JP3854440B2 - 溶接材料およびガスメタルアーク溶接方法並びに溶接構造物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接材料に関し、特に高温強度に優れた８〜１３％Ｃｒ鋼をガスメタルアーク（以下、ＧＭＡと記す）溶接する際に好適な溶接材料およびＧＭＡ溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電用ボイラはその効率向上にともない高温・高圧化の傾向にある。したがって、ボイラを構成する部材に用いられる材料として９Ｃｒ、１２Ｃｒ鋼に代表される高温強度に優れた高Ｃｒ鋼が種々開発されている。これら高Ｃｒ鋼を発電用ボイラの構成部材に用いる場合、溶接は極めて重要な要素技術となる。
【０００３】
従来、高Ｃｒ鋼用の溶接材料としては、被覆アーク溶接、ＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接を対象として種々のものが開発されている。例えば、特開平２−２８０９９３号公報には、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜１％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：８〜１２％、Ｎｉ：１〜〜５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：０．１〜０．５％、Ｗ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％以下、Ａｌ：０．０４％以下、Ｎ：０．００３〜０．０８％、Ｏ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、さらにＣｒ当量（Ｃｒｅｑ）：１３％以下（Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１２Ａｌ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｍｎ（％））、Ｑｃ：０．１５％以下（Ｑｃ＝Ｃ＋Ｍｎ／２０＋Ｓｉ／３０（％））、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる溶接材料が記載されている。
【０００４】
また、特開平７−２６８５６３号公報には、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｎｉ：１〜５％、Ｍｏ：０．３〜１．６％、Ｖ：０．０３〜０．４０％、Ｗ：０．５〜３．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｗ：０．５〜３．５％、Ｎ：０．０１％〜０．０８％、Ｃｏ：１．０〜５．０％、およびＣｕ：０．５〜４．０％の１種又は２種を含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｃｏ＋Ｃｕ）≦１．５なる関係を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる溶接材料が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、高Ｃｒ鋼の溶接法としては、前述の通り、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接が適用されており、上記溶接材料も専らこの溶接法に対応したものである。しかし、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接は、溶接効率が劣る。
【０００６】
被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接に比べて高効率な溶接法としてＧＭＡ溶接が知られている。ＧＭＡ溶接の溶接速度は、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接の１０倍程度の効率を誇る。したがって、発電用ボイラの製造コスト低減のためには、高Ｃｒ鋼へのＧＭＡ溶接の適用が望まれている。
【０００７】
ＧＭＡ溶接はアークの周囲をＡｒ等の不活性ガス、または炭酸ガスでシールドするが、アークが安定的に生じるためには、シールドガス中にある程度の酸素の存在が必要であることが知られている。しかし、高Ｃｒ鋼においては、シールドガス中の酸素濃度が高くなると、溶接後の溶接材料（以下、溶接金属）の靱性が低下することが指摘されている。したがって、これまで高Ｃｒ鋼の溶接法としてＧＭＡ溶接が実用化されたという報告はない。
【０００８】
そこで本発明は、Ｃｒを８〜１３％含有する高Ｃｒ鋼へのＧＭＡ溶接を可能とする溶接材料の提供を課題とする。また、本発明はそのような溶接材料を用いて溶接金属の特性、アーク安定性の優れたＧＭＡ溶接方法の提供を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前記課題を解決するために、溶接材料の組成について詳細な検討を行った。その結果、シールドガス中の酸素濃度を低くしても、溶接材料中に希土類金属元素（本明細書中ではＲＥＭと記す）、さらに必要に応じてカルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）を含有せしめることによりアークの安定性が得られることを確認した。また、溶接材料中に適量のＣｏを含有せしめることにより、溶接金属の湯流れ性が向上し、ビード形状及び開先端部の溶け込みが良好となることを知見した。
【００１０】
