異種金属の溶接：知っておくべきことすべて

I.異種金属溶接の問題点

異種金属溶接の本質的な問題は、異種金属における融合部の構成や性能など、その発展を妨げてきた。

異種金属溶接の構造へのダメージは、融合部近傍のセグメントに沿って溶接結晶特性が異なるため、しばしば融合部で発生し、性能不良や組成変化を伴う遷移層の形成につながる。

さらに、高温に長時間さらされると、この領域の拡散層が膨張し、金属の不均一性がさらに高まる。

さらに、異種金属の溶接中または溶接後、あるいは熱処理や高温操作の後、低合金側の炭素が溶接境界を通って高合金溶接部に「移動」して形成される現象がよく観察される。 脱炭 と浸炭層が融合線の両側にある。

その結果、低合金母材には脱炭層が、高合金溶接部側には浸炭層が形成される。

異種金属構造の使用と発展の障害と防止は、主に以下の分野に現れている：

1.室温では、異種金属の機械的特性は以下の通りである。 溶接継手 領域（引張、衝撃、曲げなど）は、一般に溶接母材の性能を上回る。

しかし、長時間の高温運転では、接合部の性能は母材より劣る。

2.オーステナイト系溶接部とパーライト系母材との間にはマルテンサイト遷移帯がある。

このゾーンは靭性が低く、高硬度の脆性層であり、部品の故障につながる弱い部分である。の信頼性を低下させる。 溶接構造.

3.溶接後の熱処理や高温作業中のカーボン・マイグレーションによって、融合線の両側に浸炭層と脱炭層が形成されることがある。

一般的に、脱炭層は炭素の減少により、その部分の構造や特性に大きな変化（通常は劣化）を引き起こし、使用中に早期破損しやすくなると考えられている。

使用中あるいは試験中の多くの高温パイプラインの破損箇所は、脱炭層に集中している。

4.故障は、時間、温度、周期的応力などの条件に関連している。

5.溶接後の熱処理では、次のような問題を解消することはできない。 残留応力 ジョイントエリアに分布している。

6.化学組成の不均一性。

異種金属溶接では、溶接継ぎ目の両側の金属と、 溶接継ぎ目の合金組成が大きく異なる。

その間に 溶接工程母材も溶接材も溶けて混ざり合う。

この混合物の均一性のレベルは、溶接工程に よって変化し、混合物の均一性の程度は、溶接継手の 異なる場所で大きく異なり、溶接継手の化学組成の 不均一につながる。

7.金属組織の不均一性。

溶接継手の化学組成が不連続であること、また、溶接技師の経験が豊富であることに起因する。 溶接熱サイクル溶接継手のさまざまな部分に異なる構造が現れ、ある部分では非常に複雑な構造になることが多い。

8.不連続なパフォーマンス。

溶接継手の化学組成と冶金構造は、その機械的特性のばらつきにつながる。

強度、硬度、塑性、靭性、耐衝撃性、高温クリープ、および耐久性能は、溶接継手のさまざまな領域で大きく異なる。

この実質的な矛盾は、同じ条件下でも関節の異なる領域で多様な挙動を引き起こし、弱くなったり強くなったりする領域として現れる。

特に高温条件下では、異種金属溶接継手は使用中に早期破壊を起こすことが多い。

II.異なる方法による異種金属溶接の特徴

ほとんどの溶接方法は、次のようなものに適用できる。 異種金属溶接しかし、溶接方法を選択し、プロセス対策を確立する際には、異種金属溶接の特性を考慮する必要がある。

母材と溶接継手の要件に基づき、溶融溶接を行う、 圧接などの方法があるが、それぞれに長所と短所がある。

1.融接

融接は、異種金属溶接に広く用いられている。

一般的な溶融溶接法には、棒電極溶接、サブマージアーク溶接、ガスシールドアーク溶接、エレクトロスラグ溶接、プラズマアーク溶接、電子ビーム溶接などがある。 レーザー溶接.

