(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０５質量％未満、Ｎ：０．０５５質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％を超え、０．５０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である溶接ワイヤと、
ＣａＦ２：２〜３０質量％、ＣａＯ：２〜２０質量％、ＭｇＯ：２０〜４０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜２５質量％、ＳｉおよびＳｉＯ２の合計：５〜２５質量％（ＳｉＯ２換算）を含有し、ＢａＯ：２５質量％以下、ＺｒＯ２：１０質量％以下、ＴｉＯ２：５質量％未満に規制した溶接フラックスと
を組み合わせて用い、
母材として、Ｃ：０．０７〜０．１４質量％を含有する高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼を用いる
ことを特徴とする高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法。
【請求項２】
溶接ワイヤがさらに、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂの群から選択される１種類以上を含有し、
そのとき、Ｍｎ：２．２０質量％以下、Ｎｉ：１．００質量％以下、Ｃｒ：１０．５０質量％以下、Ｍｏ：１．２０質量％以下、Ｖ：０．４５質量％以下、Ｎｂ：０．０８０質量％以下、Ｗ：２．０質量％以下、Ｃｏ：３．０質量％以下、Ｂ：０．００５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法。
【請求項３】
母材として、Ｃ：０．０７〜０．１４質量％、Ｓｉ：０．５０質量％以下、Ｍｎ：０．７０質量％以下、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｎｉ：０．５０質量％以下、Ｃｒ：８．００〜１１．５０質量％、Ｍｏ：０．２５〜１．１０質量％、Ｖ：０．１５〜０．３５質量％、Ｎｂ：０．０４〜０．１０質量％、Ｎ：０．０３〜０．１０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法。
【請求項４】
前記高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼が、さらにＣｕ：１．７０質量％以下、Ｂ：０．０６０質量％以下、Ｗ：２．５０質量％以下、Ｃｏ：３．０質量％以下を含有することを特徴とする請求項３に記載の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングル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、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ（Creep Strength-Enhanced Ferritic：クリープ強度強化フェライト）鋼のシングルサブマージアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電ボイラやタービン、脱硫や改質（重油分解）用の化学反応容器（リアクタ）は、高温、高圧で運転されるため、材料としては、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、２．２５Ｃｒ−１．０Ｍｏ鋼、２．２５Ｃｒ−１．０Ｍｏ−Ｖ鋼などが適用されている。近年、重油の有効利用や石油精製において、さらなる高能率化が求められており、８質量％以上のＣｒを含有する高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼の適用が検討されている。高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼には、ＡＳＴＭ（American Society for Testing and Materials：米国材料試験協会）規格やＡＳＭＥ（American Society of Mechanical Engineers：米国機械協会）規格に規定されるＳＡ３８７Ｇｒ．９１、ＳＡ２１３Ｇｒ．Ｔ９１等がある。
【０００３】
火力発電ボイラやタービン、リアクタは、鍛造リングやパイプ、曲げ加工鋼板を適宜組み合わせて溶接される。ちなみに鍛造リングは、板厚１５０〜４５０ｍｍ、最大外径７ｍ弱、全長数〜数１０ｍにもなる。火力発電ボイラやタービン、リアクタの溶接方法としては、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接が用いられる。また、火力発電ボイラやタービン、リアクタは、構造上、溶接部分の割合が大きくなるため、溶接材料の低減、溶接の高能率化が強く求められている。
【０００４】
