JP6736941B2

JP6736941B2 - 鋼部材の溶接方法、及び溶接材料

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Publication number: JP6736941B2
Application number: JP2016063782A
Authority: JP
Inventors: 西田　秀高; 秀高西田; 啓司森下; 栄郎松村; 荒川　大輔; 大輔荒川
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017177111A

Description

本発明は、鋼部材の溶接方法、及び溶接材料に関する。

発電所施設内に設けられる鋼製の構造物は高温下に置かれるため、その起動・停止時にかかる熱応力によって、亀裂が発生することがある。

このような亀裂の補修に際して行われる溶接では、通常、補修部位にかかる熱応力を軽減するために、まず溶接前に予熱処理を行い、次に、母材と同じ材質の溶接材料（ＣｒＭｏ鋳鋼やＣｒＭｏＶ鋳鋼からなる溶接棒など）を用いて溶接し、その後、さらに熱処理（溶接後熱処理）を行っている。例えば、特許文献１には、応力や熱によって劣化された劣化鋳鋼部材を再利用できるように再生する熱処理再生化方法として、焼き入れ工程と、焼き入れ工程後に行う溶接補修工程と、溶接補修工程後に行う焼きもどし工程を設けることが記載されている。

特開２００９−１６７４８５号公報

一般的に、溶接補修における熱処理の温度管理には高度な技術が要求される。しかし、蒸気タービン車室や弁といった鋼部材は大型であるため、修理工場に運搬して熱処理を行うことができず、現場でこれを行う必要がある。このため、現場での温度管理が不充分となり、溶接部が急冷するなどして補修部位に割れが生じるおそれがある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鋼部材の溶接を現場で確実、容易に行うための鋼部材の溶接方法、及び溶接材料を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の一つは、鋼部材の溶接方法であって、アルミニウム、ケイ素、銅、マンガン、及びクロムのうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、ホウ素、タングステン、クロム、モリブデン、ニオブ、バナジウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、コバルト、銅、及び炭素のうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、残部として不可避不純物及びニッケルを含有する溶接材料を用いて、ＴＩＧ溶接又はレーザー溶接を行うことを特徴とする。

このように、本発明の鋼部材の溶接方法では、母材たる鋼部材よりも柔らかいニッケルを主成分とした溶接材料を使用するので、これにより溶接、補修された母材は高温に曝されても熱応力を効果的に緩和し、耐久性が高い確実な補修が行える。従来のように、熱応力対策のために母材と同素材の溶接材料を準備する必要も無い。また、本発明の溶接材料は、母材の種類に依存しない、母材と異なる素材なので、鋼部材がどのような組成を有するものであっても適用可能である。

また、本発明の鋼部材の溶接方法では、前記のように、耐酸化元素（アルミニウム、ケイ素、銅、マンガン、又はクロム）、及びクリープ強度元素（ホウ素、タングステン、クロム、モリブデン、ニオブ、バナジウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、コバルト、銅、又は炭素）のそれぞれを５重量％以下含有し、不可避不純物を除く残部がニッケルである溶接材料を用いている。このような重量割合の溶接材料で溶接された鋼部材は、高温下でも延性が保たれるので、その結果、溶接に際した熱処理は不要となる。そのため、熱処理のために鋼部材を別の場所に移動させる（例えば工場に運搬する）等の工程も不要である。さらに、このような溶接材料で溶接した鋼部材は耐酸化性にも優れ、また充分なクリープ強度を有し、補修後の耐久性も高い。

また、本発明の鋼部材の溶接方法では、ＴＩＧ溶接もしくはレーザー溶接で溶接を行っているので、現場での補修が容易である。また、これらの手法では溶接による熱影響部が大きくなりにくく、その結果、溶接部における化学的・物理的変化を抑えることができる。

このように、本発明の鋼部材の溶接方法によれば、熱処理を行うことなく、鋼部材を現場で確実、容易に補修することができる。

なお、前記ニッケルの含有割合は９０重量％以上であることが好ましい。

また、本発明の他の一つは、前記ＴＩＧ溶接を行った後、前記溶接材料を用いて、サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接を行うことを特徴とする。

本発明のように、ＴＩＧ溶接と、ＭＩＧ溶接もしくはサブマージアーク溶接とを併用することにより、発電所施設内に設けられる配管など大型の鋼部材を、迅速かつ確実に溶接し、補修することができる。

また、本発明の他の一つは、前記ＴＩＧ溶接により前記溶接材料の初期層を形成し、その後、前記サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接により前記初期層以降の層を形成することを特徴とする。

本発明のように、ＴＩＧ溶接により溶接材料の初期層を形成し、その後、サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接により初期層以降の層を形成することで、例えば、溶接対象の補修部材同士をＴＩＧ溶接により精確に接合し、その後のサブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接により補修部材同士を迅速に接合することができる。このようにすることで、補修対象が大型の鋼部材であっても、精確かつ迅速に補修することができる。

