(57)【要約】【課題】プラントの配管等の高温で使用される構造部材の溶接熱影響部において、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改善することが可能なクラッド層形成方法を提供する。【解決手段】ステンレス鋼の構造部材を溶接することにより生じる溶接熱影響部へのクラッド層４０の形成方法であって、前記溶接熱影響部の表面に、該表面の垂直方向と交差する方向にデンドライトを成長させながら、溶接することによりクラッド層４０を形成する。【選択図】図１
2013116494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼の構造部材を溶接することにより生じる溶接熱影響部へのクラッド層の形成方法であって、
前記溶接熱影響部の表面に、該表面の垂直方向と交差する方向にデンドライトを成長させながら、溶接することにより形成するクラッド層の形成方法。
【請求項２】
前記クラッド層の前記溶接熱影響部との界面における前記デンドライトを、少なくとも二方向に形成させることを特徴とする請求項１に記載のクラッド層の形成方法。
【請求項３】
前記溶接熱影響部の表面に機械加工を施すことにより該表面に凹凸を形成し、該凹凸の表面上に肉盛溶接を施すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のクラッド層の形成方法。
【請求項４】
前記デンドライトをランダムな方向に成長させることを特徴とする請求項１に記載のクラッド層の形成方法。
【請求項５】
前記デンドライトをδフェライトで構成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のクラッド層の形成方法。
【請求項６】
前記ステンレス鋼をオーステナイト系ステンレス鋼で構成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のクラッド層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼を溶接することにより生じる溶接熱影響部の耐応力腐食割れ性を改善するクラッド層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）プラントの配管等は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されているが、応力腐食割れが生じる事例がこれまでに報告されており、対策が進められている。また、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）プラントにおいても、同様に、ステンレス鋼の応力腐食割れが顕在化しつつある。
【０００３】
オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工等に起因する引張残留応力を有した状態で高温水に接して使用されると、応力腐食割れが発生することが知られている。この応力腐食割れは、ステンレス鋼が溶接等で高温に加熱された際に、結晶粒界近傍において母相に固溶したクロムが、析出物のクロムカーバイド等として排出され、母相中の固溶クロムが減少して耐食性が劣化することにより生じるものである。この結晶粒界にクロムカーバイドが析出して粒界近傍にクロム欠乏層が形成される現象は、一般的に、鋭敏化と呼ばれている。
【０００４】
ステンレス鋼の耐応力腐食割れ性を改善する手法として、例えば、特許文献１では、溶接時に溶接の熱影響を受ける溶接熱影響部となる位置に予め溶融処理を行い、さらに過時効処理を施した後に溶接を行う方法を提案している。このような方法によれば、溶接熱影響部の鋭敏化を抑制可能な金属組織が得られるとされている。
【０００５】
また、特許文献２では、溶接部において、一方の面に溶融凝固層（クラッド層）を形成した構成が提案されている。このクラッド層は非鋭敏化されているため、耐応力腐食割れ性が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】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−５００８４号公報
【特許文献２】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】
【０００７】
ところで、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接熱影響部は、溶接時に生じる鋭敏化に加えて、さらに溶接残留応力が付与されるために、高温環境下においてき裂が進展しやすく応力腐食割れが顕著に生じる。さらに、近年、プラント配管の使用環境の高温化や高圧化に伴って応力腐食割れに関する条件が厳しくなっており、特許文献１のような手法では応力腐食割れの抑制に不十分である。
