TWI780636B

TWI780636B - 熔接結構、不鏽鋼製熔接結構物、不鏽鋼製熔接容器以及不鏽鋼

Info

Publication number: TWI780636B
Application number: TW110110699A
Authority: TW
Inventors: 松橋透; 熊野尚仁
Original assignee: 日商日鐵不銹鋼股份有限公司
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2022-10-11
Also published as: EP4129549A1; WO2021193479A1; TW202140812A; AU2021242774B2; AU2021242774A1; EP4129549A4; KR20220137123A; US20230126782A1; JP7343691B2; CN115335174A; CN115335174B; JPWO2021193479A1

Abstract

一種熔接結構，其特徵在於：具有熔接縫隙部(3)，該熔接縫隙部(3)熔接第1不鏽鋼構件(1)之端部(11)與第2不鏽鋼構件(2)之端部以外的部位(12)；其係於第1不鏽鋼構件(1)之端部側進行熔接入熱(23)而成者，且第1不鏽鋼構件(1)之端部側的材料以熔接金屬部(6)來構成；熔接縫隙部(3)之熔接金屬部(6)與素材的邊界部起至縫隙最深部(4)為止之長度L_B 、與縫隙最深部(4)起至寬度40μm位置(5)為止之縫隙長度L_C 的關係滿足L_C ＜L_B 。一種不鏽鋼製熔接結構物及熔接容器，具有該熔接結構。

Description

熔接結構、不鏽鋼製熔接結構物、不鏽鋼製熔接容器以及不鏽鋼

發明領域本發明是有關於一種具有熔接縫隙之熔接結構、不鏽鋼製熔接結構物、不鏽鋼製熔接容器以及不鏽鋼。

發明背景不鏽鋼由於其優異的耐蝕性、強度等而廣泛用作儲藏淨水、溫水等的結構物。

就此種不鏽鋼結構體而言，廣泛使用肥粒鐵系不鏽鋼。其就耐蝕性中尤以耐應力腐蝕裂紋性(耐SCC性)為優異，特別就儲熱型電熱水器、熱泵型儲熱型熱水器的熱水儲存桶來說一直使用肥粒鐵系不鏽鋼。近年來，因應更加舒適的沐浴環境之提案，使熱水出水壓更為高壓化之需求日漸增長，就熱水儲存罐體材料而言，便期望能比過往一直使用之肥粒鐵系不鏽鋼的代表例即SUS444、SUS445J1還要高強度化。

文獻1(日本特開2011-184732號公報)中，就材料高強度化之例，揭示一種添加Cr或Si、Ni來提高強度之肥粒鐵系不鏽鋼。

然而本例終究是肥粒鐵系不鏽鋼，若想以肥粒鐵系不鏽鋼來高強度化，就會如本文獻1之實施例這般，在24%Cr下Si與Ni量也分別必須添加到2%左右，除了原料成本之外，還可能會有肥粒鐵系不鏽鋼特有課題即韌性降低，而在鋼板製造時、罐體等熔接結構物製造時產生問題。

此外，就熔接結構物而言，不鏽鋼特有的縫隙腐蝕會是課題。已知的是，縫隙形狀越窄就越容易發生縫隙腐蝕。再就熔接結構材之情況而言，一旦因熔接而產生回火鏽皮，則會因其鏽皮組成而更容易誘發縫隙腐蝕。

文獻1中有上述記載，並記載以下事項：設定7mm之縫隙深度與最大縫隙間隔20μm以下作為縫隙結構；在無氬背側氣封(Argon back gas seal)下，從熔接黏合端部起算1mm以內的熔接縫隙部氧化皮膜之平均Cr比率以總金屬元素比例計具有20質量%以上，作為回火鏽皮。

然而，本例所提出的縫隙結構極為狹窄，是非常容易產生縫隙腐蝕的形狀；此外，由於是以會降低基底耐蝕性之無氬背側氣體遮護(Argon back gas shield)為前提，因而規定熔接黏合部縫隙內回火鏽皮形成時之表面氧化覆膜。

就其他而言，文獻2(日本特開2009-185382號公報)中揭示：縫隙結構為4mm之縫隙深度與最大縫隙間隔30μm以下；在無背側遮護(back shield)下，提高黏合端部起算2mm以內的縫隙部氧化皮膜之平均Cr比率。本例仍舊是縫隙結構狹窄，且縫隙內具有熔接黏合部與回火鏽皮。

此外，文獻3(日本特開平6-11193號公報)中揭示提升沃斯田鐵系不鏽鋼與肥粒鐵系不鏽鋼之熔接部的方法。這是關於異材熔接部的專利文獻，所謂異材熔接部是殼板(shell plate)、端板(end plate)為肥粒鐵系不鏽鋼之情況時填料(芯線)為沃斯田鐵系不鏽鋼，或是與此相反之情況。然而本件僅規定熔接金屬部之金屬組織，並未言及其組成，此外也未有雙相不鏽鋼的記載。

