JP2014195832A - 溶接金属 - Google Patents

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Abstract

【課題】作業効率に優れるフラックスコアドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接を適用した場合であっても、ＳＲ焼鈍後に高い強度と共に、より低い温度での優れた低温靱性を発揮する溶接金属、およびこのような溶接金属を備えた溶接構造体を提供する。
【解決手段】本発明の溶接金属は、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．９０〜２．５０％、Ｎｉ：０．２０〜２．００％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｔｉ：０．０４０〜０．１５％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、Ｏ：０．０３０〜０．１００％、Ｎ：０．０１５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、溶接金属の粒界に存在する炭化物のうち、円相当直径で０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、海洋構造物等の溶接構造物で適用される溶接金属、および溶接金属を備えた溶接構造物に関する。より詳細には、応力除去焼鈍後の強度および低温靱性を改善した溶接金属、およびこうした溶接金属を備えた溶接構造体に関する。
海底油田の掘削・生産時に建造される海洋構造物（石油プラットフォーム）では、設備の大型化、寒冷地での油田開発拡大が進められている。そのため、海洋構造物で適用される鋼板や溶接材料では、高強度と低温靱性を高い水準で兼備することが求められている。特に、溶接構造物における溶接金属部では、溶接施工後に応力除去を目的とした長時間の焼鈍処理（Ｓｔｒｅｓｓ Ｒｅｌｉｅｆ焼鈍：ＳＲ焼鈍）が施されるが、このＳＲ焼鈍により強度・靱性が劣化する場合があることが指摘されている。こうしたことから、ＳＲ焼鈍後に高い強度と共に、−４０℃での優れた低温靱性を十分に確保できる技術が求められている。
一方、上記のような溶接構造物を構築するに当たっては、様々な溶接方法が適用されているが、作業効率に優れるという観点からすれば、フラックスコアドワイヤ（ＦＣＷ：Ｆｌｕｘ Ｃｏｒｅｄ Ｗｉｒｅ、以下場合により「フラックス入りワイヤ」という。）を用いたガスシールドアーク溶接の適用が好ましいとされている。
溶接金属の強度と低温靱性に着目した技術として、これまでにも様々提案されている。
例えば、特許文献１では、炭化物の量、個数密度を制御することで、ＳＲ焼鈍後に溶接金属に高い強度と優れた低温靱性を確保している。しかしながらこの技術では、サブマージアーク溶接を適用して形成される溶接金属を主に想定しており、このようなサブマージアーク溶接は作業姿勢が限定され、大型鋼構造物に不可避である全姿勢溶接に対応できないという若干の問題がある。
特許文献２では、粗大になりやすい炭化物のサイズを微細に制御することで、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性を確保している。しかしながら、この技術では、靱性評価温度が−３０℃とやや高いものであり、より低温である−４０℃での靱性は保証されているとはいえない。
特許文献３には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、ＡｌおよびＯの含有量を制御することによって、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性が確保できる溶接材料が提案されている。しかしながら、靱性評価温度が−２９℃とやや高いものであり、より低温である−４０℃での靱性は保証されているとはいえない。また、適用される溶接方法が、施工効率の低いＴＩＧ溶接を想定したものであり、施工コストの観点から、いっそうの改善が望まれている。
特許文献４には、溶接の高能率化が図れるフラックス入りワイヤにおいて、ワイヤにＣｒ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｂ等を適量添加すると共に、スラグ剤の組成を制御することで、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性を確保できる溶接材料が開示されている。しかしながら、靱性評価温度が−３０℃とやや高いものであり、より低温である−４０℃での靱性は保証されているとはいえない。
特許文献５には、粒界炭化物の形態を制御することで、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性が確保できる溶接材料が提案されている。しかしながら、靱性評価温度が−３０℃とやや高く、より低い−４０℃での低温靱性は保証されているとはいえない。
