奥氏体钢焊接接头的制作方法
【专利摘要】本发明提供的奥氏体钢焊接接头即使在不进行焊接后热处理时也同时具备高压氢气配管所要求的特性、即高强度和优异的耐氢脆化特性，该奥氏体钢焊接接头为使用具有特定的化学组成的奥氏体钢的焊接材料、通过钨极气体保护电弧焊方法将具有特定化学组成的奥氏体钢的母材焊接而成的奥氏体钢焊接接头，焊接金属的化学组成含有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%，根据需要含有V≤0.5%、Nb≤0.5%和Mo≤4.5%中的一种以上，剩余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的O≤0.02%、P≤0.05%、S≤0.03%，满足[413-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo≤-70]，并且焊接金属的铁素体量按面积率计为20%以下。
【专利说明】奥氏体钢焊接接头
【技术领域】
[0001]本发明涉及奥氏体钢焊接接头。具体而言，涉及不仅具备高压气体配管所要求的高强度，而且同时具备作为高压氢气配管所要求的特性的高强度和优异的耐氢脆化特性的焊接接头。
【背景技术】
[0002]近年，利用氢气、天然气等作为能量的输送设备的实用化研究得到活跃进展。进行该实用化时，需要一并备齐可以以高压储藏、输送这些气体的使用环境，同时在此使用的拉伸强度超过SOOMPa的高强度材料的开发、适用研究得到进展。
[0003]基于这种背景，作为所使用的材料，例如专利文献I?3中提出了，通过高Mn化、提高N的溶解度,并且通过含有V、或复合含有V和Nb，从而有效利用N的固溶强化和氮化物的析出强化，尝试高强度化的奥氏体系不锈钢。
[0004]使用这些含有大量的N的高强度奥氏体系钢作为结构物时，需要利用焊接进行装配，而从使用性能的观点考虑，焊接部也要求与母材同等的强度。因此，例如专利文献3?5中提出了，通过积极有效利用Al、Ti和Nb而具有超过800MPa的拉伸强度的焊接材料(焊接金属)。
[0005]但是，为了使这些焊接材料以及使用该焊接材料得到的焊接金属都实现高强度化，需要进行焊接后热处理。另一方面，作为实际的大型结构物考虑时，这种长时间的焊接后热处理的实施，存在成为大的限制并且导致制造成本的极度增大的情况。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:国际公开第2004/083476号
[0009]专利文献2:国际公开第2004/083477号
[0010]专利文献3:国际公开第2004/110695号
[0011]专利文献4:日本特开平5-192785号公报
[0012]专利文献5:日本特开2010-227949号公报
【发明内容】
[0013]发明要解决的问题
[0014]本发明是鉴于上述现状而提出的，其目的在于，提供不进行焊接后热处理，就同时具备高压气体配管、特别是高压氢气配管所要求的特性、即高强度和优异的耐氢脆化特性的焊接接头。
[0015]用于解决问题的方案
[0016]本发明人等为了解决前述问题而进行了详细的研究。其结果发现，首先对于焊接金属而言，为了不进行焊接后热处理就达成高强度，最大限度有效利用通过N实现的固溶强化是有效的。[0017]因此，进而为了不进行焊接后热处理，焊接金属就确保与按质量％计含有C:0.1%以下、S1:0.8% 以下、Mn:2.5 ?5.5%、Ni:8 ?15%、Cr: 19 ?25%、Al:不足 0.05% 和 N:0.15?0.45%的母材同等的强度而进行了详细的研究。
