JPS62286677A - ２相ステンレス鋼材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐孔食性が良好なオーステナイト・フェライト
２相ステンレス鋼材同士を突合せ溶接した場合の溶接部
も耐・孔食性を良好とし得る２相ステンレス鋼材の溶接
方法を提供するものである。

〔従来技術〕

油井、ガス井にて採取された油、ガスを輸送するために
オーステナイト・フェライト２相ステンレス溝管が使用
されている。これは、浦、ガス中に腐食作用があるＣＯ
２、ＣＩ−、Ｎａ　”　、　　Ｈ２Ｓ等を含むか・らで
あ怜、また鋼管が海水に？＋？Ｍ又は接触した状態で使
用されることが多く、海水による腐食を防止するためで
ある。更に、３０℃の塩化第２鉄溶液への浸漬テスト（
ＡＳＴＭ　Ｇ４８）に合格することが要求されるからで
ある。

そして、上記２相ステンレス鋼管を？ｇ接して連結する
場・合、腐食環境下での使用であるため、母材成分と同
程度の組成の溶接心線を用いて？ｇ接している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述のようにして連結される鋼管は、母
材が浸漬テストに合格しても溶接部が不合格となること
があった。これは、母材と同組成の溶接心線を使用して
溶接しても耐孔食性に有効な元素、例えばＣｒ、　Ｍｏ
、　Ｎ等がＣｒ２３Ｃ６＋Ｆｅ　２　Ｍｏ。

Ｃｒ２　Ｎとして析出し、母材よりも溶接部で少なくな
り、また、高温の溶接部では組織がフェライト単相とて
り易く、このフェライト相がＮを殆ど固溶しないためで
ある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、耐孔
食性が良好な溶接部を得ることができる２相ステンレス
鋼材の溶接方法を提供することを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は２相ステンレス鋼材の溶接部をオーステナイト
・フェライトの２相組織としてＮを固溶せしめ得るガス
によりシールし、また耐孔食性に有効な元素及び熔融金
属中でＮを固溶させ易くする元素を含んだ組成の心線を
用いて溶接する。部ち、本発明に係る２相ステンレス鋼
材の溶接方法は、オーステナイト・フェライト２相ステ
ンレス鋼材同士を突合せて多層盛溶接を行う方法におい
て、酸素ガス及び／又は二酸化炭素ガスを体積率で１乃
至５％以上含む不活性ガスとの混合ガスにより突合せ部
周辺をシールし、また組成が重量率でＣ≦０．０６％、
　Ｓｉ５１％、　ｌ’Ｉｎ≦２％、Ｐ≦０．０３％。

Ｓ≦０．０１％、　Ｃｒ　：　２０〜２８％、　Ｎｉ　
：　６〜１２％、Ｍｏ：２．５　〜４．５　　％、　　
Ｓｏｌ、　　八β≦０．３　　％、Ｎ：０．１３〜０．
３％を含み、残部が実質的にＦｅよりなり、またＣｒ＋
３Ｍｏ　　＋ｉ、ｓ　Ｗ＋１６Ｎ≧３４．５．　−２　
　（Ｃｒ２３Ｃ６＋１．５Ｗ＋１６Ｎ）＋６０≦Ｎｉ＋
３０　（Ｃ＋Ｎ）　　＋０．５Ｍｎ　　＋（１，２−１
，１・（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ　）≦−３を満足する
溶接心線を用いて溶接することを特徴とする。

〔作用〕

本発明にあっては、シールド用の混合ガスより窒素を固
溶させ易くする酸素、二酸化炭素が、また、熔融金属中
の窒素の活量を向上させ得、或いは耐孔食性を向上させ
１尋るＣｒ、　Ｍｏ、　Ｗ、　Ｎｉ、等の元素及び窒素
が溶接心線より溶接部へ与えられる。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第１図は本発明をガスタングステンアーク溶接方法（Ｇ
Ｔ静）に通用した場合の実施状態を示す模式的縦断面図
であり、図中１は被溶接材たるオーステナイト・フェラ
イト２相ステンレス鋼管（以下単に鋼管という）である
、鋼管１はこれを軸長方向に突合せ溶接すべく相対向す
る鋼管１′の端面に突合せられており、突合せ部には全
周に亘って例えばＶ形開先が設けられている。また、鋼
管ｌは後に説明するように、組成がＣｒ＋３Ｍｏ　＋１
．５　Ｗ＋１６Ｎ≧３２．７であり、組織がフェライト
の体積／オーステナイトの体積比率が４０〜６０（体積
％）であるものが好ましい。

