JPH071180A - 溶加線材用組成物 - Google Patents

溶加線材用組成物

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JPH071180A
JPH071180A JP6111973A JP11197394A JPH071180A JP H071180 A JPH071180 A JP H071180A JP 6111973 A JP6111973 A JP 6111973A JP 11197394 A JP11197394 A JP 11197394A JP H071180 A JPH071180 A JP H071180A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高性能Ｎｉ−Ｃｒ鋼合金から成る母材に匹敵
する高い降伏強さ特性を可能にする溶加線材用組成物を
提供する。 【構成】 溶加線材用組成物は、約０．１０〜約０．１
２重量％以上の炭素、約１．６５〜約１．８５重量％の
マンガン、約１．９０〜約２．１０重量％のニッケル、
約０．５０〜約０．６０重量％のクロム、約０．４８〜
約０．６３重量％のモリブデン、及び約０．００８〜約
０．０２０重量％のバナジウムを含む。本発明の溶加線
材用組成物はローターやディスクのようなタービン部の
材料として商業的に使用されている母材合金の修理溶接
に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、溶加線材又は溶接ワイ
ヤー用の組成物に関し、特に、溶接された状態で降伏強
さの高い溶接部を形成する溶加線材用組成物に係わる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】タービ
ン構成部品などのような種々の用途に新しい高性能合金
材料が使用されている。合金材料はモリブデン及びバナ
ジウムを含有する合金をも含めてＮｉ−Ｃｒ合金である
ことが多い。このような合金はガスタービンの場合でも
蒸気タービンの場合でもタービンのローターやディスク
として使用されている。タービン構成部品は使用中の苛
酷な条件に耐える高い降伏強さを備えるのが特徴であ
る。例えば、蒸気タービンやガスタービンの部品に従来
使用されている母材合金の０．２％降伏強さは約１３５
〜約１５５ｋｓｉである。
【０００３】降伏強さの不足は時としてタービン構成部
品の製造に、または稼働条件下におけるタービン構成部
品の使用に影響する。母材金属に匹敵する降伏強さを有
する溶着物を形成できる満足すべき溶加線材が実現され
ていないから部品の交換が必要となる。
【０００４】溶加線材用組成物の規格は種々の試験協会
によって設定されている。アメリカ溶接協会（American
Welding Society）はＡＷＳ Ａ５．２８の第ＥＲ８
０，９０，１００，１１０及び１２０類に０．２％降伏
強さが約１２０ｋｓｉ〜それ以下の種々の組成物を規定
している。例えばユナイテッド・ステーツ・ヴェルディ
ング・コーポレーション（United States Welding Corp
oration ）から市販されているような溶加線材用組成物
は０．０９〜０．１１重量％のＣ、１．８〜２．０重量
％のＭｎ、０．３〜０．４重量％のＳｉ、０．００２〜
０．００５重量％のＳ、０．９〜１．０５重量％のＣ
ｒ、２．２〜２．４重量％のＮｉ、０．５５〜０．７重
量％のＭｏ、０．００５重量％以下のＰ、０．０１重量
％以下のバナジウム、及び残りを占めるその他の元素を
含有する。しかし、この組成で得られる最大の０．２％
降伏強さは最高１３５ｋｓｉまでである。
【０００５】高性能の母材合金に匹敵する強度特性を有
する溶加線材用組成物の開発が望まれる。即ち、溶加線
材用組成物は母材合金に匹敵する０．２％降伏強さを有
