ステンレス鋼の溶接方法

ステンレス鋼の紹介

ステンレス鋼の溶接を扱う前に、材料の大まかな説明を提供する必要があります。ステンレス鋼は、その組成にクロムが含まれているため、環境によっては錆や腐食に対して一定の耐性を持つ鉄ベースの材料のクラスを表します。クロムは、素材の表面に頑丈で不浸透性の酸化クロム層を生成するのに役立ち、表面をさびや腐食から保護します。 「ステンレス鋼」という表現は、さまざまな材料の巨大なクラスを表していることに注意する必要があります。特定の金属を識別する専門用語ではなく、購入などの実用的な目的には使用できません。

3 つのクラス

オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の 3 つのより一般的なステンレス鋼のクラスは、それらの金属構造を参照して示されます。より具体的には、顕微鏡またはX線回折で見られる微細構造の外観を参照する識別子を使用します。これらの微細構造は特定の鋼に存在する可能性があるため、ステンレス鋼の一般的な構造を示すために使用されます。各クラスのプロパティは、さまざまな方法で溶接プロセスに影響を与える可能性があるため、事前にどのタイプが使用されているかを特定することが重要です。

1.オーステナイト

ステンレス鋼を溶接する場合、オーステナイト系ステンレス鋼は 3 つのクラスの中で最も溶接しやすいと考えられています。それらは「300 シリーズ」として知られています。これは、米国鉄鋼協会 (AISI) と自動車技術者協会 (SAE) によって考案された標準分類を指します。 「18/8」として知られる重要なサブクラスには、18% のクロムと 8% のニッケルの合金元素があります。

オーステナイト系ステンレス鋼の主な特徴は次のとおりです。

• 磁気を帯びていないか、わずかしか磁気を帯びていない
• 硝酸 (HNO3) の 10% アルコール溶液による攻撃を受けない
• 熱処理によって硬化しません
• ひずみ硬化 - 非常に延性があり、機械加工によって容易に変形するため、硬度と強度の両方が向上します
• 必要な予防措置を講じれば、簡単に溶接できます
• 他の鋼の 3 分の 1 から 2 分の 1 の熱伝導率
• 熱膨張係数が 30 ～ 40%、場合によっては 50%

ステンレス鋼を溶接する場合、最後の 2 つの特性がさまざまな方法で結果に影響を与え、他の鋼に見られるよりも大きな歪みを生成します。

300 シリーズのすべてのオーステナイト系ステンレス鋼が同等の溶接性を備えているわけではありません。機械加工性を改善するために使用される硫黄またはセレンの添加 (タイプ 303 など) は、深刻な溶接熱割れを引き起こし、この特定の材料を「溶接不能」にします。

オーステナイト系ステンレス鋼を溶接するときは注意してください。これらのステンレス鋼の耐食特性は、摂氏 600 度から 900 度 (華氏 1100 度から 1650 度) の温度間隔で発生する鋭敏化プロセスによって悪影響を受ける可能性があります。これにより、粒界での炭化クロムの集合と、母材金属からの防食クロムの並行損失が促進されます。

上記の温度範囲は、温度が高く短時間しか続かない溶接部ではなく、溶接ビードの両側にある 2 つの金属ストリップで自然に発生します。これは、有害な影響が発生する熱影響ゾーン (HAZ) です。

感作された関節では、主要な「ステンレス」成分であるクロムが隔離されたり、役割から外されたりして、保護作用のために局所的に利用できなくなります.正しく対処しないと、ステンレス 18/8 鋼を溶接すると、敏感な経路に沿って保護特性が失われる可能性があり、溶接された材料は腐食環境で粒界攻撃を受けやすくなります。

シリーズ 300 ステンレス鋼の鋭敏化プロセスの悪影響を減らすために使用できる 3 つの戦略があります。 1 つは、非常に低炭素のバージョン (すなわち、L が低炭素を表す 304L) を使用することです。この場合、炭化クロムの製造に利用できる炭素はあまり多くありません。

もう 1 つの戦略は、チタン (タイプ 321) またはコロンビウム (タイプ 347) を含む異なるタイプの卑金属を使用することです。これにより、チタンまたはコロンビウムの炭化物が形成され、増感プロセス中に炭素がクロムに​​利用できなくなります。これにより、クロムが自由に腐食防止作業を実行できるようになります。

メモ :この材料のフィラー メタルは、必要に応じて常にコロンビウムにする必要があります。なんで？チタンは反応性があり、堆積中に容易に回収されないためです。これは、最も必要なときに利用できないことを意味します。ただし、コロンビウムは反応しません。溶融プロセス中はそのままにしておき、材料が鋭敏化温度範囲に加熱されると、炭化コロンビウムを生成して時間を節約します.

