特開 2022-190285 溶接構造物およびＮｉ合金の肉盛溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022190285

(43)【公開日】2022-12-26

(54)【発明の名称】溶接構造物およびＮｉ合金の肉盛溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20221219BHJP

   B23K 9/23 20060101ALI20221219BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 J

B23K9/23 B

B23K9/23 G

B23K9/23 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021098542

(22)【出願日】2021-06-14

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】多羅沢 湘

(72)【発明者】

【氏名】曽我 幸弘

【テーマコード（参考）】

4E001

【Ｆターム（参考）】

4E001QA05

(57)【要約】

【課題】
従来の非消耗型ＴＩＧ溶接よりも作業効率を向上した消耗型電極式を採用しつつ、従来のＴＩＧ溶接と同等の溶接品質を実現する溶接構造物およびＮｉ合金の肉盛溶接方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明の溶接構造物は、低合金鋼または炭素鋼の被溶接部材にＮｉ基合金を肉盛溶接した溶接構造物において、希釈率が２．５～１０％であり、熱影響部の硬化域の幅が１．２～１．６ｍｍであることを特徴とする溶接構造物。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

低合金鋼または炭素鋼の被溶接部材にＮｉ基合金を肉盛溶接した溶接構造物において、希釈率が２．５～１０％であり、熱影響部の硬化域の幅が１．２～１．６ｍｍであることを特徴とする溶接構造物。

【請求項2】

低合金鋼または炭素鋼の被溶接部材にＮｉ基合金を１００％不活性ガスおよび消耗型電極を用いて肉盛溶接するＮｉ合金の肉盛溶接方法において、
溶接速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ～３００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接電流：２００Ａ以上、ワイヤ送給速度：８．７ｍ／ｍｉｎ以上とし、前記Ｎｉ合金の積層高さ：１．０ｍｍ～３．０ｍｍ、消耗型電極のウィビング幅：１０ｍｍ～１５ｍｍ、ウィビングの周波数：２ＨＺ～３ＨＺ、溶接ビードのセンタからのオフセット量：１２ｍｍ～２０ｍｍ、ビード端部停止：０．０５ｓ～０．１ｓとすることを特徴とするＮｉ合金の肉盛溶接方法。

【請求項3】

前記被溶接部材は、ステンレス金属が肉盛溶接された低合金鋼であり、
前記被溶接部材表面の欠陥を除去し、溝開先を設ける溝加工工程と、低合金鋼の溶接の希釈率を２．５％～１０％、熱影響部の硬化域の幅を１．２～１．６ｍｍとする複数パスで構成される１層目の溶接工程と、
前記１層目の溶接工程の終了後に溶け込みを１ｍｍ、積層高さを２．０～３．０ｍｍとする２層目以降の溶接工程と、を有し、
溶着速度が５～６ｋｇ／ｈであることを特徴とする請求項２に記載のＮｉ合金の肉盛溶接方法。

【請求項4】

前記低合金鋼または炭素鋼の希釈率１５を２．５％～１０％、硬化域の幅１４を１．２～１．６ｍｍとする複数パスで構成される１層目の溶接工程と、前記１層目の溶接工程の終了後に溶け込みを１ｍｍ、積層高さを２．０～３．０ｍｍとする２層目以降の溶接工程と、を有することを特徴とする請求項２または３に記載のＮｉ合金の肉盛溶接方法。

【請求項5】

前記消耗型電極肉盛溶接後、溶接金属の端部において、非消耗型電極肉盛溶接を行い、
溶接ビードの寸法２２を５ｍｍ以上とするとともに６層以上の溶接が２パスで構成され、溶接金属の積上角度２３を２０°以下とすることを特徴とする請求項２または３に記載のＮｉ合金の肉盛溶接方法。

【請求項6】

溶接ビードの溶け込みを１ｍｍ、積層高さを２．０～３．０ｍｍとすることを特徴とする請求項２または３に記載のＮｉ合金の肉盛溶接方法。

【請求項7】

溶接トーチの廻りの空間において水を排除し、局部の空間を形成することを特徴とする請求項２または３に記載のＮｉ合金の肉盛溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接構造物およびＮｉ合金の肉盛溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

