JP2022045983A - 二相ステンレス鋼の溶接継手および二相ステンレス鋼の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接材料を使用しない場合であっても、溶接部の強度に優れた二相ステンレス鋼の溶接継手を提供する。【解決手段】Ｎ２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用しつつ、溶接材料を使用しないＴＩＧ溶接法により前記母材を溶接する方法であって、質量％で、Ｍｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる二相ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、溶接金属のＮ含有量［Ｎ］Ｗと母材のＮ含有量［Ｎ］Ｂとの関係が、［Ｎ］Ｗ／［Ｎ］Ｂ≧１．５０を満足し、溶接金属のフェライト相の体積分率が４０体積％以下である二相ステンレス鋼の溶接継手を採用する。【選択図】なし

Description

本発明は、二相ステンレス鋼の溶接継手及び二相ステンレス鋼の溶接方法に関する。

ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌなどに代表される二相ステンレス鋼は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｎを主要元素として含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなり、優れた強度、耐食性、靭性を有する。また、二相ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して少ないＮｉ、Ｍｏ含有量で優れた耐食性を実現できるため、合金元素を節約することができ、経済性にも優れている。以上の理由から、二相ステンレス鋼は、河川インフラ設備、化学プラント、食品製造プラント、貯水タンク、海水淡水化装置をはじめとした様々な分野に適用されている。

二相ステンレス鋼を溶接構造物として使用する場合、溶接継手においても母材と同等レベルの強度が要求される。特許文献１には、二相ステンレス鋼を溶接する際に使用される溶接材料であって、高強度の溶接金属を得るために、強度指数ＳＥＷ＝１４Ｃｒ＋５Ｍｎ＋１０Ｍｏ＋６０Ｃｕ＋５０（Ｃ＋Ｎ）＋２０Ｗを４８５以上にした溶接材料が提案されている。

特開２０１４－３９９５３号公報

ところで、例えば、板厚が３ｍｍ以下の鋼板等の薄肉部材を母材とする場合、溶接材料を使用せずに溶接する場合がある。特許文献１に示すような溶接材料を使用した場合の溶接金属には余盛りが形成されるため、溶接金属が母材よりも肉厚となり、溶接部の強度不足の問題は生じにくい。しかし、溶接材料を使用せずに溶接したことによって得られる溶接金属は、母材とほぼ同等の板厚になり、かつ、二相ステンレス鋼においては溶接金属の強度が母材より低くなるため、溶接部の強度低下の課題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、溶接材料を使用しない場合であっても、溶接部の強度に優れた二相ステンレス鋼の溶接継手を提供することを課題とする。また、本発明は、溶接部の強度に優れた二相ステンレス鋼の溶接方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、前記の課題を解決するために、溶接材料を使用しない場合の二相ステンレス鋼のＴＩＧ溶接金属における強度低下の現象について詳細に調査した。その結果、下記に示す（ａ）～（ｃ）の事項を明らかにした。

（ａ）溶接金属における引張強度の低下は、溶接時のＮ放出量が増加するにつれて大きくなる。
（ｂ）溶接時のＮ放出量が増加するにつれて、溶接金属のフェライト量が増加する。
（ｃ）母材と溶接金属のフェライト量が同じ場合、溶接金属の引張強度の方が低くなる。

上記（ａ）～（ｃ）から、本発明者らは次のように結論した。すなわち、Ｎは侵入型元素であって、オーステナイト相の変形抵抗を固溶強化によって高める作用を有するが、溶接時のＮの放出により、溶接金属におけるＮ含有量が低下すると、オーステナイト相の変形抵抗が低下して引張強度が低下する。また、溶接金属においてオーステナイト形成元素であるＮ含有量が低下すると、変形抵抗の小さいフェライト相が増加し、これにより、溶接金属全体の引張強度が低下する。更に、溶接金属は母材に比べてミクロ組織が粗大であるため、仮に、溶接金属と母材のフェライト相が同量であったとしても、溶接金属の引張強度の方が小さくなる。以上のことから、溶接金属の引張強度の低下を抑制するためには、溶接金属において変形抵抗の小さいフェライト相を少なくとも母材（約５０体積％）以下に制御し、更に、オーステナイト相の固溶強化を図る必要がある。

