JP7029034B1 - 溶接継手およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[WPS] ≦ [BYS] - 100MPa ……(1)
(ここで、WPS:溶接金属部の0.2%耐力(MPa)、BYS:鋼板(母材部)の降伏強さ(MPa))
を満足し、かつ溶接金属部の引張強さWTSと鋼板(母材部)の引張強さBTSとが次(2)式
[WTS] ≦ [BTS] + 100MPa ……(2)
(ここで、WTS:溶接金属の引張強さ(MPa)、BTS:鋼板(母材部)の引張強さ(MPa))を満足するように、溶接入熱を0.5~6.0kJ/mmとし、溶接金属の強度を調整することが有効であることを知見した。
[1]鋼板同士が溶接金属部を介して溶接接合された溶接継手であって、
前記鋼板を、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼板組成を有する鋼板とし、
前記溶接金属部が、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる溶接金属部組成と、0.2%耐力WPS:400MPa以上、かつ引張強さWTS:660MPa以上の引張特性と、を有し、かつ
前記鋼板の降伏強さBYSと前記溶接金属部の0.2%耐力WPSとが次(1)式
[WPS] ≦ [BYS] -100MPa ……(1)
ここで、WPS:溶接金属部の0.2%耐力(MPa)、BYS:鋼板の降伏強さ(MPa)、
を、また、前記鋼板の引張強さBTSと前記溶接金属部の引張強さWTSとが次(2)式
[WTS] ≦ [BTS] +100MPa ……(2)
ここで、WTS:溶接金属部の引張強さ(MPa)、BTS:鋼板の引張強さ(MPa)、
を満足することを特徴とする溶接継手。
[2]前記溶接金属部組成に加えてさらに、質量%で、次の(i)および(ii)から選ばれる1種以上:(i)V:1.0%以下、Ti:1.0%以下、Nb:1.0%以下およびW:1.0%以下のうちの1種または2種以上;および(ii)Cu:2.0%以下、Al:1.0%以下、Ca:0.010%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する溶接金属部組成とすることを特徴とする[1]に記載の溶接継手。
[3]前記鋼板組成に加えてさらに、質量%で、次の(iii)および(iv)から選ばれる1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%以下およびTi:0.2%以下のうちの1種または2種以上;および(iv)B:0.005%以下、Ca:0.005%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する鋼板組成とすることを特徴とする[1]または[2]に記載の溶接継手。
[4]鋼板同士をソリッドワイヤを用いたガスメタルアーク溶接し、溶接金属部を形成して溶接継手とする溶接継手の製造方法であって、
前記鋼板を、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼板組成を有する鋼板とし、
前記ソリッドワイヤを、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなるワイヤ組成を有するワイヤとし、
前記溶接金属部が、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる溶接金属部組成と、0.2%耐力WPS:400MPa以上、かつ引張強さWTS:660MPa以上の引張特性と、を有し、かつ前記溶接金属部の0.2%耐力WPSが、前記鋼板の降伏強さBYSとの関係で次(1)式
[WPS] ≦ [BYS] -100MPa ……(1)
(ここで、WPS:溶接金属部の0.2%耐力(MPa)、BYS:鋼板の降伏強さ(MPa))、
を、かつ、前記溶接金属部の引張強さWTSが、前記鋼板の引張強さBTSとの関係で次(2)式
[WTS] ≦ [BTS] +100MPa ……(2)
(ここで、WTS:溶接金属部の引張強さ(MPa)、BTS:鋼板の引張強さ(MPa))、
を、それぞれ満足するように、前記ガスメタルアーク溶接の溶接条件を、1パス溶接入熱が0.5~6.0kJ/mmとなるように調整することを特徴とする低温靭性に優れた溶接継手の製造方法。
[5]前記ワイヤ組成に加えてさらに、質量%で、次の(v)および(vi)から選ばれる1種以上:(v)V:1.0%以下、Ti:1.0%以下、Nb:1.0%以下およびW:1.0%以下のうちの1種または2種以上;および(vi)Cu:2.0%以下、Al:1.0%以下、Ca:0.010%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有するワイヤ組成とし、かつ、前記溶接金属部組成に加えてさらに、質量%で、次の(i)および(ii)から選ばれる1種以上:(i)V:1.0%以下、Ti:1.0%以下、Nb:1.0%以下およびW:1.0%以下のうちの1種または2種以上;および(ii)Cu:2.0%以下、Al:1.0%以下、Ca:0.010%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する溶接金属部組成とすることを特徴とする[4]に記載の溶接継手の製造方法。
