JPS63242477A - 多角管溶接方法及び多角管溶接方法に使用するインサ−トメタル - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、多角管溶接方法及び多角管溶接方法に使用す
るインサートメタルに係り、特に表面硬化処理が施され
た多角管の該表面硬化処理を施した部分に剥離あるいは
割れ等を発生させないで溶接することを可能にするもの
である。

（従来の技術） 例えば原子炉プラントの炉内機器は耐蝕性を考慮してオ
ーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。また炉
内機器の場合には摺動等の動作をするものが多く、よっ
て耐摩耗性の考慮も必要となる。そこで上記オーステナ
イト系ステンレス鋼の表面に表面硬化処理を施すことが
なされている。ここに表面硬化処理とは硬化材料（モル
モノイ、ズテライト、クロムカーバイド／ニクロム、タ
ングステンカーバイド等）を溶射、肉盛、熱処理等の手
段により上記オーステナイト系ステンレス鋼の表面に表
面硬化処理層として付着させることをいう。この表面硬
化処理層は通常母材とはその成分を異にしておりかつ脆
性を有するものである。したがって表面硬化処理を施し
た後に溶接を行なう場合には表面硬化処理層に対する影
響を考慮して行なう必要がある。

そこで従来の溶接方法について考察してみる。

第９図は一般に良く用いられている溶接開先部を示す図
で、第９図（ａ）はＴＩＧ溶接の場合であり、第９図（
ｂ）は電子ビーム溶接の場合を示す。

第９図（ａ）中符号１ａ及び１ｂは母材であり、これら
母材１ａ及び１ｂを付合せて溶接する。図中符号２がそ
の溶接部である。図からも明らかなようにＴＩＧ溶接の
場合には溶接部２の溶込み量が多く　（入熱量は約１６
０００　Ｊ　／　ａｍ）　、その結果溶接変形量が大き
くなり母材１ａ及び１ｂすなわち被溶接物が多角管のよ
うな場合にはその寸法精度が低下してしまう。特にオー
ステナイト系ステンレス鋼の場合には炭素鋼等に比べて
熱膨張係数が１．５倍と大きく上記寸法精度の問題は重
要である。

これに対して第９図（ｂ）に示す電子ビーム溶接の場合
には上記ＴＩＧ溶接の場合に比べてその溶込み量が少な
くその結果溶接変形量も少ないので寸法精度の確保は比
較的容易である。尚電子ビーム溶接の場合にはＴＩＧ溶
接のような開先とは異なり一方の母材１ｂの段付き部に
他方の母材１ａの先端を載置して溶接するのが一般的で
ある。

次に第１０図を参照して母材の表面に表面硬化処理を施
した場合の溶接について説明する。前述したように例え
ばオーステナイト系ステンレス鋼の場合には耐摩耗性の
向上を図るべくその表面に硬化処理を施す場合がある。

かかる表面硬化処理は第１０図（ｂ）に示すように母材
１ａ及び１ｂを溶接した後に行なう場合には、後に行わ
れる溶接による影響を考慮する必要はないが、第１０図
（ａ）に示すように後で溶接する場合には溶接による影
響が懸念される。すなわち表面硬化処理層３と溶接部２
との距離（））が短い場合には溶接による熱等の影響に
より表面硬化処理層３に割れが発生したりあるいは剥離
したりする場合がある。

したがって上記（））として通常１０ｍ＋ｓ程度確保し
て行われている。ところがそれでは溶接部２の近傍の耐
摩耗性が低下してしまうことになる。

次に多角管の溶接について説明する。多角管には第１１
図に示す断面正方形のもの、あるいは第１２図に示す断
面六角形のもの等がある。高速増殖炉の炉心構成要素に
は上記六角形の多角管が多数使用されている。このよう
な多角管の場合にも前述したことがそのまま当てはまり
、表面硬化処理層３に割れが発生したり、或いは剥離す
るといった現象が発生する。これを第１３図及び第１４
図を参照して説明する。第１３図はオーステナイト系ス
テンレス鋼製の六角管の溶接をＴＩＧ溶接で行なった場
合で、溶接部２と表面硬化処理層３との距離（）、）を
ｌｏ＋ａｍ以下とした場合である。

