JP2002371338A

JP2002371338A - レーザー溶接部の靭性に優れた鋼

Info

Publication number: JP2002371338A
Application number: JP2001247881A
Authority: JP
Inventors: Toshinaga Hasegawa; 俊永長谷川; Masanori Minagawa; 昌紀皆川; Hiroyuki Shirahata; 浩幸白幡
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、引張強度が４００ＭＰａ〜４９０
ＭＰａ級を中心とする、靱性が要求される構造物全般に
供されるレーザー溶接部の靱性に優れた鋼を提供するも
のである。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓ
ｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ａｌ：
０．００５〜０．０６％、Ｎ：０．００１〜０．０１％
を含有し、さらに必要に応じて、Ｔｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｃ
ｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、
Ｂ、Ｙ、Ｃｅを含有し、かつ、（１）式で示す炭素当量
が０．３％以下で、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる
鋼の溶接継手において、溶接熱影響部の加熱オーステナ
イト粒径が１００μｍ以下でフエライト分率が４０％以
上であるレーザー溶接部の靱性に優れた鋼。Ｃｅｑ．＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋（Ｃｕ％＋Ｎｉ％）／１５＋（Ｖ％＋Ｍｏ％＋Ｃｒ％）／５・・・・・（１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、引張強度が４００
ＭＰａ〜４９０ＭＰａ級を中心とする、靭性が要求され
る構造物全般に供される、レーザー溶接部の靭性に優れ
た鋼に関するものである。用途としては、例えば、建築
構造物、海洋構造物、船舶、橋梁、ラインパイプ等の溶
接構造物に用いることができる。また、鋼の形態は特に
問わないが、構造部材として用いられ、低温靭性が要求
される鋼板、特に厚板、鋼管素材、あるいは形鋼で有用
である。

【０００２】

【従来の技術】最近、高速溶接が可能で、自動化も比較
的容易なため、高効率で溶接が可能なレーザー溶接が厚
鋼板の溶接にも実適用されつつある。しかしながら、従
来の、溶接部の靭性を保証した溶接構造用鋼はアーク溶
接を中心とする既存の溶接方法で溶接された場合を想定
して成分設計されており、レーザー溶接によって接合さ
れた場合の靭性については全く考慮されていない。レー
ザー溶接部の健全性やＨＡＺの割れ性等のレーザー溶接
性に優れた鋼については最近、開発が盛んに行われてい
るが、溶接部の靭性を保証できる鋼についてはほとんど
検討されていないのが実状である。

【０００３】なお、最近、特開平１０−９４８９０号公
報において、レーザー溶接条件に応じて鋼の理想焼入臨
界直径（ＤＩ値）を調整することによって溶接継手組織
を下部ベイナイト主体組織とすることでレーザー溶接継
手靭性を向上させるレーザー溶接方法が示されている。
靭性向上の観点からは本公報に示されるように下部ベイ
ナイト主体とすることが好ましいが、下部ベイナイト組
織となる化学組成範囲は比較的狭く、かつ溶接条件に合
わせて調整する必要があることから、煩雑であり、適用
範囲が限定される問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】同程度の板厚で比較し
た場合、レーザー溶接は、一般的に開先幅が狭く溶接金
属の量が少ないために、従来のアーク溶接に比べて溶接
のエネルギーによって高温に晒された溶接熱影響部の冷
却段階での冷却速度が大きく、ＨＡＺはアーク溶接にお
けるよりも変態点の低い、より硬化した組織となる。ま
た、一般に、多層溶接となるアーク溶接と異なり、１層
溶接であるため、一旦形成された組織が後続の溶接パス
の再加熱による組織微細化や焼戻し効果が期待できな
い。従って、レーザー溶接で形成されるＨＡＺ組織は、
前記、特開平１０−９４８９０号公報のように、溶接条
件に合わせて化学組成を厳密に調整する場合以外は、粗
粒のベイナイトあるいはマルテンサイト、及びこれらの
混合組織となる場合が多い。これは溶融部においても同
様である。

【０００５】粗粒のベイナイト、特に上部ベイナイト
は、粗大な有効結晶粒径と、島状マルテンサイトの故に
顕著な靭性劣化を生じるため、避ける必要がある。レー
ザー溶接条件に依存せず、上部ベイナイト組織を避けて
汎用的にＨＡＺ靭性を向上させるための手段として、マ
ルテンサイト単相とするか、細粒のフェライト主体組織
とすることが考えられる。

【０００６】単相マルテンサイト組織の場合は、一般的
にはＨＡＺに形成されるマルテンサイト自体の靭性も低
く、靭性向上のためには組織微細化、低Ｃ化、さらには
Ｎｉ添加等の手段を講じる必要がある。また、上部ベイ
ナイトの生成を抑制してマルテンサイト単相組織とする
ためには、一定以上合金元素を添加する必要があるた
め、必然的に高強度鋼となる。従って、合金含有量の少
ない、引張強度が４００〜４９０ＭＰａ級を中心とす
る、溶接構造用鋼においては、マルテンサイト単相組織
とする手段は採用しがたい。

