特許 5763859 Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5763859

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤ

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/30 20060101AFI20150723BHJP

   C22C 19/05 20060101ALI20150723BHJP

   B23K 35/368 20060101ALN20150723BHJP

【ＦＩ】

   B23K35/30 320Q

   B23K35/30 A

   C22C19/05 B

   !B23K35/368 B

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-27171(P2015-27171)

(22)【出願日】2015年2月16日

【審査請求日】2015年2月16日

(31)【優先権主張番号】特願2014-227441(P2014-227441)

(32)【優先日】2014年11月7日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000227962

【氏名又は名称】日本ウエルディング・ロッド株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091443

【弁理士】

【氏名又は名称】西浦 ▲嗣▼晴

(74)【代理人】

【識別番号】100186819

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 俊尚

(74)【代理人】

【識別番号】100130720

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼見 良貴

(74)【代理人】

【識別番号】100130432

【弁理士】

【氏名又は名称】出山 匡

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 貞一郎

(72)【発明者】

【氏名】小山 宏

(72)【発明者】

【氏名】吉田 雅哉

(72)【発明者】

【氏名】中西 大喜

【審査官】 静野 朋季

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−３１９０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１１６８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５６４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３０９５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１８０４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２９６４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１１７４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３４３２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３４３２７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ３５／００−３５／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＮｉまたはＮｉ基合金を主成分とする外皮と、前記外皮内に充填されて非金属粉末及び金属粉末を含有するフラックス粉末とを備えるＮｉ基合金フラックス入りワイヤであって、
前記フラックス粉末中の前記非金属粉末には、前記フラックス入りワイヤの全質量に対して、８００℃以上の温度で焼成したＴｉＯ₂：４〜６質量％、合成されたＣａＳｉＯ₃の複酸化物：０．１〜３質量％、ＺｒＯ₂：０．５〜２質量％、金属弗化物：０．１〜２質量％、炭酸塩：０．０５〜１質量％が含まれており、
前記フラックス粉末中の前記金属粉末には、Ｔｉ及びＡｌのいずれか一種または両種からなる金属、もしくはＴｉ及びＡｌの合金が、前記フラックス入りワイヤの全質量に対するＴｉ及びＡｌの質量％換算値の合計で０．０５〜１質量％含まれていることを特徴とするＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。

【請求項2】

前記金属粉末が、Ｔｉ及びＡｌを含むＦｅ基合金粉末である請求項１に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。

【請求項3】

前記フラックス入りワイヤ中の水分量が３００ｐｐｍ以下である請求項１または２に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。

【請求項4】

前記フラックス入りワイヤにより得られる溶着金属中に、Ｓｉ：０．１１〜０．３６質量％、Ｍｎ：１．３８〜１．７２質量％、Ｃｒ：１２．１〜１４．８質量％、Ｍｏ：１２．０〜１４．６質量％、Ｗ：１．７〜３．９質量％、Ａｌ：０．０４〜０．３１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１７質量％、Ｆｅ：４．６〜６．９質量％、バナジウム族元素としてＶ、Ｎｂ及びＴａの少なくとも１種以上：各０．１２〜１．００質量％、不可避不純物としてＣ：０．０３０質量％未満、Ｐ：０．０１０質量％未満、Ｓ：０．０１０質量％未満及びＮ：０．０４０質量％未満を含み、かつ残部としてＮｉを含み、
前記Ｖ、Ｎｂ及びＴａが属するバナジウム族元素と前記不可避不純物として含まれるＣ及びＮとの間で、含有する前記バナジウム族元素の種類に応じて下記（１）乃至（３）式の少なくとも１式の関係が成立する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ。
Ｖ≧（４×Ｃ＋３×Ｎ） ・・・・・（１）
Ｎｂ≧（７×Ｃ＋６×Ｎ） ・・・・・（２）
Ｔａ≧（１５×Ｃ＋１２×Ｎ）・・・・・（３）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐食性、耐熱性が要求される構造物及びＬＮＧタンク等の極低温構造物の溶接に使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤに関するものである。