一般的に、溶接材料の低減に対しては、開先幅を狭く、かつ、開先角度を小さくした狭開先を用いる方法がある。また、高能率化に対しては、サブマージアーク溶接が、他の溶接方法と比較して高能率であることから多用されている。しかし、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のサブマージアーク溶接では、開先幅を狭くしたり、開先角度を小さくする方法はいずれも、溶接時の高温割れに対しては、不利な条件となる。サブマージアーク溶接における高温割れを抑制し、溶接の高能率化を図る技術としては、以下のような技術が開示されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、ＮｂおよびＮを含有し、ＭｎおよびＮｉの総量を所定量に規制すると共に、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｗ、ＣｏおよびＯを所定量に規制し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤが開示されている。そして、特許文献１では、Ｃを０．０７０〜０．１５０質量％とし、かつ、Ｐ、Ｓをいずれも０．０１０質量％以下に規制することによって、高温割れを抑制している。
【０００６】
また、特許文献２には、所定量のＣ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＡｌおよびＮを含有し、かつ、ＳｉおよびＯを所定量に限定したワイヤと、所定量のＣａＦ２、ＣａＯおよびＭｇＯの１種または２種、Ａｌ２Ｏ３およびＺｒＯ２の１種または２種、Ａｌを含有し、かつ、ＳｉＯ２を所定量に限定した溶接フラックスとを組み合わせて溶接を行う９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のサブマージアーク溶接方法が開示されている。そして、特許文献２では、Ｃを０．０１〜０．１５ｗｔ％、Ａｌを０．００５〜１．５ｗｔ％、Ｓｉを０．０５ｗｔ％以下としたワイヤと、ＳｉＯ２を５ｗｔ％以下（Ｓｉを実質的に含有せず）、ＣａＦ２を２５〜７０ｗｔ％とした溶接フラックスとを組み合わせることで、高温割れを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４４７６０１８号公報
【特許文献２】特許第２５２９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の技術では、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のサブマージアーク溶接において、以下の問題がある。
特許文献１の改良９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼用溶接ワイヤにおいては、ワイヤ径が２．４ｍｍφと細径ワイヤであるがために、アークの広がりに乏しく融合不良が発生しやすくなって健全な溶接部が得られない。また、ワイヤ径を４．０ｍｍφに太径化してサブマージアーク溶接を行うと高温割れが発生する。
【０００９】
特許文献２の９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のサブマージアーク溶接方法においては、ワイヤおよび溶接フラックスが低Ｓｉ設計であるため、初層のビート形状やなじみ性が劣化して、積層溶接部に融合不良やスラグ巻込みを引き起こす。すなわち、溶接部の健全性が低下する。
【００１０】
一般的に、溶接能率を高めるためには、溶接入熱を上げる、すなわち、溶接電流、アーク電圧を高め、溶接速度を低めにすることによって可能となる。しかし、溶接入熱を上げると、特に狭開先では溶込み形状がなし型となりやすく、高温割れの発生リスクが高まる。ここで問題となる高温割れは、溶着金属中に含まれるＰ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎｂによる低融点化合物が凝固時にデンドライト間やオーステナイト結晶粒界に偏析し、さらに溶接収縮ひずみが加わって発生するいわゆる高温割れである。そのため、高温割れの抑制策として、溶接材料の化学成分調整、具体的には、Ｐ、Ｓ等の不純物を超高純度（ＥＨＰ：Extra High Purity）溶解で１００ｐｐｍ以下に抑えることは効果的である。しかしながら、超高純度溶解は、電子ビーム溶解や専用の特殊炉壁耐火材を使わざるを得ないことから経済的に難点がある。このため一般的な不純物レベルでも高温割れの発生を抑制できる技術が求められている。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接において、初層の高温割れを抑制することができる溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼の初層サブマージアーク溶接金属の高温割れについて鋭意原因究明を行った。その結果、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼の初層サブマージアーク溶接金属の高温割れは、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼母材から希釈によって溶接金属へＣがピックアップされ、このことによって溶融金属の融点が低下して、高温割れが発生することを突き止めた。ちなみに、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のＣ含有量は、ＡＳＴＭ Ａ１８２ Ｇｒ．Ｆ９１は０．０８〜０．１２質量％、Ｇｒ．Ｆ９２は０．０７〜０．１３質量％、Ｇｒ．Ｆ１２２は０．０７〜０．１４質量％、Ｇｒ．Ｆ９１１は０．０９〜０．１３質量％である。
【００１３】
