JP7158859B2 - Plasma welding method for duplex stainless steel - Google Patents
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Description
本発明は、二相ステンレス鋼の溶接方法に関し、詳しくは、二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法に関する。 The present invention relates to a duplex stainless steel welding method, and more particularly to a duplex stainless steel plasma welding method.
オーステナイト系ステンレス鋼は、孔食や隙間腐食などの腐食に対する耐食性に優れている一方で、応力腐食割れが発生しやすいという欠点がある。 Austenitic stainless steel has excellent resistance to corrosion such as pitting corrosion and crevice corrosion, but has the disadvantage of being susceptible to stress corrosion cracking.
このようなオーステナイト系ステンレス鋼に対して、フェライト系ステンレス鋼は、応力腐食割れに対する耐性に優れているが、靭性の点ではオーステナイト系ステンレス鋼よりも劣るという欠点がある。 Compared to such austenitic stainless steels, ferritic stainless steels are superior in resistance to stress corrosion cracking, but have the drawback of being inferior to austenitic stainless steels in terms of toughness.
上述のようなオーステナイト系ステンレス鋼およびフェライト系ステンレス鋼がかかえる課題を解消する材料として、耐食性や応力腐食割れに対する耐性、および靭性に優れた二相ステンレス鋼が知られている。 Duplex stainless steel, which is excellent in corrosion resistance, resistance to stress corrosion cracking, and toughness, is known as a material for solving the above-mentioned problems of austenitic stainless steel and ferritic stainless steel.
この二相ステンレス鋼は、ステンレス鋼として、フェライト相とオーステナイト相の二相が混在した組織を有するステンレス鋼である。 This duplex stainless steel is stainless steel having a structure in which two phases of a ferrite phase and an austenite phase are mixed.
ところで、一般に知られている二相ステンレス鋼は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどを主要合金元素とし、フェライトとオーステナイトの相比率を、約５０体積％となるように調整したステンレス鋼であるが、近年、Ｎｉ量およびＭｏ量を低減した低コストの二相ステンレス鋼も開発されるに至っている。 By the way, generally known duplex stainless steel is stainless steel in which Cr, Ni, Mo and the like are used as main alloying elements, and the phase ratio of ferrite and austenite is adjusted to about 50% by volume. , low-cost duplex stainless steels with reduced Ni and Mo contents have also been developed.
そして、この二相ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３２９Ｊ１など）は、化学工場などに設置されるプラントにおいて、配管などに多く使用されている。 This duplex stainless steel (such as SUS329J1, for example) is often used for piping and the like in plants installed in chemical plants and the like.
しかしながら、ＳＵＳ３２９Ｊ１などの二相ステンレス鋼は、溶接時に溶接金属部にてフェライト単相組織を形成し、このフェライト単相組織部で溶接割れ（低温割れ）や耐食性の低下を引き起こす場合がある。 However, duplex stainless steel such as SUS329J1 forms a ferrite single-phase structure at the weld metal portion during welding, and this ferrite single-phase structure portion may cause weld cracking (cold cracking) and deterioration of corrosion resistance.
そこで、このような問題点を解決するため、近年、窒素（Ｎ）などを含有する、特定の組成の二相ステンレス鋼が用いられるようになっている。 Therefore, in order to solve such problems, in recent years, a duplex stainless steel with a specific composition containing nitrogen (N) or the like has been used.
そして、そのような二相ステンレス鋼を溶接する方法として、特許文献１には、窒素含有量が０．０８質量％未満の二相ステンレス鋼を母材とした、二相ステンレス鋼の溶接方法が開示されている。
As a method for welding such duplex stainless steel,
すなわち、特許文献１には、二相ステンレス鋼からなる母材に対向して溶接材料を配置し、母材と溶接材料との間に交流または直流の電圧を印加してアークを発生させることで溶接材料を溶融させ、該溶接材料が溶融した溶滴を母材に溶着させて、窒素含有量が０．１７～０．４０質量％の溶接金属を母材に形成するようにした二相ステンレス鋼の溶接方法が開示されている。
That is, in
また、特許文献２には、二相ステンレス鋼溶接部の耐食性改善方法が開示されており、具体的には、溶接部の熱影響部（母材で高温に晒される部分）の耐食性改善するための技術が開示されている。
In addition,
すなわち、特許文献２では、溶接材料の添加の寄与が得られない熱影響部の耐食性を改善する方法として、熱処理を行うことで、二相ステンレス鋼溶接部の耐食性改善方法が提案されている。
That is,
具体的には、溶接継手の溶融境界線上に沿って、円筒状の回転部材を、０．５～２ｔｏｎの押付荷重で垂直に押し付けながら、回転速度１００～４００ｒｐｍの範囲で回転させ、摩擦熱により熱処理を施すようにしている。 Specifically, along the fusion boundary line of the welded joint, a cylindrical rotating member is vertically pressed with a pressing load of 0.5 to 2 tons, and rotated at a rotation speed of 100 to 400 rpm. I am trying to heat treat it.
