、靱性を確保するために、例えばＡｒやＨｅ等の不活性ガスを用いて、酸素量を可能な限り下げる必要があるため、アーク不安定の課題はより顕著になる。
【００３７】
低酸素雰囲気におけるアークの安定化方法として、従来例としてＲＥＭの添加が挙げられる。その理由は、ＲＥＭは酸素との親和性が高く（例えばＣｅは、Ｃｒ、Ｎｂよりも親和性が高い）、かつ、生成するＲＥＭ酸化物は仕事関数も低いという特性から、陰極点として安定するからである。しかし、Ｎｂを添加した場合、溶融池の湯流れが改善した影響により、溶融池表面に生成したＲＥＭ酸化物は溶融池の際の方へ流れやすくなり、溶融池の際の方へアークが偏向する（すなわち、アークが不安定になる）。これは、低酸素雰囲気によって、生成するＲＥＭ酸化物の生成量が少ないということが要因の一つである。したがって、Ｎｂを添加しつつ、ＲＥＭの添加でアーク安定化を図るためには、酸素量を制限しつつ、陰極点を安定的に供給させなければならない。
【００３８】
本実施形態では、アーク安定化のために、ＲＥＭに加えてＳを適量添加することで解決を図った。従来からＳは過剰に含まれると低融点化合物を形成し、溶接割れ感受性を高めると考えられているため、極力低く抑えることが必要とされている。しかし、ＲＥＭはＯのみならずＳとの親和性も高く、硫化物としても生成しやすい。この硫化物は酸化物より若干仕事関数が高いものの、陰極点として作用する分には十分低く、低酸素雰囲気化において、アーク安定化に大きく寄与する。ＲＥＭ硫化物の仕事関数について、例えばＣｅの場合、ＣｅＳの仕事関数は３．９ｅＶであり、酸化物のＣｅ２Ｏ３は３．２ｅＶである。このように硫化物の方が若干仕事関数は高いものの、アーク安定化に大きな差異はなく、硫化物であっても十分にアーク安定化に作用する。
【００３９】
上述の通り、Ｏを極力抑えるという大前提のもと、Ｎｂ、ＲＥＭ、Ｓを適量添加することにより、アーク安定化を維持しつつ、湯流れの改善を達成することができる。溶接ワイヤ中のＯ含有量は、靱性または湯流れの観点から低いほど良いため、下限は特に限定されない（すなわち、０％を含む）。一方、０．０２５％を超えて、過剰に存在すると、Ｃｒ酸化物が発生して、溶融池の湯流れを阻害し、溶接欠陥が発生する。また、発生した酸化物が脆性破壊の起点となり、靱性が劣化することから、Ｏは０．０２５％以下に規定する。
【００４０】
ＲＥＭおよびＳはアーク安定化のため、ＲＥＭは０．００１％以上、Ｓは０．００１％以上必要となる。一方、ＲＥＭは過剰に添加すると、ＲＥＭ酸化物が過剰に生成し、靱性劣化の原因となるため、０．０５０％以下とする。また、Ｓは過剰に添加すると、溶接割れ感受性を高めるため、０．０２０％以下とする。したがって、ＲＥＭの含有量は０．００１〜０．０５０％の範囲で規定すると良く、アーク安定化の観点から、好ましくは０．０１０〜０．０４０％の範囲とするのが良い。Ｓの含有量は、０．００１〜０．０２０％の範囲で規定すると良く、アーク安定化の観点から、好ましくは０．００２〜０．０２０％の範囲とするのが良い。
【００４１】
なお、ＲＥＭの添加形態は特に問わず、フラックス入りワイヤであれば、フラックス中に添加しても良いし、鋼皮（フープ）中や鋼皮表面に添加しても良い。また、ソリッドワイヤであれば鋼中または鋼表面に添加しても良い。しかし、アーク安定性の観点から、フラックス入りワイヤにおいて、フラックス中にＲＥＭを添加する方法が最も好ましい。
【００４２】
さらに、Ｎｂ、ＲＥＭ、Ｓ、Ｏは上述の各規定範囲に加え、下記式（１）を満足する必要がある。なお、式（１）中のＮｂ、ＲＥＭ、Ｓ、Ｏは、ワイヤ全質量あたりのそれぞれの含有量（質量％）であるが、単位を省略している。後述する式（２）〜式（５）においても同様である。
３．０≦（Ｎｂ＋１０×ＲＥＭ）／（Ｓ＋Ｏ）≦２００．０  ・・・（１）
式（１）の値（パラメータ）が、３．０を下回ると、Ｎｂ、ＲＥＭに対しＳ、Ｏの添加量が過剰に多くなることから、溶融池の湯流れ劣化、アーク不安定化または靱性劣化が起こる。一方、２００．０を超えると、Ｓ、Ｏに対しＮｂ、ＲＥＭの添加量が過剰に多くなることから、Ｎｂ炭化物の生成やＲＥＭ酸化物の過剰生成により靱性が劣化する。したがって、式（１）の値は３．０〜２００．０の範囲で規定する。
