技術論文
オーステナイト系ステンレス鋼の裏波溶接におよぼす
N2バックシールドの影響
Effect of N2 back shielding on back bead weldingof austenitic stainless steel
中野 正大＊（技術統括部），山口 ちひろ（技術統括部）
浜田 宏昭（技術統括部）
Masahiro NAKANO＊, Chihiro YAMAGUCHI , Hiroaki HAMADA(Technology Control Department)

オーステナイト系ステンレス鋼の裏波溶接を行う場合には，裏波ビードの酸化を防止するために不活性ガスでバックシールドを行う必要がある．バックシールドガスには，Ar と同等の溶接継手の性能が得られ1），コストの低減ができる N2 を使用する場合があるが，Ar を使用する場合が多い．そこで，改めてバックシールドガスにN2 を使用した場合の影響を検討し，溶接継手およびガス置換の性能を評価した．その結果，溶接継手の性能はバックシールドガスが Ar と N2 の場合で同等になるが，ガス置換の性能は Ar よりも N2 の場合の方が優位になることが明らかになった．
When back bead welding on austenitic stainless steel, it is necessary to back shielding with an inert gas to preventoxidation of the back bead. N2 is sometimes used as a back shielding gas, as it can provide the same performance of welded
joints as Ar and reduce costs, but Ar is often used1). Therefore, we reexamined the effects of using N2 as the back shielding
gas and evaluated the performance of welded joints and gas replacement. As a result, it was found that Ar and N2 backshielding gases were equivalent in terms of the performance of welded joints, but N2 was superior to Ar in terms of gas
replacement performance.

らのガス保護（バックシールドガス）の区分は，裏面から1．はじめにのガス保護を行うか行わないかの区分になっており，ガスオーステナイト系ステンレス鋼製の圧力容器や配管を製の種類は区分されていない．

造するにあたって，裏波溶接を行う場合には裏波ビードのステンレス鋼の合金元素のひとつである N は，オーステ酸化を防止するために不活性ガスでバックシールドを行うナイト生成元素であり，C のように炭化物を生成しないこと必要がある．バックシールドガスには，一般的に Ar を使から固溶強化によってステンレス鋼の強度を向上させ，耐食用するが，N2 を使用しても同等の溶接継手の性能が得られ性を高める効果があり，Ni の代替としても使用されていることから ，Ar の代替としてコストの低減ができる N2 をる8）．また，二相ステンレス鋼のティグ溶接では，溶接金使用する場合がある．一方，裏波溶接のバックシールドガ属の Ｎ 含有量を確保するためにトーチシールドガスの Ar

初層溶接金属の N 含有量が増加
スに N2 を使用した場合は，に 2 ～ 5％の N2 を混合したものを使用する場合がある9），10）．

することでフェライト量が低下し，初層溶接金属の凝固割

オーステナイト系ステンレス鋼の裏波溶接のバックシー

1）

問題ないから積極的
ルドガスに N2 を使用するにあたっては，

2）

れ感受性が高くなるおそれがある ．
オーステナイト系ステンレス鋼の裏波溶接のバックシーに使用した方が良いとの意見に対して，凝固割れ感受性が3）

消防庁（消防予第 11 号），ルドガスに N2 を使用することは，高くなる，供用後の性能評価が難しい，長年実績のある Ar

超高耐久オールステンレス共用部配管システムガイドライを使用したいといった意見がある．この議論は 1980 年代

ン ，建設用ステンレス配管マニュアル ，接合・溶接技からされており，一部では N2 を使用しているものの，Ar術 Q&A1000 ，プラント圧力設備溶接補修指針 ，などにを使用する場合が多い．そこで，オーステナイト系ステン記載があり，いずれも肯定的な位置づけになっている．まレス鋼の裏波溶接におよぼす N2 バックシールドの影響をた，溶接施工法確認試験の JIS B 8285 などでは，裏面か改めて検討し，溶接継手およびガス置換の性能を評価した．

4）

5）

2）

6）

7）

＊

４

九州工業大学 大学院 生命体工学研究科へ出向中
Seconded to Kyushu Institute of Technology, Graduate School of Life Science and Systems Engineering

高田技報 Vol.34 (2024)

から深さ 1.5 mm 付近とした．
分析条件は，加速電圧が 15 kV，2．溶接継手の性能

照射電流 1.0×10−7 A，単位測定時間 50 ms とした．
2.3 実験結果とその考察

2.1 供試材
供試材にはオーステナイト系ステンレス鋼の SUS304TP­

表3に溶接継手の性能比較（以前の実験結果1）を併記），肉厚 11.0
S­H を使用し，そのサイズは外径 165.2 mm（6B）を，図1に裏波ビード部の外観を，図2に硬さ試験の結果mm（Sch.80）とした．溶加棒には YS308L を使用し，そのを，図3に溶接部の断面ミクロ組織を示す．外観，浸透探棒径は 2.0 および 2.4 mmとした．表1に供試材および溶加棒

