JPS63154269A - 高合金クラツド鋼の溶接方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭素鋼からなる母材に合せ材として筋合金を
クラッドした高合金クラッド鋼の突合せ溶接方法に関し
、更に詳しくは母材側からの片面突合せ溶接方法に関す
る。また、本発明でいう高合金とは、ステンレスを除い
たＣｒ上１５％、Ｎｉ≧２５％の例えばアロイ８２５　
　（２０Ｃｒ−４ＯＮｉ−３Ｍｏ）等を指す。

〔従来の技術〕

従来、高合金（ステンレスを含む）クラッド鋼の突合せ
溶接は、先に母材を炭素鋼で溶接し、その後、合せ打倒
から合せ材と同等もしくはこれ以上の合金成分の溶接材
料で溶接を行う方法がもっばら採用されてきた。しかる
に、この方法は両面溶接であるために、材料反転を行う
必要があり、また内面側からの溶接が困難な小径パイプ
には適用できない制約もある。このようなことから、一
部では片面溶接もその施工性を生かして実施されてきた
。

高合金クラッド鋼の片面突合せ溶接は、第１図に示され
るように、母材ｌの側に開いた開先を設けておいて、母
材ｌの側から先ず合せ材２をこれと同等もしくはそれ以
上の合金成分の溶接材料にて溶接しくＡ）、次いでその
上から母材ｌを多層溶接する（Ｂ、、Ｂ、・・・）こと
により行われてきた。この場合、母材１の溶接に炭素鋼
の溶接材料を使用すると、溶接金属に前層のＮｉ、Ｃｒ
等の合金元素が稀釈されて入り、組織をマルテンサイト
化し、硬化させて側曲げ時に割れを発生させる。

このため合せ材２から母材ｌまで全て高合金の溶接材料
を使用するのが通例とされてきた。

しかし、高合金の溶接材料の場合、炭素鋼の稀釈が多少
あったとしても、その溶接金属は完全オーステナイトと
なる。完全オーステナイトはδ−フェライトを含まない
ため、高温割れ感受性が高く、その防止には不純物元素
を極力低減したり、溶接入熱量を制限したりする対策を
必要とする。

その結果、工数が増加し、また材料コスト自体も高（つ
き、経済性を著しく悪化させることになる。

そこで、最近になって母材１の溶接の際に溶接材料を層
毎に段階的に変え、溶接欠陥の発生を抑えつつ溶接コス
トの低減を図る試みが、例えば特開昭６１−１４０３７
８号公報、特開昭６１−１５４７７６号公報等により提
案されている。しかしながら、このような提案も、本発
明が対象とするような合金度の高い高合金のクラフト鋼
に対しては十分に機能しない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前者の特開昭６１−１４０３７８号公報による提案では
、ステンレスのクラッド鋼を対象としており、本発明が
対象とするような合金度の高い高合金のクラッド鋼に対
しては、合せ材溶接金属の稀釈が進み、適用しても良好
な溶接金属は得られない、一方、後者の特開昭６１−１
５４７７６号公報による提案では、ステンレスよりも合
金度の高い高合金のクラッド鋼が対象とされているが、
母材溶接の全層をステンレスの溶接材料で溶接すること
が必要で、溶接コストが高くつくことは避けられない。

本発明の目的は、これらの問題点を全て解決し、ステン
レス調より合金度の高い高合金のクラフト鋼を、炭素鋼
を主体とした溶接材料により経済性よく、しかも割れ等
の溶接欠陥を生しることなくン容接することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

高合金クラッド鋼の片面突合せ溶接において、合せ材溶
接金属の稀釈は、その合金成分と母材の溶接に使用する
溶接材料の合金成分との濃度差が大きいほど顕著になり
、稀釈防止もこの濃度差に応じて難しくなる。合せ材の
溶接には合せ材と同等もしくはこれ以上の合金成分の溶
接材料が使用されることから、合せ材がステンレスより
も合金度の高い高合金の場合、合金成分の稀釈を抑える
ことは非常に困難になり、まして母材溶接に炭素鋼主体
の溶接材料を使うとなれば、その困難は一層増長される
。

