(57)【要約】【課題】耐粒界腐食性及び耐環境助長割れ性に優れた原子炉溶接構造物及び溶接方法を提供する。【解決手段】本発明は、ニッケル基合金とニッケル基合金及びニッケル基合金と低合金鋼の溶接金属部であって、その初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織を有し、使用環境に接する最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっていることを特徴とする耐食性に優れた溶接構造物にある。本発明によれば、軽水型原子炉の圧力容器，各種炉内構造物，配管，各種ノズルに用いられるニッケル基合金とニッケル基合金及びニッケル基合金と低合金鋼の溶接金属部の耐粒界腐食性，耐環境助長割れ性を向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基合金同士又はニッケル基合金と低合金鋼とを溶接した溶接構造物であって、溶接金属部の凝固組織が初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化しており、最終層がオーステナイトとδフェライトの２相組織になっていることを特徴とする溶接構造物。
【請求項２】
ニッケル基合金とニッケル基合金又はニッケル基合金と低合金鋼を溶接する方法であって、両者の融合により形成される溶接金属部が初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化し、最終層がオーステナイトとδフェライトの２相組織を有する凝固組織となるように溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項２において、前記オーステナイト単相組織は初晶オーステナイトで凝固が開始し、オーステナイト単相で凝固が終了するように化学成分が制御されたニッケル基合金溶接棒を使用することによって形成し、前記オーステナイトとδフェライトの２相組織は初晶δフェライトで凝固が開始し、包共晶反応によりオーステナイト相が生成されて凝固が完了し、その後δフェライト相の一部がオーステナイト相に固相変態するように化学成分が制御されたステンレス鋼溶接棒を使用することによって形成することを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
ニッケル基合金，オーステナイトステンレス鋼，低合金鋼及び炭素鋼製の構造部品を備えた原子炉において、前記構造部品溶接部の少なくとも一つが、初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織を有し、使用環境に接する最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっていることを特徴とする原子炉。
【請求項５】
原子炉用ニッケル基合金，オーステナイトステンレス鋼，低合金鋼及び炭素鋼製の原子炉構造部品において、前記構造部品溶接部の少なくとも一つが、初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織を有し、使用環境に接する最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっていることを特徴とする原子炉用構造部品。
【請求項６】
ニッケル基合金，オーステナイトステンレス鋼，低合金鋼及び炭素鋼製の構造部品を備えている原子炉用構成部品の溶接方法において、前記構成部品溶接部の少なくとも一つに対して、初層から最終層に向かってまず初晶オーステナイトで凝固が開始し、オーステナイト単相で凝固が終了するように化学成分が制御されたニッケル基合金溶接棒及びステンレス鋼溶接棒を使用して溶接を行い、次に初晶δフェライトで凝固が開始し、包共晶反応によりオーステナイト相が生成されて凝固が完了し、その後δフェライト相の一部がオーステナイト相に固相変態するように化学成分が制御されたステンレス鋼溶接棒を使用して溶接を行うことを特徴とする原子炉構成部品の溶接方法。
【請求項７】
ニッケル基合金，オーステナイトステンレス鋼，低合金鋼及び炭素鋼製の構造部品を備えている原子炉から構成される軽水型原子力発電プラントにおいて、前記構成部品溶接部の少なくとも一つが、初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織を有し、使用環境に接する最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっていることを特徴とする原子力発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル基合金同士、又はニッケル基合金と低合金鋼とを溶接する方法及び溶接構造物に関する。また、原子炉構成部品と原子炉並びに原子炉発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル基合金は、原子力プラントの構造部品として用いられている（例えば、特許文献１参照）。