JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）p. 34-38

省入熱サブマージアーク溶接技術
Multiple Electrode Submerged Arc Welding Process with Low-Heat Input
上月渉平

KOZUKI Shohei

JFE スチール

スチール研究所

早川直哉

HAYAKAWA Naoya

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部
接合・強度研究部

大井健次

OI Kenji

JFE スチール

スチール研究所

接合・強度研究部長・博士（工学）主任研究員（課長）

要旨
天然ガス輸送用パイプライン用 UOE（U-ing O-ing expansion）鋼管への要求性能厳格化を受け，溶接部の熱影響部（HAZ）靭性に優れた次世代溶接技術である細径ワイヤシーム SAW（Submerged arc welding）技術を開発した。
細径ワイヤシーム SAW 技術は UOE 鋼管のシーム溶接における HAZ 靭性の向上を目的に，多電極サブマージアー
ク溶接の先行電極に細径ワイヤを適用することで溶接入熱を低減する技術である。ワイヤを細径化することで溶着速度と溶込み深さが増加し，溶接入熱を低減させて HAZ 靭性の向上を図った。本技術を適用した API（AmericanPetroleum Institute）規格の X65 クラス高強度厚肉 UOE 鋼管において，Fusion line 近傍のオーステナイト結晶粒径が微細化され，優れた HAZ 靭性を有することを確認した。

Abstract:
In recent years, mechanical properties of weld joint for natural gas transportation U-ing O-ing expansion (UOE)
pipes have been more stringent. JFE Steel developed a new submerged arc welding (SAW）process for high-strengthand heavy wall thickness UOE pipes. A new SAW process which can reduce heat input of 25％ due to its highdeposition rate and deep penetration is performed with multiple electrode SAW using small diameter welding wire onlead electrode. Improvement of heat affected zone (HAZ) toughness in seam welding on API X65 (API：AmericanPetroleum Institute) heavy wall linepipe and refinement of prior austenite grain size in HAZ was achieved in order toreduce its heat input.

1． はじめににシーム溶接部においては高塩基性フラックスの適用による 溶 接 金 属 高 靭 化 や 鋼 板 組 成 適 正 化 による HAZ（Heat

世界規模での環境問題への高まりやエネルギー需要の拡affected zone）靭性向上などが図られている5, 6）。

ライン パ イプ 用 途 に 広く適 用され て いる UOE（U-ing

大から，天然ガスへの需要が大幅に増加している。有数の天然ガス産出地であるロシアや北ヨーロッパでは，ガス田かO-ing expansion）鋼管においては，厚板をパイプ状にプレら消費地までを結ぶ数千キロメートルにも及ぶ長距離パイス整形して製造するその特徴から，板の突合せ部にシームプラインがこれまでも数多く敷設されているが，さらなる需溶接部が存在する。シーム溶接部は生産性確保の観点から要の高まりを背景にロシアと欧州とを結ぶ South Stream プ

内 外 面 1 層 の 多 電 極 の DSAW（Double submerged arc

ロジェクトや Nord Stream プロジェクトをはじめとした大型welding）によって溶接されるが，近年のパイプラインの厚パイプラインプロジェクトが国家主導で次々と計画されてお肉化に伴いシーム溶接部への溶接入熱は増加傾向（図 1）にり，安全かつ高効率で天然ガスを輸送するためのインフラあり，溶接ままでも高い HAZ 靭性を得ることが課題である。

整備が活発に進められている。これらの背景を受け，パイHAZ 靭性の改善手法は基地となる組織がフェライト主体

プラインに使用される鋼管（ラインパイプ）に対する要求性の場合とベイナイト主体の場合とで若干異なるものの，概ね能は厳しさを増しており，特に近年の需要増加に伴う操業（1）オーステナイト粒径の微細化による破面単位の微細化

圧力の高圧化1, 2）や深海敷設時の水圧による耐圧潰性の確3）4）（2）硬 質 相 で あ る M-A（Martensite-austenite constituent：などの観点から，ラインパイプ島状マルテンサイト）分率の低減に使用される鋼板の高強度化・高靱化・厚肉化が図られて（3）母材の高純度化（N や P の低減）いる。他方で，ラインパイプ敷設時の円周溶接部や造管時などが有効であり ，溶接プロセスの観点では上記（1）の保 ，高速延性破壊防止に形成される溶接部に対する要求性能も例外ではなく，特7）

視点で溶接部の入熱を抑制することが HAZ 靭性を向上させる有効な手段のひとつとなる。

2014 年 1 月 17 日受付－ 34 －Copyright © 2014 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

省入熱サブマージアーク溶接技術

25

Total heat input (kJ/mm)

