JP6638002B2 - 溶接継手の製造方法、及び溶接方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高窒素鋼の溶接継手およびその溶接材料、該溶接材料を使用した溶接方法に関する。
近年、水素利用輸送機器等に水素ガスを供給するためのインフラの整備が活発に進められている。一般に、水素ガスは、圧力７０ＭＰａ以上の高圧で貯蔵・供給される。そのため、高強度のステンレス鋼の使用が検討されていたが、高圧水素ガス環境下での使用が認可されているステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ）では強度が不十分であった。そこで、引張強さが８００ＭＰａを超えるような高強度材料の使用が検討され始めており、また更なる低コスト化と気密性確保の観点から溶接継手の導入も期待されている。
例えば特許文献１では、高圧水素ガス用材料として、窒素を含有させることにより、窒素の固溶強化および窒化物の析出強化を活用し、引張強さで８００ＭＰａを上回る高窒素高強度オーステナイト系ステンレス鋼が提案されている。
特許文献２では、摩擦圧接法を用いた高窒素ステンレス鋼の接合方法が提案されており、良好な機械特性を有する継手を実現している。また、特許文献３では、適切な溶接材料を使用し、ガスタングステンアーク溶接法で溶接することにより、引張試験で溶接金属破断をしない溶接継手が提案されている。
特許文献１に開示されている高窒素高強度オーステナイトステンレス鋼は、水素ステーション配管システムのスリム化の観点から、機械的継手に代わる溶接継手の使用が強く要望されている。そして、溶接部は、安全性の観点から母材と同等以上の強度を有する必要がある。しかしながら、高窒素ステンレス鋼を溶接するに際し、溶接金属中の窒素が拡散することで、強度が低下したりブローホールが発生したりする場合があった。
一方、特許文献２に開示されている摩擦圧接法を適用できる継手形状は限られており、接合部で大きな形状変化を伴うため配管の接合方法としては望ましくない。また、特許文献３に開示されている溶接継手は、ブローホールの発生を避けるために、母材と同等以下の窒素を含有する溶接材料を使用して溶接を行っており、溶接金属の窒素量は母材と比べて低下している。窒素は、材料強度の向上だけでなく、耐水素脆化特性の向上にも寄与する重要な元素であるため、溶接継手の更なる安全性・信頼性確保のためには、窒素量低下の抑制された溶接継手の開発が望まれる。
そこで、本発明に係る幾つかの態様は、前記課題の少なくとも一部を解決することで、ブローホールの発生を抑制すると共に、溶接金属における高強度および窒素量の低下が抑制された溶接継手、ならびにその溶接材料、該溶接材料を使用した溶接方法を提供するも
のである。
のである。
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
［適用例１］
本発明に係る溶接材料の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有することを特徴とする。
本発明に係る溶接材料の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有することを特徴とする。
［適用例２］
本発明に係る溶接継手の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、
前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接させたことを特徴とする。
本発明に係る溶接継手の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、
前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接させたことを特徴とする。
［適用例３］
適用例２の溶接継手において、
前記ガスタングステンアーク溶接法において、体積％で、６％以下のＨ２、１〜６％のＮ２、残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ２含有ガスをバックシールドガスとして使用することができる。
適用例２の溶接継手において、
前記ガスタングステンアーク溶接法において、体積％で、６％以下のＨ２、１〜６％のＮ２、残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ２含有ガスをバックシールドガスとして使用することができる。
［適用例４］
適用例２または適用例３の溶接継手において、
溶接金属の強度が、前記母材の強度以上であることができる。
適用例２または適用例３の溶接継手において、
溶接金属の強度が、前記母材の強度以上であることができる。
［適用例５］
適用例２ないし適用例４のいずれか一例の溶接継手において、