開先の外側にはタングステン電極５及び溶接心線４例え
ば溶接ワイヤが鋼管１の周方向に回動可能に図示しない
移動手段により設けられており、タングステン電極５の
外側はその先端側に向けてシールド用の混合ガス（以下
シールドガスという）６、例えば酸素ガス及び／又は二
酸化炭素ガスを体積率で１乃至５％含む靜ガス、１１ｅ
ガス等の不活性ガスとの混合ガスが噴出されるようにな
っており、溶接部のシールがなされる。

前記Ｖ形量先部の管内側には、管内径より少し小さい外
径であって管と同心状に設けられた円筒部の両端に、夫
々鋼管１及び１′の内面に達するように、つまり外径が
鋼管１，１′の内径に等しく、内径が上記円筒部の内径
に等しい中空円＄状の側板が取付けられたバッキング装
置２が設けられており、バンキング装置２と鋼管１及び
１′とで囲まれた領域にはバックシールド用の混合ガス
（以下バンキングガスという）３が供給されるようにな
っている。

バッキングガス３はシールドガス６同様、Ｍｆｆｉガス
及び／又は二酸化炭素ガスを体積率で１乃至５％含む不
活性ガスとの混合ガスを使用し、その圧力は外気圧と等
しいか宕干高い値とし、常に連続的に一定！補充する状
態にしておく。

図示しない溶接電源からの通電によりタングステン電極
５の先端からアークが発生すると前記溶接心線４及び鋼
管ｌ、１′の開先部が溶融されて初層の溶接部５！１ａ
が形成される。

この溶融金属１ａは主として母材たる鋼管１，１′が熔
融したものからなり、熔融の際、管外側をシールドガス
６により、また管内側をバフキングガス３によりシール
する。このため、溶接部ｇｌａには酸素及び／又は二酸
化炭素が所要量含有せしめられ、溶接金属１ａはオース
テナイトとフェライトの２相組織となる。また、溶接心
線４として次の組成のものを使用して溶接する。即ち、
重量率でＣ≦０．０６％＋　Ｓｉ５１％、　Ｍｎ５２％
、Ｐ≦０．０３％。

Ｓ≦０．０１％、　Ｃｒ　：　２０〜２８％、　Ｎｉ　
：　６〜１２％１ＭＯ：２．５〜４．５％、　Ｓｏｌ、
　Ａｌ≦０．３％、Ｎ　：　０．１３〜０．３％を含ん
でいるか又はこれらにＷ≦１％、　Ｃｕ５２％の１種以
上を更に含んでおり、残部が実質的にＦｅよりなり、ま
た下記（１１，＋２１．　＋３１式を満足する溶接心線
を使用する。

Ｃｒ＋３Ｍｏ　＋１．５　Ｗ＋１６Ｎ≦３４．５　　　
−＋１１Ｎｉバランス≦−３・・・（２） Ｎｉバランス≧−２Ｐ、１．　　＋６０　　　　　　・
・・（３）但し、Ｎｉバランス＝Ｎｉ＋３０　（Ｃ＋Ｎ
）　　＋０．５Ｍｎ十８．２　−１．１　　・（Ｃｒ＋
Ｍｏ＋１．５５ｉ　　）　　＜ｉｉ量％）Ｐ、１．−Ｃ
ｒ＋３Ｍｏ　　＋ｔ、ｓ　　Ｗ　＋１６Ｎ　　（ｉｌｊ
量％）これにより、溶接金属ｌａ中には窒素が更に入り
、またこの他にＣｒ、Ｍｏ、　　Ｗ、　Ｎｉ等が入る。

またバンキングガス３が常に一定流量で補充されており
、このため溶接部Ｎ１ａは組成変化がない。

斯かる溶接は前述の溶接金属を形成しながら開先に沿っ
て順次進行、すなわちアークが発生しているトーチを管
の周方向に移動させて、連続的に窒素を吸収した溶接金
属ｌａを形成でき、それによって耐孔食性にすぐれた溶
接金属１ａを得ることが可焼となる。

その後、溶接金屈ｌａ上を溶接する。このときの２層目
以降の溶接金属は主として溶接心線４が溶融されたもの
によりなっており、シールドガス６中の酸素ガス及び／
又は二酸化炭素ガスにより溶接心線４中の窒素が、２層
目以降の溶接金尿にこれらのガスを含まない場合に比べ
て多く含有され、また、溶接心線４中に含有せしめたＣ
ｒ、　Ｍｏ、　Ｗ。

