JP6642282B2

JP6642282B2 - オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法

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Publication number: JP6642282B2
Application number: JP2016110102A
Authority: JP
Inventors: 佳奈浄徳; 平田　弘征; 弘征平田; 大村　朋彦; 朋彦大村; 潤中村; 正明照沼; 孝裕小薄; 正樹上山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: JP2017213588A

Description

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法に関する。

近年、化石燃料に代わるエネルギーとして、水素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、水素を高圧で貯蔵、輸送できる使用環境（以下、水素設備ともいう。）の整備が併せて必要である。水素設備は例えば、高圧水素ガス用機器や液体水素用機器等である。水素設備に使用される材料には、耐水素脆化特性が要求される。

国際公開第２００４／０８３４７６号、国際公開第２００４／０８３４７７号、国際公開第２００４／１１０６９５号には、高強度のオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。これらの文献では、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による固溶強化及び窒化物による析出強化を活用することが提案されている。

オーステナイト系ステンレス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り、溶接部にも母材と同等の強度が要求される。特開平５−１９２７８５号公報、特開２０１０−２２７９４９号公報、及び前掲の国際公開第２００４／１１０６９５号には、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継手が開示されている。

これらの溶接継手は、高強度化のために溶接後熱処理を必要とする。しかし、大型の構造物では、長時間の溶接後熱処理は大きな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、溶接材料のＮ含有量等を管理することで、溶接金属のＮ含有量を増大させて、溶接後熱処理をしなくても高強度が得られるようにした溶接継手が開示されている。

特開平９−１３７２５５号公報には、溶接施工性が改善されたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。

国際公開第２００４／０８３４７６号国際公開第２００４／０８３４７７号国際公開第２００４／１１０６９５号国際公開第２０１２／１３２９９２号特開平５−１９２７８５号公報特開２０１０−２２７９４９号公報国際公開第２０１３／００５５７０号特開平９−１３７２５５号公報

実際の構造物では、すべての部位が上記のような高強度のオーステナイト系ステンレス鋼で構成されている必要はなく、使用部位によっては、異なるオーステナイト系ステンレス鋼が溶接される場合もある。この場合、溶接継手に対しては、高強度は要求されない。すなわち、異種溶接継手の場合、強度の低い方の母材と同等の強度があればよい。しかし、水素環境下の脆化特性には優れることが要求される。

薄肉部材（例えば、厚さが３ｍｍ以下の部材）を溶接する場合等、溶接材料の使用が困難な場合がある。この場合、溶接材料を用いずに、鋼材同士を突き合わせてガスタングステンアーク溶接によって溶接する。溶接材料を用いずに溶接すると、突き合わせ面に未溶融部分が欠陥として残存し、必要な強度が得られない場合がある。

国際公開第２００４／０８３４７６号、国際公開第２００４／０８３４７７号、国際公開第２００４／１１０６９５号、国際公開第２０１２／１３２９９２号、特開平５−１９２７８５号公報、特開２０１０−２２７９４９号公報、及び国際公開第２０１３／００５５７０号では、溶接施工性に関する検討はされていない。

特開平９−１３７２５５号公報には、Ａｌ含有量に応じてＯ含有量を調整することによって、溶接施工性を改善できると記載されている。しかし、ＡｌはＮとの親和力が強いため、Ｎを積極的に含有させたオーステナイト系ステンレス鋼にこの技術を適用しても、十分な効果が得られない場合がある。

本発明の目的は、溶接材料を用いることなく、必要な強度及び耐水素脆化特性が得られるオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態による溶接継手の製造方法は、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、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％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜３．０％、Ｂ：０〜０．０１％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記不純物としてのＯ、Ｐ、Ｓがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０５％以下、及びＳ：０．０４％以下である第１部材を準備する工程と、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮを含むオーステナイト系ステンレス鋼であって、式（１）で規定されるＮｉｅｑが２７％以上である第２部材を準備する工程と、Ａｒガス、Ｎ_２ガス、ＡｒとＮ_２との混合ガス、ＡｒとＨ_２との混合ガス、及びＡｒとＮ_２とＨ_２との混合ガスのいずれかをシールドガスとして、溶接材料を用いずにガスタングステンアーク溶接によって前記第１部材と前記第２部材とを溶接する工程とを備え、
前記ガスタングステンアーク溶接の入熱Ｑが７ｋＪ／ｃｍ以下であり、かつ、下記の式（２）を満たす。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｍｎ＋０．６Ｃｒ＋０．３Ｓｉ＋１２（Ｃ＋Ｎ）・・・（１）
Ｑ≧−０．１８［Ｈ_２］＋４．８・・・（２）
ただし、式（１）中の各元素記号には、前記第２部材の各元素の含有量が質量％で代入される。式（２）において、Ｑの単位はｋＪ／ｃｍであり、［Ｈ_２］には前記シールドガス中のＨ_２の混合率が体積％で代入される。

