JP2003201535A - 電子ビーム溶接用鋼板、鋼管および溶接金属部の低温靱性に優れたパイプライン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子ビームにより溶接された溶接金属部の低
温での靱性ばらつきを低減することのできる電子ビーム
溶接用鋼板、電子ビーム溶接用鋼管およびパイプライン
を、鋼管の電子ビーム溶接方法とともに提供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：0.03〜0.06％、Si：0.1
〜 0.4％、Mn：0.8 〜 2.0％、Ｐ：0.015 ％以下、Ti：
0.005 〜 0.025％、Al：0.020 〜 0.050％、Ｏ：0.0030
％以下を含有し、かつ、〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.00
9 ×〔Al〕を満足する組成からなり、３μｍ以上の鋼中
介在物が 5.0個／mm² 以下である鋼板、この鋼板を用い
た鋼管、またはこの鋼管同士を電子ビーム溶接により円
周方向に溶接した鋼管の円周方向溶接金属部において、
３μｍ以上の鋼中介在物が 3.0個／mm² 以下もしくは30
000 μm ² 以上の大きさを有するベイナイトパケットの
全溶接金属組織に占める割合が１０％以下であるパイプ
ライン。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビームにより
溶接して溶接金属部の低温靱性に優れる、鋼板、鋼管お
よび鋼管の電子ビーム溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】寒冷地、オフショアーにおける原油、天
然ガス輸送用大径パイプラインに対しては、高強度とと
もに優れた低温靱性、現地溶接性が要求されている。と
くに近年、溶接施工能率の観点から、厚鋼板でも１パス
で溶接ができ、溶接効率と品質の両者を同時に向上させ
る溶接法として、電子ビーム溶接やレーザ溶接の適用の
検討が進められている。

【０００３】これらの溶接法は従来の溶接法（ MIG溶
接、TIG 溶接、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接
など）と異なって、溶接材料を使用せずに、被溶接材
料、例えばパイプラインでは鋼管そのものを溶融、凝固
させて接合する。このため、被溶接材料が溶融し、その
後凝固した溶接金属部では溶接金属部の被成分調整（組
織の制御）が困難であり、その溶接金属部の成分はほと
んど被溶接材料によって決まるため、溶接金属部の低温
靱性は被溶接材料の成分が大きな影響を与える。

【０００４】従来の溶接法に用いるために開発された、
溶接熱影響部（ HAZ）の低温靱性の優れた鋼は、電子ビ
ーム溶接に適用しても溶接金属部における靱性を改善す
ることが全くできないか、もしくは、溶接金属部におけ
る低温靱性を改善するには溶接条件を狭い範囲に限定し
なければならなかった。一方、電子ビームやレーザ溶接
部の低温靱性を改善する方法として、特開昭64−15321
号公報、特開平２−22418 号公報が開示している。しか
しながら、これらの方法は、溶接熱影響部（ＨＡＺ）お
よび溶接金属部中に Ti₂0₃、TiN を微細分散させ、組織
を微細化して良好な低温靱性を得ることができるとして
いるものの、電子ビームにより溶接した溶接金属部の低
温靱性ばらつきを低減できるものではなかった。

【０００５】また、特開平2001−207242号公報には、電
子ビームあるいはレーザにより溶接された溶接金属部の
低温靱性に優れ、かつ水素誘起割れ性および耐硫化物応
力腐食割れ性に優れた鋼管およびパイプラインに関して
開示されている。しかし、このような鋼管およびパイプ
ラインにおいても、電子ビーム円周方向溶接金属部の低
温での靱性ばらつきを低減できるものではなかった。

【０００６】とくに、溶接金属部の低温での靱性ばらつ
きを低減できる電子ビーム溶接用鋼板、電子ビーム溶接
用鋼管の開発はほとんどなされておらず、鋼管同士を電
子ビーム溶接により円周方向に沿って溶接したパイプラ
インにおいては、鋼管の円周方向溶接金属部において安
定的に良好な低温靱性を確保できないことが大きな問題
点となっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
述した問題を有利に解決するもので、電子ビームにより
溶接された溶接金属部の低温での靱性ばらつきを低減す
ることのできかつ、低温靱性に優れる電子ビーム溶接用
鋼板、電子ビーム溶接用鋼管およびパイプラインを、鋼
管の電子ビーム溶接方法とともに提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】さて発明者らは、上記の
問題を解決すべく、各種の調査および検討を行った結
果、電子ビームにより溶接された溶接金属部中に、特定
の大きさの介在物が一定頻度以上に存在する場合に、シ
ャルピー衝撃試験結果における低温度領域において溶接
線方向の靱性値のばらつきが生じることを見い出し、本
発明を完成させた。

【０００９】また、発明者らは、電子ビームにより溶接
された溶接金属中に特定の大きさのベイナイトパケット
が一定割合存在する場合に、シャルピー衝突試験結果に
おける低温度領域におけて溶接線方向の靱性値のばらつ
きが生じ易いことを見い出し、本発明を完成させた。す
なわち、シャルピー衝撃試験における破壊の起点となる
と考えられる大きさの介在物量を極力低減するように鋼
板を製造し、ある頻度以下にすることによりシャルピー
衝撃試験結果における低温度領域の靱性値のばらつきを
低減できることが究明されたのである。さらに、鋼板成
分の調整や溶接条件の最適化により、破壊の伝播抵抗を
低下させると考えられる大きさのベイナイトパケットを
ある頻度以下にすることにより、シャルピー衝撃試験結
果における低温度領域の靱性値ばらつきを低減できるこ
とが究明されたのである。なお、ここで低温度とは、０
℃以下の温度範囲を指す。特にパイプラインに要求され
るシャルピー衝撃値の試験温度に近い領域ではばらつき
が問題となる。

