WO1994015749A1

WO1994015749A1 - Welding method and welded structure for forming passivated chromium oxide film on weld

Info

Publication number: WO1994015749A1
Application number: PCT/JP1994/000045
Authority: WO
Inventors: Tadahiro Ohmi
Original assignee: Tadahiro Ohmi
Priority date: 1993-01-18
Filing date: 1994-01-14
Publication date: 1994-07-21
Also published as: EP0692336A1; JPH06210483A; EP0692336A4

Description

明細書溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法及び溶接構造技術分野

本発明は、溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法及び溶接構造に係る。背景技術

半導体デバイスの高集積化'高性能化が益々進み、それに対応できるプロセス装置が求められ、より高真空、より高清浄な雰囲気を作り出すための努力が精力的に行われてきた。

超高真空、超髙清浄雰囲気を作り出すためには、リーク量の減少、デッドスペースの減少のみならず、プロセス装置及びガス供給配管系の内表面からのァゥトガスをも完全に抑える必要がある。本発明者らの長年の研究開発活動により耐食性と共に表面からのアウトガスの極めて少ない酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を表面に形成することが可能となった。その結果、プロセス装置内部からのァゥトガスを現状の測定器では検知困難な量まで抑えた雰囲気を作ることに成功した。

しかしながら、装置が一層大型化 ·複雑化するにつれて、酸化ク口ム不動態膜形成後に配管及び装置間等を溶接により接続する必要性が増えてきた。溶接部は表面が酸化不動態膜で覆われていないためガスが吸脱着し易く、溶接箇所が多くなるとそこから放出されるァゥトガスが無視できない程度となり、雰囲気が汚染されるという新たな問題が発生した。

また、腐食性ガス等を用いる装置、配管系では溶接部が腐食され、それにより雰囲気が汚染されるという問題がある。

大型で複雑な形状の装置や配管系に、酸化ク口ム不動態膜を形成することは、不動態膜形成装置も複雑となり、コストもかかるため、溶接と同時に不動態膜を形成できる^接方法が強く望まれていた。以上の点に鑑み、本発明は、溶接工程中に溶接部及びその近傍に、耐腐食性能に優れ、かつ吸着水分量が少なく、また水分が吸着しても低エネルギーで簡単にその水分の除去が可能な表面を有する酸化クロム不動態膜を形成することが可能な溶接方法及び溶接構造を提供することを目的とする。発明の開示

本発明の溶接方法は、熱処理により形成したクロムを主成分とする酸化不動態膜を表面に有する被溶接材の端部に、クロムを含有する膜を被覆し、次いで、該クロムを含有する膜が被覆された端部において、溶接材同士を突合わせて溶接を行うことにより、耐腐食性と共にアウトガスの極めて少ない酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を溶接部表面に形成することを特徴とする。

また、本発明の溶接方法は、熱処理により形成したクロムを主成分とする酸化不動態膜を表面に有する被溶接材同士を、' その端面同士の間にクロムを含有する合金からなるインサート材を介在せしめて突合わせて溶接を行うことにより、耐腐食性と共にァゥトガスの極めて少ない酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を溶^表面に形成することを特徴とする。

本発明の溶接構造は、溶接放し（a s w e 1 d ) の状態で、耐腐食性と共にァゥトガスの極めて少ない酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を溶接部表面に形成することを特徴とする。作用

溶接の際、接合する両端部をクロム被覆を施して接合することにより、溶接と同時に表面に酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を形成することが可能となる。

また、溶接時、突き合わせ部にクロムを含有する合金よりなるインサート材を挿入して溶接を施すことにより、溶接と同時に表面に酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を形成することが可能となる。実施態様例 (被溶接材）

本発明の被溶接材の材質としては、ステンレス鋼が好適に用いられる。特に SUS 316 Lが本発明の効果上好ましい。また、 SUS 316 Lにおいて、その Mn成分を、 0. 8重量％以下としたものを用いることが好ましく、 0. 24 重量％以下としたものを用いることがより好ましい。このように Mnを制御したものを用いた場合には、耐食性が一層良好となる。