特開２０１１−２１９８２１号公報 特開２０１０−２２７９４５号公報 特開２００６−２３９７３３号公報 特開平９−２５３８８６号公報 特開２０１２−１６６２０３号公報
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、作業効率に優れるフラックスコアドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接を適用した場合であっても、ＳＲ焼鈍後に高い強度と共に、より低い温度での優れた低温靱性を発揮する溶接金属、およびこうした溶接金属を備えた溶接構造体を提供することにある。
上記課題を解決することのできた本発明に係る溶接金属とは、Ｃ：０．０２〜０．１０％（「質量％」の意味。以下同じ）、Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、Ｍｎ：０．９０〜２．５０％、Ｎｉ：０．２０〜２．００％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、Ｔｉ：０．０４０〜０．１５％、Ｂ：０．００１０〜０．００５０％、Ｏ：０．０３０〜０．１００％、Ｎ：０．０１５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなり、溶接金属の粒界に存在する炭化物のうち、円相当直径で０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下である点に要旨を有する。
尚、上記「円相当直径」とは、顕微鏡（例えば、透過型電子顕微鏡：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＴＥＭ））の観察面上で認められる炭化物粒子の大きさに着目して、その面積が等しくなるように想定した円の直径である。
本発明の溶接金属においては、更に他の元素として、（ａ）Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）およびＶ：０．４０％以下（０％を含まない）の少なくとも１種、（ｂ）Ａｌ：０．０３０％以下（０％を含まない）、等を含むことも好ましく、含有させる元素の種類に応じて溶接金属の特性が更に改善される。
本発明は、上記のような溶接金属を備えた溶接構造体をも包含する。
本発明によれば、化学成分組成と共に、溶接金属中に存在する所定大きさの炭化物の平均円相当直径を規定するようにしたので、ＳＲ焼鈍後においても十分な強度を有し、低温にも優れた溶接金属が実現できる。
溶接金属を作製するときの開先形状を示す概略説明図である。 粒界炭化物の平均円相当直径を算出する方法を説明するための第１の概念図である。 粒界炭化物の平均円相当直径を算出する方法を説明するための第２の概念図である。 粒界炭化物の平均円相当直径を算出する方法を説明するための第３の概念図である。 引張試験を行ったときの試験片の形状を示す説明図である。 シャルピー衝撃試験片の採取位置を示す概略説明図である。
本発明者らは、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性を発揮する溶接金属を実現すべく、様々な角度から検討した。その結果、粒内に微細析出することにより、粒界炭化物の粗大化と焼鈍軟化を抑制する作用のあるＭｏを添加しつつ溶接金属の化学成分組成を制御すると共に、溶接時に溶接金属の粒界上に生成する所定の大きさの炭化物（この炭化物を「粒界炭化物」と呼ぶことがある）の平均円相当直径を規定することで、上記諸特性を兼備できることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明では、Ｍｏの含有量を０．１０％以上にしつつ溶接金属の化学成分組成を適切に制御すると共に、円相当直径で０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径を０．７５μｍ以下とすることで、高強度および低温靱性が兼備できたのである。
本発明においては、粒界炭化物の制御が極めて重要である。一般に、ＳＲ焼鈍において生成する炭化物のサイズが粗大なほど、靱性は低くなるが、粒界に生成する粒界炭化物は、粒内の炭化物に比べ粗大化しやすい。また、旧オーステナイト粒界は、焼鈍により脆化する（焼戻し脆化）ため、靱性を評価するシャルピー試験において亀裂が優先的に進展しやすい。このとき、粗大な炭化物が旧オーステナイト粒界に存在すると、それらを起点に亀裂が発生しやすくなるため、焼戻し脆化現象と相俟って、ＳＲ焼鈍時に溶接金属の靱性値が著しく劣化する。そのため、ＳＲ焼鈍後に優れた低温靱性を確保するためには、焼戻し脆化を抑制するとともに、粒界炭化物を微細に保つことが重要な要件となる。
