JPH0857683A

JPH0857683A - 高Ｃｒ鋼の溶接方法

Info

Publication number: JPH0857683A
Application number: JP21325294A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Miyasaka; 明博宮坂; Shigeru Okita; 茂大北
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1996-03-05
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JP3164978B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高Ｃｒ鋼の溶接方法に係り、さらに詳しく
は、例えばラインパイプや圧力容器などに使用される高
Ｃｒ鋼を溶接するのに適した、耐食性と強度および靱性
に優れた溶接方法を提供する。【構成】Ｃｒ：７．５〜１８．０％の高Ｃｒマルテン
サイト鋼の溶接において、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、
Ｍｎ：０．０２〜３．０％、Ｃｒ：１８．０〜２８．０
％、Ｎｉ：５．０〜１０．０％、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．
０〜５．０％、Ａｌ：０．００５〜０．５％を含有し、
さらに必要に応じてＣｕ、Ｎ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｔａを含有する溶接材料を使用し、溶接金属の組織をオ
ーステナイトとフェライトの２相組織とする溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高Ｃｒ鋼の溶接方法に係
り、さらに詳しくは、例えば石油・天然ガスの輸送に使
われるラインパイプ、あるいは貯蔵に使われる容器、あ
るいはさらに強度と耐食性が要求される用途において使
用される高Ｃｒ鋼を溶接するのに適した、耐食性と強度
および靱性に優れた溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年生産される石油・天然ガスは、湿潤
な炭酸ガスや硫化水素を含有するものが増加している。
こうした環境中で、炭素鋼や低合金鋼が著しく腐食する
ことは周知の事実である。従って、かかる腐食性の石油
・天然ガスの輸送に際しては、鋼管の防食対策として、
腐食抑制剤の添加が従来から一般的であった。しかし、
腐食抑制剤は、海洋油井では腐食抑制剤の添加・回収処
理に要する費用が膨大なものとなり、また海洋汚染の問
題もあって使用が困難になりつつある。従って、腐食抑
制剤を添加する必要がない耐食材料に対するニーズが、
最近大きくなっている。

【０００３】こうした目的のために、炭酸ガス含有環境
等で優れた耐食性を有し、溶接性にも優れる鋼あるいは
鋼管が多く提案されている。これらは炭酸ガス含有環境
での耐食性を得るために、１１〜１５％程度のＣｒを含
有し、溶接性を改善する目的でＣを低減し、強度と靱性
を確保するために焼入−焼戻熱処理を施して、組織を焼
戻マルテンサイトとするのが一般的である。例えば、特
開平４−９９１５４号公報および特開平４−９９１５５
号公報には、ＣおよびＮを低減し、置換型オーステナイ
ト安定化元素を添加した溶接性の優れたラインパイプ用
高Ｃｒ鋼が提案されている。

【０００４】ところで、ラインパイプや圧力容器は溶接
によって接続あるいは製造されるものであることは周知
の通りであるが、上記のような溶接性の優れた高Ｃｒ鋼
に適した溶接材料あるいは溶接方法が従来無かった。Ｎ
ＫＫ技報、１９８９年発行、第１２９号、第１５−２２
頁には、ＡＩＳＩ４１０鋼をＵＯＥ鋼管として製造し、
Ｎｉを添加した共金系材料を用いてＴＩＧ溶接継手（ラ
インパイプの現地円周溶接相当）を作成した例が報告さ
れている。しかし、該ＮＫＫ技報にもみられるように、
高Ｃｒの共金系材料では、Ｎｉを多量に含有したとして
も、溶接金属の硬さが非常に硬くなる。この場合、使用
環境において、微量の硫化水素が混入すると溶接金属に
応力腐食割れを発生する恐れがある、という難点があっ
た。

【０００５】また、溶接後に焼戻熱処理を施して、溶接
金属の硬さを低減することは可能ではある。しかし、高
Ｃｒ鋼の場合には、熱処理温度と時間としては例えば
「６２０℃×１時間」といった、非常に高温かつ長時間
の熱処理が必要である。ラインパイプの敷設現場でこう
した熱処理を施すこと、巨大な圧力容器の溶接部あるい
は全体にこうした熱処理を施すこと等は実際には極めて
困難であり、かつ膨大な費用と時間を要する。また、テ
ィグ（タングステンイナートガス）溶接は溶接速度が遅
く、かつ１パスでの溶接金属量が少ないので、構造物の
溶接に適用すると施工コストが非常に高くなるという難
点もある。従って、高Ｃｒ鋼を共金系あるいはマルテン
サイト系ステンレス鋼溶接材料を用いて溶接すること
は、施工上は困難である。

