JPH08120338A - 溶接継手部の脆性破壊伝播停止性能の優れた溶接構造用厚鋼板の製造方法 - Google Patents

溶接継手部の脆性破壊伝播停止性能の優れた溶接構造用厚鋼板の製造方法

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JPH08120338A
JPH08120338A JP23859494A JP23859494A JPH08120338A JP H08120338 A JPH08120338 A JP H08120338A JP 23859494 A JP23859494 A JP 23859494A JP 23859494 A JP23859494 A JP 23859494A JP H08120338 A JPH08120338 A JP H08120338A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、構造物の溶接継手部の脆性破壊伝
播停止性能の優れた溶接構造用厚鋼板を、経済的に製造
する方法を提供する。 【構成】 所定成分の連続鋳造鋳片をAr3点以上の温
度に加熱し、圧下率50%以上の熱間圧延をオーステナ
イトの未再結晶温度域で行い、且つ、Ar3点未満の二
相域で引き続き圧下率50%以上の圧延を行って、65
0℃以上で圧延を終了した後、600℃以上から5℃/
s以上の冷却速度で、400℃以上の温度まで冷却する
溶接構造用厚鋼板の製造方法である。 【効果】 コストを抑制し、溶接性,継手靱性を損なう
事なく、溶接継手部の脆性破壊伝播停止性能の優れた溶
接構造用厚鋼板を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶接構造物の溶接継手
部の脆性破壊伝播停止性能(以下、継手アレスト性能と
称す)に優れ、更には、特に低温の使用環境での母材靱
性及び溶接熱影響部(以下HAZと称す)の破壊靱性も
優れた、TMCP(Thermo−Mechanica
l Control Process)溶接構造用厚鋼
板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、海洋構造物,船舶,貯蔵タンク等
の大型溶接構造物に使用される構造用鋼板の材質特性に
対する要望は厳しさを増しており、特にLPG等を貯蔵
するタンクやラインパイプは、脆性破壊がもたらす被害
の大きさと、それがもたらす社会不安の大きさから、ア
レスト特性の向上が求められている。
【0003】具体的には、−46℃の液化ガスを貯蔵す
るタンク用鋼材の母材アレスト特性として、−50℃に
おける温度勾配型ESSO試験において測定される靱性
値,Kca(以下Kca−50と称す)が400kgf
/mm1.5 以上を示す事が求められている。
【0004】又、大型溶接構造物の安全性確保の要求の
高まりにより、母材だけでなく、溶接継手部において
も、脆性破壊の発生、及び脆性破壊の伝播停止の双方を
満足する、所謂ダブルインテグリティー保証が求められ
つつある。
【0005】一方従来から、母材のアレスト特性に注目
した提案はあり、特開昭62−77419号公報に、母
材アレスト特性の優れた高張力鋼の製造方法が開示され
ている。
【0006】ここに開示されている製造法から得られる
高張力鋼は、母材のKca−50が440kgf/mm
1.5 〜720kgf/mm1.5 を示し、前記した近年の
希望を満たしている。
【0007】しかしながら継手アレスト性能は、9%N
i鋼製LNGタンクの安全性確保に関する研究〔参考文
献:製鉄研究No.322(1986),p.44−5
1〕や、LPGタンクの安全性を確保するための材料選
定に関する研究〔参考文献:田中潔/東京大学博士論文
(1988)〕において検討されているが、ひろく研
究,注目されている鋼材ではない。
【0008】その理由は、溶接継手部の脆性破壊に対す
る安全性を確保するために、脆性破壊発生防止が重要で
あり、脆性破壊発生防止に多くの研究が集中しているこ
と、及び脆性破壊発生防止よりも脆性破壊伝播防止の方
が技術的難易度が高いためである。
