JPH11197836A - 極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法および極低温靱性に優れた溶接構造物 - Google Patents
極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法および極低温靱性に優れた溶接構造物Info
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- JPH11197836A JPH11197836A JP267698A JP267698A JPH11197836A JP H11197836 A JPH11197836 A JP H11197836A JP 267698 A JP267698 A JP 267698A JP 267698 A JP267698 A JP 267698A JP H11197836 A JPH11197836 A JP H11197836A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 厚肉材で溶接金属に高温割れ等の欠陥が発生
することなく、しかも４Ｋでの０．２％耐力が１０００
Ｎ／ｍｍ2 以上で、且つ破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ
・√ｍ以上である溶着金属を得ることのできるＴＩＧ溶
接方法、およびこうした溶接方法によって得られ、上記
の様な溶着金属特性を具備する溶接構造物を提供する。 【解決手段】 Ｎｉを３〜８質量％含有すると共に、Ｐ
ｂ：０．０００５質量％およびＯ：０．００５質量％に
夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤをし、
下記（ａ），（ｂ）の溶接条件を満足する様にして操業
する。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
することなく、しかも４Ｋでの０．２％耐力が１０００
Ｎ／ｍｍ2 以上で、且つ破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ
・√ｍ以上である溶着金属を得ることのできるＴＩＧ溶
接方法、およびこうした溶接方法によって得られ、上記
の様な溶着金属特性を具備する溶接構造物を提供する。 【解決手段】 Ｎｉを３〜８質量％含有すると共に、Ｐ
ｂ：０．０００５質量％およびＯ：０．００５質量％に
夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤをし、
下記（ａ），（ｂ）の溶接条件を満足する様にして操業
する。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶接金属に高温割
れ、溶込み不良および融合不良等の重欠陥が発生しない
狭開先溶接継手において、４Ｋでの０．２％耐力が１０
００Ｎ／ｍｍ2 以上であり、且つ破壊靱性値ＫICが１４
０ＭＰａ・√ｍ以上である溶着金属を得ることのできる
ＴＩＧ溶接方法、およびこうした溶接方法によって得ら
れ、上記の様な溶着金属特性を具備する溶接構造物等に
関するものである。
れ、溶込み不良および融合不良等の重欠陥が発生しない
狭開先溶接継手において、４Ｋでの０．２％耐力が１０
００Ｎ／ｍｍ2 以上であり、且つ破壊靱性値ＫICが１４
０ＭＰａ・√ｍ以上である溶着金属を得ることのできる
ＴＩＧ溶接方法、およびこうした溶接方法によって得ら
れ、上記の様な溶着金属特性を具備する溶接構造物等に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、大型超電導マグネットを利用した
磁気流体発電（ＭＨＤ発電）や核融合炉等の実用化が検
討されつつある。ところで、これらの超電導マグネット
を支持する厚肉構造物の溶接部には、非磁性、耐銹性が
優れていることに加えて、使用環境温度である４Ｋ（−
２６９℃）での０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ2 以
上、破壊靱性値ＫICで１４０ＭＰａ・√ｍ以上の強度特
性を有すること、および内部品質の健全性が確保されて
いることが要求される。また実用化に当たっては、高能
率、製作コスト低減の観点から、溶着量の少ない狭開先
溶接継手を具現化し得る溶接方法が必要とされている。
磁気流体発電（ＭＨＤ発電）や核融合炉等の実用化が検
討されつつある。ところで、これらの超電導マグネット
を支持する厚肉構造物の溶接部には、非磁性、耐銹性が
優れていることに加えて、使用環境温度である４Ｋ（−
２６９℃）での０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ2 以
上、破壊靱性値ＫICで１４０ＭＰａ・√ｍ以上の強度特
性を有すること、および内部品質の健全性が確保されて
いることが要求される。また実用化に当たっては、高能
率、製作コスト低減の観点から、溶着量の少ない狭開先
溶接継手を具現化し得る溶接方法が必要とされている。
【０００３】上記の様な用途における厚肉材の溶着金属
特性に関する従来技術としては、例えば「溶接学会全国
大会講演概要第５４集第２３４頁、極低温用ステンレス
鋼鍛造材溶接金属の特性」（１９９４年４月発行）が報
告されている。そしてこの報告では、のど厚が７０ｍｍ
の厚肉材のガスシールドアーク溶接において、高窒素ス
テンレス鋼、高窒素高マンガン（高Ｎ高Ｍｎ）ステンレ
ス鋼、高窒素Ｎｉ基合金等の各種溶接ワイヤを用いてＴ
ＩＧ溶接したものでは、溶着金属にミクロの高温割れが
発生し、使用できないことが開示されている。
特性に関する従来技術としては、例えば「溶接学会全国
大会講演概要第５４集第２３４頁、極低温用ステンレス
