JP2003042916A

JP2003042916A - 溶接熱影響部の靱性に優れた鋼板の品質管理方法

Info

Publication number: JP2003042916A
Application number: JP2001229252A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kasuya; 正糟谷; Yuji Hashiba; 裕治橋場
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】酸化物等の微細分散でＨＡＺ靱性を向上させた鋼材の品
質管理およびその鋼材を多層溶接部に用いたときの施工
条件決定を効率よく行う方法を提供する。【課題】酸化物を利用したＨＡＺ靱性に優れた鋼材
は、鋼材成分が所定の範囲内にあるだけでなく酸化物が
微細に分散していることが必要であるが、これを確かめ
る効率よい品質管理方法と、それをパス間温度が非常に
高くなる多層溶接に用いるときの効率よい管理方法を提
供する。【解決手段】酸化物微細分散を確認する方法として、
再現熱サイクル試験を実施し、そのシャルピー衝撃値ま
たは旧γ粒径で品質管理を実施する。多層溶接の場合は
熱履歴パラメーターを定め、その値が同じになるように
１パス溶接の入熱量を実効入熱量と定義し、その実効入
熱量の値を用いて再現熱サイクル試験を実施して鋼材の
品質管理や多層溶接の施工条件を管理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物などを微細
分散させることによる溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材
の品質管理に関するもので、より詳しくは、建築、造
船、橋梁、海洋構造物、タンク、ラインパイプなどの分
野で大入熱溶接される鋼材の溶接熱影響部の品質管理、
建築鉄骨の柱梁溶接部のような溶接ビードが比較的短く
かつほぼ連続的に多層溶接される鋼材の溶接熱影響部の
品質管理に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の品質管理方法としては、従来は鋼
材の成分、引張り強度、鋼材のシャルピー衝撃値などを
用いて行われてきた。しかし、鋼材を構造物にしたと
き、構造物の信頼性を決定するのは鋼材そのものより、
溶接熱により変質したいわゆる溶接熱影響部（以降ＨＡ
Ｚと記述することとする）である。ＨＡＺの靱性、特に
大入熱溶接したときのＨＡＺ靱性を確保するためにこれ
まで多くの研究がなされてきているが、その１つの方法
として、Ｎｉなどの合金元素を添加する方法が考えられ
る。この方法は、ＨＡＺ靱性確保のための合金元素成分
範囲を、あらかじめ溶接継手を作製して靱性を調べるな
どして決定し、各成分が許容範囲内に収まっているかか
どうかで、製造後の鋼板がＨＡＺ靱性を確保できている
かどうかを判別することができる方法である。実際、こ
れまで、鋼板の品質管理は鋼材成分管理の比重が大きか
った。

【０００３】一方、ＨＡＺ靱性に優れた鋼板としては、
このような合金元素を添加する方法以外にも、特開２０
００−８０４３６にあるような、極微量元素を有効利用
する方法が開発された。この技術は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ
などの微量元素を添加させ、それらが形成する酸化物を
微細分散させることによりＨＡＺでの旧オーステナイト
粒の粗大化を防止する技術である。この方法は、酸化物
が微細分散されていればＨＡＺ部の旧オーステナイト粒
の粒成長を酸化物がピン止めすることを有効に活用する
技術である。しかし、このＨＡＺ靱性に優れた鋼板も、
問題がないわけではない。

【０００４】それは、微量元素、例えば、Ｔｉ，Ａｌ，
Ｍｇなどの成分範囲だけを管理しても必ずしもＨＡＺ靱
性が確保されるわけではないためである。すなわち、あ
る成分範囲内に収まっていると同時に微細に分散されて
いなければＨＡＺ靱性に優れた鋼板とはならない点であ
る。この点は、Ｎｉなどの合金元素添加技術と大きく異
なる点で、従来のＨＡＺ靱性に優れた鋼板の品質管理の
ように成分管理をしっかり行っていれば自動的にＨＡＺ
靱性が確保できる、というものではない。そのため、鋼
材の品質管理には従来方法に加え酸化物が微細分散され
ているかどうかという管理項目が加わることとなり、管
理コストが増大するという問題がある。

【０００５】ＨＡＺ靱性の問題は、単に大入熱溶接され
る場合だけではなく、建築鉄骨の柱梁溶接部のように、
パス間温度が非常に高くなるために、実質的に大入熱溶
接と同じ継手特性になってしまう場合も問題となる。大
入熱溶接の場合は入熱量のみ注意していればいいが、柱
梁溶接部の場合は、溶接長が短くまた施工効率を上げる
ため連続的に多層溶接される場合が多いためパス間温度
が高くなりやすく、場合によっては５００℃を上回る場
合すらある。そのため、溶接入熱量のみならずパス間温
度の影響の方が大きくなる場合もあり、それぞれの影響
を考慮するとなると、入熱量とパス間温度の組み合わせ
の数だけ存在することとなり、その管理費用はますます
増大することとなる。そのため、より効率のよい鋼材品
質管理方法が望まれていた。

