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JP2022120717A - フラックス入りワイヤ、溶接金属、ガスシールドアーク溶接方法及び溶接継手の製造方法 - Google Patents

フラックス入りワイヤ、溶接金属、ガスシールドアーク溶接方法及び溶接継手の製造方法 Download PDF

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Satoru Kano
雅弘 井元
Masahiro Imoto
孝矩 伊藤
Takanori Ito
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Abstract

【課題】Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接部を得ることができる高張力鋼用フラックス入りワイヤを提供する。【解決手段】フラックス入りワイヤは、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０１％以上０．１０％以下、Ｓｉ：０％超０．４５％以下、Ｍｎ：１．０％以上３．０％以下、Ｎｉ：３．１％以上５．５％以下、Ｍｇ：０．１０％以上１．００％以下、Ｍｏ：０．０５％以上０．６５％以下、を含有し、Ｃｒ：０．６５％以下、Ｃｕ：０．８５％以下及びＶ：０．０４５％以下、であるとともに、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｎｉ含有量を［Ｎｉ］と表し、Ｍｎ含有量を［Ｍｎ］と表し、Ｓｉ含有量を［Ｓｉ］と表す場合に、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）：１．１０以上５．４０以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、高張力鋼の溶接に使用されるフラックス入りワイヤ、溶接金属、ガスシールドアーク溶接方法及び溶接継手の製造方法に関する。
石油、ガス等の掘削及び生産に使用される海洋構造物及びタンク等の溶接製品は、設備の大型化や寒冷地での稼働が求められており、これらの製造に用いる鋼板や溶接材料は、高強度かつ低温靱性に優れた特性が求められる。また、これらの特性以外にも、溶接製品の品質をより向上させるために、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を施す場合がある。ＰＷＨＴを施すことで、例えば、溶接部の残留応力を除去することができるため、溶接部の割れを抑制できる効果を得ることができる。
しかしながら、このＰＷＨＴを行うと、析出硬化や焼き戻し脆化等を原因とした溶接部の脆化により、靱性が低下するおそれがある。特に、高張力鋼の溶接部においては、強度を向上させるために添加した種々の元素の影響により、ＰＷＨＴでの脆化が著しく、強度が上がるほど、ＰＷＨＴを適用することができない場合が多くなる。
よって、ＰＷＨＴ後も優れた機械的性質を有する高張力鋼用の溶接材料の開発が求められている。
例えば、特許文献１には、６９０ＭＰａ級高張力鋼の溶接において、長時間ＰＷＨＴ後の溶接部の高温強度と低温靱性を良好にすることができるフラックス入りワイヤが提案されている。上記特許文献１には、６２０℃で１２時間のＰＷＨＴを実施した結果、低温靱性が良好であったことが記載されている。
また、特許文献２には、６０Ｋｇｆ／ｍｍ２（約５８８ＭＰａ）以上の高張力鋼のガスシールドアーク溶接に使用されるワイヤであり、ＰＷＨＴによる靱性低下のない高張力鋼用ワイヤが開示されている。なお、上記特許文献２には、８０Ｋｇｆ／ｍｍ２（約７８５ＭＰａ）級の高張力鋼用のワイヤについても、６００℃で３時間のＰＷＨＴを実施した結果、靱性の低下がほとんどないことが記載されている。
特開平９－２５３８８６号公報 特開昭６３－１５７７９５号公報
しかしながら、上記特許文献１及び２については、１種類のＰＷＨＴ条件のみで考慮されおり、他のＰＷＨＴ条件でも優れた靱性が得られるとは限らない。
また、ＰＷＨＴ条件の裕度が大きい方が、あらゆる溶接製品に適用でき、施工管理も容易であるとともに、溶接部の品質安定性をより一層向上させることができるといえる。
一方、従来より、ＰＷＨＴは条件次第で靱性を低下させるおそれがあり、ＰＷＨＴ条件は材料の種類、厚さ、溶接継手、施工条件等によって厳格に決定されるものであることが知られている。
したがって、ＰＷＨＴ条件に裕度を持たせることは非常に困難であり、特に、高強度になるほど、添加元素を多く含むことになることから、焼き戻し脆化等の脆化現象が生じやすくなるため、ＰＷＨＴ条件はより厳格になる。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、高張力鋼用フラックス入りワイヤであり、溶接のまま（以下、「Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ」ともいう。）のみならず、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接部を得ることができるフラックス入りワイヤ、ガスシールドアーク溶接方法及び溶接継手の製造方法を提供することを目的とする。また、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接金属を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、フラックス入りワイヤに係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ 鋼製外皮にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、
ワイヤ全質量に対して、
Ｃ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％超０．４５質量％以下、
Ｍｎ：１．０質量％以上３．０質量％以下、
Ｎｉ：３．１質量％以上５．５質量％以下、
Ｍｇ：０．１０質量％以上１．００質量％以下、
Ｍｏ：０．０５質量％以上０．６５質量％以下、を含有し、
Ｃｒ：０．６５質量％以下、
Ｃｕ：０．８５質量％以下、及び
Ｖ：０．０４５質量％以下、であるとともに、
ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｉ］と表し、
ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｎ］と表し、
ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｓｉ］と表す場合に、
［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）：１．１０以上５．４０以下であることを特徴とするフラックス入りワイヤ。
フラックス入りワイヤに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］及び［３］に関する。
［２］ さらに、ワイヤ全質量に対して、
Ｂ：０．１０質量％以下、を含有することを特徴とする、［１］に記載のフラックス入りワイヤ。
［３］ さらに、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｆ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種を、
ワイヤ全質量に対して、
Ｔｉ：２．５質量％以上６．０質量％以下、
Ａｌ：０．５０質量％以下、
Ｚｒ：０．５０質量％以下、
Ｆ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、及び
ＮａとＫとの総量：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、の範囲で含有することを
特徴とする、［１］又は［２］に記載のフラックス入りワイヤ。
本発明の上記目的は、溶接金属に係る下記［４］の構成により達成される。
［４］ ［１］～［３］のいずれか１つに記載の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することにより得られることを特徴とする溶接金属。
本発明の上記目的は、ガスシールドアーク溶接方法に係る下記［５］の構成により達成される。
［５］ ［１］～［３］のいずれか１つに記載の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することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
本発明の上記目的は、溶接継手の製造方法に係る下記［６］の構成により達成される。
［６］ 高張力鋼を母材とし、［１］～［３］のいずれか１つに記載の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することを特徴とする溶接継手の製造方法。
本発明によれば、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接部を得ることができる高張力鋼用フラックス入りワイヤを提供することができる。
また、本発明によれば、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接金属を提供することができる。
さらに、本発明によれば、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接部を得ることができるガスシールドアーク溶接方法及び溶接継手の製造方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。
本実施形態における含有量とは、特に説明がない限り、フラックス入りワイヤ全質量に対する質量％を意味する。また、本実施形態に係るフラックス入りワイヤに含有される各元素及び各化合物は、鋼製外皮及びフラックスのいずれかに含有されていればよく、鋼製外皮及びフラックスの両方に含有されていてもよい。
さらに、上記各元素は、特筆しない限り、金属の形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていても、化合物の形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていてもよく、また、金属及び化合物の両方の形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていてもよい。したがって、上記各元素がどのような形態でフラックス入りワイヤ中に含有されていても、元素単体に換算した換算値で規定する。例えば、Ｓｉを例に挙げる場合に、Ｓｉ含有量とは、金属ＳｉとＳｉ化合物のＳｉ換算値の合計をいう。なお、金属Ｓｉとは、Ｓｉ単体及びＳｉ合金を含む。
［１．フラックス入りワイヤ］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤ（以下、単に「ワイヤ」ともいう。）は、鋼製外皮（以下、単に「外皮」ともいう。）にフラックスが充填されたものである。
本実施形態において、ワイヤの外径は特に限定されないが、例えば、０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であることが好ましい。また、フラックス充填率は、ワイヤ中の各元素の含有量が本発明の範囲内であれば、任意の値に設定することができるが、よりワイヤの伸線性及びワイヤ送給性を向上させるためには、例えば、ワイヤ全質量に対して１０質量％以上、２０質量％以下とすることが好ましい。さらに、ワイヤは、外皮に継ぎ目を有する場合、継ぎ目を有しない場合など、その継ぎ目の形態や断面の形状に制限はない。
本発明者らは、高強度の溶接部において、ＰＷＨＴを行うことによる靱性低下のメカニズムについて検討を行うとともに、幅広い条件でＰＷＨＴを行った場合でも、優れた低温靱性を有する溶接部を得るため、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を見出し、本発明を完成するに至った。なお、上記溶接部とは、溶接金属及び熱影響部（ＨＡＺ：Ｈｅａｔ－Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ）を表すが、本願明細書においては、以下、溶接金属について説明する。
まず、高強度鋼における従来の靱性低下メカニズムについて説明する。
ＰＷＨＴ後に溶接金属の靱性が低下する主原因としては、従来、以下の２つの原因が挙げられる。
（原因１）溶接金属中のＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ等の含有量が多い場合に、これらの成分がＣと炭化物を形成して析出することにより溶接金属が硬化すること。
（原因２）ＰＷＨＴ温度からの徐冷による焼き戻し脆化等の脆化現象が生じること。
