JP4209913B2 - ガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、鋼製外皮の中にＴｉＯ₂を主体とするＴｉＯ₂系（チタニア系）フラックスを充填してなる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ものであり、特に溶接作業性が良好であると共に、良好な靭性を発揮する溶接金属を得ることができ、高張力鋼の溶接に最適な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ものである。

船舶や海洋構造物などは、高張力鋼を溶接することによって構築されるが、こうした構造物を構築するには、高強度でしかも良好な靭性（特に低温靭性）を発揮する溶接材料の実現が望まれている。

被覆アーク溶接やサブマージアーク溶接の分野では、低温靭性に優れた溶接材料が開発されているが、作業能率や溶接姿勢の点で問題がある。

一方、フラックス入りワイヤを用いたガスシールドアーク溶接は、ビード外観が良好であることや優れた溶接作業性が得られることが知られている。こうしたガスシールドアーク溶接で用いられるフラックス入りワイヤに関しては、チタニア（ＴｉＯ₂）を主成分とするフラックスを鋼製外皮中に充填したチタニア系フラックス入りワイヤが広く使用されている。

しかしながら、チタニア系フラックスを充填したフラックス入りワイヤを用いてガスシールドアーク溶接を実施した場合には、溶接金属中の酸素濃度が５００〜６００ｐｐｍ程度と高くなりやすく、溶接金属の低温靭性が低下しやすいという問題がある。

こうしたことから、フラックス入りワイヤに関して、これまでにも溶接金属の機械的特性（特に、低温靭性）と溶接作業性の両立を目指して様々な溶接材料の開発が行われている。

こうした技術として、例えば特許文献１には、ＴｉＯ₂，ＭｇＯ，ＭｎＯを主成分とし、ＴｉＯ₂／ＭｇＯが１．７以上であるチタニア系フラックスを用いると共に、Ｃｏ，Ｃｒ，Ｃ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ等の合金成分を適切な範囲に調整することによって、良好な溶接作業性と機械的特性（引張強度ＴＳ：約７９０ＭＰａ以上、−３０℃でのＶシャルピー衝撃値ｖＥ_-30が約１００Ｊ以上）を確保できることが提案されている。

また特許文献２には、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、ＴｉＯ₂，ＭｇＯ，金属フッ化物および合金成分（Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ等）の適正範囲を規定し、良好な溶接作業性と機械的特性（引張強度ＴＳ：約８３０ＭＰａ以上、−４０℃でのＶシャルピー衝撃値ｖＥ_-40が約１０８Ｊ以上）を確保できることが提案されている。

更に、特許文献３には、塩基性フラックス入りワイヤにおいて、スラグをＴｉＯ₂−ＣａＦ₂系とし、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｍｎその他の金属の酸化物を添加することによって、溶接作業性と機械的特性でＫＳ（韓国国家規格）およびＡＷＳ（米国溶接協会）の規格を満足し得ることが示されている。

一方、特許文献４には、引張強度ＴＳが４９０ＭＰａ級の鋼材を溶接する際に用いるチタニア系フラックス入りワイヤとして、フラックス中にＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃を添加することによって、溶接部（溶接金属）の残留応力を低減し、疲労強度を向上させ得ることが示されている。

また特許文献５には、ガスシールドアーク溶接に適用するチタニア系フラックス入りワイヤにおいて、ＴｉＯ₂と共に、ＭｇＯとＦｅＯのうちの１種以上、およびＳｉＯ₂、ＭｎＯを併用してフラックス中に添加することによって、溶接作業性と機械的特性（抗張力：約５８０ＭＰａ以上、０℃でのＶシャルピー衝撃値ｖＥ₀が約１５０Ｊ以上）のいずれも良好な溶接金属が得られることが示されている。
特開平３−４７６９５号公報 特開平３−２９４０９３号公報 特開２００３−１５４４８７号公報 特開２００２−３０７１８９号公報 特開平７−３１４１８２号公報

上記各種技術の開発によって、溶接金属の靭性が比較的良好な溶接構造物が得られたのであるが、溶接構造物には更に高強度および高靭性の溶接金属が得られるようなフラックス入りワイヤが望まれているのが実情である。即ち、溶接母材（被溶接材）として用いられる高張力鋼との強度バランス上、強度として０．２％耐力（σ_0.2）で６２０ＭＰａ以上、−６０℃の低温でのＶシャルピー衝撃値ｖＥ_-60が５０Ｊ以上を確保できるような溶接金属の実現が望まれている。しかしながら、これまで提案されている技術では、そのような高強度・高靭性の溶接金属が得られるようなガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤが実現できていないのが実情である。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、強度として０．２％耐力（σ_0.2）で６２０ＭＰａ以上、−６０℃でのＶシャルピー衝撃値ｖＥ_-６0が５０Ｊ以上を確保できるような溶接金属が実現でき、高張力鋼の溶接材料として最適な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にある。