【０００７】上記観点から、本発明では、引張強度が４
００〜４９０ＭＰａ級を中心とする、低温靭性を要求さ
れる溶接構造用鋼において、レーザー溶接部組織を細粒
フェライト主体組織とすることを前提として、レーザー
溶接条件に依存せず、汎用的にＨＡＺ靭性を高める手段
を提供することを課題とした。なお、本発明は母材の強
度レベルによって制限を受けるものではなく、本発明の
成分範囲であれば、母材強度レベルの如何を問わず、本
発明の効果を有する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記特開
平１０−９４８９０号公報のように、溶接条件に合わせ
て化学組成を調整して下部ベイナイト主体組織とする手
段とは異なり、レーザー溶接継手の組織をフェライト主
体組織とすることを前提とした上で、該フェライト主体
組織の靭性を改善するための手段を検討した。その結
果、溶接時の熱履歴として、冷却速度が大きい、後続パ
スのない１層溶接であることを特徴とする、レーザー溶
接におけるＨＡＺの靭性向上のためには、上部ベイナイ
トの生成を抑制し、かつ脆化相となる硬質第二相の量を
極力低減するためにはＣの低減と、炭素当量の制限が必
要であるが、同時にフェライトの微細化のために加熱オ
ーステナイト粒径を一定以上に微細化すことが重要であ
ることを見出した。

【０００９】なお、レーザー溶接のＨＡＺの加熱オース
テナイト粒の安定的な微細化のためには、溶接時に１３
５０℃程度以上の高温に晒されても、オーステナイトの
粒成長を抑制できる強力なピンニング粒子が鋼中に高密
度に分散していることが好ましく、特に、ピンニング粒
子として、微細な酸化物を主体とする熱的に安定な粒子
を高密度に分散させることが有効である。本発明は、上
記のレーザー溶接で形成されたＨＡＺ靭性支配因子に関
する新しい知見とその達成手段の開発に基づいて発明さ
れたものであり、その要件は以下に示す通りである。

【００１０】（１）質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１
％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５
％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ａ
ｌ：０．００５〜０．０６％、Ｎ：０．００１〜０．０
１％を含有し、かつ、（１）式で示す炭素当量（Ｃｅ
ｑ．）が０．３％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物から
なる鋼を、レーザー溶接した際に、その溶接熱影響部に
おいて、加熱オーステナイト粒径が１００μｍ以下で、
かつ溶接熱影響部組織に占めるフェライトの割合が４０
％以上であることを特徴とするレーザー溶接部の靭性に
優れた鋼。Ｃｅｑ．＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋（Ｃｕ％＋Ｎｉ％）／１５＋（Ｖ％＋Ｍｏ％＋Ｃｒ％）／５・・・・・（１）

【００１１】（２）質量％で、Ｔｉ：０．００５〜
０．０３％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％を含有
し、かつ、鋼中に、円相当径で０．００５〜２μｍの酸
化物粒子を単位面積当たりの個数で、１００〜３０００
個／ｍｍ²含有し、該酸化物の組成が、少なくともＣ
ａ、Ａｌ、Ｏを含み、Ｏを除いた元素が質量％で、Ｃ
ａ：５％以上、Ａｌ：５％以上を含有し、ＣａとＡｌと
の合計が５０％以上であることを特徴とする上記（１）
項に記載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。

【００１２】（３）前記酸化物粒子の組成が少なくと
もＣａ、Ａｌ、Ｏ、Ｓを含み、Ｏを除いた元素が質量％
で、Ｃａ：５％以上、Ａｌ：５％以上、Ｓ：１％以上を
含有し、ＣａとＡｌとＳとの合計が５０％以上であるこ
とを特徴とする上記（２）項に記載のレーザー溶接部の
靭性に優れた鋼。

【００１３】（４）質量％で、Ｔｉ：０．００５〜
０．０３％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、Ｍ
ｇ：０．０００１〜０．００２％を含有し、かつ、鋼中
に、円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位
面積当たりの個数で、１００〜３０００個／ｍｍ²含有
し、該酸化物の組成が、少なくともＣａ、Ａｌ、Ｍｇ、
Ｏを含み、Ｏを除いた元素が質量％で、Ｃａ：５％以
上、Ａｌ：５％以上、Ｍｇ：１％以上を含有し、Ｃａと
ＡｌとＭｇとの合計が５０％以上であることを特徴とす
る上記（１）項に記載のレーザー溶接部の靭性に優れた
鋼。

【００１４】（５）前記酸化物粒子の組成が少なくと
もＣａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏ、Ｓを含み、Ｏを除いた元素が
質量％で、Ｃａ：５％以上、Ａｌ：５％以上、Ｍｇ：１
％以上、Ｓ：１％以上を含有し、ＣａとＡｌとＭｇとＳ
との合計が５０％以上であることを特徴とする上記
（４）項に記載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。

