JP2010172907A

JP2010172907A - 溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP2010172907A
Application number: JP2009015590A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Nako; 秀徳名古; Yoshiomi Okazaki; 喜臣岡崎; Munenori Sato; 統宣佐藤; Kojiro Nakanishi; 浩二郎中西
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP5222749B2

Abstract

【課題】極低温用鋼と同程度の低温靭性を有し、かつ優れた耐亀裂発生強度を有する溶接継手部を得ることのできる共金系溶接用ソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】Ｃ：０．１５％（質量％の意味。以下、同じ。）以下（０％を含まない）、Ｓｉ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：８．０〜１５．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｏ：０．０１５％以下（０％を含む）、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、ＲＥＭ：０．００５〜０．０４％、Ｃａ：０．０００５〜０．００８％および／またはＭｇ：０．０００５〜０．００８％を合計で０．０００５〜０．０１２０％含有し、残部が鉄および不可避不純物であることを特徴とする溶接用ソリッドワイヤである。
【選択図】なし

Description

本発明は、９％ニッケル鋼に代表される極低温用鋼の溶接用ソリッドワイヤに関し、より詳細には極低温用鋼を溶接した場合に極低温特性に優れた溶接継手部を得ることのできる極低温用鋼溶接用共金系ソリッドワイヤに関する。以下では、溶接母材として９％ニッケル鋼を代表例として挙げて説明するが、これに限定する趣旨ではない。

極低温用鋼として代表的な９％ニッケル鋼は、高い耐力を有するとともに、およそ−１９６℃程度の極低温での靭性にも優れるため、ＬＮＧ、液体窒素、また液体酸素などの貯蔵タンク等に広く用いられている。このような９％ニッケル鋼の特性を最大限生かすためには、９％ニッケル鋼を溶接した場合の溶接継手部にも同程度の特性が要求される。

このような観点から、９％ニッケル鋼溶接用ワイヤとして、９％ニッケル鋼に類似した成分を有する溶接ワイヤ（いわゆる、共金系ワイヤ）を用いれば、極低温特性に優れた溶接継手部が得られるようにも考えられる。しかし、母材である９％ニッケル鋼の強度と低温靭性は適当な熱処理を施すことによって確保されているのであり、共金系ワイヤを用いて溶接した場合の溶接継手部は、溶接ままでは９％ニッケル鋼と同等の強度と低温靭性を確保することができない。さらに貯蔵タンク等の巨大構造物では溶接建造後の熱処理は実質上不可能であり、熱処理によって溶接継手部に前記特性を確保することは困難である。

上記のような事情から、９％ニッケル鋼の溶接には高ニッケル合金ワイヤが多く使用されてきた。しかし、高ニッケル合金ワイヤを用いた溶接継手部は、低温靭性に優れるという利点を有するものの、引張強度、特に０．２％耐力が９％ニッケル鋼に比べてかなり低いという問題がある。その結果、強度を確保するために溶接構造物全体を厚肉にしなければならずコストが上昇してしまう他、高ニッケル合金と９％ニッケル鋼の熱膨張係数の差に起因する熱疲労の問題も生じてしまう。

例えば、特許文献１では９％ニッケル鋼を始めとする超低温用鋼の溶接に用いるソリッドワイヤとして共金系溶接ワイヤの化学成分に着目している。具体的には、溶接ワイヤ中のニッケル、マンガン、硼素、および酸素などの含有量を適切な範囲に調整したものである。しかし、特許文献１ではＪＩＳＺ３１１１に準じたシャルピー衝撃試験によって破壊に至るまでのトータルの吸収エネルギーで低温靭性を評価するのみであり、後述するような亀裂の発生を反映した耐亀裂発生強度までは考慮されていない。