上記目的を達成することのできた、本発明に係るガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤとは、鋼製外皮の中にＴｉＯ₂系フラックスを主体とするフラックスを充填してなる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、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．３〜１．４％、Ｍｎ：１．２〜３．５％、Ｎｉ：０．２〜３．４％、Ｃｒ：０．０２〜２．０％、Ｔｉ：２．０〜６．０％、Ｍｏ：０．１〜２．２％およびＭｇ：０．０１〜１．０％を夫々含有すると共に、フラックス中のＴｉＯ₂含有量［ＴｉＯ₂］とＭｇＯ含有量［ＭｇＯ］が下記（１）式の関係を満足するものである点に要旨を有するものである。
［ＴｉＯ₂］／［ＭｇＯ］≧４．７ …（１）
但し、［ＴｉＯ₂］および［ＭｇＯ］は、フラックス中に含まれるＴｉＯ₂およびＭｇＯの含有量（ワイヤ全質量に対する質量％）

本発明の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は、前記ＴｉＯ₂含有量［ＴｉＯ₂］が４．５〜６．１％であり、ＭｇＯ含有量［ＭｇＯ］が０．２〜１．５％であることが好ましい。またフラックスの充填率は、１０〜３０％程度が適切である。

本発明のフラックス入りワイヤでは、フラックス入りワイヤの全体としての化学成分組成を適切に調整すると共に、フラックス中のＴｉＯ₂とＭｇＯの比を適正な範囲内とすることによって、溶着金属に移行する酸素濃度を低減して溶着金属中の介在物（酸化物）を低減することができ、その結果として、良好な特性を有する溶着金属を主構成部分とする溶接金属の靭性を著しく改善できた。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、フラックス入りワイヤの全体としての化学成分組成を適切に調整すると共に、フラックスへ所定量のＭｇＯを添加することによって、ＴｉＯ₂の酸素に対する活量を低下させることができることを見出した。これによってワイヤ全体としてのＴｉ含有量を増加させても、最終的に溶着金属に移行する酸素濃度を低減することができて溶着金属中の介在物（酸化物）を低減することができ、その結果として良好な特性の溶着金属を主構成部分とする溶接金属の靭性を著しく改善できることを見出し、本発明を完成した。

本発明に係る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は、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，ＴｉおよびＭｇの基本成分の含有量（ワイヤ全質量に対する質量％）を適切に規定することも重要な要件であるが、これらの成分の含有量の範囲限定理由は下記の通りである。尚、これらの成分は、ワイヤ全体としての含有量が溶着金属の特性に影響を与えるものであり、同一の成分はその形態（金属もしくは酸化物）を問わずその合計量を意味する。例えば、ＴｉやＭｇについては、酸化物の形態としても含有するものであるが、下記含有量は酸化物を形成する金属元素量をも含めた値である。

［Ｃ：０．０２〜０．１５％］
Ｃは、溶接金属（上記溶着金属と母材の一部が融合して「溶接金属」を形成する）の強度を確保する上で重要な元素である。０．２％耐力（σ_0.2）で６２０ＭＰａ以上を確保するためには、Ｃ含有量は０．０２％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が過剰となると、強度過多となって低温割れ感受性が高くなるので、０．１５％以下とすべきである。尚、Ｃ含有量の好ましい下限は０．０４％であり、好ましい上限は０．０８％である。

［Ｓｉ：０．３〜１．４％］
Ｓｉは、脱酸剤として機能し、溶接金属の強度確保と酸素低減に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｓｉ含有量は０．３％以上とする必要がある。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になって１．４％を超えると、溶着金属の粘性が高くなって溶接作業性が低下することになる。尚、Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．４％であり、好ましい上限は０．９％である。

［Ｍｎ：１．２〜３．５％］
Ｍｎは、溶接金属の強度確保と酸素低減に有効な元素である。Ｍｎ含有量が１．２％未満では、脱酸不足となって溶接金属の強度・靭性が確保できなくなる。一方、Ｍｎ含有量が３．５％を超えて過剰になると、強度が高くなって低温割れ感受性が高くなる。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．７％であり、好ましい上限は２．９％である。