【００１５】（６）レーザー溶接した際に、その溶融
部においてフェライトの割合が４０％以上であることを
特徴とする、上記（１）〜（５）項のいずれかに記載の
レーザー溶接部の靭性に優れた鋼。

【００１６】（７）質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１．
５％、Ｎｉ：０．０５〜３％、Ｃ r：０．０５〜１％、
Ｍｏ：０．０５〜１％、Ｗ：０．１〜２％、Ｖ：０．０
１〜０．２％、Ｎｂ：０．００３〜０．０５％、Ｔａ：
０．０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００５〜０．１％、
Ｂ：０．０００２〜０．００５％、の１種または２種以
上を含有することを特徴とする上記（１）〜（６）項の
いずれかに記載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。

【００１７】（８）質量％で、Ｙ：０．００１〜０．
０１％、Ｃｅ：０．００５〜０．１％、のうち１種また
は２種を含有することを特徴とする上記（１）〜（７）
項のいずれかに記載のレーザー溶接部の靭性に優れた
鋼。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て詳細に述べる。本発明は、組織要件の限定と同時に化
学組成の適正化も必須である。そこで、先ず、化学組成
の限定理由とその作用を述べ、ついで、組織要件の限定
理由、さらに、組織要件を満足するための手段の例とし
て、加熱オーステナイト粒成長抑制のための鋼中へのピ
ンニング粒子の分散に関する要件を述べる。

【００１９】Ｃは炭素当量の低減を通してフェライト主
体組織とするために、また、脆化相となる島状マルテン
サイトやセメンタイトの凝集体を低減して、ＨＡＺ靭性
改善のためには低減することが好ましいが、鋼の強度確
保のために必須の元素でもある。０．０１％未満では構
造用鋼に必要な強度の確保が困難であるため下限を０．
０１％とする。一方、本発明で限定しているＨＡＺのオ
ーステナイト粒径が１００μｍ以下であることを前提し
て、靭性の劣化が許容できる上限を、実験結果に基づい
て本発明では０．１％とする。

【００２０】次に、Ｓｉは脱酸元素として、また、母材
の強度確保に有効な元素である。これらの効果が明確に
なるためには０．０５％以上の添加が必要である。一
方、０．５％を超える過剰の含有は粗大な酸化物を形成
して延性や靭性の劣化を招く。そこで、Ｓｉの範囲は
０．０５〜０．５％とした。

【００２１】Ｍｎは母材の強度、靭性の確保に必要な元
素であり、最低限０．１％以上含有する必要があるが、
Ｍｎはフェライト生成を抑制して粗大な上部ベイナイト
の割合を増加させ、また、島状マルテンサイトの生成を
助長する傾向があるため、本発明のようなＨＡＺ組織を
細粒フェライト主体として靭性改善を図る場合には１．
５％以下に抑制させる必要がある。

【００２２】Ｐは不純物元素であり、鋼の延性、靭性に
対して有害である。極力低減する方が好ましいが、本発
明においては、実用上悪影響が許容できる量として、上
限を０．０１％とする。

【００２３】Ｓは延性特性に悪影響を及ぼす不純物元素
であり、０．００５％以下に低減することが好ましい。
ただし、酸化物粒子中に含まれて溶接熱影響部の加熱オ
ーステナイト粒径微細化に効果を発揮させる場合には積
極的に添加する。その場合、０．００２〜０．００５％
の添加が好ましい。

【００２４】Ａｌは脱酸、母材の加熱γ粒径の細粒化等
に有効な元素であるが、効果を発揮するためには０．０
０５％以上含有する必要がある。一方、０．０６％を超
えて過剰に含有すると、溶接熱影響部の加熱オーステナ
イト微細化に有効な微細酸化物の分散に悪影響を及ぼ
し、かつ粗大な酸化物を形成して延性を劣化させるた
め、０．００５％〜０．０６％の範囲に限定する必要が
ある。

【００２５】Ｎは固溶状態では延性、靭性に悪影響を及
ぼすため、本発明においては好ましくないが、Ｖ、Ａｌ
やＴｉ等と結びついてオーステナイト粒微細化や析出強
化に有効に働くため、微量であれば機械的特性向上に有
効である。また、工業的に鋼中のＮを完全に除去するこ
とは不可能であり、必要以上に低減することは製造工程
に過大な負荷をかけるため好ましくない。そのため、延
性、靭性への悪影響が許容できる範囲で、かつ、工業的
に制御が可能で、製造工程への負荷が許容できる範囲と
して下限を０．００１％とする。過剰に含有すると、固
溶Ｎが増加し、延性や靭性に悪影響を及ぼす可能性があ
るため、許容できる範囲として上限を０．０１％とす
る。

【００２６】Ｔｉはレーザー溶接熱影響部（ＨＡＺ）の
加熱オーステナイト粒径微細化を酸化物によるピンニン
グで行う場合には、適正に添加が必要である。詳細は後
述するが、効果を発揮するためには０．００５％以上必
要である一方、０．０３％を超えると粗大なＴｉＮや酸
化物を形成する恐れがあるため、本発明においてはＴｉ
は０．００５〜０．０３％に限定する。

