JPH0314549B2

JPH0314549B2 -

Info

Publication number: JPH0314549B2
Application number: JP16129780A
Authority: JP
Inventors: Norio Katsumoto; Mutsuo Nakanishi
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-11-14
Filing date: 1980-11-14
Publication date: 1991-02-27
Also published as: JPS5785693A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、高温用クロム・モリブデン鋼を母材
とするサブマージアーク溶接方法に関するもので
あり、特に、その溶接金属中に含まれるSi、Ｐ、
酸素が、共にそれぞれ所定の含有量以下になるよ
うに成分調整若しくは成分規制されたソリツドワ
イヤとフラツクスを使用して溶接を行い、得られ
た溶接金属に低温靭性は勿論のこと、特に耐焼戻
し脆化特性を同時に具有せしめ、もつて、近年と
みに大型化、高温高圧化しつつある化学工業用圧
力容器や原子力圧力容器等の溶接構造物に対する
要求に即応せんとするものである。なお、本明細書において耐焼戻し脆化特性と
は、450℃程度の焼戻し脆化温度領域で長時間使
用された後においても、なお溶接金属が充分な靭
性を保有する性質をいう。〔従来技術とその問題点〕従来のサブマージアーク溶接方法によつて、ク
ロム・モリブデン鋼を溶接した場合に、その得ら
れた溶接金属中に含まれるSiの含有量は、通常
0.20〜0.40％程度のものであつた。Siの含有量が
この範囲になされていた理由は、溶接金属の強度
を確保すると共に、溶接時の作業性が考慮されて
きたためである。然しながら、従来のようにSiの
含有量が高い溶接金属部を有するクロム・モリブ
デン鋼材は、これが焼戻し脆化温度領域で長時間
使用される建造物に供された場合は、溶接金属部
で焼戻し脆化が進み、運転休止時の修理において
脆性破壊の危険性が増大する傾向にあつた。また、溶接金属中に含まれるＰも、焼戻し脆化
に影響を及ぼすものであることはある程度知られ
てはいたが、実用上具体的に、これをどの程度に
抑制すべきものであるかについては明らかでなか
つたために、Ｐの含有量に対する注意深い配慮が
なされていないのが従来の傾向であつた。更に、溶接金属中に含まれる酸素の量は、従来
0.040〜0.060％程度となつていた。酸素の含有量
がこの程度となつていた理由は、極厚のクロム・
モリブデン鋼材の溶接に際して、その作業性を重
視したフラツクスが使用されてきたためである。
しかしながら、それがもたらす低温靭性への影響
で、最近の業界が要請する低温靭性値を満足する
ことは極めて困難なものとなつた。従来、クロム・モリブデン鋼は、化学工業用圧
力容器や原子力圧力容器などの装置に広く用いら
れてきた。これらの装置は、近年の技術革新に伴
つて逐次大型化されると共に、高温、高圧化が進
んで、その操業条件は次第に厳しいものとなり、
この趨勢に応じて、使用される鋼材も極厚化する
傾向にある。このような傾向の中にある前記の圧
力容器装置は、その建造中に脆性破壊の危険性を
伴う一方、運転中はその内部で行われる反応プロ
セスの面から見て、焼戻し脆化温度領域（450℃
程度）で長時間使用されることが殆ど宿命的であ
り、ために大きな焼戻し脆化を受けるものと考え
られるから、脆性破壊の危険性は一層増大するこ