【0009】しかし継手アレスト性能は、鋼材のNi量
と溶接材料のNi量、及び溶接開先形状に依存する。継
手アレスト性能に及ぼす鋼材Ni含有量の効果は、3%
以上のNi量で顕著に現れることが知られており、Ni
量が3%以下では、これまで継手アレスト性能を確保し
ようとする技術的期待はできないとされてきた。
【0010】それと共に、近年のこの大型溶接構造用鋼
材の需要量の増大により、供給量の増大,供給価格の低
減が望まれるようになり、高価なNi元素を多量に使用
しない、経済性の優れた鋼材が求められている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明では、コストの
増大をもたらすNi元素を極力削減しつつ、鋼材の溶接
継手部の脆性破壊伝播停止性能を確保し、且つ、HAZ
部の低温靱性にも優れた溶接構造用鋼板の製造法を提案
し、上記の問題点を解決するものである。
【0012】すなわち、この種用途において、溶接継手
部の脆性破壊伝播停止性能の優れた溶接構造用鋼板を、
経済的に提供する製造方法を提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の手段は、
重量%で、C :0.05〜0.20%,Si:0.0
5〜1.0%,Mn:0.5〜1.6%,Al:0.0
01〜0.20%,Ni:0.3〜1.9%,Nb:
0.005〜0.030%,Ti:0.005〜0.0
30%、且つ、残部がFe及び不可避的成分よりなり、
炭素当量:Ceq=〔C〕+(〔Si〕/24)+
(〔Mn〕/6)+(〔Ni〕/40)が0.42重量
%以下の溶接構造用鋼を連続鋳造後、Ar3点以上の温
度に加熱し、圧下率50%以上の熱間圧延をオーステナ
イトの未再結晶温度域で行い、且つ、Ar3点未満の二
相域で引き続き圧下率50%以上の圧延を行って、65
0℃以上で圧延を終了した後、600℃以上から、5℃
/s以上の冷却速度で400℃以上の温度まで冷却する
ことを特徴とする。
【0014】本発明の第2の手段は、重量%で、C :
0.05〜0.20%,Si:0.05〜1.0%,M
n:0.5〜1.6%,Al:0.001〜0.20
%,Ni:0.3〜1.9%,Nb:0.005〜0.
030%,Ti:0.005〜0.030%、且つ、残
部がFe及び不可避的成分よりなり、炭素当量:Ceq
=〔C〕+(〔Si〕/24)+(〔Mn〕/6)+
(〔Ni〕/40)が0.42重量%以下の溶接構造用
鋼を連続鋳造後、Ar3点以上の温度に加熱し、圧下率
50%以上の熱間圧延をオーステナイトの未再結晶温度
域で行い、且つ、Ar3点未満の二相域で引き続き圧下
率50%以上の圧延を行って、650℃以上で圧延を終
了した後、600℃以上から、5℃/s以上の冷却速度
で400℃未満の温度まで冷却後、Ac1点以下で焼き
戻すことを特徴とする。
【0015】本発明の第3の手段は、重量%で、C :
0.05〜0.20%,Si:0.05〜1.0%,M
n:0.5〜1.6%,Al:0.001〜0.20
%,Ni:0.3〜1.9%,Nb:0.005〜0.
030%,Ti:0.005〜0.030%、0.1%
以下のV,Zr,Ta,Ca、1.0%以下のCr,M
o,Cu、0.003%以下のBのいずれか一種又は二
種以上加え、且つ、残部がFe及び不可避的成分よりな
り、炭素当量:Ceq=〔C〕+(〔Si〕/24)+
(〔Mn〕/6)+(〔Ni〕/40)+(〔Cr〕/
5)+(〔V〕/14)が0.42重量%以下の溶接構
造用鋼を連続鋳造後、Ar3点以上の温度に加熱し、圧
下率50%以上の熱間圧延をオーステナイトの未再結晶
温度域で行い、且つ、Ar3点未満の二相域で引き続き
圧下率50%以上の圧延を行って、650℃以上で圧延
を終了した後、600℃以上から、5℃/s以上の冷却
速度で400℃以上の温度まで冷却することを特徴とす
る。
【0016】本発明の第4の手段は、重量%で、C :
0.05〜0.20%,Si:0.05〜1.0%,M
n:0.5〜1.6%,Al:0.001〜0.20
%,Ni:0.3〜1.9%,Nb:0.005〜0.