【０００６】例えば、特開７-１０３８７１では、溶接
熱影響部の疲労破壊感受性評価試験方法に関する技術が
開示されている。この技術は、鋼材から採取した試験片
に再現熱サイクル試験を実施し、切り欠きを付与して試
験片を作製し、その疲労特性を調べることで溶接熱影響
部の疲労特性を調べるという技術である。しかし、この
技術は、疲労特性を評価することが目的であり、本発明
は、溶接継手の靭性を管理することが目的である点が大
きく異なっている。一般に、溶接継手の疲労特性は、熱
影響部のミクロ組織などの要因よりも、力学要因、すな
わち、切り欠きによる応力集中などの影響がはるかに大
きいといわれており、したがって、特開７-１０３８７
１の技術では、疲労特性しか評価できず、熱影響部靭性
の評価をこの技術で代用することは不可能だった。

【０００７】さらに、溶接熱影響部に優れた鋼材は、通
常、大入熱溶接および大入熱溶接と同程度の熱影響を受
ける溶接継手に適用してはじめてその効果が発揮される
よう設計されているため、再現熱サイクル試験の実施方
法によっては、一般鋼材と区別がつかない領域があるこ
とにも注意しなければならない。具体的には、再現熱サ
イクル試験における最高加熱温度および800℃から500℃
までの冷却時間であり、これらを適切な範囲に設定しな
いと、本発明の目的たる、溶接熱影響部靭性に優れた鋼
板の品質管理に用いることはできない。特開７-１０３
８７１が開示している技術では、800℃から500℃間の冷
却速度が300℃／秒まで設定されることになるが、これ
は冷却時間に直すと800℃から500℃までの冷却時間が1
秒まで適用される技術であることになる。このような領
域では、溶接熱影響部靭性に優れた鋼板と一般鋼板の区
別は不可能で、冷却速度の設定範囲からも、特開７-１
０３８７１の技術では、本発明の目的を達成することは
不可能だった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記のよう
な従来技術の問題点を解決し、溶接熱影響部の靱性が優
れた鋼板、特に酸化物を微細に分散することにより溶接
熱影響部の靱性を改善した鋼板の品質管理方法を、より
効率よく経済的に行えるような方法を提供することを課
題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、以上の背
景から、溶接熱影響部の靱性に優れた鋼板の品質管理方
法について鋭意検討し、鋼板の靭性評価に再現熱サイク
ル試験を導入すれば、また多層溶接される場合において
は実効入熱量という概念を用いれば、より効率よく鋼材
のＨＡＺ靱性の品質管理を効率よく行えることを見いだ
した。本発明はこのような研究成果の結果なされたもの
であり、その要旨は以下の通りである。

【００１０】（１）溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の
品質管理方法において、該鋼材から試験片を採取し、最
高加熱温度が１２５０℃から１４５０℃の間にあり、そ
の後の１００℃までの冷却過程において８００℃から５
００℃までの冷却時間が５０秒から３００秒であるよう
な再現熱サイクルを実施し、該試験片の０℃シャルピー
衝撃値が２７Jから１００Ｊ以下のあらかじめ定められ
た値より高いか否かで該鋼材が溶接されたときの溶接熱
影響部の靱性特性を評価することを特徴とする溶接熱影
響部の靱性に優れた鋼材の品質管理方法。

【００１１】（２）溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の
品質管理方法において、該鋼材から試験片を採取し、該
試験片に、最高加熱温度が１２５０℃から１４５０℃の
間にあり、その後の１００℃までの冷却過程において８
００℃から５００℃までの冷却時間が５０秒から３００
秒であるような再現熱サイクルを実施し、該試験片の旧
オーステナイト粒径を測定し、その粒径が１５０μｍ以
下であるか否かで該鋼材が溶接されたときの溶接熱影響
部の靱性特性を評価することを特徴とする溶接熱影響部
の靱性に優れた鋼材の品質管理方法。ここに、旧オース
テナイトとは、溶接熱影響部が加熱されることによりオ
ーステナイト相（γ相）になり、その後、再びα相にな
った相をいい、その相の最大粒径を旧オーステナイト粒
径という。

【００１２】（３）溶接長が４００ｍｍ以下で３パス以
上の多層溶接される溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の
品質管理方法において、該多層溶接のピーク温度が１２
５０℃から１４５０℃の範囲にある熱履歴から計算され
る熱履歴パラメーターと同じ熱履歴パラメーターの値を
与える予熱なしの１パス溶接の入熱量を計算し、それを
該多層溶接の実効入熱量と定義し、該実効入熱量に対応
する１パス溶接の熱履歴による再現熱サイクル試験を実
行し、該試験片の０℃シャルピー衝撃値が２７Jから１
００Ｊ以下のあらかじめ定められた値より高いか否かで
該鋼材が溶接されたときの溶接熱影響部の靱性特性を評
価することを特徴とする溶接熱影響部の靱性に優れた鋼
材の品質管理方法。

