JP2000301378A - 高強度Cr−Mo鋼の溶接方法及び溶接材料並びに溶接鋼構造物 - Google Patents
高強度Cr−Mo鋼の溶接方法及び溶接材料並びに溶接鋼構造物Info
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Abstract
して得られる溶接金属に高い強度、靱性、クリープ強度
及び耐SR割れ性を付与する。 【解決手段】 溶接金属の組成を「C:0.05〜0.
13%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2
%、Ni:0.5%以下、Cr:1.8〜3.2%、M
o:0.7〜1.5%、V:0.20〜0.35%、N
b:0.015〜0.035%、O:0.04%以下、
N:0.02%以下、残部:Fe及び不可避的不純物」
に管理する。Psr(=3Mn+3Mo+12Nb−2
C−6V−7O−7N)を4.0以上とする。
Description
鋼の溶接方法、この溶接方法に使用される溶接材料、及
びこの溶接方法により製造される溶接鋼構造物に関す
る。
r−Mo鋼は脱硫反応容器等の石油精製装置に広く使用
されているが、より高温高圧での使用を可能とし、且
つ、高強度で容器肉厚の減少を可能にする高強度Cr−
Mo鋼が開発されている。
r:2.0〜3.25%、Mo:0.90〜1.20%
を含むCr−Mo鋼を、Vの添加或いはV,Nb等の複
合添加により高強度化したものであり、Cr−Mo鋼と
同様、ソリッドワイヤとフラックスを組み合わせたサブ
マージアーク溶接により、石油精製装置用圧力容器等の
溶接鋼構造物とされる。
接に使用される溶接材料については、Cr−Mo鋼用溶
接材料にVやNbを添加して、溶接金属の強度や靱性を
高めるようにしたものが多く、例えば川崎製鉄技報26
(1994)4,174−180では、重量%でC:
0.15%、Mn:0.74%、Cr:2.50%、M
o:1.00%、Nb:0.014%、V:0.27%
を含む高強度Cr−Mo鋼用溶接材料が紹介されてい
る。
ジアーク溶接では、その鋼の用途からして、溶接金属の
強度及び靱性だけでなく、高温での十分なクリープ強度
を確保することが必要になる。また、溶接施工では、溶
接金属のSR割れ(析出時効による粒界割れ)を防止す
ることが重要な技術課題となる。
の低減が有効なことが知られている。しかし、O量の低
減は一方で耐SR割れ性を低下させる原因になる。この
矛盾を解決するために、特開平9−192881号公報
では、応力除去焼鈍を施した後の溶接金属から抽出した
残渣中のV量及びFe/Cr比を規定する溶接技術が提
案されている。
26(1994)4,174−180で紹介されている
ようなV,Nb添加の高強度Cr−Mo鋼用溶接材料で
は、溶接金属の靱性低下やSR割れ感受性の増大が問題
になる。
は、CやN等を添加して溶接金属の強度や靱性を高める
ようにしたものが多く、このような成分系にV等を添加
すると、靱性が低下し、更にはSR割れ感受性が増加し
て、実施工で問題になる場合の多いことが、本発明者ら
による実験から判明したのである。
N量が重要であるが、川崎製鉄技報26(1994)
4,174−180で紹介されたV,Nb添加の高強度
Cr−Mo鋼用溶接材料では、O量及びN量について考
慮されていない。
案された溶接技術では、O量及びN量も考慮されてい
る。しかし、O量が0.045%以下と高めの範囲内で
あるため、良好な靱性が安定して得られないことが、本
発明者らによる実験から判明した。SR割れについて
は、上述した通り、残渣中のV量及びFe/Cr比が規
定されているが、これらの値とSR割れの物理的な関係
が明確でなく、割れ防止の効果の確実性に問題のあるこ
とが明らかとなった。
接金属に高強度、高靱性及び高温での優れたクリープ強
度を付与し、合わせて優れた耐SR割れ性を付与するこ
とにある。
に、本発明者らは高強度Cr−Mo鋼の溶接金属の強
度、靱性及び高温クリープ強度に対する溶接金属の化学
成分の関係を詳細に調査した。
及びSR温度により割れの頻度が異なるため、これまで
は定量的に評価できる方法がなく、実施工でしか再現が
困難であったが、本発明者らはこのSR割れを定量的に
評価できる方法を確立し、SR割れに対する溶接金属の
化学成分の関係を詳細に調査した。
金属の強度、靱性、高温クリープ強度及び耐SR割れ性
を実施工で高次元で満足させるためための化学成分の最
適範囲が以下の通り判明した。
C:0.05〜0.13%、Si:0.5%以下、M
n:0.6〜1.2%、Ni:0.5%以下、Cr:
1.8〜3.2%、Mo:0.7〜1.5%、V:0.
