JP5579316B1

JP5579316B1 - 溶接施工方法及び溶接構造物

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Publication number: JP5579316B1
Application number: JP2013204105A
Authority: JP
Inventors: 隆加藤; 豊幸佐藤; 則和山口; 昇渡辺
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015066586A

Abstract

【課題】高圧水素雰囲気下での使用に耐え得る溶接継手の溶接施工方法を提供する。
【解決手段】下記式（１）で表されるニッケル(Ｎｉ)当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼からなる母材の溶融部分に溶加材を加えて溶接した溶接継手４ａの溶接施工方法であって、溶加材として、ＪＩＳＺ３３２１に規定される３１６、３１６Ｌ、３１７、３１７Ｌ、３１８、３１８Ｌの中から選ばれる何れか１種以上を用い、溶接継手４ａを溶接した後に、溶接継手４ａの溶接金属部５ａに対して固溶化熱処理を施す。
Ｎｉ当量：12.6Ｃ＋0.35Ｓｉ＋1.05Ｍｎ＋Ｎｉ＋0.65Ｃｒ＋0.98Ｍｏ …（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接施工方法及び溶接構造物に関する。

近年、燃料電池自動車の実用化を目指し、水素供給設備である水素ステーションの開発が進められている。水素ステーションでは、例えば配管や貯槽などの母材を溶接して作られる溶接構造物に対して、２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下での使用に耐え得ることが求められる。特に、水素脆化は、高圧になるほど顕著に見られることから、高圧水素雰囲気下での耐水素脆化性が重要となっている。

一方、高圧水素雰囲気下で使用される溶接構造物には、強度や耐食性、水素脆化などを考慮し、オーステナイト系鋼（ステンレス鋼）が母材として広く用いられている。また、最近では経済産業省より水素ステーションの技術基準案が示され、この技術基準案によると、高圧水素配管等には、ニッケル(Ｎｉ)当量が２７．４以上の金属材料を使用することが要求されている。

なお、Ｎｉ当量とは、Ｎｉと同等の効果を現すオーステナイト生成元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ）の含有量をＮｉに換算して表すためのものであり、下記式（１）で表される値である。
Ｎｉ当量：12.6Ｃ＋0.35Ｓｉ＋1.05Ｍｎ＋Ｎｉ＋0.65Ｃｒ＋0.98Ｍｏ …（１）

例えば、下記特許文献１には、Ｎｉ当量が２７．４以上を満足するオーステナイト系鋼溶接継手が開示されている。具体的に、この特許文献１には、高圧水素配管、容器等に要求される低温靱性や、耐水素脆化特性が溶接部において優れた高強度のオーステナイト系鋼溶接継手が開示されている。このオーステナイト系鋼溶接継手は、溶接金属の含有成分のうちＮｉが３０質量％以上であることから、Ｎｉ当量が２７．４以上であることを満足している。

なお、下記特許文献１では、溶接母材及び溶接材料を使って溶接継手を作製し、６５０℃で２〜１０時間の時効熱処理を行った後、各試験片を切り出したもので、溶接金属の溶接部の特性を評価している。また、評価結果として、継手引張り強さ、靭性、耐水素脆化特性について満足する強度を保っていると記載されている。

特許第４２６５６０４号公報

しかしながら、上述した時効熱処理では、溶接金属の再結晶化はやや進むが不完全であり、析出した合金成分の固溶化は進まない。このため、引張り強度は満足するが、高圧水素環境中の低ひずみ速度引張試験（ＳＳＲＴ試験）における絞り率が、溶接前の母材に比べて著しく低下することが確認されている。