さらに、鋭意研究を進めた結果、Ｃ：０．０５質量％未満、Ｎ：０．０５５質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％を超え０．３０質量％以下を含有するワイヤと、ＣａＦ２：２〜３０質量％、ＣａＯ：２〜２０質量％、ＭｇＯ：２０〜４０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜２５質量％、ＳｉおよびＳｉＯ２の合計：５〜２５質量％（ＳｉＯ２換算）を含有し、ＢａＯ：２５質量％以下、ＺｒＯ２：１０質量％以下、ＴｉＯ２：５質量％未満に規制したフラックスを組み合わせてサブマージアーク溶接を行うことによって、溶接能率、溶接部の健全性を確保した上で、初層の高温割れを抑制できることを見出した。
【００１４】
なお同研究では、特にワイヤに関して、３０８Ｌや３０９Ｌといったオーステナイト系ステンレス、インコネル６２５、インコネル８２、ハステロイといったＮｉ基の成分系のワイヤについても検討した。結論として、このような成分系のワイヤは、初層に積層される溶接金属が高Ｎｉ組成になることから、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼溶接継手に対して適用することはできないと判断した。
【００１５】
そこで、本発明の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法は、Ｃ：０．０５質量％未満、Ｎ：０．０５５質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％を超え、０．３０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である溶接ワイヤと、ＣａＦ２：２〜３０質量％、ＣａＯ：２〜２０質量％、ＭｇＯ：２０〜４０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜２５質量％、ＳｉおよびＳｉＯ２の合計：５〜２５質量％（ＳｉＯ２換算）を含有し、ＢａＯ：２５質量％以下、ＺｒＯ２：１０質量％以下、ＴｉＯ２：５質量％未満に規制した溶接フラックスとを組み合わせて用いることを特徴とする。
【００１６】
かかる溶接方法によれば、特定の組成を有する溶接ワイヤと特定の組成を有する溶接フラックスとを組み合わせて、シングルサブマージアーク溶接を行うことによって、母材からのＣのピックアップによる初層の高温割れを抑制させることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法は、溶接ワイヤがさらに、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂの群から選択される１種類以上を含有し、そのとき、Ｍｎ：２．２０質量％以下、Ｎｉ：１．００質量％以下、Ｃｒ：１０．５０質量％以下、Ｍｏ：１．２０質量％以下、Ｖ：０．４５質量％以下、Ｎｂ：０．０８０質量％以下、Ｗ：２．０質量％以下、Ｃｏ：３．０質量％以下、Ｂ：０．００５質量％以下であることが好ましい。
【００１８】
かかる溶接方法によれば、溶接ワイヤに特定の元素を含有させることによって、さらに靱性を改善したり、クリープ破断強度を向上させること等が可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法は、初層の高温割れ、すなわち、最初の１層１パス目の高温割れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の溶接方法における狭開先の形状、溶接金属の初層の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の溶接方法におけるチップ（溶接チップ）の形状を示す正面図である。
【図３】図２に示すチップの側面図である。
【図４】図２に示すチップのチップ先端部側の端面図である。
【図５】本発明の溶接方法におけるチップの形状を示す正面図である。
【図６】本発明の溶接方法におけるチップの形状を示す正面図である。
【図７】本発明の溶接方法におけるチップの形状を示す正面図である。
【図８】本発明の溶接方法におけるチップの形状を示す正面図である。
【図９】本発明の溶接方法におけるチップの形状を示す正面図である。
【図１０】本発明の溶接方法におけるチップの形状を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施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。
本発明の溶接方法は、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法である。特に、図１に示すような、狭開先における初層溶接、特に１層１パス目の溶接に好適に用いられる。
【００２２】
＜母材＞
本発明のシングルサブマージアーク溶接方法は、母材（被溶接材）として高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼を対象とするものである。ここで、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼とは、８質量％以上のＣｒを含有するＣＳＥＦ鋼のことをいう。高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼には、各種の規格がある。例えば、ＡＳＴＭ規格やＡＳＭＥ規格に規定されたＳＡ３８７Ｇｒ．９１、Ｇｒ．１２２、Ｇｒ．９２、Ｇｒ．９１１およびＳＡ２１３Ｇｒ．Ｔ９１、ＥＮ規格（European standards：欧州規格）に規定されたＸ１０ＣｒＭｏＶＮｂ９−１、並びに火力技術規準に規定された火ＳＦＶＡＦ２８、火ＳＦＶＡＦ２９、火ＳＴＢＡ２８、火ＳＴＰＡ２８、火ＳＣＭＶ２８等がある。
