JPH06670A

JPH06670A - フェライト系ステンレス鋼の溶接方法

Info

Publication number: JPH06670A
Application number: JP4155114A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamamoto; 剛山本; Takao Ko; 隆夫高
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1994-01-11

Abstract

(57)【要約】【目的】Cr含有量の高いフェライト系ステンレス鋼を対
象とし、高靱性を有する溶接継手を得ることができる溶
接方法。【構成】下記 (1)式を満たすフィラーワイヤ、粉末フィ
ラーもしくは箔状のフィラーを溶接金属中のNiが７重量
％を超える量供給しながらレーザ溶接する。 Ni(重量％) −Cr_eq≧ 24 （重量％）・・・ (1) 但し、Cr_eq＝％Cr＋％Mo＋ 1.5×％Si＋ 0.5×％Nb（重
量％）【効果】結晶粒の粗大化を防止し、靱性に優れた溶接部
を得ることができる。これによってライン通板中におけ
るコイル継ぎ溶接部の破断とそれに伴う生産性の低下を
防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Cr含有量の高いフェラ
イト系ステンレス鋼の溶接方法、詳しくは、レーザ溶接
により靱性に優れた溶接継手を得ることができるフェラ
イト系ステンレス鋼の溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】フェライト系ステンレス鋼は耐食性や高
温での耐酸化性に優れ、また、Niを含まず比較的安価で
あるため、近年、エキゾーストマニホールド、マフラー
など、自動車の排気系統を構成する部材の素材としての
用途が広がりつつある。

【０００３】このフェライト系ステンレス鋼を溶接する
際の問題点として、 475℃脆性、σ相析出による脆
化、結晶粒の粗大化、拡散性水素による遅れ割れ、
などがあげられ、このような問題の発生を防止するた
め、溶接を行った後の熱処理や溶接材料について種々検
討がなされている。例えば、溶接材料に関しては、通常
は共金系の材料が用いられるが、特に溶接部の脆化が問
題になる場合は、Niを含有するオーステナイト系ステン
レス鋼用の溶接材料を用いることも行われる。これによ
って溶接金属中にオーステナイト相が析出し、溶接金属
の結晶粒の粗大化が抑制されるとともに水素の固溶量が
増大し、溶接部の脆化が防止される。

【０００４】最近、板厚が概ね５mm以下の薄板を溶接す
るに際し、レーザ溶接方法が適用される場合が多くなっ
てきた。レーザ溶接は溶接の際の入熱量が小さいので、
被溶接材に対する熱影響および熱歪が小さく、このよう
な薄板を変形を伴わずに溶接することができる。また、
溶接部は急冷されるので、前記およびの脆化が抑え
られ、熱影響が小さいので、の結晶粒の粗大化域が狭
い。さらに、溶接部のガスシールドが容易で、溶接金属
に溶解する拡散性水素を低く抑えることができ、の拡
散性水素による遅れ割れについても問題となることは少
ない。このように、レーザ溶接はアーク溶接やフラッシ
ュバット溶接に比べ、本質的にフェライト系ステンレス
鋼の溶接に適しており、近年、製板ラインへのコイル継
ぎウェルダーの導入が進んでいる。

【０００５】フェライト系ステンレス鋼は、今後、特に
自動車の燃費向上に対する要求が強まるとみられること
から、より高温の排気ガスと接する環境で使用される機
会が多くなると予想され、Crを16重量％（以下、合金元
素の「％」及びフィラーの「％」は「重量％」を表す）
以上含有し、さらにSiやNbを含む耐食性ならびに耐酸化
性を向上させた高温用鋼としての用途が多くなるものと
推測される。

【０００６】このようなフェライト生成元素を多く含有
するCr当量が高い材料を溶接する場合、レーザ溶接によ
っても結晶粒の粗大化を防止することは困難である。実
際にレーザ溶接部の評価を行ったところ、結晶粒の粗大
化は溶接金属及び溶接熱影響部（ＨＡＺ）の両方で起こ
っており、曲げ靱性も十分でないことがわかった。特
に、コイル継ぎ溶接部は、ライン通板中にルーパーやブ
ライドルロールにより繰り返し曲げを受けるので、溶接
部の曲げ靱性が十分でないと、ライン内で破断するとい
うトラブルが起こり、生産性の著しい低下につながる。