こうした観点から、本発明においては、溶接金属の粒界に存在する炭化物のうち、円相当直径で０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径を０．７５μｍ以下と規定した。この平均円相当直径は、好ましくは０．７０μｍ以下であり、より好ましくは０．６５μｍ以下である。尚、粒界炭化物サイズが著しく微細化し、後述する粒界炭化物評価方法によっても粒界炭化物の平均円相当直径が評価できない場合があるが、こうした場合も本発明の「円相当直径で０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径を０．７５μｍ以下」に含まれる。
本発明の溶接金属において、その化学成分組成を適切に制御することも重要な要件であるが、その範囲設定理由は以下の通りである。
（Ｃ：０．０２〜０．１０％）
Ｃは、ＳＲ焼鈍後における溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。Ｃ含有量が０．０２％よりも少なくなると、所定の強度が得られない。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、ＳＲ焼鈍時に粒界炭化物の粗大化を招くことで、靱性低下の原因となるので０．１０％以下とする。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０３％以上（より好ましくは０．０４％以上）であり、好ましい上限は０．０８％以下（より好ましくは０．０７％以下）である。
（Ｓｉ：０．１０〜０．６０％）
Ｓｉは、ＳＲ焼鈍後における溶接金属の強度を確保する上で必要な元素である。Ｓｉ含有量が０．１０％よりも少なくなると、所定の強度が得られない。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、ＳＲ焼鈍時の焼戻し脆化を助長し、靱性低下の原因となるので０．６０％以下とする。Ｓｉ含有量の好ましい下限は０．１２％以上（より好ましくは０．１５％以上）であり、好ましい上限は０．５０％以下（より好ましくは０．４５％以下）である。
（Ｍｎ：０．９０〜２．５０％）
Ｍｎは、溶接時の微細組織生成の起点となる酸化物を形成し、溶接金属の強度、靱性を向上させる上で有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｍｎの含有量は０．９０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、ＳＲ焼鈍時の焼戻し脆化を助長し、靱性低下の原因となるので２．５０％以下とする必要がある。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は１．１％以上（より好ましくは１．３％以上）であり、好ましい上限は２．２％以下（より好ましくは２．０％以下）である。
（Ｎｉ：０．２０〜２．００％）
Ｎｉは、溶接金属の靱性向上に有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｎｉの含有量は０．２０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、シャルピー試験における上部棚エネルギーを低下させるため、ＳＲ焼鈍後において所定の靱性が得られなくなるので、Ｎｉの含有量は２．００％以下とする必要がある。尚、Ｎｉ含有量の好ましい下限は０．４％以上（より好ましくは０．６％以上）であり、好ましい上限は１．８０％以下（より好ましくは１．６０％以下）である。
（Ｃｒ：０．０５〜１．０％）
Ｃｒは、ＳＲ焼鈍時の粒界炭化物を微細化する作用を有する元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｃｒ含有量は０．０５％以上とする必要がある。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、粒界炭化物が粗大化して靱性を却って低下させるため、１．０％以下とする必要がある。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．２０％以上（より好ましくは０．３０％以上）であり、好ましい上限は０．８０％以下（より好ましくは０．７０％以下）である。
（Ｍｏ：０．１０〜１．５０％）
Ｍｏは、粒界炭化物の粗大化と焼鈍軟化を抑制する上で重要な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｍｏ含有量は０．１０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になると、ＳＲ焼鈍時に強度の過大な上昇により靱性を却って低下させるので、１．５０％以下とする必要がある。尚、Ｍｏ含有量の好ましい下限は０．２０％以上（より好ましくは０．３０％以上）であり、好ましい上限は１．２％以下（より好ましくは１．０％以下）である。
（Ｔｉ：０．０４０〜０．１５％）
