JP2017148821A - ２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接金属 - Google Patents

Abstract

【課題】２相ステンレス鋼のアーク溶接に使用され、溶接部の低温靱性および耐孔食性に優れた２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接金属を提供する。
【解決手段】２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ステンレス鋼製の外皮中にフラックスを充填したものであって、ワイヤ全質量あたり、所定量のＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎ、ＭｎおよびＳｉを含有し、Ｔｉ合金のＴｉ換算値を［Ｔｉ］、Ａｌ合金のＡｌ換算値を［Ａｌ］としたとき、［Ｔｉ］および［Ａｌ］が所定値であり、Ａ＝［Ｔｉ］＋２×［Ａｌ］で表わされるパラメータＡの値が所定値を満たし、残部がＦｅ、スラグ形成成分および不可避的不純物からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、２相ステンレス鋼のアーク溶接に用いられるフラックス入りワイヤおよびワイヤにより溶接されて作製される溶接金属に関する。

オーステナイト相とフェライト相を約１：１の割合で含む２相ステンレス鋼は、特に強度特性・耐孔食性・耐応力腐食割れ性に優れていることから、化学プラント機器、石油または天然ガスの掘削用油井管、海水淡水化装置など様々な分野で適用が広がっている。中でも、海洋構造物に適用される２相ステンレス鋼には海水環境での耐孔食性が要求されることから、鋼材のグレードとしてＵＮＳ Ｓ３１８０３、ＵＮＳ Ｓ３２７５０相当のものが多く使用されている。このような海洋構造物は、低温環境で使用されることが多く、またメンテナンスフリーの観点から、その溶接部に対して求められる低温靱性も一般的な構造物に対する２相ステンレス鋼の溶接部への要求と比較して厳格化されている。例えば、−４０℃ないし−５０℃前後での衝撃吸収エネルギーが大きいことが要求される傾向にある。

この海洋構造物の市場（以下、単に「海構市場」という。）の要求に対し、従来のフラックス入りワイヤによる２相ステンレス鋼のＭＡＧ溶接では、溶融状態の溶接金属中にスラグ成分または脱酸成分由来の非金属介在物が不可避的かつ多量に導入される。これらの一部は凝固終了後も溶接金属中に残留し、ボイドの形成起点等で延性破壊の起点として作用する。そのため、従来のフラックス入りワイヤでは、２相ステンレス鋼のＭＡＧ溶接において前記のような低温靱性要求を満たすことが困難である。

一方、２相ステンレス鋼の溶接において、純Ａｒガスを用いたＴＩＧ溶接では、非金属介在物の少ない清浄な溶接金属が容易に得られるため、溶接部の低温靱性が良好であり、海構市場における主な溶接施工法となっている。しかし、ＴＩＧ溶接は、ＭＡＧ溶接と比較し施工能率の点で劣る工法である。したがって、良好な低温靱性を得ることができる２相ステンレス鋼向けＭＡＧ溶接用フラックス入りワイヤのニーズは大きいものである。

２相ステンレス鋼の溶接に用いられるフラックス入りワイヤを使用して、溶接部の低温靱性を改善する手法として、種々の技術が開示されている。
例えば、特許文献１、２には、フラックス中のＢｉ_２Ｏ_３を規制し、かつＴｉ、Ｍｇ、Ａｌ、希土類元素等の強脱酸元素をワイヤ中に添加することにより、溶接金属中の酸素量を低下させ、溶接部の低温靱性を改善したフラックス入りワイヤが開示されている。

また、特許文献３には、ワイヤ中にＴｉおよびＭｇを複合で添加させると共に、ＴｉとＮの関係を制御することで、溶接金属の凝固結晶粒を微細化させ、溶接部の低温靱性を改善したフラックス入りワイヤが開示されている。

特開２０００−１７６６８１号公報 特開２０１１−１２５８７５号公報 特許第４５３１１１８号公報

しかしながら、特許文献１、２のフラックス入りワイヤでは、いずれも靱性改善に対し一定の効果はあるものの、特許文献１では−４６℃での衝撃吸収エネルギーが２７Ｊ以上のものを、特許文献２では−４０℃での衝撃吸収エネルギーが３５Ｊ以上のものを靱性良好と評価している。したがって、特許文献１、２のフラックス入りワイヤでは、昨今の海構市場の低温靱性要求を十分に満たすことができるとは言えない。

