(57)【要約】【課題】応力腐食割れおよび溶接割れの双方の防止を図った溶接方法および構造物を提供する。【解決手段】一態様に係る溶接方法は，Ｃｒ量２５質量％以下のＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第１の溶接材料を用いて，母材を溶接して溶接部を形成する工程と，Ｃｒ量３０質量％を越えるＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第２の溶接材料を用いて，前記溶接部上を溶接する工程と，を具備する。【選択図】図１
2012187614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ量２５質量％以下のＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第１の溶接材料を用いて，母材を溶接して溶接部を形成する工程と，
Ｃｒ量３０質量％を越えるＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第２の溶接材料を用いて，前記溶接部上を溶接する工程と，
を具備することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
溶接部を形成する工程に先だって，
Ｃｒ量２５質量％以下のＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第３の溶接材料を用いて，母材をバタリング溶接する工程，をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の溶接方法。
【請求項３】
前記母材が，Ｐ＞０．００３質量％，Ｓ＞０．００２質量％，を含み，
前記第１の溶接材料または第３の溶接材料が，Ｍｎ＞０．５質量％，Ｐ＜０．０１０質量％，Ｓ＜０．０００２質量％，Ａｌ＋Ｔｉ＜０．６質量％，Ｎｂ＜０．１質量％，Ｍｏ＜０．５質量％，Ｓｉ＜０．５質量％，Ｃ＜０．０４質量％を満たす
ことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記溶接部を形成する工程が，前記溶接部の初層の入熱量を２００００Ｊ／ｃｍ以下の条件にてＴＩＧ溶接する工程を含む
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記母材が，第１，第２の母材を含み，
前記溶接部を形成する工程が，前記第１，第２の母材を突き合わせ溶接する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記溶接部を形成する工程が，前記母材を肉盛り溶接する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の溶接方法で溶接された構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，例えば，原子力発電プラントなどで使用される構造物の溶接方法および構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来，原子力発電プラントの原子炉構造物の溶接には，耐食性に優れたインコネル６００合金が使用されてきた。しかし，近年，耐食性及び信頼性のさらなる向上を目的として，インコネル６９０合金が使用されつつある。このインコネル６９０合金の溶加材として，アメリカ機械学会（The American Society of Mechanical Engineers : ASME）に規定されるCase2124-1，UNS N06690が用いられている。
この溶加材の化学成分はインコネル６９０合金とほぼ同じであるが，溶接割れを防ぐためにＰ及びＣｕの含有量に特に制限を加え，また，耐食性の劣化を防ぐためにＭｏ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｔｉ及びＡｌ＋Ｔｉ含有量に制限を加えている。
【０００３】
しかしながら，上記インコネル６９０合金溶加材は完全オーステナイト組織を呈するために，溶接割れ感受性が高いという問題がある。
【０００４】
