鋳鉄の溶接方法：完全ガイド

鋳鉄溶接は可能ですが、炭素含有量が高いため問題があります。この炭素含有量は多くの場合2〜4％であり、ほとんどの鋼の約10倍です。溶接プロセス中に、この炭素は溶接金属および/または熱影響部に移動し、これが脆性/硬度の増加につながります。これにより、溶接後に亀裂が発生する可能性があります。

鋳鉄は、さまざまな比率の鉄と炭素で構成され、マンガン、シリコン、クロム、ニッケル、銅、モリブデンなどの追加の元素が特定の特性を向上させます。さらに、不純物よりも硫黄とリンの含有量が大幅に多いため、割れることなく溶接が困難になります。

さまざまな種類の鋳鉄には、灰色の鋳鉄、白色の鋳鉄、延性（結節性）の鉄、および溶接性が大きく異なる可鍛性の鋳鉄が含まれます。白鉄を除くすべてのカテゴリの鋳鉄は溶接可能と見なされますが、炭素鋼の溶接に比べて溶接は非常に難しい場合があります。

ただし、詳細な冶金学的分析なしでは、これらの異なるタイプの鋳鉄の違いを区別するのは難しい場合があります。それでも、鋳鉄は何世紀にもわたって使用されてきた長持ちする耐摩耗性の金属です。

鋳鉄の溶接前の手順

鋳鉄の効果的な溶接を確実にするために、始める前に4つの重要なステップを踏む必要があります。これらには以下が含まれます：

• 鋳鉄の種類の決定
• キャストのクリーニング
• 正しい予熱温度の選択
• 適切な溶接技術の選択

1。 鋳鉄の種類の決定

この種の溶接の最初のステップは、それがどのタイプの鋳鉄であるかを特定することです。さまざまな種類があり、それらのほとんどを溶接したくないでしょう。

鋳鉄は延性が低いため、急速に加熱または冷却すると熱応力により割れることがあります。割れの影響を受けやすいのは、鋳鉄の種類/カテゴリによって異なります。つまり、使用している合金の種類を理解する必要があります。

• ねずみ鋳鉄： これは、鋳鉄の最も一般的な形態です。炭素は、パーライトまたはフェライトの結晶性微細構造への製造中にグラファイトフレークに沈殿します。白い鋳鉄よりも延性があり、溶接可能です。ただし、ねずみ鋳鉄内のグラファイトフレークが溶接プールに入り、溶接金属の脆化を引き起こす可能性があるため、将来の溶接工にとっては依然として課題となります。
• 白い鋳鉄： 白い鋳鉄は、炭素をグラファイトとして沈殿させることなく、炭化鉄として保持します。セメンタイトの結晶性微細構造は非常に硬くて脆い。白い鋳鉄は一般的に溶接できないと考えられています。
• ダクタイル鋳鉄、球状鋳鉄、または可鍛鋳鉄： これらの鋳鉄は、製造による微細構造の違いにより、すべて脆性が低くなっています。 3つすべてに、独自の製造プロセスによって作成された球状の炭素微細構造があります。

使用しているアイロンの種類を判断する最も簡単な方法は、元の仕様を確認することです。化学的および金属組織学的分析は、使用している鋳鉄のカテゴリを特定するのにも役立ちます。

合金間の違いを見分ける方法は他にもいくつかあります。ねずみ鋳鉄は、破壊点とともに灰色を示しますが、ねずみ鋳鉄は、セメンタイトが含まれているため、破壊に沿ってより白い色を示します。ただし、たとえばダクタイル鋳鉄は、より白い破壊を示しますが、溶接性ははるかに高くなります。

ねずみ鋳鉄は溶接される鋳鉄の最も一般的なタイプであり、鋳造または溶接の経験がない限り、溶鉄を試みる唯一の鋳鉄である必要があります。経験豊富な誰かにあなたを支援してもらうことも良い選択肢です。

2。 鋳物をきれいにする

合金に関係なく、すべての鋳物は溶接前に適切に準備する必要があります。溶接用の鋳造品を準備する際には、すべての表面材料を取り除くことが重要です。鋳造物は、溶接部で完全にきれいでなければなりません。溶接ゾーンから塗料、グリース、オイル、その他の異物を取り除きます。母材の溶接ゾーンから閉じ込められたガスを除去するために、溶接領域に注意深くゆっくりと短時間熱を加えるのが最善です。

鋳鉄表面の準備状況をテストするための簡単な手法は、金属上に溶接パスを堆積することです。不純物が存在する場合、金属は多孔質になります。このパスはすりつぶすことができ、多孔性がなくなるまでこのプロセスが数回繰り返されます。

