(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数の電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成する多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記複数の電極のうちの何れか１電極または２電極以上を、個々のワイヤごとにワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤとし、残りの電極をソリッドワイヤとするとともに、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］        ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５  ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【請求項２】
前記鋼材の成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０３％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０４を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項１に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項３】
前記鋼材の成分組成が、質量％で、さらに、
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、および、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％のうちの何れか１種または２種以上を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項４】
前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％、
Ｔｉ：０．００５％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％以下、
Ｔｉ：０．００５％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％、
Ｏ：０．０３％〜０．５０％を含有し、
さらに、
Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【請求項５】
前記複数の電極のうち、第２電極以降の少なくとも１電極を前記メタルコアードワイヤとし、残りの電極を前記ソリッドワイヤとすることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の多電極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、高強度ラインパイプあるいは高強度水圧鉄管等の溶接において、強度と靭性が要求される溶接金属を作成する際に使用する下向き多電極サブマージアーク溶接方法に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
下向き多電極サブマージアーク溶接は、複数の電極を用いて１つの溶融池を作成する溶接方法で、高速でかつ大溶着量で溶接できるため鋼管や大型構造物の溶接等に多く使用されているサブマージアーク溶接方法である。
【０００３】
このサブマージアーク溶接の溶接金属に要求される特性の一つに靭性がある。溶接金属の靭性は溶接金属中の酸素量を最適化することで向上できることは、多くの研究成果から言われている点で、これに基づき溶接材料の開発が進められている。近年溶接構造物の大型化や、施工コスト低減を目的に用いる鋼材は高強度化が進み、これに伴い用いる溶接金属も高強度化が進んでいる。しかし、溶接金属では強度が高くなれば一般に靭性が低下する傾向にあるため、高強度鋼になるにほど、溶接金属の靭性を確保するために酸素量の制御方法はより重要となる。
【０００４】
従来、サブマージアーク溶接金属の酸素量は使用するフラックスの組成を調整し制御していた。例えば、特許文献１ではＵＯ鋼管でＸ１００クラスの高強度鋼に対して溶接金属のＴｉおよび酸素を低減することにより、低温靭性を確保している。また、特許文献２では、母材や溶接金属の化学組成を限定して、フラックスを使用することにより溶接金属の靭性を向上させようとしている。さらに、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６では、具体的に酸素を低減する手段としてフラックスの組成を最適化することにより、溶接金属の酸素量を低減し、且つビード形状等の溶接性を確保している。また特許文献７あるいは特許文献８では強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属に対して、溶接金属の酸素量およびＡｌと酸素の比率を制御することにより、溶接金属の靭性を確保して使用としている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４３９１１公報
【特許文献２】特開平３−２８５７７０号公報
【特許文献３】特開平５−３７５号公報
【特許文献４】特開平７−２５６４８８号公報
【特許文献５】特開平９−２６２６９２号公報
【特許文献６】特開２００４−１５４８４０公報
【特許文献７】特開平１１−２６７８８４４号公報
【特許文献８】特開２０００−９６１８７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１においては溶接金属の低酸素化の効果については詳細に開示しているがその低酸素化の方法についてまでは開示していない。また、特許文献２では、母材の化学組成やワイヤの化学組成で溶接金属の組織を制御し靭性を向上させようとしているが、溶接金属のＰｃｍが低く、すなわち低強度の溶接金属にしか適用できない。さらに、フラックスの具体的な処方までは開示されていない。これに対して、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６では具体的に低酸素化の実現方法としてフラックスの成分を検討しその方法を明らかにし、さらにワイヤの化学組成も検討し、靭性の向上手段を明らかにしていが、これらの溶接材料を使用する前提がＳＭ４９０やＸ６５相当の低強度の鋼材あるいは溶接金属である。
【０００７】
一方、先に述べた様に近年では８００ＭＰａ以上の高強度鋼の溶接構造物への適用の要望が高まっている。これらの鋼材に適用する８００ＭＰａ以上の高強度溶接金属では強度を得るため合金元素が高く、そのため溶融金属の粘性などの物性が低強度の溶接金属とは変わる。そのため、特許文献３、特許文献４、特許文献５あるいは特許文献６で開示されている様な、低強度溶接金属への使用を前提とした組成の塩基度の高いフラックスを、この様な高強度溶接金属を作成する際に使用した場合、図１に示す様なビード頂部にスラグインが発生するという新たな問題が発生するようになってきた。頂部スラグインとは溶接ビートの余盛り頂上付近の溶接金属内に発生する直径０．１ｍｍから２．０ｍｍ程度のスラグインである。これは溶接中に溶融した溶接金属中の溶融スラグが浮上しきれずに、溶接ビード頂部の溶接金属内部に残留したもので、欠陥として認識される。特許文献７では強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属に対して、Ａｌと酸素の比率や用いるフラックスの塩基度を制御して溶接金属の靭性を確保しているが、用いるフラックスの成分にまでは検討を加えておらず、やはり頂部スラグインの問題が発生する。特許文献８でも溶接金属のＡｌと酸素量の比を制御することにより溶接金属の靭性は確保しようとしているが、酸素の制御方法にまでは言及していない。特に、市販のフラックスを使用しており頂部スラグインの問題が回避できていない。
【０００８】