【００１３】（４）溶接長が４００ｍｍ以下で、かつ３
パス以上の多層溶接される溶接熱影響部の靱性に優れた
鋼材の品質管理方法において、該多層溶接のピーク温度
が１２５０℃から１４５０℃の範囲にある熱履歴から計
算される熱履歴パラメーターと同じ熱履歴パラメーター
の値を与える予熱なしの１パス溶接の入熱量を計算し、
それを該多層溶接の実効入熱量と定義し、該実効入熱量
に対応する１パス溶接の熱履歴による再現熱サイクル試
験を実行し、その試験片の旧オーステナイト粒径を測定
し、その粒径が１５０μｍ以下であるか否かで該鋼材が
溶接されたときの溶接熱影響部の靱性特性を評価するこ
とを特徴とする溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の品質
管理方法。

【００１４】（５）熱履歴パラメーターとして、下記
（Ａ）式で計算されるパラメーターを用いることを特徴
とする（３）または（４）記載の溶接熱影響部の靱性に
優れた鋼材の品質管理方法。Ｉ＝∫ｅｘｐ（−２８９００／Ｔ）ｄｔ・・・（Ａ）（Ｔ：絶対温度、ｔ：時間）

【００１５】

【発明の実施の形態】まず、本発明における技術思想に
ついて述べる。本発明の課題とするところは、酸化物の
微細分散を利用したＨＡＺの靱性に優れた鋼板の品質管
理を効率よく行うところにある。このような鋼材は、単
に鋼材成分が所定の範囲内に収まっているかどうかを管
理するだけではなく、特に酸化物が鋼板中で微細に分散
しているかどうかも管理しなければ課題を達成すること
はできない。この点が、Ｎｉ添加等の従来技術鋼板と大
きく異なる点である。しかし、酸化物が微細であるこ
と、かつ多量に生成していることを確認することは、そ
れほど簡単なことではない。

【００１６】そこで、本発明では、酸化物の微細分散を
管理項目とする代わりに、再現熱サイクル試験を実施
し、その試験片のシャルピー衝撃値またはオーステナイ
ト粒径を管理項目に加える方法を採用した。これは、酸
化物微細分散は、シャルピー値を向上させる効果があ
り、かつ、シャルピー衝撃値を向上させるメカニズム
は、旧オーステナイト粒の成長を抑制する点にあること
による。酸化物が微細分散されていれば、旧オーステナ
イト粒が小さくなり、シャルピー衝撃値が向上するた
め、逆に、これらを調べることにより酸化物の微細分散
を確認することができる。これが、本発明における第１
の技術思想である。

【００１７】次に、本発明における第２の技術思想は、
高パス間温度でＨＡＺの靱性に優れた鋼板を多層溶接す
る場合に、多層溶接の実効入熱量という概念を導入し、
入熱量とパス間温度の影響を一本化して考えるというも
のである。例えば、建築鉄骨の柱梁溶接部など、溶接ビ
ードが短くかつ連続的に溶接される場合のように、パス
間温度が非常に高くなるような溶接継手の場合、熱履歴
が大入熱溶接のそれと同等になる。

【００１８】ここで問題になるのは、溶接熱履歴に影響
を与える要因は、従来は溶接入熱量の影響が支配的であ
ったのに対し、柱梁溶接部ではパス間温度も大きな影響
を与えうると言うことである。すなわち、課題の本質
は、考えるべき要因として入熱量とパス間温度の２つが
あることで、これにより考えなければならない条件が大
幅に増えてしまうことである。そこで、従来技術では２
つの要因を同時に考慮しなければならなかった問題を入
熱量とパス間温度から決定される新しい指標を１つ定
め、それで継手特性を評価することが可能になれば、要
因が２つから１つに減ることを意味し、産業上メリット
は大である。

【００１９】実際の熱履歴パターンは、溶接条件、すな
わち電流、電圧、溶接速度と、パス間温度で決定され
る。従来は、パス間温度の影響が小さいと判断され、パ
ス間温度を無視し、溶接条件だけで（パス間温度を無視
するということは、パス間温度が室温と同じ、という意
味になる）議論されていた。パス間温度が無視される
と、常に実効入熱量と実際の入熱量が等しくなる。多層
溶接では、パス間温度の影響が大きくなる場合が存在す
るため、その影響を考慮した熱履歴からパラメーターを
決定し、実効入熱量を算出するため、熱履歴パラメータ
ーにパス間温度の影響が含まれる。

【００２０】一般に、再現熱サイクル試験を用いてシャ
ルピー値を調べる場合は、大入熱溶接の場合がほとんど
であった。阪神大震災以降、柱梁溶接部のようにパス間
温度が極端に高くなり得る溶接部では、入熱量が低くて
も高パス間温度の影響で溶接部の冷却が遅く、実質的に
は大入熱溶接と同じ様なミクロ組織にある危険性がある
と認識されるようになったが、これまで、再現熱サイク
ル試験では、“入熱量がいくらに対応する熱サイクルパ
ターン”などというような検討はなされてきたが、“入
熱量がいくらでパス間温度がいくらに対応する熱サイク
ルパターン”という観点からの検討はあまりされていな
い。従って、これまでの方法によれば、このような高パ
ス間温度の多層溶接継手の特性を確保するためには、熱
サイクルパターンに影響を与える要因である入熱量とパ
ス間温度両方を振り分けて、それぞれの条件でシャルピ
ー値等を調査する方法しかなかった。それでは、パター
ンの数が多くなりすぎ経済的ではない。

