(57)【要約】【課題】  最大溶接入熱が５００ｋＪ／ｃｍ程度までのエレクトロガスアーク溶接方法において、低温靭性が非常に良好な溶接金属を得ることができるエレクトロガス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】  鋼製外皮にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。また、弗化物をＦ換算値で０．１〜１．５％、Ｍｏを１％以下、Ｂを０．０３％以下、Ｎｉを４％以下含むことが好ましい。【選択図】    なし 【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製外皮にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とするエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
弗化物をＦ換算値で０．１〜１．５％含むことを特徴とする請求項１記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
Ｍｏを１％以下含むことを特徴とする請求項１または２記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項４】
Ｂを０．０３％以下含むことを特徴とする請求項１乃至３記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項５】
Ｎｉを４％以下含むことを特徴とする請求項１乃至４記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＰＧ船、寒冷地海洋構造物等の鋼構造物に使用される低温用鋼の溶接に用いられる最大溶接入熱が５００ｋＪ／ｃｍ程度におけるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関し、特に溶接金属の低温靭性が安定して得られるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロガスアーク溶接の概略を図１および図２に示す。図１は側面図、図２は平面図である。垂直に立てられ隣り合う２枚の鋼板１の開先１０を形成する。開先の裏側には長い固定裏当材８を当接し、表側には摺動銅当金１１を当てて、この摺動銅当金１１の開先１０に対向する溝９と開先１０で囲まれた空間に溶接トーチ４を挿入する。そして摺動銅当金１１のガス供給ノズル５からシールドガスを供給しながら、溶接トーチ４を介して溶接用ワイヤ３を該空間に連続的に供給する。溶接台車（図示せず）に搭載された摺動銅当金１１および溶接トーチ４は、溶接の進行により上昇する溶接金属６上面に合わせて順次上昇させる。なお、鋼板１の板厚が５０ｍｍ以上になると当接トーチ４を板厚方向に揺動させながら溶接する。図中７は摺動銅当金１１を冷却するための冷却水供給ノズル、２は開先１０裏面のルートギャップ、１２は溶融金属である。
【０００３】
エレクトロガスアーク溶接は、立向継手を高能率で溶接できるため石油備蓄タンク、船舶等の鋼構造物の建造に用いられてきている。前記鋼構造物に使用されている鋼材は、軟鋼、４９０Ｎ／ｍｍ2 級および５９０Ｎ／ｍｍ2 級高張力鋼で使用温度もせいぜい−２０℃程度であり、溶接金属の靭性も比較的確保しやすい。しかしながら、船舶の中でも−５０〜−７０℃での靭性が要求される低温用鋼が使用されるＬＰＧ船では、溶接入熱が高くなるエレクトロガスアーク溶接では溶接金属の良好な靭性を得ることは非常に難しいため一般的には適用されていない。また、近年活発に進められている寒冷地海底エネルギー開発における石油、天然ガスの掘削基地である鋼構造物等の建造にも同様の理由によりエレクトロガスアーク溶接方法は適用されていない。これらの背景から、低温靭性に優れたエレクトロガスアーク溶接用溶接材料が強く要望されている。
【０００４】
エレクトロガスアーク溶接における低温靭性を向上させるために、これまで種々の提案がある。例えば、特開平３−２９４０９６号公報（特許文献１）、特開平４−８９１９６号公報（特許文献２）、特開平９−２８５８９１号公報（特許文献３）、特開平１０−１０９１８９号号公報（特許文献４）、特開平１０−１８０４８８号公報（特許文献５）に開示されている。しかし、これらに記載の技術には−６０℃における衝撃試験の吸収エネルギーが１００Ｊ以上得られる技術は確立されていない。低温靭性を得るためには、溶接入熱量に合わせた溶接金属の組成を得ることによりミクロ組織を微細にする必要がある。しかしながら、実溶接施工ではルートギャップが変動するため、溶接入熱量や母材希釈率が変動する。その結果、溶接金属の組成が変動したり冷却速度が遅くなったりしてミクロ組織が粗大化し、低温靭性が得られなくなる。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２９４０９６号公報
【特許文献２】特開平４−８９１９６号公報
【特許文献３】特開平９−２８５８９１号公報
【特許文献４】特開平１０−１０９１８９号号公報
【特許文献５】特開平１０−１８０４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した背景をもとに、最大溶接入熱が５００ｋＪ／ｃｍ程度までのエレクトロガスアーク溶接方法において、低温靭性が非常に良好な溶接金属を得ることができるエレクトロガス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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨は、
（１）鋼製外皮にフラックスを充填してなるエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対して質量％で、Ｃ：０．００５〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．５％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
