産業用ロボットによる銅溶接
銅および銅合金は、多くの製造環境に最適な材料特性の独自の組み合わせを提供します。それらは、優れた電気伝導性と熱伝導性、優れた耐腐食性、製造の容易さ、優れた強度と耐疲労性のために広く使用されています。その他の有用な特性には、耐火花性、金属間の耐摩耗性、低透過性、独特の色などがあります。
銅溶接プロセス
銅はしばしば溶接によって結合されます。アーク溶接プロセスが主な関心事です。アーク溶接は、シールド メタル アーク溶接 (SMAW)、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)、プラズマ アーク溶接 (PAW)、およびサブマージ アーク溶接 (SAW) を使用して実行できます。
SMAW は多くの重要でないアプリケーションに使用できますが、ガス シールドを使用する溶接プロセスが一般的に好まれます。アルゴン、ヘリウム、または 2 つの混合物は、GTAW、PAW、および GMAW のシールド ガスとして使用されます。一般に、材料が厚さ 3 mm 未満、熱伝導率が低い、またはその両方を手作業で溶接する場合は、アルゴンが使用されます。ヘリウムまたはヘリウム 75% とアルゴン 25% の混合物は、薄い部分の機械溶接、および熱伝導率の高い合金の厚い部分の手動溶接に推奨されます。少量の窒素をアルゴン シールド ガスに追加して、有効な入熱量を増やすことができます。シールドメタルアーク溶接は、幅広い範囲の銅合金の厚さを溶接するために使用できます。銅合金のサブマージ アーク溶接 (SAW) 用の被覆電極は、2.4 ～ 4.8 mm の範囲の標準サイズで利用できます。
ガスタングステンアーク溶接
ガス タングステン アーク溶接は、その強力なアークにより、接合部が非常に高温になり、熱影響部 (HAZ) が狭くなるため、銅および銅合金に適しています。
銅の溶接ではより熱伝導性の高い銅合金では、周囲の高伝導性母材の加熱を最小限に抑えて融合を完了するには、アークの強度が重要です。狭い HAZ は、特に析出硬化された銅合金の溶接に適しています。
多くの標準タングステンまたは合金化タングステン電極は、銅および銅合金の GTAW で使用できます。タングステン電極について通常考慮される選択要因は、一般に銅および銅合金に適用されます。特定のクラスの銅合金を除いて、トリエーテッド タングステン (通常は EWTh-2) が、より優れた性能、より長い寿命、およびより高い耐汚染性のために好まれます。
ガスメタルアーク溶接
ガスメタル アーク溶接は、厚さ 3 mm 未満の銅と銅合金の接合に使用されますが、GMAW は、3 mm を超える部分の厚さ、およびアルミニウム ブロンズ、シリコン ブロンズ、および銅ニッケル合金の接合に適しています。
プラズマアーク溶接
PAW を使用した銅および銅合金の溶接は、これらの合金の GTAW に匹敵します。すべての合金の溶接には、アルゴン、ヘリウム、またはその 2 つの混合物が使用されます。銅を溶接するときは、水素ガスを使用しないでください。
プラズマ アーク溶接には、GTAW に比べて 2 つの明確な利点があります。
<オール>
銅および銅合金のプラズマ アーク溶接は、自生または溶加材を使用して行うことができます。溶加材の選択は、GTAW で概説したものと同じです。このプロセスの自動化と機械化は容易に実行でき、汚染によって生産効率が制限される GTAW よりも適しています。 PAW の溶接位置は GTAW と同じです。ただし、プラズマ キーホール モードは、垂直アップ位置でより厚いセクションに対して評価されています。一般に、GTAW について示されているすべての情報は PAW に適用されます。
