JP5850203B1 - 溶接継手及び溶接継手の製造方法 - Google Patents

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Abstract

高強度と優れた耐水素脆化特性とを有する溶接継手を提供する。溶接継手は、溶接材料を用いて母材を溶接した溶接継手である。母材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：２．５〜６．５％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｃｒ：１９〜２５％、Ｍｏ：０．０１〜４．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ａｌ：０．０５％未満、Ｎ：０．１５〜０．４５％、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０４％以下、残部：鉄及び不純物であり、式（１）を満たす。溶接材料の化学組成は、式（１）及び式（２）を満たす。Ｎｉ＋０．６５Ｃｒ＋０．９８Ｍｏ＋１．０５Ｍｎ＋０．３５Ｓｉ＋１２．６Ｃ≧２９・・・（１）０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ≦−１．０・・・（２）

Description

本発明は、溶接継手及び溶接継手の製造方法に関し、より詳しくは、オーステナイト鋼溶接継手及びオーステナイト鋼溶接継手の製造方法に関する。
近年、水素、天然ガス等をエネルギーとして利用する輸送機器の実用化研究が進められている。その実用化に際しては、これらのガスを高圧で貯蔵及び輸送できる使用環境の整備が併せて必要である。そこに使用される引張強さ８００ＭＰａを上回るような高強度材料の開発及び適用検討が並行して進められている。
国際公開第２００４／０８３４７６号、国際公開第２００４／０８３４７７号、及び国際公開第２００４／１１０６９５号には、高Ｍｎ化することでＮの溶解度を高め、かつＶを含有させることにより、あるいはＶとＮｂとを複合して含有させることにより、Ｎの固溶強化及び窒化物の析出強化を活用し、高強度化を試みたオーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
高強度オーステナイト系鋼を構造物として使用する場合、溶接による組み立てが必要である。使用性能の観点からは、溶接部も母材と同等の強度を有することが要求される。国際公開第２００４／１１０６９５号、特開平５−１９２７８５号公報、及び特開２０１０−２２７９４９号公報には、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｂを積極的に活用することにより、８００ＭＰａを超える引張強さを有する溶接材料及び溶接金属が提案されている。
これらの溶接材料及びその溶接材料を使用して得られた溶接金属は、いずれも高強度化のため溶接後熱処理を必要とする。長時間の溶接後熱処理は、製造の制約になるとともに、製造コストの増大を招く場合がある。
国際公開第２０１３／００５５７０号には、溶接金属に対してＮによる固溶強化を活用することにより、溶接後熱処理を行うことなく、高強度及び優れた耐水素脆化特性を備えるオーステナイト鋼溶接継手が提案されている。
上記の国際公開第２０１３／００５５７０号に記載されたオーステナイト鋼溶接継手は、０．１５〜０．３５％のＮを含有する溶接材料を用いて溶接することで、溶接金属に０．１５〜０．３５％のＮを含有させる。そのため、このオーステナイト鋼溶接継手では、使用できる溶接材料が制約される。このオーステナイト鋼溶接継手は、多量のＮを含有する溶接材料を用いるため、製造性が悪く、溶接の条件によってはブローホール等の溶接欠陥が生じる場合がある。
また、多量のＮを含有する溶接材料を用いた場合であっても、溶接施工時にＮが溶接金属から離脱する場合がある。Ｎによる固溶強化を活用するためには、溶接金属にＮを留まらせる必要がある。従来の溶接継手では、広い溶接条件において、安定的に溶接金属中のＮ含有量を確保することが困難である。
また、高圧水素用として使用される溶接継手は、優れた耐水素脆化特性が要求される。
