JP2000033480A

JP2000033480A - 多層溶接方法

Info

Publication number: JP2000033480A
Application number: JP22472698A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kasuya; 正糟谷; Shigeru Okita; 茂大北; Masao Fuji; 雅雄藤; Naoki Saito; 直樹斎藤; Junichi Kobayashi; 順一小林; Toshihiko Chiba; 利彦千葉
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2000-02-02
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: JP3586380B2

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接金属部の溶接残留応力を低減できる多層
溶接方法を提供する。【解決手段】オーステナイトからマルテンサイトへの
変態開始温度（Ｍｓ温度）が、１５０〜３００℃の溶接
金属を形成し、かつ、最終層の表面をＴＩＧリメルトラ
ン溶接することを特徴とする多層溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多層溶接方法に関
し、溶接構造物の信頼性向上に関するもので、特に溶接
金属部分の残留応力を低減し、応力腐食割れ、疲労特
性、脆性破壊特性等の向上に寄与するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶接部の残留応力を低減する最も
有効な、かつよく用いられてきた方法は、溶接終了後、
応力除去焼鈍（ＳＲ）を行う方法であった。これは、単
に、溶接残留応力を低減するだけでなく、冶金的な特性
をも改善する意味を持つ。しかし、ＳＲは、溶接構造物
の工作コストを増加させるという問題があり、ＳＲを行
わずに溶接残留応力を低減する方法があれば、産業上の
メリットは大きい。

【０００３】そのため、これまでいくつかの残留応力低
減方法が提案されてきている。その代表的なものは、溶
接金属がオーステナイトからマルテンサイトに変態する
時に生じる変態膨張を利用する方法、溶接終了後機械的
に残留応力を低減する方法（ショットピーニング法
等）、継手特性が問題となる部分に圧縮の残留応力が分
布するようにわざと新たな溶接ビードを形成する方法、
などがある。

【０００４】このうち後者２つについては、溶接構造物
を作製する工作負荷に、新たな工作負荷を発生させると
いう問題を含んでいる。これに対し、オーステナイトか
らマルテンサイトに変態する温度（以下、マルテンサイ
ト変態開始温度すなわち「Ｍｓ温度」を指す）を低温度
にし、その変態膨張を利用する方法は、材料自身が圧縮
残留応力になるように振る舞うため、これで残留応力を
低減することができれば新たな工作負荷が発生するとい
う問題は生じない。なお、変態温度が低温度で生じなけ
ればならない理由は、変態終了後の熱収縮で再び残留応
力が大きくならないようにするためである。

【０００５】しかし、この方法も、確実に残留応力を低
減するという観点からは、まだ十分な効果を上げること
はできてはいない。すなわち、多層溶接を行う場合にお
いて、最終層の各溶接ビードの残留応力は必ずしも全て
低減されているとは限らず、部分的には高い残留応力が
低温変態膨張材料を用いてもまだ生じている。このよう
に、溶接金属部分の残留応力が、必ずしも低減されてい
ない場合は、その部分より応力腐食割れ等の問題が発生
する危険性があることを意味し、溶接構造物全体として
の信頼性という観点からは、必ずしも向上しているとい
える保証はない。従って、溶接金属の変態膨張を用いて
残留応力を低減する従来の技術では、未だ溶接構造物の
信頼性を向上させるには至っていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題を解消し、溶接金属表面全体の残留応力を低減
することができる多層溶接方法を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来技術
では、低温度での変態膨張を充分に残留応力低減に利用
しきっていないと言うことに着眼し、溶接金属の低温度
での変態膨張を確実に効果のあるものにするにはどうす
ればよいかという問題意識を持って、鋭意研究の結果、
本発明を完成させたもので、その要旨は以下の通りであ
る。

【０００８】（１）オーステナイトからマルテンサイト
への変態開始温度が、１５０℃以上３００℃以下である
ような溶接金属を形成し、かつ、最終層の表面をＴＩＧ
リメルトラン溶接することを特徴とする多層溶接方法。（２）Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏをそれぞれの成分の重
量％とし、下記式で定義されるパラメーターＰa の範囲
が、０．９５以上、かつ１．３０以下であることを特徴
とする溶接ワイヤを用いることを特徴とする前記（１）
記載の多層溶接方法。

【０００９】Ｐａ＝Ｃ＋Ｎｉ／１２＋Ｃｒ／２４＋Ｍｏ／１９（３）溶接ワイヤが、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．２
％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．５
％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｎｉ：
８〜１２％を含有し、Ｔｉ：０．０１〜０．４％、Ｎ
ｂ：０．０１〜０．４％、Ｖ：０．３〜１．０％の１種
または２種以上をさらに含有し、残部が鉄および不可避
不純物からなることを特徴とする前記（２）に記載の多
層溶接方法。

