オーステナイト系ステンレス鋼の溶接特性と溶接棒の選定

オーステナイト系ステンレス鋼は溶接性に優れ、現在最も広く使用されている。一般的に、溶接時に特別な技術的対策は必要とされない。本論文では、高温割れ、粒界腐食、応力腐食割れ、溶接継手の脆化（低温脆化、シグマ相脆化、溶融線脆化）の原因と予防策の発生を詳細に分析する。

溶接特性の理論的および実践的な分析を通じて、さまざまな材料やさまざまな作業環境条件でのオーステナイト系ステンレス鋼の溶接における電極選択の原則と方法を紹介します。

ステンレス鋼は、航空、石油、化学、原子力産業でますます広く使用されています。ステンレス鋼は、化学成分に応じてクロムステンレス鋼、クロムニッケルステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト-フェライト二相ステンレス鋼に分類されます。

ステンレス鋼の中でも、オーステナイト系ステンレス鋼（18-8 型ステンレス鋼）は、他のステンレス鋼に比べて耐食性に優れ、強度は低いですが、可塑性と靭性に優れ、溶接性も良好で、主に化学薬品の容器、設備などに使用されています。現在、産業界で最も広く使用されているステンレス鋼です。

オーステナイト系ステンレス鋼には多くの利点がありますが、溶接プロセスが間違っていたり、溶接材料が不適切に選択されていたりすると、多くの欠陥が発生し、最終的には性能に影響を及ぼします。

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接特性

• 熱割れを起こしやすい

オーステナイト系ステンレス鋼の高温割れは、溶接部の縦割れ、横割れ、バリ割れ、裏打ち溶接のルート割れ、多層溶接の層間割れなど、溶接中に比較的簡単に欠陥が発生します。特にニッケル含有量が比較的高い場合、高オーステナイト系ステンレス鋼の方が発生しやすいです。

1. 原因

（１）オーステナイト系ステンレス鋼の液相線と固相線の間隔が大きく、結晶化時間が長く、単相オーステナイトの結晶配向が強いため、不純物の偏析が比較的深刻である。

（２）熱伝導率が小さく線膨張係数が大きいため、溶接時に大きな溶接内部応力（通常は溶接部と熱影響部の引張応力）が発生します。

（３）オーステナイト系ステンレス鋼の成分、例えばC、S、P、Niなどは溶融池内で低融点共晶を形成します。例えば、SとNiから形成されるNi3S2の融点は645度ですが、Ni-Ni3S2共晶の融点は625度しかありません。

2. 予防策

（１）二相構造溶接部を用いて、溶接金属を可能な限りオーステナイトとフェライトの二相構造とし、オーステナイト柱状結晶の方向を乱す可能性があるフェライト含有量を３～５％以下に制御して結晶粒を微細化します。また、フェライトはオーステナイトよりも多くの不純物を溶解できるため、オーステナイト粒界における低融点共晶の偏析が減少します。

（２）溶接工程対策 溶接工程では、アルカリコーティングを施した高品質の電極を使用し、線エネルギー、電流、高速無揺動溶接を採用し、端部のアークピットを埋めるようにし、底付けにはアルゴンアーク溶接を使用するなどして、溶接応力とクレーター割れを低減します。

（３）化学成分の管理溶接部中のSやPなどの不純物含有量を厳しく制限し、低融点共晶を低減する。

• 粒界腐食

腐食は粒子間で発生し、その結果、粒子間の結合が失われ、強度がほぼ完全に失われ、応力がかかったときに粒界に沿って破壊が発生します。

1. 原因

クロムの枯渇理論によれば、溶接部および熱影響部が450～850度の鋭敏化温度（危険温度域）まで加熱されると、Crの原子半径が大きいため、拡散速度が小さく、過飽和炭素がオーステナイト粒界に拡散し、粒界のクロム化合物とCr23C6を形成し、クロムの乏しい粒界となり、耐腐食性が不十分となる。

