JPH0481291A - サブマージアーク溶接ワイヤ - 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」２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトに
おけるジャーナル部の肉盛溶接材料に関する。

（従来の技術） 火力発電機に使用される蒸気タービンロータシャフトは
、近年、発電効率向上を図るために高い蒸気温度のもと
で使用される傾向がある。これに伴い、使用温度に耐え
る材料として、クリープ強度の高い、いわゆる１２％Ｃ
ｒ鋼がしばしば適用されている。

しかしながら、１２％Ｃｒ鋼のタービンロータシャフト
は、低合金鋼のものに比べて、軸受特性が劣ることから
、使用中にジャーナル部が焼付きを起こし易いという問
題がある。これを防止するため、ジャーナル部に低合金
鋼のスリーブを焼きばめしたタイプのタービンロータシ
ャフトが実用化されているが、このタイプのタービンロ
ータシャフトは、使用中、焼きばめ部が緩み、ガタッキ
が生じるという問題が残されている。このような背景か
ら、最近、ジャーナル部に低合金鋼を肉盛溶接する技術
が検討され、一部実用化されている模様である。

（発明が解決しようとする課題） ジャーナル部に肉盛溶接を施すタービンロータシャフト
或いは肉盛材料については、特開昭５５−１６７４４号
、特開昭５６−１９９７６号、特開昭５７−１３７４５
６号などに提案されているものがあるが、それぞれ次の
ような理由により、充分満足できる肉盛部が得られない
。

特開昭５５−１６７４４号： ２層目以降の肉盛溶接棒として、Ｃ：０．１〜０゜３％
、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．５−２．０％、Ｃｒ
：０．０５−０．１％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ二０．
０３％以下の成分のものが挙げられている。

しかしながら、Ｃについては、０．３％の溶接棒では溶
接金属の高温割れを防止することは困難である。一方、
Ｃが０．１％では、他の合金元素との関連から溶接金属
の強度が不足する。勿論、１２％Ｃｒ鋼母材の稀釈が比
較的多い肉盛下層では、母材からＣｒが溶接金属に補給
されることが考えられるが、このような層は高Ｃｒであ
ることから、軸受特性が不満足となる。また、ジャーナ
ル部における肉盛部は、通常１０ｍｍ以上と、比較的厚
い肉盛厚さが要求されるため、肉盛表層では母材からの
成分補充は期待できないことから、前述の強度不足を生
じることは避けられない。したがって、このような成分
組成の溶接棒では、強度不足や溶接金属の高温割れが生
じ、満足な肉盛溶接部が得られない。

特　昭５６−１９９７６°： 溶接肉盛材における低合金鋼の化学成分については、高
温割れは発生しにくい組成になっているものの、Ｃ含有
量が低いことから、溶接金属の強度が不足する。炭素鋼
についても同様であり、通常の肉盛厚さを必要とする場
合、特に問題となる。

また、肉盛部のＣｒ量を５％以内を目標としているが、
焼付きの面からは過剰であり、より低いレベルに抑えな
いと問題となる。

５７−１３７４５６号： Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｉ：０．１０〜１．００
％、Ｍｎ：０．１０−１．００％、Ｃｒ：０．３０−２
．８０％、Ｍｏ：０．１０〜２．００％、Ｖ：Ｏ，Ｏ５
〜０．３５％、Ｎｉ：０．５０〜４．００％、残部：鉄
からなる肉盛合金を軸受部に肉盛溶接する方法が示され
ているが、Ｃが含有量の範囲が広いことから、０．０５
％では実際には強度不足となり、一方、０．３５％では
溶接金属の高温割れは避けられない。また、Ｃｒ含有量
についても、０．３０％では強度不足が生じ、２．８０
％と高いと、充分な軸受特性が発揮されない危険性があ
る。更に、■を含有しているが、例えば、溶接金属の化
学成分が上記範囲内であるｃ：０．２５％、Ｃｒ：　１
　、２％、Ｍｏ：１．５％、Ｖ：０．３％といった組成
を想定した場合、高温割れもさることながら、ＳＲ割れ
感受性が極めて高い成分系であることがら、ＳＲ割れ発
生の危険性が高くなる。

叙上のように、従来のジャーナル部における肉盛溶接金
属或いは肉盛溶接材料は、溶接部の高温割れ防止、強度
の確保、軸受特性の確保、更にはＳＲ割れ防止の面で充
分検討されたものとは云えず、健全かつ高品質のタービ
ンロータシャツ１−・ジャーナル部肉盛技術として完成
されていないのが現状である。

