JP2011173124A

JP2011173124A - フェライト系ステンレス鋼の溶接方法

Info

Publication number: JP2011173124A
Application number: JP2010036754A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamamoto; 修山本; Toshiro Adachi; 俊郎足立; Hiroki Tomimura; 宏紀冨村
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】シールドガスを用いてステンレス鋼を溶接する際に、ＴＩＧ溶接での溶接部裏面のバックシールドガスにＡｒガスを用いるのが一般的である。一方で、製造コスト低減のためにＡｒバックシールドガス以外のガスを用いることも難しい状況にある。
【解決手段】シールドガスを用いてステンレス鋼を溶接する際に、溶接部裏面のバックシールドガスにＡｒガスに窒素ガスを含有させた不活性ガスを用いることを特徴とする溶接部裏面の耐食性低下を抑制したフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐食性が要求されるフェライト系ステンレス鋼板のＴＩＧ溶接施工機器の溶接方法に関するものである。

電気温水器や貯湯槽などの温水容器の材料としてフェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４４（低Ｃ、低Ｎ、１８〜１９Ｃｒ−２Ｍｏ−Ｎｂ、Ｔｉ系鋼）が広く用いられている。ＳＵＳ４４４は温水環境での耐食性向上を主目的に開発された鋼種である。

温水容器は、構成部材の胴と鏡をＴＩＧ溶接により接合する溶接構造が主流である。溶接構造の温水容器を上水の温水環境で使用すると、溶接トーチ面の裏面で腐食が生じやすい。ＳＵＳ４４４の素材では腐食形態が孔食であるときには再不動態化しやすく、孔食が成長するケースは稀である。しかし、溶接部で酸化スケール(溶接スケール)が存在すると再不動態化しにくく、とくに溶接裏面では腐食が成長し板厚を貫通して漏水に至ることもある。このため、温水容器では容器内面の溶接部が溶接表面となるように施工されるが、缶体の構造上、一部の溶接部位で腐食しやすい溶接裏面部が容器内面となるため、酸化スケールの形成をできるだけ避ける目的でバックガスシールが採用されている。

上記のように、温水容器をＴＩＧ溶接により製造する際には、溶接部の耐食性低下を小さくするため、Ａｒバックシールドガスを行って溶接部裏面の酸化を抑制する対策が採られている。一方、温水缶体の需要が増すにつれ、缶体の製造コスト低減は温水器メーカーの重要な課題であり、Ａｒガス費低減は大きな課題の一つとなってきた。

特許文献１には鏡への胴の挿入深さを２０ｍｍまでとし、隙間腐食の発生を避けた構造の温水器用ステンレス鋼製缶体が記載され、鋼種としてはＳＵＳ４４４相当鋼が記述されている。しかし、発明者らの調査によれば溶接で耐食性が低下する熱影響部は溶接金属部から概ね１０ｍｍ程度までの範囲であるため、上記構造にしてもＡｒバックガスシールを省略すると耐食性向上効果は不十分である。

特許文献２にはＴｉとＡｌを複合添加することにより溶接時のＣｒの酸化ロスを抑制し、溶接部での耐食性低下を改善したフェライト系ステンレス鋼が記載されている。この鋼を使用することにより温水容器の耐食性レベルを大きく向上させることが可能になった。しかし、この鋼の場合も、Ａｒバックシールドガスを行わないＴＩＧ溶接ではＣｒの酸化ロスを十分に抑制することはできず、溶接部の耐食性の大幅な低下は避けられない。

特許文献３〜５には、アークシールドガスのＡｒに窒素、もしくは窒素とヘリウムを加えた溶接方法が開示されている。
特許文献３は、フェライト・オーステナイトの２相ステンレス鋼の溶接が対象で、シールドガスに窒素ガスを含有させることで溶接金属のオーステナイト相を調整し溶接金属の耐食性向上を図ったもの。特許文献４も被溶接材はフェライト・オーステナイトの２相ステンレス鋼で、シールドガスに窒素ガス等を含有させて溶接性、溶接金属の耐食性および溶接棒の消耗抑制を図ったもの。特許文献５は、溶接材料とシールドガス組成を規制したＭＩＧ溶接方法に関するものである。被溶接材は、窒素を多く含有するフェライト・オーステナイトの２相ステンレス鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼であり、溶接金属でのブローホール発生の抑制を図ったものである。
これら先行技術は、窒素を加えたシールドガスで溶接金属の組成制御を図ったものである。したがって、シールドガス組成の効果はトーチ側で用いた場合に発現し、必須である。
一方、本件発明の被溶接材はフェライト系ステンレス鋼であり、さらに溶接裏面の溶接熱影響部の耐食性改善を図るために溶接裏面のシールドガス組成を規定するものである。