また、本発明の他の一つは、溶接材料であって、アルミニウム、ケイ素、銅、マンガン、及びクロムのうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、ホウ素、タングステン、クロム、モリブデン、ニオブ、バナジウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、コバルト、銅、及び炭素のうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、残部が不可避不純物及びニッケルであることを特徴とする。

本発明によれば、鋼部材の溶接を現場で確実、容易に行うことができる。

蒸気タービン車室の外殻部材１０を示す図である。実施例１の溶接材料の成分を説明する図である。実施例１の溶接補修方法の手順の一例を説明するフローチャートである。Ｓ１の工程を説明するための図である。Ｓ２およびＳ３の工程を説明するための図である。実施例２に係る配管の溶接方法の一例を説明する図である。

＜実施例１：蒸気タービン車室の溶接補修＞
図１は、火力発電所や原子力発電所等に設けられる蒸気タービン車室の外殻部材１０である。この外殻部材１０は、例えばＣｒＭｏ鋳鋼などからなり、その起動・停止に伴って熱応力を受ける。これにより外殻部材１０にクリープ損傷が生じ、その表面に亀裂１１が発生する。以下、この亀裂１１を溶接により補修する場合を例として、本実施例の鋼部材の溶接方法について説明する。
まず、使用する溶接材料について説明する。

図２は、本実施例の溶接材料の成分を説明する図である。同図に示すように、本実施例の溶接材料は、耐酸化作用を有する元素（以下、耐酸化元素という）を５重量％以下含有し、結晶粒界を制御しクリープ強度を上げる元素（以下、結晶粒界元素、又はクリープ強度元素という）を５重量％以下含有する。残部は、不可避不純物、及びニッケル（Ｎｉ）である。このニッケルの含有割合は９０重量％以上であることが好ましい。

耐酸化元素は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）等であり、本実施例では、これらを始めとする耐酸化元素のうち、少なくとも１つ以上を含んでいればよい。

クリープ強度元素は、例えば、ホウ素（Ｂ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、炭素（Ｃ）であり、本実施例では、これらを始めとするクリープ強度元素のうち、少なくとも１つ以上を含んでいればよい。
次に、このような溶接材料を用いた溶接補修方法について説明する。

図３は、本実施例の溶接補修方法の手順の一例を説明するフローチャートである。同図に示すように、まず、亀裂１１の部分を除去して凹部を形成する（Ｓ１）。

ここで、図４は、Ｓ１の工程を説明するための図である。同図に示すように、まず、外殻部材１０の表面からその内部に進展している亀裂１１を全て含むように、亀裂１１の周囲、すなわち外殻部材１０の表面から所定深さまで切削して、凹部１２を形成する。

次に、図３のＳ２に示すように、Ｓ１で形成した凹部１２に補修部材を嵌め込む。そして、この補修部材と外殻部材１０とを、前記の溶接材料を用いてＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接する（Ｓ３）。

ここで、図５は、Ｓ２およびＳ３の工程を説明するための図である。同図に示すように、凹部１２と対応する形状（例えば、凹部１２と略同じ形状）を有する、塊状に成型した補修部材１３を、凹部１２に嵌め込む。この補修部材１３の素材は、例えば、外殻部材１０と同じ、もしくはそれに近い鋼の素材とする。なお、この場合、嵌め込んだ補修部材１３の表面が外殻部材１０の表面と整合するように、補修部材１３の表面を研削してもよい。

そして、ＴＩＧ溶接機１４により、前記の溶接材料からなる溶接棒１５を加熱して溶かし、外殻部材１０と補修部材１３とを接合する。なお、溶接部の温度は、例えば１６００℃程度となるように調節する。

なお、ここで用いたＴＩＧ溶接の代わりに、レーザー溶接により外殻部材１０と補修部材１３とを溶接してもよい。レーザー溶接は、例えば、ＹＡＧ（Yttrium-Aluminium-Garnet）レーザー等によるレーザー溶接機（現場で作業する際は小型のものが好ましい）を用いる。

このように、本実施例の鋼部材の溶接方法では、母材たる鋼よりも柔らかいニッケルを主成分とした溶接材料を使用するので、これにより溶接、補修された母材は高温に曝されても熱応力を効果的に緩和し、耐久性が高い確実な補修が行える。従来のように、熱応力対策のために母材と同素材の溶接材料を準備する必要も無い。また、本実施例の溶接材料は、母材の種類に依存しない、母材と異なる素材なので、鋼部材がどのような組成を有するものであっても適用可能である。

