(57)【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、重量％で、Ni：30〜45％、Co：0〜10％、C：0.03〜0.5％、Mn：0.7％以下、NbおよびZrの一方または両方の合計で0.05〜3.5％、希土類元素：0〜0.5％を含み、残部がFeおよび不純物からなり、不純物としてのPが0.02％以下、Alが0.01％以下、酸素が0.01％以下であり、かつSiおよびSがそれぞれ下記の(1)式および(2)式を満たす溶接構造物。
Si≦0.1(Nb+Zr)+0.05％  ・・・(1)
S≦0.0015(Nb+Zr)+0.0055％  ・・・(2)
ただし、上記(1)式および(2)式中の元素記号はその元素の含有量（重量％）を示す。
【請求項２】
溶接金属中の柱状晶の境界に存在する炭化物が溶接金属の0.5〜50体積％であり、かつその炭化物中のNbまたは／およびZrが炭化物の20重量％以上である請求項１の溶接構造物。
【請求項３】
Fe−Ni系低熱膨張係数合金製の溶接管であって、溶接接合部の溶接金属が、重量％で、Ni：30〜45％、Co：0〜10％、C：0.03〜0.5％、Mn：0.7％以下、NbおよびZrの一方または両方の合計で0.05〜3.5％、希土類元素：0〜0.5％を含み、残部がFeおよび不純物からなり、不純物としてのPが0.02％以下、Alが0.01％以下、酸素が0.01％以下であり、かつSiおよびSがそれぞれ下記の(1)式および(2)式を満たす溶接管。
Si≦0.1(Nb+Zr)+0.05％  ・・・(1)
S≦0.0015(Nb+Zr)+0.0055％  ・・・(2)
ただし、上記(1)式および(2)式中の元素記号はその元素の含有量（重量％）を示す。
【請求項４】
溶接金属中の柱状晶の境界に存在する炭化物が溶接金属の0.5〜50体積％であり、かつその炭化物中のNbまたは／およびZrが炭化物の20重量％以上である請求項３の溶接管。
【請求項５】
重量％で、C：0.5％以下、Ni：30〜45％、Co：0〜10％、Mn：0.7％以下、NbおよびZrの一方または両方の合計で0.2〜3.5％、希土類元素：0〜0.5％を含み、残部がFeおよび不純物からなり、不純物としてのPが0.02％以下、Alが0.01％以下、酸素が0.01％以下のFe基合金であり、かつ、下記の(1)式から(6)式までの全てを満たすFe−Ni系低熱膨張係数合金の溶接材料。
Si≦0.1(Nb+Zr)+0.05％  ・・・(1)
S≦0.0015(Nb+Zr)+0.0055％  ・・・(2)
C≧0.015(Nb+Zr)+0.04％  ・・・(3)
0.1≦（Si／Mn）≦2  ・・・(4)
S＋O≦0.015％  ・・・(5)
Al＋O≦0.015％  ・・・(6)
ただし、上記(1)式〜(6)式中の元素記号はその元素の含有量（重量％）を示す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、液化天然ガス（LNG）のような低温物質の貯蔵用のタンク、輸送用の配管、およびそれらに付属する各種の機器であって、全部または一部の部材がFe-Ni系低熱膨張率合金で構成され、溶接によって組み立てられる物（ここでは、これらを総称して「溶接構造物」という）に関する。本発明はまた上記の配管に使用される溶接管に関する。さらに本発明は、上記のような溶接構造物および溶接管の製造に用いるのに好適な溶接材料（ワイヤ）に関する。
【０００２】
【背景技術】
液化天然ガス（LNG）のような低温物質の輸送用配管や貯蔵タンクの材料としては、従来、JISのSUS 304のようなオーステナイト系ステンレス鋼が使用されてきた。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、熱膨張係数が大きいので、たとえば配管においては一定の長さごとにループ管を挟んで膨張・収縮による変形を吸収する対策が必要である。仮にループ管が不必要となるような熱膨張係数が著しく小さい材料で配管を構成できれば、ループ管に必要なエルボ管が不必要になり、配管を通すトンネルの径を小さくでき、配管の断熱等の保守作業も軽減され、建設費および維持管理費の大きな節減が可能になる。
【０００３】
機械的および化学的性質の面からLNG等の低温物質の輸送や貯蔵用機器の材料として使用が可能なものの中で、特定の成分比を有するFe−Ni系合金が非常に小さい線膨張係数を有することが知られている。そのような合金の代表的なものとしては、インバーと総称されるFe-36％Ni、Fe-42％Niがあげられる（本明細書において成分含有量に関する％は、重量％を意味する）。これらは、その小さい熱膨張係数を活かして、温度変化による伸縮を嫌う機器の材料として使用されている。
【０００４】
上記のFe−Ni系の低熱膨張係数合金からなる構造物を溶接して組み立てる場合、母材と同等の線膨張係数を有する溶接材料の使用が望ましい。そのため、特開平4-231194号公報や、特開平8-267272号公報に開示されているような共金系の溶接材料が提案されている。
【０００５】
上記特開平4-231194号公報に開示される溶接材料は、Ni (Co）およびFeの外にC：0.05〜0.5％、Nb：0.5〜5％を含み、更に、必要に応じて、Mn、Ti、Al、Ce、Mg等を選択的に含有させた溶接時の溶接割れを防止できるという溶接材料である。
【０００６】
