JP2007050446A

JP2007050446A - 多層溶接方法および多層溶接装置

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Publication number: JP2007050446A
Application number: JP2005238839A
Authority: JP
Inventors: Wataru Kono; 渉河野; Yasushi Kanazawa; 寧金澤; Hidenori Takahashi; 英則高橋; Masaki Tamura; 雅貴田村; Yoshinobu Makino; 吉延牧野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-03-01

Abstract

【課題】Ｌａのような希土類元素を溶加材に添加して溶接割れを防止するようにした溶接方法において、多層溶接を行う場合下地となる材料と溶加材とが混合して各層毎にＬａ量が変化して、添加量の適正範囲から外れてしまい、延性低下割れや凝固割れなどの溶接割れを引き起し、これを防ぐことが望まれている。
【解決手段】希土類元素Ｌａを添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、各層を１６、１７、１８溶接施工する際に、各層毎に希土類元素添加量が異なる溶加材１１、１２を用いることにより各層１６、１７、１８における溶加材の希土類元素添加量が適正範囲内に保つようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法および多層溶接装置に関する。

ニッケル基合金の一種であるインコネル（商標名）６９０合金は優れた耐食性を有しており、このため従来より原子力機器の、例えば原子炉蒸気発生器などの構造物の材料として使用されている。
これら構造物の組立、製造には一般的に接合手段として溶接手段が用いられるため、その溶加材（溶接棒、溶接ワイヤなど）が必要とされる。

その溶加材に対しては米国機械学会（The American Society of Mechanical Engineers : ASME）のボイラ及び圧力容器規程（ASME Boiler and Pressure Vessel Code）が適用されており、その化学成分は表１に示すようになっている。

しかし、この溶加材の溶接性は悪く、溶接完了後、溶接金属内に延性低下割れと言われる溶接割れが発生する恐れがある。
この溶接割れに対する対策の一つとして、溶接金属内に希土類元素であるランタン（Ｌａ）を微量に含有させることで、延性低下割れを防止することが知られている。

例えば、硫黄（Ｓ）やリン（Ｐ）等の不純物元素を７０〜８０ppm含んだ被溶接材料を溶接する際には、Ｌａ量を０．０１５mass％以上含有させることで延性低下割れを防止する効果が認められている。
しかし、Ｌａ量が０．０２５mass％以上になると逆に溶接金属に凝固割れが発生しやすくなる。

つまり、延性低下割れ及び凝固割れ等の溶接割れを防止するためには、溶接金属内に含有されるＬａ量に下限値と上限値とが存在し、Ｌａの含有量をその間の適正範囲内に保つことが必要とされる。

実際に溶接施工を行う際には、予めＬａ等の希土類元素を添加した溶加材を用いて溶接対象物を溶接することにより溶接金属内にＬａを含有させることになるが、溶接施工中に溶融した溶加材と母材とが混合するため、溶加材の成分は希釈されることになる。

溶接時の希釈率は図８（ａ）に示すように、溶接部の断面積の比率から求めることができる。
即ち、
希釈率＝｛（母材部分の溶融断面積１）／（母材部分の溶融断面積１＋溶着金属部の断面積２）｝×１００（％）
である。

溶接条件を一定とすれば希釈率はほぼ一定になるものの、図８（ｂ）に示すように、溶接金属の上から更に別の多層盛溶接を行う多層溶接の場合には、１層目の溶接金属３は母材４の希釈を受けるが、２層目の溶接金属５は１層目の溶接金属３の希釈を受けることになり、１層目と２層目の希釈率が同じであっても各層の溶接金属の成分は異なってしまう。
よって、溶接金属内の化学成分は希釈率から以下のように推定される。

Ｃ＝Ｃb×（希釈率）／１００＋Ｃw×（１−（希釈率）／１００）
Ｃ：溶接金属内の元素濃度（mass％）
Ｃb：基材内の元素濃度（mass％）
（ここで、基材とは溶接施工時の下地になる材料のことを示す。）
Ｃw：溶加材の元素濃度（mass％）
である。

