(57)【要約】【課題】耐凝固割れ性と耐再熱割れ性および極低温での靭性に優れた溶接金属を有する低熱膨張係数合金製溶接構造物と、性能確保の余裕度が大きくて製造性にも優れた低熱膨張率合金用溶接材料の提供。【解決手段】溶接構造物は、溶接接合部の溶接金属が、Ni：30〜45％、Ｃ：0.01〜0.5％、Si：0.01〜0.5％、Mn：0.01〜1.0％、Al：0.0002〜0.02％を含み、さらにTaおよびHfのうちの１種以上を合計で0.1％を超え4％以下含有し、残部はFeおよび不純物からなり、不純物中のＳが0.015％以下、Ｐが0.015％以下、Ｏ(酸素)が0.05％以下の低熱膨張係数合金である。溶接材料は、1.5％を超え６％以下のTaもしくは0.1％を超え６％以下のHf、または合計で0.1％を超えて６％以下のTaおよびHf（但し、この場合はHf含有量が0.1％を超える）を含むこと以外は、溶接金属と同じ化学組成である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接で接合される部材の少なくとも一方がＦｅ−Ｎｉ系低熱膨張係数合金製の部材である溶接構造物であって、溶接接合部の溶接金属が、質量％で、Ｎｉ：３０〜４５％、Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．０％、Ａｌ：０．０００２〜０．０２％を含み、さらに、それぞれ０．１％を超えて４％以下のＴａもしくはＨｆ、または合計で０．１％を超えて４％以下のＴａおよびＨｆを含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＳが０．０１５％以下、Ｐが０．０１５％以下、Ｏ(酸素)が０．０５％以下であることを特徴とする低熱膨張係数合金製溶接構造物。
【請求項２】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｏを０．１〜１０％含有する請求項１に記載の低熱膨張係数合金製溶接構造物。
【請求項３】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜０．０５％含有する請求項１または２に記載の低熱膨張係数合金製溶接構造物。
【請求項４】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ、Ｍｇ、ＬａおよびＣｅのうちの１種以上を合計で０．０００５〜０．０１％含有する請求項１から３までのいずれかに記載の低熱膨張係数合金製溶接構造物。
【請求項５】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂを０．０００５〜０．００８％含有する請求項１から４までのいずれかに記載の低熱膨張係数合金製溶接構造物。
【請求項６】
質量％で、Ｎｉ：３０〜４５％、Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．０％、Ａｌ：０．０００２〜０．０２％を含み、さらに、１．５％を超えて６％以下のＴａもしくは０．１％を超えて６％以下のＨｆ、または合計で０．１％を超えて６％以下のＴａおよびＨｆ（ただし、合計含有量が１．５％以下の場合は、Ｈｆを０．１％を超える量とする）を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＳが０．０１５％以下、Ｐが０．０１５％以下、Ｏ(酸素)が０．０５％以下であることを特徴とする低熱膨張係数合金用溶接材料。
【請求項７】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｏを０．１〜１０％含有する請求項６に記載の低熱膨張係数合金用溶接材料。
【請求項８】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜０．０５％含有する請求項６または７に記載の低熱膨張係数合金用溶接材料。
【請求項９】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃａ、Ｍｇ、ＬａおよびＣｅのうちの１種以上を合計で０．０００５〜０．０１％含有する請求項６から８までのいずれかに記載の低熱膨張係数合金用溶接材料。