ちなみに、従来の方法では、前述したとおり、合せ材が
ステンレスの場合は、炭素鋼主体の溶接材料を使用でき
るが（特開昭６１−１４０３７号公報）、ステンレスよ
りも合金度の高い合せ材を用いる場合、ステンレスの溶
接材料が必要となる（特開昭６１−１５４７７６号公報
）・本発明は、ステンレスよりも合金度の高い高合金の
クラッド鋼に対し、従来使用不可能とされていた炭素鋼
主体の溶接材料の使用を可能ならしめるものである。

炭素鋼と高合金の異材溶接で最も注意する必要のあるの
が溶接割れと溶接金属の硬化である。溶接割れは完全オ
ーステナイトの溶接金属の場合に発生し易い高温割れと
、炭素鋼溶接材料を用いた時に発生し易いマルテンサイ
ト化による硬化のための低温割れの２種類がある。マル
テンサイト化による硬化は低温割れに直接結びつかない
場合でも、曲げ破断を招来するため問題である。

本発明者らは炭素鋼主体の溶接材料でこれら割れや硬化
を防止するための方法を種々検討した結果、母材溶接第
１層目Ｂ、でのフェライト量コントロールによる高温割
れ防止と、第１層目Ｂ＋および第１層目Ｂ＋でのマルテ
ンサイト化抑制による硬化防止、なかでも特に第１層目
Ｂ＋での硬度コントロールによる側曲げ割れ防止の重要
なことが知見された。

すなわち、母材溶接の第１層目Ｂ１と第２層目にこのよ
うな中間層を形成すれば、合せ材がステンレスよりも合
金度の高い高合金であっても、第３層目以降Ｂ１、ＢＪ
・・・に炭素鋼の溶接材料が問題なく使用できるように
なるのである。

本発明は斯かる知見に基づきなされたもので、０１２１
５％、Ｎｉ≧２５％を含む高合金を合せ材に、炭素鋼を
母材にしたクラフト鋼に対し、母材側に開いた開先を形
成して母材側から片面突合せ溶接を行うにあたり、 最初に合せ材をこれと同等もしくはそれ以上の合金成分
の溶接材料にて溶接し、 次に母材の第１層目溶接としてＣ≦０．０３％、Ｃｒ＝
１５〜３０％の溶接材料にて、下記Ｃｒ当量と下記Ｎｉ
当量との関係が、 −Ｃｒ当量−５％≦Ｎｉ当量≦Ｃｒ当量−７％なる組成
の溶接金属を形成した後、 母材の第２層目溶接としてＣ≦０．０３％、Ｃｒ−５〜
１５％の溶接材料にて、下記Ｃｒ当量と下記Ｎｉ当量と
の関係が、 Ｎｉ当量−Ｃｒ当量≧７％ Ｎｉ当量５５％ なの組成の溶接金属を形成し、 残りの母材部分を母材と同等の炭素ｗ４溶接材料にて溶
接することを特徴とする高合金クラフト鋼の溶接材料を
要旨とする。

Ｃｒ当量−％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５％Ｓｉ＋Ｏ１５％Ｎ
ｂ Ｎｉ当量−％Ｎ　ｉ　＋３０％Ｃ＋０．５％Ｍｎ以下、
本発明の方法を、被溶接材料である高合金クラッド鋼、
合せ材の溶接、母材の第１層目溶接、第２層目溶接、第
３層目以降の溶接の順で詳述する。

Ｏ高合金クランド鋼 母材は炭素鋼、合せ材はステンレス調を除く０１２１５
％、Ｎｉ２２５％含有の例えばアロイ８２５、ハステロ
イＣ２７６、アロイ６００等である。

開先は、第１図に示されるように、母材側に開いた形状
とする。

○　合せ材の溶接 耐食性の観点から、合せ材と同等もしくはこれ以上の高
合金成分の溶接材料で行う。この時、溶接金属の稀釈が
生じないよう、合せ材のみを溶かすように注意する必要
がある。

溶接方法としては、裏波ビードを安定して形成される意
味から、とくにＴＡＧ溶接が最適であるが、被覆アーク
溶接でも可能である。

Ｏ母材の第１層目溶接 母材第１層目の溶接は前層の合せ材溶接金属の上に行う
が、この時の重要点の１つは、溶接金属のフェライト量
のコントロールによる高温割れの防止である。すなわち
、フェライト量が１０〜４０％の範囲内にあれば高温割
れは完全に防止できることが実験的に判明した。

