JP5622707B2

JP5622707B2 - 極低温用鋼用溶接材料

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Publication number: JP5622707B2
Application number: JP2011246782A
Authority: JP
Inventors: 正樹島本; 博久渡邉; 有志澤田; 直樹迎井; 難波　茂信; 茂信難波; 石田　斉; 斉石田; 千修棗
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: JP2013103232A

Description

本発明は、液体ヘリウム温度［４Ｋ（−２６９℃）］近傍や液体水素温度［１４Ｋ（−２５９℃）］近傍などの極低温領域での使用が前提とされる極低温用鋼を溶接する際に用いられる極低温用鋼用溶接材料に関し、特に、再熱部に発生する延性低下割れ性を抑制し得る極低温用鋼用溶接材料に関するものである。本発明の溶接材料は、例えば超伝導コイルなどのような、極低温領域で操業され、かつ非磁性特性が要求される機器類に好適に用いられる。

超伝導コイルなどのような極低温領域で操業され、かつ非磁性特性が要求される機器類などでは、液体ヘリウムや液体水素などにより絶対零度近くの極低温域（４〜１４Ｋ）まで冷却された状態で運転されるため、これらの環境下で使用される機器（機械的構造体）には、極低温域においても強度や靱性などの機械的特性が良好な極低温用鋼が使用されている。さらに、超電導発電などのように磁場環境におかれる機器では上記特性に加えて、非磁性特性が安定していることが求められている。これらの特性を満たす極低温用鋼としては、従来からＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌなどのオーステナイトステンレス鋼が主として使用されている他、適用分野によってはインコネル合金（商標）や高Ｍｎ鋼、析出強化非磁性鋼なども使用されている。

極低温域で使用される上記機械的構造体は、経済性などを考慮し、溶接接合などの溶接施行によって機器の組み付けを行なうことが多い。上記溶接施行に用いられる溶接材料としては、極低温用鋼を良好に溶接でき、溶接部（溶接金属）において良好な極低温特性（強度、靱性などの機械的特性）が得られることが要求されており、このような溶接材料として、本願出願人は、特許文献１の技術を開示している。特許文献１では、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＮの含有量をそれぞれ、適切に制御しており、また、高温割れの発生を防止するため、ＰやＳなどの不純物元素を０．００５％以下に制御している。

ところで超伝導コイルなどのような極低温領域で操業され、かつ非磁性特性が要求される機器類は、用途によって大型の構造物となる。大型構造物では機械的強度を確保するため、母材が厚肉化される傾向にあり、母材板厚が２５０ｍｍ程度の極厚板が採用される場合がある。また、厚板溶接では、近年、溶接施工効率向上の観点から、溶着量の少ない狭開先（開先角度がおおむね、０°〜１０°）で溶接する傾向にあり、更には、当該狭開先部分を１層１パスで溶接施工することも行われている。よって、このような狭開先溶接（好ましくは１層１パスによる狭開先溶接）を行っても、上記特性を確保できる（極低温用鋼を良好に溶接できること、溶接部の極低温特性に優れること）溶接材料の開発が重要となっている。

しかしながら、狭開先での溶接は、溶接金属にかかる拘束が厳しく、高温割れが発生し易いという問題がある。溶接金属に発生する高温割れは、「凝固割れ」と「再熱部に発生する延性低下割れ」に大別される。このうち、極低温領域で使用される極低温用鋼の溶接に用いられる極低温用鋼用溶接材料で問題となるのは、後者の「再熱部に発生する延性低下割れ」であり、前者の「凝固割れ」は、さほど問題とならない。大型の超伝導コイルなどの特殊用途に用いられる極低温用鋼用溶接材料における溶接速度は、割れ以外の問題（溶融金属のなじみ性など）から、一般的な溶接材料を使用する場合と比較して、あまり上昇させることは出来ず、せいぜい、７〜１５ｃｍ／ｍｉｎである。そのため、凝固割れの発生が問題になるような高速溶接は実施されず、通常の溶接材料で問題になるような高温凝固割れは発生し難いと考えられる。これに対し、上記用途に用いられる極低温用鋼用溶接材料では、「再熱部に発生する延性低下割れ」が発生し易いが、これは、溶接金属にかかる拘束が厳しいため、再熱部の溶接金属に対して、溶接金属が有する高温延性を超えるだけの引張応力が加わり、延性低下割れが発生するためと考えられる。そのため、溶接金属の高温延性を改善（向上）できれば、「再熱部に発生する延性低下割れ」の抑制に効果的であり、ひいては、溶接施工効率も向上するようになる。