[6]前記鋼板組成に加えてさらに、質量%で、次の(iii)および(iv)から選ばれる1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%以下およびTi:0.2%以下のうちの1種または2種以上;および(iv)B:0.005%以下、Ca:0.005%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する鋼板組成とすることを特徴とする[4]または[5]に記載の溶接継手の製造方法。
また、本発明によれば、高強度と優れた低温靭性とを有する溶接継手を提供することができる。
本発明の溶接継手は、質量%で、C:0.02~0.20%、Si:0.05~0.50%、Mn:0.10~1.80%、Ni:6.5~10.0%を基本組成とする高Ni鋼板同士を溶接金属部を介して溶接接合してなる溶接継手である。溶接接合される高Ni鋼板は2枚又はそれ以上の複数枚とすることができる。なお、以下、組成における質量%は、単に%で記す。
母材(被溶接材)として使用する高Ni鋼板は、質量%で、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%以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板組成を有する。なお、必要に応じて、上記した成分以外に選択元素として合金元素を添加してもよい。選択元素としては、強度、靭性の向上が期待できる、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%以下およびTi:0.2%以下からなる群より選択される1種または2種以上、および/または、靭性の向上が期待できる、B:0.005%以下、Ca:0.005%以下およびREM:0.020%以下からなる群より選択される1種または2種以上、が例示できる。
そして、本発明の溶接継手における溶接金属部は、質量%で、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%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成(溶接金属部組成)を有する。
Cは、オーステナイトを安定化させる元素であり、また、固溶強化により、溶接金属の強度を上昇させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.10%以上の含有を必要とする。しかし、0.80%を超えて含有すると、溶接時の高温割れが生じやすくなる。そのため、Cは0.10~0.80%の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.15%以上である。また好ましくは0.60%以下である。
Siは、炭化物の析出を抑制することで、Cをオーステナイトに固溶させ、オーステナイトを安定化させる。そのような効果を得るためには、0.10%以上の含有を必要とする。しかし、1.00%を超えて含有すると、Siは、凝固時に偏析し、凝固セル界面に液相を生成して、耐高温割れ性を低下させる。そのため、Siは0.10~1.00%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.20%以上である。また好ましくは0.90%以下である。
Mnは、安価に、オーステナイト相を安定化する元素であり、本発明では13.0%以上の含有を必要とする。Mnが13.0%未満では、オーステナイトの安定度が不足するため、溶接金属中に硬質のマルテンサイト相が生成し、靭性が低下する。一方、Mnが25.0%を超えると、凝固時に過度のMn偏析が発生し、高温割れを誘発する。そのため、Mnは13.0~25.0%の範囲に制限した。なお、好ましくは15.0%以上である。また好ましくは22.0%以下である。
Pは、結晶粒界に偏析し、高温割れを誘発する元素であり、本発明では、できるだけ低減することが好ましいが、0.030%以下であれば、許容できる。そのため、Pは0.030%以下に限定した。なお、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Pは0.002%以上に調整することが好ましい。
Sは、結晶粒界に偏析し、高温割れを誘発する元素であり、本発明では、できるだけ低減することが好ましいが、0.030%以下であれば、許容できる。そのため、Sは0.030%以下に限定した。なお、過度の低減は、精練コストの高騰を招く。そのため、Sは0.001%以上に調整することが好ましい。
Niは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界の脆化を抑制することで、高温割れの発生を抑制する。このような効果を得るためには、1.0%以上の含有を必要とする。また、Niは、オーステナイト相を安定化させる効果もある。しかし、Niは高価な元素であり、12.0%を超える含有は、経済的に不利となる。そのため、Niは1.0~12.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは2.0%以上である。また好ましくは11.0%以下である。
