(57)【要約】【課題】開先面における融合不良を発生させることなく、ビードの垂れ落ちがなく、全姿勢の溶接作業性が良好であり、裏波ビードの外観が良好であると共に、優れた耐食性を有する溶接金属を得ることができる耐食性鋼用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。【解決手段】軟鋼又は合金鋼製外皮にフラックスを充填してなる耐食性鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量あたり、ＴｉＯ２：４〜１０％、Ａｌ２Ｏ３：０．２〜０．８％、ＳｉＯ２：０．３〜１．０％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：１．０〜２．５％、Ａｌ：０．１〜０．５％、Ｍｇ：０．１〜０．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｎｉ：０．０５〜０．５％、フッ素化合物（Ｆ換算値）：０．０３〜０．１２％を含有し、ＭｇＯ：０．１％以下、ＺｒＯ２：０．２％以下に規制した。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟鋼又は合金鋼製外皮にフラックスを充填してなる耐食性鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、
ＴｉＯ２：４〜１０質量％、
Ａｌ２Ｏ３：０．２〜０．８質量％、
ＳｉＯ２：０．３〜１．０質量％、
Ｓｉ：０．５〜１．５質量％、
Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、
Ａｌ：０．１〜０．５質量％、
Ｍｇ：０．１〜０．５質量％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５質量％、
Ｃｒ：１．０〜１．５質量％、
Ｎｉ：０．０５〜０．５質量％、
フッ素化合物（Ｆ換算値）：０．０３〜０．１２質量％
を含有し、且つ
ＭｇＯ：０．１質量％以下、
ＺｒＯ２：０．２質量％以下に規制したことを特徴とする耐食性鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐食性を有する鋼材の溶接に好適である耐食性鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に、溶接金属の耐食性が良好であると共に、固定管の全姿勢溶接において優れた作業性を有し、特に上向き、立向溶接部において平滑ビードを得ることができる耐食性鋼用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。
【０００２】
【従来の技術】
荷油管と呼ばれる原油又はタンク洗浄用海水の積み下ろしに使用される固定管には、従来から耐食性鋼材が使用されている。例えば、特許文献１（特開昭５６−１４８４９１号公報）は荷油管の溶接継手に関するもので、この公報には、成分の調整により溶着金属の硬化、硬度斑の発生、靭性の低下等を防ぐ技術が開示されている。
【０００３】
特許文献２（特開昭５１−４１６５４号公報）は荷油管の溶接に使用する被覆アーク溶接棒の心線材に関するもので、従来の肉盛用に開発された心線材が持っていた欠点である予熱及び後熱の必要性又はスパッタ等を改善したものである。
【０００４】
特許文献３（特開昭５６−１３３４５１号公報）は鋳造製荷油管であって肉盛部の成分を規定することにより、可撓性継手設置場所における腐食を改善した荷油管が開示されている。
【０００５】
特許文献４（特開昭５０−８０２４４号公報）は耐海水性鋼用被覆アーク溶接棒に関する発明であり、海水による腐食環境下で耐食性が良好な溶着金属を形成する被覆アーク溶接棒に関するものである。
【０００６】
これらの４件の公知技術は、荷油管の一般的技術背景を示すものである。溶接方法が被覆アーク溶接である本発明と同じフラックス入りワイヤに関する例としては、耐食性を有する鋼材を溶接するための耐食性鋼用フラックス入りワイヤが、特許文献５（特開２０００−２８８７８１号公報）に開示されている。
