JP7276597B2 - サブマージアーク溶接用ワイヤおよびそれを用いた溶接継手部の製造方法 - Google Patents

サブマージアーク溶接用ワイヤおよびそれを用いた溶接継手部の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、サブマージアーク溶接用ワイヤに関し、特に、極低温環境下で使用される高Ｍｎ含有鋼材溶接用で、溶接時に高温割れの発生が抑制される耐高温割れ性に優れるサブマージアーク溶接用ワイヤおよびそれを用いた溶接継手部の製造方法に関する。
サブマージアーク溶接（以下、「ＳＡＷ」ともいう。）は、母材上に予め散布した粉粒状のフラックス中に電極ワイヤを連続的に供給し、この電極ワイヤの先端と母材との間でアークを発生させて溶接を連続的に行う溶接法である。このＳＡＷによれば、高能率で安定した溶接作業性と優れた機械性能を有する溶接金属が得られることから、造船、建築、橋梁など比較的大型の各種構造物に適用されている。
近年、環境に対する規制が厳しくなっている。そして液化天然ガス（以下、ＬＮＧともいう）は、硫黄を含まないため、硫黄酸化物等の大気汚染物質を発生させないクリーンな燃料と言われ、その需要が増加している。さらに、そのＬＮＧの輸送または保管のために、ＬＮＧを輸送または貯蔵する容器（タンク）は、ＬＮＧの液化温度である－１６２℃以下の温度で優れた極低温衝撃靭性を保持することが求められている。
優れた極低温衝撃靭性を保持することの必要性から、容器（タンク）等の材料用として、従来、アルミニウム合金、９％Ｎｉ鋼、オーステナイト系ステンレス鋼等が用いられてきた。
しかしながら、アルミニウム合金は、引張強さが低いため、構造物の板厚を大きく設計する必要があり、また溶接性が悪いという問題がある。また、９％Ｎｉ鋼は、溶接材料として高価なＮｉ基材料を用いることが必要なため、経済的に不利となる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、高価であり、母材強度も低いという問題がある。
このような問題から、ＬＮＧを輸送または貯蔵する容器（タンク）用の材料として、最近ではＭｎを１０～３５質量％程度含有する高Ｍｎ含有鋼（以下、「高Ｍｎ鋼」ともいう）の適用が検討されている。高Ｍｎ鋼は、極低温においてもオーステナイト相であり、脆性破壊が発生せず、またオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、高い強度を有するという特徴がある。そして、このような高Ｍｎ含有鋼材を安定して溶接できる溶接方法および溶接材料の開発が要望されている。
このような要望に対して、例えば特許文献１には、「極低温衝撃靭性に優れた高強度溶接継手部及びこのためのフラックスコアードアーク溶接用ワイヤ」が提案されている。特許文献１に記載されたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤは、重量％で、Ｃ：０．１５～０．８％、Ｓｉ：０．２～１．２％、Ｍｎ：１５～３４％、Ｃｒ：６％以下、Ｍｏ：１．５～４％、Ｓ：０．０２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０９～０．５％、Ｎ：０．００１～０．３％、ＴｉＯ２：４～１５％、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２およびＡｌ２Ｏ３のうちから選択された１種以上の合計：０．０１～９％、Ｋ、ＮａおよびＬｉのうちから選択された１種以上の合計：０．５～１．７％、ＦとＣａのうち１種以上：０．２～１．５％、残部Ｆｅおよびその他の不可避的不純物を含む組成を有するワイヤである。特許文献１に記載されたフラックスコアードアーク溶接用ワイヤを用いて溶接すれば、試験温度：－１９６℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギーが２８Ｊ以上の優れた低温靭性および常温引張強さが４００ＭＰａ以上の高強度を有する溶接継手部が効果的に得られ、また、ワイヤ組成をＭｏ：１．５％以上に調整しており、優れた耐高温割れ性を有する溶接継手部を確保できるとしている。
また、特許文献２には、「ガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤ」が提案されている。特許文献２に記載されたガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤは、質量％で、Ｃ：０．２～０．８％、Ｓｉ：０．１５～０．９０％、Ｍｎ：１７．０～２８．０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．０１～１０．００％、Ｃｒ：０．４～４．０％、Ｍｏ：０．０１～３．５０％、Ｂ：０．００１０％未満、Ｎ：０．１２％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するワイヤである。なお、必要に応じて、Ｖ、ＴｉおよびＮｂのうちから選ばれた１種または２種以上、Ｃｕ、Ａｌ、ＣａおよびＲＥＭのうちから選ばれた１種または２種以上を含有しても良いとしている。特許文献２に記載されたガスメタルアーク溶接用ソリッドワイヤを用いて溶接すれば、ヒューム発生量が少なく、しかも、常温降伏強さ（０．２％耐力）が４００ＭＰａ以上の高強度で、試験温度：－１９６℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ以上となる、高強度で極低温衝撃靭性に優れた溶接継手部を製造できるとしている。