【背景技術】

【0002】

フラックス入りワイヤを用いるガスシールドアーク溶接法は、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法と比較して、種々の点で溶接効率がよい。そのため、近年、その適用が拡大しており、Ｎｉ基合金においても、フラックスを用いたガスシールドアーク溶接法の適用が拡大している。

【0003】

例えば、９％Ｎｉ鋼のような極低温用鋼の溶接に、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤが使用されつつある。具体的には、従来から行われている屋根骨等のタンク本体以外の適用のみならず、ＬＮＧ貯蔵タンクの工期の短縮化を考慮して、タンク本体への適用も検討され始めている。特に、タンク本体への適用に際しては、溶接部の更なる健全性向上が要求される。

【0004】

特開平８−３０９５８３号（特許文献１）には、９％Ｎｉ鋼用フラックス入りワイヤを極低温用鋼の溶接に用いた場合の耐割れ性、全姿勢作業性等に関する知見が示されている。また、特開平１０−１８０４８６号（特許文献２）、特開平１０−２９６４８６号（特許文献３）には、Ｎｉ基合金外皮内にフラックス粉末が充填されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤが示されている。フラックス粉末には、Ｍｏ等の金属粉末に加えて、非金属粉末としてＴｉＯ₂等の金属酸化物やＣａＦ₂等の金属弗化物が用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平８−３０９５８３号公報

【特許文献2】特開平１０−１８０４８６号公報

【特許文献3】特開平１０−２９６４８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、炭酸塩量が多く、全姿勢用ワイヤとしての溶接作業性（スパッタ防止、スラグ剥離性向上等）が充分ではない。また、特許文献２及び特許文献３に開示されたＮｉ基合金フラックス入りワイヤでは、溶接性能のうち耐高温割れ性については開示されているものの、耐ブローホール性については何ら開示されていない。

【0007】

このように、従来のＮｉ基合金フラックス入りワイヤでは、全姿勢溶接で要求される溶接性能および溶接作業性等の諸条件を全て満たすことはできなかった。

【0008】

本発明の目的は、全姿勢溶接におけるアーク安定性、スパッタ防止、ビード形状、スラグ剥離性を改善し、さらに耐ブローホール性、耐高温割れ性等の諸性能を高めることができるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、ＮｉまたはＮｉ基合金を主成分とする外皮と、外皮内に充填されたフラックス粉末とを備えている。フラックス粉末には、非金属粉末と金属粉末が含有されている。フラックス粉末中の非金属粉末は、フラックス入りワイヤの全質量に対して、８００℃以上の温度で焼成したＴｉＯ₂を４〜６質量％、合成された複酸化物としてＣａＳｉＯ₃を０．１〜３質量％、ＺｒＯ₂を０．５〜２質量％、金属弗化物を０．１〜２質量％、炭酸塩を０．０５〜１質量％、それぞれ含有している。また、フラックス粉末中の金属粉末は、チタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）のいずれか一種または両種からなる金属、もしくはＴｉ及びＡｌの合金が、フラックス入りワイヤの全質量に対するＴｉ及びＡｌの質量％換算値の合計で０．０５〜１質量％含有している。

【0010】

このような非金属粉末と金属粉末を含むフラックス粉末を、ＮｉまたはＮｉ基合金を主成分とする外皮に充填したＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、全姿勢溶接における諸性能（アーク安定性、スパッタ防止、ビード形状、スラグ剥離性、耐ブローホール性、耐高温割れ性、低温靱性等）を同時に維持することができる。

【0011】

なお、Ｔｉ及びＡｌの合金としては、Ｔｉ及びＡｌを含むＦｅ基合金粉末を用いることができる。このようなＦｅ基合金粉末を用いても、全姿勢溶接におる諸性能を発揮することができ、しかもこのＦｅ基合金粉末は安価であるため、フラックス入りワイヤの製造コストを小さくすることができる。

【0012】

また、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤ中の水分量は、３００ｐｐｍ以下に制限することが好ましい。フラックス入りワイヤ中の水分量をこのような数値範囲に調整することにより、全姿勢溶接における諸性能を確実に向上させることができる。なお、このような水分量の規定は、Ｎｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、発明者らが、充填フラックスの組成及びフラックス入りワイヤ中の水分量が溶接金属性能へ及ぼす影響を調査し、その調査結果により得られた知見を基になされたものである。

