(57)【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耐熱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、ワイヤ全質量に対してスラグ造滓剤：６．１０乃至９．９０質量％を含有し、前記鋼製外皮及び前記フラックスは総量でワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．２０質量％以下、Ｓｉ：０．０６乃至１．４０質量％、Ｍｎ：０．５５乃至１．６０質量％、Ｃｕ：０．００４乃至０．０９０質量％、Ｎｉ：０．００４乃至０．０９０質量％、Ｃｒ：２．６０質量％以下及びＭｏ：０．３０乃至１．２０質量％を含有し、更に前記フラックスはワイヤ全質量に対して、ＴｉＯ2：４．２乃至８．２質量％、金属弗化物：Ｆ換算値で０．０２５乃至０．２５質量％及びＭｇ：０．２０乃至１．５０質量％を含有することを特徴とする耐熱鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項２】
前記鋼製外皮及び前記フラックスは総量でワイヤ全質量に対して、Ｎｂ：０．００５乃至０．０５０質量％、Ｖ：０．００５乃至０．０５０質量％及びＢ：０．００５乃至０．０２０質量％を含有し、前記鋼製外皮及び前記フラックスにおけるＰの総含有量は０．０１５質量％以下、Ｓの含有量は０．０１５質量％以下に制限されていることを特徴とする請求項１に記載の耐熱鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
【請求項３】
前記鋼製外皮及び前記フラックスは総量でワイヤ全質量に対して、Ｔｉ：０．０２乃至０.２質量％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐熱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ＪＩＳ  Ｚ３３１８−１９９１  モリブデン鋼及びクロムモリブデン鋼用マグ溶接フラックス入りワイヤに規定されるＹＦＭ−Ｃ、ＹＦＣＭ−Ｃ、ＹＦ１ＣＭ−Ｃ及びＹＦ２ＣＭ−Ｃ又はＡＷＳ  Ａ５．２９−１９９８  Specification  for  Low−Alloy  Steel  Electrodes  for  flux  Cored  Arc  Weldingに規定されるＡ１、Ａ１Ｍ、Ｂ１、Ｂ１Ｍ、Ｂ１Ｌ、Ｂ１ＬＭ、Ｂ２、Ｂ２Ｍ、Ｂ２Ｌ、Ｂ２ＬＭ、Ｂ２Ｈ、Ｂ２ＨＭ、Ｂ３、Ｂ３Ｍ、Ｂ３Ｌ、Ｂ３ＬＭ、Ｂ３Ｈ及びＢ３ＨＭ等の耐熱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、特に良好な溶接作業性と強度及び靭性等の機械的性質とを両立させた耐熱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】
従来、ガスシールドアーク溶接は被覆アーク溶接に比較して高能率な溶接が可能なことから、耐熱鋼の溶接においてその適用が増加している。ガスシールドアーク溶接用ワイヤには、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤとがある。フラックス入りワイヤは、ソリッドワイヤに比較してスパッタが少なくビード表面がスラグに覆われることにより、ビード外観又は形状が良好であるうえ、更に立向き又は上向き等の不自然な溶接姿勢においても溶接作業性が良好である等の種々の長所を有している。しかしながら、フラックス入りワイヤは溶接金属の機械的性質のうち、特に靭性がソリッドワイヤと比較して低下する傾向にある。この原因としては、例えばルチール系フラックス入りワイヤにおいては、溶融金属からの溶融スラグの浮上及び分離が不完全なため、一部が非金属介在物として溶接金属中に残留し、結果として溶接金属中の酸素量が７００乃至９００質量ｐｐｍと極めて多くなるとされている。
【０００３】
そこで、従来からルチール系フラックス入りワイヤによる溶接金属の靭性劣化を解決する方法として、溶接金属の脱酸又は組織の微細化が検討されている。
【０００４】
例えば特公昭５９−４４１５９号公報には、フラックス中にＭｇ、金属Ｔｉ及びＦｅ−Ｔｉを添加して溶接金属の低酸素化を図り、溶接金属の靭性を改善したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが示されている。
【０００５】
また、特公昭５６−６８４０号公報には、ＴｉＯ及びＴｉＯ2並びにＢ及びＢ2Ｏ3の量を規定することにより、溶接金属の脱酸と組織の微細化とを図り、大入熱溶接を行っても良好な靭性を得ることが可能なガス被包アーク溶接用複合ワイヤが示されている。
【０００６】
更に、特公平８−１３４３２号公報には、Ｎが靭性に悪影響を及ぼすとの知見から、Ｔｉ、Ｎｉ及びＢの添加に加えて金属外皮及びフラックス中に添加される全Ｎ量を制限したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが示されている。
【０００７】
また、特公平８−１３４３２号公報及び特開平５−７７０８６号公報には、Ｎｂ及びＶを微量添加することにより、強度及び靭性に悪影響を及ぼすフェライト粒の粗大化及びフェライトバンドの発生を抑制したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特公昭５９−４４１５９号公報に示されているように、単なるＭｇ及びＴｉの添加では、溶接金属の低酸素化が達成されず、これによる靭性の改善も得られない。一方、溶接作業性の面からはスラグ巻込みを発生させると共に、スパッタ発生量を増大させたり、ビード形状の劣化を招く等、フラックス入りワイヤの長所を大きく損なうという問題点がある。
【０００９】
また、特公昭５６−６８４０号公報に記載されたガス被包アーク溶接用複合ワイヤにおいても、特公昭５９−４４１５９号公報に記載されたフラックス入りワイヤと同様に、溶接作業性と機械的性質との両立ができないという問題点がある。
【００１０】
更に、特公平８−１３４３２号公報では、溶接作業時のワイヤ突き出し長さの変動によっては、大気の巻込みを完全に防ぐことができない。この結果として、溶接金属のＮ量が増加してしまい、靭性の改善効果は不明確であり、また、溶接作業性も格段に優れるものではないという問題点がある。
