(57)【要約】【課題】高温、高圧環境下において、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部に生じる応力腐食割れを抑制可能な表面組織改質方法を提供する。【解決手段】６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部１０の表面から２ｍｍ未満の領域において、デンドライト１４の方向と結晶粒の配向の少なくともいずれか一方を変化させる表面改質処理をする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部の表面組織改質方法であって、
前記溶接金属部の表面から２．０ｍｍ未満の領域において、
デンドライトの方向と結晶粒の配向の少なくともいずれか一方を変化させる表面改質処理をすることを特徴とする表面組織改質方法。
【請求項２】
前記表面改質処理は、摩擦撹拌処理であることを特徴とする請求項１に記載の表面組織改質方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面組織改質方法であって、
前記溶接金属部のデンドライトの方向を、前記溶接金属部の表面の垂直方向と交差する方向にすることを特徴とする表面組織改質方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の表面組織改質方法であって、
前記溶接金属部の結晶粒の配向をランダムな方向とすることを特徴とする表面組織改質方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の表面組織改質方法であって、
前記溶接金属部のデンドライトの方向を、前記溶接金属部の表面の垂直方向と交差する方向とされた第一の層と、前記第一の層の表面側に結晶粒の配向をランダムな方向とされた第二の層と、を形成することを特徴とする表面組織改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部における応力腐食割れを抑制する表面組織改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）プラントの一次冷却水は、最高温度３００℃以上の高温となる。そのため、一次冷却水が流れる一次系機器には、残留応力などの存在下において応力腐食割れ（ＳＣＣ）が生じる場合があり、良好な耐応力腐食割れ性が必要とされている。
【０００３】
上述のような要求を満たす材料として、従来、耐応力腐食割れ性が良好な６００系Ｎｉ基合金が使用されてきたが、実機のプラントにおいて応力腐食割れを生じる事例が報告されており、耐応力腐食割れ性の向上が求められていた。そこで近年、６００系Ｎｉ基合金よりも、さらに耐応力腐食割れ性が優れる６９０系Ｎｉ基合金が採用されている。
【０００４】
Ｎｉ基合金の耐応力腐食割れ性を向上させる構成として、例えば、特許文献１には、溶接部において、一方の面に溶融凝固層が形成された構成が提案されている。溶融凝固層は、非鋭敏化された耐応力腐食割れに優れる金属組織であり、また他方の面には圧縮応力が発生し耐応力腐食割れ性が改善される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２５４７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、実機のＰＷＲプラントにおいて、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料で構成された溶接金属部の応力腐食割れの報告は、これまでのところされていない。しかしながら、実験室的環境下における特殊な条件では、微小な応力腐食割れ進展が生じる事例が報告されている。このような状況は実際のＰＲＷプラントでは想定され難いものの、潜在的な損傷リスクを排除するために、このような場合においても応力腐食割れの抑制に有効な方法が要望されている。
また、６９０系Ｎｉ基合金で構成される溶接部の応力腐食割れは、溶接金属部で生じると考えられているが、特許文献１のような構成では、溶接金属部に適用することができず、溶接金属部の応力腐食割れを抑制することは困難である。
【０００７】
この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、高温、高圧環境下において、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部に生じる応力腐食割れを抑制可能な表面組織改質方法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】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部に生じる応力腐食割れについて鋭意研究した。その結果、溶接金属部における応力腐食割れのき裂は、溶接金属部のデンドライトの成長方向に沿って進展することが判明した。そして、き裂の進展方向とデンドライトの成長方向が異なる箇所において、き裂の進展が抑制されることを見出し、本発明を完成させた。
【０００９】
すなわち、本発明は、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部の表面組織改質方法であって、前記溶接金属部の表面から２ｍｍ未満の領域において、デンドライトの方向と結晶粒の配向の少なくともいずれか一方を変化させる表面改質処理をすることを特徴としている。
【００１０】
本発明の表面組織改質手法によれば、表面から２ｍｍ未満の領域のデンドライトの方向または結晶粒の配向を表面改質処理により変化させるので、応力腐食割れのき裂の進展を抑制することができる。
【００１１】
また、表面改質処理として、摩擦撹拌処理を用いても良い。
この場合、溶接金属部の表面の金属組織を確実に改質することが可能である。
【００１２】