[0018]并且，对所得到的焊接部的氢脆化敏感性进行评价，为了至少得到与母材同等的耐氢脆化特性而进行了详细的研究。
[0019]其结果，可知下述(a)?(C)的事项。
[0020](a)通过在按质量％计Cr: 18?24%和Ni:8?15%的组成范围的焊接金属中，按质量％计含有0.15%以上的N，可以确保与前述母材同等的强度。
[0021](b)焊接金属中含有大量的铁素体时，铁素体成为起点而产生氢脆化裂纹，该裂纹连接、传播，损害焊接金属的耐氢脆化特性。但是，若调整成分以使焊接金属中的铁素体量按面积率计为20%以下，则能得到优异的耐氢脆化特性。
[0022](C)焊接金属中的奥氏体相不稳定时，由于焊接残余应变以及此后的加工而马氏体化，氢脆化敏感性升高。但是，通过调整成分，具体而言，若调整成分以使焊接金属在各元素符号作为各元素的含量(质量％)时满足
[0023]413-462(C+N)_9.2Si_8.lMn-13.7Cr-9.5Ni_18.5Mo ( -70,
[0024]则奥氏体的稳定性提高，因此能得到优异的耐氢脆化特性。
[0025]需要说明的是,还可知为了使上述(a)中记载的按质量％计Cr:18?24%和Ni:8?15%的组成范围的焊接金属中按质量％计含有0.15%以上的N，优选实施下述〈1>?<3>的方法。
[0026]<1>焊接中N由熔池表面飞散，因此焊接后的焊接金属中得到的N量减少。因此，进行焊接线能量的管理和/或坡口形状的选定，减小焊接中的熔池的表面积。
[0027]<2>使用在Ar中按体积％计混合有0?50%的N2的气体作为保护气体，焊接中减少N从熔池表面飞散。需要说明的是，所混合的N2按体积％计为0%指的是单独Ar气体。
[0028]<3>通过使用在Ar中按体积％计混合有0?100%的N2的气体作为背面保护气体(back shielding gas),防止N从初层焊接时的背面侧熔池表面飞散。需要说明的是,所混合的N2按体积％计为0%指的是单独Ar气体。所混合的N2按体积％计为100%指的是单独N2气体。
[0029]本发明是基于上述发现而完成的，其主旨在于下述⑴和⑵所示的奥氏体钢焊接接头。
[0030](I) 一种奥氏体钢焊接接头，其特征在于，其为使用焊接材料、通过钨极气体保护电弧焊方法将母材焊接而成的奥氏体钢焊接接头，
[0031]所述母材具有下述化学组成:按质量％计含有C:0.1%以下、S1:0.8%以下、Mn:
2.5 ?5.5%、Ni:8 ?15%、Cr: 19 ?25%、Al:不足 0.05%、N:0.15 ?0.45%，剩余部分由 Fe和杂质组成，作为杂质的O、P和S分别为0:0.02%以下、P:0.05%以下和S:0.03%以下，
[0032]所述焊接材料具有下述化学组成:按质量％计含有C:0.1%以下、S1:0.8%以下、Mn:1.5 ?4.5%、Ni:8 ?15%、Cr:18 ?24%、Al:不足 0.05%、N:0.15 ?0.35%，剩余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的0、P和S分别为0:0.02%以下、P:0.05%以下和S:0.03%以下，
[0033]焊接金属的化学组成按质量％计含有C:0.1%以下、S1:0.8%以下、Mn:1.5?
