JP3165582B2

JP3165582B2 - ボロン添加ステンレス鋼用溶接材料及び溶接方法

Info

Publication number: JP3165582B2
Application number: JP08525794A
Authority: JP
Inventors: 好宏多田; 重　　隆司; 幸博河合; 正明中村; 繁松元; 勝成大園
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1994-04-01
Publication date: 2001-05-14
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JPH07268564A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボロン（Ｂ）添加ステ
ンレス鋼の溶接に適用される溶接材料に関し、特に、核
燃料貯蔵容器や核燃料移送容器の溶接に適した溶接材
料、及び、その溶接材料を用いる溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボロンは材料の溶接性に対して有害な元
素であるところから、ボロン添加ステンレス鋼を溶接す
るのに用いる溶接材料にも、一般的に、ボロンを含まな
い溶接材料が使用されてきた。しかし、溶接時に、母材
希釈によって母材中のボロンが溶接金属中に溶け込んで
溶接割れを発生することがある。この溶接割れは、溶接
金属中に溶け込んだボロンが鉄やニッケルと低融点の共
晶金属を作り、これが凝固時の収縮応力によって開口す
るためと考えられる。

【０００３】そこで、溶接割れを防止するＢ添加ステン
レス鋼用溶接棒として、Ｂが0.4 〜0.7 wt％、Ｓが0.01
5 wt％以下、Ｐが0.035 wt％以下であるオーステナイト
系ステンレス鋼組成が提案された（特開平５─６９１８
６号公報参照）。上記の溶接棒は、溶接割れを防止する
効果はあるものの、溶接金属中のボロンがクロムと反応
してホウ化物（ボライド）を生成し易くなるので、その
周辺ではクロムが消費され、耐食性が低下する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記の欠点を解消し、溶接割れを防止するとともに、耐食
性の劣化を防止できるボロン添加ステンレス鋼用溶接材
料を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、(1) Ｂ添加ス
テンレス鋼用溶接材料において、Ｃ＝0.01〜0.08wt％、
Ｓｉ＝0.10〜0.65wt％、Ｍｎ＝1.0 〜2.5 wt％、Ｐ＝0.
01〜0.03wt％、Ｓ＝0.001 〜0.03wt％、Ｎｉ＝9.0 〜1
1.0wt％、Ｃｒ＝19.5〜25.0wt％、Ｂ＝0.1 〜1.3 wt
％、Ｍｏ＝0.1 〜1.5 wt％、Ｆｅ＝残部、及び、不可避
不純物を含有することを特徴とするＢ添加ステンレス鋼
用溶接材料、及び、(2) 上記(1) 記載の溶接材料を用
い、Ｂ含有ステンレス鋼継手を溶接し、溶融金属のマト
リックス中のＣｒとＭｏの含有量が下記式を満たすこと
を特徴とする溶接方法。Ｃｒ＋２Ｍｏ≧17.5wt％、Ｃｒ＋３Ｍｏ≧18.5wt％

【０００６】

【作用】Ｂ添加ステンレス鋼をＢを含有しない従来の溶
接材料で溶接すると、溶接時に母材を溶かすため、約20
〜30wt％の母材成分が溶接金属中に入ってくる。Ｂ添加
ステンレス鋼のＢ含有量は、数％以下であるため、溶接
金属中に入ってくるＢ量は微量であるが、逆に微量であ
るために、溶接金属が凝固するときに凝固中の金属間に
のみ集められ、融点が低いために周囲が凝固を完了して
も、融液で残留する時点がある。この時に周囲の凝固収
縮歪みが加わって開口し、割れに至る。

【０００７】そこで、本発明では、溶接材料に積極的に
Ｂを添加して、溶接金属中のＢ量を増加させることによ
り、Ｂをほぼ均等に散在させ、かつ、溶接時にＢ−Ｆ
ｅ、Ｂ−Ｎｉ等の低融点金属が多量に生成され、凝固時
の収縮歪みによる開口部への融液補填が十分になされ、
その結果、溶接割れを防止することができる。

