CN106061671A - 焊接接头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有优异耐金属尘化性的焊接接头。焊接接头为使用具有以质量％计包含Cr：15.0～30.0％、及Ni：40.0～70.0％的化学组成的焊接材料进行焊接而成的焊接接头，其具备：母材，其化学组成以质量％计为，C：0.03～0.075％、Si：0.6～2.0％、Mn：0.05～2.5％、P：0.04％以下、S：0.015％以下、Cr：超过16.0％且不足23.0％、Ni：20.0％以上且不足30.0％、Cu：0.5～10.0％、Mo：不足1％、Al：0.15％以下、N：0.005～0.20％、O：0.02％以下、Ca：0～0.1％、REM：0～0.15％、V：0％以上且不足0.5％、Nb：0～2％、余量：Fe及杂质；和具有以质量％计Fe含量为10～40％的化学组成的初层焊接金属。

Description

焊接接头
技术领域
本发明涉及焊接接头，更详细而言涉及具有优异耐金属尘化性的焊接接头。
背景技术
预想氢气、甲醇、液体燃料(GTL：Gas to Liquids)、二甲基醚(DME)之类的清洁能源的燃料在今后需求大幅增加。它们的合成气体制造中不可欠缺的改性装置优选大型且热效率高、适于量产的装置。另外，以往的石油精制、石油化学设备等中的改性装置、以石油等作为原料的氨制造装置、氢气制造装置等中，为提高能量效率大多使用用于回收废热的热交换。
为了有效地利用这样的高温气体的热量，比以往更低的400～800℃的温度域中的热交换变得重要。该温度域下与反应管、热交换器等中使用的高Cr-高Ni-Fe合金系金属材料的渗碳现象伴生的腐蚀成为问题。
通常，上述这样的反应装置中制造的合成气体即包含H2、CO、CO2、H2O及甲烷等烃的气体，与反应管等金属材料在1000℃或其以上的温度下接触。该温度域下金属材料的表面上，选择性地氧化与Fe、Ni等相比氧化倾向更大的Cr、Si等元素，形成氧化Cr、氧化Si等的致密的覆膜，由此抑制腐蚀。但是，热交换部分等温度相对低的部分中，元素从金属材料的内部向表面的扩散变得不充分，因此具有腐蚀抑止效果的氧化覆膜的形成变慢。进而，包含烃的组成的气体，向渗碳性变化，从而C由金属材料表面浸入而产生渗碳。
乙烯裂解炉管等中，渗碳不断进行而形成包含Cr、Fe等的碳化物的渗碳相时，该部分的体积膨胀。其结果，变得容易生成微细的裂纹，最差的情况下使用中的管断裂。另外，金属表面露出时，在表面发生以金属作为催化剂的碳析出(积碳，coking)，伴随着管内流路面积的减少、传热特性的降低。
在提高通过原油的蒸馏而得到的石脑油的辛烷值的催化裂解炉的加热炉管等中，也会形成由烃和氢气构成的渗碳性的严苛环境，发生渗碳、金属尘化。
这样的龟裂、损耗、管内堵塞扩大时，有发生装置故障等、甚至作业中断之虞，作为装置构件的材料选定必需充分的考虑。
为了防止这样的渗碳、金属尘化导致的腐蚀，以往就研究了各种对策。
以往，作为这样的装置构件，可以使用高Cr-高Ni-Fe合金。例如，日本特开2001-107196号公报公开了：限定了化学组成，并且将Si、Cu或S的含量与Nb、Ta、Ti及Zr的含量的关系以及Si、Cu或S的含量与Ni、Co及Cu的含量的关系限定为一定范围的焊接接头。该文献中，该焊接接头在硫酸环境下的耐腐蚀性及耐焊接裂纹性优异。但是，该焊接接头的Si含量少，因此产生金属尘化的环境下的使用是困难的。
日本特开2002-235136号公报公开了：有意地含有Al，并且限定了晶界熔融量与晶界固定力的关系的Ni基耐热合金焊接接头。该文献中，该焊接接头的耐渗碳性及高温强度优异。但是，就该焊接接头而言，为了确保耐金属尘化性而增加Si含量时，变得容易产生焊接凝固裂纹，难以兼顾耐金属尘化性和耐焊接凝固裂纹性。
国际公开第2009/107585号提出了：通过对含Si及Cu的钢提高C，实现焊接热影响部(以下，称为HAZ)发生的裂纹敏感性的降低的金属材料。但是，高C添加除了提高焊接时发生的凝固裂纹敏感性之外还导致蠕变延展性的降低。
日本特开2007-186727号公报及日本特开2007-186728号公报提出了：通过适量含有P、S、Sb及Bi中的1种或2种以上，抑制气体解离性吸附(气体/金属表面反应)。这些元素在金属表面偏析，因此即使不过量地添加也能大幅地抑制渗碳、金属尘化腐蚀。但是，这些元素不仅在金属表面、还在金属晶粒的晶界产生偏析，因此热加工性、焊接性方面存在问题。
