JP4833645B2

JP4833645B2 - レーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板

Info

Publication number: JP4833645B2
Application number: JP2005340735A
Authority: JP
Inventors: 昌紀皆川; 剛米田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: JP2007146210A

Description

本発明は、船舶建造用等として好適なレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板に関する。

従来の造船分野における溶接方法は、サブマージアーク溶接に代表されるアーク溶接が主体である。これらの溶接方法では、板厚が増大するにつれて溶接パス数が増加する傾向にあり、溶接施工効率の向上を図るため、２電極、３電極及び４電極といった多電極サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ：Submerged Arc Welding）による大入熱溶接が行われている。しかしながら、従来のアーク溶接においては、一般に、溶接入熱量が増大すると、母材の溶接熱影響部の靭性が劣化し、また溶接変形及びひずみも大きくなるという欠点がある。

一方、大出力レーザー溶接機の開発と共に、厚鋼板をレーザー溶接する技術の実用化が活発に進められている。大出力レーザー溶接は、エネルギー密度が高いレーザービームを溶接熱源にしているため、深溶け込みの高速・高能率溶接が可能である。また、大出力レーザー溶接は、溶接変形の大幅低減、溶接部の形状・材質改善、並びにフィラーメタルの不使用又は使用量の低減によるコストメリット等も期待されている。しかしながら、レーザー溶接にも欠点があり、具体的には、大出力レーザー自体が高価であること、エネルギー変換効率が小さいこと、溶接部に溶接ワイヤから溶融金属が供給されないため、溶接部材間のギャップに対する許容度が小さいこと等が挙げられる。

そこで、１９８０年代より、レーザー溶接とアーク溶接とを組み合わせて複合化した溶接方法、所謂レーザー・アークハイブリッド溶接の開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。レーザー・アークハイブリッド溶接においては、レーザー光を照射した後で、アーク溶接を行うため、アーク溶接のみを行う場合と比較して、溶接部における最大溶け込み深さが増大する。これにより、突合せ溶接においては、開先を狭くすることが可能となり、すみ肉溶接においては、大きな脚長を保ちながら溶け込み深さを増大させ、条件によっては、板材の両面からの完全溶け込みとなるフルペネ溶接も可能となる。また、レーザー溶接のみを行う場合と比較すると、溶接部に溶接ワイヤから溶融金属が供給されるため、溶接部材間のギャップ（隙間）に対する許容度が大きくなると共に、耐高温割れ性が向上する。

また、特許文献１に記載の溶接方法では、アーク溶接の溶接電圧（電流）をパルス状又は交流にすることにより、アーク放電に起因するプラズマの発生を減少させて、レーザー光のパワー低減を防止している。更に、特許文献２に記載の溶接方法では、アーク電極に対する溶接進行方向の前方及び後方にレーザービームを照射することにより、高速溶接においてもアークを安定化させ、溶接ビードの形状を良好にしている。更にまた、特許文献３に記載の溶接方法では、溶接部の靭性を良好にするために、アーク溶接のシールドガスの組成及び流量の最適化して、溶接金属中に含まれる酸素量（酸化物量）を低減している。

特開２００１−９６３６５号公報特開２００１−２０５４６５号公報特開２００３−２２０４８１号公報

しかしながら、レーザー・アークハイブリッド溶接は、アーク溶接条件及びレーザーパワーとブローホール（溶接欠陥）とが密接に関係しており、ブローホールの発生を抑制し、健全な溶接部品質を得るためには、溶接条件に細心の注意を払わなければならないという問題点がある。そして、この問題点を母材である鋼材によって解決することができれば、その効果は大きい。

本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、レーザー・アークハイブリッド溶接時のブローホール発生を抑制することができるレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板を提供することにある。

本発明に係るレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板は、質量％で、Ｃ：０．０４〜０．２１％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．３０〜１．８％、Ａｌ：０．００８〜０．０８％、Ｏ：０．００１〜０．０４％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１５％以下に規制し、Ａｌ含有量（％）を［Ａｌ］、Ａｌのうち非固溶Ａｌの含有量（％）を［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］、Ｓｉ含有量（％）を［Ｓｉ］としたとき、下記数式（１）及び下記数式（２）を満たすことを特徴とする。

この鋼板は、更に、質量％で、Ｎｂ：０．００１〜０．０６％及び／又はＴｉ：０．００１〜０．０８％を含有していてもよい。

更に、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．１０〜２．０％、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．４０％及びＢ：０．０００２〜０．００２０％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有していてもよい。