また、ニッケル基合金同士、又はニッケル基合金と低合金鋼との溶接構造物は、軽水型原子炉構成部品等に用いられている。原子炉圧力容器をニッケル基合金で肉盛溶接することも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−３６１１号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平８−１７４２７１号公報（特許請求の範囲）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ニッケル基合金同士、又はニッケル基合金と低合金鋼との溶接構造物の溶接金属部は、溶接金属の化学成分及び溶接後熱処理の条件によって粒界腐食或いは環境助長割れを生じる可能性がある。
【０００５】
軽水型原子炉構成部品に用いられているニッケル基合金とニッケル基合金、及びニッケル基合金と低合金鋼の溶接金属部の粒界腐食或いは環境助長割れ性を低減するために、ニッケル基合金溶接金属の化学成分を調整することが行われている。しかし、ニッケル基合金溶接金属部は特有の凝固組織を有することから、耐粒界腐食性及び耐環境助長割れ性は十分とは云えず、より信頼性の高い溶接金属部が要求されている。
【０００６】
本発明は、耐粒界腐食性及び耐環境助長割れ性に優れた原子炉溶接構造物及び溶接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の軽水型原子炉構成部品用ニッケル基合金とニッケル基合金、及びニッケル基合金と低合金鋼の溶接に用いられているニッケル基合金溶接金属の凝固組織は、溶接金属の化学成分に起因して柱状晶が母材溶融境界の結晶からエピタキシャルに成長し初層から最終層に至るまで一本の連結された柱状晶となること、このため柱状晶と柱状晶の境界（粒界）も一本に連結され、溶接後熱処理が行われることによりニッケル基合金溶接金属部の粒界腐食感受性及び環境助長割れ感受性が高くなるとの知見に基づき、これを改善するためニッケル基合金溶接金属部において初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織として柱状晶が一本に連結して成長しないようにしたものである。
【０００８】
本発明は、ニッケル基合金とニッケル基合金及びニッケル基合金と低合金鋼の溶接金属部であって、その初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織を有し、使用環境に接する最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっていることを特徴とする耐食性に優れた溶接構造物にある。
【０００９】
この初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織となる部分は、初晶オーステナイトで凝固が開始し、オーステナイト単相で凝固が終了するように化学成分が制御された、好ましくは重量％でＮｉ５９.０％以上，Ｃｒ１３.０〜17.0％，Ｆｅ１２.０％ 以下の化学成分を有するＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系Ｎｉ基合金溶接棒を使用することにより実現できる。
【００１０】
また前記オーステナイトとδフェライトの２相組織となる部分は、初晶δフェライトで凝固が開始し包共晶反応によりオーステナイト相が生成され凝固が完了しその後δフェライト相の一部がオーステナイト相に固相変態するように化学成分が制御された好ましくは重量％でＮｉ９.０〜１４.０％，Ｃｒ１８.０ 〜25.0％の化学成分を有するステンレス鋼溶接棒を使用することにより実現できる。
【００１１】
通常、構造材料の溶接において使用される溶接材料は、溶接金属への母材成分の希釈を抑制するなどの理由から構造材料と同質の材料が使用される。従って通常は、ニッケル基合金の溶接金属にはニッケル基の溶接棒が使用される。本発明は、前記のようにニッケル基合金溶接金属部の初層から最終層へ向かってオーステナイト単相組織からオーステナイトとδフェライトの２相組織へ段階的に変化する凝固組織を有し、使用環境に接する最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっていることを特徴とするが、前記オーステナイトとδフェライトの２相組織とするためには初晶δフェライトで凝固が開始し包共晶反応によりオーステナイト相が生成され凝固が完了し、その後δフェライト相の一部がオーステナイト相に固相変態するように化学成分が制御されたステンレス鋼溶接棒を使用することにより実現できる。
【００１２】