本発明は、か−る状況のもとでなされたものであって、
１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナ
ル部の肉盛溶接技術において、高温割れ、ＳＲ割れが発
生せず、かつジャーナル部に充分な強度及び軸受特性を
付与し得る溶接材料を提供することを目的とするもので
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、前記課題を解決するために、まず、溶接
材料について検討した。

すなわち、１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフト
におけジャーナル部の肉盛量は、１本当り２００〜３０
０ｋｇ程度であり、この量詮仮りに５ｋｇ／ｈｒの溶着
速度条件で溶接すると、４０〜６Ｏ−ｈｒのアーク時間
となる。このような肉盛量ＧＭＡ（ガスメタルアーク）
溶接で行うとすると、短時間でシールドノズルにスパッ
タが付着し、シールド性が劣化するため、頻繁にアーク
を停止し、清掃する必要が生じる。これは、溶接能率の
低下のみならず、ビード継ぎ個所（欠陥が発生し易い個
所である）の増加に伴う欠陥発生機会の増加につながる
。また、１２％Ｃｒ鋼は低温割れ感受性が高いことから
、通常２００°Ｃ以上の予熱及び層間温度で溶接される
が、この加熱用熱源或いは本体からの放熱流によってア
ーク点のガスシールド性を損なうことがある。勿論、通
常外気からの風によってシールド性が劣化する危険性も
高い。

そこで、本発明者等は、溶接方法として、長時間の連続
溶接が可能で、かつ風、熱流の影響が少ないサブマージ
アーク溶接法を適用することにした。

次に、サブマージアーク溶接用ワイヤについて検討した
。

一般にサブマージアーク溶接用のワイヤとしては、いわ
ゆるソリッドワイヤが多く用いられているが、これは材
料の溶解→圧延（押出し）→伸線といった工程で製造さ
れ、伸線工程には焼鈍も含まれている。Ｃ含有量が通常
のものより高いものは伸線性が悪く、焼鈍回数を増す必
要があり、更に生産性が低下する。

そこで、本発明者等は、軟鋼製シース内に合金成分を含
んだ金属粉を充填する、いわゆるコアドワイヤに着目し
、種々の溶接ワイヤを試作したうえで、溶接施工試験、
性能試験を推進した。

その結果、特定の化学成分を有する溶接ワイヤをフラッ
クスと組合せて使用することにより、可能であることを
見出し、ここに本発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロー
タシャフト・ジャーナル部の肉盛溶接材料において、軟
鋼製シース内に金属粉が充填されたコアドワイヤであっ
て、 （、）軟鋼製シースが Ｃ：０．０２〜０．０４％ Ｓｉ：０．０１〜０．０３％ Ｍｎ：０．１−０．３％ Ｐ：０．０２０％以下 Ｓ：０．０１０％以下 残部：実質的にＦｅ からなる化学成分を有し、 （ｂ）充填金属粉が Ｃ：（０，１２〜０．２２）ｘ　１００／Ｒ８ｉ：（０
，２５〜０．８０）ｘ　１００／ＲＭｎ：（０．７〜２
．４）×１００／ＲＣｒ：（］、、２−１．７）Ｘｌ−
００／ＲＭｏ：（０，１〜０．５）Ｘ１００／Ｒ残部：
実質的にＦｅ （但し、Ｒはワイヤ全重量当りの金属粉の重量％で、１
０％≦Ｒ≦３０％） からなる化学成分を有することを特徴とする１２％Ｃ，
ｒｔｌＩｔ製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナル
部の肉盛用サブマージアーク溶接ワイヤを要旨とするも
のである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

（作用） １２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナ
ル部の肉盛溶接部に要求される特性としては、強度、靭
性及び軸受特性があるが、強度はＳＲ処理後の溶接金属
硬さによって判断でき、本発明が対象としているタービ
ンロータシャフトでは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）で２０
０〜２６０の範囲が適正硬さである。

軸受特性における耐焼付き性には、材料のＣｒ含有量が
主として影響し、Ｃｒ含有量が低い方が有利である。従
来のタービンロータシャツ１−においてジャーナル部の
焼付き事故が発生していないのは、実績として低合金鋼
のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼であり、３％或いは４％Ｃｒ材での
連続運転実績はない状況である。したがって、強度が確
保されることを前提とすれば、Ｃｒ含有量は従来の低合
金鋼製タービンロータシャフトのレベル、すなわち、１
．６％以下に抑える必要がある。

更に、肉盛溶接部においては、融合不良、ブローホール
、低温割れ、高温割れ、ＳＲ割れといった欠陥が存在し
てはならない。特に高温割れについては、溶接ビードに
沿って円周上に連続して発生することから、強度特性を
著しく劣化させるため、特に注意を要する。