そこで、本発明者らは溶接金属のフェライト相を低減させる方法を検討した。本発明では、溶接材料を使用せずに溶接することで形成された溶接継手を対象とするため、溶接金属のフェライト量を低下させるために、オーステナイト形成元素であるＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕなどを溶接材料から供給することは困難である。一方、オーステナイト形成元素であるＮは、溶接時に使用するシールドガスから溶接金属に供給することが可能であるが、一般的に市販されている、２～５体積％のＮ_２と残部Ａｒからなる混合ガスは、Ｎ_２の混合率が低いため、十分な量の窒素を溶接金属に供給できずに、十分な引張強度が得られなかった。

そこで、ＴＩＧ溶接では一般的には使用されていない窒素ガスをシールドガスとして活用することで、溶接金属のＮ含有量を高めると共に、オーステナイト相を増加させることでフェライト相を相対的に低減させることが重要であると知見した。本発明はこれらの知見をもとになされたものであり、その要旨は以下の通りである。

［１］ 質量％で、Ｍｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる二相ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、
前記溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗと前記母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂとの関係が、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０を満足し、
前記溶接金属のフェライト相の体積分率が４０体積％以下であることを特徴とする二相ステンレス鋼の溶接継手。
［２］ 前記溶接金属は、質量％で、Ｍｎ：０．５％以上、Ｃｒ：１７．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、かつ、前記溶接金属のＭｎ含有量及びＣｒ含有量がそれぞれ、前記母材のＭｎ含有量及びＣｒ含有量よりも少ないことを特徴とする［１］に記載の二相ステンレス鋼の溶接継手。
［３］ 前記溶接金属のＭｎ含有量及びＣｒ含有量をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｗ、［Ｃｒ］_Ｗとし、前記母材のＭｎ含有量及びＣｒ含有量をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｂ、［Ｃｒ］_Ｂとした場合に、下記式（１）及び（２）を満足することを特徴とする［１］または［２］に記載の二相ステンレス鋼の溶接継手。
０＜［Ｍｎ］_Ｂ－［Ｍｎ］_Ｗ≦０．５ …（１）
０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（２）
［４］ 前記溶接継手が、なめ付け溶接継手であることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載の二相ステンレス鋼の溶接継手。
［５］ 質量％で、Ｍｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる二相ステンレス鋼を母材とし、溶接材料を使用しないＴＩＧ溶接法により前記母材を溶接する方法であって、
Ｎ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用しつつ、溶接を行うことを特徴とする二相ステンレス鋼の溶接方法。

本発明によれば、溶接材料を使用しない場合であっても、溶接部の強度に優れた二相ステンレス鋼の溶接継手及び二相ステンレス鋼の溶接方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明における「％」とは、特に明記しない限り「質量％」を意味する。また、溶接金属のフェライト量及びシールドガス組成については「体積％」と明記する。

本実施形態の二相ステンレス鋼の溶接継手は、質量％で、Ｍｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる二相ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗと母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂとの関係が、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０を満足し、溶接金属のフェライト相の体積分率が４０体積％以下の溶接継手である。

また、本実施形態の溶接継手の種類に特に制限はなく、突合せ溶接により形成される突合せ継手、すみ肉溶接により形成される重ね継手、Ｔ継手、十字継手、角継手などに適用できる。また、突合せ継手は、鋼板同士を突合せ溶接した溶接継手や、鋼管の端部同士を突合せ溶接した溶接継手などを例示できる。

また、二相ステンレス鋼の母材の形状は、板材、管材、棒材、線材など、特に限定されるものではない。

本実施形態の母材である二相ステンレス鋼は、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなるものである。二相ステンレス鋼の化学組成はＭｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有するものである。上記のミクロ組織および化学組成を満足すれば、それ以外の合金元素は特に限定されるものではない。

以下、母材である二相ステンレス鋼の化学組成の限定理由について説明する。

Ｍｎ：１．０％以上
Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、オーステナイト相の析出を促進してフェライト相の割合を低下させる効果がある。加えて、溶融金属におけるＮの溶解度を高めて、溶接金属のＮ含有量の増加を促進する効果もある。これらの効果は、Ｍｎ含有量が１．０％未満では十分に得られないため、Ｍｎ含有量は１．０％以上とする。より好ましくは１．５％以上である。一方、Ｍｎを過剰に含有させると耐食性が低下するため、Ｍｎ含有量は１０．０％以下とすることが好ましい。

