(57)【要約】【課題】原子炉等の構造物の溶接部におけるニッケル基合金溶接金属の応力腐食割れの発生、進展を抑制することにより、構造物の健全性及び信頼性を高める。【解決手段】構造物の溶接部１における柱状晶組織のニッケル基合金溶接金属４を溶融し、次に溶融した溶接金属を攪拌することにより柱状晶組織４ａを粒状組織５に改質する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の溶接部における柱状晶組織のニッケル基合金溶接金属を溶融し、次に溶融した溶接金属を攪拌することにより柱状晶組織を粒状組織に改質することを特徴とするニッケル基合金溶接金属の表面改質方法。
【請求項２】
前記溶接金属をティグアークにより溶融し、溶融した溶接金属を電磁誘導手段により攪拌することを特徴とする請求項１記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法。
【請求項３】
前記溶接金属を第１のレーザー光照射手段により溶融し、溶融した溶接金属を第２のレーザー光照射手段により攪拌することを特徴とする請求項１記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法。
【請求項４】
前記粒状組織に改質された表面改質層の上部にこの表面改質層の材料よりも耐食性の高い高耐食性最外層を形成したことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法。
【請求項５】
前記高耐食性最外層は、ＥＲＮｉＣｒＦｅ−７、ＥＲＮｉＣｒＦｅ−７Ａ、又はそれよりもＮｂ濃度が高いＣｒ含有Ｎｉ基溶接金属からなることを特徴とする請求項４記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法。
【請求項６】
前記構造物の溶接部は溶接継手部又は肉盛オーバレイ部であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法。
【請求項７】
請求項１乃至３および６のいずれか１項に記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法を用いて、溶接部の表面が粒状組織に改質されたことを特徴とする構造物。
【請求項８】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載のニッケル基合金溶接金属の表面改質方法を用いて、溶接部の改質された粒状組織から成る表面改質層の上部に高耐食性最外層を形成したことを特徴とする構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉等の構造物に用いられるニッケル基合金溶接金属の表面改質方法及び構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の沸騰水型原子炉（以後ＢＷＲと称す）では、原子炉建屋内に原子炉格納容器が設置されており、この原子炉格納容器内には原子炉圧力容器がペデスタル上に設置されている。原子炉圧力容器内には炉心および冷却水が収容されており、この冷却水は炉心の下方から上方に流通する際、炉心の核反応熱を奪い昇温する。昇温した冷却水は蒸気と水との二相流状態になり炉心の上方に設けられた気水分離器内に流入する。気水分離器で水と蒸気に分離され、分離された蒸気は気水分離器の上方に設けられた蒸気乾燥器で乾燥されて乾燥蒸気となり、上記原子炉圧力容器に接続された主蒸気配管を介してタービン系に供され、タービン系を駆動する。一方、分離された水は炉心の下方に流下して、再度炉心の下方から上方に向かって流通し、以下同様のサイクルを繰り返す。
【０００３】
上記原子炉圧力容器は、容器本体と、この容器本体の上部開口を閉塞するように設けられた蓋体と冷却水を取水し、主蒸気を導出する配管から構成されている。この圧力容器本体は円筒状の胴体と、この胴体下端に接続された下鏡とから構成されている。
【０００４】
上記原子炉圧力容器内の内部構造物、接続配管セーフエンド、炉内計装管や制御棒駆動機構案内管の貫通部等の構造物、及び原子炉圧力容器内面の肉盛オーバレイ部などの溶接部には、溶接金属として主にニッケル基合金が用いられている（特許文献１）。
【０００５】
このようなニッケル基合金を溶接金属として用いた溶接継手部の例を図６に示す。この溶接継手部１は、母材２、３と、母材２、３に突き合わせ溶接されたニッケル基合金からなる溶接金属４から構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３１２９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ニッケル基合金からなる溶接金属４は高耐食性材料であるが、高温純水中で応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受性を示すことが知られている。６００合金では母材が粒状組織であるのに対し、１８２合金のような溶接金属は、図６に示すように柱状晶４ａが形成された方向性を持った金属組織であり、接液部となる表面から溶接金属内部に向う方向性を有している。
