JP4633959B2 - 高強度耐熱鋼の溶接継手部及びその溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度耐熱鋼の溶接継手溶接方法と、高強度耐熱鋼のなかでも、高強度オーステナイト系ステンレス鋼、高強度フェライト系耐熱鋼に使用されている溶接継手部の高温強度の向上を図った、高強度耐熱鋼の多層盛り溶接継手部及びその溶接方法と高強度フェライト系耐熱鋼の多層盛り溶接継手部の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、火力発電プラントの発電効率向上のため、蒸気条件の高温高圧化が積極的に行なわれ、そのため、高強度耐熱鋼の使用量が増している。高強度耐熱鋼のなかでも、高強度オーステナイトステンレス鋼の他、経済性と熱膨張率の観点から、最近開発された焼き戻しマルテンサイトを基本組織とした高強度フェライト系耐熱鋼が使用されている。
【０００３】
特に、高強度フェライト系耐熱鋼においては、オーステナイト系鋼には見られない熱膨張係数が小さいこと、耐力が高いこと、応力腐食割れが起きにくいこと、酸化スケールが剥離しにくいこと、等の長所があり、これらの長所はオーステナイト系鋼に見られないもので、また、合金含有量が少なく省資源の点からも経済性の高いものである。
【０００４】
そこで、従来より上記フェライト系耐熱鋼の長所を生かしつつ高温強度、耐酸化性、耐水蒸気酸化性を改善した高クロムフェライト鋼がボイラ等の耐熱部材および伝熱用鋼管を使用対象として多数開発されている。
例えば、特開平３−９７８３２号公報、特開平５−３１１３４５号公報等に開示されている技術は、いずれも６００℃以上の高温環境下において十分な強度を持ち、耐酸化性、耐水蒸気酸化性にも優れた鋼とされている。
しかし、上記公報に開示されている鋼や従来の鋼クロムフェライト鋼は、必ずしもその唯一の欠点である「溶接継手部高温強度」等を解決したものでなかった。
【０００５】
また、特開平９−１３１５０号公報に溶接継手部のクリープ特性に優れた高クロムフェライト鋼が開示されているが、他の一般的な鋼では依然として、溶接熱影響部の持つ本来の組織変化に起因する溶接継手部の高温強度の問題が解決されたわけではなく、それらに対する配慮は必要である。
【０００６】
上記溶接熱影響部は、溶接時の入熱により特有の組織変化が形成される部位で、その組織変化は、溶接熱源によって加熱された最高到達温度と冷却速によって決まる。
則ち、溶接金属と母材の境界部の溶接ボンドから溶接熱の影響を受けた母材部分は溶接金属との境界部である溶接ボンド付近の融点直下の高温から低温まで順次種々の温度に急熱後、急冷されるため、変態、析出、回復、再結晶、粒成長、焼き入れ、焼き戻しなど種々の冶金的変化を起こしている。
そして、溶接熱源により高温まで加熱・急冷されるため、溶接熱影響部の組織は母材の原質部に比べて組織が変化しており、高強度フェライト鋼場合、上記溶接熱影響部を含んだ溶接継手部の高温強度の低下の一因を形成している。
【０００７】
図６（Ａ）には、前記高強度耐熱鋼を使用した母材に対し、従来の溶接方法により形成された開先と形成された溶接継手部の形状を示してあり、（Ｂ）にはクリープ破壊の状況を示してある。
図の（Ａ）に見るようにルート５２を持つ開先５１に対し、多層盛りを行い溶接継手５５を形成している。
上記構成を持つ溶接継手に起きる脆性破壊による破砕部５４は、図の（Ｂ）に見るように、溶接熱影響部５３の領域内に発生している。
そして、上記従来の場合の母材１０と溶接継手５５の強度特性を図６に示してある。図に見るようにその特性は温度及び時間によって変化するが、従来の場合は通常母材に比較して応力で１０〜１５％のクリープ破断応力の低下が認められる。
