溶接材料および溶接継手の製造方法
【課題】溶接作業性に優れ、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の引張強さを有しながら良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手が安定的に得られる溶接材料および溶接継手の製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０３％、Ｓｉ：０．３〜１．２％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：２．０〜３．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ａｌ：０．００４〜０．０１４％、Ｏ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５%以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、かつＣｅｑ：０．６５０以上、Ｐｃｍ：０．２５０以上、０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０を満たす化学組成を有する溶接材料。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０３％、Ｓｉ：０．３〜１．２％、Ｍｎ：１．５〜２．５％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００５〜０．０２％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：２．０〜３．０％、Ｃｒ：０．０５〜１．０％、Ｍｏ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ａｌ：０．００４〜０．０１４％、Ｏ：０．０５％以下、Ｎ：０．０５%以下を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、かつＣｅｑ：０．６５０以上、Ｐｃｍ：０．２５０以上、０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０を満たす化学組成を有する溶接材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接作業性に優れ、かつ引張強さが高く、耐水素脆性が良好な溶接継手が安定的に得られる溶接材料および溶接継手の製造方法に係り、特に、高強度鋼管の周溶接および補修溶接に好適な溶接材料および溶接継手の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガスや石油といった様々な流体の輸送にパイプラインが利用されており、今後もその利用が益々増加することが見込まれる。そして、パイプライン整備にかかるコスト削減を目的として、より高強度な鋼管が要求されてきた。高強度鋼管を用いることでより薄く軽いラインパイプの使用が可能となり、製造、輸送の低コスト化が可能となるからである。現在、この流れを受け、国内外で本格的にＡＰＩ ５Ｌ Ｘ８０グレードの鋼管の利用が本格化しており、さらに高強度のＸ９０やＸ１００といったグレードの鋼管も一部で導入が始まっている。
【０００３】
パイプラインによって流体を長期にわたって安全に輸送する際、鋼管自体の強度だけでなく、溶接継手部の強度も確保する必要があり、溶接材料の開発も重要な課題となっている。一般に、溶接継手部には母材の引張強さの規格下限値を下回らないことが要求されている（ＡＰＩ ５Ｌ）。即ち、Ｘ８０であれば引張強さが６２５Ｎ／ｍｍ２以上、Ｘ９０であれば６９５Ｎ／ｍｍ２以上、Ｘ１００であれば７６０Ｎ／ｍｍ２以上ということになる。しかしながら、実際の継手引張試験では、確実に母材で破断されることが要求されることが多く、このためには溶接金属の引張強さとしては、少なくとも上記の値に１０〜２０％程度の余裕を持たせる必要がある。即ち、Ｘ８０であれば６８８〜７５０Ｎ／ｍｍ２、Ｘ９０であれば７６５〜８３４Ｎ／ｍｍ２、Ｘ１００であれば８３６〜９１２Ｎ／ｍｍ２を上回る継手強度が要求される。
【０００４】
一方、強度が過剰になると、溶接金属部の最高硬さが高くなりすぎ、水素脆化による割れを生じさせる要因となる。特に厳しい腐食環境に曝されることのない場合、水素脆化割れを防止するためには最高硬さをＨＶ３５０以下にすることが望ましいとされている（ＡＰＩ １１０４）。つまり、高強度鋼管に用いる溶接材料には、強度と最高硬さのバランスが要求される。
【０００５】
特許文献１〜３には、Ｘ８０グレードの鋼材の溶接に好適な溶接用ワイヤについての発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４８３８９
【特許文献２】特開２００６−２２４１８１
【特許文献３】特開２０１０−１５８７１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および２の発明は、引張強さ７５０Ｎ／ｍｍ２以上を、特許文献３の発明は、引張強さ７７０Ｎ／ｍｍ２以上を目標としており、Ｘ８０グレードの鋼管の溶接には用いることはできるが、Ｘ９０、Ｘ１００といったさらに高強度の鋼管には適さない。上述のように、Ｘ１００グレードの高強度鋼管には、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の継手強度が求められるからである。
【０００８】
そこで本発明は、溶接金属の引張強さが８３６Ｎ／ｍｍ２以上であってＸ８０、Ｘ９０、Ｘ１００の溶接部の継手引張強さを十分確保しながら、良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手を安定的に得ることが可能であり、高い溶接作業性を有する高強度鋼管の周溶接および補修溶接に好適な溶接材料および溶接継手の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
なお、本発明において、高い溶接作業性を有するとは、溶け込み不足、融合不良、溶け落ち、突き抜けといった溶接欠陥が発生せず、溶接がスムーズに進行し得る性能を言うものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、Ｘ８０グレード、さらにはＸ９０、Ｘ１００グレードの高強度鋼を対象とした、ＴＩＧ溶接における溶接作業性に優れ、かつ耐水素脆性が良好な溶接継手を安定的に得るための溶接材料および溶接継手の製造方法について検討したところ、下記の知見を得た。
【００１１】
（ａ）溶接継手の引張強さを８３６Ｎ／ｍｍ２以上にするためには、溶接金属の平均硬さをＨＶ２６５以上とすれば良い。一方、前述のように溶接金属部分の水素脆化による割れなどを防止するためには、溶接金属の最高硬さをＨＶ３５０以下、好ましくはＨＶ３００以下にする必要がある。
【００１２】
（ｂ）しかし、一般的に溶接金属の硬さはばらつきが非常に大きく、溶接金属の平均硬さおよび最高硬さを上記の値とするためには、硬さを上昇させつつばらつきを抑制する必要がある。種々の検討結果から、Ｃ含有量を増加させることにより硬度を上昇させたのでは、硬さのばらつきが大きくなり、上記の条件を満足させることは困難であることが分かった。そして、溶接金属のＣ含有量を０．０１０〜０．０１５％程度の低い値に調整し、Ｃ含有量を低くすることよる強度低下を、種々の合金を含有させることで補えば、平均硬さの上昇および最高硬さの低減を両立できることが明らかとなった。即ち、Ｃ含有量を低減させつつ、ＣｅｑおよびＰｃｍの値を一定の範囲内とすることが重要である。
【００１３】
（ｃ）溶接金属のＣ含有量を厳密に管理するためには、溶接材料のＣ含有量だけではなく、ＣとＡｌとの含有量のバランス調整が特に重要である。Ｃはアーク直下のような高温領域では、強力な脱酸元素として働くため、Ｓｉ、Ｍｎ等より先に酸化消耗され、所定の平均硬さが得られない現象を生じてしまう。そこで、溶接金属のＣの歩留まりを調整するのに溶接材料にバランス良くＡｌを添加することが有効であることが分った。つまり、溶接材料のＡｌが少ない場合はＣを多めに含有させ、逆にＡｌが多い場合はＣを少なめに含有させるよう調整する必要がある。