このような観点から検討されたものとして、例えば非特許文献１が開示されている。ここには、所定のＮｉ基合金の再熱溶接金属の延性低下割れ感受性に及ぼすＣｒ及びＳの影響について報告されており、Ｓについて、「Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ三元系合金において、Ｓを含む合金の再熱溶接金属部における延性低下割れ感受性は、ＰおよびＳｉに比して高いこと」、「Ｓ量を０．００１％、０．００７％、０．０２１％と増加させると、Ｓ量の増加とともに破断伸びが低下する傾向が認められ、Ｓが高温における延性に影響を及ぼすこと」、「高温延性の低下は、Ｓが粒界に偏析し易くなり、粒界破壊が促進されるためと推察される」といった趣旨のことが記載されている。すなわち、上記非特許文献１には、高温での延性低下がＳの粒界偏析による粒界破壊の促進であることが指摘されており、不純物であるＳを極力少なくすれば再熱部に発生する延性低下割れを防止できることが記載されている。

特許第３４１０２６１号公報

中尾他、「Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ三元系合金の再熱溶接金属の延性低下割れ感受性に及ぼすＣｒ及びＳの影響」、溶接学会論文集、第１１巻（１９９３）、第１号、１０８〜１１３頁

上述したように、溶接施行効率向上の観点から、狭開先で溶接し、好ましくは狭開先部分を１層１パスで溶接しても、極低温用鋼を良好に溶接でき、溶接部における良好な極低温特性を確保できるのみならず、特に、再熱部に発生する延性低下割れを防止可能な溶接金属の高温延性を飛躍的に改善できる技術の提供が切望されている。しかしながら、前述した非特許文献１に教示されている、Ｓ量の低減方法では、このような過酷な溶接条件下での特性が充分に得られないことが判明した。また、非特許文献１に示されている、不純物であるＳを極力少なくすれば再熱部に発生する延性低下割れを防止できるといった考え方を適用しようとしても、特許文献１に開示されているＳ濃度は十分に低く、更なるＳ濃度を低減した溶接材料を製造することは非常に困難であるうえ、Ｓを含まない高純度原料を使用する必要があり、コストアップになり経済的ではない。一方、前述した特許文献１では、延性低下割れ防止について考慮していない。また、前述した特許文献１の実施例では、２００ｍｍ厚の極低温用鋼を母材として用い、溶接速度７ｃｍ／ｍｉｎでＴＩＧ溶接を行ったことは記載されているが、開先角度や母材形状までは明記されていない。しかし、溶着金属部分から各種試験片を採取し、各種試験に供していることから、上記特許文献１では、狭開先施工が実施されなかったことは容易に想像でき、その為に延性低下割れが発生しなかったものと推察される。生産性や機械的構造物の強度向上を考慮すると、前述の狭開先化、母材の更なる厚肉化が切望されており、このような過酷な溶接条件下でも、上記特性を十分発揮できる溶接材料の提供が強く望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、再熱部における耐延性低下割れ性に優れた極低温用鋼用溶接材料を提供することにある。詳細には、狭開先で溶接し、好ましくは狭開先部分を１層１パスで溶接しても、極低温用鋼を良好に溶接でき、溶接部における良好な極低温特性（強度、靱性などの機械的特性）が得られることは勿論のこと、再熱部における延性低下割れを防止できる新規な極低温用鋼用溶接材料を提供することにある。

