JP3758350B2 - Narrow groove TIG welding method of high Mn stainless steel for cryogenic temperature and welded structure with excellent cryogenic toughness - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接金属に高温割れ、溶込み不良および融合不良等の重欠陥が発生しない狭開先溶接継手において、４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上であり、且つ破壊靱性値Ｋ_ICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上である溶着金属を得ることのできるＴＩＧ溶接方法、およびこうした溶接方法によって得られ、上記の様な溶着金属特性を具備する溶接構造物等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大型超電導マグネットを利用した磁気流体発電（ＭＨＤ発電）や核融合炉等の実用化が検討されつつある。ところで、これらの超電導マグネットを支持する厚肉構造物の溶接部には、非磁性、耐銹性が優れていることに加えて、使用環境温度である４Ｋ（−２６９℃）での０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上、破壊靱性値Ｋ_ICで１４０ＭＰａ・√ｍ以上の強度特性を有すること、および内部品質の健全性が確保されていることが要求される。また実用化に当たっては、高能率、製作コスト低減の観点から、溶着量の少ない狭開先溶接継手を具現化し得る溶接方法が必要とされている。
【０００３】
上記の様な用途における厚肉材の溶着金属特性に関する従来技術としては、例えば「溶接学会全国大会講演概要第５４集第２３４頁、極低温用ステンレス鋼鍛造材溶接金属の特性」（１９９４年４月発行）が報告されている。そしてこの報告では、のど厚が７０ｍｍの厚肉材のガスシールドアーク溶接において、高窒素ステンレス鋼、高窒素高マンガン（高Ｎ高Ｍｎ）ステンレス鋼、高窒素Ｎｉ基合金等の各種溶接ワイヤを用いてＴＩＧ溶接したものでは、溶着金属にミクロの高温割れが発生し、使用できないことが開示されている。
【０００４】
また上記報告には、溶接高温割れが認められない溶接金属として、オーステナイト中にδフェライトを５．５％含有するステンレス鋼や０．０３％のＮを含有するＮｉ基合金が示されている。しかしながら、オーステナイト中にδフェライトを５．５％含有するステンレス鋼は破壊靱性値Ｋ_ICが低く、必要とされる１４０ＭＰａ・√ｍ以上のレベルを達成することができず、また磁性が発在するので実用化できないという問題がある。また０．０３％のＮを含有するＮｉ基合金では耐力が低く、必要とされる１０００Ｎ／ｍｍ² 以上のレベルを達成することができないばかりか、Ｎｉ基合金が極めて高価であり、この点からしても実用化に不利である。しかも上記溶接施工方法では、開先角度が８．５°程度と広いので溶着金属量が多くなり、厚肉構造物への適用性に乏しいという欠点もある。
【０００５】
溶接方法としては、上記したＴＩＧ溶接以外に、例えば特公平３−１９３２７１号に開示される様な技術も知られている。この技術は、極低温用高Ｍｎ非磁性鋼のＭＩＧ溶接方法に関するものであり、主としてブローホールによる内部欠陥、溶接部表面の酸化度について改善したものであるが、実施例での適用板厚も４０ｍｍ以下と薄く、且つ溶着金属の機械的性質においても上記要求特性を保証し得るものではなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した事情に着目してなされたものであって、その目的は、厚肉材で溶接金属に高温割れ等の欠陥が発生することなく、しかも４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上で、且つ破壊靱性値Ｋ_ICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上である溶着金属を得ることのできるＴＩＧ溶接方法、およびこうした溶接方法によって得られ、上記の様な溶着金属特性を具備する溶接構造物を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の溶接方法とは、高Ｍｎステンレス鋼材を、Ｎを０．１０〜０．２８質量％含有し、Ｍｎを１８〜３０質量％含有するステンレス鋼溶接ワイヤを用いて狭開先ＴＩＧ溶接によって溶接するに当たり、Ｎｉを３〜８質量％含有すると共に、Ｐｂ：０．０００５質量％以下およびＯ：０．００５質量％以下に夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤを使用し、且つ下記（Ａ）〜（Ｃ）の溶接条件を満足する様にして操業する点に要旨を有する極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法である。
（Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の溶接トーチを適用する。
（Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表面をシールドする。
（Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーションを行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
【０００８】
上記本発明方法においては、（ａ）溶接中にアーク電流にパルス波形制御を加えることや、（ｂ）ホットワイヤを送給することは、融合不良を回避してより健全な溶着金属を得るという観点から有用である。
【０００９】
上記の様な構成を有する溶接方法を適用することによって、４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上であり、且つ破壊靱性値Ｋ_ICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上である狭開先溶接部を有する溶接構造物が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するという観点から、溶接ワイヤや溶接条件について様々な角度から検討した。その結果、上記の構成を採用すれば従来の問題を発生させるころなく、また真空チャンバーを必要とする電子ビーム溶接の様な寸法制約にとらわれることなく、しかも省エネルギー、低コスト化といった実用上での課題をも解決し得る溶接方法が実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
本発明では上記の様に、高Ｎ高Ｍｎ系ステンレス鋼溶接用ワイヤを使用する必要があるが、まずこの溶接ワイヤにおけるＮｉ，Ｎｂ，Ｏ等の化学成分限定理由について説明する。
【００１２】
Ｎｉ：３〜８質量％
本発明で用いる溶接ワイヤは、Ｎｉを３〜８重量％含有させる必要があるが、このＮｉはオーステナイト組織を安定化させて４Ｋでの靱性向上に不可欠の元素である。Ｎｉの含有量が３質量％未満では、こうした効果を発揮させることができない。またＮｉの含有量が８質量％を超えると、高温割れが発生すると共に、溶接時の溶融金属の粘度が増加して湯流れが悪くなり、狭開先溶接においては、溶け込み不良や融合不良を発生し易くなる。尚Ｎｉ含有量の好ましい下限は４．５質量％であり、好ましい上限は７．５質量％である。
【００１３】
Ｐｂ：０．０００５質量％以下
Ｐｂは、溶融金属の凝固過程でデンドライト粒界に偏析し、その強度および延性をマトリックスよりも低位なものとする不純物であり、その含有量が多くなると高温割れを引き起こすことになる。Ｐｂ含有量が０．０００５質量％以下であれば、こうした不都合を回避できるので、本発明で用いる溶接用ワイヤ中のＰｂは、０．０００５質量％以下に抑制する必要があり、好ましくは０．０００３質量％以下とするのが良い。
【００１４】
Ｏ：０．００５質量％以下
Ｏは溶接ワイヤ等から溶着金属に入り込み、固溶酸素、非金属介在物およびブローホールとして残留する。また溶接ワイヤ中のＯの含有量が０．００５質量％を超えると、得られる溶着金属中のＯ含有量が０．００５質量％よりも多くなり、４Ｋでの要求靱性を満足させることが困難になるばかりか、スラグ巻き込み融合不良等の溶接欠陥をも発生させることになる。こうした観点から、溶接用ワイヤ中のＯ含有量は、０．００５質量％以下にする必要があり、好ましくは０．００３５質量％以下にするのが良い。
【００１５】
尚本発明で用いる溶接ワイヤにおける上記Ｎｉ，Ｎｂ，Ｏの量の制限による効果を発揮させる為には、本発明で用いる溶接ワイヤ（および溶着金属）の基本成分として高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼とする必要がある。この様なステンレス鋼としては、Ｎ：０．１０〜０．２８質量％、Ｍｎ：１８〜３０質量％を夫々含有する高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼が推奨されるが、その理由は下記の通りである。
【００１６】
Ｎ：０．１０〜０．２８質量％
Ｎはオーステナイト組織の安定化と、４Ｋでの低温靱性の向上に有効な元素である。こうした効果を発揮させる為には、その含有量は０．１０質量％以上とすることが好ましい。しかしながら、０．２８質量％を超えて多量に含有させると、耐溶接高温割れ性に乏しくなる。こうしたことから、Ｎの含有量は０．１０〜０．２８質量％にすることが好ましい。尚Ｎ含有量のより好ましい範囲は、０．１５〜０．２５質量％程度である。
【００１７】
Ｍｎ：１８〜３０質量％
Ｍｎは耐溶接高温割れ性に悪影響を与えるＮｉに代替えできるオーステナイト形成元素として作用し、４Ｋでの低温靱性の向上に不可欠の元素である。またＮの固溶限を増大させて、オーステナイト組織の安定化に寄与する。これらの効果を発揮させる為には、Ｍｎの含有量は１８質量％以上であることが好ましい。一方、Ｍｎの含有量が３０質量％を超えて過剰になると、溶接ワイヤの伸線に際して、熱間加工性を劣化させて歩留りを低下させ、コスト上昇を招くことになる。こうしたことから、Ｍｎの含有量は１８〜３０質量％であることが好ましい。尚Ｍｎのより好ましい範囲は、２０〜２５質量％程度である。