それによると図にも示すように表面硬化処理層３が剥離
してしまい、かつ寸法精度が低下してしまう、具体的に
は対面間寸法（１１４，０±０６１）が変形により交差
から大きく外れてしまう。また上記剥離現象を第１４図
に示す。第１４図はオーステナイト系ステンレス゛鋼製
の六角管１ａの表面に表面硬化処理層（クロムカーバイ
ドを爆発溶射したもの）３を施したものに溶接を施し、
上記表面硬化処理層３が剥離した現象を４００倍の顕微
鏡写真にとりそれを図面化したものである。表面硬化処
理層３が剥離していることがわかる。

次に溶接には溶接棒を使用する溶接と溶接棒を使用せず
に行なう溶接があり、後者を通常フュージョン溶接とい
っている。オーステナイト系ステンレス鋼の場合に上記
フュージョン溶接を適用すると高温割れが発生すること
があり、よって一般には５％以上のデルタフェライト量
となるように成分調整された溶接棒を使用したＴＩＧ溶
接が採用されている。上記電子ビーム溶接の場合には非
常に細くかつ小さな溶融プール中に溶接棒を添加するこ
とは難しいのでフュージョン溶接を採用しており、よっ
て上記高温割れの問題があるものである。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の場合には溶接部と表面硬化処理層との
距離を所定距離以上確保する必要があり、そのためその
部分の耐摩耗性が懸念されるという問題があるとともに
、溶接による寸法精度の低下、及び高温割れといった問
題があり、本発明はこのような点に基づいてなされたも
のでその目的とするところは、その表面に表面硬化処理
が施された多角管の溶接に際して上記各問題点を解消す
ることが可能な多角管溶接方法及び多角管溶接方法に使
用されるインサートメタルを提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち第１の発明による多角管溶接方法は、オーステ
ナイト系ステンレス鋼からなる薄肉の多角管の外表面又
は内表面に硬化処理が施された母材同志を溶接する場合
、又は一方の母材のみに上記硬化処理が施されておりこ
の一方の母材と他方の母材とを溶接する多角管溶接方法
において、上記母材のＣｒ／Ｎｉ比を１．６３以上とし
て、電子ビーム溶接装置により電子ビーム溶接を施すこ
とを特徴とするものである。

又第２の発明による多角管溶接方法は、オーステナイト
系ステンレス鋼からなる薄肉の多角管の外表面又は内表
面に硬化処理が施された母材同志を溶接する場合、又は
一方の母材のみに上記硬化処理が施されておりこの一方
の母材と他方の母材とを溶接する多角管溶接方法におい
て、上記母材にはインサートメタルが装着され、このイ
ンサートメタルはＣｒ／Ｎｉ比が１，６３以上になるよ
うに成分調整され、このインサートメタルの部分に電子
ビーム溶接装置により電子ビーム溶接を施すことを特徴
とするものである。

さらに第３の発明による多角管溶接方法に使用されるイ
ンサートメタルは、Ｃｒ／Ｎｌ比が１，６３以上となる
ように予め成分調整された材料から冷間引抜加工により
多角管形状に加工され、それを所定の厚さで切断して形
成されることを特徴とするものである。

（作用） つまり第１の発明の場合には、母材のＣｒ／Ｎｉ比を１
．６３以上とし、電子ビーム溶接装置により電子ビーム
溶接を施すものである。

又第２の発明はＣｒ　／Ｎｉ比を１．６３以上に成分調
整されたインサートメタルを母材に装着して、このイン
サートメタルの部分に電子ビーム溶接装置により電子ビ
ーム溶接を施すものである。