本発明者らは、この問題を解決するために頂部スラグインの生成傾向について検討した。その結果、頂部スラグインの発生傾向は主に、溶接金属の粘性、溶融スラグの粘性および溶融金属と溶融スラグの界面張力の影響を受けることが判明した。溶接金属の粘性は溶接金属の組成により変化する。また、溶融スラグの粘性はスラグの成分により変化する。溶融金属と溶融スラグとの界面張力も溶接金属の成分と、溶融スラグの成分より変化する。一方、溶接金属の成分は溶接金属の強度を得るために最適化されている。また、溶融スラグの成分は当然フラックスの成分により決まる。そこで発明者らは、溶接金属の強度とフラックスの成分とにより頂部スラグインの発生傾向が整理することを試みた。
【０００９】
そのためにはフラックスの成分系を表す指標が必要である。フラックス成分の設計の重要な観点として酸素量の制御がある。フラックスと溶接金属中の酸素量の関係を示す指標としては塩基度があり、フラックスの成分系を決定する上で重要な指標である。そこで、頂部スラグインの発生傾向も塩基度を利用して整理することを試みた。
【００１０】
その結果を、図２に示す。図２の横軸は、用いるフラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて式（１）で計算される塩基度、縦軸はソリッドワイヤを用いて作成した溶接金属の引張強度である。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式（１）は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。例えば、特開昭６０−１９１６９１号公報でも用いられていて、フラックスの塩基度として古くから用いられている式である。図２の作成に用いた溶接方法は３電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。図２が示す様に、式（１）で計算される塩基度と溶接金属の強度により頂部スラグインの発生傾向が整理でき、頂部スラグインは溶接金属の強度が高くなるに従いより高い塩基度でも発生するようになる。８００ＭＰａ以上の強度を持つ溶接金属では、式（１）で計算される塩基度が１．１以上でないと、頂部スラグインが発生することになる。
Ｂ＝６．０５Ｎ［ＣａＯ］＋４．０Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１Ｎ［ＣａＦ２］−０．２Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３Ｎ［ＳｉＯ２］              （１）
ここで式（１）中の、Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を意味する。
【００１１】
【表１】
0005052997.tif 000002
【００１２】
一方、強度が８００ＭＰａ以上の高強度溶接金属の靭性を確保するためには、溶接金属中の酸素量の制御が重要である。強度が８００ＭＰａ以上の溶接金属においては、発明者等の知見から質量％で酸素量が０．０１８％〜０．０３５％の範囲で安定した靭性が得られることが判っている。これは酸素量が０．０１８％未満では組織の微細化に必要な量の酸化物が形成されず靭性が得られない。また、０．０３５％超では粗大な酸化物が形成され、これが破壊の基点となり靭性が低下するためである。図３は用いるフラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて式（１）で計算されるフラックスの塩基度と、そのフラックスを用いて作成した溶接金属中の酸素量の関係を示す。フラックスの成分のうち、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２を用いて、式（１）で求めた計算される塩基度を用いることにより、フラックスの成分と溶接金属中の酸素量は図３に示す様に良く整理することができる。図３の作成に用いた溶接方法は３電極サブマージアーク溶接で、市販のソリッドワイヤを用いてワイヤの化学成分により溶接金属の強度を調整した。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。ソリッドワイヤは一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度しか含まれない。そのため、図３においては溶接金属中の酸素量はフラックスにより決まる。
【００１３】
図３から、溶接金属中の酸素量を安定的に０．０１８％以上得るためには、式（１）で計算される塩基度はおよそ１．１未満である必要がある。しかし、図２から溶接金属の強度が８００ＭＰａ以上では式（１）で計算される塩基度が１．１未満では頂部スラグインが発生し、溶接欠陥防止の観点から問題が生じる。
【００１４】
この様に、高強度溶接金属においては溶接性と靭性の両立が困難になることが判明した。さらに、特許文献で指摘されている様にフラックスの組成は溶接性に対して重要な影響を及ぼし、良好な溶接性と靭性を両立させるフラックスを開発するためには多くの工夫とコストが必要となる。もし、フラックスの成分設計をビード形状やスラグイン等の欠陥防止する溶接性の観点のみで実施し、酸素制御は別の方法で行えるのであれば、サブマージアーク溶接の溶接材料設計を行う上で非常に有効な手段となり得る。
【００１５】
本発明は、この様な観点から検討を加えられたものであり、下向き多電極サブマージアーク溶接により、ビード形状の良好で且つ靭性のすぐれた高強度溶接金属の作成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】
【００１６】
本発明者らは上記の目的を達成するために、サブマージアーク溶接方法そのものに注目して酸素量の制御と溶接性を共に両立させる方法を検討した。その結果、用いる溶接ワイヤをメタルコアードワイヤに一部変更することにより、容易に溶接金属の酸素量を制御し、その結果良好な靭性を持つ溶接金属を得ることが出来ることを見いだし、本発明を完成した。
【００１７】
すなわち本発明の要旨は、以下の通りである。
【００１８】
引張強度が８００〜１２００ＭＰａの鋼材を、該鋼材の開先内に高塩基性フラックスを充填し、複数の電極を用いて一つの溶融池を作成してサブマージアーク溶接することにより、引張強度が８００〜１２００ＭＰａの溶接金属を形成する多電極サブマージアーク溶接方法において、
前記複数の電極のうちの何れか１電極または２電極以上を、個々のワイヤごとにワイヤ全体に対する質量％でＯ：０．０３％〜０．５０％を含有するメタルコアードワイヤとし、残りの電極をソリッドワイヤとするとともに、
前記高塩基性フラックスの成分組成が、該フラックスに対する質量％で、ＳｉＯ２：５．０％〜２０．０％未満、ＣａＦ２：３０．０％〜５０．０％、ＣａＯ：５．０％〜２５．０％、ＭｇＯ：１．０％〜５．０％、Ａｌ２Ｏ３：１５．０％〜３０．０％を含有し、かつ、該フラックスの成分組成が下記（１）式で計算される塩基度Ｂの値が１．１〜３．２を満足し、
前記溶接金属の成分組成が、該溶接金属に対する質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１２％、
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％、
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％、
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％を含有し、
Ｎｂ：０．０４％以下に制限し、
さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、かつ、該溶接金属の化学組成が下記（２）式で求められるＰｃｍの値が０．２２〜０．３８を満足することを特徴とする、多電極サブマージアーク溶接方法。
Ｂ＝６．０５×Ｎ［ＣａＯ］＋４．０×Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１×Ｎ［ＣａＦ２］−０．２×Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３×Ｎ［ＳｉＯ２］        ・・・（１）