3。 予熱温度

すべての鋳鉄は、応力下で割れやすくなっています。熱制御は、亀裂を回避する上で最も重要な唯一の要素です。

鋳鉄溶接には3つのステップが必要です：

• 予熱
• 低入熱
• 徐冷

熱制御の主な理由は熱膨張です。金属が温まると膨張します。オブジェクト全体が同じ速度で暖まり、膨張する場合、応力は発生しませんが、熱が小さな熱影響部（HZ）に集中すると、応力が発生します。

局所的な加熱により、膨張が制限され、HZは周囲のより低温の金属に含まれます。結果として生じる応力の程度は、HZと鋳造体の間の温度勾配に依存します。鋼やその他の延性のある金属では、制限された膨張と収縮によって生じる応力は、伸ばすことによって緩和されます。

残念ながら、鋳鉄は延性が比較的低いため、収縮期間中に亀裂が発生する可能性があります。予熱により、鋳造体とHZ間の温度勾配が減少し、溶接による引張応力が最小限に抑えられます。一般に、高温の溶接方法では、高温の予熱が必要です。

適切な予熱が不可能な場合、最良の戦略は、入熱を最小限に抑え、低温溶接プロセスと低融点溶接ロッドまたはワイヤを選択することです。

冷却速度は、溶接部に発生する応力に直接影響を与えるもう1つの要因です。急速に冷却すると収縮が発生し、溶接部がもろくなり、割れやすくなります。対照的に、低冷却は硬化と収縮のストレスを軽減します。

4。鋳鉄を溶接するための溶接技術の使用

理論的には、手動金属アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、金属活性ガス溶接、水中アーク溶接、タングステンアーク溶接などの一般的なアーク溶接プロセスのいずれかを使用でき、ゆっくりとした加熱と冷却を容易にするプロセスは次のとおりです。一般的に好ましい。

1。手動金属アーク溶接（MMA）

このタイプの溶接は、被覆アーク溶接（SMAW）とも呼ばれ、適切な溶接棒が使用されている場合、鋳鉄溶接の全体的なプロセスとして最適であると一般に考えられています。電極の選択は、用途、必要なカラーマッチ、および溶接後の機械加工の量によって異なります。

手動金属アーク溶接の2つの主要な電極タイプは、鉄ベースとニッケルベースです。鉄ベースの電極は、高炭素マルテンサイトを含む溶接金属を生成するため、一般に、鋳造の軽微な修理やカラーマッチングが必要な場合に限定されます。

ニッケル合金電極が最も一般的に使用されており、より延性のある溶接金属を提供します。ニッケル電極は、低強度の溶接金属を提供することにより、予熱とHAZ亀裂を減らすのにも役立ちます。

すべての場合において、親金属の溶融を最小限に抑えるように注意する必要があります。これにより、希釈が最小限に抑えられます。

2。 MAG溶接

MAG溶接は一般的にニッケル消耗品で行われます。ほとんどのアプリケーションでは、80％のアルゴンと20％の二酸化炭素ガスの混合が機能します。ろう付けワイヤーを使用することもできますが、ろう付け金属は鋳造品よりもかなり弱いため、通常はお勧めしません。

3。 TIG溶接

TIG溶接は、鋳鉄にきれいな溶接を提供できますが、その高度に局所化された加熱特性のため、一般的には好ましくありません。すべてのTIG溶接と同様に、完成した溶接の品質は主に溶接工のスキルによって決まります。

4。オキシアセチレン溶接

オキシアセチレントーチも電極を利用しますが、電流によって発生するアークの代わりに、オキシアセチレントーチが溶接のエネルギーを提供します。鋳鉄電極と銅-亜鉛電極はどちらも、鋳鉄の酸素アセチレン溶接に適しています。

アセチレン溶接中に鋳鉄を酸化しないように注意する必要があります。これにより、シリコンが失われ、溶接部に白鉄が形成されます。温度勾配を最小限に抑えるために、溶接棒は炎によって直接ではなく、溶融した溶融池で溶融する必要があります。

5。ろう付け溶接

ろう付け溶接は、母材自体への影響が最小限であるため、鋳鉄部品を接合するための一般的な方法です。溶接棒は、鋳鉄の表面に付着するフィラーを提供します。鋳鉄に比べてフィラーの融点が低いため、フィラーは鋳鉄で希釈されず、表面に付着します。

接合部は母材の表面を濡らすフィラーの品質に依存するため、この溶接技術では表面の清浄度が重要です。 Machine Designによると、ろう付け中の酸化物の形成を防ぐためにフラックスを使用するのが一般的です。

濡れを促進する液体であり、接合する金属部分にフィラーが流れます。また、酸化物の部品を洗浄して、フィラーが金属部品により強固に結合するようにします。さらに、フラックスは金属表面をきれいにするための溶接に使用されます。