【０００８】他方、溶接金属の耐食性は主にＣｒによっ
て確保されているが、材料中のＢが溶接中にＣｒと反応
してボライト（Ｃｒ₂Ｂ）を生成するため、その周辺の
Ｃｒが消費されてＣｒ含有量が減少し、耐食性が低下す
る原因となる。そこで、本発明では、Ｂ添加に伴う耐食
性低下をＭｏの添加により補い、溶接割れと耐食性の低
下を同時に防止することに成功した。

【０００９】本発明のＢ添加ステンレス鋼用溶接材料の
各成分の添加理由を説明すると下記のとおりである。Ｃ
の添加量は、0.01〜0.08wt％の範囲、好ましくは0.01〜
0.05wt％の範囲、より好ましくは0.01〜0.03wt％の範囲
である。0.01wt％を下回ると、強度が低くなり過ぎ、0.
08wt％を上回ると、耐食性が悪くなるので好ましくな
い。

【００１０】Ｓｉの添加量は、0.10〜0.65wt％の範囲、
好ましくは0.15〜0.40wt％の範囲、より好ましくは0.20
〜0.30wt％の範囲である。0.10wt％を下回ると、脱酸効
果が十分でなく、0.65wt％を上回ると、溶接割れが出や
すくなるので好ましくない。

【００１１】Ｍｎの添加量は、1.0 〜2.5 wt％の範囲、
好ましくは1.5 〜2.5 wt％の範囲、より好ましくは1.5
〜2.3 wt％の範囲である。1.0 wt％を下回ると、脱酸効
果及び強度が十分でなく、2.5 wt％を上回ると、強度が
上がり過ぎるため好ましくない。

【００１２】Ｐの添加量は、0.01〜0.03wt％の範囲、好
ましくは0.01〜0.02wt％の範囲、より好ましくは0.01〜
0.015 wt％の範囲である。溶接割れを防止するためには
できるだけ少ない方がよいが、オーステナイト系ステン
レス鋼での実績から、0.03wt％以下にするのが好まし
く、コスト面及び一般の溶接材料の実績から、0.01wt％
以上が好ましい。

【００１３】Ｓの添加量は、0.001 〜0.03wt％の範囲、
好ましくは0.001 〜0.005 wt％の範囲、より好ましくは
0.001 〜0.003 wt％の範囲である。溶接割れを防止する
ためにはできるだけ少ない方がよいが、オーステナイト
系ステンレス鋼での実績から、0.03wt％以下にするのが
好ましく、コスト面及び一般の溶接材料の実績から、0.
001wt ％以上が好ましい。

【００１４】Ｎｉの添加量は、9.0 〜11.0wt％の範囲、
好ましくは9.5 〜11.0wt％の範囲、より好ましくは10.0
〜11.0wt％の範囲である。耐食性を確保するために、9.
0 wt％以上の添加が必要であり、コストを抑え、線引き
加工性を劣化させないためには、11.0wt％以下にするの
が好ましい。

【００１５】Ｃｒの添加量は、19.5〜25.0wt％の範囲、
好ましくは20.5〜25.0wt％の範囲、より好ましくは21.5
〜25.0wt％の範囲である。耐食性を確保するために必要
な成分であり、全面腐食及び隙間腐食を防止するため
に、Ｍｏ量との関連で決定することが好ましいが、コス
ト面からＪＩＳ規格に沿って19.5wt％以上とし、線引き
加工性を損なわない範囲である25.0wt％以下とすること
が好ましい。

【００１６】Ｍｏの添加量は、0.1 〜1.5 wt％の範囲、
好ましくは0.5 〜1.5 wt％の範囲、より好ましくは0.8
〜1.2 wt％の範囲である。Ｃｒと同様に耐食性を左右す
る成分であり、特に塩素に対して有効である。上限の1.
5 wt％は、最も厳しい場合の母材の最大Ｂ量（1.3 wt
％）が溶接金属中に入るときの有効Ｃｒの減少量〔約3.
3 wt％（1.3 ×2.5 ）〕をＭｏで補うように設定した。
また、下限値の0.1 wt％は、通常の溶接時の母材希釈に
より、溶接金属中に入る母材からのＢ量（約0.3wt％）
をＭｏで補うように設定した。

