JP2017001094A - 溶接金属及び溶接構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＲ焼鈍後に高い強度及び−６０℃以下での高い靱性が得られる溶接金属を提供する。【解決手段】本発明の溶接金属は、Ｃ：０．０２質量％以上０．０８質量％以下、Ｓｉ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ｍｎ：１．２０質量％以上２．０質量％以下、Ｎｉ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、Ｃｒ：０質量％以上０．７０質量％以下、Ｍｏ：０．１０質量％以上０．７０質量％以下、Ｔｉ：０．０４質量％以上０．０８質量％以下、Ｂ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、Ｏ：０．０３０質量％以上０．１００質量％以下、Ｎ：０質量％超０．０１５質量％以下、Ｎｂ＋Ｖ：０．００８質量％以上０．０５質量％以下、並びに残部：Ｆｅ及び不可避的不純物の組成を有し、円相当直径０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ以上、円相当直径０．４０μｍ以上の粒界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、溶接金属及び溶接構造体に関する。

海底油田の掘削及び生産時に建造される海洋構造物（石油プラットフォーム）は、設備の大型化が進められ、また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は、高レベルで強度及び低温靱性を両立することが求められる。ここで、海洋構造物のうち溶接構造物の溶接金属部には、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：以下ＳＲ焼鈍と呼ぶ）が施されるが、このＳＲ焼鈍により上記溶接金属部の強度及び靱性が劣化する場合があることが指摘されている。そのため、溶接金属においてＳＲ焼鈍後に高い強度と共に−６０℃における靱性を十分に確保できる技術が求められている。

一方、上記溶接構造物を構築するために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より、溶接材料としてフラックスコアドワイヤ（ＦＣＷ：Ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ Ｗｉｒｅ）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。そのため、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において溶接金属の強度及び低温靱性に着目した様々な技術が提案されている。

例えば、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）及びＯ（酸素）を特定量含有する高張力鋼の後熱処理用ＴＩＧ溶接用ワイヤが提案されている（特開２００６−２３９７３３号公報参照）。この文献によれば、上記ＴＩＧ溶接用ワイヤにより、高強度でＳＲ脆化せず高靭性の溶接金属が得られるとされる。しかし、この溶接金属の靱性評価温度は−２９℃とやや高いものであり、より低温である−６０℃での靱性が保証されているとはいえない。

また、特定組成のスラグ剤とＣ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ｍｇ（マグネシウム）Ｔｉ（チタン）及びＢ（ホウ素）とを特定量含有するフラックス入りワイヤも提案されている（特開平９−２５３８８６号公報参照）。この文献によれば、上記ラックス入りワイヤにより、室温強度、高温強度及び低温靭性が良好な溶接金属を得ることができるとされる。しかし、この溶接金属の靱性評価温度は−３０℃とやや高いものであり、より低温である−６０℃での靱性が保証されているとはいえない。

さらに、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｂ（ホウ素）、Ｏ（酸素）、及びＮ（窒素）を特定量含有し、溶接金属の粒界に存在する炭化物の平均円相当直径が特定範囲である溶接金属も提案されている（特開２０１４−１９５８３２号公報参照）。この文献によれば、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（以下、この炭化物を「粒界炭化物」ともいう）の平均円相当直径を規定することで、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性とを発揮する溶接金属を実現できるとされる。しかし、この溶接金属の靱性評価温度は−４０℃であり、より低温である−６０℃での靱性が保証されているとはいえない。

特開２００６−２３９７３３号公報 特開平９−２５３８８６号公報 特開２０１４−１９５８３２号公報

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、フラックスコアドワイヤを用いるガスシールドアーク溶接において、ＳＲ焼鈍後に高い強度及び−６０℃以下での高い靱性が得られる溶接金属及び溶接構造体の提供を目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、溶接時に生成する微細炭化物が溶接金属の粒内に存在する場合、低温における靭性が不安定となることを見出した。このことより、本発明者らは、溶接金属の化学成分組成を制御すること、及び溶接時に溶接金属に生成する炭化物の大きさを制御することで、ＳＲ焼鈍後に高い強度と優れた低温靱性とを発揮する溶接金属を実現できることを見出した。具体的には、粒界炭化物の粗大化と焼鈍軟化とを抑制する作用を有するＭｏを溶接金属に添加し、化学成分組成を制御するとよいことを見出した。また、Ｍｏを含む化学成分組成の制御により上記粒界炭化物の大きさを所定範囲内とし、かつ粒界以外に生成する炭化物の大きさを所定範囲内とするとよいことを見出した。ここで、溶接金属は「結晶粒」と呼ぶ配列の向きが異なる領域が多数集まった構造を有しており、「粒界」とは、これらの結晶粒の境界を意味し、フェライト粒界はもちろんのこと、旧オーステナイト粒界、ブロック境界、パケット境界などを含む大傾角粒界のことである。また、「粒内」とは、上記結晶粒の粒界を含む全領域を意味する。