【０００７】
一方、近年では、原油タンカーのパイプは海水環境にさらされ、また原油はスラッジを含むことから、耐海水性・耐腐食摩耗性が求められ、新しい鋼種が開発されている。また、耐海水性が求められる配管は、船だけではなく、現在、海辺立地の化学プラント等にも適用されることがある。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５６−１４８４９１号公報
【特許文献２】特開昭５１−４１６５４号公報
【特許文献３】特開昭５６−１３３４５１号公報
【特許文献４】特開昭５０−８０２４４号公報
【特許文献５】特開２０００−２８８７８１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特開２０００−２８８７８１号公報に記載されたフラックス入りワイヤは、Ｃｕ−Ｎｉ―Ｔｉ系高耐候性鋼材を対象としており、荷油管の新鋼種に対応できないこと、一般的な全姿勢溶接の技術にとどまり、固定管の作業性は考慮されていないこと等の問題点がある。
【００１０】
荷油管の溶接は、固定管の溶接となるため、全姿勢での良好な作業性が求められる。しかし、従来の耐食性鋼用フラックス入りワイヤによる固定管の溶接、特に上向き溶接部の溶接において、以下に示す問題点がある。即ち、溶融金属が垂れやすくなるため、ビード外観及び形状が悪化し、開先内の融合不良が発生しやすい。また、スパッタ発生量が多いと、トーチノズルにスパッタが付着し、シールド不良による気孔の発生及びビード外観の悪化が生じやすい。このように、作業性が良好であると共に、耐食性が優れている溶接金属を得ることができる耐食性鋼用フラックス入りワイヤは未だ開発されていない。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、パイプ溶接に用いる新耐食性鋼用のフラックス入りワイヤに関し、開先面における融合不良を発生させることなく、ビードの垂れ落ちがなく、全姿勢の溶接作業性が良好であり、裏波ビードの外観が良好であると共に、優れた耐食性を有する溶接金属を得ることができる耐食性鋼用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目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る耐食性鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤは、軟鋼又は合金鋼製外皮にフラックスを充填してなるガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量あたり、
ＴｉＯ２：４〜１０質量％、
Ａｌ２Ｏ３：０．２〜０．８質量％、
ＳｉＯ２：０．３〜１．０質量％、
Ｓｉ：０．５〜１．５質量％、
Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、
Ａｌ：０．１〜０．５質量％、
Ｍｇ：０．１〜０．５質量％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５質量％、
Ｃｒ：１．０〜１．５質量％、
Ｎｉ：０．０５〜０．５質量％、
フッ素化合物（Ｆ換算値）：０．０３〜０．１２質量％
を含有し、且つ
ＭｇＯ：０．１質量％以下、
ＺｒＯ２：０．２質量％以下に規制したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願発明者等は本発明の課題を解決するために、含有成分及びその含有量を種々に変化させたフラックス入りワイヤを製造して鋼材を溶接し、そのワイヤ組成が溶接金属の腐食特性、固定管での開先面の融合不良及び裏波ビード外観、並びに全姿勢での溶接作業性に対して及ぼす影響について、鋭意実験研究を重ねた。その結果、以下の知見を得た。
【００１４】
