JP3856663B2 - 低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化天然ガス（ＬＮＧ）の貯蔵タンク又はその配管等の極低温（−１６２℃）で使用される低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金材を溶接するための低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｆｅ−Ｎｉ合金の中で特定の成分比を有する合金は、熱膨張係数が極めて小さいことは良く知られているところであり、特許第２９４１５０４号公報にはＦｅ−３６％Ｎｉ、Ｆｅ−４２％Ｎｉ、Ｆｅ−２９％Ｎｉ−Ｃｏ、Ｆｅ−２９％Ｎｉ−Ｍｎ合金が提案されている。一方、この合金を溶接施工する場合は、溶接構造物としての特性を十分発揮するためには、母材と同等の熱膨張係数を有する所謂共金系溶接材料を使用することが必要であり、特許第２９４１５０４号公報、特許第２９８４７７９号公報及び特開平１１−１０４８８５号公報に、これらの共金系溶接材料が提案されている。
【０００３】
特許第２９４１５０４号公報には、Ｆｅ及びＮｉをベースとして、Ｃを０．０５乃至０．５％、Ｎｂを０．５乃至３％含有し、更にＭｎ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｚｒ、Ｓ、Ｓｉ及びＰを所定量以下に規制した溶接材料が開示されている。特許第２９８４７７９号公報には、Ｆｅ及びＮｉをベースとして、Ｃを０．０３乃至０．３％、Ｎｂを０．１乃至３％、Ｓｉを０．０５乃至０．６％、Ｍｎを０．０５乃至４％含有し、更にＰ、Ｓ、Ａｌ及びＯを所定量以下に規制し、％Ｎｂ×％Ｃ≧０．０１とした溶接材料が開示されている。また、特開平１１−１０４８８５号公報には、Ｆｅ及びＮｉをベースとして、Ｃを０．０８乃至０．５％、Ｎｂを０．３乃至４％含有し、更にＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｐ及びＳを所定量以下とし、％Ｓｉ／％Ｍｎを０．１乃至１．０、％Ｓ＋％Ｏ≦０．０１５％、％Ａｌ＋％Ｏ≦０．０１５％とした溶接材料が開示されている。
【０００４】
而して、Ｆｅ−Ｎｉ低熱膨張係数合金は、溶接に際して凝固及び再加熱を受けた場合に、高温割れが発生しやすいということは周知であり、これを防止すること主要な課題である。そこで、前述の公知文献においては、Ｆｅ−Ｎｉ合金をベースとして、Ｎｂ炭化物の作用を活用することにより、低熱膨張係数合金の高温割れを防止せんとする溶接材料が開示されている。
【０００５】
一方、低熱膨張係数である特徴を生かしたＦｅ−Ｎｉ合金が、溶接構造物として広く適用されるためには、それを溶接するための溶接材料を安価に供給できることが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｆｅ−Ｎｉ合金をベースとしてＮｂを添加した低熱膨張係数合金は、溶接ワイヤを製造する際の熱間鍛造工程及び圧延工程で割れやすく、また疵等の欠陥が発生しやすいため、歩留まりが悪く、極めて高価であるという問題点がある。
【０００７】
更に、溶接構造物、例えばＬＮＧの輸送用配管等の溶接施工では、ＴＩＧ溶接による全姿勢での片面自動溶接ができることが要求され、この要求に応えられるか否かは、特に上向溶接での初層ビードの形成が円滑に可能か否かが重要な因子となる。しかし、従来のＦｅ−Ｎｉ系合金のＮｂ含有ワイヤでは、ビード形成が不十分であった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、製造歩留まりが高く、安価に供給できると共に、溶接に際して高温割れがなく、かつ十分なビード形成が可能である低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤは、Ｎｉ：３０乃至４５質量％、Ｃ：０．０８乃至０．３０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至０．５０質量％、Ｍｎ：０．１０乃至１．０質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０質量％及びＴａ：０．１０乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなると共に、この不可避的不純物は、Ｎｂ：０．１０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｃｕ：０．３０質量％以下、Ｃｒ：０．３０質量％以下、Ｍｏ：０．３０質量％以下、Ａｌ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下及びＮ：０．０１０質量％以下に規制し、更に、Ｃ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉの含有量は、夫々２０×Ｃ／（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×Ｔｉ）≧１．０、{１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）−１．２×（Ｎｂ／９３）}×１００≧０．５を満足するものであることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤについて詳細に説明する。