そして、特許文献２によれば、二相ステンレス鋼を溶接して形成された溶接熱影響部の中でも、特に、最高到達温度が約１１００℃以上の高温に加熱された領域の耐食性を回復し、腐食環境下で溶接部の耐食性を大幅に改善させることができるとされている。
According to
ところで、特許文献１の二相ステンレス鋼の溶接方法の場合、二相ステンレス鋼の溶接品質を確保するために、溶接材料（溶接棒）を用いることを前提としており、溶接材料（溶接棒）を別途用意することが必要になる。
By the way, in the case of the duplex stainless steel welding method of
また、特許文献１では、溶接金属の組織を改善するために、母材よりも窒素とニッケルを多く含んだ特別な溶接材料（溶接棒）を別途用意することが必要になるため、コストの増大を招くという問題点がある。
In addition, in
また、溶接材料（溶接棒）を用いる溶接方法の場合、溶接工程において、溶接材料（溶接棒）を用いることによる制約があり、生産性の向上を図ることが困難である。 Moreover, in the case of a welding method using a welding material (welding rod), there are restrictions due to the use of the welding material (welding rod) in the welding process, making it difficult to improve productivity.
一方、溶接材料を用いないノンフィラー溶接の場合には、溶接金属のフェライト相量が非常に多くなりやすいため、溶接材料（溶接棒）を用いないプラズマ溶接は技術的に適用が困難とされている。 On the other hand, in the case of non-filler welding that does not use welding consumables, the amount of ferrite phase in the weld metal tends to be very large, so it is technically difficult to apply plasma welding that does not use welding consumables (welding rods). there is
例外的に鋼管の製造時の溶接など、溶接後に熱処理を行う場合は、熱処理によってフェライト相とオーステナイト相の相比が改善されるため、プラズマ溶接が適用されているものの、熱処理を前提とすることが原則となる。 Exceptionally, when heat treatment is performed after welding, such as when welding steel pipes, the heat treatment improves the phase ratio between the ferrite phase and the austenite phase. is the principle.
また、特許文献２の二相ステンレス鋼溶接部の耐食性改善方法は、熱処理を施すようことにより、耐食性を改善させているが、溶接対象物が、大型の機器（例えば、反応容器などの構造体）であるような場合には、特許文献２の方法を適用することができないという問題点がある。
In addition, the method for improving corrosion resistance of duplex stainless steel welds in
また、他の方法で熱処理を行うにしても、大型の熱処理炉が必要になるなど、コストの増大を招くという問題点がある。 Moreover, even if heat treatment is performed by other methods, there is a problem that a large-sized heat treatment furnace is required, resulting in an increase in cost.
また、溶接対象物（機器）を熱処理炉に収容することができたとしても、１０００°Ｃ以上での熱処理は、機器が軟化して座屈が起こりやすく、現実的ではない。 Moreover, even if the object to be welded (equipment) can be housed in a heat treatment furnace, heat treatment at 1000° C. or higher softens the equipment and easily causes buckling, which is not practical.
さらに、二相ステンレス鋼は４００～１０００°Ｃでは熱的に脆化しやすくなるため、局部熱処理などの方法をとることも困難である。したがって、熱処理を前提とするプラズマ溶接は、二相ステンレス鋼に対してはほとんど用いられていないのが実情である。 Further, since the duplex stainless steel tends to be thermally brittle at 400 to 1000°C, it is difficult to apply methods such as local heat treatment. Therefore, the actual situation is that plasma welding, which requires heat treatment, is hardly used for duplex stainless steel.
本発明は、上記課題を解決するものであり、母材とは別に溶接棒などの溶接材料を用いずに、また、溶接後に熱処理を行うことを必要とせずに、二相ステンレス鋼を確実に溶接することが可能で、溶接部における溶接割れや耐食性の低下などを引き起こすことのない二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and reliably produces duplex stainless steel without using a welding material such as a welding rod separately from the base material and without the need for heat treatment after welding. It is an object of the present invention to provide a plasma welding method for duplex stainless steel, which enables welding and does not cause weld cracks or deterioration of corrosion resistance in welded parts.
上記課題を解決するために、本発明の二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法は、
溶接材料を用いないプラズマ溶接の方法により、二相ステンレス鋼どうしを溶接する溶接方法であって、
プラズマアークを発生させるためのプラズマガスとして、窒素ガスを１．０重量％以上１５重量％以下の割合で含む不活性ガスを用い、
発生させた前記プラズマアークをシールドするトーチシールドガスとして、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用い、
発生させた前記プラズマアークが供給される側とは逆の母材の裏面側をシールドするバックシールドガスとして、可燃性ガスを含まず、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用い、
前記プラズマアークが供給されることで前記二相ステンレス鋼どうしが溶接される溶接部を、治具を用いて攪拌することなく溶接を行うこと
を特徴としている。
In order to solve the above problems, the duplex stainless steel plasma welding method of the present invention comprises:
A welding method for welding duplex stainless steels by a plasma welding method that does not use a welding material,
Using an inert gas containing nitrogen gas at a ratio of 1.0% by weight or more and 15% by weight or less as a plasma gas for generating a plasma arc,
Using an inert gas containing nitrogen gas at a rate of 0.5% by weight or more as a torch shield gas for shielding the generated plasma arc,
As a back shield gas for shielding the back side of the base material opposite to the side to which the generated plasma arc is supplied, an inert inert gas containing no combustible gas and containing nitrogen gas at a rate of 0.5% by weight or more using gas,
Welding is performed by using a jig without agitating the welding portion where the duplex stainless steels are welded together by supplying the plasma arc .
本発明においては、前記プラズマガスとして、窒素ガスを１．０重量％以上５重量％以下の割合で含む不活性ガスを用いることがより好ましい。 In the present invention, it is more preferable to use an inert gas containing nitrogen gas at a ratio of 1.0% by weight or more and 5% by weight or less as the plasma gas.
また、前記不活性ガスが、アルゴンガスおよびヘリウムガスのいずれかを主成分とするものであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the inert gas contains either argon gas or helium gas as a main component.