国际公开第2012/524983号提出了：通过对含Si及Cu的钢限制C含量，降低凝固裂纹敏感性、且通过限制Ti及Al含量降低HAZ裂纹敏感性的金属材料。但是，该文献针对用于焊接金属材料而组成结构物所必需的焊接材料未进行公开。
日本特开2006-45597号公报提出了通过适宜添加Ti而降低了Si的不良影响的焊接材料及使用它的焊接接头。
发明内容
但是，根据本发明人等的研究，明确了：即使能够确保母材及焊接材料各自的耐金属尘化性，在制作焊接接头时，根据焊接的条件有时也不能确保焊接金属的耐金属尘化性。
本发明的目的在于提供具有优异的耐金属尘化性的焊接接头。
本发明的焊接接头是使用具有以质量％计包含Cr：15.0～35.0％、及Ni：40.0～70.0％的化学组成的焊接材料焊接而成的焊接接头，具备：母材，其化学组成以质量％计为，C：0.03～0.075％、Si：0.6～2.0％、Mn：0.05～2.5％、P：0.04％以下、S：0.015％以下、Cr：超过16.0％且不足23.0％、Ni：20.0％以上且不足30.0％、Cu：0.5～10.0％、Mo：不足1％、Al：0.15％以下、N：0.005～0.20％、O：0.02％以下、Ca：0～0.1％、REM：0～0.15％、V：0％以上且不足0.5％、Nb：0～2％、余量：Fe及杂质；和具有以质量％计Fe含量为10～40％的化学组成的初层焊接金属。
根据本发明，可以得到具有优异的耐金属尘化性的焊接接头。
附图说明
图1为焊接接头的截面示意图。
具体实施方式
本发明人等研究了提高焊接接头的耐金属尘化性的方法。
通过含有Si、Cu及P等元素提高耐金属尘化性。但是，这些元素显著增加焊接凝固裂纹敏感性。焊接凝固裂纹在下述情况下发生，在接近焊接凝固过程的结束期、主要是在晶界存在膜状的液相的阶段，凝固收缩或热收缩所施加的应变达到焊接金属的变形能力以上。作为降低焊接凝固裂纹敏感性的方法，可以考虑提高焊接金属的变形能力。但是，产生变更母材成分的必要，违背了确保耐金属尘化性的目的。因此，本发明人等研究不变更母材成分而能够确保耐金属尘化性及耐焊接凝固裂纹性的方法。
如上所述，即使能确保母材及焊接材料各自的耐金属尘化性，在制作焊接接头时，根据焊接的条件有时也不能确保焊接金属的耐金属尘化性。虽然详细的机理尚未确定，但可知在焊接金属中的Fe含量与Ni含量欠平衡的区域，凝固组织造成影响、变得容易发生金属尘化。焊接金属的初层易受母材稀释率的影响，Fe含量与Ni含量的平衡容易变差。因此，初层作为接触气体面时，变得容易发生金属尘化。
为了得到具有与母材同等的耐金属尘化性的焊接接头，必需限制焊接金属的Fe含量。更具体而言，调节焊接金属的初层的Fe含量，使其以质量％计为40％以下，可以得到具有与母材同等的耐金属尘化性的焊接接头。另一方面，焊接金属的初层的Fe含量过少也会变得容易发生金属尘化。因此，有必要调节焊接金属的初层的Fe含量使其以质量％计为10％以上。
基于以上的见解，完成本发明的焊接接头。以下，详细说明本发明的一个实施方式的焊接接头。需要说明的是，以下的说明中，元素含量的“％”表示质量％。
本实施方式的焊接接头为用具有包含Cr：15.0～35.0％、及Ni：40.0～70.0％的化学组成的焊接材料对母材进行焊接的焊接接头。焊接接头例如为将钢管之间或钢板之间在彼此的端部焊接而成的。焊接接头具备母材、和焊接金属。焊接金属由母材的一部分与焊接材料熔融及凝固形成。初层焊接金属具有Fe含量为10～40％的化学组成。
[母材的化学组成]
母材具有以下的化学组成。
C：0.03～0.075％
碳(C)与Cr等结合形成碳化物，提高母材的强度。另一方面，过量地含有C时，高温时的蠕变延展性降低。因此，母材的C含量为0.03～0.075％。母材的C含量的优选下限为0.035％、更优选下限为0.04％。母材的C含量的优选上限为0.07％。
Si：0.6～2.0％
硅(Si)与氧的亲和力强，在Cr2O3等的保护性氧化皮层的下层形成Si系氧化皮，阻隔渗碳性气体。另一方面，Si过量含有时，热加工性及焊接性显著降低。因此，母材的Si含量为0.6～2.0％。母材的Si含量的优选下限为0.8％。母材的Si含量的优选上限为1.5％。
Mn：0.05～2.5％
