JPS6245478A - 二相ステンレス鋼のパイプ溶接方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はパイプの造管溶接に係り、特に溶接部の耐食性
の劣化を低減することを目的とした二相ステンレス鋼の
パイプ溶接方法に関するものである。

（従来の技術） 近年、海水による熱交換全初めとする海水利用あるいは
石油、天然ガスの掘削環境の苛酷化に伴って、油井管、
ギャザリングパイプ等に、塩化物環境下で使用に耐える
新たな高耐食・高強度材料として、二相ステンレス鋼の
適用が検討されている。

二相ステンレス鋼はフェライト・オーステナイトが通常
的１：１の比で微細・層状に混在した組織で、オーステ
ナイト系ステンレス鋼における欠点である塩化物環境で
の応力腐食割れや、フェライト系ステンレス鋼の欠点で
あるサワー環境での水素誘起割れ等にも抵抗力があり、
耐粒界腐食性にも優れた材料である。

第２図はＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ三元系におけるＦｅ　ｌ）ソ
チサイドの模式的な凝二元系状態図（Ｆｅ濃度一定）で
あり、点線は二相ステンレス鋼の成分位置である。

二相ステンレス鋼は、融点直下の高温に加熱されるとフ
ェライト単相となり、温度が低下するに従い、フェライ
ト粒界にオーステナイト相を析出する。従って母材では
固溶化熱処理を施すことにより、フェライト量とオース
テナイト量が、はソｌ：コ−の相バランス比になるよう
に成分設計されている。

一方溶接部では、溶接材料によって溶製された溶接金属
は、溶融状態からフェライトを晶出して、フェライト単
相で凝固を完了し、常温まで冷却される過程でオーステ
ナイトを析出する。このオーステナイトは、非常に粗大
化したフェライト粒とその粒界から、針状あるいはウィ
ドマンステッテン状に発達した組織となる。

溶接のような短時間冷却による非平衡プロセスでは、析
出オーステナイト量は平衡量に達しなく、その割合いは
母材に比べて少く、このオーステナイト相の減少はＣ，
Ｎをフェライト相に炭・窒化物として析出しやすくする
。

このような二相ステンレス鋼を溶接するため、従来の技
術として、たとえば特開昭５８−９３５９３号公報には
、二相ステンレス鋼溶接材料に関し、オーステナイト生
成元素であるＮ１当量から、溶接金属組成を検討したこ
とが記載しであるが、溶接方法の観点から、溶接部の耐
食性の劣化の低減についてアプローチしたものはない。

このように二相ステンレス鋼の溶接部で生ずる相バラン
スの崩れ、組織形態、炭・窒化物の析出等は、溶接部の
耐食性の劣化をきたすという問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、これらの問題点を解決した二相ステンレス鋼
の新しいパイプ溶接技術を提供することを目的とするも
のである。

即ち本発明者らは、種々の研究を重ねた結果、以下の知
見を得た。まず急冷の非平衡プロセスでライト量は増加
するが、炭・窒化物の析出領域に停滞する時間も短かい
ことから析出量は少い。また溶込量も少ないため、母材
希釈率が小さく、溶接金属成分の調整がしやすいことが
わかった。

一方冷却速度が遅い場合、非平衡度が小さくなることが
らオーステナイト量は増す。すなわち、小入熱溶接より
、大入熱溶接の方がオーステナイト量が多くなる。また
適当な温度に再熱されると、未変態部分の変態が促進さ
れ、平衡の相バランスに近づこうとするため、オーステ
ナイト量が改善されるという知見を得た。

この場合オーステナイト量の改善は、再熱温度が９００
℃〜１３００℃間でオーステナイト量が増加することが
判った。さらに再熱温度が、９００℃〜１３００℃間で
は昇温過程中、炭・窒化物等析出物の再固溶が起り、そ
の后の昇温・冷却過程で、オーステナイトが生成して平
衡に近づこうとし、捷た再熱によって生成するオーステ
ナイトが、フェライト中非常に微細に多数分布するので
、との再熱組織中には、析出物が殆んどないという知見
も得た。

（問題点を解決するための手段、作用）本発明の要旨は
、フェライト・オーステナイトからなる二相ステンレス
鋼のアーク溶接において、初層を８００℃〜５００℃の
冷却時間が、１０秒以内の小入熱溶接で行い、次に開先
内盛上げを、同冷却時間が４５秒以上となる大入熱溶接
で実施し、しかるのち、非消耗電極アークを用いて、ビ
ード表面’１９００℃〜１３００℃に再熱することを特
徴とする二相ステンレス鋼のパイプ溶接方法にある。

以下本発明の詳細な説明する。

まず最初に本発明において、二相ステンレス鋼とは、Ｄ
ＩＮＩ　−４４６２相当のＣｒ２１％／２３％（以下同
じ）、Ｎｉ　４．５／　６．５　、　Ｍｏ　２．５／　
３．５　、　Ｍｎ＜２．０　、　ｃ＜ｏ、ｏ　３　、　
Ｓｉ　＜１．０　、　Ｎ　Ｏ，０８７０，２の成分範囲
のものを指す。

