(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．０４〜０．０９％、Ｍｎ：１．４〜２．５％、Ｎｉ：０．３〜２．１％、Ｃｕ：０．２〜１．２％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：０．１〜２．０％を含む０．２％耐力６９０ＭＰａ以上のラインパイプ用鋼管のシーム溶接において、Ｆｅを主成分として、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．２〜２．４％、Ｎｉ：４．０〜６．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．０〜５．０％を含む溶接ワイヤと焼成型フラックスを使用して、溶接速度１〜３ｍ／ｍｉｎ、入熱２．７〜４．７ｋＪ／ｍｍで溶接することを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載のラインパイプ用鋼管のシーム溶接において、Ｆｅを主成分として、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：１．４〜２．４％、Ｎｉ：４．０〜６．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．０〜５．０％を含む溶接ワイヤと溶融型フラックスを使用して、溶接速度１〜３ｍ／ｍｉｎ、入熱２．７〜４．７ｋＪ／ｍｍで溶接することを特徴とするサブマージアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ１００クラスなど超高強度ラインパイプの造管溶接におけるサブマージアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＴ８０、ＨＴ１００クラスの高張力鋼も、その製造技術の進歩で低炭素当量で製造され、溶接性、特に低温割れ感受性が向上している。例えば、特開平７−１１８７４１号公報には圧延時の加速冷却を特徴とする高張力鋼の製造方法がある。また、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｖ等の析出効果を利用した高張力鋼がある。
【０００３】
一方、高張力鋼の溶接も、能率向上のため、溶接の大入熱化が指向されている。これまでは小入熱の多層溶接が一般的であったＨＴ８０、ＨＴ１００鋼の両面１パス溶接等が検討されている。例えば、高強度ラインパイプのシーム溶接がある。ガス輸送等のラインパイプはエネルギー消費の拡大あるいは輸送の安全性確保等から高強度化が進められており、Ｘ８０からＸ１００に、さらにこれを超える超高強度鋼管の検討も開始されている。
【０００４】
ＵＯ鋼管と呼ばれる鋼管の製造は、鋼板をＵ形からＯ形に加工し、突き合わせ部を仮付け溶接した後、本溶接する。この突き合わせ部の溶接をシーム溶接と称し、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）が使用される。このＳＡＷは通常両面１層溶接で、母材希釈率が６０〜７０％にもなる。
【０００５】
ＨＴ１００のＳＡＷは、例えば、特開昭５４−１８４３４号公報で、Ｓｉ：０．２〜０．８％、Ｍｎ：１．８〜３．０％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｃｒ：０．８〜１．８％、Ｎｉ：１．５〜３．５％、Ｔｉ：０．０１〜０．３％を含む合金鋼心線を使用する方法が提案されている。また、特開平７−１７１６９５号公報にも、フラックスとワイヤ組成を組み合わせた９６０ＭＰａクラスのＳＡＷが提案されている。しかし、これらはいずれも母材との関連づけはされていない。母材希釈率５０％を超えるような溶接条件では、母材にマッチした溶接材料の選択が重要な課題である。高強度の溶接金属はそれなりの焼き入れ性が必要であり、母材の低炭素当量化、さらに、その高母材希釈率は溶接材料の選択に重要な影響を及ぼす。さらに、高入熱溶接では冷却速度が遅くなる、あるいは、母材熱影響部の軟化を補償する必要がある等を考慮して溶接材料を選択する必要がある。
【０００６】