従来は、上記（原因１）及び（原因２）の影響により、主に溶接金属の粒界強度が低下し、その結果、靱性が低下すると考えられていた。
したがって、従来では、ＰＷＨＴ後に目的の強度を維持しつつ、優れた靱性を確保するために、以下の対策がなされていた。
（対策１）旧オーステナイト粒界で析出して成長する炭化物を抑制する。
（対策２）旧オーステナイト粒界における不純物元素の偏析を抑制する。
しかしながら、ＰＷＨＴ条件によっては、上記（対策１）や（対策２）を実施するのみでは不十分である。なお、一般的に、ＰＷＨＴ条件は、保持温度及び保持時間の要素からなり、これらの要素をパラメータとしたラーソン・ミラー・パラメータ（Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ：以下、「ＬＭＰ」という。）で整理できる。
そこで、本願明細書においては、以下に示す３つの条件ａ～ｃにおいて、目的の強度を維持しつつ低温靱性が優れた溶接金属が得られるフラックス入りワイヤを、ＰＷＨＴ条件が幅広いと判断するものとした。
（条件ａ）溶接のまま（Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ）。
（条件ｂ）ＬＭＰが高いＰＷＨＴ条件として、６２０℃の温度で８時間の条件（以下、「高ＬＭＰ条件」という。）。
（条件ｃ）ＬＭＰが低いＰＷＨＴ条件として、５８０℃の温度で２時間の条件（以下、「低ＬＭＰ条件」という。）。
（条件ａ）の溶接のまま、及び（条件ｂ）の高ＬＭＰ条件では、上記（対策１）及び（対策２）に加え、ワイヤ中にＮｉを適量含有させることで、良好な低温靱性を得ることができることが知られている。
その一方で、（条件ｃ）の低ＬＭＰ条件では、Ｎｉを適量含有させるだけでは、良好な低温靱性を得ることができない。本発明者らは、（条件ｃ）の低ＬＭＰ条件でＰＷＨＴを実施した場合における、低温靱性が低下するメカニズムを見出すとともに、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接金属を得ることができる対策を見出した。以下に、（条件ｃ）の低ＬＭＰ条件において、低温靱性が低下するメカニズムと対策について説明する。
溶接金属中にＮｉが多く含まれると、溶接金属組織上にＮｉを含む偏析帯（以下、「Ｎｉ偏析帯」という。）、すなわち、Ｎｉが濃化した領域が生じる。このＮｉ偏析帯は、（条件ａ）の溶接のまま、及び（条件ｂ）の高ＬＭＰ条件時には、低温靱性に影響を与えない。
しかし、（条件ｃ）の低ＬＭＰ条件時においては、Ｎｉ偏析帯においてＣ含有量が高くなり、Ｎｉ偏析帯において島状マルテンサイトの生成や炭化物の生成及び粗大化が促進される。特に、島状マルテンサイトの生成が顕著であり、これらの生成物の影響により、Ｎｉ偏析帯において脆性破壊が生じやすくなるため、結果として、低温靱性が低下する。
これらのことから、本発明者らは、ＰＷＨＴ後に目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接金属を確保するための対策として、（対策１）及び（対策２）に加えて、以下に示す（対策３）を実施することが効果的であることを見出した。
（対策１）旧オーステナイト粒界で析出して成長する炭化物を抑制する。
（対策２）旧オーステナイト粒界における不純物元素の偏析を抑制する。
（対策３）Ｎｉ偏析帯における島状マルテンサイトの生成を抑制する。
そして、本発明者らは、フラックス入りワイヤの化学成分組成、並びにＮｉ、Ｓｉ及びＭｎの含有量から算出されるパラメータを適切に制御することで、上記（対策１）～（対策３）を達成することができることを見出した。すなわち、（対策１）～（対策３）が実現されたワイヤを使用することにより、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、幅広い条件のＰＷＨＴ後においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接金属を得ることができる。
また、上記（対策１）～（対策３）に加えて、以下に示す（対策４）を加えると、過度な強度上昇を防止し、低温靱性の低下を抑制することができるため、好ましい。
（対策４）粒内における炭化物の生成を抑制する。
なお、炭化物の生成抑制は、少なくともＣ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有量を、後述する規定範囲内とすることにより達成することができる。
以下、具体的なワイヤの化学成分組成、その含有量の数値限定理由について、更に詳細に説明する。
＜Ｃ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下＞
Ｃは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する成分である。Ｃ含有量が０．０１質量％未満であると、目的の強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＣ含有量は、０．０１質量％以上とし、０．０２質量％以上であることが好ましく、０．０３質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｃ含有量が０．１０質量％を超えると、炭化物の粗大化を助長し、ＰＷＨＴ後の低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＣ含有量は０．１０質量％以下とし、０．０９質量％以下であることが好ましく、０．０８質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｓｉ：０質量％超０．４５質量％以下＞
Ｓｉは、特に、Ｎｉ偏析帯における島状マルテンサイトを生成しやすい成分であり、溶接金属中のＳｉ含有量の増加により、焼き戻し脆化が助長され、低温靱性が低下する。Ｓｉ含有量が０．４５質量％を超えると、ＰＷＨＴ後の低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量は、０．４５質量％以下とし、０．４０質量％以下であることが好ましく、０．３５質量％以下であることがより好ましい。
一方、Ｓｉは、完全に０質量％とすることができない成分であるとともに、脱酸元素として気孔欠陥を抑制する効果を有する成分でもある。そして、ワイヤ中にたとえ微量であってもＳｉが含有されることにより、気孔欠陥を抑制する効果を得ることができる。したがって、ワイヤ全質量に対するＳｉ含有量は、０質量％超とし、０．１０質量％以上であることが好ましく、０．１５質量％以上であることがより好ましい。