Ｎｉ等が２層目以降の溶接金属に含有される。

従って、厚み方向全域に亘って耐孔食性に優れた溶接部
を得ることが可能である。

次にバンキングガス３．シールドガス６及び溶接心線４
の組成限定理由について述べる。

バンキングガス：第２図は横軸にバッキングガス中の０
２　、　ＣＯ２の体Ｈ１混合率（％）をとり、縦軸に初
層の溶接金属中の窒素ガス含有率（重量％）をとって、
両者の関係を示したグラフであり、Ｑ印は０２ガスを、
Δ印はＣ０２ガスをバッキングガスの構成分として用い
た場合であり、φ印は溶接心線中の窒素含有率を示す。

ｏ２及び／又はＣ０２ガスが体積率で１％以下又は５％
以上のバンキングガスの場合には耐孔食性に有効である
Ｎの溶接金属中への吸収量が少なく、このために孔食を
防止できない。また、５％以上の場合にはブローホール
が生じる。従ってバンキングガスはｏ２及び／又はＣ０
２ガスを体積率で１乃至５％含有する不活性ガスとの混
合ガスとした。

シールドガス：第３図は横軸にシールドガス中の窒素ガ
スの体積混合率（％）をとり、縦軸に２層目以降の溶接
金属中の窒素ガス含有率＜ｒｉｍ％）をとって、両者の
関係を示したグラフであり、Ｏ印、Δ印、・印は第２図
と同様である。０２及び／又はＣ０２ガスが体積率で１
％以下又は５％以上のシールドガスの場合には、心線中
に含まれる窒素による溶接金属中のＮ％上昇分を考慮し
ても耐孔食性に有効であるＮの溶接金属中への吸収量が
少なく、このために孔食を防止できない。また５　　。

％以上の場合にはブローホールが生じる。従ってシール
ドガスはｏ２及び／又はＣＯ２ガスを体積率で１乃至５
％含有する不活性ガスとの混合ガスとした。

溶接心線： （ａｌ　　Ｃ Ｃ含有量が０．０６％を超えると結晶粒界にＣｒ系炭化
物が形成されると共にＣｒ欠乏層が生じ、これが孔食の
起点となる。このことから、Ｃ含有量を正量率で０．０
６％以下と定めた。

山）　　別 Ｓｉは鋼のＪ１１１！ｍ成分として必要であるが、その
含有量が１．０％を超えると靭性が劣化することから、
Ｓｉ含有量は重量率で１．０％以下と定めた。

ｔｅｌ　　　Ｍｎ ＭｎはＳｉと同様に鋼の脱酸成分として好ましいものが
あるが、耐食性能にほとんど影響を及ぼさない成分であ
る上、多！ｌ添加は経済的不利につながることから、Ｍ
ｎ含有量は２．０％以下と定めた。

＋ｄ）　　　Ｐ Ｐは鋼中へ不可避的に随伴される不純物元素の１つであ
るが、その含有量が０．０３％を超えると割れ感受性が
高まることから、Ｐ含有量を０．０３％以下と定めた。

［ｅｌ　　Ｓ Ｓも鋼の不可避的不純物元素の１つであるが、その含有
量が０．０１％を超えると靭性の劣化を招くことから、
Ｓ含有量は０．０１％以下と定めた。

（ｆｌ　　　Ｃｒ Ｃ「には鋼の耐孔食性を向上させる作用があり、かつフ
ェライト相の生成を助長する元素であるが、その含有量
が２０％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方、２８％を超えて含有させるとσ脆性も発生しやすく
なる上、所望のＮｉバランスを確保するのが困難となる
ことがら、Ｃｒ含有量は２０〜２８％と定めた。

Ｉｇ’ｌ　　　Ｎｉ Ｎｉはオーステナイト相を生成するのに極めて有効な成
分であり、所望のＮｉバランスを確保してフェライト相
とオーステナイト相の比を１近傍に調整する必要上、Ｎ
ｉ含有量は６〜１２％と定めた。

