JP3283768B2 - 高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶接金属及びＴＩＧ溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高強度Ｃｒ−Ｍｏ
鋼（Ｃｒ：２．００乃至３．２５重量％、Ｍｏ：０．９
０乃至１．２０重量％）の溶接に使用され、特に、Ｃｒ
及びＭｏの他にＶを必須成分として含有し、更に必要に
応じて、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ及びＣａ等を含有する高強度Ｃ
ｒ−Ｍｏ鋼の溶接に有効である高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴ
ＩＧ溶接金属及びＴＩＧ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】２．２５〜３％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼は高温
特性に優れているため、ボイラー及び化学反応容器等の
高温高圧環境下において使用される材料として、従来よ
り広く適用されている。近時、設備の高効率操業を図る
ため、これらの構造物の使用環境はより一層高温高圧化
される傾向にあり、従来の鋼材からなる溶接構造物を大
型厚肉化したり、Ｖ及びＮｂ等を添加した高強度Ｃｒ−
Ｍｏ鋼により溶接構造物を製造して、その強度を高める
方法が開発されている。

【０００３】そして、このような高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼か
らなる溶接構造物においても大型厚肉のものが多いの
で、その溶接には、一般的に、溶接効率が良好であるサ
ブマージアーク溶接が適用されているが、その初層溶接
時又は配管等の溶接時においては、ＴＩＧ溶接を適用す
ることが必要とされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高強度
Ｃｒ−Ｍｏ鋼を溶接した場合、その溶接構造物に対して
はＳＲ（応力除去焼鈍）処理を施すことが必要とされて
おり、Ｖを必須成分として含有する高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼
溶接構造物の大型厚肉化が進むにつれて、溶接部におい
ては引張成分の残留応力及び拘束等が増大するという問
題点がある。従って、析出時効による粒界割れ、いわゆ
るＳＲ割れの発生が今後の大きな問題となる。

【０００５】ところで、高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の溶接用Ｔ
ＩＧ溶接ワイヤに関しては、ＳＲ処理後の室温及び高温
強度、靱性、クリープ強度、耐焼戻し脆化特性（高温環
境での使用中に脆化が少ないこと）、耐高温割れ性（凝
固時の割れが生じ難いこと）並びに耐低温割れ性（水素
による遅れ破壊が生じ難いこと）の向上を図ったものが
提案されている（特開平７−１００６８８号公報）。し
かし、このＴＩＧ溶接ワイヤを使用して溶接することに
より得られる溶接金属についても、耐ＳＲ割れ性（析出
時効による粒界割れが生じ難いこと）は低いものとな
る。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ＳＲ処理後の室温及び高温強度、靱性、ク
リープ強度、耐焼戻し脆化特性、耐高温割れ性並びに耐
低温割れ性が優れていると共に、耐ＳＲ割れ性が良好で
ある高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶接金属及びＴＩＧ溶
接方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高強度Ｃｒ
−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶接金属は、ＴＩＧ溶接によって形成
される溶接金属において、Ｃ：０．０４乃至０．１５重
量％、Ｓｉ：０．０５乃至０．４０重量％、Ｍｎ：０．
２０乃至１．１０重量％、Ｃｒ：２．００乃至３．２５
重量％、Ｍｏ：０．９０乃至１．２０重量％及びＶ：
０．２０乃至０．７０重量％を含有し、残部がＦｅ及び
不可避的不純物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐが
０．０１０重量％以下、Ｎが０．０１５０重量％以下に
規制された組成を有し、６２５℃の温度で１０時間の熱
処理を施した溶接金属原質部のみから電解抽出により採
取した残渣の組成は、Ｆｅ：３５重量％以下及びＶ：１
０重量％以上であることを特徴とする。この溶接金属
は、更に、Ｎｂを０．０４０重量％以下含有することが
好ましい。

【０００８】本発明に係る高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ
溶接方法は、Ｃ：０．０５乃至０．１６重量％、Ｓｉ：
０．０５乃至０．５０重量％、Ｍｎ：０．２０乃至１．
３０重量％、Ｃｒ：２．００乃至３．２５重量％、Ｍ
ｏ：０．９０乃至１．２０重量％及びＶ：０．２０乃至
０．８０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純
物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐが０．０１０重
量％以下、Ｎが０．０１５０重量％以下に規制された組
成を有するソリッドワイヤを使用し、溶接入熱を１０乃
至４０（ｋＪ／ｃｍ）としてＴＩＧ溶接するＴＩＧ溶接
方法であって、得られた溶接金属を、Ｃ：０．０４乃至
０．１５重量％、Ｓｉ：０．０５乃至０．４０重量％、
Ｍｎ：０．２０乃至１．１０重量％、Ｃｒ：２．００乃
至３．２５重量％、Ｍｏ：０．９０乃至１．２０重量％
及びＶ：０．２０乃至０．７０重量％を含有し、残部が
Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物のう
ち、Ｐが０．０１０重量％以下、Ｎが０．０１５０重量
％以下に規制された組成を有し、６２５℃の温度で１０
時間の熱処理を施した溶接金属原質部のみから電解抽出
により採取した残渣の組成が、Ｆｅ：３５重量％以下及
びＶ：１０重量％以上であるものとすることを特徴とす
る。