本発明の二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法は、プラズマガスとして、窒素ガスを含む不活性ガスを用いるようにしているので、溶接部（溶接金属部）の金属組成中に窒素が含まれた状態を維持することが可能になり、フェライト相とオーステナイト相の相比を適切な比率に保って、溶接部の金属組成を改善し、溶接部における溶接割れや耐食性の低下などを引き起こすことのない信頼性の高い溶接を、効率よく行うことが可能になる。 In the duplex stainless steel plasma welding method of the present invention, an inert gas containing nitrogen gas is used as the plasma gas. It is possible to maintain the phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase at an appropriate ratio, improve the metal composition of the weld zone, and achieve reliability without causing weld cracks or deterioration of corrosion resistance at the weld zone. It is possible to perform high-quality welding efficiently.
すなわち、本発明の二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法によれば、熱処理なしでフェライト相とオーステナイト相の相比を良好に保ち、耐食性や耐水素性の低下を抑制することができるため、上記の従来技術の課題を解決することが可能になる。 That is, according to the plasma welding method for duplex stainless steel of the present invention, a good phase ratio between the ferrite phase and the austenite phase can be maintained without heat treatment, and a decrease in corrosion resistance and hydrogen resistance can be suppressed. It becomes possible to solve technical problems.
また、本発明の二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法においては、プラズマガスとして、窒素ガスを１．０重量％以上１５重量％以下の割合で含む不活性ガスを用いるようにしているので、フェライト相とオーステナイト相の相比を確実に適切な比率に保つことが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。 In addition, in the plasma welding method for duplex stainless steel according to the present invention, an inert gas containing nitrogen gas at a ratio of 1.0% by weight or more and 15% by weight or less is used as the plasma gas. and the austenite phase can be reliably maintained at an appropriate ratio, and the present invention can be made more effective.
また、トーチシールドガスとして、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用いるようにしているので、母材にプラズマアークが当たる領域である溶接部（溶接金属部）を、不活性ガスにより、大気雰囲気から確実に遮断することが可能になり、かつ、トーチシールドガスは、窒素ガスを０．５重量％以上含有しているので、溶接部におけるフェライト相とオーステナイト相の相比を、より確実に適切な比率に保つことが可能になる。In addition, since an inert gas containing 0.5% by weight or more of nitrogen gas is used as the torch shield gas, the welded portion (weld metal portion), which is the area where the plasma arc hits the base metal, is The inert gas makes it possible to reliably isolate the atmosphere from the atmosphere, and the torch shield gas contains 0.5% by weight or more of nitrogen gas, so the ferrite phase and austenite phase in the weld zone It becomes possible to keep the ratio at an appropriate ratio more reliably.
また、母材の裏面側をシールドするバックシールドガスとして、可燃性ガスを含まず、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用いるようにしているので、母材の裏面側においても、溶接部（溶接金属部）のフェライト相とオーステナイト相の相比を適切な比率に保つことが可能になり、溶接部における溶接割れや耐食性の低下などを引き起こすことのない信頼性の高い溶接を、より確実に行うことが可能になる。
また、プラズマアークが供給されることで二相ステンレス鋼どうしが溶接される溶接部を、治具を用いて攪拌することなくプラズマ溶接を行うようにしているので、溶接部を攪拌するための機構を必要としない溶接装置を用いて二相ステンレス鋼どうしの溶接を行うことができる。
In addition, as the back shield gas for shielding the back side of the base material, an inert gas containing no combustible gas and containing nitrogen gas at a rate of 0.5% by weight or more is used. Also on the side, it is possible to keep the phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase in the weld (weld metal part) at an appropriate ratio, and it is reliable without causing weld cracks or deterioration of corrosion resistance in the weld. High welding can be performed more reliably.
In addition, plasma welding is performed without using a jig to agitate the welding portion where duplex stainless steels are welded together by supplying a plasma arc. Duplex stainless steels can be welded together using welding equipment that does not require a
また、本発明の二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法においては、プラズマガスとして、窒素ガスを１．０重量％以上５重量％以下の割合で含む不活性ガスを用いることにより、アークが不安定になることを抑制して安定した溶接作業性を確保しつつ、二相ステンレス鋼のプラズマ溶接をさらに良好に行うことが可能になり、本発明をさらに実効あらしめることができる。 Further, in the plasma welding method for duplex stainless steel according to the present invention, by using an inert gas containing nitrogen gas in a proportion of 1.0% by weight or more and 5% by weight or less as the plasma gas, the arc becomes unstable. It is possible to perform plasma welding of duplex stainless steel more favorably while suppressing the erosion and ensuring stable welding workability, thereby making the present invention more effective.
また、不活性ガスとして、アルゴンガスおよびヘリウムガスのいずれかを主成分とするものを用いることにより、本発明の本来の効果を確実に得ることが可能な、安定した二相ステンレス鋼の溶接方法を実現することができる。 Further, by using a gas containing either argon gas or helium gas as the main component as the inert gas, a stable duplex stainless steel welding method that can reliably obtain the original effects of the present invention. can be realized.
以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。 Embodiments of the present invention will be shown below, and features of the present invention will be described in more detail.
図１は、本発明の実施形態にかかる二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法を実施するのに用いたプラズマ溶接装置の要部構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing the essential configuration of a plasma welding apparatus used to carry out a plasma welding method for duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention.
