(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素鋼及び低合金高張力鋼の少なくとも一方の材料からなる鋼材間を溶接によって接合してなる溶接継手であって、拘束度が５０００（Ｎ／（mm・mm））以上の溶接継手において、溶接材料として炭素含有量が０．１mass未満の低炭素オーステナイト系ステンレスが使用されたことを特徴とする溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製鉄用圧延ロール軸の溶接補修、あるいは高炉、転炉などの製錬炉の炉体鉄皮の部分補修などのような拘束度の高い溶接継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、製鉄用ロール軸の折損や、高炉・転炉鉄皮の溶損、亀裂の補修を溶接により行う場合、ロール軸については、新しい軸材料を用意して既設ロール軸と溶接し、また、高炉・転炉鉄皮については、劣化・損傷した部分を除去し、その除去により形成された開口部分に対し新しい鉄皮を額縁形状に嵌め込んで溶接する方法が採られる。
【０００３】
上記溶接の際に使用する溶接材料として、例えば、軸材料や鉄皮材料と同等の引張強さを有する、５０〜８０キロ高張力鋼用炭素鋼若しくは低合金鋼が使用される。
なお、上記製鉄用ロール軸や高炉・転炉鉄皮の材料は、一般に、炭素鋼若しくは合金鋼である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、製鉄用圧延ロール軸の軸材料は直径５０mm以上の大径のものであり、また炉体鉄皮の板厚は２５〜９０mm程度と厚いため、溶接継手の拘束度が高い条件にある。このため、溶接による補修にあたって溶接継手部に溶接残留応力が強くなる傾向があり、このために、溶接残留応力による破壊といった事態が懸念される。
【０００５】
通常、このような事態を防止するために、溶接ビードの１パス毎にピーニングにより塑性加工を施したり、ＪＩＳＺ３７００に規定されるように、溶接後に６００℃前後の後熱処理を施したりすることによって、溶接による残留応力を緩和することが推奨されている。
また、溶接部では拡散性水素に起因する遅れ破壊が問題となるため、溶接の前後に３００℃程度で予熱、および後熱処理を行なうといった工程も必要である。
【０００６】
このために、製鉄用圧延ロール軸の溶接補修、あるいは高炉、転炉などの製錬炉炉体鉄皮の部分補修などのような拘束度の高い溶接継手の溶接を行なうにあたって、溶接能率の低下や、予熱・後熱処理のような溶接前後に工程の追加を余儀なくされる結果、補修作業の長期化を招くといった問題点があった。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、拘束度の高い溶接継手の溶接を行なうにあたって、簡便な作業により溶接部の残留応力を低減し、遅れ破壊を防止することができて、能率的な溶接継手を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、各種溶接材料の性質と、溶接作業の前後におけるピーニング有無及び予熱、後熱の有無による溶接残留応力との関係について実験し調査した。その結果、炭素鋼・低合金高張力鋼を母材とする溶接に際して、低炭素オーステナイト系ステンレス溶接材料を使用した場合には、予熱なし、ピーニングなし、後熱なしの条件下でも溶接部の遅れ割れがなく、しかも溶接残留応力が低いことを見出した。
【０００８】
本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、上記課題を解決するために、炭素鋼及び低合金高張力鋼の少なくとも一方の材料からなる鋼材間を溶接によって接合してなる溶接継手であって、拘束度が５０００（Ｎ／（mm・mm））以上の溶接継手において、溶接材料として炭素含有量が０．１mass未満の低炭素オーステナイト系ステンレスが使用されたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、拘束度とは、溶接継手の開先間隙（ルート間隔）を弾性的に平均１mm短縮せしめるのに要する単位溶接長当たりの力の大きさ、として定義されるものであり、単位は（Ｎ／mm・mm）で表される。本明細書では、（Ｎ／mm・mm）は（Ｎ／（mm・mm））を表す。