【００４３】
なお、ＮｂとＲＥＭの添加量の比率：Ｎｂ（質量％）／ＲＥＭ（質量％）は、湯流れの改善とアーク安定化両面の最も効果的な範囲として、下記式（２）を満足することが好ましい。
１．０≦Ｎｂ／ＲＥＭ≦８０．０  ・・・（２）
なお、より好ましいＮｂ／ＲＥＭの上限は１２．０であり、より好ましいＮｂ／ＲＥＭの下限は１．５である。
【００４４】
本実施形態で規定するＲＥＭの元素は特に問わない。例えば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等の元素から１種のみを選択しても良いし、２種以上を組み合せても良いが、硫化物の仕事関数が低く、かつ酸化物の仕事関数の値とほぼ変わらないという観点から、Ｌａ、Ｃｅを選択することが好ましい。また、実験的知見より、アークをより安定化させるためには、ＬａとＣｅの比率：Ｌａ（質量％）／Ｃｅ（質量％）が下記式（３）を満足することが好ましい。
０．２≦Ｌａ／Ｃｅ≦１．１  ・・・（３）
なお、より好ましいＬａ／Ｃｅの上限は１．０であり、より好ましいＬａ／Ｃｅの下限は０．４である。
【００４５】
また、酸化物を抑制して、ＲＥＭの硫化物を安定的に生成するためには、ＯとＳの比率：Ｏ（質量％）／Ｓ（質量％）が、下記式（４）を満足することが好ましく、かつ、ＲＥＭとＳおよびＯとの関係：ＲＥＭ（質量％）/（Ｓ＋Ｏ（質量％））が、下記式（５）を満足することが好ましい。
０．１０≦Ｏ／Ｓ≦４．００  ・・・（４）
０．３０≦ＲＥＭ／（Ｓ＋Ｏ）≦６．５０・・・（５）
なお、より好ましいＯ／Ｓの上限は３．００であり、より好ましいＯ／Ｓの下限は０．２０である。また、より好ましいＲＥＭ／（Ｓ＋Ｏ）の上限は５．００であり、より好ましいＲＥＭ／（Ｓ＋Ｏ）の下限は１．００である。
【００４６】
また、本実施形態では、Ｎ、Ｗ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｂ、Ｃｕを適量加えてもよい。
【００４７】
ＮはＮｂやＶと結合し、窒化物として析出することにより、クリープ強度を向上させる効果がある。クリープ強度の向上を見込むことができるＮの好ましい添加量は０．０１％以上０．１０％以下の範囲である。また、より好ましいＮ添加量の上限は０．０８％であり、より好ましいＮ添加量の下限は０．０１％である。
【００４８】
Ｗは固溶強化元素であり、溶接金属の強度が向上する。溶接金属の強度調整に添加するため、下限は特に規定しない（０％を含む）が、強度とともに靱性を確保するためには、３．０％以下に抑えることが好ましく、２．５％以下がより好ましい。
【００４９】
Ｃｏはδフェライトの生成を抑制し、クリープ強度を向上させる効果がある。必要に応じて添加すれば良いため下限は特に規定しない（０％を含む）。一方、靱性の劣化を抑制しつつ、クリープ強度を向上させるためには、上限として３．０％以下に抑えることが好ましく、２．５％以下がより好ましい。
【００５０】
Ｔａは、炭化物を生成することで、クリープ強度を向上させる効果がある。必要に応じて添加すれば良いため下限は特に規定しない（０％を含む）。一方、靱性の劣化を抑制しつつ、クリープ強度を向上させるためには、上限として０．５％以下に抑えることが好ましい。
【００５１】
Ｂは結晶粒界の炭化物粗大化を抑制し、クリープ強度を向上させる効果がある。必要に応じて添加すれば良いため下限は特に規定しない（０％を含む）。一方、靱性の劣化を抑制しつつ、クリープ強度を向上させるためには、上限として０．００５％以下に抑えることが好ましい。
【００５２】
Ｃｕはオーステナイト安定化元素として機能し、溶接金属中のδフェライト相の残存を抑制する効果がある。必要に応じて添加すれば良いため下限は特に規定しない（０％を含む）。一方、靱性の劣化を抑制しつつ、クリープ強度を向上させるためには、上限として２．０％以下に抑えることが好ましい。なお、Ｃｕはワイヤ中に添加しても良いし、Ｃｕめっきの形態として添加されるのでも良い。