溶接金属の窒素量が０．２０質量％以上１．２０質量％以下であることができる。
適用例２ないし適用例４のいずれか一例の溶接継手において、
溶接金属の窒素量が０．２０質量％以上１．２０質量％以下であることができる。
［適用例６］
本発明に係る溶接方法の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を使用することを特徴とする。
本発明に係る溶接方法の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を使用することを特徴とする。
［適用例７］
本発明に係る溶接方法の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、
前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接することを特徴とする。
本発明に係る溶接方法の一態様は、
窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、
前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接することを特徴とする。
［適用例８］
適用例７の溶接方法において、
前記ガスタングステンアーク溶接法において、体積％で、６％以下のＨ２、１〜６％のＮ２、および残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ２含有ガスをバックシールドガスとして使用することができる。
適用例７の溶接方法において、
前記ガスタングステンアーク溶接法において、体積％で、６％以下のＨ２、１〜６％のＮ２、および残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ２含有ガスをバックシールドガスとして使用することができる。
本発明に係る溶接継手によれば、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、前記母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接することで、ブローホールの発生を効果的に抑制すると共に、高強度および窒素量の低下が抑制された溶接金属が形成される。
以下、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に記載された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含むものとして理解されるべきである。
まず、本発明において用いられる用語について説明する。
図１は、溶接継手の構成を模式的に示す説明図であり、母材１０と母材１２とを溶接材料を用いて溶接した突合せ溶接継手の一例を示している。図１に示すように、溶接を施した部分は、溶接金属１４および熱影響部１６からなる溶接部１８と、熱影響部１６の外側の領域で熱影響を受けない母材１０および母材１２との、異なる性質を持つ金属の連続的な集合体となる。熱影響部１６は、母材１０または母材１２と溶接金属１４との間に発生し、溶接の際に発生する熱により組織、冶金的性質、機械的性質などが変化を生じた、溶融していない母材の部分である。
本明細書において、「母材」とは、接合させたい材料のことをいう。
本明細書において、「溶接材料」とは、溶接の際に加える添加材料のことをいう。
本明細書において、「溶接金属」とは、溶接部の一部であり、溶接を施した際に溶融して凝固した金属のことをいう。すなわち、溶接金属には、母材の一部分と溶接材料とが含まれる。
本明細書において、「溶接継手」とは、溶接により接合された接合部のことをいい、「溶接部」と同義である。
また、本明細書では、窒素元素のことを「窒素」または「Ｎ」といい、気体である窒素分子のことを「窒素ガス」または「Ｎ２」という。
１．溶接材料
本発明の一実施形態に係る溶接材料は、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する鉄鋼材料を溶接材料とするものである。
本発明の一実施形態に係る溶接材料は、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する鉄鋼材料を溶接材料とするものである。
母材は、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料である。窒素は、マトリックスに固溶するとともに微細な窒化物を形成し、高い強度を得るために必須の元素である。この効果を十分に得るためには、０．２０質量％以上の窒素含有量が必要である。しかしながら、母材においては、窒素量が０．４０質量％を超えると、製造時の熱間加工性低下を招くことがある。そのため、母材における窒素量の上限値を０．４０質量％とした。
