JP5345770B2 - チタニヤ系フラックス入りワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、ＴｉＯ_２（チタニヤ）系フラックス入りワイヤ（以下，ＦＣＷ：Flux Cored Wire）で溶接された溶接金属及びこのチタニヤ系フラックス入りワイヤに関し、特に、溶接金属の耐高温割れ性を、ソリッドワイヤと同等又はそれ以上に改善する技術に関する。

造船、橋梁などの大型溶接構造物を製作する分野では、溶接の能率化を図るために、中板厚板鋼板で構成される突合せ継手の溶接にあたり、継手の狭開先化を図る一方、１パス当たりの溶着量を多くして１〜３パス程度のできるだけ少ないパス数で溶接を完了させるようにするため、ガスシールドアーク溶接による少パス大入熱で施工する高能率溶接法が採用されている。このような高能率溶接法では、溶接用ワイヤに、ソリッドワイヤに比べて溶着速度が大きいＦＣＷが多用されている。

このチタニヤ系の全姿勢用ＦＣＷは、１つのワイヤで全姿勢溶接できるだけでなく、良好な溶接作業性、高能率性、及び良好な溶接金属性能などの特徴をも有している（特許文献１）。

しかし、チタニヤ系ＦＣＷの欠点の一つとして、チタニヤ系ＦＣＷは、ソリッドワイヤに比較して、耐高温割れ性能、特に、開先初層部及び狭隘部の溶接時の耐高温割れ性能が劣るという点が挙げられる。このような現状において、溶接金属の高温割れ性能の向上に関する研究がなされている（例えば、非特許文献１）。この非特許文献１の刊行物においては、Ｐ、Ｓ、及びＢ等の元素が耐高温割れ性を著しく劣化させること、また、この高温割れの防止としてＭｎの添加が有効であること等が記載されている。これらのＰ、Ｓ及びＢ等の元素は、溶接金属が凝固するときに最終凝固部に凝集して低融点の共晶となる。この共晶の部分は溶融状態で残留し、周囲からの凝固収縮を受け、凝固完了後に割れを発生させるものと推察される。

一方、特許文献２においては、溶接金属に対するＮｂ添加による組成的過冷と、ＡｌとＴｉ添加による核生成触媒効果の複合効果による溶接金属中央部での柱状晶の等軸晶化とにより、高温割れを抑制している。

特開２００２−１３７０９０号公報 特開２００４−３５８５５２号公報 溶接学会誌第４９巻（１９８０年）第１号第１９乃至２３頁及び第４４巻（１９７５年）第７号第２０乃至２５頁等 金属材料、ｖｏｌ．１７，ＮＯ．７，１８乃至２４頁

しかしながら、前述の如く，非特許文献１に開示されたチタニヤ系ＦＣＷは、近時のチタニヤ系フラックス入りワイヤの耐高温割れ性能に対する要求を満足させるものではない。近時、耐高温割れ性能として、具体的には、ソリッドワイヤと同等の耐高温割れ性能が要求されている。

また、特許文献２においては、Ａｌを過剰に添加しており、このような過剰のＡｌ添加は、溶接金属の延性の低下の原因となるため、望ましくない。

このように、良好な作業性を有し、ソリッドワイヤレベルの耐高温割れ性能を有するチタニヤ系ＦＣＷは従来存在していない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ソリッドワイヤと同等又はそれ以上の耐高温割れ性能を有する溶接金属及びこの溶接金属を高溶接作業性（全姿勢溶接）で得ることができるチタニヤ系フラックス入りワイヤを提供することを目的とする。

