ニッケル合金の溶接方法 – 完全ガイド

通常、ニッケル合金は、その優れた汎用性、耐食性、および高温下での性能のために選択されます。驚くべきことではありませんが、これによりニッケル合金は、特に航空機タービン、蒸気タービン、原子力発電所、石油化学および化学産業などの過酷な環境での使用に人気のある選択肢となっています.

極限環境での使用を考えると、ニッケル合金の溶接部は一貫した特性を持たなければなりません。これが、完成した溶接製品が極限環境に耐える唯一の方法です。さらに、過酷な環境での性能にも影響を与える可能性があるため、溶接は高品質で欠陥がほとんどないことが重要です。

ニッケル合金とは?

ニッケル合金は、汎用元素であるニッケルを主元素とする合金として一般的に定義されています。歴史的に、ニッケル合金は 50% 以上のニッケルを含むものと定義されていました。しかし、現在使用されているニッケル合金は、一般にニッケル含有量が 50% を超えています。例:

• インコネル 718:19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb .5Al 18Fe バランス Ni
• ハステロイ X:22Cr 1.5Co 9Mo .6W 18.5Fe バランス Ni

ニッケル溶接

ニッケル溶接は、入手可能な多くのニッケル合金の 1 つを使用して実行されます。スティック、MIG、および TIG プロセスを含むアーク溶接を使用できます。特に棒溶接では、母材よりも強度の高い溶接ができます。ニッケル MIG 溶接の場合、シールド ガスは 50/50 のヘリウムとアルゴンの混合物です。

従来のすべての溶接プロセスは、ニッケル合金の溶接に適しています。主な違いは熱膨張にあります。ニッケル合金はステンレス鋼よりも熱膨張係数が低く、歪みの制御方法は炭素鋼に採用する方法と実際には似ています。

ニッケル合金は、鍛造溶接と酸素アセチレン溶接を除いて、あらゆる種類の溶接プロセスまたは方法で確実に接合できます。鍛造ニッケル合金は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接に使用される条件と同様の条件で溶接できます。鋳造ニッケル合金、特にシリコン含有量の高い合金は、溶接が困難です。

非時効硬化型 (固溶体強化型) 鍛造ニッケル合金の溶接に最も広く採用されているプロセスは、ガス タングステン アーク溶接 (GTAW)、ガス メタル アーク溶接 (GMAW)、およびシールド メタル アーク溶接 (SMAW) です。 ）。サブマージ アーク溶接 (SAW) およびエレクトロ スラグ溶接 (ESW) は、アーク プラズマ溶接 (PAW) と同様に適用範囲が限られています。 GTAW プロセスは析出硬化性合金の溶接に適していますが、GMAW プロセスと SMAW プロセスの両方も使用されます。

ニッケル合金は通常、溶体化処理条件で溶接されます。高残留応力を導入する操作を行った場合、析出困難な (PH) 合金は溶接前にアニールする必要があります。

ニッケル合金を溶接する際の一般的な問題

ニッケル合金を溶接する際に発生する最も一般的で深刻な問題は、高温割れです。これは、フュージョン ライン、HAZ、または溶接金属 (フュージョン ゾーン) のいずれかで発生しますが、フュージョン ラインは最も一般的に影響を受ける領域です。

通常、合金内または表面の硫黄がこの亀裂を引き起こしますが、ビスマス、鉛、リン、およびホウ素も悪影響を与える可能性があります。これを防ぐには、HAZ と溶接金属の両方に、油、グリース、汚れ、およびその他の汚染物質を完全に除去することが不可欠です。溶接フィラーまたは母材の過剰な硫黄も問題を引き起こす可能性があります。

材料を準備するには、脱脂を行った後、徹底的なステンレス スチールまたはマシン ワイヤー ブラシを使用する必要があります。ニッケル合金用に設計された溶剤を使用し、その後の汚染を防ぐために、洗浄後 8 時間以内に溶接を行うようにしてください。

熱処理は、電気炉または硫黄を含まない燃料を使用して、真空または不活性環境でのみ実行してください。

材料がすでに使用されているか、修理されている場合は、溶接修理領域の表面に閉じ込められた可能性のある汚染物質を除去するために、研磨または機械加工する必要があります.