【００５３】
さらに、本発明の溶接ワイヤは必要に応じて、上記範囲内でＮ、Ｗ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｂ、Ｃｕを添加しつつ、残部がＦｅおよび不可避不純物とすることが好ましい。不可避不純物は、溶製時に不可避的に混入する不純物であり、溶接ワイヤの諸特性を害さない範囲で含有され得る。不可避不純物としては、例えばＰ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ等が挙げられる。不可避不純物として含有することが許容される許容量としては、具体的に、Ｐであれば０．００５％未満、Ｓｎであれば０．００３％未満、Ｓｂであれば０．００３％未満、Ｔｉであれば０．０１％未満、Ａｌであれば０．０１％未満、Ｚｒであれば０．０１％未満である。なお、本実施形態においては、本実施形態の効果を阻害しない範囲であれば、上記した不可避不純物の元素を積極的に含有させるのでも良く、また、上記した不可避不純物以外の元素を積極的に含有させるのでも良い。
【００５４】
さらに、本実施形態の溶接ワイヤの直径は、０．９〜１．６ｍｍの範囲であることが好ましい。ワイヤの直径が０．９ｍｍ以上であれば、高い溶接電流を流すことが可能となり、アーク力を高めることができる。その結果、アークの指向性が増すことによって、よりアーク安定性が増す。一方、ワイヤの直径を１．６ｍｍ以下であれば、ピンチ力によって、より溶滴が離脱しやすくなるため、溶滴移行が安定し、溶接作業性が良好になる。なお、より好ましいワイヤの直径の上限は１．４ｍｍであり、より好ましいワイヤの直径の下限は１．０ｍｍである。
【００５５】
＜ガスシールドアーク溶接方法＞
次に、本発明の溶接ワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法について説明する。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。本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法は、溶接トーチを介して溶接ワイヤを送給し、シールドガスを流しながら溶接を行う方法であって、図１に示すような溶接システム（溶接装置）によって自動で連続溶接することを特徴とする。
【００５６】
（溶接システム）
本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法に用いるための溶接システムの構成は特に限定されず、従来のガスシールドアーク溶接に用いられている溶接システムを用いることができる。例えば図１に示すように溶接システム１は、溶接トーチ１１が先端に取り付けられ、その溶接トーチ１１をワークＷの溶接線に沿って移動させるロボット１０と、溶接トーチ１１に溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部（図示しない）と、溶接ワイヤに電流を供給し、溶接ワイヤとワークとの間でアークを発生させる溶接電源部３０を備える。また、溶接システム１は、溶接トーチ１１を移動させるためのロボット動作を制御するロボット制御部２０と、ロボット制御部２０に接続され、ロボット１０への指令をロボット制御部２０に出力するための教示装置４０を備える。
【００５７】
（シールドガス）
本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法で用いられるシールドガスは、特に限定されず、Ａｒガス、Ｈｅガス、炭酸ガス（二酸化炭素：ＣＯ２）、酸素ガス（Ｏ２）及びこれらの混合ガス等を用いることができる。これらには不純物としてＮ２、Ｈ２等が含まれていても良い。その中でも、シールドガスとしてＡｒガス、Ａｒ含有混合ガス、Ｈｅガス又はＨｅ含有混合ガスを適用することは、溶融金属中の酸素量をより低減することが可能であることから好ましいと言える。シールドガスとして、Ａｒ含有混合ガス又はＨｅ含有混合ガスを用いる場合には、Ａｒガス又はＨｅガスが９０体積％以上含まれることがより好ましい。さらに、１００体積％Ａｒガス又は１００体積％Ｈｅガス（不可避不純物を含む）を用いることは最も好ましい。