しかしながら、ニッケル基合金の溶接にステンレス鋼の溶接棒を使用すると、ニッケル基合金中のＮｉがステンレス鋼の溶接金属中に希釈し、溶接割れを生じる可能性が高くなる。そこで本発明では、溶接割れを防止するためにＮｉの希釈を可能な限り少なくするように初層のニッケル基溶接材料から最終層のステンレス鋼溶接材料に至る過程でＮｉ量を段階的に調整，変化させた溶接棒をもって溶接することにしたものである。初層は重量％でＮｉ５９.０％以上，Ｃｒ１３.０〜１７.０％，Ｆｅ１２.０％以下の化学成分を有するＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系Ｎｉ基合金溶接棒を用い、最終層は重量％でＮｉ９.０〜１４.０％，Ｃｒ１８.０ 〜５.０％ の化学成分を有するステンレス鋼溶接棒を用い、中間に段階的にＮｉ量をその希釈率が１０％以下になるように制御したＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系Ｎｉ基合金溶接棒を用いて溶接することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
表１にオーステナイト単相で凝固が終了するように化学成分が制御されたニッケル基合金溶接棒による溶接金属の代表的な化学組成を示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
この溶接棒を用いてニッケル基合金とニッケル基合金をサブマージアーク溶接法により溶接した。溶接条件（目標）は、溶接電流：１４０〜１８０Ａ，溶接電圧：２２〜２６Ｖ，溶接速度：１０cm／min 以上，パス間温度：１７７℃以下とした。図１は、溶接後の溶接金属部の凝固組織を模式的に示したものである。溶接金属部２における凝固組織である柱状晶は、ニッケル基合金母材１と接する溶融境界から溶接最終層に至るまで連続して成長している。この溶接金属部から図２に示すように応力腐食割れ試験片３（単軸定荷重引張り  試験片）を最終層を残して採取した。この試験片を用いて２８８℃の高温水中において応力腐食割れ試験を行ったところ、柱状晶に沿った応力腐食割れが発生した。
【００１６】
表２は、初晶δフェライトで凝固が開始し、包共晶反応によりオーステナイト相が生成されて凝固が完了し、その後δフェライト相の一部がオーステナイト相に固相変態するように化学成分が制御されたステンレス鋼溶接棒による溶接金属の代表的な化学組成を示す。
【００１７】
【表２】
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【００１８】
この溶接棒を用いてニッケル基合金とニッケル基合金のサブマージアーク溶接部の最終層を溶接した。初層から最終層に至る中間層はＮｉ量をその希釈率が１０％以下になるように制御したＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系Ｎｉ基合金溶接棒を用いて溶接した。図３は、溶接後の溶接金属部４の組織を模式的に示したものである。溶接金属部４における凝固組織である柱状晶は、ニッケル基合金母材１と接する溶融境界から連続して成長するが、溶接最終層においてオーステナイトとδフェライトの２相組織となっている。この溶接金属部４から図４に示すように応力腐食割れ試験片（単軸定荷重引張り  試験片）３を最終層を残して採取した。この試験片を用いて２８８℃の高温水中において応力腐食割れ試験を行ったところ、柱状晶に沿った応力腐食割れは発生しなかった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、軽水型原子炉の圧力容器，各種炉内構造物，配管，各種ノズルに用いられるニッケル基合金とニッケル基合金及びニッケル基合金と低合金鋼の溶接金属部の耐粒界腐食性，耐環境助長割れ性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ニッケル基合金とニッケル基合金をニッケル基合金溶接棒によりサブマージアーク溶接した溶接金属部における柱状晶成長方向の模式図。
【図２】ニッケル基合金とニッケル基合金をニッケル基合金溶接棒によりサブマージアーク溶接した溶接金属部における応力腐食割れ試験片の採取位置を示す図。
【図３】ニッケル基合金とニッケル基合金を初層はニッケル基合金溶接棒、最終層はステンレス鋼溶接棒を用い、その中間はＮｉ量を段階的に調整，変化させた溶接棒を用いて溶接した溶接金属部における柱状晶成長方向の模式図。
【図４】ニッケル基合金とニッケル基合金を初層はニッケル基合金溶接棒、最終層はステンレス鋼溶接棒を用い、その中間はＮｉ量を段階的に調整，変化させた溶接棒を用いて溶接した溶接金属部における応力腐食割れ試験片の採取位置を示す図。
【符号の説明】
１…ニッケル基合金母材、２…溶接金属部、３…応力腐食割れ試験片、４…溶接金属部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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