また特許文献２では極低温用鋼と類似成分の共金系ワイヤを用い、溶接方法を工夫することによって溶接継手部の低温靭性を確保する技術が開示されている。しかし特許文献２も、特許文献１と同様のシャルピー衝撃試験や、ＣＯＤ試験により低温靭性を評価するのみであり、実際の溶接構造物の安全性を確保するために考慮されるべき亀裂発生の観点からの評価はなされていない。

さらに特許文献３では、含Ｎｉ低温用鋼を共金系溶接材料を用いて溶接するに際し、短時間で熱処理して溶接部の低温靭性を改善する方法を開示している。しかし特許文献３においても実際の溶接構造物の安全性を確保するために考慮されるべき亀裂発生の観点からの評価はなされていない。

特開昭５４−７６４５２号公報特開昭５３−１１８２４１号公報特開昭６１−１５９２５号公報

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は９％ニッケル鋼に代表される極低温用鋼と同程度の低温靭性を有し、かつ優れた耐亀裂発生強度を有する溶接継手部を得ることのできる共金系溶接用ソリッドワイヤを提供することにある。また本発明の別の目的は、前記ソリッドワイヤにより形成された溶接金属を提供することにある。

上記課題を解決し得た本発明に係る溶接用ソリッドワイヤとは、Ｃ：０．１５％（質量％の意味。以下、同じ。）以下（０％を含まない）、Ｓｉ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：８．０〜１５．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｏ：０．０１５％以下（０％を含む）、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、ＲＥＭ：０．００５〜０．０４％、Ｃａ：０．０００５〜０．００８％および／またはＭｇ：０．０００５〜０．００８％を合計で０．０００５〜０．０１２０％含有し、残部が鉄および不可避不純物であることを特徴とするものである。

本発明のソリッドワイヤは、更にＴｉ：０．０２〜０．１０％を含有していても良い。

本発明は、上記溶接用ソリッドワイヤにより形成された溶接金属も包含する。

本発明の溶接用ソリッドワイヤは、ＲＥＭ（希土類元素）を含有するとともにＣａおよび／またはＭｇを含有しているため、ＲＥＭの酸化物による低温靭性向上効果が有効に発揮される。すなわち、−１９６℃のレベルの極低温での靭性（シャルピー吸収エネルギー）を確保することに加えて、極低温での耐亀裂発生強度に優れた溶接継手部を実現することが可能である。

計装化シャルピー衝撃試験によって得られる荷重−変位曲線を模式的に示した図である。

本発明者らは、極低温用鋼と同等の極低温特性を有する溶接継手部を得ることのできる共金系ソリッドワイヤを実現すべくかねてより研究を重ねてきた。その結果、ソリッドワイヤ中に適切な量のＲＥＭ（希土類元素）を含有させることによって、極低温での靭性と耐亀裂発生強度の両特性（以下ではまとめて「極低温特性」と呼ぶ場合がある）に優れた溶接継手部が得られることを見出し、その技術的意義が認められたので先に出願している（特願２００８−２４１１９７号）。この技術の概要は、ソリッドワイヤ中に存在するＲＥＭは、溶接金属中に存在する微量の酸素と反応してＲＥＭの酸化物を形成する。ＲＥＭの酸化物は他の酸化物と異なり、溶融した鉄合金との濡れ性が悪いため凝集しづらく、従って大きな酸化物に成長しないと考えられる。このような微細に分散したＲＥＭ酸化物は破壊起点として作用することはなく、むしろ溶接凝固過程や凝固後の結晶粒成長を抑制するピン止め粒子として機能するため、溶接金属全体の強度や靭性を高めるのに有効に作用するというものである。