特許文献３のフラックス入りワイヤは、いわゆる廉価型２相ステンレス鋼材を溶接する際に使用されるワイヤであり、Ｍｎ含有量が多いものである。また、特許文献３のフラックス入りワイヤは、０℃での衝撃吸収エネルギー向上には一定の効果はあるものの、海構市場における必須要求である−４０℃前後での衝撃吸収エネルギー、および耐孔食性について考慮されたものではない。

また、特許文献１〜３のフラックス入りワイヤは、いずれも溶接部における−４０℃前後での主な破壊起点である非金属介在物を制御する観点から衝撃吸収エネルギーの向上を図ったものではない。

そこで、本発明は、このような問題を解決すべく創案されたもので、その課題は２相ステンレス鋼のアーク溶接に用いられ、溶接部の低温靱性および耐孔食性に優れた２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接金属を提供することにある。

前記のように、フラックス入りワイヤによる２相ステンレス鋼のＭＡＧ溶接では、溶接金属中に非金属介在物が不可避的かつ多量に導入され、これらが延性破壊温度域においては破壊起点として作用することが一般に知られている。本発明者らは、溶接金属中に含まれる非金属介在物を可能な限り延性破壊の起点として作用させないことで、靱性を改善させる方法について鋭意検討を行った。

その結果、本発明者らは、延性破壊の起点として作用している延性破面のボイド底に観察される非金属介在物の多くがφ１．５μｍ以上の径を有していること、および、ワイヤ全質量あたりのＴｉ量、Ａｌ量および両者の関係を適切に制御することにより溶接金属中に残留する非金属介在物の組成を改質できることを見出した。そして、本発明者らは、このようなφ１．５μｍ以上の粗大介在物の個数密度を低下させることで、溶接金属の靱性を向上させつつ耐孔食性との両立を図ることができることを見出した。

また、本発明者らは、スラグ形成成分としての金属酸化物、金属フッ化物およびアルカリ金属化合物を適正な範囲で含有することによって、スラグの流動性および融点を最適化し、ガス溝・ブローホール等の気孔欠陥が抑制されることも見出した。

前記課題を解決するために、本発明に係る２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤは前記した検討により以下のような構成とした。すなわち、本発明に係る２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤは、ステンレス鋼製の外皮中にフラックスを充填したものであって、ワイヤ全質量あたり、Ｃｒ：２１．０〜２７．０質量％、Ｎｉ：７．０〜１１．０質量％、Ｍｏ：２．０〜４．０質量％、Ｎ：０．０８〜０．２５質量％、Ｍｎ：０．１〜２．５質量％、Ｓｉ：０．１〜１．０質量％を含有し、Ｔｉ合金のＴｉ換算値を［Ｔｉ］、Ａｌ合金のＡｌ換算値を［Ａｌ］としたとき、［Ｔｉ］：０．３〜０．８質量％、［Ａｌ］：０．０５〜０．３５質量％であり、Ａ＝［Ｔｉ］＋２×［Ａｌ］で表わされるパラメータＡの値が０．６〜１．２０を満たし、また、残部がＦｅ、スラグ形成成分および不可避的不純物からなることを特徴とする。
このとき、前記スラグ形成成分を総量で８〜１３質量％含有することが望ましい。また、前記［Ｔｉ］が０．３〜０．７質量％、前記［Ａｌ］が０．０５〜０．３０質量％、前記パラメータＡの値が０．７〜１．２０であることが望ましい。

本発明の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎ、Ｍｎ、Ｓｉを適正な範囲で含有した上で、ワイヤ全質量あたりのＴｉ換算値、Ａｌ換算値および両者の関係が図１に示す斜線部の範囲に制御されているため、２相ステンレス鋼の溶接部において−４０℃前後の温度域であっても良好な低温靱性と耐孔食性を両立させることができる。

また、本発明に係る２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記スラグ形成成分として金属酸化物および金属フッ化物を含有し、ワイヤ全質量あたり、前記金属酸化物が、ＴｉＯ_２：５．０〜９．０質量％、ＳｉＯ_２：０．１〜２．０質量％、ＺｒＯ_２：０．５〜３．０質量％であると共に、前記金属フッ化物のフッ素換算値を［Ｆ］としたとき、［Ｆ］：０．０１〜０．５質量％であることが望ましい。

本発明の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、スラグ形成成分としてＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２を適正な範囲で含有した上で、ワイヤ全質量あたりのフッ素換算値が適切に制御されているため、低温靱性と耐孔食性の両立ができるのみならず、全姿勢溶接での溶接作業性が良好かつ耐気孔欠陥性も良好となる。