【００２１】以上の問題を解決するために、実効入熱量
という概念を導入した。これは、熱履歴パラメーターを
決め、多層溶接の熱履歴を用いてそのパラメーターを計
算し、それと同じ値の熱履歴パラメーターを与える予熱
なしの１パス溶接の入熱量を実効入熱量とするものであ
る。図１は本発明における鋼材の品質管理方法の手順
を、特に多層溶接が実施される場合について説明したも
のである。図１（ａ）は、多層溶接条件から決定される
溶接熱履歴であり、ここではパス間温度が最も高い状態
で溶接施工されると考えられる最終層の最終溶接ビード
に隣接するHAZの熱履歴である。この熱履歴を用いて
（Ａ）式を計算しそれと同じ値を与える予熱なしの１パ
ス溶接の熱履歴が図１―（ｂ）である。そして、（ｂ）
の熱履歴パターンを再現熱サイクル試験に用い（図１−
（ｃ））、その試験片にシャルピー値や旧ガンマ粒径を
測定し（図１−（ｄ））、その値で鋼材の品質管理をす
るというものである。なお、大入熱溶接の場合は、図１
の（ｂ）を実際の溶接熱履歴として、その後の手順は多
層溶接の場合と同じになる。

【００２２】本発明では、具体的な熱履歴パラメーター
として、Ｉ＝∫ｅｘｐ（−２８９００／Ｔ）ｄｔ・・・（Ａ）（Ｔ：絶対温度、ｔ：時間）を選択した。この指標は、AshbyとEarsterlingが１９８
４年に、Acta Metallurgica誌に発表したものである。
そして、このＩを用いて、多層溶接の熱履歴と同値な予
熱無しの１パス溶接の熱履歴を定め、そのときの入熱量
を実効入熱量と定義した。なお、一般に、熱履歴パラメ
ーターとしては、８００℃から５００℃までの冷却時間
がよく用いられており、これを用いて実効入熱量を定義
することもできる。

【００２３】多層溶接の場合、その熱履歴がわかればそ
れを再現熱サイクルに用いればよいとも考えられるが、
本発明では、実効入熱量の導入により品質管理の効率は
格段に向上すると考えている。例えば、入熱量2.5kJ/mm
を最高パス間温度４５０℃で溶接した場合と、入熱量3.
5kJ/mmを最高パス間温度３７５℃で溶接した場合、
（Ａ）式から定義される実効入熱量はほぼ同じである。
しかし、熱履歴そのものは必ずしも一致しない。もし、
実効入熱量を導入しなければ、両者の熱履歴パターンで
再現熱サイクル試験を実施する、すなわち２回実施する
必要があるが、本発明では、１回の試験で充分となる。

【００２４】本発明の考えで、実用上充分な精度で品質
管理ができることを示したのが図２、図３である。図２
は、種々の多層溶接継手から採取した０℃のシャルピー
値と、多層溶接条件から決定した実効入熱量の熱履歴パ
ターンを用いた再現熱サイクル試験のシャルピー値の相
関を示したものである。図２−（ａ）は実効入熱量を
（Ａ）式で定義したもの（実効入熱量１）であるが、よ
い相関が認められ実用上十分である。図２−（ｂ）は、
△ｔ8/5（８００℃から５００℃までの冷却時間）で定
義した実効入熱量（実効入熱量２）を用いた場合である
が、図２−（ａ）より相関は低くい。しかし、この傾向
を理解した上で△ｔ8/5（８００℃から５００℃までの
冷却時間）で定義した実効入熱量を使用すれば、効果が
あるものと考えられる。図３は、旧γ粒径について同様
の相関を調べたものであるが、図２と同様の関係が見出
せる。

【００２５】次に、最高加熱温度を限定した理由につい
て述べる。本発明は、HAZの靱性に優れた鋼材の品質管
理を目的としている。HAZとは、通常、Ａｃ１温度以上
から融点以下に加熱された領域を指すが、特に靱性が問
題となるのは、融合線近傍であり、ここでの靱性が向上
しない場合は、HAZ靱性が優れているとは言い難い。最
高加熱温度を１２５０℃以上としたのは、融合線近傍の
HAZ組織を再現する最低の値として設定した。一方、加
熱温度を１４５０℃を上回る温度に設定すると、試験片
が部分的に溶融する危険があることや、実験装置のコン
トロールのばらつきから試験片の融点に達してしまう危
険性があるため上限を１４５０℃とした。