希釈を減らし、溶融比率を下げ、異なる母材 の溶融量を制御するには、電子ビーム溶接、 レーザー溶接、プラズマ・アーク溶接のような熱源エネル ギー密度の高い方法が一般的に選択される。

溶融深さを最小にするために、間接アーク、揺動溶接ワイヤ、バンド電極、追加の無電化溶接ワイヤなどの技術的手段を採用することができる。

しかし、どのような場合でも、溶融溶接である限り、母材の一部は必ず溶接継ぎ目に溶け込み、希釈の原因となる。

さらに、金属間化合物や共晶構造なども形成する。

このような悪影響を軽減するためには、液体または高温の固体状態にある金属の滞留時間を制御し、短縮することが不可欠である。

それにもかかわらず、融合溶接の方法と手順が継続的に改善され進歩しているにもかかわらず、さまざまな溶接に関連するすべての問題に対処することは依然として困難である。 金属の種類.

金属の多様性、要求される性能の幅の広さ、接合スタイルの多様性を考慮すると、多くの場合、特定の接合スタイルを解決するために、圧接または他の溶接方法を採用しなければならない。 溶接問題 異なる金属接合に関連している。

2.圧接

ほとんどの加圧溶接法は、溶接する金属を塑性状態にまで加熱するだけか、まったく加熱せず、一定の圧力を加えることを主な特徴としている。

異種金属接合部を溶接する場合、溶融溶接に比べ、加圧溶接には一定の利点がある。 溶接品質 を満たす場合、圧接がより合理的な選択となることが多い。

加圧溶接では、異種金属の接合面は溶融するか固体のままであるが、加圧の影響により、表面に溶融金属があっても絞り出される（フラッシュ溶接や 摩擦圧接).

圧接後に一度溶けた金属が残るのは、ごく一部のケースに限られる（例えば、次のような場合）。 スポット溶接).

圧接は、熱を加えないか加熱温度が低いため、熱サイクルによる母材特性への悪影響を緩和または回避することができ、脆い金属間化合物の形成を防ぐことができる。

圧接の形態によっては、接合部に形成された 金属間化合物を絞り出すこともできる。

加えて、加圧溶接中に溶接金属の特性に希釈に関連した変化は生じない。

しかし、ほとんどの圧接法には、接合形状に関する一定の要件がある。

例えば、スポット溶接、 シーム溶接摩擦圧接では、少なくとも1つのワークが回転する断面を持っていなければならない。

圧接装置もまだ普及していない。これらの要因が、圧接の適用範囲を制限していることは間違いない。

3.その他の方法

異種金属溶接には、融接や圧接のほかにもいくつかの方法がある。例えば ろう付け は、異なる母材を接合するためにフィラーメタルを使用する方法である。

しかし、ここでは特殊なろう付け方法に焦点を当てる。

このような手法のひとつに、異種金属継手の低融点材 料が融接を受け、高融点材料がろう付けを受ける、融接 ろう付けが知られている。ろう材は通常、低融点の母材に適合する。