すなわち、上記課題を解決するためになされた発明は、Ｃ（炭素）：０．０２質量％以上０．０８質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１．２０質量％以上２．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．５０質量％以上３．００質量％以下、Ｃｒ（クロム）：０質量％以上０．７０質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．１０質量％以上０．７０質量％以下、Ｔｉ（チタン）：０．０４質量％以上０．０８質量％以下、Ｂ（ホウ素）：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、Ｏ（酸素）：０．０３０質量％以上０．１００質量％以下、Ｎ（窒素）：０質量％超０．０１５質量％以下、Ｎｂ（ニオブ）＋Ｖ（バナジウム）：０．００８質量％以上０．０５質量％以下、並びに残部：Ｆｅ（鉄）及び不可避的不純物である組成を有し、円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ以上であり、粒界に存在し、円相当直径が０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下である溶接金属である。

当該溶接金属は、各組成の含有量を上記範囲内とすることで、高い強度及び靭性が得られる。つまり、焼鈍軟化を抑制する作用を有する上記量のＭｏを含有することで、高い強度が得られる。また、当該溶接金属は、上記量のＭｏと上記合計量のＮｂ及びＶとを含有することにより粒界炭化物の粗大化を抑制できる。また、当該溶接金属は、上記粒界炭化物の粗大化の抑制効果等により、円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下なので、粗大な粒界炭化物を起点とする亀裂が発生し難く、ＳＲ焼鈍時における靱性の低下が抑制される。また、当該溶接金属は、粒内における円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ以上なので、低温における靭性が安定し、−６０℃以下での高い靱性が得られる。ここで、「円相当直径」とは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等の観察面上で認められる炭化物粒子の面積と等面積の真円の直径を意味する。

Ｃｕ（銅）：０質量％超１．０質量％以下、Ｃｏ：０質量％超１．０質量％以下、及びＡｌ（アルミニウム）：０質量％超０．０３０質量％以下からなる群より選択される少なくとも１種の組成をさらに含むとよい。このように、上記組成を含むことにより、強度及び低温靭性の向上効果を促進できる。

また、上記課題を解決するためになされた別の発明は、上記溶接金属を有する溶接構造体である。このように、当該溶接構造体は上記溶接金属を有しているので、高い強度及び−６０℃以下での高い靱性が得られる。

以上説明したように、本発明の溶接金属及び溶接構造体は、フラックスコアドワイヤを用いるガスシールドアーク溶接において、ＳＲ焼鈍後に高い強度及び−６０℃以下での高い靱性が得られる。

実施例において溶接金属を作製するときの開先形状を示す模式図である。 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。 実施例において引張試験を行ったときの試験片の形状を示す模式図である。 実施例において靭性の評価に用いる試験片の採取位置を示す模式図である。

以下、本発明に係る溶接金属及び溶接構造体の実施形態について説明する。

［溶接金属］
当該溶接金属は、円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ以上である。

上述したように、溶接時に生成する微細炭化物が溶接金属の粒内に存在する場合、低温における靭性が不安定となるが、当該溶接金属は、このように粒内炭化物が比較的粗大に保たれるので、ＳＲ焼鈍後に優れた低温靱性が得られる。

当該溶接金属の粒内に存在する炭化物のうち、円相当直径で０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径の下限としては、上述したように０．１０μｍであり、０．１５μｍが好ましく、０．２０μｍがより好ましい。なお、炭化物サイズが著しく微細化し、後述する炭化物の平均円相当直径の測定方法によっても炭化物の平均円相当直径が評価できない場合があるが、この場合、「円相当直径で０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ未満である」と判断する。

当該溶接金属は、粒界に存在し、円相当直径が０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下である。

ＳＲ焼鈍において生成する炭化物のサイズが大きいほど溶接金属の靱性は低くなるが、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易い。また、旧オーステナイト粒界は焼鈍により脆化するため、旧オーステナイト粒界から亀裂が優先的に進展し易い。従って、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易くなるため、焼鈍による脆化現象と相俟ってＳＲ焼鈍時に靱性が著しく低下する。これに対し、当該溶接金属は、上述のように粒界炭化物が微細に保たれるので、ＳＲ焼鈍後に優れた低温靱性が得られる。

当該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の上限としては、上述したように０．７５μｍであり、０．７０μｍが好ましく、０．６５μｍがより好ましい。なお、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の平均円相当直径の測定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、この場合、「円相当直径で０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下である」と判断する。