此外，文獻4(日本特開2010-202916公報)中揭示一種肥粒鐵系不鏽鋼，其與沃斯田鐵系不鏽鋼之熔接部耐蝕性優異。這與專利文獻3同樣都是關於異材熔接部的專利文獻，所謂異材熔接部是殼板、端板為肥粒鐵系不鏽鋼之情況時填料(芯線)為沃斯田鐵系不鏽鋼，或是與此相反之情況；不過，其僅規定肥粒鐵系不鏽鋼之組成，並無關於熔接縫隙部之記載或雙相不鏽鋼的記載。

發明概要本發明是有關於一種不鏽鋼製TIG熔接結構物，其作為儲藏淨水、溫水等的結構物來說TIG熔接部之耐蝕性優異；目的在於提供一種熔接結構、使用其之不鏽鋼製熔接結構物、不鏽鋼製熔接容器、以及用於其等之不鏽鋼，該熔接結構即使是具有熔接縫隙部的熔接結構也能抑制縫隙腐蝕。更宜為高強度不鏽鋼製TIG熔接結構物。

在熔接構件彼此的熔接結構中，熔接金屬部6與鋼材(素材)之邊界稱為黏合部9；在鋼材之中受到熱影響之部分(熱影響部)亦稱為HAZ部8(參照圖1)。

針對形成有具備熔接縫隙部之熔接結構的不鏽鋼製的熔接結構物及容器其等耐蝕性的提升，還針對用於此的高強度不鏽鋼，本案發明人等反覆專心研究。結果獲得以下見解：首先，為了提升熔接時所生成之縫隙部的耐蝕性即耐縫隙腐蝕性，要使熔接結構中的熔接金屬部與其熔接縫隙結構最佳化。

具體而言，是將不鏽鋼進行熔接時所產生的熱影響部(HAZ)設於縫隙腐蝕之影響外的位置來予以避免。

不鏽鋼一般而言在熔接熱影響部(HAZ)會有耐蝕性降低之傾向。尤其在使用雙相不鏽鋼、沃斯田鐵系不鏽鋼之熔接結構中，有時會因材料成分、熔接條件而發生敏化(sensitization)。即使是肥粒鐵系不鏽鋼，在添加了Ti、Nb等所謂安定化元素以防止敏化的高純度肥粒鐵系不鏽鋼中，通常是觀察不出耐蝕性降低，不過當省略熔接時的遮護氣體時，則會有耐蝕性降低之情況。就其對策而言，一直是對各種不鏽鋼組成作改良，並以使用該材料之手段來作改善。然而在現實熔接施工中，由於入熱、施工上之不均等，有時會難以穩定確保HAZ部之耐蝕性。

因此，連同材料亦從熔接縫隙部之結構進行檢討、改善。結果獲得以下見解：熔接部之腐蝕是發生在黏合部邊界起算朝鋼材側2mm以內之HAZ部；不過，若使HAZ部從縫隙內避開，則就算在HAZ部中發生腐蝕，也不會促進所謂的縫隙腐蝕這種自催化式腐蝕，孔蝕貫通所致漏水之疑慮就會極為降低；縫隙腐蝕發生時，會在比縫隙寬度40μm位置更靠縫隙側發生，比該位置更靠外側則不會發生。

如圖1所示，就熔接縫隙部3而言，是在熔接結構中2個構件(圖1之例中則為端板13與殼板14)之間形成縫隙(熔接縫隙部3)。在縫隙最深之部分連接2個構件的位置稱為縫隙最深部4。在縫隙中，由縫隙最深部4起算的距離越遠，則縫隙寬度就越大。縫隙寬度為40μm之位置稱為寬度40μm位置5。如上所述瞭解到，熔接金屬部6與素材的邊界部(黏合部9)若設在比寬度40μm位置5更靠外側(縫隙最深部4之相反側)之位置，換言之，若在HAZ部8之縫隙寬度比40μm還大時，便能抑制縫隙腐蝕。

例如在圖1中，構成熔接縫隙部3之構件中就殼板14來說，如上述般，透過調整黏合部9與寬度40μm位置5之位置關係，便能發揮本發明效果。詳述如後。

本發明具有熔接縫隙部之熔接結構，對於在具有熔接縫隙結構下期望優異耐蝕性者很有效；其結構雖未無特別論究，不過對溫水罐體之容器的情況尤為有效。

也還獲得以下見解：進行熔接時，有時雖會使用熔接填料材，但此時透過使用低碳沃斯田鐵系不鏽鋼，便能更為提升上述熔接金屬部之耐蝕性。獲得以下見解：低碳沃斯田鐵系不鏽鋼由於含有較多可提升耐蝕性之Cr、Ni，因而能更為提升熔接金屬部之耐蝕性。

另一方面，對於瞬熱型熱水器等容器的高壓化要求，而謀求素材高強度化。雙相不鏽鋼的特徵在於，其為肥粒鐵相與沃斯田鐵相的複相組織，並且相較於一般相同板厚的肥粒鐵系不鏽鋼、沃斯田鐵系不鏽鋼，從冶金學上的特性來看，其透過結晶粒微細化而具有高強度。因此，比起以往一直廣泛使用的肥粒鐵系不鏽鋼，可不需使用大量高價位元素便能提高強度材料。精心探討該雙相不鏽鋼中高強度且能抑制HAZ部耐蝕性降低的成分，而獲得最佳成分範圍。