また、前記溶接金属部のデンドライトの方向を、前記溶接金属部の表面の垂直方向と交差する方向にしても良い。
溶接金属部の応力腐食割れのき裂は、溶接金属部の表面の垂直方向に進展するが、デンドライトの方向を、表面の垂直方向と交差する方向にすることにより、き裂の進展を抑制することができる。
【００１３】
また、前記溶接金属部の結晶粒の配向をランダムな方向としても良い。
結晶粒の配向をランダムな方向とすることにより、溶接金属部に生じる応力腐食割れのき裂の進展を抑制することが可能となる。
【００１４】
また、前記溶接金属部のデンドライトの方向を、前記溶接金属部の表面の垂直方向と交差する方向とされた第一の層と、前記第一の層の表面側に結晶粒の配向をランダムな方向とされた第二の層とを形成しても良い。
この場合、溶接金属部に発生する応力腐食割れのき裂は、前記第一の層と前記第二の層に進展を阻害されるので、耐応力腐食割れ性を大きく向上させることが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高温、高圧環境下において、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料からなる溶接金属部に生じる応力腐食割れを抑制可能な表面組織改質方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る溶接部を示す断面模式図である。
【図２】一実施形態に係る溶接金属部の表面における金属組織の概略を示す図である。
【図３】一実施形態に係る溶接後における溶接金属部表面の金属組織の概略を示す図である。
【図４】一実施形態に係る摩擦撹拌処理を説明する図である。
【図５】第二の実施形態の溶接金属部の表面における金属組織の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態は、機器の溶接金属部に生じる応力腐食割れを抑制する表面組織改質方法に関するものである。
【００１８】
図１に、本実施形態に係る溶接部１の断面模式図を示す。溶接部１は、溶接金属部１０を介して第一の要素２０と第二の要素３０が接合されている。本実施形態では、溶接部１の上面が機器の外面、溶接部１下面の切削加工仕上げした側が機器の内面となっており、溶接金属部１０の内面側の表面は高温水と接している。なお、図１において、二点鎖線は切削加工仕上げする前の溶接部１の断面模式図を示している。
【００１９】
溶接金属部１０は、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料で構成されている。これらの６９０系Ｎｉ基合金は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ等の元素を主元素とする耐応力腐食割れ性が優れる合金である。
【００２０】
図２に、溶接金属部１０の表面近傍における金属組織の概略の拡大図を示す。溶接金属部１０の金属組織は溶接金属が凝固したデンドライト組織となっている。本実施形態において、溶接金属部１０の内部領域１１のデンドライト１２の方向（デンドライトの長手方向）は、表面に対して垂直な方向（図２の上下方向）となっている。一方、溶接金属部１０の表面領域１３では、内部のデンドライト１４の方向に対して交差する方向（図２の斜め方向）となっている。
【００２１】
６９０系Ｎｉ基合金において、応力腐食割れのき裂は、表面に対して垂直方向（図２の上下方向）に、デンドライトの方向に沿って進展する。そして、デンドライトの方向が表面の垂直方向と交差する方向（図２の斜め方向）とされている場合には、デンドライトのき裂の進展は抑制され、耐応力腐食割れ性を向上させることができる。このような理由により、本実施形態では、溶接金属部１０の表面領域１３のデンドライト１４の方向が、表面の垂直方向に対して交差する方向とされているのである。
【００２２】
次に、本実施形態の溶接部１の製造方法及び溶接金属部１０の金属組織形成方法について説明する。
まず、第一の要素２０と第二の要素３０を、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料を用いて、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接法により接合する。この溶接後の溶接金属部の上面のデンドライト１５の成長方向は、図３で示すように、下方から上方に向かう方向となっている。
【００２３】
次に、図４で示すように、溶接金属部１０Ａの表面（上面）に、摩擦撹拌処理（表面改質処理）を行い、表面のデンドライトの方向を表面の垂直方向に対して交差する方向へと変化させる。図４では、摩擦撹拌処理前の溶接金属部を１０Ａ、摩擦撹拌処理後の溶接金属部を１０Ｂとして示している。摩擦撹拌処理は、摩擦撹拌ツール４０を溶接金属部１０Ａの表面に加圧しながら高速回転させて溶接金属部１０Ａの表面を撹拌する金属組織の改質手法である。
具体的には、摩擦撹拌ツール４０は、プローブ４１とショルダー４２を備えている。そして、プローブ４１を溶接金属部１０Ａの内部に挿入し、摩擦撹拌ツール４０を加圧しながら高速で回転させて、表面を移動させながらショルダー４２により溶接金属部１０Ａの表面を撹拌し、溶接金属部１０Ｂとする。
【００２４】
上述のようにして、表面領域１３のデンドライト１４の方向が、表面の垂直方向に対して交差する方向とされている溶接金属部１０を得ることができる。この表面領域１３の垂直方向と交差する方向にデンドライトの方向を有する領域（表面領域１３）は、板厚方向の厚さにおいて、２．０ｍｍ未満とされている。表面から２．０ｍｍ以上の領域に摩擦撹拌処理を施す場合、摩擦攪拌処理用の工具（摩擦撹拌ツール）の消耗が大きく製造コストが高くなったり、摩擦撹拌処理に要する時間が長くなりすぎたりするため、２．０ｍｍ未満の範囲に設定されている。また、応力腐食割れが発生するのは外部の環境に接触している表面のみであるため、摩擦攪拌処理を施す範囲は表面のごく近傍のみでよく、２．０ｍｍ未満と限定することで十分である。