【００１０】（４）溶接ワイヤが、重量％で、Ｃｕ：
０．０５〜０．４％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：
０．１〜３．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種また
は２種以上をさらに含有することを特徴とする前記
（３）に記載の多層溶接方法。

【００１１】（５）溶接ワイヤが、重量％で、Ｃ：０．
００１〜０．０５％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：
０．４〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２
％以下、Ｎｉ：４〜８％、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎ：
０．００１〜０．０５％を含有し、Ｃ＋Ｎ：０．００１
〜０．０６％であり、残部が鉄及び不可避不純物からな
ることを特徴とする前記（２）に記載の多層溶接方法。

【００１２】（６）溶接ワイヤが、重量％で、Ｍｏ：
０．１〜２．０％、Ｃｕ：０．０５〜０．４％、Ｔｉ：
０．００５〜０．３％、Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｖ：０．０５〜０．５％の１種または２種上をさらに含
有する前記（６）に記載の多層溶接方法。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を詳細に説明す
る。まず、多層溶接継手において、充分低温度で変態膨
張が生じた場合においても、溶接ビード毎の残留応力を
調べると、かなり高い応力値を示す場合がある理由につ
いて述べる。

【００１４】多層溶接を行う場合において、ある溶接ビ
ードの残留応力が圧縮であったとする。その後、その溶
接ビードに隣接するかたちで新たな溶接ビードが置かれ
たとき、そのビードが変態膨張するとそれ以前の溶接ビ
ードを引張る方向に作用する。これは、ある溶接ビード
の残留応力が低減されたとしても、その後引き続き溶接
をすることにより、後続溶接ビードの変態膨張が、その
前の溶接ビードに引張残留応力が生じるように作用する
ことを意味し、結局残留応力が低減されるのは、最終層
に存在しかつ最終ビードのみで、表層に存在するそれ以
外のビードは、大きな引張残留応力が残ってしまうこと
を意味する。しかし、最終ビードに低温変態膨張が発生
しない材料を使用すると、当然のことであるが最終ビー
ドの残留応力を低減することはできない。

【００１５】このように、溶接ビードを表面に複数置く
場合は、それぞれのビードがお互いに相互作用を起こす
ため、必ずしも溶接金属の表面の溶接残留応力を全面的
に低減することは難しいと言わざるを得ない。従って、
溶接材料に改良を加えることにより溶接金属の残留応力
を低減する技術は、まだ充分完成されている技術ではな
いことがわかる。

【００１６】以上の考察からわかるように、最終層を１
ビードで仕上げることが可能ならば、少なくとも溶接金
属部分の表面は残留応力を低減することが可能であるこ
とがわかる。しかし、最終層を１ビードで仕上げるの
は、開先が充分狭くすることができる場合を除けば、溶
接入熱量が過大になりすぎる場合が多く、たとえ残留応
力を低減したとしても、継手特性向上、ひいては溶接構
造物の信頼性確保の観点からは必ずしも望ましい結果を
得ることはできない。

【００１７】発明者らは、このような従来技術が持つ問
題点を鋭意解析し、ＴＩＧリメルトラン溶接の効果を確
認した。ＴＩＧリメルトラン溶接は、多層溶接を行った
ときの、表面の溶接ビードによっては低温変態膨張をし
たとしても必ずしも残留応力が低減されないというこれ
までの問題点を解決するものである。すなわち、表面を
一度ＴＩＧで再溶解させることにより、残留応力の再分
配を発生させ、溶接金属表面を均一に溶融させ、新たな
溶接ビードを形成させたときと同じ効果を発生させる。
しかも、表面が一度溶融され、その後冷却過程に入り、
かつ後続溶接が存在しないため、従来技術で発生した問
題点、すなわち、あるビードの残留応力が低減されたと
しても、後続溶接ビードで再び高い引張残留応力が発生
するという問題がない。さらに、局部的にみれば、溶接
ビード表面の応力集中部が少なくなるという利点も存在
する。以上のように、ＴＩＧリメルトラン溶接を行うメ
リットは、継手性能向上の観点からすれば、その経済メ
リットは大きい。