【0013】

なお、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤを用いて作製した溶着金属は、その溶着金属中に、ケイ素（Ｓｉ）：０．１１〜０．３６質量％、マンガン（Ｍｎ）：１．３８〜１．７２質量％、クロム（Ｃｒ）：１２．１〜１４．８質量％、モリブデン（Ｍｏ）：１２．０〜１４．６質量％、タングステン（Ｗ）：１．７〜３．９質量％、アルミニウム（Ａｌ）：０．０４〜０．３１質量％、チタン（Ｔｉ）：０．０１〜０．１７質量％、鉄（Ｆｅ）：４．６〜６．９質量％、バナジウム族元素としてバナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）及びタンタル（Ｔａ）の少なくとも１種以上：各０．１２〜１．００質量％、不可避不純物として炭素（Ｃ）：０．０３０質量％未満、リン（Ｐ）：０．０１０質量％未満、硫黄（Ｓ）：０．０１０質量％未満及び窒素（Ｎ）：０．０４０質量％未満が含まれており、残部がニッケル（Ｎｉ）である。また、バナジウム族元素の含有量は、下記（１）乃至（３）式の少なくとも１式の条件を満たしている。なお、下記（１）乃至（３）式は、Ｖ、Ｎｂ及びＴａが属するバナジウム族元素と不可避不純物として含まれるＣ及びＮとの関係で成立する式である。

【0014】

Ｖ≧（４×Ｃ＋３×Ｎ） ・・・・・（１）
Ｎｂ≧（７×Ｃ＋６×Ｎ） ・・・・・（２）
Ｔａ≧（１５×Ｃ＋１２×Ｎ）・・・・・（３）
溶着金属がこのような条件を満たす場合には、全姿勢溶接における諸性能を維持した上で、該諸性能の中でも特に耐高温割れ性および低温靱性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本例のＮｉ基合金フラックス入りワイヤの断面図である。

【図2】（ａ）は下向姿勢及び立向姿勢（上進）で溶接する場合の溶接部（開先部分）を示し、（ｂ）は横向姿勢で溶接する場合の溶接部（開先部分）を示す図である。

【図3】溶接割れ試験において、多層盛Ｔ形すみ肉溶接を行った場合の溶接部を示す図である。

【図4】溶着金属の衝撃試験において、９％Ｎｉ鋼母材の開先内を溶接した溶接部を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤの実施の形態について詳細に説明する。本例のＮｉ基合金フラックス入りワイヤでは、ＮｉまたはＮｉ基合金を主成分とする外皮内にフラックス粉末及び金属粉末が充填されている。フラックス粉末には、フラックス入りワイヤの全質量に対して、８００℃以上の温度で焼成したＴｉＯ₂が４〜６質量％、合成された複酸化物としてＣａＳｉＯ₃が０．１〜３質量％、ＺｒＯ₂が０．５〜２質量％、金属弗化物が０．１〜２質量％、炭酸塩が０．０５〜１質量％、それぞれ含有されている。また、金属粉末には、Ｔｉ及びＡｌのいずれか一種または両種からなる金属、もしくはＴｉ及びＡｌの合金が、フラックス入りワイヤの全質量に対するＴｉ及びＡｌの質量％換算値の合計で０．０５〜１質量％、含有されている。

【0017】

フラックス入りワイヤの外皮には、ＮｉまたはＮｉ基合金を使用する。Ｎｉ基合金としては、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金等を用いることができる。なお、Ｎｉとは純Ｎｉをいう。

【0018】

次にフラックス粉末に含まれる非金属粉末中のＴｉＯ₂は、アークの安定性やスラグの被包性が良好となるため添加する。なお、ＴｉＯ₂の添加量が少ないとこれらの特性が充分に得られず、ＴｉＯ₂の添加量が多いと耐高温割れ性やスラグ剥離性が低下する傾向があるため、ＴｉＯ₂の添加量は４〜６質量％に規制する。さらに、本例で用いるＴｉＯ₂は、天然原料であるＴｉＯ₂を８００℃以上の温度で焼成し、天然のＴｉＯ₂に存在する結晶化した水分を低減させている。このように焼成したＴｉＯ₂を用いることにより、良好な溶接金属の機械的性質や、溶接割れ防止効果が得られる。また、フラックス入りワイヤ中の水分量低減に寄与でき、フラックス入りワイヤ中の水分量を３００ｐｐｍ以下に制御することができるため、耐ブローホール性に優れたフラックス入りワイヤが得られる。