Crは、極低温ではオーステナイト相を安定化させる元素として働き、溶接金属の低温靭性(極低温靭性)を向上させる。また、Crは、溶接金属の強度を向上させる作用も有する。また、Crは、固液共存温度範囲を小さくして、高温割れの発生を抑制するのに有効に作用する。さらに、Crは、溶接金属の耐食性を高めるのにも有効に作用する。このような効果を得るためには0.4%以上の含有を必要とする。Crが0.4%未満では、上記した効果を確保できない。一方、3.8%を超えて含有すると、粒界にCr炭化物を析出するために粒界が脆化し、これが溶接時に導入される熱ひずみで開口し、高温割れが発生する。そのため、Crは0.4~3.8%の範囲に限定した。なお、好ましくは、0.6%以上である。また好ましくは3.5%以下である。
Moは、オーステナイト粒界を強化する元素であり、粒界の脆化を抑制することで、高温割れの発生を抑制する。なお、Moは溶接金属を硬化させることで耐摩耗性を向上させる作用も有する。このような効果を得るためには、0.1%以上の含有を必要とする。一方、5.0%を超えて含有すると、粒内が硬化しすぎて、相対的に粒界が弱くなり、高温割れが発生する。そのため、Moは0.1~5.0%の範囲に限定した。なお、好ましくは0.5%以上である。また好ましくは4.0%以下である。
O(酸素)は、不可避的に混入する元素であるが、溶接金属中で、Al系酸化物や、Si系酸化物を形成し、凝固組織の粗大化抑制に寄与する。このような効果は、0.003%以上の含有で著しくなるため、0.003%以上含有することが好ましいが、0.100%を超えて多量に含有すると、酸化物の粗大化が著しくなる。そのため、O(酸素)は0.100%以下に限定した。なお、好ましくは0.003%以上である。また好ましくは0.060%以下である。
Nは、不可避的に混入する元素であるが、Cと同様に、溶接金属の強度向上に有効に寄与するとともに、オーステナイト相を安定化し、極低温靱性を安定的に向上させる元素である。このような効果は、0.003%以上の含有で顕著となるため、0.003%以上含有することが好ましい。しかし、0.080%を超えて含有すると、窒化物を形成し、低温靱性が低下する。そのため、Nは0.080%以下に限定した。なお、より好ましくは0.004%以上である。また好ましくは0.060%以下である。
V、Ti、NbおよびWはいずれも、炭化物形成元素で、オーステナイト粒内に微細な炭化物を析出させて溶接金属の強度増加に寄与する元素であり、必要に応じて選択して1種または2種以上含有できる。
Cuはオーステナイト安定化に寄与する元素であり、Alは脱酸剤として作用する元素であり、また、Ca、REMは高温割れの抑制に寄与する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。
Cuは、オーステナイト相を安定化する元素であり、このような効果を得るためには、0.01%以上含有することが好ましい。しかし、2.0%を超えて多量に含有すると、オーステナイト粒界で低融点の液相が生成するため、高温割れが発生する。そのため、含有する場合には、Cuは2.0%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.02%以上である。また、より好ましくは1.6%以下である。
Alは、脱酸剤として作用し、溶融金属の粘性を高め、ビード形状を安定的に保持し、スパッタの発生を低減する重要な作用を有する。また、Alは、固液共存温度範囲を小さくして、溶接金属の高温割れ発生の抑制に寄与する。このような効果は、0.001%以上の含有で顕著となるため、0.001%以上含有することが好ましい。しかし、1.0%を超えて含有すると、溶融金属の粘性が高くなりすぎて、逆に、スパッタの増加や、ビードが広がらず融合不良などの欠陥が増加する。そのため、含有する場合には、Alは1.0%以下の範囲に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.002%以上である。また、より好ましくは0.8%以下である。
Ca、REMはいずれも、高温割れの抑制に寄与する元素である。Caは、溶融金属中でSと結合し、高融点の硫化物CaSを形成することで、高温割れを抑制する。このような効果は0.001%以上の含有で顕著となる。一方、0.010%を超えて含有すると、溶接時にアークに乱れが生じ、安定な溶接が困難となる。そのため、含有する場合には、Caは0.010%以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.002%以上である。また、より好ましくは0.008%以下である。
[WPS] ≦ [BYS] -100MPa ……(1)
を、さらに、溶接金属の引張強さWTSが鋼板の引張強さBTSとの関係で次(2)式
[WTS] ≦ [BTS] +100MPa ……(2)
を、満足するように、溶接条件を調整する。具体的には、1パスの溶接入熱が0.5~6.0kJ/mmとなるように、溶接条件を調整する。
つぎに、本発明の溶接継手の好ましい製造方法について説明する。
使用する溶接法は、所望の特性を有する溶接金属部(多層)を形成できればよく、とくに限定する必要はないが、所望の強度、優れた低温靭性を有する溶接金属部およびボンド部を形成するためには、1パス入熱量:0.5~6.0kJ/mmの多層盛ガスメタルアーク溶接が好ましい。また、使用する溶接材料としては、上記した溶接金属部が形成できる溶接材料であればよく、とくに限定する必要はない。
また、使用する溶接材料(ソリッドワイヤ)の好ましい製造方法について説明する。
