JPH01237079A - クラッド鋼の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ステンレスクラッド鋼或はニッケル基合金ク
ラッド鋼の溶接方法に係り、さらに詳しくはこれらクラ
ッド鋼同志を経済的且つ高能率に溶接し、しかも健全な
溶接部を得ることを可能とする溶接方法に関するもので
ある。

［従来の技術］ 化学プラント等の容器や配管には、耐食性、耐熱性等に
優れたステンレス鋼やニッケル基合金そのものと同様に
それらのクラッド鋼がその経済性ゆえに多種、多様、多
量に用いられている。このクラッド鋼同志の接合に際し
て、最も一般的には第２図（イ）（ロ）（ハ）に示すご
とくに行われている。

即ち第２図（イ）においては、合材１側及び軟鋼或は低
合金鋼（以下母材という）２側両方にＶ型開光を設け、
（ロ）において母材２側を母材２に適合する溶接金属５
で溶接し、（ハ）において母材溶接金属５の上に合材が
ステンレス鋼の場合であれば異材溶接等に用いられる高
合金タイプのオーステナイト系ステンレス鋼等の溶接金
属４で、合材がニッケル基合金の場合であればＮ　ｉ−
Ｃｒ−Ｆ　ｅ合金のいわゆるインコネル系等の溶接金属
４で溶接した後、合材１に適合する溶接金属３で合材１
の溶接を行っている。このような施工手順を採用する大
きな理由は、溶接割れの防止、溶接材料コストの低減、
溶接の効率化１合材側の特性確保である。しかし、構造
物の形状や寸法によっては第２図のごとき開先や手順を
採用出来ないこともあり（例えば小径管の内面が合材と
なるもの）、その場合には特に第３図（イ）（ロ）（ハ
）に示すごとくに行われている。

即ち第３図（イ）においては、母材２側を開口部とする
Ｖ型開光を設け、（ロ）において開先底部の合材ｌ側を
合材１に適合する溶接金属３で溶接し、（ハ）において
合材溶接金属３の上に合材がステンレス鋼の場合であれ
ば異材溶接等に用いられる高合金タイプのオーステナイ
ト系ステンレス鋼等の溶接金属５で、合材がニッケル基
合金の場合であればＮ　ｉ−Ｃｒ−Ｆ　ｅ合金のいわゆ
るインコネル系等の溶接金属５で最終までの溶接を行っ
ていた。この場合、高価なしかも溶接性の劣る異材溶接
用の溶接材料を多量に用いて溶接することとなり、経済
面でも能率面でも大きな犠牲を払わなければならないの
が現状であった。又熱膨張係数が大きいために生じる変
形や９強度等の特性確保の問題もあった。

又特開昭５２−１５５１５１号公報には、ステンレスク
ラッド鋼の溶接において炭素鋼側の開先を炭素鋼用溶接
材料で一層の自動溶接を行った後、ステンレス鋼側から
裏掘りして被溶接材のステンレス鋼とほぼ同材質の溶接
材料を用いて溶接することによって経済性を確保する方
法が開示されているが。

小径管の内面が合材となる場合などは適用できない等の
問題は残っていた。

又特開昭５８−１６７０９４号公報には、ステンレスク
ラッド鋼の溶接において最初に合材とほぼ同等の化学成
分の溶加材により合材部を溶接し、この合材溶接金属の
上にＣ，ＳｉとＴ１及び／又はＮｂを特定した溶加材を
用いてＴＩＧもしくはＭＩＧ溶接法により中間層を１層
以上溶接し、さらにこの中間層上に母材と同等かそれ以
上の合金元素を含有する溶加材で最終層まで溶接するこ
とによって、溶接金属の特性を改善しかつ経済性を確保
する方法が開示されているが、中間層の耐割れ性、中間
層上の溶接金属の耐割れ性が不十分である等の課題が残
っていた。