特表２０１７－５０２８４２号公報 国際公開ＷＯ２０２０／０３９６４３号公報
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、溶接時に高温割れが発生するという問題があった。
本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、溶接時に高温割れの発生を抑制することができ、かつ極低温環境下で使用される高Ｍｎ含有鋼材用の溶接材料として好適な、高強度と優れた極低温靭性とを兼備した溶接継手部を安定して製造することができるサブマージアーク溶接に適した溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
なお、ここでいう「高強度」とは、ＪＩＳ Ｚ ３１１１の規定に準拠して製作した溶着金属の常温降伏強さ（０．２％耐力）が４００ＭＰａ以上である場合をいい、また、「優れた極低温靭性」とは、ＪＩＳ Ｚ ３１１１の規定に準拠して製作した溶着金属の、試験温度：－１９６℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ以上である場合をいうものとする。
本発明者らは、上記した目的を達成するために、まず、高Ｍｎ鋼のサブマージアーク溶接時の高温割れに影響する要因について、鋭意検討した。その結果、高温割れ発生の要因として、溶接金属の最終凝固部へのＰの偏析が挙げられることを知見した。さらに、溶接用ワイヤの組成中に、Ｃｒを６．０質量％以上含有すると、溶接金属の液相中にＣｒリン化物を形成することで、溶接金属の最終凝固部へのＰの偏析を抑制し、さらに、高温割れの発生をも抑制する作用があることを知見した。
また、ＪＩＳ Ｚ ３１１１の規定に準拠して製作した溶着金属が、所望の高強度と所望の優れた極低温靭性とを兼備する溶着金属となるために必要なサブマージアーク溶接用ワイヤ組成について検討した。その結果、ワイヤの組成を、質量％で、Ｃ：０．２０～０．８０％およびＳｉ：０．１５～０．９０％の範囲に調整し、さらに、Ｍｎ：１５．０～３０．０％およびＣｒ：６．０～１５．０％を特定範囲に調整したうえで、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下およびＮ：０．１２０％以下に低減した組成を有する溶接用ワイヤおよびそれを用いた溶接継手部とする必要があることを知見した。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものであって、本発明の要旨は、次のとおりである。
［１］質量％で、Ｃ：０．２０～０．８０％、Ｓｉ：０．１５～０．９０％、Ｍｎ：１５．０～３０．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：６．０～１５．０％、Ｎ：０．１２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するサブマージアーク溶接用ワイヤ。
［２］［１］における前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有するサブマージアーク溶接用ワイヤ。
［３］［１］または［２］における前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有するサブマージアーク溶接用ワイヤ。
［４］［１］ないし［３］のいずれか一つにおける前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有することを特徴とするサブマージアーク溶接用ワイヤ。
［５］［１］ないし［４］のいずれか一つにおいて、前記ワイヤが、ソリッドワイヤまたはフラックスコアードワイヤであることを特徴とするサブマージアーク溶接用ワイヤ。
［６］［１］ないし［５］のいずれか一つに記載のサブマージアーク溶接用ワイヤを用いて高Ｍｎ含有鋼材をサブマージアーク溶接する溶接継手部の製造方法。
［７］［６］において、前記高Ｍｎ含有鋼材のＭｎ含有量が、質量％で、１５．０～３０．０％である溶接継手部の製造方法。
［８］［７］において、前記高Ｍｎ含有鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．８０％、Ｓｉ：０．０５～１．００％、Ｍｎ：１５．０～３０．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．５～１５．０％、Ｎ：０．１２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接継手部の製造方法。
［９］［７］ないし［８］のいずれか一つにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有す接継手部の製造方法。
［１０］［７］ないし［９］のいずれか一つにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：２．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する溶接継手部の製造方法。
［１１］［７］ないし［１０］のいずれか一つにおいて、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する溶接継手部の製造方法。
本発明に係るサブマージアーク溶接用ワイヤによれば、高Ｍｎ含有鋼材の溶接材料として、ＳＡＷ時の高温割れを抑制することができ、さらに、高強度でかつ極低温靭性に優れた溶接継手部を容易に製造することができ、産業上格段の効果を奏するものである。
