JP2012006079A

JP2012006079A - 合金鋼の異種溶接のための装置及び方法

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Publication number: JP2012006079A
Application number: JP2011125900A
Authority: JP
Inventors: Steven Louis Breitenbach; スティーブン・ルイス・ブレイテンバック; William Edward Babcock; ウィリアム・エドワード・バブコック; Alan Joseph Silvia; アラン・ジョセフ・シルヴィア
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-01-12
Also published as: JP2011256865A; EP2394772A1; KR20110134850A; CN102310292A; JP5997422B2; RU2011122978A; US20110305506A1

Abstract

【課題】合金鋼の異種溶接のための装置及び方法を提供する。
【解決手段】溶接継手（１２）は、低合金鋼部品（１４）と合金鋼部品（１６）とを含んでおり、それらの間の溶接ビードは、低合金鋼部品（１４）と接する第１の溶接ワイヤ（１８）と、高合金鋼部品（１６）と接する第２の溶接ワイヤ（２０）と、第１の溶接ワイヤ（１８）と第２の溶接ワイヤ（２０）の間の第３の溶接ワイヤ（２２）とを含む。溶接方法は、低合金鋼部品（１４）に第１の溶接ワイヤ（１８）を施工し、高合金鋼部品（１６）に第２の溶接ワイヤ（２０）を施工し、第１の溶接ワイヤ（１８）と第２の溶接ワイヤ（２０）の間に第３の溶接ワイヤ（２２）を施工することを含む。上記溶接継手及び方法において、第３の溶接ワイヤ（２２）のクロム含有量は、第１の溶接ワイヤ（１８）よりも高く第２の溶接ワイヤ（２０）よりも低い。
【選択図】図２

Description

本発明は、広義には組成の異なる合金鋼部品、具体的にはクロム含有量の異なる合金鋼部品を溶接するための装置及び方法に関連する。

合金鋼は、鉄と７０重量％以下のニッケル、クロム、モリブデン、マンガン、バナジウム、ケイ素及び／又はホウ素のような合金元素との組合せである。一般に、合金鋼は、炭素鋼よりも強度、硬度、高温硬度、耐摩耗性、焼入性及び／又は靱性が大きい。合金鋼はさらに、合金元素の添加量に特徴がある。合金鋼に属する一つの集団は、一般に約５重量％未満の合金元素を有する低合金鋼である。低合金鋼の具体例であるＮｉＣｒＭｏＶ及びＣｒＭｏＶは、蒸気タービンのロータ、フランジ、ホイール及びディスク用途に多用される。高合金鋼は、合金鋼に属する第２の集団といえるものであり、一般に約５重量％超の合金元素を有する。ステンレス鋼は高合金鋼の具体例であり、約９〜１２重量％又はそれ以上のクロムを含有する。

様々な商業的用途で、高合金鋼部品に低合金鋼部品を溶接する必要が生じることが多い。例えば、蒸気タービンは、その長さに沿って連続して延在するロータを含むことがある。可能であれば、安価な低合金鋼をロータに使用することができる。しかし、ロータのうち高温に付される部分には、高合金鋼が望ましいことがある。その結果、ロータは、低合金鋼のセクションを高合金鋼のセクションに溶接して１つのロータ組立体とすることが多い。

当技術分野で公知の通り、クロムレベルの異なる低合金鋼と高合金鋼の間のボンドには炭素拡散又は炭素偏析が生ずる。ボンドでの炭素拡散又は炭素偏析の量は、ボンドでのクロム勾配に正比例する。具体的には、溶接継手が例えば溶接後熱処理又は運転の際のような高温に暴露されると、炭素はクロム含有量の低い低合金鋼からボンドを横断してクロム含有量の高い高合金鋼へと拡散する。この炭素拡散又は炭素偏析は、ボンドの一方の側に脱炭領域を生じ、他方の側に浸炭領域を生じさせる。低合金鋼溶接ワイヤ（低クロムレベル）を用いて低合金鋼（低クロムレベル）部品を高合金鋼（高クロムレベル）部品に溶接した組立体では、炭素拡散が起こる境界は、低合金鋼溶着部と高合金鋼基材の間のボンドであり、そこでクロム勾配が最大となる。高合金鋼溶接ワイヤ（高クロムレベル）を用いて低合金鋼（低クロムレベル）部品を高合金鋼（高クロムレベル）部品に溶接した場合も、同様な炭素拡散又は炭素偏析が生じる。炭素拡散が起こる境界は、低合金鋼（低クロムレベル）基材と高合金鋼（高クロムレベル）溶着部の間のボンドであり、そこでクロム勾配が最大となる。この場合では、低合金鋼基材に脱炭域が形成され、高合金鋼（高クロムレベル）溶着部に浸炭域が形成される。脱炭及び浸炭領域は、溶接継手の強度及びクリープ特性に悪影響を与える。

