JPH02282446A - 電子ビーム溶接性の優れた降伏強度６０Ｋｇｆ／ｍｍ↑２級以上の高靭性高張力鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電子ビーム溶接性の優れた降伏強度ＧＯｋｇｆ
／ｍｍ２級以上の高靭性高張力鋼に関するものである。

（従来の技術） 近年、エネルギー需要の増加にともない、海洋構造物、
圧力容器、水圧鉄管および海底調査艇などの構造物は大
型化、厚内化の傾向にあり、これらに使用される鋼材は
高強度でかつ高靭性の要求となっている。

その要求は当然、構造物の一部を構成する溶接部に対し
てもなされており、電子ビーム溶接を利用し、溶接部の
特性向上と同時に施工効率の向上を図ろうという動きが
盛んである。

従来、これらに使用される鋼板の溶接は、被覆アーク溶
接（ＳＭＡＷ）　、潜弧溶接（ＳＡＷ）、又は、ＭＩＧ
溶接が主体である。これらの溶接では、板厚が厚くなる
につれ加速度的に積層数が増加して、施工時間が膨大な
ものとなり、かつブローホール、スラグ巻き込み等の溶
接欠陥も発生しやすく、信頼性に欠ける。

又、従来の高強度材においては、溶接施工時に水素によ
る低温割れ防止のため予熱を実施しており、特に被覆ア
ーク溶接を行なう場合は、鋼管構造物の内面側溶接等に
おいては作業能率が極めて低下する。

これらの溶接施工の能率向上と信頼性の向上および厳し
い靭性要求等に応えるために電子ビーム溶接の適用が考
えられるようになってきた。

電子ビーム溶接は、従来の溶接（被覆アーク溶接、ＳＡ
Ｗ溶接、ＭＩＧ溶接）と比べて、主に一層で溶接を行な
うため、板厚４０ｍｍを超える範囲ではコスト的に有利
な領域となり、板厚が厚くなるほどその効果は大きくな
る。又、電子ビーム溶接は従来の溶接と異なり、鋼板そ
のものを溶融させ接合するものであるため、鋼板の製造
にあたっては、この溶接部の強度及び靭性を考慮した成
分設計を行なう必要がある。

従来の降伏強度６０ｋｇｆ／＋ｕｆ級以上の高張力鋼で
は、この点の配慮は全くなされていなかったといっても
過言でない。

しかしながら、従来の溶接法を使用する場合でも、溶接
性の改善ははかられている。高強度鋼においては、溶接
により溶接熱影響部が硬化し、そこに溶接金属部及び溶
接雰囲気から水素が拡散し、割れ感受性を高める。

このため、溶接熱影響部の割れ感受性低減のため、Ｎｉ
、Ｃｒ、Ｍｏ等の焼入性増大元素を極力低減し、その代
わり（Ｂ　（ボロン）〕の焼入性向上効果を利用し、Ａ
Ｊ−Ｂ処理により母材の強度、靭性を高めている。例え
ば、特公昭６０−３０７２４号「高靭性高張力鋼板の製
造方法」、特公昭６０２０４６１号「高強度高靭性を有
する厚肉高張力鋼板」がある。

しかしながら、このＡｆｉ−Ｂ処理鋼は炭素が０．１０
％以上と比較的高く、又、Ｂの焼入性向上効果を十分に
発揮するため、Ｎの固定を図るべく１１が多量添加され
ている。Ｃが＾い場合には、冷却速度が速い電子ビーム
溶接部においては粗粒のマルテンサイト組織となり靭性
が著しく低下する。

一方、Ｂを使わない高張力鋼としては＾ＳＴＭ＾５４３
圧力容器用焼入焼戻しＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼及びＡＳＴＭ
　Ａ７１０系低炭素析出硬化Ｎｌ　　−Ｃｕ　−Ｍｏ　
−Ｎｂ鋼等があり、いずれも溶接熱影響部の硬化性の点
についての配慮がなされている。

しかし、この鋼の電子ビーム溶接部は、前者の場合Ｃが
高いため粗粒のマルテンサイト組織となり靭性が低下し
、後者は低Ｃのため粗粒の上部ベイナイト組織となり強
度、靭性共低下する。