先ず、荷油管としての耐海水性・耐腐食摩耗性を確保するためには、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉが必須成分となる。
【００１５】
Ｃｕは耐食性、Ｃｒは耐食性に加え耐磨耗性、Ｎｉは耐食性を向上させる効果があり、必須の添加成分である。しかし、溶接金属に含まれる上記成分は溶接金属の機械的性質に大きく影響を与え、特に溶接金属の強度上昇をもたらす。この強度上昇は、過剰な強度が溶接金属の耐割れ性の劣化となるため、問題である。このため、Ｓｉ及びＭｎを下げることにより、過剰な強度上昇を避けるという手段を採用した。しかしながら、Ｓｉ及びＭｎを下げることは溶融金属の粘性低下を招き、固定管のような全姿勢溶接の場合には溶融金属の垂れ落ちを助長してビード外観が劣化するという難点がある。
【００１６】
これを解決するために、本願発明者等は比較的添加量が少なくても溶融金属の粘性を変えることができる強脱酸剤（Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ等）を種々検討した。その結果、これらの強脱酸剤の中でＡｌ及びＭｇの添加が効果的であり、溶接作業性及び溶接金属の機械的性質に悪影響を及ぼさず、且つビード垂れの防止に対して、最も効果があることがわかった。しかし、これらのＡｌ及びＭｇのみの添加では、ビードの垂れ防止に対する安定性に欠けていた。本発明者等は、この原因はＳｉを下げたことによる悪影響と考えた。そこで、少量のＳｉの添加により、この影響は若干改善できた。しかし、この少量のＳｉの添加ではビードの垂れ落ち防止にとって充分ではないため、更にスラグ形成剤についても、固定管の全姿勢作業性を良好にするために、種々検討した結果、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＯによりスラグの粘性及び流動性を調整することを試みた。その結果、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３を適正量添加することで、ビードの垂れ落ち防止の安定性を確保することができた。
【００１７】
しかし、耐食性鋼用であるため、Ｃｕ、Ｃｒ及びＮｉの添加は必須であり、このことがスパッタの増加及び溶滴の移行不良ももたらす。この結果スパッタ量の増大につながり、特に固定管の上向き溶接での溶接トーチノズル部へのスパッタ付着によるシールド不良という問題点が生じる。従って、固定管の溶接にはスパッタの低減が極めて重要な問題となる。この解決にスラグの基本組成を見直した。スラグ組成の各成分の影響を調査した結果、一般的にはスラグの融点を高めて全姿勢溶接の垂れ落ち防止に有効とされ、全姿勢用フラックス入りワイヤには積極的に添加されているＺｒＯ２とＭｇＯの量を逆に低減すると、特にスパッタ低減に効果的なことを見出した。以上のようにして本発明は完成されたものである。
【００１８】
以下、本発明の各成分の添加理由及び組成限定理由について説明する。
【００１９】
ＴｉＯ２：４〜１０質量％
ＴｉＯ２は、一般的にはスラグ形成剤及びアーク安定剤として作用する。ＴｉＯ２が４質量％未満では、溶融金属を支えるだけのスラグ量を確保することができず、溶融金属が垂れ落ちてしまう。また、ＴｉＯ２が１０質量％を超えるとアークが不安定となり、スパッタの発生が増加する。このため、ＴｉＯ２は４〜１０質量％にするが、より好ましくは、５〜８質量％である。なお、ＴｉＯ２を供給する原料としては、ルチール及びルコキシン等がある。
【００２０】
Ａｌ２Ｏ３：０．２〜０．８質量％
Ａｌ２Ｏ３は、スラグ凝固点を上昇させる作用を有する。Ａｌ２Ｏ３が０．２質量％未満ではその効果はなく溶融金属が垂れてしまう。Ａｌ２Ｏ３が０．８質量％を超えると、ビード外観、形状が劣化する。このため、Ａｌ２Ｏ３は０．２〜０．８質量％とするが、より好ましくは、０．４〜０．７質量％である。
【００２１】
ＳｉＯ２：０．３〜１．０質量％
ＳｉＯ２は、スラグ形成剤及びアーク安定剤としての作用がある。ＳｉＯ２が０．３質量％未満ではアークが不安定となってスパッタの発生が増加し、１．０質量％を超えるとスラグが固くなりスラグ剥離が劣化する。このため、ＳｉＯ２は０．３〜１．０質量％とするが、より好ましくは０．４〜０．７質量％である。
