JP2008055462A

JP2008055462A - 溶接継手の製作方法

Info

Publication number: JP2008055462A
Application number: JP2006234854A
Authority: JP
Inventors: Kyoji Obata; 亨司小畠; Hideya Anzai; 英哉安斎; Hiroo Koide; 宏夫小出; Shogun Ra; 湘軍羅; Mitsuo Kato; 光雄加藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】構造物における溶接部の製作において、溶込み不良等の溶接欠陥を抑えるとともに、溶接部が耐応力腐食割れ性等の材料特性にも優れる高信頼性溶接継手の製作方法を提供することを課題とする。
【解決手段】金属部材を溶接して溶接継手を製作する溶接継手の制作方法であって、金属部材を溶接する際に用いる溶接ワイヤが材料成分を％でイオウ（Ｓ）量が０.００４〜０.０１０％且つディロング線図によるフェライト量が１０〜１５％に調節されている。本発明によれば、配管等をはじめとする溶接構造物の溶接継手製作において、溶込み不良等の溶接欠陥を抑え、耐応力腐食割れ性にも優れる初層用ＴＩＧ溶接ワイヤを用いた高信頼性溶接継手の製作方法を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属部材を溶接して溶接継手を製作する溶接継手の製作方法に関する。

近年、原子力発電プラントにおいて低炭素系ステンレス鋼製の炉内構造物の溶接部に応力腐食割れと考えられる割れが進展していることが確認された。また、一部ではあるが溶接金属からの応力腐食割れの発生も確認されている。これらは、条件によってはステンレス系の溶接金属が応力腐食割れ感受性を有することを示している。従って、溶接構造物の信頼性向上の観点から、溶接部の応力腐食割れ感受性を極力抑えた溶接部の製作方法が望まれている。

特開平９−９９３９４号公報

溶込み不良とは、完全溶込み溶接継手の場合に、母材等との間に溶込みのない部分がある溶接欠陥のこという。溶け込み不良の原因の一つとして、材料中のイオウ（Ｓ）量が考えられる。材料中のイオウ（Ｓ）は溶接時の熱により溶融池の表面張力に勾配を生じさせることで、溶融池に対流を発生させることが知られている。材料中のイオウ（Ｓ）量が０.００４％を下回ると上記の対流の効果が弱まるために、溶融池の対流が深さ方向へ進まなくなる。その結果、目的とする溶け込み深さを得ることが困難となり、溶込み不良が発生すると考えられる。一方、材料中のイオウ（Ｓ）は、従来は不純物として取り扱われてきたため、イオウ（Ｓ）量が少なくなる傾向がある。従って、不純物の少ない材料が調達されるようになったものの、イオウ（Ｓ）量が少ないために溶接時に所望の溶け込み深さを得ることが困難であり、溶込み不良等の溶接欠陥が発生するケースがある。

次に、凝固割れとは、溶接部に発生する割れのことをいう。溶接金属中のリン（Ｐ）やイオウ（Ｓ）等の含有量が多いと、溶接中に発生した応力が溶接金属の引張強度を超える場合に、溶接時の割れ（凝固割れ）感受性が高まることが知られている。凝固割れの対策としては、溶接金属中のリン（Ｐ）とイオウ（Ｓ）を併せた含有量を０.０２５％以下にすることが必要であることが知られている。従って、溶接時の割れを防ぐためには、溶接金属中におけるリン（Ｐ）及びイオウ（Ｓ）量が適度に低い値である必要があるとともに、溶込み不良等の溶接欠陥を避けるためには、イオウ（Ｓ）量を適度な値に設定することが必要である。よって、溶接欠陥を抑えるためには、イオウ（Ｓ）量を適正値とすることが課題となる。

オーステナイト系ステンレス鋼溶接金属の凝固割れは、溶接金属の材料成分により決定されるフェライト量と相関があることが示されている。一般的に凝固割れはフェライト量が約１０％〜２０％弱の範囲で最小値となり、それ以上もしくはそれ以下でも凝固割れが増加することが知られている。しかし、構造物を溶接により接合する際には、初層及び母材の境界部では溶接金属中の成分が希釈されるため、一般的にはフェライト量が低下する。従って、特に初層においてはインサートリングや溶接金属中のフェライト量を予め高くしておくことにより希釈の影響を取り除くことが課題となる。

また、経年劣化事象の一つである応力腐食割れは、材料、環境及び応力が畳重した場合に発現することがある割れ事象をいう。上述のように近年原子力発電プラントにおいて低炭素系ステンレス鋼製の炉内構造物の溶接部に応力腐食割れと考えられる割れが進展していることが確認された。また、一部ではあるが溶接金属からの応力腐食割れの発生も確認されている。これらは、条件によってはステンレス系の溶接金属が応力腐食割れ感受性を有することを示しており、溶接構造物の信頼性向上の観点から応力腐食割れ感受性を極力抑えた溶接金属を採用することが期待されている。