鋼鍛造材溶接金属の特性」（１９９４年４月発行）が報
告されている。そしてこの報告では、のど厚が７０ｍｍ
の厚肉材のガスシールドアーク溶接において、高窒素ス
テンレス鋼、高窒素高マンガン（高Ｎ高Ｍｎ）ステンレ
ス鋼、高窒素Ｎｉ基合金等の各種溶接ワイヤを用いてＴ
ＩＧ溶接したものでは、溶着金属にミクロの高温割れが
発生し、使用できないことが開示されている。
【０００４】また上記報告には、溶接高温割れが認めら
れない溶接金属として、オーステナイト中にδフェライ
トを５．５％含有するステンレス鋼や０．０３％のＮを
含有するＮｉ基合金が示されている。しかしながら、オ
ーステナイト中にδフェライトを５．５％含有するステ
ンレス鋼は破壊靱性値ＫICが低く、必要とされる１４０
ＭＰａ・√ｍ以上のレベルを達成することができず、ま
た磁性が発在するので実用化できないという問題があ
る。また０．０３％のＮを含有するＮｉ基合金では耐力
が低く、必要とされる１０００Ｎ／ｍｍ2 以上のレベル
を達成することができないばかりか、Ｎｉ基合金が極め
て高価であり、この点からしても実用化に不利である。
しかも上記溶接施工方法では、開先角度が８．５°程度
と広いので溶着金属量が多くなり、厚肉構造物への適用
性に乏しいという欠点もある。
れない溶接金属として、オーステナイト中にδフェライ
トを５．５％含有するステンレス鋼や０．０３％のＮを
含有するＮｉ基合金が示されている。しかしながら、オ
ーステナイト中にδフェライトを５．５％含有するステ
ンレス鋼は破壊靱性値ＫICが低く、必要とされる１４０
ＭＰａ・√ｍ以上のレベルを達成することができず、ま
た磁性が発在するので実用化できないという問題があ
る。また０．０３％のＮを含有するＮｉ基合金では耐力
が低く、必要とされる１０００Ｎ／ｍｍ2 以上のレベル
を達成することができないばかりか、Ｎｉ基合金が極め
て高価であり、この点からしても実用化に不利である。
しかも上記溶接施工方法では、開先角度が８．５°程度
と広いので溶着金属量が多くなり、厚肉構造物への適用
性に乏しいという欠点もある。
【０００５】溶接方法としては、上記したＴＩＧ溶接以
外に、例えば特公平３−１９３２７１号に開示される様
な技術も知られている。この技術は、極低温用高Ｍｎ非
磁性鋼のＭＩＧ溶接方法に関するものであり、主として
ブローホールによる内部欠陥、溶接部表面の酸化度につ
いて改善したものであるが、実施例での適用板厚も４０
ｍｍ以下と薄く、且つ溶着金属の機械的性質においても
上記要求特性を保証し得るものではなかった。
外に、例えば特公平３−１９３２７１号に開示される様
な技術も知られている。この技術は、極低温用高Ｍｎ非
磁性鋼のＭＩＧ溶接方法に関するものであり、主として
ブローホールによる内部欠陥、溶接部表面の酸化度につ
いて改善したものであるが、実施例での適用板厚も４０
ｍｍ以下と薄く、且つ溶着金属の機械的性質においても
上記要求特性を保証し得るものではなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した事情
に着目してなされたものであって、その目的は、厚肉材
で溶接金属に高温割れ等の欠陥が発生することなく、し
かも４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ2 以上
で、且つ破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上であ
る溶着金属を得ることのできるＴＩＧ溶接方法、および
こうした溶接方法によって得られ、上記の様な溶着金属
特性を具備する溶接構造物を提供することにある。
に着目してなされたものであって、その目的は、厚肉材
で溶接金属に高温割れ等の欠陥が発生することなく、し
かも４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ2 以上
で、且つ破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上であ
る溶着金属を得ることのできるＴＩＧ溶接方法、および
こうした溶接方法によって得られ、上記の様な溶着金属
特性を具備する溶接構造物を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明の溶接方法とは、高Ｍｎステンレス鋼材を高Ｎ高Ｍｎ
ステンレス鋼溶接ワイヤを用いて狭開先ＴＩＧ溶接によ
って溶接するに当たり、Ｎｉを３〜８質量％含有すると
共に、Ｐｂ：０．０００５質量％以下およびＯ：０．０
０５質量％以下に夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼
溶接ワイヤを使用し、且つ下記（Ａ）〜（Ｃ）の溶接条
件を満足する様にして操業する点に要旨を有する極低温
用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法であ
る。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
明の溶接方法とは、高Ｍｎステンレス鋼材を高Ｎ高Ｍｎ
ステンレス鋼溶接ワイヤを用いて狭開先ＴＩＧ溶接によ
って溶接するに当たり、Ｎｉを３〜８質量％含有すると
共に、Ｐｂ：０．０００５質量％以下およびＯ：０．０
０５質量％以下に夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼
溶接ワイヤを使用し、且つ下記（Ａ）〜（Ｃ）の溶接条
件を満足する様にして操業する点に要旨を有する極低温
用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法であ
る。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