上記課題を解決し得た本発明の極低温用鋼用溶接材料は、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：８．０〜１８．０％、Ｎｉ：１２．５〜２０．０％、Ｃｒ：１０．０〜１４．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ｎ：０．２０％以下、Ｓ：０．００５％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる溶接材料であって、Ｐを０．０１０〜０．０４０％、またはＢを０．００１〜０．０２％の範囲で含有するところに要旨を有するものである。

本発明によれば、溶接材料中の成分（特に不純物であるＰまたはＢの含有量）が適切に制御されているため、狭開先で溶接し、好ましくは狭開先部分を１層１パスで溶接しても、極低温用鋼を良好に溶接でき、溶接部における良好な極低温特性（強度、靱性などの機械的特性）が得られることは勿論のこと、再熱部における延性低下割れを防止できる新規な極低温用鋼用溶接材料を提供することができた。

図１は、実施例において、耐割れ性評価に用いられる母材形状を示す図である。図２は、実施例において、高温延性評価用の試験片を採取した位置の概略を示す図である。図３は、実施例において、高温延性評価に用いられる真ひずみ測定試験片の概略を示す図である。

本発明者らは、再熱部における耐延性低下割れ性に優れた極低温用鋼用溶接材料を提供するため、鋭意検討した。詳細には、前述した特許文献１に記載の組成の溶接材料をベースとし、特に溶接施行効率向上の観点から、狭開先で溶接し、好ましくは狭開先部分を１層１パスで溶接しても、上記特性を確保し得る極低温用鋼用溶接材料を提供するとの観点から、研究を重ねてきた。その結果、高温での耐延性低下割れ性に悪影響を及ぼすＳの粒界偏析を抑制するためには、従来のように不純物であるＳの量を極力低減化するだけでなく、Ｓと同じ侵入型元素であるＰまたはＢを、積極的に所定量添加することが有効であり、これにより、上記のような溶接施行効率の高い苛酷な溶接条件で溶接したとしても、凝固割れが抑えられることは勿論のこと、再熱部における耐延性低下割れ性に優れた極低温用鋼用溶接材料を提供できることを見出し、本発明を完成した。

本明細書において、「極低温」とは、絶対温度が４〜１４Ｋ程度の範囲を意味する。具体的には、超伝導コイルなどのように、液体ヘリウムや液体水素などの冷媒により冷却された状態で運転されるときの操業温度を意味する。

本明細書において、「極低温用鋼」（母材相当部分）とは、上記の極低温域で用いられる鋼を意味する。本発明では、後に詳述するように、上記極低温用鋼を溶接する際に用いられる溶接材料の組成を特定したところに特徴があり、当該極低温用鋼については、通常用いられるものであれば特に限定する趣旨ではない。具体的には、例えば、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌなどのオーステナイトステンレス鋼（オーステナイト組織を有するステンレス鋼）、インコネル合金（商標）、高Ｍｎ鋼、析出強化非磁性鋼などを使用することができるが、特に、オーステナイトステンレス鋼が好ましく用いられる。

本明細書において、「溶接材料」とは、溶接に用いられる材料であり、具体的には、溶接ワイヤ、ロッドなどを意味する。

本明細書において、「再熱部における耐延性低下割れ性に優れた」（単に「高温延性に優れた」と略記する場合がある。）とは、後記する実施例に記載の条件で、１０００℃の高温引張試験を行ったとき、溶接金属の真ひずみが０．３０以上であり、且つ、後記する実施例に記載の条件で耐割れ性を測定したとき、割れが０個のものを意味する。