【０００９】このソリッドワイヤは、更に、Ｎｂ：０．
０５０重量％以下を含有し、前記溶接金属は、更に、Ｎ
ｂ：０．０４０重量％以下を含有することが望ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本願発明者等が本発明の課題を解
決すべく、鋭意実験研究を重ねた結果、ＴＩＧ溶接によ
り高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼を溶接する際に、溶接入熱を適切
な範囲に規定すると共に、溶接金属中のＣ及びＶ含有量
を規定することにより、高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の溶接金属
の耐ＳＲ割れ性を改善することができることを見い出し
た。即ち、本願発明者等は、高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の溶接
金属を炭化物が析出しやすい温度（例えば、６２５℃）
で熱処理すれば、粒内は炭化物の析出による析出硬化を
示し、旧オーステナイト粒界にはＦｅを主体とするセメ
ンタイトが膜状に多量に析出して粒界強度が低下するた
め、粒内強度と粒界強度の差が大きくなり、ＳＲ割れが
旧オーステナイト粒界に沿って生じ易くなることを見い
出した。

【００１１】そこで、本発明においては、Ｆｅよりも炭
化物形成傾向が大きく、高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の必須成分
であるＶを、溶接金属中のＶ含有量が０．２０乃至０．
７０重量％となるようにソリッドワイヤに添加すると共
に、溶接金属中のＣ含有量が０．０４乃至０．１５重量
％となるようにＣをソリッドワイヤに添加する。また、
溶接金属中のＶが窒化物として消費されないようにする
ために、溶接金属中のＮ含有量が０．０１５０重量％と
なるようにソリッドワイヤ中のＮ含有量を規制する。こ
れにより、ＳＲ処理後において、Ｖ炭化物が溶接金属の
結晶粒内に析出することを促進し、その結果、セメンタ
イトが膜状に旧オーステナイト粒界に析出することを抑
制して、粒界強度の低下を防止することができ、高強度
Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶接金属においても耐ＳＲ割れ性
を改善することができる。

【００１２】以下、本発明における高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼
のＴＩＧ溶接金属及びＴＩＧ溶接方法について、更に説
明する。先ず、ＴＩＧ溶接金属中の特定成分の組成限定
理由について説明する。

【００１３】溶接金属中のＣ含有量：０．０４乃至０．
１５重量％ Ｃは焼入れ硬化性に大きな影響を及ぼし、室温及び高温
強度並びに靱性を確保する上で重要な元素である。溶接
金属中のＣ含有量が０．０４重量％未満であると、強度
及び靱性が低下する。また、本発明においては、Ｖの添
加量を増加させて、Ｖ炭化物を優先的に粒内に析出させ
ることにより、セメンタイトの析出を抑制しているが、
溶接金属中のＣ含有量が０．１５重量％を超えると、セ
メンタイトの旧オーステナイト粒界への析出を抑制する
ことが困難になり、耐ＳＲ割れ性が低下してしまう。ま
た、強度が高くなりすぎて、耐低温割れ性及び靱性が低
下する。従って、溶接金属中のＣ含有量は０．０４乃至
０．１５重量％とする。好ましくは、Ｃ含有量は０．０
７乃至０．１１重量％である。

【００１４】溶接金属中のＳｉ含有量：０．０５乃至
０．４０重量％ Ｓｉはビードのなじみ性を改善する効果を有する元素で
ある。溶接金属中のＳｉ含有量が０．０５重量％未満で
あると、この効果が低下し、作業性が劣化する。一方、
Ｓｉ含有量が０．４０重量％を超えると、不純物として
存在するＰの粒界への偏析を促進するので、耐焼戻し脆
化特性及び耐ＳＲ割れ性が低下する。また、強度が高く
なりすぎて靱性低下の原因ともなる。従って、溶接金属
中のＳｉ含有量は、０．０５乃至０．４０重量％とす
る。好ましくは、Ｓｉ含有量は０．１０乃至０．３０重
量％である。

【００１５】溶接金属中のＭｎ含有量：０．２０乃至
１．１０重量％ Ｍｎは、特に、Ｖを添加した溶接金属の靱性を向上させ
る効果を有する。溶接金属中のＭｎ含有量が０．２０重
量％未満であると、その効果が低下して、靱性が不十分
となる。また、Ｍｎ含有量が１．１０重量％を超える
と、クリープ強度が低下すると共に、不純物として存在
するＰの粒界への偏析を促進するので、耐焼戻し脆化特
性及び耐ＳＲ割れ性も低下する。従って、溶接金属中の
Ｍｎ含有量は０．２０乃至１．１０重量％とする。好ま
しくは、Ｍｎ含有量は０．３０乃至０．７０重量％であ
る。

【００１６】溶接金属中のＣｒ含有量：２．００乃至
３．２５重量％、溶接金属中のＭｏ含有量：０．９０乃
至１．２０重量％ Ｃｒ及びＭｏは、高強度２．２５〜３％Ｃｒ−１％Ｍｏ
鋼の基本成分である。溶接金属中のＣｒ含有量が２．０
０重量％未満若しくは３．２５重量％を超える場合、又
は溶接金属中のＭｏ含有量が０．９０重量％未満若しく
は１．２０重量％を超える場合においても本発明の効果
は認められるが、実際には対象とする高温環境下では使
用されない母材成分範囲である。従って、溶接金属中の
Ｃｒ含有量は２．００乃至３．２５重量％とし、Ｍｏ含
有量は０．９０乃至１．２０重量％とする。好ましくは
Ｃｒ含有量が２．２０乃至３．２５重量％であり、Ｍｏ
含有量が０．９５乃至１．１０重量％である。