【０００８】
図８には、特開平７−９１４７号公報に開示された、高純度フェライト系ステンレス鋼の溶接熱影響部表面の脆化防止のための溶接方法の概略の構成が示されている。上記提案は、多層盛りの被覆アーク溶接によって溶接金属を最終層まで盛ったのち、熱影響部の母材表面をＴＩＧアークにより溶解するパスを行なう溶接法に係わるもので、前期熱影響部表面近傍の酸化物の除去を溶加剤を使用しないＴＩＧアークにより行い、溶接熱影響部の脆化を防止している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、母材原質部と溶接継手を形成する溶接金属との間には組織変換を余儀なくされた前記溶接熱影響部を介在させているため、結果的には溶接継手全体の高温強度は母材よりも前記図面により説明したように１０〜１５％程応力は低下する。この低下メカニズムの研究や母材成分の改良等の研究が積極的に行なわれているが、未だ解決できていない状況である。
そのため、高温機器に前記高強度フェライト系耐熱鋼を含む高強度耐熱鋼を使用する際には、必要な管厚ないし板厚に対して１０％程度の余肉を見込んだ設計を系全体に対し行い、継手部の高温強度の低下を補う必要があった。
そのため、必要とする材料の使用量から損失は膨大で、経済性が損なわれていた。また、実際に前記溶接熱影響部で破壊した事例も報告されており、高温高圧機器での破壊は人命にも関わる事故になりかねないため、問題解決が強く望まれている。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、従来の溶接継手部に対し行なわれた溶接方法に対し、簡単な溶接方法の変更で、溶接熱影響部における強度的問題を解決し、溶接継手強度を母材強度と同一強度にする高強度耐熱鋼の溶接継手部及びその溶接方法を提供するとともに、高強度フェライト系耐熱鋼にも対応できる高強度フェライト系耐熱鋼の多層盛り溶接継手溶接方法の提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係る高強度耐熱鋼の多層盛り溶接継手溶接方法は、
高強度耐熱鋼の溶接継手部を多層盛りにより開先の溶接を終了した後、該溶接した開先の両外側に位置する溶接熱影響部の母材表面側を溶融する余盛を持つ多層盛り溶接継手溶接方法において、
高強度耐熱鋼の溶接継手部を多層盛りにより開先幅Ｘを持つＩ型状開先の開先部位の溶接を第１溶融線に沿って行う開先溶接工程と、
前記開先溶接工程により溶接された開先溶接部の、母材表面側の開先幅Ｘと該開先幅Ｘの両外側に位置する溶接熱影響部の巾Ｔを加えた、（Ｘ＋２Ｔ）より大きい幅Ｗに亘り多層盛りの溶融部を延在させて、前記母材表面に沿って多層盛りの多重上部積層部を該延在させるように、第２溶融線に沿って溶接する多重上部積層溶接工程とを備え、
前記多重上部積層溶接工程は、前記開先入口側の前記第１溶融線を前記母材表面側の第２溶融線に移動し、前記溶融部が（Ｘ＋２Ｔ）より大きい幅Ｗに亘り延在するように、溶接を複数回繰り返して多層盛りを行う工程であり、該多層盛りによって、母材表面側の前記溶接熱影響部の残留応力を低減するとともに、
前記母材の厚みをｔ（既知）とし、前記Ｉ型状開先の開先巾をＸ（既知）としたときに、（h／ｔ）及び（（Ｗ−Ｘ）／２）の２軸座標により母材と同等のクリープ強度を持つ領域と、母材クリープ強度より低い領域を示す演算マップを予め用意し、
上記既知数ｔとＸを使用して前記演算マップより、前記多重上部積層部の厚みｈとともに、前記多重上部積層部を溶接熱影響部の巾Ｔの上部に延設させる値Ｗを、母材と同等のクリープ強度を持つ領域に設定したことを特徴とする。