特開平8-267272号公報に開示されているのは、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％、A1：0.05％以下およびO（酸素）：0.015％以下で、さらに、NbとCの関係を（％Nb）×（％C）≧0.01と規定することにより、多層溶接時の再熱割れを防止し、かつ溶接部の靱性をも改善できる溶接材料である。
【０００７】
しかしながら、上記の提案に係る溶接材料を大型の構造物、特に液化天然ガスの配管や貯蔵に使用されるタンク等の構造物の組立に使用すると次のような問題が生じる。即ち、これらの溶接材料はNb、Ti、Ce、Mg、B、Ca等の多種多様な合金元素を含むが、これらは合金の加工性を劣化させて溶接材料（ワイヤ）製造を困難にする。特にNbは、大型の酸化物を生成させるため、合金の熱間加工性のみならず冷間加工性までも劣化させる。また、仮に溶接材料が製造できたとしても、さらに次のような課題が残る。
【０００８】
溶接構造物、例えば、前記の液化天然ガス輸送用の配管や貯蔵用タンクを組み立てる場合、施工能率および溶接部の品質の面から、TIG溶接やプラズマ溶接により自動溶接ができること、および現地施工のために様々な溶接姿勢で溶接可能であること、が望まれる。即ち、溶接材料は優れた溶接作業性を具備することが必須である。具体的には、自動溶接において溶け込み不足や溶接線はずれ等に起因する裏波未形成や融合不良などの溶接欠陥を発生しないこと、および上向き溶接時にも溶け落ちや裏波未形成を生じないことが求められる。
【０００９】
前記の提案に係る溶接材料では、溶接部の耐割れ性や靱性といった継手性能の改善は考慮されているが、上述の溶接材料の製造性および溶接作業性については何ら配慮がなされていない。
【００１０】
前記特開平4-231194号公報に開示される溶接材料では、溶接時の凝固割れに関しては考慮されているものの、大型構造物などの厚肉材の多層溶接に際して発生する再熱割れ対策は考慮されていない。さらに、液化天然ガスと接触するような部位では−196℃といった極低温での十分な靱性が必要とされるにもかかわらず、この点についても配慮されていない。
【００１１】
なお「凝固割れ」というのは溶接によって形成された溶接金属（ビード）そのものが凝固する際に発生する割れであり、「再熱割れ」とは、多層盛り溶接において、初期に形成された割れのない溶接金属（ビード）が、その上にさらに溶接金属を盛ったときに再加熱されて、その熱影響によって初期の溶接金属中に発生する割れである。Fe−Ni系合金の溶接では特にこの再熱割れが発生しやすく、その防止対策がFe−Ni系低熱膨張率合金の溶接構造物の実用化の要になる。
【００１２】
前記の特開平8-267272号公報で提案された溶接材料では、再熱割れ対策についても考慮されている。しかし、溶接時の溶接方法や開先形状などに起因する合金成分の希釈があるので、溶接材料の化学組成だけでは再熱割れ防止の効果は必ずしも十分ではない。そのため、実際に液化天然ガスなどの極低温物質を取り扱う構造物用の溶接材料として用いるには問題がある。
【００１３】
LNG貯蔵設備やその配管のように極低温物質を取り扱う構造物では、先に述べたように溶接金属の低温靱性が必要とされるが、さらに耐応力腐食割れ性も要求される。上記のような構造物はウレタン樹脂のような保冷材（断熱材）で被覆されることが多く、その保冷材は微量のCl−を含むこと、また、これらの構造物は海に近い場所に設置されることが多いため、海水に起因するCl−を含む環境に触れることが多いからである。
【００１４】
先に挙げた特開平8-267272号公報の発明では、溶接部の低温靱性の改善をも目的としているが、耐応力腐食割れ性については何らの防止策も採られていない。
【００１５】
一方、前記のような溶接構造物を作製するのに使用する溶接材料には、製造が容易であること、言い換えればワイヤに加工しやすいこと（製造性）、およびその材料を用いたときに溶接作業が容易であること（作業性）が必要である。
【００１６】
溶接材料、即ち、溶接ワイヤの製造時には、素材の熱間加工および冷間での伸線という加工が必須である。既に述べたように、これまでに提案された溶接材料は加工性が劣り、ワイヤに加工するのが難しく、ワイヤ製造コストが高くなる。
【００１７】
LNG貯蔵タンクやその配管のような大型溶接構造物の組立では、施工能率を高めるためにTIG溶接やプラズマ溶接による自動溶接が採用される。しかも、現地での組立が多いから、様々な溶接姿勢において溶接が可能でなければならないといった優れた溶接作業性を具備することを求められる。具体的には、自動溶接において溶け込み不足や溶接線外れなどに起因した裏波未形成や融合不良などの溶接欠陥を発生しないこと、さらには、上向き溶接時に溶け落ちや裏波未形成を生じないことが求められる。しかし、これまでに提案された溶接材料では、これらに関しては全く考慮されていない。
【００１８】
【発明の開示】
本発明の第１の目的は次の(1)〜(3)の特徴を有する溶接構造物および溶接管を提供することにある。
【００１９】
(1)溶接金属に凝固割れおよび再熱割れが無いこと
(2)溶接金属の低温靱性が優れていること
(3)溶接金属の耐応力腐食割れ性が優れていること
本発明の第２の目的は、上記(1)〜(3)の特性を備えた溶接金属を形成することができ、かつ下記の特性を備えた溶接材料を提供することにある。
【００２０】
(4)製造性に優れること、即ち、ワイヤに加工し易いこと
(5)作業性に優れること、即ち、全姿勢の自動溶接で健全な溶接継手が得られること。
【００２１】
本発明の溶接構造物は、溶接で接合される部材の少なくとも一方がFe−Ni基低熱膨張係数合金であって、下記の  (A)および(B)を特徴とする。