【０００７】この溶接部の組織をコントロールする一つ
の方法として、レーザ溶接においてはフィラーを添加す
る方法が採られている。通常、コイル継ぎ溶接をレーザ
溶接により行う場合、被溶接材の端面形状に不整がある
ときは、フィラーを添加する。しかし、添加量は、全溶
融金属の10〜30％程度で、例えば、図１のシェフラの組
織図上に示したように、Cr当量が22％のステンレス鋼
（図中の「母材」）を溶接するに際し、溶接部にSUS 30
4 用フィラーワイヤ（図中のａ点）を30％添加しても溶
接金属のオーステナイト量は極めて少ない。 CO₂溶接な
どでは、開先をとるので、溶着金属の割合を40〜80％程
度とすることができ、オーステナイト相を十分析出させ
ることができるが、レーザ溶接の場合、材料をほとんど
隙間なく突き合わせて溶接するので、このような多量の
フィラーを添加することはできない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解決し、フェライト系ステンレス鋼を溶接するに際
し、結晶粒の粗大化を防止し、靱性に優れた溶接部を得
ることができるレーザ溶接方法を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明者らは、フェライト系ステンレス鋼の代表
例として SUS 409、SUS 430 、および SUS 430をベース
とする高温用鋼で、 0.7％のNbを含有する鋼（Nb添加
鋼）ならびに 2.8％のSiを含有する鋼（Si添加鋼）を対
象として、レーザ溶接により靱性の高い溶接継手を得る
方法について検討した。フィラーワイヤには JISに規定
された軟鋼用ワイヤ（ＹＣＷ２）及び SUS304用ワイヤ
（Ｙ３０８Ｌ）を用いた。

【００１０】図２に検討結果を示す。靱性の評価は繰り
返し曲げ試験により行った。なお、溶接方法および繰り
返し曲げ試験の方法は、後述の実施例におけると同様で
ある。この図に示されるように、Cr含有量の低い SUS 4
09（記号：S409）では上記のいずれのワイヤを用いても
高い靱性が確保され、また、SUS 430(同S430) について
は、 SUS 409よりはやや劣るが、いずれのワイヤでも実
用上問題ない靱性を示す。しかし、Si添加鋼 (同S430S)
およびNb添加鋼 (同S430N)では、どちらのワイヤを用い
ても繰り返し曲げにより溶接金属の部分で脆性的に破断
し、靱性は著しく低い。

【００１１】そこで、本発明者らは、レーザ溶接で添加
できるフィラーメタルの量が10〜30％と小さいことを考
慮し、添加量が少なくても溶接部の組織をコントロール
できる組成を有するフィラーとしてどのようなものが最
適であるか検討した。その結果、フィラーとして純Niや
Ni基合金を用いると、溶接金属のNi当量が10〜30％とな
り、オーステナイトとフェライト、あるいは、さらにマ
ルテンサイトを含む混合組織、ないしはオーステナイト
単相となって、SUS 430 、Si添加鋼、Nb添加鋼のいずれ
についても十分な靱性が確保されることを確認した。例
えば、図１に、前記のCr当量が22％のステンレス鋼をレ
ーザ溶接するに際し、Niワイヤを全溶融金属に対して10
〜30％になるように添加した場合の溶接金属の組成を示
したが、オーステナイト単相あるいはオーステナイトを
主体とする組織となっている。

【００１２】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たもので、下記のフェライト系ステンレス鋼の溶接方法
をその要旨とする。

【００１３】下記 (1)式を満たすフィラーワイヤ、粉末
フィラーもしくは箔状のフィラーを溶接金属中のNiが７
％を超える量供給しながらレーザ溶接することを特徴と
するフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。

【００１４】 Ni(％) −Cr_eq≧ 24 （％）・・・ (1) 但し、Cr_eq＝％Cr＋％Mo＋ 1.5×％Si＋ 0.5×％Nb 前記のフェライト系ステンレス鋼とは、Cr当量（Cr_eq）
が概ね12％以上の、靱性を損なわずに溶接することが困
難なステンレス鋼で、具体的には、前記のSUS409 、SUS
430 、Si添加鋼、Nb添加鋼である。

【００１５】また、 (1)式を満たすフィラーワイヤ、粉
末フィラーもしくは箔状のフィラーとは、後述するよう
に、純NiやNi基合金のフィラーワイヤ、粉末フィラーも
しくは箔状のフィラーをいう。

【００１６】

【作用】本発明方法において、前記の (1)式を満たすフ
ィラーワイヤ、粉末フィラー等を供給しながらレーザ溶
接するのは、溶接金属をオーステナイト相が一部析出し
た靱性に富む組織とするためである。

