(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスシールドアーク溶接によって形成された溶接金属であって、質量％でＣ：０．０２〜０．１２％、  Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、  Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．００２〜０．０５０  ％、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００  ％、Ｂ：０．０１００％以下、  Ｏ：０．０１０〜０．０８０  ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接金属中の固溶Ｔｉ量が  ０．００３〜０．０２０  ％であることを特徴とする低温靱性に優れた溶接金属。
【請求項２】
さらに、質量％でＣｕ：０．０１０〜２．０００  ％、  Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．０１０〜１．５００  ％、Ｍｏ：０．００５〜１．０００  ％のうちの１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の低温靱性に優れた溶接金属。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスシールドアーク溶接の技術分野に属し、詳しくはガスシールドアーク溶接によって形成される溶接金属の低温靱性を確保するための技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、海洋構造物、液化ガスタンクあるいはラインパイプなど、低温環境下で使用される構造物の建設が盛んである。これらの構造物については、機械的特性、とりわけ低温における高い靱性値が要求される。この要求に対しては、低温靱性に優れた鋼材が種々開発されつつあるが、構造物を形成するために必要不可欠である接合部、すなわち溶接金属部は、鋼材と異なり所望の加工熱処理を施すことができないことから、その低温靱性は鋼材より劣っているのが現状である。そのため、溶接金属部の低温靱性の改善に対する要求は非常に強いものがある。
【０００３】
溶接金属の低温靱性を改善するための研究はこれまでにも行われており、低温靱性は溶接金属組織に大きく依存し、アシキュラーフェライト（以下、ＡＦという）と呼ばれる微細組織を形成することが低温靱性向上に有効であることが、多数の研究報告に開示されている。また、ＡＦは溶接金属中に含有されるＴｉ系酸化物を核として生成するものであり、したがって、酸化物存在形態を制御することが低温靱性向上に有効であることも知られている。さらにはＴｉおよびＢ  を複合添加することにより、Ｔｉ系酸化物、すなわちＡＦの生成核を確保しつつ、Ｂ  の焼入性向上効果により旧オーステナイト粒界から生成する粗大フェライトを抑制して、均一にＡＦの生成が可能であることが報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｔｉによる効果は溶融金属中に含有されるＡｌ量によって決定され、Ｂ  による効果はＮ  量によって決定されるため、これらの元素の含有量をすべて制御する必要があった。また、それ以外にも溶接施工条件、例えば母材成分、ガス成分、ガスシールド状態などの影響を強く受けるために、溶接金属組織を制御することは困難である場合が多かった。
【０００５】
