JP2010131632A - 溶接部の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部におけるＳＣＣの発生を防止する接合部の補強方法を提供する。
【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼から形成される構造体１を互いに溶接する溶接部２の補強方法であって、構造体１に機械加工を施す機械加工工程と、上記機械加工工程により生成された機械加工層１０をレーザー光の照射により溶融させて、上記機械加工層１０にフェライトを生成するフェライト生成工程とを有するという構成を採用する。
【選択図】図５

Description

本発明は、溶接部の補強方法に関し、特に、軽水炉に用いられる炉心シュラウドやＰＬＲ配管等の筒状のオーステナイト系ステンレス鋼から形成される構造体の溶接部の補強方法に関するものである。

従来から、オーステナイト系ステンレス鋼（以下、単にステンレス鋼と称する）から形成される構造体、例えば、軽水炉に用いられる炉心シュラウドや原子炉再循環系配管（ＰＬＲ配管）等において、その溶接部近傍に発生するひび割れを防止する技術が求められている。このひび割れは、溶接による残留応力や使用時に係る外部応力により構造体に引張応力が加わり、これと特定の環境の腐食作用によって構造体にひび割れをもたらす現象である応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking:以下、ＳＣＣと称する）に起因するものである。

ＳＣＣの原因の一つとして、ステンレス鋼の所謂、鋭敏化現象が挙げられており、鋭敏化現象とは、ステンレス鋼を溶接すると溶接部では含有炭素が溶接時の加熱により炭化物として結晶粒界に析出し、境界近傍のクロム量の減少を来たして耐食性劣化や粒界腐食を発生しやすくする現象である。このような鋭敏化現象に起因するステンレス鋼の応力腐食割れ特性を改善する方法として、特許文献１には、Ｎｉ（ニッケル）当量とＣｒ（クロム）当量とが所定の関係式を満足するステンレス鋼の表面部にレーザ光による溶融処理を施し、その表面部にδフェライトを生成せしめ、ステンレス鋼に耐鋭敏化特性を付与する方法が開示されている。
特開昭６３−５３２１０号公報

上記ステンレス鋼の耐鋭敏化対策として特許文献１の方法が採られることもあるが、近年の耐鋭敏化対策としては、耐鋭敏化特性に優れた対策材として低炭素系ステンレス鋼である、例えばＳＵＳ３１６（ＬＣ）材やＳＵＳ３１６Ｌ材等を構造体に用いることが一般的になされている。
しかしながら、低炭素系ステンレス鋼により構造体を形成しても、ＳＣＣが発生する場合があり、その調査の結果、その構造体に鋭敏化現象はなく、他の原因によりＳＣＣが引き起こされることが判明してきている。その原因の一つとして、例えばＰＬＲ配管を互いに合わせ込むために配管の内周面にグラインダ等を用いて機械加工（冷間加工）して開先合わせを行うときに、その内周面に生成される機械加工層に起因するものが挙げられ、現実にその機械加工層を起点とするＳＣＣが発生している。

すなわち、筒状の構造体に溶接を施すと、その溶接残留応力により、その構造体の内側には引張応力が加わり、対して外側には圧縮応力が加わることは知られているが、機械加工層は、機械加工により局部的に加工硬化している硬化層であり、且つ、構造体の内周面に生成されているため、溶接残留応力による引張応力によりひび割れ（ＳＣＣ）が発生やすくなると考えられ、そのＳＣＣ対策が課題となっている。

本発明は、上記課題点に鑑みてなされたものであり、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部におけるＳＣＣの発生を防止する接合部の補強方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼から形成される構造体を互いに溶接する溶接部の補強方法であって、上記構造体に機械加工を施す機械加工工程と、上記機械加工工程によりに生成された機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて、上記機械加工層にフェライトを生成するフェライト生成工程とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、加工硬化した機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて除去すると共に、その溶融により機械加工層にフェライト（主に、δフェライト）を生成（晶出）せしめることで、機械加工層の組織改質を行うことが可能となる。

また、本発明は、上記構造体は、筒形状を有しており、上記機械加工工程では、上記構造体の内周面に機械加工を施して開先合わせを行い、上記フェライト生成工程では、上記機械加工工程により上記内周面に生成された機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて、上記機械加工層にフェライトを生成するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、開先合せの際に筒状の構造体の内周面に生成される機械加工層の組織改質を行うことで、該機械加工層を起点としたＳＣＣの発生を防止することが可能となる。