し、しかもその他の物理的特性は所要レベルを保つよう
な溶接物を形成できるものでなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はニッケル−クロ
ム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金材の表面に高強度の修理溶着物を
形成できる溶加線材用組成物を提供する。本発明の溶加
線材はタービンのローターやディスクの溶接に好適であ
る。溶接後熱処理を施された溶加線材は好ましくはＮｉ
−Ｃｒ−Ｍｏ合金から成る高性能ガスタービンや蒸気タ
ービンのローター及びディスクに必要な最低限１４０ｋ
ｓｉの０．２％降伏強さという条件を満たす溶着物を形
成する。本発明はまた、合金面に溶加線材を溶接する方
法及び溶接された合金材料をも提供する。
【０００７】本発明の溶加線材用組成物は約０．１０〜
０．１２重量％の炭素、約１．６５〜１．８５重量％の
マンガン、約１．９０〜２．１０重量％のニッケル、約
０．５０〜０．６０重量％のクロム、約０．４８〜０．
６３重量％のモリブデン、及び約０．００８〜０．０２
０重量％のバナジウムを含有する。溶加線材の残り成分
は鉄合金、特に溶加線材組成の残り成分が鉄となるよう
な高純度鉄合金であることが好ましい。一般に、溶加線
材の少なくとも約９０重量％、好ましくは少なくとも約
９４重量％は鉄である。
【０００８】溶加線材は被修理合金面に公知の手段によ
って溶着される。好ましい溶接法はガスタングステンア
ーク溶接法である。この溶接法では、溶接部分に溶接後
熱処理を施す。この熱処理は溶着物を約５〜２０時間に
亘って約５１０℃（９５０°Ｆ）〜６２０℃（１１５０
°Ｆ）の温度に加熱することによって行なわれるのが普
通である。
【０００９】
【実施例】本発明は例えばＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ
−Ｍｏ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金などから成る高
性能母材合金の溶接に有用な溶加線材用組成物を提案す
る。上記母材合金はローター及びディスクまたはホイー
ルを含むガスタービン構成部品などに加工される。本発
明の溶加線材用組成物は溶接後熱処理を施されると従来
のものよりも優れた０．２％降伏強さ（ＡＳＴＭ−Ａ３
７０）を有する溶着物を形成する。
【００１０】溶着させ、この溶着物に上記熱処理を施す
と、本発明の溶加線材用組成物は少なくとも１４０ｋｓ
ｉ、好ましくは少なくとも約１４５ｋｓｉ、さらに好ま
しくは少なくとも約１５０ｋｓｉの０．２％降伏強さを
発揮する。最大０．２％降伏強さは約１５５ｋｓｉであ
る。従って、この高い降伏強さは母材合金から成る部品
本体の降伏強さに匹敵する。溶着させ、熱処理を施す
と、溶加線材用組成物の衝撃強さは約２２℃（７０°
Ｆ）において少なくとも２５フィート／ポンド、ＦＡＴ
Ｔ50値は１０℃（５０°Ｆ）以下となる。
【００１１】溶加線材を開発するには最終製品が所要の
降伏強さと衝撃強さを兼備するように配慮しなければな
らない。実際にはこの２つの性質は相反する関係にある
から、性質に関するこの２つの条件を双方共満たすよう
な適正な化学的配合を有する溶加線材用組成物を選択し
なくてはならない。溶加線材用組成物はまた被加工部品
と同程度の熱膨張係数を有する低合金鉄系組成物でなけ
ればならない。
【００１２】ガスタービンディスクの化学組成物の一例
として、最高約０．５重量％まで、好ましくは約０．１
〜約０．４重量％の炭素、最高約０．２〜２重量％ま
で、好ましくは約０．２〜１重量％のマンガン、最高約
０．０１２重量％までのリン、最高約０．０１２重量％
までの硫黄、最高約０．５重量％まで、好ましくは約
