JP6063355B2 - 溶接用ソリッドワイヤおよび溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、極低温用の９％Ｎｉ鋼（９％ニッケル鋼）の溶接に適した鉄基の溶接用ソリッドワイヤ、およびこうした溶接用ソリッドワイヤを用いた溶接方法、並びに当該溶接方法によって形成される溶接金属に関する。

液体窒素温度（−１９６℃）程度の極低温下で使用される高張力鋼（極低温用鋼）として、９％Ｎｉ鋼が知られており、この９％Ｎｉ鋼は高い耐力と卓越した極低温靱性を有している。そのため、９％Ｎｉ鋼はＬＮＧ（液化天然ガス）や液体窒素、液体酸素等の貯蔵タンクの素材として、或はその関連機器等の素材として広く用いられている。このような９％Ｎｉ鋼の優れた極低温靱性を有効に活用するためには、９％Ｎｉ鋼同士を溶接して形成される溶接継手の溶接金属（溶接接合部）においても、この母材と同程度の優れた特性を有していることが要求される。

こうした背景から、９％Ｎｉ鋼同士の溶接技術についてもこれまで様々の検討が加えられている。例えば、極低温用の９％Ｎｉ鋼母材と同じ或は母材に類似した成分の溶接ワイヤ（所謂共金系溶接ワイヤ）を用いてこれを溶接すれば、極低温特性の優れた溶接金属が得られるものと考えられる。溶接方法として、ＭＩＧ溶接（Ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｍｅｔａｌ−ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）を採用すれば、ＴＩＧ溶接（Ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｔｕｎｇｓｔｅｎ−ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）よりも溶接効率が高くなるのであるが、安定した低温靱性は確保できないという問題がある。こうしたことから、ＭＩＧ溶接よりも溶接効率が低いＴＩＧ溶接に限定され、溶接施工の作業性が著しく低下する。このため、共金系溶接ワイヤの適用例は殆どないのが実状である。

図１に、９％Ｎｉ鋼板同士の突合せ溶接継手例（溶接試験例）を模式的に示す。ＴＩＧ溶接を適用するにしても、ＭＩＧ溶接を適用するにしても、９％Ｎｉ鋼板２ａ，２ｂ同士の溶接継手１ａにおける溶接金属３を、大入熱によって、ビード（ビードとは、各パスによってつくられた溶接金属をいう。以下同じ）（１）〜（１３）を多層盛りに、順次形成していく過程は同じである（図１中、５は裏当て材を示す）。尚、図１は良好なビード形状の状態を示しており、ビード形状が不良になると上向きに大きく膨らんだ状態となる。また、図１では、説明の便宜上、溶着ビード（４）〜（１０）は図示していない。

ＴＩＧ溶接では、溶着量を比較的小さくしてビードを薄くするため、後続するビード、例えばビード（１３）によって、前のビード（１２）が完全に逆変態される。これによって、各ビード層の比較的粗大な原質部（凝固組織）が微細な再熱組織（再熱処理組織）となっている。即ち、上層部のビードを溶接していくときの熱サイクルによって、適度の熱処理効果が得られるため、下層部のビード組織の微細化が図れ、下層部の低温靱性が高められる。

これに対して、溶接効率が高いＭＩＧ溶接では、溶着量が比較的大きいために、必然的に、前記再熱組織と、再熱されない原質部が板厚方向に交互に位置することになる。このため、溶接継手１ａにおける溶接金属３においては、ＭＩＧ溶接で形成されたものの方が、ＴＩＧ溶接で形成されたものよりも、安定した低温靱性の確保が難しくなる傾向がある。

こうしたことから、高効率なＭＩＧ溶接による９％Ｎｉ鋼の溶接施工に際しては、Ｎｉ量が６０％と比較的高いＮｉ基合金（所謂ＩＮＣＯＮＥＬ：登録商標）の溶接ワイヤが汎用されてきた。このようなＮｉ基合金溶接ワイヤを用いた溶接継手では、−１９６℃でも溶接ままで優れた靱性を示すものの、強度、特に０．２％耐力は９％Ｎｉ鋼母材に比べて極めて低いものとなる。その結果、溶接母材として９％Ｎｉ鋼を使用しているにも拘わらず、溶接継手の強度が低くなるため、設計応力もこれに応じて下げざるを得ず、溶接継手での高い強度を確保するためには、溶接構造物全体の板厚を厚くしなければならないという不都合を招く。

