TWI775607B

TWI775607B - 焊接接頭及其製造方法

Info

Publication number: TWI775607B
Application number: TW110134656A
Authority: TW
Inventors: 高田充志; 韓鵬; 鈴木正道
Original assignee: 日商杰富意鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2022-08-21
Also published as: WO2022113473A1; TW202220779A

Abstract

本發明提供一種為高強度且耐高溫裂紋性及低溫韌性亦優異的焊接接頭。本發明中，將包含6.5質量%～10.0質量%Ni的高Ni鋼板彼此藉由焊接而形成焊接金屬部並進行接合，而製成焊接接頭。於將所述焊接金屬部設為如下焊接金屬部組成的基礎上，以鋼板的屈服強度BYS與焊接金屬部的0.2%耐力WPS滿足下式[WPS]≦[BYS]-100 MPa ······（1）、以及鋼板的拉伸強度BTS與焊接金屬部的拉伸強度WTS滿足下式[WTS]≦[BTS]+100 MPa······（2）的方式調整焊接金屬部強度，其中所述焊接金屬部組成包含13.0%～25.0%的Mn以便在極低溫區域中亦成為沃斯田鐵組織，且為了抑制高溫裂紋的產生而將Cr限定於3.8%以下，進而包含Ni：1.0%～12.0%、Mo：0.1%～5.0%、N：0.080%以下、O：0.100%以下。藉此，焊接金屬部及焊接接合部均可保持優異的低溫韌性。

Description

焊接接頭及其製造方法

本發明是有關於一種例如液化氣貯藏用罐等於極低溫環境下使用的焊接結構物，特別是有關於提高使用了含有6.5質量%~10.0質量%Ni的高Ni鋼板的焊接接頭的強度及極低溫韌性。

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)、液氮、液氧等的貯藏罐多使用9%Ni鋼。於9%Ni鋼的焊接中，作為焊接材料，一般應用含有50%以上Ni的Ni基合金。其原因在於，於使用包含與9%Ni鋼類似的成分(共金系)的焊接材料(共金系焊接材料)作為焊接材料進行焊接的情況下，無法確保於焊接接頭部中在焊接的狀態下與9%Ni鋼母材同等的、-196℃的極低溫下的低溫韌性(極低溫韌性)。

相對於此，例如專利文獻1中提出了「9%Ni鋼焊接用藥芯焊絲」。專利文獻1中記載的焊絲是於Ni基合金外皮中填充焊藥(flux)而成的藥芯焊絲，以相對於焊絲總質量的質量%計，以Ni基合金外皮與焊藥的合計含有Mn：2.0%~4.5%、Ni：53%~65%、Cr：13%~19%、Mo：5%~14%、Nb：0.5%~3.0%、Cu：0.01%~0.5%、Ti：0.4%~1.0%，且為C：0.02%以下、Si：0.2%以下，進而，按照如下方式、即、以相對於焊絲總質量的質量%計於焊藥中含有Ti氧化物：以TiO₂換算值的合計為3.0%~7.0%、Si 氧化物：以SiO₂換算值的合計為0.5%~2.0%、Zr氧化物：以ZrO₂換算值的合計為1.0%~2.0%、Al氧化物：以Al₂O₃換算值的合計為0.01%~0.1%、Na氧化物及K氧化物：以Na₂O換算值及K₂O換算值的一種或兩種以上的合計為0.1%~0.8%、CaO：0.1%~0.8%、氟化合物：以F換算值的合計為0.1%~1.0%、包含氧化物及氟化合物的熔渣形成劑的合計：6%~12%的方式，調整藥芯焊絲中的成分。若使用該焊絲製作9%Ni鋼焊接接頭，則可獲得為高強度、韌性優異的焊接金屬，可獲得耐裂紋性及氣孔等的耐缺陷性優異且所有姿勢下的焊接作業性優異等、為高能率且高品質的焊接金屬。

另外，專利文獻2中記載了「低溫用鋼用焊接材料」。專利文獻2中記載的焊接材料是削減Ni量、利用Mn使沃斯田鐵穩定化的焊接材料，且是於芯線中或芯線及其一部分的被覆焊材中具有以芯線重量比計包含C：0.05%~0.5%、Si：0.15%~0.75%、Mn：20%~50%、Cr：4%~17%、N：0.005%~0.5%、且剩餘部分包含鐵及不可避免的雜質的組成的焊接材料。再者，除了所述組成以外，進而可含有分別達4%的W及Ta、或者分別達10%的Ni及Mo。藉此，焊接金屬的拉伸特性及試驗溫度：-196℃下的衝擊韌性具有不遜色於英高鎳(Inconel)系合金的特性。

另外，專利文獻3中記載了「藥芯弧焊接用焊絲」。專利文獻3中記載的焊絲的特徵在於以重量%計包含C：0.15%~0.8%、Si：0.2%~1.2%、Mn：15%~34%、Cr：6%以下、Mo：1.5%~4%、 S：0.02%以下、P：0.02%以下、B：0.01%以下、Ti：0.09%~0.5%、N：0.001%~0.3%、TiO₂：4%~15%、選自SiO₂、ZrO₂及Al₂O₃中的一種以上的合計：0.01%~9%、選自K、Na及Li中的一種或兩種以上的合計：0.5%~1.7%、F與Ca中的一種以上：0.2%~1.5%、且剩餘部分包含Fe及其他不可避免的雜質。於使用專利文獻3中記載的焊絲並將極低溫用高Mn鋼材作為焊接母材進行焊接時，可獲得高溫裂紋得到防止、且常溫屈服強度為高強度、具有優異的極低溫韌性的焊接接頭部。