【００１４】
（ｄ）ＴＩＧ法の裏波溶接において溶接作業性を向上させるためには、溶融池の対流が内向き対流であることが重要である。溶融池の対流が外向きである場合、溶接中に発生する少量の酸化物が溶融池の最外縁に集積することで開先への濡れ性が劣化し、作業性が悪化する。一方、溶融池の対流が内向きである場合、酸化物はアークの直下に集積するため、開先への濡れ性が良好となり、溶接がスムーズに進行するようになる。この溶融池の対流方向は表面張力に起因するが、それに大きく影響を及ぼすのがＳである。溶融池の対流を内向きにするために、Ｓを一定量以上含有させる。
【００１５】
（ｅ）ＴＩＧ溶接に適した溶接材料を用いたとしても、入熱制限またはパス数制限がないと、熱影響部（以下、ＨＡＺと言う。）が大きくなり、その部分の強度低下が大きく、所定の継手強度が得られなくなる場合がある。そこで、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制し、継手の必要強度を得るためには積層方法および溶接入熱を制限する必要がある。
【００１６】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、下記の（１）に示す溶接材料および下記の（２）および（３）に示す溶接継手の製造方法を要旨とする。
【００１７】
（１）質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．０３％、
Ｓｉ：０．３〜１．２％、
Ｍｎ：１．５〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．００５〜０．０２％、
Ｃｕ：０．１〜０．５％、
Ｎｉ：２．０〜３．０％、
Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ａｌ：０．００４〜０．０１４％、
Ｏ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０５%以下
を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、かつ
Ｃｅｑ：０．６５０以上、
Ｐｃｍ：０．２５０以上、
０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０
を満たす化学組成を有することを特徴とする溶接材料。
ここで、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
但し、式中の各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００１８】
（２）上記（１）に記載の溶接材料を用いて、裏波溶接を行うに際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層：７〜１８ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第２層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【００１９】
（３）上記（１）に記載の溶接材料を用いて、溶接継手の補修溶接を行う（ただし、裏波溶接を行う場合を除く。）に際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【発明の効果】
【００２０】
本発明の溶接材料によれば、溶接作業性に優れ、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の引張強さを有しながら良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手を安定的に提供し得る。さらに、本発明の溶接継手の製造方法によれば、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制することができる。従って、本発明の溶接材料および溶接継手の製造方法は、高強度鋼管の周溶接またはその補修溶接に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｖ開先を設けた母材の突合せ多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【図２】貫通補修を施す多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【図３】外面からの部分補修を施す多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【図４】内面からの部分補修を施す多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
１．化学組成
まず、本発明の溶接材料の化学組成の限定理由を述べる。以下、％は質量％を意味する。
【００２３】
Ｃ：０．０１〜０．０３％
Ｃは、強度を確保するために必要な元素である。０．０１％未満では必要とする強度を確保することができない。Ｃ含有量は０．０１５％以上であることが好ましい。一方、０．０３％を超えると、冷却速度が速い場合に、硬さが急激に上昇し、母材の靭性が劣化する。Ｃ含有量は０．０２５％以下であることが好ましい。
【００２４】
Ｓｉ：０．３〜１．２％
Ｓｉは、脱酸作用があるとともに溶接金属の靱性の向上に寄与する。０．３％未満では溶接時の脱酸効果が不十分なため、溶接金属にブローホールが発生しやすくなり、また十分な靱性が得られない。しかし、１．２％を超えて含有させた場合は、かえって靭性の低下をもたらし、また、溶融金属の流動性が悪くなるためにビード形状が悪化する。
【００２５】
Ｍｎ：１．５〜２．５％
Ｍｎは、脱酸作用があるとともに溶接金属の強度上昇および靱性の向上に寄与する。１．５％未満では溶接時の脱酸効果が不十分であるだけでなく、強度も不足し、また十分な靱性が得られない。しかし、２．５％を超える過剰な含有は、かえって靱性を劣化させる。
【００２６】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。０．０２％を超えると、溶接時に高温割れを招くおそれがあるため、０．０２％以下とする必要がある。
【００２７】
Ｓ：０．００５〜０．０２％
Ｓは、溶融池の内向き流れを発生させ、溶接作業性を向上させるのに有効な元素である。このため、Ｓの含有量を０．００５％以上とする。Ｓ含有量は０．００７％以上であることが好ましく、０．００９％以上であることがより好ましい。しかし、０．０２％を超えると、溶接時に高温割れや靭性低下を招くおそれがある。
【００２８】
Ｃｕ：０．１〜０．５％
ここで規定するＣｕは、主として溶接ワイヤ又は棒の表面にめっきされたＣｕ分に該当し、耐錆び性、つまり酸化防止に寄与する。０．１％未満では、十分なメッキ膜が得られず、溶接材料が酸化されやすくなる。一方、０．５％を超えると、溶接ビードの割れを発生させるおそれがある。
【００２９】
Ｎｉ：２．０〜３．０％
Ｎｉは、適正量を含有させることによって、溶接性に悪影響を及ぼすこともなく、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＮｉを２．０％以上含有させる。しかし、Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、かえって靱性が劣化する。
【００３０】
Ｃｒ：０．０５〜１．０％
Ｃｒは、少量含有させることで、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＣｒを０．０５％以上含有させる。しかし、Ｃｒ含有量が１．０％を超えると、かえって靱性が劣化する。
【００３１】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、少量含有させることで、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＭｏを０．０５％以上含有させる。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、かえって靱性が劣化する。