【００１８】
本発明は、上記の様な高Ｎ高Ｍｎ系ステンレス鋼溶接ワイヤを用いた狭開先のＴＩＧ溶接方法であるが、本発明方法を実施するには下記（Ａ）〜（Ｃ）の３つの条件を満足させる必要がある。次に、これらの条件における限定理由について説明する。
（Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の溶接トーチを適用する。
（Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表面をシールドする。
（Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーションを行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。
【００１９】
まず溶接トーチの構造については［上記（Ａ）の条件］、単層シールド構造のものでは溶融金属へのシールド性に劣り、健全な内部品質および高位な材質特性を具備した溶接金属を得ることができなくなる。従って、本発明方法で採用する溶接トーチの構造は、センターガスノズルを有する多重構造の溶接トーチとする必要がある。尚本トーチの形状としては、狭開先のアークの安定性および開先端部での溶融性確保の点から長尺矩形ノズルであることが好ましい。
【００２０】
次に、センターガス（イナートガス）の種類としては［上記（Ｂ）の条件］、Ａｒ単独（或は、２０容量％未満のＨｅを混合したＡｒ＋Ｈｅ混合ガス）では、アークエネルギーの集中性およびアークの広がりが不足するので、狭開先溶接においては開先端部で溶込み不良を引き起こすことになる。こうしたことから、アーク柱の電位傾度を上昇させて、アークエネルギーの増加に有効なＨｅを、Ａｒに２０容量％以上含有させることが必要である。
【００２１】
尚この混合ガス（センターガス）には、必要によってＨ₂ を添加することも有効である。このＨ₂ は厚肉化、狭開先化の進行に応じて熱的ピンチ効果でアークを集束させて、溶込み深さの増大に有効である。こうしたＨ₂ による効果を発揮させるためには、その混合量を２容量％以上とするのが良く、それより少なくなると上記した効果が有効に発揮されなくなる。しかしながら、Ｈ₂ の混合量が１５容量％を超えて過剰になると、却ってブローホールが発生し易くなる。こうしたことから、センターガス中にＨ₂ を混合させる場合には、その混合量は２〜１５％とすることが好ましい。
【００２２】
狭開先の場合には溶融金属のプール熱で開先で溶け込ませる必要があるので、オシレーションでの開先端止め時間については、０秒では溶け込み不足を生じることになる。従って、オシレーションでの開先端止め時間は、少なくとも０秒を超える時間（例えば、両側の合計で２〜３秒）とする必要がある。また平均入熱量については、ＴＩＧ溶接の場合には、１５ＫＪ／ｃｍ未満になると、狭開先ではアークエネルギーの集中性および母材の溶融断面積が不足して溶込み不良が発生することになる。従って、ＴＩＧ溶接における平均入熱量は１５ＫＪ／ｃｍ以上とする必要がある［以上、上記（Ｃ）の条件］。
【００２３】
本発明の溶接方法を実施するに当たり、厚肉化および狭開先の進行に合わせて健全な融合を確保する為に、必要に応じて下記（ａ），（ｂ）等の要件を付加することが好ましい。
（ａ）溶接中にアーク電流に同期させたパルス制御を加える
（ｂ）ホットワイヤを送給する
【００２４】
これらの要件はいずれも、開先端部での深溶け込みおよび底部での安定した溶融性を実現し、融合不良を回避してより健全な溶着金属を得るという観点から有用である。
【００２５】
上記の様に本発明では、極低温用高Ｍｎステンレス鋼の厚肉鋼材に狭開先のＴＩＧ溶接を施して、溶接構造物を制作するに当たり、大入熱でも溶接高温割れを起こさず、且つ健全な溶込みを確保した上で、溶接部に必要とされる極低温での高強度および高靱性を達成する為には、
(i) 高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤから形成される溶接金属において、
オーステナイト安定化元素であると共に、溶融金属の湯流れ性を阻害するＮｉを３〜８質量％に限定する、
および
(ii)狭開先のＴＩＧ溶接において、下記(1) 〜(3) の要件を満足させること、
(1) センターガスノズルを有する多重ガスシールド溶接トーチを用いて、センターガスにＡｒ＋Ｈｅガスの多元ガスを採用し、必要によりＨ₂ を混合してアークエネルギーの集中性およびアークの広がりの増大を図る、
(2) 開先端部での溶け込みを図る為に端止めの時間を有するオシレーションを採用する、
(3) 開先端部での深溶込みや底部での安定した溶融性を実現する為に、必要に応じてアーク電流にパルス制御を加える、
更には、
