JP4242133B2 - オーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、海洋構造物や化学プラント等の塩素イオンが多く存在する環境下で使用されるオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するための溶接方法に係り、特に、ＳＵＳ８３６Ｌと同等、もしくはそれ以上の高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接対象物としており、耐食性に優れるとともに非常に安価であり、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れた溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼は、その優れた耐食性と加工性とから様々な分野で利用されており、その使用範囲は台所用品等の一般耐久消費材から化学プラント等の工業材料に至るまで広範囲に及んでいる。これに伴い、使用環境の多様化やコスト低減といった市場の需要が増大し、これに応えるべく鋼種の多様化や用途拡大が進んでいる。特に、工業製品においては、塩化物を高濃度に含む環境下での使用が多く、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６等の汎用ステンレス鋼では腐食が発生するため、より優れた耐食性を有する材料が指向される。具体的には、ＣｒやＭｏの含有量を増加させ、またはＮを添加することにより、耐食性を向上させた各種ステンレス鋼が開発、適用されている。中でも、ＳＵＳ８３６ＬやＡＳＴＭ−Ａ２４０−ＵＮＳ３１２５４に代表される高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼は、各種化学プラントや海洋構造物等の耐海水用途として、その適用が増加している。
【０００３】
これらの材料を構造物または配管として使用する場合には、その多くは溶接によって施工される。かかる溶接方法としては、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接および被覆アーク溶接等のアーク溶接法が多く用いられている。これらの溶接方法を実施する際には、溶接部の耐食性を確保するために、溶接材料に高耐食性のＮｉ基合金を使用するのが一般的である。具体的には、ＪＩＳＺ３３４４に規定されているＹＮｉＣｒＭｏ−３やＹＮｉＣｒＭｏ−４等の溶接材料が用いられている。しかしながら、いずれの溶接材料もＮｉ基合金であるために非常に高価であること、また湯流れが悪く作業性に劣る等の問題があった。かかる溶接材料のコスト削減や作業性の改善は、近年における構造物の大型化、適用領域の拡大に伴い、ますます重要な問題となっている。
【０００４】
上記したＮｉ基合金としては、Ｎｉを重量％で１５〜１９％含有させて耐隙間耐食性を向上させたワイヤが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、Ｎｉを５５〜７５％含有させて溶接金属の耐食性、機械特性および溶接作業性を向上させた被覆アーク溶接棒も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２８８７８０号公報（第２頁）
【特許文献２】
特開平８−２５２６９２号公報（第２〜６頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されたワイヤは、Ｎｉ量が１５〜１９重量％と低いためにσ相などの金属間化合物が析出することから、優れた組織安定性を実現することができない。また特許文献２に記載された被覆アーク溶接棒は、Ｎｉ量が５５〜７５％と高いために、コストが割高となる。また、これらのＮｉ基合金はいずれもフラックス入りの溶接材料であるため、食品プラント等の溶接部健全性が求められる構造物に使用することは望ましくない。そこで、今日においては、溶接部の耐食性がＳＵＳ８３６Ｌに代表される高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼の母材と同等以上であることを前提とし、安価であって、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れた溶接材料を用いた溶接方法の技術開発が要請されていた。
【０００７】