【００３２】
Ｔｉ：０．００５〜０．３％
Ｔｉは、強力な脱酸元素として作用するが、一方でスラグ生成物となる。０．００５％未満では、溶接時の脱酸効果が不十分である。一方、０．３％を超えると、スラグ生成量が多くなり、スラグ巻き込みの欠陥が発生しやすくなる。
【００３３】
Ｎｂ：０．００５〜０．１％
Ｎｂは、少量含有させることで、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＮｂを０．００５％以上含有させる。しかし、Ｎｂ含有量が０．１％を超えると、粗大な炭化物、窒化物を形成し靱性が劣化する。
【００３４】
Ａｌ：０．００４〜０．０１４％
Ａｌは、脱酸のために必須な元素であると同時に、Ｃの歩留まりを調整するのに重要な元素である。０．００４％未満では、高温領域でＣが脱酸剤として作用し、ＣＯまたはＣＯ２ガスとして放出されてしまい、溶接金属へのＣの残量が不足し、強度が低下するため、０．００４％以上とする。Ａｌ含有量は０．００６％以上であることが好ましい。一方、０．０１４％を超えると、Ｃの歩留まりが過剰となり、硬さのばらつきが大きくなるため、０．０１４％以下とする必要がある。Ａｌ含有量は０．０１２％以下であることが好ましく、０．０１０％以下であることがさらに好ましい。
【００３５】
Ｏ：０．０５％以下
Ｏは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。０．０５％を超えると、靱性が劣化し、溶接欠陥が発生しやすくなるため、０．０５％以下とする必要がある。
【００３６】
Ｎ：０．０５％以下
Ｎは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。０．０５％を超えると、強度が過剰となり、靱性が劣化するため、０．０５％以下とする必要がある。
【００３７】
Ｃｅｑ：０．６５０以上
Ｃｅｑは炭素当量を意味し、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５
によって定義される。溶接継手の引張強さを確保するためには、種々の合金元素をバランスよく含有させることによって、Ｃｅｑの値は０．６５０以上とする必要がある。Ｃｅｑの値は０．７００以上とするのが好ましく、０．７５０以上とするのがより好ましい。上限は特に設けないが、合金元素を過剰に含有させるとコスト上昇につながるため、１．０００以下とするのが好ましく、０．９００以下とするのがより好ましい。
【００３８】
Ｐｃｍ：０．２５０以上
Ｐｃｍは溶接割れ感受性組成を意味し、
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
によって定義される。溶接継手の引張強さを確保するためには、種々の合金元素をバランスよく含有させることによって、Ｐｃｍの値は０．２５０以上とする必要がある。Ｐｃｍの値は０．２５５以上とするのが好ましく、０．２６０以上とするのがより好ましい。上限は特に設けないが、合金元素を過剰に含有させるとコスト上昇につながるため、０．３５０以下とするのが好ましく、０．３００以下とするのがより好ましい。
【００３９】
０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０
前述のように、溶接金属のＣ含有量は、溶接材料のＣ含有量およびＡｌ含有量のバランスによって決まる。溶接金属のＣ含有量を０．０１０〜０．０１５％程度の狭い範囲に厳密に調整するためには、溶接材料中のＡｌ含有量が少ない場合はＣ含有量を多めに含有させ、逆にＡｌ含有量が多い場合はＣ含有量を少なめに含有させる必要がある。そのような観点から、Ｃ×Ａｌを０．００００７〜０．０００２０の範囲内とする。Ｃ×Ａｌの好ましい下限は０．０００１０である。また、Ｃ×Ａｌの好ましい上限は０．０００１７であり、より好ましい上限は０．０００１５である。
【００４０】
２．用途
本発明に係る溶接材料および溶接継手の製造方法の用途については、特に制限はないが、Ｘ８０、Ｘ９０、Ｘ１００グレードの鋼管の周溶接またはその補修溶接に最適であり、また、その他高強度鋼部材等の溶接にも好適である。鋼管の周溶接（以下、本溶接と言う。）としては、例えば、図１に示すように、母材にＶ開先１を設けて突合せ溶接により実施することができる。開先の形状については特に制限はなく、Ｖ開先の他、Ｕ開先または直線と曲線との複合した形の開先としても良い。また、開先同士の距離１１は３〜５ｍｍとするのが良く、母材の厚さの差１２は、１．５ｍｍ以内とするのが良い。
【００４１】
溶接継手の補修溶接としては、欠陥部の位置、大きさに応じて、図２に示すような貫通補修、図３に示すような外面からの部分補修、図４に示すような内面からの部分補修の３通りが可能である。欠陥部をグラインダー等によって除去した後、貫通部分２、または溝３を本発明の溶接により埋めることができる。欠陥部を除去する加工の条件については特に制限はないが、貫通補修の場合は、貫通部分の幅は上部２１が１７〜２２ｍｍ、下部２２が３〜６ｍｍとするのが良い。また、部分補修の場合は、溶接部の外面または内面に幅３１が１０〜２２ｍｍ、深さ３２が３〜１４ｍｍの溝を形成するのが良い。
【００４２】
３．溶接条件
上述のように本発明の溶接材料を用いたとしても、入熱制限またはパス数制限がないと、所定の継手強度が得られなくなる場合がある。そこで、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制し、継手の必要強度を確実に得るための積層方法および溶接入熱の制約条件を、開先または貫通部分に裏波溶接を行う場合、および溶接部の外面または内面の補修溶接を行う場合（ただし、裏波溶接を行う場合を除く。）のそれぞれについて以下に説明する。なお、溶接金属の層の総数をＮとする。
【００４３】
（１）開先または貫通部分の裏波溶接における入熱条件
第１層：７〜１８ｋＪ／ｃｍ
第１層は、良好な裏波ビードを形成させつつ、内部欠陥も発生させないことが必要となる。そのため、溶接入熱は１パスあたり７ｋＪ／ｃｍ以上とするのが良い。しかし、入熱が大きくなりすぎると溶融池が大きくなりすぎて、表面張力で保持できずに垂れ落ちてしまう。そのため、１８ｋＪ／ｃｍ以下とするのが好ましい。
【００４４】
第２層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍ
融合不良等の溶接欠陥を防止するだけでなく、溶融池を十分馴染ませ、高品質の溶接とするためには、溶接入熱は１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、入熱が大きすぎると、第１層を貫通して溶けてしまい、穴あきビードが発生するおそれがあるだけでなく、ＨＡＺの強度低下が著しくなり、所定の継手強度が得られなくなるため、１６ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４５】
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍ
溶接入熱は低すぎると融合不良等の溶接欠陥を生じるおそれがあるため、１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。この部分では多少のＨＡＺ軟化は許容される。最終層を良好に仕上げるため、１層前も溶接をより良好に仕上げる必要があり、入熱をやや上げるのが望ましい。一方、ＨＡＺの軟化を極力抑える観点からは、２３ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４６】
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍ
第Ｎ層は、開先の肩部を溶かし、かつ表面を良好に仕上げる必要がある。そのため、溶接入熱は５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、ＨＡＺ軟化抑制の観点から、３０ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４７】
（２）補修溶接における入熱条件
第１層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍ
融合不良等の溶接欠陥を防止するだけでなく、溶融池を十分馴染ませ、高品質の溶接とするためには、溶接入熱は１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、入熱が大きすぎると、ＨＡＺの強度低下が著しくなり、所定の継手強度が得られなくなるため、１６ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４８】
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍ
溶接入熱は低すぎると融合不良等の溶接欠陥を生じるおそれがあるため、１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。この部分では多少のＨＡＺ軟化は許容される。最終層を良好に仕上げるため、１層前も溶接をより良好に仕上げる必要があり、入熱をやや上げるのが望ましい。一方、ＨＡＺの軟化を極力抑える観点からは、２３ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４９】
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍ
第Ｎ層は、開先の肩部を溶かし、かつ表面を良好に仕上げる必要がある。そのため、溶接入熱は５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、ＨＡＺ軟化抑制の観点から、３０ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００５０】
（３）層の総数およびパス数条件
層の総数Ｎは３以上とする。Ｎの上限については特に制限はないが、多層盛りＴＩＧ溶接の場合、積層厚さは１〜２ｍｍ程度となるため、Ｎは開先または貫通補修の溶接の場合は母材の厚さ、部分補修の場合は溝の深さによって決めることができる。また、パス数についても特に制限はなく、溶接性を考慮し、開先または溝の幅に応じて、１層あたり１〜３パス程度とするのが良い。
【００５１】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５２】
表１の化学組成からなる外径６１０ｍｍ、厚さ１５．６ｍｍのＸ８０グレードの高強度鋼管を母材として溶接実験を行なった。まず本溶接として、図１に示すように、鋼管の管端にベベル加工によりＶ開先１を設けた後、突合せＴＩＧ溶接を行った。また、補修溶接として、本溶接と同様のＶ開先１に対して表２に示す条件でＭＡＧ自動溶接を行なった後、グラインダーを用いて溶接金属の一部または全部を除去して、図２〜４に示すような形状を形成し、その部分についてＴＩＧ溶接を行なった。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
実験に供した溶接材料の化学組成を表３に示す。溶接材料は、直径２．４ｍｍの線材であり、表面には防錆のためのＣｕメッキが施されている。これらを用いて多層盛りのＴＩＧ溶接を行った。
【００５６】
【表３】
【００５７】
表４に、溶接区分、開先、貫通部分または溝の寸法、溶接条件を示す。
【００５８】
【表４】
【００５９】
表５に、溶接の評価結果を示す。評価項目は、溶接作業性、溶接部および近傍の硬さ、外観検査、放射線透過試験および超音波探傷試験による内部品質の調査とした。溶接作業性は、溶融池の開先への濡れ性が良好で溶接がスムーズに進行するかどうかを基準に、総合的に○×を判定した。
【００６０】
溶接部および近傍の硬さは、ＪＩＳＺ２２４４によるビッカース硬さ（ＨＶ１０）を測定した。なお、近傍とは図１〜４に示すように、溶接金属と母材との境界部分からそれぞれ１０ｍｍまでの部分を言う。測定位置は、本溶接および貫通補修溶接については、図１および２に示した３本の硬さ測定ライン４に沿って、管外面および管内面からの補修溶接については、図３および４に示した２本の硬さ測定ライン４に沿って、全て１ｍｍピッチで測定した。溶接金属部については平均硬さおよび最高硬さを求めた。最高硬さおよび平均硬さの評価においては、最高硬さがＨＶ３５０以下のものを○、ＨＶ３００以下のものを◎、平均硬さがＨＶ２６５〜２８５のものを○とした。
【００６１】
また、本溶接および貫通補修溶接については、熱影響部の硬さの低下の状況（ＨＡＺ軟化の状況）についても評価した。近傍母材の平均硬さよりＨＶ１０以上低下している部分の長さをＨＡＺ軟化層幅、近傍母材の平均硬さとＨＡＺ最低硬さの差をＨＡＺ軟化度とした。ＨＡＺ軟化は、軟化層幅が５ｍｍ以下かつ軟化度４０以下のものを○とした。
【００６２】
外観検査は凹み、アンダーカット等の一般的な溶接外観不良が無いものを○とした。放射線透過試験はＪＩＳＺ３１０４で行い２類以上を○とした。超音波探傷試験はＪＩＳＺ３０６０で行い２類以上を○とした。
【００６３】
【表５】
【００６４】
表５に示すように、溶接材料のＣｅｑまたはＰｃｍの値が本発明の規定値以下のものは、平均硬さがＨＶ２６５以下となり、引張強さ不足であった。また、溶接材料のＣ含有量、Ａｌ含有量またはＣ×Ａｌの値が本発明の規定から外れるものについては、低いと上記と同様に強度不足となり、高いと最高硬さがＨＶ３５０以上で耐水素脆性が劣化する結果となった。Ｓ含有量が少ない場合は、内面ビード外観不良、内部欠陥発生等の不具合が生じた。
【００６５】
一方、本発明の溶接材料を用いた場合、溶接金属の平均硬さおよび最高硬さが所定の範囲に入り、良好な引張強さおよび耐水素脆性を有することがわかった。
【００６６】
また、本発明で規定する積層方法および入熱の条件に従って行ったものは、ＨＡＺ軟化が起こらず、溶接欠陥も発生しなかった。規定を外れる場合は、表５に示した通り、外観不良、ＮＤＩ検査不合格、ＨＡＺ軟化のいずれかあるいは複数の不具合を生じた。
【００６７】
溶接材料の成分および溶接条件が本発明の規定内の、Ｎｏ．７〜１０、２２〜２５、３０、３１、３５、３６は良好な結果となった。中でも、Ｎｏ．９、１０、２４、２５、３１、３５、３６は最高硬さが３００以下であり、特に良好であった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の溶接材料によれば、溶接作業性に優れ、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の引張強さを有しながら良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手を安定的に提供し得る。さらに、本発明の溶接継手の製造方法によれば、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制することができるため、本発明の溶接材料および溶接継手の製造方法は、高強度鋼管の周溶接またはその補修溶接に最適である。
【符号の説明】
【００６９】
１．Ｖ開先
２．貫通部分
３．溝
４．硬さ測定ライン
１１．開先同士の距離
１２．母材の厚さの差
２１．貫通部分の上部幅
２２．貫通部分の下部幅
３１．溝の幅
３２．溝の深さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接作業性に優れ、かつ引張強さが高く、耐水素脆性が良好な溶接継手が安定的に得られる溶接材料および溶接継手の製造方法に係り、特に、高強度鋼管の周溶接および補修溶接に好適な溶接材料および溶接継手の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガスや石油といった様々な流体の輸送にパイプラインが利用されており、今後もその利用が益々増加することが見込まれる。そして、パイプライン整備にかかるコスト削減を目的として、より高強度な鋼管が要求されてきた。高強度鋼管を用いることでより薄く軽いラインパイプの使用が可能となり、製造、輸送の低コスト化が可能となるからである。現在、この流れを受け、国内外で本格的にＡＰＩ ５Ｌ Ｘ８０グレードの鋼管の利用が本格化しており、さらに高強度のＸ９０やＸ１００といったグレードの鋼管も一部で導入が始まっている。
【０００３】
