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公開番号2025013191
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-24
出願番号2024096507
出願日2024-06-14
発明の名称ガスタングステンアーク溶接継手
出願人JFEスチール株式会社
代理人個人
主分類B23K 35/30 20060101AFI20250117BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】極低温環境下で使用される高Mn鋼用の溶接継手として、母材又は溶接材料を変更せずとも、溶接金属の強度をさらに向上させ、高温割れの発生をより一層抑制できるガスタングステンアーク溶接継手を提供する。
【解決手段】シールドガスと溶加材を用いた鋼材のガスタングステンアーク溶接継手であって、鋼材が高Mn含有オーステナイト鋼であり、溶接金属の化学組成が質量%で、C:0.15%～0.80%、Si:0.10%～1.00%、Mn:17.0%～30.0%、P:0.030%以下、S:0.030%以下、Al:0.005%～0.100%、Cr:0.4%～5.5%、Mo:0.01%～3.50%、Ni:0.01%～10.00%、N:0.0400%～0.4000%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする溶接継手である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
シールドガスと溶加材を用いた鋼材のガスタングステンアーク溶接継手であって、
前記鋼材が、高Ｍｎ含有オーステナイト鋼であり、
前記鋼材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％～０．７０％、
Ｓｉ：０．０５％～１．００％、
Ｍｎ：１８．０％～３０．０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００７％以下、
Ａｌ：０．０１０％～０．０７０％、
Ｃｒ：２．５％～７．０％、
Ｎ：０．００５０％～０．０５００％、
Ｏ（酸素）：０．００５０％以下
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
溶接金属の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１５％～０．８０％、
Ｓｉ：０．１０％～１．００％、
Ｍｎ：１７．０％～３０．０％、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．０３０％以下、
Ａｌ：０．００５％～０．１００％、
Ｃｒ：０．４％～５．５％、
Ｍｏ：０．０１％～３．５０％、
Ｎｉ：０．０１％～１０．００％、
Ｎ：０．０４００％～０．４０００％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる
ことを特徴とするガスタングステンアーク溶接継手。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記鋼材の化学組成がさらに、質量％で、
Ｍｏ：０．０１％～２．００％、
Ｖ：０．０１％～２．００％、
Ｗ：０．０１％～２．００％、
Ｎｉ：０．０１％～４．００％、
ＲＥＭ：０．００１０％～０．０２００％及び
Ｂ：０．０００５％～０．００２０％
のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項３】
前記溶接金属の化学組成がさらに、質量％で、
Ｖ：０．０１％～１．００％、
Ｔｉ：０．０１０％～１．０００％、
Ｎｂ：０．０１０％～１．０００％、
Ｗ：０．０１％～１．００％、
Ｃｕ：０．０１％～１．００％及び
Ｂ：０．００１０％以下
のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項４】
前記シールドガスが、体積％で０．５％～１０．０％の窒素ガスを含有し、残部が不活性ガス及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項５】
前記シールドガスが、体積％で０．５％～１０．０％の窒素ガスを含有し、残部が不活性ガス及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項３に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項６】
前記溶加材のＮ含有量が、質量％で、０．４０００％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項７】
前記溶加材のＮ含有量が、質量％で、０．４０００％以下であることを特徴とする請求項３に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項８】
前記溶接金属の降伏応力（０．２％耐力）が４００ＭＰａ以上、引張強さが６００ＭＰａ以上で、シャルピー衝撃吸収エネルギー（
ｖ
Ｅ
－１９６
）が２８Ｊ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項９】
前記溶接金属の降伏応力（０．２％耐力）が４００ＭＰａ以上、引張強さが６００ＭＰａ以上で、シャルピー衝撃吸収エネルギー（
ｖ
Ｅ
－１９６
）が２８Ｊ以上であることを特徴とする請求項３に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
【請求項１０】
前記溶接金属の降伏応力（０．２％耐力）が４００ＭＰａ以上、引張強さが６００ＭＰａ以上で、シャルピー衝撃吸収エネルギー（
ｖ
Ｅ
－１９６
）が２８Ｊ以上であることを特徴とする請求項４に記載のガスタングステンアーク溶接継手。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタングステンアーク溶接継手に関し、特に、極低温環境下で使用される高Ｍｎ含有オーステナイト鋼材の溶接継手に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