【００１８】次に、溶接ワイヤの成分範囲を限定した理
由をについて説明する。まず、Ｍｓ温度を限定した理由
を述べる。溶接ワイヤは、最終層のビードが１ビードで
ある場合においては溶接残留応力を期待できる程度に低
Ｍｓ温度を持つ溶接金属を形成せしめることができなけ
ればならない。そのためにはＭｓ温度が１５０℃以上３
００℃以下である必要がある。Ｍｓ温度の上限３００℃
を設定した理由は、もし、Ｍｓ温度がこれより高い温度
である場合は、マルテンサイト変態し、その変態膨張に
より、そのときの温度、すなわちＭｓ温度で応力が圧縮
残留応力になったとしても、その後室温まで冷却する過
程における熱収縮により再び高い引張応力状態になって
しまうためである。変態後の熱収縮量は室温とMs温度の
差に比例するため、Ｍｓがある程度以上高くなると熱収
縮量が多くなり室温時の応力状態、すなわち残留応力を
低減することが不可能になってくる。Ｍｓ温度の上限３
００℃は、これ以上高いＭｓ温度では溶接材料を用いる
ことによる残留応力低減は不可能であることからこの値
を設定した。

【００１９】マルテンサイト変態後の熱収縮を小さくす
るためには、Ｍｓ温度は室温以上の値ならば、低ければ
低いほど有利になると考えられる。しかし、実際の溶接
金属においては、Ｍｓ温度が低すぎる場合、たとえその
値が室温以上であったとしても、溶接金属全体が変態す
るとは限らない。残留オーステナイトの割合が高くなる
と言うことは、それだけ変態膨張量が小さくなることを
意味する。本発明は、残留応力低減のため溶接金属の変
態膨張を利用しているため、確実にマルテンサイト変態
をさせなければ本発明の有効性を発揮することができな
い。Ｍｓ温度の下限１５０℃は、残留オーステナイトの
発生を押さえマルテンサイト変態を確実に発生させるた
めに設定した。

【００２０】以上のように、溶接ワイヤの成分はＭｓ温
度を所定の範囲内になるような成分系として定めるべき
ものであるが、この変態膨張を確実に有効利用するため
には、変態時の溶接金属強度がある程度確保されていな
ければならないという問題もある。溶接金属の強度は、
温度が上昇すると通常低下する傾向にある。したがっ
て、例えば、もし、変態膨張時に、溶接金属強度が極端
に低くなれば、変態膨張そのものは、ほとんどが残留応
力に関係ない塑性歪みになるだけで、その後の熱収縮と
強度回復により導入されるのは引張応力のみとなってし
まうからである。そのため、溶接ワイヤ成分としては、
低Ｍｓ温度を確保する点のみならず、強度を確保すると
いう点からも限定する必要がある。

【００２１】このような特性を持つ溶接金属を形成する
ことができる溶接ワイヤは、その成分選択にも細心の注
意を払う必要がある。次に、下記式に示されるパラメー
ターＰを導入し、その値の範囲を限定した理由について
述べる。Ｐａ＝Ｃ＋Ｎｉ／１２＋Ｃｒ／２４＋Ｍｏ／１９（ｉ）パラメーターＰａは、Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏの成分
値で計算される。これら成分は、溶接金属に添加するこ
とにより強度を向上させ、かつＭｓ温度を低下させる働
きを持つ。特に、Ｍｓ温度を低減させる元素という意味
では、これらＣ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、最も有効利
用すべき元素である。一方、Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏ
のＭｓ温度を低減し残留応力を下げる働きは、必ずしも
同一ではないため、それぞれの働きに応じた係数を定
め、４つの元素全体としてその効果を表す指標を作成す
ることは、工業的価値が高いと判断し、式（ｉ）で示さ
れるようなＰａを作成したものである。但し、Ｐａの値
にもその適正範囲がある。例えば、Ｐａが小さすぎると
Ｍｓ温度を低減することが難しい。逆に、Ｐａが大きい
ことは、Ｍｓ温度がより低減され、残留応力も低減され
ることを意味するが、オーステナイトが溶接金属に残留
する可能性もあり、継手特性確保の観点からは好ましい
とはいいがたい。以上のことにより、Ｐａの範囲を０．
９５以上、１．３０以下とした。

【００２２】このような成分系は必ずしも１種類だけで
はない。それは、Ms温度を下げることのできる成分はＮ
ｉ、Ｃｒなど複数存在することによる。本発明における
溶接用鋼は、前記（３）および（４）に記述されている
Ｎｉを主として用いる成分系と、前記（５）および
（６）に記述されているＣｒを主として用いる成分系の
２つに分けることができ、以降、前者をＮｉ系溶接ワイ
ヤ、後者をＣｒ系溶接ワイヤと呼ぶことにする。以下に
各元素の限定理由を詳細に説明する。

