JPH11197838A - 極低温用高Mnステンレス鋼材の狭開先MIG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MIG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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Abstract
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MIG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6〜8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使用
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)溶接ワイヤ周囲のセンターガスとして、Heを2
0容量%以上およびO2 を0.5〜2容量%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20KJ/cm以上とする。
Description
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
MIG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。
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が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。
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基合金の溶接ワイヤを用いてTIG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。
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。
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。
に着目してなされたものであって、その目的は、溶接施
工効率をより向上させるために狭開先とし、且つTIG
溶接に比べてより迅速な溶着が可能なMIG溶接法に関
して、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MIG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。
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MIG溶接によ
って溶接するに当たり、Niを6〜8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MIG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)溶接ワイヤ周囲のセンターガスとして、Heを2
0容量%以上およびO2 を0.5〜2容量%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20KJ/cm以上とする。
ク電流にパルス制御を加えることも有効であり、こうし
た要件を付加することによって、融合不良を回避してよ
り健全な溶着金属を得ることができる。
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。
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となく、また真空チャンバ
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。
ンレス鋼溶接用ワイヤを使用する必要があるが、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。
%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。また本発明ではMIG溶接のシールドガスに混合
されるO2 が溶着金属に入り易く、基地の靱性を劣化さ
せるので、この靱性劣化礎を補償する為にも、Niの含
有量を6質量%以上とする必要がある。しかしながら、
Niの含有量が8質量%を超えると、溶着金属に高温割
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6.5質量%であり、好ましい上限は7.5
質量%である。
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。
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、溶接ワイヤ中のO含有量は0.00
5%以下に抑制する必要があり、好ましくは0.003
5質量%以下にするのが良い。
Ni,Pb,O量の限定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
本組成として高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。
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、0.1
5〜0.25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な元素である。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%以上とすることが好ましい。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含有量のより好ましい範囲は、20〜25質
量%程度である。
レス鋼溶接ワイヤを用いた狭開先のMIG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)溶接ワイヤ周囲のセンターガスとして、Heを2
0容量%以上およびO2 を0.5〜2容量%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20KJ/cm以上とする。
(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、狭開先におけ
る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。
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、20容量%以上含有させることが必要
である。
安定化に寄与する効果があり、その為にセンターガス中
に0.5容量%以上のO2 を含有させる必要がある。し
かしながら、O2 の含有量が2容量%を超えて過剰にな
ると、溶融金属が過剰に酸化されてスラグ巻込みや融合
不良が発生し易くなると共に、ビード表面の酸化度合も
増大する。
C EP)の場合には、直流、電極マイナス(DC E
N)の場合に比べて溶込みが深くなり、狭開先溶接には
有利となるのであるが、シールドガスがAr単独のとき
に直流、電極プラスの条件でMIG溶接するとアークが
不安定になり、溶込み不良や融合不良を発生し易くな
る。従って、センターガス中にHeやO2 を混合するこ
とは、直流、電極プラスの条件を採用した場合の上記不
都合を回避するという観点からも有効である。
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、溶け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容量%とすることが好ましい。
先を溶込ませる必要があるので、オシレーションでの開
先端止め時間が0秒では溶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、
MIG溶接の場合には、20KJ/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、平均入熱量は20KJ/cm以上とする必要があ
る[以上、上記(B)の条件]。
肉化および狭開先の進行に合わせて、溶接中にアーク電
流にパルス制御を加えることが好ましく、この要件は開
先端部での深溶け込みおよび安定した溶滴移行を実現
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。
テンレス鋼の厚肉鋼材に狭開先のMIG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6〜8質量%に限定する、および(ii)狭開先のMIG
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
みおよび安定した溶滴移行を実現する為に、必要に応じ
てアーク電流にパルス制御を加える、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。
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・後記の趣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。
分からなる板厚110mmの極低温用高Mnステンレス
鋼を用いた。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。
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MIG溶接を行った。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。
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での引張試験(形状:JIS1
4A号)を行うと共に、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。MIG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。
No.4〜7のものは、センターガス組成、オシレーシ
ョンの端止め時間、平均入熱量等のいずれかの溶接条件
において本発明で規定する範囲を外れる比較例であり、
いずれも溶込み不良が発生し、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。
足するもの(No.1〜3,8〜11,13〜17)
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。
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。
略説明図である。
る。
ルス制御のパターン例を示す模式図である。
Claims (3)
- 【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MIG溶接によって
溶接するに当たり、Niを6〜8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MIG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)溶接ワイヤ周囲のセンターガスとして、Heを2
0容量%以上およびO2 を0.5〜2容量%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20KJ/cm以上とする。 - 【請求項2】 溶接中にアーク電流にパルス制御を加え
る請求項1に記載の溶接方法。 - 【請求項3】 請求項1または2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 |
---|---|---|---|
JP00267798A JP3695925B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 極低温用高Mnステンレス鋼材の狭開先MIG溶接方法および極低温靱性に優れた溶接構造物 |
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Country Status (1)
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- 1998-01-08 JP JP00267798A patent/JP3695925B2/ja not_active Expired - Lifetime
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