被溶接材の形状としては、特に限定はされず、例えば、管、板、棒等が対象となな。

(不動態膜）

被溶接材への不動態膜の形成は、例えば、次の方法により行うことが好ましい。

①ステンレス鋼の表面を電解研磨処理した後、ベーキングし、次いで、

1 p p b以下の酸化性ガス雰囲気中において 400 以上の温度で熱処理する方法。

この方法によれば、クロムを主成分とする不動態膜の形成ができる。

②ステンレス鋼の表面を電解研磨処理した後、酸化性雰囲気ガス中で酸化処理し、続いて水素ガスにより表面の鉄酸化物を還元除去する方法。

ここで、 ¾H 電解研磨処理後、 ΙίίΙ己酸化膜形成の前に 300〜 600 （より好ましくは 200〜 500 ）の不活性ガス雰囲気中で熱処理することが好ましい。

また、前記水素ガス処理において、ガス雰囲気の水素濃度が 0. l ppm〜 10%とすることが好ましい。

また、前記水素ガス処理後、不活性ガス中でァニール処理を行うことが好ましく、この不活性ガスァニール処理の条件は 200〜500 で1〜10時間で行うことが好ましい。

この方法による場合には、表面粗度が R_ma，,0. 1 /zm以下（0. 01 m以下も可能）であり、不動態膜の表面における C rZFe (原子比）が、母材部における C r/F eよりも大であり、また、不動態膜の表面における C r/F eが 1以上である瞌化不動態膜の形成ができる。 ③ステンレス鋼を電解研磨し、次いで、不活性ガス中においてべ一キングを行うことによりステンレス鋼の表面から水分を除去し、次いで、水素ガス又は水素と不活性ガスとの混合ガス中に 4 p p m未満の酸素又は 5 0 O p p b未満の水分を含有するガス雰囲気中において、 3 0 0 〜 6 0 0 の温度で熱処理を行う方法。

④ステンレス鋼母材表面に微結晶からなる加工歪層を形成し、次いで、不活性ガス中においてべ一キングを行うことによりステンレス鋼の表面から水分を除去し、次いで、不活性ガスと、 5 0 0 p p b ~ 2 %の H₂0ガスとの混合ガス雰囲気中において、 4 5 0 °C〜6 0 0ての温度で熱処理を行う方法。

これにより、クロム酸化物を主成分とする層を最表面側に 2 O A以上の厚さで有する酸化不動態膜を形成することができる。

(クロム被覆）

クロム被覆の形成方法としては、例えば、めっき法、蒸着法、 C V D法等が用いられる。

膜厚としては、 0. 以上が好ましい。 0. 1； m未満の場合には、溶接条件によっては、溶接後、溶接部表面に酸化クロムを主成分とする不動態膜が形成されないことがある。

また、膜中のクロム含有量は膜厚によってもかわるが、 2 5重量％以上とすることが好ましい。

一方、被覆部は、端面から 1 0 mm以下とすることが好ましい。 1 0 mmを越えると表面粗度が粗くなり、ひいてはガス放出特性の向上を図れないことがある。

(ィンサート材）

ィンサートリングの材質は溶接部に酸化不動態膜を形成する上で非常に重要な要因であり、材質は 2 5重量％以上のクロムを含有することが望ましい。

また、ィンサート材の厚みはビード表面の表面粗度及び入熱量を決定する上で重要な要因であり、 5 mm以下の範囲が望ましい。

(溶接条件）

本発明の溶接手段としては、例えば放電、レーザーを用いたものが'用いられる。放電を用いたものとして、例えばタングステンイナ一トガス（T I G) 溶接、アークガス溶接等が例示される。

溶接部への入熱量を 600ジュール /cm以下とすることを特徴とするステンレス溶接方法。

また、具体的には、溶 ¾ϋ度を 20 cm/m i n以上として溶接を行うことが好ましい。この場合、前記溶接部の表面に対し垂直な成分を有する磁場を印加しながら溶接することが好ましい。また、溶接部における磁場の強さは、 50ガウス以上とすることが好ましい。

また、被溶接材が管の場合、管内部の溶接ビード幅を lmm以下とするのが好ましい。これにより、ヒューム中の Mn含有量の低下を図ることができ、高清浄な溶接表面を得ることができる。

