JP6203868B2 - Fe−36Ni合金用の溶接ワイヤ - Google Patents

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Description

本発明は、以下の組成を質量%で、
35.0%≦Ni≦37.0%
痕跡≦C≦0.10%
痕跡≦Mn≦0.60%
痕跡≦P≦0.025%
痕跡≦S≦0.025%
痕跡≦Si≦0.35%
痕跡≦Cr≦0.50%
痕跡≦Mo≦0.50%
痕跡≦Co≦0.50%
鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
を有する部品の部分を溶接するための溶接ワイヤに関する。
この組成は、Fe−36Ni合金の通常の定義に一致する。
インバー(Invar)(登録商標)M93のようなFe−36Ni合金は、特に低温液体の輸送において非常に魅力的にする低熱膨張係数を備えた合金である。
そのような適用では、Fe−36Ni要素は溶接によって組み立てられる。
Fe−36Ni合金要素のアセンブリが、例えば低温液体の輸送のためのパイプや低温液体を受け入れるタンクのような加圧容器に使用される場合、ASME(全米機械技師協会)のボイラー及び圧力容器コードと題する規格における溶接及び鑞付けのための資格条件のセクションIXに規定された基準をこれらのアセンブリが満たすことが望ましい。
この規格は、特に、アセンブリがハンダ継手の特性ではなく母材の特性に基づいて必要な大きさにできるように、ハンダ継手の機械的特性、特に破断強度(Rm)が、ハンダ継手により組み立てられる要素を作っている母材の破断強度以上であることを要求している。
この特性は、機械的特性の「勝り」(overmatching)として当業者により評される。
ハンダ継手に対して垂直に掴まれた試験片の引張り試験において、破断がハンダ継手ではなく母材に生じれば、満足できると考える。
この場合、母材はFe−36Ni合金である。従って、ハンダ継手がFe−36Ni合金のもの以上の機械的特性を有していれば、勝った機械的特性の条件は満たされる。
溶接は、一般に、特に粒子が得られるそれぞれの工程により、母材のものよりサイズが大きい粒子を有する。従って、均質の溶接、すなわち、母材のものと同一の化学組成を有する溶接ワイヤで作られた溶接は、一般に勝りの条件を満たしていない。
均質の溶接に比べて溶接の機械的特性を改善するために、合金の固溶体の硬化を導くニオブのような合金成分を付加することにより、溶接ワイヤを組成する合金を硬化することが考慮された。
例えば、ニッケル36%、ニオブ1.6%及びマンガン0.4%を含む鉄ベースの溶接ワイヤは知られている。これらの溶接ワイヤでは、ニオブはその固溶体の硬化作用のために付加され、マンガンは、硫黄を閉じ込め且つ凝固及び再加熱のクラックに対する抵抗を改善するために付加されている。
しかしながら、本発明の発明者は、Fe−36Ni合金の部品を一緒に溶接する場合、そのような溶接ワイヤが完全に満足できるものではないことを見出した。
実際、ニオブの付加は、室温においてFe−36Ni合金で作られた要素の溶接の機械的特性を確かに改善している一方で、それらの引張り抵抗では溶接の他の特性を劣化させていることを、本発明の発明者は見出した。特に、このようにして得られた溶接は脆弱である。従って、発明者によって実行された実験では、そのような溶接は、母材の延性に対し80%低い、衝撃試験(KCV)により測定された−196℃での延性を有することを示した。
更に、これらのハンダ継手は、母材よりも変形した場合に、マルテンサイト変態に対してより敏感であることを、発明者は更に見出した。鉄−ニッケル合金中のマルテンサイトの小島(islet)の存在は、孔食速度を加速する。その上、これは低温での膨張率を増加させる。このように、低温で歪んだハンダ継手は、母材の特性に比べて劣化した特性を生じさせる。事故で考えられるこの状況は、特に、液化天然ガスの輸送や貯蔵のための加圧容器の分野では受け入れることができない。
本発明の1つの目的は、Fe−36Ni合金での溶接の機械的特性を勝りにする条件を満たすとともに、加圧容器に関する適用でより大きな安全性を更に提供する、Fe−36Ni合金での溶接されたアセンブリを生産するのに適した溶接ワイヤを提供することである。
この目的のために、本発明は、以下の元素を質量%で、
38.6%≦Ni+Co≦45.0%
痕跡≦Co≦0.50%
38.6%≦Ni+Co≦40.33%の場合、2.25%≦Ti+Nb≦0.8667×(Ni+Co)−31.20%
40.33%≦Ni+Co≦41.4%の場合、2.25%≦Ti+Nb≦3.75%
41.4%≦Ni+Co≦45.0%の場合、0.4167×(Ni+Co)−15.0%≦Ti+Nb≦3.75%
痕跡≦Nb≦0.50%
0.01%≦Mn≦0.30%
0.01%≦Si≦0.25%
痕跡≦C≦0.05%
痕跡≦Cr≦0.50%
鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
を包含する合金で作られた上述のような溶接ワイヤに関する。
特定の具体例によれば、本発明による溶接ワイヤは、単独であるいは技術的に可能なすべての組合せで得られる、請求項2〜の特徴の1つ以上を有する。
本発明は、更に、請求項による上述のような溶接ワイヤを生産する方法に関する。
特別の具体例によれば、本発明によって溶接ワイヤを生産する方法は、単独であるいは技術的に可能なすべての組合せで得られる、請求項1013の特徴の1つ以上を有する。
本発明は、更に、請求項14及び15による溶接方法に関する。