０．０５〜０．１重量％のケイ素、約１〜５重量％、好
ましくは約１．５〜４重量％のニッケル、約０．２５〜
３％、好ましくは約０．５〜２重量％のクロム、約０．
１〜１重量％、好ましくは約０．２〜０．８重量％のモ
リブデン、及び最高約２重量％まで、好ましくは約０．
０５〜０．２重量％のバナジウムを含有する組成物があ
る。タービンディスク本体を構成する残りの成分は鉄で
あり、鉄の量は本体の少なくとも約８０重量％、好まし
くは少なくとも約９０重量％である。タービンディスク
本体は少なくとも約１４５ｋｓｉ、好ましくは１５０ｋ
ｓｉの０．２％降伏強さ（ＡＳＴＭ−Ａ３７０）及び約
１３５〜１５０ｋｓｉの引張り強さ（ＡＳＴＭ−Ａ３７
０）を有するのが普通である。商業的に適格な材料はＡ
ＳＴＭ−Ａ４７０、第５、６及び７類として規定されて
いる。
【００１３】超高性能を要求される用途において高強
度、高靭性の溶接金属を溶着させるため現在使用されて
いる溶加金属組成物をＡＷＳのＥＲ１００Ｓ−２、１１
０Ｓ及び１２０Ｓ類として示すのが下記の表１であり、
単一の数値は許容最大値を表わす。これらの組成物では
個々の合金元素の含有範囲が広く、最終溶着物の強度を
決定する合金元素の相互依存関係は明らかにされていな
い。
【００１４】
【表１】 本発明は０．２％降伏強さの高い溶着物を形成するよう
に個々の合金元素を最適化した溶加線材用組成物を提供
する。高い降伏強さを達成すると同時に最終溶着物の衝
撃強さ及びＦＡＴＴ50特性を許容できるレベルに維持す
ることができた。個々の合金元素の最適含有量は他の合
金元素に依存するという予想外の所見を得た。従って、
１つの合金元素の含有量を変更するにも他の合金元素の
最適化が前提条件となる。即ち、本発明の溶加線材を調
整するには、各合金元素が可変である多重依存可変系
（multi-dependent variable system)を広い範囲に亘っ
て最適化する努力が必要であった。
【００１５】本発明の溶加線材は少なくとも約８５重量
％、好ましくは少なくとも約９０重量％、より好ましく
は少なくとも約９４重量％の鉄を含有する鉄系合金組成
物である。この溶加線材用組成物は引っ張り強さを犠牲
にすることなく最終溶着物の降伏強さを高めるための種
々の合金元素を含有している。溶加線材用組成物中に存
在する合金元素は炭素、マンガン、ニッケル、クロム、
モリブデン、バナジウムなどである。
【００１６】炭素の含有量は約０．１〜約０．１２重量
％以上、好ましくは約０．１０５〜０．１１５重量％、
より好ましくは約０．１１重量％である。炭素は溶着物
の強度を高めるが、含有量が上記範囲以上になると溶着
物にひび割れを生じ、その靭性を低下させるおそれがあ
る。
【００１７】マンガンの含有量は約１．６５〜１．８５
重量％、好ましくは約１．７〜１．８重量％、より好ま
しくは約１．７５重量％である。マンガンも強度及び靭
性を高めるが、含有量が上記範囲以上になるとひび割れ
や脆化を促進する。
【００１８】ニッケルの含有量は約１．９〜２．１重量
％、好ましくは約１．９５〜２．０５重量％、より好ま
しくは約２．０重量％である。ニッケルは炭素やマンガ
ンほど最終組成物の強度を高めはしないが、溶着物のＦ
ＡＴＴ50値を低下させるのに有用であり、靱性とひび割
れの発生及び拡大に対する耐性を高めるのに有用であ
る。
【００１９】クロムの含有量は約０．５〜０．６重量
％、好ましくは約０．５４〜０．５６重量％、より好ま
しくは約０．５５重量％である。クロムは溶着物の強度
を高めるが、含有量が上記範囲以上になると脆化の原因
となり、上記範囲以下なら降伏強さが低下する。
【００２０】モリブデンの含有量は約０．４８〜０．６
３重量％、好ましくは約０．５３〜０．５８重量％、よ
り好ましくは約０．５５重量％である。モリブデンは溶
着物の強度に著しく影響するが、その含有量が約０．６
