JP7393627B2 - オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手 - Google Patents
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Description
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手に関する。
オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、高温強度、靭性、および強度等に優れる。そして、オーステナイト系ステンレス鋼においては、上記特性を高めるために、多種類の合金元素が添加される場合がある。
例えば、特許文献１には、Ｃｕ、Ｎｂ、およびＮを含有し、高温強度と延性とに優れたオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。
しかしながら、上述のような合金元素が添加されたオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する場合、使用環境において高温保持されると、熱影響部で割れが生じやすくなるという課題がある。このような割れは、応力緩和割れと呼ばれる割れである。また、応力緩和割れは、溶接時に溶融金属が凝固収縮すること等で生じる溶接残留応力に起因するとされる。
溶接残留応力を除去するために、溶接後、熱処理を行うことが有効である。その一方、オーステナイト系ステンレス鋼においては、通常、溶接後の熱処理を行わないことが多い。これは、熱処理を行った場合、耐食性の低下を招く鋭敏化、またはσ相が析出することによる脆化が生じ、材料特性を損なうからである。
以上を踏まえ、本発明は、溶接後に熱処理しないことを前提とし、応力緩和割れを抑制し得る、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、下記のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手を要旨とする。
（１）一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手であって、
前記溶接継手は母材と溶接金属とを有し、
前記母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含み、
前記母材の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０３～０．１２％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：８．０～１５．０％、
Ｃｒ：１５．０～２２．０％、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．００５～０．２０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００３～０．０５０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記一方向に垂直な断面において、前記裏波ビードの止端部における接線と、前記母材表面の延長線とがなす角のうち、前記母材側の角度を裏波開き角度とした場合に、
前記裏波開き角度と前記熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記（ｉ）式を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
Ｄ×Ｇ≧４００ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号は以下により定義される。
Ｄ：裏波開き角度（°）
Ｇ：熱影響部の平均粒度番号
前記溶接継手は母材と溶接金属とを有し、
前記母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含み、
前記母材の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０３～０．１２％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：８．０～１５．０％、
Ｃｒ：１５．０～２２．０％、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．００５～０．２０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００３～０．０５０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記一方向に垂直な断面において、前記裏波ビードの止端部における接線と、前記母材表面の延長線とがなす角のうち、前記母材側の角度を裏波開き角度とした場合に、
前記裏波開き角度と前記熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記（ｉ）式を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
Ｄ×Ｇ≧４００ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号は以下により定義される。
Ｄ：裏波開き角度（°）
Ｇ：熱影響部の平均粒度番号
（２）前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．０００２～０．００８０％、
Ｃａ：０．０００５～０．０２０％、
Ｍｇ：０．０００５％～０．０２０％、および
ＲＥＭ：０．０００３％～０．０６％、
から選択される一種以上を含有する、上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
Ｂ：０．０００２～０．００８０％、
Ｃａ：０．０００５～０．０２０％、
Ｍｇ：０．０００５％～０．０２０％、および
ＲＥＭ：０．０００３％～０．０６％、
から選択される一種以上を含有する、上記（１）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
（３）前記溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０６～０．１４％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：１５．０～１９．０％、
Ｃｒ：１６．０～２０．０％、
Ｍｏ：０．５０～１．５０％、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．１０～０．３０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
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Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
Ｃ：０．０６～０．１４％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：１５．０～１９．０％、
Ｃｒ：１６．０～２０．０％、