Ｔｉは、溶接時の微細組織生成の起点となる酸化物を形成し、溶接金属の靱性を向上させる上で有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｔｉ含有量は０．０４０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、ＳＲ焼鈍時に微細炭化物を形成して強度の過大な上昇により靱性を低下させるので、０．１５％以下とする必要がある。尚、Ｔｉ含有量の好ましい下限は０．０５０％以上（より好ましくは０．０５５％以上）であり、好ましい上限は０．１１０％以下（より好ましくは０．０９０％以下）である。
（Ｂ：０．００１０〜０．００５０％）
Ｂは、溶接金属の強度、靱性に対して悪影響を及ぼす粒界フェライトの生成を抑制する上で有効な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｂ含有量は０．００１０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｂ含有量が過剰になると、強度の過大な上昇をもたらし、靱性低下の原因となるので、０．００５０％以下とする。尚、Ｂ含有量の好ましい下限は０．００１２％以上（より好ましくは０．００１５％以上）であり、好ましい上限は０．００４５％以下（より好ましくは０．０４０％以下）である。
（Ｏ：０．０３０〜０．１００％）
Ｏは、溶接時の微細組織生成の起点となる酸化物を形成し、溶接金属の靱性を向上させるのに有用な元素である。こうした効果を発揮させるためには、Ｏ含有量は０．０３０％以上とする必要がある。しかしながら、Ｏ含有量が過剰になって０．１００％を超えると、酸化物の粗大化を招き、靱性を却って低下させる。尚、Ｏ含有量の好ましい下限は０．０３５％以上（より好ましくは０．０４０％以上）であり、好ましい上限は０．０８０％以下（より好ましくは０．０６０％以下)である。
（Ｎ：０．０１５％以下（０％を含まない））
Ｎは、溶接金属中に不可避的に含まれる元素であり、その含有量を０％とすることは工業的に不可能である。しかしながら、Ｎ含有量が過剰になると、靱性に悪影響を及ぼすことになるので、０．０１５％以下とする必要がある。尚、Ｎ含有量の好ましい上限は０．０１０％以下（より好ましくは０．００８％以下）である。
本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避的不純物であり、該不可避的不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素（例えば、Ｐ，Ｓ，Ｓｎ等）の混入が許容され得る。不可避的不純物のうち、特にＰについては、ＳＲ焼鈍時に焼戻し脆化を著しく助長する元素であるので、少なくとも０．０１０％以下に抑制することが好ましい。
本発明の溶接金属においては、更に他の元素として、（ａ）Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）およびＶ：０．４０％以下（０％を含まない）の少なくとも１種、（ｂ）Ａｌ：０．０３０％以下（０％を含まない）、等を含有させることが好ましく、含有させる元素の種類に応じて溶接金属の特性が更に改善される。これらの元素を含有させるときの範囲設定理由は下記の通りである。
（Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）およびＶ：０．４０％以下（０％を含まない）の少なくとも１種）
Ｃｕは、溶接金属の強度を確保する上で有用な元素であるが、過剰に含有させるとＳＲ焼鈍時に微細に析出することで強度を過大に上昇させ、靱性低下の原因となる。こうした観点から、Ｃｕを含有させるときには、１．０％以下とすることが好ましい（より好ましくは０．８０％以下）。尚、Ｃｕを含有させることによる効果を有効に発揮させるためには、その含有量は０．０５％以上（より好ましくは０．１０％以上）とすることが好ましい。
一方、Ｖは、ＳＲ焼鈍時に微細炭化物を形成して強度を向上させるのに有効な元素であるが、過剰に含有させると強度を過大に上昇させ、靱性低下の原因となる。こうした観点から、Ｖを含有させるときには、０．４０％以下とすることが好ましい（より好ましくは０．３０％以下）。尚、Ｖを含有させることによる効果を有効に発揮させるためには、その含有量は０．０５％以上（より好ましくは０．１０％以上）とすることが好ましい。
（Ａｌ：０．０３０％以下（０％を含まない））
Ａｌは、溶接時の微細組織生成の起点となる酸化物を形成し、溶接金属の強度、靱性を向上させるのに有用な元素であるが、Ａｌ含有量が過剰になって０．０３０％を超えると、酸化物の粗大化を招き、靱性を却って低下させる。尚、Ａｌ含有量の好ましい下限は０．００５％以上（より好ましくは０．０１０％以上）であり、好ましい上限は０．０２５％以下（より好ましくは０．０２０％以下)である。
本発明の溶接金属を得るための溶接方法は、フラックスコアドワイヤ（ＦＣＷ）を用いたガスシールドアーク溶接を想定したものであり、こうしたアーク溶接法を適用することによって、溶接時の作業効率も向上することになる。