更に、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００６％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００３％及びＲＥＭ：０．０００５〜０．００３％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することもできる。

本発明によれば、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｏ、Ｐ及びＳの含有量並びに全Ａｌに対する非固溶Ａｌの割合を最適化すると共に、Ａｌ及びＳｉの含有量を可能な範囲で増加させているため、レーザー・アークハイブリッド溶接の際に、溶接部にブローホールが発生することを防止でき、溶接施工効率がよい鋼板を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に説明する。本発明者は、種々の組成の鋼板を試作し、それをレーザー切断したものを突き合わせ開先として、種々のレーザー出力及びアーク溶接条件で溶接し、溶接部のブローホール発生を詳細に調査した。その結果、ブローホール発生は鋼成分、特にＡｌ及びＳｉに影響されることを知見し、本発明に至った。

先ず、本発明の鋼板を構成する各成分の添加理由及び数値限定理由について説明する。なお、以下の説明においては、組成における質量％は、単に％と記載する。

Ｃは、鋼板の強度を安価に向上するために、最も有効な元素である。しかしながら、Ｃ含有量が０．２１％を超えると、母材（鋼材）の低温靱性が阻害されると共に、溶接部の硬化が著しく促進される。一方、Ｃ含有量が０．０４％未満の場合は、レーザー溶接により形成された溶接金属の凝固割れ感受性が増す。また、Ｃ含有量が０．０４％未満の場合、レーザー切断、プラズマ切断又はガス切断した状態のままで供される開先面（以下、切断まま開先面という）の粗さが増し、その結果、この切断まま開先面を突き合わせた溶接部において、ブローホールの発生が促進される。よって、Ｃ含有量は０．０４〜０．２１％とする。

Ｓｉは、鋼板の強度向上に有効な元素であり、安価に溶鋼を脱酸できる元素でもある。しかしながら、Ｓｉ含有量が０．５％を超えると、切断まま開先面が粗くなり、その結果、これらを突き合わせた溶接部で、ブローホールの発生が促進される。これに対して、Ｓｉ含有量が０．５％以下の場合は、ブローホールの抑制に有効であり、この効果はＳｉ含有量が０．０５％までの範囲で得られる。そして、Ｓｉ含有量が０．０５％未満では、ブローホールの抑制効果は得られない。よって、Ｓｉ含有量は０．０５〜０．５％とする。なお、レーザー、プラズマ又はガス等により切断された状態のままでレーザー溶接に供され、且つ耐ブローホール性が厳しく要求される場合はＳｉ含有量を０．４％以下とすることが望ましい。

Ｍｎは、鋼板の強度向上に有用な元素である。しかしながら、Ｍｎ含有量が０．３０％未満では、その効果が得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．８％を超えると、ブローホールの発生が促進される。よって、Ｍｎ含有量は０．３０〜１．８％とする。

Ａｌは、溶鋼を脱酸する上で必要な元素である。しかしながら、Ａｌ含有量が０．００２％未満の場合、脱酸効果が得られない。一方、Ａｌ含有量が０．０８％を超えると、溶接部の靱性が損なわれる。よって、Ａｌ含有量は０．００２〜０．０８％とする。

Ｏは、溶接金属中において酸化物を形成し、粒内変態フェライトの核として作用し、組織の微細化に効果がある元素である。しかしながら、Ｏ含有量が０．０４％を超えると、溶接金属の低温靭性が劣化すると共に、スラグ巻きこみ等の溶接欠陥を起こす。一方、Ｏ含有量が０．００１％未満では、組織を微細化する効果が得られない。よって、Ｏ含有量は０．００１〜０．０４％とする。

Ｐは、不可避的不純物であり、凝固時の偏析率が高く、レーザー・アークハイブリッド溶接したときに、溶接部の凝固割れを引き起こす主原因の１つとなる元素である。Ｐ含有量が０．０２５％を超えると、割れ感受性が高くなり、溶接部に凝固割れが発生する。よって、Ｐ含有量は０．０２５％以下に規制する。また、コストとの兼ね合いもあるが、割れ感受性を極めて低くするためには、Ｐ含有量を０．０１０％以下とするが好ましい。

