JP2011200927A

JP2011200927A - 溶接構造体

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Publication number: JP2011200927A
Application number: JP2010072620A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nonomura; 明廣野々村; Akinori Kono; 明訓河野; Osamu Yamamoto; 修山本; Wakahiro Harada; 和加大原田
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】Ａｒバックガスシールを実施せずに溶接施工しても、溶接隙間部に腐食が生じにくい溶接構造体を提供する。
【解決手段】隙間構造を有する溶接構造体において、胴板と鏡板を溶接接合する場合に胴板を溶接ボンドから５ｍｍ以上出すとともに溶接部の隙間間隔を２０μｍ以下として溶接隙間部を形成し、この溶接隙間部のスケール組成がＣｒ＞２０ａｔｍ％以上であることを特徴とする、溶接構造体。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＩＧ溶接などにより施工される溶接構造体において、Ａｒバックガスシールの使用有無によらずに溶接隙間部の耐食性を有する溶接構造体に関する。

ＣＯ_２冷媒ヒートポンプ給湯器や電気温水器に用いられる貯湯槽などは胴板と鏡板と呼ばれる加工板をＴＩＧ溶接により接合される溶接構造体である。それらの溶接構造体を上水の温水環境で使用すると、溶接隙間部で腐食が生じやすい。これらの温水用溶接構造体用の材料としてフェライト系鋼のＳＵＳ４４４(低Ｃ、低Ｎ、１８〜１９Ｃｒ−２Ｍｏ−Ｎｂ、Ｔｉ系鋼)が広く用いられてきた。ＳＵＳ４４４は温水環境での耐食性向上を主目的に開発された鋼種である。しかし、溶接接合部で隙間腐食を起こすと、板厚を貫通して漏水に至ることもある。

このため、温水容器では腐食しやすい隙間構造の形成をできるだけ避ける構造とすることが望ましい。しかし、鏡と胴の溶接接合部など、施工上、隙間の形成を回避することが難しい部位もある。耐食性の観点から、隙間腐食を防止するため隙間構造を避けた突き合わせ溶接が好ましいが、溶接が難しく、強度も得られにくい。

近年におけるＣＯ_２冷媒ヒートポンプ給湯器や電気温水器などの貯湯容器には使用水圧の上昇により、耐圧性が要求されており、溶接構造体としての強度を得るためには重ね溶接により溶着部をしっかり確保する必要がある。その場合に胴板と鏡板で溶接隙間ができる。温水容器をＴＩＧ溶接により製造する際には、溶接部の耐食性低下を小さくするため、一般にＡｒバックガスシールを行って裏ビード側の酸化を抑制する対策が採られている。ところが、電気温水器では追い焚き機能のニーズが高まり、蛇管を内部に装入した構造の缶体が増えてきた。この場合、溶接時にＡｒバックガスシールを行うためのノズルを缶体内部に挿入することが難しくなり、バックガスシールなしのＴＩＧ溶接を採用せざるを得ないケースが増え、耐食性低下に対する不安要因となっている。ＣＯ₂冷媒ヒートポンプ給湯器ではヒーター加熱を行わないので、ヒーター挿入のためのフランジは本来不要であるが、ＴＩＧ溶接時のバックガスシール用ノズルを挿入するためにはフランジが省略できないなど、コストアップに繋がる問題が生じる。

特許文献１には鏡への胴の挿入深さを２０ｍｍまでとし、隙間腐食の発生を避けた構造の温水器用ステンレス鋼製缶体が記載されている。鋼種としてはＳＵＳ４４４相当鋼が採用されている。しかし、発明者らの調査によれば溶接で耐食性が低下する熱影響部は溶接ビードから概ね１０ｍｍ程度の範囲であり、上記構造では安定した耐食性向上効果が十分に得られない場合がある。また、このＳＵＳ４４４相当鋼をＡｒバックガスシールを行わないＴＩＧ溶接に供すると、裏ビード部での酸化スケールの生成部分では著しい耐食性低下が生じることが予想される。