本発明によれば、溶接材料を用いることなく、必要な強度及び耐水素脆化特性が得られるオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法が得られる。

図１は、溶接母材用鋼板の開先加工を示す模式図である。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、詳細な検討を行った。その結果、まず、以下の事項について確認できた。

厚さの薄い部分を、溶接材料を使用せずにガスタングステンアーク溶接によって溶接して溶接する場合、溶接能率の観点から、「溶接線」と称される仮定線を形成する部位（以下、被溶接線という。）を１回溶接して完了するのが一般的である。

質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、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％等を含有するオーステナイト系ステンレス鋼（第１部材）と、別のオーステナイト系ステンレス鋼（第２部材）とを、溶接材料を用いずにガスタングステンアーク溶接によって溶接すると、溶接金属の強度が第２部材を下回ってしまう場合がある。すなわち、オーバマッチ継手にすることができない場合がある。これは、溶接中に溶融池からＮが飛散し、溶接金属のＮ含有量が減少するためと考えられる。

なお、本明細書において、「溶接材料」とは、溶加材、すなわち溶接中に付加する材料（溶接棒や溶接ワイヤ等）を意味し、「溶接金属」とは、溶接部の一部で、溶接中に溶融凝固した金属を意味する。

本発明者らは、この問題を解決するため、溶接継手の製造方法の適正化についての詳細な検討を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。

（ａ）上述のように、溶接金属の強度の低下は、溶接中に溶融池からＮが飛散することが原因と考えられる。これを抑制するためには、溶接時の入熱を小さくすればよい。入熱を小さくすれば、溶融池の面積が小さくなり、Ｎの飛散を抑制することができる。

一方、溶接材料を用いない溶接において入熱を小さくすると、溶け込み不足が起こる場合がある。溶け込み不足が起こると、突き合わせ面である被溶接線上に未溶融部が生じ、溶接継手の強度が低下する。

したがって、上記化学組成のオーステナイト鋼を、溶接材料を用いないで溶接するためには、入熱を適切に管理する必要がある。具体的には、溶接時の入熱を４．８〜７ｋＪ／ｃｍの範囲に管理すれば、溶け込み不足及びＮの飛散を抑制することができる。

（ｂ）シールドガスにＨ_２を混合させると、溶け込み深さが大きくなり、より小さい入熱で溶接が可能になる。具体的には、入熱Ｑが７ｋＪ／ｃｍ以下であり、かつ、下記を満たすようにすれば、溶け込み不足を抑制することができる。
Ｑ≧−０．１８［Ｈ_２］＋４．８…（１）
ただし、Ｑの単位はｋＪ／ｃｍであり、［Ｈ_２］にはシールドガス中のＨ_２の混合率が体積％で代入される。

（ｃ）シールドガスにＮ_２を混合させると、溶融池からのＮの飛散を抑制できるとともに、溶接金属中へＮを補填することができる。そのため、溶接金属のＮ含有量をより高くすることができ、より高強度の溶接金属を得ることができる。

以上の知見に基づいて、本発明は完成された。以下、本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法について詳述する。

本発明の一実施形態によるオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法は、第１部材及び第２部材を準備する工程と、第１部材と第２部材とをガスタングステンアーク溶接によって溶接する工程とを備える。

［第１部材及び第２部材を準備する工程］
以下の説明において、元素の含有量の「％」は、質量％を意味する。また、以下の説明において、第１部材と第２部材とを区別せずに「母材」と呼ぶ場合がある。

［第１部材］
第１部材は、以下に説明する化学組成を有する。

Ｃ：０．００５〜０．１％
炭素（Ｃ）は、オーステナイトを安定化するのに有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｃ含有量を０．００５％以上にする必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎると、溶接時の加熱により粒界に炭化物が形成され、鋼の耐食性及び靱性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．００５〜０．１％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．００８％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．０８％である。