本発明の目的は、高強度と優れた耐水素脆化特性とを有する溶接継手を提供することである。
本発明による溶接継手は、溶接材料を用いて母材を溶接した溶接継手である。母材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：１．２％以下、Ｍｎ：２．５〜６．５％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｃｒ：１９〜２５％、Ｍｏ：０．０１〜４．５％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．５％、Ａｌ：０．０５％未満、Ｎ：０．１５〜０．４５％、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０４％以下、残部：鉄及び不純物である。溶接材料の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．７％以下、Ｍｎ：０．５〜３％、Ｎｉ：８〜２３％、Ｃｒ：１７〜２５％、Ｍｏ：０．０１〜４％、Ｖ：０〜０．５％、Ｎｂ：０〜０．５％、Ａｌ：０．０５％未満、Ｎ：０．１５％未満、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０２％以下、残部：鉄及び不純物である。母材の化学組成が、式（１）を満たす。溶接材料の化学組成が、式（１）及び式（２）を満たす。
Ｎｉ＋０．６５Ｃｒ＋０．９８Ｍｏ＋１．０５Ｍｎ＋０．３５Ｓｉ＋１２．６Ｃ≧２９・・・（１）
０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ≦−１．０・・・（２）
ここで、式（１）及び式（２）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
本発明によれば、高強度と優れた耐水素脆化特性とを有する溶接継手が得られる。
本発明者らは、溶接後熱処理を行うことなく、また、多量のＮを含有する溶接材料を用いることなく、高強度と優れた耐水素脆化特性とを有する溶接継手を得るための条件を検討した。その結果、下記の（ａ）〜（ｃ）が明らかになった。
（ａ）溶接金属のオーステナイト相が不安定な場合、溶接残留歪及びその後の加工によって、溶接金属のオーステナイト相がマルテンサイト化する。そのため、溶接金属の耐水素脆化特性が低下する。したがって、溶接金属の化学組成を調整してオーステナイト相を安定化すれば、溶接金属の耐水素脆化特性を向上できる。具体的には、溶接金属が、下記の式（１）を満たすようにすれば良い。溶接金属の化学組成が式（１）を満たすためには、母材及び溶接材料の化学組成の両方が、式（１）を満たしていれば良い。
Ｎｉ＋０．６５Ｃｒ＋０．９８Ｍｏ＋１．０５Ｍｎ＋０．３５Ｓｉ＋１２．６Ｃ≧２９・・・（１）
ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
（ｂ）母材と同等の強度を有する溶接継手を得るためには、溶接金属中に多くのＮを固溶させて、Ｎによる固溶強化を活用することが有効である。そのためには、溶接材料の化学組成が、式（２）を満たすようにすれば良い。溶接材料の化学組成が式（２）を満たせば、溶接材料のＮ含有量が０．１５質量％未満であっても、溶接金属中に多くのＮを固溶させることができる。
０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ≦−１．０・・・（２）
ここで、式（２）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
（ｃ）溶接継手の外表面に形成される余盛高さ（表面余盛高さ）を、溶接材料の化学組成に応じて調整することで、より高い引張強さが得られる。具体的には、表面余盛高さｈ（ｍｍ）が、式（３）を満たすようにすれば良い。
１．９×（０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ）＋３≦ｈ・・・（３）
ここで、式（３）の各元素記号には、溶接材料における対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
