ワイヤ、フラックス及び高ニッケル含量を有している鋼を溶接するためのプロセス
【課題】ニッケル鋼（特に９％Ｎｉ鋼）の高生産性溶接プロセスを提供する。
【解決手段】ニッケル鋼を溶接するための有芯ワイヤであって、鋼シースと充填元素とを具備し、ワイヤの重量に対して２乃至１５％の弗素と８乃至１３％のニッケルと鉄とを含有した有芯ワイヤ；重量による割合で２５乃至３５％のＭｇＯと２０乃至３０％のＣａＯと１０乃至１５％のＳｉＯ2と１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と５乃至２０％の弗素とを含有したフラックス；及びこのワイヤとこのフラックスとを用いて６％超のニッケル、好ましくは約９％のニッケルを含有した鋼ワークピースを接合する溶接プロセス、特にはサブマージドアーク溶接プロセス。
【解決手段】ニッケル鋼を溶接するための有芯ワイヤであって、鋼シースと充填元素とを具備し、ワイヤの重量に対して２乃至１５％の弗素と８乃至１３％のニッケルと鉄とを含有した有芯ワイヤ；重量による割合で２５乃至３５％のＭｇＯと２０乃至３０％のＣａＯと１０乃至１５％のＳｉＯ2と１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と５乃至２０％の弗素とを含有したフラックス；及びこのワイヤとこのフラックスとを用いて６％超のニッケル、好ましくは約９％のニッケルを含有した鋼ワークピースを接合する溶接プロセス、特にはサブマージドアーク溶接プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル鋼、特には９％Ｎｉ鋼の高生産性均一（homogeneous）溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
「９％Ｎｉ鋼」と一般に呼ばれている９％ニッケル鋼は、極低温温度で使用されることが意図されたタンク又は他の工業設備、例えば管などの建設に使用される材料である。
【０００３】
この目的のために、これら鋼には、液体窒素温度、即ち−１９６℃でさえ良好な機械的強度及び良好な衝撃強さを示すという特徴がある。
【０００４】
９％Ｎｉ鋼は、約９重量％のニッケルを含有した低炭素タイプの鋼であり、非常に低い温度で良好な延性を保つために適当な熱処理に供される。
【０００５】
このタイプの鋼は、典型的には０．１重量％未満の低い炭素含量と、とりわけ低いレベルの不純物、特には硫黄及び燐によって特徴付けられる。これは、低レベルの介在不純物は、低温での良好な衝撃強さを確実にするために及び焼き戻しもろさのリスクを制限するために必須の要素であるからである。
【０００６】
エネルギーへの高まりつつある要求に直面して、液化天然ガスは、現在の石油製品に取って代わる有利な代替品を提供する。この理由のため及びそれらの低温特性のせいで、９％Ｎｉ鋼は、天然ガスなどの非腐食性極低温液体の貯蔵及び輸送に供される設備の生産に益々使用されており、そうするために、約−１９６℃の温度にまで下げられる。
【０００７】
しかしながら、９％Ｎｉ鋼からそのような設備を製造するには、特別な溶接製品及び特別な溶接プロセス、即ち、溶融部ＭＺと熱影響部ＨＡＺとにおいて同じレベルの機械的特性を達成可能とすることが必要である。
【０００８】
換言すれば、このような９％Ｎｉ鋼を溶接する際に生じる問題は、最小の製造コストで組み立て品の完全性を確実にするために、如何にしてＭＺ及びＨＡＺにおいて良好な機械的特性を得るかということである。
【０００９】
現在、９％Ｎｉ鋼を溶接するための消耗ワイヤには、２つのタイプ、即ち、均一溶接のためのフェライトフィラー製品と、非常に高いＮｉ含量を有している不均一（heterogeneous）溶接のためのフィラー製品とがある。
【００１０】
均一溶接は、最も一般に使用されている。この場合、あらゆるアーク溶接プロセス、特にはサブマージドアーク溶接が使用されてもよい。９％Ｎｉ鋼部品又は板の組み立ては、非常に高いニッケル含量の、典型的には少なくともニッケルを５０％含有したニッケル系タイプのオーステナイト消耗ワイヤを用いて実行される。このような消耗品を用いて得られる溶接は、オーステナイト系であり、その結果、延性−脆性遷移を有していない。それゆえ、それは、液体窒素温度でさえ、良好な靭性特性を有している。
【００１１】
しかしながら、このようなＮｉ系溶加材の使用は、幾つかの欠点を生じさせる。即ち、
− このプロセスの高い生産性にも拘らず、高いＮｉ含量を有しているフィラー材料の高いコスト、特には消耗ワイヤの高いコストが、この解決法を高価にし、それゆえ、経済学的見地で競争力がある訳ではなく、
− ニッケル系タイプの或るフィラー金属は、高温割れに対する高い感受性を有しており、
− 最後に、何よりも、溶融させた金属の引張り強さが、ベースメタルのそれよりも低い。例えば、ベースメタルが７００ＭＰａよりも大きな引張り強度を有しているのに対し、溶融部（ＭＺ）の引張り強さは、継手の構造に依存して６４０ＭＰａまで低下するかも知れない。これは、タンクの場合には、建築法の勧告に準拠するには寸法が大きすぎる設備を生じさせ、縦方向に溶接した複数のパイプの場合には、溶接後にそのパイプが正確に成形されるのを不可能とする。
【００１２】
均一溶接においては、特にはニッケル含量に関して、ベースメタルに近い化学組成のバルクワイヤが使用される。
【００１３】
ＴＩＧ又はＭＩＧ溶接プロセスと組み合わせると、現在の均一フェライト消耗ワイヤは、熱処理なしで、十分な低温靭性値、即ち、ベースメタルの引張り強度と一致した引張り強度を有している標準的なサイズ（１０×１０ｍｍ）の試験片について−１９６℃において３４Ｊが達成されるのを可能とする。
【００１４】
しかしながら、これら消耗ワイヤの使用は、それらの有利なコストにも拘らず、これらプロセスの低い生産性のせいで、経済学的に存続可能な訳ではない。
【００１５】
更に、より高い生産性の他のプロセス、特には、非特許文献１に記載されているサブマージドアーク溶接を用いると、バルクワイヤタイプの均一消耗品は、要求される靭性レベルが達成されるのを可能としない。
【００１６】
その上、バルクワイヤの使用は、それが、例えばベースメタルにおける％ニッケル含量を考慮するための組成の調整毎に、ワイヤを所望の組成に製造するための鋳造作業が実行されることを必要とするので、理想的である訳ではない。これは、経済学的見地から好ましくなく、生産の困難さを生じさせる。
【００１７】
加えて、この場合、要求される−１９６℃での靭性レベルを達成するためには、装置全体に対して熱処理を実行することが必須であり、それは、溶接した設備の地理的な、特には建築現場での状況のせいで、又は、設備が例えば溶接管のように非常に大きな、即ち数メートルの寸法を有している場合に、頻繁には達成可能ではない。
【００１８】
最後に、バルクワイヤを使用するこのタイプのプロセスを用いて得られた溶接は、しばしば、過剰に高い、典型的には０．０４０％よりも大きな酸素含量を有している。
【００１９】
換言すれば、良好な溶接特性を得ることを可能とするだけでなく、経済学的に存続可能である及び／又は工業規模で直ちに実行され得る溶接消耗品、即ち、ワイヤ、フラックス若しくはそれらの組み合わせ又はそれらを使用する溶接プロセスは、現時点では存在していない。
【非特許文献１】Production of 9% Nickel Steel UOE Pipe with Ferritic Filler Submerged Arc Welding, Transactions ISU, Vol. 26, 1986, pp. 359-366
【発明の開示】
【００２０】
それゆえ、良好な特性の溶接継手又は溶着金属をもたらし、経済学的に存続可能であり、工業規模で直ちに実行され得る、高いニッケル含量を有している鋼、特には９％Ｎｉ鋼を効果的に溶接するのに使用され得る溶接ワイヤ及び／又は溶接フラックス並びにこのワイヤ及び／又はこのフラックスを用いる溶接プロセスを如何にして提供するかという問題がある。
【００２１】
第１側面によると、本発明は、ニッケル鋼を溶接するための有芯（flux-cored）ワイヤであって、鋼シース（sheath）と充填元素とを具備し、前記ワイヤの重量に対して、２乃至１５％の弗素と、８乃至１３％のニッケルと、鉄とを含有したことを特徴とするワイヤを提供する。
【００２２】
本発明の有芯ワイヤは、弗素（Ｆ）の割合で表して２乃至１５％の弗素含量によって特徴付けられる。しかしながら、使用され得る弗素は、様々な形態、蛍石の形態、それが好ましいが、天然又は合成氷晶石、或いは、Ｎａ、Ｌｉ若しくはＫ弗化物又は他の弗化物などの弗素化合物の形態であってもよい。
【００２３】
場合によっては、本発明の有芯ワイヤは、以下の特徴の１つ以上を備えていてもよい。
【００２４】
− 前記鋼は炭素マンガン鋼であり、前記シースの炭素含量は好ましくは０．０５％未満である。
【００２５】
− 前記ワイヤの前記充填元素での充填レベルは、前記ワイヤの総重量に対して、８乃至４０％であり、好ましくは１２乃至３０％である。