Ｍｏ：０．５０～１．５０％、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．１０～０．３０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物である、上記（１）または（２）に記載のオーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
本発明によれば、応力緩和割れを抑制しうる、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手を得ることができる。
本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
１．溶接継手
本発明に係る溶接継手は、一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手である。溶接継手は、母材と溶接金属とを有する。また、母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含む。
本発明に係る溶接継手は、一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手である。溶接継手は、母材と溶接金属とを有する。また、母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含む。
１－１．母材の化学組成
溶接継手母材の各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
溶接継手母材の各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０３～０．１２％
Ｃは、オーステナイト相を安定にする効果を有する。また、Ｎとともに微細な粒内炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。このため、Ｃ含有量は、０．０３％以上とする。Ｃ含有量は、０．０４％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。
Ｃは、オーステナイト相を安定にする効果を有する。また、Ｎとともに微細な粒内炭窒化物を形成し、高温強度の向上に寄与する。このため、Ｃ含有量は、０．０３％以上とする。Ｃ含有量は、０．０４％以上とするのが好ましく、０．０５％以上とするのがより好ましい。
しかしながら、Ｃを過剰に含有させると、特に０．１２％を超えると、高温での使用中に多量の微細炭窒化物が粒内に析出する。この結果、粒界面へ応力集中を生じさせ、割れを引き起こしやすくする。加えて、粒界近傍にＣｒ欠乏層を生じさせ、耐食性の低下を招く場合がある。このため、Ｃ含有量は０．１２％以下とする。Ｃ含有量は、０．１１％以下とするのが好ましく、０．１０％以下とするのがより好ましい。
Ｓｉ：１．０％以下
Ｓｉは、脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。また、Ｓｉは、高温での耐食性、および耐酸化性の向上に有効である。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると、オーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度および靱性の低下を招く。このため、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．９％以下とするのが好ましく、０．８％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｓｉ含有量は０．０３％以上とするのが好ましい。
Ｓｉは、脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。また、Ｓｉは、高温での耐食性、および耐酸化性の向上に有効である。しかしながら、Ｓｉ含有量が１．０％を超えると、オーステナイト相の安定性を低下させて、クリープ強度および靱性の低下を招く。このため、Ｓｉ含有量は１．０％以下とする。Ｓｉ含有量は、０．９％以下とするのが好ましく、０．８％以下とするのがより好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｓｉ含有量は０．０３％以上とするのが好ましい。
Ｍｎ：２．０％以下
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト相の安定化にも寄与する。さらに、溶接時にＳを固定化して、応力緩和割れを抑制する効果も有する。しかしながら、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、脆化を招き、クリープ延性および靱性の低下を招く。このため、Ｍｎ含有量は２．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．５％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｎ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。また、Ｍｎは、オーステナイト相の安定化にも寄与する。さらに、溶接時にＳを固定化して、応力緩和割れを抑制する効果も有する。しかしながら、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、脆化を招き、クリープ延性および靱性の低下を招く。このため、Ｍｎ含有量は２．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．５％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｍｎ含有量は０．０５％以上とするのが好ましい。
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは不純物として、鋼中に含有され、熱間加工性および靭性を低下させる。また、溶接時に液化割れを引き起こす場合がある。このため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は極力低減することが好ましいが、極端なＰの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、Ｐ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｐは不純物として、鋼中に含有され、熱間加工性および靭性を低下させる。また、溶接時に液化割れを引き起こす場合がある。このため、Ｐ含有量は０．０４０％以下とする。Ｐ含有量は極力低減することが好ましいが、極端なＰの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、Ｐ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは不純物として、鋼中に含有され、熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。また、Ｓは、応力緩和割れを生じやすくする。このため、Ｓ含有量は０．００２％以下とする。Ｓ含有量は極力低減することが好ましいが、極端なＳの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、Ｓ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｓは不純物として、鋼中に含有され、熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。また、Ｓは、応力緩和割れを生じやすくする。このため、Ｓ含有量は０．００２％以下とする。Ｓ含有量は極力低減することが好ましいが、極端なＳの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、Ｓ含有量は、０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｃｕ：２．０～４．０％