以上の知見に基づいて、本発明による溶接継手は完成された。以下、本発明の一実施形態による溶接継手を詳細に説明する。なお、以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。
本実施形態による溶接継手は、溶接材料で母材を溶接したものである。溶接継手は、母材と、溶接金属とを備える。溶接金属は、母材の一部と溶接材料とが溶融及び凝固して形成される。溶接継手は例えば、鋼管同士又は鋼板同士を互いの端部で溶接したものである。
［化学組成］
母材及び溶接材料は、以下の化学組成を備えている。
Ｃ：０．００５〜０．１％（母材及び溶接材料）
炭素（Ｃ）は、オーステナイトを安定化する。一方、Ｃが過剰に含有されると、溶接時の熱によって粒界に炭化物が形成されやすくなり、耐食性及び靱性が低下する。したがって、Ｃ含有量は、母材及び溶接材料の両方において０．００５〜０．１％である。Ｃ含有量の好ましい下限は０．００８％である。Ｃ含有量の好ましい上限は０．０８％である。
Ｓｉ：１．２％以下（母材）、０．７％以下（溶接材料）
珪素（Ｓｉ）は、鋼を脱酸する。Ｓｉはまた、鋼の耐食性を向上させる。しかし、Ｓｉが過剰に含有されると、鋼の靱性が低下する。したがって、母材のＳｉ含有量は、１．２％以下である。母材のＳｉ含有量の好ましい上限は、１．０％である。
溶接材料が溶融して形成される溶接金属にＳｉが過剰に含有されると、上記に加えて、凝固時に柱状晶境界に偏析して液相の融点が下がり、凝固割れ感受性が高くなる。そのため、溶接材料のＳｉ含有量の上限は、母材の場合よりも低くする。したがって、溶接材料のＳｉ含有量は、０．７％以下である。溶接材料のＳｉ含有量の好ましい上限は、０．６％である。Ｓｉの含有量は、特に下限を設ける必要はないが、極端な低下は脱酸効果が十分に得られず、鋼の清浄度が大きくなって清浄性を劣化させるとともに、コストが増大する。したがって、望ましいＳｉの下限は母材、溶接材料ともに０．０１％である。
Ｍｎ：２．５〜６．５％（母材）、０．５〜３％（溶接材料）
マンガン（Ｍｎ）は、鋼を脱酸する。Ｍｎはまた、オーステナイト相を安定化する。Ｍｎはさらに、母材製造時及び溶接時に、溶融金属へのＮの溶解度を大きくして、溶融金属の強度を高めるのに間接的に寄与する。一方、Ｍｎが過剰に含有されると、鋼の延性が低下する。したがって、母材のＭｎ含有量は２．５〜６．５％である。母材のＭｎ含有量の好ましい下限は２．７％である。母材のＭｎ含有量の好ましい上限は６％である。
溶接材料が溶融して形成される溶融金属では、母材の製造時に比べて凝固速度が速く、凝固過程でのＮの減少が少ない。そのため、溶接材料のＭｎ含有量の下限は、母材の場合よりも小さくできる。一方、溶接材料の場合、延性の低下によって細線への加工が困難となるため、溶接材料のＭｎ含有量の上限は、母材の場合よりも小さくなる。したがって、溶接材料のＭｎ含有量は、０．５〜３％である。溶接材料のＭｎ含有量の好ましい下限は、０．７％である。溶接材料のＭｎ含有量の好ましい上限は、２．５％である。
Ｎｉ：８〜１５％（母材）、８〜２３％（溶接材料）
ニッケル（Ｎｉ）は、オーステナイト相を安定化する。その効果を安定に得るためには８％以上含有する必要がある。しかし、Ｎｉ量が過剰になると母材製造時に、溶接金属へのＮの溶解度が小さくなる。さらに、Ｎｉは高価な元素であるため、過剰に含有されると、コストが増大する。したがって、母材のＮｉ含有量の上限は１５％である。さらに、母材のＮｉ含有量の好ましい下限は、９％である。母材のＮｉ含有量の好ましい上限は、１４．５％である。
溶接金属においても、Ｎｉはオーステナイト相を安定化する。その効果を安定に得るためには、溶接材料のＮｉ含有量を８％以上とする必要がある。しかし、Ｎｉが過剰に含有されると溶接金属へのＮの溶解度が小さくなる。さらに、Ｎｉは高価な元素であるため、過剰に含有されると、小規模製造の溶接材料においてもコストが増大する。そのため、溶接材料におけるＮｉの上限は２３％とする。溶接材料のＮｉ含有量の好ましい下限は、９％である。溶接材料のＮｉ含有量の好ましい上限は、２２．５％である。
Ｃｒ：１９〜２５％（母材）、１７〜２５％（溶接材料）