【００１０】上述した靱性値のばらつきは、シャルピー
衝撃試験結果において、温度範囲が20℃以上の温度幅を
もって３回以上測定した吸収エネルギーが200J以上であ
りかつ、最大値と最小値の差が150J以内の場合にばらつ
きがないというものとする。この発明は上記知見に基づ
いてなされたものであり、その要旨とするところは以下
の通りである。

【００１１】質量％で、Ｃ：0.03〜0.06％、Si：0.10〜
0.40％、Mn：0.80〜 2.0％、Ｐ：0.015 ％以下、Ti：0.
005 〜 0.025％、Al：0.020 〜 0.050％、Ｏ：0.0030％
以下を含有し、好ましくは、Ｓ：0.002 ％以下、Nb：0.
01〜0.06％、Ｎ：0.0010〜0.0050％を含有し、かつ、
〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.009 ×〔Al〕を満足する組
成からなり、３μｍ以上の鋼中介在物が 5.0個／mm² 以
下である電子ビーム溶接用鋼板、この鋼板を用いた電子
ビーム溶接用鋼管、または、この鋼管同士を電子ビーム
溶接した鋼管の溶接金属部において、３μｍ以上の鋼中
介在物が 3.0個／mm² 以下もしくは、30000 μm ² 以上
の大きさを有するベイナイトパケットの溶接金属組織に
占める割合が１０％以下であるパイプラインである。ま
た、上記鋼管同士を10Pa以下の真空度で電子ビーム溶接
することを特徴とする鋼管の電子ビーム溶接方法であ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明の作用について以下に述
べる。最初にこの発明に至った経緯を実験結果に基づい
て説明する。まず、低温でのシャルピー衝撃試験結果に
おいて、同一試験温度での各試験片の個々の吸収エネル
ギーに、150Jを超える吸収エネルギー差が生じた原因を
解明するために、低靱性となったシャルピー衝撃試験片
の破面を電子顕微鏡により観察した。その結果として、
シャルピー衝撃試験における破壊の起点は酸化物系介在
物であり、それらはすべて３μｍ以上の介在物であるこ
とが判明した。それらの介在物は分析の結果、Ca、Si、
Ti、Alなどを主体とする酸化物であり、一部はCa、Mnな
どを含む硫化物との複合体であった。

【００１３】そこで、介在物サイズが電子ビーム溶接金
属部の低温靱性値のばらつきに及ぼす影響に着目して実
験を行った。すなわち、表１に示す鋼中酸素量のみ異な
る板厚19mmの鋼板Ａ、Ｂをそれぞれ用い、鋼板Ａを用い
て成形した鋼管Ａ同士、鋼板Ｂを用いて成形した鋼管Ｂ
同士をそれぞれ電子ビーム溶接により突合せ円周溶接し
て、鋼板および円周方向溶接金属部中介在物と円周方向
溶接金属部靱性との関係を調査した。

【００１４】なお、介在物調査は、鋼板および円周方向
溶接金属部のそれぞれについて円周方向全周を45゜以下
のピッチで等分割した複数箇所から試験片を採取して、
円周方向に垂直な断面の光学顕微鏡観察を行い、単位断
面積当たりの、３μｍ以上の介在物個数を求めた。単位
断面積当たりの、３μｍ以上の介在物個数は画像解析処
理により次のようにして求めた。先ず、観察像より介在
物の個々の面積を求めると共に、介在物の大きさとして
介在物の面積が等価となる円の直径を求め、その円の直
径が３μｍ以上となる介在物の個数を求めた。

【００１５】このようにして、単位面積当たりの、介在
物の大きさが３μm 以上の介在物個数を求めたがこの求
め方は、画像解析処理により測定する方法に限定されな
い。また、電子ビームにより溶接された鋼管の円周方向
溶接金属部の低温靱性は、図１に示すように、シャルピ
ー衝撃試験に用いる試験片を円周方向溶接部２の厚さｔ
方向中央部から採取し、機械加工によりＶノッチの先端
が円周方向溶接部２の幅Ｂの中央に沿うようにＶノッチ
シャルピー衝撃試験片を加工した後、衝撃方向が溶接方
向θとなるようにして（図２参照）、その他の条件はJI
S Z 2242（金属材料衝撃試験方法）の規定にしたがっ
て、低温シャルピー衝撃試験を行った。シャルピー衝撃
試験片の形状は、長さＬ＝55mm、高さＨ＝10mm、幅Ｗ＝
10mm、Ｖノッチ深さＤ＝２mm、Ｖノッチ角度α＝45°、
Ｖノッチ先端Ｒ＝0.25mmとした。図１の２点鎖線は鋼管
（鋼管母材）１の円周方向溶接金属部２の要部を示した
斜視図で、ｚは鋼管母材１の長さ方向である。