本発明に係るチタニヤ系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チタニヤ系フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｎ：０．００１乃至０．０２２質量％、ＴｉＯ_２：５乃至７質量％、Ｍｎ：２．３０乃至３．７５質量％、及びＣ：０．０３０乃至０．０５５質量％を含有し、更に、Ｂ：０．０１５５質量％以下（０は含まない）、Ｓｉ：０．８５質量％以下（０は含まない）、又はＴｉ：０．６０質量％以下（０は含まない）を含有すると共に、Ｆｅを８０質量％以上含有し、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２１質量％以下に規制し、残部が不可避的不純物とスラグ生成剤であり、更にワイヤ全質量に対する含有量（質量％）で、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｔｉ、ＴｉＯ_２の含有量を夫々［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｎ］、［Ｐ］、［Ｓ］、［Ｓｉ］、［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］としたとき、下記数式で定義される固相線温度Ｔｓが１３５５℃以上となるように、前記各成分を含有することを特徴とする。

本発明においては、溶接金属成分の含有量をもとに数式１にて算出される固相線温度を１３５５℃以上とすることにより、溶接金属の耐高温割れ性能を改善することができる。

本発明によれば、耐高温割れ性能が優れた溶接金属を得ることができると共に、この溶接金属を得るためのチタニヤ系フラックス入りワイヤとして、全姿勢溶接における溶接作業性が向上したフラックス入りワイヤを得ることができる。

以下、本発明について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の溶接金属の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

「Ｂ：０．００５質量％以下（０は含まない）」
Ｂは、溶接金属部の靭性を向上させる元素として添加されているが、Ｂの含有量が０．００５質量％を超えると、耐高温割れ性が劣るため、０．００５質量％以下とすることが望ましい。

「Ｎ：０．００４５乃至０．０２質量％」
Ｎは溶接金属部の強度を確保する元素である。また、ＮはＢをＢＮとして固定化することにより、耐高温割れ感受性を改善する効果がある。しかし、これらの効果は、Ｎが０．００４５質量％未満ではその効果が十分ではない。一方、Ｎ含有量が０．０２質量％を超えると、溶接金属部の靱性を著しく低下させる。このため、Ｎは０．００４５乃至０．０２質量％とすることが望ましい。

「Ｔｉ：０．０２５乃至０．１質量％」
Ｔｉは脱酸剤として、及び作業性向上のために添加されるが、Ｔｉが０．０２５質量％未満ではその効果は十分ではなく、逆にＴｉを０．１質量％を超えて含有すると、溶接金属の靱性が低下する。このため、Ｔｉは０．０２５乃至０．１質量％とすることが望ましい。

「Ｍｎ：１．０乃至１．７質量％」
Ｍｎは脱酸剤及び溶接金属の機械的性質を調整するために添加するが、Ｍｎが１．０質量％未満では溶接金属の靱性（衝撃値）が低い。また、Ｍｎが１．７質量％を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎる。従って、Ｍｎ量は１．０乃至１．７質量％とすることが好ましい。

「Ｓｉ：０．２乃至０．７質量％」
Ｓｉは脱酸剤及び溶接金属の流動性を調整して溶接ビードのなじみを良くするために添加する。しかし、Ｓｉが０．２質量％未満では、ビードが凸ビードになり易く、また、脱酸不足によるブローホール（気孔）が多発する。一方、Ｓｉが０．７質量％を超えると、溶接金属の強度が高くなりすぎて、溶接金属の靭性が著しく低下すると共に、耐高温割れ性が悪化する。従って、Ｓｉ量は、好ましくは、０．２乃至０．７質量％とする。

「Ｃ：０．０２９質量％以上、好ましくは、Ｃ：０．０５乃至０．０９質量％」
Ｃは溶接金属の強度を増加させる元素であり、このため、０．０２９質量％以上添加することが必要である。また、Ｃが０．０５質量％未満では、所望の強度を得ることができない。一方、Ｃが０．０９質量％を超えると、溶接金属の靭性が低下するため、望ましくない。このため、好ましくは、Ｃ量は０．０５乃至０．０９質量％とする。