Ｓは、不可避的不純物であり、Ｐと同様に、レーザー・アークハイブリッド溶接時の溶接割れ感受性を高める元素である。このため、Ｓ含有量が０．０１５％を超えると、溶接部に凝固割れが発生する。よって、Ｓ含有量は０．０１５％以下に規制する。また、割れ感受性を極めて低くするためには、Ｓ含有量を０．００８％以下とするが好ましい。

鋼材に含まれる全Ａｌ含有量（％）を［Ａｌ］とし、Ａｌのうち固溶していない非固溶Ａｌの含有量（％）を［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］としたとき、［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］が［Ａｌ］の０．１倍（０．１×［Ａｌ］）よりも少ないと、溶鋼の脱酸が適正に行われない。一方、［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］が［Ａｌ］の０．７倍（０．７×［Ａｌ］）を超えると、溶接時のブローホール発生を抑制することができない。よって、［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］は、［Ａｌ］の０．１倍以上で且つ［Ａｌ］の０．７倍以下とする。

本願発明者は、レーザー・アークハイブリッド溶接時のブローホールの発生を、鋼板成分の観点から解析した結果、脱酸元素、特に、Ｓｉ及びＡｌの含有量を増す程、ブローホールの発生が低減することを知見した。そこで、本願発明者は、これらの実験結果を回帰的に解析し、ブローホール低減に有効な鋼板成分の指標として、｛［Ａｌ］＋（［Ｓｉ］／２．５）｝を得た。なお、［Ａｌ］はＡｌ含有量（％）、［Ｓｉ］はＳｉ含有量（％）である。そして、｛［Ａｌ］＋（［Ｓｉ］／２．５）｝の値が大きい程、溶接時のブロー発生傾向は小さいことが判明した。しかしながら、｛［Ａｌ］＋（［Ｓｉ］／２．５）｝の値が０．０５未満の場合、ブローホールの発生を低減する効果が得られない。よって、｛［Ａｌ］＋（［Ｓｉ］／２．５）｝の値は０．０５以上とする。これにより、ブローホールの発生を極めて少なくすることができる。

また、本発明の鋼板は、上記各成分に加えて、Ｎｂ及び／又はＴｉを添加することもできる。

Ｎｂは、鋼板の強度及び靭性の両立する極めて重要な元素である。また、溶接熱影響部（ＨＡＺ）の硬化性の主要因であるＣ及びＮを固定する働きもある。しかしながら、Ｎｂ含有量が０．０６％を超えると、析出による母材硬化を促進する。一方、Ｎｂ含有量が０．００１％未満の場合、前述した効果が得られない。よって、Ｎｂを添加する場合は、その含有量が０．００１〜０．０６％になるようにする。

Ｔｉは、脱酸元素として有効な元素であると共に、Ｎｂと同様に、母材の強度及び靭性の両立に重要な元素である。更に、本願発明者は、Ｔｉを添加することにより、ブローホール発生及びＨＡＺ硬化が抑制されることを知見した。しかしながら、Ｔｉ含有量が０．０８％を超えると、母材及び溶接部共に靭性が劣化する。よって、Ｔｉを添加する場合は、その含有量が０．００１〜０．０８％になるようにする。

更に、本発明の鋼板は、母材強度の向上並びに低温靱性及び溶接性の改善を目的とした低炭素等量化のために、上記各成分に加えて、要求される品質特性又は鋼材の大きさ及び鋼板厚に応じて、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＢからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有していてもよい。これらの合金元素を添加した場合でも、前述した本発明の効果を何ら損なうことなく、強度、低温靱性及び溶接性を向上することができる。

しかしながら、Ｃｕ含有量が０．０５％未満、Ｎｉ含有量が０．１０％未満、Ｃｒ含有量が０．０３％未満、Ｍｏ含有量が０．０５％未満、Ｖ含有量が０．０１％未満、Ｂ含有量が０．０００２％未満の場合は、これらの元素を添加したとしても、上述した効果は得られない。一方、Ｃｕ含有量が１．０％を超えるか、Ｎｉ含有量が２．０％を超えるか、Ｃｒ含有量が２．０％を超えるか、Ｍｏ含有量が１．０％を超えるか、Ｖ含有量が０．４０％を超えるか、又はＢ含有量が０．００２０％を超えると、耐溶接割れ性の低下が顕著になる。よって、これらの元素を添加する場合は、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．１０〜２．０％、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．４０％、Ｂ：０．０００２〜０．００２０％とする。