第２図は、Ｎｉ、Ｃｒ量の異なる溶接棒を用いて、溶接
金属のフェライト量を０〜６５％の範囲テ変化すセて割
れ発生の有無を調べたものである。

フェライト量が１０％未満と４０％超の場合に溶接金属
中に高温割れの発生が認められた。したがって、割れ防
止のためにはフェライ）Ｉを１０〜４０％の範囲にコン
トロールすることが必要である。

そして、このフェライ）Ｉを１０〜４０％確保するため
には、第４図のシェフラーの状態図より溶接金属の化学
組成は、下記（１）式を満足することが必要となる。

−Ｃｒ当量−５％≦Ｎｉ当量≦Ｃｒ当量−７％・−・・
・・−・−・・・　（１） また、溶接材料にはＣ≦０．０３％、Ｃｒ−１５〜３０
％の含存が必要である。Ｃが０．０３％を超えると硬化
して側曲げ時割れが発生するし、Ｃｒが１５％未満では
マルテンサイトが生成して硬化を生じ、３０％を垣える
と熱処理でシグマ相析出跪化が生じる。

なお、Ｃは少ないほど割れ防止効果が高いので、下限は
規定しないｅｃｓｃｒ以外の成分についても、とくに規
定しないが、Ｎｉ当量ができる限り低いのが好ましい。

これらのことは、後記する第２層目溶接材料についても
いえる。

第１層目溶接金属の本発明組成範囲は第４図に■で示さ
れる。

溶接条件としては、この溶接材料の成分と、合せ材溶接
金属の成分とを前提にして、第４図のシエフラーの状態
図より上記（１）式を満足させる稀釈率が求まり、この
稀釈率を得るのに必要な溶接条件が選択される。

溶接方法としては、ＴＩＧ溶接または被覆アーク溶接が
溶接条件コントロールをしやすいので好ましい。

○　第２層目の溶接 母材第２層目の溶接はＣ≦０．０３％、Ｃｒ＝５〜１５
％の溶接材料を用い、溶接金属の化学成分が下記（２）
（３）式を満足するよう実施することが必要である。

Ｃｒ当量−Ｎｉ当量≧７％　　　−・−一一一一一−−
（２）Ｎｌ当量５５％　　　　　　　・曲−・−・　（
３）すなわち、本発明者らの研究によると、クラッド鋼
溶接継手の側曲げにおける割れは、溶接金属の硬度を）
（ｖ≦３００にすることで防止でき、このためには溶接
金属組成が上記（２）式を満足する必要のあることが実
験的に明らかになった。

第３図は炭素綱玉に１３Ｃｒおよび１７Ｃｒの溶接棒を
用いてビードオンプレートで溶接を実施したときの、溶
接金属の最高硬度をＣｒ当量、Ｎｉ当量との間で整理し
て示したものである。？８接金属の硬化を避けるために
は、その化学組成が第４図のシェフラーの状態図におい
て完全マルテンサイト領域に入らないことが必要である
。そのためにはＣｒ当量を増加させてマルテンサイト＆
ＩＩｍを減少させること、Ｎｉ当量を減少させてフェラ
イト量を増加させることが効果的である。このことから
、成分の指標としてはＣｒ当量−Ｎｉ当量を用いた。そ
して、この指標が７％以下ならば、溶接金属の最高硬さ
が３００Ｈｖ以下に抑制されることが、第３図から明ら
かである。

また、Ｃｒ当量−Ｎｉ当量の規制と合せて、Ｎｉ当量を
５％以下に抑え、溶接金属組成が上記第（３）式を満足
することが、マルテンサイトの生成を抑制する観点から
必要である。

このような範囲に溶接金属の成分をコントロールするた
めには、Ｃｒ＝５〜１５％の溶接材料を用いることが必
要である。

Ｃｒが５％未満ではマルテンサイトの生成が著しく、１
５％を超えると次層の炭素鋼溶接材料を使用した部分が
マルテンサイト化で硬化する。

また、Ｃは０．００３％を超えると硬化するため≦０．
０３が必要である。

第２層目溶接金属の本発明組成範囲は第４図に■で示さ
れる。

溶接条件としては、主にＮｉ当量を５％以下におさえる
観点から、母材第２層目の溶接の稀釈率をできる限り下
げ、好ましくは３０％以下とし、なるべく溶接金属の化
学組成が溶接材料の組成に近くなるように配慮するのが
良く、このため低電流（例えば１５０Ａ以下）の溶接条
件が好ましい。

