特開 2024-43075 溶接後熱処理方法

(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】P2024043075

(43)【公開日】2024-03-29

(54)【発明の名称】溶接後熱処理方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 31/00 20060101AFI20240322BHJP

   B23K 9/23 20060101ALI20240322BHJP

   C21D 9/50 20060101ALI20240322BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20240322BHJP

   C22C 38/44 20060101ALI20240322BHJP

【ＦＩ】

B23K31/00 B

B23K31/00 F

B23K9/23 B

C21D9/50 101B

C22C38/00 302Z

C22C38/44

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022148061

(22)【出願日】2022-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井上 亮

(72)【発明者】

【氏名】藤原 亮太

【テーマコード（参考）】

4E001

4K042

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001CA03

4K042AA24

4K042BA01

4K042BA02

4K042BA03

4K042BA05

4K042BA08

4K042BA10

4K042BA11

4K042CA07

4K042CA08

4K042CA10

4K042CA16

4K042DA01

4K042DA02

4K042DA06

4K042DC02

4K042DC03

4K042DD05

4K042DE02

4K042DE03

4K042DE04

4K042EA01

(57)【要約】

【課題】ＳＣＳ６系マルテンサイトステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接部において水素脆化を抑制する為に硬度を抑えつつ強度を確保すること。
【解決手段】ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６系のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接後熱処理方法であって、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下とする。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６系のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接後熱処理方法であって、
熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下とする、溶接後熱処理方法。

【請求項2】

前記成形部材は、ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなり、
熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈとする、請求項１に記載の溶接後熱処理方法。

【請求項3】

熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈに設定し、
ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６系すべてのマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接後熱処理を行う、請求項１に記載の溶接後熱処理方法。

【請求項4】

溶接熱影響部のビッカース硬度ＨＶが３５０未満となる熱処理温度Ｔおよび熱処理保持時間ｔとする、請求項１に記載の溶接後熱処理方法。

【請求項5】

前記成形部材は、筒状の接続部を有し、
溶接後熱処理の際に、前記接続部の歪みを防止する支持冶具を用いる、請求項１に記載の溶接後熱処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、溶接後熱処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、マルテンサイト系ステンレス鋼材溶接部の形成方法について記載されている。この形成方法は、マルテンサイト系ステンレス鋼材に溶接を施して溶接部を形成するに当り、溶接後に、溶接部に、下記（１）式で定義されるＰ１が１５５００以上、下記（２）式で定義されるＰ２が０以下を満足し、かつ溶接後熱処理保持時間ｔが６０～１０００ｓの範囲内である溶接後熱処理を施すことを特徴とする耐粒界応力腐食割れ性および耐水素脆化性に優れた溶接熱影響部を有する。
Ｐ１=（Ｔ＋２７３）（２０＋ｌｏｇ（ｔ／３６００））・・・（１）
Ｐ２＝２０ｌｏｇｔ+Ｔ－（Ａ１＋１２０）・・・（２）
Ｔ：溶接後熱処理温度（℃）
ｔ：溶接後熱処理保持時問（ｓ）
Ａ１：１００体積％マルテンサイト組織としたのち加熱し２０秒間保持したときに１体積％以上オーステナイト相が形成される下限温度（℃）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－３２１１８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、例えば、一般ポンプおよび原子力ポンプの主要材質として、ＳＣＳ６系をベースとした材料であるマルテンサイト系ステンレス鋳鋼が使用されている。近年、ポンプの高出力化、コンパクト化の要望が増加しており、強度面での信頼性を確保するため特に高強度なＳＣＳ６ＸＱＴ２（ＪＩＳ Ｇ５１２１）を採用する場合がある。また、上記材質は、鋳造品であることから鋳物欠陥の発生は避けられず、製品形状が仕上がった状態において溶接補修が必要となる可能性がある。この場合、溶接補修を実施するにあたっては、高硬度（３５０ＨＶ以上）材特有の水素脆化発生リスクを抑えるため、厳格な硬度管理に配慮した溶接手法の適用が求められる。

【0005】

本開示は、上述した課題を解決するものであり、ＳＣＳ６系マルテンサイトステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接部において、水素脆化を抑制する為に硬度を抑えつつ強度を確保することのできる溶接後熱処理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】

【0006】

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る溶接後熱処理方法は、ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６系のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接後熱処理方法であって、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下とする。

【発明の効果】

【0007】

本開示は、ＳＣＳ６系マルテンサイトステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接部において水素脆化を抑制する為に硬度を抑えつつ強度を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態の溶接後熱処理方法の適用例の成形部材の説明図である。