【００１１】
また、特公平８−１３４３２号公報及び特開平５−７７０８６号公報には、Ｎｂ及びＶを微量添加したガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが示されている。確かにＮｂ及びＶの微量添加はフェライト粒及びフェライトバンドの発生を抑制するうえで有効な技術である。しかし、Ｎｂ及びＶだけでは強度及び靭性の改善は困難である。更に、溶接作業性の面からはＮｂ及びＶの添加はスラグ剥離性の劣化を引き起こし、本発明が目標としている良好な溶接作業性及び機械的性質の両立を達成できるものではない。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、良好な溶接作業性及び機械的性質を両立することができる耐熱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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る耐熱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、鋼製外皮にフラックスを充填してなる耐熱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、ワイヤ全質量に対してスラグ造滓剤：６．１０乃至９．９０質量％を含有し、前記鋼製外皮及び前記フラックスは総量でワイヤ全質量に対して、Ｃ：０．２０質量％以下、Ｓｉ：０．０６乃至１．４０質量％、Ｍｎ：０．５５乃至１．６０質量％、Ｃｕ：０．００４乃至０．０９０質量％、Ｎｉ：０．００４乃至０．０９０質量％、Ｃｒ：２．６０質量％以下及びＭｏ：０．３０乃至１．２０質量％を含有し、更に前記フラックスはワイヤ全質量に対して、ＴｉＯ2：４．２乃至８．２質量％、金属弗化物：Ｆ換算値で０．０２５乃至０．２５質量％及びＭｇ：０．２０乃至１．５０質量％を含有することを特徴とする。
【００１４】
この場合、前記鋼製外皮及び前記フラックスは総量でワイヤ全質量に対して、Ｎｂ：０．００５乃至０．０５０質量％、Ｖ：０．００５乃至０．０５０質量％及びＢ：０．００５乃至０．０２０質量％を含有し、前記鋼製外皮及び前記フラックスにおけるＰの総含有量は０．０１５質量％以下、Ｓの含有量は０．０１５質量％以下に制限されていることが好ましい。これにより、より一層靭性が向上する。
【００１５】
また、前記鋼製外皮及び前記フラックスは総量でワイヤ全質量に対して、Ｔｉ：０．０２乃至０.２質量％を含有することが好ましい。これにより、更に一層靭性が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。本願発明者等は、第１に、溶接作業性、特に立向又は上向きといった溶接姿勢でのビード形状に対して種々検討した。その結果、ビード形状を整える上で溶融金属とスラグとの両者を同時に調整することが不可欠であることを見出した。即ち、単に溶融金属の粘性調整だけを図ったり、又はスラグ量若しくはスラグの構成成分だけを変えるのみでは、ビード形状を良化できない。この知見から得られた具体的なビード形状の調整方法は下記に示す方法がある。
▲１▼Ｓｉ、Ｍｎ及びＭｇによる溶融金属の粘性及び流動性の調整。
▲２▼スラグの量及び主要構成成分であるＴｉＯ2量、更に弗化物量を調整することによるスラグ自身の粘性及び流動性の最適化。
【００１７】
上述の▲１▼及び▲２▼を同時に行うことにより、立向又は上向といった不自然な溶接姿勢においても、良好なビード形状が得られることを見出した。
【００１８】
第２に、強度又は靭性等の機械的性質に対して種々検討した。この結果、上述のＳｉ、Ｍｎ、Ｍｇ及び弗化物の他にＣ、Ｃｒ及びＭｏが影響を及ぼし、また、▲３▼Ｃｕ及びＮｉが強度又は靭性等の機械的性質に対して重大な影響を及ぼすことを知見した。
【００１９】
更に、アークの安定性が、実は溶着金属の偏析度合いも左右しており、アークの安定性が乏しいフラックス入りワイヤにより製作された溶着金属には、合金成分の偏析が多く、ＰＷＨＴ（Post-Weld  heat  treatment：溶接後熱処理）によるフェライトバンドの発生を助長させ、結果として強度又は靭性の劣化を引き起こしていることを見出した。即ち、アークの安定性向上が溶着金属の機械的性質の向上につながるとの知見から、アーク安定剤について検討を種々行った。この結果、▲４▼主要アーク安定剤であるＴｉＯ2、弗化物及び各量の最適化することを見出した。上述の▲１▼乃至▲４▼を同時に行うことにより、本発明が目的とする良好な溶接作業性と機械的性質との両立が可能となる。
【００２０】
以下、本発明の耐熱鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの数値限定理由について説明する。
【００２１】
スラグ造滓剤：６．１０乃至９．９０質量％
本発明において、スラグ造滓剤とは非金属成分のことを指し、具体的には本発明の特徴の元素でもあるＴｉＯ2及び弗化物である。この他に、スラグ塩基度の調整並びにスラグの融点、粘性及び流動性の微調整のために使用するＡｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＳｉＯ2、ＣａＯ及びＭｇＯ、アーク状態の微調整に使用するＫ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ及びＬｉ2Ｏ等も指す。これらをも含めたスラグ造滓剤は、後述するＴｉＯ2、Ｓｉ、Ｍｎ、弗化物及びＭｇとの複合効果により、下向き及び水平すみ肉のみならず、立向き又は上向き溶接におけるビード形状を良好にするうえ、溶接金属の健全性を高める作用を有している。スラグ造滓剤の含有量がワイヤ全質量に対して６．１０質量％未満では、スラグ量が不足してビード表面を覆うことができず、ビード外観が著しく損なわれる。更に立向き又は上向きといった溶接姿勢ではビード形状が著しい凸ビードとなり、その溶接作業は極めて困難になる。また、スラグ量の不足はスラグ剥離性の劣化も引き起こし、部分的なスラグ焼き付きが発生してスラグ巻込み又は融合不良といった溶接欠陥発生の原因ともなる。一方、スラグ造滓剤の含有量がワイヤ全質量に対して９.９０質量％を超えると、溶融プールが定常的にスラグに覆われてしまうスラグの先行現象が発生し、やはりスラグ巻込み又は融合不良といった溶接欠陥発生の原因となる。従って、スラグ造滓剤の含有量はワイヤ全質量に対して６．１０乃至９．９０質量％とする。