傷試験，溶接継手部の引張強さ，裏曲げ試験，硬さ試験での化学成分を示す．

は，バックシールドガスが Ar と N2 の場合のいずれにも優2.2 実験方法

位性はみられなかった．
2.3.1 初層溶接金属のN含有量とフェライト量配管の水平固定管の突合せ溶接を想定して，バックシー

初層溶接金属の N 含有量は，バックシールドガスが Ar のルドガスが Ar と N2 の場合の溶接継手の性能を評価した．
表2に溶接条件を示す．

場合が 0.030％で，N2 の場合が 0.078％であった．前者にお2.2.1 引張試験·曲げ試験

いても溶接金属には母材および溶接材料由来の N が含まれ溶接継手部の引張試験を JIS Z 3121 に従って行った．試ていた．一方，初層溶接金属のフェライト量は，バックシー験片の形状は 1 号試験片とした．試験片の数は 2 本とし，ルドガスが Ar の場合が 10.6％で，N2 の場合が 8.8％であっ引張強さはその平均値とした．

た．すなわち，バックシールドガスを Ar から N2 に変更することで，初層溶接金属の N 含有量が 0.048％多くなり，溶接継手部の裏曲げ試験を JIS Z 3122 に従って行った．

フェライト量が 1.8％少なくなった．

試験片の数は 4 本とし，評価基準は JIS B 8285 の附属書 C の図4の DeLong の組織図11）を用いて初層溶接金属のフェラC.2.2 を参照した．

イト量を予測した．予測には，供試材および溶加棒の化学

2.2.2 断面ミクロ組織の観察
溶接部の断面ミクロ組織を観察した．エッチング溶液に成分，ならびに N 含有量の実測値を使用した．希釈率を 22は王水を用いた．フェライト量の測定方法は画像処理によ％とすると，初層溶接金属のフェライト量は，バックシーる面積比測定法とし，フェライト量は裏面から深さが 1.5

ルドガスが Ar の場合が 9.5％で，N2 の場合が 5.5％になった．

mm 付近の 5 視野（撮影倍率 400 倍）の最大値と最小値を除

初層溶接金属のフェライト量は，実測値および予測値のく平均値を測定値とした．

いずれもバックシールドガスを Ar から N2 に変更すること

2.2.3 硬さ試験

で少なくなる傾向を示したが，裏波溶接の凝固割れ感受性が極めて高くなるような傾向はみられなかった．

溶接金属断面のマイクロビッカース硬さ試験を行った．
測定位置は溶接金属の中央とし，裏面から肉厚方向に 0.5mm ピッチで 3 ラインとした．硬さは裏面からの距離が同

表2 溶接条件
溶接法
溶接形状
開先形状
溶接電流
トーチシールドガス
バックシールドガス
溶接姿勢
予熱
パス間温度
溶接後熱処理溶接入熱

じ 3 点の平均値を測定値とし，試験荷重は 4.903N とした．
2.2.4 N含有量の測定
溶接金属の N 含有量の測定を JIS G 1228 の附属書 5 に従って行った．測定位置は溶接金属の裏面側とし，裏面から深さ 3 mm までの範囲とした．
2.2.5 電子線マイクロアナライザによる元素分析
溶接金属の線分析および元素マッピングを電子線マイクロアナライザ（以下は EPMA と示す）で行った．観察位置
は，線分析が溶接金属の中央とし，元素マッピングが裏面

ティグ溶接
突合せ溶接（片面）
V 形（60 deg.）
70 A ～ 180 A
Ar
Ar，N2水平固定管（PH）なし
150 ℃以下なし
1.3 ～ 3.6 kJ/mm

表1 供試材および溶加棒の化学成分
材料
供試材
溶加棒

SUS304
YS308L＊YS308L＊＊C
0.08
0.013
0.015

Si0.32
0.36
0.38

Mn
1.74
1.64
1.58

P
0.023
0.024
0.022

S0.004
0.001
0.001

Ni
8.20
9.98
10.00

[mass %]

Cr
18.33
19.86
19.94

Mo−
0.13
0.085

Cu
−
0.14
0.15

N
0.062
0.029
0.021

＊ 棒径 2.4 mm，＊＊ 棒径 2.0 mm

TAKADA TECHNICAL REPORT Vol.34 (2024)５

項目
バックシールドガス
外観＊
浸透探傷試験＊溶接部の放射線透過試験
溶接継手部の引張強さ [MPa]裏曲げ試験
溶接金属の衝撃試験 [J]
最終層の N 含有量
初層溶接金属の N 含有量 [％]
初層溶接金属のフェライト量 [％]
硫酸・硫酸銅腐食試験＊
応力腐食割れ感受性試験＊
孔食電位＊ [mV]

