(57)【要約】本発明は、溶接部硬さを低減するとともに溶接部延性および靱性を改善した硬化性鋼および鉄合金のシーム溶接構成物の熱処理方法を提供する。この方法は、シーム溶接部を二次熱源によりマルテンサイト開始温度を超えるが下部臨界温度を超えない温度まで急速に加熱することに続き、ただちにシーム溶接部を空冷させることからなる。本発明の急速な焼戻しは、高強度の焼入れ硬化可能合金のシーム溶接管および他の構造物の生産に特に適する。
2010516471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼構造物を形成する方法であって、
硬化性鉄合金の第１の表面を準備するステップと、
硬化性鉄合金の第２の表面を準備するステップと、
前記第１の表面を前記第２の表面に隣接するように配置するステップと、
前記第１の表面および前記第２の表面に対してそれらの融点を超える十分に高い温度で第１の熱源を前記第１の表面および前記第２の表面に加えてシーム溶接部を形成するように、前記第１の表面を前記第２の表面にシーム溶接するステップと、
前記硬化性鉄合金のマルテンサイト開始温度未満に前記シーム溶接部を冷却するステップと、
前記硬化性鉄合金のマルテンサイト開始温度未満に前記シーム溶接部を冷却する前記ステップに続いて前記シーム溶接部を焼戻すステップであって、前記焼戻しは、前記硬化性鉄合金のマルテンサイト開始温度を超えるが下部臨界温度を超えないように、前記シーム溶接部を１０℃／秒以上の速度で加熱することを含む、前記シーム溶接部を焼戻すステップと、
前記シーム溶接部を焼戻す前記ステップの後に１５℃／分以上の速度で前記シーム溶接部を空冷するステップと、を含む鋼構造物を形成する方法。
【請求項２】
前記シーム溶接部を焼戻す前記ステップは１０℃／秒〜２００℃／秒の速度で実行され、前記シーム溶接部を空冷する前記ステップは１５℃／分〜２００℃／秒で実行される、請求項１に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項３】
前記シーム溶接部を焼戻す前記ステップは前記シーム溶接部を加熱するために局部熱源を使用することを含む、請求項１に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項４】
前記シーム溶接部を焼戻す前記ステップは１０℃／秒〜２００℃／秒の速度で実行され、前記シーム溶接部を空冷する前記ステップは１５℃／分〜２００℃／秒で実行される、請求項３に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項５】
前記硬化性鉄合金は、０．０８重量％以上の炭素含量を有する空気焼入れ硬化性マルテンサイト系ステンレス鋼である、請求項１に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項６】
前記硬化性鉄合金の各々は鋼種４１０、４２０または４４０のマルテンサイト系ステンレス鋼である、請求項１に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項７】
前記鋼構造物を所望の形状にロール成形するステップをさらに含み、ロール成形する前記ステップは前記第１の表面および前記第２の表面を一緒に溶接する前記ステップおよび前記溶接部を焼戻す前記ステップの後に行われる、請求項１に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項８】
前記鋼構造物は管であり、前記第１の表面は鉄合金のロール成形ストリップの第１の縁部を画成し、前記第２の表面は鉄合金のロール成形ストリップの第２の縁部を画成する、請求項７に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項９】
鋼構造物を形成する方法であって、
硬化性鉄合金の第１の表面を準備するステップと、
硬化性鉄合金の第２の表面を準備するステップと、
前記第１の表面を前記第２の表面に隣接するように配置するステップと、
前記第１の表面および前記第２の表面に対してそれらの融点を超える十分に高い温度で第１の熱源を前記第１の表面および前記第２の表面に加えてシーム溶接部を形成するように、前記第１の表面を前記第２の表面にシーム溶接するステップと、
前記焼入れ硬化可能鉄合金のマルテンサイト開始温度未満に前記シーム溶接部を冷却するステップと、
前記硬化性鉄合金のマルテンサイト開始温度未満に前記シーム溶接部を冷却する前記ステップに続いて前記シーム溶接部を焼戻すステップであって、前記焼戻しは、前記硬化性鉄合金のマルテンサイト開始温度を超えるが下部臨界温度を超えないように、前記シーム溶接部を１０℃／秒〜２００℃／秒の速度で加熱することを含む、前記シーム溶接部を焼戻すステップと、
前記シーム溶接部を焼戻す前記ステップの後に１５℃／分〜２００℃／秒の速度で前記シーム溶接部をただちに空冷するステップと、を含む鋼構造物を形成する方法。
【請求項１０】
