(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイトからマルテンサイトへの変態開始温度が、１５０℃以上３００℃以下であるような溶接金属を形成し、かつ、最終層の表面をＴＩＧリメルトラン溶接することを特徴とする多層溶接方法。
【請求項２】
Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏをそれぞれの成分の重量％とし、下記式で定義されるパラメーターＰａ  の範囲が、０．９５以上、かつ１．３０以下であることを特徴とする溶接ワイヤを用いることを特徴とする請求項１記載の多層溶接方法。
Ｐａ＝Ｃ＋Ｎｉ／１２＋Ｃｒ／２４＋Ｍｏ／１９
【請求項３】
溶接ワイヤが、重量％で、
Ｃ：０．０１〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：８〜１２％を含有し、
Ｔｉ：０．０１〜０．４％、
Ｎｂ：０．０１〜０．４％、
Ｖ：０．３〜１．０％の１種または２種以上をさらに含有し、残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする請求項２に記載の多層溶接方法。
【請求項４】
溶接ワイヤが、重量％で、
Ｃｕ：０．０５〜０．４％、
Ｃｒ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．１〜３．０％、
Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする請求項３に記載の多層溶接方法。
【請求項５】
溶接ワイヤが、重量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０５％、
Ｓｉ：０．１〜０．７％、
Ｍｎ：０．４〜２．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：４〜８％、
Ｃｒ：１０〜１５％、
Ｎ：０．００１〜０．０５％を含有し、
Ｃ＋Ｎ：０．００１〜０．０６％であり、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項２に記載の多層溶接方法。
【請求項６】
溶接ワイヤが、重量％で、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．４％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｖ：０．０５〜０．５％の１種または２種上をさらに含有する請求項６に記載の多層溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層溶接方法に関し、溶接構造物の信頼性向上に関するもので、特に溶接金属部分の残留応力を低減し、応力腐食割れ、疲労特性、脆性破壊特性等の向上に寄与するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶接部の残留応力を低減する最も有効な、かつよく用いられてきた方法は、溶接終了後、応力除去焼鈍（ＳＲ）を行う方法であった。これは、単に、溶接残留応力を低減するだけでなく、冶金的な特性をも改善する意味を持つ。しかし、ＳＲは、溶接構造物の工作コストを増加させるという問題があり、ＳＲを行わずに溶接残留応力を低減する方法があれば、産業上のメリットは大きい。
【０００３】
そのため、これまでいくつかの残留応力低減方法が提案されてきている。その代表的なものは、溶接金属がオーステナイトからマルテンサイトに変態する時に生じる変態膨張を利用する方法、溶接終了後機械的に残留応力を低減する方法（ショットピーニング法等）、継手特性が問題となる部分に圧縮の残留応力が分布するようにわざと新たな溶接ビードを形成する方法、などがある。
【０００４】
このうち後者２つについては、溶接構造物を作製する工作負荷に、新たな工作負荷を発生させるという問題を含んでいる。
これに対し、オーステナイトからマルテンサイトに変態する温度（以下、マルテンサイト変態開始温度すなわち「Ｍｓ温度」を指す）を低温度にし、その変態膨張を利用する方法は、材料自身が圧縮残留応力になるように振る舞うため、これで残留応力を低減することができれば新たな工作負荷が発生するという問題は生じない。なお、変態温度が低温度で生じなければならない理由は、変態終了後の熱収縮で再び残留応力が大きくならないようにするためである。