本発明の目的は、配管等をはじめとする溶接構造物の溶接継手製作において、溶込み不良等の溶接欠陥を抑え、耐応力腐食割れ性にも優れる初層用ＴＩＧ溶接ワイヤを用いた高信頼性溶接継手の製作方法を提供することにある。

発明者は、溶接時の溶込み不良及び凝固割れ等の溶接欠陥を抑制し、かつ製作した溶接部において経年劣化事象である応力腐食割れの感受性を低減するための信頼性の高い溶接方法を考案した。すなわち、溶接継手の製作手順において、初層の溶接を実施する際に溶接欠陥を防止でき、かつ、構造物の供用後において応力腐食割れ感受性が低くなるように成分範囲を規定した初層用のＴＩＧ溶接ワイヤを用いることで溶接構造物の信頼性を向上させる。

溶接時における初層溶接に用いるＴＩＧワイヤ中のイオウ（Ｓ）量、リン（Ｐ）量及びフェライト量を調整することで、溶接性及び耐溶接割れ感受性を向上させるとともに、溶接構造物として供用した後の耐応力腐食割れ感受性についても向上させることができる。また、溶接性が改善されていることから、適切な裏波を形成する溶接が可能になる。従って、欠陥が発生した場合の補修等を不要となり、経済性が向上される。さらに、成分を調整したインサートリングを必要としないことから、経済性及び作業効率の向上に資する。

つまり、本発明によれば、配管等をはじめとする溶接構造物の溶接継手製作において、溶込み不良等の溶接欠陥を抑え、耐応力腐食割れ性にも優れる初層用ＴＩＧ溶接ワイヤを用いた高信頼性溶接継手の製作方法を提供することができる。

以下、図１−６を用いて、本発明における溶接継手の制作方法について説明する。

本発明の溶接ワイヤと比較のために使用した溶接ワイヤとを用いて、溶接ワイヤの基礎特性評価である溶接性評価試験を行い、溶接による溶込み及び溶接割れ感受性の評価を実施した。また、これらの溶接ワイヤを用いて溶接継手の製作を行い、外観検査を実施するとともに、溶接部から試験片を採取して基礎特性試験、応力腐食割れ感受性評価試験を実施した。

図１に材料中のＳ量と溶接による溶け込み深さとの関係を示す。図１は、板厚１３０mmのステンレス板にノンフィラービードオン溶接試験を行った結果であり、横軸に材料中のイオウ（Ｓ）量、縦軸に溶け込み幅（Ｗ）に対する溶け込み深さ（Ｄ）の割合を示している。溶接試験の結果、イオウ（Ｓ）量が０.００４％に至るまで溶け込み幅に対する溶け込み深さの割合が上昇し、イオウ（Ｓ）量が０.００４％以上で溶け込み幅（Ｗ）に対する溶け込み深さ（Ｄ）の値がほぼ一定になることが確認された。

本発明において、材料中のイオウ（Ｓ）量を０.００４％以上に規定している理由は、イオウ（Ｓ）量が０.００４％未満の場合、表面張力が生じないため溶接中の溶融池に対流が発生せず、所望する深さの溶け込みを得ることが困難であると判断されたためである。また、溶け込み深さを深くするために入熱を高くすると、ビード幅が過大になり、適正な溶接部形状の確保が困難となる。このため、材料中のイオウ（Ｓ）量は、溶接中の溶湯対流方向が深溶け込み方向となる０.００４％以上に規定するのが望ましい。また、材料の耐食性の観点から材料中のイオウ（Ｓ）量には上限値を設けるのが望ましいと考えられる。

以上の点から、材料中のイオウ（Ｓ）量を０.００４％以上０.０１０％以下に規定することで、溶接中の溶湯対流が深溶け込み方向になり、低入熱でも適正な裏波形状を形成することが可能であると考えられる。

次に、溶接ワイヤの基礎特性を評価するために、溶接時の割れ感受性を評価することを目的として、トランスバレストレイン試験を実施した。バレストレイン試験とは、主として溶接金属に発生する高温割れ感受性を評価するために用いられる試験方法である。バレストレイン試験では、ビード溶接中の試験片に溶接途中で瞬間的に強制曲げ変形を与え、溶接金属における高温割れの発生特性を評価する。トランスバレストレイン試験とは、試験対象となる溶接金属上にＴＩＧ溶接によるアークを出しながら瞬間的に溶接進行方向と垂直方向の強制曲げ変形を与え、割れの発生の有無及び割れが確認された場合にはその総割れ長さ及び最大割れ長さを計測することで溶接金属の割れ感受性を評価する試験方法である。

図２にトランスバレストレイン試験の概略図を示す。また、図３にトランスバレストレイン試験結果を示す。図３の試験結果から、本発明の溶接継手の製作方法にて供する初層用ＴＩＧ溶接ワイヤ材に含まれているディロング線図によるフェライト量の範囲（１０〜１５％）では、フェライト量が１０％未満及び１５％を超える溶接ワイヤ材と比較して、溶接時の総割れ長さ及び最大割れ長さが抑制されることが確認された。一般的に凝固割れはフェライト量が約１０％〜２０％弱の範囲で最小値となることが知られているが、本試験結果から、溶接時における割れの発生を抑えるためには、フェライト量の範囲を１０％〜１５％に規定することが望ましいと考えられる。