【請求項１０】
Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂを０．０００５〜０．００８％含有する請求項６から９までのいずれかに記載の低熱膨張係数合金用溶接材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化天然ガスのような低温物質の貯蔵や輸送に使用される貯蔵タンクや管、その管を突き合わせて周溶接してつなぎ合わせた、いわゆる配管および付属する各種の機器であって、Ｆｅ−Ｎｉ系低熱膨張係数合金で構成され、少なくともその一部に溶接部分を有する物（本発明では、これらを総称して「低熱膨張係数合金製溶接構造物」という）と、この低熱膨張係数合金製溶接構造物の製造に用いるのに好適な製造性に優れた低熱膨張係数合金用溶接材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｆｅ−Ｎｉ系合金の中で特定の成分比を有するものが非常に小さい線膨張係数を有することはインバー効果として広く知られている。その代表的なものとしてはＦｅ−３６％Ｎｉ、Ｆｅ−４２％Ｎｉが挙げられる。これらは、その低熱膨張係数を活かして、温度変化による伸縮が問題となる部位等に使用されている。
【０００３】
Ｆｅ−Ｎｉ系低熱膨張係数合金からなる部材を溶接接合して溶接構造物に組み立てる場合、母材と同等の熱膨張係数を有する溶接材料を使用するのが望ましいことはいうまでもない。そのため、以下に示すような種々の共金系の低熱膨張係数合金用溶接材料が提案されている。
【０００４】
(a) Ｎｉ、Ｆｅ以外に、Ｃ：０．０５〜０．５％、Ｎｂ：０．５〜５％を含み、必要に応じてＭｎ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｍｇ等を選択的に含有させることにより、溶接時の耐溶接割れ性を向上させた溶接材料（特許文献１）。
【０００５】
(b) Ｎｉ：３０〜４５％、Ｃ：０．０３〜０．３％、Ｎｂ：０．１〜３％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．０５〜４％、Ａｌ：０．０５％以下およびＯ：０．０１５％以下に制限するとともに、ＮｂとＣの関係を［％Ｎｂ］×［％Ｃ］≧０．０１と規定することによって凝固組織を微細にし、多層溶接時の耐再熱割れ性および靭性を両立させ得るようにした溶接材料（特許文献２）。
【０００６】
(c) ＣとＮｂの含有量を、−０．０１［％Ｎｂ］＋０．０４≦［％Ｃ］≦−０．０４［％Ｎｂ］＋０．４０を満たす値とすることによって凝固組織を微細にし、多層溶接時の再熱割れを防止する一方、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｏ、Ｓ量を所定の範囲に規定することによって全姿勢での円周溶接を可能となした溶接材料（特許文献３）。
【０００７】
(d) Ｎｂまたは／およびＺｒの含有量をＳ量およびＳｉ量との関係で制限して、その炭化物によって凝固組織を複雑にし、溶接金属の耐溶接割れ性、靭性および耐ＳＣＣ性を両立させた溶接金属を有する溶接構造物と、Ｎｂまたは／およびＺｒの含有量をＣ量との関係で制限するとともに、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｏ、Ｓ量の関係を規定することによって、全姿勢での溶接性と製造性を向上させた溶接材料（特許文献４）。
【０００８】
(e) ＴｉとＮｂをそれぞれ０．１〜０．５％の範囲で添加し、これらの炭化物もしくは酸化物を生成させて凝固組織を微細にし、多層溶接時の耐溶接割れ性、中でも耐再熱割れ性および靭性、円周溶接性等を向上させ得るようにした溶接材料（特許文献５）。
【０００９】
(f)  Ｔａ：０．１〜１．５％、Ｔｉ：０．０５〜０．５％で、Ｃ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉの含有量が、２０×Ｃ／（２Ｎｂ＋Ｔａ＋４Ｔｉ）≧１．０、｛１．３×（Ｔａ／１８１）＋（Ｔｉ／４８）−１．２×（Ｎｂ／９３）｝×１００≧０．５を満たす低熱膨張係数Ｆｅ−Ｎｉ合金用溶接材料（特許文献６）。
【００１０】
