JPH09295185A

JPH09295185A - 高Ｃｒ鋼の溶接方法

Info

Publication number: JPH09295185A
Application number: JP13256196A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Inoue; 裕滋井上; Toshihiko Koseki; 敏彦小関; Shigeru Okita; 茂大北
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-05-01
Filing date: 1996-05-01
Publication date: 1997-11-18

Abstract

(57)【要約】【課題】石油・天然ガスのラインパイプなどの高Ｃｒ
鋼を溶接するのに適した、溶接金属の耐高温割れ性、耐
低温割れ性、靱性、強度および耐食性に優れた溶接方法
に関する。【解決手段】Ｃｒ：７．５〜１２％の高Ｃｒ鋼の溶接
において、Ｃ：０．００５％〜０．１２％、Ｓｉ：０．
０１〜１％、Ｍｎ：０．０２〜２％、Ｃｒ：１３〜１８
％、Ｎｉ：３〜５％、Ｎ：０．０５〜０．１２％を含有
し、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比が１．６以上、２．０以下で
あるステンレス鋼ワイヤを用いてガスシールドアーク溶
接し、溶接金属のミクロ組織をオーステナイト＋フェラ
イト＋マルテンサイトの３相組織とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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、靱性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、
予熱および後熱処理を必要とせず耐割れ性が良好で、か
つ強度と靱性および耐食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。したがって、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。したがっ
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鋼の共金系材料では、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。またこの場合、
溶接金属の低温割れ感受性が高いため、予熱処理もしく
は後熱処理が必須である。したがって、高Ｃｒ鋼を従来
の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。

【０００５】一方、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。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（アンダーマッチングと称する）。したがって、
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。さらに、近年では二相ステンレス鋼溶接材料も使用
されているが、溶接金属の強度は低くアンダーマッチン
グとなる場合が多い。

【０００６】

【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、予熱および後
熱処理を必要とせず、溶接部の耐高温割れ性、耐低温割
れ性および靱性と強度に優れ、さらに、炭酸ガス含有環
境等で優れた耐食性を有する溶接方法を提供することを
目的としている。

【０００７】

【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（以下同じ）、Ｃｒ：７．
５〜１２．０％を含有し、ミクロ組織がマルテンサイト
単相、またはマルテンサイト５０％以上および残部フェ
ライトからなる高Ｃｒ鋼の溶接方法において、Ｃ：０．
００５〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍ
ｎ：０．０２〜２．０％、Ｃｒ：１３．０〜１８．０
％、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｎ：０．０５〜０．１２
％を含有し、さらに必要に応じてＭｏ：０．１〜２．０
％Ｃｕ：０．１〜２．０％の１種または２種を含有し、
さらに、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下に制
限し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつＣｒ
当量をＣｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ、Ｎｉ当量をＮｉ＋０．
５Ｍｎ＋３０Ｃ＋３０Ｎとしたとき、Ｃｒ当量／Ｎｉ当
量比が１．６以上、２．０以下で、ステンレス鋼ワイヤ
を用いてガスシールドアーク溶接し、溶接金属のミクロ
組織をオーステナイト＋フェライト＋マルテンサイトの
３相組織とすることを特徴とする高Ｃｒ鋼の溶接方法で
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】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。第一に、ステンレス鋼ワ
イヤの成分限定理由を述べる。Ｃ：Ｃは溶接金属の強度を大きく上昇させる元素とし
て、またオーステナイト生成元素として０．００５％以
上添加する。また、ＣはＣｒ炭化物を生成して耐食性を
低下させる元素ではあるが、Ｃ量が０．１２％以下であ
ればＣ添加による耐食性の低下はさほど大きくはなく、
母材である高Ｃｒ鋼のそれを下回ることはない。しか
し、Ｃ含有量が０．１２％を超えると溶接金属の耐食性
と靱性が低下するので、上限は０．１２％とする。

【０００９】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。

【００１０】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、２．０％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２．０％とする。

【００１１】Ｃｒ：Ｃｒは溶接金属の耐食性と強度を確
保するために１３．０％以上を含有させることが必要で
あるが、１８．０％を超えて含有させると、溶接金属の
強度を確保するためのマルテンサイト組織の生成が困難
となる。したがって、Ｃｒの含有量は１３．０〜１８．
０％とする。