つまり、溶接金属内の溶接割れを防止するために一定量のＬａを添加した溶加材を用いても、多層溶接を行った場合には各層の下地が異なるために基材内の元素濃度Ｃb（mass％）の値が変化しており、各層の基材が含有するＬａ量が変化するために、適正範囲外のＬａ量を含有した溶接金属層が形成される可能性がある。
このような溶接結果となるとＬａ量が変化した溶接金属層に溶接割れが発生する恐れがある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、Ｌａ等の希土類元素を添加した溶加材を用いて溶接を行う多層溶接において、各層の溶接金属に溶接割れが発生せずに安定した溶接施工が行える、特にインコネル（商標名）６９０合金等の高耐食性材料による溶接に適する多層溶接方法および多層溶接装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明の請求項１に記載の多層溶接方法の発明は、希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、各層を溶接施工する際に、各層毎に希土類元素添加量が異なる溶加材を用いることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の多層溶接方法の発明は、希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、各層を溶接施工する際に、複数の溶加材を用い、複数の溶加材の供給比率を各層毎に制御するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の多層溶接方法の発明は、希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、１種類の溶加材により各層を溶接し、各層の希釈率を制御するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の多層溶接方法の発明は、希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、１種類の溶加材を用い、一定の希釈率で各層を溶接し、溶加材に含有される希土類元素量と希釈率を制御するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の請求項７に記載の多層溶接装置の発明は、多層溶接される溶接対象物の溶接しようとする部分に熱を加える溶接ヘッドと、前記溶接対象物の溶接しようとする部分に希土類元素の添加量が異なる複数の溶接ワイヤを供給する供給装置と、前記複数の溶接ワイヤの供給装置からの供給を切替える切替装置とからなることを特徴とする。

また、本発明の請求項８に記載の多層溶接装置の発明は、多層溶接される溶接対象物の溶接しようとする部分に熱を加える溶接ヘッドと、前記溶接対象物の溶接しようとする部分に希土類元素の添加量が異なる複数の合金粉末を供給する供給装置と、前記供給装置の複数の合金粉末の供給を切替える切替装置とからなることを特徴とする。

本発明によれば、Ｌａ等の希土類元素を添加した溶加材を用いて溶接を行う多層溶接において、各層の溶接金属に溶接割れが発生せずに安定した溶接施工が行える。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、図１、２を用いて本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の多層溶接装置は、溶接熱源として図示しないレーザ発信器から光ファイバー６を介して送られ、光学系７を通して送られて来るレーザ光８を有し、このレーザ光８を溶接対象物９の溶接しようとする部分の表面に加熱照射する溶接ヘッド３５を有している。
レーザ光８が照射された溶接対象物９の表面は加熱され、溶融池１０が形成される。

１１および１２はそれぞれＬａの添加量が異なる２種類の溶接ワイヤＡと溶接ワイヤＢで、それぞれ、図示しないワイヤ供給装置によって、ワイヤ案内管Ａ１３とワイヤ案内管Ｂ１４とを通って溶接部に供給される。

上記ワイヤ案内管Ａ１３とワイヤ案内管Ｂ１４とは光学系７に取り付けられたワイヤ切替機構１５に支持されており、必要に応じて溶接ワイヤＡ１１又は溶接ワイヤＢ１２の一方を溶融池１０に挿入できるようにワイヤ案内管Ａ１３とワイヤ案内管Ｂ１４との位置決めができるようになっている。

溶接ワイヤＡ１１および溶接ワイヤＢ１２はともにインコネル（商標名）６９０合金から成るが、そのＬａ含有量は異なるものとして設定される。即ち、溶接ワイヤＡ１１のＬａ添加量は０．０３０mass％であり、これに対して溶接ワイヤＢ１２のＬａ添加量は０．０２０mass％であり、溶接対象物９の１層目溶接金属１６の溶接施工はワイヤ切替機構１５により一方の溶接ワイヤＡ１１を用いて実施し、２層目溶接金属１７と３層目溶接金属１８の溶接施工は図２（ａ）、（ｂ）に示すようにワイヤ切替機構１５の切替操作により他方の溶接ワイヤＢ１２を用いて実施する。

また、１、２、３層目の各溶接金属１６、１７、１８の溶接条件は、いずれも希釈率が４０％になるように設定されている。
このように構成された本実施の形態において、１層目溶接金属１６のＬａ含有量は０．０１８mass％となる。２層目溶接金属１７のＬａ含有量は０．０１９mass％、３層目溶接金属１８のＬａ含有量は０．０２０mass％と推定され、各層の溶接金属のＬａ含有量は０．０１５mass％以上０．０２５mass％以下となり、ＳやＰ等の不純物元素を７０〜８０ppm含んだ材料を溶接する際のＬａ量を適正範囲内に保つことができる。