030%,Ti:0.005〜0.030%、0.1%
以下のV,Zr,Ta,Ca、1.0%以下のCr,M
o,Cu、0.003%以下のBのいずれか一種又は二
種以上加え、且つ、残部がFe及び不可避的成分よりな
り、炭素当量:Ceq=〔C〕+(〔Si〕/24)+
(〔Mn〕/6)+(〔Ni〕/40)+(〔Cr〕/
5)+(〔V〕/14)が0.42重量%以下の溶接構
造用鋼を連続鋳造後、Ar3点以上の温度に加熱し、圧
下率50%以上の熱間圧延をオーステナイトの未再結晶
温度域で行い、且つ、Ar3点未満の二相域で引き続き
圧下率50%以上の圧延を行って、650℃以上で圧延
を終了した後、600℃以上から、5℃/s以上の冷却
速度で400℃未満の温度まで冷却後、Ac1点以下で
焼き戻すことを特徴とする。
【0017】
【作用】本発明が対象とする構造用鋼は、添加量を限定
したC,Si,Mn,Ni,Nb,Ti元素以外は、例
えば特公昭58−14849号公報に記載され、次に記
するように、通常の構造用鋼が所要の材質を得るため
に、従来から当業分野での活用で確認されている作用,
効果の関係を基に定めている添加元素の種類と量を同様
に使用して、同等の作用と効果が得られる。従ってこれ
らの元素を含む鋼を本発明は対象鋼とするものである。
【0018】これらの各成分元素とその添加理由と量は
以下の通りである。
【0019】Cは鋼の強度を向上させる有効な成分とし
て0.05%以上添加するが、0.20%を超える過剰
な含有量では、溶接部に島状マルテンサイトが析出し、
HAZ靱性を著しく劣化させ、結果として目標とする継
手アレスト性能を得ることができないため、0.05%
〜0.20%に規制している。
【0020】Siは溶鋼の脱酸元素として必要であり、
強度増加元素として有効であるが、1.0%を超えると
HAZ靱性が劣化し、0.05%未満では脱酸効果が不
十分なため、添加量を0.05〜1.0%に規制する。
【0021】Mnは鋼材の強度を向上させる成分として
0.5%以上添加するが、Mnの過剰な添加は、溶接部
に島状マルテンサイトが析出し、HAZ靱性を著しく劣
化させ、目標とする継手アレスト性能を得ることができ
ないため、1.6%を上限とする。
【0022】Niは、母材及び、継手アレスト性能向上
のみならず、低温靱性を向上させるために極めて重要な
元素であるので、Niを0.3%添加するが、1.9%
を超えると、HAZ部の硬さを上げ、溶接性を劣化させ
るので1.9%を上限に規制する。
【0023】Nb及びTiは、オーステナイト粒の粗大
化を抑制し、微細なHAZ組織を実現して、HAZ靱性
確保に重要な元素であり、NbとTiの複合添加により
その効果は一層高められる。このために、Nb及びTi
の必要添加量の下限を0.005%とした。また、0.
030%を超える過剰な添加は、HAZ靱性を劣化させ
るため、その上限を0.030%と規定した。
【0024】Alは、Al窒化物による鋼の微細化の
他、圧延過程での固溶,析出による鋼の結晶方位の整合
及び再結晶のために添加するが、添加量が少ないと効果
が発現出来ず、過剰の添加は鋼の靱性を劣化させるの
で、Alは0.001%〜0.20%とする。
【0025】P及びSは、母材の靱性確保のため、それ
ぞれ0.01%以下とすることが好ましい。
【0026】更に一層強度を向上したいときは、0.1
%以下のV,Zr,Ta、1.0%以下のCr,Mo,
Cuのいずれか一種又は二種以上を添加すれば良く、ま
た一層靱性を向上したいときは、0.1%以下のCaを
添加し、強度,靱性の両者を同時に向上したいときは、
上記0.1%以下のV,Zr,Ta、1.0%以下のC
r,Mo,Cu、の一種又は二種以上と、0.1%以下
のCaを併用するか、又は0.003%以下のBを添加
する。尚これ以上添加しても、強度,靱性の向上効果は
サチレートし、経済的に不利になる。
【0027】以上の各元素毎の量の限定に加え、炭素当
量:Ceq=〔C〕+(〔Si〕/24)+(〔Mn〕
