JPH081360A - 異種材の高エネルギー線を用いた溶接方法及び溶接構造物 - Google Patents

異種材の高エネルギー線を用いた溶接方法及び溶接構造物

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JPH081360A
JPH081360A JP6132770A JP13277094A JPH081360A JP H081360 A JPH081360 A JP H081360A JP 6132770 A JP6132770 A JP 6132770A JP 13277094 A JP13277094 A JP 13277094A JP H081360 A JPH081360 A JP H081360A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】レーザ溶接法により炭素鋼とステンレス鋼の異
材溶接に関し、溶接部の機械的性質が良好で高品質、か
つ溶接変形が小さく高精度な溶接構造容器とその製造方
法と異材レーザ溶接に適した溶接材料を提供する。 【構成】レーザ溶接法で炭素鋼とステンレス鋼の母材か
らの成分希釈を考慮して、その異材溶接金属が数パーセ
ントのフェライトを含むオーステナイト組織になるよう
に適正成分を有する溶接材料を添加して溶接し、溶接欠
陥や変形の小さい異材溶接構造容器を得る。 【効果】本発明によれば溶接後に割れが発生せず、しか
も高い靱性を有する溶接部をもつ炭素鋼とステンレス鋼
の高エネルギー線を用いた接合方法及びその接合方法に
より組み立てられた構造体が提供できる。これにより構
造体が長期間にわたり高い信頼性がたもたれる。特に電
力送配電設備用ガス遮断器のシースに適用すると、高品
質の送配電設備の建造が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高密度エネルギー線を用
いた炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の溶接法及
びその溶接法により作製された構造体に係り、特に信頼
性を要求される電力送配電設備用ガス遮断器の外装容器
の接合部の溶接方法及びその方法により組み立てられた
電力送配電設備用ガス遮断器に関する。
【０００２】
【従来の技術】構造容器を溶接で作ると溶接熱により変
形、及び残留応力が生じるので精度の高い構造容器を作
るのが困難である。特に溶接入熱が大きい場合、その影
響は大きくなる。一度変形した場合、変形を整形するた
めの機械加工が必要となるので、その変形低減が望まれ
ている。炭酸ガスアーク溶接やミグ（ＭＩＧ）溶接法な
どのアーク溶接はレーザ溶接，電子ビーム溶接等の高密
度エネルギー溶接方法に比べて溶接入熱量が大きいので
溶接量が増加すると溶接変形並びに残留応力が著しく大
きくなる傾向がある。また、溶接速度が小さいので生産
性が低く、溶接時にはヒュームやスパッターを多量に発
生させて、その除去に余分な作業を必要とし、同時に作
業環境の悪化を招いている。
【０００３】そこで、レーザ溶接，電子ビーム溶接等の
高密度エネルギー溶接方法の適用が盛んに検討されてい
る。
【０００４】一方、レーザ溶接，電子ビーム溶接等の高
密度エネルギー溶接方法は、上記したように入熱量が炭
酸ガスアーク溶接やミグ（ＭＩＧ）溶接法に比べ小さく
することができるので、異種材の溶接への適用も検討さ
れている。溶接により炭素鋼とオーステナイト系ステン
レス鋼のような異種材を接合する場合は、接合部に生成
する溶接金属は異種材の中間の成分をもったものとな
る。その場合両材料成分が混合して脆いマルテンサイト
組織や金属間化合物が生成することがある。特に、炭素
鋼側の溶接境界は炭素とＣｒ元素からなる金属間化合物
を含む金属組織と極めて高度の高い脆いボンドマルテン
サイト組織となる。このように、異種材溶接部マルテン
サイト組織などが生じ易いので、硬化して機械的性質が
低下すると共に、高温割れや低温割れなどの各種溶接欠
陥が生じ易い。特に、炭酸ガスアーク溶接やミグ（ＭＩ
Ｇ）溶接法のような入熱量の大きい溶接法では、脆いマ
ルテンサイト組織や金属間化合物が特に生成し易い。健
全性，信頼性の高い溶接部を得るには適正な溶接材料を
炭素鋼側に肉盛り溶接を行うなど、接合部の溶接金属の
組成，組織を制御することが必要不可欠である。入熱量
の小さいレーザ溶接，電子ビーム溶接等の高密度エネル
ギー溶接方法を用いると溶接幅が狭く、深溶込みの溶接
となり、溶融量が少なくなるので上記した脆いマルテン
サイト組織や金属間化合物の生成の絶対量が抑制される
ことが期待される。従って、適正な溶接材料の溶加を不
要にできるか、または少ない溶接材料の溶加で十分な健
全性，信頼性の溶接部を得られるものと期待されたから
である。しかし、溶接部に高い信頼性を要求される構造
物に対しては、何らかの溶接材料を溶加することが提案
されている。
【０００５】高い信頼性を要求される発電用水車のベー
ン部材とスピンドル部材では、水に接するベーン部材は
１３Ｃｒステンレス鋼を用い、潤滑剤等で耐食性を付与
できるスピンドル部材に炭素鋼を用いる。このベーン部
材とスピンドル部材の溶接に電子ビーム溶接を用いると
ともにニッケル材の中間媒体金属を介在させることによ
り接合部分の組成を調整する方法が特開昭58−132378号
公報に開示されている。この方法によれば、添加金属な
しでの溶接に比べ高い衝撃靭性をもつ溶接部が得られ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ニッケル材を
添加してオーステナイト系ステンレス鋼と炭素鋼を高密
度エネルギー線で溶接した場合、炭素鋼中のＰ，Ｓ等の
不純物が溶接金属中に拡散し、ステンレス鋼中のＣｒな
どと反応してオーステナイト結晶粒界に金属間化合物層
として析出する。この化合物層が接合部内に存在する
と、溶接後の冷却時の熱応力によって微小な割れが生じ
る可能性があった。
【０００７】本発明の目的は、溶接後に割れが発生せ
ず、しかも高い靱性を有する溶接部をもつ炭素鋼とオー
ステナイト系ステンレス鋼の高密度エネルギー線を用い
た接合方法及びその接合方法により組み立てられた構造
体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、炭素鋼とオーステナイト系ステン
レス鋼を高密度エネルギー線を用いて溶接する方法にお
いて、溶接接合する金属の各組成に関する情報，溶接中
に添加する溶接材料の組成に関する情報，溶接時の入熱
条件に関する情報，開先形状に関する情報，溶接材料の
供給速度に関する情報のうちの少なくとも１つの情報に
基づき、予め求められた前記情報と接合部の強度，靭
性，微小割れ性との関係から、前記炭素鋼とオーステナ