3 番目の戦略は、高温 (摂氏 1050 度または華氏 1900 度) で溶体化熱処理を行うことです。これにより、腐食感受性が修復されます。この戦略は、通常の 18/8 ステンレス鋼の溶接鋭敏化プロセス中に発生した炭化クロムの固溶体を入れます。ただし、このプロセスは、汚染のない真空または他の保護雰囲気で実行されない場合、重い酸化物の形成などの問題に対処します。高温用途に使用されるタイプ 309 および 310、および耐食性を強化するために使用されるタイプ 316 またはそれ以上のタイプ 316L は、一般に鋭敏化する傾向がなく、同様の組成のフィラー ワイヤと共に使用されます。

2.フェライト

ステンレス鋼の 2 番目のクラスは、フェライト系ステンレス鋼と呼ばれます。この鋼は強磁性ですが、熱処理によって硬化することはできません。これは、自動車の排気部品に使用される一般的なタイプのステンレス鋼です。限られた量のフェライト構造は、そうでなければ主にオーステナイト構造で存在する場合、高温割れの可能性を減らすという点で有益であると考えられています。ステンレス フェライト鋼の溶接は、フェライト系またはオーステナイト系溶加材を使用したアーク溶接プロセスを使用して容易に行うことができます。特性を改善するために、溶接後の熱処理が必要になる場合があります。

3.マルテンサイト

マルテンサイト系ステンレス鋼は磁性を帯びており、熱処理によって完全に硬化することができます。このタイプのステンレス鋼の溶接は推奨されませんが、特別な技術で可能です。特に炭素含有量が十分に低くない場合、溶接によりクラックが生じることがあります。予熱および後熱処理が必要な場合があります。

1 つの最終クラス

溶接ステンレス鋼の概要を完成させるには、上記にリストされていない 4 番目のクラスの材料、つまり非常に容易に溶接できる析出硬化性 (PH) ステンレス鋼について言及する必要があります。ただし、必要な特性を開発するために、熱処理に関する正確な指示に従う必要があります。

ステンレス鋼の溶接プロセス

ステンレス鋼を溶接する際に使用できるさまざまな種類の溶接があります。それらにはすべて長所と短所があり、毎回適切で強力な溶接を確実に行うには、特定の指示が必要です。

摩擦圧接

ステンレス鋼の摩擦溶接は、まったく溶接してはならない快削タイプのステンレス鋼を除いて、ほとんど問題はありません。ステンレス鋼を他のステンレス鋼ワークピースに溶接するだけでなく、銅やアルミニウムなどの異なる金属にも溶接するために使用されます。溶接前の材料の種類と状態、および接合部付近の熱の影響に常に注意する必要があります。硫黄やセレンなどの一部の元素は、溶接継手の最終的な健全性を損なう可能性があります.

抵抗溶接

抵抗溶接は、ほとんどのステンレス鋼で使用できます。 300シリーズのオーステナイト鋼は、フェライト鋼と同様に抵抗溶接を容易に使用できます。ただし、マルテンサイト系ステンレス鋼は、溶接後の焼き戻し処理によって適切に軟化されていない場合、溶接結果が脆くなるため、問題を引き起こす可能性があります。

抵抗溶接プロセスは現在、ステンレス鋼で使用されており、電気抵抗と低い熱伝導率の違い、および高い熱膨張係数、高い溶融温度、および高温での高い強度に対処するための適応があります。低炭素鋼の場合、電極力はより高くなりますが、時間と電流は少なくなります。

すべてのステンレス鋼は、抵抗溶接プロセス (または任意の溶接プロセス) の前に、汚れ、油、グリース、または塗料を除去するだけでなく、自然に形成される酸化クロム層も除去する必要があります。これは、ステンレス鋼のワイヤー ブラシで除去する必要があります。

アーク溶接

適切なフラックスを使用する限り、ステンレス鋼を溶接するときにアーク溶接を使用できます。これにより、他に選択肢がない場合を除き、このプロセスは TIG 溶接に適していません。ステンレス鋼の TIG 溶接では、溶接プロセス後に部品上の残留フラックスの痕跡をすべて除去する必要があり、作業時間が長くなり、コストが増加します。アーク溶接が一般的に使用され、溶接される材料のクラスと状態に細心の注意を払い、鋭敏化と変形に注意を払います。

ステンレス鋼の溶接には、ジョイントの形状、寸法、準備に注意を払うことで、あらゆるタイプのアーク プロセスを使用できます。特に、Shielded Metal Arc Welding (SMAW) は、その柔軟性のために広く使用されています。電極には、カバーの構成に関して 2 つのタイプがあり、使用する電流の選択に影響を与える可能性があることに注意してください。

アーク プロセス中に使用できる溶加材は多数あります。ステンレス鋼溶加材の分類は、米国溶接協会の AWS A5.9/A5.9M:2006 – ベア ステンレス鋼溶接電極およびロッドの仕様に記載されています。

電子ビーム溶接

ステンレス鋼の電子ビーム溶接 (EBW) は、非常に深い溶接でも容易に実行でき、良好な結果が得られます。深さと幅の比が非常に高いため、EBW は他の手段では不可能な構成を結合できます。入熱が少なく、熱影響部の範囲が限られているため、多くの場合、機械的特性に顕著な損傷がないため、追加の熱処理は必要ありません。

レーザー溶接

溶接を空気から遮断し、加熱処理中に得られる損傷特性を制限するための予防策がプレートにある限り、レーザー溶接はステンレス鋼の溶接にも使用できます。

結局、ステンレス鋼の溶接は複雑なプロセスではありません。ワークピースの材料、溶加材、使用される溶接の種類に関しては、細部に注意が必要です。それがすべて標準に達していれば、ステンレス鋼部品の溶接に成功することができます.

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