JP2011206777A - 溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手およびレーザ溶接方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】ラインパイプ等の溶接構造物に用いて好適な、引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼材で、溶接金属部靭性に優れるレーザ溶接継手およびレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接金属は、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．１４％以下、Ｏ：０．０２％以下を含み、かつＣｅｑが０．３５〜０．６５％を満足する成分組成と、アスペクト比で４以上の針状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が面積率で５％以下である、ベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織からなるミクロ組織を有するレーザ溶接継手。Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４、ここで、Ｃｅｑ：炭素当量（ｍａｓｓ％）、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％）。シールドガスとして酸素供給ガスが体積比率で１０％以下の不活性ガスを用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、主として橋梁、船舶、海洋構造物、建築、ラインパイプ等の溶接構造物に用いる鋼材の溶接方法に係り、特に引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼材の、溶接金属部の靭性に優れたレーザ溶接継手およびその製造方法として好適なものに関する。

レーザ溶接は、高いエネルギー密度を得ることができるため深溶け込みの高速溶接が可能であり、高能率な溶接方法として期待されている。また、極めて局所的な溶融となるため母材に加わる熱の影響も小さく、歪や変形の小さな高品質の溶接継手を得ることができる。

このため、自動車など薄板分野においては、既に部材や車体の組立工程に実用化が進んでおり、多くの適用実績がある。一方、厚板分野においても、最近では高出力で光ファイバー伝送が可能な高性能のレーザ溶接機が市販されるようになり、溶接可能な板厚が増大したことから実用化に向けた本格的な検討がなされるようになった。

しかしながら、レーザ溶接は従来アーク溶接に比べて小入熱溶接であるため、溶接後の冷却速度が速くなり、溶接金属部および熱影響部が硬化して靭性が劣化する場合が多く、靭性の向上が課題とされてきた。

例えば特許文献１では、鋼材の化学組成およびＡｌ含有量を調整すると共に、酸化性雰囲気中で溶接することにより、レーザ溶接金属中の酸素含有量やＡｌ／Ｏ比を制御し、その結果、レーザ溶接金属組織をアシキュラーフェライトの発達した組織とすることで、レーザ溶接金属部の靭性向上を図る技術が開示されている。

特許文献２では、鋼材および溶接材料のＴｉ、Ｂ含有量および炭素当量をそれぞれ規定すると共に、酸素供給ガスを含有するシールドガスを用いて溶接することにより、レーザ溶接金属の炭素当量制御およびアシキュラーフェライト主体組織化し、その結果、レーザ溶接金属部および熱影響部の靭性向上を図る技術が開示されている。

特許文献３では、鋼材の化学組成を選択すると共に、最適なシールドガス雰囲気下でレーザ溶接することにより、溶接金属中の介在物組成や酸素、Ａｌ、Ｔｉ含有量のバランスを規定範囲に制御し、その結果、レーザ溶接金属組織のアシキュラーフェライト化を確実に実現させることで、レーザ溶接金属部の靭性向上を図る技術が開示されている。

特許文献４では、鋼材の化学組成や焼入臨界直径ＤＩを調整することで、レーザ溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径や組織に占めるマルテンサイトの割合を規定範囲に制御し、その結果、レーザ溶接熱影響部の靭性向上を図る技術が開示されている。

特許文献５では、鋼材の化学組成や炭素当量を調整することで、レーザ溶接金属部のオーステナイト粒径や組織に占めるマルテンサイトの割合を規定範囲に制御し、その結果、レーザ溶接金属部および熱影響部の靭性向上を図る技術が開示されている。

特開２００２−１２１６４２号公報 特開２００３−２００２８４号公報 特許第３６３３５０１号公報 特開２００２−２１２６６６号公報 特開２００８−１８４６７２号公報

ところで、溶接構造物の大型化により、使用鋼材も高強度化し、引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼材がレーザ溶接の対象に検討されるようになっている。

しかしながら、特許文献１、特許文献２および特許文献３で提案された手法は、いずれもレーザ溶接金属組織をアシキュラーフェライト化することで靭性向上を図っているため、その適用できる鋼材の強度レベルは４９０ＭＰａ級が限界である。

特許文献４および特許文献５は、鋼材の強度レベルが５９０ＭＰａあるいは７８０ＭＰａ級といった高強度鋼を対象としたもので、ミクロ組織をマルテンサイト化することで靭性向上を図っているものの、特許文献４で提案された手法は、レーザ溶接熱影響部の靭性改善を図ったものであり、レーザ溶接金属部の靭性向上に関しては考慮されていない。

また、特許文献５で提案された手法は、レーザ溶接金属部の靭性についても考慮されているが、レーザ溶接金属の化学組成についての明記はなく、例えばフィラーワイヤなどを用いた場合にその効果が得られるかは疑問である。

