(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ｃ：0.04〜0.07％、  Si：0.10〜0.25％、  Mn：1.60〜2.30％、
Ｐ：0.010 ％以下、  Ｓ：0.010 ％以下、  Cu：0.25％以下、
Ni：2.80％以下、    Cr：0.20〜1.10％、  Mo：0.15〜1.00％、
Ti：0.01〜0.06％、  Ｂ：0.002 〜0.004 ％、
かつＣeq.(L)：0.50〜0.62、およびＰcm.:0.20〜0.25を満足し、
残部がFeおよび不可避不純物
からなる高強度高靱性溶接鋼管用の高強度高靱性を有するサブマージアーク溶接による溶接金属。
【請求項２】
重量％で、
Ｃ：0.04〜0.07％、  Si：0.05〜0.25％、  Mn：1.60〜2.25％、
Ｐ：0.010 ％以下、  Ｓ：0.010 ％以下、Nb：0.005 〜0.060 ％、
Ti：0.010 〜0.020 ％、Mo：0.20〜0.40％、sol.Al：0.05％以下、
Ｎ：0.01％以下、
さらにCu：0.30％以下、Cr：0.16〜0.30％、およびNi：0.60％以下のうちの１種以上
、
残部がFeおよび不可避不純物
から成る鋼組成を有する母材に、
Ｃ：0.01〜0.10％、Si：0.05〜0.30％、Mn：1.00〜3.20％、
Ｐ：0.010 ％以下、Ｓ：0.010 ％以下、Cu：0.20％以下、
Ni：5.0 ％以下、Cr：0.15〜2.0 ％、Mo：0.10〜1.60％、Ti：0.01〜0.10％、Ｂ：0.003 ％以下を必須成分とするサブマージアーク用ワイヤを使用することを特徴とする、請求項１記載の成分を有する溶接金属の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、パイプライン用に一般的に使用される高強度低合金鋼管をサブマージアーク溶接により製管する際の、目標とする低温靱性と強度を有する溶接金属と、それを安定的に得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスおよび油の陸上輸送用に使用されるラインパイプ用の高強度低合金鋼管の溶接による製管は、従来、複数の電極をもつサブマージアーク溶接によってなされてきた。このサブマージアーク溶接においては、溶接金属の化学組成、機械的性質などを母材と類似するようにすべく適当な化学組成のワイヤおよびフラックスを選んで溶接を行うことは、よく知られている。
【０００３】
上記ラインパイプ用のサブマージアーク溶接による溶接金属には、高強度と高靱性の双方がバランス良く確保されることが要請されるが、ワイヤと母材との溶融、凝固という過程を得てつくり出される溶接金属では、特に高靱性の確保が難しく、このため従来より靱性向上に効果のある金属元素  （例：Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔｉ）  を添加したワイヤの使用や、溶接金属の低酸素化が図られてきた。
これらに関して、特許公報によって従来技術を概観すると次の通りである。
【０００４】
特開昭５７−２２８９５  号公報に開示された方法にあっては、溶接金属としては広い組成範囲を規定するが、溶接後熱処理を行い性能向上を図っており、コスト的にも問題である。一方、特開昭５０−６５３９号公報においては溶接金属の成分範囲として、Ｍｎ：０．８〜１．５０％に規定している。
【０００５】
特開昭６３−１５７７９５号公報および同５７−１２４５９４号公報は、ガスシールド溶接用のワイヤ組成を開示するものであり、また、特開昭４７−２６３４８  号公報、同６１−１３５４９９号公報、同５６−１４０８５  号公報が開示するものは、いずれも被覆溶接棒として用いるものであり、いずれも特に高強度鋼管製造のためのサブマージアーク溶接による溶接金属については何一つ明らかにしていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高強度鋼管に対してサブマージアーク溶接を行った場合においても、目標とする低温靱性および強度を有する溶接金属およびそれを得る方法を提供することにある。