【００２３】
好ましい母材の化学成分としては、所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎを含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。あるいはさらに所定量のＣｕ、Ｂ、Ｗ、Ｃｏを含有してもよい。具体的には、Ｃ：０．０７〜０．１４質量％、Ｓｉ：０．５０質量％以下、Ｍｎ：０．７０質量％以下、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｎｉ：０．５０質量％以下、Ｃｒ：８．００〜１１．５０質量％、Ｍｏ：０．２５〜１．１０質量％、Ｖ：０．１５〜０．３５質量％、Ｎｂ：０．０４〜０．１０質量％、Ｎ：０．０３〜０．１０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。さらにＣｕ：１．７０質量％以下、Ｂ：０．０６０質量％以下、Ｗ：２．５０質量％以下、Ｃｏ：３．０質量％以下を含有してもよい。
【００２４】
＜溶接ワイヤ＞
本発明のシングルサブマージアーク溶接方法で用いる溶接ワイヤは、Ｃ：０．０５質量％未満、Ｎ：０．０５５質量％以下、Ｓｉ：０．０５質量％を超え、０．５０質量％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である。以下、各構成の数値限定理由について説明する。
【００２５】
（溶接ワイヤのＣ：０．０５質量％未満）
初層の高温割れは、母材希釈によって溶融金属のＣが過剰となり、溶融金属の融点が低下することによって引き起こされる。本発明が対象とする高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼は、クリープ強度を確保するために高Ｃ含有率設計となっている。調査の結果、初層サブマージアーク溶接の母材希釈率は５０％前後にまでなることが判明した。溶接条件調整による母材希釈の低減はある程度可能ではあるが、施工バラツキも考慮した溶接材料の成分設計が不可避である。以上のことから、溶接ワイヤのＣ含有量を０．０５質量％未満とする。
【００２６】
（溶接ワイヤのＮ：０．０５５質量％以下）
Ｎ（窒素）は、高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼およびその溶接金属においては、クリープ強度向上に有効に作用する元素として知られている。しかしながら、０．０５５質量％を超えて、過剰に含有すると、スラグ焼付きが発生する。このため、溶接ワイヤのＮ含有量は、０．０５５質量％以下とする。溶接ワイヤのＮ含有量の好ましい上限は０．０５質量％である。
【００２７】
（溶接ワイヤのＳｉ：０．０５質量％を超え、０．５０質量％以下）
Ｓｉは、溶融金属の粘性を調整してビード形状を整える作用を有する。しかし、Ｓｉ含有量が０．０５質量％以下であると、その効果が得られず、なじみ性が劣化して、ビード形状が不良となる。一方、Ｓｉ含有量が０．５０質量％を超えると、スラグ焼付きが発生して、スラグ除去が困難となる。このため、溶接ワイヤのＳｉ含有量は、０．０５質量％を超え、０．５０質量％以下とする。溶接ワイヤのＳｉ含有量の好ましい上限は０．４８質量％以下、より好ましい上限は０．４５質量％以下である。
【００２８】
以上説明したＣ、Ｎ、Ｓｉが溶接ワイヤの組成の必須の規定である。その他の成分として、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂの群から選択される１種類以上を含有させることができる。このとき、各元素を含有させるときは、以下に説明する範囲で含有させることが好ましい。
【００２９】
Ｍｎは、脱酸剤として作用し、溶着金属中の酸素量を低減して靱性を改善する効果がある。また、Ｍｎは、オーステナイト生成元素であり、溶接金属におけるδ−フェライトの残留による靱性劣化を抑制する効果がある。しかし、溶接ワイヤのＭｎ含有量が２．２０質量％を超えると、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＭｎ含有量は２．２０質量％以下が好ましく、２．１５質量％以下がより好ましい。
【００３０】
Ｎｉは、Ｍｎと同様にオーステナイト生成元素であり、溶接金属におけるδ−フェライトの残留による靱性劣化を抑制する効果がある。しかし、溶接ワイヤのＮｉ含有量が１．００質量％を超えると、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＮｉ含有量は１．００質量％以下が好ましく、０．９５質量％以下がより好ましい。
【００３１】
Ｃｒは、本発明に係る溶接方法の母材である高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼の主要元素であり、母材に耐酸化性および高温強度を付与するために不可欠な元素であり、溶接ワイヤにも含有させることが好ましい。しかし、Ｃｒはフェライト生成元素であり、１０．５０質量％を超えて過剰に含有すると、δ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＣｒ含有量は１０．５０質量％以下が好ましく、１０．４５質量％以下がより好ましい。
【００３２】
