(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤ溶断時間が２００ｍｓｅｃ以下、ワイヤ突き出し長さが２５ｍｍ以上の溶接条件で溶接された溶接金属であって、Ｃ：０．０２乃至０．１２重量％、Ｓｉ：０．１乃至１．１重量％、Ｍｎ：０．５乃至２．２重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなると共に、残留オーステナイトを１．５体積％以上含有することを特徴とする高靭性溶接金属。
【請求項２】
Ｎｉ：０．１乃至３．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至１．５重量％、Ａｌ：０．１乃至１．５重量％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の高靭性溶接金属。
【請求項３】
Ｂ：０．０００３乃至０．００８０重量％、Ｔｉ：０．００５乃至０．０８０重量％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高靭性溶接金属。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物に用いられる溶接ワイヤ及び溶接金属に関し、特に、溶接金属部の靭性が求められる構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、構造物の耐震性に対する要求が高まりつつある。一方、寒冷地でのラインパイプ又は海洋構造物の建設のニーズも多く、低温での構造物の靭性の向上が求められている。これらのニーズに伴い鋼材及び溶接金属部の機械的特性の改善が求められ、特に靭性の改善が益々強く求められている。これらに対し、鋼材に関しては様々な研究が行われ、靭性の向上が図られてきているが、溶接金属は熱処理を加えることができないこと等から、鋼材に比べて靭性が低く、構造物の設計上の問題点となっている。
【０００３】
溶接金属の靭性を向上させる技術としては、例えば、特公昭５９−４４１５９号公報に開示されている。これは、溶接用フラックス入りワイヤにおいて、Ｍｇの添加による溶接金属中の酸素量の低下及びＴｉ又はＢの添加による組織の微細化により、溶接金属の靭性を改善している。
【０００４】
また、鋼材では、フェライト＋オーステナイト２相域からの焼き入れ処理を行って、鋼材組織をフェライト＋残留オーステナイトとすることにより、靭性を改善することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術により得られる溶接金属部の靭性は、まだ十分といえるレベルではない。また、溶接金属部においては鋼材のような熱処理を溶接後に行うことは事実上不可能であり、従来、熱処理を施すことなく溶接ままの状態で靭性を改善することはできなかった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接ままの状態で溶接金属の靭性を向上させることができる高靭性溶接金属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】
本発明に係る高靭性溶接金属は、ワイヤ溶断時間が２００ｍｓｅｃ以下、ワイヤ突き出し長さが２５ｍｍ以上の溶接条件で溶接された溶接金属であって、Ｃ：０．０２乃至０．１２重量％、Ｓｉ：０．１乃至１．１重量％、Ｍｎ：０．５乃至２．２重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなると共に、残留オーステナイトを１．５体積％以上含有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の溶接金属は、Ｎｉ：０．１乃至３．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至１．５重量％、Ａｌ：０．１乃至１．５重量％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することが好ましい。
【０００９】