また、上述の領域は、少なくとも０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。０．１ｍｍ以上とすることにより、溶接金属部１０の前面に渡って上述の金属組織が得られるためである。
【００２５】
本実施形態に係る表面組織改質方法によれば、溶接金属部１０の表面領域１３におけるデンドライト１４の方向が、表面の垂直方向と交差する方向を向いているので、応力腐食割れのき裂の進展を抑制することができる。そのため、高温、高圧環境下で上述したような溶接部１を有する機器を使用しても、応力腐食割れを抑制することが可能となる。
【００２６】
また、本実施形態では、デンドライト１４が溶接金属部１０の表面の垂直方向と交差する方向を向いている領域は、２．０ｍｍ未満とされているので、低コスト、かつ短時間で応力腐食割れを抑制可能な表面組織改質方法とすることができる。
【００２７】
また、本実施形態では、デンドライト１４が溶接金属部１０の表面の垂直方向と交差する方向を向いている領域を少なくとも０．１ｍｍ以上形成しているので、溶接金属部１０の全面に渡って、応力腐食割れを抑制できる。
【００２８】
また、本実施形態では、摩擦撹拌処理によって表面改質を行うので、溶接金属部１０の表面領域１３におけるデンドライト１４の方向を、表面の垂直方向と交差する方向に容易かつ確実に変えることが可能である。
【００２９】
また、本実施形態では、溶接金属部１０は６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料で構成されているので、耐応力腐食割れ性が良好であり、高温、高圧環境下においても、応力腐食割れの発生を抑制することが可能である。
【００３０】
次に、第二の実施形態について説明する。
第二の実施形態は、溶接金属部の表面の金属組織が異なること以外は、第一の実施形態と同様の構成であるので、詳細な説明については省略する。
【００３１】
図５に、第二の実施形態の溶接金属部５０の表面における金属組織の概略を示す。溶接金属部５０の表面近傍には、内部領域５１と、内部領域５１の上方に第一の層５３と、第一の層５３の上方に第二の層５５が形成されている。
溶接金属部５０の内部領域５１では、デンドライト５２の方向（デンドライトの長手方向）が、図５で示すように、下方から上方とされており、第一の層５３では、デンドライト５４の方向が斜め方向とされている。そして、第一の層５３の上方には、デンドライトは存在せずランダムな結晶方位（結晶粒の配向）を有する第二の層５５が形成されている。
【００３２】
第二の実施形態の溶接金属部５０は６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料で構成されている。溶接金属部では表面に対して垂直方向に、デンドライトの方向に沿って進展するが、本実施形態では、上述のようなランダムな結晶方位（結晶粒の配向）を有する金属組織（第二の層５５）が表面に形成されており、き裂の進展が抑制される。また、本実施形態では、ランダムな結晶方位（結晶粒の配向）を有する第二の層５５の下方に、内部領域５１のデンドライト５２の方向とは異なり、斜め方向に向いたデンドライト５４が形成されているので、耐応力腐食割れ性を大きく向上させることができるようになっている。
【００３３】
第二の実施形態の溶接金属部の製造方法は、第一の実施形態と摩擦撹拌処理の条件が異なること以外は、同様の構成であるので詳細な説明は省略する。第二の実施形態では、摩擦撹拌処理の際に、最表面では動的再結晶が生じ、デンドライト組織が消滅し、ランダムな結晶方位（結晶粒の配向）を有する第二の層５５が形成される。そして、第二の層５５の下方に、デンドライトが摩擦撹拌処理の方向に引きずられ、デンドライト５４の方向が溶接金属部の表面の垂直方向と交差する方向に向いた第一の層５３が形成される。
【００３４】
第二の実施形態に係る表面組織改質方法によれば、６９０系Ｎｉ基合金の溶接材料で構成された溶接金属部５０の表面に、ランダムな結晶方位（結晶粒の配向）を有する金属組織を形成するので、応力腐食割れのき裂の進展を抑制することができる。そして、このような溶接金属部５０を有する構造部材を高温、高圧環境下において使用したときに、構造部材に発生する応力腐食割れを抑制することが可能となる。
【００３５】
また、ランダムな結晶方位（結晶粒の配向）を有する第二の層５５の下方に、表面の垂直方向と交差する方向にデンドライト５４の方向が向いている金属組織が形成されているので、応力腐食割れのき裂の進展を抑制し、耐応力腐食割れ性を大きく向上させることができる。
【００３６】
なお、第二の実施形態では、第二の層５５の下方に第一の層５３が形成される場合について説明したが、第一の層５３は形成されなくても良い。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態である、表面組織改質方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００３８】
なお、上記の実施形態では、表面改質処理として摩擦撹拌処理の場合について説明したが、ショットピーニングをはじめとする構造部材の表面の金属組織を改質可能な表面改質処理を用いても良い。
【００３９】
また、任意の形状の溶接金属部（溶接構造）に本発明を適用しても良い。
【符号の説明】
【００４０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、５０  溶接金属部
１２、１４、１５、５２、５４  デンドライト
５３  第一の層
５５  第二の層
【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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