本発明は以上の知見に基づくものであり、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｎｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜２．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０８〜０．５％、Ｃｏ：０．５〜５．０％、Ｔａ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．０８％以下、ＲＥＭ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接材料である。
【００１１】
以下本発明溶接材料における成分限定理由について述べる。
＜Ｃ：０．０１〜０．１５％＞
ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｗといった炭化物形成元素と炭化物、炭窒化物を形成することにより溶接金属のクリープ強度を高める効果を有するとともに、焼入れ性を確保する効果を有する。しかし、０．０１％未満ではこの効果を十分に得ることができず、逆に０．１５％を越えると割れ性の点で問題となる。したがって本発明では０．０１〜０．１５％とした。望ましいＣ含有量の範囲は、０．０６〜０．１２％である。
【００１２】
＜Ｓｉ：０．１〜０．６％＞
Ｓｉは脱酸剤として添加するものであり、高温における耐酸化性を向上させる元素である。また、ガスメタルアーク溶接においては、溶融池の流動性を向上させてビート形状を良好なものにして、溶接欠陥発生防止に有効であるので、０．１％以上含有させるものとする。しかし、過剰に添加すると溶接金属の靱性を損なうので０．６％以下とした。
【００１３】
＜Ｍｎ：０．１〜２．０％＞
ＭｎもＳｉと同様脱酸剤として機能するとともに、強度向上の効果をも有する。しかし、Ｓｉと同様過剰な添加は靱性を劣化させるため、２．０％以下とする。強度確保のためには、０．５％以上添加するのが望ましい。
【００１４】
＜Ｃｒ：８〜１３％＞
Ｃｒは溶接金属の耐酸化性確保のために重要な元素である。本発明溶接材料が適用される高Ｃｒ鋼が使用される環境下での耐酸化性を考慮し８％以上添加することとする。しかし、多量の添加は溶接金属中にδフェライトが晶出することにより靱性を低下させるので、上限を１３％とした。望ましいＣｒ含有量は８．５〜１１％である。
【００１５】
＜Ｎｉ：０．１〜１．５％＞
Ｎｉはフェライトの生成を抑制し、溶接後の靱性向上に有効な元素である。特に、長時間高温に晒される部位に使用される本発明の溶接材料として重要である。０．１％未満ではこの効果が十分でなく、また、１．５％を越えるとＡC1変態点を低下させ、溶接後熱処理によるオーステナイト相の生成により高温クリープ特性を劣化させる。したがって、本発明では０．１〜１．５％とする。望ましいＮｉ量は０．３〜０．７％である。
【００１６】
＜Ｍｏ：０．３〜２．０％＞
Ｍｏは基地中に固溶することにより高温クリープ強度を向上する効果を有する。この効果を得るためには０．３％以上の添加が必要であるが、添加量が高くなるとδフェライトを生成して靱性を低下させる。したがって、上限を２．０％とする。望ましいＭｏ量は、０．８〜１．２％である。
【００１７】
＜Ｃｕ：０．５〜４．０％＞
Ｃｕはδフェライトの生成を抑制し、溶接金属の靱性向上に有効な元素である。また、Ｃｒ当量を低下させ、溶接時の高温割れ感受性を低減できるので任意添加元素とした。この効果を十分得るためには０．５％以上含有する必要がある。しかし、過剰に添加するとＡC1変態点の低下により高温焼き戻しができなくなり、実用的でなくなるため、４．０％以下とする。望ましいＣｕ含有量は、１．０〜２．０％の範囲である。
【００１８】
＜Ｖ：０．０５〜０．５％＞
Ｖは、Ｃ及びＮと炭窒化物を析出することによりクリープ強度向上に寄与する。この効果を得るためには０．０５％以上の含有が必要であるが、含有量が多くなると炭窒化物が粗大化することによりクリープ強度を低下させてしまうので０．５％以下とする。望ましいＶの含有量は、０．１〜０．３％である。
【００１９】
＜Ｗ：０．０８〜０．５％＞
Ｍｏと同様、基地中に固溶することにより高温クリープ強度を向上する効果を有する。この効果を得るためには０．０８％以上の添加が必要であるが、添加量が高くなるとδフェライトを生成して靱性を低下させる。したがって、上限を０．５％とする。望ましいＷ量は、０．１〜０．３％である。
【００２０】
＜Ｃｏ：０．５〜５．０％＞
ＣｏはＳｉと同様に溶融池の流動性を向上させて、ビード形状を良好なものにする元素である。また、δフェライトの生成を抑制し、溶接金属の靱性向上に有効な元素である。また、Ｃｒ当量を低下させ、溶接時の高温割れを低減できるので０．５％以上含有させる。しかし過剰に添加するとＡC1変態点の低下により、高温焼戻しができなくなり、実用的でなくなる。また、溶接材料の価格上昇も招くため５．０％以下とする。望ましいＣｏの含有量は１．５〜３．５％である。
【００２１】
＜Ｔａ：０．１〜０．５％＞
ＴａはＣと炭化物を形成することにより高温強度およびクリープ強度の向上に寄与する元素であり、その効果を得るためには０．１％以上含有する必要がある。しかし、含有量が多くなると靱性が劣化するため、０．５％以下とする。Ｔａの望ましい含有量は０．１５〜０．３％である。
【００２２】
＜Ｎ：０．０８％以下＞
Ｎは窒化物の析出並びに基地中に固溶することにより、高温強度およびクリープ強度の向上に寄与するので含有させる必要がある。しかし、過剰に添加窒化物型量に析出して靱性の低下や長時間側でのクリープ強度の低下、さらにはブローホール発生の原因となることから０．０８％以下を含有することとした。望ましいＮ含有量は、０．０１〜０．０４％である。
【００２３】
＜ＲＥＭ：０．０１〜０．１％＞