(iii) ＴＩＧ溶接の場合には、溶融金属の広がりにより例えば、１層１パスでの融合を可能にすると共に、施工能率の向上を図る為に、必要に応じてホットワイヤを送給すること、
等の方策を講じることが有効であることを明らかにしたものである。
【００２６】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２７】
【実施例】
被溶接母材としては、下記表１に示す化学成分からなる板厚１１０ｍｍの極低温用高Ｍｎステンレス鋼とした。また溶接ワイヤとして、下記表２に示す各種化学成分を有する１．２ｍｍφのものを用いた。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
上記被溶接母材に、図１に示す様なＵ型開先を採り、上記溶接ワイヤを用いて下記表３，４に示す溶接条件にて突き合わせ自動ＴＩＧ溶接（直流、電極マイナス：ＤＣ ＥＮ）を行った。このとき、溶接ひずみを防止する為に、四周を拘束溶接した後、本溶接を行った。
【００３１】
【表３】

【００３２】
【表４】

【００３３】
ＴＩＧ溶接における溶接金属の化学成分組成を表５に示す。このとき、溶接継手の溶着金属の健全性を把握する為に、ＪＩＳ Ｚ ３１０６に規定された放射透過試験を行ない、判定基準を１級とした。そして合格材については、４Ｋでの引張り試験を行い（形状：ＪＩＳ１４Ａ号）、およびＡＳＴＭ Ｅ８１３−８９によるＪＩＣ試験を行い、前者については０．２％耐力、引張強さ、後者については、破壊靱性値Ｋ_ICを求めた。また放射透過試験での不合格品については、欠陥部を断面ミクロ観察して溶接欠陥の性状を観察した。
ＴＩＧ溶接継手の溶着金属における上記試験結果を表６に示す。
【００３４】
【表５】

【００３５】
【表６】

【００３６】
これらの結果から、次の様に考察できる。Ｎｏ．４〜６のものは、夫々センターガス組成、オシレーションの端止め時間、平均入熱量等の溶接条件において本発明で規定する範囲を外れる比較例であり、いずれも溶け込み不良が発生し、はずれも放射透過試験での１級を満足していない。
【００３７】
Ｎｏ．１２，１８のものはＮｉの含有量が、Ｎｏ．１９のものは不純物としてのＯ量が、Ｎｏ．２０のものは不純物としてのＰｂ量が、夫々本発明で規定する範囲を外れる比較例であり、その結果下記の特性が劣化している。即ち、Ｎｏ．１２，１９のものは、４Ｋでの破壊靱性値Ｋ_ICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上の要求特性を満足せず、Ｎｏ．１８，２０のものでは、高温割れが発生して放射透過試験での１級を満足していない。
【００３８】
これらに対し、本発明で規定する要件を満足するもの（Ｎｏ．１〜３，７〜１１，１３〜１７）は、いずれも放射透過試験での１級を満足する内部品質を有すると共に、４Ｋでの０．２％耐力、破壊靱性値Ｋ_ICとも極低温用溶接構造物としての要求値を満足するものである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、本発明の溶接方法を極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の溶接に適用することによって、高温割れ、溶込み不良等の重要欠陥が発生せず、４Ｋで高位の０．２％耐力、破壊靱性値を具備する溶着金属を得ることができる。また本発明方法によれば、大型化する超電導マグネットコイルの支持構造体の製作に当たり、高能率の溶接施工が可能になり、コスト低減を図ることができる。こうした本発明方法は、核融合炉やＭＨＤ発電等の分野における実用化技術の発展に多いに貢献できるものと期待できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いた開先部材の開先形状例を示す概略説明図である。
【図２】ＴＩＧ溶接トーチの構造例を示す断面図である。
【図３】オシレーションおよびアーク電流への低周波パルス制御のパターン例を示す模式図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a narrow gap welded joint that does not cause heavy defects such as hot cracks, poor penetration and poor fusion in the weld metal, and 0.2% proof stress at 4K is 1000 N / mm ² or more and fracture toughness The present invention relates to a TIG welding method capable of obtaining a weld metal having a value K _IC of 140 MPa · √m or more, and a welded structure obtained by such a welding method and having the above-described weld metal characteristics.
