JP6914182B2 - 被覆アーク溶接棒 - Google Patents
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Description
本発明は被覆アーク溶接棒に関し、特にラインパイプ等の構造物に用いられる１３Ｃｒマルテンサイト系ステンレス鋼の溶接に好適に用いられる被覆アーク溶接棒に関する。
石油及び天然ガスの輸送に用いられるラインパイプの材料のひとつとして１３Ｃｒマルテンサイト系の鋼板が挙げられる。１３Ｃｒマルテンサイト系の鋼板はＣｒ−Ｎｉ系の鋼板と比べて溶接性が悪い。そこで、１３Ｃｒマルテンサイト系鋼板の溶接に用いられる被覆アーク溶接棒として、マルテンサイトの析出を抑制し、結晶粒微細化に寄与する元素としてＮｂ、Ｔｉ、Ａｌ等が添加された溶接棒の開発が進められている。
例えば特許文献１では、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ入りの含Ｃｒ被覆アーク溶接棒において、Ｎｉ及びＶを心線又は被覆剤の一方、又は両方にそれぞれ適量含有させて、溶融金属中にＮｉ、Ｖを微量添加することにより、２００〜４００℃といった高温強度が高められている。
例えば特許文献１では、Ｎｂ、Ｔｉ、Ａｌ入りの含Ｃｒ被覆アーク溶接棒において、Ｎｉ及びＶを心線又は被覆剤の一方、又は両方にそれぞれ適量含有させて、溶融金属中にＮｉ、Ｖを微量添加することにより、２００〜４００℃といった高温強度が高められている。
また、１３Ｃｒマルテンサイト系の鋼板が改良され、鋼板としての高耐食性、高強度、及び高靱性を有し、さらには低硬度化による良好な応力腐食割れ抵抗性を備えた材料の開発も進められている。当該鋼板に対し、特許文献２では、溶接棒において特定の化学組成を採用することで、高耐食性、高強度、高靱性を有し、低硬度で応力腐食割れ感受性が改良された溶接継手を形成できる１３Ｃｒ系ステンレス鋼溶接棒が開示されている。
しかしながら、１３Ｃｒマルテンサイト系の鋼板に対する被覆アーク溶接棒を用いた溶接に際し、溶接棒に求められる性能としては、引張強度や靱性等の機械的特性だけではなく、良好な溶接作業性も重要である。また、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌは結晶粒微細化に寄与する一方で、溶接棒に添加するとコストの上昇を招く。
上記実情に鑑みて、本発明では、機械的特性に優れた溶接金属を得ることができるとともに溶接作業性に優れ、さらには低コストで得られる被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。
より具体的には、本発明では、１３Ｃｒマルテンサイト系鋼板の被覆アーク溶接において好適に使用される被覆アーク溶接棒であって、０．２％耐力、引張強度、伸び及び靱性といった各種機械的特性に優れた溶接金属を得ることができるとともに、スパッタ発生量、ビード外観及びスラグ剥離性といった溶接作業性に優れ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを実質的に含まずに低コストで得られる被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。
より具体的には、本発明では、１３Ｃｒマルテンサイト系鋼板の被覆アーク溶接において好適に使用される被覆アーク溶接棒であって、０．２％耐力、引張強度、伸び及び靱性といった各種機械的特性に優れた溶接金属を得ることができるとともに、スパッタ発生量、ビード外観及びスラグ剥離性といった溶接作業性に優れ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを実質的に含まずに低コストで得られる被覆アーク溶接棒を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを実質的に含まずとも、溶接棒を構成する化学組成を特定のものとすることにより、機械的特性に優れた溶接金属を得ることができるとともに優れた溶接作業性が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の被覆アーク溶接棒は、心線及び被覆剤を含み、前記心線の少なくとも一部が前記被覆剤で覆われている被覆アーク溶接棒であって、溶接棒全質量に対して、Ｃ：０．０１〜０．１３質量％、Ｓｉ：０．１〜１．１質量％、Ｍｎ：０．１〜１．２質量％、Ｎｉ：０．０１〜０．８質量％、Ｍｏ：０．０１〜０．８質量％、及びＣｒ：９．０〜１１．４質量％を含有し、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを実質的に含有せず、各成分の含有量が
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
の関係式を満たす。
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
の関係式を満たす。
一態様において上記被覆アーク溶接棒は、前記被覆剤が、被覆剤全質量に対して、ＴｉＯ２：５．０〜４０．０質量％、ＳｉＯ２：５．０〜２０．０質量％、炭酸塩：１９．０〜４６．０質量％、及びＣａＦ２：５．０〜２０．０質量％を含有し、溶接棒全体における前記被覆剤による被覆率が２０〜４０質量％であってもよい。