【０００８】
このような金属組織の１８２合金からなるニッケル基合金溶接金属４は、原子炉冷却水のような高温水中で柱状晶に沿った粒界型のＳＣＣ感受性を有し、有意な進展速度を示すことが知られている。もしも供用運転中に、仮に、応力腐食割れによるき裂が発生した場合は、溶接部の残留応力に依存して柱状晶に沿ったき裂の進展が生じ、構造物の健全性が損なわれる可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、原子炉等の構造物の溶接継手部や肉盛オーバレイ部等の溶接部における柱状晶組織のニッケル基合金からなる溶接金属の表面を改質することにより、耐応力腐食割れ性を向上させ、構造物の健全性及び信頼性を高めることができるニッケル基合金溶接金属の表面改質方法及び構造物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係るニッケル基合金溶接金属の表面改質方法は、構造物の溶接部における柱状晶組織のニッケル基合金溶接金属を溶融し、次に溶融した溶接金属を攪拌することにより柱状晶組織を粒状組織に改質することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、原子炉等の構造物の溶接部におけるニッケル基合金溶接金属の応力腐食割れの発生、進展を抑制することにより、構造物の健全性及び信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る表面改質装置の模式図。
【図２】第１の実施形態において、ローレンツ力の作用方向を示す模式図。
【図３】第１の実施形態に係る表面改質後のニッケル基合金溶接金属の断面模式図。
【図４】第２の実施形態に係る表面改質装置の模式図。
【図５】第３の実施形態に係る表面改質後のニッケル基合金溶接金属の断面模式図。
【図６】柱状晶組織の溶接金属及び溶接部の断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るニッケル基合金溶接金属の表面改質方法及び構造物の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るニッケル基合金溶接金属の表面改質方法を図１乃至図３により説明する。
【００１５】
（構成）
本実施形態では、構造材の溶接部として溶接継手部１に本実施形態の表面改質方法を適用した例について説明する。
【００１６】
溶接継手部１は、例えば６００合金等のニッケル基合金からなる母材２、３が、例えば１８２合金等からなるニッケル基合金溶接金属４で突き合わせ溶接されている。このニッケル基合金溶接金属４は柱状晶の金属組織であり、本実施形態では図１に示すようにティグアークを用いた表面改質装置により表面改質をおこなう。
【００１７】
この表面改質装置は、ティグトーチ６と、その周囲に配置された磁性材料７と、磁性材料７の外周に巻回された励磁コイル８と、交流矩形波発生電源９と、外部電源１０とから構成される。
【００１８】
（作用）
柱状晶の金属組織であるニッケル基合金溶接金属４の表面改質を行う際は、被対象物である溶接継手部１とティグトーチ６の間に外部電源１０から電圧を印加することによりティグアークを発生させ、ニッケル基合金溶接金属４の表面に溶融池１１を形成させる。
【００１９】
この溶融池１１が形成されている状態で、交流矩形波発生電源９より励磁コイル８に電流を流し、ティグトーチ６を移動するのに合わせて励磁コイル８を巻回した磁性材料７を移動する。この時、磁場強度、磁場周波数を調整することにより、交流磁場１２を前記溶融池１１に対して垂直方向に形成することができる（図１の矢印で示す方向）。
【００２０】
これによって、図２に示すように、溶融池１１内を流れる溶接電流１３との関係でローレンツ力１４の作用方向が周期的に逆転し、上記溶融池１１内が効果的に攪拌される。この攪拌により柱状晶の成長が抑えられ、図３に示すように、溶融、凝固した表面改質層５に粒状組織が形成されることになり、ＳＣＣ発生、進展に対する抵抗が高くなる。
【００２１】
この粒状組織の表面改質層５の厚みは、ニッケル基合金溶接金属４に形成される溶融池１１の深さに関連するが、ニッケル基合金溶接金属４の接液側に所定厚みの表面改質層が形成されればよく、その厚みは接液水の水質等の周囲の環境に応じて適宜設定される。
【００２２】
（効果）
本実施形態によれば、冷却水等に接する柱状晶組織のニッケル基合金溶接金属４の表面層が溶融、攪拌、凝固され、その結果、ニッケル基合金溶接金属４に粒状組織の表面改質層５が形成されるため、応力腐食割れの発生、進展を効果的に抑制することが可能となる。これにより、構造物の健全性、信頼性を向上させることができる。