2. 予防策

（１）炭素含有量の制御

低炭素または極低炭素（W(C)が0.03%以下）のステンレス鋼溶接材料を使用します。A002など。

（２）安定剤を加える

鋼材や溶接材料に、CrよりもCとの親和性が強いTi、Nbなどの元素を添加すると、Cと結合して安定した炭化物を形成し、オーステナイト粒界でのクロムの枯渇を回避できます。一般的に使用されるステンレス鋼や溶接材料には、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12MO2Ti鋼、E347-15電極、H0Cr19Ni9Ti溶接ワイヤなど、Ti、Nbが含まれています。

（３）双方向組織を採用する

Cr、Si、AL、MOなどのフェライト形成元素は、溶接ワイヤまたは電極によって溶接部に一定量溶け込み、溶接部はオーステナイト+フェライトの二相組織になります。これは、フェライト中のCrの拡散速度がオーステナイト中の拡散速度よりも速いため、フェライト中のCrが粒界に拡散する速度が速くなり、オーステナイト粒界のクロムが枯渇する現象が緩和されるためです。一般に、溶接金属中のフェライト含有量は5％～10％に制御されます。フェライトが多すぎると、溶接部が脆くなります。

（４）急速冷却

オーステナイト系ステンレス鋼は硬化を引き起こさないため、溶接プロセス中に、銅製のバッキングプレートで冷却したり、溶接部の下に直接水をかけたりして、溶接継手の冷却速度を上げることができます。

溶接工程では、低電流、高溶接速度、短アーク、多パス溶接などの対策を講じることで、溶接継手が危険温度領域に留まる時間を短縮し、クロム欠乏領域の形成を回避できます。

（５）溶体化処理または均質化熱処理を行い、溶接後、溶接継手を1050-1100度に加熱して炭化物をオーステナイトに再溶解させ、その後急速に冷却して安定した単相オーステナイト組織を形成する。

さらに、850-900度で2時間の均質化熱処理も実行できます。このとき、オーステナイト粒内のCrは粒界に拡散し、粒界のCr含有量は再び12％以上に達し、粒が形成されなくなります。腐食されます。

• 応力腐食割れ

応力と腐食性媒体の複合作用による金属の腐食損傷。ステンレス鋼設備および部品の応力腐食割れ事例と実験研究によれば、一定の静的引張応力と一定の温度での特定の電気化学媒体の複合作用下では、既存のステンレス鋼に応力腐食が発生する可能性があると考えられます。

応力腐食の最大の特徴の 1 つは、腐食媒体と材料の組み合わせにおける選択性です。オーステナイト系ステンレス鋼は、主に塩化物イオンを含む塩酸と塩化物によって応力腐食が発生しやすく、硫酸、硝酸、水酸化物 (アルカリ)、海水、水蒸気、H2S 水溶液、濃 NaHCO3+NH3+NaCl 水溶液などの媒体でも応力腐食が発生しやすくなります。

1. 原因

応力腐食割れは、特定の腐食環境で溶接継手が引張応力を受けると発生する遅延割れ現象です。オーステナイト系ステンレス鋼溶接継手の応力腐食割れは、溶接継手の重大な破損形態であり、塑性変形のない脆性破損として現れます。

2. 予防策

（１）成形工程と組立工程を合理的に定式化し、冷間加工による変形の程度を最小限に抑え、無理な組立を避け、組立工程中の各種の傷を防止する（各種の組立傷やアーク焼けはSCCの亀裂源となり、腐食ピットを引き起こしやすい）。

（２）溶接材料の適切な選択溶接継手と母材は、結晶粒の粗大化や硬くて脆いマルテンサイトなどの不良組織がなく、良好な適合性を有する必要がある。

（３）適切な溶接工程を採用して、溶接継ぎ目が良好に形成され、応力集中やアンダーカットなどの孔食欠陥が生じないようにし、合理的な溶接順序を採用して溶接残留応力のレベルを下げます。例えば、十字溶接を避け、Y字型溝をX字型溝に変更し、溝角度を適切に小さくし、短い溶接ビードを使用し、小さな線エネルギーを使用します。

（４）溶接後の熱処理は、完全焼鈍や溶接後の焼鈍などの応力緩和処理として行われる。熱処理の実施が困難な場合には、溶接後のハンマー処理やショットピーニング処理が行われる。