另外，專利文獻4中記載了「氣體金屬弧焊接用實芯焊絲」。專利文獻4中記載的實芯焊絲是具有以質量%計包含C：0.2%~08%、Si：0.15%~0.90%、Mn：17.0%~28.0%、P：0.03%以下、S：0.03%以下、Ni：0.01%~10.00%、Cr：0.4%~4.0%、Mo：0.01%~3.50%、B：小於0.0010%、N：0.12%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的組成的焊絲。於使用專利文獻4中記載的實芯焊絲，使以質量%計包含0.5%C-0.4%Si-25%Mn-3%Cr-剩餘部分為Fe的組成的鋼板彼此對接來進行氣體金屬弧焊接時，可獲得具有常溫屈服強度為400MPa以上的高強度、以及試驗溫度：-196℃下的吸收能量vE_-196為28J以上的優異的極低溫韌性的熔接金屬。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2018-144045號公報

專利文獻2：日本專利特開昭49-052737號公報

專利文獻3：日本專利特表2017-502842號公報

專利文獻4：日本專利第6621572號公報

然而，專利文獻1中記載的焊接材料是含有50%以上Ni的Ni基合金系焊接材料，存在高價的問題。另外，根據本發明者等人的研究，發現：於利用專利文獻2中記載的高Mn鋼系焊接材料製作9%Ni鋼的焊接接頭時，存在產生高溫裂紋的問題，另外，於將專利文獻3及專利文獻4中記載的高Mn鋼系焊絲應用於9%Ni鋼的焊接時，在母材部與焊接金屬部的邊界部(以下稱為焊接接合部(熔融邊界部))，存在試驗溫度：-196℃下的夏氏衝擊試驗的吸收能量vE_-196未必可確保27J的問題。

本發明解決所述現有技術的問題，且目的在於提供一種焊接接頭，所述焊接接頭是將以質量%計含有6.5%~10.0%Ni的高Ni鋼板彼此焊接接合而成的焊接接頭，焊接金屬部的耐高溫裂紋性優異，為高強度且具有優異的低溫韌性，並且焊接接合部的低溫韌性亦優異。

再者，所謂此處所述的焊接金屬部的「高強度」，是指常溫屈服強度(0.2%耐力)WYS為400MPa以上、且常溫拉伸強度WTS為660MPa以上的情況。另外，所謂此處所述的焊接金屬部、焊接接合部的「低溫韌性優異」，是指試驗溫度：-196℃下的夏氏衝擊試驗的吸收能量vE_-196為27J以上的情況。

本發明者等人為了達成所述目的，首先，製成焊接金屬組成包含13質量%以上的Mn且即便於極低溫下亦成為沃斯田鐵組織的焊接金屬，於此基礎上進而對導致焊接金屬的高溫裂紋的各種因素進行了努力研究。其結果發現，為了抑制含有13質量%以上的Mn且形成沃斯田鐵組織的焊接金屬的高溫裂紋，有效的是將Cr限制為4.0質量%以下。進而發現，於焊接金屬中含有超過4.0質量%的Cr時，於沃斯田鐵粒界析出碳化物(Cr₂₃C₆)，該粒界脆化，因此因焊接時導入的熱應變而開口，產生高溫裂紋。

另外，對焊接金屬於極低溫下亦為沃斯田鐵組織時影響焊接接合部的低溫特性的各種因素反覆進行了努力研究。而且，對在極低溫下進行試驗的各種夏氏衝擊試驗片觀察了破壞的傳播路徑。其結果發現，於吸收能量vE_-196為27J以上的低溫韌性優異的焊接接合部中，破壞於焊接金屬中傳播，相對於此，於吸收能量vE_-196小於27J而低溫韌性低下的焊接接合部中，破壞於焊接熱影響部中傳播。其原因在於，於高Mn鋼的母材部中，藉由熱處理(淬火回火處理)進行顯微組織的製造，藉由該熱處理確保極低溫韌性，但於焊接熱影響部中，顯微組織粗大化，因此極低溫韌性低下，另一方面，於含有13質量%以上的Mn且組織為沃斯田鐵組織的焊接金屬部中為保持優異的低溫韌性的狀態。

基於所述見解而進一步反覆研究，結果發現，為了獲得破壞在焊接接頭的焊接金屬部而非焊接熱影響部傳播的、具有優異的低溫韌性的焊接接合部，有效的是以焊接金屬部的0.2%耐力WPS與鋼板(母材部)的屈服強度BYS滿足以下的(1)式，[WPS]≦[BYS]-100MPa．．．．．．(1)

(此處，WPS：焊接金屬部的0.2%耐力(MPa)、BYS：鋼板(母材部)的屈服強度(MPa))

且焊接金屬部的拉伸強度WTS與鋼板(母材部)的拉伸強度BTS滿足以下的式(2)，[WTS]≦[BTS]+100MPa．．．．．．(2)