原子力発電プラントや火力発電プラントには、高級な厚板部材からなる大型容器、大型構造物、大口配管等が多く使用されている。中でも、原子力発電用の原子炉の圧力容器では、高温高圧水及び放射線発生の過酷な環境下で使用され、かつ高い信頼性が要求されるため、低合金鋼製の圧力内表面に耐食性及び耐熱性等に優れたＳＵＳ３０４系、ＳＵＳ３１６系等のステンレス鋼、インコネル等ニッケル量の高いニッケル合金等からなる肉盛溶接が使用されている。

【0003】

しかし、これらの肉盛溶接部材には使用環境により経年劣化を生じ応力腐食割れが生じる場合がある。上述した大型の構造物を現場で補修溶接を行った場合は、補修溶接後の熱処理の実施が困難である。高能率で高品質な溶接金属部及び熱影響部を得るために、合理的で高信頼性・高能率な溶接技術が求められている。

【0004】

例えば、特許文献１には、補修方法としては、母材表層部をグラインダー等によって削り取って割れや欠陥の部位を機械的に除去し、その表面にＴＩＧ溶接等を用いて新たな金属を肉盛り溶接して、その後、機械的に面一に加工する補修溶接方法が採用されている。

【0005】

また、特許文献２には、特許文献１と同様にＴＩＧ溶接テンパービード溶接に関するもので、残層の溶接ビードの最初のパスと最後のパスの形成時に、溶接トーチを、最初のパスと最後のパスの幅方向内側に傾斜させながら走査して前記溶接ビードを形成することが開示されている。

【0006】

また、特許文献３には、原子炉内構造物の補修方法として、６９０系合金のワイヤ組成を用いたＹＡＧレーザ溶接を用いることと、第１の溶接部の終端部側は開先加工により除去されることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１－２４５５０５号公報

【特許文献2】特開２０１３－１４６７５３号公報

【特許文献3】特開２０１２－９８１２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述した特許文献１および特許文献２は非消耗電極式の溶接であり、特許文献３はレーザ溶接である。大型低合金鋼・高張力鋼構造物の補修溶接工法として、熱処理不要で非消耗型電極式のＴＩＧテンパービード溶接（以下、「ＴＩＧ溶接」と称する。）がよく採用される。しかしながら、ＴＩＧ溶接は作業効率が低く、工数が多くかかるため、高効率の溶接工法が望まれる。一方、この高効率の溶接工法では、低合金鋼・高張力鋼の溶接熱影響部において、良好な靭性を有することが要求される。

【0009】

そこで、本発明は、従来の非消耗型ＴＩＧ溶接よりも作業効率を向上した消耗型電極式を採用しつつ、従来のＴＩＧ溶接と同等の溶接品質を実現する溶接構造物およびＮｉ合金の肉盛溶接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】

【0010】

上記目的を達成するための本発明の一態様は、低合金鋼または炭素鋼の被溶接部材にＮｉ基合金を肉盛溶接した溶接構造物において、希釈率が２．５～１０％であり、熱影響部の硬化域の幅が１．２～１．６ｍｍであることを特徴とする溶接構造物である。

【0011】

また、本発明の他の態様は、低合金鋼または炭素鋼の被溶接部材にＮｉ基合金を１００％不活性ガスおよび消耗型電極を用いて肉盛溶接するＮｉ合金の肉盛溶接方法において、溶接速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ～３００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接電流：２００Ａ以上、ワイヤ送給速度：８．７ｍ／ｍｉｎ以上とし、前記Ｎｉ合金の積層高さ：１．０ｍｍ～３．０ｍｍ、消耗型電極のウィビング幅：１０ｍｍ～１５ｍｍ、ウィビングの周波数：２ＨＺ～３ＨＺ、溶接ビードのセンタからのオフセット量：１２ｍｍ～２０ｍｍ、ビード端部停止：０．０５ｓ～０．１ｓとすることを特徴とするＮｉ合金の肉盛溶接方法である。

【0012】

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、従来のＴＩＧ溶接よりも作業効率を向上した消耗型電極式を採用しつつ、従来のＴＩＧ溶接と同等の溶接品質を実現する溶接構造物およびＮｉ合金の肉盛溶接方法を提供できる。

