JP5953648B2 - 溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手及び溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、橋梁、船舶、海洋構造物、建築、ラインパイプ等の溶接構造物における鋼材、好適には引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼材のレーザ溶接継手に係り、特に溶接金属部の靭性に優れるものに関する。

レーザ溶接は、高いエネルギー密度を得ることができるため深溶け込みの高速溶接が可能であり、高能率な溶接方法として期待されている。また、極めて局所的な溶融となるため母材への熱影響も小さく、歪や変形が小さい高品質な溶接継手を得ることができる。

このため、自動車など薄板分野においては、既に部材や車体の組立工程に実用化が進んでおり、多くの適用実績がある。一方、厚板分野においても、最近では高出力で光ファイバー伝送が可能な高性能のレーザ溶接機が市販されるようになり、溶接可能な板厚が増大したことから実用化に向けた本格的な検討がなされるようになった。

しかしながら、レーザ溶接は従来のアーク溶接に比べて小入熱溶接であるため溶接後の冷却速度が速くなり、溶接金属部や熱影響部が硬化して靭性が劣化する場合が多く、靭性の向上が課題とされてきた。

これに対して、例えば特許文献１では、鋼材の化学組成やＡｌ含有量を調整すると共に、酸化性雰囲気中で溶接することにより、レーザ溶接金属中の酸素含有量やＡｌ／Ｏ比を制御し、レーザ溶接金属組織をアシキュラーフェライトの発達した組織とすることで高靭化を図る技術が開示されている。

特許文献２では、鋼材および溶接材料のＴｉ、Ｂ含有量および炭素当量をそれぞれ規定すると共に、酸素供給ガスを含有するシールドガスを用いて溶接することにより、レーザ溶接金属をアシキュラーフェライト主体の組織にして、溶接金属部と溶接熱影響部の高靭化を図る技術が開示されている。

特許文献３では、鋼材の化学組成を選択すると共に、最適なシールドガス雰囲気下でレーザ溶接することにより、溶接金属中の介在物組成や酸素、Ａｌ、Ｔｉ含有量のバランスを規定範囲に制御し、その結果、レーザ溶接金属組織のアシキュラーフェライト化を確実に実現させることで溶接金属部の高靭化を図る技術が開示されている。

特許文献４では、鋼材の化学組成や焼入臨界直径ＤＩを調整することで、レーザ溶接熱影響部の加熱オーステナイト粒径や組織に占めるマルテンサイトの割合を特定範囲に制御し、その結果、レーザ溶接熱影響部の高靭化を図る技術が開示されている。

特許文献５では、鋼材の化学組成や炭素当量を調整することで、レーザ溶接金属部のオーステナイト粒径や組織に占めるマルテンサイトの割合を特定範囲に制御し、その結果、レーザ溶接金属部とレーザ溶接熱影響部の高靭化を図る技術が開示されている。

特開２００２−１２１６４２号公報 特開２００３−２００２８４号公報 特許第３６３３５０１号公報 特開２００２−２１２６６６号公報 特開２００８−１８４６７２号公報

ところで、溶接構造物の大型化により、使用する鋼材も高強度化し、引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼材がレーザ溶接の対象に検討されるようになっている。

しかしながら、特許文献１、特許文献２および特許文献３で提案された手法は、いずれもレーザ溶接金属組織をアシキュラーフェライト化することで高靭化を図ったものであり、その適用できる鋼材の強度レベルは４９０ＭＰａ級が限界である。

特許文献４および特許文献５は、鋼材の強度レベルが５９０ＭＰａあるいは７８０ＭＰａ級の高強度鋼を対象としたもので、ミクロ組織をマルテンサイト化することで高靭化を図っているものの、特許文献４で提案された手法は、レーザ溶接熱影響部の靭性改善を図ったものであり、レーザ溶接金属部の靭性向上に関しては考慮されていない。

また特許文献５で提案された手法は、レーザ溶接金属部の靭性についても考慮されているが、レーザ溶接金属の化学組成についての明記はなく、例えばフィラーワイヤなどを用いた場合にその効果が得られるかは不明である。

そこで、本発明は、上記した従来技術の問題点を鑑みて、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼による、溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために、引張強度が７８０ＭＰａレベルの高強度鋼のレーザ溶接金属部の靭性におよぼす溶接金属の化学組成、ミクロ組織の影響について詳細な調査を行い、以下の知見を得た。

（１）レーザ溶接金属部の靭性は、マトリックス組織として微細なアシキュラーフェライト相を含んだミクロ組織を呈する場合に良好である。

（２）アシキュラーフェライトは、Ｔｉを含有した酸化物（Ｔｉ含有酸化物とも言う）を核サイトとして生成するため、レーザ溶接金属のＴｉ、Ａｌ、Ｏの含有量を適正制御する必要がある。