本発明は、高Ｍｎ含有鋼材のサブマージアーク溶接用として好適な溶接用ワイヤである。本発明のワイヤを用いれば、高Ｍｎ含有鋼材同士のサブマージアーク溶接時に、高温割れを抑制することができる。また、本発明のワイヤは、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠してサブマージアーク溶接により製作した溶着金属が、常温における０．２％耐力で４００ＭＰａ以上の高強度と、試験温度：－１９６℃でのシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーが２８Ｊ以上である優れた極低温靭性と、を兼備する溶着金属となり、高強度で極低温靭性に優れた溶接継手部を製造することができる溶接材料である。
［サブマージアーク溶接］
サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）は、前述したように、母材上に予め散布した粉粒状のフラックス中に電極ワイヤを連続的に供給し、この電極ワイヤの先端と母材との間でアークを発生させて溶接を連続的に行う溶接法である。このサブマージアーク溶接は、大電流を適用してワイヤの溶着速度を高めることによって、能率よく溶接できるという利点を有している。
ワイヤとしては、ソリッドワイヤまたはワイヤの内部にワイヤ用フラックスを内包したフラックスコアードワイヤがあり、本発明においては、いずれかのワイヤを用いることができる。フラックスコアードワイヤを用いる場合には、使用する鋼製外皮、金属粉末、およびワイヤ用フラックス粉末の成分組成の合計値が、目標とする溶接材料の成分組成となるように製造する。
サブマージアーク溶接方法の一例としては、母材となる鋼板または鋼材（板厚：６～１００ｍｍ）に、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠して、２つの鋼板または鋼材を突き合わせて、４５°Ｖ開先を形成し、用意したソリッドワイヤ（直径４．０ｍｍφ程度）またはフラックスコアードワイヤ（直径３．２ｍｍφ程度）を用いて、フラックスを散布した後、予熱なし、下向き姿勢で、電流：３５０～６５０Ａ（ＤＣＥＰ）、電圧：２８～３６Ｖ、溶接速度：２０～８０ｃｍ／ｍｉｎ、溶接入熱量：０．７～８．０ｋＪ／ｍｍで、パス間温度：１００～１５０℃、といった条件で実施する。より好適な母材となる鋼板または鋼材の板厚は、９～８０ｍｍである。さらにより好ましい板厚は、９～６０ｍｍである。
［ワイヤの基本組成］
本発明のサブマージアーク溶接用ワイヤは、基本組成として、質量％で、Ｃ：０．２０～０．８０％、Ｓｉ：０．１５～０．９０％、Ｍｎ：１５．０～３０．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：６．０～１５．０％、Ｎ：０．１２０％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するものである。まずは、基本組成の組成限定理由について説明する。なお、以下、組成における「％」は、「質量％」であることを意味する。
［Ｃ：０．２０～０．８０％］
Ｃは、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる作用を有する元素であり、また、オーステナイト相を安定化させ、溶接金属の極低温衝撃靭性を向上させる。このような効果を得るためには、０．２０％以上の含有を必要とする。しかし、０．８０％を超えて含有すると、炭化物が析出し、極低温靭性が低下し、さらに、溶接時の溶接割れ（高温割れ）が生じやすくなる。そのため、Ｃは、０．２０～０．８０％の範囲に限定した。なお、好ましくは、Ｃは０．４０％以上である。また、Ｃは０．６０％以下であることが好ましい。より好ましくは、Ｃは０．４５％以上であることが好ましい。Ｃは０．５５％以下であることが好ましい。
［Ｓｉ：０．１５～０．９０％］
Ｓｉは、脱酸剤として作用し、Ｍｎの歩留りを高めるとともに、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持する効果がある。そのような効果を得るためには、０．１５％以上の含有を必要とする。しかし、０．９０％を超えて含有すると、溶接金属の極低温靭性を低下させ、また、Ｓｉは、凝固時に偏析し、凝固セル界面に液相を生成して、耐高温割れ性を低下させる。そのため、Ｓｉは、０．１５～０．９０％の範囲に限定した。好ましくは、Ｓｉは０．２０％以上である。好ましくは、Ｓｉは、０．７０％以下である。より好ましくは、Ｓｉは０．３０％以上である。より好ましくは、Ｓｉは０．６０％以下である。
［Ｍｎ：１５．０～３０．０％］
Ｍｎは、安価に、オーステナイト相を安定化する元素であり、本発明では１５．０％以上の含有を必要とする。Ｍｎが１５．０％未満では、溶接金属中にフェライト相が生成し、極低温での靭性が著しく低下する。一方、Ｍｎが３０．０％を超えると、凝固時に過度のＭｎ偏析が発生し、溶接割れ（高温割れ）を誘発する。そのため、Ｍｎは、１５．０～３０．０％の範囲に制限した。好ましくは、Ｍｎは１８．０％以上である。好ましくはＭｎは２７．０％以下である。より好ましくは、Ｍｎは２０．０％以上である。より好ましくは、Ｍｎは２６．０％以下である。
［Ｐ：０．０３０％以下］
Ｐは、結晶粒界に偏析し、高温割れを誘発する元素であり、できるだけ低減することが好ましいが、０．０３０％以下であれば、許容できる。そのため、Ｐは、０．０３０％以下に限定した。なお、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Ｐは、０．００３％以上に調整することが好ましい。より好ましくは、Ｐは０．００３％以上である。より好ましくはＰは０．０２０％以下である。