また、本発明は、上記フェライト生成工程では、上記レーザー光の照射により溶融した上記機械加工層の凝固速度を調整する凝固速度調整工程を有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、機械加工層にフェライトを生成せしめる凝固速度を適当な値に調整することが可能となる。

また、本発明は、上記凝固速度調整工程では、上記機械加工層に対する上記レーザー光の走査速度を調整することにより、上記機械加工層の凝固速度を調整するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、レーザー光の走査速度により機械加工層に対するレーザー光の入熱量を調整し、機械加工層の凝固速度を調整することが可能となる。

また、本発明は、上記凝固速度調整工程では、上記レーザー光の出力を調整することにより、上記機械加工層の凝固速度を調整するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、レーザー光の出力により機械加工層に対するレーザー光の入熱量を調整し、機械加工層の凝固速度を調整することが可能となる。

また、本発明は、上記凝固速度調整工程では、上記レーザー光の焦点位置を調整することにより、上記機械加工層の凝固速度を調整するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、レーザー光の焦点位置により機械加工層に対するレーザー光の入熱量を調整し、機械加工層の凝固速度を調整することが可能となる。

また、本発明は、上記凝固速度調整工程では、上記レーザー光より溶融した上記機械加工層に、上記レーザー光より低出力の第２レーザー光を照射することにより、上記機械加工層の凝固速度を調整するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、低出力の第２レーザーで、溶融した機械加工層を加熱することにより、機械加工層の凝固速度を遅延させて好適にフェライトを生成せしめることが可能となる。

本発明によれば、オーステナイト系ステンレス鋼から形成される構造体を互いに溶接する溶接部の補強方法であって、上記構造体に機械加工を施す機械加工工程と、上記機械加工工程により生成された機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて、上記機械加工層にフェライトを生成するフェライト生成工程とを有するという構成を採用することによって、加工硬化した機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて除去すると共に、その溶融により機械加工層にフェライト（主に、δフェライト）を生成（晶出）せしめることで、機械加工層の組織改質を行うことが可能となる。すなわち、機械加工層が一度溶融されることで、その加工硬化が解消されるため、ＳＣＣの発生を抑制することができる。また、溶融した機械加工層が再び凝固して、フェライトを生成せしめることでＳＣＣ対策となる。すなわち、オーステナイトに比べてフェライトは、その酸化速度が小さいという特性を有しており、ＳＣＣのひび割れの進展速度を遅延させるという作用によりＳＣＣの発生を抑制することができる。
したがって、本発明は、上記工程により機械加工層の組織改質を行うことで、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部におけるＳＣＣの発生を防止することができる効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。先ず、本発明により形成される構造体の溶接部の補強構造について説明する。
図１は、本発明の実施形態における構造体１の溶接部２を示す一部分解斜視図である。
図２は、本発明の実施形態における構造体１の溶接部２を示す要部拡大断面図である。
構造体１は、例えば、軽水炉に用いられて冷却水を循環・流通させる炉心シュラウドやＰＬＲ配管等であり、図１に示すような筒形状を有している。一例として、ＰＬＲ配管は、外径が６００ｍｍで厚さが３８ｍｍの寸法を有する構成となっている。

図１及び図２に示すように、構造体１は溶接部２を介して互いに接続されており、その溶接部２においては、構造体１の全周に亘って略Ｖ字形状の開先加工が施され、その開先形状に沿って溶接ビードが形成されている。また、構造体１の内周面には、互いの内径を合わせ込むため開先合わせ加工が施されており、その加工部に沿って機械加工層１０が生成されている。機械加工層１０は、後述する組織改質により、母材であるオーステナイトに対しフェライトが５〜１５％程度生成されている。

構造体１は、耐鋭敏化材である低炭素オーステナイト系ステンレス鋼から形成される。具体的には、炭素含有量を０．０２％以下に抑えたＳＵＳ３１６（ＬＣ）材やＳＵＳ３１６Ｌ材等を対象とする。また、当該構造体１は、機械加工層１０を起点とするＳＣＣの抑制を目的として、機械加工層１０にフェライト（特にδフェライト）を生成せしめるため、そのステンレス鋼のＮｉ当量とＣｒ当量とが所定の関係を満足する組成の材料を選定する。