そこで，最近，上記インコネル６９０合金溶加材をベースとし，添加元素を微調整することで，溶接割れ感受性により優れる溶加材が開発されている。例えば，Ｎ添加（０．０３〜０．３質量％）により高強度化を計り，さらにＷ，Ｖを組み合わせた溶加材が開発されている（特許文献１参照）。また，高Ｍｎ化（〜５質量％）により高温割れの主要因となるＳを固定し，Ｔａ添加により固液共存温度範囲を狭小化させ，低融点物質生成を助長するＳ，Ｐの影響を抑制した溶加材が開発されている（特許文献２参照）。さらに，Ｍｎ＋Ｎｂ含有量およびＴｉ＋Ａｌ含有量を制限することで，耐再熱割れ性およびワイヤ加工性を向上させた溶加材が開発されている（特許文献３参照）。Ｎｂ量を低減し，Ｔａ量を高めることで，耐溶接割れ性を高めた溶加材も開発されている（特許文献４参照）。一方，これらＮｉ基高Ｃｒ合金用溶加材の溶接方法について，オーステナイト系ステンレス鋼に対し，これらの溶加材を用いて，多層肉盛溶接を施す際に，一層目の肉盛溶接により形成した溶接金属のＮｉ含有量を５１質量％以上にし，溶接割れ防止を図る技術が開発されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１７００８４号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１４７３号公報
【特許文献３】特願２００７−１８９９７２号公報
【特許文献４】特願２００５−５１７２７４号公報
【特許文献５】特願平９−１２９１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の６９０系Ｎｉ基高Ｃｒ合金溶接材料は，耐腐食性が高く，特に，原子力分野において危惧される耐応力腐食割れ性が高い。しかしながら，６９０系Ｎｉ基高Ｃｒ合金溶接材料は，溶接割れ感受性が高くなる問題を有する。
上記に鑑み，本発明は応力腐食割れおよび溶接割れの双方の防止を図った溶接方法およ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】
【０００７】
本発明の一態様に係る溶接方法は，Ｃｒ量２５質量％以下のＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第１の溶接材料を用いて，母材を溶接して溶接部を形成する工程と，Ｃｒ量３０質量％を越えるＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金からなる第２の溶接材料を用いて，前記溶接部上を溶接する工程と，を具備する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば，応力腐食割れおよび溶接割れの双方の防止を図った溶接方法および構造物を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る溶接方法で溶接された部材の断面の一例を表す断面図である。
【図２】第２実施形態に係る溶接方法で溶接された部材の断面の一例を表す断面図である。
【図３】第３実施形態に係る溶接方法で溶接された部材の断面の一例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態では，応力腐食割れおよび溶接割れの双方を防止するために，溶接材料における成分制限とプロセスとを組み合わせる。以下，説明する。
【００１１】
溶接割れは，合金に割れが生じたときの温度等によって，高温割れ，凝固割れ，液化割れに区分される。
Ｎｉ基耐熱合金（６９０系Ｎｉ基高Ｃｒ合金等）の高温割れ感受性は，合金中に析出されるγ’相（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ）を主成分とする相）の析出促進元素であるＡｌおよびＴｉの含有量で表現できる。具体的には，（０．２８・ＣＣｒ＋０．０４３・ＣＣｏ）が一定であれば，（ＣＡｌ＋０．８４・ＣＴｉ）の増加に従い，割れ感受性が増加する。すなわち，γ’相の析出量が多く，高温強度が高い合金ほど割れやすい。
【００１２】
なお，ＣＣｒ，ＣＣｏ，ＣＡｌ，ＣＴｉ，および後述のＣＮｂ，ＣＭｏ，ＣＳｉ，ＣＰ，ＣＳ，ＣＭｎはそれぞれ，Ｎｉ基耐熱合金中でのＣｒ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｍｎの質量％を表す。
【００１３】
また，凝固割れ感受性ＰＳＣは（１）式で，液化割れ感受性ＰＬＣは（２）式で表される。
ＰＳＣ＝６９．１２・ＣＴｉ＋２７．３・ＣＮｂ＋９．７０・ＣＭｏ
＋３００・ＣＳｉ−５５．３                     ……（１）
ＰＬＣ＝４８．０・ＣＣ＋１．９７・ＣＴｉ＋８．９３・ＣＮｂ