また、特許文献２のようにクラッド層を形成しても、溶接熱影響部の耐応力腐食割れ性が不十分とされる場合があり、さらに応力腐食割れの抑制に有効なクラッド層の開発が求められている。
【０００８】
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、プラントの配管等の高温で使用される構造部材の溶接熱影響部において、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改善することが可能なクラッド層の形成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】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、ステンレス鋼における溶接熱影響部の応力腐食割れについて鋭意研究した。その結果、ステンレス鋼の結晶粒界などの界面において、一方の側から他方の側へと、き裂が進展する場合に、一方の側のき裂の進展方向と他方の側のデンドライトの成長方向が異なる場合に、界面においてき裂の進展を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１０】
すなわち本発明は、ステンレス鋼の構造部材を溶接することにより生じる溶接熱影響部へのクラッド層の形成方法であって、前記溶接熱影響部の表面に、該表面の垂直方向と交差する方向にデンドライトを成長させながら、溶接することにより形成することを特徴としている。
【００１１】
本発明のクラッド層形成方法によれば、溶接熱影響部の表面に、デンドライトの成長方向が表面の垂直方向と交差する方向とされているクラッド層を形成する。このようにすることで、溶接熱影響部からの応力腐食割れのき裂の進展方向が、デンドライトの成長方向へと曲げられて、クラッド層を溶接熱影響部と同一方向に進展することが抑制される。こうして、デンドライトの進展を抑制し、耐応力腐食割れ性を改善することができる。また、溶接熱影響部からの応力腐食割れのき裂の進展が、クラッド層のデンドライトによって阻害されるため、応力腐食割れ性が改善される。
【００１２】
また、前記クラッド層の前記溶接熱影響部との界面における前記デンドライトを、少なくとも二方向に形成させても良い。
この場合、クラッド層のデンドライトの成長方向が二方向以上の方向に配向されるので、クラッド層のデンドライトによって、溶接熱影響部からの応力腐食割れのき裂の進展を分散させて抑制することができる。
【００１３】
また、前記溶接熱影響部の表面に機械加工を施すことにより該表面に凹凸を形成し、該凹凸の表面上に肉盛溶接を施しても良い。
溶接金属部の表面に凹凸を形成して肉盛溶接を行うことにより、デンドライトを凹凸の垂直方向に成長させることができるので、溶接熱影響部の表面の垂直方向と交差する方向にデンドライトを確実に成長させることが可能となる。
【００１４】
また、前記デンドライトをランダムな方向に成長させても良い。
デンドライトの成長方向をランダムな方向とすることにより、溶接熱影響部からの応力腐食割れのき裂が多方向からクラッド層へと侵入しても、き裂の進展を抑制し。耐応力腐食割れ性を改善することができる。
【００１５】
また、前記デンドライトは、δフェライトで構成しても良い。
δフェライトは、応力腐食割れのき裂の進展を抑制するものであり、δフェライトを溶接金属中に分散させることで、耐応力腐食割れ性を改善することができる。
【００１６】
また、前記ステンレス鋼は、オーステナイトステンレス鋼で構成しても良い。
オーステナイトステンレス鋼は、耐応力腐食割れ性が良好な金属材料であり、構造部材をオーステナイトステンレス鋼で構成することにより、構造部材の応力腐食割れに対する信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、プラントの配管等の高温で使用される構造部材の溶接熱影響部において、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改善することが可能なクラッド層の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の溶接部の概略を示す図である。
【図２】一実施形態に係る第一の配管、溶接金属、及びクラッド層の界面近傍を説明する図である。
【図３】一実施形態に係る溶接熱影響部のクラッド層との界面における金属組織を説明する図である。