＜Ｍｎ：１．０質量％以上３．０質量％以下＞
Ｍｎは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する成分である。Ｍｎ含有量が１．０質量％未満であると、目的の強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、１．０質量％以上とし、１．２質量％以上であることが好ましく、１．４質量％以上であることがより好ましい。
また、Ｍｎは、特に、Ｎｉ偏析帯において島状マルテンサイトを生成しやすい成分であるため、溶接金属中のＭｎ含有量の増加により、焼き戻し脆化が助長され、低温靱性が低下する。Ｍｎ含有量が３．０質量％を超えると、ＰＷＨＴ後の低温靱性が低下することから、ワイヤ全質量に対するＭｎ含有量は、３．０質量％以下とし、２．９質量％以下であることが好ましく、２．８質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｎｉ：３．１質量％以上５．５質量％以下＞
Ｎｉは、強度を向上させるとともに、母相強化により溶接金属の低温靱性を向上させる効果を有する成分である。Ｎｉ含有量が３．１質量％未満であると、目的の強度及び低温靱性を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｉ含有量は、３．１質量％以上とし、３．２質量％以上であることが好ましく、３．４質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｎｉ含有量が５．５質量％を超えると、高温割れが発生するおそれがある。したがって、ワイヤ全質量に対するＮｉ含有量は、５．５質量％以下とし、５．３質量％以下であることが好ましく、５．０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｍｇ：０．１０質量％以上１．００質量％以下＞
Ｍｇは、脱酸作用を有し、強度を向上させる成分である。Ｍｇ含有量が０．１０質量％未満であると、目的の強度を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｇ含有量は、０．１０質量％以上とし、０．３０質量％以上であることが好ましく、０．３５質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｍｇ含有量が１．００質量％を超えると、強度が過度に上昇し、低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｇ含有量は、１．００質量％以下とし、０．９０質量％以下であることが好ましく、０．８０質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｍｏ：０．０５質量％以上０．６５質量％以下＞
Ｍｏは、溶接金属の強度を向上させるとともに、焼き戻し脆化の抑制に効果を有する成分である。Ｍｏ炭化物が溶接金属の粒内へ析出することによって、粒界に析出する炭化物の成長を抑制し、ＰＷＨＴ後の低温靱性の低下を抑制することができる。Ｍｏ含有量が０．０５質量％未満であると、目的の強度を確保しつつ、目的のＰＷＨＴ後の低温靱性を得ることができない。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｏ含有量は、０．０５質量％以上とし、０．１０質量％以上であることが好ましく、０．１３質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ｍｏ含有量が０．６５質量％を超えると、Ｍｏ炭化物が粒内に析出及び成長して、強度が過度に上昇し、ＰＷＨＴによって低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＭｏ含有量は、０．６５質量％以下とし、０．５５質量％以下であることが好ましく、０．４４質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｃｒ：０．６５質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｃｒは、溶接金属の強度と靱性の両立に有効な成分である。本実施形態において、Ｃｒ含有量の下限は特に規定しないが、強度と靱性の両立を目的として、ワイヤ中にＣｒを含有させる場合に、ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量は、０．０１質量％以上とすることが好ましく、０．０５質量％以上とすることがより好ましく、０．１０質量％以上とすることがさらに好ましい。
一方、Ｃｒは、ＰＷＨＴによって主に粗大な粒界炭化物の析出及び成長を助長し、低温靱性を低下させる成分でもある。ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量が０．６５質量％を超えると、ＰＷＨＴ後の低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｒ含有量は、０．６５質量％以下とし、０．５５質量％以下であることが好ましく、０．４５質量％以下であることがより好ましい。
＜Ｃｕ：０．８５質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｃｕは、強度を維持しつつ、溶接金属の組織を微細化し、低温靱性を向上させる効果を有する成分である。本実施形態において、Ｃｕ含有量の下限は特に規定しないが、低温靱性を向上させることを目的として、ワイヤ中にＣｕを含有させる場合に、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量は、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０２質量％以上であることがより好ましく、０．０５質量％以上であることがさらに好ましい。
一方、Ｃｕ含有量が０．８５質量％を超えると、ＰＷＨＴによって、析出物の生成を助長し、低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＣｕ含有量は、０．８５質量％以下とし、０．６５質量％以下であることが好ましく、０．４５質量％以下であることがより好ましく、０．３５質量％以下であることがさらに好ましく、０．２０質量％以下であることがさらにより好ましい。なお、ワイヤ表面にＣｕメッキを施す場合には、メッキ中に含まれるＣｕも、本実施形態において規定されるＣｕ含有量の範囲に含まれる。