5.5%、Ni:8 ?15%、Cr:18 ?24%、Al:不足 0.05%、N:0.15 ?0.35%，剩余部分由 Fe 和杂质组成，作为杂质的0、p和S分别为O:0.02%以下、P:0.05%以下和S:0.03%以下，并满足下述(I)式，并且焊接金属的铁素体量按面积率计为20%以下，
[0034]413-462(C+N)_9.2Si_8.lMn-13.7Cr-9.5Ni_18.5Mo ( -70(I)
[0035]其中，⑴式中的各元素符号表示各元素的含量(质量％)。
[0036](2)根据上述(I)所述的奥氏体钢焊接接头，其特征在于，母材、焊接材料和焊接金属中的任意一种以上的化学组成按质量％计含有V:0.5%以下、Nb:0.5%以下和Mo:4.5%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
[0037]作为剩余部分的“Fe和杂质”中的“杂质”指的是，在工业上制造钢铁材料时，由作为原料的矿石、废料、或制造环境等混入的成分。
[0038]发明的效果
[0039]根据本发明，可以提供不进行焊接后热处理，就同时具备高压气体配管、特别是高压氢气配管所要求的特性、即高强度和优异的耐氢脆化特性的焊接接头。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为说明坡口加工的形状的图。
【具体实施方式】
[0041 ] 本发明的奥氏体钢焊接接头中，限定母材、焊接材料和焊接金属的化学组成、以及焊接金属的组织的理由如下所述。
[0042]以下的说明中，各元素的含量的“％”标记指的是“质量％”。
[0043](A)母材、焊接材料和焊接金属的化学组成
[0044]C:0.1%以下(母材、焊接材料和焊接金属)
[0045]C是对于使奥氏体稳定化有效的元素。但是，C由于焊接时的加热而在晶界形成碳化物，使耐蚀性劣化并且导致延展性的降低。因此，C含量的上限为0.1%。C的含量进一步优选的上限为0.08%。对C的含量无需特别设置下限，但是极端的降低导致制造成本的显著升高。因此，期望的C含量的下限为0.002%。
[0046]S1:0.8%以下(母材、焊接材料和焊接金属)
[0047]Si是作为脱氧剂、另外对于耐蚀性的提高有效的元素。但是，Si的过量含有使奥氏体的稳定性降低并且导致延展性的降低，并且，在焊接金属中，在凝固时在柱状晶边界偏析，使液相的熔点降低，凝固裂纹敏感性提高。因此，Si的含量为0.8%以下。Si含量进一步优选为0.6%以下。对Si的含量无需特别设置下限，但是极端的降低不能充分得到脱氧效果，钢的纯净度增大而清净性劣化，并且导致制造成本的升高。因此，期望的Si含量的下限为0.01%。
[0048]Mn:2.5?5.5%(母材)、1.5?4.5%(焊接材料)、1.5?5.5%(焊接金属)
[0049]Mn是作为脱氧剂、另外对于使奥氏体稳定化有效的元素。进而，Mn在母材制造时和焊接时增大熔融金属中的N的溶解度，间接性地有助于提高强度。为了充分有效利用该强度提高效果，需要使母材含有2.5%以上的Mn。另一方面，焊接金属与母材的制造时相比，凝固速度快，凝固过程中的N的减少少，因此，含有1.5%以上的Mn即可。在焊接中熔融、全部形成焊接金属的焊接材料的Mn含量也与焊接金属同样。Mn含量的进一步优选的下限，对于母材而言为2.7%，对于焊接材料和焊接金属而言为1.7%。另一方面，Mn的过量含有导致延展性的降低。因此，对于母材和焊接金属而言，需要使Mn含量的上限为5.5%。对于焊接材料而言，难以对细线进行加工，因此与母材和焊接金属的情况相比，Mn含量的上限需要更严格的限制、为4.5%。进一步优选的Mn含量的上限，对于母材和焊接金属而言为5.0%，对于焊接材料而言为4.0%。
[0050]N1:8?15%(母材、焊接材料和焊接金属)