クロムは、使用環境下での耐食性を確保するために必須の元素である。また、クロムは、母材製造時および溶接の際に、溶接金属中の窒素の溶解度を大きくするのに有効である。このような効果を十分に得るためには、母材のクロム量は、１８質量％以上であることが好ましい。一方、クロムを過剰に含有させることは、母材を不安定にし、接ガス環境の種類によっては脆化を招く。このため、母材のクロム量は、２５質量％以下であることが好ましい。
母材は、鉄鋼材料であれば特に制限されるものではないが、高い窒素溶解度を有するという観点から、クロムを多く含有する鉄鋼材料、すなわち、ステンレス鋼であることが好ましい。ステンレス鋼としては、例えばフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト・フェライト系（二相）ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼等が挙げられるが、孔食や隙間腐食などの腐食に対して優れた耐食性および優れた耐水素脆化特性を有する点でオーステナイト系ステンレス鋼がより好ましい。
なお、母材については、Ｎを０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびＣｒ含み、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏ等の他の元素を任意の割合で含み、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有するものを用いることができる。
一方、本実施形態に係る溶接材料は、前記母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する鉄鋼材料である。この前記母材に対して増量させるクロム量の下限値は、好ましくは２．７５質量％以上、より好ましくは２．９０質量％以上、特に好ましくは３．００質量％以上である。一方、この前記母材に対して増量させるクロム量の上限値は、好ましくは５．９５質量％以下、より好ましくは５．９０質量％以下、特に好ましくは５．８５質量％以下である。上述のように、クロムは、溶接金属中の窒素の溶解度を大きくするのに有効な元素である。したがって、溶接材料中のクロム量を母材よりも２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させることで、溶接中にシールドガスやバックシールドガスから窒素を効率的に吸収し、溶接金属中の窒素量を高濃度に保つことができる。また、溶融池から窒素ガスが発生するのを低減できるため、ブローホールの発生を抑制する効果も高い。このような効果を十分に得るためには、溶接材料中のクロム量を母材よりも２．５０質量％以上多く含有させる必要がある。一方、クロムを過剰に含有させることは、溶接材料を不安定にし、耐水素脆化特性の劣化を招くだけでなく、溶接の冷却過程でクロム窒化物が形成され、材料の靱性が低下するとともにクロムが欠乏して耐食性が劣化する。このため、溶接材料へのクロム添加の上限を６．００質量％とする必要がある。
本実施形態に係る溶接材料の窒素量は、特に制限されないが、母材と同等以上であればよく、具体的には０．２０質量％以上１．２０質量％以下の範囲にあることが好ましい。溶接材料の窒素量を母材の窒素量と同等以上とするためには、溶接材料に対して窒素吸収処理を行えばよい。
溶接材料に窒素を吸収させる窒素吸収処理は、特に制限されるものではないが、窒素雰囲気にて所定の温度まで加熱し、所定の加熱温度に到達後一定時間保持しておく固相窒素
吸収法が好ましい。固相窒素吸収法によれば、固相状態での窒素の固溶限が溶融状態よりも著しく大きいことから、溶製法に比べて多量の窒素を入れ込むことができる。固相窒素吸収法は、例えば誘導加熱方式の真空ガス置換機構付き加熱装置を用いて行うことができる。
吸収法が好ましい。固相窒素吸収法によれば、固相状態での窒素の固溶限が溶融状態よりも著しく大きいことから、溶製法に比べて多量の窒素を入れ込むことができる。固相窒素吸収法は、例えば誘導加熱方式の真空ガス置換機構付き加熱装置を用いて行うことができる。
窒素吸収処理する際の雰囲気温度は、溶接材料に効率良く窒素を吸収させる観点から、好ましくは１０００〜１３００℃である。雰囲気温度が１０００℃未満であると、溶接材料に窒素を吸収させ難く、１３００℃を超えると溶接材料中の平衡窒素固溶濃度が低くなるので、溶接材料中の窒素量が０．４０質量％以上には達しない。また、グレインサイズが急激に大きくなることがあり、これによる耐食性、強度、靱性などの低下を引き起こす場合がある。なお、固相窒素吸収法では、鋼種によって、窒素吸収処理における熱処理の温度範囲を適切に変えることにより、溶接材料中に含まれる窒素量をコントロールすることができる。
