JP3351140B2

JP3351140B2 - 低合金高張力鋼の溶接方法

Info

Publication number: JP3351140B2
Application number: JP30506394A
Authority: JP
Inventors: 威一ノ瀬
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH08155659A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低合金高張力鋼板を用
いた、鋼構造物、海洋構造物、船舶部品、機械部品、構
造用溶接鋼管、配管用溶接鋼管などにおいて、高エネル
ギー密度ビーム溶接を適用する場合の、溶接部分の高靱
化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材に対する要求として、構造物の軽量
化を目的とした高強度化とその上での経済性の追及があ
り、さらに使用環境もきびしいものが増加しつつある。
たとえば、石油、ガス等のエネルギー開発が、北極圏や
それに近い非常に寒冷な地域でも行われるようになり、
この場合、鋼構造物、海洋構造物、ラインパイプ等に使
用される鋼材は、低温での靱性のすぐれたものが要求さ
れる。

【０００３】これらの鋼材の溶接部も、当然の事ながら
低温での靱性をきびしく要求されるが、この溶接継ぎ手
靱性を大きく支配する要因の一つに、溶接金属の清浄
度、組織あるいは硬さがある。

【０００４】近年、製鋼技術の進歩により、鋼中のＳ、
Ｏ、ＮあるいはＰなどの介在物の原因になる不純物成分
が著しく減少し、低合金鋼の清浄度は大幅に向上した。
一方高エネルギー密度ビームすなわち電子ビームやレー
ザービーム、あるいはイオンビームを利用する溶接方法
も開発され、突合せ部にこれらのビームを照射すること
により、入熱量を小さくした溶融溶接が可能になってき
た。

【０００５】入熱量が小さくなると熱影響部が少なくな
り、熱影響部の変質に基づく靱性の劣化は低減する。さ
らに、これらビームの照射は、真空あるいは不活性ガス
中で可能なので、溶融金属が雰囲気から汚染されること
を防止でき、母材と同じ高清浄度を維持することができ
る。しかしながら、鋼を清浄化すると一般に高温におい
て結晶粒が粗大化しやすくなり、溶接時の溶融からの凝
固およびその後の冷却の過程で短時間ではあるが高温に
なるため、溶接金属が靱性の劣る粗大粒組織になりがち
である。すなわち、熱影響部の改善が図られても、溶接
金属の靱性が悪ければ、溶接継ぎ手全体としての性能が
向上しない。

【０００６】電子ビームやレーザービームなどの高エネ
ルギー密度ビームを用いて、真空中や不活性ガス雰囲気
中など高清浄環境下で溶接をおこなう際に、鋼中にあら
かじめＴｉの酸化物を均一に分散させておき、溶接金属
中に微細な析出物を均一に分散させてミクロ組織を微細
化し低温靱性を向上することが特公平 4-28474号公報に
提案されている。

【０００７】このような酸化物を分散させる方法は、た
しかに高エネルギー密度ビーム溶接おいて、溶接金属の
靱性を向上させるのに有効であろう。しかし、Ｔｉの酸
化物を鋼中に残存させるため、脱酸が不十分になりがち
であり、それによって鋼片の欠陥発生などの健全性低下
や、鋼中介在物増加による靱性低下等の問題が生じやす
い。

【０００８】Ｔｉ、ＮｂまたはＶなど炭・窒化物形成元
素は、熱間圧延条件と組み合わせることにより、少量の
添加で靱性を損なうことなく強度を大きく向上し、しか
も炭素当量を増さないため、高強度鋼に多用されてい
る。このような高強度鋼の製造方法は、マイクロアロイ
イングと呼ばれることがあり、鋼はＨＳＬＡ鋼（HighSt
rength Low Alloy Steel）ともいわれている。ところ
が、これらの元素は酸素とも結合しやすく、上記のよう
な酸化物の適量制御や均一分散を妨げるので、酸化物の
活用には限界がある。