Ｓｉ：０．２〜１．２％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸剤として有効な元素であるとともに、耐食性の向上に有効な元素である。Ｓｉはさらに、母材製造時にＮの溶解度を大きくして、鋼の強度を高めるのに間接的に寄与する。Ｓｉ含有量が０．２％未満だと、この効果が十分に得られない。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎると、Ｎｉ、Ｃｒ等と金属間化合物を形成し、熱間加工性を著しく低下させる場合がある。また、溶接金属においては凝固時に柱状晶境界に偏析して液層の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める場合がある。そのため、Ｓｉ含有量は０．２〜１．２％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．２５％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは１．０％である。

Ｍｎ：２．５〜６．５％
マンガン（Ｍｎ）は、脱酸剤として有効な元素であるとともに、オーステナイトを安定化するのにも有効な元素である。Ｍｎはさらに、母材製造時にＮの溶解度を大きくして、強度を高めるのに間接的に寄与する。この効果を十分に得るためには、Ｍｎ含有量を２．５％以上にする必要がある。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、靱性が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は２．５〜６．５％である。Ｍｎ含有量の下限は、好ましくは２．７％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは６％である。

Ｎｉ：８〜１５％
ニッケル（Ｎｉ）は、安定なオーステナイトを得るために必須の元素である。この効果を十分に得るためには、Ｎｉ含有量を８％以上にする必要がある。しかしながら、Ｎｉは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Ｎｉ含有量が高すぎると、母材製造時のＮの溶解度が小さくなる。そのため、Ｎｉ含有量は８〜１５％である。Ｎｉ含有量の下限は、好ましくは９％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは１４．５％である。

Ｃｒ：１９〜２５％
クロム（Ｃｒ）は、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素である。Ｃｒはさらに、母材製造時にＮの溶解度を大きくして、強度を高めるのに間接的に寄与する。この効果を十分に得るためには、Ｃｒ含有量を１９％以上にする必要がある。一方、Ｃｒ含有量が高すぎると、オーステナイトが不安定になり、接ガス環境の種類によっては鋼が脆化する。そのため、Ｃｒ含有量は１９〜２５％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは１９．２％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２４．５％である。

Ｍｏ：０．０１〜４．５％
モリブデン（Ｍｏ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。Ｍｏはまた、使用環境下での耐食性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Ｍｏ含有量が高すぎるとオーステナイトが不安定になる。そのため、Ｍｏ含有量は０．０１〜４．５％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは１％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは４％である。

Ｖ：０．０１〜０．５％
バナジウム（Ｖ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。この効果を得るためには、Ｖ含有量を０．０１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量に析出して延性が低下する。そのため、Ｖ含有量は０．０１〜０．５％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．４％である。

Ｎｂ：０．０１〜０．５％
ニオブ（Ｎｂ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。この効果を得るためには、Ｎｂ含有量を０．０１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量に析出して延性が低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０．０１〜０．５％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．０５％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．４％である。

Ａｌ：０．０５％未満
アルミニウム（Ａｌ）は、Ｓｉ及びＭｎと同様、脱酸剤として含有される。しかしながら、Ａｌ含有量が高すぎると、多量の窒化物が形成され、鋼の延性が低下する。そのため、Ａｌ含有量は０．０５％未満である。Ａｌ含有量の下限は、好ましくは０．０００３％である。Ａｌ含有量の上限は、好ましくは０．０４％である。

Ｎ：０．１５〜０．４５％
窒素（Ｎ）は、マトリックスに固溶するとともに微細な窒化物を形成し、鋼の強度を高める。この効果を十分に得るためには、Ｎ含有量を０．１５％以上にする必要がある。しかしながら、Ｎ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下する。また、溶接の際にブローホール等の溶接欠陥を生じる場合がある。そのため、Ｎ含有量は０．１５〜０．４５％である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．１６％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．４２％である。

第１部材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、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、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。

不純物のうち、Ｏ、Ｐ、及びＳの含有量はそれぞれ、次に述べる範囲に制限する。

Ｏ：０．０２％以下
酸素（Ｏ）は、鋼中に不純物として含まれる。Ｏ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下するとともに、溶接金属の靱性及び延性が低下する。そのため、Ｏ含有量は、０．０２％以下である。Ｏ含有量は、好ましくは０．０１％以下である。