「Ｏ：０．０５乃至０．０９質量％」
一般に、鋼材中の酸素は、靭性及び展性特性を低下させる傾向があり、Ｏを０．０９質量％以下とすることが望ましい。その一方で、これとは反対に、溶接金属内に０．０５質量％以上の酸素を含有することで、微細に分散された介在物が形成され、良好な靱性が得られる。以上から、酸素含有量は、０．０５乃至０．０９質量％とすることが好ましい。

「Ｔｓ≧１３５５℃」
溶接金属の高温割れ性能に関する研究（例えば、非特許文献２）においては、溶接金属の高温割れの発生機構について以下のように開示されている。溶接金属が凝固を開始すると，凝固中に極めて延性が低い凝固脆性温度領域（ＢＴＲ）が存在し、固相と液相が混在するこの温度域（ＢＴＲ）で，低融点元素が液相中に偏析し、この凝固完了直前に存在する低融点元素の液相領域が収縮ひずみに対抗しきれなくなることで割れが発生する。そこで、高温割れ抑制方法として、凝固脆性温度領域（ＢＴＲ）を縮小させることが効果的であると考えられている。

しかし、本発明者等による実験研究の結果、溶接金属部の組成から液相の融点を見積もる手法では、実際に高温割れが発生する凝固完了部の液相の融点を偏析などの影響から正確に評価することはできないことが判明した。その結果、正確な高温割れ抑制指標を得ることができておらず、耐高温割れ性を改善した溶接ワイヤを開発できていない現状にあった。そこで本発明者は、突合せ継手のように少パス大入熱でのガスシールドアーク溶接において、初層ビードの耐高温割れ性を改善するために種々の実験を行い、また、溶接金属部の冷却速度及び溶接金属成分の拡散、固相と液相との間の成分の分配、溶接金属の柱状晶の凝固形態を考慮し、溶接金属成分の偏析度合いを算出した結果、数式１で定義されるパラメータＴｓ（固相線温度）が初層ビードの耐高温割れ性に影響を与えるパラメータであることを知見した。そして、このパラメータＴｓをもとに種々の実験を行った結果、Ｔｓを１３５５℃以上の範囲に制御することが、初層ビードの耐高温割れ性を改善することに極めて有効であることを見出した。

「Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｖ：０．５質量％以下（０を含まない）」
また、本発明においては、溶接金属の強度及び靱性を調整するために、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｖの少なくとも１種類以上を、０．５質量％以下の範囲内であれば、固相線温度Ｔｓに影響を及ぼさないため、含有してもよい。

「Ｐ：０．０１５質量％以下」
Ｐは不純物元素であるが、Ｐ含有量が０．０１５質量％を超えると、著しく耐高温割れ性が劣るため、Ｐは０．０１５質量％以下とすることが望ましい。

「Ｓ：０．０１５質量％以下」
Ｓは不純物元素であるが、Ｓ含有量が０．０１５質量％を超えると、著しく耐高温割れ性が劣るため、Ｓは０．０１５質量％以下とすることが望ましい。

次に，本発明に係るチタニヤ系フラックス入りワイヤについて説明する。このチタニヤ系フラックス入りワイヤは、Ｂ：０．０１５５質量％以下（０は含まない）、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２１質量％以下、Ｎ：０．００１乃至０．０２２質量％、Ｔｉ：０乃至０．６０質量％、ＴｉＯ_２：５乃至７質量％、Ｍｎ：２．３０乃至３．７５質量％、Ｓｉ：０．８５質量％以下（０は含まない）、Ｃ：０．０３０乃至０．０５５質量％の組成を有する。これらのワイヤ組成は、溶接金属への歩留を考慮して、溶接金属の組成を所定のものにするために決定される。