［Ｎｉ：０．２〜３．４％］
Ｎｉは、溶接金属の強度と靭性を確保する上で重要な元素である。Ｎｉ含有量が０．２％未満では、十分な靭性改善効果が発揮されず、３．４％を超える高温割れ感受性が高くなる。尚、Ｎｉ含有量の好ましい下限は１．７％であり、好ましい上限は２．４％である。

［Ｃｒ：０．０２〜２．０％］
Ｃｒは、安定的に溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。Ｃｒ含有量が０．０２％未満では、十分な強度を確保することができず、２．０％を超えると強度が高くなり過ぎて靭性が劣化することになる。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．１％であり、好ましい上限は０．５％である。

［Ｔｉ：２．０〜６．０％］
Ｔｉは、脱酸効果を有する元素であり、また結晶粒の微細化に有効な元素である。これらの効果を発揮させるためには、Ｔｉ含有量は２．０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると強度が高くなり過ぎると共に、スラグ発生量が多くなって溶接作業性が低下することになる。尚、Ｔｉ含有量の好ましい下限は３．３％であり、好ましい上限は４．０％である。

［Ｍｏ：０．１〜２．２％］
Ｍｏは、溶接金属の強度を確保する上で重要な元素である。Ｍｏ含有量が０．１％未満では、十分な強度を確保することができず、２．２％を超えると著しく硬化して靭性が却って低下することになる。尚、Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．２％であり、好ましい上限は１．０％である。

［Ｍｇ：０．０１〜１．０％］
Ｍｇには脱酸効果があり、Ｍｇ含有量が０．０１％未満では、脱酸効果が不足して溶接金属の靭性が低下することになる。しかしながら、Ｍｇ含有量が過剰になって１．０％を超えると溶接時のヒューム量が増加して溶接作業性が低下することになる。尚、Ｍｇ含有量の好ましい下限は０．１％であり、好ましい上限は０．８％である。

本発明のフラックス入りワイヤでは、フラックス中のＴｉＯ₂含有量［ＴｉＯ₂］とＭｇＯ含有量［ＭｇＯ］が下記（１）式の関係を満足することも重要である。こうした関係を規定した理由は下記の通りである。
ＴｉＯ₂／ＭｇＯ≧４．７ …（１）
但し、［ＴｉＯ₂］および［ＭｇＯ］は、フラックス中に含まれるＴｉＯ₂およびＭｇＯの含有量（ワイヤ全質量に対する質量％）

本発明のフラックス入りワイヤでは、フラックスへＭｇＯを添加することによって、フラックス中のＴｉＯ₂活量を低下させ、これによって溶着金属中の酸素濃度を低下させることができるものである。こうした現象を進行させることによって、溶着金属中の介在物（酸化物系介在物）を低減させ、特に低温靭性の良好な（具体的には、−６０℃でのＶシャルピー衝撃値ｖＥ_-60が５０Ｊ以上）の溶接金属が実現できることになる。

上記した作用（酸素濃度低減効果）は、ＭｇＯ含有量が多いほど有効に発揮されるが、溶接作業性の観点からすれば、酸素低減効果に相反して悪化することになる。少なくとも溶接作業性を確保するという観点からして、本発明ではＴｉＯ₂／ＭｇＯを４．７以上とする必要がある。しかしながら、ＴｉＯ₂に対するＭｇＯ含有量の割合が少なくなると、溶接作業性は良好であるが、酸素低減効果が却って低下して溶接金属の靭性が劣化するので、ＴｉＯ₂／ＭｇＯは１６．９となる程度までとすること好ましい。またＴｉＯ₂／ＭｇＯの好ましい下限は８．０程度である。

本発明のフラックッス入りワイヤにおけるフラックス成分は、少なくともＴｉＯ₂を主成分として含むものであるが、このＴｉＯ₂の含有量（［ＴｉＯ₂］）も適切な範囲にすることが好ましい。即ち、ＴｉＯ₂含有量（［ＴｉＯ₂］）が少なくなれば、ＴｉＯ₂系フラックス入りワイヤとしての作用（主に溶接作業性）が発揮されにくくなり、逆にその量が多くなると、溶着金属中（結果的に溶接金属中）の酸素濃度が高くなる傾向を示す。こうした観点からして、ＴｉＯ₂含有量（［ＴｉＯ₂］）は、４．５〜６．１％程度（ワイヤ全体に対する割合）にすることが好ましい。尚、ＭｇＯの好ましい含有量については、ＴｉＯ₂の添加量の適切な範囲内で且つ上記［ＴｉＯ₂］／［ＭｇＯ］が規定する範囲内になるように調整することになるが、０．２〜１．５％程度が好ましい。