【００１７】溶接金属中のＶ含有量：０．２０乃至０．
７０重量％ Ｖは、本発明において最も重要な元素であり、Ｆｅより
も炭化物形成傾向が大きい。このため、高強度Ｃｒ−Ｍ
ｏ鋼の溶接金属中のＶを増加させると、ＳＲ処理後の粒
内に微細なＶ炭化物が優先的に析出し、Ｆｅを主体とす
るセメンタイトが旧オーステナイト粒界へ膜状に析出す
ることを抑制することができる。これにより、耐ＳＲ割
れ性を大幅に改善することができる。また、Ｖは溶接金
属の室温及び高温強度並びにクリープ強度を高める効果
も有している。溶接金属中のＶ含有量が０．２０重量％
未満であると、これらの効果を十分に得ることができな
い。一方、溶接金属中のＶ含有量が０．７０重量％を超
えると、強度が高くなりすぎて、靱性及び耐焼戻し脆化
特性が低下する。また、粒内の析出硬化の程度が大きす
ぎる場合には、粒界強度との差が大きくなることによ
り、耐ＳＲ割れ性も低下する。従って、溶接金属中のＶ
含有量は０．２０乃至０．７０重量％とする。好ましく
はＶ含有量は０．３０乃至０．４０重量％である。

【００１８】溶接金属中のＰ含有量：０．０１０重量％
以下 高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼には、高温強度及びクリープ強度を
高めるために析出硬化の作用を有するＶ及びＮｂ等を添
加しており、同様に、溶接金属においても、Ｖ及びＮｂ
等を添加している。このため、溶接部に生じる引張残留
応力が大きい場合には、溶接金属にＳＲ割れが発生する
虞がある。Ｐは旧オーステナイト粒界に偏析し、粒界強
度を低下させる元素であるので、特に、溶接金属中のＰ
含有量が高い場合には粒界強度が低下することから、Ｓ
Ｒ割れが発生する危険性が高い。また、Ｐが粒界に偏析
することにより、耐焼戻し脆化特性が低下する。溶接金
属中のＰ含有量が０．０１０重量％を超えると、ＳＲ割
れが発生したり、耐焼戻し脆化特性が低下する。従っ
て、溶接金属中に不可避的不純物として存在するＰの含
有量は０．０１０重量％以下に規制する。好ましくは、
Ｐ含有量を０．００５重量％以下となるように規制す
る。

【００１９】溶接金属中のＮ含有量：０．０１５０重量
％以下 本発明においては、Ｖ炭化物を優先的に析出させて、Ｆ
ｅを主体とするセメンタイトの旧オーステナイト粒界へ
の析出を抑制することにより耐ＳＲ割れ性を改善してい
る。しかしながら、溶接金属中のＮ含有量が０．０１５
０重量％を超えると、窒化物を形成するためにＶが消費
されるので、Ｖ炭化物を析出させることが困難になる。
その結果、セメンタイトの析出を抑制することができな
くなって、粒界強度が大きく低下するので、耐ＳＲ割れ
性が劣化してしまう。従って、溶接金属中に不可避的不
純物として存在するＮの含有量は０．０１５０重量％以
下に規制する。好ましくは、Ｎ含有量を０．０１００重
量％以下となるように規制する。

【００２０】なお、上述のＰ及びＮ以外の不可避的不純
物、例えば、Ｓ、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂについても、溶接
金属中の含有量を低下させることにより、耐ＳＲ割れ性
及び耐焼戻し脆化特性を更に一層向上させることができ
る。従って、本発明においては、溶接金属中の不可避的
不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂを、夫々、０．
０１０重量％以下に規制することが望ましい。より好ま
しくは、不可避的不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ａｓ及びＳ
ｂを、夫々、０．００５重量％以下に規制する。

【００２１】６２５℃の温度で１０時間の熱処理を施し
た溶接金属原質部のみから電解抽出により採取した残渣
中のＦｅ含有量：３５重量％以下、Ｖ含有量：１０重量
％以上 溶接金属に６２５℃の温度で１０時間の熱処理を施し、
溶接金属原質部のみから試料を加工し、電解抽出により
採取した残渣中のＦｅ含有量が３５重量％以下であると
共に、Ｖ含有量が１０重量％以上であると、粒内におけ
る微細なＶ炭化物の析出が促進され、旧オーステナイト
粒界へのセメンタイトの析出が抑制される。その結果、
粒界強度の低下を防止することができ、耐ＳＲ割れ性が
大きく改善される。従って、６２５℃の温度で１０時間
の熱処理を施した溶接金属原質部のみから電解抽出によ
り採取した残渣中のＦｅ含有量は３５重量％以下とし、
Ｖ含有量は１０重量％以上とする。好ましくは、Ｆｅ含
有量は２０重量％以下であり、Ｖ含有量は１５乃至４５
重量％である。

【００２２】溶接金属中のＮｂ含有量：０．０４０重量
％以下 Ｎｂは溶接金属中に添加されることにより、その添加量
が微量であっても、Ｖの単独添加により高強度化を図っ
た場合と比較して、更に一層、室温及び高温強度並びに
クリープ強度を向上させることができる。しかしなが
ら、Ｎｂ含有量が０．０４０重量％を超えると、強度が
高くなりすぎて、靱性が低下する。また、耐焼戻し脆化
特性及び耐ＳＲ割れ性も低下する。従って、溶接金属中
にＮｂを添加する場合は、その含有量を０．０４０重量
％以下とすることが望ましい。より好ましくは、溶接金
属中のＮｂ含有量は０．００５乃至０．０２０重量％で
ある。

【００２３】次に、本発明に係る高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の
ＴＩＧ溶接方法におけるソリッドワイヤの成分限定理由
について説明する。