３重量％を超えると靱性が著しく低下する。
【００２１】バナジウムの含有量は約０．００８〜０．
０２重量％、好ましくは約０．０１〜０．０１６重量
％、より好ましくは約０．０１４重量％である。バナジ
ウムは溶着物の強度に著しく影響するが、これも含有量
が上記範囲を超えると溶着物の靱性を低下させる。ＡＷ
ＳのＥＲ１００，１１０及び１２０シリーズ組成物では
バナジウムが０．０５重量％以下でなければならないと
規定されているが、好ましい範囲は規定されておらず、
むしろ規定することを避けている。しかし、溶着物の降
伏強さを高めるには上記範囲内のバナジウム含有量が好
ましいとの所見を得た。
【００２２】本発明の溶加線材用組成物は低レベルのそ
の他の合金元素を含有することもできる。例えば、最高
約０．００８重量％のリン、最高約０．００５重量％、
好ましくは約０．００２〜０．００５重量％の硫黄、及
び最高約０．４重量％、好ましくは約０．３〜０．４重
量％のケイ素を合金元素として含有することができる。
【００２３】本発明の溶加線材は溶接後熱処理中に焼戻
し脆化させ、溶着物の靱性を許容できないレベルまで低
下させることによって溶着物の性能に悪影響を及ぼしか
ねない低レベルの不純物元素を含有することが好まし
い。具体的には約０．００１５重量％のアンチモン、約
０．００５重量％以下のスズ、及び約０．００５重量％
以下のヒ素を含有することが好ましい。
【００２４】図１にはガスタービンを示した。ガスター
ビンの主要構成部品はガスタービンに空気を流入させる
吸気部３２、流入する空気を圧縮するコンプレッサー部
３３、コンプレッサー部で圧縮された空気を、燃焼器３
８において燃料を燃やすことによって加熱する燃焼部３
４、燃焼部からの高温圧縮ガスを膨張させることによっ
て軸出力を発生させるタービン部３５、及びガスタービ
ンを貫通しているローター３６を囲む排気部３７であ
る。ローター３６には複数のディスク５８を取り付けて
ある。ここではディスク５８をタービン部３５において
のみ示しているが、実際にはコンプレッサー部３３にも
存在する。ローター３６及びディスク５８にはＮｉ−Ｃ
ｒ母材合金を使用することによって公知の態様で製造さ
れ、タービンのローターまたはディスクのような高性能
母材合金２０の断面図である図２に示すように、壁１８
によって画定されるひび割れを発生することが多い。
【００２５】本発明の溶加線材用組成物は公知のガスタ
ービンタングステンアーク溶接法またはプラズマアーク
溶接法を利用して母材合金面に溶着させることができ
る。母材合金２０をまず約１３５℃（２７５°Ｆ）〜１
９０℃（３７５°Ｆ）の温度に加熱する。必要に応じて
好ましい溶接面を得るためにひび割れ壁１８を機械加工
する。次いで、図３に示すように、タングステンアーク
溶接法を利用してひび割れ部分に溶加線材２４を溶着さ
せる。次いで、必要に応じて溶接部分を室温にまで冷却
し、磁気探傷試験や超音波試験のような非破壊試験を行
うこともできる。この時点で、母材合金の面と一致させ
るため溶接面２６を機械加工してもよい。次いで母材に
溶接後熱処理を施すことによって溶接材、熱に影響され
た領域及び近接する母材金属における応力を除去する。
母材を少なくとも約５１０℃（９５０°Ｆ）、好ましく
は約５３５℃（１０００°Ｆ）〜６２０℃（１１５０°
Ｆ）、より好ましくは約５３５℃（１０００°Ｆ）〜５
６５℃（１０５０°Ｆ）温度に加熱する。溶接部分に所
要の降伏強さを達成するのに充分な時間、好ましくは少
なくとも約１０時間、より好ましくは約５〜２０時間に
亘って母材を上記温度に維持する。
【００２６】好ましいビード・サイズを形成するための
溶接に使用する溶加線材の直径に溶接方法を適応させる
ことによって最適の強度特性を達成することができる。
例えば、表２に特定の溶加線材直径に好適な溶接方法を