（３）Ｔｉ含有酸化物の分布状態として、比較的小さい寸法のものを多量に分散させた場合に、微細なアシキュラーフェライト相の形成が促進される。

（４）またアシキュラーフェライト相を含んだ組織で引張強度７８０ＭＰａ以上を満足するためには、レーザ溶接金属部に適度な焼入れ性を確保する必要があり、そのためにはＣｅｑを適正制御しなければならない。

（５）このような微細アシキュラーフェライト相を含むミクロ組織を有するレーザ溶接金属を得るためには、酸素供給ガスを含んだシールドガス中でレーザ溶接を行う必要がある。

本発明は得られた知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．鋼材のレーザ溶接継手であって、前記溶接継手における溶接金属は、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０２〜０．１４％、Ｔｉ：０．００８〜０．０５％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｏ：０．０２〜０．０５％を含み、かつ下記（１）式のＣｅｑが０．３３〜０．５３％を満足する成分組成と、２μｍ以下の円相当直径を有するＴｉ含有酸化物粒子を１ｍｍ^２あたり２×１０^４個以上有するアシキュラーフェライト相を含むミクロ組織を備えることを特徴とする溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手。
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
（１）
ここで、Ｃｅｑ：炭素当量（ｍａｓｓ％）、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％）
２．レーザ溶接のシールドガスとして酸素供給ガスを含有するガスを用いたことを特徴とする１記載の溶接金属部の靭性に優れたレーザ溶接継手。

本発明によれば、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼で溶接金属部の靭性に優れたレーザ溶接継手を提供することができ、産業上格段の効果を奏する。

本発明では溶接金属の成分組成とミクロ組織を規定する。
[成分組成]説明において、％はｍａｓｓ％とする。

Ｃ：０．０２〜０．１４％
Ｃは、焼入れ性を増加させる元素であるため、溶接金属の強度確保に重要な元素である。しかし、０．０２％未満では十分な強度の確保が困難である。一方、０．１４％を超えて含有すると、レーザビーム溶接金属のマトリックス組織中におけるマルテンサイト相の硬さが上昇すると共に、Ｍ−Ａ組織（島状マルテンサイト）の生成が顕著となる。その結果、レーザビーム溶接金属部の靭性は著しく劣化する。このため、溶接金属のＣは０．０２〜０．１４％に限定する。

Ｔｉ：０．００８〜０．０５％
Ｔｉは、Ｔｉを含む鋼材を酸素供給ガスを含有したシールドガス中でレーザ溶接した場合、溶接金属中に酸化物の形態で存在する。Ｔｉ酸化物はアシキュラーフェライトの核生成サイトとして働き、その結果、レーザ溶接金属は微細なアシキュラーフェライト相を含んだミクロ組織となり、溶接金属の靭性を向上させる。

このように、Ｔｉはレーザ溶接金属部の高靭化に寄与する重要な元素である。溶接金属のＴｉ含有量が０．００８％未満では、アシキュラーフェライトの核生成サイトとなる酸化物の量が十分に確保されない。一方、Ｔｉ含有量が０．０５％を超えると、溶接金属中に不要な析出物が増加し、靭性を低下させる。このため、溶接金属のＴｉは０．００８〜０．０５％に限定する。

Ａｌ：０．０２％以下
Ａｌは、Ｔｉよりも酸素との親和力が強いため、溶接金属の凝固過程初期段階に酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）を形成する。しかしながら、Ａｌ_２Ｏ_３はアシキュラーフェライトの核生成サイトとして機能しない酸化物である。従って、本発明ではアシキュラーフェライトの核生成サイトとして機能するＴｉ含有酸化物を優先的に生成させるという観点から、レーザ溶接金属中のＡｌ含有量は低減することが好ましいが、０．０２％までは許容できる。Ａｌが０．０２％を超えて含有された場合、溶接金属組織のアシキュラーフェライトを確保するため多量の酸素を含有させることが必要となり、酸化物が過剰となり靭性は劣化する。このため、溶接金属のＡｌは０．０２％以下に限定する。

Ｏ：０．０２〜０．０５％
Ｏは、溶接金属中でＡｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎなどと結合した酸化物が単体あるいは種々の複合した形態で存在する。その中でも、Ｔｉを含んだ酸化物はアシキュラーフェライトの核生成サイトとして有効に働き、レーザ溶接金属部の高靭化に寄与する。このため、溶接金属中にはＯが含まれていることが必須となる。溶接金属のＯ含有量が０．０２％未満では十分な量の酸化物が確保できないため、高靭化効果を得ることはできない。一方、Ｏ含有量が０．０５％を超えると、酸化物が過剰になるとともに粗大な介在物も生成して靭性は劣化する。このため、溶接金属のＯは０．０２〜０．０５％に限定する。