【００１６】但し、円周方向溶接金属部２のシャルピー
衝撃試験に用いる試験片および円周方向溶接金属部２の
介在物観察用試験片は、円周方向に沿って複数の試験片
を採取し、それぞれの試験に供した。鋼板並びに円周方
向溶接金属部中での単位断面積当たりの、３μｍ以上の
介在物個数および円周方向溶接金属部の低温靱性値の結
果を表２に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】表２に示す結果から、鋼板中酸素量が異な
り、それ以外の成分が同じである鋼管でも用いる鋼板お
よび溶接金属部中の介在物個数が異なった場合、円周方
向溶接金属部での低温靱性値のばらつき状況が異なるこ
とが判明した。電子ビーム溶接法で３μｍ以上の介在物
の靱性ばらつきに及ぼす影響が大きくなった理由として
は、電子ビーム溶接では真空中で溶接するので、溶接時
に鋼板中の酸素量および酸化物介在物以上に溶接金属中
の酸素量および酸化物系介在物が増加することがなく、
他の溶接法（ MIG溶接、TIG 溶接、被覆アーク溶接、サ
ブマージアーク溶接など）の溶接金属と異なり、溶接金
属中介在物の個数が非常に少なくなる。このように溶接
金属部中の介在物個数が少ない場合にはシャルピー衝撃
試験のように鋼および溶接金属の切欠き靱性を評価する
試験では、とくにその破壊の起点となる介在物の大きさ
の影響が非常に大きくなったものと推定される。

【００２０】今回の介在物観察は、鋼板および円周方向
溶接金属部の円周方向全周を45゜以下のピッチで等分割
した複数箇所から採取したそれぞれ円周方向に垂直な断
面について行ったので、この結果は、鋼板および円周方
向溶接金属部のそれぞれの平均的な介在物存在状態を十
分に代表しているものと考えられる。なお、介在物観察
は光学顕微鏡で行ったが、電子顕微鏡を用いてもかまわ
ない。介在物の観察倍率は、光学顕微鏡では400 倍以
下、電子顕微鏡では400 〜1000倍で行うのが望ましい。
試験片の作製および試験方法（測定面積など）は JIS G
0555 （鋼の非金属介在物の顕微鏡試験方法）に基づ
き、研磨きずや錆が出ないように試料を調整した。

【００２１】ここで、上述した画像解析により求めた、
単位面積当たりの、介在物の大きさが３μm 以上の介在
物は、測定法からも明らかなように、鋼中の非鉄介在物
のすべてを包含しており、硫化物系や AINなどの析出
物、それらを含む複合体等も含むことは言うまでもな
い。この発明は、以上のような知見に基づき積極的に鋼
中介在物の大きさを制御することにより、電子ビームに
より溶接された鋼管の溶接金属部の低温靱性ばらつきを
低減し、安定的に良好な靱性を確保するものであり、従
来の介在物量を低減する清浄な鋼管の製造手段による高
靱性化よりも、鋼管を清浄化することなく、溶接金属部
の良好な靱性を安定的に得られることが明らかとなっ
た。

【００２２】さらに、発明者らは、電子ビーム溶接金属
部の低温度領域における靱性ばらつきについてより綿密
な検討を加えたところ、新たに、鋼板中Si、Al、Ｏ量お
よびある一定の大きさ以上のベイナイトパケット（ベイ
ナイトパケットについては、例えば、“天野ら：まてり
あ、第39巻(2000),185”参照。）が溶接金属組織に占め
る割合を調節した場合には、さらに電子ビーム溶接金属
部の低温度領域における靱性ばらつきを低減できること
が明らかとなった。

【００２３】そこで、鋼板中Si、Al、Ｏ量が電子ビーム
溶接金属部の靱性ばらつきに及ぼす影響に着目して実験
を行った。すなわち、板厚15mmの表３に示す組成の鋼板
を用いた鋼管同士を電子ビーム溶接により突合せ円周溶
接して、鋼板中Si、Al、Ｏ量が鋼板、溶接金属部中介在
物および電子ビーム円周方向溶接金属部靱性に及ぼす影
響を調査した。その際、単位面積当たりの、径が３μm
以上の介在物個数は、上述のようにして画像解析処理に
より求めた。また、電子ビーム円周方向溶接金属部の低
温靭性を上記の場合と同様にして測定した。

【００２４】さらに、電子ビーム溶接円周方向溶接金属
部の30000 μm ² 以上の大きさを有するベイナイトパケ
ットが全溶接金属組織に占める割合を求めた。なお、介
在物調査と同様、円周方向全周を４５°以下のピッチで
等分割した複数箇所から試験片を採取して、円周方向に
垂直な断面の光学顕微鏡観察を行い、30000 μm ² 以上
の大きさを有するベイナイトパケットが全溶接金属組織
に占める割合を求めた。まず、観察像を画像処理により
ベイナイトパケットの個々の面積を求め、30000 μm ²
以上の大きさを有するベイナイトパケットが全溶接金属
組織に占める割合を求めた。

【００２５】その結果を表４に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】表４に示す結果から、溶接金属部中の介在
物個数だけでなく、鋼板中Si、Al、Ｏ量およびある一定
の大きさ以上のベイナイトパケットが全溶接金属組織に
占める割合により、電子ビーム溶接金属部における低温
靱性値のばらつき状況が異なることが判明した。すなわ
ち、溶接金属部において３μm 以上の介在物個数が 3.0
個／mm² 以下で、かつ鋼板成分が〔Ｏ〕＜0.019 ×〔S
i〕＋0.009 ×〔Al〕を満足する鋼管Ｅの場合には、電
子ビーム溶接金属部における靱性値のばらつきが極めて
小さくなっており、低温靱性に優れている。ただし、鋼
管Ｅの場合、30000 μm ² 以上の大きさを有するベイナ
イトパケットが全溶接金属組織に占める割合は１０％を
超えている。一方、溶接金属部において３μm 以上の介
在物個数が 3.0個／mm² 以下ではあるものの、鋼板成分
が〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.009 ×〔Al〕を満足せ
ず、かつ30000 μm ² 以上の大きさを有するベイナイト
パケットが全溶接金属組織に占める割合は１０％を超え
る鋼管Ｃ、Ｄの場合には、電子ビーム溶接金属部におけ
る靱性値のばらつきが大きく、低温靱性が劣っている。
なお、溶接金属部において、３μm 以上の介在物個数が
3.0 個／mm² 以下を満足しないものの、溶接金属部にお
いて鋼板成分が〔Ｏ〕＜０．０１９×〔Ｓｉ〕＋０．０
０９×〔Ａｌ〕で、かつ30000 μm ² 以上の大きさを有
するベイナイトパケットが全溶接金属組織に占める割合
が１０％以下である鋼管Ｆの場合には、電子ビーム溶接
金属部における靱性値のばらつきが改善されている。