【００２４】ソリッドワイヤ中のＣ含有量：０．０５乃
至０．１６重量％ 前述の如く、Ｃは溶接金属の室温及び高温強度、クリー
プ強度並びに靱性を確保するために添加するものであ
り、溶接金属中のＣ含有量を０．０４乃至０．１５重量
％にするために、ソリッドワイヤ中のＣ含有量を規定す
る必要がある。従って、ソリッドワイヤ中のＣ含有量は
０．０５乃至０．１６重量％とする。好ましくは、Ｃ含
有量は０．０８乃至０．１３重量％である。

【００２５】ソリッドワイヤ中のＳｉ含有量：０．０５
乃至０．５０重量％ 前述の如く、Ｓｉはビードのなじみ性を改善する効果を
有しているので、溶接金属中のＳｉ含有量を０．０５乃
至０．４０重量％にするために、歩留まりを考慮してソ
リッドワイヤ中のＳｉ含有量を規定する必要がある。従
って、ソリッドワイヤ中のＳｉ含有量は０．０５乃至
０．５０重量％とする。好ましくは、Ｓｉ含有量は０．
１０乃至０．２０重量％である。

【００２６】ソリッドワイヤ中のＭｎ含有量：０．２０
乃至１．３０重量％ 前述の如くＭｎは、特に、Ｖが添加された溶接金属の靱
性を向上させる効果を有しているので、溶接金属中のＭ
ｎ含有量を０．２０乃至１．１０重量％とするために、
歩留まりを考慮してソリッドワイヤ中のＭｎ含有量を規
定する必要がある。従って、ソリッドワイヤ中のＭｎ含
有量は０．２０乃至１．３０重量％とする。好ましく
は、Ｍｎ含有量は０．３０乃至０．８０重量％である。

【００２７】ソリッドワイヤ中のＣｒ含有量：２．００
乃至３．２５重量％、ソリッドワイヤ中のＭｏ含有量：
０．９０乃至１．２０重量％ Ｃｒ及びＭｏは、高強度２．２５〜３％Ｃｒ−１％Ｍｏ
鋼の基本成分であり、所定量をソリッドワイヤに含有さ
せる必要がある。即ち、ソリッドワイヤ中のＣｒ含有量
が２．００重量％未満若しくは３．２５重量％を超える
場合、又はＭｏ含有量が０．９０重量％未満若しくは
１．２０重量％を超える場合においても本発明の効果は
認められるが、その結果得られる溶接金属成分は、実際
には対象とする高温環境下では使用されない母材成分範
囲となる。従って、ソリッドワイヤ中のＣｒ含有量は
２．００乃至３．２５重量％とし、Ｍｏ含有量は０．９
０乃至１．２０重量％とする。好ましくは、Ｃｒ含有量
が２．２０乃至３．２５重量％であり、Ｍｏ含有量が
０．９５乃至１．１０重量％である。

【００２８】ソリッドワイヤ中のＶ含有量：０．２０乃
至０．８０重量％ 前述の如く、Ｖは本発明において最も重要な元素であ
り、溶接金属中のＶ含有量を０．２０乃至０．７０重量
％とするために、歩留まりを考慮してソリッドワイヤ中
のＶ含有量を規定する必要がある。従って、ソリッドワ
イヤ中のＶ含有量は０．２０乃至０．８０重量％とす
る。好ましくはＶ含有量は０．３０乃至０．５０重量％
である。

【００２９】ソリッドワイヤ中のＰ含有量：０．０１０
重量％以下 前述の如く、Ｐは粒界に偏析して耐焼戻し脆化特性を劣
化させたり、粒界強度を低下させて、耐ＳＲ割れ性を低
下させる元素であるため、溶接金属中のＰ含有量を０．
０１０重量％以下に規制するために、歩留まりを考慮し
てソリッドワイヤ中のＰ含有量を規定する必要がある。
従って、ソリッドワイヤ中のＰ含有量は０．０１０重量
％以下に規制する。好ましくは、Ｐ含有量を０．００５
重量％以下となるように規制する。

【００３０】ソリッドワイヤ中のＮ含有量：０．０１５
０重量％以下 前述の如く、本発明においては、Ｖ炭化物を優先的に析
出させて、Ｆｅを主体とするセメンタイトの旧オーステ
ナイト粒界への析出を抑制することにより耐ＳＲ割れ性
を改善している。そこで、溶接金属中のＮ含有量を０．
０１５０重量％以下に規制するために、歩留まりを考慮
してソリッドワイヤ中のＮ含有量を規定する必要があ
る。従って、ソリッドワイヤ中のＮ含有量は０．０１５
０重量％以下に規制する。好ましくは、Ｎ含有量を０．
０１００重量％以下となるように規制する。

【００３１】なお、前述の如く、Ｐ及びＮ以外の不可避
的不純物、例えば、Ｓ、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂについて
も、溶接金属中の含有量を低下させることにより、耐Ｓ
Ｒ割れ性及び耐焼戻し脆化特性を更に一層向上させるこ
とができる。そこで、溶接金属中に含有されるこれらの
不可避的不純物の含有量を、夫々、０．０１０重量％以
下に規制するために、ソリッドワイヤ中のＳ、Ｓｎ、Ａ
ｓ及びＳｂを規定することが望ましい。従って、ソリッ
ドワイヤ中の不可避的不純物としてのＳ、Ｓｎ、Ａｓ及
びＳｂは、夫々、０．０１００重量％以下とすることが
望ましい。また、より好ましくは、不可避的不純物とし
てのＳ、Ｓｎ、Ａｓ及びＳｂを、夫々、０．００５重量
％以下に規制する。

