JPS62286676A - ２相ステンレス鋼材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐孔食性が良好なオーステナイト・フェライト
２相ステンレス鋼材同士を突合せ溶接した場合の溶接部
も耐孔食性を良好とし得る２相ステンレス鋼材の溶接方
法を提供するものである。

〔従来技術〕

油井、ガス井にて採取された油、ガスを輸送するために
オーステナイト・フェライト２相ステンレス鋼管が使用
されている。これは、油、ガス中に腐食作用があるＣＯ
２、Ｃｊ！−、Ｈａ　”　、Ｈ２Ｓ等を含むからであり
、また鋼管が海水に浸漬又は接触した状態で使用される
ことが多く、海水による腐食を防止するためである。更
に、３０℃の塩化第２鉄熔液への浸漬テス）　（ＡＳＴ
Ｍ　Ｇ４８）に合格することが要求されるからである。

そして、上記２相ステンレス鋼管を／８接して連結する
場合、腐食環境下での使用であるため、母材成分と同程
度の組成の溶接心線を用いて溶接している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述のようにして連結される鋼管は、母
材が浸漬テストに合格しても溶接部が不合格となること
があった。これは、母材と同組成の溶接心線を使用して
溶接しても、耐孔食性に有効な元素、例えばＣｒ、　Ｍ
ｏ、　Ｎ等がＣｒＣｒ２３Ｃ６１Ｆｅ２゜Ｃｒ２　Ｎと
して析出し、母材よりも溶接部で少なくなり、また、高
温の溶接部では組織がフェライト単相となり易く、この
フェライト相がＮを殆ど固溶しないためである。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、耐孔
食性が良好な溶接部を得ることができる２相ステンレス
鋼材の溶接方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は２相ステンレス鋼材の溶接部を窒素ガスと不活
性ガスとの混合ガスによりシールし、また耐孔食性に有
効な元素及び熔融金属中でＮを固溶させ易くする元素を
含んだ組成の心線を用いて溶接する。即ち、本発明に係
る２相ステンレス鋼材の溶接方法は、オーステナイト・
フェライト２相ステンレス鋼材同士を突合せて多層盛ア
ーク溶接を行う方法において、突合せ部のアーク発生側
と反対側を、窒素ガスを体間率を５％以上含む不活性ガ
スとの混合ガスによりシールして初層溶接を行い、その
後、突合せ部のアーク発生側を、窒素ガスを体積率で２
％以上含°む不活性ガスとの混合ガスによりシールし、
またχ■成がｆｆ１ｆｉｆ率でＣ５０，０６％、Ｓｉ５
１％、Ｍｎ≦’１％、　　Ｐ≦０．０３％、ｓ≦０．０
１％、　Ｃｒ　：　２０〜２８％、　Ｎｉ　：　６〜１
２％、Ｍｏ：２．５〜４．５％、　Ｓｏｌ、　Ａｌ　≦
０．３％、　　Ｎ　：　０．０８〜０．３％を含み、残
部が実質的にＦｅよりなり、またＣｒ　＋　３Ｍ。

＋１．５　Ｗ＋１６Ｎ≧３４．　−２　（Ｃｒ＋３Ｍｏ
　＋１．５　Ｗ＋１６Ｎ）　　＋５５≦Ｎｉ　＋３０　
（Ｃ＋　Ｎ）　＋０．５Ｍｎ　＋８．２−１．１　　・
（Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ　）≦−３を満足するン容度
心線を用いて溶接することを特徴とする。

〔作用〕

本発明にあっては、シールド用の混合ガスより窒素が、
また溶接心線より熔融金属中の窒素の活ｍを向上させ１
ｑ、或いは耐孔食性を向上させ得るＣｒ、　Ｍｏ、　Ｗ
、　Ｘｉ、　Ｎ等の元素及び窒素が溶接部へ与えられる
。

〔実施例〕

以下本発明を図面に基づき具体的に説明する。

第１図は本発明をガスタングステンアーク溶接方法（Ｇ
ＴＩＶ）に通用した場合の実施状態を示す模式的縦断面
図であり、図中１は被溶接材たるオーステナイト・フェ
ライト２相ステンレス鋼管（以下単に鋼管という）であ
る。鋼管１はこれを軸長方向に突合せ溶接すべく相対向
する鋼管１′の端面に突合せられており、突合せ部には
全周に亘って例えばＶ形開先が設けられている。また、
鋼管ｌは後に説明するように、組成がＣｒ＋３Ｍｏ　＋
１．５　Ｗ＋１６Ｎ≧３２．７であり、組織がフェライ
トの体積／オーステナイトの体積比率が４０〜６０　（
体積％）であるものが好ましい。

