(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラックス入りワイヤにおいて、フラックス中にワイヤ全重量に対する質量％で、
ＴｉＯ2：４．０〜６．０％、
ＳｉＯ2：１．０〜３．０％、
Ａｌ2Ｏ3：０．２〜０．９％
をスラグ成分として含有し、かつスラグ成分の合計をワイヤ全重量の６．０〜９．０％にすると共に、外皮およびフラックスの少なくとも一方に、ワイヤ全重量に対する質量％で、
Ｃ ：０．０１〜０．０６％、
Ｓｉ：０．３〜１．８％、
Ｍｎ：０．７〜２．７％、
Ｃｒ：１５〜１７％、
Ｎｉ：９〜１１％
を含み、前記フラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜２５％充填し、かつ下記（１）式から求められるＦＭ値が０〜４．０であり、対象とする被溶接材が４９０ＭＰａ級以下の構造用鋼であることを特徴とする高靭性低温変態フラックス入りワイヤ。
ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２ （１）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフラックス入りワイヤに係り、さらに詳しくはＪＩＳ規格ＳＳ３３０、ＳＳ４００、ＳＭ４００、ＳＭ４９０などの４９０ＭＰａ級以下の構造用鋼の溶接部の残留応力を低減し疲労強度を改善することを目的とする。すなわち、溶着金属の変態温度を下げ、母材の軟鋼や４９０ＭＰａ級鋼材なみの靭性を得るための高靭性低温変態フラックス入りワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接部に発生する疲労亀裂は構造物全体の信頼性に重大な影響を与えるため、その疲労特性を向上させる手段は以前より試みられている。疲労亀裂は応力集中、引張の残留応力が存在する溶接部に発生しやすいことが判ってきている。そのため、機械的な方法あるいはＴＩＧ溶接により化粧溶接を施して応力集中を減らす方法、またはショットブラストなどによるピーニングを用いて疲労が発生する部位に圧縮残留応力を導入し同時に応力集中を減らす方法などにより疲労強度の改善を行ってきた。
【０００３】
しかしながら、これらの方法は構造物製作のコストアップになるため、これらの方法を用いずに疲労強度が改善できる溶接施工法が望まれていた。最近になり、溶接金属の相変態による膨張を利用して残留応力を低減させ、これにより疲労強度を向上させる手法が注目されている。例えば特開平１１−１３８２９０号公報では、溶接金属のマルテンサイト変態を利用し、該溶接金属が室温においてマルテンサイト変態開始時より膨張している状態とすることにより、溶接金属の引張残留応力を緩和する技術が開示されている。さらには、「溶接学会論文集」第１８巻平成１２年第１号の１４１ページから１４５ページにおいて、太田らはＣｒおよびＮｉを重量％にてそれぞれ１０％含有する溶接材料を用いて角回し溶接継手を製作すれば、疲労強度が改善するという研究報告もなされている。
【０００４】
特にこれら発明および研究報告は、鋼材強度が高くなると鋼材の疲労強度は上昇するが、溶接金属部の疲労強度は高くならず、構造物の強度が高くなると鋼材の強度が疲労強度で支配されている場合には母時の高張力化の利点が得られない、という産業界が抱える問題点を指摘している。このため特に高張力鋼（例えば前記太田らの研究報告では７８０ＭＰａ級鋼材を用いて疲労強度改善を確認している）での疲労強度改善に重点を置いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の溶接金属の変態膨張を利用する技術も、必ずしも全ての溶接継手の疲労強度改善に有効であるというわけではない。例えば、特開平１１−１３８２９０号公報で開示されている技術によると、疲労強度を改善するためには室温での溶接金属がマルテンサイト変態開始時より膨張していなければならない。確かに、この状態が実現すれば、溶接部には膨張による圧縮の残留応力が導入され、溶接金属の引張残留応力が緩和されるため疲労強度改善が期待できる。しかし、室温での溶接金属がマルテンサイト変態開始時より膨張していなければならないという条件は、実際の継手ではほとんど実現不可能である。
【０００６】
その理由はきわめて単純である。すなわち、溶接部の温度分布は、アークの集中熱源により、溶接金属およびその近傍は融点またはそれに近い温度まで加熱されるが、それ以外のほとんどの部分は加熱されないため、溶接金属は加熱されていない部分から拘束を受け、たとえ変態膨張しても変態膨張量とほぼ同じ量の圧縮塑性ひずみが導入されてしまう。このため溶接金属の熱収縮が変態に伴う膨張を相殺してしまうためである。すなわち、溶接金属がマルテンサイト変態時より膨張していることは実質的に不可能である。