以上のような必要特性に対して満足し得る溶接材料を見
出すに至った基礎実験について説明する。

まず、溶接欠陥のうち、特に注意を要する高温割れにつ
いて、本発明者等は、ｃ、ｓ、ｐ含有量を変化させた溶
接材料を試作し、サブマージアーク溶接を行い、溶接金
属の高温割れと成分組成との関係を調べた。

第１表に試作溶接材料により得た溶接金属の化学成分を
示す。溶接試験板はＡ３８７　Ｇｒ、１１（１，２５Ｃ
ｒ〜０．５Ｍｏ鋼）の板厚５０ｍｍ鋼板にＶ形の溝開先
を施したものを用いた。溶接条件を第２表に示す。

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ溶接金属のＣ含有量及
びＳ含有量と割れとの関係、並びにＣ含有量及びＰ含有
量と割れとの関係を示しものである。同図に示すように
、高温割れはＣ含有量によりほぼ一義的に影響され、Ｃ
含有量が０．１８％以上では割れが発生することがわか
る。また、Ｃ含有量が０．１７％では、Ｓ又はＰが高い
場合にのみ割れが発生する傾向がみられる。

この結果から、溶接金属のＣ含有量は０．１７％以下と
する必要があり、Ｓ含有量は０．０１５％以下とし、Ｐ
含有量は０．０３％以下に抑えることが望ましいことが
判明した。

次に、溶接金属の性能について、種々の溶接材料を試作
して調査した結果について示す。

調査方法は、Ａ３８７　Ｇｒ、１１鋼板にそれぞれの溶
接材料で５層肉盛溶接したうえで、表層部から第２図に
示すＳＲ割れ試験片を採取すると共に、６５０℃Ｘ１５
ｈｒのＳＲ処理を施し、表層部から衝撃試験片及び硬さ
測定用の試験片を採取した。

ＳＲ割れ試験は、試験片のスリット部を圧着し、反対側
に位置する切欠底部を負荷した状態でＴＩＧｒａ接で固
定し、この試験片を６５０℃Ｘ２ｈｒのＳＲ処理を施し
た後、切欠底部におけるＳＲ割れの有無を調べる方法を
適用した。

また、衝撃試験は、２ｍｍＶノツチのシャルピー試験に
よって行い、設計上の仕様及び安全率を加味して、常温
での吸収エネルギが４ｋｇｆ−ｍ以上有するものを合格
とした。溶接金属硬さはＨｖ＝２００〜２６０の範囲を
合格とした。

第３表に各溶接材料で得られた溶接金属の化学成分と各
性能試験での判定結果を示す。その結果、以下のことが
判明した。

溶接金属のＣ含有量が０．１０％以下では禮さ不足とな
る。Ｓｉは０．２％以下では硬さが不足し、０．６％を
超えると靭性が劣化する。Ｍｎは１．０％未満では硬さ
が不足し、２．５％を超えると硬さが高くなりすぎると
共に靭性が不合格となる。

Ｃｒは１．０％以下では硬さが不足した。Ｍｏは焼もど
し軟化抵抗を高めるのに効果があり、この効果は０．１
％以上で発揮される。しかしながら、０．５％を超える
と、僅かのＶの共存により、ＳＲ割れ感受性が高くなり
、ＳＲ割れが発生した。

ＶはＳＲ割れ感受性を著しく高めるため、０．０４％以
下に抑えるのが好ましい。

以上の基礎実験の結果並びに前述の高温割れ、軸受特性
との関連から、ジャーナル部における肉盛溶接部の最適
な化学成分は、以下のようなものであることが明らかと
なった。

Ｃ：０．１１〜０．１７％、Ｓｉ：０．２〜０．６％、
Ｍｎ：１．０−２．５％、　　ｐ：ｏ、ｏ３％以下、Ｓ
：０．０１５％以下、　Ｃｒ：１．１−−１．６％、Ｍ
ｏ：０．１−０．５％、　　Ｖ：０．０４％以下、残部
：実質的にＦｅ 【以下余白１ 以上の知見に基づき、本発明者等は、上記要求性能を有
する肉盛溶接金属が得られる溶接材料として、コアドワ
イヤを開発したものである。なお、コアドワイヤは、ワ
イヤの成形性、生産性並びに溶接時の合金成分歩留りを
考慮したものでなければ実用に耐えないものであり、ま
た、材料の成分バラツキが少ないことも重要である。こ
れらの事項をも考慮した本発明ワイヤの構成及び作用に
ついて以下に説明する。