Ｃｒ：１８．０％以上
Ｃｒは、ステンレス鋼において不働態皮膜となるＣｒ_２Ｏ_３を形成して耐食性を向上させるための基本元素であるが、本発明においては溶融金属におけるＮの溶解度を高めて、溶接金属のＮ含有量の増加を促進する効果が期待できる。この効果はＣｒ含有量が１８．０％未満では十分に得られないため、Ｃｒ含有量は１８．０％以上とする。より好ましくは２０．０％以上である。Ｃｒ含有量の上限は特に規定されるものではないが、合金コストの観点から３０．０％以下とすることが望ましい。

Ｎｉ：１．０％以上
Ｎｉは、オーステナイト形成元素であり、オーステナイト相の析出を促進してフェライト相の割合を低下させる効果がある。この効果はＮｉ含有量が１．０％未満では十分に得られないため、Ｎｉ含有量は１．０％以上とする。より好ましくは２．０％以上である。Ｎｉ含有量の上限は特に規定されるものではないが、合金コストの観点から１０．０％以下とすることが望ましい。

本実施形態の母材の化学成分は、上記の通り、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ以外の合金元素については特に限定しないが、本実施形態を適用できる二相ステンレス鋼としては、例えばＣ：０．００１～０．０５０％、Ｓｉ：０．１０～１．５０％、Ｍｎ：１．０～１０．０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１８．０～３０．０％、Ｎｉ：１．０～１０．０％、Ｍｏ：０．１０～５．０％、Ｃｕ：０．１０～２．００％、Ｎ：０．１００～０．３００％、残部がＦｅ及び不純物といったものが挙げられる。この化学組成はあくまでも例示であり、本実施形態はこれによって限定されるものではない。この化学組成を挙げた理由は次の通りである。

Ｃ：０．００１～０．０５０％
Ｃ含有量が高いと、Ｃｒ炭化物が析出してＣｒ欠乏層を形成し、鋭敏化により耐食性が低下することが懸念される。このため、Ｃ含有量は０．０５０％以下にすることが好ましい。好ましくは０．０３０％以下であり、さらに好ましくは０．０２０％以下である。一方、Ｃ含有量を極端に低減することはコストアップにつながる。このため、Ｃ含有量は０．００１％以上とする。Ｃ含有量は０．０１０％以上であってもよく、０．０１５％以上であってもよい。

Ｓｉ：０．１０～１．５０％
Ｓｉは、脱酸元素であり、その効果を得るためには０．１０％以上含有させる必要がある。このため、Ｓｉ含有量は０．１０％以上が好ましい。一方、Ｓｉ含有量が高くなるとＣｒ炭窒化物の析出が促進され、耐食性が低下する。このため、Ｓｉ含有量は１．５０％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．２０～１．００％でもよく、０．３０～０．７０％でもよく、０．４０～０．６０％でもよい。

Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは不純物元素であり、ステンレス鋼の耐食性を低下させるため可能な限り低減することが好ましい。ただし、極端に低減させることはコストアップにつながるため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は０．０３０％以下でもよい。

Ｓ：０．０１００％以下
Ｓは不純物元素であり、Ｐと同様にステンレス鋼の耐食性を低下させるため可能な限り低減することが好ましい。ただし、極端に低減させることはコストアップにつながるため、Ｓ含有量は０．０１００％以下とする。好ましくは０．００５０％以下であり、さらに好ましくは０．００２０％以下である。

Ｍｏ：０．１０～５．０％
Ｍｏは、ステンレス鋼の耐食性を高める元素であり、そのためには０．１０％以上含有させる必要がある。このため、Ｍｏ含有量は０．１０％以上が好ましい。一方、Ｍｏ含有量が高くなると、σ相という金属間化合物が生成して、靭性が低下してしまう。このため、Ｍｏ含有量は５．０％以下が好ましい。Ｍｏ含有量は、３．０％以下でもよく、１．０％以下でもよく、０．４０％以下でもよい。