【００２６】
− 鉄は前記鋼シースのみから由来し、前記充填元素は鉄フリー、特には鉄粉フリーである。
【００２７】
− それは、前記ワイヤの重量に対し、８乃至１５％の弗素と９乃至１１．７５％のニッケルとを含有している。
【００２８】
その上、他の側面によると、本発明は、ニッケル鋼からなる少なくとも１つのワークピース、好ましくは、少なくとも６％のニッケルを含有した少なくとも１つのワークピースをアーク溶接、レーザ溶接、又はレーザ／アークハイブリッド溶接するための、有芯ワイヤが用いられるプロセスを提供する。
【００２９】
好ましくは、これは、請求項１乃至５の何れか１項に係る有芯ワイヤと、重量による割合で２５乃至３５％のＭｇＯと２０乃至３０％のＣａＯと１０乃至１５％のＳｉＯ2と１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と５乃至２０％の弗素とを含有したフラックスとを用いるサブマージドアーク溶接プロセスである。
【００３０】
本発明のプロセスによると、７％を超えるニッケル、典型的には７乃至１３％のニッケルを含有した鋼からなる１つ以上のワークピースが相互に溶接される。
【００３１】
有利には、溶接継手は、前記溶接継手の位置におけるパスの密度が２パス毎ｃｍ2よりも大きくなるように生成される。
【００３２】
更に他の側面によると、本発明は、本発明に係るプロセスにおいて使用され得る溶接フラックスであって、重量による割合で、２５乃至３５％のＭｇＯと、２０乃至３０％のＣａＯと、１０乃至１５％のＳｉＯ2と、１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と、５乃至２０％の弗素とを含有したことを特徴とする溶接フラックスを提供する。
【００３３】
好ましくは、前記フラックスは、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏから選ばれる少なくとも１つの構成成分を更に含み、前記少なくとも１つの構成成分の割合は３重量％未満である。
【００３４】
更に他の側面によると、本発明は、本発明に係るプロセスを実行することにより、及び／又は、本発明に係る有芯ワイヤを溶融させることにより得られる溶接継手又は溶着金属であって、
− ０．０１０乃至０．０７％のＣ、好ましくは０．０１０乃至０．０５％のＣと、
− ０．０２乃至０．２０％のＳｉと、
− ０．１５乃至０．６％のＭｎと、
− ０．００２乃至０．００７％のＰと、
− ０．００１３乃至０．００５０％のＳと、
− ７乃至１３％のＮｉと、
− ０．００２乃至０．０１２％のＴｉと、
− ０．００５乃至０．０１８％のＡｌと、
− 大部分のＦｅと
を含有したことを特徴とする溶接継手又は溶着金属を提供する。
【００３５】
有利には、前記溶接継手は、３００ｐｐｍ未満の酸素を含んでいる。
【００３６】
更に、前記溶接継手は、２重量％未満の割合で、バリウム、ジルコニウム、クロム及び／又はリチウムを更に含有していてもよく、これら元素は、金属の形態、酸化物の形態、及び／又は、これら元素の１つ以上を含んだ化合物の形態で存在し得る。
【００３７】
本発明は、添付の図面を参照しながら与えられる以下の説明及び例によって、より明確に理解されるであろう。
【００３８】
一般に、ベースメタル、即ち、例えば９％Ｎｉ鋼からなる溶接されるべきワークピースの良好な機械的強度及び優れた低温靭性は、材料の改良された微細構造のおかげである。
【００３９】
材料の微細構造は、マルテンサイト又はベイナイトと炭素富化オーステナイトとからなる。この構造は、二重焼ならしとその後の焼き戻し処理とによって又は焼き入れとその後の焼き戻し処理とによって生成される。焼き戻し処理は、所謂「臨界温度」範囲内で実行される。
【００４０】
この処理の間、幾分かのオーステナイトが出現し、ベースメタル中に存在している炭素はオーステナイト中へと優先的に移動するであろう。このようにして形成された炭素富化オーステナイトは、−２００℃への冷却に対して安定となる。
【００４１】
オーステナイト変態は一部のみであるので、それゆえ、熱処理後の鋼の微細構造は、非常に低い炭素含量のマルテンサイトと残部オーステナイトとからなる。材料の優れたレベルの低温靭性を決定するのは、この微細構造である。
【００４２】
最適な残部オーステナイト含量は、鋼の炭素含量に依存する。これは、それはベースメタルの炭素をトラップするのに十分でなくてはならないが、それが高すぎると、オーステナイトは、冷却に対して安定なままであるのに十分な炭素を含有することができず、マルテンサイトへと変態するであろう。この残部オーステナイト含量は、処理温度と時間との組み合わせによって制御される。
【００４３】
焼き戻し処理が不十分に制御された場合、幾つかの現象が起こるかも知れない。即ち、冷却の間に、構造脆化カーバイドが生じるかも知れず、処理の間に形成されるオーステナイトの量が高すぎて安定でなく、それにより、新たな（fresh）マルテンサイトの形成を誘起するかも知れない。
【００４４】
その上、焼き戻し温度からの冷却速度は、９％Ｎｉ鋼の低温での延性に直接に影響を及ぼす。
【００４５】
これは、９％Ｎｉ鋼部品を溶接によって組み立てるためには特別な用心を払わなければならないことを意味している。それゆえ、鋼の熱影響部（ＨＡＺ）における変態を制限するために、溶接プロセスによって供給される熱は低くなければならず、パス間の温度も低くなければならない。
【００４６】
溶接した設備については、熱処理は、常に、焼き入れとその後の約６００℃での焼き戻しとの２段階で実行される。焼き戻し処理によって得られたオーステナイトは、その焼き戻し処理が最適であった場合にのみ安定である。
【００４７】
溶着金属の望まれる化学組成は、機械的強度と靭性との釣り合いを考慮しなければならず、合金元素は靭性に影響を与える要素である。
【００４８】
それゆえ、溶接部（weld）の焼き戻しもろさに対する感受性は、粒界に偏析する元素、特には燐及びマンガンを減少させることにより低減される。
【００４９】
特に、マンガンの含量は、脆化に関して、−１９６℃を含む温度での良好なレベルの靭性を得るために可能な限り低くなければならない。マンガンの最大含量は、炭素含量に関連しているようであり、最小マンガン含量は硫黄含量と関連している。それゆえ、０．３重量％のＭｎ含量は、通常の炭素範囲、即ち約０．０５％の範囲内で有効である。
【００５０】
更に、燐含量も、制御され且つ０．００７％未満に保たれなければならない。
【００５１】
硫黄含量は、その割れ（cracking）のリスクへの負の影響のせいで可能な限り低くなければならず、その作用は、マンガンの添加によって打ち消されるかも知れない。硫黄含量が０．００５％未満である場合、約０．１５％のマンガン含量が満足のいく結果を得るのに十分であろう。
【００５２】
ニッケルは、重要な元素である。ニッケル含量は、７乃至１３重量％でなければならず、好ましくは９％超及び／又は１２％未満である。これは、この範囲外では、所望のレベルの靭性が達成され得ないからである。ニッケル含量の７から１１％への増加は、エネルギー吸収の最大レベルと延性−脆性遷移との双方の減少を反映している。
【００５３】
他方、炭素は、０．０７重量％までは、靭性のレベルに重要な影響を及ぼすようではなく、炭素含量は、好ましくは約０．０５％以下である。
【００５４】
珪素も、或る役割を果たし、０．２％未満の最大含量で存在していなければならない。
【００５５】
要するに、本発明によると、溶接されるべきワークピース上に溶着される金属は、（重量で）０．００７％未満の含量の燐と、好ましくは０．１５％乃至０．３％の含量のマンガンと、０．００１乃至０．０７０％、好ましくは最大で約０．０５０％の含量の炭素と、０．００５％未満の含量の硫黄と、７乃至１３％の含量のニッケルと、０．２％未満の含量の珪素と、残部としての必須の鉄とを含有している。
【００５６】
しかしながら、溶接継手がチタン及びアルミニウムを更に含有していることが排除される訳ではない。
【００５７】
全ての場合において、低レベルの介在物は、靭性を増加させる傾向を有している。
【００５８】
一般に、ニッケル鋼ワークピースは、特には極低温温度での液化天然ガス（ＬＮＧ）の輸送及び貯蔵に供されるタンク、管又は他の類似の構造物を形成するために、これらの用途に適した引張り強度及び衝撃強さを提供する溶接組み立て品を生産することが可能なあらゆる溶接プロセスによって組み立てられる。
【００５９】
これに関して、ＭＩＧ／ＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、フィラーワイヤを用いるレーザ／アークハイブリッド溶接、又はサブマージドアーク溶接を使用することができ、それは、消耗ワイヤ、溶接ガス及び／又は溶接フラックスを、ワイヤを溶融させるためのエネルギー源と共に使用し、それは、レーザ／アークの組み合わせのための１つの電気アーク（又は幾つかのアーク）と１つのレーザビーム（又は幾つかのビーム）とである。
【００６０】