【0014】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１の溶接構造物（肉盛溶接ビード）の断面観察写真の一例

【図2】実施例２のＮｉ合金の肉盛溶接方法を示す模式図

【図3A】実施例２において２層目溶接ビード２－２を施工した後のＨＡＺ部の硬さ分布を示すグラフ

【図3B】図３ＡのＡ－Ｂ付近の断面観察写真

【図4】実施例３のＮｉ合金の肉盛溶接方法を示す模式図

【図5】実施例４のＮｉ合金の肉盛溶接方法を示す模式図

【図6】実施例５のＮｉ合金の肉盛溶接方法を示す模式図

【図7】従来の溶接構造物（肉盛溶接ビード）の断面観察写真の一例

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。

【実施例0017】

本実施例では、被溶接部材１に低合金鋼を用い、Ｎｉ基合金を消耗電極肉盛溶接した溶接構造物について説明する。図１は本発明の溶接構造物（肉盛溶接ビード）の断面観察写真の一例である。図１に示すように、本実施例の溶接構造物は、低合金鋼の被溶接部材１の平板部材の表面にＮｉ基合金の消耗型電極肉盛溶接ビード２が形成され、両者の境界にＨＡＺ（Ｈｅａｔ－Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ、熱影響部）３が観察される。

【0018】

消耗型電極肉盛溶接において、後続の溶接の入熱により焼き戻し域を得るために、積層高さを１．０ｍｍ～３．０ｍｍの範囲とし、消耗型電極をウィビングしながら溶接を行った。良好な溶接ビード２のビード形状を得るために、溶接条件は、溶接速度：３００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接電流：２００Ａ以上、ワイヤ送給速度：８．７ｍ／ｍｉｎ以上とした。

【0019】

また、ウィビング幅は、１０ｍｍ以下となる場合は、ビード幅が狭くなり、積層高さは３ｍｍ以上となるが、後続の溶接の入熱により焼き戻し域が得られない。一方、ウィビング幅が１５ｍｍ以上となる場合は、肉盛層の表層に穴等溶接欠陥が生じるため、ウィビング幅は１０～１５ｍｍの範囲とした。

【0020】

ビード端部停止時間を０ｓとする場合は、溶接ビード２の中心部が一番高くなり、半円に近い形状となりやすい。一方、ビード端部停止時間を０．１ｓ以上となると、端部への入熱量が大きくなり、端部の溶け込みは大きくなるため、端部停止時間７を０．０５～０．１ｓとした。

【0021】

ウィビングの周波数を３ＨＺ以上とする場合は、ビード中央部の通過速度は大きくなり、中央部への入熱量が少なくなり、中央部に未溶融部が形成しやすいため、ウィビングの周波数は３ＨＺ以下とすることが好ましい。一方、ウィビングの周波数を１ＨＺとする場合は、積層高さは３ｍｍ以上の凸形状のビードになりやすいため、ウィビングの周波数を２～３ＨＺとすることが好ましい。

【0022】

図１に示すビードのわきに同じ施工条件で溶接を行う場合は、積層高さ４が均一になるように、溶接ビード２のセンタからオフセット量１２を１２ｍｍ～２０ｍｍとする。

【0023】

本実施例では、上述した溶接条件により、溶接用シールドガスを１００％不活性ガスＡｒガスとし、良好な外観および内部に欠陥がない、低合金鋼の被溶接部材の希釈率１５を２．５％～１０％およびＨＡＺ３の幅を１．２～１．６ｍｍとする溶接構造物が得られた。この希釈率は、従来の消耗型電極肉盛溶接において得られない値である。

【0024】

図７は従来の従来の溶接構造物（肉盛溶接ビード）の断面観察写真の一例である。また、下記表１に、本実施例の消耗型電極肉盛溶接（ＭＩＧ）の溶着速度と従来の非消耗型電極肉盛溶接（ＴＩＧ）の溶着速度を示す。

