JPH0647192B2 - サブマージアーク溶接ワイヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフトにお
けるジャーナル部の肉盛溶接材料に関する。

（従来の技術） 火力発電機に使用される蒸気タービンロータシャフト
は、近年、発電効率向上を図るために高い蒸気温度のも
とで使用される傾向がある。これに伴い、使用温度に耐
える材料として、クリープ強度の高い、いわゆる１２％
Cr鋼がしばしば適用されている。

しかしながら、１２％Cr鋼のタービンロータシャフト
は、低合金鋼のものに比べて、軸受特性が劣ることか
ら、使用中にジャーナル部が焼付きを起こし易いという
問題がある。これを防止するため、ジャーナル部に低合
金鋼のスリーブを焼きばめしたタイプのタービンロータ
シャフトが実用化されているが、このタイプのタービン
ロータシャフトは、使用中、焼きばめ部が緩み、ガタツ
キが生じるという問題が残されている。このような背景
から、最近、ジャーナル部に低合金鋼を肉盛溶接する技
術が検討され、一部実用化されている模様である。

（発明が解決しようとする課題） ジャーナル部に肉盛溶接を施すタービンロータシャフト
或いは肉盛材料については、特開昭５５−１６７４４
号、特開昭５６−１９９７６号、特開昭５７−１３７４
５６号などに提案されているものであるが、それぞれ次
のような理由により、充分満足できる肉盛部が得られな
い。

特開昭５５−１６７４４号： ２層目以降の肉盛溶接棒として、Ｃ：０．１〜０．３
％、Si：０．３％以下、Mn：１．５〜２．０％、Cr：
０．０５〜０．１％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０
３％以下の成分のものが挙げられている。しかしなが
ら、Ｃについては、０．３％の溶接棒では溶接金属の高
温割れを防止することは困難である。一方、Ｃが０．１
％では、他の合金元素との関連から溶接金属の強度が不
足する。勿論、１２％Cr鋼母材の稀釈が比較的多い肉盛
下層では、母材からCrが溶接金属に補給されることが考
えられるが、このような層は高Crであることから、軸受
特性が不満足となる。また、ジャーナル部における肉盛
部は、通常１０mm以上と、比較的厚い肉盛厚さが要求さ
れるため、肉盛表層では母材からの成分補充は期待でき
ないことから、前述の強度不足を生じることは避けられ
ない。したがって、このようなな成分組成の溶接棒で
は、強度不足や溶接金属の高温割れが生じ、満足な肉盛
溶接部が得られない。

特開昭５６−１９９７６号： 溶接肉盛材における低合金鋼の化学成分については、高
温割れは発生しにくい組成になっているものの、Ｃ含有
量が低いことから、溶接金属の強度が不足する。炭素鋼
についても同様であり、通常の肉盛厚さを必要とする場
合、特に問題となる。また、肉盛部のCr量を５％以内を
目標としているが、焼付きの面からは過剰であり、より
低いレベルに抑えないと問題となる。

特開昭５７−１３７４５６号： Ｃ：０．０５〜０．３５％、Si：０．１０〜１．００
％、Mn：０．１０〜１．００％、Cr：０．３０〜２．８
０％、Mo：０．１０〜２．００％、Ｖ：０．０５〜０．
３５％、Ni：０．５０〜４．００％、残部：鉄からなる
肉盛合金を軸受部に肉盛溶接する方法が示されている
が、Ｃが含有量の範囲が広いことから、０．０５％では
実際には強度不足となり、一方、０．３５％では溶接金
属の高温割れは避けられない。また、Cr含有量について
も、０．３０％では強度不足が生じ、２．８０％と高い
と、充分な軸受特性が発揮されない危険性がある。更
に、Ｖを含有しているが、例えば、溶接金属の化学成分
が上記範囲内であるＣ：０．２５％、Cr：１．２％、M
o：１．５％、Ｖ：０．３％といった組成を想定した場
合、高温割れもさることながら、ＳＲ割れ感受性が極め
て高い成分系であることから、ＳＲ割れ発生の危険性が
高くなる。

叙上のように、従来のジャーナル部における肉盛溶接金
属或いは肉盛溶接材料は、溶接部の高温割れ防止、強度
の確保、軸受特性の確保、更にはＳＲ割れ防止の面で充
分検討されたものとは云えず、健全かつ高品質のタービ
ンロータシャフト・ジャーナル部肉盛技術として完成さ
れていないのが現状である。