図３は、凝固モードに及ぼす材料の組成（Ｃｒ／Ｎｉ当量）と凝固速度との関係を示す図であり、上記材料の選定は、例えば図３に基づいて行われる。すなわち、母材は、オーステナイト単層組織（Ａモード）であるため、そのオーステナイト単層組織を溶融させた後凝固させて、好適なフェライト組織（ＦＡモード）を生成することが可能な、Ｃｒ／Ｎｉ当量が１．４〜１．７の関係を満足する組成の材料を選定するのが望ましい。なお、Ｎｉ当量とＣｒ当量とは、以下の式（１）、（２）で示される。
Ｎｉｅｑ（Ｎｉ当量）＝［ｗｔ％Ｎｉ］＋０．５×［ｗｔ％Ｍｏ］＋３０×［ｗｔ％Ｃ］＋３０［ｗｔ％Ｎ−０．０６］ … （１）
Ｃｒｅｑ（Ｃｒ当量）＝［ｗｔ％Ｃｒ］＋１．５×［ｗｔ％Ｓｉ］＋［ｗｔ％Ｍｏ］＋０．５×［ｗｔ％Ｎｂ］＋２×［ｗｔ％Ｔｉ］ … （２）

フェライトが、ＳＣＣ対策に有効であることは、経験上並びに近年の研究により証明されている。例えば、ＳＣＣが発生した構造体１を調査した結果、機械加工層１０を起点とするＳＣＣは、溶融部２の溶融線近傍でそのひび割れの進行が遅延していることが確認されており、その溶融線近傍の組成を解析した結果、溶融線近傍の母材には溶接の際の熱の作用によるδフェライトの晶出が観察され、このδフェライトがＳＣＣの抑制に寄与していると、実験的に証明されている。また、ＳＣＣは、結晶粒界に沿ってひび割れが進展していくことが観察されており、δフェライトの晶出が、結晶粒界の３重点に生じること、また、オーステナイト組成の母材に対するフェライト組成の割合は、５％以上でＳＣＣ感受性が低下することが観察されている。

この原理としては、ＳＣＣが発達し、そのひび割れの先端が、オーステナイト組織からこのフェライト組織に至ると、つまり、結晶粒界の組織の性質が変化すると、そのひび割れに沿った母材の酸化速度が遅くなり、結果、ＳＣＣのひび割れの進展速度を遅延させるとの見解が示されている。

続いて、図４及び図５を参照して、構造体１がＰＬＲ配管である場合の施工例に沿って、本実施形態に係る溶接部２の補強方法について説明する。
図４は、本発明の実施形態における溶接部２の補強方法のフローチャートである。
図５は、本発明の実施形態における溶接部２の補強方法を説明する図である。

先ず、構造体１の軸方向端部において機械加工を施し、図５（ａ）に示すように、破線Ｌ１に沿った開先形状への機械加工と、破線Ｌ２に沿った開先合わせを行う機械加工とを行う（ステップＳ１、機械加工工程）。このとき、開先合わせのために、例えばグラインダ等を用いて構造体１の内周面に冷間加工を施すと、図５（ｂ）に示すように、その加工部が局部的に加工硬化した機械加工層１０が生成される。

この機械加工層１０の厚さは、例えば、１００μｍ程度であり、また、機械加工層１０のビッカース硬さ（Ｈｖ）は、例えば、母材がＨｖ２５０程度の値を示すのに対し、Ｈｖ３００を越える値を示している。このような硬化層は、その硬さ故に脆い性質を備えることとなり、後の溶接工程における溶接残留応力による構造体１の軸方向の引張応力を受けて、ＳＣＣの起点となり得る。したがって、次工程では、この機械加工層１０の組織改質を行うこととする。

次に、図５（ｃ）に示すように、機械加工工程により生成された機械加工層１０に対してレーザー光の照射を行うことにより機械加工層１０を溶融させ、その後、再び凝固させることにより機械加工層１０にフェライトを生成する（ステップＳ２：フェライト生成工程）。具体的には、レーザー光を照射するトーチ２０を、構造体１の内周面に形成された機械加工層１０に対向させ、機械加工層１０の表面全体に亘って走査させることで、機械加工層１０全体を溶融させることとなる。また、機械加工層１０は、１００μｍ程度の厚さであるため、レーザー光の照射によってその硬化層を充分に除去することが可能である。

