JP4336824B2

JP4336824B2 - オーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法

Info

Publication number: JP4336824B2
Application number: JP2000094028A
Authority: JP
Inventors: 悟西村; 良明野口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001276977A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接に使用する溶接材料としては、従来より共金系の溶接金属が得られるオーステナイト系材料が多用されている。しかし、オーステナイト系材料を使用した場合、溶接金属の引張強度としては４８０Ｎ／ｍｍ²から５８０Ｎ／ｍｍ²程度しか得られない。このため、この共金系の溶接材料は、６００Ｎ／ｍｍ²以上の高強度のオーステナイト系ステンレス鋼へは使用できなかった。
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属に母材と同じ６００Ｎ／ｍｍ²以上の引張強度を付与するためには、二相系ステンレス鋼用の溶接材料が必要である。しかしながら、二相系ステンレス鋼用の溶接材料を使用した場合には施工の面で以下の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
二相系ステンレス鋼用のサブマージアーク溶接材料を使用すると、溶接金属は、母材よりもフェライト量が多い組織となる。このようなフェライトを多く含む溶接金属組成では、溶接時の溶接入熱が大きくなると、溶接後の冷却速度が遅くなり、フェライト組織に非常に硬くて脆いシグマ相が析出し、溶接直後に高温割れが発生したり、曲げ試験において割れが発生し易くなる傾向が見られる。
【０００５】
そのため、シグマ相の析出をできるだけ抑制することが、健全な溶接金属を得るために必要となり、その結果、溶接入熱として４０ｋＪ／ｃｍ以下の小入熱で溶接施工を行うことが必要となる。
【０００６】
しかしながら、このような小入熱によるサブマージアーク溶接では、多層多パス溶接が必要になり、サブマージアーク溶接の特徴である大入熱による高能率な施工ができなくなる。特に、両面１パス溶接が可能な１２〜２５ｍｍの板厚に対しても、図３に示すような多層多パス溶接が必要となることから、能率が著しく低下し、工数の増加を招く。
【０００７】
ちなみに、図３に示された施工例では、表側の開先内に６層溶接を行った後、裏側にガウジング加工を行い、その加工部内に４層溶接を行っている。
【０００８】
本発明の目的は、引張強度が６００Ｎ／ｍｍ²以上のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属に対して、母材と同じ６００Ｎ／ｍｍ²以上の引張強度を付与でき、且つ、優れた耐高温割れ性及び耐曲げ性を付与できることにより、１２〜２５ｍｍの板厚に対して両面１パスのサブマージアーク溶接を可能にするオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工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】
上記目的を達成するために、本発明者らは、引張強度が６００Ｎ／ｍｍ²以上のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接において、ワイヤ及びフラックスの組み合わせを種々変更することにより溶接金属の化学成分を種々変化させ、その化学成分が溶接金属の引張強度及び耐割れ性に及ぼす影響を詳細に調査した。その結果、フェライト量を制限した準二相の成分系が溶接金属の引張強度及び耐割れ性を高次元で満足させることが判明した。
【００１０】
また、溶接施工の面では、ＧＭＡＷの併用によるサブマージアーク溶接での入熱制限や表側と裏側の入熱バランスの重要性が判明した。
【００１１】
本発明のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法は、かかる知見に基づいて開発されたもので、引張強さが６００Ｎ／ｍｍ²以上のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法において、溶接金属の化学成分を、重量％でＣｒ：１９〜２３％、Ｎｉ：１１〜１５％、Ｍｏ：１．０〜４．０％、Ｎ：０．１０〜０．２０％、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．５〜２．５０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３％以下を含み、且つフェライト量：３〜２０％を満足し、残部が実質的にＦｅからなる成分組成に制御するものである。