次に第１図に、本発明によるパイプ溶接の実施態様につ
いて示す。同図において、パイプ１のシーム溶接をする
のに初層溶接として、小入熱アーク溶接２を行う。

この小入熱溶接とは消耗電極アーク、非消耗電極アーク
のいずれによってもよく、ＭＩＧ　、　ＴＩＧ。

プラズマアーク等が適当である。次に開先内を盛上げる
溶接は、大入熱アーク溶接３、例えば単電極又は多電極
のサブマージアーク溶接によって行なわれる、。

しかるのち非消耗電極アーク４によるアーク熱によって
、ビード表面の再加熱を行うものである。

この非消耗によるアーク熱源としては、揺動ＴＩＣ）ア
ーク、広ｒｉＪプラズマアーク等のような、電極が消耗
しないものをいい、熱量だけを追加するものであって、
溶加材を添加するためのものではない。

次に本発明による溶接ビードの生成状況を、第３図の概
念図に示す。

初層溶接５を、８００℃〜５００℃の冷却時間が１０秒
以内とする小入熱アーク溶接で行うのは、（′、Ｎの析
出を少く、母材の希釈率を小さくするとともに、のど厚
ａを小さくすることによって、次層浴接で充分な前記の
再熱効果を受けるようにするためである。

なお冷却時間が１０秒超では、Ｃ，Ｈの析出抑制効果が
充分でない。開先内の盛上げを大入熱アーク溶接７で行
うのは、初層溶接部に充分な再熱部６を与えるためと、
溶接能率を向上し、さらに８０　（１℃〜５００℃の冷
却時間を４５秒以上とするのは、大入熱アーク溶接３に
よって冷却速度金運くすることにより、だ１、冷による
相バランスの非平衡度を小さくするためである。

なお、冷却時間が４５秒未満では相バランスの非平衡度
を小さくする効果が充分でない。これらの場合、冷却時
間を制御する温度範囲を、８００℃〜５００℃としたの
は、通常一般に溶接の冷却速度は、８００℃〜５００℃
の冷却時間で整理されることに基いている。

次に非消耗電極アーク４を用いてビード表面を、約９０
０℃〜］３００℃の間に加熱するのは、大入熱溶接部の
ビード表面層８を、さらに相バランス、組織、析出物の
改質を行うためである。すなわち、昇温過程中で、析出
物の再固溶を起させ、その后の昇温・冷却過程でオース
テナイトを生成させて、平衡に近づけるためである。

なお、１３００℃より高い再熱では、フェライトリッチ
或はフェライト単相となることから、再熱の上限温度は
１３００℃とした。また９００℃未満では低温であるた
め、オーステナイトの生成が進みに＜＜、析出域である
ため、むしろオーステナイト生成元素であるＣ、Ｎが析
出物として析出する。

このように本発明は、溶接熱量の組合せ・配分を選定す
ることにより、二相ステンレス鋼のパイプ溶接部の相バ
ランスの崩れ、組織形態、炭・窒化物の析出によって生
じる耐食性の劣化を低減すなものである。

以−ド実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明
する。

（実施例） 第１表に示すとおりの母材成分組成を有する板厚１６ｇ
の二相ステンレス鋼板を、管径６０９■φのパイプに造
管溶接を行った。

溶接材料は、共金成分系であり、同表下段に示す組成の
溶接材料を溶製し、これを４，０φＵと１．２φ藺のワ
・イヤに線引し、ＭｘＧ浴接用、サブマージアーク溶接
用のワイヤとした。

ＭＴＧ溶接のシールドガスには２０チＣＯ２＋Ａｒを用
い、その流量は２０　ｔ／ｍｉｎである。サブマージア
ーク溶接のフラツクスば、溶融型であり、その成分組成
を第２表に示す。

まず第４図の開先板厚ｔ、：１６ｍａ、ルートフェイス
ＲＦ：４ｉａ、開先角度θ：５０°を用いて、溶接電流
５００Ａ、電圧３５Ｖ、溶接速度３０　ｍ／ｍｉｎ、入
熱ｉ１３５ＫＪ　／ｃｒｎでサブマージアーク溶接を行
った。フェライトスコープを用いて測定した溶接部のフ
ェライト量は、２５％であった。また溶接ビード部から
孔食試、１験片を採取し、塩化第二鉄溶液中に浸漬した
后、重量減測定を行った。

塩化第二鉄溶液は、０．０５　Ｎ　−ＨＣ１水溶液１２
．５０ｙ　／　ｌ　の塩化第二鉄を加えたもので、ｐＨ
は液温２０℃ではソ０．９である。試験片は１１ｇＸｌ
１ｍａで厚さが３Ｕとし、４００番のエメリー紙にて表
面を研磨した后、シリコーン樹脂コーティングして使用
した。