【０００８】上記本発明方法においては、（ａ）溶接中
にアーク電流に同期させたパルス制御を加えることや、
（ｂ）ホットワイヤを送給することは、融合不良を回避
してより健全な溶着金属を得るという観点から有用であ
る。
にアーク電流に同期させたパルス制御を加えることや、
（ｂ）ホットワイヤを送給することは、融合不良を回避
してより健全な溶着金属を得るという観点から有用であ
る。
【０００９】上記の様な構成を有する溶接方法を適用す
ることによって、４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／
ｍｍ2 以上であり、且つ破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ
・√ｍ以上である狭開先溶接部を有する溶接構造物が得
られる。
ることによって、４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／
ｍｍ2 以上であり、且つ破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ
・√ｍ以上である狭開先溶接部を有する溶接構造物が得
られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明者らは、上記目的を達成す
るという観点から、溶接ワイヤや溶接条件について様々
な角度から検討した。その結果、上記の構成を採用すれ
ば従来の問題を発生させるころなく、また真空チャンバ
ーを必要とする電子ビーム溶接の様な寸法制約にとらわ
れることなく、しかも省エネルギー、低コスト化といっ
た実用上での課題をも解決し得る溶接方法が実現できる
ことを見出し、本発明を完成するに至った。
るという観点から、溶接ワイヤや溶接条件について様々
な角度から検討した。その結果、上記の構成を採用すれ
ば従来の問題を発生させるころなく、また真空チャンバ
ーを必要とする電子ビーム溶接の様な寸法制約にとらわ
れることなく、しかも省エネルギー、低コスト化といっ
た実用上での課題をも解決し得る溶接方法が実現できる
ことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】本発明では上記の様に、高Ｎ高Ｍｎ系ステ
ンレス鋼溶接用ワイヤを使用する必要があるが、まずこ
の溶接ワイヤにおけるＮｉ，Ｎｂ，Ｏ等の化学成分限定
理由について説明する。
ンレス鋼溶接用ワイヤを使用する必要があるが、まずこ
の溶接ワイヤにおけるＮｉ，Ｎｂ，Ｏ等の化学成分限定
理由について説明する。
【００１２】Ｎｉ：３〜８質量％ 本発明で用いる溶接ワイヤは、Ｎｉを３〜８重量％含有
させる必要があるが、このＮｉはオーステナイト組織を
安定化させて４Ｋでの靱性向上に不可欠の元素である。
Ｎｉの含有量が３質量％未満では、こうした効果を発揮
させることができない。またＮｉの含有量が８質量％を
超えると、高温割れが発生すると共に、溶接時の溶融金
属の粘度が増加して湯流れが悪くなり、狭開先溶接にお
いては、溶け込み不良や融合不良を発生し易くなる。尚
Ｎｉ含有量の好ましい下限は４．５質量％であり、好ま
しい上限は７．５質量％である。
させる必要があるが、このＮｉはオーステナイト組織を
安定化させて４Ｋでの靱性向上に不可欠の元素である。
Ｎｉの含有量が３質量％未満では、こうした効果を発揮
させることができない。またＮｉの含有量が８質量％を
超えると、高温割れが発生すると共に、溶接時の溶融金
属の粘度が増加して湯流れが悪くなり、狭開先溶接にお
いては、溶け込み不良や融合不良を発生し易くなる。尚
Ｎｉ含有量の好ましい下限は４．５質量％であり、好ま
しい上限は７．５質量％である。
【００１３】Ｐｂ：０．０００５質量％以下 Ｐｂは、溶融金属の凝固過程でデンドライト粒界に偏析
し、その強度および延性をマトリックスよりも低位なも
のとする不純物であり、その含有量が多くなると高温割
れを引き起こすことになる。Ｐｂ含有量が０．０００５
質量％以下であれば、こうした不都合を回避できるの
で、本発明で用いる溶接用ワイヤ中のＰｂは、０．００
０５質量％以下に抑制する必要があり、好ましくは０．
０００３質量％以下とするのが良い。
し、その強度および延性をマトリックスよりも低位なも
のとする不純物であり、その含有量が多くなると高温割
れを引き起こすことになる。Ｐｂ含有量が０．０００５
質量％以下であれば、こうした不都合を回避できるの
で、本発明で用いる溶接用ワイヤ中のＰｂは、０．００
０５質量％以下に抑制する必要があり、好ましくは０．
０００３質量％以下とするのが良い。
【００１４】Ｏ：０．００５質量％以下 Ｏは溶接ワイヤ等から溶着金属に入り込み、固溶酸素、
非金属介在物およびブローホールとして残留する。また
溶接ワイヤ中のＯの含有量が０．００５質量％を超える
と、得られる溶着金属中のＯ含有量が０．００５質量％
よりも多くなり、４Ｋでの要求靱性を満足させることが
困難になるばかりか、スラグ巻き込み融合不良等の溶接
欠陥をも発生させることになる。こうした観点から、溶
接用ワイヤ中のＯ含有量は、０．００５質量％以下にす
る必要があり、好ましくは０．００３５質量％以下にす
るのが良い。
非金属介在物およびブローホールとして残留する。また
溶接ワイヤ中のＯの含有量が０．００５質量％を超える
と、得られる溶着金属中のＯ含有量が０．００５質量％
よりも多くなり、４Ｋでの要求靱性を満足させることが
困難になるばかりか、スラグ巻き込み融合不良等の溶接
欠陥をも発生させることになる。こうした観点から、溶
接用ワイヤ中のＯ含有量は、０．００５質量％以下にす
る必要があり、好ましくは０．００３５質量％以下にす
るのが良い。
【００１５】尚本発明で用いる溶接ワイヤにおける上記
Ｎｉ，Ｎｂ，Ｏの量の制限による効果を発揮させる為に