気孔率も問題であり、特に酸素または水素が溶融池に空気を閉じ込める形で表面汚染を引き起こす場合に問題となります。これに対抗するには、溶接の正面側とルート側で効率的なガスパージとシールドが必要であり、すべてのガスホースが完全な状態である必要があります。溶接エリアは、ドラフトからも密閉する必要があります。

ニッケル合金の溶接準備

ニッケル合金を溶接する場合、溶接準備は不可欠です。設計の最も重要な側面は、溶接トーチに十分なアクセスを確保し、必要に応じて完全な溶込みを達成できるようにすることです。

最良のバット ジョイント デザインは四角いバットですが、これはジョイントを貫通できないため、厚さによって制限されます。したがって、貫通とその後の充填パスを可能にするために、厚さ 10 mm で 30° から 40° の角度で、U または V の準備がよく使用されます。

ガスの準備に関しては、不活性ガス混合物に最大 10% の水素を追加すると、溶融池の流動性が向上するため、有用な場合があります。

結露を除去する必要がない限り、ニッケル合金溶接には予熱は必要ありません。ニッケルの溶接には通常、最大パス間温度が 250 ̊C である必要がありますが、特定の合金では最大 100 ̊C しか使用できません。

溶接プールの表面に形成される可能性のある付着性の酸化物層を除去するために、溶接後の研磨が必要になる場合があります。この溶接後の残留物を除去するには、ワイヤー ブラッシングでは不十分な場合があります。

溶接後処理

耐食性を維持または回復するために、熱的または化学的な溶接後の処理は必要ありませんが、場合によっては、完全な溶体化アニールによって耐食性が向上します。

フッ化水素酸蒸気または苛性ソーダ中での溶接部の時効硬化または応力腐食割れ (SCC) を回避するための製造構造の応力緩和など、仕様要件を満たすために熱処理が必要になる場合があります。溶接が中程度から高い残留応力を誘発する場合、PH 合金は溶接後、時効前に応力緩和アニールが必要になります。

ニッケルおよびニッケル合金は、鉛、硫黄、リン、およびその他の低融点元素による脆化の影響を受けやすくなっています。これらの物質は、グリース、オイル、塗料、マーキング クレヨンやインク、成形潤滑剤、切削液、工場の汚れ、処理化学薬品に含まれている可能性があります。

加工物は、加熱または溶接する前に異物が完全にないようにする必要があります。ショップの汚れ、油、グリースは、蒸気脱脂またはアセトンまたは別の非毒性溶剤で拭き取ることで除去できます。

脱脂溶剤に溶けない塗料やその他の材料には、塩化メチレン、アルカリ洗浄剤、または特別な独自の化合物を使用する必要がある場合があります。炭酸ナトリウムを含むアルカリ クリーナーを使用する場合は、溶接前にクリーナー自体を除去する必要があります。お湯でスプレーまたはスクラブすることをお勧めします。通常、マーキングインクはアルコールで落とすことができます。

被削材に埋め込まれた加工材料は、研削、ブラスト研磨、10% HCl 溶液で拭き取り、水で十分に洗浄することで除去できます。主に酸化物と母材金属の融点が異なるため、溶接作業に関与する領域から酸化物も除去する必要があります。酸化物は通常、研削、機械加工、ブラスト、または酸洗によって除去されます。

鋳造および鍛錬されたニッケル合金、および固溶強化型または析出硬化型のニッケル合金は、GTAW プロセスで溶接できます。通常、フィラーの追加が推奨されます。直流電極マイナス (DCEN) は、手動溶接と機械溶接の両方に推奨されます。

シールドガス

アルゴンまたはヘリウムのいずれか、または 2 つの混合物が、ニッケルおよびニッケル合金を溶接するためのシールド ガスとして使用されます。酸素、二酸化炭素、または窒素をアルゴンガスに添加すると、通常、電極の多孔性または腐食が発生します。少量の水素 (通常 5%) を含むアルゴンを使用することができ、純粋なニッケルの多孔性を回避するのに役立ち、溶接中の酸化物の形成を減らすのに役立ちます.

鋳造ニッケル合金の溶接

鋳造ニッケル合金は、GTAW、GMAW、および SMAW プロセスによって接合できます。最適な結果を得るには、溶接前に鋳造物を溶体化処理して、鋳造応力を緩和し、鋳造構造をある程度均質化する必要があります。

最初のパスの後に固化した金属を軽くピーニングすると、応力が緩和され、溶接金属と鋳造金属の接合部での割れが減少します。後続のパスのピーニングは、あったとしてもほとんど役に立ちません。溶接後の応力緩和も望まれます。