以下、本発明に係る溶接材料の成分について説明する。

上記溶接材料は、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：８．０〜１８．０％、Ｎｉ：１２．５〜２０．０％、Ｃｒ：１０．０〜１４．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ｎ：０．２０％以下、Ｓ：０．００５％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる溶接材料であって、Ｐを０．０１０〜０．０４０％、またはＢを０．００１〜０．０２％の範囲で含有するところに特徴がある。ここで、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ｓの各元素の含有量は、基本的には、前述した特許文献１に記載の溶接材料と同じである。本発明では、上記特許文献１では意図していなかった「再熱部における耐延性低下割れ性」の向上（詳細には、溶接施行効率向上のための、所定溶接条件下における上記特性の向上）の観点から、不純物であるＰおよびＢのいずれか一方を、所定範囲で積極的に添加させたところに最大の特徴がある。

まず、前提部分となるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎ、Ｓについて説明する。

Ｃ：０．０８％以下（０％を含まない）
Ｃは、γ（オーステナイト）形成元素であり、生地（マトリックス）の強化元素としても有効な元素である。このような作用を有効に発揮させるためには、Ｃを０．００５％以上含有することが好ましい。但し、Ｃ量が０．０８％を超えると靱性を阻害するため、その上限を０．０８％とする。Ｃ量の好ましい上限は０．０５％以下である。

Ｓｉ：２．０％以下（０％を含まない）
Ｓｉは、脱酸元素として有効であり、このような作用を有効に発揮させるためには、Ｓｉを、０．１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．４０％以上である。但し、Ｓｉ量が２．０％を超えると、δフェライトやσ相の生成により靱性が阻害されるため、その上限を２．０％とする。Ｓｉ量の好ましい上限は１．０％以下である。

Ｍｎ：８．０〜１８．０％
Ｍｎは、γ形成元素として有効であり、また主要強化元素であるＮの溶解度を上昇させて、Ｎによるブローホールの発生を防止する効果もある。また、Ｍｎは脱酸元素として有効であり、このような作用を有効に発揮させるため、Ｍｎを８．０％以上含有する。好ましくは９．５％以上である。但し、Ｍｎ量が１８．０％を超えると脆化相の析出により延性や靭性が阻害されるため、その上限を１８．０％とする。Ｍｎの好ましい上限は１５．０％以下である。

Ｎｉ：１２．５〜２０．０％
Ｎｉは、γ形成およびγ安定化元素として重要な元素であり、特にγの安定化という観点から、強力なγ形成およびγ安定化元素であるＮ（後記する。）を補完するため、一般の極低温用鋼に比べて多めに含有させる。また、凝固過程や冷却過程でδフェライトの生成を抑制し、あるいはδフェライトが凝固しても速やかにγ組織に変態させ、靭性を向上させる元素である。更に、上記のγ組織はＮ固溶度が高く、また、凝固過程や冷却過程でＮ固溶度の低いδフェライトの生成が抑制されているため、Ｎによる溶接時のブローホールの発生が有効に防止される。特にＮｉは、前述したＣ、Ｍｎ、Ｎｉ、後記するＮなどのγ安定化元素と比べて、耐食性や靭性などへの悪影響が殆どなく、本発明のように多く含有させることによってγ形成およびγ安定化による低透磁率の達成と共に、Ｎによるブローホールの防止効果が有効に得られる。これらの作用を有効に発揮させるため、Ｎｉを１２．５％以上含有する。好ましくは１３．５％以上である。但し、Ｎｉ量が２０．０％を超えても上記効果は飽和し、Ｎｉは高価な元素であるため経済的に無駄であることから、上限を２０．０％とする。Ｎｉの好ましい上限は１５．０％以下である。

Ｃｒ：１０．０〜１４．０％
Ｃｒは、耐食性および耐銹性の向上に寄与する元素である。また、主要強化元素であるＮの溶解度を高める効果もある。このような作用を有効に発揮させるため、Ｃｒを１０．０％以上含有する。好ましくは１１．０％以上である。但し、Ｃｒ量が１４．０％を超えると、δフェライトの生成を促して靱性が損なわれるため、その上限を１４．０％とする。Ｃｒの好ましい上限は１３．０％以下である。