イト系ステンレス鋼を高密度エネルギー線を用いて溶接
する溶接条件を決定する炭素鋼とオーステナイト系ステ
ンレス鋼を高密度エネルギー線を用いて溶接する方法が
提供される。
【０００９】また、上記方法において、前記溶接の熱源
として高密度エネルギー線を用い、かつ前記溶接部の金
属組織はオーステナイト組織と２０％以下のフェライト
組織の混合組織である炭素鋼とオーステナイト系ステン
レス鋼を溶接する方法が提供される。
【００１０】また、上記方法において、前記溶接の熱源
として高密度エネルギー線を用い、かつオーステナイト
系ステンレス鋼溶接材料を溶接材料として溶加し、更に
前記溶接部の溶接金属中への母材の溶込み率が８０％以
下である炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接
する方法が提供される。
【００１１】また、上記方法において、前記溶接の熱源
として高密度エネルギー線を用い、かつオーステナイト
系ステンレス鋼溶接材料を溶加して製造する炭素鋼とオ
ーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法が提供され
る。
【００１２】また、上記方法において、溶接時にオース
テナイト系ステンレス鋼溶接材料を溶加する炭素鋼とオ
ーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法が提供され
る。また、上記方法において、溶接ビード表面側と溶接
裏波側の溶接金属幅が実質的に等しくなるように制御す
ることが好ましい。
【００１３】また、上記の溶接材料は、重量比でＣ≦
０.１５％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，
Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部
とし、不可避な不純物としてＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０
２％の成分を有することが好ましい。
【００１４】また、上記の溶接材料は、重量比でＣ≦
０.１５％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，
Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｍｏ：１.
０〜5.0％，Ｆｅ：残部とし、不可避な不純物としてＰ
≦０.０２％，Ｓ≦０.０２％の成分を有することが好ま
しい。
【００１５】また、上記方法において、前記溶込み率が
８０％を超えないようにステンレス鋼母材側に開先をと
り溶接ワイヤを溶加して初層もしくは多層溶接すること
が好ましい。
【００１６】また、上記記載の多層溶接は、２層目以降
の最終溶接パスは貫通溶接することが好ましい。
【００１７】また、上記方法において、炭素鋼とステン
レス鋼の溶接部に重量比でＣ≦0.15％，Ｓｉ≦０.６５
％ ，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃ
ｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部とし、不可避な不純物と
してＰ≦０.０２％ ，Ｓ≦０.０２％の成分を有する融
合インサートを装着して溶接することが好ましい。ま
た、炭素鋼とステンレス鋼の溶接部に重量比でＣ≦０.
１５％，Ｓｉ≦0.65％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎｉ：
１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部とし、
不可避な不純物としてＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０２％の
成分を有する溶接ワイヤを併用して溶接することが好ま
しい。
【００１８】また、本発明によれば炭素鋼とオーステナ
イト系ステンレス鋼の溶接部を高密度エネルギー線を熱
源とした溶接加工により製造し、かつ前記溶接部の金属
組織はオーステナイト組織と２０％以下のフェライト組
織の混合組織である炭素鋼とオーステナイト系ステンレ
ス鋼からなる構造体が提供される。
【００１９】また、本発明によれば炭素鋼とオーステナ
イト系ステンレス鋼からなる構造体において、炭素鋼と
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を高密度エネル
ギー線を熱源とした溶接加工により製造し、かつ前記溶
接部の溶接金属中への母材の溶込み率が８０％以下であ
る炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼からなる構造
体が提供される。
【００２０】また、本発明によれば炭素鋼とオーステナ
イト系ステンレス鋼からなる構造体において、炭素鋼と
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を高密度エネル
ギー線を熱源とした溶接加工により製造し、かつ前記溶
接部の金属組織はオーステナイト組織と２０％以下のフ
ェライト組織の混合組織であり、更に前記溶接部の溶接
金属中への母材の溶込み率が８０％以下である炭素鋼と
オーステナイト系ステンレス鋼からなる構造体が提供さ
れる。
【００２１】また、本発明によれば、炭素鋼フランジと
オーステナイト系ステンレス鋼パイプを備える電力送配
電設備用ガス遮断器またはガス絶縁開閉装置用シースに
おいて、前記フランジと前記パイプの接合部を高密度エ
ネルギー線を熱源とした溶接加工により製造し、かつ前
記溶接部の金属組織はオーステナイト組織と２０％以下
のフェライト組織の混合組織であり、更に前記溶接部の
溶接金属中への母材の溶込み率が８０％以下である電力
送配電設備用ガス遮断器またはガス絶縁開閉装置用シー
スが提供される。
【００２２】また、本発明によれば炭素鋼フランジとオ
ーステナイト系ステンレス鋼パイプを備える電力送配電
設備用ガス遮断器及びガス絶縁開閉装置用シースにおい
て、前記フランジと前記パイプの接合部の溶接ビード表
面側と溶接裏波側の溶接金属幅が実質的に等しく、かつ
裏波の余盛りをパイプ内径面と同一平面とする電力送配
電設備用ガス遮断器またはガス絶縁開閉装置用シースが
提供される。
【００２３】また、上記記載の電力送配電設備用ガス遮
断器またはガス絶縁開閉装置用シースにおいて、前記フ
ランジ部を前記パイプより剛性の高い厚板で密閉させて
容器に内圧を作用させ、高密度エネルギー線溶接で変形
した部分を矯正し、かつ溶接残留応力を除去した電力送
配電設備用ガス遮断器またはガス絶縁開閉装置用シース
が提供される。
【００２４】また、本発明によれば、重量比でＣ≦０.