前記硬化性鉄合金は０．０８重量％以上の炭素含量を有する空気焼入れ硬化性マルテンサイト系ステンレス鋼である、請求項９に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項１１】
前記焼入れ硬化性鉄合金の各々は鋼種４１０、４２０または４４０のマルテンサイト系ステンレス鋼である、請求項９に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項１２】
前記鋼構造物を所望の形状にロール成形するステップをさらに含み、ロール成形する前記ステップは前記第１の表面および前記第２の表面を一緒に溶接する前記ステップおよび前記溶接部を焼戻す前記ステップの後に行われる、請求項９に記載の鋼構造物を形成する方法。
【請求項１３】
前記鋼構造物は管であり、前記第１の表面は鉄合金のロール成形ストリップの第１の縁部を画成し、前記第２の表面は鉄合金のロール成形ストリップの第２の縁部を画成する、請求項１２に記載の鋼構造物を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接後熱処理およびその方法に関する。より詳しくは、本発明は、硬化性鉄合金（hardenable ferrous alloys）において、溶接部硬さが低減すると共に溶接部延性と靱性が改善したシーム溶接部の機械的特性を改善する方法に向けられている。
【背景技術】
【０００２】
溶接鉄合金は、あらゆる現代産業においてあまねく使用されており、構造用構成部品設計における事実上の標準になっている。多くの分野における現在の傾向では、低強度普通軟鋼を離れ、高強度鋼および超高強度鋼に関心が集まっている。これらの合金は、熱機械的処理（thermomechanical processing）の間に生成される特定のミクロ組織のために低炭素鋼よりも大きい引張強度を有するように配合される。自動車産業において現在使用されている高強度鋼の一部の例は、デュアルフェーズ鋼、マルテンサイト鋼、ボロン処理鋼および変態誘起塑性（transformation-induced plasticity）鋼を含む。他の高強度合金は、空気焼入れ硬化性（air hardenable）、油焼入れ硬化性および水焼入れ硬化性炭素鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼を含む。これらの全部は、材料のミクロ組織においていくらかの体積百分率のマルテンサイトが形成されるように設計されている。硬化状態で形成された結果として生じる変形した体心立方（ＢＣＣ）または体心正方（ＢＣＴ）マルテンサイト結晶構造は、金属に高強度を付与する。これらの材料は構造用構成部品および組立品に理想的に適しており、高強度および靱性の必要条件を満たす。
【０００３】
残念なことに、上記および他の超高強度合金の、マルテンサイトを形成する傾向および相対的に高い焼入れ性（hardenablity）は、溶接において難題をもたらす。溶接中に限られた熱影響部（ＨＡＺ）の内部で起こる加熱および急速冷却の熱サイクルは、急冷（rapid quenching）サイクルに等しい。高強度鋼品種の化学作用は、高温時にフェライトからオーステナイト（γ）への完全変態に続き、急速冷却時に硬いマルテンサイト相への以降の変化をもたらす。シーム溶接用途において、自然溶接冷却速度は、十分に、ほとんどの高強度高炭素合金においてマルテンサイト組織を生じるために十分に速い、１０００℃／秒もの大きさになり得る。（図１および図２を参照）。生成された結果として得られるマルテンサイト組織は、焼戻していない状態では極めて脆い。溶接部の割れは以下のようないくつかの理由で起こり得る。
■変形ＢＣＣマルテンサイト結晶構造に閉じ込められた水素による水素誘起冷温割れ。溶接部に加えられた引張応力により割れの危険が増す。
■溶接中に入力された熱、継手の拘束の程度およびマルテンサイト変態時の体積変化による熱誘起応力。
【０００４】
ほとんどの形態の割れは、溶接金属が周囲温度まで冷却した時に起きる収縮ひずみから生じる。収縮が制限されている場合、ひずみは割れを引き起こす残留引張応力を誘起する。２つの反対の力が存在する。すなわち、金属の収縮によって誘起される応力および母材の周囲剛性である。大きな溶接寸法、高熱入力および深浸透溶接手順は、収縮ひずみを増大させる。これらのひずみによって誘起される応力は、より高強度の溶加材および母材が関与する場合に増大する。降伏強さが高くなればなるほど、より大きな残留応力が存在する。
【０００５】
これらの問題は、焼なまし、焼入れ、または焼入焼戻し（hardened-and-tempered）されたにせよ、それぞれの以前の状態に関わらず特定の鋼を溶接する際に生じる。それらは、ＧＴＡＷ、ＧＭＡＷ、ＳＡＷ、ＰＡＷ、レーザービーム、摩擦、抵抗および電子ビームを含む、すべての形式の溶接で起こり得る。すべての場合で、溶融部および高温ＨＡＺは、溶接後「焼入れのままの」状態にある。二次製造プロセスまたは供用中のどちらにおいても、溶接後のあらゆる機械的ひずみは、マルテンサイトＨＡＺに割れを生じさせ得る。