【００２２】
Ｃ：０．２０質量％以下
Ｃは溶接金属の強度及び靭性を調整する目的で、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は双方に添加する。しかし、Ｃが金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．２０質量％を超えて添加されると、溶接金属の強度が過度に高まり、靭性が極めて低下するうえ、高温割れ又はブローホール等の溶接欠陥を引き起こす。従って、Ｃの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．２０質量％以下とする。なお、Ｃをフラックスに添加する場合には、グラファイト、クロムカーバイト、Ｓｉ−Ｃ、高Ｃ−Ｆｅ−Ｍｎ及び高Ｃ−Ｆｅ−Ｃｒ等のＣの単体又は合金類を使用する。
【００２３】
Ｓｉ：０．０６乃至１．４０質量％
Ｓｉは溶接金属を脱酸して強度及び靭性を調整する作用と、スラグ造滓剤の量を最適化すると共に、Ｍｎ、ＴｉＯ2、弗化物及びＭｇと複合添加することによって、ビード形状を整える作用とを有する。このため、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は双方に添加する。しかし、Ｓｉの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.０６質量％未満では、十分な脱酸効果が得られず、ブローホール等の溶接欠陥を引き起こすと共に、また強度及び靭性が得られない。また、溶融金属の粘性が不足して、立向き又は上向き溶接におけるビード形状の劣化を引き起こす。一方、Ｓｉの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して１.４０質量％を超えると、ＰＷＨＴ時の溶接金属においてフェライト粒の粗大化を助長して靭性が著しく損なわれる。従って、Ｓｉの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.０６乃至１.４０質量％とする。なお、Ｓｉを金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.１０質量％以上含有させることにより、溶接金属の脱酸効果が安定化して、強度及び靭性のばらつきが抑制されるので好ましい。このため、好ましくはＳｉの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.１０乃至１.４０質量％とする。また、Ｓｉをフラックスに添加する場合には、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｃｒ等の合金類を使用する。
【００２４】
Ｍｎ：０．５５乃至１．６０質量％
Ｍｎは溶接金属を脱酸して強度及び靭性を調整する作用と、スラグ造滓剤の量を最適化すると共に、Ｓｉ、ＴｉＯ2、弗化物及びＭｇと複合添加することによって、ビード形状を整える作用とを有する。このため、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は双方に添加する。しかし、Ｍｎの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.５５質量％未満では十分な脱酸効果が得られず、ブローホール等の溶接欠陥を引き起こす。また、強度及び靭性が得られない。一方、Ｍｎの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して１.６０質量％を超えると、溶融金属の流動性が過度となり、例えば立向き及び上向き等の不自然な溶接姿勢でのビード形状が著しく劣化し実用に耐えない。従って、Ｍｎの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.５５乃至１.６０質量％とする。なお、Ｍｎの含有量を金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して１.４５質量％以下にすることにより、ビード形状はより一層良好になる。このため、より好ましいＭｎの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.５５乃至１.４５質量％である。また、Ｍｎをフラックスに添加する場合には、金属Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ及びＦｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等といったＭｎの金属単体又は合金類を使用する。
【００２５】
Ｃｕ：０．００４乃至０．０９０質量％、Ｎｉ：０．００４乃至０．０９０質量％
Ｃｕ及びＮｉはいずれも溶接金属の強度及び靭性のばらつきを抑制する作用を有している。金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は双方に添加することができる。しかし、Ｃｕ及びＮｉはいずれも含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００４質量％未満では、溶接金属の強度及び靭性のばらつきを抑制する効果がない。一方、Ｃｕ及びＮｉはいずれも含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.０９０質量％を超えると、溶接金属の強度が低下する。従って、Ｃｕの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．００４乃至０．０９０質量％とし、Ｎｉの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．００４乃至０．０９０質量％とする。なお、Ｃｕ又はＮｉをフラックスに添加する場合には、金属Ｃｕ又は金属Ｎｉ等の金属単体又は各種の合金類を使用する。また、シームレスワイヤの場合には、Ｃｕめっき、Ｎｉめっき又はこれらの複合めっき等の各種ワイヤの表面処理により添加してもかまわない。
