JP6338290B2 - 要求の厳しい構造用途のための高強度鋼溶接金属 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年7月27日に出願され、要求の厳しい構造用途のための高強度鋼溶接金属という名称の米国仮特許出願第61/676,738号の優先権の特典を主張し、その全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。
本発明は溶接金属の分野に関する。より詳細には、本発明は、高強度及び高靱性を有する溶接金属を生成するための材料及び方法に関する。
‘678特許は、高強度溶接金属における溶接金属介在物の重要性を論じている。‘678特許は、針状フェライトが核生成するように、多数の小さい介在物を生成させようとする。この目標は、延性引裂抵抗が主な関心事でない従来の応力ベース高強度パイプライン設計には適しているが、同じ手法は、SBDパイプライン溶接部には適していない。高い引裂抵抗が必要であるせいで、SBDパイプライン溶接部は、応力ベース設計の溶接部に比べて、より少数の溶接金属介在物を要求し、これは、D.P. Fairchild, et al, “Girth Welds for Strain-Based Design Pipelines”, Proceeding of the 18th International ISOPE Conference, Vancouver, 2008において論じられた。
本開示の一実施形態は、0.03から0.08重量%の間の炭素、2.0から3.5重量%の間のニッケル、約2.00重量%以下のマンガン、約0.8重量%以下のモリブデン、約0.7重量%以下のケイ素、約0.03重量%以下のアルミニウム、約0.02重量%以下のTi、約0.04重量%以下のZr、100から225ppmの間の酸素、約100ppm以下の硫黄、約100ppm以下のリン、約100pp以下の窒素、及び本質的に鉄である残りの部分を含む溶接金属であって、SBD−AFIMミクロ組織を含み、最新のパルス波形電源を用いるガスメタルパルスアーク溶接法を用いて付着され、5%未満のCO2及び2%未満のO2を含むシールドガスを利用し、付着した溶接金属は、90ksiを超える引張強さ、及び0.75を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する溶接金属である。
以下の詳細な説明の章において、本発明の具体的実施形態が、好ましい実施形態に関連させて説明される。しかし、以下の説明は本発明の特定の実施形態又は特定の使用に特有であるかぎり、これは、単に例示の目的のためであることが意図されており、単に例示的実施形態の説明を与えるだけである。本発明は、下に記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、それは、添付の請求項の精神及び範囲内に入る全ての代案、改変、及び等価物を含む。
一実施形態において、溶接金属は、0.03から0.08重量%の間の炭素、2.0から3.5重量%の間のニッケル、約2.0重量%以下のマンガン、約0.80重量%のモリブデン、約0.70重量%以下のケイ素、約0.03重量%以下のアルミニウム、0.02重量%以下のチタン、0.04重量%以下のジルコニウム、100から225ppmの間の酸素、約100ppm以下の窒素、約100ppm以下の硫黄、約100pp以下のリンを含み、残りの部分は鉄である。
溶接金属組成物の残りの部分は鉄であるが、溶接金属が、列挙されていない他の成分、例えば不純物などを含み得ることは可能である。
炭素は、主要な強度制御元素として、化学組成に加えられる。Mnは、固溶体強化及び一般的焼入性に寄与するが、また脱酸素剤としても働く。Niは、その靱性への好ましい影響のために加えられる。それは、また、固溶体強化及び焼入性にも寄与する。Mo、Cu、及びCrは、固溶体の強度を引き上げるために、また焼入性により加えられ得る。Siは、脱酸素剤として、また溶融池流動性を向上させるために加えられ、これは、溶接欠陥を防ぐ助けとなる。しかし、Siは、また、酸化物介在物の形成を通じて、靱性を低下させる。したがって、靱性と溶接性との間のトレードオフに応じて、Siは使用者によって最適化され得る。
硫黄及びリンは不純物であり、意図的には添加されない。溶接部におけるこれらの元素を制限するための努力がなされる。硫黄及びリンは、溶接消耗ワイヤにおけるそれらの量を限定することによって、管理され得る。溶接金属に対して上で列挙された限界は、また、溶接ワイヤにとっても適切な限界でもある。
窒素もまた不純物として存在し、通常、不十分なシールド保護範囲のせいで、溶接過程の間の大気の吸収の結果として溶接金属中に存在する。窒素は、また、溶接ワイヤ又は母材金属希釈部から移動し得る。窒素はポロシティ又は靱性の低下を引き起こすことがあり、その量は制限されなければならない。溶接金属に対して上で列挙された限界は、また、溶接ワイヤに対する適切な限界でもある。