１５％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎ
ｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部と
し、不可避な不純物としてＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０２
％の成分を有する炭素鋼とオーステナイト系ステンレス
鋼を高エネルギー線溶接を用い溶接するための溶接材料
が提供される。
【００２５】また、本発明によれば、重量比でＣ≦０.
１５％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎ
ｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｍｏ：１.０
〜5.0％，Ｆｅ：残部とし、不可避な不純物としてＰ≦
０.０２％，Ｓ≦０.０２％の成分を有する炭素鋼とオー
ステナイト系ステンレス鋼を高エネルギー線溶接を用い
溶接するための溶接材料が提供される。
【００２６】
【作用】図１は本発明の炭素鋼１とステンレス鋼２の異
種材溶接構造容器を対象とするレーザ溶接部の断面図の
一例である。母材の板厚は９mmである。ステンレス鋼２
に深さ４.５mm ，最大４５度のレ開先を採り、線材形状
の溶接材料を溶加してレーザ溶接する。溶接金属３の組
成は炭素鋼１とステンレス鋼２と溶接材料が混合したも
ので、溶接材料の供給断面積は余盛り４と裏波５と開先
部分６の和である。
【００２７】この溶接金属３の成分により、接合部の強
度，靭性，微小割れ性が変化することは従来より知られ
ている。
【００２８】発明者らは、レーザ，電子ビームなどの高
密度エネルギー線溶接法を用いた場合の最適な溶接金属
の組織，組成について検討し、本発明に至った。レー
ザ，電子ビームなどの高密度エネルギー線溶接法を用い
た場合には、溶接金属の冷却速度は大きく、従って溶接
金属の結晶粒は小さい。入熱量が大きく、溶接金属の冷
却速度が小さいアーク溶接などの低密度エネルギー溶接
法を用いた場合に比べ溶接金属の結晶粒は小さくなる。
発明者らは、結晶粒が大きい場合にはそれほど問題にな
らなかった、被溶接母材（特に炭素鋼中の）のＰ，Ｓ不
純物が、接合部の溶接金属中のオーステナイト結晶粒の
周りに析出し、溶接が終了した後の冷却過程において溶
接割れを生じさせることを新たに見い出したのである。
一般にアーク溶接で使用される炭素鋼１とオーステナイ
ト系ステンレス鋼２の異種材用溶接材料はＪＩＳ規格Ｄ
３０９系，Ｄ３１０系などのステンレス鋼や高ニッケル
合金である。発明者らはレーザ用としてこれらの材料が
使用可能か確認試験をおこなった。その結果、Ｄ３０９
系，Ｄ３１０系を使うと広い溶接条件範囲でマルテンサ
イト組織が生じて溶接低温割れが発生することを確認し
た。また、高ニッケル合金を使うと広い溶接条件範囲で
溶接高温割れが発生する。レーザ，電子ビームなどの高
密度エネルギー線溶接法を用いた場合には、アーク溶接
に用いられる溶接材料の選択基準とは異なる基準により
溶接材料を選択する必要があることを確認した。
【００２９】溶接金属の組織，組成は溶接接合する金
属の各組成溶接中に添加する溶接材料の組成溶接時
の入熱条件開先形状溶接材料の供給速度の各条件に
より変化するため、上記条件〜を要素とする関数の
計算結果が接合部の強度，靭性，微小割れ性を最も好ま
しくするように、〜の要素を決定することが必要と
なる。レーザ，電子ビームなどの高密度エネルギー線溶
接法を用いた場合には上記〜のうちがアーク
溶接などの低エネルギー密度溶接とは異なるため、の
溶接中に添加する溶接材料の組成も変える必要があるの
である。
【００３０】以下にの溶接中に添加する溶接材料の組
成を本発明のように特定した理由を以下に示す。まず、
溶接金属３の成分がステンレス鋼２の成分に実質的に等
しいものであると、前記解決すべき課題で述べたように
オーステナイト結晶粒の周りのＰ，Ｓなどの不純物に起
因する異層が微小な溶接割れを発生させる原因となる。
そのため溶接金属中にはデルタフェライト粒子が存在す
ることが望ましい。デルタフェライト粒子は不純物であ
るＰ，Ｓを多く固溶しオーステナイト結晶粒の周りの不
純物層を減少させるからである。但し、デルタフェライ
ト量が増加するにしたがい溶接金属は硬度が大きくな
り、靱性が低下する。溶接金属は２０％以下のデルタフ
ェライトを含むオーステナイト組織が望ましい。
【００３１】また、被溶接母材の溶接金属への溶込み量
はできるだけ少ない方が良い。炭素鋼中の炭素は溶接時
に溶接金属中へ拡散する。しかし、溶接金属中で局部的
に炭素量が少なくなる部分が生じると材料強度が低下す
るからである。また、溶込み量が多いと溶接後の溶接部
の変形が大きくなるので、溶接金属中への母材の溶け込
み率は８０％を越えないようにする必要がある。好まし
くは０％にできるだけ近い方が良い。
【００３２】さらに、溶接金属組織を制御するには溶接
設計の面でも適切な配慮をしなければならない。すなわ
ち、適切な溶接材料を使用しても、母材と溶接材料の混
合割合で溶接金属成分は変化するので、溶接部に適切な
開先を採り、溶接材料の添加量を適切に調整しなければ
ならない。この調整は溶接材料の形状によっても変化さ
せることが可能で、溶接ワイヤ，薄板状の融合インサー
トやリボン等によって達成できる。しかし、適正な溶接
材料を使用しても溶接金属への母材成分の溶込み率は８
０％未満の時に溶接金属成分は適切なものとなる。
【００３３】さらに、発明者らの実験によると溶接金属
への炭素鋼１とステンレス鋼２が概ね１対１で混合した
場合の溶込み率が８０％未満で、かつ溶接金属３の組織