上記のようなＮｉ基合金溶接ワイヤを使用する限り、９％Ｎｉ鋼の高い強度が十分には活かされず、溶接構造物の板厚増加、重量の増加、高価なＮｉ基合金溶接ワイヤの消費量増大という二重三重の負荷や負担を余儀なくされている。しかも、Ｎｉ基合金溶接ワイヤによる溶接では、どうしてもＮｉに伴う高温割れの問題がつきまとうばかりか、母材である９％Ｎｉ鋼とは、その成分組成が大きく異なるために、溶接時の互いの熱膨張係数差による、熱疲労発生の問題も顕在化してくる。

上記のような溶接施工上の制約から、９％Ｎｉ鋼自体は極低温用鋼としての卓越した性能を具備しているにも拘わらず、従来からその適用範囲が著しく制限されているのが実状である。このため、Ｎｉ基合金溶接ワイヤに代えて、９％Ｎｉ鋼母材と同じであるか或は母材に類似した化学成分組成の共金系溶接ワイヤを用いた溶接技術について、溶接継手の極低温靱性をより一層高めるための研究が検討されている。

こうした技術として、例えば特許文献１には、９％Ｎｉ鋼の共金系溶接ワイヤによる溶接施工法を工夫して溶接継手の極低温靱性を改善する方法が提案されている。この技術は、多層盛り溶接をして溶接金属を形成した後に、最終層のビード表面を１５０℃以下まで冷却し、次いで最終層のビード表面を不活性ガスでシールドしつつ、非消耗電極からのアークで再溶融させる方法である。この技術は、上層部溶接時の熱サイクルによる熱処理効果が期待できない開先中央部の最終層を、再溶融させることによって熱処理を加えて低温靱性を向上させようとするものである。しかしながら、このような技術では、溶接施工において工程数が増えるという問題と共に、あくまで溶接継手における最終溶接層のみの部分的な低温靱性の改善に止まるものである。従って、溶接継手の特性を支配する溶接金属全体の低温靱性の向上に関しては、必ずしも有効であるとはいえない。

本発明者らは、上記のような課題に対してかねてより研究を進めており、その研究の一環として特許文献２〜４のような技術を提案している。これらの技術は、９％Ｎｉ鋼の共金系溶接ワイヤにＲＥＭ（希土類元素）を添加し、溶接金属における低温靱性および耐亀裂発生強度を改善するものである。即ち、溶接金属中に微細なＲＥＭ酸化物を形成させることによって、結晶粒成長を抑制するピン止め粒子をして機能させる。これらの技術で低温靱性の評価は、鋼材一般の特性評価で用いられているシャルピー衝撃吸収値だけで行っており、このシャルピー衝撃吸収値では良好な値を示している。

溶接金属の低温靱性を評価するに当たっては、ＣＴＯＤ（Ｃｒａｃｋ Ｔｉｐ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）試験による限界ＣＴＯＤ値で良好な値を示す特性（ＣＴＯＤ値により評価される特性を「ＣＴＯＤ特性」と呼ぶことがある）を有していることが重要である。限界ＣＴＯＤ値を高いレベルで維持することで、例えば溶接金属に欠陥のあった際の急激な破壊が抑制されることになる。しかしながら、これまで提案した技術では、ＣＴＯＤ特性が必ずしも良好であるとは言えなかった。

特開昭５３−１１８２４１号公報 特開２００９−１０１４１４号公報 特開２０１０−１７２９０７号公報 特開２０１１−０５６５３９号公報

本発明はこうした従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率なＭＩＧ溶接等のガスシールドアーク溶接法によって９％Ｎｉ鋼同士を溶接したときに、良好なＣＴＯＤ特性を示す溶接金属が形成可能な溶接用ソリッドワイヤ、およびこのような溶接用ソリッドワイヤを用いて良好なＣＴＯＤ特性を示す溶接金属を形成するための溶接方法、並びにこうした溶接方法によって得られ、良好なＣＴＯＤ特性を示す溶接金属を提供することにある。

上記目的を達成し得た本発明の溶接用ソリッドワイヤとは、Ｃ：０．１０％（「質量％」の意味。以下、化学成分組成について同じ。）以下（０％を含まない）、Ｓｉ：０．１５％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｎｉ：８．０〜１５．０％、ＲＥＭ：０．００５〜０．０４０％、およびＯ：０．００６５％以下（０％を含まない）を含有し、ＲＥＭの含有量［ＲＥＭ］とＯの含有量［Ｏ］の比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）が、４．３〜１６．０であり、残部が鉄および不可避的不純物であることを特徴とする。