【００２２】
(A)  溶接金属が、重量％で、Ni：30〜45％、Co：0〜10％、C：0.03〜0.5％、Mn：0.7％以下、NbおよびZrの一方または両方の合計で0.05〜3.5％、希土類元素：0〜0.5％を含み、残部がFeおよび不純物からなり、不純物としてのPが0.02％以下、Alが0.01％以下、酸素が0.01％以下であること。
【００２３】
(B)  上記溶接金属中のSiおよびSがそれぞれ下記の(1)式および(2)式を満たすこと。ただし、下記の(1)式および(2)式中の元素記号はその元素の含有量（重量％）を示す。
【００２４】
Si≦0.1(Nb+Zr)＋0.05％  ・・・(1)
S≦0.0015(Nb+Zr)＋0.0055％  ・・・(2)
本発明の溶接管は、Fe−Ni基低熱膨張係数合金の板を管状に成形し、突き合わせ部を溶接して製造するものである。この管は、主に低温物質の輸送用配管に使用される。そのときは、複数の管の管端を突き合わせて円周溶接を行って組み立てる。なお、配管の要所には分岐管やエルボのような管継手が使用されるが、そのような管継手も溶接して製造される場合は溶接管の範疇に含まれる。
【００２５】
本発明の溶接管も、前記(A)および(B)の特徴を備える。そして、上記の溶接構造物または溶接管の溶接金属中では、柱状晶の境界に存在する炭化物が溶接金属の0.5〜50体積％であり、かつその炭化物中のNbまたは／およびZrが炭化物の20重量％以上であることが望ましい。
【００２６】
本発明の溶接材料は、Fe−Ni系低熱膨張係数合金の溶接金属を形成するのに使用する溶接材料であって、下記の(C)および(D)を特徴とする。
【００２７】
(C)  重量％で、C：0.5％以下、Ni：30〜45％、Co：0〜10％、Mn：0.7％以下、NbおよびZrの一方または両方の合計で0.2〜3.5％、希土類元素：0〜0.5％含み、残部がFeおよび不純物からなり、不純物としてのPが0.02％以下、Alが0.01％以下、酸素が0.01％以下のFe基合金であること。
【００２８】
(D)  上記溶接材料中のSi、Nb、Zr、S、C、Mn、O（酸素）およびAlの含有量が下記の(1)式から(6)式までの全てを満たすこと。
【００２９】
Si≦0.1(Nb+Zr)+0.05％  ・・・(1)
S≦0.0015(Nb+Zr)+0.0055％  ・・・(2)
C≧0.015(Nb+Zr)+0.04％  ・・・(3)
0.1≦（Si／Mn）≦2  ・・・(4)
S＋O≦0.015％  ・・・(5)
Al＋O≦0.015％  ・・・(6)
ただし、上記(1)式〜(6)式中の元素記号はその元素の含有量（重量％）を示す。
【００３０】
本発明者らは、Fe−Ni系低熱膨張係数合金製の構造物を多層溶接したときの溶接金属の割れの原因、溶接金属の低温靱性および耐応力腐食割れ性、ならびに溶接材料の製造性および作業性について詳細に調査した。本発明は、これらの調査によって得られた次に述べるような様々な新しい知見に基づいてなされた発明である。
【００３１】
(1) 溶接金属の凝固割れと再熱割れについて
本発明者らは、凝固割れおよび再熱割れの発生した溶接金属の割れの破面を詳しく調査した。その結果、次の事実が確認された。
【００３２】
(a)凝固割れの破面には顕著な溶融痕がある。また、破面上にはSi、Cが濃化している。
【００３３】
(b)再熱割れの破面には、凝固割れ破面と同様に、Si、Cが濃化し、溶融痕が認められる部分と、Sが濃化した平坦な粒界破壊を呈する部分とがある。
【００３４】
これらの事実から、凝固割れは、Si、Cの濃化した液相が長時間残留し、外部応力を受けて開口する現象であると考えられた。また、再熱割れは、前のパスで形成されたビード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、それが次パスの熱で加熱されて溶融し開口すること、およびビードの粒界にSが偏析するため、粒界の固着力が小さくなり、その部分が次パスの熱応力により開口すること、が原因であると考えられた。
【００３５】
本発明者らは、これらの二種類の割れを両方とも防止するためには、Cを炭化物として固定することが有効であることを確かめた。溶接金属の凝固時に、Cを安定な炭化物として高温で液相中に晶出させれば、凝固時にSiとCに起因する低融点の共晶化合物が生成せず液相が長時間残留する現象がなくなる。また、炭化物の高温での晶出は、凝固時の柱状晶境界の形状を複雑にし、そこに生じる熱応力を分散させて応力集中を軽減する効果もある。従って、柱状晶境界に多少の液相が存在しても、割れ発生までには到らない。これらの総合作用によって、凝固割れが防止されるものと推定される。
【００３６】
溶接金属中のCが安定な炭化物として存在すれば、多層溶接時の溶接熱サイクルにより前のビードが再加熱されても、柱状晶境界に偏析したSiがCおよびFeと低融点の共晶化合物を生成することがない。さらに、炭化物が晶出することにより柱状晶境界が複雑になり、境界面積が増加する。従って、単位粒界面積当たりのSの偏析量が少なくなり、粒界固着力の低下が軽減される。従って、Sの濃化に起因する割れも発生しなくなる。これらの結果、再熱割れも防止される。
【００３７】
上記のような炭化物を生成させるのに最も有効な元素がNbおよびZrである。これらは、いずれか一方でもよく、また両方を併せて使用してもよい。そして、溶接金属中のNbまたは／およびZrの適正含有量は、下記の(1)式および(2)式を満たすことが必要である。