【００２６】次に、冷却時間を限定した理由について述
べる。HAZ靱性が問題となるのは、大入熱溶接の場合で
あり、一般に大入熱溶接は、８００℃から５００℃まで
の冷却時間が長い。本発明は、HAZ靱性に優れた鋼板の
品質管理を目的としているため、大入熱溶接に対応する
熱サイクルを考える必要がある。下限の５０秒は、これ
より短い冷却時間特にHAZ靱性に優れた鋼板でなくとも
特性は確保できるため、再現熱サイクル試験を品質管理
項目に加えなくとも問題ないこと、さらには、酸化物が
微細分散された鋼材とそうでない鋼材の区別ができなく
なるため下限をこの値にした。上限の３００秒は、現状
の大入熱溶接は、冷却時間がせいぜい３００秒程度であ
り、これを上回る冷却時間に対応する溶接条件は現実的
ではないのでこの値を設定した。

【００２７】次に、再現熱サイクル試験での０℃シャル
ピー値の下限の範囲を限定した理由について述べる。シ
ャルピー値は、ある一定以上あれば、どのような構造物
にもその信頼性が確保できるというものではなく、必要
なシャルピー値は構造物の設計に依存する。一般に、要
求されるシャルピー値は、２７Ｊ、４８Ｊ、７０Ｊな
ど、２７〜１００Ｊの範囲内にある場合が多く、現在の
HAZ靱性に優れた鋼材も、これら要求を満足するよう製
造されるべきである。シャルピー値の下限は、構造物を
設計する鋼材需要家が要求するため、鋼材の品質管理は
その要求を満足するよう管理しなければならない。シャ
ルピー値の下限は、その要求に応じて設定する必要があ
り、現在用いられている必要シャルピー値の範囲という
意味で設定した。

【００２８】次に、旧ガンマ粒径を限定した理由につい
て述べる。酸化物微細分散型の鋼材のHAZ靱性向上メカ
ニズムは旧ガンマ粒の細粒化である。そのため、旧ガン
マ粒が充分細粒化されているかどうかは、鋼材の品質管
理上重要である。旧ガンマ粒径の上限１５０ミクロン
は、これを上回る旧ガンマ粒径の場合は、HAZ組織の細
粒化による靱性向上が得られないため、この値を設定し
た。次に、溶接長を４００ｍｍ以下に限定した理由につ
いて述べる。本発明では、多層溶接におけるパス間温度
の影響が大きくなる場合を対象としている。溶接長が４
００ｍｍを上回る場合は、たとえ連続溶接を実施しても
パス間温度が高くなることはなく、溶接部の継手特性と
いう観点からは、溶接入熱量のみが支配的になる。これ
は、従来の技術の範疇になるので、溶接長の上限を４０
０ｍｍとした。

【００２９】次に、多層溶接におけるパス数を３パス以
上に限定した理由について述べる。多層溶接の場合、大
入熱溶接と異なり、パス間温度もHAZ靱性を決定する重
要な要因である。そして、パス間温度を決定するのは、
溶接入熱量、溶接ビード長さに加え、溶接パス数があ
る。溶接パス数が少ない場合は、パス間温度が高くはな
らないため、実効入熱量の導入が可能であるとはいえ、
それを導入したとしても実際の入熱量と大差なく、品質
管理の効率向上にはつながらなく、本発明の本意からは
ずれるため、パス数の下限を３パスとした。

【００３０】以下に実施例について説明する。（実施例１）板厚２５ｍｍの表１に示す化学成分および
酸化物（ピンニング）粒子数を含有する５種類の供試材
を用いて、表２に示す溶接条件でエレクトロスラグ溶接
を行って実溶接継手を作成するとともに、表３に示す再
現熱サイクル条件で再現熱サイクル試験を行った。な
お、表１における酸化物（ピンニング）粒子の数は、鋼
材の中央部分から抽出レプリカ試料を作成し、これを３
００００倍の倍率で２０００μｍ²の面積にわたって透
過電子顕微鏡（以降ＴＥＭと記述することとする）を用
いて観察することによりＴｉ酸化物、Ｍｇ酸化物また
はＴｉ及びＭｇ複合酸化物などの酸化物の個数を測定し
た。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【表３】

【００３４】表１において、鋼材記号Ａ−１、Ａ−２お
よびＡ−３の鋼材は、本来、Ｔｉ酸化物、Ｍｇ酸化物ま
たはＴｉ及びＭｇ複合酸化物などの酸化物を鋼中に微細
分散し、それらのピンニング効果を利用して溶接時のＨ
ＡＺ靱性を確保することを目的とするものであるが、鋼
材記号Ａ−１の鋼材は、化学成分および製造条件が適正
な条件で製造したため、鋼中の酸化物（ピンニング）粒
子が４×１０⁴個／ｍｍ2であり、溶接時に充分なピンニ
ング効果を発揮し旧オーステナイトの粒成長を抑制で
き、良好な靱性が得られと期待されるものである。これ
に対して、鋼材記号Ａ−２の鋼材は、製造条件が適正で
ない条件で、鋼材記号Ａ−３の鋼材は、ＴｉおよびＭｇ
の成分が含有しない条件でそれぞれ製造したために、鋼
中の酸化物（ピンニング）粒子が０．６×１０⁴（個／
ｍｍ2）、０．０５×１０⁴（個／ｍｍ2）と少なく、溶
接時に充分なピンニング効果を発揮できず、旧オーステ
ナイトの粒成長および靱性低下が生じる予測されるもの
である。