更に、本発明においては、Ｂ：０．０００３乃至０．００８０重量％、Ｔｉ：０．００５乃至０．０８０重量％からなる群から選択された１種又は２種以上の元素を含有することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者等が鋭意実験・研究した結果、残留オーステナイト（以下、残留γという。）を溶接金属に生成させることにより、溶接金属の靭性を大きく改善できることを見出した。即ち、マトリックスに比べて変形抵抗が低い残留γを生成させることにより、変形応力を低下させて伸びを向上させ、変形過程では残留γが応力誘起マルテンサイトに変態することによりエネルギを吸収させて、靭性を改善することができる。鋼材等においても機械的特性向上のために残留γを生成させる場合があるが、これらは、フェライト＋オーステナイト２相域の温度域から急冷することにより実現しているものである。しかし、前述の溶接金属ではこのような熱処理を施すことができない。これに対して、本発明者等は、溶接金属組織に上部ベイナイトを生成させ、そのベイナイトのラスの間に残留γを生成させることが有効であることを見出した。つまり、ラス間に残留γを生成させることにより、残留γの形態が微細なものになるため、残留γが少量でも大きく靭性を向上させることができる。
【００１１】
しかし、通常、上部ベイナイトが生成する場合、ラス上のベイニティックフェライトが生成し、そのラスの間のオーステナイトにＣが濃縮されていくが、オーステナイトは不安定ですぐにオーステナイトが分解してセメンタイトが生成する。このため通常の溶接金属では残留γは生成しない。しかし、溶接金属組成及び溶接施工条件を最適に組み合わせることにより、溶接金属中の残留γを生成させられることを本発明者等は見出した。つまり、セメンタイトの生成を阻害する元素であるＳｉ、Ｃｕ、Ａｌ等を溶接金属中に適量存在させることにより、ベイナイトのラスの間のオーステナイトを安定化し、更に適度な速度で冷却することにより、溶接金属中の残留γを生成することができる。
【００１２】
しかし、溶接金属部は単層で形成されることは少なく、通常は多層盛りにより形成するため、上記方法により残留γを生成できても、次パスによる熱影響を受けて残留γが分解してしまうため、溶接金属部全体では、所望の残留γを得ることはできない。本発明者等は、この課題を解決するために溶接施工方法について鋭意研究した結果、次パスの熱影響によりオーステナイトに逆変態した領域、即ち旧オーステナイト粒が微細化した領域が少ない場合には、残留γに分解量が少ないことを見出した。更に、溶接ワイヤが溶解し易く、溶接時のワイヤ突出し長さが長い方が、溶接金属部に占める旧オーステナイト微細化領域の割合が小さくなり、所望の残留γ量を生成させることができることを見出した。具体的には、ワイヤ溶断時間は２００ｍｓｅｃ以下の場合に良好であり、ワイヤ突き出し長さは、２５ｍｍ以上の場合に良好になる。
【００１３】
このように、溶接金属成分と溶接施工条件を最適にすることにより、上部ベイナイトのラス間に残留γを生成させ、溶接金属の大幅な靭性向上を実現したのである。
【００１４】
以下、本発明に係る溶接金属の成分組成及び残留γの規定理由について説明する。
【００１５】
Ｃ：０．０２乃至０．１２重量％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するのに欠くことのできない元素であると共に、残留γを生成させる元素である。強度及び残留γの生成の観点から、Ｃは、少なくとも０．０２重量％以上含有させなければならない。残留γ生成の観点からするとその添加量は多いほど望ましいが、多すぎると強度が高くなり過ぎてしまい、靭性が劣化すると共に、上部ベイナイトが形成されにくくなる。従って、Ｃの含有量の上限値は、０．１２重量％とする。更に、Ｃの含有量のより好ましい範囲は０．０５乃至０．０８重量％である。
【００１６】
Ｓｉ：０．１乃至１．１重量％
Ｓｉは、脱酸剤であると共に、セメンタイトの生成を阻害して残留γを安定する元素の１つである。一方、Ｓｉは固溶強化元素であり、添加し過ぎると強度上昇により靭性が劣化する。これらの兼ね合いを考慮して、Ｓｉの含有量は、０．１乃至１．１重量％の範囲とする。更に、Ｓｉの含有量のより好ましい範囲は０．３０乃至０．５０重量％である。
【００１７】
Ｍｎ：０．５乃至２．２重量％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤であると共に、溶接金属の強度を高める元素である。含有量が少なすぎるとこれらの効果を発揮することがない。Ｍｎの含有量が多すぎると焼き入れ性が高まり靭性を劣化させるため、Ｍｎの含有量の下限を０．５重量％とし、上限を２．２重量％とする。更に、Ｍｎの含有量のより好ましい範囲は１．２乃至１．６重量％である。
【００１８】
残留オーステナイト生成量：１．５体積％以上