锰(Mn)使钢脱氧。另外Mn使奥氏体相稳定化。Mn还改善钢的加工性及焊接性。另一方面，Mn过量含有时，妨碍保护性氧化皮层的渗碳性气体阻隔性能。因此，母材的Mn含量为0.05～2.5％。母材的Mn含量的优选下限为0.1％。母材的Mn含量的优选上限为2.0％。
P：0.04％以下
磷(P)为熔炼钢时从原料等中混入的杂质。P使钢的热加工性及焊接性降低。因此，母材的P含量为0.04％以下。母材的P含量优选尽可能降低。母材的P含量的优选上限为0.03％、更优选上限为0.025％。
S：0.015％以下
硫(S)为熔炼钢时从原料等中混入的杂质。S使钢的热加工性及焊接性降低。尤其是，钢的Si含量、Cu含量高时，其效果变得重要。因此，母材的S含量为0.015％以下。母材的S含量优选尽可能降低。母材的S含量的优选上限为0.005％、更优选上限为0.002％。
Cr：超过16.0％且不足23.0％
铬(Cr)形成Cr2O3等的保护性氧化皮层、阻隔渗碳性气体。由此，Cr赋予钢耐渗碳性、耐金属尘化性、及抗积炭性。另一方面，Cr与C结合形成碳化物，使蠕变延展性降低。另外，Cr使奥氏体相的蠕变强度降低。尤其是，Si及Cu的含量高时该影响大。因此，母材的Cr含量超过16.0％且不足23.0％。母材的Cr含量的优选下限为18.0％。母材的Cr含量以上限的观点优选不足20.0％。
Ni：20.0％以上且不足30.0％
镍(Ni)使奥氏体相稳定化。另外Ni降低浸入钢中的C的浸入速度。Ni还提高钢的高温强度。另一方面，Ni过量含有时，成本增大。另外，Ni过量含有时，有时促进积炭、金属尘化。因此，母材的Ni含量为20.0％以上且不足30.0％。母材的Ni含量的优选下限为22.0％。母材的Ni含量的优选上限为28.0％。
Cu：0.5～10.0％
铜(Cu)抑制渗碳性气体与金属的表面反应，提高金属的耐金属尘化性。另外Cu使奥氏体相稳定化。另一方面，Cu过量含有时，钢的焊接性降低。因此，母材的Cu含量为0.5～10.0％。母材的Cu含量的优选下限为1.5％。母材的Cu含量的优选上限为6.0％。
Mo：不足1％
钼(Mo)为杂质。Mo含有1％以上时，诱发σ相等的金属间化合物生成，组织稳定性及热加工性降低。因此，母材的Mo含量为不足1％。另一方面，极端地降低Mo时，成本增大。因此，母材的Mo含量的优选下限为0.05％。
Al：不足0.15％
铝(Al)使钢脱氧。另一方面，Al过量含有时，形成大量的氮化物，钢的韧性降低。因此，母材的Al含量不足0.15％。Al含量越少越好。但是，极端地降低Al时不能充分得到脱氧效果。另外，极端地降低Al时，钢的纯度变大。另外，极端地降低Al时，成本增大。因此，母材的Al含量的优选下限为0.003％。
N：0.005～0.20％
氮(N)提高钢的高温强度。N还提高母材中的C的活度，提高母材的耐金属尘化性。另一方面，N过量含有时，钢的热加工性降低。因此，母材的N含量为0.005～0.20％。母材的N含量的优选下限为0.010％。母材的N含量的优选上限为0.15％。
O：0.02％以下
氧(O)为杂质。O过量含有时，母材的制造时的热加工性降低。另外，O过量含有时，焊接金属的韧性及延展性降低。因此，母材的O含量为0.02％以下。母材的O含量的优选上限为0.01％。
母材的化学组成的余量为Fe及杂质。杂质是指从用作钢的原料的矿石、废料中混入的元素、或由制造工序的各种因素混入的元素。
本实施方式的母材的化学组成可以含有选自以下所示的第1群及第2群的之中的至少1个群中的1种或2种代替上述的Fe的一部分。
第1群：Ca：0.1％以下、REM：0.15％以下
第2群：V：不足0.5％、Nb：2％以下
第1群(Ca：0.1％以下、REM：0.15％以下)
钙(Ca)及稀土元素(REM)为任意元素。即，Ca及REM也可以在母材中不含有。Ca及REM均提高钢的热加工性。因此，根据需要可以在母材中含有Ca及REM中的1种或2种。欲得到在母材中含有Ca及/REM的效果时，优选含有0.005％以上的至少一种。
需要说明的是，“REM”为Sc、Y及镧系元素的总计17种元素的总称，REM的含量是指REM中的1种或2种以上的元素的总含量。另外，通常在混合稀土合金中含有REM。因此例如，也可以以混合稀土合金的形式添加，使REM的含量在上述范围内含有。
另一方面，Ca过量含有时，钢的焊接性降低。因此，母材的Ca含量的上限为0.15％。另外，REM过量含有时，钢的焊接性降低。因此，母材的REM含量的上限为0.15％。上述的Ca及REM能够仅单独含有任1种、或复合含有2种。复合含有2种时，总含量的优选上限为0.2％。