クロム（Ｃｒ）は、鋼の耐食性を高める。Ｃｒはさらに、母材製造時及び溶接時に、溶融金属へのＮの溶解度を大きくして、溶融金属の強度を高めるのに間接的に寄与する。一方、Ｃｒが過剰に含有されると、延性及び靱性を低下させる粗大なＭ２３Ｃ６等の炭化物が多量に生成しやすくなる。また、Ｃｒが過剰に含有されると、溶接ガス環境によっては鋼を脆化させる。したがって、母材のＣｒ含有量は、１９〜２５％である。母材のＣｒ含有量の好ましい下限は、１９．２％である。母材のＣｒ含有量の好ましい上限は、２４．５％である。
溶接材料が溶融して形成される溶融金属では、母材の製造時に比べて凝固速度が速く、凝固過程でのＮの減少が少ない。そのため、溶接材料のＣｒ含有量の下限は、母材の場合よりも小さくできる。したがって、溶接材料のＣｒ含有量は、１７〜２５％である。溶接材料のＣｒ含有量の好ましい下限は、１８．２％である。溶接材料のＣｒ含有量の好ましい上限は、２４．５％である。
Ｍｏ：０．０１〜４．５％（母材）、０．０１〜４％（溶接材料）
モリブデン（Ｍｏ）は、マトリックスに固溶して、又は炭窒化物として析出して、鋼の強度を高める。Ｍｏはまた、鋼の耐食性を高める。一方、Ｍｏが過剰に含有されると、コストが増大する。また、過剰に添加しても、その効果は飽和する。したがって、母材のＭｏ含有量は０．０１〜４．５％である。母材のＭｏ含有量の好ましい下限値は、０．０３％である。母材のＭｏ含有量の好ましい上限値は、４％である。
溶接材料が溶融して形成される溶接金属では、母材の製造時に比べて凝固速度が速く、凝固過程でのＮの減少が少ない。そのため、溶接材料のＭｏ含有量の上限は、母材の場合よりも小さくする。したがって、溶接材料のＭｏ含有量は０．０１〜４％である。溶接材料のＭｏ含有量の好ましい下限値は、０．０３％である。溶接材料のＭｏ含有量の好ましい上限値は、３．８％である。
Ｖ：０．０１〜０．５％（母材）、０〜０．５％（溶接材料）
バナジウム（Ｖ）は、マトリックスに固溶して、又は炭化物として析出して、鋼の強度を高める。一方、Ｖが過剰に含有されると、炭化物が多量に析出して、鋼の延性が低下する。したがって、母材のＶ含有量は０．０１〜０．５％である。母材のＶ含有量の好ましい上限は、０．４％である。
バナジウム（Ｖ）は、溶接材料には添加されなくても良い。すなわち、溶接材料においてＶは任意元素である。溶接材料がＶを含有すれば、溶接金属の強度を高めることができる。したがって、溶接材料のＶ含有量は、０〜０．５％である。Ｖを添加する場合、溶接材料のＶ含有量の好ましい下限は、０．０１％である。溶接材料のＶ含有量の好ましい上限は、０．４％である。
Ｎｂ：０．０１〜０．５％（母材）、０〜０．５％（溶接材料）
ニオブ（Ｎｂ）は、マトリックスに固溶して、又は炭窒化物として析出して、鋼の強度を高める。一方、Ｖが過剰に含有されると、炭窒化物が多量に析出して、鋼の延性が低下する。したがって、母材のＮｂ含有量は０．０１〜０．５％である。母材のＮｂ含有量の好ましい上限は、０．４％である。
ニオブ（Ｎｂ）は、溶接材料には添加されなくても良い。すなわち、溶接材料においてＮｂは任意元素である。溶接材料がＮｂを含有すれば、溶接金属の強度を高めることができる。したがって、溶接材料のＮｂ含有量は、０〜０．５％である。Ｎｂを添加する場合、溶接材料のＮｂ含有量の好ましい下限は、０．０１％である。溶接材料のＮｂ含有量の好ましい上限は、０．４％である。
Ａｌ：０．０５％未満（母材及び溶接材料）
アルミニウム（Ａｌ）は、鋼を脱酸する。一方、Ａｌが過剰に含有されると、窒化物が多量に析出して、鋼の延性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、母材及び溶接材料の両方において０．０５％未満である。Ａｌ含有量の好ましい上限は、０．０４％である。なお、Ａｌ含有量は少ないほど良い。ただし、Ａｌを極端に低減すると脱酸効果が十分に得られない。また、Ａｌを極端に低減すると、鋼の清浄度が大きくなる。また、Ａｌを極端に低減するとコストが増大する。そのため、Ａｌ含有量の好ましい下限は、０．０００１％である。
Ｎ：０．１５〜０．４５％（母材）、０．１５％未満（溶接材料）
Ｎは、マトリックスに固溶して、又は微細な窒化物を形成して、鋼の強度を高める。一方、Ｎが過剰に含有されると、鋼の熱間加工性が低下する。したがって、母材のＮ含有量は、０．１５〜０．４５％である。母材のＮ含有量の好ましい下限は、０．１６％である。母材のＮ含有量の好ましい上限は、０．４２％である。