/6)+(〔Ni〕/40)+(〔Cr〕/5)+
(〔V〕/14)が0.42重量%を超えると、HAZ
靱性を阻害し、目標とする継手アレスト性能を得ること
ができないため、炭素当量Ceqを0.42重量%以下
に限定した。
【0028】本発明者等は、前記の本発明の課題を達成
するため、前記した構造用鋼を用いて種々実験検討を繰
り返し、以下の知見を得た。
【0029】図1は、C;0.08%,Si;0.19
%,Mn1.44%,Ni;0.45%,Ti;0.0
10%,Nb;0.008%を含む鋼を、1050℃に
加熱後、異なる鋼片厚みから、未結晶温度域での圧下
率、及びAr3点未満の圧下率を種々変化させ、板厚3
8mmまで圧延し、650℃以上で圧延を終了し、20
0℃まで制御冷却後、530℃にて焼き戻した鋼板の、
継手アレスト性の調査結果を示す。
【0030】図1から明らかなように、未再結晶域での
圧下率が50%以上、且つ、Ar3未満の圧下率が50
%以上の場合に継手アレスト性が向上し、目標とする脆
性亀裂伝播距離100mm以下を満足することを知見し
た。尚650℃以上で圧延を終了し、400℃以上の温
度まで制御冷却した鋼板も同様な効果があった。
【0031】なお試験継手の作成は、LPG陸上タンク
としての使用を考慮して、溶接法はTIG溶接を適用
し、溶接材料にはγ系溶接材料を用いて、溶接材料起因
で脆性破壊することのないよう配慮した。継手アレスト
性能の評価は、実継手部のフュージョンライン部に脆性
亀裂を導入する混成ESSO試験にて評価した。
【0032】試験温度は−50℃,負荷応力はσ=24
5N/mm2 で行った。なお脆性亀裂停止/脆性亀裂伝
播の判定基準は、日本溶接協会が定めるWES3003
の基準に準拠し、試験継手に突入後100mm以内で停
止した場合を脆性亀裂停止と判定し、目標を満足してい
ると判断した。
【0033】混成ESSO試験破面を詳細に観察した結
果、未再結晶域での圧下率が50%以上、且つAr3未
満の圧下率が50%以上の場合には、試験継手に突入し
た脆性亀裂は、凸凹した経路をたどって停止しており、
継手フュージョンライン部の脆性亀裂伝播抵抗が増大し
ていることを示していた。
【0034】一方、この圧下条件を満たさない場合は、
試験継手に突入した脆性亀裂は、HAZ部をほぼ直進し
てしまい、その破面は平坦であった。圧下率50%以上
の未再結晶域圧延の後に、さらにAr3未満の二相域で
圧延することにより、HAZ部の脆性亀裂伝播抵抗が増
加し、継手アレスト性の目標を満足したものと考えられ
る。
【0035】次に強度,靱性を確保しつつ、継手アレス
ト特性を実現するための好ましい冷却条件についても、
検討を行った。
【0036】図2および図3は、C;0.06%,S
i;0.16%,Mn1.4%,Ni;0.7%,T
i;0.010%,Nb;0.007%を含む鋼を、1
100℃に加熱後、未結晶温度域での圧下率50%,及
びAr3点未満の圧下率50%で板厚25mmまで圧延
した後、種々の冷却条件にて冷却実験を行った結果を示
す図面である。
【0037】図2から明らかなように、600℃以上か
ら5℃/s以上の冷却速度で冷却すると、母材の強度,
靱性が向上することを知見した。一方、600℃未満の
水冷開始温度,或いは5℃/s未満の冷却速度では、実
質的に水冷による強度及び靱性向上効果が発揮されない
ことも判った。
【0038】更に図3に示すように、水冷停止温度が4
00℃未満では、島状マルテンサイト等の低温変態生成
物が焼き戻されないので、靱性の低下が著しくなること
を見出した。しかし400℃未満に冷却した場合におい
ても、Acl点以下の温度で焼き戻すと、上記した問題
が発生しないことも見出した。
【0039】本発明者らは、上記した実験検討の結果、
成分を限定した溶接構造用鋼を、適正な圧延条件と圧延
後の制御冷却を組み合わせることにより、コストを増大
させるNi等の添加を最小限に抑え、従って、溶接性及
び継手靱性を全く損なう事なく、継手アレスト性能の優
