JPH03124370A - 高クロム―ニッケル系合金鋼の接合方法 - 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、高クロム−ニッケル系合金鋼（以下では高Ｃ
ｒ−Ｎ　ｉ系合金鋼と記す）からなる部材の接合方法に
関するものである。

「従来の技術」 近年、ステンレス鋼より耐熱性、耐腐食性に優れる金属
材料として、Ｃｒ（クロム）の組成比率が１９〜３２％
程度、Ｎｉにッケル）の組成比率が１８〜３７％程度と
いずれもステンレス鋼より高い高Ｃｒ−Ｎ　ｉ系合金鋼
、すなわちＡＳＴＭ規格Ａ３５１に規定されているＨＫ
材やＨＰ材、あるいはインコロイ８００（インターナシ
ョナル・ニッケル・カンパニー社の商品名）等、が注目
されており、たとえば、ナフサを１，０００〜１，１０
０°Ｃ程度の高温下で加熱分解することによってエチレ
ンを製造するための加熱炉においては、ナフサを高速で
流通させて加熱するためのラジアントチューブやそれら
の集合部であるヘラタ一部を、それらの高Ｃｒ−Ｎ　ｉ
系合金鋼により形成することが行なわれている。

そして、上記のような高Ｃｒ−Ｎ　ｉ系合金鋼からなる
部材どうしを接合する場合、従来においては融接法の一
種であるティグ溶接法が採用されることが一般的である
。

「発明か解決しようとする課題」 ところが、高Ｃｒ−Ｎ　ｉ系合金鋼からなるラジアント
チューブ等の管材をティグ溶接により接合した場合には
、接合部にいわゆる裏波部が形成されて管内面に形状不
連続部が生じてしまうことが避けられないものである。

したがって、そのような形状不連続部が生じた管材をラ
ジアントチューブとして用いた場合には、接合部におい
てエロージョンが生じ易く、また、容易に浸炭が生じて
しまい、その結果、接合部に割れ等の欠陥が早期に生じ
てしまう、という問題を有していた。

また、管内面に対してはティグ溶接の自動化を図ること
が困難であって手作業に頼らざるを得ず、このため、作
業効率が良くないことは勿論のこと、作業者の技量に影
響されて溶接欠陥を生じる恐れがあり、しかも、ラジア
ントチューブとへ・ソダー部とを接合する場合にあって
は、多数のラジアントチューブが接近する狭小な箇所で
の溶接作業となるので極めて作業性が良くない、という
問題もあった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、高Ｃｒ−
Ｎ　ｉ系合金鋼からなる部材を十分な強度でかつ良好な
状態で接合し得るとともに、接合作業の自動化も図るこ
とのできる接合方法を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」 本発明は、ステンレス鋼に比してクロムおよびニッケル
の組成比率がいずれも高い合金鋼である高クロム−ニッ
ケル系合金鋼からなる部材どうしを接合するに際し、接
合すべき部材どうしを不活性ガス雰囲気下でインサート
金属を介して突き合わせて押圧するとともに、突き合わ
せ部を高周波加熱して前記インサート金属を溶融させる
ことにより、前記部材どうしを液相拡散接合することを
特徴とするものである。

「作用」 本発明方法では、接合部を高温とすることによってイン
サート金属が溶融して液相となり、液相となったインサ
ート金属によって両管材の端面間に微視的に多数存在し
ている凹凸が埋められて両管材の先端面どうしが完全に
密着するとともに、インサート金属の元素が母材に拡散
していって両管材が接合される。

「実施例」 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は高Ｃｒ−Ｎ　ｉ系合金鋼からなる管材ＩＡ。

ＩＢの一端どうしを接合している状態を示す図であって
、図中、符号２は内部を不活性ガスたとえばＡｒやＮ、
に置換可能なチャンバー、３は高周波加熱発生装置、４
は加熱コイル、５は加熱温度制御装置、６は熱電対温度
計の検出端である。また、符号７は接合される両管材Ｉ
Ａ、、ＩＢの先端相互間に挟み込まれたインサート金属
である。

上記の管材ＩＡ、ＩＢは、Ｃｒの組成比率が１９〜３２
％、Ｎｉの組成比率が１８〜３７％、Ｃの組成比率が０
．０５〜０．７５％の範囲内となっている高Ｃｒ−Ｎ　
ｉ系合金鋼が、展伸あるいは鋳造もしくは遠心鋳造によ
り管状に形成されたものであって、た゛とえばナフサを
加熱分解してエチレンを製造する加熱炉のラジ、アント
チューブとして用いられるものである。なお、必要に応
じて適宜の添加元素を加えることは差し支えない。

上記の管材ＩＡ、ＩＢどうしを接合するに当たっては、
予め双方の管材ＩＡ、ＬＢの先端を平滑に加工しておき
、それら管材］、Ａ、ＩＢの先端部をそれぞれ上記チャ
ンバー２内に挿入し、インサート金属７をそれら相互間
に挾み込んで突き合わせ、突き合わせ部の外側に加熱コ
イル４を配する。