【図４】一実施形態に係る溶接部の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の第二の実施形態の溶接部の概略を示す図である。
【図６】第二の実施形態に係る溶接金属とクラッド層の界面近傍を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、ステンレス鋼を溶接することによって生じる溶接熱影響部において、耐応力腐食割れ性を改善するクラッド層の形成方法に関するものである。
【００２０】
図１に、本実施形態に係る溶接部１の断面図を示す。溶接部１は、溶接金属１０を介して第一の配管２０と第二の配管３０が接合されている。そして、溶接部１の上面側（表面）には、クラッド層４０が形成されている。なお、図１の下方が配管の内面側、上方が配管の外面側となっており、配管が実際に使用される際には、配管の内面（下方）側に高温水や高圧の水蒸気等が通過する。
【００２１】
第一の配管２０及び第二の配管３０は、軽水炉プラント等の配管であり、高温・高圧環境で使用される。これらの配管は、高強度かつ耐食性に優れるステンレス鋼で構成され、本実施形態では、低炭素のため特に耐応力腐食割れ性に優れるＳＵＳ３０４Ｌ、又はＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系のステンレス鋼で構成されている。これらのステンレス鋼は、冷間加工時に導入される残留応力に起因して、応力腐食割れが生じることがある。
溶接金属１０は、第一の配管２０と第二の配管３０を接合するものであり、本実施形態では、ステンレス系の溶接金属で構成されている。
【００２２】
クラッド層４０は、応力腐食割れを改善するためのものであり、ステンレス系の溶接金属で構成されている。本実施形態において、応力腐食割れのき裂は、図１の下方から上方（配管の内面側から外面側）に向かって進展する。クラッド層４０まで到達したき裂は、クラッド層４０で進展が阻害され、配管が破壊に至るのを防ぐ役割を果たす。このメカニズムについては後述する。
【００２３】
第一の配管２０、溶接金属１０、及びクラッド層４０の界面近傍の拡大図を、図２に示す。第一の配管２０の溶接金属１０との境界には、溶接熱影響部５０が形成されている。また、第一の配管２０において、溶接熱影響部５０の上面側にはクラッド層が形成されている。なお、第二の配管３０側も同様の構成となっている。
【００２４】
溶接熱影響部５０は、第一の配管２０と第二の配管３０を溶接金属１０で接合する際の熱によって形成されるものである。溶接時には、溶接金属１０と接する配管の周囲は高温となるため、溶接熱影響部５０には鋭敏化が生じる。また、溶接金属１０には、凝固時に圧縮応力が負荷されるため、溶接熱影響部５０には引張応力が作用することとなる。これらにより、溶接熱影響部５０では耐応力腐食割れ性が劣化し、高温環境で使用される際に応力腐食割れが発生することがある。
第一の配管２０及び第二の配管３０の溶接熱影響部５０の上面側には、図１及び図２で示すように、凹凸が設けられ、凹凸の上にクラッド層４０が形成されている。
【００２５】
クラッド層４０は、図３で示すように、複数の溶接ビード６０が重なり合って構成されている。この溶接ビード６０の溶接熱影響部５０との界面における金属組織中のデンドライトは、図３の矢印で示すように、溶接熱影響部５０の凹凸の面に対して垂直方向に成長している。つまり、デンドライトは、溶接熱影響部５０の表面の垂直方向に対して交差する方向に成長している。なお、本実施形態では、溶接熱影響部５０の表面とは図３の左右方向を意味している。また、本実施形態において、このデンドライトは、応力腐食割れのき裂の進展を抑制するδフェライトで構成されている。
【００２６】
図３の破線の矢印は、応力腐食割れのき裂の進展方向を示しており、高温環境で使用された配管の溶接熱影響部５０には、応力腐食割れのき裂が発生し、溶接熱影響部５０の内部を進展する。そして、溶接熱影響部５０とクラッド層４０の界面に到達したき裂の先端は、クラッド層４０のデンドライトによって進展を阻害され、き裂がクラッド層４０に侵入し進展することが抑制されるようになっている。また、ステンレス鋼において、応力腐食割れのき裂はデンドライトの成長方向に沿って進展するが、き裂の進展方向とデンドライトの成長方向が異なる場合には、き裂はそのまま同一方向に進むことができず、進行方向が曲げられてき裂の進展が抑制される。このような理由により、本実施形態では、き裂の進展方向とデンドライトの成長方向を異なる方向とすることにより応力腐食割れの進展を抑制しているのである。
【００２７】