ここで、絞り率は、下記式（２）で定義される。
絞り率：（１−引張り試験後断面積／引張り試験前断面積）×１００％ …（２）

また、上記特許文献１には、溶接金属のＮｉ以外の含有成分として、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉといった成分が規定されている。しかしながら、溶接強度を高めるため溶加材を添加する場合、同等組成のものを用いるのが一般的であるため、このような組成の溶加材は流通していない。したがって、このような特殊な溶接継手を用いる場合、その母材の組成に合わせた特殊な溶加材を作る必要がある。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、高圧水素雰囲気下での使用に耐え得る溶接継手の溶接施工方法、並びに、そのような溶接施工方法を用いて溶接された溶接継手を備える溶接構造物の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下で使用される溶接構造物の溶接施工方法であり、下記式（１）で表されるニッケル（Ｎｉ）当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼からなる母材の溶融部分に溶加材を加えて溶接した溶接継手の溶接施工方法であって、
前記溶加材として、ＪＩＳＺ３３２１に規定される３１７又は／及び３１７Ｌを用い、
前記溶接継手を溶接した後に、前記溶接継手の溶接金属部に対して固溶化熱処理を施し、
前記固溶化熱処理において、１０００℃以上で３０分以上の加熱を行うと共に、ガスによって５０℃／分以上で急冷することを特徴とする溶接施工方法が提供される。
Ｎｉ当量：12.6Ｃ＋0.35Ｓｉ＋1.05Ｍｎ＋Ｎｉ＋0.65Ｃｒ＋0.98Ｍｏ …（１）

また、請求項２に係る発明によれば、２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下で使用される溶接構造物であり、下記式（１）で表されるニッケル（Ｎｉ）当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼からなる母材の溶融部分に溶加材を加えて溶接した溶接継手を備える溶接構造物であって、前記溶接継手を溶接する際に、請求項１に記載の溶接施工方法を用いて作製されたことを特徴とする溶接構造物が提供される。
Ｎｉ当量：12.6Ｃ＋0.35Ｓｉ＋1.05Ｍｎ＋Ｎｉ＋0.65Ｃｒ＋0.98Ｍｏ …（１）

以上のように、本発明によれば、高圧水素雰囲気下での使用に耐え得る溶接継手の溶接施工方法、並びに、そのような溶接施工方法を用いて溶接された溶接継手を備える溶接構造物を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る溶接構造物の一例を示す要部断面図である。本発明の実施形態に係る溶接構造物の他例を示す要部断面図である。実施例で作製される試験片の形状及び寸法を表す平面図である。溶加材に３１７Ｌを用いた配管の熱処理前の溶接金属部における顕微鏡写真である。溶加材に３１７Ｌを用いた配管の熱処理後の溶接金属部における顕微鏡写真である。溶加材に３０９Ｍｏを用いた配管の熱処理前の溶接金属部における顕微鏡写真である。溶加材に３０９Ｍｏを用いた配管の熱処理後の溶接金属部における顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（溶接構造物）
先ず、本発明の実施形態に係る溶接構造物として、例えば図１に示す溶接構造物１Ａ及び図２に示す溶接構造物１Ｂについて説明する。なお、図１は、溶接構造物１Ａの構造を示す要部断面図である。図２は、溶接構造物１Ｂの構造を示す要部断面図である。

溶接構造物１Ａは、図１に示すように、第１の鋼管２ａ及び第２の鋼管３ａと、これら第１の鋼管２ａと第２の鋼管３ａとを溶接した溶接継手４ａとを備えている。溶接継手４ａは、第１の鋼管２ａと第２の鋼管３ａとの端面同士を対向させて互いを溶接した突合せ継手である。溶接継手４ａは、溶接金属部５ａを有し、この溶接金属部５ａは、第１の鋼管２ａと第２の鋼管３ａとの間で溶接ビートを形成している。

溶接構造物１Ｂは、図２に示すように、第１の鋼板２ｂ及び第２の鋼板３ｂと、これら第１の鋼板２ｂと第２の鋼板３ｂとを溶接した溶接継手４ｂとを備えている。溶接継手４ｂは、第１の鋼板２ｂと第２の鋼板３ｂとの互いに交差する表面の間を溶接した断面Ｔ字状のすみ肉溶接継手（Ｔ字継手）である。溶接継手４ｂは、溶接金属部５ｂを有し、この溶接金属部５ｂは、第１の鋼板２ｂと第２の鋼板３ｂとの間で溶接ビートを形成している。なお、すみ肉溶接継手としては、このようなＴ字継手に限らず、それ以外にも、母材を重ねて溶接した重ね継手や、母材をＬ字状に溶接したＬ字継手、母材を十字状に溶接した十字継手などを挙げることができる。