ととなる。特に寒冷地において焼戻し脆化温度領
域で長時間操業される装置にあつては、使用後の
脆性破壊の危険が大きく、また、装置の接合部に
おける溶接金属は、同組成の鋼板などよりも焼戻
し脆化が大きいことが知られているので、殊更注
意が必要である。ところが、従来の溶接方法で
は、高温用クロム・モリブデン鋼の溶接におい
て、前記危険を克服して時代の要請に耐えるに十
分な特性を持つ溶接金属を得ることは不可能であ
つた。〔問題点を解決するための手段〕本発明は、前記従来の問題点を解決することを
目的とするものであつて、その解決手段は、重量
％にしてSi：0.20％以下、Ｐ：0.015％以下を含有
する高温用クロム・モリブデン鋼の母材を溶接す
るに当たり、重量％でＣ：0.04〜0.15％、Si：
0.03％以下、Mn：0.30〜1.60％、Ｐ：0.012％以
下、Cr：1.00〜6.00％、Mo：0.40〜1.30％、Ti：
0.05〜015％を含有し残部は実質的にFeよりなる
ソリツドワイヤと、重量％でSiO₂：10〜30％、
（CaO＋MgO）／SiO₂（％）で示される塩基度が
1.5〜４であるフラツクスとを組合せて使用し、
多層盛りを施すビルトアツプ法で溶接することに
より、重量％でSi：0.10％以下、Ｐ：0.012％以
下、酸素：0.040％以下の溶接金属を得、溶接部
に低温靭性と同時に耐焼戻し脆化特性を具有せし
めるところにある。〔本発明の作用〕前記解決手段によつて自ら判るように、本発明
は、高温用クロム・モリブデン鋼の母材を溶接す
るものであるが、終局的には、溶接金属中のSi、
Ｐ、酸素の含有量を重量％にしてそれぞれ、0.10
％以下、0.012％以下、0.040％以下とするもので
ある。かかる溶接金属を得るうえに最も重要な作
用を営むものは、前記母材の成分もさることなが
ら、溶接に使用されるソリツドワイヤとフラツク
スの成分であり、次いで重要なのは溶接金属を溶
着するための溶接施工法である。従つて次ぎに、
それらの事項につき各その限定理由を説明する。 (1) 母材の成分について母材たる高温用クロム・モリブデン鋼の成分
については、凡そのところは周知であるが、特
にSiとＰの限定理由について触れておくと次の
如くである。 Siは、母材の焼戻し脆化特性に影響を及ぼ
し、0.20％を超えると脆化が著しくなる。ま
た、溶接時に母材のSiが溶接金属中にはいり、
溶接金属の焼戻し脆化特性をも劣化させる。従
つてSiは0.20％以下とした。Ｐは、母材の焼戻し脆化特性と同時に溶接金
属の焼戻し脆化特性にも大きく影響するが、母
材のＰの含有量が0.015％以下であれば溶接金
属中のＰを0.012％以下にできるので母材のＰ
の含有量は0.015％以下とした。 (2) ソリツドワイヤの成分についてＣは、溶接金属の強度を確保するための元素
であり、そのためには0.04％以上を必要とする
が、0.15％を超えると、Siの含有量を低減して
も靭性の改善効果は得られなくなるので、0.04
〜0.15％とした。 Siは、溶接金属の低温靭性と耐焼戻し脆化特
性の改善上大きな影響を及ぼす元素であつて、
少ない程好ましく、0.10％付近から急激な改善
が見られるが、焼戻し脆化温度領域で長時間使
用後なお良好な靭性を得させるためには、これ
を0.03％以下とする必要がある。なお、Siの添
加を減少させることによる一般的問題として
は、強度と溶接作業性の低下が考えられる。然
し、強度低下の問題は、鋼材の硬化性（強度と
ほぼ比例関係にある）の指標として周知の炭素
当量式からも明らかな如く、Siの影響は他の元
素に比して小さいから、後に説明するMn、
Mo等の添加量調整によつて十分補充すること