【０００６】一方、低合金鋼を溶接材料とした場合に
は、溶接は容易であるし、溶接金属に関しては溶接後熱
処理は不要である。しかし、低合金鋼は炭酸ガス含有環
境における耐食性が乏しい。耐食性の優れた高Ｃｒ鋼母
材に対して、耐食性の劣る低合金鋼溶接金属が接触して
いると、溶接部が選択的に腐食されるために、構造物の
安全上、極めて危険であり、適用することはできない。

【０００７】さらに、耐食性の優れた高Ｎｉオーステナ
イト系ステンレス鋼や、Ｎｉ基超合金を溶接材料とした
場合には、溶接部の選択腐食は発生せず、溶接金属の硬
さが低く、溶接金属の靱性を確保することができる。し
かし、オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基超合金
は、その結晶構造上、強度が低い、という問題点があ
る。一般的には、これらの材料の降伏強度は３００〜４
００Ｎ／ｍｍ² 程度しかない。降伏強度が５６０Ｎ／ｍ
ｍ² 以上にもなる高Ｃｒ鋼母材を、強度が非常に低い溶
接金属で溶接すると、外部応力が負荷された場合に溶接
金属が集中的に変形し、破壊に至る恐れがある。従っ
て、オーステナイト系ステンレス鋼や高Ｎｉ合金を溶接
材料として、高Ｃｒ鋼を溶接することにも大きな困難が
あった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこうした現状
に鑑みて、高Ｃｒ鋼を溶接するに際して、炭酸ガス含有
環境等で優れた耐食性を有し、溶接部の靱性、強度、等
にも優れる溶接方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、重量％でＣｒ：７．５〜１８．０％
を含有し、ミクロ組織が実質的にマルテンサイト単相、
あるいはマルテンサイトを主体として一部フェライトを
含む高Ｃｒ鋼の溶接において、重量％で、Ｓｉ：０．０
１〜１．０％、Ｍｎ：０．０２〜３．０％、Ｃｒ：１
８．０〜２８．０％、Ｎｉ：５．０〜１０．０％、Ｍｏ
＋０．５Ｗ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．００５〜
０．５％を含有し、Ｃ：０．０３％以下、Ｐ：０．０３
％以下、Ｓ：０．０１％以下に規制し、残部Ｆｅおよび
不可避不純物からなる溶接材料を用いてアーク溶接し、
かつ溶接金属のミクロ組織をオーステナイトとフェライ
トの２相組織とし、オーステナイト分率を３０〜７０％
とすることを特徴とする高Ｃｒ鋼の溶接方法である。ま
たさらに必要に応じて溶接材料が重量％で、Ｃｕ：３％
以下、Ｎ：０．２％以下の１種または２種を含有するこ
と、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａの１種または２種以上
を合計含有量で重量％で１．０％以下含有することも特
徴とする。

【００１０】

【作用】以下に本発明において各成分等の範囲を限定し
た理由を述べる。なお、本発明において％は特に明記し
ない限り、重量％を意味する。

【００１１】Ｓｉ：Ｓｉは、溶接金属の脱酸剤および強
化元素として有効であるが、含有量が０．０１％未満で
はその脱酸効果が充分ではなく、１．０％を超えて含有
させてもその効果は飽和するばかりか衝撃靱性を低下さ
せるので、Ｓｉの含有量範囲は０．０１〜１．０％に限
定する。

【００１２】Ｍｎ：Ｍｎは、溶接金属の脱酸剤として必
要で、また溶接金属の組織を調整するためのオーステナ
イト生成元素としても重要であって、０．０２％以上を
含有させる必要がある。しかし、３．０％を超えて含有
させてもその効果はもはや飽和しているばかりか、過剰
にＭｎを含有させることは材料の製造時に困難を生ずる
ので、上限含有量は３．０％とする。

【００１３】Ｃｒ：Ｃｒは、溶接金属の耐食性と強度を
確保するために１８．０％以上を含有させることが必要
であるが、２８．０％を超えて含有させると、溶接金属
の組織を調整するためには、オーステナイト生成元素と
して多量の合金元素を添加しなければならず、これはコ
ストをいたずらに上昇させるばかりである。従って、Ｃ
ｒの含有量は１８．０〜２８．０％とする。

【００１４】Ｎｉ：Ｎｉは、溶接金属の組織中にオース
テナイトを安定に生成させ、靱性と耐食性を確保する元
素として重要である。その含有量が５．０％未満では衝
撃靱性が不充分であり、またオーステナイト分率を確保
することが困難になる。Ｎｉの含有量が１０．０％を超
えると、オーステナイト分率が過大になって溶接金属の
強度が低下する恐れがあるのに対して、衝撃靱性を向上
させる効果はもはや飽和する。従って、Ｎｉの含有量は
５．０〜１０．０％とする。