れた溶接構造用厚鋼板を安定,円滑に製造できる方法を
確立した。
【0040】
【実施例】
(1)鋼成分として、本発明の限定成分以外は、一般的
な溶接構造物用鋼の元素と各元素量であれば何れの組み
合わせでもよいが、代表的な本発明例の化学成分を比較
例と共に表1〜表2に示す。
【0041】(2)製造条件として 圧延条件を表3〜4に示す。 材質特性,総合評価を表5〜6に示す。
【0042】
【表1】
【0043】
【表2】
【0044】
【表3】
【0045】
【表4】
【0046】
【表5】
【0047】
【表6】
【0048】表3に示す試験番号A14,A16は請求
項1に対応する本発明例、試験番号A15,A17は請
求項2に対応する本発明例、試験番号A5〜A9,A1
1は請求項3に対応する本発明例、試験番号A1〜A
4,A10,A12,A13は請求項4に対応する本発
明例である。
【0049】この試験番号A1〜A17のいずれにおい
ても、強度,靱性は共に近年の要求を満たす十分な値が
得られた上に、LPGタンクに要求される−50℃の低
温で目標とする継手アレスト性能を確保することができ
た。
【0050】一方表4に示す試験番号B1〜B20は比
較例である。比較例B1〜B6は、未再結晶圧下率,二
相域圧下率の少なくとも何れか一方が50%以上取れな
かったため、継手アレスト性能はいずれも低く、目標と
するWES3003の要求値を満足できなかった。
【0051】また比較例B7〜B14は、継手アレスト
性能は本発明例同様良好であるが、冷却開始温度,冷却
停止温度,冷却速度の何れかが本発明の条件を満足しな
かったため、強度,或いは靱性が一段と低くなり、目的
とする用途に使用できなかった。
【0052】比較例B15,B16は、Niを多量に含
む従来鋼であるが、継手アレスト性能は良好なものの、
溶接性の面で本発明鋼に比べて明らかに劣っていた。な
お溶接性の評価基準は、HAZ部の硬さにより行った。
比較例B17〜B20は、本発明の化学成分範囲を外れ
たため、継手アレスト性能は低かった。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、成分を限
定した溶接構造用鋼を、適正な圧延条件と圧延後の制御
冷却を組み合わせることにより、特にNi等の添加を最
小限に抑えてコストの増加を抑制し、また溶接性及び継
手靱性を損なう事なく、低温の使用環境での母材靱性及
び溶接熱影響部の破壊靱性,更には脆性破壊伝播停止性
能を向上させるものであり、継手アレスト性能の優れた
溶接構造用厚鋼板を安定かつ円滑に製造できる方法を確
立するものであって、海洋構造物,船舶,貯蔵タンク等
の大型溶接構造物やパイプライン等、過酷な環境のもと
に使用される鋼板の製造に際して、要求される材質特性
を充分に満足するものであり、この種分野における品質
的および経済的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】未再結晶域およびAr3以下の圧下率と、継手
アレスト性能の関係を示す図面である。
【図2】水冷開始温度と、強度,靱性の関係を示す図面
である。
【図3】水冷停止温度と、強度,靱性の関係を示す図面
である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C :0.05〜0.20
    %,Si:0.05〜1.0%,Mn:0.5〜1.6
    %,Al:0.001〜0.20%,Ni:0.3〜
    1.9%,Nb:0.005〜0.030%,Ti:
    0.005〜0.030%、且つ、残部がFe及び不可
    避的成分よりなり、炭素当量:Ceq=〔C〕+(〔S
    i〕/24)+(〔Mn〕/6)+(〔Ni〕/40)
    が0.42重量%以下の溶接構造用鋼を連続鋳造後、A
    r3点以上の温度に加熱し、圧下率50%以上の熱間圧
    延をオーステナイトの未再結晶温度域で行い、且つ、A