しかし、上記(a)〜(f)の低熱膨張率合金用溶接材料には、これを実際の溶接構造物の製造に適用した場合、次のような問題がある。
【００１１】
(a) の溶接材料は、溶接時に生じる割れのうち、当該溶接時に得られる溶接金属部分に割れが生じる凝固割れに関しては十分に考慮されているが、大型の溶接構造物などの厚肉材の多層溶接時に先の溶接で得られた溶接金属部分が後の溶接の熱サイクルを受けて割れる再熱割れについては十分には考慮されておらず、多層溶接には安心して使用できない。
【００１２】
これに対し、(b)〜(e)の溶接材料は、多層溶接時の再熱割れに関して考慮されているが、その具体的な手段は、いずれも、ＮｂやＺｒ、あるいはＴｉを添加し、これらの炭化物や酸化物を形成させることで凝固組織を微細で複雑な組織にして多層溶接時の再熱割れを防止することを特徴としている。
【００１３】
本発明者らが行った試験結果によれば、確かに、Ｎｂ、Ｚｒ、およびＴｉを添加した場合には、これらが凝固時に液相中で炭素と結合して共晶炭化物を生成し、凝固組織が微細で複雑な組織となり、多層溶接時の再熱割れ防止に有効であった。
【００１４】
ところが、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉの添加量の許容範囲は狭く、これらの添加量が過剰な場合、言い換えれば、添加したこれら元素の全量が凝固時に液相中で共晶炭化物を形成せず、液相中にフリーな状態で存在した場合には、凝固割れ感受性が著しく増大し、凝固割れが発生することが明らかとなった。これは、実際の商業生産に際しては、これら元素の添加量を厳密に管理する必要があること、および性能確保の余裕度が小さいことを意味する。
【００１５】
(f)の溶接材料は、ＴｉとＴａを複合添加し、これらの炭化物により凝固組織を微細にし、溶接時の高温割れを防止することを特徴としている。しかし、本発明者らの検討によれば、Ｔａは溶接時の酸化消耗が大きく、例えば管の全姿勢自動円周溶接などで健全な裏波形成を確保するのに必要なＵ開先を用いる母材希釈の大きい溶接の場合、あるいはプラズマ溶接などのように母材希釈の大きい溶接の場合、溶接割れ防止効果は必ずしも十分ではない。
【００１６】
【特許文献１】特開平４−２３１１９４号公報
【００１７】
【特許文献２】特開平８−２６７２７２号公報
【特許文献３】特開平１１−１０４８８５号公報
【特許文献４】ＷＯ００／２０１６０号公報
【特許文献５】特開２００１−１７９４８６号公報
【特許文献６】特開２００３−１９３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の第１の目的は、十分な耐溶接割れ性、即ち耐凝固割れ性および耐再熱割れ性は勿論、極低温での靭性にも優れた溶接金属を有する低熱膨張係数合金製溶接構造物を提供することにある。また、第２の目的は、前記の溶接金属を確実に得ることができるだけでなく、性能確保の余裕度が大きくて所定の性能を有する製品が安定して得られるという製造性にも優れた低熱膨張率合金用溶接材料を提供することにある。
【００１９】
第３の目的は、例えば管の全姿勢自動円周溶接において、健全な裏波形成確保に必要なＵ開先を用いる母材希釈の大きい溶接や、プラズマ溶接のように母材希釈の大きい溶接においても、上記のような優れた特性を有する溶接金属を確実に形成することができる溶接材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の要旨は、下記（１）の低熱膨張係数合金製溶接構造物と、下記（２）の低熱膨張率合金用溶接材料にある。
（１）溶接で接合される部材の少なくとも一方がＦｅ−Ｎｉ系低熱膨張係数合金製の部材である溶接構造物であって、溶接接合部の溶接金属が、質量％で、Ｎｉ：３０〜４５％、Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．０％、Ａｌ：０．０００２〜０．０２％を含み、さらに、それぞれ０．１％を超えて４％以下のＴａもしくはＨｆ、または合計で０．１％を超えて４％以下のＴａおよびＨｆを含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＳが０．０１５％以下、Ｐが０．０１５％以下、Ｏ(酸素)が０．０５％以下であることを特徴とする低熱膨張係数合金製溶接構造物。