Ｐｃｍ＝［Ｃ］＋［Ｓｉ］／３０＋（［Ｍｎ］＋［Ｃｒ］）／２０＋［Ｎｉ］／６０＋［Ｍｏ］／１５  ・・・（２）
但し、
上記Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、それぞれＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を示し、
［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｎｉ］、および、［Ｍｏ］は、それぞれＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、および、Ｍｏの質量％を示す。
【００１９】
（２）  前記鋼材の成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％、
Ｍｎ：０．５％〜３．０％、
Ｔｉ：０．００１％〜０．０３％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０４を含有し、
残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記（１）に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【００２０】
（３）前記鋼材の成分組成が、質量％で、さらに、Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、および、Ｎｂ：０．００５％〜０．０６％のうちの何れか１種または２種以上を含むことを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【００２１】
（４）前記ソリッドワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であり、
前記メタルコアードワイヤの成分組成が、質量％で、
Ｃ：０．０３％〜０．１５％、
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％、
Ｍｎ：０．２％〜４．０％以下、
Ｔｉ：０．００２％〜０．１０％、
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％、
Ｏ：０．０３％〜０．５０％を含有し、
さらに、Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％のうちの何れか１種または２種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物であることを特徴とする、上記（１）〜（３）の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【００２２】
（５）前記複数の電極のうち、第２電極以降の少なくとも１電極を前記メタルコアードワイヤとし、残りの電極を前記ソリッドワイヤとすることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載の多電極サブマージアーク溶接方法。
【００２３】
尚、本発明で言うソリッドワイヤとは通常のサブマージアーク溶接で使用される直径１．６ｍｍから６．４ｍｍ程度の中実の合金鋼の線状の溶接材料で、これを溶かして溶接金属を形成するものである。同時にサブマージアーク溶接ではアークを発生する電極として用いている。
【００２４】
また、本発明で言うメタルコアードワイヤとは外皮と呼ぶ中空の鋼管の中に金属粉末および合金粉末のいずれかあるいは両方を充填した後に、さらに必要に応じて伸線加工をさらに加えて所要の直径にして製造した線状の溶接材料である。金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填する時期は、鋼管の形状にした後であっても、鋼管の成形過程の途中に同時に金属粉末および合金粉末を鋼管内に充填しても本発明の効果は同じで、何れの充填方法を含む方法で製造されたメタルコアードワイヤも、本発明で言うメタルコア−ドワイヤに含まれる。本発明では、このメタルコアードワイヤもソリッドワイヤと同様にサブマージアーク溶接で電極として使用し、且つ溶接金属を形成する目的で使用する。
【００２５】
外皮は、機械的なかしめによりシーム部を接合したかしめ型と、継目の無いシームレス鋼管あるいは継目が溶接により接合されている溶接鋼管であるシームレス型とがある。本発明で言うシームレス型とは、継目が無い事あるいは、外皮である鋼管の縫目部において鋼管の外側と内側が気体あるいは水分に対して、冶金的に遮断されている事を意味する。そのため、一般にかしめ型と比較して耐吸湿性に優れている。湿度の高い場所での長期の保管に対しても吸湿しにくく、その結果、特に低温割れ感受性の高い高強度溶接金属用の溶接材料として適している。
【００２６】
図４に、メタルコアードワイヤの断面の模式図を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）は外皮Ａの縫目部が機械的なかしめ部Ｋを有するかしめ型の鋼管であるメタルコアードワイヤの断面の一例である。図４（ｃ）は、外皮Ｂとして縫目の無い鋼管を使用したメタルコアードワイヤの模式図であり、図４（ｄ）は外皮Ｂとして縫目部が溶接Ｗにより接合してある鋼管を使用したメタルコアードワイヤである。
【００２７】
本発明では図４（ａ）および図４（ｂ）の例に示される様な、外皮Ａがかしめ型のメタルコアードワイヤをかしめ型メタルコアードワイヤと呼ぶ。また、図４（ｃ）および図４（ｄ）の例に示される様な、外皮Ｂがシームレス型のメタルコアードワイヤをシームレスメタルコアードワイヤと呼ぶ。さらに、かしめ型メタルコアードワイヤとシームレスメタルコアードワイヤとを総称してメタルコアードワイヤと呼ぶ。
【００２８】
メタルコアードワイヤの外皮Ａ又はＢの素材は、成形性や伸線行程での加工性の観点から、一般には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎおよび他はＦｅと不可避の不純物からなる軟鋼が使用され、溶接材料として必要な合金元素は内部に充填される金属粉末あるいは合金粉末から添加される。しかし、合金元素の多いメタルコアードワイヤでは必要に応じては外皮からも合金成分を添加することもある。外皮の酸素量は一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度しか含まれない。
【００２９】
メタルコアードワイヤの中に入れる金属粉末および合金粉末Ｃとは、具体的にはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｏおよびＴｉ等の純金属粉末あるいはこれらを含む合金粉末であり、必要に応じて取捨選択さる。これらの粉末を適宜選択して使用する。金属粉末の中で、特にＦｅは他の金属粉末や合金粉末と異なり表面に酸素を吸着しやすく、また粉末の表面は酸化し微量の酸化鉄も形成し易く、本発明においては酸素を供給する粉末として重要な役割を果たす。また、必要に応じてメタルコアードワイヤの製造性を改善するために、金属粉末以外に水ガラス等の製造助剤や、溶接性をさらに改善するための酸化物、フッ化物等のアーク安定剤を添加するが、このことは本発明の効果に影響しない。また、これらの成分はメタルコアードワイヤの成分としては不可避の不純物として含まれる。元素としてはＮａあるいはＣａ等が挙げられる。
【００３０】
メタルコアードワイヤの合金元素の平均組成は、外皮の化学組成、金属粉末の平均組成、および製造設備や製造行程で決まるメタルコアードワイヤの外皮と金属粉末の質量比が決まれば式（３）で決定される。
Ｍ（ＣＷ）＝Ｍ（ｇ）×ａ（ｇ）＋Ｍ（ｐ）×ａ（ｐ）          （３）
但し、
Ｍ（ＣＷ）：メタルコアードワイヤの元素Ｍの平均の質量％、
Ｍ（ｇ）  ：外皮の元素Ｍの質量％、
ａ（ｇ）  ：金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する外皮の単位長さの質量の比、