【００１５】Ｍｏ＋０．５Ｗ：ＭｏおよびＷは溶接金属
の耐食性と高強度を確保するために添加する。ここで、
含有量が同じである場合に、Ｗの効果はＭｏの効果の１
／２であるので、両者を合計した効果はＭｏ＋０．５Ｗ
で表わされる。そして、Ｍｏ＋０．５Ｗが１．０％未満
では溶接金属の耐食性と強度が充分ではなく、５．０％
を超えると溶接金属のフェライトとオーステナイトの分
率を適正に保つのが困難になるか、オーステナイト分率
を３０〜７０％とするためには、オーステナイト生成元
素を過大に添加しなければならなくなる。従って、Ｍｏ
＋０．５Ｗの値は２．０〜５．０％とする。ここで、Ｍ
ｏとＷは、いずれかを単独に添加しても良いし、両者を
複合して添加しても良い。重要なことは、Ｍｏ＋０．５
Ｗで表わされる量が２．０〜５．０％の範囲に入ってい
ることである。

【００１６】Ａｌ：Ａｌは、脱酸剤として０．００５％
以上の添加が必要である。しかし、０．５％を超えて添
加すると、粗大な酸化物系介在物を形成して溶接金属の
耐食性と衝撃靱性を損なうので、上限含有量は０．５％
とする。

【００１７】Ｃ：Ｃは、Ｃｒと炭化物を形成して耐食性
を低下させ、また溶接金属の硬さを大きく上昇させるの
で、Ｃの含有量は０．０３％以下に限定する。あるいは
さらに、０．０２％以下に低減すると耐食性と靱性を改
善することかが一段と顕著であり、より好ましい。

【００１８】Ｐ：Ｐは多量に存在すると靱性を低下させ
るので、少ない方が望ましく、０．０３％以下に低減す
ることが必要であり、少ないほど好ましい。

【００１９】Ｓ：Ｓも多量に存在すると、熱間加工性、
延性および耐食性を低下させるので、少ない方が望まし
く、０．０１％以下に低減することが必要である。溶接
材料としての製造性を一段と改善し、溶接金属の耐食性
をさらに改善するためには、Ｓを０．００５％以下に低
減するとより好ましい。

【００２０】以上が本発明方法で使用する溶接材料の基
本成分であるが、本発明においては必要に応じてさらに
以下の元素を添加して、特性を一段と向上させた溶接材
料も対象としている。

【００２１】Ｃｕ：Ｃｕは、溶接金属の強度と耐食性を
高めるのに顕著な効果があり、オーステナイト分率を所
定の範囲に調整するためにも有用な元素である。しか
し、３．０％を超えて添加してもその効果はもはや飽和
するのに対して、熱間割れなどにより溶接材料の製造性
を低下させるので、上限含有量は３．０％とする。

【００２２】Ｎ：Ｎは、溶接金属においてオーステナイ
ト分率を所定の範囲に調整するためのオーステナイト生
成元素として、また溶接金属の強度を高める元素として
有用である。しかし、０．２％を超えて含有させること
は困難であるし、コストをいたずらに増加させるので、
上限含有量は０．２％とする。

【００２３】Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ：Ｎｂ、Ｖ、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａは、溶接金属の硬さを低下させ、耐食
性を改善する効果がある。しかし、過剰に添加してもこ
れらの効果は飽和するのに対して靱性を低下させるの
で、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａの１種または２種以上
の合計含有量が１．０％を超えないものとする。

【００２４】本発明方法で使用する溶接材料において
は、上記の成分の他に、製造性、靱性や耐食性などを調
整する目的で、あるいは添加合金元素に付随した不純物
として、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂなどを含有することができる。
また、製造性を改善する目的で、希土類元素（ＲＥ
Ｍ）、Ｃａ、Ｍｇなどを含有することも可能である。な
お、ここで希土類元素とは、原子番号が５７〜７１番お
よび８９〜１０３番の元素およびＹを指す。また、本発
明では酸素の含有量は特に限定はしていないが、酸素は
酸化物系非金属介在物を生成する根源となる不純物であ
るから、少ないほど好ましいのは当然である。