特許文献２にはＴｉとＡｌを複合添加することにより溶接時のＣｒ酸化ロスを抑制し、溶接部での耐食性低下を改善したフェライト系ステンレス鋼が記載されている。この鋼を使用することにより温水容器の耐食性レベルを大きく向上させることが可能になった。しかし、この鋼の場合も、Ａｒバックガスシールを行わないＴＩＧ溶接ではＣｒの酸化ロスを十分に抑制することはできず、溶接隙間部の耐食性の大幅な低下は避けられない。

特許文献３には、バックガスシールを行わないＴＩＧ溶接により形成された裏ビード側溶接部の耐食性向上として２１質量％を超えるＣｒ含有量を確保し、Ｎｉ，Ｃｕの添加でＴＩＧ溶接裏面熱影響部の耐食性を大きく改善する鋼を提案されている。この鋼を使用することにより温水容器の耐食性レベルを大きく向上させることが可能になった。しかし、隙間構造やＣｕ量によっては十分なＴＩＧ溶接隙間部の耐食性改善効果が得られないことがあった。

特開昭５４−７２７１１号公報特開平５−７０８９９号公報特願２００７−０８８１２４

上述のように、昨今の温水容器においては、ＴＩＧ溶接で製造する際にＡｒバックガスシールを実施しにくい構造のものが増えている。一方で、製造コスト低減等の要請から溶接部に隙間を形成しないような構造の温水容器を設計することも難しい状況にある。
本発明は、このような現状に鑑み、Ａｒバックガスシールを行わないＴＩＧ溶接により隙間構造をもった温水容器を構築する際の溶接隙間部の状態を特定することにより、温水環境において優れた耐食性を確保した。
（本発明では隙間構造を特定しているので、これは削除したほうがよいと考えます。）

発明者らは上記目的を達成すべく詳細な研究を行った結果、以下のようなことを見出した。
(i)溶接構造体としては溶接ボンドから１ｍｍほど離れ、隙間間隔が２０μｍ以下の部分が最も隙間腐食を起こしやすいが、それ以下に胴板を制御することは困難である。したがって、溶接しやすくかつ強度を得るために、胴板を５ｍｍ以上出すように溶接隙間部を形成する必要がある。
(ii)最も溶接隙間腐食の起こりやすい溶接ボンドから１ｍｍほど離れ、隙間間隔が２０μｍ程以下の部分の表面に生成する酸化スケールを制御することによりＡｒバックガスシールを行わないＴＩＧ溶接においても耐隙間腐食性を維持することができる。
(iii)２２質量％を超えるＣｒ含有量を確保して基本的耐食性レベルを向上させることにより、溶接スケール直下での溶接構造体の腐食の成長を抑える。
本発明はこのような思想に基づいて溶接構造体としての構造ならびにそれを構成するフェライト系ステンレス鋼を提供するものである。

すなわち、本発明を以下のように構成する。
請求項１に記載の発明は、
隙間構造を有する溶接構造体において、胴板と鏡板を溶接接合する場合に胴板を溶接ボンドから５ｍｍ以上出すとともに溶接部の隙間間隔を２０μｍ以下として溶接隙間部を形成し、この溶接隙間部のスケール組成がＣｒ＞２０ａｔｍ％以上であることを特徴とする、溶接構造体である。
請求項２に記載の発明は、
溶接構造体を構成する材料が、質量％でＣ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２〜２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｍｏ：１．２％以下、Ｎｂ：０．０５〜０．６％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｎ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０２〜０．３％であり残部Ｆｅおよび他の不可避的不純物からなることを特徴とする、請求項１に記載の溶接構造体である。