さて、溶接された組み立て品は、溶融させた金属と、熱影響部（ＨＡＺ）、即ちエネルギー源による影響を受けた部分と、ＨＡＺ近傍のベースメタルとによって特徴付けられる。
【００６１】
溶融させた金属は、本質的には、溶融させた消耗ワイヤと、おそらくは溶接の間に溶着され且つ溶融されたベースメタルによって希釈されたフラックスとに対応している。
【００６２】
ＨＡＺは、ベースメタルの、即ち、溶接したワークピースを構成している材料の一部であって、溶接の間に溶融されていないが、その微細構造及び機械的特性はアークまたはレーザ溶接の間に放出される熱によって変更されている部分である。
【００６３】
結果として、極低温流体と接触させることが意図された管、タンク又は他のあらゆる設備を建設するには、極低温用途に適合した引張り強度及び靭性が得られるのを可能とする溶接プロセスを有していることが必須である。それゆえ、この溶接プロセスは、極低温用途の要求を満足させ得る延性の微細構造及び機械的特性、即ち、−１９６℃での３４Ｊの最小靭性及び０．３８ｍｍの最小横伸び（minimum lateral expansion）を、経済学的に満足のいく生産性と共にもたらさなければならない。
【００６４】
満足のいく生産性と液体窒素温度での３４Ｊを超える靭性レベルとを得るには、本発明の発明者らは、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）プロセスが、それは高い生産性が達成されるのを可能とするので、最も好適であることを示している。
【００６５】
これは、溶接速度は、使用されるワイヤの数に正比例するからである。それゆえ、１本のワイヤを用いると、ＳＡＷプロセスを用いた溶接速度は一般には約５０ｃｍ／分以上であり、５本のワイヤを用いると、２５０ｃｍ／分の速度を達成することが可能である。
【００６６】
結果として、本発明に係るＳＡＷ溶接において使用され得る溶接ワイヤとフラックスとを開発する必要があり、それは、更に、上記の組成を有している溶着金属をもたらしている。
【００６７】
それゆえ、本発明の発明者らは、ＳＡＷ溶接のための特定のフラックスを開発し、０．０１％未満の最低許容レベルの酸素及び硫黄含量を有している溶着金属を得ることを可能としている。このフラックスの組成は、以下に記載されている。
【００６８】
加えて、消耗ワイヤに関しては、本発明の発明者らは、より高い製造の及び溶着金属の組成のフレキシビリティを得るために、ＳＡＷ溶接において通常に使用されているバルクワイヤを有芯ワイヤで置換することを考えた。この有芯ワイヤの組成も、以下に詳細に記載されている。
【００６９】
これを為すために、９％Ｎｉ鋼からなり、１２ｍｍの厚さを有している、ＡＳＴＭ規格に従うＡ５５３タイプの「Ｙ」継手（図２）又は「Ｘ」継手（図１）が試験された。溶接エネルギーが靭性のレベルに及ぼす影響を評価するために、「Ｙ」又は「Ｘ」継手が、従来技術に係るプロセスを用いて、及び、比較のために本発明に係る有芯ワイヤを使用するＳＡＷプロセスを用いて、パスの数を変えて塞がれた。
【００７０】
これら試験の詳細は、以下の例に記載されている。
【００７１】
例１：従来技術に係るバルクワイヤを用いたＳＡＷ溶接
シートから厚い管が製造され、それらの２つの縁が、機械加工され、突き合わされた。シートの形削りは、機械加工された縁が突き合わされて図１に示すようなＸ形のプロファイルを有する予備管を形成することを可能とした。
【００７２】
ＭＩＧ溶接プロセスを用いる連続的な仮付け溶接が、実際のＳＡＷ溶接に先立ち、組み立て品をその位置に保つために使用された。
【００７３】
次に、溶接が、２つのパスで、固体フラックスの下でサブマージドアーク（ＳＡ）を用いて実行された。第１のパスは管の内側であり、第２のパスは管の外側で実行されて、２つの溶接ビードの相互溶け込みを確実にした。
【００７４】
我々は、そのような組み立て品を、厚さが１２ｍｍのＡＳＴＭ規格に従うＡ５５３タイプの９％Ｎｉ鋼から生産した。この試験について、我々は、Ｂｏｎｉｓｅｖｓｌｙに従う塩基度指数（basicity index）が２．７のフラックスを使用した。フィラー製品は、直径が１．２ｍｍの９％ニッケル鋼バルクワイヤであった。
【００７５】
より詳細には、フラックスは、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ社からＯＰ７６の参照名で入手可能なＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3タイプの市販のフラックスであり、使用したバルクワイヤも、Ｋｏｂｅ Ｓｔｅｅｌ社からＴＧＳ−９Ｎの参照名で入手可能な市販のワイヤであった。
【００７６】
溶接パラメータは、以下の表１に与えられている。採用した他の操作条件は、ＳＡＷ溶接製品において従来から使用されているものであった。
【表１】
【００７７】
このようにして溶接された管は、従来の靭性検査（Ｃｈａｒｐタイプの）に供され、それは、溶接したままの状態において得られた靭性値は９ｋＪ／ｃｍの溶接エネルギーにも拘らず３４Ｊ未満であり、その結果、満足のいく値を得るには、上記のような溶接後の熱処理を実行することが必須であり、これは、上述の問題を有している。
【００７８】
例２：従来技術に係るバルクワイヤを用いたマルチパスＴＩＧ溶接
例１と類似の「Ｙ」継手が、従来のＴＩＧ溶接を用い、１０個の連続したパスで、溶接速度を１５ｃｍ／分として溶接された。
【００７９】
ＴＩＧ溶接の操作条件は、このタイプのプロセスで採用されている従来の条件であり、使用したワイヤは例１のものであった。
【００８０】
このようにして溶接された継手の靭性のレベルと引張り強度とは、３４Ｊよりも大きかったので満足のいくものであった。
【００８１】
しかしながら、２つのパスで管を溶接する通常の手順と比較すると、生産性は相当に低下し、「Ｙ」プロファイルを充填するための多数のパスのせいで得られる溶接速度が非常に低いことから、大量生産には適合しなかった。
【００８２】
例３：本発明に係る有芯ワイヤを用いたＳＡＷ溶接
本発明に係る有芯ワイヤを用いたＳＡＷ溶接プロセスの有効性を確認するために、溶接が、例１の場合と同様に実行された。但し、図２に示す「Ｙ」形プロファイルを用いた。
【００８３】
換言すれば、例３において実行されたプロセスは、「Ｙ」プロファイルを有している９％Ｎｉ鋼製品片（例２のように）について、有芯ワイヤと強化（powered）フラックスとを用いて実行されたサブマージドアーク溶接プロセスであった。
【００８４】
既に言及しているように、使用するフラックスは、−１９６℃での靭性のレベルを考慮し、低温割れのリスクを制限するための多くの制限を満足させなければならない。靭性のレベルは、主に、珪素及び酸素含量に依存する。
【００８５】
ＴＩＧ及びＭＩＧ／ＭＡＧプロセスを用いると、酸素及び珪素レベルは非常に低いかも知れず、フィラー金属と等しい珪素レベル、即ち約０．０５％と、酸素の場合には５０ｐｐｍとを得ることが可能である。しかしながら、サブマージドアーク溶接では、市販の溶接フラックス及びバルクワイヤは、このように低い酸素レベルが達成されるのを可能としない。一般に、酸素含量は、Ｂｏｎｉｓｅｖｓｋｙ分類に従う塩基性フラックスについては約３００ｐｐｍである。
【００８６】
珪素及び酸素含量を劇的に低減する新規な溶接フラックスの開発が必要であった。表２は、これらの基準を満足し且つ例３のコンテクストにおいて使用されたフラックスの組成を与えている。
【表２】
【００８７】
現時点で、９％Ｎｉ鋼をサブマージドアークプロセスによって溶接するのに適した均一有芯ワイヤは存在していない。
【００８８】
それゆえ、特には溶接プロセスの生産性を高めるべく、本発明の発明者らは、充填元素を含有した炭素マンガン鋼シースを有する有芯ワイヤを開発し、この例３において使用した。
【００８９】
より詳細には、充填元素は、ワイヤの総重量に対して約１２％の弗素と１１％のニッケルとを含有しているが、鉄粉は含有していない。これは、本発明の有芯ワイヤの新規な側面の１つは、鉄粉フリーであり、鉄はシース又は箔におって提供されることにあるからである。
【００９０】
この均一有芯ワイヤ／フラックスの組み合わせのＳＡＷ溶接プロセスにおける使用は、得られた試験結果が示しているように、−１９６℃で要求されるレベルの靭性を達成することを可能とし、これは以下の表３において示されており、そこでは、従来技術の例１及び２並びに本発明に係る例３（試験Ａ、Ｂ及びＣ）において得られた結果が与えられている。
【表３】
【００９１】
得られた結果は、ＳＡＷ溶接において十分なレベルの靭性を得るためには、少なくとも４つのパスが存在し、Ｙ形に面取りすることが必要であったことを示している。
【００９２】
２つの溶接パスを用いるＸ形状の試験（例１）の溶接エネルギーとＹ形の面取り及び４つのパスを用いる本発明の試験Ｃとの比較は、非常に低い溶接エネルギーは、良好なレベルの靭性とは必ずしも関連していないことを示している。試験Ｃで得られた溶接部は、極低温装置の建設法に準拠する引張り強度をもたらし、−１９６℃で３４Ｊを超える衝撃強さを有し、更に、製造業者の経済学的要請に適合する生産性を有しており、これらの何らかは、例１については、溶接プロセスはＳＡＷプロセスであるものの当てはまらない。