さらに第３の発明は、第２の発明による多角管溶接方法
に直接使用されるインサートメタルに関するもので、ま
ずＣｒ／Ｎｌが１．６３以上となるように予め成分：Ａ
整された材料から冷間引抜加工により多角管形状に加工
、それを所定の厚さで切断したものである。

（実施例） 以下第１図乃至第８図を参照して第１の発明の一実施例
を説明する。本実施例は高速増殖炉の炉心構成要素に使
用される六角管（その板厚は３間以下）を溶接する場合
を示すもので、以下の４点を特徴とする溶接方法を採用
するものである。

■まず溶接部２と表面硬化処理層３との距離は１０ｍｒ
ｓ以下となっている。

■電子ビーム溶接を採用する。

■電子ビーム溶接装置を固定しておき母材の方を回転さ
せながら溶接する。

■母材のＣｒ／Ｎｌ比は１．６３以上である。

以下その背景を順次述べていく。まず電子ビーム溶接を
採用した背景であるが、 電子ビーム溶接の場合にはＴＩＧ溶接の場合に比ベてビ
ート幅が狭い。し、；かって溶接部２と表面硬化処理層
３との距離が１０ｍｍ以内の場合には溶接部２と表面硬
化処理層３との間に大きな距離を確保することができる
。これを第１図及び第２図を参照して説明する。第１図
（ａ）に示すように溶接部２と表面硬化処理層３との距
離は７　ｍｍである。

その時溶接部２の端から表面硬化処理層３までの距離（
ｘ）は第１図（ｂ）に示すようにＴＩＧ溶接の場合が２
．５〜３　ｍであるのに対して電子ビーム溶接の場合に
は５〜５．５ｍｍ＋である。第２図はそれを個別に示し
たもので、第２図（ａ）が電子ビーム溶接の場合であっ
て、第２図（ｂ）がＴＩＧ溶接の場合である。したがっ
て表面硬化処理層３に対する影響は電子ビーム溶接の場
合の方が少ないものである。

次に溶接入熱量について比較すると次の表−１に示すよ
うな差異がある。

表−１ この表−１からも明らかなように電子ビーム溶接の場合
には溶接入熱量が非常に小さいことがわかる。

次に溶接による表面硬化処理層３のの温度上昇について
説明する。これは溶接部２から７　ｍｍの位置に熱電対
を設置して該場所における温度変化を測定することによ
り行なったものであり、その結果を第３図に示す。第３
図は横軸に時間をとり縦軸に温度をとり、ＴＩＧ溶接に
よる場合と電子ビーム溶接による場合夫々について温度
変ｆビを示した図である。この第３図から明らかなよう
にＴＩＧ溶接の場合には９００℃まで上昇するのに対し
て電子ビーム溶接の場合には１５０　’Ｃ程度しが上昇
しない。したがって温度上昇による各種不具合も効果的
に防止される。このように表面硬化処理層３に対する各
種影響を考慮した場合には明らかに電子ビーム溶接の方
が優れていることがわかり、本実施例でもかかる点に基
づいて電子ビーム溶接を採用するものである。

次に本実施例の場合には母材１ａ及び１ｂの成分が所定
の成分に調整されている。すなわち本実施例のオーステ
ナイト系ステンレス鋼はそのＣｒ／Ｎｉ比が１．６３以
上となっている。これを第４図を参照して説明する。第
４図は５ｕｓ３０４、及び５ｕｓ３１Ｂについてその成
分を種々変えた場合に高温割れ発生するか否かを示した
図であり、Ｃｒ／Ｎｉ比が１．６３以上の場合には割れ
の発生が見られない−のに対してそれ以下の場合には一
様に割れが発生している。尚上記比の算出に際しては次
のＨａｍｆｆｌａｒ氏の式によるものである。