上述の溶接構造体材料を用いることにより、その鋼板をそれぞれ胴板、鏡板に用い、胴板を５ｍｍ以上出してＴＩＧ溶接を行った場合に、Ａｒバックガスシールの有無にかかわらず、溶接ボンドから１ｍｍほど離れ、隙間間隔が２０μｍ以下の部分における溶接隙間部の酸化スケールのスケール組成がＣｒ＞２０ａｔｍ％以上とすることができる。

本発明の溶接構造体を使用すると、溶接作業性が容易となり、作業性も向上するとともに温水環境における溶接部の耐食性が顕著に改善される。特に、バックガスシールなしのＴＩＧ溶接によって形成された溶接隙間部において長期間優れた耐食性が維持される。すなわち温水容器をＴＩＧ溶接により製造する際に、Ａｒバックガスシールを省略しても高い信頼性が得られる。したがって本発明によれば、高耐食性が要求される上水環境での温水容器において設計自由度の拡大が可能になる。また、ＣＯ_２冷媒ヒートポンプ給湯器の温水缶体ではバックガスシールのためのフランジが不要になり、コスト低減が可能になる。

溶接サンプルの断面の模式図である。腐食試験に用いた溶接サンプルの概観である。隙間構造と隙間腐食深さの関係である。

本発明の溶接構造体を構成する成分元素について説明する。
Ｃ：０．０２質量％以下、Ｎ：０．０２５質量％以下
Ｃ，Ｎは鋼中に不可避的に含まれる元素である。Ｃ、Ｎの含有量を低減すると鋼は軟質になり加工性が向上するとともに炭化物、窒化物の生成が少なくなり、溶接性および溶接部の耐食性が向上する。このため本発明ではＣ、Ｎとも含有量は少ない方が良く、Ｃは０．０２質量％まで、Ｎは０．０２５質量％まで含有が許容される。

Ｓｉ：０．０１〜０．３質量％
ＳｉはＡｒガスシールを行ってＴＩＧ溶接する場合、溶接部の耐食性改善に有効に作用する。しかしながら発明者らの詳細な検討によれば、ガスシールなしでＴＩＧ溶接する場合、Ｓｉは逆に溶接部の耐食性を阻害する要因になることがわかった。このため、耐食性の点ではＳｉ含有量は低い方が好ましく、本発明では０．３質量％以下に規定する。ただし、Ｓｉはフェライト系鋼の硬質化に寄与するので、例えば水道に直結して使用する高圧タイプの温水容器をはじめとして継手の強度が要求されるような用途などでは、Ｓｉの添加は有利となる。種々検討の結果、Ｓｉによる強度向上作用を十分に享受するには、０．０１質量％以上の含有量を確保することが望まれる。したがって本発明ではＳｉ含有量を０．０１〜０．３質量％に範囲にコントロールする。

Ｍｎ：１質量％以下
Ｍｎはステンレス鋼の脱酸剤として使用される。しかしＭｎは不動態皮膜中のＣｒ濃度を低下させ、耐食性低下を招く要因となるので、Ｍｎ含有量は低い方が好ましく、１質量％以下の含有量に規定される。スクラップを原料とするステンレス鋼ではある程度のＭｎ混入は避けられないので、過剰に含有されないよう管理が必要である。

Ｐ：０．０４質量％以下
Ｐは母材および溶接部の靭性を損なうので低い方が望ましい。ただし、含Ｃｒ鋼の溶製において精錬による脱りんは困難であることから、Ｐ含有量を極低化するには原料の厳選などに過剰なコスト増を伴う。したがって本発明では一般的なフェライト系ステンレス鋼と同様に、０．０４質量％までのＰ含有を許容する。

Ｓ：０．０３質量％以下
Ｓは孔食の起点となりやすいＭｎＳを形成して耐食性を阻害することが知られているが、本発明では適量のＴｉを必須添加するので、Ｓを特に厳しく規制する必要はない。すなわち、ＴｉはＳとの親和力が強く、化学的に安定な硫化物を形成するので、耐食性低下の原因になるＭｎＳの生成が十分に抑止される。一方、あまり多量にＳが含まれると溶接部の高温割れが生じやすくなるので、Ｓ含有量は０．０３質量％以下に規定される。