【００９３】
試験Ｃは、低レベルの不純物を得ることを可能とする。加えて、望まれる微細構造は、溶融させる金属に適当な化学組成を用い、熱サイクルを制御することにより得られる。
【００９４】
その上、例２の条件は、非常に良好な靭性値を与えたが、到達した溶接速度が、他の例では約６０ｃｍ／分であったのに対し、かろうじて１５ｃｍ／分であったため、生産性を不利にした。例２において得られえたような低い速度は、工業的見地から許容され得ない。
【００９５】
本発明のプロセス（試験Ａ乃至Ｃ）は、良好な靭性値だけでなく、工業的見地での使用に適合した高い溶接速度を得ることを可能とし、このプロセスと比較した従来技術のプロセス（例１及び２）の制限は直ちに理解される。
【００９６】
溶融部の化学組成を制御することは別として、溶接手順（パスの数）は、溶融部及び熱影響部の双方において満足のいく靭性値を得るのに重要なパラメータである。
【００９７】
低い溶接エネルギーは、溶接継手の急速冷却を得るのに望ましい。ここで、溶接エネルギーは、溶接電圧に溶接電流を乗じ、これを溶接速度で割った物として規定される。本発明のコンテクストにおける溶接エネルギーは、好ましくは８乃至１５ｋＪ／ｃｍである。
【００９８】
表３に与えられている結果を考慮して、本発明者らは、低い溶接エネルギー（例１）にも拘らず、何故、得られた靭性は３４Ｊ未満と低かったのかを理解しようと努めた。
【００９９】
上述のように、これら結果の１つの説明は、実行したパスの数にある。
【０１００】
その結果、本発明の溶接プロセスがより良好に制御されるために、１ｃｍ2当たりのパスの数である「パスの密度」と呼ばれる新たなパラメータが規定された。
【０１０１】
パスの密度を計算するために、生成した継手のスライスの拡大図が使用された。この拡大図は、溶融部の面積が全てのパスから測定されること及び実行されたパスの数がカウントされることを可能とする。これら２つの値の比（パスの数／溶融させた面積）は、パスの密度を与える。
【０１０２】
以下の表４は、例１及び例３の試験について得られたパスの密度と靭性値とを与えている。
【表４】
【０１０３】
表４の結果は、良好な靭性（＞３４Ｊ）を得るためには、２パス毎ｃｍ2を超えるパスの密度が必要であることを示している。
【０１０４】
例４：溶着金属の酸素含量の比較研究
例４の目的は、本発明に係る有芯ワイヤの使用が、組成のフレキシビリティを超えて、特には溶接部の酸素含量に及ぼす、ＳＡＷ溶接が使用される場合の従来技術のバルクワイヤに対して有利な影響を比較することであった。
【０１０５】
これを為すために、溶接ビードが、９％Ｎｉ鋼板に、本発明に係る有芯ワイヤを用いて、及び、比較のために例１に係るバルクワイヤを用いて、同じ操作条件、特には同じフラックス及び同じ溶接エネルギーを用いて生成された。
【０１０６】
得られた結果は、以下の表５に与えられている。
【表５】
【０１０７】
これら結果は、特に驚くべきものである。というのは、有芯ワイヤに含まれる粉末は溶接部内に多量の酸素を供給すると考えられていたので、本発明に係る有芯ワイヤの使用のせいで、バルクワイヤを用いて得られる値よりも大きな溶着金属中の酸素含量が得られると予想されていたためである。
【０１０８】
しかしながら、得られた結果は、本発明に係る有芯ワイヤを用いると、特には、本発明の有芯ワイヤの充填元素における鉄粉の欠如のせいで、これは当てはまらないことを示している。
【０１０９】
これからすると、本発明に係る塩基性（basic）フラックスの使用と組み合わされた有芯ワイヤの使用は、溶接部において、バルクワイヤと塩基性フラックスとを用いて得られる値よりも低い酸素含量を有することを可能とするということになる。この酸素含量の現象は、良好な靭性値を得るのにユリである。
【０１１０】
それゆえ、本発明は、先に示した結果のように、ベースメタルのレベルの引張り特性と建築法によって要求される最低値よりも優れた非常に低い温度での靭性及び横伸び特性とを確実にしつつ、極低温用途の９％Ｎｉ鋼を高い生産性で組み立てるための効果的な溶接プロセスへと導く。
【０１１１】
換言すれば、本発明の溶接プロセスは、−１９６度での極低温用途の要求、即ち−１９６℃での３４Ｊの最小靭性及び少なくとも０．３８ｍｍの横伸びを満足させ得る延性の微細構造及び機械的特性を、経済学的に十分な生産性と共に得ることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】「Ｘ」継手を示す図。
【図２】「Ｙ」継手を示す図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニッケル鋼、特には９％Ｎｉ鋼の高生産性均一（homogeneous）溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
「９％Ｎｉ鋼」と一般に呼ばれている９％ニッケル鋼は、極低温温度で使用されることが意図されたタンク又は他の工業設備、例えば管などの建設に使用される材料である。
【０００３】
この目的のために、これら鋼には、液体窒素温度、即ち−１９６℃でさえ良好な機械的強度及び良好な衝撃強さを示すという特徴がある。
【０００４】
９％Ｎｉ鋼は、約９重量％のニッケルを含有した低炭素タイプの鋼であり、非常に低い温度で良好な延性を保つために適当な熱処理に供される。
【０００５】
このタイプの鋼は、典型的には０．１重量％未満の低い炭素含量と、とりわけ低いレベルの不純物、特には硫黄及び燐によって特徴付けられる。これは、低レベルの介在不純物は、低温での良好な衝撃強さを確実にするために及び焼き戻しもろさのリスクを制限するために必須の要素であるからである。
【０００６】
エネルギーへの高まりつつある要求に直面して、液化天然ガスは、現在の石油製品に取って代わる有利な代替品を提供する。この理由のため及びそれらの低温特性のせいで、９％Ｎｉ鋼は、天然ガスなどの非腐食性極低温液体の貯蔵及び輸送に供される設備の生産に益々使用されており、そうするために、約−１９６℃の温度にまで下げられる。
【０００７】
しかしながら、９％Ｎｉ鋼からそのような設備を製造するには、特別な溶接製品及び特別な溶接プロセス、即ち、溶融部ＭＺと熱影響部ＨＡＺとにおいて同じレベルの機械的特性を達成可能とすることが必要である。
【０００８】
換言すれば、このような９％Ｎｉ鋼を溶接する際に生じる問題は、最小の製造コストで組み立て品の完全性を確実にするために、如何にしてＭＺ及びＨＡＺにおいて良好な機械的特性を得るかということである。
【０００９】
現在、９％Ｎｉ鋼を溶接するための消耗ワイヤには、２つのタイプ、即ち、均一溶接のためのフェライトフィラー製品と、非常に高いＮｉ含量を有している不均一（heterogeneous）溶接のためのフィラー製品とがある。
【００１０】
均一溶接は、最も一般に使用されている。この場合、あらゆるアーク溶接プロセス、特にはサブマージドアーク溶接が使用されてもよい。９％Ｎｉ鋼部品又は板の組み立ては、非常に高いニッケル含量の、典型的には少なくともニッケルを５０％含有したニッケル系タイプのオーステナイト消耗ワイヤを用いて実行される。このような消耗品を用いて得られる溶接は、オーステナイト系であり、その結果、延性−脆性遷移を有していない。それゆえ、それは、液体窒素温度でさえ、良好な靭性特性を有している。
【００１１】
しかしながら、このようなＮｉ系溶加材の使用は、幾つかの欠点を生じさせる。即ち、
− このプロセスの高い生産性にも拘らず、高いＮｉ含量を有しているフィラー材料の高いコスト、特には消耗ワイヤの高いコストが、この解決法を高価にし、それゆえ、経済学的見地で競争力がある訳ではなく、
− ニッケル系タイプの或るフィラー金属は、高温割れに対する高い感受性を有しており、
− 最後に、何よりも、溶融させた金属の引張り強さが、ベースメタルのそれよりも低い。例えば、ベースメタルが７００ＭＰａよりも大きな引張り強度を有しているのに対し、溶融部（ＭＺ）の引張り強さは、継手の構造に依存して６４０ＭＰａまで低下するかも知れない。これは、タンクの場合には、建築法の勧告に準拠するには寸法が大きすぎる設備を生じさせ、縦方向に溶接した複数のパイプの場合には、溶接後にそのパイプが正確に成形されるのを不可能とする。
【００１２】
均一溶接においては、特にはニッケル含量に関して、ベースメタルに近い化学組成のバルクワイヤが使用される。
【００１３】
ＴＩＧ又はＭＩＧ溶接プロセスと組み合わせると、現在の均一フェライト消耗ワイヤは、熱処理なしで、十分な低温靭性値、即ち、ベースメタルの引張り強度と一致した引張り強度を有している標準的なサイズ（１０×１０ｍｍ）の試験片について−１９６℃において３４Ｊが達成されるのを可能とする。
【００１４】
しかしながら、これら消耗ワイヤの使用は、それらの有利なコストにも拘らず、これらプロセスの低い生産性のせいで、経済学的に存続可能な訳ではない。