この溶融に乗じてフェライトを機械加工層１０に生成せしめるためには、図３に示すような母材の組成と凝固速度との関係が重要となっている。ここで、母材の組成については、上述したように１．４〜１．７のＣｒ／Ｎｉ当量の材料を選定しているため、残りの凝固速度の調整が問題となる。したがって、フェライト生成工程においては、レーザー光の照射により溶融した機械加工層１０の凝固速度をフェライトが好適に晶出する速度に調整する凝固速度調整工程が重要となる。

ＦＡモードにおけるフェライトを好適に晶出させる凝固速度としては、図３に示すように、０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃ程度の遅い凝固速度に調整されることが望ましい。ところで、レーザー光を用いる溶融方法は、レンズ等の光学素子を用いて光の絞り等が可能であるためエネルギー密度が高く、融点が高い材料に適しており、その出力の制御も容易であるとの特徴を有するが、一方、母材に対する入熱量が少ないため、他の溶融方法（例えばＴＩＧを用いた溶融方法）よりも、母材の凝固速度が速くなってしまうという特徴も有する。

したがって、凝固速度を遅く調整するために、例えば、光学素子の絞りを調節して、母材に対するレーザー光の焦点を外す（デフォーカス処理する）ことで、母材に対して広くレーザー光を照射して入熱量を大きくする。あるいは、トーチ２０の走査速度を遅くすることで、母材に対する入熱量を大きくする。あるいは、レーザー光の出力を高めに設定する等して凝固速度を遅く調節する方法が採られる。

また、図６に示すように、トーチ２０を二つ用いて、凝固速度を遅く調整する方法も採用することができる。より詳しくは、先行するトーチ２０においては、機械加工層１０を溶融させるレーザー光の出力に設定して溶融処理を施し、他方のトーチ２０´においては、先行するトーチ２０の出力より低出力のレーザー光（第２レーザー光）を照射するように設定し、先行するトーチ２０に追従して、溶融した機械加工層１０を第２レーザー光の照射により加熱する。このようにして、機械加工層１０の凝固速度を調整することが可能となる。

以上のフェライト生成工程を経た、機械加工層１０は、その硬さが母材の硬さ程度に低減され、さらにその組成が、母材であるオーステナイトに対しフェライトが５〜１５％程度生成される組織改質がなされることとなる。
このように機械加工層１０を組織改質した後、図５（ｄ）のように、構造体１を互いに合わせ込み、開先形状に沿って溶接処理を施し、溶接ビードを形成することで、構造体１が溶接部２を介して接続される（ステップＳ３：溶接工程）。

以上の工程により形成された溶接部２は、その機械加工層１０において耐ＳＣＣ特性を有することとなり、軽水炉等へ用いられる炉心シュラウドやＰＬＲ配管等において従来よりも長期間のメンテナンスフリーを実現することが可能となる。

したがって、上述した本実施形態によれば、オーステナイト系ステンレス鋼から形成される筒状の構造体１を互いに溶接する溶接部２の補強方法であって、構造体１の内周面に機械加工を施して開先合わせを行う機械加工工程と、上記機械加工工程により上記内周面に生成された機械加工層１０をレーザー光の照射により溶融させて、上記機械加工層１０にフェライトを生成するフェライト生成工程とを有するという構成を採用することによって、加工硬化した機械加工層１０をレーザー光の照射により溶融させて除去すると共に、その溶融により機械加工層１０にフェライト（特に、δフェライト）を生成（晶出）せしめることで、機械加工層１０の組織改質を行うことが可能となる。すなわち、機械加工層１０が一度溶融されることで、その加工硬化が解消されるため、ＳＣＣの発生を抑制することができる。また、溶融した機械加工層１０が再び凝固して、フェライトを生成せしめることでＳＣＣ対策となる。すなわち、オーステナイトに比べてフェライトは、その酸化速度が小さいという特性を有しており、ＳＣＣのひび割れの進展速度を遅延させるという作用によりＳＣＣの発生を抑制することができる。
したがって、本実施形態は、上記工程により機械加工層１０の組織改質を行うことで、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部２におけるＳＣＣの発生を防止することができる効果がある。

また、本実施形態は、上記フェライト生成工程では、上記レーザー光の照射により溶融した機械加工層１０の凝固速度を調整する凝固速度調整工程を有するという構成を採用することによって、機械加工層１０にフェライトを生成せしめる凝固速度を適当な値に調整することが可能となる。