Ｃｒ；２０〜２５質量％
Ｃｒは不動態皮膜の主要構成元素であり、耐孔食性や耐隙間腐食性などの局部腐食性の向上をもたらす。バックガスシールなしでＴＩＧ溶接した溶接部の耐食性はＣｒ含有量に大きく依存することから、Ｃｒは本発明において特に重要な元素である。発明者らの検討の結果、バックガスシールなしで溶接した溶接部に温水環境で要求される耐食性を付与するには２０質量％以上のＣｒ含有量を確保すべきであることがわかった。耐食性向上効果はＣｒ含有量が多くなるに伴って向上する。しかし、Ｃｒ含有量が多くなるとＣ、Ｎの低減が難しくなり、機械的性質や靭性を損ねかつコストを増大させる要因となる。本発明では、Ｃｒ含有量が２０質量％以上の鋼ではＮｉの溶接隙間部の耐食性改善効果が大きくなることにより厳しい環境への適用においてもＣｒ含有量のさらなる増加に頼ることなく、上述の問題を最小限に抑え、十分な耐食性を得ることができる。したがって本発明ではＣｒ含有量を２０〜２５質量％とする。

Ｍｏ：１．０質量％以下
ＭｏはＣｒとともに耐食性レベルを向上させるための有効な元素であり、その耐食性向上作用は高Ｃｒになるほど大きくなることが知られている。ところが、発明者らの詳細な検討によれば、バックガスシールなしでＴＩＧ溶接した溶接隙間部や裏ビード側の溶接部については、Ｍｏによってもたらされる耐食性向上作用はあまり大きくないことがわかった。本発明の主な用途である上水の温水環境に対しては０．２質量％以上のＭｏを含有させることが効果的であるが、１．０質量％を超えて増量しても耐隙間腐食性の改善効果は小さく、徒にコスト上昇を招くのみで得策ではない。したがってＭｏ含有量は１．０質量％以下とする。

Ｎｂ：０．０５〜０．６質量％
ＮｂはＴｉと同様にＣ、Ｎとの親和力が強く、フェライト系ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効な元素である。その効果を十分発揮させるには０．０５質量％以上のＮｂ含有量を確保することが望ましい。しかし、過剰に添加すると溶接高温割れが生じるようになり、溶接部靭性も低下するので、Ｎｂ含有量の上限は０．６質量％とする。

Ｔｉ：０．４質量％以下
ＴｉはＡｒバックガスシールを行う従来のＴＩＧ溶接において溶接部の耐食性向上に寄与する元素であるが、バックガスシールなしのＴＩＧ溶接においても隙間部やその裏ビード側溶接部の耐食性を顕著に改善する作用を有することがわかった。そのメカニズムについては必ずしも明確ではないが、Ａｒバックガスシールを行うＴＩＧ溶接の場合は、Ａｌとの複合添加により溶接時に鋼表面にＡｌ主体の酸化皮膜が優先的に形成され、結果的にＣｒの酸化ロスが抑制されるものと考えられる。他方、バックガスシールなしのＴＩＧ溶接の場合は、その溶接部においてＴｉは腐食発生後の再不動態化を促進する作用を発揮し、それによって耐食性が向上するものと推察される。このようなＴｉの作用を十分に享受するには０．０５質量％以上のＴｉ含有量を確保することが望ましい。しかし、Ｔｉ含有量が多くなると素材の表面品質が低下したり、溶接ビードに酸化物が生成して溶接性が低下したりしやすいので、Ｔｉ含有量の上限は０．４質量％とする。

Ａｌ：０．０２質量％
ＡｌはＴｉとの複合添加によって溶接による耐食性低下を抑制する。その作用を十分に得るためには０．０２質量％以上のＡｌ含有量を確保することが望ましい。一方、過剰のＡｌ含有は素材の表面品質の低下や、溶接性の低下を招くので、Ａｌ含有量は０．３質量％以下とする。