【００２９】この鋼板中Si、Al、Ｏ量が靱性ばらつきに
及ぼす影響が大きくなった理由としては、〔Ｏ〕＜0.01
9 ×〔Si〕＋0.009 ×〔Al〕を満足した場合、電子ビー
ム溶接金属中に固溶状態のSi、およびAlが存在すること
により、非常に冷却速度の速い溶接金属におけるベイナ
イト組織内に生成する島状マルテンサイトの生成量を抑
制し、割れ感受性の低い組織となったものと推定され
る。鋼板中Ｏ量に対して、充分なSi、Al量を含有してい
ない鋼板では、電子ビーム溶接金属中に粗大な島状マル
テンサイトを生成し、靱性値のばらつきを生じたものと
考えられる。

【００３０】また、30000 μm ² 以上の大きさを有する
ベイナイトパケットが全溶接金属組織に占める割合が靱
性ばらつきに及ぼす影響が大きくなった理由として、シ
ャルピー衝撃試験における破壊の伝播単位となるベイナ
イトパケットのサイズを小さくすることにより破壊の伝
播抵抗が高くなり、靱性値ばらつきが小さくなったもの
だと考えられる。30000 μm ² 以上の大きさを有するベ
イナイトパケットが全溶接金属組織に占める割合が大き
くなった溶接金属では、破壊の伝播抵抗が低くなり、靱
性値ばらつきが生じ易くなったものと考えられる。

【００３１】今回求めた30000 μm ² 以上の大きさを有
するベイナイトパケットが全溶接金属組織に占める割合
は、円周方向溶接金属部の平均的な全溶接金属組織に占
める割合を十分代表しているものと考えられる。また、
30000 μm ² 以上の大きさを有するベイナイトパケット
が全溶接金属組織に占める割合は画像解析処理により求
めたが、この求め方は画像解析処理により測定する方法
に限定されていない。また、ベイナイト組織の観察は光
学顕微鏡で行ったが、電子顕微鏡で行っても構わない。
ベイナイト組織の観察倍率は、光学顕微鏡では200 倍以
下、電子顕微鏡では400 倍以下で行うのが望ましい。試
験片は介在物観察に用いた試験片と同様に作製し、腐食
液にはナイタールを用いてエッチングを行った。

【００３２】以下に、本発明における限定理由について
説明する。まず、この発明に係る鋼板または鋼板を用い
た鋼管において、３μｍ以上の大きさの鋼中介在物の個
数を限定した理由について説明する。すなわち、鋼板ま
たは鋼板を用いた鋼管（以下、鋼管という）において、
径が３μｍ以上の大きさの鋼中介在物の個数が 5.0個／
mm² を超えて鋼中に存在する場合には、前述したごとく
低温度領域におけるシャルピー衝撃試験の破壊の起点と
なり、電子ビーム円周方向溶接金属部の低温靱性ばらつ
きの原因となるので３μｍ以上の大きさの鋼中介在物の
個数は 5.0個／mm² 以下とした。

【００３３】また、真空中で電子ビーム溶接された鋼管
の円周方向溶接金属部では、溶接時に酸化物系介在物で
さえも溶解すると考えられ、一部はスラグとなって溶接
金属外に排出されるが、一部は凝固冷却中に再析出して
溶接金属中介在物となる。よって、円周方向溶接金属部
中の介在物の大きさおよび個数は、鋼板の鋼中介在物に
対して変化する。電子ビーム円周方向溶接金属部におい
て、３μｍ以上の大きさの介在物の個数が 3.0個／mm²
を超えて鋼中に存在する場合には、前述したごとく低温
度領域におけるシャルピー衝撃試験の破壊の起点とな
り、円周方向溶接金属部の低温靱性ばらつきの原因とな
るので、円周方向溶接金属部中での３μｍ以上の大きさ
の鋼中介在物の個数を 3.0個／mm² 以下とした。

【００３４】ここで、鋼板または鋼管において、３μｍ
以上の大きさの鋼中介在物の個数を5.0個／mm² 以下に
するためには、鋼板製造時、不純物元素、とくにＳ、
Ｎ、Ｏをそれぞれ質量％で、Ｓ：0.002 ％以下、Ｎ：0.
0010〜0.0050％、Ｏ：0.0030％以下の範囲に制御し、併
せて脱硫および脱酸効率の向上もしくは脱ガス処理時間
の延長などを実施することが肝要である。たとえば、鋼
板製造時での脱硫処理としてはCa等を含む脱硫フラック
ス、または、REM と上記脱硫フラックスとを用いて行え
ばよい。さらに、圧延工程では、スラブ加熱温度の低温
化およびスラブ加熱時間の短縮化により、鋼中介在物の
大きさを抑制することが肝要である。