【０００６】
その上、いったんこれらの合金から溶接され製造されると、多くの組立品は最終均質化固溶化熱処理（solution heat treatment）サイクルを受けることができない。例としては、熱サイクルが合金の独特なミクロ組織を破壊することになる、デュアルフェーズ鋼といったプレハードン（pre-hardened）または特殊な熱機械的処理された母材から製作された組立品を含む。また、溶接組立品全体を溶接後応力除去するために炉に入れることは、重厚な車体構造に溶接された自動車構造ビームの場合のように、物理的に実現可能ではないかもしれない。一部の組立品は、熱可塑性内部部品を備える溶接自動車燃料タンク組立品の場合のように、全体構造の溶接後熱処理に耐えられないだろう。いずれにせよ、溶接のままの脆性を低減することができれば、大きな利益が実現できるだろう。完成溶接部の延性および靱性は、いずれの付加的な熱処理を伴うことなく、供用に付された溶接構造物の場合に大きく改善されるだろう。
【０００７】
溶接部およびＨＡＺの硬さを制御する典型的な方法は、部品全体を加熱することによる溶接部のプロセス焼なましおよび焼戻しといったオフラインでの二次的な溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を含む。冷却速度を減速することによって存在するマルテンサイト相の割合を低減するため、予熱方法を使用することができる。加工物の潜熱は溶接シームの冷却速度を低減することにより、割れは抑止される。これまで、溶接前および溶接後熱処理は、一群の構成部品を適格な熱処理温度で勾配させ保持するために大型のバッチ熱処理炉において実行されてきた。バッチ熱処理プロセスの使用には、大型バッチ炉の嵩および熱処理される構成部品の嵩にある程度起因する、長い熱処理時間を含む欠点がある。その上、個々の構成部品が溶接されるのでバッチが集成される間に長い待ち時間が生じる。応力除去または焼戻しといった標準的な溶接後熱処理は、遅い炉冷却に加えて、ほぼ数時間の、所定の温度での相対的に長い保持時間を含む。全体的な溶接前または溶接後熱処理が母材の望ましいミクロ組織を破壊することは、問題をさらに複雑にする。例えば、デュアルフェーズまたはマルテンサイト鋼から作られた部品が、部品全体が最適な加熱時間および焼入れ速度以外の熱処理を受けた場合、機械的特性の全損失を被るかもしれない。
【０００８】
クロモリ（chromoly）合金といった硬化性鋼で作業する際に、酸素アセチレントーチでシーム溶接部を再オーステナイト化するために溶接部を再加熱し、継手を静止空気中で緩徐に冷却させることは、製造工場で周知である。溶接継手および周囲金属によって保持された熱は、再加熱後、溶接部の冷却速度を効果的に減速し、脆性を低減し、継手をより軟質な焼ならしされた状態にさせる。しかしそのプロセスは、変化が大きく低速で区分的であり、成果は製造者の技術水準に大きく依存する。特許文献１に記載されたものなどの代替方法は、低速冷却が後続するトーチによる溶接シームの再オーステナイト化を規定する。類似の方法が、特許文献２に記載されており、それは溶接部をオーステナイト域まで再加熱し暫時保持してから、「空冷より低速な」冷却を後続させることを規定している。これらの方法は全て、溶接シームを上部臨界温度を超えるまで再加熱し緩徐に冷却して、望ましいミクロ組織を生じることに頼っている。
【０００９】
従来の制御された「局部」溶接後応力除去はしばしば、苛酷供用の工業用および油田配管用溶接継手に適用されている。熱は、継手の外周に巻かれた誘導または抵抗加熱コイルよりなる加熱「ブランケット」によって加えられる。熱は、極めて緩徐に加えられ、数分ないし数時間にわたりピーク温度に留められてから、断熱性加熱ブランケットにおいて極めて緩徐に冷却させられる。
【００１０】
シーム溶接管製造において、高強度合金に固有の溶接の困難さを解決する従来のアプローチは、材料の化学組成を改質することである。一般に、空気焼入れ硬化性合金の低炭素種が開発されており、これによりシーム溶接部は完全にはマルテンサイトにならず、管製造中に割れない。この例は、特許文献３であり、これは従来の管製造プロセスにおける低炭素・デュアルフェーズ、最大０．０８％Ｃのステンレス材料の使用を詳述している。同様に、改質組成が非特許文献１の論文において管を製造するために使用されている。化学組成を改質する際には、溶接の容易さと材料の焼入れ性および最大機械的特性との間の相殺が存在する。
【００１１】
溶接部の硬さを低減する別の方法は溶加材を添加することであり、それによって最終的な冶金学はマルテンサイトといった硬くて脆い成分の割合が低減されるように改質される。しかし、（レーザーまたは抵抗といった）一部のシーム溶接プロセスは、溶加材とともに使用するのが難しい。その上、高額な溶加材が冷却時に硬化しないように選択されることによって低強度の溶接物をもたらす。これにより、所要の継手強度を満たすためによりいっそう大きな溶接部の使用が必要となる。