以上のごとく、ステンレスクラッド鋼或はニッケル基合
金クラッド鋼同志の接合において１割れや特性劣化もな
くかつ経済面や能率面の犠牲もない溶接方法が強く要望
されている。

［発明が解決しようとする課題］ 即ち、本発明は従来のクラッド鋼溶接方法の問題点であ
った、施工上の困難性、経済面や能率面における犠牲、
溶接部の特性上の問題点等を解決すべくなされたもので
あって、その目的とするところは、ステンレスクラッド
鋼或はニッケル基合金クラッド鋼同志の接合において、
クラッド側の耐食性や耐熱性等の品質を損うことなく、
溶接部の健全性確保と経済的且つ高能率な溶接を可能と
する溶接方法を提供することにある。

［３題を解決するための手段〕 本発明者等は、ステンレスクラッド鋼或はニッケル基合
金クラッド鋼同志を接合するにあたって、開先や溶接施
工手順を自由に採択出来ないような場合でも、クラッド
側の諸特性を損うことなく、又溶接割れ等の有害な欠陥
も発生することなく経済的且つ高能率な溶接が可能とな
る方法を見出すことを目的として鋭意検討した。その結
果得られた本発明に係るステンレスクラッド鋼或はニッ
ケル基合金クラッド鋼同志の溶接方法の詳細を図面参照
のもとに説明する。

第１図（イ）において母材２側を開口部とするＶ型開光
を設け、（ロ）において第一に合材１側をその合材用溶
接金属３で溶接することにより、合材１に要求される諸
特性を確保すること、（ハ）において合材溶接金属３の
上に、Ｃｒ　２０〜３０％、Ｍｏ２〜４゜５％、Ｎｉ４
〜１３％、　Ｃ０．０６％以下、Ｎ　０．２０％以下で
且つ（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ）　／　（Ｃｒ＋Ｍｏ）が
０，２０〜０．７０の範囲にあり、残部Ｆｅ及び不可避
的な不純物からなる溶接材料で１層以上溶接して中間層
４を形成する。この成分範囲の溶接材料から得られる中
間Ｍ４は、合材であるステンレス鋼又は二ケッル基合金
の溶融及び軟鋼或は低合金鋼の母材を溶融することから
生じる成分変動に対して抵抗性が強く、溶接割れが発生
しないこと、（ニ）において、さらにその中間層４の上
に母材側の軟鋼或は低合金鋼用溶接材料で溶接すること
によっって母材側溶接金属５は溶接割れその他の有害な
欠陥も発生せず良好な延性を持つ健全なものとなること
、即ち安価で溶接作業性が良くしかも強度は母材に適合
し溶接による変形も小さい母材と共金糸の溶接材料の使
用が可能になること、等が明らかになった。

本発明は、以上の新な知見に基づくものであって、その
要旨とするところは、ステンレス鋼或はニッケル基合金
クラッド鋼の溶接において、最初にクラッド側をその合
材用溶接材料で溶接し、次にその合材溶接金属の上に、
Ｃｒ２０〜３０％、Ｍ。

２〜４．５％、Ｎｉ４〜１３％、　Ｇ　０．０６％以下
、　Ｎ　０．２０％以下で且つ（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ
）／　（Ｃｒ＋Ｍｏ）が０．２０〜０゜７０の範囲にあ
り、残部Ｆｅ及び不可避的な不純物からなる溶接材料で
１層以上溶接して中間層を形成し、しかる後その中間層
の上に母材用溶接材料で母材側を最終まで溶接すること
を特徴とするクラッド鋼の溶接方法にある。

なおここでいう合材とするステンレス鋼とは、日本工業
規格ＪＩＳ　Ｇ　４３０５等に規定されているオーステ
ナイト系、オーステナイト・フェライト系、フェライト
系、マルテンサイト系、析出硬化系ステンレス鋼等を指
す。

