(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ及びＷを主要添加元素として含有し、焼戻しマルテンサイト組織又は焼戻しベイナイト組織からなる耐熱鋼の溶接において、
前記耐熱鋼と同等組成のＣｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ及びＷに、Ｃｏを添加した溶接材料であって且つ溶接した後の６００℃の溶接金属のクリープ破断強度が前記耐熱鋼の１／０．７３以上となる溶接材料を用いて、狭開先のＴＩＧ溶接、狭開先のＭＩＧ又はＭＡＧ溶接のいずれかで溶接し、
前記狭開先のＴＩＧ溶接、狭開先のＭＩＧ又はＭＡＧ溶接のいずれかで溶接した後に、前記耐熱鋼の焼ならし温度及び焼戻し温度でそれぞれ焼ならし及び焼戻し処理を行い、さらに応力除去焼鈍の処理を行う
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載において、
前記耐熱鋼の素材として、圧延のままのもの、又は圧延後に焼なましのみを行ったものを用いることを特徴とする溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱鋼の溶接に係わり、特にボイラ、化学プラント等、高温あるいは高圧力の条件下で使用される高強度耐熱鋼に好適な溶接方法及び後熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラや各種熱交換器等においては、多数の伝熱管群及び伝熱管を集合する管寄せと配管が高温、高圧の条件下で使用されている。近年、特に大容量の発電用ボイラにおいては発電効率向上のため蒸気条件が高温高圧化しつつあり、伝熱管材や配管材或いは鋼板材として、従来多用されてきたＣｒ含有量２．２５％以下でフェライト／パーライト組織の耐熱鋼に替わる、高温強度の高い新しい耐熱鋼が開発されている。
【０００３】
その代表的な例として以下に示すものが既に製品化され、実機で使用され始めている。
▲１▼９％Ｃｒ鋼にＭｏ，Ｎｂ及びＶを添加したもの。
▲２▼９％Ｃｒ鋼にＭｏ，Ｎｂ，Ｖ及びＷを添加したもの。
▲３▼１１％Ｃｒ鋼にＭｏ，Ｎｂ，Ｖ及びＷを添加したもの。
【０００４】
これら新しい耐熱鋼の特徴は、いずれも１０５０°Ｃ前後の焼ならし及び７８０°Ｃ前後の焼戻し処理すなわち調質処理を行うことにより、焼戻しマルテンサイト組織或いは焼戻しベイナイト組織として高温強度を高めたことにある。
【０００５】
これらの耐熱鋼を実機部材として使用するためには溶接で接合する必要がある。それぞれの耐熱鋼に合わせた共金系の溶接材料が開発されており、図４に示すように、従来鋼と同様に溶接施工し、７２０〜７５０°Ｃ前後の応力除去焼鈍を行うのが一般的である。ところで焼戻しマルテンサイト組織の鋼は、溶接の際に溶接熱影響部（ＨＡＺ）においてビッカース硬さで２０〜４０程度の軟化が生じ、大入熱の溶接では軟化領域が広くなって継手のクリープ破断強度が母材より低くなることがある。このため溶接部の構造によっては軟化領域の幅が広くならないよう、溶接施工の際に入熱を小さく抑える等細心の注意が必要であった。
【０００６】
ＨＡＺの軟化を回復させる方法としては、溶接後に上述の耐熱鋼と同じ条件で焼ならし及び焼戻し処理を行う必要がある。しかしこの場合、ＨＡＺの組織は溶接前の状態に回復するが、従来の溶接材料では溶接金属のクリープ破断強度が低下するという問題が生じた。
【０００７】
すなわち、従来の溶接材料の成分設計の考え方では、溶接金属が凝固、急冷された組織のままで７２０〜７５０°Ｃ前後の応力除去焼鈍を受けて使用することを前提としており、溶接割れの防止及び強度と組織の調整を目的としてＣを母材より低く抑え、その他の添加元素量も調整している。
【０００８】
その結果、溶接後に焼ならしを行い、さらに７８０°Ｃ前後の高温で焼戻しを行うと溶接金属の高温強度が低下する。特にサブマージアーク溶接のように大入熱溶接で１パスあたりの溶着量が多い溶接法の場合は溶接割れ防止のため、ＣとＮｂの量を低くしており、焼ならし−焼戻し処理後に溶接金属のクリープ破断強度が大きく低下するという問題があった。