本実施の形態によれば、多層溶接における各層の溶接金属に含有されるＬａ等の希土類元素量を各層の溶接に適する適正範囲内に保たれた多層溶接部を形成することができ、これにより溶接金属の延性低下割れや凝固割れ等の溶接割れを防止することができる。

次に本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。
図３において、Ｌａの添加量が異なるインコネル６９０合金から成る溶接ワイヤＣ１９と溶接ワイヤＤ２０は図示しないワイヤ供給装置によって送り出されて、溶接対象物９表面の溶融池１０へ同時に挿入される。

上記溶接ワイヤＣ１９、Ｄ２０はそれぞれのワイヤ供給装置によって個別に任意の供給量で溶融池１０に供給することが調節可能となっている。
溶接ワイヤＣ１９のＬａ添加量は０．０４０mass％、溶接ワイヤＤ２０のＬａ添加量は０．０１０mass％であり、溶接対象物９の１層目溶接金属１６の溶接施工では溶接ワイヤＣ１９と溶接ワイヤＤ２０の供給比率を２：１とする。

また、２層目、３層目の溶接金属１７、１８の溶接施工は溶接ワイヤＣ１９と溶接ワイヤＤ２０の供給比率を１：２とする。
また、１、２、３層目の各溶接金属１６、１７、１８の溶接条件は、いずれも希釈率が４０％になるように設定されている。

このように構成された本実施の形態において、１層目溶接金属１６のＬａ含有量は０．０１８mass％、２層目溶接金属１７のＬａ含有量は０．０１９mass％、３層目溶接金属１８のＬａ含有量は０．０２０mass％と推定され、各層の溶接金属のＬａ含有量は０．０１５mass％以上０．０２５mass％以下となり、ＳやＰ等の不純物元素を７０〜８０ppm含んだ材料を溶接する際のＬａ量適正範囲内に保つことができる。

次に本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。
図４において、Ｌａ添加量が０．０２２mass％のインコネル６９０合金から成る溶接ワイヤ１種類を用いて多層溶接を実施する。

その際、１層目溶接金属１６の溶接施工時には図４(ａ)に示すように、希釈率が２５％となる溶接条件で溶接を実施し、２層目、３層目の溶接金属１７、１８溶接施工時には図４(ｂ)(ｃ)に示すように、希釈率が４０％となる溶接条件で溶接を実施する。

このように構成された本実施の形態において、１層目溶接金属１６のＬａ含有量は０．０１７mass％、２層目溶接金属１７のＬａ含有量は０．０２０mass％、３層目溶接金属１８のＬａ含有量は０．０２１mass％と推定され、各層の溶接金属のＬａ含有量は０．０１５mass％以上０．０２５mass％以下となり、ＳやＰ等の不純物元素を７０〜８０ppm含んだ材料を溶接する際のＬａ量適正範囲内に保つことができる。

次に本発明の第４の実施の形態について図５を参照して説明する。
図５において、Ｌａ添加量が０．０２４mass％のインコネル６９０合金から成る溶接ワイヤを用いて、３層の溶接金属の溶接施工を実施する際に、希釈率が略３５％となるような溶接条件で溶接施工を実施する。

一般に、溶接金属に含有されるＬａ量は図５の特性図に示すように、溶加材に添加されたＬａ量と希釈率から推定することができる。

図５において、実線は１層目溶接金属１６の溶接施工部のＬａ含有量０．０１５mass％境界線、点線は１層目溶接金属１６の溶接施工部のＬａ含有量０．０２５mass％境界線、二点鎖線は３層目溶接金属１８の溶接施工部のＬａ含有量０．０１５mass％境界線、一点鎖線は３層目溶接金属１８の溶接施工部のＬａ量０．０２５mass％境界線を示す。

このような特性に従って、１層目の溶接金属１６の施工部のＬａ含有量を適正に保つための希釈率と溶加材のＬａ添加量の条件範囲は図５の符号２１で示す範囲となる。
同様にして、３層目の溶接金属１８の施工部のＬａ含有量を適正に保つための希釈率と溶加材のＬａ添加量の条件範囲は図５の符号２２に示す範囲となる。