また、一態様において上記被覆アーク溶接棒は、溶接棒全質量に対して、Ｃｕ：０．００１〜０．３質量％をさらに含有してもよい。
本発明に係る被覆アーク溶接棒によれば、１３Ｃｒマルテンサイト系鋼板の被覆アーク溶接において、スパッタ発生量、ビード外観及びスラグ剥離性といった溶接作業性に優れ、さらには０．２％耐力、引張強度、伸び及び靱性といった各種機械的特性にも優れた溶接金属を、コストをかけることなく得ることができる。
以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また本明細書において、数値範囲を示す「〜」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒（以下、単に「溶接棒」と称することがある。）は、心線及び被覆剤を含み、前記心線の少なくとも一部が前記被覆剤で覆われており、溶接棒全質量に対して、Ｃ：０．０１〜０．１３質量％、Ｓｉ：０．１〜１．１質量％、Ｍｎ：０．１〜１．２質量％、Ｎｉ：０．０１〜０．８質量％、Ｍｏ：０．０１〜０．８質量％、及びＣｒ：９．０〜１１．４質量％を含有し、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを実質的に含有せず、各成分の含有量が下記関係式を満たす。
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
以下、本実施形態に係る被覆アーク溶接棒の各成分について、溶接棒全質量に対する含有量を説明する。なお本明細書において、溶接棒全質量とは溶接棒を構成する心線の質量と被覆剤の質量の合計を意味する。
＜Ｃ：０．０１〜０．１３質量％＞
Ｃは溶接金属の引張強度を向上させる元素である。そのため、溶接棒全質量に対するＣ含有量は０．０１質量％以上であり、０．０３質量％以上が好ましく、０．０４質量％以上がより好ましい。
一方で、Ｃを過剰に含有すると引張強度が高くなり過ぎて、靱性の劣化や溶接低温割れを生じさせる。そのため、Ｃ含有量は０．１３質量％以下であり、０．１１質量％以下が好ましく、０．０９質量％以下がより好ましい。
Ｃは溶接金属の引張強度を向上させる元素である。そのため、溶接棒全質量に対するＣ含有量は０．０１質量％以上であり、０．０３質量％以上が好ましく、０．０４質量％以上がより好ましい。
一方で、Ｃを過剰に含有すると引張強度が高くなり過ぎて、靱性の劣化や溶接低温割れを生じさせる。そのため、Ｃ含有量は０．１３質量％以下であり、０．１１質量％以下が好ましく、０．０９質量％以下がより好ましい。
＜Ｓｉ：０．１〜１．１質量％＞
Ｓｉは溶接施工時の溶融プールの脱酸や流動性を改善させる元素である。そのため、溶接棒全質量に対するＳｉ含有量は０．１質量％以上であり、０．３質量％以上が好ましく、０．４質量％以上がより好ましい。
一方、Ｓｉの添加によってδ−フェライト相が増加し、靱性が劣化する。そのため、Ｓｉ含有量は１．１質量％以下であり、１．０質量％以下が好ましく、０．９質量％以下がより好ましい。
Ｓｉは溶接施工時の溶融プールの脱酸や流動性を改善させる元素である。そのため、溶接棒全質量に対するＳｉ含有量は０．１質量％以上であり、０．３質量％以上が好ましく、０．４質量％以上がより好ましい。
一方、Ｓｉの添加によってδ−フェライト相が増加し、靱性が劣化する。そのため、Ｓｉ含有量は１．１質量％以下であり、１．０質量％以下が好ましく、０．９質量％以下がより好ましい。
＜Ｍｎ：０．１〜１．２質量％＞
Ｍｎは溶接時に脱酸及び脱硫の効果があり、酸素系ガスによるブローホール（ＢＨ）を抑制する効果がある。さらに、Ｍｎはオーステナイト相を形成する元素でもあり、オーステナイト組織を安定化させ、溶接金属の靱性低下を抑制する。そのため、溶接棒全質量に対するＭｎ含有量は０．１質量％以上であり、０．３質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がより好ましい。
一方、Ｍｎを過剰に含有すると、δ−フェライト相の減少に伴って引張強度が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は１．２質量％以下であり、１．０質量％以下が好ましく、０．９質量％以下がより好ましい。
Ｍｎは溶接時に脱酸及び脱硫の効果があり、酸素系ガスによるブローホール（ＢＨ）を抑制する効果がある。さらに、Ｍｎはオーステナイト相を形成する元素でもあり、オーステナイト組織を安定化させ、溶接金属の靱性低下を抑制する。そのため、溶接棒全質量に対するＭｎ含有量は０．１質量％以上であり、０．３質量％以上が好ましく、０．５質量％以上がより好ましい。
一方、Ｍｎを過剰に含有すると、δ−フェライト相の減少に伴って引張強度が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は１．２質量％以下であり、１．０質量％以下が好ましく、０．９質量％以下がより好ましい。
＜Ｎｉ：０．０１〜０．８質量％＞
Ｎｉは耐食性を改善するために有効であり、オーステナイト相を安定化させてδ−フェライト相の形成を防ぐ元素である。そのため、溶接棒全体に対するＮｉ含有量は０．０１質量％以上であり、０．０５質量％以上が好ましく、０．０７質量％以上がより好ましい。
一方、Ｎｉを過剰に含有すると、δ−フェライト相の減少に伴って引張強度が低下する。そのため、Ｎｉ含有量は０．８質量％以下であり、０．７質量％以下が好ましく、０．５質量％以下がより好ましい。