【００３８】
Si≦0.1 (Nb+Zr)＋0.05  ・・・(1)
S≦0.0015 (Nb+Zr)＋0.0055  ・・・(2)
(2)  溶接金属の低温靱性について
上述のように溶接時の割れ防止には溶接金属中に炭化物を生成させることが有効である。しかし、炭化物量の過度の増加は低温靱性の劣化を招く。従って、低温用設備で実用上十分な衝撃値を満足させるには溶接金属中の炭化物量を一定の限度以下に規定する必要がある。
【００３９】
(3)  溶接金属の耐応力腐食割れ性の改善
Fe−Ni系低熱膨張係数合金の応力腐食割れは、Sの偏析した粒界に発生するた粒界腐食を起点として発生することが明らかとなった。この粒界腐食は、母材に較べて、特に凝固偏析が顕著な溶接金属の粗大な柱状晶の粒界で生じやすい。これを防止するのにも、凝固中に炭化物を柱状晶粒界に晶出させ、柱状晶境界の形状を複雑化し、Sの粒界偏析量を減少させることが有効である。
【００４０】
応力腐食割れの防止には、表面処理も有効である。例えばショットピーニング、サンドブラスト等の処理を施せば、溶接金属の表面に圧縮応力が残留して、耐応力腐食割れ性が向上する。また、溶接金属を腐食環境から遮断するようなコーティングを施してよい。例えば、円周溶接した部分を金属部表面をアミンアダクト硬化型エポキシ樹脂とイソシアネ−ト硬化型ポリオ−ル樹脂の組み合わせ、または一液型ケチミン硬化型エポキシ樹脂からなる有機系物質で被覆すれば、応力腐食割れの発生を防ぐことができる。
【００４１】
上記のように、溶接金属中のCを炭化物として存在させることによって、溶接金属の割れの防止および耐応力腐食割れ性の改善という効果が得られる。この炭化物の活用が、Fe−Ni系低熱膨張係数合金の溶接に伴う多くの問題を解決する最も重要な手段である。この炭化物は、凝固後の溶接金属中の柱状晶境界に存在する必要がある。その量は、体積%で溶接金属の0.5％以上であることが望ましい。しかし、過剰に存在すると低温靱性の低下を招くため、50体積％以下に抑えるべきである。
【００４２】
炭化形成元素としては、高温で安定な炭化物を形成する元素、例えば、Cr、Mo、Ti、Ta、Hf、Nd等が利用できる。しかし、少なくともNbまたは／およびZrの炭化物、即ち、（Nb、Zr）Cがふくまれていることが望ましい。そして、炭化物中のNbまたは／およびZrの含有量が炭化物総量の20重量％以上であることが望ましい。その場合、炭化物が安定かつ高融点のものになるからである。
【００４３】
(4)  溶接材料の製造性
上述のように、溶接金属の特性改善のためにはNbまたは／およびZrを添加することが有効である。しかし、NbおよびZrは酸素との親和力も強いため、大型の酸化物を生成しやすい。溶接金属中ではこれらの酸化物はSを固溶し、再熱割れの防止に寄与するが、溶接材料を製造する時には変形抵抗の増加を招き、製造性を著しく劣化させる。
【００４４】
本発明者らは、溶接材料中でもNb、Zrを炭化物、即ち、(Nb、Zr) Cとして存在させることにより、Nb、Zrを主体とした大型酸化物の生成を防止でき、それによって溶接材料の加工性が改善できることを見いだした。上記の炭化物を生成させるのに必要な溶接材料中のC量はNb、Zr量の増加とともに増加する。従って、溶接材料中のCとNb、Zrの含有量は下記の(3)式を満たす必要がある。
【００４５】
C≧0.015 (Zr+Nb) + 0.04％  ・・・(3)
(5)  溶接作業性の改善
溶接作業性は、溶接材料中のSi、Mn、S、OおよびAlの含有量と密接な関係があること、即ち、下記の事実が明らかになった。
【００４６】
(A)  SiとMnの含有量の比、即ち、Si／Mnを0.1〜2.0の範囲に調整することにより、最も溶接の困難な、上向き溶接時の溶け落ち、たれ落ちがなく、平坦な溶接部が得られる。従って、SiとMnの含有量は下記の(4)式を満たす必要がある。
【００４７】
0.1≦（Si／Mn）≦2  ・・・(4)
(B)  溶接ビードの均一性は、溶接材料中のSおよびO（酸素）の含有量と密接な関係があり、溶接線をはずれることなく均一なビードを得るにはSとOの含有量の合計を0.015％以下にしなければならない。従って、SとOの含有量は下記の(5)式を満たす必要がある。
【００４８】
S＋O≦0.015％  ・・・(5)
(C)  AlとO（酸素）の含有量の合計が0.015％を超える場合は、多量のスラグが発生し、ア−クからの入熱が十分に母材に投入されないため、TIG多層溶接の際に初層溶接時の裏波未形成の原因となる。また、プラズマ溶接時にキ−ホ−ルが十分に形成されない。従って、AlとOの含有量は下記の(6)式を満たす必要がある。
【００４９】
Al＋O≦0.015％  ・・・(6)
【００５０】
【発明を実施するための最良の形態】
I．本発明の溶接構造物および溶接管について
本発明の溶接構造物は、その溶接金属が前記の化学組成を有すること、および前記(1)および(2)の式を満足することを特徴とする。溶接金属の合金成分の含有量を特定した理由は次のとおりである。
【００５１】
Ni：30〜45％
Niは、低熱膨張率合金を構成する主要元素である。溶接金属においても十分低い線膨張係数を得るためには、Niは30〜45％とする必要がある。望ましい下限は32％であり、更に望ましい下限は34％である。また、望ましい上限は43％である。
【００５２】
Co：0〜10％
