JP5080195B2

JP5080195B2 - 溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP5080195B2
Application number: JP2007262452A
Authority: JP
Inventors: 裕之武田; 秀徳名古; 和之末永; 浩二郎中西
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-10-05
Also published as: JP2009090312A

Description

本発明は９％ニッケル鋼を始めとする極低温用鋼の溶接に適した鉄基の溶接用ソリッドワイヤおよびその溶接金属に関するものであり、さらに詳しくは極低温用鋼を対象として溶接した際の極低温特性に優れた溶接継手部を形成する極低温用鋼溶接用共金系ソリッドワイヤおよびその溶接金属に関するものである。

周知のごとく、９％ニッケル鋼は−１９６℃以下までの極低温下で使用される高張力鋼であり、高い耐力と卓越した低温靭性を有するものであり、極低温用鋼としてＬＮＧや液体窒素，液体酸素の等の貯蔵タンクあるいはその関連機器等に広く用いられている。このように同鋼は優れた極低温靭性を有しているが、この特長を活用するためには、当然ながらその溶接継手部においても同程度の極低温特性が要求される。

こうした背景から極低温用鋼の溶接技術についてもこれまで種々の検討が加えられているが、経済性と極低温特性の両者を満足しようとする立場からは不十分な面が多い。例えば、極低温用鋼に類似した成分の溶接ワイヤ（所謂共金系ワイヤ）を用いてこれを溶接すれば、極低温特性の優れた溶接継手が得られるものと考えられるものの、現状の溶接法では、溶接ままでは安定した低温靭性は確保できず、さらに極低温鋼の溶接構造物は溶接終了後に靭性を回復させる熱処理が極めて困難な事情から実用的ではない。

このため、極低温用鋼の溶接に際しては主に高ニッケル合金溶接ワイヤが多く使用されてきた。しかし高ニッケル合金溶接ワイヤを用いた溶接継手は、溶接ままでも−１９６℃で優れた靭性を示すものの、引張強さ、特に０.２％耐力は９％ニッケル鋼（母材）に比べて極めて低い。その結果７０ｋｇ／ｍｍ^２級高張力鋼として９％ニッケル鋼を使用するにも拘わらず、溶接継手部の強度が低いために設計応力もこれに応じて下げざるを得ず、その強度の確保するためには溶接構造物全体の板厚を増大させなければならない不利を生じる。

従って、高ニッケル合金溶接ワイヤを使用する限り、９％ニッケル鋼の高い強度が十分に活かされず、溶接構造物の板厚増加、高価な高ニッケル合金溶接ワイヤの消費量増大という二重の経済的負担を余儀なくされている状況にある。しかも、高ニッケル合金による溶接では、高温割れの問題がつきまとう他、母材である９％ニッケル鋼とは成分が大きく異なるために熱膨張係数差による熱疲労の問題なども出てくる。

以上のような理由から、９％ニッケル鋼は極低温用鋼として卓越した性能を具備しているにも拘わらず、その適用範囲は著しく制限されているのが実情である。

先の９％ニッケル鋼母材と類似成分の共金系溶接ワイヤを用いた溶接技術ついては、従来より溶接継手部の極低温特性を高めるための研究も実施されており、例えば特許文献１などにおいてこの共金系溶接ワイヤの化学成分に着目し、特に溶接ワイヤ中のニッケル，マンガン，硼素，酸素などの含有量を適正範囲に調整、制限することによりこれを改善する方法が開示されている。しかしこの方法ではJIS-Z-3111に準じたシャルピー衝撃試験による溶接継手部の低温靭性改善結果が報告されているものの、全体の吸収エネルギーのみでこれを評価しており、実際の大型溶接構造物として安全性を確保するために必要な亀裂発生からの取組みはななされおらず、従って、吸収エネルギーのみの評価においてはその基準を満たす十分な低温靭性が得られているが、更に後述するような現実の亀裂発生をも反映した耐亀裂発生強度（亀裂抑制強度）については未だ不十分であるという問題がある。