【図2】図２は、成形部材をなすマルテンサイト系ステンレス鋳鋼の化学成分を示す図表である。

【図3】図３は、成形部材をなすマルテンサイト系ステンレス鋳鋼の機械的性質および熱処理温度を示す図表である。

【図4】図４は、実施形態の溶接後熱処理方法のフローチャートである。

【図5】図５は、支持冶具を示す概略図である。

【図6】図６は、ＳＣＳ６ＸＱＴ２の熱処理結果を示す図表である。

【図7】図７は、ＳＣＳ６の熱処理結果を示す図表である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

【0010】

図１は、実施形態の溶接後熱処理方法の適用例の成形部材の説明図である。

【0011】

実施形態の溶接後熱処理方法では、成形部材Ｗについて熱処理が実施される。かかる成形部材Ｗは、図１に例示する給水ポンプ１０１において、本体ケーシング１０１Ａに接続される吸込ケーシング１０１Ｂや吐出ケーシング１０１Ｃである。給水ポンプ１０１は、複数の筒状の部品が組み込まれてなる本体ケーシング１０１Ａの内部に羽根車およびディフューザが配置され、当該本体ケーシング１０１Ａの軸方向の両側に吸込ケーシング１０１Ｂおよび吐出ケーシング１０１Ｃがそれぞれ接続される。吸込ケーシング１０１Ｂは、外部に向けて吸込口１０１Ｂａが形成され、本体ケーシング１０１Ａと接続される円筒状の接続部１０１Ｂｂが設けられる。吐出ケーシング１０１Ｃは、外部に向けて吐出口１０１Ｃａが形成され、本体ケーシング１０１Ａと接続される円筒状の接続部１０１Ｃｂが設けられる。吸込ケーシング１０１Ｂおよび吐出ケーシング１０１Ｃは、羽根車の回転軸１０１Ｄが貫通し、外側に軸受を有するシール部１０１Ｅが取り付けられる。従って、給水ポンプ１０１は、回転軸１０１Ｄが回転駆動されると、吸込ケーシング１０１Ｂの吸込口１０１Ｂａから吸い込まれた水が本体ケーシング１０１Ａの内部を介して吐出ケーシング１０１Ｃの吐出口１０１Ｃａから吐出され、給水を行う。

【0012】

このように例示した吸込ケーシング１０１Ｂや吐出ケーシング１０１Ｃとして構成される成形部材Ｗは、ＪＩＳ Ｇ５１２１ ＳＣＳ６系（以下ＳＣＳ６系と言う）をベースとした材料であるマルテンサイト系ステンレス鋳鋼が主要材質として使用される。具体的に、ＳＣＳ６系のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼は、ＪＩＳ Ｇ５１２１ ＳＣＳ６（以下ＳＣＳ６と言う）や、より高硬度のＪＩＳ Ｇ５１２１ ＳＣＳ６ＸＱＴ２（以下ＳＣＳ６ＸＱＴ２と言う）を含む。

【0013】

ここで、ＳＣＳ６系であるＳＣＳ６ＸＱＴ２やＳＣＳ６は、比重７．７５を基準として、図２に示す化学成分を含み、図３に示す熱処理条件により生成され図３に示す機械的性質を有する。従って、ＳＣＳ６系であるＳＣＳ６ＸＱＴ２やＳＣＳ６は、図２に示す化学成分、熱処理条件、機械的性質によって特定される。

【0014】

吸込ケーシング１０１Ｂや吐出ケーシング１０１Ｃは、鋳造品であることから鋳物欠陥の発生は避けられず、製品形状が仕上がった状態において溶接補修が必要となる可能性がある。溶接補修を実施するにあたって、高硬度（３５０ＨＶ以上）材特有の水素脆化発生リスクを抑えるため、補修溶接後に熱処理を施す。

【0015】

図４に示すように、実施形態の溶接後熱処理方法は、ステップＳ１において、支持冶具１０（図５参照）を成形部材Ｗに取り付け、ステップＳ２，Ｓ３において、熱処理温度Ｔ（℃）および熱処理保持時間ｔ（ｈ）を設定して、ステップＳ４において、熱処理を実施する。

【0016】

支持冶具１０は、成形部材Ｗの溶接後熱処理における歪みを防止するためのものである。支持冶具１０は、図５に示すように、補修溶接箇所が吸込ケーシング１０１Ｂや吐出ケーシング１０１Ｃにおいて筒状で比較的薄肉の接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂである場合、筒内から内側への接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂの歪みを抑えるように構成される。支持冶具１０は、支持環１０Ａと、支持棒１０Ｂと、を含む。支持環１０Ａは、接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂの内側に配置される大きさのリング状に形成される。支持棒１０Ｂは、支持環１０Ａの外側に向けて複数（実施形態では８つ）が等間隔で放射状に配置される。支持棒１０Ｂは、支持環１０Ａに基端が固定される管状の鞘部１０Ｂａと、鞘部１０Ｂａの環状の先端に固定されるナット１０Ｂｂと、ナット１０Ｂｂに捩じ込まれて鞘部１０Ｂａに内装され放射方向に移動可能に設けられるボルト１０Ｂｃと、を有する。支持棒１０Ｂは、ボルト１０Ｂｃを回転させることで、鞘部１０Ｂａおよびナット１０Ｂｂに対するボルト１０Ｂｃの捩じ込み位置が変化し、ボルト１０Ｂｃの頭部が接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂの内面に当接または離隔する。従って、支持冶具１０は、各支持棒１０Ｂのボルト１０Ｂｃの頭部を接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂの内面に当接させ、接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂが内側に歪みを生じないように成形部材Ｗに取り付けられる。

