(57)【要約】【課題】Ｂ含有量が１０ｐｐｍ以上である鋼材の溶接方法を提供する。【解決手段】Ｂ含有量ＢM［ｐｐｍ］が１０〜５０ｐｐｍであり、かつ、Ｎ含有量ＮM［ｐｐｍ］が１０〜８０ｐｐｍである鋼材を、Ｎ２含有量体積比ＮG［ｖｏｌ．％］が下記(１)式を満足するシールドガスを用いて、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、鋼材の溶接方法。０．８〔ＮM＋３．８×λ×ＤN×(３０×ＮG−ＮM）／３〕≧ＢM・・・（１）。ここで、ＤNはＮの拡散係数［ｍｍ2／ｓｅｃ］、λは前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｂ含有量ＢＭ［ｐｐｍ］が１０〜５０ｐｐｍであり、かつ、Ｎ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］が１０〜８０ｐｐｍである鋼材を、
Ｎ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が下記（１）式を満足するシールドガスを用いて、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、鋼材の溶接方法。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）／３｝≧ＢＭ    ・・・  （１）
ここで、ＤＮはＮの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、λは前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。
【請求項２】
更に、前記鋼材を、
フラックスコアードアーク溶接、タングステン−不活性ガス溶接、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかのガスシールドアーク溶接方法によって、溶接材料のＮ含有量ＮＷ［ｐｐｍ］及びＢ含有量ＢＷ［ｐｐｍ］と、シールドガスのＮ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が、
前記式（１）に代えて下記式（２）を満足する条件で、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、請求項１に記載の鋼材の溶接方法。
０．８×〔ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ）／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３  ・・・  （２）
ここで、Ｘは、溶接方法に応じて選択される変数であり、溶接方法がフラックスコアードアーク溶接の場合は０．９５、タングステン−不活性ガス溶接の場合は０．９８、２電極エレクトロガスアーク溶接の場合は１．００である。
【請求項３】
更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（１）に代えて下記式（３）を満足するシールドガスを用いて接合する、請求項１に記載の鋼材の溶接方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝］／３〕
≧ＢＭ  ・・・  （３）
【請求項４】
更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（２）に代えて下記式（４）を満足する溶接材料及びシールドガスを用いて接合する、請求項２に記載の鋼材の溶接方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝］／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３    ・・・  （４）
【請求項５】
前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量λが４ｋＪ／ｍｍ以上である、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の鋼材の溶接方法。
【請求項６】
質量比で、Ｂ含有量ＢＭ［ｐｐｍ］が１０〜５０ｐｐｍであり、かつ、Ｎ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］が１０〜８０ｐｐｍである鋼材を、
Ｎ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が下記（１）式を満足するシールドガスを用いて、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、溶接継手の製造方法。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）／３｝≧ＢＭ    ・・・  （１）
ここで、ＤＮはＮの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、λは前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。