Ｃｕは固溶強化により、母材の強度を高める効果を有する。このため、Ｃｕ含有量は２．０％以上とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は２．２％以上とするのがより好ましく、２．５％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、溶接継手における延性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は４．０％以下とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は３．８％以下とするのがより好ましく、３．５％以下とするのがさらに好ましい。
Ｃｕは固溶強化により、母材の強度を高める効果を有する。このため、Ｃｕ含有量は２．０％以上とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は２．２％以上とするのがより好ましく、２．５％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、溶接継手における延性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は４．０％以下とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は３．８％以下とするのがより好ましく、３．５％以下とするのがさらに好ましい。
Ｎｉ：８．０～１５．０％
Ｎｉはオーステナイトを安定化させ、クリープ強度を高める。このため、Ｎｉ含有量は、８．０％以上とする。Ｎｉ含有量は、８．５％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｎｉを、過剰に含有させると、上記効果が飽和し、製造コストも高くなる。このため、Ｎｉ含有量は１５．０％以下とする。Ｎｉ含有量は、１４．０％以下とするのが好ましい。
Ｎｉはオーステナイトを安定化させ、クリープ強度を高める。このため、Ｎｉ含有量は、８．０％以上とする。Ｎｉ含有量は、８．５％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｎｉを、過剰に含有させると、上記効果が飽和し、製造コストも高くなる。このため、Ｎｉ含有量は１５．０％以下とする。Ｎｉ含有量は、１４．０％以下とするのが好ましい。
Ｃｒ：１５．０～２２．０％
Ｃｒは、鋼の耐食性を向上させる効果を有する。このため、Ｃｒ含有量は１５．０％以上とする。Ｃｒ含有量は１６.０％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｃｒを、過剰に含有させると、クリープ強度および靭性が低下する。このため、Ｃｒ含有量は２２．０％以下とする。Ｃｒ含有量は２１．０％以下とするのが好ましい。
Ｃｒは、鋼の耐食性を向上させる効果を有する。このため、Ｃｒ含有量は１５．０％以上とする。Ｃｒ含有量は１６.０％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｃｒを、過剰に含有させると、クリープ強度および靭性が低下する。このため、Ｃｒ含有量は２２．０％以下とする。Ｃｒ含有量は２１．０％以下とするのが好ましい。
Ｍｏ：１．０％以下
Ｍｏは、６００～７００℃での使用環境において、粒界に炭化物が生成するのを抑制する効果を有する。さらに、粒界強度を高め、クリープ強度を高める効果も有する。しかしながら、Ｍｏを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量は１．０％以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．１％以上とするのが好ましい。
Ｍｏは、６００～７００℃での使用環境において、粒界に炭化物が生成するのを抑制する効果を有する。さらに、粒界強度を高め、クリープ強度を高める効果も有する。しかしながら、Ｍｏを、過剰に含有させると、オーステナイト相の安定性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量は１．０％以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ｍｏ含有量は０．１％以上とするのが好ましい。
Ｎｂ：０．３０～１．００％
Ｎｂは、６００～７００℃の高温使用環境下において、Ｃと結合して炭窒化物を形成し、クリープ強度を高める効果を有する。このため、Ｎｂ含有量は０．３０％以上とする。Ｎｂ含有量は０．４０％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｎｂを、過剰に含有させると、δフェライトが生成する。この結果、鋼のクリープ強度、靭性を低下させる。また溶接性を低下させることで割れを発生させやすくする。このため、Ｎｂ含有量は１．００％以下とする。Ｎｂ含有量は０．９０％以下とするのが好ましい。
Ｎｂは、６００～７００℃の高温使用環境下において、Ｃと結合して炭窒化物を形成し、クリープ強度を高める効果を有する。このため、Ｎｂ含有量は０．３０％以上とする。Ｎｂ含有量は０．４０％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｎｂを、過剰に含有させると、δフェライトが生成する。この結果、鋼のクリープ強度、靭性を低下させる。また溶接性を低下させることで割れを発生させやすくする。このため、Ｎｂ含有量は１．００％以下とする。Ｎｂ含有量は０．９０％以下とするのが好ましい。
Ｎ：０．００５～０．２０％
Ｎは母相に固溶することでオーステナイトを安定化させる、または粒内に微細な炭窒化物を形成することで、クリープ強度を高める効果を有する。このため、Ｎ含有量は０．００５％以上とする。Ｎ含有量は０．００８％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｎを、過剰に含有させると、粒界でＣｒ窒化物が形成され、溶接熱影響部での耐食性が低下することから、割れが発生しやすくなる。また、加工性が低下する場合もある。このため、Ｎ含有量は０．２０％以下とする。Ｎ含有量は０．１８％以下とするのが好ましい。
Ｎは母相に固溶することでオーステナイトを安定化させる、または粒内に微細な炭窒化物を形成することで、クリープ強度を高める効果を有する。このため、Ｎ含有量は０．００５％以上とする。Ｎ含有量は０．００８％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ｎを、過剰に含有させると、粒界でＣｒ窒化物が形成され、溶接熱影響部での耐食性が低下することから、割れが発生しやすくなる。また、加工性が低下する場合もある。このため、Ｎ含有量は０．２０％以下とする。Ｎ含有量は０．１８％以下とするのが好ましい。
Ｔｉ：０．０５０％以下