【0017】

溶接後熱処理では、当該処理後において、引張強さ（ＭＰａ）、耐力（ＭＰａ）、ブリネル硬さ（ＨＢ）がＪＩＳ Ｇ５１２１における規定値を満足する必要がある。なお、材種（例えば、ＳＣＳ６ＸＱＴ２）によってはＪＩＳ上での硬さ指定はない。

【0018】

成形部材ＷがＳＣＳ６ＸＱＴ２からなる場合、図６に示す熱処理結果から、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを１０．２ｈ以上２８．２ｈ以下に設定する。

【0019】

一方、成形部材ＷがＳＣＳ６からなる場合、図７に示す熱処理結果から、熱処理温度Ｔは５４０℃、熱処理保持時間ｔを７．１ｈに設定する。または、成形部材ＷがＳＣＳ６からなる場合、図７に示す熱処理結果から、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下に設定する。

【0020】

従って、これらＳＣＳ６ＸＱＴ２およびＳＣＳ６を含むＳＣＳ６系からなる成形部材Ｗの場合、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下に設定する。この結果、実施形態の溶接後熱処理方法は、ＳＣＳ６系の溶接部において水素脆化を抑制する為に硬度を抑えつつ強度を確保できる。

【0021】

ここで、図６および図７に示す熱処理結果から、ＳＣＳ６ＸＱＴ２およびＳＣＳ６を含むＳＣＳ６系において、共に同じになるように熱処理温度Ｔ、熱処理保持時間ｔを設定することで、ＳＣＳ６系において同じ設定で溶接後熱処理が行える。従って、実施形態の溶接後熱処理方法では、ＳＣＳ６ＸＱＴ２およびＳＣＳ６のそれぞれにおいて、図６および図７に示す熱処理結果から、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈに設定することが好ましく、設定を容易にして汎用性を得ることができる。このため、実施形態の溶接後熱処理方法では、ＳＣＳ６ＸＱＴ２からなる成形部材Ｗ、およびＳＣＳ６からなる成形部材Ｗであっても、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈに設定する。即ち、ＳＣＳ６からなる成形部材Ｗに対し、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈに設定することで、ＳＣＳ６ＸＱＴ２からなる成形部材Ｗに対しても溶接後熱処理を実施できる。この結果、実施形態の溶接後熱処理方法は、ＳＣＳ６系のすべてに対し、溶接部において水素脆化を抑制する為に硬度を抑えつつ強度を確保できる。

【0022】

また、実施形態の溶接後熱処理方法では、ビッカース硬度ＨＶが３５０未満となる熱処理温度Ｔおよび熱処理保持時間ｔとすることが好ましい。図６および図７に示す熱処理結果から、溶接熱影響部ＨＡＺ（Heat Affected Zone）のビッカース硬度ＨＶが３５０未満となるように、熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下に設定する。この結果、実施形態の溶接後熱処理方法は、ＳＣＳ６系の溶接部において水素脆化を抑制する為に硬度を抑えつつ強度を確保できる。

【0023】

また、実施形態の溶接後熱処理方法では、成形部材Ｗは、筒状の接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂを有し、溶接後熱処理の際に、接続部１０１Ｂｂ，１０１Ｃｂの歪みを防止する支持冶具１０を用いる。この溶接後熱処理方法によれば、支持冶具１０を用いることで、溶接による歪みの発生を抑制できる。

【0024】

本開示は以下の発明を包含する。
［発明１］
ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６系のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接後熱処理方法であって、
熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈ以上２５．１ｈ以下とする、溶接後熱処理方法。
［発明２］
前記成形部材は、ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６のマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなり、
熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈとする、発明１に記載の溶接後熱処理方法。
［発明３］
熱処理温度Ｔを５２５℃、熱処理保持時間ｔを２０ｈに設定し、
ＪＩＳ Ｇ ５１２１ ＳＣＳ６系すべてのマルテンサイト系ステンレス鋳鋼からなる成形部材の溶接後熱処理を行う、発明１に記載の溶接後熱処理方法。
［発明４］
溶接熱影響部のビッカース硬度ＨＶが３５０未満となる熱処理温度Ｔおよび熱処理保持時間ｔとする、発明１から３のいずれか１つに記載の溶接後熱処理方法。
［発明５］
前記成形部材は、筒状の接続部を有し、
溶接後熱処理の際に、前記接続部の歪みを防止する支持冶具を用いる、発明１から４のいずれか１つに記載の溶接後熱処理方法。

【符号の説明】

【0025】

１０ 支持冶具
１０１Ｂｂ 接続部
１０１Ｃｂ 接続部
Ｗ 成形部材（１０１Ｂ 吸込ケーシング、１０１Ｃ 吐出ケーシング）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】