本発明の実施形態にかかるプラズマ溶接装置Ａは、図１に示すように、二相ステンレス鋼（母材）２０どうしを溶接するために用いられるプラズマ溶接装置であって、タングステン電極１と、タングステン電極１が挿入される中空部２ａを備えた水冷ノズル２と、水冷ノズル２の外周部との間に、トーチシールドガスを通過させるためのトーチシールドガス通路３ａを形成する外側ノズル３とを有するトーチ１０を備えている。
A plasma welding apparatus A according to an embodiment of the present invention is, as shown in FIG. A water-cooled
そして、水冷ノズル２の中空部２ａの、タングステン電極１の外周領域を経て、プラズマガス１１が供給され、プラズマアーク１２が形成されるように構成されている。なお、水冷ノズル２は冷却水を通すための冷却水通路２ｂを備えている。
A plasma gas 11 is supplied to the
また、上述のトーチシールドガス通路３ａを経て供給されるトーチシールドガス１３は、プラズマアーク１２の周囲を覆うように供給されるように構成されている。
Further, the torch shield gas 13 supplied through the torch
また、プラズマ溶接装置Ａは、プラズマアーク１２が供給される側とは逆の母材２０の裏面側（図１では下面側）にシールドガス（バックシールドガス）１４を供給し、母材２０の裏面側に滞留させるためのバックシールド用カップ５を備えている。
In addition, the plasma welding apparatus A supplies a shield gas (back shield gas) 14 to the back surface side (lower surface side in FIG. 1) of the
バックシールド用カップ５は、バックシールドガス１４を供給するための供給口５ａを備えており、この供給口５ａからバックシールド用カップ５にバックシールドガス１４が供給され、母材２０の溶接部（溶接金属部）３０の裏面側がシールドされるように構成されている。
The
なお、バックシールド用カップ５の周縁部と、母材２０の裏面との間には、微細な隙間５ｂが存在し、供給口５ａから供給されたバックシールドガス１４は、この隙間５ｂから外部に排出されるように構成されている。
A minute gap 5b exists between the peripheral edge of the
次に、このプラズマ溶接装置Ａを用いて、二相ステンレス鋼を溶接する方法について説明する。 Next, a method of welding duplex stainless steel using this plasma welding apparatus A will be described.
なお、この実施形態では、溶接の対象となる一対の二相ステンレス鋼（母材）２０として、表１に示すような組成を有する二相ステンレス鋼：ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌを用いた。 In this embodiment, as the pair of duplex stainless steels (base materials) 20 to be welded, duplex stainless steels: SUS329J4L having compositions as shown in Table 1 were used.
また、母材２０としては、平板状で、厚みが８ｍｍの二相ステンレス鋼の板材であって、窒素を０．１６重量％含有する二相ステンレス鋼の板材を用いた。
As the
そして、上述のプラズマ溶接装置Ａを使用するとともに、以下に説明するように、所定の割合で窒素ガスを含む不活性ガスを用いて、一対の二相ステンレス鋼（母材）２０を溶接した。 Then, a pair of duplex stainless steels (base metals) 20 were welded using the plasma welding apparatus A described above and an inert gas containing nitrogen gas at a predetermined ratio as described below.
具体的には、この実施形態では、プラズマアーク１２を発生させるためのプラズマガス１１として、窒素ガスをそれぞれ、１重量％、２重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％の割合で含む不活性ガス（アルゴンガス）を用いて、二相ステンレス鋼（母材）２０のプラズマ溶接を行った。なお、不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いた。 Specifically, in this embodiment, as the plasma gas 11 for generating the plasma arc 12, nitrogen gas is 1% by weight, 2% by weight, 3% by weight, 5% by weight, 10% by weight, and 15% by weight, respectively. % of inert gas (argon gas), duplex stainless steel (base material) 20 was plasma welded. Argon (Ar) gas was used as the inert gas.
また、比較のため、窒素ガスを含まないアルゴンガス（不活性ガス）（窒素ガス０重量％）を用いて二相ステンレス鋼（母材）２０のプラズマ溶接を行った。
For comparison, plasma welding of duplex stainless steel (base metal) 20 was performed using argon gas (inert gas) containing no nitrogen gas (
また、発生させたプラズマアーク１２をシールドするためのトーチシールドガス１３として、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用いた。なお、トーチシールドガス１３を構成する不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた。 As the torch shield gas 13 for shielding the generated plasma arc 12, an inert gas containing 0.5% by weight or more of nitrogen gas was used. Argon gas was used as an inert gas constituting the torch shield gas 13 .
さらに、二相ステンレス鋼（母材）２０の裏面側をシールドするためのバックシールドガス１４としても、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用いた。なお、バックシールドガス１４を構成する不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた。 Furthermore, as the back shield gas 14 for shielding the back side of the duplex stainless steel (base material) 20, an inert gas containing 0.5% by weight or more of nitrogen gas was used. Argon gas was used as an inert gas constituting the back shield gas 14 .
また、溶接を行うにあたっては、上述した条件の他に、次に示すような条件下で、溶接材料（溶接棒）を用いることなく、二相ステンレス鋼のプラズマ溶接を行った。
・アーク電流：２００Ａ
・アーク電圧：３０Ｖ
・プラズマトーチの移動速度：１８０ｍｍ／ｍｉｎ
・プラズマガス流量 ：３Ｌ（リットル）／ｍｉｎ
・トーチシールドガス流量 ：２０Ｌ（リットル）／ｍｉｎ
・バックシールドガス流量 ：２０Ｌ（リットル）／ｍｉｎ
In welding, duplex stainless steel was plasma-welded without using a welding material (welding rod) under the following conditions in addition to the conditions described above.