Ｔｉは、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する効果を有する。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。このため、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０４０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０.００１％以上とするのが好ましい。
Ｔｉは、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する効果を有する。しかしながら、Ｔｉ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。このため、Ｔｉ含有量は０．０５０％以下とする。Ｔｉ含有量は０．０４０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｔｉ含有量は０.００１％以上とするのが好ましい。
Ｖ：０．１０％以下
Ｖは、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する効果を有する。しかしながら、Ｖ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。このため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０９％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｖ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。
Ｖは、ＮｂおよびＶと同様、微細な炭窒化物を形成して、高温でのクリープ強度および引張強さの向上に寄与する効果を有する。しかしながら、Ｖ含有量が過剰になると、Ｎｂと同様に使用初期に多量に析出し、靭性の低下を招く。このため、Ｖ含有量は０．１０％以下とする。Ｖ含有量は０．０９％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｖ含有量は０．０１％以上とするのが好ましい。
Ａｌ：０．００３～０．０５０％
Ａｌは脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。このため、Ａｌ含有量は０．００３％以上とする。Ａｌ含有量は、０．００４％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ａｌを過剰に含有させると、却って鋼の清浄性が低下する。また、鋼の加工性および延性も低下する。このため、Ａｌ含有量は０．０５０％以下とする。Ａｌ含有量は０．０４０％以下とするのが好ましい。
Ａｌは脱酸作用を有し、鋼の清浄性を向上させる効果を有する。このため、Ａｌ含有量は０．００３％以上とする。Ａｌ含有量は、０．００４％以上とするのが好ましい。しかしながら、Ａｌを過剰に含有させると、却って鋼の清浄性が低下する。また、鋼の加工性および延性も低下する。このため、Ａｌ含有量は０．０５０％以下とする。Ａｌ含有量は０．０４０％以下とするのが好ましい。
Ｏ：０．０２０％以下
Ｏは、不純物として鋼中に含有され、鋼の清浄性、ならびに熱間加工性および靭性といった機械的特性を低下させる。このため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とする。Ｏ含有量は極力低減するのが好ましいが、極端なＯの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、Ｏ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｏは、不純物として鋼中に含有され、鋼の清浄性、ならびに熱間加工性および靭性といった機械的特性を低下させる。このため、Ｏ含有量は０．０２０％以下とする。Ｏ含有量は極力低減するのが好ましいが、極端なＯの低減は、製造コストの増加に繋がる。このため、Ｏ含有量は、０．００１％以上とするのが好ましい。
Ｂ：０～０．００８０％
Ｂは、６００～７００℃での高温使用環境下において、粒界に偏析し、粒界強度を高める効果を有する。その結果、クリープ延性を高める。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、高温での熱間加工性が低下する。また、溶接性が低下する。このため、Ｂ含有量は０．００８０％以下とする。Ｂ含有量は０．００６０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｂは、６００～７００℃での高温使用環境下において、粒界に偏析し、粒界強度を高める効果を有する。その結果、クリープ延性を高める。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、高温での熱間加工性が低下する。また、溶接性が低下する。このため、Ｂ含有量は０．００８０％以下とする。Ｂ含有量は０．００６０％以下とするのが好ましい。一方、上記効果を得るためには、Ｂ含有量は０．０００２％以上とするのが好ましい。
Ｃａ：０～０．０２０％
Ｃａは、ＯおよびＳを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｃａを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。このため、Ｃａ含有量は０．０２０％以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましい。
Ｃａは、ＯおよびＳを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｃａを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。このため、Ｃａ含有量は０．０２０％以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ｃａ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましい。
Ｍｇ：０～０．０２０％
Ｍｇは、ＯおよびＳを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を却って低下させる。このため、Ｍｇ含有量は０．０２０％以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましい。
Ｍｇは、ＯおよびＳを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて、含有させてもよい。しかしながら、Ｍｇを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を却って低下させる。このため、Ｍｇ含有量は０．０２０％以下とする。一方、上記効果を得るためには、Ｍｇ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましい。
ＲＥＭ：０～０．０６％
ＲＥＭは、ＯおよびＳを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。このため、ＲＥＭ含有量は０．０６％以下とする。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は０．０００３％以上とするのが好ましい。
