JP2003019593A - 低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造歩留まりが高く、安価に供給できると共
に、溶接に際して高温割れがなく、かつ十分なビード形
成が可能である低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料
を提供する。 【解決手段】 低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金溶接材料
は、Ｎｉ：３０〜４５％、Ｃ：０．０８〜０．３０％、
Ｓｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜１．０
％、Ｔｉ：０．０５〜０．５０％及びＴａ：０．１０〜
１．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物から
なる。この不可避的不純物は、Ｎｂ：０．１０％以下、
Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｃｕ：
０．３０％以下、Ｃｒ：０．３０％以下、Ｍｏ：０．３
０％以下、Ａｌ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％
以下及びＮ：０．０１０％以下に規制される。更に、２
０×Ｃ／（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×Ｔｉ）≧１．０、
{１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）−１．２
×（Ｎｂ／９３）}×１００≧０．５を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、液化天然ガス（Ｌ
ＮＧ）の貯蔵タンク又はその配管等の極低温（−１６２
℃）で使用される低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金材を溶接
するための低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料に関
する。 【０００２】 【従来の技術】Ｆｅ−Ｎｉ合金の中で特定の成分比を有
する合金は、熱膨張係数が極めて小さいことは良く知ら
れているところであり、特許第２９４１５０４号公報に
はＦｅ−３６％Ｎｉ、Ｆｅ−４２％Ｎｉ、Ｆｅ−２９％
Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−２９％Ｎｉ−Ｍｎ合金が提案されて
いる。一方、この合金を溶接施工する場合は、溶接構造
物としての特性を十分発揮するためには、母材と同等の
熱膨張係数を有する所謂共金系溶接材料を使用すること
が必要であり、特許第２９４１５０４号公報、特許第２
９８４７７９号公報及び特開平１１−１０４８８５号公
報に、これらの共金系溶接材料が提案されている。 【０００３】特許第２９４１５０４号公報には、Ｆｅ及
びＮｉをベースとして、Ｃを０．０５乃至０．５％、Ｎ
ｂを０．５乃至３％含有し、更にＭｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａ
ｌ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｉ及びＰを所定量以下に
規制した溶接材料が開示されている。特許第２９８４７
７９号公報には、Ｆｅ及びＮｉをベースとして、Ｃを
０．０３乃至０．３％、Ｎｂを０．１乃至３％、Ｓｉを
０．０５乃至０．６％、Ｍｎを０．０５乃至４％含有
し、更にＰ、Ｓ、Ａｌ及びＯを所定量以下に規制し、％
Ｎｂ×％Ｃ≧０．０１とした溶接材料が開示されてい
る。また、特開平１１−１０４８８５号公報には、Ｆｅ
及びＮｉをベースとして、Ｃを０．０８乃至０．５％、
Ｎｂを０．３乃至４％含有し、更にＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、
Ｐ及びＳを所定量以下とし、％Ｓｉ／％Ｍｎを０．１乃
至１．０、％Ｓ＋％Ｏ≦０．０１５％、％Ａｌ＋％Ｏ≦
０．０１５％とした溶接材料が開示されている。 【０００４】而して、Ｆｅ−Ｎｉ低熱膨張係数合金は、
溶接に際して凝固及び再加熱を受けた場合に、高温割れ
が発生しやすいということは周知であり、これを防止す
ること主要な課題である。そこで、前述の公知文献にお
いては、Ｆｅ−Ｎｉ合金をベースとして、Ｎｂ炭化物の
作用を活用することにより、低熱膨張係数合金の高温割
れを防止せんとする溶接材料が開示されている。 【０００５】一方、低熱膨張係数である特徴を生かした
Ｆｅ−Ｎｉ合金が、溶接構造物として広く適用されるた
めには、それを溶接するための溶接材料を安価に供給で