・Arc current: 200A
・Arc voltage: 30V
・Plasma torch movement speed: 180mm/min
・Plasma gas flow rate: 3 L (liter)/min
・Torch shield gas flow rate: 20 L (liter)/min
・Back shield gas flow rate: 20 L (liter) / min
ただし、溶接条件は、上記の条件に限られるものではなく、例えば、
・アーク電流：２００～３００Ａ
・アーク電圧：３０～３５Ｖ
・プラズマトーチの移動速度：１５０～３００ｍｍ／ｍｉｎ
・プラズマガス流量 ：２～４Ｌ（リットル）／ｍｉｎ
・トーチシールドガス流量 ：１５～２５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ
・バックシールドガス流量 ：１５～２５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ
の範囲で幅を持たせることができる。
なお、上記の条件の幅も、あくまで例示であって、プラズマ溶接の条件は、上述の範囲に限られるものではない。
However, the welding conditions are not limited to the above conditions.
・Arc current: 200-300A
・Arc voltage: 30-35V
・Plasma torch movement speed: 150 to 300 mm/min
・Plasma gas flow rate: 2 to 4 L (liter)/min
・Torch shield gas flow rate: 15 to 25 L (liter)/min
・Back shield gas flow rate: 15 to 25 L (liter)/min
can have a width in the range of
The width of the above conditions is also just an example, and the plasma welding conditions are not limited to the above range.
＜特性の測定および評価＞
窒素ガスを含まないプラズマガス（アルゴンガス）、および、窒素ガスをそれぞれ、０重量％、１重量％、２重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、および１５重量％の割合で含むプラズマガスを用いて、表１に示す組成を有する二相ステンレス鋼：ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌをプラズマ溶接した各試料、すなわち、表２に示す試料番号１～７の試料について、
・溶接金属部の窒素含有量（重量％）、
・溶接金属部のフェライト相の量（体積％）、
・溶接金属部の耐食性、
・耐水素性、および、
・溶接作業性
を以下に説明する方法で調べた。
<Measurement and evaluation of characteristics>
Plasma gas not containing nitrogen gas (argon gas) and nitrogen gas in proportions of 0% by weight, 1% by weight, 2% by weight, 3% by weight, 5% by weight, 10% by weight, and 15% by weight, respectively Duplex stainless steel: SUS329J4L having the composition shown in Table 1 was plasma-welded using a plasma gas containing
・ Nitrogen content of the weld metal part (% by weight),
・The amount of ferrite phase in the weld metal part (% by volume),
・Corrosion resistance of weld metal parts,
- Hydrogen resistance, and
・Welding workability was examined by the method described below.
（１）溶接金属部における窒素含有量（含有率）
溶接部金属部（溶接部）を構成する金属における窒素含有量（含有率）は、不活性ガス融解伝導度法による測定結果に基づいて算出した。
(1) Nitrogen content (content rate) in the weld metal part
The nitrogen content (content rate) in the metal constituting the welded metal part (weld part) was calculated based on the measurement results by the inert gas fusion conductivity method.
（２）溶接金属部におけるフェライト量（フェライト相量）
溶接金属部（溶接部）におけるフェライト相とオーステナイト相の相比は、点算法（ＡＳＴＭ Ｅ５６２）により調べた。
(2) Amount of ferrite (amount of ferrite phase) in the weld metal part
The phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase in the weld metal zone (weld zone) was investigated by the point counting method (ASTM E562).
なお、フェライト量（フェライト相量）は、各試料における溶接部の表側および裏側（図２、図３参照）について調べた。ここで、表側とはプラズマアークが供給される側で、裏側とはその逆側である。 The amount of ferrite (amount of ferrite phase) was examined on the front side and the back side of the weld zone (see FIGS. 2 and 3) in each sample. Here, the front side is the side to which the plasma arc is supplied, and the back side is the opposite side.
ここで、溶接金属部（溶接部）におけるオーステナイト相量は、下記の式（１）、すなわち、
１００－フェライト量（体積％）＝オーステナイト量（体積％）……（１）
により求められるので、フェライト相量を測定することで、フェライト相とオーステナイト相の相比を知ることができる。
Here, the amount of austenite phase in the weld metal portion (weld portion) is expressed by the following formula (1), that is,
100-ferrite content (volume%) = austenite content (volume%) (1)
Therefore, by measuring the amount of ferrite phase, the phase ratio between the ferrite phase and the austenite phase can be known.
（３）溶接金属部の耐食性
溶接金属部の耐食性は、塩化第二鉄腐食試験（ＡＳＴＭ Ｇ４８）により調べた。そして、腐食の発生が液Ｃの５０℃以上で生じた試料を耐食性が「良」であると判定し、腐食の発生が液Ａあるいは液Ｃの４０℃以下で生じた試料を耐食性が「不良」であると判定した。
ただし、上述の液Ａは、６重量％ＦｅＣｌ3水溶液であり、液Ｃは、６重量％ＦｅＣｌ3＋１％ＨＣｌ水溶液である。
(3) Corrosion Resistance of Weld Metal Portion Corrosion resistance of the weld metal portion was examined by a ferric chloride corrosion test (ASTM G48). Samples in which corrosion occurred at 50 ° C. or higher in liquid C were judged to have "good" corrosion resistance, and samples in which corrosion occurred at 40 ° C. or lower in liquid A or liquid C were judged to have "poor" corrosion resistance. ” was determined.