本発明の溶接金属を実現するためには、溶接材料および溶接条件を適切に制御する必要がある。溶接材料成分は、当然ながら必要とされる溶接金属成分により制約を受け、また所定の炭化物形態を得るためには、溶接条件および溶接材料成分が適切に制御されなければならない。
フラックスコアドワイヤ（ＦＣＷ）を用いたガスシールドアーク溶接における好ましい溶接条件は、溶接入熱量が２．５ｋＪ／ｍｍ以下で、且つ溶接時の予熱−パス間温度が１８０℃以下である。また用いる溶接材料（フラックス入りワイヤ）における金属Ｓｉ量とＳｉＯ2量の比（金属Ｓｉ／ＳｉＯ2）が、０．９０以上であることが好ましい。
ガスシールドアーク溶接における入熱量が２．５ｋＪ／ｍｍを上回ると、溶接時の冷却速度が低下し、所定の強度が得られなくなると共に、冷却途中に炭化物が生成し、これがＳＲ焼鈍時に成長することで、所望の粒界炭化物形態が得られなくなる。その結果、ＳＲ焼鈍後の靱性が低下することになる。溶接入熱量は小さいほど良く、好ましくは２.０ｋＪ／ｍｍ以下、より好ましくは１．６ｋＪ／ｍｍ以下である。溶接入熱量の下限については、溶接時の施工効率などを考慮すると、おおむね０．７ｋＪ／ｍｍ以上であることが好ましい。
予熱−パス間温度が１８０℃を上回ると、溶接時の冷却速度が低下し、所定の強度が得られなくなるばかりか、冷却途中に炭化物が生成し、これがＳＲ焼鈍時に成長することで、所望の粒界炭化物形態が得られなくなる。その結果、ＳＲ焼鈍後の靱性が低下することになる。予熱−パス間温度は、より好ましくは１６０℃以下である。尚、低温割れ抑制の観点からすれば、パス間温度は１００℃以上であることが好ましく、より好ましくは１２０℃以上である。
また溶接材料（フラックス入りワイヤ）における金属Ｓｉ量とＳｉＯ2量の比（金属Ｓｉ／ＳｉＯ2）が、０．９０を下回ると、固溶Ｓｉが不足して炭化物の不安定化をもたらし、粒界炭化物サイズが増加することで、円相当直径で０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当径を０．７５μｍ以下に保てなくなる。上記比（金属Ｓｉ／ＳｉＯ2）は、より好ましくは０．９３以上であり、更に好ましくは１．００以上である。この比（金属Ｓｉ／ＳｉＯ2）の値の上限は、溶接時の作業性という観点からして、おおむね、３．０以下（より好ましくは２．５以下）が好ましい。
尚、ＳＲ焼鈍条件（温度、時間）については、従来から行われている条件に従って行えば良いが、粒界炭化物の制御という観点からして、その条件は下記のように設定することが好ましい。
ＳＲ焼鈍温度が６８０℃を上回ると、ＳＲ焼鈍時の粒界炭化物の粗大化が助長され、所望の粒界炭化物形態が得られなくなる。その結果、ＳＲ焼鈍後の靱性が低下する傾向を示す。こうしたことから、ＳＲ焼鈍温度は６８０℃以下とすることが好ましく、より好ましくは６５０℃以下である。尚、ＳＲ焼鈍温度の下限については、溶接時の応力除去効果を考慮すると、５８０℃以上であることが好ましい。
ＳＲ焼鈍時間については、１２時間（ｈｒ）を上回ると、ＳＲ焼鈍時の粒界炭化物の粗大化が助長され、所望の粒界炭化物形態が得られなくなる。その結果、ＳＲ焼鈍後の靱性が低下する傾向を示す。こうした観点から、ＳＲ焼鈍時間は１２時間以下とすることが好ましく、より好ましくは１０時間以下である。尚、焼鈍時間の下限については、溶接時の応力除去効果を考慮すると、２時間以上であることが好ましい。
上記のような条件に従って溶接金属を形成することによって、十分な強度を有すると共に、優れた低温靱性を発揮する溶接金属が得られ、このような溶接金属を備えた溶接構造体が実現できる。
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
ワイヤ径φ１．２ｍｍ、フラックス充填率：１５．５％のフラックス入りワイヤーを作製し（化学成分組成は下記表１、２に示す）、下記の通り特性評価を行った。
ＳＭ４９０Ａ鋼板（母材）を図１に示す開先形状に加工し、後述する各溶接条件でガスシールドアーク溶接にて溶接金属を作製し、熱処理（ＳＲ焼鈍）を施した後、各種特性を評価した。
（溶接条件）
母材板厚：２０ｍｍ
開先角度：２０°（Ｖ字型）
ルート間隔：１６ｍｍ
溶接姿勢：下向き
シールドガス：２０％ＣＯ2−８０％Ａｒ混合ガス（流量：２５Ｌ／ｍｉｎ）
入熱条件
ア）１．０ｋＪ／ｍｍ（２３０Ａ−２５Ｖ，５．７ｍｍ／秒）
イ）１．６ｋＪ／ｍｍ（２８０Ａ−２９Ｖ，５．１ｍｍ／秒）
ウ）２．０ｋＪ／ｍｍ（２８０Ａ−２９Ｖ，４．１ｍｍ／秒）
エ）２．６ｋＪ／ｍｍ（３００Ａ−３１Ｖ，３．６ｍｍ／秒）
予熱−パス間温度：１００〜１９０℃
積層方法：６層１２パス
ＳＲ焼鈍温度：６００〜６８０℃
ＳＲ焼鈍時間：２〜１０時間
（円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径の測定）
