(57)【要約】【課題】   溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することができること。【解決手段】  本発明の溶接施工方法は、上記課題を解決するために、ステンレス鋼接合部となる突き合わせ部に開先加工を施し、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属を肉盛りする溶接施工方法において、前記溶接接合部となる部分に開先加工を施した後に、該開先加工の突合せ部に、凝固形態が初晶オーステナイト＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦモード）の凝固モードを有する溶接金属を用いて溶接し、δフェライト相とγオーステナイト相の界面の連続性が分断された凝固組織を持つ肉盛層を形成することを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼接合部となる突き合わせ部に開先加工を施し、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属を肉盛りする溶接施工方法において、
前記溶接接合部となる部分に開先加工を施した後に、該開先加工の突合せ部に、凝固形態が初晶オーステナイト＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦモード）の凝固モードを有する溶接金属を用いて溶接し、δフェライト相とγオーステナイト相の界面の連続性が分断された凝固組織を持つ肉盛層を形成することを特徴とする溶接施工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接施工方法において、
前記開先加工の突合せ部に、前記δフェライト相とγオーステナイト相の界面の連続性が分断された凝固組織を持つ肉盛層を形成した後、該肉盛層に開先加工を施し、その後、該開先加工部を突合せると共に、該開先加工部に、初晶δフェライト＋オーステナイトの二相凝固組織（ＦＡモード）の凝固モードを有する溶接金属を用いて肉盛溶接することを特徴とする溶接施工方法。
【請求項３】
ステンレス鋼接合部となる突合せ部に開先加工が施され、該開先加工部の突合せ部に溶接金属が肉盛されている溶接接合構造において、
前記溶接接合部となる部分に開先加工が施された該開先加工の突合せ部に、凝固形態が初晶オーステナイト＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦモード）の凝固モードを有する溶接金属が溶接されて、δフェライト相とγオーステナイト相の界面の連続性が分断された凝固組織を持つ肉盛層が形成され、該肉盛層に開先加工を施して突合せた該開先加工部に、初晶δフェライト＋オーステナイトの二相凝固組織（ＦＡモード）の凝固モードを有する溶接金属が肉盛溶接されて接合されていることを特徴とする溶接接合構造。
【請求項４】
請求項３に記載の溶接接合構造を有することを特徴とするステンレス鋼溶接構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接施工方法及び溶接接合構造並びにステンレス鋼溶接構造物に係り、例えば、原子力発電プラントの高温純水に接して使用されるオーステナイト系ステンレス鋼製配管等に適用するに好適な溶接施工方法及び溶接接合構造並びにステンレス鋼溶接構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントでは、高温純水に接して使用されるオーステナイト系ステンレス鋼製の配管及び炉内構造物等の溶接部近傍において、応力腐食割れによるひびの損傷事例が報告されている。
【０００３】
応力腐食割れとは、材料条件、環境条件、応力条件が一定の条件で重畳した場合に発現する経年劣化事象の一つであり、これまでに、様々な対策技術が開発され、原子力発電プラントの配管及び炉内構造物等に適用されてきた。
【０００４】
例えば、炭素含有量の高いステンレス鋼を溶接した際、熱影響部の結晶粒界上にクロム炭化物が形成されることにより、その近傍にクロム欠乏層ができ、耐食性が低下して応力腐食割れ発生の原因となることが分かったため、材料面からの改善策として、ステンレス鋼中の炭素含有量を減らし、溶接時の熱鋭敏化を抑制した低炭素系ステンレス鋼が開発され、原子力発電プラントの配管及び炉内構造物等に適用されている。
【０００５】
一般的に、ステンレス鋼製の配管及び構造物を溶接する場合には、図１に示すように、溶接接合するプラント構成部材の各端面に加工された開先を、互いに突合せ、この突合せ部に溶接金属を多層盛りして溶接する。
【０００６】
近年、低炭素系ステンレス鋼を使用した再循環系配管等において、溶接熱影響部３の表面に加工硬化層４が存在すると応力腐食割れが発生し、これが溶接熱影響部３を進展した上、溶接金属２に達している事例報告されている。
【０００７】
尚、一般的に溶接熱影響部３に加工硬化層４から発生した応力腐食割れは、溶接残留応力との関係から、表面から板厚方向に徐々に傾きながら溶接金属２へ進展することが知られている。日本機械学会 発電用原子力設備維持規格に従い、健全性が確認された場合は、割れを有したまま継続運転を認めているが、配管や構造物等の溶接部における信頼性向上の観点から、溶接熱影響部や溶接金属中での応力腐食割れの進展を抑制することは、極めて重要な対策の一つと考えられている。
【０００８】