用途及び必要とされる溶接強度に応じて、溶接金属組成は、X52からX120のパイプライングレードに適合させるように、記載された範囲内で調節され得る。約60ksi〜約130ksiの多様な母材金属引張強さが、対応され得る。炭素含有量は、強度を調節するのに最も影響力が大きいが、他の合金も、またいくらかの強度調節をもたらし得る。より低い強度は、約0.03重量%の炭素含有量で実現されるのに対して、最も高い強度は、約0.08重量%の炭素含有量で得られる。炭素及び他の合金の調節によって、約150ksiまでの引張強さが可能である。図1は、新規溶接金属の組成範囲で、Pcm vs.溶接部引張強さ(UTS)のグラフを示す。US 6,565,678での同じ傾向もまた、比較のために、この図に含められている。Pcmは、強度を予測するために用いることができる焼入性の尺度であり、使用者は、特定の用途のためのHSWを選択するために、このPcmデータにより化学組成を調節できる。溶接工学の当業者に知られているように、Pcmは、知られている化学組成に基づいて計算できる。
前述の溶接性の難題を改善するために用いられる通常の溶接解決策は、より多くのCO2又は酸素を含むシールドガスを用いることであろう。これらのガスは、溶接金属の表面張力を下げ、溶融池を滑らかにする。これらのガスは、また、より良好なアーク安定をもたらし、これは、より滑らかな溶融池及びより良好な溶接性を生み出す作用を有する。HSWでは、より多くのCO2又は酸素を用いることは、これが、介在物を増やし、靱性及び延性引裂抵抗を低下させるという理由で、選択肢ではない。
HSWを付着させる1つの方法は、シールドガス中に少ないCO2又は酸素を用いることであり、これは、通常、より多量のアルゴンを用いることを意味する。高レベルのアルゴンを用いて生成される溶接部は、より狭い「指形」溶込みビード形状を有する傾向があり、これは、溶接欠陥の可能性を増大させる。アルゴンのいくらかをヘリウムに置き換えて、指形溶込みビード形状を緩和できるが、ヘリウムは、また、欠陥の可能性を増大させる、より甚だしいアーク不安定性に導く傾向がある。したがって、HSWでの別の溶接性の難題は、過度の指形溶込みを防ぐというものである。
図3は、7回のパスを用いて生成されたHSWの実施形態の概略的横断面である。用途に応じて、HSW技術は、全ての溶接パスに、又はいくつかの溶接パスだけに用いることができる;得られる溶接が、望まれる大きな許容歪み(strain capacity)を実現する場合、それは、HSWと称され得る。例えば、ルートパス(図3における#1のパス)が、内部溶接機を用い、パイプの内側から行われる、機械化されたパイプライン溶接が、時々行われる。この内部溶接ビードは、通常、非常に小さい。HSWの一実施形態において、内部ルートパスは、通常の溶接ワイヤ及び手順を用いて行われ得るが、残りのパスが、SBD−AFIM消耗ワイヤ及び化学組成を用いて行われる。ルート欠陥の恐れを減らすために、通常の技術を用いて最初の2つのパス(ルート及びホットパス)を行い、次いで、残りのパスを、SBD−AFIM化学組成を生じるようにHSWにより行うと利点があり得る。HSWの利点は、強度と靱性の特性の組合せであり、そのため、特定の構造用途、及び建設の経済面の枠組みに関する制約に応じて、HSWは、意図される目的に適するように、様々な方法で付着され得る。
本開示の一実施形態は、与えられた設計条件に対するHSWを生成する方法を含む。図4を参照すると、この方法は、本明細書に開示されている有効範囲内で、望まれるHSW溶接金属化学組成を決めること(61)を含む。方法は、また、母材金属化学組成及び望まれる溶接金属化学組成が与えられたとして、溶接消耗ワイヤ化学組成を決めるステップ(62)を含む。このステップは、先に論じられたように、希釈計算を実施することを含み得る。該方法は、さらに、溶接消耗ワイヤを用い、母材金属を溶接すること(63)を含み、これは、目標とする溶接金属酸素含有量及び介在物含有量を実現するために、溶接の間、溶融池酸素及び介在物含有量を管理するための手段を提供するステップ(64)、及び、満足のいく溶接性及び溶接部融合を得るために、溶接の間、アーク安定性及び溶融池流動特性を管理するステップ(65)を含む。溶融池酸素含有量を管理するステップは、溶接部を清浄化すること、又は溶接部を単体酸素、さらには他の酸素含有化合物からシールドすることを含み得るし、低酸素溶接シールドガス又はフラックスを供用することを含み得る。低酸素シールドガスは、CO2又は酸素がシールドガスに含まれるかどうかに応じて、5%未満のCO2及び2%未満の酸素を意味する。低酸素フラックスは、下で説明されるように、溶接工学の当業者に知られている塩基度により定義できる。アーク安定性、溶融池流動特性、及びビード形状を管理するステップは、受け入れられるHSW溶接性を可能にするように調節された電流波形制御を有する、最新のパルス電源GMAW溶接機の使用を含み得る。このステップは、下で記載されるような他の溶接装置及び技法を含んでいてもよい。