また、特願２００８−２４１１９７号（以下、「先の出願」と呼ぶ。）では溶接継手部の極低温特性の評価に際して、従来開示されていなかった新規かつ有益な評価の観点を導入している。従来は溶接継手部の評価はシャルピー衝撃試験やＣＴＯＤ試験（ＣＯＤ試験とも言う）により行われることが多かった。これらの試験方法は、破壊に至るまでのトータルのエネルギー量や破壊に至った後の開口変位量を評価するものである。一方、実際に溶接構造物に荷重が負荷されると、まず亀裂が発生しその後に亀裂が伝播する。つまり従来の試験方法では亀裂の発生、伝播の過程といった、現実の破壊挙動に即した精緻な極低温特性を評価することは困難であった。そこで本発明者らは荷重−変位曲線によりシャルピー衝撃試験時の亀裂発生と伝播の過程を評価できる計装化シャルピー衝撃試験法に着目し、この測定法によって把握できる亀裂発生時の負荷を「耐亀裂発生強度」とし、溶接継手部の靭性評価の要素として採用している。

ここで、先の出願ではＴＩＧ溶接や、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスをメインとした（例えば、不活性ガスが９９．９体積％程度）を用いたＭＩＧ溶接を施すことを想定しており、このような場合に前記ＲＥＭ酸化物の効果が有効に発揮されることが確認されている。

しかし、シールドガスとして、アルゴンに５体積％以下程度の少量のＣＯ₂を含むようなＭＩＧ溶接や、アルゴンに２体積％以下程度の少量のＯ₂を含むようなＭＩＧ溶接においては、ＲＥＭ含有ソリッドワイヤを用いても、後記する実施例でも示すようにＲＥＭ酸化物の効果が有効に発揮されない場合もある。

そこで本発明者らは、シールドガスとしてアルゴンに少量のＣＯ₂やＯ₂を含むようなＭＩＧ溶接を施した場合であっても、母材である極低温鋼と同等の極低温特性を有する溶接継手部を得ることのできる共金系ソリッドワイヤを実現すべく更に研究を重ねた。その結果、ソリッドワイヤに適切な量のＲＥＭを含有させるとともに、Ｃａおよび／またはＭｇを含有させることにより、極低温特性に優れた溶接継手部が得られることを見出した。

本発明において、ソリッドワイヤ中にＲＥＭとともに、Ｃａおよび／またはＭｇを含有させることによって、極低温特性に優れた溶接継手部が得られるメカニズムは以下のように推定される。

上述したように、先の出願ではワイヤ中にＲＥＭを含有させると、溶接金属中に含まれる微量の酸素と反応することによって、微細なＲＥＭ酸化物が形成され、このＲＥＭ酸化物のピン止め効果によって溶接継手部の極低温特性を確保している。一方、シールドガスに酸化性ガスとしてＣＯ₂やＯ₂が含まれるＭＩＧ溶接では、ＣＯ₂の場合はＣＯ₂→ＣＯ＋Ｏとなることにより、Ｏ₂の場合はＯ₂→２ＯとなることによりＯ（酸素）が生成される。ＲＥＭは脱酸能が高いため、このようにＯ（酸素）が過剰に生成されることによって、ＲＥＭとＯ（酸素）との反応が劇的に進行しＲＥＭ酸化物はスラグアウトしてしまう。すなわち、ＴＩＧ溶接や、シールドガスとして不活性ガスをメインとしたＭＩＧ溶接を施した場合とは異なり、微細なＲＥＭ酸化物を溶接金属中に残存させることができない。

そこで本発明者らは、ソリッドワイヤ中にＲＥＭとともに、Ｃａおよび／またはＭｇを含有させれば、Ｃａおよび／またはＭｇが、ＲＥＭや他の元素に優先して酸素と結びついて酸化物を形成し、スラグアウトすることを見出した。すなわち、ＲＥＭの酸化物は溶接金属中に留まることが可能となり、ＲＥＭ酸化物による溶接継手部の極低温特性の向上効果が有効に発揮されると考えられる。

本発明のソリッドワイヤの化学成分組成について以下に説明する。

Ｃ：０．１５％以下（０％を含まない）
Ｃは強度を向上させるのに有効な元素であるため、０．０１％以上であることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上である。一方Ｃ量が過剰になると溶接金属の低温靭性が著しく低下する。そこでＣ量を０．１５％以下と定めた。Ｃ量は好ましくは０．１２％以下であり、より好ましくは０．１％以下である。