パイプラインによって流体を長期にわたって安全に輸送する際、鋼管自体の強度だけでなく、溶接継手部の強度も確保する必要があり、溶接材料の開発も重要な課題となっている。一般に、溶接継手部には母材の引張強さの規格下限値を下回らないことが要求されている（ＡＰＩ ５Ｌ）。即ち、Ｘ８０であれば引張強さが６２５Ｎ／ｍｍ２以上、Ｘ９０であれば６９５Ｎ／ｍｍ２以上、Ｘ１００であれば７６０Ｎ／ｍｍ２以上ということになる。しかしながら、実際の継手引張試験では、確実に母材で破断されることが要求されることが多く、このためには溶接金属の引張強さとしては、少なくとも上記の値に１０〜２０％程度の余裕を持たせる必要がある。即ち、Ｘ８０であれば６８８〜７５０Ｎ／ｍｍ２、Ｘ９０であれば７６５〜８３４Ｎ／ｍｍ２、Ｘ１００であれば８３６〜９１２Ｎ／ｍｍ２を上回る継手強度が要求される。
【０００４】
一方、強度が過剰になると、溶接金属部の最高硬さが高くなりすぎ、水素脆化による割れを生じさせる要因となる。特に厳しい腐食環境に曝されることのない場合、水素脆化割れを防止するためには最高硬さをＨＶ３５０以下にすることが望ましいとされている（ＡＰＩ １１０４）。つまり、高強度鋼管に用いる溶接材料には、強度と最高硬さのバランスが要求される。
【０００５】
特許文献１〜３には、Ｘ８０グレードの鋼材の溶接に好適な溶接用ワイヤについての発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４８３８９
【特許文献２】特開２００６−２２４１８１
【特許文献３】特開２０１０−１５８７１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および２の発明は、引張強さ７５０Ｎ／ｍｍ２以上を、特許文献３の発明は、引張強さ７７０Ｎ／ｍｍ２以上を目標としており、Ｘ８０グレードの鋼管の溶接には用いることはできるが、Ｘ９０、Ｘ１００といったさらに高強度の鋼管には適さない。上述のように、Ｘ１００グレードの高強度鋼管には、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の継手強度が求められるからである。
【０００８】
そこで本発明は、溶接金属の引張強さが８３６Ｎ／ｍｍ２以上であってＸ８０、Ｘ９０、Ｘ１００の溶接部の継手引張強さを十分確保しながら、良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手を安定的に得ることが可能であり、高い溶接作業性を有する高強度鋼管の周溶接および補修溶接に好適な溶接材料および溶接継手の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
なお、本発明において、高い溶接作業性を有するとは、溶け込み不足、融合不良、溶け落ち、突き抜けといった溶接欠陥が発生せず、溶接がスムーズに進行し得る性能を言うものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、Ｘ８０グレード、さらにはＸ９０、Ｘ１００グレードの高強度鋼を対象とした、ＴＩＧ溶接における溶接作業性に優れ、かつ耐水素脆性が良好な溶接継手を安定的に得るための溶接材料および溶接継手の製造方法について検討したところ、下記の知見を得た。
【００１１】
（ａ）溶接継手の引張強さを８３６Ｎ／ｍｍ２以上にするためには、溶接金属の平均硬さをＨＶ２６５以上とすれば良い。一方、前述のように溶接金属部分の水素脆化による割れなどを防止するためには、溶接金属の最高硬さをＨＶ３５０以下、好ましくはＨＶ３００以下にする必要がある。
【００１２】
（ｂ）しかし、一般的に溶接金属の硬さはばらつきが非常に大きく、溶接金属の平均硬さおよび最高硬さを上記の値とするためには、硬さを上昇させつつばらつきを抑制する必要がある。種々の検討結果から、Ｃ含有量を増加させることにより硬度を上昇させたのでは、硬さのばらつきが大きくなり、上記の条件を満足させることは困難であることが分かった。そして、溶接金属のＣ含有量を０．０１０〜０．０１５％程度の低い値に調整し、Ｃ含有量を低くすることよる強度低下を、種々の合金を含有させることで補えば、平均硬さの上昇および最高硬さの低減を両立できることが明らかとなった。即ち、Ｃ含有量を低減させつつ、ＣｅｑおよびＰｃｍの値を一定の範囲内とすることが重要である。
【００１３】
（ｃ）溶接金属のＣ含有量を厳密に管理するためには、溶接材料のＣ含有量だけではなく、ＣとＡｌとの含有量のバランス調整が特に重要である。Ｃはアーク直下のような高温領域では、強力な脱酸元素として働くため、Ｓｉ、Ｍｎ等より先に酸化消耗され、所定の平均硬さが得られない現象を生じてしまう。そこで、溶接金属のＣの歩留まりを調整するのに溶接材料にバランス良くＡｌを添加することが有効であることが分った。つまり、溶接材料のＡｌが少ない場合はＣを多めに含有させ、逆にＡｌが多い場合はＣを少なめに含有させるよう調整する必要がある。
【００１４】
（ｄ）ＴＩＧ法の裏波溶接において溶接作業性を向上させるためには、溶融池の対流が内向き対流であることが重要である。溶融池の対流が外向きである場合、溶接中に発生する少量の酸化物が溶融池の最外縁に集積することで開先への濡れ性が劣化し、作業性が悪化する。一方、溶融池の対流が内向きである場合、酸化物はアークの直下に集積するため、開先への濡れ性が良好となり、溶接がスムーズに進行するようになる。この溶融池の対流方向は表面張力に起因するが、それに大きく影響を及ぼすのがＳである。溶融池の対流を内向きにするために、Ｓを一定量以上含有させる。
【００１５】
（ｅ）ＴＩＧ溶接に適した溶接材料を用いたとしても、入熱制限またはパス数制限がないと、熱影響部（以下、ＨＡＺと言う。）が大きくなり、その部分の強度低下が大きく、所定の継手強度が得られなくなる場合がある。そこで、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制し、継手の必要強度を得るためには積層方法および溶接入熱を制限する必要がある。
【００１６】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、下記の（１）に示す溶接材料および下記の（２）および（３）に示す溶接継手の製造方法を要旨とする。
【００１７】
（１）質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．０３％、
Ｓｉ：０．３〜１．２％、
Ｍｎ：１．５〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．００５〜０．０２％、
Ｃｕ：０．１〜０．５％、
Ｎｉ：２．０〜３．０％、
Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ａｌ：０．００４〜０．０１４％、
Ｏ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０５%以下
を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、かつ
Ｃｅｑ：０．６５０以上、
Ｐｃｍ：０．２５０以上、
０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０
を満たす化学組成を有することを特徴とする溶接材料。
ここで、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
但し、式中の各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【００１８】
（２）上記（１）に記載の溶接材料を用いて、裏波溶接を行うに際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層：７〜１８ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第２層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【００１９】
（３）上記（１）に記載の溶接材料を用いて、溶接継手の補修溶接を行う（ただし、裏波溶接を行う場合を除く。）に際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【発明の効果】
【００２０】