【００２７】ＣａもＴｉと同様、酸化物の微細分散をＨ
ＡＺの加熱オーステナイト微細化に用いる場合には必須
の元素である。加熱オーステナイト粒径微細化に効果を
発揮するためには０．０００５％以上必要である。一
方、０．００３％を超えると粗大な硫化物や酸化物を形
成する恐れがあるため、本発明においてはＣａは０．０
００５〜０．００３％に限定する。

【００２８】また、Ｍｇも酸化物微細分散に有効であ
り、必要に応じて添加する。添加する場合は、０．００
０１〜０．００２％の範囲とするが、これは０．０００
１％未満では効果が明確でなく、０．００２％超では酸
化物の粗大化が懸念されるためである。

【００２９】以上が、本発明において必須あるいは重要
な元素及び不純物元素の限定理由であるが、本発明にお
いては、強度・靭性の調整のために、必要に応じてさら
に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚ
ｒ、Ｂの１種または２種以上を含有させることができ
る。

【００３０】Ｃｕは焼入性を高め、また焼戻しを施す場
合には析出強化により強度を高めるのに有効である。ま
た、強度上昇の割に靭性を劣化させない元素で、強度・
靭性バランスの向上に有効である。効果を発揮するるた
めには０．０５％以上の添加が必要であり、１．５％超
の添加では熱間加工性やＨＡＺ靭性に問題を生じるた
め、本発明においては、０．０５〜１．５％の範囲に限
定する。

【００３１】Ｎｉは焼入性を高めて強度を高める。ま
た、固溶靭化により組織によらず靭性を向上できる唯一
の元素である。効果を発揮するためには０．０５％以上
の添加が必要である。Ｎｉ量は増加するほど靭性を向上
させるが、３％を超えるような過剰な添加では、効果が
飽和する一方で、焼入性が過剰となり、ＨＡＺ組織のフ
ェライトの割合が本発明を満足することが困難となる。
そこで、本発明ではＮｉ量を０．０５〜３％とする。

【００３２】Ｃｒは焼入性の向上、固溶強化により強度
向上に有効な元素であり、効果を生じるためには０．０
５％以上必要であるが、Ｃｒは過剰に添加すると硬さの
増加、粗大析出物の形成等を通して、母材やＨＡＺの靭
性に悪影響を及ぼすため、許容できる範囲として、上限
を１％に限定する。

【００３３】ＭｏもＣｒと同様の効果によって強度を高
めるに有効な元素であるが、効果を発揮でき、他特性に
悪影響を及ぼさない範囲として、０．０５〜１％に限定
する。

【００３４】ＷもＣｒ、Ｍｏと同様の効果によって強度
を高めるに有効な元素であるが、効果を発揮でき、他特
性に悪影響を及ぼさない範囲として、０．１〜２％に限
定する。

【００３５】Ｖは主として析出強化により高強度化に寄
与する。効果を発揮するためには、０．０１％以上は必
要である。ただし、０．２％を超えて過剰に添加する
と、延性、靭性を極端に劣化させるため、本発明におい
ては、０．０１〜０．２％の範囲に限定する。

【００３６】Ｎｂは変態強化、析出強化により微量で高
強度化に寄与する。また、γの加工・再結晶挙動に大き
な影響を及ぼすため、母材靭性向上にも有効である。効
果を発揮するためには、０．００３％以上は必要であ
る。ただし、０．０５％を超えて過剰に添加すると、延
性、靭性を極端に劣化させるため、本発明においては、
０．００３〜０．０５％の範囲に限定する。

【００３７】ＴａもＮｂと同様の効果を有し、適正量の
添加により強度、靭性の向上に寄与するが、０．０１％
未満では効果が明瞭には生ぜず、０．２％を超える過剰
な添加では粗大な析出物に起因した靭性劣化が顕著とな
るため、範囲を０．０１〜０．２％とする。

【００３８】Ｚｒも強度向上に有効な元素であるが、効
果を発揮するためには０．００５％以上必要である。一
方、０．１％を超えて過剰に添加すると粗大な析出物を
形成して靭性に悪影響を及ぼすため、上限を０．１％と
する。

【００３９】Ｂは極微量で焼入性を高める元素であり、
高強度化に有効な元素である。Ｂは固溶状態でγ粒界に
偏析することによって焼入性を高めるため、極微量でも
有効であるが、０．０００２％未満では粒界への偏析量
を十分に確保できないため、焼入性向上効果が不十分と
なったり、効果にばらつきが生じたりしやすくなるため
好ましくない。一方、０．００５％を超えて添加する
と、鋼片製造時や再加熱段階で粗大な析出物を形成する
場合が多いため、焼入性向上効果が不十分となったり、
鋼片の割れや析出物に起因した延性劣化、靭性劣化を生
じる危険性も増加する。そのため、本発明においては、
Ｂの範囲を０．０００２〜０．００５％とする。