【0019】

合成された複酸化物であるＣａＳｉＯ₃は、ＳｉＯ₂を添加した場合と比較して溶接金属中の酸素量を下げることができ、溶接金属の耐高温割れ性や低温靱性を高める効果がある。ただし、ＣａＳｉＯ₃の添加量は、少ないと上記の効果が得られず、多いとアークが不安定となりスパッタが増加する傾向があるため、０．１〜３質量％に規制する。

【0020】

ＺｒＯ₂は、スラグの粘性や凝固速度を調整するため添加する。ＺｒＯ₂の添加量が適正な場合は、全姿勢溶接においてビードの垂れが抑制され、ビード形状が良好になる。なお、添加量が不足するとその効果が得られず、また添加量が多すぎるとスラグの粘性過剰や凝固速度の増加により、溶接金属中にブローホールが多く残存する傾向がある。そのため、ＺｒＯ₂の添加量は、０．５〜２質量％に規制する。

【0021】

金属弗化物は、溶融温度が低く、スラグの流動性や剥離性を向上させる。また、耐ブローホール性や溶融金属の精錬機能により、溶接金属の靱性を向上させることができる。ただし、金属弗化物の添加量が少ないと上記の効果が得られず、金属弗化物の添加量が多いとアークの吹付けが強くなりスパッタ発生や全姿勢溶接時のビードの垂れの原因となる。そのため、金属弗化物の添加量は、０．１〜２質量％に規制する。なお、金属弗化物としては、ＣａＦ₂、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＢａＦ₂、ＡｌＦ₃、ＭｇＦ₂等を用いることができる。

【0022】

炭酸塩は、アークの吹付けを強くする機能を有する。また、溶接熱により分解したＣＯ₂ガスがアーク中の水蒸気分圧を下げ、溶接金属中の水素を下げたり、ＣＯ₂ガスのシールド効果により、ブローホール発生を抑制する。そのため、炭酸塩の添加量が少ないと上記の効果が得られず、炭酸塩の添加量が多いとスパッタ発生や全姿勢溶接時のビードの垂れの原因となる。そのため、炭酸塩の添加量は、０．０５〜１質量％に規制する。炭酸塩としては、ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、ＭｎＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃等を用いることができる。

【0023】

フラックス粉末に含まれる金属粉末中のＴｉ及び／またはＡｌもしくはそれらを含む合金は、脱酸剤としての効果が強く、溶接金属の低温靱性向上にも寄与する。そのため、この添加量が少ないと効果が得られず、添加量が多いとＮｉと金属間化合物を生成し、延性、靱性の低下や、耐高温割れ性の低下を引き起こす傾向があり、また、スパッタの発生原因となる。そのため、この添加量は、Ｔｉ及びＡｌの質量％換算値の合計で０．０５〜１質量％に規制する。なお、本例では、Ｔｉ及びＡｌを含む合金として、入手し易く安価な鉄（Ｆｅ）系合金粉末を用いた。

【0024】

本例のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、得られる溶着金属中に、Ｓｉ：０．１１〜０．３６質量％、Ｍｎ：１．３８〜１．７２質量％、Ｃｒ：１２．１〜１４．８質量％、Ｍｏ：１２．０〜１４．６質量％、Ｗ：１．７〜３．９質量％、Ａｌ：０．０４〜０．３１質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．１７質量％、Ｆｅ：４．６〜６．９質量％、バナジウム族元素としてＶ、Ｎｂ及びＴａの少なくとも１種以上：各０．１２〜１．００質量％、不可避不純物としてＣ：０．０３０質量％未満、Ｐ：０．０１０質量％未満、Ｓ：０．０１０質量％未満及びＮ：０．０４０質量％未満を含み、かつ残部がＮｉである。バナジウム属元素は、炭素及び窒素との親和力が強いため、炭素及び窒素と結合し、粒内及び粒界に炭化物（ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ）及び窒化物（ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ）を生成する。これらの炭化物や窒化物は、いわゆる多パス溶接における熱サイクルで生じる粒界移動がピン止め効果により抑制され、結晶粒界を複雑化し、その結果、耐再熱割れ性を向上させる。ただし、バナジウム属元素の各添加量が少な過ぎると、上記の効果が得られず、バナジウム属元素の各添加量が多すぎるとＮｉと低融点化合物を生成するため、耐凝固割れ性が低下する。なお、再熱割れ及び凝固割れは、いずれも溶接時における高温下で発生する高温割れの一種であり、その発生メカニズムの相違により分類される。また、バナジウム属元素の過剰添加は、低温靱性も低下する。そのため、バナジウム族元素の含有量は、さらに下記（１）〜（３）式の少なくとも１式の条件を満たすように規制する。