另外，雙相不鏽鋼也還具有耐SCC性優異之特徴。雖沒有如同肥粒鐵系不鏽鋼對SCC的免疫性，但已知的是，其比通用的沃斯田鐵系不鏽鋼即SUS304等還要優異。由此點來看，過往使用SUS304時會因SCC而有漏水前例的熱水儲存罐體，也變得能夠適用。

由以上結果而完成本發明；本發明之要旨如以下所述。

[1]一種熔接結構，其特徵在於：係熔接第1不鏽鋼構件之端部與第2不鏽鋼構件之端部以外的部位，並具有熔接縫隙部；且其係於前述第1不鏽鋼構件之端部側進行熔接入熱而成者，並且前述第1不鏽鋼構件之端部側的材料以熔接金屬部來構成；該熔接金屬部與素材的邊界部起至縫隙最深部為止之長度L_B 與縫隙最深部起至縫隙寬度40μm為止之縫隙長度L_C 的關係滿足L_C ＜L_B 。

[2]如[1]所記載的熔接結構，其係使用低碳沃斯田鐵系不鏽鋼或雙相不鏽鋼作為熔接時的熔接材而成者。

[3]如[1]或[2]所記載的熔接結構，其中，前述第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件之一者或兩者以質量%計含有：C：0.001~0.050%、P：0.035%以下、S：0.01%以下、Si：0.01~1.50%、Mn：0.1%以上且小於8.0%、Cr：20.0~26.0%、Ni：0.5~7.0%、Mo：0.1~4.0%、N：0.10~0.25%、V：0.01~0.30%、Nb：0.001~0.300%、W：0.01~1.00%、Cu：0.01~2.00%及Al：0.001~0.100%，剩餘部分由Fe及不純物所構成，滿足以下(1)式，且抗拉強度為700MPa以上； V+8W+5Nb+N+5C≧0.50…(1) 其中V、W、Nb、N、C定為各自元素之含量(質量%)。

[4]如[3]所記載的熔接結構，其中，更含有下述成分中1種或2種以上來取代前述Fe之一部分：Ti：0.005~0.300%、Co：0.01~1.00%、Ta：0.005~0.200%、Zr：0.001~0.050%、Hf：0.001~0.080%、Sn：0.001~0.100%、Sb：0.001~0.100%、B：0.0001~0.0050%、Ca：0.0005~0.0050%、Mg：0.0001~0.0030%、及REM：0.005~0.100%。

[5]一種不鏽鋼製熔接結構物，其特徵在於具有如[1]至[4]中任1者所記載的熔接結構。

[6]一種不鏽鋼製熔接容器，其特徵在於具有如[1]至[4]中任1者所記載的熔接結構；並且前述第1不鏽鋼構件為筒狀的殼板，前述第2不鏽鋼構件以壓製成形之端板所構成。

[7]一種不鏽鋼，其特徵在於：其係在如[1]至[4]中任1者所記載的熔接結構、如[5]所記載的不鏽鋼製熔接結構物、如[6]所記載的不鏽鋼製熔接容器之任一者中，前述第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件之一者或兩者所使用的不鏽鋼；並且該不鏽鋼以質量%計含有：C：0.001~0.050%、P：0.035%以下、S：0.01%以下、Si：0.01~1.50%、Mn：0.1%以上且小於8.0%、Cr：20.0~26.0%、Ni：0.5~7.0%、Mo：0.1~4.0%、N：0.10~0.25%、V：0.01~0.30%、Nb：0.001~0.300%、W：0.01~1.00%、Cu：0.01~2.00%及Al：0.001~0.100%，剩餘部分由Fe及不純物所構成，滿足以下(1)式，且抗拉強度為700MPa以上； V+8W+5Nb+N+5C≧0.50…(1) 其中V、W、Nb、N、C定為各自元素之含量(質量%)。

[8]如[7]所記載的不鏽鋼，其更含有下述成分中1種或2種以上來取代前述Fe之一部分：Ti：0.005~0.300%、Co：0.01~1.00%、Ta：0.005~0.200%、Zr：0.001~0.050%、Hf：0.001~0.080%、Sn：0.001~0.100%、Sb：0.001~0.100%、B：0.0001~0.0050%、Ca：0.0005~0.0050%、Mg：0.0001~0.0030%、及REM：0.005~0.100%。

依照本發明，便能提供一種熔接縫隙部之耐蝕性優異的熔接結構、不鏽鋼製熔接結構物、不鏽鋼製熔接容器以及不鏽鋼。

本發明的實施形態以下，詳細說明本發明。

本案發明人等針對熔接縫隙部之耐蝕性優異且更宜為高強度的高壓容器及其不鏽鋼專心進行開發後，結果獲得以下見解。

1.獲得以下見解：對於使用不鏽鋼的熔接結構體其縫隙腐蝕的高耐蝕化，可透過熔接金屬及其縫隙結構之最佳化來達成。圖1是顯示熔接容器在其端板13與殼板14之熔接接合部形成的熔接縫隙部3之圖。殼板14(以下亦統稱為第1不鏽鋼構件1)之端部與端板13(以下亦統稱為第2不鏽鋼構件2)之端部以外的部位被熔接。在熔接縫隙部3之殼板14側起朝殼板14(第1不鏽鋼構件1)之端部側施予了熔接入熱23。結果，在熔接縫隙部3之熔接結構中，第1不鏽鋼構件1(殼板14)之端部側的材料會以熔接金屬部6來構成。具體而言詳細調查了下述關係：如圖1顯示熔接縫隙部結構之剖面圖所示，熔接金屬部6與素材的邊界部(黏合部9)起至縫隙最深部4為止之長度定為L_B ，縫隙最深部4起至寬度40μm位置5為止之縫隙長度定為L_C ，此一關係與耐縫隙腐蝕性的關係。