Ｃｕ：０．１０～２．００％
Ｃｕは、オーステナイト形成元素であり、溶接金属及び溶接熱影響部（ＨＡＺ）におけるオーステナイト相の析出を促進する効果がある。この効果は、Ｃｕ含有量が０．１０％未満では十分に得られないため、Ｃｕ含有量は０．１０％以上が好ましい。一方、Ｃｕ含有量が過剰になると母材の熱間加工性が低下するため、Ｃｕの上限は２．００％以下が好ましい。Ｃｕは１．５０％以下でもよく、１．００％以下でもよく、０．５０％以下でもよい。

Ｎ：０．１００～０．３００％
Ｎは、オーステナイト形成元素であり、ＭｎやＮｉに比べて拡散速度が大きいため、溶接における短時間の冷却過程においてもオーステナイト相の析出を著しく促進する。Ｎ含有量が０．１００％未満ではこの効果は十分に得られないため、０．１００％以上が好ましい。より好ましくは０．１３０％以上であり、更に好ましくは０．１５０％以上である。一方、Ｎを過度に含有させると製造性が著しく低下してコストが増大してしまうため、Ｎ含有量の上限は０．３００％以下が好ましい。より好ましくは０．２５０％以下である。

また、熱間加工性や耐食性、加工性などを改善するために、必要に応じて、Ｆｅの一部に代えて、Ａｌ：０．１０％以下、Ｃａ：０．００５０％以下、Ｍｇ：０．００５０％以下、ＲＥＭ：０．１０％以下、Ｂ：０．００５０％以下、Ｖ：２．０％以下、Ｎｂ：０．５％以下、Ｔｉ：０．５％以下、Ｔａ：０．５％以下、Ｗ：４．０％以下、Ｓｎ：１．０％以下、Ｃｏ：１．０％以下などを含有させることができる。なお、ＲＥＭ（Ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ；希土類元素）は、スカンジウム（Ｓｃ）とランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。ＲＥＭとして、上記元素のうちの１種を単独で含有しても良いし、２種以上を含有しても良い。ＲＥＭとして上記元素のうち２種以上を含有する場合、ＲＥＭ含有量は、それらの元素の合計含有量である。

化学組成の残部は、鉄及び不純物である。なお、ここで言う不純物とは、本発明に係る二相ステンレス鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

次に、溶接金属について説明する。

本実施形態の溶接金属は、母材に対して溶接材料を用いずに溶接する、いわゆるなめ付け溶接によって形成される。そのため、溶接金属の化学組成は、母材の化学組成とほぼ同じと考えてよい。ただし、Ｍｎ及びＣｒについては、溶接金属における含有量が、母材におけるＭｎ及びＣｒの含有量に比べて少なくなる場合がある。溶接金属のＭｎ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｗ、［Ｃｒ］_Ｗとし、母材のＭｎ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｂ、［Ｃｒ］_Ｂとした場合、下記式（１）及び（２）を満足することが好ましい。

０＜［Ｍｎ］_Ｂ－［Ｍｎ］_Ｗ≦０．５ …（１）
０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（２）

また、Ｍｎ及びＣｒの含有量の減少を考慮すると、溶接金属の化学組成は、Ｍｎ：０．５％以上、Ｃｒ：１７．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有するものとしてもよい。また、溶接金属の化学組成は、Ｃ：０．００１～０．０５０％、Ｓｉ：０．１０～１．５０％、Ｍｎ：０．５～１０．０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ｃｒ：１７．０～３０．０％、Ｎｉ：１．０～１０．０％、Ｍｏ：０．１０～５．０％、Ｃｕ：０．１０～２．００％、Ｎ：０．１００～０．３００％、残部がＦｅ及び不純物からなるものとしてもよい。

次に、溶接金属のＮ含有量およびフェライト量の限定理由について説明する。

二相ステンレス鋼における溶接金属の強度は、変形抵抗の低いフェライト相の存在割合を少なくすることにより向上できる。二相ステンレス鋼の母材では、優れた特性を引き出すために、熱処理によってフェライト相とオーステナイト相の比率が概ね１：１になるように制御されている。しかしながら、溶接金属では溶融状態からの短時間での冷却によって、フェライト相の存在割合が母材におけるフェライト相の存在割合よりも高くなってしまう。しかしながら、本発明では、溶接材料を使用せずに溶接した場合の溶接継手を対象としているため、溶接金属のフェライト相の存在割合を低下させるために、オーステナイト形成元素であるＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕなどを外部から供給することは困難である。