【００１２】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３．０％未満では衝撃
靱性が不充分である。Ｎｉの含有量が５．０％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。したがって、Ｎｉの含有量
は３．０〜５．０％とする。

【００１３】Ｎ：Ｎは靱性を確保するオーステナイト生
成元素として０．０５％以上添加されるが、０．１２％
を超えて含有させると溶接金属にブローホールを生成す
るなどの問題を生ずるので、上限含有量は０．１２％と
する。

【００１４】Ｐ：Ｐは多量に存在すると溶接金属の耐高
温割れ性および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。

【００１５】Ｓ：Ｓも多量に存在すると、耐溶接高温割
れ性、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。

【００１６】Ｃｒ当量／Ｎｉ当量：Ｃｒ当量／Ｎｉ等量
が１．６未満では、溶接金属がオーステナイト単相凝固
となり高温割れ感受性が高まる。また、２．０超ではフ
ェライト含有量が増すため、靱性が低下する。したがっ
て、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量比を１．６〜２．０に限定し
た。なおＣｒ当量は後述の必要に応じて添加するＭｏも
含めてＣｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉであり、Ｎｉ当量はＮｉ
＋０．５Ｍｎ＋３０Ｃ＋３０Ｎである。

【００１７】以上が本発明方法で使用するステンレス鋼
ワイヤ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。

【００１８】Ｍｏ：Ｍｏ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。Ｍｏが０．１％未満では溶接
金属の耐食性と強度が充分ではなく、２．０％を超える
と溶接金属中に金属間化合物を生成し、靱性が低下す
る。したがって、Ｍｏの含有量は０．１〜２．０％とす
る。

【００１９】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、また、靱性を確保するため
のオーステナイト生成元素として、０．１％以上添加さ
れるが、２．０％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、溶接材料の製造性を低下させるの
で、上限含有量は２．０％とする。

【００２０】第二に、本発明において溶接金属のミクロ
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、耐低温割れ性、耐高温割れ性、強度、衝撃靱性、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＋マルテンサイトの３相組織
であることが必要である。フェライト単相では衝撃靱性
が悪く強度も不足する。オーステナイト単相では高温割
れの危険性が大きく、また強度は著しく低い。マルテン
サイト単相では衝撃靱性に乏しく、また低温割れの危険
性がある。フェライト＋オーステナイトの２相では耐割
れ性および靱性は良好であるが、強度不足である。フェ
ライト＋マルテンサイトの２相では低温割れ感受性が高
く、また衝撃靱性が乏しい。オーステナイト＋マルテン
サイトの２相では高温割れ感受性が高い。

【００２１】オーステナイト＋フェライト＋マルテンサ
イトの３相組織とすることによって、靱性と耐低温割れ
性がオーステナイトで、強度がマルテンサイトで、耐高
温割れ性がフェライトでそれぞれ確保されるため、溶接
金属の強度と靱性が高まり、高温割れが防止される。さ
らに、予熱あるいは後熱処理を施さなくても、低温割れ
の発生が抑制される。

【００２２】本発明が対象とする高Ｃｒ鋼はＣｒ量が
７．５〜１２．０％であって、ミクロ組織がマルテンサ
イト単相、あるいはマルテンサイトを５０％以上として
残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。ここで、マルテンサイトが５０％未満になると強
度が充分ではなく、Ｃｒ量が１２％超ではマルテンサイ
トが５０％以上確保できない。また、Ｃｒ量が７．５％
未満では耐食性が充分ではなくなる。本発明は母材の降
伏強度が７００Ｎ／ｍｍ² 以上である場合に特に有効で
ある。

【００２３】高Ｃｒ鋼ではあっても、該鋼の組織がフェ
ライト単相、あるいはフェライトが５０％超からなる場
合には、鋼自体の強度が必ずしも高くはないので、溶接
部に要求される強度もさほど高くなく、本発明方法を適
用する必要がない場合が多い。もちろん、組織がフェラ
イト単相、あるいはフェライトが５０％超からなる高Ｃ
ｒ鋼に本発明方法を適用しても、何ら問題はない。ま
た、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。