Ｎｉは耐食性を改善するために有効であり、オーステナイト相を安定化させてδ−フェライト相の形成を防ぐ元素である。そのため、溶接棒全体に対するＮｉ含有量は０．０１質量％以上であり、０．０５質量％以上が好ましく、０．０７質量％以上がより好ましい。
一方、Ｎｉを過剰に含有すると、δ−フェライト相の減少に伴って引張強度が低下する。そのため、Ｎｉ含有量は０．８質量％以下であり、０．７質量％以下が好ましく、０．５質量％以下がより好ましい。
＜Ｍｏ：０．０１〜０．８質量％＞
Ｍｏは耐食性を改善するために有効である。そのため、溶接棒全体に対するＭｏ含有量は０．０１質量％以上であり、０．０３質量％以上が好ましく、０．０４質量％以上がより好ましい。
一方、Ｍｏはフェライト相を形成する強力な元素でもあることから、Ｍｏの含有量が多すぎると溶接金属中に存在するδ−フェライト相が多くなり、靱性が低下する。そのため、Ｍｏ含有量は０．８質量％以下であり、０．６質量％以下が好ましく、０．５質量％以下がより好ましい。
Ｍｏは耐食性を改善するために有効である。そのため、溶接棒全体に対するＭｏ含有量は０．０１質量％以上であり、０．０３質量％以上が好ましく、０．０４質量％以上がより好ましい。
一方、Ｍｏはフェライト相を形成する強力な元素でもあることから、Ｍｏの含有量が多すぎると溶接金属中に存在するδ−フェライト相が多くなり、靱性が低下する。そのため、Ｍｏ含有量は０．８質量％以下であり、０．６質量％以下が好ましく、０．５質量％以下がより好ましい。
＜Ｃｒ：９．０〜１１．４質量％＞
Ｃｒはステンレス鋼としての耐食性を得るための基本元素である。そのため、溶接棒全体に対するＣｒ含有量は９．０質量％以上であり、９．２質量％以上が好ましく、９．４質量％以上がより好ましい。
一方、Ｃｒはフェライト相を形成する強力な元素でもあることから、Ｃｒの含有量が多すぎると溶接金属中に存在するδ−フェライト相が多くなり、靱性が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は１１．４質量％以下であり、１１．１質量％以下が好ましく、１１．０質量％以下がより好ましい。
Ｃｒはステンレス鋼としての耐食性を得るための基本元素である。そのため、溶接棒全体に対するＣｒ含有量は９．０質量％以上であり、９．２質量％以上が好ましく、９．４質量％以上がより好ましい。
一方、Ｃｒはフェライト相を形成する強力な元素でもあることから、Ｃｒの含有量が多すぎると溶接金属中に存在するδ−フェライト相が多くなり、靱性が低下する。そのため、Ｃｒ含有量は１１．４質量％以下であり、１１．１質量％以下が好ましく、１１．０質量％以下がより好ましい。
＜Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌ＞
Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌはいずれも結晶粒の微細化に寄与する元素であり、靱性を向上することができる。しかしながら、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌによる前記効果を得るためには一定量以上の添加が必要であり、コストの上昇を招く。そこで、本実施形態に係る溶接棒においては、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌは実質的に含有しない。本明細書において「実質的に含有しない」とは、原料としての積極的な添加は行わないことを意味し、他原料の不可避的不純物として混入する場合は排除されない。
具体的には、溶接棒全体に対するＮｂ、Ｔｉ及びＡｌの合計の含有量（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ａｌ）は０．０５質量％以下が好ましい。
Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌはいずれも結晶粒の微細化に寄与する元素であり、靱性を向上することができる。しかしながら、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌによる前記効果を得るためには一定量以上の添加が必要であり、コストの上昇を招く。そこで、本実施形態に係る溶接棒においては、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌは実質的に含有しない。本明細書において「実質的に含有しない」とは、原料としての積極的な添加は行わないことを意味し、他原料の不可避的不純物として混入する場合は排除されない。
具体的には、溶接棒全体に対するＮｂ、Ｔｉ及びＡｌの合計の含有量（Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ａｌ）は０．０５質量％以下が好ましい。
＜Ｃｕ＞
Ｃｕを過剰に含有すると、δ−フェライト相の減少に伴って引張強度が低下する。またＣｕは金属の中でも高価な成分でありコストの上昇を招く。そのため、Ｃｕは溶接棒に必須の構成成分ではなく、原料として積極的に添加しなくともよい。
一方、Ｃｕは耐食性を改善するために有効であり、オーステナイト相を安定化させてδ−フェライト相の形成を防ぐ元素である。Ｃｕを含有する場合には、溶接棒全体に対するＣｕ含有量は０．００１質量％以上が好ましく、０．０１質量％以上がより好ましい。また、０．３質量％以下が好ましく、０．２質量％以下がより好ましい。