Coは、Niと同様に、熱膨張係数を小さくし、オーステナイトを安定化する元素であるから、必要に応じて添加してもよい。しかし、Co含有量が10％を超えると、溶接金属の靱性が低下し、また、その溶接金属を得るための溶接材料の価格が高騰する。従って、Coを使用する場合でも、その含有量は、10％以下、望ましくは８％以下に抑えるべきである。更に望ましいのは６％以下である。
【００５３】
C：0.03〜0.5％
Cはマトリックスであるオーステナイトを安定にする元素であり、溶接金属中においては粒界に偏析したSiおよびマトリックスのFeと反応して低融点化合物を生成し、割れ感受性を増大させる元素である。従って、その含有量は0.5％以下に抑えるべきである。一層望ましいのは0.4％以下である。しかし、前記のように、Cは、溶接金属中に炭化物を生成させて柱状晶境界を複雑にし、溶接金属の耐応力腐食割れ性を改善する作用もある。この好ましい作用効果を得るには、0.03％以上存在する必要がある。
【００５４】
Si：0.1(Nb+Zr)＋0.05％以下（前記(1)式の範囲）
Siは脱酸剤として添加されるが、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、低融点化合物を生成し、多層溶接の際の再熱割れの原因になる。NbおよびZrは、前記のとおり、Cを固定して再熱割れ感受性を低減させるが、十分な耐再熱割れ性を確保するためには、Siの含有量を0.1(Nb+Zr)＋0.05％以下に抑える必要がある。ただし、Siの過度の低減は製造コストの増大を招くので、下限は0.005％程度としてもよい。
【００５５】
Mn：0.7％以下
MnはSiと同様に合金溶製時の脱酸元素として添加される。しかし、過剰なMnは、溶接金属の靱性および耐食性の低下を招くので、その含有量は、0.7％以下とする。より優れた衝撃特性を得るためには0.6％以下とするのが望ましい。下限値については特に制約はないが、Siと同様、極端に下げるのには製造コストの上昇を伴うので0.005％程度が実際的な下限値になる。
【００５６】
Nb、Zr：一方または両方に合計で0.05〜3.5％
これらは、溶接金属中のＣと結合して炭化物を形成し、溶接金属の凝固割れ、再熱割れを防止し、靱性と耐応力腐食割れ性を改善する。その効果を発現させるためにはNbとZrの中の一方または両方の合計で0.05％以上含まれている必要がある。しかし、これらの含有量があまりに多くなると粒界のフリーなNb、Zrが多くなって粒界の強度が低下する。また、Nb、Zrの酸化物が生成して溶接金属の靱性劣化を招く。より優れた低温靱性を得るには、3.5％までにとどめるのがよい。
【００５７】
なお、再熱割れ防止には前述の(1)式によるSiとの関係、および(2)式によるSとの関係を満足する必要がある。
【００５８】
P：0.02％以下
Pは、不可避的な不純物であり、溶接時の凝固割れ感受性を上昇させるため0.02％以下とする必要がある。望ましいのは0.015％以下、さらに望ましいのは0.010％以下である。過度のPの低減は溶製コストの増大を招くが、0.0005％程度までの低減は可能である。
【００５９】
S：0.0015(％Nb+％Zr)＋0.0055％以下（前記(2)式の範囲）
SもPと同様に不可避的不純物である。Sは、溶接時の凝固時に低融点化合物を形成し、凝固割れを発生させるとともに、粒界に偏析して粒界固着力を低下させて多層溶接時の再熱割れ感受性を高める。さらに、Sが偏析した粒界は、特にCl−イオンの存在する環境では応力腐食割れ発生の起点となる。このようなSの弊害を防ぐには、前述のように溶接金属の柱状晶粒界に炭化物を生成させ、粒界のSの偏析量を少なくするのが効果的である。その炭化物を生成させる元素として、Nbまたは／およびZrが好適であり、これらの元素とSの含有量を上記(2)式によって規制すればよい。
【００６０】
酸素（O）：0.01％以下
酸素も溶接金属の不可避不純物である。その含有量が0.01％を超えると溶接金属の清浄度が著しく悪化し、脆化を招く。従って、0.01％以下、望ましくは0.008％以下に抑えるべきである。なお、酸素は可能な限り少ない方がよいが、これを極端に低減しようとすると溶製コストが増大する。実際的な下限は0.0002％程度となろう。
【００６１】
A1：0.01％以下
Alは、強力な脱酸元素であるが、過剰の添加は介在物量を増加させ、溶接金属の靱性を低下させる。そのため、Al含有量は0.01％以下とする。望ましいのは0.008％以下である。Al含有量は実質的に０でもよいが、脱酸剤としての作用効果と溶製のコストを考慮すれば0.0002％程度が下限となろう。
【００６２】
希土類元素：0〜0.5％
Y、Laに代表される希土類元素は、Sを固定する作用を持ち、再熱割れ防止に効果があるので、必要に応じて添加してもよい。しかし、過剰の添加は溶接金属の清浄度を悪化させて加工性と靱性を劣化させるから、その含有量は0.5％まで、望ましくは0.4％までとすべきである。上記の効果を期待して添加する場合は、0.001％以上の含有量とするのがよい。
【００６３】
以上の合金元素および不純物の外、溶接金属の残部は実質的にFeである。
【００６４】
本発明の溶接構造物は、溶接で接合する部材の両方がFe−Ni系低熱膨張係数合金製の部材であってもよく、また、その一方が異種の合金、例えばステンレス鋼製の部材であってもよい。配管の一部にステンレス鋼製の継手やバルブのような部品が取り付けられることがあるが、そのような場合は、これらの部品とFe−Ni系低熱膨張係数合金製の管とが溶接される、いわゆる異材溶接になる。そのとき、溶接金属が前述の条件を満たせばよい。ただし、ステンレス鋼との異材溶接を行う場合は、希釈率を50%以下に抑えるのが望ましい。50％を超えると、ステンレス鋼からのCrの拡散によって溶接金属中の炭化物中のCr含有量が増大し、炭化物の融点が低下して再熱割れを招くおそれがある。