    r3点未満の二相域で引き続き圧下率50%以上の圧延
    を行って、650℃以上で圧延を終了した後、600℃
    以上から、5℃/s以上の冷却速度で400℃以上の温
    度まで冷却することを特徴とする溶接継手部の脆性破壊
    伝播停止性能の優れた溶接構造用厚鋼板の製造方法。
  2. 【請求項2】 重量%で、C :0.05〜0.20
    %,Si:0.05〜1.0%,Mn:0.5〜1.6
    %,Al:0.001〜0.20%,Ni:0.3〜
    1.9%,Nb:0.005〜0.030%,Ti:
    0.005〜0.030%、且つ、残部がFe及び不可
    避的成分よりなり、炭素当量:Ceq=〔C〕+(〔S
    i〕/24)+(〔Mn〕/6)+(〔Ni〕/40)
    が0.42重量%以下の溶接構造用鋼を連続鋳造後、A
    r3点以上の温度に加熱し、圧下率50%以上の熱間圧
    延をオーステナイトの未再結晶温度域で行い、且つ、A
    r3点未満の二相域で引き続き圧下率50%以上の圧延
    を行って、650℃以上で圧延を終了した後、600℃
    以上から、5℃/s以上の冷却速度で400℃未満の温
    度まで冷却後、Ac1点以下で焼き戻すことを特徴とす
    る溶接継手部の脆性破壊伝播停止性能の優れた溶接構造
    用厚鋼板の製造方法。
  3. 【請求項3】 重量%で、C :0.05〜0.20
    %,Si:0.05〜1.0%,Mn:0.5〜1.6
    %,Al:0.001〜0.20%,Ni:0.3〜
    1.9%,Nb:0.005〜0.030%,Ti:
    0.005〜0.030%、0.1%以下のV,Zr,
    Ta,Ca、1.0%以下のCr,Mo,Cu、0.0
    03%以下のBのいずれか一種又は二種以上加え、且
    つ、残部がFe及び不可避的成分よりなり、炭素当量:
    Ceq=〔C〕+(〔Si〕/24)+(〔Mn〕/
    6)+(〔Ni〕/40)+(〔Cr〕/5)+
    (〔V〕/14)が0.42重量%以下の溶接構造用鋼
    を連続鋳造後、Ar3点以上の温度に加熱し、圧下率5
    0%以上の熱間圧延をオーステナイトの未再結晶温度域
    で行い、且つ、Ar3点未満の二相域で引き続き圧下率
    50%以上の圧延を行って、650℃以上で圧延を終了
    した後、600℃以上から、5℃/s以上の冷却速度で
    400℃以上の温度まで冷却することを特徴とする溶接
    継手部の脆性破壊伝播停止性能の優れた溶接構造用厚鋼
    板の製造方法。
  4. 【請求項4】 重量%で、C :0.05〜0.20
    %,Si:0.05〜1.0%,Mn:0.5〜1.6
    %,Al:0.001〜0.20%,Ni:0.3〜
    1.9%,Nb:0.005〜0.030%,Ti:
    0.005〜0.030%、0.1%以下のV,Zr,
    Ta,Ca、1.0%以下のCr,Mo,Cu、0.0
    03%以下のBのいずれか一種又は二種以上加え、且
    つ、残部がFe及び不可避的成分よりなり、炭素当量:
    Ceq=〔C〕+(〔Si〕/24)+(〔Mn〕/
    6)+(〔Ni〕/40)+(〔Cr〕/5)+
    (〔V〕/14)が0.42重量%以下の溶接構造用鋼
    を連続鋳造後、Ar3点以上の温度に加熱し、圧下率5
    0%以上の熱間圧延をオーステナイトの未再結晶温度域
    で行い、且つ、Ar3点未満の二相域で引き続き圧下率
    50%以上の圧延を行って、650℃以上で圧延を終了
    した後、600℃以上から、5℃/s以上の冷却速度で
    400℃未満の温度まで冷却後、Ac1点以下で焼き戻
    すことを特徴とする溶接継手部の脆性破壊伝播停止性能
    の優れた溶接構造用厚鋼板の製造方法。
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