本発明は、このような要請に鑑みてなされたものであり、溶接部の耐食性がＳＵＳ８３６Ｌを代表とする高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼の母材と同等以上であり、上記した特許文献１，２に記載したＮｉ基合金溶接材料に比べて安価であり、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れた溶接材料を用いた溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、耐食性に優れ、安価であり、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れる高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼を溶接するための溶接材料を開発すべく、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、溶接金属に関し、優れた耐食性を実現するためには、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎの含有量を一定量以上とすることが必要であるが、優れた組織安定性を実現すべく溶接中への金属間化合物の析出を抑制するためには一定量以下とすることが肝要である。さらに、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃの含有量を適正化することにより、上記Ｎｉ基合金溶接材料に比べて非常に安価であり、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れた溶接材料を得ることができる。そして、そのような溶接材料の希釈率を適切な範囲に規定することによって目的が達成された。
【０００９】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を、重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．８％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：３０．０〜４５．０％、Ｃｒ：２０．０〜２８．０％、Ｍｏ：５．５〜１０．５％、Ｎ：０．１８〜０．３０％、Ａｌ：０．１％以下であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＴＩＧ溶接用の溶接材料を用いて溶接する方法であって、希釈率Ｄを「希釈率Ｄ（％）＝（（母材溶融部断面積）／（溶接金属断面積））×１００」と定義した場合に、希釈率Ｄ：２０〜７０％で溶接することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するための溶接材料は、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎの含有量の適正化により、ＳＵＳ８３６Ｌを代表とする高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼の母材と同等以上の溶接部の耐食性と組織安定性とを実現することができる。また、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃの含有量の適正化により、上記Ｎｉ基合金溶接材料に比べて非常に安価であり、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れた溶接材料を得ることができる。
【００１１】
このようなオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するための溶接材料においては、重量％で、前記残部成分の一部にかわり、Ｎｂ：０．５０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％のうち、いずれか1種以上をさらに含有することが望ましい。かかる場合には、Ｎｂによるクリープ強度の改善と、Ｃｕによる耐食性の向上と、Ｂによる熱間加工性の向上とを別途実現することができる。
【００１４】
本発明では、上記のように希釈率Ｄ：２０〜７０％で溶接することを特徴としており、以下に希釈率を定義する母材溶融部断面積と溶接金属断面積とについて述べる。図１（ａ）は、溶接前の母材１，２を示す側面図である。これに対し、図１（ｂ）は、溶接後の母材１，２と溶接金属３との関係を示す図である。上記母材溶融部断面積とは、溶接後に断面のマクロ組織をエッチングにより現出し、観察されるビード断面形状と溶接前の開先形状（図１（ａ））との比較により算出される面積であり、図１（ｂ）における「１ａ＋２ａ」が該当する。また、溶接金属断面積とは、観察されるビード断面形状そのものであり、図１（ｂ）における紙面内の点線で囲まれた部分３ａをいう。ここで、希釈率は、図１（ｂ）における（１ａ＋２ａ）／３ａとして算出される。
【００１５】
本発明の溶接方法では、このような母材溶融部断面積および溶接金属断面積で定義される希釈率Ｄの適正化により、溶接部の耐食性を母材と同等以上に確保することができるとともに、優れた接合部強度を得て、好適な組織安定性を実現することができる。すなわち、希釈率を２０％以上とすることで、母材溶融量が極小となることを防止して十分な接合部強度を得ることができる。一方、希釈率Ｄを７０％以下とすることで、溶接材料の添加量に比べ母材溶融量が過多となることを防止して、当該溶接材料による優れた耐食性確保の効果を十分に得ることができる。