Ｍｏは、固溶強化元素であり、クリープ破断強度を向上させる効果がある。しかし、Ｍｏはフェライト生成元素であるため、１．２０質量％を超えて過剰に含有すると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＭｏ含有量は１．２０質量％以下が好ましく、１．１８質量％以下がより好ましい。
【００３３】
Ｖは、析出強化元素であり、炭窒化物として析出して、クリープ破断強度を向上させる効果がある。しかし、Ｖはフェライト生成元素でもあり、０．４５質量％を超えて過剰に含有すると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＶ含有量は０．４５質量％以下が好ましく、０．４０質量％以下がより好ましい。
【００３４】
Ｎｂは、固溶強化および窒化物として析出して、クリープ破断強度の安定化に寄与する元素である。しかし、Ｎｂはフェライト生成元素でもあり、０．０８０質量％を超えて過剰に含有すると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＮｂ含有量は０．０８０質量％以下が好ましく、０．０７８質量％以下がより好ましい。
【００３５】
Ｗは、マトリックスの固溶強化と微細炭化物析出によって、クリープ破断強度の安定化に寄与する元素である。しかし、Ｗはフェライト生成元素でもあるため、２．０質量％を超えて過剰に含有すると、溶接金属におけるδ−フェライトの残留を引き起こし、溶接金属の靱性が劣化する。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＷ含有量は２．０質量％以下が好ましく、１．８質量％以下がより好ましく、１．７質量％以下がさらに好ましい。
【００３６】
Ｃｏは、δフェライトの残留を抑制する元素である。しかし、Ｃｏを３．０質量％を超えて過剰に含有すると、Ａｃ１点を下げるため、高温焼戻しが不可能となり、組織の安定化処理ができなくなる。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＣｏ含有量は３．０質量％以下が好ましく、２．０質量％以下がより好ましく、１．８質量％以下がさらに好ましい。
【００３７】
Ｂは、微量含有により炭化物を分散・安定化させ、クリープ破断強度を高める効果がある。しかし、Ｂを０．００５質量％を超えて過剰に含有すると、高温割れを引き起こす。したがって、前記の効果を十分に得るためには、溶接ワイヤのＢ含有量は０．００５質量％以下が好ましく、０．００３質量％以下がより好ましく、０．００１５質量％以下がさらに好ましい。
【００３８】
ＰおよびＳは、それぞれ高温割れ感受性を高める元素である。Ｐ含有量が０．０１５質量％を超える場合、または、Ｓ含有量が０．０１０質量％を超える場合、耐高温割れ性が劣化する。したがって、溶接ワイヤのＰ含有量は０．０１５質量％以下に規制することが好ましく、０．０１０質量％以下がより好ましい。また、溶接ワイヤのＳ含有量は０．０１０質量％以下に規制することが好ましく、０．００９質量％以下がより好ましい。
【００３９】
溶接ワイヤの成分の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉなどが挙げられる。
【００４０】
＜溶接フラックス＞
本発明のシングルサブマージアーク溶接方法で用いる溶接フラックスは、ＣａＦ２：２〜３０質量％、ＣａＯ：２〜２０質量％、ＭｇＯ：２０〜４０質量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜２５質量％、ＳｉおよびＳｉＯ２の合計：５〜２５質量％（ＳｉＯ２換算）を含有し、ＢａＯ：２５質量％以下、ＺｒＯ２：１０質量％以下、ＴｉＯ２：５質量％未満に規制している。以下、各構成の数値限定理由について説明する。
【００４１】
（溶接フラックスのＣａＦ２：２〜３０質量％）
ＣａＦ２は、スラグの融点を下げて流動性を高め、ビード形状を整える作用がある。しかし、溶接フラックス中のＣａＦ２含有量が２質量％未満では、十分な効果を得ることができず、ビード形状不良が発生する。一方、フラックス中のＣａＦ２含有量が３０質量％超では、アークが不安定となり、ビード表面にポックマークと呼ばれる円形の凹みが発生して、表面性状が劣化する。本発明が対象とする高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼の初層ビードでは、特にこの傾向が顕著であり、これらビード形状不良やビード表面性状不良は、積層するビードへ多大な悪影響を及ぼす。このため、溶接フラックスのＣａＦ２の含有量は、２〜３０質量％とする。溶接フラックスのＣａＦ２の含有量の好ましい下限は３質量％であり、好ましい上限は２９質量％である。
【００４２】
（溶接フラックスのＣａＯ：２〜２０質量％）
ＣａＯは、スラグの粘性を調整してビード形状を整える効果がある。ＣａＯは、後述するＭｇＯやＢａＯと同様に、耐火性の高い成分であり、スラグの融点を降下させるＣａＦ２を含有する本発明のようなフラックスにおいては、溶融特性を調整してビード形状を整えるのに極めて有効である。しかし、溶接フラックス中のＣａＯの含有量が２質量％未満ではこの効果が得られずビード形状不良となる。一方、溶接フラックス中のＣａＯの含有量が２０質量％を超えると、溶接フラックスの耐火性が高まり溶けにくくなるため、ビード表面性状が劣化する。このため、溶接フラックスのＣａＯの含有量は、２〜２０質量％とする。溶接フラックスのＣａＯの含有量の好ましい下限は５質量％であり、好ましい上限は１７質量％である。
【００４３】