【００４０】さらに、本発明においては、延性の向上、
継手靭性の向上等のために、必要に応じて、Ｙ、Ｃｅの
１種または２種を含有することができる。Ｙ、Ｃｅはい
ずれも酸化物を微細化させて母材、ＨＡＺの延性やＨＡ
Ｚ靭性向上に有効に働く。その効果を発揮するための下
限の含有量は、Ｙは０．００１％、Ｃｅは０．００５％
である。一方、過剰に含有すると、硫化物や酸化物の粗
大化を生じ、延性、靭性の劣化を招くため、上限を各
々、Ｙは０．０１％、Ｃｅは０．１％とする。

【００４１】本発明においては、さらに（１）式で示す
炭素当量（Ｃｅｑ．）を０．３％以下に限定する。Ｃｅｑ．＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋（Ｃｕ％＋Ｎｉ％）／１５＋（Ｖ％＋Ｍｏ％＋Ｃｒ％）／５・・・・・（１）Ｃｅｑ．を０．３％以下に限定するのは、後述する限定
理由にあるように、レーザー溶接のＨＡＺの加熱オース
テナイト粒径を１００μｍ以下に細粒化した場合にも安
定してＨＡＺ組織をフェライト割合が４０％以上のフェ
ライト主体組織とするためである。

【００４２】以上が本発明における化学組成に関する限
定理由である。

【００４３】本発明の目的としている良好なレーザー溶
接部のＨＡＺ靭性を達成するためには、上記化学組成の
限定を前提とした上で、ＨＡＺの組織を、下記のように
する必要がある。すなわち、加熱オーステナイト粒径：１００μｍ以下フェライト分率：４０％以上

【００４４】の加熱オーステナイト粒径を１００μｍ
以下とするのは、変態組織の微細さを保証するためであ
る。すなわち、本発明が対象としている、レーザー溶接
におけるＨＡＺの組織がフェライト主体組織の場合、靭
性に支配的な影響を及ぼすのはフェライト粒径であり、
レーザー溶接のように冷却速度が比較的速い熱履歴で
は、加熱オーステナイト粒径が１００μｍ以下であれ
ば、平均フェライト粒径は確実に２０μｍ程度以下とな
り、粗大な粒界フェライトの出現も抑制され、良好なＨ
ＡＺ靭性を確保可能である。

【００４５】のフェライト分率を４０％以上とするの
は、上部ベイナイトの靭性への有害な影響がフェライト
分率が４０％以上になると許容できる程度に抑制される
ためである。その結果、フェライト５０％以上の条件の
下では、化学組成や加熱オーステナイト粒径の靭性への
影響度も小さくすることが可能である。これについては
溶融部も同様である。

【００４６】以上が、本発明において、レーザー溶接継
手のＨＡＺ靭性を向上させるための化学組成及び組織に
関する要件である。本組織要件と化学組成要件を満足す
れば、その達成手段は問わない。例えば、オーステナイ
ト粒径の微細化手段として、後述する本発明のごとく、
酸化物をピンニング粒子とする方法以外に、Ｔｉ、Ｎ等
の窒化物形成元素を多量に含有させる、等の方法が考え
られる。

【００４７】ただし、材質劣化を伴わずにＨＡＺの旧オ
ーステナイト粒径を微細化する手段としては必ずしも十
分でない。

【００４８】一方、本発明では、材質劣化を伴わずに安
定的にＨＡＺの旧オーステナイト粒径を２００μｍ以下
とする具体的手段として、熱的に安定な酸化物を主体と
するピンニング粒子の微細分散法を包含する。

【００４９】ＨＡＺの加熱オーステナイト粒を細粒化す
るためには高温でのオーステナイト粒成長を抑制するこ
とが必要である。その手段として最も有効な方法は、分
散粒子によりオーステナイトの粒界をピンニングし、粒
界の移動を抑制する方法が考えられる。

【００５０】そのような作用をする分散粒子の一つとし
ては、従来、Ｔｉ窒化物が有効であると考えられてい
た。しかしながらＴｉ窒化物は１４００℃以上の高温で
は固溶する割合が大きくなるため、ピンニング効果が小
さくなる。

【００５１】これに対し、高温で安定な酸化物と硫化物
とを併せてピンニング粒子として活用することが有効で
ある。また、分散粒子による結晶粒界のピンニング効果
は、分散粒子の体積率が大きいほど、一個の粒子径が大
きいほど大きい。

【００５２】ただし、分散粒子の体積率は鋼中に含まれ
る粒子を構成する元素の濃度によって上限があるので、
体積率を一定と仮定した場合には、粒子径はある程度小
さい方がピンニングには有効である。

【００５３】酸化物及び硫化物の体積分率を大きくする
手段の一つとして、Ｏ量、Ｓ量を増大させることがある
が、Ｏ量、Ｓ量の増大は材質に有害な粗大介在物をも多
数生成する原因となるため、有効な手段ではない。Ｏ
量、Ｓ量を増大させずに酸化物及び硫化物の体積分率を
大きくするには、Ｏ及びＳとの溶解度積が小さい元素を
活用することが有効である。