きることが必要である。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｆｅ−
Ｎｉ合金をベースとしてＮｂを添加した低熱膨張係数合
金は、溶接ワイヤを製造する際の熱間鍛造工程及び圧延
工程で割れやすく、また疵等の欠陥が発生しやすいた
め、歩留まりが悪く、極めて高価であるという問題点が
ある。 【０００７】更に、溶接構造物、例えばＬＮＧの輸送用
配管等の溶接施工では、ＴＩＧ溶接による全姿勢での片
面自動溶接ができることが要求され、この要求に応えら
れるか否かは、特に上向溶接での初層ビードの形成が円
滑に可能か否かが重要な因子となる。しかし、従来のＦ
ｅ−Ｎｉ系合金のＮｂ含有ワイヤでは、ビード形成が不
十分であった。 【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、製造歩留まりが高く、安価に供給できると
共に、溶接に際して高温割れがなく、かつ十分なビード
形成が可能である低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材
料を提供することを目的とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明に係る低熱膨張係
数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料は、Ｎｉ：３０乃至４５質
量％、Ｃ：０．０８乃至０．３０質量％、Ｓｉ：０．０
１乃至０．５０質量％、Ｍｎ：０．１０乃至１．０質量
％、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０質量％及びＴａ：０．
１０乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避
的不純物からなると共に、この不可避的不純物は、Ｎ
ｂ：０．１０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、
Ｓ：０．００５質量％以下、Ｃｕ：０．３０質量％以
下、Ｃｒ：０．３０質量％以下、Ｍｏ：０．３０質量％
以下、Ａｌ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０１０質
量％以下及びＮ：０．０１０質量％以下に規制し、更
に、Ｃ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉの含有量は、夫々２０×Ｃ／
（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×Ｔｉ）≧１．０、{１．３×
（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）−１．２×（Ｎｂ／
９３）}×１００≧０．５を満足するものであることを
特徴とする。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る低熱膨張係数
Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料について詳細に説明する。 【００１１】Ｆｅ−Ｎｉ合金をベースとした低熱膨張係
数合金において、Ｎｂを含有すると熱間鍛造性及び圧延
性が劣り、溶接ワイヤの生産性が極端に劣ること、及び
溶接に際して十分なビード形成が得られないことが明ら
かとなったことから、Ｎｂを排除し、これに替わる成分
を添加した溶接材料について種々実験研究を重ねた。こ
の結果、本願発明者等は、Ｆｅ−Ｎｉ合金に対するＴａ
及びＴｉの複合添加により、Ｎｂ含有材より熱間鍛造性
及び圧延性が優れており、歩留が高く低コストである溶
接材料（溶接ワイヤ）を容易に製造することができるこ
とを見いだした。また、本発明はこのような溶接材料
が、溶接に際してビード形成が優れており、耐高温割れ
性及び機械的性能がＮｂ含有材と同等以上であることを
見いだした。本発明はこのような知見を得て完成したも
のである。 【００１２】次に、本発明に係る低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎ
ｉ合金用溶接材料の成分添加理由及び組成限定理由につ
いて説明する。 【００１３】Ｎｉ：３０乃至４５質量％ Ｎｉは低熱膨張係数合金の溶接金属を得る上で最も重要
な成分であり、３０乃至４５質量％含有することが必要
である。なお、このＮｉ含有量は被溶接物である低熱膨
張合金と同じレベルであることが望ましい。Ｎｉの含有
量が３０質量％未満、又は４５質量％を超えると、熱膨
張係数が極端に大きくなり、使用目的に合致しない。こ
のため、Ｎｉの含有量は３０乃至４５質量％とする。 【００１４】Ｃ：０．０８乃至０．３０質量％ Ｔａ又はＴｉの炭化物を形成して溶接金属の割れを防止