溶融池の撹拌は、溶融池の流動特性及びHSWのビード溶込み形状を温和にする又は制御するために用いることができる別の技法である。機械的又は超音波振動が、消耗ワイヤに直接、又は溶融池に接触する別個のセラミック棒を通じて、加えられ得る。溶融池の撹拌は、より良好な溶接性を可能にする、溶融池の表面張力を下げることと類似の効果を有する。使用者の手腕、溶接設備、及び製造の筋書きに応じて、撹拌技法は、最新波形電源を用いることに加えてか、又はその代わりかのいずれかで、利用され得る。
HSWは、低酸素ポテンシャルシールドガスの使用によって可能となり、これらのシールドガスの落とし穴は、最新の電源の使用により軽減される。これらの発明ステップは、機械化された5Gパイプライン溶接が、また半自動パイプライン溶接さえも、良好な溶融池流動性、ビード形状、アーク安定性及び受け入れられる欠陥率を含めての良好な溶接性をもって行われることを可能にする。HSWが、本明細書に記載されているシールドガス及び電源制御を最適化するための当然の注意なしに試みられた場合、図6に示されている溶接欠陥が、効率的なパイプライン建設では容認されない大きさ又は率で発生し得る。通常、パイプライン建設の間、これらの欠陥に起因する不合格率(reject rate)を、約5%未満に保つことが望ましい。HSW技術が適正に利用される場合、不合格率を5%未満に保つことが可能である。5%未満の不合格率は、低い欠陥率と見なされる。
図6に示されている欠陥に関して、HSWが、シールドガス及び電源制御(トーチヘッドとの連絡を含む)への当然の注意をもって適正に付着されれば、欠陥の大きさは限定できる。きず高さは、示されている欠陥の特に重要な寸法である。高さは、パイプ管壁表面に概ね垂直な方向で測定される。HSWは、欠陥高さを、3mm未満に、又は、好ましくは2mm未満、より一層好ましくは1mm未満に保ちながら適用できる。HSWが、それらの最大限の可能性に最適化された時、欠陥高さは、0.5mm未満に縮小できる、又は完全に一様に無くすることができる。
HSWは、ハイブリッドレーザーアーク溶接(HLAW)法を用い、付着できる。HLAW溶接部は、ルートに近い溶接金属下部において高希釈を有する。この部分では、溶接金属は、大部分、再溶融母材金属である。また、溶接部のこの部分は、速い冷却速度を経験する。上で説明されたように、希釈計算は、何らかの用途に対する適切なHSW溶加材ワイヤを配合するために用いることができ、この用途は、構造鋼のHLAWを含む。適切な溶加材ワイヤは、好ましい溶接金属化学組成を生成するように、配合できる。低炭素組成溶接ワイヤ(約0.05%を超えない、より好ましくは0.03%を超えない、より一層好ましくは0.02%を超えない)は、強度と靱性の優れた組合せを実現する、HLAWでの適切な冶金を生み出すのに特に有用である。
サブマージアーク溶接(SAW)法を用いるHSW冶金を展開することが可能である。パイプライン建設における1つの有用な用途は、最終の敷設作業に先立つ二重接合(double−joining)パイプの用途である。先に記載されたPGMAW技法を用い、二重接合を実施することは可能であるが、SAWを用いることが、より一般的である。SAW法を用い、望まれる冶金を達成するために、特別なフラックスが、溶接部の酸素含有量を最適化するために必要とされる。SAWがHSW冶金を溶接する場合、酸素含有量は、SBD−AFIMミクロ組織を実現するために、約100から225ppmの間に保たれなければならない。これは、スラックスの塩基度(BI)(当業者又は溶接技術者に知られている用語であり、フラックスの塩基性質 vs.酸性質、及びその酸素除去潜在力を反映する度数である)を管理することによって行うことができる。かなりの数のBIの式、例えば、よく知られたTuliani式が利用可能である。
SBDの適用における延性引裂による破壊は、パイプライン業界では、比較的新しい設計上の枠組みであり、円周溶接は、これまでは、高いレベルの引裂抵抗を生じるように、管理されてこなかった。本出願において上で論じられている歪みベース設計管理限界評価(SBECA)技術は、より高いレベルの延性引裂抵抗が有用であるSBDパイプラインの溶接部靱性の重要性を強める。この話題は、次の文献で論じられている:D.P. Fairchild, et al, "Girth Welds for Strain-Based Design Pipelines", ISOPE Symposium on Strain Based Design, the 18th International Offshore and Polar Eng. Conf, (ISOPE-2008), Vancouver, Canada, July 6-11, 2008, pp. 48-56。