又合材とするニッケル基合金とは、ＡＳＭＥ（Ａ＋ｍｅ
ｒｉｃａｎ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃ
ａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）等で規格化されているいわ
ゆるインコネル系やハステロイ系のニッケルを主成分と
する合金を指す。

合金用溶接材料とは、合材がステンレス鋼の場合そのス
テンレス鋼同志の溶接に通常用いられるＪＩＳ　Ｚ　３
２２１．３３２１．　ＡＷＳ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｗｅ
ｌｄｉｎｇ　５ｏｃｉａｔｙ）Ａ５．４．　Ａ５．９等
で規格化されている溶接材料を指し、合材がニッケル基
合金の場合そのニッケル基合金同志の溶接に通常用いら
れるＪＩＳ　Ｚ　３２２４゜ＡＷＳ　Ａ５．１１．　Ａ
５．１４等で規格化されている溶接材料を指す。

母材用溶接材料とは、母材としての軟鋼或は低合金鋼同
志の溶接に通常用いられるＪＩＳ　Ｚ　３２１１゜３２
１２、３２１３．３２１４．３２２３．３２４１．３３
１１．３３１２．３３１３、３３１４．３３１５．　Ａ
ＶＳ　Ａ５．１．　Ａ５．５．　Ａ５．１？、　Ａ５．
２３゜Ａ５．１８．　Ａ５．２８．　Ａ５．２０．　Ａ
５．２９等で規格化されている溶接材料を指す。

ステンレスクラッド鋼或はニッケル基合金クラッド鋼と
は、上記ステンレス鋼或はニッケル基合金と軟鋼或は低
合金鋼との接合材を指す、さらにＣｒ２０〜３０％、Ｍ
ｏ　２〜４．５％、Ｎｉ４〜１３％、Ｃ０，０６％以下
、Ｎ　０．２０％以下で且つ（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ）
／（Ｃｒ十阿０）が０．２０〜０．７０の範囲にあり、
残部Ｆｓ及び不可避的な不純物からなる溶接材料とは、
ティグ、ミグ及び潜弧溶接の各溶接方法の場合ワイヤの
組成が上記の成分範囲にあることを意味し、被覆アーク
溶接棒の場合ＪＩＳ　Ｚ　３２２１等で規定されている
溶着金属の組成が上記の成分範囲にあることを意味して
いる。

［作用］ 先ずクラッド鋼としての合材の要求される諸特性を満足
するために、溶接施工順序として、第一にクラッド側を
その合材用溶接材料にて溶接する。

この場合、溶接金属の特性をより高品位に保つために母
材からの希釈は出来るだけ避けるよう開先形状、溶接条
件等を選定することが望ましい。

次にクラッド側溶接金属の上に中間層を形成する溶接材
料の組成について述べると、Ｃｒ２０％未満では合材と
してのステンレス鋼或はニッケル基合金を溶融し且つ母
材を溶融することによる成分変動に対して中間層の高温
割れ抵抗性が不十分となるｅｃｒが３０％を超えると、
次層の溶接による熱影響部が脆化し延性、靭性が劣化す
る、同時に次層のＣｒ量が過剰となって次層の延性が劣
化する。従ってＣｒは２０〜３０％とする。

Ｍｏ２％未満では次層の耐高温割れ性が不十分となる。

４．５％を超えると中間層が脆化する。従ってＭｏは２
〜４．５％とする。

Ｎｉ４％未満では次層の溶接による熱影響部が脆化し延
性、靭性が劣化する。同時に次層が脆く延性の低い組織
となる。１３％を超えると合材としてのステンレス鋼或
はニッケル合金を溶融し且つ母材を溶融することによる
成分変動に対して中間層の高温割れ抵抗性が不十分とな
る。従ってＮｉは４〜１３％とする。