なお、フラックス入りワイヤにおいて、Ｂ源としては、Ｆｅ−Ｂ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ、Ｂ_２Ｏ_３等がある。Ｐ，Ｓは、鋼製外皮及びフラックス原料の不純物から、ワイヤ中に含まれる。Ｎ源は、鋼製外皮及びチッ化クロム、チッ化チタン、フラックス原料の不純物等から、ワイヤ中に含まれる。Ｔｉ源としては、金属Ｔｉ，Ｆｅ−Ｔｉ等がある。ＴｉＯ_２源はルチール、チタン酸カルシウム、チタン酸カリガラス、及びルコキシン等がある。なお、ＴｉＯ_２はその下限値（５質量％）よりも低くなると、立向の作業性が劣化し、上限値（７質量％）を超えると、溶接金属の酸素量が高くなる傾向にある。Ｍｎ源としては、鋼製外皮中のＭｎ、フラックス中の金属Ｍｎ，Ｆｅ−Ｍｎ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ等がある。Ｓｉ源としては、鋼製外皮中のＳｉ、フラックス中のＦｅ−Ｓｉ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｂ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ，Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｇ，ＲＥＭ−Ｃａ−Ｓｉ等がある。Ｃ源としては、鋼製外皮中のＣ，フラックス中のＣ単体、鉄粉及び金属粉のＣ等がある。

本発明のワイヤ中のＦｅは８０質量％以上含有されており、そのＦｅ源は、鋼製外皮、鉄粉、Ｆｅ合金中のＦｅ等がある。その他残部は、前述のＢ，Ｐ，Ｓ，Ｎ，Ｔｉ，ＴｉＯ_２，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃ源として使用する原料の該当成分以外の成分と、金属Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｖ，Ｃａ，Ｚｎ等の不可避的不純物と、スラグ生成剤とを含む。なお、スラグ生成剤としては、ＳｉＯ_２，ＣａＯ，Ｎａ_２Ｏ，ＺｒＯ_２，Ｋ_２Ｏ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｌｉ_２Ｏ，Ｂｉ_２Ｏ_３，Ｋ_２ＳｉＦ_６，ＣａＦ_２，ＢａＦ_２，ＮａＦ，Ｖ_２Ｏ_５，ＦｅＯ，Ｎｂ_２Ｏ_５，Ｃｒ_２Ｏ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，ＳｒＦ_２，ＡｌＦ_３，ＭｇＦ_２，ＬｉＦ，ＣａＣＯ_３，ＭｇＣＯ_３，ＢａＣＯ_３，Ｌｉ_２ＣＯ_３，Ｎａ_２ＣＯ_３，Ｓｒ_２ＣＯ_３等がある。また、フラックス入りワイヤのフラックス充填率は、ワイヤ全質量の１０〜２０質量％である。

なお、溶接対象母材は、例えば、溶接構造用圧延鋼板（ＳＭ４００Ｂ、ＳＭ４９０Ａ）又は造船用鋼板（ＡＨ３２，ＤＨ３６）等の普通鋼である。これらの鋼種の組成の一例を下記表１に示す。

次に、本発明の実施例の特性を本発明の範囲から外れる比較例と比較して、本発明の効果について説明する。

溶接条件は以下のとおりである。
・溶接姿勢：下向
・シールドガス：１００体積％ＣＯ_２
・溶接電流：２４０Ａ
・溶接電圧：３０Ｖ
・溶接速度：３７５ｍｍ／分
・ワイヤ径：１．２ｍｍ
・供試鋼板：ＳＭ４００Ｂ
・開先形状：３５°Ｖ開先
・開先ギャップ＝４ｍｍ

なお、溶接速度３７５ｍｍ／分は目標値であり、実際の溶接試験では、多少の速度差が生じた。各実施例・比較例における溶接速度は表２−２中に示した。但し、この表２−２に示す程度の溶接速度のばらつきでは、試験結果に及ぼす影響は小さい。なお、試験対象の鋼種は、ＳＭ４００Ｂ鋼（組成は表１参照）である。