Ｍ（ｐ）  ：金属粉末中の元素Ｍの平均質量（％）、
ａ（ｐ）  ：金属粉末と外皮の単位長さの質量の和に対する金属粉末の単位長さの質量の比、
ａ（ｇ）＋ａ（ｐ）＝１
【発明の効果】
【００３１】
本発明のサブマージアーク溶接方法によれば、電極として用いるソリッドワイヤ以外にメタルコアードワイヤを使用することで、溶接金属の酸素量を容易に制御でき、頂部スラグインを生じさせることなく良好なビード形状の溶接ができる。その結果、溶接性が良好で、かつ靭性に優れた高強度溶接金属を得ることができるという顕著な効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は引張強度が８００ＭＰａ〜１２００ＭＰａの溶接金属に適用することを前提としている。それは、８００ＭＰａ未満の強度の溶接金属では、溶接金属の合金量が少なく従来技術でも靭性が良好でかつビード形状も良好な溶接部が得られるためである。また、１２００ＭＰａ超の溶接金属では組織がマルテンサイト組織となり、靭性確保が本発明の技術のみでは困難になる。
【００３３】
溶接方法は、下向き多電極サブマージアーク溶接を用いる。これは本発明がソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの複数の種類のワイヤを用いるための必須の前提条件である。電極の数は２電極以上であれば特に指定はないが、通常２電極から５電極までが望ましい。
【００３４】
ソリッドワイヤとメタルコアードワイヤの組み合わせは、多電極サブマージアーク溶接の複数の電極の内、少なくとも１電極以上をメタルコアードワイヤで残りの電極がソリッドワイヤとした。この理由について次に述べる。
【００３５】
先に述べた様にサブマージアーク溶接金属において、良好な靭性を得るためには溶接金属中の酸素量の制御が重要である。引張強度が８００ＭＰａ〜１２００ＭＰａの溶接金属では、溶接金属の酸素量は質量％で０．０１８％〜０．０３５％の範囲であることが必要であるが、図２および図３が示す様にフラックスで酸素量を範囲に制御すると頂部スラグインが発生する。そのため、本発明ではフラックス以外の方法で、溶接金属中の酸素量を増加する。
【００３６】
本発明では安定して溶接金属の酸素量を質量％で０．０１８％〜０．０３５％の範囲にするために、メタルコアードワイヤを用いて酸素量を増加する。メタルコアードワイヤから供給する酸素量は、メタルコアードワイヤの酸素量、メタルコアードワイヤを使用する電極の数、および各電極での電流配分より調整することができる。尚、ソリッドワイヤが含有する酸素量は一般的に０．０１％以下の不可避の不純物程度であるため、ソリッドワイヤを使用する限りワイヤから酸素を供給することはできない。
【００３７】
具体的には、酸素量の多いメタルコアードワイヤを使用すれば溶接金属に供給される酸素量は多くなる。
【００３８】
図５に、３電極サブマージアーク溶接の電極にメタルコアードワイヤを１本以上使用した場合の、フラックスの式（１）で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す。図５の作成に用いた溶接方法は３電極サブマージアーク溶接で、電極にソリッドワイヤおよびメタルコアードワイヤを用いた溶接した。溶接条件は表１に示す条件を用いた。図５の横軸は式（１）で計算されるフラックスの塩基度、縦軸に溶接金属中の酸素量を示す。図中○は、図３で示した３電極すべてをソリッドワイヤで溶接した場合の結果である。図中●、■および◆は各メタルコアードワイヤを１本、２本および３本使用して溶接した場合の結果である。図５が示す様に、メタルコアードワイヤを少なくとも１本使用することにより、メタルコアードワイヤから溶接金属に酸素が供給されるため、同じ式（１）で計算される塩基度のフラックスを使用しても、溶接金属中の酸素量を増加させることができる。
【００３９】
メタルコアードワイヤの酸素は、主に金属粉末に含まれるＦｅ粉末の表面に吸着している酸素あるいは表面に生成している酸化鉄が供給源となる。外皮はソリッドワイヤと同じく、不可避の不純物程度しか酸素は含有していないため、酸素の供給源とはならない。また、金属粉末と皮材の質量比率を変えることにより、メタルコアードワイヤの酸素量を変えることもできる。
【００４０】
また、メタルコアードワイヤを用いる電極の数を増加しても容易に可能である。
【００４１】
さらに、溶接金属の化学組成に対する各電極のワイヤの成分の寄与の程度は、各電極の電流配分で制御できる。したがって、メタルコアードワイヤを用いている電極の電流を高くすることによりこのメタルコアードワイヤの寄与率が高くなり溶接金属に供給される酸素量は増加することができる。微減も同様で電流値を調整することで可能である。各電極に供給する溶接電流の配分は特に規定しないが、バランスの関係から各電極の溶接電流のうち、もっとも小さい電量値はもっとも大きい電流値の２５％以上であることが望ましい。
【００４２】
次に、フラックスのＳｉＯ２量の限定理由について述べる。
【００４３】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＳｉＯ２の比率が質量％で、５．０％〜２０．０％未満、と限定した。図６は横軸にフラックス中ＳｉＯ２量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のＳｉＯ２量の影響を示したものである。溶接は３電極サブマージアーク溶接を用い、溶接ワイヤは全てソリッドワイヤを用いた。溶接条件は表１に示す溶接条件を用いた。また、図６で使用したフラックスのうちＳｉＯ２が１５．５％〜３１．０％の範囲フラックスは式（１）で計算される塩基度が１．１〜１．９で本発明の範囲である。また、ＳｉＯ２が３４．５％以上のフラックスは式（１）で計算される塩基度が−０．４〜０．８で本発明の範囲外である。
【００４４】
溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上ではＳｉＯ２量がおよそ２０．０％以上で頂部スラグインが発生している。これは、ＳｉＯ２が過剰に添加されると溶融したスラグがよりガラス質となり、溶接金属中から浮上しにくくなり、溶接ビードの頂部に残留しやすくなるためである。また、ＳｉＯ２は溶融スラグの軟化溶融温度を高くする為、スラグの粘性も高める。そのため、上限を２０．０％未満とした。下限は本発明の効果からは特に限定しないが、ＳｉＯ２はガラス成分であるので少ないとフラックスが結晶質となり吸湿しやすくなり、特に高強度では耐低温割れ性を阻害するため５．０％以上とした。
【００４５】
次にフラックスのＣａＦ２量の限定理由について述べる。
【００４６】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＦ２の比率が質量％で、３０．０％〜５０．０％とした。図７は横軸にフラックス中ＣａＦ２量、縦軸に溶接金属の強度をとり、各強度における頂部スラグインの発生傾向におよぼすフラックス中のＣａＦ２量の影響を示したものである。図７で使用したフラックスではすべて式（１）で計算される塩基度が１．１〜３．２である。
【００４７】
溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上ではＣａＦ２量がおよそ３０％未満で頂部スラグインが発生している。これは、ＣａＦ２は溶融スラグの軟化溶融温度を下げて粘性を低くする効果があるが、３０％未満ではその効果が得られないためである。そのため、下限を３０．０％とした。上限は本発明の効果のためには限定しなくても良いが、ＣａＦ２量が過剰になるとアークの安定性が損なわれるため、５０．０％以下に限定した。
【００４８】
次にフラックスのＣａＯの限定理由について述べる。
【００４９】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＯの比率が質量％で５．０％〜２５．０％とした。ＣａＯは式（１）で計算される塩基度の調整に添加されるが５．０％以下では（１）で計算される塩基度が小さくなりすぎるため、５．０％以上必要である。また、ＣａＯは溶接金属の溶接ビード形状に影響をおよぼし、５．０％未満では、軟化溶融温度が高くなり溶融ガスの放散の阻害によるあばたの発生等の溶接ビード表面の外観不良につながる。一方、過剰では溶接ビードの余盛りが高くなりビード形状を悪くする。またスラグの剥離性も低下する。そのため上限を２５％とした。
