JP2002001539A - 異材溶接方法 - Google Patents

異材溶接方法

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JP2002001539A JP2000184426A JP2000184426A JP2002001539A JP 2002001539 A JP2002001539 A JP 2002001539A JP 2000184426 A JP2000184426 A JP 2000184426A JP 2000184426 A JP2000184426 A JP 2000184426A JP 2002001539 A JP2002001539 A JP 2002001539A
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Teruo Koyama
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Abstract

(57)【要約】 【課題】オーステナイト系ステンレス鋼管とCrMo鋼
管との異材溶接継手において、長時間使用後においても
亀裂が貫通することのない異材溶接方法を提供する。 【解決手段】オーステナイト系ステンレス鋼(1)と低
合金鋼(2)とをインコネル系溶接材料を用いて溶接す
る異材溶接方法であって、低合金鋼側の溶接熱影響部の
位置と、外表面でのCr含有量が変化する位置とが異な
るように、肉盛溶接金属(4)を形成するか、もしくは
肉盛溶接の最終層の接金属を形成する異材溶接方法とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高温で使用される伝
熱管等の管の溶接方法に係り、特にオーステナイト系ス
テンレス鋼(SUS)と低合金鋼(CrMo鋼)との異
材溶接において、CrMo鋼側のHAZ(溶接熱影響
部)と酸化ノッチのできる位置とをずらすようにインコ
ネル系またはCrMo鋼系溶接材料で肉盛溶接すること
により亀裂の進展を抑制する異材溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】火力発電プラントや化学プラント等の伝
熱管は、ボイラの蒸気条件によって高温強度の異なる材
料を使い分けており、例えば、火力発電用ボイラの過熱
器等では温度の低いところではCrMo鋼管を使用し、
最も温度の高いところではオーステナイト系ステンレス
鋼管を使用している。このため、異材溶接を実施しなけ
ればならない箇所があるが、CrMo鋼同士であれば多
少成分が異なっていても線膨張係数がほぼ同じであるた
めに、特に問題になる点はない。しかし、オーステナイ
ト系ステンレス鋼とCrMo鋼の異材溶接継手では両者
の成分が大きく異なり、また線膨張係数も大きく異なる
ことから、長時間使用中に炭素やCrの拡散による材質
的劣化と線膨張係数の差に起因する熱応力の発生により
亀裂が発生して、伝熱管の漏洩に至ることがある。
【0003】この対策として、ダッチマン方式が採用さ
れている。この方式は図4に示すように、まず最初に5
0mm程度のオーステナイト系ステンレス鋼短管とCr
Mo鋼管とをインコネル系溶接材料を用いて信頼性の高
い自動溶接で溶接しておき、その後、オーステナイト系
ステンレス鋼管同士の溶接を行うもので、オーステナイ
ト系ステンレス鋼管同士の溶接は現地でも可能である。
インコネル系の溶接材料はCrMo鋼とオーステナイト
系ステンレス鋼の中間の線膨張係数を有していることか
ら、熱膨張差による熱応力が低減でき、しかも成分的に
は安定なNi基の合金であるため、元素の拡散が抑制さ
れ、材質劣化も軽微である。このような溶接方法を採用
することにより、オーステナイト系ステンレス鋼管とC
rMo鋼管の異材溶接継手の信頼性を向上させることが
できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ダッチマン方式を採用
することにより、異材溶接継手部の信頼性が向上し、亀
裂発生および進展を抑制することができるが、最近の火
力発電ボイラでは起動停止回数が増加してきており、長
時間運転中には損傷が蓄積して亀裂が発生し、伝熱管が
貫通されるという問題があった。
【0005】本発明の目的は、起動停止回数の多い火力
発電ボイラ等のオーステナイト系ステンレス鋼管とCr
Mo鋼管との異材溶接継手部において、長時間使用後に
おいても亀裂が発生し貫通することのないオーステナイ
ト系ステンレス鋼と低合金鋼との異材溶接方法を提供す
ることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、請求項1に記載のように、オー
ステナイト系ステンレス鋼と低合金鋼とをインコネル系
溶接材料を用いて溶接する異材溶接方法であって、低合
金鋼側の溶接熱影響部の位置と、外表面でのCr含有量
が変化する位置とが異なるように、肉盛溶接もしくは肉
盛溶接の最終層の溶接を実施する異材溶接方法とするも
のである。
【0007】また、請求項2に記載のように、請求項1