Ｐ：０．０５％以下
リン（Ｐ）は、鋼中に不純物として含まれる。Ｐ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下する。Ｐ含有量は低いほど好ましいが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｐ含有量０．０５％以下である。Ｐ含有量は、好ましくは０．０３％以下である。

Ｓ：０．０４％以下
硫黄（Ｓ）は、鋼中に不純物として含まれる。Ｓ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下する。Ｓ含有量は低いほど好ましいが、極端な低減は製造コストの増大を招く。そのため、Ｓ含有量は０．０４％以下である。Ｓ含有量は、好ましくは０．０３％以下である。

第１部材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、以下に説明する元素を含有してもよい。以下に説明する元素（Ｔｉ、Ｃｕ、Ｂ）は、すべて選択元素である。すなわち、第１部材の化学組成は、これらの元素の一部又は全部を含有していなくてもよい。

Ｔｉ：０〜０．５％
チタン（Ｔｉ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｔｉ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量に析出して延性が低下する。そのため、Ｔｉ含有量は０〜０．５％である。Ｔｉ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００２％である。Ｔｉ含有量の上限は、好ましくは０．４５％である。

Ｃｕ：０〜３．０％
銅（Ｃｕ）は、安定なオーステナイト組織を得るのに有効な元素である。しかしながら、Ｃｕ含有量が高すぎると、その効果が飽和するとともに、靱性の低下を招く。そのため、Ｃｕ含有量は０〜３．０％である。Ｃｕ含有量の下限は、好ましくは０．００５％であり、さらに好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｃｕ含有量の上限は、好ましくは２．５％であり、さらに好ましくは２％である。

Ｂ：０〜０．０１％
ボロン（Ｂ）は、粒界に偏析して粒界固着力を高め、強度向上に寄与する。Ｂはまた、水素環境下での脆化を抑制する効果も有する。しかしながら、Ｂ含有量が高すぎると、溶接材料を使用しない場合、溶接時の割れ感受性を増大させる。したがって、Ｂ含有量は０〜０．０１％である。Ｂ含有量の下限は、好ましくは０．０００１％であり、さらに好ましくは０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｂ含有量の上限は、好ましくは０．００８％であり、さらに好ましくは０．００５％である。

第１部材は、好ましくは、下記の式で規定されるＮｉｅｑが３０％以上である。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｍｎ＋０．６Ｃｒ＋０．３Ｓｉ＋１２（Ｃ＋Ｎ）
上記の式の各元素記号には、第１部材の各元素の含有量が質量％で代入される。

Ｎｉｅｑの値が高いほど、オーステナイト組織の安定性が高まり、耐水素脆化特性が高まる。第１部材のＮｉｅｑは、さらに好ましくは、３２％以上である。

［第２部材］
第２部材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮを含むオーステナイト系ステンレス鋼であり、下記の式で規定されるＮｉｅｑが２７％以上である。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｍｎ＋０．６Ｃｒ＋０．３Ｓｉ＋１２（Ｃ＋Ｎ）
上記の式の各元素記号には、第２部材の各元素の含有量が質量％で代入される。

母材の耐水素脆化特性を高めるためには、オーステナイト組織の安定性を高め、フェライト組織やマルテンサイト組織の生成を抑制する必要がある。また、積層欠陥エネルギーを高め、転位の局在化を抑制する必要がある。十分な耐水素脆化特性を得るためには、第２部材のＮｉｅｑを２７％以上にする必要がある。第２部材のＮｉｅｑは、好ましくは２７．５％以上であり、さらに好ましくは２８％以上である。

第２部材は、好ましくは、以下に説明する化学組成を有する。

Ｃ：０．００１〜０．０６％
炭素（Ｃ）は、オーステナイトを安定化するのに有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｃ含有量を０．００１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｃ含有量が高すぎると、溶接時の加熱により粒界に炭化物が形成され、鋼の耐食性及び靱性が低下する。そのため、Ｃ含有量は０．００１〜０．０６％である。Ｃ含有量の下限は、好ましくは０．００５％である。Ｃ含有量の上限は、好ましくは０．０５％である。

Ｓｉ：０．０１〜１．０％
シリコン（Ｓｉ）は、脱酸剤として有効な元素であるとともに、耐食性の向上に有効な元素である。Ｓｉ含有量が０．０１％未満だと、この効果が十分に得られない。しかしながら、Ｓｉ含有量が高すぎると、Ｎｉ、Ｃｒ等と金属間化合物を形成し、熱間加工性を著しく低下させる場合がある。また、溶接金属においては凝固時に柱状晶境界に偏析して液層の融点を下げ、凝固割れ感受性を高める場合がある。そのため、Ｓｉ含有量は０．０１〜１．０％である。Ｓｉ含有量の下限は、好ましくは０．０３％である。Ｓｉ含有量の上限は、好ましくは０．９％である。