【００５８】
また、本実施形態に係るシールドガスとして、ＣＯ２が１００体積％であるガス、またはＣＯ２の含有量が９０体積％以上である混合ガスを用い、溶接ワイヤ側の極性をマイナス極とすることが、溶接作業性および溶け込み確保の観点より好ましい。
【００５９】
シールドガスの流量は、３０Ｌ／分以下、１０Ｌ／分以上が好ましい。この範囲に規定することによって、流出するガスは層流となり、大気の巻き込みを防止するのに適している。
【００６０】
（電流制御）
溶接電源部３０は直流用の電源でも、交流用の電源でも良く、電源の種類は特に問わない。また、電流の波形制御の指令は直線でも良く、矩形や三角形状といったパルス波形で行っても良い。また、極性は正極性（ＥＮ：Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｎｅｇａｔｉｖｅ）でも良いし、逆極性（ＥＰ：Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）でも良い。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００６２】
表１〜４に、本実施例に用いた溶接ワイヤを示す。この溶接ワイヤを用い、以下に示す溶接条件により溶接を行った（ワイヤ線径、溶接電流、アーク電圧および溶接速度は、実施例および比較例の全てにおいて固定）。なお、ここで説明する溶接条件は一例であり、本実施形態では、以下の溶接条件に限定されるものではない。また、表５〜９において、アーク安定性、ビード外観、溶接欠陥（融合不良、スラグ巻き込み、ブローホール等）、高温割れ性、靱性およびクリープ強度についての評価結果を示す。
【００６３】
＜溶接条件＞
ワイヤ線径：１．２ｍｍ
溶接電流：２８０Ａ
アーク電圧：３０Ｖ
溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ
その他条件は、表１〜４および表５〜９中に記載。
【００６４】
なお、表１〜４において、各成分組成における「−」なる表記は、組成分析における検出限界未満であることを意味する。
【００６５】
供試母材としてＡＳＴＭ  Ａ３６鋼を使用し、図２に示す開先形状とした。また、開先面を表１に示す化学組成のワイヤを使用して表１０に示す溶接条件に基づいてバタリングして実施した。溶接後は、７４０℃の温度で４時間のＰＷＨＴを施した。
【００６６】
＜評価方法＞
（アーク安定性）
溶接時のアーク安定性は、アーク長の変動を、遮光面を用いた目視と高速度ビデオカメラによって撮影した動画から判断した。高速ビデオカメラの動画は１０００ｆｐｓで３０秒間撮影を行った場合の、アーク偏向の回数を目視でカウントした。評価：「◎」はアーク偏向の回数が１０回未満であることを示し、評価：「○」は変動値が１０回以上３０回未満であることを示し、評価：「×」は変動値が３０回以上であり、かつ遮光面を用いた目視観察でアーク不安定が確認できるほどにアーク長の変動が大きいものであることを示す。
【００６７】
（ビード外観）
溶接後のビードの蛇行、ハンピング、及びアンダカットの溶接欠陥等のビード表面について、目視で判断した。これらのいずれかの溶接欠陥が一つでも確認された場合を、評価：「×」（不良）と判断し、溶接欠陥が確認されなかった場合を評価：「○」（良）と判断した。
【００６８】
（溶接欠陥（融合不良、スラグ巻き込み、ブローホール等））
多層盛り溶接後の融合不良、スラグ巻き込み、ブローホール等の溶接欠陥は、放射線透過試験にて判断した。放射線透過試験は、ＡＳＴＭ  Ｅ１０３２に準拠し、その判定基準はＡＳＭＥ  ＳＦＡ−５．２８（“１１．Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｔｅｓｔ”）に従った。放射線透過試験において、ＡＳＭＥ  ＳＦＡ−５．２８の判定基準を満足するものを評価：「○」（合格）、上記判定基準を満足しないものを評価：「×」（不合格）と判断した。