【０００７】
そのため、実際の溶接継手で特開平１１−１３８２９０号公報が開示している条件を達成することは、非常に特殊な継手に限った場合となり、実用的な観点からは問題が多い。太田ら溶接学会論文集の第１８巻平成１２年第１号の研究報告も、実用的な観点からはまだ問題がある。この研究報告では、母材として７８０ＭＰａ級鋼材を用いた場合で疲労強度改善を確認している。しかし、実際の構造物では、軟鋼および４９０ＭＰａ級鋼材が使用される場合がほとんどであるが、このような鋼材を用いた溶接継手では太田らの疲労強度向上技術がそのまま適用できないことが判明した。そこで本発明は溶着金属の変態温度を下げ、母材の軟鋼や４９０ＭＰａ級鋼材なみの靭性を得ることにより、４９０ＭＰａ級鋼以下の構造用溶接部の残留応力を低減し疲労強度を改善することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するものであって、フラックス入りワイヤにおいて、フラックス中にワイヤ全重量に対する質量％で、ＴｉＯ2 ：４．０〜６．０％、ＳｉＯ2 ：１．０〜３．０％、Ａｌ2 Ｏ3 ：０．２〜０．９％をスラグ成分として含有し、かつスラグ成分の合計をワイヤ全重量の６．０〜９．０％にすると共に、外皮およびフラックスの少なくとも一方に、ワイヤ全重量に対する質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０６％、Ｓｉ：０．３〜１．８％、Ｍｎ：０．７〜２．７％、Ｃｒ：１５〜１７％、Ｎｉ：９〜１１％を含み、前記フラックスをステンレス鋼外皮内に１８〜２５％充填し、かつ下記（１）式から求められるＦＭ値が０〜４．０であることを特徴とする高靭性低温変態フラックス入りワイヤである。
ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２        （１）
またここにおいて、対象とする被溶接材が４９０ＭＰａ級以下の構造用鋼であることも特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
従来技術における７８０ＭＰａ級鋼材の場合と、本発明における４９０ＭＰａ級以下の鋼材の場合とを比較すると、７８０ＭＰａ級鋼材を溶接するときの方が溶接金属への圧縮応力の導入が容易である。なぜなら、母材強度が高いほど溶接金属の変態膨張に対する拘束反力も大きく、結果的に圧縮弾性歪みも大きくなるため、変態終了後の熱収縮が発生しても圧縮応力状態にとどまっている可能性が大きいからである。一方、軟鋼の場合、低強度であるが故に圧縮弾性歪みの最大値は７８０ＭＰａ級鋼材の１／３程度しかない。このことは、圧縮応力状態から引張応力状態に変えてしまう熱収縮ひずみ量が、７８０ＭＰａ級鋼材は軟鋼の３倍程度までは許されるということを意味する。
【００１０】
そのため、溶接金属が変態膨張した後の熱収縮が多少大きくても７８０ＭＰａ級鋼材の場合は、圧縮応力状態のままであるため、軟鋼の場合よりも疲労強度を改善することが容易である。このことは、逆に軟鋼などの低強度鋼材を用いた溶接継手の疲労強度を改善させることは、７８０ＭＰａ級鋼材の場合よりはるかに難しい技術であることを意味する。本発明者らはこのようなことから、軟鋼および４９０ＭＰａ級鋼材溶接部の残留応力を低減し疲労強度を改善する溶着金属成分について種々検討した結果、本発明のフラックス入りワイヤを完成させた。
【００１１】
本発明のフラックス入りワイヤとは図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すような断面形状で、パイプまたは帯鋼から成る外皮１にフラックス２を充填したものである。図２（ａ）のような継目のないもの、図２（ｂ）ないし（ｃ）のような継目３があるものいずれも含まれる。なお、本発明のワイヤはＣｒおよびＮｉ含有量が大なので、充填率の制限のためこれらの全量をフラックスから供給するのは困難である。したがって、外皮はステンレス鋼を使用する。
次に本発明のベースとも言える充填フラックスについて、成分限定理由を述べる。なお、以下において％は特に説明がない限りはワイヤ全重量に対する質量％を示す。
【００１２】