就腐蝕試驗而言，是設為：在Cl^- ；600ppm、Cu²⁺ ；2ppmCu²⁺ 試驗液中80℃吹入氧並且連續浸漬2週。另外，試驗液於1週後替換。

結果獲得以下見解：不將熔接之HAZ部8設於縫隙部(比寬度40μm位置5更靠縫隙最深部4側)之位置，藉由設定成如此之結構便能避免縫隙腐蝕。這是透過滿足以下來獲得：使熔接金屬部6與素材的邊界部(黏合部9)起至縫隙最深部4為止之長度L_B 與縫隙最深部4起至寬度40μm位置5為止之縫隙長度L_C 之關係滿足L_C ＜L_B 。已知的是，縫隙腐蝕有時會發生在縫隙寬度小於40μm之情況；不過亦瞭解到，在縫隙寬度寬於40μm之部位中即使是HAZ部8也不會發生縫隙腐蝕。因此，就算雙相不鏽鋼熔接部在HAZ部發生耐蝕性降低，只要滿足L_C ＜L_B ，就算在HAZ部之表層產生孔蝕，由於是不會產生縫隙腐蝕之位置，因此至少可避免自催化式進展腐蝕的縫隙腐蝕，而能避免漏水所導致的損害。

2.如前所述，在圖1中，構成熔接縫隙部3之構件中就殼板14(第1不鏽鋼構件1)之端部側的構件來說，只要調整黏合部9與寬度40μm位置5之位置關係，即使端板13(第2不鏽鋼構件2)之HAZ部存在於靠近縫隙最深部之位置，也仍能發揮本發明效果。另外，在構成熔接縫隙部3之端板13(第2不鏽鋼構件2)中雖然也存在有HAZ，其位置會在縫隙最深部附近。就算發生縫隙腐蝕，由於縫隙腐蝕一般主要在40μm位置5之縫隙附近進行，因而對端板13之HAZ部的影響較小。

3.具有上述耐縫隙腐蝕性優異之熔接縫隙部的熔接結構，其一般可適用於要求耐縫隙腐蝕性的一般不鏽鋼製熔接結構物。尤其適合以殼板與端板構成且如溫水罐體這種的不鏽鋼製熔接容器。如圖1所示的熔接容器，其在熔接容器之端板13與殼板14的熔接接合部形成有熔接縫隙部3，熔接縫隙部3之殼板14側為縫隙部外側21，熔接縫隙部3之端板13側為縫隙部內側22。

4.獲得以下見解：雖有時會在熔接時使用熔接填料材，不過由於此時是使用低碳沃斯田鐵系不鏽鋼或雙相不鏽鋼，藉此能更為提升上述熔接金屬部6之耐蝕性。低碳沃斯田鐵系不鏽鋼由於大量含有會降低熔接時之腐蝕速度的Ni，而能進一步提升熔接金屬部6之耐蝕性。具體而言，一般的低碳沃斯田鐵系不鏽鋼之熔接填料材Y309L其概略組成為Cr：24%、Ni：約13%，因而能相對提高熔接金屬部6之耐蝕性。又，特別是在將雙相不鏽鋼用於殼板、端板時，從熔接金屬部6之耐蝕性及強度的面向來看，作為熔接材的雙相不鏽鋼很合適。具體而言，一般雙相不鏽鋼之熔接填料材YS2209其概略組成為Cr：約22%、Ni：約9%、Mo：約3%、N：0.1%。

5.對於該等熔接結構物及容器之高壓化要求，期望一種抗拉強度為700MPa以上之材料來作為高強度不鏽鋼；並發現：雙相不鏽鋼適合作為該材料，透過其成分最佳化而有高強度化之可能性。具體而言，V、W、Nb、N、C對於抗拉強度特別有效，且如下式般進行最佳化作為其成分。 V+8W+5Nb+N+5C≧0.50 其中V、W、Nb、N、C定為各自元素之含量(質量%)。

另外，雙相不鏽鋼雖適合作為本發明的高壓容器用高強度不鏽鋼，但雙相不鏽鋼由於壓製成形性差，對端板進行壓製成形的加工時，有時會因其形狀而無法加工。此時宜變更成適合雙相不鏽鋼之端板形狀，但變更模具就會需要試作時間與替換模具之費用。亦獲得以下見解：作為避免此事的手段之一，對於端板使用如以往般通用的肥粒鐵系不鏽鋼或沃斯田鐵系不鏽鋼，藉此便能達成高壓容器之高壓化與改善容器製造性。這是因為就端板而言藉由壓製成形一般會是碗型的形狀，能透過此一形狀而耐得住高壓力，即使只有端板設為通用的肥粒鐵系不鏽鋼或沃斯田鐵系不鏽鋼，也能確保作為高壓容器所要求之性能。另外，在此所謂肥粒鐵系不鏽鋼、沃斯田鐵系不鏽鋼，是指具有因應高壓容器之內容物的耐蝕性者。具體而言，若為淨水之儲存溫水熱水者，宜為SUS444或SUS445J1/J2、SUS315J1/J2。當然，不須高強度時，第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件之任一者都可使用肥粒鐵系不鏽鋼、沃斯田鐵系不鏽鋼。