Ｃｕを過剰に含有すると、δ−フェライト相の減少に伴って引張強度が低下する。またＣｕは金属の中でも高価な成分でありコストの上昇を招く。そのため、Ｃｕは溶接棒に必須の構成成分ではなく、原料として積極的に添加しなくともよい。
一方、Ｃｕは耐食性を改善するために有効であり、オーステナイト相を安定化させてδ−フェライト相の形成を防ぐ元素である。Ｃｕを含有する場合には、溶接棒全体に対するＣｕ含有量は０．００１質量％以上が好ましく、０．０１質量％以上がより好ましい。また、０．３質量％以下が好ましく、０．２質量％以下がより好ましい。
＜Ｐ、Ｓ及びＮ＞
Ｐ、Ｓ及びＮは溶接棒に必須の構成成分ではなく、原料として積極的に添加しなくともよい。一方、Ｎは靱性の低下、Ｐ及びＳは溶接割れに影響する元素であることから、その含有量は制限されることが望ましい。溶接棒全体に対するＰ含有量は０．０３０質量％以下が好ましく、０．０２０質量％以下がより好ましい。Ｓ含有量は０．０２０質量％以下が好ましく、０．０１０質量％以下がより好ましい。Ｎ含有量は０．１０質量％以下が好ましく、０．０５質量％以下がより好ましい。
Ｐ、Ｓ及びＮは溶接棒に必須の構成成分ではなく、原料として積極的に添加しなくともよい。一方、Ｎは靱性の低下、Ｐ及びＳは溶接割れに影響する元素であることから、その含有量は制限されることが望ましい。溶接棒全体に対するＰ含有量は０．０３０質量％以下が好ましく、０．０２０質量％以下がより好ましい。Ｓ含有量は０．０２０質量％以下が好ましく、０．０１０質量％以下がより好ましい。Ｎ含有量は０．１０質量％以下が好ましく、０．０５質量％以下がより好ましい。
上記成分のうち、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒはその含有量が下記関係式を満たすことで、機械的特性が良好なものとなる。
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
式中の元素記号は、各成分の溶接棒全質量に対する含有量（質量％）を意味している。
関係式における（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）はシェフラーの組織図におけるＣｒ当量を意味し、（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）はシェフラーの組織図におけるＮｉ当量を意味する。すなわち、（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）で表される値が６．５以下であることにより良好な機械的特性を得ることができる。
上記関係式で表される（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）の値は６．０以下が好ましく、５．０以下がより好ましい。
なお、シェフラーの組織図におけるＣｒ当量は一般的に（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ）で表されるが、本実施形態においてＮｂは実質的に含有しないことから、該Ｃｒ当量を（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）で表す。
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
式中の元素記号は、各成分の溶接棒全質量に対する含有量（質量％）を意味している。
関係式における（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）はシェフラーの組織図におけるＣｒ当量を意味し、（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）はシェフラーの組織図におけるＮｉ当量を意味する。すなわち、（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）で表される値が６．５以下であることにより良好な機械的特性を得ることができる。
上記関係式で表される（Ｃｒ当量／Ｎｉ当量）の値は６．０以下が好ましく、５．０以下がより好ましい。
なお、シェフラーの組織図におけるＣｒ当量は一般的に（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ＋０．５×Ｎｂ）で表されるが、本実施形態においてＮｂは実質的に含有しないことから、該Ｃｒ当量を（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）で表す。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒における被覆剤について以下に説明する。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒は、心材となる心線の少なくとも一部が被覆剤により覆われている。溶接棒全体における被覆剤による被覆率（％）は下記式により算出することができる。
（被覆剤の質量／被覆アーク溶接棒全体の質量）×１００（％）
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒は、心材となる心線の少なくとも一部が被覆剤により覆われている。溶接棒全体における被覆剤による被覆率（％）は下記式により算出することができる。