本発明、かゝる状況のもとでなされたものであって、１
２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナル部
の肉盛溶接技術において、高温割れ、ＳＲ割れが発生せ
ず、かつジャーナル部に充分な強度及び軸受特性を付与
しる溶接材料を提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、前記課題を解決するために、まず、溶接
材料について検討した。

すなわち、１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフトに
おけるジャーナル部の肉盛量は、１本当り２００〜３０
０kg程度であり、この量を仮りに５kg／hrの溶着速度条
件で溶接すると、４０〜６０hrのアーク時間となる。こ
のような肉盛量ＧＭＡ（ガスメタルアーク）溶接で行う
とすると、短時間でシールドノズルにスパッタが付着
し、シールド性が劣化するため、頻繁にアークを停止
し、清掃する必要が生じる。これは、溶接能率の低下の
みならず、ビード継ぎ個所（欠陥が発生し易い個所であ
るの）の増加に伴う欠陥発生機会の増加につながる。ま
た、１１２％Cr鋼は低温割れ感受性が高いことから、通
常２００℃以上の予熱及び層間温度で溶接されるが、こ
の加熱用熱源或いは本体からの放熱流によってアーク点
のガスシールド性を損なうことがある。勿論、通常外気
からの風によってシールド性が劣化する危険性も高い。

そこで、本発明者等は、溶接方法として、長時間の連続
溶接が可能で、かつ風、熱流の影響が少ないサブマージ
アーク溶接法を適用することにした。

次に、サブマージアーク溶接用ワイヤについて検討し
た。

一般にサブマージアーク溶接用のワイヤとしては、いわ
ゆるソリッドワイヤが多く用いられているが、これは材
料の溶解→圧延（押出し）→伸線といった工程で製造さ
れ、伸線工程には焼鈍も含まれている。Ｃ含有量が通常
のものより高いものは伸線性が悪く、焼鈍回数を増す必
要があり、更に生産性が低下する。

そこで、本発明者等は、軟鋼製シース内に合金成分を含
んだ金属粉を充填する、いわゆるコアドワイヤに着目
し、種々の溶接ワイヤを試作したうえで、溶接施工試
験、性能試験を推進した。

その結果、特定の化学成分を有する溶接ワイヤをフラッ
クスと組合せて使用することにより、可能であることを
見出し、ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、１２％Cr鋼製蒸気タービンロータ
シャフト・ジャーナル部の肉盛溶接材料において、軟鋼
製シース内に金属粉が充填されたコアドワイヤであっ
て、 （ａ）軟鋼製シースが Ｃ：０．０２〜０．０４％ Si：０．０１〜０．０３％ Mn：０．１〜０．３％ Ｐ：０．０２０％以下 Ｓ：０．０１０％以下 残部：実質的にＦｅ からなる化学成分を有し、 （ｂ）充填金属粉が Ｃ：（０．１２〜０．２２）×１００／Ｒ Si：（０．２５〜０．８０）×１００／Ｒ Mn：（０．７〜２．４）×１００／Ｒ Cr：（１．２〜１．７）×１００／Ｒ Mo：（０．１〜０．５）×１００／Ｒ 残部：実質的にＦｅ （但し、Ｒはワイヤ全重量当りの金属粉の重量％で、１
０％≦Ｒ≦３０％） からなる化学成分を有することを特徴とする１２％Cr鋼
製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナル部の肉盛用
サブマージアーク溶接ワイヤを要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用） １２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナル
部の肉盛溶接部に要求される特性としては、強度、靭性
及び軸受特性があるが、強度はＳＲ処理後の溶接金属硬
さによって判断でき、本発明が対象としているタービン
ロータシャフトでは、ビッカース硬さ（Hv）で２００〜
２６０の範囲が適正硬さである。

軸受特性における耐焼付き性には、材料のCr含有量が主
として影響し、Cr含有量が低い方が有利である。従来の
タービンロータシャフトにおいてジャーナル部の焼付き
事故が発生していないのは、実線として低合金鋼のCr−
Mo−Ｖ鋼であり、３％或いは４％Cr材での連続運転実績
はない状況である。したがって、強度が確保されること
を前提とすれば、Cr含有量は従来の低合金鋼製タービン
ロータシャフトのレベル、すなわち、１６％以下に抑え
る必要がある。