(溶接構造）

本発明における溶接構造を用いて各種プロセス装置の構築を行うことができる。ここで、プロセス装置とは、半導体製^ ¾置、超電導薄膜製 i ^置、磁性薄膜製造装置、金属薄膜製造装置、誘電体薄膜製造装置等であり、例えばスパッタ、真空蒸着、 CVD、 PCVD、 MOCVD、 MBE、ドライエッチング、ィオン注入、拡散'酸化炉等の成膜装置及び処理装置、また、例えばォージヱ電子分光、 XPS、 S IMS, RHEED、 TR EX等の評価装置である。また、これらにガスを供給するための配管系並びに超純水製造供給装置もプロセス装置に含まれる。図面の簡単な説明

図 1は、実施例 1における溶接方法を示す断面図及び斜視図である。

図 2は、実施例 1に係る XPS図である。

図 3は、比較例 1に係る XPS図である。

図 4は、実施例 1に係る C rの分布を示すグラフである。

図 5は、実施例 2における溶接方法を示す断面図及び斜視図である。

図 6は、実施例 2に係る X P S図である。

図 7は、比較例 2に係る; XPS図である。図 8は、実施例 2に係る C rの分布を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下本発明を、実施例を挙げて詳細に説明する。

なお、当然のことではあるが、本発明範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、当業者が行う、例えば、設計変更、数値限定した技術なども本発明の範囲に含まれる。

(実施例 1 )

1Z4インチ（6. 35 mm) 径の SUS 316 L配管を電解研磨した後、水分濃度を 10 p pmとした水素及びアルゴンガスの雰囲気で酸化処理を行い、内面にクロムを多量に含む酸化不動態膜を形成した。

次に、両配管端部 0· 5mmにそれぞれ 0. 1 / m厚にクロムめつき処理を施した。めっき処理条件は次の通りとした。

めっき浴： C r Og： H₂S0₄= 100 : 1

浴温度： 45て〜 55

電圧： D C 4 V

電流密度： 10〜4 OAZdn^

処理時間： 15 m i n (膜厚 10 m)

その後、両配管端部を突合わせ、タングステンイナートガス溶接法により、そのクロムめつき処理を施した配管の溶接を行った。溶接中、バックシールガスとしては H₂ガスを含む A rガスを用いた。溶接方法を図 1に示す。

接部表面の深さ方向の組成分布を XPS (X線光電子分布）により調べた。結果を図 2、図 3に示す。

図 2、図 3において縦軸は原子組成比を示し、横軸はスパッタによる表面のェツチング時間である。 1分間のエッチング時間は約 10 nmの膜厚に相当する。得られた溶接配管サンプルを、クロムめつき処理（図 2) 、クロムめつき未処理 (図 3) 、とする。

図 2、図 3から明らかなように、溶接部端部をクロムめつき処理を施して溶接 ' を行った場合には、溶接部には酸化クロムが多量に含まれる酸化不動態膜が形成されていることが分かる。

また、バックシールガスの流れに対して溶接ビード部上流 1 O mmから下流 3 5 mmの範囲において最表面の C r組成率を調べた。その結果を図 4に示す。図 4において横軸は測定点を、縦軸は F e、 C r、 N i及び M nの全検出量に対する C rの検出量の比率を示す。

図 4から明らかなように、クロムめつき処理を施したサンプルのビード部における C rの組成率の低減は、ノ、'ックグランドレベルに対して約 2 0 %に抑制された。明らかにクロムめつき処理を施すことにより、溶接ビード部近傍における C rの組成率は、母材の最表面の C r組成率とほぼ同等になる。

次に、溶接した配管內に 1 . 4 p p mの水分を含む H C 1ガスを 2. 5 k g / c m²封入して 1 2時間放置した。その後、配管を切断し内表面を観察したところ、図 3のサンプルの溶接部表面には腐食が認められたが、図 2のサンプルでは非溶接部と同様全く腐食は認められず、本実施例の溶接方法により耐食性に優れた酸化不動態膜が形成されることが分かった。

(実施例 2 )

1 4ィンチ径の S U S 3 1 6 L配管を電解研磨した後、水分濃度を 1 0 p p mとした水素及びアルゴンガスの雰囲気で酸化処理を行い、内面にクロムを多量に含む酸化不動態膜を形成した。次に、配管突き合わせ部にクロム系ィンサートリングを挿入して溶接を行った。ィンサートリングはクロム含有率が 2 5 %のステンレス材を使用し、厚みは 0. 5 mmとした。溶接方法を図 5に示す。