さらに、本発明に係る２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤは、前記スラグ形成成分としてＬｉを含むアルカリ金属化合物を含有し、前記アルカリ金属化合物のＬｉ換算値を［Ｌｉ］としたとき、ワイヤ全質量あたり、［Ｌｉ］：０．０１〜０．１５質量％であることが望ましい。

本発明の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤによれば、ワイヤ全質量あたりのＬｉ換算値が適切に制御されているため、２相ステンレス鋼の溶接部において耐気孔欠陥性が良好となる。

本発明に係る溶接金属は、前記２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤにより溶接されて作製されることを特徴とする。
本発明の溶接金属によれば、前記２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤにより溶接されて作製されるため、低温靱性と耐孔食性の両立ができるのみならず、全姿勢溶接での溶接作業性が良好かつ耐気孔欠陥性も良好となる。

本発明に係る２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤおよび溶接金属によれば、２相ステンレス鋼のアーク溶接に使用された際に、優れた低温靱性、耐孔食性および耐気孔欠陥性を得ることができる。

縦軸にワイヤ中のＴｉ換算値、横軸にワイヤ中のＡｌ換算値をとって、良好な低温靱性と耐孔食性の両立が可能であるＴｉ換算値およびＡｌ換算値の範囲を示すグラフ図である。 下向／立向上進溶接継手の開先形状を示す模式図である。

本発明に係る２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤ（以下、ワイヤと称す）の実施形態について詳細に説明する。

本発明に係るワイヤは、フラックスが外皮に内包されたフラックス入りワイヤである。ここで、外皮は、ステンレス鋼からなり、好ましくはオーステナイト系ステンレス鋼からなる。また、ワイヤ全質量に対するフラックスの質量比であるフラックス充填率は、２０〜４０質量％であることが好ましい。

本発明に係るワイヤにおいて、ワイヤの断面形状およびワイヤ径は種々可能であり、溶接施工はＪＩＳ Ｚ ３３２３：２００７「ステンレス鋼アーク溶接フラックス入りワイヤ及び溶加棒」に基づいて行えばよく、その際のシールドガスの成分系および組成は従来公知のものを使用できる。

本発明に係るワイヤは、ステンレス鋼製の外皮中にフラックスを充填したものであって、ワイヤ全質量あたり、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎ、ＭｎおよびＳｉを所定量含有し、Ｔｉ合金のＴｉ換算値を［Ｔｉ］、Ａｌ合金のＡｌ換算値を［Ａｌ］としたとき、［Ｔｉ］および［Ａｌ］が所定量であり、Ａ＝［Ｔｉ］＋２×［Ａｌ］で表わされるパラメータＡの値が所定値を満たし、残部がＦｅ、スラグ形成成分、および不可避的不純物からなる。なお、残部には、Ｆｅ、スラグ形成成分の他、フラックス中にＫ、Ｎａ、Ｍｇ等をアーク感の微調整剤としてフラックスに少量含有させることもでき、本発明の目的には影響を及ぼさない。以下、ワイヤ成分の数値限定理由について説明する。

（Ｃｒ：ワイヤ全質量あたり２１．０〜２７．０質量％）
Ｃｒは、フェライト安定化元素としてフェライト／オーステナイト相バランスを調整する役割があると共に、不動態被膜の形成元素として溶接部の耐孔食性を向上させる作用を有する。Ｃｒの含有量が２１．０質量％未満では、この作用を十分に得ることができない。一方、Ｃｒの含有量が２７．０質量％を超えると、金属間化合物であるσ相が析出し溶接部の低温靱性が低下する。このため、Ｃｒの含有量を２１．０〜２７．０質量％に規定する。なお、Ｃｒ含有量の下限は２１.５質量％が好ましく、上限は２４.０質量％が好ましい。

（Ｎｉ：ワイヤ全質量あたり７．０〜１１．０質量％）
Ｎｉは、オーステナイト安定化元素としてフェライト／オーステナイト相バランスを調整する役割があると共に、溶接部の低温靱性向上に有効な元素である。Ｎｉの含有量が７．０質量％未満では、この効果を十分に得ることができない。一方、Ｎｉの含有量が１１．０質量％を超えると、溶接金属中のオーステナイト相が過多となり溶接部の強度が低下する。このため、Ｎｉの含有量を７．０〜１１．０質量％に規定する。なお、Ｎｉ含有量の下限は８.０質量％が好ましく、上限は１０.０質量％が好ましい。