溶接方法は、低電流で安定した溶接が可能なＴＩＧ溶接
あるいは被覆アーク溶接が好ましい。

Ｏ第３Ｎ目以降の溶接 第３層目以降は、母材と同等成分の炭素鋼ワイヤにて溶
接を表面まで仕上げる。第３層目は第２層目のＣｒが稀
釈されるので、出来る限り低電流で施工することが好ま
しい、第４層目以降はとくに配慮する必要はなく、通常
の炭素鋼の施工条件で十分である。

第３層目以降の溶接金属の本発明組成範囲は第４図に■
で示される。

溶接方法としては、能率が重視される点から被覆アーク
溶接が好ましいが、ＭＩＧ溶接やサブマージアーク溶接
も可能なことはいうまでもない。

〔実施例〕

○　実施例１ 第１表に示す成分組成の母材１および合せ材２（アロイ
８２５）を有する高合金クラッド鋼に７対し、第５図に
示す形状の開先を形成した後、第２表にＡ−Ｊで示す成
分組成の溶接材料を使用して、第１図に示し手法により
片面突合せ溶接を行った。

溶接は合せ材２についてはＴＡＧ溶接、その他について
は被覆アーク溶接を採用した。溶接条件を第３表に示す
。溶接後、溶接金属の最高硬さくＨＶ）Ｅ１ｍ査し、Ｚ
ＴＲ側曲げ試験（Ｏ：割れなし、×：割れ有り）とを実
施した結果を、溶接材料の組合せとともに第４表に示す
、また、主要溶接金属のフェライト量、Ｎｉ当量および
Ｃｒ当量を第５表に示す。

第４表および第５表から明らかなように、比較例では硬
度が高（、曲げ試験で破断が生じているが、いずれも本
発明のＮｉ当量、Ｃｒ当量範囲をはずれている。また、
比較例２．３．４の初層はフェライト量が０％の完全オ
ーステナイト溶接金属となり高温割れの発生が見られた
。

さらに、比較例１では、初層の溶接金属がマルテンサイ
ト化して硬化を生じ、比較例２．３では母材部第三層に
高Ｃの溶接材料を使用したため第二層と第三層が硬化し
、比較例４では母材部第三層に炭素ｗ４溶接材料を用い
たためにこの部分が硬化し、比較例５では母材部第一層
のＣｒ量が低いためマルテンサイト化し硬化を生じた。

一方、本発明例は硬さ、曲げとも問題なく、Ｎｉ当量、
Ｃｒ当量ともに本発明範囲に入っており、フェライト量
も割れ防止が可能な範囲にコントロールされている。

第　　１　　表　（ｗｔ知 第　　３　　表 第　　　４　　　表 第　　５　　表　００ また、第１表に示した高合金クラフト綱に対し、第５図
に示した開先を形成した後、合せ材を合せ材と同じアロ
イ８２５を用いてフィラーなしでＴＩＧ溶接し、母材第
１層目を低Ｃ１７Ｃｒで被覆アーク溶接した。その後、
比較例では、第２層目以降を炭素鋼で被覆アーク溶接し
、本発明例では、第２層目を低Ｃ１３Ｃｒで被覆アーク
溶接した後、第３ＪＷ目以降を炭素鋼で被覆アーク溶接
した（本発明例１に相当）。また、本発明例で第２層目
をＴＩＧ溶接に変更したものも合せて実施した。

第６図はこれら３例における溶接金属の板厚方向硬度分
布を示したものである。比較例では、母材第２層目に炭
素鋼溶接棒を使用したため、この部分がマルテンサイト
化し硬度が４０００　ｖ近くに達している。本発明例で
は逆に、この第２層目の硬度が特に低く抑制されている
。上記比較例では、後の側曲げ試験で割れを生じたが、
その要因は、この第２層目の硬度差であることがわかる
。

また、本発明例のうち、第２層目にＴｉＯ２接を行った
ものの方が、稀釈が少なく硬度は一層低減されている。

Ｏ実施例２ 母材および合せ材が第６表に示す成分組成の高合金クラ
ッド鋼に対し、第２図に示す開先を形成した後、第２表
にＫで示す溶接材料を使用して、実施例１と同様の比較
試験を行った。結果を第７表および第８表に示す。