この溶接熱影響部や溶接金属中での応力腐食割れの進展を抑制する対策として、耐応力腐食割れ性を向上した配管の溶接接合工法が、特許文献１で提案されている。特許文献１に記載されている配管の溶接接合工法は、配管の接合端部近傍の内面に、配管の母材よりも耐応力腐食割れ性に優れた材料を用いて肉盛を施し、この肉盛された配管の接合端部に、肉盛部の少なくとも一部を残して開先を形成し、肉盛部同士を突合わせて溶接接合している。
【０００９】
一方、特許文献２には、配管の肉盛溶接方法が記載されている。この特許文献２では、配管を溶接する前に、配管の開先加工部に応力腐食割れ進展方向と交差する方向に溶接金属のデンドライト組織を成長させた肉盛溶接層を形成し、その後、肉盛溶接層同士を溶接接合している。配管の開先加工部において、配管の外面側から内面側に向かって肉盛を行うことによって、上記したように、応力腐食割れ進展方向と交差する方向に溶接金属のデンドライト組織を成長させることができる。
【００１０】
この配管の溶接接合構造では、配管内面側の溶接熱影響部付近で発生した応力腐食割れが、応力腐食割れ進展方向と交差する方向に形成されたデンドライト組織によって、溶接金属の内部に進展することを抑制している。
【００１１】
更に、特許文献３には、配管内面側の溶接熱影響部の近傍でプラント構成部材の表面に発生した応力腐食割れにより生じたき裂が、溶接金属の内部に進展することを抑制している溶接接合構造が記載されている。
【００１２】
この方法では、開先加工部に複数層の溶接パスによる肉盛部を有し、この肉盛部において、下層である第１溶接と、この第１溶接パスと隣り合って第１溶接パスの上に施された上層である第２溶接パスの境界に沿って、下層の溶接パス内に微細化したδフェライト相５Ｂが形成される。
【００１３】
δフェライト相５Ｂは、あたかも、ある方向に伸びるδフェライト相５Ａ（図２参照）の、その方向での連続性が分断された状態であり、δフェライト相５Ａよりも長さが短くなっており、また、δフェライト相５Ｂとγオーステナイト相６の間の界面の連続性が、δフェライト相５Ａとγオーステナイト相６の間の界面の連続性よりも短くなっている。
【００１４】
そして、特許文献３では、隣り合う溶接パスの境界に沿って存在する連続性が分断されたδフェライト相５Ｂとγオーステナイト相６の領域が、２００μｍ〜１０００μｍの幅を有して形成され、これにより、応力腐食割れの進展経路であるδフェライト相５Ｂとγオーステナイト相６の界面を分断できるため、配管内面側の溶接熱影響部３の近傍でプラント構成部材の表面に発生した応力腐食割れにより生じたき裂が、溶接金属２の内部に向かって進展することを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−２８４０５号公報
【特許文献２】特開２００９−３９７３４号公報
【特許文献３】特願２０１１−２０６８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することができれば、当該部の健全性は確保できる。
【００１７】
本発明の目的とするところは、溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することができる溶接施工方法及び溶接接合構造並びにステンレス鋼溶接構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の溶接施工方法は、上記目的を達成するために、ステンレス鋼接合部となる突き合わせ部に開先加工を施し、その後に、該開先加工部の突合せ部に溶接金属を肉盛りする溶接施工方法において、前記溶接接合部となる部分に開先加工を施した後に、該開先加工の突合せ部に、凝固形態が初晶オーステナイト＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦモード）の凝固モードを有する溶接金属を用いて溶接し、δフェライト相とγオーステナイト相の界面の連続性が分断された凝固組織を持つ肉盛層を形成することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の溶接接合構造は、上記目的を達成するために、ステンレス鋼接合部となる突合せ部に開先加工が施され、該開先加工部の突合せ部に溶接金属が肉盛されている溶接接合構造において、前記溶接接合部となる部分に開先加工が施された該開先加工の突合せ部に、凝固形態が初晶オーステナイト＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦモード）の凝固モードを有する溶接金属が溶接されて、δフェライト相とγオーステナイト相の界面の連続性が分断された凝固組織を持つ肉盛層が形成され、該肉盛層に開先加工を施して突合せた該開先加工部に、初晶δフェライト＋オーステナイトの二相凝固組織（ＦＡモード）の凝固モードを有する溶接金属が肉盛溶接されて接合されていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明のステンレス鋼溶接構造物は、上記目的を達成するために、上記構成の溶接接合構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、き裂進展経路上でき裂の進展を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】プラント構成部材である原子力発電プラントの再循環系配管の従来の溶接接合構造を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す溶接部の溶接凝固組織を示す説明図である。
【図３】図１に示す肉盛層の肉盛凝固組織を示す説明図である。
【図４】本発明の溶接施工方法の実施例１であり、突合せ部の溶接方法を説明するための工程図である。