【００２２】
Ｓｉ：０．５〜１．５質量％
Ｓｉは前述の如く脱酸剤として作用する。Ｓｉが０．５質量％未満では、脱酸不足のため、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が発生したり、溶融金属の垂れ落ちが生じ易くなる。Ｓｉが１．５質量％を超えると、スラグの垂れ落ちが生じ易くなり、溶融金属の垂れ落ちを生じ、また靭性が劣化する。このため、Ｓｉは０．５〜１．５質量％にするが、より好ましくは、０．６〜１．２質量％である。なお、Ｓｉを供給する原料としては、金属Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ又はＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等がある。
【００２３】
Ｍｎ：１．０〜２．５質量％
Ｍｎは脱酸剤として作用すると共に、溶接金属における強度及び靱性を向上させる作用がある。Ｍｎが１．０質量％未満では脱酸不足のため、溶接部にブローホール等の溶接欠陥が発生したり、強度及び靱性が劣化したりする。Ｍｎが２．５質量％を超えると、溶接金属の強度が大きくなりすぎて低温割れが生じ易くなる。本発明ではＭｎは強度を下げるために、一般の軟鋼用フラックス入りワイヤに比較して低目となる。好ましくは、Ｍｎ含有量は１．３〜２．０質量％である。なお、Ｍｎを供給する原料としては、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ又はＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等がある。
【００２４】
Ａｌ：０．１〜０，５質量％
Ａｌは本発明では重要な役割を演じる。前述したようにＳｉ、Ｍｎの低減により溶融金属の粘性が下がるという悪影響を改善する効果を持つ。これはＭｇとの共存によりその効果が助長される。ＡｌとＭｇの両者を所定の範囲に制御することは必須である。Ａｌが０．１質量％未満では溶融金属の垂れ落ちが生じ易くなり、０．５質量％を超えるとビード形状が劣化する。このため、Ａｌは０．１〜０．５質量％とするが、より好ましくは、０．２〜０．４質量％である。なお、Ａｌを供給する原料としては、金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ又はＡｌ−Ｍｇ等がある。
【００２５】
Ｍｇ：０．１〜０．５質量％
Ｍｇは前述したように重要な成分である。Ｓｉ、Ｍｎの低減により溶融金属の粘性が下がるという悪影響を改善する効果を、Ａｌと共にＭｇを添加することで得られる。この効果はＡｌとＭｇの共存により助長される。ＡｌとＭｇの両者を所定の範囲に制御することは必須である。Ｍｇが０．１質量％未満では溶融金属の垂れ落ちが生じ易くなり、０．５質量％を超えるとビード形状が劣化する。このため、Ｍｇは０．１〜０．５質量％とするが、より好ましくは、０．２〜０．４質量％である。なお、Ｍｇを供給する原料としては、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ等がある。
【００２６】
Ｃｕ：０．０５〜０．５質量％
Ｃｕは耐食性の観点から必須の成分である。Ｃｕは電気化学的に鉄より貴な元素であり、安定さび層の生成を促進し、耐食性を向上させる効果を有する。Ｃｕが０．０５質量％未満では所望の性能が得られない。Ｃｕが０．５質量％を超えると、それ以上添加してもその添加量に見合う効果は得られず、逆に脆化と耐割性劣化を引き起こす。また、必要以上過剰に添加することになり、スパッタの増加をもたらす。このため、Ｃｕは０．０５〜０．５質量％とする。
【００２７】
Ｃｒ：１．０〜１．５質量％
Ｃｒは、Ｃｕと同様に、耐食性を向上させるためと特に本発明においては耐磨耗性を付与するために添加される元素であり、Ｃｒを１．０質量％以上含有しないとその効果は発揮されない。また、Ｃｒを過剰に添加すると、強度を上昇させ靭性の低下を招くことから、上限を１．５質量％とする。