第７表および第８表から明らかなように、比較例１は母
材第一層、第二層に炭素鋼溶接材料使用のためこの部分
がマルテンサイト化して硬化を生じ、比較例２は第一層
、第二層とも溶接材料のＣ量が高いために硬化を生じ、
また、第一層のフェライト量が少なすぎるため高温割れ
も発生している。比較例３は母材第二層の溶接材料のＣ
量が高（この部分が硬化し、比較例４は母材第一層のＣ
ｒ１ｌが低すぎてマルテンサイト化して硬化を生じてい
る。

これに対し、本発明例は硬度が３００Ｈｖ以下で曲げも
問題ない。更に、フェライト量は割れ防止範囲ｌＯ％〜
４０％に入っており、またＮｉ当量、Ｃｒ当量範囲とも
本発明範囲内である。

第　　　７　　　表 第　　８　　表　００ ○　実施例３ 母材および合せ材が第９表に示す成分組成の高合金クラ
ッド鋼に対し、第５図に示す開先を形成した後、第２表
にして示す溶接材料を使用して、実施例１．２と同様の
比較試験を行った。結果を第１０表および第１１表に示
す。

第１０表および第１１表から明らかなように、比較例１
は母材第一層が完全オーステナイトとなって高温割れを
生じ、また第二層はマルテンサイト化し硬化を生じた。

比較例２．３は母材第二層の溶接材料のＣ量高すぎ硬化
を生じ、比較例４は母材第二層の炭素鋼溶接材料を使用
した部分が、マルテンサイト化して硬化を生じ、比較例
５は母材第一層のＣｒが少なすぎ、この部分がマルテン
サイト化し硬化を生じた。また比較例２と４は第一層の
フェライト量が少なすぎて高温割れが発生した。

これに対し、本発明例では硬度、曲げ、フェライト量と
も良好な結果を示している。

第　　９　　表　（ｗｔ（財） 第　　１０　　表 第　　１１　　表　００ 〔発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明の方法は合せ材
がステンレスよりも合金度の高い高合金クラッド鋼に対
し、その母材部を炭素鋼主体の溶接材料で溶接欠陥を生
じることなく溶接を行い得るものであるから、高合金の
溶接材料を使用する場合と比べて溶接材料コストが大巾
に低下し、また溶接条件も緩和され、全体として極めて
容易かつ経済的な溶接を行い得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は高合金クラッド鋼の片面突合せ溶接方法の溶接
手順を示す断面図、第２図はフェライト量の高温割れに
与える影響を示した図表、第３図は溶接金属の最高硬度
とＣｒ当量、Ｎｉ当量との関係を示した図表、第４図は
シェフラーの状態図、第５図は実施例で採用した開先形
状を示す端面図、第６図は溶接金属の板厚方向硬度分布
を示した図表である。 図中、ｌ：母材、２：合せ材。 第　　１　　■ 〈　−ゴ 第　　２　図 第　　３　Ｊ Ｃｒ当ｔ−Ｎｉ当量（％〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃｒ≧１５％、Ｎｉ≧２５％を含む高合金を合せ
   材に、炭素鋼を母材にしたクラッド鋼に対し、母材側に
   開いた開先を形成して母材側から片面突合せ溶接を行う
   にあたり、 最初に合せ材をこれと同等もしくはそれ以上の合金成分
   の溶接材料にて溶接し、 次に母材の第１層目溶接としてＣ≦０．０３％、Ｃｒ＝
   １５〜３０％の溶接材料にて、下記Ｃｒ当量と下記Ｎｉ
   当量との関係が、 ２／３Ｃｒ当量−５％≦Ｎｉ当量≦Ｃｒ当量−７％なる
   組成の溶接金属を形成した後、 母材の第２層目溶接としてＣ≦０．０３％、Ｃｒ＝５〜
   １５％の溶接材料にて、下記Ｃｒ当量と下記Ｎｉ当量と
   の関係が、 Ｎｉ当量−Ｃｒ当量≦７％ Ｎｉ当量≦５％ なる組成の溶接金属を形成し、 残りの母材部分を母材と同等の炭素鋼溶接材料にて溶接
   することを特徴とする高合金クラッド鋼の溶接方法。 Ｃｒ当量＝％Ｃｒ＋％Ｍｏ＋１．５％Ｓｉ＋０．５％Ｎ
   ｂ Ｎｉ当量＝％Ｎｉ＋３０％Ｃ＋０．５％Ｍｎ