【0025】

【表1】

【0026】

表１に示す通り、本実施例の消耗型電極肉盛溶接（ＭＩＧ）の溶着速度は非消耗型電極肉盛溶接（ＴＩＧ）の溶着速度の２２～２７倍である。図７に示すように、本実施例よりも溶着速度の遅い従来の非消耗型電極肉盛溶接で溶接した溶接構造物は、被溶接部材７１の上にＮｉ基合金の非消耗型電極肉盛溶接ビード７２が形成され、両者の境界にＨＡＺ７３が観察されるが、図１と比較してＨＡＺ７３の境界の形状はいびつであり、溶接品質も劣ると考えられる。

【0027】

［特許文献１～３との相違点］
上述した特許文献１では、ＴＩＧ溶接において１層目の溶接により溶接ビードＢ１を形成したときには、溶接熱により母材に硬化域Ｈ１が形成される。２層目の溶接によりビードＢ２を形成したときには、溶接熱により発生する焼き戻し域Ｓ２により、硬化域Ｈ１の下部域が焼き戻されて、硬化域Ｈ１は硬化域Ｈ２へと領域が縮小する。３層目の溶接により溶接ビードＢ３を形成したときには、溶接熱により発生する焼き戻し域Ｓ３により、硬化域Ｈ２が焼き戻されて、硬化域Ｈ２が消失するとしている。消耗型電極肉盛溶接工法については全く記載されていない。

【0028】

一方、作業効率を低下させることなく、溶接速度及び溶接ワイヤ供給量を、常に一定としつつ、硬化域を焼き戻し処理した領域の機械的性能について硬化域を軟化させるとともに、靭性は焼鈍炉により熱処理したもの以上にまで向上させるとしているが、ＴＩＧ溶接ワイヤ供給量については全く記載されていない。最大のワイヤの供給速度は明確に記載されていないが、ＴＩＧ溶接の上限入熱量９ｋＪ／ｃｍとして設定したことから、この工法において最大のワイヤの供給速度は１ｍ／ｍｉｎ～２ｍ／ｍｉｎであると考えられる。

【0029】

また、特許文献２では、溶接母材上に形成した初層の溶接ビードの上に残層の溶接ビードを重ね溶接し、前記初層の溶接ビードを形成した時に前記溶接母材に生じた熱影響部を、前記残層の溶接ビードの重ね溶接時における溶接熱によって焼き戻すようにした溶接方法であって、前記残層の溶接ビードの最初のパスと最後のパスの形成時に、溶接トーチを、前記最初のパスと前記最後のパスの幅方向内側に傾斜させながら走査して前記溶接ビードを形成することにより、前記最初のパスと前記最後のパスの幅方向内側と外側とで前記溶接母材に対する溶接熱の加わり方に差を生じさせ、前記溶接熱の加わり方が大きい側を前記初層の溶接ビードの幅方向外縁部の領域に重ねるようにして前記外縁部の領域に熱を加えながら前記残層の溶接ビードを形成し、前記残層の溶接ビードの形成時における前記溶接トーチを傾斜することで残層の溶接ビードの各層における最初のパスおよび最後のパスを溶接する際に、それぞれ溶接ビードの幅方向の外側に熱が掛りやすくなり、初層の溶接ビードを形成した時に溶接母材に生じた熱影響部を確実に焼き戻すことができることを特徴とする溶接方法としている。

【0030】

溶接形態は必ずしもＴＩＧでなくてもよく、他種の放電溶接であってもよいとしているが、消耗型電極肉盛溶接工法については明確に記載されていない。消耗型電極肉盛溶接工法では、溶接ビードの溶け込みの深さ及び溶接ワイヤの送給速度がＴＩＧ溶接より大きい、積層高さも大きいとされている。一般に通常の溶接条件では初層ビードの溶接熱影響部の硬化域に溶接積層の厚さおよび積層数が制御可能なＴＩＧ溶接のようなテンパービード効果が得られないと考えられる。

