高強度低温仕様鋼材向け
フラックス入りワイヤの開発
岡 崎 喜 臣
石田斉1)
1)
日 高 武 史末 永 和 之2)
3)

見出されていない．

.

は じ

めに

著者らは高強度溶接金属の機械的性質(引張強度，靭性)と全姿勢溶接作業性を兼備できる FCW 開発に取り組み，酸化物各種鋼構造物の大型化に伴い，鉄鋼材料の高強度化による組成を適切に制御することでその実現に成功した．本報で軽量化が進められている．近年は構造物の安全性向上(脆性は，新たに開発した高強度鋼用 FCW 設計の考え方と各種性破壊の発生防止)や使用環境の変化(寒冷域化)への対応と相能を紹介する．

まって，靭性や脆性破壊防止特性( CTOD 値)の向上など，高品質化の要求が一段と高まっている．一方，大型構造物の建造においては全姿勢溶接(下向，横向，立向，上向)が必須となるが，溶接作業の高能率化並びに脱技能化の観点から，

.

開発技術

粒内変態促進の考え方

これまで主に適用されてきた被覆アーク溶接棒に代替して，著者らは HT650 MPa から HT780 MPa クラスの溶接金フラックス入りワイヤ(FCW)の適用要求も高まっている．

属靭性に及ぼす組織と酸化物の影響を調査し，アッパーシェ

軟 鋼 か ら HT590 MPa ク ラ ス の 全 姿 勢 溶 接 用 FCW は

ルフエネルギーには酸化物数が，延性脆性遷移温度(DBTT)TiO2 スラグタイプが主流であり， HT780 MPa クラスまでには粒内ベイナイト組織のサイズが支配因子となることを確の高強度鋼用 FCW の場合にも良好な溶接作業性が得られ認した(5)．すなわち高強度溶接金属の低温靭性確保には，酸る．しかし， TiO2 スラグ主体の FCW によって形成された化物の個数低減と粒内ベイナイト組織の微細化を両立させね

溶接金属には多量の酸素が含有される．一方，酸素量を低減ばならない．粒内ベイナイトが酸化物を核に生成することをできる高塩基性タイプの FCW では，靭性確保は可能である

考慮すると，より効果的に粒内変態を促進できる酸化物を分が全姿勢溶接ができない等の問題がある．

散させることが必要となる．

溶接金属に含有される酸素は酸化物系介在物として存在

この課題に対し，酸化物の微細構造解析を通して従来になし，アシキュラーフェライトと呼ばれる粒内変態組織の核とい着眼点を見出し改善に成功した．図は粒内ベイナイト組して機能し組織微細化に寄与することはよく知られる(1) ．

織の光学顕微鏡組織と促進に有効な酸化物の FETEM 像でHT590 MPa 級以下の溶接金属においては，溶接材料に含有ある．酸化物の微細構造解析から， 1 個の酸化物内部にはされるフラックス成分から粒内変態組織分率を予測する手法

Si, Mn, Al を含有する非晶質相と Ti, Mn を主成分とする結が提案され(2)，適切な成分設計の下で酸化物は積極的に活用晶相( MnTi2O4 )の両方が混在し，結晶相分率が粒内変態能される．これに対し，HT780 MPa 級以上の高強度溶接金属に寄与することを突き止めた(5)．この知見を踏まえ，脱酸元

では， Ti 添加により粒内変態が促進されることが明らかと素制御により，酸化物数が減少しても微細組織が実現できるなっているが(3)，酸素は靭性に対して悪影響を及ぼすことか酸化物分散に成功した．

ら低酸素化が有効とされ(4)，全姿勢溶接作業性との両立策は
神戸製鋼所
材料研究所1)主任研究員
溶接カンパニー2)研究員 3)主任研究員
Development of Flux Cored Wire for Low Temperature Service
High Strength Steels; Yoshitomi Okazaki, Hitoshi Ishida,
Takeshi Hidaka and Kazuyuki Suenaga (KOBE STEEL, LTD.)2009年10月30日受理

低酸素化と全姿勢溶接性両立の考え方

TiO2 系スラグは全姿勢溶接を可能とするために設計されており，溶接金属の低酸素化には限界がある．つまり高強度溶接金属では，粒内変態促進だけでは十分な低温靭性が確保できない．これに対し，酸素量と全姿勢溶接作業性の支配因子について熱力学的観点から検討し， TiO2 MgO 系に着眼新技術・新製品

図1

図2

溶接金属酸素量に及ぼす MgO/TiO2 比の影響．

図3

各種スラグ系の液相率と全姿勢溶接性の関係．

高強度 FCW 溶接金属の光学顕微鏡写真および粒内変態核として機能した酸化物の FE TEM 像(黒い矢印は非晶質相を示し白い矢印は結晶相を示す)．

することで両立に成功した(6)．
まず溶接金属中の酸素量について詳細を述べる．酸素量がTiO 平衡(式( 1 ))に支配されると仮定すると，平衡定数の算出式(式( 2 )( 3 ))より数式( 4 )に示すように酸素濃度[に TiO2 スラグ系に各種酸化物を添加した場合の液相率をO ]低減には TiO2 活量( aTiO2 )が減少， Ti 活量( aTi)が増大示す．図中には全姿勢溶接作業性の傾向も示しており，比較的低融点で固液共存温度幅が小さい TiO2CaO, TiO2Na2O,する成分系を抽出することが必要となる．
Ti＋2O＝TiO2(s )(1)