＜Ｖ：０．０４５質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｖは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する一方、粒界炭化物の析出及び成長を助長し、低温靱性を低下させる成分である。本実施形態において、Ｖ含有量の下限は特に規定しないが、溶接金属の強度を向上させることを目的として、ワイヤ中にＶを含有させる場合に、ワイヤ全質量に対するＶ含有量は０．０１０質量％以上とすることが好ましく、０．０１５質量％以上とすることがより好ましい。
一方、Ｖ含有量が０．０４５質量％を超えると、ＰＷＨＴ後の低温靱性が低下する。したがって、ワイヤ全質量に対するＶ含有量は、０．０４５質量％以下とし、０．０３５質量％以下とすることが好ましい。
＜［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）：１．１０以上５．４０以下＞
上述のとおり、Ｎｉ、Ｓｉ及びＭｎの含有量から算出される本パラメータ値を適切に制御することにより、目的の強度を維持しつつ、上記（対策３）であるＮｉ偏析帯における島状マルテンサイトの生成を抑制し、低温靱性が優れた溶接金属を得ることができる。
［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が１．１０未満であると、Ｎｉ偏析帯において島状マルテンサイトが生成されやすくなり、ＰＷＨＴ後の低温靱性が低下する。したがって、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）は１．１０以上とし、１．１５以上であることが好ましく、１．２０以上であることがより好ましい。
一方、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が５．４０を超えると、［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］値が低いため、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの強度が低下し、更にＰＷＨＴ後の強度も低下する。したがって、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）は５．４０以下とし、５．００以下であることが好ましく、４．５０以下であることがより好ましく、４．００以下であることがさらに好ましい。
なお、上記式中において、［Ｎｉ］は、ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｍｎ］は、ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
［Ｓｉ］は、ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表す値とする。
＜Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＶの含有量の合計：５．０質量％以上１０．０質量％以下＞
本実施形態において、上記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ及びＶの含有量の合計は、溶接作業性向上の観点より、５．０質量％以上とすることが好ましく、６．０質量％以上とすることがより好ましい。また、ワイヤの伸線性向上の観点より、上記成分の含有量の合計は、１０．０質量％以下とすることが好ましく、９．０質量％以下とすることがより好ましい。
なお、本実施形態に係るワイヤは、さらに、Ｂを、下記に示す含有量の範囲内で含有することが好ましい。Ｂがワイヤ中に含有される場合の含有量の限定理由について、以下に説明する。
＜Ｂ：０．１０質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｂは、旧オーステナイト粒界に偏析し、初析フェライトを抑制することにより、溶接金属の靱性を向上させる効果を有する成分である。但し、Ｂは、特に５９０ＭＰａ超のベイナイト主体の溶接金属においては、フリーＢとして存在し、その存在量に応じてフリーＢがＴｉ系酸化物とオーステナイトとの界面エネルギーを低下させることで、粒内ベイナイトの変態を抑制するものと考えられている。すなわち、Ｂを過剰添加すると、Ｔｉ系酸化物周辺のベイナイト生成が抑制され、オーステナイト粒界からラス状ベイナイトが形成され、靱性向上に有効な微細な組織が得られない。本実施形態において、Ｂ含有量の下限は特に規定しないが、ワイヤ中にＢを含有させる場合に、ワイヤ全質量に対するＢ含有量は０．１０質量％以下とすることが好ましく、０．０８質量％以下とすることがより好ましく、０．０５質量％以下とすることがさらに好ましい。
また、本実施形態に係るワイヤは、さらに、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｆ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種を、それぞれ下記に示す含有量の範囲内で含有することが好ましい。これらの元素がワイヤ中に含有される場合の各含有量の限定理由について、以下に説明する。
＜Ｔｉ：２．５質量％以上６．０質量％以下＞
Ｔｉは、スラグ生成剤などとして機能し、下向姿勢以外の溶接姿勢、例えば、立向上進や上向姿勢などでの溶接を容易とし、全姿勢において、良好な溶接作業性を得る効果を有する成分である。ワイヤ中にＴｉを含有させる場合に、スラグ生成量を適正に保ち、良好な溶接作業性を得るには、ワイヤ全質量に対するＴｉ含有量は、一般的に２．５質量％以上とすることが好ましく、３．０質量％以上とすることがより好ましい。
また、ワイヤ全質量に対するＴｉ含有量は、一般的に６．０質量％以下とすることが好ましく、５．０質量％以下とすることがより好ましい。
＜Ａｌ：０．５０質量％以下（０質量％を含む）＞
Ａｌは、ビードのなじみを向上させ、フラットなビード形状を得る効果を有する成分である。ワイヤ中にＡｌを含有させる場合に、良好なスラグ剥離性を維持しつつ、ビードのなじみを向上させ、フラットなビード形状を得るためには、ワイヤ全質量に対するＡｌ含有量は、０．５０質量％以下とすることが好ましく、０．２５質量％以下とすることがより好ましい。
＜Ｚｒ：０．５０質量％以下（０質量％を含む）＞