【００２８】
Ｎｉ：０．０５〜０．５質量％
Ｎｉは、耐食性を付与するために、溶接金属に添加される元素であり、そのためには、０．０５質量％以上添加する必要がある。一方、Ｎｉの添加量が０．５質量％を超えると、強度が高くなり過ぎ、靭性低下させるため、上限を０．５質量％とする。
【００２９】
フッ素化合物（Ｆ換算値）：０．０３〜０．１２質量％
フッ素化合物をＦ換算で０．０３〜０．１２質量％添加する。フッ素化合物がＦ換算値で０．０３質量％未満では、溶接金属の拡散性水素量が増大して低温割れの感受性が大きくなる。また、フッ素化合物がＦ換算値で０．１２質量％を超えると、ヒューム、スパッタ量が増加する。なお、アルカリ金属フッ化物を供給する原料としては、珪フッ化カリウム、珪フッ化ナトリウム、フッ化ソーダ、フッ化リチウム又は氷晶石等があげられる。
【００３０】
ＭｇＯ：０．１質量％以下
ＭｇＯを規制することが本発明の特徴である。一般的な全姿勢の作業性を改善したフラックス入りワイヤでは、ＭｇＯは積極的に添加されることが多い。これはスラグの粘性及び融点を上昇させ、スラグによる溶融金属の保持を図ったものではあり通常全姿勢では有効な手段である。しかし本発明においてはスパッタの増加による弊害のほうが大きく、むしろ抑制すべき成分であることを見出した。ＭｇＯが含有されるとスパッタ発生量が際立って増加して溶接トーチノズルに付着し、シールドガスの正常な流れを阻害するため、積極添加はしない。不純物として含有されるのも０．１質量％以下に抑える必要が有り、より好ましくは０．０５質量％以下に制限する。ＭｇＯが含まれる原料としては、マグネシアクリンカー、マグネサイト、オリビンサンド等がありこれらは含有されても０．１質量％以下に抑える。
【００３１】
ＺｒＯ２：０．２質量％以下
ＺｒＯ２も全姿勢の作業性を重視したフラックス入りワイヤにおいては積極添加される成分である。しかし、本発明ではＭｇＯと同様に、ＺｒＯ２を添加されるとスパッタの発生が増加するため、ＺｒＯ２は０．２質量％以下に規制するが、より好ましくは０．１質量％以下である。
【００３２】
なお、本発明において、ワイヤ表面の状態及びワイヤ断面におけるフラックスの充填形状には何等制限はない。ワイヤ表面はＣｕ等によりメッキを施してもよく、メッキを施さなくても良い、ワイヤ断面形状は通電性等を安定させるべく、外表面は円形とすることが好ましいが、その内表面の形状については制約がない。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、比較例と比較して説明する。先ず、鋼製（ＪＩＳ  Ｇ  ３１４１  ＳＰＣＣ）外皮中にフラックスを充填し、ワイヤ全質量に対するフラックスの割合が１５〜２０質量％となるようにして、ワイヤ径１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを作製した。各実施例及び比較例のワイヤの組成を下記表１及び表２に示す。表１及び表２における組成は、ワイヤ全質量あたりの含有量である。また、表１において、上限値及び下限値の欄は、特許請求の範囲に規定された範囲の上限値及び下限値である。なお、ｔｒとは微量を意味する。また、この表１及び表２の残部の欄は、フラックスの残部であり、鉄粉の量を示す。ワイヤ組成としては、その他に、外皮及び不可避的不純物がある。外皮は、全て軟鋼である。なお、フッ素化合物は珪フッ化カリウム、珪フッ化ナトリウム、フッ化ソーダ、フッ化リチウム又は氷晶石等を使用し、そのＦ換算値が下記表１及び表２に記載の値となるように添加した。
【００３４】
【表１】
2004230456.tif 000002
【００３５】
【表２】
2004230456.tif 000003
【００３６】
このワイヤを用いて、固定管（直径が４００ｍｍ）の上向き溶接での溶融金属の垂れ、スパッタ発生量、ビード外観、形状、及びアーク安定性を評価した。この結果を下記表３及び表４に示す。なお、耐食性及び耐磨耗性については別途加速試験を行った。