は、本発明で用いる溶接ワイヤ（および溶着金属）の基
本成分として高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼とする必要があ
る。この様なステンレス鋼としては、Ｎ：０．１０〜
０．２８質量％、Ｍｎ：１８〜３０質量％を夫々含有す
る高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼が推奨されるが、その理由は
下記の通りである。
Ｎｉ，Ｎｂ，Ｏの量の制限による効果を発揮させる為に
は、本発明で用いる溶接ワイヤ（および溶着金属）の基
本成分として高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼とする必要があ
る。この様なステンレス鋼としては、Ｎ：０．１０〜
０．２８質量％、Ｍｎ：１８〜３０質量％を夫々含有す
る高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼が推奨されるが、その理由は
下記の通りである。
【００１６】Ｎ：０．１０〜０．２８質量％ Ｎはオーステナイト組織の安定化と、４Ｋでの低温靱性
の向上に有効な元素である。こうした効果を発揮させる
為には、その含有量は０．１０質量％以上とすることが
好ましい。しかしながら、０．２８質量％を超えて多量
に含有させると、耐溶接高温割れ性に乏しくなる。こう
したことから、Ｎの含有量は０．１０〜０．２８質量％
にすることが好ましい。尚Ｎ含有量のより好ましい範囲
は、０．１５〜０．２５質量％程度である。
の向上に有効な元素である。こうした効果を発揮させる
為には、その含有量は０．１０質量％以上とすることが
好ましい。しかしながら、０．２８質量％を超えて多量
に含有させると、耐溶接高温割れ性に乏しくなる。こう
したことから、Ｎの含有量は０．１０〜０．２８質量％
にすることが好ましい。尚Ｎ含有量のより好ましい範囲
は、０．１５〜０．２５質量％程度である。
【００１７】Ｍｎ：１８〜３０質量％ Ｍｎは耐溶接高温割れ性に悪影響を与えるＮｉに代替え
できるオーステナイト形成元素として作用し、４Ｋでの
低温靱性の向上に不可欠の元素である。またＮの固溶限
を増大させて、オーステナイト組織の安定化に寄与す
る。これらの効果を発揮させる為には、Ｍｎの含有量は
１８質量％以上であることが好ましい。一方、Ｍｎの含
有量が３０質量％を超えて過剰になると、溶接ワイヤの
伸線に際して、熱間加工性を劣化させて歩留りを低下さ
せ、コスト上昇を招くことになる。こうしたことから、
Ｍｎの含有量は１８〜３０質量％であることが好まし
い。尚Ｍｎのより好ましい範囲は、２０〜２５質量％程
度である。
できるオーステナイト形成元素として作用し、４Ｋでの
低温靱性の向上に不可欠の元素である。またＮの固溶限
を増大させて、オーステナイト組織の安定化に寄与す
る。これらの効果を発揮させる為には、Ｍｎの含有量は
１８質量％以上であることが好ましい。一方、Ｍｎの含
有量が３０質量％を超えて過剰になると、溶接ワイヤの
伸線に際して、熱間加工性を劣化させて歩留りを低下さ
せ、コスト上昇を招くことになる。こうしたことから、
Ｍｎの含有量は１８〜３０質量％であることが好まし
い。尚Ｍｎのより好ましい範囲は、２０〜２５質量％程
度である。
【００１８】本発明は、上記の様な高Ｎ高Ｍｎ系ステン
レス鋼溶接ワイヤを用いた狭開先のＴＩＧ溶接方法であ
るが、本発明方法を実施するには下記（Ａ）〜（Ｃ）の
３つの条件を満足させる必要がある。次に、これらの条
件における限定理由について説明する。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
レス鋼溶接ワイヤを用いた狭開先のＴＩＧ溶接方法であ
るが、本発明方法を実施するには下記（Ａ）〜（Ｃ）の
３つの条件を満足させる必要がある。次に、これらの条
件における限定理由について説明する。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
【００１９】まず溶接トーチの構造については［上記
（Ａ）の条件］、単層シールド構造のものでは溶融金属
へのシールド性に劣り、健全な内部品質および高位な材
質特性を具備した溶接金属を得ることができなくなる。
従って、本発明方法で採用する溶接トーチの構造は、セ
ンターガスノズルを有する多重構造の溶接トーチとする
必要がある。尚本トーチの形状としては、狭開先のアー
クの安定性および開先端部での溶融性確保の点から長尺
矩形ノズルであることが好ましい。
（Ａ）の条件］、単層シールド構造のものでは溶融金属
へのシールド性に劣り、健全な内部品質および高位な材
質特性を具備した溶接金属を得ることができなくなる。
従って、本発明方法で採用する溶接トーチの構造は、セ
ンターガスノズルを有する多重構造の溶接トーチとする
必要がある。尚本トーチの形状としては、狭開先のアー
クの安定性および開先端部での溶融性確保の点から長尺
矩形ノズルであることが好ましい。
【００２０】次に、センターガス（イナートガス）の種
類としては［上記（Ｂ）の条件］、Ａｒ単独（或は、２
０容量％未満のＨｅを混合したＡｒ＋Ｈｅ混合ガス）で
は、アークエネルギーの集中性およびアークの広がりが
不足するので、狭開先溶接においては開先端部で溶込み
不良を引き起こすことになる。こうしたことから、アー
ク柱の電位傾度を上昇させて、アークエネルギーの増加
に有効なＨｅを、Ａｒに２０容量％以上含有させること
が必要である。
類としては［上記（Ｂ）の条件］、Ａｒ単独（或は、２
０容量％未満のＨｅを混合したＡｒ＋Ｈｅ混合ガス）で
は、アークエネルギーの集中性およびアークの広がりが
不足するので、狭開先溶接においては開先端部で溶込み
不良を引き起こすことになる。こうしたことから、アー
ク柱の電位傾度を上昇させて、アークエネルギーの増加