【００１５】
更に、より高い生産性の他のプロセス、特には、非特許文献１に記載されているサブマージドアーク溶接を用いると、バルクワイヤタイプの均一消耗品は、要求される靭性レベルが達成されるのを可能としない。
【００１６】
その上、バルクワイヤの使用は、それが、例えばベースメタルにおける％ニッケル含量を考慮するための組成の調整毎に、ワイヤを所望の組成に製造するための鋳造作業が実行されることを必要とするので、理想的である訳ではない。これは、経済学的見地から好ましくなく、生産の困難さを生じさせる。
【００１７】
加えて、この場合、要求される−１９６℃での靭性レベルを達成するためには、装置全体に対して熱処理を実行することが必須であり、それは、溶接した設備の地理的な、特には建築現場での状況のせいで、又は、設備が例えば溶接管のように非常に大きな、即ち数メートルの寸法を有している場合に、頻繁には達成可能ではない。
【００１８】
最後に、バルクワイヤを使用するこのタイプのプロセスを用いて得られた溶接は、しばしば、過剰に高い、典型的には０．０４０％よりも大きな酸素含量を有している。
【００１９】
換言すれば、良好な溶接特性を得ることを可能とするだけでなく、経済学的に存続可能である及び／又は工業規模で直ちに実行され得る溶接消耗品、即ち、ワイヤ、フラックス若しくはそれらの組み合わせ又はそれらを使用する溶接プロセスは、現時点では存在していない。
【非特許文献１】Production of 9% Nickel Steel UOE Pipe with Ferritic Filler Submerged Arc Welding, Transactions ISU, Vol. 26, 1986, pp. 359-366
【発明の開示】
【００２０】
それゆえ、良好な特性の溶接継手又は溶着金属をもたらし、経済学的に存続可能であり、工業規模で直ちに実行され得る、高いニッケル含量を有している鋼、特には９％Ｎｉ鋼を効果的に溶接するのに使用され得る溶接ワイヤ及び／又は溶接フラックス並びにこのワイヤ及び／又はこのフラックスを用いる溶接プロセスを如何にして提供するかという問題がある。
【００２１】
第１側面によると、本発明は、ニッケル鋼を溶接するための有芯（flux-cored）ワイヤであって、鋼シース（sheath）と充填元素とを具備し、前記ワイヤの重量に対して、２乃至１５％の弗素と、８乃至１３％のニッケルと、鉄とを含有したことを特徴とするワイヤを提供する。
【００２２】
本発明の有芯ワイヤは、弗素（Ｆ）の割合で表して２乃至１５％の弗素含量によって特徴付けられる。しかしながら、使用され得る弗素は、様々な形態、蛍石の形態、それが好ましいが、天然又は合成氷晶石、或いは、Ｎａ、Ｌｉ若しくはＫ弗化物又は他の弗化物などの弗素化合物の形態であってもよい。
【００２３】
場合によっては、本発明の有芯ワイヤは、以下の特徴の１つ以上を備えていてもよい。
【００２４】
− 前記鋼は炭素マンガン鋼であり、前記シースの炭素含量は好ましくは０．０５％未満である。
【００２５】
− 前記ワイヤの前記充填元素での充填レベルは、前記ワイヤの総重量に対して、８乃至４０％であり、好ましくは１２乃至３０％である。
【００２６】
− 鉄は前記鋼シースのみから由来し、前記充填元素は鉄フリー、特には鉄粉フリーである。
【００２７】
− それは、前記ワイヤの重量に対し、８乃至１５％の弗素と９乃至１１．７５％のニッケルとを含有している。
【００２８】
その上、他の側面によると、本発明は、ニッケル鋼からなる少なくとも１つのワークピース、好ましくは、少なくとも６％のニッケルを含有した少なくとも１つのワークピースをアーク溶接、レーザ溶接、又はレーザ／アークハイブリッド溶接するための、有芯ワイヤが用いられるプロセスを提供する。
【００２９】
好ましくは、これは、請求項１乃至５の何れか１項に係る有芯ワイヤと、重量による割合で２５乃至３５％のＭｇＯと２０乃至３０％のＣａＯと１０乃至１５％のＳｉＯ2と１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と５乃至２０％の弗素とを含有したフラックスとを用いるサブマージドアーク溶接プロセスである。
【００３０】
本発明のプロセスによると、７％を超えるニッケル、典型的には７乃至１３％のニッケルを含有した鋼からなる１つ以上のワークピースが相互に溶接される。
【００３１】
有利には、溶接継手は、前記溶接継手の位置におけるパスの密度が２パス毎ｃｍ2よりも大きくなるように生成される。
【００３２】
更に他の側面によると、本発明は、本発明に係るプロセスにおいて使用され得る溶接フラックスであって、重量による割合で、２５乃至３５％のＭｇＯと、２０乃至３０％のＣａＯと、１０乃至１５％のＳｉＯ2と、１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と、５乃至２０％の弗素とを含有したことを特徴とする溶接フラックスを提供する。
【００３３】
好ましくは、前記フラックスは、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏから選ばれる少なくとも１つの構成成分を更に含み、前記少なくとも１つの構成成分の割合は３重量％未満である。
【００３４】
更に他の側面によると、本発明は、本発明に係るプロセスを実行することにより、及び／又は、本発明に係る有芯ワイヤを溶融させることにより得られる溶接継手又は溶着金属であって、
− ０．０１０乃至０．０７％のＣ、好ましくは０．０１０乃至０．０５％のＣと、
− ０．０２乃至０．２０％のＳｉと、
− ０．１５乃至０．６％のＭｎと、
− ０．００２乃至０．００７％のＰと、
− ０．００１３乃至０．００５０％のＳと、
− ７乃至１３％のＮｉと、
− ０．００２乃至０．０１２％のＴｉと、
− ０．００５乃至０．０１８％のＡｌと、
− 大部分のＦｅと
を含有したことを特徴とする溶接継手又は溶着金属を提供する。
【００３５】
有利には、前記溶接継手は、３００ｐｐｍ未満の酸素を含んでいる。
【００３６】
更に、前記溶接継手は、２重量％未満の割合で、バリウム、ジルコニウム、クロム及び／又はリチウムを更に含有していてもよく、これら元素は、金属の形態、酸化物の形態、及び／又は、これら元素の１つ以上を含んだ化合物の形態で存在し得る。
【００３７】
本発明は、添付の図面を参照しながら与えられる以下の説明及び例によって、より明確に理解されるであろう。
【００３８】
一般に、ベースメタル、即ち、例えば９％Ｎｉ鋼からなる溶接されるべきワークピースの良好な機械的強度及び優れた低温靭性は、材料の改良された微細構造のおかげである。
【００３９】
材料の微細構造は、マルテンサイト又はベイナイトと炭素富化オーステナイトとからなる。この構造は、二重焼ならしとその後の焼き戻し処理とによって又は焼き入れとその後の焼き戻し処理とによって生成される。焼き戻し処理は、所謂「臨界温度」範囲内で実行される。
【００４０】
この処理の間、幾分かのオーステナイトが出現し、ベースメタル中に存在している炭素はオーステナイト中へと優先的に移動するであろう。このようにして形成された炭素富化オーステナイトは、−２００℃への冷却に対して安定となる。
【００４１】
オーステナイト変態は一部のみであるので、それゆえ、熱処理後の鋼の微細構造は、非常に低い炭素含量のマルテンサイトと残部オーステナイトとからなる。材料の優れたレベルの低温靭性を決定するのは、この微細構造である。
【００４２】
最適な残部オーステナイト含量は、鋼の炭素含量に依存する。これは、それはベースメタルの炭素をトラップするのに十分でなくてはならないが、それが高すぎると、オーステナイトは、冷却に対して安定なままであるのに十分な炭素を含有することができず、マルテンサイトへと変態するであろう。この残部オーステナイト含量は、処理温度と時間との組み合わせによって制御される。
【００４３】
焼き戻し処理が不十分に制御された場合、幾つかの現象が起こるかも知れない。即ち、冷却の間に、構造脆化カーバイドが生じるかも知れず、処理の間に形成されるオーステナイトの量が高すぎて安定でなく、それにより、新たな（fresh）マルテンサイトの形成を誘起するかも知れない。
【００４４】
その上、焼き戻し温度からの冷却速度は、９％Ｎｉ鋼の低温での延性に直接に影響を及ぼす。
【００４５】
これは、９％Ｎｉ鋼部品を溶接によって組み立てるためには特別な用心を払わなければならないことを意味している。それゆえ、鋼の熱影響部（ＨＡＺ）における変態を制限するために、溶接プロセスによって供給される熱は低くなければならず、パス間の温度も低くなければならない。
【００４６】
溶接した設備については、熱処理は、常に、焼き入れとその後の約６００℃での焼き戻しとの２段階で実行される。焼き戻し処理によって得られたオーステナイトは、その焼き戻し処理が最適であった場合にのみ安定である。
【００４７】
溶着金属の望まれる化学組成は、機械的強度と靭性との釣り合いを考慮しなければならず、合金元素は靭性に影響を与える要素である。