接著，詳細說明本發明之熔接結構中第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件適宜的成分組成、本發明之不鏽鋼的成分組成。

首先，本鋼宜設為具有雙相組織的不鏽鋼。藉由設為雙相組織，能以結晶粒微細化且複相組織化之效果獲得高強度材料。另外，對於更加高強度化而言，如前所述可透過適量添加V、W、Nb、N、C來獲得700MPa以上之高強度材。

C是有助於高強度化的元素之一。不過，過量添加會使耐晶界腐蝕性及加工性降低。因此，C含量較宜為0.001%~0.050%。適宜的是，下限為0.005%，上限為0.040%；更適宜的是下限為0.008%，而上限更宜為0.030%。

N其與C同樣對高強度化大有助益。不過，其亦與C同樣，過量添加會使耐晶界腐蝕性、加工性下降。因此，N含量設為0.10%~0.25%。適宜的是，下限為0.12%，上限為0.22%；更適宜的是下限為0.15%，而上限更宜為0.20%。

Nb其已知的是可作為C、N安定化元素而抑制熔接部的晶界腐蝕；其能提升素材強度這點亦廣為人知。另一方面，過量添加則會過度提升強度，有時會產生加工性降低之問題，也還有成本提高之問題。因此，Nb含量設為0.001~0.300%。適宜的是，下限為0.002%，上限為0.200%；更適宜的是，下限為0.003%，上限為0.100%。

V不僅可透過與前述Nb複合添加而有助於高強度化，也還具有改善耐蝕性之作用。不過，V的過度添加除了會使加工性下降，提升耐蝕性之效果也達飽和。因此，其添加量設為0.01~0.30%。適宜的是，下限為0.05%，上限為0.25%；更適宜的是，下限為0.10%，上限為0.20%。

再談其他元素。

Si是作為脫氧元素的重要元素，對於提升耐蝕性、耐氧化性也很有效。過量添加會使製造性降低。因此，Si含量設為0.01~1.50%。另外如前所述，Si由於是脫氧所必須之元素，故宜含有0.05%以上。Si含量更適宜的是：下限為0.10%，上限為1.10%。

Mn作為沃斯田鐵安定化元素而是一種對於雙相不鏽鋼來說很重要的元素，不過若過量添加，會容易生成腐蝕起點的MnS而使耐蝕性降低。因此，Mn含量設為0.1%以上且小於8.0%。更適宜的是，下限為1.0%，上限為6.0%。

P不僅會使熔接性、加工性降低還會讓晶界腐蝕變得容易發生，因而必須抑制在低量。因此，P含量設為0.035%以下。更適宜的是，下限為0.001%，上限為0.02%。

S由於會生成CaS、MnS等作為腐蝕起點的水溶性夾雜物，因而必須減量。因此，S含量設為0.01%以下。不過，過度減量會導致成本惡化。因此，S含量較宜的是：下限為0.0001%，上限為0.005%。

Cr是確保不鏽鋼之耐蝕性最重要的元素，更具有使肥粒鐵組織安定化的效果。然而，過量添加會使加工性、製造性下降，且原料成本也會增加。因此，Cr含量設為20.0%~26.0%。更適宜的是，下限為21.0%，上限為25.0%。

Mo具有修補鈍態皮膜之效果，是一種對於提升耐蝕性非常有效之元素。又，Mo透過連同Cr一起添加，會具有提升耐孔蝕性之效果。然而，若過量添加Mo，則加工性會顯著降低且成本會變高。因此，Mo含量設為0.1~4.0%。適宜的是，下限0.2%，上限為3.0%。

Cu一般而言不僅會使活性熔解速度降低，還具有促進再鈍態化之效果。然而，過度添加，Cu有時也會促進腐蝕。因此，Cu設為0.01~2.00%。更適宜的是，下限為0.10%，上限為1.50%。

Ni除了會使沃斯田鐵組織之外，還具有抑制活性熔解速度之效果。不過，Ni的過量添加會使加工性下降，還會導致原料價格上漲。因此，Ni含量為0.5%~7.0%；更適宜的是，下限為0.8%，上限為6.0%。

W具有提升耐蝕性之效果。然而，過度添加會導致成本增加、加工性降低。因此，W設為0.01~1.00%。

Al就脫氧元素而言很重要，也還具有控制非金屬夾雜物之組成而使組織微細化之效果。然而，Al的過量添加，恐會導致金屬精煉時非金屬夾雜物粗大化而成為製品瑕疵之起點。因此，Al含量設為0.001%~0.100%。更適宜的是，下限為0.007%，上限為0.080%。