第2群(V：不足0.5％、Nb：2％以下)
钒(V)及铌(Nb)为任意元素。即，V及Nb也可以在母材中不含有。V及Nb均提高钢的高温强度。因此，V及Nb的1种或2种也可以根据需要在母材中含有。需要说明的是，欲得到含有V的效果的情况下优选含有0.002％以上、欲得到含有Nb的效果的情况下优选含有0.005％以上。
另一方面，V过量含有时，钢的焊接性降低。因此，母材的V含量从上限的观点出发为不足0.5％。另外，Nb过量含有时，钢的焊接性降低。因此，母材的Nb含量的上限为2％。上述的V及Nb能够仅单独含有任1种、或复合含有2种。复合含有2种时，总含量的优选上限为2.2％。
[焊接金属的初层的化学组成]
本实施方式的焊接接头的焊接金属包含具有Fe含量为10～40％的化学组成的初层。焊接金属中产生凝固偏析。虽然详细的机理尚未确定，但焊接金属中的Fe含量与Ni含量欠平衡的区域中，凝固组织造成影响、变得容易发生金属尘化。焊接金属的初层易受母材稀释率的影响，Fe含量与Ni含量的平衡容易变差。通过将初层的Fe含量设为10～40％，可以得到与母材同等的耐金属尘化性。
焊接金属的初层(初层焊接金属)是指JIS B 0190规定的初层。对于初层焊接金属，更具体而言是指，焊接时在第1道次焊接时制成的焊接金属。焊接金属由母材与焊接材料熔融、凝固而形成。焊接金属越重叠道次数越不受母材的成分的影响(母材稀释)，而焊接材料的成分处于支配地位。因此，仅对容易受到母材的稀释的影响的初层焊接金属，有必要管理成分范围来确保性能。
图1为焊接接头的一个例子的焊接接头1的截面示意图。焊接接头1具备母材10和焊接金属20。该例中，焊接金属20包含初层焊接金属21和第2层以后的层22。
焊接金属的初层优选具有以下的化学组成。
C：0.01～0.15％
碳(C)提高焊接金属的强度。另一方面，C过量含有时，焊接金属的韧性降低。因此，焊接金属的初层的C含量为0.01～0.15％。焊接金属的初层的C含量的优选下限为0.05％、更优选为0.03％。焊接金属的初层的C含量的优选上限为0.12％、更优选为0.10％。
Si：0.01～4.0％
硅(Si)与氧的亲和力强，在Cr2O3等的保护性氧化皮层的下层形成Si系氧化皮、阻隔渗碳性气体。另一方面，Si过量含有时，热加工性及焊接性显著降低。因此，焊接金属的初层的Si含量为0.01～4.0％。焊接金属的初层的Si含量的优选下限为0.08％、进一步优选为0.3％。焊接金属的初层的Si含量的优选上限为3.5％、进一步优选为2.0％。
Mn：0.05～3.0％
锰(Mn)使钢脱氧。另外Mn使奥氏体相稳定化。Mn还改善钢的加工性及焊接性。另一方面，Mn过量含有时，阻碍保护性氧化皮层的渗碳性气体阻隔性能。因此，焊接金属的初层的Mn含量为0.05～3.0％。焊接金属的初层的Mn含量的优选下限为0.1％。焊接金属的初层的Mn含量的优选上限为2.5％。
P：0.03％以下
磷(P)为熔炼钢时从原料等中混入的杂质。P使钢的热加工性及焊接性降低。在焊接金属中，P还提高焊接凝固裂纹敏感性。因此，焊接金属的初层的P含量为0.03％以下。焊接金属的初层的P含量优选尽可能降低。焊接金属的初层的P含量的优选上限为0.025％。
S：0.015％以下
硫(S)为熔炼钢时从原料等中混入的杂质。S使钢的热加工性及焊接性降低。因此，焊接金属的初层的S含量为0.015％以下。焊接金属的初层的S含量优选尽可能降低。焊接金属的初层的S含量的优选上限为0.005％、更优选上限为0.002％。
Cr：超过16.0％且不足32.0％
铬(Cr)在高温的使用环境下，与浸入焊接接头中的C结合而延缓渗碳层的生长、提高耐金属尘化性。另一方面，Cr过量含有时，焊接金属的韧性降低。因此，焊接金属的初层的Cr含量超过16.0％且不足32.0％。焊接金属的初层的Cr含量的优选下限为18.0％。对于焊接金属的初层的Cr含量，作为上限优选为不足23.0％、更优选为不足20.0％。
Ni：20.0％以上
镍(Ni)提高高温强度及组织稳定性。Ni还通过与Cr共存，提高耐腐蚀性。另外，Ni抑制金属尘化的发生。因此，焊接金属的初层的Ni含量为20.0％以上。焊接金属的初层的Ni含量的优选上限为80％。
Cu：0.03～5.0％