溶接材料が溶融して形成される溶接金属では、過剰なＮは溶接中に溶融池に溶解できず、ブローホール及び／又はピットの原因となる。したがって、溶接材料のＮ含有量は、０．１５％未満である。溶接材料のＮ含有量の好ましい下限は、０．０１％である。溶接材料のＮ含有量の好ましい上限は、０．１３％である。
母材及び溶接金属の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。不純物は、鋼の原料として利用される鉱石やスクラップから混入する元素、又は、製造工程の種々の要因によって混入する元素を意味する。本実施形態では、不純物のうち、Ｏ、Ｐ、及びＳの含有量をそれぞれ、次の範囲に制限する。
Ｏ：０．０２％（母材及び溶接材料）
酸素（Ｏ）は、不純物である。Ｏが過剰に含有されると、母材及び溶接材料を製造する際の熱間加工性が低下する。さらに、Ｏが過剰に含有されると、溶接金属の靱性及び延性が低下する。したがって、Ｏ含有量は、母材及び溶接材料の両方において、０．０２％以下である。Ｏ含有量の好ましい上限は、０．０１％である。
Ｐ：０．０５％以下（母材）、０．０３％以下（溶接材料）
燐（Ｐ）は、不純物である。Ｐが過剰に含有されると、母材及び溶接材料を製造する際の熱間加工性が低下する。したがって、母材のＰ含有量は、０．０５％以下である。母材のＰ含有量の好ましい上限は、０．０３％である。
溶接材料が溶融して形成される溶接金属では、Ｐは凝固時に液相の融点を低下させ、溶接金属の凝固割れ感受性を増加させる。そのため、溶接材料のＰ含有量の上限は、母材の場合よりも小さくする。したがって、溶接材料のＰ含有量は、０．０３％以下である。溶接材料のＰ含有量の好ましい上限は、０．０２％である。
Ｓ：０．０４％以下（母材）、０．０２％（溶接材料）
硫黄（Ｓ）は、不純物である。Ｓが過剰に含有されると、母材及び溶接材料を製造する際の熱間加工性が低下する。したがって、母材のＰ含有量は、０．０４％以下である。母材のＰ含有量の好ましい上限は、０．０３％である。
溶接材料が溶融して形成される溶接金属では、Ｓは凝固時に液相の融点を低下させ、溶接金属の凝固割れ感受性を増加させる。そのため、溶接材料のＳ含有量の上限は、母材の場合よりも小さくする。したがって、溶接材料のＳ含有量は、０．０２％以下である。溶接材料のＰ含有量の好ましい上限は、０．０１％である。
本実施形態による母材及び溶接材料の化学組成は、さらに、下記の式（１）を満たす。
Ｎｉ＋０．６５Ｃｒ＋０．９８Ｍｏ＋１．０５Ｍｎ＋０．３５Ｓｉ＋１２．６Ｃ≧２９・・・（１）
ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
水素環境中においてオーステナイト相が安定であれば、優れた耐水素脆化特性が得られる。溶接金属は急冷凝固組織であるため、オーステナイト相が不安定になりやすい。既述のように、溶接金属は、母材の一部と溶接材料とが溶融及び凝固して形成される。母材及び溶接材料の両方の化学組成が式（１）を満たせば、溶接金属においてもオーステイト相が安定になる。これによって、溶接継手の耐水素脆化特性が高まる。
式（１）の左辺の値は、好ましくは３２以上であり、より好ましくは３４以上である。
本実施形態による溶接材料の化学組成は、さらに、下記の式（２）を満たす。
０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ≦−１．０・・・（２）
ここで、式（２）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
溶接材料は、溶接時に溶融して溶融金属を形成する。このとき、Ｎが溶接金属から離脱する場合がある。Ｎが溶接金属から離脱すると、固溶強化の効果が得られなくなり、溶接金属の強度が低下する。溶接材料の化学組成が式（２）を満たせば、Ｎの活量が小さくなり、溶接金属からのＮの離脱を低減できる。そのため、溶接材料のＮ含有量が０．１５％未満であっても、溶接金属中に多くのＮを固溶させることができる。