Ｓｉ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｓｉは溶接作業性を向上させるのに有効な元素であるため、０．０１％以上であることが好ましく、より好ましくは０．０２％以上である。一方、Ｓｉ量が過剰になると溶接金属の低温靭性が低下し、さらに高温割れ感受性を著しく高める。そこでＳｉ量は０．３％以下と定めた。Ｓｉ量は好ましくは０．２％以下であり、より好ましくは０．１５％以下である。

Ｎｉ：８．０〜１５．０％
Ｎｉは溶接金属の低温靭性を確保する上で重要な成分である。そこでＮｉ量を８．０％以上と定めた。Ｎｉ量は好ましくは９％以上であり、より好ましくは１０％以上である。一方、Ｎｉ量が過剰になると、溶接継手の機械的強度が高くなりすぎることによって延性が極端に低下する。また、不安定な残留オーステナイトが生成し極低温下ではマルテンサイトに変態するため、溶接金属の低温靭性が低下する。そこでＮｉ量を１５．０％以下と定めた。Ｎｉ量は好ましくは１４％以下であり、より好ましくは１３％以下である。

Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは溶接作業性を改善するとともに脱酸効果、硫黄捕捉効果を発揮する元素である。そこでＭｎ量を０．１％以上と定めた。Ｍｎ量は好ましくは０．２％以上であり、より好ましくは０．３％以上である。一方、Ｍｎ量が過剰になると不安定な残留オーステナイトが生成し、上記Ｎｉと同様に溶接金属の低温靭性が低下する。そこでＭｎ量を１．０％以下と定めた。Ｍｎ量は好ましくは０．９％以下であり、より好ましくは０．８％以下である。

Ｏ：０．０１５％以下（０％を含む）
Ｏ（酸素）は後述するＲＥＭやＴｉの酸化物を形成させるのに必要であるが、過剰になると溶接金属中に含まれる酸化物の個数密度が増加したり、凝集・合体することによる粗大化を招く。そこでＯ量は０．０１５％以下と定めた。Ｏ量は好ましくは０．０１３％以下であり、より好ましくは０．０１１％以下である。

Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）
Ａｌは脱酸作用を有する元素であり、ブローホール等の溶接欠陥を防止するのに有効な元素である。しかし過剰になると耐割れ性を著しく損なうため、Ａｌ量は０．１％以下（０％を含まない）とする。Ａｌ量は好ましくは０．０８％以下、より好ましくは０．０５％以下である。

ＲＥＭ：０．００５〜０．０４％
ＲＥＭは本発明において重要な作用を有する元素である。ＲＥＭは溶接金属中に含まれる微量の酸素と反応して微細な酸化物を形成する。このような微細なＲＥＭ酸化物は破壊起点としては作用せず、むしろ溶接凝固過程や凝固後の結晶粒成長を抑制するピン止め粒子として機能するため、溶接金属全体の強度や極低温特性を高めるのに有効に作用する。ＲＥＭ量が０．００５％未満では、溶接金属の低温靭性には問題がないものの、耐亀裂発生強度が十分に確保できない。そこでＲＥＭ量を０．００５％以上と定めた。ＲＥＭ量は好ましくは０．００８％以上であり、より好ましくは０．０１％以上である。一方、ＲＥＭ量が過剰になると、破壊起点として作用する粗大ＲＥＭ酸化物の形成が促進されるため溶接金属の低温靭性および耐亀裂発生強度ともに低下してしまう。そこでＲＥＭ量を０．０４％以下と定めた。ＲＥＭ量は好ましくは、０．０３５％以下であり、より好ましくは０．０３％以下である。なお、ＲＥＭとは希土類元素のことであり、周期律表のＬａからＬｕまでの１５の元素を意味する。これらの元素はいずれも同等の効果を発揮するので、上記１５の元素の中から適宜選択して１種の元素を用いても良いし、複数の元素を用いても良い。