（Ｍｏ：ワイヤ全質量あたり２．０〜４．０質量％）
Ｍｏは、フェライト安定化元素としてフェライト／オーステナイト相バランスを調整する役割があると共に、Ｃｒとともに溶接部の耐孔食性を改善する作用を有する。Ｍｏの含有量が２．０質量％未満では、この作用を十分に得ることができない。一方、Ｍｏの含有量が４．０質量％を超えると、σ相の析出が助長され溶接部の低温靱性が低下する。このため、Ｍｏの含有量を２．０〜４．０質量％に規定する。なお、Ｍｏ含有量の下限は２．５質量％が好ましく、上限は３．５質量％が好ましい。

（Ｎ：ワイヤ全質量あたり０.０８〜０.２５質量％）
Ｎは、オーステナイト安定化元素としてフェライト／オーステナイト相バランスを調整する役割があると共に、Ｃｒ、Ｍｏと共に溶接部の耐孔食性を改善する作用を有する。Ｎの含有量が０.０８質量％未満では、この作用を十分に得ることができない。一方、Ｎの含有量が０.２５質量％を超えると、耐気孔欠陥性が低下して、健全な溶接継手を得ることが難しい。このためＮの含有量を０.０８〜０.２５質量％に規定する。なお、Ｎ含有量の下限は０.１０質量％が好ましく、上限は０.２０質量％が好ましい。

（Ｍｎ：ワイヤ全質量あたり０．１〜２．５質量％）
Ｍｎは、オーステナイト安定化元素としてフェライト／オーステナイト相バランスを調整する役割があると共に、脱酸元素として作用する。本発明においては、後記するＴｉおよびＡｌの脱酸効果のほうが大きく、脱酸元素としての積極的なＭｎの添加は必ずしも必要ではないが、溶接部の相バランスの観点から、Ｍｎの含有量は０．１質量％以上とする。一方、Ｍｎの含有量が２．５質量％を超えると、ＭｎＳを形成し溶接部の低温靱性が低下する。このため、Ｍｎの含有量を０．１〜２．５質量％に規定する。なお、Ｍｎ含有量の下限は０．５質量％が好ましく、上限は２．０質量％が好ましい。

（Ｓｉ：ワイヤ全質量あたり０．１〜１．０質量％）
Ｓｉは、フェライト安定化元素としてフェライト／オーステナイト相バランスを調整する役割があると共に、脱酸元素として作用する。本発明においては、後記のＴｉおよびＡｌの脱酸効果のほうが大きく、脱酸元素としての積極的なＳｉの添加は必ずしも必要ではないが、溶接部の相バランスの観点から、Ｓｉの含有量は０．１質量％以上とする。一方、Ｓｉの含有量が１．０質量％を超えると、固溶Ｓｉ量の増加により溶接部の低温靱性が低下する。このため、Ｓｉの含有量を０．１〜１．０質量％に規定する。なお、Ｓｉ含有量の下限は０．２質量％が好ましく、上限は０．７質量％が好ましい。

（［Ｔｉ］：Ｔｉ合金のＴｉ換算値においてワイヤ全質量あたり０．３〜０．８質量％）
（［Ａｌ］：Ａｌ合金のＡｌ換算値においてワイヤ全質量あたり０．０５〜０．３５質量％）
（Ａ：０．６〜１．２０）
ＴｉおよびＡｌは、強力な脱酸元素であり、本発明における最も重要な元素である。すなわち、適正量のＴｉおよびＡｌを添加することにより、溶融状態の溶接金属中に残留する非金属介在物の組成をＳｉ−Ｍｎ系からＴｉ−Ａｌ系主体の酸化物へと改質することができる。溶接金属は、この酸化物組成への変化、特にＳｉ系介在物の低減により、介在物の凝集・成長が抑制された結果、延性破壊の起点となるφ１．５μｍ以上の粗大介在物の個数密度を低減することができるため、−４０℃前後での溶接部の低温靱性が改善される。

この作用を十分に得るために、本発明者らは、数多くの実験的検討によりワイヤ中のＴｉおよびＡｌ含有量と溶接部の低温靱性・耐孔食性の関係を調査した。その結果、ＴｉおよびＡｌ単独の制御では効果が不十分であり、双方の含有量を適正化することが不可欠であることを見出した。

すなわち、ＴｉおよびＡｌは、Ｔｉ合金のＴｉ換算値を［Ｔｉ］、Ａｌ合金のＡｌ換算値を［Ａｌ］、パラメータＡ＝［Ｔｉ］＋２×［Ａｌ］としたとき、［Ｔｉ］が０．３質量％未満、［Ａｌ］が０．０５質量％未満、または、パラメータＡが０．６未満では、前記の非金属介在物組成の改質作用が不十分であり、φ１．５μｍ以上の粗大介在物の個数密度低減効果を十分に得ることができず、所望する溶接部の低温靱性改善効果が得られない。