（溶接フラックスのＭｇＯ：２０〜４０質量％）
ＭｇＯも、スラグの粘性を調整してビード形状を整える効果がある。スラグ剥離性を向上させるのに有効である。また、ＣａＯやＢａＯと同様に、ＭｇＯは耐火性の高い成分であり、スラグの融点を降下させるＣａＦ２を多量に含有する本発明の溶接フラックスにおいては、溶融特性を調整してビード形状を整えるのに極めて有効である。しかし、溶接フラックスのＭｇＯの含有量が２０質量％未満では、この効果が得られず、ビード形状不良となる。一方、ＭｇＯの含有量が４０質量％を超えると、溶接フラックスの耐火性が高まり溶けにくくなるため、ビード表面性状が劣化する。このため、溶接フラックスのＭｇＯの含有量は、２０〜４０質量％とする。溶接フラックスのＭｇＯの含有量の好ましい上限は３５質量％である。
【００４４】
（溶接フラックスのＡｌ２Ｏ３：５〜２５質量％）
Ａｌ２Ｏ３は、アークの集中性と安定性を高めるとともに、ＣａＯとは逆に、スラグの融点を高めて流動性を調整し、ビード形状を整える効果がある。しかし、溶接フラックスのＡｌ２Ｏ３の含有量が５質量％未満では、この効果が得られず、アークが不安定となりスパッタが増加するとともに、ビード形状とビード表面性状が劣化する。一方、溶接フラックスのＡｌ２Ｏ３の含有量が２５質量％を超えると、スラグの焼付きが発生してしまう。本発明が対象とする高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼は遅れ割れ防止の観点から、軟鋼や２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のような低合金耐熱鋼と比較して、予熱・パス間温度を高めとせざるを得ない。このため、特にスラグが焼付きやすくなる傾向にある。スラグの焼付きは、積層するビードへ多大な悪影響を及ぼす。このため、溶接フラックスのＡｌ２Ｏ３の含有量は、５〜２５質量％とする。溶接フラックスのＡｌ２Ｏ３の含有量の好ましい下限は８質量％であり、好ましい上限は２２質量％である。
【００４５】
（溶接フラックスのＳｉおよびＳｉＯ２の合計：５〜２５質量％（ＳｉＯ２換算））
ＳｉＯ２は、スラグの粘性を増加させ、特にビード止端部のなじみ性を改善する。一方、過剰に添加すると、スラグの融点が低下してビード表面性状が劣化するとともに、スラグが過度に脆くなってしまい、連続的な均一剥離がなされず、ビード表面に部分的に強固なスラグ焼付きを引き起こす。これらは、溶接フラックス中に脱酸剤として適宜添加されるＳｉや、溶接フラックス造粒時に固着剤として使用する水ガラス中のＳｉＯ２も同様である。このため、これらを含めてフラックス中のＳｉおよびＳｉＯ２の含有量を制限する必要がある。よって、フラックスのＳｉおよびＳｉＯ２の合計の含有量を、ＳｉＯ２換算で５〜２５質量％とする。溶接フラックスのＳｉおよびＳｉＯ２の合計の含有量の好ましい上限は２０質量％である。
【００４６】
（溶接フラックスのＢａＯ：２５質量％以下）
ＢａＯは、ＣａＯと同様に、スラグの粘性を調整して、ビード形状を整える効果がある。さらに、スラグ自体の脆さを改善する効果があり、結果としてスラグ焼付きを抑制する。しかし、過剰に含有すると溶接フラックスの耐火性が高まり、溶けにくくなるため、ビード表面性状が劣化する。このため、溶接フラックスのＢａＯの含有量は、２５質量％以下とする。溶接フラックスのＢａＯの含有量の好ましい上限は２２質量％である。
【００４７】
（溶接フラックスのＺｒＯ２：１０質量％以下）
ＺｒＯ２も、Ａｌ２Ｏ３同様、スラグの融点を高めて流動性を調整してビード形状を整える効果がある。しかし、過剰に含有するとフラックスの耐火性が高まり、溶けにくくなるため、ビード表面性状が劣化する。このため、溶接フラックスのＺｒＯ２の含有量は、１０質量％以下とする。
【００４８】
（溶接フラックスのＴｉＯ２：５質量％未満）
ＴｉＯ２は、スラグのビードへの被覆性を高める作用を有する。しかし過剰に含有するとスラグ焼付きを引き起こす。このため、溶接フラックスのＴｉＯ２の含有量は、５質量％未満とする。
【００４９】
以上が溶接フラックスの組成の必須の規定である。これらの成分は、単独物質、これらの成分を含有する化合物、鉱石および溶融フラックスの形態で添加することができる。例えばＣａＦ２は蛍石、ＣａＯは石灰および溶融フラックス、ＭｇＯはマグネシアクリンカおよび溶融フラックス、Ａｌ２Ｏ３はアルミナおよび溶融フラックス、ＳｉＯ２はカリ長石、ソーダ長石および溶融フラックス等として添加してもよい。また溶接フラックスには上記成分の他に、合金成分および溶接作業性を調整するために、合金粉末、酸化物および弗化物を適宜添加することができる。
【００５０】
本発明の高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼のシングルサブマージアーク溶接方法は、前記の溶接ワイヤと溶接フラックスの組成の規定に加えて、溶接ワイヤの送給速度、溶接速度、単位溶接長当りの溶着量を所定のものとすることが好ましい。以下、溶接方法における種々の溶接条件について説明する。
【００５１】
（溶接ワイヤの送給速度Ｖ：５０〜１２０ｇ／ｍｉｎ）
溶接ワイヤの送給速度Ｖが、５０ｇ／ｍｉｎを下回ると、溶接電流が低すぎてアークが不安定となり、溶込不良が発生するおそれがある。一方、溶接ワイヤの送給速度Ｖが１２０ｇ／ｍｉｎを上回ると、溶着量が多すぎて高温割れが発生するおそれがある。このため、溶接ワイヤの送給速度Ｖは、５０〜１２０ｇ／ｍｉｎとすることが好ましい。
【００５２】
（溶接速度ｖ：２０〜６０ｃｍ／ｍｉｎ）