［Ｓ：０．０３０％以下］
Ｓは、溶接金属中では、硫化物系介在物であるＭｎＳとして存在する。ＭｎＳは、破壊の発生起点となるため、極低温靭性を低下させる。そのため、Ｓは、０．０３０％以下に限定した。なお、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Ｓは、０．００１％以上に調整することが好ましい。より好ましくは、Ｓは０．００１％以上である。より好ましくは、Ｓは０．０２０％以下である。
［Ｃｒ：６．０～１５．０％］
Ｃｒは、極低温ではオーステナイト相を安定化させる元素として働き、溶接金属の極低温靭性を向上させる。また、溶接金属の強度を向上させる作用を有する。さらに、溶融金属の固液共存領域の温度範囲を狭め、高温割れの発生を抑制するのに有効に作用するとともに、液相中でＣｒリン化物を形成することで、Ｐによる高温割れを抑制する作用も有する。このような効果を得るためには、６．０％以上の含有を必要とする。Ｃｒが６．０％未満では、上記した効果を確保できない。一方、１５．０％を超えて含有すると、Ｃｒ炭化物が生成し、極低温靭性の低下を招く。そのため、Ｃｒは、６．０～１５．０％の範囲に限定した。なお、好ましくは、Ｃｒは７．０％超である。好ましくは、Ｃｒは１５．０％以下である。より好ましくは、Ｃｒは８．０％以上である。より好ましくはＣｒは１３．０％以下である。
［Ｎ：０．１２０％以下］
Ｎは、不可避的に混入する元素であるが、Ｃと同様に、溶接金属の強度向上に有効に寄与するとともに、オーステナイト相を安定化し、極低温靱性の安定的向上に寄与する。このような効果は、０．００３％以上の含有で顕著となる。一方、０．１２０％を超えて含有すると、窒化物を形成し、低温靱性が低下する。そのため、Ｎは、０．１２０％以下に限定した。なお、好ましくは、Ｎは０．００４％以上である。好ましくはＮは０．０８０％以下である。より好ましくは、Ｎは０．００４％以上である。より好ましくはＮは０．０６０％以下である。
［任意的選択成分］
本発明のワイヤは、上記した成分が基本の成分であるが、本発明では、上記した基本の組成に加えてさらに、任意的選択成分として必要に応じて、Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下のうちから選ばれた１種または２種を選択して含有することができる。また、それらに加えて、Ｖ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を選択して含有することができる。さらに、それらに加えて、Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を選択して含有することができる。
［Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下］
ＮｉおよびＭｏは、いずれもオーステナイト粒界を強化する元素であり、必要に応じて選択してどちらか１種または２種を含有することができる。
［Ｎｉ：１０．００％以下］
Ｎｉは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界に偏析し、極低温靱性を向上させる。また、Ｎｉは、オーステナイト相を安定化する効果もあるため、さらに含有量を増加すれば、オーステナイト相を安定化させて、溶接金属の極低温靭性を向上させる。しかし、Ｎｉは、高価な元素であり、１０．００％を超える含有は、経済的に不利となる。そのため、Ｎｉは、１０．００％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、Ｎｉは８．００％以下の範囲である。さらに好ましくは、Ｎｉは６．００％以下の範囲である。好ましくは、Ｎｉは１．００％以上である。
［Ｍｏ：３．５０％以下］
Ｍｏは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界に偏析し、溶接金属の強度を向上させる。また、固溶強化により溶接金属の強度を向上させる作用も有する。一方、３．５０％を超えて含有すると、炭化物として析出し、破壊の発生起点となり、極低温靭性の低下を招く場合がある。そのため、Ｍｏは３．５０％以下の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、３．００％以下の範囲である。さらに、好ましくは、Ｍｏは１．００％以上である。好ましくはＭｏは３．００％以下である。
［Ｖ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下］
Ｖ、ＴｉおよびＮｂは、いずれも、炭化物の形成を促進し、溶接金属の強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有することができる。
［Ｖ：１．０％以下］
Ｖは、炭化物形成元素であり、微細な炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する。このような効果を得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。しかし、１．０％を超えて含有すると、炭化物が粗大化して、破壊の発生起点となり、極低温靭性の低下を招く。そのため、含有する場合には、Ｖは、１．０％以下に限定することが好ましい。より好ましくは、Ｖは０．００２％以上である。好ましくはＶは０．８％以下である。さらに好ましくは、Ｖは０．００５％以上である。好ましくはＶは０．６％以下である。
［Ｔｉ：１．０％以下］