また、拘束度を５０００（Ｎ／mm・mm）以上と規定しているのは、本発明が対象とする、製鉄用圧延ロール軸の溶接補修、あるいは高炉、転炉などの製錬炉炉体鉄皮の部分補修などに構成される溶接継手にあっては、通常、５０００（Ｎ／mm・mm）程度の拘束度となっているからである。
【００１０】
なお、対象とする拘束度の上限は、対象とする鋼材に生じる最大値であり、この拘束度であっても、予熱などが不要であることを確認してあるからである。
また、上記低炭素オーステナイト系ステンレスとは、炭素含有量が、０．１mass％未満のオーステナイト系ステンレスをいう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本発明では、高炉鉄皮の部分補修を溶接により行うことで形成される溶接継手を例に説明する。
次に、本願発明に基づく溶接継手の構築例を次に説明する。
【００１２】
まず、高炉鉄皮１について、図１に示すように、劣化・損傷した部分を額縁状に開口する。次に、その開口部２に係合可能な形状の新たな鉄皮３を、当該開口部２内を額縁状に嵌め込む。このとき、新たな鉄皮３の外周端面と開口部２との間は、全周にあたって、図２に示す拡大図のようなルート間隔となるように設定されている。図２では、新たな鉄皮３の外周端面側のみを切り欠いて片側開先を形成している。
【００１３】
次に、高炉鉄皮１と新しい鉄皮３との境界（接合部）に沿ってアーク溶接などの溶接方式で溶接して両者１，２を接合し溶接継手を構成する。図２中、符号４は溶接金属を指す。
上記溶接の際に使用する溶接材料として低炭素オーステナイト系ステンレスからなる溶接棒を使用する。
【００１４】
ここで、上記鉄皮１，３は、肉厚であり、しかも炉体鉄皮１部分の剛性が高いと共に額縁溶接であるために、変形し難く拘束度が高い。また、溶接高さが２５mm以上となるような厚肉の炭素鋼や合金鋼を溶接する場合には、溶接量が多くなるため、溶接残留応力が大きくなり、拘束力が高くなる。
このように、上記部分補修は拘束度の高い溶接継手となるが、本実施形態においては、溶接材料としてＪＩＳＺ３２２１に規定されている溶接材の内のオーステナイト系ステンレス溶接材を用いることにより、残留応力の低減が可能となる。その理由は、オーステナイト系ステンレス溶接材では、高い引張応力を有しながら、０．２％耐力は比較的低いという性質があるためである。
【００１５】
また、オーステナイト系ステンレス溶接材では、溶接金属４がオーステナイト金属相となり、結晶構造が面心立方格子となるため、その格子間に拡散性水素を固溶することが可能となる。したがって、溶接材料としてオーステナイト系ステンレスを採用することで、溶接作業前後の予熱、後熱処理作業を施さなくても溶接施工完了後の拡散性水素の働きによる遅れ破壊の発生が防止できる。
【００１６】
このように、拘束度の高い溶接継手の溶接にあたり、本発明に基づき、溶接材料としてオーステナイト系ステンレス溶接材を用いることが好適である。
さらに、本実施形態では、ＪＩＳＺ３２２１に規定されるオーステナイト系ステンレス溶接材のなかでも、Ｄ３０９系やＤ３１０系のようなフェライト相の比較的少ない溶接材よりも、炭素量が少ないＤ３０８系のようなフェライト相が比較的多い溶接材、つまり低炭素オーステナイト系ステンレスを採用する。この理由は、オーステナイト系ステンレス溶接材の中で、フェライト相が比較的多い方が、０．２％耐力が低くかつ線膨張係数も低減できるので、溶接後の加工が不要で残留応力を低減することができるからである。
【００１７】
以上の理由から、本実施形態の溶接継手においては、溶接作業の前後に予熱、後熱処理作業やピーニング処理などを施さなくても、拘束割れが回避でき、また、残留応力を低減することができる。