本發明的不鏽鋼之剩餘部分是由Fe及不純物所構成。亦可進一步含有下述選擇元素來取代前述Fe之一部分。以下記載選擇元素之範圍。

Ti對於固定C、N並抑制熔接部晶界腐蝕以提升加工性而言是非常重要的元素。惟，Ti其與Al同樣會阻礙熔接部之氧化皮膜均一化，會是製造時表面瑕疵之原因。因此，Ti含量範圍設為0.005%~0.300%。更適宜的是，下限為0.010%，上限為0.200%。

Co對於提高鋼之韌性與耐蝕性雖是很有效的元素，但由於是高價位元素，過量添加會使成本增加。因此，Co含量設為0.01%~1.00%。更適宜的是，下限為0.02%，上限為0.50%。

Sn及Sb不僅會改善耐縫隙腐蝕性還具有抑制腐蝕發生時之熔解速度的效果，因此可因應需要而添加該等之一種或二種。不過，過度添加除了會使加工性降低，提升耐蝕性之效果亦達飽和，因此其含量宜分別設為0.001~0.100%。更適宜的是，下限為0.005%，上限為0.050%。

Zr不僅與V同樣會改善耐縫隙腐蝕性，也還具有作為C、N安定化元素之效果，因此可因應需要而添加。不過，Zr的過度添加除了會使加工性降低，提升耐蝕性之效果亦達飽和。因此，Zr含量宜設為0.001%~0.05%。更適宜的是，下限為0.005%，上限為0.03%。

Hf其與Zr同樣都是顯著的氮化物生成元素，且是一種具有使結晶粒微細化效果的元素。不過，其是高價位元素而會提高成本。因此，Hf設為0.001%~0.080%。適宜的是，下限為0.003%，上限為0.010%。

B由於是一種對於改善二次加工脆性很有效的晶界強化元素，因此可因應需要而添加。不過，過度添加時，由於會使肥粒鐵固溶強化而成為延展性降低之原因，因此要添加B時是設為0.0001%~0.0050%。更適宜的是，下限為0.0002%，上限為0.0020%。

Ta具有提升耐蝕性之效果。然而，過度添加會致使成本提高、加工性降低。因此，Ta設為0.005~0.200%。

Ca是在製鋼步驟中對於脫硫很有效之元素。然而，過度添加會導致耐蝕性降低、製造性惡化。因此，Ca設為0.0005~0.0050%。

Mg會使組織微細化，亦具有提升加工性、韌性之效果。然而，過度添加會使成本、製造性惡化。因此，Mg設為0.0001~0.0030%。

REM雖是一種會改善鋼之熱加工性的元素，但另一方面若過量含有反而會使熱加工性及韌性降低。因此，要添加時是0.005~0.100%。在此所謂REM含量，是指La、Ce等鑭系元素系稀土族元素之含量總和。

另外，本發明之技術特徴在於：熔接部之結構、以及使用其之不鏽鋼。因此，在本說明書中，雖舉熱水儲存罐體為例，但不僅限於此；施加熔接且以端板與殼板所構成的不鏽鋼製容器皆可適用。又，被熔接材之板厚t無特別限定，可在一般使用之薄板材料0.4~5mm之範圍內適宜選擇。另外，該板厚並不限於上述舉例。

實施例＜實施例1＞為了獲得上述見解，首先評價熔接縫隙部中熔接金屬之結構與耐縫隙腐蝕性。

受測材是透過實驗室真空熔解爐熔煉出如表1所示之三種鋼種，並透過輥軋、熱處理而製造出厚度0.8mm之實驗室冷軋板。 [表1]

熔接試驗片是使用：將該受測材表面以＃600砂紙(emery paper)以濕式研磨精工處理後，裁切成寬度40mm×200Lmm(第2不鏽鋼構件2)與55mm寬度×200Lmm(第1不鏽鋼構件1)。為了形成縫隙之開口角，在該寬度55mm材(第1不鏽鋼構件1)中15mm之位置進行彎曲加工，並如圖2般與寬度40之平板(第2不鏽鋼構件2)組合，再將彎曲加工材(第1不鏽鋼構件1)之端部11與板材(第2不鏽鋼構件2)之平面部(端部以外的部位12)進行TIG熔接。此時，藉由調整彎曲加工中的角度，縫隙寬度達40μm之縫隙深度(縫隙最深部4與40μm位置5之距離L_C (參照圖1))約0.8~3mm。熔接材則是使用市售的309L及YS2209。

如圖2所示，在第1不鏽鋼構件1之端部11側施予入熱(熔接入熱23)。熔接條件設為送料速度50cm/min，遮護上使用Ar，氣炬(torch)側流量15L/min，後期氣體固定在20L/min，背面氣體在實施遮護時流量設為5L/min。電流值在50~120A變化且讓熔接金屬部6之長度變化來調整黏合部9之位置(參照圖1)。此時熔接縫隙部剖面形狀之示意圖顯示於圖1。如該圖所示，在第1不鏽鋼構件1之端部側中，熔接金屬部6與素材的邊界部(黏合部9)起至縫隙最深部4為止之長度規定為L_B ，縫隙最深部起至寬度40μm位置5為止之長度規定為縫隙長度L_C ，並比較該等之值。