ＲＥＭは、低酸素乃至無酸素下の不活性ガス雰囲気でアークを安定させるために含有せしめる元素である。すなわち、アークを安定させるためには、アーク点となる陰極点を安定して供給するか、または溶滴移行を安定して行わせる必要がある。ここで、ＲＥＭの酸化物その仕事関数が他の元素の酸化物に比べて小さく、生成自由エネルギも小さいため、酸化物を形成しやすい。したがって、溶接ワイヤ中、さらには被溶接材である鋼中に含まれる微量の酸素とＲＥＭとが反応することにより容易にＲＥＭ酸化物を形成し、これが陰極点となるために溶滴の安定移行が期待できる。
【００２４】
本発明では以上の見地に基づきＲＥＭを０．０１％以上含有することとした。しかし、過剰に含有すると溶接時における高温割れ感受性の増大や、溶融池表面にＲＥＭ酸化物が過剰に生成してビート形状不良および靱性を低下させる原因となるので０．１％以下とする。望ましいＲＥＭ含有量は、０．０３〜０．０８％である。
【００２５】
本発明においてＲＥＭの種類は特に限定されない。つまり、本発明においてＲＥＭとは、Ｙおよびランタノイド元素の１種又は２種以上を意味するが、そのいずれの元素をも用いることができる。コスト的観点から言えば、純粋なＲＥＭを用いるよりもミッシュメタルを用いることが推奨される。
【００２６】
＜ＣａまたはＭｇ：０．０００５〜０．０２％＞
ＣａはＲＥＭと同様な理由により、低酸素乃至無酸素下の不活性ガス雰囲気でアークを安定させるため任意に含有せしめる元素である。Ｃａ酸化物の仕事関数は特に低く、アークの安定化が期待できるので０．０００５％以上含有するものとする。しかし、過剰添加するとビート表面での酸化皮膜の生成が多くなり、ビート形状不良となるため０．０２％以下とした。
ＭｇもＲＥＭおよびＣａと同様な理由により、低酸素乃至無酸素下の不活性ガス雰囲気でアークを安定させるため任意に含有せしめる元素である。また、Ｓを固定するとともに熱感加工性を改善するため、溶接材料を製造する際には有益な元素であるため、０．０００５％以上含有するものとする。しかし、過剰添加するとビート表面での酸化皮膜の生成が多くなり、ビート形状不良となるため０．０２％以下とした。
【００２７】
本発明の溶接材料においては、Ｃｒ当量（Ｃｒｅｑ）＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ−４０Ｃ−３０Ｎ−２Ｃｏ−Ｃｕ−４Ｎｉ−２Ｍｎ（％）を１０％以下とした。この理由は、例えば発電用ボイラーに用いられる肉厚構造用部材の狭開先溶接では拘束応力が大きく、従来の溶接材料では溶接時に高温割れが発生することがあるが、本発明の如くＣｒ当量を１０％以下にすることにより、δフェライト相の残留が抑制され、溶接金属の靱性が向上するからである。好ましくはＣｒ当量を５％以下とすることにより、本発明溶接材料としての特性をより一層確保できる。
【００２８】
本発明溶接材料において、不純物としてＰおよびＳが含まれるが、各々０．００５％以下、０．００３％以下に規制することが望ましい。また、酸素も不純物として含まれる元素であるが、靱性に対して悪影響を及ぼすため、０．０１％以下とすることが望ましい。
【００２９】
次に本発明溶接材料を用いたＧＭＡ溶接方法について説明する。
まず溶接ワイヤは、上記した本発明溶接材料の組成とする。
シールドガスは、不活性ガス、最も一般的にはＡｒを用いるが、アークの安定性向上のためにはＡｒとＨｅの混合ガスとすることが望ましい。混合割合（体積％）としては、Ｈｅを２０〜５０％とするのが望ましい。
【００３０】
従来のＧＭＡ溶接方法においては、アークの安定性を確保するためにシールドガス中に微量の酸素を混入していたが、シールドガス中に酸素を混入すると、溶接金属中の酸素量が増大して靱性を低下させてしまう。図１にシールドガス中の酸素濃度と、吸収エネルギおよび溶接金属中の酸素濃度との関係を示す。シールドガス中の酸素濃度が高くなるにつれて溶接金属中の酸素濃度が高くなる傾向にあるが、吸収エネルギは酸素濃度が０．２５％以上でほぼ一定の値を示している。
【００３１】
したがって、溶接金属の靱性の観点から言えば、シールドガス中の酸素濃度は０．２５％以下とすることが望ましい。本発明者等の検討によれば、ＧＭＡ溶接方法において酸素濃度が０％と０．２５％の間にアーク安定性の点で差異がないことから、シールドガス中の酸素濃度は、０％とすることがより望ましい。
【００３２】
溶接後には応力除去焼鈍を施すが、この温度を７５０〜７８０℃の範囲とすることが望ましい。すなわち、応力除去焼鈍温度を７５０℃以上とすることにより溶接金属の靱性向上を図ることができるからである。ただし、焼鈍温度が高くなりすぎると高温強度を損ねるため７８０℃以下とする。焼鈍時間は焼鈍温度との関係で定めれば良いが、１〜５時間保持すれば焼鈍の目的を果たすことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態に基づき説明する。
表１に示す種々の組成の溶接ワイヤを準備した。このワイヤは真空溶解炉にて溶解し、鍛造、圧延、引抜きにより製造した。
これらワイヤを用いてＧＭＡ溶接を行った。溶接条件は下記の通りである。
【００３４】
【表１】
【００３５】
溶接条件
溶接電流：２２０〜２６０（Ａ）
溶接電圧：２７〜３０（Ｖ）
シールドガス：６５％Ａｒ＋３５％Ｈｅ（体積％）
【００３６】
溶接時のアーク挙動、生成されたビード形状（表面ビード外観）、割れ発生状況及び開先端部の溶け込み状況について、目視及び断面観察を行った。
ワイヤＮｏ．１を用いた溶接においてはビードの蛇行が認められた。これに起因して、開先内溶接においては、開先端部にアークが届かない部分があり、その部分が溶け込み不良となっている。
ワイヤＮｏ．２は、開先内部でのビード蛇行は認められなかった。しかし、開先上部（開先表層）においてアーク挙動が急に不安定となり、その結果ビードが蛇行する場合があった。また、開先内溶接時初層、２層目のビード中央部に高温割れと思われる割れがビードのほぼ全域に認められた。
【００３７】
ワイヤＮｏ．３は、開先内部全層にわたりほぼ溶接は安定していたが、時折２層目に高温割れが発生することがあった。