残留γ生成量は、高靭化のための最も重要な因子であり、残留γ量が多いほど靭性は改善される。その生成量は１．５体積％以上で効果が現れるために、残留γの含有量を１．５体積％以上とする。しかし、現状では残留γを１０．０体積％までしか生成させることしかできない。更に、残留γの含有量のより好ましい範囲は、４．０体積％以上である。
【００１９】
Ｎｉ：０．１乃至３．０重量％
Ｎｉは、残留γを生成し易くする元素であると共に、溶接金属の靭性を改善する元素である。Ｎｉの含有量が０．１重量％未満では、その効果は少なく、３．０重量％以上では、焼き入れ性が高まり靭性を劣化する。更に、Ｎｉの含有量のより好ましい範囲は０．５乃至１．５重量％である。
【００２０】
Ｃｕ：０．１乃至１．５重量％
Ｃｕは、セメンタイトの生成を阻害して残留γを生成し易くする元素の１つであると共に、本発明では重要な元素の１つである。Ｃｕの含有量は０．１重量％未満では、その効果は少ない。Ｃｕの含有量が１．５重量％を超えると焼き入れ性が高まり過ぎて、靭性を劣化させたり、高温割れを生じる。Ｃｕの含有量のより好ましい範囲は０．５乃至１．０重量％である。
【００２１】
Ａｌ：０．１乃至１．５重量％
Ａｌは、Ｃｕと同様にセメンタイトの生成を阻害して残留γを生成し易くする元素の１つであると共に、本発明では重要な元素の１つである。Ａｌの含有量は０．１重量％未満では、その効果は少ない。Ａｌの含有量が１．５重量％を超えると凝固時に生成する粗大なδ−フェライトを生じて靭性を劣化させる。Ａｌの含有量のより好ましい範囲は０．５乃至１．０重量％である。
【００２２】
Ｂ：０．０００３乃至０．００８０重量％
Ｂは、溶接金属中に固溶したＮを固定することにより靭性を改善する効果がある。Ｂの含有量は０．０００３重量％以下では、その効果はない。Ｂの含有量が０．００８０重量％以上では、Ｂが過剰になることにより焼き入れ性が高まって靭性を劣化する。Ｂの含有量のより好ましい範囲は０．００１０乃至０．００５０重量％である。
【００２３】
Ｔｉ：０．００５乃至０．０８０重量％
Ｔｉは、Ｂと同様に溶接金属中に固溶したＮを固定することにより靭性を改善する効果があると共に、結晶粒内フェライトの生成核となる酸化物を形成し、靭性を高める効果がある。Ｔｉの含有量は０．００５重量％以下では、その効果はない。Ｔｉの含有量が０．０８０重量％以上では、Ｔｉが過剰になることにより焼き入れ性が高まって靭性を劣化する。Ｔｉの含有量のより好ましい範囲は０．０２０乃至０．００５０重量％である。
【００２４】
なお、不可避的不純物としては、Ｐ、Ｓ、Ｎｂ、Ｖ、Ｍｏ等があり、この不可避的不純物の合計が総量で０．０５重量％以下であれば本発明の効果に影響はなく、本発明の目的は達成できる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明に係る高靭性溶接金属の効果を実証するための実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。なお、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２６】
溶接試験の供試材として、下記表１に示す組成の鋼材（母材鋼）と、下記表２及び表３に示す組成のフラックス入りワイヤを使用して炭酸ガスシールド溶接により溶接金属を作製した。下記表４に示す溶接条件で溶接ワイヤと溶接ワイヤの突き出し長さの組合せを変化させて溶接を行うことにより、溶接金属成分及び溶接金属部に生成する残留γ量を変化させた。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
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【００２９】
【表３】
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【００３０】
【表４】
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得られた溶接金属について、成分分析、残留γ量測定、シャルピー衝撃試験、引張強度試験を実施し、溶接金属の強度及び靭性について評価した。
【００３１】