【００６９】
（高温割れ性）
各ワイヤの高温割れ性を下記の通りに従って評価した。ＧＭＡＷでは溶接ビード表面及び内部の高温割れが問題となり易いため、図３Ａ及び図３Ｂに示す開先形状の試験板を用い、パイプ開先内のＧＭＡＷを模擬した１パス溶接を実施した。そして、外観試験および浸透探傷試験を行って、溶接ビード表面について高温割れの有無を確かめた。浸透探傷試験はＪＩＳ  Ｚ２３４３−１に準拠して行った。外観試験および浸透探傷試験にて不良がなかったものをそれぞれ評価：「○」（合格）、不良があったものを評価：「×」（不合格）と判断した。
【００７０】
（靱性）
靱性の評価は、全溶着金属の靱性をシャルピー衝撃試験で行った。全溶着金属の靭性の評価には、ＰＷＨＴ後の溶着金属の板厚中央部から溶接線と法線方向（継手方向）にＡＷＳ  Ｂ４．０に準拠した１０ｍｍ角の２ｍｍ−Ｖノッチ（サイドノッチ）のシャルピー衝撃試験片を供した。また、試験温度は２０℃、試験数は３としてその平均値を求めた。なお、図４にシャルピー衝撃試験片の試験片採取位置及びクリープ試験片の試験片採取位置を示す。全溶着金属の靭性は、２０℃におけるシャルピー衝撃試験における吸収エネルギー（ｖＥ＋２０℃）の３点平均が６５Ｊ以上のものを評価：「◎」（合格）、４５Ｊ以上６５Ｊ未満のものを評価：「○」（合格）、４５Ｊ未満のものを評価：「×」（不合格）と判断した。
【００７１】
（クリープ強度）
全溶着金属のクリープ強度を評価するためクリープ試験を行った。全溶着金属のクリープ強度の評価には、溶着金属の板厚中央部から溶接線方向にクリープ試験片（試験片直径：φ６．０ｍｍ、平行部長さ：３０．０ｍｍ、ダンベル型）を供した。クリープ試験は試験温度を６５０℃、初期負荷応力を１００ＭＰａとし、クリープ破断時間が９００ｈ以上のものを評価：「◎」（合格）、７００ｈ以上９００ｈ未満のものを評価：「○」（合格）、７００ｈ未満のものを評価：「×」（不合格）と判断した。
【００７２】
【表１】
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【００７３】
【表２】
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【００７４】
【表３】
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【００７５】
【表４】
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【００７６】
【表５】
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【００７７】
【表６】
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【００７８】
【表７】
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【００７９】
【表８】
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【００８０】
【表９】
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【００８１】
【表１０】
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【００８２】
表５〜８におけるテストＮｏ．１〜Ｎｏ．１０３は、本発明の要件を満足する表１〜３のワイヤＷ１〜Ｗ８８を用いた例であり、アーク安定性、ビード外観、溶接欠陥（融合不良、スラグ巻き込み、ブローホール等）、高温割れ性、靱性およびクリープ強度のいずれにおいても優れた結果が得られた。
【００８３】
また、上述した好ましい実施形態の要件を満足する実施例は、アーク安定性、靱性またはクリープ強度の少なくともいずれかにおいて、より良好な結果を得ることができた。