[0002]
[Prior art]
In recent years, practical applications such as magnetohydrodynamic power generation (MHD power generation) and fusion reactors using large superconducting magnets are being studied. By the way, the welded part of the thick-walled structure that supports these superconducting magnets has a nonmagnetic property and excellent weather resistance, and is 0.2 at 4K (−269 ° C.), which is the use environment temperature. It is required that the% proof stress is 1000 N / mm ² or more, the fracture toughness value K _IC has a strength characteristic of 140 MPa · √m or more, and the soundness of the internal quality is ensured. For practical use, a welding method capable of realizing a narrow groove welded joint with a small amount of welding is required from the viewpoint of high efficiency and manufacturing cost reduction.
[0003]
For example, as a conventional technique related to the weld metal characteristics of the thick-walled material in the above-mentioned applications, “The characteristics of the weld metal for the cryogenic stainless steel forgings” on page 234, Summary of the National Welding Society Conference 54 (234 April 1994) Monthly issue) has been reported. In this report, various types of welding wires such as high nitrogen stainless steel, high nitrogen high manganese (high N high Mn) stainless steel, and high nitrogen Ni-based alloy are used in gas shielded arc welding of a thick material with a throat thickness of 70 mm. However, it is disclosed that micro-hot cracks are generated in the weld metal and cannot be used in the TIG welding.
[0004]
Further, the above report shows stainless steel containing 5.5% δ ferrite in austenite and Ni-based alloy containing 0.03% N as weld metals in which no hot weld cracking is observed. However, stainless steel containing 5.5% δ ferrite in austenite has a low fracture toughness value K _IC , cannot achieve the required level of 140 MPa · √m or higher, and magnetism occurs. Therefore, there is a problem that it cannot be put into practical use. In addition, the Ni-base alloy containing 0.03% N has a low yield strength, and not only cannot achieve the required level of 1000 N / mm ² or more, but the Ni-base alloy is extremely expensive. However, it is disadvantageous for practical use. In addition, the welding method has a disadvantage that the groove angle is as wide as about 8.5 °, so that the amount of deposited metal is increased and the applicability to a thick-walled structure is poor.
[0005]
As a welding method, in addition to the above-described TIG welding, for example, a technique disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-193271 is also known. This technology is related to the MIG welding method of high Mn non-magnetic steel for cryogenic temperature, which mainly improves the internal defects due to blowholes and the oxidation degree of the welded part surface. It was as thin as 40 mm or less, and the required properties could not be guaranteed even in the mechanical properties of the deposited metal.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned circumstances, and the object thereof is a thick material without causing defects such as hot cracks in a weld metal, and 0.2% proof stress at 4K is 1000 N. / Mm ² and a TIG welding method capable of obtaining a weld metal having a fracture toughness value K _IC of 140 MPa · √m or more, and a weld obtained by such a welding method and having the above-mentioned weld metal characteristics To provide a structure.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The welding method of the present invention that has solved the above problems is a high Mn stainless steel material that is narrow using a stainless steel welding wire containing 0.10 to 0.28 mass% N and 18 to 30 mass% Mn. In welding by groove TIG welding, a high N high Mn stainless steel welding wire containing 3 to 8 mass% of Ni and suppressed to Pb: 0.0005 mass% or less and O: 0.005 mass% or less, respectively. This is a narrow gap TIG welding method for a cryogenic high Mn stainless steel material having a gist in that it is used and operated so as to satisfy the following welding conditions (A) to (C).
(A) A welding torch having a multiple shield structure having a center gas nozzle is applied.
(B) Ar gas containing 20% by volume or more of He is used as the center gas around the electrode to shield the arc and the surface of the molten metal.
(C) Oscillation having an end stop time at the open tip is performed, and the average heat input is 15 KJ / cm or more.
[0008]
In the above-described method of the present invention, (a) applying pulse waveform control to the arc current during welding, or (b) feeding a hot wire, avoids poor fusion and obtains a more healthy weld metal. Useful from the point of view.
[0009]
By applying the welding method having the above-described configuration, a narrow gap welding with a 0.2% proof stress at 4K of 1000 N / mm ² or more and a fracture toughness value K _IC of 140 MPa · √m or more. A welded structure having a portion is obtained.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present inventors examined the welding wire and welding conditions from various angles from the viewpoint of achieving the above object. As a result, if the above configuration is adopted, conventional problems will not occur, and there will be no restrictions on dimensions such as electron beam welding that requires a vacuum chamber, and energy saving and cost reduction will be practical. The present inventors have found that a welding method that can solve the problem can be realized, and have completed the present invention.
[0011]
In the present invention, it is necessary to use a high N high Mn stainless steel welding wire as described above. First, the reasons for limiting chemical components such as Ni, Nb, O, etc. in this welding wire will be described.