サブマージアーク溶接
厚板から形成されたパイプなどの厚いゲージ材料の溶接は、粒状フラックスの下での連続メタルアーク操作によって達成できます。必要な溶接金属組成を形成するための効果的な脱酸とスラグ金属反応は重要であり、SAW プロセスは銅ベース材料用にまだ開発中です。このプロセスのバリエーションは、溶接クラッディングまたはハードフェイシングに使用できます。銅ニッケル合金には、市販のフラックスを使用してください。
合金の冶金と溶接性
多くの一般的な金属が銅と合金化されて、さまざまな銅合金が生成されます。最も一般的な合金元素は、アルミニウム、ニッケル、シリコン、スズ、および亜鉛です。耐食性や機械加工性などの特定の材料特性を改善するために、他の元素や金属が少量合金化されています。
9 つの銅および銅合金グループ:
<オール>多くの銅合金には、無酸素銅 (99.95% Cu 分)、ベリリウム銅 (0.02 ～ 0.2% Be)、ムンツ メタル (Cu40Zn)、ネーバル ブラス (Cu-39.5Zn-0.75Sn)、商用青銅 (Cu-10Zn)。
プロパティ
銅合金の物理的特性の多くは、溶融温度、熱膨張係数、電気伝導率、熱伝導率など、溶接プロセスにとって重要です。特定の合金元素は、銅および銅合金の電気伝導率と熱伝導率を低下させます。
溶接性
いくつかの合金元素は、銅および銅合金の溶接性に顕著な影響を及ぼします。少量の揮発性で有毒な合金元素が銅とその合金に含まれていることがよくあります。その結果、鉄系金属を溶接する場合よりも、溶接機および/または溶接機オペレーターを保護するための効果的な換気システムの要件がより重要になります。
亜鉛は、合金中の亜鉛の割合に比例して、すべての真鍮の溶接性を低下させます。亜鉛は沸点が低いため、銅亜鉛合金を溶接する際に有毒な蒸気が発生します。
ケイ素は、その脱酸素作用とフラックス作用により、銅-ケイ素合金の溶接性に有益な効果をもたらします。
すず
スズは、1 ～ 10% の量で存在する場合、溶接中の熱割れ感受性を高めます。スズは、亜鉛と比較すると、揮発性と毒性がはるかに低くなります。溶接中、スズは銅に比べて優先的に酸化する可能性があります。その結果、酸化物が閉じ込められ、溶接部の強度が低下する可能性があります。
粘り強い酸化物
ベリリウム、アルミニウム、およびニッケルは、溶接前に除去しなければならない粘り強い酸化物を形成します。溶接プロセス中のこれらの酸化物の形成は、適切な溶接電流の使用と組み合わせて、シールドガスまたはフラックスによって防止する必要があります。ニッケルの酸化物は、ベリリウムやアルミニウムよりもアーク溶接に干渉しません。その結果、洋白および銅-ニッケル合金は、プロセス中に使用される溶接電流のタイプにあまり敏感ではありません。ベリリウム含有合金は、溶接中に有毒ガスも発生します。
酸素
酸素は、十分な量のリンまたは他の脱酸剤を含まない特定の銅合金で作られた溶接部の気孔率を引き起こし、強度を低下させる可能性があります。酸素は、遊離ガスまたは亜酸化銅として見られる場合があります。最も一般的に溶接された銅合金には、リン、シリコン、アルミニウム、鉄、またはマンガンなどの脱酸素元素が含まれています。
鉄とマンガンは、それらを含む合金の溶接性に大きな影響を与えません。鉄は通常、1.4 ～ 3.5% の量で、いくつかの特殊な真鍮、アルミニウム青銅、および銅ニッケル合金に存在します。マンガンはこれらの同じ合金で一般的に使用されますが、鉄よりも濃度が低くなります.
