(57)【要約】【課題】溶接欠陥もなく高靭性を有する溶接部を得ることができるマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料およびマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法を提案する。【解決手段】Ｃ＋Ｎ：0.02％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：0.2 〜3.0 ％、Cr：11〜15％、Ni：７％超10％以下、REM ：0.01〜0.30％、Ｏ：0.01％以下を含み、あるいはさらに、Cu：２％以下、Mo：４％以下のうちの１種または２種および／またはＶ、Tiのうちの１種または２種を合計で0.3 質量％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接材料とする。なお、さらにREM ：0.01〜0.30％を含有してもよい。この溶接材料を用いて、マルテンサイト系ステンレス鋼管の端部同士を突合せて、シールドガスを不活性ガスとするＧＴＡＷ、ＧＭＡＷにより円周溶接する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ＋Ｎ：0.02％以下、            Si：1.0 ％以下、
Mn：0.2 〜3.0 ％、              Cr：11〜15％、
Ni：７％超10％以下、            Ｏ：0.01％以下
を含み、あるいはさらに、Cu：２％以下、Mo：４％以下のうちの１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料。
【請求項２】
前記組成に加えてさらに、Ｖ、Tiのうちの１種または２種を合計で0.3 質量％以下含有する組成とすることを特徴とする請求項１に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料。
【請求項３】
前記組成に加えてさらに、REM ：0.01〜0.30質量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料。
【請求項４】
質量％で、Cr：10〜14％、Ni：1.0 〜7.0 ％を含むマルテンサイト系ステンレス鋼管の端部同士を突合せて、ガスメタルアーク溶接により円周溶接するマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法であって、前記ガスメタルアーク溶接で用いる溶接ワイヤを、質量％で、
Ｃ＋Ｎ：0.02％以下、            Si：1.0 ％以下、
Mn：0.2 〜3.0 ％、              Cr：11〜15％、
Ni：７％超10％以下、            Ｏ：0.01％以下、
を含み、さらにREM ：0.01〜0.30％を含有し、あるいはさらに、Cu：２％以下、Mo：４％以下のうちの１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接ワイヤとし、前記ガスメタルアーク溶接におけるシールドガスを純不活性ガスとすることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法。
【請求項５】
請求項４に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法を用いて溶接されてなるマルテンサイト系ステンレス鋼管溶接構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラインパイプとして好適なマルテンサイト系ステンレス鋼管のアーク溶接材料に係り、とくに溶接欠陥がなく、高靭性を有する溶接部を得ることができるアーク溶接材料およびアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生産される石油・天然ガスは、湿潤な炭酸ガスや硫化水素を含有するものが増加している。このような湿潤な炭酸ガスや硫化水素を含む石油・天然ガスは、炭素鋼や低合金鋼を著しく腐食することが知られている。こうした腐食性の石油・天然ガスをパイプラインで輸送するに際しては、ラインパイプ（鋼管）の防食対策として、腐食抑制剤の添加が一般的であった。しかし、腐食抑制剤の添加はコストの増加をもたらし、さらには環境汚染の問題もあって、その使用は困難となりつつあり、最近では、腐食抑制剤の添加を必要としない耐食性に優れた鋼管の使用が指向されるようになってきた。
【０００３】