開先の外側にはタングステン電極５及び溶接心線４例え
ば／８接ワイヤが鋼管ｌの周方向に回動可能に図示しな
い移動手段により設けられており、タングステン電極５
の外側はその先端側に向けてシールド用の混合ガス（以
下シールドガスという）６、例えば体積率で２％以上の
ＮガスとＡｒガス。

１１ｅガス等の不活性ガスとの混合ガスが噴出されるよ
うになっており、溶接部のシールがなされる。

前記Ｖ形量先部の管内側には、管内径より少し小さい外
径であって管と同心状に設けられた円筒部の両端に、夫
々鋼管ｌ及び１′の内面に達するように、つまり外径が
鋼管１．１’の内径に等しく、内径が上記円筒部の内径
に等しい中空円盤状の側板が取付けられたバッキング装
置２が設けられており、バフキング装置２と鋼管１及び
１′とで囲まれた領域にはバンクシールド用の混合ガス
（以下バッキングガスという）３が供給されるようにな
っている。

バッキングガス３は体積率で５％以上のＮガスと不活性
ガスとの混合ガスを使用し、その圧力は外気圧と等しい
か若干高い値とし、常に連続的に一定量補充する状態に
しておく。

図示しない溶接電源からの通電によりタングステン電極
５の先端からアークが発生すると前記溶接心線４及び鋼
管１，１′の開先部が熔融されて初層の溶接部属１ａが
形成される。

この溶融金ＢＥｌａは主として母材たる鋼管１．１’が
熔融したものからなり、溶融の際、管外側をシールドガ
ス６により、また管内側をバンキングガス３によりシー
ルする。このため、溶接部ｇｌａには窒素が所要量以上
含有せしめられる。

また、ｆａ溶接線４として次の組成のものを使用して溶
接する。Ｗち、重量率でＣ５０，０６％、８１５１％、
　Ｍｎ５２％、Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０．０１％、Ｃｒ
：２０〜２８％、Ｎｉ：６〜１２％、Ｍｏ：２．５〜４
．５％、　Ｓｏｌ。

八ｌ≦０．３％、Ｎ：０．０８〜０．３％を含んでいる
か又はこれらにＷ≦１％、　Ｃｕ５２％の１種以上を更
に含んでおり、残部が実質的にＦｅよりなり、また下Ｅ
　（ｔ）　、　＋２１　、　（３１式’ｆｔ　満足ｔ　
ルｉ　’ａ心線を使用する。

Ｃｒ＋３Ｍｏ　＋１．５　Ｗ＋１６Ｎ≦３４　　　　　
・＋１）Ｎｉバランス≦−３・・・（２） Ｎｉバランス≧−Ｐ、１．＋５５　　　　　　　・・・
（３）但し、Ｎｉバランス＝Ｎｉ　＋３０　（Ｃ＋　Ｎ
　）　＋０．５Ｍｎ＋８．２　　１．１　　・（Ｃｒ＋
Ｍｏ＋１．５Ｓｉ　　）　　（ｆｆｉｉ％）Ｐ、１．−
Ｃｒ＋３Ｍｏ　　＋ｔ、ｓ　Ｗ＋１６Ｎ　　（ｆｆｆｆ
１％）これにより、溶接金Ｂｌａ中には窒素が更に入り
、またこの伯にＣｒ、　Ｍｏ、　Ｗ、　Ｎｉ等が入る。

またバッキングガス３が常に一定流口で補充されており
、このためｆ６接金１ｍ１ａは組成変化がない。

斯かる溶接は前述の溶接部属を形成しながら開先に沿っ
て順次進行、すなわちアークが発生しているトーチを管
の周方向に移動させて、連続的に窒素を吸収した溶接部
１）Ｉｌａを形成でき、それによって耐孔食性にすぐれ
た溶接部Ｅｌａを得ることが可能となる。

その後、溶接金ｉｌａ上を溶接する。このときの２層目
以降の溶接金属は主として溶接心線４が熔融されたもの
によりなっており、シールドガス６中の窒素ガスと溶接
心線４中の窒素とが、２層目以降の溶接部属に含有され
る。このため、シールドガス６の構成する窒素ガス沿は
初層溶接時のシールドに必要なバンキングガス３のそれ
よりも少なくして゛いる。