に有効なＨｅを、Ａｒに２０容量％以上含有させること
が必要である。
【００２１】尚この混合ガス（センターガス）には、必
要によってＨ2 を添加することも有効である。このＨ2
は厚肉化、狭開先化の進行に応じて熱的ピンチ効果でア
ークを集束させて、溶込み深さの増大に有効である。こ
うしたＨ2 による効果を発揮させるためには、その混合
量を２容量％以上とするのが良く、それより少なくなる
と上記した効果が有効に発揮されなくなる。しかしなが
ら、Ｈ2 の混合量が１５容量％を超えて過剰になると、
却ってブローホールが発生し易くなる。こうしたことか
ら、センターガス中にＨ2 を混合させる場合には、その
混合量は２〜１５％とすることが好ましい。
要によってＨ2 を添加することも有効である。このＨ2
は厚肉化、狭開先化の進行に応じて熱的ピンチ効果でア
ークを集束させて、溶込み深さの増大に有効である。こ
うしたＨ2 による効果を発揮させるためには、その混合
量を２容量％以上とするのが良く、それより少なくなる
と上記した効果が有効に発揮されなくなる。しかしなが
ら、Ｈ2 の混合量が１５容量％を超えて過剰になると、
却ってブローホールが発生し易くなる。こうしたことか
ら、センターガス中にＨ2 を混合させる場合には、その
混合量は２〜１５％とすることが好ましい。
【００２２】狭開先の場合には溶融金属のプール熱で開
先で溶け込ませる必要があるので、オシレーションでの
開先端止め時間については、０秒では溶け込み不足を生
じることになる。従って、オシレーションでの開先端止
め時間は、少なくとも０秒を超える時間（例えば、両側
の合計で２〜３秒）とする必要がある。また平均入熱量
については、ＴＩＧ溶接の場合には、１５ＫＪ／ｃｍ未
満になると、狭開先ではアークエネルギーの集中性およ
び母材の溶融断面積が不足して溶込み不良が発生するこ
とになる。従って、ＴＩＧ溶接における平均入熱量は１
５ＫＪ／ｃｍ以上とする必要がある［以上、上記（Ｃ）
の条件］。
先で溶け込ませる必要があるので、オシレーションでの
開先端止め時間については、０秒では溶け込み不足を生
じることになる。従って、オシレーションでの開先端止
め時間は、少なくとも０秒を超える時間（例えば、両側
の合計で２〜３秒）とする必要がある。また平均入熱量
については、ＴＩＧ溶接の場合には、１５ＫＪ／ｃｍ未
満になると、狭開先ではアークエネルギーの集中性およ
び母材の溶融断面積が不足して溶込み不良が発生するこ
とになる。従って、ＴＩＧ溶接における平均入熱量は１
５ＫＪ／ｃｍ以上とする必要がある［以上、上記（Ｃ）
の条件］。
【００２３】本発明の溶接方法を実施するに当たり、厚
肉化および狭開先の進行に合わせて健全な融合を確保す
る為に、必要に応じて下記（ａ），（ｂ）等の要件を付
加することが好ましい。 （ａ）溶接中にアーク電流に同期させたパルス制御を加
える （ｂ）ホットワイヤを送給する
肉化および狭開先の進行に合わせて健全な融合を確保す
る為に、必要に応じて下記（ａ），（ｂ）等の要件を付
加することが好ましい。 （ａ）溶接中にアーク電流に同期させたパルス制御を加
える （ｂ）ホットワイヤを送給する
【００２４】これらの要件はいずれも、開先端部での深
溶け込みおよび底部での安定した溶融性を実現し、融合
不良を回避してより健全な溶着金属を得るという観点か
ら有用である。
溶け込みおよび底部での安定した溶融性を実現し、融合
不良を回避してより健全な溶着金属を得るという観点か
ら有用である。
【００２５】上記の様に本発明では、極低温用高Ｍｎス
テンレス鋼の厚肉鋼材に狭開先のＴＩＧ溶接を施して、
溶接構造物を制作するに当たり、大入熱でも溶接高温割
れを起こさず、且つ健全な溶込みを確保した上で、溶接
部に必要とされる極低温での高強度および高靱性を達成
する為には、(i) 高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤか
ら形成される溶接金属において、オーステナイト安定化
元素であると共に、溶融金属の湯流れ性を阻害するＮｉ
を３〜８質量％に限定する、および(ii)狭開先のＴＩＧ
溶接において、下記(1) 〜(3) の要件を満足させるこ
と、(1) センターガスノズルを有する多重ガスシールド
溶接トーチを用いて、センターガスにＡｒ＋Ｈｅガスの
多元ガスを採用し、必要によりＨ2 を混合してアークエ
ネルギーの集中性およびアークの広がりの増大を図る、
(2) 開先端部での溶け込みを図る為に端止めの時間を有
するオシレーションを採用する、(3) 開先端部での深溶
込みや底部での安定した溶融性を実現する為に、必要に
応じてアーク電流にパルス制御を加える、更には、(ii
i) ＴＩＧ溶接の場合には、溶融金属の広がりにより例
えば、１層１パスでの融合を可能にすると共に、施工能
率の向上を図る為に、必要に応じてホットワイヤを送給
すること、等の方策を講じることが有効であることを明
らかにしたものである。
テンレス鋼の厚肉鋼材に狭開先のＴＩＧ溶接を施して、
溶接構造物を制作するに当たり、大入熱でも溶接高温割
れを起こさず、且つ健全な溶込みを確保した上で、溶接
部に必要とされる極低温での高強度および高靱性を達成
する為には、(i) 高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤか
ら形成される溶接金属において、オーステナイト安定化
元素であると共に、溶融金属の湯流れ性を阻害するＮｉ
を３〜８質量％に限定する、および(ii)狭開先のＴＩＧ
溶接において、下記(1) 〜(3) の要件を満足させるこ
と、(1) センターガスノズルを有する多重ガスシールド
溶接トーチを用いて、センターガスにＡｒ＋Ｈｅガスの
多元ガスを採用し、必要によりＨ2 を混合してアークエ
ネルギーの集中性およびアークの広がりの増大を図る、