20〜0.35%、Nb:0.015〜0.035%、
O:0.04%以下、N:0.020%以下を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、不可避的不純
物のうちP:0.020%以下、S:0.020%以
下、Sb:0.010%以下、Sn:0.010%以
下、As:0.020%以下、Al:0.020%以
下、Ti:0.020%以下である。
C、Mn、Mo、V、Nb、O、Nの各含有量を重量%
で〔C〕、〔Mn〕、〔Mo〕、〔V〕、〔Nb〕、
〔O〕、〔N〕とするとき、Psr=3×〔Mn〕+3
×〔Mo〕+12×〔Nb〕−2×〔C〕−6×〔V〕
−7×〔O〕−7×〔N〕で表されるPsrの値が4.
0以上である。
イヤとフラックスを組み合わせたサブマージアーク溶接
により得られるが、被覆アーク溶接或いはガスメタルア
ーク溶接によっても得ることができる。
使用されるソリッドワイヤの化学成分については、重量
%でC:0.05〜0.13%、Si:0.3%以下、
Mn:0.7〜1.5%、Ni:0.5%以下、Cr:
1.8〜3.2%、Mo:0.7〜1.5%、V:0.
20〜0.35%、Nb:0.015〜0.035%、
O:0.02%以下、N:0.020%以下を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、不可避的不純
物のうちP:0.020%以下、S:0.020%以
下、Sb:0.010%以下、Sn:0.010%以
下、As:0.020%以下、Al:0.05%以下、
Ti:0.05%以下である。
ージアーク溶接に使用されるフラックスの化学成分につ
いては、重量%でSiO2 :10〜25%、CaO:2
0〜45%、MgO:20〜45%、Al2 O3 :10
〜30%である。
び溶接材料は、高強度Cr−Mo鋼の溶接おいて、溶接
金属の化学成分を上記の通り管理することにより、実施
工で溶接金属に高い強度、靱性、高温クリープ強度及び
耐SR割れ性を付与することができる。
o鋼を溶接して製造される溶接鋼構造物において、溶接
金属の化学成分が上記の通り管理されることにより、溶
接金属の強度、靱性、高温クリープ強度及び耐SR割れ
性に優れる。
を説明する。以下の説明でソリッドワイヤはサブマージ
アーク溶接用ワイヤを意味し、フラックスはこのソリッ
ドワイヤに組み合わせて使用されるフラックスを意味す
る。
5〜0.13%
靱性を向上させるのに有効な元素であり、0.005%
未満では強度、靱性が低下する。0.13%を超える
と、常温強度はかなり上昇するものの、クリープ強度へ
の影響はそれほど大きくなく、かえってSR割れ感受性
が急激に上昇する。このため、C量は溶接金属、ワイヤ
とも0.05〜0.13%とし、好ましくは0.06〜
0.10%である。
ドワイヤでは0.3%以下
属中の酸素量を下げるのに有効であるが、過剰な含有は
焼戻し脆化により溶接金属を劣化させる原因になる。こ
の観点から、Si量は溶接金属では0.5%以下、ワイ
ヤでは0.3%以下とした。ワイヤでの上限値が低いの
は、溶接時にフラックスから還元されたSiのために溶
接金属中のSi量がワイヤ中のSi量より増加するから
である。
リッドワイヤでは0.6〜1.5%
属中の酸素量を下げて強度、靱性を向上させるのに有効
であり、含有量が少なすぎる場合は常温強度及び靱性が
低下する。多すぎる場合はクリープ強度が低下する。こ
のため、Mn量は溶接金属では0.6〜1.2%、ワイ
ヤでは0.6〜1.5%とした。より好ましくは、溶接
金属では0.8〜1.1%、ワイヤでは0.8〜1.3
%である。ワイヤでの上限値が高いのは、溶接時にワイ
ヤ中のMnが一部酸化するため、一般に溶接金属中のM
n量がワイヤ中のMn量より少なくなることによる。
5%以下
効な元素であり、耐熱鋼の溶接でも一般的にその効果が
活用されるが、同時に高温割れ性を増加させ、0.5%
を超える含有では溶接部の曲げ試験で割れが生じる場合
がある。このため、Ni量は溶接金属、ワイヤとも0.