Ｚｒは、ビードのなじみを向上させ、フラットなビード形状を得る効果を有する成分である。ワイヤ中にＺｒを含有させる場合に、良好なスラグ剥離性を維持しつつ、ビードのなじみを向上させ、フラットなビード形状を得るためには、ワイヤ全質量に対するＺｒ含有量は、０．５０質量％以下とすることが好ましく、０．２５質量％以下とすることがより好ましい。
＜Ｆ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下＞
Ｆは、アークを安定化させる効果を有する成分である。ワイヤ中にＦを含有させる場合に、スパッタ発生量を抑制でき、アーク安定性を十分に得ることができることから、ワイヤ全質量に対するＦ含有量は、０．１０質量％以上とすることが好ましく、０．１５質量％以上とすることがより好ましい。
また、ワイヤ全質量に対するＦ含有量は、０．５０質量％以下とすることが好ましく、０．４５質量％以下とすることがより好ましい。
＜ＮａとＫとの総量：０．０１質量％以上０．３０質量％以下＞
Ｎａ及びＫは、アークを安定化させる効果を有する成分である。ワイヤ中に、Ｎａ及びＫの少なくとも一方を含有させる場合に、スパッタ発生量を抑制でき、アーク安定性を十分に得ることができることから、ワイヤ全質量に対するＮａとＫとの総量は、０．０１質量％以上とすることが好ましく、０．０３質量％以上とすることがより好ましい。
また、ワイヤ全質量に対するＮａとＫとの総量は、０．３０質量％以下とすることが好ましく、０．２５質量％以下とすることがより好ましい。
＜その他の成分及び不純物＞
Ｆｅは、本実施形態に係るワイヤの主成分である。ワイヤ全質量に対するＦｅ含有量は、８２質量％以上であることが好ましく、８４質量％以上であることがより好ましい。
また、本実施形態において、上記成分の他に、О（酸素）、Ｃａ、Ｂａ、Ｌｉ及びＮｂ等を含んでいてもよく、ワイヤ全質量に対するО（酸素）の含有量は、１質量％以上であることが好ましく、５質量％以下であることが好ましい。また、ワイヤ全質量に対するＣａ、Ｂａ、Ｌｉ及びＮｂ等の含有量の合計値は、１質量％以下であることが好ましい。
その他の残部は不可避的不純物とし、不可避的不純物の総量は、ワイヤ全質量に対して、０．１５質量％以下に規制されることが好ましい。不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ等が挙げられ、高温割れ防止の観点から、ワイヤ全質量に対するＰ及びＳの含有量は、各々０．０１５質量％以下であることが好ましい。
［２．フラックス入りワイヤの製造方法］
本実施形態に係るフラックス入りワイヤは、例えば、以下に示す方法で製造することができる。まず、外皮を構成する鋼帯を、長手方向に送りながら成形ロールにより成形し、Ｕ字状のオープン管にする。次に、所定の化学組成となるように、金属又は合金と、化合物等とを所定量配合したフラックスを外皮に充填した後、断面が円形になるように加工する。このとき、外皮の合わせ目に溶接等を施すことにより継ぎ目無しとすることもできる。その後、冷間加工により伸線し、例えば０．９ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下のワイヤ径とすることにより、フラックス入りワイヤを製造することができる。なお、冷間加工の途中に焼鈍を施してもよい。
［３．溶接金属］
本実施形態に係る溶接金属は、上記［１．フラックス入りワイヤ］で説明した本実施形態に係る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することにより得られるものである。
なお、本実施形態に係る溶接金属において、本実施形態に係るフラックス入りワイヤを用いること以外の条件については特に限定されず、母材の種類については、要求される特性に応じて適宜選択することができる。
［４．ガスシールドアーク溶接方法］
本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法は、上記［１．フラックス入りワイヤ］で説明した本実施形態に係るフラックス入りワイヤを用いて溶接する方法である。
なお、本実施形態に係るガスシールドアーク溶接方法において、本実施形態に係るフラックス入りワイヤを用いること以外の各種溶接条件については特に限定されず、母材の種類、溶接電圧、溶接電流、溶接姿勢等について、フラックス入りワイヤを用いた溶接方法における一般的な条件を用いることができる。シールドガスについても限定されないが、より溶接作業性を向上させる観点からＭＡＧであることが好ましく、８０体積％Ａｒ－２０体積％ＣＯ２であることがより好ましい。
［５．溶接継手の製造方法］
本実施形態に係る溶接継手の製造方法は、高張力鋼を溶接母材とし、上記［１．フラックス入りワイヤ］で説明した本実施形態に係る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する方法である。
なお、溶接継手の製造方法において、高張力鋼を溶接母材とすることと、本実施形態に係る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すること以外の溶接条件については特に限定されず、溶接電圧、溶接電流、溶接姿勢等について、フラックス入りワイヤを用いた溶接方法における一般的な条件を用いることができる。シールドガスについても限定されないが、より溶接作業性を向上させる観点からＭＡＧであることが好ましく、８０体積％Ａｒ－２０体積％ＣＯ２であることがより好ましい。
また、母材として使用することができる高張力鋼は問わないが、７２０ＭＰａ級以上であることが好ましく、例えばＥＮ １００２８－６：２０１７のＰ６９０Ｑ、Ｐ６９０ＱＨ、Ｐ６９０ＱＬ１及びＰ６９０ＱＬ２、日本海事協会（ＮＫ）で規定されているＫＤ６２０、ＫＤ６９０、ＫＥ６２０、及びＫＥ６９０、並びにＤＮＶ ＧＬで規定されているＶＬ６９０等が挙げられる。
以下、本実施形態に係るフラックス入りワイヤの発明例及び比較例について説明する。
［溶接金属の機械的性質の評価］
（ワイヤの作製）
まず、下記表１に示す化学成分を有する帯状の鋼製外皮にフラックスを充填し、種々の成分を有する直径が１．２ｍｍのフラックス入りワイヤを作製した。また、フラックスの充填率は、ワイヤ全質量に対して１３．０質量％以上１５．５質量％以下の範囲となるようにした。
（ガスシールドアーク溶接）
次に、得られたフラックス入りワイヤを使用して、下記表２に示す板厚及び化学成分を有する母材に対して、ガスシールドアーク溶接を実施した。
本実施例においては、母材にＶ開先を形成し、下記表３に示す溶接条件にてガスシールドアーク溶接を実施し、溶接継手を製造した。
（機械的性質の評価）