【００５０】
次にフラックスのＭｇＯの限定理由について述べる。
【００５１】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＭｇＯの比率が質量％で１．０％〜５．０％とした。ＭｇＯは塩基度の調整のために添加する。１％未満では、塩基度が小さくなりすぎるため、１．０％以上は必要である。５．０％超ではビード形状が凸ビードとなり、アンダーカットが発生する。そのため、上限は５％とした。
【００５２】
次にフラックスのＡｌ２Ｏ３の限定理由について述べる。
【００５３】
サブマージアーク溶接に使用するフラックスを構成する成分のうちＡｌ２Ｏ３の比率が質量％で１５．０％〜３０．０％とした。
【００５４】
Ａｌ２Ｏ３も塩基度の調整のために添加する。１５．０％未満では塩基度が高くなりすぎるため１５％以上は必要となる。一方、３０％超添加すると塩基度が小さくなりすぎるため、上限を１５．０％とした。また、Ａｌ２Ｏ３は溶接作業性に対しても影響を与え、過剰ではアンダーカットや馬の背状の突起が溶接ビード頂部に生成するため、上限を３０．０％とした。
【００５５】
次に、フラックスの式（１）で計算される塩基度の限定理由について述べる。
【００５６】
使用するフラックスを構成する成分のうちＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２のモル分率を用いて式（１）で計算されるフラックスの塩基度が１．１〜３．２に限定した。
【００５７】
用いる高塩基性フラックスの構成成分としては、ＳｉＯ２およびＣａＦ２以外にＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＬｉＯ２、ＴｉＯ２、ＦｅＯ等の酸化物、あるいはＣａＣＯ３等がスラグの生成、塩基度の調整、溶接ビード形状を整える効果等の目的で使用される。ＳｉＯ２およびＣａＦ２以外の成分は、担体の質量比では頂部スラグインの生成には影響をおよぼさないが、これらの成分の内、ＳｉＯ２、ＣａＦ２、ＣａＯ、ＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３の配合比によりスラグインが発生しやすくなる。具体的には、溶接金属の引張強度が８００ＭＰａ以上の場合は、ＳｉＯ２量やＣａＦ２量が適正な範囲でも、モル分率を使用して式（１）で計算される塩基度が１．１未満では図２が示す様に頂部スラグインが発生する。そのため下限を１．１とした。サブマージアーク溶接に用いるフラックスの塩基度を表す式にはいくつかの式が用いられるが、式（１）は電気化学的手法を加味して森らが提案した塩基度の式で、酸化物のモル分率を用いて塩基度を表したものである。
【００５８】
式（１）で計算される塩基度の上限は本発明の効果からは特に限定は無いが、塩基度が高くなるに従いフラックスがより結晶質になるため、フラックスの表面積が多くなり吸着水が多くなる結果、溶接金属中の水素が増加し割れ等の欠陥が発生する頻度が高くなる。そのためフラックスの乾燥や乾燥した後の保管方法で対策が必要でありコスト的に不利になる。そのため上限を３．２とした。
Ｂ＝６．０５Ｎ［ＣａＯ］＋４．０Ｎ［ＭｇＯ］＋５．１Ｎ［ＣａＦ２］−０．２Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］−６．３Ｎ［ＳｉＯ２］      ・・・・・（１）
ここで、Ｎ［ＣａＯ］、Ｎ［ＭｇＯ］、Ｎ［ＣａＦ２］、Ｎ［Ａｌ２Ｏ３］、および、Ｎ［ＳｉＯ２］は、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、および、ＳｉＯ２のモル分率を意味する。
【００５９】
次に、溶接金属の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接においては溶接金属の特性はその化学組成で決まるため、成分範囲は重要である。
【００６０】
Ｃ：０．０３％〜０．１２％
Ｃは、溶接金属の焼き入れ性を確保し、強度と靭性を得るために重要な元素である。０．０３％未満では強度が得られない。一方、０．１２％を超えると強度が過剰となる。また、炭化物が形成し靭性が低下する。そのため、０．１２％以下とした。
【００６１】
Ｓｉ：０．０３％〜０．４０％
Ｓｉは脱酸元素として必要であり、０．０３％以上は必要である。一方、０．４０％を超えて添加するとＳｉが過剰となり、過剰Ｓｉは溶接金属中に固溶し靭性を低下する。そのため、上限を０．４０％とした。
【００６２】
Ｍｎ：０．５％〜３．０％
Ｍｎは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るために０．５％以上必要である。一方、３．０％を超えると強度が過剰となり靭性が低下するため、上限を３．０％とした。
【００６３】
Ｔｉ：０．００２％〜０．０２５％
Ｔｉは溶接金属の組織を微細化するのに最低限０．００２％以上は必要である。しかし、０．０２５％を越えると、固溶Ｔｉが増加し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．０２５％とした。
【００６４】
Ａｌ：０．００２％〜０．０３０％
Ａｌは、母材、ワイヤおよびフラックスから移行してくるため溶接金属中には不純物として存在する。しかし、０．０３０％を超えると粗大な酸化物が形成し溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．０３０％とした。下限は本発明の効果からは特に限定する必要がないが、母材やフラックスかの不可避の不純物として０．００２％以上は含まれる。
【００６５】
Ｎｂ：０．０４％以下
Ｎｂは溶接材料には不可避の不純物程度にしか含まれない。しかし、母材にはＮｂを添加する場合もあるため、母材から溶接金属に供給される。しかし、過剰に溶接金属に含有すると炭化物を形成し靭性が低下する原因となる。そのため、上限を０．０４％とした。
【００６６】
Ｏ：０．０１８％〜０．０３５％
Ｏは溶接金属の靭性を確保するために重要な元素である。０．０１８％未満では、組織を微細化して靭性を向上させるのに必要な酸化物を形成することができない。そのため０．０１８％以上は必要である。しかし、０．０３５％を超えると、粗大な酸化物を形成するようになり、溶接金属の靭性は低下する。そのため、上限を０．０３５％とした。
【００６７】
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜４．０％、および、Ｍｏ：０．１％〜２．０％のうちの何れか１種または２種以上を含む：
Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏは溶接金属の強度を向上させる元素であるため添加する。しかし、過剰添加は靭性あるいは溶接性を低下させるため上限をきめた。
Ｃｒは、焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、１．５％を超えると、過剰のＣｒは溶接金属の靭性を低下させる。そのため、上限を１．５％とした。
【００６８】
Ｎｉは、溶接金属の強度と靭性を向上させるために添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、４．０％を超えると、溶接時の高温割れが発生する危険性が高くなる。そのため上限を４．０％とした。
【００６９】
Ｍｏは焼き入れ性を向上させ溶接金属の強度を得るため添加する。この効果を得るためには０．１％以上必要である。しかし、２．０％を超えると、過剰のＭｏは溶接金属の強度を過剰に高め、靭性を低下させる。そのため、上限を２．０％とした。
【００７０】
次に溶接金属の化学組成を用いて式（２）で計算されるＰｃｍの値を０．２２〜０．３８とした。０．２２未満では溶接金属の強度が８００ＭＰａ未満となるため、下限を０．２２とした。また、０．３８を超えると溶接金属の強度が高くなりすぎるため、上限を０．３８とした。
【００７１】