【００１３】
本発明のサブマージアーク溶接施工方法によると、溶接金属の引張強度が上昇するにもかかわらず、その耐割れ性が改善される結果、大入熱溶接が可能になり、その結果として、板厚が６〜２５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼板の、サブマージアーク溶接による両面１パス溶接が可能になる。
【００１４】
サブマージアーク溶接による両面１パス溶接施工においては、図１（ａ）に示すように、表側のサブマージアーク溶接（ＳＡＷ１）を終了し、裏側のガウジング加工を行った後に、ガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法の少なくとも１種又は２種以上の組合せにより、裏側から１パス又は２パスのＧＭＡＷを行い、その上から、裏側のサブマージアーク溶接（ＳＡＷ２）を行うのが好ましい。
【００１５】
或いは、図１（ｂ）に示すように、表側のサブマージアーク溶接（ＳＡＷ１）の前に、開先内にガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法の少なくとも１種又は２種以上の組合せにより、表側から１パス又は２パスのＧＭＡＷ（シーリング溶接）を行い、その上から、表側のサブマージアーク溶接（ＳＡＷ１）を行うのが好ましい。
【００１６】
これらのＧＭＡＷを行う場合、その溶接トーチとサブマージアーク溶接トーチを機械的に連結し、ＧＭＡＷトーチをサブマージアーク溶接トーチに先行させて、両トーチを同時移動させることができ、これによりＧＭＡＷを行うことによる能率低下を補うことが可能となる。
【００１７】
ＧＭＡＷは、開先内の必要溶着金属量を補うことにより、サブマージアーク溶接での入熱低減に寄与し、１６ｍｍ以上の板厚の場合に特に有効である。これに加え、ＧＭＡＷによるシーリング溶接は、サブマージアーク溶接施工時の溶け落ちを防止し、安定した表側サブマージアーク溶接を行えるようにする。
【００１８】
また、両面１パスのサブマージアーク溶接を行う場合の溶接入熱としては、表側を２０〜１００ｋＪ／ｃｍ、裏側を２０〜６０ｋＪ／ｃｍに管理し、且つ、表側の溶接入熱を裏側の溶接入熱より大とすることが好ましい。その理由は以下のとおりである。
【００１９】
表側のサブマージアーク溶接において高温割れを防止するためにフェライト量を３〜２０％にコントロールしているが、裏側のサブマージアーク溶接における溶接入熱が大きくなると、裏側溶接時の熱影響により表側のフェライト地にシグマ相の析出が多くなる傾向が見られる。シグマ相が析出すると、溶接金属の延性が損なわれ、割れが発生したり、曲げ試験でクラックが発生することがある。
【００２０】
以下に溶接金属中の化学成分の作用及び限定理由を述べる。
【００２１】
Ｃｒ：１９〜２３％
Ｃｒはフェライト生成元素で、耐食性を改善する特徴を有する。また、金属中にＮを固溶するために必要不可欠の元素である。これらの点から１９％を以上を必要とする。しかし、多量に添加すると、フェライト量が多くなりすぎ、二相ステンレス鋼の凝固組織となり、溶接入熱が大きいと、次相溶接時、前層に熱影響を与え、ミクロ組織的にフェライト地に極めて脆いシグマ相を析出して、割れなどを発生する危険性が高まる。従って、１９〜２３％の範囲とした。特に好ましいＣｒ量は２０〜２２％である。
【００２２】
Ｎｉ：１１〜１５％
Ｎｉはオーステナイト生成元素で、オーステナイト組織を安定にするために不可欠であり、１９〜２３％のＣｒ量とバランスさせる量が必要である。この観点から、１１〜１５％とした。特に好ましいＮｉ量は１２〜１４％である。
【００２３】
Ｍｏ：１〜４％
Ｍｏはフェライト生成元素で、溶接金属の強度確保に不可欠である。しかし、４％を越える過剰な添加はフェライト量を多くし、シグマ相を析出させ、耐割れ性を低下させる。このため、１〜４％とした。特に好ましいＭｏ量は２〜３％である。
【００２４】
Ｎ：０．１０〜０．２０％
Ｎはオーステナイト生成元素で、溶接金属の強度を向上させる。高強度オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属を得るために不可欠な元素である。しかし、必要以上に添加すると、溶接作業性、特にスラグ剥離性を劣化させると共に、溶接ビード外観にポックマークを発生させる原因になる。そのため、０．１０〜０．２０％とした。特に好ましいＮ量は０．１２〜０．１７％である。