铜(Cu)抑制渗碳性气体与金属的表面反应，提高金属的耐金属尘化性。另外Cu使奥氏体相稳定化。另一方面，Cu过量含有时，提高焊接凝固裂纹敏感性。因此，焊接金属的初层的Cu含量为0.03～5.0％。焊接金属的初层的Cu含量的优选下限为0.04％。焊接金属的初层的Cu含量的优选上限为4.5％。
Al：1.0％以下
铝(Al)使钢脱氧。另一方面，Al过量含有时，形成大量的氮化物、钢的韧性降低。另外，Al过量含有时，焊接施工性恶化。因此，焊接金属的初层的Al含量为1.0％以下。Al含量越少越好。但是，极端地降低Al时，不能充分地得到脱氧效果。另外，极端地降低Al时，钢的纯度变大。另外，极端地降低Al时，成本增大。因此，焊接金属的初层的Al含量的优选下限为0.003％。
N：0.005～0.20％
氮(N)提高钢的高温强度。N还提高焊接金属中的C的活度，提高焊接金属的耐金属尘化性。另一方面，N过量含有时，焊接金属的延展性降低。因此，焊接金属的初层的N含量为0.005～0.20％。焊接金属的初层的N含量的优选下限为0.010％。焊接金属的初层的N含量的优选上限为0.15％。
O：0.02％以下
氧(O)为杂质。O过量含有时，焊接金属的韧性及延展性降低。因此，焊接金属的初层的O含量为0.02％以下。焊接金属的初层的O含量的优选上限为0.01％。
Ti：0～0.5％
钛(Ti)为任意元素。即，焊接金属的初层也可以不含有Ti。Ti与Ni结合，作为金属间化合物微细地在粒内析出，对于确保高温时的蠕变强度是有效的元素。因此，根据需要也可以含有Ti。含有Ti的情况下，优选下限为0.005％。但是，Ti含量变多、尤其是超过0.5％时，高温时的使用中金属间化合物相急速地粗大化带来蠕变强度及韧性的剧烈下降，导致焊接时焊接金属的纯度降低，使焊接性恶化。因此，焊接金属的初层的Ti含量的上限为0.5％。
Mo：0～8％
钼(Mo)为任意元素。即，在焊接金属的初层也可以不含有Mo。Mo在基体中固溶、有助于高温时的蠕变强度的提高。因此，根据需要也可以含有Mo。含有Mo的情况下，优选下限为0.05％。但是，Mo含量变多、尤其是超过8％时，导致奥氏体的稳定性降低、蠕变强度的降低。因此，焊接金属的初层的Mo含量的上限为8％。
Nb：0～3％
铌(Nb)为任意元素。即，在焊接金属的初层也可以不含有Nb。Nb在基体中固溶、或以碳氮化物的形式析出，有助于高温时的蠕变强度的提高。因此，根据需要也可以含有Nb。含有Nb的情况下，优选下限为0.05％。但是，Nb含量变多、尤其是超过3％时，碳氮化物大量地析出、钢的延展性降低。因此，焊接金属的初层的Nb含量的上限为3％。
Co：0～15％
钴(Co)为任意元素。即，在焊接金属的初层也可以不含有Co。Co使奥氏体相稳定化、提高蠕变强度。因此，根据需要也可以含有Co。焊接金属的初层中含有Co的情况下，优选下限为0.01％。另一方面，Co过量含有时，成本增大。因此，焊接金属的初层的Co含量的上限为15.0％。焊接金属的初层的Co含量的优选上限为14.5％。
焊接金属的初层的化学组成的余量为Fe及杂质。但是，焊接金属的初层如上所述，Fe含量为10～40％。
[焊接材料的化学组成]
本实施方式的焊接接头如上所述用具有包含Cr：15.0～35.0％、及Ni：40.0～70.0％的化学组成的焊接材料进行焊接而成的。焊接材料与母材的一部分一同形成焊接金属。
Cr：15.0～35.0％
铬(Cr)形成Cr2O3等的保护性氧化皮层、阻隔渗碳性气体。由此，Cr赋予钢耐渗碳性、耐金属尘化性、及抗积炭性。另一方面，Cr与C结合、形成碳化物、降低蠕变强度。尤其是，Si及Cu的含量高时，其影响大。焊接材料的Cr含量为15.0％～35.0％。焊接材料的Cr含量的优选下限为16.0％。焊接材料的Cr含量的优选上限为33.0％、更优选为30.0％、进一步优选为28.0％。
Ni：40.0～70.0％
镍(Ni)使奥氏体相稳定化。另外Ni降低浸入至钢中的C的浸入速度。Ni还提高钢的高温强度。焊接材料中为了发挥这些效果，Ni必需含有40％以上。另一方面，过量地含有Ni时该效果饱和。因此，焊接材料的Ni含量为40.0～70.0％。焊接材料的Ni含量的优选下限为45.0％。
焊接材料优选除了Cr及Ni之外还具有以下的化学组成。
C：0.01～0.15％