ＲＥＭは、ＯおよびＳを介在物として固定することで、鋼の熱間加工性とクリープ延性とを高める効果を有する。このため、必要に応じて含有させてもよい。しかしながら、ＲＥＭを過剰に含有させると、鋼の熱間加工性およびクリープ延性を低下させる。このため、ＲＥＭ含有量は０．０６％以下とする。一方、上記効果を得るためには、ＲＥＭ含有量は０．０００３％以上とするのが好ましい。
ここで、本発明において、ＲＥＭは、Ｓｃ、Ｙおよびランタノイドの合計１７元素を指し、上記ＲＥＭ含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。ＲＥＭは、工業的には、ミッシュメタルの形で添加される。
本発明の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
１－２．裏波開き角度および熱影響部の平均粒度番号
本発明に係る溶接継手は、後述する、裏波開き角度と、熱影響部の平均粒度番号との関係を規定する。具体的には、裏波開き角度と熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記（ｉ）式を満足する。
Ｄ×Ｇ≧４００ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号は以下により定義される。
Ｄ：裏波開き角度（°）
Ｇ：熱影響部の平均粒度番号
本発明に係る溶接継手は、後述する、裏波開き角度と、熱影響部の平均粒度番号との関係を規定する。具体的には、裏波開き角度と熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記（ｉ）式を満足する。
Ｄ×Ｇ≧４００ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号は以下により定義される。
Ｄ：裏波開き角度（°）
Ｇ：熱影響部の平均粒度番号
裏波開き角度について、図１および２を用いて説明する。図１は、溶接部の形状を模式的に示した図であり、裏波ビードが延びる方向に垂直な断面図である。なお、図１においては、図面が煩雑になることを避けるため、ハッチングは付していない。また、図２は裏波ビードの形状を説明するための模式図である。図１および２に示すように、裏波開き角度は、裏波ビード３の止端部８における接線４と、母材表面の延長線５とがなす角のうち、母材側の角度６である。ここで、図２に示すように裏波ビード３の止端部８における接線４と、母材表面の延長線５とがなす角は、母材側の角度６と、溶接金属２側の角度７との二つがある。本発明においては、母材側の角度６を裏波開き角度とする。
裏波ビードの止端部８は、左右両端にあるため、止端部８における接線４は、２本引くことができるが、本発明においては、止端部８における接線４とは、当該接線４により形成される裏波開き角度が小さくなる方の接線のことをいう。
なお、母材の厚さは３～１５ｍｍの範囲とするのが好ましい。開先形状は、特に限定されないが、裏波ビードを出しやすい開先形状が望ましい。このような開先形状の一例としては、Ｖ形開先、逆台形、Ｕ形などの開先形状が例示される。
熱影響部の平均粒度番号について説明する。熱影響部とは、溶接時の入熱により金属組織が変化する部分のことをいう。熱影響部は、腐食液等によりエッチングを行い、組織観察により確認することができる。そして、組織観察により特定した熱影響部の平均粒度番号を算出する。平均粒度番号は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３に準拠し、測定を行い、具体的には、切断法を用いる。
上記（ｉ）式左辺値が４００未満であると、応力緩和割れが発生しやすくなる。このため、上記（ｉ）式左辺値は４００以上とし、４５０以上であるのが好ましい。なお、（ｉ）式左辺値の上限は、限定されないが、通常１０００以下となると考えられる。
２．溶接金属の化学組成
本発明に係る溶接継手において、溶接金属の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０６～０．１４％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：１５．０～１９．０％、
Ｃｒ：１６．０～２０．０％、
Ｍｏ：０．５０～１．５０％、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．１０～０．３０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であるのが好ましい。
本発明に係る溶接継手において、溶接金属の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０６～０．１４％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：１５．０～１９．０％、
Ｃｒ：１６．０～２０．０％、
Ｍｏ：０．５０～１．５０％、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．１０～０．３０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であるのが好ましい。
上記のうちでも、Ｃ含有量は０．０７％以上とするのが好ましく、０．１３％以下とするのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．１２％以上とするのが好ましく、０．３５％以下とするのが好ましい。Ｍｎ含有量は２．２％以上とするのが好ましく、３．５％以下とするのが好ましい。Ｐ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０１５％以下とするのが好ましい。Ｓ含有量は０．０００２％以上とするのが好ましく、０．００１５％以下とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は２．５％以上とするのが好ましく、３．５％以下とするのが好ましい。Ｎｉ含有量は１６．０％以上とするのが好ましく、１８．０％以下とするのが好ましい。Ｃｒ含有量は１７．０％以上とするのが好ましく、１９．０％以下とするのが好ましい。Ｍｏ含有量は０．６０％以上とするのが好ましく、１．４０％以下とするのが好ましい。
Ｎｂ含有量は０．４０以上とするのが好ましく、０．９０％以下とするのが好ましい。Ｎ含有量は０．１２％以上とするのが好ましく、０．２５％以下とするのが好ましい。Ｔｉ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０４０％以下とするのが好ましい。Ｖ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０８％以下とするのが好ましい。
Ａｌ含有量は０．０４０％以下とするのが好ましい。Ｏ含有量は０．０１５％以下とするのが好ましい。Ｂ含有量は０．００６０％以下とするのが好ましい。Ｃａ含有量は０．０１０％以下とするのが好ましい。Ｍｇ含有量は０．０１０％以下とするのが好ましい。ＲＥＭ含有量は０．０１％以下とするのが好ましい。
なお、本発明において、溶接金属の化学組成とは、溶接金属全体の平均の化学組成を指すものとする。上記の溶接金属の化学組成は、溶接時における母材と溶接材料との流入割合で決定される。以下に、本発明に係る溶接継手を製造するのに用いられる溶接材料の好適な化学組成について説明する。