次に請求項２および請求項３に記載の母材の化学組成の限定理由について述べる。サブマージアーク溶接では母材の希釈率が高いため、サブマージアーク溶接の溶接金属の化学組成は母材の化学組成と溶接材料の化学組成との両方の影響を受ける。溶接金属の強度や靭性はその化学組成によりほぼ決定される。そのため、母材の化学組成を規定することにより容易に適切な化学組成の溶接金属を得ることができる。また、用いる母材の化学組成を限定することにより母材の特性を向上するとができ、より良好な溶接継手を得ることができる。
【００７２】
Ｃ：０．０３％〜０．１５％
Ｃは焼き入れ性を高め、組織を微細化するために重要名元素であり。母材の強度を確保するためには０．０３％以上必要である。また、溶接金属に安定してＣを供給するために、０．０３％以上必要である。一方、０．１５％を越えて添加するとＣが過剰となる。そのため、母材の溶接熱影響部の硬化が著しく、靭性に悪影響を及ぼす。そのため上限を０．１５％とした。
【００７３】
Ｓｉ：０．０１％〜０．５０％
Ｓｉは母材の製造時に脱酸元素として必要であり、その効果を得るために０．００５％以上必要である。一方、０．５０％を超えて添加すると母材の靭性が低下する。また、溶接金属への移行するＳｉ量が過剰となり溶接金属の靭性も低下させる危険性があるため、上限を０．５％とした。
【００７４】
Ｍｎ：０．５％〜３．０％
Ｍｎは母材の焼き入れ性を高め強度を得るために必要な元素で、少なくとも０．５％以上必要である。一方、３．０％を超えて添加すると強度が高くなりすぎ靭性を低下させる。また、偏析が大きくなり、鋼材の組織も不均一にする。そのため、上限を３．０％とした。
【００７５】
Ｔｉ：０．００１％〜０．０２％
Ｔｉは、微量添加により母材の強度を向上させ靭性も改善するため、０．００１％以上必要である。しかし、過剰のＴｉは母材強度を過剰にする。そのため上限を０．０２％とした。
【００７６】
Ａｌ：０．００１％〜０．０４％
Ａｌは脱酸元素として母材に必要で、０．００１％以上添加される必要がある。しかし、０．０４％を超えて添加すると粗大な酸化物を形成して母材の靭性は低下すため、上限を０．０４％とした。
【００７７】
さらに、母材の強度と靭性をバランス良く得るために以下の元素を添加することが有効である。
【００７８】
Ｃｒ：０．１％〜１．５％、Ｎｉ：０．１％〜２．５％、Ｍｏ：０．１％〜２．０％、Ｎｂ：０．００５％〜０．０５％の何れか１種又は２種以上を含む：
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎｂは何れも母材の強度を向上させるために何れかを１種あるいは２種以上添加するが、過剰添加により、母材の靭性を低下させるため、上限を決めた。
【００７９】
Ｃｒは焼き入れ性を高めて、強度を確保するため添加する。この効果を得るためには、０．１％以上必要である。しかし、１．５％を超えて添加すると母材の靭性を低下させる。そのため、上限を１．５％とした。
【００８０】
Ｎｉは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．１％以上は必要である。しかし、２．５％を超えて添加すると溶接金属に移行するＮｉが過剰となり溶接金属に高温割れが発生しやすくなる。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので上限を２．５％とした。
【００８１】
Ｍｏは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．１％以上必要である。しかし、２．０％を超えて添加すると母材の強度が過剰となり母材の靭性が低下する。また、経済的な観点からも過剰の添加は好ましくないので、上限を２．０％とした。
【００８２】
Ｎｂは、母材の強度を向上させるために添加する。この効果を得るためには、０．００５％以上必要である。しかし、０．０６％を超えて添加すると強度が過剰となり靭性が低下する危険性が高くなるため、上限を０．０６％とした。
【００８３】
次に、請求項４に記載の用いるソリッドワイヤの化学組成およびメタルコアードワイヤの平均の化学組成の限定理由について説明する。溶接金属の化学組成は、母材と溶接材料により決定される。そのため、溶接に用いるソリッドワイヤあるいはメタルコアードワイヤの化学組成を規定することにより、容易に溶接金属の組成を設計することができる。酸素量以外はソリッドワイヤとメタルコアードワイヤとは化学組成の範囲は同じである。酸素量はメタルコアードワイヤのみ限定する。
【００８４】
Ｃ：０．０３％〜０．１５％
Ｃは焼き入れ性を高めて、溶接金属の強度を確保するために重要な元素である。溶接金属に必要なＣ量を供給するために、０．０３％以上必要である。しかし、０．１５％を超えて添加すると溶接金属のＣ量が過剰となり強度が高くなり靭性が低下する。またソリッドワイヤも硬くなるため、製造性が阻害される。そのため、上限を０．１５％とした。
【００８５】
Ｓｉ：０．０２％〜０．８０％
Ｓｉは溶融した溶接金属の粘性を高める元素であり、作業性の観点から０．０２％以上は必要である。しかし。０．８０％を超えて添加すると溶接金属中のＳｉ量が過剰となり靭性が低下するため、上限を０．８０％とした。
【００８６】
Ｍｎ：０．２％〜４．０％
ＭｎもＣと同様、溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために添加する元素である。そのため、０．２％以上は必要である。しかし、４．０％を超えて添加すると、溶接金属中のＭｎ量が過剰となり靭性が低下するため、上限を４．０％とした。
【００８７】
Ｔｉ：０．００２〜０．１０％
Ｔｉは酸素と結合して酸化物を形成して、溶接金属の組織の微細化に役立つ重要な元素である。０．００２％未満ではワイヤからの添加量が足らず、その効果が得られないため、溶接金属の靭性が低下する。そのため、０．００２％以上は必要である。しかし。０．１０％を超えてワイヤに添加すると、酸化物を形成するに必要なＴｉ以上が溶接金属に供給されるため固溶したＴｉが溶接金属中に増加し、溶接金属の靭性が低下する。そのため、上限を０．１０％とした。
【００８８】
Ａｌ：０．００１％〜０．０２％
Ａｌは溶接金属の靭性に対して酸化物を形成して低下させる。当然ワイヤからも溶接金属に移行するため、上限を定めた。０．０２％を超えてワイヤに含まれると、溶接金属のＡｌ量が過剰となり靭性が低下する。下限は特に溶接金属の靭性の観点からは必要ないが通常０．００１％以上は不可避の不純物として含まれる。
【００８９】
Ｃｒ：０．２５％〜３．０％、Ｎｉ：０．２５％〜８．０％、および、Ｍｏ：０．２５％〜４．０％の何れか１種又は２種以上を含む：
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏは溶接金属の強度を確保するために１種または２種以上添加する。そのため、母材から供給される量の不足分は溶接材料から供給される。
【００９０】
Ｃｒは溶接金属の焼き入れ性を高め強度を確保するために必要に応じてワイヤに添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、過剰のＣｒは靭性を低下させる。３．０％を超えて添加すると溶接金属中のＣｒが過剰となり溶接金属の靭性が低下する。そのため、３．０％以下とした。
【００９１】
ＮｉもＣｒと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、８．０％を超えてＮｉを添加すると、溶接金属中のＮｉ量が過剰となり、高温割れを引き起こす。そのため、上限を８．０％とした。
【００９２】
ＭｏもＮｉおよびＣｒと同様焼き入れ性を高めて強度を確保するため、必要に応じてワイヤから溶接金属に添加する元素である。溶接金属がこの効果を得るためにはワイヤには０．２５％以上必要である。しかし、４．０％を超えてＭｏを添加すると、溶接金属の強度が過剰となり靭性が低下する。そのため、上限を４．０％とした。
【００９３】
次にメタルコアードワイヤの酸素量の限定理由について述べる。
【００９４】
Ｏ：０．０３％〜０．５０％
