JP6011743B1 - 低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接継手の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(A)溶接材料のCとNの含有量を合計0.02質量%以下に低減することによって、溶接金属の靭性を向上できる。
(B)鋼管の成分と溶接材料の成分を好適に組み合わせて、下記の(1)式で算出されるX値が0超5.0以下となるように調整することによって、溶接金属の選択腐食を防止する効果がさらに向上する。とくに、炭酸ガスを飽和させたNaCl水溶液のような低pHの塩化物溶液中での選択腐食を大幅に軽減できる。
なお、(1)式中のCrW、NiW、MoW、CuWは溶接金属の各元素の含有量(質量%)であり、CrB、NiB、MoB、CuBは低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管(以下、母材部とも記す。)の各元素の含有量(質量%)である。いずれも、含有しない場合はゼロとする。
X=(CrW−CrB)+(NiW−NiB)/2+(MoW−MoB)+(CuW−CuB)/4 ・・・(1)
さらに本発明者らは、以下の(C)、(D)も知見した。
(C)複数の溶接パスで製造された円周溶接継手の靭性は、第1パスの施工条件によって大きく変動する。第1パスで、溶接材料を溶融プールに対して進退動させてアークを断続的に発生させるCMT(Cold Metal Transfer)溶接を行なうことによって、溶接金属の特性、とりわけ低温靭性や低温破壊靭性が著しく向上する。
(D)溶接金属の特性を向上する効果は、予熱および溶接後熱処理を行なわずに、実用上問題ないレベルで発現される。さらに、溶接後熱処理を行なうことによって、その効果がより顕著に発揮される。
X=(CrW−CrB)+(NiW−NiB)/2+(MoW−MoB)+(CuW−CuB)/4 ・・・(1)
0<X≦5.0 ・・・(2)
CrW、NiW、MoW、CuW:上記溶接金属中の各元素の含有量(質量%)
CrB、NiB、MoB、CuB:上記低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管中の各元素の含有量(質量%)
いずれも含有しない場合はゼロとする。
X=(CrW−CrB)+(NiW−NiB)/2+(MoW−MoB)+(CuW−CuB)/4 ・・・(1)
0<X≦5.0 ・・・(2)
CrW、NiW、MoW、CuW:上記溶接金属中の各元素の含有量(質量%)
CrB、NiB、MoB、CuB:上記低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管中の各元素の含有量(質量%)
いずれも含有しない場合はゼロとする。
Cは、母材の強度を増加させる元素である。しかし、Cの含有量が0.05質量%を超えると、母材の靭性が低下するばかりでなく、円周溶接における溶接性の低下を招く。したがって、Cの含有量は0.05質量%以下とする。好ましくは、C含有量は0.020質量%以下である。また、母材の強度を確保するために0.002質量%以上のCを含有することが好ましい。
CとNは、いずれも溶接金属の強度を増加させる元素であるが、CとNの含有量が合計0.02質量%を超えると、溶接金属の靭性が劣化する。したがって、CとNの含有量は合計0.02質量%以下として、所望の強度を確保できる範囲で可能な限り低減する。なお、溶接金属の強度を確保する観点から、CとNの含有量は合計0.01質量%以上が好ましい。
Siは、フェライト相を安定化させる元素であるが、Siの含有量が0.5質量%を超えると、δ−フェライト相を形成し易くなり、溶接金属の靭性が劣化する原因となる。したがって、Siの含有量は0.5質量%以下とする。また、Siは、溶接金属の脱酸作用を有する。また、Siは円周溶接におけるアークを安定化させて作業性を改善する作用も有する。その効果を得るために、Siの含有量は0.01質量%以上含有することが好ましい。
Mnは、溶接金属の脱酸作用を有し、かつ溶接金属の強度を増加させる作用を有する元素である。Mnの含有量が0.2質量%未満になると、この効果は得られない。一方、Mnの含有量が3質量%を超えると、溶接材料の強度が大幅に上昇して、製造工程にて様々な問題が生じる。したがって、Mnの含有量は0.2〜3質量%の範囲内とする。好ましくは、Mnの含有量は0.5〜2.5質量%の範囲内である。