本発明は、更に、請求項16及び17によるってパイプセクションを生産する方法に関する。
本発明は、更に、請求項18及び19によるパイプを生産する方法に関する。
本発明は、更に、請求項20によるタンク部分を生産する方法に関する。
本発明は、更に、請求項21による溶接されたアセンブリに関する。
本発明は、更に、請求項22によるタンク部分に関する。
本発明は、更に、請求項23によるパイプセクションに関する。
本発明は、更に、請求項24によるパイプに関する。
ニッケル+コバルト含有量の機能として本発明による溶接ワイヤのチタン+ニオブ含有量を表わすグラフである。 本発明による溶接されたアセンブリの概略断面図である。 パイプセクションを生産する方法を実施するのに使用される板材の概略平面図である。 本発明によるパイプセクションを生産する方法によって得られるパイプセクションの概略斜視図である。 本発明によるパイプセクションを生産する方法によって得られるパイプの概略斜視図である。
本発明は、添付図面を参照して、単に例としてなされた以下の記載を精読することで一層よく理解されるであろう。
本発明による溶接ワイヤは、以下の元素を質量%で、
35.0%≦Ni≦37.0%
痕跡≦C≦0.10%
痕跡≦Mn≦0.60%
痕跡≦P≦0.025%
痕跡≦S≦0.025%
痕跡≦Si≦0.35%
痕跡≦Cr≦0.50%
痕跡≦Mo≦0.50%
痕跡≦Co≦0.50%
鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
を包含する母材で作られた部品の部分を溶接するための溶加ワイヤとして使用されるものである。
そのような合金はFe−36Ni合金である。これは、規格ASTM A 333/A333M−99の表に示された合金11に一致する。
好適には、溶接ワイヤは、表1の元素を質量%で包含する母材で作られた部品の部分を一緒に溶接するために使用される。
Figure 0006203868
この合金の取引名はインバー(Invar)(登録商標)M93である。
この溶接ワイヤの使用は、当業者に溶接のための標準の状態を修正させることはない。
本明細書の全体において、一緒に溶接される「部品の部分」は、溶接される部分が2つの最初から別個の部品に属する場合にも、溶接される部分がそれ自体曲げられた単一の部品の2つの部分、例えばパイプを形成するために溶接される板材の2つの長手方向縁部である場合にも当てはまることは注目されるべきである。
以下の詳述において、「低温液体」は、特に−150℃以下の低温で液体状態に維持される液化ガスに当てはまる。そのような低温液体は、例えば液化されたメタン又は天然ガス、液体プロパン、ブタンである。以下の詳述において、そのような低温液体の沸点は低温と称される。
上述した母材は、その一般的な形態あるいはその好適な形態に拘わらず、以下の特性を有する。
特に−196℃(窒素の沸点)の低温では、その弾性は100J/cmより大きく、特に120J/cmより大きい。
母材は、−180℃〜0℃の、特に1×10−6/℃の低い平均熱膨張係数を有する。
金属が、特に−196℃(窒素の沸点)の低温でフラット又は均一な引張りの中断によって25%だけの塑性変形を受けた場合、そのマルテンサイト含有量は5%未満に残る。
本発明による溶接ワイヤは、以下の元素を質量%で、
38.6%≦Ni+Co≦45.0%
痕跡≦Co≦0.50%
38.6%≦Ni+Co≦40.33%の場合、2.25%≦Ti+Nb≦0.8667×(Ni+Co)−31.20%
40.33%≦Ni+Co≦41.4%の場合、2.25%≦Ti+Nb≦3.75%
41.4%≦Ni+Co≦45.0%の場合、0.4167×(Ni+Co)−15.0%≦Ti+Nb≦3.75%
痕跡≦Nb≦0.50%
0.01%≦Mn≦0.30%
0.01%≦Si≦0.25%
痕跡≦C≦0.05%
痕跡≦Cr≦0.50%
鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
を包含する合金で作られている。
本発明による溶接ワイヤが、その特定の形態あるいはその一般的な形態に拘わらず、上記に定義されたような母材で作られた部品の部分を合わせて溶接するために溶加ワイヤとして使用される場合、得られた溶接は以下の特性を有する。
低温、特に窒素の沸点(−196℃)での溶接の弾性は、120J/cmよりも大きい。この特性は、特に、溶接ワイヤを形成する合金のニオブ含有量が0.50%以下であるという事実により得られる。溶接のこの弾性は母材の弾性に近似する。
−180℃〜0℃の溶接の平均熱膨張係数は、7.5×10−6/℃未満である。従って、これはほぼ母材の平均熱膨張係数程度である。この特性は、特に、溶接ワイヤを形成する合金のチタン+ニオブ含有量が3.75%以下であるという事実により得られる。
溶接ワイヤを形成する合金のコバルト、マンガン、シリコン及びクロミウム含有量は、−180℃〜0℃の平均熱膨張係数を7.5×10−6/℃を越えて下げないように制限される。
溶接は、低温(特に−196℃)において母材のもの以上のマルテンサイト変態に対する安定性を有し、すなわち、以下に記載される安定性試験に従って、ハンダ継手が特に−196℃の低温でフラットな引張りの中断によって25%だけの変形を受けた場合、そのマルテンサイト含有量は5%以下のままである。マルテンサイト変態に対する溶接のこの良好な安定性は、溶接ワイヤのチタン+ニオブ含有量が、Co≦0.50%でもって0.8667×(Ni+Co)−31.20%以下であるという事実により得られる。これに関連して、発明者は、一定のチタン+ニオブ含有量及びCo≦0.50%でもって、溶接ワイヤのニッケル+コバルト含有量が増加する場合に、溶接のマルテンサイト変態に対する安定性が増加するという驚くべき発見をした。
