銅と銅合金の溶接：解説

銅と銅合金は、その卓越した特性の組み合わせにより、広く産業界で利用されています。これらの素材は優れた電気伝導性と熱伝導性、高い耐酸化性、そして淡水、海水、アルカリ溶液、有機化学薬品など様々な環境下での優れた耐食性を発揮します。ただし、酸化性の酸に対しては腐食されやすいので注意が必要です。

銅合金は冷間加工でも熱間加工でも優れた成形性を発揮し、純銅よりも強度が高くなります。その汎用性から、電気・電子、化学処理、食品製造、発電、運輸、航空宇宙、防衛産業などの重要な分野で広く採用されています。

銅や銅合金を工業的に生産する場合、一般的には化学組成によって分類される様々な素材が生まれます。主な分類は以下の通りです：

1.純銅：溶接構造用には、軟質焼きなましの純 銅が望ましい。T1、T2、T3、T4、TU1やTU2のような無酸素銅が一般的。

2.真鍮：銅と亜鉛の合金で、強度、延性、耐食性の バランスがとれている。H62、H68、H96のほか、鉛黄銅（HPb59-1）や錫黄銅（HSn62-1）などの特殊合金もある。

3.青銅：もともとは銅と錫の合金を指したが、現在では亜鉛やニッケルが主要な合金元素ではない銅合金を含む。主な種類は以下の通り：

• 錫青銅（例：QSn4-3）：高強度で耐摩耗性に優れる。
• アルミニウム青銅（例：QAl9-2）：優れた耐食性と高強度で知られる。
• シリコン青銅（例：QSi3-1）：良好な強度と優れた成形性を併せ持つ。

4.白銅（キュプロニッケル）：銅とニッケルの合金で、特に海洋環境において顕著な耐食性を示す。

これらの銅ベースの素材はそれぞれユニークな特性の組み合わせを持っており、技術者や設計者は特定の用途に 最適な合金を選ぶことができます。新しい銅合金の開発、加工技術の開発がつづくことで、先端技術や要求の厳しい環境下での銅合金の潜在的な用途は 広がり続けています。

1.銅および銅合金の溶接性

について 溶接性 銅および銅合金の溶接性は比較的悪く、低炭素鋼に比べ て溶接が非常に困難である。主な難点は以下の点に見られる：

(1) 溶接形成能力が低い：

銅やほとんどの銅合金を溶接する場合、融合を達成するのが難しく、接合部の溶け込みが不完全で、表面形成が悪くなりがちです。これは主に銅の熱伝導率の高さによるもので、銅やほとんどの銅合金の熱伝導率は通常の炭素鋼の7～11倍です。

その結果、熱は急速に放出される。 溶接ゾーン.ワークが厚いほど、放熱は厳しくなる。銅は鉄に比べて融点も比熱容量も低いが、それでも溶接部の溶融温度に達するのは難しく、母材と溶加材が融合しにくい。

加えて、銅の優れた熱伝導率は、熱影響部を広くすることにつながり、ワークの剛性が低いと、大きな変形を引き起こしかねません。逆に剛性が高い場合は、ワークピース内に大きな溶接応力が生じます。

銅や銅合金の表面形成が悪いのは、溶融時の表面張力が鋼の3分の1であり、流動性が鋼の1～1.5倍であるため、溶融時に金属が脱落しやすいことが主な原因である。

そのため、純銅や導電性の高い銅合金を溶接する場合は、高電力で高エネルギー密度の溶接材料を使用することに加えて、高電圧で高エネルギー密度の溶接材料を使用する必要があります。 溶接方法また、予熱の程度を変えることも必要である。支持のない片面溶接は許されず、片面溶接を行 う場合は、溶接継手の形成を制御するために裏 板を追加しなければならない。

(2) 溶接部や熱影響部での熱割れ感受性が高い：

溶接部における熱亀裂の発生傾向は、溶接部中の不純 物の影響に関連しており、溶接中に発生する応力にも 影響される。 溶接工程.酸素は銅に含まれる一般的な不純物で、溶接部の熱亀裂の発生傾向に大きな影響を与える。

高温では、銅は空気中の酸素と反応してCuを生成する。₂O.Cu₂Oは液体の銅には溶けるが、固体の銅には溶けず、低融点の共晶を形成する。銅や銅合金に含まれるBiやPbなどの不純物は低融点である。

溶接プールの凝固過程では、低融点共晶を 形成し、デンドライト間や粒界に分布するため、 銅および銅合金の著しい熱脆性を引き起こす。溶接部が固液相にあるとき、熱影響部の低融点共晶は 溶接応力の影響を受けて再溶解し、以下のような結 果をもたらす。 ヒートクラック.