ができる。また、溶接作業性低下の問題も、後
に説明するフラツクスのSiO₂の添加量を10％
以上確保することによつて十分補充可能であ
る。 Mnは、溶接金属の強度と靭性を確保するた
めの元素であり、そのためには0.30％以上を必
要とするが、1.6％を超えるときは、焼戻し脆
化が著しくなるので、0.30〜1.60％とした。Ｐは、Siとならんで溶接金属の耐焼戻し脆化
特性に大きな影響を及ぼす元素であつて、少な
い程好ましいものであるが、0.012％付近から
脆化の問題は実用上殆ど解消されるので、
0.012％以下とした。 Crは、溶接金属の耐食性を保証するための
元素であり、そのためには1.0％以上を必要と
するが、6.0％を超えるときは、焼戻し脆化を
著しく進捗せしめることとなるので、1.00〜
6.00％とした。 Moは、溶接金属の高温強度を確保するため
の元素であり、そのためには0.40％以上を必要
とするが、1.30％を超えるときは、靭性の確保
が困難となるので0.40〜1.30％とした。前記のCr及びMOの含有量は、鋼材が使用さ
れる環境に応じて選定する必要がある。即ち、
比較的温度の低いタンク等に使用される鋼材よ
りも、比較的温度の高いボイラ等に使用される
鋼材の方は、一般的に、Cr及びMOの含有量を
高めにする必要がある。 Tiは、溶接金属の組織を微細化して靭性を
改善するための元素であり、0.05％以上になる
とその効果があらわれてくるが、0.15％を超え
ると焼戻し脆化が著しくなるので、0.05％〜
0.15％とした。 (3) フラツクスについて、 SiO₂は、ビードの外観や、溶接後のスラグ
の好剥離等、溶接作業性の改善に役立つ成分で
あり、そのためには10％以上を必要とする。フ
ラツクス中のSiO₂は溶接時に還元され、溶接
金属のSi含有量を増加させる作用があるから、
上限は30％程度が適当である。塩基度は、溶接金属の精錬過程で重要な役割
りを演ずる要素であり、本発明の場合は、これ
を、塩基度Ｂ＝（CaO＋MgO）／SiO₂（％）であらわして、1.5〜４の範囲とした。1.5未満
では溶接金属の酸素含有量が増加して靭性に悪
影響を及ぼすと共に、ブローホールを生じやす
くなり、４を超えると、溶接性、特にビード外
観が悪くなるので、前記の範囲に規定した。な
お、フラツクスはその製造方法の相違により、
ボンドフラツクスや熔融型フラツクス等数種の
タイプのものがあるが、本発明においては、当
然ながら、どのようなタイプのものを使用して
もよい。また、上記成分の外にAl₂O₃その他を
適宜添加することも勿論差し支えない。 (4) 溶接施工法について前記の如く各成分規定されたソリツドワイヤ
とフラツクスを組合せて溶接する場合におい
て、母材の影響を全く受けることがないときを
想定すると、その溶接金属中のSi、Ｐ、酸素の
各含有量は、重量％でそれぞれ0.10％以下、
0.012％以下、0.040％以下となり得るものであ
る。然し現実には、母材の溶込みによる影響を
受けざるを得ない。そこで本発明では、溶接金
属を多層盛りするビルトアツプ法によつて溶接
施工することとした。ビルトアツプ法によれ
ば、溶接入熱は小さくてすむから、溶接金属へ
の母材の溶込み量が少なくなり、母材の影響を
最少限度にとどめることができ、所定量のSi、
Ｐ及び酸素を含有する溶接金属を安定して得る
ことができる。 (5) 溶接金属について Siは、溶接金属の靭性に最も大きな影響を及
ぼす元素であり、これが少ない程、良好な靭性
が得られる。この効果は後述するように0.10％
以下で最も著しい。Ｐは、溶接金属の耐焼戻し脆化特性に大きな