＜組成＞
当該溶接金属は、Ｃ（炭素）：０．０２質量％以上０．０８質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１．２０質量％以上２．０質量％以下、Ｎｉ（ニッケル）：０．５０質量％以上３．００質量％以下、Ｃｒ（クロム）：０質量％以上０．７０質量％以下、Ｍｏ（モリブデン）：０．１０質量％以上０．７０質量％以下、Ｔｉ（チタン）：０．０４質量％以上０．０８質量％以下、Ｂ（ホウ素）：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、Ｏ（酸素）：０．０３０質量％以上０．１００質量％以下、Ｎ（窒素）：０質量％超０．０１５質量％以下、Ｎｂ（ニオブ）＋Ｖ（バナジウム）：０．００８質量％以上０．０５質量％以下、並びに残部：Ｆｅ（鉄）及び不可避的不純物である組成を有する。

〔Ｃ（炭素）〕
Ｃは、ＳＲ焼鈍後における当該溶接金属の強度を確保する元素である。当該溶接金属のＣ含有量の下限としては、０．０２質量％であり、０．０３質量％が好ましく、０．０４質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＣ含有量の上限としては、０．０８質量％であり、０．０７質量％が好ましい。当該溶接金属のＣ含有量が上記下限より小さいと、ＳＲ焼鈍後に所定の強度が得られないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＣ含有量が上記上限を超えると、ＳＲ焼鈍時に粒界炭化物の粗大化を招き、当該溶接金属の靱性が低下するおそれがある。

〔Ｓｉ（ケイ素）〕
Ｓｉは、ＳＲ焼鈍後における当該溶接金属の強度を確保する元素である。当該溶接金属のＳｉ含有量の下限としては、０．１０質量％であり、０．１２質量％が好ましく、０．１５質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＳｉ含有量の上限としては、０．３０質量％であり、０．２５質量％が好ましく、０．２０質量％がより好ましい。当該溶接金属のＳｉ含有量が上記下限より小さいと、ＳＲ焼鈍後に所定の強度が得られないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＳｉ含有量が上記上限を超えると、ＳＲ焼鈍時の焼戻し脆化を助長すると共に低温靭性に悪影響を及ぼす硬質第二相の生成を助長し、当該溶接金属の靭性の低下を招くおそれがある。

〔Ｍｎ（マンガン）〕
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、当該溶接金属の強度及び低温靱性を向上させる元素である。当該溶接金属のＭｎ含有量の下限としては、１．２０質量％であり、１．３０質量％が好ましく、１．４０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＭｎ含有量の上限としては、２．０質量％であり、１．８質量％が好ましく、１．７質量％がより好ましい。当該溶接金属のＭｎ含有量が上記下限より小さいと、酸化物が形成され難くなり、当該溶接金属の強度及び低温靱性を十分に向上できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＭｎ含有量が上記上限を超えると、ＳＲ焼鈍時の焼戻し脆化を助長し、当該溶接金属の靭性の低下を招くおそれがある。

〔Ｎｉ（ニッケル）〕
Ｎｉは、当該溶接金属の低温靱性向上に有効な元素である。当該溶接金属のＮｉ含有量の下限としては、０．５０質量％であり、０．６０質量％が好ましく、０．７０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＮｉ含有量の上限としては、３．００質量％であり、２．８０質量％が好ましく、２．６０質量％がより好ましい。当該溶接金属のＮｉ含有量が上記下限より小さいと、当該溶接金属の低温靱性を十分に向上できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＮｉ含有量が上記上限を超えると、シャルピー試験における上部棚エネルギーが低下する等、ＳＲ焼鈍後において当該溶接金属が所定の靱性を得られなくなるおそれがあると考えられる。

〔Ｃｒ（クロム）〕
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。但し、当該溶接金属は、粒界炭化物の微細化作用を有する他元素が十分に添加されているため、Ｃｒ含有量が０質量％であってもよい。そのため、当該溶接金属のＣｒ含有量の下限としては、０質量％であり、０．２０質量％が好ましく、０．３０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＣｒ含有量の上限としては、０．７０質量％であり、０．６５質量％が好ましく、０．６０質量％がより好ましい。当該溶接金属のＣｒ含有量が上記下限より小さいと、ＳＲ焼鈍時に粒界炭化物が微細化せず、当該溶接金属の靱性を十分に向上できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＣｒ含有量が上記上限を超えると、粒界炭化物が粗大化して当該溶接金属の靱性が却って低下するおそれがある。