のような数学的関係によって示すことができ、ここで、δ(デルタ)及びη(イータ)は、CTOD(mm) vs.Δa(mm)プロットの冪乗則フィッティングにおける因数である。R−曲線及び延性破壊抵抗のこの記述により、様々な溶接金属についてのR−曲線が、1mmの割れ進展でのCTODを考慮することによって靱性を評価するために、比較され得る。このような比較で、1mmの割れ進展を選択するのには2つの理由がある。第1に、冪乗則の式において、x=1の場合、冪乗の項は1になり、イータは無視できる。この場合、CTODは、デルタに等しく、比較は、デルタの値だけを用い、行うことができる。第2に、1mmの割れ成長は、靱性を比較するのに妥当な割れ成長度合いである。SBECAの知識によれば、パイプ円周溶接部の許容歪みは、しばしば、割れ進展が1mm程度である時に、現れる。限界割れ進展は、多くの形態及び材料特性要因に応じて、非常に小さな値から、1mm又は2mmまで変わり得るが、靱性の概略的比較を行う目的に対しては、1mmの規約が適切である。
HSWミクロ組織を記述する冶金学用語の定義は、用語解説に見出され得るが、さらなる詳細が、次の3つの参考文献に記載されている:(1)N.V. Bangaru, et al, "Microstructural Aspects of High Strength Pipeline Girth Welds," Proceedings of the 4th International Pipeline Technology Conference, Ostend, Belgium, May 9-13, 2004, pp. 789-808、(2)J.Y. Koo, et al, “Metallurgical Design of Ultra-High Strength Steels for Gas Pipelines,” ISOPE Symposium on High-Performance Materials in Offshore Industry, the 13th International Offshore and Polar Eng. Conference, (ISOPE-2003), Honolulu, Hawaii, USA, May 25-30, 2003, pp. 10-18、及び(3)米国特許第6,565,678号。本明細書で用いられる場合、優勢な又は優勢にはは、少なくとも約50体積パーセントを意味する。
溶接部の冷却の間、Ti及びZr系の介在物が、溶接溶融金属中に生成する。これらの基点介在物は、通常、スピネル殻によってさらに包まれる。溶接金属がさらに冷えるにつれて、針状フェライトがこれらの介在物上で核生成する。次いで、残りのオーステナイトは、硬質成分の混合物へと変態する。SBD−AFIM溶接部での典型的なミクロ組織のバランスは、15%〜50%の針状フェライト、及び50%を超える硬質成分である。これは、‘678特許の典型的AFIM溶接部に対して記載されたより、いくらか大きい針状フェライト含有量に相当する。
本明細書に記載されているHSWは、2010年4月15日に公開された米国特許出願公開第2010/0089463号(国際特許出願PCT/US2008/001409)に記載された溶接部に比べて、溶接部検査に関連する利点を有する。HSWはフェライト系であるのに対して、US PA 2010/0089463の溶接部は、Ni系溶接消耗材であり、それらは、面心立方(FCC)原子構造を有するオーステナイト系溶接部を生じる。フェライト系HSWは、体心立方(BCC)原子構造を有し、これは、パイプラインフェライト鋼を溶接するために高Ni(FCC)溶接消耗材を用いると現れる不同構造溶接境界部の問題を避けるという理由で、パイプラインフェライト鋼(これもまた構造はBCCである)の溶接に有用である。不同構造溶接境界部は、これらの境界部が、不必要な補修を招き得る誤った信号を生じるので、超音波検査における難しさの原因となる。
延性破壊抵抗に関して、HSWは、1mmの割れ進展でデルタ値が少なくとも0.75である曲線によって記載されるものと、同じように高い、又はより高いR−曲線を生成できる。化学組成、酸素含有量及びミクロ組織に注意を払えば、HSWは、1.0、好ましくは1.25、より一層好ましくは1.5のデルタ値を有する曲線と同じように高い、又はより高いR−曲線を生成できる。
オーステナイト系合金:面心立方(fcc)原子配置によって特徴付けられるオーステナイト系ミクロ組織を有するステンレス鋼、Ni系合金、及び二相ステンレス鋼のような、産業用合金のグループのいずれか。
フェライト系合金:優勢には体心立方(bcc)原子配置によって特徴付けられるフェライト系ミクロ組織を有する産業用合金のグループのいずれか。
降伏強さ:荷重支持が測定可能な永久変形を生じる永久変形及び塑性挙動なしに荷重支持が達成される線形弾性挙動からの離脱点に相当する強さ。
引張強さ:破壊メカニズムが線形弾性破壊でない時に、応力の単位での、材料の最大荷重担持能力に相当する強さ。
HAZ:熱影響部。
Pcm:鋼に用いられる一般的な合金元素の重量%に基づき、焼入性を定量化するために用いられる式。焼入性は、鋼が、高温から冷却された時にマルテンサイト(硬質ミクロ組織)に変態する度合いである。
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
重量%での合金含有量が、Pcm数を計算するために式に入れられる。
靱性:破壊に対する抵抗性。