Claims (6)
- 鋼板同士が溶接金属部を介して溶接接合された溶接継手であって、
前記鋼板を、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼板組成を有する鋼板とし、
前記溶接金属部が、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる溶接金属部組成と、0.2%耐力WPS:400MPa以上、かつ引張強さWTS:660MPa以上の引張特性と、を有し、かつ
前記鋼板の降伏強さBYSと前記溶接金属部の0.2%耐力WPSとが下記(1)式を、また、前記鋼板の引張強さBTSと前記溶接金属部の引張強さWTSとが下記(2)式を満足することを特徴とする溶接継手。
記
[WPS] ≦ [BYS] -100MPa ……(1)
[WTS] ≦ [BTS] +100MPa ……(2)
ここで、WPS:溶接金属部の0.2%耐力(MPa)、WTS:溶接金属部の引張強さ(MPa)、
BYS:鋼板の降伏強さ(MPa)、BTS:鋼板の引張強さ(MPa) - 前記溶接金属部組成に加えてさらに、質量%で、次の(i)および(ii)から選ばれる1種以上:(i)V:1.0%以下、Ti:1.0%以下、Nb:1.0%以下およびW:1.0%以下のうちの1種または2種以上;および(ii)Cu:2.0%以下、Al:1.0%以下、Ca:0.010%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する溶接金属部組成とすることを特徴とする請求項1に記載の溶接継手。
- 前記鋼板組成に加えてさらに、質量%で、次の(iii)および(iv)から選ばれる1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%以下およびTi:0.2%以下のうちの1種または2種以上;および(iv)B:0.005%以下、Ca:0.005%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する鋼板組成とすることを特徴とする請求項1または2に記載の溶接継手。
- 鋼板同士をソリッドワイヤを用いたガスメタルアーク溶接し、溶接金属部を形成して溶接継手とする溶接継手の製造方法であって、
前記鋼板を、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼板組成を有する鋼板とし、
前記ソリッドワイヤを、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなるワイヤ組成を有するワイヤとし、
前記溶接金属部が、質量%で、
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
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる溶接金属部組成と、0.2%耐力WPS:400MPa以上、かつ引張強さWTS:660MPa以上の引張特性と、を有し、かつ前記溶接金属部の0.2%耐力WPSが、前記鋼板の降伏強さBYSとの関係で下記(1)式を、かつ前記溶接金属部の引張強さWTSが、前記鋼板の引張強さBTSとの関係で下記(2)式を、それぞれ満足するように、前記ガスメタルアーク溶接の溶接条件を、1パス溶接入熱が0.5~6.0kJ/mmとなるように調整することを特徴とする低温靭性に優れた溶接継手の製造方法。
記
[WPS] ≦ [BYS] -100MPa ……(1)
[WTS] ≦ [BTS] +100MPa ……(2)
ここで、WPS:溶接金属部の0.2%耐力(MPa)、WTS:溶接金属部の引張強さ(MPa)、
BYS:鋼板の降伏強さ(MPa)、BTS:鋼板の引張強さ(MPa) - 前記ワイヤ組成に加えてさらに、質量%で、次の(v)および(vi)から選ばれる1種以上:(v)V:1.0%以下、Ti:1.0%以下、Nb:1.0%以下およびW:1.0%以下のうちの1種または2種以上;および(vi)Cu:2.0%以下、Al:1.0%以下、Ca:0.010%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有するワイヤ組成とし、かつ、前記溶接金属部組成に加えてさらに、質量%で、次の(i)および(ii)から選ばれる1種以上:(i)V:1.0%以下、Ti:1.0%以下、Nb:1.0%以下およびW:1.0%以下のうちの1種または2種以上;および(ii)Cu:2.0%以下、Al:1.0%以下、Ca:0.010%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する溶接金属部組成とすることを特徴とする請求項4に記載の溶接継手の製造方法。
- 前記鋼板組成に加えてさらに、質量%で、次の(iii)および(iv)から選ばれる1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%以下およびTi:0.2%以下のうちの1種または2種以上;および(iv)B:0.005%以下、Ca:0.005%以下およびREM:0.020%以下のうちの1種または2種以上;を含有する鋼板組成とすることを特徴とする請求項4または5に記載の溶接継手の製造方法。
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