（２）質量％で、Ｎｉ：３０〜４５％、Ｃ：０．０１〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．５％、Ｍｎ：０．０１〜１．０％、Ａｌ：０．０００２〜０．０２％を含み、さらに、１．５％を超えて６％以下のＴａもしくは０．１％を超えて６％以下のＨｆ、または合計で０．１％を超えて６％以下のＴａおよびＨｆ（ただし、合計含有量が１．５％以下の場合は、Ｈｆを０．１％を超える量とする）を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、不純物中のＳが０．０１５％以下、Ｐが０．０１５％以下、Ｏ(酸素)が０．０５％以下であることを特徴とする低熱膨張係数合金用溶接材料。
【００２１】
本発明の低熱膨張係数合金製溶接構造物を構成する溶接金属および低熱膨張係数合金用溶接材料は、いずれも、Ｆｅの一部に代えて、次の第１群から第４群までのうちの少なくとも１群の中から選んだ少なくとも１種の成分を含むものであってもよい。
【００２２】
第１群…質量％で、Ｃｏ：０．１〜１０％。      
第２群…質量％で、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉのうちの１種以上を合計で０．０１          〜０．０５％。      
第３群…質量％で、Ｃａ、Ｍｇ、ＬａおよびＣｅのうちの１種以上を合計で０          ．０００５〜０．０１％。
【００２３】
第４群…質量％で、Ｂ：０．０００５〜０．００８％。
【００２４】
本発明者らは、前記の課題を達成するために種々実験を行った結果、以下のことを知見して上記の本発明を完成させた。
【００２５】
まず、多層溶接時に発生した再熱割れの詳細な観察を行った。その結果、再熱割れが発生した結晶粒界には、Ｓｉ、Ｃが顕著に濃化している部分とＳが顕著に濃化している部分が認められた。また、破面形態の観察の結果、Ｓｉ、Ｃが濃化している部分では溶融痕が認められ、Ｓが濃化している部分は粒界で破断している様子が観察された。
【００２６】
以上のことから、再熱割れは、次パスの熱サイクルにより、先に形成されたビード（溶接金属）の結晶粒界に偏析したＳｉ、ＣがマトリックスのＦｅと低融点の共晶化合物を生成し、液化開口するか、またはＳが粒界に偏析するため粒界固着力が小さくなり、その部分が熱応力により開口するためであると考えられた。
【００２７】
そして、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉを添加した場合、前述した特許文献２、３、４および５にも記載されているように、再熱割れが防止できることを確認した。これらの効果は、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉが凝固時に液相中で炭素と結合し、共晶炭化物を生成するため、柱状晶の境界に偏析したＳｉ、ＣがＦｅと低融点の共晶化合物を生成することを抑制するのに加えて、共晶炭化物の生成に伴いＳの偏析サイトであるデンドライト境界および粒界の形状が複雑となり、その面積が増大することにより、Ｓの偏析が分散し、粒界固着力の低下が抑制されるためであると考えられた。
【００２８】
ところが、本発明者らがさらに検討を進めた結果、前述したとおり、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉが凝固中に炭化物として固定される以上の量で含有されていて、液相中にフリーな元素として存在する場合には、凝固割れ感受性が著しく増大することが判明した。その理由としては、次のように考えられた。
【００２９】
即ち、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉは、固液間の分配係数が小さく、疑固時に液相中に濃化し、固液共存温度域を拡大させる元素である。液相中に炭素が十分に存在する場合には、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉは炭化物として液相中から晶出し、これらの元素濃度が低下するため、固液共存温度域の拡大が抑制される。しかし、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉが炭素の固定に必要な量よりも過剰に存在する場合には、液相中にこれらの元素がフリーな状態で存在するため、固液共存温度域の拡大を招き、疑固割れ感受性が増大する。これは、実際の商業生産に際して溶接金属および溶接材料の成分管理の余裕度が狭いことを意味しており、所定の性能を有する製品を安定して製造する上で問題となる。