したがって、両方の条件範囲が重なる図５の符号２３に示す範囲が、１〜３層目の溶接金属の施工部のＬａ含有量を適正に保つための希釈率と溶加材のＬａ含有量の条件範囲であり、この範囲に、Ｌａ添加量０．０２４mass％、希釈率３５％の条件は含まれていることがわかる。

このように構成された本実施の形態において、１層目の溶接金属１６のＬａ含有量は０．０１６mass％、２層目の溶接金属１７のＬａ含有量は０．０２１mass％、３層目の溶接金属１８のＬａ含有量は０．０２３mass％と推定され、各層の溶接金属のＬａ含有量は０．０１５mass％以上０．０２５mass％以下となり、ＳやＰ等の不純物元素を７０〜８０ppm含んだ材料を溶接する際のＬａ量を適正範囲内に保つことができる。

本実施の形態によれば、多層溶接における各層の溶接金属に含有されるＬａ等の希土類元素量を各層の溶接に適する適正範囲内に保たれた多層溶接部を形成することができ、延性低下割れや凝固割れ等の溶接割れを防止することができる。

次に本発明の第５の実施の形態について図６を参照して説明する。
図６において、溶加材として、Ｌａ添加量が異なる２種類のインコネル６９０合金の合金粉末Ａ２４と合金粉末Ｂ２５を用いて３層の溶接施工を実施する場合、図６(ａ)に示すように、１層目の溶接金属の溶接施工時には合金粉末Ａ２４が溶融池１０に供給されるように、粉末供給管Ａ２６を位置決めして溶接施工を実施し、２層目、３層目の溶接金属の溶接施工時には合金粉末Ｂ２５が溶融池１０に供給されるように図示しない切替装置により切替えて、粉末供給管Ｂ２７を位置決めして溶接施工を行う。

また、２種類の合金粉末２４、２５を同時に溶融池１０に供給する場合には、図６(ｂ)に示すように、２本の粉末供給管２６、２７を並べて置き、合金粉末Ａ２４と合金粉末Ｂ２５とをその供給量を調節しながら溶融池１０に同時に供給する。

また別の手段としては、図６(ｃ)に示すように、２本の粉末供給管２６、２７を１本にまとめて、合金粉末Ａ２４と合金粉末Ｂ２５とを予め混合した状態で、混合合金粉末２８を１本の混合粉末供給管２９から溶融池１０に供給する。

このように構成された本実施の形態において、溶加材として溶接ワイヤを用いた場合と同様に合金粉末を用いた場合でもＬａ量を制御した多層溶接施工が可能となり、各層の溶接金属のＬａ含有量を適正範囲内に保つことができる。

次に本発明の第６の実施の形態について図７を参照して説明する。
図７において、３０は低合金鋼からなる原子力プラントの圧力容器で、３１は前記圧力容器３０に接続されるステンレス配管で、この原子力プラントの圧力容器３０とそれに接続するステンレス配管３１との溶接部は低合金鋼とステンレス配管との異材溶接となっており、溶接部近傍の低合金鋼３０の表面にはステンレスクラッド３２が施され、溶接開先面にはニッケル基合金のバタリング３３が施されている。継手溶接部３４はニッケル基合金で溶接されている。

この異材溶接部表面の耐食性を改善するために、インコネル６９０合金の溶接ワイヤ１０を用いて図７に示すようにレーザ光８により溶接を行う。

溶接ワイヤ１０のＬａ添加量は０．０２４mass％とする。溶接条件はレーザ出力１０００W、溶接速度５０cm/min、ワイヤ供給速度は９０cm/minで照射ビーム径はφ３３mmである。このときの希釈率は約３５％である。この溶接条件で３層の溶接施工を実施する。

このように構成された本実施の形態において、１層目の溶接金属１６のＬａ含有量は０．０１６mass％、２層目の溶接金属のＬａ含有量は０．０２１mass％、３層目の溶接金属のＬａ含有量は０．０２３mass％となり、各層の溶接金属のＬａ量が適正範囲内にある多層溶接層を異材溶接部表面に形成できる。