また、ラインパイプは工場で製造したものを、現地で溶接でつないで使用する。このため、通常ガース溶接と称する現地溶接はシーム溶接と交差する部分がある。ガース溶接は縦向き、上向き溶接があり、低入熱溶接となる。母材は低炭素当量化され、低入熱溶接に対する対策がとられているが、シーム溶接金属も、低入熱溶接対策がなければ、熱影響部が著しく硬化し、靱性が低下するあるいは割れが発生する等の問題が生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高張力鋼溶接に関して多くの提案があるが、ラインパイプのシーム溶接のように母材希釈率が大きい溶接では母材成分を考慮して、溶接材料、溶接条件の適正な組合せが必要である。本発明は高母材希釈率で、母材の選択と溶接材料の適正な組合せで、強度、低温割れ、高温割れ、靱性の問題のない、かつ、現地溶接でも問題のない、母材０．２％耐力６９０ＭＰａを超えるラインパイプ用のシーム溶接方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような事情に鑑み本発明は、Ｃ：０．０４〜０．０９％、Ｍｎ：１．４〜２．５％、Ｎｉ：０．３〜２．１％、Ｃｕ：０．２〜１．２％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：０．１〜２．０％を含む０．２％耐力６９０ＭＰａ以上のラインパイプ用鋼管のシーム溶接において、Ｆｅを主成分として、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．２〜２．４％、Ｎｉ：４．０〜６．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．０〜５．０％を含む溶接ワイヤと焼成型フラックスを使用して、溶接速度１〜３ｍ／ｍｉｎ、入熱２．７〜４．７ｋＪ／ｍｍで溶接することを特徴とするサブマージアーク溶接方法にある。また、上記ラインパイプ用鋼管のシーム溶接において、Ｆｅを主成分として、Ｃ：０．０１〜０．１２％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：１．４〜２．４％、Ｎｉ：４．０〜６．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．０〜５．０％を含む溶接ワイヤと溶融型フラックスを使用して、溶接速度１〜３ｍ／ｍｉｎ、入熱２．７〜４．７ｋＪ／ｍｍで溶接することを特徴とする
サブマージアーク溶接方法にある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
高張力鋼は低温割れ、高温割れ感受性が高くなる。特に、０．２％耐力が６９０ＭＰａ以上になると割れ感受性が増大する。そこで、本発明は降伏強さ６９０ＭＰａ以上とし、この中で、低温割れ防止、あるいは経済的な面から極力低炭素当量化した。Ｃは焼き入れ性を高め、高強度の確保には有効な元素であるが、熱影響部の硬化を促進することから低いことが望まれる。そこで、Ｃ：０．０４〜０．０９％とした。０．０４％未満では強度の確保が難しく、０．０９％を超えると小入熱の場合の熱影響部が硬くなり、靱性が低下すると共に、低温割れが発生しやい。
【００１０】
Ｍｎも焼き入れ性を高める成分で、１．４％未満では強度確保が難しく、１．４〜２．５％とした。Ｎｉは焼き入れ性と共に靱性の確保に好ましく、０．３〜２．１％とした。Ｃｕも強度確保の成分で、０．２〜１．２％とした。Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖも焼き入れ性を高め、強度確保の成分で、１種または複数併用する。その量はＣあるいはＭｎとのバランスで決まるが、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計が０．１％未満では高強度の確保が難しく、０．１〜２．０％とした。これら成分の上限はいずれも低炭素当量化の点で決めた。
【００１１】
その他成分として、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂの１種あるいは複数種が強度調整や、鋼中の窒素、酸素制御に使用される。またＢも焼き入れ性の調整に０．００３％以下使用される。Ｐ、Ｓ、Ｎ、Ｏ等は低いことが望ましい。
【００１２】
Ｕ形からＯ形に成形した後の仮付け溶接は通常ガスシールドアーク溶接が使用される。これもシーム溶接で再溶融されるため、溶接金属の強度、靱性に影響するので、これを考慮する必要がある。仮付け強度、低温割れ、高温割れの点から低降伏強さ、高引張強度の溶接が好ましい。
【００１３】
シーム溶接用ＳＡＷのフラックスは大別すると焼成型フラックスと溶融型フラックスがあるが、焼成型フラックスは合金材が添加でき拡散性水素量が低い利点があり、粒が粉化しやすい欠点がある。一方、溶融型フラックスはガラス粉状フラックスで、粒強度が強く、吸湿しにくい利点があり、拡散性水素量がやや高い欠点がある。高張力鋼は低温割れ防止の点からは焼成型フラックスが好ましいが、溶融型フラックスも使用できる。焼成型フラックスで合金元素を添加する場合は当然その寄与率分だけワイヤあるいは母材の合金材を減らすことができる。また、高強度になるほど溶接金属の酸素量が靱性に影響を及ぼすため、高塩基度組成が好ましい。
【００１４】