Ｍｎ：０．０１〜６．０％
マンガン（Ｍｎ）は、脱酸剤として有効な元素であるとともに、オーステナイトを安定化するのにも有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｍｎ含有量を０．０１％以上にする必要がある。一方、Ｍｎ含有量が高すぎると、靱性が低下する。そのため、Ｍｎ含有量は０．０１〜６．０％である。Ｍｎ含有量の上限は、好ましくは５．５％である。なお、Ｍｎは、Ｎの溶解度を大きくする効果も有する。Ｎを積極的に活用する場合、Ｍｎ含有量を２．０％以上にすることが好ましい。一方、Ｎを積極に活用しないのであれば、Ｍｎ含有量は、２．０％以下であってもよい。

Ｃｒ：１５〜２５％
クロム（Ｃｒ）は、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素である。この効果を十分に得るためには、Ｃｒ含有量を１５％以上にする必要がある。一方、Ｃｒ含有量が高すぎると、オーステナイトが不安定になり、接ガス環境の種類によっては鋼が脆化する。そのため、Ｃｒ含有量は１５〜２５％である。Ｃｒ含有量の下限は、好ましくは１６％である。Ｃｒ含有量の上限は、好ましくは２４．５％である。

Ｍｏ：０．０１〜４．０％
モリブデン（Ｍｏ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。Ｍｏはまた、使用環境下での耐食性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Ｍｏ含有量を０．０１％以上にする必要がある。しかしながら、Ｍｏは高価な元素であるため、多量の含有はコストの増大を招く。また、Ｍｏ含有量が高すぎるとオーステナイトが不安定になる。そのため、Ｍｏ含有量は０．０１〜４．０％である。Ｍｏ含有量の下限は、好ましくは１％である。Ｍｏ含有量の上限は、好ましくは３．５％である。

Ｎ：０．００１％以上０．２％未満
窒素（Ｎ）は、マトリックスに固溶するとともに微細な窒化物を形成し、鋼の強度を高める。一方、Ｎ含有量が高すぎると、製造時の熱間加工性が低下する。また、溶接の際にブローホール等の溶接欠陥を生じる場合がある。そのため、Ｎ含有量は０．００１％以上０．２％未満である。Ｎ含有量の下限は、好ましくは０．００３％である。Ｎ含有量の上限は、好ましくは０．１８％である。

第２部材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物である。ここでいう不純物とは、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、あるいは製造過程の環境等から混入する元素をいう。

第２部材の化学組成はさらに、Ｆｅの一部に代えて、以下に説明する元素を含有してもよい。以下に説明する元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭ）は、すべて選択元素である。すなわち、第２部材の化学組成は、これらの元素の一部又は全部を含有していなくてもよい。なお、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＲＥＭのうち２種以上の元素を含有させる場合は、その合計含有量を４．６％以下にすることが好ましい。

Ｖ：０〜０．５％
バナジウム（Ｖ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｖ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量に析出して延性が低下する。そのため、Ｖ含有量は０〜０．５％である。Ｖ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｖ含有量の上限は、好ましくは０．４％である。上述のとおり、第２部材は必ずしも高強度でなくてもよいので、Ｖ含有量は０．０１％以下であってもよい。

Ｎｂ：０〜０．５％
ニオブ（Ｎｂ）は、マトリックスに固溶し又は炭窒化物として析出し、鋼の強度を高める。しかしながら、Ｎｂ含有量が高すぎると、炭窒化物が多量に析出して延性が低下する。そのため、Ｎｂ含有量は０〜０．５％である。Ｎｂ含有量の下限は、好ましくは０．０１％である。Ｎｂ含有量の上限は、好ましくは０．４％である。上述のとおり、第２部材は必ずしも高強度でなくてもよいので、Ｎｂ含有量は０．０１％以下であってもよい。

Ｃａ：０〜０．０５％
カルシウム（Ｃａ）は、鋼の熱間加工性を改善する。しかしながら、Ｃａ含有量が高すぎると、Ｏと結合して清浄性を劣化させ、却って熱間加工性が劣化する。そのため、Ｃａ含有量は０〜０．０５％である。Ｃａ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｃａ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０１％である。