これらの溶接構造物１Ａ，１Ｂは、２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下での使用に耐え得るため、第１，２の鋼管２ａ，３ａ及び第１，２の鋼板２ｂ，３ｂの母材に、ニッケル(Ｎｉ)当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼を用いている。具体的に、ニッケル(Ｎｉ)当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼としては、ＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼を用いることができる。

溶接継手４ａ，４ｂの溶接方法については、特に限定されるものではなく、従来より公知の溶接方法を用いることができる。例えば、ＴＩＧ溶接(Tungsten Inert Gas welding)又はプラズマアーク溶接等のＧＴＡＷ(Gas Tungsten Arc welding)と呼ばれる非消耗電極式のガスシールドアーク溶接を用いることができる。非消耗電極式のガスシールドアーク溶接では、溶加材（溶加棒）の供給を手動で行いながら溶接が行われる。

また、ＭＩＧ溶接(Metal Inert Gas welding)、ＭＡＧ溶接(Metal Active Gas welding)又は炭酸ガスアーク溶接等のＧＭＡＷ(Gas Metal Arc welding)と呼ばれる消耗電極式のガスシールドアーク溶接を用いることができる。消耗電極式のガスシールドアーク溶接では、溶加材として消耗電極自体を溶融させながら溶接が行われる。なお、消耗電極式のガスシールドアーク溶接は、消耗電極となる溶接ワイヤー（溶加材）の送給を自動で行いながら、溶接を手動で行うため、半自動アーク溶接とも呼ばれている。また、サブマージアーク溶接などの自動溶接法を用いることもできる。

なお、高圧水素雰囲気下で使用される溶接構造物としては、例えば水素ステーションで使用される配管や貯槽に好適であるが、本発明は、これらの溶接構造物に必ずしも限定されるものではない。

（溶接施工方法）
次に、本発明の実施形態に係る溶接施工方法について説明する。
本実施形態の溶接施工方法は、Ｎｉ当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼からなる母材の溶融部分に溶加材を加えて溶接した溶接継手の溶接施工方法であり、上記溶接構造物１Ａ，１Ｂを製造する際に好適に用いられる。

具体的に、本実施形態の溶接施工方法では、上記溶接継手４ａ，４ｂを溶接する際に、溶加材として、ＪＩＳＺ３３２１に規定される３１６、３１６Ｌ、３１７、３１７Ｌ、３１８、３１８Ｌの中から選ばれる何れか１種以上を用いる。

そして、溶接継手４ａ，４ｂを溶接した後に、溶接継手４ａ，４ｂの溶接金属部に対して固溶化熱処理を施す。この固溶化熱処理により、析出物を固溶させると共に、急冷することで、溶接金属を再結晶化させることができる。固溶化熱処理については、１０００℃以上で３０分以上の加熱を行うと共に、５０℃／分以上の速度で急冷することが好ましい。また、加熱は、例えば、板厚２５ｍｍ当たり１時間行うことが好ましい。

本実施形態の溶接施工方法では、このような溶接後の固溶化熱処理によって、Ｎｉ当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼を用いた溶接継手４ａ，４ｂにおいて、市販の溶加材を用いた場合でも、高圧水素雰囲気下での低ひずみ速度引張試験（ＳＳＲＴ試験）において、引張強さが母材規格値を満足すると共に、絞り率の低下の問題を解消することが可能である。

以下、実施例により本発明の効果を明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

本実施例では、先ず、配管径が１４．３ｍｍ、肉厚が５．０ｍｍ、配管長が３ｍの配管をＴＩＧ溶接した。配管を溶接する際の溶接条件を表１に示す。また、表１に示す配管の母材及び各溶加材のＮｉ当量の分析結果を表２に示す。

本実施例では、配管の母材にＳＵＳ３１６を用い、溶加材に３１７Ｌ及び３０９Ｍｏの２つを用いて、使用電流を１００ＡとしてＴＩＧ溶接を行った。溶接後の配管については、それぞれ熱処理を施したものと、熱処理を施さなかったものとを用意した。溶接後の熱処理については、１２００℃で５時間保持した後に急冷を行った。急冷については、窒素ガスを用い、冷却速度６０〜７０℃/分で冷却を行った。

次に、これら製造条件の異なる４つの配管から、それぞれ図３に示す形状及び寸法の試験片を作製した。そして、各試験片について、ＳＳＲＴ試験を行い、各試験片の最大応力及び絞り率を測定した。