5%以下とした。
8〜3.2%
れる。その際の高温特性を得るために、Crは不可欠で
ある。高強度Cr−Mo鋼である2.25%Cr−1%
Mo鋼或いは3%Cr−Mo鋼の成分系を確保するため
に、Cr量は溶接金属、ワイヤとも1.8〜3.2%と
した。
7〜1.5%
れる。その際の高温特性を得るために、Moも不可欠で
ある。高強度Cr−Mo鋼である2.25%Cr−1%
Mo鋼或いは3%Cr−Mo鋼の成分系を確保するため
に、Mo量は溶接金属、ワイヤとも0.7〜1.5%と
した。
0〜0.35%
を向上させるのに有効な元素であり、高強度Cr−Mo
鋼には必須である。0.20%未満では特にクリープ強
度が低下し、0.35%を超えると靱性の低下及びSR
割れの原因となる。このためV量は溶接金属、ワイヤと
も0.20〜0.35%とした。
015〜0.035%
度を向上させるのに有効な元素であり、高強度Cr−M
o鋼には必須である。0.015%未満では特にクリー
プ強度が低下し、0.035%を超えると靱性の低下が
生じる。このためNb量は溶接金属、ワイヤとも0.0
15〜0.035%とした。
ドワイヤでは0.02%以下
度を高めるために、溶接金属中のOは少ないほどよい。
多すぎると靱性の低下が特に顕著となる。このため、O
量は溶接金属では0.04%以下、ワイヤでは0.02
%以下とした。ワイヤでの上限値が低いのは、溶接時に
大気中やフラックス中の酸素源から溶接金属がOを吸収
し、ワイヤ中のO量より溶接金属中のO量が増加するこ
とによる。
20%以下
靱性が劣化し、更にSR割れ感受性が増加する。このた
めN量は溶接金属、ワイヤとも0.020%以下にし
た。
下、 Sn:溶接金属、ソリッドワイヤとも0.010%以
下、 As:溶接金属、ソリッドワイヤとも0.020%以
下、 Al:溶接金属では0.020%以下、ソリッドワイヤ
では0.05%以下、 Ti:溶接金属では0.020%以下、ソリッドワイヤ
では0.05%以下
超えて含有されると、溶接金属が熱処理を受けた場合に
粒界や結晶粒中に析出又は偏析し、靱性を低下させたり
SR割れの原因となるため、上記の範囲内の含有とし
た。なお、ワイヤでAl,Tiの上限値が高いのは、溶
接時の一部酸化のためにワイヤよりも溶接金属で含有量
が低くなることによる。
(試験方法は後述)で、破断を生じない最大応力を調査
した。この最大応力と実施工でのSR割れとの関係を調
査したところ、最大応力が380MPa以上で、実施工
でのSR割れが防止されることが判明した。また、この
最大応力と化学成分の関係を調査したところ、最大応力
とPsr値の間に強い相関関係が成立し、Psr値が増
加するに連れて最大応力が上昇し、この値が4.0以上
で最大応力が380MPa以上となり、実施工でのSR
割れが防止されることが判明した。従って、Psr値は
溶接金属で4.0以上とした。
好とするための不可欠な成分であり、10%未満である
と凸ビード等の外観不良が生じる。しかし、25%を超
えて含有されると、溶接金属中の酸素量が増加し、その
靱性が低下する。このため10〜25%の範囲とした。
金属の靱性を確保する有効な成分であり、CaF2 やC
aCO3 としても添加可能である。CaOが20%未満
では溶接金属中の酸素量が増加して靱性が低下し、45
%を超えるとスラグの粘性が下がり過ぎてビード外観が
不均一になるため、20〜45%の範囲とした。
あり、塩基性成分として靱性を向上させる効果もある。
20%未満では靱性が低下し、45%超ではスラグの融
点が上がり過ぎてビード形状が不良となるため、20〜
45%の範囲とした。
観を良好にする有効な成分であり、10%未満ではその
効果が見られないが、30%を超えるとフラックスの塩
基度が低下し、溶接金属の靱性が低下するため、10〜
30%の範囲とした。
る。
の母材鋼板を、種々の組成のソリッドワイヤ及びフラッ
クスを使用してサブマージアーク溶接により多層溶接し