窒素吸収処理の時間は、０．１〜５０時間であることが好ましい。窒素吸収処理の時間が０．１時間未満では、十分に窒素が溶接材料に吸収されない場合がある。窒素吸収処理の時間が５０時間を超えると、グレインサイズが急激に大きくなることがあり、これによる耐食性、強度、靱性などの低下を引き起こす場合がある。
ここで、窒素雰囲気とは、窒素分圧が０．１〜３ａｔｍの酸素を含まない雰囲気のことをいう。なお、固相窒素吸収法では、鋼種によって、窒素吸収処理におけるＮ２分圧を変えることにより、溶接材料に含まれる窒素量をコントロールすることができる。
また、窒素吸収処理する際には、溶接材料に酸化被膜が形成されていると窒素拡散の妨げとなるため、窒素吸収処理の前に溶接材料の表面に形成されている酸化被膜を除去しておくことが望ましい。これにより、溶接材料の表面から窒素がスムーズに拡散して内部に入るため、溶接材料の窒素量を上昇させやすい。
溶接材料の表面から酸化被膜を除去する方法の一つとして、還元処理が挙げられる。還元処理の具体例としては、水素ガスなどの還元ガスを含む不活性ガス雰囲気中において８００〜１０００℃で処理する方法がある。
窒素吸収処理後の溶接材料は、窒素量が０．２０質量％以上１．２０質量％以下であることが好ましく、０．３０質量％以上１．００質量％以下であることがより好ましく、０．４０質量％以上０．８５質量％以下であることが特に好ましい。溶接材料の窒素量が前記範囲にあると、該溶接材料を用いて前記母材を溶接する際に、ブローホールの発生を効果的に抑制すると共に、高強度および窒素量の低下が抑制された溶接金属が形成される。
なお、本実施形態に係る溶接材料は、Ｎを０．２０質量％以上１．２０質量％以下およびＣｒを含み、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏ等の他の元素を任意の割合で含み、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有する。
本実施形態に係る溶接材料の形状は、特に制限されるものではなく、例えばワイヤ状、棒状、板状、リング状等の形状が挙げられる。なお、母材である配管同士を突合わせた溶接継手とする場合には、図２および図３に示すような溶接リングとするとよい。
図２は、溶接リングを模式的に示した平面図である。図３は、図２に示す溶接リングのＡ−Ａ線に沿った断面図である。溶接リング１００は、母材となる配管の外径よりも０．８ｍｍ〜２．１ｍｍ大きい外径を有し、かつ、該配管の内径と略同一の内径を有している。また、溶接リング１００は、母材となる配管の位置合わせを容易にするために、両面に
配管の外径と同じ径で深さ０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝を有している。このような溶接リング１００を用いることで、配管同士の突合わせ溶接において、配管の位置合わせを容易にするとともに、溶接の作業性を向上させることができる。
配管の外径と同じ径で深さ０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の溝を有している。このような溶接リング１００を用いることで、配管同士の突合わせ溶接において、配管の位置合わせを容易にするとともに、溶接の作業性を向上させることができる。
なお、溶接リング１００の厚み、すなわち配管突合せ部の厚み（図３の例で言えば、ａの長さに相当）は、０．２５ｍｍ〜３ｍｍ程度である。母材となる配管同士を突合わせた溶接継手とする場合、溶接リングの寸法が溶接継手の強度を支配するパラメータの一つとして考えられる。溶接リングが溶融幅と比べて小さすぎると、溶接金属中の窒素量上昇の効果が十分に得られない。一方、溶接リングが溶融幅と比べて大きすぎると、溶接リングの溶け込みが不十分となり、溶接欠陥の原因となる。そのため、溶接リング１００の厚みは、０．２５ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。
２．溶接継手および溶接方法
本発明の一実施形態に係る溶接継手は、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接させたものであることを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る溶接継手は、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接させたものであることを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る溶接方法は、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、前記窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接することを特徴とする。
以下、本実施形態に係る溶接継手および溶接方法について、纏めて説明する。