【０００９】しかし、これら炭・窒化物形成元素の添加
は、結晶粒の成長を阻止する効果があり、高エネルギー
密度ビーム溶接をおこなう場合に、溶接金属の粗粒化を
ある程度阻止できるが、硬さが大幅に上昇することがあ
る。この溶接金属の硬さ上昇は、後熱処理によっても低
減は難しく、熱処理によってむしろ硬さの上昇をもたら
すことすらある。

【００１０】母材と溶接金属の硬さの差は、大きくなり
すぎると、溶接部の靱性劣化や疲労強度の低下を来す。
このように、炭・窒化物形成元素を添加した低合金高張
力鋼において、高エネルギー密度ビーム溶接を効果的に
活用するには、溶接金属の必要以上の硬化を防止する必
要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高強度低合
金鋼を、レーザーなどの高エネルギー密度ビーム照射に
て溶接をおこなう場合、溶接部分の靱性を大きく向上さ
せることのできる溶接方法を提供しようとするものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、高エネルギ
ー密度ビームによる溶接を高強度低合金鋼に適用する場
合、溶接金属の硬さが大きく上昇し、溶接継ぎ手の靱性
が劣化する問題に対し種々検討をおこない、次のような
知見を得た。

【００１３】(a) 炭・窒化物形成元素を含まない場合、
溶接金属の靱性は母材のそれと対比して良好であるが、
これらの元素を含む低合金高強度鋼の場合、溶接金属の
靱性は劣化する。溶接部を調べると、低合金高強度鋼で
は溶接金属が著しく硬くなっており、これが劣化の原因
と考えられる。

【００１４】(b) 溶接部のシールドに用いる不活性ガス
に、適量の窒素を混合すると、炭・窒化物形成元素を含
む低合金高強度鋼の場合、溶接部の靱性が大幅に向上し
た。

【００１５】これに対し、炭・窒化物形成元素を含まな
い場合は、窒素混合の効果はほとんどみとめられなかっ
た。

【００１６】(c) この溶接部の靱性の向上した低合金高
強度鋼の溶接金属は、硬さが低下しており、その上窒素
を吸収していた。この溶接金属の硬さ低下に対し、鋼中
に当初から含有されている窒素は効果がなく、溶接中に
吸収された窒素の場合のみ有効であった。

【００１７】(d) 溶接部分を覆うガスは、全て同じ量の
窒素を含んでる必要はなく、たとえば、ビームを照射す
る側の不活性ガスは窒素を含まず、裏側のガスにのみ窒
素が含まれていても、溶接金属中の窒素増加がみとめら
れ、同様の効果が得られた。

【００１８】特にレーザーの場合、ビーム照射によりプ
ラズマが発生し、これがビームの透過を妨害して溶接を
不安定にするが、窒素の存在はこのプラズマを発生しや
すくする。鋼板の突き合せ溶接の場合、ビームを照射す
る側は窒素を含まない不活性ガスを用い、照射しない裏
側は窒素を含むガスを用いれば、溶接金属に窒素を吸収
させながら安定した溶接が可能であった。

【００１９】電子ビームおよびイオンビームは、ビーム
の発生、加速が真空中でしかおこなえないため、通常は
被溶接部材もビーム源につながる真空容器の中にいれ、
真空に排気した状態でビームを照射して溶接がおこなわ
れる。このため、電子ビームやイオンビームをもちいる
場合、溶接時にその雰囲気ガス成分を制御することは通
常は困難である。

【００２０】これに対し、ビーム発生部およびその加速
部を真空に保ったまま、小口径の穴を通じて減圧下にあ
る容器にビームを導き、ビームがガス雰囲気中を走る距
離を最小にして、そこに置かれた部材を溶接すれば、そ
の容器内の雰囲気を制御しつつ溶接が可能である。この
場合ビーム発生および加速部分は十分な排気能力を持っ
た真空ポンプで排気し、溶接のおこなわれる容器内は小
口径の穴から失われるガスを絶えず補給する必要があ
る。このような差動排気機構を用いれば、高エネルギー
ビーム溶接における溶接雰囲気制御が、電子ビームやイ
オンビームにおいても適用可能である。このような方法
により溶接雰囲気中の窒素分圧を制御すれば、同様な効
果のあることがわかった。