溶接物:溶接によって接合された構成要素パーツのアセンブリ。
溶接ビード溶込み形状:横断面で観察された時の溶接ビードの底(ルート)に近い溶接ビードの形状。
溶接性:特定の金属又は合金を溶接する実現可能性。溶接性は、時に、溶接中の水素誘発割れ感受性(susceptibility)を表すが、本開示に関連しては、溶接性は、融合不良、溶込み不良、又はアンダーカットのような欠陥を生じることのない、溶接し易さを表す。高い表面張力の溶融池及び不規則な又は不安定な溶接アークを含めて、かなりの数の要因が、劣った溶接性に寄与する。これらの要因は、隣接する母材金属への溶融池の濡れの悪さ、溶接止端部での鋭い(又は小さい)凹角、望ましくない溶接スパッタを含めて、溶接者によって観察される徴候を生じる。良好な溶接性を得ることは、良好な溶融池流動性、アーク安定性(「円滑な」アーク)、母材金属との連結部での溶融池の良好な濡れ、良好なビード溶込み形状を含めて、1群の特質を表し、これらは全て、溶接欠陥を減らすことを目指している。
パルスガスメタルアーク溶接(PGMAW):電流パルス能を備える電源を利用する、GMAW法の変形形態。これらは、時に、最新電流波形電源と呼ばれる。米国溶接協会は、PGMAWをGMAW−Pと命名した。
サブマージアーク溶接(SAW):連続的に供給される、中実又は管状(フラックスコアード)消耗電極を必要とする溶接方法。溶融物及びアーク部は、大気の汚染から、粒状融合性フラックスのブランケットの下に「覆い隠される(submerged)」ことによって保護される。
低酸素溶接環境:溶融池に与えられる保護が、約200ppmの酸素未満の溶接金属酸素含有量を達成する溶接法。保護は、シールドガス又はフラックスによって達成できる。
初析フェライト(PF):鋼溶接ミクロ組織に関して、この相は、また、ポリゴナルフェライト及び粒界フェライトとも呼ばれる。PFは、溶接金属が高温から冷却されるにつれて、オーステナイトから変態する最初の相でないとしても、最初の相の1つである傾向がある。核生成は、元のオーステナイト粒界で起こる;したがって、PFグレインは、これらの境界に位置する。それらのグレインは、多角形であり得る、又は、時に、側板(sideplate)が、他形(allotriomorph)から生成することがあり、次いで、側板は、ウィドマンシュテッテンフェライトと呼ばれる関連相を定める。
変質上部ベイナイト(DUB):各コロニー(colony)が剪断応力によって、1組(パケット)の平行ラスに成長するベイナイト生成物。ラスの成長の間、又はその直後に、いくらかの炭素が拒絶されて、ラス間オーステナイト中へ入る。比較的低い炭素含有量のせいで、トラップ状態のオーステナイトの炭素富化は、板状セメンタイト核生成の引き金になるには十分でない。このような核生成は、中及びより高炭素鋼において実際に起こり、結果として正統的な上部ベイナイト(UB)を形成する。DUBにおけるラス間オーステナイトでのより少ない炭素富化は、マルテンサイト又はマルテンサイト−オーステナイト(MA)混合物の形成に帰着する、又は残留オーステナイト(RA)として存続し得る。DUBは、正統的な上部ベイナイト(UB)と混同されることがある。数十年前に中炭素鋼において最初に確認されたタイプのUBは、2つの重要な特徴;(1)パケットとして成長する平行ラスの複数の組、及び(2)ラス境界でのセメンタイト膜、からなる。どちらも平行ラスのパケットを含むという点で、UBはDUBに似ている;しかし、重要な違いは、ラス間の物質にある。炭素含有量が約0.15〜0.40である時、セメンタイト(Fe3C)が、ラスの間に生成され得る。これらの「膜」は、DUBにおける断続的なMAに比べて、比較的連続的であり得る。低炭素鋼では、ラス間セメンタイトは生成しない;むしろ、残っているオーステナイトは、MA、マルテンサイト、RA、又はそれらの混合物として終わる。
ラスマルテンサイト(LM):LMは、薄い平行ラスのパケットのように見える。ラス幅は、通常、約0.5μm未満である。マルテンサイトラスの未焼戻しコロニーは、炭化物フリーとして特徴付けられるのに対して、自己焼戻しLMは、ラス内炭化物析出物を示す。自己焼戻しLMにおけるラス内炭化物は、2つ以上の結晶学的バリアント上に、例えば、マルテンサイトの<110>面上に生成する。多くの場合、セメンタイトは、1つの方向に沿って並んでいない;むしろ、それは、複数の面上に析出する。
自己焼戻しラスマルテンサイト:溶接のような作業からの冷却中に自己焼戻しを起こしたマルテンサイト。セメンタイトの析出が、冷却に際して、伝統的な焼戻しで行われるような再加熱なしに、その場で起こる。
管理限界評価(ECA):材料の欠陥、例えば、割れ又は溶接欠陥の構造上の意義を構想し、検定するか、さもなければ評価するための方法。1つの目標は、構造破壊を防ぐことである。別の目標は、欠陥が良性であると解析された時、不必要な修復を防ぐことである。ECA法は、多くの場合、破壊力学の技術に基づく。ECA法は、通常、3つの情報入力:材料特性、加わる負荷、及び欠陥サイズに基づき、破壊の限界条件を確定することができる。ECAは、多くの場合、他の2つの情報入力に基づき、1つのパラメータの限界値を予測するために用いられる。ECA法の他の名前には、欠陥評価手順及び目的適合性分析が含まれる。