溶接終了後、配管を切断し溶接部表面の深さ方向の組成分布を X P S (X線光電子分布）により調べた。その結果を図 6、図 7に示す。図 6、図 7において縦軸は原子組成比を示し、横軸はスパッタによる表面のエッチング時間である。得られた溶接配管サンプルを、クロム系インサートリング使用（図 6 ) 、クロム系インサートリング未使用（図 7 ) 、とする。

図 6、図 7から明らかなように、溶接部にクロム系ィンサートリングを使用して溶接を行った場合には、溶接部に酸化クロムが多量に含まれる酸化不動態膜が形成されていることが分かる。また、バックシールガスの流れに対して溶接ビード部上流 1 0 mmから下流 3 5 mmの範囲において最表面の C r組成率を調べた。その結果を図 8に示す。図 8において横軸は測定点を、縦軸は F e、 C r、 N i及び M nの全検出量に対する C rの検出量の比率を示す。

図 8から明らかなようにクロム系ィンサートリングを使用したサンプルのビード部における C rの組成率の低減は、ノ、'ックグランドレベルに対して約 2 0 %に抑制された。明らかにクロム系ィンサートリングを使用したことにより、溶接ビード部近傍における C rの組成率は、母材の最表面の C r組成率とほぼ同等に

7よる 0

また、溶接した配管内に 1 . 4 p p mの水分を含む H C 1ガスを 2. 5 k g / c m²封入して 1 2時間放置した。その後、配管を切断し内表面を観察したところ、図 7のサンプルの溶接部表面にほ腐食が認められたが、図 6のサンプルでは非溶接部と同様全く腐食は認められず、本実施例の溶接方法により耐食性に優れた酸化不動態膜が形成されることがわかった。産業上の利用可能性

以上述べたように、本発明により、溶接部に特別な措置を講ずることで溶接工程中に、クロム酸化膜の厚い溶^ Uの不動態化処理を行うことができ、超高清浄なプロセス装置、超高純度ガス供給配管系、並びに超純水製造供給装置などを提供することが可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 熱処理により形成したクロムを主成分とする酸化不動態膜を表面に有する被溶接材の端部にクロムを含有する膜を被覆し、次いで、該クロムを含有する膜が被覆された端部において該被溶接材同士を突合わせて溶接を行うことにより、耐腐食性と共にァゥトガスの極めて少ない酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を溶接部表面に形成することを特徵とする溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法。

2 · 前記被溶接材はステンレス鋼であることを特徴とする請求項 1記載の溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法。

3 . 前記クロムを含有する膜中のクロムの含有率は 2 5重量％以上であることを特徴とする請求項 1または 2記載の溶接部に酸化ク口ム不動態膜を形成する溶接方法。

4 . 前記クロムを含有する膜の被覆はめつきにより行うことを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれか 1項記載の溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法 0

5. 前記クロムを含有する膜の膜厚は、 0. 1 jt m以上であることを特徴とする請求項 1ないし 4のいずれか 1項に記載の溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法。

6. 前記クロムを含有する膜は、突合わせ端面から 1 0 mm以下の長さであることを特徴とする請求項 1ないし 5のいずれか 1項記載の溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法。

7. 熱処理により形成したクロムを主成分とする酸化不動態膜を表面に有する被溶接材同士を、その端面同士の間にクロムを含有する合金からなるインサート材を介在せしめて突合わせて溶接を行うことにより、耐腐食性と共にァゥトガスの極めて少ない酸化クロムを主成分とする酸化不動態膜を溶接部表面に形成することを特徵とする溶接部に酸化ク口ム不動態膜を形成する溶接方法。

8. 前記ィンサート材のクロム含有率は 2 5重量％以上であることを特徴とする請求項 7記載の溶接部に酸化ク口ム不動態膜を形成する溶接方法。

9 . 前記ィンサート材の厚みは 5 mm以下であることを特徴とする請求項 7 または 8に記載の溶接部に酸化クロム不動態膜を形成する溶接方法。

1 0 . 溶接放しの状態で、耐腐食性と共にァゥトガスの極めて少ない酸化グロムを主成分とする酸化不動態膜を溶表面に形成することを特徴とする溶接構造。