【００５４】Ｏとの溶解度積が小さい、すなわち強脱酸
元素として、一般的にはＡｌが用いられる。しかしなが
ら、ＡｌだけではＯを充分利用するには不充分で、さら
にＡｌよりも強い脱酸元素が必要で、Ｃａ、さらには必
要に応じてＭｇを活用することが重要である。

【００５５】硫化物を生成しやすい元素として、Ｍｎが
挙げられる。しかしながら、ＭｎだけではＳを活用する
には不充分で、上記酸化物におけると同様に、Ｓとの溶
解度積が小さい、すなわち安定した硫化物を生成する元
素であるＣａ、Ｍｇの活用が重要である。

【００５６】Ｃａ、Ｍｇをはじめとした種々脱酸元素を
用いた溶解実験結果から、鋼中に生成する酸化物粒子の
組成として、Ｏを除いた元素が質量比で、Ｃａが５％以
上かつＡｌが５％以上含まれ、好ましくは合計で４０％
以上含まれる場合、あるいは、これに、さらにＭｇが１
％以上含まれることで、酸化物の体積分率すなわち酸化
物量を大きくすることが可能となることを知見した。

【００５７】また、さらには、酸化物の周囲に、例えば
ＣａＳ及びＭｇＳといった硫化物が析出することで、酸
化物と硫化物とを併せてより一層の体積分率の増加が可
能となることを見出したのである。その場合、酸化物と
硫化物とを併せて一つの粒子と見なしたときの組成が、
Ｍｇを含まない場合で、Ｏを除いた元素が質量比で、Ｃ
ａとＡｌが５％以上、Ｓが１％以上含まれる必要があ
る。また、粒子がＭｇを含む場合は、Ｏを除いた元素が
質量比で、Ｃａ及びＡｌが５％以上、Ｍｇ及びＳが１％
以上含まれる必要がある。

【００５８】なお、酸化物中にＳを含む場合、酸化物と
硫化物とが複合化している場合、酸化物を核として硫化
物が該酸化物の周囲に析出している場合、いずれもオー
ステナイトの成長抑制には同等の効果を有する。以降
で、酸化物あるいはピンニング粒子としているものも、
特に断らない限り、上記の粒子を包含することとする。

【００５９】次にＨＡＺの加熱オーステナイト粒のピン
ニングに有効な粒子の大きさについて述べる。

【００６０】分散粒子による結晶粒界のピンニング効果
は、分散粒子の体積率が大きいほど一個の粒子径が大き
いほど大きいが、粒子の体積率が一定のとき一個の粒子
の大きさが小さい方が粒子数が多くなりピンニング効果
が大きくなるが、あまり小さくなると粒界に存在する粒
子の割合が小さくなるため、その効果は低減する。

【００６１】粒子の大きさを種々変化させた試験片を用
いて、高温に加熱したときのオーステナイト粒径を詳細
に調査した結果、レーザー溶接に相当する温度・保持時
間において安定的にオーステナイト粒径をピンニングす
るためには、前記の組成を有する安定な粒子の大きさと
して、０．００５〜２μｍのものが有効であることをつ
きとめた。また０．００５μｍより小さい酸化物粒子は
ほとんど観察されなかった。この結果より、必要な粒子
径を０．００５〜２μｍとした。

【００６２】次に必要なピンニング粒子の個数について
検討した。粒子個数が多いほど組織単位は微細になり、
そのため、粒子個数が多いほどＨＡＺ組織は微細化す
る。本発明の目的とする、レーザー溶接におけるＨＡＺ
のオーステナイト粒径を確実に１００μｍ以下とするた
めには、粒子径が０．００５〜２μｍの粒子が１００個
／ｍｍ² 以上必要である。ただし、粒子数が多くなるほ
どピンニング力は大となるが、その効果は飽和し、か
つ、必要以上に粒子個数を多くすることは、逆に延性や
靭性に有害な粗大な粒子が生成する可能性を高めること
にもなる。また現在の工業技術では限界もあることを考
え、本発明においては粒子数の上限を３０００個／ｍｍ
² とした。

【００６３】該酸化物の大きさ及び個数の測定は、例え
ば以下の要領で行う。母材となる鋼板から抽出レプリカ
を作製し、それを電子顕微鏡にて１００００倍で２０視
野以上、観察面積にして１０００μｍ² 以上を観察する
ことで該酸化物の大きさ及び個数を測定する。このとき
鋼板の表層部から中心部までどの部位から採取した抽出
レプリカでもよい。また、粒子が適正に観察可能であれ
ば、観察倍率を低くしてもかまわない。