目違いは、パイプの外周の回りで変わる。目違いを最低限にするように、最善の努力が払われるが、高−低の大きさは、1ミリメートルの何分の1から数ミリメートルまでであり得る。1mmの高−低は、大きな直径のパイプ(例えば、>24インチの直径のパイプ)では小さいと見なされるであろうが、>3mmの高−低は、大きいと見なされるであろう。高−低目違いは、めったに約5mmを超えない。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔1〕0.03から0.08重量%の間の炭素;
2.0から3.5重量%の間のニッケル;
約2.0重量%以下のマンガン;
約0.80重量%以下のモリブデン;
約0.70重量%以下のケイ素;
約0.03重量%以下のアルミニウム;
0.02重量%以下のチタン;
0.04重量%以下のジルコニウム;
100から225ppmの間の酸素;
約100ppm以下の窒素;
約100ppm以下の硫黄;
約100ppm以下のリン;及び
残りの部分の鉄;
を含む、フェライト鋼母材金属のための溶接金属であって、
SBD−AFIMミクロ組織を含み、最新のパルス波形電源を用いるガスメタルパルスアーク溶接法を用いて付着され、5%未満のCO 2 及び2%未満のO 2 を含むシールドガスを利用し、付着した溶接金属が、90ksiを超える引張強さ、及び0.75を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する溶接金属。
〔2〕4×10 10 m -2 より小さい酸化物介在物個数を含む、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔3〕付着した溶接金属が、高さが3mmより小さい、パイプライン建設事業における普通の融合不良の欠如、及び5%未満の1日当たりの溶接部不合格率を示す、前記〔2〕に記載の溶接金属。
〔4〕次のもの:
約0.30重量%以下の銅、
約0.04重量%以下のバナジウム、
約0.30重量%以下のクロム、
約0.40重量%以下のモリブデン、
約0.04重量%以下のニオブ、
約0.02重量%以下のチタン、
約0.02重量%以下のジルコニウム、及び
約20ppm以下のホウ素、
の少なくとも1つをさらに含む、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔5〕付着した溶接金属が、100ksiを超える引張強さを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔6〕付着した溶接金属が、110ksiを超える引張強さを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔7〕付着した溶接金属が、120ksiを超える引張強さを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔8〕付着した溶接金属が、1.0を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔9〕付着した溶接金属が、1.25を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔10〕付着した溶接金属が、1.5を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔11〕付着した溶接金属が、2.0を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔12〕付着した溶接金属が、−5℃以下の温度で、100Jを超えるシャルピーVノッチエネルギーを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔13〕付着した溶接金属が、−5℃以下の温度で、125Jを超えるシャルピーVノッチエネルギーを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔14〕付着した溶接金属が、−5℃以下の温度で、150Jを超えるシャルピーVノッチエネルギーを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔15〕付着した溶接金属が、−5℃以下のシャルピーVノッチ延性−脆性遷移温度を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔16〕付着した溶接金属が、−20℃以下のシャルピーVノッチ延性−脆性遷移温度を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔17〕付着した溶接金属が、−40℃以下のシャルピーVノッチ延性−脆性遷移温度を有