銅と銅合金は線膨張係数と収縮率が比較的高く、熱伝導率も高い。溶接時には高出力の熱源が必要となり、その結果、熱影響部が広くなる。その結果 溶接継手 銅や銅合金の溶接部に亀裂を生じさせるもうひとつの要因である、大きな内部応力が発生する。

さらに、純銅を溶接する場合、溶接金属は単相構 造になる。純 銅は熱伝導率が高いため、溶接部は粗い結晶粒を 形成しやすい。これがヒート・クラックの発生をさらに悪化させる。

従って、溶融溶接を使用する際に、ヒートクラックの発生を防止するために 溶接銅 および銅合金は、次のような冶金的対策を講じる必要がある：

1) 銅に含まれる不純物（酸素、ビスマス、鉛、硫黄など）の含有量を厳密に管理する。

2) シリコン、マンガン、リンなどの合金元素を溶接ワイヤに添加することで、溶接部の脱酸能力を高める。

3) 選択 溶接材料 これは低融点共晶膜の連続性を破壊し、柱状結晶粒の方向を変える二重構造を得ることができる。

4) 予熱や徐冷などの対策を実施し、溶接応力を低減し、ルート・ギャップ寸法を最小化し、ルート・パス寸法を大きくして亀裂の発生を防止する。

(3)ポロシティ形成のしやすさ：

銅および銅合金を溶融溶接する場合、低炭素鋼に比 べ、気孔の発生傾向が非常に大きい。銅溶接部のポロシティを減らし、なくすには、水素と酸素の発生源を減らし、予熱して溶融池の存在時間を長くし、ガスを抜けやすくすることが主な対策となる。

アルミニウムなどの強力な脱酸素剤を使用した溶接ワイヤを使用すること、 チタン窒素や水素も除去できる）、あるいはアルミニウムやスズのような元素を銅合金に加えることで、脱酸という点で良い結果が得られる。

(4)減少 溶接継手 パフォーマンスだ：

銅や銅合金の溶融溶接プロセスでは、溶接継手の激しい結晶粒成長、合金元素の蒸発やバーンオフ、不純物の浸入が起こり、溶接継手の機械的特性、電気伝導性、耐食性が低下します。

1) 延性の著しい低下：

溶接部や熱影響部は結晶粒が粗大化し、結晶粒界には様々な脆い低融点共晶が現れ、金属の接合強度を弱め、接合部の延性と靭性を著しく低下させる。例えば、純銅の溶接電極を アーク溶接 またはサブマージアーク溶接では、継手の伸びは母材 の20%から50%程度にしかならない。

2) 電気伝導度の低下：

銅に何らかの元素を添加すると、電気伝導度が低下する。そのため、溶接工程で不純物や合金元素が溶けると、銅の電気伝導度はある程度低下します。 銅の電気伝導率 ジョイント

3) 耐食性の低下：

銅合金の耐食性は、亜鉛、マンガン、ニッケル、アルミニウムなどの元素との合金化によって達成される。溶融溶接の過程でこれらの元素が蒸発し酸化することで、接合部の耐食性はある程度低下する。溶接応力の発生も、応力腐食のリスクを高める。

継手性能を向上させるための対策は、主に不純物 の含有量を制御し、合金の焼損を減らし、溶接部の微 細組織を改質するための熱処理を行うことである。溶接中の入熱を最小限に抑え、溶接後に応 力除去処理を施すことも有効である。

2.溶接方法の選択

銅や銅合金の溶接は、その卓越した熱伝導率のため、独特の難しさがあります。様々な溶接技術があり、それぞれに用途に応じた利点があります。一般的な方法としては、ガス溶接、被覆アーク溶接(SMAW)、タングステンイナートガス(TIG)溶接、ガスメタルアーク溶接(GMAW/MIG)、サブマージアーク溶接(SAW)などがあります。

最適な溶接方法の選択は、複数の要素に基づくべきである：

1. 材料組成と合金タイプ
2. ワークの厚さ
3. 構造特性と継手設計
4. 要求性能（強度、耐食性など）
5. 生産量と自動化のニーズ

銅の優れた熱伝導性（鋼鉄の約6倍）は、高い出力密度と集中的な入熱を伴う溶接方法を必要とします。これは急速な熱放散を克服し、適切な融合を確保するのに役立ちます。より高い熱効率と集中的なエネルギー投入を提供する技術が一般的に好まれます。