【請求項７】
更に、前記鋼材を、
フラックスコアードアーク溶接、タングステン−不活性ガス溶接、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかのガスシールドアーク溶接方法によって、溶接材料のＮ含有量ＮＷ［ｐｐｍ］及びＢ含有量ＢＷ［ｐｐｍ］と、シールドガスのＮ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が、
前記式（１）に代えて下記式（２）を満足する条件で、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、請求項６に記載の溶接継手の製造方法。
０．８×〔ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ）／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３  ・・・  （２）
ここで、Ｘは、溶接方法に応じて選択される変数であり、溶接方法がフラックスコアードアーク溶接の場合は０．９５、タングステン−不活性ガス溶接の場合は０．９８、２電極エレクトロガスアーク溶接の場合は１．００である。
【請求項８】
更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（１）に代えて下記式（３）を満足するシールドガスを用いて接合する、請求項６に記載の溶接継手の製造方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝］／３〕
≧ＢＭ  ・・・  （３）
【請求項９】
更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（２）に代えて下記式（４）を満足する溶接材料及びシールドガスを用いて接合する、請求項７に記載の溶接継手の製造方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝］／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３    ・・・  （４）
【請求項１０】
前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量λが４ｋＪ／ｍｍ以上である、請求項６〜請求項９の何れか１項に記載の溶接継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の溶接方法及び溶接継手の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｂ（ボロン）は、鋼中での存在状態によって鋼材の特性に及ぼす影響が変化する元素である。例えば、Ｂが鋼中に固溶している場合は焼入れ性を顕著に高め、強度の向上に寄与する。また、ＢＮ（窒化ボロン）は、フェライトの生成核となり、溶接熱影響部（Ｈｅａｔ  Ａｆｆｅｃｔｅｄ  Ｚｏｎｅ：ＨＡＺ）の結晶粒を微細化し、鋼材の靭性の向上に寄与する。
【０００３】
したがって、鋼材を溶接する場合、母材ではＢが鋼中に固溶していることが望ましく、一方、ＨＡＺではＢＮが生成することが望ましい。このような溶接継手を得るために、従来、溶接金属に含有させたＢをＨＡＺに拡散させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、参照）。
【０００４】
ところで、溶接金属の強度を時効効果によって高めるため、窒素ガスを含有するシールドガスを用いて溶接を行う溶接方法が提案されている（例えば、特許文献２、参照）。しかし、特許文献２の鋼材は、Ｂを含有するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１３８３３９号公報
【特許文献２】特開昭５５−２４７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、母材のＢ含有量を１０ｐｐｍ以下としているが、Ｂ含有量が少ない場合は、存在状態が変化しやすい。強度を安定して高めるためには、鋼材のＢ含有量を１０ｐｐｍ以上とすることが望ましい。また、鋼材の焼入れ性を高めるにはＢを鋼中に固溶させることが必要であり、一方、ＨＡＺではフェライト変態核となるＢＮを形成させることが望ましい。本発明は、このような実情に鑑み、Ｂ含有量が１０ｐｐｍ以上である鋼材の溶接方法の提供を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
溶接金属にはシールドガスに含まれるＮが溶解し、ＨＡＺには母材と溶接金属とに含まれるＢ及びＮが相互に拡散する。そこで、本発明者らは、鋼材及びＨＡＺにおけるＢの存在状態に大きく影響を及ぼすＮを、シールドガスから供給する溶接方法を指向した。本発明の要旨は以下のとおりである。
【０００８】
［１］質量比で、Ｂ含有量ＢＭ［ｐｐｍ］が１０〜５０ｐｐｍであり、かつ、Ｎ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］が１０〜８０ｐｐｍである鋼材を、