が２０％以下のフェライトを含むオーステナイト組織と
するには、溶接材料の成分(重量％）範囲は以下のよう
にすれば良いことを見出した。Ｃ≦０.１５％，Ｓｉ≦
０.６５％ ，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎｉ：１０〜１６
％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部とし不可避的不純
物としてＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０２％この他の元素と
してモリブデン（Ｍｏ）をＣｒに変えて１.０〜５.０％
の範囲で添加することができる。これらの化学組成の限
定理由について以下に述べる。
【００３４】（イ）炭素（Ｃ）はオーステナイト生成元
素で０.１％ 程度の添加は鋼の強度を得るためには必要
である。しかし、添加量の増加と共に鋼を硬化させ、他
の元素と結合して鋼の性質を低下させると共に、溶接性
も低下させる。とくに、クロム（Ｃｒ）と金属間化合物
を生成するので添加量を０.１５％ 以下とした。 （ロ）ケイ素（Ｓｉ）は溶接時の脱酸剤として添加され
る。フェライト生成元素として作用する。多量の添加は
鋼の延性と衝撃特性の低下を招くので上限値を０.６５
％とした。
【００３５】（ハ）マンガン（Ｍｎ）はＳｉと同様、溶
接時の脱酸剤及びＰ，Ｓなどの不純物の除去に有効に作
用するので添加される。オーステナイト生成元素として
作用し、適当量の添加は鋼の延性を改善するが、多量の
添加は機械加工性を損なうので１.０〜３.０％とした。
【００３６】（ニ）ニッケル（Ｎｉ）はオーステナイト
生成元素でステンレス鋼の主要元素でこの１０〜１６％
が適切である。少量の添加は鋼を硬化させる。多量の添
加は溶接高温割れを生じさせ易くする。
【００３７】（ホ）クロム（Ｃｒ）はフェライト生成元
素として作用する。添加量はＳｉおよびＮｉの添加量と
関連するが２６〜３２％が適切である。添加量が３０％
を超える場合にはＣｒ１％の増加につきＮｉを０.５％
増加させるか、Ｍｏを添加させる。多量の添加は鋼を硬
化させて延性と衝撃値を低下させる。
【００３８】（ヘ）モリブデン（Ｍｏ）はフェライト生
成元素として作用する。Ｃｒに変えて添加することがで
きる。Ｃｒが３０％を超える場合は延性が低下傾向を示
すので１.０〜５.０％の範囲でＭｏ添加することが望ま
しい。
【００３９】（ト）燐（Ｐ），硫黄（Ｓ）は不可避的不
純物として０.０２％ 以下で製鋼技術上可能な限り低減
させてよい。これら不純物の増加は溶接高温割れを助長
する。
【００４０】上記元素は単独で添加するのでなく、Ｎｉ
当量＝Ｎｉ％＋３０×Ｃ％＋１／２Ｍｎ％及びＣｒ当量
＝Ｃｒ％＋１.５×Ｓｉ％＋Ｍｏ％ の式でＮｉ当量が１
５〜１７％，Ｃｒ当量が２８〜３３％なるように調整す
べきである。レーザ溶接用材料ではワイヤ、もしくは融
合インサートの形状として使用することになる。
【００４１】電力送配電設備のガス遮断器及びガス絶縁
開閉装置用シース（鎧装）容器の炭素鋼フランジとステ
ンレス鋼パイプの溶接構造容器をレーザ溶接方法を用い
て、開先を採り、適正な溶接材料を溶加して溶接する。
この溶接構造容器はアーク溶接ほどの溶接変形は生じな
いが、溶接量に応じた変形は生じる。溶接施工後、フラ
ンジ部をパイプ板厚より剛性の高い厚板で密閉させて容
器に内圧を作用させ、パイプの溶接部分を塑性変形させ
ることで溶接角変形を矯正させる。この内圧は水圧で段
階的に加圧するのが望ましい。この操作を加えることで
機械加工の全部もしくは一部を省くことができ、溶接残
留応力も小さく除去することが出来る。最終的に長期間
使用しても高精度で高品質が保たれる異種材の溶接構造
容器を提供することができる。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）表１は発明鋼溶接材料の化学組成例であ
る。ＬＷー１はＭｏを無添加，ＬＷ−２は添加したもの
である。
【００４３】
【表１】
【００４４】これらの溶接材料をワイヤに加工して、図
１の溶接開先を持つ試験片で図２に示すレーザ溶接装置
を用いて溶接実験をおこなった。溶接金属への炭素鋼１
とオーステナイト系ステンレス鋼２の母材溶込み率を変
化させるために開先角度を変化させた。
【００４５】図３はシェフラー組織図上における炭素鋼
１とオーステナイト系ステンレス鋼２及び溶接材料ＬＷ
−１，ＬＷ−２材の金属組織の関係を示す。溶接材料の
組織は○印で示す位置にあり、フェライトを約２０％を
有するオーステナイト組織である。炭素鋼１とオーステ
ナイト系ステンレス鋼２を溶接材料を用いないで溶接す
ると溶接金属の組織は炭素鋼１とオーステナイト系ステ
ンレス鋼２の混合割合が概ね１対１となり、△印で示す
位置となり、マルテンサイト組織である。溶接材料ＬＷ
−１，ＬＷ−２材を用いて溶接すると溶接金属の組織は
母材の溶込み率が減少するにつれて、△印で示すマルテ
ンサイト組織から□印で示す約１０％フェライトを有す
るオーステナイト組織に変化する。
【００４６】図４は溶接金属への母材溶込み率とビッカ
ース硬さとの関係である。ここで母材とは炭素鋼１とオ
ーステナイト系ステンレス鋼２が１対１に混合したもの
である。母材溶込み率０％は溶接材料そのものの成分組
成である。その硬さはＨｖ（０.５)＝１７０〜２００で
あり、ＬＷ−１，ＬＷ−２材とも大差ない。ＬＷ−１材
を使用した場合、母材溶込み率が７０％以上で硬さの上
昇が認められる。
【００４７】ＬＷ−２材の場合は母材溶込み率が８０％
以上で硬さの上昇が認められる。後者が僅かに硬さの軟
らかい範囲が広い。発明者らの実験によるとビッカース
硬さが３００以上になると溶接割れが生じ易くなり、機