本発明のフラックッス入りワイヤでは、上記各元素が上記規定範囲内にあり、且つ［ＴｉＯ₂］／［ＭｇＯ］が上記の範囲内に設定されていれば、その目的を発生することができるのであるが、フラックス成分としてはＴｉＯ₂およびＭｇＯ以外に他の酸化物（例えば、Ａｌ₂Ｏ₃,ＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂等の造滓剤やアーク安定剤）も含み得るものである。

上記各成分からなるフラックスは、鋼製外皮内に充填されてフラックス入りワイヤが構成されるのであるが、フラックスの充填率（以下、「フラックス充填率」と呼ぶ）も適切な範囲にすることが好ましい。フラックス充填率は１０〜３０％程度が適切である。フラックス充填率が１０％未満では、必要な合金元素の添加がフラックスのみから添加することが困難になり、それら元素を外皮から添加することは原材料のコストアップとなり、また合金元素の添加による外皮強度の増加で伸線性の劣化を招くことになる。またフラックス充填率が３０％を超えると、外皮が薄くなり、断線しやすくなって伸線性の劣化を招くことになる。フラックス充填率の好ましい下限は１２％程度であり、好ましい上限は２０％程度である。

尚、上記フラックス充填率は、下記の式によって定義される値である。
フラックス充填率（質量％）＝｛（フラックスの質量）／（フラックス入りワイヤ全体の質量）｝×１００

本発明のフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤ全体に対する元素含有量は、基本的にフラックス中の酸化物に含まれる金属元素量、および鋼製外皮中に含まれる含有量等に影響されることになるのであるが、フラックス中に含み得る酸化物量や充填率、および鋼製外皮中に含み得る元素量などの制約からして、フラックス中の酸化物中の金属元素量や鋼製外皮中に含まれる含有量だけではワイヤ全体の元素含有量を調整しにくい場合がある。特に、本発明のフラックス入りワイヤにおけるＴｉ含有量は、酸化物中の元素含有量や鋼製外皮中の含有量だけでは調整しにくいことがある。このような場合には、フラックス中にＴｉの金属粉末を添加することによって、ワイヤ全体としてのＴｉ含有量を調整することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［実施例１］
まず、Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．０５％、Ｍｎ：０．５０％、Ｔｉ：０．０２％を夫々含み、残部：鉄および不可避不純物からなる軟鋼製フープ（鋼製外皮：ＨＴ８０相当鋼）を円筒状に曲げながら、各種酸化物（ＴｉＯ₂，ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＺｒＯ等）を配合したフラックスを充填し、次に伸線加工を行い、フラックス充填率：１３．５％、ワイヤ径：１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを作製した。こうした構成を基本とし、鋼製外皮の化学成分を調整したものを用いたり、フラックス中に金属粉末を混合したものを用いることによって、ワイヤ全体としての各元素含有量を調整した各種フラックス入りワイヤを作製した。作製した各フラックス入りワイヤの化学成分組成を下記表１に、フラックス中の酸化物の配合割合（ワイヤ全体に対する質量％）を下記表２に示す。

作製した各フラックス入りワイヤを用い、下記の条件にて溶接を行い、溶着金属を作製した。この溶着金属から引張試験片（ＪＩＳ Ｚ３１１１ Ａ１号）およびシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ３１１１ Ａ４号）を採取し、各試験を行って０．２％耐力（σ_0.2）および−６０℃の低温でのＶシャルピー衝撃値（ｖＥ_-60）を測定した。

［溶接条件］
姿勢：下向き
シールドガス：８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂
溶接電流：２８０Ａ
溶接電圧：３１Ｖ
溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ
予熱・パス間温度：１５０℃
入熱量：１．７ｋＪ／ｍｍ
供試鋼板（溶接母材）：ＪＩＳ Ｇ ３１２８ ＳＨＹ８６５（板厚：２０ｍｍ）
開先形状：開先角度４５°（Ｖ開先）、ギャップ１２ｍｍ

また下記に示す溶接条件にて溶接（立向上進溶接）を行い、溶接作業性を評価した。溶接作業性の評価は、立向上進が可能で溶接後の溶着金属表面が滑らかな場合を良好（○印で示す）、立向上進が可能であるが溶接後の溶着金属表面に大きな凹凸が発生する場合をやや不良（△印で示す）、スラグおよび溶融金属（溶滴）が垂れ落ちて溶接ができない場合を不良（×印で示す）と評価した。