この点に関し、例えば特開平１０−５８１８６号公報によれば、Ａｌ／Ｏ量を規定することによりＭ３Ｏ４型構造をもつ酸化物分散相を得て、母材希釈の影響すなわち他元素成分の影響を受けない低温靱性に優れた溶接金属が提案されている。しかしながら、これは溶接金属のなかでも、再熱を受けていない領域に限られたことであった。通常の溶接では多層盛りで行われるために、溶接金属中には再熱を受けた領域（以下、再熱部という）とそうでない溶接ままの領域（以下、原質部という）とが現れることは不可避であり、再熱部の組織形態は原質部で形成されたＡＦ組織とは大きく異なる。また、溶接金属における靱性とは原質部と再熱部をともに含んだ全体の機械的特性であるため、溶接金属全体の靱性を向上させることが必要不可欠である。しかし、これまでの溶接金属全体の靱性は十分なレベルではないのが現状である。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ガスシールドアーク溶接において固溶Ｔｉを溶接金属に含有させることにより全体が低温靱性に優れる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】
その要旨は、ガスシールドアーク溶接によって形成された溶接金属であって、質量％でＣ：０．０２〜０．１２％、  Ｓｉ：０．１０〜０．８０％、  Ｍｎ：０．５０〜２．００％、Ａｌ：０．００２〜０．０５０  ％、Ｔｉ：０．０２０〜０．１００  ％、Ｂ：０．０１００％以下、  Ｏ：０．０１０〜０．０８０  ％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、溶接金属中の固溶Ｔｉ量が０．００３  〜０．０２０  ％である低温靱性に優れた溶接金属で、さらに、Ｃｕ：０．０１０〜２．０００  ％、  Ｎｉ：０．０１〜３．００％、Ｃｒ：０．０１０〜１．５００  ％、Ｍｏ：０．００５〜１．０００  ％のうちの１種以上を含有する低温靱性に優れた溶接金属である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
再熱部組織は原質部において、いかに微細なＡＦ組織を形成していたとしてもフェライト組織へと変化する。したがって、その粒径を微細にする技術が必要不可欠であるが、当然のことながら原質部組織状態の影響を強く受けることから、原質部組織の制御も同時に行う必要がある。しかし、先に述べたように原質部組織と再熱部組織を制御することは非常に困難であった。
【０００９】
本発明者らが鋭意研究を行った結果、固溶Ｔｉを溶接金属に含有させることにより溶接金属全体の靱性を大きく改善できることを見出した。これは溶接金属原質部の焼入性を高めるとともに、再熱を受けた際に微量添加されている元素、例えば  Ｂの析出を抑制するためである。なお、本発明でいう固溶ＴｉとはＴｉ全含有量から抽出残渣分析によるＴｉ化合物の定量値を差し引いた値のことである。
【００１０】
通常の溶接金属では、Ｔｉはそのほとんどが酸化物あるいは窒化物として析出しているが、本発明者らはワイヤ成分、溶接施工条件などを最適に組み合わせることにより、従来以上に固溶Ｔｉを存在させることに成功した。
【００１１】
固溶Ｔｉ量の制御は、種々の溶接条件によって左右される。とりわけ母材成分やシールドガス成分等に大きく影響されるが、シールドガス成分等の施工条件に応じて、溶材（フラックス入りワイヤ）中のＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ量のバランスをきめ細かく制御することによって、固溶Ｔｉ量を制御することが可能となる。Ｍｇ、ＡｌはＴｉよりも強脱酸剤であるため、これらの３元素のワイヤ中への添加量を調節することにより、溶接金属に含有されるＴｉおよび固溶Ｔｉの量が調節できるのであるが、同時にＡｌおよび全Ｔｉ量も本発明の範囲内に含まれるように制御する必要があるので、本発明の溶接金属を得るためには溶接施工条件に応じたきめの細かいワイヤ成分調節が必要なのである。
【００１２】
後記実施例に示すように、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉの添加量のバランスにより、一見わずかな添加量の違いであっても固溶Ｔｉ量には大きな差が現れるので、ワイヤ中のこれら３元素の添加量や量比を一概に数値で表すことは難しい。しかしながら、溶接施工条件、およびそれに応じた適切なワイヤ成分を事前に実験により求めておけば、実際の溶接施工への適用は可能である。以下に、本発明で規定される成分組成の詳細について述べる。
【００１３】