また、本実施形態は、上記凝固速度調整工程では、機械加工層１０に対する上記レーザー光の走査速度を調整することにより、機械加工層１０の凝固速度を調整するという構成を採用することによって、レーザー光の走査速度により機械加工層１０に対するレーザー光の入熱量を調整し、機械加工層１０の凝固速度を調整することが可能となる。

また、本実施形態は、上記凝固速度調整工程では、上記レーザー光の出力を調整することにより、機械加工層１０の凝固速度を調整するという構成を採用することによって、レーザー光の出力により機械加工層１０に対するレーザー光の入熱量を調整し、機械加工層１０の凝固速度を調整することが可能となる。

また、本実施形態は、上記凝固速度調整工程では、上記レーザー光の焦点位置を調整することにより、機械加工層１０の凝固速度を調整するという構成を採用することによって、レーザー光の焦点位置により機械加工層１０に対するレーザー光の入熱量を調整し、機械加工層１０の凝固速度を調整することが可能となる。

また、本実施形態は、上記凝固速度調整工程では、上記レーザー光より溶融した機械加工層１０に、上記レーザー光より低出力の第２レーザー光を照射することにより、上記機械加工層１０の凝固速度を調整するという構成を採用することによって、低出力の第２レーザーで、溶融した機械加工層１０を加熱することにより、機械加工層１０の凝固速度を遅延させて好適にフェライトを生成せしめることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、溶接工程の前に、フェライト生成工程を行うと説明したが、本発明では、溶接工程後にフェライト生成工程を行う構成であっても良い。
例えば、構造体１が炉心シュラウドであれば、内部において人が十分に作業できる空間を有しているため、溶接により組み立てられた後であっても、機械加工層１０の組織改質を好適に行うことが可能となる。
また、上記実施形態では、δフェライトを主に昌出させると説明したが、他の種のフェライトを含んでいても良い。

また、例えば、上記実施形態では、オーステナイト系ステンレス鋼から形成される構造体が筒状の場合で説明したが、本発明では、構造体が板状態など溶接される構造体であっても良い。

本発明の実施形態における構造体の溶接部を示す一部分解斜視図である。 本発明の実施形態における構造体の溶接部を示す要部拡大断面図である。 本発明の実施形態における凝固モードに及ぼす材料の組成（Ｃｒ／Ｎｉ当量）と凝固速度との関係を示す図である。 本発明の実施形態における溶接部の補強方法のフローチャートである。 本発明の実施形態における溶接部の補強方法を説明する図である。 本発明の実施形態における凝固速度調整工程を説明する図である。

符号の説明

１…構造体、２…溶接部、１０…機械加工層

Claims (7)

1. オーステナイト系ステンレス鋼から形成される構造体を互いに溶接する溶接部の補強方法であって、
   前記構造体に機械加工を施す機械加工工程と、
   前記機械加工工程により生成された機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて、前記機械加工層にフェライトを生成するフェライト生成工程とを有することを特徴とする溶接部の補強方法。
2. 前記構造体は、筒形状を有しており、
   前記機械加工工程では、前記構造体の内周面に機械加工を施して開先合わせを行い、
   前記フェライト生成工程では、前記機械加工工程により前記内周面に生成された機械加工層をレーザー光の照射により溶融させて、前記機械加工層にフェライトを生成することを特徴とする請求項１に記載の溶接部の補強方法。
3. 前記フェライト生成工程では、前記レーザー光の照射により溶融した前記機械加工層の凝固速度を調整する凝固速度調整工程を有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接部の補強方法。
4. 前記凝固速度調整工程では、前記機械加工層に対する前記レーザー光の走査速度を調整することにより、前記機械加工層の凝固速度を調整することを特徴とする請求項３に記載の溶接部の補強方法。
5. 前記凝固速度調整工程では、前記レーザー光の出力を調整することにより、前記機械加工層の凝固速度を調整することを特徴とする請求項３または４に記載の溶接部の補強方法。
6. 前記凝固速度調整工程では、前記レーザー光の焦点位置を調整することにより、前記機械加工層の凝固速度を調整することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の溶接部の補強方法。
7. 前記凝固速度調整工程では、前記レーザー光より溶融した前記機械加工層に、前記レーザー光より低出力の第２レーザー光を照射することにより、前記機械加工層の凝固速度を調整することを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の溶接部の補強方法。

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