［溶接作業性評価の溶接条件］
姿勢：立向上進行
シールドガス：８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂
溶接電流：２２０Ａ
溶接電圧：２２〜２４Ｖ
溶接速度：１４ｃｍ／ｍｉｎ
開先形状：開先角度９０°（Ｖ開先）
ウイービング幅：７ｍｍ

これらの結果（σ_0.2、ｖＥ_-６0および溶接作業性）を、下記表３に一括して示す（評価基準：σ_0.2≧６２０ＭＰａ、ｖＥ_-６0≧５０Ｊで合格）。尚、表３には、不活性ガス融解法によって求めた溶着金属中の酸素濃度についても示した。

この結果から明らかなように、強度と靭性には相反する関係があり、強度を高くすると靭性が低下する傾向があるが、本発明で規定する要件を満足するもの（試験Ｎｏ．１〜５）では、強度および靭性のいずれも良好な溶着金属が得られており、溶接作業性も良好であることが分かる。

これに対して本発明で規定する要件にいずれかを欠くもの（試験Ｎｏ．６〜２１）では強度的には満足していても、靭性および溶接作業性の少なくともいずれかの性能が劣化していることが分かる。

［実施例２］
フラックス中への各種酸化物の配合割合を変化させること以外は、実施例１と同様にして各種フラックス入りワイヤを作製した。作製した各フラックス入りワイヤの化学成分組成を、下記表４に、フラックス中の酸化物の配合割合（ワイヤ全質量に対する質量％）を下記表５に示す。

作製した各フラックス入りワイヤを用い、実施例１示した条件にて溶接を行い、溶着金属を作製し、溶着金属のσ_0.2、Ｖシャルピー衝撃値（ｖＥ_-60）および酸素濃度を測定した。また、溶接作業性についても実施例１と同様にして評価した。

これらの結果（σ_0.2、ｖＥ_-６0、酸素濃度および溶接作業性）を、下記表６に一括して示す（評価基準：σ_0.2≧６２０ＭＰａ、ｖＥ_-６0≧５０Ｊで合格）。

この結果から次のように考察できる。即ち、チタン系フラックス中にＭｇＯを添加することは、溶着金属中の酸素濃度を低減する上で有効であることが分かる。また、ＭｇＯの含有量を増加させると（即ち、ＴｉＯ₂／ＭｇＯを小さくすると）、溶着金属中の酸素濃度が低下する傾向を示し、特にＴｉＯ₂／ＭｇＯが９．０以下となると、酸素濃度が０．０４４％以下（４４０ｐｐｍ以下）となっていることが分かる。

一方、ＭｇＯが多くなり過ぎると（即ち、ＴｉＯ₂／ＭｇＯ比が小さくなり過ぎると）、溶接作業性が劣化する（試験Ｎｏ．３１〜３５）。しかしながら、ＴｉＯ₂／ＭｇＯが４．７以上では、良好な溶接作業性が確保できることが分かる。

従って、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、チタン系フラックス中のＴｉＯ₂／ＭｇＯ比を適切な範囲になるように制御すれば、溶着金属中の酸素濃度の低減が図れ、溶接金属の高靭性と良好な溶接作業性の両立ができることが分かる。

Claims (2)

1. 鋼製外皮の中に、ＴｉＯ₂系フラックスを主体とし金属フッ化物を含有しないフラックスを充填してなる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、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１５％、Ｓｉ：０．３〜１．４％、Ｍｎ：１．２〜３．５％、Ｎｉ：０．２〜３．４％、Ｃｒ：０．０２〜２．０％、Ｔｉ：２．０〜６．０％、Ｍｏ：０．１〜２．２％およびＭｇ：０．０１〜１．０％を夫々含有すると共に、フラックス中のＴｉＯ₂含有量［ＴｉＯ₂］とＭｇＯ含有量［ＭｇＯ］が下記（１）式の関係を満足し、前記［ＴｉＯ ₂ ］が４．５〜６．１％であり、前記［ＭｇＯ］が０．２〜１．５％であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
   １６．９≧［ＴｉＯ₂］／［ＭｇＯ］≧４．７ …（１）
   但し、［ＴｉＯ₂］および［ＭｇＯ］は、フラックス中に含まれるＴｉＯ₂およびＭｇＯの含有量（ワイヤ全質量に対する質量％）
2. フラックスの充填率が１０〜３０％である請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用フラックス入りワイヤ。