銅材の厚みは溶接方法の選択に大きく影響する：

• 薄板（3 mm未満）：TIG溶接は、その正確な制御と最小限の歪みにより最適である。用途によっては、ガス溶接も有効です。
• 中程度の厚さ（3～10 mm）：GMAW/MIG溶接は、溶け込みと溶着率が良い。SAWは、自動化された大量生産の場 合に優れている。
• 厚板（> 10 mm）：パルス電流を用いたGMAW、適切な電極を用いた SMAW、または特殊用途向けの電子ビーム溶接が、 必要な溶け込みを提供する。

などの新興テクノロジー レーザー溶接 やハイブリッド・レーザー・アーク溶接は、高精度で熱影響部を最小限に抑えることができるため、銅の溶接で人気を集めています。

銅とその合金で最適な溶接品質を得るには、金属フィラー、シールド・ガス、溶接前後の熱処理を適切に選択することが重要です。さらに、銅は酸化や汚染に敏感なため、厳密な洗浄と表面処理が不可欠です。

3.溶接材料の選択

1) 溶接ワイヤ：

銅や銅合金の溶接ワイヤーを選ぶ際には、一般的なプロセスや冶金的な要求を満たすだけでなく、不純物の含有量を注意深く管理し、脱酸能力を高めることが重要です。これは銅の溶接でよくある問題であるヒート・クラックやポロシティの発生を防ぐために不可欠です。

純銅溶接の場合、ワイヤーは通常、シリコン (Si)、マンガン (Mn)、リン (P) などの脱酸元素と合金化される。これらの元素は、溶接プールから酸素を除去し、気孔のリスクを減らし、全体的な溶接品質を向上させるのに役立つ。広く使われている選択肢は、高純度銅溶接ワイヤー HSCuである。このワイヤーは汎用性が高く、さまざまな溶接工程で使用できる：

• ガス溶接では、HSCuはフラックス除去と表面洗浄を助ける溶剤CJ301と組み合わされることが多い。
• サブマージ・アーク溶接 (SAW) では、HSCuをフラックスHJ431 と併用するのが一般的である。この組み合わせは、優れたアーク安定性と 溶接溶け込みを提供し、特に厚い銅部分に有益で ある。

2) 溶接電極：

銅用途のアーク溶接電極は、銅と青銅の2種類に大別される。このうち、ブロンズ電極は、その優れた性能特性により、より頻繁に利用されています。

銅電極、特に亜鉛を含む電極（黄銅合金など） は、アーク溶接工程ではめったに使用されない。これは主に、溶接温度での亜鉛の蒸気圧が高 く、過剰なヒュームの発生、気孔の発生、アーク の一貫性のない挙動につながるためである。

一方、青銅電極は、より安定したアークと優れた 溶接性を提供する。銅同士、または他の銅合金を溶接する 際に、特に効果的である。このカテゴリーでよく使用される電極は2種類ある：

• 純銅電極T107: 電気伝導性の維持が重要な純銅の溶接に適しています。
• シリコン青銅電極 T207：優れた流動性とぬれ特性を持ち、異種銅合金の接合や、より高い強度が要求される接合に最適です。

電極を選択する際は、母材組成、要求される機械 的特性、特定の用途要件などの要因を注意深く考 慮し、最適な溶接結果を確保する必要がある。

4.溶接前の準備

銅や銅合金の溶接の前処理は、熱伝導率が高く酸化しやす いため、厳しく要求される。溶接前洗浄の主な焦点は、最適な溶接品質と性能を確保するための、汚染物質と酸化皮膜の除去です。

まず、アセトンやイソプロピル・アルコールなどの適 切な溶剤を使用して、溶接継手とその周辺（片側 約30mm）を徹底的に脱脂する。この段階は、溶接の完全性を損なう可能性の ある油分や有機汚染物を除去するために極めて重 要である。

脱脂の後、2段階の化学洗浄を行う：

1. アルカリ洗浄：30～40℃の10-15%水酸化ナトリウム水溶液にジョイントを5～10分間浸漬し、残存する有機残留物を除去する。脱イオン水で十分にすすいでください。
2. 酸洗い：接合部を35-40%硝酸溶液に2～3分間浸漬し、表面の酸化物を除去する。頑固な酸化物には、混合酸溶液（70mL/L HNO3、100mL/L H2SO4、1～2mL/L HCl）がより効果的です。脱イオン水で十分にすすぎ、フラッシュ酸化を防ぐため、オイルを含まない清浄な圧縮空気または低温オーブンで直ちに乾燥させる。