(此處，WTS：焊接金屬部的拉伸強度(MPa)、BTS：鋼板(母材部)的拉伸強度(MPa))的方式，使焊接熱輸入為0.5kJ/mm~6.0kJ/mm，調整焊接金屬的強度。

本發明是基於所述見解進一步進行研究而完成者。本發明的主旨如下所述。

[1]一種焊接接頭，是鋼板彼此經由焊接金屬部受到焊接接合而成的焊接接頭，其特徵在於，將所述鋼板設為具有以質量%計包含C：0.02%~0.20%、Si：0.05%~0.50%、 Mn：0.10%~1.80%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：6.5%~10.0%、N：0.010%以下、O：0.010%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的鋼板組成的鋼板，所述焊接金屬部具有以質量%計包含C：0.10%~0.80%、Si：0.10%~1.00%、Mn：13.0%~25.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：1.0%~12.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.080%以下、O：0.100%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的焊接金屬部組成、以及0.2%耐力WPS：400MPa以上且拉伸強度WTS：660MPa以上的拉伸特性，並且所述鋼板的屈服強度BYS與所述焊接金屬部的0.2%耐力WPS滿足以下的(1)式，[WPS]≦[BYS]-100MPa．．．．．．(1)

此處，WPS：焊接金屬部的0.2%耐力(MPa)、BYS：鋼板的屈服強度(MPa)，另外，所述鋼板的拉伸強度BTS與所述焊接金屬部的拉伸強度WTS滿足以下的(2)式， [WTS]≦[BTS]+100MPa．．．．．．(2)

此處，WTS：焊接金屬部的拉伸強度(MPa)、BTS：鋼板的拉伸強度(MPa)。

[2]如[1]所述的焊接接頭，其特徵在於設為除了所述焊接金屬部組成以外，以質量%計更含有選自以下的(i)及(ii)中的一種以上：(i)V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下中的一種或兩種以上；以及(ii)Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及稀土金屬(rare earth metals，REM)：0.020%以下中的一種或兩種以上的焊接金屬部組成。

[3]如[1]或[2]所述的焊接接頭，其特徵在於設為除了所述鋼板組成以外，以質量%計更含有選自以下的(iii)及(iv)中的一種以上：(iii)Cu：0.5%以下、Al：0.1%以下、Cr：1.0%以下、Mo：1.0%以下、V：0.2%以下、Nb：0.2%以下及Ti：0.2%以下中的一種或兩種以上；以及(iv)B：0.005%以下、Ca：0.005%以下及REM：0.020%以下中的一種或兩種以上的鋼板組成。

[4]一種焊接接頭的製造方法，使用實芯焊絲對鋼板彼此進行氣體金屬弧焊接而形成焊接金屬部並製成焊接接頭，所述焊接接頭的低溫韌性優異，且所述焊接接頭的製造方法的特徵在於，將所述鋼板設為具有以質量%計包含C：0.02%~0.20%、Si：0.05%~0.50%、 Mn：0.10%~1.80%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：6.5%~10.0%、N：0.010%以下、O：0.010%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的鋼板組成的鋼板，將所述實芯焊絲設為具有以質量%計包含C：0.15%~1.00%、Si：0.15%~1.10%、Mn：17.0%~30.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：0.2%~13.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.060%以下、O：0.020%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的焊絲組成的焊絲，所述焊接金屬部具有以質量%計包含C：0.10%~0.80%、Si：0.10%~1.00%、Mn：13.0%~25.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：1.0%~12.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.080%以下、O：0.100%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的焊接金屬部組成、以及0.2%耐力WPS：400MPa以上且拉伸強度WTS：660MPa以上的拉伸特性，並且以所述焊接金屬部的0.2%耐力WPS在與所述鋼板的屈服強度BYS的關係中滿足以下的(1)式， [WPS]≦[BYS]-100MPa．．．．．．(1)

(此處，WPS：焊接金屬部的0.2%耐力(MPa)、BYS：鋼板的屈服強度(MPa))

且所述焊接金屬部的拉伸強度WTS在與所述鋼板的拉伸強度BTS的關係中滿足以下的(2)式[WTS]≦[BTS]+100MPa．．．．．．(2)

(此處，WTS：焊接金屬部的拉伸強度(MPa)、BTS：鋼板的拉伸強度(MPa))

的方式，將所述氣體金屬弧焊接的焊接條件調整為一道次焊接熱輸入為0.5kJ/mm~6.0kJ/mm。

[5]如[4]所述的焊接接頭的製造方法，其特徵在於設為除了所述焊絲組成以外，以質量%計更含有選自以下的(v)及(vi)中的一種以上：(v)V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下中的一種或兩種以上；以及(vi)Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及REM：0.020%以下中的一種或兩種以上的焊絲組成，且設為除了所述焊接金屬部組成以外，以質量%計更含有選自以下的(i)及(ii)中的一種以上：(i)V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下中的一種或兩種以上；以及(ii)Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及REM：0.020%以下中的一種或兩種以上的焊接金屬部組成。

[6]如[4]或[5]所述的焊接接頭的製造方法，其特徵在於設為除了所述鋼板組成以外，以質量%計更含有選自以下的(iii)及(iv)中的一種以上：(iii)Cu：0.5%以下、Al：0.1%以下、Cr：1.0%以下、Mo：1.0%以下、V：0.2%以下、Nb：0.2%以下及Ti：0.2%以下中的一種或兩種以上；以及(iv)B：0.005%以下、Ca：0.005%以下及REM：0.020%以下中的一種或兩種以上的鋼板組成。