【００１１】
Ｆｅ−Ｎｉ合金をベースとした低熱膨張係数合金において、Ｎｂを含有すると熱間鍛造性及び圧延性が劣り、溶接ワイヤの生産性が極端に劣ること、及び溶接に際して十分なビード形成が得られないことが明らかとなったことから、Ｎｂを排除し、これに替わる成分を添加した溶接材料について種々実験研究を重ねた。この結果、本願発明者等は、Ｆｅ−Ｎｉ合金に対するＴａ及びＴｉの複合添加により、Ｎｂ含有材より熱間鍛造性及び圧延性が優れており、歩留が高く低コストである溶接材料（溶接ワイヤ）を容易に製造することができることを見いだした。また、本発明はこのような溶接材料が、溶接に際してビード形成が優れており、耐高温割れ性及び機械的性能がＮｂ含有材と同等以上であることを見いだした。本発明はこのような知見を得て完成したものである。
【００１２】
次に、本発明に係る低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤの成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
【００１３】
Ｎｉ：３０乃至４５質量％
Ｎｉは低熱膨張係数合金の溶接金属を得る上で最も重要な成分であり、３０乃至４５質量％含有することが必要である。なお、このＮｉ含有量は被溶接物である低熱膨張合金と同じレベルであることが望ましい。Ｎｉの含有量が３０質量％未満、又は４５質量％を超えると、熱膨張係数が極端に大きくなり、使用目的に合致しない。このため、Ｎｉの含有量は３０乃至４５質量％とする。
【００１４】
Ｃ：０．０８乃至０．３０質量％
Ｔａ又はＴｉの炭化物を形成して溶接金属の割れを防止し、また強度を確保するために必要であるが、Ｃの含有量が０．０８質量％未満では効果がない。逆に、Ｃの含有量が０．３０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間鍛造・圧延性が劣化する。
【００１５】
Ｓｉ：０．０１乃至０．５０質量％
Ｓｉは溶接金属の母材へのなじみを良くしてビード形状を良好なものとすると共に、融合不良等の発生を防止する作用がある。しかし、Ｓｉの含有量が０．０１質量％未満ではその効果がない。逆に、Ｓｉの含有量が０．３０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性が劣化すると共に、低温靭性が劣化する。
【００１６】
Ｍｎ：０．１０乃至１．０質量％
Ｍｎは溶接時に脱酸剤として作用し、靭性向上に有効であるが、Ｍｎの含有量が０．１０質量％未満ではその効果がない。逆に、Ｍｎの含有量が１．０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性が劣化する。
【００１７】
Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下
Ｐ、Ｓは不可避的不純物として混入する元素であるが、溶接金属の高温割れを防止して、健全な溶接金属を得るためには、Ｐ及びＳを夫々０．０１０質量％以下及び０．００５質量％以下に規制することが必要である。
【００１８】
Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏ：夫々０．３０質量％以下
Ｃｕ、Ｃｒ及びＭｏはワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性を劣化させるので、いずれも０．３０質量％以下に抑制することが必要である。
【００１９】
Ａｌ、Ｏ及びＮ：夫々０．０１０質量％以下
Ａｌ、Ｏ及びＮはいずれもワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性を劣化させると共に、Ａｌ及びＯは共存してＴＩＧ溶接時にスラグとなり、多層溶接が不可能となる。また、Ｏは溶接金属の高温割れを助長し、Ｏ及びＮは靭性を劣化させるので、Ａｌ，Ｏ及びＮは夫々０．０１０質量％以下に抑制する必要がある。
【００２０】
Ｎｂ：０．１０質量％以下
Ｎｂを過剰に含有するとワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性が極端に劣化して安価にワイヤを供給することができなくなり、また、初層溶接ビードを安定して得ることができなくなることから、Ｎｂは極力低値に抑制する必要がある。Ｎｂが０．１０質量％以下であれば、ワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性への悪影響はなく、安定した初層溶接ビードが得られる。
【００２１】
Ｔａ：０．１０乃至１．５質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０質量％