予熱なしの溶接技術

鋳物のサイズやその他の状況により、予熱せずに修理を行う必要がある場合があります。この場合、部品は冷たく保つ必要がありますが、冷たくはありません。

鋳造温度を華氏100度に上げると便利です。部品がエンジン上にある場合、この温度を得るために数分間それを実行することが可能かもしれません。素手を置くことができないほど熱くすることは絶対にしないでください。

短く、約1インチの長さの溶接を行います。この手法では、溶接後のピーニングが重要です。溶接部と鋳造物を冷まします。水や圧縮空気で冷却速度を上げないでください。

前の溶接が冷えている間に、鋳造物の別の領域で溶接することが可能かもしれません。すべてのクレーターを埋める必要があります。可能な限り、ビーズは同じ方向に堆積する必要があり、平行なビーズの端が互いに整列しないことが好ましい。

キャスト溶接に使用するフィラーワイヤーまたは電極

上記のように、鋳鉄の溶接には溶接棒の選択が重要ですが、ほとんどの専門家はニッケル棒の使用を勧めています。

1。 99％ニッケルロッド

これらの電極は他のオプションよりも高価ですが、最良の結果も提供します。 99％のニッケル棒は、機械加工が可能な溶接部を生成し、低または中程度のリン含有量の鋳造で最適に機能します。これらの純粋なニッケル棒は、柔らかく、可鍛性のある溶接堆積物を生成します。

2。 55％ニッケルロッド

99％のロッドよりも安価で、機械加工も可能で、厚い部分の修理によく使用されます。係数の膨張が小さいということは、99％のロッドよりも融着線の亀裂が少ないことを意味します。これらのフェロニッケルロッドは、鋳鉄を鋼に溶接するのに理想的です。

鋼棒などのより安価なオプションが利用可能ですが、これらはニッケル棒ほど効果的ではありません：

3。スチールロッド

鋼棒は3つの中で最も安価なオプションを提供し、軽微な修理や充填に最適です。鋼電極はハード溶接を生成しますが、これは仕上げに追加の研削が必要であり、機械加工できません。ただし、これらの欠点にもかかわらず、鋼棒はカラーマッチングを提供し、ニッケル棒よりも完全にきれいではない鋳造物に耐えることができます。

4。ろう付けブロンズ

オキシアセチレンろう付けするか、TIG溶接機でロッドを使用できます。ひび割れや鋳鉄の特性の変化を引き起こさずに、ひび割れや接合が必要な2つのコンポーネントの間に拠点を提供するのに適した方法です。

溶接面のクリーニングとピーニング

ほとんどの溶接と同様に、表面がきれいであるほど、溶接は良好になります。溶接している材料に、鋳造全体で一生分の煙や油が含まれていることがあります。これにより、溶接に問題が発生します。鋳鉄を溶接する際に注意すべきことがいくつかあります。

MG-289鋳鉄溶接合金ロッドなど、汚染された鋳鉄用に設計された溶接材料を使用することが、溶接が十分であることを確認するための最良の方法です。

ピーニングは、亀裂を防ぐためにボールピーンハンマーで冷却するときにソフト溶接を軽くたたくプロセスです。これは、溶接部が変形する可能性がある場合にのみ注意して行う必要がありますが、主に亀裂の原因となるのはコンポーネントの不規則または急速な加熱または冷却であるため、必ずしも必要ではありません。プロジェクトを予熱してゆっくりと冷却することが最も重要です。

予熱または冷間溶接？

ホット溶接とコールド溶接のどちらを溶接するかについては、いくつかの異なる意見があります。予熱が良い選択肢であることに誰もが同意しますが、最小限の熱での溶接でも十分であると示唆する人もいます。

鋳鉄の溶接方法を決定する際には、これらのアプローチのいずれかを採用する必要があります。これは、ほとんどの金属とは異なり、鋳鉄はもろく、曲げや伸縮による変形がほとんどないためです。熱は常に金属に変形効果をもたらし、金属の一部が他の部分よりも速く加熱または冷却されると、鋳鉄または溶接部に応力と亀裂が発生します。

予熱は、溶接部の周囲を溶接温度に近づけ、コンポーネント全体を均一に変化させることにより、この影響を最小限に抑えます。鋳鉄は華氏1400度を超えると特性が変化するため、コンポーネントに過度の熱を加えないことが重要です。

予熱せず、最小限の熱で鋳鉄を冷間溶接することで、全体の温度を下げることができると考えられています。これは目に見える亀裂を発生させないのに有益であり、予熱なしの熱間溶接よりも強力な溶接になります。ただし、内部応力は依然として発生します。これは、コンポーネントの寿命の後半で発生する可能性があり、溶接前に適切に予熱するよりも全体的に弱い溶接を生成します。

鋳鉄製品の修理または製造に常に定期的に、そして予熱のみに取り組む経験豊富な鋳鉄溶接工。これは、目に見える亀裂が少ないだけでなく、内部で溶接が強力であることを確認するための最良の方法です。