本実施の形態によれば、原子力プラントの圧力容器の溶接部表面を高耐食性のインコネル６９０合金の多層溶接層で覆うことができ、応力腐食割れに対する予防保全ができ、なおかつ、各層の溶接金属に含有されるＬａ等の希土類元素量が適正範囲内に保たれた多層溶接部を形成することができ、延性低下割れや凝固割れ等の溶接割れを防止することができる。

なお、以上の実施の形態の説明において、溶接装置の熱源としてレーザ光を用いた場合を説明しているが、通常用いられるＴＩＧ等のアークや電子ビームを熱源として用いても同様の効果を得ることができる。

また、前記第１と第２の実施の形態において、溶接ワイヤを２本使用した場合を説明したが、本発明においては溶接ワイヤは２本に限定されるものではなく、３本以上複数本用いることもできる。

さらに、以上の実施の形態の説明において、溶接ワイヤまたは合金粉末にインコネル（商標名）６９０合金を用いた場合を説明しているが、これと一部の組成が異なるニッケル基合金、あるいはより総括的にいえば希土類元素を含有する高耐食性材料から成る溶加材を用いた多層溶接方法においても、上述した各実施の形態における方法を援用することができる。

また、各実施の形態の援用として、Ｌａに代えて他の希土類元素の添加量を変化させて多層溶接を行うことも考えられる。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は要部拡大図。本発明の第１の実施の形態の別の形態を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は要部拡大図。本発明の第２の実施の形態を示す要部拡大図。本発明の第３の実施の形態を示す図で、（ａ）〜（ｃ）はいずれも各層の溶接金属の溶接方法を示す正面図。本発明の第４の実施の形態による多層溶接方法を説明するための特性図。本発明の第５の実施の形態を示す図で、（ａ）〜（ｃ）はいずれも各層の溶接金属の溶接方法を示す要部拡大図。本発明の第６の実施の形態による多層溶接方法を説明するための斜視図。従来の多層溶接における添加剤の希釈率を説明するための断面図。

符号の説明

１…母材部分の溶融断面積、２…溶着金属部の断面積、３…１層目の溶接金属、４…母材、５…２層目の溶接金属、６…光ファイバー、７…光学系、８…レーザ光、９…溶接対象物、１０…溶融池、１１…溶接ワイヤＡ、１２…溶接ワイヤＢ、１３…ワイヤ案内管Ａ、１４…ワイヤ案内管Ｂ、１５…ワイヤ切替機構、１６…１層目溶接金属、１７…２層目溶接金属、１８…３層目溶接金属、１９…溶接ワイヤＣ、２０…溶接ワイヤＤ、２４…合金粉末Ａ、２５…合金粉末Ｂ、２６…粉末供給管Ａ、２７…粉末供給管Ｂ、２８…混合合金粉末、２９…混合粉末供給管、３０…圧力容器、３１…ステンレス配管、３２…ステンレスクラッド、３３…バタリング、３４…継手溶接部、３５…溶接ヘッド。

Claims

希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、各層を溶接施工する際に、各層毎に希土類元素添加量が異なる溶加材を用いることを特徴とする多層溶接方法。
希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、各層を溶接施工する際に、複数の溶加材を用い、複数の溶加材の供給比率を各層毎に制御するようにしたことを特徴とする多層溶接方法。
希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、１種類の溶加材により各層を溶接し、各層の希釈率を制御するようにしたことを特徴とする多層溶接方法。
希土類元素を添加した溶加材を用いて多層溶接を行う多層溶接方法において、１種類の溶加材を用い、一定の希釈率で各層を溶接し、溶加材に含有される希土類元素量と希釈率を制御するようにしたことを特徴とする多層溶接方法。
溶加材として溶接ワイヤを用いることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の多層溶接方法。
溶加材として合金粉末を用いることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の多層溶接方法。
多層溶接される溶接対象物の溶接しようとする部分に熱を加える溶接ヘッドと、前記溶接対象物の溶接しようとする部分に希土類元素の添加量が異なる複数の溶接ワイヤを供給する供給装置と、前記複数の溶接ワイヤの供給装置からの供給を切替える切替装置とからなる多層溶接装置。
多層溶接される溶接対象物の溶接しようとする部分に熱を加える溶接ヘッドと、前記溶接対象物の溶接しようとする部分に希土類元素の添加量が異なる複数の合金粉末を供給する供給装置と、前記供給装置の複数の合金粉末の供給を切替える切替装置とからなる多層溶接装置。