Ｃ  は溶接金属の強度を確保するためには欠くことのできない元素であり、少なくとも０．０２％以上の添加が必要である。しかし、過度の添加は強度が高くなり過ぎ靱性の低下を招くことから上限を０．１２％とした。したがって、Ｃ  含有量は０．０２〜０．１２％とし、より好ましい範囲は０．０４〜０．０７％である。
【００１４】
Ｓｉは脱酸作用により溶接金属を清浄にし、歩留まった場合はフェライトを固溶強化させる作用を有することから、溶接金属には不可欠な元素の一つである。しかしながら、添加量が多すぎると、その強化作用による過度の強度上昇により靱性を劣化させる。したがって、Ｓｉ含有量は０．１０〜０．８０％とし、より好ましい範囲は０．２０〜０．５０％である。
【００１５】
Ｍｎは溶接金属に強度を与える上で、０．５０％以上含有させなければならないが、過剰に含有すると焼入れ性が向上し過ぎ靱性の低下を招く。したがって、Ｍｎ含有量は０．５０〜２．００％とし、より好ましい範囲は  １．０〜１．６  ％である。
【００１６】
Ａｌは強脱酸剤であることから溶接金属に必要不可欠である。脱酸効果は少なくとも  ０．００２％以上含有させなれば発揮されず、また過剰に添加した場合は、Ｔｉとともに粗大な酸化物として溶接金属中に残存するために、酸化物によるＡＦ生成効果を消失させてしまう。したがって、Ａｌ含有量は  ０．００２〜０．０５０  ％とし、より望ましい範囲は  ０．００５〜０．０３０  ％である。
【００１７】
Ｔｉは溶接金属において、ＡＦ生成核である酸化物を形成することから非常に重要な元素である。含有量が  ０．０２０％未満ではその効果はなく、  ０．１００％を超えると過度の強度上昇により靱性の劣化を招く。したがって、Ｔｉ含有量は  ０．０２０〜０．１００  ％とし、より望ましい範囲は  ０．０４０〜０．０８０  ％である。
【００１８】
Ｂ  は溶接金属中に固溶したＮ  を固定する効果と粒界フェライトの生成を抑制する効果があり低温靱性向上に必要な元素である。過剰に添加した場合は、溶接割れを引き起こすことから含有量は０．０１００％以下とした。Ｂ  のより好ましい含有量は  ０．０３０〜０．０８０  ％である。
【００１９】
Ｏ  はＡＦ生成核である酸化物を構成する元素であるから、本発明において重要な元素である。ＡＦ生成に有効に働く酸化物を形成するには少なくとも  ０．０１０％以上は添加する必要があるが、  ０．０８０％を超えて添加した場合は酸化物が粗大化するためにＡＦ生成効果を消失させてしまう。したがって、Ｏ  含有量は  ０．０１０〜０．０８０  ％とし、より好ましい範囲は  ０．０２０〜０．０５０  ％である。
【００２０】
固溶Ｔｉ量は先にも述べたとおり、再熱部組織を微細化し靱性を向上させることから、固溶Ｔｉ量を規定することは本発明において非常に重要な要件である。そのような効果は  ０．００３％以上含有しないと現れず、  ０．０２０％を超えて含有した場合には、原質部組織と靱性を劣化させる。したがって、固溶Ｔｉ量の範囲は  ０．００３〜０．０２０  ％とし、より好ましい範囲は  ０．００５〜０．０１０  ％である。
【００２１】
なお、Ｔｉ系酸化物については、本発明の範囲内の添加元素によって形成された酸化物によりＡＦ生成が可能であることを見出したので、酸化物の結晶構造、組成に関して特に規定するものではない。また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの元素は添加することにより、さらに優れた低温靱性を確保することが可能となる元素群である。これらの成分組成範囲を決定した理由を以下に述べる。
【００２２】
Ｃｕは焼入れ性を高め組織を微細化する働きがあるが、  ０．０１０％未満の添加ではそのような効果は得られず、過剰に添加した場合は、強度が高くなり過ぎ靱性を劣化させる。したがって、Ｃｕ含有量は  ０．０１０〜２．０００  ％とし、より好ましい範囲は  ０．０１０〜１．５００  ％である。
【００２３】
Ｎｉは大入熱溶接であっても安定した靱性を付与するために添加されている元素であり、そのためには０．０１％以上の添加が必要がある。一方、添加量が３．００％超えのときは強度が高くなり過ぎ靱性をかえって低下させる。したがって、Ｎｉ含有量は０．０１〜３．００％とし、より好ましい範囲は  ０．５〜１．５  ％である。