本発明の溶接用ソリッドワイヤにおいて、前記ソリッドワイヤの表面がＣｕめっき層で覆われており、このＣｕめっき層の量が、ソリッドワイヤ総質量に対して、０．１０〜０．２０％であることが好ましい。

本発明の溶接用ソリッドワイヤは、炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）で含むアルゴンガスまたは炭酸ガスを含まないアルゴンガス（純アルゴンガス、以下同じ）をシールドガスとする、パルス電源を用いたガスシールドアーク溶接に使用されるものであることが好ましい。

一方、本発明の溶接方法においては、シールドガスが、炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）で含むアルゴンガスまたは炭酸ガスを含まないアルゴンガスであることが好ましい。また、上記のような溶接用ソリッドワイヤを用い、炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）で含むアルゴンガスまたは炭酸ガスを含まないアルゴンガスをシールドガスとして、鋼材をガスシールドアーク溶接することで溶接金属を形成することもできる。

本発明は、上記の各溶接方法によって形成された溶接金属も包含する。

本発明では、化学成分組成を適切に規定することによって、高効率なＭＩＧ溶接等のガスシールドアーク溶接法によって９％Ｎｉ鋼同士を溶接したときに良好なＣＴＯＤ特性を示す溶接金属を形成することができる。

良好なビード形状の９％Ｎｉ鋼板同士の突合せ溶接継手例を模式的に示す説明図である。 溶接金属のシャルピー衝撃試験片の採取位置を示す概略説明図である。

本発明者らは、高効率なＭＩＧ溶接による９％Ｎｉ鋼板同士の溶接において、溶接金属での良好な低温靱性、特に良好なＣＴＯＤ特性を達成するための要件について、様々な角度から検討した。その結果、化学成分組成を適切に調整した溶接用ソリッドワイヤにおいて、特にＲＥＭの含有量［ＲＥＭ］とＯの含有量［Ｏ］の比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）を、４．３〜１６．０とすれば、高いＣＴＯＤ値が得られることが判明した。

本発明者らは、溶接継手の良好なビード形状を得るには、ＲＥＭの含有量［ＲＥＭ］とＯの含有量［Ｏ］の比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）を、２．５〜４．２とすることが有効であることを見出している（前記特許文献４）。しかしながら、上記比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）を、２．５〜４．２の範囲にしたものでは、限界ＣＴＯＤ値が却って低下し、良好な低温靱性（ＣＴＯＤ特性）が得られない場合があることも分かった。

そこで、上記比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の値を比較的高めにしてやれば、より良好な低温靱性を確保できるとの着想が得られた。しかしながら、上記比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の値を高めにすれば、ビード形状が悪化することが予想される。こうしたビード形状の悪化は、溶接条件を適切に制御することによって補填すればよいとの着想も得られた（後述する）。そして、更に検討したところ、基本的にＭＩＧ溶接を実施する要件下で、シールドガス雰囲気の調整や、溶接電源をパルス電源とすれば、上記比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の値を比較的高めすることによるビード形状の悪化を十分補填できることを見出した。

本発明の溶接用ソリッドワイヤにおいては、その化学成分組成を適切に調整する必要があるが、その範囲設定理由は下記の通りである。尚、溶接用ソリッドワイヤの化学成分組成は、基本的に溶接金属の化学成分組成を反映することになる。

（Ｃ：０．１０％以下（０％を含まない））
Ｃは、少量でも溶接金属の引張強度（ＴＳ）を高める上で有効な元素である。そのため、０％を超える実質量を含有させるが、Ｃ含有量が過剰になると溶接金属の低温靱性が著しく低下する。こうした観点から、Ｃ含有量は０．１０％以下とする必要がある。好ましくは０．０８％以下であり、より好ましくは０．０６％以下である。尚、溶接金属の引張強度（ＴＳ）を確保するという観点から、Ｃ含有量の好ましい下限は、０．０１％以上であり、より好ましくは０．０２％以上である。