耐蝕性評價試驗片則是從本材料沿熔接長度方向裁切出20mm的大小。切斷端面施予＃600之剛砂濕式研磨處理。為了僅使縫隙面側暴露於試驗環境，相當於作為容器時之外面側的氣炬側熔接金屬部是以耐熱矽樹脂進行塗布。作為腐蝕試驗液是使用以下試驗液：以NaCl之外作為氧化劑並使用CuCl₂ 試藥，並調整成Cl^- 為600ppm、Cu²⁺ 為2ppm Cu²⁺ 。另外，Cu²⁺ 的添加是用來調整環境之氧化性，2ppm之濃度則是模擬一般溫水環境下的濃度之一。浸漬條件是設為80℃、吹入氧，並連續浸漬2週。另外，試驗液於1週後替換。

試驗後之孔蝕及縫隙腐蝕深度是使用光學顯微鏡以焦點深度法進行測定。另外，孔蝕及縫隙內之腐蝕測定則是在刮削熔接金屬部使縫隙部露出後才進行。孔蝕及縫隙腐蝕是測定最大10點，並以其最大值作為最大腐蝕深度。此時最大腐蝕深度為50μm以下者定為合格(A)，在此以外者定為不合格(X)。最大腐蝕深度小於20μm者定為特別良好(S)。

上述實驗結果記載於表1之條件1-1~1-19。

首先，使用相當於SUS821J1之鋼的結果列示於其中的1-1~15。針對未使用熔接填料之情況而言，熔接金屬部6與素材的邊界部起至縫隙最深部4為止之長度L_B 大於縫隙最深部4起至寬度40μm位置5為止之縫隙長度L_C ；換言之，滿足L_C ＜L_B 之條件1-1及1-3者，腐蝕深度為30μm左右，在作為基準的50μm以下，顯示良好結果。另一方面，不滿足L_C ＜L_B 之條件1-2中，腐蝕深度達88μm而超越基準，結果耐蝕性差。

進一步針對使用309L作為熔接填料之情況而言，滿足L_C ＜L_B 之條件即條件1-4~7中，腐蝕試驗下的腐蝕深度顯示50μm以下。另一方面，不滿足L_C ＜L_B 之條件1-8、9中，腐蝕深度則是大於基準值的值。

此外，就算是使用YS2209作為熔接填料之情況，滿足L_C ＜L_B 之條件即條件1-10~13中，腐蝕試驗下的腐蝕深度顯示50μm以下。另一方面，不滿足L_C ＜L_B 之條件1-14、15中，腐蝕深度則是大於基準值的值。

使用相當於SUS445J1之鋼及相當於SUS315J2之鋼作為鋼種的結果列示於1-16~19。使用熔接填料且與1-4及1-8相同條件下製作試驗片之結果中，與前述結果同樣，滿足L_C ＜L_B 之1-16與18中，腐蝕試驗下的腐蝕深度顯示50μm以下。另一方面，不滿足L_C ＜L_B 之條件1-17、19中，腐蝕深度則是大於基準值的值。

另外，不論是任何一種條件，關於縫隙部內側22之構件即第2不鏽鋼構件2，即使是在熔接縫隙部3也未觀察到縫隙腐蝕。

＜實施例2＞接著，記載使用高強度不鏽鋼時之實驗結果。

透過實驗室真空熔解爐熔煉出表2所示成之不鏽鋼，並透過輥軋、熱處理而製造出厚度0.8mm之實驗室冷軋板。另外，表2之No.2-9，其Cr含量低，是排除自作為「不鏽鋼」之範疇外的成分。 [表2]

[表3]

使用該受測材厚度0.8mm，製作出JIS Z 2241：1998所定規格的5號試驗片，並在同規格內實施抗拉試驗，並得出其抗拉強度。

表2中記載：此等之成分與其抗拉強度MPa，還有以成分V、W、Nb、N、C所導出的(1)式左側：V+8W+5Nb+N+5C之值。依此，(1)式滿足基準值即0.50以上的No2-1~7及2-9、2-12~15中，顯示抗拉強度大於700MPa。另一方面，各成分雖滿足規定值但卻不滿足(1)式的No2-8；N及不滿足(1)式的No2-10；不滿足V、W、Nb及(1)式的No2-11(參考例)；其等並不滿足抗拉強度之基準。

使用該等材料，熔接成與表1之1-4同樣的熔接形狀而製作出其熔接縫隙試驗片。熔接填料也同樣使用309L與YS2209。更將此等熔接縫隙試驗片提供至與前述相同條件的腐蝕試驗。其結果列示於表3。本熔接形狀由於滿足L_C ＜L_B ，只要材料之組成在基準範圍，不論熔接填料，就連腐蝕試驗後之腐蝕深度也會在基準即50μm以下而獲得良好結果。另一方面，對於耐蝕性大有助益的Cr低於下限而排除自作為「不鏽鋼」之範疇外的2-9(比較例)中，腐蝕試驗下的腐蝕深度高於基準的50μm，結果耐蝕性差。

由以上明確可知，藉由本發明透過將熔接縫隙組成及結構進行適切化，藉此能提供一種熔接縫隙部之耐蝕性優異的熔接結構物及容器，還能提供應對高壓化要求屬適切的高強度不鏽鋼。