【０００７】
さらに具体的には、本発明の目的は、溶接まゝで引張強さ７００  Ｎ／ｍｍ２  以上を有し、しかも−４０℃以下の低温における十分な切欠き靱性を兼ね備えた溶接金属とその形成方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる目的を達成するために、溶接のままの状態で高強度・高靱性を確保するため、溶接金属の成分を規定することに着目した。
また、それを実現するために高強度のサブマージアーク溶接用ワイヤを使用することにより上記性能を具備した溶接金属を形成することにも着目した。
【０００９】
そして、かかる観点から、各種溶接条件下でサブマージアーク溶接を行い溶接金属の強度、靱性に関して各種合金元素の影響を調査した結果、▲１▼Ｍｎ：１．６０〜２．３０％と高Ｍｎ化を図るとともに、▲２▼Ｔｉ：０．０１〜０．０６％、Ｂ：０．００２  〜０．００４  ％を配合し、さらに▲３▼Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉをそれぞれ同時に配合することにより、上記性能を有する溶接金属は適正な成分範囲に限定されることを見い出し、本発明を完成した。
【００１０】
ここに、本発明は、重量％で、Ｃ：0.04〜0.07％、  Si：0.10〜0.25％、  Mn：1.60〜2.30％、Ｐ：0.010 ％以下、Ｓ：0.010 ％以下、Cu：0.25％以下、 Ni：2.80％以下、Cr：0.20〜1.10％、Mo：0.15〜1.00％、Ti：0.01〜0.06％、Ｂ：0.002 〜0.004 ％、かつＣeq.(L)：0.50〜0.62、およびＰcm.:0.20〜0.25を満足し、残部がFeおよび不可避不純物からなる高強度高靱性溶接鋼管用の高強度高靱性を有するサブマージアーク溶接による溶接金属である。
【００１１】
さらに別の面からは、本発明は、重量％で、
Ｃ：０．０４〜０．０７％、    Ｓｉ：０．０５〜０．２５％以下、    Ｍｎ：１．６０〜２．２５％、
Ｐ：０．１０％以下、        Ｓ：０．０１０  ％以下、Ｎｂ：０．００５  〜０．０６０  ％、
Ｔｉ：０．０１０  〜０．０２０  ％、Ｍｏ：０．２０〜０．４０％、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０１００％以下、
さらにＣｕ：０．３０％以下、Ｃｒ：０．１６〜０．３０％、およびＮｉ：０．６０％以下のうちの１種以上、
残部がＦｅおよび不可避不純物
から成る鋼組成を有する母材に、
Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０５〜０．３０％、Ｍｎ：１．００〜３．２０％、
Ｐ：０．０１０  ％以下、Ｓ：０．０１０  ％以下、Ｃｕ：０．２０％以下、
Ｎｉ：５．０  ％以下、Ｃｒ：０．１５〜２．０  ％、Ｍｏ：０．１０〜１．６０％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、
Ｂ：０．００３  ％以下を必須成分とするサブマージアーク用ワイヤを使用することを特徴とする、請求項１記載の成分を有する溶接金属の形成方法である。
【００１２】
【作用】
本発明においては、高強度鋼管の溶接金属が目標とする性能を満足するためには溶接金属の成分は、以下の成分範囲に限定される。なお、本明細書において特にことわりがないかぎり、「％」は「重量％」である。
【００１３】
溶接金属：
Ｃは０．０４％未満では強度が不足し、０．０７％を超えると靱性が劣化するため上記範囲内に限定する。
【００１４】
Ｓｉは溶接金属の脱酸を行うために必要であるが、０．２５％を超えると靱性が劣化するため好ましくなく、また、０．１０％未満では十分な脱酸ができず、さらに溶接金属中に気孔が残るため好ましくはない。
【００１５】
ＭｎはＳｉと同様に溶接金属の脱酸および強度、靱性の向上に有効であるが１．６０％未満では必要とする溶金強度を得られず、２．３０％を超えると靱性が劣化するため、その範囲を１．６０〜２．３０％とした。好ましくは１．７０〜２．００％である。