械的性質も低下する。したがって、ＬＷ−２材の場合の
方が溶接施工管理は容易である。なお、母材溶込み率１
００％は前述したように炭素鋼１とオーステナイト系ス
テンレス鋼２の混合割合が１対１の場合で溶接材料が溶
加されないマルテンサイト組織である。
【００４８】図５は融合インサート７を母材板厚と同厚
に挿入して実施するものである。炭素鋼１とステンレス
鋼２の異種材を対象とするレーザ溶接断面図である。母
材の板厚は９mmである。貫通溶接することで溶接金属の
上部と下部の組織の変化を小さくすることができ溶接角
変形を減少させ、かつブローホールなどの溶接欠陥も減
少させることが出来る。
【００４９】図６は融合インサート７を母材板厚より小
さいものを挿入し開先部分６は溶接ワイヤを溶加するも
のである。この開先をとることでワインカップ型の溶融
断面が解消でき、溶接金属の上部と下部の溶融幅が実質
的に等しくさせることができる。なお、溶接は１パスで
も多パスで完成させて良いが、最終パスは貫通溶接させ
ることでブローホール欠陥が防止でき、溶接角変形を小
さくすることができる。
【００５０】（実施例２）表２は平板の溶接板継ぎ溶接
母材の化学組成である。
【００５１】
【表２】
【００５２】炭素鋼１とオーステナイト系ステンレス鋼
２母材の板厚は各９mm，板幅は各１３０mm，溶接長は４
００mmである。溶接開先は図１のように４５度レ開先で
ルートフェイスは４.５mmである。溶接材料は表１のＬ
Ｗ−２材の直径０.６mmの溶接ワイヤを使用した。表３
はその炭酸ガスレーザ（以下レーザと略記する）溶接施
工条件である。
【００５３】
【表３】
【００５４】溶接は２パスで完了させ、２パスの最終溶
接パスは貫通溶接である。溶接材料の断面積Ｓと溶接金
属断面積Ｗｓから母材溶込み率Ｗｄは１−（Ｓ／Ｗｓ）
で計算でき、表３のＷｄは７９.１％ となる。表４は表
３の溶接条件で実施したレーザ溶接継手の特性試験結果
である。
【００５５】
【表４】
【００５６】継手引張強さは炭素鋼と同等の強度を示
し、溶接金属の衝撃値はオーステナイト系ステンレス鋼
に匹敵する優れた特性を示した。ひずみゲージによる溶
接残留応力の測定結果、溶接線方向は４５０ＭＰａ，溶
接線直角方向（パイプ軸方向）は２９０ＭＰａであっ
た。発明のＬＷ−２材はレーザ溶接用材料として適切な
ものであることが確認できた。
【００５７】（実施例３）実施例２と同様に表２の母材
組成と形状の異種材平板板継ぎ溶接で、溶接開先を図５
のように板幅１.０mm の板状の融合インサート７を添加
した。融合インサートの組成は表１のＬＷ−１材であ
る。レーザ溶接施工条件は出力１０ｋｗ，溶接速度８mm
／ｓで実施した。融合インサート７の断面積Ｓは９mm2
で、溶接金属断面積Ｗｓは２４.５mm2であった。母材溶
込み率Ｗｄは６２.５％ であったが、この溶接部の継手
特性は表４と同等で、実施例２と同様の結果が得られ
た。すなわち、発明の溶接材料を使用すれば比較的広い
溶接施工範囲で優れた継手特性を持つ溶接部が得られ
る。
【００５８】（実施例４）実施例２と同様に表２の母材
組成と形状の異種材の平板板継ぎ溶接を実施した。溶接
開先は図６のように板幅１.０mm の板状の融合インサー
トを添加して溶接をした。融合インサートは母材板厚の
約１／２の厚さであり、上部は溶接ワイヤで充填するも
のである。融合インサート７の組成は表１のＬＷ−１材
である。この１パス溶接後、２パス溶接は表１のＬＷ−
２材の直径０.８mm の溶接ワイヤを溶加した。レーザ溶
接施工条件は表３で実施した。溶接材料の断面積Ｓは１
２mm2で、溶接金属断面積Ｗｓは２７.４mm2であった。
母材溶込み率Ｗｄは５６.２％である。この溶接部の継
手特性は表４と同等で、実施例２および実施例３と同様
の結果が得られた。
【００５９】（実施例５）電力設備用大型金属容器モデ
ルの実施例について説明する。図７はガス絶縁開閉装置
の容器モデルである。オーステナイト系ステンレス鋼２
パイプは内径560mm，板厚９mmのＳＵＳ３０４材で作ら
れる遮断器容器であり、外径６５０mm，板厚２５mmのＳ
Ｓ４００炭素鋼フランジ１Ａとレーザ溶接して、他の機
器とボルト締結される。遮断器には０.５９ＭＰａ(６kg
ｆ／cm2）以下のＳＦ6ガスが封入されて使用される。し
たがって、容器は気密性が保たれなければならない。す
なわち、溶接部は健全でなければならない。同時に炭素
鋼フランジ１Ａは他の機器と互いに密着性がＯリングを
介してシール性が活かされるように軸芯に対して直角な
面と平坦度が不可欠である。すなわち、図中に示すよう
に炭素鋼フランジ１Ａなどのフランジ面内の内径部と外
径部の変形量δ，δ′は実質的に零であることが望まし
い。図８は図７の容器とフランジ溶接部分の断面図であ
る。溶接母材の化学組成は表２と実質的に同一のもので
ある。炭素鋼フランジ１Ａには溶接変形防止と溶接後の
変形矯正用の水圧を作用させるための封止板８をボルト
ナット９で取り付けた構造となる。溶接開先は図１と類
似の４５度レ開先でルートフェイスは４.５mmである。
溶接材料は表１のＬＷ−２材の直径０.８mmの溶接ワイ
ヤを使用した。表５はそのレーザ溶接施工条件である。
【００６０】
【表５】
【００６１】溶接は２パスで完了させ、２パスの最終溶
接パスは貫通溶接である。溶接後の染色浸透試験で割れ
などの欠陥はなく、Ｘ線の透過試験でもＪＩＳ２級の溶
接判定基準を合格した。封止板８を外して溶接変形を計
測したが、フランジ面内の内径部と外径部の変形量δ、
すなわち、炭素鋼フランジ１Ａと封止板８の外径部の隙
間は０.２４〜０.５０mmであった。溶接変形を計測後、
封止板８を再度取付けて容器内部に水圧を段階的に加圧
させ１.７６４ＭＰａ（１８kgｆ／cm2）で1800秒（３０