また、特許文献２などでは溶接施工を工夫して溶接継手部の低温靭性を改善する方法が提案されており、すなわち、多層盛り溶接した後に、最終層の溶接ビード表面を１５０℃以下まで冷却し、次いで前記最終層の溶接ビード表面を不活性ガスでシールドしつつ非消耗電極からのアークで再溶融させる方法が開示されている。この方法は開先の中央部（下層部）は上層部溶接時の熱サイクルによって適度の熱処理効果が得られるため下層部の低温靭性は高められるものの、最終層ではこの熱処理効果が期待できないことから、この最終層を再溶融させることによって熱処理を加えその低温靭性を向上させようとするものである。しかしこの方法は溶接施工において工数が増えるという問題とともに、あくまでも溶接継手部における最終溶接層のみの部分的な低温靭性の改善に止まるものであり、従って、溶接継手の特性を支配する溶接金属全体の低温靭性向上に対しては自ずと限界を有する問題がある。また、この方法においても、前記先行技術と同様に簡易的なシャルピー衝撃試験やＣＴＯＤ試験により低温靭性の改善効果のみを確認しているものであり、実際の大型溶接構造物として安全性を確保するために必要な亀裂発生からの取組みによる十分な評価がなされていない問題がある。
特開５４−７６４５２号公報特開５３−１１８２４１号公報

本発明者らは、上述した９％ニッケル鋼に代表される極低温用鋼の普及をさらに高める意味で、前述の通りコスト負担が少ないなどの実用面で有利な共金系溶接ワイヤを用いて極低温用鋼を溶接することを前提としてその溶接継手部の特性を極低温用鋼の母材と同程度にすぐれた極低温特性を付与することが可能な溶接技術の確立を目指してその開発に着手した。そして、この開発に当たっては、溶接継手部の極低温特性の評価に際して、先に指摘した共金系溶接ワイヤを用いた従来技術には開示されていない新規かつ有益な評価の観点を導入することにした。

すなわち、これまで溶接継手部の安全性は簡易的なシャルピー衝撃試験やＣＴＯＤ試験により行われることが多かったが、実際には溶接構造物に外力（荷重）が付加された際には、まず亀裂が発生し、その後に亀裂が伝播することとなるため、上記簡易的な試験法では亀裂の発生、伝播の実態を評価することは困難であった。そこで、本発明者らは外力付加時における亀裂発生の開始から終了までの特性を調査、確認することが実際の大型溶接構造物の極低温特性の評価において重要、不可欠との認識に立ち、具体的には荷重−変位曲線によりシャルピー衝撃試験時の亀裂発生と伝播過程の分離が可能な計装化シャルピー衝撃試験法に着目し、特にこの測定法によって把握できる耐亀裂発生強度の値をその評価要素として採用することにした。これにより、従来の簡易なシャルピー衝撃試験結果のみならず現実の大型脆性破壊強度に即したより精緻な極低温特性の評価が可能となるものである。

本発明はこの様な観点のもとに研究、検討を重ねた結果、完成されたものであり、従来の前記問題を解消し、極低温鋼母材と同程度の低温靭性を確保することに加えて、高い耐亀裂発生強度を有するという優れた極低温特性を溶接継手部に付与させることができる共金系溶接ソリッドワイヤおよびその溶接金属を提供することを課題としてなされたものである。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を特徴とするものである。
（１）質量％で、炭素：０.１０％以下（０％を含まない）、珪素：０.１５％以下（０％を含まない）、ニッケル：８．０〜１５．０％，マンガン：０．１０％〜０．８０％を含み、酸素が２００ｐｐｍ以下（０を含む）である鉄基の溶接ワイヤにおいて、クロムが５．０％以下（０％を含まない）含有することを特徴とする溶接用ソリッドワイヤ（請求項１）。
（２）上記１に記載の溶接用ソリッドワイヤを用いて形成されたことを特徴とする溶接金属（請求項２）。