（被覆剤の質量／被覆アーク溶接棒全体の質量）×１００（％）
シールド不足による溶接金属の靱性及び耐割れ性を低下する観点から、被覆率は２０質量％以上が好ましく、２４質量％以上がより好ましい。また、アーク安定性を維持し、良好なビード形状を保つため、被覆率は４０質量％以下が好ましく、３６質量％以下がより好ましい。
本実施形態における被覆剤となる外皮の材質は、鋼種等特に制限なく使用することができる。中でも、被覆剤中の各成分について、被覆剤全質量に対する好ましい含有量を以下に説明する。
＜ＴｉＯ２：５．０〜４０．０質量％＞
ＴｉＯ２はアークスタートを容易にし、溶接中のアーク安定性を向上させる成分である。さらには、ＴｉＯ２はスラグ形成剤の主成分であり、スラグ融点を上げてビード形状を整える効果がある。そのため、被覆剤全質量に対するＴｉＯ２含有量は５．０質量％以上が好ましく、５．５質量％以上がより好ましく、６．０質量％以上がさらに好ましい。
一方、ＴｉＯ２の含有量が多すぎると安定なビード外観が得られないおそれがあることから、ＴｉＯ２含有量は４０．０質量％以下が好ましく、３９．０質量％以下がより好ましく、３８．０質量％以下がさらに好ましい。
＜ＴｉＯ２：５．０〜４０．０質量％＞
ＴｉＯ２はアークスタートを容易にし、溶接中のアーク安定性を向上させる成分である。さらには、ＴｉＯ２はスラグ形成剤の主成分であり、スラグ融点を上げてビード形状を整える効果がある。そのため、被覆剤全質量に対するＴｉＯ２含有量は５．０質量％以上が好ましく、５．５質量％以上がより好ましく、６．０質量％以上がさらに好ましい。
一方、ＴｉＯ２の含有量が多すぎると安定なビード外観が得られないおそれがあることから、ＴｉＯ２含有量は４０．０質量％以下が好ましく、３９．０質量％以下がより好ましく、３８．０質量％以下がさらに好ましい。
＜ＳｉＯ２：５．０〜２０．０質量％＞
ＳｉＯ２はスラグ形成剤として働き、ビードの形状を整える成分である。そのため、被覆剤全質量に対するＳｉＯ２含有量は５．０質量％以上が好ましく、７．０質量％以上がより好ましく、８．０質量％以上がさらに好ましい。
一方、ＳｉＯ２の含有量が多すぎるとビード外観を損ねるおそれがあることから、ＳｉＯ２含有量は２０．０質量％以下が好ましく、１８．０質量％以下がより好ましく、１７．０質量％以下がさらに好ましい。
ＳｉＯ２はスラグ形成剤として働き、ビードの形状を整える成分である。そのため、被覆剤全質量に対するＳｉＯ２含有量は５．０質量％以上が好ましく、７．０質量％以上がより好ましく、８．０質量％以上がさらに好ましい。
一方、ＳｉＯ２の含有量が多すぎるとビード外観を損ねるおそれがあることから、ＳｉＯ２含有量は２０．０質量％以下が好ましく、１８．０質量％以下がより好ましく、１７．０質量％以下がさらに好ましい。
＜炭酸塩：１９．０〜４６．０質量％＞
炭酸塩は溶接時にＣＯ２ガスを発生させ、溶接金属中への大気成分の混入を遮断すると共に、同時に塩基性スラグを形成することで溶接金属を保護する成分である。そのため、被覆剤全質量に対する炭酸塩の含有量は１９．０質量％以上が好ましい。
一方、炭酸塩の含有量が多すぎるとスパッタが発生するおそれがあることから、炭酸塩の含有量は４６．０質量％以下が好ましく、４５．０質量％以下がより好ましく、４４．０質量％以下がさらに好ましい。
炭酸塩としては、ＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３等の金属炭酸塩が挙げられるが、これらは１種のみを含んでも２種以上を含んでもよい。
炭酸塩は溶接時にＣＯ２ガスを発生させ、溶接金属中への大気成分の混入を遮断すると共に、同時に塩基性スラグを形成することで溶接金属を保護する成分である。そのため、被覆剤全質量に対する炭酸塩の含有量は１９．０質量％以上が好ましい。
一方、炭酸塩の含有量が多すぎるとスパッタが発生するおそれがあることから、炭酸塩の含有量は４６．０質量％以下が好ましく、４５．０質量％以下がより好ましく、４４．０質量％以下がさらに好ましい。
炭酸塩としては、ＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＭｇＣＯ３等の金属炭酸塩が挙げられるが、これらは１種のみを含んでも２種以上を含んでもよい。
＜ＣａＦ２：５．０〜２０．０質量％＞
ＣａＦ２はスラグの融点や粘性を低下させ、流動性のよいスラグを形成する成分であることから、非常に外観のよいビードを形成することができる。またスラグ剥離性を改善する成分でもある。そのため、被覆剤全質量に対するＣａＦ２の含有量は５．０質量％以上が好ましく、６．０質量％以上がより好ましく、７．０質量％以上がさらに好ましい。
一方、ＣａＦ２の含有量が多すぎるとスパッタが発生するおそれがあることから、ＣａＦ２含有量は２０．０質量％以下が好ましく、１９．０質量％以下がより好ましく、１８．０質量％以下がさらに好ましい。
ＣａＦ２はスラグの融点や粘性を低下させ、流動性のよいスラグを形成する成分であることから、非常に外観のよいビードを形成することができる。またスラグ剥離性を改善する成分でもある。そのため、被覆剤全質量に対するＣａＦ２の含有量は５．０質量％以上が好ましく、６．０質量％以上がより好ましく、７．０質量％以上がさらに好ましい。