【００３２】ソリッドワイヤ中のＮｂ含有量：０．０５
０重量％以下 前述の如く、Ｎｂは溶接金属中に添加されることによ
り、更に一層、室温及び高温強度並びにクリープ強度を
向上させることができるので、溶接金属中にＮｂを含有
させる場合、その含有量を０．０４０重量％以下に規定
するために、ソリッドワイヤ中のＮｂ含有量を規定する
必要がある。従って、ソリッドワイヤ中にＮｂを含有さ
せる場合は、その含有量を０．０５０重量％以下とする
ことが望ましい。より好ましくは、ソリッドワイヤ中の
Ｎｂ含有量は０．００５乃至０．０２０重量％である。

【００３３】この他、本発明のワイヤには、耐錆性を付
与するために、Ｃｕメッキを行うことが可能である。Ｃ
ｕメッキを実施する場合には、ワイヤ全重量あたりのＣ
ｕ含有量を０．５０重量％以下とする。また、本発明に
おいて使用するソリッドワイヤは、メッキ以外のＣｕ、
Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＢ等を実質的に含有しないことを
特徴としている。実質的に含有しない量とは、メッキ量
を含まないＣｕが０．１０重量％以下、Ｎｉが０．２０
重量％以下、Ａｌが０．０１０重量％以下、Ｔｉが０．
０２重量％以下であり、Ｂが０．００５重量％以下であ
ることをいう。

【００３４】このように、ソリッドワイヤ中の化学組成
を規定することにより、溶接金属に歩留まる化学成分の
含有量を前述の如く調整することができる。更に、本発
明に係る高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶接方法における
溶接条件の限定理由について説明する。

【００３５】溶接入熱：１０乃至４０（ｋＪ／ｃｍ） 本願発明者等は、ＴＩＧ溶接時の溶接入熱を適切に選択
すると、強度、靱性、耐焼戻し脆化特性、耐高温割れ
性、耐低温割れ性及び耐ＳＲ割れ性がバランス良く良好
である溶接金属が得られることを見い出した。溶接入熱
が１０（ｋＪ／ｃｍ）未満であると、焼入れ性が大きく
なるので強度は向上するが、靱性、耐低温割れ性及び耐
ＳＲ割れ性が低下する。一方、溶接入熱が４０（ｋＪ／
ｃｍ）を超える場合は、焼入れ性が低下するので組織が
粗大化し、耐ＳＲ割れ性に対しては影響しないが、強
度、靱性及び耐焼戻し脆化特性が低下する。また、ビー
ド形状が梨の実型（縦長）になりやすく、耐高温割れ性
も低下する。従って、溶接入熱は１０乃至４０（ｋＪ／
ｃｍ）とする。好ましくは、溶接入熱は１５乃至３０
（ｋＪ／ｃｍ）とする。

【００３６】なお、ＴＩＧ溶接方法には、手動による施
工法と、自動機による施工法があるが、本発明において
は、いずれの施工法に対しても適用することができる。

【００３７】

【実施例】以下、本発明に係る高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴ
ＩＧ溶接金属の実施例についてその比較例と比較して具
体的に説明する。

【００３８】図１は本実施例において使用する溶接母材
の形状を示す模式的断面図である。図１に示すように、
本実施例において使用する高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼からなる
溶接母材１は、Ｖ形状の開先を有し、このＶ形状の開先
部の下部には、溶接母材１と同一の化学組成を有する裏
当金２が配置されている。本実施例においては、このＶ
形状の開先角度を４５°として、その下部の裏当金が配
置されている部分のギャップ幅を６ｍｍとした。また、
溶接母材１の板厚を１６ｍｍとした。

【００３９】本実施例及び比較例においては、下記表１
及び２に示す化学組成を有し、直径が１．６ｍｍである
ソリッドワイヤを使用し、下記表３に示す化学組成を有
する溶接母材を図１に示す開先形状に加工して、この開
先部に下記表４に示す溶接条件にて、極性をＤＣＥＮ、
シールドガスとして１００％のＡｒガスを使用して溶接
金属を形成した。但し、下記表４に示すワイヤ送給量に
ついては、自動機による溶接の場合のみ設定している。
また、ワイヤ組成については、高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼の基
本成分であるＣｒ：２．００乃至３．２５重量％、Ｍ
ｏ：０．９０乃至１．２０重量％の範囲を外れるものは
試験の対象外とした。

【００４０】先ず、表１乃至４に示す種々の条件を組み
合わせて形成した溶接金属について、全ての条件が本発
明の範囲内であるものを実施例とし、少なくとも１種の
条件が本発明の範囲から外れているものを比較例とし
て、それらの化学成分を分析すると共に、抽出残渣のＥ
ＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線検出器による分析）を
実施した。溶接金属の形成条件及び組成の測定結果を下
記表５及び６に示す。

【００４１】図２は温度を縦軸にとり、時間を横軸にと
って、抽出残渣のＥＤＸ分析用試験材のＳＲ条件を示す
グラフ図である。図２に示すように、試験材の温度が３
００℃を超えると、温度上昇が毎時２５℃以下になるよ
うに加熱条件を調整し、試験材の温度が６２５℃になる
と、その温度で１０時間保持する。そして、試験材の温
度が３００℃以下になるまで、温度降下が毎時２５℃以
下となるように試験材を冷却する。なお、試験材の温度
が３００℃以下の範囲では、加熱及び冷却条件は規定し
ない。