本発明によれば、９％ニッケル鋼に代表される極低温用鋼を溶接した際にその母材と略同等の極低温特性の溶接継手部を形成することができる共金系溶接ソリッドワイヤを提供することが可能となる。特に本発明の溶接ソリッドワイヤにより、シャルピー衝撃試験による吸収エネルギーの高い十分な低温靭性を保持することに加え、特に計装化シャルピー衝撃試験法による耐亀裂発生強度の測定値において非常に高いレベルを有する溶接継手部を得ることができ、実際の大型溶接構造物の脆性破壊現象に即した優れた極低温特性を備えた溶接継手部を形成させることができる。

そして、本発明のかかる共金系溶接ソリッドワイヤの使用により、高合金系ワイヤに比べてワイヤ自身のコスト低下のみならず、溶接継手の強度不足に伴う母材鋼の板厚増加に起因する大きな経済的な負担を一掃することができるとともに同溶接継手部の耐熱割れ性の低下や熱膨張係数の違いによる熱疲労特性の劣化等の品質上の問題も解消することができるため、極低温用鋼で構成される溶接構造物の製作が容易に促進されこととなり、ひいては卓越した特性を具備する極低温用鋼の各種用途への普及を著しく拡大することが可能となる。

本発明は前記課題を達成すべく共金系溶接ソリッドワイヤの主として化学成分について検討を進めたところ、先の特許文献１に開示されたニッケル、マンガンを基本成分として採用し、かつ適正量のクロムをこれに含有させることにより、低温靭性と耐亀裂発生強度の両特性に優れた溶接継手が得られることを知見するに到った。以下、本発明の溶接ソリッドワイヤの化学成分について詳述する。なお、以下に言及、規定する化学成分以外の残部は鉄並びに不可避的不純物である。

１．炭素：０．１０質量％以下（０％を含まない）
炭素は少量でも引張強さを高める上で有効であるが、多量に含まれると低温靭性を著しく低下させるためその上限を０．１０％とする。

２．珪素：０.１５質量％以下（０％を含まない）
珪素は溶接作業性の向上に有効に作用するものの、低温靭性を悪化させかつ高温割れ感受性を著しく高めるのでその上限を０.１５％とする。

３.ニッケル：８．０〜１５．０質量％
ニッケルは本発明ワイヤの使用対象となる極低温用鋼（高ニッケル鋼）と同様に低温靭性を確保する上で重要な成分であり、ニッケルが８．０％未満では溶接継手に対して十分な低温靭性を付与することができない。一方ニッケルが１５．０％を越えると、溶接継手の機械的強度が高くなりすぎて延性が極端に低下し、更には不安定な残留オーステナイト生じることで極低温下ではマルテンサイトに変態して低温靭性の低下を招くので好ましくない。従って、ニッケルの含有量は８．０〜１５．０％とする。

４．マンガン：０．１０〜０．８０質量％
マンガンは溶接作業性を改善するとともに脱酸剤あるいは硫黄捕捉剤として卓越した効果を発揮するため、本発明においてやはり重要な基本成分となる。マンガンが０.１０％未満では溶接作業性が著しく低下する問題が生じ、一方０.８０％を越えると安定な残留オーステナイトが生じやすくなり、上記ニッケルと同様に低温靭性が損なわれる。従って、マンガンの含有量は０．１０％〜０．８０％とする。また、好ましい含有量は０．１０％〜０．５０％である。

５．酸素：２００ｐｐｍ以下（０％を含む）
酸素は基本成分である上記マンガンや不可避不純物と反応して結晶粒界等に粗大な酸化物を析出させ低温靭性を損なう可能性があるため、溶接金属中の酸素量が１００ｐｐｍ以下となるように溶接ワイヤ中の酸素量を管理する必要がある。こうした観点からすれば溶接ワイヤ中の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下に管理するのが好ましいが、溶接ワイヤ中の酸素はマンガンなどの脱酸剤によって除去されるので、本発明のような化学成分の溶接ワイヤであれば、ワイヤ中の酸素量が２００ｐｐｍ以下であれば溶接金属中の酸素量は１００ｐｐｍ以下に抑えられる。従って、酸素量の上限は２００ｐｐｍとする。