DG0＝－RT ln K

(2)

aTiO2
K＝aTi×a2O(3)

TiO2K2O では溶接作業性が劣化するのに対し，高融点で固液共存温度幅が大きい TiO2, TiO2MgO, TiO2Al2O3 では良好な溶接作業性を確保できる．
以上の検討を踏まえ，低酸素化と全姿勢溶接作業性を両立すべく， TiO2 MgO 系における固液共存温度幅と溶接作業式( 3 )より[O]＝0.5(K×1 f ×aa )TiO22O(4)Ti

ここで，DG0 は標準生成 Gibbs エネルギー，K は平衡定数，性の関係を調査した．なお，全姿勢溶接での溶接作業性は立向上進すみ肉溶接でのビード形状係数(H/L＝余盛高さ/脚長× 100)により評価した．図に示すように MgO/ TiO2 比＜

aM は物質 M の活量， fM は物質 M の活量係数，[ M ]は物0.1 において良好なビード形状が確保できており，図 2 に示質 M の濃度を示す．

した低酸素化との両立が達成できた．

著者らは TiO2 スラグ系での各種酸化物添加の影響を熱力学計算し，特に TiO2 活量低減効果が大きい MgO に着眼し.

開発ワイヤの諸特性た．フラックス中の MgO / TiO2 比と溶接金属中の酸素量を
図に 示 す ． TiO2 の み で は 溶 接 金 属 中 の 酸 素 量 は 約 500

本技術を適用した YP620 MPa 級ならびに YP690 MPa 級

ppm であるが， MgO / TiO2 比の増加に伴い酸素量は低減さの低温仕様鋼材向けフラックス入りワイヤの諸特性を紹介す

れ， MgO / TiO2 が 0.2 で約 400 ppm まで低減することを明る．

らかにした．

表に溶接施工条件を，表に引張特性を示す．溶接金属

次に全姿勢溶接作業性に対しては，溶接時に垂れ落ちる溶中の酸素量を 440 ～ 450 ppm に制御することに成功し， Ni,鋼をスラグによって固めていく必要があることから，スラグMo 等の合金元素の制御によりそれぞれのスペックに対応での融点ならびに固液共存温度幅が影響すると仮定した．図

きる高強度化を達成している．なおこれらの強度クラスの溶

ま て り あ 第49巻 第 2 号(2010)Materia Japan



図4

表1

溶接施工条件．

電流

280 A

電圧30 V入熱

1.7 kJ/mm

積層6 層12パス

シールドガス

80Ar20CO2予熱温度150°C

パス間温度

150°C

表2

全溶着金属の引張特性．
引Class

全姿勢溶接性に及ぼす MgO/TiO2 比の影響．

張特図5性

全溶着金属の低温靭性．

0.2耐力(MPa) 引張強度(MPa) 伸び() 絞り()

YP620

650

700

2568

YP690

7457802166

じめとする大型鋼構造物の高強度化の流れを支える溶接材料として今後の適用拡大が期待される，本報で紹介した高強度フラックス入りワイヤに関する特許
は 特 開 2006 257481 ， 特 開 2006 281223 ， 特 開 2007 144516，特開2008149341など 6 件が公開されている．

接金属は，含有される拡散性水素量や継手拘束度によっては低温割れ(水素誘起割れ)を生じる場合がある．開発ワイヤで文

献はこの点も考慮し極低水素化が図られている．
図にシャルピー衝撃試験によって評価した低温靭性を示す． YP620 級， YP690 級ともに－ 40°
Cにおいても良好な吸収エネルギーを確保できており，全姿勢溶接可能な FCW として大幅な低温靭性改善が達成できていることがわかる．

.

特許および実用化状況

良好な全姿勢溶接作業性を有し，かつ機械的性質性に優れ( 1 ) 森 直道，本間弘之，大北 茂，若林正邦溶接学会誌， 50(1981), 174.
( 2 ) P. Kanjilal, S. K. Majumdar and T. K. Pal: ISIJ Int., 45(2005),
876.
( 3 ) 畑 野 等 ， 中 川 武 ， 杉 野 毅 ， 原 則 行  鉄 と 鋼 ， 91
(2005), 397.
( 4 ) 原 則行，末永和之溶接学会論文集，21(2003), 160.
( 5 ) 岡崎喜臣，石田 斉，日高武史，末永和之溶接学会論文集，27(2009), 131.
( 6 ) T. Hidaka, K. Suenaga, Y. Okazaki and H. Ishida溶接学会論文集，27(2009), 154s.

る高強度フラックス入りワイヤを開発した．海洋構造物をは

新技術・新製品