【００１６】
ＰおよびＳはいずれも切欠き靱性に対しては少ないほど好ましいが、Ｐの場合０．０１０  ％を超えると著しく溶接金属が脆化するため、その上限を０．０１０  ％とした。また、Ｓも同様に溶接金属を脆化させるため０．０１０  ％以下とした。
【００１７】
Ｔｉは溶接金属中においてＴｉ酸化物としてフェライト核生成サイトとなり、微細なアシキュラーフェライト組織を生成する元素である。従って、Ｔｉを添加し溶接金属の組織をアシキュラーフェライトにすることにより靱性の改善を図ることができる。このような効果は溶接金属中のＴｉ量が、０．０１から０．０６％の範囲で有効であり、この範囲を超えると、かえって靱性劣化の傾向を示す。
【００１８】
また、この効果は、Ｂを０．００２  ％以上添加することにより低温靱性を向上させることが可能であるが、Ｂを０．００４  ％超添加した場合はかえって靱性を劣化させるため好ましくない。
【００１９】
さらに、本発明にあっては強度を確保するため、Ｃｒ、Ｍｏを必須成分とした。まず、強度の上昇に効果のあるＣｒを０．２０％以上、Ｍｏを０．１５％以上添加することとした。また、Ｃｒ、Ｍｏの過剰の添加は溶接金属の靱性を損なうため、Ｃｒの上限を１．１０％、Ｍｏの上限を１．００％以下とした。Ｃｕの過剰の添加は高温割れを助長するため上限を０．２５％とした。Ｎｉは強度の確保だけでなく靱性向上効果もあるが、過剰の添加は溶接性を劣化させるため上限を２．８０％とした。
【００２０】
また、溶接金属中の各元素量を上記範囲内に制御することに加え、溶接金属のＣｅｑ．  およびＰｃｍ．  を上記範囲内にする必要がある。
ここに、Ｃｅｑ．  およびＰｃｍ．  は次式でもって表わされる。
【００２１】
【数１】
0003598600.tif 000002
【００２２】
Ｃｅｑ．  およびＰｃｍ．  の増加にともない溶接金属強度は増加するものの、その靱性は劣化傾向を示すためである。従って、目標とする強度・靱性を満足するためには、最適なＣｅｑ．  およびＰｃｍ．  の範囲が存在し、本発明にあってはＣｅｑ．：０．５０〜０．６２、およびＰｃｍ：０．２０  〜０．２５の範囲内に限定される。Ｃｅｑ．（Ｌ）またはＰｃｍ．  が上記範囲を下回る場合、溶接金属の強度は目標を下回り、上記範囲を上回る場合では、溶接金属の靱性が劣化する。
【００２３】
一方、溶接金属の組成を上記範囲内にすることで、強度・靱性を満足することが可能であるが、従来の溶接ワイヤを使用した場合には溶接金属の強度確保が難しく、合金添加量の多い母材を使用する必要が生じる。しかしながら、母材成分の増加は、母材靱性および母材の溶接性の劣化を引き起こすため、母材性能を満足させるためには母材成分の上限が存在することになる。
【００２４】
従って、高強度鋼管を製管する際には、母材性能を劣化させずに高強度の溶接金属を成形するために、合金添加量の多い高強度の溶接ワイヤを使用し、溶接金属の強度を確保する必要が生じる。
【００２５】
また通常、鋼管をサブマージアーク溶接にて製管する場合には、複数の電極を使用し、複数のワイヤの組み合わせにより、溶接金属の成分を調整するため、上記溶接金属の成分に限定するためには、特定の成分範囲をもつワイヤを特定の組み合わせで溶接を行うことが重要である。
【００２６】
そこで、上記観点から検討を行った結果、以下の成分をもつ母材に対して、本発明にかかる組成例のワイヤを組み合わせて使用して溶接を行うことで、上記の成分範囲を満足する溶接金属を形成することが可能であることが判明した。
【００２７】
母材成分
Ｃは強度を確保する上で必要な元素である。Ｃ含有量が０．０４％未満であると、必要な強度が得られないので下限は０．０４％とした。一方、０．０７％を超えると溶接継手部の靱性が劣化するので、上限は０．０７％とした。
【００２８】
Ｓｉは無添加でもよいが、鋼の溶製時に脱酸剤として作用するとともに強度の向上に有効である。これらの効果を得るために積極的に添加する場合、その下限は０．０５％とするのが望ましい。しかし、０．２５％を超えると島状マルテンサイトの生成が促進されＨＡＺ靱性の劣化をもたらすので、その上限は０．２５％とした。望ましいのは０．１  ％以下である。