【００４８】
それゆえ、溶接部（weld）の焼き戻しもろさに対する感受性は、粒界に偏析する元素、特には燐及びマンガンを減少させることにより低減される。
【００４９】
特に、マンガンの含量は、脆化に関して、−１９６℃を含む温度での良好なレベルの靭性を得るために可能な限り低くなければならない。マンガンの最大含量は、炭素含量に関連しているようであり、最小マンガン含量は硫黄含量と関連している。それゆえ、０．３重量％のＭｎ含量は、通常の炭素範囲、即ち約０．０５％の範囲内で有効である。
【００５０】
更に、燐含量も、制御され且つ０．００７％未満に保たれなければならない。
【００５１】
硫黄含量は、その割れ（cracking）のリスクへの負の影響のせいで可能な限り低くなければならず、その作用は、マンガンの添加によって打ち消されるかも知れない。硫黄含量が０．００５％未満である場合、約０．１５％のマンガン含量が満足のいく結果を得るのに十分であろう。
【００５２】
ニッケルは、重要な元素である。ニッケル含量は、７乃至１３重量％でなければならず、好ましくは９％超及び／又は１２％未満である。これは、この範囲外では、所望のレベルの靭性が達成され得ないからである。ニッケル含量の７から１１％への増加は、エネルギー吸収の最大レベルと延性−脆性遷移との双方の減少を反映している。
【００５３】
他方、炭素は、０．０７重量％までは、靭性のレベルに重要な影響を及ぼすようではなく、炭素含量は、好ましくは約０．０５％以下である。
【００５４】
珪素も、或る役割を果たし、０．２％未満の最大含量で存在していなければならない。
【００５５】
要するに、本発明によると、溶接されるべきワークピース上に溶着される金属は、（重量で）０．００７％未満の含量の燐と、好ましくは０．１５％乃至０．３％の含量のマンガンと、０．００１乃至０．０７０％、好ましくは最大で約０．０５０％の含量の炭素と、０．００５％未満の含量の硫黄と、７乃至１３％の含量のニッケルと、０．２％未満の含量の珪素と、残部としての必須の鉄とを含有している。
【００５６】
しかしながら、溶接継手がチタン及びアルミニウムを更に含有していることが排除される訳ではない。
【００５７】
全ての場合において、低レベルの介在物は、靭性を増加させる傾向を有している。
【００５８】
一般に、ニッケル鋼ワークピースは、特には極低温温度での液化天然ガス（ＬＮＧ）の輸送及び貯蔵に供されるタンク、管又は他の類似の構造物を形成するために、これらの用途に適した引張り強度及び衝撃強さを提供する溶接組み立て品を生産することが可能なあらゆる溶接プロセスによって組み立てられる。
【００５９】
これに関して、ＭＩＧ／ＭＡＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接、プラズマ溶接、フィラーワイヤを用いるレーザ／アークハイブリッド溶接、又はサブマージドアーク溶接を使用することができ、それは、消耗ワイヤ、溶接ガス及び／又は溶接フラックスを、ワイヤを溶融させるためのエネルギー源と共に使用し、それは、レーザ／アークの組み合わせのための１つの電気アーク（又は幾つかのアーク）と１つのレーザビーム（又は幾つかのビーム）とである。
【００６０】
さて、溶接された組み立て品は、溶融させた金属と、熱影響部（ＨＡＺ）、即ちエネルギー源による影響を受けた部分と、ＨＡＺ近傍のベースメタルとによって特徴付けられる。
【００６１】
溶融させた金属は、本質的には、溶融させた消耗ワイヤと、おそらくは溶接の間に溶着され且つ溶融されたベースメタルによって希釈されたフラックスとに対応している。
【００６２】
ＨＡＺは、ベースメタルの、即ち、溶接したワークピースを構成している材料の一部であって、溶接の間に溶融されていないが、その微細構造及び機械的特性はアークまたはレーザ溶接の間に放出される熱によって変更されている部分である。
【００６３】
結果として、極低温流体と接触させることが意図された管、タンク又は他のあらゆる設備を建設するには、極低温用途に適合した引張り強度及び靭性が得られるのを可能とする溶接プロセスを有していることが必須である。それゆえ、この溶接プロセスは、極低温用途の要求を満足させ得る延性の微細構造及び機械的特性、即ち、−１９６℃での３４Ｊの最小靭性及び０．３８ｍｍの最小横伸び（minimum lateral expansion）を、経済学的に満足のいく生産性と共にもたらさなければならない。
【００６４】
満足のいく生産性と液体窒素温度での３４Ｊを超える靭性レベルとを得るには、本発明の発明者らは、サブマージドアーク溶接（ＳＡＷ）プロセスが、それは高い生産性が達成されるのを可能とするので、最も好適であることを示している。
【００６５】
これは、溶接速度は、使用されるワイヤの数に正比例するからである。それゆえ、１本のワイヤを用いると、ＳＡＷプロセスを用いた溶接速度は一般には約５０ｃｍ／分以上であり、５本のワイヤを用いると、２５０ｃｍ／分の速度を達成することが可能である。
【００６６】
結果として、本発明に係るＳＡＷ溶接において使用され得る溶接ワイヤとフラックスとを開発する必要があり、それは、更に、上記の組成を有している溶着金属をもたらしている。
【００６７】
それゆえ、本発明の発明者らは、ＳＡＷ溶接のための特定のフラックスを開発し、０．０１％未満の最低許容レベルの酸素及び硫黄含量を有している溶着金属を得ることを可能としている。このフラックスの組成は、以下に記載されている。
【００６８】
加えて、消耗ワイヤに関しては、本発明の発明者らは、より高い製造の及び溶着金属の組成のフレキシビリティを得るために、ＳＡＷ溶接において通常に使用されているバルクワイヤを有芯ワイヤで置換することを考えた。この有芯ワイヤの組成も、以下に詳細に記載されている。
【００６９】
これを為すために、９％Ｎｉ鋼からなり、１２ｍｍの厚さを有している、ＡＳＴＭ規格に従うＡ５５３タイプの「Ｙ」継手（図２）又は「Ｘ」継手（図１）が試験された。溶接エネルギーが靭性のレベルに及ぼす影響を評価するために、「Ｙ」又は「Ｘ」継手が、従来技術に係るプロセスを用いて、及び、比較のために本発明に係る有芯ワイヤを使用するＳＡＷプロセスを用いて、パスの数を変えて塞がれた。
【００７０】
これら試験の詳細は、以下の例に記載されている。
【００７１】
例１：従来技術に係るバルクワイヤを用いたＳＡＷ溶接
シートから厚い管が製造され、それらの２つの縁が、機械加工され、突き合わされた。シートの形削りは、機械加工された縁が突き合わされて図１に示すようなＸ形のプロファイルを有する予備管を形成することを可能とした。
【００７２】
ＭＩＧ溶接プロセスを用いる連続的な仮付け溶接が、実際のＳＡＷ溶接に先立ち、組み立て品をその位置に保つために使用された。
【００７３】
次に、溶接が、２つのパスで、固体フラックスの下でサブマージドアーク（ＳＡ）を用いて実行された。第１のパスは管の内側であり、第２のパスは管の外側で実行されて、２つの溶接ビードの相互溶け込みを確実にした。
【００７４】
我々は、そのような組み立て品を、厚さが１２ｍｍのＡＳＴＭ規格に従うＡ５５３タイプの９％Ｎｉ鋼から生産した。この試験について、我々は、Ｂｏｎｉｓｅｖｓｌｙに従う塩基度指数（basicity index）が２．７のフラックスを使用した。フィラー製品は、直径が１．２ｍｍの９％ニッケル鋼バルクワイヤであった。
【００７５】
より詳細には、フラックスは、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ社からＯＰ７６の参照名で入手可能なＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3タイプの市販のフラックスであり、使用したバルクワイヤも、Ｋｏｂｅ Ｓｔｅｅｌ社からＴＧＳ−９Ｎの参照名で入手可能な市販のワイヤであった。
【００７６】
溶接パラメータは、以下の表１に与えられている。採用した他の操作条件は、ＳＡＷ溶接製品において従来から使用されているものであった。
【表１】
【００７７】
このようにして溶接された管は、従来の靭性検査（Ｃｈａｒｐタイプの）に供され、それは、溶接したままの状態において得られた靭性値は９ｋＪ／ｃｍの溶接エネルギーにも拘らず３４Ｊ未満であり、その結果、満足のいく値を得るには、上記のような溶接後の熱処理を実行することが必須であり、これは、上述の問題を有している。
【００７８】
例２：従来技術に係るバルクワイヤを用いたマルチパスＴＩＧ溶接
例１と類似の「Ｙ」継手が、従来のＴＩＧ溶接を用い、１０個の連続したパスで、溶接速度を１５ｃｍ／分として溶接された。
【００７９】
ＴＩＧ溶接の操作条件は、このタイプのプロセスで採用されている従来の条件であり、使用したワイヤは例１のものであった。
【００８０】
このようにして溶接された継手の靭性のレベルと引張り強度とは、３４Ｊよりも大きかったので満足のいくものであった。
【００８１】
しかしながら、２つのパスで管を溶接する通常の手順と比較すると、生産性は相当に低下し、「Ｙ」プロファイルを充填するための多数のパスのせいで得られる溶接速度が非常に低いことから、大量生産には適合しなかった。