更に、肉盛溶接部においては、融合不良、ブローホー
ル、低温割れ、高温割れ、ＳＲ割れといった欠陥が存在
してはならない。特に高温割れについては、溶接ビード
に沿って円周上に連続して発生することから、強度特性
を著しく劣化させるため、特に注意を要する。

以上のような必要特性に対して満足し得る溶接材料を見
出すに至った基礎実験について説明する。

まず、溶接欠陥のうち、特に注意を要する高温割れにつ
いて、本発明者等は、Ｃ、Ｓ、Ｐ含有量を変化させた溶
接材料を試作し、サブマージアーク溶接を行い、溶接金
属の高温割れと成分組成との関係を調べた。

第１表に試作溶接材料により得た溶接金属の化学成分を
示す。溶接試験板はＡ３８７Gr.１１（１．２５Cr−
０．５Mo鋼）の板厚５０mm鋼板にＶ形の溝開先を施した
ものを用いた。溶接条件を第２表に示す。

第１図(a)、(b)はそれぞれ溶接金属のＣ含有量及びＳ含
有量と割れとの関係、並びにＣ含有量及びＰ含有量と割
れとの関係を示したものである。同図に示すように、高
温割れはＣ含有量によりほぼ一義的に影響され、Ｃ含有
量が０．１８％以上では割れが発生することがわかる。
また、Ｃ含有量が０．１７％では、Ｓ又はＰが高い場合
にのみ割れが発生する傾向がみられる。

この結果から、溶接金属のＣ含有量は０．１７％以下と
する必要があり、Ｓ含有量は０．０１５％以下とし、Ｐ
含有量は０．０３％以下に抑えることが望ましいことが
判明した。

次に、溶接金属の性能について、種々の溶接材料を試作
して調査した結果について示す。

調査方法は、Ａ３８７Gr.１１鋼板にそれぞれの溶接材
料で５層肉盛溶接したうえで、表層部から第２図に示す
ＳＲ割れ試験片を採取すると共に、６５０℃×１５hrの
ＳＲ処理を施し、表層部から衝撃試験片及び硬さ測定用
の試験片を採取した。

ＳＲ割れ試験は、試験片のスリット部を圧着し、反対側
に位置する切欠底部を負荷した状態でＴＩＧ溶接で固定
し、この試験片を６５０℃×２hrのＳＲ処理を施した
後、切欠底部におけるＳＲ割れの有無を調べる方法を適
用した。

また、衝撃試験は、２mmＶノッチのシャルピー試験によ
って行い、設計上の仕様及び安全率を加味して、常温で
の吸収エネルルギが４kgf・m以上有するものを合格とし
た。溶接金属硬さはHv＝２００〜２６０の範囲を合格と
した。

第３表に各溶接材料で得られた溶接金属の化学成分と各
性能試験での判定結果を示す。その結果、以下のことが
判明した。

溶接金属のＣ含有量が０．１０％以下では硬さ不足とな
る。Siは０．２％以下ででは硬さが不足し、０．６％を
超えると靭性が劣化する。Mnは１．０％未満では硬さが
不足し、２．５％を超えると硬さが高くなりすぎると共
に靭性が不合格となる。Crは１．０％以下では硬さが不
足した。Moは焼もどし軟化抵抗を高めるのに効果があ
り、この効果は０．１％以上で発揮される。しかしなが
ら、０．５％を超えると、僅かのＶの共存により、ＳＲ
割れ感受性が高くなり、ＳＲ割れが発生した。ＶはＳＲ
割れ感受性を著しく高めるため、０．０４％以下に抑え
るのが好ましい。

以上の基礎実験の結果並びに前述の高温割れ、軸受特性
との関連から、ジャーナル部における肉盛溶接部の最適
な化学成分は、以下のようなものであることが明らかと
なった。

Ｃ：０．１１〜０．１７％、Si：０．２〜０．６％、 Mn：１．０〜２．５％、 Ｐ：０．０３％以下、 Ｓ：０．０１５％以下、 Cr：１．１〜１．６％、 Mo：０．１〜０．５％、 Ｖ：０．０４％以下、 残部：実質的にＦｅ 以上の知見に基づき、本発明者等は、上記要求性能を有
する肉盛溶接金属が得られる溶接材料として、コアドワ
イヤを開発したものである。なお、コアドワイヤは、ワ
イヤの成形性、生産性並びに溶接時の合金成分歩留りを
考慮したものでなければ実用に耐えないものであり、ま
た、材料の成分バラツキが少ないことも重要である。こ
れらの事項をも考慮した本発明ワイヤの構成及び作用に
ついて以下に説明する。