（ｈｌ　　Ｍ。

ＭｏにはＣｒと同様に鋼の耐孔食性を向上させる作用が
あり、その添加効果はＣ「よりも大きく、しがちフェラ
イト相の生成を助長する元素でもある。

そして、Ｍｏ含有量が２．５％未満では所望の耐孔食性
を確保することができず、一方、４．５％を超える含有
させると鋼の靭性を害するようになることから、Ｍｏ含
有量は２．５〜４．５％と定めた。

（１）Ｎ Ｎは鋼が腐食された場合にＮｌｌコを形成して腐食性溶
液と鋼との界面のｐＨをアルカリ側に移す作用があると
言われており、鋼の耐孔食性向上に有効な元素である。

また、オーステナイト相の生成を促す元素としても知ら
れている。そして、Ｎ含有量が０．１３％未満では所望
の耐孔食性を確保することができず、一方、０．３０％
を超えて含有させると靭性の劣化が著しくなることがら
Ｎ含有量は０．１３〜０．３０％と定めた。

ｆｊｌ　　Ｓｏｌ、Ａｌ ５ｏ１．ＡＩは、Ｓｉ及びＭｎと同様に鋼の脱酸成分と
して有効なものであり、０．３％までの含有量ではこの
発明の２相ステンレス鋼の特性に悪影響を及ぼすことが
ないことから、Ｓｏｌ、ＡＩ含有量を０．３％以下と定
めた。

［ｋｌ　　Ｗ及びＣｕ これらの成分には鋼の耐食性をより一層向上させる作用
があるので、必要により１種または２種の添加がなされ
るものである。特にＷはＭｏと同様の作用を有している
ものであるが、経済性を考慮してその含有量を１．０％
以下と定め、一方、Ｃｕ含有量が２．０％を超えると靭
性が劣化することから、Ｃｕ含有量は２．０％以下と定
めた。

ｆｌＪ　　Ｐ、［、値 式、Ｐ、１．＝Ｃｒ＋３Ｎｏ　＋　１．５Ｗ＋１６Ｎ　
（正４１％）で算出されるＰ、　１．値が３４．５未満
では良好な耐食性が発揮されず、３４．５以上の範囲で
はじめて汚泥を含む海水環境中においても優れた耐食性
を示すようになることから、Ｐ、　［、値を３４．５以
上と限定した。

ｆｍｌ　　Ｎｉバランス値 式、 Ｎｉバランス＝Ｎｉ＋３０　（Ｃ＋Ｎ）　　＋０．５Ｍ
ｎ　　＋８．２１．１・（Ｃｒ＋Ｍｏ＋　１．５５ｉ）
　　　（ｆｆｌＩ！％）で算出されるＮｉバランス値が
≦−３がっ≧−２Ｐ、　［。

＋６０を満たすと、汚泥を含む海水環境等の過酷な条件
で所望の優れた耐孔食性を確保できる。Ｎｉバランスが
一３以上では凝固形態がα＋γ凝固となり、α中にσが
生成し、このσが耐孔食性を劣化させるため、Ｎｉバラ
ンス≦−３とする。Ｎｉバランスが一２Ｐ、１．＋６０
未ｇ　”ｔ？　ハｃｘ　ｆｆｆが多く　、Ｃｒ２３Ｃ６
，Ｃｒ２　Ｎ。

Ｆｅ　２　Ｍｏ等の析出物の近傍のＣｒ、　Ｍｏ、　　
Ｎの成分が少なくなったところで孔食が発生するため、
Ｎｉバランスを一２Ｐ、［、＋６０以上とする。

ところで、母材は組成がＣｒ＋３Ｍｏ　＋　１．５Ｗ＋
１６Ｎ≧３２．７　（重量％）、α／γ比率が４０〜６
０（体積％）であれば、母材自体の耐孔食性が良好であ
り、また溶接部の耐孔食性に影響を与えない。

第４図は本発明の他の実施例を示す模式図であり、本発
明をガスメタルアーク溶接法１！ｐちＧＭＡＷ熔接法に
通用した場合を示す、第１図と同一部分には同一番号を
付している。この溶接法による場合は、溶接ワイヤ４の
先端が熔融され、これがアークとなって、鋼管１．１′
を突合せた開先部が溶接されて初層の溶接金属１ａ等が
形成される。

この場合であっても、鋼管１１’の内側、外側を夫々前
同様のバンキングガス３、シールドガス６にてシールし
、また組成を規定した前同様の溶接心線４を使用して溶
接する限りは、溶接金属中に固溶窒素を量論的に確保で
き、これにより耐孔食性に優れた溶接部を得ることがで
きる。