【００２５】
Ｃ：０．０６％以下
Ｃはオーステナイト生成元素で、引張強度を向上させるが、多くなれば炭化物を多量に析出し、耐食性を低下させる原因になる。従って、０．０６％以下とした。特に好ましいＣ量は０．０４％以下である。
【００２６】
Ｓｉ：１．００％以下
Ｓｉはフェライト生成元素で、溶融金属の流動性に寄与する。しかし、強度強化元素として添加しているＮの固溶度を低下させるために、１．００％以下とした。
【００２７】
Ｍｎ：０．５〜２．５％
Ｍｎはオーステナイト生成元素で、強度強化元素として添加しているＮの固溶度を高めるために必要であるが、過剰添加は溶接金属を脆化させる原因になる。このため、０．５〜２．５％とした。
【００２８】
Ｐ：０．０４０％以下
Ｐは低融点元素で、溶接時の高温割れ感受性を高めるので、少ないほど良好である。しかし、極端に少なくするには経済性が悪化する。そのため、０．０４０％以下とした。
【００２９】
Ｓ：０．０３０％以下
Ｓも低融点元素で、溶融金属の流動性を良くするが、一方で溶接時の高温割れ感受性を高める。このため、０．０３０％以下とした。
【００３０】
フェライト量：３〜２０％
オーステナイト系ステンレス鋼に含まれるフェライト量（％）は、オーステナイト生成元素（Ｎｉ、Ｎ、Ｃ、Ｍｎなど）とフェライト生成元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉなど）の量的なバランスにより決定される。フェライト量が３％未満では、溶接金属に凝固割れ（高温割れ）が発生する。一方、フェライト量が２０％を超えると、次層溶接時の再熱により、前層のフェライト組織に極めて脆いシグマ相が析出し、割れを発生させる危険性が高まる。本発明では、両面１パス溶接の実現のために、従来の高強度オーステナイト系ステンレス鋼の溶接入熱より極めて高い溶接入熱でも高温割れを防止し、且つ前層のシグマ相析出を防止して耐曲げ性を確保することが重要であり、このためにもフェライト量の範囲を厳しく管理することが必要であり、３〜２０％の範囲とした。特に好ましいフェライト量は４〜１５％である。
【００３１】
また、Ｃｒ当量（Ｃｒ％＋Ｍｏ％＋１．５Ｓｉ％＋０．５Ｎｂ％）及びＮｉ当量（Ｎｉ％＋３０Ｃ％＋０．５Ｍｎ％）については、フェライト量を３〜２０％にするために、Ｃｒ当量：２０．０〜２８．５％、Ｎｉ当量：１１．２〜１８．１％が好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図２に示す板厚が２０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ系のオーステナイト系ステンレス鋼板に対して、図１（ａ）及び（ｂ）に示す施工方法によりサブマージアーク溶接の両面１パス溶接を行った。溶接母材の成分組成を表１に示す。母材の引張強度は６００Ｎ／ｃｍ²である。
【００３３】
また、表２に溶接条件を、図１（ａ）に示す施工法Ａ及び図１（ｂ）に示す施工法Ｂについてそれぞれ示す。いずれの施工法でもＧＭＡＷは炭酸ガスシールドアーク溶接とした。また、表側のサブマージアーク溶接後のガウジング加工での加工深さは、施工法Ａでは９〜１０ｍｍ、施工法Ｂでは６〜９ｍｍとした。
【００３４】
溶接材料については、ＳＵＳ３１６Ｌ系のワイヤに種々の組成のフラックスを組み合わせることにより、溶接金属の組成を種々変更した。溶接金属の組成を表３に示す。また、性能試験結果を表４に示す。曲げ試験は全板厚で表曲げ、裏曲げ試験片を採取し、曲げ角度１８０°の条件で行った。
【００３５】
表３及び表４から分かるように、溶接金属の成分組成が本発明範囲を満足することにより、溶接金属の引張強度は母材レベルを満足し、且つ、１パスのＧＭＡＷを併用した比較的大入熱の両面１パス溶接であるにもかかわらず、割れは発生しない。従って、１パスのＧＭＡＷの併用により、両面１パスのサブマージアーク溶接が可能となる。
【００３６】
なお、実施例でＧＭＡＷを省略した場合は、溶接金属の化学成分及びフェライト量が本発明の範囲内であっても曲げ試験で割れの発生か認められる場合があった。
【００３７】
表３及び表４に示された実施例Ｎｏ．４（板厚２０ｍｍ）において、表側及び裏側のサブマージアーク溶接における溶接入熱を変化させた。その結果を表５に示す。表５から分かるように、裏側入熱が表側入熱より大きいと、曲げ試験により割れの発生が見られるため、裏側入熱は表側入熱より小さくすることが重要である。また、その裏側入熱としては２０〜６０ｋＪ／ｃｍ、一方、表側入熱としては２０〜１００ｋＪ／ｃｍが適当である。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
【表３】