【００１２】
シーム溶接部特性を改善する他の方法は、残留圧縮応力を誘起し、それによって溶接シームの割れの傾向を低減するために溶接部を機械的にひずませ加工することを含む。この方法は、極めて単純なシーム溶接部形状を除き、効果的ではないか、または不可能でさえある。特許文献４はこの方法を詳述している。
【００１３】
シーム溶接管製造においてシーム溶接部の機械的特性を改善するために「シームアニーラ（seam annealers）」を使用することが周知である。低炭素鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼といった非硬化性合金で作業するように設計されたこれらの装置は、それが周囲温度まで完全に冷却した後、溶接源の下流でシーム溶接部に二次熱源を適用する。２つの主要な特質があてはまる。第一に、「シームアニーラ」は、溶接部をＡＣ３点超に再加熱して材料を再オーステナイト化し、暫時保持してから、「焼ならし」熱処理サイクルに等しく低速冷却させる。第二に、「シームアニーラ」は非焼入れ硬化可能合金に使用される。「シームアニーリング」プロセスの例は、特許文献５および特許文献６に記載されている。
【００１４】
特許文献７および特許文献８は、低減した脆性を備える溶接部を生成する方法を記載している。両方法は、機械的特性を改善するために溶接部を再加熱する相対的に短い焼戻しサイクルを焼入れ硬化可能合金に利用する。しかし、帯のこ刃およびスポット溶接部で使用されるこれらの方法は本発明と異なる。これらのプロセスは、その溶接部を生成するために使用されたのと同じ装置を用いてその場で実行される。実際、スポット溶接装置は、特許文献８に記載の方法の適正な焼入れのために適所にとどまっていなければならず、その後、溶接部を焼戻すために再加熱がただちに続く。最も重要なことは、これらのプロセスが個別の溶接継手で、すなわちスポット溶接、フラッシュ溶接またはプロジェクション溶接で使用されることである。
【００１５】
バッチ予熱およびＰＷＨＴといった従来のプロセスは、経済的で高品質な大量生産に向いていない。残念なことに、これらの方法は、現代の製造方法に関係する高い生産レベルのためにコストも時間もエネルギーの点でも効率的ではない。理想的な解決策は、急速加熱および安価な空冷サイクルとの組み合わせで、高強度の継手に硬化させることができる溶接される母材と類似の化学組成の、自生溶接（すなわち、いかなる溶加材も使用されない）または適合強度溶加材の使用のどちらかを可能にするだろう。
【００１６】
本発明者らは、溶接部およびＨＡＺの延性を増大させる種々の方法を、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６の中で記載している。各文献はその全部が参照によってここに採り入れられる。残念なことに、これらの方法でさえ短所を有する。
【００１７】
従って、シーム溶接継手の機械的特性を改善するために製造中に熱処理を行うことが製造の観点から望ましい。好ましくは、単純なＰＷＨＴ方法が溶接部およびＨＡＺの延性を相当に増大させるために使用することができるだろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第３０４６１６７号明細書、名称「熱処理方法および製品（Heat-Treating Method and Product）」
【特許文献２】米国特許第６６７６７７７号明細書、名称「炭素鋼および低合金鋼の溶後接熱処理プロセス（Postweld Heat Treatment Process of Carbon Steel and Low Alloy Steel）」
【特許文献３】米国特許第７１５７６７２号明細書、名称「配管系用ステンレス鋼管を製造する方法（Method of Manufacturing Stainless Steel Pipe For Use In Piping Systems）」
【特許文献４】米国特許第４０７２０３５号明細書、名称「溶接シームの強化（Strengthening of a Welding Seam）」
【特許文献５】米国特許第３２４２２９９号明細書、名称「誘導加熱装置のためのインダクタ（Inductor for Induction Heating Apparatus）」
【特許文献６】米国特許第４９７５１２８号明細書、名称「配管系用ストレートビード溶接管を熱処理する方法（Method For Heat-Treating Straight Bead Welding Pipes For Use in Piping Systems）」
【特許文献７】米国特許第２２９３４８１号明細書、名称「溶接装置（Welding Apparatus）」
【特許文献８】米国特許第２２６２７０５号明細書、名称「電気溶接（Electric Welding）」
【特許文献９】米国特許第７２３２０５３号明細書（２００７年６月１９日発行）
【特許文献１０】米国特許仮出願第６０／８７９８６１号明細書（２００７年１月１０日出願）