【００３５】また、鋼材記号Ｂの鋼材は、化学成分とし
て、Ｎｉを０．８％と多量に添加することにより、ＨＡ
Ｚ部の粒内組織自体の靱性を向上させることを目的とし
て製造されたものである。表３には、再現熱サイクル条
件とともに、その再現熱サイクル試験材および実溶接継
手のＨＡＺ部からシャルピー衝撃試験片を採取し衝撃値
を測定した結果と鋼中の旧オーステナイト（γ）粒径の
測定結果をそれぞれ示した。なお、実溶接継手から採取
したシャルピー試験片のノッチ位置は、融合線から1mm
離れたＨＡＺ部とした。また、鋼中の旧オーステナイト
（γ）粒径の測定方法は、ＡＳＴＭが定めている切断法
を用いて行った。すなわち、融合線から1ｍｍ離れたＨ
ＡＺ部に直線をランダムに引き、粒界と直線の交点を測
定しその個数で直線の長さを割って粒径を求める方法で
ある。

【００３６】表３において、Ｎｏ．５〜９は、再現熱サ
イクル条件で最高加熱温度が９００℃と本発明範囲より
低めに外れた比較例であり、最高加熱温度が実溶接時の
オーステナイト粒の成長を再現できない程度の低い温度
域であるために、実溶接継手に比べて何れの再現熱サイ
クル試験材のシャルピー値は高く、旧ガンマ粒径は低く
なり、実溶接継手の溶接条件を再現できす、鋼材のＨＡ
Ｚ靱性を適正に評価できなかった。鋼材A-2、A-3におい
ては、特にHAZ靭性に優れている鋼材ではないため、実
継手のシャルピー値が１００Ｊに達していないにもかか
わらず、再現熱サイクル試験では１５０Ｊを上回る値を
示している。

【００３７】一方、再現熱サイクル条件が本発明範囲を
満足するＮｏ．１〜４の発明例は、何れの再現熱サイク
ル試験材のシャルピー値および旧ガンマ粒径も、実溶接
継手のシャルピー値および旧ガンマ粒径を再現してお
り、鋼材のＨＡＺ靱性を適正に評価することができた。
表３における試験Ｎｏ１０〜１３は、最高加熱温度が１
３５０℃で、本発明の範囲に入っているが、冷却時間が
短いため、実継手のＨＡＺ靭性を正しく評価できなかっ
た例である。すなわち、冷却時間が短いため、旧γ粒の
成長が充分でなく、かつＨＡＺが充分焼き入れられ、シ
ャルピー値も充分な値になってしまった例である。特
に、鋼材Ａ−２、Ａ-３のシャルピー値は１００Ｊを充
分上回っており靭性値としては充分な値であるが、実際
の継手でのシャルピー値は１００Ｊを下回っており、Ｈ
ＡＺ靭性の品質管理に用いることは適切ではないことが
わかる。鋼材のＨＡＺ靱性の評価による鋼材の品質管理
は、製品鋼材のＴＥＭ観察によるピンニング粒子数の測
定により可能であるが、本発明法に比べて作業費用が高
く、かつ作業時間もかかる。したがって、実溶接継手の
溶接条件を再現できる本発明法の適用による産業上のメ
リットは大きい。

【００３８】（実施例２）次に、多層溶接継手のＨＡＺ
靭性を評価するために、表４に示す溶接条件で表１にあ
る鋼材Ａ-１，Ａ-２、Ｂを用いて継手を作製した。この
ときの板厚は２５ｍｍである。多層溶接条件から、熱履
歴計算を実施した。熱履歴計算は、市販の有限要素法プ
ログラム、ＱｕｉｃｋＷｅｌｄｅｒ（計算力学研究セン
ター製）を用いて実施した。またそのとき用いた熱定数
は、熱伝導率が０．０６ｃａｌ／ｃｍ℃ｓ、熱拡散係数
が０．０４２ｃｍ２／ｓ、表面熱放散係数が０．００１
ｃａｌ／ｃｍ２℃ｓである。このプログラムは、各ビー
ドの溶接条件を入力すると数値的に温度履歴を計算する
プログラムである。熱履歴計算は、ＨＡＺ靭性が最も劣
化する最終層の最終ビードに隣接するピーク温度が１３
５０℃の熱影響部のところで計算した。計算は、まず、
第１ビードの熱伝導計算を実施し、第１ビード終了した
ときのパス間温度が表４のあらかじめ設定されている最
高パス間温度以下であるときには、連続的に次の溶接ビ
ードがスタートするとして、パス間温度が表４の最高パ
ス間温度を上回るときは、パス間温度が表４の最高パス
間温度に下がるまで次の溶接ビードを施工しない、とい
う条件で計算を実施した。