【００１２】
前記請求項１記載の本発明は、本発明の目的を達成すべくなされたもので、
開先部位の多層盛りを行う開先溶接工程が終了し余盛に移行する前に形成されている母材表面の溶接熱影響部に対し、そのあとに追従して行なわれる多重上部積層溶接工程により、開先入り口の溶融線の移動を介して前記溶接熱影響部の全域にわたる溶融部を逐次延設させ、前記母材表面に前記多層盛りの多重上部積層部を形成させ、溶接継手部の高温時の強度低下を補完させたものである。
そのため、母材材質の如何に係わらず使用した母材強度と同一の高温強度を得ることができるようにしたものである。
【００１４】
本発明における多重上部積層部は、母材表面側の前記溶接熱影響部の持つ残留応力を前記溶融を延在させることにより、逐次吸収する構成にしてあるため、熱影響部の溶接入熱による組織変化に起因する高温時の強度低下を補完できるようにしてある。
【００１７】
また、本発明は高強度耐熱鋼の溶接継手部が、高強度フェライト系耐熱鋼の溶接継手部であることを特徴とする。
【００１８】
上記発明により、高温機器に高強度フェライト系耐熱鋼の使用に際しても、母材強度と同一高温強度を得る溶接継手溶接方法が可能となったため、管厚ないし板厚に対して１０％程度の余肉を見込んだ設計は不必要となるばかりでなく、高温高圧機器の破壊から承ける損失を最小に押さえることが出来る。
【００１９】
【発明の実施形態】
以下、本発明に係わる高強度耐熱鋼の溶接継手溶接方法を、図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明のの範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１（Ａ）は本発明に係わる溶接方法を示す開先形状と溶接影響部と溶接金属の多重上部積層部の形状を示す図で、（Ｂ）は（Ａ）に図示した
既知数ｔ（母材の厚み）と、開先巾Ｘと、に対する
未知数ｈ （積層部の厚み）と、Ｗ（積層部の大きさ）と
の関係を示すグラフである。
【００２０】
図の（Ａ）に示すように、本発明の溶接継手部１５は、厚みｔを持つ母材１０に、設けられたルート１２を持つ巾ＸのＩ型開先１１と、該開先１１に多層盛りにより形成された溶融線１４ａを持つ母材内の溶接金属部１４と、厚みｈを持つ余盛多重上部積層部１５ａを持つ溶接金属部とより構成され、
図の（Ａ）に見るように、多重上部積層部１５ａは、図の開先１１の外側に形成されている溶接熱影響部１３ａ（右上がりのハッチングで示す）を少なくとも越え、溶接熱影響部１３ｂ（右下りのハッチングで示す）を形成すべく溶融部を延在させる構成にしてある。
則ち、厚みｔの母材１０に溶接継手部１５を形成する場合は、先ず開先１１を図の（Ａ）に示すようにルート１２を持ち巾ＸのＩ型状に形成する。
ついで、上記既知数ｔとＸを使用して図の（Ｂ）に予め用意された演算マップより、［（Ｗ−Ｘ）／２］を前記多重上部積層部の厚みｈとともに、好適な値を設定し、前記多重上部積層部１５ａを溶接熱影響部１３ａの巾Ｔの上部に延設させる値Ｗを設定すれば良い。
【００２１】
なお、図の（Ａ）に示す断面図は、母材が平鋼、肉厚鋼管のどちらの場合にも適用する。
なお、図（Ｂ）のハッチング部分は母材と同等のクリープ強度を持つ領域を示し、グラフの下部は母材クリープ強度より低い領域を示してある。
則ち、前記上部積層部１５ａの溶接熱影響部への延設させる大きさ、が前記ハッチング内にあるように設定すれば、高温のクリープ破断は溶接継手部より起きることなく、母材より発生する。
【００２２】
図２には、図１の溶接継手部１５の開先内の多層盛り終了後に行なわれる、余盛移行過程、多重上部積層部形成過程を示す図である。