上記のインサート金属７としては、Ｎｉ−Ｃｒ−３ｉ−
Ｂ系もしくはＮ　ｉ−Ｃｒ−Ｂ系のアモルファス材料（
市販品ではたとえばアライド・ケミカル社の商品名ＭＢ
Ｆ−５０．ＭＢＦ−８０相当品）を用いると良く、それ
を、厚さが数十μｍ、幅寸法が管材ＩＡ、ＩＢの肉厚に
等しくされたリング形状に加工しておく。

そして、一方の管材ＩＡをクランプ治具１０によりクラ
ンプして固定するとともに、他方の管材ＩＢはローラ１
１を備えた支持治具１２により長平方向に移動可能に支
持し、その他方の管材ＩＢを一方の管材ＩＡに対して０
．０１〜Ｉ　Ｋｇ／ｍｍ”（約０．１〜約１０ＭＰａ）
程度の押圧力で押し付ける。

続いて、チャンバー２内を不活性ガスたとえばＡｒやＮ
２に置換した後、高周波加熱発生装置３により加熱コイ
ル４に通電して接合部を高周波加熱するとともに、熱電
対温度計により接合部の温度を検出し、その検出値に基
づいて高周波加熱発生装置３の出力を制御して加熱温度
を設定値に保持し、その状態を所定時間保持する。この
場合、加熱温度を１，２００°Ｃ以上とし、加熱時間を
３００秒以上とする。加熱温度が１，２００°Ｃ以下で
あり、加熱時間が３００秒以下であると、後述する実験
例に示されるように十分な接合強度が得られないからで
ある。

以上により、インサート金属７が溶融して液相となり、
両管材Ｉ　Ａ、　Ｉ　Ｂは液相拡散接合される。

すなわち、液相となったインサート金属７によって両管
材Ｉ　Ａ、　Ｉ　Ｂの端面間に微視的に多数存在してい
る凹凸が埋められ、これによって、両管材ＩＡ、１．Ｂ
どうしをそれほと大きな押圧力で押圧せずとも両管材Ｉ
Ａ、１Ｂの先端面どうしが完全に密着するとともに、イ
ン乃−１・金属７の元素が母材（管材Ｉ　Ａ、　ｌ　Ｂ
）に拡散していき、これによって両管材ＩＡ、１．８は
強固に接合され、一体化される。

」二記の接合方法によれば、既に述べたように接合温度
を１．２００’Ｃ以上、接合時間を３００秒以上とし、
それらの接合条件を適宜組み合わせることによって、た
とえば接合温度が低いときは接合時間を長くし、接合温
度か高いときは接合時間を短くする等によって、十分な
接合強度が確保されることは勿論のこと、従来のティグ
溶接による場合には生じることが避けられないものであ
った裏波部が生じることかない。したがって、上記方法
により接合した管材ｌＡ、ｌＢをラジアントチューブと
して用いた場合には、従来のようにエロージョンや浸炭
が生じることがなく、したがってその寿命を十分に長い
ものとてきる。

また、接合部を高周波加熱するようにしたので、接合作
業の自動化を容易に図ることかでき、したがって、従来
のティグ溶接による場合に比して作業効率を大幅に改善
できるとともに、作業員の技量に影響されることもなく
、また、狭小な箇所での作業も容易となるので、常に最
適な条件下での接合がなされる。

さらに、チャンバー２内を不活性ガスに置換して、その
雰囲気下で接合を行うので、接合の際に大気中の酸素に
よる酸化反応が生じてしまうことがなく、その悪影響を
受けることがない。

以上で管材Ｌ　Ａ、　Ｉ　Ｂとうしを接合する場合の実
施例を説明したが、管材をヘッダ一部に対して接合する
場合には第２図に示すようにすると良い。

この場合、ヘッダ一部１５をクランプして固定し、その
ヘッダ一部１５に各管材１・・を上記と同様の手順によ
り順次接合していけば良い。このようにすることにより
、上記実施例の場合と全く同様に、管材１とヘッダ一部
１５とを確実に接合できるとともに、管材１が互いに接
近していることから従来においては作業が困難であった
箇所における接合作業を容易に行うことができる。

なお、上記実施例では、管材どうし、および管材とヘッ
ダ一部とを接合するようにしたのであるが、接合するべ
き部材の形態は管状に限るものではなく、たとえば棒状
の部材どうしであっても全く同様に接合することができ
る。

次に、第３図ないし第９図を参照して、本発明方法の有
効性を実証するために行った試験について説明する。

なお、以下で説明する各試験においては、いずれも、試
験片２０．２０として第３図に示す組成のインコロイ８
００を第４図に示すように断面寸法が１０ｍｍＸ　１０
ｍｍの角柱状としたものを用い、インサート金属２１と
して第３図に示す２種のうち、ＭＢＦ−５０を用いた。