米国特許出願公開第２００５／０２５５３３３号明細書米国特許第６１５２６９７号明細書

溶接継手で発生する炭素拡散又は炭素偏析を減少させる試みがなされてきた。例えば、合金鋼部品の一方又は両方で肉盛（クラッディング）を行うと、合金鋼部品間のクロム勾配を減少させることができる。その肉盛部品を次いで、例えば米国特許出願公開第２００５／０２５５３３３号に記載されているように互いに溶接すればよい。しかし、このプロセスには、合金鋼部品を互いに溶接する前に、合金鋼部品での時間のかかる肉盛の施工とその焼戻しを要する。そこで、部品への肉盛の追加を必要とせずに、合金鋼部品間の溶接継手での炭素拡散又は炭素偏析に対処できる溶接継手があれば望ましい。

以下、本発明の態様及び利点について開示するが、本発明の態様及び利点については、本願明細書の記載から明らかであることもあろうし、本発明の実施を通して理解されることもあろう。

本発明の一実施形態は、約４重量％未満のクロムを有する低合金鋼部品と、約９重量％超のクロムを有する高合金鋼部品とを含む溶接継手である。低合金鋼部品と高合金鋼部品の間の溶接ビードは、低合金鋼部品と接触した第１の溶接ワイヤと、高合金鋼部品と接触した第２の溶接ワイヤと、第１の溶接ワイヤと第２の溶接ワイヤの間の第３の溶接ワイヤとを含む。第３の溶接ワイヤの重量％単位のクロム含有量は第１の溶接ワイヤよりも高く、第２の溶接ワイヤよりも低い。

本発明の別の実施形態は、低合金鋼部品と、高合金鋼部品と、低合金鋼部品と高合金鋼部品の間のクロム勾配と、低合金鋼部品と高合金鋼部品の間のクロム勾配を減少させるための手段とを含む溶接継手である。

本発明のさらに別の実施形態は、溶接方法であり、本方法は、低合金鋼部品に対して重量％単位のクロム含有量が低合金鋼部品よりも高い第１の溶接ワイヤを施工するステップを含む。本方法はさらに、高合金鋼部品に対して重量％単位のクロム含有量が高合金鋼部品よりも低い第２の溶接ワイヤを施工するステップを含む。本方法はさらに、第１の溶接ワイヤと第２の溶接ワイヤの間に重量％単位のクロム含有量が第１の溶接ワイヤよりも高くかつ第２の溶接ワイヤよりも低い第３の溶接ワイヤを施工するステップを含む。

明細書の以下の記載から、上記その他の実施形態の特徴及び態様について理解を深めることができよう。

蒸気タービン用のロータの簡略部分断面図。本発明の一実施形態による溶接継手を示す図。本発明の別の実施形態による溶接継手を示す図。

以下、本明細書では、本発明を当業者が実施できるように本発明を最良の形態を含めて十分に開示するため、図面を参照しながら、具体的に説明する。

以下、本発明の実施形態の詳細について、図面に示すその１以上の実施例で説明する。詳細な説明では、図面に記載した特徴を示すため符号を用いる。図面及び明細書では、本発明の同様又は類似の部材を示すのに、同様又は類似の符号を用いた。

各実施例は、本発明を例示するためのものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに本発明に様々な修正及び変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、他の実施形態に適用してさらに別の実施形態とすることができる。従って、かかる修正及び変更は本発明の技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして保護される。

本発明の実施形態は、合金鋼部品間の溶接継手での炭素拡散又は偏析を減少させるための様々な装置及び方法を提供する。例えば、図１は、蒸気タービン用のロータ１０の簡略部分断面図を示しており、ロータ１０は、低合金鋼部品１４（低クロムレベル）と高合金鋼部品１６（高クロムレベル）との２種類の材料からなる。図１は、本発明の技術的範囲に属する実施形態の様々な態様を例示しかつ説明するための具体例環境を示している。ロータとの関連で説明しかつ例示しているが、本発明は特定の装置に限定されるものではなく、実際に低合金鋼部品と高合金鋼部品の間のあらゆる溶接継手に使用できることは当業者には自明であろう。