Ｎ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が下記（１）式を満足するシールドガスを用いて、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、鋼材の溶接方法。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）｝／３≧ＢＭ    ・・・  （１）
ここで、ＤＮはＮの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、λは前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。
［２］更に、前記鋼材を、
フラックスコアードアーク溶接、タングステン−不活性ガス溶接、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかのガスシールドアーク溶接方法によって、溶接材料のＮ含有量ＮＷ［ｐｐｍ］及びＢ含有量ＢＷ［ｐｐｍ］と、シールドガスのＮ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が、
前記式（１）に代えて下記式（２）を満足する条件で、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、上記［１］に記載の鋼材の溶接方法。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ）／３｝
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３  ・・・  （２）
ここで、Ｘは、溶接方法に応じて選択される変数であり、溶接方法がフラックスコアードアーク溶接の場合は０．９５、タングステン−不活性ガス溶接の場合は０．９８、２電極エレクトロガスアーク溶接の場合は１．００である。
［３］更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（１）に代えて下記式（３）を満足するシールドガスを用いて接合する、上記［１］に記載の鋼材の溶接方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝〕／３〕
≧ＢＭ  ・・・  （３）
［４］更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（２）に代えて下記式（４）を満足する溶接材料及びシールドガスを用いて接合する、上記［２］に記載の鋼材の溶接方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝〕／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３    ・・・  （４）
［５］前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量λが４ｋＪ／ｍｍ以上である、上記［１］〜［４］の何れかに記載の鋼材の溶接方法。
［６］質量比で、Ｂ含有量ＢＭ［ｐｐｍ］が１０〜５０ｐｐｍであり、かつ、Ｎ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］が１０〜８０ｐｐｍである鋼材を、
Ｎ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が下記（１）式を満足するシールドガスを用いて、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、溶接継手の製造方法。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）／３｝≧ＢＭ・・・（１）
ここで、ＤＮはＮの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、λは前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。
［７］更に、前記鋼材を、
フラックスコアードアーク溶接、タングステン−不活性ガス溶接、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかのガスシールドアーク溶接方法によって、溶接材料のＮ含有量ＮＷ［ｐｐｍ］及びＢ含有量ＢＷ［ｐｐｍ］と、シールドガスのＮ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］が、
前記式（１）に代えて下記式（２）を満足する条件で、ガスシールドアーク溶接方法によって接合する、上記［６］に記載の溶接継手の製造方法。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ）／３｝
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３  ・・・  （２）