【００３０】
そこで、この問題を解決すべく、発明者らがさらに検討を重ねた結果、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉを活用するよりも、むしろこれらの元素に比べて原子量が非常に大きいＴａおよびＨｆを活用することで、再熱割れを防止できることに加え、凝固割れ防止に対しても、十分な余裕度が得られることが明らかとなった。その理由は以下に述べるとおりである。
【００３１】
ＴａおよびＨｆは、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉと同様に、凝固時に液相中に濃化し、液相中で炭素と結合し、共晶炭化物（(Ｔａ、Ｈｆ)Ｃ）を形成するが、これらの共晶炭化物は高温まで安定である。このため、多層溶接時の溶接熱サイクルにより前のビード（溶接金属）が加熱されても柱状晶の境界に偏析したＳｉ、ＣがＦｅと共晶を生成することがない。加えて、その共晶炭化物は、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉの共晶炭化物と同様に、凝固組織を微細で複雑な組織にする。その結果、Ｓの偏析サイトである柱状晶の境界面積が増大し、単位粒界面積あたりのＳの偏析量が減少して粒界固着力の低下が抑制され、Ｓｉ、Ｃの偏析に起因した割れ、およびＳの偏析に起因した割れのいずれもが発生しなくなる。
【００３２】
また、ＴａおよびＨｆは、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉに比べて原子量が大きいために、同じ量のＣを共晶炭化物として固定するのに必要な量が多くなる。このため、組成的過冷却の効果が大きくなり、結晶の主成長方向に対して直交する方向への結晶の成長がより促進され、いわゆる枝結晶が生成しやすくなる。その結果、粒界の形状は、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉを活用した場合よりも一層複雑になり、再熱割れ防止効果が一段と向上する。
【００３３】
さらに、Ｃを共晶炭化物として固定するのに必要な量を超えるＴａおよびＨｆは、当然に液相中にフリーな状態で存在するが、この場合でも、Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉに比べ、固液共存温度域の拡大幅が小さく、凝固割れ防止に対する余裕度も大きいことが判明した。言い換えれば、ＴａおよびＨｆを活用した場合、実際の商業生産において耐凝固割れ性と耐再熱割れ性の両方に優れた溶接金属および溶接材料の成分管理の余裕度が拡大し、これらを安定して製造できることが明らかとなった。
【００３４】
さらにまた、Ｔａに関して次に述べる事実が判明した。即ち、Ｔａは溶接時に酸化消耗が大きいので、溶接材料中のＴａ含有量が少ないと、母材希釈の大きい溶接では溶接金属中に十分に有効なＴａ量を確保できず、溶接割れ防止の効果が小さくなる。従って、溶接材料には酸化消耗と母材希釈の両者を考慮して、十分な量のＴａを含有させる必要がある。
【００３５】
具体的には、溶接金属において、再熱割れ発生の直接の要因であるＣ、ＳｉおよびＳ量をそれぞれ０．５％以下、０．５％以下および０．０１５％以下に制限するとともに、ＴａおよびＨｆのうちの１種をそれぞれ０．１％を超えて４％以下の範囲で、またはＴａおよびＨｆを合計で０．１％を超えて４％以下の範囲で含有させることにより、多層溶接時の高温割れ（再熱割れと疑固割れ）を確実に防止しうることが明らかとなった。
【００３６】