(2) 開先端部での溶け込みを図る為に端止めの時間を有
するオシレーションを採用する、(3) 開先端部での深溶
込みや底部での安定した溶融性を実現する為に、必要に
応じてアーク電流にパルス制御を加える、更には、(ii
i) ＴＩＧ溶接の場合には、溶融金属の広がりにより例
えば、１層１パスでの融合を可能にすると共に、施工能
率の向上を図る為に、必要に応じてホットワイヤを送給
すること、等の方策を講じることが有効であることを明
らかにしたものである。
【００２６】以下、本発明を実施例によって更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２７】
【実施例】被溶接母材としては、下記表１に示す化学成
分からなる板厚１１０ｍｍの極低温用高Ｍｎステンレス
鋼とした。また溶接ワイヤとして、下記表２に示す各種
化学成分を有する１．２ｍｍφのものを用いた。
分からなる板厚１１０ｍｍの極低温用高Ｍｎステンレス
鋼とした。また溶接ワイヤとして、下記表２に示す各種
化学成分を有する１．２ｍｍφのものを用いた。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】上記被溶接母材に、図１に示す様なＵ型開
先を採り、上記溶接ワイヤを用いて下記表３，４に示す
溶接条件にて突き合わせ自動ＴＩＧ溶接（直流、電極マ
イナス：ＤＣ ＥＮ）を行った。このとき、溶接ひずみ
を防止する為に、四周を拘束溶接した後、本溶接を行っ
た。
先を採り、上記溶接ワイヤを用いて下記表３，４に示す
溶接条件にて突き合わせ自動ＴＩＧ溶接（直流、電極マ
イナス：ＤＣ ＥＮ）を行った。このとき、溶接ひずみ
を防止する為に、四周を拘束溶接した後、本溶接を行っ
た。
【００３１】
【表３】
【００３２】
【表４】
【００３３】ＴＩＧ溶接における溶接金属の化学成分組
成を表５に示す。このとき、溶接継手の溶着金属の健全
性を把握する為に、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に規定された
放射透過試験を行ない、判定基準を１級とした。そして
合格材については、４Ｋでの引張り試験を行い（形状：
ＪＩＳ１４Ａ号）、およびＡＳＴＭ Ｅ８１３−８９に
よるＪＩＣ試験を行い、前者については０．２％耐力、
引張強さ、後者については、破壊靱性値ＫICを求めた。
また放射透過試験での不合格品については、欠陥部を断
面ミクロ観察して溶接欠陥の性状を観察した。ＴＩＧ溶
接継手の溶着金属における上記試験結果を表６に示す。
成を表５に示す。このとき、溶接継手の溶着金属の健全
性を把握する為に、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に規定された
放射透過試験を行ない、判定基準を１級とした。そして
合格材については、４Ｋでの引張り試験を行い（形状：
ＪＩＳ１４Ａ号）、およびＡＳＴＭ Ｅ８１３−８９に
よるＪＩＣ試験を行い、前者については０．２％耐力、
引張強さ、後者については、破壊靱性値ＫICを求めた。
また放射透過試験での不合格品については、欠陥部を断
面ミクロ観察して溶接欠陥の性状を観察した。ＴＩＧ溶
接継手の溶着金属における上記試験結果を表６に示す。
【００３４】
【表５】
【００３５】
【表６】
【００３６】これらの結果から、次の様に考察できる。
Ｎｏ．４〜６のものは、夫々センターガス組成、オシレ
ーションの端止め時間、平均入熱量等の溶接条件におい
て本発明で規定する範囲を外れる比較例であり、いずれ
も溶け込み不良が発生し、はずれも放射透過試験での１
級を満足していない。
Ｎｏ．４〜６のものは、夫々センターガス組成、オシレ
ーションの端止め時間、平均入熱量等の溶接条件におい
て本発明で規定する範囲を外れる比較例であり、いずれ
も溶け込み不良が発生し、はずれも放射透過試験での１
級を満足していない。
【００３７】Ｎｏ．１２，１８のものはＮｉの含有量
が、Ｎｏ．１９のものは不純物としてのＯ量が、Ｎｏ．
２０のものは不純物としてのＰｂ量が、夫々本発明で規
定する範囲を外れる比較例であり、その結果下記の特性
が劣化している。即ち、Ｎｏ．１２，１９のものは、４
Ｋでの破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上の要求
特性を満足せず、Ｎｏ．１８，２０のものでは、高温割
れが発生して放射透過試験での１級を満足していない。
が、Ｎｏ．１９のものは不純物としてのＯ量が、Ｎｏ．
２０のものは不純物としてのＰｂ量が、夫々本発明で規
定する範囲を外れる比較例であり、その結果下記の特性
が劣化している。即ち、Ｎｏ．１２，１９のものは、４
Ｋでの破壊靱性値ＫICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上の要求
特性を満足せず、Ｎｏ．１８，２０のものでは、高温割
れが発生して放射透過試験での１級を満足していない。
【００３８】これらに対し、本発明で規定する要件を満
足するもの（Ｎｏ．１〜３，７〜１１，１３〜１７）
は、いずれも放射透過試験での１級を満足する内部品質
を有すると共に、４Ｋでの０．２％耐力、破壊靱性値Ｋ
ICとも極低温用溶接構造物としての要求値を満足するも
のである。
足するもの（Ｎｏ．１〜３，７〜１１，１３〜１７）
は、いずれも放射透過試験での１級を満足する内部品質
を有すると共に、４Ｋでの０．２％耐力、破壊靱性値Ｋ
ICとも極低温用溶接構造物としての要求値を満足するも
のである。
【００３９】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、本
発明の溶接方法を極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の溶接
に適用することによって、高温割れ、溶込み不良等の重