（Ｓｉ：０．１５％以下（０％を含まない））
Ｓｉは、溶接作業性の向上に有効に作用するので、０％を超える実質量を含有させるが、Ｓｉ含有量が過剰になると溶接金属の低温靱性が著しく低下する。こうした観点から、Ｓｉ含有量は０．１５％以下とする必要がある。好ましくは０．１２％以下であり、より好ましくは０．１０％以下である。尚、溶接作業性を向上させるという観点から、Ｓｉ含有量の好ましい下限は、０．０１％以上であり、より好ましくは０．０２％以上である。

（Ｍｎ：０．１０〜０．８０％）
Ｍｎは、溶接作業性を改善すると共に、脱酸剤や硫黄捕捉剤として卓越した効果を発揮するため、重要な基本成分となる。こうした効果を有効に発揮させるためには、Ｍｎ含有量は０．１０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、溶接金属中に安定な残留オーステナイトが生じやすくなり、Ｎｉを過剰に含有させた場合と同様に（後述する）、溶接金属の低温靱性が著しく損なわれる。こうした観点から、Ｍｎ含有量は０．８０％以下とする必要がある。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は、０．２％以上、より好ましくは０．３％以上であり、好ましい上限は０．７％以下、より好ましくは０．６％以下である。

（Ｎｉ：８．０〜１５．０％）
Ｎｉは、共金系溶接用ソリッドワイヤの使用対象となる９％Ｎｉ鋼の場合と同様に、良好な低温靱性を確保する上で重要な成分である。Ｎｉ含有量が８．０％未満では、溶接金属に対して十分な低温靱性を付与することができない。一方、Ｎｉ含有量が過剰になって１５．０％を超えると、溶接金属の機械的強度が高くなり過ぎ、延性が極端に低下し、更には不安定な残留オーステナイトを生じることで、極低温下ではマルテンサイトに変態して低温靱性の低下を招く。尚、Ｎｉ含有量の好ましい下限は９．０％以上、より好ましくは１０．０％以上であり、好ましい上限は１３．０％以下、より好ましくは１２．０％以下である。

（ＲＥＭ：０．００５〜０．０４０％）
ＲＥＭ（希土類元素）は、本発明において重要な作用を有する元素である。ＲＥＭは溶接金属中に含まれる微量の酸素と反応して微細な酸化物（ＲＥＭ酸化物）を形成する。このような微細なＲＥＭ酸化物は、破壊起点としては作用せず、むしろ溶接凝固過程や凝固後の結晶粒成長を抑制するピン止め粒子として機能するため、溶接金属全体の強度や低温靱性（特にＣＴＯＤ特性）を高めるのに有効に作用する。ＲＥＭ含有量が０．００５％未満では、溶接金属に対して十分な低温靱性を付与することができない。一方、ＲＥＭ含有量が過剰になって０．０４０％を超えると、破壊起点として作用する粗大なＲＥＭ酸化物の形成が促進されるため、溶接金属の低温靱性が却って低下する。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は０．００８％以上、より好ましくは０．０１０％以上であり、好ましい上限は０．０２５％以下、より好ましくは０．０２０％以下である。尚、本発明におけるＲＥＭ（希土類元素）は、周期律表のＬａからＬｕまでの１５のランタノイド系列希土類元素を意味する。これらの元素は、いずれも同等の効果を発揮するので、上記１５の元素から適宜選択して１種の元素を用いても良いし、複数の元素を用いても良い。

（Ｏ：０．００６５％以下（０％を含まない））
Ｏは、低温靱性（特にＣＴＯＤ特性）を向上させる微細ＲＥＭ酸化物を形成する上で必要な元素である。Ｏ含有量が過剰になると、粗大酸化物が形成されるようになり、特にＣＴＯＤ特性に悪影響を及ぼすことになるので、０．００６５％以下とする必要がある。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００６０％以下、より好ましくは０．００５０％以下である。Ｏ含有量の下限については、特に規定されないが、後述する比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の値が所定の範囲となるように制御する必要がある。

（比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）：４．３〜１６．０）
低温での良好なＣＴＯＤ特性を確保するためには、局部脆化域の形成を抑制する必要がある。ＲＥＭの含有量［ＲＥＭ］とＯの含有量［Ｏ］の比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）が、４．３を下回ると、おそらくはＳｉ系酸化物が形成されるようになり、これが脆性破壊の起点となって所望のＣＴＯＤ値が得られなくなる。また、比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）が１６．０を上回ると、酸化物を形成していない固溶ＲＥＭが増加し、マトリクス中の結晶粒界に偏析することで粒界を脆化させ、やはり所望のＣＴＯＤ値が得られなくなる。尚、比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の好ましい下限は４．５以上、より好ましくは５．０以上であり、好ましい上限は１４．０以下、より好ましくは１２．０以下である。