[0012]
Ni: 3 to 8% by mass
The welding wire used in the present invention needs to contain 3 to 8% by weight of Ni. This Ni is an element indispensable for improving the toughness at 4K by stabilizing the austenite structure. If the Ni content is less than 3% by mass, such effects cannot be exhibited. If the Ni content exceeds 8% by mass, hot cracking will occur, the viscosity of the molten metal during welding will increase, and the flow of molten metal will deteriorate, and in narrow groove welding, poor penetration and poor fusion will occur. It tends to occur. In addition, the minimum with preferable Ni content is 4.5 mass%, and a preferable upper limit is 7.5 mass%.
[0013]
Pb: 0.0005% by mass or less Pb is an impurity that segregates at the dendrite grain boundary during the solidification process of the molten metal and makes its strength and ductility lower than that of the matrix. When its content increases, hot cracking occurs. Will cause. If the Pb content is 0.0005% by mass or less, such inconvenience can be avoided. Therefore, Pb in the welding wire used in the present invention needs to be suppressed to 0.0005% by mass or less, and preferably is 0.00. It is good to set it as 0003 mass% or less.
[0014]
O: 0.005 mass% or less O enters the weld metal from a welding wire or the like, and remains as solid solution oxygen, non-metallic inclusions and blowholes. Further, if the O content in the welding wire exceeds 0.005% by mass, the O content in the obtained weld metal is more than 0.005% by mass, and it is difficult to satisfy the required toughness at 4K. In addition, welding defects such as poor slag entrainment and fusion are also generated. From such a viewpoint, the O content in the welding wire needs to be 0.005% by mass or less, and preferably 0.0035% by mass or less.
[0015]
In order to exert the effect of limiting the amount of Ni, Nb, O in the welding wire used in the present invention, high N high Mn stainless steel is used as a basic component of the welding wire (and weld metal) used in the present invention. There is a need. As such a stainless steel, a high N high Mn stainless steel containing N: 0.10 to 0.28 mass% and Mn: 18 to 30 mass% is recommended, for the following reason. is there.
[0016]
N: 0.10 to 0.28 mass%
N is an element effective for stabilizing the austenite structure and improving low temperature toughness at 4K. In order to exert such effects, the content is preferably 0.10% by mass or more. However, when it contains more than 0.28 mass%, welding hot cracking resistance will be poor. For these reasons, the N content is preferably 0.10 to 0.28% by mass. A more preferable range of the N content is about 0.15 to 0.25% by mass.
[0017]
Mn: 18-30% by mass
Mn acts as an austenite-forming element that can replace Ni, which adversely affects weld hot cracking resistance, and is an essential element for improving low-temperature toughness at 4K. In addition, it increases the solid solubility limit of N and contributes to stabilization of the austenite structure. In order to exert these effects, the Mn content is preferably 18% by mass or more. On the other hand, if the Mn content exceeds 30% by mass, when the welding wire is drawn, the hot workability is deteriorated, the yield is lowered, and the cost is increased. For these reasons, the Mn content is preferably 18 to 30% by mass. A more preferable range of Mn is about 20 to 25% by mass.
[0018]
The present invention is a narrow groove TIG welding method using a high N high Mn stainless steel welding wire as described above. To implement the method of the present invention, the following three (A) to (C) are used. It is necessary to satisfy the conditions. Next, the reasons for limitation in these conditions will be described.
(A) A welding torch having a multiple shield structure having a center gas nozzle is applied.
(B) Ar gas containing 20% by volume or more of He is used as the center gas around the electrode to shield the arc and the surface of the molten metal.
(C) Oscillation having an end stop time at the open tip is performed, and the average heat input is 15 KJ / cm or more.
[0019]
First, regarding the structure of the welding torch [Condition (A) above], the single-layer shield structure is inferior in shielding properties against molten metal, and a weld metal having sound internal quality and high material properties can be obtained. become unable. Therefore, the structure of the welding torch employed in the method of the present invention needs to be a multiple structure welding torch having a center gas nozzle. The shape of the torch is preferably a long rectangular nozzle from the viewpoint of the stability of the arc of the narrow groove and the securing of the meltability at the open tip.
[0020]
Next, as the type of center gas (inert gas), [Condition (B) above], Ar alone (or Ar + He mixed gas mixed with less than 20% by volume of He), the concentration of arc energy and the arc Since the spread is insufficient, in narrow groove welding, poor penetration occurs at the open tip. For this reason, it is necessary to increase the potential gradient of the arc column and to contain He in an amount of 20% by volume or more, which is effective for increasing arc energy.