Ｃｅｑ：０．３３〜０．５３％
Ｃｅｑ（＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４、
ここで、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各元素の含有量（ｍａｓｓ％）で、含有しないものは０とする）は、溶接硬化性および焼入れ性を示す指標であり、溶接継手部の強度や靭性に大きな影響を与える。レーザ溶接のような冷却速度が速い溶接においては、溶接金属のＣｅｑが０．５３％を超えると、溶接金属が著しく硬化し、靭性が低下する。

一方、溶接金属のＣｅｑが０．３３％未満の場合、レーザ溶接のような冷却速度が速い溶接においても十分な焼入れ性が確保されず、粒界フェライトあるいはポリゴナルフェライトが生成して、７８０ＭＰａ級の引張強度を満足することが困難となり、靭性も低下する。このため、溶接金属のＣｅｑは０．３３〜０．５３％に限定する。なお、好ましくは、０．３５〜０．５０％である。

溶接金属には、レーザ溶接される鋼材、フィラーワイヤなどに含まれる合金元素がレーザ溶接条件に応じて含有されるが、Ｃｅｑ：０．３３〜０．５３％を満足すれば本発明の作用効果を損なうものでなく、残部Ｆｅ及び不可避的不純物とする。よって、本発明では、レーザ溶接金属の成分組成を限定しており、母材およびフィラーワイヤの成分については特に規定はしないが、母材の成分組成としては、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０７％以下であることが好ましい。またフィラーワイヤの成分組成としては、Ｃ：０．１２％以下、Ｓｉ：０．８％以下、Ｍｎ：３．０％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｔｉ：０．０２〜０．０６％であることが好ましい。

[ミクロ組織]
ミクロ組織は、２μｍ以下の円相当直径を有するＴｉ含有酸化物粒子を１ｍｍ^２あたり２×１０^４個以上有するアシキュラーフェライト相を含むものとする。レーザ溶接金属部の靭性は、微細なアシキュラーフェライト相を多く含んだミクロ組織を呈する場合に良好で、アシキュラーフェライトの核生成サイトとして機能するＴｉ含有酸化物が、微細且つ多量に分散している必要がある。

Ｔｉ含有酸化物粒子はアシキュラーフェライトの核生成サイトとなるように、円相当直径で２μｍ以下とする。

また、円相当直径で２μｍ以下のＴｉ含有酸化物粒子は、アシキュラーフェライト相を含んだミクロ組織を形成するように１ｍｍ^２あたり２×１０^４個以上が均一に分散していることが必要である。

レーザ溶接金属組織中の酸化物系介在物の観察は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて５０００倍の倍率で無作為に５視野を選び、そこに存在する介在物の寸法および個数を測定するとともに、個々の介在物についてエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）による定性分析を実施した。これらの測定データをもとに、円相当直径２μｍ以下のＴｉ含有酸化物の存在個数を求める。

本発明に係るレーザ溶接継手を得るためには、レーザ溶接条件のうち、シールドガスとして、酸素供給ガスを含有するガスを用いることが必要である。酸素供給ガスとしては、酸素ガス、炭酸ガスあるいはそれらの混合ガスが例示される。その他の溶接条件（レーザ出力、溶接速度、開先形状、ルートギャップ）は特に規定しない。
以下、実施例に基づいて本発明の効果を示す。

表１に示す化学組成の供試鋼板（板厚１１ｍｍ）と、表２に示す化学組成の溶加材（フィラーワイヤ、直径１．０ｍｍ）を種々組合せて、レーザ溶接継手を作製した。レーザ溶接は、ファイバーレーザ溶接装置を用いて、レーザ出力：１０ｋＷ、溶接速度：０．８ｍ／ｍｉｎ、開先形状：Ｉ開先、ルートギャップ：０．５ｍｍ、の条件にて行った。

得られたレーザビーム溶接継手について、溶接金属部から試料を採取して、溶接金属の化学組成分析、ミクロ組織および酸化物系介在物の観察、シャルピー衝撃試験、ビッカース硬さ測定を実施した。

レーザ溶接金属組織中の酸化物系介在物の観察は、前述の観察方法を用いた。シャルピー衝撃試験は、溶接金属中央部がノッチ位置となるように２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を採取し、−２０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）にて評価した。２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片は３本採取し、その平均値を求めた。ビッカース硬さ測定は、溶接金属中央部を板厚方向に荷重９．８Ｎで０.５ｍｍピッチで測定した平均値で評価した。