【０００５】
しかし、この方法も、確実に残留応力を低減するという観点からは、まだ十分な効果を上げることはできてはいない。すなわち、多層溶接を行う場合において、最終層の各溶接ビードの残留応力は必ずしも全て低減されているとは限らず、部分的には高い残留応力が低温変態膨張材料を用いてもまだ生じている。
このように、溶接金属部分の残留応力が、必ずしも低減されていない場合は、その部分より応力腐食割れ等の問題が発生する危険性があることを意味し、溶接構造物全体としての信頼性という観点からは、必ずしも向上しているといえる保証はない。従って、溶接金属の変態膨張を用いて残留応力を低減する従来の技術では、未だ溶接構造物の信頼性を向上させるには至っていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題を解消し、溶接金属表面全体の残留応力を低減することができる多層溶接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来技術では、低温度での変態膨張を充分に残留応力低減に利用しきっていないと言うことに着眼し、溶接金属の低温度での変態膨張を確実に効果のあるものにするにはどうすればよいかという問題意識を持って、鋭意研究の結果、本発明を完成させたもので、その要旨は以下の通りである。
【０００８】
（１）オーステナイトからマルテンサイトへの変態開始温度が、１５０℃以上３００℃以下であるような溶接金属を形成し、かつ、最終層の表面をＴＩＧリメルトラン溶接することを特徴とする多層溶接方法。
（２）Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏをそれぞれの成分の重量％とし、下記式で定義されるパラメーターＰａ  の範囲が、０．９５以上、かつ１．３０以下であることを特徴とする溶接ワイヤを用いることを特徴とする前記（１）記載の多層溶接方法。
【０００９】
Ｐａ＝Ｃ＋Ｎｉ／１２＋Ｃｒ／２４＋Ｍｏ／１９
（３）溶接ワイヤが、重量％で、
Ｃ：０．０１〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜０．５％、
Ｍｎ：０．０１〜１．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：８〜１２％を含有し、
Ｔｉ：０．０１〜０．４％、
Ｎｂ：０．０１〜０．４％、
Ｖ：０．３〜１．０％の１種または２種以上をさらに含有し、残部が鉄および不可避不純物からなることを特徴とする前記（２）に記載の多層溶接方法。
【００１０】
（４）溶接ワイヤが、重量％で、
Ｃｕ：０．０５〜０．４％、
Ｃｒ：０．１〜３．０％、
Ｍｏ：０．１〜３．０％、
Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種または２種以上をさらに含有することを特徴とする前記（３）に記載の多層溶接方法。
【００１１】
（５）溶接ワイヤが、重量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０５％、
Ｓｉ：０．１〜０．７％、
Ｍｎ：０．４〜２．５％、
Ｐ：０．０３％以下、
Ｓ：０．０２％以下、
Ｎｉ：４〜８％、
Ｃｒ：１０〜１５％、
Ｎ：０．００１〜０．０５％を含有し、
Ｃ＋Ｎ：０．００１〜０．０６％であり、残部が鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする前記（２）に記載の多層溶接方法。
【００１２】
（６）溶接ワイヤが、重量％で、
Ｍｏ：０．１〜２．０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．４％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．３％、
Ｖ：０．０５〜０．５％の１種または２種上をさらに含有する前記（６）に記載の多層溶接方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