20*1*2dγ =105 μ m

HAZ

Total heat input of IW*1 and OW*2dγ =139 μ m

HAZ

Inner weld
Outer weld

15
Weld metal

Outer weld

10

Weld metal

5
Inner weld
015100 μ m

2025303540

Wall thickness (mm)160
Mean austenite grain size ( μ m)

図 1 UOE 鋼管の板厚とシーム溶接部の溶接入熱の関係
Fig. 1Relationship between wall thickness and heat input on
seam welded joint on UOE linepipe

2． 省入熱 SAW 溶接技術の概要
UOE 鋼管シーム溶接部の HAZ 靭性は，溶接入熱の低減
3）とともに向上する 。図 2 に Fusion line 近傍の旧オーステ
ナイト粒径と溶接入熱の関係を示す。HAZ 靭性を支配する

140120100
Base metal: API* 5L X65
0.06C-0.1Si-1.5Mn-0.01P-0.001S80*API: American Petroleum Institute60
7.0

因子のひとつであるオーステナイト粒径は溶接入熱の低減とともに減少し，HAZ 靭性が向上する。溶接入熱を低減す7.5の先行極に細径ワイヤを適用した省入熱 SAW 技術の適用が
3, 8）。この 技 術 は 先 行 極 を 細 径ワイヤにすることで（1）溶着金属量の増加，（2）溶込み深さの増加ならびに8.08.59.09.510.0

Heat input (kJ/mm)

る有効な手段のひとつとして，多電極サブマージアーク溶接ある

100 μ m45

図 2 熱影響部（HAZ）のオーステナイト粒径に及ぼす溶接入熱の影響
Fig. 2Effect of heat input of double submerged arc welding(DSAW) on austenite grain size（3）溶接金属先端形状の先鋭化の 3 つの効果を活用し，溶接入熱を低減しながら HAZ 靭性を向上できる技術である。

Welding process: Single electrode SAW*

細径ワイヤの適用よる溶着速度増加*SAW: Submerged arc welding

図 3 に 1 電極 SAW における単位時間当たりの溶着量に及ぼすワイヤ径の影響を示す。2.4 mm，4.0 mm のいずれも溶接電流の増加とともに溶着速度が指数関数的に増加する。
9）

溶着速度は一般的に平田らが提案した（1）式の関係に従う 。
Vm =(12f J + R0 Ex JrH0) ……………………… （1）3

ここで，r：ワイヤ密度（kg/m ）Deposition rate (g/min)

2.1

2015
△ 4.0 mm
○ 2.4 mm

1050200

H0：溶滴の保有熱量（J/kg）

400

600

800

1 000

1 200

1 400

Welding current (A)f：電極加熱の等価電圧（V）

図 3 溶着速度に及ぼすワイヤ径の影響

f = VA + VWA + Vr
Fig. 3

VA：陽極降下電圧（V）

Effect of welding wire diameter on deposition rate

VWA：陽極物質の仕事関数（V）
Vr：アークプラズマ中の電子のエンタルピーの等価電圧

I：ワイヤ突出し部の電流（A）
d：ワイヤ直径（m）

J：ワイヤ突出し部の電流密度（A/m2）

R0：抵抗率（W・m）

J = I/(p d 2/4)

Ex：ワイヤ突出し長さ（m）－ 35 －

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

省入熱サブマージアーク溶接技術

すなわち，溶着速度は電流の 2 乗に比例して増加し，ワ

図 5 に 4 電極 SAW の先行極に細径ワイヤ（直径 2.4 mm）イヤ径の 2 乗に反比例して増加するため，ワイヤの細径化を適用した場合の入熱低減効果を示す。従来法と比較するによりワイヤの断面積を減じれば，同一の電流でも飛躍的にと，最大で約 25％の溶接入熱低減が可能である。

溶着量を増加させることができる。

2.2

3． 細径ワイヤシーム SAW 技術の有効性

細径ワイヤの適用による溶込み深さ増加

3.1

図 4 に溶込み深さに及ぼすワイヤ径の影響を示す。溶接実験方法

法は 1 電極 SAW である。ワイヤの細径化により溶込み深さ

UOE 鋼管のシーム溶接部に細径ワイヤシーム SAW 技術が顕著に増加する。これは，ワイヤの細径化に伴って電流を適用して各種機械性能評価を行なった。実験では表 1 に密度が増加し，アークエネルギーの密度を高めるとともに，示す成分の API（American Petroleum Institute：米国石油協

電磁ピンチ力の増加によりアークが細く絞られた結果，溶込会）に規定されたラインパイプ材である X65（降伏強度：み深さが増加するためである。溶接入熱を低減させるため