〔Ｍｏ（モリブデン）〕
Ｍｏは、溶接金属の粒内への微細析出により粒界炭化物の粗大化と焼鈍軟化とを抑制する元素である。当該溶接金属のＭｏ含有量の下限としては、０．１０質量％であり、０．２０質量％が好ましく、０．３０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＭｏ含有量の上限としては、０．７０質量％であり、０．６５質量％が好ましく、０．６０質量％がより好ましい。当該溶接金属のＭｏ含有量が上記下限より小さいと、粒界炭化物の粗大化と焼鈍軟化とを十分に抑制できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＭｏ含有量が上記上限を超えると、ＳＲ焼鈍時に微細な炭化物を析出することにより当該溶接金属の強度が過大に上昇し、これにより低温での靭性を低下させるおそれがある。

〔Ｔｉ（チタン）〕
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、当該溶接金属の靱性を向上させる元素である。当該溶接金属のＴｉ含有量の下限としては、０．０４質量％であり、０．０５質量％が好ましく、０．０５５質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＴｉ含有量の上限としては、０．０８質量％であり、０．０７５質量％が好ましく、０．０７質量％がより好ましい。当該溶接金属のＴｉ含有量が上記下限より小さいと、酸化物が形成され難くなり、当該溶接金属の靱性を十分に向上できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＴｉ含有量が上記上限を超えると、ＳＲ焼鈍時に微細な炭化物を析出することにより当該溶接金属の強度が過大に上昇し、これにより低温での靭性を低下させるおそれがある。

〔Ｂ（ホウ素）〕
Ｂは、当該溶接金属の強度及び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元素である。当該溶接金属のＢ含有量の下限としては、０．００１０質量％であり、０．００１２質量％が好ましく、０．００１５質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＢ含有量の上限としては、０．００５０質量％であり、０．００４５質量％が好ましく、０．００４０質量％がより好ましい。当該溶接金属のＢ含有量が上記下限より小さいと、粒界フェライトの生成を十分に抑制できず、当該溶接金属の所定の強度及び靱性を確保できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＢ含有量が上記上限を超えると、当該溶接金属の強度が過大に上昇し、靭性が低下するおそれがある。

〔Ｏ（酸素）〕
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、当該溶接金属の靱性を向上させる元素である。当該溶接金属のＯ含有量の下限としては、０．０３０質量％であり、０．０３５質量％が好ましく、０．０４０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＯ含有量の上限としては、０．１００質量％であり、０．０８０質量％が好ましく、０．０６０質量％がより好ましい。当該溶接金属のＯ含有量が上記下限より小さいと、酸化物が十分に形成されず、当該溶接金属の所定の靱性を確保できないおそれがある。逆に、当該溶接金属のＯ含有量が上記上限を超えると、酸化物の粗大化を招き、当該溶接金属の靱性を却って低下させるおそれがある。

〔Ｎ（窒素）〕
Ｎは、当該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質量％とすることは工業的に不可能である。従って、当該溶接金属のＮ含有量は、０質量％超である。一方、当該溶接金属のＮ含有量の上限としては、０．０１５質量％であり、０．０１０質量％が好ましく、０．００８質量％がより好ましい。当該溶接金属のＮ含有量が上記上限を超えると、当該溶接金属の靱性が低下するおそれがある。

〔Ｎｂ（ニオブ）及びＶ（バナジウム）〕
Ｎｂ及びＶは、粒界炭化物の粗大化を抑制する元素である。当該溶接金属におけるＮｂ及びＶの合計含有量の下限としては、０．００８質量％であり、０．０１０質量％が好ましく、０．０１２質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属におけるＮｂ及びＶの合計含有量の上限としては、０．０５質量％であり、０．０４５質量％が好ましく、０．０４０質量％がより好ましい。Ｎｂ及びＶの合計含有量が上記下限より小さいと、粒界炭化物の粗大化を十分に抑制できないおそれがある。逆に、Ｎｂ及びＶの合計含有量が上記上限を超えると、ＳＲ焼鈍時に微細な炭化物を析出することにより当該溶接金属の強度が過大に上昇し、これにより低温での靭性を低下させるおそれがある。

上述の通り、当該溶接金属は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂ、Ｏ、Ｎ、Ｎｂ及びＶを基本成分とする。また、当該溶接金属は、上記基本成分以外に残部にＦｅ及び不可避的不純物を含む。上記不可避的不純物としては、例えば原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれるＰ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｎ（スズ）等の元素の混入が許容される。不可避的不純物のうち、特にＰ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質量％以下に抑制することが好ましい。