（２）弗化物をＦ換算値で０．１〜１．５％含むことを特徴とする前記（１）記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【０００８】
（３）Ｍｏを１％以下含むことを特徴とする前記（１）または（２）記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（４）Ｂを０．０３％以下含むことを特徴とする前記（１）乃至（３）記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
（５）Ｎｉを４％以下含むことを特徴とする前記（１）乃至（４）記載のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤにある。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べたように、本発明のエレクトロガスアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、最大溶接入熱が５００ｋＪ／ｃｍ程度までのエレクトロガスアーク溶接において、優れた低温靭性が安定して得られるとともに溶接欠陥がなく、優れた溶接作業性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者等は、上記の課題を達成するために、ワイヤ成分を種々検討した結果、ワイヤ中のＰおよびＳを非常に低くし、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎさらにＦ、Ｍｏ、ＢおよびＮｉを調整したワイヤを用いることによって、高い溶接入熱でエレクトロガスアーク溶接した場合においても溶接作業性を損なうことなく高靱性の溶接金属が得られることを見出した。
【００１１】
以下に本発明のフラックス入りワイヤにおける成分組成の限定理由を述べる。
Ｃ：０．００５〜０．２質量％（以下、％という。）
Ｃは溶接金属の強度、靭性を決定する重要な元素である。０．００５％未満では、溶接金属の強度、靭性を安定して得ることが難しい。０．２％を超えると、溶接金属の強度が過剰となり靭性も劣化する。また、アークが不安定になりスパッタ発生量が増え溶接作業性を劣化させる。したがって、Ｃは０．００５〜０．２％とする。なお、Ｃ源としてはＣ単体、鋼製外皮中のＣ、鉄粉をはじめとする金属粉中のＣ、ＣａＣＯ3 、Ｌｉ2 ＣＯ3 等の炭酸塩中のＣがある。
【００１２】
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは脱酸剤として溶接金属中の酸素を低減し、靭性を向上させるとともに溶接金属の強度を確保するのに必要である。Ｓｉが０．１％未満では脱酸不足で靭性が低下する。また、ブローホールやピットなど溶接欠陥が発生しやすくなる。一方、１．０％を超えると、溶接金属中のＳｉが過剰となり過度に硬化して靭性を低下させる。したがって、Ｓｉは０．１〜１．０％とする。なお、Ｓｉ源としては、鋼製外皮、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ合金等がある。
【００１３】
Ｍｎ：１．０〜３．０％
Ｍｎも脱酸剤として溶接金属中の酸素を低減し、靭性を向上させるとともに溶接金属の強度を確保するのに必要である。１．０％未満では脱酸不足となり靭性を低下させる。一方、３．０％を超えると、溶接金属中のＭｎが過剰となり過度に硬化して靭性を低下させる。したがって、Ｍｎは１．０〜３．０％とする。なお、Ｍｎ源としては、鋼製外皮、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ合金等がある。
【００１４】
Ｐ：０．０１０％以下
Ｐは溶接金属の低温靭性を低下させるため０．０１０％以下とする。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓの低減は、低温靭性を著しく向上させるため０．００５％以下にする。Ｓが０．００５％を超えると低温靱性が低下する。
なお、溶接金属中へのＰおよびＳの歩留りは、フラックス中に含まれる場合に比べ、鋼製外皮中に含まれる場合の方が大きく、鋼製外皮中のＰを０．００５％以下、Ｓを０．００１％以下にすることにより溶接金属中のＰおよびＳを非常に少なくすることができ、低温靭性を飛躍的に向上させることができる。したがって、鋼製外皮のＰは０．００５％以下、Ｓは０．００１％以下とすることが好ましい。
【００１５】
Ｔｉ：０．０２〜０．５％
Ｔｉは、溶接金属の組織を微細化して靱性を向上させる。０．０２％未満では溶接金属の靱性が低くなる。一方、０．５％を超えると靭性を阻害する上部ベイナイトと呼ばれる組織が生成し靭性が低くなる。
また、上記成分以外に弗化物、その他合金元素を添加させることにより、さらに良好な靭性を得ることができる。
【００１６】
弗化物：Ｆ換算値で０．１〜１．５％
弗化物は、溶接時に生成する溶融スラグの塩基度を高め、溶接金属中の酸素を低減させる働きがある。弗化物のＦ換算値が０．１％未満では、その効果が得られない。一方、１．５％を超えるとスパッタやヒューム発生量が多くなり著しく溶接作業性を劣化させる。したがって、弗化物のＦ換算値は０．１〜１．５％とする。なお、弗化物源としては、ＣａＦ2 、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＢａＦ2 、ＭｇＦ2 、Ｋ2 ＳｉＦ6 、ＡｌＦ等がある。
【００１７】
Ｍｏ：１％以下
Ｍｏは、溶接金属中の焼入れ性を高める働きがあり、大入熱溶接における溶接金属の強度および靱性を確保するために添加される。しかし、１％を超えると過度に硬化し靭性を低下させる。したがって、Ｍｏは１．０％以下とする。なお、Ｍｏ源としては金属Ｍｏ、Ｆｅ−Ｍｏ合金等がある。
【００１８】
Ｂ：０．０３％以下