【００２５】次に、本発明においてミクロ組織を限定し
た理由を説明する。溶接金属のミクロ組織は、強度、衝
撃靱性、硬さ、耐食性という複数の要求特性を同時に満
足するために、オーステナイト＋フェライトの２相組織
であることが必要である。フェライト単相あるいはフェ
ライト主体の組織では衝撃靱性が悪い。一方、オーステ
ナイト単相あるいはオーステナイトを主体とする組織で
は溶接金属の強度が不足する。また、溶接金属の組織が
マルテンサイト単相あるいはマルテンサイトを主体とす
る組織であると、硬さが大で、衝撃靱性に乏しい。オー
ステナイト＋フェライトの２相組織とすることで、溶接
金属の強度が高まる一方で硬さが過剰に上昇することを
防止し、従って溶接に際して予熱あるいは後熱処理を施
さなくても溶接割れは発生せず、さらに優れた衝撃靱性
が得られる。

【００２６】ここで、溶接金属中のオーステナイト分率
が３０％未満では、フェライト分率が過大になって溶接
金属の衝撃靱性が低下するとともに、フェライト硬さが
高くなりすぎる。一方で、オーステナイト分率が７０％
を超えると、成分をいかに調整しても溶接金属の強度を
確保することが困難になる。従って、溶接金属のオース
テナイト分率は３０〜７０％の範囲とすることが重要か
つ必要である。

【００２７】本発明方法では、溶接方法はアーク溶接を
対象とする。通常のアーク溶接であれば特に限定される
ものではないが、ラインパイプや圧力容器等の溶接に
は、被覆アーク溶接、ミグ（メタルイナートガス）溶
接、マグ（メタルアクティブガス）溶接、ティグ（タン
グステンイナートガス）溶接なとが一般的に良く使用さ
れる。溶接は、自動、半自動、手溶接のいずれでも良
く、特に限定されるものではない。

【００２８】本発明が対象とする高Ｃｒ鋼はＣｒ量が
７．５〜１８．０％であって、ミクロ組織が実質的にマ
ルテンサイト単相、あるいはマルテンサイトを主体とし
て一部フェライトを含むもので、高強度が要求される鋼
である。本発明は母材の降伏強度が４４８Ｎ／ｍｍ² 以
上である場合に特に有効であり、母材の強度が５１７Ｎ
／ｍｍ² 以上である場合にはさらに一段と有効である。

【００２９】高Ｃｒ鋼ではあっても、該鋼の組織がフェ
ライト単相、あるいは実質的にフェライトからなる場合
には、鋼自体の強度が必ずしも高くはないので本発明方
法を適用する必要がない場合が多い。その理由は、こう
した鋼は主として加工性を要求される薄板として使用さ
れる場合が多く、母材あるいは溶接部の衝撃靱性に対す
る要求がないか、あっても要求レベルが低いためであ
る。また、溶接部に要求される強度もさほど高くないか
らである。

【００３０】本発明が対象とする高Ｃｒ鋼においては、
Ｃｒ量が前述の範囲であれば他の成分は特に限定される
ものではなく、いずれも適用可能である。念のために代
表的な成分の考え方を例示すると、以下の通りである。（１）溶接性を改善する目的でＣおよびＮを低減する。（２）マルテンサイト組織を得るためにＮｉ、Ｃｕ、Ｍ
ｎを添加する。（３）あるいはさらに、耐食性を改善する目的でＭｏ、
Ｗを添加する。（４）あるいはさらに、衝撃靱性と熱影響部硬さを改善
する目的等で、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ等を添加す
る。（５）耐食性や熱間加工性などを改善する目的で、希土
類元素（ＲＥＭ）、Ｃａの１種以上を添加する。このほ
か、不純物であるＰ、Ｓ、Ｏは低減されるのが一般的で
ある。Ｓｉ、Ａｌは脱酸目的で添加される。強度を目的
としてＢを添加する場合もある。

【００３１】本発明は、ラインパイプなどの鋼管の円周
溶接に適用することは、勿論可能であるし、圧力容器や
構造物に使用される鋼板の溶接に適用することも勿論可
能である。

【００３２】

【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。表
１に成分を示す高Ｃｒ鋼管（肉厚１２．７ｍｍ）を母材
とし、表２に示す溶接材料で溶接を行なって溶接継手を
作成した。なお、表１の鋼管は、鋼管として製造された
後に、焼入−焼戻熱処理を施して、いずれも降伏強度を
５５１Ｎ／ｍｍ² 以上としたものである。表３に溶接条
件を示すが、各溶接材料を適用した鋼管の番号を記し
た。また、溶接に際して予熱はまったく適用せず、溶接
後の熱処理も行なっていない。各溶接継手の断面につい
て、エッチングして組織を現出した後に、オーステナイ
ト分率をポイントカウント法で測定した結果を、表３中
にあわせて記載した。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【表３】