耐食性に優れたラインパイプ用材料として、例えば、特許文献１、特許文献２に、ＣおよびＮを低減し、オーステナイト安定化元素を添加した、11〜15％程度のCrを含有する、溶接性に優れかつ炭酸ガス含有環境下での耐食性に優れたラインパイプ用低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管が提案されている。
ところで、ラインパイプは円周溶接により接続されるが、このような低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼管を円周溶接するに際して、使用できる適切な溶接材料あるいは適切な溶接方法がなく、パイプラインの敷設に問題を残していた。このような問題に対し、例えば、特許文献３には、マルテンサイト系ステンレス鋼用溶接線材として、Ｃ：0.01〜0.04wt％、かつＣ＋Ｎ：0.02〜0.06wt％、Si：0.01〜0.5 wt％、Mn：0.1 〜2.0 wt％、Cr：11.0〜15.0wt％、Ni：3.5 〜7.0wt ％、Mo：0.7 〜3.0 wt％、Nb：0.01〜0.2 wt％を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる成分系が提案されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献３に記載された技術では、得られる溶接金属の靱性は、０℃でのシャルピー吸収エネルギーが100 Ｊ程度の靱性レベルであり、しかもこの程度の靱性を有する溶接金属を得るために１hr以上の後熱処理を要するなど、溶接施工性に問題を残していた。
パイプラインの敷設には、短時間の施工が要求される。とくに、海底パイプラインの敷設は、一般に、ラインパイプを敷設船上で円周溶接するが、敷設船の賃貸料が高価なため、敷設船上での溶接時間を短時間とすることが必須条件となる。したがって、長時間を要する予熱や後熱を必要とする溶接材料の使用は敬遠されることになる。また、パイプラインは厳寒の地に敷設されることも多いことから、ラインパイプには低温、例えば−40℃での高靱性が要求される場合が多い。
【０００５】
このような要求に対し、例えば、特許文献４には、Cr：7.5 〜12.0％を含有するマルテンサイト系高Cr鋼を、Ｃ：0.005 〜0.12％、Si：0.01〜1.0 ％、Mn：0.02〜2.0 ％、Cr：13.0〜18.0％、Ni：3.0 〜5.0 ％、Ｎ：0.05〜0.12％を含有し、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.01％以下に制限し、かつCr当量／Ni当量比を1.6 〜2.0 に調整したステンレス鋼ワイヤを用いてガスシールドアーク溶接し、溶接金属組織を調整する溶接方法が記載されている。特許文献４に記載された技術では、予熱、後熱を必要とせず、強度と靭性に優れ、さらに耐食性に優れた高Cr鋼の溶接が可能となるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４-99154号公報
【特許文献２】
特開平４-99155号公報
【特許文献３】
特開平７-185879 号公報
【特許文献４】
特開平９-295185 号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献４に記載された技術では、ビードが凸形状となりやすく、そのため、融合不良等の溶接欠陥が生成しやすいという問題がある。また、さらに特許文献４に記載された技術では、全姿勢溶接において良好なビード形状を確保することが困難であり、全姿勢溶接が要求されるラインパイプの円周溶接に適用するには問題を残していた。
【０００８】
本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、ラインパイプとして好適なマルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接用として好適な、溶接欠陥がなく、かつ高靭性を有する溶接部を得ることができるアーク溶接用溶接材料、およびパイプライン用として好適な、高品質溶接部を得ることができるマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、マルテンサイト系ステンレス鋼管溶接部の溶接欠陥および溶接金属靭性に及ぼす各種要因について鋭意検討した。その結果、溶接材料のNi含有量を７％超と増量し、さらにアーク溶接のシールドガスを酸化性ガスを含まない純不活性ガスとすること、および溶接材料のＯ含有量を0.01％以下に規制することにより、溶接金属中に持ち込まれるＯ量が低減し、溶接金属靭性が向上することを知見した。また、さらに、ガスメタルアーク溶接（Gas Metal Arc Welding)の場合には、溶接ワイヤにREM を含有することにより、陰極点が形成されシールドガスを純不活性ガスとしても、アークが安定化し、良好な溶接部品質が確保できることを知見した。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいて完成されたものである。
すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）質量％で、Ｃ＋Ｎ：0.02％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：0.2 〜3.0 ％、  Cr：11〜15％、Ni：７％超10％以下、Ｏ：0.01％以下を含み、あるいはさらに、Cu：２％以下、Mo：４％以下のうちの１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、Ｖ、Tiのうちの１種または２種を合計で0.3 質量％以下含有する組成とすることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、REM ：0.01〜0.30質量％含有することを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管用溶接材料。
（４）質量％で、Cr：10〜14％、Ni：1.0 〜7.0 ％を含むマルテンサイト系ステンレス鋼管の端部同士を突合せて、ガスメタルアーク溶接により円周溶接するマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法であって、前記ガスメタルアーク溶接で用いる溶接ワイヤを、質量％で、Ｃ＋Ｎ：0.02％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：0.2 〜3.0 ％、Cr：11〜15％、Ni：７％超10％以下、Ｏ：0.01％以下を含み、さらにREM ：0.01〜0.30％を含有し、あるいはさらに、Cu：２％以下、Mo：４％以下のうちの１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶接ワイヤとし、前記ガスメタルアーク溶接におけるシールドガスを純不活性ガスとすることを特徴とするマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法。
（５）（４）に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼管の溶接方法を用いて溶接されてなるマルテンサイト系ステンレス鋼管溶接構造物。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の溶接材料は、マルテンサイト系ステンレス鋼管溶接用であり、溶接金属の組織がマルテンサイト相主体の組織となるように化学組成を調整することが必要となる。本発明でいう「マルテンサイト相主体の組織」とは、マルテンサイト相が面積率で80％以上である組織をいうものとする。なお、マルテンサイト相以外は、δーフェライト相、残留オーステナイト相を含んでもよい。
【００１２】
また、本発明における溶接材料は、主としてガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）用、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）用であるが、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）用、あるいは被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）用としても利用できる。
まず、本発明の溶接材料の成分限定理由について説明する。なお、以下、組成における質量％は、単に％と記す。
【００１３】
Ｃ＋Ｎ：0.02％以下
Ｃ、Ｎは、いずれも溶接金属の強度を大きく増加させる元素であるが、過剰の含有は靱性を劣化させ、あるいは溶接割れを発生させる。このため、本発明では所望の強度が確保できる範囲でできるだけ低減するのが好ましい。Ｃ＋Ｎが0.02％を超えると、溶接金属の靱性を著しく低下させ、溶接割れを発生させるため0.02％を上限とした。これにより、予熱、後熱処理が不要となり、溶接施工の工期が短縮でき、また施工コストの低減が図れる。なお、強度確保の観点からはＣ＋Ｎは0.010 ％以上とすることが好ましい。
【００１４】
Si：1.0 ％以下
Siは、α相安定化元素であり、過剰の含有はδ−フェライト相を形成するため靱性劣化の原因となる。また、Siは脱酸元素であり、しかもアークを安定させ溶接作業性を向上させる作用を有する。このような効果は0.1 ％以上の含有で顕著に認められ、0.1 ％以上含有することが望ましい。一方、1.0 ％を超える含有は靱性を劣化させる。このため、Siは1.0 ％以下に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.05％である。