Ｍｇ：０〜０．０５％
マグネシウム（Ｍｇ）は、鋼の熱間加工性を改善する。しかしながら、Ｍｇ含有量が高すぎると、Ｏと結合して清浄性を劣化させ、却って熱間加工性が劣化する。そのため、Ｍｇ含有量は０〜０．０５％である。Ｍｇ含有量の下限は、好ましくは０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００１５％である。Ｍｇ含有量の上限は、好ましくは０．０３％であり、さらに好ましくは０．０１％である。

ＲＥＭ：０〜０．５％
希土類元素（ＲＥＭ）は、Ｓとの親和力が強く、鋼の熱間加工性を改善する。しかしながら、ＲＥＭ含有量が高すぎると、Ｏと結合して清浄性を劣化させ、却って熱間加工性が劣化する。そのため、ＲＥＭ含有量は０〜０．０５％である。ＲＥＭ含有量の下限は、好ましくは０．００１％であり、さらに好ましくは０．００１５％であり、さらに好ましくは０．００２％である。ＲＥＭ含有量の上限は、好ましくは０．４５％であり、さらに好ましくは０．４％である。

なお、「ＲＥＭ」とは、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうち１種又は２種以上の元素の合計含有量を示す。また、ＲＥＭについては、一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ミッシュメタルの形で含有させて、ＲＥＭ含有量が上記の範囲となるようにしてもよい。

［ガスタングステンアーク溶接］
溶接材料を用いずに、第１部材と第２部材とをガスタングテンアーク溶接によって溶接する。ガスタングステンアーク溶接は、以下の条件で実施する。

［シールドガス］
本実施形態におけるガスタングステンアーク溶接では、Ａｒガス、Ｎ_２ガス、ＡｒとＮ_２との混合ガス、ＡｒとＨ_２との混合ガス、及びＡｒとＮ_２とＨ_２との混合ガスのいずれかをシールドガスとして用いる。

シールドガスにＨ_２を混合させると、溶け込み深さが大きくなり、より小さい入熱で溶接が可能になる。小さい入熱で溶接することで、溶融池からのＮの飛散を抑制し、溶接継手の強度を向上させることができる。Ｈ_２の混合率が高いほど、溶け込み深さを大きくできる。そのため、シールドガスは、Ｈ_２を含むことが好ましい。Ｈ_２の混合率は、好ましくは０．１〜２０体積％である。Ｈ_２の混合率の下限は、さらに好ましくは１体積％である。

シールドガスにＮ_２を混合させると、溶融池からのＮの飛散を抑制できるとともに、溶接金属中へＮを補填することができる。そのため、溶接金属のＮ含有量をより高くすることができ、より高強度の溶接金属を得ることができる。そのため、シールドガスは、Ｎ_２を含むことが好ましい。Ｎ_２の混合率は、好ましくは０．１〜５０体積％である。Ｎ_２の混合率の下限は、さらに好ましくは０．５体積％である。Ｎ_２の混合率の上限は、好ましくは４０体積％であり、さらに好ましくは３０体積％である。

本実施形態におけるガスタングステンアーク溶接では、バックシールドガスを用いてもよい。バックシールドガスの成分は特に限定されないが、例えばＡｒ、Ｎ_２、及びこれらの混合ガスである。特に、Ｎ_２を用いることが好ましい。バックシールドガスにＮ_２を用いることで、溶接金属の強度を安定的に向上させることができる。

［入熱］
本実施形態におけるガスタングステンアーク溶接では、入熱Ｑが７ｋＪ／ｃｍ以下であり、かつ、下記の式を満たす。
Ｑ≧−０．１８［Ｈ_２］＋４．８
ただし、上式において、Ｑの単位はｋＪ／ｃｍであり、［Ｈ_２］にはシールドガス中のＨ_２の混合率が体積％で代入される。なお、シールドガスが、Ａｒガス、Ｎ_２ガス、又はＡｒとＮ_２との混合ガスの場合、［Ｈ_２］には０が代入される。

上述のように、シールドガスにＨ_２を混合させると、溶け込み深さが大きくなり、より小さい入熱で溶接が可能になる。入熱Ｑが−０．１８［Ｈ_２］＋４．８よりも小さければ、溶け込み深さが不足し、被溶接線上に未溶融部が生じる場合がある。一方、入熱Ｑが７ｋＪ／ｃｍを超えると、溶融部分が大きくなりすぎ、アンダーカットや溶け落ちが生じる等、溶接継手の健全性が低下する場合がある。