一方、溶接材料では、再熱割れ発生の直接の要因であるＣ、ＳｉおよびＳ量をそれぞれ０．５％以下、０．５％以下および０．０１５％以下に制限するとともに、１．５％を超えて６％以下のＴａもしくは０．１％を超えて６％以下のＨｆ、または合計で０．１％を超えて６％以下のＴａおよびＨｆ（ただし、ＴａとＨｆの合計含有量が１．５％以下の場合は、Ｈｆ含有量を０．１％を超える量とする）を含有させることにより、多層溶接時の高温割れ（再熱割れと疑固割れ）を確実に防止しうることが明らかとなった。
【００３７】
なお、一般にＴａ含有量を高めると溶接ワイヤを製造する際の加工性が低下する。しかし、後に実施例の項で述べるような適正な温度範囲で強加工を加えて、熱間加工に有害な粗大なＴａ炭化物を細かくして分散させ、熱間加工割れへの影響を小さくすることにより、加工性の低下を抑制することができる。これも本発明者らが新たに見出したことであり、それによって１．５％を超えるＴａを含む溶接材料の実用化が可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の低熱膨張係数合金製溶接構造物を構成する溶接金属および低熱膨張係数合金用溶接材料を前記のように定めた理由について詳細に説明する。なお、以下において「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味する。また、低熱膨張係数合金製溶接構造物を構成する溶接金属と溶接材料とに共通する事項については、特に区別することなく説明する。
【００３９】
Ｎｉ：３０〜４５％
Ｎｉは低熱膨張合金を構成する主要元素である。十分低い線膨張係数を得るためには、３０〜４５％の含有量とする必要がある。下限として好ましいのは３２％、より好ましいのは３４％である。また、上限として好ましいのは４４％、より好ましいのは４３％である。
【００４０】
Ｃ：０．０１〜０．５％
Ｃは母材のマトリックスであるオーステナイト相を安定にするとともに、ＴａおよびＨｆと共晶炭化物を形成して溶接金属の組織を微細かつ複雑にし、再熱割れ感受性を低下させる元素であり、０．０１％以上の含有量が必要である。しかし、０．５％を超えるＣは、溶接金属の粒界に偏析したＳｉおよびマトリックスのＦｅと反応し、低融点化合物を生成し、逆に再熱割れ感受性を増大させる。このため、Ｃ含有量は０．０１〜０．５％とする。下限として好ましいのは０．０２％、より好ましいのは０．０５％である。また、上限として好ましいのは０．４５％、より好ましいのは０．４％である。
【００４１】
Ｓｉ：０．０１〜０．５％
Ｓｉは脱酸剤として添加するが、０．０１％未満の含有量では効果が得られない。一方、過剰なＳｉは溶接金属の凝固時に粒界に偏析し、ＣおよびマトリックスのＦｅと反応して低融点の化合物を生成して多層溶接時の再熱割れの原因となる。このため、Ｓｉ含有量の上限は０．５％とする。下限として好ましいのは０．０２％、より好ましいのは０．０５％である。また、上限として好ましいのは０．４５％、より好ましいのは０．４％である。
【００４２】
Ｍｎ：０．０１〜１．０％
Ｍｎも上記のＳｉと同様に脱酸剤として添加する。しかし、その含有量が０．０１％未満では効果が得られない。一方、過剰なＭｎは溶接金属の靭性および耐食性を低下させるので、上限は１．０％とする。下限として好ましいのは０．０２％、より好ましいのは０．０５％である。また、上限として好ましいのは０．８％、より好ましいのは０．６％である。
【００４３】
Ａｌ：０．０００２〜０．０２％
Ａｌも前記のＳｉおよびＭｎと同様に脱酸剤として添加するが、０．０００２％未満の含有量では効果が得られない。一方、過剰なＡｌは介在物量を増加させ、溶接金属の靱性を劣化させる。そのため、Ａｌ含有量の上限は０．０２％とする。下限として好ましいのは０．０００５％、より好ましいのは０．００１％である。また、上限として好ましいのは０．０１５％、より好ましいのは０．０１％である。なお、溶接材料中のＡｌ含有量が０．００８％を超えると、溶接作業性が低下する。このため、溶接材料のＡｌ含有量の上限は０．００８％とするのが望ましい。
【００４４】
Ｔａ、Ｈｆ：
溶接金属ではそれぞれ０．１％を超えて４％以下、または２種合計で０．１％を超えて４％以下とする。
【００４５】