そこで、本発明は、上記した従来技術の問題点を鑑みて、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼において、溶接金属部の靭性に優れたレーザ溶接継手およびレーザ溶接方法を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、引張強度が７８０ＭＰａレベルの高強度鋼におけるレーザ溶接金属部の靭性におよぼす溶接金属の化学組成やミクロ組織について詳細な調査を行い、以下の知見を得た。
１．レーザ溶接金属部の靭性は、マトリックス組織としてベイナイトとマルテンサイトの混合組織を呈する場合に最も良好である。
２．レーザ溶接金属部のミクロ組織において、Ｍ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の析出量や析出形態が靭性に大きい影響を及ぼす。すなわち、Ｍ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の析出形態には塊状のものと針状のものとがあるが、針状の形態のものが多く析出したミクロ組織を呈する場合、靭性は著しく劣化する傾向にある。
３．発明者らが行った定量的な解析結果によれば、針状すなわちアスペクト比で４以上のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が面積率で５％を超えると、顕著に靭性が劣化する。
４．そのようなＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の生成は、レーザ溶接金属のＣ含有量が多いほど促進される。
５．レーザ溶接金属部のミクロ組織中の介在物を低減することも靭性向上に有効で、レーザ溶接金属のＯ含有量は少ない方が好ましい。

本発明は得られた知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．鋼材のレーザ溶接継手であって、前記溶接継手における溶接金属が、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．１４％以下、Ｏ：０．０２％以下を含み、かつ下記（１）式のＣｅｑが０．３５〜０．６５％を満足する成分組成と、アスペクト比で４以上のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が面積率で５％以下であるベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織からなるミクロ組織を有することを特徴とする溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手。
記
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
ここで、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％）
２．１記載のレーザ溶接継手が得られるようにシールドガスとして酸素供給ガスが体積比率で１０％以下の不活性ガスを用いることを特徴とする鋼材のレーザ溶接方法。

本発明によれば、引張強度が７８０ＭＰａ級以上で、且つ靭性に優れた溶接金属部を備えたレーザ溶接継手およびレーザ溶接方法が得られるので、引張強度が７８０ＭＰａ級以上の高強度鋼に高能率溶接であるレーザ溶接を適用可能で産業上格段の効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明では、レーザ溶接継手の溶接金属の成分組成とミクロ組織を規定する。
［成分組成］ 説明において％は、mass％とする。

Ｃ：０．１４％以下
Ｃは、焼入れ性を増加させる元素であるため、溶接金属の強度確保に重要な元素である。しかし、０．１４％を超えて含有するとマトリックス組織であるベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織の硬さが上昇すると共に、Ｍ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の生成も促進されるため、レーザ溶接金属部の靭性が劣化する。このため、溶接金属のＣは０．１４％以下に限定する。

Ｏ：０．０２％以下
Ｏは、溶接金属中ではＡｌやＴｉなどと結合した酸化物系介在物の形態で存在する。本発明が目的とする引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼におけるレーザ溶接金属の靭性改善を図るには、このような介在物は可能な限り低減することが好ましい。溶接金属のＯが０．０２％を超えると、破壊の起点となる粗大な酸化物系介在物が生成しやすくなり、靭性が低下するようになるので、溶接金属中のＯは０．０２％以下に限定する。

Ｃｅｑ：０．３５〜０．６５％
Ｃｅｑ（＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
ここで、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各元素の含有量（ｍａｓｓ％）で含有しないものは０とする。）を０．３５〜０．６５％に限定する。Ｃｅｑは、溶接硬化性および焼入れ性を示す指標で、溶接継手部の強度や靭性に大きな影響を与える。レーザ溶接のように冷却速度が速い溶接においては、溶接金属のＣｅｑが０．６５％を超えると、溶接金属が著しく硬化し、靭性が低下する。

一方、溶接金属のＣｅｑが０．３５％未満の場合、レーザ溶接のような冷却速度が速い溶接においても十分な焼入れ性が確保されず、マトリックス組織であるベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織に粒界フェライトが生成するようになる。このため、７８０ＭＰａ級の引張強度を満足すること困難となり、靭性も低下する。このため、溶接金属のＣｅｑは０．３５〜０．６５％に限定する。なお、好ましくは、０．４〜０．６％である。

［ミクロ組織］
本発明ではレーザ溶接金属部のミクロ組織を、マトリックスの組織が、粒界フェライトを生成しない、ベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織とする。溶接金属の引張強度として７８０ＭＰａ以上を満足させるため、マトリックス組織を焼入れ組織にすることが必要で、粒界フェライトを含まないベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織とする。

また、このような組織において、アスペクト比で４以上の針状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）を面積率で５％以下に規定する。