Ｃｒ　−Ｃｒ　＋１．３７Ｍｏ　＋１．５　Ｓｌ　−’
、　２　Ｎｂ＋３Ｔ　ｉＮｉ　＝Ｎｉ　＋０．３１Ｍｎ
　＋２２Ｃ＋１４．２Ｎ　＋Ｃｕ次にデルタフェライト
量についてであるが、デルタフェライト量を５．５％以
上とすれば高温割れの発生を抑制することができるが、
５ｕｓ３０４、及び５ｕｓ３１［＋といった通常の材料
ではそこまで含有量を高くすることは困難である。しか
しながらＣｒ／Ｎｉ比が１．６３以上の場合には第１０
図に示すように５ｕｓ３１Ｂの場合には４％以上のデル
タフェライト量があれば高温割れが発生せず、又５ｕｓ
３０４の場合には３％以上のデルタフェライトを含んで
いれば高温割れの発生はない。そこで本実施例ではＣｒ
／　Ｎ　ｉ比が１゜６３以上とするものである。

次に本実施例の場合には母材１ａ及び１ｂを軸心まわり
に回転させながら電子ビーム溶接を施すものである。例
えばＴＩＧ溶接の場合には、多角管の各片に対して溶接
トーチを垂直に保持しながら溶接しなければならないが
、電子ビーム溶接の場合にはそのような制約はなく、母
材を連続的に回転させながら行なうことが可能である。

これによって溶接作業性はもとより作業時間も大幅に短
縮される。

以上本実施例によると以下のような効果を奏することが
できる。

■まず本実施例の場合には溶接部２と表面効果処理層３
との距離を１０ｍ１１＋以内にして溶接を施す場合に表
面硬化処理層３に同等悪影響を与えることなく行なうこ
とができる。よって表面硬化処理が施されていない部分
は極めて少なくなり耐摩耗性に対する信頼性が大幅に向
上する。

■次に電子ビーム溶接を採用しているので、溶接部の溶
込みが少ないことはもとより表面効果処理層３までの距
離も大きくなり、かつ溶接入熱量も少ないので、溶接に
よる表面効果処理層３への影響は極めて少ないものであ
る。したがって表面効果処理層３の割れあるいは剥離現
象も効果的に防止される。

■また高温割れも防止される。すなわち本実施例の場合
には母材の成分そのものが高温割れの発生しないような
成分に予め調整されており、よってフュージョン溶接に
よる場合であっても高温割れの発生は確実に防止される
。

以上の効果を第５図を参照して説明すると、第５図は六
角管の溶接部を六、角管の軸方向に直交する方向に切断
して写真撮影したものを図面化したものである。六角管
であるから電子ビームの焦点距離は微妙に異なることに
なるが、溶接部（すなわち溶込み部）２は周方向に略均
−になっていることがわかる。

次に第６図乃至第８図を参照して第２及び第３の発明の
一実施例を説明する。この実施例は前記第１の発明の一
実施例が母材の成分を調整することにより高温割れの発
生を防止したのに対して、母材はそのままとして成分調
整されたインサートメタル１１を使用するものである。

第６図（ａ）に示すように母材１ａ及び母材１ｂとの間
には上記インサートメタル１１が装着されている。この
インサートメタル１１は第７図に示すような形状のもの
であり、Ｃｒ／Ｎｌ比が１．６３以上となるように調整
されている。このインサートメタル１１の製作は第８図
に示すように、まず所定の成分に調整された材料から冷
間引抜加工により六角管１２を形成する。これを例えば
３　ｍｍ以下の厚さで切断して第７図に示したインサー
トメタル１１とするものである。尚これは第３の発明に
よるものである。