本発明の溶接用ソリッドワイヤの基本成分組成は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避的不純物（例えば、Ａｌ，Ｔｉ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｐ，Ｓ，Ｂ，Ｎ等）も含み得るものである。これらの元素は、ＣＴＯＤ特性を含む低温靱性を低下させる傾向があるので、定法による製鋼工程での経済的な範囲内ではあるが、できるだけ低減することが好ましい。具体的には、Ａｌは０．０２０％未満、Ｔｉは０．０２０％未満、Ｃａは０．００２％未満、Ｃｒは０．０１％未満、Ｍｇは０．００２％未満、Ｐは０．０１５％未満、Ｓは０．０１０％未満、Ｂは０．００２％未満、Ｎは０．００８％未満に制御されることが好ましい。

本発明の溶接用ソリッドワイヤは、上記のような化学成分組成の共金系の鋼線材の素線（原線）を、製品径（０．８〜１．６ｍｍφの細径）まで、ローラダイスや孔ダイス線引き装置を用いた、公知の伸線工程で伸線することによって製造することができる。

上記のようにして製造された溶接用ソリッドワイヤは、スプールに巻装、或はペールパックに充填された収納形態で搬送され、溶接に供せられる。このように収納された溶接用ソリッドワイヤは、９％Ｎｉ鋼による低温構造物の溶接施工現場にて、送給機の送給ローラによりスプール（或はペールパック）から引き出され、後続するコンジットケーブル（フレキシブルなガイド管）に内包されたライナー等を経由して、溶接位置にあるＭＩＧ溶接のトーチ内の給電チップ部分まで送給される。

このような一連の溶接用ソリッドワイヤの送給作業の際に、送給条件によらず、一定速度で安定的に溶接用ソリッドワイヤが供給される。ワイヤの送給性をより安定的に確保するために、溶接用ソリッドワイヤの表面に、銅めっき層の形成や、潤滑剤若しくは防錆油等の塗布を施しても良い。これら銅めっき層や潤滑剤等には、送給ライナーからの送給抵抗を下げて、ワイヤの送給性を向上させる効果があり、伸線加工時の伸線性を大きく向上させ、通電性や防錆性などを向上させる効果がある。尚、溶接用ソリッドワイヤの表面に、銅めっき層を形成する場合には、めっき付着量は、めっき性および極低温靱性の両立という観点から、溶接用ソリッドワイヤ総質量に対して０．１０〜０．２０％程度であることが好ましい。めっき付着量が０．１０％を下回ると、十分なめっき性が得られない。一方、０．２０％を超えると、溶接金属中のＣｕ濃度が上昇し、強度が過大となって極低温靱性が確保できなくなる。

但し、溶接用ソリッドワイヤ表面に銅めっき層、潤滑剤若しくは防錆剤を施す際には、環境上の問題を配慮して、これらの銅めっき層や潤滑剤或は防錆剤を表面に施さない裸の溶接用ソリッドワイヤの適用も可能である。また本発明の溶接用ソリッドワイヤは、通常の共金系のみからなる単一構造のソリッドワイヤだけでなく、公知の同軸複層ワイヤの構造を採用しても良い。

本発明の溶接用ソリッドワイヤを用いて鋼材を溶接するに当たっては、基本的な溶接方法は、ＭＩＧ溶接が主たる溶接方法となる。本発明の溶接法としては、「ガスシールドアーク溶接法」と広義に規定している。これは、ＭＩＧ溶接の定義が、「Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ」であり、不活性ガス（Ａｒ）をシールドガス（イナートガス）とする溶接法であるので、厳密には、シールドガスが１００％Ａｒ（純アルゴンガス）である場合を意味することになる。これに対し本発明では、前述のごとく、純アルゴンガスをシールドガスとして用いる場合だけでなく、シールドガス中に炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）という、わずかな炭酸ガスをＡｒに混入させた場合も含むものである。こうした場合にあっても、ＭＩＧ溶接と呼べるのかとなれば、前記定義からすれば、微妙な問題がある。従って、本発明では、このように炭酸ガスをわずかに含む場合も、明確に範囲に含まれることを明らかにする観点から、適用溶接方法を、ＭＩＧ溶接より広義の「ガスシールドアーク溶接」と規定している。尚、シールドガス中の炭酸ガス量を２．０％未満（０％を含まない）と規定したのは、炭酸ガス量が２．０％以上となると、炭酸ガスに由来する酸素によって溶接金属中の酸素量が増加してしまい、溶接金属における良好なＣＴＯＤ特性が確保できなくなるからである。シールドガス中の炭酸ガス量は、好ましくは１．８％以下であり、より好ましくは１．５％以下である。