これらの元素は、いずれも、共晶炭化物を形成してＣを固定するとともに、凝固組織を複雑にし、多層溶接時における溶接金属の耐再熱割れ性を向上させる作用を有する本発明にとって最も重要な元素の一つであり、いずれか１種または２種を合わせて含有させる。１種の場合、それぞれ０．１％を超えて４％以下、２種の場合は、合計で０．１％を超えて４％以下、含有させる必要がある。即ち、それぞれの含有量または合計含有量が０．１％以下では前記の効果が得られず、４％を超えると、液相中に濃化して固液共存温度幅を拡大させ、凝固割れ感受性の増大を招く。下限として好ましいのは０．５％超、より好ましいのは０．６％超である。また、上限として好ましいのは３％、より好ましいのは２．５％である。
【００４６】
溶接材料には、１．５％を超えて６％までのＴａもしくは０．１％を超えて６％までのＨｆ、または合計で０．１％を超えて６％までのＴａおよびＨｆを含有させる必要がある。Ｔａを単独で添加する場合、その含有量が１．５％以下であれば、溶接時の酸化消耗が大きいので、前記のＵ開先を用いる溶接やプラズマ溶接のように、母材希釈の大きい溶接では溶接金属中に十分に有効なＴａ量を確保できず、溶接割れ防止の効果が小さくなる。一方、Ｈｆは、Ｔａに較べて溶接時の酸化消耗は小さいが、０．１％以下では割れ防止の効果が不十分である。ＴａとＨｆのそれぞれの含有量が６％を超えると溶接過程で液相中にこれらが濃化し、凝固割れおよび靱性低下を招く。
【００４７】
ＴａとＨｆの両方を含有させる場合は、合計含有量を０．１％を超えて６％までとする。この下限値および上限値の限定理由は、上記のとおりである。なお、合計含有量を０．１％を超えて１．５％までの範囲とする場合は、その合計含有量中のＨｆの量が０．１％を超えるようにする必要がある。これは、例えば、合計含有量が１．０％のとき、Ｈｆが０．０５％でＴａが０．９５％という比率であれば、前記のようにＴａの酸化消耗が大きいため、溶接金属中のＴａおよびＨｆの量が不足するからである。
【００４８】
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは不純物であり、過剰なＰは溶接時の凝固割れ感受性を増大させるので、０．０１５％以下とする。好ましいのは０．０１２％以下、より好ましいのは０．０１０％以下である。Ｐ含有量は少ないほどよい。
【００４９】
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓは上記のＰと同様に不純物であり、溶接金属の凝固時に低融点の共晶物を形成し、凝固割れを発生させる。また、粒界に偏析して粒界固着力を低下させ、再熱割れ発生の原因となる。このため、Ｓ含有量は０．０１５％以下とする。好ましいのは０．０１２％以下、より好ましいのは０．０１０％以下である。Ｓ含有量も少ないほどよい。
【００５０】
Ｏ(酸素)：０．０５％以下
Ｏは鋼中に含まれる不純物元素であり、溶接金属ではその含有量が０．０５％を超えると清浄度が著しく劣化し、脆化を招く。そのため、Ｏ含有量は０．０５％以下とする。好ましいのは０．０４％以下、より好ましいのは０．０３％以下である。ただし、溶接材料中のＯ含有量が０．００８％を超えると、合金が脆くなる。このため、溶接材料のＯ含有量は０．００８％以下とするのが望ましい。なお、溶接金属および溶接材料ともにＯの含有量は低いほどよい。
【００５１】
本発明の低熱膨張係数合金製溶接構造物を構成する溶接金属および低熱膨張係数合金用溶接材料の一つは、上記の成分の外は実質的にＦｅ、言い換えればＦｅと上記以外の不純物とからなるものである。
【００５２】
本発明の低熱膨張係数合金製溶接構造物を構成する溶接金属および低熱膨張係数合金用溶接材料のもう一つは、Ｆｅの一部に代えて、前記の第１群から第４群までの少なくとも１群の中から選んだ少なくとも１種の成分を含む溶接金属および溶接材料である。以下、これらの成分について説明する。
【００５３】
第１群（Ｃｏ）
Ｃｏは前記のＮｉと同様に、低い線膨張係数を得るのに有効な元素である。このため、必要に応じて添加するが、０．１％未満の含有量では十分な効果が得られない。一方、ＣｏはＮｉに比べて非常に高価であり、過剰な添加はコスト上昇を招く。従って、添加する場合のＣｏ含有量は０．１〜１０％とするのがよい。
【００５４】
第２群（Ｎｂ、ＺｒおよびＴｉ）