【0025】

Ｖ≧（４×Ｃ＋３×Ｎ） ・・・・・（１）
Ｎｂ≧（７×Ｃ＋６×Ｎ） ・・・・・（２）
Ｔａ≧（１５×Ｃ＋１２×Ｎ）・・・・・（３）
なお、上記（１）〜（３）式は、Ｖ、Ｎｂ、及びＴａが属するバナジウム族元素と炭素及び窒素との関係で成立する式である。具体的には、数式（１）〜（３）のＣ、Ｎの係数は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａと炭素、窒素との原子量の比より求めた係数である。そのため、バナジウム族元素として、Ｖを用いる場合は、上記（１）式の条件を満たし、Ｎｂを用いる場合は、上記（２）式の条件を満たし、Ｔａを用いる場合は、上記（３）式の条件を満たすように、バナジウム族元素の添加量を規制することにより、高温割れ（再熱割れ、凝固割れの両者）を効果的に防ぎ、かつ極めて良好な低温靱性を発揮することができる。

【実施例】

【0026】

以下、図面を参照しながら、かつ、実施例及び比較例を用いて、本発明の効果を具体的に説明する。図１は、本例のＮｉ基合金フラックス入りワイヤの断面図である。この例では、外皮１とこの外皮１内に配置されたフラックス粉末２とを有している。外皮１は、表１に示すようなＮｉまたはＮｉ基合金からなり、径方向の厚みが約０．２〜０．３ｍｍの管状の形状を有している。外皮１は、細長い外皮用金属板（フープ）が筒状に成型されて構成されており、長手方向の両端部が相互に重なる合わせ目１ｃ、１ｄを有している。

【0027】

フラックス粉末２は、非金属粉末と金属粉末とが混合されている。非金属粉末には、上述のＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂等の酸化物、ＣａＳｉＯ₃等の複酸化物、金属弗化物、炭酸塩等が含まれている。また、金属粉末には、上述のように、Ｔｉ及びＡｌを含むＦｅ系合金粉末が用いられている。

【0028】

図１に示すＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、例えば、特開２００３−１０３３９４号公報等に示される公知の方法により製造することができる。なお、図１に示すフラックス入りワイヤは合わせ目を有する外皮を用いた例であるが、合わせ目を有しない外皮を用いたフラックス入りワイヤ（シームレスワイヤ）にも本発明を適用できるのはもちろんである。

【0029】

次に本発明の実施例及び比較例について説明する。表１は、外皮（フープ）を構成するＮｉおよびＮｉ基合金の化学組成を示す表である。また、表２は、外皮に充填するフラックスの化学組成及びフラックス入りワイヤ中の水分量を示す表である。さらに、表３は、得られた溶着金属の化学成分を示す表である。なお、表３中の「（１）（２）（３）式」列は、請求項４に記載上記（１）〜（３）の３式のうち、いずれか１式以上を満たしていれば○、いずれの式も満たさなければ×と記載した。