本実施形態に係る溶接継手（溶接方法）は、上述の窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いることを特徴としている。母材を溶接する際に、母材よりもクロム量を増量させた溶接材料を用いることで、溶接金属中の窒素量を母材よりも多くすることができる。これにより、溶接金属の強度を母材と同等以上とすることができる。なお、溶接材料については、上述した通りであるので、ここでの説明は省略する。
溶接金属中の窒素量は、好ましくは０．２０質量％以上１．２０質量％以下、より好ましくは０．４０質量％以上１．００質量％以下である。窒素は、マトリックスに固溶するとともに微細な窒化物を形成し、高い強度を得るために必須の元素である。その効果を十分に得ることにより溶接金属の強度を母材と同等以上とするためには、溶接金属中の窒素量の下限を０．２０質量％とすることが好ましい。一方、溶接金属中に過剰の窒素が含まれると、溶接の冷却過程でクロム窒化物が形成され、材料の靱性が低下するとともにクロムが欠乏して耐食性が劣化する傾向がある。そのため、溶接金属中の窒素量の上限を１．２０質量％とすることが好ましい。
なお、溶接金属は、母材の一部と溶接材料とを含むため、Ｎを好ましくは０．２０質量％以上１．２０質量％以下およびＣｒを含み、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏ等の他の元素を任意の割合で含み、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有する。
本実施形態に係る溶接継手（溶接方法）は、ガスタングステンアーク溶接法により溶接
される（する）ことを特徴とする。ガスタングステンアーク溶接法においては、母材と溶接材料との間に直流電圧を印加したまま両者を一度接触させてから少し引き離すと、アークが発生する。このアークを通じて大きい電流が流れるが、この電流は金属蒸気やその周りの各種の気体成分が解離して、正電気を帯びた陽イオンと負電気を帯びた電子に分かれ、これらがそれぞれ負と正の電極に向かって高速度で走る結果、いわゆるアーク電流が生じる。そうすると、アーク自体が発熱し、周囲のシールドガスをイオン化する。アークはある段階まで成長すると一定の条件下で安定状態に入り、そのアークが溶接材料や母材を溶融させるのである。
される（する）ことを特徴とする。ガスタングステンアーク溶接法においては、母材と溶接材料との間に直流電圧を印加したまま両者を一度接触させてから少し引き離すと、アークが発生する。このアークを通じて大きい電流が流れるが、この電流は金属蒸気やその周りの各種の気体成分が解離して、正電気を帯びた陽イオンと負電気を帯びた電子に分かれ、これらがそれぞれ負と正の電極に向かって高速度で走る結果、いわゆるアーク電流が生じる。そうすると、アーク自体が発熱し、周囲のシールドガスをイオン化する。アークはある段階まで成長すると一定の条件下で安定状態に入り、そのアークが溶接材料や母材を溶融させるのである。
ガスタングステンアーク溶接法では、溶接金属等を大気から保護し、またアークを維持し持続し続ける観点から、一般にシールドガスを使用する。本実施形態では、体積％で、６％以下のＨ２、１〜６％のＮ２、残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ２含有ガスをバックシールドガスとして使用することが好ましい。その理由は、以下の通りである。
ガスタングステンアーク溶接中は、溶融池表面から窒素ガスが飛散するため、溶接金属中の窒素量が減少し、強度の低下が生じ得る。これを防止するためには、アークを絞ることで溶接中の溶融幅を小さくし、Ｎ２が飛散する領域を小さくすることが効果的である。そして、溶融幅を小さくすることによって、溶接材料の大きさと溶融部分との大きさとをできる限り合わせることも可能となる。シールドガス中にＨ２を、好ましくは６体積％以下、より好ましくは２．５〜５体積％混合することにより、アークを効果的に絞ることができる。また、シールドガス中にＨ２を前記範囲で混合すると、アークの発熱量が増大し、より低い入熱で深い溶け込みが得られるので、結果的に溶接機器への負担が軽減される。シールドガス中でのＨ２が６体積％を超えると、アークを絞る効果が飽和すると共に多量のＨ２が溶接金属中に溶け込むことでブローホールおよび水素脆化が発生しやすくなる。さらに、アークの発熱量が過度に増大することで溶接機器の冷却装置が必要となり溶接の作業性を低下させる。したがって、実用的には上限を６体積％とするのが好ましい。また、母材厚さが薄い等の理由によって、Ｈ２を含有させなくとも十分に細い溶融幅が得られる場合には必ずしもＨ２を含有させる必要はない。