溶接速度ｖが、２０ｃｍ／ｍｉｎを下回ると、溶着量が多すぎて高温割れが発生するおそれがある。一方、溶接速度ｖが６０ｃｍ／ｍｉｎを上回ると溶融金属の供給が間に合わず、ビード形状が不安定となって融合不良やスラグ巻きが発生するおそれがある。このため、溶接速度ｖは、２０〜６０ｃｍ／ｍｉｎとすることが好ましい。
【００５３】
（単位溶接長当りの溶着量：１．８〜４．５ｇ／ｃｍ）
単位溶接長当りの溶着量は、溶接ワイヤの送給速度／溶接速度によって計算される。単位溶接長当りの溶着量が１．８ｇ／ｃｍを下回ると、溶着量が少なすぎて溶接効率が劣化するおそれがある。一方、単位溶接長当りの溶着量が４．５ｇ／ｃｍを上回ると溶着量が過剰となるため、溶融金属の凝固収縮量が過大かつ溶込み形状もなし形になるため、凝固収縮のかかる方向が最終凝固部に対し垂直となって高温割れが発生するおそれがある。このため、単位溶接長当りの溶着量は、１．８〜４．５ｇ／ｃｍとすることが好ましい。溶接電流及びアーク電圧は、上記ワイヤ送給速度を適正範囲にコントロールする一手段として調整される。
【００５４】
ここでチップ／母材間距離、チップ形状、チップ角度について説明する。
前記のように高Ｃｒ系ＣＳＥＦ鋼と共材のサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤは、１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋼、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋼、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｖ鋼用ソリッドワイヤと比較して電気抵抗が高く、このためジュール発熱量が大となり溶着量が多くなる。すなわち同じ溶接電流であっても溶着量が多い。ジュール発熱量はチップ／母材間距離が長くなるほど大となる。チップ／母材間距離が２０ｍｍ未満では、チップ先端がアークによって溶損するおそれがある。チップ／母材間距離が４０ｍｍを超えると、溶着量が過剰となるおそれがある。したがってチップ／母材間距離を２０〜４０ｍｍ、より好ましくは２５〜３５ｍｍに管理することが好ましい。
【００５５】
チップ形状は、直管状やベンド角材状、あるいは特公昭６２−５８８２７号公報のＦｉｇ．３ｂに示されるような形状でも構わず、ワイヤ送給性と給電位置安定化を確保する観点から適宜選択される。ベンド角材状のチップの一例を図２〜図４に示す。溶接ワイヤ送給を阻害しない範囲でチップ３０を曲げることは、給電位置を安定化させ、結果として溶接ワイヤ送給速度を安定化する。
【００５６】
チップ角度は、図５〜図７、図８〜図１０に示すように、母材１０の表面に対して垂直な線と、溶接ワイヤ４０が最終的にチップ３０から突出する部分であるチップ先端部３０ａでの軸線とがなす角度である。そして、チップ角度は、溶接アークによる溶接ワイヤの加熱度合を左右し、結果として溶接ワイヤ送給速度を増減させる。具体的には、同じ溶接電流、同じチップ母材間距離Ｌであれば、チップ角度が前進角βの場合（図６、図９参照）の方が後退角αの場合（図５、図８参照）よりもワイヤ送給速度が増加する。そして、チップ角度は、後退角αが６０°までの範囲、前進角βが６０°までの範囲に管理することが、溶接ワイヤ送給速度を安定化させるために好ましい。
【００５７】
さらに溶接ワイヤ径、電源特性、極性、板厚、開先形状について説明する。
溶接ワイヤ径は３〜５ｍｍφの中から適宜選択する。３ｍｍφ未満では施工能率が損なわれるおそれがある。５ｍｍφを超えると、本発明の工夫を図っても高温割れが抑制できないおそれがある。電源特性は垂下特性、定電圧特性いずれでも構わない。極性はＤＣＥＰ、ＡＣのいずれでも構わない。
【００５８】
本発明の溶接方法は、前記のように火力発電ボイラやタービン、リアクタを好適な溶接対象とする。したがって、母材板厚は１５０〜４５０ｍｍが好ましい。しかしながら、本発明の溶接方法は、母材板厚が１５０ｍｍ未満の溶接への適用も可能である。同様に、本発明の溶接方法は、母材開先形状として図１に示すような狭開先（Ｉ開先）を好適な溶接対象とする。しかしながら、本発明の溶接方法は、図示しないＶ結線、スコット結線によるタンデム溶接、Ｖ開先、Ｘ開先への適用、開先充填剤の使用を排除するものではない。
【００５９】
初層、あるいは初層とこれに積層する上盛層の除去について説明する。
本発明の溶接方法は、図１に示す初層２１のみを好適な溶接対象とする初層シングルサブマージ溶接方法である。しかしながら、本発明の溶接方法は、図示しないが、初層２１のみならず、初層２１に溶接金属をさらに積層して溶接する場合においても、適用可能である。
初層、あるいは初層とこれに積層する上盛層（具体的には、初層を１層目としたときの２層目、３層目など）は、要求される継手性能によって、ガウジング、機械加工等で除去することができる。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明の範囲に入る実施例（Ｎｏ．１〜１４）について、その効果を本発明の範囲から外れる比較例（Ｎｏ．１５〜４８）と比較して説明する。
表１に示す化学成分の母材を３種類用意した。図１に示すように、この母材１０について、板厚ｔが２５０ｍｍ、溝底の曲率半径Ｒが１０ｍｍ、開先角度θが４°の狭開先を機械加工で形成して試験体２０とした。