次に、本実施形態の溶接部の製造方法について説明する。
まず、図４（ａ）のように、溶接する箇所が対抗するように、第一の配管２０と第二の配管３０を配置する。本実施形態では、配管の溶接される箇所の形状は、溶接後の強度が良好なＶ型開先とされており、予め機械加工などによって第一の配管２０及び第二の配管３０の溶接部に加工を行っている。なお、Ｖ型開先の角度については、必要に応じて適宜最適な角度に設定して加工を行えば良い。
【００２８】
次に、ＴＩＧ溶接やミグ溶接などのアーク溶接法を用いて、図４（ｂ）で示すように、肉盛溶接を行う。本実施形態では、溶接時の溶接金属（溶接ワイヤ）には、ステンレス系の溶接金属を用いている。第一の配管２０及び第二の配管３０の溶接部近傍には、この溶接時の入熱によって、鋭敏化された溶接熱影響部が形成される。
【００２９】
次に、図４（ｃ）で示すように、機械加工によって、溶接部の上面に凹凸形状を設ける。この凹凸は、図４の左右方向に対して交差する方向に設けられている。凹凸の角度や大きさは、溶接時において、デンドライトの成長方向に影響を及ぼさない条件（凹凸の面に対して垂直方向となる条件）を適宜選択すれば良い。
【００３０】
そして、この凹凸に、ＴＩＧ溶接やミグ溶接などのアーク溶接法によって、ステンレス系の溶接金属を溶接して、溶接ビードを図３のように重ね合わせてクラッド層４０を形成する。このクラッド層４０の溶接熱影響部５０との界面において、図３で示したように、凹凸面に対して垂直方向にデンドライトが成長する。これは、溶接ビードが凝固する際に、溶接熱影響部に熱を奪われてクラッド層と溶接熱影響部の界面側から凝固が開始されるため、デンドライトが凹凸面に対して垂直方向に成長することによるものである。
【００３１】
上述のようにして、溶接部１の上面に、応力腐食割れの進展方向に対して交差する方向にデンドライトが成長したクラッド層４０を形成することができる。このような構成の溶接部１を有する配管を高温環境で使用した場合、応力腐食割れのき裂は溶接熱影響部５０の垂直方向に向かって進展する。しかし、溶接熱影響部５０とクラッド層４０との界面まで進展したき裂は、クラッド層４０のデンドライトにより進展が阻害され、クラッド層４０のデンドライトの成長方向へと進展方向が曲げられるため、き裂の進展が抑制される。このようにして、耐応力腐食割れ性を改善することができる。
【００３２】
なお、溶接熱影響部５０の上面側に設けられる凹凸の幅が狭過ぎたり、角度が浅過ぎたりして、溶接時にデンドライトの成長方向が応力腐食割れのき裂の進展方向と一致しないように、凹凸の幅や角度は、最適な角度を適宜選択して設定すれば良い。
また、溶接時の入熱を調節することにより、ビードの大きさを制御することが可能である。このビードの大きさは、凹凸の大きさに合わせて、最適な大きさとなるように設定すれば良い。
【００３３】
本実施形態に係るクラッド層４０の形成方法によれば、溶接熱影響部５０の表面に、溶接熱影響部５０の表面の垂直方向と交差する方向にデンドライトを成長させながら溶接してクラッド層４０を形成する。このクラッド層４０のデンドライトにより応力腐食割れのき裂の進展が抑制され、耐応力腐食割れ性を改善することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、溶接熱影響部の表面に対して垂直方向と交差する方向に凹凸を形成して、アーク溶接によって溶接ビードを積み重ねてクラッド層を形成するので、デンドライトが凹凸の面に対して略垂直方向に成長する。そのため、応力腐食割れのき裂が溶接熱影響部５０からクラッド層４０へ同一方向に進展することができず、き裂の進展方向がクラッド層４０のデンドライトの成長方向へと曲げられることで、き裂の進展が抑制されることにより、耐応力腐食割れ性が改善される。
【００３５】
また、本実施形態では、機械加工によって所定の凹凸を形成した後にアーク溶接により溶接ビード６０を積み重ねる構成とされている。そのため、溶接ビード６０中の金属組織のデンドライトの成長方向を、溶接熱影響部５０のクラックの進展方向とは異なる方向にすることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、アーク溶接時の入熱を調整することによって、溶接ビード６０の大きさを制御できる構成とされているので、溶接ビード中の金属組織のデンドライトの成長方向を、溶接熱影響部５０のクラックの進展方向とは異なる方向に、容易にすることが可能である。
【００３７】
次に、本発明の第二の実施形態に係る溶接熱影響部の耐応力腐食割れ性を改善するクラッドの形成方法について説明する。なお、第一の配管、第二の配管、溶接金属の構成については、第一の実施形態と同様であるので、同一の符号で記載して詳細な説明を省略する。