【0030】

【表1】

【0031】

【表2】

【0032】

【表3】

【0033】

表１〜表３に示す実施例及び比較例について、溶接技術の分野で一般に用いられる各種試験により、溶接性能を確認した。
［溶接作業性試験］
溶接作業性試験は、下向姿勢及び立向姿勢（上進）のすみ肉溶接にて判定を行った。下向姿勢は溶接作業性を評価する上で基本的な溶接姿勢であり、また立向姿勢は溶接速度を遅くするため、ビードが垂れ易く、その点、上向姿勢より厳しい条件となること、また、構造物の溶接には立向姿勢（上進）が広く採用されていることから、全姿勢溶接の評価姿勢として採用した。下向姿勢とは、溶接軸がほぼ水平な継手に対して、上方から下を向いて行う溶接姿勢であり、立向姿勢（上進）とは、溶接軸がほぼ鉛直な継手に対して下から上に向かって鉛直にビードを置く溶接姿勢である。シールドガスには、８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ₂を用いた。下向姿勢のすみ肉溶接は、溶接電流２００Ａ、アーク電圧３０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件にて、立向姿勢（上進）のすみ肉溶接は、溶接電流１５０Ａ、アーク電圧２５Ｖ、溶接速度８〜１２ｃｍ／ｍｉｎの溶接条件にて、それぞれ溶接を行った。

【0034】

溶接作業性は、下向姿勢および立向姿勢において、アーク安定性、スパッタ防止、ビード形状、スラグ剥離の観点から評価した。

【0035】

溶接作業性の評価は、◎：非常に良い、○：良い、△：やや劣る、×：劣る、の基準により判定した。また、各項目の評価を、◎：３点、○：２点、△：１点、×：０点、の基準により点数化し、得られた点数の合計から総合評価を行った。総合評価は、合計点が８点以上を合格とした。
［放射線透過試験］
溶接部の放射線透過試験は、図２（ａ）に示す開先内を、下向姿勢、立向姿勢にて溶接し、図２（ｂ）に示す開先内を、横向姿勢にて溶接した。放射線透過試験に横向姿勢を追加した理由は、横向姿勢では他のいかなる姿勢より溶接速度を速くするため、凝固速度が早く、ブローホールが残存し易くなり、放射線透過試験では最も厳しい条件となるためである。横向姿勢とは、溶接軸がほぼ水平な継手に対して、横方向にビードを置く溶接姿勢である。これらの溶接により得られた溶接部を、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に準拠して、ブローホールの有無を確認した。ブローホールの判定は、以下の評価基準に基づいて行い、第１種のきず（丸いブローホール及びこれに類するきず）の判定で、１類、２類を合格とした。なお、継手作製ができなかったものは１類〜４類のいずれにも該当しないものとして扱った。

【0036】

１類：きず点数２点以下
２類：きず点数３〜６点
３類：きず点数７〜１２点
４類：きず点数が３類よりも多いもの
なお、きず点数はきずの長径及び個数により算定される点数で、少ない方が評価が高い。
［溶接割れ試験］
溶接割れ試験として、多層盛Ｔ形すみ肉の段削り試験を行った。具体的には、図３に示すように、間隔Ｇを隔ててＴ字形に配置された２つの板材３、４を、拘束ビード５と試験ビード６〜１１により接合し、試験ビード表面から表面下１０ｍｍの位置まで、１ｍｍピッチで段削りを行い、クレータ以外での割れの有無を染色浸透探傷試験方法により調査した。溶接条件は、溶接電流２００Ａ、アーク電圧３０Ｖ、溶接速度５０ｃｍ／ｍｉｎとし、間隔Ｇは１ｍｍとした。

【0037】

溶接割れ試験では、多パス溶接による「再熱割れ」及び「凝固割れ」の発生から耐高温割れ性を評価した。具体的には、耐高温割れ性の評価は、再熱割れ及び凝固割れのいずれも発生しなかった場合は「極めて良好」と判定し、再熱割れまたは凝固割れのいずれかの発生に止まった場合は「概ね良好」と判定し、再熱割れ及び凝固割れのいずれも発生した場合は「不良」と判定した。
［衝撃試験］
溶着金属の衝撃試験では、図４に示す９％Ｎｉ鋼母材の開先内を溶接し、ＪＩＳ Ｚ ３１１１に準拠して、４号試験片１２を採取し、−１９６℃の液体窒素中に１０分間保持した後、シャルピー衝撃試験機にて試験を行った。試験片数は３本で、その平均値にて評価を行った。衝撃試験では、溶着金属の吸収エネルギー（Ｊ）を比較して、溶着金属の低温靱性を評価した。溶着金属（低温靱性）の評価は、吸収エネルギーが８５Ｊ以上の場合は「極めて良好」と判定し、吸収エネルギーが４０Ｊ以上かつ８５Ｊ未満の場合は「概ね良好」と判定し、吸収エネルギーが４０Ｊ未満の場合は「不良」と判定した。