において、低合金鋼側の溶接熱影響部の位置と、外表面
でのCr含有量が変化する位置とが異なるようにする肉
盛溶接とは、低合金鋼側の溶接熱影響部を含み、一方の
溶接止端部が低合金鋼側の母材となるような位置での肉
盛溶接であり、肉盛溶接材料としてはインコネル系溶接
材料を用いるオーステナイト系ステンレス鋼と低合金鋼
との異材溶接方法とするものである。
【0008】また、請求項3に記載のように、請求項1
において、低合金鋼側の溶接熱影響部の位置と、外表面
でのCr含有量が変化する位置とが異なるようにする肉
盛溶接とは、低合金鋼側の溶接熱影響部を含み、一方の
溶接止端部が溶接金属となるような位置での肉盛溶接で
あり、肉盛溶接材料としては低合金鋼と同じ成分系のも
のを用いるオーステナイト系ステンレス鋼と低合金鋼と
の異材溶接方法とするものである。
【0009】また、請求項4に記載のように、請求項1
において、低合金鋼側の溶接熱影響部の位置と、外表面
でのCr含有量が変化する位置とが異なるようにする最
終層の溶接とは、該最終層のみを低合金鋼と同成分系の
溶接材料を用いるオーステナイト系ステンレス鋼と低合
金鋼との異材溶接方法とするものである。
【0010】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼と
低合金鋼との異材溶接方法は、例えば、オーステナイト
系ステンレス鋼管とCrMo鋼管との異材溶接におい
て、インコネル系の溶接材料を使用して実施した周溶接
によるCrMo鋼側の溶接熱影響部(Heat Affected Zo
ne、以下HAZと記す)と、外表面でCr成分の大きく変
化する位置とが異なるように肉盛溶接または最終層の溶
接を行うものである。
【0011】具体的には、周溶接を行った後、インコネ
ル系の溶接材料を使用してCrMo鋼管側にずらして、
CrMo鋼側のHAZの位置と外表面でCr成分の大き
く変化する位置とが異なるように肉盛溶接をすることに
より、本発明の上記目的を達成することができる。ま
た、インコネル系の溶接材料の代わりにCrMo系の溶
接材料を使用しても良い。さらに、周溶接において最終
層のみCrMo系の溶接材料を使用することにより上記
と同様の効果が期待できる。
【0012】オーステナイト系ステンレス鋼管とCrM
o鋼管のインコネル系溶接材料による異材溶接継手の損
傷状態を詳細に観察すると、図5に示すように、低合金
鋼管9側の溶接熱影響部(CrMo鋼HAZ)12の外
面に酸化ノッチがあり、これを起点として亀裂13が進
展している。したがって、異材溶接継手の損傷メカニズ
ムは、以下のように推定できる。
【0013】まず、最初に耐酸化性の低いCrMo鋼が
酸化され、耐酸化性の高いインコネル溶接金属3との境
界で、砂を削り取るように選択的に酸化が進行し、ノッ
チとなる。次にインコネル系溶接杖料とCrMo鋼との
熱膨張差による熱応力により亀裂13が進展していく
が、応力はCrMo鋼とインコネル系溶接材料の境界が
最も高く、酸化ノッチができていることから溶接熱影響
部12に沿って亀裂13が進展し、貫通に至る。また、
亀裂進展抵抗は母材に比べ、HAZの方が低く、これが
HAZに沿って亀裂13が進展する理由の一つである。
【0014】本発明では異材溶接継手の損傷がCrMo
鋼側のHAZの酸化ノッチを起点に、HAZに沿って進
展していることに着目し、酸化ノッチのできる位置と亀
裂が進展しやすいルートが異なるように溶接するもので
ある。このような溶接方法とすることにより、周溶接に
よってできたCrMo鋼側のHAZと、外表面でのCr
含有量が大きく変化する位置とが異なっており、例え、
酸化ノッチができたとしても亀裂の進展を抑制すること
ができる効果がある。
【0015】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を例示
し、図面を用いてさらに詳細に説明する。 〈実施の形態1〉図1に、本発明のSUS321HTB
(オーステナイト系ステンレス鋼)1と、低合金鋼であ
るSTBA24(CrMo鋼)2との異材溶接継手の積
層方法を示す。管の寸法は外径45.0mm、肉厚6.9
mmで、対象としては火力発電用ボイラの二次過熱器管
である。
【0016】溶接材料としてはインコネル系(15Cr
−70Ni)のものを使用し、自動TIG溶接を行っ
た。溶接金属(インコネル系)3は、肉厚分を5層で溶
接した後、表面をグラインダ仕上げし、その後、図1に
示すようにSTBA24鋼2側に、インコネル系溶接材
料で肉盛溶接を行い、肉盛溶接金属4を形成した後、最
後に、溶接止端部をグラインダ仕上げした。このよう
に、溶接金属3に接してSTBA24鋼2側に生じるH
AZの位置と、外表面でCr成分の大きく変化する位置
とが異なり、重ならないように肉盛溶接(または最終層
の溶接)を行うことにより、CrMo鋼側のHAZ外面
の酸化ノッチの形成を抑止することができ、起動停止回
数の多い火力発電ボイラ等の異材溶接継手部において、
長時間使用しても亀裂が発生し貫通することのない信頼
性の高いオーステナイト系ステンレス鋼と低合金鋼との