Ｍｏ：２．０〜７．０％
Ｍｏは、後記するＮと同様、強化元素であり、Ｎの溶解度を高める元素でもある。更に、高温延性を改善する効果があり、耐延性低下割れ性を向上する効果がある。これらの作用を有効に発揮させるため、Ｍｏを２．０％以上含有する。好ましくは４．０％以上である。但し、Ｍｏ量が７．０％を超えると、δフェライトの生成を促すと共に脆化相の析出により靱性が阻害されるため、その上限を７．０％とする。Ｍｏの好ましい上限は６．０％以下である。

Ｎ：０．２０％以下（０％を含まない）
Ｎは、Ｃと同様、強力なγ形成およびγ安定化元素であり、生地（マトリックス）の強化元素としても有効である。また靱性への悪影響もＣより少ない。このような作用を有効に発揮させるためには、Ｎを０．０３％以上含有することが好ましく、より好ましくは０．１０％以上である。但し、Ｎ量が０．２０％を超えると、溶接時にブローホールが発生し、溶接欠陥の原因となるため、その上限を０．２０％とする。Ｎの好ましい上限は０．１５％以下である。

Ｓ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｓは、前述した非特許文献１に記載されているように、粒界偏析により再熱部における耐延性低下割れ性を悪化させる元素であるため、その上限を０．００５％以下とする。Ｓ量は少ない程良く、好ましくは０．００４５％以下であり、より好ましくは０．００４０％以下である。

本発明の溶接材料は、上記の成分を含有することを前提にして、不純物元素であるＰおよびＢについて、（１）Ｐを０．０１０〜０．０４０％の範囲で含有するか（この場合、Ｂは不純物元素として含まれ得る）、または（２）Ｂを０．００１〜０．０２％の範囲で含有する（この場合、Ｐは不可避的不純物として含まれ得る）ところに特徴がある。これらのＰおよびＢは、いずれも、Ｓと同じ侵入型元素であり、これらのうちいずれか一方の元素を、上記範囲で積極的に添加することにより、ＰまたはＢを添加しない場合に比べ、再熱部における耐延性低下割れ性が向上し、好ましくは、上記のような溶接施行効率の高い溶接条件で溶接したとしても、上記特性が発揮されることが判明した（後記する実施例を参照）。これは、ＰまたはＢが、Ｓと結晶粒界に偏析する場所が共通であり、ＰまたはＢが結晶粒界に偏析する分だけＳの結晶粒界への偏析が抑制される、所謂、サイトコンペティション効果が、延性低下割れが発生するような高温の温度域でも起きており、その結果として、特に延性低下割れが発生する１０００℃の高温延性を改善させ、耐延性低下割れ性を向上させたのではないかと推察される。ＰおよびＢが、延性低下割れが発生するような高温の温度域での高温延性改善効果を発揮することは、これまで知られておらず、上述のような新たな高温延性改善方法を見出したことに本発明の特徴がある。よって、従来技術では達成困難であった、再熱部における耐延性低下割れ性の向上が可能となるものである。

以下、（１）Ｐを０．０１０〜０．０４０％含有する態様（この場合、Ｂは不純物元素として含まれ得る）、または（２）Ｂを０．００１〜０．０２％含有する態様（この場合、Ｐは不可避的不純物として含まれ得る）について説明する。本明細書では、説明の便宜上、上記（１）の態様を「Ｐ添加発明」、上記（２）の態様を「Ｂ添加発明」と呼ぶ場合がある。