一方、Ｔｉは、［Ｔｉ］が０．８質量％を超えると、前記の非金属介在物組成の改質に必要とされる以上のＴｉが溶融状態の溶接金属中に導入されることになる。これら介在物組成の改質に寄与しない余剰Ｔｉの一部は、同じく溶接金属中に多量に存在するＮと反応してＴｉＮを形成する。そのため、［Ｔｉ］が０．８質量％を超えると、逆に介在物の凝集・粗大化を招き孔食の起点となるリスクが増大するのみならず、母相中に含まれるＮ量が減少することにより、溶接部の耐孔食性が低下する。

また、Ａｌは、［Ａｌ］が０．３５質量％を超えると、介在物組成がＡｌ_２Ｏ_３主体となることにより介在物の粗大化を招き、前記のように溶接部の耐孔食性が低下する。また、Ａｌの脱酸力はＴｉよりも強力であるため、過剰なＡｌの添加は非金属介在物組成の改質に寄与しない余剰Ｔｉを増加させることにつながる。これにより、［Ａｌ］が０．３５質量％を超えると、間接的にＴｉＮの形成要因となるため、前記の通り溶接部の耐孔食性を低下させるおそれがある。

さらに、ＴｉおよびＡｌは、前記の通りＡｌの添加量によって余剰Ｔｉの量が左右されるため、ワイヤ全質量あたりの［Ｔｉ］および［Ａｌ］が前記の範囲を共に満たす場合であっても、パラメータＡが１．２０を超えると、余剰Ｔｉの増加により、溶接部の耐孔食性が低下する。

以上の理由により、本発明においては、［Ｔｉ］を０．３〜０．８質量％、［Ａｌ］を０．０５〜０．３５質量％、かつパラメータＡ（［Ｔｉ］＋２×［Ａｌ］）を０．６〜１．２０とし、図１に示すような範囲に規定する。好ましくは［Ｔｉ］が０．３〜０．７質量％、［Ａｌ］が０．０５〜０．３０質量％、かつパラメータＡが０．７〜１．２０の範囲である。

なお、ＴｉおよびＡｌの添加形態としては、金属Ｔｉ、金属Ａｌ、Ｆｅ−Ｔｉ、Ｆｅ−Ａｌ等のいずれの形態であってもよい。そして、これらのいずれの形態でも、［Ｔｉ］、［Ａｌ］およびパラメータＡを上記の範囲とすることにより、同等の効果を得ることができる。

（残部）
残部は、Ｆｅ、スラグ形成成分および不可避的不純物からなる。
スラグ形成成分は、金属酸化物、金属フッ化物、アルカリ金属化合物等である。これらはメタル系を除く、一般的なＭＡＧ溶接用フラックス入りワイヤにおいて通常含有されるものであり、特に全姿勢溶接を行う際には溶接金属を保持するために必須となる。スラグ形成成分の含有量が総量で８質量％未満では、スラグ量が過少のためスラグが溶接金属を均一に包被せず、ビード外観が損なわれるばかりか、溶接金属の保持力が低下し全姿勢溶接で溶接作業性が低下しやすくなる。一方、スラグ形成成分の含有量が総量で１３質量％を超えても、スラグの包被性および溶接金属の保持力は向上しないばかりか、スラグ量が過多となるため、溶接金属の凝固時に発生するガスがスラグ／溶接金属界面にトラップされやすくなり、ピット等の気孔欠陥が発生しやすくなる。このため、スラグ形成成分の含有量は総量で８〜１３質量％が好ましい。さらに好ましくは、下限値が９質量％であり、上限値が１２質量％である。
不可避的不純物としては、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ等であり、本発明の効果を妨げない範囲で含有されていてもよい。この他、フラックス中にＫ、Ｎａ、Ｍｇ等をアーク感の微調整剤としてフラックスに少量含有させることもでき、本発明の目的には影響を及ぼさない。

次に、本発明に係るワイヤの好ましい実施形態について説明する。
前記ワイヤは、前記スラグ形成成分として金属酸化物および金属フッ化物を含有し、ワイヤ全質量あたり、前記金属酸化物が所定量のＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２であると共に、前記金属フッ化物のフッ素換算値を［Ｆ］としたとき、［Ｆ］を所定量とすることが好ましい。以下、前記ワイヤ成分の数値限定理由について説明する。