【００２９】
Ｍｎは脱酸剤として、または素材の強度と靱性を向上させるのに有効である。ＡＰＩ  規格Ｘ８０グレード以上の素材強度を確保するには１．６０％以上のＭｎ含有量が必要である。一方、２．２５％を超えると継手部靱性の劣化が顕著となるため上限は２．２５％とした。好ましくは１．８０〜２．００％である。
【００３０】
Ｎｂは微細な炭化物を形成し、強度を上昇させる効果を有する。この効果を得るにはその含有量を０．００５  ％以上とする必要がある。一方、０．０６０  ％を超えると脆化の弊害の方が大きくなるため、上限は０．０６０  ％とした。
【００３１】
Ｍｏは焼入性の向上とオーステナイトの再結晶抑制の効果を通して制御圧延効果を増大させることによって、強度を上昇させるのに有効である。この効果は特にＮｂとの複合添加により増大する。これらの効果を得るには、０．２０％以上が必要である。一方、０．４０％を超えると靱性の劣化をもたらすため、上限は０．４０％とした。
【００３２】
Ｔｉは微細な窒化物を形成することにより、γ粒の粗大化を防止し靱性を向上させるのに有効である。この効果を得るためには、０．０１０  ％以上とする必要がある。一方、０．０２０  ％を超えると炭化物の析出により靱性が劣化するため、その上限は０．０２０  ％とした。
【００３３】
Ａｌは脱酸元素として添加される。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量として０．０５％を超えると鋼の清浄性を損なうため、上限は０．０５％とした。低Ａｌ化はフェライト析出の促進を通してＨＡＺの高靱化に寄与するため、望ましいのはｓｏｌ．Ａｌ含有量として０．０２％以下である。
Ｎは含有量が０．０１００％を超えるとＨＡＺ靱性を劣化させる。
【００３４】
その他にＣｕ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種が強度を改善するために添加される。
Ｃｒは強度上昇に有効な元素である。この効果を得るには０．１６％以上の含有量が必要である。一方、０．３０％を超えると溶接性を劣化させる。
ＣｕとＮｉは強度と靱性に有効な元素であるが、過剰の添加は溶接性を劣化させるため、それぞれの上限を、０．３０％および０．６０％とした。
【００３５】
ＳはＭｎＳを形成し、鋼質に有害な不可避不純物である。特に、Ｓ含有量が０．０１０  ％を超えるとＭｎＳが析出しＨＡＺ靱性の確保に悪影響を与える。このため上限は０．０１０  ％とした。Ｐも不可避不純物として０．０１０  ％以下に制限する。
【００３６】
上記成分の鋼板に制御圧延を施こすことにより、目標とする強度・靱性を確保することが可能であるが、本発明は溶接金属の形成方法に関するものであるため、上記鋼板に対する圧延条件については特に限定しない。
【００３７】
ワイヤ成分：
次に、ワイヤ成分の限定理由について説明する。
高強度・高靱性を有する溶接金属を形成するためには、溶接金属成分が上記成分範囲を満足することが要請されるが、ここで溶接金属の成分は以下の３つの反応により決定される。
【００３８】
0003598600.tif 000003
上述したように、高強度鋼管を製造するためには上記成分範囲の鋼板を使用する必要がある。そのため、溶接金属が上記成分範囲を満足するためには、ワイヤーの各成分を限定する必要がある。また、母材の希釈率は約５０％であることが分かっているので、一例としてＣの場合についてワイヤー成分上限値を示す。
【００３９】
0003598600.tif 000004
（２）  式より母材からの希釈量の下限値は０．０２％であり、溶接金属の成分範囲がＣ：０．０４〜０．０７％であることを考慮すると、残り０．０５％までワイヤから溶接金属へ供給することが可能であり、上記成分範囲内のいずれの鋼板についても、上記成分範囲内の溶接金属の形成が可能であることが分かる。これは複数の電極全てに同一のワイヤを使用した場合、ワイヤ成分が０．０５÷０．５  ＝０．１０％以下であればこれを満足することが可能であることを示している。