このように、従来の鋼は、従来の溶接法で溶接すること
を前提としているため電子ビーム溶接による溶接部に関
する配慮は全くなされていない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は以上の問題点を解決するためのもので、電子ビ
ーム溶接による溶接を行なっても、溶接部の強度、靭性
の良好な電子ビーム特性の優れた降伏強度［１０ｋｇ　
ｆ　／　ｍ４級以上の高張力鋼を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は重量％で、Ｃ、０，０２〜０，１０％、Ｓｉ；
０．０２〜０．５０％、Ｍロ二０．５〜１．５％、Ｐ　
；０．００５％以下、Ｓ　；ｏ、ｏｔｏ％以下、Ｎ　１
．０．２〜４．５％、Ｃｒ；０．２〜１．０％、Ｍ　ｏ
　；　Ｑ　、　ｌ〜Ｇ　、　Ｂ％、Ａｌ　：Ｏ，ＯＧ５
〜０．００３５％、Ｂ；０．０００３〜ｏ、ｏｏｔｏ％
、Ｎ　、　０．００５０％以下を含有し、残部が鉄およ
び不可避的不純物からなる鋼および上記鋼に更にＣｕ；
０．１〜１．５％、Ｖ　；０．００５〜０．１０％、Ｎ
　ｂ；０．００５〜０．０５％、Ｔｉ：０．００５〜０
．０３％からなる強度改善元素群の１種または２種以上
を含有したことを特徴とする電子ビーム溶接性の優れた
降伏強度６０ｋｇ　ｆ　／ｍｍ２級以上の高靭性高張力
鋼である。

（作　　用） 以下本発明について詳細に説明する。

電子ビーム溶接は、従来の溶接法のように溶接部に別の
材料を供給し、溶接部の特性向上を図るのではなく、鋼
板そのものを溶融させ溶接するものである。そのため鋼
板製造にあたっては、オーステナイト粒の細粒化等の方
法により高靭性を有する鋼板に調整されるが、電子ビー
ム溶接部においては、溶融・凝固組織のためオーステナ
イト粒は粗粒となる。

このとき焼入性が著しく高い粗粒のマルテンサイト組織
、あるいは焼入性が低下した粗粒の上部ベイナイト組織
が生成した場合は、両組織共著しく靭性を低下させる。

発明者らは、ここにおいて電子ビーム溶接部で良好な強
度、靭性を有する鋼板を種々検討した結果、０．１０％
以下の低炭素鋼をベースに、低ＡＪ７と低Ｎに微ｚＢを
添加することにより電子ビーム溶接部の焼入性が改善さ
れ、靭性の良好な下部ベイナイト組織が得られ高強度、
高靭性が得られることを知見した。

第１図は電子ビーム溶接部の靭性に及ぼすＢとＮｆｆ１
との関係について示した図である。

Ｎ量を０．００２５％テＢを０．０００３〜０．００１
０％の範囲で著しく靭性が改善できる。又、更に、電子
ビーム溶接部の靭性は下部ベイナイト組織にマルテンサ
イト組織が混合した場合には、Ｐ量によって著しく影響
されることも知見した。

第２図は電子ビーム溶接部の靭性に及ぼすＰ量の影響に
ついて示した図である。

マルテンサイト＋下部ベイナイトの混合組織においては
、Ｐｆｉを０．００５９６以下にすることにより靭性が
向上することが分かる。

一方、Ａｉｌは電子ビーム溶接部の靭性のためには、・
第３図に示すごとく低い方が望ましいことが分かる。

更に、上記のように、Ｎ、Ｂ、Ｐ量及びＡｇ量が適切で
あっても、基本成分が適切でないと降伏強度６０ｋｇ　
ｆ　／ｍｍ２級以上としての優れた強度、靭性が得られ
ない。

以下に成分の限定理由について説明する。

ＣＴＣは焼入性を向上させ強度を容易に上昇させるのに
有効である。反面、本発明の電子ビーム溶接性に対して
は悪影響与える元素である。すなわち、０．１０％超で
あるとマルテンサイト組織の生成量が増加し靭性を低下
させる。又、０．０２％未満であると目標降伏強度の確
保が困難となる。従ってＣの含有量を０．０２〜０．１
０％とした。

Ｓｌ；Ｓｉは強度向上に有効であるが、高いと低温靭性
及び溶接性を低下させるため上限を０．５％とする。し
かし、製鋼上０．０５％は必要である。

従って８１の含有ｆｆ１０．０５〜０．５０％とした。

Ｍｎ；Ｍｎは焼入性を向上させ、強度、靭性確保に有効
であり、その下限は０．５％である。しかし、Ｍｎ−ｊ
ｉが多過ぎると電子ビーム溶接部は焼入性が増加してマ
ルテンサイト主体の組織となり靭性が低下するため、１
．５％を上限とした。

Ｐ：Ｐは先に述べたように、電子ビーム溶接部の靭性を
改善させる重要な元素である。特に焼入性が高く、下部
ベイナイト組織にマルテンサイト組織をより多く混合さ
せた組織でも靭性を大きく低下させない。そのためには
０．００５％以下に低減することが必要である。

