JP5948435B2 - 溶接材料及び溶接継手 - Google Patents

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Description

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼のレーザ溶接材料およびそれを用いた溶接継手に関する。
レーザ溶接は，熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、アーク溶接に比べ、深い溶込みが得られる。さらに、低歪み、高速度、高精度の溶接継手が得られることから各方面で使用されている。しかしながら、レーザ溶接はギャップ裕度が低い問題点があり、また貫通溶接できる板厚が出力に依存する。世間一般で広く使用されている最大出力数ｋＷから十数ｋＷのレーザにおいても、厚さ２０ｍｍを超える厚板の溶接を行うために、突合せ溶接の際に開先を設けて、レーザと溶接ワイヤとの併用により多層溶接が行われている。また，隅肉継手やギャップが避けられない突合せと重ね継手の溶接においても，レーザと溶接ワイヤを併用している。
レーザ光と溶接ワイヤとを併用した溶接方法は、多数の生産分野において，従来のアーク溶接方法に代わって適用されている。たとえば、オーステナイト系ステンレス鋼が多く使われている原子力分野では、原子炉内の構造物であるシュラウドにも適用されている。
ワイヤの併用によるオーステナイト系ステンレス鋼のレーザ溶接は、従来のアーク溶接に使われていた溶接ワイヤがそのまま用いられている。
例えば非特許文献１には様々なステンレス鋼用の溶接ワイヤの成分が開示されている。そのうち、化学成分を表す記号である３０８Ｌ、３１６Ｌ、３２１などのワイヤはオーステナイト系ステンレス鋼のアーク溶接によく使われている。オーステナイト系ステンレス鋼のアーク溶接では、溶接金属部の凝固割れが生じ易いが、溶接金属部のフェライト量を調整することで凝固割れの防止が可能である。
JIS Z3321 「溶接用ステンレス鋼溶解棒、ソリッドワイヤおよび鋼帯」JISハンドブック 溶接II 日本規格協会出版 2011年 p.282〜292
しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼をレーザ溶接する場合、アーク溶接でシールドガスとして通常使用されるアルゴンガスを使用すると、溶接部にポロシティが生じ易い。そのため、アルゴンガスではなく、窒素ガスを使用する必要がある。溶接する際、溶接割れを防止するために溶接部にはフェライト組織が必要であるが、窒素ガスが溶接金属に固溶することで、溶接部がオーステナイト化し易くなり、フェライト化し難くなる。即ち、溶接金属に窒素が添加されることによって溶接部のフェライト量が減少して割れ易くなるという課題がある。
本発明の目的は、シールドガスに窒素ガスを使用してオーステナイト系ステンレス鋼をレーザ溶接する場合に、溶接割れしにくくすることにある。
上記目的を達成するために、本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼のレーザ溶接材料において、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｓｉ：１.０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２０．５〜２４．０％、Ｎｉ：９．０〜１１．０％、Ｔｉ：０．１〜１．０％を含み、下記の式を満たすことを特徴とする。
１．４５≦Ｃｒ*／Ｎｉ*＝（％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ）／（％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋３０×％Ｎ＋０．５×％Ｍｎ≦２．２０
また、オーステナイト系ステンレス鋼のレーザ溶接材料において、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｓｉ：１.０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．２％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｎｉ：９．５〜１４．０％、Ｎ：０．０４〜０．１２％、Ｔｉ：０．０５〜０．６％を含み、下記の式を満たすことを特徴とする。