分）保持した。除荷後、同様炭素鋼フランジ１Ａと封止
板８の外径部の隙間の変形量を計測した結果、実質的に
変形は矯正された。炭素鋼フランジ１Ａと封止板８の外
径部の隙間は平均値としても０.１mm 以下であった。水
圧後の溶接部の残留応力をひずみゲージにより計測し
た。溶接線方向(パイプ周方向)は８３.３ＭＰａ 、溶接
線直角方向（パイプ軸方向）は５２.８ＭＰａ であっ
た。残留応力も低下した。なお、レーザ溶接は裏波の形
状が小さくなるので、溶接構造容器の有効内径が大きく
なる。
【００６２】（実施例６）金属加工用金属真空容器モデ
ルの実施例について説明する。モデルは図７と類似であ
る。容器フランジ溶接部分の断面図は図８と同様であ
る。内径６００mm，板厚９mmのＳＵＳ３０４ステンレス
鋼２パイプと外径６６０mm，板厚２５mmのＳＳ４００炭
素鋼フランジ１Ａとの溶接に適用した。溶接母材の化学
組成は表２と実質的に同一である。炭素鋼フランジ１Ａ
には実施例５と同様の封止板８を取り付けた構造であ
る。溶接開先は図３のように板幅１.０mm の融合インサ
ート７を使用した。融合インサートの組成は表１のＬＷ
−１材である。レーザ溶接施工条件は出力１０ｋｗ，溶
接速度８mm／ｓ，焦点位置±０mmで実施した。溶接は１
パスで完了させた貫通溶接である。溶接後の染色浸透試
験で割れなどの欠陥はなく、Ｘ線の透過試験でもＪＩＳ
２級の溶接判定基準を合格した。さらに、封止板８を外
して溶接変形を計測した。炭素鋼フランジ１Ａと封止板
８の外径部の隙間は０.１５〜０.６５mmであった。溶接
変形を計測後、容器内部に１.１７６ＭＰa（１２kgｆ／
cm2)の水圧を作用させ１８００秒（３０分）保持した。
除荷後、変形量を計測した結果、実質的に変形は矯正さ
れた。平均値としても０.２mm 以下であった。
【００６３】（実施例７）電力設備用ガス絶縁開閉装置
鎧装容器モデルの実施例について説明する。モデルは図
７と類似である。容器フランジ溶接部分の断面図は図８
と同様である。内径１６００mm，板厚９mmのステンレス
鋼パイプ２と外径１６６０mm，板厚２５mmの炭素鋼フラ
ンジ１Ａとの溶接に適用した。溶接母材の化学組成は表
２と実質的に同一である。溶接開先は図４のように板幅
１.０mm の板状の融合インサート７を使用して溶接をし
た。融合インサートは母材板厚の約１／２の厚さであ
り、開先上部は溶接線材で充填するものである。中間材
組成は表１のＬＷ−１材である。この１パス溶接後、２
パス溶接は表１のＬＷ−２材の直径０.８mm の溶接ワイ
ヤを使用して溶接した。レーザ溶接施工条件は表３であ
る。溶接は２パスで完了させ、２パスの最終溶接パスは
貫通溶接である。溶接後の染色浸透試験で割れなどの欠
陥はなく、Ｘ線の透過試験でもＪＩＳ２級の溶接判定基
準を合格した。溶接変形を計測した。炭素鋼フランジ１
Ａと封止板８の外径部の隙間は０.２５〜０.７５mmであ
った。溶接変形を計測後、容器内部に０.８８２ＭＰａ
（９kgｆ／cm2)の水圧を作用させ１８００秒（３０分）
保持した。除荷後、変形量を計測した結果、実質的に変
形は矯正された。平均値としても０.１５mm 以下であっ
た。
【００６４】
【発明の効果】本発明によれば溶接時に割れが発生せ
ず、しかも高い靱性を有する溶接部をもつ炭素鋼とステ
ンレス鋼の高密度エネルギー線を用いた接合方法及びそ
の接合方法により組み立てられた構造体が提供できる。
これにより構造体が長期間にわたり高い信頼性がたもた
れる。特に電力送配電設備用ガス遮断器のシースに適用
すると、高品質の送配電設備の建造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】レ開先溶接部の断面図。
【図２】本発明の溶接装置の概念図。
【図３】本発明溶接材料の金属組織図。
【図４】本発明溶接材料への異種材料母材の溶込み率と
溶接金属の硬さとの関係を示すグラフ。
【図５】中間材適用溶接部の断面図。
【図６】中間材と溶接線材適用溶接部の断面図。
【図７】ガス絶縁開閉装置の容器モデル。
【図８】実施例金属容器の溶接部の断面図。
【符号の説明】
１…炭素鋼、１Ａ…炭素鋼フランジ、２…ステンレス
鋼、２Ａ…ステンレス鋼パイプ、３…溶接金属、４…余
盛り、５…裏波、６…溶接開先、７…融合インサート、
８…封止板、９…ボルトナット、１０…レーザ発振器、
１１…反射鏡、１２…シールドガスノズル、１３…プラ
ズマ制御ガスノズル、１４…放物面鏡、１５…溶接金
属、１６…駆動モータ、１７…スプール、１８…溶接ワ
イヤ、１９…溶接ワイヤ送給装置、２０…母材、２１…
走行台車。
───────────────────────────────────────────────────── 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 35/30 ３２０ Ｂ Ｈ０１Ｈ 33/55 Ａ (72)発明者 後藤 浩二 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 松島 修 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 鈴木 秀夫 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 米沢 立雄 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 村下 雅紀 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を
    高密度エネルギー線を用いて溶接する方法において、 溶接する金属の各組成に関する情報，溶接中に添加する
    溶接材料の組成に関する情報，溶接時の入熱条件に関す