た。溶接金属の機械的性質を強度、靱性、クリープ強
度、SR割れ感受性について調査すると共に、溶接金属
の化学成分を調査した。
ワイヤの化学成分を表2、フラックスの化学成分を表
3、溶接金属の化学成分の調査結果を表4、溶接金属の
Psr値、溶接条件及び機械的性質の調査結果を表5に
それぞれ示す。機械的性質の調査方法は以下の通りとし
た。
に、溶接金属から直径が10mmの丸棒試験片を採取
し、この試験片に690〜720℃の溶接後熱処理を行
ったあと、常温で引張試験を行った。引張強度が585
〜760MPaの範囲内にあるものを良好とした。
に、溶接金属から断面が10×10mmの角棒試験片を
採取し、この試験片に690〜720℃の溶接後熱処理
を行ったあと、−20℃でシャルピー衝撃試験を行っ
た。吸収エネルギーが90J以上のものを良好とした。
すように、溶接金属から直径が10mmの丸棒試験片を
採取し、この試験片に690〜720℃の溶接後熱処理
を行ったあと、538℃×206MPaの条件でクリー
プ破断試験を行った。クリープ破断時間が900時間以
上のものを良好とした。
うに、溶接金属から円周切り欠き付きの丸棒試験片を採
取した。この試験片に一定応力を付加しながら、図3に
示す熱サイクルを加える、本発明者開発の昇温定荷重引
張試験を行った。この試験方法では、試験片に加わる応
力が明らかであり、この試験で破断しない最大応力を求
めることにより、SR割れ感受性の定量的な評価が可能
になる。
うと、図4のような試験結果が得られ、この試験で破断
しない最大応力が求められる。この最大応力を実際の施
工でSR割れが生じた施工条件と対比させたことろ、3
80MPa以上でSR割れが発生しないことが明らかと
なった。これにより、この試験結果からSR割れ感受性
の定量的な評価が可能になり、この試験で破断しない最
大応力が380MPa以上でそのSR割れ感受性が良好
となる。
じない最大応力と、SR割れを対象に検討されたPsr
値との関係を図5に示す。図5から明らかなように、P
sr値が4以上で最大応力が380MPa以上となり、
実施工でのSR割れが防止され、Psr値によってもS
R割れ感受性の定量的な評価が可能である。
ると、以下の通りである。なお、靱性は−20℃でのシ
ャルピー吸収エネルギー(J)、クリープは538℃×
206MPaでの破断時間(hr)、SR割れは前述し
た昇温定荷重引張試験での破断を生じない最大応力(M
Pa)である。それぞれの合格値は前述した通り90J
以上、900hr以上、380MPa以上である。
金属の化学成分が適正に管理され、靱性、クリープ強
度、耐SR割れ性の全てが合格レベルに達した。
は、溶接金属中のC量が高く、Psr値が低いために、
SR割れ感受性が高くなっている。比較例No.13で
は溶接金属中のMn量が多いためにクリープ破断時間が
短くなっている。比較例No.14では溶接金属中のO
量が多いために靱性が劣化している。比較例No.15
では、溶接金属中のNb量が少ないため、クリープ破断
時間が短く、且つSR割れ感受性が高くなっている。比
較例No.16及び17ではPsr値が低いために、S
R割れ感受性が高くなっている。
例ともに585〜760MPaの範囲に入っているが、
本発明の成分範囲を外れる元素の種類や量によっては、
585〜760MPaの範囲に入らない場合が生じる。
r−Mo鋼の溶接方法及び溶接材料並びに溶接鋼構造物
は、これまで定量的に評価できる方法がなく、実施工で
しか再現が困難であったSR割れについて定量的に評価
できる方法を確立し、この方法を用いて溶接金属の適正
な化学成分を求めたことにより、強度、靱性、クリープ
強度、SR割れ感受性の全てについて高い性能を確保す
ることができる。
張試験に使用する試験片の採取方法の説明図である。
である。
る。
応力とPsr値との関係を示すグラフである。
Claims (7)
- 【請求項1】 高強度Cr−Mo鋼の溶接方法であっ