表3 溶接継手の性能比較
本実験
ArN2良好
良好
割れなし
割れなし
－－
609
595
合格
合格
－－－
－
0.030
0.078
10.68.8－－－－－－

以前の実験 1）
Ar
良好
－
欠陥なし
598
合格
116
0.028
0.038
11.1
割れなし
割れなし
­ 89

N2良好
－
欠陥なし
605
合格
114
0.034
0.062
8.4
割れなし
割れなし
169

＊ 裏波ビード（a） Ar（b） N2（a） Ar（b） N2

図1 裏波ビードの外観

図3 溶接部の断面ミクロ組織

図2 溶接金属のビッカース硬さ

図4 DeLongの組織図によるフェライト量の予測

2.3.2 溶接金属の線分析と元素マッピング

わち，
バックシールドガスが N2 の場合は N が溶接中に溶融図5に EPMA よる溶接金属の N 線分析の結果を示す．

池へ拡散することで初層溶接金属の N 含有量が増加する

バックシールドガスが Ar の場合は裏面から表面までのカが，初層溶接金属の N に大きな濃度勾配は発生しないこと

ウント数の平均値が 199 で，N2 の場合は裏面から3.3mmまでが明らかになった．のカウント数の平均値が 213 で，3.3 mm から表面までのカ

図6に初層溶接金属の元素マッピングを示す．バック

ウント数の平均値が 197 であった．裏面から 3.3 mm の範囲

シールドガスが Ar と N2 のいずれの場合でも，N には Cr やは図3（b）に示す初層溶接金属の範囲と概ね一致した．すな

Ni のような元素分配はみられなかった．

６

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（a） Ar（b） N2
図5 EPMAによる溶接金属のN線分析

表4 ガス置換の実験条件
溶接形状（想定）

突合せ溶接（片面）

溶接姿勢

水平固定管（PH）配管材質

塩化ビニル管内径・長さ490 mm・950 mm

容積180 L

バックシールドガス

Ar，N2

ガス流量

10，15，20，25 L/min

流れ（焼結金属）乱流（なし），層流（あり）

置換時間を計測した酸素濃度

10，5，1，0％

表5 酸素濃度計の仕様（a） Ar（b） N2

図6 初層溶接金属の元素マッピング

3．ガス置換の性能

対象ガス

酸素採取方式

自動吸引式

検知原理

隔膜ガルバニ電池式

測定範囲

0 ～ 25.0 vol ％指示精度±0.3 vol ％3.1 実験方法
配管の外径が 20B（508 mm）程度で，長さが 1 m の水平固排出口は反対側の管端上部とした．ここでは，ガスの注入定管の突合せ溶接を想定して，バックシールドガスが Ar口に何も付けない状態を乱流，焼結金属をつけた状態を層および N2 の場合のガス置換の性能を評価した．表4にガス流と定義した．酸素濃度の測定位置は配管中央の上部とし置換の実験条件を示す．ガスの注入口は管端中央，ガスのた．表5に酸素濃度計の仕様を示す．

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3.2 実験結果とその考察了時間は，実験条件が 10 L/min・Ar・乱流の場合が最も長く，3.2.1 置換時間におよぼすガスの種類と流量の影響

ガス使用量は，25 L/min・N2・層流の場合が最も短くなった．

図7に置換時間におよぼすガスの種類と流量の影響を示

ガス流量を 15 L/minにすると少なくなる傾向がみられ，ガす．酸素濃度が 21％から 0％程度までの置換時間（以下はス流量以外の条件では N2・層流の場合が少なく，Ar・乱置換終了時間と示す）は，乱流と層流のいずれにおいても流の場合が多くなった．なお，ガス使用量は容積（180 L）

Ar よりも N2 の方が短く，ガス流量が多いほど短くなった．の平均で 3.4 倍であった．

乱流では，酸素濃度の減少傾向は Ar と N2 で類似していた．

表6に Ar に対する N2 の置換終了時間，ガス使用量および一方，層流では，酸素濃度が 21％から 5％までの置換時間はコストの比率を示す．置換終了時間およびガス使用量の平酸素濃度が 5％から 0％程度まAr より N2 の方がかなり短く，均比率が 0.84 に，コストの平均比率が 0.42 になり，ガス置での置換時間は Ar より N2 の方が長くなる傾向がみられた．