１．４０≦Ｃｒ*／Ｎｉ*＝（％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ）／（％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋３０×％Ｎ＋０．５×％Ｍｎ≦２．０
なお、例えば０．０１〜０．０８質量％と表記される場合、０．０１質量％と０．０８質量％を含むものとする。また、例えば％Ｃｒと表記される場合、含まれるＣｒの質量％を示す。
本発明は、ＪＩＳ Ｚ３３２１に記載されているオーステナイト系ステンレス鋼に対し、主にＣｒとＴｉの含有量を調整したものであり、ＣｒとＴｉの含有量について説明する。
前述のように、ＪＩＳ Ｚ３３２１に開示されているオーステナイト系ステンレス鋼用溶接ワイヤの組成は、窒素ガスをほとんど使わないアーク溶接の場合しか考慮されていない。これらのワイヤは、溶接金属のフェライト量が室温で５〜１５％程度になるように調整されたものである。しかし、窒素ガスをシールドガスとして利用するレーザ溶接の場合、溶接金属に窒素が固溶してしまうので、窒素による溶接金属組織のオーステナイト化を防ぐ必要がある。そのため、本発明は窒素と親和力の大きいＴｉを添加する。Ｔｉの添加量は０．０５％未満では窒素と結合するＴｉ量が少ないので、オーステナイト化を防ぐ効果が非常に小さい。逆に、１．０％を超えると、溶接金属に形成される窒化物が過多になり、また、窒化物以外にＴｉの炭化物や硫化物も形成されるため、溶接金属の延性が劣化する。
ＪＩＳ Ｚ３３２１に開示されている溶接ワイヤの一例として、記号３２１の溶接ワイヤは、９×％Ｃ〜１．０質量％のＴｉを含んでいる。しかし、Ｃｒ量が１８．５〜２０．５％であるため、溶接金属の窒素量が高い場合にＴｉで窒素を固定化しようとしても、溶接金属のフェライト量を５％以上にすることが困難である。本発明は、上記のように窒素と親和力の大きいＴｉを添加することに加え、フェライト化のし易さの指標となるＣｒ*／Ｎｉ*の値を調節することにより、溶接金属のオーステナイト化を抑制し、溶接部の溶接割れを防止する。
本発明によれば、シールドガスに窒素ガスを使用してオーステナイト系ステンレス鋼をレーザ溶接する場合に、溶接割れしにくくすることができる。
実施例１における狭開先レーザ溶接の概要図。
以下、本発明の実施例について、詳細を説明する。
表１に、ＪＩＳに規定されているＳＵＳ３１６Ｌ圧延板材（オーステナイトステンレス鋼被溶接材、以下、母材と記す）の化学成分を示す。この母材はＴｉを含まず、式（１）により計算したＣｒ当量(Ｃｒ*)と式（２）により計算したＮｉ当量(Ｎｉ*)の比率であるＣｒ*／Ｎｉ*が１．５３のものである。
Ｃｒ*＝％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ ・・・ 式（１）
Ｎｉ*＝％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋３０×％Ｎ＋０．５×％Ｍｎ ・・・ 式（２）
表２に実施例と比較例の溶接材料の化学成分を示す。比較例１と比較例２の溶接材料はＪＩＳ Ｚ３３２１の３０８Ｌと３２１の成分を有する。いずれの溶接材料も真空融解後、直径１．２ｍｍのソリッドワイヤに加工したものである。また、各種の溶接材料のＣｒ*／Ｎｉ*も表２に記載されている。
また、Ｃｒ当量とＮｉ当量、下記の式（３）を用いてフェライト量（ＦＮ）を計算できる。
ＦＮ＝−３０．６５＋３．４９×Ｃｒ*−２．５Ｎｉ*・・・・・・・式（３）
上記のＳＵＳ３１６Ｌの母材と、比較例１，２及び実施例１〜５の溶接材料を用い、下記のような溶接方法と溶接条件で溶接した溶接継手を試作した。すべての溶接継手は、ワイヤ種類以外の溶接条件がすべて同じである。
図１に溶接材料とレーザを併用した狭開先レーザ溶接の概要を示す。レーザ発振器（図示せず）からレーザ光３を発生させ、転送経路を経由し、集光レンズにより集光し、母材１と２を組合せた突合せ継手の開先内に照射する。開先部分を埋める溶接層を形成するために、ワイヤ送給装置（図示せず）からワイヤ送給ノズル（図示せず）を経由して、突合せ継手の開先内に溶接ワイヤ４を供給する。シールドガスは窒素を用いて、ガスボンベ（図示せず）からシールドノズル（図示せず）を経由し、開先底部まで供給される。