Ｔｉは、炭化物形成元素であり、微細な炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する。また、溶接金属の凝固セル界面に炭化物を析出させて、高温割れの発生抑制に寄与する。このような効果を得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。しかし、１．０％を超えて含有すると、炭化物が粗大化して、破壊の発生起点となり、極低温靭性の低下を招く。そのため、含有する場合には、Ｔｉは、１．０％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、Ｔｉは０．００２％以上である。好ましくはＴｉは０．８％以下である。さらに好ましくは、Ｔｉは０．００５％以上である。好ましくはＴｉは０．６％以下である。
［Ｎｂ：１．００％以下］
Ｎｂは、炭化物形成元素であり、炭化物を析出させて、溶接金属の強度向上に寄与する元素である。また、溶接金属の凝固セル界面に炭化物を析出させて、高温割れの発生抑制に寄与する。このような効果を得るためには、０．００１％以上含有することが好ましい。しかし、１．００％を超えると、炭化物が粗大化して、破壊の発生起点となり、極低温靭性の低下を招く。そのため、含有する場合には、Ｎｂは１．００％以下に限定することが好ましい。より好ましくは、Ｎｂは０．００２％以上である。好ましくはＮｂは０．８０％以下である。さらに好ましくは、Ｎｂは０．００５％以上である。Ｎｂは好ましくは０．６０％以下である。
［Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下］
Ｃｕは、オーステナイト安定化に寄与する元素であり、Ａｌは、ビード形状の安定化、ＣａおよびＲＥＭは、加工性向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有することができる。
［Ｃｕ：１．００％以下］
Ｃｕは、オーステナイト相を安定化する元素であり、極低温でもオーステナイト相を安定化させて、溶接金属の極低温靭性を向上させる。このような効果を得るためには、０．０１％以上含有することが好ましい。しかし、１．００％を超えて多量に含有すると、凝固時に偏析し、高温割れを誘発する。そのため、含有する場合には、Ｃｕは、１．００％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、Ｃｕは０．０２％以上である。好ましくはＣｕは０．９０％以下である。さらに好ましくは、Ｃｕは０．０５％以上である。好ましくはＣｕは０．６０％以上である。
［Ａｌ：０．１００％以下］
Ａｌは、脱酸剤として作用し、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持する重要な作用を有する。また、溶融金属の固液共存領域の温度範囲を狭め、溶接金属の高温割れ発生の抑制に寄与する。このような効果は、０．００５％以上の含有で顕著となるため、０．００２％以上含有することが好ましい。しかし、０．１００％を超えて含有すると、溶融金属の粘性が高くなりすぎて、逆に、ビードが広がらず融合不良などの欠陥が増加する。そのため、含有する場合には、Ａｌは、０．１００％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、Ａｌは０．００２％以上である。好ましくはＡｌは０．０６０％以下である。さらに好ましくはＡｌは０．００５％以上である。好ましくはＡｌは０．０４０％以上である。
［Ｃａ：０．０１０％以下］
Ｃａは、溶融金属中でＳと結合し、高融点の硫化物ＣａＳを形成する。ＣａＳは、ＭｎＳよりも高融点であるため、溶接金属の高温割れ発生の抑制に寄与する。このような効果は、０．００１％以上の含有で顕著となる。一方、０．０１０％を超えて含有すると、ＳＡＷ時にアークに乱れが生じ、安定な溶接が困難となる。そのため、含有する場合には、Ｃａは、０．０１０％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは、Ｃａは０．００１％以上である。好ましくはＣａは０．００８％以下である。さらに好ましくは、Ｃａは０．００６％以下である。
［ＲＥＭ：０．０２０％以下］
ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅなどの希土類元素をいう。強力な脱酸剤であり、溶接金属中でＲＥＭ酸化物の形態で存在する。ＲＥＭ酸化物は、凝固時の核生成サイトとなることで、結晶粒を微細化し、溶接金属の強度の向上に寄与する。このような効果は、０．００１％以上の含有で顕著となる。しかし、０．０２０％を超えて含有すると、アークの安定性が低下する。そのため、含有する場合には、ＲＥＭは、０．０２０％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくはＲＥＭは０．００２％以上である。好ましくはＲＥＭは０．０１８％以下である。さらに好ましくは、ＲＥＭは０．００５％以上である。好ましくはＲＥＭは０．０１５％以下である。
［残部成分］
上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としては、例えば、Ｏ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐｂ、Ｂｉなどが挙げられる。ワイヤ中のＯ量は、０．１５％以下とすることが好ましい。Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｓ量は、それぞれ０．００５％以下とすることが好ましい。Ｐｂ、Ｂｉ量は、それぞれ０．０００１％以下としておくことが好ましい。また、前述の基本組成および選択成分を満足する限り、これら以外の元素を含有させても良く、そのような実施態様も本発明の技術的範囲に含まれる。