また、試験装置として第５図に示すものを用いた。第５
図において符号２２は真空容器、２３は高周波加熱発生
装置、２４は加熱コイル、２５は熱電対温度計の検出端
、２６は試験片２０．２０を押圧するためのロッド、２
７は真空排気ポンプ、２８はロードセル、２９は記録計
である。そして、」１記試験装置の真空容器２２内を４
　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’Ｔ　ｏｒｒ（約５０Ｐａ）以下となる
まで真空排気した後にＡｒガスに置換し、ロッド２６に
より試験片２０．２０に０　、０５　Ｋ　ｇ／ｍｍ’（
約Ｑ、５ＭＰａ）の荷重を加えつつ接合を行った。

（試験例１） 第４図に示すように試験片２０．２０間にインサート金
属２１およびスペーサとしてのタングステン製の線材３
０を挟み込んで押圧し、接合時間を６００秒に設定し、
接合温度のみを変えて複数回の接合を行い、接合された
試験片を切断してミクロ組織を顕微鏡観察した。接合温
度は１，４４８に〜１，５９８Ｋ（１，１７５°Ｃ〜］
、　、　３２５°Ｃ）の範囲内で２５にごとに設定した
。

その結果、第６図（ａ）〜（ｇ）の顕微鏡写真のように
、接合温度を１，５２３　Ｋ（１２５０°Ｃ）以下とし
たものについては、接合部に機械的特性を劣化させるシ
リコン化合物等の生成物が認められたが、接合温度を１
５４８　Ｋ（１，２７５°Ｃ）以上としたものについて
はそのような生成物は認めらず、接合部がほぼ完全に一
体化したことが認められた。

（試験例２） 接合温度を１，５４８Ｋ（１，２７５°Ｃ）に設定し、
接合時間のみを変化させて複数回の接合を行い、試験例
１と同様に接合試験片を切断してミクロ組織を顕微鏡観
察した。接合時間は６０秒〜１８００秒の範囲内で適宜
設定した。

その結果、第７図（ａ）〜（ｄ）の顕微鏡写真のように
、接合時間を３００秒以上としたものについては接合部
かほぼ完全に一体化したことが認められた。（試験例３
） 試験例２の条件下により接合した各接合試験片の引っ張
り強度試験を行い、第８図に示す結果を得た。

第８図に示されるように、接合時間が６０秒のものでは
接合面で破断したが、接合時間を３００秒以コニとした
ものについては母材で破断し、十分な接合強度を有する
ことが判明した。また、いずれの場合も、ＪＩＳに規定
されているインコロイ８００の引っ張り強度の最小値を
十分に越える強度を有していることが判明した。

（試験例４） 接合温度１，２７３Ｋ（１，０００°Ｃ）、接合時間６
００秒の条件下で接合した試験片、および母材のクリー
プ特性をそれぞれ關査し、第９図に示す結果を得た。

第９図に示されるように、接合試験片のクリープ特性は
母材試験片と同等あるいはそれ以」二の破断寿命を有す
ることが判明した。

「発明の効果」 以上で詳細に説明したように、本発明は、接合するべき
部材どうしを不活性ガス雰囲気下でインサート金属を介
して突き合わせて押圧するとともに、突き合わせ部を高
周波加熱して前記インサート金属を溶融させることによ
り、前記部材とうしを液相拡散接合するものであるから
、十分な接合強度を確保できることは勿論のこと、接合
作業の自動化を図ることができ、また、ティグ溶接によ
る場合のように裏波部が生じることもなく、したがって
、特にラジアントチューブ等として用いる管材を接合す
る際に適用して好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明方法の実施例を示
すもので、第１図は高Ｃｒ−Ｎ　ｉ系合金鋼からなる管
材どうしを接合している状態を示す図、第２図は管材と
ヘソグ一部とを接合している状態を示す図である。第３
図ないし第９図は本発明方法の有効性を実証するために
行った試験を説明するための図であって、第３図は試験
片およびインサート金属の組成を示す図、第４図は試験
片およびインサート金属の拡大図、第５図は試験装置の
概略構成図、第６図（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ接合時間
を一定とし接合温度のみを変えた場合の接合部の金属組
織を示す顕微鏡写真、第７図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ
接合温度を一定とし接合時間を変えた場合の接合部の金
属組織を示す顕微鏡写真、第８図は接合試験片の引っ張
り強度を示す図、第９図は接合試験片のクリープ特性を
示す図である。 １．１．Ａ、ＩＢ・・・・・管材（部材）、２・・・チ
ャンバー３・・・・・高周波加熱発生装置、４　　・加
熱コイル、５・・・・・加熱温度制御装置、６・・・・
・・熱電対温度計の検出端、 ７・ インサー ト金属、 ］ クラン プ治具、 １２・ ・ローラ、 １３・ ・・支持治具、 ヘッダ一部（部材）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ステンレス鋼に比してクロムおよびニッケルの組成比率
   がいずれも高い合金鋼である高クロム−ニッケル系合金
   鋼からなる部材どうしを接合するに際し、接合すべき部
   材どうしを不活性ガス雰囲気下でインサート金属を介し
   て突き合わせて押圧するとともに、突き合わせ部を高周
   波加熱して前記インサート金属を溶融させることにより
   、前記部材どうしを液相拡散接合することを特徴とする
   高クロム−ニッケル系合金鋼の接合方法。