また、溶接ワイヤのマンガン及び炭素含有量は、マルテンサイト変態に対する溶接の安定性の改善に寄与する。
溶接ワイヤの炭素含有量は、低温での弾性を下げるTi/Nb浸炭窒化物の沈殿を制限するために制限されている。
溶接の機械的特性、特に破断強度(Rm)は、室温(25℃)での母材のものより大きい。従って、溶接は、室温での機械的特性の勝りの条件を満たしている。この特性は、溶接ワイヤのチタン+ニオブ含有量がNb≦0.50%でもって2.25%以上であるという事実により得られる。チタン及びニオブは、固溶体を硬化するそれらの特性に使用される。
溶接の機械的特性、特に破断強度(Rm)は、低温での母材のものより大きい。従って、溶接は、低温での機械的特性の勝りの条件を満たしている。この特性は、溶接ワイヤのチタン+ニオブ含有量がCo≦0.50%でもって0.4167×(Ni+Co)−15.0%以上であるという事実により得られる。
特に、発明者は、任意のチタン+ニオブ含有量について、チタン+ニオブ含有量の機能としてニッケル+コバルト含有量を示すために逆数にした、上記の式に一致する上限を越えて、すなわちCo≦0.50%でもって
Figure 0006203868
を越えて、溶接ワイヤのニッケル+コバルト含有量を増加させることは、低温での合金の機械的特性を劣化させることを見出だした。それ故、低温での溶接の機械的特性は母材のものより劣っており、低温での勝りの条件はもはや満たされていない。
本発明による溶接ワイヤの合金成分の含有量は、溶接中に溶かされた母材との混合による溶接ワイヤの不可避の希釈を考慮することは注目されるべきである。平均希釈は、一般に、使用される溶接技術によって15%〜50%で成る。
溶接ワイヤの一般的な組成において上記に定義した、本発明による溶接ワイヤを形成する合金のニッケル+コバルト含有量の機能としてのチタン+ニオブ含有量の3つの範囲は、上記条件の組合わせに起因する。
これらの範囲は、溶接ワイヤを形成す合金のニッケル+コバルト含有量の機能としてチタン+ニオブ含有量を表わすグラフである図1に図表で表されている。この図において、
C1を付した曲線は、方程式Ti+Nb=0.8667×(Ni+Co)−31.20%を表し、
C2を付した曲線は、方程式Ti+Nb=0.4167×(Ni+Co)−15.0%を表わし、
C3を付した曲線は、方程式Ti+Nb=3.75%を表わし、そして、
C4を付した曲線は、方程式Ti+Nb=2.25%を表わす。
より詳細には、
曲線C1は最小のニッケル+コバルト含有量(Co≦0.50%でもって)の範囲の限定し、ここでは、溶接ワイヤから得られた溶接は、低温で母材のもの以上のマルテンサイト変態に対する安定性を有する。
曲線C2は最大のニッケル+コバルト含有量(Co≦0.50%でもって)の範囲の限定し、ここでは、溶接の機械的特性の勝りが低温で得られる。
曲線C3は最大のチタン+ニオブ含有量(Nb≦0.50%でもって)の範囲の限定し、ここでは、−180℃〜0℃での溶接の熱膨張係数は7.5×10−6/℃未満である。
曲線C4は最小のチタン+ニオブ含有量(Nb≦0.50%でもって)の範囲の限定し、ここでは、溶接の機械的特性の勝りが室温で得られる。
更に、溶接ワイヤを形成する合金において、
0.01%以上のシリコン含有量は、合金の脱酸剤を保証し、
0.50%以下のクロミウム含有量は、大気の腐食に対する合金の抵抗を改善し、
0.50%以下のコバルト含有量は、溶接の弾性を改善する、
ことに注目されたい。
好適には、溶接を弱め得るニオブ炭化物の形成を回避するか制限するために、溶接ワイヤのニオブ含有量は0.01質量%以下である。
好適には、溶接を低温でのマルテンサイト変態に対して更に敏感でなくするために、溶接ワイヤのコバルト含有量は0.01質量%以下である。
好適には、溶接を弱め得るTi/Nbの炭化物の体積分率を回避するか制限するために、溶接ワイヤの炭素含有量は0.015質量%以下である。
好適には、溶接の熱膨張係数を更に縮小し且つ溶接をマルテンサイト変態に対して更に敏感でなくするために、溶接ワイヤのクロミウム含有量は0.10質量%以下である。
より好適には、溶接ワイヤは、以下の元素を質量%で、
40.0%≦Ni+Co≦42.0%
2.60%≦Ti+Nb≦3.40%
痕跡≦Nb≦0.01%
痕跡≦Co≦0.10%
0.01%≦Mn≦0.10%
0.01%≦Si≦0.10%
痕跡≦C≦0.015%
痕跡≦Cr≦0.10%
鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
を包含する合金から成る。
この好適な組成は、図1中に長方形で表わされる。
この組成を備えた溶接ワイヤは、特に有利である。実際に、この溶接ワイヤは、母材で作られた部品の部分間に形成されたハンダ継手の様々な特性間で非常に良いバランスを可能にし、すなわち、130J/cm以上の−196℃での弾性(KCV)、5×10−6/℃未満の−180℃〜0℃での平均熱膨張係数、−196℃でのマルテンサイト変態に対する非常に低い感度、及び、−163℃と25℃での母材に対する溶接の機械的特性の勝りを可能にしている。
溶接ワイヤは、更に、3.40%未満のチタン+ニオブ含有量により溶接性を改善した。
より好適には、溶接ワイヤは、以下の組成を質量%で、
41.0%≦Ni+Co≦42.0%
2.60%≦Ti+Nb≦3.40%
痕跡≦Nb≦0.01%
痕跡≦Co≦0.10%
0.01%≦Mn≦0.10%
0.01%≦Si≦0.10%
痕跡≦C≦0.015%
痕跡≦Cr≦0.10%
鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
を有する。
この溶接ワイヤは特に有利である。実際に、前述の利点に加え、母材で作られた部品の部分を合わせて溶接することにより得られたハンダ継手は、マルテンサイト変態に対してより良好な安定性を有する。事実、ハンダ継手が以下に記載する安定性試験に従って、特に−196℃での低温でフラットな引張りの中断によって25%だけの変形を受けた場合、ハンダのマルテンサイト含有量は、3%以下のままである。従って、溶加ワイヤとしてこの溶接ワイヤを使用して、母材で作られた2つの部品間で得られるハンダ継手は、更に良好な耐孔食性を有する。更に、マルテンサイト含有量の縮小は、ハンダ継手での熱膨張係数を均質化し、マルテンサイトの存在に起因する局部的な熱膨張差の更なる縮小を可能にする。
本発明は、上述したような溶接ワイヤを生産する方法に更に関する。
この方法は、溶接ワイヤを形成する合金を生産するステップを包含する。前述の合金は、従来の方式、例えばアーク炉あるいは真空誘導炉で生産される。
溶接ワイヤを形成する合金の生産の際、特に凝固及び再加熱のクラックに対する感応性を有する合金回避するために、硫黄と燐のような成分の含有量をできるだけ多く縮小しようと努め、従って高温変形及び溶接ワイヤの溶接性を促進する。これら残部の成分は、生産に起因する不純物中に含まれる。
一度合金が生産されると、半製品が合金から生産される。この目的のため、合金は、特に連続鋳造によって、インゴットに鋳造されるかビレットの形状に直接鋳造される。このように、このステップの終わりで得られた半製品は、有益的にインゴット又はビレットである。
任意として、これらの半製品は真空で再溶融されるか、あるいは、電気伝導性スラグの下で再溶融される。このステップは、望ましくない残部の成分の含有量を減少させる効果があり、それにより、合金の純度を改善する。
その後、半製品は、ワイヤを成形するために1050℃〜1250℃で熱間成形される。
特に、この熱間成形ステップの間、半製品すなわちインゴット又はビレットは、例えば約100mm〜200mmの側面を有する正方形断面を半製品に与えながらその断面積を縮小するように、熱間成形される。従って、縮小された断面積を備えた半製品が得られる。この半製品の長さは、特に10m〜20mである
有益的には、半製品の断面積の縮小は、1つ以上の連続した熱間圧延パスによって行われる。
その後、縮小された断面積を備えた半製品は、再び熱間成形されてワイヤを得る。特に、ワイヤは線材であってよい。線材は、例えば5mm〜21mm直径、特に約5.5mmに等しい直径を有する。
有益的には、このステップの間、ワイヤは成形され、線材圧延機で熱間圧延により生産される。
その後、ワイヤはスケールを除去され、コイルへ巻き付けられる。
その後、ワイヤは、溶接ワイヤを得るために既知の伸線加工システムで延伸される。この溶接ワイヤは、初期のワイヤの直径未満の直径を有する。特に、その直径は0.5mm〜1.5mmである。有益的には、直径は0.8mm〜1.2mmである
本発明は、更に、上記に定義された母材で作られた部品の少なくとも2つの部分を合わせて溶接するために上記に定義されたような溶接ワイヤの使用に関する。
本発明は、更に、溶接されたアセンブリ10(図2)を生産するために上記に定義された母材の部品12の少なくとも2つの部分を合わせて溶接する溶接方法に関する。
最初に、上述したような溶接ワイヤが提供される。溶接方法を使用して溶接される、母材で作られた部品12の部分も提供される。
その後、部品12の部分は、溶加ワイヤとして溶接ワイヤを使用して一緒に溶接される。
このステップにおいて、例えば、重ね溶接あるいは突合せ溶接のいずれかが生成される。溶接のタイプの選択は、特に、溶接される部品12の部分の性質や形状及び溶接されるアセンブリ10の所要の形状に依存する。
溶接ステップは、1つ以上の溶接パスを含んでいてよい。典型的には、溶接ステップは、初層溶接と称する最初の溶接パスを含み、1つ以上の充填パスと称する追加の溶接パスを後に続ける。
上述したように、溶接パスの各々は、溶加ワイヤとして本発明による溶接ワイヤを使用して実行される。従って、溶接ワイヤの希釈は、溶接の結果として溶かされた母材による希釈に制限される。
溶接は、手動であるいは自動的に生成される。
有益的には、溶接は、溶接される部品12の部分の熱により影響を受ける領域ができるだけ小さくなるように、低出力の溶接方法によって生成される。事実、熱により影響を受ける領域の金属粒子を粗くすることは、その領域の機械的な弱さを引き起こし、従って、粒度をできるだけ最小限にすることは重要である。
溶接は、例えば、溶加ワイヤとして本発明による溶接ワイヤを使用するプラズマ溶接、TIG(タングステン不活性ガス)溶接あるいはMIG(金属不活性ガス)溶接によって生成される。
好適には、初層溶接はプラズマ溶接で実行され、そして、充填パスをTIG溶接、有益的にはMIG溶接によって行う。実際に、MIG溶接方法及びTIG溶接方法は、プラズマ溶接よりも低出力の溶接方法である。
この方法の終了時には、溶接されたアセンブリ10は、上述したような溶接ワイヤから得られた溶接ビード13によって接続された部品12の部分を備えて得られる。そのような溶接されたアセンブリ10が図2に示されている。
より詳細には、この溶接方法は、上記に定義されるような母材で作られたパイプセクションを生成するために使用されてよい。
従って、本発明は、更に、そのようなパイプセクションを生成する方法に関する。
この方法は、母材で作られた板材1を準備することを含む。そのような板材が図3に示されている。板材は縦方向Lに延び、縦方向Lに実質的に平行な縦方向端縁3を有する。板材は、例えば2〜18mmの厚さを有する。