［溶接用ワイヤの製造方法］
次に、本発明のＳＡＷ用ワイヤ（ソリッドワイヤおよびフラックスコアードワイヤ）の製造方法について説明する。
本発明の溶接用ワイヤの製造は、前述した組成成分を有する溶鋼を使用すること以外、その製造方法を限定する必要はなく、常用の溶接用ワイヤの製造方法がいずれも適用できる。
本発明のソリッドワイヤは、前述の組成成分を有する溶鋼を、電気炉、真空溶解炉等の常用の溶製炉で溶製し、所定形状の鋳型等に鋳造する鋳造工程と、ついで、得られた鋼塊を、所定温度に加熱する加熱工程と、加熱された鋼塊に、熱間圧延を施し、所定形状の鋼素材（棒状）とする熱延工程と、を順次行い、ついで、得られた鋼素材（棒状）を複数回の冷間圧延（冷間伸線加工）と、必要に応じて、焼鈍温度：９００～１２００℃とする焼鈍工程と、を施して、所望寸法のワイヤとする冷延工程を行う、ことが好ましい。
また、本発明のフラックスコアードワイヤは、例えば、０．０５～０．２０％Ｃ－０．１５～０．３０％Ｓｉ－０．２～１．２％Ｍｎ－残部Ｆｅからなる組成を有する薄鋼板（板厚０．５ｍｍ）を鋼製外皮素材として、幅方向に冷間曲げ加工を施し、Ｕ字形状とする。そして、得られた鋼製外皮に、目標とするワイヤ組成となるように、成分調整した金属粉末およびワイヤ用フラックス粉末を封入し、冷間で伸線加工して、ＳＡＷ用フラックスコアードワイヤとすることが好ましい。
上記の金属粉末の成分組成は特に限定されないが、鋼製外皮素材の成分組成に対し、溶接用ワイヤとしての合計組成とするために補充する金属成分を有する金属粉末または合金粉末である。また、ワイヤ用フラックス粉末の成分も特に限定されないが、下記の溶接用フラックスと同等あるいは類似の成分を有するフラックス粉末であっても良い。
［溶接用フラックス］
前述のＳＡＷ用ワイヤ（ソリッドワイヤおよびフラックスコアードワイヤ）を使用する際に用いる溶接用フラックスは、特に限定する必要はないが、通常公知の焼結型フラックスおよび溶融型フラックスのいずれも使用することができる。なお、具体的な化学成分としては、ＳｉＯ２：２０～４０％、ＭｎＯ：８～１５％、ＴｉＯ2：５～１０％、Ａｌ２Ｏ３：１０～２０％、ＭｇＯ：２０～３０％などを含有する粉末材料を使用することができる。一例としては、３８％ＳｉＯ2－１１％ＭｎＯ－８％ＴｉＯ2－１６％Ａｌ２Ｏ３－２７％ＭｇＯからなる組成を有するものがある。しかし、本発明においては、溶接用フラックスはこれに限定されるものではない。
［溶接継手部の製造方法］
前述のサブマージアーク溶接用ワイヤを用いて、サブマージアーク溶接法により母材となる鋼材を溶接した溶接継手部の製造方法について説明する。
前述した組成成分を有するサブマージアーク溶接用ワイヤを用い、母材となる鋼材を突き合わせ、前述した溶接用フラックスを散布した後、前記ワイヤを連続的に供給して、アークを発生させて溶接を行って溶接継手部を製作することができる。
［鋼材］
母材となる鋼材は、高Ｍｎ含有鋼材であることが好ましい。高Ｍｎ含有鋼材とは、極低温用の高強度鋼材であって、質量％で、１５．０～３０．０％であることが好ましい。具体的には、質量％で、Ｃ：０．１０～０．８０％、Ｓｉ：０．０５～１．００％、Ｍｎ：１５．０～３０．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．５～１５．０％、Ｎ：０．１２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を基本組成とする鋼材である。高Ｍｎ含有鋼材は、この基本組成に加えてさらに、任意的選択成分として必要に応じて、Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下のうちから選ばれた１種または２種を選択して含有することができ、また、それらに加えて、Ｖ：２．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を選択して含有することができ、さらに、それらに加えて、Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を選択して含有することができる。
高Ｍｎ含有鋼材の製造方法としては、常法の製鋼工程および鋳造工程を経て得た鋼素材を、加熱条件や圧下率などを調整して熱間圧延した後、冷却して鋼材（鋼板）を得る方法などがある。圧延後の鋼板の板厚は、例えば、６～１００ｍｍである。好ましくは９～８０ｍｍである。より好ましくは９～６０ｍｍである。
以下、実施例に基づき、さらに本発明について説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示してより詳細に説明するためのものにすぎず、本発明の権利範囲を限定するものではない。
表１に示す組成の溶鋼を、真空溶解炉で溶製し、鋳造して鋼塊１０００ｋｇとした。得られた鋼塊を、１２００℃に加熱したのち、熱間圧延と、その後の冷間圧延とにより、直径４．０ｍｍφのサブマージアーク溶接用ソリッドワイヤとした。
また、鋼製外皮と該鋼製外皮に金属粉末およびフラックス粉末を内包したフラックスコアードワイヤを製造した。０．１％Ｃ－０．２％Ｓｉ－０．５％Ｍｎ－残部Ｆｅからなる組成を有する薄鋼板（板厚０．５ｍｍ）を鋼製外皮素材として、幅方向に冷間曲げ加工を施し、Ｕ字形状とした。そして、得られた鋼製外皮に、表２に示すワイヤ組成となるように、成分調整した金属粉末およびワイヤ用フラックス粉末を封入し、冷間で伸線加工して、溶接用フラックスコアードワイヤ（直径３．２ｍｍφ）とした。なお、表２に示す成分は、鋼製外皮、金属粉末およびワイヤ用フラックス粉末の合計値である。