【００３６】次に各々の溶接継手から、切欠が溶接金属
に位置するようにＪＩＳ４号衝撃試験片（フルサイズ）
を採取した後に、衝撃試験を実施した。溶接金属の最高
硬さは、荷重１ｋｇのビッカース硬さとして測定した。
溶接線に直交する方向において、平行部に溶接金属、溶
接熱影響部、母材を含むように、ＪＩＳ５号引張試験片
を採取し、室温で引張試験を行なった。

【００３７】一方、各溶接継手の溶接金属から試験片を
採取して、湿潤炭酸ガス環境における腐食試験を行なっ
た。湿潤炭酸ガス環境における腐食試験条件としては、
試験温度１２０℃のオートクレーブ中で、炭酸ガス４０
気圧の条件で５％ＮａＣｌ水溶液中に３０日間浸漬し
て、試験前後の重量変化から腐食速度を算出した。腐食
速度の単位はｍｍ／ｙで表わしたが、一般にある環境に
おけるある材料の腐食速度が０．１ｍｍ／ｙ未満の場
合、材料は充分耐食性を有し、使用可能であると考えら
れている。

【００３８】試験結果を第３表に示した。表３の衝撃試
験結果において、○は破面遷移温度が−３０℃以下、×
は破面遷移温度が−３０℃を超えて０℃以下、××は破
面遷移温度が−０℃超であったことをそれぞれ表わして
いる。引張試験結果においては、○は母材部で破断し、
溶接金属部では破断しなかったもの、×は溶接金属部で
破断したものを表わしている。腐食試験結果としては、
腐食速度を示した。

【００３９】表３から明らかなように、本発明例である
Ｎｏ．１〜５は、溶接金属の衝撃靱性が優れ、溶接金属
の強度が高く（溶接金属では破断しない）、溶接金属の
最高硬さは低く、かつ溶接金属の耐食性が優れるとい
う、多数の要求特性を同時に満足できることがわかる。
また、これらの特性は、溶接時の予熱あるいは後熱処理
を施さない、溶接ままで得られている。

【００４０】これに対して、比較例であるＮｏ．６は低
合金鋼ベースであるために溶接金属の耐食性と衝撃靱性
が著しく悪い。比較例Ｎｏ．７は１３％Ｃｒ−４Ｎｉ共
金系であってマルテンサイト組織であり、溶接ままでは
溶接金属の硬さが非常に大きい。また、比較例Ｎｏ．８
はオーステナイト系溶接材料であるが、耐食性と衝撃靱
性は良いものの溶接金属の強度が非常に低く、まったく
不充分である。比較例Ｎｏ．９はフェライト＋オーステ
ナイト２相混合組織ではあるものの成分が適切ではな
く、かつ溶接金属のオーステナイト分率が不適切である
ために、溶接金属の衝撃靱性が著しく悪い。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は溶接材料と
してＣｒ、Ｎｉをバランス良く含有させることにより溶
接金属をオーステナイトとフェライトの２相組織とし、
その他の成分をさらに規定することとあいまって、耐食
性、強度および靱性に優れた高Ｃｒ鋼の溶接方法を提供
することを可能としたものであり、産業の発展に貢献す
るところが極めて大である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＣｒ：７．５〜１８．０％を含
有し、ミクロ組織が実質的にマルテンサイト単相、ある
いはマルテンサイトを主体として一部フェライトを含む
高Ｃｒ鋼の溶接において、重量％で、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．０２〜３．０％、Ｃｒ：１８．０〜２８．０％、Ｎｉ：５．０〜１０．０％、Ｍｏ＋０．５Ｗ：１．０〜５．０％、Ａｌ：０．００５〜０．５％、を含有し、Ｃ：０．０３％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０１％以下、に規制し、残部Ｆｅおよび不可避
不純物からなる溶接材料を用いてアーク溶接し、かつ溶
接金属のミクロ組織をオーステナイトとフェライトの２
相組織とし、オーステナイト分率を３０〜７０％とする
ことを特徴とする高Ｃｒ鋼の溶接方法。
【請求項２】溶接材料がさらに、重量％で、Ｃｕ：３％以下、Ｎ：０．２％以下、の１種または２種を含有すること
を特徴とする請求項１に記載の高Ｃｒ鋼の溶接方法。
【請求項３】溶接材料がさらに、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｔａの１種または２種以上を合計含有量で重量％で
１．０％以下含有することを特徴とする請求項１または
２に記載の高Ｃｒ鋼の溶接方法。