【００２３】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る溶接金属の表面改質方法及び構造物を図４により説明する。
（構成）
本第２の実施形態ではレーザー光を用いて表面改質を行うことを特徴とする。
【００２４】
本実施形態では、表面改質装置として、溶融用のレーザー光１５と攪拌用のレーザー光１７をそれぞれ発振する２台のレーザー発振器（図示せず）と、レーザー光１５を集光する集光光学系１６と、レーザー光１７を集光する集光光学系１８と、溶融部にシールドガス１９を供給するシールドガスノズル２０と、から構成される第１及び第２のレーザー光照射装置を用いて表面改質をおこなう。
【００２５】
（作用）
柱状晶の金属組織であるニッケル基合金溶接金属４の表面改質をおこなう際は、第１のレーザー光照射手段のレーザー発振器から発振されたレーザー光１５を集光光学系１６にて集光し、表面改質の対象部であるニッケル基合金溶接金属４の表面を照射する。そのレーザー光１５の進行方向前方から、溶接金属の酸化を防止するためにシールドガス１９を供給する。これにより、レーザー光照射部分は溶融し、溶融池１１が形成される。
【００２６】
なお、溶接用のレーザー光には、例えばＹＡＧレーザーが用いられる。また、集光光学系に放物面ミラーのような集光ミラーを用いても良い。さらに、ＹＡＧレーザーの代わりにＣＯ2レーザーを用いても良い。
【００２７】
この第１のレーザー光照射手段による溶融に合わせて、第２のレーザー光照射手段のパルスレーザー発振器から発振されたレーザー光１７を集光光学系１８にて集光し、凝固直前の溶融池１１に照射する。この第２のレーザー光照射手段のレーザー光１７は、通常のパルスよりもパルス幅が短く、ピークパワーの高いＱスイッチレーザー等が用いられる。このレーザー光１７により発生した衝撃波は溶融池１１に攪拌作用を与え、凝固した溶接金属表面層において柱状晶の成長が阻止され、図３に示すように、溶融、凝固した表面改質層５に粒状組織が形成されることになる。
【００２８】
（効果）
本実施形態によれば、レーザー光の移動に合わせて、上記第１及び第２のレーザー光照射手段により溶融池１１を形成し、攪拌することにより、ニッケル基合金溶接金属４の表面に粒状組織の表面改質層５が形成され、ＳＣＣ発生、進展に対する抵抗を向上させることができる。これにより、構造物の健全性、信頼性を向上させることができる。
【００２９】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る溶接金属の表面改質方法及び構造物を図５により説明する。
本第３の実施形態は、図５に示すように、上記実施形態の表面改質方法を施工した後、最終的に得られた表面改質層５の材料よりも耐食性の高いＥＲＮｉＣｒＦｅ−７、ＥＲＮｉＣｒＦｅ−７Ａ、又はそれよりもＮｂ濃度が高いＣｒ含有Ｎｉ基溶接金属を肉盛溶接して高耐食性最外層２２を形成する。これにより、耐食性がさらに向上し、ＳＣＣ発生、進展に対する抵抗が高くなるため、構造物の健全性、信頼性をさらに向上させることができる。
【００３０】
［変形例］
上記実施形態では表面改質法を構造材の溶接継手部のニッケル基合金溶接金属に適用した例を説明したが、これに限定されず、圧力容器の内面を改質するために肉盛溶接されたオーバレイ部のニッケル基合金溶接金属４に適用してもよい。
【００３１】
また、ニッケル基合金溶接金属４にＳＣＣなどの欠陥が既に存在する場合でも、その部分に本実施形態の表面改質方法を適用することができる。その場合、欠陥も含めた部分が溶融、凝固されて、欠陥が消失するのと合わせて組織の粒状化が生じ、上述した実施形態と同様な効果が得られる。
【００３２】
以上、説明したように本実施形態に係るニッケル基合金溶接金属の表面改質方法によれば、原子炉圧力容器等の構造物の溶接部におけるニッケル基合金溶接金属に対し、接液部となる溶接金属表面を溶融、凝固させ、その過程で攪拌力を作用させることにより、表層の金属組織を粒状化させ、これにより、ＳＣＣの発生、進展に対する抵抗を向上させ、構造物としての健全性及び信頼性を向上することができる。また、原子炉全体の信頼性及び安全性を大幅に向上させることが可能となる等その効果は大である。
【００３３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３４】
１…溶接継手部、２、３…母材、４…ニッケル基合金溶接金属、５…表面改質層、６…ティグトーチ、７…磁性材料、８…磁励コイル、９…交流矩形波発生電源、１０…外部電源、１１…溶融池、１２…交流磁場、１３…溶接電流、１４…ローレンツ力、１５、１７…レーザー光、１６、１８…集光光学系、１９…シールドガス、２０…シールドガスノズル、２２…高耐食性最外層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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