特開昭５４−７２７１１号公報特開平５−７０８９９号公報特開昭６１−１６５２７７特開平１０−２１６９４２特表平１０−５０１４６８

上述のように、昨今の温水容器においては、ＴＩＧ溶接で製造する際にＡｒバックシールドガスを実施している。一方、製造コスト低減としてＡｒガス以外のシールドガスを用いることも難しい状況にある。
本発明は、このような現状に鑑み、Ａｒバックシールドを前提とした缶体の製造コスト低減ならびに溶接部裏面の熱影響部のＦｅ系酸化皮膜を抑制し、耐食性を高めたフェライト系ステンレス鋼のＴＩＧ溶接方法を提供することを目的とする。

発明者らは上記目的を達成すべく詳細な研究を行った結果、以下の知見を得た。
（i）溶接部の耐食性は、酸化スケール(溶接スケール)の性状に依存する。とくに溶接裏面の溶接ボンドから５ｍｍ程度離れた５００〜６００℃に加熱された位置の溶接熱影響部で腐食が厳しく問題となる。孔食は、スケール中のＣｒ濃度が低下し、Ｆｅ_２Ｏ_３濃度の高い部位で生じる。
（ii）バックシールドガスとしてＡｒガスに窒素ガスを添加することで、該当部位の耐性が向上する理由は明らかではないが、窒素ガスを添加することでＴＩＧ溶接裏面の熱影響部のＦｅ系酸化皮膜を抑制し、耐食性改善が図れたと推測される。これは、窒素添加では酸素ポテンシャルを上げてＣｒのみ酸化物として安定となる領域になっているためと考えられる。とくに１８質量％を超えるＣｒ含有量を確保して基本的耐食性レベルを向上させた鋼でその効果が大きい。
本発明はこのような知見に基づいたフェライト系ステンレス鋼板のＴＩＧ溶接方法を提供するものである。

本発明の具体的な構成は、以下の通りである。
（１）シールドガスを用いてステンレス鋼を溶接する際に、溶接部裏面のバックシールドガスにＡｒガスに窒素ガスを混合させた不活性ガスを用いることを特徴とする溶接部裏面の耐食性低下を抑制したフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。
（２）混合ガス中の窒素濃度が２０〜８０体積％であることを特徴とする、上記（１）に記載のフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。
（３）Ｃｒ量が質量％で１６〜２６％のフェライト系ステンレス鋼の溶接に適用することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の溶接方法。
（４）質量％で
Ｃ：０.０２％以下、
Ｓｉ：３％以下、
Ｍｎ：１％以下、
Ｐ：０.０４％以下、
Ｓ：０.０３％以下、
Ｎｉ：４％以下、
Ｃｒ：１６〜２６％、
Ｍｏ：２％以下、
Ｎ：０.０２５％以下、
さらに、Ｎｂ：０.０５〜０.６％、Ｔｉ：０.０５〜０.４％、Ａｌ：０.０２〜０.３％の１種もしくは１種以上を含み、残部Ｆｅおよび他の不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼の溶接に適用することを特徴とする、（１）乃至（３）に記載の溶接方法。

本発明のフェライト系ステンレス鋼の溶接方法を使用することで、溶接施工機器の温水環境における溶接裏面の熱影響部の耐食性改善が製造コストの低減とともに図れる。特に、ＴＩＧ溶接によって形成された溶接部を無手入れのまま高温の上水に曝して使用した場合でも、長期間優れた耐食性が維持される。また、溶接施工性を損なうことなく機器の溶接が行える。

ＴＩＧ突き合せ溶接方法を示した図ＴＩＧ溶接試験片を示した図浸漬試験方法を示した図

１ＴＩＧトーチ
２押さえボルト
３押さえ治具
４拘束治具
５バックシールドガス挿入管
６試験片
１１試験液槽
１２ホルダー
１３試験片

本発明の特徴は、前述の通りバックシールドガスとしてＡｒガスに窒素ガスを添加することにある。ＴＩＧ溶接裏面の熱影響部のＦｅ系酸化皮膜を抑制し、耐食性を改善するためには、混合ガス中の窒素濃度は２０〜８０体積％であることが望ましい。２０％より低濃度では窒素の効果が十分に発揮されず、Ｆｅ系酸化物の発生が抑制できない。また、窒素濃度１００％では窒化が懸念されるため、好ましくは８０％を上限とする。

本発明のフェライト系ステンレス鋼を構成する成分元素について説明する。
Ｃ、Ｎは、鋼中に不可避的に含まれる元素である。Ｃ、Ｎの含有量を低減すると鋼は軟質になり加工性が向上するとともに炭化物、窒化物の生成が少なくなり、溶接性および溶接部の耐食性が向上する。このため本発明ではＣ、Ｎとも含有量は少ない方が良く、Ｃは０.０２質量％まで、Ｎは０.０２５質量％まで含有が許容される。