【００１８】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、上記図１に併記してあるように、長さ３ｍ×幅３ｍ×厚み９０mmの試験材１の中央に対し、長さ０．５ｍ×幅０．５ｍの開口を開け、この開口部２に、長さ０．４９２ｍ  ×  ０．４９２ｍ×厚さ９０mmの補修部材３を嵌めて額縁溶接を行なった。この溶接継手における拘束度は５０００（Ｎ／mm・mm）であった。
【００１９】
試験材１と補修部材３はいずれもＪＩＳＧ３１０６に規定されるＳＭ５２０（引張強さ５２０〜６４０ＭＰａ）を用いた。
本発明に基づく実施例として、溶接材料にＪＩＳＧ３２２１に規定されるＤ３０８Ｌ−１６（引張強さ５４６ＭＰａ，０．２％耐力３２７ＭＰａ）を用いて、ルートギャップ４mmの片側開先で溶接した。
【００２０】
また、比較例として、溶接材料にＪＩＳＧ３２１２に規定されるＤ５０１６（引張強さ５６０ＭＰａ，０．２％耐力４９０ＭＰａ）を用いて、本実施例と同様にルートギャップ４mmの片側開先で溶接した。すなわち、溶接材料以外は、実施例と同じ条件とした。
そして、これら２種の試験体を用いて拘束割れ試験を行なったところ、図３に示す結果を得た。
【００２１】
ここで、拘束割れ試験に際し、比較例による試験体は、溶接前に１００℃で予熱したものと、予熱しなかったものとの２種の試験体で試験を行なった。なお、各条件で３回の試験を行なった。
図３から分かるように、比較例における予熱なしの条件で溶接を行なったものは、溶接部断面割れ率が４０％を超える結果であったのに対し、本発明に基づく実施例の条件で溶接を行なったものは、予熱を行なわなくとも溶接部断面割れ率は３回とも０％であり、比較例で予熱を行なったものと同等以上の結果となった。
【００２２】
さらに、上記比較例と実施例の２種の溶接を施した試験体を用いて、溶接残留応力を測定した。図４にその結果を示す。
この試験は、図２に示すように溶接継手の両側表裏にそれぞれ歪ゲージ５を貼付して溶接を行ない、溶接後の歪を計測することにより溶接により生じた応力を測定するものである。各部位に発生した応力値を、図４では幅で示している。
【００２３】
比較例の条件で溶接した試験体では溶接後にピーニングを行なったもの、およびピーニングを行なった上に後熱処理を行なったものについても試験を行ない、示した。
図４に示されるように、比較例でピーニングや後熱処理を行なわなかったものでは高い溶接残留応力を示しているのに対し、本実施例では、ピーニングや後熱処理を施さなくても、従来法でピーニングや後熱処理を行なったものと同等の溶接残留応力レベルに留まっていることが分かる。
【００２４】
以上のことから分かるように、本発明の適用により、拘束度５０００（Ｎ／mm・mm）という高い拘束度の溶接において、溶接継手の溶接前の予熱や、溶接後の後熱処理、ピーニングといった処理を施さなくても、拘束割れを回避でき、また残留応力を低減することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明を採用すると、拘束度が５０００（Ｎ／mm・mm）を超えるような高い拘束度の溶接継手であっても、溶接継手部の予熱や、後熱処理、ピーニングといった処理を省略することが可能となり、溶接工程を簡略化することができ、溶接能率を向上させて、工期短縮が可能となる溶接継手を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく実施形態に係る溶接継手の形成を説明するための図である。
【図２】本発明に基づく実施形態に係る溶接継手を説明するための図である。
【図３】実施例における各溶接継手と溶接部断面割れ率との関係を説明する図である。
【図４】実施例における各溶接継手と溶接残留応力との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１    鉄皮
２    開口部
３    新たな鉄皮
４    溶接金属
５    歪ゲージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004304892.tif 000004
【図４】
0004304892.tif 000005