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔18〕付着した溶接金属が、少なくとも0.10mmの、−5℃でのCTODを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔19〕付着した溶接金属が、少なくとも0.10mmの、−20℃でのCTODを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔20〕付着した溶接金属を含む円周溶接パイプが、2mmの深さ及び25mmの長さと少なくとも同程度に大きい円周溶接欠陥を含む加圧パイプ歪み試験で測定して、少なくとも0.5%の全体許容歪みを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔21〕付着した溶接金属を含む円周溶接パイプが、2mmの深さ及び25mmの長さと少なくとも同程度に大きい円周溶接欠陥を含む加圧パイプ歪み試験で測定して、少なくとも0.75%の全体許容歪みを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔22〕付着した溶接金属を含む円周溶接パイプが、2mmの深さ及び25mmの長さと少なくとも同程度に大きい円周溶接欠陥を含む加圧パイプ歪み試験で測定して、少なくとも1.0%の全体許容歪みを有する、前記〔1〕に記載の溶接金属。
〔23〕0.03から0.08重量%の間の炭素、2.0から3.5重量%の間のニッケル、約2.0重量%以下のマンガン、約0.80重量%以下のモリブデン、約0.70重量%以下のケイ素、約0.03重量%以下のアルミニウム、0.02重量%以下のチタン、0.04重量%以下のジルコニウム、100から225ppmの間の酸素、約100pp以下の窒素、約100ppm以下の硫黄、約100ppm以下のリン、及び残りの部分の鉄を含む、望まれるHSW溶接金属化学組成を決めること;
希釈パーセント、パイプライン母材金属化学組成、及び望まれるHSW溶接金属化学組成を入力情報として用い、計算により溶接消耗ワイヤ化学組成を決め、供用すること;及び
溶接消耗ワイヤを用い、パイプライン母材金属を円周溶接して、溶接金属を生成すること;
を含み、円周溶接プロセスが、
5%の未満のCO 2 及び2%未満のO 2 を有するシールドガスを用いるガスメタルアーク溶接法を用い、円周溶接を行うこと、及び
5%未満のCO 2 を有するシールドガスを用いて溶接性の負の側面を緩和するために構成され、制御される最新のパルス波形電源を用いること、
を含む、フェライト鋼パイプラインを溶接する方法であって、
溶接金属が、約225ppmの酸素以下である目標溶接金属酸素含有量、及び4×10 10 m -2 以下の溶接金属介在物個数を達成し、溶接部が、SBD−AFIMミクロ組織、90ksiを超える引張強さ、及び0.75を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する方法。
〔24〕シールドガスが、5%未満のCO 2 、ヘリウム、及び少なくとも50体積パーセントの量のアルゴンの混合物を含む、前記〔23〕に記載の方法。
〔25〕シールドガスが、5%未満のCO 2 、少なくとも10%のヘリウム、及び少なくとも50体積パーセントの量のアルゴンの混合物を含む、前記〔23〕に記載の方法。
〔26〕シールドガスが、5%未満のCO 2 、及びアルゴンである残りの部分の混合物を含む、前記〔23〕に記載の溶接方法。
〔27〕円周溶接のステップが、ハイブリッドレーザーアーク溶接法を用いることをさらに含む、前記〔23〕に記載の方法。
〔28〕円周溶接のステップが、サブマージアーク溶接法を用いることをさらに含む、前記〔23〕に記載の方法。
Claims (18)
- 0.03から0.08質量%の間の炭素;
1.82から3.5質量%の間のニッケル;
0質量%以上、2.0質量%以下のマンガン;
0質量%以上、0.80質量%以下のモリブデン;
0質量%以上、0.70質量%以下のケイ素;
0質量%以上、0.03質量%以下のアルミニウム;
0質量%以上、0.02質量%以下のチタン;
0質量%以上、0.04質量%以下のジルコニウム;
100から240ppmの間の酸素;
0質量%以上、100ppm以下の窒素;
0質量%以上、100ppm以下の硫黄;
0質量%以上、100ppm以下のリン;及び
残りの部分の鉄;
を含む、フェライト鋼母材金属のための溶接金属であって、
AFIM(マルテンサイトに散在する針状フェライト:acicular ferrite interspersed in martensite)ミクロ組織を含み、
90ksiを超える引張強さ、及び0.75を超えるSENT(single edge notch tension) R−曲線デルタ値を有する、溶接金属。 - 4×1010m-2より小さい酸化物介在物個数を含む、請求項1に記載の溶接金属。
- 次のもの:
0.30質量%以下の銅、
0.04質量%以下のバナジウム、
0.30質量%以下のクロム、
0.40質量%以下のモリブデン、