However, the liquid A described above is a 6 wt % FeCl 3 aqueous solution, and the liquid C is a 6 wt % FeCl 3 +1% HCl aqueous solution.
（４）溶接金属部の耐水素性
また、溶接金属部の耐水素性については、フェライト相量が７０体積％以上（すなわち、オーステナイト相量が３０体積％未満）で水素に対して感受性を持つとされているため、フェライト相量が７０体積％未満（すなわち、オーステナイト相量が３０体積％超）であるものを、耐水素性が「良」であると判定した。
(4) Hydrogen resistance of the weld metal part Regarding the hydrogen resistance of the weld metal part, it is said that the ferrite phase content of 70% by volume or more (that is, the austenite phase content of less than 30% by volume) is sensitive to hydrogen. Therefore, those with a ferrite phase content of less than 70% by volume (that is, an austenite phase content of more than 30% by volume) were judged to have "good" hydrogen resistance.
なお、フェライト相量、すなわち、フェライト相とオーステナイト相の相比は、上述のように、溶接部の表側と裏側（図２、図３参照）で異なるが、通常、プラズマ溶接により施工された製品は、裏側が腐食環境側（例えば接液部）となるため、この実施形態では、裏側におけるフェライト相とオーステナイト相の相比によって溶接金属部の耐水素性を評価した。 The amount of ferrite phase, that is, the phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase, as described above, differs between the front side and the back side of the weld (see FIGS. 2 and 3). In this embodiment, the back side is the corrosive environment side (for example, the wetted part), so in this embodiment, the hydrogen resistance of the weld metal part was evaluated by the phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase on the back side.
（５）溶接作業性
通常のプラズマ溶接の場合と比較して、アークが安定していて溶接作業が困難になるようなことのない場合には、溶接作業性が「良」であるとし、溶接は可能であるが、アークが不安定になるなどして溶接作業にやや問題がある場合には、溶接作業性が「可」であるとした。
(5) Welding workability Compared to normal plasma welding, if the arc is stable and the welding work does not become difficult, the welding workability is considered to be "good." However, if there are some problems in the welding work such as the arc becoming unstable, the welding workability is judged to be "acceptable".
試料番号１～７の各試料の、溶接金属部における窒素含有量（含有率）、溶接金属部におけるフェライト相の相量（体積％）（ただし、１００－フェライト量（体積％）＝オーステナイト量（体積％）となる）、溶接金属部の耐食性、耐水素性、および溶接作業性についての測定結果、評価結果を表２に示す。
Nitrogen content (content ratio) in the weld metal portion of each sample of
表２に示すように、窒素ガスを含まないプラズマガス（アルゴンガス）を用いてプラズマ溶接を行った試料番号１の試料は、溶接部（溶接金属部）を構成する金属における窒素含有量（含有率）が０．１４４重量％と少なく、溶接金属部の裏側におけるフェライト相の割合が表側で７０体積％を大きく超えており、溶接金属部の耐食性および耐水素性はいずれも不良であることが確認された。
As shown in Table 2, the sample of
一方、窒素ガスをそれぞれ、１重量％、２重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％を含むプラズマガス（アルゴンガス）を用いてプラズマ溶接を行った試料番号２、３、４、５、６および７の各試料は、表２に示すように、溶接部（溶接金属部）を構成する金属における窒素含有量（含有率）が、それぞれ０．１８９重量％（試料番号２）、０２２４重量％（試料番号３）、０．２６１重量％（試料番号４）、０３１０重量％（試料番号５）、０．３６０重量％（試料番号６）、０．３７０重量％（試料番号７）で、窒素ガスを含まないプラズマガスを用いた試料番号１の試料（比較例の試料）に比べて、溶接金属部における窒素含有量が多くなっていることが確認された。
On the other hand, plasma welding was performed using plasma gas (argon gas) containing 1% by weight, 2% by weight, 3% by weight, 5% by weight, 10% by weight, and 15% by weight of nitrogen gas, respectively. As shown in Table 2, each of
また、試料番号２、３、４、５、６および７の各試料は、溶接金属部の裏側におけるフェライト相量が５５体積％～２６体積％（オーステナイト相量は、４５体積％～７４体積％）で、窒素ガスを含まないプラズマガスを用いてプラズマ溶接を行った試料番号１の試料（比較例の試料）よりもフェライト相量が少なくなっており、いずれもフェライト相量が７０体積％以下であること、すなわち、オーステナイト相量が３０％以上で、フェライト相とオーステナイト相の相比が好ましい範囲にあることが確認された。
In addition, each sample with
また、試料番号２、３、４、５、６および７の各試料は、表２に示すように、溶接金属部の耐食性、および、耐水素性も良好であることが確認された。
In addition, as shown in Table 2, it was confirmed that each sample of
一方、溶接作業性についてみると、窒素ガスをそれぞれ１０重量％、１５重量％含むプラズマガスを用いた試料番号６および７の試料の場合、アークが不安定になり、溶接作業性が必ずしも良好ではないことが確認された。 On the other hand, with respect to welding workability, in the case of sample Nos. 6 and 7, which used plasma gas containing 10% by weight and 15% by weight of nitrogen gas, respectively, the arc was unstable, and welding workability was not necessarily good. Confirmed not.
したがって、この実施形態からは、窒素ガスを１重量％、２重量％、３重量％、５重量％含有するプラズマガスを用いることが、良好な溶接作業性を確保する見地からは好ましいことがわかる。 Therefore, from this embodiment, it can be seen that using plasma gas containing 1% by weight, 2% by weight, 3% by weight, and 5% by weight of nitrogen gas is preferable from the standpoint of ensuring good welding workability. .