【0038】

上記の溶接作業性試験、溶接部の放射線透過試験、溶接割れ試験、溶着金属の衝撃試験の結果を表４に示す。なお、表４の溶接割れ試験において、再熱割れ及び凝固割れが共に発生した場合は「高温割れ」と表記した。

【0039】

【表4】

【0040】

実施例１〜２５、及び比較例１〜１３は、いずれもＮｉ基合金フラックス入りワイヤである（実施例１〜１２及び比較例１〜１３は耐食・耐熱用途に用いられ、実施例１３〜２５は後述するＬＮＧタンク等の極低温構造物の溶接に用いられる）。実施例１〜２５のフラックス入りワイヤを用いた溶接では、下向姿勢、立向姿勢での溶接作業性、耐ブローホール性、耐高温割れ性、低温靱性について、いずれも良好な結果が得られた。

【0041】

これに対して、比較例１（炭酸塩が規制値を超える場合）では、スパッタが多発し、立向姿勢において溶融金属が垂れてビード断面形状が凸となりビード形状が不良となった。

【0042】

比較例２（ＴｉＯ₂が規制値を超える場合）では、スラグの剥離性がわずかに低下した。また、耐溶接割れ性が著しく低下した（再熱割れ及び凝固割れが共存した）。また、吸収エネルギーも極端に低下した。

【0043】

比較例３（ＴｉＯ₂が規制値を下回り、金属弗化物が規制値を超える場合）では、スパッタが多発し、立向姿勢において溶融金属が垂れてビード断面形状が凸となりビード形状が不良となった。また、比較例３では、下向姿勢、立向姿勢に限らず、アークが不安定で、スパッタが多発した。

【0044】

比較例４（ＣａＳｉＯ₃が無添加で、その代わりにＳｉＯ₂を含有する場合）では、耐溶接割れ性が著しく低下した（再熱割れ及び凝固割れが共存した）。また、吸収エネルギーも極端に低下した。

【0045】

比較例５（ＣａＳｉＯ₃が規制値を超える場合）では、スパッタが多発し、立向姿勢でのアークが不安定であった。

【0046】

比較例６（ＺｒＯ₂が無添加の場合）では、立向姿勢において、スパッタが多発し、また溶融金属が垂れてビード断面形状が凸となりビード形状が不良となった。

【0047】

比較例７（ＺｒＯ₂が規制値を超える場合）では、立向姿勢で、スパッタが多発し、スラグの剥離性がわずかに低下した。また、凝固速度が速くなりすぎて、横向姿勢でブローホールが多発した。

【0048】

比較例８（未焼成のＴｉＯ₂を使用した場合）では、フラックス入りワイヤ中の水分量が多くなり（３００ｐｐｍを超え）、ブローホールが多発した。また耐溶接割れ性が著しく低下した（再熱割れ及び凝固割れが共存した）。また、吸収エネルギーも極端に低下した。

【0049】

比較例９（炭酸塩が規制値より少ない場合）では、アークの吹付けが弱くなり、立向姿勢の作業性が若干低下し、横向姿勢でブローホールが多発した。

【0050】

比較例１０（ＴｉＯ₂が規制値より少ない場合）では、立向姿勢の作業性が若干低下した。

【0051】

比較例１１（未焼成のＴｉＯ₂を使用し、金属弗化物が無添加の場合）では、フラックス入りワイヤ中の水分量が多くなり（３００ｐｐｍを超え）、ブローホールが多発した。また耐溶接割れ性が著しく低下した（再熱割れ及び凝固割れが共存した）。また、吸収エネルギーも極端に低下した。

【0052】

比較例１２（金属粉末としてのＴｉ、Ａｌが規制値を超える場合）では、下向姿勢でスパッタが多発した。また、得られた溶着金属の耐溶接割れ性が著しく低下した（再熱割れ及び凝固割れが共存した）。また、吸収エネルギーも極端に低下した。

