JPH01202390A - オーステナイト系ステンレス鋼溶接構造物の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高温で使用される溶接構造物の製造方法に係
わり、特にオーステナイト系ステンレス鋼溶接構造物の
溶接方法に関する。

〔従来の技術〕

高温強度を必要とする溶接構造物は、耐食・耐熱鋼、特
にオーステナイト系ステンレス鋼がよく用いられる。

その−例として、高速増殖炉では、原子炉の中で発生し
た熱を液体ナトリウムでとり出し、その熱を中間熱交器
で別ルートの液体ナトリウムへ伝えられるが、その液体
ナトリウムは一次系循環ポンプの駆動によって一次系配
管を経由して循環される構造となっている。従って、原
子炉運転中の一次系は、５００℃程度の高温に曝される
ので、原子炉、−次系配管等はオーステナイト系ステン
レス鋼が用いられる。この高温の液体ナトリウムの循環
する一次系では、耐熱、耐食性の外に、長期稼動のため
疲労強度が要求される。その疲労荷重は、原子炉の運転
、休止にともなう熱応力によって、あるいは運転中の炉
内の液面の高さ変動に伴う液面上下附近の温度差に応じ
て生じる熱応力によって生じるものである。

この疲労強度を向上する方法としては、特開昭６０−２
５８４０９号公報に記載されているように、予め昇温し
た被処理物の表面を冷却しながらピーニングを行って、
被処理物表面に圧縮残留応力を付与することにより、引
張荷重負荷時の引張応力を緩和して疲労強度を向上させ
る方法が提案され、また特開昭６１−７９７１２号公報
に記載されているように、被処理物の切欠部周辺の表面
を加熱、冷却して切欠部周辺に圧縮応力を残留させて疲
労強度を高める方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の三方法では、前者の方法が被処理物全体の疲労強
度向上をねらったものであり、後者の方法は切欠部、即
ち応力集中の生じ易い形状不連続部の疲労強度向上をね
らったものであるが、いずれも溶接金属のように金属組
織上の不連続部、すなわち溶接金属のデンドライト（樹
枝状晶）に起因する疲労強度の低下という点については
配慮されていなかった。

すなわち、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属で
は溶融後の冷却途中に変態を生じないため結晶粒が粗大
化し易く、従って、多層盛溶接の場合は、前層又は前パ
スの溶接金属のデンドライトに、次層又は次パスの溶接
金属のデンドライトが連続して一定の方向性をもって成
長し、かつそのデンドライト粒径が大きいことによって
、デンドライト粒内と粒界に金属組織上の不連続を生じ
て溶接部の疲労強度に著しい方向性を示し、特に溶接部
に垂直方向の疲労強度が、溶接部に平行な方向の疲労強
度に対して著しく低下するという問題があった。

本発明の目的は、オーステナイト系ステンレス鋼の多層
盛溶接部で、疲労強度の方向性のない良好な多層盛溶接
部を形成するオーステナイト系ステンレス鋼溶接構造物
の溶接方法を提供することにある。

〔課題を達成するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のオーステナイト系
ステンレス鋼溶接構造物の溶接方法においては、多層盛
溶接を行う溶接継手に溶接された溶接金属の表面にピー
ニングを施し、そのピーニングの有効深さが、少なくと
も部分的に、前記溶接金属に隣接して溶接する時の溶込
み深さ以上としたものである。

そのピーニングの有効深さは、そのピーニングを受けた
溶接金属の表面より、少なくとも部分的に、２ｍｍ以上
とすることにより効果的である。

また前記ピーニングを、５０〜３００”Ｃの温度範囲内
にある溶接金属に施すことにより、より効果的となる。

また、前記ピーニングを多層盛溶接部の各層、各パスあ
るいは層とパスの組合せで施してもよい。

〔作用〕

上記のように構成されたオーステナイト系ステンレス鋼
溶接構造物の多層盛溶接部の溶接金属表面にピーニング
を行うことにより、その溶接金属の表面層に変形を与え
、その変形を生ずる層の深さが、その溶接金属に隣接し
て溶接する時の溶込み深さ以上に、少なくとも一部分が
なることにより、そのピーニングされた溶接金属のデン
ドライトに不連続となるか、あるいはそのデンドライト
の成長方向と異なった方向に成長して、多層盛溶接部の
デンドライトの成長方向をばらつかせ、かつ微細化する
。

多層盛溶接では、各溶接金属の溶込み深さは約２１１Ｉ
Ｉ＋＋以内であるのでこのピーニングの有効深さを溶接
金属表面より、少なくとも部分的に、２ＩＩＩｍ以上に
するのが好ましい。

また、ピーニングを行うときのその溶接金属の温度は、
５０〜３００℃の温度範囲が望ましく、５０℃未満では
ピーニング有効深さが浅くなり、３００℃越えると冷却
速度が早いため均一な有効深さにし難く、作業性が低下
する。