上記方法は、更に、2つの縦方向端縁3を互いに対向して位置させるように板材1を折り曲げるステップを含み、上述した溶接方法を使用して、互いに対向して位置された2つの縦方向端縁3を一緒に溶接するステップを後に続ける。
この場合、溶接方法についての記載において記載した部品12の部分は、板材1の縦方向端縁3を含む。
このステップで生成される溶接は、縦方向の溶接である。
好適には、これは突合せ溶接である。
この方法の終了時には、図4に示されるように、パイプセクション5が得られ、ここで、板材1はパイプに折り曲げられ、板材1の縦方向端縁3は、上述した溶接ワイヤから得られた溶接ビード6によって結合される。
1つの変形例では、少なくとも板材1の縦方向端縁3は母材で作られている。板材1の残部は任意の材料で作られていてよい。
本発明による溶接方法は、また、上記に定義されるような母材で作られたパイプセクションからパイプ7を生産するために使用されてもよい。
従って、本発明は、更に、そのようなパイプを生産する方法に関する。そのようなパイプ7は図5に示される。
このプロセスでは、少なくとも2つのパイプセクション5が提供される。これらのパイプセクションは、例えば、上述した生産方式を使用して得られたパイプセクション5である。
パイプセクション5の各々は、軸線Mをもつ実質的に円筒状であり、軸線Mの方向に沿って隔置された2つの縦方向端部10を有する。
その後、2つのパイプセクション5は、それらの縦方向端部10がパイプセクション5の軸線Mの方向に沿って互いに対向配置されるように位置決めされ、次に、2つのパイプセクション5の縦方向端部10が、上述した溶接方法を使用して一緒に溶接される。
この場合、溶接方法において定義された部品12の部分は、パイプ5のセクションの縦方向端部10を含む。
有益的には、このステップでは、突合せ溶接がパイプセクション5の縦方向端部10間で実行される。
溶接ステップが工場内で行われる場合、好適には、円周溶接が実行される。円周溶接は、典型的に、溶接工具に対して、特に溶接トーチに対して、溶接されるパイプセクション5を回転させることにより得られる溶接である。
溶接ステップが、工場外で、例えばパイプ7の設置現場で行われる場合、軌道溶接が好ましい。軌道溶接は、溶接されるパイプセクション5に対して、溶接工具、特に溶接トーチを回転させることにより得られる溶接である。
この溶接ステップは、パイプ7を成形するために多数のパイプセクション5の数−1に等しい回数を実行される。
1つの変形例では、この方法は、パイプセクションの生産方法にかかわらず、母材で作られた縦方向端部を有する任意のタイプのパイプセクションで実施することができる。
任意として、更に、融合線が溶接の逆側、すなわちパイプ7の内部に生成される。この追加のステップは、典型的に、溶接の形態の改善を可能にする。
これらの溶接ステップの終了時には、パイプ7が得られる。このパイプ7は、上述したような溶接ワイヤから得られた溶接ビード11によって組み立てられた少なくとも2つの連続のパイプセクション5を含む。
そのようなパイプ7は、例えば、低温液体の輸送のための導管、特に海中の導管の内側パイプである。
輸送される天然ガスの例は、メタン、液化天然ガス、ブタン及び液体プロパンを含む。
本発明による溶接方法は、また、母材で作られたタンク部分7を生産するために使用されてもよい。
従って、本発明は、更に、母材で作られた部品を合わせて溶接することにより、上記に定義された母材で作られた少なくとも1つのタンク部分を生産する方法に関する。
タンク部分は、例えば、タンクの内側ライニングを形成する薄膜、あるいはそのような薄膜の一部分である。
使用される部品は、例えば、板材に成形することにより予め生産される。また、これらの部品は、適当な条板から切り出された板材であってもよい。使用される板材は、例えば0.2mm〜10mmの厚さ、有益的には0.5mm〜1.5mmの厚さを有する。
部品は、上述したような溶接方法を使用して一緒に溶接される。
従って、上述したような溶接ワイヤから得られた溶接ビードによって結合される少なくとも2つの部品を含むタンク部分が得られる。
そのようなタンクは、例えば液化天然ガスのような低温液体を収容するものである。
実施例
本発明による溶接ワイヤは、上述した溶接ワイヤを生産する方法を使用して生産された。
表2は、行われた実験を要約する。
この表では、本発明と一致しない溶接ワイヤは、星印を付けてある。従って、例1−4及び12−14において、溶接ワイヤの化学組成は本発明と一致していない。例5−11において、溶接ワイヤの化学組成は本発明によるものである。
Figure 0006203868
例1−13による溶接ワイヤのニッケル+コバルト組成及びチタン+ニオブ組成は、図1に示される。例1−4及び12−13による溶接ワイヤが曲線C1−C4によって限定された領域外にある一方、例5−11による溶接ワイヤがこの領域内にあることに注目されたい。
その後、例1−14による溶接ワイヤの各々は、表3に定義されるような化学組成(含有量を質量%で示す)を有する母材で作られた2つの部品を溶接するために使用された。
Figure 0006203868
溶接条件は、上述したような溶接方法のタイプを使用して溶接を生成するには普通である。
例1−14の各々による溶接ワイヤで得られた溶接のそれぞれの特性が測定された。これらの測定結果が表4に要約される。
Figure 0006203868
この表において、
最初の2つの欄は、25℃及び−163℃の温度で、規準ASTM E8に従ってフラットな引張りの下での破断試験で破断が生じる、溶接されたアセンブリの領域をそれぞれ示す。