影響を及ぼす元素であり、Siと同様にその含有
量は少ない程良好である。然し、実用上は、
0.012％以下であれば十分な効果が得られる。酸素は、溶接金属の低温靭性の改善面から重
要な意味を持つ元素であり、そのためには含有
量を低減する必要がある。本発明では、0.040
％付近より低温靭性の改善効果が顕著に認めら
れるので、0.040％以下とした。〔実施例〕実施例１本発明の実施例（以下、本発明例という）を試
みると共に、従来例及び比較例との対比実験を行
つたので、以下これについて説明する。第１表に、この実験で用いた母材の化学組成を
元した。この表で見られるように、母材としては
高温用クロム・モリブデン鋼のうち、1Cr−1/2
MO鋼乃至5Cr−1/2MO鋼を使用した。なお既に
述べたように、溶接金属はその成分において母材
の溶込みによる影響を受けざるを得ないから、母
材の選定に当たつては、Si：0.20％以下、Ｐ：
0.015％以下のものを用いるよう考慮するとよい。
なお、酸素に関連しては、母材の選定上特に配慮
する必要はない。通常の鋼材は酸素の含有量が数
10ppmのオーダにとどまるからである。本発明例の溶接施工法としては、母材が溶接金
属中へ溶込む量を最少限に抑制する立場から、サ
ブマージアーク単電極により、多層盛りを施すビ
ルトアツプ法によつた。そのため、母材の開先形
状を第４図に示す如く開先加工対向面が平行に近
いＵ字状とした。各部の寸法に関しては、図中ａ
を30mm、ｂを100mm、ｃを10mm、ｄを15mmＲとし
た。第２表は溶接条件を示すものである。そのう
ち、溶接入熱量に関しては、母材の厚みや開先寸
法の変化に応じて、20000〜50000J／cmの範囲内
において適宜選定するものとする。第３表と第４表には、この実験例に用いたワイ
ヤとフラツクスの化学組成を示した。同表に示す
各種のワイヤとフラツクスを種々組合せて溶接を
行い、得られた溶接金属の靭性を検討した。第５
表には、従来例、比較例、本発明例で溶接を行つ
て得られた溶接金属の特性について比較実験した
ものを示している。この場合における溶接後の熱
処理としては、650℃×12hr、690℃×12hrのSR
処理と、脆化処理として広く行われているＧ、
Ｅ、Step Cooling（593℃×1hr炉冷＋538℃×
15hr炉冷＋524℃×24hr炉冷＋496℃×60hr炉冷＋
468℃×100hr炉冷→315℃空冷）を行つた。

【表】

【表】第５表によれば、本発明例の低温靭性と耐焼戻
し脆化特性が従来例及び比較例に比して格段に優
れているのを認めることができる。第５表中の従
来例は、母材の溶接部をＸ形に開先加工し、
60000J／cmの大入熱により溶接を行つたものであ
る。従つて、従来例のものは、全般的に母材の溶
込みによる影響をかなり受けている。従来例のう
ち、実験No.１はワイヤのSi含有量が高かつたため
に、溶接金属のSi含有量も高い。実験No.２及び３
はフラツクスのSiO₂が高かつたことによつて溶
接金属のSi及び酸素の量が共に高くなつている。
実験No.４及び５は、Ｐ含有量の高いワイヤを用い
ることによつて溶接金属のＰ含有量が異常に高く
なつたものである。比較例に適用した溶接施工法
は、いずれも本発明例の場合と同様に母材の溶接
部を開先加工対向面が平行に近いＵ字状開先と
し、これにビルトアツプ法を施した。その場合の
溶接条件も第２表に示すとおりである。比較例の
うち、実験No.６はワイヤのSiとフラツクスの
SiO₂の含有量が高いために靭性が悪い。実験No.
７及び８は、ワイヤのSiとフラツクスのSiO₂が
高いために、SR処理後の靭性も悪く、且つG.E.