Ｓｉは、Ａｒガスシールを行ってＴＩＧ溶接する場合、溶接部の耐食性改善に有効に作用する。また、Ｓｉはフェライト系鋼の硬質化に寄与するので、例えば水道に直結して使用する高圧タイプの温水容器をはじめとして継手の強度が要求されるような用途などでは、Ｓｉの添加は有利となる。種々検討の結果、Ｓｉによる強度向上作用を十分に享受するには、０.０１質量％以上のＳｉ含有量を確保することが望まれる。したがって本発明ではＳｉ含有量を３質量％以下にコントロールする。

Ｍｎは、ステンレス鋼の脱酸剤として使用される。しかしＭｎは不動態皮膜中のＣｒ濃度を低下させ、耐食性低下を招く要因となるので、本発明ではＭｎ含有量の低い方が好ましく、１質量％以下の含有量に規定される。スクラップを原料とするステンレス鋼ではある程度のＭｎ混入は避けられないので、過剰に含有されないよう管理が必要である。

Ｐは、母材および溶接部の靭性を損なうので低い方が望ましい。ただし、含Ｃｒ鋼の溶製において精錬による脱りんは困難であることから、Ｐ含有量を極低化するには原料の厳選などに過剰なコスト増を伴う。したがって本発明では一般的なフェライト系ステンレス鋼と同様に、０.０４質量％までのＰ含有を許容する。

Ｓは、孔食の起点となりやすいＭｎＳを形成して耐食性を阻害することが知られているが、溶接熱影響部の耐食性に関してはＳを特に厳しく規制する必要はない。しかし、あまり多量にＳが含まれると溶接部の高温割れが生じやすくなるので、Ｓ含有量は０.０３質量％以下に規定される。

Ｃｒは、不動態皮膜の主要構成元素であり、耐孔食性や耐隙間腐食性などの局部腐食性の向上をもたらす。ＴＩＧ溶接熱影響部の耐食性はＣｒ含有量に強く依存することから、Ｃｒは本発明において重要な元素である。発明者らの検討の結果、バックガスシールにＡｒと窒素ガスを用いて溶接した溶接部に温水環境で要求される耐食性を付与するには１６質量％を超えるＣｒ含有量を確保すべきであることがわかった。耐食性向上効果はＣｒ含有量が多くなるに伴って向上する。しかし、Ｃｒ含有量が多くなるとＣ、Ｎの低減が難しくなり、機械的性質や靭性を損ねかつコストを増大させる要因となる。
なお、Ｃｒ含有量が２２質量％以上の鋼ではＡｒと窒素のバックシールドガスによる耐食性改善効果が大きくなること、厳しい環境への適用においてもＣｒ含有量のさらなる増加に頼ることなく、上述の問題を最小限に抑え、十分な耐食性を得ることができる。したがって、好ましくはＣｒ含有量を２２〜２６質量％とする。

Ｍｏは、Ｃｒとともに耐食性レベルを向上させるための有効な元素であり、その耐食性向上作用は高Ｃｒになるほど大きくなることが知られている。ところが、発明者らの詳細な検討によれば、ＴＩＧ溶接した溶接裏面の熱影響部については、Ｍｏによってもたらされる耐食性向上作用はあまり大きくないことがわかった。本発明の主な用途である上水の温水環境に対しては２質量％以下のＭｏを含有させることで達成される。２質量％を超えて増量しても溶接熱影響部腐食性の改善効果は小さく、徒にコスト上昇を招くのみで得策ではない。したがってＭｏ含有量は２質量％以下とする。

Ｎｂは、Ｔｉと同様にＣ、Ｎとの親和力が強く、フェライト系ステンレス鋼で問題となる粒界腐食を防止するのに有効な元素である。その効果を十分発揮させるには０.０５質量％以上のＮｂ含有量を確保することが望ましい。しかし、過剰に添加すると溶接高温割れが生じるようになり、溶接部靭性も低下するので、Ｎｂ含有量の上限は０.６質量％とする。

Ｔｉは、Ａｒバックガスシールを行う従来のＴＩＧ溶接において溶接部の耐食性向上に寄与する元素であるが、Ａｒバックガスシールを行うＴＩＧ溶接の場合は、Ａｌとの複合添加により溶接時に鋼表面にＡｌ、Ｔｉ主体の化学的に安定な酸化皮膜を形成することで酸化スケールの耐食性を高めると考えられる。
このようなＴｉの作用を十分に享受するには０.０５質量％以上のＴｉ含有量を確保することが望ましい。しかし、Ｔｉ含有量が多くなると素材の表面品質が低下したり、溶接ビードに酸化物が生成して溶接性が低下したりしやすいので、Ｔｉ含有量の上限は０.４質量％とする。