６．クロム：５．０％以下(０％を含まない)
クロムは本発明において重要かつ特徴的な成分として位置付けられものである。多層盛り溶接に際しては開先の中央部即ち下層部は上層部溶接時の熱サイクルによって熱処理効果を受けるが、この時、溶接後にベイナイトやマルテンサイト組織となった初期組織がオーステナイトに逆変態すれば、溶接金属の組織は細かくなりやすい。前記のようなニッケル−マンガンを含有する基本成分系において、クロムは、フェライト／オーステナイトの変態温度を低下させる優れた作用がある。このクロムの特異な性質を活用し、これを必須成分として共金系ワイヤに含有させることで溶接金属組織を微細化することができ、本発明が注目する溶接継手部の耐亀裂発生強度を高めることが可能となる。この特性を特に有効に高めるにはＣｒの含有量を１．０％以上とすることが好ましい。しかしながら、このクロムが５．０％を超えて過剰に含有すると残留オーステナイトの生成を促進してしまい、耐亀裂発生強度が逆に低下するとともに、その低温靭性そのものも低下することになり、本発明が目的とする極低温特性が得られなくなる。従って、ワイヤ中のクロムの含有量の上限は５．０％とする。

７．その他の成分
その他の成分として、アルミニウムを０.１質量％以下（０％を含まない）含有させることができる。アルミニウムは脱酸剤として機能し、ブローホール等の溶接欠陥の防止に有効に作用するため、含有させることが好ましいが、過剰に含有させると耐割れ性を著しく損なうことになる。従って、アルミニウム含有させる場合には上限を０.１％とする。

また、さらに留意すべき成分として、硼素が挙げられ、０.００３％以下ならこれを許容することができる。

この硼素は前述のような成分の溶接ワイヤを使用する場合、極低温において優れた低温靭性を確保する上で極めて有害な不純物となる。すなわち硼素が０.００３％を越えると高温割れ感受性が増大する他、焼入性が増加し低温靭性が急激に低下する。硼素以外の前記成分が如何に適正範囲に含まれていても、硼素含有量が上記条件を満足していない限り、高温割れと低温靭性の確保はできない。このため硼素含有量は実質的に零とするのが理想であるが、一般に硼素は、ワイヤ原料の主要物である電解鉄等の鉄系原料中に不純物として混入するものであり、この原料含み中の含有量は不純物の最も少ない電解鉄でさえ０.０２％を越えることがあり、この様に多量の硼素が原料中に混入した場合、真空脱ガス法などの高清浄溶解法を採用したとしても硼素を完全に除去することは不可能である。従って、こうした事情から、硼素の上記悪影響を最小限とし、極低温特性を十分に維持すべく、硼素が含有する場合はその上限を０.００３％とすることが好ましい。

ところで、本発明にかかる共金系溶接ワイヤを用いた極低温用鋼の溶接法としては、溶接後にその継手部に形成される溶接金属中の酸素量を１００ｐｐｍ以下に保持する必要性から、これに適した溶接方法，例えばＴＩＧ溶接法やシールドガスとして不活性ガスをメインとしたＭＩＧ溶接方法(プラズマＭＩＧ溶接法や同軸複層ワイヤプロセスなど)を採用することが望ましい。

また、本発明の共金系溶接ワイヤを使用して溶接される極低温用鋼としては、先に例示した９％ニッケル鋼に限らず、５.５％ニッケル鋼や３.５％ニッケル鋼のごとくニッケルを３.５〜９.５％含むニッケル鋼を始めとして種々の極低温用鋼が同効に適用できるものである。