ワイヤＮｏ．４は、開先内部全層にわたり安定し、開先端部の溶接ビード形状および溶け込み状態が良好であった。
以上の評価結果を表２にまとめてある。
【００３８】
【表２】
【００３９】
次に、表１のＮｏ．４の溶接ワイヤを用い、上記シールドガス中の酸素濃度を０％，０．２５％，０．５％、１．０％および２．０％にとして溶接を行い、シールドガス中酸素濃度と溶接金属中酸素濃度および吸収エネルギの関係を確認した。その結果を図１のグラフに示す。なお、溶接条件は上記と同様である。
【００４０】
図１より、溶接金属中の酸素濃度は、シールドガス中酸素濃度に比例して増加することがわかる。シールドガス中酸素濃度が０％のときには溶接金属中の酸素量は１５ｐｐｍであるのに対し、シールドガス中酸素濃度が０．２５％となると１５６ｐｐｍまで増加している。
また、酸素濃度と吸収エネルギ、つまり靱性との関係については、シールドガス中酸素濃度が０％（溶接金属中酸素濃度１５ｐｐｍ）の場合には４．５ｋｇｆ・ｍ以上を確保し良好であるが、シールドガス中酸素濃度が０．２５％（溶接金属中酸素濃度１５６ｐｐｍ）、またはそれ以上となると吸収エネルギは０．８％以下と急激に劣化する。
【００４１】
以上の溶接施工中のアーク安定性を観察したところ、シールドガス中酸素濃度が０％と０．２５％とで大差がないことを確認した。したがって、靱性を考慮すると、シールドガス中酸素濃度は０％とすることが望ましいといえる。
【００４２】
次に、表１のＮｏ．４の溶接ワイヤを用い、上記シールドガス中の酸素濃度を０％として溶接を行い、その後表３に示す条件で応力除去焼鈍を施した後、吸収エネルギ及び硬さを測定した。結果を表３に示すが、熱処理温度が高くなるとともに、保持時間が長くなると吸収エネルギが高くなり、靱性が向上することがわかる。なお、吸収エネルギは３試料の平均値、硬さは５試料の平均値である。
【００４３】
【表３】
【００４４】
応力除去焼鈍の条件が溶接母材の吸収エネルギ、硬さに及ぼす影響を調査した。焼鈍条件及び測定した吸収エネルギ、硬さを表４に示す。吸収エネルギについては、焼鈍条件が変わっても溶接金属ほどの差異は現れなかった。７６０℃×４Ｈｒの吸収エネルギは、母材よりも溶接金属のほうが良い結果となっている。また、硬さについてみてみると、７６０℃×４Ｈｒの条件のほうが硬さが低下しているが、その低下量は溶接金属の半分程度である。これは、母材には溶接前にすでに７７０℃で焼き戻しが施されているため組織が十分に安定化しているのに対し、溶接金属は溶接後初めて熱処理が施されたので硬さ変化が大きかったものと推察される。
【００４５】
【表４】
【００４６】
７６０℃×２Ｈｒの応力除去焼鈍を施した溶接金属について、６００℃及び６５０℃での引張強さを測定した。結果を表５に示すが、この値は母材と同等であり、良好な引張強さを示すことが確認された。
【００４７】
【表５】
【００４８】
次に、表６に示す種々の組成を有するワイヤを作成し、上記と同様の条件で溶接を実行した。そして、表７に示す各種評価を行った。
【００４９】
【表６】
【００５０】
【表７】
【００５１】
表６，７において、ワイヤＮｏ．５はＲＥＭであるＣｅの含有量が少ないためにアークの安定性が劣り、その結果ビード形状も劣る結果となった。逆にワイヤＮｏ．６のようにＲＥＭであるＣｅの含有量が多すぎると、吸収エネルギ、つまり靱性が低い値となった。
【００５２】
また、Ｃｏの含有量が少ないワイヤＮｏ．１０はビード表面に凹凸が現れ、逆にＣｏ含有量の多いワイヤＮｏ．１１は吸収エネルギが低い値となった。
【００５３】
Ｔａ含有量の少ないワイヤＮｏ．１５は６５０℃における引張強さが劣り、逆にＴａ含有量の多いワイヤＮｏ．１６においては吸収エネルギおよび６５０℃における引張強さが劣っている。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明の溶接材料によれば、高Ｃｒ鋼のＧＭＡ溶接が可能となるので、低コストで高Ｃｒ鋼の溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シールドガス中の酸素濃度と溶接金属中の酸素濃度および吸収エネルギーの関係を示すグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接材料に関し、特に高温強度に優れた８〜１３％Ｃｒ鋼をガスメタルアーク（以下、ＧＭＡと記す）溶接する際に好適な溶接材料およびＧＭＡ溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電用ボイラはその効率向上にともない高温・高圧化の傾向にある。したがって、ボイラを構成する部材に用いられる材料として９Ｃｒ、１２Ｃｒ鋼に代表される高温強度に優れた高Ｃｒ鋼が種々開発されている。これら高Ｃｒ鋼を発電用ボイラの構成部材に用いる場合、溶接は極めて重要な要素技術となる。
【０００３】
従来、高Ｃｒ鋼用の溶接材料としては、被覆アーク溶接、ＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接を対象として種々のものが開発されている。例えば、特開平２−２８０９９３号公報には、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．０１〜１％、Ｍｎ：０．０１〜２．０％、Ｃｒ：８〜１２％、Ｎｉ：１〜〜５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：０．１〜０．５％、Ｗ：０．１〜３％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％以下、Ａｌ：０．０４％以下、Ｎ：０．００３〜０．０８％、Ｏ：０．０１％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、さらにＣｒ当量（Ｃｒｅｑ）：１３％以下（Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ＋１２Ａｌ−４０Ｃ−３０Ｎ−４Ｎｉ−２Ｍｎ（％））、Ｑｃ：０．１５％以下（Ｑｃ＝Ｃ＋Ｍｎ／２０＋Ｓｉ／３０（％））、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる溶接材料が記載されている。