３．溶接材料の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。
Ｃ：０．０６～０．１４％
Ｃは、溶接後の溶接金属中の相安定性を高める作用を有するとともに、微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる効果を有する元素である。さらには、溶接凝固中にＣｒと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。このため、Ｃ含有量は０．０６％以上とするのが好ましい。Ｃ含有量は０．０７％以上とするのがより好ましく、０．０８％以上とするのがさらに好ましい。
Ｃは、溶接後の溶接金属中の相安定性を高める作用を有するとともに、微細な炭化物を形成し、高温使用中のクリープ強度を向上させる効果を有する元素である。さらには、溶接凝固中にＣｒと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。このため、Ｃ含有量は０．０６％以上とするのが好ましい。Ｃ含有量は０．０７％以上とするのがより好ましく、０．０８％以上とするのがさらに好ましい。
しかしながら、Ｃ含有量が過剰であると、炭化物が多量に析出するため、却ってクリープ強度および延性を低下させるおそれがある。このため、Ｃ含有量は０．１４％以下とするのが好ましい。Ｃ含有量は０．１３％以下とするのがより好ましく、０．１２％以下とするのがさらに好ましい。
Ｓｉ：０．１０～０．４０％
Ｓｉは、溶接材料の製造時において脱酸に有効であるとともに、溶接後の溶接金属の高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。このため、Ｓｉ含有量は０．１０％以上とするのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．１２％以上とするのがより好ましく、０．１４％以上とするのがさらに好ましい。
Ｓｉは、溶接材料の製造時において脱酸に有効であるとともに、溶接後の溶接金属の高温での耐食性および耐酸化性の向上に有効な元素である。このため、Ｓｉ含有量は０．１０％以上とするのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．１２％以上とするのがより好ましく、０．１４％以上とするのがさらに好ましい。
しかしながら、Ｓｉが過剰に含有された場合には相安定性が低下して、靭性およびクリープ強度の低下を招くおそれがある。このため、Ｓｉの含有量は０．４０％以下とするのが好ましい。Ｓｉ含有量は０．３５％以下とするのがより好ましく、０．３０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｍｎ：２．０～４．０％
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、Ｍｎは、溶接後の溶接金属中の相安定性の向上にも寄与する。このため、Ｍｎ含有量は２．０％以上とするのが好ましい。Ｍｎ含有量は２．２％以上とするのがより好ましく、２．４％以上とするのがさらに好ましい。
Ｍｎは、Ｓｉと同様、溶接材料の製造時において脱酸に有効な元素である。また、Ｍｎは、溶接後の溶接金属中の相安定性の向上にも寄与する。このため、Ｍｎ含有量は２．０％以上とするのが好ましい。Ｍｎ含有量は２．２％以上とするのがより好ましく、２．４％以上とするのがさらに好ましい。
しかしながら、Ｍｎの含有量が過剰になると脆化を招き、さらに、靭性およびクリープ延性の低下も生じるおそれがある。このため、Ｍｎの含有量は４．０％以下とするのが好ましい。Ｍｎの含有量は３．８％以下とするのがより好ましく、３．５％以下とするのがさらに好ましい。
なお、Ｍｎの含有量についても特に下限を設ける必要はないが、極端に低減させると脱酸効果が十分に得られず合金の清浄性が劣化するとともに、相安定性の向上効果が得難くなり、さらに製造コストも大きく上昇する。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、高温で長時間使用した後の溶接金属のクリープ延性を低下させる。このため、Ｐ含有量は０．０２０％以下とするのが好ましい。Ｐ含有量は０．０１５％以下とするのがより好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｐは、不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、高温で長時間使用した後の溶接金属のクリープ延性を低下させる。このため、Ｐ含有量は０．０２０％以下とするのが好ましい。Ｐ含有量は０．０１５％以下とするのがより好ましく、０．０１０％以下とするのがさらに好ましい。
なお、Ｐの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。このため、Ｐ含有量は０．０００５％以上とするのが好ましく、０．０００８％以上とするのがより好ましい。
Ｓ：０．００２％以下
Ｓは、Ｐと同様に不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｓは、溶接金属において長時間使用中に柱状晶粒界に偏析して脆化を招き、再熱割れ感受性を高める。このため、Ｓ含有量は０．００２％以下とするのが好ましい。Ｓ含有量は０．００１５％以下とするのがより好ましく、０．００１０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｓは、Ｐと同様に不純物として溶接材料中に含まれ、溶接中に凝固割れ感受性を高める元素である。さらに、Ｓは、溶接金属において長時間使用中に柱状晶粒界に偏析して脆化を招き、再熱割れ感受性を高める。このため、Ｓ含有量は０．００２％以下とするのが好ましい。Ｓ含有量は０．００１５％以下とするのがより好ましく、０．００１０％以下とするのがさらに好ましい。
なお、Ｓの含有量は可能な限り低減することが好ましいが、極度の低減は製造コストの増大を招く。このため、Ｓ含有量は、０．０００１％以上とするのが好ましく、０．０００２％以上とするのがより好ましい。
Ｃｕ：２．０～４．０％
Ｃｕは固溶強化により、溶接金属の強度を高める効果を有する。このため、Ｃｕ含有量は２．０％以上とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は２．２％以上とするのがより好ましく、２．５％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、溶接継手における延性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は４．０％以下とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は３．８％以下とするのがより好ましく、３．５％以下とするのがさらに好ましい。
Ｃｕは固溶強化により、溶接金属の強度を高める効果を有する。このため、Ｃｕ含有量は２．０％以上とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は２．２％以上とするのがより好ましく、２．５％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有させると、溶接継手における延性が低下する。このため、Ｃｕ含有量は４．０％以下とするのが好ましい。Ｃｕ含有量は３．８％以下とするのがより好ましく、３．５％以下とするのがさらに好ましい。