    る情報，開先形状に関する情報，溶接材料の供給速度に
    関する情報のうちの少なくとも１つの情報に基づき、予
    め求められた前記情報と接合部の強度，靭性，溶接割れ
    性との関係から、前記炭素鋼とオーステナイト系ステン
    レス鋼を高密度エネルギー線を用いて溶接する溶接条件
    を決定することを特徴とする炭素鋼とオーステナイト系
    ステンレス鋼を高密度エネルギー線を用いて溶接する方
    法。
  2. 【請求項２】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を
    溶接する方法において、 前記溶接の熱源として高密度エネルギー線を用い、かつ
    前記溶接部の金属組織はオーステナイト組織と２０％以
    下のフェライト組織の混合組織であることを特徴とする
    炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方
    法。
  3. 【請求項３】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を
    溶接する方法において、 前記溶接の熱源として高密度エネルギー線を用い、かつ
    オーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を溶接材料とし
    て溶加し、更に前記溶接部の溶接金属中への母材の溶込
    み率が８０％以下であることを特徴とする炭素鋼とオー
    ステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法。
  4. 【請求項４】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を
    溶接する方法において、 前記溶接の熱源として高密度エネルギー線を用い、かつ
    溶接時にオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料を溶加
    し、更に前記溶接部の金属組織はオーステナイト組織と
    ２０％以下のフェライト組織の混合組織であることを特
    徴とする炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接
    する方法。
  5. 【請求項５】請求項２〜４のいずれかに記載の炭素鋼と
    オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法におい
    て、 溶接ビード表面側と溶接裏波側の溶接金属幅が実質的に
    等しくなるように制御することを特徴とする炭素鋼とオ
    ーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法。
  6. 【請求項６】請求項３または４記載の溶接材料は、重量
    比でＣ≦０.１５％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜
    ３.０％，Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，
    Ｆｅ：残部とし、不可避な不純物としてＰ≦０.０２
    ％，Ｓ≦０.０２％の成分を有することを特徴とする炭
    素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法。
  7. 【請求項７】請求項３または４記載の溶接材料は、重量
    比でＣ≦０.１５％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜
    ３.０％，Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，
    Ｍｏ：１.０〜５.０％，Ｆｅ：残部とし、不可避な不純
    物としてＰ≦０.０２％ ，Ｓ≦０.０２％ の成分を有す
    ることを特徴とする炭素鋼とオーステナイト系ステンレ
    ス鋼を溶接する方法。
  8. 【請求項８】請求項２〜４記載の炭素鋼とオーステナイ
    ト系ステンレス鋼を溶接する方法において、 前記溶込み率が８０％を超えないようにオーステナイト
    系ステンレス鋼母材側に開先をとり溶接ワイヤを溶加し
    て初層もしくは多層溶接することを特徴とする炭素鋼と
    オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法。
  9. 【請求項９】請求項８記載の多層溶接は、２層目以降の
    最終溶接パスは貫通溶接することを特徴とする炭素鋼と
    オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法。
  10. 【請求項１０】請求項２〜９のいずれかに記載の炭素鋼
    とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法におい
    て、 炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部に重量
    比でＣ≦０.１５％ ，Ｓｉ≦０.６５％ ，Ｍｎ：１.０
    〜３.０％，Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２
    ％，Ｆｅ：残部とし、不可避な不純物としてＰ≦０.０
    ２％，Ｓ≦０.０２％の成分を有する融合インサートを
    装着して溶接することを特徴とする炭素鋼とオーステナ