表３に、これらの試験結果を示す。本発明例（継手Ｎｏ．１〜６）はいずれにおいても、レーザビーム溶接金属部のＣ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｃｅｑが本発明で規定する要件を満足しており、また溶接金属部に存在する円相当直径２μｍ以下のＴｉ含有酸化物の存在個数が１ｍｍ^２あたり２×１０^４個以上と本発明で規定する要件を満足している。その結果、レーザ溶接金属部のシャルピー吸収エネルギー（ｖＥ−２０℃）は１００Ｊを超える値となっている。またビッカース硬さも２６０を超えており、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有していることが確認された(ＪＩＳハンドブック鉄鋼１（２０１０）硬さ換算表（ＳＡＥＪ４１７）による）。
一方、継手Ｎｏ．７〜１４は比較例である。継手Ｎｏ．７はシールドガスにＡｒを用いたため、溶接金属のＯ量およびＴｉ含有酸化物が本発明で規定する範囲外となり、ミクロ組織にはアシキュラーフェライト相がほとんど含まれないため、靭性に劣っている。

継手Ｎｏ．８は、溶接金属のＣ量が０．１６％と本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属はアシキュラーフェライト相が含まれない非常に硬い組織となり、靭性が低い。

継手Ｎｏ．９は、Ｔｉ量が０．００５％と本発明で規定する範囲の下限未満であるため、溶接金属中にアシキュラーフェライトの核生成サイトとして機能するＴｉ含有酸化物が少なくなり、靭性が低下している。

継手Ｎｏ．１０は、Ｔｉ量が０．０５７％と本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属中に本発明で規定するＴｉ酸化物の他に不要な析出物が増加して、靭性が低い。

継手Ｎｏ．１１は、Ｃｅｑが本発明で規定する範囲の下限未満であるため、溶接金属のビッカース硬さが２３２と低く７８０ＭＰａ以上の引張強度を満足できない。

継手Ｎｏ．１２は、Ｃｅｑが本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属はアシキュラーフェライト相が非常に少ない硬いミクロ組織となり、靭性が低下する。

継手Ｎｏ．１３は、溶接金属のＯ量が０．０５６％と本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属中に粗大な酸化物が増加し、それらが破壊の起点となり、靭性が低下する。

継手Ｎｏ．１４は、溶接金属のＡｌが本発明で規定する範囲の上限を超えているため、溶接金属中に存在する酸化物はアシキュラーフェライトの核生成サイトにならないＡｌ_２Ｏ_３が主体となり、アシキュラーフェライト相が少ないミクロ組織となるため靭性は低い。

Claims (3)

1. 鋼材のレーザ溶接継手であって、前記溶接継手における溶接金属は、ｍａｓｓ％で、Ｃ
   ：０．０２〜０．１４％、Ｐ：０．００６％以下、Ｓ：０．００６％以下、Ｔｉ：０．０
   １０〜０．０２３％、Ｃｕ：０．２２〜０．３０％、Ｎｉ：０．２６〜０．５４％、Ａｌ
   ：０．０２％以下、Ｏ：０．０２〜０．０５％を含み、かつ下記（１）式のＣｅｑが０．
   ３３〜０．５３％を満足する成分組成を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からな
   り、
   ２μｍ以下の円相当直径を有するＴｉ含有酸化物粒子を１ｍｍ^２あたり２×１０^４個以
   上有するアシキュラーフェライト相を含むミクロ組織を備えることを特徴とする溶接金属
   部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手。
   Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
   （１）
   ここで、Ｃｅｑ：炭素当量（ｍａｓｓ％）、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各
   合金元素の含有量（ｍａｓｓ％）
2. 溶接金属が、ｍａｓｓ％で、Ｃ：０．０２〜０．１４％、Ｐ：０．００６％以下、Ｓ：０．００６％以下、Ｔｉ：０．０１０〜０．０２３％、Ｃｕ：０．２２〜０．３０％、Ｎｉ：０．２６〜０．５４％、Ａｌ：０．０２％以下、Ｏ：０．０２〜０．０５％を含み、かつ下記（１）式のＣｅｑが０．３３〜０．５３％を満足する成分組成を含有し、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、
   ２μｍ以下の円相当直径を有するＴｉ含有酸化物粒子を１ｍｍ^２あたり２×１０^４個以上有するアシキュラーフェライト相を含むミクロ組織を備え、レーザ溶接によって製造されることを特徴とする溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手の製造方法。
   Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４
   （１）
   ここで、Ｃｅｑ：炭素当量（ｍａｓｓ％）、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ：各合金元素の含有量（ｍａｓｓ％）
3. レーザ溶接のシールドガスとして酸素供給ガスを含有するガスを用いることを特徴とする請求項２に記載の溶接金属部の靭性に優れた鋼材のレーザ溶接継手の製造方法。