ＳＯ３は靭性に有害な元素であり、０．０１０％以下に
低減する必要がある。

Ｎｉ、Ｎｉは低温靭性の向上及び焼入性を高めて強度を
向上させるのに有効な元素である。特に低Ｃ領域で下部
ベイナイト組織が生成しやすい。

しかし、０．０２％未満では焼入性が不十分となり強度
、靭性が得られない。又、４．５％を超えるとその効果
が飽和する。従ってＮｌの含有量を０．０２〜４．５％
とした。

Ｍｏ；Ｍｏは焼入性を向上させる元素で強度確保に有効
である。しかし、０．１％未満ではその効果が減少する
。又、０．８％を超えるとマルテンサイト組織が増加し
、靭性を低下させる。従ってＭｏの含有量を０．１〜０
．８％とした。

Ａｌ：ＡｐはＮと結合したムオーステナイト粒を微細化
して靭性を向上させる元素である。従って、母材の細粒
化のためには０．００５％必要である。

一方、電子ビーム溶接部においては、溶融後の冷却速度
が速いためＡＲを多量添加してもＮとＡｌは結合せず、
かえって固溶Ａｌｌが増加し靭性が低下する傾向にある
。従って、上限を０．０３５％とした。

Ｂ、Ｂは先に述べたように焼入性を向上させ、電子ビー
ム溶接部の靭性を向上させるのに不可欠な元素である。

特に低Ｎ領域でその効果を発揮する。０．０００３％未
満では焼入性が低下し、上部ベイナイト組織が生成し強
度、靭性が低下する。又、０．００１０％超では、本発
明のＮ量範囲では焼入性向上効果が飽和する。従ってＢ
の含有量を０．０００３〜０．００１０％とした。

Ｎ、Ｎは先に述べたように、電子ビーム溶接部において
Ｂの焼入性を十分に発揮するためには、低Ｎ化が有効で
ある。又、ＮＪｉが高いと電子ビーム溶接部のビーム先
端部において、溶は込み不良等の溶接欠陥が発生しやす
くなる。これらのことから、Ｎ含有量を０．００５０％
以下とした。

以上は本発明における鋼の基本成分であるが、更に本発
明は強度及び靭性を一層改善するため以下の成分を選択
添加することができる。

Ｃｕ；Ｃｕは靭性を低下させずに強度上昇させると共に
耐蝕性の向上に有効であり、その下限量は０．１％であ
る。しかし、１．５％を超えると熱間加工性及び電子ビ
ーム溶接部の高温割れを生じるおそれがある。従ってＣ
ｕの含有量をＯ，１〜１．５％とした。

ｖ；ｖは焼戻し処理において、炭化物を形成し析出硬化
により母材の強度確保に有効であり、その下限量は０．
００５％である。しかし、０．１０％を超えると電子ビ
ーム溶接部の靭性が低下する。従ってＶの含有量を０．
００５〜０．１０％とした。

Ｎｂ、ＮｂもＶと同様に母材の強度確保と細粒化による
靭性改善のために必要であり、その下限量は０．００５
％である。しかし、０．０５％を超えると電子ビーム溶
接部の靭性が低下する。従ってＮｂの含有量を０．００
５〜０．０５％とした。

Ｔｉ、ＴＩはＡｌと同様にＮと結合し、オーステナイト
粒を細粒化させる元素であり、母材の強度確保と母材靭
性とＨＡＺ　（溶接熱影響部）靭性の向上のために添加
する。０．００５％以下では細粒化効果が小さく、又、
０．０３％を超えるとかえって母材靭性及びＨＡＺ靭性
を低下させる。

この鋼を溶製するにあたっては、電気炉、転炉のいずれ
を用いてもよい。鋼板製造にあたっては、鍛造、圧延の
いずれを用いてもよい。又、鋼板の熱処理は、焼入れ焼
戻し処理を行なう。この場合、焼入れ処理を圧延後直接
焼入れ処理で行なってもよい。

（実　施　例） 第１表に示す化学成分のうち、鋼Ａ〜鋼Ｎは本発明鋼で
、鋼Ｏ〜鋼Ｔは比較鋼である。

鋼は転炉により溶製し、連続鋳造法及び鋼塊分塊法によ
り鋼片とした後、第１表に示す板鋼２５〜１００　ｍ、
■に圧延した。

鋼板の熱処理条件は、焼入れ処理８５０〜９００℃の水
冷に続き、役戻し処理６ｏＯ〜６６０　’Ｃの空冷を施
した。

第２表に、これらの鋼板の母材部及び電子ビーム溶接部
の引張試験、シャルピー衝撃試験結果を示す。尚、引張
及び衝撃試験片の採取位置は母材の場合は板鋼中心部で
あり、電子ビーム溶接部の場合は溶着金属部の板鋼中心
部中央である。