図２及び図３は、本発明の様々な実施形態による、図１の円内の溶接継手１２のような溶接継手１２の拡大図を示している。各図に示すように、溶接継手１２は、低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間にある。本明細書で用いる低合金鋼という用語は、鉄と５重量％未満のニッケル、クロム、モリブデン、マンガン、バナジウム、ケイ素及び／又はホウ素のような合金元素との組合せとして定義される。例えば、２％ＣｒＭｏＮｉＷＶは、０．２０〜０．２５重量％の炭素、０．６５〜０．８５重量％のニッケル、２．００〜２．５重量％のクロム、０．７５〜０．９５重量％のモリブデン、０．２５〜０．３５重量％のバナジウム及び０．６０〜０．７０重量％のタングステンを含む低合金鋼である。別の具体例として、１．２５％ＣｒＭｏＶは、０．２５〜０．３３重量％の炭素、０．３０〜０．６０重量％のニッケル、０．９０〜１．３０重量％のクロム、１．００〜１．５０重量％のモリブデン及び０．２０〜０．３０重量％のバナジウムを含む低合金鋼である。本明細書で用いる高合金鋼という用語は、鉄と５重量％超の合金元素との組合せとして定義される。例えば、高合金鋼の組成の一例は、０．１０〜０．１５重量％の炭素、０．６０〜０．８０重量％のニッケル、１０．０〜１２．０重量％のクロム、１．００〜１．２０重量％のモリブデン、０．１５〜０．２５重量％のバナジウム、０．９５〜１．１０重量％のタングステン、０．０４〜０．０７重量％のニオブ及び０．０４〜０．０７重量％の窒素を含む。本明細書で用いるステンレス鋼という用語は、クロム含有量が約９．０重量％超の高合金鋼として定義される。

各溶接継手１２は、低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間のクロム勾配を減少させるための手段を含む。クロム勾配を減少させるための手段としては、重量％単位のクロム含有量が漸次増大する複数の溶接ワイヤが挙げられる。例えば、図２に示すように、クロム勾配を減少させるための手段は、３種類の異なる溶接ワイヤ１８、２０、２２を含む。

第１の溶接ワイヤ１８は、低合金鋼部品１４と近接及び／又は接触している。第１の溶接ワイヤ１８には、２ＣｒＭｏワイヤ、２ＣｒＭｏＶワイヤ又は２ＣｒＭｏＷワイヤが挙げられる。第１の溶接ワイヤ１８は、約０．１０〜０．１５重量％の炭素、２．０〜４．０重量％のクロム、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０．１５〜０．３０重量％のバナジウム及び／又は０．１５〜０．３０重量％のタングステンを含有し得る。

第２の溶接ワイヤ２０は、高合金鋼部品１６と近接及び／又は接触しており、高合金鋼部品１６はステンレス鋼部品であってもよい。第２の溶接ワイヤ２０は、約０．１０〜０．２０重量％の炭素、８．０〜１０．０重量％のクロム、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０．５〜２．５０重量％のニッケル及び／又は０．１５〜０．２０重量％のバナジウムを含有し得る。

第３の溶接ワイヤ２２は、第１の溶接ワイヤ１８と第２の溶接ワイヤ２０の間にある。第３の溶接ワイヤ２２は、約０．０８重量％の炭素、５〜１０重量％、好ましくは５．０〜７．０重量％のクロム、０．５〜１．０重量％のモリブデン、０．５〜２．５重量％のニッケル及び／又は０．２０重量％未満のバナジウムを含有し得る。

低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間のクロム勾配を減少させる手段は、当技術分野で公知の部品溶接法を用いて施工し得る。例えば、アーク溶接法、ＴＩＧ（ＧＴＡＷ）溶接法、ＭＩＧ溶接法、レーザ溶接法又はそれらの組合せを用いて、低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間のクロム勾配を減少させる手段を施工することができる。実施に際して、第１の溶接ワイヤ１８を低合金鋼部品１４に直接施工してもよく、第２の溶接ワイヤ２０を高合金鋼部品１６に直接施工してもよく、第３の溶接ワイヤ２２を第１の溶接ワイヤ１８と第２の溶接ワイヤ２０の間に施工してもよい。第１、第２及び第３の溶接ワイヤ１８，２０，２２は、任意の順序で施工してもよく、或いは１つの溶接ビードとして同時に施工してもよい。