【特許文献１１】米国特許出願第１１／５４２９７０号明細書（２００６年１０月４日出願）
【特許文献１２】米国特許出願第１１／５２６２５８号明細書（２００６年９月２２日出願）
【特許文献１３】米国特許出願第１１／５１９３３１号明細書（２００６年９月１１日出願）
【特許文献１４】米国特許出願第１０／５１９９１０号明細書（２００４年１２月３０日出願）
【特許文献１５】国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０２／２０８８８号明細書（２００２年７月１日出願）
【特許文献１６】米国特許仮出願第６０／３０１９７０号明細書（２００１年６月２９日出願）
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】「ＨＦ−ＥＲＷプロセスによる溶接可能マルテンサイト系ステンレス鋼ラインパイプの開発Development of weldable martensitic stainless steel line pipe」」、Ｎ．アユカワ（N. Ayukawa）ほか、ステンレス・スチール・ワールド１９９９年大会紀要、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従って、本発明の目的は、硬化性鉄合金の溶接鋼構造物を形成するための改善された方法を提供することである。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、シーム溶接継手の機械的特性を改善するために初期製造の間に熱処理が実行され得る、鋼構造物を形成するための改善された方法を提供することである。
【００２２】
本発明のまたさらなる目的は、加工時間を増加させることなく溶接部およびＨＡＺの延性を増大させる溶接後熱処理システムを提供することである。
【００２３】
本発明のさらに別の目的は、実現が安価で相対的に単純な鋼構造物を形成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
簡単に言えば、本発明によって、溶接管構造を含むがこれに限定されない鋼構造物を形成するための改善された方法が提供される。最も広い言葉において、本発明は硬化性鉄合金のための改善された溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）に向けられている。
【００２５】
本発明の鋼構造物を形成する方法は、焼入れ硬化性鉄合金の２つの表面が一緒に溶接された時に形成される従来の溶接部を処理することを含む。初期溶接部は、鉄合金を溶融し溶接部を形成するために隣接する表面を十分に高い温度にするために、好ましくは従来の溶接装置の形態の熱源を適用することによって形成される。溶接部は引き続き、硬化性鉄合金のマルテンサイト開始（ＭＳ）温度未満に冷却させられる。溶接部は周囲温度まで冷却されてもよい。代替として、溶接部は鉄合金のマルテンサイト開始（ＭＳ）温度と周囲温度との間の中間温度まで冷却されてもよい。
【００２６】
シーム溶接部をマルテンサイト開始（ＭＳ）温度未満に冷却した後、シーム溶接部は溶接後熱処理プロセスにおいて焼戻しされる。シーム溶接部は、１０℃／秒以上の速度で溶接部の硬化性鉄合金のマルテンサイト開始（ＭＳ）温度を超えるまで急速に加熱される。しかし溶接部は、溶接部の硬化性鉄合金の下部臨界温度（ＡＣ１）を超えるまで加熱されない。重要なのは、溶接部が少なくとも１０℃／秒の速度で急速に加熱され、２００℃／秒の速度が好ましいことである。溶接シームへの熱は多様な熱源を用いて加えることができるが、局部熱源が好ましい。局部熱源は、プロパンまたは酸素アセチレントーチ、抵抗、アーク、レーザー、伝導、放射、対流または高周波誘導方法を含むが、以下に限らない。ここに記載される局部熱源は、溶接部および隣接領域に熱を供給するが、構成部品全体を加熱しない。
【００２７】
硬化性鉄合金のマルテンサイト開始（ＭＳ）温度を超えるが下部臨界温度（ＡＣ１）を超えずにシーム溶接部を加熱することによってシーム溶接部が焼戻しされると、シーム溶接部は保持温度での均熱時間を伴わずただちに空冷される。空気急冷は１５℃／分超で行われるが、好ましくは水冷によってもたらされるように２００℃／秒を超えない。
【００２８】
空気焼入れ硬化性であると考えられるそうした鋼および合金を含む多種多様な「硬化性鉄合金」を、本発明の実施において使用することができる。本発明の鋼構造物を形成する方法および溶接後熱処理のための方法は、硬化性マルテンサイト系ステンレス鋼、特に鋼種４１０、４２０および４４０のそれらに特定の応用を有すると考えられる。異なる合金は異なる下部臨界温度、マルテンサイト開始（ＭＳ）温度およびマルテンサイト終了（ＭＦ）温度を有するので、また溶接部の特性は溶接部設計に応じて異なるので、焼戻し速度、焼戻し最終温度および冷却速度は異なる。
【００２９】
本発明の鋼構造物を形成する方法はまた、シーム溶接管構造物を形成するためだけでなく、ガスまたは液体タンクのような外周溶接部を作成するためにも特定の応用を有すると考えられる。
