JP3751411B2 - 異種金属の溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は異種金属の溶接割れ防止方法に係り、特にオーステナイト系ステンレス鋼にインコネル（Ｎｉ基耐熱超合金）を多層肉盛溶接する場合の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼へのインコネル肉盛溶接において、従来の溶接割れ防止方法は、例えば図２（ａ）側面図、および図２（ｂ）正面図に示すように、被覆アーク溶接法によるオーステナイト系ステンレス鋼２へのインコネルの肉盛溶接は、インコネル肉盛金属（一層盛）１に限定し、また、図３または図５に示すように、溶接割れ率に及ぼす母材中のＰ含有量またはＰ当量の影響を調べ、あるいは図４に示すように、溶接割れ率に及ぼす溶込み率の影響等を調査し、最終的に、次の（化１）式で示されるＰ当量の計算式を用いて、溶接金属中のＰ当量が０.００９％以下となるような溶接条件を採択することにより溶接割れを防止していた（石川島播磨技報、July.1982 Vol.22 No.4 第234頁〜第238頁）。
【０００３】
【化１】

【０００４】
すなわち、溶接割れに及ぼす母材の化学成分および溶接条件を設定するものであり、図２は、肉盛溶接の要領を示すものであって、オーステナイト系ステンレス鋼に、インコネル被覆アーク溶接棒を用いてインコネル肉盛金属（一層盛）１を行う溶接方法とする。この時、母材の化学成分は、重量％で、Ｃ：０.００６〜０.０２４％、Ｓｉ：０.３９〜０.６９％、Ｐ：０.００９〜０.０３０％、Ｓ：０.００８〜０.０２５％の範囲で異なったものを使用し、不純物元素の溶接割れに及ぼす影響を調査する。また、肉盛溶接条件についても 溶接電流：１００〜１４０Ａ、溶接速度：１５〜３０ｃｍ／ｍｉｎに変化させ、溶接割れに及ぼす影響を調査している。
なお、溶接割れの確認方法は、肉盛溶接部を母材裏面まで切削加工して、液体浸透探傷試験により評価する。その結果を、図３〜図５に示す。溶接割れに及ぼす母材の化学成分は、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓの中でＰの影響が最も大きく、図３は、母材のＰ含有量（重量％）と溶接割れ率の関係を示すものであり、 Ｐ含有量が０.０２５％以上となると割れ率が著しく増加している。また、溶接割れに及ぼす溶接条件については、溶接電流（Ａ）および溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）が大きくなるにつれ溶け込み率が増え、溶接割れ率は増加している。図４は、溶け込み率と溶接割れ率との関係を示すもので、溶け込み率が約４５％を超えると、溶接割れ率は著しく増加し、母材成分の希釈が大きな影響を与えている。これらの結果を、母材成分のＰ含有量をＰ当量で整理したものが図５であり、Ｐ当量が０.００９％以下であれば溶接割れはほとんど発生しないことを示している。
従来技術において、溶接割れは溶接金属の凝固過程で発生する凝固割れ、あるいは後続溶接ビードの再加熱による液化割れ等によるものと考えられている。この種の溶接割れは、特に、溶接金属中に限度以上のＰ、Ｓ、Ｓｉ等の低融点化合物を形成する元素を含む場合に顕著に現われ、溶接金属の凝固過程で、粒界に低融点化合物が偏析し、凝固時における収縮応力により割れが発生する。このため従来技術においては、Ｐ当量が０.００９％以下となるような溶接条件を採用することで溶接割れを防止しようとしている。しかしながら、被覆アーク溶接法以外の溶接方法、および多層肉盛溶接方法における溶接割れ防止についての配慮は全くなされていないのが現状である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したごとく、従来技術においては被覆アーク溶接方法以外の溶接方法、および多層肉盛溶接方法における溶接割れ防止に関する配慮は全くなされておらず、自動ティグ（ＴＩＧ）溶接方法においては、次に示すように溶接の挙動が相違するという問題がある。
（１）一層・多パスの肉盛溶接では割れは発生しない。
【０００６】
（２）多重熱サイクルを受けることになる二層目の溶接を行う場合にのみ、一層目に溶接割れが発生する。
（３）Ｐ当量が０.００９％以下であっても溶接割れが発生する。例えば、図６は、ステンレス鋼にインコネル（Ｎｉ基耐熱超合金）を多層肉盛溶接した時に、一層目に発生した溶接割れの例を示すもので、表１には、溶接割れが発生している溶接金属の化学成分を示しており、この場合のＰ当量は０.００７４％である。
【０００７】
【表１】