軟鋼製シースの化学成分： Ｃ：０．０２〜０．０４％、Si：０．０１〜０．０３
％、Mn：０．１〜０３％に規定した範囲のそれぞれの下
限値は、シース素材が特に高コストとならない値であ
り、それぞれの下限値は、コアドワイヤを製造する際に
断線や形状不良が発生せず、優れた成形性及び伸線性を
確保するための値である。

Ｐについては、Ｐはシース内に充填される金属粉原料及
び溶接時のフラックスからも溶接金属に浸入するため、
シースは０．０２０％以下のＰ含有量のものを使用しな
いこと、溶接金属のＰ含有量を０．０３％以下に抑える
ことが難しい。したがって、シースのＰ含有量は０．０
２０％以下とする。

Ｓについても、同様の理由から、Ｓ含有量が０．０１０
％以下のシースを使用しないと、溶接金属のＳ含有量を
０．０１５％以下に抑えることが難しいので、シースの
Ｓ含有量は０．０１０％以下とする。

Ｒ（ワイヤ全重量当りの金属粉の重量％）： Ｒが１０％未満の場合、シースで金属粉を包んだ際に内
部の空隙が過大となるため、金属粉が流動し、均一なワ
イヤができなくなる。また、ワイヤ表面にしわや折れ込
みが生じ易くなる。一方、Ｒが３０％を超えると、充填
粉が過剰となるため、シースの重ね部に金属粉が噛み込
み、成形時に断線し易くなる。したがって、適正なＲの
範囲は、１０〜３０％である。

充填金属粉の化学成分： 溶接金属の硬さ及び高温割れ防止の面での溶接金属のＣ
量を適正な範囲（０．１１〜０．１７％）とするには、
シース成分及び溶接時の歩留りを考慮すると、金属粉中
にＣを（０．１２〜０．２２）×１００／Ｒ％含有させ
る必要がある。

溶接金属のSi量を適正な範囲（０．２〜０．６％）とす
るには、シース成分及び溶接時の歩留りを考慮すると、
金属粉中にSiを（０．２５〜０．８０）×１００／Ｒ％
含有させる必要がある。

溶接金属のMn量を適正な範囲（１．０〜２．５％）とす
るには、シース成分及び溶接時の歩留りを考慮すると、
金属粉中にMnを（０．７〜２．４）×１００／Ｒ％含有
させる必要がある。

溶接金属の硬さ及び軸受特性面での溶接金属のCr量を適
正な範囲（１．１〜１．６％）とするには、溶接時の歩
留りを考慮すると、金属粉中にCrを（１．２〜１．７）
×１００／Ｒ％含有させる必要がある。

溶接金属のMo量を適正な範囲（０．１〜０％）とするに
は、金属粉中にMoを（０．１〜０．５）×１００／Ｒ％
含有させる必要がある。

Ｆｅについては、ワイヤの製造に支障を来さないＲの範
囲が１０〜３０％であり、ワイヤ全重量当りの金属粉の
重量（Ｒ）がこの範囲となるように、上記成分の残部は
Feで補填する必要がある。

なお、金属粉としては、金属Si、金属Mn等の形で充填し
てもよいが、フェロシリコン、フェロマンガン等の形で
充填する方がコスト的には有利である。

なお、本発明の溶接ワイヤとフラックスとの組合せでサ
ブマージアーク溶接を行う際の留意点について説明す
る。

まず、前述の高温割れ以外の溶接欠陥、すなわち、低温
割れ、ブローホール、融合不良等の溶接欠陥が発生しに
くい条件で施工する必要がある。

ジャーナル部における肉盛厚さは、熱伝導率等を考慮す
ると、１０mm以上にすることが設計的に好ましく、か
つ、少なくともジャーナル表面から深さ方向４〜５mmま
では所定の低Cr含有量からなる溶接金属で占められてい
る必要がある。

このような要件を満足させるには、多層盛で溶接施工す
ることになり、本発明の溶接ワイヤで初層から肉盛する
ことも支障はないが、より少ない層数で所定の低Cr溶接
金属を形成するには、初層をCr含有量が低い（例えば、
０．２％以下）溶接ワイヤで肉盛し、以降の層を本発明
の溶接ワイヤで肉盛する方法が有効である。