【００１７】図３は、SUS 430 、Si添加鋼およびNb添加
鋼を対象として純Niのフィラーワイヤを用いてレーザ溶
接により突き合わせ溶接し、繰り返し曲げ試験を行った
結果を示す図である。なお、供試材の化学組成、板厚、
溶接方法および繰り返し曲げ試験の方法は、後述の実施
例におけると同様である。

【００１８】この図に示されるように、Ni添加量、すな
わち溶接金属のNi含有量が７％を超えると、繰り返し曲
げサイクル数が20を超える高い靱性を示し、７％以下で
は、特にSi添加鋼（S430S)およびNb添加鋼(S430N) の場
合オーステナイト相の析出が不十分で、靱性改善の効果
が小さい。この結果は純Niのフィラーワイヤを用いた場
合であるが、Ni含有量の高いNi基合金のフィラーワイヤ
を使用しても同様の結果が得られる。

【００１９】レーザ溶接で添加できるフィラーメタルの
割合は、前述のように、通常30％以下であるから、例え
ば、Fe−Niの２元合金系のフィラーを用い、添加量をそ
の最大値である30％とすると、溶接金属のNi含有量が７
％を超えるようにするためには、約24％以上のNiを含有
するFe−Ni合金を用いればよいことになる。一方、Cr等
のフェライト生成元素がフィラーに含まれる場合は、当
然のことながらNi含有量を高める必要がある。その増加
割合について検討した結果、フィラーに含有されるCr当
量に等しい量のNiを増して、すなわち、前記 (1)式のよ
うに、そのフィラーに含有されるCr当量を差し引いた後
のNi含有量が24％以上になるようなフィラーを用いて、
溶接金属中のNiが７％を超えるように溶接すれば、靱性
に富む溶接金属を得ることができることを確認した。

【００２０】なお、Ni含有量の上限は特に定めてはいな
いが、これは、前述のようにレーザ溶接では添加できる
フィラーの量自体が限られており、これによって上限は
自ずと定まるからである。通常の添加量10〜30％の範囲
であれば、溶接金属のNi含有量を上記の範囲内にするこ
とにより良好な靱性が得られる。また、フィラーワイヤ
の代わりに粉末フィラーもしくは箔状のフィラーを用い
ても同じ結果が得られる。

【００２１】フェライト系ステンレス鋼に対して、前記
の純NiやNi基合金のフィラーワイヤを用いて CO₂溶接等
を行うと、溶接部における冷却速度が小さいため高温割
れが起こり易くなる。すなわち、Niを主成分とするフィ
ラーの使用は、フィラーの添加量が限られ、溶接部が急
冷されるレーザ溶接においてのみ有効で、フェライト系
ステンレス鋼の溶接部の靱性を向上させる効果をもつと
言える。

【００２２】なお、本発明方法を実施するに際し、ビー
ド余盛の突出が発生した場合は、熱影響部における破断
を防止するために、これを研削その他同様の効果をもた
らす手段により除去する。

【００２３】図４は、フェライト系ステンレス鋼に対し
て純Niのフィラーワイヤを用い、突き合わせの際のギャ
ップを変えてレーザ溶接を行った場合の溶接断面の模式
図である。(a) 図は、通常行われるようにギャップ０mm
とし、フィラーの添加量を10〜30％とした場合で、余盛
はなく、繰り返し曲げ試験で割れの発生は認められず、
良好な靱性を示す。(c) 図はギャップを 0.3mmと大きく
し、フィラーを余盛の突出がないようにして60％まで添
加した場合で、溶接金属はオーステナイト主体の組織と
なるが、割れは発生せず、靱性は全く問題ない。すなわ
ち、Ni含有量が高いこと自体は有害ではない。一方、
(b) 図はギャップは０mmで、フィラーの添加量を60％と
した場合で、余盛の突出があり、Si添加鋼およびNb添加
鋼では熱影響部で割れが発生する。これは、熱影響部も
組織の粗大化により幾分脆化しており、余盛の突出によ
って余盛と熱影響部の境界面に応力が集中し、その部分
が起点となって割れが生じたもので、余盛を研削等によ
り除去することによって応力の集中を緩和し、割れの発
生を防止することができる。

【００２４】

【実施例】供試材として、板厚３mm、板幅 100mmで、表
１に示す化学組成を有する熱延鋼板をシャーリングし、
その端面をそのまま突合わせ、レーザ溶接により溶接
し、繰り返し曲げ試験を行って溶接部の靱性を評価し
た。