一方、ＣａＦ２の含有量が多すぎるとスパッタが発生するおそれがあることから、ＣａＦ２含有量は２０．０質量％以下が好ましく、１９．０質量％以下がより好ましく、１８．０質量％以下がさらに好ましい。
＜被覆アーク溶接棒の残部＞
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒の残部は、本発明の効果を妨げない成分及び含有量であれば特に限定されない。溶接棒を構成する心線及び被覆剤のどちらに前記成分が含まれていてもよく、心線及び被覆剤の両方に含まれていてもよい。
残部の成分としては、例えば被覆アーク溶接棒全体を構成するＦｅやその他金属成分（半金属成分を含む）、その他酸化物・フッ化物の他、不可避的不純物等が挙げられる。不可避的不純物とは、原料としての積極的な添加は行わず、他の成分の添加に伴い不可避的に含まれる成分である。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒の残部は、本発明の効果を妨げない成分及び含有量であれば特に限定されない。溶接棒を構成する心線及び被覆剤のどちらに前記成分が含まれていてもよく、心線及び被覆剤の両方に含まれていてもよい。
残部の成分としては、例えば被覆アーク溶接棒全体を構成するＦｅやその他金属成分（半金属成分を含む）、その他酸化物・フッ化物の他、不可避的不純物等が挙げられる。不可避的不純物とは、原料としての積極的な添加は行わず、他の成分の添加に伴い不可避的に含まれる成分である。
残部の例として、被覆アーク溶接棒全体を構成するＦｅは溶接棒全質量に対して７０〜９５質量％含むことが好ましい。
その他金属成分として、例えば、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｍｇ、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｂ、Ｃｏ、Ａｓ等が挙げられる。これらは原料として積極的に添加してもよく、実質的に含有しなくてもよい（不可避的成分として含有される場合を含む）。
その他酸化物・フッ化物としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｎＯ、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＢａＦ２、ＭｇＦ２、ＳｒＦ２、ＡｌＦ３等が挙げられる。これら成分も原料として積極的に添加してもよく、実質的に含有しなくてもよい（不可避的成分として含有される場合を含む）。
その他金属成分として、例えば、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｍｇ、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｂ、Ｃｏ、Ａｓ等が挙げられる。これらは原料として積極的に添加してもよく、実質的に含有しなくてもよい（不可避的成分として含有される場合を含む）。
その他酸化物・フッ化物としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｎＯ、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＢａＦ２、ＭｇＦ２、ＳｒＦ２、ＡｌＦ３等が挙げられる。これら成分も原料として積極的に添加してもよく、実質的に含有しなくてもよい（不可避的成分として含有される場合を含む）。
なお、本実施形態に係る被覆アーク溶接棒の製造方法は特に限定されず、一般的な製造工程で製造すればよい。被覆剤の心線への被覆は例えば、粉状の金属粉等と水ガラスとを混合した泥状の被覆剤を心線の表面に塗布し、乾燥して固化させることで行うことができる。
被覆剤全質量（水ガラスを含む）に対する水ガラスの添加量（乾燥前）は１０質量％以上が作業性の点から好ましく、１３質量％以上がより好ましい。同様に、作業性の点から２５質量％以下が好ましく、２０質量％以下がより好ましい。
被覆剤全質量（水ガラスを含む）に対する水ガラスの添加量（乾燥前）は１０質量％以上が作業性の点から好ましく、１３質量％以上がより好ましい。同様に、作業性の点から２５質量％以下が好ましく、２０質量％以下がより好ましい。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒は、１３Ｃｒマルテンサイト系鋼板の被覆アーク溶接において使用されることが好ましい。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒を用いて溶接された溶接物の機械的特性は引張試験及びシャルピー衝撃試験により評価する。また溶接時の溶接作業性が良好とは、スパッタ発生量が少ないこと、ビード形状（ビードの波目）が美麗かつ平滑であること、及びスラグ剥離が容易であることを意味する。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒を用いて溶接された溶接物の機械的特性は引張試験及びシャルピー衝撃試験により評価する。また溶接時の溶接作業性が良好とは、スパッタ発生量が少ないこと、ビード形状（ビードの波目）が美麗かつ平滑であること、及びスラグ剥離が容易であることを意味する。
＜機械的特性：引張試験＞
