奥氏体系不锈钢板的焊接方法与流程

本发明涉及用于将奥氏体系不锈钢板重叠并进行焊接的奥氏体系不锈钢板的焊接方法。

背景技术：

近年来，从环境问题的观点出发，对废气的限制变得严格，为了进一步提高燃料效率、发动机的燃烧效率，倾向于使废气温度上升。

另外，以发动机始动时的废气净化性能的效率化为目的，有时搭载二重结构排气歧管，其具备内管和外管，在这些内管与外管之间设置有空隙(例如参照专利文献1至3)。

对于这种二重结构排气歧管而言，倾向于与单结构排气歧管的管相比而内管薄壁化。

因此，通常在单结构排气歧管中使用热膨胀系数小的铁素体系不锈钢，但在二重结构排气歧管的内管中使用加工性优于铁素体系不锈钢的奥氏体系不锈钢。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-93654号公报

专利文献2：日本特开平8-334017号公报

专利文献3：日本特开平8-334018号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

二重结构排气歧管的内管和外管大多是将进行了压制成形的管部件重合并利用基于mig焊接等电弧焊接的角焊接进行制造的。

但是，与通常的单结构排气歧管的管相比，二重结构排气歧管的内管是薄壁的，因此存在下述问题：非常难以控制焊接中的输入热量，特别是在焊接接头部容易产生高温裂纹、延性降低裂纹等焊接缺陷。

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供不易产生焊接缺陷的奥氏体系不锈钢板的焊接方法。

用于解决课题的手段

技术方案1所记载的奥氏体系不锈钢板的焊接方法将下述板厚0.6mm以上1.0mm以下的奥氏体系不锈钢板重叠并利用电弧焊接对重叠部进行焊接，所述奥氏体系不锈钢板含有c：0.08质量％以下、si：1.5质量％以上4.0质量％以下、mn：2.0质量％以下、p：0.04质量％以下、s：0.01质量％以下、cr：16.0质量％以上22.0质量％以下、ni：10.0质量％以上14.0质量％以下和n：0.08质量％以下，并且含有合计1.0质量％以下的nb和ti中的至少一种，余部由fe和不可避免的杂质构成，以110℃/秒以上的冷却速度将熔接背面部从1200℃冷却至900℃，所述熔接背面部是在焊接背面中在焊接时温度达到最高的部位。

技术方案2所记载的奥氏体系不锈钢板的焊接方法如技术方案1所述的奥氏体系不锈钢板的焊接方法，其中，奥氏体系不锈钢板含有合计1.0质量％以下的al、zr和v中的至少一种。

技术方案3所记载的奥氏体系不锈钢板的焊接方法如技术方案1或2所述的奥氏体系不锈钢板的焊接方法，其中，奥氏体系不锈钢板含有合计4.0质量％以下的mo和cu中的至少一种。

技术方案4所记载的奥氏体系不锈钢板的焊接方法如技术方案1至3中任一项所述的奥氏体系不锈钢板的焊接方法，其中，奥氏体系不锈钢板含有0.01质量％以下的b。

技术方案5所记载的奥氏体系不锈钢板的焊接方法如技术方案1至4中任一项所述的奥氏体系不锈钢板的焊接方法，其中，将对重叠部进行焊接时的焊接接头部的重叠量的长度设为2.5mm以上。

发明效果

根据本发明，以110℃/秒以上的冷却速度将在焊接背面中在焊接时温度达到最高的部位即熔接背面部从1200℃冷却至900℃，因此能够使在焊接时产生的热移动，从而能够防止产生焊接缺陷。

附图说明

图1是示意性示出本发明的一个实施方式的焊接接头部的截面图。

图2是示意性示出本发明的一个实施方式的焊接接头部的变形例的截面图。

图3是示出本实施例和比较例中的冷却速度与裂纹产生率之间的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，对本发明的一个实施方式的构成进行详细的说明。

二重结构排气歧管具备外管和内管，该内管隔着间隙地配置在比该外管靠内侧。这些外管和内管分别在图1所示的焊接接头部1使用焊接线等焊接棒进行mig焊接，在外管与内管之间配置有中空的绝热层的状态下进行固定。

另外，通过这样进行焊接，焊接接头部1成为具有管母材部2、管母材部3、将这些管母材部2、3熔接的熔接部4和作为管母材部2、3与熔接部4的边界的结合部5的构成。需要说明的是，图1的虚线表示熔接前的管母材部2、3的设置状态。