Step Coolingによる脆化が著しく大きい。実験
No.９は、ワイヤのSi含有量は低いが、フラツクス
のSiO₂が高く、溶接金属のSi含有量が0.10％を超
えていること、またワイヤのTi含有量が低くす
ぎることもあつて靭性が悪い。実験No.10は、ワイ
ヤのSi、Ti及びフラツクスのSiO₂がいずれも高
く、そのため靭性が悪い。実験No.11及び12は、ワ
イヤのSi含有量が最も高く、これが溶接金属に影
響してそのSi含有量が高めになり、SR処理後の
靭性が悪いだけでなく、G.E.Step Coolingによ
る脆化も甚だしい。上記の従来例及び比較例に比
して本発明例のものはNo.13〜24を通じてワイヤ、
フラツクス及び溶接金属の化学組成が共に規定の
範囲内にあり、それぞれ良好な低温靭性と耐焼戻
し脆化特性が得られている。第１図は、第１表の鋼種Ｂの場合について、溶
接金属のSi含有量と靭性の関係を示したものであ
る。図中●印のものは690℃×12hr＋G.E.Step
Coolingの熱処理を行つたものであり、○印のも
のは690℃×12hrの熱処理を行つたものである。
なお、同図中Si含有量0.15％と0.35％上の○印は、
第５表の実験No.１と７のものをプロツトしてい
る。この図から、Siの含有量を低減すると、SR
処理後の靭性及び脆化処理後の靭性は共に良好で
あり、脆化量も小さくなり、その効果はSiの含有
量が0.10％付近から著しいことがわかる。実施例２この実施例は、第１表のＢ鋼を母材とし、ワイ
ヤは第３表のW3を使用し、その他の条件は実施
例１の場合と同様にして溶接を行つたものであ
る。この場合の溶接金属の酸素含有量と靭性の関
係を示したのが、第２図である。図中●印のもの
は690℃×12hr＋G.E.Step Coolingの熱処理を行
つたものであり、○印のものは690℃×12hrの熱
処理を行つたものである。なお、同図中酸素含有
量520ppm上の○印は、第５表の実験No.２、３の
ものをプロツトした。この図から、溶接金属の靭
性は、脆化処理の前後ともに酸素含有量の低減に
よつて改善され、その低減効果は400ppm（0.040
％）以下となつていて著しいことがわかる。な
お、この場合の溶接金属中のＣ含有量は0.07％〜
0.12％、Si含有量は0.35％以下、Ｐ含有量は0.012
％以下であつた。実施例３この実施例は、第６表に掲げたワイヤと、第４
表に掲げたフラツクスのうちF2、F3とを種々組
合せて使用し、その他の条件は実施例１、２の場
合と同様にして溶接を行つたものである。この場
合の溶接金属のＰ含有量変化と焼戻し脆化量との
関係を検討したのが第３図である。そして、同図
中Ｐ含有量0.022％上の○印は、第５表の実験No.
４、５のものをプロツトした。この図によつて、
溶接金属のＰ含有量が0.012％以下となると、焼
戻し脆化量は著しく低く抑えられていることがわ
かる。なお、この場合のＣ含有量は0.07〜0.12
％、Si含有量は0.10％、酸素含有量は0.040％以下
であつた。

〔発明の効果〕

以下の如く、本発明に係る溶接方法は、高温用
クロム・モリブデン鋼の溶接において、組成が適
正に規制されたソリツドワイヤと、必須成分及び
塩基度が適正に規制されたフラツクスとを組合せ
て使用し、多層盛りを施すビルトアツプ法で溶接
し、溶接金属中のSi、Ｐ及び酸素の含有量を極力
低値に抑制することにより、該溶接金属に対し、
従来のものに比べて格段に優れた低温靭性と耐焼
戻し脆性を具有せしめ、もつて技術革新に伴なう
圧力容器装置等の大容量化、高温化、高圧化によ
つて惹起する脆性破壊の危険性を克服するうえに
多大の貢献をなし得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接金属中のSi含有量と靭性の関係を
示した図、第２図は溶接金属中の酸素含有量と靭
性の関係を示した図、第３図は溶接金属中のＰ含
有量と焼戻し脆化量の関係を示した図、第４図は
本発明方法を実施する場合の溶接開先の形状を示
した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％にしてSi：0.20％以下、Ｐ：0.015％以
下を含有する高温用クロム・モリブデン鋼の母材
を溶接するに当り、重量％でＣ：0.04〜0.15％、
Si：0.03％以下、Mn：0.30〜1.60％、Ｐ：0.012
％以下、Cr：1.00〜6.00％、Mo：0.4〜1.30％、
Ti：0.05〜0.15％を含有し残部は実質的にFeより
なるソリツドワイヤと、重量％でSiO₂：10〜30
％（CaO＋MgO）／SiO₂（％）で示される塩基度
が1.5〜４であるフラツクスとを組合せて使用し、
多層盛りを施すビルトアツプ法で溶接することに
より、重量％でSi：0.10％以下、Ｐ：0.012％以
下、酸素：0.040％以下の溶接金属を得、溶接部
に低温靭性と同時に耐焼戻し脆化特性を具有せし
めることを特徴とする高温用クロム・モリブデン
鋼のサブマージアーク溶接方法。