次いで、試験板として、極低温用高Ｍｎ含有鋼板（板厚：２０ｍｍ）を用意し、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠して、２つの試験板を突き合わせて、４５°Ｖ開先を形成し、得られたソリッドワイヤまたはフラックスコアードワイヤを溶接材料として、サブマージアーク溶接を行って、上記した開先内に溶着金属を得た。なお、試験板として使用した極低温用高Ｍｎ含有鋼板は、０．５％Ｃ－０．４％Ｓｉ－２５％Ｍｎ－３％Ｃｒ－残部Ｆｅからなる組成を有する鋼板であり、溶接時、３８％ＳｉＯ２－１１％ＭｎＯ－８％ＴｉＯ２－１６％Ａｌ２Ｏ３－２７％ＭｇＯからなる組成を有する焼結型フラックス粉末を使用した。
サブマージアーク溶接は、表１および表２に示す組成の各ソリッドワイヤ（直径４．０ｍｍφ）または各フラックスコアードワイヤ（直径３．２ｍｍφ）を用いて、予熱なし、下向き姿勢で、電流：４５０～６５０Ａ（ＤＣＥＰ）、電圧：２８～３６Ｖ、溶接速度：２０ｃｍ／ｍｉｎ、入熱量：３．５～７．０（ｋＪ／ｍｍ）、パス間温度：１００～１５０℃、として実施した。
［耐高温割れ性］
溶接後、溶着金属の断面を光学顕微鏡で観察し（倍率３０倍）、溶接金属の高温割れの有無を判定した。高温割れの発生が認められる場合は、耐高温割れ性が低下しているとして「×」と評価した。高温割れの発生が認められない場合は、耐高温割れ性に優れるとして「○」と評価した。
［溶接ビード外観］
また、目視によって溶接ビードの外観を観察し、溶接ビード外観の判定を実施した。アンダーカット、オーバーラップ、ピットが認められる場合は、溶接ビード外観が不良として「×」と評価した。これらが認められない場合は、ビード外観が良好として「○」と評価した。
［溶着金属特性］
得られた溶着金属から、ＪＩＳ Ｚ ３１１１の規定に準拠して、溶着金属の引張試験片（平行部径６ｍｍφ）および溶着金属のシャルピー衝撃試験片（Ｖノッチ）を採取し、引張試験、衝撃試験を実施した。
［引張試験：０．２％耐力（ＭＰａ）］
引張試験は、室温で、各３本実施し、得られた値（０．２％耐力）の平均値を当該ワイヤを用いた溶着金属の引張特性とした。本発明の目標値は、前述したように、常温における０．２％耐力が４００ＭＰａ以上とした。
［衝撃試験：吸収エネルギーｖＥ－１９６（Ｊ）］
また、シャルピー衝撃試験は、各３本実施し、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６を求め、その平均値を当該ワイヤを用いた溶着金属の極低温靭性とした。
本発明の目標値は、前述したように、吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ以上とした。
得られた結果を表３に示す。
Figure 0007276597000001
Figure 0007276597000002
Figure 0007276597000003
本発明例は、いずれも溶接時に高温割れの発生がなく、耐高温割れ性に優れ、溶接ビード外観も良好な溶着金属が得られる溶接材料である。
さらに、本発明例は、いずれも常温における降伏強さ（０．２％耐力）が４００ＭＰａ以上で、試験温度：－１９６℃におけるシャルピー衝撃試験の吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ以上と、上記の目標値をクリアしており、高強度と優れた極低温靭性とを兼備する溶接金属を得ることができる溶接材料（ワイヤ）であることが判明した。
一方、本発明の範囲を外れる比較例では、高温割れが発生し、耐高温割れ性が低下しているか、溶接ビードに欠陥があり溶接ビード外観が不良であるか、あるいは、常温における０．２％耐力が４００ＭＰａ未満、吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満となっており、目標とする強度と極低温靭性を兼備する溶着金属が得られていない。
以下に、個々の比較例について説明する。
ワイヤＮｏ．１９は、Ｃ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、溶着金属の０．２％耐力が４００ＭＰａ未満と所望の高強度を確保できておらず、さらに、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．２０は、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、溶着金属の０．２％耐力が４００ＭＰａ未満と所望の高強度を確保できておらず、さらに、溶接時の最終凝固部へのＰの偏析を抑制できないため、高温割れが発生しており、さらに、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．２１は、ＳｉおよびＭｎ含有量が本発明の範囲を高く外れており、さらに、Ｃｒ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、溶接時の最終凝固部へＳｉ、ＭｎおよびＰが偏析し、高温割れが発生しており、さらに、溶着金属の０．２％耐力が４００ＭＰａ未満と所望の高強度を確保できておらず、さらに、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．２２は、ＳおよびＭｏ含有量が本発明の範囲を高く外れており、破壊の起点となるＭｎＳおよびＭｏ炭化物が生成しているため、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．２３は、ＣおよびＣｒ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、溶着金属の０．２％耐力が４００ＭＰａ未満と所望の高強度を確保できておらず、さらに、溶接時の最終凝固部へのＰの偏析を抑制できないため、高温割れが発生しており、さらに、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．２４は、Ｐ含有量が、ワイヤＮｏ．２５は、Ｃ含有量が、それぞれ、本発明の範囲を高く外れているため、溶接時の最終凝固部にＰが偏析するか、または炭化物が偏析するかして、高温割れが発生している。