【００２４】
Ｃｒは焼入れ性を高め粒界からのフェライト生成を抑制し組織を微細化する働きがあるが、  ０．０１０％未満の添加ではその効果はなく、過剰に添加した場合は、強度が高くなり過ぎ靱性を劣化させる。したがって、Ｃｒ含有量は  ０．０１０〜１．５００  ％とし、より好ましい範囲は  ０．０２０〜１．０００  ％である。
【００２５】
Ｍｏは粒界からのフェライト生成を抑制する働きがある。  ０．００５％未満の添加ではそのような効果は発揮されず、  １．０００％を超えて添加した場合は、強度が高くなり過ぎ靱性を劣化させる。したがって、Ｍｏ含有量は  ０．００５〜１．０００  ％とし、より好ましい範囲は  ０．０１０〜０．８００  ％である。
【００２６】
【実施例】
以下に、本発明に係わる溶接金属を得るための実施例について具体的に説明する。溶接継手は板厚２０ｍｍの鋼板とフラックス入りワイヤ（径  １．２ｍｍ）を使用し、炭酸ガスアーク溶接により製作した。このときの開先形状は４５°Ｖ型開先で、溶接条件は溶接電流  ２７０〜２８０  Ａ、入熱量１５〜２０ｋＪ／ｃｍ  である。このようにして製作した溶接継手の溶接金属についてシャルピー衝撃試験を行い低温靱性を評価した。
【００２７】
【実施例１】
表１に使用した鋼板（母材）の化学成分を、表２に使用したワイヤの化学成分を、表３に溶接金属の化学成分をそれぞれ示す。溶接金属の靱性評価は、溶接金属中央部からＪＩＳ  Ｚ  ２２０２に基づいて試験片を採取しシャルピー衝撃試験を行い、−６０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−６０）を求め  ３０Ｊ以上のものを合格とした。その結果を表３に併記した。
【００２８】
表３に示す本発明例１〜１５は化学成分、固溶Ｔｉ量とも本発明の範囲を満足したものであり、いずれも低温靱性が良好であることがわかる。他方、比較例１〜１２は化学成分、固溶Ｔｉ量のいずれかが本発明の範囲外であるため、いずれも  ｖＥ−６０  が  ３０Ｊ未満で不合格である。
【００２９】
【表１】
0003579610.tif 000002
【００３０】
【表２】
0003579610.tif 000003
【００３１】
【表３】
0003579610.tif 000004
【００３２】
【実施例２】
実施例２は、実施例１の母材およびワイヤにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏを添加した例で、溶接条件、シャルピー衝撃試験方法は実施例１と同じである。溶接金属の靱性評価は、−６０℃における吸収エネルギー（ｖＥ−６０）を求め１００Ｊ以上のものを合格とした。その結果を表６に併記した。なお、使用した鋼板（母材）の化学成分を表４に、使用したワイヤの化学成分を表５に、溶接金属の化学成分を表６にそれぞれ示す。
【００３３】
表６に示す本発明例１６〜２５は化学成分、固溶Ｔｉ量とも本発明の範囲を満足したものであり、いずれも低温靱性が良好であることがわかる。他方、比較例１３〜１７は化学成分、固溶Ｔｉ量のいずれかが本発明の範囲外であるため、いずれも  ｖＥ−６０  が１００Ｊ未満で不合格である。
【００３４】
【表４】
0003579610.tif 000005
【００３５】
【表５】
0003579610.tif 000006
【００３６】
【表６】
0003579610.tif 000007
【００３７】
以上のように、母材が低炭素鋼（実施例１）の場合、あるいは低炭素鋼に低温靱性を確保するための元素を添加した（実施例２）場合でも、溶接金属中の化学成分および固溶Ｔｉ量を制御することによって、良好な低温靱性を有する溶接金属を得ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、従来得られなかった溶接金属全体の低温靱性が、溶接金属中の化学成分と固溶Ｔｉ量を制御することにより得ることができる。このため低温環境下で使用される構造物の安全性をより高めることができる。