【０００４】
また、特開平７−２６８５６３号公報には、Ｃ：０．０３〜０．１２％、Ｓｉ：０．０１〜０．３％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｎｉ：１〜５％、Ｍｏ：０．３〜１．６％、Ｖ：０．０３〜０．４０％、Ｗ：０．５〜３．５％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５％、Ｗ：０．５〜３．５％、Ｎ：０．０１％〜０．０８％、Ｃｏ：１．０〜５．０％、およびＣｕ：０．５〜４．０％の１種又は２種を含有し、（Ｍｏ＋Ｗ）／（Ｃｏ＋Ｃｕ）≦１．５なる関係を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる溶接材料が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、高Ｃｒ鋼の溶接法としては、前述の通り、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接が適用されており、上記溶接材料も専らこの溶接法に対応したものである。しかし、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接は、溶接効率が劣る。
【０００６】
被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接に比べて高効率な溶接法としてＧＭＡ溶接が知られている。ＧＭＡ溶接の溶接速度は、被覆アーク溶接、ＴＩＧ溶接の１０倍程度の効率を誇る。したがって、発電用ボイラの製造コスト低減のためには、高Ｃｒ鋼へのＧＭＡ溶接の適用が望まれている。
【０００７】
ＧＭＡ溶接はアークの周囲をＡｒ等の不活性ガス、または炭酸ガスでシールドするが、アークが安定的に生じるためには、シールドガス中にある程度の酸素の存在が必要であることが知られている。しかし、高Ｃｒ鋼においては、シールドガス中の酸素濃度が高くなると、溶接後の溶接材料（以下、溶接金属）の靱性が低下することが指摘されている。したがって、これまで高Ｃｒ鋼の溶接法としてＧＭＡ溶接が実用化されたという報告はない。
【０００８】
そこで本発明は、Ｃｒを８〜１３％含有する高Ｃｒ鋼へのＧＭＡ溶接を可能とする溶接材料の提供を課題とする。また、本発明はそのような溶接材料を用いて溶接金属の特性、アーク安定性の優れたＧＭＡ溶接方法の提供を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前記課題を解決するために、溶接材料の組成について詳細な検討を行った。その結果、シールドガス中の酸素濃度を低くしても、溶接材料中に希土類金属元素（本明細書中ではＲＥＭと記す）、さらに必要に応じてカルシウム（Ｃａ）またはマグネシウム（Ｍｇ）を含有せしめることによりアークの安定性が得られることを確認した。また、溶接材料中に適量のＣｏを含有せしめることにより、溶接金属の湯流れ性が向上し、ビード形状及び開先端部の溶け込みが良好となることを知見した。
【００１０】
本発明は以上の知見に基づくものであり、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｎｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜２．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０８〜０．５％、Ｃｏ：０．５〜５．０％、Ｔａ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．０８％以下、ＲＥＭ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接材料である。
【００１１】
以下本発明溶接材料における成分限定理由について述べる。
＜Ｃ：０．０１〜０．１５％＞
ＣはＣｒ、Ｍｏ、Ｗといった炭化物形成元素と炭化物、炭窒化物を形成することにより溶接金属のクリープ強度を高める効果を有するとともに、焼入れ性を確保する効果を有する。しかし、０．０１％未満ではこの効果を十分に得ることができず、逆に０．１５％を越えると割れ性の点で問題となる。したがって本発明では０．０１〜０．１５％とした。望ましいＣ含有量の範囲は、０．０６〜０．１２％である。
【００１２】
＜Ｓｉ：０．１〜０．６％＞
Ｓｉは脱酸剤として添加するものであり、高温における耐酸化性を向上させる元素である。また、ガスメタルアーク溶接においては、溶融池の流動性を向上させてビート形状を良好なものにして、溶接欠陥発生防止に有効であるので、０．１％以上含有させるものとする。しかし、過剰に添加すると溶接金属の靱性を損なうので０．６％以下とした。
【００１３】
＜Ｍｎ：０．１〜２．０％＞
ＭｎもＳｉと同様脱酸剤として機能するとともに、強度向上の効果をも有する。しかし、Ｓｉと同様過剰な添加は靱性を劣化させるため、２．０％以下とする。強度確保のためには、０．５％以上添加するのが望ましい。
【００１４】
＜Ｃｒ：８〜１３％＞
Ｃｒは溶接金属の耐酸化性確保のために重要な元素である。本発明溶接材料が適用される高Ｃｒ鋼が使用される環境下での耐酸化性を考慮し８％以上添加することとする。しかし、多量の添加は溶接金属中にδフェライトが晶出することにより靱性を低下させるので、上限を１３％とした。望ましいＣｒ含有量は８．５〜１１％である。