【００２１】なお、溶接時の溶融金属に窒素を吸収させ
ながら溶接すると、高張力低合金鋼の溶接金属の硬さが
低減できる理由については、次のように考えられる。

【００２２】溶接金属の硬さ上昇は主として析出硬化に
よる。硬化に寄与する析出物は、添加元素からみて、炭
化物および窒化物で、溶接金属の場合炭化物の方がより
硬化に対する影響が大きいであろう。これは、炭化物の
方が窒化物よりも低温で析出するためである。溶融時に
吸収された窒素は、凝固直後の高温で炭・窒化物形成元
素と結合して析出するが、素地の軟らかい間に析出すれ
ば、地は容易に変形して析出歪が残らず硬化しない。よ
り低温で析出する炭化物は、地を大きく歪ませ硬さを上
昇させる。したがって、高温で窒素が吸収されると、固
溶している炭・窒化物形成元素が窒素と結合して消費さ
れるので、後から析出する炭化物の量を低減させ、硬さ
の上昇を抑止すると考えられる。

【００２３】本発明は上記の知見に基づいてなされたも
のであり、その要旨とするところは『鋼成分としてsol.
Ａｌ： 0.001〜0.10％、Ｎ：0.0070％以下であって、さ
らにＴｉ： 0.003〜0.07％、Ｎｂ： 0.003〜0.15％、
Ｖ： 0.003〜0.15％、Ｔａ：0.003〜0.10％、およびＺ
ｒ： 0.002〜0.10％の中の１種以上を含有する低合金高
張力鋼を、高エネルギー密度ビームの照射により溶接す
る際に、(1) 溶接部分を分圧10Ｐａ〜20ｋＰａの窒素を
含み、残部は不活性ガスからなる雰囲気でシールドしつ
つおこなう方法』および、上記組成の鋼板において
『(2) 鋼板に対してレーザービームを照射する側は不活
性ガスにてシールドし、照射しない側は、分圧10Ｐａ〜
20ｋＰａの窒素を含み、残部は不活性ガスからなる雰囲
気に制御しつつおこなう方法』である。

【００２４】なお、ここでは、便宜上「分圧10Ｐａ〜20
ｋＰａの窒素を含み、残部は不活性ガスからなる雰囲
気」と記述するが、減圧下で高エネルギー密度ビームの
照射をおこなう場合、窒素の分圧が10Ｐａ〜20ｋＰａで
あればよく、不活性ガスの存在を必須とするものではな
い。

【００２５】本発明の溶接方法は、ＡｌおよびＮ量を規
制し炭・窒化物形成元素を含有した低合金高張力鋼に対
して適用するもので、他の鋼中成分にはとくに制約はな
い。

【００２６】しかしながら、優れた靱性の溶接部を得る
溶接方法の使用は、当然のことながら高強度高靱性の鋼
が対象になる。そのために、上記成分以外の望ましい成
分組成は、重量割合にて、Ｃ：0.02〜0.30％、Ｓｉ：0.
01〜0.80％、Ｍｎ：0.10〜 2.0％、Ｐ： 0.030％以下、
Ｓ： 0.030％以下、Ｏ：0.0010〜0.0070％、Ｎｉ： 5.0
％以下、Ｃｒ： 1.0％以下、Ｍｏ： 0.5％以下、Ｃｕ：
1.50％以下、Ｂ：0.0050％以下、Ｃａ： 0.007％以下お
よび希土類元素：0.02％以下であり、残部がＦｅおよび
不可避的不純物からなる鋼である。

【００２７】溶接に際しては、突き合わせ部分はほぼ水
平になるように設置し、ビームを上方から下方に向け
て、重力と同じ垂直方向に照射することが望ましい。こ
れは、ビーム照射によって形成される溶金の池を安定し
て保持するためであるが、もし何らかの方法で溶金を安
定させることが出来るのであれば、この位置関係は変え
られてもよい。