次に、本発明の溶接継手の製作方法と従来の溶接継手の製作方法について、同一の溶接条件にて配管溶接継手を製作することで、溶接後の外観検査及び溶接部における基礎特性試験、応力腐食割れ感受性の評価試験を行った。図４に配管溶接継手の製作模式図を示す。また、図５に配管溶接継手の製作フローを示す。本発明の溶接継手の製作方法では、ＴＩＧ溶接ワイヤとして％でイオウ（Ｓ）量が０.００４〜０.０１０％且つフェライト量が１０％〜１５％の範囲に調整された溶接材料を初層用に用いるものである。溶接継手の製作としては、配管を用いて突合せ溶接を行い、開先合せの際にはインサートリングを使用しない条件とした。本発明と従来の溶接継手の製作方法により配管を溶接した後に、裏波性状を確認する外観試験及び溶接部より試験片を採取して機械的強度の試験を実施した。

本発明の溶接継手の制作方法により製作した溶接試験体は溶接性が良好であり、裏波性状も良好であった。一方、従来の方法により溶接した試験体は、イオウ（Ｓ）量が０.００４％を下回る溶接材を用いた場合に、溶込みが十分でないため裏波が形成されないケースが確認された。次に、溶接継手部の機械的強度を確認するために、溶接金属内部から試験片を採取し、引張試験を実施した。試験の結果、本発明の溶接継手の製作方法と従来の溶接継手の製作方法で製作した溶接部は、母材と同等の強度を有することを確認した。

次に、図６に同じ配管溶接継手から試験片を採取して実施した応力腐食割れ感受性評価試験の結果を示す。配管溶接部の初層部近傍から応力腐食割れ感受性評価試験片を採取し、耐応力腐食割れ感受性評価試験を５００時間実施した。試験終了後に試験片の中央断面を観察し、割れの発生員数及び最大割れ長さを測定した。その結果、本試験時間ではフェライト量と最大割れ深さとの間に明確な相関が認められなかったが、フェライト量が１０％を下回る場合はフェライト量が１０％を上回る試験片より割れの発生員数が多くなることが確認された。従って、応力腐食割れの発生員数を抑制するためにはフェライト量を１０％以上に規定することが必要であると考えられる。

以上の溶接性評価試験、外観検査、基礎特性試験及び応力腐食割れ感受性評価試験を実施した結果、本発明の溶接継手の製作方法により製作した溶接継手は外観、機械的強度及び耐応力腐食割れ感受性において良好な性質を有していることとが確認された。

尚、本発明における溶接継手の制作方法は、ステンレス鋼製配管のみならず、平板を付き合わせて溶接する場合の構造物における溶接部が採用されている発電所をはじめとする一般的な産業分野に適用することができる。

材料中のイオウ（Ｓ）量と溶け込み深さ（Ｄ）／溶け込み幅（Ｗ）の関係。トランスバレストレイン試験の概略図。トランスバレストレイン試験結果。配管溶接継手の製作模式図。配管溶接継手の製作フロー。応力腐食割れ感受性評価試験結果。

符号の説明

１…ＴＩＧ溶接電極、２…荷重（歪の負荷）、３…ＴＩＧ溶接によるアーク（移動熱源）、４…トランスバレストレイン試験片、５…トランスバレストレイン試験用治具、６…配管突合せ（外観）、７…配管、８…配管断面（開先形状）、９…配管内面側、１０…配管外面側、１１…初層溶接後の配管断面、１２…溶接初層側、１３…溶接最終層側、１４…配管突合せ部の開先加工、１５…開先寸法検査、１６…開先合せ、１７…仮止め溶接、１８…溶接条件の設定、１９…シールドガス及びバックシールドガスによるパージ、２０…ＴＩＧ溶接による初層溶接、２１…裏波形状の確認、２２…中間層〜最終層までの溶接、２３…溶接ビードの外観検査、２４…ＲＴによる内部欠陥の検査。

Claims

金属部材を溶接して溶接継手を製作する溶接継手の制作方法であって、金属部材を溶接する際に用いる溶接ワイヤが材料成分を％でイオウ（Ｓ）量が０.００４〜０.０１０％且つディロング線図によるフェライト量が１０〜１５％に調節されていることを特徴とする溶接継手の制作方法。
請求項１に記載の溶接継手の制作方法において、前記金属部材の溶接はＴＩＧ溶接により行われ、前記ワイヤは初層用ＴＩＧ溶接であることを特徴とする溶接継手の製作方法。
請求項１又は２に記載の溶接継手の製作方法において、前記金属部材を溶接する際には、インサートリングを使用しないことを特徴とする溶接継手の制作方法。
材料成分を％でイオウ（Ｓ）量が０.００４〜０.０１０％且つディロング線図によるフェライト量が１０〜１５％に調節された初層用ＴＩＧ溶接ワイヤ。