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、ほとんどの鋼の約 10 倍です。溶接プロセス中、この炭素は溶接金属および/または熱影響部に移動し、脆性/硬度の増加につながります。これにより、溶接後に亀裂が生じる可能性があります。

鋳鉄は、特定の特性を改善するために、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元素を含むさまざまな比率の鉄と炭素で構成されています。さらに、不純物よりもはるかに高い硫黄とリンの含有量を含む可能性があるため、割れずに溶接することは困難です。

さまざまな種類の鋳鉄には、ねずみ鋳鉄、白鋳鉄、ダクタイル (ノジュラー) 鉄、可鍛鋳鉄があり、溶接性が大きく異なります。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、溶接は炭素鋼の溶接に比べて大幅に困難になる可能性があります。

ただし、詳細な冶金分析を行わないと、これらの異なるタイプの鋳鉄の違いを見分け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。

鋳鉄の溶接前手順

鋳鉄の効果的な溶接を確実に行うには、作業を開始する前に 4 つの重要な手順を実行する必要があります。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識別することです。多くの種類があり、それらのほとんどを溶接する必要はありません.

鋳鉄は延性に乏しいため、急熱・急冷すると熱応力により割れることがあります。割れの発生しやすさは、鋳鉄の種類/カテゴリによって異なります。これは、使用している合金の種類を理解する必要があることを意味します:

• ねずみ鋳鉄: 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結晶微細構造のいずれかへの製造中にグラファイト フレークに析出します。白鋳鉄よりも延性があり、溶接性に優れています。ただし、ねずみ鋳鉄内の黒鉛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。
• 白鋳鉄: 白鋳鉄は、炭素をグラファイトとして析出させることなく、炭化鉄として保持します。セメンタイト結晶の微細構造は非常に硬くてもろいです。一般に、白い鋳鉄は溶接できないと考えられています。
• ダクタイル、ノジュラー、可鍛性鉄: 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ります。 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。

どのタイプのアイロンを使用しているか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。化学分析および金属組織分析も、使用している鋳鉄のカテゴリを特定するのに役立ちます。

合金の違いを見分ける方法は他にもいくつかあります。灰色の鉄は破砕点とともに灰色を示しますが、白い鉄は含有するセメンタイトのために破砕に沿ってより白い色を示します。ただし、たとえば、ダクタイル鋳鉄もより白い破面を示しますが、はるかに溶接可能です.

ねずみ鋳鉄は、溶接される鋳鉄の中で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、融合を試みる唯一の鋳鉄であるべきです。経験豊富な人に手伝ってもらうのも良い選択肢です。

2. キャストをきれいにする

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。鋳物を溶接する準備をしている間、すべての表面材料を取り除くことが重要です。鋳物は、溶接部が完全にきれいでなければなりません。溶接部から塗料、グリース、油、およびその他の異物を取り除きます。母材金属の溶接部から閉じ込められたガスを除去するために、溶接部に短時間、注意深くゆっくりと熱を加えることをお勧めします。

鋳鉄表面の準備状況をテストする簡単な手法は、金属に溶接パスを堆積させることです。不純物が存在すると多孔質になります。このパスはすりつぶすことができ、気孔がなくなるまでこのプロセスを数回繰り返します。

3. 予熱温度

すべての鋳鉄は、応力下で割れやすいです。熱制御は、クラックを回避する上で最も重要な要素です。

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。金属は温まると膨張します。物体全体が同じ速度で温まり、膨張する場合は応力は発生しませんが、熱が小さな熱影響ゾーン (HZ) に局在すると応力が発生します。

局所的な加熱により、HZ の膨張が制限され、HZ はその周囲のより低温の金属によって封じ込められます。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。鋼やその他の延性金属では、制限された膨張と収縮によって蓄積された応力は、伸張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、収縮期に亀裂が生じる可能性があります。予熱により、鋳造体と HZ の間の温度勾配が減少し、溶接によって生じ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棒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するもう 1 つの要因です。急速な冷却は収縮を引き起こし、もろく割れやすい溶接部を作り出します。対照的に、低冷却は硬化と収縮応力を減らします。

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、サブマージ 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ます。一般的に好まれます。

1.手動金属アーク溶接 (MMA)

シールド メタル アーク溶接 (SMAW) とも呼ばれるこのタイプの溶接は、適切な溶接棒を使用する場合、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、必要な色合わせ、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用の 2 つの主な電極タイプは、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色合わせ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、強度の低い溶接金属を提供することで、予熱と HAZ 割れを減らすのにも役立ちます。

いずれの場合も、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.マグ溶接

MAG 溶接は、一般的にニッケル消耗品で行われます。 80% のアルゴンと 20% の二酸化炭素ガスの混合は、ほとんどのアプリケーションで機能します。ろう付けワイヤを使用することはできますが、ろう付け金属は鋳物よりも著しく弱いため、一般的には推奨されません。