軟鋼　シースのヒ学　　： Ｃ：０．０２〜０．０４％、Ｓｉ：０．０１〜０．０３
％、Ｍｎ：０．１〜０．３％に規定した範囲のそれぞれ
の下限値は、シース素材が特に高コストとならない値で
あり、それぞれの下限値は、コアドヮイヤを製造する際
に断線や形状不良が発生せず、優れた成形性及び伸線性
を確保するための値である。

Ｐについては、Ｐはシース内に充填される金属粉原料及
び溶接時のフラックスからも溶接金属に浸入するため、
シースは０．０２０％以下のＰ含有量のものを使用しな
いと、溶接金属のＰ含有量を０．０３％以下に抑えるこ
とが難しい。したがって、シースのＰ含有量は０．０２
０％以下とする。

Ｓについても、同様の理由から、Ｓ含有量が０゜０１０
％以下のシースを使用しないと、溶接金属のＳ含有量を
０．０１５％以下に抑えることが難しいので、シースの
Ｓ含有量は０．０１０％以下とする。

Ｒワイヤ全重量　りの金　　の重量％　：Ｒが１０％未
満の場合、シースで金属粉を包んだ際に内部の空隙が過
大となるため、金属粉が流動し、均一なワイヤができな
くなる。また、ワイヤ表面にしわや折れ込みが生じ易く
なる。一方、Ｒが３０％を超えると、充填粉が過剰とな
るため、シースの重ね部に金属粉が噛み込み、成形時に
断線し易くなる。したがって、適正なＲの範囲は、１０
〜３０％である。

金属　のヒ学　　： 溶接金属の硬さ及び高温割れ防止の面での溶接金属のＣ
量を適正な範囲（０，１１〜０．１７％）とするには、
シース成分及び溶接時の歩留りを考慮すると、金属粉中
にＣを（０，１２〜０．２２）Ｘ　１００／Ｒ％含有さ
せる必要がある。

溶接金属のＳｉ量を適正な範囲（０，２〜０．６％）と
するには、シース成分及び溶接時の歩留りを考慮すると
、金属粉中にＳｉを（０，２５〜０．８０）Ｘ　１００
／Ｒ％含有させる必要がある。

溶接金属のＭｎ量を適正な範囲（１，０〜２．５％）と
するには、シース成分及び溶接時の歩留りを考慮すると
、金属粉中にＭｎを（０，７〜２．４）Ｘ　１００／Ｒ
％含有させる必要がある。

溶接金属の硬さ及び軸受特性面での溶接金属のＣｒ量を
適正な範囲（１，１〜１．６％）とするには、溶接時の
歩留りを考慮すると、金属粉中にＣｒを（１，２〜１．
７）Ｘ１００／Ｒ％含有させる必要がある。

溶接金属のＭｏ量を適正な範囲（０，１〜０．５％）と
するには、金属粉中にＭｏを（０，１〜０．５）Ｘ１０
０／Ｒ％含有させる必要がある。

Ｆｅについては、ワイヤの製造に支障を来さないＲの範
囲が１０〜３０％であり、ワイヤ全重量当りの金属粉の
重量（Ｒ）がこの範囲となるように、上記成分の残部は
Ｆｅで補填する必要がある。

なお、金属粉としては、金属Ｓｉ、金属Ｍｎ等の形で充
填してもよいが、フェロシリコン、フェロマンガン等の
形で充填する方がコスト的には有利である。

なお、本発明の溶接ワイヤとフラックスとの組合せでサ
ブマージアーク溶接を行う際の留意点について説明する
。

まず、前述の高温割れ以外の溶接欠陥、すなわち、低温
割れ、ブローホール、融合不良等の溶接欠陥が発生しに
くい条件で施工する必要がある。

ジャーナル部における肉盛厚さは、熱伝導率等を考慮す
ると、１０ｍｍ以上にすることが設計的に好ましく、か
つ、少なくともジャーナル表面から深さ方向４〜５ｍｍ
までは所定の低Ｃｒ含有量からなる溶接金属で占められ
ている必要がある。

このような要件を満足させるには、多層盛で溶接施工す
ることになり、本発明の溶接ワイヤで初層から肉盛する
ことも支障はないが、より少ない層数で所定の低Ｃｒ溶
接金属を形成するには、初層をＣｒ含有量が低い（例え
ば、０．２％以下）溶接ワイヤで肉盛し、以降の層を本
発明の溶接ワイヤで肉盛する方法が有効である。