【００２６】
Ｃｒ：２．６０質量％以下、Ｍｏ：０．３０乃至１．２０質量％
Ｃｒ及びＭｏはいずれも溶接金属の強度と靭性とを調整する目的で、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は双方に添加する。Ｍｏは溶接金属の焼き戻し軟化抵抗を高め、ＰＷＨＴによる強度低下を抑制する効果を有する。なお、これらの成分添加量は溶接金属が被溶接物と同一成分となるように適宜調整する。しかし、Ｍｏの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．３０質量％未満では十分な強度及び靭性が得られない。一方、Ｃｒの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して２.６０質量％を超えるか、又はＭｏの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して１.２０質量％を超えると、強度が過度に高くなり、かつ焼き戻し脆化が助長されて靭性が極めて劣化する。従って、Ｃｒの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して２.６０質量％以下、Ｍｏの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．３０乃至１.２０質量％とする。なお、Ｃｒ又はＭｏをフラックスに添加する場合、Ｆｅ−Ｃｒ、金属Ｃｒ、Ｆｅ−Ｍｏ又は金属Ｍｏ等の金属単体又は合金類を使用する。
【００２７】
ＴｉＯ2：４．２乃至８．２質量％
ＴｉＯ2はスラグ形成剤の主要成分であり、アーク安定剤としても作用する他に、スラグ造滓剤の量を最適化すると共に、Ｓｉ、Ｍｎ、弗化物及びＭｇと複合添加することにより、ビード形状を整える作用を有する。このため、フラックスに添加する。しかし、ＴｉＯ2の含有量がワイヤ全質量に対して４.２質量％未満であると、ビード形状が劣化すると共に、アーク安定性が損なわれてスパッタ発生量が増大し、溶接作業性が実用に耐えない。一方、ＴｉＯ2の含有量がワイヤ全質量に対して８.２質量％を超えると、スラグの粘性が極端に大きくなり、スラグ巻込み等の溶接欠陥を引き起こす。従って、ＴｉＯ2の含有量はワイヤ全質量に対して４.２乃至８.２質量％とする。
【００２８】
金属弗化物：Ｆ換算値で０．０２５乃至０．２５質量％
金属弗化物は、アーク安定剤として、更に溶融スラグの粘性を調整してスラグ造滓剤の量を最適化すると共に、Ｓｉ、Ｍｎ、ＴｉＯ2及びＭｇと複合添加することにより、ビード形状を整える作用を有する。また、アーク中で解離しガス化した弗素ガスが溶融金属の攪拌を促進する。この結果、溶融金属からのスラグの浮上及び分離を促し、溶接金属の酸素量を低減する２次的作用も有する。このため、フラックスに添加する。しかし、金属弗化物の含有量がＦ換算値でワイヤ全質量に対して０.０２５質量％未満では上述のビード形状を整える効果及び溶接金属の酸素量を低減する効果を得ることができない。また、アークの安定性が損なわれてスパッタ発生量が増大すると共に、ビード形状が劣化するうえ、靭性が得られない。一方、金属弗化物の含有量がＦ換算値でワイヤ全質量に対して０.２５質量％を超えると、スラグの流動性が過剰となり、スラグの被包性が損なわれ、ビード形状が著しく劣化する。従って、金属弗化物の含有量はＦ換算値でワイヤ全質量に対して０.０２５質量％乃至０．２５質量％とする。なお、金属弗化物としては、ＬｉＦ、ＮａＦ、Ｋ2ＳｉＦ6、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＢａＦ2又はＣｅＦ3等を使用する。
【００２９】
Ｍｇ：０．２０乃至１．５０質量％
Ｍｇは強力な脱酸剤であり、溶接金属の脱酸とこれによる靭性向上の目的でフラックスに添加する。しかし、Ｍｇの含有量がワイヤ全質量に対して０．２０質量％未満では十分な脱酸効果を得られず、ブローホールの発生又は靭性の劣化を引き起こす。また、Ｍｇの含有量がワイヤ全質量に対して１.５０質量％を超えると、スパッタの発生量が増大するうえ、溶融金属の流動性が増大してしまい、スラグ造滓剤の量を最適化すると共に、Ｓｉ、Ｍｎ、ＴｉＯ2、弗化物及びＭｇの各量を本発明の範囲内としても、立向き又は上向き溶接時のビード形状を極めて損ねてしまう。従って、Ｍｇの含有量はワイヤ全質量に対して０．２０乃至１.５０質量％とする。なお、Ｍｇ源としては、金属Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ、Ｓｉ−Ｍｇ又はＮｉ−Ｍｇといった金属単体又は合金類を使用する。
【００３０】
以上の説明が本発明において、根幹をなす特徴であり、いずれか１つが欠けても良好な溶接作業性と強度及び靭性等の機械的性質との両立は達成できない。なお、下記に示す元素を更に添加することにより、強度及び靭性がより一層の安定化すると共に、強度及び靭性の向上が図れるので好ましい。
【００３１】
Ｎｂ：０．００５乃至０．０５０質量％、Ｖ：０．００５乃至０．０５０質量％