ここで、Ｘは、溶接方法に応じて選択される変数であり、溶接方法がフラックスコアードアーク溶接の場合は０．９５、タングステン−不活性ガス溶接の場合は０．９８、２電極エレクトロガスアーク溶接の場合は１．００である。
［８］更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（１）に代えて下記式（３）を満足するシールドガスを用いて接合する、上記［６］に記載の溶接継手の製造方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝〕／３〕
≧ＢＭ  ・・・  （３）
［９］更に、前記鋼材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、
前記式（２）に代えて下記式（４）を満足する溶接材料及びシールドガスを用いて接合する、上記［７］に記載の溶接継手の製造方法。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝〕／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３    ・・・  （４）
［１０］前記ガスシールドアーク溶接方法の入熱量λが４ｋＪ／ｍｍ以上である、上記［６］〜［９］の何れかに記載の溶接継手の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、Ｂ含有量が１０ｐｐｍ以上である鋼材のＨＡＺ靭性を向上させる溶接方法を提供することができる。したがって、本発明は産業上の貢献が極めて顕著である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。まず、溶接に使用される鋼材、すなわち、母材について説明する。なお、鋼材及び溶接材料に含まれる成分の含有量の単位［ｐｐｍ］は質量比である。
【００１１】
本発明が対象とする鋼材は、１０ｐｐｍ以上のＢを含有する鋼材である。一般の溶接構造物に適用される鋼板の厚さは６．０ｍｍ以上であることが多く、本発明を適用する場合は、鋼材の板厚が６．０ｍｍ以上であることが好ましい。板厚が６．０ｍｍ以下の鋼材にも適用可能であるが、ガスシールドアーク溶接以外の手法で接合される場合は、本発明の対象外である。また、１０ｐｐｍ以上のＢを含有する鋼材の引張強さは、５１０ＭＰａ以上であることが多い。ただし、引張強さが５１０ＭＰａ以下であっても、１０ｐｐｍ以上のＢを含有する鋼材に本発明を適用してもよい。
【００１２】
鋼材のＢ含有量ＢＭ［ｐｐｍ］は１０〜５０ｐｐｍとする。Ｂは固溶状態で鋼の強度を増加させる元素であり、所望の強度上昇効果を得るためには１０ｐｐｍ以上含有することが望ましい。一方で、５０ｐｐｍを超える含有は、強度上昇効果が飽和する一方で、靱性の低下が著しくなる。このため、Ｂは１０〜５０ｐｐｍの範囲とする。
【００１３】
鋼材のＮ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］は１０〜８０ｐｐｍとする。Ｎ（窒素）は不純物であり、通常の製鋼プロセスでは鋼材のＮ含有量ＮＭを１０ｐｐｍ未満に低下させることが難しい。一方、鋼材Ｎ含有量ＮＭが８０ｐｐｍを超えると、鋼の鋳造時にスラブ割れを引き起こす原因となる。製造コストの観点から、ＮＭは２０ｐｐｍ以上であってもよい。鋼材の靭性などの特性を考慮すると、ＮＭを６０ｐｐｍ以下とするのが好ましい。
【００１４】
Ｔｉ、Ｏを含有する鋼材では、Ｔｉは平衡状態でＴｉ２Ｏ３を形成し、残ったＴｉがＴｉＮを形成する。ＴｉＮを形成せずに残ったＮがＢＮを形成することになるので、ＢＮを形成するために必要とされる固溶Ｎ量を考慮することが好ましい。固溶Ｎ量は、原子量を考慮するとＴｉ２Ｏ３を形成するＯの体積分率がＴｉの体積分率の２倍であることから、鋼材のＮ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］、Ｔｉ含有量ＴｉＭ［ｐｐｍ］、Ｏ含有量ＯＭ［ｐｐｍ］によって、
｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
で求められる。
【００１５】
鋼材に含まれる、Ｂ、Ｎ以外の成分組成は特に制限されないが、本発明は、金属組織が、フェライト、マルテンサイト、ベイナイト、パーライトなどを主体とするフェライト系鋼材に対して特に有効である。フェライト系鋼材は、フェライト、マルテンサイト、ベイナイト、パーライトの１種又は２種以上の合計の面積率が５０％超である鋼材と定義される。また、ステンレス鋼はＮの固溶量を増加させるＣｒを多量に含むため、本発明はＣｒ含有量が９質量％以下のフェライト系鋼材に対して極めて有効である。
【００１６】