また、ピーニングを、多層盛溶接部の各層で行うことに
より層毎のピーニング効果により層毎でデンドライトの
連続成長が妨げられ、各パスで行うことによりパス毎の
ピーニング効果が得られてパス毎でデンドライトの連続
成長が妨げられ、さらにパスと層の組合せでピーニング
を行うことにより、より一層確実で、簡易にピーニング
効果が得られる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例について第１図〜第５図を用いて
説明する。

本発明の実施例として使用した母材の成分組成例と、そ
の母材の溶接に用いた溶接ワイヤの成分組成例とを第１
表に、その時の溶接施工条件を第２表に示した。

溶接法はＴＩＧ溶接とサブマージドアーク溶接を用いた
。ＴＩＧ＠接は不活性ガス（アルゴンガス）シールド中
でタングステン電極と母材との間に直流アークを発生さ
せて母材を溶融し、そのアーク中へ溶接ワイヤを連続的
に送給して溶融させて溶接するもので、非常に品質が優
れた溶接法であり、サブマージドアーク溶接は溶接フラ
ックス（中性）の堆積中で溶接ワイヤ先端と母材との間
にアークを発生させて、母材と溶接ワイヤ先端部と溶接
フラックスとを溶融させ、その溶接ワイヤを連続的に送
給して溶接するもので、品質の安定した能率の高い溶接
法である。

溶接継手は、各層ごとにピーニングを施したものと施さ
ないものとを作製し、その溶接板の材質は第１表に示す
化学組織の５ＬＩＳ３０４で、そのサイズは板厚２０＋
ｎ＋ｎ、巾２５０ｍｍ、長さ１　、０００ｍｍであり、
その溶接開先は開先角度４５°、開先ギャップ１２ｍｍ
の突合せ開先であり、その多層盛溶接部１の断面を第２
図に示す。個々の溶接金属２は各パスを示し、横に並ん
だ２〜３パスで各層を形成している。

ピーニングはタガネピーニングを用い６〜１５気圧の圧
縮空気をピーニング装置に導入し、その先端部のタガネ
で溶接金属をたたいてピーニングを施すものである。ピ
ーニングの施工は、ピーニングの有効深さが各層表面よ
り１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍとなるように実施した。なお
ピーニングは多層盛溶接部の溶接金属の表面上に行えば
よいが、開先面上にかかっても問題はない。またピーニ
ングは、溶接金属の温度が５０〜３００℃の範囲で行う
とより効果的であり、特に１００〜２００℃で行うとピ
ーニング有効深さを均一に保ち易く作業性が優れ、更に
効果的である。

疲労試験片の採取位置を第３図に示すように溶接線３に
垂直な方向の試験片４と平行な方向の試験片５の２種類
を採取した。

次いで、疲労試験はφ１０の丸棒試験片を用い、標点距
離１５ｍｍとし、高周波加熱装置により試験温度に加熱
した状態で試験片の軸方向に引張、圧縮の応力を負荷し
、第４図に示す歪波形に従って歪制御を行って試験を行
った。

試験温度を５５０℃、全ひずみ範囲（Δε）を０゜７％
、ひずみ速度を０．１１／秒の両振三角波形で疲労試験
を行なった。

なお、試験温度は高速増殖炉用原子炉運転中の液体ナト
リウムの温度が５００〜５３０℃であることから５５０
℃を選び、全ひずみ量（ΔＥ）は原子炉容器の器壁のそ
れが０．１〜０．２％程度、１次系全体でも最大で０．
５％であることから０．７％を選んだ。

その疲労試験片の寿命は試験片に負荷する応力振巾が定
常状態より２５′１減少した時の繰返し数で表わした。

上記の疲労試験で得られた結果のうち、ピーニングの有
効深さ２ｍｍの本発明材と、ピーニングを行なわない従
来方法による比較例の結果を第３表に示した。

ピーニングを行なわない比較例では、ＴＩＧ溶接、サブ
マージドアーク溶接ともに、溶接線平行方向の疲労寿命
が母材と同等程度あるのに対し、溶接線垂直方向では半
分以下となって異方性が著しいが、本発明の溶接方法に
よりピーニングの有効深さを各層表面から２ｍｍとなる
ようにピーニングを実施した場合には、溶接線垂直方向
の疲労寿命は母材の値程度にまで大巾に改善され、異方
性がほとんど認められない。

次に、ピーニングの有効深さが溶接線垂直方向の疲労寿
命に及ぼす影響を示す試験結果を第４表および第１図に
示す。

この試験結果によれば、ピーニング有効深さ２ｍｍ以上
では、溶接の溶は込み深さが２ｍｍ以内であるＴＩＧ溶
接、サブマージドアーク溶接ともに、その多層盛溶接部
の溶接線垂直方向の疲労寿命は大巾に向上していること
が認められた。ただし、ピーニング有効深さ１ｍｍの場
合はほとんど改善されてないことが判る。なお、ピーニ
ング有効深さは２〜４ｍｍで十分疲労寿命に効果がある
が、４ｍｍ以上でも効果を損うことはない。