て、溶接金属の組成を、重量%でC:0.05〜0.1
3%、Si:0.5%以下、Mn:0.6〜1.2%、
Ni:0.5%以下、Cr:1.8〜3.2%、Mo:
0.7〜1.5%、V:0.20〜0.35%、Nb:
0.015〜0.035%、O:0.04%以下、N:
0.020%以下を含有し、残部がFe及び不可避的不
純物からなり、不可避的不純物のうちP:0.020%
以下、S:0.020%以下、Sb:0.010%以
下、Sn:0.010%以下、As:0.020%以
下、Al:0.020%以下、Ti:0.020%以下
に管理することを特徴とする高強度Cr−Mo鋼の溶接
方法。 - 【請求項2】 前記溶接金属は、C、Mn、Mo、V、
Nb、O、Nの各含有量を重量%で〔C〕、〔Mn〕、
〔Mo〕、〔V〕、〔Nb〕、〔O〕、〔N〕とすると
き、Psr=3×〔Mn〕+3×〔Mo〕+12×〔N
b〕−2×〔C〕−6×〔V〕−7×〔O〕−7×
〔N〕で表されるPsrの値が4.0以上であることを
特徴とする請求項1に記載の高強度Cr−Mo鋼の溶接
方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の溶接方法に使用
される溶接材料。 - 【請求項4】 高強度Cr−Mo鋼のサブマージアーク
溶接に使用されるソリッドワイヤであって、重量%で
C:0.05〜0.13%、Si:0.3%以下、M
n:0.7〜1.5%、Ni:0.5%以下、Cr:
1.8〜3.2%、Mo:0.7〜1.5%、V:0.
20〜0.35%、Nb:0.015〜0.035%、
O:0.02%以下、N:0.020%以下を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、不可避的不純
物のうちP:0.020%以下、S:0.020%以
下、Sb:0.010%以下、Sn:0.010%以
下、As:0.020%以下、Al:0.05%以下、
Ti:0.05%以下であることを特徴とする請求項3
に記載の溶接材料。 - 【請求項5】 前記ソリッドワイヤと組み合わせて高強
度Cr−Mo鋼のサブマージアーク溶接に使用されるフ
ラックスであって、重量%でSiO2 :10〜25%、
CaO:20〜45%、MgO:20〜45%、Al2
O3 :10〜30%を含有することを特徴とする請求項
3に記載の溶接材料。 - 【請求項6】 高強度Cr−Mo鋼を溶接して製造され
る溶接鋼構造物であって、溶接金属の組成が、重量%で
C:0.05〜0.13%、Si:0.5%以下、M
n:0.6〜1.2%、Ni:0.5%以下、Cr:
1.8〜3.2%、Mo:0.7〜1.5%、V:0.
20〜0.35%、Nb:0.015〜0.035%、
O:0.04%以下、N:0.020%以下を含有し、
残部がFe及び不可避的不純物からなり、不可避的不純
物のうちP:0.020%以下、S:0.020%以
下、Sb:0.010%以下、Sn:0.010%以
下、As:0.020%以下、Al:0.020%以
下、Ti:0.020%以下であることを特徴とする溶
接鋼構造物。 - 【請求項7】 前記溶接金属は、C、Mn、Mo、V、
Nb、O、Nの各含有量を重量%で〔C〕、〔Mn〕、
〔Mo〕、〔V〕、〔Nb〕、〔O〕、〔N〕とすると
き、Psr=3×〔Mn〕+3×〔Mo〕+12×〔N
b〕−2×〔C〕−6×〔V〕−7×〔O〕−7×
〔N〕で表されるPsrの値が4.0以上であることを
特徴とする請求項6に記載の溶接鋼構造物。
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JP11343799A JP2000301378A (ja) | 1999-04-21 | 1999-04-21 | 高強度Cr−Mo鋼の溶接方法及び溶接材料並びに溶接鋼構造物 |
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