[0051]Ni是为了得到稳定的奥氏体而必须的元素，为了充分得到该效果，需要8%以上的含量。但是，由于Ni为价格昂贵的元素，大量含有导致成本增大，并且母材制造时和焊接中的熔融金属中的N的溶解度减小。因此，Ni含量的上限为15%。Ni含量的进一步优选的下限为8.2%，进一步优选的上限为14.5%。
[0052]Cr: 19?25% (母材)、18?24% (焊接材料和焊接金属)
[0053]Cr是为了确保使用环境下的耐蚀性而必须的元素。进而，Cr在母材制造时和焊接时对于增大熔融金属中的N的溶解度是有效的，为了充分得到该效果，母材中需要19%以上的Cr含量。另一方面，焊接金属与母材的制造时相比，凝固速度快，凝固过程中的N的减少少，因此含有18%以上即可。焊接中熔融、全部形成焊接金属的焊接材料的Cr含量也与焊接金属同样。Cr含量的进一步优选的下限，对于母材而言为19.2%，对于焊接材料和焊接金属而言为18.2%。另一方面，Cr的过量含有使奥氏体不稳定，根据接触气体环境的种类而导致脆化。因此，母材中的Cr含量的上限需要为25%。需要说明的是，焊接金属由于凝固偏析而组织变得不稳定，因此需要更严格地管理Cr含量，使Cr含量的上限为24%。焊接中熔融、全部形成焊接金属的焊接材料中的Cr含量的上限也与焊接金属同样。进一步优选的Cr含量的上限，对于母材而言为24.5%，对于焊接材料和焊接金属而言为23.5%。
[0054]Al:不足0.05% (母材、焊接材料和焊接金属)
[0055]Al与Si和Mn同样，作为脱氧剂含有。但是，含有过量的Al时，形成大量的氮化物，导致延展性的降低。因此，使Al的含量不足0.05%。Al含量进一步优选为0.04%以下。对Al的含量无需特别设置下限，但是极端降低时，不能充分得到脱氧效果，钢的纯净度增大而清净性劣化，并且导致制造成本的升高。因此，优选的Al含量的下限为0.003%。
[0056]N:0.15?0.45% (母材)、N:0.15?0.35% (焊接材料和焊接金属)
[0057]N是为了固溶于基体并且形成微细的氮化物、得到高的强度而必须的元素。为了充分得到该效果，需要0.15%以上的N含量。但是，母材中，若N含量超过0.45%则导致制造时的热加工性降低。因此，母材中的N含量的上限需要为0.45%。另外，焊接金属中，超过0.35%的量的N不能熔解于焊接中的熔池，成为气孔和/或凹坑的原因。因此，焊接金属中的N含量的上限需要为0.35%。焊接中熔融、全部形成焊接金属的焊接材料中，由于与焊接金属同样的理由，需要使N含量的上限为0.35%。母材N含量的更优选下限为0.16%，更优选上限为0.42%。焊接材料和焊接金属中的N含量更优选下限为0.16%，更优选上限为0.32%。
[0058]本发明的奥氏体钢焊接接头中的母材、焊接材料和焊接金属的一方案具有下述化学组成:含有上述从C直至N为止的元素，剩余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的0、P和S的含量分别限制于下述范围内。
[0059]0:0.02%以下(母材、焊接材料和焊接金属)
[0060]0以杂质形式存在，大量含有时，导致母材和焊接材料的制造时的热加工性降低，并且导致焊接金属的韧性和延展性的劣化。因此，需要使O含量为0.02%以下。期望的O含量的上限为0.01%。
[0061]P:0.05%以下(母材、焊接材料和焊接金属)
[0062]P以杂质形式含有，大量含有时，在母材和焊接材料中阻碍制造时的热加工性，并且在焊接金属中，凝固时使液相的熔点降低，使凝固裂纹敏感性增大。因此，优选P含量尽可能降低，但是极度的降低导致制钢成本增大，因此为0.05%以下。进一步优选的P含量为0.03%以下。
[0063]S:0.03%以下(母材、焊接材料和焊接金属)
[0064]S与P同样，以杂质形式含有，大量含有时，在母材和焊接材料中阻碍制造时的热加工性，并且在焊接金属中，凝固时使液相的熔点降低，使凝固裂纹敏感性增大。因此，S含量与P含量同样地优选尽可能降低，但是极度的降低导致制钢成本增大，因此上限为