【００３５】また、電子ビーム溶接金属中の島状マルテ
ンサイト生成量を低減するためには、鋼板の鋼中Ｏ、S
i、Al量を限定するだけでなく、鋼板の鋼中Si、Al、Ｏ
量のバランスを質量％で〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.00
9 ×〔Al〕の範囲に限定した。鋼板の鋼中Si、Al、Ｏ量
が質量％で〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.009 ×〔Al〕を
満足しないと、電子ビーム円周方向溶接金属部が割れ感
受性の高い組織となり、鋼中介在物を制御して鋼板を製
造した場合でも、電子ビーム円周方向溶接金属部の低温
度領域における低温靱性ばらつきの原因となるので、鋼
板の鋼中Si、Al、Ｏ量は質量％で〔Ｏ〕＜0.019 ×〔S
i〕＋0.009 ×〔Al〕を満足するようにした。

【００３６】なおその際シャルピー衝撃試験における破
壊伝播抵抗を高めるため、電子ビーム溶接金属における
破壊の伝播単位となるベイナイトパケットについて、30
000μm ² 以上の大きさを有するベイナイトパケットが
全溶接金属組織に占める割合を１０％以下とするのが電
子ビーム溶接金属部の低温での靱性値ばらつきが改善さ
れるので好ましい。（表４中Ｆ） 電子ビーム溶接金属における30000 μm ² 以上の大きさ
を有するベイナイトパケットが全溶接金属組織に占める
割合を１０％を超えると、電子ビーム円周方向溶接金属
部の破壊伝播抵抗が低くなり、低温度領域における靱性
値ばらつきが生じ易くなる場合がある。（表４中Ｃ，
Ｄ）。

【００３７】なお、電子ビーム溶接金属において、3000
0 μm ² 以上の大きさを有するベイナイトパケットが全
溶接金属組織に占める割合が１０％以下にするために
は、電子ビーム溶接後の冷却速度の調整、予熱の実施、
溶接後処理などを行えばよい。また、電子ビーム溶接金
属におけるベイナイト変態を抑制する鋼板または鋼管成
分を調整することが肝要である。

【００３８】以下この発明に係る鋼板、この鋼板を用い
た鋼管の成分組成の限定理由について記す。成分は全て
質量％での値である。 Ｏ：0.0030％以下 Ｏの上限は酸化物系介在物による電子ビーム円周方向溶
接金属部の靱性劣化の観点より0.0030％以下とした。好
ましくは、0.0020％以下である。 Ｃ：0.03〜0.06％ Ｃは、強度を確保するために少なくとも0.03％を必要と
するが、0.06％を超えると、円周方向溶接金属部最高硬
さがビッカース硬さで Hv300を超えて、鋼管母材および
円周方向溶接金属部の低温靱性が劣化するため、鋼中Ｃ
量は0.03〜0.06％の範囲とした。

【００３９】なお、電子ビーム円周方向溶接金属部のよ
うに、円周方向溶接金属部と鋼管母材部との強度差が大
きく、円周方向溶接金属部の幅Ｂが狭い場合にはＶノッ
チシャルピー試験では亀裂が溶接金属から母材側へ湾曲
してしまうため、円周方向溶接金属部の靱性が把握でき
ないことがよく知られている。鋼中Ｃ量を0.06％以下と
することにより、円周方向溶接金属部と鋼管母材部との
強度差が小さくなり、電子ビーム円周方向溶接金属部の
低温靭性をＶノッチシャルピー試験により正確に評価す
ることができることにもなる。 Si：0.10〜0.40％ Siは鋼板製造時、脱酸に有効なだけでなく、強度向上に
も有用な元素であるが、電子ビーム円周方向溶接金属部
の靱性に大きく影響する元素であり、その効果を得るた
めには少なくとも0.10％以上を必要とする。0.40％を超
えると鋼管母材および溶接熱影響部の靱性が劣化するの
で上限を0.40％とした。好ましくは、鋼中Si量は0.20〜
0.40％の範囲とする。 Mn：0.80〜 2.0％ Mnは、強度、靱性を確保する上で不可欠な元素であり、
少なくとも0.80％を必要とするが、2.0 ％を超えると、
溶接性および電子ビーム円周方向溶接金属部のの靱性を
低下させるため、鋼中Mn量は0.80％〜 2.0％の範囲とし
た。 Ti：0.005 〜 0.025％ Ti は電子ビーム円周方向溶接金属部の溶接熱影響部に
おいて微細な TiNを形成し、オーステナイト粒の粗大化
を制御して、ミクロ組織を微細化し、鋼管母材および溶
接熱影響部の靱性を改善する。鋼中 Ti 量が0.005 ％未
満ではその効果が小さく、0.025 ％を越えると円周方向
溶接金属部の低温靱性が劣化するので、鋼中Ti量は0.00
5 〜 0.025％の範囲とした。好ましくは、鋼中Ti量は0.
005 〜 0.020％である。 Al：0.020 〜 0.050％ Alは、鋼板製造時の脱酸に使用される元素であり、この
発明では低温度領域における電子ビーム円周方向溶接金
属部の靱性安定化に重要な役割を果たす。鋼中Al量が
0.020％未満では低温度領域における円周方向溶接金属
部の靱性安定化効果が期待できない。よって、鋼中Al量
は 0.020％以上とする。一方、鋼中Al量が0.050％を超
えると、円周方向溶接部の溶接熱影響部の靱性が劣化す
るので、鋼中Al量の上限を 0.050％とした。 Ｐ：0.015 ％以下 Ｐは、不純物として鋼中に存在し、鋼管の靱性を低下さ
せる元素であり、極力低い方がよく、鋼中Ｐ量の上限を
0.015 ％とした。