機械的な酸化物の除去には、銅専用のステンレス・スチール・ワイヤー・ブラシまたはホイールを使用してください。空気圧の工具を使えば効率は上がりますが、過剰な除去や表面の汚染を避けるために注意が必要です。均一で明るい金属光沢が得られるまでブラッシングを続けてください。

フィラー・メタルも同様の注意が必要である。使用直前に、糸くずの出ない布または目の細かい研 磨紙を使用して、溶接ワイヤーを機械的に洗 浄し、表面の酸化物を除去する。大規模な作業では、安定した品質を維持するた めに、自動ワイヤー・クリーニング・システムを検討 してください。

洗浄後は、再酸化を防ぐため、準備から溶接ま での時間を最小限にする。即時の溶接が不可能な場合は、準備した部 品を湿度の低い管理された環境に保管し、溶接 工程に適合する適切な酸化防止剤で表面を保護す る。

化学物質を取り扱う際には、適切な個人用保護具（PPE）や十分な換気など、適切な安全対策を実施する。使用済み洗浄液の廃棄については、地域の環境規制を遵守すること。

5.溶接プロセスのポイント

ガス溶接：

ガス溶接は薄い銅部品の接合、銅部品の修理、重要でない構造の溶接に適しています。汎用性があるため、保守・修理作業で特に役立ちます。

1) 溶接前の予熱：

純銅のガス溶接では、内部応力を緩和し、亀裂を 防ぎ、気孔を減らし、完全な溶け込みを確保するた めに、予熱が不可欠である。薄い板や小さな溶接物の場合は、400-500℃ (752-932°F)に予熱する。厚く大きな溶接物の場合は、予熱温度を 600-700℃(1112-1292°F)に上げる。黄銅および青銅合金は、熱特性が異なるた め、一般的に予熱温度をやや低くする必要があ る。

2) 溶接パラメータと溶接技術の選択：

銅の熱伝導率の高さを考えると、溶接の炎のエネルギーは炭素鋼の1～2倍必要です。純銅の溶接では、炎を中性に保つことが重要です。

酸化炎は、溶接部の酸化と合金元素の損失を招き、 接合部の完全性を損なう。逆に、浸炭炎は溶接部の水素含有量を増 加させ、気孔の形成を促進する。

薄板の場合は、結晶粒の成長を最小限に抑えるた め、左溶接法を採用する。厚さ6mm (0.24インチ)以上のワークピースでは、母材 の加熱を促進し、溶融池の見通しを良くして作業効 率を高めるため、右手溶接法が好まれる。

各溶接継ぎ目での不規則な中断を避け、溶接トーチ の迅速で連続的な動きを維持する。均一性を確保し、欠陥のリスクを低減するた め、各溶接継ぎ目を1回のパスで完了させること が理想的である。

長い継ぎ目を溶接する場合は、溶接前に適切な収縮 量の許容を取り入れ、適切な位置決めを行なう。変形と残留応力を最小にするため、溶接時にはセグ メント・バック・ステッピング法を活用する。

応力のかかる銅溶接部や重要な銅溶接部には、溶接後の処理を行う：

• 薄い銅の部品は、溶接部の両側の熱影響部を直ちにハンマーで叩く。
• 5mm（0.2インチ）以上の厚さの板は、打ち込む前に500～600℃に加熱する。
• 打ち込み後、接合部の塑性と靭性を高めるため、加工材を500～600℃に加熱し、水で急冷する。

このような溶接後の処理は、結晶粒組織を微細化し、残留応力を和らげ、全体的な溶接品質を向上させ、溶接された銅部品の最適な性能を保証します。

6.一般的に使用される銅および銅合金の代表的な溶接例

脱酸銅TU1製の電極水ジャケットがある。電極接合はMIG溶接で行われ、具体的な溶接プロセスは表5-37に示す。

表 5-37 TU1 ジョイントの溶接プロセス・カード

継手溶接プロセスカード				番号
共同図：	ベース素材	TU1		TU1
	基材の厚さ	15mm		15mm
	溶接ポジション	フラット・ウェルド
	溶接技術	ストレート・ウェルド・パス
	予熱温度	500℃
	インターパス温度	≥500℃
	ノズル径	Φ26mm
	保護ガス	アー	ガス流量 (L/min)	フロント：25～30 背中だ：

溶接仕様パラメータ