し、また強度を確保するために必要であるが、Ｃの含有
量が０．０８質量％未満では効果がない。逆に、Ｃの含
有量が０．３０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間
鍛造・圧延性が劣化する。 【００１５】Ｓｉ：０．０１乃至０．５０質量％ Ｓｉは溶接金属の母材へのなじみを良くしてビード形状
を良好なものとすると共に、融合不良等の発生を防止す
る作用がある。しかし、Ｓｉの含有量が０．０１質量％
未満ではその効果がない。逆に、Ｓｉの含有量が０．３
０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧
延性が劣化すると共に、低温靭性が劣化する。 【００１６】Ｍｎ：０．１０乃至１．０質量％ Ｍｎは溶接時に脱酸剤として作用し、靭性向上に有効で
あるが、Ｍｎの含有量が０．１０質量％未満ではその効
果がない。逆に、Ｍｎの含有量が１．０質量％を超える
と、ワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性が劣化する。 【００１７】Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．００
５質量％以下 Ｐ、Ｓは不可避的不純物として混入する元素であるが、
溶接金属の高温割れを防止して、健全な溶接金属を得る
ためには、Ｐ及びＳを夫々０．０１０質量％以下及び
０．００５質量％以下に規制することが必要である。 【００１８】Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏ：夫々０．３０質量％
以下 Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏはワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧
延性を劣化させるので、いずれも０．３０質量％以下に
抑制することが必要である。 【００１９】Ａｌ、Ｏ及びＮ：夫々０．０１０質量％以
下 Ａｌ、Ｏ及びＮはいずれもワイヤ製造時の熱間鍛造性及
び圧延性を劣化させると共に、Ａｌ及びＯは共存してＴ
ＩＧ溶接時にスラグとなり、多層溶接が不可能となる。
また、Ｏは溶接金属の高温割れを助長し、Ｏ及びＮは靭
性を劣化させるので、Ａｌ，Ｏ及びＮは夫々０．０１０
質量％以下に抑制する必要がある。 【００２０】Ｎｂ：０．１０質量％以下 Ｎｂを過剰に含有するとワイヤ製造時の熱間鍛造性及び
圧延性が極端に劣化して安価にワイヤを供給することが
できなくなり、また、初層溶接ビードを安定して得るこ
とができなくなることから、Ｎｂは極力低値に抑制する
必要がある。Ｎｂが０．１０質量％以下であれば、ワイ
ヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性への悪影響はなく、安
定した初層溶接ビードが得られる。 【００２１】Ｔａ：０．１０乃至１．５質量％、Ｔｉ：
０．０５乃至０．５０質量％ Ｔａ及びＴｉはＣと結合して溶接金属の結晶粒を微細化
する作用を有し、かつＴａ及びＴｉを複合添加すること
により、効果的に高温割れを防止する作用がある。ま
た、Ｔａ及びＴｉはＮｂに比して安定した初層溶接ビー
ドを得やすい。Ｔａ及びＴｉ含有量が夫々０．１０質量
％未満及び０．０５質量％未満では高温割れ防止に効果
がなく、逆にＴａ及びＴｉ含有量が夫々１．５質量％及
び０．５０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間鍛造
性及び圧延性を劣化させる。このため、Ｔａは０．１０
乃至１．５質量％、Ｔｉは０．０５乃至０．５０質量％
含有する。なお、Ｔａ及びＴｉがより効果的に作用する
最適範囲は夫々０．３０乃至０．８０質量％及び０．１
０乃至０．３０質量％である。 【００２２】Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＴａの関係式 Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＴａは下記数式１及び数式２を満足
する。本発明はＮｂに替わってＴａ及びＴｉを含有する
ことに特徴がある。このＴａ及びＴｉがＣと結合して溶
接金属の結晶粒を微細化する効果を発揮するためには、
Ｔａ及びＴｉの量に対して下記数式１の関係で示すＣ量
が必要である。この場合に、不純物として含まれるＮｂ
も考慮し、Ｔａ、Ｔｉ及びＮｂと結合して微細化効果を
発揮できるＣ量を規定した。なお、下記数式１は、実験
的に導き出されたものである。 【００２３】一方、本発明は、溶接金属の結晶粒を微細
化するＮｂに替わってＴａ及びＴｉを含有していること
に特徴があるが、Ｔａ及びＴｉの含有量がＮｂの含有量