【０００９】
このように一般的な従来技術による方法では、調質された高強度鋼に対しては溶接後に応力除去焼鈍した場合はＨＡＺが軟化し、また溶接後に焼ならし及び焼戻しを行った場合は溶接金属の強度が低下するため、溶接継手としての強度が低くなり、溶接施工条件や使用条件によっては設計的に安全裕度をとって肉厚を厚くする必要があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は上記した問題を解決し、容易に施工が可能で、溶接継手の強度を高めて信頼性を向上させる溶接方法及び後熱処理方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
【００１４】
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ及びＷを主要添加元素として含有し、焼戻しマルテンサイト組織又は焼戻しベイナイト組織からなる耐熱鋼の溶接において、
前記耐熱鋼と同等組成のＣｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ及びＷに、Ｃｏを添加した溶接材料であって且つ溶接した後の６００℃の溶接金属のクリープ破断強度が前記耐熱鋼の１／０．７３以上となる溶接材料を用いて、狭開先のＴＩＧ溶接、狭開先のＭＩＧ又はＭＡＧ溶接のいずれかで溶接し、
前記狭開先のＴＩＧ溶接、狭開先のＭＩＧ又はＭＡＧ溶接のいずれかで溶接した後に、前記耐熱鋼の焼ならし温度及び焼戻し温度でそれぞれ焼ならし及び焼戻し処理を行い、さらに応力除去焼鈍の処理を行う溶接方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る耐熱鋼の溶接方法及び後熱処理方法について、図面及び表を用いて以下説明する。
【００１６】
まず表１で、本発明の対象となる高強度耐熱鋼として代表的なものを３種類取り上げ、その基本成分系を示す。
【００１７】
【表１】
0003869576.tif 000002
【００１８】
ここでは、９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ系で６００°Ｃのクリープ破断強度が１００ＭＰａ前後のものを「Ａ」と分類する。次に、９〜１１Ｃｒ系でＭｏ，Ｎｂ，Ｖの他に２％前後のＷを添加し、６００°Ｃのクリープ破断強度が１３０ＭＰａ前後のものを「Ｂ」と分類する。これらと類似の他の鋼種も６００°Ｃのクリープ破断強度によってＡ又はＢに分類する。６００°Ｃという温度は、これらの耐熱鋼がボイラ等でもっとも多用される温度域である。
【００１９】
次に、上記の分類に基づき表２に示すように溶接材料を選定する。
【００２０】
【表２】
0003869576.tif 000003
【００２１】
分類Ａの耐熱鋼に対しては、当該耐熱鋼と同等程度の組成のＣｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，ＶにＷを添加した溶接材料を適用する。分類Ｂの耐熱鋼については、当該耐熱鋼と同等程度の組成のＣｒ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，ＷにＣｏを添加した溶接材料を適用する。これらの溶接材料に要求されるクリープ破断強度は６００°Ｃにおいて当該耐熱鋼のクリープ破断強度の約（１／０．７３）以上で、その数値を表２中に示す。その数値の根拠について以下説明する。
【００２２】
表２に示した溶接材料について溶接及び熱処理実験とクリープ破断試験を行った結果、従来の応力除去焼鈍のみを行った場合の強度σｓと焼ならし及び焼戻し後の強度σｎの間には図１に示すような相関関係があり、図中の直線の勾配が約０．７３であることが分かった。すなわち溶接後の焼ならし及び焼戻しによって、溶接金属のクリープ破断強度が０．７３倍に低下する。従って対象とする耐熱鋼自身のクリープ破断強度の（１／０．７３）以上の強度を有する溶接材料を用いればよいことが分かった。この規定に従えば、表２に示したもの以外の市販溶接材料についても、溶接及び熱処理実験やクリープ破断試験を実施しなくても、適用可否を判断することができる。