入熱Ｑが小さいほど、溶融池の面積が小さくなり、Ｎの飛散を抑制することができる。これによって、溶接金属のＮ含有量を高くでき、溶接継手の強度を向上させることができる。したがって、入熱Ｑは、−０．１８［Ｈ_２］＋４．８よりも大きい範囲において、小さい方が好ましい。入熱Ｑは、好ましくは６．５ｋＪ／ｃｍ以下であり、さらに好ましくは６．２ｋＪ／ｃｍ以下である。

以上の製造方法によって、溶接継手が製造される。本実施形態によって製造される溶接継手は、母材と、溶接中に母材が溶融凝固して形成される溶接金属とを備えている。

本実施形態の製造方法によれば、溶接時の溶け込み不足を抑制することができる。そのため、本実施形態の製造方法によって製造された溶接継手は、１回溶接で製造された場合であっても、必要な強度を有する。

一般に、溶接金属は急冷凝固組織であるため、固溶化熱処理等を実施して製造される母材とは異なり、凝固過程において、高温で生成したフェライトが室温まで残存する場合がある。フェライトは、水素環境下では、脆化して破壊の起点となる。特に、面積率で２０％を超えるフェライトが連続的に存在する場合、連結、伝播して溶接金属の耐水素脆化特性を低下させる。

本実施形態の製造方法によれば、溶接金属のフェライトの量を安定して２０％以下にすることができる。そのため、本実施形態の製造方法によって製造された溶接継手は、優れた耐水素脆化特性を有する。

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１Ａ〜１Ｅの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、及び熱処理により、板厚２．５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ１００ｍｍの溶接母材用鋼板（第１部材）を作製した。なお、表１の「−」は、当該元素の含有量が不純物レベルであることを示す。

さらに、表２に示す化学組成を有する符号２Ａ〜２Ｄの材料を実験室溶解して鋳込んだインゴットから、熱間鍛造、熱間圧延、及び熱処理により、板厚２．５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ１００ｍｍの溶接母材用鋼板（第２部材）を作製した。なお、表２の「−」は、当該元素の含有量が不純物レベルであることを示す。

各溶接母材用鋼板の長手方向と平行な端面に、図１に示す開先加工を実施した。図１中の数値は、寸法である。その後、表３に示す条件で、２つの溶接母材用鋼板の開先加工を施した端面同士を突き合わせて、ガスタングステンアーク溶接により、溶接材料を用いずに、１回溶接を実施した。

［引張試験］
各溶接継手から、溶接金属を平行部の中央に有する板状引張試験片を作製した。試験片に対して、常温で引張試験を実施した。引張試験において、溶接金属で破断したものを不合格とし、母材破断したもの（第２部材で破断したもの）を合格と評価した。

［低歪速度引張試験］
引張試験で合格と評価した溶接継手に対して、高圧水素環境下における耐水素脆化特性を評価するために、低歪速度引張試験を実施した。引張試験で合格と評価した溶接継手から、溶接金属を平行部の中央に有する板状低歪速度引張試験片を作製した。この試験片を用いて、大気中、及び８５ＭＰａの高圧水素環境中で低歪速度引張試験を実施した。歪速度は３×１０^−５／秒とした。高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値の８０％以上となる場合を合格と評価し、特に９０％以上であった場合、優れた耐水素脆化特性を有すると評価した。一方、８０％未満となるものを不合格と評価した。

表４に、引張試験及び低歪速度引張試験の結果を示す。「引張試験」の欄において、「○」は合格を、「×」は不合格を示す。「低歪速度引張試験」の欄において、「◎」は高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値が９０％以上であったことを、「○」は８０％以上９０％未満であったことを、「×」は８０％未満であったことを示す。同欄において、「−」は、低歪速度引張試験を実施していないことを示す。

試験符号Ｊ２〜４、６〜８、１０〜１９、２２〜２７、２９〜３１、３９、及び４０の溶接継手は、いずれも引張試験及び低歪速度引張試験の両方に合格した。このうち、試験符号Ｊ２、４、６、７、１０〜１９、２４〜２７、及び２９〜３１の溶接継手は、高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値の９０％以上であり、特に優れた耐水素脆化特性を示した。試験番号Ｊ３、８、２２、２３、３９及び４０の溶接継手は、高圧水素環境中での破断絞りの値が大気中での破断絞りの値の８０％以上ではあるものの、９０％未満であった。これは、溶接入熱が高かったため、溶接金属中のＮ含有量が低下し、溶接金属のＮｉｅｑが部分的に低下したためと考えられる。