さらに、シールドガスおよびバックシールドガスにＮ２を混合することは、溶融池表面からＮ２が飛散するのを低減するのに有効である。また、溶接金属中に窒素を入れ込むこともでき、溶接金属の強度を高める効果も期待される。ただし、シールドガス中でのＮ２が６体積％を超えると、タングステン電極の消耗が著しいため、実用的には上限を６体積％とするのが好ましい。したがって、シールドガス中にはＮ２を、好ましくは１〜６体積％、より好ましくは１．５〜４体積％、特に好ましくは２〜３体積％混合する。
一方、バックシールドガスは、溶接中に配管内面の溶融池表面からのＮ２の飛散を抑制すればよいため、１００体積％の窒素ガスを使用するのが好ましい。
３．実施例
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
＜母材＞
下表１に示す化学組成を有する材料を機械加工により、外径９．５３ｍｍ、内径５．１３ｍｍの配管とし、母材として使用した。
下表１に示す化学組成を有する材料を機械加工により、外径９．５３ｍｍ、内径５．１３ｍｍの配管とし、母材として使用した。
＜溶接材料＞
下表２に示す化学組成を有する溶接材料Ａ〜Ｃの各材料を用いて機械加工により、厚み１．０ｍｍ、外径１１．２ｍｍの溶接リング（溶接材料）を作製した。
下表２に示す化学組成を有する溶接材料Ａ〜Ｃの各材料を用いて機械加工により、厚み１．０ｍｍ、外径１１．２ｍｍの溶接リング（溶接材料）を作製した。
＜溶接方法＞
溶接材料および溶接条件を下表３に示す通り組み合わせとし、母材と溶接材料とをガスタングステンアーク溶接により配管突合せ溶接を行った。
溶接材料および溶接条件を下表３に示す通り組み合わせとし、母材と溶接材料とをガスタングステンアーク溶接により配管突合せ溶接を行った。
＜評価方法および評価結果＞
（１）ブローホールの有無
作製した溶接継手を軸方向に切断し、その切断面を光学顕微鏡（倍率２００倍）で観察することによりブローホールの有無を確認した。ブローホールの有無の結果を下表４に示す。
（１）ブローホールの有無
作製した溶接継手を軸方向に切断し、その切断面を光学顕微鏡（倍率２００倍）で観察することによりブローホールの有無を確認した。ブローホールの有無の結果を下表４に示す。
（２）溶接金属の窒素濃度分析
作製した溶接継手について、「不活性ガス搬送融解−熱伝導度法」、ＪＩＳ Ｇ１２２８（附属書４）に記載された方法に準じて溶接金属の窒素濃度分析を行った。窒素分析装
置としては、ＬＥＣＯ社製の「ＴＣ６００」を使用した。溶接金属の窒素濃度分析の結果及びその判定結果を下表４に示す。判定基準は以下の通りである。溶接金属の窒素濃度が０．２０質量％以上であれば、窒素量の低下が抑制された良好な溶接継手であるといえる。
（判定基準）
・「○」：溶接金属の窒素濃度が０．２０質量％以上。
・「×」：溶接金属の窒素濃度が０．２０質量％未満。
作製した溶接継手について、「不活性ガス搬送融解−熱伝導度法」、ＪＩＳ Ｇ１２２８（附属書４）に記載された方法に準じて溶接金属の窒素濃度分析を行った。窒素分析装
置としては、ＬＥＣＯ社製の「ＴＣ６００」を使用した。溶接金属の窒素濃度分析の結果及びその判定結果を下表４に示す。判定基準は以下の通りである。溶接金属の窒素濃度が０．２０質量％以上であれば、窒素量の低下が抑制された良好な溶接継手であるといえる。
（判定基準）
・「○」：溶接金属の窒素濃度が０．２０質量％以上。
・「×」：溶接金属の窒素濃度が０．２０質量％未満。
（３）溶接継手の引張強さ
余盛りを削除せず配管形状のままの溶接継手について常温大気中での引張試験を実施した。溶接継手の引張試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４１に記載された方法に準じて行った。溶接継手の引張強さ及びその判定結果を下表４に示す。判定基準は以下の通りである。判定が「○」の場合（すなわち引張強さが８７５ＭＰａ以上である場合）、十分な強度がある良好な溶接継手であるといえる。
（判定基準）
・「○」：引張強さが８７５ＭＰａ以上。
・「△」：引張強さが８００ＭＰａ以上８７５ＭＰａ未満。
・「×」：引張強さが８００ＭＰａ未満。
余盛りを削除せず配管形状のままの溶接継手について常温大気中での引張試験を実施した。溶接継手の引張試験は、ＪＩＳ Ｚ２２４１に記載された方法に準じて行った。溶接継手の引張強さ及びその判定結果を下表４に示す。判定基準は以下の通りである。判定が「○」の場合（すなわち引張強さが８７５ＭＰａ以上である場合）、十分な強度がある良好な溶接継手であるといえる。
（判定基準）
・「○」：引張強さが８７５ＭＰａ以上。
・「△」：引張強さが８００ＭＰａ以上８７５ＭＰａ未満。
・「×」：引張強さが８００ＭＰａ未満。
表４から、本発明に係る溶接継手である実施例１〜４の溶接継手では、溶接後においても、ブローホールがなく、高窒素濃度および高強度を同時に備えていることが明らかである。これに対して、比較例２〜５の溶接継手では、溶接金属の窒素濃度の低下は抑制できているものの、溶接継手の引張強さが実施例１〜４と比較して有意に低下していることがわかる。