【００４０】本発明では、さらに次の組成を限定すると
よい。 Ｓ：0.002 ％以下 Ｓは、Ｐと同様に、不純物として鋼中に存在し、鋼管母
材の靱性を低下させる元素であり、極力低い方がよい。
また、鋼中Ｓ量を 0.002％以下にすることにより電子ビ
ーム円周方向溶接金属部に発生する凝固割れが防止でき
ることから、鋼中Ｓ量の上限を 0.002％とした。好まし
くは、鋼中Ｓ量は0.001 ％以下である。 Nb：0.01〜0.06％ Nbは、析出強化により強度を向上させる効果を有する。
その添加量が0.01％未満ではその効果が小さく、0.06％
を超えると電子ビーム円周方向溶接金属部の靱性を劣化
させるため、鋼中Nb量は0.01〜0.06％とした。 Ｎ：0.0010〜0.0050％ Ｎは、電子ビーム溶接金属部の靱性を劣化させるので極
力低減する方がよいとはいうものの、0.001 ％に満たな
いほど低減すると TiN、AIN の析出が生じなくなって鋼
管母材の靱性が損なわれるため、下限を0.001 ％とし
た。一方、本発明においては0.0050％以下にすれば十分
な円周方向溶接金属部の靱性が確保できるため、鋼中Ｎ
量は0.0010〜0.0050％の範囲とした。好ましくは、鋼中
Ｎ量は0.0010〜0.0040％である。

【００４１】つぎに、Ca、Ni、Cu、Cr、Mo、Ｖ、REM の
元素のうちから選ばれる一種または二種以上を含有する
のが好適である理由について説明する。 Ca：0.0030％以下 Caは、硫化物（MnS ）の形態を制御し、鋼管母材の靱性
や異方性の改善および耐水素誘起割れ性の向上に効果を
発揮する有用な元素であるが、鋼中Ca量が0.0030％を超
えると CaO、CaS が多量に生成して大型の介在物とな
り、鋼管母材の靱性のみならず、溶接性にも悪影響を与
える。このため、鋼中Ca量は0.0030％以下とした。好ま
しくは、鋼中Ca量は0.0025％以下である。 Ni：0.1 〜 1.0％ Niは、電子ビーム円周方向溶接金属部の靱性を害するこ
となく、母材の強度と靱性を向上させる有用な元素であ
り、目標の特性を得るためには 0.1％以上が必要であ
る。しかし、1.0 ％を超えて添加しても特性改善効果は
少なく、しかも高価な元素であることより鋼中Ni量は
0.1〜 1.0％の範囲とした。 Cu：0.1 〜 1.0％ Cuは、強度、靱性を向上させるほか、耐食性、耐水素誘
起割れ特性を向上する効果がある。0.1 ％未満ではその
効果が小さく、1.0 ％を超えると鋼管母材、溶接熱影響
部の靱性が劣化することにより、鋼中Cu量は0.1 〜 1.0
％の範囲とした。 Cr：0.1 〜 1.0％ Crは、焼入性を向上させ、鋼管母材および電子ビーム円
周方向溶接金属部の強度を高める有用な元素である。0.
1 ％未満ではその効果が小さく、1.0 ％を超えると溶接
性や円周方向溶接金属部の靱性を劣化させるため、鋼中
Cr量は 0.1〜 1.0％の範囲とした。 Mo：1.0 ％以下 Moは鋼管母材の強度、靱性をともに向上させる元素であ
る。しかしながら、Mo添加量が 1.0％を超えると電子ビ
ーム円周方向溶接金属部の靱性を劣化させるため、 1.0
％以下とした。低温度領域における円周方向溶接金属部
の靱性ばらつきを低減する観点からは0.25％以下が好ま
しい。 Ｖ：0.01〜0.10％ Ｖは、析出強化により強度を向上させる元素である。0.
01％未満ではその効果が小さく、0.10％を超えると電子
ビーム円周方向溶接金属部の靱性が劣化するため、鋼中
Ｖ量は0.01〜1.10の範囲とした。

【００４２】REM：0.0005〜0.0050％ REMは、Caと同様に硫化物（MnS ）の形態制御および鋼
管母材の靱性や異方性改善および耐水素誘起割れ性の向
上に有効に寄与するが、鋼中 REM量が0.0005％に満たな
いとその効果に乏しく、一方、鋼中 REM量が0.0050％を
超えると鋼管の母材部の靱性が劣化するので、鋼中 REM
量は0.0005〜0.0050％の範囲とした。

【００４３】ところで、鋼管同士を電子ビーム溶接によ
り突合せ円周溶接し、良好な円周方向溶接金属部を有す
るパイプラインとするには、真空度が重要であり10Pa以
下とする必要がある。この理由は、電子ビーム溶接時、
真空度が10Paを超えた場合には、アンダーカットなどの
溶接欠陥のない円周溶接金属部が得られなくなるからで
ある。

【００４４】以上の説明では、本発明に係る鋼板は鋼管
として用い、パイプラインに適用しているが、本発明に
係る鋼板は、鋼管に限定されず、鋼板を用いる鋼部材と
して使用し、電子ビーム溶接により溶接された鋼部材の
溶接金属部での低温靭性が良好であるから、パイプライ
ン以外の圧力容器や海洋構造物などの溶接鋼構造物に適
用することができることは説明するまでもない。