メタルコアードワイヤの酸素量を個々のワイヤごとにワイヤ全体に対する質量％で０．０３％〜０．５０％に限定した。本発明では、メタルコアードワイヤから酸素を溶接金属に添加するのが目的である。そのため、メタルコアードワイヤの酸素量を規定する。０．０３％未満では酸素量が少なく、溶接金属中に十分な酸素量が供給されない。そのため０．０３％以上は必要である。一方、０．５０％を超えると、酸素量が過剰となった結果、ガス成分が多くなりブローホール等の欠陥が生じ易くなる。そのため上限を０．５０％以下とした。好ましくは０．２０〜０．５０％である。また、０．５０％以下の酸素量のメタルコアードワイヤであれば、式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲のフラックスを用いている限り、溶接金属は酸素過剰にはならない。
【００９５】
次に、請求項５について説明する。請求項５に記載されているように、１電極目にソリッドワイヤを使用することにより深い溶け込み形状を得ることができる。メタルコアードワイヤでは溶接アークが外皮から主に発生するため、図８（ａ）の模式図に示すように溶け込みＷｂが浅くなりまた幅の広い断面形状になるが、１電極目にソリッドワイヤを使用することにより図８（ｂ）の模式図に示すように溶け込みＷｂを深くすることができる。溶接熱影響部の領域を小さくするため、近年、高強度鋼の溶接において、溶接入熱の小入熱化の方向にあるが、溶接入熱を小さくすると溶け込みが浅くなり、溶け込み不足等の溶接欠陥の発生する可能性が高くなる。そのため、溶け込みがより深くなる溶接方法は有益である。
【実施例１】
【００９６】
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【００９７】
実施例に用いた溶接方法は、主に３電極のサブマージアーク溶接を使用し、一部に４電極および５電極のサブマージアーク溶接を用いた。表２に実施例で用いた溶接条件を示す。条件１は基本条件であり、条件２は条件１の電流および電圧の配分を変えた条件である。条件３は４電極条件である。条件４は５電極条件である。開先形状は、図９に示すＶ開先を用いた。開先角度は８０度で開先深さｄは表３に示す様に入熱に応じた開先深さを用いた。この開先に、表２に示した溶接条件で１層溶接を行った。
【００９８】
表４に実施例で用いたソリッドワイヤを示す。ソリッドワイヤは化学組成が異なるものを１６種類用いた。このうち、ワイヤＳ１からワイヤＳ１１までは、請求項４に記載された成分範囲を持つソリッドワイヤである。
【００９９】
表５に実施例で用いたメタルコアードワイヤを示す。メタルコアードワイヤは化学組成の異なるメタルコアードワイヤを２０種類準備した。強度レベルが１０００ＭＰａ未満のワイヤはかしめ型メタルコアードワイヤ、１０００ＭＰａ以上はシームレスメタルコアードワイヤを用いた。ワイヤＣ１からワイヤＣ１３までは本発明の請求項４に記載された成文範囲を持つメタルコアードワイヤである。Ｃ１２は、使用する直前まで開封せず、表面への酸素吸着を防いだ状態で保管した鉄粉を使用したため酸素量の少ないＣＷになっている。また、Ｃ１３は鉄粉量を多くしているため、ＣＷ中の酸素量が高い。ワイヤの直径はすべて４．０ｍｍである。
【０１００】
表６に実施例に用いたフラックの組成を示す。なお、残部はバインダー（水ガラス）等である。フラックスはメルトタイプのフラックスを用いた。フラックスａからスラックスｇまではＣａＦ２量、ＳｉＯ２量および式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲内である。一方、フラックスｈからフラックスｋは式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲外である。また、スラックスｈは式（１）で計算される塩基度とともにＣａＦ２量も発明の範囲以上である。フラックスｊは式（１）で計算される塩基度とともにＳｉＯ２量が本発明の範囲外である。フラックスｋは式（１）で計算される塩基度とともにＣａＦ２量、ＳｉＯ２量も本発明の範囲外である。一方、フラックスｌからフラックスｎまでは式（１）で計算される塩基度は本発明の範囲であるが、ＣａＦ２およびＳｉＯ２のいずれか一方、あるいは両方の含有量が本発明の範囲外である。これらのフラックスは何れも、使用前に２５０℃で１時間乾燥した後に使用した。一部のフラックスは乾燥後の吸湿を防ぐため、使用直前まで容器に密閉して保管した。
【０１０１】
表７に実施例で用いた母材を示す。母材は板厚２０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、幅１５０ｍｍの寸法で、強度が８５０ＭＰａ、９５０ＭＰａおよび１０００ＭＰａ級の鋼板を用いた。母材Ｂは請求項２の範囲の成分の母材である。母材Ｃから母材Ｌまでは本発明の請求項３の範囲の成分を満足する母材である。これらの鋼板に、図９に示した片面Ｖ開先を１０００ｍｍ長さの方向に全長にわたり加工し溶接に供した。
【０１０２】
これらの、化学組成の異なる母材、化学組成の異なるソリッドワイヤおよび化学組成の異なるメタルコアードワイヤを組み合わせることにより溶接金属の化学成分を調整することにより、溶接金属の強度を調整した。
【０１０３】
評価は、頂部スラグインの発生の有無、頂部スラグイン以外の内部欠陥の有無、ビード形状、とけ込み深さ、組織観察、溶接金属引張強度および−３０℃の溶接金属吸収エネルギーで評価した。ビード形状は、作成した溶接ビードの目視外観で評価した。頂部スラグインの発生の有無は、先ず溶接ままで全長にわたり放射線透過試験を行い、欠陥の調査をした。その後、溶接ビードの有る面とは逆側の裏面から１５ｍｍ減厚して頂部スラグイン以外の欠陥を除去した後、再度放射線透過試験を行い、頂部スラグインの有無を判断した。この際、頂部スラグイン以外の割れ等の内部欠陥も２回の放射線透過試験で評価を行った。とけ込み深さおよび組織の健全性は、１本の溶接継手よりスタート側、ビード長さの１／２の位置およびクレータ側の３カ所から各溶接条件で３個づつ組織観察用試験片を採取し測定調査した。引張試験のための引張試験片は、図１０に示す様に表面から５ｍｍの位置の溶接金属中央部から、丸棒型のＪＩＳＡ２号引張試験片Ｔｓを引張試験片の平行部が溶接線と平行になるように採取した。衝撃試験のための試験片は図１１に示す様に、表層から６ｍｍの位置よりノッチ方向が溶接線方向になるように２ｍｍＶシャルピー衝撃試験片Ｔｐを採取して測定した。溶接継手は、放射線透過試験用と、それ以外の評価用に各々の条件につき２体づつ作成した。
【０１０４】
表８および表９に実施例を示す。表８は発明例、表９は比較例である。
【０１０５】
先ず表８の発明例について説明する。発明例ではいずれの場合も、少なくとも１電極がメタルコアードワイヤを使用しているため、メタルコアードワイヤより酸素が溶接金属に供給され溶接金属の酸素量が適正値の範囲に入っている。その結果、溶接金属の靭性は良好である。また、用いているフラックスの式（１）で計算される塩基度および成分が本発明の範囲のものを使用しているため、頂部スラグインは発生していない。また、発明例１０から発明例１２および発明例３５から発明例４６までは第１電極にはソリッドワイヤを使用しているため、第１電極にソリッドワイヤを使用していない場合と比較して、とけ込み深さが約２ｍｍ深くなっている。
【０１０６】
発明例３３および発明例４５は４電極サブマージアーク溶接の発明例、発明例３４および発明例４６は５電極サブマージアーク溶接の場合の発明例であるが、３電極サブマージアーク溶接の実施例と同様の効果が得られ、溶接金属の酸素量は適当な範囲であり良好な靭性が得られており、頂部スラグインも発生していない。
【０１０７】
発明例２５は発明例２４と同じ母材、フラックスおよびワイヤの組み合わせであるが溶接条件が異なる発明例である。同じく発明例３８は発明例３６と同じ母材、フラックスおよびワイヤの組み合わせであるが溶接条件が異なる発明例である。いずれも、溶接条件を変えることにより溶接金属中の酸素量を変化させることができている。しかし、溶接金属の酸素量は適正な範囲に入り、またフラックスの成分および式（１）で計算される塩基度も適正なため、良好な靭性が得られており、頂部スラグインも発生していない。
【０１０８】