就本發明之熔接結構物及高壓容器(熔接容器)而言，除了前述熱泵式儲熱型熱水器等所使用的熱水儲存罐之外，如保存蓄積水、熱水的各種儲水、儲存熱水及其他液體的桶(tank)、槽這般，具有端板與殼板且具有熔接部的容器皆可適用。其他熱交換器等具有熔接縫隙結構且要求耐縫隙腐蝕性的用途上亦適合。用於容器高壓化的高強度不鏽鋼而言，雖例示成分已適切化的雙相不鏽鋼，不過，只要抗拉強度為700MPa以上且熔接縫隙部之形狀已加以控制者，即使是其他高強度不鏽鋼也能適用。

1:第1不鏽鋼構件 11:端部 12:端部以外的部位 13:端板 14:殼板 2:第2不鏽鋼構件 21:縫隙部外側 22:縫隙部內側 23:熔接入熱 3:熔接縫隙部 4:縫隙最深部 5:寬度40μm位置 6:熔接金屬部 8:HAZ部 9:黏合部 L_C :長度 L_B :長度

圖1是顯示熔接縫隙部之結構的剖面圖。

圖2是顯示熔接試驗片整體圖的剖面圖。

1:第1不鏽鋼構件

13:端板

14:殼板

2:第2不鏽鋼構件

21:縫隙部外側

22:縫隙部內側

23:熔接入熱

3:熔接縫隙部

4:縫隙最深部

5:寬度40μm位置

6:熔接金屬部

8:HAZ部

9:黏合部

L_C:長度

L_B:長度

Claims

一種熔接結構，其特徵在於：係熔接第1不鏽鋼構件之端部與第2不鏽鋼構件之端部以外的部位，並具有熔接縫隙部；且其係於前述第1不鏽鋼構件之端部側進行熔接入熱而成者，並且前述第1不鏽鋼構件之端部側的材料以熔接金屬部來構成；該熔接金屬部與素材的邊界部起至縫隙最深部為止之長度L_B 與縫隙最深部起至縫隙寬度40μm為止之縫隙長度L_C 的關係滿足L_C ＜L_B 。
如請求項1之熔接結構，其係使用低碳沃斯田鐵系不鏽鋼或雙相不鏽鋼作為熔接時的熔接材而成者。
如請求項1或2之熔接結構，其中，前述第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件之一者或兩者以質量%計含有：C：0.001~0.050%、P：0.035%以下、S：0.01%以下、Si：0.01~1.50%、Mn：0.1%以上且小於8.0%、Cr：20.0~26.0%、Ni：0.5~7.0%、Mo：0.1~4.0%、N：0.10~0.25%、V：0.01~0.30%、Nb：0.001~0.300%、W：0.01~1.00%、Cu：0.01~2.00%及Al：0.001~0.100%，剩餘部分由Fe及不純物所構成，滿足以下(1)式，且抗拉強度為700MPa以上； V+8W+5Nb+N+5C≧0.50…(1) 其中V、W、Nb、N、C定為各自元素之含量(質量%)。
如請求項3之熔接結構，其中，前述第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件之一者或兩者更含有下述成分中1種或2種以上來取代前述Fe之一部分：Ti：0.005~0.300%、Co：0.01~1.00%、Ta：0.005~0.200%、Zr：0.001~0.050%、Hf：0.001~0.080%、Sn：0.001~0.100%、Sb：0.001~0.100%、B：0.0001~0.0050%、Ca：0.0005~0.0050%、Mg：0.0001~0.0030%、及REM：0.005~0.100%。
一種不鏽鋼製熔接結構物，其特徵在於具有如請求項1至4中任1項之熔接結構。
一種不鏽鋼製熔接容器，其特徵在於具有如請求項1至4中任1項之熔接結構；並且前述第1不鏽鋼構件為筒狀的殼板，前述第2不鏽鋼構件以壓製成形之端板所構成。
一種不鏽鋼，其特徵在於：其係在如請求項1至4中任1項之熔接結構、如請求項5之不鏽鋼製熔接結構物、如請求項6之不鏽鋼製熔接容器的任一者中，前述第1不鏽鋼構件與第2不鏽鋼構件之一者或兩者所使用的不鏽鋼；並且該不鏽鋼以質量%計含有：C：0.001~0.050%、P：0.035%以下、S：0.01%以下、Si：0.01~1.50%、Mn：0.1%以上且小於8.0%、Cr：20.0~26.0%、Ni：0.5~7.0%、Mo：0.1~4.0%、N：0.10~0.25%、V：0.01~0.30%、Nb：0.001~0.300%、W：0.01~1.00%、Cu：0.01~2.00%及Al：0.001~0.100%，剩餘部分由Fe及不純物所構成，滿足以下(1)式，且抗拉強度為700MPa以上； V+8W+5Nb+N+5C≧0.50…(1) 其中V、W、Nb、N、C定為各自元素之含量(質量%)。
如請求項7之不鏽鋼，其更含有下述成分中1種或2種以上來取代前述Fe之一部分：Ti：0.005~0.300%、Co：0.01~1.00%、Ta：0.005~0.200%、Zr：0.001~0.050%、Hf：0.001~0.080%、Sn：0.001~0.100%、Sb：0.001~0.100%、B：0.0001~0.0050%、Ca：0.0005~0.0050%、Mg：0.0001~0.0030%、及REM：0.005~0.100%。