鋼材に含まれる、Ｂ、Ｎ以外の成分組成は、例えば、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５％、Ｓｉ：０．０４〜０．２０％、Ｍｎ：０．６〜２．０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００５％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる成分組成であることが好ましい。不純物であるＯ（酸素）の含有量は５０ｐｐｍ以下が好ましい。さらに、Ｃｕ：０．５％以下、Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｒ：１．０％以下、Ｍｏ：０．５％以下、Ｖ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０２０％以下、Ｔｉ：０．０５％（５００ｐｐｍ）以下、Ａｌ：０．１％以下の１種又は２種以上を含有させてもよい。
【００１７】
鋼材の製造方法も特に制限されないが、例えば、常法で鋼を溶製し、成分の調整後、鋳造して得られた鋳片を熱間圧延して製造することができる。熱間圧延後は、そのまま水冷するか、又は空冷した後、再加熱して焼入れてもよい。熱間圧延後、冷間圧延して、更に熱処理を施してもよい。
【００１８】
鋼を溶製し、鋳造した後、そのまま熱間圧延を行ってもよいが、鋼片を、一旦、室温まで冷却し、Ａｃ３以上の温度に再加熱して、熱間圧延を行ってもよい。Ａｃ３は鋼の組織がオーステナイトになる温度である。熱間圧延の加熱温度は、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１０５０℃以上とする。一方、加熱温度の上限は、組織の粗大化を防止するため、１２００℃、より好ましくは１１５０℃とする。
【００１９】
熱間圧延は、フェライト変態が開始する温度であるＡｒ３以上で終了することが好ましい。Ａｃ３及びＡｒ３は、鋼片から試験片を採取し、加熱時及び冷却時の熱膨張挙動から求めることができる。熱間圧延後、そのまま水冷する場合は、２５０℃以下の温度まで焼入れる。熱間圧延後、空冷してＡｃ３以上の温度に再加熱し、焼入れを行ってもよい。
【００２０】
熱間圧延は、鋼板の表面温度が８５０〜９５０℃の温度域における累積圧下率を３０％以上とし、表面温度が８４０℃以下の温度域における累積圧下率を３０〜８０％として行うことが好ましい。また、圧延終了温度は、鋼板の表面温度で７００〜８２０℃が好ましい。熱間圧延を施した後、鋼板の表面温度で３００〜７００℃の温度域における平均冷却速度を５℃／以上とする加速冷却を施してもよい。
【００２１】
次に、溶接方法について説明する。溶接方法は、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、タングステン−不活性ガス溶接（ＴＩＧ）、２電極エレクトロガスアーク溶接（ＥＧＷ）の何れかのガスシールドアーク溶接方法とする。本発明では、溶接金属の成分制御が重要であり、溶接方法を、溶接棒又は溶接ワイヤとシールドガスの成分を用いて溶接金属の成分が制御可能であるガスシールドアーク溶接方法とする。
【００２２】
次に、シールドガスについて説明する。シールドガスの主成分には、一般的なガスシールドアーク溶接で用いられるＣＯ２や、Ａｒ、Ｈｅを用いることが好ましいが、その他特別な不活性ガスや、それらの混合ガスを用いることもできる。加えて、シールドガスには含有体積比で２〜６ｖｏｌ．％のＮ２を含ませることが好適である。ガスの混合方法は、ガスボンベ内であらかじめ混合しておくことが好ましいが、ガス混合機を用いて混合することもできる。溶接時のシールドガスは、一般的な溶接方法と同様に溶接トーチから溶接部周辺へガスを供給する方法が好ましい。
【００２３】
本発明の鋼材の溶接方法は、シールドガスに含まれるＮ２を利用して、ＨＡＺにＢＮを形成するものである。溶接材料に含まれるＢ量及びＮ量を考慮しない場合は、母材のＢ含有量ＢＭ［ｐｐｍ］及びＮ含有量ＮＭ［ｐｐｍ］と、シールドガスのＮ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］とが、下記式（１）を満足することが必要である。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）／３｝≧    ＢＭ・・・  （１）
ここで、ＤＮはＮの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、λは入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。
【００２４】
式（１）について説明する。左辺は、溶接材料からの拡散を考慮した溶接後のＨＡＺのＮ量に、Ｂの原子量とＮの原子量との比（１０．８／１４＝０．８）を掛けたものである。一方、右辺は溶接材料からの拡散を考慮した溶接後のＨＡＺのＢ量を示している。溶接金属のＢが母材のＢと同程度以下である場合、ＨＡＺのＢは増加しないと考えられる。このとき、ＨＡＺのＢ量は最大でも鋼材のＢ含有量と同程度となるため、式（１）の右辺をＢＭ［ｐｐｍ］としている。したがって、式（１）を満足すると、溶接後のＨＡＺでＢを固定するために必要とされるＮ量が、溶接後のＨＡＺのＢ量以上となり、ＨＡＺではＢがＢＮを形成し、固定される。なお、母材は溶接継手の熱影響を受けていない部分であり、溶接金属は溶融した溶接材料が凝固して形成された部分である。
【００２５】