【００２８】なお、本発明では、基本的には溶接ままで
製品とするが、必要に応じて、溶接後に熱処理を行って
もよく、この場合、接合部の靱性をより一層向上させる
ことができる。

【００２９】

【作用】以下、本発明における鋼成分、望ましい成分と
その範囲、および溶接時の条件の限定理由を説明する。

【００３０】(1) sol.ＡｌＡｌは鋼の脱酸を目的として添加される。脱酸が不十分
であれば、炭窒化物形成元素の添加歩留が悪くなり、鋼
の清浄度が低下し、鋼の靱性が劣化する。このため、so
l.Ａｌの形で 0.001％以上含有させなければならない。
しかし、0.10％をこえる含有は、表面疵増加や、靱性低
下の傾向が増すので、好ましくない。したがってsol.Ａ
ｌ含有量は 0.001〜0.10％とする。

【００３１】(2) ＮＮは元来、不可避的不純物であり、一般に靱性に対し低
ければ低いほどよいため、含有量の下限値は限定しな
い。含有量が増すと、靱性が劣化し、炭窒化物形成元素
添加の効果が減退するので、0.0070％以下とする。ただ
し、この値は鋼母材のものであり、溶接金属の窒素含有
量はこの限りではない。

【００３２】(3) Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、ＺｒおよびＴａこれらの元素は必要な鋼の強度を得るために、１種以上
を添加する。少なければ添加の効果がないが、多すぎる
と靱性が劣化するばかりでなく、高エネルギー密度ビー
ム溶接において、窒素を含む不活性ガスシールドを適用
しても、狙いとする溶接金属の硬さ低下が得られなくな
る。したがって、その効果を得るための含有量の範囲
は、それぞれＴｉ： 0.003％〜0.07％、Ｎｂ： 0.003〜
0.15％、Ｖ： 0.003〜0.15％、Ｚｒ：0.002 〜0.10％、
Ｔａ： 0.003〜0.10％とする。

【００３３】(4) ＣＣ量は鋼の強度を制御する目的で管理するが、0.02％未
満では必要とする強度が得られない。一方、0.30％を越
えると、溶接割れが起きやすくなるだけでなく焼き入れ
性が過度に高まるため、母材、溶接部共に靱性低下を招
く。このため、望ましいＣの含有量の範囲は、0.02％〜
0.30％である。

【００３４】(5) ＳｉＳｉは、鋼の脱酸および強度確保を目的として添加され
る。しかし、含有量が多すぎると母材、溶接部共に靱性
が低下するので、0.80％が上限である。また、溶接熱影
響部等で、異常組織形成の抑制のため含有量を低減する
場合があるが、通常の生産方法では、0.01％未満にまで
下げることは難しい。その上、0.01％を下回るまで低減
した場合には、酸化物が増加する危険がある。このよう
な理由から、Ｓｉの望ましい範囲は0.01〜0.80％であ
る。

【００３５】(6) ＭｎＭｎは鋼材のの強度確保のために含有させる成分であ
り、他の強度確保のための成分とバランスをとりつつ添
加する。しかし、0.10％未満の含有量では、強度確保に
は効果がないばかりか、Ｓによる靱性劣化や熱間加工割
れの、低減の効果がなくなる。また、 2.0％を越えて含
有させると、母材、接合部共に靱性低下を招くので、そ
の含有範囲は0.10〜 2.0％が望ましい。

【００３６】(7) ＰＰは不純物であり、鋼の靱性を劣化させるので、含有量
は低いほどよい。 0.030％をこえて含有すると溶接割れ
を招くため、この値以下が望ましい。

【００３７】(8) ＳＳは不純物で、Ｍｎの存在によりＭｎＳ系介在物となる
が、靱性や、耐ＨＩＣ（水素有機割れ）性、および耐Ｓ
ＳＣ（応力腐食割れ）性等をいずれも悪化させるため、
含有量は低いほどよい。 0.030％をこえる場合には影響
が顕著になるので、この値以下にすることが望ましい。