【００１７】Ｂの添加量は、0.1 〜1.3 wt％の範囲、好
ましくは0.2 〜1.0 wt％の範囲、より好ましくは0.3 〜
1.0 wt％の範囲である。0.1 wt％を下回ると、溶接割れ
が発生し易く、1.3 wt％は母材の上限値であり、母材希
釈においてもこれ以上にする必要はなく、溶接割れも発
生しない範囲として設定した。

【００１８】特に、ＣｒとＭｏの添加量については、Ｃ
ｒ＋２Ｍｏ≧17.5wt％で、かつＣｒ＋３Ｍｏ≧18.5wt％
の範囲とすることにより、上記の効果をより確実なもの
にすることができる。なお、全面腐食速度は（Ｃｒ＋２
Ｍｏ）の量に整理することができ（幸英昭、長野博夫著
「住友金属」Vol.41,No.3 (1989.7), 第 377頁第７図参
照）、すき間腐食減量は（Ｃｒ＋３Ｍｏ）の量に整理す
ることができる。（幸英昭、長野博夫著「防食技術」Vo
l.37,No.12 (1988.12), 第 729頁第９図及び第10図参
照)

【００１９】なお、本発明の溶接材料を適用するのに適
したＢ添加ステンレス鋼の組成の例を示すと次のとおり
である。Ｃ＝0.015 〜0.08wt％、Ｓｉ＝0.2 〜0.6 wt％、Ｍｎ＝
1.2 〜2.0 wt％、Ｐ＝0.015 〜0.03wt％、Ｓ＝0.001 〜
0.002wt ％、Ｎｉ＝9.1 〜13.5wt％、Ｃｒ＝19.6〜24.5
wt％、Ｂ＝0.5 〜1.3 wt％、Ｍｏ＝0.01〜0.2 wt％、Ｆ
ｅ＝残部。

【００２０】

【実施例】（実施例１）Ｂを添加したＢ−ＳＵＳ３０４鋼（表１の鋼２〜鋼８）
と、Ｂを添加していないＳＵＳ３０４鋼（表１の鋼１）
のＢ添加量を変化させた溶接材料（表２のａ材〜ｆ材）
を使用してティグ溶接ですみ肉溶接し、溶接割れを調べ
て図１に示した。なお、表１中の鋼５、鋼７及び鋼８は
化学組成、及び／又はマトリックス中の（Ｃｒ＋２Ｍ
ｏ）及び（Ｃｒ＋３Ｍｏ）が本発明の範囲を外れた比較
例である。図１から明らかなように、Ｂ＝0.1 〜1.5 wt
％の間で溶接割れが発生しないことが分かる。なお、割
れの原因は溶接時に生成される低融点の共晶金属による
ものであり、Ｂを含むステンレス鋼が生ずることが知ら
れている（「ステンレス鋼便覧」第３５４頁参照）。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】（実施例２）次に、Ｂ添加ステンレス鋼Ｂ−ＳＵＳ３０４（化学組成
がC:0.013, Si:0.39,Mn:1.61, P:0.031, S:0.002, Ni:
10.08, Cr:19.59, B:0.58, Mo:0.49 ）の表面に、Ｂ未
添加ステンレス鋼ＳＵＳ３０４（表１の鋼１）を垂直に
立て、Ｂ 0.12wt％及びＭｏ 0.62 wt％を含有する溶接
材料（表２のｂ材）、並びにＢ及びＭｏを添加していな
い溶接材料（表２のａ材）を用いてすみ肉溶接を行い、
溶接金属の断面を顕微鏡で調べた。

【００２４】図２は、Ｂ及びＭｏを含有する溶接材料ｂ
材を用いた溶接金属の３倍、１００倍及び５００倍の顕
微鏡写真である。この写真から明らかなように、溶接割
れを認めることはできなかった。また、図３は、Ｂ及び
Ｍｏ未添加の溶接材料ａ材を用いた溶接金属の５倍、１
００倍及び５００倍の顕微鏡写真である。この写真から
明らかなように、溶接割れが認められた。