まず、多層溶接継手において、充分低温度で変態膨張が生じた場合においても、溶接ビード毎の残留応力を調べると、かなり高い応力値を示す場合がある理由について述べる。
【００１４】
多層溶接を行う場合において、ある溶接ビードの残留応力が圧縮であったとする。その後、その溶接ビードに隣接するかたちで新たな溶接ビードが置かれたとき、そのビードが変態膨張するとそれ以前の溶接ビードを引張る方向に作用する。これは、ある溶接ビードの残留応力が低減されたとしても、その後引き続き溶接をすることにより、後続溶接ビードの変態膨張が、その前の溶接ビードに引張残留応力が生じるように作用することを意味し、結局残留応力が低減されるのは、最終層に存在しかつ最終ビードのみで、表層に存在するそれ以外のビードは、大きな引張残留応力が残ってしまうことを意味する。しかし、最終ビードに低温変態膨張が発生しない材料を使用すると、当然のことであるが最終ビードの残留応力を低減することはできない。
【００１５】
このように、溶接ビードを表面に複数置く場合は、それぞれのビードがお互いに相互作用を起こすため、必ずしも溶接金属の表面の溶接残留応力を全面的に低減することは難しいと言わざるを得ない。従って、溶接材料に改良を加えることにより溶接金属の残留応力を低減する技術は、まだ充分完成されている技術ではないことがわかる。
【００１６】
以上の考察からわかるように、最終層を１ビードで仕上げることが可能ならば、少なくとも溶接金属部分の表面は残留応力を低減することが可能であることがわかる。しかし、最終層を１ビードで仕上げるのは、開先が充分狭くすることができる場合を除けば、溶接入熱量が過大になりすぎる場合が多く、たとえ残留応力を低減したとしても、継手特性向上、ひいては溶接構造物の信頼性確保の観点からは必ずしも望ましい結果を得ることはできない。
【００１７】
発明者らは、このような従来技術が持つ問題点を鋭意解析し、ＴＩＧリメルトラン溶接の効果を確認した。ＴＩＧリメルトラン溶接は、多層溶接を行ったときの、表面の溶接ビードによっては低温変態膨張をしたとしても必ずしも残留応力が低減されないというこれまでの問題点を解決するものである。すなわち、表面を一度ＴＩＧで再溶解させることにより、残留応力の再分配を発生させ、溶接金属表面を均一に溶融させ、新たな溶接ビードを形成させたときと同じ効果を発生させる。しかも、表面が一度溶融され、その後冷却過程に入り、かつ後続溶接が存在しないため、従来技術で発生した問題点、すなわち、あるビードの残留応力が低減されたとしても、後続溶接ビードで再び高い引張残留応力が発生するという問題がない。さらに、局部的にみれば、溶接ビード表面の応力集中部が少なくなるという利点も存在する。以上のように、ＴＩＧリメルトラン溶接を行うメリットは、継手性能向上の観点からすれば、その経済メリットは大きい。
【００１８】
次に、溶接ワイヤの成分範囲を限定した理由をについて説明する。
まず、Ｍｓ温度を限定した理由を述べる。
溶接ワイヤは、最終層のビードが１ビードである場合においては溶接残留応力を期待できる程度に低Ｍｓ温度を持つ溶接金属を形成せしめることができなければならない。そのためにはＭｓ温度が１５０℃以上３００℃以下である必要がある。Ｍｓ温度の上限３００℃を設定した理由は、もし、Ｍｓ温度がこれより高い温度である場合は、マルテンサイト変態し、その変態膨張により、そのときの温度、すなわちＭｓ温度で応力が圧縮残留応力になったとしても、その後室温まで冷却する過程における熱収縮により再び高い引張応力状態になってしまうためである。変態後の熱収縮量は室温とＭｓ温度の差に比例するため、Ｍｓがある程度以上高くなると熱収縮量が多くなり室温時の応力状態、すなわち残留応力を低減することが不可能になってくる。Ｍｓ温度の上限３００℃は、これ以上高いＭｓ温度では溶接材料を用いることによる残留応力低減は不可能であることからこの値を設定した。
【００１９】
マルテンサイト変態後の熱収縮を小さくするためには、Ｍｓ温度は室温以上の値ならば、低ければ低いほど有利になると考えられる。しかし、実際の溶接金属においては、Ｍｓ温度が低すぎる場合、たとえその値が室温以上であったとしても、溶接金属全体が変態するとは限らない。残留オーステナイトの割合が高くなると言うことは、それだけ変態膨張量が小さくなることを意味する。本発明は、残留応力低減のため溶接金属の変態膨張を利用しているため、確実にマルテンサイト変態をさせなければ本発明の有効性を発揮することができない。Ｍｓ温度の下限１５０℃は、残留オーステナイトの発生を押さえマルテンサイト変態を確実に発生させるために設定した。