【００４０】
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉについても同様の計算を実施することにより、ワイヤ中の各元素量の上限値がＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉのそれぞれについて０．２０％、５．０  ％、２．０  ％、１．６０％そして０．１０％と決定される。
【００４１】
また、ＳｉおよびＭｎについてはフラックスと溶接金属との反応を考慮する必要がある。そこで、Ｓｉはフラックスから溶金中へ流入するため、ワイヤ中の含有量が０．３０％以下であれば溶接金属成分範囲内にすることが可能である。さらにＭｎの場合は逆に、フラックス中へＭｎが流出するため、ワイヤ中へ３．２  ％の含有が必要である。
【００４２】
従って、ワイヤ中のこれらの元素量は、少なくとも上述した上限以下にする必要があり、同様の手法により下限値を決定することが可能である。
また、Ｐ、Ｓは溶接金属を脆化させるため、少ない方が望ましく下限値は特に定めない。
【００４３】
さらに、Ｂは溶接金属の靱性に対して重要な元素であるが、通常は、Ｂ添加型の溶融フラックスを使用するため、フラックスから溶金中への流入により、目標とする溶接金属靱性を確保することができる。従って、ワイヤ成分として下限値の設定は特に定めないが、ワイヤ中の成分量が０．００３  ％を超えると溶接金属におけるＢ量が０．００４  ％を越えるため溶接金属の靱性が劣化するため上限を０．００３  ％とした。
【００４４】
【実施例】
表１に示す成分組成を有する鋼板を母材として、４電極サブマージアーク溶接を実施した。溶接に際しては、表２に示すワイヤおよび表３に示すフラックスを使用し、表４の溶接条件を採用した。
【００４５】
表５に示す本発明例のワイヤを組み合わせて上述のサブマージアーク溶接を行った結果、同じく表５に本発明例として示す成分組成の溶接金属ａ〜ｅが形成された。いずれの場合も本発明の成分範囲内の溶接金属が形成されており、目標とする強度靱性を満足する。また溶接金属ｃのように本発明の範囲外の成分のワイヤを組み合わせた場合においても、溶接金属の成分が規定される成分範囲内であれば目標性能を満足することができる。
【００４６】
ただし、比較例として示すように、本発明例のワイヤを使用しない場合  （溶接金属Ａ〜Ｇ）  では、何れの溶接金属も規定成分範囲を満足することができず、目標性能を満足することができない。
【００４７】
具体的に、溶接金属が所定の性能を満足しない原因として、溶接金属Ａの場合は、Ｃｅｑ．  、Ｐｃｍ．  は規定範囲を満足するものの、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｔｉが下限を外れており吸収エネルギーが低値を示している。溶接金属Ｂの場合は、Ｍｏも下限外れとなっている。溶接金属Ｃ、ＦはＣｅｑ．  が下限を外れているため強度を確保できない。溶接金属Ｄ、Ｅ、Ｇの場合Ｃｅｑ．  、Ｐｃｍ．  は規定範囲を満足しているが、特に溶接金属Ｄの場合はＢ量が上限外れ、溶接金属ＥはＭｎ上限外れ、溶接金属ＧはＭｏの下限が外れたことにより、それぞれ吸収エネルギーが低値を示している。
【００４８】
【表１】
0003598600.tif 000005
【００４９】
【表２】
0003598600.tif 000006
【００５０】
【表３】
0003598600.tif 000007
【００５１】
【表４】
0003598600.tif 000008
【００５２】
【表５】
0003598600.tif 000009
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、特定の成分範囲をもつワイヤを使用し、限定された成分を有する溶接金属を形成することにより、溶接金属の引張強さが７００  Ｎ／ｍｍ２  以上の強度を有し、−４０℃以下の低温においても高靱性を確保した好ましいバランスをもつ高強度・高靱性溶接金属を的確に得ることができるのであり、工業的に意義の大きい発明である。