Ｎｉ：０．２〜２質量％
ＮｉはＡｒバックガスシールなしのＴＩＧ溶接において溶接スケール中のＣｒ濃度を高め、化学的に安定なＣｒ_２０_３の生成量を増加しスケールの耐食性を向上させるのに重要な元素である。溶接スケール部においてはＣｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ａｌ系酸化物が形成される。Ｎｉの添加によりＣｒの活量を上げて、４／３Ｃｒ＋Ｏ₂→２／３Ｃｒ₂０₃の反応を促進させるために、耐食性に弊害があるＦｅ₂０₃が減少され、Ｃｒ＞２０ａｔｍ％以上の組成を維持できる効果があることを見出した。その効果を出すためにはＮｉが０．２％以上必要である。ただし多量のＮｉ含有は鋼を硬質にして、加工性を阻害するので、２質量％以下の範囲で行う。

本発明にかかる鋼材の冷延焼鈍酸洗板を溶接部より５ｍｍ以上出して、重ねＴＩＧ溶接を行った場合に、Ａｒバックガスシールの有無にかかわらず、溶接ボンドから１ｍｍほど離れ、隙間間隔が２０μｍ以下の部分における溶接隙間部の酸化スケールのスケール組成がＣｒ＞２０ａｔｍ％以上の組成となる。
(溶接条件)
溶接法:溶接芯線なしの突合せ溶接
溶接電流:６０Ａ溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ
トーチシール側のＡｒガス流量:１２Ｌ／ｍｉｎ
電極径:φ１．６ｍｍ

実施例により本発明の具体的な効果を示す。
表１に示す化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３ｍｍの熱延板を作製した。その後、冷間圧延にて板厚１．０ｍｍとし、仕上焼鈍を１０００〜１０７０℃で行い、酸洗を施すことによって供試材とした。

各供試材について、図１に示す方法にてＴＩＧ溶接隙間を形成し、腐食試験を実施した。溶接条件は[００２６]記載のものであり、Ａｒバックガスシールの有り、無しでそれぞれ行った。２枚の鋼板を重ねてＴＩＧ溶接する際、隙間開口部を作るため、一方の鋼板を溶接部から５ｍｍ以上出るように重ね、かつ１０°の角度で曲げを施した後、隙間となる面を大気に曝した状態で溶接を行った。溶接条件は、溶け込み(溶接金属部)が裏面まで到達し、裏面に約４ｍｍ幅の裏ビードが形成される。この条件の場合、溶接熱影響部（ＨＡＺ）は板厚中央部でビード中心からの距離が約１０ｍｍの範囲となる。隙間深さを溶接ビード中心から曲げ位置までの距離（ｍｍ）と定義し、２枚の鋼板の隙間間隔が２０ｍｍ以下になるように作製した。溶接で生じた酸化スケールを除去していない試料から１５×４０ｍｍの試験片を切り出し、塩素イオンを含む温水中での浸漬試験に供した。

図２に溶接隙間試験片の外観を模式的に示す。溶接ビードが試験片長手方向中央位置を横切るように試験片を採取した。この浸漬試験片には溶接ビード部、熱影響部および母材部が含まれる。母材部の端にリード線をスポット溶接にて接続し、リード線およびその接続部分のみを樹脂被覆した。浸漬試験は８０℃の１０００ｐｐｍＣｌ^-水溶液に試験片と同一の表面積を有するＰｔ板を電気的に接続し、電位差を持たせた状態で３０日間浸漬した。

供試鋼の評価に先立ち、表１に記載の比較鋼Ｎｏ．６を用いて、隙間構造、特に隙間深さと隙間腐食による侵食深さの関係を調べた。図３に隙間構造と腐食試験後の隙間腐食深さを示す。溶接ビード中心から５ｍｍ以下の範囲で隙間腐食は生じることがわかる。前述したように溶接構造上、ＴＩＧ溶接で重ね溶接する場合には重ね合う溶接深さを５ｍｍ以下とすることは困難であり、短くするとむしろ１ｍｍ付近で最大侵食深さが認められるため、溶接深さが５ｍｍ以上を前提とした溶接構造材の評価が必要となる。