【００３９】

【表４】

【００４０】なお、この計算条件は、表４の多層溶接を
行ったときの施工条件と同じである。熱履歴が計算され
ると、これを用いて、（Ａ）式の値、あるいは８００℃
から５００℃までの冷却時間が各溶接条件に対して求ま
る。これら値と同じ値を与える予熱なしの１パス溶接の
入熱量、すなわち実効入熱量を求めた。計算は、熱伝導
解析はＱｕｉｃｋＷｅｌｄｅｒで行い、その温度履歴を
用いて、（Ａ）式や冷却時間を計算し、多層溶接におけ
るそれら値と同じになるまで入熱量を変化させて実行し
た。（Ａ）式を用いたときの実効入熱量を実効入熱量１
とし、８００℃から５００℃までの冷却時間を用いたと
きの実効入熱量を実効入熱量２とした。

【００４１】次に、実効入熱量に対応する１パス溶接の
熱履歴は計算済みであるため、この結果を用いて再現熱
サイクル試験を実施した。そのときの、試験条件と０℃
シャルピー値および旧γ粒径を表５にまとめた。旧γ粒
径の測定方法は、実施例１と同じ方法を採用した。

【００４２】

【表５】

【００４３】表５の結果で、多層溶接継手の継手を評価
できるかを調べるため、表４の条件で作製した多層溶接
継手の０℃シャルピー値と旧γ粒径を調べた。シャルピ
ー値および旧γ粒径は最終層の最終ビードに隣接するＨ
ＡＺ部の値で、その結果を表６に示した。

【００４４】

【表６】

【００４５】表４〜６の結果から、多層溶接継手のＨＡ
Ｚ靭性の評価が可能かどうか調べた。表７、８は、シャ
ルピー値に着目した例である。表７は、表４の多層溶接
条件で溶接ビード長さが本発明の範囲内である溶接条件
１および３に対する実施例を示し、表８は、本発明の範
囲外の溶接ビード長さである表４の溶接条件２に対する
実施例である。表７で、鋼材Ａ−１は、継手のシャルピ
ー値は表６から溶接条件１では２０５Ｊ、溶接条件３で
は１９０Ｊである。それに対し、実効入熱量１を用いた
評価では、溶接条件１については、その実効入熱量は表
４から７．０ｋＪ／ｍｍとわかっているため、表５の鋼
材Ａ−１の７ｋＪ／ｍｍの再現熱サイクル試験結果であ
る１８３Ｊが溶接条件１に対応するシャルピー値にな
る。このようにして、他の条件でも多層溶接継手のシャ
ルピー値と再現熱サイクル試験のシャルピー値を表７に
併記した。

【００４６】

【表７】

【００４７】

【表８】

【００４８】一般に、ＨＡＺ靭性はある値以上を合格と
するため、ここでは、現状最も厳しい条件と考えられる
１００Ｊを満たしているかどうかで継手のシャルピー値
を評価できているかの判断とする。例えば、鋼材Ａ−１
の溶接条件１では、実効入熱量１の場合再現熱サイクル
試験結果が１８３Ｊで、継手のそれが２０５Ｊと、とも
に１００Ｊを上回っているため再現熱サイクル試験は継
手のシャルピー値を正しく評価できると判断した。この
ときを○と表現した。一方、鋼材Ａ−２で、実際の入熱
量を用いた再現熱サイクル試験結果は溶接条件３で１２
０Ｊであるのに対し、実継手は６５Ｊしかなく、再現熱
サイクル試験と実継手のシャルピー値は一致しないと判
断できる。このときを×と表現した。

【００４９】表７では以上のような判断で、継手シャル
ピー値と再現熱サイクル試験結果の一致と不一致をまと
めている。不一致が認められるのは、まず、加熱温度が
９００℃と低い場合であり、これは旧γ粒径が充分成長
しない領域の温度であるためである。本発明の範囲内に
ある１３５０℃加熱では、よい一致を示している。さら
に、実効入熱量を用いず実際の入熱量を用いた場合も、
継手のシャルピー値を正しく評価できていなく、×にな
っていることがわかる。

【００５０】次に、表８では、溶接ビード長が本発明の
範囲外である条件で表７と同様な評価をした例である。
このような場合、表７と異なり、実効入熱量を用いて
も、実際の入熱量を用いても、継手のシャルピー値をほ
ぼ同じ程度によく評価できることがわかる。すなわち、
表７では、実際の入熱量を用いて再現熱サイクル試験を
実施すると、溶接継手のシャルピー値を正しく評価でき
なかったが、表８では、正しく評価できていることがわ
かる。これは、多層溶接時のパス間温度が、あまり高く
ならなかったためで、実効入熱量と実際の入熱量の差が
小さいためのこのような結果になった例である。従来技
術では、パス間温度の影響をあまり重視しなくても充分
であった理由は、このような理由による。実効入熱量を
導入するメリットがあるのは、本発明のようにビード長
さが短い場合であることがわかる。