次に、溶接心線、バンキングガス及びシールドガスの組
成を種々変更して溶接した場合の各ｆ６接部の耐孔食性
について説明する。

第１表は用いた心線、バンキングガス及びシールドガス
の各組成、母材の組成、溶体化（１０５０℃ｘ２ｈｒ）
の有無、溶接法の種類、ＡＳＴ−Ｇ４Ｂ規定（３０℃）
の試験結果をまとめた表であり、試験結果の○印は孔食
発生がなかった場合、ｘ印は孔食が発生した場合を夫々
示している。

実施例の中の太線は本発明により溶接した場合の試験結
果を示しており、従来例及び実施例の太線を外れた部分
は本発明に該当しない溶接による場合による場合の結果
であり、比較例１は母材のＰ、１．が好ましい範囲の下
限値３２．７よりも小さい場合の結果であり、比較例２
は母材のα／γ比率が４０％〜６０％を外れる場合の結
果である。試験片としては第５図に示す如く肉厚ｔｏｍ
の鋼管を溶接してできた管外側が幅１５ｍ５の溶接部の
周りから、管軸長方向に４０−１周方向に２０．、で採
取したものを使用した。

この表より理解される如く、本発明による場合（太線部
分）に息げ材と共に溶接部でも腐食テストに合格させｆ
、’ｉる。また、母材についてはα／γ比率、Ｐ、１．
値等を厳選したものを使用するのが母材、溶接部共に耐
孔食性を合格させる上で好ましい。

斯かる本発明により溶接した場合は溶接した管に腐食を
促進するような化学薬品等を流しても溶接部ＦＡ　１　
ａに孔食の発生がない。また管を海水中に浸漬しても管
外側の溶接金属に孔食の発生がない。

なお、上記実施例ではオーステナイト・フェライト２相
ステンレス鋼管を溶接しているが、本発明はこれに限ら
ずオーステナイト・フェライト２相ステンレス鋼板等他
の形状のものにも通用できることは勿論である。

〔効果〕

以上詳述した如（本発明による場合は、溶接部に窒素を
所要量含有せしめ得るので、耐孔食性が良好な溶接部を
得ることができ、このため溶接部が海水、油、ガス、化
学薬品等と接触しても孔食の発生がなく、長期に亘って
破壊のない構造物等の製造が可能となる等、本発明は優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施状態を示す模式的縦断面図、第２
図はバンキングガス中の窒素ガス量と初石の溶融全屈の
窒素量との関係を示すグラフ、第３図はシールドガス中
の窒素ガス量と２層目以降の熔融全屈の窒素量との関係
を示すグラフ、第４図は本発明の他の実施例を示す模式
的縦断面図、第５図は腐食テスト用の試験片を示す模式
図である。 １．１′・・・オーステナイト・フェライト２相ステン
レス鋼管　　１ａ・・・溶接全屈　　３・・・バッキン
グガス　　４・・・ン容度心線　　６・・・シールドガ
ス中　許　出願人　　住友金屈工業株式会社代理人　弁
理士　　河　　野　　登　　夫７クツ今ノグがス中の（
ｈ、Ｃ（ｈｔｒＩ＃寅混合学図）第　２　図 シールドがス中のＯｓ　、　ＣＯ２の体積滉合牢Ｃ％ン
第３図 第ダ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、オーステナイト・フェライト２相ステンレス鋼材同
   士を突合せて多層盛溶接を行う方法において、 酸素ガス及び／又は二酸化炭素ガスを体積率で１乃至５
   ％含む不活性ガスとの混合ガスにより突合せ部周辺をシ
   ールし、また組成が重量率でＣ≦０．０６％、Ｓｉ≦１
   ％、Ｍｎ≦２％、Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．０１％、Ｃ
   ｒ：２０〜２８％、Ｎｉ：６〜１２％、Ｍｏ：２．５〜
   ４．５％、Ｓｏｌ、Ａｌ≦０．３％、Ｎ：０．１３〜０
   ．３％を含み、残部が実質的にＦｅよりなり、またＣｒ
   ＋３Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１６Ｎ≧３４．５、−２（Ｃｒ＋
   ３Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１６Ｎ）＋６０≦Ｎｉ＋３０（Ｃ＋
   Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋８．２−１．１・（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１
   ．５Ｓｉ）≦−３を満足する溶接心線を用いて溶接する
   ことを特徴とする２相ステンレス鋼材の溶接方法。