本発明の溶接材料によれば、溶接作業性に優れ、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の引張強さを有しながら良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手を安定的に提供し得る。さらに、本発明の溶接継手の製造方法によれば、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制することができる。従って、本発明の溶接材料および溶接継手の製造方法は、高強度鋼管の周溶接またはその補修溶接に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｖ開先を設けた母材の突合せ多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【図２】貫通補修を施す多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【図３】外面からの部分補修を施す多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【図４】内面からの部分補修を施す多層盛り溶接の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
１．化学組成
まず、本発明の溶接材料の化学組成の限定理由を述べる。以下、％は質量％を意味する。
【００２３】
Ｃ：０．０１〜０．０３％
Ｃは、強度を確保するために必要な元素である。０．０１％未満では必要とする強度を確保することができない。Ｃ含有量は０．０１５％以上であることが好ましい。一方、０．０３％を超えると、冷却速度が速い場合に、硬さが急激に上昇し、母材の靭性が劣化する。Ｃ含有量は０．０２５％以下であることが好ましい。
【００２４】
Ｓｉ：０．３〜１．２％
Ｓｉは、脱酸作用があるとともに溶接金属の靱性の向上に寄与する。０．３％未満では溶接時の脱酸効果が不十分なため、溶接金属にブローホールが発生しやすくなり、また十分な靱性が得られない。しかし、１．２％を超えて含有させた場合は、かえって靭性の低下をもたらし、また、溶融金属の流動性が悪くなるためにビード形状が悪化する。
【００２５】
Ｍｎ：１．５〜２．５％
Ｍｎは、脱酸作用があるとともに溶接金属の強度上昇および靱性の向上に寄与する。１．５％未満では溶接時の脱酸効果が不十分であるだけでなく、強度も不足し、また十分な靱性が得られない。しかし、２．５％を超える過剰な含有は、かえって靱性を劣化させる。
【００２６】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。０．０２％を超えると、溶接時に高温割れを招くおそれがあるため、０．０２％以下とする必要がある。
【００２７】
Ｓ：０．００５〜０．０２％
Ｓは、溶融池の内向き流れを発生させ、溶接作業性を向上させるのに有効な元素である。このため、Ｓの含有量を０．００５％以上とする。Ｓ含有量は０．００７％以上であることが好ましく、０．００９％以上であることがより好ましい。しかし、０．０２％を超えると、溶接時に高温割れや靭性低下を招くおそれがある。
【００２８】
Ｃｕ：０．１〜０．５％
ここで規定するＣｕは、主として溶接ワイヤ又は棒の表面にめっきされたＣｕ分に該当し、耐錆び性、つまり酸化防止に寄与する。０．１％未満では、十分なメッキ膜が得られず、溶接材料が酸化されやすくなる。一方、０．５％を超えると、溶接ビードの割れを発生させるおそれがある。
【００２９】
Ｎｉ：２．０〜３．０％
Ｎｉは、適正量を含有させることによって、溶接性に悪影響を及ぼすこともなく、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＮｉを２．０％以上含有させる。しかし、Ｎｉ含有量が３．０％を超えると、かえって靱性が劣化する。
【００３０】
Ｃｒ：０．０５〜１．０％
Ｃｒは、少量含有させることで、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＣｒを０．０５％以上含有させる。しかし、Ｃｒ含有量が１．０％を超えると、かえって靱性が劣化する。
【００３１】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、少量含有させることで、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＭｏを０．０５％以上含有させる。しかし、Ｍｏ含有量が１．０％を超えると、かえって靱性が劣化する。
【００３２】
Ｔｉ：０．００５〜０．３％
Ｔｉは、強力な脱酸元素として作用するが、一方でスラグ生成物となる。０．００５％未満では、溶接時の脱酸効果が不十分である。一方、０．３％を超えると、スラグ生成量が多くなり、スラグ巻き込みの欠陥が発生しやすくなる。
【００３３】
Ｎｂ：０．００５〜０．１％
Ｎｂは、少量含有させることで、溶接金属の強度および靱性を向上させる。この効果を得るためにはＮｂを０．００５％以上含有させる。しかし、Ｎｂ含有量が０．１％を超えると、粗大な炭化物、窒化物を形成し靱性が劣化する。
【００３４】
Ａｌ：０．００４〜０．０１４％
Ａｌは、脱酸のために必須な元素であると同時に、Ｃの歩留まりを調整するのに重要な元素である。０．００４％未満では、高温領域でＣが脱酸剤として作用し、ＣＯまたはＣＯ２ガスとして放出されてしまい、溶接金属へのＣの残量が不足し、強度が低下するため、０．００４％以上とする。Ａｌ含有量は０．００６％以上であることが好ましい。一方、０．０１４％を超えると、Ｃの歩留まりが過剰となり、硬さのばらつきが大きくなるため、０．０１４％以下とする必要がある。Ａｌ含有量は０．０１２％以下であることが好ましく、０．０１０％以下であることがさらに好ましい。
【００３５】
Ｏ：０．０５％以下
Ｏは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。０．０５％を超えると、靱性が劣化し、溶接欠陥が発生しやすくなるため、０．０５％以下とする必要がある。
【００３６】
Ｎ：０．０５％以下
Ｎは、不純物として鋼中に不可避的に存在する。０．０５％を超えると、強度が過剰となり、靱性が劣化するため、０．０５％以下とする必要がある。
【００３７】
Ｃｅｑ：０．６５０以上
Ｃｅｑは炭素当量を意味し、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５
によって定義される。溶接継手の引張強さを確保するためには、種々の合金元素をバランスよく含有させることによって、Ｃｅｑの値は０．６５０以上とする必要がある。Ｃｅｑの値は０．７００以上とするのが好ましく、０．７５０以上とするのがより好ましい。上限は特に設けないが、合金元素を過剰に含有させるとコスト上昇につながるため、１．０００以下とするのが好ましく、０．９００以下とするのがより好ましい。
【００３８】
Ｐｃｍ：０．２５０以上
Ｐｃｍは溶接割れ感受性組成を意味し、
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
によって定義される。溶接継手の引張強さを確保するためには、種々の合金元素をバランスよく含有させることによって、Ｐｃｍの値は０．２５０以上とする必要がある。Ｐｃｍの値は０．２５５以上とするのが好ましく、０．２６０以上とするのがより好ましい。上限は特に設けないが、合金元素を過剰に含有させるとコスト上昇につながるため、０．３５０以下とするのが好ましく、０．３００以下とするのがより好ましい。
【００３９】
０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０
前述のように、溶接金属のＣ含有量は、溶接材料のＣ含有量およびＡｌ含有量のバランスによって決まる。溶接金属のＣ含有量を０．０１０〜０．０１５％程度の狭い範囲に厳密に調整するためには、溶接材料中のＡｌ含有量が少ない場合はＣ含有量を多めに含有させ、逆にＡｌ含有量が多い場合はＣ含有量を少なめに含有させる必要がある。そのような観点から、Ｃ×Ａｌを０．００００７〜０．０００２０の範囲内とする。Ｃ×Ａｌの好ましい下限は０．０００１０である。また、Ｃ×Ａｌの好ましい上限は０．０００１７であり、より好ましい上限は０．０００１５である。