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、非常に局所的な加熱特性のため、一般的には好まれません。すべての TIG 溶接と同様に、完成した溶接の品質は、溶接工のスキルによって大きく左右されます。

4.酸素アセチレン溶接

酸素アセチレン溶接も電極を使用しますが、電流によって生成されるアークの代わりに、酸素アセチレントーチが溶接のため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。酸化するとシリコンが失われ、溶接部に白鉄が形成されるからです。溶接棒は、温度勾配を最小限に抑えるために、火炎で直接溶かすのではなく、溶融溶融池で溶かす必要があります。

5.ろう付け溶接

ろう付け溶接は、母材金属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。

接合は母材金属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、接合する金属部品の上にフィラーが流れます。また、フィラーが金属部品によりしっかりと結合するように、酸化物の部品を洗浄します。さらに、フラックスは金属表面をきれいにするために溶接に使用されます。

予熱なしの溶接技術

鋳物のサイズ、またはその他の状況により、予熱なしで修理を行う必要がある場合があります。この場合、部品を冷却する必要がありますが、冷却する必要はありません。

鋳造温度を華氏 100 度に上げると役立ちます。パーツがエンジン上にある場合、この温度を得るために数分間実行できる場合があります。鋳物を素手で置けないほど熱くしないでください。

短く、約 1 インチの長さの溶接を行います。この技術では、溶接後のピーニングが重要です。溶接部と鋳物を冷却します。水または圧縮空気で冷却速度を加速しないでください。

前の溶接部が冷えている間に、鋳物の別の領域で溶接することができる場合があります。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配置する必要があり、平行なビーズの端が互いに整列しないことが好ましいです。

鋳物溶接用フィラー ワイヤまたは電極の使用

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

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、最良の結果も得られます。 99% 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物に最適です。これらの純ニッケル棒は、柔らかく可鍛性のある溶着物を生成します。

2. 55% ニッケルロッド

99% ロッドより安価で、機械加工も可能で、厚い部分の修理によく使用されます。膨張係数が低いということは、99% ロッドよりもフュージョン ラインのクラックが少ないことを意味します。これらのフェロニッケル棒は、鋳鉄を鋼に溶接するのに理想的です.

ニッケル棒ほど効果的ではありませんが、スチール棒などの安価なオプションを利用できます:

3.スチールロッド

スチール ロッドは 3 つの中で最も安価なオプションであり、軽微な修理や充填に最適です。鋼製電極は硬い溶接部を生成し、仕上げに追加の研磨が必要であり、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、鋼棒は色の一致を提供し、ニッケル棒よりも完全にきれいではない鋳物に耐えることができます.

4.ろう付けブロンズ

酸素アセチレンろう付けするか、ロッドを TIG 溶接機で使用できます。これは、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間に要塞を提供する良い方法です。

溶接面の洗浄とピーニング

ほとんどの溶接と同様に、表面がきれいであればあるほど、溶接は良好になります。溶接している材料には、鋳造中に一生分の煙や油が含まれている場合があり、これが溶接に問題を引き起こします。鋳鉄を溶接する際に注意すべき点があります。

汚染された鋳鉄用に設計された MG-289 Cast Iron Welding Alloy ロッドのような溶接消耗品を使用することは、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。

ピーニングとは、柔らかい溶接部をボール ピーン ハンマーで叩いて冷やし、ひび割れを防ぐプロセスです。これは、溶接部が変形する可能性がある場合にのみ慎重に行う必要がありますが、必ずしも必要ではありません。主にクラックの原因は、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です。プロジェクトを予熱し、徐々に冷却することが最も重要です。

予熱または冷間溶接?

ホット溶接かコールド溶接かについては、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、最小限の熱で溶接することで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、曲げや伸縮によって変形する能力が非常に小さいためです。熱は常に金属に変形効果をもたらします。金属の一部が別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ることでこの影響を最小限に抑え、コンポーネント全体を均一に変化させます。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ようにすることが重要です。

鋳鉄を予熱せず、最小限の熱で冷やして溶接すると、全体の温度が下がるため、これに役立つと考えられます。これは、目に見える亀裂を生じさせないという点で有益であり、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、コンポーネントの寿命の後半に現れる可能性がある内部応力は依然として発生し、溶接前の適切な予熱よりも全体的に弱い溶接が生成されます。

定期的に鋳鉄製品の修理や製造に携わる経験豊富な鋳鉄溶接工が、常に予熱のみを行っています。これは、目に見える亀裂を減らすだけでなく、溶接を内部的に強力にするための最良の方法です.