Ｃａ：０．０００５〜０．００８％および／またはＭｇ：０．０００５〜０．００８％を合計で０．０００５〜０．０１２０％
Ｃａ、Ｍｇは、ＲＥＭに優先して酸素と結びついてスラグアウトし、ＲＥＭ酸化物を溶接金属中に留めるために有効に作用する元素であり、本発明において重要な元素である。このような作用を有効に発揮されるため、Ｃａ量、Ｍｇ量はいずれも０．０００５％以上と定めた。Ｃａ量、Ｍｇ量は好ましくはいずれも０．００１０％以上、より好ましくは０．００２０％以上である。一方、Ｃａ量、Ｍｇ量が過剰になると、粗大な酸化物が増加し、溶接金属の低温靭性を低下させてしまう。従って、Ｃａ量、Ｍｇ量はいずれも０．００８％以下と定めた。Ｃａ量、Ｍｇ量は好ましくはいずれも０．００７％以下であり、より好ましくは０．００６％以下である。また、低温靭性を劣化させる粗大なＣａ系酸化物の形成はＣａ含有量に影響されるのであり、同様に低温靭性を劣化させる粗大なＭｇ系酸化物の形成はＭｇ含有量に影響されるのであり、ＣａとＭｇを複合添加する場合であってもＣａ量とＭｇ量の上限をいずれも０．００８％以下とすればよいが、Ｃａ量とＭｇ量の合計量が過剰になると、ＣａとＭｇの両方を含んだ粗大な複合酸化物が形成されるため、合計量の上限は０．０１２０％以下と定めた。

本発明のソリッドワイヤの基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が含まれることは、当然に許容される。不可避不純物としては例えばＰ、Ｓなどの他、特に含有量に留意すべき元素としてＢが挙げられる。

Ｂは、含有量が過剰となると極低温靭性を確保する上で極めて有害な不純物となる。すなわち、Ｂ量が０．００３％を超えると高温割れ感受性が増大する他、焼入性が向上して極低温靭性が低下する。このため、Ｂ量は実質的に零（測定限界以下）とするのが理想であるが、一般にＢはワイヤ原料として主要な電解鉄等の原料中に不純物として混入するのであり、真空脱ガス法などの高清浄溶解法を採用したとしても、Ｂを完全に除去することは困難である。従って、Ｂを含有する場合はその上限を０．００３％以下とする。

さらに本発明のソリッドワイヤは、必要に応じて、Ｔｉを含有していても良い。

Ｔｉ：０．０２〜０．１０％
Ｔｉは、前述のＲＥＭほど顕著な効果ではないものの、ＲＥＭと同様に微細な酸化物を形成するものであり、ＲＥＭと同時に含有させることによって、極低温での溶接金属の靭性と耐亀裂発生強度を向上させることができる。そこでＴｉ量は０．０２％以上とすることが好ましい。Ｔｉ量はより好ましくは０．０３％以上であり、さらに好ましくは０．０５％以上である。一方、Ｔｉ量が過剰になると、極低温での溶接金属の靭性と耐亀裂発生強度が低下する。そこでＴｉ量は０．１０％以下とすることが好ましい。Ｔｉ量はより好ましくは０．０８％以下である。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．２９％、Ｍｎ：０．３８％、Ｎｉ：９．１％、Ｐ：０．００５％、Ｓ：０．００４％、Ｏ：０．００２０％、残部：鉄および不可避不純物である９％ニッケル鋼を母材とし（板厚：１６ｍｍ）、４５°Ｖ字開先加工を施した。次いで、表１に示す化学成分（残部は鉄および不可避不純物）の溶接用ワイヤを用い、電流：２５０Ａ、電圧：３０Ｖ、溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ、シールドガス：Ａｒ＋１．０体積％ＣＯ₂、パス数：１４パス、層数：５層、溶接姿勢：下向き、の条件で溶接を行った。なお、表１におけるＲＥＭは、Ｃｅ、Ｌａを主として含むミッシュメタルを用いた。