本発明によれば、溶接後熱処理を行うことなく、高圧水素ガス配管に要求される特性である高強度および優れた耐水素脆化特性につながる高窒素濃度を維持可能な溶接継手および溶接方法を提供することができる。したがって、本発明は、高い安全性と信頼性を要求される高圧水素ガス配管においてより好適であるといえる。
本発明に係る溶接継手によれば、窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを含有する鉄鋼材料からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させた化学組成を有する溶接材料を用いて、前記母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接することで、ブローホールの発生を抑制すると共に、強度および窒
素量の低下が抑制された溶接金属が形成される。そのため、本発明に係る溶接継手は、高強度を必要とする水素ガス供給配管に特に好適であり、水素利用輸送機器等に水素ガスを供給するためのインフラの整備がさらに発展することが期待される。
素量の低下が抑制された溶接金属が形成される。そのため、本発明に係る溶接継手は、高強度を必要とする水素ガス供給配管に特に好適であり、水素利用輸送機器等に水素ガスを供給するためのインフラの整備がさらに発展することが期待される。
１０・１２…母材、１４…溶接金属、１６…熱影響部、１８…溶接部、１００…溶接リング
Claims (8)
- 窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを１８質量％以上２５質量％以下含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させ、窒素を０．２０質量％以上１．２０質量％以下含有する化学組成を有する溶接材料を用いて、前記母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接させる工程を含み、
前記ガスタングステンアーク溶接法において、体積％で、６％以下のＨ ２ 、１〜６％のＮ ２ 、残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ ２ 含有ガスをバックシールドガスとして使用することを特徴とする、溶接継手の製造方法。 - 前記母材が、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏを任意の割合で含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有する、請求項１に記載の溶接継手の製造方法。
- 前記溶接材料が、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏを任意の割合で含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有する、請求項１または請求項２に記載の溶接継手の製造方法。
- 溶接金属の強度が、前記母材の強度以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の溶接継手の製造方法。
- 溶接金属の窒素量が０．２０質量％以上１．２０質量％以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の溶接継手の製造方法。
- 窒素を０．２０質量％以上０．４０質量％以下およびクロムを１８質量％以上２５質量
％以下含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなる母材よりもクロム量を２．５０質量％以上６．００質量％以下増量させ、窒素を０．２０質量％以上１．２０質量％以下含有する化学組成を有する溶接材料を用いて、前記母材をガスタングステンアーク溶接法により溶接する工程を含み、
前記ガスタングステンアーク溶接法において、体積％で、６％以下のＨ ２ 、１〜６％のＮ ２ 、および残部がＡｒである混合ガスをシールドガスとして使用し、かつ、Ｎ ２ 含有ガスをバックシールドガスとして使用することを特徴とする、溶接方法。 - 前記母材が、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏを任意の割合で含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有する、請求項６に記載の溶接方法。
- 前記溶接材料が、さらにＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｏを任意の割合で含有し、残りがＦｅと不可避不純物からなる化学組成を有する、請求項６または請求項７に記載の溶接方法。
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