Ｃが０．０６％を超えると次層の溶接による熱影響部が
脆化し延性、靭性が劣化する。同時に次層の延性が劣化
するので０．０６％以下に制限する。

Ｎが０．２％を超えると次層でブローホール等の溶接欠
陥が発生し溶接作業性も劣化するので０．２％以下とす
る。

次に（Ｎｉ＋３０Ｇ＋２０Ｎ）／（Ｃｒ＋Ｍｏ）の値が
０．２０未満では中間層そのものが脆く延性の低い組織
となり同時に次層も脆く延性の低い組織となる。

０．７０を超えると中間層及び次層の高温割れ感受性が
非常に大きくなる。従って０．２０〜０．７０の範囲と
する。

更に次層として母材側溶接材料にて溶接を行ってその溶
接金属の健全性を確保するためには、中間層の層数は１
層で有効であり、２層以上でも効果は変らない。

又中間層以降の溶接には安価で高能率の溶接を可能とす
るため且つ母材と同等以上の特性を維持するためには母
材の鋼種に応じた適正な溶接材料を用いる。中間層直上
の母材用溶接材料による溶接において、溶接金属に割れ
が発生しないようにするため、又その他延性、靭性、強
度等の特性を確保するためには、母材用溶接材料による
中間層直上の溶接金属の中間層からの希釈率が３０％以
下となるよう電流、速度等の溶接条件を管理することが
望ましい、なおここでいう中間層からの希釈率とは、母
材用溶接材料による中間層直上の溶接金属の面積と溶融
した中間層溶接金属の面積の比の百分率を指し、次式で
表す。

Ｄ＝Ｂ／ＡＸ　１００ 但し、Ｄ：希釈率（％） Ａ：母材用溶接材料による中間層直上の溶接金属の面積
（ａｍ″） Ｂ：中間層溶接金属の面積（■２） 以上のように本発明は、第一にクラッド側を溶接し、次
に特定の成分範囲の溶接材料により中間層を形成し、し
かる後に母材用溶接材料で母材側の最後まで溶接すると
いう溶接方法を採用することによって、ステンレス鋼或
はニッケル基合金クラッド鋼同志の接合において、健全
な溶接部を経済的且つ高能率に得ることが出来る。

以下に実施例により本発明の効果を具体的に説明する。

［実施例］ 第１表に供試したクラッド鋼を示す、これらクラッド鋼
はいずれも、合材の厚さ３■、母材の厚さ２２ｍｍでク
ラッド鋼としては２５ｍｍである。

第２表に供試した中間層形成用溶接材料を示す。

これらの内記号ｆの溶接材料はＮｉが４％未満で且つ（
Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ）　／　（Ｃｒ＋Ｎｏ）の値が０
．２０未満で本発明外のものである。、又記号ｇの溶接
材料は（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ）　／　（Ｃｒ◆Ｍｏ）
の値が０．７０を超え本発明外のものである。さらに記
号りの溶接材料はＭＯが２％未満で本発明外のものであ
る。

第３表にこれらクラッド鋼と中間層形成材料との組合せ
によるクラッド鋼同志の継手溶接試験結果を示す。

開先形状は第１図（イ）に示すごとくｖ型で、第一に第
１図（ロ）及び第３表に示すごとく合材１に適合する溶
接材料を用いて合材１側をティグ又は被環アークによっ
て裏波溶接を行い、合材溶接金属３を得た。ティグによ
る裏波溶接の場合、ワイヤ径２．４ｅｕ＊、溶接電流１
２０Ａ、溶接電圧１２■、溶接速度８ｃｍ／＋ｍｉｎ　
、　Ａ　ｒシールドガス流量２０　Ｑ　／ｗｉｎの手動
溶接を行った。又被覆アークによる裏波溶接の場合、棒
径４．Ｏｍｍ、溶接電流１２０Ａ、溶接電圧２４Ｖ、溶
接速度８ｃｍ／ｗｉｎの手動溶接を行った。