【００３０】
本発明の上記および他のさらなる目的および利益は、図面と連係してなされる以下の詳細な説明から当業者には明らかだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】溶接後の空気焼入れ硬化性鋼の熱影響部（ＨＡＺ）において見られる４つの異なるミクロ組織領域を例示する図である。
【図２】溶接前または溶接後熱処理をまったく伴わない空気焼入れ硬化性マルテンサイト系ステンレス鋼の典型的な溶接部にわたる微小硬さのグラフである。
【図３】本発明の温度プロフィールと比較した従来の焼戻しの溶接後熱処理温度プロフィールのグラフである。
【図４】本発明の溶接後熱処理方法を示す流れ図である。
【図５】フランジシーム溶接前のプレハードンシェルから作られた典型的なクラムシェルタンク組立品の斜視分解図である。
【図６】フランジシーム溶接後のプレハードンシェルから作られた典型的なクラムシェルタンク組立品の斜視図である。
【図７】成形抵抗加熱コイルによる局部溶接シーム熱処理を示すフランジシーム溶接後の典型的なクラムシェルタンク組立品の斜視図である。
【図８】使用中の成形抵抗加熱コイルによる局部溶接シーム熱処理を示すフランジシーム溶接後の典型的なクラムシェルタンク組立品の斜視図である。
【図９】型締め固定具内に配置された（抵抗または誘導）加熱コイルによる局部溶接シーム熱処理を示すフランジシーム溶接後の典型的なクラムシェルタンク組立品の断面側面図である。
【図１０】局部溶接シーム熱処理のためにシェルに電流を通すことによる局部溶接シーム熱処理を示すフランジシーム溶接後の典型的なクラムシェルタンク組立品の断面側面図である。
【図１１】６２試行の平均結果による本発明に従って処理した鋼種４１０シーム溶接見本のＤＩＮ  ＥＮ  ８９５縦引張試験片についての破断点最大ひずみを比較した棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は、図面に示すように種々の形態での実施形態が可能であり、以下、現在好ましい本発明の実施形態を説明する。しかしながら、その開示は本発明の例証とみなすべきであり、例示された特定の実施形態に本発明を限定することを意図していないことを理解されたい。
【００３３】
本発明は、高強度鋼および他の硬化性合金から製造されたシーム溶接部、およびシーム溶接構造を処理する方法を含む。本発明は、特にシーム溶接に際してマルテンサイトの溶接部およびＨＡＺミクロ組織に変態する合金に応用できると考えられる。従って以下の説明はこのような鋼に特に応用を有する。本発明のプロセスにより、溶接部の改善した延性および靱性、ならびに溶接部の低減した脆性および水素誘起低温割れ感受性が得られる。本発明により、溶融部およびＨＡＺ両方の溶接部の改善された機械的ひずみおよび変形が可能となり、プロセス焼なまし、臨界未満焼なまし（subcritical annealing）または応力除去といった構造全体の付加的な溶接後固溶化熱処理の必要性を排除する。本発明の局部熱処理は、母材の材料特性およびミクロ組織を変更する危険性を排除し、本発明を、溶接前熱機械的処理合金ばかりでなく、部品全体熱処理を物理的に受けることができないものにも適したものにする。
【００３４】
ＳＡＥＪ４１２規格「鋼の一般特性および熱処理」には、「焼入れ性または熱処理への応答は、おそらく鋼の選択の最も重要な一つの基準であろう。焼入れ性とは、変態範囲超からの急冷によって誘起される硬さの深さおよび分布を決定する鋼の特性である。・・・用語「焼入れ」は、材料の硬さが適切な処理によって増大することを意味し、通常、適切なオーステナイト化温度への加熱に続き、合金含量に依存する所定の最小速度での冷却を伴う。急冷が完了したとき、結果として生じる構造はマルテンサイトであり、・・・その硬さは鋼の炭素含量に依存する。」と概説されている。
【００３５】
ここで定義するところでは、用語「硬化性合金（hardenable alloys）」は、熱処理に応答する直接焼入れ硬化可能な鋼および鉄合金の等級を指す。さらに、「硬化性合金」は、他の合金元素とともに、従来のシーム溶接後に溶融部およびＨＡＺにおいてマルテンサイトミクロ組織を形成するのに十分な炭素含量を有する。ここで定義するところでは「硬化性合金」は、合金の特定の化学組成に依存して、十分に定義された転移温度、すなわちＡＣ３−上部臨界温度、ＡＣ１−下部臨界温度、ＭＳ−、マルテンサイト開始温度および、ＭＦ−マルテンサイト終了温度を有する。「硬化性合金」は、シーム溶接に関係する自然急冷冷却速度が空気急冷よりも大きいため、空気焼入れ硬化性であると考えられる鋼および合金を含む。ここで定義するところでは、用語「硬化性合金」は、肌焼き（case hardening）プロセスにより材料の表面に元素を注入することによってのみ熱処理に応答する「低炭素浸炭品種」と考えられる鋼および鉄合金を含まない。
【００３６】