また、溶接部ｉｌｌ　Ａ中に含有せしめたＣｒ、　Ｍｏ
、　Ｗ。

Ｎｉ等が２層目以降の溶接金属に含有される。

従って、厚み方向全域に亘って耐孔食性に優れた溶接部
を得ることが可能である。

次にバッキングガス３．シールドガス６及び溶接心線４
の組成限定理由について述べる。

バッキングガス：第２図は（＆軸にバ・ノキングガス中
の窒素ガスの体Ｔ？！混合率（％）をとり、縦軸に初層
の溶接金属中の窒素ガス含有率（重量％）をとって、両
者の関係を示したグラフであり、Ｏ印はＡｒガスを、Δ
印はＩｌｅガスを不活性ガスとして用いた場合であり、
・印は溶接心線中の窒素含有率を示す。Ｎ２ガスが体積
率で５％より低いバッキングガスの場合には耐孔食性に
肯効であるＮの溶接金属中への吸収量が少なく、このた
めに孔食を防止できない。これは初石溶接金冗への母材
の溶込みが大きいためである。従ってバンキングガスは
Ｎ２ガスを体摂率で５％以上含有するＮ２ガスと不活性
ガスとの混合ガスとした。

シールドガス；第３図は横軸にシールドガス中の窒素ガ
スの体積混合率（％）をとり、縦軸に２層目以降の溶接
金属中の窒素ガス含有率（重量％）をとって、両者の関
係を示したグラフであり、○印、Δ印、・印は第２図と
同様である。２層目以降は、母材の溶込みが少なく、溶
接心線には窒素を含有させているので、シールドガス中
の窒素ガスの含有率を少なくできるが、Ｎ２ガスが体積
率で２％より低いシールドガスの場合には心線中に含ま
れる窒素による溶接金属中のＮ％上昇分を考慮しても、
耐孔食性に有効であるＮの溶接金属中への吸収量が少な
く、このために孔食を防止できない。従ってシールドガ
スはＮ２ガスを体積率で２％以上含をするＮ２ガスと不
活性ガスとの混合ガスとした。

溶接心線： ＋ａ＋　　Ｃ ′Ｃ含有量が０．０６％を超えると結晶粒界にＣｒ系炭
化物が形成されると共にＣ「欠乏層が生じ、これが孔食
の起点となる。このことから、Ｃ含有層を０．０６％以
下と定めた。

（ｂ）　　５ｉ Ｓｉは鋼の脱酸成分として必要であるが、その含有■が
１．０％を超えると靭性が劣化することから、Ｓｉ含有
量は１．０％以下と定めた。

ｆｃｌ　　　Ｍｎ ＭｎはＳｉと同様に鋼の脱酸成分として好ましいものが
あるが、耐食性能にほとんど影響を及ぼさない成分であ
る上、多量添加は経済的不利につながることから、Ｍｎ
含有量は２．０％以下と定めた。

ｄｌ　　Ｐ Ｐは鋼中へ不可避的に随伴される不純物元素の１つであ
るが、その含有量が０．０３％を超えると割れ感受性が
高まることから、Ｐ含有量を０．０３％以下と定めた。

［ｅｌ　　Ｓ Ｓも鋼の不可避的不純物元素の１つであるが、その含有
量が０．０１％を超えると靭性の劣化を招くことから、
Ｓ含有量は０．０１％以下と定めた。

（ｆｌ　　　Ｃｒ Ｃｒには鋼の耐孔食性を向上させる作用があり、かつフ
ェライト相の生成を助長する元素であるが、その含有量
が２０％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一
方、２８％を超えて含をさせるとσ脆性も発生しやすく
なる上、所望のＮｉバランスを確保するのが困難となる
ことから、Ｃｒ含有量は２０〜２８％と定めた。

［ｇｌＮｉ Ｎｉはオーステナイト相を生成するのに極めて有効な成
分であり、所望のＮｉバランスを確保してフェライト相
とオーステナイト相の比を１近傍に調整する必要上、Ｎ
ｉ含有量は６〜１２％と定めた。

ｆｈｌ　　Ｍ。

ＭｏにはＣｒと同様に鋼の耐孔食性を向上させる作用が
あり、その添加効果はＣｒよりも大きく、しかもフェラ
イト相の生成を助長する元素でもある。

そして、Ｍｏ含有量が２．５％未満では所望の耐孔食性
を確保することができず、一方、４．５％を超えて含有
させると鋼の靭性を害するようになることから、Ｍｏ含
有量は２．５〜４．５％と定めた。

（ｔｌ　　　Ｎ Ｎは鋼が腐食された場合にＮＨ３を形成して腐食性溶液
と鋼との界面のｐＨをアルカリ側に移す作用があると言
われており、鋼の耐孔食性向上に有効な元素である。ま
た、オーステナイト相の生成を促す元素としても知られ
ている。そして、Ｎ含有量が０．０８％未満では所望の
耐孔食性を確保することができず、一方、０．３０％を
超えて含有させると靭性の劣化が著しくなることから、
Ｎ含有量は０゜０８〜０．３０％と定めた。