Ｎｂ及びＶは強力な炭化物形成元素であり、適量の添加でビードとビードとの境目のＣを固定し、ＰＷＨＴ時の溶接金属中におけるフェライト粒の粗大化とフェライトバンドの発生とを抑制して靭性の劣化を抑える作用を有している。このため、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は両方に添加してもよい。添加する場合、Ｎｂの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００５質量％未満又はＶの含有量が金属外皮及びフラックスの金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００５質量％未満では、靭性の劣化を抑える十分な効果が得られない。一方、Ｎｂの含有量が金属外皮及びフラックスの金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.０５０質量％を超えるか、又はＶの含有量が金属外皮及びフラックスの金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.０５０質量％を超えて添加しても特段の効果は認められない。従って、Ｎｂの含有量は金属外皮及びフラックスの金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００５乃至０.０５０質量％とし、Ｖの含有量は金属外皮及びフラックスの金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００５乃至０.０５０質量％とすることが好ましい。なお、フラックスにＮｂ又はＶを添加する場合、金属単体又はＦｅ−Ｎｂ若しくはＦｅ−Ｖ等の合金類の他、各種酸化物に含まれる微量成分としても添加することが可能である。
【００３２】
Ｂ：０．００５乃至０．０２０質量％
Ｂは溶接金属のミクロ組織を微細化して靭性を向上させる効果がある。このため、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は両方に添加することができる。Ｂを添加する場合、Ｂの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００５質量％では靭性を向上させる十分な効果が得られない。一方、Ｂの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.０２０質量％を超えても、特段の効果は認められない。従って、Ｂの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.００５乃至０.０２０質量％とすることが好ましい。なお、Ｂをフラックスに添加する場合、Ｆｅ−Ｂ若しくはＦｅ−Ｓｉ−Ｂ等の合金類又はＢ2Ｏ3等の酸化物等のいずれの形態で添加することも可能である。
【００３３】
Ｐの総含有量：０．０１５質量％以下に制限、Ｓの総含有量：０．０１５質量％以下に制限
Ｐ及びＳは溶接金属のＰＷＨＴによる脆化を引き起こす成分であり、これらを制限することは靭性の安定化又は向上のために好ましい。従って、Ｐの総含有量を金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．０１５質量％以下に制限し、Ｓの総含有量を金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．０１５質量％以下に制限してもよい。
【００３４】
Ｔｉ：０．０２乃至０.２質量％
Ｔｉはアークの安定化及び溶接金属の脱酸を目的として、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は両方に添加することができる。Ｔｉを添加する場合、
Ｔｉの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．０２質量％未満では、アークの安定化及び溶接金属の脱酸について十分な効果を得ることができない。一方、Ｔｉの含有量が金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０.２質量％を超えても、特段の効果は認められない。従って、Ｔｉの含有量は金属外皮及びフラックスの総量でワイヤ全質量に対して０．０２乃至０.２質量％とすることが好ましい。なお、Ｔｉをフラックスに添加する場合、金属Ｔｉ又はＦｅ−Ｔｉ等の金属単体又は合金類を使用する。
【００３５】
なお、シールドガスとしては、１００％ＣＯ2ガスの他、ＡｒとＣＯ2との混合ガス、ＡｒとＯ2との混合ガス並びにＡｒ、ＣＯ2及びＯ2の３種混合ガス等の、いずれの組成のガスでも使用可能である。また、鋼製外皮は軟鋼及び合金鋼のいずれのものでも使用することができる。更に鋼製外皮の断面形状は特に限定されるものではなく、合わせ目があってもなくてもよい。なお、合わせ目がない断面形状の場合、本発明の主要要件の１つであるＣｕ及びＮｉ成分をワイヤ表面にめっきして添加することも可能である。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入る耐熱鋼用ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤの実施例について、その特性を比較例と比較して具体的に説明する。
【００３７】
第１実施例
下記表１及び２に示す組成の鋼製外皮を使用して下記表３乃至１８に示すフラックス入りワイヤを製作した。なお、ワイヤの直径は全て１.２ｍｍとした。なお、下記表３乃至１８に示す「＜」は未満であることを示し、また、金属弗化物は総Ｆ量として示した。また、表９及び１０、表１３及び１４並びに表１７及び１８に示したスラグ造滓剤を構成するＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、その他、ＮａＦ、Ｋ2ＳｉＦ6及びＣｅＦ2並びに総Ｆ量の含有量はワイヤ全質量に対する量である。
【００３８】
各フラックス入りワイヤを使用して試験板を作製し、このときの溶接作業性を評価した。また、試験板の溶着金属の放射線透過試験、ＰＷＨＴ後の溶着金属の引張試験及び衝撃試験を実施し、引張性能及び衝撃性能を評価した。図１は本発明の実施例で作製される試験板を示す断面図である。
【００３９】
試験板の作製方法について説明する。先ず、突合せ部の開先角度が４５°に形成された１対の鋼板１を配置し、更に開先の裏面側に裏当材２を配置する。そして、上記表３乃至表１８に示す各フラックス入りワイヤを使用し、下記表１９に示す溶接条件でこの開先部を表面側から６層１２パスの多層肉盛溶接し、開先に多層の溶着金属３を形成する。これにより、試験板が作製される。その後ＰＷＨＴを施し、上述の各試験に供した。なお、鋼板１については、ワイヤNo.１乃至２３及び３１乃至５５においては、ＡＳＴＭ  Ａ３８７  Ｇｒ．２２を使用し、ワイヤNo.２４乃至２６においては、ＡＳＴＭ  Ａ３８７  Ｇｒ．１１を使用し、ワイヤNo.２７及び２８においては、ＡＳＴＭ  Ａ２０４  Ｇｒ．Ａを使用し、ワイヤNo.２９及び３０においては、ＡＳＴＭ  Ａ３８７  Ｇｒ．Ａを使用した。