溶接金属の機械的性質は、ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５に規定される「溶着金属の引張及び衝撃試験方法」を参考とし、溶接金属の板厚方向中央部から引張試験片（Ａ２号）及び衝撃試験片（Ｖノッチ試験片）を採取して、引張性能及び衝撃性能を評価した。幅広いＰＷＨＴ条件を検討するにあたり、種々の保持温度、保持時間でＰＷＨＴを行ったときの引張強さ及び靱性の変化は、ＰＷＨＴ条件として、ラーソン・ミラー・パラメータ（ＬＭＰ）を用いて整理した。本実施例では、低ＬＭＰ条件として、５８０℃の温度で２時間のＰＷＨＴ条件（ＬＭＰ＝１７．３×１０３）を採用し、高ＬＭＰ条件として、６２０℃の温度で８時間のＰＷＨＴ条件（ＬＭＰ＝１８．７×１０３）を採用した。
引張試験は、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの試験片、低ＬＭＰ条件の試験片及び高ＬＭＰ条件の試験片に対して、試験温度を室温（約２０±２℃）として実施することにより、引張強さを測定した。
なお、本実施例では、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの試験片、低ＬＭＰ条件の試験片及び高ＬＭＰの試験片の各々について、引張強さ（ＴＳ）が７２０ＭＰａ以上である場合に、目的の強度を満足していると判断した。
衝撃試験は、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの試験片、低ＬＭＰ条件の試験片及び高ＬＭＰ条件の試験片に対して、試験温度を－４０℃として実施し、シャルピー吸収エネルギー（ｖＥ－４０℃）を測定することにより、靱性を評価した。
なお、本実施例では、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄの試験片、低ＬＭＰ条件の試験片及び高ＬＭＰ条件の各々について、－４０℃における吸収エネルギーが５０Ｊ以上である場合に、低温靱性が優れていると判断した。
そして、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ、低ＬＭＰ条件及び高ＬＭＰ条件の試験片について、目的の強度を満足しているとともに、低温靱性が優れているものを合格とし、それ以外のものを不合格とした。
使用したワイヤの化学成分を下記表４及び５に示し、機械的性質の評価結果を下記表６に示す。なお、下記表４及び５において、［Ｎｉ］は、ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値であり、［Ｍｎ］は、ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値であり、［Ｓｉ］は、ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で表した値である。
表４及び５に記載のワイヤの化学成分の残部は、Ｆｅ、О（酸素）、Ｃａ、Ｂａ、Ｌｉ及び不可避的不純物であった。また、表４中のＮｉ含有量において、「－」と記載されているものは定量限界値以下の０．０１質量％未満であり、Ｃｒ含有量において、「－」と記載されているものは定量限界値以下の０．０１質量％未満であり、Ｃｕ含有量において、「－」と記載されているものは定量限界値以下の０．０１質量％未満であり、Ｂ含有量において、「－」と記載されているものは定量限界値以下の０．０００２質量％未満であり、Ｖ含有量において、「－」と記載されているものは定量限界値以下の０．００２質量％未満であったことを示す。
さらに、表５中の「［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）」の欄において、分子であるＮｉ含有量が定量限界値以下であったものは、算出不能であるため、「－」と表した。
なお、表６において、割れの発生又は破断等により、機械的性質の評価ができなかった試験片については、評価結果欄に「－」と表した。
Figure 2022120717000001
Figure 2022120717000002
Figure 2022120717000003
Figure 2022120717000004
Figure 2022120717000005
Figure 2022120717000006
上記表４及び５に示すように、ワイヤ中の各成分の含有量が本発明の数値範囲内であった発明例Ｎｏ．１～２４は、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ及び異なる２種類のＰＷＨＴ後の引張強さ（ＴＳ）が、目的とする７２０ＭＰａ以上であるとともに、－４０℃における吸収エネルギーが、５０Ｊ以上の優れた低温靱性を得ることができた。このことから、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、幅広いＰＷＨＴ条件においても、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接金属を得ることができた。
また、発明例Ｎｏ．１～２４は、各成分の含有量が本発明の数値範囲内であるワイヤを使用して、ガスシールドアーク溶接により得たものであるため、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄのみならず、幅広いＰＷＨＴ条件において、目的の強度を維持しつつ、低温靱性が優れた溶接部を有する溶接継手を製造することができた。
一方、比較例Ｎｏ．２５は、ワイヤ中のＮｉ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったとともに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性及び高ＬＭＰ後の引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．２６は、ワイヤ中のＭｏ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．２７は、ワイヤ中のＮｉ含有量及びＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったとともに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の引張強さ及び低温靱性が低下したとともに、高ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．