試験符号Ｊ１、５、及び９の溶接継手は、突き合わせ面に未溶融部分が残っていたため、引張試験に合格しなかった。これは、溶接入熱が低すぎ、溶け込み深さが不十分であったためと考えられる。

試験符号Ｊ２０、２１、２８、及び３２の溶接継手は、低歪速度引張試験に合格しなかった。これは、第２部材のＮｉｅｑが低すぎたためと考えられる。

試験符号Ｊ３３及び３４の溶接継手は、引張試験に合格しなかった。これは、第１部材のＮ含有量が低すぎたためと考えられる。

試験符号Ｊ３５及び３６の溶接継手は、低歪速度引張試験に合格しなかった。これは、第１部材のＣｒ含有量が高すぎたため、又はＮｉ含有量が低すぎたためと考えられる。

試験符号Ｊ３７及び３８の溶接継手は、引張試験に合格しなかった。これは、溶接入熱が高かったために、溶接部が溶け落ち、健全な溶接部が形成されなかったためと考えられる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明によれば、高圧水素ガス機器及び液体水素機器といった水素設備に適した溶接継手を提供することができる。

Claims

化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｓｉ：０．２〜１．２％、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％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜３．０％、Ｂ：０〜０．０１％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記不純物としてのＯ、Ｐ、Ｓがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０５％以下、及びＳ：０．０４％以下である第１部材を準備する工程と、
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＮを含むオーステナイト系ステンレス鋼であって、式（１）で規定されるＮｉｅｑが２７％以上である第２部材を準備する工程と、
Ａｒガス、Ｎ_２ガス、ＡｒとＮ_２との混合ガス、ＡｒとＨ_２との混合ガス、及びＡｒとＮ_２とＨ_２との混合ガスのいずれかをシールドガスとして、溶接材料を用いずにガスタングステンアーク溶接によって前記第１部材と前記第２部材とを溶接する工程とを備え、
前記ガスタングステンアーク溶接の入熱Ｑが７ｋＪ／ｃｍ以下であり、かつ、下記の式（２）を満たす、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｍｎ＋０．６Ｃｒ＋０．３Ｓｉ＋１２（Ｃ＋Ｎ）・・・（１）
Ｑ≧−０．１８［Ｈ_２］＋４．８・・・（２）
ただし、式（１）中の各元素記号には、前記第２部材の各元素の含有量が質量％で代入される。式（２）において、Ｑの単位はｋＪ／ｃｍであり、［Ｈ_２］には前記シールドガス中のＨ_２の混合率が体積％で代入される。
請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法であって、
前記第２部材の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００１〜０．０６％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．０１〜６．０％、Ｎｉ：８〜１５％、Ｃｒ：１５〜２５％、Ｍｏ：０．０１〜４．０％、Ａｌ：０．０５％未満、Ｎ：０．００１％以上０．２％未満、Ｖ：０〜０．５％、Ｎｂ：０〜０．５％、Ｔｉ：０〜０．５％、Ｃｕ：０〜３．０％、Ｂ：０〜０．０１％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｍｇ：０〜０．０５％、ＲＥＭ：０〜０．５％、残部：Ｆｅ及び不純物であり、前記不純物としてのＯ、Ｐ、Ｓがそれぞれ、Ｏ：０．０２％以下、Ｐ：０．０５％以下、及びＳ：０．０４％以下である、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法。
請求項１又は２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法であって、
前記シールドガスは、体積％で、Ｈ_２：０．１〜２０％を含む、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法であって、
前記シールドガスは、体積％で、Ｎ_２：０．１〜５０％を含む、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法であって、
前記第１部材の化学組成は、式（３）で規定されるＮｉｅｑが３０％以上である、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の製造方法。
Ｎｉｅｑ＝Ｎｉ＋Ｍｏ＋Ｍｎ＋０．６Ｃｒ＋０．３Ｓｉ＋１２（Ｃ＋Ｎ）・・・（３）
ただし、式（３）中の各元素記号には、前記第１部材の各元素の含有量が質量％で代入される。