【００１５】
Mn：0.2 〜3.0 ％
Mnは、溶接金属の脱酸剤として作用するとともに、溶接金属の強度を増加させる。このような効果は0.2 ％以上の含有で認められるが、一方、3.0 ％を超える含有は強度が高くなりすぎ製造時に困難を伴う。このため、Mnは0.2 〜3.0 ％に限定した。なお、好ましくは0.3 〜0.8 ％である。
【００１６】
Cr：11〜15％
Crは、溶接金属の耐食性と強度を向上させる元素であり、本発明では、11％以上の含有を必要とする。一方、15％を超えて含有すると、溶接金属にδ−フェライトが残存し靱性が劣化する。このため、Crは11〜15％の範囲に限定した。
Ni：７％超10％以下
Niは、オーステナイト安定化元素であり、δ- フェライトの生成を抑制し、溶接金属の靱性向上に有効に作用する。溶接金属の靱性確保の観点から本発明では、７％超の含有を必要とする。一方、10％を超える含有は残留オーステナイト量が過大となり強度が低下する。このため、Niは７％超10％以下の範囲に限定した。
【００１７】
Ｏ：0.01％以下
溶接材料中のＯは、溶接金属中の介在物を増加させ、溶接金属の靭性を劣化させるため、本発明ではＯはできるだけ低減する必要がある。Ｏを0.01％を超えて溶接材料中に含有すると、溶接金属の靭性が顕著に低下する。このため、溶接材料中のＯは0.01％以下に限定した。なお、好ましくは0.005 ％以下である。
【００１８】
本発明の溶接材料では、上記した主成分に加え、必要に応じ、つぎの各種元素を添加できる。
Cu：２％以下、Mo：４％以下のうちの１種または２種
Cu、Moは、溶接金属の耐食性と強度を増加させる作用を有し、必要に応じ１種または２種を含有できる。しかし、４％を超えるMoの含有は、溶接金属中にδ- フェライトが残存するとともに、金属間化合物を形成することで靱性を劣化させる。このため、Moは４％以下に限定するのが好ましい。なお、より安定な特性確保の観点から、Mo含有量は２〜３％とすることが好ましい。
【００１９】
また、２％を超えるCuの含有は、溶接材料の製造性を低下させる。このようなことから、Cu含有量は２％以下に限定するのが好ましい。なお、より好ましくは0.2 〜1.5 ％である。
Ｖ、Tiのうちの１種または２種を合計で0.3 ％以下
Ｖ、Tiは、いずれも炭化物、 窒化物を形成し、 強度を増加させる効果を有する元素であり、必要に応じ選択して１種または２種を含有できる。Ｖ、Tiの合計量が0.3 ％を超えると、靭性劣化が著しくなるため、0.3 ％を上限とするのが好ましい。より好ましくは、合計で0.03〜0.15％である。
【００２０】
REM ：0.01〜0.30％
REM （希土類元素）は、とくにCO2 、O2等の活性ガスを含まないAr、He等の純不活性ガス雰囲気中のガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）で溶融金属表面に陰極点を形成し、アークを安定化させる効果を有し、純不活性ガス雰囲気中のＧＭＡＷを可能とするとともに、溶接金属の靭性低下の原因となる酸化物を低減する効果を有し、本発明では必要に応じ含有できる。とくにＧＭＡＷ用の場合にはREM を含有することが好ましい。このような効果は、0.01％以上の含有で認められるようになる。一方、0.30％を超える含有は、溶接金属の靱性を劣化させるうえ、加工性も劣化させる。このため、本発明では、REM は0.01〜0.30％に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.04〜0.10％である。REM は希土類元素の総称であるが、本発明では、溶接材料へのREM の添加は、La、Ce、Nd等の単独元素で上記した含有量となるように添加しても、あるいはミッシュメタル等のLa、Ce、Nd等の元素を複合含有したもので添加しても、いずれでもよい。
【００２１】
残部Feおよび不可避的不純物
上記した成分以外の残部は実質的にFeである。不可避的不純物としては、Ｓ：0.01％以下、Ｐ：0.03％以下が許容できる。
つぎに、本発明の溶接材料の製造方法について説明する。
公知の溶製方法で上記した組成の溶鋼としたのち、連続鋳造法、造塊法等の公知の方法で溶接材料（ワイヤ）素材としたのち、該素材を公知の方法で線引きしてワイヤ（線材）とし、ついで、必要により焼鈍、酸洗処理を施され、その後必要に応じさらに線引きされて製品（溶接材料：ワイヤ）とされる。
【００２２】
本発明の溶接方法では、上記した溶接材料を用い、被溶接鋼管の端部同士を突合せて、円周溶接し、溶接構造物を得る。