また、表２に示す化学成分の溶接ワイヤを１７種類使用した。ワイヤ径は４．０ｍｍφである。また、表３に示す粒度、化学成分の溶接フラックスを２７種類使用した。なお、表２、表３中、本発明の規定を満たさないものは数値に下線を引いて示した。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
【表２】
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【００６３】
【表３】
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【００６４】
図１に示す試験体２０の狭開先内を、表２に記載の溶接ワイヤと表３に記載の溶接フラックスを用いて、溶接ワイヤ送給速度および溶接速度を変化させ、サブマージアーク溶接を実施した。溶接ワイヤ送給速度は、溶接電流、溶接速度を変化させることによりコントロールした。
溶接条件は以下のとおりである。また、その他の条件は表４に示す。
【００６５】
（溶接条件）
チップ：図２（ａ）〜（ｃ）に示す先端曲りチップ３０（ベント角材状チップ）
電極特性：垂下特性
電極極性：ＡＣシングル
溶接姿勢：下向き
積層方法：初層１層１パス
【００６６】
【表４】
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【００６７】
（評価方法）
この溶接を行った試験体２０について、溶接終了後、目視にて、高温割れ、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークを評価した。高温割れ、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークの各評価方法は以下のとおりである。
【００６８】
（１）高温割れ
溶接ビードのスタート、エンド部を除外した３００ｍｍの範囲で、５０ｍｍごとの断面でマクロ組織を観察した。計５つの断面全てで、割れが発生していない場合を○（良好）、割れが発生した場合を×（不良）と判定した。
【００６９】
（２）なじみ性
溶接ビードのスタート、エンド部を除外した３００ｍｍの範囲で、５０ｍｍごとの断面でマクロ組織を観察した。計５つの断面全てでビード止端形状が滑らかな場合を良好（○）、それ以外を不良（×）と判定した。
【００７０】
（３）ビード形状
ビード形状の評価は、目視で溶接線方向のビード余盛高さを観察して、滑らかなビードが形成された場合を良好（○）、形成されたビードが粗く、溶接線方向で凹凸が大きかった場合を不良（×）と判定した。
【００７１】
（４）ビード表面性状
溶接ビードのスタート、エンド部を除外した３００ｍｍの範囲で、目視で溶接線方向のリップル（波目）の粗密有無を観察して、粗密のないものを良好（○）、粗密のあるものを（×）と判定した。
【００７２】
（５）スラグ焼付き
溶接終了後のビード表面に付着したフラックスをハンマーで３回たたき、スラグが容易に剥離した場合を良好（○）、剥離しなかった場合を不良（×）と判定した。
【００７３】
（６）ポックマーク
溶接ビードのスタート、エンド部を除外した３００ｍｍの範囲で、目視にてビード表面のポック発生個数を計測して、ポックマークが５個以下を良好（○）、６個以上を不良（×）と判定した。
【００７４】
各実施例、比較例の高温割れ、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークの評価結果を表５、表６に示した。なお、表６中、本発明の規定を満たさないものは下線を引いて示した。
【００７５】
【表５】
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【００７６】
【表６】
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【００７７】
表５に示すように、実施例１〜１４は、本発明の範囲を満たしており、高温割れ、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークのいずれにおいても優れていた。これに対して、比較例１５〜４８は、本発明の範囲を満たしていないため、高温割れ、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークのいずれか１つ以上において、性能に劣るところがあった。
【００７８】
比較例１５〜２３は、溶接ワイヤの化学組成が本発明から外れているものであり、高温割れ、なじみ性、ビード形状、スラグ焼付きのいずれか１つ以上において、性能に劣っていた。比較例２４〜３６は、溶接フラックスの化学組成が本発明から外れているものであり、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークのいずれか１つ以上において、性能に劣っていた。比較例３７〜４８は、溶接ワイヤの化学組成と溶接フラックスの化学組成が本発明から外れているものであり、高温割れ、なじみ性、ビード形状、ビード表面性状、スラグ焼付き、ポックマークのいずれか１つ以上において、性能に劣っていた。
【００７９】
以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８０】
１０  母材（被溶接材）
２０  試験体
２１  初層
３０  チップ
３０ａ  チップ先端部
４０  溶接ワイヤ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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