【００２０】
以上のように、溶接ワイヤの成分はＭｓ温度を所定の範囲内になるような成分系として定めるべきものであるが、この変態膨張を確実に有効利用するためには、変態時の溶接金属強度がある程度確保されていなければならないという問題もある。溶接金属の強度は、温度が上昇すると通常低下する傾向にある。したがって、例えば、もし、変態膨張時に、溶接金属強度が極端に低くなれば、変態膨張そのものは、ほとんどが残留応力に関係ない塑性歪みになるだけで、その後の熱収縮と強度回復により導入されるのは引張応力のみとなってしまうからである。そのため、溶接ワイヤ成分としては、低Ｍｓ温度を確保する点のみならず、強度を確保するという点からも限定する必要がある。
【００２１】
このような特性を持つ溶接金属を形成することができる溶接ワイヤは、その成分選択にも細心の注意を払う必要がある。
次に、下記式に示されるパラメーターＰを導入し、その値の範囲を限定した理由について述べる。
Ｐａ＝Ｃ＋Ｎｉ／１２＋Ｃｒ／２４＋Ｍｏ／１９              （ｉ）
パラメーターＰａは、Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏの成分値で計算される。これら成分は、溶接金属に添加することにより強度を向上させ、かつＭｓ温度を低下させる働きを持つ。特に、Ｍｓ温度を低減させる元素という意味では、これらＣ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏは、最も有効利用すべき元素である。一方、Ｃ、Ｎｉ、ＣｒおよびＭｏのＭｓ温度を低減し残留応力を下げる働きは、必ずしも同一ではないため、それぞれの働きに応じた係数を定め、４つの元素全体としてその効果を表す指標を作成することは、工業的価値が高いと判断し、式（ｉ）で示されるようなＰａを作成したものである。但し、Ｐａの値にもその適正範囲がある。例えば、Ｐａが小さすぎるとＭｓ温度を低減することが難しい。逆に、Ｐａが大きいことは、Ｍｓ温度がより低減され、残留応力も低減されることを意味するが、オーステナイトが溶接金属に残留する可能性もあり、継手特性確保の観点からは好ましいとはいいがたい。以上のことにより、Ｐａの範囲を０．９５以上、１．３０以下とした。
【００２２】
このような成分系は必ずしも１種類だけではない。それは、Ｍｓ温度を下げることのできる成分はＮｉ、Ｃｒなど複数存在することによる。本発明における溶接用鋼は、前記（３）および（４）に記述されているＮｉを主として用いる成分系と、前記（５）および（６）に記述されているＣｒを主として用いる成分系の２つに分けることができ、以降、前者をＮｉ系溶接ワイヤ、後者をＣｒ系溶接ワイヤと呼ぶことにする。以下に各元素の限定理由を詳細に説明する。
【００２３】
まず、Ｎｉ系溶接ワイヤにおける成分範囲限定理由について説明する。
Ｃは、それを鉄に添加することによりＭｓ温度を下げる働きをする。しかし、その一方で、過度の添加は、溶接金属の靱性劣化および溶接金属割れの問題を引き起こすため、その上限を０．２％とした。しかし、Ｃが無添加の場合は、マルテンサイトが得られにくく、また他の高価な元素のみで残留応力低減を図らなければならず経済的とはいえない。Ｃが０．０１％以上添加する場合に限定したのは、安価な元素であるＣを利用し、その経済メリットが出る最低限の値として設定した。なお、Ｃの上限は、溶接金属割れの観点から、好ましくは０．１５％に設定することが望ましい。
【００２４】
Ｓｉは、脱酸元素として知られる。Ｓｉは、溶接金属の酸素レベルを下げる効果がある。特に溶接施工中においては、溶接中に空気が混入する危険性があるため、Ｓｉ量を適切な値にコントロールすることはきわめて重要である。まず、Ｓｉの下限についてであるが、溶接ワイヤに添加するＳｉ量として０．１％に満たない場合、脱酸効果が薄れ溶接金属中の酸素レベルが高くなりすぎ、機械的特性、特に靱性の劣化を引き起こす危険性がある。そのため、溶接ワイヤについては、その下限を０．１％とした。一方、過度のＳｉ添加も靱性劣化を発生せしめるため、その上限を０．５％とした。
【００２５】