【００１６】
以下に、溶接材料中の各含有元素の含有量の限定理由について述べる。なお、各元素の含有量はすべて重量％表示である。
Ｃ：０．０５％以下
Ｃは溶接時に炭化物として析出すると粒界腐食や孔食の発生を招き、耐食性を劣化させる。したがって、Ｃの含有量はできるだけ少量とすることが好ましいことから、０．０５％以下に限定した。
【００１７】
Ｓｉ：０．０５〜１．０％
Ｓｉは溶製時に脱酸元素として添加され、溶融金属の湯流れを向上させる効果を有することから、Ｓｉの含有量の下限値は０．０５％とした。しかしながら、多量に含有すると溶接熱サイクル中にσ相やχ相といった金属化合物の析出を促進し、溶接金属の耐食性および靭性を損なうため、含有量の上限値は１．０％とした。
【００１８】
Ｍｎ：０．０５〜０．８％
Ｍｎは脱酸元素であると同時にオーステナイト相の安定度とＮの溶解度とを高めるため、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が０．８％を超えると金属間化合物の析出を助長するため、優れた耐食性および靭性の実現の観点から好ましくない。したがって、Ｍｎの含有量は０．０５〜０．８％に限定した。
【００１９】
Ｐ：０．０４％以下
Ｐは不純物として不可避的に混入される元素であり、溶接時の高温割れ防止や溶接金属の優れた耐食性確保の観点から、その含有量は少量とすることが好ましい。しかしながら、Ｐの含有量を極端に低減させることは製造コストの増加を招くため、許容できる範囲として、その含有量は０．０４％以下に限定した。
【００２０】
Ｓ：０．００３％以下
Ｓも前記Ｐと同様に原料から不可避的に混入される不純物元素であり、その含有量が０．００３％を超えると高温割れ感受性を著しく高める。したがって、Ｓの含有量はできるだけ少ない方が望ましいことから、０．００３％以下に限定した。
【００２１】
Ｎｉ：３０．０〜４５．０％
Ｎｉはオーステナイト安定化元素であると共に、溶接時におけるσ相やχ相などの金属間化合物の析出を抑制する上で有効な元素であるため、少なくとも３０．０％含有させる必要がある。しかしながら、過剰なＮｉの添加は、溶接材料の価格上昇を招き、上記特許文献２に記載されたＮｉ基溶接材料との価格差が少なくなる。一方、４５．０％を超えて添加しても上記金属間化合物の析出抑制効果が頭打ちとなる。そこで、Ｎｉの含有量は３０．０％〜４５．０％に限定した。
【００２２】
Ｃｒ：２０．０〜２８．０％
Ｃｒは溶接金属に耐食性を付与する主要元素であり、溶接部の耐食性を母材同等以上に確保するためには、２０．０％以上の含有が必要である。一方、含有量が２８．０％を超えると、溶接時にσ相などの金属間化合物の析出を促進させ、耐食性および靭性を著しく損なうため、含有量の上限値は２８．０％とした。
【００２３】
Ｍｏ：５．５〜１０．５％
Ｍｏも上記Ｃｒと同様に、溶接金属に耐食性を付与する元素であり、塩化物環境下での耐孔食性、耐隙間腐食性を向上させるためには５．５％以上の含有量が必要である。しかしながら、その含有量が１０．５％を超えると、溶接時にσ相などの金属間化合物の析出を促進させ、耐食性および靭性を著しく損なため、含有量の上限値は１０．５％とした。
【００２４】
Ｎ：０．１８〜０．３０％
Ｎはマトリックスに固溶した状態で、耐食性および強度を高めると共に、金属間化合物の析出を抑制するのに有効な元素である。それらの効果を十分得るためには、Ｎの含有量を０．１８％以上とすることが必要である。一方、Ｎの過剰な含有は、溶接時にブローホールなどの溶接欠陥を生じ易くなり、溶接金属の溶接部健全性を損なうと共に、窒化物の析出により溶接金属の耐食性が劣化するので、含有量の上限値は０．３０％とした。
【００２５】
Ａｌ：０．１％以下
Ａｌは脱酸元素として添加されるが、０．１％を超えて含有すると、金属間化合物および窒化物の析出を促進して耐食性を劣化させるので、含有量の上限値は０．１％とした。
【００２６】
次に、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するための溶接材料において、必須元素ではないが、適宜含有させることにより、溶接材料のクリープ強度の改善、耐食性の向上、または熱間加工性の向上等が実現される各元素の含有量の限定理由を述べる。
Ｎｂ：０．５０％以下
Ｎｂは０．５％以下の添加により、溶接金属の強度の上昇およびクリープ強度の改善を図ることができる。一方、０．５％を越えて含有させると製造性の悪化を招くと共に、窒化物の析出を促進させ、靭性ならびに耐食性を劣化させるので、含有量の上限値は０．５％とするのが好ましい。
【００２７】
Ｃｕ：０．０１〜１．５％
Ｃｕは、耐食性、特に硫酸などの酸に対する耐食性を向上させる元素であり、かかる効果は、Ｃｕの含有量が０．０１％以上の場合に得ることができる。一方、その含有量が１．５％を超えた場合には、溶接金属の靭性を低下させるので、含有させる場合でも当該含有量は１．５％以下とすることが好ましい。
【００２８】
Ｂ：０．０００１〜０．００５０％