（１）Ｐを０．０１０〜０．０４０％含有する「Ｐ添加発明」について（この場合、Ｂは不純物元素として含まれ得る）
上述したようにＰは、再熱部における耐延性低下割れ性向上作用（高温延性改善作用）に大きく寄与する元素であり、このような作用を有効に発揮させるため、その下限を０．０１０％以上とする。後記する実施例に示すように、Ｐ量を０．０１０％以上とすることにより、高温延性の指標である真ひずみが０．３０以上となり、割れも抑えられて、所望の特性が発揮される。好ましくは、Ｐ量を０．０１５％以上とする。上記作用は、Ｐ量の増加につれ、ほぼ比例的に向上する傾向にあるが、Ｐ量が過剰になると、本発明の分野においても高温凝固割れが生じる恐れがあるため、その上限を０．０４０％以下とする。好ましくは、Ｐ量を０．０３０％以下とする。好ましいＰ量の範囲は、高温延性改善作用および高温凝固割れの発生防止とのバランスを考慮し、適切に定めることが好ましい。

Ｐについて、従来の位置づけを説明すると、例えば前述した特許文献１には「高温割れが生じ、溶接欠陥の原因となるため、その上限を０．００５％以下とすることが好ましい」と記載されているように、これまでは、高温凝固割れを起こすためにその量を極力減らす方向で制御されていたのが実情である。これに対し、本発明者らの検討結果によれば、Ｐは高温延性改善元素として有用であり、このような作用は、従来の不純物レベルを超える、０．０１０％以上を添加して有効に発揮されることが、はじめて明らかになった。

なお、Ｐ量を、従来に比べて多くすると、一般には高温凝固割れが懸念されるところであるが、前述したように、本発明のように大型の超伝導コイルなどの特殊用途に用いられる極低温用鋼用溶接材料では高速溶接は適用されないため、高温凝固割れは発生し難い。

Ｐを上記範囲で含有する上記（１）のＰ添加発明では、Ｂは不純物元素として含まれ得るため、後記する（２）のＢ添加発明のようにＢを０．００１％以上の範囲で積極的に含有することはない。具体的には、上記（１）では、Ｂは、おおむね、０．０００５％以下で含まれ得る。

上記（１）のＰ添加発明では、上記の成分を含み、残部：鉄および不可避的不純物である。不可避的不純物としては、製造上不可避的に混入し得る不純物が挙げられ、例えば、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｏなどが例示される。

（２）Ｂを０．００１〜０．０２％含有する「Ｂ添加発明」（この場合、Ｐは不可避的不純物として含まれ得る）
ＢもＰと同様、再熱部における耐延性低下割れ性向上作用（高温延性改善作用）に大きく寄与する元素であり、このような作用を有効に発揮させるため、その下限を０．００１％以上とする。後記する実施例に示すように、Ｂ量を０．００１％以上とすることにより、高温延性の指標である真ひずみが０．３０以上となり、割れも抑えられて、所望の特性が発揮される。好ましくは、Ｂ量を０．００２％以上とする。上記作用は、Ｂ量の増加につれ、ほぼ比例的に向上する傾向にあるが、Ｂ量が過剰になると、本発明の分野においても、高温凝固割れが生じる恐れがあるため、その上限を０．０２％以下とする。好ましくは、Ｂ量を０．００５％以下とする。好ましいＢ量の範囲は、高温延性改善作用および高温凝固割れの発生防止とのバランスを考慮し、適切に定めることが好ましい。

Ｂについて、従来の位置づけを説明すると、Ｐと同様、これまでは、高温凝固割れを起こすためにその量を極力減らす方向で制御されていたのが実情である。これに対し、本発明者らの検討結果によれば、Ｂは高温延性改善元素として有用であり、このような作用は、従来の不純物レベルを超える、０．００１％以上を添加して有効に発揮されることが、はじめて明らかになった。

なお、Ｂ量を、従来に比べて多くすると、一般には高温凝固割れが懸念されるところであるが、前述したように、本発明のように大型の超伝導コイルなどの特殊用途に用いられる極低温用鋼用溶接材料では高速溶接は適用されないため、高温凝固割れは発生し難い。