Ｎｉ：１５．０～１９．０％
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させ、高温でのクリープ強度を向上させる。このため、Ｎｉ含有量は１５．０％以上とするのが好ましい。Ｎｉ含有量は１６．０％以上とするのがより好ましく、１７．０％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量が１９．０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなる。このため、Ｎｉ含有量は１９．０％以下とするのが好ましい。Ｎｉ含有量は１８．０％以下とするのがより好ましい。
Ｎｉは、オーステナイトを安定化させ、高温でのクリープ強度を向上させる。このため、Ｎｉ含有量は１５．０％以上とするのが好ましい。Ｎｉ含有量は１６．０％以上とするのがより好ましく、１７．０％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量が１９．０％を超えると、溶接金属の強度が過剰に高くなる。このため、Ｎｉ含有量は１９．０％以下とするのが好ましい。Ｎｉ含有量は１８．０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒ：１６．０～２０．０％
Ｃｒは、溶接後の溶接金属の高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素である。また、Ｃｒは、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。さらに、溶接中にＣと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。このため、Ｃｒ含有量は１６．０％以上とするのが好ましい。Ｃｒ含有量は１７．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒの含有量が２０．０％を超えると、高温での相安定性が劣化してクリープ強度の低下を招くおそれがある。このため、Ｃｒ含有量は２０．０％以下とするのが好ましい。Ｃｒ含有量は１９．０％以下とするのがより好ましい。
Ｃｒは、溶接後の溶接金属の高温での耐酸化性および耐食性の確保のために有効な元素である。また、Ｃｒは、微細な炭化物を形成してクリープ強度の確保にも寄与する。さらに、溶接中にＣと共晶炭化物を形成することで、凝固割れ感受性の低減にも寄与する。このため、Ｃｒ含有量は１６．０％以上とするのが好ましい。Ｃｒ含有量は１７．０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｃｒの含有量が２０．０％を超えると、高温での相安定性が劣化してクリープ強度の低下を招くおそれがある。このため、Ｃｒ含有量は２０．０％以下とするのが好ましい。Ｃｒ含有量は１９．０％以下とするのがより好ましい。
Ｍｏ：０．５０～１．５０％
Ｍｏは、Ｗと同様に、溶接金属のマトリックスに固溶して、高温でのクリープ強度および引張強さを向上させる作用を有する元素である。このため、Ｍｏ含有量は０．５０％以上とするのが好ましい。Ｍｏ含有量は０．６０％以上とするのがより好ましく、０．７０％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有させても効果は飽和し、かえってクリープ強度を低下させる場合がある。さらに、高価な元素であるため、過剰に含有させることはコストの増大を招く。このため、Ｍｏ含有量は１．５０％以下とするが好ましい。Ｍｏ含有量は１．４０％以下とするのがより好ましく、１．３０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｍｏは、Ｗと同様に、溶接金属のマトリックスに固溶して、高温でのクリープ強度および引張強さを向上させる作用を有する元素である。このため、Ｍｏ含有量は０．５０％以上とするのが好ましい。Ｍｏ含有量は０．６０％以上とするのがより好ましく、０．７０％以上とするのがさらに好ましい。しかしながら、Ｍｏを過剰に含有させても効果は飽和し、かえってクリープ強度を低下させる場合がある。さらに、高価な元素であるため、過剰に含有させることはコストの増大を招く。このため、Ｍｏ含有量は１．５０％以下とするが好ましい。Ｍｏ含有量は１．４０％以下とするのがより好ましく、１．３０％以下とするのがさらに好ましい。
Ｎｂ：０．３０～１．００％
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。このため、Ｎｂ含有量は０．３０％以上とするのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．４０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。このため、Ｎｂ含有量は１．００％以下とするのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．９０％以下とするのがより好ましい。
Ｎｂは、Ｔｉと同様に、ＣまたはＮと結合して微細な炭化物または炭窒化物として粒内に析出し、高温でのクリープ強度の向上に寄与する。このため、Ｎｂ含有量は０．３０％以上とするのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．４０％以上とするのがより好ましい。しかしながら、Ｎｂの含有量が過剰になると、炭化物または炭窒化物として多量に析出し、クリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。このため、Ｎｂ含有量は１．００％以下とするのが好ましい。Ｎｂ含有量は０．９０％以下とするのがより好ましい。
Ｎ：０．１０～０．３０％
Ｎは、溶接金属中の組織を安定化させ、クリープ強度を向上させるとともに、固溶して引張強さの確保に寄与する元素である。このため、Ｎ含有量は０．１０％以上とするのが好ましい。Ｎ含有量は０．１５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、過剰に含有されると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出してクリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。このため、Ｎ含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。
Ｎは、溶接金属中の組織を安定化させ、クリープ強度を向上させるとともに、固溶して引張強さの確保に寄与する元素である。このため、Ｎ含有量は０．１０％以上とするのが好ましい。Ｎ含有量は０．１５％以上とするのがより好ましい。しかしながら、過剰に含有されると、高温での使用中に多量の微細窒化物が粒内に析出してクリープ延性および靭性の低下を招くおそれがある。このため、Ｎ含有量は０．３０％以下であるのが好ましい。
上記溶接材料の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
４．製造方法
本発明に係る溶接継手は、上記構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法を用いれば、安定して、本発明に係る溶接継手を得ることができる。