要欠陥が発生せず、４Ｋで高位の０．２％耐力、破壊靱
性値を具備する溶着金属を得ることができる。また本発
明方法によれば、大型化する超電導マグネットコイルの
支持構造体の製作に当たり、高能率の溶接施工が可能に
なり、コスト低減を図ることができる。こうした本発明
方法は、核融合炉やＭＨＤ発電等の分野における実用化
技術の発展に多いに貢献できるものと期待できるもので
ある。
発明の溶接方法を極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の溶接
に適用することによって、高温割れ、溶込み不良等の重
要欠陥が発生せず、４Ｋで高位の０．２％耐力、破壊靱
性値を具備する溶着金属を得ることができる。また本発
明方法によれば、大型化する超電導マグネットコイルの
支持構造体の製作に当たり、高能率の溶接施工が可能に
なり、コスト低減を図ることができる。こうした本発明
方法は、核融合炉やＭＨＤ発電等の分野における実用化
技術の発展に多いに貢献できるものと期待できるもので
ある。
【図１】実施例で用いた開先部材の開先形状例を示す概
略説明図である。
略説明図である。
【図２】ＴＩＧ溶接トーチの構造例を示す断面図であ
る。
る。
【図３】オシレーションおよびアーク電流への低周波パ
ルス制御のパターン例を示す模式図である。
ルス制御のパターン例を示す模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｋ 9/29 Ｂ２３Ｋ 9/29 Ｌ 35/30 ３２０ 35/30 ３２０Ｂ // Ｂ２３Ｋ 9/00 ５０１ 9/00 ５０１Ｇ ５０１Ｓ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｚ 38/58 38/58 (72)発明者 浜中 孝道 兵庫県加古川市金沢町１番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者 柿山 和己 兵庫県加古郡播磨町新島37−４ 神鋼メッ クス株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 高Ｍｎステンレス鋼材を高Ｎ高Ｍｎステ
ンレス鋼溶接ワイヤを用いて狭開先ＴＩＧ溶接によって
溶接するに当たり、Ｎｉを３〜８質量％含有すると共
に、Ｐｂ：０．０００５質量％以下およびＯ：０．００
５質量％以下に夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶
接ワイヤを使用し、且つ下記（Ａ）〜（Ｃ）の溶接条件
を満足する様にして操業することを特徴とする極低温用
高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法。 （Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の
溶接トーチを適用する。 （Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量
％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表
面をシールドする。 （Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーション
を行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。 - 【請求項２】 溶接中にアーク電流に同期させたパルス
制御を加える請求項１に記載の溶接方法。 - 【請求項３】 ホットワイヤを送給する請求項１または
２に記載の溶接方法。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方
法によって得られたものであり、４Ｋでの０．２％耐力
が１０００Ｎ／ｍｍ2 以上であり、且つ破壊靱性値ＫIC
が１４０ＭＰａ・√ｍ以上である狭開先溶接部を有する
ことを特徴とする溶接構造物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00267698A JP3758350B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法および極低温靱性に優れた溶接構造物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00267698A JP3758350B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法および極低温靱性に優れた溶接構造物 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11197836A true JPH11197836A (ja) | 1999-07-27 |
| JP3758350B2 JP3758350B2 (ja) | 2006-03-22 |
Family
ID=11535920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00267698A Expired - Lifetime JP3758350B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法および極低温靱性に優れた溶接構造物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3758350B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004298944A (ja) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | Nippon Sanso Corp | 溶接用シールドガスおよび溶接方法 |