Ｍｎは、強度を上げる元素として知られる。そのため、本発明における残留応力低減メカニズムである変態膨張時の降伏強度確保という観点から有効利用すべき元素である。Ｍｎの下限、０．０１％は強度確保という効果が得られる最低限の値として設定した。一方、過度の添加は、母材および溶接金属の靱性劣化を引き起こすためその上限を１．５％とした。
【００２６】
ＰおよびＳは、本発明では不純物である。しかし、これら元素は、溶接金属に多く存在すると、靱性が劣化するため、その上限をそれぞれ０．０３％、０．０２％とした。
Ｎｉは、単体でオーステナイトすなわち面心構造を持つ金属であり、溶接ワイヤに添加することによりオーステナイトの状態をより安定な状態にする元素である。鉄そのものは、高温域でオーステナイト構造になり、低温域でフェライトすなわち体心構造になる。Ｎｉは、それを添加することにより、鉄の高温域における面心構造をより安定な構造にするため、無添加の場合に比べ、より低温度域においても面心構造となる。このことは、体心構造に変態する温度が低くなることを意味する。Ｎｉの下限、８％は、残留応力低減効果が現れる最低限の添加量という意味で決定した。Ｎｉの上限、１  ２％は、残留応力低減の観点からはこれ以上添加してもあまり効果が変わらない上、これ以上添加するとＮｉが高価であるという経済的デメリットが生じてくるためである。
【００２７】
Ｃｕは、溶接ワイヤにメッキすることにより通電性をよくする効果があるため、溶接作業性を改善するために有効な元素である。また、Ｃｕは焼入性元素でもあるため、マルテンサイト変態を促進させるという効果も期待できる。Ｃｕの下限０．０５％は作業性改善やマルテンサイト変態促進のために必要な最低限の値として設定した。しかし、過度の添加は、作業性改善の効果がないだけでなく、ワイヤ製造コストを上げるため産業上も好ましくはない。Ｃｕの上限、０．４％はこのような理由により設定した。
【００２８】
Ｎｂは、溶接金属中においてＣと結合し、炭化物を形成する。Ｎｂ炭化物は、少量で溶接金属の強度を上げる働きがあり、従って、有効利用することの経済メリットは大きい。また、本発明における残留応力低減技術である、Ｍｓ温度における降伏強度を高める意味からもメリットは大きい。しかし、一方で過度の炭化物形成は、靱性劣化が発生するため自ずと上限が設定される。Ｎｂの下限は、炭化物を形成せしめ、強度増加効果が期待できる最低の値として０．０１％を設定した。上限は、靱性劣化による溶接部の信頼性が損なわれない値として０．４％とした。
【００２９】
ＶもＮｂと同様な働きをする元素である。しかし、Ｎｂと異なり、同じ析出効果を期待するためには、Ｎｂより添加量を多くする必要がある。Ｖ添加の下限０．３％は、添加することにより析出硬化が期待できる最低値として設定した。Ｖの上限は、これより多く添加すると析出硬化が顕著になりすぎ、靱性劣化を引き起こすために１．０％とした。
【００３０】
Ｔｉも、Ｎｂ、Ｖ同様、炭化物を形成し析出硬化を生じせしめる。しかし、Ｖの析出硬化がＮｂのそれと違っていたようにＴｉの析出硬化もまたＮｂ、Ｖと異なる。そのため、Ｔｉの添加量の範囲もＮｂ、Ｖと異なった範囲が設定される。Ｔｉ添加量の下限０．０１％は、その効果が期待できる最低量として、上限の０．４％は靱性劣化を考慮して決定した。
【００３１】
Ｃｒは、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ同様析出硬化元素である。また、ＣｒはＭｓ温度を低減する効果も合わせ持つので有効活用すべき元素である。しかし、本発明における溶接ワイヤは、主としてＮｉ添加によりＭｓ温度低減を達成しているため、Ｃｒ添加量はＮｉより少なくすべきである。過度のＣｒ添加は必ずしも残留応力低減効果を向上させず、Ｃｒが高価であるため産業上好ましくはない。Ｃｒ添加量の下限０．１％は、これを添加し、残留応力低減効果が得られる最低限の値として設定した。Ｃｒ添加量の上限３．０％は、Ｎｉ系溶接ワイヤについては、Ｍｓ温度がＮｉ添加によりすでに低減されていること、他の析出元素により強度も確保されていることから、これ以上添加しても残留応力低減効果があまり変わらなくなる、靱性劣化が顕著になることにより設定した。
【００３２】