「マルテンサイト含有量」と題する3番目の欄は、液体窒素浴における−196℃でのフラットな引張りの中断によって25%だけの溶接の変形を伴いながら測定した、溶接におけるマルテンサイトの体積分率を含む。この欄で示された結果は、マルテンサイト変態に対する溶接の安定性を示す。
より詳細には、この試験では、試験片がハンダ継手に垂直に持たれ、次に、2つの微小硬さの刻印が試験片の測定区域になされる。これらの2つの刻印間の距離は、試験片の長さL0を得るために引張り試験の中断の前と、試験片の長さL1を得るために試験片の中断の後とで測定された。引張り機械によって−196℃で生成された塑性変形は、式
Figure 0006203868
で与えられた分配された伸びが22.5%〜27.5%になるように正確に測定される。その後、標準線量α/γがX線回折によって実行される。−196℃で変形した試験片の測定区域で発現したマルテンサイトの体積分率(T%)は、比
Figure 0006203868
で測定され、ここで、I(111)はオーステナイトピーク(111)での積分強度であり、I(110)はマルテンサイトピーク(110)での積分強度である。
表4に定義された使用される母材のマルテンサイト含有量(T%)が、上記に定義されるように−196℃で引張りによって25%の塑性変形を伴いながら、5%未満にとどまることは、注目されるべきである。
4番目の欄は、−180℃〜0℃(10−6/℃で示される)での溶接の平均熱膨張係数を含む。
この係数は、0℃で50mmの長さを有する試験片の−180℃〜0℃でのマイクロメータの長さにおける変化を測ることにより、決定された。平均熱膨張係数は、次の式
Figure 0006203868
を適用して得られ、ここで、L−Lは0℃〜−180℃でのマイクロメータの長さにおける変化を表わし、Tは0℃に等しく、Tは−180℃に等しい。
5番目の欄は、規準NF EN 10045−1に従って測定された溶接(Kcv)の衝撃強さを含む。この衝撃強さはJ/cmで表わされる。これは溶接の弾性を示す。
表4は、例5〜11による溶接ワイヤを使用して得られた溶接が、溶接ワイヤの組成に関して上述した所要の特性をすべて有することを示す。
実際に、これらの例の各々において、破断は、室温(25℃)及び低温(−163℃)の両方で、溶融域ではなく母材に生じる。これらの結果は、溶融域すなわち溶接の機械的特性が、室温と低温の両方で母材のものより大きいこと(機械的特性の勝り)を示す。従って、母材の特性だけ考慮して、溶接されたアセンブリを必要な大きさにすることが可能である。
反対に、本発明と一致していない例1及び13では、溶接ワイヤのチタン+ニオブ含有量は1.5%に等しく、従って2.25%未満であり、破断は室温で溶融域に生じる。従って、この場合には、室温での機械的特性の勝りはない。
本発明と一致していない例4では、溶接ワイヤのニッケル+コバルト含有量は、本発明による範囲内にあるが、チタン+ニオブ含有量は、式0.4167×(Ni+Co)−15.0%の適用によって得られた最小値(3.01%)未満である。換言すれば、例4によるワイヤのチタン+ニオブ含有量に対して、ニッケル+コバルト含有量は、曲線C2によって定義された最大値より大きい。溶接されたアセンブリの破断が低温で溶融域に生じることが分かる。従って、この場合には、低温での機械的特性の勝りはない。
本発明と一致していない例13では、チタン+ニオブ含有量は、比率0.4167×(Ni+Co)−15.0%によって定義された最小値(2.31%)未満である。換言すれば、例13によるワイヤのチタン+ニオブ含有量に対して、ニッケル+コバルト含有量は、曲線C2によって定義された最大値より大きい。溶接されたアセンブリの破断が低温で溶融域に生じることが分かる。従って、低温での機械的特性の勝りはない。
本発明と一致している例5〜11では、−196℃で25%の引張り変形を伴うマルテンサイト含有量(T%)は、5%未満である。従って、例5〜11による溶接のマルテンサイト変態に対する安定性は、使用される母材のものに少なくとも等しい。
溶接ワイヤのニッケル+コバルト含有量がこれらワイヤのそれぞれのTi+Nb含有量の曲線C1によって定められた最小値未満である例1〜3では、−196℃で25%の変形を伴うマルテンサイト含有量が5%より遥かに大きいことが分かる。従って、例1〜3による溶接のマルテンサイト変態に対する安定性は、使用される母材のものより全く小さい。
更に、例5〜11の各々では、溶接の平均熱膨張係数は、7.5×10−6/℃未満、すなわち母材のものに近いことが測定された。
本発明と一致していない例12では、溶接ワイヤのチタン+ニオブ含有量は3.75%より大きい。例12による溶接ワイヤで得られた溶接の平均熱膨張係数が、7.5×10−6/℃であることが注目される。
例5〜11では、−196℃(液体窒素の温度)での試験片の衝撃強さが120J/cm以上であることが分かる。従って、例5〜11による溶接ワイヤを使用して生成された溶接は、所要の延性と一致するよう延性を高め、溶接の脆弱な破断の危険性を制限している。
最後に、本発明と一致していない例14による溶接ワイヤは、0.50%より大きいニオブ含有量を有する。このワイヤを使用して得られた溶接は、その弾性が−196℃で80J/cmに等しいので、低温で低い延性を有することが分かる。従って、このように形成された溶接は脆弱である。
本発明による溶接ワイヤを使用して一緒に溶接されたFe−36Ni合金部品のアセンブリは、特に有益である。