則ち、図に見るように、開先１１の入り口までの多層盛り溶接を溶融線１４ａに添い行い、溶接熱影響部１３ａの少なくとも一部を溶融する余盛１５ｂを形成した後、
前記溶接熱影響部１３ａの溶融部を、開先入り口の溶融線の１４ａから１４ｂへの移動を介して、余盛移行前に形成された母材表面側の溶接熱影響部１３ａの少なくともその全域Ｔより僅か大きい値のＴ’にわたり延在させ、該延在部位の母材表面に添って巾Ｗの多層盛りの多重上部積層部１５ａを形成させる構成としたものである。
【００２３】
上記溶融部を溶融線の１４ａより１４ｂへの移動を介して溶融部を延在させて形成された多重上部積層部は、母材表面側の前記溶接熱影響部１３ａの持つ残留応力を前記溶融を延在させることにより、逐次吸収する構成にしてあるため、熱影響部の溶接入熱による組織変化に起因する高温時の強度低下を補う効果がある。
【００２４】
図３（Ａ）は図１に示した本発明の溶接方法を使用した実施例を示し、厚みｔの母材に形成された溶接継手部１５の多層盛り１６の多層盛りの状況、及び多重上部積層部１５ａの形状を厚みｈ、大きさＷにより示してある。
また、図の（Ｂ）には、（Ａ）の実施例の製作に使用した母材１０に設けた開先１１の詳細図が示してある。
上記開先１１は前記したように、厚みｔの母材１０に設けたもので、巾ｓよりなるルート１２を持ち、且つＤなる半径の丸底の巾ＸのＩ型開先で形成してある。
【００２５】
前記実施例は、表１に示すように、材料は高強度フェライト系耐熱鋼の大径厚肉鋼管を使用し、溶接は不活性雰囲気中で電極と母材の間にアークを発生させ、アーク中に溶加材である溶接ワイヤを挿入して溶接する酸化膜の皮膜を除去するＴＩＧ溶接を使用し、積層数４０層の多層溶接を行なっている。
【００２６】
【表１】

【００２７】
図４（Ａ）には、前記図３に示す実施例に行なった破壊試験の結果が示してあるが、先に示した図６（Ｂ）に示す従来の溶接継手部に起きたクリープ破断部５４の破壊位置が溶接熱影響部５３付近で惹起されているのに比較し、本実施例の場合の破断部２０は母材１０に形成され、本発明の溶接方法による溶接継手部が母材と同等以上の強度を持っていることを示している。
また、図４（Ｂ）の高温のクリープ破断特性図に見るように、本発明の溶接継手部１５の強度は母材１０の強度と殆ど同等の特性を示しており、先に示した図６に示す従来の溶接継手部の特性図に見るような約１０〜１５％の応力低下は見られなく、本発明の溶接継手部は母材と同様な高温強度を持っていることを示している。
則ち、従来の溶接方法を適用した高温機器に比べて、管厚で約１０〜１５％の低減が可能で、材料使用量も同じ程度削減できる。
【００２８】
図５には本発明の溶接方法を試用した溶接継手部の高温脆性破壊の状況を調べる、クリープ破断試験に使用したクリープ破断試験片の寸法を示す図である。
【００２９】
表２に厚み５０ｍｍの母材にＸ＝１５ｍｍの一定巾寸法を持つ開先を設けた場合の多重上部積層部の寸法ｈ、Ｗを変化させた溶接継手部のクリープ破断試験結果を示してある。
【００３０】
【表２】

【００３１】
表２に見るように、クリープ強度が母材と同等の場合における、ｈ／ｔと
（Ｗ−Ｘ）／２の間の関係は、図１（Ｂ）のグラフが示す関係を略満足している。
【００３２】
【発明の効果】
既存の機器を使用して、簡単な溶接方法の変更で、溶接継手部の強度を母材と同等にすることが出来、従来の溶接方法を適用した高温機器に比べて、管厚で約１０〜１５％の低減が可能で、材料使用量も同じ程度削減できる。
そのため、高温機器の製造コストの低減ができ、、省資源および発電単価の低減に寄与する。また、高温機器の信頼性も向上できる。