一方、オーステナイト形成元素であるＮは、シールドガスから溶接金属に供給することが可能である。このＮを活用して、粗大なミクロ組織を有する溶接金属の強度を十分に高める方法を検討した結果、溶接金属のフェライト相の存在割合を、母材における存在割合（約５０体積％）よりもさらに少ない４０体積％以下に限定する必要がある。なお、溶接金属の金属組織の残部はオーステナイト相である。すなわち、溶接金属はフェライト相とオーステナイト相からなる二相組織である。なお、溶接金属におけるフェライト相の存在割合の下限は特に限定する必要はないが、０体積％超でもよく、１５体積％以上でもよく、２０体積％以上でもよい。

また、溶接金属におけるフェライト相の存在割合が４０体積％以下であっても、溶接金属のＮ含有量が母材のＮ含有量の１．５０倍未満では十分な強度が得られない。これは、Ｎの固溶強化によるオーステナイト相の変形抵抗の上昇が十分に得られないためと考えられる。よって、溶接金属のＮ含有量は母材の１．５０倍以上に限定する。すなわち、溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗと母材の窒素含有量［Ｎ］_Ｂとの関係が、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０を満足する必要がある。［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂは１．６０以上でもよく、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂの上限は特に限定する必要はないが、５．０以下でもよく、４．０以下でもよく、３．０以下でもよい。

母材および溶接金属のそれぞれのＮ含有量は、ＪＩＳ Ｇ １２２８：１９９７の附属書４（規定）不活性ガス融解－熱伝導度法（１）に準拠して測定する。また、溶接金属におけるフェライト相の存在割合は、鏡面研磨された溶接金属断面を水酸化ナトリウム水溶液で電解エッチングした後、光学顕微鏡観察によってフェライト相を特定し、画像解析を行うことによってフェライト相の面積率を測定する。１つの条件について４００倍で１０視野のフェライト相の面積率を算出して、その平均値を最終的なフェライト相の体積分率とする。なお、本実施形態に係る溶接金属においては、フェライト相の体積分率は、面積分率に等しいと考えてよい。

次に、本実施形態の二相ステンレス鋼の溶接方法について説明する。

本実施形態の二相ステンレス鋼の溶接方法は、溶接材料を使用しないＴＩＧ溶接法に限定する。入熱量は、板厚によって変化するため特に限定されるものではないが、例えば３００～３００００Ｊ／ｃｍの範囲において使用できる。なお、入熱量（Ｊ／ｃｍ）は６０×電流値（Ａ）×電圧値（Ｖ）÷溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）により計算される。

また、本実施形態の溶接方法は特に限定されるものではなく、例えば、突合せ溶接またはすみ肉溶接を対象としてもよい。また、突き合せ溶接の場合、鋼板同士を突合せ溶接や、鋼管の端部同士の突合せ溶接を例示できる。また、開先形状はＩ開先を基本とする。

また、母材の形状は、板材、管材、棒材、線材など、特に限定されるものではない。ただし、本実施形態に係る溶接継手は、溶接材料を使用せずに溶接するものであるので、板材の板厚、管材の肉厚、棒材及び線材の径はそれぞれ小さいことが好ましい。例えば板材の場合は板厚が６ｍｍ以下の鋼板がよい。また、管材の場合は肉厚が３ｍｍ以下の鋼管がよい。棒材または線材の場合、直径が６ｍｍ以下のものがよい。

本実施形態の溶接方法では、トーチから噴射するシールドガス（以下、トーチシールドガスという場合がある）として、Ｎ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用する必要がある。