また、溶接ワイヤト組合せるフラックスについては、焼
結型フラックスの方が有利である。これは、焼結型フラ
ックスは溶融型フラックスに比べて溶接金属中の拡散性
水素量が低く、低温割れ防止予熱温度が低いため、より
低い予熱、層間温度での作業が可能となるためである。

以下に本発明の実施例を示す。なお、前述の基礎実験結
果の一部も実施例たり得ることは云うまでもない。

（実施例） 第４表に示す化学成分を有する１２％Ｃｒ鋼の軸材（５
００φ×１０００Ｑ）を用いて、タービンロータシャツ
１−のジャーナル部模擬溶接試験を行った・ 溶接方法はサブマージアーク溶接とし、第５表に示す化
学成分を有する低Ｃｒ含有量の溶接ワイヤ（３，２φ）
で１層下盛溶接した後、第６表に示す化学成分を有する
本発明の溶接ワイヤを用いて第７表の溶接条件で６層肉
盛溶接した。フラックスはそれぞれ焼結型フラックスを
用いた。

以上の施工方法で肉盛溶接した後、肉盛軸材を６５０℃
Ｘ１５ｈｒのＳＲ処理を施し、肉盛部の欠陥調査、化学
成分調査、硬さ分布測定をそれぞれ行った。

なお、化学成分調査は、肉盛各層毎に切粉を採取し、分
析することにより行った。肉盛部の欠陥調査は、肉盛最
終層面を平滑に機械加工仕上げしたうえで、超音波探傷
、カラーチエツク、磁粉探傷を行った。

肉盛部の欠陥調査の結果、機械加工後の表面については
、カラーチエツク及び磁粉探傷共にインジケーシミンが
認められなかった。

肉盛部について超音波探傷を行ったところ、何らの欠陥
エコーも検出されず、健全な肉盛部であ２す ることか確認された。

肉盛各層の化学成分については、第８表にその分析結果
を示すように、３層目の溶接金属でほぼ所望の化学成分
となり、４層目以降は安定して適正な化学成分となって
いることがわかる。

硬さについては、第３図に肉盛溶接部における半径方向
の硬さ分布測定結果を示すように、母材熱影響部の硬さ
が最も高く、肉盛厚さが増すにつれて漸減するが、５ｍ
ｍ以上の肉盛厚さではほぼ一定の硬さとなっている。

以上のことから、ジャーナル部の所望肉盛厚さが１０ｍ
ｍとした場合、表面及び表面から深さ５ｍｍ程度までは
、適正な硬さ並びに化学成分が得られることがわかる。

所望肉盛厚さが更に大きくなった場合も、何ら支障はな
く、表面からの適正肉盛域が増すのみである。

【以下余白］ （発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、１２％Ｃｒ２％
Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャツ１〜ナル部の肉盛溶
接技術において、高温割れ、ＳＲ割れ、ブローホール等
の欠陥がなく、しかもジャーナル部として充分な強度と
化学成分を有する肉盛溶接部が得られる溶接材料を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ溶接金属のＣ含有量及
びＳ含有量と割れとの関係、並びにＣ含有量及びＰ含有
量と割れとの関係を示す図、 第２図はＳＲ割れ試験片を示す図で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は平面図、（ｃ）はノツチの拡大図であり、第３
図は実施例で得られた肉盛溶接部における半径方向の硬
さ分布を示す図である。 特許出願人　　株式会社神戸製鋼所 代理人弁理士　中　　村　　　尚 （ｙＡ＋’ｌ冬９ （％）：ｔ’を苺

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナ
   ル部の肉盛溶接材料において、軟鋼製シース内に金属粉
   が充填されたコアドワイヤであって、重量％で（以下、
   同じ）、 （ａ）軟鋼製シースが Ｃ：０．０２〜０．０４％ Ｓｉ：０．０１〜０．０３％ Ｍｎ：０．１〜０．３％ Ｐ：０．０２０％以下 Ｓ：０．０１０％以下 残部：実質的にＦｅ からなる化学成分を有し、 （ｂ）充填金属粉が Ｃ：（０．１２〜０．２２）×１００／Ｒ Ｓｉ：（０．２５〜０．８０）×１００／ＲＭｎ：（０
   ．７〜２．４）×１００／Ｒ Ｃｒ：（１．２〜１．７）×１００／Ｒ Ｍｏ：（０．１〜０．５）×１００／Ｒ 残部：実質的にＦｅ （但し、Ｒはワイヤ全重量当りの金属粉の重量％で、１
   ０％≦Ｒ≦３０％） からなる化学成分を有することを特徴とする１２％Ｃｒ
   鋼製蒸気タービンロータシャフト・ジャーナル部の肉盛
   用サブマージアーク溶接ワイヤ。