ただし、上記実施形態における溶接作業性の評価結果は、溶接速度を１８０ｍｍ／ｍｉｎとしてプラズマ溶接を行った場合の評価結果であり、溶接速度が遅くなると、プラズマガス中の窒素ガスの含有量がより少なくても、フェライト相量７０体積％以下の相比を確保することが可能になる。 However, the evaluation result of welding workability in the above embodiment is the evaluation result when plasma welding is performed at a welding speed of 180 mm / min. At least, it becomes possible to secure a phase ratio of 70% by volume or less of the ferrite phase amount.
また、溶接速度が速くなると、プラズマガス中の窒素ガスの含有量が多くないとフェライト相量７０体積％以下の相比を確保することが困難になる場合があり、溶接条件によっては、窒素ガスを１０重量％、１５重量％含むプラズマガスを用いることが望ましい場合がある。 In addition, when the welding speed increases, it may become difficult to ensure a phase ratio of 70% by volume or less of the ferrite phase amount unless the nitrogen gas content in the plasma gas is large. It may be desirable to use a plasma gas containing 10 wt%, 15 wt% of
次に、窒素ガスの含有量が１重量％未満のプラズマガスを用いてプラズマ溶接を行った場合の溶接金属部における窒素含有量と、フェライト相とオーステナイト相の相比について、以下に説明するような検討を行った。 Next, the nitrogen content in the weld metal and the phase ratio between the ferrite phase and the austenite phase when plasma welding is performed using a plasma gas with a nitrogen gas content of less than 1% by weight will be described below. I made a study.
まず、表２のプラズマガス中の窒素含有量と、溶接金属部中の窒素含有量のデータから、プラズマガス中の窒素含有量と、溶接金属部中の窒素含有量との関係を線図化した。その結果を図４に示す。 First, based on the data on the nitrogen content in the plasma gas and the nitrogen content in the weld metal in Table 2, the relationship between the nitrogen content in the plasma gas and the nitrogen content in the weld metal is plotted. did. The results are shown in FIG.
図４に示すように、プラズマガス中の窒素含有量と、溶接金属部中の窒素含有量の関係は略直線関係にあり、プラズマガス中の窒素含有量が１重量％未満の場合にも、図４のグラフから溶接金属部における窒素含有量を求めることができる。 As shown in FIG. 4, there is a substantially linear relationship between the nitrogen content in the plasma gas and the nitrogen content in the weld metal. The nitrogen content in the weld metal portion can be obtained from the graph of FIG.
また、表２のプラズマガス中の窒素ガス含有量と、溶接金属部の表側および裏側におけるフェライト相の相比の関係を線図化した。その結果を図５に示す。 In addition, the relationship between the nitrogen gas content in the plasma gas in Table 2 and the phase ratio of the ferrite phase on the front side and the back side of the weld metal portion is illustrated. The results are shown in FIG.
プラズマガス中の窒素含有量と、溶接金属部中のフェライト相量との間には、図５に示すような関係があり、プラズマガス中の窒素含有量が１重量％未満の場合における、溶接金属部中のフェライト相量を求めることができる。 Fig. 5 shows the relationship between the nitrogen content in the plasma gas and the amount of ferrite phase in the weld metal. It is possible to obtain the amount of ferrite phase in the metal part.
表２および図４から、例えば、窒素ガスを０．５重量％含むプラズマガスを用いてプラズマ溶接を行った場合の溶接金属部における窒素含有量を求めると、溶接金属部における窒素含有量は０．１７重量％となる。 From Table 2 and FIG. 4, for example, when the nitrogen content in the weld metal zone is obtained when plasma welding is performed using a plasma gas containing 0.5% by weight of nitrogen gas, the nitrogen content in the weld metal zone is 0. .17% by weight.
このように、プラズマガス中の窒素ガスの含有量が１重量％未満の場合にも、プラズマガスに窒素ガスが含まれていれば、窒素ガスの含有量に応じて、溶接金属部における窒素含有量が、窒素ガスを含まないプラズマガスを用いて溶接を行った場合よりも多くなることがわかった。 In this way, even when the nitrogen gas content in the plasma gas is less than 1% by weight, if the plasma gas contains nitrogen gas, the nitrogen content in the weld metal portion will vary depending on the nitrogen gas content. It was found that the amount was higher than when welding was performed using a plasma gas without nitrogen gas.
また表２および図５から、例えば、窒素ガスを０．５重量％含むプラズマガスを用いてプラズマ溶接を行った場合の溶接金属部におけるフェライト相量を求めると、溶接金属部の裏側におけるフェライト相量は約６６体積％となる。 Further, from Table 2 and FIG. 5, for example, when plasma welding is performed using a plasma gas containing 0.5 wt. The amount amounts to about 66% by volume.
このように、プラズマガス中の窒素ガスの含有量が１重量％未満の場合にも、プラズマガスに窒素ガスが含まれていれば、窒素ガスの含有量に応じて、溶接金属部におけるフェライト相量が少なくなり（溶接金属部におけるオーステナイト相量が多くなり）、窒素ガスを含まないプラズマガスを用いて溶接を行った場合に比べて、フェライト相とオーステナイト相の相比が望ましい値となる。 In this way, even when the nitrogen gas content in the plasma gas is less than 1% by weight, if the plasma gas contains nitrogen gas, the ferrite phase in the weld metal part is reduced according to the nitrogen gas content. The amount of ferrite phase and austenite phase is reduced (the amount of austenite phase in the weld metal portion is increased), and the phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase becomes a desirable value compared to welding using a plasma gas that does not contain nitrogen gas.