シールドガスを９５体積％以上のＮ_２ガスにすると、溶融金属の平衡窒素溶解度に近い、母材より多量のＮが導入される。一般的に市販されている２～５体積％のＮ_２と残部がＡｒの混合ガスでは、Ｎ_２濃度が低いため溶接金属のＮ含有量を十分に高めることができない上、この混合ガスはＡｒよりも高価であり経済性も損ねる。このため、本実施形態ではＮ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを用いることが、溶接金属中のＮ含有量を増加させて、オーステナイト相の変形抵抗を大きくし、かつフェライト相を４０体積％以下にできる点で好ましい。

なお、シールドガスの残部は、不純物でもよく、アルゴン等のその他のガス及び不純物であってもよい。より好ましいシールドガスは、純窒素ガス（純度９９．９９５％以上（ＪＩＳ Ｋ １１０７：２００５））がよい。

トーチシールドガスとしてＮ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用しつつ、ＴＩＧなめ付け溶接を行うことにより、溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗと母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂとの関係が、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０を満足し、かつ、溶接金属のフェライト相の体積分率が４０体積％以下である二相ステンレス鋼の溶接継手を製造することができる。この溶接継手は、なめ付け溶接によって形成されたにも関わらず、優れた引張強度を示すものとなる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されない。

表１に示す３種類の化学成分を有する二相ステンレス鋼を実験室にて溶製し、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、固溶化熱処理を経て、板厚０．８ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ２００ｍｍの溶接用鋼板（母材）を作製した。なお、母材の金属組織は、フェライト相とオーステナイト相が概ね１：１の体積割合で存在する二相組織であった。

溶接用鋼板の幅中央にて、溶接材料を使用せずにＴＩＧ溶接法によりビードオンプレート溶接を行った。トーチシールドガスには１００体積％のＮ_２ガスを使用した。比較のため、１００体積％のＡｒガスと、２～５体積％のＮ_２と残部アルゴンとを含む混合ガスとを使用した場合についても実験した。トーチシールドガス流量は１０Ｌ／ｍｉｎとした。溶接速度は１００ｃｍ／ｍｉｎで固定して、裏ビード幅が３ｍｍ程度になるように入熱量を５００～７００Ｊ／ｃｍの範囲で電流値を調節した。

引張試験はＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠して実施した。試験片形状はＪＩＳ１３号Ｂとして、平行部の中央に溶接ビードが位置するように試験片を採取した。なお、引張方向と溶接方向が垂直となるように試験片を採取して、溶接ビード部は研削せずに評価した。試験温度は室温とした。溶接継手の引張強度ＴＳ_Ｗが、母材の引張強度ＴＳ_Ｂの９５％以上、すなわちＴＳ_Ｗ／ＴＳ_Ｂ≧０．９５となる場合に、十分な強度があるとして合格と判定した。

母材および溶接金属のそれぞれのＮ含有量は、ＪＩＳ Ｇ １２２８：１９９７の附属書４（規定）不活性ガス融解－熱伝導度法（１）に準拠して測定した。また、溶接金属におけるフェライト相の存在割合は、鏡面研磨された溶接金属断面を水酸化ナトリウム水溶液で電解エッチングした後、光学顕微鏡観察によってフェライト相を特定し、画像解析を行うことによってフェライト相の面積率を測定した。１つの条件について４００倍で１０視野のフェライト量を算出して、その平均値を最終的なフェライト相の体積分率とした。なお、溶接金属のフェライト相の体積分率は、面積分率に等しいと考えた。また、溶接金属における金属組織の残部はオーステナイト相であり、溶接金属はフェライト相とオーステナイト相からなる二相組織であった。

表２に、使用した鋼、溶接条件、トーチシールドガスの種類と各種評価結果を示す。

なお、番号１～９の溶接金属はいずれも、Ｎ含有量を除くと母材の化学成分とほぼ同じであり、Ｍｎ：０．５質量％以上、Ｃｒ：１７．０質量％以上、Ｎｉ：１．０質量％以上を含有していた。また、番号１～９の溶接金属のＭｎ含有量及びＣｒ含有量はそれぞれ、母材のＭｎ含有量及びＣｒ含有量よりも若干少なかった。溶接金属のＭｎ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｗ、［Ｃｒ］_Ｗとし、母材のＭｎ含有量（質量％）及びＣｒ含有量（質量％）をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｂ、［Ｃｒ］_Ｂとした場合、番号１～９はいずれも、下記式（１）及び（２）を満足していた。また、溶接金属のＭｎ及びＣｒ以外の元素については、母材における含有量とほぼ同じだった。