第二に第３図（ハ）に示すごとく合材溶接金属３の上に
第３表に示す要領で０〜２層の中間層溶接金属４を形成
した。被覆アーク溶接の場合、棒径４．０■、溶接電流
１４０Ａ、溶接電圧２４ｖ、溶接速度１５ａｍ／ｗｉｎ
の手動溶接を行った。ミグ溶接の場合、ワイヤ径１　、
２ｍｍ　、溶接電流２２０Ａ、溶接電圧２２Ｖ、溶接速
度２０ｃｍ／ｗｉｎ、　Ａｒシールドガス流量２０　ｇ
　／＠ｉｎの半自動溶接を行った。ティグ溶接の場合、
ワイヤ径２．４＋ａｍ、溶接電流１６０Ａ、溶接電圧１
２Ｖ　、溶接速度１３ｃｍ／＋ｍｉｎ、　Ａｒシールド
ガス流量２０　Ｑ　／ｗｉｎの半自動溶接を行った。フ
ラックス入りワイヤによるＣ０１溶接の場合、ワイヤ径
１．２ｍｍ、溶接電流２２０Ａ、溶接電圧２０ｖ、溶接
速度２０ｃｍ／ｗｉｎ、　Ｃ０．シールドガス流量２０
Ｑ７重ｉｎの半自動溶接を行った。

第三に第１図（ニ）に示すごとく中間層溶接金属４の上
に第３表に示すとおり母材に適合する母材用溶接材料に
て溶接金属５を積層して最終まで溶接を行った。被覆ア
ーク溶接の場合、棒径５．Ｏｍｍ、溶接電流１９０〜２
４０Ａ　、溶接電圧２４〜２８ｖ、溶接速度１４〜２５
ｃｍ／ｗｉｎの手動溶接を行った。ミグ溶接の場合、ワ
イヤ径１．２＋ｍ謙、溶接電流２２０〜２９０Ａ、溶接
電圧１８〜２２Ｖ、溶接速度２０〜３０ｃｍ／ｗｉｎ、
　Ａｒ＋　１０％ＣＯ２シールドガス流量２０　Ｑ　／
ｍｉｎの半自動溶接を行った。フラックス入りワイヤに
よるＣＯ□溶接の場合、ワイヤ径１　、２ｍｍ、溶接電
流２００〜２８０Ａ、溶接電圧１８〜２２■、溶接速度
２０〜３０ｃｍ／ｗｉｎ、　Ｇｏ、シールドガス流量２
０　ｎ　／ｗｉｎの半自動溶接を行った。

中間層の健全性を評価するため一層目溶接金属のカラー
チエツク検査を行い割れの有無を調べた又中間層の直上
層の健全性を評価するためカラーチエツク検査を行い割
れの有無を調べた。さらに全溶接終了後クラッド鋼継手
溶接部全体の健全性を評価するため、ＪＩＳ　Ｚ　３１
２２に基づいた側曲げ試験及びＪＩＳ　Ｚ　３１２１に
基づいた継手引張試験を行った。

これらクラッド鋼継手溶接試験の結果１本発明の溶接方
法試験Ｎｏ、１．２．４．５．６．８．９．１０．１２
゜＋３．１５．１６．１７．１９．２０．２１．２３及
び２４は、中間層及び中間層の直上層に割れは認められ
ず、又側曲げ試験においては無欠陥であり十分な延性を
示し、さらに継手引張試験においてはクラッド鋼原質部
で破断しており母材以上の強度を有することが明らかで
ある。

これに対し、試験Ｎ００３は母材側の溶接を高合金タイ
プのオーステナイト系ステンレス鋼溶接材料ＡＷＳ　１
１１３０９を用いて行ったため、溶接による変形が大き
く又溶接性が劣るため側曲げ試験で溶接欠陥が発生した
。

１拭験Ｎｏ、７は、中間層の溶接を（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２
０Ｎ）　／（Ｃｒ＋Ｍｏ）の値が０．７０を超える中間
層形成用溶接材料を用いて行ったため中間層及び中間層
の直上層に１ヤｊれが発生し１つ側曲げ試験においても
割れが発生した。さらに継手引張試験においては溶接金
属破断となり強度にも問題が有った。