この溶接試験で得られた溶接金属の組成（質量％）を下記表２−１，２−２に示す。また、使用したチタニヤ系フラックス入りワイヤの組成を下記表３−１，３−２に示す。

図１は耐高温割れ性能試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。図１に示すように、溶接母材１はＶ形状の開先を有し、このＶ形状の開先部の裏面には、裏当材としての耐火物２が配置され、この耐火物２はアルミニウムテープ３で母材１の裏面に貼着されている。このＶ形状の開先角度を３５°として、裏あて材が配置されている部分のルート間隔を４ｍｍとした。そして、溶接電流２４０Ａ，運棒方法はストレート、繰り返し数を２回として、片面溶接し、その初層溶接について、Ｘ線透過試験（ＪＩＳＺ３１０４）にて内部割れを確認し、その全長を測定した。割れ率は、割れ率Ｗ＝（割れトータル長さ）／（溶接長）×１００により算出される。

この溶接試験における耐高温割れ性能の結果を、前述の表２−１，２−２に合わせて示す。表２−１，２−２の耐高温割れ性の欄では、割れ率Ｗが５．０％未満で、従来の品質が最も高い汎用ワイヤより割れ率が小さいものには○、割れ率Ｗが５．０質量％以上で、従来の汎用ワイヤと同程度のものには×を付して、評価結果を表した。

表２−１、２−２に示すように，固相線温度Ｔｓが１３５５℃未満である比較例１乃至５は、いずれも、割れ率が５％を超えるものであり、耐高温割れ性が劣るものであった。なお、比較例４，５が従来の汎用ワイヤであり、その割れ率は夫々８．０％、９．０％である。比較例としては掲げていないが、従来の汎用ワイヤのうち、品質が最も高いワイヤを使用しても、その割れ率は５．０％とするのが限界であった。

また、図２は横軸に固相線温度Ｔｓをとり、縦軸に割れ率をとって、表２−１，２−２及び表３−１，３−２に示す関係(実施例６乃至２３と比較例１乃至５の全てのデータ)をグラフ化したものである。この図２に示されているように、固相線温度Ｔｓが１３５５℃以上である場合に、それ以外のものに比較して割れ率が極めて小さくなっている。

耐高温割れ性試験に使用する溶接母材の開先形状を示す断面図である。 比較例１〜５、実施例６〜２３の固相線温度と、割れ率との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１；母材
２；耐火材
３；アルミニウムテープ

Claims (1)

1. 鋼製外皮にフラックスを充填してなるチタニヤ系フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、Ｎ：０．００１乃至０．０２２質量％、ＴｉＯ_２：５乃至７質量％、Ｍｎ：２．３０乃至３．７５質量％、及びＣ：０．０３０乃至０．０５５質量％を含有し、更に、Ｂ：０．０１５５質量％以下（０は含まない）、Ｓｉ：０．８５質量％以下（０は含まない）、又はＴｉ：０．６０質量％以下（０は含まない）を含有すると共に、Ｆｅを８０質量％以上含有し、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２１質量％以下に規制し、残部が不可避的不純物とスラグ生成剤であり、更にワイヤ全質量に対する含有量（質量％）で、Ｂ、Ｃ、Ｍｎ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ、Ｔｉ、ＴｉＯ_２の含有量を夫々［Ｂ］、［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｎ］、［Ｐ］、［Ｓ］、［Ｓｉ］、［Ｔｉ］、［ＴｉＯ_２］としたとき、下記数式で定義される固相線温度Ｔｓが１３５５℃以上となるように、前記各成分を含有することを特徴とするチタニヤ系フラックス入りワイヤ。
   Ｔｓ＝１５３８−２９３８×［Ｂ］−１６４０×［Ｃ］−３．０５×［Ｍｎ］−３２７×［Ｎ］−２６１×［Ｐ］−２５９４×［Ｓ］−２６．３×［Ｓｉ］−１７．５×［Ｔｉ］−１．９５×［ＴｉＯ_２］−２５．５

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