また、溶接ワイヤト組合せるフラックスについては、焼
結型フラックスの方が有利である。これは、焼結型フラ
ックスは溶融型フラックスに比べて溶接金属中の拡散性
水素量が低く、低温割れ防止予熱温度が低いため、より
低い予熱、層間温度での作業が可能となるためである。

以下に本発明の実施例を示す。なお、前述の基礎実験結
果の一部も実施例たり得ることは云うまでもない。

（実施例） 第４表に示す化学成分を有する１２％Cr鋼の軸材（５０
０φ×１０００）を用いて、タービンロータシャフト
のジャーナル部模擬溶接試験を行った。

溶接方法はサブマージアーク溶接とし、第５表に示す化
学成分を有する低Cr含有量の溶接ワイヤ（３．２φ）で
１層下盛溶接した後、第６表に示す化学成分を有する本
発明の溶接ワイヤを用いて第７表の溶接条件で６層肉盛
溶接した。フラックスはそれぞれ焼結型フラックスを用
いた。

以上の施工方法で肉盛溶接した後、肉盛軸材を６５０℃
×１５hrのＳＲ処理を施し、肉盛部の欠陥調査、化学成
分調査、硬さ分布測定をそれぞれ行った。

なお、化学成分調査は、肉盛各層毎に切粉を採取し、分
析することにより行った。肉盛部の欠陥調査は、肉盛最
終層面を平滑に機械加工仕上げしたうえで、超音波探
傷、カラーチェック、磁粉探傷を行った。

肉盛部の欠陥調査の結果、機械加工後の表面について
は、カラーチェック及び磁粉探傷共にインジケーション
が認められなかった。

肉盛部について超音波探傷を行ったところ、何らの欠陥
エコーも検出されず、健全な肉盛部であることが確認さ
れた。

肉盛各層の化学成分については、第８表にその分析結果
を示すように、３層目の溶接金属でほぼ所望の化学成分
となり、４層目以降は安定して適正な化学成分となって
いることがわかる。

硬さについては、第３図に肉盛溶接部における半径方向
の硬さ分布測定結果を示すように、母材熱影響部の硬さ
が最も高く、肉盛厚さが増すにつれて漸減するが、５mm
以上の肉盛厚さではほぼ一定の硬さとなっている。

以上のことから、ジャーナル部の所望肉盛厚さが１０mm
とした場合、表面及び表面から深さ５mm程度までは、適
正な硬さ並びに化学成分が得られることがわかる。所望
肉盛厚さが更に大きくなった場合も、何ら支障はなく、
表面からの適正肉盛域が増すのみである。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、１２％Cr鋼製蒸
気タービンロータシャフトのジャーナル部の肉盛溶接技
術において、高温割れ、ＳＲ割れ、ブローホール等の欠
陥がなく、しかもジャーナル部として充分な強度と化学
成分を有する肉盛溶接部が得られる溶接材料を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図(a)、(b)はそれぞれ溶接金属のＣ含有量及びＳ含
有量と割れとの関係、並びにＣ含有量及びＰ含有量と割
れとの関係を示す図、 第２図はＳＲ割れ試験片を示す図で、(a)は断面図、(b)
は平面図、(c)はノッチの拡大図であり、 第３図は実施例で得られた肉盛溶接部における半径方向
の硬さ分布を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフト
   ・ジャーナル部の肉盛溶接材料において、軟鋼製シース
   内に金属粉が充填されたコアドワイヤであって、重量％
   で（以下、同じ）、 （ａ）軟鋼製シースが Ｃ：０．０２〜０．０４％ Si：０．０１〜０．０３％ Mn：０．１〜０．３％ Ｐ：０．０２０％以下 Ｓ：０．０１０％以下 残部：実質的にＦｅ からなる化学成分を有し、 （ｂ）充填金属粉が Ｃ：（０．１２〜０．２２）×１００／Ｒ Si：（０．２５〜０．８０）×１００／Ｒ Mn：（０．７〜２．４）×１００／Ｒ Cr：（１．２〜１．７）×１００／Ｒ Mo：（０．１〜０．５）×１００／Ｒ 残部：実質的にＦｅ （但し、Ｒはワイヤ全重量当りの金属粉の重量％で、１
   ０％≦Ｒ≦３０％） からなる化学成分を有することを特徴とする１２％Cr鋼
   製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナル部の肉盛用
   サブマージアーク溶接ワイヤ。