【００５１】表７、８のシャルピー値と同じように、再
現熱サイクル試験と多層溶接継手の旧γ粒径を比較した
のが表９，１０である。ここでは、旧γ粒径が１５０μ
ｍ以下であるかどうかで両者が一致するかどうかを判断
した。表９は、溶接ビード長さが本発明例の範囲内であ
る、表４の溶接条件１、３に対する実施例であり、表１
０は、ビード長さが本発明の範囲外である溶接条件２に
対する実施例である。表９，１０の結果は、表７，８の
それと同じであり、本発明に従い再現熱サイクル試験を
実施すれば、旧γ粒径の評価も可能である事がわかっ
た。なお、鋼材Ｂで、実効入熱量２を用いた再現熱サイ
クル試験結果は１０１Ｊと、継手シャルピー値の１４５
Ｊとの乖離は実効入熱量１を用いた場合より大きい。す
なわち、実効入熱量１を用いたほうがより評価が正しい
ことがわかる。しかし、実効入熱量２を用いたとき、評
価が厳しくなる傾向にあることをあらかじめ考慮してお
けば、実効入熱量２による評価も充分実用的である。

【００５２】

【表９】

【００５３】

【表１０】

【００５４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、酸化物
微細分散を有効利用したＨＡＺ靱性に優れた鋼板の品質
管理をより効率よく行うことができ、また多層溶接部の
ＨＡＺ靱性管理も効率よく行うことが可能であり、産業
上のメリットは大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明における品質管理手順を説明
した概念図である。

【図２】図２は、実際の継手のシャルピー値と再現熱
サイクル試験でのシャルピー値の相関を説明した図であ
る。

【図３】図３は、実際の継手の旧γ粒径と再現熱サイ
クル試験での旧γ粒径の相関を説明した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の品質
管理方法において、該鋼材から試験片を採取し、最高加
熱温度が１２５０℃から１４５０℃の間にあり、その後
の１００℃までの冷却過程において８００℃から５００
℃までの冷却時間が５０秒から３００秒であるような再
現熱サイクルを実施し、該試験片の０℃シャルピー衝撃
値が２７Jから１００Ｊ以下のあらかじめ定められた値
より高いか否かで該鋼材が溶接されたときの溶接熱影響
部の靱性特性を評価することを特徴とする溶接熱影響部
の靱性に優れた鋼材の品質管理方法。
【請求項２】溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の品質
管理方法において、該鋼材から試験片を採取し、該試験
片に、最高加熱温度が１２５０℃から１４５０℃の間に
あり、その後の１００℃までの冷却過程において８００
℃から５００℃までの冷却時間が５０秒から３００秒で
あるような再現熱サイクルを実施し、該試験片の旧オー
ステナイト粒径を測定し、その粒径が１５０μｍ以下で
あるか否かで該鋼材が溶接されたときの溶接熱影響部の
靱性特性を評価することを特徴とする溶接熱影響部の靱
性に優れた鋼材の品質管理方法。
【請求項３】溶接長が４００ｍｍ以下で３パス以上の
多層溶接される溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の品質
管理方法において、該多層溶接のピーク温度が１２５０
℃から１４５０℃の範囲にある熱履歴から計算される熱
履歴パラメーターと同じ熱履歴パラメーターの値を与え
る予熱なしの１パス溶接の入熱量を計算し、それを該多
層溶接の実効入熱量と定義し、該実効入熱量に対応する
１パス溶接の熱履歴による再現熱サイクル試験を実行
し、該試験片の０℃シャルピー衝撃値が２７Jから１０
０Ｊ以下のあらかじめ定められた値より高いか否かで該
鋼材が溶接されたときの溶接熱影響部の靱性特性を評価
することを特徴とする溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材
の品質管理方法。
【請求項４】溶接長が４００ｍｍ以下で、かつ３パス
以上の多層溶接される溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材
の品質管理方法において、該多層溶接のピーク温度が１
２５０℃から１４５０℃の範囲にある熱履歴から計算さ
れる熱履歴パラメーターと同じ熱履歴パラメーターの値
を与える予熱なしの１パス溶接の入熱量を計算し、それ
を該多層溶接の実効入熱量と定義し、該実効入熱量に対
応する１パス溶接の熱履歴による再現熱サイクル試験を
実行し、その試験片の旧オーステナイト粒径を測定し、
その粒径が１５０μｍ以下であるか否かで該鋼材が溶接
されたときの溶接熱影響部の靱性特性を評価することを
特徴とする溶接熱影響部の靱性に優れた鋼材の品質管理
方法。
【請求項５】熱履歴パラメーターとして、下記（Ａ）
式で計算されるパラメーターを用いることを特徴とする
請求項３または４記載の溶接熱影響部の靱性に優れた鋼
材の品質管理方法。Ｉ＝∫ｅｘｐ（−２８９００／Ｔ）ｄｔ・・・（Ａ）（Ｔ：絶対温度、ｔ：時間）