ＳＲ焼鈍後の溶接金属の最終パス中央部よりレプリカＴＥＭ観察用試験片を採取し、７５００倍にて１３．３×１５．７μｍの視野を有する画像を４枚撮影した。画像解析ソフト（「Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ」 Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製）により、円相当直径：０．４０μｍ以上の炭化物を選択したうえで、粒界炭化物の平均円相当直径を算出した。この際、下記の方法で炭化物形態の解析を行った。
（１）長さが６μｍであり、円相当直径にして０．４０μｍ以上の炭化物の少なくとも３個と交わる直線Ａｉ（ｉ＝１，２，３…ｎ、ｎ：直線の総本数）を選定する（図２Ａ、Ｂ）。図２Ａにおいて、破線の円形で示した領域（図中「Ｂ」で示す）は、直径が０．４０μｍの円の大きさ（対象とする炭化物の大きさの基準）を仮想して示したものである。
（２）上記直線Ａｉと交わる円相当直径が０．４０μｍ以上の炭化物を選定し（図２Ｃ）、画像解析により平均円相当直径を算出する。図２Ｃには、選定された炭化物を符号１〜１１で示している。前記図２Ｂに示した直線Ａ１は炭化物１、２、３と交わる直線である。同様に、直線Ａ２は炭化物２、３、４と交わる直線、直線Ａ３は炭化物３、４、５と交わる直線、直線Ａ４は炭化物４、５、６と交わる直線、直線Ａ５は炭化物５、８、９と交わる直線、直線Ａ６は炭化物８、９、１０と交わる直線、直線Ａ７は、炭化物９、１０、１１と交わる直線、直線Ａ８は炭化物８、６、７と交わる直線を夫々示している。
尚、炭化物サイズが著しく微細であり、円相当直径にして０．４０μｍ以上の炭化物の少なくとも３個と交わる長さ６μｍの直線を引くことができない場合は、「平均円相当直径が０．７５μｍ以下」を満足するものとして評価される（下記表５、６において「◎」と表示）。
（強度）
ＳＲ焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中央部から、溶接方向に平行に引張試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５）に準拠した試験片を採取し（図３）、室温（２５℃）において、ＪＩＳ Ｚ ２２４１：１９９８の要領で、引張強度（ＴＳ）を測定した。引張強度（ＴＳ）＞６２０ＭＰａを強度に優れると評価した。
（低温靱性）
ＳＲ焼鈍処理を施した溶接金属の板厚中央部より、図４に基づき溶接線方向に垂直にシャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ３１１１：２００５ ４号Ｖノッチ試験片）を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２：２００５の要領で、−４０℃での吸収エネルギー（ｖＥ-40）を測定し、３回での平均値が６０Ｊを超えるものを低温靱性に優れると評価した。
溶接金属を形成したときに用いた各種溶接材料（フラックス入りワイヤ）の化学成分組成を、下記表１、２に示す（溶接材料Ｎｏ．Ｆ１〜Ｆ５１）。また形成された溶接金属の化学成分組成を、溶接条件（溶接材料Ｎｏ．、入熱条件、予熱−パス間温度）と共に、下記表３、４に示す（試験Ｎｏ．１〜５１）。更に、各溶接金属の評価特性結果（炭化物平均円相当直径、引張強度（ＴＳ）、低温靱性（ｖＥ-40）を、ＳＲ焼鈍条件（ＳＲ温度、ＳＲ時間）と共に下記表５、６に示す（試験Ｎｏ．１〜５１）。尚、表５、６において、平均円相当直径の項目で「◎」と表示したのは、炭化物サイズが著しく微細しており、上記評価方法では、平均円相当直径が測定できないことを意味するが、「平均円相当直径が０．７５μｍ以下」を満足するものである。
表１〜６から次のように考察できる。試験Ｎｏ．１〜３１は、本発明で規定する要件を満足する例であり、十分な強度（ＴＳ＞６２０ＭＰａ）を有すると共に、優れた低温靱性（ｖＥ-40＞６０Ｊ）を発揮する溶接金属が得られていることが分かる。
一方、試験Ｎｏ．３２〜５１は、本発明で規定するいずれかの要件を外れる例である。いずれかの特性が劣っている。このうち、試験Ｎｏ．３２は、入熱量が適正な範囲よりも高くなっており（入熱量が２．６ｋＪ／ｍｍ）、粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなり、強度が不足すると共に低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．３３は、予熱−パス間温度が適正な範囲よりも高くなっており（予熱−パス間温度が１９０℃）、粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなり、強度が不足すると共に低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．３４は、比（金属Ｓｉ／ＳｉＯ2）が０．９０よりも小さい溶接材料を用いたものであり、粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなり、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．