発明例３０、発明例３３および発明例３４は酸素量の多いメタルコアードワイヤＣ１３を使用している発明例であるが、それに伴い溶接金属中の酸素量はワイヤ中の酸素量のみ異なるＣ９を使用した発明例２９、発明例４５および発明例４６と比較して増加している。酸素量はＦｅ粉末の量を増加させてある。また、発明例４３は酸素量の少ないメタルコアードワイヤＣ１２を使用した例で、ワイヤ中の酸素量のみ異なるＣ９を使用した発明例４２と比較して溶接金属中の酸素量は低い。Ｃ１２は使用直前まで原料のＦｅ粉を開封せずに酸素の吸着を防止した原料を使用し、メタルコアードワイヤの酸素量を低減した。この様に、メタルコアードワイヤの酸素量を変化させることでも、溶接金属中の酸素量を変化させることができる。
【０１０９】
次に表９に示す比較例について説明する。比較例１から比較例１０まではすべての電極にソリッドワイヤを使用し、式（１）で計算される塩基度が１．１以上のフラックスを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。溶接金属の強度は、溶接金属の化学組成およびＰｃｍが本発明の範囲に入っているため８００ＭＰａ以上である。また、式（１）で計算されるフラックスの塩基度は本発明の範囲内のため、頂部スラグインは発生していない。しかし、全てソリッドワイヤを使用しているため溶接金属中の酸素量が不足し、靭性が低い。比較例１１から比較例１５は、すべての電極にソリッドワイヤを使用し、式（１）で計算される塩基度が１．１未満のフラックスｉあるいはフラックスｊを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。溶接金属中の酸素量は適切であるため靭性は良好であるが、頂部スラグインが発生している。
【０１１０】
比較例１６および比較例１７は、さらに式（１）で計算される塩基度が低いフラックスｋを使用して作成した多電極サブマージアーク溶接金属の例である。式（１）で計算される塩基度が本発明の範囲以下であり、さらにフラックス中のＳｉＯ２量が本発明の範囲を超えて添加されているため、頂部スラグインが発生している。また、溶接金属中の酸素量が過剰のため靭性も低下している。
【０１１１】
比較例１８は発明例１と同じ第１電極にメタルコアードワイヤ、第２電極と第３電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、用いたフラックスｌのＣａＦ２量が過剰のため、アークが乱れて溶接中にアーク吹きが発生し溶接ビードが蛇行している。また、フラックスｌのＳｉＯ２量が少ないため、フラックスを乾燥後、溶接直前までフラックスの吸湿を防ぐため容器に密閉した。
【０１１２】
比較例１９は発明例６と同じ第１電極と第３電極にメタルコアードワイヤ、第２電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、フラックスｍのＣａＦ２量が少ないため、頂部スラグインが発生している。
【０１１３】
比較例２０は発明例７と同じ第１電極と第３電極にメタルコアードワイヤ、第２電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、フラックスｎのＳｉＯ２量が本発明の範囲を超えているため、頂部スラグインが発生している。
【０１１４】
比較例２１は発明例２９と同じ第１電極と第３電極にメタルコアードワイヤを使用し、第２電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし、用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲以上である。そのため、酸素過剰となり、溶接性が低下している。また、ガス成分が過剰でビード表面にピットと呼ばれる穴が発生している。
【０１１５】
比較例２２は発明例７と同じ第１電極と第３電極にメタルコアードワイヤを使用し、第２電極にソリッドワイヤを使用した例である。溶接金属の狙い強度も同じである。しかし用いているメタルコアードワイヤの酸素量が本発明の範囲以下である。そのため、溶接金属中の酸素の増加が不十分で、溶接金属の靭性が低い。
【０１１６】
比較例２３はＣａＦ２量が過剰のフラックスｈを使用しているため、溶接中にアークが安定せずアーク吹きが発生し、溶接ビードが蛇行している。また、フラックスｈの式（１）で計算される塩基度が３．２超でフラックスの表面が結晶質で水分の吸着しやすいため、乾燥後フラックスを使用するまで再度容器に密閉し吸湿しないようにする特段の注意を要した。
【０１１７】
比較例２４から比較例３８までは、溶接方法は３電極サブマージアーク溶接で、何れかの１電極以上にメタルコアードワイヤを使用している。そのため、溶接金属中の酸素量は０．０１８％から０．０３５％の範囲に入っている。また、フラックスも本発明のフラックスを使用し、その式（１）で計算される塩基度も本発明の範囲のため頂部スラグインも発生していない。しかし溶接金属の化学組成が本発明の範囲からはずれているため、溶接金属の強度不足、溶接金属の強度過剰か、溶接金属の靭性が低いあるいは微細な高温割れが溶接時に発生する等の問題が発生した。
【０１１８】
【表２】
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【０１１９】
【表３】
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【０１２０】
【表４】
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【０１２１】
【表５】
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【０１２２】
【表６】
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【０１２３】
【表７】
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【０１２４】
【表８】
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【０１２５】
【表９】
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【産業上の利用可能性】
【０１２６】
以上の様に、本発明を用いることにより容易に靭性の優れた頂部スラグインの無い多電極サブマージ溶接部を得ることができ、産業上貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】頂部スラグインの模式図である。
【図２】式（１）で計算される塩基度と頂部スラグインの発生傾向の関係を示す図である。
【図３】式（１）で計算される塩基度と溶接金属中の酸素量の関係を示す図である。
【図４】メタルコアードワイヤの断面図である。
【図５】メタルコアードワイヤを使用した場合の溶接金属中の酸素量を示す図である。
【図６】フラックス中のＳｉＯ２量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図７】フラックス中のＣａＦ２量と頂部スラグインの関係を示す図である。
【図８】溶け込み形状の模式図である。
【図９】実施例に用いた開先形状を示す図である。
【図１０】引張試験片採取要領を示す図である。
【図１１】衝撃試験片採取要領を示す図である。
【符号の説明】
【０１２８】
Ｓ：頂部スラグイン
Ａ：かしめ型メタルコアードワイヤの外皮
Ｂ：シームレスメタルコアードワイヤの外皮
Ｃ：金属粉末あるいは合金粉末
Ｗ：シームレスメタルコアードワイヤの外皮の溶接部
Ｋ：かしめ型メタルコアードワイヤのかしめ部
ｄ：開先深さ
Ｗｂ：溶け込み
Ｔｓ：引張り試験片
Ｔｐ：シャルピー試験片
【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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【図１１】
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