Ｂを上記範囲で含有する上記（２）のＢ添加鋼では、Ｐは不純物元素として含まれ得るため、前述した（１）のＰ添加発明のようにＰを０．０１０％以上の範囲で積極的に含有することはない。具体的には、上記（２）では、Ｐは、おおむね、０．００５％以下で含まれ得る。

上記（２）のＢ添加発明では、上記の成分を含み、残部：鉄および不可避的不純物である。不可避的不純物としては、製造上不可避的に混入し得る不純物が挙げられ、例えば、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｏなどが例示される。

次に、本発明において好ましく用いられる溶接条件について説明する。前述したように、近年、溶接施行効率の向上、機械的構造物の強度向上などに対する要請が益々強くなっており、このような要請に応えるため、狭開先化、母材の厚肉化、溶接施行条件の１層当たりのパス低減などが推奨されるが、このような過酷な溶接方法を採用したとしても、本発明の溶接材料を用いれば、延性低下割れを抑えることができる点で、極めて有用である（後記する実施例を参照）。

（開先角度）
開先角度を小さくすると溶着量を少なくできることから、コストを低減でき、溶接施行効率が向上する。２０ｍｍ厚程度の一般的な溶接継手の場合、開先角度は、おおむね、２０〜５０°であるのに対し、本発明のように極厚板の狭開先施工（０〜１０°）を対象にし、非常に狭いものとなっている。そのため、溶接金属に働く引張応力も高く、延性低下割れが極めて発生し易い溶接施工条件であるといえるが、本発明の溶接材料を用いれば、このような過酷な溶接施工条件下であっても、延性低下割れを抑えることができた点で、極めて有用である。

（その他の溶接施行条件）
更に本発明では、上記の狭開先部分を１層１パスで溶接施工することを推奨しており、非常に拘束が厳しいものである。更に本発明では、母材の厚みに関し、機械的構造物の強度を確保するという要請に応えるため、延性低下割れが無く溶接できる母材の最大厚みを２６０ｍｍに設定することを推奨しており、前述した特許文献１の実施例の母材厚み（２００ｍｍ）に比べ、約３０％程度厚みが増加している。本発明の溶接材料を用いれば、このような過酷な溶接施工条件下であっても、延性低下割れを抑えることができた点で、極めて有用である。

本発明における上記以外の溶接条件は特に限定されず、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、電子ビーム溶接、レーザー溶接などが用いられる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（耐割れ性の評価方法）
母材として、表１に示すＳＵＳ３１６ＬＮを用意し、図１に示すような溝部を有するように加工した後、拘束用鋼板（ＳＭ４９０Ａ）の上に母材を重ね合わせ、互いが接する全周囲を予め拘束溶接した。

また、溶接材料として、表２に示す成分の溶接ワイヤ（直径１．２ｍｍ、残部：鉄および不可避的不純物）を用意した。

上記溶接ワイヤを用い、上記母材の溝部を１層１パスで８層肉盛溶接した。詳細な溶接施行条件は以下のとおりである。
溶接法：ＴＩＧ溶接
溶接電流：２４０Ａ
アーク電圧：１２Ｖ
溶接速度：８ｃｍ／ｍｉｎ
ワイヤ供給速度：１８ｇ／ｍｉｎ
運棒：ウィービング
パス間温度：１００〜１５０℃
シールドガス：Ａｒ
開先角度：１０°

このようにして得られた溶接試験体を用い、以下のようにして、耐割れ性を評価した。

１２５ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍ（溶接線方向長さが１０ｍｍ）の曲げ試験用の試験片を１０本作製し、曲げ半径：５０ｍｍで側曲げ割れ試験をそれぞれ、実施し、浸透探傷試験により割れの有無を測定した。本実施例では、試験片全ての割れ数を測定し、以下の基準で耐割れ性を評価し、○を合格（耐割れ性に優れる）と評価した。
○：割れ個数ゼロ
△：殆ど割れは無いが数個の割れが発生する
×：数十個の割れが発生する