| KR20160078621A (ko) * | 2014-12-24 | 2016-07-05 | 주식회사 포스코 | 고망간강용 tig 용접 재료 |
| CN106956063A (zh) * | 2017-05-29 | 2017-07-18 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种利用堆焊材料焊接钻头的方法 |
| CN107052537A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-08-18 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种利用硅碳掺杂堆焊材料焊接钻头的方法 |
| CN107088694A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-25 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种碳硅掺杂堆焊材料的焊接方法 |
| CN107097020A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-29 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种碳硅掺杂堆焊材料的制备方法 |
| CN107150189A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-09-12 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种复合堆焊材料的制备方法 |
| CN107175388A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-19 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种碳掺杂复合堆焊材料的堆焊方法 |
| CN108067708A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-25 | 中广核工程有限公司 | 核电站乏燃料水池不锈钢覆面自动焊接方法 |
| CN114131154A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-03-04 | 中广核研究院有限公司 | 反应堆主设备低合金钢接管焊接方法 |
-
1998
- 1998-01-08 JP JP00267698A patent/JP3758350B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004298944A (ja) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | Nippon Sanso Corp | 溶接用シールドガスおよび溶接方法 |
| KR20160078621A (ko) * | 2014-12-24 | 2016-07-05 | 주식회사 포스코 | 고망간강용 tig 용접 재료 |
| CN107052537A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-08-18 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种利用硅碳掺杂堆焊材料焊接钻头的方法 |
| CN107150189A (zh) * | 2017-05-10 | 2017-09-12 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种复合堆焊材料的制备方法 |
| CN107088694A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-25 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种碳硅掺杂堆焊材料的焊接方法 |
| CN107097020A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-08-29 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种碳硅掺杂堆焊材料的制备方法 |
| CN107175388A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-09-19 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种碳掺杂复合堆焊材料的堆焊方法 |
| CN106956063A (zh) * | 2017-05-29 | 2017-07-18 | 苏州南尔材料科技有限公司 | 一种利用堆焊材料焊接钻头的方法 |
| CN108067708A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-25 | 中广核工程有限公司 | 核电站乏燃料水池不锈钢覆面自动焊接方法 |
| CN114131154A (zh) * | 2021-11-04 | 2022-03-04 | 中广核研究院有限公司 | 反应堆主设备低合金钢接管焊接方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3758350B2 (ja) | 2006-03-22 |
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