さらに、上述のように、プラズマガス中の窒素ガスの含有量が１重量％未満の場合にも、窒素ガスを含まないプラズマガスを用いて溶接を行った場合に比べて、溶接金属部における窒素含有量が多くなり、かつ、フェライト相とオーステナイト相の相比が望ましい値になることから、溶接金属部の耐食性や耐水素性も向上するものと考えられる。 Furthermore, as described above, even when the nitrogen gas content in the plasma gas is less than 1% by weight, the nitrogen concentration in the weld metal portion is lower than when welding is performed using a plasma gas that does not contain nitrogen gas. Since the content is increased and the phase ratio of the ferrite phase and the austenite phase becomes a desirable value, it is considered that the corrosion resistance and hydrogen resistance of the weld metal part are also improved.
また、プラズマガス中の窒素ガスの含有量を１重量％未満とした場合には、アークが不安定になるようなことはなく、良好な溶接作業性を確保ことができる。 Further, when the nitrogen gas content in the plasma gas is less than 1% by weight, the arc does not become unstable and good welding workability can be ensured.
したがって、上記実施形態から、
（ａ）プラズマガス中の窒素ガスの含有量が１重量％未満である場合にも、窒素ガスを含む不活性ガスを用いることにより、窒素ガスを含まないプラズマガスを用いて溶接を行う場合よりも、二相ステンレス鋼のプラズマ溶接を良好に行うことができること、
（ｂ）窒素ガスを１重量％、２重量％、３重量％、５重量％含有するプラズマガスを用いることにより、さらに良好な二相ステンレス鋼のプラズマ溶接を行うことができること、
（ｃ）窒素ガスを１０重量％、１５重量％含有するプラズマガスを用いた場合にも、溶接速度などの条件を適切に選択することにより実用的なプラズマ溶接を行うことができること
などが確認された。
Therefore, from the above embodiment,
(a) Even when the nitrogen gas content in the plasma gas is less than 1% by weight, by using an inert gas containing nitrogen gas, the welding is performed using a plasma gas that does not contain nitrogen gas. Also, the plasma welding of duplex stainless steel can be performed well,
(b) better plasma welding of duplex stainless steel can be achieved by using a plasma gas containing 1% by weight, 2% by weight, 3% by weight, and 5% by weight of nitrogen gas;
(c) It has been confirmed that practical plasma welding can be performed by appropriately selecting conditions such as welding speed even when plasma gas containing 10% by weight and 15% by weight of nitrogen gas is used. rice field.
以上の結果より、本発明によれば、母材とは別に溶接棒などの溶接材料を用いずに、また、溶接後に熱処理を行うことを必要とせずに、二相ステンレス鋼を確実に溶接できることがわかる。 From the above results, according to the present invention, it is possible to reliably weld duplex stainless steel without using a welding material such as a welding rod separately from the base material and without requiring heat treatment after welding. I understand.
なお、上記実施形態では、プラズマガスを構成する不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた場合について説明したが、プラズマガスを構成する不活性ガスとしてヘリウムガスを用いることも可能である。 In the above embodiment, the case where argon gas is used as the inert gas that constitutes the plasma gas has been described, but helium gas can also be used as the inert gas that constitutes the plasma gas.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various applications and modifications can be made within the scope of the invention.
Ａ プラズマ溶接装置
１ タングステン電極
２ ノズル
２ａ 中空部
２ｂ 冷却水通路
３ 外側ノズル
３ａ トーチシールドガス通路
５ バックシールド用カップ
５ａ 供給口
５ｂ 隙間
１０ トーチ
１１ プラズマガス
１２ プラズマアーク
１３ トーチシールドガス
１４ バックシールドガス
２０ 二相ステンレス鋼（母材）
３０ 溶接部（溶接金属部）
A
30 welded part (weld metal part)
Claims (3)
プラズマアークを発生させるためのプラズマガスとして、窒素ガスを１．０重量％以上１５重量％以下の割合で含む不活性ガスを用い、
発生させた前記プラズマアークをシールドするトーチシールドガスとして、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用い、
発生させた前記プラズマアークが供給される側とは逆の母材の裏面側をシールドするバックシールドガスとして、可燃性ガスを含まず、窒素ガスを０．５重量％以上の割合で含む不活性ガスを用い、
前記プラズマアークが供給されることで前記二相ステンレス鋼どうしが溶接される溶接部を、治具を用いて攪拌することなく溶接を行うこと
を特徴とする二相ステンレス鋼のプラズマ溶接方法。 A welding method for welding duplex stainless steels by a plasma welding method that does not use a welding material,
Using an inert gas containing nitrogen gas at a ratio of 1.0% by weight or more and 15% by weight or less as a plasma gas for generating a plasma arc,
Using an inert gas containing nitrogen gas at a rate of 0.5% by weight or more as a torch shield gas for shielding the generated plasma arc,
As a back shield gas for shielding the back side of the base material opposite to the side to which the generated plasma arc is supplied, an inert inert gas containing no combustible gas and containing nitrogen gas at a rate of 0.5% by weight or more using gas,
A plasma welding method for duplex stainless steels, characterized in that welding is performed by using a jig without agitating the welding portion where the duplex stainless steels are welded together by supplying the plasma arc .
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