〔Ｃｕ（銅）〕
当該溶接金属は、基本成分以外のその他の元素として例えばＣｕを添加してもよい。Ｃｕは、当該溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。当該溶接金属のＣｕ含有量としては、０質量％超が好ましく、Ｃｕ含有量の下限としては、０．０５質量％が好ましく、０．１０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＣｕ含有量の上限としては、１．０質量％が好ましく、０．８質量％がより好ましい。当該溶接金属のＣｕ含有量が上記下限より小さいと、当該溶接金属の強度の向上効果が不十分となるおそれがある。逆に、当該溶接金属のＣｕ含有量が上記上限を超えると、当該溶接金属の強度を過大に上昇させ、靱性の低下を招くおそれがある。

〔Ｃｏ（コバルト）〕
また、当該溶接金属は、基本成分以外のその他の元素としてＣｏを添加してもよい。Ｃｏは、当該溶接金属の強度を確保する上で有用な元素である。当該溶接金属のＣｏ含有量としては、０質量％超が好ましく、Ｃｏ含有量の下限としては、０．０５質量％が好ましく、０．１０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＣｏ含有量の上限としては、１．０質量％が好ましく、０．８質量％がより好ましい。当該溶接金属のＣｏ含有量が上記下限より小さいと、当該溶接金属の強度の向上効果が不十分となるおそれがある。逆に、当該溶接金属のＣｏ含有量が上記上限を超えると、当該溶接金属の強度を過大に上昇させ、靱性の低下を招くおそれがある。

〔Ａｌ（アルミニウム）〕
さらに、当該溶接金属は、基本成分以外のその他の元素としてＡｌを添加してもよい。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、当該溶接金属の強度及び靱性を向上させる元素である。当該溶接金属のＡｌ含有量としては、０質量％超が好ましく、Ａｌ含有量の下限としては、０．００５質量％が好ましく、０．０１０質量％がより好ましい。一方、当該溶接金属のＡｌ含有量の上限としては、０．０３０質量％が好ましく、０．０２５質量％がより好ましく、０．０２０質量％がさらに好ましい。当該溶接金属のＡｌ含有量が上記下限より小さいと、酸化物が十分に形成されず、当該溶接金属の強度及び靱性の向上効果が不十分となるおそれがある。逆に、当該溶接金属のＡｌ含有量が上記上限を超えると、酸化物の粗大化を招き、却って当該溶接金属の靭性が低下するおそれがある。

＜各組成の関係式＞
当該溶接金属において、粒内の炭化物を構成する主要元素であるＣ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶのそれぞれの含有量［質量％］を［Ｃ］、［Ｍｏ］、［Ｔｉ］、［Ｎｂ］及び［Ｖ］とした場合、これらの各元素の低温靱性に及ぼす影響度合を加味して、低温時における靱性低下の影響度を下記式（１）のＸ値で規定できる。Ｘ値の下限としては、９が好ましく、１０がより好ましい。一方、Ｘ値の上限としては、１４が好ましく、１３がより好ましい。Ｘ値が上記下限より小さいと、粒内の炭化物の成長が阻害される傾向にあり、粒内の炭化物が微細化するおそれがある。逆に、Ｘ値が上記上限を超えると、粒内の炭化物の核生成が促進される傾向にあり、粒内の炭化物が微細化するおそれがある。
Ｘ値＝（［Ｍｏ］＋［Ｔｉ］＋［Ｎｂ］＋２×［Ｖ］）／［Ｃ］ ・・・（１）

＜溶接方法＞
当該溶接金属を得るための溶接方法としては、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が好ましい。このようにアーク溶接法を適用することによって、溶接時の作業効率を向上できる。

ただし、当該溶接金属を実現するためには、溶接材料及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、溶接条件及び溶接材料成分を適切に制御しなければならない。

溶接材料として用いるフラックスコアドワイヤは、Ｃ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＶのそれぞれの含有量［質量％］を［Ｃ］、［Ｍｏ］、［Ｔｉ］、［Ｎｂ］及び［Ｖ］とした場合、これらの各元素の低温靱性に及ぼす影響度合を加味して、低温時における靱性低下の影響度を下記式（２）のＹ値で規定できる。Ｙ値の下限としては、１２が好ましく、１２．５がより好ましい。一方、Ｙ値の上限としては、２０が好ましく、１９．５がより好ましい。Ｙ値が上記下限より小さいと、粒内の炭化物の成長が阻害される傾向にあり、粒内の炭化物が微細化するおそれがある。逆に、Ｙ値が上記上限を超えると、粒内の炭化物の核生成が促進される傾向にあり、粒内の炭化物が微細化するおそれがある。
Ｙ値＝｛［Ｍｏ］＋（［Ｔｉ］−４）＋［Ｎｂ］＋２×［Ｖ］｝／［Ｃ］ ・・・（２）