被溶接鋼管としては、公知のマルテンサイト系ステンレス鋼管がいずれも好適である。本発明で対象とするマルテンサイト系ステンレス鋼管は、つぎのような化学組成範囲を有する鋼管とすることが好ましい。
【００２３】
マルテンサイト系ステンレス鋼管は、質量％で、Ｃ：0.05％以下、Si：1.0 ％以下、Mn：0.10〜3.0 ％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.01％以下、Cr：10〜14％、Ｎ：0.05％以下、Ni：1.0 〜7.0 ％を含み、あるいはさらにMo：0.2 〜3.5 ％および／またはCu：0.2 〜2.0 ％を含み、残部Feおよび不可避的不純物とするのが好ましく、あるいはさらに、Ｖ：0.005 〜0.20％、Nb：0.005 〜0.20％、Ti：0.005 〜0.10％、Zr：0.005 〜0.10％のうちから選ばれた１種または２種以上を含有する鋼材とするのが好ましい。本発明で対象とするマルテンサイト鋼管では、母材靱性、溶接性を向上させるため、Ｃ、Ｎが低減される。Ｃは、0.05％以下、好ましくは0.02％以下、Ｎは0.05％以下、好ましくは0.02％以下である。
【００２４】
本発明では、円周溶接は、ＧＭＡＷ、ＧＴＡＷ、あるいはＳＡＷ、ＳＭＡＷとすることが好ましい。なお、ＧＭＡＷ、あるいはＧＴＡＷのシールドガスは、本発明では、酸化性ガスを含有しない、100 ％不活性ガス、すなわち純不活性ガスとすることが好ましい。溶接時のシールドガスを、酸化性ガスを含有しない純不活性ガスとすることにより、溶接金属中のＯ含有量が低減でき靭性が向上する。不活性ガスとしては、Arガス、Heガス、およびそれらの混合ガスとすることが好ましい。また、本発明の円周溶接では、溶接姿勢はとくに限定されず、下向き、立向き上進、立向き下進、上向きおよび横向きの全ての姿勢が適用できる。したがって、パイプライン敷設で一般的な水平固定管における下進振分け法などの全姿勢溶接が最も効果的である。
【００２５】
また、同一円周上に複数の溶接機を設置して、 同時に溶接を行なうことも可能である。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す組成、母材特性を有するマルテンサイト系ステンレス鋼管（219 mmφ×12.7mm肉厚）を被溶接鋼管とし、表２に示す組成の、1.0 mmφの溶接材料（ワイヤ）を用いて、自動ＴＩＧ溶接機、または自動ＭＩＧ溶接機により、被溶接鋼管固定の下進振分け法で円周溶接し鋼管継手（溶接構造物）を作製した。なお、円周溶接の開先形状は図１に示すＵ型20°開先とし、シールドガスは100 ％不活性ガスとし、入熱は６〜12kJ/cm とした。なお、シールドガスとして、一部、酸化性ガスを含む不活性ガスを用い、比較例とした。
【００２７】
得られた鋼管継手の溶接部について、API Standard 1104 に準拠し、Ｘ線透過試験により溶接欠陥の有無を調査し、さらにシャルピー衝撃試験により靭性を評価した。
溶接欠陥は、API Standard 1104 に準拠し、溶接部に存在する融合不良、ブローホール等の欠陥を調査し、無欠陥の場合を○、 欠陥発生した場合を×として評価した。
【００２８】
また、靭性は、−40℃におけるシャルピー吸収エネルギーが90Ｊ以上の場合に○、90Ｊ未満の場合に×として評価した。
得られた結果を表３に示す。
【００２９】
【表１】
2004202556.tif 000002
【００３０】
【表２】
2004202556.tif 000003
【００３１】
【表３】
2004202556.tif 000004
【００３２】
本発明範囲の溶接材料（ワイヤ）を用い、本発明の溶接条件で溶接した本発明例はいずれも、溶接欠陥の発生はなく、しかも良好な溶接部靭性を有している。一方、本発明範囲を外れる溶接材料、および／または本発明範囲を外れる溶接条件を用いた比較例は、いずれも溶接が不可であるか、溶接欠陥が発生するか、溶接部靭性が低下している。
【００３３】
本発明の溶接材料を用い、本発明の溶接方法を採用することにより、マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接が生産性高く、しかも安定して施工でき、優れた特性の溶接部を有する鋼管継手が得られる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、高靭性で溶接欠陥のない高品質の溶接部を得ることができ、マルテンサイト系ステンレス鋼管の円周溶接を生産性高くしかも安定して施工でき、産業上格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で使用した開先形状を示す説明図である。
【図１】
2004202556.tif 000005