との相関関係で下記数式２を満足する範囲で、Ｔａ及び
ＴｉがＮｂに替わって溶接時の高温割れ（凝固及び再加
熱割れ）を防止できる。 【００２４】 【数１】 ２０×Ｃ／（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×Ｔｉ）≧１．０ 【００２５】 【数２】{１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）
−１．２×（Ｎｂ／９３）}×１００≧０．５ 【００２６】 【実施例】以下、本発明の低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金
用溶接材料の実施例について、その特性を試験した結果
を、比較例と比較して具体的に説明する。 【００２７】先ず、本発明の低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合
金用溶接材料の製造方法について説明する。真空溶解炉
により溶解後、３０ｋｇインゴットを作成した。熱間鍛
造及び圧延後、冷間伸線により直径が１．２ｍｍのワイ
ヤを作成した。下記表１及び表２はワイヤの組成を示
し、下記表２はワイヤの生産歩留、初層ビードの形成
度、溶接金属の割れ率及び溶接金属の靭性を示す。ま
た、下記表３は試験板に使用した母材の組成を示す。 【００２８】なお、表３に示す母材の寸法は板厚が９ｍ
ｍ、長さが５００ｍｍである。また、表６の「ワイヤの
生産歩留」の欄においては、｛直径が１．２ｍｍのワイ
ヤ製品質量（ｋｇ）／インゴット質量（ｋｇ）×１００
（％）によりワイヤの生産歩留を算出した。この値が５
０％以上のものを○とし、３１％以上５０％未満のもの
を△とし、３１％未満のものを×とした。 【００２９】表６の「初層ビードの形成度」の欄におい
ては、図１（ａ）のＴＩＧ初層片面溶接における｛裏波
ビードの良好な長さ（ｍｍ）／溶接全長（ｍｍ）｝×１
００（％）により初層ビードの形成度を算出した。この
値が９０％以上のものを○とし、７１％以上９０％未満
のものを△とし、７１％未満のものを×とした。なお、
ＴＩＧ初層片面溶接は、図１（ａ）に示すように、厚さ
が１２ｍｍの被溶接材１間に開先角度が７０°の開先を
設け、下記表４に示す溶接条件で溶接した。符号３は初
層ビードである。また、図１（ｂ）に示すように、溶接
に際しては、板厚が２０ｍｍの３個の拘束板４により、
被溶接材１を所定の開先２を形成するように配置して拘
束した。初層ビード３の形成後、図２（ａ）、（ｂ）に
示すように、複数層のビード５及び最終ビード６を形成
した。なお、初層ビード以外のビード５，６の全層溶接
も下記表５に示す溶接条件で行い、図２（ｂ）に示すよ
うに、溶接に際しては、板厚が２０ｍｍの拘束板を３個
使用した。 【００３０】表６の「溶接金属の割れ率」の欄において
は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、全層溶接後の
被溶接材１の溶接ビード３，５，６に対して、溶接方向
に垂直の断面で、溶接方向に均等間隔で５０個の断面を
切断した後、採取した試料の切断面をエメリー紙３２０
番相当により研磨し、１０倍の拡大鏡で割れを検出し
た。割れ率は、（割れが発生した断面数／５０断面）×
１００（％）で算出した値である。評価は、全長に割れ
がないものを◎とし、割れ率が１０％未満で、割れがビ
ードスタート部及びクレータ部のみに発生したものを○
とし、割れ率が１０％未満で、割れがビードスタート部
及びクレータ部以外の通常ビード部にも発生したものを
△とし、割れ率が１０％以上のものを×とした。 【００３１】表６の「溶接金属の靭性」の欄において
は、図１（ａ）に示すＴＩＧ片面溶接金属部より採取し
た試験片（板厚が５ｍｍ、幅が１０ｍｍのハーフサイ
ズ）に２ｍｍのＶノッチを加工し、−１９６℃で衝撃試
験して吸収エネルギーを求めた。この吸収エネルギーが
２４Ｊ以上のものを○とし、１６Ｊ以上２４Ｊ未満のも
のを△とし、１６Ｊ未満のものを×とした。上述のいず
れの試験においても、○及び◎が合格である。 【００３２】 【表１】【００３３】 【表２】【００３４】 【表３】 【００３５】 【表４】 【００３６】 【表５】【００３７】 【表６】 【００３８】ワイヤNo.１〜１２は本発明の実施例であ
り、ワイヤの生産歩留、初層ビードの形成度、溶接金属
の耐割れ性及び溶接金属の靭性において全て満足するも
のである。 【００３９】比較例のワイヤNo.１３はワイヤのＣが低
過ぎて耐割れ性が不十分であり、逆にワイヤNo.１４は
ワイヤのＣが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪く、また溶
接金属の靭性も不十分である。ワイヤNo.１５はワイヤ
のＳｉが低過ぎて初層ビードの形成度が不十分であり、