【００２３】まず、Ｎｉ系溶接ワイヤにおける成分範囲
限定理由について説明する。Ｃは、それを鉄に添加する
ことによりＭｓ温度を下げる働きをする。しかし、その
一方で、過度の添加は、溶接金属の靱性劣化および溶接
金属割れの問題を引き起こすため、その上限を０．２％
とした。しかし、Ｃが無添加の場合は、マルテンサイト
が得られにくく、また他の高価な元素のみで残留応力低
減を図らなければならず経済的とはいえない。Ｃが０．
０１％以上添加する場合に限定したのは、安価な元素で
あるＣを利用し、その経済メリットが出る最低限の値と
して設定した。なお、Ｃの上限は、溶接金属割れの観点
から、好ましくは０．１５％に設定することが望まし
い。

【００２４】Ｓｉは、脱酸元素として知られる。Ｓｉ
は、溶接金属の酸素レベルを下げる効果がある。特に溶
接施工中においては、溶接中に空気が混入する危険性が
あるため、Ｓｉ量を適切な値にコントロールすることは
きわめて重要である。まず、Ｓｉの下限についてである
が、溶接ワイヤに添加するＳｉ量として０．１％に満た
ない場合、脱酸効果が薄れ溶接金属中の酸素レベルが高
くなりすぎ、機械的特性、特に靱性の劣化を引き起こす
危険性がある。そのため、溶接ワイヤについては、その
下限を０．１％とした。一方、過度のＳｉ添加も靱性劣
化を発生せしめるため、その上限を０．５％とした。

【００２５】Ｍｎは、強度を上げる元素として知られ
る。そのため、本発明における残留応力低減メカニズム
である変態膨張時の降伏強度確保という観点から有効利
用すべき元素である。Ｍｎの下限、０．０１％は強度確
保という効果が得られる最低限の値として設定した。一
方、過度の添加は、母材および溶接金属の靱性劣化を引
き起こすためその上限を１．５％とした。

【００２６】ＰおよびＳは、本発明では不純物である。
しかし、これら元素は、溶接金属に多く存在すると、靱
性が劣化するため、その上限をそれぞれ０．０３％、
０．０２％とした。Ｎｉは、単体でオーステナイトすな
わち面心構造を持つ金属であり、溶接ワイヤに添加する
ことによりオーステナイトの状態をより安定な状態にす
る元素である。鉄そのものは、高温域でオーステナイト
構造になり、低温域でフェライトすなわち体心構造にな
る。Ｎｉは、それを添加することにより、鉄の高温域に
おける面心構造をより安定な構造にするため、無添加の
場合に比べ、より低温度域においても面心構造となる。
このことは、体心構造に変態する温度が低くなることを
意味する。Ｎｉの下限、８％は、残留応力低減効果が現
れる最低限の添加量という意味で決定した。Ｎｉの上
限、1 ２％は、残留応力低減の観点からはこれ以上添加
してもあまり効果が変わらない上、これ以上添加すると
Ｎｉが高価であるという経済的デメリットが生じてくる
ためである。

【００２７】Ｃｕは、溶接ワイヤにメッキすることによ
り通電性をよくする効果があるため、溶接作業性を改善
するために有効な元素である。また、Ｃｕは焼入性元素
でもあるため、マルテンサイト変態を促進させるという
効果も期待できる。Ｃｕの下限０．０５％は作業性改善
やマルテンサイト変態促進のために必要な最低限の値と
して設定した。しかし、過度の添加は、作業性改善の効
果がないだけでなく、ワイヤ製造コストを上げるため産
業上も好ましくはない。Ｃｕの上限、０．４％はこのよ
うな理由により設定した。

【００２８】Ｎｂは、溶接金属中においてＣと結合し、
炭化物を形成する。Ｎｂ炭化物は、少量で溶接金属の強
度を上げる働きがあり、従って、有効利用することの経
済メリットは大きい。また、本発明における残留応力低
減技術である、Ｍｓ温度における降伏強度を高める意味
からもメリットは大きい。しかし、一方で過度の炭化物
形成は、靱性劣化が発生するため自ずと上限が設定され
る。Ｎｂの下限は、炭化物を形成せしめ、強度増加効果
が期待できる最低の値として０．０１％を設定した。上
限は、靱性劣化による溶接部の信頼性が損なわれない値
として０．４％とした。

【００２９】ＶもＮｂと同様な働きをする元素である。
しかし、Ｎｂと異なり、同じ析出効果を期待するために
は、Ｎｂより添加量を多くする必要がある。Ｖ添加の下
限０．３％は、添加することにより析出硬化が期待でき
る最低値として設定した。Ｖの上限は、これより多く添
加すると析出硬化が顕著になりすぎ、靱性劣化を引き起
こすために１．０％とした。