Ｔａ及びＴｉはＣと結合して溶接金属の結晶粒を微細化する作用を有し、かつＴａ及びＴｉを複合添加することにより、効果的に高温割れを防止する作用がある。また、Ｔａ及びＴｉはＮｂに比して安定した初層溶接ビードを得やすい。Ｔａ及びＴｉ含有量が夫々０．１０質量％未満及び０．０５質量％未満では高温割れ防止に効果がなく、逆にＴａ及びＴｉ含有量が夫々１．５質量％及び０．５０質量％を超えると、ワイヤ製造時の熱間鍛造性及び圧延性を劣化させる。このため、Ｔａは０．１０乃至１．５質量％、Ｔｉは０．０５乃至０．５０質量％含有する。なお、Ｔａ及びＴｉがより効果的に作用する最適範囲は夫々０．３０乃至０．８０質量％及び０．１０乃至０．３０質量％である。
【００２２】
Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＴａの関係式
Ｃ、Ｎｂ、Ｔｉ及びＴａは下記数式１及び数式２を満足する。本発明はＮｂに替わってＴａ及びＴｉを含有することに特徴がある。このＴａ及びＴｉがＣと結合して溶接金属の結晶粒を微細化する効果を発揮するためには、Ｔａ及びＴｉの量に対して下記数式１の関係で示すＣ量が必要である。この場合に、不純物として含まれるＮｂも考慮し、Ｔａ、Ｔｉ及びＮｂと結合して微細化効果を発揮できるＣ量を規定した。なお、下記数式１は、実験的に導き出されたものである。
【００２３】
一方、本発明は、溶接金属の結晶粒を微細化するＮｂに替わってＴａ及びＴｉを含有していることに特徴があるが、Ｔａ及びＴｉの含有量がＮｂの含有量との相関関係で下記数式２を満足する範囲で、Ｔａ及びＴｉがＮｂに替わって溶接時の高温割れ（凝固及び再加熱割れ）を防止できる。
【００２４】
【数１】
２０×Ｃ／（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×Ｔｉ）≧１．０
【００２５】
【数２】
{１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）−１．２×（Ｎｂ／９３）}×１００≧０．５
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料の実施例について、その特性を試験した結果を、比較例と比較して具体的に説明する。
【００２７】
先ず、本発明の低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料の製造方法について説明する。真空溶解炉により溶解後、３０ｋｇインゴットを作成した。熱間鍛造及び圧延後、冷間伸線により直径が１．２ｍｍのワイヤを作成した。下記表１及び表２はワイヤの組成を示し、下記表２はワイヤの生産歩留、初層ビードの形成度、溶接金属の割れ率及び溶接金属の靭性を示す。また、下記表３は試験板に使用した母材の組成を示す。
【００２８】
なお、表３に示す母材の寸法は板厚が９ｍｍ、長さが５００ｍｍである。また、表６の「ワイヤの生産歩留」の欄においては、｛直径が１．２ｍｍのワイヤ製品質量（ｋｇ）／インゴット質量（ｋｇ）×１００（％）によりワイヤの生産歩留を算出した。この値が５０％以上のものを○とし、３１％以上５０％未満のものを△とし、３１％未満のものを×とした。
【００２９】
表６の「初層ビードの形成度」の欄においては、図１（ａ）のＴＩＧ初層片面溶接における｛裏波ビードの良好な長さ（ｍｍ）／溶接全長（ｍｍ）｝×１００（％）により初層ビードの形成度を算出した。この値が９０％以上のものを○とし、７１％以上９０％未満のものを△とし、７１％未満のものを×とした。なお、ＴＩＧ初層片面溶接は、図１（ａ）に示すように、厚さが１２ｍｍの被溶接材１間に開先角度が７０°の開先を設け、下記表４に示す溶接条件で溶接した。符号３は初層ビードである。また、図１（ｂ）に示すように、溶接に際しては、板厚が２０ｍｍの３個の拘束板４により、被溶接材１を所定の開先２を形成するように配置して拘束した。初層ビード３の形成後、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、複数層のビード５及び最終ビード６を形成した。なお、初層ビード以外のビード５，６の全層溶接も下記表５に示す溶接条件で行い、図２（ｂ）に示すように、溶接に際しては、板厚が２０ｍｍの拘束板を３個使用した。
【００３０】
表６の「溶接金属の割れ率」の欄においては、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、全層溶接後の被溶接材１の溶接ビード３，５，６に対して、溶接方向に垂直の断面で、溶接方向に均等間隔で５０個の断面を切断した後、採取した試料の切断面をエメリー紙３２０番相当により研磨し、１０倍の拡大鏡で割れを検出した。割れ率は、（割れが発生した断面数／５０断面）×１００（％）で算出した値である。評価は、全長に割れがないものを◎とし、割れ率が１０％未満で、割れがビードスタート部及びクレータ部のみに発生したものを○とし、割れ率が１０％未満で、割れがビードスタート部及びクレータ部以外の通常ビード部にも発生したものを△とし、割れ率が１０％以上のものを×とした。
【００３１】