また本発明の溶接用ソリッドワイヤを用いて溶接を実施するに際し、通常の溶接電源（定常の溶接電源）を用いても良いが、パルス電源を用いることで、良好なビード形状が得られるようになるので好ましい。尚、パルス電源を用いることによって溶着金属が溶滴からスプレー状になりやすいこと、その結果として、ビード形状が良くなることは、既に知られているが、上記のような溶接用ソリッドワイヤとの組み合わせによって、良好なビード形状と良好な低温靱性の両特性を具備できることは、極めて有用なことである。

ガスシールドアーク溶接を実施するに際しては、シールドガスを二重とし、アウターガスを純アルゴン雰囲気とすることも有用である。こうした構成を採用することによって、溶接時における大気混入が極力抑制され、より一層良好な低温靱性を有する溶接金属が得られる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、下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。

下記表１、２に示した化学成分組成を有する鋼線材を真空溶製により製造し、線引き加工によって製品径１．２ｍｍの溶接用ソリッドワイヤを得た。このうち、一部の溶接用ソリッドワイヤについては、Ｃｕめっきを施した。尚、表１におけるＲＥＭは、Ｃｅ、Ｌａを主として含むミッシュメタルを用いた。

作製した溶接用ソリッドワイヤを用い、下記の溶接条件にてガスシールドアーク溶接を実施し、溶接金属の各種特性（ビート形状、シャルピー衝撃吸収値、ＣＴＯＤ特性）を評価した。このとき、下記表３に示す化学成分組成の溶接母材を用いた。

（溶接条件）
母材（鋼材）板厚：２５ｍｍ
開先角度：６０°（Ｖ形開先）
ルート間隔：４ｍｍ
溶接姿勢：下向き
シールドガス：アルゴン（Ａｒ）ガス＋０〜１．８％ＣＯ₂（一部のものには、シールドガスを二重とし、アウターガスを純アルゴン（Ａｒ）ガスとした：下記表４、５）
溶接電流：２６０〜２８０Ａ（直流電源、ワイヤプラス）
溶接電圧：２３〜３１Ｖ
溶接速度：２４〜２７ｃｍ／ｍｉｎ
予熱／パス間温度：５０〜１２５℃
積層方法：７層１６パス

（ビード形状の評価）
パスごとにグラインダー処理を実施せずに、目視によって良好なビード形状の溶接金属が得られた場合（図１に示した状態）を「○」、得られなかった場合（ビード形状が上方に凸状になった状態）を「×」と評価した。

（シャルピー衝撃吸収値の評価）
溶接金属の板厚中央部より、図２に示したように、溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ３１１１ ４号Ｖノッチ試験片）を各３本採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に則って、−１９６℃でのシャルピー衝撃試験を実施し、シャルピー衝撃吸収値（ｖＥ_-196）を測定した。３本のシャルピー衝撃吸収値の平均値が１００Ｊ以上を示したものを低温靱性に優れると評価した。

（ＣＴＯＤ特性の評価）
ＢＳ−７４４８規格に基づき、疲労亀裂（切欠き）を溶接金属中央部に位置させたＣＴＯＤ試験片を各３個製造し、−１６５℃での３点曲げＣＴＯＤ試験を実施した。そして、３個ともポップイン（ポップインとは、疲労亀裂からの亀裂面上において微小な脆性亀裂が発生し、比較的短い進展で停止する現象である。この現象は不安定破壊の一種であり、ポップインが観察される材料では、実際の構造物における脆性破壊の危険性が高くなる。）が発生せずに、且つ限界ＣＴＯＤ値δ_ｃの平均値が０．３０ｍｍ以上を示したものを、ＣＴＯＤ特性に優れると評価した。