【００３０】Ｔｉも、Ｎｂ、Ｖ同様、炭化物を形成し析
出硬化を生じせしめる。しかし、Ｖの析出硬化がＮｂの
それと違っていたようにＴｉの析出硬化もまたＮｂ、Ｖ
と異なる。そのため、Ｔｉの添加量の範囲もＮｂ、Ｖと
異なった範囲が設定される。Ｔｉ添加量の下限０．０１
％は、その効果が期待できる最低量として、上限の０．
４％は靱性劣化を考慮して決定した。

【００３１】Ｃｒは、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ同様析出硬化元素
である。また、ＣｒはＭｓ温度を低減する効果も合わせ
持つので有効活用すべき元素である。しかし、本発明に
おける溶接ワイヤは、主としてＮｉ添加によりＭｓ温度
低減を達成しているため、Ｃｒ添加量はＮｉより少なく
すべきである。過度のＣｒ添加は必ずしも残留応力低減
効果を向上させず、Ｃｒが高価であるため産業上好まし
くはない。Ｃｒ添加量の下限０．１％は、これを添加
し、残留応力低減効果が得られる最低限の値として設定
した。Ｃｒ添加量の上限３．０％は、Ｎｉ系溶接ワイヤ
については、Ｍｓ温度がＮｉ添加によりすでに低減され
ていること、他の析出元素により強度も確保されている
ことから、これ以上添加しても残留応力低減効果があま
り変わらなくなる、靱性劣化が顕著になることにより設
定した。

【００３２】ＭｏもＣｒ同様の効果を持つ元素である。
しかし、Ｍｏは、Ｃｒ以上に析出硬化が期待できる元素
である。そのため、添加範囲はＣｒより狭く設定した。
下限の０．１％は、Ｍｏ添加の効果が期待できる最低限
の値として設定した。上限の３．０％は、これ以上添加
すると、硬化しすぎるため靱性劣化が顕著になってくる
ため設定した。

【００３３】Ｃｏは、Ｔｉ等と異なり、強い析出硬化を
生じせしめる元素ではない。しかし、Ｃｏは、それを添
加することにより強度増加をもたらし、かつ強度増加を
期待しながら靱性を確保するという観点からは、Ｎｉよ
り好ましい元素であることから有効利用すべき元素であ
る。しかし、Ｎｉは、残留応力低減効果を期待できる程
度の低Ｍｓ温度を確保するために溶接ワイヤに添加して
いるため、Ｃｏ添加量の下限０．１％は、Ｃｏ添加の効
果が期待できる最低限の値として設定した。一方、過度
の添加は、強度増加が過大となり靱性劣化をもたらすた
めその上限を２．０％とした。

【００３４】次に、Ｃｒ系溶接ワイヤについて、その成
分範囲限定理由について説明する。Ｃは、それを鉄に添
加することによりＭｓ温度を下げる働きをする。しか
し、その一方で、過度の添加は、溶接割れの問題や靱性
劣化の問題を引き起こすため、その上限を０．０５％と
した。しかし、Ｃが無添加の場合は、マルテンサイトが
得られにくく、また他の高価な元素のみで残留応力低減
を図らなければならず経済的とはいえない。Ｃが０．０
０５％以上添加する場合に限定したのは、安価な元素で
あるＣを利用し、その経済メリットが出る最低限の値と
して設定した。

【００３５】Ｓｉは、脱酸元素として知られる。Ｓｉ
は、溶接金属や鋼材の酸素レベルを下げる効果がある。
特に溶接金属では、溶接中に空気が混入する危険性があ
るため、Ｓｉ量を適切な値にコントロールすることはき
わめて重要である。まず、Ｓｉの下限についてである
が、溶接ワイヤに添加するＳｉ量として０．１％に満た
ない場合、脱酸効果が薄れ溶接金属中の酸素レベルが高
くなりすぎ、機械的特性、特に靱性の劣化を引き起こす
危険性がある。そのため、溶接ワイヤについては、その
下限を０．１％とした。一方、過度のＳｉ添加も靱性劣
化を発生せしめるため、その上限を０．７％とした。

【００３６】Ｍｎは、強度を上げる元素として知られ
る。そのため、本発明における残留応力低減メカニズム
である変態膨張時の降伏強度確保という観点から有効利
用すべき元素である。Ｍｎの下限、０．４％は強度確保
という効果が得られる最低限の値として設定した。一
方、過度の添加は、母材および溶接金属の靱性劣化を引
き起こすためその上限を２．５％とした。