【００６５】
構造物または溶接管の母材となるFe−Ni系低熱膨張係数合金は、既存のものでよい。なお、特に希釈率の大きな溶接を行う構造物用の母材として、下記の組成の合金が望ましい。
【００６６】
Ni：30〜45％、Co：0〜10％以下、Mn：1.0％以下、Si：1.0％以下、C：0.2％を超え0.5％以下、Nb：0.5％を超え2.0％以下、および希土類元素：0〜0.5％を含み、不純物としてのSが0.01％以下、Pが0.01％以下、Alが0.01％以下、O（酸素）が0.01％以下で、かつS、OおよびNbの含有量が下記の(7)式を満たすFe基合金。
【００６７】
S＋O≦0.005×Nb＋0.01  （％）  ・・・(7)
この合金は、Cを比較的多く含み、併せてNbを含有するので、希釈率の大きい溶接を行った場合でも、母材から溶接金属中へNbおよびCが供給されるため、溶接金属中のNbCが確保し易い。また、Nb含有量が上記の(7)式を満たすように配慮されているので、酸素とSはNbと結合してNb（S,O）を形成する。従って、溶接金属中のSおよびO（酸素）の粒界偏析が減少し、粒界固着力の低下が防止される。これらの作用によって、この合金では溶接時の再熱割れが発生しにくい。この合金は、特に溶接管製造の素材として有用である。
【００６８】
本発明で定めた化学組成の溶接金属は、そのまま（溶接のまま）でも実用上十分な特性を有する。しかし、応力腐食割れ感受性をさらに低減するために、300〜700℃で加熱する残留応力除去焼鈍を施してもよい。その加熱時間は被溶接部材（母材）の肉厚をｔ（mm）とすれば、「ｔ／20」時間から「ｔ／5」時間までの範囲でよい。加熱温度が300℃未満、または加熱時間が「ｔ／20」時間未満では、溶接残留応力除去の効果がなく、700℃を超える高温で加熱するとSの再分配が生じ、再熱割れおよび応力腐食割れの感受性がかえって増大する。また、「ｔ／5」時間を超える長時間の加熱は、過剰な粒内炭化物を生成させ、低温靱性の低下を招く。
【００６９】
本発明の上記のような溶接金属を持つ構造物は、希釈率を考慮して決定した化学組成の溶接材料を溶接条件に応じて使用することによって得ることができる。なお、溶接材料としては、次に述べる本発明の材料を用いるのが望ましい。
【００７０】
II．溶接材料について
本発明の溶接材料を構成する成分の含有量を前記のように定めたのは次の理由による。
【００７１】
Ni：30〜45％
前記のとおり、Niは低熱膨張合金を構成する主要元素であり、溶接材料のNiはそのまま溶接金属に移行する。従って、その含有量の限定理由は前記の溶接金属の場合と同じである。
【００７２】
Co：0〜10％
溶接材料においてもCoは必要に応じて添加することができる成分である。Niと同様に、溶接材料中のCoは、そのまま溶接金属中に移行するので、その含有量の限定理由は、先に述べた溶接金属の場合と同じである。
【００７３】
C：0.5％以下で、0.015(Zr+Nb)＋0.04％以上（前記(3)式の範囲）
前記のように、Cは溶接金属のオーステナイトを安定化させるが、再熱割れ感受性を増大させる。しかし、CをNbまたは／およびZrとの炭化物として固定すれば、再熱割れ感受性を小さくすることができ、また、これらの炭化物は溶接金属の割れの防止および耐応力腐食割れ性の向上にも寄与する。この望ましい作用をもたらすCを確保するために、溶接材料は0.015(Zr+Nb)＋0.04％以上のCを含有しなければならない。一方、過剰なCは、溶接金属に対して前記の弊害をもたらすとともに、溶接材料の製造性（熱間および冷間の加工性）を損なう。従って、溶接材料でもC含有量の上限は、0.5％とする。
【００７４】
Si：0.1(Nb+Zr)＋0.05％以下（前記(1)式の範囲）
溶接材料中のSiの含有量は、まず、溶接金属におけると同じ理由で、上記の(1)式の範囲とする。さらにSiは、溶融金属の物性にも影響し、溶接作業性を左右する。この影響はMnの含有量と関係するので、溶接材料においては次に述べる(4)式を満たさなければならない。
【００７５】
Mn：0.7％以下で、0.1≦(Si／Mn)≦2（前記(4)式の範囲）
上記の上限値（0.7％）を定めた理由は溶接金属におけると同じである。さらに溶接材料においては、Si／Mnが溶接作業性に影響する。即ち、この比が0.1よりも小さいと溶融池表面に生成するスラグ組成がMnリッチとなり、溶接金属は凸ビードとなりやすく、融合不良を招く。他方、この比が2を超えると、溶融金属の粘性が小さくなるために、上向き溶接時に溶融金属のタレ落ちが生じる。従って、溶接材料中のMnは、上記(4)式を満たす必要がある。
【００７６】
Nb、Zr：一方または両方に合計で0.2〜3.5％
前記のように、Nbまたは／およびZrは、溶接金属中に0.05％以上含有されていなければならない。この含有量を確保するために、溶接材料においては、溶接時の母材との希釈作用を考慮して下限を0.2％とする。上限は、溶接金属における場合と同じ理由で3.5％とする。溶接材料の製造性の観点からは、前述のＣ量との関係（(3)式）を併せて満足する必要がある。さらには、母材による希釈の大きい初層および第二層の溶接では割れ防止の観点からNbまたは／およびZrが1.2〜3.5％の溶接材料を使用することが望ましく、後続溶接では靱性確保の観点から0.2〜1.2％の溶接材料を使用することが望ましい。