これらの結果を、溶接電源の種類、シールドガスの形態と共に、下記表４、５に示す。

この結果から次のように考察できる。試験Ｎｏ．１〜２４は、本発明で規定する要件を満足する溶接用ソリッドワイヤを用いて溶接金属を形成した例であり、いずれも良好な低温靱性（ｖＥ_-196：１００Ｊ以上、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ：０．３０ｍｍ以上）を示していることが分かる。このうち、特に試験Ｎｏ．５〜１１、１３、１４、１６、１７、１９、２０、２２〜２４のものでは、シールドガスの組成を適切にしつつ、パルス電源を用いて溶接金属を形成した例であり、ビード形状においても良好となっていることが分かる。

これに対して、試験Ｎｏ．２５〜３５は、本発明で規定するいずれかの要件を満足しない例であり、いずれかの特性が劣化している。即ち、試験Ｎｏ．２５は、Ｃ含有量が過剰な溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．２５）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。また、試験Ｎｏ．２５は、通常の溶接電源を用いているので、ビード形状においても劣化している。試験Ｎｏ．２６は、Ｓｉ含有量が過剰な溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．２６）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。また試験Ｎｏ．２６は、通常の溶接電源を用いているので、ビード形状においても劣化している。

試験Ｎｏ．２７は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、Ｍｎ含有量が不足する溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．２７）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。試験Ｎｏ．２８は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、Ｍｎ含有量が過剰な溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．２８）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。

試験Ｎｏ．２９は、Ｎｉ含有量が不足する溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．２９）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。また試験Ｎｏ．２９は、通常の溶接電源を用いているので、ビード形状においても劣化している。Ｎｏ．３０は、Ｎｉ含有量が過剰な溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．３０）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。また試験Ｎｏ．３０は、通常の溶接電源を用いているので、ビード形状においても劣化している。

試験Ｎｏ．３１は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、ＲＥＭ含有量が不足する溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．３１）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。試験Ｎｏ．３２は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、ＲＥＭ含有量が過剰な溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．３２）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（ｖＥ_-196、限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。

試験Ｎｏ．３３は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、Ｏ含有量が過剰な溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．３３）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。

試験Ｎｏ．３４は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の値が大きくなり過ぎた溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．３４）を用いて溶接金属を形成した例であり、低温靱性（限界ＣＴＯＤ値δ_ｃ）が劣化している。試験Ｎｏ．３５は、パルス溶接電源を用いることによって良好なビード形状が得られているが、比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）の値が小さくなり過ぎた溶接用ソリッドワイヤ（ワイヤＮｏ．３５）を用いて溶接金属を形成した例であり、初期サイクルにおいてポップインが発生している。

１ａ 溶接継手
２ａ，２ｂ ９％Ｎｉ鋼板
３ 溶接金属
５ 裏当て材

Claims (6)

1. Ｃ ：０．１０％（「質量％」の意味。以下、化学成分組成について同じ。）以下（０％を含まない）、
   Ｓｉ：０．１５％以下（０％を含まない）、
   Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、
   Ｎｉ：８．０〜１５．０％、
   ＲＥＭ：０．００５〜０．０４０％、および
   Ｏ ：０．００６５％以下（０％を含まない）
   を含有し、ＲＥＭの含有量［ＲＥＭ］とＯの含有量［Ｏ］の比（［ＲＥＭ］／［Ｏ］）が４．３〜１６．０であり、残部が鉄および不可避的不純物であることを特徴とする溶接用ソリッドワイヤ。
2. 前記ソリッドワイヤの表面がＣｕめっき層で覆われており、このＣｕめっき層の量が、ソリッドワイヤの総質量に対して、０．１０〜０．２０％である請求項１に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
3. 炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）で含むアルゴンガスまたは炭酸ガスを含まないアルゴンガスをシールドガスとする、パルス電源を用いたガスシールドアーク溶接に使用されるものである請求項１または２に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
4. 請求項１または２に記載の溶接用ソリッドワイヤと、パルス電源とを用いて鋼材をガスシールドアーク溶接することで溶接金属を形成することを特徴とする溶接方法。
5. シールドガスが、炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）で含むアルゴンガスまたは炭酸ガスを含まないアルゴンガスである請求項４に記載の溶接方法。
6. 請求項１または２に記載の溶接用ソリッドワイヤを用い、炭酸ガスを２．０％未満（０％を含まない）で含むアルゴンガスまたは炭酸ガスを含まないアルゴンガスをシールドガスとして、鋼材をガスシールドアーク溶接することで溶接金属を形成することを特徴とする溶接方法。

Images