ＨＡＺのＮ量は、母材と溶接金属間の相互拡散によって決定され、相互拡散は母材と溶接金属とのＮ濃度差とＮの拡散係数、及び拡散時間で決定される。シールドガスに含まれるＮ２は、一旦、溶接金属に固溶し、溶接金属と母材との間で相互拡散が生じると考えられる。また、溶接材料に含まれるＮ量が少ない場合は、溶接金属からＨＡＺに供給されるＮ量が、シールドガスから溶接金属に溶解するＮ量で決定されると仮定する。
【００２６】
本発明者らは、実験値との対応から、シールドガスから溶接金属に供給されるＮ量が、シールドガスのＮ２含有量体積比ＮＧ［ｖｏｌ．％］によって、
３０×ＮＧ［ｖｏｌ．％］
で表されることを見出した。これは、Ｎ２濃度が異なるシールドガスを使用して溶接を行い、シールドガスから溶接金属に供給されるＮ量［ｐｐｍ］とシールドガスのＮ２含有量体積比［ｖｏｌ．％］とが比例関係にあり、その傾きが３０であったという知見に基づいており、上記の項の単位は［ｐｐｍ］である。
【００２７】
したがって、母材と溶接金属のＮ濃度差は
３０×ＮＧ［ｖｏｌ．％］−ＮＭ［ｐｐｍ］
で表され、上式の単位は、全体として［ｐｐｍ］となる。
【００２８】
次に、拡散時間はＢＮの析出が必要となる１０００℃以上で保持された場合、入熱量λ［ｋＪ／ｍｍ］とＨＡＺの温度−時間履歴の関係から、３．８×λで表される。母材と溶接金属との間の相互拡散は拡散時間とＮの拡散係数、及び母材と溶接金属のＮ濃度差で決定されることから、
３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）／３
で表される。これは、Ｎの含有量が異なる鋼材を使用して相互拡散量を測定した試験結果に基づいて求めた式である。ＤＮ、ＮＧ、ＮＭ、λを変数としてフィッティングを行って係数を決定しており、上式は全体として母材と溶接金属との間を相互拡散したＮ量となり、単位は［ｐｐｍ］である。
【００２９】
溶接後のＨＡＺのＮ量は、母材のＮ量と、母材と溶接金属との間で相互拡散したＮ量との合計である。したがって、
ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ−ＮＭ）／３
となる。これに、Ｂの原子量とＮの原子量との比、すなわち０．８を掛けると、ＢＮを形成するＮ量を示す、上式（１）の左辺が導出される。式（１）の右辺は、鋼材のＢ含有量（ＨＡＺのＢ量の最大値）ＢＭ［ｐｐｍ］であり、上式（１）は、溶接後のＨＡＺでＢＮを形成するＮ量が、ＨＡＺのＢ量以上であることを意味している。
【００３０】
溶接材料に含まれるＢ及びＮが溶接金属からＨＡＺに拡散し、ＨＡＺにおけるＢＮの形成に影響を及ぼす場合は、上式（１）に加えてＮ含有量ＮＷ［ｐｐｍ］及びＢ含有量ＢＷ［ｐｐｍ］の影響を考慮する必要がある。この場合は、上式（１）式に代えて下記式（２）を満足することが必要である。
０．８×｛ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ）／３｝
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３  ・・・  （２）
式（１）と同様、ＤＮはＮの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、ＤＢはＢの拡散係数［ｍｍ２／ｓｅｃ］、λは入熱量［ｋＪ／ｍｍ］である。また、Ｘは、溶接方法に応じて選択される変数であり、溶接方法がフラックスコアードアーク溶接の場合は０．９５、ＴＩＧの場合は０．９８、２電極エレクトロガスアーク溶接の場合は１．００である。
【００３１】
上式（２）は式（１）と同様、溶接後のＨＡＺのＮ量を示す左辺と、溶接後のＨＡＺのＢ量を示す右辺とからなる。溶接金属は溶融した溶接材料が凝固して形成された部分であり、溶接材料に含まれる成分の含有量に対し、溶接金属の成分の含有量は、スラグアウトなどによって減少する。そして、成分の含有量の減少の割合は、溶接方法によって一定であることが知られており、Ｘで表す。Ｘは、溶接方法がフラックスコアードアーク溶接の場合は０．９５、タングステン−不活性ガス溶接の場合は０．９８、２電極エレクトロガスアーク溶接の場合は１．００である。
【００３２】
ＨＡＺのＮ量は、母材と溶接金属間の相互拡散によって決定され、相互拡散は母材と溶接金属とのＮ濃度差とＮの拡散係数、及び拡散時間で決定される。母材のＮ量は鋼材のＮ含有量と同じであるが、溶接金属のＮ量は溶接の影響を受けるため、溶接材料のＮ含有量のＸ倍に減少する。また、シールドガスに含まれるＮ２は、一旦、溶接金属に固溶するので、溶接金属に含まれるＮ量は、
３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ
となり、母材と溶接金属のＮ濃度差は
３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ
で表され、上式の単位は、全体として［ｐｐｍ］となる。
【００３３】
溶接後のＨＡＺのＮ量は、母材のＮ量と、母材と溶接金属との間で相互拡散したＮ量との合計であり、式（１）の
３０×ＮＧ−ＮＭ
を上記の母材と溶接金属のＮ濃度差に代えて、
ＮＭ＋３．８×λ×ＤＮ×（３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−ＮＭ）／３