[0021]
It is also effective to add H ₂ to this mixed gas (center gas) if necessary. This H ₂ is effective in increasing the penetration depth by converging the arc by the thermal pinch effect as the thickness and the narrowing of the groove progress. In order to exert such an effect by H ₂ , the mixing amount is preferably 2% by volume or more, and if it is less than that, the above-mentioned effect is not effectively exhibited. However, if the amount of H ₂ mixed exceeds 15% by volume, blowholes are more likely to occur. Therefore, when H ₂ is mixed in the center gas, the mixing amount is preferably 2 to 15%.
[0022]
In the case of a narrow groove, since it is necessary to melt at the groove by the pool heat of the molten metal, with respect to the open end stop time in oscillation, the melting is insufficient at 0 seconds. Accordingly, it is necessary that the open end stop time in the oscillation is a time exceeding at least 0 second (for example, a total of 2 to 3 seconds on both sides). In addition, when the average heat input is less than 15 KJ / cm in the case of TIG welding, the concentration of arc energy and the melting cross-sectional area of the base material are insufficient in a narrow groove, resulting in poor penetration. . Therefore, the average heat input amount in TIG welding needs to be 15 KJ / cm or more [the above condition (C)].
[0023]
In carrying out the welding method of the present invention, the following requirements (a) and (b) should be added as necessary in order to ensure sound fusion in accordance with the progress of thickening and narrowing of the groove. Is preferred.
(A) Applying pulse control synchronized with arc current during welding (b) Feeding hot wire
All of these requirements are useful from the viewpoint of achieving deep penetration at the open tip and stable meltability at the bottom, avoiding poor fusion and obtaining a sounder weld metal.
[0025]
As described above, in the present invention, a high temperature Mn stainless steel thick steel material is subjected to narrow groove TIG welding to produce a welded structure. In order to achieve high strength and toughness at the cryogenic temperature required for welds while ensuring sound penetration,
(i) In weld metal formed from high N high Mn stainless steel welding wire,
Ni is an austenite stabilizing element, and Ni that inhibits molten metal flow is limited to 3 to 8% by mass.
and
(ii) Satisfy the following requirements (1) to (3) in narrow groove TIG welding:
(1) Using a multiple gas shield welding torch with a center gas nozzle, adopting a multi-source gas of Ar + He gas as the center gas, and mixing H ₂ as necessary to increase the concentration of arc energy and the spread of the arc.
(2) Adopt oscillation with end stop time to achieve melting at the open tip.
(3) Apply pulse control to the arc current as necessary to achieve deep penetration at the open tip and stable meltability at the bottom.
Furthermore,
(iii) In the case of TIG welding, for example, in order to enable fusion in one layer and one pass due to the spread of molten metal, and to improve work efficiency, hot wire is fed as necessary ,
It is clarified that it is effective to take such measures.
[0026]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are not of a nature that limits the present invention, and any design changes may be made in accordance with the gist of the present invention. It is included in the range.
[0027]
【Example】
As a base material to be welded, a high Mn stainless steel for cryogenic temperatures having a thickness of 110 mm made of chemical components shown in Table 1 below was used. In addition, a welding wire having a diameter of 1.2 mm and having various chemical components shown in Table 2 below was used.
[0028]
[Table 1]

[0029]
[Table 2]

[0030]
A U-shaped groove as shown in FIG. 1 is adopted as the base material to be welded, and butt automatic TIG welding (DC, electrode minus: DC EN) using the welding wire under the welding conditions shown in Tables 3 and 4 below. Went. At this time, in order to prevent welding distortion, the main welding was performed after restraint welding of the four circumferences.
[0031]
[Table 3]

[0032]
[Table 4]

[0033]
Table 5 shows the chemical composition of the weld metal in TIG welding. At this time, in order to grasp the soundness of the weld metal of the welded joint, a radiation transmission test specified in JIS Z 3106 was performed, and the criterion was set to the first grade. For the acceptable materials, a tensile test at 4K is performed (shape: JIS14A) and a JIS test is performed according to ASTM E813-89. The value K _IC was determined. Further, regarding the rejected product in the radiation transmission test, the defect portion was observed through a cross-sectional microscopic observation to observe the properties of the welding defect.
Table 6 shows the test results for the weld metal of the TIG welded joint.