【００２５】レーザー発振器には出力５kwの炭酸ガスレ
ーザーを用い、ビームを焦点距離254mm のレンズで集光
するとともに、加工ガスとしてArを毎分30リットル吹付
け、溶接速度２〜2.5 ｍ／分で溶接を行った。フィラー
には表２に示すSUS 304 用、純Ni用、Ni合金用の３種類
のワイヤ（0.9 mmφ）を使用し、これをワイヤフィーダ
ーにより送り速度０〜６ｍ／分で溶融池に添加した。な
お、Niワイヤを用いる場合はその添加割合がそのまま溶
接金属のNi含有量になる。

【００２６】繰り返し曲げ試験は、左右向かい合わせに
半径60mmの円弧状の曲面を有する曲げ治具の間に試験片
を挟み、その曲面に沿って左右に90°の繰り返し曲げを
行い、20往復の繰り返し曲げで破断しなかったものを良
好（○）、破断したものを不良（×）とした。

【００２７】試験結果を表３に示す。なお、同表におい
て、ビードの突出高さとは、鋼板表面からビードの最高
部まの高さを鋼板の表側と裏側とで比較し、高い方の値
をその高さとした。ビード研削は、実施した場合○印で
示した。

【００２８】表３において、 No.１〜 No.５は SUS 430
（記号:S430)に対してNiワイヤ（Ni(％) −Cr_eq＝100
）を用いてレーザ溶接した場合である。 No.１はフィ
ラーの添加量が５％と少なく、溶接部の組織改善効果が
得られず靱性は十分ではなかった。一方、 No.２〜 No.
５は本発明例で、フィラーの添加量が適正（７％を超え
る）であるため高い靱性が得られた。これらは、いずれ
もビードの突出が小さいので研削はしていない。

【００２９】No.６〜 No.13は SUS 430にSiを添加した
鋼(S430S) を同様にレーザ溶接した場合で、 No.６及び
No.７はフィラーの添加量が少なく靱性不良であるが、
No.８〜 No.11、および No.13はフィラーの添加量が適
正で、靱性は良好であった。

【００３０】No.12はビードが突出したため靱性が低下
した場合、 No.14は No.12で生じたビードを研削した場
合で、研削により靱性が改善された。

【００３１】No.15〜 No.23は、 SUS 430にNbを添加し
た鋼(S430N) を同様にレーザ溶接した場合で、 No.15お
よび No.16はフィラーの添加量が少なく靱性不良である
が、No.17〜 No.20、および No.22は本発明例である。
No.21はビード突出により靱性が低下した比較例、 No.2
3はそれを研削した場合で本発明例である。

【００３２】No.24〜 No.26はSUS 409(S409) を同様に
レーザ溶接した場合で、いずれも高い靱性を示した。

【００３３】No.27〜 No.30は本発明の条件から外れるS
US 304 用ワイヤ（ Ni(％) −Cr_eq＝−31 )を用いた場
合で、Cr含有量が比較的低く、SUS 409 の場合(No.29)
を除いて、靱性は十分ではなかった。

【００３４】No.31〜 No.34は本発明の条件を満たすNi
合金用ワイヤ（ Ni(％) −Cr_eq＝34.5 )を用いた場合
で、いずれも良好な靱性が得られた。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３（１）】

【００３８】

【表３（２）】

【００３９】

【発明の効果】本発明方法を適用することにより、Cr含
有量の高いフェライト系ステンレス鋼を溶接するに際
し、結晶粒の粗大化を防止し、靱性に優れた溶接部を得
ることができる。これによってライン通板中におけるコ
イル継ぎ溶接部の破断とそれに伴う生産性の低下を防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フェライト系ステンレス鋼をSUS 304 用ワイヤ
または純Niワイヤをフィラーとしてレーザ溶接したとき
の溶接金属の組成を、シェフラの組織図上に示した図で
ある。

【図２】各種のフェライト系ステンレス鋼を軟鋼フィラ
ーワイヤあるいはSUS 304 用フィラーワイヤを用いてレ
ーザ溶接したときの靱性を示す図である。

【図３】溶接金属のNi含有量と各種のフェライト系ステ
ンレス鋼の靱性の関係を示す図である。

【図４】突き合わせ溶接の際のギャップの大きさとフィ
ラー添加量によるビード形状の変化を説明するための図
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記 (1)式を満たすフィラーワイヤ、粉末
フィラーもしくは箔状のフィラーを溶接金属中のNiが７
重量％を超える量供給しながらレーザ溶接することを特
徴とするフェライト系ステンレス鋼の溶接方法。 Ni(重量％) −Cr_eq≧ 24 （重量％）・・・ (1) 但し、Cr_eq＝％Cr＋％Mo＋ 1.5×％Si＋ 0.5×％Nb（重
量％）