試験Ｎｏ、１１は中間層の溶接をＮｉが４％未満で且つ
（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ）　／　（Ｃｒ＋Ｍｏ）の値が
０．２０未満の中間層形成用溶接材料を用いて行ったた
め中間層及び中間層の直上層に割れが発生し且つ側曲げ
試験においても割れが発生した。さらに継手引張試験に
おいては溶接金属破断となり強度にも問題が有った。

試験Ｎｏ、１４は母材側の溶接をＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合
金の溶接材料ｉｓ　ＥＮｉＣｒＦｅ−３を用いて行った
ため、溶接による変形が大きく又溶接性が劣るため側曲
げ試験で溶接欠陥が発生した。さらに継手引張試験にお
いては溶接金属破断となり強度にも問題が有った。

試験Ｎｏ、１８は、中間層を形成せずに直接クラッド側
溶接金属の上に母材用溶接材料で溶接したため、クラッ
ド側溶接金属の直上の層に割れが発生し且つ側曲げ試験
においても割れが発生した。さらに継手引張試験におい
ては溶接金属破断、となり強度にも問題が有った。

試験Ｎｏ、２２は中間層の溶接をＭｏが２％未満の中間
層形成用溶接材料を用いて行ったために中間層及び中間
層の直上層に割れが発生し且つ側曲げ試験においても割
れが発生した。さらに継手引張試験においては溶接金属
破断となり強度にも問題が有った。

試験Ｎｏ、２５は中間層の溶接を（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０
Ｎ）／　（Ｃｒ＋Ｍｏ）の値が０．７０を超える中間層
形成用溶接材料を用いて行ったため中間層の直上層に割
れが発生し且つ側曲げ試験においても割れが発生した。

さらに継手引張試験においては溶接金属破断となり強度
にも問題が有った。

［発明の効果］ 以上のように本発明は１、ステンレス鋼或はニッケル基
合金クラッド鋼の溶接において、最初にクラッド側をそ
の材質同志の溶接に通常用いられる溶接材料で溶接し、
次にその合材溶接金属の上に特定成分範囲の溶接材料に
て中間層を形成し、しかる後に母材側を母材用溶接材料
で最終まで溶接するという方法によって、変形が少なく
母材と同等以上の特性を有する極めて健全な溶接部を経
済的且つ高能率に得ることを可能にしたものであって、
広範囲のステンレスクラッド鋼或はニッケル基合金クラ
ッド鋼を真に経済性のある鋼材たらしぬるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）（ロ）（ハ）（ニ）は本発明溶接方法の説
　　　　′明図、第２図（イ）（ロ）（ハ）は従来の母
材側からの溶接方法の説明図、第３図（イ）（ロ）（ハ
）は従来の合材側からの溶接方法の説明図である。 １：合材、２：母材、３：合材溶接金属、４：中間層、
５：母材側溶接金属。 特許出願人　　新日本製鐵株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軟鋼或は低合金鋼を母材とし、ステンレス鋼或はニッケ
   ル基合金を合材とするクラッド鋼の溶接において、最初
   にクラッド側を合材用溶接材料で溶接し、次にその合材
   溶接金属の上に、重量％にてＣｒ２０〜３０％、Ｍｏ２
   〜４．５％、Ｎｉ４〜１３％、Ｃ０．０６％以下、Ｎ０
   ．２０％以下で且つ（Ｎｉ＋３０Ｃ＋２０Ｎ）／（Ｃｒ
   ＋Ｍｏ）が０．２０〜０．７０の範囲にあり、残部Ｆｅ
   及び不可避的な不純物からなる溶接材料で１層以上溶接
   して中間層を形成し、しかる後母材側をその母材用溶接
   材料で溶接することを特徴とするクラッド鋼の溶接方法
   。