ＭｏもＣｒ同様の効果を持つ元素である。しかし、Ｍｏは、Ｃｒ以上に析出硬化が期待できる元素である。そのため、添加範囲はＣｒより狭く設定した。下限の０．１％は、Ｍｏ添加の効果が期待できる最低限の値として設定した。上限の３．０％は、これ以上添加すると、硬化しすぎるため靱性劣化が顕著になってくるため設定した。
【００３３】
Ｃｏは、Ｔｉ等と異なり、強い析出硬化を生じせしめる元素ではない。しかし、Ｃｏは、それを添加することにより強度増加をもたらし、かつ強度増加を期待しながら靱性を確保するという観点からは、Ｎｉより好ましい元素であることから有効利用すべき元素である。しかし、Ｎｉは、残留応力低減効果を期待できる程度の低Ｍｓ温度を確保するために溶接ワイヤに添加しているため、Ｃｏ添加量の下限０．１％は、Ｃｏ添加の効果が期待できる最低限の値として設定した。一方、過度の添加は、強度増加が過大となり靱性劣化をもたらすためその上限を２．０％とした。
【００３４】
次に、Ｃｒ系溶接ワイヤについて、その成分範囲限定理由について説明する。Ｃは、それを鉄に添加することによりＭｓ温度を下げる働きをする。しかし、その一方で、過度の添加は、溶接割れの問題や靱性劣化の問題を引き起こすため、その上限を０．０５％とした。しかし、Ｃが無添加の場合は、マルテンサイトが得られにくく、また他の高価な元素のみで残留応力低減を図らなければならず経済的とはいえない。Ｃが０．００５％以上添加する場合に限定したのは、安価な元素であるＣを利用し、その経済メリットが出る最低限の値として設定した。
【００３５】
Ｓｉは、脱酸元素として知られる。Ｓｉは、溶接金属や鋼材の酸素レベルを下げる効果がある。特に溶接金属では、溶接中に空気が混入する危険性があるため、Ｓｉ量を適切な値にコントロールすることはきわめて重要である。まず、Ｓｉの下限についてであるが、溶接ワイヤに添加するＳｉ量として０．１％に満たない場合、脱酸効果が薄れ溶接金属中の酸素レベルが高くなりすぎ、機械的特性、特に靱性の劣化を引き起こす危険性がある。そのため、溶接ワイヤについては、その下限を０．１％とした。一方、過度のＳｉ添加も靱性劣化を発生せしめるため、その上限を０．７％とした。
【００３６】
Ｍｎは、強度を上げる元素として知られる。そのため、本発明における残留応力低減メカニズムである変態膨張時の降伏強度確保という観点から有効利用すべき元素である。Ｍｎの下限、０．４％は強度確保という効果が得られる最低限の値として設定した。一方、過度の添加は、母材および溶接金属の靱性劣化を引き起こすためその上限を２．５％とした。
【００３７】
ＰおよびＳは、本発明では不純物である。しかし、これら元素は、母材および溶接金属に多く存在すると、靱性が劣化するため、その上限をそれぞれ０．０３％、０．０２％とした。
Ｎｉは、単体でオーステナイトすなわち面心構造を持つ金属である。鉄そのものは、高温域でオーステナイト構造になり、低温域でフェライトすなわち体心構造になる。Ｎｉは、それを添加することにより、鉄の高温域における面心構造をより安定な構造にするため、無添加の場合に比べ、より低温度域においても面心構造となる。このことは、体心構造に変態する温度が低くなることを意味する。また、Ｎｉはそれを添加することにより溶接金属の靱性を改善するという効果を持つ。Ｃｒ系溶接ワイヤにおけるＮｉ添加量の下限４％は、残留応力低減効果が現れる最低限の添加量および靱性確保の観点から決定した。Ｎｉ添加量の上限８％は、Ｃｒ系溶接ワイヤにおいては、次に述べるＣｒ添加によりある程度Ｍｓ温度が低減されていることおよび、残留応力低減の観点からはこれ以上添加してもあまり効果が変わらない上、これ以上添加するとＮｉが高価であるという経済的デメリットが生じてくるためこの値を設定した。
【００３８】
Ｃｒは、Ｎｉと異なり、フェライトフォーマーである。しかし、Ｃｒは、それを鉄に添加すると、高温度域ではフェライトであるものの、中温度域ではオーステナイトを形成し、さらに温度が低くなると再びフェライトを形成する。溶接部の場合、溶接入熱量により熱履歴で、低い温度側のフェライトは一般的に得られず、マルテンサイトが得られることになる。これは、Ｃｒを添加することの利点は、焼入性の増加が原因である。すなわち、Ｃｒを添加することによるマルテンサイト変態は、焼入性が増加することによるフェライト変態が生じない点と、Ｍｓ温度そのものが低くなるという２つの点が存在する。これら両方の効果を満たしながら残留応力を低減するための変態膨張を有効利用するＣｒ添加範囲として、下限１０％を設定した。上限１５％は、これを上回る量を添加してもその効果が大きくならない上、経済的にもデメリットが大きくなるため、この値を設定した。