また、本実施例の鋼部材の溶接方法では、前記のように、耐酸化元素、及びクリープ強度元素のそれぞれを５重量％以下含有し、不可避不純物を除く残部がニッケルである溶接材料を用いている。このような重量割合の溶接材料で溶接された鋼部材は、高温下でも延性が保たれるので、その結果、溶接に際した熱処理は不要となる。そのため、熱処理のために鋼部材を別の場所に移動させる（例えば工場に運搬する）等の工程も不要である。さらに、このような溶接材料で溶接した鋼部材は耐酸化性にも優れ、また充分なクリープ強度を有し、補修後の耐久性も高い。

また、本実施例の鋼部材の溶接方法では、ＴＩＧ溶接もしくはレーザー溶接で溶接を行っているので、現場での補修が容易である。また、これらの手法では溶接による熱影響部が大きくなりにくく、その結果、溶接部における化学的・物理的変化を抑えることができる。

このように、本実施例の鋼部材の溶接方法によれば、熱処理を行うことなく、鋼部材を現場で確実、容易に補修することができる。

＜実施例２：大型配管の溶接補修＞
実施例１では、蒸気タービン車室の表面に発生した局所的な亀裂をＴＩＧ溶接もしくはレーザー溶接により補修する場合を説明した。しかし、ＴＩＧ溶接は精確な溶接が行える利点はあるものの、溶接材料を溶接棒等により手動で供給しなければならないのが通常である。そのため、溶接する部位が大きい場合は、他の溶接手法を組み合わせることが好ましい。
そこで、本実施例では、鋳鋼製の大型配管を溶接する場合の鋼部材の溶接方法を説明する。

図６は、本実施例に係る配管の溶接方法の一例を説明する図である。本実施例では、溶接の初期段階ではＴＩＧ溶接により溶接して溶接材料の初期層を形成するが、それ以降はＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接もしくはサブマージアーク（Submerged Arc）溶接により溶接を行う。すなわち、同図に示すように、鋳鋼製の配管２１と配管２２を接合する場合、まず、ＴＩＧ溶接による溶接を実施例１と同じ要領で行い、初層２３を形成する。その後、前記の溶接材料からなる溶接ワイヤ２４を備えた溶接トーチもしくは溶接機等２５を用いて、ＭＩＧ溶接もしくはサブマージアーク溶接を行い、２層目以降の層２６を形成する。

このように、ＴＩＧ溶接と、ＭＩＧ溶接もしくはサブマージアーク溶接とを併用することにより、発電所施設内に設けられる配管など大型の鋼部材を、迅速かつ確実に溶接し、補修することができる。

また、ＴＩＧ溶接により溶接材料の初期層を形成し、その後、サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接により初期層以降の層を形成することで、例えば、溶接対象の補修部材同士をＴＩＧ溶接により精確に接合し、その後のサブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接により補修部材同士を迅速に接合することができる。このようにすることで、補修対象が大型の鋼部材であっても、精確かつ迅速に補修することができる。

以上の実施例の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、以上の実施例では、鋳鋼の溶接又は補修を行う場合を説明したが、本発明は、９Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、又は１．５Ｃｒ鋼を材料とするクロム鋼の部材（ボイラ配管など）等、様々な鋼部材の溶接、又は補修を行う場合でも、適用可能である。

１０外殻部材、１１亀裂、１２凹部、１３補修部材１４ＴＩＧ溶接機１５溶接棒、２１配管、２２配管、２３初層、２４溶接ワイヤ、２５溶接トーチもしくは溶接機等、２６２層目以降の層

Claims

アルミニウム、ケイ素、銅、マンガン、及びクロムのうち少なくとも１つ元素を合わせて５重量％以下含有し、ホウ素、タングステン、クロム、モリブデン、ニオブ、バナジウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、コバルト、銅、及び炭素のうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、残部として不可避不純物及びニッケルを含有する溶接材料を用いて、ＴＩＧ溶接を行い、
前記ＴＩＧ溶接を行った後、前記溶接材料を用いて、サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接を行うことを特徴とする、
鋼部材の溶接方法。
前記ＴＩＧ溶接により前記溶接材料の初期層を形成し、その後、前記サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接により前記初期層以降の層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の鋼部材の溶接方法。
前記ニッケルの含有割合が９０重量％以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の鋼部材の溶接方法。
鋼部材に対し、ＴＩＧ溶接を行った後サブマージアーク溶接又はＭＩＧ溶接を行う溶接方法の各溶接において用いられ、
アルミニウム、ケイ素、銅、マンガン、及びクロムのうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、ホウ素、タングステン、クロム、モリブデン、ニオブ、バナジウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、コバルト、銅、及び炭素のうち少なくとも１つの元素を合わせて５重量％以下含有し、残部として不可避不純物及びニッケルを含有することを特徴とする、溶接材料。