Ｂは熱間加工性の向上にきわめて有効な元素であり、０．０００１％以上の含有によって製造時の歩留りの向上に寄与する。しかしながら、０．００５０％を超えて含有させると、溶接時の高温割れ感受性を著しく高めるため、当該含有量の上限値は０．００５０％とすることが好ましい。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明の実施例について詳細に説明する。母材として用いた高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼の含有元素の成分組成を表１に示す。これは、ＪＩＳＧ４３０５で規定するところのＳＵＳ８３６Ｌに相当する。この材料を板厚６ｍｍとした後、開先角度６０゜、ルートギャップ３〜４ｍｍ、ルートフェイス０．５ｍｍのＶ開先を設け、ＴＩＧ溶接により片面３パスの溶接を実施した。一方、溶接材料については、実験室的に溶製し、鍛造、熱間圧延、伸線工程(適宜焼鈍)を経て、表２に示す含有元素の成分組成を有するφ２．０ｍｍのＴＩＧ溶接棒を作製した。なお、表１および表２に示したように、母材についてはすべて同じ材料を用意し、溶接材料については、各実施例および各比較例として示す異なる成分組成を有する１５種類の材料を用意した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
溶接条件は、初層を８０Ａ、２〜３パス目を１４０Ａとし、溶接速度はいずれのパスにおいても７０〜１００ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、シールドガスは１００％Ａｒを使用し、流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。この際の希釈率Ｄは、いずれのパスにおいても、３５〜５０％であった。
【００３３】
作製した溶接継手においては、耐食性、組織安定性、溶接部健全性および溶接棒の製造コストをそれぞれ調査した。また、溶接中の溶接作業性についても評価を加えた。これらの評価については、以下に示す方法によるものとした。
【００３４】
・耐食性
本発明の主たる目的である優れた耐食性の実現について調査した。かかる耐食性については、ＪＩＳＧ０５７７に準拠した孔食電位測定により評価した。試験溶液には、２０重量％ＮａＣｌ溶液 (Ａｒ脱気) を使用し、溶液温度は７０〜８０℃とした。
【００３５】
・組織安定性
組織安定性については、種々の機械的特性を調査することにより評価した。これは、上記した特許文献１に記載されたワイヤのように、組織安定の低いＮｉ基合金については、金属間化合物が析出して、特に優れた延性等が実現されないからである。かかる溶接継手の機械的特性は、溶接継手の引張り試験、溶接金属のシャルピー衝撃試験および溶接継手の表・裏曲げ試験により評価した。溶接継手引張り試験は、ＪＩＳ１号試験片を作製して引張り強度を測定した。溶接金属のシャルピー衝撃試験は、溶接方向垂直方向からサブサイズ(５×１０×５５mm)のＶノッチシャルピー試験片を作製し、２０℃における吸収エネルギーを測定した。また、曲げ試験は、余盛りを除去した後曲げ半径Ｒ＝１２ｍｍ (Ｒ＝２ｔ、tは板厚) にて曲げを付加し、その際の割れの有無を調査した。
【００３６】
・溶接部健全性
溶接健全性については、溶接割れ感受性とブローホールの発生とについて評価した。溶接割れ感受性については、各パス溶接後カラーチェックにより割れの有無を確認して評価した。中でも、最も割れが発生しやすいとされる溶接終端部のクレータ割れの有無により、その感受性を評価した。また、ブローホールについては、溶接ビードの任意の断面を５箇所観察し、１箇所でもブローホールが認めらたものに対して、ブローホールの発生を「有」とした。
【００３７】
・製造コスト
製造コストについては、ＹＮｉＣｒＭｏ−３、通称インコネル６２５といわれるＴＩＧ用溶接棒を使用して実施した場合のコストとの相対的な比較により評価した。すなわち、溶接に関する製造コストがインコネル６２５ＴＩＧ用溶接棒を使用した場合の２／３以下となる場合を「○」、２／３を超える場合を「×」とした。
【００３８】
・溶接作業性
優れた溶接作業性の実現は、本発明の直接の目的ではないが、従来から操業上非常に重要な特性であることから、ここでは、副次的特性として調査した。かかる溶接作業性は、湯流れ、スラグの発生頻度から総合的に評価した。具体的な評価基準は、ＹＮｉＣｒＭｏ−４、通称ハステロイ２７６といわれる溶接材料を使用して実施した場合の溶接作業性との相対的な比較により評価した。すなわち、ハステロイ２７６を使用した場合よりも優れていたるものを「〇」、同等もしくはそれ以下のものを「×」とした。以上に示した耐食性、組織安定性、溶接部健全性、製造コストおよび溶接作業性についての結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