0.04質量%以下のニオブ、
0.02質量%以下のチタン、
0.02質量%以下のジルコニウム、及び
20ppm以下のホウ素、
の少なくとも1つをさらに含む、請求項1又は2に記載の溶接金属。 - 溶接金属が、100ksiを超える引張強さを有する、請求項1から3のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、120ksiを超える引張強さを有する、請求項1から3のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、1.0を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、請求項1から5のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、1.5を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、請求項1から5のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、2.0を超えるSENT R−曲線デルタ値を有する、請求項1から5のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、−5℃以下の温度で、100Jを超えるシャルピーVノッチエネルギーを有する、請求項1から8のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、−5℃以下の温度で、150Jを超えるシャルピーVノッチエネルギーを有する、請求項1から8のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、−5℃以下のシャルピーVノッチ延性−脆性遷移温度を有する、請求項1から10のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、−40℃以下のシャルピーVノッチ延性−脆性遷移温度を有する、請求項1から10のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、少なくとも0.10mmの、−5℃でのCTODを有する、請求項1から12のいずれかに記載の溶接金属。
- 溶接金属が、少なくとも0.10mmの、−20℃でのCTODを有する、請求項1から12のいずれかに記載の溶接金属。
- 0.03から0.08質量%の間の炭素、
1.82から3.5質量%の間のニッケル、
0質量%以上、2.0質量%以下のマンガン、
0質量%以上、0.80質量%以下のモリブデン、
0質量%以上、0.70質量%以下のケイ素、
0質量%以上、0.03質量%以下のアルミニウム、
0質量%以上、0.02質量%以下のチタン、
0質量%以上、0.04質量%以下のジルコニウム、
100から240ppmの間の酸素、
0質量%以上、100ppm以下の窒素、
0質量%以上、100ppm以下の硫黄、
0質量%以上、100ppm以下のリン、及び
残りの部分の鉄を含む、
望まれる溶接金属化学組成を決めること;
希釈パーセント、パイプライン母材金属化学組成、及び望まれる溶接金属化学組成を入力情報として用い、計算により溶接消耗ワイヤ化学組成を決め、供用すること;及び
溶接消耗ワイヤを用い、パイプライン母材金属を円周溶接して、溶接金属を生成すること;
を含み、円周溶接プロセスが、
2〜3体積%のCO2、又は、1〜1.5体積%のO2を有するシールドガスを用いるガスメタルアーク溶接法を用い、円周溶接を行うこと、及び
2〜3体積%のCO2、又は、1〜1.5体積%のO2を有するシールドガスを用いる溶接性の負の側面を緩和するために構成され、制御される、パルス波形電源を用いることであって、ここで、パルス波形電源により与えられるパルス波形が、溶滴離脱時間及び溶滴離脱電流を含むこと、
を含む、フェライト鋼パイプラインを溶接する方法であって、
溶接金属が、100から240ppmの酸素である目標溶接金属酸素含有量、及び0以上4×1010m-2以下の溶接金属介在物個数を達成し、溶接金属が、AFIM(マルテンサイトに散在する針状フェライト:acicular ferrite interspersed in martensite)ミクロ組織、90ksiを超える引張強さ、及び0.75を超えるSENT(single edge notch tension) R−曲線デルタ値を有する、方法。 - シールドガスが、2〜3体積%のCO2、少なくとも10体積%のヘリウム、及び少なくとも50体積パーセントの量のアルゴンの混合物を含む、請求項15に記載の方法。
- シールドガスが、2〜3体積%のCO2、及びアルゴンである残りの部分の混合物を含む、請求項15に記載の溶接方法。
- 円周溶接のステップが、ハイブリッドレーザーアーク溶接法を用いることをさらに含む、請求項15から17のいずれかに記載の方法。
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