０＜［Ｍｎ］_Ｂ－［Ｍｎ］_Ｗ≦０．５ …（１）
０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（２）

番号１～３の本発明例では、トーチシールドガスに１００体積％Ｎ_２ガスを使用することで溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗが母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂの１．５０倍以上（［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０）で、かつ、溶接金属のフェライト量が４０体積％以下をいずれも満足していた。溶接継手の引張強度ＴＳ_Ｗは、母材の引張強度ＴＳ_Ｂの９５％以上、すなわちＴＳ_Ｗ／ＴＳ_Ｂ≧０．９５を満足しており、十分な継手強度を有していることが分かった。

一方、番号４～６の比較例では、トーチシールドガスに１００体積％Ａｒガスを使用しているため、溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗが母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂよりも低くなり、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０を満足していなかった。加えて、溶接金属のフェライト相の存在割合が非常に高く、４０体積％以下を満足しなかった。そのため溶接継手の引張強度ＴＳ_Ｗが母材の引張強度ＴＳ_Ｂの９５％以上、すなわちＴＳ_Ｗ／ＴＳ_Ｂ≧０．９５を満足せず、十分な継手強度を有していなかった。

また、番号７～９の比較例では、トーチシールドガスに５体積％Ｎ_２と残部アルゴンを含有する混合ガスを使用しており、番号７および９では溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗが母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂの１．５０倍以上を満足しているものの、溶接金属のフェライト相の存在割合が４０体積％以下を満足していなかった。そのため、溶接継手の引張強度ＴＳ_Ｗが母材の引張強度ＴＳ_Ｂの９５％以上、すなわちＴＳ_Ｗ／ＴＳ_Ｂ≧０．９５を満足せず、十分な継手強度を有していないことが分かった。

以上から、本発明によって、溶接材料を使用しない場合に、溶接部の強度に優れた二相ステンレス鋼の溶接継手を提供できることが判明した。また、溶接部の強度に優れた二相ステンレス鋼の溶接方法を提供することができることが判明した。

Claims (5)

1. 質量％で、Ｍｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる二相ステンレス鋼の母材と、溶接金属とを備えた溶接継手であって、
   前記溶接金属のＮ含有量［Ｎ］_Ｗと前記母材のＮ含有量［Ｎ］_Ｂとの関係が、［Ｎ］_Ｗ／［Ｎ］_Ｂ≧１．５０を満足し、
   前記溶接金属のフェライト相の体積分率が４０体積％以下であることを特徴とする二相ステンレス鋼の溶接継手。
2. 前記溶接金属は、質量％で、Ｍｎ：０．５％以上、Ｃｒ：１７．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、かつ、前記溶接金属のＭｎ含有量及びＣｒ含有量がそれぞれ、前記母材のＭｎ含有量及びＣｒ含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の二相ステンレス鋼の溶接継手。
3. 前記溶接金属のＭｎ含有量及びＣｒ含有量をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｗ、［Ｃｒ］_Ｗとし、前記母材のＭｎ含有量及びＣｒ含有量をそれぞれ［Ｍｎ］_Ｂ、［Ｃｒ］_Ｂとした場合に、下記式（１）及び（２）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二相ステンレス鋼の溶接継手。
   ０＜［Ｍｎ］_Ｂ－［Ｍｎ］_Ｗ≦０．５ …（１）
   ０＜［Ｃｒ］_Ｂ－［Ｃｒ］_Ｗ≦１．０ …（２）
4. 前記溶接継手が、なめ付け溶接継手であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の二相ステンレス鋼の溶接継手。
5. 質量％で、Ｍｎ：１．０％以上、Ｃｒ：１８．０％以上、Ｎｉ：１．０％以上を含有し、金属組織がフェライト相とオーステナイト相の二相組織からなる二相ステンレス鋼を母材とし、溶接材料を使用しないＴＩＧ溶接法により前記母材を溶接する方法であって、
   Ｎ_２を９５体積％以上含有するシールドガスを使用しつつ、溶接を行うことを特徴とする二相ステンレス鋼の溶接方法。