逆にワイヤNo.１６はワイヤのＳｉが高過ぎてワイヤの
生産歩留が悪く溶接金属の靭性も劣る。ワイヤNo.１７
はワイヤのＭｎが低過ぎて溶接金属の靭性が不十分であ
り、逆にワイヤNo.１８はワイヤのＭｎが高過ぎてワイ
ヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.１９及び２０は夫々ワ
イヤのＰ、Ｓが高過ぎて溶接金属の耐割れ性が不十分で
ある。ワイヤNo.２１、２２、２３は夫々ワイヤのＣ
ｕ、Ｃｒ、Ｍｏが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪い。ワ
イヤNo.２４、２５は夫々ワイヤのＡｌ、Ｏが高過ぎて
ワイヤの生産歩留が劣り、初層ビードの形成度が不十分
で溶接金属の耐割れ性及び溶接金属の靭性も不十分であ
る。更にワイヤNo.２６はワイヤのＡｌ、Ｏが共に高過
ぎてスラグが多発して初層ビードの形成度が極端に劣化
する。ワイヤNo.２７のワイヤのＮが高過ぎてワイヤの
生産歩留、初層ビードの形成度、溶接金属の耐割れ性及
び溶接金属の靭性において不十分である。ワイヤNo.２
８、２９はワイヤのＮｂがいずれも高過ぎてワイヤの生
産歩留が非常に劣り、初層ビードの形成度が不十分であ
る。なお、ワイヤNo.２９は数式２の値も本発明の下限
値未満であるので溶接金属の割れもやや劣る。ワイヤN
o.３０はワイヤのＴａが低過ぎて溶接金属の耐割れ性が
不十分であり、逆にワイヤNo.３１はワイヤのＴａが高
過ぎてワイヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.３２はワイ
ヤのＴｉが低過ぎて溶接金属の耐割れ性が不十分であ
り、逆にワイヤNo.３３はワイヤのＴｉが高過ぎてワイ
ヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.３４は数式１を満足せ
ず溶接金属の耐割れ性が不十分である。ワイヤNo.３５
は数式２を満足せず溶接時の耐割れ性が不十分である。 【００４０】 【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、製
造歩留まりが高く、安価であると共に、溶接に際して、
高温割れがなく、かつ十分なビードを形成できる低熱膨
張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】（ａ）はＴＩＧ片面溶接試験を示す模式図、
（ｂ）はその平面図である。 【図２】（ａ）はＴＩＧ片面溶接試験を示す模式図、
（ｂ）はその平面図である。 【符号の説明】 １：被溶接材 ２：開先 ３：初層ビード ４：拘束板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小嶋 敏文 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 松下 行伸 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 (72)発明者 上月 映野 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 Ｎｉ：３０乃至４５質量％、Ｃ：０．０
   ８乃至０．３０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至０．５０質
   量％、Ｍｎ：０．１０乃至１．０質量％、Ｔｉ：０．０
   ５乃至０．５０質量％及びＴａ：０．１０乃至１．５質
   量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる
   と共に、この不可避的不純物は、Ｎｂ：０．１０質量％
   以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．００５質量
   ％以下、Ｃｕ：０．３０質量％以下、Ｃｒ：０．３０質
   量％以下、Ｍｏ：０．３０質量％以下、Ａｌ：０．０１
   ０質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下及びＮ：０．
   ０１０質量％以下に規制し、更に、Ｃ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔ
   ｉの含有量は、夫々２０×Ｃ／（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×
   Ｔｉ）≧１．０、{１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ
   ／４８）−１．２×（Ｎｂ／９３）}×１００≧０．５
   を満足するものであることを特徴とする低熱膨張係数Ｆ
   ｅ−Ｎｉ合金用溶接材料。