【００３９】
Ｃｕは、溶接ワイヤにメッキすることにより通電性をよくする効果があるため、溶接作業性を改善するために有効な元素である。また、Ｃｕは焼入性元素でもあるため、マルテンサイト変態を促進させるという効果も期待できる。Ｃｕの下限０．０５％は作業性改善やマルテンサイト変態促進のために必要な最低限の値として設定した。しかし、過度の添加は、作業性改善の効果がないだけでなく、ワイヤ製造コストを上げるため産業上も好ましくはない。Ｃｕの上限、０．４％はこのような理由により設定した。
【００４０】
Ｎｂは、溶接金属中においてＣと結合し、炭化物を形成する。Ｎｂ炭化物は、少量で溶接金属の強度を上げる働きがあり、従って、有効利用することの経済メリットは大きい。また、本発明における残留応力低減技術である、Ｍｓ温度における降伏強度を高める意味からもメリットは大きい。しかし、一方で過度の炭化物形成は、靱性劣化が発生するため自ずと上限が設定される。Ｎｂの下限は、炭化物を形成せしめ、強度増加効果が期待できる最低の値として０．００５％を設定した。上限は、靱性劣化による溶接部の信頼性が損なわれない値として０．３％とした。
【００４１】
ＶもＮｂと同様な働きをする元素である。しかし、Ｎｂと異なり、同じ析出効果を期待するためには、Ｎｂより添加量を多くする必要がある。Ｖ添加の下限０．０５％は、添加することにより析出硬化が期待できる最低値として設定した。Ｖの上限は、これより多く添加すると析出硬化が顕著になりすぎ、靱性劣化を引き起こすために０．５％とした。
【００４２】
Ｔｉも、Ｎｂ、Ｖ同様、炭化物を形成し析出硬化を生じせしめる。しかし、Ｖの析出硬化がＮｂのそれと違っていたようにＴｉの析出硬化もまたＮｂ、Ｖと異なる。そのため、Ｔｉの添加量の範囲もＮｂ、Ｖと異なった範囲が設定される。Ｔｉ添加量の下限０．００５％は、その効果が期待できる最低量として、上限の０．３％は靱性劣化を考慮して決定した。
【００４３】
Ｍｏも、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ同様析出硬化が期待できる元素である。しかし、Ｍｏは、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉと同等な効果を得るためには、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ以上に添加する必要がある。Ｍｏ添加量の下限０．１％は、析出硬化による降伏強度増加が期待できる最低値として設定した。また、上限の２．０％は、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ同様、靱性劣化を考慮して決定した。
【００４４】
Ｎは、オーステナイトフォーマーとして知られている元素である。Ｎも添加することによりマルテンサイトが得られやすくなるため、最低限の添加は必要である。Ｎの下限、０．００１％は、Ｃ同様、低Ｍｓ温度が得られるための最低値として定めた。しかし、過大な添加は窒化物を形成し、靱性劣化や延性劣化の問題が発生するためその上限を０．０５％とした。
【００４５】
ＣとＮは、それぞれ炭化物、窒化物を形成する、オーステナイトフォーマーであるなど、その働きが似ており、それら合計、すなわちＣ＋Ｎの量も上限、下限を設定する必要がある。Ｃ＋Ｎの下限、０．００１％は、マルテンサイトを得やすくし、かつＭｓ温度を低くするための最低限の値として、また上限の０．０６％は、炭化物、窒化物による靱性劣化および延性劣化の問題が発生しない限界値として定めた。
【００４６】
【実施例】
初めに、Ｎｉ系溶接ワイヤを用いた実施例について説明する。
表１に、溶接継手作製のために用いたＴＩＧ溶接ワイヤ成分、Ｍｓ温度およびＰａを示す。表１に示すＭｓ温度は、残留応力測定のために作製した溶接継手の溶接金属部分より試験片を採取して測定した値である。表１のワイヤを用いて、２５０Ａ−１２Ｖ−１２ｃｐｍの溶接条件で、図１に示す開先形状を用いて、同じ条件で溶接継手を２体づつ作製した。２体作製した溶接継手のうち１体は、さらにＴＩＧリメルトラン溶接を行った。
【００４７】