（Ｊｌ　　Ｓｏｌ、Ａｌ ５ｏ１．Ａｌは、Ｓｉ及びＭｎと同様に鋼の脱酸成分と
して有〃Ｊなものであり、０．３％までの含有量ではこ
の発明の２相ステンレス鋼の特性に悪ｆＴ６　Ｖを及ぼ
すことがないことから、Ｓｏｌ、Ａｌ含有量を０．３％
以下と定めた。

（ｋ）　　Ｗ及びＣｕ これらの成分には鋼の耐食性をより一層向上させる作用
があるので、必要により１種または２種の添加がなされ
るものである。特にＷはＭｏと同様の作用を有している
ものであるが、経済性を名産してその含有量を１．０％
以下と定め、一方、Ｃｕ含有屋が２．０％を超えると靭
性が劣化することから、Ｃｕ含有１は２．０％以下と定
めた。

ｆｌＪ　　Ｐ、１．値 式、Ｐ、１．＝Ｃｒ＋３Ｍｏ　＋　１．５Ｗ＋１６Ｎ　
（ｆｆｉｉｔ％）で算出されるＰ、　！、値が３４．０
未満では良好な耐食性が発揮されず、３４．０以上の範
囲ではじめて汚泥を含む海水環境中においても優れた耐
食性を示すようになることから、Ｐ、　１．値を３４．
０以上と限定した。

１Ｉｎ）　　Ｎｉバランス値 式、 Ｎｉバランス＝Ｎｉ　＋３０　（Ｃ＋　Ｎ）　＋０．５
Ｍｎ　＋８．２−　１．１　　（Ｃｒ十Ｍｏ＋　　１．
５ｓｉ）　　　（ｉｌｉ量％）で算出されるＮｉバラン
ス値が≦−３かつ≧−２Ｐ、［。

＋５５を満たすと、汚泥を含む海水環境等の過酷な条件
で所望の優れた耐孔食性を確保できる。Ｎｉバランスが
一３以上では凝固形態がα＋ｒＭ固となり、α中にσが
生成し、このσが耐孔食性を劣化させるため、Ｎｉバラ
ンス≦−３とする。Ｎｉバランスが−２Ｐ、［、＋５５
未満ではαｆｉが多（、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｃｒ２　Ｎ＋Ｆ
ｅ　２　Ｍｏ等の析出物の近傍のＣｒ、　Ｍｏ、　Ｎの
成分が少なくなったところで孔食が発生するため、Ｎｉ
バランスを一２Ｐ、１．＋５５以上とする。

ところで、母材は組成がＣｒ＋３Ｍｏ　＋　１．５Ｗ＋
１６Ｎ≧３２．７　（ｆｆｉＥｆ％）、α／γ比率が４
０〜６０（体積％）であれば、母材自体の耐孔食性が良
好であり、また溶接部の耐孔食性に影墨を与えない。

第４図は本発明の他の実施例を示す模式図であり、本発
明をガスメタルアーク溶接法、即ちＧＭＩＶｆ６接法に
適用した場合を示す。第１図と同一部分には同一番号を
付している。この溶接法による場合は、／８接ワイヤ４
の先端が熔融され、これがアークとなって鋼管１．１′
を突合せた開先部が溶接されて初層の溶接部Ｈ１ａ等が
形成される。

この場合であっても、鋼管ｌ、１′の内側、外側を夫々
前同様のバフキングガス３、シールドガス６にてシール
し、また組成を規定した前同様の溶接心線４を使用して
溶接する限りは、溶接金属中に固溶窒素を幕論的に確保
でき、これにより耐孔食性に優れた溶接部を得ることが
できる。

次に、溶接心線、バンキングガス及びシールドガスの組
成を種々変更して／８接した場合の各溶接部の耐孔食性
について説明する。

第１表は用いた心線、バンキングガス及びシールドガス
の各組成、母材の組成、熔体化（１０５０℃ｘ２ｈｒ）
の有無、溶接法の種類、ＡＳＴＭ　Ｇ、４８ＡＪｌ！定
（３０℃）の試験結果をまとめた表であり、試験結果の
○印は孔食発生がなかった場合、ｘ印は孔食が発生した
場合を夫々示している。