【００４０】
溶接作業性については、鋼板１を下向溶接にて作製した上述の試験板の他に、上述の表３及び表１８に示す各ワイヤを使用して下記表２０に示す溶接条件で、鋼板１を使用して立向すみ肉溶接を行い、下向及び立向溶接時のアーク安定性、スラグ剥離性、スパッタ発生量及びビード形状を官能評価した。
【００４１】
溶着金属の放射線試験の評価については、放射線試験の結果がＪＩＳ１級であれば、良好とし、それ以下を不良とした。一方、溶着金属の引張性能及び衝撃性能については、ＡＷＳ  Ａ５．２９−１９９８及びＪＩＳ  Ｚ３３１８−１９９１に規定された性能を満足するかどうかを評価した。引張性能及び衝撃性能の合格範囲を下記表２１に示す。なお、ワイヤNo.１乃至２３及び３１乃至５５と、ワイヤNo.２４乃至２６、ワイヤNo.２７及び２８並びにワイヤNo.２９及び３０とでは溶接する鋼板が異なるため、引張性能及び衝撃性能の合格範囲が異なる。
【００４２】
衝撃試験は、切り込み深さが２ｍｍのＶ字の切欠が形成された試験片を使用し、０℃の温度で、試験を３回行い、その平均値を求めた。なお、溶接金属の化学成分は図１に示すように試験板の溶接金属中央でかつ板厚中央の位置から直径が１０ｍｍのドリルにて分析用試料を採取して化学分析することにより求めた。
【００４３】
上述の試験結果を表２２乃至表３７に示す。なお、表２４、２８、３２及び３６に示す放射線透過試験の備考の欄において、「ＨＣ」は高温割れが生じたことを示し、「ＢＨ」はブローホールが発生したことを示し、「ＳＩ」はスラグ巻込みが発生したことを示す。また、表２２、２３、２６、２７、３０、３１及び３５に示す「＜」は未満であることを示す。
【００４４】
【表１】
0003747237.tif 000002
【００４５】
【表２】
0003747237.tif 000003
【００４６】
【表３】
0003747237.tif 000004
【００４７】
【表４】
0003747237.tif 000005
【００４８】
【表５】
0003747237.tif 000006
【００４９】
【表６】
0003747237.tif 000007
【００５０】
【表７】
0003747237.tif 000008
【００５１】
【表８】
0003747237.tif 000009
【００５２】
【表９】
0003747237.tif 000010
【００５３】
【表１０】
0003747237.tif 000011
【００５４】
【表１１】
0003747237.tif 000012
【００５５】
【表１２】
0003747237.tif 000013
【００５６】
【表１３】
0003747237.tif 000014
【００５７】
【表１４】
0003747237.tif 000015
【００５８】
【表１５】
0003747237.tif 000016
【００５９】
【表１６】
0003747237.tif 000017
【００６０】
【表１７】
0003747237.tif 000018
【００６１】
【表１８】
0003747237.tif 000019
【００６２】
【表１９】
0003747237.tif 000020
【００６３】
【表２０】
0003747237.tif 000021
【００６４】
【表２１】
0003747237.tif 000022
【００６５】
【表２２】
0003747237.tif 000023
【００６６】
【表２３】
0003747237.tif 000024
【００６７】
【表２４】
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【００６８】
【表２５】
0003747237.tif 000026
【００６９】
【表２６】
0003747237.tif 000027
【００７０】
【表２７】
0003747237.tif 000028
【００７１】
【表２８】
0003747237.tif 000029
【００７２】
【表２９】
0003747237.tif 000030
【００７３】
【表３０】
0003747237.tif 000031
【００７４】
【表３１】
0003747237.tif 000032
【００７５】
【表３２】
0003747237.tif 000033
【００７６】
【表３３】
0003747237.tif 000034
【００７７】
【表３４】
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【００７８】
【表３５】
0003747237.tif 000036
【００７９】
【表３６】
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【００８０】
【表３７】
0003747237.tif 000038
【００８１】
上記表２２乃至３７に示すように、実施例No.１乃至３０はスラグ造滓剤、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＴｉＯ2、金属弗化物及びＭｇの含有量がいずれも本発明の請求項１を満足している。このため、溶接作業性、放射線性能が良好であり、引張性能及び衝撃性能はいずれも良好、かつ上記表２１に示す合格性能を満足するものであった。特に、実施例No.１及び２を除いた実施例No.３乃至３０はＰ及びＳの含有量を０．０１５質量％以下に規制し、また、実施例No.３乃至２６はＢを０．０５乃至０．０２０質量％の範囲内で添加し、更に、実施例No.１６及び１７はＴｉを０．０２乃至０．３質量％の範囲内で添加したものである。これらを以下の４つのグループに分類した。
グループ▲１▼ワイヤNo.１及び２：Ｐ、Ｓ制限なし、Ｂ添加なし、Ｔｉ添加なし
グループ▲２▼ワイヤNo.２７乃至３０：Ｐ、Ｓ制限あり、Ｂ添加なし、Ｔｉ添加なし
グループ▲３▼ワイヤNo.３乃至２６：Ｐ、Ｓ制限あり、Ｂ添加あり、Ｔｉ添加なしグループ▲４▼ワイヤNo.１６及び１７：Ｐ、Ｓ制限あり、Ｂ添加あり、Ｔｉ添加あり
【００８２】
これらの４つのグループの衝撃性能を比較すると、▲１▼＜▲２▼≦▲３▼＜▲４▼の順番で衝撃性能がより一層良好になるという傾向が確認された。従って、請求項３を満足する実施例No.１６及び１７はその特性がより一層良好なものであった。