換の性能は Ar よりも N2 の方が優位になることが明らかに

3.2.2 置換終了時間，ガス使用量およびコストの比較なった．

図8に置換終了時間とガス使用量の関係を示す．置換終3.2.3 置換時間におよぼすガスの注入順序の影響
バックシールドガスに Ar と N2 を自由に使用してもよい条件を想定して，置換時間におよぼすガスの注入順序の影響を検討した．図9に示すように N2 → Ar の順に注入すると置換終了時間は Ar（変更なし）と同等になり，Ar → N2の順に注入すると置換終了時間は N2（変更なし）よりも短くなった．

（a） 乱流

図8 置換終了時間とガス使用量の関係（b） 層流図7 置換時間におよぼすガスの種類と流量の影響

８

表6 置換終了時間，ガス使用量およびコストの比率
Ar に対する比率
ガス種類
流れ流量
置換終了時間・コスト＊[L/min]ガス使用量100.810.40
150.800.40
乱流200.770.38
250.790.39
N2100.880.44
150.900.45
層流200.880.44
250.840.42
Ave.
0.840.42＊ ガス単価の比率

Ar : N2 = 1 : 0.5

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参考文献

図9 置換時間におよぼすガスの注入順序の影響

4．おわりにオーステナイト系ステンレス鋼の裏波溶接におよぼす N2
バックシールドの影響を検討し，溶接継手およびガス置換の

1) 安西敏雄：バックシールドに窒素ガスを用いた場合のステンレス鋼溶接部の溶接継手性能，高田技報，Vol.12 (2002)，
pp.16−212) 日本溶接協会：Q10−7−11 ステンレス鋼裏波溶接，接合・溶接技術 Q&A 1000，(1999)，pp.1012−1013
3) 消防庁：ステンレス鋼管を用いた配管及び管継手の施工に当たっての留意事項について，消防予第11号，(2007)
4) 超高耐久オールステンレス共用部配管システムガイドライン，(2010)，pp.43−48
5) ス テ ン レ ス 協 会：建 設 用 ス テ ン レ ス 配 管 マ ニ ュ ア ル，(2011)，pp.122−125
6) 日本溶接協会：プラント圧力設備溶接補修指針，CP−0902(2009)，pp.151−153
7) JIS B 8285:2010 圧力容器の溶接施工方法の確認試験
8) 古賀猛，清水哲也，野田俊治：オーステナイト系高窒素ステ
ンレス鋼DSN9，電気製鋼，Vol.73 No.2 (2002)，pp.127−1309) 中野正大，山口ちひろ：リーンおよび汎用二相ステンレス鋼のティグ溶接の実際，高田技報，Vol.33 (2023)，pp.30−3910) 中野正大，山口ちひろ，安西敏雄：リーン二相ステンレス鋼の溶接金属におよぼすティグ溶接の窒素入りシールドガスの影響，高田技報，Vol.30 (2020)，pp.10−1511) JIS Z 3119:2017 オーステナイト系およびオーステナイト・フェライト系ステンレス鋼溶着金属のフェライト量測定方法

性能を評価した．
その結果，溶接継手の性能はバックシール
ガス置換の性能はドガスが Ar と N2 の場合で同等になるが，

中野

Masahiro NAKANO

正大

Ar よりも N2 の場合の方が優位になることが明らかになった．

技術統括部

4.1 溶接継手の性能

技術士（金属部門）① 外観，浸透探傷試験，溶接継手部の引張強さ，裏曲げ試験，硬さ試験では，バックシールドガスの Ar と N2 の場合のいずれにも優位性はみられない．
② 初層溶接金属のフェライト量はバックシールドガスをAr

山口

Chihiro YAMAGUCHI

ちひろ

技術統括部

裏波溶接の凝固から N2 に変更することで少なくなったが，割れ感受性が極めて高くなるような傾向はみられない．
③ バックシールドガスが N2 の場合は N が溶接中に溶融池へ拡散することで初層溶接金属の N 含有量が増加する
が，初層溶接金属の N に大きな濃度勾配は発生しない．

浜田宏昭

Hiroaki HAMADA

技術統括部④ バックシールドガスが Ar と N2 のいずれの場合でも，溶接金属の N には Cr や Ni のような元素分配はみられない．
4.2 ガス置換の性能① 置換終了時間は，乱流と層流のいずれにおいても Ar よりも N2 の場合の方が短く，ガス流量が多いほど短くなる．
② ガス使用量は，ガス流量を 15 L/minにすると短くなる傾向がみられ，容積（180 L）の平均で 3.4 倍である．
③ Ar に対する N2 の置換終了時間およびガス使用量は平均比率が 0.84 で，コストの平均比率が 0.42 である．
④ バックシールドガスに Ar と N2 を自由に使用してもよい
条件では，Ar → N2 の順に注入すると置換終了時間が N2のみの場合よりも短くなる．

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