＋２．８３・ＣＭｏ＋２７．２                            ……（２）
これゆえに，割れ感受性を抑えるには上記式（１），（２）における成分を抑制することが望ましい。
【００１４】
本実施形態では，このような状況を踏まえ，溶接の部位に応じて，組成の異なるＮｉ基耐熱合金を溶加材として用いる。即ち，耐腐食環境下にさらされる部位（最終溶接層）に対し，Ｃｒ量を３０質量％以上含む６９０系溶接材料（後述の溶接材料Ｍ１）を適用する。また，それ以外の部位（第１溶接層（初層）および中間溶接層）に対しては，Ｃｒ量が２５質量％以下の溶接性に優れるＮｉ基溶接材料（後述の溶接材料Ｍ２）を適用する。この結果，応力腐食割れおよび溶接割れの双方を防止可能となる。特に，単層溶接よりも溶接部の応力が大きくなり易い，多層溶接においても，溶接割れを防止できる。
【００１５】
溶接対象の母材がＳおよびＰを含む場合に，溶接部の初層にＭｎを多く含み，かつ，ＰおよびＳ量を低減した溶接材料を適用できる。母材がＳおよびＰなどの元素を含むと割れ感受性が高くなる。このような場合に，ＰおよびＳ量を低減し，かつＳをトラップするＭｎを多く含む溶接材料を用いることで，溶接割れを防止できる。
【００１６】
また，（ＣＡｌ＋ＣＴｉ）を０．６質量％以下に制限する溶接材料を用いても良い。溶接材料がＡｌおよびＴｉを多く含むほど高温強度が高まる一方，割れ感受性が高くなる。このため，溶接材料での（ＣＡｌ＋ＣＴｉ）を０．６質量％以下に制限することで，溶接割れをより低減できる。
これに加えて，溶接材料中のＮｂ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃも抑えても良い。溶接材料の割れ感受性がさらに低減される。
【００１７】
以下，実施形態に係るＮｉ基高Ｃｒ合金用溶加材を用いた溶接方法についてより具体的に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
ここでは，母材１１，１２の対向する端部間を溶接して，母材１１，１２を接続する場合を考える（突合せ継手溶接）。母材１１，１２にはそれぞれ，異種材料，例えば，オーステナイト系ステンレス鋼と炭素鋼を用いることができる（異材溶接）。
【００１９】
本実施形態では，図１に示すように，溶接部１３，最終溶接部１４を順に形成する。溶接部１３，最終溶接部１４それぞれに，以下の溶接材料Ｍ１，Ｍ２を用いる。
・溶接材料Ｍ１：  Ｃｒ量（ＣＣｒ）２５質量％以下のＮｉ基合金溶加材
・溶接材料Ｍ２：  Ｃｒ量（ＣＣｒ）３０質量％以上を有するＮｉ基合金溶接材料
【００２０】
（１）まず，母材１１，１２の開先を溶接材料Ｍ１（溶接割れ性の低いＮｉ基合金溶加材）にて溶接を施し，溶接部１３を形成する。溶接部１３は，単層溶接，多層溶接の何れで形成されても良い。
【００２１】
（２）その後，溶接部１３を最終溶接部１４で覆い溶接部１３を環境から保護する。即ち，溶接材料Ｍ２（応力腐食割れ性の低いＮｉ基合金溶加材）にて，溶接部１３上に溶接を施し，最終溶接部１４を形成する。
【００２２】
このように，溶接部１３，最終溶接部１４それぞれでの溶接に，溶接材料Ｍ１，Ｍ２を用いる。この結果，溶接部１３および最終溶接部１４での溶接割れ，および応力腐食割れを防止できる。
【００２３】
ここで，溶接部１３あるいはその初層（溶接部１３が多層溶接の場合）に，溶接材料Ｍ２中，溶接材料Ｍ３を用いるのがより好ましい。特に，母材１１，１２の少なくともいずれかが，ＣＰ＞０．００３質量％，ＣＳ＞０．００２質量％の場合に，溶接割れをより低減できる。
【００２４】
・溶接材料Ｍ３：  ＣＭｎ＞０．５質量％，ＣＰ＜０．０１０質量％，ＣＳ＜０．０００２質量％，（ＣＡｌ＋ＣＴｉ）＜０．６質量％を満たすＣｒ量２５質量％以下のＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金溶加材
【００２５】
ここで，溶接部１３あるいはその初層（溶接部１３が多層溶接の場合）に，溶接材料Ｍ３中，溶接材料Ｍ４を用いるのがさらに好ましい。溶接材料中のＮｂ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃを抑えることで，その割れ感受性がさらに低減される。
【００２６】
・溶接材料Ｍ４：  ＣＭｎ＞０．５質量％，ＣＰ＜０．０１０質量％，ＣＳ＜０．０００２質量％，（ＣＡｌ＋ＣＴｉ）＜０．６質量％，ＣＮｂ＞０．１質量％，ＣＭｏ＜０．５質量％，ＣＳｉ＜０．５質量％，およびＣＣ＜０．０４質量％を満たすＣｒ量２５質量％以下のＮｉを主成分とするＮｉ基耐熱超合金溶加材