式（２）の左辺の値は、小さいほど良い。式（２）の左辺の値が小さいほど、次に説明する表面余盛高さを低くできる。式（２）の左辺は、好ましくは−１．１以下であり、より好ましくは−１．３以下である。
本実施形態による溶接継手は、表面余盛高さｈ（ｍｍ）が、次の式（３）を満たすことが好ましい。
１．９×（０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ）＋３≦ｈ・・・（３）
ここで、式（３）の各元素記号には、溶接材料における対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
式（３）は、式（２）の左辺の値をＰ２として、次のように表すことができる。すなわち、式（３）は、表面余盛高さｈが溶接材料のＮの活量に応じて調整されることを意味している。
１．９×Ｐ２＋３≦ｈ
表面余盛高さとは、母材の表面から溶接ビードの最も高い位置までの距離（ｍｍ）である。溶接継手の表面余盛高さｈが式（３）を満たせば、より高い引張強さを有する溶接継手が得られる。より具体的には、母材の引張強さと同等の引張強さを有する溶接継手が得られる。
［製造方法］
まず、母材を製造方法の一例を説明する。上述した母材の化学組成を有する鋼を溶製する。溶製は、電気炉で行っても良いし、Ａｒ−Ｏ２混合ガス底吹き脱炭炉（ＡＯＤ炉）で行っても良いし、真空脱炭炉（ＶＯＤ炉）で行っても良い。溶製された鋼を、造塊法によってインゴットにする。あるいは、溶製された鋼を、連続鋳造法によって鋳片にする。
インゴット又は鋳片を用いて母材を製造する。母材は例えば、鋼板又は鋼管である。鋼板は例えば、インゴット又は鋳片に、熱間鍛造、又は熱間圧延等の熱間加工を実施して製造される。鋼管は例えば、インゴット又は鋳片を熱間加工によって丸ビレットを形成し、丸ビレットに穿孔圧延、熱間押出、又は熱間鍛造等の熱間加工を実施して製造される。鋼管はあるいは、鋼板を曲げ加工してオープンパイプを形成し、オープンパイプの長手方向の両端面を溶接して製造される。
母材に対して、熱処理を実施する。具体的には、母材を熱処理炉に収納し、１０００〜１２００℃で均熱する。その後、必要に応じて、冷間圧延及び８００〜１２００℃での２次熱処理を実施する。これによって、８００ＭＰａの引張強さを有する母材が安定的に得られる。
次に、溶接材料の製造方法の一例を説明する。上述した溶接材料の化学組成を有する鋼を溶製する。溶製された鋼を鋳造してインゴットにする。インゴットを熱間加工して溶接材料を製造する。溶接材料は棒状であっても良いし、ブロック状であっても良い。
溶接材料に対しても、母材と同様に熱処理を実施する。その後、必要に応じて、冷間圧延及び８００〜１２５０℃での２次熱処理を実施する。
上記の溶接材料を用いて上記の母材を溶接する。これによって、溶接継手が得られる。溶接方法は例えば、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、及びサブマージ溶接である。溶接時に、母材の一部と溶接材料とが溶融及び凝固して溶接金属が形成される。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されない。
表１に示す化学組成を有する符号Ａの鋼を実験室溶解してインゴットを作製した。作製したインゴットに、熱間鍛造、熱間圧延、及び熱処理を実施して、外径９．５３ｍｍ、板厚２．２ｍｍ、長さ６０ｍｍの鋼管（母材）を作製した。
Figure 0005850203
なお、母材の化学組成を式（１）に代入すると、式（１）の左辺の値は３４になり、式（１）を満たす。
表２に示す化学組成を有する符号Ｒ〜Ｚの鋼を実験室溶解してインゴットを作製した。なお、表２中の「−」は、対応する元素の含有量が不純物レベルであることを示す。インゴットに、熱間鍛造、熱間圧延、１次熱処理、冷間加工、及び２次熱処理を実施して、外径１．２ｍｍの溶接ワイヤ（溶接材料）を作製した。
Figure 0005850203
上記の鋼管の周方向に、開先加工を実施した後、母材及び溶接材料を表３に示す組み合わせで、表面余盛高さを変化させた溶接継手を作製した。溶接継手は、溶接入熱、溶接パス数、及び溶接方向を変化させて作製した。なお、溶接材料供給速度は溶接入熱に合わせて変化させた。
Figure 0005850203