65 kpsi）クラスの高強度鋼板を用い，UOE 鋼管の製造条件の要件は，融合不良や溶込み不足，アンダーカットなどのと同等の溶接条件で DSAW を実施した。板厚は 29 mm の溶接欠陥を生じさせずに，継手として最低限必要な溶込み鋼板を用いた。その主な溶接条件を表 2 に示す。溶接は外深さと溶着量を確保しながら溶接を行なうことであるため，面開先底面にガスシールド溶接にて連続仮付を施した X 開

ワイヤの細径化によって溶着量と溶込み深さが増加する分先の突合せ継手を使用し，内面溶接，外面溶接の順に溶接だけ溶接速度を高速化して溶接入熱の低減が可能である。

を行なった。溶接後，Fusion line 近傍の母材 HAZ 組織観察のために，ビード断面をエメリー紙とアルミナ粉末で研磨後，25ピクリン酸でエッチングを施してオーステナイト粒界を現出
Welding process: Single electrode SAW*

Penetration depth (mm)

させた後，光学顕微鏡観察に供した。また，HAZ 靭性評価

*SAW: Submerged arc welding20

表 1 母材の化学組成15Table 1

Chemical composition of base metal(mass%)

10
Limit ofwire feeding

5CSiMnPS

Others

0.05

0.15

1.6

0.005

0.001

Ni, Cr, Mo, Nb, Ti

Table 2

Welding condition of 4-electrode submerged arcwelding (SAW)

表 2 4 電極 SAW の主な溶接条件
0123456

Wire diameter (mm)Process

Electrodes

Electrodediameter(mm)Heat input(kJ/mm)

Travelspeed(m/min)

Conventional

1st2nd
3rd
4th

44
44

7.2

1.3Developed

2.4444

5.5

1.68

1st
2nd
3rd
4th

6

Specimen shall sample 50% weld metal and 50% HAZ

図 4 溶込み深さに及ぼすワイヤ径の影響
Fig. 4

Effect of wire diameter on penetration depth

12Welding process: 4-Electrode SAW*
*SAW: Submerged arc welding

Heat input (kJ/mm)

10Outer weld metal△ Conventional○ Developed42 mm

Outer weld metal

21015202530
Inner weld metalPenetration depth (mm)

図 6 シャルピー試験片採取位置

図 5 4 電極 SAW への細径ワイヤ適用による入熱低減効果
Fig. 5Fig. 6

Heat input reduction effect on 4-electrode SAW

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

Inner weld metal－ 36 －Charpy V-notch impact test specimen positions

省入熱サブマージアーク溶接技術のために，図 6 に示した位置から V ノッチシャルピー衝撃Weld metal

試験片（JIS Z 2242）を採取し，それぞれの試験片を－30℃

HAZの試験温度でシャルピー試験に供し衝撃吸収エネルギーvE－30℃を評価した。

3.2

実験結果および考察

写真 1 に溶接金属の断面マクロ写真を示す。外面溶接に細径ワイヤを適用することで従来法と同等の溶込み深さを確保しながら，従来比約 75％の溶接入熱でも溶込み不足や溶着量不足のない溶接継手が作製できることを確認した。
なお，溶接後に実施した超音波探傷試験ならびに放射線透100 μ m

過試験において，溶接線全長にかけてスラグ巻き込みや溶(a) Conventional SAW*

込み不良などの溶接欠陥は発見されず，健全な継手の形成

100 μ m(b) Developed SAW*SAW: Submerged arc weldingを確認した。
図 7 に外面溶接金属の HAZ シャルピー衝撃試験結果を示

写真 2 外面溶接金属融合部近傍の HAZ 組織写真
Photo 2 Heat affected zone (HAZ) micrograph of conventional
SAW and developed SAW

す。 プ ロ ット 値 は－30 ℃ に お け る 衝 撃 吸 収 エ ネ ル ギ ーvE－30℃の平均値である。細径ワイヤシーム SAW 技術の適用により，外面溶接金属の HAZ 靭性ならびに，内外面溶接金属会合部の HAZ 靭性の向上が確認された。
写真 2 に外面溶接金属の HAZ ミクロ組織観察結果を示す。
観察はシャルピー衝撃試験片でノッチ底となる位置に対応している。ピクリン酸によりエッチングされたオーステナイ

10 mm(a) Conventional SAW*

トの平均結晶粒径を線分法にて測定したところ，細径ワイヤ(b) Developed SAW

シーム溶接技術の適用によりオーステナイト平均結晶粒径*

SAW: Submerged arc weldingが約 140 mm から約 80 mm に微細化しており，この事がシャルピー衝撃試験で破面単位を減少させ，外面溶接部の HAZ