【００３７】ＰおよびＳは、本発明では不純物である。
しかし、これら元素は、母材および溶接金属に多く存在
すると、靱性が劣化するため、その上限をそれぞれ０．
０３％、０．０２％とした。Ｎｉは、単体でオーステナ
イトすなわち面心構造を持つ金属である。鉄そのもの
は、高温域でオーステナイト構造になり、低温域でフェ
ライトすなわち体心構造になる。Ｎｉは、それを添加す
ることにより、鉄の高温域における面心構造をより安定
な構造にするため、無添加の場合に比べ、より低温度域
においても面心構造となる。このことは、体心構造に変
態する温度が低くなることを意味する。また、Ｎｉはそ
れを添加することにより溶接金属の靱性を改善するとい
う効果を持つ。Ｃｒ系溶接ワイヤにおけるＮｉ添加量の
下限４％は、残留応力低減効果が現れる最低限の添加量
および靱性確保の観点から決定した。Ｎｉ添加量の上限
８％は、Ｃｒ系溶接ワイヤにおいては、次に述べるＣｒ
添加によりある程度Ms温度が低減されていることおよ
び、残留応力低減の観点からはこれ以上添加してもあま
り効果が変わらない上、これ以上添加するとＮｉが高価
であるという経済的デメリットが生じてくるためこの値
を設定した。

【００３８】Ｃｒは、Ｎｉと異なり、フェライトフォー
マーである。しかし、Ｃｒは、それを鉄に添加すると、
高温度域ではフェライトであるものの、中温度域ではオ
ーステナイトを形成し、さらに温度が低くなると再びフ
ェライトを形成する。溶接部の場合、溶接入熱量により
熱履歴で、低い温度側のフェライトは一般的に得られ
ず、マルテンサイトが得られることになる。これは、Ｃ
ｒを添加することの利点は、焼入性の増加が原因であ
る。すなわち、Ｃｒを添加することによるマルテンサイ
ト変態は、焼入性が増加することによるフェライト変態
が生じない点と、Ｍｓ温度そのものが低くなるという２
つの点が存在する。これら両方の効果を満たしながら残
留応力を低減するための変態膨張を有効利用するＣｒ添
加範囲として、下限１０％を設定した。上限１５％は、
これを上回る量を添加してもその効果が大きくならない
上、経済的にもデメリットが大きくなるため、この値を
設定した。

【００３９】Ｃｕは、溶接ワイヤにメッキすることによ
り通電性をよくする効果があるため、溶接作業性を改善
するために有効な元素である。また、Ｃｕは焼入性元素
でもあるため、マルテンサイト変態を促進させるという
効果も期待できる。Ｃｕの下限０．０５％は作業性改善
やマルテンサイト変態促進のために必要な最低限の値と
して設定した。しかし、過度の添加は、作業性改善の効
果がないだけでなく、ワイヤ製造コストを上げるため産
業上も好ましくはない。Ｃｕの上限、０．４％はこのよ
うな理由により設定した。

【００４０】Ｎｂは、溶接金属中においてＣと結合し、
炭化物を形成する。Ｎｂ炭化物は、少量で溶接金属の強
度を上げる働きがあり、従って、有効利用することの経
済メリットは大きい。また、本発明における残留応力低
減技術である、Ｍｓ温度における降伏強度を高める意味
からもメリットは大きい。しかし、一方で過度の炭化物
形成は、靱性劣化が発生するため自ずと上限が設定され
る。Ｎｂの下限は、炭化物を形成せしめ、強度増加効果
が期待できる最低の値として０．００５％を設定した。
上限は、靱性劣化による溶接部の信頼性が損なわれない
値として０．３％とした。

【００４１】ＶもＮｂと同様な働きをする元素である。
しかし、Ｎｂと異なり、同じ析出効果を期待するために
は、Ｎｂより添加量を多くする必要がある。Ｖ添加の下
限０．０５％は、添加することにより析出硬化が期待で
きる最低値として設定した。Ｖの上限は、これより多く
添加すると析出硬化が顕著になりすぎ、靱性劣化を引き
起こすために０．５％とした。

【００４２】Ｔｉも、Ｎｂ、Ｖ同様、炭化物を形成し析
出硬化を生じせしめる。しかし、Ｖの析出硬化がＮｂの
それと違っていたようにＴｉの析出硬化もまたＮｂ、Ｖ
と異なる。そのため、Ｔｉの添加量の範囲もＮｂ、Ｖと
異なった範囲が設定される。Ｔｉ添加量の下限０．００
５％は、その効果が期待できる最低量として、上限の
０．３％は靱性劣化を考慮して決定した。