実際に、室温と低温での溶接の機械的特性の勝りにより、アセンブリは、ハンダ継手の特性を考慮することなく、母材の特性に基づいて必要な大きさにすることができる。
更に、本発明による溶接ワイヤの使用によるハンダ継手の機械的特性の改善は、低温での溶接の耐疲労性を著しく改善する。溶接部に対して垂直に機械加工された角柱状試験片に、R=0.1の引張り比率(最大力と最小力の間の比率)で、フラットな交互の引張りを行う疲労試験は、既知のFe−36Ni合金のハンダ継手と比較して、500000サイクルまでの破断で、本発明による溶接ワイヤで得られたハンダ継手の最大力での30%を越える増加、及び10の因数による寿命の増加を示している。
更に、ハンダ継手は、母材のものに近い低い平均熱膨張係数を有していて、アセンブリが低温液体を収容するものである場合に有益である。母材と溶接の熱膨張係数の適応は、溶接内の残留束縛を減じ、従って、特に低温液体の荷積み過程あるいは荷下ろし過程中に温度が変わる場合に、それらの耐疲労性を増加させる。
更に、ハンダ継手の改善された延性により、事故の場合、特に衝撃の際に、ハンダ継手でのアセンブリの脆弱な破断の危険性が制限される。
従って、この改善された延性は、特に、ハンダ継手での割れ目に起因するいかなる漏洩を広がる前に修理することを可能にする。従って、本発明による溶接ワイヤを使用して得られたハンダ継手は、周知の「破損の前の漏洩」の仕様に応じる。
最後に、より高いニッケル及びチタン含有量、及びマルテンサイト変態に対するハンダ継手の安定性は、既知のFe−36Ni合金の溶接ワイヤで得られたハンダ継手と比較して、本発明による溶接ワイヤを使用して得られたハンダ継手の大気腐食速度の減少を可能にしている。

Claims (24)

  1. 以下の組成を質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を有する、部品の部分を一緒に溶接するための溶接ワイヤにおいて、前記溶接ワイヤが、質量%で、
    38.6%≦Ni+Co≦45.0%
    痕跡≦Co≦0.50%
    38.6%≦Ni+Co≦40.33%の場合、2.25%≦Ti+Nb≦0.8667×(Ni+Co)−31.20%
    40.33%≦Ni+Co≦41.4%の場合、2.25%≦Ti+Nb≦3.75%
    41.4%≦Ni+Co≦45.0%の場合、0.4167×(Ni+Co)−15.0%≦Ti+Nb≦3.75%
    痕跡≦Nb≦0.50%
    0.01%≦Mn≦0.30%
    0.01%≦Si≦0.25%
    痕跡≦C≦0.05%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する合金で作られていることを特徴とする溶接ワイヤ。
  2. 前記溶接ワイヤのニオブ含有量が0.01質量%以下である、請求項1に記載の溶接ワイヤ。
  3. 前記溶接ワイヤのコバルト含有量が0.10質量%以下である、請求項1又は2に記載の溶接ワイヤ。
  4. 前記溶接ワイヤの炭素含有量が0.015質量%以下である、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の溶接ワイヤ。
  5. 前記溶接ワイヤが、質量%で、
    40.0%≦Ni+Co≦42.0%
    2.60%≦Ti+Nb≦3.40%
    痕跡≦Nb≦0.01%
    痕跡≦Co≦0.10%
    0.01%≦Mn≦0.10%
    0.01%≦Si≦0.10%
    痕跡≦C≦0.015%
    痕跡≦Cr≦0.10%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する合金で作られている、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の溶接ワイヤ。
  6. 前記溶接ワイヤが、質量%で、
    41.0%≦Ni+Co≦42.0%
    2.60%≦Ti+Nb≦3.40%
    痕跡≦Nb≦0.01%
    痕跡≦Co≦0.10%
    0.01%≦Mn≦0.10%
    0.01%≦Si≦0.10%
    痕跡≦C≦0.015%
    痕跡≦Cr≦0.10%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する合金で作られている、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の溶接ワイヤ。
  7. 前記溶接ワイヤの直径が0.5mm〜1.5mmである、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の溶接ワイヤ。
  8. 前記溶接ワイヤの直径が0.8mm〜1.2mmである、請求項7に記載の溶接ワイヤ。
  9. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の溶接ワイヤを生産する方法において、
    請求項1ないしのいずれか1項に記載の前記溶接ワイヤの組成を有する合金で作られた半製品を準備するステップと、
    線材を成形するために前記半製品を熱間成形するステップと、
    延伸ステップを含み、前記線材の直径より小さい直径を有する溶接ワイヤへ前記線材成形するステップと、
    を包含する生産方法。
  10. 前記溶接ワイヤへ前記線材成形する前記ステップが、前記線材のスケールを除去すること、及び前記スケールを除去された線材をコイルへ巻き付けることを含み、前記延伸ステップが、コイルへ巻き付けられる前記スケールを除去された線材を延伸させることから成る、請求項に記載の生産方法。