ここで、溶接方向の「水平」、「垂直」とはそれぞれ、ＪＩＳ Ｚ ３００１の「下向き姿勢」、「上向き姿勢」で溶接されたことを指す。具体的には、「水平」とは地面に対して水平に（下向きに）溶接することを指す。水平に溶接する場合、重量に逆らわずに溶接することから、一般的に最も簡易な溶接姿勢（方向）である。一方、「垂直」とは、通常は地面に対して下から上方向に進んで溶接することを指す。垂直に溶接する場合、重力に逆らって溶接することから、溶けている部分がたれることがあるため、溶接が難しくかつ溶接欠陥も発生しやすい。
作製した溶接継手の各々の表面余盛高さを測定した。
作製した溶接継手の各々から溶接部分を含む試験片を採取した。採取した試験片の断面を研磨して光学顕微鏡で観察し、溶接欠陥の有無を調査した。ブローホール等の溶接欠陥がなかったものを合格と判定した。
作製した溶接継手の各々から、溶接金属を平行部中央にもつ管状引張試験片を２つずつ作製し、常温での引張試験に供した。引張試験において、８００ＭＰａ以上の引張強度を示したものを合格と判定した。
作製した溶接継手の各々から、溶接金属を平行部とする管状低歪速度引張試験片を採取した。採取した試験片を、大気中、及び８５ＭＰａの高圧水素環境化における低歪速度引張試験に供した。歪速度は３×１０−５／ｓとした。低歪速度引張試験において、高圧水素環境下での破断絞りと大気中での破断絞りとの比か９０％以上となるものを合格と判定した。
表４に各溶接継手の溶接欠陥の有無、表面余盛高さ測定結果、常温引張試験の結果、及び低歪速度引張試験の結果を示す。
Figure 0005850203
表４の「Ｐ１」の欄には、各溶接継手の溶接材料の化学組成を式（１）に代入したときの式（１）の左辺の値が記載されている。「Ｐ２」の欄には、各溶接継手の溶接材料の化学組成を式（２）に代入したときの式（２）の左辺の値が記載されている。「Ｐ３」の欄には、各溶接継手の溶接材料の化学組成を式（３）に代入したときの式（３）の左辺の値が記載されている。
表４の「溶接欠陥」の欄には、溶接欠陥の有無が記載されている。「○」は、溶接欠陥がなかったことを示す。「×」は、ブローホールが発生していたことを示す。
表４の「余盛高さ」の欄には、各溶接継手の表面余盛高さ（ｍｍ）が記載されている。
「引張試験」の欄には、引張試験の結果が記載されている。「◎」は、引張試験において２本の試験片中２本ともが母材破断又は熱溶接部破断（ＨＡＺ破断）したことを示す。「○」は、引張強さは８００ＭＰａ以上であったものの、２本の試験片中１本が母材破断、１本が溶接金属破断したことを示す。「△」は、引張強さは８００ＭＰａ以上であったものの、２本の試験片中２本ともが溶接金属破断したことを示す。「×」は、溶接金属破断し、引張強さが８００ＭＰａ未満であったことを示す。
「低歪速度引張試験」の欄には、低歪速度引張試験の結果が記載されている。「○」は、高圧水素環境化での破断絞りと大気中での破断絞りの比が９０％以上であったことを示す。「×」は、高圧水素環境化での破断絞りと大気中での破断絞りの比が９０％未満であったことを示す。
試験符号Ｊ１〜Ｊ１８、Ｊ２２〜Ｊ２４、及びＪ３５〜Ｊ３７の溶接継手は、本発明の範囲内であった。具体的には、これらの溶接継手は、母材及び溶接材料の化学組成が本発明の範囲内であり、母材及び溶接材料の化学組成が式（１）を満たし、溶接材料の化学組成が式（２）を満たした。その結果、これらの溶接継手は、８００ＭＰａ以上の引張強さを有し、低歪速度引張試験に合格した。
また、これらの溶接継手は、溶接欠陥が発生していなかった。特に、試験符号Ｊ１、Ｊ５、Ｊ９、Ｊ１３、Ｊ１６、Ｊ２２、Ｊ３６の溶接継手は、溶接入熱が比較的高めであったが、溶接欠陥が発生していなかった。試験符号Ｊ３５〜Ｊ３７は、溶接方向が垂直あったが、溶接欠陥が発生していなかった。
試験符号Ｊ１、Ｊ３〜Ｊ５、Ｊ７〜Ｊ９、Ｊ１１〜Ｊ１３、Ｊ１５、Ｊ１６、Ｊ１８、Ｊ２２、Ｊ２４、及びＪ３５〜Ｊ３７の溶接継手では、上記に加えて、表面余盛高さｈが式（３）を満たした。換言すれば、これらの溶接継手では、表面余盛高さｈの値がＰ３以上であった。その結果、これらの溶接継手は、特に高い引張強さを有していた。具体的には、これらの溶接継手は、引張試験において母材破断又はＨＡＺ破断した。