【００６４】本発明では、化学組成の適正化と酸化物に
よる加熱オーステナイト粒径の微細化とで、レーザー溶
接継手のＨＡＺ靭性を向上させる。フュージョンライン
近傍のＨＡＺは高温に晒されて母材組織はほぼ全面的に
解消される。従って、本発明では鋼材を製造するプロセ
スは問わない。通常の熱間圧延まま、制御圧延、制御冷
却、また、これらのプロセスと焼戻しの組み合わせ、さ
らには焼き均しや焼入・焼戻し等の再加熱処理で製造し
てもかまわない。

【００６５】なお、本発明はレーザー溶接継手靭性の優
れた高強度鋼を提供することを目的としているが、溶接
時に鋼板に加えられる熱履歴が、レーザー溶接と同様と
みなせる、すなわち、溶接後の冷却速度が比較的大き
く、具体的には８００℃から５００℃までの冷却速度が
２０ｓ以下で、原則的に１パス溶接で後続の溶接パスに
よる熱を受けない溶接であれば、溶接方法によらず同様
の効果を発揮する。

【００６６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。本例に用
いた供試鋼の化学組成を表１、２に示す。鋼材番号Ａ１
〜Ａ１０が本発明鋼、Ｂ１〜Ｂ５が比較鋼である。試作
鋼は連続鋳造または真空溶解により溶製し、鋳片または
インゴットに鋳造した後、加熱圧延を経て、板厚１２ｍ
ｍの鋼板として製造した。鋼板は全て再加熱焼入焼戻し
処理（ＱＴ）を施した。焼入・焼戻し条件は化学組成に
応じて調整した。

【００６７】

【表１】

【００６８】

【表２】

【００６９】表１、２には併せて、鋼中酸化物粒子の組
成、粒子径０．００５〜２μｍの粒子数の測定結果も示
す。なお酸化物粒子とは既述したように、酸化物中にＳ
を含む粒子、酸化物と硫化物とが複合化している粒子、
酸化物を核として硫化物が該酸化物の周囲に析出してい
る粒子を全て含んだものである。

【００７０】レーザー溶接は、レーザー切断あるいは鋸
切断したＩ型の端面同士をルートギャップなしで突き合
わせ溶接した。１０ｋＷのＣＯ₂ レーザー溶接機を用
い、溶接速度、約１．５ｍ／分でレーザー溶接した。

【００７１】表３は母材の引張特性、溶接後のＨＡＺお
よび溶融部組織形態、それぞれの特性を調査した結果を
示している。ＨＡＺ組織形態としては、加熱オーステナ
イト粒径、フェライト分率を、溶融部組織形態としては
フェライト分率を示す。加熱オーステナイト粒径、フェ
ライト分率については光学顕微鏡組織写真から測定した
が、加熱オーステナイト粒径はフュージョンラインから
ＨＡＺ側１ｍｍ内のＨＡＺの中での最大径を示し、フェ
ライト分率は板厚中心部のフュージョンラインからＨＡ
Ｚ側１ｍｍおよび溶融部中央近傍で撮影した倍率２００
倍の写真、５視野の平均で示した。

【００７２】靭性としては、母材の引張特性及びＨＡＺ
および溶融部の２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃特性を調
査した。母材の引張特性は圧延方向に直角な方向で板厚
中心部から丸棒引張試験片を採取して測定した。２ｍｍ
Ｖノッチシャルピー試験片は、ノッチ位置がフュージョ
ンラインからＨＡＺ側１ｍｍおよび溶融部中央となる、
試験片厚さ１０ｍｍの標準試験片とした。引張試験は室
温で実施し、シャルピー試験は種々の温度で試験を実施
し、破面遷移温度（ｖＴｒｓ）と−４０℃における吸収
エネルギー（ｖＥ−４０）を求めた。

【００７３】

【表３】

【００７４】表１、２において、鋼材番号Ａ１〜Ａ１０
は本発明により製造したものであり、鋼材番号Ｂ１〜Ｂ
９は本発明のいずれかの要件を満足していないものであ
る。表３の機械的性質から明らかなように、本発明によ
る鋼材番号Ａ１〜Ａ１０は、ＨＡＺの組織形態は本発明
の要件を満足しており、全て、良好な溶接部靭性（−４
０℃における吸収エネルギー及び破面遷移温度（ｖＴｒ
ｓ））が達成されていることが明らかである。

【００７５】一方、鋼材番号Ｂ１〜Ｂ５の比較例は、表
３から明らかなように、レーザー溶接継手の溶接部靭性
が本発明に比べて顕著に劣っている。

【００７６】以下、比較例について、ＨＡＺ靭性が劣る
理由を示す。

【００７７】鋼材番号Ｂ１は、Ｃが過剰なため、ＨＡＺ
の組織は本発明を満足しているが、靭性に対するＣの悪
影響が顕著で、ＨＡＺ靭性が本発明に比べて大きく劣
る。

【００７８】鋼材番号Ｂ２は、炭素当量が本発明に比べ
て過剰なため、ＨＡＺおよび溶融部のフェライト分率が
過少であり、そのため、フェライト相以外のベイナイト
組織が靭性に支配的となり、溶接部靭性が本発明に比べ
て大きく劣る。