溶接ワイヤは前述の母材成分との関係でＣ：０．０１〜０．１２％とした。０．０１％より少ないと、強度が確保できない。一方０．１２％を超えるＣはシーム溶接とガース溶接の交差する部分の硬さが硬くなる、あるいは靱性が低下する、低温割れが発生しやすいなどの問題がある。
【００１５】
Ｍｎは１．２％より少ないと強度確保が困難であり、２．４％を超えるとワイヤの製造、いわゆる伸線が困難になる。Ｎｉは溶接金属の靱性向上に有効な成分で４．０％より少ないと溶接金属の靱性が低い、しかし、６．５％を超えるようになると、０．２％耐力の低下がある。Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計は４．０〜５．０％とした。これも焼き入れ性成分で４．０％未満の少ない量では溶接金属の強度確保が困難で、５．０％を超えると強度過剰で靱性が低下する。
【００１６】
その他Ｐ、Ｓの不純物は極力少ないことが望ましく、Ｂは強度確保に添加することも可能である。また、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ等が脱酸を目的に使用される。特にＳｉは溶融型フラックスか、焼成型フラックスかによって異なり、焼成型フラックスはＳｉの歩留まりが高いことから、焼成型フラックスと組み合わせるワイヤのＳｉを０．３％以下とし、溶融型フラックスとの組合せワイヤはＳｉ：０．４％以下とした。
【００１７】
なお、溶接は単電極だけでなく、複数電極での溶接も可能である。複数電極で溶接の場合は各種ワイヤの組合せが可能であり、個々のワイヤが上記成分の範囲にある必要はなく、それぞれのワイヤ成分と消費量からの平均成分が上記成分範囲にあればよい。
【００１８】
溶接条件、特に溶接速度、溶接入熱によって母材希釈率が異なり、溶接金属成分、材質が変化する。入熱が高くなると一般的に母材希釈率が高くなる。しかし速度が遅い条件では入熱を高くしても母材希釈率は高くならない。両面を１パス溶接で充分な溶込みを確保するには入熱の増加と共に溶接速度をある速度以上にする必要がある。従って、本発明は溶接速度を１〜３ｍ／ｍｉｎとした。１ｍ／ｍｉｎ未満の速度はラインパイプのシーム溶接としては非能率で、本発明外とした。３ｍ／ｍｉｎを超える高速溶接はビード形状が安定しない。入熱は２．７〜４．７ｋＪ／ｍｍとした。２．７ｋＪ／ｍｍ未満の小さい入熱も溶込みが不十分でラインパイプのシーム溶接としては不適切な条件である。５ｋＪ／ｍｍを超える大きい入熱は熱影響部の軟化が大きく、靱性も低下する。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例で本発明を具体的に説明する。表１に鋼板組成の実施例の概要を、表２にワイヤとフラックスの実施例の概要を、表３にシーム溶接条件の実施例の概要を示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
【表２】
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【００２２】
【表３】
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【００２３】
表１に示す実施例１〜５は２０ｍｍ厚の鋼板を製造し、これを表２の実施例１に示すワイヤと焼成型フラックスを使用し、表３の実施例１に示す溶接条件で溶接した。さらに、この溶接ビードに交差するように、現地溶接を仮定し、入熱０．４ｋＪ／ｍｍで２０％ＣＯ2 −Ａｒガスシールドアーク溶接をおこなった。その後、ビード形状、欠陥の有無、硬さ分布、シャルピー衝撃値等を調査し、評価した。
【００２４】
実施例１は本発明例でＣ：０．０８％、Ｍｎ：１．７％、Ｃｕ：０．８％、Ｎｉ：１．２％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：１．２％で０．２％耐力８８０ＭＰａの超高強度鋼を、ワイヤＣ：０．１％、Ｓｉ：０．０５％、Ｍｎ：１．７％、Ｎｉ：５．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．０％と焼成型フラックスを使用し、溶接速度１．２ｍ／ｍｉｎ、入熱３．５ｋＪ／ｍｍの両面１パス溶接した。ビード形状、材質とも問題のない良好な溶接ができた。ガース溶接でも問題のない良好な材質が得られた。
【００２５】
実施例２も本発明例で実施例１に比較し、Ｃ：０．０９％、Ｎｉ：２％が高めで、Ｍｎ：１．４％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：０．１５％が低めの鋼板であるが、これも実施例１と同様に良好な溶接ができ、材質も問題のないものであった。実施例３も本発明例でＣ：０．０５％で、Ｍｎ：２．０％、Ｃｕ：１．２％、Ｎｉ：０．３％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：２．０％の鋼板で０．２％耐力が７５０ＭＰａあったが良好な溶接ができ、材質も良好であった。