【００１５】
＜Ｎｉ：０．１〜１．５％＞
Ｎｉはフェライトの生成を抑制し、溶接後の靱性向上に有効な元素である。特に、長時間高温に晒される部位に使用される本発明の溶接材料として重要である。０．１％未満ではこの効果が十分でなく、また、１．５％を越えるとＡC1変態点を低下させ、溶接後熱処理によるオーステナイト相の生成により高温クリープ特性を劣化させる。したがって、本発明では０．１〜１．５％とする。望ましいＮｉ量は０．３〜０．７％である。
【００１６】
＜Ｍｏ：０．３〜２．０％＞
Ｍｏは基地中に固溶することにより高温クリープ強度を向上する効果を有する。この効果を得るためには０．３％以上の添加が必要であるが、添加量が高くなるとδフェライトを生成して靱性を低下させる。したがって、上限を２．０％とする。望ましいＭｏ量は、０．８〜１．２％である。
【００１７】
＜Ｃｕ：０．５〜４．０％＞
Ｃｕはδフェライトの生成を抑制し、溶接金属の靱性向上に有効な元素である。また、Ｃｒ当量を低下させ、溶接時の高温割れ感受性を低減できるので任意添加元素とした。この効果を十分得るためには０．５％以上含有する必要がある。しかし、過剰に添加するとＡC1変態点の低下により高温焼き戻しができなくなり、実用的でなくなるため、４．０％以下とする。望ましいＣｕ含有量は、１．０〜２．０％の範囲である。
【００１８】
＜Ｖ：０．０５〜０．５％＞
Ｖは、Ｃ及びＮと炭窒化物を析出することによりクリープ強度向上に寄与する。この効果を得るためには０．０５％以上の含有が必要であるが、含有量が多くなると炭窒化物が粗大化することによりクリープ強度を低下させてしまうので０．５％以下とする。望ましいＶの含有量は、０．１〜０．３％である。
【００１９】
＜Ｗ：０．０８〜０．５％＞
Ｍｏと同様、基地中に固溶することにより高温クリープ強度を向上する効果を有する。この効果を得るためには０．０８％以上の添加が必要であるが、添加量が高くなるとδフェライトを生成して靱性を低下させる。したがって、上限を０．５％とする。望ましいＷ量は、０．１〜０．３％である。
【００２０】
＜Ｃｏ：０．５〜５．０％＞
ＣｏはＳｉと同様に溶融池の流動性を向上させて、ビード形状を良好なものにする元素である。また、δフェライトの生成を抑制し、溶接金属の靱性向上に有効な元素である。また、Ｃｒ当量を低下させ、溶接時の高温割れを低減できるので０．５％以上含有させる。しかし過剰に添加するとＡC1変態点の低下により、高温焼戻しができなくなり、実用的でなくなる。また、溶接材料の価格上昇も招くため５．０％以下とする。望ましいＣｏの含有量は１．５〜３．５％である。
【００２１】
＜Ｔａ：０．１〜０．５％＞
ＴａはＣと炭化物を形成することにより高温強度およびクリープ強度の向上に寄与する元素であり、その効果を得るためには０．１％以上含有する必要がある。しかし、含有量が多くなると靱性が劣化するため、０．５％以下とする。Ｔａの望ましい含有量は０．１５〜０．３％である。
【００２２】
＜Ｎ：０．０８％以下＞
Ｎは窒化物の析出並びに基地中に固溶することにより、高温強度およびクリープ強度の向上に寄与するので含有させる必要がある。しかし、過剰に添加窒化物型量に析出して靱性の低下や長時間側でのクリープ強度の低下、さらにはブローホール発生の原因となることから０．０８％以下を含有することとした。望ましいＮ含有量は、０．０１〜０．０４％である。
【００２３】
＜ＲＥＭ：０．０１〜０．１％＞
ＲＥＭは、低酸素乃至無酸素下の不活性ガス雰囲気でアークを安定させるために含有せしめる元素である。すなわち、アークを安定させるためには、アーク点となる陰極点を安定して供給するか、または溶滴移行を安定して行わせる必要がある。ここで、ＲＥＭの酸化物その仕事関数が他の元素の酸化物に比べて小さく、生成自由エネルギも小さいため、酸化物を形成しやすい。したがって、溶接ワイヤ中、さらには被溶接材である鋼中に含まれる微量の酸素とＲＥＭとが反応することにより容易にＲＥＭ酸化物を形成し、これが陰極点となるために溶滴の安定移行が期待できる。
【００２４】
本発明では以上の見地に基づきＲＥＭを０．０１％以上含有することとした。しかし、過剰に含有すると溶接時における高温割れ感受性の増大や、溶融池表面にＲＥＭ酸化物が過剰に生成してビート形状不良および靱性を低下させる原因となるので０．１％以下とする。望ましいＲＥＭ含有量は、０．０３〜０．０８％である。
【００２５】
本発明においてＲＥＭの種類は特に限定されない。つまり、本発明においてＲＥＭとは、Ｙおよびランタノイド元素の１種又は２種以上を意味するが、そのいずれの元素をも用いることができる。コスト的観点から言えば、純粋なＲＥＭを用いるよりもミッシュメタルを用いることが推奨される。
【００２６】
＜ＣａまたはＭｇ：０．０００５〜０．０２％＞
ＣａはＲＥＭと同様な理由により、低酸素乃至無酸素下の不活性ガス雰囲気でアークを安定させるため任意に含有せしめる元素である。Ｃａ酸化物の仕事関数は特に低く、アークの安定化が期待できるので０．０００５％以上含有するものとする。しかし、過剰添加するとビート表面での酸化皮膜の生成が多くなり、ビート形状不良となるため０．０２％以下とした。
ＭｇもＲＥＭおよびＣａと同様な理由により、低酸素乃至無酸素下の不活性ガス雰囲気でアークを安定させるため任意に含有せしめる元素である。また、Ｓを固定するとともに熱感加工性を改善するため、溶接材料を製造する際には有益な元素であるため、０．０００５％以上含有するものとする。しかし、過剰添加するとビート表面での酸化皮膜の生成が多くなり、ビート形状不良となるため０．０２％以下とした。
【００２７】