【００２３】
本発明による溶接施工及び溶接後の熱処理の流れを図２に示す。表２で選定した溶接材料を用いて溶接施工を行うが、溶接方法としては入熱を小さく抑えることができ、溶接金属の量も少ない狭開先ＴＩＧ溶接がもっとも好ましい。狭開先のＴＩＧ溶接の外に、狭開先のＭＩＧ又はＭＡＧであっても良い。溶接後に当該耐熱鋼と同じ熱処理温度で焼ならし及び焼戻し処理を行う。さらに必要に応じて応力除去焼鈍を実施してもよい。
【００２４】
次に具体的な施工例を示す。試験に用いた鋼板は板厚４０ｍｍの１１Ｃｒ２Ｗ０．４ＭｏＮｂＶ鋼で、素材圧延後に通常の調質処理（焼ならし及び焼戻し）をせず、焼き戻しのみ行ったものである。表１及び表２に従い、分類「Ｂ」の溶接材料を用いて溶接する。ここでは比較のため、分類「Ａ」の溶接材料を用いた継手も製作した。これら供試材の化学組成を表３に示す。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
溶接法は開先幅１２ｍｍの狭開先ＴＩＧ溶接とした。溶接後、図２に従い、１０５０°Ｃ×１時間の焼ならしと７８０°Ｃ×１時間の焼戻しを行い、さらに７４５°Ｃ×１時間の応力除去焼鈍を行った。熱処理後、板厚中央位置から溶接線に対して直角に継手クリープ破断試験片を採取し、試験に供した。試験片は平行部直径６ｍｍ、標点間距離３０ｍｍの丸棒型である。
【００２７】
試験結果の例を図３に示す。本発明に従った溶接材料Ｂの継手はＨＡＺで破断することなく母材部分で破断し、破断強度は耐熱鋼母材と同等であった。この結果から、ＨＡＺの軟化回復と溶接金属の強度確保が実証できた。また素材鋼板が調質されていなくても、溶接後の調質で所定の強度が得られることも確認できた。一方比較のため作成した溶接材料Ａの継手は、溶接金属の強度が母材より低くなったため溶接金属で破断し、母材強度を大幅に下回った。
【００２８】
このように本実施形態で示した溶接部では、溶接部のＨＡＺの軟化及び溶接金属の強度低下の問題が解決され、耐熱鋼母材と同等の信頼性を得ることができる。ここで、本実施形態では調質していない鋼板を素材に用いたが、従来通り調質された鋼板を素材に用いてもよいのは勿論である。即ち、当該耐熱鋼の素材として、圧延のままのもの、又は圧延後に焼なましのみを行ったものを用いても良い。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような溶接方法及び後熱処理方法、並びに作用を奏するものを含むものである。
【００３０】
母材より合金成分が多く、高温強度の高い溶接材料を用いて望ましくは入熱量の小さい狭開先溶接法で溶接すると同時に、溶接後に焼ならし及び焼戻し処理を行ってＨＡＺの強度を回復させるものである。ここで、溶接の際に軟化したＨＡＺの組織は、焼ならし及び焼戻し処理によって母材一般部と同等に回復し、溶接金属の強度は焼ならし及び焼戻し処理で本来の強度より低下するが、母材と同等以上の強度が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による溶接では、溶接部の強度が向上して品質信頼性が向上する。これに伴い溶接部の設計裕度を従来の非調質鋼と同等にして肉厚を薄くすることが可能で、工業的に効果が大である。
【００３２】
さらに、素材鋼管或いは鋼板の製造時には、焼ならし及び焼戻し処理が不要で素材の製造コストを低減でき、ひいてはプラントの建設コストを下げることができるので経済的な効果も大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態で示した溶接金属のクリープ破断強度を示す図である。
【図２】本発明による実施形態で示した溶接及び熱処理の流れ図である。
【図３】本発明による実施形態で示した溶接継手のクリープ破断試験結果を示す図である。
【図４】従来技術による溶接及び熱処理の流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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