となる。これに、Ｂの原子量とＮの原子量との比、すなわち０．８を掛けると、ＢＮを形成するＮ量を示す、式（２）の左辺が導出される。
【００３４】
ＨＡＺのＢ量は、母材と溶接金属間の相互拡散によって決定され、相互拡散は母材と溶接金属とのＢ濃度差とＢの拡散係数、及び拡散時間で決定される。母材のＢ量は鋼材のＢ含有量と同じであるが、溶接金属のＢ量は溶接の影響を受けるため、溶接材料のＢ含有量のＸ倍に減少する。したがって、溶接金属に含まれるＢ量は、ＢＷ×Ｘである。
【００３５】
母材と溶接金属との間の相互拡散は、拡散時間とＢの拡散係数、及び母材と溶接金属のＢ濃度差で決定されることから、
３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３
で表される。これは、Ｂの含有量が異なる鋼材を使用して相互拡散量を測定した試験結果に基づいて求めた式である。ＤＢ、ＢＷ、ＢＭ、λを変数としてフィッティングを行って係数を決定しており、上式は全体として母材と溶接金属との間を相互拡散したＢ量となり、単位は［ｐｐｍ］である。
【００３６】
溶接後のＨＡＺのＢ量は、母材のＢ量と、母材と溶接金属との間で相互拡散したＢ量との合計である。したがって、
ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３
となり、式（２）の右辺が導出される。式（２）は、式（１）と同様、溶接後のＨＡＺでＢＮを形成するＮ量が、ＨＡＺのＢ量以上であることを意味している。
【００３７】
溶接材料のＮ含有量ＮＷ［ｐｐｍ］は２０ｐｐｍ以下に制限することが好ましい。Ｎは不純物であり、溶接材料に過剰に含まれる場合、溶接金属の靭性を低下させる原因となる。シールドガスから供給されるＮ量と合わせて溶接金属のＮ含有量が２００ｐｐｍ以上とならないよう、好ましくは溶接材料のＮ含有量を１０ｐｐｍ以下とする。
【００３８】
溶接材料のＢ含有量ＢＷ［ｐｐｍ］は１５ｐｐｍ以下に制限することが好ましく、望ましくは１０ｐｐｍ未満に制限する。ＢＷは１０〜５０ｐｐｍであってもよいが、母材と同量以下が望ましい。溶接材料のＢ含有量が多く、溶接金属から母材にボロンを拡散すると、ＨＡＺ部のＢ量が増加してしまい、必要な固溶Ｎ量が不足する原因となる場合がある。
【００３９】
母材のＴｉ含有量がＴｉＭ［ｐｐｍ］であり、かつ、Ｏ含有量がＯＭ［ｐｐｍ］であるとき、母材の固溶Ｎ量は、｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝で求められる。一方、ＨＡＺのＢ量はＴｉ、Ｏの影響をほとんど受けないので、右辺は式（１）と同じでよい。したがって、鋼材に含まれるＴｉ、Ｏの影響を考慮する場合は、前記式（１）に代えて下記式（３）を満足する溶接材料を用いて接合する。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝］／３〕
≧ＢＭ  ・・・  （３）
【００４０】
同様に、鋼材に含まれるＴｉ、Ｏの影響と、溶接材料に含まれるＮ、Ｂの影響とを考慮する場合は、前記式（２）に代えて下記式（４）を満足する溶接材料を用いて接合する。
０．８×〔｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝
＋３．８×λ×ＤＮ×〔３０×ＮＧ＋ＮＷ×Ｘ−｛ＮＭ−０．３×（ＴｉＭ−２×ＯＭ）｝］／３〕
≧ＢＭ＋３．８×λ×ＤＢ×（ＢＷ×Ｘ−ＢＭ）／３    ・・・  （４）
【００４１】
溶接材料は、溶接方法に応じて、適宜、フラックス入りワイヤ、ソリッドワイヤを選択することができる。Ｂ、Ｎ以外の溶接材料の成分組成は、特に限定されるものではなく、所望の特性に応じて、適宜、選択すればよい。
【００４２】
溶接材料に含まれる、Ｂ、Ｎ以外の成分組成は、例えば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．０１〜１．５０％、Ｍｎ：０．６〜２．５％を含有し、残部Ｆｅ及び不純物からなる成分組成であることが好ましい。さらに、Ｖ：１．０％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下、Ｎｉ：４．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ａｌ：２．０％以下の１種又は２種以上を含有させてもよい。
【００４３】
フラックスは特に制限されるものではなく、Ｔｉ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｃａ酸化物、Ｍｇ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｆｅ酸化物、その他、フッ化物、硫化物を含有させることができる。
【００４４】
ガスシールドアーク溶接の入熱量は４ｋＪ／ｍｍ以上であることが好ましい。入熱量が小さい場合、溶接金属からＨＡＺへの拡散時間が短くなることに加えて、冷却速度が速くなるため、ＢＮによる靭性向上効果が得られる鋼組織が形成されない場合がある。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