【００７７】
P：0.02％以下
溶接材料中の不可避的不純物であるPは、そのまま溶接金属に移行し、溶接時の凝固割れ感受性を上昇させる。従って、溶接金属におけると同様に0.02％以下、望ましくは0.015％以下、さらに望ましくは0.010％以下に抑える。
【００７８】
S：0.0015(Nb+Zr)＋0.0055％以下（前記(2)式の範囲）で、
かつ、S＋O（酸素）≦0.015％（前記(5)式の範囲）
前述のとおり、溶接金属の再熱割れ防止のために、上記(2)式を満たす必要がある。一方、Sは、溶接作業性にも強く影響を及ぼす元素であり、良好な溶接作業性、特に溶接ビードの均一性と優れた裏波形成能を確保するには、酸素（O）含有量との関係で上記の(5)式を満たさなければならない。
【００７９】
酸素（O）：0.01％以下で、かつ、上記(5)式および下記(6)式を満たす範囲
酸素含有量を0.01％以下に抑える理由は先に述べたとおりである。溶接材料においては、0.01％を超える酸素は、清浄度の悪化によって伸線加工時の断線の原因になる。また、他の元素、特にSおよびAlとの相互作用によって、溶接作業性に大きな影響を及ぼす。従って、(5)式と(6)式を満足することも必要である。
【００８０】
A1：0.01％以下で、かつ、A1＋0（酸素）≦0.015％（(6)式の範囲）
上限（0.01％）を決めた理由は溶接金属における場合と同じである。Alは、酸素と結合してスラグを生成しやすく、その結果、アークから母材への入熱を阻害し、裏波形成能を劣化させる。これを防止するには上記(6)式を満たす必要がある。なお、溶接金属と同様に、Alの含有量は実質的に０であってもよい。
【００８１】
本発明の溶接材料を構成するのは前述の合金元素の外、残部は実質的にFeである。
【００８２】
本発明の溶接構造物を製造する際の溶接方法は任意である。どのような溶接方法を採用しても、形成された溶接金属が前記の化学組成範囲内にあって、かつ(1)式と(2)式を満足していれば、割れの発生がなく、しかも低温靱性に優れたものとなる。
【００８３】
本発明の溶接材料は、TIG溶接またはプラズマ溶接に使用するのが望ましい。これらの溶接法では、溶接材料中の合金元素の損耗が少なく、また、低酸素の溶接金属が得られ、低温靱性の一層の改善効果を得ることができるからである。
【００８４】
前述のとおり、本発明の溶接材料は、全姿勢溶接で健全な溶接金属を得ることができるものである。従って、この材料を用いれば管を接続するための円周溶接も自動化することができる。また、この溶接材料を使用し、成形したFe−Ni系低熱膨張率合金板をシーム溶接して、管（溶接管）を製造することも容易である。その管は、前述した優れた特性の溶接部を持つから、LNG等の極低温物質の輸送用配管として極めて好適である。
【００８５】
【実施例】
［実施例１］
表１と表２に化学組成を示す30種類の溶接ワイヤ（径：1.2mm）を試作して各種の試験を実施した。ワイヤの試作において、B5、B11およびB15は、それぞれCの含有量が前記(3)式の下限、(Zr+Nb)＋0.04％を下回っていたために、製造時に断線して溶接材料を製造できなかった。
【００８６】
溶接は、表３に示す化学組成の 9.5mm厚さの２種類の合金板（母材）を図１および図２に示す開先形状１、２に加工し、それぞれTIG溶接法およびプラズマ溶接法で実施した。
【００８７】
TIG溶接は下向きおよび上向きの各溶接姿勢にて、溶接を行い、初層溶接ビードでの裏波形成能、溶接ビードの均一性および溶接ビードの平坦度を評価した。プラズマ溶接は下向き姿勢で行い、裏波形成能および溶接ビードの均一性を評価した。裏波形成能は全溶接線にわたり裏波ビードが形成されているもの（裏波形成率100％）を合格とした。溶接ビードの均一性については、溶接ビード幅を等間隔に測定し、最大幅と最小幅の差 （△W）および平均値（Wave）を求め、その比(△W／Wave）が、0.2を超えないものを合格とした。
【００８８】
溶接ビードの平坦度については図３に示すように溶接ビード３の横断面から、余盛り高さ(H）および溶接ビード幅（W）を測定し、その比（H/W）が0.5を超えないものを合格とした。表４および表５に評価結果を示す。なお、表４、５、６、８の「溶接方法」の欄のTIGはTIG溶接法、PAWはプラズマアーク溶接法を意味する。
【００８９】
表４および表５から明らかなように、本発明の溶接材料の特徴である酸素とAlおよびSとの関係（前記の(6)式および(5)式）、ならびにMnとSiとの関係（前記の(4)式）を全て満足するA1〜A8、A11〜A15、B1〜B4、およびB6の溶接材料を使用した場合（AW1〜AW10、AW14〜AW19およびBW1〜BW4、BW6）には、溶接方法および溶接姿勢にかかわらず、優れた溶接作業性を有することが確認された。
【００９０】
それに対し、表５に示すように、前記(4)〜(6)式のいずれか一つ以上を満たさない比較例の溶接材料（B7〜B10およびB12〜B14）を使用した場合は、裏波形成能、溶接ビードの均一性および溶接ビードの平坦度の全てを満足することはできなかった。
【００９１】
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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上記の試験結果から、本発明で定める化学組成を有する溶接材料のみが十分な溶接作業性を有し、全姿勢溶接や自動溶接に適用可能であることが明らかである。さらに、これらの溶接材料は製造性も良好であり、溶接材料の安定供給が可能である。