【００４５】上述した電子ビーム溶接の対象となる鋼
板、鋼管などの板厚は電子ビーム溶接により貫通円周溶
接が可能である40mm以下程度であり、とくに限定する必
要はない。また、鋼管の径は電子ビーム溶接可能なサイ
ズであれば、とくに限定する必要はない。本発明に使用
する電子ビーム溶接の溶接条件の一例を下記に示す。

【００４６】電子ビーム電源としては定格最大出力５〜
50KW程度のものでよい。上記した鋼板、鋼管などに所定
形状の開先加工（主にＩ開先）を施したのち電子ビーム
溶接を行う。電子ビーム溶接は、加速電圧30〜80kV、ビ
ーム電流10〜 600mA、溶接速度 300〜 900mm／min の溶
接条件で全姿勢円周溶接を行う。なお、開先形状、溶接
条件、溶接金属の再溶解を含む、溶接パス回数および溶
接姿勢などはとくに限定する必要はない。

【００４７】

【実施例】（実施例１）板厚が14mmの表５に示す成分の
鋼板を転炉−連続鋳造−厚板工程により製造した。得ら
れた各鋼板を用い、ＵＯＥ成形して径が 610mmのＵＯＥ
鋼管とした。実施例（No.1〜９）では、鋼板製造に当た
り、転炉−連続鋳造工程では、転炉吹錬により種々の成
分に調整し、脱硫、脱酸ならびに脱ガス処理を強化し、
厚板工程ではスラブ加熱温度の低温化およびスラブ加熱
時間の短縮によって、大きさが３μm 以上の介在物個数
を 5.0個／mm² 以下とした。ＵＯＥ成形条件は通常とし
た。

【００４８】同じ成分のＵＯＥ鋼管同士（同一No. 同
士）を電子ビーム溶接により突合せ円周溶接してパイプ
ラインとし、円周方向溶接金属部から介在物測定用試料
およびシャルピー衝撃試験片用試料をそれぞれ円周方向
に沿って複数採取した。採取した試料について所定の処
理をそれぞれ施した後、上述のようにして介在物測定と
シャルピー衝撃試験を実施した。その際、パイプライン
の鋼管母材からは、介在物測定用試料を採取して介在物
測定を行い、各鋼板の鋼中介在物とした。

【００４９】なお、介在物測定用試験片の採取位置は、
鋼管母材および溶接金属部ともに円周方向に垂直とし、
またシャルピー衝撃試験に用いる試験片は、前記の図１
と同様に採取し、同じ２mmＶノッチ試験片とした（シャ
ルピー衝撃試験片寸法：試験片長さＬ＝55mm、試験片高
さＨ＝10mm、試験片幅Ｗ＝10mm、Ｖノッチ深さＤ＝２m
m、Ｖノッチ角度α＝45°、Ｖノッチ先端Ｒ＝0.25m
m）。

【００５０】電子ビーム溶接に際しては、真空度を10Pa
以下とし、電子ビームの周方向移動速度を 600mm／分、
電子ビームの加速電圧を60kV、電子ビーム電流 200mA、
電子ビーム収束条件（対物距離／焦点距離）を 0.9〜
1.1とした。一方比較例（No．10〜14) は、成分を調整
して表５に示す鋼板とした。電子ビーム溶接条件は、実
施例と同じとしてパイプラインとし、実施例と同様な調
査を行った。

【００５１】実施例並びに比較例の３μｍ以上の大きさ
の鋼中介在物の個数および円周方向溶接金属部の低温靱
性の評価結果を表６に示す。ここで、円周方向溶接金属
部の低温靱性の評価は、シャルピー衝撃試験結果におい
て、同一試験温度での各試験片の個々の吸収エネルギー
の最大値と最小値の差が150Jを超える温度範囲に生じた
場合、×：ばらつきありとし、それ以外は○：ばらつき
なしとした。

【００５２】

【表５】

【００５３】

【表６】

【００５４】本発明にしたがう鋼管同士を電子ビーム溶
接により円周方向に溶接した鋼管の円周方向溶接金属部
においては、良好な低温での靭性特性を有し、吸収エネ
ルギーのばらつきはない。これに対して、本発明によら
ない鋼板を用いた鋼管母材は化学組成が適切でなく、安
定的に良好な低温靱性が得られない。また、比較例14で
は鋼板の鋼中Ｓ量が本発明範囲をはずれているために電
子ビーム円周方向溶接金属部に割れが発生した。 （実施例２）板厚が１９mmの表７に示す成分の鋼板Ｇを
転炉−連続鋳造−鋼板工程により製造した。

【００５５】

【表７】

【００５６】得られた鋼板Ｇを用い、ＵＯＥ成形して外
径が７１１mmのＵＯＥ鋼管とした。鋼板の製造は実施例
１と同様にして行なった。ＵＯＥ成形条件は通常とし
た。ＵＯＥ鋼管同士を電子ビーム溶接により寄合せ円周
溶接して溶接継手とし、円周方向溶接金属物から介在物
測定用試料、組織観察用試料およびシャルピー衝撃試験
片試料をそれぞれ円周方向に沿って複数採取した。採取
した試料について所定の処理をそれぞれに施した後、上
述のようにして介在物測定、30000 μm ² 以上の大きさ
を有するベイナイトパケットが全溶接金属組織に占める
割合測定およびシャルピー衝撃試験を実施した。その
際、パイプラインの鋼管母材からは、介在物測定用試料
を採取して介在物測定を行い、鋼板の鋼中介在物の個数
とした。