  11. 前記半製品がビレット又はインゴットである、請求項又は10に記載の生産方法。
  12. 前記線材が、5mm〜21mm径を有する、請求項ないし11のいずれか1項に記載の生産方法。
  13. 前記線材を成形するために前記半製品を熱間成形する前記ステップが、断面積を縮小するために前記半製品を熱間圧延すること、及び前記線材を形成するために縮小断面積を有する前記半製品を熱間圧延することを含む、請求項ないし12のいずれか1項に記載の生産方法。
  14. 以下の組成を質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を有する、部品(12)の少なくとも2つの部分を一緒に溶接するための方法において、
    請求項1ないしのいずれか1項に記載の溶接ワイヤを準備すること、
    溶加ワイヤとして前記溶接ワイヤを使用して前記部品(12)の2つの部分を一緒に溶接すること、
    の連続したステップを包含する溶接方法。
  15. すべての溶接パスが、溶加ワイヤとして請求項1ないしのいずれか1項に記載の前記溶接ワイヤを使用して実行される、請求項14に記載の溶接方法。
  16. パイプセクション(5)を生産する方法において、
    2つの縦方向端縁(3)を有し、且つ、質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する母材で作られた板材(1)を準備するステップと、
    パイプセクション(5)を形成するために請求項14又は15による溶接方法を使用して前記板材(1)の前記縦方向端縁(3)を一緒に溶接するステップと、
    を包含する、パイプセクションを生産する方法。
  17. 前記パイプセクション(5)を形成するための前記板材(1)の前記縦方向端縁(3)間の溶接が縦方向の突合せ溶接である、請求項16に記載のパイプセクションを生産する方法。
  18. パイプを生産する方法において、
    各々が縦方向軸線(M)に沿って延び、且つ、質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する母材で作られた第1のパイプセクション(5)と第2のパイプセクション(5)を準備するステップと、
    前記第1のパイプセクション(5)の縦方向端部(10)が前記第1及び第2のパイプセクション(5)の前記縦方向軸線(M)に沿って前記第2のパイプセクション(5)の縦方向端部(10)に対向配置されるように、前記第1及び第2のパイプセクション(5)を位置決めするステップと、
    前記パイプ(7)を形成するために請求項14又は15による溶接方法を使用して前記第1及び第2のパイプセクション(5)の2つの前記縦方向端部(10)を一緒に溶接するステップと、
    を包含する、パイプを生産する方法。
  19. 前記第1及び第2のパイプセクション(5)の前記縦方向端部(10)間の溶接が円周突合せ溶接又は軌道突合せ溶接である、請求項18に記載のパイプを生産する方法。
  20. 低温液体を収容するためのタンクの部分を生産する方法において、
    形に成形され、且つ、各々が質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する母材で作られた部品を準備するステップと、
    前記タンクの部分を形成するために請求項14又は15による溶接方法を使用して前記部品(12)を一緒に溶接するステップと、
    を包含する、タンクの部分を生産する方法。
  21. 部品(12)の第1の部分と部品(12)の第2の部分を包含する溶接アセンブリ(10)であって、前記部分の各々が、質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する溶接アセンブリにおいて、前記部品(12)の前記第1及び第2の部分が、請求項1ないしのいずれか1項に記載の溶接ワイヤから得られた溶接ビード(13)によって接続される、溶接アセンブリ
  22. 母材で作られ且つ請求項1ないしのいずれか1項に記載の溶接ワイヤから得られた溶接ビードによって接続された部品を包含するタンクの部分であって、前記母材が、質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する、タンクの部分。
  23. 筒状に折り曲げられ、母材で作られた板材(1)を包含するパイプセクション(5)であって、前記母材が、質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含し、前記板材が、請求項1ないしのいずれか1項に記載の溶接ワイヤから得られた溶接ビード(6)によって接続される縦方向端縁(3)を有る、パイプセクション。
  24. 少なくとも2つのパイプセクション(5)を包含するパイプ(7)であって、前記パイプセクションの各々が、質量%で、
    35.0%≦Ni≦37.0%
    痕跡≦C≦0.10%
    痕跡≦Mn≦0.60%
    痕跡≦P≦0.025%
    痕跡≦S≦0.025%
    痕跡≦Si≦0.35%
    痕跡≦Cr≦0.50%
    痕跡≦Mo≦0.50%
    痕跡≦Co≦0.50%
    鉄及び生産に起因する不可避な不純物から成る残部
    を包含する母材で作られ、2つの連続する前記パイプセクション(5)が、請求項1ないしのいずれか1項に記載の溶接ワイヤから得られた溶接ビード(11)によって接続される、パイプ。
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