【図５】本発明の溶接施工方法の実施例１であり、開先加工部の溶接方法を説明するための工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
溶接金属部を応力腐食割れが進展する場合、その進展経路はマクロ的な溶接金属のデンドライト組織の連続性及び方向性だけではなく、ミクロ的なδフェライトとγオーステナイトの界面にも影響を受けることが確認されている。
【００２４】
オーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料では、溶接金属の凝固モード（凝固過程での初晶及び相変化のタイプ）が、溶接金属の化学組成によって決定される。
【００２５】
ステンレス鋼溶接金属の凝固モードは、オーステナイト単相凝固組織（Ａモード）、初晶オーステナイト＋δフェライトの二相凝固組織（ＡＦモード）、初晶δフェライト＋オーステナイトの二相凝固組織（ＦＡモード）、フェライト単相凝固組織（Ｆモード）の４つのタイプに分類される。
【００２６】
このような凝固モードの変化はＣｒ当量/Ｎｉ当量の比で次のように整理できる。
Ａ、ＡＦモード：Ｃｒ当量/Ｎｉ当量≦１.４８
ＦＡモード：１.４８≦Ｃｒ当量/Ｎｉ当量≦１.９５
Ａ、ＡＦモード：１.９５≦Ｃｒ当量/Ｎｉ当量
ここで、Ｃｒ当量およびＮｉ当量は次のように求められる。
Ｃｒ当量=（％Ｃｒ）＋（％Ｍｏ）＋１.５（％Ｓｉ）＋０.５（％Ｎｂ）
Ｎｉ当量=（％Ｎｉ）＋３０（％Ｃ）＋０.５（％Ｍｎ）
本発明で用いるＦＡモードとＡＦモードの溶接金属の溶接凝固組織は、図２及び図３と同様である。ＦＡモードでは、δフェライト相５Ａとγオーステナイト相６の界面が連続性を持った溶接凝固組織となり、ＡＦモードでは、δフェライト相５Ｂとγオーステナイト相６の界面の連続性が分断された溶接凝固組織となりやすいことが知られている。
【００２７】
尚、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）は、溶接施工を考えた場合、ＦＡモードの溶接金属を用いて溶接することが望ましいと考えられている。
【００２８】
本発明では、溶接接合部となる部分に開先加工を施した後に、開先加工の突合せ部にＡＦモードの凝固モードを有する溶接金属により肉盛することで、連続性が分断されたδフェライト相５Ｂとγオーステナイト相６の凝固組織を有する肉盛層を開先加工の突合せ部に形成する。そして、肉盛溶接された突合せ部を、通常のＦＡモードの凝固モードを有する溶接金属により溶接することで、溶接金属に進展してきた応力腐食割れのき裂の進展を抑制することができる。
【００２９】
以上の検討結果を考慮した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００３０】
本発明の実施例１としてステンレス鋼製配管の溶接施工方法を、図４及び図５を用いて説明する。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、溶接対象となる配管１の突合せ部に開先加工を施し、開先加工部７を形成する。尚、配管１の接液面側（図４の下側）は、より多くの肉盛を施すための開先形状とする。形成された開先加工部７に、ＡＦモードの凝固モードを有する溶接金属（例えば、溶接ワイヤ）を用いて、開先加工部７上に複数の溶接を施し開先肉盛層８を形成する。この開先肉盛層８部は、δフェライト相５Ｂとγオーステナイト相６の連続性が分断された凝固組織を有して形成される。
【００３２】
突合せ部に開先肉盛層８を形成した後、図４（ｂ）に示すように、開先肉盛層８に開先加工及び配管の内径を揃えるため配管内面切削加工（ＤＣ加工）を行い、開先加工部９及びＤＣ加工部１０を形成する。
【００３３】
その後、図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、開先加工部９を突合せ、開先加工部９に配管１の内面側から外面側へ向けて、通常のＦＡモードの凝固モードを有する溶接金属を用いて肉盛溶接１１を施す。この時の溶接は、入熱量が２０ｋｊ/ｃｍ未満で、ＴＩＧ溶接にて実施する。ＴＩＧ溶接以外に被覆アーク溶接或いはサブマージアーク溶接等を適用してもよい。
【００３４】
このような本実施例によれば、応力腐食割れの進展経路となるδフェライト５Ｂとγオーステナイト６の界面の連続性が分断された金属組織を開先加工部７に形成するができ、溶接部に溶接熱影響部近傍より応力腐食割れが発生し、材料内部へき裂が進展した場合でも、溶接金属２に進展してきた応力腐食割れのき裂の進展を、開先肉盛層８の領域で抑制することができる。
【００３５】
また、ＤＣ加工１０により表面に加工硬化層４が形成されるが、当該部はδフェライト５Ｂとγオーステナイト６の界面の連続性が分断された開先肉盛層８となるため、応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００３６】
尚、上述した実施例では、原子力発電プラントの再循環系配管のステンレス鋼溶接構造物について説明したが、シュラウド等の溶接継手のステンレス鋼溶接構造物に適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３７】
１…配管、２…溶接金属、３…溶接熱影響部、４…表面硬化層、５Ａ、５Ｂ…δフェライト相、６…γオーステナイト相、７…開先加工部、８、９…開先肉盛層（ＡＦモード）、１０…ＤＣ加工部、１１…肉盛溶接（ＦＡモード)。
【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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