実施例
表１に示す化学成分(０＝酸素以外は質量％残部：鉄及び不可避的不純物）の９％ニッケル鋼母材（板厚：１６ｍｍ）を用い、図１に示す形状の開先加工を施した。次いで表２に示す化学成分(０＝酸素以外は質量％残部：鉄及び不可避的不純物）の溶接ワイヤを用いて、表３に示す２条件でＴＩＧ溶接を行った。なお、溶接は自動アーク制御装置付きの全自動ＴＩＧ溶接装置を用い、溶接姿勢は下向きで行った。

溶接終了後、ＪＩＳ−Ｚ−３１１２、４号によるシャルピー衝撃試験片にて、−１９６℃の温度にて、計装化シャルピー衝撃試験（ＪＴＴＯＨＳＩＩＮＣ．製３００Ｊ計装化シャルピー衝撃試験機型式：ＣＡＩ−３００Ｄを使用）を行い、それぞれ試験片の極低温特性を評価した。なお計装化シャルピー衝撃試験を実施すると、図２に示すように衝撃刃により試験片に与えられる荷重と衝撃刃が試験片に接触した後の変位との関係を表す荷重−変位曲線を得ることができる。この試験法により通常に得られる吸収エネルギーだけでなく、荷重−変位曲線により最大荷重（曲線のピークにおける荷重の値）を測定した。この最大荷重は衝撃試験開始(荷重−変位がいずれも０の点)から衝撃試験時の亀裂発生に必要な荷重に相当しており、この値が大きいほど、亀裂発生に必要な強度すなわち耐亀裂発生強度が高いことを意味している。

また、評価に当たっては、吸収エネルギー（ｖＥ_-１９６）については５０Ｊを基準値とし、耐亀裂発生強度（最大荷重）については２５０００Ｎを基準値とした。
これらの試験結果を、表４に示した。表４に示す結果より、以下のように考察することができる。

Ｎｏ.３〜６は溶接ワイヤの化学成分が本発明の範囲を満足する実施例であり、ｖＥ_-１９６は基準値とした５０Ｊを越え十分な低温靭性を示すとともに、衝撃試験時の最大荷重も基準値とした２５０００Ｎを大幅に越え高い耐亀裂発生強度（亀裂抑制強度）を有していることがわかる。一方、Ｎｏ.１、２、７、８はいずれも溶接ワイヤの化学成分が本発明の範囲を満足しない比較例であり、それぞれ次のような問題がある。すなわち、Ｎｏ.１及び２に関しては、Ｃｒが含有されていないために、低温靭性は基準値を超えており十分な特性を有するものの、耐亀裂発生強度は基準値をかなり下回っていることが判明する。また、Ｎｏ.７、８関しては、Ｃｒの含有量が本発明の範囲の上限を越えているために、耐亀裂発生強度は基準値に達しているものの、低温靭性については溶接条件（入熱の多少）によらず基準値を下回っていることが知れる。

以上説明した実施例からも実証されるように、本発明にかかる共金系溶接ソリッドワイヤを極低温用鋼の溶接に適用することにより、溶接後の溶接継手に対して−１９６℃の極低温下においても十分な低温靭性を有し、かつ耐亀裂発生強度の高い優れた極低温特性を付与することができ、本発明による有利な効果が明白である。

実施例の溶接開先形状と溶接金属の多層盛の状態を示す模式図。計装化シャルピー衝撃試験によって得られ荷重−変位曲線を示す模式図。

Claims

質量％で、炭素：０.１０％以下（０％を含まない）、珪素：０.１５％以下（０％を含まない）、ニッケル：８．０〜１５．０％，マンガン：０．１０％〜０．８０％を含み、酸素が２００ｐｐｍ以下（０を含む）である鉄基の溶接ワイヤにおいて、クロムが５．０％以下（０％を含まない）含有することを特徴とする溶接用ソリッドワイヤ。
請求項1に記載の溶接用ソリッドワイヤを用いて形成された溶接金属。