【００４３】Ｍｏも、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ同様析出硬化が期
待できる元素である。しかし、Ｍｏは、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ
と同等な効果を得るためには、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ以上に添
加する必要がある。Ｍｏ添加量の下限０．１％は、析出
硬化による降伏強度増加が期待できる最低値として設定
した。また、上限の２．０％は、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ同様、
靱性劣化を考慮して決定した。

【００４４】Ｎは、オーステナイトフォーマーとして知
られている元素である。Ｎも添加することによりマルテ
ンサイトが得られやすくなるため、最低限の添加は必要
である。Ｎの下限、０．００１％は、Ｃ同様、低Ｍｓ温
度が得られるための最低値として定めた。しかし、過大
な添加は窒化物を形成し、靱性劣化や延性劣化の問題が
発生するためその上限を０．０５％とした。

【００４５】ＣとＮは、それぞれ炭化物、窒化物を形成
する、オーステナイトフォーマーであるなど、その働き
が似ており、それら合計、すなわちＣ＋Ｎの量も上限、
下限を設定する必要がある。Ｃ＋Ｎの下限、０．００１
％は、マルテンサイトを得やすくし、かつＭｓ温度を低
くするための最低限の値として、また上限の０．０６％
は、炭化物、窒化物による靱性劣化および延性劣化の問
題が発生しない限界値として定めた。

【００４６】

【実施例】初めに、Ｎｉ系溶接ワイヤを用いた実施例に
ついて説明する。表１に、溶接継手作製のために用いた
ＴＩＧ溶接ワイヤ成分、Ｍｓ温度およびＰａを示す。表
１に示すＭｓ温度は、残留応力測定のために作製した溶
接継手の溶接金属部分より試験片を採取して測定した値
である。表１のワイヤを用いて、２５０Ａ−１２Ｖ−１
２ｃｐｍの溶接条件で、図１に示す開先形状を用いて、
同じ条件で溶接継手を２体づつ作製した。２体作製した
溶接継手のうち１体は、さらにＴＩＧリメルトラン溶接
を行った。

【００４７】このようにして作製した溶接継手の溶接金
属部分の残留応力を測定した。残留応力測定法法は、ひ
ずみゲージを溶接金属表面に貼り付け、その後歪みゲー
ジ貼り付け部分を機械切断して残留応力を解放し、ひず
みゲージによりその解放ひずみを測定するという、応力
弛緩法を用いた。ＴＩＧリメルトラン溶接を行わない溶
接継手は、溶接ビード毎に残留応力が異なる可能性があ
るため、各ビードの中央に歪みゲージを貼り付けた。Ｔ
ＩＧリメルトラン溶接を行った継手については、表面が
一度溶融するため、ひずみゲージはＴＩＧリメルトラン
溶接を行わなかった継手と同じ位置になるように貼り付
けた。

【００４８】表２に、残留応力測定結果を示す。表２の
測定位置１、２、３はそれぞれ最終層の第１ビード、第
２ビード、第３ビードを示し、第３ビードが最終層最終
ビードである。表２からわかるように、溶接金属Ｍｓ温
度（およびワイヤ成分とＰａ）が本発明の範囲内に入っ
ていないＮｉ−ＷＡ、Ｎｉ−ＷＢの場合は、ＴＩＧリメ
ルトラン溶接を行っても残留応力が溶接金属表面全体で
低減されていない。Ｎｉ−ＷＡにおいて、ＴＩＧリメル
トラン溶接を行わない場合、第１ビードが圧縮残留応力
になった理由は、第２ビード、第３ビードの溶接熱で初
期残留応力が緩和されたことに加え、第３ビードの熱収
縮が第１ビードに圧縮応力を発生する方向に作用したも
のであり、溶接材料の特性により残留応力が圧縮になっ
たわけではない。

【００４９】また、溶接金属Ｍｓ温度（および溶接ワイ
ヤとＰａ）が本発明の範囲内に収まっているＮｉ−Ｗ
Ｃ、Ｎｉ−ＷＤについては、ＴＩＧリメルトラン溶接を
行わない場合は、第３ビードすなわち最終ビードについ
ては確かに残留応力は低減されていることがわかる。こ
れは、溶接ワイヤの成分により残留応力が低減されてい
ることを示すものである。しかし、ＴＩＧリメルトラン
溶接を行った本発明例と比較すればわかるように、溶接
金属表面の残留応力を全体的に低減するという観点から
は、ＴＩＧリメルトラン溶接を行わなかった比較例では
第１、第２ビードに高い引っ張り残留応力が発生してお
り、これを比較すれば、ＴＩＧリメルトラン溶接の有効
性が理解できる。