［実施例２］
溶接継手性能を調べるために、前記の図１および図２に示す開先形状１、２の母材を用い、表１に示した溶接材料を使用し、TIG溶接は図４に示すB1からB12までの12パス６層の積層溶接、プラズマ溶接は図５に４で示すプラズマ溶接１層と５で示すTIG溶接１層の溶接を行い、溶接継手を作製した。
【００９２】
作製した継手の溶接金属から化学分析用試料を採取して化学分析を行い、また、溶接金属組織を電子顕微鏡により観察し、溶接金属の柱状晶境界に占める炭化物の割合を測定するとともに、EDX分析により、炭化物の組成分析を行い、炭化物中のNbおよびZr量を求めた。
【００９３】
更に図６(a)に示す曲げ試験片６（７は溶接金属部）および図７に示すＶノッチシャルピー試験片（ノッチは溶接金属部）８を採取し、それぞれ再熱割れの有無確認試験および−196℃での衝撃試験に供した。
【００９４】
再熱割れの確認試験では、観察を容易にするために、図６(b)に示すように試験片にわずかに曲げを付加し、微小な再熱割れがある場合はそれを開口させて、光学顕微鏡を用い、溶接金属部を100〜500倍で観察し、割れ発生の有無を確認した。判定基準は割れが全くなかったものを合格、割れが一つでも発生していたものを不合格とした。
【００９５】
衝撃試験の合否判定では、継手として実用上必要とされる衝撃値30J/cm２を判定基準とした。再熱割れ確認試験において割れを生じたものについては衝撃試験は実施しなかった。
【００９６】
さらに、溶接継手から図８に示すようなダブルUベンド試験片９を採取し、Cl−濃度を500ppmとしたNaCl水溶液を用い、大気開放下40℃で100時間の浸漬試験後、引張応力に対して、平行方向の断面組織を50倍の光学顕微鏡にて観察し、割れ発生の有無を確認し、耐応力腐食割れ性を評価した。試験片９のサイズは10mm×75mm×２mmで、溶接金属部10を中央にしてボルト11とナット12でＵ字形に拘束して試験に供した。
【００９７】
表６および表８に溶接金属の分析結果、表７および表９に継手性能評価結果を示す。
【００９８】
表６および表７から明らかなように、溶接金属の化学組成が本発明で定める範囲内にあるAWJ1〜AWJ9およびAWJ12〜AWJ20は、溶接金属内に再熱割れが発生せず、−196℃の極低温で30J/cm２以上の実用上十分な衝撃特性を持っている。なお、AWJ20は、母材としてNbを含有する表３のC2を用いた例である。この場合、Nbを含まないC1を母材として例（AWJ3）と比較して、(1)式および(2)式の許容範囲が大きくなっている。即ち、Nbを含むC2の母材は、希釈率の高い溶接に好適であることが分かる。
【００９９】
一方、表８および表９に示すとおり、溶接金属の化学組成が本発明で定める範囲外の溶接継手（BWJ1〜BWJ12）では溶接金属内に再熱割れが発生したり、衝撃値が30J/cm２に満たない。また、塩化物環境下では応力腐食割れの発生が認められ、耐再熱割れ性、靱性、耐応力腐食割れ性の全てを満足させることは不可能であった。
【０１００】
以上の試験結果から、溶接金属が本発明で定める全ての条件を満足した場合にのみ、割れが発生せず、優れた靱性と耐応力腐食割れ性をも有する溶接金属が得られることが明らかである。
【０１０１】
【表６】
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【表７】
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【表８】
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【表９】
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【産業上の利用可能性】
本発明の溶接構造物は、割れがなく、低温靱性および耐応力腐食割れ性に優れた溶接金属を有するものである。また、本発明の溶接材料は、製造が容易であり、かつ十分な溶接作業性を有するので、これを使用して全姿勢円周溶接や自動溶接が可能である。
【０１０２】
本発明は、Fe−Ni系低熱膨張率合金を素材とする溶接管の製造、その管を接合した配管、さらに貯蔵タンクやその周辺機器等、液化天然ガスなどの極低温物質を取り扱う溶接構造物の製作に大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、実施例で採用したTIG溶接の開先形状を示す断面略図である。
【図２】  図２は、実施例で採用したプラズマ溶接の開先形状を示す断面略図である。
【図３】  図３は、溶接ビードの平坦度を測定する方法を示す断面略図である。
【図４】  図４は、実施例で採用したTIG溶接の積層方法を示す断面略図である。
【図５】  図５は、実施例で採用したプラズマ溶接の積層方法を示す断面略図である。
【図６】  図６は、実施例で採用した再熱割れ評価方法を示す断面略図である。
【図７】  図７は、実施例で採用したシャルピー衝撃試験片を示す断面略図である。
【図８】  図８は、実施例で採用した応力腐食割れ試験の試験片形状を示す図である。
【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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