【００４０】
２．用途
本発明に係る溶接材料および溶接継手の製造方法の用途については、特に制限はないが、Ｘ８０、Ｘ９０、Ｘ１００グレードの鋼管の周溶接またはその補修溶接に最適であり、また、その他高強度鋼部材等の溶接にも好適である。鋼管の周溶接（以下、本溶接と言う。）としては、例えば、図１に示すように、母材にＶ開先１を設けて突合せ溶接により実施することができる。開先の形状については特に制限はなく、Ｖ開先の他、Ｕ開先または直線と曲線との複合した形の開先としても良い。また、開先同士の距離１１は３〜５ｍｍとするのが良く、母材の厚さの差１２は、１．５ｍｍ以内とするのが良い。
【００４１】
溶接継手の補修溶接としては、欠陥部の位置、大きさに応じて、図２に示すような貫通補修、図３に示すような外面からの部分補修、図４に示すような内面からの部分補修の３通りが可能である。欠陥部をグラインダー等によって除去した後、貫通部分２、または溝３を本発明の溶接により埋めることができる。欠陥部を除去する加工の条件については特に制限はないが、貫通補修の場合は、貫通部分の幅は上部２１が１７〜２２ｍｍ、下部２２が３〜６ｍｍとするのが良い。また、部分補修の場合は、溶接部の外面または内面に幅３１が１０〜２２ｍｍ、深さ３２が３〜１４ｍｍの溝を形成するのが良い。
【００４２】
３．溶接条件
上述のように本発明の溶接材料を用いたとしても、入熱制限またはパス数制限がないと、所定の継手強度が得られなくなる場合がある。そこで、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制し、継手の必要強度を確実に得るための積層方法および溶接入熱の制約条件を、開先または貫通部分に裏波溶接を行う場合、および溶接部の外面または内面の補修溶接を行う場合（ただし、裏波溶接を行う場合を除く。）のそれぞれについて以下に説明する。なお、溶接金属の層の総数をＮとする。
【００４３】
（１）開先または貫通部分の裏波溶接における入熱条件
第１層：７〜１８ｋＪ／ｃｍ
第１層は、良好な裏波ビードを形成させつつ、内部欠陥も発生させないことが必要となる。そのため、溶接入熱は１パスあたり７ｋＪ／ｃｍ以上とするのが良い。しかし、入熱が大きくなりすぎると溶融池が大きくなりすぎて、表面張力で保持できずに垂れ落ちてしまう。そのため、１８ｋＪ／ｃｍ以下とするのが好ましい。
【００４４】
第２層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍ
融合不良等の溶接欠陥を防止するだけでなく、溶融池を十分馴染ませ、高品質の溶接とするためには、溶接入熱は１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、入熱が大きすぎると、第１層を貫通して溶けてしまい、穴あきビードが発生するおそれがあるだけでなく、ＨＡＺの強度低下が著しくなり、所定の継手強度が得られなくなるため、１６ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４５】
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍ
溶接入熱は低すぎると融合不良等の溶接欠陥を生じるおそれがあるため、１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。この部分では多少のＨＡＺ軟化は許容される。最終層を良好に仕上げるため、１層前も溶接をより良好に仕上げる必要があり、入熱をやや上げるのが望ましい。一方、ＨＡＺの軟化を極力抑える観点からは、２３ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４６】
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍ
第Ｎ層は、開先の肩部を溶かし、かつ表面を良好に仕上げる必要がある。そのため、溶接入熱は５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、ＨＡＺ軟化抑制の観点から、３０ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４７】
（２）補修溶接における入熱条件
第１層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍ
融合不良等の溶接欠陥を防止するだけでなく、溶融池を十分馴染ませ、高品質の溶接とするためには、溶接入熱は１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、入熱が大きすぎると、ＨＡＺの強度低下が著しくなり、所定の継手強度が得られなくなるため、１６ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４８】
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍ
溶接入熱は低すぎると融合不良等の溶接欠陥を生じるおそれがあるため、１パスあたり５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。この部分では多少のＨＡＺ軟化は許容される。最終層を良好に仕上げるため、１層前も溶接をより良好に仕上げる必要があり、入熱をやや上げるのが望ましい。一方、ＨＡＺの軟化を極力抑える観点からは、２３ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００４９】
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍ
第Ｎ層は、開先の肩部を溶かし、かつ表面を良好に仕上げる必要がある。そのため、溶接入熱は５ｋＪ／ｃｍ以上とするのが好ましい。しかし、ＨＡＺ軟化抑制の観点から、３０ｋＪ／ｃｍ以下とするのが良い。
【００５０】
（３）層の総数およびパス数条件
層の総数Ｎは３以上とする。Ｎの上限については特に制限はないが、多層盛りＴＩＧ溶接の場合、積層厚さは１〜２ｍｍ程度となるため、Ｎは開先または貫通補修の溶接の場合は母材の厚さ、部分補修の場合は溝の深さによって決めることができる。また、パス数についても特に制限はなく、溶接性を考慮し、開先または溝の幅に応じて、１層あたり１〜３パス程度とするのが良い。
【００５１】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５２】
表１の化学組成からなる外径６１０ｍｍ、厚さ１５．６ｍｍのＸ８０グレードの高強度鋼管を母材として溶接実験を行なった。まず本溶接として、図１に示すように、鋼管の管端にベベル加工によりＶ開先１を設けた後、突合せＴＩＧ溶接を行った。また、補修溶接として、本溶接と同様のＶ開先１に対して表２に示す条件でＭＡＧ自動溶接を行なった後、グラインダーを用いて溶接金属の一部または全部を除去して、図２〜４に示すような形状を形成し、その部分についてＴＩＧ溶接を行なった。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
実験に供した溶接材料の化学組成を表３に示す。溶接材料は、直径２．４ｍｍの線材であり、表面には防錆のためのＣｕメッキが施されている。これらを用いて多層盛りのＴＩＧ溶接を行った。
【００５６】
【表３】
【００５７】
表４に、溶接区分、開先、貫通部分または溝の寸法、溶接条件を示す。
【００５８】
【表４】
【００５９】
表５に、溶接の評価結果を示す。評価項目は、溶接作業性、溶接部および近傍の硬さ、外観検査、放射線透過試験および超音波探傷試験による内部品質の調査とした。溶接作業性は、溶融池の開先への濡れ性が良好で溶接がスムーズに進行するかどうかを基準に、総合的に○×を判定した。
【００６０】
溶接部および近傍の硬さは、ＪＩＳＺ２２４４によるビッカース硬さ（ＨＶ１０）を測定した。なお、近傍とは図１〜４に示すように、溶接金属と母材との境界部分からそれぞれ１０ｍｍまでの部分を言う。測定位置は、本溶接および貫通補修溶接については、図１および２に示した３本の硬さ測定ライン４に沿って、管外面および管内面からの補修溶接については、図３および４に示した２本の硬さ測定ライン４に沿って、全て１ｍｍピッチで測定した。溶接金属部については平均硬さおよび最高硬さを求めた。最高硬さおよび平均硬さの評価においては、最高硬さがＨＶ３５０以下のものを○、ＨＶ３００以下のものを◎、平均硬さがＨＶ２６５〜２８５のものを○とした。