溶接終了後、ＪＩＳＺ３１１１に準拠してシャルピー衝撃試験片を採取し、−１９６℃の温度にて計装化シャルピー衝撃試験（ＪＴＴＯＨＳＩＩＮＣ．製３００Ｊ計装化シャルピー衝撃試験機型式：ＣＡＩ−３００Ｄ）を行い、溶接金属の極低温特性（シャルピー吸収エネルギーおよび耐亀裂発生強度）を測定した。図１は計装化シャルピー衝撃試験によって得られる荷重−変位曲線を模式的に示したものであり、衝撃刃により試験片に与えられる荷重と、衝撃刃が試験片に接触した後の変位との関係を示している。この試験法により、シャルピー吸収エネルギーだけでなく、計装化シャルピー衝撃試験における最大荷重を測定することができる。この最大荷重とは、衝撃試験時の亀裂発生に最小限必要な荷重（本発明では、「耐亀裂発生強度」と呼んでいる）に相当するものであり、この亀裂発生に最小限必要な荷重が大きいほど、亀裂発生が起こりにくいことを意味している。

シャルピー吸収エネルギーは１００Ｊ以上を合格とし、耐亀裂発生強度は最大荷重で評価するものとし、２５０００Ｎ以上を合格とした。

結果を表２に示す。

Ｎｏ．１〜７は溶接用ワイヤの化学成分組成が適切に制御されているため、−１９６℃におけるシャルピー吸収エネルギーおよび、耐亀裂発生強度に優れている。Ｎｏ．２ではワイヤ中にＣａが０．００２３％含有されていたのに対し、溶接金属中のＣａ量は０．００１０％に減少しており、Ｃａがスラグアウトしていることを確認している。またＮｏ．３でもワイヤ中にＭｇが０．００４８％含有されていたのに対し、溶接金属中のＭｇ量は０．００２２％であり、Ｍｇがスラグアウトしていた。

一方、Ｎｏ．８〜１５は成分組成が本発明の範囲から外れているためシャルピーエネルギーおよび耐亀裂発生強度のうち少なくとも一方が劣っている。

Ｎｏ．８はＲＥＭを含有していないため、耐亀裂発生強度が劣っている。

Ｎｏ．９はＲＥＭ量が過剰であるため、シャルピー吸収エネルギーおよび耐亀裂発生強度のいずれも劣っている。

Ｎｏ．１０、１１はＣａおよびＭｇを含有していないため、シャルピーエネルギーおよび耐亀裂発生強度のうち少なくとも一方が劣っている。

Ｎｏ．１２はＣａ量が過剰な例であり、Ｎｏ．１３はＭｇ量が過剰であり且つＯ量が過剰な例であり、またＮｏ．１４はＣａとＭｇの合計量が過剰な例であり、いずれもシャルピー吸収エネルギーおよび耐亀裂発生強度が劣っている。

Ｎｏ．１５はＴｉ量が過剰であるため、シャルピー吸収エネルギーおよび耐亀裂発生強度が劣っている。

Claims

Ｃ：０．１５％（質量％の意味。以下、同じ。）以下（０％を含まない）、
Ｓｉ：０．３％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：８．０〜１５．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｏ：０．０１５％以下（０％を含む）、
Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、
ＲＥＭ：０．００５〜０．０４％、
Ｃａ：０．０００５〜０．００８％および／またはＭｇ：０．０００５〜０．００８％を合計で０．０００５〜０．０１２０％含有し、
残部が鉄および不可避不純物であることを特徴とする溶接用ソリッドワイヤ。
更に、Ｔｉ：０．０２〜０．１０％を含有する請求項１に記載の溶接用ソリッドワイヤ。
請求項１または２に記載の溶接用ソリッドワイヤにより形成された溶接金属。