上記インサートメタル１１を装着した状態で前記第１の
発明の一実施例と同様に電子ビーム溶接を施すものであ
る。したがって前記第１の発明の・一実施例と同様の効
果を奏することができるのはもとより、母材全てについ
て成分調整する必要がなくなるという効果がある。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明による多角管溶接方法及び多
角管溶接方法に使用するインサートメタルによると、オ
ーステナイト系ステンレス鋼の表面に硬化処理が施され
ている母材を上記硬化処理部分の健全性を維持しつつ、
かつ溶接部の高温割れを防止した状態で溶接することが
でき、高品質の溶接を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は第１の発明の一実施例を示す図で、
第１図（ａ）は溶接部と表面硬化処理層との距離を示す
断面図、第１図（ｂ）は電子ビーム溶接とＴＩＧ溶接と
の上記距離の差異を説明するための図、第２図（ａ）は
電子ビーム溶接の場合の溶接部と表面硬化処理層との距
離を示す断面図、第２図（ｂ）はＴＩＧ溶接の場合の溶
接部と表面硬化処理層との距離を示す断面図、第３図は
電子ビーム溶接とＴＩＧ溶接による温度上昇の差異を示
す特性図、第４図は成分により高温割れの発生の有無を
説明するための図、第５図は効果を説明するための六角
管の横断面図、第６図乃至第８図は第２の発明及び第３
の発明の一実施例を示す図で、第６図（ａ）は溶接部及
びその近傍の断面図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）のｂ
−ｂ断面図、第７図（ａ）はインサートメタルの断面図
、第７図（ｂ）は第７図（ａ）のｂ−ｂ断面図、第８図
（ａ）はインサートメタルの製作を説明する図、第８図
（ｂ）は第８図（ａ）のｂ−ｂ断面図、第９図乃至第１
４図は従来例の説明に使用した図で、第９図（ａ）はＴ
ＩＧ溶接を説明する断面図、第９図（ｂ）は電子ビーム
溶接を説明する断面図、第１０図（ａ）及び（ｂ）は表
面硬化処理を施し場合の溶接を説明する断面図、第１１
図（ａ）は断面正方形の角管の溶接を示す断面図、第１
１図（ｂ）は第１１図（ａ）のｐｂ−ｂ断面図、第１２
図は六角管の溶接を示す断面図、第１２図（ｂ）は第１
２図（ａ）のｐｊｌ　ｂ　−ｂ断面図、第１３図は表面
硬化処理層の剥離を説明する断面図、第１４図は剥離を
説明する断面図である。 ｌａ、ｌｂ・・・母材、２・・・溶接部、３・・・表面
硬化処理層、１１・・・インサートメタル。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 （ａ） （ｂ） 第１図 （ａ） （ｂ） 第２図 第５図 第７図 （ａ） （ｂ） 第９図 （ｂ） 第１０図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第１２図 第１３図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）オーステナイト系ステンレス鋼からなる薄肉の多
   角管の外表面又は内表面に硬化処理が施された母材同志
   を溶接する場合、又は一方の母材のみに上記硬化処理が
   施されておりこの一方の母材と他方の母材とを溶接する
   多角管溶接方法において、上記母材のＣｒ／Ｎｉ比を１
   ．６３以上として、電子ビーム溶接装置により電子ビー
   ム溶接を施すことを特徴とする多角管溶接方法。
2. （２）上記母材又は電子ビーム溶接装置のいずれか一方
   を連続的に回転させることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の多角管溶接方法。
3. （３）オーステナイト系ステンレス鋼からなる薄肉の多
   角管の外表面又は内表面に硬化処理が施された母材同志
   を溶接する場合、又は一方の母材のみに上記硬化処理が
   施されておりこの一方の母材と他方の母材とを溶接する
   多角管溶接方法において、上記母材にはインサートメタ
   ルが装着され、このインサートメタルはＣｒ／Ｎｉ比が
   １．６３以上になるように成分調整され、このインサー
   トメタルの部分に電子ビーム溶接装置により電子ビーム
   溶接を施すことを特徴とする多角管溶接方法。
4. （４）上記母材又は電子ビーム溶接装置のいずれか一方
   を連続的に回転させることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の多角管溶接方法。
5. （５）Ｃｒ／Ｎｉ比が１．６３以上となるように予め成
   分調整された材料から冷間引抜加工により多角管形状に
   加工され、それを所定の厚さで切断して形成されるもの
   であることを特徴とする多角管溶接方法に使用するイン
   サートメタル。