【００８３】
一方、比較例No.５４はＣの含有量が本発明の上限値を超えており、溶接作業性に支障はなかったものの、溶着金属にＣに起因した高温割れ及びブローホールが発生した。この高温割れは溶接直後でも目視で判別できる長さのものであった。このため、放射線透過試験のみ実施し、引張試験及び衝撃試験は実施しなかった。
【００８４】
比較例No.５５はＳｉの含有量が本発明の下限値未満であるため、溶接作業性の面では、溶融金属の粘性が不足し、立向溶接においてビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、脱酸不足となり、ブローホールが発生し、引張性能及び衝撃性能も上記表２１に示す合格性能を得ることができなかった。比較例No.５６はＳｉの含有量が本発明の上限値を超えており、溶接作業性の面では、溶融金属の粘性が不足し、立向溶接においてビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。一方、放射線透過試験で溶接欠陥は発見されなかったものの、ＰＷＨＴにより溶着金属が脆化し、衝撃性能が上記表２１に示す合格性能を満足することができなかった。
【００８５】
比較例No.５７はＭｎの含有量が本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面では、立向溶接時に、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、脱酸不足となり、ブローホールが発生して放射線性能が不良であった。また、引張性能及び衝撃性能も上記表２１に示す合格性能を満足することができなかった。比較例No.５８はＭｎの含有量が本発明の上限値を超えており、溶接作業性の面では、溶融金属の流動性が過剰となり、立向溶接において、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。放射線性能に支障はなく、引張性能及び衝撃性能も上記表２１に示す合格性能を満足した。
【００８６】
比較例No.５９はＣｕの含有量が本発明の下限値未満である。このため、衝撃性能に大きなバラツキが認められ、衝撃性能の安定性を欠くものであった。なお、溶接作業性及び放射線性能に支障は認められなかった。比較例No.６０はＣｕの含有量が本発明の上限値を超えているので、引張性能が上記表２１に示す合格性能を満足しなかった。一方、衝撃性能に支障は認められなかった。
【００８７】
比較例No.６１はＮｉの含有量が本発明の下限値未満であるので、衝撃性能に大きなバラツキが認められ、衝撃性能の安定性を欠くものであった。比較例No.６２はＮｉの含有量が本発明の上限値を超えているので、引張性能が上記表２１に示す合格性能を満足することができなかった。なお、溶接作業性、放射線性能及び衝撃性能には支障が認められなかった。
【００８８】
比較例No.６３はＣｒの含有量が本発明の上限値を超えているので、強度が過度となり、上記表２１に示す合格性能を満足していない。また、溶着金属の脆化が助長されたため、靭性も低下した。なお、溶接作業性及び放射線性能に支障が認められなかった。
【００８９】
比較例No.６４はＭｏの含有量が本発明の下限値未満であるので、引張性能及び衝撃性能が上記表２１に示す合格性能を満足していない。溶接作業性及び放射線性能に支障は認められなかった。比較例No.６５はＭｏの含有量が本発明の上限を超えているので、強度が過度となり、上記表２１に示す合格性能を満足していない。また、溶着金属の脆化が助長されたため、靭性も低下した。なお、溶接作業性及び放射線性能に支障が認められなかった。
【００９０】
比較例No.６６はＴｉＯ2の含有量が本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面においては、アーク安定性が悪く、スパッタ発生量が増大し、更に立向溶接作業時にはビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。なお、溶接作業性及び放射線性能に支障が認められなかった。比較例No.６７はＴｉＯ2の含有量が本発明の上限値を超えており、溶接作業性の面では、立向溶接作業時に、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、スラグ巻込みが発生し、放射線性能も劣った。
【００９１】
比較例No.６８はＭｇの含有量が本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面では、立向溶接作業時に、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、脱酸不足となりブローホールが発生し、放射線性能が不良となり、更に衝撃性能も上記表２１に示す合格性能を満足することができなかった。
【００９２】
比較例No.６９はＭｇの含有量が本発明の上限値を超えており、溶接作業性の面では、スパッタ発生量が増大し、かつ溶融金属の流動性が過剰となり、立向溶接作業時に、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。なお、引張性能及び衝撃性能に支障が認められなかった。
【００９３】
比較例No.７０は弗化物の含有量がＦ換算値で本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面では、アーク安定性が損なわれ、かつ溶融スラグの粘性が調整できず立向溶接において、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。更に溶融金属からスラグの浮上及び分離が損なわれ、結果として脱酸不足となり、衝撃性能について上記表２１に示す合格性能を満足していない。また、放射線性能もブローホールとスラグ巻込みとが発生し不良であった。なお、引張性能に支障は認められなかった。
【００９４】
比較例No.７１は弗化物の含有量がＦ換算値で本発明の上限値を超えており、溶接作業性の面において、スラグの流動性が過剰となり、結果としてスラグの被包性が損なわれ、立向溶接時に、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。なお、放射線性能、引張性能及び衝撃性能に支障が認められなかった。