碳(C)提高焊接金属的强度。另一方面，C过量含有时，焊接凝固裂纹敏感性提高。因此，焊接材料的C含量为0.01～0.15％。焊接材料的C含量的优选下限为0.03％、进一步优选为0.05％。焊接材料的C含量的优选上限为0.12％、进一步优选为0.10％。
Si：4.0％以下
硅(Si)降低热加工性及焊接性。因此，焊接材料的Si含量为4.0％以下。焊接材料的Si含量的优选上限为3.5％、更优选为2.0％、进一步优选为1.5％。焊接接头必需高耐腐蚀性的情况下，焊接材料的Si含量的下限优选设为0.5％。
Mn：0.01～3.5％
锰(Mn)使钢脱氧。另外Mn使奥氏体相稳定化。Mn还改善钢的加工性及焊接性。另一方面，Mn过量含有时，焊接材料制造时的热加工性变差。因此，焊接材料的Mn含量为0.05～3.5％。焊接材料的Mn含量的优选下限为0.05％、进一步优选为0.10％。焊接材料的Mn含量的优选上限为3.0％。
P：0.03％以下
磷(P)为熔炼钢时从原料等混入的杂质。P使钢的热加工性及焊接性降低。P还提高焊接金属的焊接凝固裂纹敏感性。因此，焊接材料的P含量为0.03％以下。焊接材料的P含量优选尽可能降低。焊接材料的P含量的优选上限为0.025％。
S：0.015％以下
硫(S)为熔炼钢时从原料等中混入的杂质。S使钢的热加工性及焊接性降低。因此，焊接材料的S含量为0.015％以下。焊接材料的S含量优选尽可能降低。焊接材料的S含量的优选上限为0.005％、更优选上限为0.002％。
Cu：0.01～4.0％
铜(Cu)抑制渗碳性气体与金属的表面反应，提高金属的耐金属尘化性。Cu还使奥氏体相稳定化。另一方面，Cu过量含有时，焊接凝固裂纹敏感性提高。因此，焊接材料的Cu含量为0.01～4.0％。焊接材料的Cu含量的优选下限为0.03％。焊接材料的Cu含量的优选上限为3.5％。
Al：0～1.5％
铝(Al)为任意元素。即，焊接材料中也可以不含有Al。Al使钢脱氧。另一方面，Al过量含有时，形成大量的氮化物、钢的韧性降低。另外，Al过量含有时，焊接施工性恶化。因此，焊接材料的Al含量为1.5％以下、优选为1.0％以下。但是，极端地降低Al时，不能充分地得到脱氧效果。另外，极端地降低Al时，钢的纯度变大。另外，极端地降低Al时，成本增大。因此，焊接材料的Al含量的优选下限为0.003％。焊接接头必需高的高温强度时，焊接材料的Al含量的下限优选设为0.15％。
N：0.005～0.1％
氮(N)提高钢的高温强度。N还提高焊接材料中的C的活度，提高焊接材料的耐金属尘化性。另一方面，N过量含有时，焊接材料的制造时的热加工性降低。因此，焊接材料的N含量为0.005～0.1％。焊接材料的N含量的优选下限为0.010％。焊接材料的N含量的优选上限为0.05％。
O：0.03％以下
氧(O)为杂质。O过量含有时，焊接材料的制造时的热加工性降低。另外，焊接金属的韧性及延展性也降低。因此，焊接材料的O含量为0.03％以下。焊接材料的O含量的优选上限为0.02％。
Ti：0～1.0％
钛(Ti)为任意元素。即，焊接材料中也可以不含有Ti。Ti与Ni结合以金属间化合物的形式微细地在粒内析出，对于确保高温时的蠕变强度是有效的元素。因此，根据需要也可以含有Ti。含有Ti时，优选下限为0.15％。但是，Ti含量变多、尤其是超过1.0％时，在高温下的使用中，金属间化合物相急速粗大化带来蠕变强度及韧性的剧烈下降，在合金的制造时导致纯度的降低、制造性恶化。因此，焊接材料的Ti含量的上限为1.0％。
Mo：0～15％
钼(Mo)为任意元素。即，焊接材料中也可以不含有Mo。Mo在基体中固溶、有助于高温时的蠕变强度的提高。因此，根据需要也可以含有Mo。含有Mo时，优选下限为0.01％、进一步优选为7％。但是，Mo含量变多、尤其是超过15％时，导致奥氏体的稳定性降低、蠕变强度的降低。因此，焊接材料的Mo含量的上限为15％。
Nb：0～5％
铌(Nb)为任意元素。即，焊接材料中也可以不含有Nb。Nb在基体中固溶、或以碳氮化物的形式析出，有助于高温时的蠕变强度的提高。因此，根据需要也可以含有Nb。含有Nb时，优选下限为0.005％。但是，Nb含量变多、尤其是超过5％时，碳氮化物大量地析出、钢的延展性降低。因此，焊接材料的Nb含量的上限为5％。
Co：0～15％
钴(Co)为任意元素。即，焊接材料中也可以不含有Co。Co使奥氏体相稳定化、提高蠕变强度。因此，根据需要也可以含有Co。焊接材料含有Co时，优选下限为0.01％。另一方面，Co过量含有时，成本增大。因此，焊接材料的Co含量的上限为15.0％。焊接材料的Co含量的优选上限为14.5％。