【００２５】（実施例３）表１記載の材料を用い、同じ
材料から切出した線材を溶接材料とし、ティグ溶接によ
り電流 100±5 Ａ、電圧10±2 Ｖ、速度 8±2 cm／min
の条件で溶接した溶接継手から機械加工により採取した
試験片を、オートクレーブ中の試験液（蒸留水＋2200pp
m Ｂ＋ 500ppm Ｃｌ^-1）に浸漬し、試験液面が空気と触
れて試験液中に自由に空気が入り得る状態（空気飽和と
いう）を保持し、試験温度を80℃、試験時間を 720時間
として全面腐食速度試験を行い、その結果を図４に示し
た。図４から明らかなように、マトリックス中の（Ｃｒ
＋２Ｍｏ）量が、17.5wt％以上の場合は、実質的に全面
腐食が発生しないことが分かる。

【００２６】なお、図４の横軸は、マトリックス中の
（Ｃｒ＋２Ｍｏ）量を採用した。ボライト（Ｃｒ₂Ｂ）
生成に伴うＣｒの減少量は、Ｂの添加量の約２．５倍で
あるところから、表１のＢ量の２．５倍のＣｒがボライ
ト中に存在すると推定し、マトリックス中のＣｒ量は、
溶接材料中のＣｒ量からボライト中のＣｒ量を引いた値
として表１に示した。このマトリックス中のＣｒ量と溶
接材料中のＭｏ量から、（Ｃｒ＋２Ｍｏ）量を求めた。
また、図４中、表１の溶接材料３については４回の実験
結果を示し、溶接材料６は３回、その他の溶接材料は２
回の実験結果を併記した。

【００２７】（実施例４）実施例３と同じ条件で作製し
た試験片を使用して同じ条件ですき間腐食減量試験を行
い、その結果を図５に示した。図５から明らかなよう
に、マトリックス中の（Ｃｒ＋３Ｍｏ）量が、18.5wt％
以上の場合は、実質的にすき間腐食が発生しないことが
分かる。なお、図５の横軸は、マトリックス中の（Ｃｒ
＋３Ｍｏ）量を採用した。算出法は実施例３に準じて行
った。また、図５中、表１の溶接材料はそれぞれ２回の
実験結果を示した。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、上記の構成を採用することに
より、溶接割れと耐食性を確保できる溶接材料の提供が
可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に係る溶接金属中のＢ量と割れの関係
を示した図である。

【図２】実施例２でＢ及びＭｏを含有する溶接材料を用
いた溶接部の組織図である。

【図３】実施例２でＢ及びＭｏを含有しない溶接材料を
用いた溶接部の組織図である。

【図４】実施例３で全面腐食速度とマトリックス中の
（Ｃｒ＋２Ｍｏ）量の関係を示した図である。

【図５】実施例４ですき間腐食減量とマトリックス中の
（Ｃｒ＋３Ｍｏ）量の関係を示した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河合幸博兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者中村正明兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者松元繁兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者大園勝成兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (56)参考文献特開平５−69186（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−202993（ＪＰ，Ａ) 特開平４−157090（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｂ添加ステンレス鋼用溶接材料におい
て、Ｃ＝0.01〜0.08wt％、Ｓｉ＝0.10〜0.65wt％、Ｍｎ
＝1.0 〜2.5 wt％、Ｐ＝0.01〜0.03wt％、Ｓ＝0.001 〜
0.03wt％、Ｎｉ＝9.0 〜11.0wt％、Ｃｒ＝19.5〜25.0wt
％、Ｂ＝0.1 〜1.3 wt％、Ｍｏ＝0.1 〜1.5 wt％、Ｆｅ
＝残部、及び、不可避不純物を含有することを特徴とす
るＢ添加ステンレス鋼用溶接材料。
【請求項２】請求項１記載の溶接材料を用い、Ｂ含有
ステンレス鋼継手を溶接し、溶融金属のマトリックス中
のＣｒとＭｏの含有量が下記式を満たすことを特徴とす
る溶接方法。Ｃｒ＋２Ｍｏ≧17.5wt％Ｃｒ＋３Ｍｏ≧18.5wt％