また、上記フラックスコアドワイヤのＳｉＯ_２の含有量［質量％］に対する金属Ｓｉの含有量［質量％］の比の下限としては、０．９０が好ましく、０．９３がより好ましく、１．００がさらに好ましい。一方、上記比の上限としては、３．０が好ましく、２．５がより好ましい。上記比が上記下限より小さいと、固溶Ｓｉが不足して炭化物の不安定化を招き、粒界炭化物サイズが増加することで円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当径を上記上限以下に保てなくなるおそれがある。逆に、上記比が上記上限を超えると、溶接時の作業性が低下するおそれがある。

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における好ましい溶接条件は、以下の通りである。まず、入熱量の下限としては、０．７ｋＪ／ｍｍが好ましく、１．０ｋＪ／ｍｍがより好ましい。一方、入熱量の上限としては、２．５ｋＪ／ｍｍが好ましく、２．０ｋＪ／ｍｍがより好ましく、１．６ｋＪ／ｍｍがさらに好ましい。入熱量が上記下限より小さいと、溶接時の施工効率が低下するおそれがある。逆に、入熱量が上記上限を超えると、溶接時の冷却速度が低下し所定の当該溶接金属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、この炭化物が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おそれがある。その結果、ＳＲ焼鈍後の当該溶接金属の靱性が低下するおそれがある。

また、上記ガスシールドアーク溶接において、予熱温度及びパス間温度の下限としては、１００℃が好ましく、１２０℃がより好ましい。一方、予熱温度及びパス間温度の上限としては、１８０℃が好ましく、１６０℃がより好ましい。予熱温度及びパス間温度が上記下限より小さいと、低温割れが生じ易くなるおそれがある。逆に、予熱温度及びパス間温度が上記上限を超えると、溶接時の冷却速度が低下し所定の当該溶接金属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、この炭化物が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おそれがある。その結果、ＳＲ焼鈍後の当該溶接金属の靱性が低下するおそれがある。

なお、ＳＲ焼鈍温度及びＳＲ焼鈍時間などの焼鈍条件については、従来から行われている条件に従って行えばよいが、粒界炭化物の制御という観点から、これらの条件は下記のように設定することが好ましい。

すなわち、ＳＲ焼鈍温度の下限としては、５８０℃が好ましく、６００℃がより好ましい。一方、ＳＲ焼鈍温度の上限としては、６８０℃が好ましく、６５０℃がより好ましい。ＳＲ焼鈍温度が上記下限より小さいと、溶接時に生じる応力を十分に除去できないおそれがある。逆に、ＳＲ焼鈍温度が上記上限を超えると、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り、その結果、ＳＲ焼鈍後の当該溶接金属の靱性が低下するおそれがある。

ＳＲ焼鈍時間の下限としては、２時間が好ましく、３時間がより好ましい。一方、ＳＲ焼鈍時間の上限としては、１２時間が好ましく、１０時間がより好ましい。ＳＲ焼鈍時間が上記下限より小さいと、溶接時に生じた応力を十分に除去できないおそれがある。逆に、ＳＲ焼鈍時間が上記上限を超えると、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り、その結果、ＳＲ焼鈍後の当該溶接金属の靱性が低下するおそれがある。

このような条件により溶接及びＳＲ焼鈍を行うことにより、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を形成できる。

［溶接構造体］
当該溶接構造体は、上記溶接金属を有する。例えば海底油田の掘削及び生産時に用いられる溶接構造物を製造する際、上記溶接条件で所定の部材を溶接することで上記溶接金属を有する当該溶接構造体が得られる。当該溶接構造体は、上記溶接金属を有するため、高い強度及び−６０℃以下での高い靱性を確保することができる。その結果、海底油田の掘削及び生産時に用いられる溶接構造物などの信頼性、耐久性などが向上する。

＜利点＞
当該溶接金属は、焼鈍軟化を抑制する作用を有するＭｏを含有することで、高い強度が得られる。また、当該溶接金属は、所定量のＭｏと所定合計量のＮｂ及びＶとを含有することにより粒界炭化物の粗大化を抑制できる。また、当該溶接金属は、上記粒界炭化物の粗大化の抑制効果等により、円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下なので、粗大な粒界炭化物を起点とする亀裂が発生し難く、ＳＲ焼鈍時における靱性の低下が抑制される。また、当該溶接金属は、粒内における円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ以上なので、低温における靭性が安定し、−６０℃以下での高い靱性が得られる。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

まず、ワイヤ径φ１．２ｍｍ、フラックス充填率１５．５質量％の複数のフラックスコアドワイヤを作製した。具体的には、表１に示すように、組成成分が異なる溶接材料３Ｆ１〜３Ｆ３３の３３種類のフラックスコアドワイヤを作製した。なお、表１中「その他」は、残部であり、Ｆｅ及び不可避的不純物の含有量である。また、表１中「−」は、その成分を含有しないことを示す。