【００７９】鋼材番号Ｂ３は、Ｍｎ量が本発明に比べて
過剰であるため、炭素当量は本発明の範囲内ではある
が、ＨＡＺおよび溶融部のフェライト組織の割合が十分
確保されておらず、その結果、溶接部靭性が本発明に比
べて大きく劣る。

【００８０】鋼材番号Ｂ４、Ｂ５はいずれもＨＡＺの加
熱オーステナイト粒径が粗大で本発明を満足しておら
ず、ＨＡＺ靭性が顕著に劣化している。

【００８１】以上の実施例から、本発明の鋼は、レーザ
ー溶接におけるＨＡＺの組織をフェライト主体とするこ
とが可能な、比較的低合金の鋼において、レーザー溶接
における溶接部靭性が極めて優れていることが明白であ
る。

【００８２】

【発明の効果】本発明により、引張強度が４００〜４９
０ＭＰａ級を中心とする、比較的低合金の鋼のレーザー
溶接継手のＨＡＺ靭性を向上させることが可能となり、
産業上の効果は極めて顕著である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者白幡浩幸大分県大分市大字西ノ洲１番地新日本製鐵株式会社大分製鐵所内Ｆターム(参考） 4E068 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓ
ｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、
Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ａｌ：
０．００５〜０．０６％、Ｎ：０．００１〜０．０１％
を含有し、かつ、（１）式で示す炭素当量（Ｃｅｑ．）
が０．３％以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼
を、レーザー溶接した際に、その溶接熱影響部におい
て、加熱オーステナイト粒径が１００μｍ以下で、かつ
溶接熱影響部組織に占めるフェライトの割合が４０％以
上であることを特徴とするレーザー溶接部の靭性に優れ
た鋼。Ｃｅｑ．＝Ｃ％＋Ｍｎ％／６＋（Ｃｕ％＋Ｎｉ％）／１５＋（Ｖ％＋Ｍｏ％＋Ｃｒ％）／５・・・・・（１）
【請求項２】質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．０３
％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％を含有し、か
つ、鋼中に、円相当径で０．００５〜２μｍの酸化物粒
子を単位面積当たりの個数で、１００〜３０００個／ｍ
ｍ²含有し、該酸化物の組成が、少なくともＣａ、Ａ
ｌ、Ｏを含み、Ｏを除いた元素が質量％で、Ｃａ：５％
以上、Ａｌ：５％以上を含有し、ＣａとＡｌとの合計が
５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のレ
ーザー溶接部の靭性に優れた鋼。
【請求項３】前記酸化物粒子の組成が少なくともＣ
ａ、Ａｌ、Ｏ、Ｓを含み、Ｏを除いた元素が質量％で、
Ｃａ：５％以上、Ａｌ：５％以上、Ｓ：１％以上を含有
し、ＣａとＡｌとＳとの合計が５０％以上であることを
特徴とする請求項２に記載のレーザー溶接部の靭性に優
れた鋼。
【請求項４】質量％で、Ｔｉ：０．００５〜０．０３
％、Ｃａ：０．０００５〜０．００３％、Ｍｇ：０．０
００１〜０．００２％を含有し、かつ、鋼中に、円相当
径で０．００５〜２μｍの酸化物粒子を単位面積当たり
の個数で、１００〜３０００個／ｍｍ²含有し、該酸化
物の組成が、少なくともＣａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏを含み、
Ｏを除いた元素が質量％で、Ｃａ：５％以上、Ａｌ：５
％以上、Ｍｇ：１％以上を含有し、ＣａとＡｌとＭｇと
の合計が５０％以上であることを特徴とする請求項１に
記載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。
【請求項５】前記酸化物粒子の組成が少なくともＣ
ａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏ、Ｓを含み、Ｏを除いた元素が質量
％で、Ｃａ：５％以上、Ａｌ：５％以上、Ｍｇ：１％以
上、Ｓ：１％以上を含有し、ＣａとＡｌとＭｇとＳとの
合計が５０％以上であることを特徴とする請求項４に記
載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。
【請求項６】レーザー溶接した際に、その溶融部にお
いてフェライトの割合が４０％以上であることを特徴と
する、請求項１〜５のいずれかに記載のレーザー溶接部
の靭性に優れた鋼。
【請求項７】質量％で、Ｃｕ：０．０５〜１．５％、
Ｎｉ：０．０５〜３％、Ｃ r：０．０５〜１％、Ｍｏ：
０．０５〜１％、Ｗ：０．１〜２％、Ｖ：０．０１〜
０．２％、Ｎｂ：０．００３〜０．０５％、Ｔａ：０．
０１〜０．２％、Ｚｒ：０．００５〜０．１％、Ｂ：
０．０００２〜０．００５％、の１種または２種以上を
含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記
載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。
【請求項８】質量％で、Ｙ：０．００１〜０．０１
％、Ｃｅ：０．００５〜０．１％、のうち１種または２
種を含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか
に記載のレーザー溶接部の靭性に優れた鋼。