【０００８】
本発明の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼にインコネル（Ｎｉ基耐熱超合金）を多層肉盛溶接する際に、溶接方法および多層肉盛方法が異なる場合であっても、一層目に発生する溶接割れを防止できる異種金属の溶接方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、種々の溶接試験を行った結果、オーステナイト系ステンレス鋼へインコネル（Ｎｉ基耐熱超合金）を多層肉盛溶接する場合に、インコネルの主成分であるＮｉ量を５１％以上確保できる溶接条件で溶接施工すると、一層目の溶接金属の健全性が得られることに着目し、溶接金属の割れを効果的に抑制できる溶接条件を見出すことができ、本発明をなすに至ったものである。
上記した本発明の目的を達成するために、具体的には特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、オーステナイト系ステンレス鋼からなる母材に、Ｎｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる溶接材料を用いて、多層肉盛溶接する異種金属の溶接方法において、一層目の肉盛溶接により形成した溶接金属中のＮｉ含有量が５１重量％以上である溶接条件で溶接施工することにより、二層目の溶接熱サイクルの影響による一層目の溶接金属の割れの発生を抑止できる異種金属の溶接割れ防止方法とするものである。
オーステナイト系ステンレス鋼に、Ｎｉ基耐熱超合金よりなる溶接材料を用いて、多層肉盛溶接する異種金属の溶接方法において、一層目の溶接金属中のＮｉ含有量を５１重量％以上である溶接条件で溶接施工することにより、二層目の溶接熱サイクルの影響による一層目の溶接金属の割れの中のＮｉ含有量を５１重量％以上である溶接条件で溶接施工することにより、二層目の溶接熱サイクルの影響による一層目の溶接金属の割れの発生を抑止することができる異種金属の溶接方法とするものである。このような溶接条件とすることにより、たとえ溶接方法あるいは多層肉盛方法が異なる場合であっても、一層目の溶接金属中のＮｉ含有量を５１重量％以上に保持するだけで、溶接金属の割れを容易に有効に防止できる効果がある。このような溶接条件とすることにより、たとえ溶接方法あるいは多層肉盛方法が異なる場合であっても、一層目の溶接金属中のＮｉ含有量を５１重量％以上に保持するだけで、溶接金属の割れを容易に有効に防止できる効果がある。
本発明の溶接割れ防止方法は、異種金属の多層肉盛溶接の一層目に健全なインコネル溶接金属の組成が得られることを、インコネルの主成分であるＮｉ量により評価したものであり、具体的には、表２に示すような市販されているインコネルの溶接材料の化学成分範囲であれば、溶接方法および多層肉盛方法が異なる場合であっても、従来技術における一層目の溶接金属の割れの発生の問題は生じない異種金属の溶接方法である。
【００１０】
【表２】

【００１１】
【発明の実施の形態】
インコネルは、Ｎｉを主成分〔７６％（重量）Ｎｉ−１５％Ｃｒ−８％Ｆｅ〕とするＮｉ基耐熱超合金であり、溶接中に高温割れを生じ易い性質がある。この原因は、Ｎｉに固溶されにくいＰ、Ｓ、Ｓｉ等の不純物元素が結晶粒界に低融点物質を形成し、溶接金属の凝固過程で母体金属の凝固終了時にも、なお粒界に溶融状態で存在し、凝固による収縮応力に耐えられないために開口し割れとなるものと考えられる。このため、インコネル溶接材料は、Ｐ、Ｓ、Ｓｉ等の不純物をできるだけ低くするように管理されており、通常の一層溶接においては高温割れの問題はほとんど生じない。
しかし、オーステナイト系ステンレス鋼へのインコネルの多層肉盛溶接は、異種金属の溶接となり、その一層目に発生する割れは、不純物元素の影響だけでは説明がつかない現象が見受けられる。
その現象とは、▲１▼一層多パスの溶接においては割れは発生せず、▲２▼二層目の溶接熱サイクルを受けることによって、はじめて溶接割れが発生することである。単純に不純物元素の影響により割れが発生するものとすれば、一層多パスの溶接においても溶接割れが発生するものと考えられるが、実際には溶接割れはほとんど発生しない。
そこで、溶接割れの発生は不純物元素もその一つの原因であるが、他に何らかの原因があるものと考えられる。この異種金属の溶接において、一層目が二層目以降と異なるのは溶接金属の組成であり、この一層目の溶接金属の組成が割れに大きな影響を与えているものと思われる。
インコネルの成分系は、公称７６％（重量）Ｎｉ−１５％Ｃｒ−８％Ｆｅである。しかし、表１に示しているように、割れ発生部である一層目の肉盛溶接金属の化学組成は３８％Ｎｉ−１８％Ｃｒ−３７％Ｆｅであり、これはインコロイ（３２％Ｎｉ−２１％Ｃｒ−４６％Ｆｅ）にかなり近い組成となっている。このため、この成分系での割れに及ぼす合金元素の影響を考慮することが必要であると考えられる。インコロイはＦｅ基耐熱超合金であり、この場合の添加元素の効果を表３に示す。なお、表３は、現代溶接技術大系（第１４巻）「耐熱鋼・耐熱材料の溶接」による。
【００１２】
【表３】