写真 1 従来法ならびに開発法の継手断面マクロ写真
Photo 1

Macrostructure of conventional SAW and developedSAW

靭性が向上した主な要因であると考えられる。また，内外面溶接金属会合部の HAZ 靭性においても同様に，外面溶接入熱の低減により会合部におけるオーステナイト粒の粗大化350250が抑制され，靭性が改善したものと考えられる。
他方で，内面溶接によって熱影響を受けた部位に外面溶

300

接による熱影響が加わる多重熱サイクル領域では，一般的
Absorbed energy, vE−30℃ (J)Absorbed energy, vE−30℃ (J)

200

150

100

500250に 靭 性 劣 化 を 招 く M-A（Martensite-austenite constituent）

200の生成が懸念される ICCGHAZ（Interclitically coarse grain
heat affected zone）と呼ばれる LBZ（Local brittle zone：局150

所脆化域）が存在しており，入熱低減による LBZ の縮小も会合部 HAZ 靭性向上に寄与しているものと推測される。

100

なお，溶接金属の機械的特性や継手特性も別途評価し，50従来と同等の性能を発揮することを確認している。

0Conv.

Dev.

(a) Outer weld metal HAZ*

Conv.

Dev.

(b) Root HAZ4． まとめ*HAZ: Heat affected zone

図 7 従来法ならびに開発法のシャルピー衝撃試験結果
Fig. 7

Charpy impact test results of HAZ

API X65 クラスの高強度厚肉 UOE 鋼管のシーム溶接部のHAZ 靭性向上を目的として，4 電極 SAW の先行極に細径ワイヤを使用した細径ワイヤシーム SAW 技術を適用した結果，－ 37 －JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）

省入熱サブマージアーク溶接技術

以下の知見を得た。

参考文献
1）BP Statistical Review of World Energy. 2013-06.
2）Gao, Peng. “Natural Gas Pipeline Network Construction in CNPC：（1）4 電極 SAW の先行極に細径ワイヤ（直径 2.4 mm）を適用することで，従来法と同等の溶込み深さを確保しながCurrent Status and Trends.” 2013-09-24-26.
3）荒川武和，西村公宏，矢埜浩史，鈴木信久．ラインパイプ用高性能UOE 鋼管の開発．JFE 技報．2012, no. 29, p. 22-33.

ら，溶接入熱を約 25％削減した。
（2）溶接入熱の低減により，外面溶接金属 Fusion line 近傍4）牧野寛之．“パイプラインにおける高速延性破壊の伝播停止評価法．
”溶のオーステナイト結晶粒径が約 4 割微細化し，HAZ 靭接学会誌．2008, vol. 76, no. 2, p. 114-117.
5）松山隼也，川端文丸，志賀千晃．“高塩基性フラックスによる UOE 鋼性が向上した。

管の溶接高速化：低硬度・高靭性サブマージアーク溶接金属の開発（第3 報）．
” 溶接学会全国大会講演概要．1991，第 48 集，p. 80-81.
6）石川信行，遠藤茂，近藤丈．ラインパイプ用高性能 UOE 鋼管．JFE
技報．2005, no. 9, p. 19-24.

5． おわりに7）濱田昌彦．“溶接熱影響部の強度，靭性の制御．
” 溶接学会誌．2003, vol.

地球規模での環境問題への高まりから天然ガスの需要が年々増加している。単位熱量あたりの CO2 排出量は石炭：

原油：天然ガス比で 100：80：50 と言われ

Linepipe by Means of Microstructural Control in Base Metal and Seam
Weld.” Proc. OMAE. paper OMAE-2011-50312.
9）平田好則．“溶接アークプロセスの物理［III］．
” 溶接学会誌．1995, vol.

11），2035 年における世界の天然ガス需要は 2009 年の 1.6 倍にも達するという試算もあり

71, no. 7, p. 22-26.
8）Ishigami, A. et al. “Development of Heavy Wall High-Strength UOE

10）

12）

，高強度・厚肉ラインパイプに対する要求は今後も継続的に高まることが予想される。
高強度化のトレンドはエネルギー輸送分野に限らず，建築，造船，海洋構造物分野などでも著しく，今後のさらなる

63, no. 7, p. 484-488.
10）International Energy Agency. Natural Gas Information. 2012.
11）International Energy Agency. CO2 Emissions from Fuel Combustion.
2012.
12）経済産業省 資源エネルギー庁．石油・天然ガスをめぐる最近の動向．
2011.

高強度化に対応するべく，本報で述べた低入熱溶接法の活用はもちろん，ファイバーレーザ溶接などの高エネルギー密度ビーム溶接や摩擦攪拌接合など新しい溶接技術を活用し，より高度な技術を活かしてお客様のご要望に応えられるよう注力していきたい。

上月 渉平

JFE 技報 No. 34（2014 年 8 月）
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大井健次