需要说明的是，尤其是欲确保高温强度的情况下，焊接材料的化学组成优选包含Al：0.15～1.5％、Ti：0.15～1.0％、及Mo：7～15％，进一步优选包含Nb：0.1～5％、及Co：0.1～15％中的至少一种。
另外，欲确保耐腐蚀性的情况下，焊接材料的化学组成优选包含Si：0.5～4.0％。
[制造方法]
首先，对母材的制造方法的一个例子进行说明。对具有上述的母材的化学组成的钢进行熔炼。熔炼可以在电炉中进行，可以在Ar-O2混合气体底吹脱炭炉(AOD炉)中进行、也可以在真空脱炭炉(VOD炉)中进行。对熔炼的钢通过铸锭法制成铸锭。或者，对熔炼的钢通过连续铸造法制成铸坯。
使用铸锭或铸坯制造母材。母材例如为钢板或钢管。就钢板而言，例如对铸锭或铸坯实施热锻、或热轧等热加工进行制造。就钢管而言，例如对铸锭或铸坯通过热加工形成圆钢坯，并对圆钢坯实施穿轧、热挤出、或热锻等热加工进行制造。对钢管或、钢板进行弯曲加工形成开缝管，将开缝管的长度方向的两端面焊接进行制造。
对母材根据需要实施公知的热处理。
接着，对焊接材料的制造方法的一个例子进行说明。对具有上述焊接材料的化学组成的钢进行熔炼。对熔炼的钢进行铸造而制成铸锭。对铸锭进行热加工而制造焊接材料。焊接材料可以为棒状，也可以为块状。
对焊接材料根据需要也实施公知的热处理。
使用上述的焊接材料焊接上述的母材。由此，可以得到焊接接头。焊接方法例如，为TIG焊接、MIG焊接、MAG焊接、及埋弧焊接。焊接时，母材的一部分与焊接材料熔融及凝固，形成焊接金属。
此时，以焊接金属的初层的Fe含量为10～40％的方式调节母材稀释率。更具体而言，根据母材的化学组成及焊接材料的化学组成，调节初层焊接时的线能量及焊接材料供给速度。增大初层焊接时的线能量时，母材稀释率变大、焊接金属的初层的Fe含量变大。另外，加快焊接材料供给速度时，母材稀释率变小、焊接金属的初层的Fe含量变小。
实施例
以下，根据实施例对本发明更具体地说明。本发明不限定于这些实施例。
将具有表1所示的化学组成的符号A及符号B的钢在实验室熔解而制作铸锭。对制作的铸锭实施热锻、冷轧、热处理及机械加工，制作外径25.4mm、板厚3.3mm、长度60mm的钢管(母材)。
[表1]
将具有表2所示的化学组成的符号T～Z的钢在实验室熔解而制作铸锭。对铸锭实施热锻、热轧、热处理及机械加工，制作外径1.2mm的焊丝(焊接材料)。
[表2]
沿上述的钢管的圆周方向实施坡口加工后，以表3中表示的组合以及条件下对母材及焊接材料进行焊接而制作焊接接头。
[表3]
如表3所示，通过在4～8kJ/cm的范围改变初层的焊接线能量(初层线能量)、在490～770mm/分钟的范围改变焊接材料供给速度，从而使母材稀释率变化。之后，层叠时在8～15kJ/cm的范围进行焊接而制作焊接接头。
首先，对仅焊接初层的接头中的焊接金属的初层的化学组成进行分析。
接着，评价各焊接接头的耐焊接凝固裂纹性。具体而言，对制作的焊接接头的各个焊道实施浸透探伤试验，检测焊道表面产生的缺陷(焊接凝固裂纹)。未被检测出缺陷的情况下，判断为满足本发明的性能。
进而，评价各焊接接头的耐金属尘化性。具体而言，将焊接金属作为中央，从各制作的焊接接头切出板厚3.3mm、宽度20mm、长度30mm的试验片。该试验片在体积比为45％CO‐42.5％H2‐6.5％CO2‐6％H2O气体气氛中，在650℃下等温保持500小时。之后，对试验片表面产生的凹坑的有无通过目视及光学显微镜进行判断。凹坑未产生的情况下，判断为满足本发明的性能。
结果示于表3。表3的“化学组成”一栏记载了各焊接接头的焊接金属的初层的化学组成。表3的“焊接金属的耐MD性”一栏记载了耐金属尘化性的评价结果。“○”表示该评价中未产生凹坑。“×”表示该评价中产生凹坑。需要说明的是，制作的所有焊接接头中，未检测出焊接凝固裂纹。
试验编号J1～J32、J34、J35、J37、及J38的焊接接头在本发明的范围内。具体而言，母材的化学组成在本发明的范围内，焊接材料包含Cr：15.0～30.0％、及Ni：40.0～70.0％，焊接金属的初层的Fe含量为10～40％。这些焊接接头同时具备耐焊接凝固裂纹性、优异的耐金属尘化性。