    イト系ステンレス鋼を溶接する方法。
  11. 【請求項１１】請求項２〜９のいずれかに記載の炭素鋼
    とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接する方法におい
    て、 炭素鋼とステンレス鋼の溶接部に重量比でＣ≦０.１５
    ％，Ｓｉ≦０.６５％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎｉ：
    １０〜１６％，Ｃｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部とし、
    不可避な不純物としてＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０２％の
    成分を有する溶接ワイヤを併用して溶接することを特徴
    とする炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を溶接す
    る方法。
  12. 【請求項１２】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼
    からなる構造体において、 炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を高密
    度エネルギー線を熱源とした溶接加工により製造し、か
    つ前記溶接部の金属組織はオーステナイト組織と２０％
    以下のフェライト組織の混合組織であることを特徴とす
    る炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼からなる構造
    体。
  13. 【請求項１３】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼
    からなる構造体において、 炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を高密
    度エネルギー線を熱源とした溶接加工により製造し、か
    つ前記溶接部の溶接金属中への母材の溶込み率が８０％
    以下であることを特徴とする炭素鋼とオーステナイト系
    ステンレス鋼からなる構造体。
  14. 【請求項１４】炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼
    からなる構造体において、 炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を高密
    度エネルギー線を熱源とした溶接加工により製造し、か
    つ前記溶接部の金属組織はオーステナイト組織と２０％
    以下のフェライト組織の混合組織であり、更に前記溶接
    部の溶接金属中への母材の溶込み率が８０％以下である
    ことを特徴とする炭素鋼とオーステナイト系ステンレス
    鋼からなる構造体。
  15. 【請求項１５】炭素鋼フランジとオーステナイト系ステ
    ンレス鋼パイプを備える電力送配電設備用ガス遮断器ま
    たはガス絶縁開閉装置用シースにおいて、 前記フランジと前記パイプの接合部を高密度エネルギー
    線を熱源とした溶接加工により製造し、かつ前記溶接部
    の金属組織はオーステナイト組織と２０％以下のフェラ
    イト組織の混合組織であり、更に前記溶接部の溶接金属
    中への母材の溶込み率が８０％以下であることを特徴と
    する電力送配電設備用ガス遮断器またはガス絶縁開閉装
    置用シース。
  16. 【請求項１６】炭素鋼フランジとオーステナイト系ステ
    ンレス鋼パイプを備える電力送配電設備用ガス遮断器及
    びガス絶縁開閉装置用シースにおいて、 前記フランジと前記パイプの接合部の溶接ビード表面側
    と溶接裏波側の溶接金属幅が実質的に等しく、かつ裏波
    の余盛りをパイプ内径面と同一平面とすることを特徴と
    する電力送配電設備用ガス遮断器またはガス絶縁開閉装
    置用シース。
  17. 【請求項１７】請求項１５記載の電力送配電設備用ガス
    遮断器またはガス絶縁開閉装置用シースにおいて、 前記フランジ部を前記パイプより剛性の高い厚板で密閉
    させて容器に内圧を作用させ、高密度エネルギー線溶接
    で変形した部分を矯正し、かつ溶接残留応力を除去した
    ことを特徴とする電力送配電設備用ガス遮断器またはガ
    ス絶縁開閉装置用シース。
  18. 【請求項１８】重量比でＣ≦０.１５％，Ｓｉ≦０.６５
    ％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃ
    ｒ：２６〜３２％，Ｆｅ：残部とし、不可避な不純物と
    してＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０２％の成分を有すること
    を特徴とする炭素鋼とオーステナイト系ステンレス鋼を
    高エネルギー線溶接を用い溶接するための溶接材料。
  19. 【請求項１９】重量比でＣ≦０.１５％，Ｓｉ≦０.６５
    ％，Ｍｎ：１.０〜３.０％，Ｎｉ：１０〜１６％，Ｃ
    ｒ：２６〜３２％，Ｍｏ：１.０〜５.０％，Ｆｅ：残部
    とし、不可避な不純物としてＰ≦０.０２％，Ｓ≦０.０
    ２％の成分を有することを特徴とする炭素鋼とオーステ
    ナイト系ステンレス鋼を高エネルギー線溶接を用い溶接
    するための溶接材料。
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