（ＴｉＯ_２：ワイヤ全質量あたり５．０〜９．０質量％）
ＴｉＯ_２は、全姿勢溶接用フラックス入りワイヤにおけるスラグ形成剤の主成分であり、溶接金属へのスラグの被りを向上させビード形状を良好にする作用を有するとともに、スラグの凝固を早め立向・上向溶接時の溶接作業性を向上させる効果がある。また、ＴｉＯ_２を所定量含有することは、アークを安定化する効果を有する。ＴｉＯ_２の含有量が５．０質量％未満では、これらの作用を十分に得ることができず、溶接作業性が低下する。一方、９．０質量％を超えると、溶接時にスラグが硬化し剥離性が低下すると共に、耐気孔欠陥性が低下する。このため、ＴｉＯ_２の含有量を５．０〜９．０質量％に規定する。

（ＳｉＯ_２：ワイヤ全質量あたり０．１〜２．０質量％）
ＳｉＯ_２は、溶接金属へのスラグの被りを向上させビード形状を良好にする作用を有するとともに、ビードなじみ性を向上させる効果がある。ＳｉＯ_２の含有量が０．１質量％未満では、これらの作用を十分に得ることができず、溶接作業性が低下する。一方、２．０質量％を超えると、スラグが硬化し剥離性が著しく低下する。このため、ＳｉＯ_２の含有量を０．１〜２．０質量％に規定する。

（ＺｒＯ_２：ワイヤ全質量あたり０．５〜３．０質量％）
ＺｒＯ_２は、スラグの凝固を早め立向・上向溶接時の溶接作業性を向上させる効果がある。ＺｒＯ_２の含有量が０．５質量％未満では、この作用を十分に得ることができず、溶接作業性が低下する。一方、３．０質量％を超えると、スラグ剥離性が低下する。このため、ＺｒＯ_２の含有量を０．５〜３.０質量％に規定する。

（［Ｆ］：ワイヤ全質量あたり０．０１〜０．５質量％）
金属フッ化物は、スラグの流動性を調整する作用があると共に、スラグ剥離性を向上させる。また、ピット・ブローホール等の気孔欠陥を抑制させる作用を有する。したがって、Ｆは、金属フッ化物のフッ素換算値を［Ｆ］としたとき、金属フッ化物の［Ｆ］が０．０１質量％未満では、これらの作用を十分に得ることができず、溶接作業性が低下する。一方、Ｆは、［Ｆ］が０．５質量％を超えても、さらなるスラグ剥離性改善、耐気孔欠陥性改善効果は得られないばかりか、スラグの流動性が過大となり立向・上向溶接が困難となる。また、［Ｆ］が０．５質量％を超えると、ヒューム発生量が過大となるとともにアーク安定性が低下する。このため、Ｆは、金属フッ化物の［Ｆ］を０．０１〜０．５質量％に規定する。

また、本発明に係るワイヤの好ましい実施形態は、前記ワイヤは、前記スラグ形成成分としてＬｉを含むアルカリ金属化合物を含有し、前記アルカリ金属化合物のＬｉ換算値を［Ｌｉ］としたとき、ワイヤ全質量あたり、［Ｌｉ］が所定量であることが好ましい。以下、前記ワイヤ成分の数値限定理由について説明する。

（［Ｌｉ］：ワイヤ全質量あたり０．０１〜０．１５質量％）
Ｌｉ化合物は、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属化合物と同様にアーク安定効果を有するほか、２相ステンレス鋼においては気孔欠陥の抑制にも非常に効果的な元素である。すなわち、２相ステンレス鋼は、母材および溶接金属ともに多量のＮを含有するため、Ｎ_２ガスによるピット・ブローホール等の気孔欠陥が非常に発生しやすい鋼種である。しかしながら、溶接部にＬｉを添加することにより、Ｌｉが溶接金属中に含まれる微量のＴｉおよび固溶限を超えるＮと結合し、スラグとして溶接金属中から排出される。したがって、Ｌｉには、ブローホール発生を抑制する作用がある。また、Ｌｉは、スラグの融点および粘性をともに低下させることで、溶接部に発生するガスの大気中への離脱を促進し、ピット・ブローホールの発生を防止する効果も有する。