（５）生産管理措置は、媒体中の不純物を制御する。例えば、液体アンモニア媒体中のO2、N2、H2O等、液化石油ガス中のH2S、塩化物溶液中のO2、Fe3+、Cr6+等、防錆処理（コーティング層、ライニング、陰極防食等）、腐食防止剤の添加等。

• 溶接継手の脆化

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部を高温で一定時間加熱すると、衝撃靭性が低下する現象が発生し、これを脆化といいます。

1. 溶接金属の低温脆化（475度脆化）

（１）原因

フェライト相を多く含む（15％以上20％）二相溶接構造は、350～500度に加熱すると、可塑性と靭性が著しく低下します。脆化速度は475度で最も速いため、475度脆化と呼ばれます。

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手の場合、耐食性や耐酸化性は必ずしも最も重要な特性ではありませんが、低温で使用する場合は、溶接金属の塑性靭性が重要な特性になります。

低温靭性の要求を満たすために、溶接構造では通常、デルタフェライトの存在を避けて単一のオーステナイト構造を得ることが望まれます。デルタフェライトの存在は常に低温靭性を低下させ、含有量が多いほど、この脆化は深刻になります。

（２）予防措置

①溶接金属の耐割れ性、耐食性を確保する前提として、フェライト相を5％程度に低く抑える必要があります。

②475度で脆化した溶接部は900度で焼入れすることで除去できます。

2. 溶接継手のシグマ相脆化

（１）原因

The long-term use of austenitic stainless steel welded joints in the temperature range of 375 to 875 ° C will produce an inter-FeCr compound called σ phase. The σ phase is hard and brittle (HRC>68).

σ相の析出により、溶接部の衝撃靭性が急激に低下します。これをσ相脆化といいます。σ相は一般的に二相構造の溶接部にのみ現れますが、使用温度が800～850度を超えると、単相オーステナイト溶​​接部にもσ相が析出します。

（２）予防措置

①溶接金属中のフェライト含有量を制限し（15％未満）、超合金溶接材料、すなわち高ニッケル溶接材料を使用し、Cr、Mo、Ti、Nbなどの元素の含有量を厳密に管理します。

② 高温での溶接金属の滞留時間を短縮するために小型仕様を採用

③析出したσ相は条件が許せば固溶化処理を施し、σ相をオーステナイト中に溶解させる。

④溶接部を1000-1050度に加熱し、その後急速に冷却します。1Cr18Ni9Ti鋼では一般にσ相は生成されません。

3. 融合ラインが脆い

（１）原因

オーステナイト系ステンレス鋼を高温で長時間使用すると、溶融ラインの外側のいくつかの結晶粒に沿って脆性破壊が発生します。

（２）予防及び管理措置

鋼に Mo を添加すると、鋼の高温脆性破壊に対する抵抗力が向上します。

上記の分析により、上記の溶接プロセス対策または溶接材料を適切に選択することによってのみ、上記の溶接欠陥を回避できます。オーステナイト系ステンレス鋼は溶接性に優れており、ほとんどすべての溶接方法がオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に使用できます。

各種溶接方法の中でも、電極アーク溶接は、さまざまな位置や板厚に適応できるという利点があり、広く使用されています。以下では、さまざまな用途におけるオーステナイト系ステンレス鋼電極の選択原則と方法を分析することに焦点を当てています。

オーステナイト系ステンレス鋼用電極選定のポイント

ステンレス鋼は主に耐食性に使用されますが、耐熱鋼や低温鋼としても使用されます。したがって、ステンレス鋼を溶接する場合、電極の性能はステンレス鋼の目的に一致する必要があります。ステンレス鋼電極は、母材と作業条件（作業温度、接触媒体などを含む）に応じて選択する必要があります。

（１）ポイント１

一般的に言えば、電極の選択は母材の材質を参考にし、母材と同じまたは類似の組成の電極を選択します。例えば、A102 は 0Cr18Ni9 に対応し、A137 は 1Cr18Ni9Ti に対応します。

（２）ポイント２

炭素含有量はステンレス鋼の耐食性に大きな影響を与えるため、一般的には、析出金属の炭素含有量が母材の炭素含有量より高くないステンレス鋼電極が選択されます。たとえば、316L の場合は A022 電極を使用する必要があります。

（３）ポイント３

オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属は機械的特性を確保する必要があります。これは溶接手順の認定によって検証できます。