更にまた、本発明の鋼板は、必要に応じて、Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭからなる群から選択された１種又は２種以上の元素を添加することもできる。Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭは、溶鋼中で強力な脱酸力を有し、鋼板製造時及び溶接溶融プール中で脱酸元素として作用する。加えて、これらの元素は強力な脱硫元素でもあり、Ｓの偏析に起因する溶接金属の凝固割れを抑制する働きを有する。更に、本願発明者は、これらの元素を添加すると、溶接時のブローホールの発生、並びに溶接金属及びＨＡＺの焼入れ硬化を抑える効果があることも知見した。しかしながら、Ｃａ含有量、Ｍｇ含有量又はＲＥＭ含有量が０．００３％を超えると、レーザー溶接時にキーホール内でのプラズマの安定性が損なわれると共に、溶接部靭性が劣化する。一方、Ｃａ、Ｍｇ及びＲＥＭは、その含有量が０．０００５％未満の場合、前述した脱酸効果が得られない。よって、これらの元素を添加する場合は、その含有量を、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００３％、ＲＥＭ：０．０００５〜０．００３％とする。

以上詳述したように、本発明の鋼板においては、鋼材に含まれる全Ａｌの含有量に対する非固溶Ａｌの割合を最適化すると共に、Ａｌ及びＳｉの含有量を、靭性等の物性を低下させない範囲で増加させているため、レーザー・アークハイブリッド溶接の際に、溶接部にブローホールが発生することを防止できる。

以下、本発明の実施例及び比較例により、本発明の効果について具体的に説明する。先ず、下記表１に示す組成の鋼を溶製した後、連続鋳造、スラブ加熱、熱間圧延及び制御冷却の各工程を経て、引張強度が４９０ＭＰａ級（５０ｋｇ／ｍｍ^２級）、板厚が２０ｍｍの鋼板を作製した。なお、下記表１に示す鋼組成における残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物（Ｐ，Ｓを除く）である。次に、前述の方法で作成した実施例及び比較例の各鋼板に対して、Ｉ形開先の突合せレーザー・アークハイブリッド溶接を行った。その際の溶接条件としては、供試材の板厚に合わせて、レーザー出力を１５〜２５ｋＷ、焦点位置でのビーム径を０．５ｍｍ、溶接速度を１〜１０ｍ／分とした。そして、溶接後に、溶接金属部のブローホール発生状況を調査した。その結果を下記表１に併せて示す。なお、下記表１に示すブローホール発生の有無は、溶接長さ５００ｍｍをＸ線で検査し、明らかにブローホールと認められる欠陥が１個以上あれば「ブローホール有」とした。

上記表１に示すＮｏ．１〜９の鋼板は、本発明の範囲内の実施例であり、Ｎｏ．１０〜１５の鋼板は、本発明の範囲から外れる比較例である。上記表１に示すように、実施例Ｎｏ．１〜９の鋼板は溶接性が良好で、ブローホールは発生しなかった。一方、比較例Ｎｏ．１０〜１３の鋼板は、｛［Ａｌ］＋（［Ｓｉ］／２．５）｝が本発明の範囲を下回ったため、ブローホールが発生し、溶接性が劣っていた。また、比較例Ｎｏ．１４及びＮｏ．１５の鋼板は、夫々非固溶Ａｌの割合（［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］）が、本発明の範囲から外れているため、ブローホールが発生し、溶接性が劣っていた。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．０４〜０．２１％、
Ｓｉ：０．０５〜０．５％、
Ｍｎ：０．３０〜１．８％、
Ａｌ：０．００８〜０．０８％、
Ｏ：０．００１〜０．０４％を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
前記不可避的不純物のうち、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１５％以下に規制し、
Ａｌ含有量（％）を［Ａｌ］、Ａｌのうち非固溶Ａｌの含有量（％）を［ｉｎｓｏｌ．Ａｌ］、Ｓｉ含有量（％）を［Ｓｉ］としたとき、下記数式（Ａ）及び下記数式（Ｂ）を満たすことを特徴とするレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板。
更に、質量％で、Ｎｂ：０．００１〜０．０６％及び／又はＴｉ：０．００１〜０．０８％を含有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板。
更に、質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｎｉ：０．１０〜２．０％、Ｃｒ：０．０３〜２．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｖ：０．０１〜０．４０％及びＢ：０．０００２〜０．００２０％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板。
更に、質量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．００６％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００３％及びＲＥＭ：０．０００５〜０．００３％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー・アークハイブリッド溶接性が優れた鋼板。