Ｌｉは、Ｌｉを含むアルカリ金属化合物のＬｉ換算値を［Ｌｉ］としたとき、［Ｌｉ］が０．０１質量％未満では、これらの作用を十分に得ることができず、耐気孔欠陥性が低下する。一方、Ｌｉは、［Ｌｉ］が０．１５質量％を超えても、さらなる耐気孔欠陥性改善効果は得られないばかりか、スラグの融点低下が過剰となり立向・上向溶接が困難となる。また、ヒューム発生量が過大となるほか、ワイヤの吸湿特性が低下する。このため、Ｌｉは、［Ｌｉ］を０．０１〜０．１５質量％に規定する。なお、Ｌｉを含むアルカリ金属化合物としては、Ｌｉ酸化物、Ｌｉフッ化物、Ｌｉ炭酸塩等の形態によらず、いずれの形態でも［Ｌｉ］を前記の範囲とすることにより、同等の効果を得ることができる。

前記の好ましい実施形態のワイヤにおいては、スラグ形成成分として、前記で規定した各種成分以外にも、種々の金属酸化物、金属フッ化物およびアルカリ金属化合物を含有することができる。例えば、前記のＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、金属フッ化物、Ｌｉ化合物のほかに、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＭｎО_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ等を含んでも良い。ただし、前記Ａｌ_２Ｏ_３等のスラグ形成成分の総和は３質量％未満であることが望ましい。

次に、本発明に係る溶接金属の実施形態について説明する。
本発明に係る溶接金属は、前記２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤにより溶接されて作製される。そして、溶接金属は、前記２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤにより溶接されて作製されるため、低温靱性、耐孔食性および耐気孔欠陥性に優れたものとなる。なお、２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤの成分組成等については、前記と同様であるので、説明を省略する。

以下、本発明の実施例とその比較例によって、本発明の効果を具体的に説明する。
まず、表１に示すような組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼を外皮とし、この外皮を円筒状に成型しながら、その内部にフラックスを充填することで、ワイヤ全質量あたりで表４に示す組成を有する実施例および比較例のフラックス入りワイヤを作製した。なお、フラックス充填率は２７質量％とした。

次に、図２に示すように、板厚が２０ｍｍの二相ステンレス鋼からなる母材１の開先面に、開先角度が６０°となるように斜面を形成した。その後、母材１同士をルートギャップが６ｍｍとなるように配置し、開先が狭まる側にセラミック製の裏当材２を配置した。なお、母材の組成は、表２に示すとおりである。

そして、前記フラックス入りワイヤを用いて表３に示す溶接条件で前記母材１を溶接し、３００ｍｍ長さの下向および立向上進溶接継手を作製した。作製した下向溶接継手について、以下に示す方法で溶接部の低温靱性、耐孔食性について評価した。耐気孔欠陥性については、立向上進溶接においては下向溶接よりも欠陥が発生しやすいことから、立向継手について以下に示す方法で評価した。

（低温靱性）
下向溶接継手の板厚方向中央かつ溶接金属の幅方向中央部よりそれぞれＡＷＳ Ａ５．２２に準拠した１０ｍｍ×１０ｍｍ、２ｍｍ-Ｖノッチのシャルピー衝撃試験片を３本採取、−４０℃での衝撃試験を実施し、衝撃吸収エネルギーの平均値を算出した。このとき、衝撃吸収エネルギーの平均値（ｖＥ−４０℃）が７０Ｊ未満のものを「×」、７０Ｊ以上８０Ｊ未満のものを「△」、８０Ｊ以上のものを「○」と評価した。その結果を表５に示す。

（耐孔食性）
下向溶接継手の溶接金属部よりそれぞれＡＳＴＭ Ｇ４８ Ａ法に準拠した試験片を採取し、２２℃、７２時間の孔食試験を行い、腐食速度を算出した。このとき、腐食速度が１０ｍｄｄ以上のものを「×」、１０ｍｄｄ未満５ｍｄｄ以上のものを「△」、５ｍｄｄ未満のものを「○」と評価した。その結果を表５に示す。

（耐気孔欠陥性）
立向上進溶接継手の余盛をそれぞれ板面まで平坦に研削した後、Ｘ線透過試験により溶接部の耐気孔欠陥性を評価した。このとき、溶接部にφ１．５ｍｍを超えるブローホールが存在するものを「×」、φ０．８ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以下のブローホールが存在するものを「△」、ブローホールが存在するが、φ０．８ｍｍ未満のもの又はブローホールが存在しないものを「〇」と評価した。その結果を表５に示す。なお、今回の耐気孔欠陥性の結果は、「○」と「△」のみであり、「×」のものはなかった。

（総合評価）
総合評価として、３項目のうち少なくとも１つが「×」のものを「×：不良」、３項目のうち１つが「△」で残りが「○」のものを「○：良好」、３項目のすべてが「○」のものを「◎：極めて良好」と評価した。その結果を表５に示す。