表６の「溶接金属の靭性」の欄においては、図１（ａ）に示すＴＩＧ片面溶接金属部より採取した試験片（板厚が５ｍｍ、幅が１０ｍｍのハーフサイズ）に２ｍｍのＶノッチを加工し、−１９６℃で衝撃試験して吸収エネルギーを求めた。この吸収エネルギーが２４Ｊ以上のものを○とし、１６Ｊ以上２４Ｊ未満のものを△とし、１６Ｊ未満のものを×とした。上述のいずれの試験においても、○及び◎が合格である。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
【表５】

【００３７】
【表６】

【００３８】
ワイヤNo.１〜１２は本発明の実施例であり、ワイヤの生産歩留、初層ビードの形成度、溶接金属の耐割れ性及び溶接金属の靭性において全て満足するものである。
【００３９】
比較例のワイヤNo.１３はワイヤのＣが低過ぎて耐割れ性が不十分であり、逆にワイヤNo.１４はワイヤのＣが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪く、また溶接金属の靭性も不十分である。ワイヤNo.１５はワイヤのＳｉが低過ぎて初層ビードの形成度が不十分であり、逆にワイヤNo.１６はワイヤのＳｉが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪く溶接金属の靭性も劣る。ワイヤNo.１７はワイヤのＭｎが低過ぎて溶接金属の靭性が不十分であり、逆にワイヤNo.１８はワイヤのＭｎが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.１９及び２０は夫々ワイヤのＰ、Ｓが高過ぎて溶接金属の耐割れ性が不十分である。ワイヤNo.２１、２２、２３は夫々ワイヤのＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.２４、２５は夫々ワイヤのＡｌ、Ｏが高過ぎてワイヤの生産歩留が劣り、初層ビードの形成度が不十分で溶接金属の耐割れ性及び溶接金属の靭性も不十分である。更にワイヤNo.２６はワイヤのＡｌ、Ｏが共に高過ぎてスラグが多発して初層ビードの形成度が極端に劣化する。ワイヤNo.２７のワイヤのＮが高過ぎてワイヤの生産歩留、初層ビードの形成度、溶接金属の耐割れ性及び溶接金属の靭性において不十分である。ワイヤNo.２８、２９はワイヤのＮｂがいずれも高過ぎてワイヤの生産歩留が非常に劣り、初層ビードの形成度が不十分である。なお、ワイヤNo.２９は数式２の値も本発明の下限値未満であるので溶接金属の割れもやや劣る。ワイヤNo.３０はワイヤのＴａが低過ぎて溶接金属の耐割れ性が不十分であり、逆にワイヤNo.３１はワイヤのＴａが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.３２はワイヤのＴｉが低過ぎて溶接金属の耐割れ性が不十分であり、逆にワイヤNo.３３はワイヤのＴｉが高過ぎてワイヤの生産歩留が悪い。ワイヤNo.３４は数式１を満足せず溶接金属の耐割れ性が不十分である。ワイヤNo.３５は数式２を満足せず溶接時の耐割れ性が不十分である。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、製造歩留まりが高く、安価であると共に、溶接に際して、高温割れがなく、かつ十分なビードを形成できる低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はＴＩＧ片面溶接試験を示す模式図、（ｂ）はその平面図である。
【図２】（ａ）はＴＩＧ片面溶接試験を示す模式図、（ｂ）はその平面図である。
【符号の説明】
１：被溶接材
２：開先
３：初層ビード
４：拘束板

Claims (1)

1. Ｎｉ：３０乃至４５質量％、Ｃ：０．０８乃至０．３０質量％、Ｓｉ：０．０１乃至０．５０質量％、Ｍｎ：０．１０乃至１．０質量％、Ｔｉ：０．０５乃至０．５０質量％及びＴａ：０．１０乃至１．５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなると共に、この不可避的不純物は、Ｎｂ：０．１０質量％以下、Ｐ：０．０１０質量％以下、Ｓ：０．００５質量％以下、Ｃｕ：０．３０質量％以下、Ｃｒ：０．３０質量％以下、Ｍｏ：０．３０質量％以下、Ａｌ：０．０１０質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下及びＮ：０．０１０質量％以下に規制し、更に、Ｃ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉの含有量は、夫々２０×Ｃ／（２×Ｎｂ＋Ｔａ＋４×Ｔｉ）≧１．０、{１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）−１．２×（Ｎｂ／９３）}×１００≧０．５を満足するものであることを特徴とする低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接ワイヤ。

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