第二の実施形態に係る溶接部２は、図５で示すように、溶接金属１０を介して第一の配管２０と第二の配管３０が接合されている。そして、溶接部２の上面側（表面）には、クラッド層４１が形成されている。
【００３８】
クラッド層４１は、応力腐食割れを改善するためのものであり、ステンレス系の溶接金属１０で構成されている。本実施形態において、図５の下方が配管の内面側、上方が配管の外面側とされており、応力腐食割れのき裂は、図５の下方から上方（配管の内面側から外面側）に向かって進展する。
【００３９】
第一の配管２０、溶接金属１０、及びクラッド層４１の界面近傍の拡大図を、図６に示す。第一の配管２０と溶接金属１０との境界には、溶接熱影響部５０が形成されている。また、溶接熱影響部５０、溶接金属１０の上面側にはクラッド層が形成されている。なお、第二の配管３０側も同様の構成となっている。
【００４０】
溶接熱影響部５０は、第一の配管２０と第二の配管３０を溶接する際の熱によって形成される。溶接時には、溶接金属１０と接する配管の周囲は高温となるため、溶接熱影響部５０には、鋭敏化が生じる。また、溶接金属１０には凝固時に圧縮応力が負荷されるため、溶接熱影響部５０には引張応力が作用することとなる。そのため、溶接熱影響部５０では耐応力腐食割れ性が劣化し、高温環境で使用された際に応力腐食割れが発生する。
溶接金属１０、溶接熱影響部５０、溶接熱影響部５０を除いた第一の配管２０及び第二の配管３０の上面側には、図５及び６で示すように、第一の実施形態とは異なり平滑なクラッド層４１が設けられている。
【００４１】
クラッド層４１は、ステンレス系の溶接金属で構成されており、クラッド層４１の溶接熱影響部５０との界面におけるデンドライトはランダムな方向に成長している。
図６の破線の矢印は、応力腐食割れのき裂の進展方向を示しており、高温環境で使用された配管の溶接熱影響部５０には応力腐食割れのき裂が発生し、溶接熱影響部５０の内部を図６の上下方向及び斜め方向に進展する。そして、溶接熱影響部５０とクラッド層４１の界面に到達したき裂の先端は、クラッド層４１のデンドライトによって進展を阻害され、き裂がクラッド層４１に侵入し進展することが抑制されるようになっている。ステンレス鋼において、応力腐食割れのき裂はデンドライトの成長方向に沿って進展するため、本実施形態では、クラッド層４１のデンドライトの成長方向をランダムな方向とすることにより、応力腐食割れのき裂の進展を抑制しているのである。
【００４２】
このランダムな成長方向をもつデンドライト組織は、溶接の際の冷却速度を遅くすることにより、クラッド層４１と溶接熱影響部５０との界面近傍のデンドライトを等方的に成長させるか、または等軸晶に近い金属組織とすることにより、形成することができる。また、溶接時の入熱および表面の性条等は、ランダムなデンドライトを成長させるのに最適な条件を適宜選択されても良い。
【００４３】
このような構成の耐応力腐食割れ性の改善方法によれば、溶接熱影響部５０との界面においてデンドライトの成長方向がランダムな方向とされたクラッド層４１を形成する。そのため、溶接熱影響部５０の表面（図６の左右方向）に対して垂直方向及び斜め方向から応力腐食割れのき裂が進展してきた時でも、き裂の進展を抑制することができ、耐応力腐食割れ性を改善することが可能となる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態である、耐応力腐食割れ性を改善するクラッド層の形成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。
【００４５】
なお、本実施形態では、溶接金属、溶接熱影響部、溶接熱影響部を除いた配管の上面にクラッド層を設ける場合について説明したが、溶接熱影響部の上面のみにクラッド層を設ける構成としても良い。また、本実施形態では、下面にクラッド層を設ける構成としても良いし、両方の面にクラッド層を設ける構成としても良い。
【００４６】
また、本実施形態では、被溶接材が配管の場合について説明したが、溶接部が設けられ、高温、高圧環境等で使用される他の構造部材に、本発明を適用しても良い。
【符号の説明】
【００４７】
４０、４１  クラッド層
５０  溶接熱影響部
【図１】
2013116494.tif 000003
【図２】
2013116494.tif 000004
【図３】
2013116494.tif 000005
【図４】
2013116494.tif 000006
【図５】
2013116494.tif 000007
【図６】
2013116494.tif 000008