【００３８】(9) Ｏ（酸素）Ｏは、sol.Ａｌの存在する鋼中において、ほとんどがＡ
ｌ₂Ｏ₃系酸化介在物の形になっている。このような介
在物は靱性を悪くするので、できるだけ少ない方がよ
い。顕著な影響が現われない含有量の限界としては、
0.007％以下が望ましい。しかし、極度に低下させると
溶接金属が微細化しないこともあるので、酸素含有範囲
は 0.001〜 0.007％とするのが好ましい。

【００３９】(10) Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＣｕおよびＢこれらの元素は添加しなくてもよいが、強度を上昇させ
る効果があり、強度と靱性のバランスの優れた鋼を製造
する目的で、必要に応じ添加する。添加してその効果を
得るためには、それぞれ、Ｎｉでは0.01％以上、Ｃｒで
は0.01％以上、Ｍｏでは0.01％以上、Ｂでは0.0001％以
上含有させるのが望ましい。しかし、含有量を多くしす
ぎると強度が必要以上に上がったり、靱性が劣化したり
してくるので、それぞれの望ましい限界は、Ｎｉでは
5.0％以下、Ｃｒでは 1.0％以下、Ｍｏでは 0.5％以
下、Ｂでは 0.0050 以下である。

【００４０】(11) Ｃａおよび希土類元素これらの元素は添加しなくてもよいが、鋼中の硫化物系
介在物の形態を変え、靱性、耐ＨＩＣ性、耐ＳＳＣ性等
を改善する目的で添加してもよい。

【００４１】添加の効果を発揮させるには、Ｃａでは0.
002 ％以上、希土類元素では0.001％以上含有させるこ
とが望ましい。しかし一方では、これらの元素は介在物
形成元素であるため、過剰に添加すると清浄度の低下を
招き、靱性を劣化させるので、その含有量はＣａでは0.
007 ％以下、希土類元素では0.02％以下が望ましい。

【００４２】(12) 雰囲気ガス組成溶接中溶融金属に窒素を吸収させ、それによって、溶接
金属の硬さを低減し溶接部の靱性を向上せるため、高エ
ネルギー密度ビーム溶接のシールドに用いる不活性ガス
の中に窒素を混合する。溶接雰囲気中の窒素の含有量は
分圧として10Ｐａ〜20ｋＰａとする。なお、溶接部の雰
囲気としては、減圧して窒素分圧をこの範囲に入れても
よく、不活性ガスの存在は必須ではない。10Ｐａ未満で
は溶接金属の硬さ低減の効果は得られず、20ｋＰａをこ
えると過剰の窒素吸収がおこり、溶接欠陥の発生や、靱
性低下を来す。

【００４３】この場合、溶接する鋼の上面、すなわちビ
ームを照射する側とその反対側で、雰囲気中の窒素の含
有量は、窒素分圧が10Ｐａ〜20ｋＰａであるかぎり、同
一である必要はない。また、いずれか一方の窒素分圧が
10Ｐａ〜20ｋＰａでもよいのである。

【００４４】したがって、ビームを照射する側は窒素を
含まない不活性ガスを用い、照射しない側は窒素分圧が
10Ｐａ〜20ｋＰａのガスを用いても同等の効果が得られ
る。

【００４５】とくにレーザーを使用する場合、出力を増
大させてもプラズマの発生が増加してビームの透過を妨
害し、溶け込み深さが増さない問題があるが、窒素の存
在はプラズマの発生を促進するので、ビームを照射する
側は窒素を含まない不活性ガスとすることにより、安定
した溶接が溶接が可能になる。

【００４６】

【実施例】表１および表２に示す化学成分の鋼を溶製
し、熱間圧延して鋼板を製造した。

【００４７】得られた鋼板の降伏点（ＹＳ）、引張強さ
（ＴＳ）、および 2mmＶノッチシャルピー試験片による
衝撃試験破面遷移温度（ vＴs ）も合せて表２に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】これらの鋼板を用い、ほぼ水平に設置して
切断端面のＩ形開先突合せで、レーザービームまたは電
子ビームの照射による溶接をおこなった。レーザービー
ムの場合、溶接部分を不活性ガス（Ｈｅガス）にてシー
ルドしつつ、ビームを照射した。不活性ガスには本発明
の効果を確認のため、窒素分圧を種々の量混入し、鋼板
の上下面とも同一分圧の窒素を混入した場合、あるいは
ビームを照射する側には窒素を含まないガス、その反対
側には窒素分圧を制御したガスを供給した場合等を比較
した。