【００２４】

【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（板厚１４．５ｍｍ）を母材と
して、開先角度６０゜、ルート面１ｍｍの開先を作製し
た。なお、表１の鋼板は、焼入−焼戻熱処理を施して降
伏強度は７１０Ｎ／ｍｍ²以上である。また、上記の知
見を基にして、表２に示す化学組成の鋼を真空溶解で溶
製した後、通常の方法で線引きし、溶接用ワイヤとし
た。表１の母材に対し、これら溶接用ワイヤを用いて２
００Ａ−２４Ｖ−４０ｃｍ／ｍｉｎの条件でＭＩＧ溶接
を行った。なお、いずれも溶接に際しても、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。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】溶接金属のミクロ組織は、各溶接継手の断
面についてエッチングを施し、現出した組織から判別
し、表３にその結果を記載した。次に、各々の溶接継手
から、溶接金属に切欠が位置するように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。また、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。

【００２８】

【表３】

【００２９】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、材料は充分耐食的であり、使用可能であると考えら
れている。さらに、高温割れの試験にはＪＩＳＺ３１
５５に記載のＦＩＳＣＯ試験を採用し、低温割れの試験
にはＪＩＳＺ３１５７に記載のＵ型溶接割れ試験を採
用した。

【００３０】各試験結果を表３に示した。表３の高温割
れ試験および低温割れ試験結果において、○は割れが認
められなかったもの、×は割れが発生したものを表して
いる。また、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。

【００３１】表３から明らかなように、本発明例である
Ｎｏ．１〜６は、溶接金属の組織がオーステナイト＋フ
ェライト＋マルテンサイトの３相組織となっており、溶
接時の予熱あるいは後熱処理を施さなくても、耐高温割
れ性および耐低温割れ性が良好で、溶接金属の衝撃靱性
も優れ、溶接金属の強度も高く（溶接金属では破断しな
い）、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。

【００３２】これに対して、比較例であるＮｏ．７は溶
接金属がフェライト単相であるために、衝撃靱性が著し
く悪く、強度も低い。比較例Ｎｏ．８およびＮｏ．１２
は溶接金属がオーステナイト単相凝固しているために溶
接高温割れが起こっている。さらに、Ｎｏ．８では強度
が低く、Ｎｏ．１２では靱性が低い。比較例Ｎｏ．９お
よびＮｏ．１１は溶接金属がマルテンサイト単相あるい
はマルテンサイト＋フェライト組織となって、低温割れ
が起こり、さらに、衝撃靱性が著しく低下している。比
較例Ｎｏ．１０は溶接金属がフェライト＋オーステナイ
トの２相組織で耐割れ性、靱性および耐食性は優れてい
るが、強度不足で溶接金属破断を起こしている。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明は予熱および
後熱処理を必要とせず、耐高温割れ性、耐低温割れ性、
靱性、強度および耐食性に優れた高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（以下同じ）、Ｃｒ：７．５〜
１２．０％を含有し、ミクロ組織がマルテンサイト単
相、またはマルテンサイト５０％以上および残部フェラ
イトからなる高Ｃｒ鋼の溶接方法において、Ｃ：０．００５〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｍｎ：０．０２〜２．０％、Ｃｒ：１３．０〜１８．０％、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｎ：０．０５〜０．１２％を含有し、さらに、Ｐを０．０３％以下、Ｓを０．０１％以下に制限し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、かつ
Ｃｒ当量をＣｒ＋１．５Ｓｉ、Ｎｉ当量をＮｉ＋０．５
Ｍｎ＋３０Ｃ＋３０Ｎとしたとき、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量
比が１．６以上、２．０以下であるステンレス鋼ワイヤ
を用いてガスシールドアーク溶接し、溶接金属のミクロ
組織をオーステナイト＋フェライト＋マルテンサイトの
３相組織とすることを特徴とする高Ｃｒ鋼の溶接方法。
【請求項２】ステンレス鋼ワイヤがさらに、Ｍｏ：０．１〜２．０％Ｃｕ：０．１〜２．０％の１種または２種を含有し、かつＣｒ当量としてＣｒ＋
Ｍｏ＋１．５Ｓｉを用い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。