【００８４】
これに対し、表９のテストＮｏ．１０４〜Ｎｏ．１２８は、本発明の要件を満足しない表４のワイヤＷ８９〜Ｗ１１３を用いた例であり、以下の不具合を有している。
【００８５】
テストＮｏ．１０４は、ワイヤ中のＲＥＭ量が少なく、アーク安定性およびビード外観に劣っていた。
【００８６】
テストＮｏ．１０５は、ワイヤ中のＲＥＭ量が多く、靱性に劣っていた。
【００８７】
テストＮｏ．１０６は、ワイヤ中のＮｂ量が少なく、多層肉盛り時における溶接欠陥を生じた。
【００８８】
テストＮｏ．１０７は、ワイヤ中にＮｂを添加しておらず、多層肉盛り時における溶接欠陥を生じた。
【００８９】
テストＮｏ．１０８は、ワイヤ中にＮｂを添加しておらず、かつ、Ｔａを添加しており、多層肉盛り時における溶接欠陥を生じた。
【００９０】
テストＮｏ．１０９は、ワイヤ中にＮｂ量が多く、靱性に劣っていた。
【００９１】
テストＮｏ．１１０は、ワイヤ中のＳ量が少なく、アーク安定性に劣っていた。
【００９２】
テストＮｏ．１１１は、ワイヤ中のＳ量が多く、高温割れ性に劣っていた。
【００９３】
テストＮｏ．１１２は、ワイヤ中のＯ量が多く、スラグ巻き込みによる溶接欠陥を生じ、また靱性に劣っていた。
【００９４】
テストＮｏ．１１３は、ワイヤ中のＣ量が少なく、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【００９５】
テストＮｏ．１１４は、ワイヤ中のＣ量が多く、高温割れ性、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【００９６】
テストＮｏ．１１５は、ワイヤ中のＳｉ量が少なく、融合不良などの溶接欠陥を生じるとともに、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【００９７】
テストＮｏ．１１６は、ワイヤ中のＳｉ量が多く、スラグ巻き込みによる溶接欠陥を生じた。
【００９８】
テストＮｏ．１１７は、ワイヤ中のＭｎ量が少なく、靱性に劣っていた。
【００９９】
テストＮｏ．１１８は、ワイヤ中のＭｎ量が多く、スラグ巻き込みによる溶接欠陥を生じ、高温割れ性、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【０１００】
テストＮｏ．１１９は、ワイヤ中のＣｒ量が少なく、クリープ強度に劣っていた。
【０１０１】
テストＮｏ．１２０は、ワイヤ中のＣｒ量が多く、融合不良による溶接欠陥、高温割れ性、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【０１０２】
テストＮｏ．１２１は、ワイヤ中のＮｉ量が少なく、靱性に劣っていた。
【０１０３】
テストＮｏ．１２２は、ワイヤ中のＮｉ量が多く、クリープ強度に劣っていた。
【０１０４】
テストＮｏ．１２３は、ワイヤ中のＭｏ量が少なく、クリープ強度に劣っていた。
【０１０５】
テストＮｏ．１２４は、ワイヤ中のＭｏ量が多く、靱性に劣っていた。
【０１０６】
テストＮｏ．１２５は、ワイヤ中のＶ量が少なく、クリープ強度に劣っていた。
【０１０７】
テストＮｏ．１２６は、ワイヤ中のＶ量が多く、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【０１０８】
テストＮｏ．１２７は、上述の式（１）の上限を外れたため、靱性に劣っていた。
【０１０９】
テストＮｏ．１２８は、上述の式（１）の下限を外れたため、溶接欠陥を生じ、アーク安定性、ビード外観、靱性およびクリープ強度に劣っていた。
【符号の説明】
【０１１０】
１  溶接システム
１０  ロボット
１１  溶接トーチ
２０  ロボット制御部
３０  溶接電源部
４０  教示装置
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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