このようにして作製した溶接継手の溶接金属部分の残留応力を測定した。残留応力測定法法は、ひずみゲージを溶接金属表面に貼り付け、その後歪みゲージ貼り付け部分を機械切断して残留応力を解放し、ひずみゲージによりその解放ひずみを測定するという、応力弛緩法を用いた。
ＴＩＧリメルトラン溶接を行わない溶接継手は、溶接ビード毎に残留応力が異なる可能性があるため、各ビードの中央に歪みゲージを貼り付けた。ＴＩＧリメルトラン溶接を行った継手については、表面が一度溶融するため、ひずみゲージはＴＩＧリメルトラン溶接を行わなかった継手と同じ位置になるように貼り付けた。
【００４８】
表２に、残留応力測定結果を示す。表２の測定位置１、２、３はそれぞれ最終層の第１ビード、第２ビード、第３ビードを示し、第３ビードが最終層最終ビードである。
表２からわかるように、溶接金属Ｍｓ温度（およびワイヤ成分とＰａ）が本発明の範囲内に入っていないＮｉ−ＷＡ、Ｎｉ−ＷＢの場合は、ＴＩＧリメルトラン溶接を行っても残留応力が溶接金属表面全体で低減されていない。Ｎｉ−ＷＡにおいて、ＴＩＧリメルトラン溶接を行わない場合、第１ビードが圧縮残留応力になった理由は、第２ビード、第３ビードの溶接熱で初期残留応力が緩和されたことに加え、第３ビードの熱収縮が第１ビードに圧縮応力を発生する方向に作用したものであり、溶接材料の特性により残留応力が圧縮になったわけではない。
【００４９】
また、溶接金属Ｍｓ温度（および溶接ワイヤとＰａ）が本発明の範囲内に収まっているＮｉ−ＷＣ、Ｎｉ−ＷＤについては、ＴＩＧリメルトラン溶接を行わない場合は、第３ビードすなわち最終ビードについては確かに残留応力は低減されていることがわかる。これは、溶接ワイヤの成分により残留応力が低減されていることを示すものである。しかし、ＴＩＧリメルトラン溶接を行った本発明例と比較すればわかるように、溶接金属表面の残留応力を全体的に低減するという観点からは、ＴＩＧリメルトラン溶接を行わなかった比較例では第１、第２ビードに高い引っ張り残留応力が発生しており、これを比較すれば、ＴＩＧリメルトラン溶接の有効性が理解できる。
【００５０】
次に、Ｃｒ系溶接ワイヤを用いた実施例について説明する。
表３に、溶接継手作製のために用いたＴＩＧ溶接ワイヤ成分、Ｍｓ温度、およびＰａを示す。表３に示すＭｓ温度は、残留応力測定のために作製した溶接継手の溶接金属部分より試験片を採取して測定した値である。表３のワイヤを用い、Ｎｉ系溶接ワイヤにおける実施例について説明した条件と同一条件で溶接継ぎ手を作製し、同一手法により残留応力を測定した結果を表４に示す。
【００５１】
表４からわかるように、本発明の範囲内であるＣｒ−ＷＡ、Ｃｒ−ＷＢ、Ｃｒ−ＷＤの各ワイヤを用いＴＩＧリメルトラン溶接を行った継手は溶接金属表面全体で均一に残留応力が低減されていることがわかる。本発明の範囲内であるこれらＣｒ−ＷＡ、Ｃｒ−ＷＢ、Ｃｒ−ＷＤを用いてＴＩＧリメルトラン溶接を行わない場合は、第３ビード（最終ビード）は残留応力が低減されているものの、第１ビード、第２ビードの残留応力は低減されていない。本発明の範囲外であるＣｒ−ＷＣ、Ｃｒ−ＷＤのワイヤについては、ＴＩＧリメルトラン溶接を行おうが、行わまいが、溶接金属表面全体の残留応力が均一に低減されることはなかった。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
【表２】
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【００５４】
【表３】
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【００５５】
【表４】
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【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接金属表面全体のの残留応力を低減させることが可能となり、溶接構造物の信頼性確保、向上がより確実となる。したがって、本発明は工業的価値の極めて高い発明であるといえる。
【図の簡単な説明】
【図１】図１は、溶接継手を作製したときの開先形状を示す断面図である。
【図１】
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