【００４６】
表１に示すＮ含有量及びＢ含有量の鋼材、並びにＮ２含有量のシールドガスを用いて、フラックスコアードアーク溶接（ＦＣＡＷ）、タングステン−不活性ガス溶接（ＴＩＧ）、２電極エレクトロガスアーク溶接（２電極ＥＧＷ）の何れかの溶接方法で溶接継手を製造した。鋼材のＮ含有量、シールドガスのＮ２含有量、入熱から、Ｎの拡散係数ＤＮ［ｍｍ２／ｓｅｃ］を０．００６５ｍｍ２／ｓｅｃとして、式（１）の左辺を計算し、右辺は鋼材のＢ含有量とした。表１の「式（１）」の「左辺≧右辺」の欄には式（１）を満足するものを○、満足しないものを×で示した。溶接継手のＨＡＺからＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠してＶノッチ試験片を採取し、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。
【００４７】
【表１】
2019010652.tif 000002
【００４８】
表１に示すように、式（１）を満足する条件で製造した溶接継手のＨＡＺの靭性は良好であり、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。一方、式（１）を満足しない条件で製造した溶接継手のＨＡＺの靭性は劣化しており、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ未満である。
（実施例２）
【００４９】
表２に示すＮ含有量及びＢ含有量の鋼材、並びに表２に示す溶接材料、並びにＮ２含有量のシールドガスを用いて、ＦＣＡＷ、ＴＩＧ、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかの溶接方法で溶接継手を製造した。鋼材、溶接材料のＮ含有量及びＢ含有量、溶接方法、入熱から、Ｎの拡散係数ＤＮ［ｍｍ２／ｓｅｃ］を０．００６５ｍｍ２／ｓｅｃ、Ｂの拡散係数ＤＢ［ｍｍ２／ｓｅｃ］を０．００５ｍｍ２／ｓｅｃとして、式（２）の左辺、右辺を計算した。表２の「式（２）」の「左辺≧右辺」の欄には式（２）を満足するものを○、満足しないものを×で示した。溶接継手のＨＡＺからＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠してＶノッチ試験片を採取し、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。
【００５０】
【表２】
2019010652.tif 000003
【００５１】
表２に示すように、式（２）を満足する条件で製造した溶接継手のＨＡＺの靭性は良好であり、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。
（実施例３）
【００５２】
表３に示すＮ含有量、Ｂ含有量、Ｔｉ含有量及びＯ含有量の鋼材、並びにＮ２含有量のシールドガスを用いて、ＦＣＡＷ、ＴＩＧ、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかの溶接方法で溶接継手を製造した。実施例１と同様に、式（３）の左辺し、右辺は鋼材のＢ含有量とした。表３の「式（３）」の「左辺≧右辺」の欄には式（３）を満足するものを○、満足しないものを×で示した。溶接継手のＨＡＺからＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠してＶノッチ試験片を採取し、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。
【００５３】
【表３】
2019010652.tif 000004
【００５４】
表３に示すように、式（３）を満足する条件で製造した溶接継手のＨＡＺの靭性は良好であり、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。
（実施例４）
【００５５】
表４に示すＮ含有量、Ｂ含有量、Ｔｉ含有量及びＯ含有量の鋼材、並びに表４に示すＮ含有量及びＢ含有量の溶接材料、並びにＮ２含有量のシールドガスを用いて、ＦＣＡＷ、ＴＩＧ、２電極エレクトロガスアーク溶接の何れかの溶接方法で溶接継手を製造した。鋼材、溶接材料のＮ含有量及びＢ含有量、溶接方法、入熱から、Ｎの拡散係数ＤＮ［ｍｍ２／ｓｅｃ］を０．００６５ｍｍ２／ｓｅｃ、Ｂの拡散係数ＤＢ［ｍｍ２／ｓｅｃ］を０．００５ｍｍ２／ｓｅｃとして、式（４）の左辺、右辺を計算した。表４の「式（４）」の「左辺≧右辺」の欄には式（４）を満足するものを○、満足しないものを×で示した。溶接継手のＨＡＺからＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に準拠してＶノッチ試験片を採取し、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーを測定した。
【００５６】
【表４】
2019010652.tif 000005
【００５７】
表４に示すように、式（４）を満足する条件で製造した溶接継手のＨＡＺの靭性は良好であり、−４０℃におけるシャルピー吸収エネルギーが１００Ｊ以上である。