与外管相比，内管是薄壁的，非常难以控制焊接中的输入热量，因此不易产生例如高温裂纹、延性降低裂纹等焊接缺陷很重要。

因此，在内管中使用加工性优于铁素体系不锈钢的板厚0.6mm以上1.0mm以下的奥氏体系不锈钢板。另外，内管的奥氏体系不锈钢具体而言如下进行组分设计。

内管的母材组分(奥氏体系不锈钢)含有0.08质量％以下的c(碳)、1.5质量％以上4.0质量％以下的si(硅)、2.0质量％以下的mn(锰)、0.04质量％以下的p(磷)、0.01质量％以下的s(硫)、16.0质量％以上22.0质量％以下的cr(铬)、10.0质量％以上14.0质量％以下的ni(镍)和0.08质量％以下的n(氮)，并且含有合计1.0质量％以下的nb(铌)和ti(钛)中的至少一种，余部由fe(铁)和不可避免的杂质构成。

需要说明的是，奥氏体系不锈钢可以根据需要采用含有合计1.0质量％以下的al(铝)、zr(锆)和v(钒)中的至少一种的构成。

另外，奥氏体系不锈钢可以根据需要采用含有合计4.0质量％以下的mo(钼)和cu(铜)中的至少一种的构成。

进一步，奥氏体系不锈钢可以根据需要采用含有0.01质量％以下的b(硼)的构成。

c对于提高奥氏体系不锈钢的高温强度有效，但超过0.08质量％而过量含有时，有可能在使用中形成cr碳化物而使韧性劣化，并且有可能使对于提高耐高温氧化性有效的固溶cr量减少。因此，c的含量为0.08质量％以下(不包含不添加)。

si对于提高高温氧化特性非常有效，通过在母材中含有1.5质量％以上，在850～900℃的温度范围在cr氧化物的内侧形成si富集覆膜，从而有助于提高耐氧化皮剥离性。另一方面，在母材中超过4.0质量％而过量含有si时，提高σ脆化敏感性，有可能在使用中诱发σ脆化。因此，si的含量为1.5质量％以上4.0质量％以下，优选为3.0质量％以上4.0质量％以下。

mn是奥氏体相稳定化元素，主要发挥调整δ相平衡的作用，但超过2.0质量％而过量含有时，有可能会导致耐高温氧化性的降低。因此，mn的含量为2.0质量％以下(不包含不添加)。

p超过0.04质量％而含有时，有可能使奥氏体系不锈钢的热加工性降低，因此优选尽可能地降低含量。因此，p的含量为0.04质量％以下。

与p同样地，s超过0.01质量％而含有时，有可能使奥氏体系不锈钢的热加工性降低，因此优选尽可能地降低含量。因此，s的含量为0.01质量％以下。

cr是对于抑制高温下的氧化皮生成、提高高温氧化特性有效的元素，为了起到这样的作用，需要含有16.0质量％以上。另一方面，超过22.0质量％而过量含有cr时，有可能诱发σ脆化。因此，cr的含量为16.0质量％以上22.0质量％以下。

ni是奥氏体相稳定化元素，主要用于调整δ相平衡而含有，但为了发挥这样的作用，需要含有10.0质量％以上。另一方面，过量含有ni时，导致成本升高，因此ni的含量的上限为14.0质量％。因此，ni的含量为10.0质量％以上14.0质量％以下。

n是通过固溶增强来提高高温强度的元素，但超过0.08质量％而过量含有时，由于cr氮化物的形成而有可能使韧性降低。因此，n的含量为0.08质量％以下(不包含不添加)。

nb和ti是与c、n结合而提高高温强度的元素，但过量含有时，有可能导致低熔点化。因此，出于提高高温强度的目的，含有nb和ti的情况下，以合计1.0质量％以下含有nb和ti中的至少一种。

al是强力的铁素体生成元素，对于δ相的稳定化有效。另外，zr和v是与c、n结合而提高高温强度的元素。但是，al、zr和v过量含有时，有可能导致低熔点化。因此，出于提高高温强度的目的，含有al、zr和v的情况下，优选以合计1.0质量％以下含有al、zr和v中的至少一种。

mo是铁素体生成元素，对于提高高温强度有效，但过量含有时，导致σ脆化，有可能使韧性降低。另外，cu是奥氏体生成元素，对于提高高温强度有用，但过量含有时，有可能导致耐高温氧化性的降低。因此，出于提高高温强度的目的，含有mo和cu的情况下，优选以合计4.0质量％以下含有mo和cu中的至少一种。

b提高焊接接头部的晶界强度，从而对于提高耐热性有效，但大量含有时，热加工性有可能会降低。因此，出于提高耐热性的目的，含有b时的b的含量优选为0.01质量％以下。

接着，对焊接上述奥氏体系不锈钢板时的焊接方法进行说明。

在对内管进行焊接时，采用将内管的一部分彼此重合的状态进行mig焊接。

需要说明的是，mig焊接中的焊接条件、焊接芯线的种类和保护气体的流量等可以适当设定选择。对于保护气体的种类，使用氩、氮等非活性气体，从防止焊接部的氧化物卷入的观点出发，优选非活性气体中的氧浓度为5.0体积％以下。