本発明に係る溶接継手は、上記構成を有していれば、その効果を得られるが、例えば、以下のような製造方法を用いれば、安定して、本発明に係る溶接継手を得ることができる。
母材の製造方法については特に制限はないが、例えば、上述の化学組成を有する鋼塊または鋳片に、熱間加工を施すことによって製造することができる。また、当該熱間加工の後に、必要に応じて熱間押出等の異なる方法の熱間加工をさらに施してもよい。また、必要に応じて、母材を熱処理してもよい。母材について鋼材の種類は、特に限定されず、例えば、鋼板、鋼管等であればよく、金属組織がオーステナイト相となるように、母材が製造されればよい。
得られた母材は、開先加工される。上述した（ｉ）式の規定を満足すれば、開先形状は、特に限定されないが、裏波ビードを出しやすい開先形状である、Ｖ形開先、逆台形、Ｕ形などの開先形状が望ましい。
続いて、上述した溶接材料を用い、母材を突き合わせ溶接する。溶接方法は、アーク溶接であるのが好ましい。アーク溶接の一例としては、ガスタングステンアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、被覆アーク溶接等が例示される。
溶接条件については、溶接材料の供給速度が５ｃｍ／ｍｉｎ未満であると、良好な裏波ビードが形成できない場合がある。このため、溶接材料の供給速度は、５ｃｍ／ｍｉｎ以上とするのが好ましく、１０ｃｍ／ｍｉｎ以上とするのがより好ましい。しかしながら、溶接材料の供給速度が８０ｃｍ／ｍｉｎを超えると、本発明に係る（ｉ）式の規定を満足しない場合がある。このため、溶接材料の供給速度は、８０ｃｍ／ｍｉｎ以下とするのが好ましく、７０ｃｍ／ｍｉｎ以下とするのがより好ましい。
なお、溶接材料の供給速度以外の条件については、例えば、溶接電流は５０～１００Ａの範囲とするのが好ましく、溶接電圧は、１０～１２Ｖの範囲とするのが好ましい。また、溶接速度は４～１０ｃｍ／ｍｉｎとするのが好ましい。
なお、溶接の際には、アルゴンガス等のバックシールドガスを用いて溶接するのが好ましい。この際のガスの流量は、裏波ビードが形成されやすい流量とすればよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有するオーステナイト系ステンレス鋼の鋼管母材に１１００～１２５０℃の溶体化処理を施した。なお、上記母材は、以下の手順で作成した。具体的には、表１に記載の化学組成を有する鋼片に１１５０～１２５０℃の範囲で熱間押出を行い、冷間引抜加工後に１１００～１２５０℃、５分の熱処理等を行い、オーステナイト単相の鋼管を得た。鋼管の肉厚は８．５ｍｍであった。
続いて、鋼管母材を図３に示すような形状のＶ字形の開先に加工した。開先角度は３０°、ルート間隔は２ｍｍ、ルート面は０．５ｍｍとした。開先加工を施した母材を、表２に示す溶接材料を用い、突き合わせ溶接し、溶接継手を作製した。溶接方法は、ＧＴＡＷ溶接法を用いた。溶接条件は、溶接材料の供給速度は、５～８０ｃｍ／ｍｉｎとし、溶接電圧１０～１２Ｖ、溶接電流５０～１００Ａ、溶接速度は４～１０ｃｍ／ｍｉｎとした。各試料の溶体化処理条件および溶接条件は表３に示すとおりである。
得られた溶接継手について、使用環境を模擬し、６５０℃、１０００ｈの条件で、時効熱処理を行った。その後、熱影響部の平均粒度番号を以下の手順で測定した。具体的には、溶接部断面を観察面とし、混酸を腐食液等とし、エッチングを行い、観察視野１００倍、視野数２視野とし、熱影響部の組織観察を行った。そして、組織観察に基づき、平均粒度番号を算出した。平均粒度番号は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１：２０１３に準拠し、切断法を用いた。なお、上記時効条件においては、母材の平均粒度番号はほとんど変化しないため、時効熱処理の前に平均粒度番号を調べてもよい。また、溶接継手について、ミクロ組織観察により裏波開き角度を調べ、合わせて応力緩和割れが生じているか確認した。
以上の結果を表１～表４に纏めて示す。
本発明の規定を満足する溶接継手Ａ－１～Ａ－５、Ｂ－１～Ｂ－２は、時効後も割れが生じておらず、良好な耐応力緩和割れ性を示した。その一方、上記以外の例は、時効後に割れが発生し、耐応力緩和割れ性が不良であった。
１ 母材
２ 溶接金属
３ 裏波ビード
４ 接線
５ 母材表面の延長線
６ 裏波開き角度
７ 溶接金属側の角度
８ 溶接止端部
２ 溶接金属
３ 裏波ビード
４ 接線
５ 母材表面の延長線
６ 裏波開き角度
７ 溶接金属側の角度
８ 溶接止端部
Claims (2)
- 一方向に延びる裏波ビードが形成された溶接継手であって、
前記溶接継手は母材と溶接金属とを有し、
前記母材はオーステナイト系ステンレス鋼からなり、熱影響部を含み、
前記母材の化学組成は、質量％で、
Ｃ：０．０３～０．１２％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：２．０％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：８．０～１５．０％、
Ｃｒ：１５．０～２２．０％、
Ｍｏ：１．０％以下、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．００５～０．２０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．００３～０．０５０％、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．０６～０．１４％、
Ｓｉ：０．１０～０．４０％、
Ｍｎ：２．０～４．０％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．００２％以下、
Ｃｕ：２．０～４．０％、
Ｎｉ：１５．０～１９．０％、
Ｃｒ：１６．０～２０．０％、
Ｍｏ：０．５０～１．５０％、
Ｎｂ：０．３０～１．００％、
Ｎ：０．１０～０．３０％、
Ｔｉ：０．０５０％以下、
Ｖ：０．１０％以下、
Ａｌ：０．０５０％以下、
Ｏ：０．０２０％以下、
Ｂ：０～０．００８０％、
Ｃａ：０～０．０２０％、
Ｍｇ：０～０．０２０％、
ＲＥＭ：０～０．０６％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
前記一方向に垂直な断面において、前記裏波ビードの止端部における接線と、前記母材表面の延長線とがなす角のうち、前記母材側の角度を裏波開き角度とした場合に、
前記裏波開き角度と前記熱影響部の平均粒度番号との関係が、下記（ｉ）式を満足する、オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手。
Ｄ×Ｇ≧４００ ・・・（ｉ）
但し、上記（ｉ）式中の各記号は以下により定義される。
Ｄ：裏波開き角度（°）
Ｇ：熱影響部の平均粒度番号 - 前記母材の化学組成が、質量％で、
Ｂ：０．０００２～０．００８０％、
Ｃａ：０．０００５～０．０２０％、
Ｍｇ：０．０００５～０．０２０％、および
ＲＥＭ：０．０００３～０．０６％、
から選択される一種以上を含有する、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。
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|---|---|---|---|---|
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