【００４２】図３はＥＤＸ分析用試験材の溶接金属から
の採取位置を示す模式的断面図である。図３に示すよう
に、溶接母材１及び裏当金２の開先部に形成された溶接
金属３の最終ビード原質部８から所定のサイズの角柱状
試験片９を採取した。そして、この試験片９を下記表７
に示す条件によって溶解して、析出物を抽出し、その残
渣をＥＤＸ分析した。これらのＥＤＸ分析結果を下記表
８に示す。

【００４３】但し、実施例Ｎｏ．１乃至５は高強度２．
２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼に本発明を適用した例であり、
実施例Ｎｏ．６は高強度３％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋼に本発明
を適用した例である。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【表２】

【００４６】

【表３】

【００４７】

【表４】

【００４８】

【表５】

【００４９】

【表６】

【００５０】

【表７】

【００５１】

【表８】

【００５２】次に、この溶接金属の一部から種々の機械
的試験を行うための試験片を採取した。機械試験の内容
は、室温及び高温引張試験、シャルピー衝撃試験、焼戻
し脆化試験及びクリープ破断試験の４種である。これら
の試験片は下記表９に示す形状とし、下記表９に併せて
示すＳＲ条件によって熱処理を施した試験材の板厚中央
から採取した。

【００５３】

【表９】

【００５４】図４は温度を縦軸にとり、時間を横軸にと
って、機械試験のＳＲ条件を示すグラフ図である。図４
に示すように、試験片の温度が３００℃を超えると、温
度上昇が毎時５５℃以下になるように加熱条件を調整
し、試験片の温度が７００℃になると、その温度で７時
間又は２６時間保持する。次に、試験片の温度が３００
℃以下になるまで、温度降下が毎時５５℃以下となるよ
うに試験片を冷却する。なお、試験片の温度が３００℃
以下の範囲では、加熱及び冷却条件は規定しない。

【００５５】また、焼戻し脆化試験については、所定の
ＳＲ処理に加えて、ステップクーリング処理を施した。
図５は温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、ステッ
プクーリング処理条件を示すグラフ図である。図５に示
すように、試験片の温度が３００℃を超えると、温度上
昇が毎時５０℃以下になるように加熱条件を調整し、試
験片の温度を５９３℃まで加熱して、１時間保持する。
その後、同様の要領で５３８℃で１５時間、５２４℃で
２４時間、４９６℃で６０時間保持するが、これらの冷
却段階においては、毎時５．６℃の温度で試験片が冷却
されるように調整する。更に、４９６℃に保持された試
験片を、毎時２．８℃の温度で冷却して４６８℃とし、
この温度で１００時間保持する。そして、試験片の温度
が３００℃以下になるまで、温度降下が毎時２８℃以下
となるように試験片を冷却する。ＳＲ条件と同様に、試
験片の温度が３００℃以下の範囲では、加熱及び冷却条
件は規定していない。

【００５６】更に、前記溶接金属からリング割れ試験の
ための円筒形試験片を採取した。図６（ａ）は円筒形試
験片の溶接金属からの採取位置及び方向を示す模式的断
面図であり、（ｂ）は円筒形試験片の形状を示す側面
図、（ｃ）は同じくその断面図、（ｄ）は断面図におけ
るノッチ部Ａを拡大して示す断面図、（ｅ）は円筒形試
験片を使用したリング割れ試験方法を示す模式的断面図
である。

【００５７】図６（ａ）に示すように、溶接母材１と裏
当金２との開先部に形成された溶接金属３の最終ビード
を含むように、ノッチ及びスリットを有する円筒形試験
片４を採取した。このとき、図６（ｃ）に示すノッチ５
が溶接金属３の原質部上方に、スリット６が下方に位置
するように採取した。なお、円筒形試験片４は、図６
（ｂ）に示すように、円筒形の長手方向の長さを２０ｍ
ｍとし、その外径を１０ｍｍ、内径を５ｍｍとした。

【００５８】また、図６（ｃ）に示すように、円筒形試
験片４は、試験片４の長手方向に、円筒の内部の空洞部
にまで至るスリット６を０．５ｍｍの幅で有し、このス
リットの反対側の外周面には試験片の長手方向にノッチ
５を有している。図６（ｃ）のノッチ部Ａにおける拡大
図である図６（ｄ）に示すように、ノッチ５は、深さが
０．５ｍｍ、幅が０．４ｍｍであり、底部の曲率半径が
０．２ｍｍであるＵ字形の溝となっている。このような
形状の試験片をリング割れ試験に使用した。

【００５９】なお、リング割れ試験は、「応力除去焼鈍
割れに関する研究（第２報）」（内木ら、溶接学会誌：
Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．９（１９６４）Ｐ．７１８）を参
考にして、図６（ｅ）に示すように、矢印で示す方向
に、円筒型試験片４に曲げ応力を印加して、試験片４の
スリット６を溶加材を使用せずにＴＩＧ溶接し、ノッチ
５の底部に引張残留応力を生じさせたまま熱処理を行っ
て、ノッチ５の底部におけるＳＲ割れの発生の有無を観
察することにより、耐ＳＲ割れ性を評価するものであ
る。

【００６０】図７は温度を縦軸にとり、時間を横軸にと
って、リング割れ試験の熱処理条件を示すグラフ図であ
る。図７に示すように、試験片の温度が３００℃を超え
ると、温度上昇が毎時２５℃以下になるように加熱条件
を調整し、試験片の温度が６２５℃になると、その温度
で例えば１０時間保持する。そして、試験片の温度が３
００℃以下になるまで、温度降下が毎時２５℃以下とな
るように試験片を冷却する。なお、機械試験のＳＲ条件
等と同様に、試験片の温度が３００℃以下の範囲では、
加熱及び冷却条件は規定しない。