このように、溶加金属と低融点母材との間のプロセスは、本質的に同じ金属の融合溶接プロセスであり、独自の課題をもたらすものではない。

金属フィラーと高融点母材との相互作用は、ろう付けプロセスである。母材は溶融も結晶化もしないため、溶接に関連する多くの問題を回避できる。

しかし、そのためにはフィラーメタルが母材を効果的に濡らす必要がある。

もうひとつの手法は共晶ろう付けまたは共晶拡散ろう付けとして知られている。この方法では、異種金属の接触面をある温度まで加熱し、接触点に低融点共晶を形成させる。

この低融点共晶はこの温度で液状になり、実質的に追加のろう材を必要としないろう付け方法を生み出す。

もちろん、そのためには2つの金属が低融点の共晶を形成する必要がある。

異種金属接合時 拡散溶接中間層が導入され、低圧下で、中間層は被溶接金属と接触して溶融するか、低融点共晶を形成する。

この薄い液層は、一定時間の加熱保存の後、中間層が母材に完全に拡散して均一になり、中間層のない異種金属接合となる。

これらの方法は、溶接プロセス中に少量の液体金属を含むことが多いため、液相転移溶接とも呼ばれる。共通の特徴は、接合部に鋳造組織がないことである。

III.異種金属溶接の考慮点

1.溶接物の物理的、機械的特性、化学組成を考 慮する。

a.同等強度の観点から、母材の強度を満足する溶接棒を選 択する。

あるいは 溶接性 母材の溶接棒は、強度は同等ではな いが溶接性が良好なものを選ぶこと。

ただし、溶接部の構造は、等強度、等剛性の要件を満たすように考慮されるべきである。

b.合金の組成が母材の組成と一致するか、近いことを確認する。

c.母材に炭素(C)、硫黄(S)、リン(P)などの有害不純物が多く含まれる場合は、耐割れ性、耐気孔性に優れた溶接棒を選ぶ。チタン・カルシウムタイプの溶接棒を使用することを推奨する。それでも解決しない場合は、低水素ナトリウムタイプの溶接棒を使用することができる。

2.溶接物の作業条件と性能要件を考慮する。

a.動的荷重や衝撃荷重を受ける場合、強度を確保する以外に、高い衝撃靭性と伸びが要求される。

この場合、低水素、チタン・カルシウム、酸化鉄タイプの溶接棒を選ぶ。

b.溶接部が腐食媒体と接触する場合は、適切なステンレ ス鋼を選択する必要がある。 溶接棒 媒体の種類、濃度、使用温度、一般腐食か粒界腐食かによる。

c.摩耗を伴う使用条件では、それが一般的な摩耗なのか衝撃摩耗なのか、摩耗が室温で起こるのか高温で起こるのかを区別する。

d.極端な温度条件下での作業には、低温または高 温での機械的性能を保証する溶接棒を選ぶ。

3.組立形状の複雑さ、剛性のレベル、溶接口の準備状況、溶接位置を考慮する。

a.を持つ溶接部品の場合 複雑な形状 または板厚が厚い場合、溶接金属は冷却中 に大きな収縮応力を受け、亀裂の原因となる。

低水素棒、高靭性棒、酸化第二鉄棒など、耐割れ性の高い溶接棒を選ぶことが肝要である。

b.条件によって反転できない溶接片の場合は、全姿勢溶接が可能な溶接棒を選択する必要がある。

c.c. 溶接部の清掃が困難な溶接部品には、酸化皮膜やグリースに鈍感な酸化性の高い棒を選び、空気孔のような欠陥の発生を避ける。

4.溶接現場の設備を検討する。

直流溶接機のない場所では、直流電力だけで動作する溶接棒を選ぶのは適切ではない。その代わり、交流と直流の両方が使える溶接棒を選ぶべきである。

パーライト系耐熱鋼のように、溶接後の応力除去が必要な鋼材もある。

しかし、設備条件や固有の構造的制限によって熱処理ができない場合は、溶接後の熱処理を必要としないオーステナイト系ステンレス鋼などの非母材ロッドの使用を推奨する。

5.溶接技術を改善し、作業員の健康を守ることを検討する。

酸性溶接棒とアルカリ性溶接棒の両方が必要条件を満たす場所では、酸性溶接棒を優先すべきである。

6. 労働生産性と経済合理性について考える。

同じ性能であれば、アルカリ性よりも低価格の酸性溶接棒を選ぶべきである。

酸性の溶接棒の中で、 チタン チタン・カルシウムタイプはより高価である。

我が国の鉱物資源事情を考慮すれば、チタン鉄タイプの被覆棒の使用を強く推進すべきである。

3.組立形状の複雑さ、剛性のレベル、溶接口の準備状況、溶接位置を考慮する。

a.複雑な形状や板厚の高い溶接材は、冷却時に 溶接金属に大きな収縮応力が発生し、割れの 原因となる。低水素棒、高靭性棒、酸化第二鉄棒など、耐割れ性の高い溶接棒を選ぶことが肝要である。

b.条件によって反転できない溶接片の場合は、全姿勢溶接が可能な溶接棒を選択する必要がある。

c.c. 溶接部の清掃が困難な溶接部品には、酸化皮膜やグリースに鈍感な酸化性の高い棒を選び、空気孔のような欠陥の発生を避ける。