示した。表中に示す速度で被加工物を移動させて固定溶
接アークを通過させるのが好ましい。たった１個のひび
割れを溶接するのに数回の溶接パスが必要である。
【００２７】
【表２】 実験例 １ ０．１０〜０．１２重量％の炭素、１．６５〜１．８５
重量％のマンガン、１．９０〜２．１０重量％のニッケ
ル、０．５０〜０．６０重量％のクロム、０．４８〜
０．６３重量％のモリブデン、０．００８〜０．０２０
重量％のバナジウム及び残りの鉄を含有する溶加組成物
を調整する。長さ約２０ｃｍ、幅５ｃｍ、深さ５ｃｍの
溶加組成物を溶着物を形成する。この溶着物から直径
０．９ｃｍ、深さ３．６ｃｍのテスト用サンプルを切り
取る。ＡＳＴＭ−Ａ３７０に従ってテスト用サンプルの
０．２％降伏強さを測定する。
【００２８】ガスタービンのローター及びディスクのよ
うな合金母材を例として本発明を説明したが、本発明の
原理はその他の合金母材、例えば蒸気タービンや発電機
のローター及びディスクなどにも応用できる。
【００２９】
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの部分切欠き斜視図である。
【図２】ひび割れまたは表面欠陥を有する母材合金の断
面図である。
【図３】溶着物を含む母材合金の断面図である。
【符号の説明】
１８ 壁 ２０ 母材合金 ２４ 溶加線材 ２６ 溶接面 ３２ 吸気部 ３３ コンプレッサー部 ３４ 燃焼部 ３５ タービン部 ３６ ローター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 9/23 Ｃ 8315−4Ｅ (72)発明者 デニス レイ アモス アメリカ合衆国 サウスカロライナ州 ロ ックヒル ファーンデイルドライブ 604 (72)発明者 ティモシー リー ドライバー アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 ワ ックスホウ キャリッジレーン 6511

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）約０．１０〜約０．１２重量％以
    上の炭素、（ｂ）約１．６５〜約１．８５重量％のマン
    ガン、（ｃ）約１．９０〜約２．１０重量％のニッケ
    ル、（ｄ）約０．５０〜約０．６０重量％のクロム、
    （ｅ）約０．４８〜約０．６３重量％のモリブデン、及
    び（ｆ）約０．００８〜約０．０２０重量％のバナジウ
    ムを含むことを特徴とする溶加線材用組成物。
  2. 【請求項２】 炭素の含有率は約０．１０５〜０．１１
    ５重量％であることを特徴とする請求項１の溶加線材用
    組成物。
  3. 【請求項３】 マンガンの含有率は約１．７〜１．８重
    量％であることを特徴とする請求項１の溶加線材用組成
    物。
  4. 【請求項４】 ニッケルの含有率は約１．９５〜２．０
    ５重量％であることを特徴とする請求項１の溶加線材用
    組成物。
  5. 【請求項５】 クロムの含有率は約０．５４〜０．５６
    重量％であることを特徴とする請求項１の溶加線材用組
    成物。
  6. 【請求項６】 モリブデンの含有率は約０．５３〜０．
    ５８重量％であることを特徴とする請求項１の溶加線材
    用組成物。
  7. 【請求項７】 バナジウムの含有率は約０．０１０〜
    ０．０１６重量％であることを特徴とする請求項１の溶
    加線材用組成物。
  8. 【請求項８】 最高約０．００８重量％までのリン、最
    高約０．００５重量％までの硫黄、及び最高約０．４重
    量％までのケイ素を更に含むことを特徴とする請求項１
    の溶加線材用組成物。