（高温延性の評価方法）
母材として、ＳＭ４９０Ａを用意し、溶接材料として、表２に示す成分の溶接ワイヤを用いて図２に示すような１層２パスで５層肉盛溶接した。詳細な溶接施行条件は以下のとおりである。
溶接法：ＴＩＧ溶接
溶接電流：２００Ａ
アーク電圧：１２Ｖ
溶接速度：８ｃｍ／ｍｉｎ
ワイヤ供給速度：１０ｇ／ｍｉｎ
運棒：ウィービング
パス間温度：１００〜１５０℃
シールドガス：Ａｒ
開先角度：２０°

このようにして得られた溶接試験体の溶接金属中央部（図２中、「引張試験片切出し位置を参照」）から図３に示す高温延性測定用試験片を採取した。引張試験前の平行部（図３中、１２ｍｍの部分）の直径を２箇所測定し、その平均値をＤ₀とする。

次に、以下の引張試験条件にて、１０００℃で高温引張試験を行った。
引張速度：３ｍｍ／ｍｉｎ（ひずみ速度：０．０５ｓ^-1）、
雰囲気：Ａｒ

上記引張試験の後、破断時のくびれ部（図３中、１２ｍｍの部分）の直径を２箇所測定し、その平均値をＤとする。そして真ひずみを、２×ｌｎ（Ｄ₀／Ｄ）に基づいて算出した。本実施例では、上記のようにして得られた真ひずみが０．３０以上のものを、高温延性に優れると評価した。

本実施例では、上記のようにして測定される耐割れ性について割れの個数が０であり、且つ、上記のようにして測定される高温延性について真ひずみが０．３０以上のものを、「再熱部に発生する延性低下割れに優れる」と評価した。

これらの結果を表２に併記する。表２の「Ｂ」欄における「−」は、検出限界未満（すなわち、不純物レベル）を意味する。

表より、以下のように考察することができる。

Ｎｏ．３および４は、Ｐを本発明の範囲内で含有したＰ添加発明の例であり、耐割れ性に優れており、且つ、破断時の真ひずみも０．３０以上と、高温延性も良好であった。よって、本発明例では、再熱部に発生する延性低下割れに優れることが確認された。

また、Ｎｏ．５は、Ｂを本発明の範囲内で含有したＢ添加発明の例であり、耐割れ性に優れており、且つ、破断時の真ひずみも０．３０以上と、高温延性も良好であった。

これに対し、Ｎｏ．１および２は、ＰもＢも、本発明の範囲内で含まない（すなわち、ＰおよびＢは、いずれも、ほぼ不純物レベルである）比較例であり、Ｎｏ．１は、更にＣ量も多い比較例であるが、いずれも、割れの数が多くなり、且つ、真ひずみも小さくなって高温延性も低下した。

同様にＮｏ．６は、ＰおよびＢを本発明の範囲内で含まず、且つ、Ｍｏ量も少ない比較例であるが、割れの数が多くなり、且つ、Ｍｏが少ないため、真ひずみも著しく小さくなって高温延性も低下した。

なお、上記表には示していないが、本発明の要件を満足する上記Ｎｏ．３〜５のＰ添加発明およびＢ添加発明は、いずれも、溶接金属部における極低温（４Ｋ）時の機械的特性（０．２％耐力、破壊靭性値など）、および室温時の非磁性特性も良好であることを確認している。

Claims

質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：８．０〜１８．０％、Ｎｉ：１２．５〜２０．０％、Ｃｒ：１０．０〜１４．０％、Ｍｏ：２．０〜７．０％、Ｎ：０．２０％以下、Ｓ：０．００５％以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる溶接材料であって、
Ｐを０．０１０〜０．０４０％、または
Ｂを０．００１〜０．０２％
の範囲で含有することを特徴とする、再熱部における耐延性低下割れ性に優れた極低温用鋼用溶接材料。