本発明の溶接材料においては、Ｃｒ当量（Ｃｒｅｑ）＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ−４０Ｃ−３０Ｎ−２Ｃｏ−Ｃｕ−４Ｎｉ−２Ｍｎ（％）を１０％以下とした。この理由は、例えば発電用ボイラーに用いられる肉厚構造用部材の狭開先溶接では拘束応力が大きく、従来の溶接材料では溶接時に高温割れが発生することがあるが、本発明の如くＣｒ当量を１０％以下にすることにより、δフェライト相の残留が抑制され、溶接金属の靱性が向上するからである。好ましくはＣｒ当量を５％以下とすることにより、本発明溶接材料としての特性をより一層確保できる。
【００２８】
本発明溶接材料において、不純物としてＰおよびＳが含まれるが、各々０．００５％以下、０．００３％以下に規制することが望ましい。また、酸素も不純物として含まれる元素であるが、靱性に対して悪影響を及ぼすため、０．０１％以下とすることが望ましい。
【００２９】
次に本発明溶接材料を用いたＧＭＡ溶接方法について説明する。
まず溶接ワイヤは、上記した本発明溶接材料の組成とする。
シールドガスは、不活性ガス、最も一般的にはＡｒを用いるが、アークの安定性向上のためにはＡｒとＨｅの混合ガスとすることが望ましい。混合割合（体積％）としては、Ｈｅを２０〜５０％とするのが望ましい。
【００３０】
従来のＧＭＡ溶接方法においては、アークの安定性を確保するためにシールドガス中に微量の酸素を混入していたが、シールドガス中に酸素を混入すると、溶接金属中の酸素量が増大して靱性を低下させてしまう。図１にシールドガス中の酸素濃度と、吸収エネルギおよび溶接金属中の酸素濃度との関係を示す。シールドガス中の酸素濃度が高くなるにつれて溶接金属中の酸素濃度が高くなる傾向にあるが、吸収エネルギは酸素濃度が０．２５％以上でほぼ一定の値を示している。
【００３１】
したがって、溶接金属の靱性の観点から言えば、シールドガス中の酸素濃度は０．２５％以下とすることが望ましい。本発明者等の検討によれば、ＧＭＡ溶接方法において酸素濃度が０％と０．２５％の間にアーク安定性の点で差異がないことから、シールドガス中の酸素濃度は、０％とすることがより望ましい。
【００３２】
溶接後には応力除去焼鈍を施すが、この温度を７５０〜７８０℃の範囲とすることが望ましい。すなわち、応力除去焼鈍温度を７５０℃以上とすることにより溶接金属の靱性向上を図ることができるからである。ただし、焼鈍温度が高くなりすぎると高温強度を損ねるため７８０℃以下とする。焼鈍時間は焼鈍温度との関係で定めれば良いが、１〜５時間保持すれば焼鈍の目的を果たすことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態に基づき説明する。
表１に示す種々の組成の溶接ワイヤを準備した。このワイヤは真空溶解炉にて溶解し、鍛造、圧延、引抜きにより製造した。
これらワイヤを用いてＧＭＡ溶接を行った。溶接条件は下記の通りである。
【００３４】
【表１】
溶接条件
溶接電流：２２０〜２６０（Ａ）
溶接電圧：２７〜３０（Ｖ）
シールドガス：６５％Ａｒ＋３５％Ｈｅ（体積％）
【００３６】
溶接時のアーク挙動、生成されたビード形状（表面ビード外観）、割れ発生状況及び開先端部の溶け込み状況について、目視及び断面観察を行った。
ワイヤＮｏ．１を用いた溶接においてはビードの蛇行が認められた。これに起因して、開先内溶接においては、開先端部にアークが届かない部分があり、その部分が溶け込み不良となっている。
ワイヤＮｏ．２は、開先内部でのビード蛇行は認められなかった。しかし、開先上部（開先表層）においてアーク挙動が急に不安定となり、その結果ビードが蛇行する場合があった。また、開先内溶接時初層、２層目のビード中央部に高温割れと思われる割れがビードのほぼ全域に認められた。
【００３７】
ワイヤＮｏ．３は、開先内部全層にわたりほぼ溶接は安定していたが、時折２層目に高温割れが発生することがあった。
ワイヤＮｏ．４は、開先内部全層にわたり安定し、開先端部の溶接ビード形状および溶け込み状態が良好であった。
以上の評価結果を表２にまとめてある。
【００３８】
【表２】
次に、表１のＮｏ．４の溶接ワイヤを用い、上記シールドガス中の酸素濃度を０％，０．２５％，０．５％、１．０％および２．０％にとして溶接を行い、シールドガス中酸素濃度と溶接金属中酸素濃度および吸収エネルギの関係を確認した。その結果を図１のグラフに示す。なお、溶接条件は上記と同様である。
【００４０】
図１より、溶接金属中の酸素濃度は、シールドガス中酸素濃度に比例して増加することがわかる。シールドガス中酸素濃度が０％のときには溶接金属中の酸素量は１５ｐｐｍであるのに対し、シールドガス中酸素濃度が０．２５％となると１５６ｐｐｍまで増加している。
また、酸素濃度と吸収エネルギ、つまり靱性との関係については、シールドガス中酸素濃度が０％（溶接金属中酸素濃度１５ｐｐｍ）の場合には４．５ｋｇｆ・ｍ以上を確保し良好であるが、シールドガス中酸素濃度が０．２５％（溶接金属中酸素濃度１５６ｐｐｍ）、またはそれ以上となると吸収エネルギは０．８％以下と急激に劣化する。
【００４１】
以上の溶接施工中のアーク安定性を観察したところ、シールドガス中酸素濃度が０％と０．２５％とで大差がないことを確認した。したがって、靱性を考慮すると、シールドガス中酸素濃度は０％とすることが望ましいといえる。
【００４２】
次に、表１のＮｏ．４の溶接ワイヤを用い、上記シールドガス中の酸素濃度を０％として溶接を行い、その後表３に示す条件で応力除去焼鈍を施した後、吸収エネルギ及び硬さを測定した。結果を表３に示すが、熱処理温度が高くなるとともに、保持時間が長くなると吸収エネルギが高くなり、靱性が向上することがわかる。なお、吸収エネルギは３試料の平均値、硬さは５試料の平均値である。
【００４３】
【表３】