根據本發明，可容易地製作在不使用高價的Ni基焊接材料的情況下亦不產生高溫裂紋且具有高強度及優異的低溫韌性的焊接接頭，發揮產業上特別的效果。

另外，根據本發明，可提供具有高強度以及優異的低溫韌性的焊接接頭。

[焊接接頭]

本發明的焊接接頭是將以質量%計為C：0.02%~0.20%、Si：0.05%~0.50%、Mn：0.10%~1.80%、Ni：6.5%~10.0%作為基本組成的高Ni鋼板彼此經由焊接金屬部進行焊接接合而成的焊接接頭。受到焊接接合的高Ni鋼板可設為兩片或兩片以上的多片。再者，以下，組成中的質量%僅由%表述。

<高Ni鋼板>

作為母材(被焊接材料)使用的高Ni鋼板具有以質量%計包含C：0.02%~0.20%、Si：0.05%~0.50%、Mn：0.10%~1.80%、P：0.030%、S：0.030%以下、Ni：6.5%~10.0%、N：0.010%以下、O：0.010%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的鋼板組成。再者，除了所述成分以外，亦可根據需要添加合金元素作為選擇元素。作為選擇元素，可例示選自由可期待強度、韌性的提高的Cu：0.5%以下、Al：0.1%以下、Cr：1.0%以下、Mo：1.0%以下、V：0.2%以下、Nb：0.2%以下及Ti：0.2%以下所組成的群組中的一種或兩種以上及/或選自由可期待韌性的提高的B：0.005%以下、Ca：0.005%以下及REM：0.020%以下所組成的群組中的一種或兩種以上。

<焊接金屬部>

而且，本發明的焊接接頭中的焊接金屬部具有以質量%計包含C：0.10%~0.80%、Si：0.10%~1.00%、Mn：13.0%~25.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：1.0%~12.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.080%以下、O：0.100%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的組成(焊接金屬部組成)。

首先，對焊接金屬部的組成的限定理由進行說明。

C：0.10%~0.80%

C是使沃斯田鐵穩定化的元素，且是具有藉由固溶強化使焊接金屬的強度上升的作用的元素。為了獲得此種效果，必須含有0.10%以上。但是，於含有超過0.80%時，焊接時容易產生高溫裂紋。因此，將C限定於0.10%~0.80%的範圍內。再者，較佳為0.15%以上。另外，較佳為0.60%以下。

Si：0.10%~1.00%

Si藉由抑制碳化物的析出而使C固溶於沃斯田鐵中，從而使沃斯田鐵穩定化。為了獲得此種效果，必須含有0.10%以上。但是，於含有超過1.00%時，Si於凝固時偏析，於凝固單元界面生成液相，使耐高溫裂紋性降低。因此，將Si限定於0.10%~1.00%的範圍內。再者，較佳為0.20%以上。另外，較佳為0.90%以下。

Mn：13.0%~25.0%

Mn是廉價地使沃斯田鐵相穩定化的元素，本發明中必須含有13.0%以上。於Mn小於13.0%時，由於沃斯田鐵的穩定度不足，因此於焊接金屬中生成硬質的麻田散鐵相，韌性降低。另一方面，於Mn超過25.0%時，於凝固時會產生過度的Mn偏析，誘發高溫裂紋。因此，將Mn限制於13.0%~25.0%的範圍內。再者，較佳為15.0%以上。另外，較佳為22.0%以下。

P：0.030%以下

P是於晶粒界偏析並誘發高溫裂紋的元素，本發明中，較佳為盡可能減少，但若為0.030%以下，則可容許。因此，將P限定於0.030%以下。再者，過度的減少會導致精煉成本的高漲。因此，P較佳為調整為0.002%以上。

S：0.030%以下

S是於晶粒界偏析並誘發高溫裂紋的元素，本發明中，較佳為盡可能減少，但若為0.030%以下，則可容許。因此，將S限定於0.030%以下。再者，過度的減少會導致精煉成本的高漲。因此，S較佳為調整為0.001%以上。

Ni：1.0%~12.0%

Ni是強化沃斯田鐵粒界的元素，藉由抑制粒界的脆化來抑制高溫裂紋的產生。為了獲得此種效果，必須含有1.0%以上。另外，Ni亦具有使沃斯田鐵相穩定化的效果。但是，Ni是高價元素，含有超過12.0%於經濟上不利。因此，將Ni限定於1.0%~12.0%的範圍內。再者，較佳為2.0%以上。另外，較佳為11.0%以下。

Cr：0.4%~3.8%

Cr作為於極低溫下使沃斯田鐵相穩定化的元素發揮作用，使焊接金屬的低溫韌性(極低溫韌性)提高。另外，Cr亦具有提高焊接金屬的強度的作用。另外，Cr對縮小固液共存溫度範圍並抑制高溫裂紋的產生有效地發揮作用。進而，Cr對提高焊接金屬的耐腐蝕性亦有效地發揮作用。為了獲得此種效果，必須含有0.4%以上。於Cr小於0.4%時，無法確保所述效果。另一方面，於含有超過3.8%時，於粒界析出Cr碳化物，因此粒界脆化，其因焊接時導入的熱應變而開口，產生高溫裂紋。因此，將Cr限定於0.4%~3.8%的範圍內。再者，較佳為0.6%以上。另外，較佳為3.5%以下。