実施例の中の太線は本発明により溶接した場合の試験結
果を示しており、従来例及び実施例の太線を外れた部分
は本発明に該当しない溶接による場合によるばあいの結
果であり、比較例１は母材のＰ、　１．が好ましい範囲
の下限値３２．７よりも小さい場合の結果であり、比較
例２は母材のα／γ比率が４０％〜６０％を外れる場合
の結果である。試験片としては第５図に示す如く肉厚Ｉ
Ｑｍｍの鋼管を溶接してできた管外側が幅１５鶴の溶接
部の周りから、管軸長方向に４０５ｍ、周方向に２０＋
ｎで採取したちのを使用した。

この表より理解される如く、本発明による場合（太線部
分）には母材と共に溶接部でも腐食テストに合格させ得
る。また、母材についてはα／γ比率、Ｐ、［、値等を
厳選したものを使用するのが母（オ、溶接部共に耐孔食
性を合格させる上で好ましい。

斯かる本発明により溶接した場合は溶接した管に腐食を
促進するような化学薬品等を流しても溶接部１ｍ１ａに
孔食の発生がない。また管を海水中に浸漬しても管外側
の／８接金冗に孔食の発生がない。

なお、上記実施例ではオーステナイト・フェライＩ・２
相ステンレス鋼管を溶接しているが、本発明はこれに限
らずオーステナイト・フェライト２相ステンレス鋼板等
他の形状のものにも通用できることは勿論である。

また、上記実施例では管内側をバッキングガス３により
管外側をシールドガス６により夫々シールし、溶接心線
４を用いて多石盛溶接を行っているが、初層ン８接の際
にはバッキングガス３から溶接金ｆｆ１ａへ窒素ガスが
所要量大るので、本発明はその際にはシールドガス６及
び溶接心線４を用いる必要はなく、窒素ガスを含んでい
ず少なくとも酸化を防止できるシールド用ガスとｆ６接
合１７３１　ａの組織を２相化できる溶接心線を用いて
溶接してもよい。また、初層溶接後はバンキングガスは
不要である。

〔効果〕

以上詳述した如く本発明による場合は、溶接部に窒素を
所要量含有せしめ得るので、耐孔食性が良好な溶接部を
得ることができ、このため／８接部が海水、油、ガス、
化学薬品等と接触しても孔食の発生がなく、長期に亘っ
て破壊のない構造物等の製造が可能となる等、本発明は
優れた効果を奏・する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施状態を示す模式的縦断面図、第２
図はバッキングガス中の窒素ガス量と初層の溶接全屈の
窒素量との関係を示すグラフ、第３図はシールドガス中
の窒素ガス量と２層目以降の溶融金属の窒素量との関係
を示すグラフ、第４図は本発明の他の実施例を示す模式
的縦断面図、第５図は腐食テスト用の試験片を示す模式
図である。 １．１′・・・オーステナイト・フェライト２相ステン
レス鋼管　　１ａ・・・ｙ８接金冗　”　３・・・バッ
キングガス　　４・・・溶接心線　　６・・・シールド
ガス特　許　出願人　　住友金屈工業株式会社代理人　
弁理士　　河　　野　　登　　夫ハ゛リキノク゛力゛ス
中の窒Ｌゲスの体重混合４！（勾＄２　図 ？ ― シールｌ−′〃ス中のＴ車力゛スの体積ン毘合ｉＣ％）
第３図 ′＄　５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、オーステナイト・フェライト２相ステンレス鋼材同
   士を突合せて多層盛アーク溶接を行う方法において、 突合せ部のアーク発生側と反対側を、窒素ガスを体積率
   で５％以上含む不活性ガスとの混合ガスによりシールし
   て初層溶接を行い、その後、突合せ部のアーク発生側を
   、窒素ガスを体積率で２％以上含む不活性ガスとの混合
   ガスによりシールし、また組成が重量率でＣ≦０．０６
   ％、Ｓｉ≦１％、Ｍｎ≦２％、Ｐ≦０．０３％、Ｓ≦０
   ．０１％、Ｃｒ：２０〜２８％、Ｎｉ：６〜１２％、Ｍ
   ｏ：２．５〜４．５％、Ｓｏｌ、Ａｌ≦０．３％、Ｎ：
   ０．０８〜０．３％を含み、残部が実質的にＦｅよりな
   り、またＣｒ＋３Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１６Ｎ≧３４、−２
   （Ｃｒ＋３Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１６Ｎ）＋５５≦Ｎｉ＋３
   ０（Ｃ＋Ｎ）＋０．５Ｍｎ＋８．２−１．１・（Ｃｒ＋
   Ｍｏ＋１．５Ｓｉ）≦−３を満足する溶接心線を用いて
   溶接することを特徴とする２相ステンレス鋼材の溶接方
   法。