【００４１】
【表４】

【００４２】
【表５】

【００４３】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法は、溶接金属の化学成分を、フェライト量を制限した準二相に制御することにより、引張強度が６００Ｎ／ｍｍ²以上のオーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属に対して、母材と同じ６００Ｎ／ｍｍ²以上の引張強度を付与でき、且つ、優れた耐高温割れ性及び耐曲げ性を付与できることにより、１２〜２５ｍｍの板厚に対して高能率な両面１パスのサブマージアーク溶接を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明での溶接施工例を示す模式図である。
【図２】母材の形状説明図である。
【図３】従来の溶接施工例を示す模式図である。

Claims

引張強さが６００Ｎ／ｍｍ²以上のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法において、溶接金属の化学成分を、重量％でＣｒ：１９〜２３％、Ｎｉ：１１〜１５％、Ｍｏ：１．０〜４．０％、Ｎ：０．１０〜０．２０％、Ｃ：０．０６％以下、Ｓｉ：１．００％以下、Ｍｎ：０．５〜２．５０％、Ｐ：０．０４０％以下、Ｓ：０．０３％以下を含み、且つフェライト量：３〜２０％を満足し、残部が実質的にＦｅからなる成分組成に制御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サブマージアーク溶接施工方法。
板厚が６〜２５ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼板を、請求項１に記載のサブマージアーク溶接施工方法によって両面１パス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サブマージアーク溶接施工方法。
前記サブマージアーク溶接施工方法による両面１パス溶接の際に、裏側のガウジング後にガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法の少なくとも１種又は２種以上の組合せにより１パス又は２パス溶接し、その後、裏側のサブマージアーク溶接を行うことを特徴とする請求項２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法。
前記両面１パス溶接の際に、表側のサブマージアーク溶接の前に、開先内にガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法の少なくとも１種又は２種以上の組合せによりシーリング溶接を行い、その後、表側のサブマージアーク溶接を行うことを特徴とする請求項２に記載のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法。
ガスシールドアーク溶接法、被覆アーク溶接法、ＴＩＧ溶接法の少なくとも１種又は２種以上の組合せによる溶接を行う際に、その溶接トーチをサブマージアーク溶接トーチに先行させて、両トーチを同時移動させることを特徴とする請求項３又は４に記載のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法。
サブマージアーク溶接の溶接入熱として、表側を２０〜１００ｋＪ／ｃｍ、裏側を２０〜６０ｋＪ／ｃｍに管理し、且つ、表側の溶接入熱を裏側の溶接入熱より大とすることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のオーステナイト系ステンレス鋼のサブマージアーク溶接施工方法。