【0053】

比較例１３（金属粉末としてのＴｉ、Ａｌが規制値より少ない場合）では、立向姿勢での溶接作業性が若干低下した。また、脱酸効果がなく、横向姿勢でブローホールが多発した。

【0054】

実施例１〜２５の中で、実施例１３〜２５は、ＬＮＧタンク等の極低温構造物に用いられる９％Ｎｉ鋼の溶接に使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを対象とするものである。９％Ｎｉ鋼用溶接材料は、極低温での靱性が優れていることに加え、耐高温割れ性に優れていることが重要である。このような観点から、９％Ｎｉ鋼の溶接に使用されるＮｉ基合金フラックス入りワイヤにおいて、耐高温割れ性及び低温靱性に対するバナジウム属元素の添加効果を確認したところ、以下の結果が得られた。

【0055】

特に、実施例１３〜１８［バナジウム族元素の含有量が規制値を満たしており、かつ、数式（１）、（２）、（３）の条件を満たしている場合］のフラックス入りワイヤを用いた溶接では、耐高温割れ性および低温靱性はいずれも「極めて良好」であった。

【0056】

これに対して、実施例１９、２２（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａが、いずれも規制値より少ない場合）、実施例２０、２１、２５［バナジウム族元素の含有量は規制値を満たしているが、数式（１）、（２）、（３）のいずれも満たしていない場合］、実施例２３、２４（Ｖ、Ｎｂが規制値を超える場合）のフラックス入りワイヤを用いた溶接では、耐高温割れ性および低温靱性はいずれも「概ね良好」にとどまった。

【0057】

このように、実施例１〜２５のフラックス入りワイヤを用いた溶接では、下向姿勢、立向姿勢での溶接作業性、耐ブローホール性、耐高温割れ性、及び衝撃性能は、いずれも良好な結果となり、特に実施例１３〜１８は、実施例１９〜２５と比較して、耐高温割れ性、及び衝撃性能が向上することが判った。

【0058】

以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく変更が可能であるのは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明のＮｉ基合金フラックス入りワイヤは、フラックス入りワイヤの全質量に対して、８００℃以上の温度で焼成したＴｉＯ₂を４〜６質量％、合成された複酸化物としてＣａＳｉＯ₃を０．１〜３質量％、ＺｒＯ₂を０．５〜２質量％、金属弗化物を０．１〜２質量％、炭酸塩を０．０５〜１質量％、それぞれ含有する非金属粉末と、Ｔｉ及びＡｌのいずれか一種または両種からなる金属、もしくはＴｉ及びＡｌの合金が、フラックス入りワイヤの全質量に対するＴｉ及びＡｌの質量％換算値の合計で０．０５〜１質量％含有する金属粉末とが含まれるフラックス粉末が、ＮｉまたはＮｉ基合金を主成分とする外皮に充填されているため、全姿勢溶接における諸性能（アーク安定性、スパッタ防止、ビード形状、スラグ剥離性、耐ブローホール性、耐高温割れ性等）を同時に向上させ、さらに良好な低温靱性を確保できる。

【要約】

【課題】 全姿勢溶接において良好な作業性を有し、耐ブローホール性、耐高温割れ性を高めることができるＮｉ基合金フラックス入りワイヤを提供する。
【解決手段】 ＮｉまたはＮｉ基合金を主成分とする外皮内に、非金属粉末と金属粉末を含むフラックス粉末を充填する。フラックス粉末中の非金属粉末は、フラックス入りワイヤの全質量に対して、８００℃以上の温度で焼成したＴｉＯ₂を４〜６質量％、合成された複酸化物であるＣａＳｉＯ₃を０．１〜３質量％、ＺｒＯ₂を０．５〜２質量％、金属弗化物を０．１〜２質量％、炭酸塩を０．０５〜１質量％、Ｔｉ及びＡｌのいずれか一種または両種もしくはＴｉ及びＡｌの合金が、フラックス入りワイヤの全質量に対するＴｉ及びＡｌの質量％換算値の合計で０．０５〜１質量％含有する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】