Ａｌは、Ｔｉとの複合添加によってＴＩＧ溶接熱影響部でＴｉとともに優先酸化することでＦｅ_２Ｏ_３の生成を抑え、Ｃｒ_２Ｏ_３の濃化を促進し、酸化スケールの耐食性を高める。その作用を十分に得るためには０.０２質量％以上のＡｌ含有量を確保する必要がある。
一方、過剰のＡｌ含有は素材の表面品質の低下や溶接性の低下を招くので、Ａｌ含有量は０.３質量％以下とする。

Ｎｉは、腐食が進行している食孔内でのメタルの活性溶解速度をおさえ、腐食の成長を抑制する作用がある。Ｎｉの効果は添加量が多いほど大きいが、多量のＮｉ含有は鋼を硬質にし、加工性を阻害する。また、フェライト相を維持できる量として２質量％以下の範囲で行う。

表１に示す化学組成を有するフェライト系ステンレス鋼を供試材として用いた。板厚は１.０ｍｍ材とした。Ａ鋼は２２質量％ＣｒのＳＵＳ４４５Ｊ１相当鋼、ＢおよびＣ鋼はＳＵＳ４４４相当鋼である。

図１はＴＩＧ突き合せ溶接方法を示す。試験片の下側からバックシールドガスを吹き付けて酸化スケール(溶接スケール)の付着を防止した。バックシールドガスはＡｒガスに窒素ガスを含有させた不活性ガスを用いた。Ａｒガスと窒素ガスの混合比はＡｒガスが１００％から０％と窒素ガスが０％から１００％の６条件とし、比較としてバックシールドガスを用いない溶接も行った。

図２は浸漬試験前の試験形状である。溶接金属部が試験片長手方向中央位置を横切るように試験片を採取した。この浸漬試験片には溶接金属部、熱影響部および母材部が含まれる。溶接トーチ側(表面)は酸化スケールを除去した３０×４０ｍｍの試験片である。

図３は浸漬試験方法を示す。試験は８０℃の１０００ｐｐｍＣｌ⁻＋１０ｐｐｍＣｕ^２＋の水溶液に２４時間浸漬して行った。浸漬試験後の試験片を顕微鏡で観察し、溶接裏面熱影響部に生じた孔食深さを焦点深度法にて測定した。

表２に測定結果をまとめた。表２中に表示した侵食深さの値はｎ＝３全ての試験片における最大侵食深さである。いずれ鋼においてもＡｒガス１００％に比べ窒素ガスを含有すると最大侵食深さは浅くなり、窒素ガスが有効であることが顕著である。特に最大侵食深さはＡｒ２０％＋窒素８０％で最も浅く、効果が大きい。Ａｒガス＋窒素ガスの混合比により孔食による腐食性に差異があることが判明した。Ａ鋼とＢ鋼とでは最大侵食深さはＡ鋼の方が浅く、Ｃｒ量による効果が大きく、Ｃｒは有効である。Ｂ鋼とＣ鋼とでは最大侵食深さはＢ鋼の方が浅く、Ｔｉは有効である。

本発明によれば、ＴＩＧ突き合せ溶接ではバックシールドガスにはＡｒガスを用いるのが一般的ではあるが、窒素ガスを混合した不活性ガスを用いることで孔食による耐食性抑制効果に有効であることが得られる。

Claims

シールドガスを用いてステンレス鋼を溶接する際に、溶接部裏面のバックシールドガスにＡｒガスに窒素ガスを混合させた不活性ガスを用いることを特徴とする溶接部裏面の耐食性低下を抑制したフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。
混合ガス中の窒素濃度が２０〜８０体積％であることを特徴とする、請求項１に記載のフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。
Ｃｒ量が質量％で１６〜２６％のフェライト系ステンレス鋼の溶接に適用することを特徴とする、請求項１または２に記載の溶接方法。
質量％で
Ｃ：０.０２％以下、
Ｓｉ：３％以下、
Ｍｎ：１％以下、
Ｐ：０.０４％以下、
Ｓ：０.０３％以下、
Ｎｉ：４％以下、
Ｃｒ：１６〜２６％、
Ｍｏ：２％以下、
Ｎ：０.０２５％以下、
さらに、Ｎｂ：０.０５〜０.６％、Ｔｉ：０.０５〜０.４％、Ａｌ：０.０２〜０.３％の1種もしくは1種以上を含み、残部Ｆｅおよび他の不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼の溶接に適用することを特徴とする、請求項１乃至３に記載の溶接方法。