表３から明らかなように、実施例１〜７は、上記したすべての要求特性を同時に満足することが判明した。すなわち、各実施例は、いずれも母材と同等以上の耐食性を有するのみならず、組織安定性や溶接作業性にも優れており、かつ従来のＮｉ基溶接材料よりも非常に安価に製造可能である。これに対し、比較例１は、Ｎｉの含有量が高すぎるため、製造コストが割高となり、かつ溶接作業性が若干劣る。比較例２および４は、それぞれ耐食性を確保するのに有効なＣｒ、Ｎの含有量が少ないために、孔食が発生し、優れた耐食性が実現できない。また、比較例３は、Ｍｏの含有量が多すぎるために溶接中に金属間化合物が析出し、優れた靭性および耐食性を実現することができない。比較例５は、Ｎ含有量が多すぎるためにブローホールが発生しため、優れた溶接部健全性が実現されない。さらに、比較例６および７に関しては、それぞれＮｂおよびＣｕの含有量が多すぎるために靭性が低下し、比較例６は裏曲げについても割れが発生しており、組織安定性に劣る。比較例８は、Ｂの含有量が多すぎるために、凝固割れ感受性が増大し、これによりクレータ割れが観察されたことから、溶接部健全性に劣る。
【００４１】
次に、表１に示す母材と表２に示す実施例１の溶接材料とを使用するとともに、上記した溶接方法を採用することを前提に、希釈率Ｄを１８〜１００％に変化させた場合の実施例８〜１０および比較例９〜１１に関する溶接を行った。これらの各実施例および比較例に関する溶接部の耐食性および継手強度の調査結果を表４に示す。なお、ここでの耐食性は、上記した手段、すなわちＪＩＳＧ０５７７に準拠した孔食電位測定により評価した。試験溶液には、２０重量％ＮａＣｌ溶液 (Ａｒ脱気) を使用し、溶液温度は７０〜８０℃とした。また、継手強度についても上記した手段、すなわちＪＩＳ１号試験片を作製して引張り強度を測定することにより評価した。さらに、希釈率を変化させるにあたっては、開先角度を０〜７０゜とし、ルートギャップを０〜４ｍｍの範囲で変化させた。
【００４２】
【表４】

【００４３】
表４から明らかなように、希釈率Ｄが本発明の範囲内にある実施例８〜１０については、耐食性および継手引張り試験の双方について優れた特性が確認された。これに対し、希釈率Ｄが小さい比較例９は、母材と溶接材料との混合が十分に行われないために、融合不良等の溶接欠陥が発生し易く、十分な接合強度を得ることができない。また、希釈率Ｄが大きい比較例１０，１１は、本発明の溶接材料を使用する効果が少なくなり、耐食性が低下する。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明で使用するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接するための溶接材料は、溶接部の耐食性がＳＵＳ８３６Ｌを代表とする高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼の母材と同等以上であり、従来のＮｉ基合金溶接材料に比べて安価であり、かつ溶接部健全性および組織安定性に優れた溶接材料である。したがって本発明の溶接方法は、塩化物を高濃度に含む使用環境、例えば各種化学プラントや海洋構造物等へ適用することができる点で有望である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は、溶接前の両母材を示す側面図であり、（ｂ）は、溶接後の両母材と溶接金属との関係を示す図である。
【符号の説明】
１，２…母材、１ａ，２ａ…母材溶融部断面積、３…溶接金属、３ａ…溶接金属断面積。

Claims (2)

1. 高耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼を、重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０％、Ｍｎ：０．０５〜０．８％、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｎｉ：３０．０〜４５．０％、Ｃｒ：２０．０〜２８．０％、Ｍｏ：５．５〜１０．５％、Ｎ：０．１８〜０．３０％、Ａｌ：０．１％以下であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＴＩＧ溶接用の溶接材料を用いて溶接する方法であって、希釈率Ｄを
   希釈率Ｄ（％）＝（（母材溶融部断面積）／（溶接金属断面積））×１００
   と定義した場合に、希釈率Ｄ：２０〜７０％で溶接することを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。
2. 前記溶接材料が、重量％で、前記残部成分の一部にかわり、Ｎｂ：０．５０％以下、Ｃｕ：０．０１〜１．５％、Ｂ：０．０００１〜０．００５０％のうち、いずれか１種以上をさらに含有していることを特徴とする請求項１に記載のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接方法。

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