【００５７】なお、介在物測定用試験片および組織用観
察用試験片の採取位置は、実施例１と同じとした。また
シャルピー衝撃試験に用いる試験片についても実施例１
と同じとした。電子ビーム溶接に際しては、真空度を10
Pa以下とし、電子ビームの周方向移動速度を400 〜700
mm／分、電子ビームの加速電圧を 60kＶ、電子ビーム電
流を240 ｍＡ、電子ビーム収束条件（対物距離／焦点距
離）を0.9 〜1.1 とした。電子ビーム溶接条件を変化さ
せることにより、溶接後の溶接金属部の冷却速度を変化
させた溶接継手Ｇ１，Ｇ２を作製した。

【００５８】３μm 以上の大きさの鋼中介在物の個数、
30000 μm²以上の大きさを有するベイナイトパケットが
全溶接金属組織に占める割合および円周方向溶接金属部
の低温靱性評価結果を表８に示す。

【００５９】

【表８】

【００６０】本発明にしたがう鋼管同士を電子ビーム溶
により円周方向に溶接した鋼管の円周方向溶接部におい
ては、−40℃の低温でも良好な靱性特性を有し、靱性の
ばらつきはない。なお、30000 μm²以上の大きさを有す
るベイナイトパケットが全溶接部に占める割合が１０％
を超えた溶接金属部を有する溶接継手は、パイプライン
として使用上問題とならない非常に低い試験温度（試験
温度−６０℃以下）において靱性のばらつきが発生し
た。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、電子ビームにより溶接
された溶接金属部の低温靱性ばらつきを極めて小さくす
ることができる。また、シャルピー吸収エネルギー低温
度領域において安定的に良好な靱性が得られる。この結
果、溶接鋼構造物のうちでも特に厳しい環境下で使用さ
れるパイプラインにおいて、低温での安全性を高めるこ
とができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子ビーム円周方向溶接金属部におけるシャル
ピー衝撃試験用試験片の採取位置を示す部分斜視図であ
る。

【図２】Ｖノッチシャルピー衝撃試験片の形状およびシ
ャルピー衝撃試験時の衝撃方向と試験片の形状との関係
を示す図である。

【符号の説明】

１ 鋼管（鋼管母材） ２ 円周方向溶接金属部 Ｂ 円周方向溶接金属部の幅 ｔ 円周方向溶接金属部の厚み θ 溶接方向 ｚ 鋼管長さ方向 Ｌ シャルピー衝撃試験片長さ Ｈ シャルピー衝撃試験片高さ Ｗ シャルピー衝撃試験片幅 α Ｖノッチ角度 Ｒ Ｖノッチ先端半径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 103:04 Ｂ２３Ｋ 103:04 (72)発明者 安田 功一 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 4E066 BE04 CA02 CB00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、 Ｃ：0.03〜0.06％、 Si：0.10〜0.40％ Mn：0.80〜 2.0％、 Ｐ：0.015 ％以下 Ti：0.005 〜 0.025％、 Al：0.020 〜 0.050％ Ｏ：0.0030％以下 を含有し、かつ、〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.009 ×
   〔Al〕を満足する組成からなり、３μｍ以上の鋼中介在
   物が 5.0個／mm² 以下であることを特徴とする電子ビー
   ム溶接用鋼板。ここで、〔Ｏ〕、〔Si〕及び〔Al〕はそ
   れぞれＯ、Si及びAlの含有量（質量％）を示す。
2. 【請求項２】 質量％で、 Ｃ：0.03〜0.06％、 Si：0.10〜0.40％ Mn：0.80〜 2.0％、 Ｐ：0.015 ％以下 Ｓ：0.002 ％以下、 Nb：0.01〜0.06％ Ti：0.005 〜 0.025％、 Al：0.020 〜 0.050％ Ｎ：0.0010〜0.0050％、 Ｏ：0.0030％以下 を含有し、かつ、〔Ｏ〕＜0.019 ×〔Si〕＋0.009 ×
   〔Al〕を満足する組成からなり、３μｍ以上の鋼中介在
   物が 5.0個／mm² 以下であることを特徴とする電子ビー
   ム溶接用鋼板。ここで、〔Ｏ〕、〔Si〕及び〔Al〕はそ
   れぞれＯ、Si及びAlの含有量（質量％）を示す。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の鋼板を用いたこ
   とを特徴とする電子ビーム溶接用鋼管。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の鋼管同士を電子ビーム
   溶接した鋼管の溶接金属部において、３μｍ以上の鋼中
   介在物が 3.0個／mm² 以下であることを特徴とするパイ
   プライン。
5. 【請求項５】請求項３に記載の鋼管同士を電子ビーム溶
   接した鋼管の溶接金属部において、30000 μm ² 以上の
   大きさを有するベイナイトパケットの溶接金属組織に占
   める割合が１０％以下であることを特徴とするパイプラ
   イン。
6. 【請求項６】請求項３に記載の鋼管同士を電子ビーム溶
   接した鋼管の溶接金属部において、３μm 以上の鋼中介
   在物が3.0 個／mm² 以下であり、かつ、30000 μm ² 以
   上の大きさを有するベイナイトパケットの溶接金属組織
   に占める割合が１０％以下であることを特徴とするパイ
   プライン。
7. 【請求項７】 請求項３に記載の鋼管同士を10Pa以下の
   真空度で電子ビーム溶接することを特徴とする鋼管の電
   子ビーム溶接方法。