【００８２】
例３：本発明に係る有芯ワイヤを用いたＳＡＷ溶接
本発明に係る有芯ワイヤを用いたＳＡＷ溶接プロセスの有効性を確認するために、溶接が、例１の場合と同様に実行された。但し、図２に示す「Ｙ」形プロファイルを用いた。
【００８３】
換言すれば、例３において実行されたプロセスは、「Ｙ」プロファイルを有している９％Ｎｉ鋼製品片（例２のように）について、有芯ワイヤと強化（powered）フラックスとを用いて実行されたサブマージドアーク溶接プロセスであった。
【００８４】
既に言及しているように、使用するフラックスは、−１９６℃での靭性のレベルを考慮し、低温割れのリスクを制限するための多くの制限を満足させなければならない。靭性のレベルは、主に、珪素及び酸素含量に依存する。
【００８５】
ＴＩＧ及びＭＩＧ／ＭＡＧプロセスを用いると、酸素及び珪素レベルは非常に低いかも知れず、フィラー金属と等しい珪素レベル、即ち約０．０５％と、酸素の場合には５０ｐｐｍとを得ることが可能である。しかしながら、サブマージドアーク溶接では、市販の溶接フラックス及びバルクワイヤは、このように低い酸素レベルが達成されるのを可能としない。一般に、酸素含量は、Ｂｏｎｉｓｅｖｓｋｙ分類に従う塩基性フラックスについては約３００ｐｐｍである。
【００８６】
珪素及び酸素含量を劇的に低減する新規な溶接フラックスの開発が必要であった。表２は、これらの基準を満足し且つ例３のコンテクストにおいて使用されたフラックスの組成を与えている。
【表２】
【００８７】
現時点で、９％Ｎｉ鋼をサブマージドアークプロセスによって溶接するのに適した均一有芯ワイヤは存在していない。
【００８８】
それゆえ、特には溶接プロセスの生産性を高めるべく、本発明の発明者らは、充填元素を含有した炭素マンガン鋼シースを有する有芯ワイヤを開発し、この例３において使用した。
【００８９】
より詳細には、充填元素は、ワイヤの総重量に対して約１２％の弗素と１１％のニッケルとを含有しているが、鉄粉は含有していない。これは、本発明の有芯ワイヤの新規な側面の１つは、鉄粉フリーであり、鉄はシース又は箔におって提供されることにあるからである。
【００９０】
この均一有芯ワイヤ／フラックスの組み合わせのＳＡＷ溶接プロセスにおける使用は、得られた試験結果が示しているように、−１９６℃で要求されるレベルの靭性を達成することを可能とし、これは以下の表３において示されており、そこでは、従来技術の例１及び２並びに本発明に係る例３（試験Ａ、Ｂ及びＣ）において得られた結果が与えられている。
【表３】
【００９１】
得られた結果は、ＳＡＷ溶接において十分なレベルの靭性を得るためには、少なくとも４つのパスが存在し、Ｙ形に面取りすることが必要であったことを示している。
【００９２】
２つの溶接パスを用いるＸ形状の試験（例１）の溶接エネルギーとＹ形の面取り及び４つのパスを用いる本発明の試験Ｃとの比較は、非常に低い溶接エネルギーは、良好なレベルの靭性とは必ずしも関連していないことを示している。試験Ｃで得られた溶接部は、極低温装置の建設法に準拠する引張り強度をもたらし、−１９６℃で３４Ｊを超える衝撃強さを有し、更に、製造業者の経済学的要請に適合する生産性を有しており、これらの何らかは、例１については、溶接プロセスはＳＡＷプロセスであるものの当てはまらない。
【００９３】
試験Ｃは、低レベルの不純物を得ることを可能とする。加えて、望まれる微細構造は、溶融させる金属に適当な化学組成を用い、熱サイクルを制御することにより得られる。
【００９４】
その上、例２の条件は、非常に良好な靭性値を与えたが、到達した溶接速度が、他の例では約６０ｃｍ／分であったのに対し、かろうじて１５ｃｍ／分であったため、生産性を不利にした。例２において得られえたような低い速度は、工業的見地から許容され得ない。
【００９５】
本発明のプロセス（試験Ａ乃至Ｃ）は、良好な靭性値だけでなく、工業的見地での使用に適合した高い溶接速度を得ることを可能とし、このプロセスと比較した従来技術のプロセス（例１及び２）の制限は直ちに理解される。
【００９６】
溶融部の化学組成を制御することは別として、溶接手順（パスの数）は、溶融部及び熱影響部の双方において満足のいく靭性値を得るのに重要なパラメータである。
【００９７】
低い溶接エネルギーは、溶接継手の急速冷却を得るのに望ましい。ここで、溶接エネルギーは、溶接電圧に溶接電流を乗じ、これを溶接速度で割った物として規定される。本発明のコンテクストにおける溶接エネルギーは、好ましくは８乃至１５ｋＪ／ｃｍである。
【００９８】
表３に与えられている結果を考慮して、本発明者らは、低い溶接エネルギー（例１）にも拘らず、何故、得られた靭性は３４Ｊ未満と低かったのかを理解しようと努めた。
【００９９】
上述のように、これら結果の１つの説明は、実行したパスの数にある。
【０１００】
その結果、本発明の溶接プロセスがより良好に制御されるために、１ｃｍ2当たりのパスの数である「パスの密度」と呼ばれる新たなパラメータが規定された。
【０１０１】
パスの密度を計算するために、生成した継手のスライスの拡大図が使用された。この拡大図は、溶融部の面積が全てのパスから測定されること及び実行されたパスの数がカウントされることを可能とする。これら２つの値の比（パスの数／溶融させた面積）は、パスの密度を与える。
【０１０２】
以下の表４は、例１及び例３の試験について得られたパスの密度と靭性値とを与えている。
【表４】
【０１０３】
表４の結果は、良好な靭性（＞３４Ｊ）を得るためには、２パス毎ｃｍ2を超えるパスの密度が必要であることを示している。
【０１０４】
例４：溶着金属の酸素含量の比較研究
例４の目的は、本発明に係る有芯ワイヤの使用が、組成のフレキシビリティを超えて、特には溶接部の酸素含量に及ぼす、ＳＡＷ溶接が使用される場合の従来技術のバルクワイヤに対して有利な影響を比較することであった。
【０１０５】
これを為すために、溶接ビードが、９％Ｎｉ鋼板に、本発明に係る有芯ワイヤを用いて、及び、比較のために例１に係るバルクワイヤを用いて、同じ操作条件、特には同じフラックス及び同じ溶接エネルギーを用いて生成された。
【０１０６】
得られた結果は、以下の表５に与えられている。
【表５】
【０１０７】
これら結果は、特に驚くべきものである。というのは、有芯ワイヤに含まれる粉末は溶接部内に多量の酸素を供給すると考えられていたので、本発明に係る有芯ワイヤの使用のせいで、バルクワイヤを用いて得られる値よりも大きな溶着金属中の酸素含量が得られると予想されていたためである。
【０１０８】
しかしながら、得られた結果は、本発明に係る有芯ワイヤを用いると、特には、本発明の有芯ワイヤの充填元素における鉄粉の欠如のせいで、これは当てはまらないことを示している。
【０１０９】
これからすると、本発明に係る塩基性（basic）フラックスの使用と組み合わされた有芯ワイヤの使用は、溶接部において、バルクワイヤと塩基性フラックスとを用いて得られる値よりも低い酸素含量を有することを可能とするということになる。この酸素含量の現象は、良好な靭性値を得るのにユリである。
【０１１０】
それゆえ、本発明は、先に示した結果のように、ベースメタルのレベルの引張り特性と建築法によって要求される最低値よりも優れた非常に低い温度での靭性及び横伸び特性とを確実にしつつ、極低温用途の９％Ｎｉ鋼を高い生産性で組み立てるための効果的な溶接プロセスへと導く。
【０１１１】
換言すれば、本発明の溶接プロセスは、−１９６度での極低温用途の要求、即ち−１９６℃での３４Ｊの最小靭性及び少なくとも０．３８ｍｍの横伸びを満足させ得る延性の微細構造及び機械的特性を、経済学的に十分な生産性と共に得ることを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】「Ｘ」継手を示す図。
【図２】「Ｙ」継手を示す図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル鋼を溶接するための有芯ワイヤであって、鋼シースと充填元素とを具備し、前記ワイヤの重量に対して、２乃至１５％の弗素と、８乃至１３％のニッケルと、鉄とを含有したことを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項２】
請求項１に記載の有芯ワイヤであって、前記鋼は炭素マンガン鋼であり、前記シースの炭素含量は好ましくは０．０５％未満であることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の有芯ワイヤであって、前記ワイヤの前記充填元素での充填レベルは、前記ワイヤの総重量に対して、８乃至４０％であり、好ましくは１２乃至３０％であることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の有芯ワイヤであって、鉄は前記鋼シースのみから由来し、前記充填元素は鉄フリー、特には鉄粉フリーであることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の有芯ワイヤであって、前記ワイヤの重量に対し、８乃至１５％の弗素と９乃至１１．７５％のニッケルとを含有していることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項６】