ＴｉＯ2 は緻密な剥離性の良いスラグを形成し、アークの安定性をもたらすが、４．０％未満ではその効果が発揮できず、６．０％を超えるとスラグの流動性が増すと共に、アークの吹付けが強く広がりがなくなるためビード形状が不良となる。したがってＴｉＯ2 は４．０〜６．０％とする。原材料としてはルチル、チタンスラグ、イルミナイト、さらにはチタン酸カリ、チタン酸ソーダ等のチタン酸塩等がこれら単独あるいは複合で用いられる。
【００１３】
ＳｉＯ2 は適度の粘性と共に被包性の良いスラグを形成するのに必要な成分であるが、１．０％未満ではその効果が発揮できずスラグ被包性は劣化する。一方、３．０％を超えるとスラグの融点を低下させ、立向および上向溶接において溶融金属の垂れが生じビード形成が困難となる。したがってＳｉＯ2 は１．０〜３．０％とする。なお、ＳｉＯ2 の原材料としては珪砂、珪石の他、珪灰石、ジルコンサンド、カリ長石等の他成分の原料の副成分も利用できる。
【００１４】
Ａｌ2 Ｏ3 はＳｉＯ2 同様に適度の粘性と共に被包性の良いスラグを形成するの必要な成分であり、さらにスラグの融点を上げることにより、スラグの凝固を早め溶融金属の垂れを防止するのに有効である。０．２％未満ではその効果が不十分であり、逆に０．９％を超えた場合スラグが硬くなり剥離性が劣化し、スパッタも増加する。したがってＡｌ2 Ｏ3 は０．２〜０．９％とする。原材料としてはアルミナ、カリ長石等を用いる。
【００１５】
フラックス中のスラグ成分が合計で６．０％未満では、スラグの被包性が不十分となり、立向および上向溶接において溶融金属の保持が十分出来ずビード形成が困難となる。一方、９．０％を超えるとスパッタが増加し、スラグインクルージョンが発生しやすくなる。したがってフラックス中のスラグ成分の合計はワイヤ全重量の６．０〜９．０％とする。なお本発明においてスラグ成分とは、前記ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 を含む非金属成分を意味する。この他にスラグ成分としてスラグの被包性、剥離性、アーク安定性向上のために、ＺｒＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 、ＦｅＯ等の酸化物を添加することができる。
【００１６】
以下の成分は外皮およびフラックスの少なくとも一方に含有させる。なお、以下の説明における％は前記のフラックス成分と同様にワイヤ全重量に対する重量％を示す。
【００１７】
Ｃは鉄に添加することによりＭｓ点（マルテンサイト変態開始）温度を下げる働きをするため０．０２％以上必要である。しかし、過度の添加は溶接割れや靭性劣化の問題を引き起こすため０．０６％を上限とした。
【００１８】
Ｓｉは溶接金属における脱酸剤として酸素量を低減し靭性を向上させると共に、強度も向上させる。０．３％未満ではその効果が不十分である一方、１．８％を超えると溶接金属への歩留りが過剰になり低温靭性を劣化させる。したがってＳｉは０．３〜１．８％とした。
【００１９】
Ｍｎは強度を上げる元素として本発明の変態膨張時の降伏点確保のため必要で、また焼入性を増加させる効果もある。このために０．７％以上とするが、一方、過度の添加は靭性を劣化させるため上限を２．７％とした。
【００２０】
Ｃｒはフェライトフォーマーであるが、溶接入熱が低く冷速が大きい溶接部はフェライトとならずにマルテンサイトとなる。したがって、Ｃｒ添加はマルテンサイト変態による焼入性の増加とＭｓ点温度の低下の効果がある。これにより変態膨張を利用し残留応力を低減するには１５％以上必要であり、一方、１７％を越えてもその効果は変わらないため、Ｃｒは１５〜１７％とする。
【００２１】
Ｎｉはオーステナイトフォーマーであり溶接金属の靭性改善に効果があり、このためには９％以上必要である。一方、１１％を越えるとＣｒの添加により下げられたＭｓ点温度がさらに下がると共に、Ｍｆ点（マルテンサイト変態終了）温度が常温以下となり、変態途中の段階で室温に達してしまうので残留応力の低減がなくなる。したがって、Ｎｉは９〜１１％とする。
【００２２】
さらに本発明では、残留応力を低減し疲労強度を改善する溶着金属成分としてフェライト、オーステナイト、マルテンサイトを適正な比率で制御するため、下記（１）式から求められるＦＭ値を０〜０．４とした。
ＦＭ＝Ｃｒ×３−Ｎｉ×２−Ｃ×９３−２２        （１）
【００２３】
ステンレス鋼外皮へのフラックスの充填率が１８％未満では外皮の肉厚が厚くなり、溶滴が肥大化しスパッタが増加し、２５％を超えると逆に外皮の肉厚が薄くなり伸線加工中に断線が発生しやすくなる。したがってステンレス鋼外皮へのフラックスの充填は１８〜２５％とする。