为了防止mig焊接中产生焊接高温裂纹等焊接缺陷，在焊接后进行冷却，从而使焊接时产生的热早期地传递至其它部位而进行热移动很重要。

为了在焊接后快速地进行热移动而有效防止产生焊接缺陷，在焊接接头部1中，对与实施焊接的面相反的一侧的焊接背面6的冷却速度进行限制是有效的。

具体而言，以110℃/秒以上的冷却速度将焊接后在焊接背面6上温度达到最高的部位即熔接背面部7从1200℃冷却至900℃。

作为使焊接后的冷却速度升高，使冷却速度为110℃/秒以上的方法，例如可以利用下述方法适当实施，在产品的性质上允许的范围内降低焊接时的输入热本身的方法；为了促进热传递而在焊接背面6上安装cu等挡板的方法；对背面保护气体的流量进行调整的方法；和向焊接背面6直接喷吹保护气体的方法；等等。

此处，在焊接时最不易进行热移动的是钢板彼此重叠的重叠部8。因此，为了使重叠部8的体积增大而促进热传导(热移动)，优选使重叠部8的重叠量w的长度为2.5mm以上的构成，更优选重叠量w的长度为4.0mm以上。

并且，根据上述奥氏体系不锈钢板的焊接方法，将在焊接背面6上在焊接时温度达到最高的部位即熔接背面部7从1200℃冷却至900℃时的冷却速度设为110℃/秒以上，因此能够将在容易产生焊接缺陷的焊接背面6上在焊接时产生的热早期地移动至其它部位。因此，能够抑制成为焊接缺陷原因的焊接时产生的热所导致的影响，能够防止产生高温裂纹、haz部(热影响部)的延性降低裂纹等焊接缺陷。

另外，通过使对重叠部8进行焊接时的重叠量w的长度为2.5mm以上，能够使重叠部8的体积增大而促进热传导(热移动)，能够提高冷却速度，因此能够有效防止产生焊接缺陷。另外，使重叠量w的长度为4.0mm以上时，能够更有效地防止产生焊接缺陷。

需要说明的是，在上述奥氏体系不锈钢板的焊接方法中，使用mig焊接法作为电弧焊接，但也可以应用例如tig焊接法、mag焊接法和被覆电弧焊接法等。

另外，在上述奥氏体系不锈钢板的焊接方法中，对重叠部8进行角焊接，但也可以例如如图2所示的变形例那样对重叠部8的中央部附近进行焊接。

此外，上述奥氏体系不锈钢板的焊接方法在对奥氏体系不锈钢板彼此进行焊接的情况下和将奥氏体系不锈钢板与其它材料焊接的情况下均可以应用。

实施例

以下，对本实施例和比较例进行说明。

将表1所示的组分的奥氏体系不锈钢进行熔炼，制成板厚0.8mm的冷轧退火板。另外，从各冷轧退火板切出100mm×200mm的板状的供试材。

[表1]

将两张各钢种的供试材重合，在电流120a、电压14.4v、焊接芯线保护气体ar+5体积％o2和保护气体流量10l/分钟的条件下实施mig焊接，然后将ar作为背面保护气体直接喷吹至焊接背面而对熔接背面部进行冷却。需要说明的是，冷却速度通过对背面保护气体的流量进行调整来进行控制。

按照各钢种制作五个被测物，将评价数设为5，将在熔接背面部产生裂纹的被测物作为裂纹判定，计算出裂纹的产生率。

将各钢种中的重叠量、将熔接背面部从1200℃冷却至900℃时的冷却速度和裂纹产生率示于表2，将冷却速度与裂纹产生率之间的关系示于图3。需要说明的是，在图3中，◇表示未产生裂纹的情况，◆表示产生了裂纹的情况。

[表2]

如表2和图3所示，将熔接背面部从1200℃冷却至900℃时的冷却速度为110℃/秒以上的本实施例即钢种no.1至钢种no.10均未在熔接背面部产生裂纹，焊接性优异。

另一方面，将熔接背面部从1200℃冷却至900℃时的冷却速度小于110℃/秒的比较例即钢种no.11至钢种no.15均产生了焊接裂纹，焊接性不充分。

工业实用性

本发明例如能够在制造二重结构排气歧管等的情况下将奥氏体系不锈钢板重叠并进行焊接时使用。

符号说明

1焊接接头部

6焊接背面

7熔接背面部

8重叠部

w重叠量