本発明を適用可能な代表的な焼入れ硬化可能合金は以下を含むが、これらに限定されない。
【００３７】
ＳＡＥ１０３０、１０３４、１０３５、１０３７、１０３８、１０３９、１０４０、１０４２、１０４３、１０４４、１０４５、１０４６、１０４９、１０５０、１０５３、１５３６（１０３６）、１５４１（１０４１）、１５４７（１０４７）、１５４７（１０４７）、１５４８（１０４８）、１５５１（１０５１）、１５５２（１０５２）
ＳＡＥ１０５５、１０５９、１０６０、１０６４、１０６５、１０６９、１０７０、１０７４、１０７５、１０７８、１０８０、１０８４、１０８５、１０８６、１０９０、１０９５、１５６１（１０６１）、１５６６（１０６６）、１５７２（１０７２）
ＳＡＥ１３３０、１３３５、１３４０
ＳＡＥ４０３７、４０４７、４１３０、４１３５、４１３７、４１４０、４１４２、４１４５、４１５０、４１６１、４３４０
ＳＡＥ５０４６、５０Ｂ４０、５０Ｂ４４、５０Ｂ４６、５０Ｂ５０、５０６０、５０Ｂ６０、
ＳＡＥ５１３０、５１３２、５１３５、５１４０、５１４５、５１４７、５１５０、５１５５、５１Ｂ６０
ＳＡＥ６１５０
ＳＡＥ８６３０、８６３７、８６４０、８６４２、８６４５、８６５０、８６５５、８６６０、８７４０
ＳＡＥ８１Ｂ４５、８６Ｂ４５、９４Ｂ３０
ＳＡＥ９２５４、９２５５、９２６０
ＳＡＥ５０１００、５１１００、５２１００
ＳＡＥ５１４１０、５１４１４、５１４２０、５１４３１、５１４４０Ａ、５１４４０Ｂ、５１４４０Ｃ、５１５０１
２２ＭｎＢ５
３０ＭｎＢ５
ＤＰ６００
ＤＰ８００
ＤＰｌ０００
【００３８】
本発明の好ましい方法は、焼入れ硬化可能マルテンサイト鋼の２つの面を接合するためにシーム溶接部を形成することを含む。シーム溶接部はマルテンサイト開始温度（溶接部のＭＳ）未満に冷却される。溶接部の温度は、マルテンサイト終了温度未満に、または周囲温度にまでも冷却されてもよいし、または冷却されなくてもよい。図３および図４に例示された通り、完成したシーム溶接部はその後、溶接金属のＡＣ１−下部臨界温度（共晶温度）または、マルテンサイト開始温度（ＭＳ）よりも大きい下部中間温度のどちらかに急速に加熱されて、溶接部を空冷させる。図３において方法‘Ａ’として識別され、温度対時間図で破線によって示された第１の実施形態において、シーム溶接部は温度ＡＣ１まで加熱されるが、ＡＣ１−（下部臨界温度）を超えない。この実施形態では、マルテンサイトの全部が最大の高温焼戻しを受けるので、溶接シームの最大軟化が可能になる。図３において方法‘Ｂ’として示され、温度対時間図で点線によって示された第２の実施形態において、中間温度までの加熱は、過度に軟化させることなく、かつ溶接部の引張強度を過度に低減することなく、脆化を低減することによって、溶接シームの靱性を改善するのに役立つ。
【００３９】
シーム溶接部の急速加熱は１０℃／秒より大きい速度で行われる。好ましくは、シーム溶接部の急速加熱は約２００℃／秒で、よりいっそう急速に行われる。急速加熱のすぐ後には空気急冷が続く（保持温度での均熱時間は全くない）。急速加熱から空冷への「即時」移行は製造プロセスに付随するものであるので、数秒または数分もの移行期間を含むように、相対的に広く解釈されるものとする。しかし、急速加熱から空冷への「即時」移行期間は、カーバイド析出物の粗粒化（coarsening）および再結晶といった鉄合金の結晶ミクロ組織への重大な変化が起こり得るような等温均熱時間を含むことは意図しない。空冷と矛盾しない好ましい急冷速度は１５℃／分より大きく、２００℃／秒未満である。
【００４０】
本発明において、シーム溶接部は、成形熱源により、全体的に、または（ミルでの連続シーム溶接の場合のように）区分的に加熱することができる。熱は、プロパンまたは酸素アセチレントーチ、抵抗、アーク、レーザー、伝導、放射、対流または高周波誘導を含む、多様な局部熱源を用いて溶接シームに加えられるが、これらに限定されない。用語「局部」は、構成部品の局部領域に熱を供給するが、炉またはオーブンによって供給されるように、構成部品全体を加熱しない熱源について述べるためにここで使用される。シーム溶接管（pipe and tubing）の生産といった連続プロセスの場合、局部溶接シーム領域の選択的加熱は、大型の管に対して極めて効率的な実施形態となるだろう。代替的に、螺旋誘導コイルまたは他の手段等により、管の全周を環状に加熱することによっても、本発明の精神の範囲内にとどまれるだろう。この環状加熱は小さな管径に対してより適切と考えられる。図５、図６に関し、好ましい実施形態において、溶接シーム全体は同時に加熱される。これは、硬化性合金の燃料または液体タンクにおけるような外周溶接を含む多様な構成物に実施することができる。
【００４１】
溶接部の硬さを変える（すなわち、溶接領域ミクロ組織に存在するマルテンサイトの量を低減および／または焼戻す）ことに加えて、他のいくつかのＨＡＺ割れの要因であってプロセスにより軽減されるものは以下を含む。