ニッケル鋼からなる少なくとも１つのワークピース、好ましくは、少なくとも６％のニッケルを含有した少なくとも１つのワークピースをアーク溶接、レーザ溶接、又はレーザ／アークハイブリッド溶接するための方法であって、請求項１乃至５の何れか１項に記載の有芯ワイヤが用いられる方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、これは、請求項１乃至５の何れか１項に係る有芯ワイヤと、重量による割合で２５乃至３５％のＭｇＯと２０乃至３０％のＣａＯと１０乃至１５％のＳｉＯ2と１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と５乃至２０％の弗素とを含有したフラックスとを用いるサブマージドアーク溶接プロセスであることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の方法であって、７％を超えるニッケル、典型的には７乃至１３％のニッケルを含有した鋼からなる１つ以上のワークピースが相互に溶接されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６乃至８の何れか１項に記載の方法であって、溶接継手が、前記溶接継手の位置におけるパスの密度が２パス毎ｃｍ2よりも大きくなるように生成されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法において使用され得る溶接フラックスであって、重量による割合で、２５乃至３５％のＭｇＯと、２０乃至３０％のＣａＯと、１０乃至１５％のＳｉＯ2と、１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と、５乃至２０％の弗素とを含有したことを特徴とするフラックス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のフラックスであって、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏから選ばれる少なくとも１つの構成成分を更に含み、前記少なくとも１つの構成成分の割合は３重量％未満であることを特徴とするフラックス。
【請求項１２】
請求項６乃至９の何れか１項に記載の方法を実行することにより、及び／又は、請求項１乃至５の何れか１項に記載の有芯ワイヤを溶融させることにより得られる溶接継手又は溶着金属であって、
− ０．０１０乃至０．０７％のＣ、好ましくは０．０１０乃至０．０５％のＣと、
− ０．０２乃至０．２０％のＳｉと、
− ０．１５乃至０．６％のＭｎと、
− ０．００２乃至０．００７％のＰと、
− ０．００１３乃至０．００５０％のＳと、
− ７乃至１３％のＮｉと、
− ０．００２乃至０．０１２％のＴｉと、
− ０．００５乃至０．０１８％のＡｌと、
− 大部分のＦｅと
を含有したことを特徴とする溶接継手又は溶着金属。
【請求項１３】
請求項１２に記載の溶接継手又は溶着金属であって、３００ｐｐｍ未満の酸素を含んでいることを特徴とする溶接継手又は溶着金属。
【請求項１】
ニッケル鋼を溶接するための有芯ワイヤであって、鋼シースと充填元素とを具備し、前記ワイヤの重量に対して、２乃至１５％の弗素と、８乃至１３％のニッケルと、鉄とを含有したことを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項２】
請求項１に記載の有芯ワイヤであって、前記鋼は炭素マンガン鋼であり、前記シースの炭素含量は好ましくは０．０５％未満であることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の有芯ワイヤであって、前記ワイヤの前記充填元素での充填レベルは、前記ワイヤの総重量に対して、８乃至４０％であり、好ましくは１２乃至３０％であることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の有芯ワイヤであって、鉄は前記鋼シースのみから由来し、前記充填元素は鉄フリー、特には鉄粉フリーであることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の有芯ワイヤであって、前記ワイヤの重量に対し、８乃至１５％の弗素と９乃至１１．７５％のニッケルとを含有していることを特徴とする有芯ワイヤ。
【請求項６】
ニッケル鋼からなる少なくとも１つのワークピース、好ましくは、少なくとも６％のニッケルを含有した少なくとも１つのワークピースをアーク溶接、レーザ溶接、又はレーザ／アークハイブリッド溶接するための方法であって、請求項１乃至５の何れか１項に記載の有芯ワイヤが用いられる方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、これは、請求項１乃至５の何れか１項に係る有芯ワイヤと、重量による割合で２５乃至３５％のＭｇＯと２０乃至３０％のＣａＯと１０乃至１５％のＳｉＯ2と１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と５乃至２０％の弗素とを含有したフラックスとを用いるサブマージドアーク溶接プロセスであることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の方法であって、７％を超えるニッケル、典型的には７乃至１３％のニッケルを含有した鋼からなる１つ以上のワークピースが相互に溶接されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項６乃至８の何れか１項に記載の方法であって、溶接継手が、前記溶接継手の位置におけるパスの密度が２パス毎ｃｍ2よりも大きくなるように生成されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法において使用され得る溶接フラックスであって、重量による割合で、２５乃至３５％のＭｇＯと、２０乃至３０％のＣａＯと、１０乃至１５％のＳｉＯ2と、１０乃至３０％のＡｌ2Ｏ3と、５乃至２０％の弗素とを含有したことを特徴とするフラックス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のフラックスであって、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏから選ばれる少なくとも１つの構成成分を更に含み、前記少なくとも１つの構成成分の割合は３重量％未満であることを特徴とするフラックス。
【請求項１２】
請求項６乃至９の何れか１項に記載の方法を実行することにより、及び／又は、請求項１乃至５の何れか１項に記載の有芯ワイヤを溶融させることにより得られる溶接継手又は溶着金属であって、
− ０．０１０乃至０．０７％のＣ、好ましくは０．０１０乃至０．０５％のＣと、
− ０．０２乃至０．２０％のＳｉと、
− ０．１５乃至０．６％のＭｎと、
− ０．００２乃至０．００７％のＰと、
− ０．００１３乃至０．００５０％のＳと、
− ７乃至１３％のＮｉと、
− ０．００２乃至０．０１２％のＴｉと、
− ０．００５乃至０．０１８％のＡｌと、
− 大部分のＦｅと
を含有したことを特徴とする溶接継手又は溶着金属。
【請求項１３】
請求項１２に記載の溶接継手又は溶着金属であって、３００ｐｐｍ未満の酸素を含んでいることを特徴とする溶接継手又は溶着金属。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−１６１９３２（Ｐ２００８−１６１９３２Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−２３０４８０（Ｐ２００７−２３０４８０）
【出願日】平成１９年９月５日（２００７．９．５）
【出願人】（５９１０３６５７２）レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード (438)
【出願人】（５０６３９０３２８）エール・リキード・ウェルディング・フランス (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３０４８０（Ｐ２００７−２３０４８０）
【出願日】平成１９年９月５日（２００７．９．５）
【出願人】（５９１０３６５７２）レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード (438)
【出願人】（５０６３９０３２８）エール・リキード・ウェルディング・フランス (11)
【Ｆターム（参考）】
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