また、溶接熱影響部における高温強度の著しい低下を起こす高強度フェライト系耐熱鋼に対しては、本発明は顕著な効果を奏し、オーステナイト系鋼にない長所の有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （Ａ）は本発明に係わる溶接方法を示す開先形状と、溶接熱影響部、溶接金属の多重上部積層部の形状を示す図で、（Ｂ）は（Ａ）の
既知数ｔ（母材の厚み）と、開先巾Ｘと、に対する
未知数ｈ （積層部の厚み）と、Ｗ（積層部の大きさ）と
の関係を示すグラフである。
【図２】 図１の溶接継手部の開先内の多層盛り終了後の、余盛移行過程、多重上部積層部形成過程を示す図である。
【図３】 （Ａ）は、図１に示した本発明の溶接方法を使用した実施例の、厚みｔの母材に形成された溶接継手部の多層盛りの状況、及び多重上部積層部の形状が厚みｈ、大きさＷにより示されている図である。
図の（Ｂ）は、（Ａ）の実施例の製作に使用した開先の詳細図である。
【図４】 （Ａ）は、図３に示す実施例における破壊試験の結果を示す図（Ｂ）はその応力特性図である。
【図５】 本発明の溶接方法を試用した溶接継手部の高温脆性破壊の状況を調べるクリープ破断試験に使用したクリープ破断試験片の概略構造を示す図である。
【図６】 （Ａ）は従来の溶接継手部の概略の構成を示す図で、（Ｂ）は（Ａ）の脆性破壊の状況を示す図である。
【図７】 従来の溶接継手部の応力特性図である。
【図８】 従来の溶接継手部における溶接熱影響部の脆化防止方法を示す図である。
【符号の説明】
１０ 母材
１１ 開先
１２ ルート
１３ 溶接熱影響部
１４ａ、１４ｂ 溶融線
１５ 溶接継手部
１５ａ 多重上部積層部
１６ 多層盛り
２０ 破断部

Claims (2)

1. 高強度耐熱鋼の溶接継手部を多層盛りにより開先の溶接を終了した後、該溶接した開先の両外側に位置する溶接熱影響部の母材表面側を溶融する余盛を持つ多層盛り溶接継手溶接方法において、
   高強度耐熱鋼の溶接継手部を多層盛りにより開先幅Ｘを持つＩ型状開先の開先部位の溶接を第１溶融線に沿って行う開先溶接工程と、
   前記開先溶接工程により溶接された開先溶接部の、母材表面側の開先幅Ｘと該開先幅Ｘの両外側に位置する溶接熱影響部の巾Ｔを加えた、（Ｘ＋２Ｔ）より大きい幅Ｗに亘り多層盛りの溶融部を延在させて、前記母材表面に沿って多層盛りの多重上部積層部を該延在させるように、第２溶融線に沿って溶接する多重上部積層溶接工程とを備え、
   前記多重上部積層溶接工程は、前記開先入口側の前記第１溶融線を前記母材表面側の第２溶融線に移動し、前記溶融部が（Ｘ＋２Ｔ）より大きい幅Ｗに亘り延在するように、溶接を複数回繰り返して多層盛りを行う工程であり、該多層盛りによって、母材表面側の前記溶接熱影響部の残留応力を低減するとともに、
   前記母材の厚みをｔ（既知）とし、前記Ｉ型状開先の開先巾をＸ（既知）としたときに、（h／ｔ）及び（（Ｗ−Ｘ）／２）の２軸座標により母材と同等のクリープ強度を持つ領域と、母材クリープ強度より低い領域を示す演算マップを予め用意し、
   上記既知数ｔとＸを使用して前記演算マップより、前記多重上部積層部の厚みｈとともに、前記多重上部積層部を溶接熱影響部の巾Ｔの上部に延設させる値Ｗを、母材と同等のクリープ強度を持つ領域に設定したことを特徴とする高強度耐熱鋼の多層盛り溶接継手溶接方法。
2. 高強度耐熱鋼の溶接継手部が、高強度フェライト系耐熱鋼の溶接継手部であることを特徴とする請求項１記載の高強度耐熱鋼の多層盛り溶接継手溶接方法。

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