【００５０】次に、Ｃｒ系溶接ワイヤを用いた実施例に
ついて説明する。表３に、溶接継手作製のために用いた
ＴＩＧ溶接ワイヤ成分、Ｍｓ温度、およびＰａを示す。
表３に示すＭｓ温度は、残留応力測定のために作製した
溶接継手の溶接金属部分より試験片を採取して測定した
値である。表３のワイヤを用い、Ｎｉ系溶接ワイヤにお
ける実施例について説明した条件と同一条件で溶接継ぎ
手を作製し、同一手法により残留応力を測定した結果を
表４に示す。

【００５１】表４からわかるように、本発明の範囲内で
あるＣｒ−ＷＡ、Ｃｒ−ＷＢ、Ｃｒ−ＷＤの各ワイヤを
用いＴＩＧリメルトラン溶接を行った継手は溶接金属表
面全体で均一に残留応力が低減されていることがわか
る。本発明の範囲内であるこれらＣｒ−ＷＡ、Ｃｒ−Ｗ
Ｂ、Ｃｒ−ＷＤを用いてＴＩＧリメルトラン溶接を行わ
ない場合は、第３ビード（最終ビード）は残留応力が低
減されているものの、第１ビード、第２ビードの残留応
力は低減されていない。本発明の範囲外であるＣｒ−Ｗ
Ｃ、Ｃｒ−ＷＤのワイヤについては、ＴＩＧリメルトラ
ン溶接を行おうが、行わまいが、溶接金属表面全体の残
留応力が均一に低減されることはなかった。

【００５２】

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】

【表３】

【００５５】

【表４】

【００５６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、溶接金
属表面全体のの残留応力を低減させることが可能とな
り、溶接構造物の信頼性確保、向上がより確実となる。
したがって、本発明は工業的価値の極めて高い発明であ
るといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、溶接継手を作製したときの開先形状を
示す断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２１Ｄ 9/50 １０１Ｃ２１Ｄ 9/50 １０１Ｂ // Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/14 38/14 38/52 38/52 (72)発明者藤雅雄千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者斎藤直樹愛知県東海市東海町５−３新日本製鐵株式会社名古屋製鐵所内 (72)発明者小林順一千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者千葉利彦千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 DF09 EA05 EA09 4K042 AA24 BA02 BA04 BA09 CA04 CA05 CA06 CA08 CA09 CA11 CA12 CA13 DA07 DB03 DC05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オーステナイトからマルテンサイトへの
変態開始温度が、１５０℃以上３００℃以下であるよう
な溶接金属を形成し、かつ、最終層の表面をＴＩＧリメ
ルトラン溶接することを特徴とする多層溶接方法。
【請求項２】Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏをそれぞれの
成分の重量％とし、下記式で定義されるパラメーターＰ
a の範囲が、０．９５以上、かつ１．３０以下であるこ
とを特徴とする溶接ワイヤを用いることを特徴とする請
求項１記載の多層溶接方法。Ｐａ＝Ｃ＋Ｎｉ／１２＋Ｃｒ／２４＋Ｍｏ／１９
【請求項３】溶接ワイヤが、重量％で、Ｃ：０．０１
〜０．２％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１
〜１．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以
下、Ｎｉ：８〜１２％を含有し、Ｔｉ：０．０１〜０．
４％、Ｎｂ：０．０１〜０．４％、Ｖ：０．３〜１．０
％の１種または２種以上をさらに含有し、残部が鉄およ
び不可避不純物からなることを特徴とする請求項２に記
載の多層溶接方法。
【請求項４】溶接ワイヤが、重量％で、Ｃｕ：０．０
５〜０．４％、Ｃｒ：０．１〜３．０％、Ｍｏ：０．１
〜３．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種または２種
以上をさらに含有することを特徴とする請求項３に記載
の多層溶接方法。
【請求項５】溶接ワイヤが、重量％で、Ｃ：０．００
１〜０．０５％、Ｓｉ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．
４〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以
下、Ｎｉ：４〜８％、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎ：０．０
０１〜０．０５％を含有し、Ｃ＋Ｎ：０．００１〜０．
０６％であり、残部が鉄及び不可避不純物からなること
を特徴とする請求項２に記載の多層溶接方法。
【請求項６】溶接ワイヤが、重量％で、Ｍｏ：０．１
〜２．０％、Ｃｕ：０．０５〜０．４％、Ｔｉ：０．０
０５〜０．３％、Ｎｂ：０．００５〜０．３％、Ｖ：
０．０５〜０．５％の１種または２種上をさらに含有す
る請求項６に記載の多層溶接方法。