３５，３６は、ＳＲ焼鈍条件（温度、時間）が適切は範囲を外れるものであり、いずれも粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなり、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．３７は、溶接金属のＣ含有量が不足し、Ｍｎ含有量が過剰になっており、炭化物の微細化は達成されているが、強度が不足すると共に、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．３８は、溶接金属のＣ含有量およびＣｒ含有量が過剰になっており、粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなり、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．３９は、溶接金属のＳｉ含有量およびＣｒ含有量が不足しており、強度が不足すると共に、粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなって低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．４０は、溶接金属のＭｎ含有量およびＮｉ含有量が不足しており、強度が不足すると共に、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．４１は、溶接材料中の金属Ｓｉの含有量が大きいことに起因して溶接金属のＳｉ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．４２は、溶接金属のＢ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．４３は、選択成分であるＡｌ含有量が過剰になっており、強度が不足すると共に、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．４４は、溶接金属のＢ含有量が不足しており、強度が不足すると共に、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．４５は、溶接金属のＭｏ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．４６は、溶接金属のＮｉ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．４７は、溶接金属のＴｉ含有量が不足しており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．４８は、溶接金属のＴｉ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。
試験Ｎｏ．４９は、溶接金属のＯ含有量が不足し、Ｎ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．５０は、溶接金属のＯ含有量が過剰になり、選択成分であるＣｕ含有量が過剰になっており、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。試験Ｎｏ．５１は、溶接金属のＶ含有量が過剰になっており、炭化物の微細化は達成されているが、低温靱性（ｖＥ-40）が劣化している。

Claims (4)

  1. Ｃ ：０．０２〜０．１０％（「質量％」の意味。以下同じ）、
    Ｓｉ：０．１０〜０．６０％、
    Ｍｎ：０．９０〜２．５０％、
    Ｎｉ：０．２０〜２．００％、
    Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
    Ｍｏ：０．１０〜１．５０％、
    Ｔｉ：０．０４０〜０．１５％、
    Ｂ ：０．００１０〜０．００５０％、
    Ｏ ：０．０３０〜０．１００％、
    Ｎ ：０．０１５％以下（０％を含まない）を夫々含有し、
    残部が鉄および不可避的不純物からなり、
    溶接金属の粒界に存在する炭化物のうち、円相当直径で０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下であることを特徴とする溶接金属。
  2. 更に他の元素として、Ｃｕ：１．０％以下（０％を含まない）およびＶ：０．４０％以下（０％を含まない）の少なくとも１種を含有するものである請求項１に記載の溶接金属。
  3. 更に他の元素として、Ａｌ：０．０３０％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１または２に記載の溶接金属。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の溶接金属を備えた溶接構造体。
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