【００９５】
比較例No.７２はスラグ造滓剤の含有量が本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面においては、スラグ量が不足してビード外観が劣化すると共に、立向溶接においてはビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、スラグ剥離性も損なわれ、部分的に焼き付きが発生した。このことから、スラグ巻込みが生じ、放射線性能も不良となった。なお、引張性能及び衝撃性能に支障は認められなかった。
【００９６】
比較例No.７３はスラグ造滓剤の含有量が本発明の上限値を超えており、溶接作業性の面では、立向溶接時に、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、スラグ量が過剰となって、溶接時にスラグが定常的にビード表面を覆ってしまうスラグの先行現象が生じ、このことから、スラグ巻込みが発生して放射線性能が劣化した。なお、引張性能及び衝撃性能に支障が認められなかった。
【００９７】
比較例No.７４はＳｉ及びＭｎの含有量がいずれも本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面では、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。更に、脱酸不足からブローホールが発生し、放射線性能が劣化すると共に、引張性能及び衝撃性能も上記表２１に示す合格性能を満足することができなかった。
【００９８】
比較例No.７５はＴｉＯ2の含有量が本発明の下限値未満であると共に、弗化物の含有量が本発明の上限値を超えている。溶接作業性の面ではスパッタ発生量が増大すると共に、立向溶接において、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。なお、放射線性能、引張性能及び衝撃性能に支障は認められなかった。
【００９９】
比較例No.７６はスラグ造滓剤、Ｓｉ及びＭｎの含有量がいずれも本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面では、溶融金属の粘性が不足して立向溶接においては、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、スラグ被包離性も損なわれ、部分的に焼き付きが発生し、スラグ巻込みが生じた。このため、放射線性能は不良であった。また、脱酸不足からブローホールも発生し、引張性能及び衝撃性能が上記表２１に示す合格性能を満足しなかった。
【０１００】
比較例No.７７はスラグ造滓剤の含有量が本発明の上限値を超え、ＴｉＯ2の含有量が本発明の下限値未満であり、溶接作業性の面では、アーク安定性が損なわれてスパッタ発生量が増大すると共に、立向溶接においては、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、スラグ量が過剰となり、溶接時にスラグの先行現象が生じ、スラグ巻込みが発生し、放射線性能が不良となった。
【０１０１】
比較例No.７８はＳｉの含有量が本発明の上限値を超え、Ｍｎの含有量が本発明の下限値未満である。溶接作業性の面では、立向溶接において、ビード形状が凸になった。即ち、ビード形状が不良であった。また、Ｓｉの含有量が過剰であることから、溶着金属の脆化が著しく、衝撃性能が劣化した。一方、Ｍｎの含有量が不足していることにより生じた脱酸不足によって、ブローホールも発生し、放射線性能が劣化すると共に、引張性能及び衝撃性能が上記表２１に示す合格性能を満足することができなかった。
【０１０２】
第２実施例
第１実施例で使用したフラックス入りワイヤのうち、ワイヤNo.１乃至２３を使用し、第１実施例と同様にして溶接し図１に示す試験板を作製した。この各試験板について、ＰＷＨＴ後、フェライトバンドの発生の有無の確認並びに引張試験及び衝撃試験を実施した。なお、ＰＷＨＴは６９０℃で１９時間保持し、その後炉冷した。また、引張試験及び衝撃試験は第１実施例と同様にして行った。
【０１０３】
フェライトバンドの発生の有無の確認は、以下のとおりに行った。即ち、ＰＷＨＴ後、試験板の溶着金属部分から溶接線方向に対して均等な間隔で、溶着金属の断面ミクロ組織観察用試験片を６個採取した。そして、試験片に研磨及びエッチングした後、これを光学顕微鏡にて観察し、フェライトバンドの有無を確認した。評価は、６断面中にフェライトバンド（偏析）の発生した面がいくつあるのか、その発生率を下記数式１により求めて評価した。
【０１０４】
【数１】
発生率＝フェライトバンドが発生した面の数／６
【０１０５】
この発生率が３３％未満であるものを合格とし、発生率が３３％以上のものを不合格とした。この結果を表３８乃至４１に示す。
【０１０６】
【表３８】
0003747237.tif 000039
【０１０７】
【表３９】
0003747237.tif 000040
【０１０８】
【表４０】
0003747237.tif 000041
【０１０９】
【表４１】
0003747237.tif 000042
【０１１０】
上記表３８乃至４１に示すように、実施例No.３１乃至５３はいずれもフェライトバンドの発生は合格範囲にあることが確認された。特に、Ｎｂ及びＶを積極的に添加した実施例No.３３乃至５３については、フェライトバンドの発生が認められず、ミクロ組織の安定性が高く、引張性能及び衝撃性能の安定性がより一層優れていることが確認された。
【０１１１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、金属外皮及びフラックスのいずれか一方又は双方に添加される組成及び含有量を適切に規定しているので、溶接作業性並びに強度及び靭性等の機械的性質の両立を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で作製される試験板を示す断面図である。
【符号の説明】
１；鋼板
２；裏当材
３；溶着金属
【図１】
0003747237.tif 000043