Mo：0.1%~5.0%

Mo是強化沃斯田鐵粒界的元素，藉由抑制粒界的脆化來抑制高溫裂紋的產生。再者，Mo亦具有藉由使焊接金屬硬化來提高耐磨損性的作用。為了獲得此種效果，必須含有0.1%以上。另一方面，於含有超過5.0%時，粒內過度硬化，粒界相對變弱，產生高溫裂紋。因此，將Mo限定於0.1%~5.0%的範圍內。再者，較佳為0.5%以上。另外，較佳為4.0%以下。

O：0.100%以下

O(氧)是不可避免地混入的元素，但於焊接金屬中，形成Al系氧化物或Si系氧化物而有助於抑制凝固組織的粗大化。此種效果於含有0.003%以上時變得顯著，因此較佳為含有0.003%以上，但於大量含有而超過0.100%時，氧化物的粗大化變得顯著。因此，將O(氧)限定於0.100%以下。再者，較佳為0.003%以上。另外，較佳為0.060%以下。

N：0.080%以下

N是不可避免地混入的元素，但與C同樣地，是有效地有助於提高焊接金屬的強度，同時使沃斯田鐵相穩定化並穩定地提高極低溫韌性的元素。此種效果於含有0.003%以上時變得顯著，因此較佳為含有0.003%以上。但是，於含有超過0.080%時，會形成氮化物，低溫韌性降低。因此，將N限定於0.080%以下。再者，更佳為0.004%以上。另外，較佳為0.060%以下。

所述成分是本發明焊接接頭的焊接金屬部中的基本成分，但本發明中，除了所述基本成分以外，可根據需要更含有選自由V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下所組成的群組中的一種或兩種以上、及/或選自由Cu：2.0%以下、Al：1.0% 以下、Ca：0.010%以下及REM：0.020%以下所組成的群組中的一種或兩種以上作為任意的選擇成分。

選自由V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下所組成的群組中的一種或兩種以上

V、Ti、Nb及W均為碳化物形成元素，是使沃斯田鐵晶粒內析出微細的碳化物而有助於增加焊接金屬的強度的元素，可根據需要選擇含有一種或兩種以上。

V是碳化物形成元素，使沃斯田鐵晶粒內析出微細的碳化物，有助於提高焊接金屬的強度。為了獲得此種效果，V較佳為含有0.001%以上。但是，於含有超過1.0%時，過剩的碳化物會成為破壞的產生起點，因此低溫韌性降低。因此，於含有時，V較佳為限定於1.0%以下。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.600%以下。

另外，Ti亦與V同樣地，是碳化物形成元素，使微細的碳化物析出，有助於提高焊接金屬的強度。為了獲得此種效果，Ti較佳為含有0.001%以上。但是，於含有超過1.0%時，過剩的碳化物會成為破壞的產生起點，因此低溫韌性降低。因此，於含有時，Ti較佳為限定於1.0%以下。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.600%以下。

另外，Nb亦與V、Ti同樣地，是碳化物形成元素，使微細的碳化物析出，有助於提高焊接金屬的強度。為了獲得此種效果，Nb較佳為含有0.001%以上。但是，於含有超過1.0%時，過剩的碳化物會成為破壞的產生起點，因此低溫韌性降低。因此，於含有時，Nb較佳為限定於1.0%以下。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.600%以下。

另外，W亦與V、Ti、Nb同樣地，是碳化物形成元素，使微細的碳化物析出，有助於提高焊接金屬的強度。為了獲得此種效果，W較佳為含有0.001%以上。但是，於含有超過1.0%時，過剩的碳化物會成為破壞的產生起點，因此低溫韌性降低。因此，於含有時，W較佳為限定於1.0%以下。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.600%以下。

選自由Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及REM：0.020%以下所組成的群組中的一種或兩種以上

Cu是有助於沃斯田鐵穩定化的元素，Al是作為脫氧劑發揮作用的元素，另外，Ca、REM是有助於抑制高溫裂紋的元素，可根據需要選擇含有。

Cu：2.0%以下

Cu是使沃斯田鐵相穩定化的元素，為了獲得此種效果，較佳為含有0.01%以上。但是，於大量含有而超過2.0%時，於沃斯田鐵粒界生成低熔點的液相，因此會產生高溫裂紋。因此，於含有時，Cu較佳為限定於2.0%以下。再者，更佳為0.02%以上。另外，更佳為1.6%以下。

Al：1.0%以下

Al作為脫氧劑發揮作用，具有提高熔融金屬的黏性、穩定地保持焊道形狀並減少飛濺(spatter)產生的重要作用。另外，Al減小固液共存溫度範圍，有助於抑制焊接金屬的高溫裂紋產生。此種效果於含有0.001%以上時變得顯著，因此較佳為含有0.001%以上。但是，於含有超過1.0%時，熔融金屬的黏性變得過高，相反地會增加飛濺、或焊道不擴展而增加融合不良等缺陷。因此，於含有時，Al較佳為限定於1.0%以下的範圍。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.8%以下。