ワイヤＮｏ．２６は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、良好なビード形状が得られず、ピットが発生している。
ワイヤＮｏ．３４は、Ｍｎ含有量が本発明の範囲を低く外れているため、オーステナイト相の安定性が低く、そのため、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．３５は、ＰおよびＳ含有量が本発明の範囲を高く外れているため、溶接時の最終凝固部にＰおよびＳが偏析し、高温割れが発生しており、さらに、破壊の起点となるＭｎＳが生成しているため、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．３６は、Ｃｒ含有量が、本発明の範囲を低く外れているため、溶着金属の０．２％耐力が４００ＭＰａ未満と所望の高強度を確保できておらず、さらに、溶接時の最終凝固部へのＰの偏析を抑制できないため、高温割れが発生しており、さらに、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。
ワイヤＮｏ．３７は、Ｓｉ含有量が本発明の範囲を高く外れているため、溶接時の最終凝固部へＳｉが偏析し、高温割れが発生しており、さらに、試験温度：－１９６℃における吸収エネルギーｖＥ－１９６が２８Ｊ未満と所望の優れた極低温靭性を確保できていない。

Claims (9)

  1. 質量％で、Ｃ：０．２０～０．８０％、Ｓｉ：０．１５～０．９０％、Ｍｎ：１５．０～３０．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：６．０～１５．０％、Ｎ：０．１２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するサブマージアーク溶接用ワイヤを用いて、Ｍｎ含有量が、質量％で、１５．０～３０．０％である高Ｍｎ含有鋼材をサブマージアーク溶接する溶接継手部の製造方法。
  2. 前記サブマージアーク溶接用ワイヤが前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する請求項１に記載の溶接継手部の製造方法。
  3. 前記サブマージアーク溶接用ワイヤが前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：１．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１または２に記載の溶接継手部の製造方法。
  4. 前記サブマージアーク溶接用ワイヤが前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶接継手部の製造方法。
  5. 前記ワイヤが、ソリッドワイヤまたはフラックスコアードワイヤである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の溶接継手部の製造方法。
  6. 前記高Ｍｎ含有鋼材は、質量％で、Ｃ：０．１０～０．８０％、Ｓｉ：０．０５～１．００％、Ｍｎ：１５．０～３０．０％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０３０％以下、Ｃｒ：２．５～１５．０％、Ｎ：０．１２０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の溶接継手部の製造方法。
  7. 前記高Ｍｎ含有鋼材は、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｎｉ：１０．００％以下およびＭｏ：３．５０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する請求項６に記載の溶接継手部の製造方法。
  8. 前記高Ｍｎ含有鋼材は、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：２．０％以下、Ｔｉ：１．０％以下およびＮｂ：１．００％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項６または７に記載の溶接継手部の製造方法。
  9. 前記高Ｍｎ含有鋼材は、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｃｕ：１．００％以下、Ａｌ：０．１００％以下、Ｃａ：０．０１０％以下およびＲＥＭ：０．０２０％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する請求項６ないし８のいずれか１項に記載の溶接継手部の製造方法。
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