但し電子ビーム溶接条件は次の通りである。

本発明鋼Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｆ、Ｇ、Ｈ，Ｊ、Ｍは加速電圧１
５０ｋＶ、ビーム電流２３ｋＡ、溶接速度３０ｃｍ／ｍ
ｌｎ　ｓ鋼Ｉは加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流１００
ＩＩＡ　、溶接速度２８ｃｍ／ｌｌ１ｎ　、鋼り、　　
Ｅ、　Ｋ、　　Ｌ。

Ｎは加速電圧１５０ｋＶ、　ｔ’−ム電流１８０ＩＩＡ
、溶接速度２０ｃｍ／ｍ１ｎ　、又、比較鋼０．　Ｑ、
　Ｒ，Ｔは加速電圧１５０ｋＶ、ビーム電流２３０ｍＡ
、溶接速度３０ｃｍ／ｓｉｎ　％鋼ｐ、ｓは加速電圧１
５０ｋＶ、、ビーム電流１８０ＩＩＡ　、溶接速度２０
ｃｍ／ｓ１ｎである。

本発明鋼Ａ−Ｇは降伏強度８０ｋｇ　ｆ　／−級鋼、鋼
Ｈ−Ｎは降伏強度８０ｋｇ　ｆ　／　ｍ４級鋼で、ｃ、
ｐ。

Ａｊｌ、ＢとＮｍを適切に入れることにより、良好な電
子ビーム溶接部の強度及び靭性を有している。

又、母材特性も良好である。

これに対し、比較鋼０．Ｐ、Ｑは降伏強度６０ｋｇ　ｆ
　／　ｄ級鋼で、鋼ＯはＣＢ）が添加されておらず、電
子ビーム溶接部は上部ベイナイト組織となり靭性が低い
。鋼Ｐは（Ｃ）とＣＰ）が高＜、電子ビーム溶接部はマ
ルテンサイト−層組織となり靭性が低い。鋼Ｑは〔Ａｌ
１と［Ｎ）が高く、電子ビーム溶接部の靭性は低い。更
に、比較鋼Ｒ１Ｓ、　Ｔは降伏強度８０）ｃｇ　ｆ　／
−級鋼で、鋼ＲはＣＢ）が添加されておらず、電子ビー
ム溶接部は上部ベイナイト組織となり強度、靭性が低い
。鋼Ｓは（Ｎ）が高く、又、［Ｂ）が０．０００１％と
無添加に近く、電子ビーム溶接部は上部ベイナイト組織
となり強度、靭性共低い。鋼Ｔは（Ｃ）、　　（Ｂ）が
高く、電子ビーム溶接部はマルテンサイト組織となり、
更にＡｇが高いことも相俟って靭性が低い。

（発明の効果） 以上述べたように本発明の成分範囲により、電子ビーム
溶接部は、下部ベイナイトあるいはマルテンサイト＋下
部ベイナイトの混合組織となり、強度及び靭性を向上さ
せることが可能となり、産業上多大な効果を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子ビーム溶接部の降伏強度及びシャルピー遷
移温度に及ぼすＢＱとＮｆｆ１の影響について示す図表
、第２図は電子ビーム溶接部のシャルピー遷移温度に及
ぼすＰ量とミクロ組織差の影響について示した図表、第
３図は電子ビーム溶接部のシャルピー遷移温度に及ぼす
Ａ１１ｆｆｉの影響について示す図表である。 代　理　人　　弁理士　　茶野木　立　夫第１図 第２図 ｏ、ｏｏｓ Ｐ量 ｏ、ｏｒ。 （〃） ０．０ｆＳ Ｂ量（傾

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で Ｃ；０．０２〜０．１０％ Ｓｉ；０．０２〜０．５０％ Ｍｎ；０．５〜１．５％ Ｐ；０．００５％以下 Ｓ；０．０１０％以下 Ｎｉ；０．２〜４．５％ Ｃｒ；０．２〜１．０％ Ｍｏ；０．１〜０．８％ Ａｌ；０．００５〜０．０３５％ Ｂ；０．０００３〜０．００１０％ Ｎ；０．００５０％以下 残部が鉄および不可避的不純物からなることを特徴とす
   る電子ビーム溶接性の優れた降伏強度６０ｋｇｆ／ｍｍ
   ＾２級以上の高靭性高張力鋼。 ２、重量％で Ｃｕ；０．１〜１．５％ Ｖ；０．００５〜０．１０％ Ｎｂ；０．００５〜０．０５％ Ｔｉ；０．００５〜０．０３％ からなる強度改善元素群の１種または２種以上を含有す
   る請求項１記載の電子ビーム溶接性の優れた降伏強度６
   ０ｋｇｆ／ｍｍ＾２級以上の高靭性高張力鋼。