（４）ポイント４（オーステナイト系耐熱鋼）

高温で作業する耐熱ステンレス鋼（オーステナイト系耐熱鋼）の場合、選択された電極は主に溶接金属の高温割れ耐性と溶接継手の高温性能を満たす必要があります。

1. 1Cr18Ni9Tiなど、Cr/Niが1以上のオーステナイト系耐熱鋼の場合、一般的にはオーステナイト系フェライト系ステンレス鋼電極が使用され、溶接金属には2-5%のフェライトが含まれることが望ましい。フェライト含有量が低すぎると、溶接金属の耐割れ性が悪くなり、高すぎると、高温での長期使用や熱処理中にシグマ脆化相が形成されやすく、割れが生じやすくなります。

A002、A102、A137 など。特殊な用途では、すべてオーステナイト系の溶接金属が必要な場合があり、A402、A407 電極などを使用できます。

2. Cr/Niを添加した安定したオーステナイト系耐熱鋼の場合<1, such as Cr16Ni25Mo6, etc., it is generally necessary to increase the Mo, W, Mn in the weld metal while ensuring that the chemical composition of the weld metal is approximately similar to that of the base metal. The content of such elements can improve the crack resistance of the weld while ensuring the thermal strength of the weld metal. Such as using A502, A507.

（５）ポイント５（耐食ステンレス鋼）

各種腐食性媒体で使用する耐食ステンレス鋼の場合、媒体と使用温度に応じて電極を選択し、耐食性を確保する必要があります（溶接継手の腐食性能試験を実施）。

1. 動作温度が300度以上で腐食性が強い媒体の場合は、TiまたはNb安定化元素を含む電極、または超低炭素ステンレス鋼を使用する必要があります。たとえば、A137またはA002などです。

2. 希硫酸や塩酸を含む媒体の場合、A032、A052など、MoまたはMoとCuを含むステンレス鋼電極がよく使用されます。

3. 腐食が弱い機器や錆による汚染を避けるだけの機器には、Ti や Nb を含まないステンレス鋼の電極を使用できます。溶接金属の耐応力腐食性を確保するために、超合金溶接材料が使用されます。つまり、溶接金属の耐腐食性合金元素 (Cr、Ni など) の含有量は母材よりも高くなります。たとえば、00Cr18Ni12Mo2 タイプの溶接材料 (A022 など) を使用して、00Cr19Ni10 溶接物を溶接します。

（６）ポイント６

低温条件下で作業するオーステナイト系ステンレス鋼の場合、使用温度での溶接継手の低温衝撃靭性を保証する必要があるため、純粋なオーステナイト系電極が使用されます。たとえば、A402、A407 などです。

（７）ポイント７

ニッケル基合金電極もご用意しております。例えば、Mo6型スーパーオーステナイト系ステンレス鋼は、Moを最大9%含むニッケル基溶接材料で溶接されます。

（８）ポイント８：電極コーティングタイプの選択

1.二相オーステナイト鋼溶接金属自体には一定量のフェライトが含まれているため、塑性および靭性が良好です。溶接金属の耐割れ性の観点から、基本コーティングとチタンカルシウム型コーティング電極を比較すると、炭素鋼電極ほど大きな差はありません。そのため、実際の用途では、溶接プロセスの性能に重点が置かれ、コーティングタイプコード17または16（A102A、A102、A132など）の電極がほとんど使用されます。

2. 構造剛性が非常に高い場合、または溶接金属の耐割れ性が悪い場合（一部のマルテンサイト系クロムステンレス鋼、純オーステナイト系クロムニッケルステンレス鋼など）にのみ、コーティングコード15の選択を検討できます。基本的なコーティングされたステンレス鋼電極（A107、A407など）。

結論は

まとめると、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接には独特の特徴があり、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接電極の選択は特に注目に値します。上記の対策は、異なる材料に対して異なる溶接を実現するために使用できることが、長年の実践によって証明されています。異なる材料の方法と電極、ステンレス鋼の電極は、母材と作業条件（作業温度、接触媒体などを含む）に応じて選択する必要があります。これは私たちにとって良い指導的意義があり、期待される溶接品質を達成することができます。