【００６１】その他に、高温割れについては、溶接終了
後、直ちにＸ線透過試験によって評価した。また、低温
割れについては、試験材をそのまま３日間放置し、Ｘ線
透過試験によって欠陥部を観察した後、光学顕微鏡観察
及び走査型電子顕微鏡観察によって割れを評価した。更
に、一部の試験片については、カーボン抽出レプリカに
よる析出物を走査電子顕微鏡により観察すると共に、電
子線回折によって同定を実施した。

【００６２】以下に、種々の評価試験における評価基準
を説明する。

【００６３】強度については、室温引張強さが６００
（Ｎ／ｍｍ²）以上であると共に、高温（４５４℃）引
張強さが５０７（Ｎ／ｍｍ² ）以上のものを良好とし
た。靱性及び耐焼戻し脆化特性を評価するシャルピー衝
撃試験については、夫々ｖＴｒ５５（５５Ｊを示すシャ
ルピ−遷移温度）が−７０℃以下であると共に、ΔｖＴ
ｒ５５（ステップクーリング後のｖＴｒ５５の遷移量
（vTr'55-vTr55））が２０℃以下であるものを良好とし
た。クリープ強度については、２０７（Ｎ／ｍｍ²）の
負荷応力を印加した試験片を５３８℃の温度で保持し、
クリープ破断時間を測定することにより評価し、クリー
プ破断時間が９００時間以上であるものを良好とした。

【００６４】また、高温割れ及び低温割れ試験について
は、全ての観察試験において、割れがないものを○（良
好）とし、割れが発生しているものを×（不良）とし
た。耐ＳＲ割れ性を評価するリング割れ試験について
は、試験片に対して６２５℃の温度で１、５、１０、５
０、１００及び５００時間の６条件で熱処理を施した
後、光学顕微鏡によって観察することにより割れを評価
したが、１０時間以上の熱処理でノッチ５の底部に割れ
が発生しないものを○（良好）とした。従って、６２５
℃×１０時間の熱処理で割れが発生したものは×（不
良）である。溶接作業性、耐高温割れ性、耐低温割れ性
及び耐ＳＲ割れ性の評価結果を下記表１０に示し、溶接
金属の機械的性能及び総合評価を下記表１１に示す。

【００６５】

【表１０】

【００６６】

【表１１】

【００６７】上記表１〜６、８、１０及び１１に示すよ
うに、実施例Ｎｏ．１乃至６は、ソリッドワイヤ、溶接
金属及び電解抽出残渣の化学組成が本発明の範囲内であ
るので、機械的性能及び各耐割れ性とも良好なものとな
った。

【００６８】一方、比較例Ｎｏ．７は、ソリッドワイヤ
中のＣ及びＭｎ含有量が本発明範囲の下限未満であるの
で、溶接金属中のＣ及びＭｎ含有量も本発明の範囲から
外れ、溶接入熱についても本発明範囲の上限を超えてい
るので、強度及び靱性が低下すると共に、クリープ破断
時間も短くなった。また、一部には高温割れも観察され
た。比較例Ｎｏ．８は、ソリッドワイヤ中のＳｉ含有量
が本発明範囲の下限未満であるので、溶接金属中のＳｉ
含有量が本発明の範囲から外れており、これにより、溶
接作業性が極めて悪いものとなった。従って、組成分析
以外の各種試験を中止した。

【００６９】比較例Ｎｏ．９は、ソリッドワイヤ中のＳ
ｉ及びＭｎが本発明範囲の上限を超えているので、溶接
金属中のＳｉ及びＭｎ含有量が本発明の範囲から外れ、
これにより、靱性、耐焼戻し脆化特性及びクリープ強度
が低下すると共に、耐ＳＲ割れ性も低下した。比較例Ｎ
ｏ．１０は、ソリッドワイヤ中のＣ及びＮ含有量が本発
明範囲の上限を超えているので、溶接金属中のＣ及びＮ
含有量が本発明の範囲から外れており、これにより、強
度が高くなって靱性及び耐焼戻し脆化特性が低下した。
また、電解抽出のＥＤＸ分析においては、残渣中のＦｅ
含有量が本発明範囲の上限を超えているので、カーボン
抽出レプリカの走査電子顕微鏡による観察及び電子線回
折による同定によると、旧オーステナイト粒界へのセメ
ンタイトの析出が著しく増加していた。そのため、耐Ｓ
Ｒ割れ性の評価が劣化しており、一部には、低温割れも
観察された。

【００７０】比較例Ｎｏ．１１は、ソリッドワイヤ中の
Ｐ含有量が本発明範囲の上限を超えていると共に、Ｖ含
有量が本発明範囲の下限未満であるので、溶接金属中の
Ｐ及びＶ含有量が本発明の範囲から外れている。また、
電解抽出のＥＤＸ分析においては、残渣中のＦｅ含有量
が本発明範囲の上限を超えていると共に、Ｖ含有量が本
発明範囲の下限未満であるので、カーボン抽出レプリカ
の走査電子顕微鏡による観察及び電子線回折による同定
によると、粒内におけるＶ炭化物の析出が少なくなり、
旧オーステナイト粒界へのセメンタイトの析出が著しく
増加していた。そのため、耐ＳＲ割れ性が劣化すると共
に、高温強度が不足し、耐焼戻し脆化特性及びクリープ
強度も低下した。