試験符号Ｊ１９〜Ｊ２１の溶接継手は、母材及び溶接金属の化学組成が本発明の範囲内であり、母材の化学組成が式（１）を満たした。しかし、これらの溶接継手は、溶接材料の化学組成が式（１）を満たさなかった。その結果、これらの溶接継手は、低歪速度引張試験に合格しなかった。
試験符号Ｊ２５〜Ｊ２７、Ｊ３８、及びＪ３９の溶接継手は、溶接材料（符号Ｖ又はＷ）のＮ含有量が多すぎた。その結果、溶接部に溶接欠陥、具体的にはブローホールが発生し、健全な継手が得られなかった。その結果、これらの溶接継手は、引張強さが８００ＭＰａ以下であった。
試験符号Ｊ２８〜Ｊ３０の溶接継手は、溶接材料（符号Ｘ）のＳｉ含有量及びＣｒ含有量が多すぎた。また、これらの溶接継手は、溶接材料の化学組成が式（１）を満たさなかった。その結果、これらの溶接継手は、低歪速度引張試験に合格しなかった。
試験符号Ｊ３１〜Ｊ３４の溶接継手は、溶接材料（符号Ｙ又はＺ）の化学組成が、各々の元素の含有量は本発明の範囲内であったものの、式（２）を満たさなかった。その結果、これらの溶接継手は、引張強さが８００ＭＰａ以下であった。
本発明は、高圧ガス配管、特に、高圧水素ガス配管用の溶接継手に好適に利用できる。

Claims (4)

  1. 化学組成が、質量％で、
    Ｃ ：０．００５〜０．１％、
    Ｓｉ：１．２％以下、
    Ｍｎ：２．５〜６．５％、
    Ｎｉ：８〜１５％、
    Ｃｒ：１９〜２５％、
    Ｍｏ：０．０１〜４．５％、
    Ｖ ：０．０１〜０．５％、
    Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
    Ａｌ：０．０５％未満、
    Ｎ ：０．１５〜０．４５％、
    Ｏ ：０．０２％以下、
    Ｐ ：０．０５％以下、
    Ｓ ：０．０４％以下、
    残部：鉄及び不純物である母材を準備する工程と、
    化学組成が、質量％で、
    Ｃ ：０．００５〜０．１％、
    Ｓｉ：０．７％以下、
    Ｍｎ：０．５〜３％、
    Ｎｉ：８〜２３％、
    Ｃｒ：１７〜２５％、
    Ｍｏ：０．０１〜４％、
    Ｖ ：０〜０．５％、
    Ｎｂ：０〜０．５％、
    Ａｌ：０．０５％未満、
    Ｎ ：０．１５％未満、
    Ｏ ：０．０２％以下、
    Ｐ ：０．０３％以下、
    Ｓ ：０．０２％以下、
    残部：鉄及び不純物である溶接材料を準備する工程と、
    前記溶接材料を用いて前記母材を溶接する工程とを備え、
    前記母材の化学組成が、式（１）を満たし、
    前記溶接材料の化学組成が、式（１）及び式（２）を満たす、溶接継手の製造方法。
    Ｎｉ＋０．６５Ｃｒ＋０．９８Ｍｏ＋１．０５Ｍｎ＋０．３５Ｓｉ＋１２．６Ｃ≧２９・・・（１）
    ０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ≦−１．０・・・（２）
    ここで、式（１）及び式（２）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
  2. 請求項１に記載の溶接継手の製造方法であって、
    前記溶接材料の化学組成が、質量％で、
    Ｖ ：０．０１〜０．５％、及び
    Ｎｂ：０．０１〜０．５％、
    からなる群から選択された１種又は２種を含有する、溶接継手の製造方法。
  3. 請求項１又は２に記載の溶接継手の製造方法であって、
    前記溶接継手は、式（３）を満たす表面余盛高さｈ（ｍｍ）を有する、溶接継手の製造方法。
    １．９×（０．３１Ｃ＋０．０４８Ｓｉ−０．０２Ｍｎ−０．０５６Ｃｒ＋０．００７Ｎｉ−０．０１３Ｍｏ）＋３≦ｈ・・・（３）
    ここで、式（３）の各元素記号には溶接材料における対応する元素の含有量（質量％）が代入される。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接継手の製造方法であって、
    前記溶接継手は、８００ＭＰａ以上の引張強さを有する、溶接継手の製造方法。
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