【００２７】
溶接部１３，最終溶接部１４の溶接に，例えば，ＴＩＧ溶接を利用できる。ＴＩＧ溶接は，アーク溶接の一種であり，非溶極式（非消耗電極式）の電極，および不活性ガス（例えば，アルゴン，ヘリウム，アルゴン-ヘリウム混合ガス）が用いられる。不活性ガスを吹き付けて溶接部位を大気から遮断した状態で，アーク放電によって，溶接材料や母材が熔解される。
【００２８】
ここで，溶接部１３あるいはその初層（溶接部１３が多層溶接の場合）への入熱量（溶接線単位長さ当たりの入熱量）を２００００Ｊ／ｃｍ以下とすることが好ましい。溶接部１３の初層等への入熱を制限することで，母材１１，１２中の不純物の溶接部１３への溶け出しを制限でき，溶接部１３の品質（溶接割れ性等）を保持容易となる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
本実施形態でも母材１１，１２の対向する端部間を溶接して，母材１１，１２を接続する（突合せ継手溶接）。母材１１，１２にはそれぞれ，異種材料，例えば，オーステナイト系ステンレス鋼と炭素鋼を用いることができる。
【００３０】
本実施形態では，図２に示すように，初層溶接部１５，溶接部１３，最終溶接部１４を順に形成する。初層溶接部１５，溶接部１３，最終溶接部１４それぞれに，既述の溶接材料Ｍ３，Ｍ１，Ｍ２を用いる。
【００３１】
（１）まず，母材１１，１２の開先に溶接材料Ｍ３にてバタリング溶接を施し，初層溶接部１５を形成する。初層溶接部１５は，基本的に単層溶接で形成される。
【００３２】
（２）初層溶接部１５を有する母材１１，１２の開先を溶接材料Ｍ１にて溶接を施し，溶接部１３（中間層）を形成する。溶接部１３は，単層溶接，多層溶接の何れで形成されても良い。
【００３３】
（３）その後，溶接部１３を最終溶接部１４で覆い溶接部１３を環境から保護する。即ち，溶接材料Ｍ２にて，溶接部１３上に溶接を施し，最終溶接部１４を形成する。
【００３４】
既述のように，初層溶接部１５の形成に溶接材料Ｍ３を用いることで，母材１１，１２の少なくともいずれかが，ＣＰ＞０．００３質量％，ＣＳ＞０．００２質量％の場合に，溶接割れをより低減できる。また，初層溶接部１５の形成に溶接材料Ｍ３中，溶接材料Ｍ４を用いることで，溶接割れをさらに低減できる。
【００３５】
初層溶接部１５，溶接部１３，最終溶接部１４の溶接に，例えば，ＴＩＧ溶接を利用できる。ここで，初層溶接部１５への入熱量を２００００Ｊ／ｃｍ以下とすることが好ましい。初層溶接部１５の初層等への入熱を制限することで，母材１１，１２中の不純物の初層溶接部１５への溶け出しを制限でき，初層溶接部１５，ひいては溶接部１３の品質（溶接割れ性等）を保持容易となる。
【００３６】
（第３の実施の形態）
本実施形態では母材２１の表面に溶接を施す（肉盛り溶接）。母材２１には，例えば，オーステナイト系ステンレス鋼や炭素鋼を用いることができる。
本実施形態では，図３に示すように，初層溶接部２２，溶接部２３，最終溶接部２４を順に形成する。初層溶接部２２，溶接部２３，最終溶接部２４には，第２の実施形態と同様の溶接材料Ｍ３，Ｍ１，Ｍ２を利用できる。
【００３７】
第２の実施形態と同様，初層溶接部２２の形成に溶接材料Ｍ３を用いることで，母材２１が，ＣＰ＞０．００３質量％，ＣＳ＞０．００２質量％の場合に，溶接割れをより低減できる。また，初層溶接部２２の形成に溶接材料Ｍ３中，溶接材料Ｍ４を用いることで，溶接割れをさらに低減できる。
【００３８】
第２の実施形態と同様，初層溶接部２２，溶接部２３，最終溶接部２４の溶接に，例えば，ＴＩＧ溶接を利用できる。ここで，初層溶接部２２への入熱量を２００００Ｊ／ｃｍ以下とすることが好ましい。初層溶接部２２への入熱を制限することで，母材２１中の不純物の初層溶接部２２への溶け出しを制限でき，初層溶接部２２，ひいては溶接部２３の品質（溶接割れ性等）を保持容易となる。
【００３９】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１１，１２    母材
１３      溶接部
１４      最終溶接部
１５      初層溶接部
２１      母材
２２      初層溶接部
２３      溶接部
２４      最終溶接部
【図１】
2012187614.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012187614.tif 000005