0.03%。进一步优选的S含量为0.01%以下。
[0065]本发明的奥氏体钢焊接接头中的母材、焊接材料和焊接金属的另一方案，含有V、Nb和Mo中的一种以上元素来替代作为剩余部分的“Fe和杂质”中的Fe的一部分。
[0066]以下对作为任意元素的上述V、Nb和Mo的作用效果和含量的限定理由进行说明。
[0067]V:0.5% 以下
[0068]V由于是在基体固溶或以碳化物形式析出、对于提高强度有效的元素，因此可以含有。但是，若V含量增多而超过0.5%，则析出大量的碳化物，导致延展性的降低。因此，含有时的V的量为0.5%以下。含有时的期望V含量的上限为0.4%。
[0069]为了稳定地得到前述V的效果，V含量优选为0.01%以上。
[0070]Nb:0.5% 以下
[0071]Nb与V同样地，是在基体固溶或以碳氮化物形式析出、对于提高强度有效的元素，因此可以含有。但是，若Nb含量增多而超过0.5%，则析出大量的碳氮化物，导致延展性的降低。因此，含有时的Nb的量为0.5%以下。含有时的期望Nb含量的上限为0.4%。
[0072]为了稳定地得到前述Nb的效果，Nb含量优选为0.01%以上。
[0073]Mo:4.5% 以下
[0074]Mo是对于提高强度有效的元素。另外，Mo是对于提高使用环境下的耐蚀性有效的元素。因此，可以含有Mo。但是，Mo是非常昂贵的元素,并且超过4.5%的过量含有使奥氏体不稳定。因此，含有时的Mo的量为4.5%以下。含有时的期望Mo含量的上限为4%。
[0075]为了稳定地得到前述Mo的效果，Mo含量优选为0.1%以上。
[0076]上述V、Nb和Mo，可以仅含有其中的任意一种或两种以上复合来含有。将这些元素复合来含有时的总量，可以为V、Nb和Mo的含量分别为上限值时的5.5%，但是优选为5.0%以下。
[0077]除了上述之外，本发明的奥氏体钢焊接接头中的焊接金属的化学组成需要满足下述⑴式。
[0078]413-462(C+N)_9.2Si_8.lMn-13.7Cr-9.5Ni_18.5Mo ( -70(I)
[0079]其中，⑴式中的各元素符号表示各元素的含量(质量％)。
[0080]焊接金属由于为骤冷凝固组织，因此奥氏体不稳定，由于焊接残余应变以及焊接施工后的加工而马氏体化，耐氢脆化性降低。但是，若满足(I)式则奥氏体稳定，因此可以防止由于焊接残余应变以及焊接施工后的加工所导致的马氏体化。上述(I)式的左边优选为-80以下，越低越好。
[0081](B)焊接金属的组织
[0082]焊接金属为骤冷凝固组织。焊接金属中，与实施固溶化热处理制造的母材不同，凝固过程中高温生成的铁素体直至室温残留。铁素体在氢环境下脆化，成为破坏的起点，连续存在时连接、传播，使焊接金属的耐氢脆化性降低。但是，若铁素体量按面积率计为20%以下则不易产生上述问题。因此，使焊接金属中的铁素体量按面积率计为20%以下。优选焊接金属的铁素体量按面积率计为15%以下。焊接金属的按面积率计的铁素体量的下限可以为完全奥氏体时的0%。
[0083]焊接金属的按面积率计的铁素体量，在相对于以焊接金属中的N1、Mn和C为代表的奥氏体形成元素，以Cr和Si为代表的铁素体形成元素增量时增加。因此，上述焊接金属的按面积率计的铁素体量通过进行调整以使焊接金属的化学组成满足上述范围，并且相对于奥氏体形成元素、不会过量含有铁素体形成元素来达成。
[0084]为了通过具有上述化学组成的母材和焊接材料，得到具有上述化学组成和铁素体量的焊接金属，优选使用钨极气体保护电弧焊方法、尽可能减小焊接中的熔池的表面积。
[0085]利用钨极气体保护电弧焊方法进行的焊接，优选管理焊接条件以使焊接结束后的弧坑表面积为120mm2以下。