・鋼がプロセスにより加熱される間に水素の拡散および放出のための付加的な時間を許容すること。水素の保持は、印加または残留引張応力を受けた時に、マルテンサイトミクロ組織における水素誘起低温割れの原因になる。
・溶接部の長さに沿って低減した熱勾配のために、溶接部における収縮ひずみおよび応力を緩和する。
・溶融部およびＨＡＺの延性および靱性を増大すること。
・形成されたＨＡＺおよび溶接部のあらゆるマルテンサイトを焼戻すこと。
【００４２】
図７、図８に示された通り、タンク全体周囲のシーム溶接部を局部的に熱処理するために、成形抵抗加熱コイルを使用することができる。加熱コイルは、上側、下側または両側から適用することができ、シーム溶接表面に直接接触させるか、または離して配置するかによって、ピーク温度に達するまで適所に保たれる。その後コイルが取り外され、シーム溶接部は室温まで空冷させられる。いかなる保護空気も必要ないが、必要な場合には、プロセスを非酸化雰囲気において実行してもよい。
【００４３】
図９、図１０に関しては、代替的に、熱は成形誘導コイル、火炎または他の方法を用いて溶接シームに加えられる。加熱コイルは、プレス金型構造（図９）に収容してもよく、これによりプロセス中にシーム溶接部の反りが抑制される。図１０に示された加熱プロセスの別の実施形態では、電流が一つの構成部品から他方に流されて、シーム溶接部を適正な温度まで抵抗加熱する。
【００４４】
プレハードンした硬化性合金のシーム溶接を必要とする典型的な自動車構造用途しては、シャーシ構成部品、Ａピラー、ＢピラーおよびＣピラー、ルーフレール、ルーフボウ、インパクトビームおよびバンパが含まれる。最終車体組立品の寸法および仕様により、あらゆる全体構造溶接後応力除去処理が禁じられる。本発明の溶接後熱処理プロセスは、上記および類似の形式の用途の溶接のままの溶接継手性能を改善するために理想的に適している。
【００４５】
実際、気硬化性（air hardenable）マルテンサイト系ステンレス鋼による初期試験結果により、溶接のままの試料と比べると、上述の第１および第２の実施形態に従って処理されたシーム溶接部の延性および靱性が著しく改善したことが認められた。例えば、０．５ｍｍ、１．０ｍｍおよび２．０ｍｍ厚の鋼種４１０ステンレス鋼（ＵＮＳ４１０００、ＳＡＥ５１４１０）を用いたシーム溶接試験片で、本発明について試験を行った。直線シーム溶接試験設備は６０インチ長の試験片を自生突合せＧＴＡＷ溶接するように設計されており、切取試片を溶接部の中央の安定状態部分から取り出した。本発明に従って、片側直線状誘導コイルがＧＴＡＷトーチ本体の下流に実装された。非接触式３．９μｍ波長赤外線高温計を用いて、直接表面温度測定値が得られた。
【００４６】
シーム溶接部は約１８０℃まで冷却させた。この温度はマルテンサイト開始温度ＭＳ未満であるだけでなくマルテンサイト終了温度ＭＦ未満でもある。なお、これらは、鋼種４１０ステンレス鋼の場合、それぞれ約３３０℃および２３０℃である。その後、完成したシーム溶接部を、約６７５℃である下部臨界温度ＡＣ１直下の約６５０℃まで急速に加熱し、ただちに空冷しせた。溶接シーム（縦引張り）方向での最大伸びをプロットしている図１１に示す通り、シーム溶接試料は、本発明の方法に従った焼戻しによって、溶接部およびＨＡＺの延性が著しく改善することを示している。より厚い試験片において大きな利益が見られる。これは、ゲージが厚いとシーム溶接継手の制約がより大きくなり、それゆえ残留応力がより高くなるが、本発明の熱処理方法がこれらを軽減するからである。異なる合金が処理される場合、溶接部のＡＣ１−下部臨界温度（共晶温度）または下部中間温度までの熱の適用は、溶接部に異なる機械的特性を付与するので、これらの選択は使用する材料と所望の機械的特性に依存する。
【００４７】
本発明は、レーザー溶接、抵抗シーム溶接およびアーク溶接といったすべてのシーム溶接プロセスに理想的に適している。本発明はまた、溶融部およびＨＡＺの脆性を低減するために自生シーム溶接部に加えて焼入れ硬化可能溶加材合金を用いたシーム溶接部を処理するのに理想的である。上部温度しきい値、その温度未満ではフェライトおよびカーバイドが安定しているＡＣ１−下部臨界温度（共晶温度）、および、ＭＳ−マルテンサイト開始温度の選択は、溶接部および母材合金の化学組成に依存する。自然冷却速度は、材料の厚さ、継手の形状、合金種および周囲条件に依存する。
【００４８】
本発明のいくつかの特定の形態について例示説明したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく種々の修正を行い得ることは明らかである。従って、本発明が以下の請求項以外により制限されることを意図するものではない。本発明は、当業者が本発明を理解、再現、実施できるような用語により記載されるものであり、現在好ましい実施形態が特定されたので、このように請求する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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