また、溶接法は、上記２種の溶接法のみでなく、ＭＩＧ
溶接を用いても、その溶込み深さを２ｍｍ以内にするこ
とにより十分施工できる。このＭＩＧ溶接は、不活性ガ
スシールド中で溶接ワイヤ先端と母材間で直流アークを
発生して両者を溶融し、溶接ワイヤを連続的に送給して
溶接を行なう溶接法である。

また、オーステナイト系ステンレス鋼は第１表に示した
ＪＩＳ規格の５ＵＳ３０４の外に、５ＵＳ３０４Ｌ、５
ＵＳ３０４ＬＣ，５ＵＳ３１６，５ＵＳ３１６Ｌ、５Ｕ
Ｓ３１６ＬＣ，５ＵＳ３２１でもよく、また、前述のオ
ーステナイト系ステンレス鋼を炭素鋼との異材継手にも
適用することにより、その多層盛溶接部の溶接線垂直方
向の疲労強度を向上させることができる。

このような溶接方法を適用できるオーステナイト系ステ
ンレス鋼溶接構造物としては、第５図に示すように多層
盛溶接を行なう溶接継手６を有する高速増殖炉原子炉容
器７の外に、同炉用−次系配管があり、さらに、ボイラ
ー用管寄せにも適用できる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

オーステナイト系ステンレス鋼溶接構造物の多層盛溶接
を行なう溶接継手に溶接された溶接金属の表面でピーニ
ングを行なうことにより、デンドライトの成長方向をば
らつかせ、かつ微細化することができるので、疲労強度
の異方性のない良好な多層盛溶接部を有するオーステナ
イト系ステンレス鋼溶接構造物を容易に得ることができ
る。

ピーニングの有効深さを、溶接金属の少なくとも部分的
に２ｍｍ以上とすることにより、ピーニング作業を容易
に行なえる。

また、ピーニングを、５０〜３００℃の溶接金属に施す
ことにより、容易に十分なピーニング効果が得られる。

また、ピーニングを多層盛溶接の各層で施すことにより
層毎にデンドライトの連続成長が妨げられるので、容易
に疲労強度の異方性のない良好な多層盛溶接部が得られ
る。

また、ピーニングを各パスで施すことによりパス毎にデ
ンドライトの連続成長が妨げられるので、容易にかつ確
実に、疲労強度の異方性のない良好な多層盛溶接部が得
られる。

さらに、ピーニングを多層盛溶接のパスと層の組合せで
施すことによってもデンドライトの連続成長が十分妨げ
られるので、容易に疲労強度の一異方性のない良好な多
層盛溶接部が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるピーニング有効深さが溶接継手の
疲労寿命に及ぼす影響の試験結果を示す図、第２図は本
発明により各層でピーニングを施して溶接した多層盛溶
接部の断面図、第３図は疲労試験片採取位置を示す説明
図、第４図は疲労試験で用いた引張、圧縮荷重を負荷す
るひずみ制御のひずみ波形を示す図、第５図は本発明の
溶接方法を適用する高速増殖炉用原子炉容器の溶接継手
を示す説明図である。 ２・・・溶接金属、６・・・溶接継手。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多層盛溶接を行う溶接継手を有するオーステナイト
   系ステンレス鋼溶接構造物の溶接方法において、前記溶
   接継手に溶接された溶接金属の表面にピーニングを施し
   、該ピーニングの有効深さが、少なくとも部分的に前記
   溶接金属に隣接して溶接する時の溶込み深さ以上となる
   ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼溶接構
   造物の溶接方法。 ２、請求項１において、前記ピーニングの有効深さが前
   記溶接金属の表面より、少なくとも部分的に２ｍｍ以上
   であることを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼
   溶接構造物の溶接方法。 ３、請求項１又は２において、前記ピーニングを５０〜
   ３００℃の温度範囲内の溶接金属に施すことを特徴とす
   るオーステナイト系ステンレス鋼溶接構造物の溶接方法
   。 ４、請求項１において、前記ピーニングを各層の溶接金
   属に施すことを特徴とするオーステナイト系ステンレス
   鋼溶接構造物の溶接方法。 ５、請求項１において、前記ピーニングを各パスの溶接
   金属に施すことを特徴とするオーステナイト系ステンレ
   ス鋼溶接構造物の溶接方法。 ６、請求項１において、前記ピーニングを多層盛溶接部
   の一部の溶接金属に層毎で、他の部分にパス毎で施すこ
   とを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼溶接構造
   物の溶接方法。