【００３７】
【表３】
2004230456.tif 000004
【００３８】
【表４】
2004230456.tif 000005
【００３９】
溶接条件は、試験材がＪＩＳ  Ｇ３４５７  ＳＴＰＹ４００で、外径が４００ｍｍ、厚さが１６ｍｍであった。溶接電流は２４０〜２６０アンペア、溶接姿勢は固定管の上向き溶接であった。
【００４０】
耐食性及び耐磨耗性の試験条件は、試験方法が回転式腐食摩耗試験であり、試験片材はＪＩＳ  Ｇ３４５７  ＳＴＰＹ４００、外径が４００ｍｍ、厚さが１６ｍｍであった。
【００４１】
珪砂を含有する人工海水をパイプの内部に充填して、周速度ｌｍ／秒にて２４時間回転させ、試験後の質量減を溶接部の質量減量と、母材の質量減量とを分離して測定した。また、評価基準は下記表５に示すとおりである。
【００４２】
【表５】
2004230456.tif 000006
【００４３】
実施例１〜８は本願特許請求の範囲の規定を満足するため、表４に示す全ての特性を満足している。更に、より好ましい範囲を満足している組成が多い実施例３及び５は総合評価においても最も好ましい結果であった。
【００４４】
一方、比較例１〜２４は特許請求の範囲のいずれかの規定を満足していないので、総合評価としては満足しないものであった。比較例はＴｉＯ２の上限を超えており、スパッタ発生量が多く、アーク安定性も欠くものであった。比較例２はＴｉＯ２の下限未満であり、溶融金属の垂れを生じた。比較例３はＡｌ２Ｏ３の上限を超えており、ビード形状ビード外観の点で劣っていた。比較例４はＡｌ２Ｏ３の下限未満であり、溶融金属の垂れを生じた。比較例５はＳｉＯ２の上限を超えており、スラグ剥離性で劣っていた。比較例６はＳｉＯ２の下限未満であり、スパッタ発生量が多く、アーク安定性も欠くものであった。比較例７はＳｉの上限を超えており、溶融金属の垂れを生じた。比較例８はＳｉの下限未満であり、溶融金属の垂れを生じた。比較例９はＭｎの上限を超えており、溶融金属の垂れを生じた。また、比較例９は強度過多であり、低温割れの問題があった。比較例１０はＭｎの下限未満であり、脱酸不足であった。比較例１１はＡｌの上限を超えており、ビード形状が劣っていた。比較例１２はＡｌの下限未満であり、溶融金属の垂れを生じた。比較例１３はＭｇの上限を超えており、ビード形状が劣っていた。比較例１４はＭｇの下限未満であり、溶融金属の垂れを生じた。比較例１５はＣｕの上限を超えており、スパッタ発生量が多く、また耐割れ性が劣化した。比較例１６はＣｕの下限未満であり、耐食性が劣化した。比較例１７はＣｒの上限を超えており、強度過多であり、低温割れの問題があった。比較例１８はＣｒの下限未満であり、耐食性及び耐磨耗性が劣化した。比較例１９はＮｉの上限を超えており、強度過多であり低温割れの問題があった。比較例２０はＮｉの下限未満であり、耐食性が劣化した。比較例２１はＦ換算量の上限を超えており、スパッタ発生量が多く、またヒューム発生量も多かった。比較例２２はＦ換算量の下限未満であり、低温割れの問題があった。比較例２３はＭｇＯの上限を超えており、スパッタ発生量が多かった。比較例２４はＺｒＯ２の上限を超えており、スパッタ発生量が多かった。
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、開先面における融合不良を発生させることなく、ビードの垂れ落ちを防止し、全姿勢の溶接作業性を向上させることができる。また、ビードの外観が良好であると共に、優れた耐食性を有する溶接金属を得ることができる。
【手続補正書】
【提出日】平成15年2月19日(2003.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
これらの４件の公知技術は、荷油管の一般的技術背景を示すものであり、溶接方法が被覆アーク溶接である。本発明と同じフラックス入りワイヤに関する例としては、耐食性を有する鋼材を溶接するための耐食性鋼用フラックス入りワイヤが、特許文献５（特開２０００−２８８７８１号公報）に開示されている。