快削添加剤
鉛、セレン、テルル、硫黄は、機械加工性を向上させるために銅合金に添加されます。ビスマスは、鉛フリーの合金が望まれる場合にも、この目的で使用され始めています。これらの少量の合金化剤は、機械加工性を改善する一方で、銅合金を熱割れしやすくすることにより、銅合金の溶接性に大きな影響を与えます。溶接性への悪影響は、約 0.05% の添加剤で明らかであり、濃度が高くなるほど深刻になります。鉛は、熱間亀裂感受性に関して最も有害な合金剤です。
溶接性に影響する要因
特定の銅合金を構成する合金元素以外にも、溶接性に影響を与える要因がいくつかあります。これらの要因は、溶接される合金の熱伝導率、シールド ガス、溶接中に使用される電流の種類、接合部の設計、溶接位置、および表面の状態と清浄度です。
熱伝導率の影響
溶接中の銅および銅合金の挙動は、合金の熱伝導率に大きく影響されます。熱伝導率の高い市販の銅および軽合金銅材料を溶接する場合、接合部に最大の熱入力を提供するために、電流とシールド ガスのタイプを選択する必要があります。この高い熱入力は、局部的な溶接ゾーンからの急速な水頭の散逸を妨げます。
断面の厚さによっては、熱伝導率の低い銅合金の場合、予熱が必要になる場合があります。パス間温度は、予熱と同じにする必要があります。銅合金は、鋼ほど頻繁に溶接後の頭部を処理しませんが、一部の合金では、残留応力と熱間短絡を最小限に抑えるために制御された冷却速度が必要になる場合があります。
溶接位置
銅とその合金の流動性が高いため、溶接には可能な限りフラット位置が使用されます。水平位置は、コーナー ジョイントおよび T ジョイントのフィレット溶接で使用されます。
析出硬化性合金
最も重要な析出硬化反応は、ベリリウム、クロム、ホウ素、ニッケル、シリコン、およびジルコニウムで得られます。析出硬化性銅合金を溶接するときは、酸化や不完全な融合を避けるために注意が必要です。可能な限り、コンポーネントを焼きなまし状態で溶接し、溶接部に析出硬化熱処理を施す必要があります。
ホットクラッキング
銅-スズや銅-ニッケルなどの銅合金は、凝固温度で高温割れを起こしやすい。この特性は、液相線から固相線までの温度範囲が広いすべての銅合金に見られます。重度の収縮応力は、金属凝固中に樹枝状突起間の分離を引き起こします。高温割れは、溶接中の拘束を減らし、予熱して冷却速度を遅くし、溶接応力の大きさを減らし、ルート開口部のサイズを小さくしてルート パスのサイズを大きくすることで最小限に抑えることができます。
気孔率
特定の元素 (亜鉛、カドミウム、リンなど) は沸点が低くなります。溶接中にこれらの元素が気化すると、気孔が生じることがあります。これらの元素を含む銅合金を溶接する場合、溶接速度を上げ、これらの元素の少ない溶加材を使用することで、気孔率を最小限に抑えることができます。
表面状態
作業面のグリースと酸化物は、溶接前に除去する必要があります。ワイヤーブラッシングまたはブライトディップが使用できます。アルミニウム青銅およびケイ素青銅の表面のミリスケールは、通常、機械的手段によって、溶接領域から少なくとも 13 mm の距離で除去されます。グリース、塗料、クレヨンの跡、工場の汚れ、および同様の汚染物質が銅 - ニッケル合金に付着すると、脆化する可能性があるため、溶接前に除去する必要があります。銅 - ニッケル合金のミリスケールは、研磨または酸洗によって除去する必要があります。ワイヤーブラッシングは効果がありません。
銅溶接合金
理想的な電極材料は、工具鋼の圧縮強度と銀の導電率を備えたものです。残念ながら、そのような資料はありません。そのため、いくつかの異なる銅合金が開発されました。 RWMA が推奨するすべての材料は、純銅よりも焼鈍温度または軟化温度が高く、圧縮強度と耐摩耗性が向上しています。銅はより高い強度と耐摩耗性を実現するために合金化されているため、導電率がいくらか犠牲になります.
銅合金クラス:
クラス 1:このクラスは、ほとんどの場合、アルミニウムやその他の高導電性材料の溶接に指定されています。これは RWMA 合金の中で最も導電性があります。また、最も柔らかい (強度と摩耗特性が最も低い)。
クラス 2:このクラスの銅合金は、最も広く使用され、推奨される銅合金です。幅広い鋼合金に推奨されます。スポット溶接、シーム溶接、プロジェクション溶接、クロスワイヤー溶接に推奨される材質です。導電率はクラス 1 よりわずかに低く、強度と摩耗特性が高くなります。
クラス 3:これは、銅電極材料の主要な 3 つのグレードの中で最も低い導電率を持ちますが、最も高い強度特性を持っています。高強度と耐摩耗性が不可欠なほとんどのアプリケーションに推奨されます。
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