Niは、オーステナイト相を安定化させる元素であり、δ−フェライト相の生成を抑制して、溶接金属の靭性を向上する作用を有する。Niの含有量が2質量%未満になると、この効果は得られない。一方、Niの含有量が8質量%を超えると、残留オーステナイト量が増大して、溶接金属の強度が低下する。したがって、Niの含有量は2〜8質量%の範囲内とする。なお、溶接金属の靭性を安定して確保する観点から、5〜7.5質量%の範囲内が好ましい。より好ましくは、Niの含有量は5.0〜7.0質量%の範囲内である。
Crは、溶接金属の耐食性と強度を向上させる元素である。Crの含有量が11質量%未満になると、この効果は得られない。一方、Crの含有量が15質量%を超えると、溶接金属にδ−フェライト相が残存し、溶接金属の靭性が劣化する原因となる。したがって、Crの含有量は11〜15質量%の範囲内とする。
Cuは、溶接金属の耐食性と強度を向上させる元素であるが、Cuの含有量が2質量%を超えると、溶接材料の強度が大幅に上昇して、製造工程にて問題が生じる場合がある。したがって、Cuの含有量は2質量%以下が好ましい。より好ましくは、Cu含有量は1.5質量%以下である。一方、Cuの含有量が0.02質量%未満になると、溶接金属の耐食性と強度を向上させる効果が得られない場合がある。したがって、Cuの含有量は0.02質量%以上が好ましく、0.5質量%以上がより好ましい。
Moは、溶接金属の耐食性と強度を向上させる元素であるが、Moの含有量が4質量%を超えると、溶接金属にδ−フェライト相が残存する場合がある。また、Moの含有量が4質量%を超えると、金属間化合物が形成され、溶接金属の靭性が低下する場合がある。したがって、Moの含有量は4質量%以下が好ましい。より好ましくは、Mo含有量は3.0質量%以下である。一方、Moの含有量が2.0質量%未満になると、溶接金属の耐食性と強度を向上させる効果が得られない場合がある。したがって、Moの含有量は2.0質量%以上が好ましい。
V、Tiは、いずれも炭化物、窒化物を形成して、溶接金属の強度を増加させる元素である。VとTiの合計の含有量が0.3質量%を超えると、溶接金属の靭性が著しく低下する場合がある。したがって、VとTiのうちの1種または2種の含有量は合計0.3質量%以下が好ましい。より好ましくは、VとTiの合計の含有量は0.15質量%以下である。一方、V、Tiの合計の含有量が0.03質量%未満になると、炭化物や窒化物を形成する効果が得られない場合がある。したがって、VとTiの含有量は合計0.03質量%以上が好ましい。
REM(すなわち希土類元素)は、円周溶接におけるアークを安定化させて作業性を改善するとともに、酸化物の生成を抑制して、溶接金属の靭性を向上させる作用を有する元素である。とくに、活性ガス(たとえばCO2、O2等)を含まないAr、He等の純不活性ガス雰囲気中のGMA溶接においても、REMを含有する溶接材料を使用することによって、アークを安定させることができる。REMの含有量が0.01質量%である場合に、この効果を得やすくなるため、REMの含有量は0.01質量%であることが好ましい。しかし、REMの含有量が0.3質量%を超えると、溶接金属の靭性が低下する。したがって、REMの含有量は合計0.3質量%以下が好ましい。
0<X≦5.0 ・・・(2)
X値が0以下では、溶接金属が母材に比べて電気的に卑となり、溶接金属に選択腐食が発生する。一方、X値が5.0を超えると、溶接金属が母材に比べて電気的に貴となり、母材や溶接熱影響部に選択腐食が発生する。なお、母材のCr、Ni、Mo、Cuおよび溶接金属のCr、Ni、Mo、Cuのうち、含有しない元素がある場合は、その含有量を0(ゼロ)としてX値を算出する。また、好ましくは、Xは1.0以上である。
表1に示す成分を有する継目無低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管(外径219mm、肉厚12.7mm)を母材とし、その管端を突き合わせて円周溶接を行なった。円周溶接は、表2に示す成分を有する溶接材料(直径3.2mmの溶接ワイヤ)を用いた多層盛アーク溶接とし、第1パスは入熱11kJ/cmのCMT溶接、第2〜第9パスはAr雰囲気中で入熱11〜17kJ/cmのGTA溶接を行なった。得られた円周溶接継手を発明例(継手番号1、2、5、12、13)として表3に示す。なお、表中、X値は以下の式(1)から算出した。
X=(CrW−CrB)+(NiW−NiB)/2+(MoW−MoB)+(CuW−CuB)/4 ・・・(1)