Ｂは、溶接金属中のミクロ組織を微細にし、低温靭性を向上させる。しかし、０．０３％を超えると、過度に硬化し靭性を著しく低下させる。また、高温割れが発生しやすくなる。したがって、Ｂは０．０３％以下とする。なお、Ｂ源としては、Ｆｅ−Ｂ合金、Ｍｎ−Ｂ合金、Ｂ2 Ｏ3 等がある。
【００１９】
Ｎｉ：４％以下
Ｎｉは溶接金属の靭性を向上させるために適宜添加される。しかし、４％を超えすると、溶接金属中に高温割れを生じさせる。したがって、Ｎｉは４％以下とする。なお、Ｎｉ源としては、金属Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｍｇ合金等がある。
なお、上述した成分のほかに、低温靭性を確保するために溶接金属中の酸素低減および微細なアシキュラーフェライトを生成させることを目的としてＡｌ、Ｍｇ等をそれぞれ０．５％以下添加してもよい。Ａｌ源としては金属Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金、各種Ａｌ化合物等、Ｍｇ源としては、金属Ｍｇ、Ｆｅ−Ｍｇ合金およびＡｌ−Ｍｇ合金がある。
【００２０】
また、高強度を得る必要がある場合には、ＣｒおよびＣｕ等を添加させても良い。
さらに、アーク安定剤としてＮａ、Ｋをそれぞれ０．５％以下添加させてもよい。Ｎａ、Ｋ源としてはＮａ2 Ｏ、ＮａＦ、Ｎａ3 ＡｌＦ6 、Ｋ2 Ｏ、Ｋ2 ＳｉＦ6 等がある。
フラックス入りワイヤには合わせ目有りのシームタイプおよび合わせ目なしのシームレスタイプがあるが、本発明においてはいずれのタイプでも良い。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
鋼製外皮としてＣ：０．００２〜０．０６％、Ｓｉ：０．０１〜０．０５％、Ｍｎ：０．２０〜０．４５％、Ｐ：０．００４〜０．００８％、Ｓ：０．０００２〜０．００１％の化学成分の帯鋼を用いて、表１に示す各種成分組成のワイヤ径１．６ｍｍのフラックス入りワイヤを試作した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表２に示す４９０Ｎ／ｍｍ2 級の低温用鋼（ＮＫ  ＫＬ３７）、板厚５０ｍｍを用いて、表３に示す３条件の溶接条件（入熱量：２００、３００および４５０ｋＪ／ｃｍ）で溶接長５００ｍｍの１パス溶接を行った。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
各試験の溶接時にアークの安定性、スパッタ発生量の多少を観察した。溶接後Ｘ線透過試験により溶接欠陥の有無を調べた後、摺動銅当金側鋼板表面下１０ｍｍを中心に引張試験片、同様に７ｍｍを中心に衝撃試験片を採取した。機械試験において、引張強度が４９０〜６８０Ｎ／ｍｍ2 、衝撃試験は−６０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上（５本の平均値）のものを良好とした。それらの結果を表４に示す。
【００２７】
【表４】
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【００２８】
表１および表４中ワイヤＮｏ．１〜１７は本発明例、ワイヤＮｏ．１８〜３０は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．１〜１７は、ワイヤのＣ，Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ量が適正で、その他Ｆ換算値、Ｍｏ、Ｂ、Ｎｉ量も適正であるので、各溶接条件とも溶接作業性が良好で、溶接欠陥がなく、引張強さおよび吸収エネルギーとも良好な値が得られ極めて満足な結果であった。
【００２９】
比較例中ワイヤＮｏ．１８は、Ｃが高いのでアークが安定せずスパッタ発生量が多く、各条件とも引張強さが高くなり吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．１９は、Ｓｉが高いので条件Ｎｏ．１の引張強さが高く、各条件とも吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．２０は、Ｍｎが高いので条件Ｎｏ．１および２の引張強さが高く、各条件とも吸収エネルギーが低かった。
【００３０】
ワイヤＮｏ．２１は、弗化物のＦ換算値が高いのでスパッタおよびヒューム発生量が多かった。また、Ｔｉが低いので条件Ｎｏ．１および２の吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．２２はＴｉが多いので、ワイヤＮｏ．２５はＭｎが低いので、ワイヤＮｏ．２６はＰが高いので、またワイヤＮｏ．２７はＳが低いので、いずれのワイヤも各条件とも吸収エネルギーが低かった。
ワイヤＮｏ．２３は、Ｃが低いので各条件とも引張強さが低く吸収エネルギーも低かった。
【００３１】
ワイヤＮｏ．２４は、Ｓｉが低いのでブローホールが発生したので機械的性能の調査は中止した。
ワイヤＮｏ．２８はＢが高く、ワイヤＮｏ．２９はＮｉが高いので、いずれも高温割れが発生したので機械的性能の調査は中止した。
ワイヤＮｏ．３０は、Ｍｏが高いので、各条件とも引張強さが高く、さらにＰも高いので吸収エネルギーが非常に低かった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】エレクトロガスアーク溶接の概略を示す側面図である。
【図２】エレクトロガスアーク溶接の概略を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  鋼板
２  ルートギャップ
３  溶接用ワイヤ
４  溶接トーチ
５  ガス供給ノズル
６  溶接金属
７  冷却水供給ノズル
８  固定裏当材
９  摺動銅当金の溝
１０  開先
１１  摺動銅当金
１２  溶融金属
特許出願人    日鐵住金溶接工業株式会社
代理人    弁理士    椎  名    彊  他１
【図１】
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【図２】
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