表４、表５に示すように、実施例Ｎｏ．１〜１６は、フラックス入りワイヤの組成が本発明の範囲を満足するので、溶接部の性能が良好であった。特に、実施例Ｎｏ．１〜９については、フラックス入りワイヤの組成が本発明のより望ましい範囲を満足するため、実施例Ｎｏ．１０〜１６と比較してさらに良好な結果が得られた。

比較例Ｎｏ．１７〜２６は、フラックス入りワイヤの組成が以下の点で本発明の範囲を満足しないため、実施例Ｎｏ．１〜１６に比べて溶接部の性能が不良であった。
具体的には、比較例Ｎｏ.１７は、Ａｌは下限値未満であり、かつパラメータＡも下限値未満であるため、低温靱性が劣っていた。比較例Ｎｏ．１８は、パラメータＡが下限値未満であるため、低温靱性が劣っていた。比較例Ｎｏ．１９は、Ａｌが下限値未満であるため、低温靱性が劣っていた。比較例Ｎｏ．２０は、［Ｔｉ]が下限値未満であるため、低温靱性が劣っていた。

比較例Ｎｏ．２１は、［Ｔｉ］が上限値を超えるため、耐孔食性が劣っていた。また、比較例Ｎｏ．２１は、ＴｉＯ_２量も下限値未満であるため、全姿勢溶接性も低下した。比較例Ｎｏ．２２は、［Ａｌ］が上限値を超えるため、耐孔食性が劣っていた。比較例Ｎｏ．２３は、パラメータＡが上限値を超えるため、耐孔食性が劣っていた。また、比較例Ｎｏ．２３は、ＳｉＯ_２量も上限値を超えるため、スラグ剥離性も劣っていた。

比較例２４は、［Ｔｉ］が上限値を超えるため、耐孔食性が劣っていた。比較例Ｎｏ．２５は、［Ｔｉ］、パラメータＡが上限値を超えるため、耐孔食性が劣っていた。比較例Ｎｏ．２６は、Ｎｉ量が下限値未満、Ｍｎが上限値を超えるため、低温靱性が劣っていた。また、比較例Ｎｏ．２６は、Ｍｏが下限値未満であるため、耐孔食性が劣っていた。

１ 母材
２ 裏当材

Claims (6)

1. ステンレス鋼製の外皮中にフラックスを充填した２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤであって、ワイヤ全質量あたり、
   Ｃｒ：２１．０〜２７．０質量％、
   Ｎｉ：７．０〜１１．０質量％、
   Ｍｏ：２．０〜４．０質量％、
   Ｎ：０.０８〜０.２５質量％、
   Ｍｎ：０.１〜２.５質量％、
   Ｓｉ：０．１〜１．０質量％を含有し、
   Ｔｉ合金のＴｉ換算値を［Ｔｉ］、Ａｌ合金のＡｌ換算値を［Ａｌ］としたとき、
   ［Ｔｉ］：０．３〜０．８質量％、
   ［Ａｌ］：０．０５〜０．３５質量％であり、
   Ａ＝［Ｔｉ］＋２×［Ａｌ］で表わされるパラメータＡの値が０．６〜１．２０を満たし、残部がＦｅ、スラグ形成成分および不可避的不純物からなることを特徴とする２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
2. 前記スラグ形成成分を８〜１３質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
3. 前記［Ｔｉ］が０．３〜０．７質量％、
   前記［Ａｌ］が０．０５〜０．３０質量％、
   前記パラメータＡの値が０．７〜１．２０であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
4. 前記スラグ形成成分として金属酸化物および金属フッ化物を含有し、ワイヤ全質量あたり、
   前記金属酸化物が、
   ＴｉＯ_２：５．０〜９．０質量％、
   ＳｉＯ_２：０．１〜２．０質量％、
   ＺｒＯ_２：０．５〜３．０質量％であると共に、
   前記金属フッ化物のフッ素換算値を［Ｆ］としたとき、
   ［Ｆ］：０．０１〜０．５質量％であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
5. 前記スラグ形成成分としてＬｉを含むアルカリ金属化合物を含有し、
   前記アルカリ金属化合物のＬｉ換算値を［Ｌｉ］としたとき、ワイヤ全質量あたり、
   ［Ｌｉ］：０．０１〜０．１５質量％であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載された２相ステンレス鋼向けアーク溶接用フラックス入りワイヤにより溶接されて作製されることを特徴とする溶接金属。

Images