【００２６】
実施例４は比較例でＣ：０．０３％、Ｍｎ：１．３％、Ｃｕ：１．３％、Ｎｉ：１．０％、Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ：２．２％鋼を試験した。鋼板の０．２％耐力が６６０ＭＰａと低く、溶接後の熱影響部の軟化が顕著であった。実施例５も比較例でＣ：０．１１％、Ｍｎ：２．６％、Ｃｕ：０．１％、Ｎｉ：２．２％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：０．０５％で鋼を試験した。良好な鋼板であったが、溶接後の熱影響部の硬化が顕著で、低温割れの危険が推定された。
【００２７】
表２の実施例１と６、８〜１０はワイヤとフラックスの実施例である。径４ｍｍのワイヤを製造し、表１の実施例１に示す鋼板を使用し、表３の実施例１に示す条件で溶接した。さらに、この溶接ビードに交差するように、入熱０．４ｋＪ／ｍｍで２０％ＣＯ2 −Ａｒガスシールド溶接をおこなった。その後、ビード形状、欠陥の有無、硬さ分布、シャルピー衝撃値等を調査し評価した。
【００２８】
実施例６は本発明例でＣ：０．０１％、Ｓｉ：０．３％、Ｍｎ：２．４％、Ｎｉ：６．０％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．５％のワイヤと焼成型フラックスを使用し、溶接速度１．２ｍ／ｍｉｎ、入熱３．５ｋＪ／ｍｍの両面１パス溶接した。良好な溶接ができ、材質も良好であった。
【００２９】
実施例８も本発明例でＣ：０．０８％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：１．７％、Ｎｉ：５．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：４．０％のワイヤと溶融型フラックスを使用した。これも良好な溶接ができ、材質も良好であった。
【００３０】
実施例９は比較例でＣ：０．００５％、Ｓｉ：０．４％、Ｍｎ：１．２％、Ｎｉ：７．０％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：５．５％のワイヤと焼成型フラックスを使用した。これはＣが低く溶接金属強度が低めであると共にＮｉが過剰のため０．２％耐力が低く、耐力の要求されるラインパイプの溶接としては不適であった。
【００３１】
実施例１０も比較例でＣ：０．１４％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：２．７％、Ｎｉ：３．５％、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶのうちの１種以上の合計：２．５％のワイヤと溶融型フラックスを使用した。これはＣが高く、ガース溶接したクロス溶接部の硬さが周辺硬さに比較して著しく高く、ラインパイプの溶接としては不適であった。
【００３２】
表３に示す実施例１，１１〜１４はシーム溶接条件の実施例である。表１の実施例１に示す成分の鋼板と表２の実施例１に示すワイヤとフラックスを使用した。
【００３３】
実施例１１は本発明例で板厚２０ｍｍ、４電極で溶接速度２ｍ／ｍｉｎ、入熱３．２ｋＪ／ｍｍで両面１パス溶接をした。実施例１と同様に良好な溶接ができ、材質も良好であった。実施例１２も本発明例で板厚２８ｍｍで、４電極で溶接速度２．５ｍ／ｍｉｎ、入熱４．５ｋＪ／ｍｍで両面１パス溶接をした。板厚が厚い分入熱を高くして溶接したが、実施例１と同様に良好な溶接ができ、材質も良好であった。
【００３４】
実施例１３は比較例で板厚２０ｍｍで、２電極で溶接速度０．９ｍ／ｍｉｎ、入熱５ｋＪ／ｍｍで両面１パス溶接をした。入熱の高い余盛過剰の条件で溶接したが、溶込み不良であると共に、母材熱影響部の軟化が大きく、品質に問題のある溶接であった。実施例１４も比較例で板厚１６ｍｍで、３電極で溶接速度３．２ｍ／ｍｉｎ、入熱２．５ｋＪ／ｍｍで両面１パス溶接をした。ビードにアンダーカットが発生する等ビード形状に問題のある溶接であった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は超高強度ラインパイプのシーム溶接を対象としている。ラインパイプの溶接は両面１パス等の高能率溶接が要求されており、母材成分と溶接材料の適正な組合せが重要である。本発明によれば従来の低強度のラインパイプの製造に遜色のない能率で、高品質の溶接が可能であり、ガス輸送の低コスト化、安全性の向上に大きく貢献できるものである。