次に、母材として図１に示す開先形状に加工した平均板厚２０ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板を用い、ガスシールドアーク溶接で以下の溶接条件により表２に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．３４の溶接金属を得た。すなわち、開先角度がＶ字で２０°、ルート間隔が１６ｍｍ、溶接姿勢が下向き、入熱条件が下記ア〜ウのいずれか、予熱温度及びパス間温度が１４０℃以上１９０℃以下となる条件で、シールドガスとして流量２５Ｌ／ｍｉｎの２０％ＣＯ_２−８０％Ａｒ混合ガスを用い、６層１２パスの積層要領で上記溶接金属を作製した。さらに、上記作製した各溶接金属に対して、ＳＲ焼鈍温度６２０℃以上６８０℃以下、ＳＲ焼鈍時間２時間以上１２時間以下の熱処理を実施した。上記作製した各溶接金属の溶接条件は、表２に示す通りである。
ア）１．０ｋＪ／ｍｍ、２３０Ａ−２５Ｖ、５．７ｍｍ／ｓｅｃ
イ）１．６ｋＪ／ｍｍ、２８０Ａ−２９Ｖ、５．１ｍｍ／ｓｅｃ
ウ）２．０ｋＪ／ｍｍ、２８０Ａ−２９Ｖ、４．１ｍｍ／ｓｅｃ

＜組成含有量測定＞
試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３４について、熱処理後の開先部に形成された各溶接金属の中央部を切り出し、化学成分分析を行った。この化学分析により各溶接金属において得られた各元素の組成含有量を表２に示す。なお、表２中「−」は、その成分を含有しないことを示す。

＜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＞
熱処理後の溶接金属の最終パス中央部より粒界が露出するレプリカＴＥＭ観察用試験片を採取し、７，５００倍にて１３．３×１５．７μｍの視野を有する画像を４枚撮影した。これらの画像について、画像解析ソフト（Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社の「Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ」）により円相当直径０．４０μｍ以上の炭化物を選択した上で、粒界炭化物の平均円相当直径を算出した。具体的には、以下の方法で円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径を求めた。

まず、図２Ｂに示すように、円相当直径にして０．４０μｍ以上の炭化物の少なくとも３個と交わる長さが６μｍの直線Ａｉ（ｉ＝１、２、３…ｎ、ｎ：直線の総本数）を引いた。なお、図２Ａにおいて、破線の円形で示した領域Ｂは、対象とする炭化物の大きさの基準を示すものであり、直径が０．４０μｍの真円の大きさを仮想して示したものである。また、図２Ａ〜図２Ｃにおいて、塗りつぶした範囲Ｃは、円相当直径が０．４０μｍ以上の炭化物を示し、網掛けを付した範囲Ｄは、円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物を示している。なお、図２Ｂの破線で示す直線は長さ６μｍを超える直線である。このように、長さ６μｍの直線のうち、円相当直径が０．４０μｍ以上の２個以下の炭化物としか交差しない直線は、上記直線Ａｉに含まれない。

次に、図２Ｃに示すように、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、画像解析により平均円相当直径を算出した。図２Ｃでは選定した炭化物を符号１〜１１で示している。図２Ｂに示す直線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８、９、１０、１１と交わる直線、直線Ａ８は炭化物８、６、７と交わる直線をそれぞれ示している。この方法により算出した粒界炭化物の平均円相当直径の結果を表２に示す。

なお、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Ａｉを１本も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。

＜円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径の測定＞
熱処理後の溶接金属の粒内よりレプリカＴＥＭ観察用試験片を採取し、上記円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径の測定と同様の方法により、円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径を算出した。すなわち、粒内において上記方法で円相当直径０．４０μｍ以上の炭化物と選択されなかった炭化物について、画像解析により平均円相当直径を算出した。この方法により算出した炭化物の平均円相当直径の結果を表２に示す。

＜強度評価＞
強度評価として、各溶接金属について引張試験を実施した。この引張試験では、図３に示すように熱処理後の各溶接金属の板厚中央部より溶接線方向に平行にＪＩＳ−Ｚ２２０２（１９８８）に準拠した試験片を採取した。この試験片について、ＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に準拠して室温２５℃で引張強さ（ＴＳ：Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を測定した。この試験では、引張強さＴＳが６２０ＭＰａを超えるものを強度に優れると評価した。これらの引張強さの測定結果を表２に示す。なお、図３中で長さを表す数値の単位はｍｍである。