  9. 【請求項９】 約０．１１重量％の炭素、約１．７５重
    量％のマンガン、約２．００重量％のニッケル、約０．
    ５５重量％のクロム、約０．５５重量％のモリブデン、
    及び約０．０１４重量％のバナジウムの割合で合金元素
    を含有することを特徴とする請求項１の溶加線材用組成
    物。
  10. 【請求項１０】 約０．１０〜約０．１２重量％以上の
    炭素、約１．６５〜１．８５重量％のマンガン、約１．
    ９０〜２．１０重量％のニッケル、約０．５０〜０．６
    ０重量％のクロム、約０．４８〜０．６３重量％のモリ
    ブデン、及び約０．００８〜０．０２０重量％のバナジ
    ウムから成る溶加線材用組成物でタービン部品を溶接
    し、（ｂ）溶接部を熱処理するステップから成ることを
    特徴とするタービン構成部品の溶接方法。
  11. 【請求項１１】 溶加線材から成る溶接部は熱処理後少
    なくとも１４０ｋｓｉの０．２％降伏強さを有すること
    を特徴とする請求項１０の方法。
  12. 【請求項１２】 熱処理ステップ後の溶接部における不
    純物レベルはアンチモンが最高約０．００１５重量％ま
    で、スズが最高０．００５重量％まで、ヒ素が最高約
    ０．００５重量％までであることを特徴とする請求項１
    ０の方法。
  13. 【請求項１３】 最高約０．００８重量％までのリン、
    最高約０．００５重量％までの硫黄、及び最高約０．４
    重量％までのケイ素を更に含む溶加線材用組成物を使用
    することを特徴とする請求項１０の方法。
  14. 【請求項１４】 （ａ）タービン構成部品母材と、
    （ｂ）約０．１０〜約０．１２重量％の炭素、約１．６
    ５〜１．８５重量％のマンガン、約１．９０〜２．１０
    重量％のニッケル、約０．５０〜０．６０重量％のクロ
    ム、約０．４８〜０．６３重量％のモリブデン、及び約
    ０．００８〜０．０２０重量％のバナジウムから成る溶
    加線材を溶加されたタービン構成部品母材上の溶接部か
    ら成ることを特徴とする修理溶接されたタービン構成部
    品を含むタービン。
  15. 【請求項１５】 タービン構成部品はディスクまたはロ
    ーターであることを特徴とする請求項１４のタービン。
  16. 【請求項１６】 溶接部は少なくとも約１３５ｋｓｉの
    ０．２％降伏強さを有することを特徴とする請求項１４
    のタービン。
  17. 【請求項１７】 溶接部は少なくとも約１４０ｋｓｉの
    ０．２％降伏強さを有することを特徴とする請求項１４
    のタービン。
  18. 【請求項１８】 ディスク母材は最高約０．５重量％ま
    での炭素、約０．２〜１重量％のマンガン、最高約０．
    ０１２重量％までのリン、最高約０．０１２重量％まで
    の硫黄、最高約０．５重量％までのケイ素、約１〜５重
    量％のニッケル、約０．２５〜３重量％のクロム、及び
    約０．１〜１重量％のモリブデンを含む鉄系合金である
    ことを特徴とする請求項１７のタービン。
  19. 【請求項１９】 熱処理ステップ後の溶接部における不
    純物レベルはアンチモンが最高約０．００１５重量％ま
    で、スズが最高０．００５重量％まで、ヒ素が最高約
    ０．００５重量％までであることを特徴とする請求項１
    ７のタービン。
  20. 【請求項２０】 溶加線材用組成物は最高約０．００８
    重量％までのリン、最高約０．００５重量％までの硫
    黄、及び最高約０．４重量％までのケイ素を更に含むこ
    とを特徴とする請求項１７のタービン。
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