これらの元素は、いずれも多層溶接時における溶接金属の再熱割れを防止するのに有効な元素である。このため、ＴａおよびＨｆによる再熱割れ防止効果を補う目的で必要に応じて１種以上を添加してもよいが、その合計含有量が０．０１％未満では十分な効果が得られない。一方、合計で０．０５％を超えると、液相中にフリーな元素として存在する量が多くなりすぎ、固液共存温度幅を拡大させて凝固割れ感受性の増大を招くようになる。従って、添加する場合のこれら元素の含有量は１種以上の合計で０．０１〜０．０５％とするのがよい。
【００５５】
第３群（Ｃａ、Ｍｇ、ＬａおよびＣｅ）
これらの元素はいずれもＳと結合し、高温で安定な硫化物を形成し、再熱割れ防止に寄与する効果がある。このため、この効果を得たい場合に１種以上を添加してもよいが、その合計含有量が０．０００５％未満では十分な効果が得られない。一方、合計で０．０１％を超えると、清浄度を劣化させ、加工性および靭性の劣化を招く。従って、添加する場合のこれら元素の含有量は１種以上の合計で０．０００５〜０．０１％とするのがよい。
【００５６】
第４群（Ｂ）
Ｂは粒界に偏析しやすい元素であり、再熱過程でＳよりも先に粒界に偏析してＳの粒界偏析を軽減し、再熱割れ防止に寄与する効果がある。このため、この効果を得たい場合には添加してもよいが、その含有量が０．０００５％未満では十分な効果が得られない。一方、０．００８％を超えると、かえって凝固割れ感受性を高める。従って、添加する場合のＢ含有量は０．０００５〜０．００８％とするのがよい。
【実施例】
【００５７】
表１に示す化学組成を有する外径３００mm、肉厚さ９．５ｍｍの管の端部に機械加工により図１に示すＵ開先を設けた供試管を準備し、表２に示す化学組成を有する溶接材料を用いて、自動ＴＩＧ溶接機で入熱１０ｋＪ／cmの円周溶接を実施した。
【００５８】
溶接材料は、表２に示す化学組成の素材に１１５０〜１２５０℃の温度範囲で鍛造比５の圧下を加え、その後１０００〜１２００℃の温度域で鍛造比１０の圧下を加え、粗大Ｔａ炭化物を細分化して分散させた素線材とし、この素線材を冷間加工と１１００℃での軟化焼鈍とを繰り返して外径１．６mmの巻き線状の線材とした。
【００５９】
上記の円周溶接によって得られた溶接継手から溶接線と直交する方向が長手方向となるように、厚さ２mm、幅９．５ｍｍ、長さ１２０ｍｍの側曲げ試験片を採取し、曲げ面を鏡面研磨した後、曲げ半径４mmの条件で曲げ試験を行い、倍率５００で曲げ面を観察し、割れ発生の有無を調査した。
【００６０】
表３に溶接金属の化学組成および上記の調査の結果を示す。同表から明らかなように、符号WX1からWX10までの溶接材料を用いて得られた符号X1からX10までの溶接金属には割れの発生は認められなかった。一方、本発明で規定する化学組成を有しない符号WY1からWY3までの溶接材料を用いて得られた符号Y1〜Y3の溶接金属には割れが発生していた。
【００６１】
【表１】
2004268137.tif 000002
【００６２】
【表２】
2004268137.tif 000003
【００６３】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００６４】
実施例の結果から明らかなように、本発明で規定する化学組成の溶接金属を有する溶接構造物は、溶接部の耐割れ性に優れ、安全性が高い。また、本発明の溶接材料によれば、前記の溶接構造物を確実に製造できる。さらに、本発明の溶接材料は、溶接金属の組織を微細かつ複雑な組織にする共晶炭化物の形成元素としてＴａおよびＨｆを使用しているので、その性能確保の余裕度が大きく、所定の性能を有する製品を安定して製造できる。本発明の溶接材料によれば、特に管の全姿勢自動円周溶接で、健全な裏波形成確保に必要なＵ開先を用いる母材希釈の大きな溶接やプラズマ溶接などの母材希釈の大きい溶接においても、耐割れ性に優れ、安全性の高い溶接金属を有する溶接構造物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例で用いた供試管の開先形状を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１、２：供試管の突き合わせ部
【図１】
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