＜低温靭性の評価＞
低温靭性の評価では、熱処理後の各溶接金属の板厚中央部より図４に基づき溶接線方向と垂直方向に、ＪＩＳ−Ｚ３１１１（２００５）の４号Ｖノッチ試験片をシャルピー衝撃試験片として採取した。この試験片について、ＪＩＳ−Ｚ２２４２（２００５）に準拠して−４０℃及び−６０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。この試験では、３回の測定の平均値で、−６０℃における吸収エネルギーｖＥ_−６０が４０Ｊを超えるものを低温での靭性に優れると評価した。これらの低温靭性の測定結果を表２に示す。なお、表２に示す−４０℃及び−６０℃での吸収エネルギーｖＥ_−４０、ｖＥ_−６０は、いずれも３回の測定の平均値である。また、−４０℃における吸収エネルギーｖＥ_−４０は、参考として示すもので、６０Ｊを超えるものを比較的低温での靭性に優れると判断できる。

＜測定結果＞
表２より、本発明の組成成分の範囲を満たし、かつ粒内及び粒界における炭化物の形態が本発明の規定を満たすＮｏ．１〜Ｎｏ．２０の溶接金属は、引張強さＴＳが６２０ＭＰａを超え、−６０℃での吸収エネルギーｖＥ_−６０が４０Ｊを超えており、ＳＲ焼鈍後に高レベルで強度及び低温での靱性を両立できるといえる。また、これらの溶接金属は、−４０℃での吸収エネルギーｖＥ_−４０が６０Ｊを超えており、−４０℃の温度域においても十分な靱性が得られることがわかる。

これに対し、いずれかの成分が本発明の組成成分の範囲を満たしていないＮｏ．２１〜Ｎｏ．３０、Ｎｏ．３２は、−６０℃での吸収エネルギーｖＥ_−６０が４０Ｊ以下であり、低温において十分な靱性が得られないことがわかる。

また、Ｎｏ．３１及びＮｏ．３３の溶接金属は、円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．０５μｍと小さいため、−６０℃での吸収エネルギーｖＥ_−６０が４０Ｊ以下となり、低温における十分な靱性が得られなかったと考えられる。

また、Ｎｏ．３４の溶接金属は、円相当直径が０．４０μｍ以上の粒界炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍを超えたため、−６０℃での吸収エネルギーｖＥ_−６０が４０Ｊ以下となり、低温における十分な靱性が得られなかったと考えられる。Ｎｏ．３５においいて、粒界炭化物の平均円相当直径が大きくなったのは、予熱温度及びパス間温度が高かったために冷却途中で生成した炭化物がＳＲ焼鈍時に成長したものと考えられる。

以上説明したように、当該溶接金属及び溶接構造体は、フラックスコアドワイヤを用いるガスシールドアーク溶接において、ＳＲ焼鈍後に高い強度及び−６０℃以下での高い靱性が得られるので、寒冷地での海底油田の掘削及び生産時に建造される海洋構造物等として好適に用いることができる。

１〜１１ 炭化物
Ａ１〜Ａ８ 直線
Ｂ 直径０．４０μｍの真円
Ｃ 円相当直径が０．４０μｍ以上の炭化物
Ｄ 円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物

Claims (3)

1. Ｃ：０．０２質量％以上０．０８質量％以下、
   Ｓｉ：０．１０質量％以上０．３０質量％以下、
   Ｍｎ：１．２０質量％以上２．０質量％以下、
   Ｎｉ：０．５０質量％以上３．００質量％以下
   Ｃｒ：０質量％以上０．７０質量％以下、
   Ｍｏ：０．１０質量％以上０．７０質量％以下、
   Ｔｉ：０．０４質量％以上０．０８質量％以下、
   Ｂ：０．００１０質量％以上０．００５０質量％以下、
   Ｏ：０．０３０質量％以上０．１００質量％以下、
   Ｎ：０質量％超０．０１５質量％以下、
   Ｎｂ＋Ｖ：０．００８質量％以上０．０５質量％以下、並びに
   残部：Ｆｅ及び不可避的不純物
   である組成を有し、
   円相当直径が０．４０μｍ未満の炭化物の平均円相当直径が０．１０μｍ以上であり、
   粒界に存在し、円相当直径が０．４０μｍ以上の炭化物の平均円相当直径が０．７５μｍ以下である溶接金属。
2. Ｃｕ：０質量％超１．０質量％以下、
   Ｃｏ：０質量％超１．０質量％以下、及び
   Ａｌ：０質量％超０．０３０質量％以下
   からなる群より選択される少なくとも１種の組成をさらに含む請求項１に記載の溶接金属。
3. 請求項１又は請求項２に記載の溶接金属を有する溶接構造体。
   

Images