Ｍ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の析出量や析出形態の影響のうち、溶接金属の靭性におよぼす影響因子としては析出形態が支配的である。塊状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が存在していても靭性の低下はあまり大きくないが、針状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が存在している場合は靭性が大きく低下する。

特に、アスペクト比が４以上の非常に細長い形態のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が面積率で５％を超えると、溶接金属の靭性低下が著しいため、アスペクト比で４以上のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）を面積率で５％以下に限定する。

本発明に係るレーザ溶接金属は、上記成分組成とミクロ組織を備えていれば優れた靭性を得ることが可能で、レーザ溶接条件を特に規定するものではないが、レーザ溶接時のシールドガスとしてその成分を酸素供給ガスが体積比率で１０％以下の不活性ガスとすることが望ましい。酸素供給ガスとしては、酸素ガス、炭酸ガスあるいはそれらの混合ガスが例示される。

酸素供給ガスが体積比率で１０％以下となる不活性ガス中で溶接することにより溶接金属中への酸素の供給が減少し、溶接金属中の酸化物系介在物の生成が抑制され、溶接金属の靭性向上が図られる。以下、実施例に基づいて本発明の効果を示す。

表１に示す化学組成の供試鋼板（板厚１２ｍｍ）と、表２に示す化学組成の溶接材料（フィラーワイヤ、直径１．０ｍｍ）を種々組合わせて、レーザ溶接継手を作製した。レーザ溶接は、炭酸ガスレーザ溶接装置を用いて、レーザ出力：１５ｋＷ、溶接速度：１ｍ／ｍｉｎ、開先形状：Ｉ開先、ルートギャップ：なし、の条件にて行った。

得られたレーザ溶接継手について、溶接金属から試料を採取して、溶接金属の化学組成分析、マトリックス組織の観察、２段エッチングによるＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の観察、シャルピー衝撃試験、ビッカース硬さ測定を実施した。

Ｍ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の観察は、倍率×５、０００の電子顕微鏡写真（４視野分）で観察された個々のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）のアスペクト比を測定した後、アスペクト比で４以上となるＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の面積率を求めた。

シャルピー衝撃試験は、溶接金属中央部がノッチ位置となるように２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）（試験本数３本の平均値）にて評価した。ビッカース硬さ測定は、溶接金属中央部を板厚方向に荷重９．８Ｎで測定した平均値で評価した。

表３に、これらの試験結果を示す。本発明例（継手Ｎｏ．１〜８）はいずれにおいても、レーザ溶接金属部のＣ、Ｏ、Ｃｅｑが本発明で規定する要件を満足し、またレーザ溶接金属部のミクロ組織もアスペクト比で４以上のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が面積率で５％以下と本発明で規定する要件を満足し、その結果、レーザ溶接金属部のシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）は８０Ｊを超える値となっている。またビッカース硬さも２８０以上で、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有していることが確認された。

一方、継手Ｎｏ．９〜１２は比較例で、継手Ｎｏ．９はシールドガスにＨｅ−１５％Ｏ_２を用いたため、溶接金属中のＯ量が本発明で規定する範囲外となり、また溶接金属のミクロ組織中のアスペクト比が４以上の針状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の析出量も増えて本発明例と比較して靭性に劣っている。

継手Ｎｏ．１０は、溶接金属のＣｅｑが０．３４３％と本発明で規定する範囲の下限未満であるため、溶接金属のマトリックス組織がフェライトの混じった組織となり、ビッカース硬さも低く、本発明例と比較して靭性も低い。

継手Ｎｏ．１１は、溶接金属のＣ量が０．１６％と本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属ミクロ組織中のアスペクト比が４以上の針状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の析出量が増大し、本発明例と比較して靭性が劣化している。

継手Ｎｏ．１２は、溶接金属のＣｅｑが０．６５８％と本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属のマトリックス組織がマルテンサイト単相となり、ビッカース硬さも高く、本発明例と比較して靭性も低い。

Claims (2)

1. 鋼材のレーザ溶接継手であって、前記溶接継手における溶接金属は、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．１４％以下、Ｏ：０．０２％以下を含み、かつ下記（１）式のＣｅｑが０．３５〜０．６５％を満足する成分組成と、アスペクト比で４以上の針状のＭ−Ａ組織（島状マルテンサイト）が面積率で５％以下であるベイナイトあるいはベイナイトとマルテンサイトの混合組織からなるミクロ組織を有することを特徴とする溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手。
   記
   Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ （１）
   ここで、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％）
2. 請求項１記載のレーザ溶接継手が得られるようにシールドガスとして酸素供給ガスが体積比率で１０％以下の不活性ガスを用いることを特徴とする鋼材のレーザ溶接方法。