【００５１】電子ビーム照射では、真空中と、差動排気
法により減圧して雰囲気中の窒素分圧を制御した場合と
を比較検討した。

【００５２】溶接金属の靱性を評価するため、溶接部分
から 2mmＶノッチシャルピー衝撃試験片を切出し、破面
遷移温度の変化を調査した。板厚が10mm以下では、幅 5
mmのサブサイズの試験片とした。これらの場合、遷移温
度の低いものほど靱性が良好である。

【００５３】これら本発明の効果を確認するために行な
った溶接の条件、および溶接結果の例を合せて表３に示
す。

【００５４】

【表３】

【００５５】表１、表２および表３から、鋼成分として
炭・窒化物形成元素を含まない鋼14は、溶接雰囲気に窒
素を含んでいてもいなくても靱性は変らず、雰囲気管理
の効果はない。しかし炭・窒化物形成元素を含む他の鋼
では、鋼 7、 9および11の、溶接時に窒素を供給した場
合としない場合との比較からもわかるように、溶接時の
雰囲気の窒素分圧を制御することにより、溶接金属が優
れた靱性を示すことは明らかである。

【００５６】ただし、鋼13では、母材窒素が高すぎたた
め、溶接雰囲気を制御しても効果が現われなかったと思
われる。また、鋼 6の例からわかるように、雰囲気の窒
素分圧が高すぎると、溶接欠陥が多発したり、プラズマ
発生のため溶接ができなくなる。

【００５７】鋼 8や鋼 9の例からわかるように、電子ビ
ーム溶接においても、真空中で溶接するより管理された
雰囲気下で行なう方が優れた靱性が得られている。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明の方法によれば、
鋼構造物やラインパイプ等の高エネルギー密度ビームに
よる鋼板の溶接に関し、鋼成分を選択し、これに溶接雰
囲気の管理を組み合わせることによって、溶接金属部分
の性能、特に靱性を大幅に向上させることが可能であ
り、しかも、母材鋼板の性能やその製造については何等
の問題も生じないため、産業上極めて有益な効果が得ら
れる。

【００５９】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩ // Ｂ２３Ｋ 9/16 Ｂ２３Ｋ 9/16 ＪＢ２３Ｋ 103:20 103:20 103:24 103:24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量割合にて、sol.Ａｌ： 0.001〜0.10
％、Ｎ：0.0070％以下であって、さらにＴｉ： 0.003〜
0.07％、Ｎｂ： 0.003〜0.15％、Ｖ： 0.003〜0.15％、
Ｔａ：0.003〜0.10％、およびＺｒ： 0.002〜0.10％の
中の１種以上を含有する低合金高張力鋼を、分圧10Ｐａ
〜20ｋＰａの窒素を含み、残部は不活性ガスからなる雰
囲気でシールドしつつ、高エネルギー密度ビームの照射
により溶接することを特徴とする、低合金高張力鋼の溶
接方法。
【請求項２】重量割合にて、sol.Ａｌ： 0.001〜0.10
％、Ｎ：0.0070％以下であって、さらにＴｉ： 0.003〜
0.06％、Ｎｂ： 0.003〜0.15％、Ｖ： 0.003〜0.15％、
Ｔａ：0.003〜0.01％、およびＺｒ： 0.002〜0.10％の
中の１種以上を含有する低合金高張力鋼板を、レーザー
ビームの照射により溶接する際、鋼板に対してビームを
照射する側は不活性ガスにてシールドし、照射しない側
は分圧10Ｐａ〜20ｋＰａの窒素を含み、残部は不活性ガ
スからなる雰囲気に管理しつつ溶接することを特徴とす
る、低合金高張力鋼の溶接方法。