表1に示す成分を有する継目無低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管(外径219mm、肉厚12.7mm)を母材とし、その管端を突き合わせて円周溶接を行なった。円周溶接は、表2に示す成分を有する溶接材料(直径0.9〜1.2mmの溶接ワイヤ)を用いた多層盛アーク溶接とし、第1、2パスはCMT溶接、第3〜第9パスはGMA溶接(シールドガスAr+30vol%He、入熱12〜22kJ/cm)を行なった。得られた円周溶接継手を発明例(継手番号6、7、14、15)として表4に示す。また、第1パスはCMT溶接、第2〜第9パスはGMA溶接(シールドガスAr+30vol%He、入熱12〜22kJ/cm)を行なった。得られた円周溶接継手を発明例(継手番号8、9、16〜28)と、比較例(継手番号29、30)として表4に示す。
なお、表中、X値は以下の式(1)から算出した。
X=(CrW−CrB)+(NiW−NiB)/2+(MoW−MoB)+(CuW−CuB)/4
Claims (3)
- C:0.05質量%以下、Si:1.0質量%以下、Mn:0.1〜3.0質量%以下、P:0.03質量%以下、S:0.01質量%以下、N:0.1質量%以下、Cr:10〜14質量%、Ni:1.0〜7.0質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成、または前記C、前記Si、前記Mn、前記P、前記S、前記N、前記Cr、前記Niに加えてMo:0.2〜3.5質量%および/またはCu:0.02〜2.0質量%を含有する組成を有する低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の管端同士を突き合わせた後、突き合わせ部に沿って円周方向に複数の溶接パスからなる多層盛アーク溶接を施して前記低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接継手を形成する円周溶接継手の製造方法であって、
前記円周溶接継手の溶接金属のCr含有量CrW、Ni含有量NiW、Mo含有量MoW、Cu含有量CuWと、前記低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管のCr含有量CrB、Ni含有量NiB、Mo含有量MoB、Cu含有量CuBと、から下記の(1)式で算出されるX値が下記の(2)式を満足するように、CとNを合計0.02質量%以下、Siを0.5質量%以下、Mnを0.2〜3質量%、Crを11〜15質量%、Niを2〜8質量%の範囲で含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成、または前記C、前記N、前記Si、前記Mn、前記Cr、前記Niに加えてCuを0.02〜2質量%、Moを2.0〜4質量%、VとTiを合計0.03〜0.3質量%の範囲で含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接材料を使用して前記多層盛アーク溶接を行ない、
前記多層盛アーク溶接の第1パスは、前記溶接材料を溶融プールに対して進退動させてアークを断続的に発生させるCMT溶接を行ない、第2パス以降は、GMA溶接、GTA溶接、CMT溶接の中から選ばれた1種を行なう低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接継手の製造方法。
X=(CrW−CrB)+(NiW−NiB)/2+(MoW−MoB)+(CuW−CuB)/4 ・・・(1)
0<X≦5.0 ・・・(2)
CrW、NiW、MoW、CuW:前記溶接金属中の各元素の含有量(質量%)
CrB、NiB、MoB、CuB:前記低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管中の各元素の含有量(質量%)
いずれも含有しない場合はゼロとする。 - 前記多層盛アーク溶接を行なった後、前記円周溶接継手に溶接後熱処理を施す請求項1に記載の低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接継手の製造方法。
- 前記円周溶接継手の溶接材料が、前記組成に加えてREMを0.3質量%以下の範囲で含有する請求項1または2に記載の低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接継手の製造方法。
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