试验编号J33的焊接接头在耐金属尘化性的评价中发生金属尘化。试验编号J18的焊接接头的母材的化学组成在本发明的范围内，焊接材料包含Cr：15.0～30.0％、及Ni：40.0～70.0％。但是，试验编号J33的焊接接头的焊接金属的初层的Fe含量少。因此，可以认为凝固组织的焊接金属中未得到足够的渗碳抑制效果。
试验编号J36的焊接接头在耐金属尘化性的评价中，发生金属尘化。试验编号J36的焊接接头的母材的化学组成在本发明的范围内，焊接材料包含Cr：15.0～30.0％、及Ni：40.0～70.0％。但是，试验编号J21的焊接接头的焊接金属的初层的Fe含量多。因此，可以认为凝固组织的焊接金属中未得到足够的渗碳抑制效果。
试验编号J39～41的焊接接头在耐金属尘化性的评价中，发生金属尘化。试验编号J39～41的焊接接头的焊接材料的Ni含量少。其结果，焊接金属中的Fe含量的比率变大、初层的Fe含量也多。因此，可以认为凝固组织的焊接金属中未得到足够的渗碳抑制效果。
产业上的可利用性
本发明可以适宜地用作高温的腐蚀环境下使用的构件的焊接接头。本发明可以适宜地用作例如石油·气体纯化、石油化学设备等中的热交换型烃改性装置、废热回收装置等中使用的容器、反应管、部件等的焊接接头。

Claims (7)

1.一种焊接接头，其为使用具有以质量％计包含Cr：15.0～35.0％、及Ni：40.0～70.0％的化学组成的焊接材料进行焊接而成的焊接接头，
具备：母材，其化学组成以质量％计为，
C：0.03～0.075％、
Si：0.6～2.0％、
Mn：0.05～2.5％、
P：0.04％以下、
S：0.015％以下、
Cr：超过16.0％且不足23.0％、
Ni：20.0％以上且不足30.0％、
Cu：0.5～10.0％、
Mo：不足1％、
Al：0.15％以下、
N：0.005～0.20％、
O：0.02％以下、
Ca：0～0.1％、
REM：0～0.15％、
V：0％以上且不足0.5％、
Nb：0～2％、
余量：Fe及杂质；
和具有以质量％计Fe含量为10～40％的化学组成的初层焊接金属。
2.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，
所述母材的化学组成以质量％计含有选自由
Ca：0.005～0.1％、及
REM：0.005～0.15％
组成的组中的1种或2种。
3.根据权利要求1或2所述的焊接接头，
所述母材的化学组成以质量％计含有选自由
V：0.002％以上且不足0.5％、及
Nb：0.005～0.15％
组成的组中的1种或2种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的焊接接头，其中，
所述初层焊接金属的化学组成以质量％计为，
C：0.01～0.15％、
Si：0.01～4.0％、
Mn：0.05～3.0％、
P：0.03％以下、
S：0.015％以下、
Cr：超过16.0％且不足32.0％、
Ni：20.0％以上、
Cu：0.03～5.0％、
Al：1.0％以下、
N：0.005～0.2％、
O：0.02％以下、
Ti：0～0.5％、
Mo：0～8％、
Nb：0～3％、
Co：0～15％、
Fe：10～40％、
余量：杂质。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的焊接接头，其中，
所述焊接材料的化学组成以质量％计为，
C：0.01～0.15％、
Si：4.0％以下、
Mn：0.01～3.5％、
P：0.03％以下、
S：0.015％以下、
Cr：15.0～35.0％、
Ni：40.0～70.0％、
Cu：0.01～4.0％、
Al：0～1.5％、
N：0.005～0.1％、
O：0.03％以下、
Ti：0～1.0％、
Mo：0～15％、
Nb：0～5％、
Co：0～15％、
余量：Fe及杂质。
6.根据权利要求5所述的焊接接头，其中，
所述焊接材料的化学组成以质量％计，包含
Al：0.15～1.5％、
Ti：0.15～1.0％、及
Mo：7～15％，
还包含Nb：0.1～5％、及Co：0.1～15％中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的焊接接头，其中，
所述焊接材料的化学组成以质量％计，包含
Si：0.5～4.0％。
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