応力除去焼鈍の条件が溶接母材の吸収エネルギ、硬さに及ぼす影響を調査した。焼鈍条件及び測定した吸収エネルギ、硬さを表４に示す。吸収エネルギについては、焼鈍条件が変わっても溶接金属ほどの差異は現れなかった。７６０℃×４Ｈｒの吸収エネルギは、母材よりも溶接金属のほうが良い結果となっている。また、硬さについてみてみると、７６０℃×４Ｈｒの条件のほうが硬さが低下しているが、その低下量は溶接金属の半分程度である。これは、母材には溶接前にすでに７７０℃で焼き戻しが施されているため組織が十分に安定化しているのに対し、溶接金属は溶接後初めて熱処理が施されたので硬さ変化が大きかったものと推察される。
【００４５】
【表４】
７６０℃×２Ｈｒの応力除去焼鈍を施した溶接金属について、６００℃及び６５０℃での引張強さを測定した。結果を表５に示すが、この値は母材と同等であり、良好な引張強さを示すことが確認された。
【００４７】
【表５】
次に、表６に示す種々の組成を有するワイヤを作成し、上記と同様の条件で溶接を実行した。そして、表７に示す各種評価を行った。
【００４９】
【表６】
【表７】
表６，７において、ワイヤＮｏ．５はＲＥＭであるＣｅの含有量が少ないためにアークの安定性が劣り、その結果ビード形状も劣る結果となった。逆にワイヤＮｏ．６のようにＲＥＭであるＣｅの含有量が多すぎると、吸収エネルギ、つまり靱性が低い値となった。
【００５２】
また、Ｃｏの含有量が少ないワイヤＮｏ．１０はビード表面に凹凸が現れ、逆にＣｏ含有量の多いワイヤＮｏ．１１は吸収エネルギが低い値となった。
【００５３】
Ｔａ含有量の少ないワイヤＮｏ．１５は６５０℃における引張強さが劣り、逆にＴａ含有量の多いワイヤＮｏ．１６においては吸収エネルギおよび６５０℃における引張強さが劣っている。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明の溶接材料によれば、高Ｃｒ鋼のＧＭＡ溶接が可能となるので、低コストで高Ｃｒ鋼の溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シールドガス中の酸素濃度と溶接金属中の酸素濃度および吸収エネルギーの関係を示すグラフである。
Claims (10)
- 重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．６％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｎｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜２．０％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０８〜０．５％、Ｃｏ：０．５〜５．０％、Ｔａ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．０８％以下、ＲＥＭ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする溶接材料。
- 重量％で、Ｃｕ：０．５〜４．０％を含有する請求項１に記載の溶接材料。
- 重量％で、Ｃａ：０．０００５〜０．０２％またはＭｇ：０．０００５〜０．０２％を含有する請求項１または請求項２に記載の溶接材料。
- Ｃｒ当量（Ｃｒｅｑ）が１０％以下（ただし、Ｃｒｅｑ＝Ｃｒ＋６Ｓｉ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ−４０Ｃ−３０Ｎ−２Ｃｏ−Ｃｕ−４Ｎｉ−２Ｍｎ（％））であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の溶接材料。
- 重量％で、Ｃ：０．０６〜０．１２％、Ｃｒ：８．５〜１１％、Ｎｉ：０．３〜０．７％、Ｍｏ：０．８〜１．２％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：０．１〜０．３％、Ｃｏ：１．５〜３．５％、Ｔａ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．００１〜０．０４％、ＲＥＭ：０．０３〜０．０８％、であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の溶接材料。
- Ｃｒ含有量が８〜１３％のフェライト鋼をガスメタルアーク溶接するにあたり、重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．５％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｎｉ：０．１〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜１．５％、Ｖ：０．０５〜０．５％、Ｗ：０．０８〜０．５％、Ｃｏ：０．５〜５．０％、Ｔａ：０．１〜０．５％、Ｎ：０．０８％以下、ＲＥＭ：０．０１〜０．１％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤを用い、ＡｒガスおよびＨｅガスの混合ガスからなるシールドガス中の酸素濃度を０．２５％以下とすることを特徴とするガスメタルアーク溶接方法。
- ＡｒガスおよびＨｅガスの混合ガスは、Ｈｅが２０〜５０体積％含むものである請求項６に記載のガスメタルアーク溶接方法。
- 溶接後に７００〜８００℃の温度範囲で応力除去焼鈍を行うことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のガスメタルアーク溶接方法。
- 溶接ワイヤが、重量％で０．５〜４．０％のＣｕを含有することを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法。
- 請求項１から請求項５のいずれかに記載の溶接材料または請求項６から請求項９のいずれかに記載のガスメタルアーク溶接方法を用いて作成した溶接構造物。
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