ガスタングステンアーク溶接方法は、電極棒に消耗しない材料のタングステンを使用して、一般には不活性ガスであるアルゴンガスやヘリウムガスを吹き付けて大気を遮断しながら、溶加材（溶接棒）をアーク中で溶融して溶接する方法である。この溶接は、ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ（タングステン－不活性ガス）溶接（以下、略して「ＴＩＧ溶接」ともいう。）とも呼ばれている。このＴＩＧ溶接は、様々な合金鋼や非鉄金属など、さらに複雑な形状にも適用でき、優れた溶接品質が得られる。
【０００３】
近年、環境に対する規制が厳しくなっている。その中で、液化天然ガス（以下、ＬＮＧともいう）は、硫黄を含まないため、硫黄酸化物等の大気汚染物質を発生させないクリーンな燃料と言われ、その需要が増加している。そして、ＬＮＧの輸送又は保管のために、ＬＮＧを輸送又は貯蔵する容器（タンク）は、ＬＮＧの液化温度である－１６２℃以下の温度で、優れた極低温衝撃靭性を保持することが求められている。
【０００４】
この優れた極低温衝撃靭性を保持することの必要性から、容器（タンク）等の材料用としては、従来より、アルミニウム合金、９％Ｎｉ鋼、オーステナイト系ステンレス鋼等が、用いられてきた。
【０００５】
しかしながら、アルミニウム合金は、引張強さが低いため、構造物の板厚を大きく設計する必要があり、また溶接性が悪いという問題がある。また、９％Ｎｉ鋼は、溶接材料として高価なＮｉ基材料を用いることが必要なため、経済的に不利となる。
【０００６】
そこで、オーステナイト系ステンレス鋼を用いたＴＩＧ溶接技術が検討されている。
【０００７】
例えば、特許文献１には、特定の組成を有するオーステナイト鋼の母材を、特定の組成を有するオーステナイト鋼の溶接材料を用いて、ガスタングステンアーク溶接方法により溶接したオーステナイト鋼溶接継手が開示されている。この溶接金属の主たる組成が、Ｃ≦０．１％、Ｓｉ≦０．８％、Ｍｎ：１．５～５．５％、Ｎｉ：８～１５％、Ｃｒ：１８～２４％、Ａｌ＜０.０５％、Ｎ：０．１５～０．３５％であり、溶接金属のフェライト量が、面積率で２０％以下であるとしている。さらにガスタングステンアーク溶接において、シールドガスにＡｒガスに加えてＮ
２
ガスを５０体積％以下混合することも記載されている。
【０００８】
しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼は、高価であり、母材強度も低いという問題がある。このことから、最近では、ＬＮＧを輸送又は貯蔵する容器（タンク）用の材料として、Ｍｎを１０～３５質量％程度含有する高Ｍｎ含有オーステナイト鋼（以下、「高Ｍｎ鋼」ともいう。）の適用が検討されている。高Ｍｎ鋼の金属組織は、極低温においても、オーステナイト相を有し、脆性破壊が発生せず、またオーステナイト系ステンレス鋼と比較して、高い強度を有するという特徴がある。そこで、このような高Ｍｎ鋼を安定して溶接できる溶接材料の開発が要望されていた。
【０００９】
このような要望に対して、例えば、特許文献２には、「極低温用高Ｍｎ鋼材」が開示されている。この鋼材は、質量％で、Ｃ：０．００１～０．８０％、Ｍｎ：１５．０～３５．０％、Ｓ：０．００１～０．０１％、Ｃｒ：０．０１～１０．０％、Ｔｉ：０．００１～０．０５％、Ｎ：０．０００１～０．１０％、Ｏ：０．００１～０．０１０％を含有している。また、Ｐ：０．０２％以下に制限し、Ｓｉ：０．００１～５．００％、Ａｌ：０．００１～２．０％の一方又は両方を含有し、Ｍｇ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０１％以下の１種又は２種以上を合計で０．０００２％以上含有している。また、３０Ｃ＋０．５Ｍｎ＋Ｎｉ＋０．８Ｃｒ＋１．２Ｓｉ＋０．８Ｍｏ≧２５・・・（式１）、Ｏ／Ｓ≧１・・・（式２）を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼材である。そして、オーステナイトの体積率が９５％以上であり、前記オーステナイトの結晶粒径が２０～２００μｍであり、前記オーステナイトの結晶粒界における炭化物被覆率が５０％以下である極低温用高Ｍｎ鋼材であるとしている。この特許文献２の鋼材は、結晶粒界に生成する炭化物が破壊の起点や亀裂の伝播の経路とならないように、オーステナイト粒径を適切なサイズに制御し、合金元素の添加量やバランス、さらにはＳ量、Ｏ量を適正に調整し、Ｍｇ、Ｃａ、ＲＥＭを添加する。それにより、オーステナイト粒径を適正に調整し、溶接熱影響部の結晶粒径の粗大化の抑制をも可能にできるとしている。
【００１０】
また、特許文献３には、「低温用厚鋼板」が開示されている。この厚鋼板は、質量％で、Ｃ：０．３０～０．６５％、Ｓｉ：０．０５～０．３０％、Ｍｎ：２０．００％超え３０．００％未満、Ｎｉ：０．１０％以上３．００％未満、Ｃｒ：３．００％以上８．００％未満、Ａｌ：０．００５～０．１００％を含有している。また、Ｎ：０．００５０％以上０．０５００％未満を含有し、Ｐ：０．００４０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｏ：０．００５０％以下に制限し、残部Ｆｅおよび不純物からなる鋼板である。さらに、Ｍｎ濃化部のＭｎ濃度Ｍｎ１とＭｎ希薄部のＭｎ濃度Ｍｎ０から算出されるＭｎ偏析比ＸＭｎ（ＸＭｎ＝Ｍｎ１／Ｍｎ０）が１．６以下であるとしている。そして、室温（２５℃）における降伏応力が４００ＭＰａ以上、引張応力が８００ＭＰａ以上、溶接熱影響部のシャルピー衝撃吸収エネルギー（
ｖ
Ｅ
－１９６
）が７０Ｊ以上であるとしている。この特許文献３に記載された技術によれば、熱間圧延ままで、ＬＮＧを輸送または貯蔵する容器（タンク）用の材料として提供できることが記載されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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