【0031】

また、特許文献３では、原子炉炉内構造物の補修予定箇所に開先加工部１を形成する第１のステップと、前記開先加工部１の一方の端部を含む所定範囲の炉内構造物表面に対し平坦部側から溶接ワイヤを供給して第１の溶接を実施し第１溶接部２を形成する第２のステップと、開先加工部１側の第１溶接部２を除去する第３のステップと、前記開先加工部１と除去後の第１溶接部２に対しワイヤを供給する第２の溶接を前記第１の溶接とは逆方向に実施し第２溶接部３を形成する第４のステップと、第３以降の溶接を前記第２溶接部３の上部でかつ前記除去後の第１溶接部２から出ないように実施し、複数層からなる溶接部４を形成する第５のステップと、前記第５ステップで形成された溶接層の表面を削り取る第６のステップとを有するとしている。波長１．０６μｍ、出力０．５～４．０ｋＷのＹＡＧレーザを用い、加工速度０．１～５ｍ／ｍｉｎで溶接を実施した。また、ワイヤとして直径０．４～１．０ｍｍの６９０系合金を用い、その供給速度は０．５～８ｍ／ｍｉｎであるが開示されているが、消耗型電極肉盛溶接工法については全く記載されていない。

【0032】

また、上記特許文献１に示されているＴＩＧテンパービード溶接及び特許文献３に示されているレーザテンパービード溶接工法において、ワイヤ送給装置とワイヤ制御装置は必要であり、溶接ヘッドは大きくなり、狭隘部へ適用は困難である。また、溶接金属の肉盛量が少なく、実用的には１層当たりのワイヤの肉盛量は更なる高い肉盛効率が求められる。

【0033】

また、上記特許文献１に示されているＴＩＧテンパービード溶接及び特許文献３に示されているレーザテンパービード溶接工法において、初層の溶接ビードを形成した時に溶接母材に生じた熱影響部について、トーチの傾斜角度の変更及びビードの研削を実施するので、施工工数が大きくかかると考えられる。

【実施例0034】

本実施例では、原子力発電用の原子炉に使用される圧力容器の低合金鋼の母材からなる円筒部材であり、圧力容器の内面においては、低合金鋼と低合金鋼の上に肉盛溶接されたオーステナイト系ステンレス鋼溶接金属組成からなる円筒部材を被溶接部材とする。

【0035】

図２は実施例２のＮｉ合金の肉盛溶接方法を示す模式図である。図２に示すように、低合金鋼の被溶接部材１の表面に行われる肉盛溶接２において、Ｎｉ基合金（５２合金系）を用い、消耗型電極肉盛溶接工法による１層目の溶接により溶接ビード２－１を形成したときには、溶接熱により母材に形成された熱影響部の硬化域の幅を小さく抑えるため、希釈率を２．５％～１０％とした。このようにすることで、硬化域の幅を１．２ｍｍ～１．６ｍｍに減少することができた。溶接条件は、溶接速度１７を３００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接電流１６を２００Ａ以上、ワイヤ送給速度を８．７ｍ／ｍｉｎ以上とした。

【0036】

２層目の溶接により溶接ビード２－２を形成したときには、１層目の溶接ビード２－１に形成された硬化域が焼き戻されるため、２層目溶接ビード２－２の溶接電流の範囲を２００Ａ～２５０Ａとし、積層高さを２．０ｍｍ～３．０ｍｍとし、１層目溶接ビード２－１肉盛層の表層の凹凸の影響がないように、溶け込みが１ｍｍ以上になるような条件を採用した。溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ～３００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤ送給速度を８．７ｍ／ｍｉｎ～１０．５ｍｍ／ｍｉｎ以上とした。

【0037】

図３Ａは実施例２において２層目溶接ビード２－２を施工した後のＨＡＺ部の硬さ分布を示すグラフであり、図３Ｂは図３ＡのＡ－Ｂ付近の断面観察写真である。溶接ビード２－２の端部の溶け込みがやや深くなったため、硬さは４００ＨＶを超過する場所があるが、その他の硬さは３５０ＨＶ以下であることが確認された。

【0038】

３層目溶接ビード２－３以降の溶接条件は２層目の溶接条件と同一である。３層目の溶接ビード２－３を形成したときには、溶接の入熱により発生する焼き戻し域により、上記１層目の溶接ビード２－１に形成された硬化域が完全に焼き戻され、ＨＡＺの硬さは３５０Ｈｖ以下であると考えられる。

【0039】

本実施例では、溶接用シールドガスを１００％不活性ガスＡｒガスとし、良好な外観および内部に欠陥がない、低合金鋼の被溶接部材の希釈率１５を２．５％～１０％とする肉盛溶接金属が得られた。