Ca：0.010%以下及REM：0.020%以下中的一種或兩種

Ca、REM均為有助於抑制高溫裂紋的元素。Ca藉由於熔融金屬中與S結合，並形成高熔點的硫化物CaS，而抑制高溫裂紋。此種效果於含有0.001%以上時變得顯著。另一方面，於含有超過0.010%時，於焊接時弧產生混亂，難以穩定地焊接。因此，於含有時，Ca較佳為限定於0.010%以下。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.008%以下。

REM是強力脫氧劑，以REM氧化物的形態存在於焊接金屬中。REM氧化物藉由成為凝固時的成核點而使焊接金屬的凝固形態發生變化，有助於抑制高溫裂紋。此種效果於含有0.001%以上時變得顯著。但是，於含有超過0.020%時，弧的穩定性會降低。因此，於含有時，REM較佳為限定於0.020%以下。再者，更佳為0.002%以上。另外，更佳為0.016%以下。

所述成分以外的剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質。再者，作為不可避免的雜質，可例示Bi、Sn、Sb等，若合計為0.2% 以下，則可容許。

所述組成的焊接金屬部是具有0.2%耐力WPS：400MPa以上、拉伸強度WTS：660MPa以上的拉伸特性的高強度且具有優異的低溫韌性的焊接金屬部。

以於所述焊接金屬部組成的範圍內且焊接金屬部的0.2%耐力WPS在與鋼板的屈服強度BYS的關係中滿足以下的式(1)，[WPS]≦[BYS]-100MPa．．．．．．(1)

進而焊接金屬部的拉伸強度WTS在與鋼板的拉伸強度BTS的關係中滿足以下的(2)式[WTS]≦[BTS]+100MPa．．．．．．(2)

的方式，調整焊接條件。具體而言，將焊接條件調整為一道次焊接熱輸入為0.5kJ/mm~6.0kJ/mm。

再者，若是同時滿足所述(1)式及(2)式的焊接金屬部，則焊接接合部中的破壞的發展是在焊接金屬部側，顯示出高吸收能量，成為低溫韌性(極低溫韌性)優異的焊接接合部。

[焊接接頭的製造方法]

接著，對本發明的焊接接頭的較佳的製造方法進行說明。

首先，作為被焊接材料，準備兩片或兩片以上的多片具有所期望的板厚、具有所述鋼板組成的高Ni鋼板。然後，進行坡口加工，以使準備好的鋼板彼此形成規定的坡口形狀。關於所形成的坡口形狀，無須特別限定，可例示作為焊接結構物而言通常的

形坡口、V形坡口等。

繼而，將進行了坡口加工的鋼板彼此對接，使用焊接材料(實芯焊絲)進行焊接，經由多層焊接金屬部的形成進行焊接接合，製造焊接接頭。

<焊接法>

所使用的焊接法只要可形成具有所期望的特性的焊接金屬部(多層)即可，無須特別限定，為了形成具有所期望的強度、優異的低溫韌性的焊接金屬部及接合部，較佳為一道次熱輸入量：0.5kJ/mm~6.0kJ/mm的多層堆焊氣體金屬弧焊接。另外，作為所使用的焊接材料，只要是可形成所述焊接金屬部的焊接材料即可，無須特別限定。

<焊接材料>

另外，對所使用的焊接材料(實芯焊絲)的較佳的製造方法進行說明。

於本發明中使用的實芯焊絲中，常用的焊接用實芯焊絲的製造方法均可應用。

較佳為將所使用的實芯焊絲設為具有如下焊絲組成的焊絲以使得可形成所述焊接金屬部，即，所述焊絲組成包含C：0.15% ~1.00%、Si：0.15%~1.10%、Mn：17.0%~30.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：0.2%~13.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.060%以下、O：0.020%以下作為基本元素，或者亦可更含有選自由V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下所組成的群組中的一種或兩種以上、及/或選自由Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及REM：0.020%以下所組成的群組中的一種或兩種以上作為任意的合金元素，且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質。

依次進行如下步驟：鑄造步驟，利用電爐、真空熔解爐等常用的熔煉方法熔煉具有所述焊絲組成的鋼液，於規定形狀的鑄模等中進行鑄造而獲得鋼錠等鋼原材；加熱步驟，繼而將所得的鋼錠等鋼原材加熱至規定溫度；以及熱軋步驟，對加熱後的鋼原材實施熱軋，形成規定形狀的棒狀體。較佳為繼而進行如下冷軋步驟：對所得的棒狀體實施多次冷軋(冷拉絲加工)及根據需要的退火，獲得所期望的尺寸的焊絲。再者，退火較佳為於退火溫度：1000℃~1200℃下進行。

以下，基於實施例進一步說明本發明。

[實施例]

首先，作為試驗板，準備具有表1所示的鋼板組成的、板厚：30mm的高Ni鋼板。再者，使用自鋼板的板厚中央部位置採集的日本工業標準(Japanese Industrial Standards，JIS)Z 2241中規定的10號試驗片，於常溫下進行了拉伸試驗。將所得的鋼板的拉伸特性(屈服強度BYS、拉伸強度BTS)一併記載於表1中。