【００２４】
【実施例】
表１に示す外皮および表２、表３に示す充填フラックスからなる図１（ａ）に示す断面形状の１．２ｍｍ径のフラックス入りワイヤを製造した。図２（ａ）の平面図、（ｂ）の側面図に示す板厚１０ｍｍのＪＩＳ  Ｚ３１０１  ＳＳ４９０の一般構造用圧延鋼材へシールドガスＣＯ2 ガス、流量２０ｌ／ｍｉｎで、１８０Ａ、２６Ｖの条件にてＪＩＳ  Ｚ３３１３  ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲタイプの１．２ｍｍ径のフラックス入りワイヤで下向でビードオンプレート溶接を行った。このビード４の両側に平行して、上記の試験用フラックス入りワイヤを使用して同条件で下向溶接を行った。図２において５は試験用ワイヤによる溶接ビードである。溶接後の試験板はＪＩＳ  Ｚ３１０３「アーク溶接継手の片振り引張疲れ試験方法」に準拠し、１５０ＭＰａの応力で亀裂が発生するまでの繰返し数を測定して評価し、１．０×１０6 以上を良好とした。その結果は表４、表５に示す通りであって、溶接作業性のアーク安定性、スパッタ発生、スラグ剥離およびビード外観の評価は、○：良好、×：不良とした。
【００２５】
【表１】
0004516702.tif 000002
【００２６】
【表２】
0004516702.tif 000003
【００２７】
【表３】
0004516702.tif 000004
【００２８】
【表４】
0004516702.tif 000005
【００２９】
【表５】
0004516702.tif 000006
【００３０】
比較例のＳｉＯ2 およびスラグ成分合計の多いワイヤＮｏ．１８は、スパッタがやや多く、スラグの被包性が劣り、ビード形状も不良であった。一方、スラグ成分合計の少ないワイヤＮｏ．１９は、スラグの被包が不十分でビード形状も不良であった。
【００３１】
Ａｌ2 Ｏ3 の多いワイヤＮｏ．２０は、スパッタが多く、スラグ剥離も劣った。また、ＴｉＯ2 の多いワイヤＮｏ．２１は、アーク状態が強くやや不良で、スラグ被包性が劣り、ビード形状も不良であった。
【００３２】
Ａｌ2 Ｏ3 のないワイヤＮｏ．２２は、スラグの粘性および被包性が劣り、ビード形状も不良であった。またＳｉＯ2 の少ないワイヤＮｏ．２３は、スラグの被包性が劣り、ビード形状も不良であった。
【００３３】
ＴｉＯ2 が少なくスラグ成分合計の少ないワイヤＮｏ．２４は、アーク状態がやや不良で、スパッタが多く、スラグ剥離が劣った。一方、スラグ成分合計が多いワイヤＮｏ．２５は、スパッタが多く発生した。
【００３４】
また、Ｍｎの少ないワイヤＮｏ．２５、Ｎｉの少ないワイヤＮｏ．２６、Ｃの多いワイヤＮｏ．２７、Ｓｉの少ないワイヤＮｏ．２８、Ｍｎの多いワイヤＮｏ．２９、Ｓｉの多いワイヤＮｏ．３０、Ｃｒが少なくＦＭ値の低いワイヤＮｏ．３１、Ｃｒが多くＦＭ値の多いワイヤＮｏ．３２、Ｎｉが多くＦＭ値の低いワイヤＮｏ．３３、Ｃの少ないワイヤＮｏ．３４およびＦＭ値の高いワイヤＮｏ．３５は、片振り引張疲れ試験の結果１５０ＭＰａの応力で、繰返し数が１．０×１０6 未満でＨＡＺにき裂が発生し不良であった。
【００３５】
これらに対し、ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＮｉが適量であって、ＦＭ値が適正、フラックス中のスラグ成分の合計、充填率の適正な本発明ワイヤＮｏ．１〜１７は、アーク状態、スパッタ、スラグ、ビード外観等の溶接作業性が良好であった。また片振り引張疲れ試験の結果も１５０ＭＰａの応力で、繰返し数が１．０×１０6 以上で良好であった。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、溶着金属の変態温度を下げ、４９０ＭＰａ級以下の構造用鋼の溶接部の残留応力を低減し疲労強度を改善したものであって、溶接部の品質向上に大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は各種フラックス入りワイヤの断面形状を示す図
【図２】試験板形状を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【符号の説明】
１  外皮
２  充填フラックス
３  継目
４  ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲワイヤによる溶接ビード
５  試験用ワイヤによる溶接ビード
【図１】
0004516702.tif 000007
【図２】
0004516702.tif 000008