溶接金属中の残留γ生成量については、溶接線方向に垂直な溶接金属部の断面について、Ｘ線回折測定法により求めた。また、溶接ワイヤの溶断時間は、次のようにして測定した。図１に示すように、直流定電流電源１と架台４に設けられる１組のコンタクトチップ５とがケーブルＣを介して接続し、コンタクトチップ５のチップ間隔ｌが５０ｍｍに設定する。直流定電流電源１と架台４との＋側のケーブルＣにシャント３を介して電圧波形が記録可能なデジタル電圧計２を接続する。そして、コンタクトチップ５、５の間に溶接ワイヤＷを挿入し、電流２５０Ａ／ｍｍ（溶接ワイヤＷの径に対する電流値）を回路に流し、回路に電流が流れた時間を測定する。この時間を溶接ワイヤＷの溶断時間とした。更に、靭性ついては、ＪＩＳＺ２２０２に基づいて、温度−２０℃における衝撃エネルギｖＥ−２０℃を求めた。
【００３２】
評価に関して、シャルピー衝撃試験においては、衝撃エネルギの値が７０（Ｊ）以上のものを○とし、それ以下の場合には、×とした。また、引張試験においては、引張強度が４９０（ＭＰａ）以上のものを○とし、それ以下の場合には、×とした。更に、総合評価においては、シャルピー試験及び引張試験ともに○であったものは、良好とし、どちらか一方でも×の場合には、不良とした。その結果を実施例１乃至１６については、表５乃至表８に示すと共に比較例１乃至１４については、表９乃至表１２に示す。
【００３３】
【表５】
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【００３４】
【表６】
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【００３５】
【表７】
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【００３６】
【表８】
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【００３７】
【表９】
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【００３８】
【表１０】
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【００３９】
【表１１】
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【００４０】
【表１２】
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【００４１】
本発明の全ての特許請求の範囲内にある実施例１乃至１６は、いずれ良好な特性を示している。一方、比較例１乃至１４は、成分又は残留γ量が本発明の特許請求の範囲から外れているために、溶接金属の靭性が乏しい。
【００４２】
即ち、比較例１は、溶接ワイヤＷの突出し長さが１５ｍｍと短いために、残留γの生成量が少なくなり、靭性が低下した。比較例２は、溶接ワイヤ溶断時間が２２３ｍｓｅｃと長いと共に、溶接ワイヤＷの突出し長さが１５ｍｍと短いために、残留γの生成量が少なくなり、靭性が低下した。比較例３及び比較例４は、溶接ワイヤ溶断時間が２２３ｍｓｅｃと長いために、残留γの生成量が少なくなり、靭性が低下した。比較例５は、Ｃの含有量が０．０１重量％と少ないないために、残留γの生成量が少なくなり、強度及び靭性ともに低下した。比較例６は、Ｃの含有量が０．１３重量％と多く、残留γの生成量が多くなり、靭性が低下した。比較例７は、Ｓｉの含有量が１．２０重量％と多いため、靭性が低下した。比較例８は、Ｍｎの含有量が０．４１重量％と少ないため、強度及び靭性ともに低下した。比較例９は、Ｍｎの含有量が２．３３重量％と多いため、靭性が低下した。比較例１０は、Ｎｉの含有量が３．２０重量％と多いために、靭性が低下した。比較例１１は、Ｃｕの含有量が１．７１重量％と多いために、靭性が低下した。比較例１２は、Ａｌの含有量が１．７０重量％と多いために、靭性が低下した。比較例１３は、Ｔｉの含有量が０．０９重量％と多いために、靭性が低下した。比較例１４は、Ｂの含有量が０．００９５重量％と多いために、靭性が低下した。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、従来よりも極めて高靭性の溶接金属を得ることが可能となり、耐震性が優れた構造物及び高靭性を必要とする海洋構造物又はラインパイプの建設を可能とし、この種の技術分野に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る溶断試験を示す概略図である。
【符号の説明】
１；直流定電流電源
２；シャント
３；デジタル電圧計
４；架台
５；コンタクトチップ
Ｃ；ケーブル
ｌ；チップ間隔
Ｗ；ワイヤ
【図１】
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