本実施例の溶接方法は下記の通りである。厚さ３０ｍｍの板材を用い、図１に示したような片側狭開先溶接を実施した。本実施例の溶接条件は、レーザ出力４〜８ｋＷ溶接速度０.１ｍ／ｍｉｎ〜０.６ｍ／ｍｉｎの条件であった。まず片側に狭開先の組み立てを行った後、開先底部の中心に集光されたレーザ光を照射し、図１に示すような細く長い形状の初層の溶接金属５を形成し、母材の突合せ部を完全に接合させた。
本実施例では開先ルート面の溶融接合にワイヤを供給せず、レーザ光の照射のみで溶接を行った。なお、溶接金属の組織改善のため、溶接ワイヤを供給しながらルート面部の溶接を実施しても良い。
初層溶接を終了した後、狭開先内に再度溶接ワイヤを供給しながら、レーザ光を用いて溶接ワイヤを溶融させて開先を埋める積層溶接を行い、図１に示したような２層目の溶接金属部６を形成した。
溶接後、溶接線の中央部付近の２層目の溶接金属のサンプルを採取し、不活性ガス融解−熱伝導法（ＪＩＳ Ｇ１２２８）により溶接部内部の窒素ガス含有量（溶金Ｎ量）を測定した。その結果を表３に示す。本実施例の溶接金属の窒素含有量は６００ｐｐｍ〜８００ｐｐｍであるが、母材の成分や溶接条件などの違いにより異なるケースもある。たとえば、ほかの溶接条件で実施した溶接金属の窒素含有量は５００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの結果もある。
表３に、比較例と実施例の溶接材料のＴｉ含有量、溶接継手の溶接部に溶け込んだ窒素量および、フェライトスコープにより測定した溶接部のフェライト量（溶金フェライト量）を示す。
溶接後、染色浸透探傷試験（ＰＴ）を行い、溶接部表面の割れ発生状況を調べた。また、溶接部の内部に対し、溶接全線に対し溶接終始端部以外の５箇所で横断面を採取し、研磨とエッチングの作業を行った後、光学顕微鏡で観察し、溶接部内部に割れの有無を調べた。その結果を表４に示す。「割れあり」はＰＴまたは断面観察により割れが観察されたことを、「割れなし」はＰＴまたは断面観察によりいずれも割れが観察されなかったことを示す。
実施例の母材はＳＵＳ３１６Ｌ突合せ継手で溶接されているが、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０などでも適用できる。
Figure 0005948435
Figure 0005948435
Figure 0005948435
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実施例１〜実施例５を用いたレーザ溶接は、いずれも溶接部に割れが生じないことを確認した。また、溶接金属はフェライト量６．２％〜１２．３％を含有している。これに対し、比較例１と比較例２を用いたレーザ溶接金属に割れが発生していることを確認した。この場合の溶接金属のフェライト量は４．０％〜５．２％である。
１，２ 被溶接材（母材）
３ レーザ光
４ 溶接ワイヤ
５ 初層の溶接金属
６ ２層目の溶接金属

Claims (2)

  1. オーステナイト系ステンレス鋼をシールドガスに窒素ガスを使用してレーザ溶接する際の溶接材料において、
    質量％で、Ｃ：０．０１〜０．０８％、Ｓｉ：１.０％以下、Ｍｎ：０．５〜２．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：２０．５〜２４．０％、Ｎｉ：９．０〜１１．０％、Ｔｉ：０．１〜１．０％を含み、残部がＦｅと不可避的不純物であり、下記の式を満たすことを特徴とする溶接材料。
    １．４５≦Ｃｒ*／Ｎｉ*＝（％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５×％Ｓｉ）／（％Ｎｉ＋３０×％Ｃ＋３０×％Ｎ＋０．５×％Ｍｎ≦２．２０
  2. オーステナイト系ステンレス鋼の母材同士の溶接部を含む溶接継手において、
    前記溶接部に請求項１の溶接材料を含むことを特徴とする溶接継手。
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