ＳＳＲＴ試験については、−４０℃の高圧（７０ＭＰａ）の水素ガス雰囲気下で、歪速度５×１０^−５［ｓ^−１］の条件で試験を行い、各試験片の最大応力及び絞り率を測定した。その測定結果を表３に示す。なお、表３中において、母材と比較して絞り率が８０％以上となったものを○、８０％未満となったものを×で表した。

また、溶加材に３１７Ｌ及び３０９Ｍｏを用いた配管の熱処理前後の溶接金属部における顕微鏡写真を図４〜図７に示す。なお、図４は、溶加材に３１７Ｌを用いた配管の熱処理前の溶接金属部における顕微鏡写真である。図５は、溶加材に３１７Ｌを用いた配管の熱処理後の溶接金属部における顕微鏡写真である。図６は、溶加材に３０９Ｍｏを用いた配管の熱処理前の溶接金属部における顕微鏡写真である。図７は、溶加材に３０９Ｍｏを用いた配管の熱処理後の溶接金属部における顕微鏡写真である。

表３及び図４〜図７に示すように、溶加材に３１７Ｌを用いた配管では、上述した熱処理によって再結晶及び析出物の固溶化が良好に行われていることがわかる。その結果、絞り率が要求値を満足するものとなった。

一方、溶加材に３０９Ｍｏを用いた配管では、熱処理前の溶接組織のままでは絞り率を満足しなかった。また、熱処理後も析出物が残留しており、絞り率の若干の改善は期待できるが、要求値を満足しないものと思われる。

溶加材に３０９Ｍｏを用いた配管において、析出物を完全に固溶させるためには、更なる熱処理温度の上昇又は加熱時間の延長が必要となるが、過度な温度上昇は、変形などの構造上の欠陥をもたらす可能性が高く、実用上利用できない条件である。

なお、この３１７Ｌと３０９Ｍｏとの相違は、Ｃｒの含有率の差によりもたらされると考えられる。したがって、３１６、３１６Ｌ、３１７、３１８、３１８ＬといったＣｒ含有率が３０９Ｍｏより低く、３１７Ｌと同程度である溶加材は、３１７Ｌと同様の結果をもたらすことが予測できる。

以上のように、上述した水素ステーションでは、例えば配管や貯槽などの母材を溶接して作られる溶接構造物に対して、２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下での使用に耐え得ることが求められることから、本実施形態の溶接施工方法は、特殊な溶加材を用いることなく、母材並みの強度を得るのに極めて有効である。

１Ａ，１Ｂ…溶接構造物２ａ…第１の鋼管２ｂ…第２の鋼管３ａ…第１の鋼板３ｂ…第２の鋼板４ａ，４ｂ…溶接継手５ａ，５ｂ…溶接金属部

Claims

２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下で使用される溶接構造物の溶接施工方法であり、下記式（１）で表されるニッケル（Ｎｉ）当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼からなる母材の溶融部分に溶加材を加えて溶接した溶接継手の溶接施工方法であって、
前記溶加材として、ＪＩＳＺ３３２１に規定される３１７又は／及び３１７Ｌを用い、
前記溶接継手を溶接した後に、前記溶接継手の溶接金属部に対して固溶化熱処理を施し、
前記固溶化熱処理において、１０００℃以上で３０分以上の加熱を行うと共に、ガスによって５０℃／分以上で急冷することを特徴とする溶接施工方法。
Ｎｉ当量：12.6Ｃ＋0.35Ｓｉ＋1.05Ｍｎ＋Ｎｉ＋0.65Ｃｒ＋0.98Ｍｏ …（１）
２０ＭＰａ以上の高圧水素雰囲気下で使用される溶接構造物であり、下記式（１）で表されるニッケル（Ｎｉ）当量が２７．４以上のオーステナイト系鋼からなる母材の溶融部分に溶加材を加えて溶接した溶接継手を備える溶接構造物であって、
前記溶接継手を溶接する際に、請求項１に記載の溶接施工方法を用いて作製されたことを特徴とする溶接構造物。
Ｎｉ当量：12.6Ｃ＋0.35Ｓｉ＋1.05Ｍｎ＋Ｎｉ＋0.65Ｃｒ＋0.98Ｍｏ …（１）