[0086]利用钨极气体保护电弧焊方法进行的焊接中，进一步优选使用Ar气体和N2气体混合而成的气体作为保护气体和背面保护气体。其理由如下所述。
[0087]钨极气体保护电弧焊与气体保护金属极电弧焊相比，容易得到没有缺陷的高品质的焊接接头。但是，焊接中N从熔池表面飞散，因此，焊接后的焊接金属中得到的N量减少，产生强度降低。为了防止此问题，减小焊接中的熔池的表面积、减小N飞散的区域是有效的。具体而言，由于焊接中的熔池的表面积与各层的焊接结束后的弧坑表面积一致，优选调整焊接条件以使弧坑表面积为120mm2以下。
[0088]进而，在保护气体或背面保护气体中混合N2气体、提高N的分压，对于降低N从熔池表面飞散是有效，并且使凝固了的焊接金属表面氮化，虽然微量但是有助于强化。但是，若保护气体中或背面保护气体中的N2按体积％计超过50%，则高温下溶解于焊接金属中的N凝固并且不能完全溶解而形成N2，有可能形成气孔和/或凹坑。因此，保护气体中或背面保护气体中的N2气体优选上限按体积％计为50%。
[0089]以下通过实施例对本发明进行更具体的说明，但是本发明不被这些实施例所限定。
[0090]实施例
[0091]将具有表I所示化学组成的符号A?C的材料在实验室熔解并浇铸，得到钢锭，由该钢锭通过热锻、热轧、热处理和机械加工，制作板厚3mm、宽度50mm、长度IOOmm的钢板作为焊接母材用。
[0092]将具有表2所示化学组成的符号V?Z的材料在实验室熔解并浇铸，得到钢锭，由该钢锭通过热锻、热轧和机械加工，制作外径1.2mm的焊丝(焊接材料)。
[0093]在上述焊接母材用钢板的长度方向，实施图1所示的坡口加工后，如表3所示组合母材、焊接材料和焊接条件，通过钨极气体保护电弧焊方法进行对焊。焊接以2层焊接完成，对于特定的接头，焊接中进行横向摆动。
[0094][表1]
[0095]表1
[0096]
【权利要求】
1.一种奥氏体钢焊接接头，其特征在于，其为使用焊接材料、通过钨极气体保护电弧焊方法将母材焊接而成的奥氏体钢焊接接头， 所述母材具有下述化学组成:按质量％计含有c:0.1%以下、S1:0.8%以下、Mn:2.5~5.5%、Ni:8 ~15%、Cr:19 ~25%、Al:不足 0.05%、N:0.15 ~0.45%，剩余部分由 Fe 和杂质组成，作为杂质的O、P和S分别为O:0.02%以下、P:0.05%以下和S:0.03%以下， 所述焊接材料具有下述化学组成:按质量％计含有C:0.1%以下、S1:0.8%以下、Mn:1.5 ~4.5%、Ni:8 ~15%、Cr: 18 ~24%、Al:不足 0.05%、N:0.15 ~0.35%，剩余部分由 Fe和杂质组成，作为杂质的0、P和S分别为O:0.02%以下、P:0.05%以下和S:0.03%以下，焊接金属的化学组成按质量％计含有C:0.1%以下、S1:0.8%以下、Mn:1.5~5.5%、Ni:8~15%,Cr:18~24%,Al:不足0.05%,N:0.15~0.35%，剩余部分由Fe和杂质组成，作为杂质的0、P和S分别为O:0.02%以下、P:0.05%以下和S:0.03%以下，并满足下述⑴式，并且焊接金属的铁素体量按面积率计为20%以下，
413-462(C+N)-9.2Si_8.lMn-13.7Cr-9.5Ni_18.5Mo ( -70(1) 其中，(I )式中的各元素符号表示各元素的含量，单位为质量％。
2.根据权利要求1所述的奥氏体钢焊接接头，其特征在于，母材、焊接材料和焊接金属中的任意一种以上的化学组成按质量％计含有V:0.5%以下、Nb:0.5%以下和Mo:4.5%以下中的一种以上来替代Fe的一部分。
【文档编号】B23K9/167GK103648708SQ201280033505
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年7月6日
【发明者】平田弘征, 大村朋彦, 富尾悠索, 中村润 申请人:新日铁住金株式会社