[0034]
[Table 5]

[0035]
[Table 6]

[0036]
From these results, it can be considered as follows. No. Samples 4 to 6 are comparative examples that deviate from the ranges specified in the present invention in the welding conditions such as the center gas composition, the oscillation stop time, and the average heat input, respectively. The first grade in the radiation transmission test is not satisfied.
[0037]
No. In Nos. 12 and 18, the Ni content was No. In No. 19, the amount of O as an impurity was No. No. 20 is a comparative example in which the amount of Pb as an impurity is outside the range defined in the present invention, and as a result, the following characteristics are deteriorated. That is, no. Nos. 12 and 19 do not satisfy the required characteristics with a fracture toughness value K _{IC at} 4K of 140 MPa · √m or more. 18 and 20 do not satisfy the first grade in the radiation transmission test due to the occurrence of hot cracks.
[0038]
On the other hand, those satisfying the requirements defined in the present invention (No. 1 to 3, 7 to 11, 13 to 17) all have internal quality satisfying the first grade in the radiation transmission test and 4K. Both the 0.2% proof stress and fracture toughness value K _IC in Table 1 satisfy the required values for a cryogenic welded structure.
[0039]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and by applying the welding method of the present invention to the welding of a high Mn stainless steel material for cryogenic temperatures, no significant defects such as high temperature cracks and poor penetration occur. A weld metal having a high 0.2% yield strength and fracture toughness value can be obtained. Further, according to the method of the present invention, it is possible to perform high-efficiency welding when manufacturing a supporting structure for a superconducting magnet coil that is increased in size, thereby reducing costs. Such a method of the present invention can be expected to contribute greatly to the development of practical technologies in the fields of fusion reactors and MHD power generation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a groove shape example of a groove member used in Examples.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structural example of a TIG welding torch.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a pattern example of low-frequency pulse control to oscillation and arc current.

Claims (4)

高Ｍｎステンレス鋼材を、Ｎを０．１０〜０．２８質量％含有し、Ｍｎを１８〜３０質量％含有するステンレス鋼溶接ワイヤを用いて狭開先ＴＩＧ溶接によって溶接するに当たり、Ｎｉを３〜８質量％含有すると共に、Ｐｂ：０．０００５質量％以下およびＯ：０．００５質量％以下に夫々抑制した高Ｎ高Ｍｎステンレス鋼溶接ワイヤを使用し、且つ下記（Ａ）〜（Ｃ）の溶接条件を満足する様にして操業することを特徴とする極低温用高Ｍｎステンレス鋼材の狭開先ＴＩＧ溶接方法。
（Ａ）センターガスノズルを有する多重シールド構造の溶接トーチを適用する。
（Ｂ）電極周囲のセンターガスとして、Ｈｅを２０容量％以上含むＡｒガスを使用し、アークおよび溶融金属表面をシールドする。
（Ｃ）開先端部での端止め時間を有するオシレーションを行い、平均入熱量を１５ＫＪ／ｃｍ以上とする。In welding a high Mn stainless steel material by narrow groove TIG welding using a stainless steel welding wire containing 0.10 to 0.28% by mass of N and 18 to 30% by mass of Mn, A high N high Mn stainless steel welding wire containing 8% by mass and suppressed to Pb: 0.0005% by mass or less and O: 0.005% by mass or less is used, and the following (A) to (C) A narrow groove TIG welding method of a high-Mn stainless steel material for cryogenic use characterized by operating so as to satisfy welding conditions.
(A) A welding torch having a multiple shield structure having a center gas nozzle is applied.
(B) Ar gas containing 20% by volume or more of He is used as the center gas around the electrode to shield the arc and the surface of the molten metal.
(C) Oscillation having an end stop time at the open tip is performed, and the average heat input is 15 KJ / cm or more. 溶接中にアーク電流にパルス波形制御を加える請求項１に記載の溶接方法。Welding method according to claim 1, adding the pulse waveform control the arc current during welding. ホットワイヤを送給する請求項１または２に記載の溶接方法。  The welding method according to claim 1 or 2, wherein a hot wire is fed. 請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法によって得られたものであり、４Ｋでの０．２％耐力が１０００Ｎ／ｍｍ² 以上であり、且つ破壊靱性値Ｋ_ICが１４０ＭＰａ・√ｍ以上である狭開先溶接部を有することを特徴とする溶接構造物。It was obtained by the welding method according to any one of claims 1 to 3, wherein 0.2% proof stress at 4K is 1000 N / mm ² or more, and fracture toughness value K _IC is 140 MPa · √m or more. A welded structure characterized by having a narrow groove welded portion.

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