２８は、ワイヤ中のＮｉ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、高ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．２９は、ワイヤ中のＭｎ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であるととともに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、Ａｓ－ｗｅｌｄｅｄ並びに低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後及び高ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．３０は、ワイヤ中のＭｎ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、低ＬＭＰ条件及び高ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後に試験片が過度に脆化し、破断が発生した。
比較例Ｎｏ．３１は、ワイヤ中のＮｉ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったとともに、ワイヤ中のＣｕ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えており、さらに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．３２は、ワイヤ中のＮｉ含有量及びＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったとともに、ワイヤ中のＣ含有量及びＣｒ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えており、さらに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後に試験片が過度に脆化し、破断が発生した。また、高ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．３３は、ワイヤ中のＶ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．３４は、ワイヤ中のＮｉ含有量及びＭｏ含有量が本発明の数値範囲における下限値未満であったとともに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の引張強さ及び低温靱性が低下したとともに、高ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の引張強さが低下した。
比較例Ｎｏ．３５は、ワイヤ中のＭｎ含有量が本発明の数値範囲における上限値を超えていたとともに、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性が低下した。
比較例Ｎｏ．３６は、［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）により得られる値が本発明の数値範囲における下限値未満であったため、低ＬＭＰ条件でのＰＷＨＴ後の低温靱性が低下した。

Claims (6)

  1. 鋼製外皮にフラックスが充填されたフラックス入りワイヤであって、
    ワイヤ全質量に対して、
    Ｃ：０．０１質量％以上０．１０質量％以下、
    Ｓｉ：０質量％超０．４５質量％以下、
    Ｍｎ：１．０質量％以上３．０質量％以下、
    Ｎｉ：３．１質量％以上５．５質量％以下、
    Ｍｇ：０．１０質量％以上１．００質量％以下、
    Ｍｏ：０．０５質量％以上０．６５質量％以下、を含有し、
    Ｃｒ：０．６５質量％以下、
    Ｃｕ：０．８５質量％以下、及び
    Ｖ：０．０４５質量％以下、であるとともに、
    ワイヤ中のＮｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｎｉ］と表し、
    ワイヤ中のＭｎ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｍｎ］と表し、
    ワイヤ中のＳｉ含有量をワイヤ全質量に対する質量％で［Ｓｉ］と表す場合に、
    ［Ｎｉ］／（［Ｍｎ］＋［Ｓｉ］）：１．１０以上５．４０以下であることを特徴とするフラックス入りワイヤ。
  2. さらに、ワイヤ全質量に対して、
    Ｂ：０．１０質量％以下、を含有することを特徴とする、請求項１に記載のフラックス入りワイヤ。
  3. さらに、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｆ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種を、
    ワイヤ全質量に対して、
    Ｔｉ：２．５質量％以上６．０質量％以下、
    Ａｌ：０．５０質量％以下、
    Ｚｒ：０．５０質量％以下、
    Ｆ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、及び
    ＮａとＫとの総量：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、の範囲で含有することを
    特徴とする、請求項１又は２に記載のフラックス入りワイヤ。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の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することにより得られることを特徴とする溶接金属。
  5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の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することを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
  6. 高張力鋼を母材とし、請求項１～３のいずれか１項に記載の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することを特徴とする溶接継手の製造方法。
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