【００１３】
表３に示される元素のうち、溶接割れを抑制する効果があるのはＮｉだけである。Ｎｉは表３に示すように、マトリックスを安定化させ、有害相の形成を抑制する効果のあることが知られており、表４は、溶接部の割れに及ぼす化学成分の影響をＦｅ基耐熱超合金であるＡ−２８６材（２６％Ｎｉ−１５％Ｃｒ−５３％Ｆｅ）を用いて溶接試験した結果を示している。なお、表４は、現代溶接技術大系（第１４巻）「耐熱鋼・耐熱材料の溶接」による。
【００１４】
【表４】

【００１５】
表４から明らかなように、標準組成にＮｉ量を１０％増加したものは、溶接割れが見られる断面の割合（％）が減少することを示している。また、表４では、Ｎｉ以外にも化学組成を変えて溶接試験を行っており、結果として、溶接割れが発生しない組成は、Ｃ、Ｍｎ、Ｓｉの含有量を低くし、かつ、Ｂ（ボロン）を含有しない組成としている。
以上の知見に基づいて、オーステナイト系ステンレス鋼へのインコネルの多層肉盛溶接における一層目に発生する割れの原因は、極度のＮｉ量低下によりマトリックスが不安定化し、粒界にも有害相が析出して脆弱化している一層目の溶接金属に、２層目の溶接熱サイクルが加わり、析出した有害相を起点に、再熱割れが発生するものと推定される。
本発明は、Ｎｉによるマトリックスの安定化、および有害相の形成抑制効果が、その合金組成のＮｉ量に適正値が存在するものと考え、一層目に健全な肉盛溶接金属が得られるＮｉ量を決定するための溶接試験を行った。表５には、溶接を行うオーステナイト系ステンレス鋼（母材）の化学成分、およびインコネル溶接材料の化学成分を示す。
【００１６】
【表５】

【００１７】
肉盛溶接は、図７に示すように４パス２層とし、その溶接条件を表６に示す。
【００１８】
【表６】

【００１９】
表６に示した溶接条件は、一層目の溶接金属中のＮｉ量の変動と、溶接割れの関係を求めるため、１１の溶接条件を設定した。表中の丸付き１〜１１の数字は溶接条件番号を示す。
表６の溶接条件を簡単に説明すると、インコネルワイヤの送給量を３５０〜２８００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で変化させているのは、溶接速度を一定にしているのでワイヤ送給量が増えれば母材の希釈を受ける量が少なくなるため溶接金属中のＮｉ量は増加することになるからである。しかし、電流値を一定として、ワイヤ送給量を増加させることは融合不良の原因となるので、ワイヤ送給量の増加に伴ない電流値は上昇させている。
図１は、表６に示す溶接条件に基づき多層肉盛溶接をした一層目の溶接金属に含まれるＮｉ量と溶接割れ発生の関係を示している。図１から明らかなように、溶接割れは、Ｎｉ量が５１％未満に減少する時に発生していることが分かる。なお、割れの確認方法は、母材表面まで肉盛金属を切削し、液体浸透探傷試験により確認した。また、Ｎｉ量の分析も上記と同じ位置で行った。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の異種金属の溶接割れ防止方法によれば、オーステナイト系ステンレス鋼にインコネルを多層肉盛溶接する場合に、一層目肉盛金属のＮｉ量を５１重量％以上に保持することにより、たとえ溶接方法あるいは肉盛方法が異なる場合であっても、健全な割れのない一層目の肉盛溶接金属が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示した一層目の肉盛金属のＮｉ量と溶接割れの関係を示す説明図。
【図２】従来のオーステナイト系ステンレス鋼にインコネルの一層肉盛溶接を示す図。
【図３】従来の母材のＰ含有量と溶接割れ率との関係を示す図。
【図４】従来の溶け込み率と溶接割れ率との関係を示す図。
【図５】従来のＰ当量と溶接割れ率との関係を示す図。
【図６】従来の溶接割れ発生部の外観を示す図。
【図７】従来の多層肉盛溶接の要領および条件を示す図。
【符号の説明】
１…インコネル肉盛金属（一層盛）
２…オーステナイト系ステンレス鋼
３…インコネル肉盛金属（二層盛）
４…オーステナイト系ステンレス鋼

Claims (1)

1. オーステナイト系ステンレス鋼からなる母材に、Ｎｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる溶接材料を用いて、多層肉盛溶接する異種金属の溶接方法において、一層目の肉盛溶接により形成した溶接金属中のＮｉ含有量が５１重量％以上であることを特徴とする異種金属の溶接方法。

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