【００６１】
また、本溶接および貫通補修溶接については、熱影響部の硬さの低下の状況（ＨＡＺ軟化の状況）についても評価した。近傍母材の平均硬さよりＨＶ１０以上低下している部分の長さをＨＡＺ軟化層幅、近傍母材の平均硬さとＨＡＺ最低硬さの差をＨＡＺ軟化度とした。ＨＡＺ軟化は、軟化層幅が５ｍｍ以下かつ軟化度４０以下のものを○とした。
【００６２】
外観検査は凹み、アンダーカット等の一般的な溶接外観不良が無いものを○とした。放射線透過試験はＪＩＳＺ３１０４で行い２類以上を○とした。超音波探傷試験はＪＩＳＺ３０６０で行い２類以上を○とした。
【００６３】
【表５】
【００６４】
表５に示すように、溶接材料のＣｅｑまたはＰｃｍの値が本発明の規定値以下のものは、平均硬さがＨＶ２６５以下となり、引張強さ不足であった。また、溶接材料のＣ含有量、Ａｌ含有量またはＣ×Ａｌの値が本発明の規定から外れるものについては、低いと上記と同様に強度不足となり、高いと最高硬さがＨＶ３５０以上で耐水素脆性が劣化する結果となった。Ｓ含有量が少ない場合は、内面ビード外観不良、内部欠陥発生等の不具合が生じた。
【００６５】
一方、本発明の溶接材料を用いた場合、溶接金属の平均硬さおよび最高硬さが所定の範囲に入り、良好な引張強さおよび耐水素脆性を有することがわかった。
【００６６】
また、本発明で規定する積層方法および入熱の条件に従って行ったものは、ＨＡＺ軟化が起こらず、溶接欠陥も発生しなかった。規定を外れる場合は、表５に示した通り、外観不良、ＮＤＩ検査不合格、ＨＡＺ軟化のいずれかあるいは複数の不具合を生じた。
【００６７】
溶接材料の成分および溶接条件が本発明の規定内の、Ｎｏ．７〜１０、２２〜２５、３０、３１、３５、３６は良好な結果となった。中でも、Ｎｏ．９、１０、２４、２５、３１、３５、３６は最高硬さが３００以下であり、特に良好であった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の溶接材料によれば、溶接作業性に優れ、８３６Ｎ／ｍｍ２以上の引張強さを有しながら良好な耐水素脆性を兼ね備えた溶接継手を安定的に提供し得る。さらに、本発明の溶接継手の製造方法によれば、溶接欠陥を生じず、しかもＨＡＺの軟化を抑制することができるため、本発明の溶接材料および溶接継手の製造方法は、高強度鋼管の周溶接またはその補修溶接に最適である。
【符号の説明】
【００６９】
１．Ｖ開先
２．貫通部分
３．溝
４．硬さ測定ライン
１１．開先同士の距離
１２．母材の厚さの差
２１．貫通部分の上部幅
２２．貫通部分の下部幅
３１．溝の幅
３２．溝の深さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．０３％、
Ｓｉ：０．３〜１．２％、
Ｍｎ：１．５〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．００５〜０．０２％、
Ｃｕ：０．１〜０．５％、
Ｎｉ：２．０〜３．０％、
Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ａｌ：０．００４〜０．０１４％、
Ｏ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０５%以下
を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、かつ
Ｃｅｑ：０．６５０以上、
Ｐｃｍ：０．２５０以上、
０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０
を満たす化学組成を有することを特徴とする溶接材料。
ここで、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
但し、式中の各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接材料を用いて、裏波溶接を行うに際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層：７〜１８ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第２層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【請求項３】
請求項１に記載の溶接材料を用いて、溶接継手の補修溶接を行う（ただし、裏波溶接を行う場合を除く。）に際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０１〜０．０３％、
Ｓｉ：０．３〜１．２％、
Ｍｎ：１．５〜２．５％、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．００５〜０．０２％、
Ｃｕ：０．１〜０．５％、
Ｎｉ：２．０〜３．０％、
Ｃｒ：０．０５〜１．０％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｔｉ：０．００５〜０．３％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ａｌ：０．００４〜０．０１４％、
Ｏ：０．０５％以下、
Ｎ：０．０５%以下
を含有し、残部はＦｅおよび不純物からなり、かつ
Ｃｅｑ：０．６５０以上、
Ｐｃｍ：０．２５０以上、
０．００００７≦Ｃ×Ａｌ≦０．０００２０
を満たす化学組成を有することを特徴とする溶接材料。
ここで、
Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／５＋Ｖ／５＋Ｎｉ／１５＋Ｃｕ／１５
Ｐｃｍ＝Ｃ＋Ｓｉ／３０＋Ｍｎ／２０＋Ｃｕ／２０＋Ｎｉ／６０＋Ｃｒ／２０＋Ｍｏ／１５＋Ｖ／１０＋５Ｂ
但し、式中の各元素記号は、溶接材料中に含まれる各元素の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接材料を用いて、裏波溶接を行うに際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層：７〜１８ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第２層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【請求項３】
請求項１に記載の溶接材料を用いて、溶接継手の補修溶接を行う（ただし、裏波溶接を行う場合を除く。）に際し、溶接金属の各層（ただし、層の総数をＮとする。）を下記の条件で形成することを特徴とする溶接継手の製造方法。
第１層〜第Ｎ−２層：５〜１６ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ−１層：５〜２３ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
第Ｎ層：５〜３０ｋＪ／ｃｍの溶接入熱で形成
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１８０３８（Ｐ２０１２−２１８０３８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７１６５（Ｐ２０１１−８７１６５）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００１８２９３７）住友金属パイプエンジ株式会社 (4)
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００１８２９３７）住友金属パイプエンジ株式会社 (4)
【出願人】（３０２０４０１３５）日鐵住金溶接工業株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
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