接著，製作焊接材料(實芯焊絲)。

利用真空熔解爐熔煉表2所示的組成(焊絲組成)的鋼液，進行鑄造，獲得鋼錠(100kgf)。於將所得的鋼錠加熱至1200℃後，實施熱軋而獲得棒狀的鋼原材。繼而，對所得的棒狀的鋼原材進一步以隔著退火的方式實施多次冷軋(冷拉絲)，獲得1.2mmΦ的焊接用實芯焊絲。

繼而，對準備好的試驗板(高Ni鋼板：板厚30mm×寬150mm×長400mm)實施坡口加工，使得可形成

形坡口(坡口角度：45°)。然後，於所述坡口內，將所得的焊接用實芯焊絲作為焊接材料，於保護氣體中進行氣體金屬弧焊接，形成多層堆焊的焊接金屬部，獲得焊接接頭。再者，焊接條件設為包含向下姿勢、電流：150A~450A(直流電極接正(direct current electrode positive，DCEP))、電壓：20V~40V、焊接速度：15cm/min~60cm/min、道次間溫度：100℃~200℃、保護氣體：80%Ar-20%CO₂的條件。再者，為了調整焊接金屬的強度，本發明例中將一道次的焊接熱輸入調整為0.5kJ/mm~6.0kJ/mm的範圍(參照表3)。焊接時的氣溫為18℃，濕度為40%。

自所得的焊接接頭的焊接金屬部的板厚及寬度中央位置的Φ10mm的範圍內採集分析用試驗片，藉由化學分析，分析焊接金屬部的化學成分。將所得的結果示於表3中。

繼而，使用光學顯微鏡(倍率：100倍)觀察所得的焊接接頭的焊接金屬部及焊接熱影響部，調查焊接裂紋(高溫裂紋)的有無。於焊接金屬部中發現裂紋的情況下，評價為「有」焊接裂紋，於未發現裂紋的情況下，評價為「無」焊接裂紋。

另外，自所得的焊接接頭的焊接金屬部的板厚及寬度中央位置，依據JIS Z 2241的規定採集14A號拉伸試驗片(平行部直徑12.5mmΦ)，於常溫下實施拉伸試驗，求出焊接金屬部的強度(0.2%耐力WPS、拉伸強度WTS)。再者，對各3根實施拉伸試驗，將其平均值作為該焊接金屬部的強度。

再者，使用所得的焊接金屬部的0.2%耐力WPS、拉伸強度WTS及表1所示的鋼板的屈服強度BYS、拉伸強度BTS，分別算出(1)式及(2)式的右邊值、左邊值，將滿足(1)式、(2)式的情況評價為「○」，將不滿足(1)式、(2)式的情況評價為「×」。

另外，自所得的焊接接頭採集夏氏衝擊試驗片(V形切口：10mm厚)，依據JIS Z 2242的規定於試驗溫度：-196℃下實施夏氏衝擊試驗，求出試驗溫度：-196℃下的吸收能量vE_-196(J)。關於試驗片，將焊接金屬部測定用與焊接接合部測定用設為各3根，將其各平均值設為該焊接接頭的焊接金屬部與焊接接合部的各吸收能量vE_-196。再者，關於兩個夏氏衝擊試驗片，以所述試驗片厚度的中心位置成為於板厚方向上距鋼板表面7mm的位置的方式進行採集。然後，以焊接金屬部測定用及焊接接合部測定用的夏氏衝擊試驗片的切口位置分別成為焊接金屬部寬度方向中央位置及焊接接合部的方式進行採集。

另外，於試驗後的夏氏衝擊試驗片中，對於切口位置為焊接接合部的試驗片，在切斷夏氏衝擊試驗片的厚度中央位置後，利用2%硝酸乙醇腐蝕液(Nital)腐蝕切斷面，針對所述切斷面，利用光學顯微鏡(倍率：50倍)觀察在焊接金屬部、熱影響部(heat affected zone，HAZ)中的哪一者傳播自切口產生的龜裂，調查自切口的破壞傳播路徑。

將所得的結果示於表4中。

本發明例中，均未發現焊接裂紋(高溫裂紋)的產生。另外，本發明例中，所得的焊接金屬部均為常溫下的屈服強度(0.2%耐力)為400MPa以上、拉伸強度為660MPa以上的高強度，且具有試驗溫度：-196℃下的夏氏衝擊試驗的吸收能量vE_-196為27J以上的優異的低溫韌性。另外，焊接接合部亦具有吸收能量vE_-196為27J以上的優異的低溫韌性。因此，可謂所得的焊接接頭是高強度、低溫韌性優異的焊接接頭。

另一方面，於偏離本發明的範圍的比較例中，產生焊接裂紋，或者焊接金屬部的強度不足，或者焊接金屬部的低溫韌性降低，或者焊接接合部的低溫韌性降低，而無法獲得所期望的焊接接頭。

再者，於焊接金屬部的0.2%耐力不滿足(1)式及/或焊接金屬部的拉伸強度不滿足(2)式的比較例中，龜裂的傳播路徑(龜裂發展位置)成為熱影響部(HAZ部)，低溫韌性降低。於焊接金屬部的0.2%耐力滿足(1)式及焊接金屬部的拉伸強度滿足(2)式的情況下，龜裂的傳播路徑成為焊接金屬部。