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒を用いて溶接された溶接物に対してＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１年）に準じた引張試験を行うことで０．２％耐力、引張強度及び伸びについて評価することができる。
０．２％耐力とは除荷時の永久ひずみが０．２％になる応力値である。溶接物の０．２％耐力は４５０ＭＰａ以上であることが好ましく、４８０ＭＰａ以上がより好ましい。
溶接物の引張強度ＴＳは６２０ＭＰａ以上であることが好ましく、６５０ＭＰａ以上であることがより好ましい。一方、引張強度が高すぎると靱性を確保することが難しくなることから、７６０ＭＰａ以下が好ましく、７４０ＭＰａ以下がより好ましい。
溶接物の伸びＥｌは１８％以上が好ましく、２０％以上がより好ましい。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒を用いて溶接された溶接物に対してＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１年）に準じた引張試験を行うことで０．２％耐力、引張強度及び伸びについて評価することができる。
０．２％耐力とは除荷時の永久ひずみが０．２％になる応力値である。溶接物の０．２％耐力は４５０ＭＰａ以上であることが好ましく、４８０ＭＰａ以上がより好ましい。
溶接物の引張強度ＴＳは６２０ＭＰａ以上であることが好ましく、６５０ＭＰａ以上であることがより好ましい。一方、引張強度が高すぎると靱性を確保することが難しくなることから、７６０ＭＰａ以下が好ましく、７４０ＭＰａ以下がより好ましい。
溶接物の伸びＥｌは１８％以上が好ましく、２０％以上がより好ましい。
＜機械的特性：シャルピー衝撃試験＠２０℃＞
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒を用いて溶接された溶接物に対してＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００５年）に準じたシャルピー衝撃試験により吸収エネルギーを求めることで、靱性について評価することができる。
２０℃における該試験による吸収エネルギーは２０Ｊ以上が好ましく、３０Ｊ以上がより好ましい。
本実施形態に係る被覆アーク溶接棒を用いて溶接された溶接物に対してＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００５年）に準じたシャルピー衝撃試験により吸収エネルギーを求めることで、靱性について評価することができる。
２０℃における該試験による吸収エネルギーは２０Ｊ以上が好ましく、３０Ｊ以上がより好ましい。
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、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１〜１７及び比較例１〜８＞
表１に記載の化学組成の被覆アーク溶接棒を作製した。表１の成分中、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。また、０．０３質量％未満の成分は、積極的に添加した成分ではなく、不可避的不純物である。
心線への被覆剤の被覆は、粉状の金属粉等と水ガラスとを混合した泥状の被覆剤を心線の表面に塗布し、乾燥して固化させることで行った。
添加した水ガラス量の比率（乾燥前）は表２に示したとおりである。また、得られた被覆アーク溶接棒の心線の線径はいずれも５．０ｍｍであり、被覆アーク溶接棒の被覆剤による被覆率はいずれの例においても２７質量％であった。
表１に記載の化学組成の被覆アーク溶接棒を作製した。表１の成分中、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。また、０．０３質量％未満の成分は、積極的に添加した成分ではなく、不可避的不純物である。
心線への被覆剤の被覆は、粉状の金属粉等と水ガラスとを混合した泥状の被覆剤を心線の表面に塗布し、乾燥して固化させることで行った。
添加した水ガラス量の比率（乾燥前）は表２に示したとおりである。また、得られた被覆アーク溶接棒の心線の線径はいずれも５．０ｍｍであり、被覆アーク溶接棒の被覆剤による被覆率はいずれの例においても２７質量％であった。
得られた被覆アーク溶接棒を用いて下記条件で溶接を行った。
溶接は棒径５．０ｍｍφ、長さ４００ｍｍの被覆アーク溶接棒を用い、溶接電流１４０Ａ（ＡＣ）、アーク電圧２５Ｖ、予熱パス間温度２５０〜３００℃の条件下、下向き姿勢で開先形状の試験板溶接を行うことで、図１に示すような溶着金属試験体５を得た。
母材（被溶接鋼材）１はＪＩＳ Ｇ３１０６（２０１５年）で規定されたＳＭ４９０Ａの鋼板を使用した。また、継手となる母材１と裏当て鋼材２の開先面にサーフェシングを行い、供試材による３層のバタリング層３を設けてから、該開先内の溶接を行った。
溶接は棒径５．０ｍｍφ、長さ４００ｍｍの被覆アーク溶接棒を用い、溶接電流１４０Ａ（ＡＣ）、アーク電圧２５Ｖ、予熱パス間温度２５０〜３００℃の条件下、下向き姿勢で開先形状の試験板溶接を行うことで、図１に示すような溶着金属試験体５を得た。
母材（被溶接鋼材）１はＪＩＳ Ｇ３１０６（２０１５年）で規定されたＳＭ４９０Ａの鋼板を使用した。また、継手となる母材１と裏当て鋼材２の開先面にサーフェシングを行い、供試材による３層のバタリング層３を設けてから、該開先内の溶接を行った。