当業者には自明であろうが、低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間のクロム勾配を減少させる手段は４種以上の溶接ワイヤを含んでいてもよい。例えば、図３に示すように、低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間のクロム勾配を減少させるための手段は、５種類の溶接ワイヤを含むことができる。図２に示す実施形態に関して説明した通り、第１の溶接ワイヤ１８は、低合金鋼部品１４に直接施工することができ、第２の溶接ワイヤ２０は高合金鋼部品１６に直接施工することができ、第３の溶接ワイヤ２２は第１の溶接ワイヤ１８と第２の溶接ワイヤ２０の間に施工できる。第４及び第５の溶接ワイヤ２４，２６は、それぞれ、第１の溶接ワイヤ１８と第３の溶接ワイヤ２２の間及び第３の溶接ワイヤ２２と第２の溶接ワイヤ２０の間に施工することができる。上記と同様に、５つの溶接ワイヤ１８，２０，２２，２４，２６は、低合金鋼部品１４から高合金鋼部品１６に向かって漸次増大する重量％単位のクロムと共に、適量の炭素、モリブデン、ニッケル及びバナジウムを含有し得る。

従って、本発明の様々な実施形態では、クロム含有量は低合金鋼部品１４のレベルから高合金鋼部品１６のレベルへと漸次増大する。その結果、これらの様々な実施形態は、低合金鋼部品１４と高合金鋼部品１６の間でクロム勾配を徐々に減少させて、溶接継手１２で炭素拡散又は炭素偏析が生じるおそれを低減させる。加えて、低合金鋼部品１４から高合金鋼部品１６へのクロム含有量の漸増に応じて、溶接継手１２での熱膨張率も漸増する。従って、クロム含有量の漸増によって、溶接継手１２の引張強度及びクリープ強度も増大する。溶接継手１２の引張強度及びクリープ強度の増大によって、溶接継手１２は、従来よりも高い温度環境で使用できるようになる。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ロータ
１２溶接継手
１４低合金鋼部品
１６高合金鋼部品
１８第１の溶接ワイヤ
２０第２の溶接ワイヤ
２２第３の溶接ワイヤ
２４第４の溶接ワイヤ
２６第５の溶接ワイヤ

Claims

（ａ）クロム含有量約４重量％未満の低合金鋼部品（１４）と、
（ｂ）クロム含有量約９重量％超の高合金鋼部品（１６）と、
（ｃ）低合金鋼部品（１４）と合金鋼部品（１６）の間の溶接ビードであって、低合金鋼部品（１４）と接触した第１の溶接ワイヤ（１８）と、高合金鋼部品（１６）と接触した第２の溶接ワイヤ（２０）と、第１の溶接ワイヤ（１８）と第２の溶接ワイヤ（２０）の間の第３の溶接ワイヤ（２２）とを含む溶接ビードと
を含む溶接継手（１２）であって、第３の溶接ワイヤ（２２）の重量％単位のクロム含有量が第１の溶接ワイヤ（１８）よりも高くかつ第２の溶接ワイヤ（２０）よりも低い、溶接継手（１２）。
前記低合金鋼部品（１４）のクロム含有量が約３重量％未満である、請求項１記載の溶接継手（１２）。
第１の溶接ワイヤ（１８）の重量％単位のクロム含有量が低合金鋼よりも高い、請求項１又は請求項２記載の溶接継手（１２）。
第１の溶接ワイヤ（１８）のクロム含有量が約２〜４重量％である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第１の溶接ワイヤ（１８）が炭素、モリブデン及びバナジウムを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第２の溶接ワイヤ（２０）の重量％単位のクロム含有量が高合金鋼よりも低い、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第２の溶接ワイヤ（２０）のクロム含有量が約１０〜１１重量％である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第２の溶接ワイヤ（２０）が炭素、ニッケル、モリブデン及びバナジウムを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第３の溶接ワイヤ（２２）のクロム含有量が約５〜１０重量％である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第３の溶接ワイヤ（２２）が炭素、ニッケル、モリブデン及びバナジウムを含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
第２の溶接ワイヤ（２０）が第１の溶接ワイヤ（１８）よりも高い熱膨張率を有する、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の溶接継手（１２）。
（ａ）低合金鋼部品（１４）に対して、それよりも重量％単位のクロム含有量が高い第１の溶接ワイヤ（１８）を施工するステップと、
（ｂ）高合金鋼部品（１６）に対して、それよりも重量％単位のクロム含有量が低い第２の溶接ワイヤ（２０）を施工するステップと、
（ｃ）第１の溶接ワイヤ（１８）と第２の溶接ワイヤ（２０）の間に、重量％単位のクロム含有量が第１の溶接ワイヤ（１８）よりも高くかつ第２の溶接ワイヤ（２０）よりも低い第３の溶接ワイヤ（２２）を施工するステップと
を含む溶接方法。
前記低合金鋼部品（１４）に対して第１の溶接ワイヤ（１８）を直接施工するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
第１、第２及び第３の溶接ワイヤ（１８、２０、２２）を同時に施工するステップをさらに含む、請求項１２又は請求項１３記載の方法。