Claims

一種焊接接頭，是鋼板彼此經由焊接金屬部受到焊接接合而成的焊接接頭，其特徵在於，將所述鋼板設為具有以質量%計包含C：0.02%~0.20%、Si：0.05%~0.50%、Mn：0.10%~1.80%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：6.5%~10.0%、N：0.010%以下、O：0.010%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的鋼板組成的鋼板，所述焊接金屬部具有以質量%計包含C：0.10%~0.80%、Si：0.10%~1.00%、Mn：13.0%~25.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：1.0%~12.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.080%以下、O：0.100%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的焊接金屬部組成、以及0.2%耐力WPS：400MPa以上且拉伸強度WTS：660MPa以上的拉伸特性，並且所述鋼板的屈服強度BYS與所述焊接金屬部的0.2%耐力WPS滿足下述(1)式，另外，所述鋼板的拉伸強度BTS與所述焊接金屬部的拉伸強度WTS滿足下述(2)式，[WPS]≦[BYS]-100MPa．．．．．．(1) [WTS]≦[BTS]+100MPa．．．．．．(2)此處，WPS：焊接金屬部的0.2%耐力(MPa)、WTS：焊接金屬部的拉伸強度(MPa)、BYS：鋼板的屈服強度(MPa)、BTS：鋼板的拉伸強度(MPa)。
如請求項1所述的焊接接頭，其中設為除了所述焊接金屬部組成以外，以質量%計更含有選自以下的(i)及(ii)中的一種以上：(i)V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下中的一種或兩種以上；以及(ii)Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及稀土金屬：0.020%以下中的一種或兩種以上的焊接金屬部組成。
如請求項1或2所述的焊接接頭，其中設為除了所述鋼板組成以外，以質量%計更含有選自以下的(iii)及(iv)中的一種以上：(iii)Cu：0.5%以下、Al：0.1%以下、Cr：1.0%以下、Mo：1.0%以下、V：0.2%以下、Nb：0.2%以下及Ti：0.2%以下中的一種或兩種以上；以及(iv)B：0.005%以下、Ca：0.005%以下及稀土金屬：0.020%以下中的一種或兩種以上的鋼板組成。
一種焊接接頭的製造方法，使用實芯焊絲對鋼板彼此進行氣體金屬弧焊接而形成焊接金屬部並製成焊接接頭，所述焊接接頭的製造方法的特徵在於，將所述鋼板設為具有以質量%計包含C：0.02%~0.20%、Si：0.05%~0.50%、Mn：0.10%~1.80%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：6.5%~10.0%、N：0.010%以下、O：0.010%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的鋼板組成的鋼板，將所述實芯焊絲設為具有以質量%計包含C：0.15%~1.00%、Si：0.15%~1.10%、Mn：17.0%~30.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：0.2%~13.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.060%以下、O：0.020%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的焊絲組成的焊絲，所述焊接金屬部具有以質量%計包含C：0.10%~0.80%、Si：0.10%~1.00%、Mn：13.0%~25.0%、P：0.030%以下、S：0.030%以下、Ni：1.0%~12.0%、Cr：0.4%~3.8%、Mo：0.1%~5.0%、N：0.080%以下、O：0.100%以下、且剩餘部分包含Fe及不可避免的雜質的焊接金屬部組成、以及0.2%耐力WPS：400MPa以上且拉伸強度WTS：660MPa以上的拉伸特性，並且以所述焊接金屬部的0.2%耐力WPS在與所述鋼板的屈服強度BYS的關係中滿足下述(1)式，且所述焊接金屬部的拉伸強度WTS在與所述鋼板的拉伸強度BTS的關係中滿足下述(2)式的方式，將所述氣體金屬弧焊接的焊接條件調整為一道次焊接熱輸入為0.5kJ/mm~6.0kJ/mm，[WPS]≦[BYS]-100MPa．．．．．．(1) [WTS]≦[BTS]+100MPa．．．．．．(2)此處，WPS：焊接金屬部的0.2%耐力(MPa)、WTS：焊接金屬部的拉伸強度(MPa)、BYS：鋼板的屈服強度(MPa)、BTS：鋼板的拉伸強度(MPa)。
如請求項4所述的焊接接頭的製造方法，其中設為除了所述焊絲組成以外，以質量%計更含有選自以下的(v)及(vi)中的一種以上：(v)V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下中的一種或兩種以上；以及(vi)Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及稀土金屬：0.020%以下中的一種或兩種以上的焊絲組成，且設為除了所述焊接金屬部組成以外，以質量%計更含有選自以下的(i)及(ii)中的一種以上：(i)V：1.0%以下、Ti：1.0%以下、Nb：1.0%以下及W：1.0%以下中的一種或兩種以上；以及(ii)Cu：2.0%以下、Al：1.0%以下、Ca：0.010%以下及稀土金屬：0.020%以下中的一種或兩種以上的焊接金屬部組成。
如請求項4或5所述的焊接接頭的製造方法，其中設為除了所述鋼板組成以外，以質量%計更含有選自以下的(iii)及(iv)中的一種以上：(iii)Cu：0.5%以下、Al：0.1%以下、Cr：1.0%以下、Mo：1.0%以下、V：0.2%以下、Nb：0.2%以下及Ti：0.2%以下中的一種或兩種以上；以及(iv)B：0.005%以下、Ca：0.005%以下及稀土金屬：0.020%以下中的一種或兩種以上的鋼板組成。