異材溶接継手が得られる。
【0017】〈実施の形態2〉図2に本発明の他の実施
の形態を示す、実施の形態1と同じ溶接方法であるが、
最後の肉盛溶接にはSTBA24と同成分系の溶接材料
を使用し、肉盛溶接金属(2.25Cr1Mo系)5を
形成した。なお、この場合、酸化ノッチができる位置は
周溶接金属となる。
【0018】〈実施の形態3〉図3に本発明の他の実施
の形態を示す。本実施の形態では最終層(5層目)の溶
接に、STBA24と同成分系の溶接材料を使用し、最
終層溶接金属(2.25Cr1Mo系)6を形成した。
なお、この場合、最終層のみ溶接材料の変更が必要であ
るが、位置をずらして肉盛溶接をする必要がなくなり、
工数的には通常の周溶接と同等であった。
【0019】〈実施の形態4〉本発明の異材溶接継手の
効果を確認するために、熱サイクル試験を実施した。実
施の形態1、2、3の試験片、および比較例としてイン
コネル系溶接材料で周溶接を行った従来方式の試験片を
準備し、高周波装置による650℃加熱、水冷の熱サイ
クルを与えた。その結果、繰返し数2000回で、従来
方式の異材溶接継手はCrMo鋼側のHAZで亀裂が貫
通直前にまで進展していたのに対し、本発明の異材溶接
継手は、表面に微細な亀裂が観察されたものの、亀裂は
進展していなかった。
【0020】
【発明の効果】本発明のオーステナイト系ステンレス鋼
と低合金鋼との異材溶接方法によれば、従来の溶接方法
よりも長寿命の異材溶接継手を形成することができ、長
時間使用しても、亀裂が貫通することなく、伝熱管の噴
破事故を未然に防止することが可能となり、メンテナン
ス費用の低減と、異材溶接継手の信頼性の向上をはかる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1で例示した異材溶接継手
の溶接積層方法を示す模式図。
【図2】本発明の実施の形態2で例示した異材溶接継手
の溶接積層方法を示す模式図。
【図3】本発明の実施の形態3で例示した異材溶接継手
の溶接積層方法を示す模式図。
【図4】従来の異材溶接部の構成を示す模式図。
【図5】従来の異材溶接部の損傷状況を説明する管の断
面図。
【符号の説明】
1…SUS321HTB(オーステナイト系ステンレス
鋼) 2…STBA24(CrMo鋼) 3…溶接金属(インコネル系) 4…肉盛溶接金属(インコネル系) 5…肉盛溶接金属(2.25Cr1Mo系) 6…最終層溶接金属(2.25Cr1Mo系) 7…オーステナイト系ステンレス鋼管 8…オーステナイト系ステンレス鋼短管 9…低合金鋼管 10…溶接金属(オーステナイト系ステンレス鋼) 11…溶接熱影響部(オーステナイト系ステンレス鋼
側) 12…溶接熱影響部(低合金鋼側) 13…亀裂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B23K 35/30 340 B23K 35/30 340L // B23K 103:18 103:18

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】オーステナイト系ステンレス鋼と低合金鋼
    とをインコネル系溶接材料を用いて溶接する異材溶接方
    法であって、低合金鋼側の溶接熱影響部の位置と、外表
    面でのCr含有量が変化する位置とが異なるように、肉
    盛溶接もしくは肉盛溶接の最終層の溶接を実施すること
    を特徴とする異材溶接方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のオーステナイト系ステン
    レス鋼と低合金鋼との異材溶接方法において、低合金鋼
    側の溶接熱影響部の位置と、外表面でのCr含有量が変
    化する位置とが異なるようにする肉盛溶接とは、低合金
    鋼側の溶接熱影響部を含み、一方の溶接止端部が低合金
    鋼側の母材となるような位置での肉盛溶接であり、肉盛
    溶接材料としてはインコネル系溶接材料を用いることを
    特徴とする異材溶接方法。
  3. 【請求項3】請求項1に記載のオーステナイト系ステン
    レス鋼と低合金鋼との異材溶接方法において、低合金鋼
    側の溶接熱影響部の位置と、外表面でのCr含有量が変
    化する位置とが異なるようにする肉盛溶接とは、低合金
    鋼側の溶接熱影響部を含み、一方の溶接止端部が溶接金
    属となるような位置での肉盛溶接であり、肉盛溶接材料
    としては低合金鋼と同じ成分系のものを用いることを特
    徴とする異材溶接方法。
  4. 【請求項4】請求項1に記載のオーステナイト系ステン
    レス鋼と低合金鋼との異材溶接方法において、低合金鋼
    側の溶接熱影響部の位置と、外表面でのCr含有量が変
    化する位置とが異なるようにする最終層の溶接とは、該
    最終層のみを低合金鋼と同成分系の溶接材料を用いるこ
    とを特徴とする異材溶接方法。
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