JPH0679771B2 - 高クロム―ニッケル系合金鋼の接合方法 - Google Patents

高クロム―ニッケル系合金鋼の接合方法

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JPH0679771B2
JPH0679771B2 JP1260929A JP26092989A JPH0679771B2 JP H0679771 B2 JPH0679771 B2 JP H0679771B2 JP 1260929 A JP1260929 A JP 1260929A JP 26092989 A JP26092989 A JP 26092989A JP H0679771 B2 JPH0679771 B2 JP H0679771B2
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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Cr
-Ni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(ニッケル)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-Ni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
1,000〜1,100℃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ッダー部を、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-Ni系合金鋼からなる部材ど
うしが接合する場合、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。
「発明が解決しようとする課題」 ところが、高Cr-Ni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
ントチューブとヘッ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、高クロム
−ニッケル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、クリープ特性面でも十
分な強度で接合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Ni-Cr-Si系
あるいはNi-Cr-B系などのニッケル−クロム系のアモル
ファス材料製の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1275℃以上の温度で高
クロム−ニッケル系合金鋼の融点よりも低い温度に300
秒以上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1275℃以上の温度で高クロム
−ニッケル系合金鋼の融点よりも低い温度に300秒以上
高周波加熱することによってニッケル−クロム系のアモ
ルファス材料製の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-Ni系合金鋼からなる管材1A,1B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N2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1A,1B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1A,1B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-Ni系合金鋼が、屈伸あるいは鋳造
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1A,1Bどうしを接合するに当たっては、予め
双方の管材1A,1Bの先端を平滑に加工しておき、それら
管材1A,1B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をそれら相互間に挟み込んで突
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-Si−B系もし
くはNi-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MBF-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1A,1B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1A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1Bはローラ11を備え
た支持治具12により長手方向に移動可能に支持し、その
他方の管材1Bを一方の管材1Aに対して0.01〜1Kg/mm
2(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N2
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℃以上とし、加熱時間を300秒以上
とする。加熱温度が1,200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1A,1B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1A,1B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1A,1Bどうしをそれほど大きな押圧力で押
圧せずとも両管材1A,1B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7の元素が母材(管材1A,1
B)に拡散していき、これによって両管材1A,1Bは強固に
接合され、一体化される。
上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℃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、接合温度が高いとき
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
生じることがない。したがって、上記方法により接合し
た管材1A,1B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できる。
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ができ、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1A,1Bどうしを接合する場合の実施例を説明
したが、管材をヘッダー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、ヘッダー部15
をクランプして固定し、そのヘッダー部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とヘッダー部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
ダー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800を第
4図に示すように断面寸法が10mm×10mm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
にロッド、27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、上記試験装置の真空容器22内を
4×10-1Torr(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0.05K
g/mm2(約0.5MPa)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7
およびスペーサとしてのタングステン製の線材30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1,448K
〜1,598K(1,175℃〜1,325℃)の範囲内で25K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1,523K(1,250℃)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1,548K(1,27
5℃)以上としたものについてはそのような生成物は認
められず、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1,548K(1,275℃)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〜180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
が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秒以上としたものに
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(JIS G 3467
中のNCF 800 HCF の引張り強度の最小値:450N/mm2)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℃)、接合時間600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
調査し、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上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
高クロム−ニッケル合金鋼製どうしを不活性ガス雰囲気
下でNi-Cr-Si系あるいはNi-Cr-B系などのニッケル−ク
ロム系のアモルファス材料製の薄層のインサート金属を
介して突き合わせて押圧するとともに、突き合わせ部を
1275℃以上の温度で高クロム−ニッケル系合金鋼の融点
よりも低い温度に300秒以上高周波加熱することによっ
て前記インサート金属を溶融させ、前記部材どうしを液
相拡散接合するものであり、前記の温度と時間で接合す
ることで、機械的特性を劣化させるシリコン化合物など
の生成物を接合部分に生じさせることなく接合できるの
で、母材自体の強度と同等以上の十分な接合強度を確保
できる。更に、本発明方法で接合した場合にクリープ特
性にも優れ、母材と同等以上のクリープ特性を得ること
ができる。
また、本発明を実施すると、ティグ溶接による場合のよ
うに裏波部を生じることもなく、従って特にラジアント
チューブとして用いる管材を接合する際に本発明を適用
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-Ni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図は管材とヘッダ
ー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生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。 1,1A,1B……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、10……クランプ治具、12……ローラ、13…
…支持治具、15……ヘッダー部(部材)。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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Ni-Cr-Si
    系あるいはNi−Cr−B系などのニッケル−クロム系のア
    モルファス材料製の薄層の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1275℃以上
    の温度で高クロム−ニッケル系合金鋼の融点よりも低い
    温度に300秒以上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。
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