溶接した際の溶接作業性の評価と、得られた溶着金属試験体５を用いた機械的特性の評価を行った。結果を表２に示す。
溶接作業性は、溶接時のスパッタ発生量が少ないこと、溶接後の溶接金属４のビード形状（ビードの波目）が美麗かつ平滑であること、及び、軽くハンマーを叩く程度以下の力でスラグが剥離すること、のいずれをも満たし、問題なく溶接できたものを表２の「溶接作業性」に○を印した。
溶接作業性は、溶接時のスパッタ発生量が少ないこと、溶接後の溶接金属４のビード形状（ビードの波目）が美麗かつ平滑であること、及び、軽くハンマーを叩く程度以下の力でスラグが剥離すること、のいずれをも満たし、問題なく溶接できたものを表２の「溶接作業性」に○を印した。
各被覆アーク溶接棒を用いて得られた溶着金属試験体に対し、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ；７１０℃５時間、炉冷）を施した溶着金属について、引張試験及びシャルピー衝撃試験を行った。
引張試験は、溶着金属中心より、ＪＩＳ Ｚ３１１１（２００５年）に規定されたＡ２号丸棒試験片（６ｍｍφ、標点距離３０ｍｍ）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１年）に準拠して２０℃にて実施した。この引張試験により、２０℃における０．２％耐力（ＭＰａ）、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）及び伸びＥｌ（％）を求めた。
各評価の良好な値は、０．２％耐力：４５０ＭＰａ以上、引張強度ＴＳ：６２０ＭＰａ以上７６０ＭＰａ以下、伸びＥｌ：１８％以上、である。
引張試験は、溶着金属中心より、ＪＩＳ Ｚ３１１１（２００５年）に規定されたＡ２号丸棒試験片（６ｍｍφ、標点距離３０ｍｍ）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１年）に準拠して２０℃にて実施した。この引張試験により、２０℃における０．２％耐力（ＭＰａ）、引張強度ＴＳ（ＭＰａ）及び伸びＥｌ（％）を求めた。
各評価の良好な値は、０．２％耐力：４５０ＭＰａ以上、引張強度ＴＳ：６２０ＭＰａ以上７６０ＭＰａ以下、伸びＥｌ：１８％以上、である。
シャルピー衝撃試験は、溶着金属の板厚中央部にノッチが位置するように試験片（１０×１０ｍｍ）を３箇所ずつ採取し、ノッチ形状を２ｍｍＶとして、ＪＩＳ Ｚ ２２４２（２００５年）に準拠して２０℃にて実施した。この衝撃試験により、２０℃における吸収エネルギーνＥ（Ｊ）を求め、靱性の評価を行った。２０℃における吸収エネルギーνＥの良好な値は２０Ｊ以上である。
表２の結果から、本実施形態に係る被覆アーク溶接棒は、Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを含有しなくとも、溶接作業性に優れ、また、得られた溶接物の機械的特性にも優れることが分かった。
一方、被覆アーク溶接棒の化学組成においてＣを過剰に含むと引張強度が高くなり過ぎ、Ｃｒ当量が多過ぎると引張強度が低くなった（比較例１及び８）。Ｓｉ、Ｃｒ及び／又はＭｏを過剰に含む化学組成であると靱性が劣化した（比較例２、５、７及び８）。さらに、Ｍｎ及び／又はＮｉを過剰に含む化学組成であると０．２％耐力が低下し、Ｃｒ当量が多くても０．２％耐力が低下した（比較例３、４及び８）。Ｃｒが少なすぎる化学組成の場合には溶接物の伸びが悪くなった（比較例６）。
一方、被覆アーク溶接棒の化学組成においてＣを過剰に含むと引張強度が高くなり過ぎ、Ｃｒ当量が多過ぎると引張強度が低くなった（比較例１及び８）。Ｓｉ、Ｃｒ及び／又はＭｏを過剰に含む化学組成であると靱性が劣化した（比較例２、５、７及び８）。さらに、Ｍｎ及び／又はＮｉを過剰に含む化学組成であると０．２％耐力が低下し、Ｃｒ当量が多くても０．２％耐力が低下した（比較例３、４及び８）。Ｃｒが少なすぎる化学組成の場合には溶接物の伸びが悪くなった（比較例６）。
１ 母材（被溶接鋼材）
２ 裏当て鋼材
３ バタリング層
４ 溶接金属
５ 溶着金属試験体
２ 裏当て鋼材
３ バタリング層
４ 溶接金属
５ 溶着金属試験体
Claims (1)
- 心線及び被覆剤を含み、前記心線の少なくとも一部が前記被覆剤で覆われている被覆アーク溶接棒であって、
溶接棒全質量に対して、
Ｃ：０．０１〜０．１３質量％、
Ｓｉ：０．１〜１．１質量％、
Ｍｎ：０．１〜１．２質量％、
Ｎｉ：０．０１〜０．８質量％、
Ｍｏ：０．０１〜０．８質量％、
Ｃｒ：９．０〜１１．４質量％、
Ｃｕ：０．００１〜０．３質量％、
及び主成分としてＦｅを含有し、
Ｎｂ、Ｔｉ及びＡｌを実質的に含有せず、
各成分の含有量が
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５×Ｓｉ）／（Ｎｉ＋３０×Ｃ＋０．５×Ｍｎ）≦６．５
の関係式を満たし、
前記被覆剤が、被覆剤全質量に対して、
ＴｉＯ２：５．０〜４０．０質量％、
ＳｉＯ２：５．０〜２０．０質量％、
炭酸塩：１９．０〜４６．０質量％、及び
ＣａＦ２：５．０〜２０．０質量％を含有し、
溶接棒全体における前記被覆剤による被覆率が２０〜４０質量％であることを特徴とする、機械的特性に優れた溶接金属を得ることができるとともに溶接作業性に優れる被覆アーク溶接棒。
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