表１に示した供試材の腐食断面組織１０箇所の観察で母材侵食の有無の結果を表２に示す。また、浸漬試験後の最大侵食位置であったボンド端部から１ｍｍ位置での酸化皮膜分析を微小部Ｘ線発光電子分析法（μ−ＸＰＳ）で行った。ビーム径は５０μｍである。これにより酸化スケールの最表層から深さ５、１０、１５、２０ｎｍの位置における各金属元素量を求め、Ｃｒ比率をＣｒ量／Σ(全金属元素量)で算出した。そして、各測定位置におけるＣｒ比率の平均値を平均Ｃｒ率とした。

本明例のものは、溶接時のＡｒガスシールの有無によらず、いずれも腐食試験後の最大隙間腐食深さは０．２ｍｍ未満であり、溶接スケール中の最大Ｃｒ濃度は２０ａｔｍ％以上であった。一方、比較例においてはＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉなどの不足により、Ｍｏ添加量が多くても最大隙間腐食深さは０．２ｍｍ以上であり、溶接スケール中の最大Ｃｒ濃度は２０ａｔｍ％未満であった。したがって、本発明の溶接構造体の組成を有する鋼板を強度、作業性の低下なく溶接して、胴板と鏡板の溶接部で隙間腐食が起き易い構造になっても、温水缶体などの貯湯環境で優れた耐隙間腐食性を有することが期待できる。

本発明例の鋼Ｎｏ．１ならびに比較例として鋼Ｎｏ．５を用いて突き合せ溶接と[００３１]記載の重ね溶接によって重ね幅を３ｍｍならびに５ｍｍにした試験片の溶接強度ならびに溶接部の耐食性を比較した。Ａｒバックガスシールは実施しなかった。溶接強度は溶接部を試験片の中心として１３Ｂ号試験片を作製し、引張り試験を実施した。母材同等以上の強度を○、母材より低い強度を×で評価した。あわせて腐食部近傍の溶接スケール部のＣｒ組成分析も実施した。表３に溶接構造の異なる試験片の溶接強度ならびに耐食性、皮膜解析結果を示す。

本発明のものは５ｍｍ以上の重ね溶接があることにより、母材同等以上の強度が得られており、かつ耐食性も良好である。突き合せ溶接においては、隙間が形成されないため隙間腐食は生じずに腐食深さは浅いが、母材相当の強度が得られておらず、溶接構造体としての強度は不十分である。重ね幅が３ｍｍの場合も耐隙間腐食性は得られているが、引張強度が得られておらず、かつ溶接作業性に難があった。

この材料はエコキュート、電気温水器、定置型燃料電池、エコウィルなどに使用される温水器缶体のみでなく、溶接隙間構造を有する給油管や燃料タンクの給油系部材や燃料噴射レールならびに熱交換機部などの溶接構造体にも適用できる。

Claims

隙間構造を有する溶接構造体において、胴板と鏡板を溶接接合する場合に胴板を溶接ボンドから５ｍｍ以上出すとともに溶接部の隙間間隔を２０μｍ以下として溶接隙間部を形成し、この溶接隙間部のスケール組成がＣｒ＞２０ａｔｍ％以上であることを特徴とする、溶接構造体。
溶接構造体を構成する材料が、質量％でＣ：０．０２％以下、Ｓｉ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：０．２〜２％、Ｃｒ：２０〜２５％、Ｍｏ：１．２％以下、Ｎｂ：０．０５〜０．６％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ｎ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０２〜０．３％であり残部Ｆｅおよび他の不可避的不純物からなることを特徴とする、請求項１に記載の溶接構造体。