液温５０℃において４Ｂ時１ｍの浸漬を行い、浸漬試験
前后の重量変化の測定から、孔食による単位面積当りの
腐食速度を求めた結果、３．２６ｙ／ｍ”・面であった
。

一方これに対して、第４図の開先板厚ｔ：１６ＴｎＡ　
、ルートフェイスＲＦ　：１　ｒｕ　、開先角度θ：５
５゜を用いて、初層溶接としで、溶接電流２２ＯＡ、屯
ｌｆ２５　Ｖ、　浴接速度４０ｃｒｎ／ｍｉｎ、人熱量
８．２５ＫＪ／ＬＭで、ＭＩＧ溶接を行った。このとき
の８００１〕〜５００℃の冷却時間は約７秒で、のど厚
ａは４．５ゴ１であった。

次に開先内盛上げ溶接として、溶接電流４８０Ａ、電圧
３４Ｖ、溶接速度３５　ＣＴｎ／　ｍｉｎ、入熱量２８
　ＫＪ／ｃｒｎで、サブマージアーク溶接を行った。

このときの８００℃〜５００℃の冷却時間は４８秒であ
った。しかるのちアーク電流２０ＯＡ、アーク電圧４５
Ｖ、移動速度は２０α／ｍｉｎ、　入熱ｉ　２７　ＫＪ
／副で、プラズマアークによるビード表面の加熱を行っ
た。

これに先たち、ビード表面直下２１１Ｊ位置に熱電対を
埋込み、加熱温度の測定を併せて行ったところ、最高温
度は１０５０℃であった。フェライトスコープを用いて
測定した溶接部のフェライト量は、４２チであった。ま
た前記と同様にして求めた塩化第二鉄浴液中での浸漬に
よる腐食重量減は１、２２　ｆ　／ｒｒ？　・ｈｒであ
った。

（発明の効果） 本発明は二相ステンレス鋼の溶融溶接において、溶接熱
量の組合せ・配分を選定することにより、耐食性の劣化
を低減させるパイプ造管溶接の新しい溶接技術を可能に
したものであり、産業の発展に貢献する所、極めて大き
なものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるペイプ溶接の実施態様を示す説明
図、第２図は二相ステンレス鋼の成分位置と、凝固変態
関係を示したＦｅ　−Ｃｒ　−Ｎｉ三元系の模式的な擬
二元系状態図、第３図は本発明における溶接ビード生成
状況概念説明図、第４図は実施例（／ζ用いられた開先
形状を示す説明図である。 〕・・バ、イブ　　　　　　２・・・小入熱アーク溶接
３・・・大入熱アーク溶接　　　トーチトーチ　　　　
　　４・・・非消耗電極アーク５・・・初層溶接ビード
　　　　トーチａ・・・初層溶接ビードのの６・・・初
層溶接ビード再ど厚　　　　　　　　　熱部 ２・・・大入熱溶接ビード　８・・・ビード表面改質層
ｔ・・・板Ｉｆ　　　　　　　　ＥＦ・・・開先ルート
フエイθ・・・開先角度　　　　　　　ス 第１図 第２図 Ｎｔ、−ｍ−２，−−−−−−Ｃ１ 手続ネｉｌｉ　　］Ｅ　　ルー　（自９−．）昭和６０
年９月２０１１ 特許庁Ｌ（官　宇賀　首部　　殿 １、・ＩＧ件の表示 昭和６０年特許願第１８３１０４叶 ２、発明の名称 二相ステンレス鋼のパイプ溶接方法 ３、補正をする者 事件との関係　出願人 住所　東京都千代田区大王町−丁［１６番３号名称（６
６５）新日本製鐵株式会社 代表者　　武　［Ｔ］　　　　さ ４、代　理　人 住所　東京都中央区［１木橘３丁１１３番３号加藤ビル
４階　置　（２７１）　１３９５９５′−゛ 氏名　（８１９３）　　弁理士　茶野木　立夫′５、補
正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 及び図面 ６、補正の内容 （１）明細書２頁１４行「凝」ヲ「擬」に訂正する。 （２）同６頁８行「ＤＩＮｌ」を「ＤＩＮｌ」に訂正す
る。 （３）同１０頁第２表ｒＺｒ２０３Ｊ　ｋ　［Ｚｒ０２
Ｊに訂正する。 （４）同１１頁１行「水溶液１２゜５０」を「水溶液に
５０」に訂正する。 （５）第１図を別紙のように訂正する。 以上 手続補正書（自発） 昭和６０年１１月２８日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. フェライト・オーステナイトからなる二相ステンレス鋼
   のアーク溶接において、初層を８００℃〜５００℃の冷
   却時間が１０秒以内の小入熱溶接で行い、次に開先内盛
   上げを、同冷却時間が４５秒以上となる大入熱溶接で実
   施し、しかるのち、非消耗電極アークを用いて、ビード
   表面を９００℃〜１３００℃に再熱することを特徴とす
   る二相ステンレス鋼のパイプ溶接方法。