【００７１】比較例Ｎｏ．１２は、ソリッドワイヤ中の
Ｖ含有量が本発明範囲の上限を超えているので、溶接金
属中のＶ含有量も本発明の範囲から外れ、これにより、
強度が高くなって靱性及び耐焼戻し脆化特性が低下し
た。また、溶接金属中のＶ含有量が本発明範囲の上限を
超えていることから、粒内の析出効果の程度が大きくな
りすぎて、耐ＳＲ割れ性が低下した。比較例Ｎｏ．１３
は、ソリッドワイヤ中のＮｂ含有量が本発明範囲の上限
を超えて添加されているので、溶接金属中のＮｂ含有量
も本発明の範囲から外れ、また、溶接入熱が本発明範囲
の下限未満であるので、強度が高くなって靱性及び耐焼
戻し脆化特性が低下すると共に、耐ＳＲ割れ性も劣化
し、一部については低温割れが観察された。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
溶接金属及び電解抽出により採取した残渣の化学組成を
所定の範囲に設定しているので、ＳＲ後の室温及び高温
強度、靱性、クリープ強度、耐焼戻し脆化特性、耐高温
割れ性、耐低温割れ性並びに耐ＳＲ割れ性を向上させる
ことができる。また、本発明方法によれば、ＴＩＧ溶接
に使用するソリッドワイヤの化学組成を適切な範囲に規
定すると共に、溶接条件を適切に選択しているので、こ
れにより得られる溶接金属の組成を所望の範囲に調整す
ることができ、優れた特性を有する溶接金属を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例において使用する溶接母材の形状を示
す模式的断面図である。

【図２】温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、抽出
残渣のＥＤＸ分析用試験材のＳＲ条件を示すグラフ図で
ある。

【図３】ＥＤＸ分析用試験片の溶接金属からの採取位置
を示す模式的断面図である。

【図４】温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、機械
的特性試験のＳＲ条件を示すグラフ図である。

【図５】温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、ステ
ップクーリング処理条件を示すグラフ図である。

【図６】（ａ）は円筒形試験片の溶接金属からの採取位
置及び方向を示す模式的断面図であり、（ｂ）は円筒形
試験片の形状を示す側面図、（ｃ）は同じくその断面
図、（ｄ）は断面図におけるノッチ部Ａを拡大して示す
断面図、（ｅ）は円筒形試験片を使用したリング割れ試
験方法を示す模式的断面図である。

【図７】温度を縦軸にとり、時間を横軸にとって、リン
グ割れ試験の熱処理条件を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；溶接母材 ２；裏当金 ３；溶接金属 ４、９；試験片 ５；ノッチ ６；スリット ８；最終ビード原質部

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−100688（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−192881（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−137975（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−128576（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−75795（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＴＩＧ溶接によって形成される溶接金属
   において、Ｃ：０．０４乃至０．１５重量％、Ｓｉ：
   ０．０５乃至０．４０重量％、Ｍｎ：０．２０乃至１．
   １０重量％、Ｃｒ：２．００乃至３．２５重量％、Ｍ
   ｏ：０．９０乃至１．２０重量％及びＶ：０．２０乃至
   ０．７０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純
   物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐが０．０１０重
   量％以下、Ｎが０．０１５０重量％以下に規制された組
   成を有し、６２５℃の温度で１０時間の熱処理を施した
   溶接金属原質部のみから電解抽出により採取した残渣の
   組成は、Ｆｅ：３５重量％以下及びＶ：１０重量％以上
   であることを特徴とする高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶
   接金属。
2. 【請求項２】 更に、Ｎｂを０．０４０重量％以下含有
   することを特徴とする請求項１に記載の高強度Ｃｒ−Ｍ
   ｏ鋼のＴＩＧ溶接金属。
3. 【請求項３】 Ｃ：０．０５乃至０．１６重量％、Ｓ
   ｉ：０．０５乃至０．５０重量％、Ｍｎ：０．２０乃至
   １．３０重量％、Ｃｒ：２．００乃至３．２５重量％、
   Ｍｏ：０．９０乃至１．２０重量％及びＶ：０．２０乃
   至０．８０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不
   純物からなり、不可避的不純物のうち、Ｐが０．０１０
   重量％以下、Ｎが０．０１５０重量％以下に規制された
   組成を有するソリッドワイヤを使用し、溶接入熱を１０
   乃至４０（ｋＪ／ｃｍ）としてＴＩＧ溶接するＴＩＧ溶
   接方法であって、得られた溶接金属を、Ｃ：０．０４乃
   至０．１５重量％、Ｓｉ：０．０５乃至０．４０重量
   ％、Ｍｎ：０．２０乃至１．１０重量％、Ｃｒ：２．０
   ０乃至３．２５重量％、Ｍｏ：０．９０乃至１．２０重
   量％及びＶ：０．２０乃至０．７０重量％を含有し、残
   部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、不可避的不純物
   のうち、Ｐが０．０１０重量％以下、Ｎが０．０１５０
   重量％以下に規制された組成を有し、６２５℃の温度で
   １０時間の熱処理を施した溶接金属原質部のみから電解
   抽出により採取した残渣の組成が、Ｆｅ：３５重量％以
   下及びＶ：１０重量％以上であるものとすることを特徴
   とする高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶接方法。
4. 【請求項４】 前記ソリッドワイヤは、更に、Ｎｂ：
   ０．０５０重量％以下を含有し、前記溶接金属は、更
   に、Ｎｂ：０．０４０重量％以下を含有することを特徴
   とする請求項３に記載の高強度Ｃｒ−Ｍｏ鋼のＴＩＧ溶
   接方法。