ニッケル合金の溶接方法–完全ガイド

ニッケル合金は通常、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。当然のことながら、これにより、ニッケル合金は、極端な環境、特に航空機タービン、蒸気タービン、原子力発電所、および石油化学および化学産業での使用に人気があります。

極限環境での使用を考えると、ニッケル合金の溶接ゾーンは一貫した特性を備えている必要があります。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、溶接部が高品質で欠陥がほとんどないことが重要です。

ニッケル合金とは何ですか？

ニッケル合金は、一般に、用途の広い元素であるニッケルを主成分とする合金として定義されています。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して定義されていました。しかし、今日使用されているニッケル合金は、一般的に50％よりも高いニッケル含有量を持っています。例：

• インコネル718：19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb.5Al18FeバランスNi
• ハステロイX：22Cr 1.5Co 9Mo.6W18.5Fe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、TIGプロセスを含むアーク溶接を使用できます。特にスティック溶接を使用すると、母材よりも強力な溶接が作成されます。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。主な違いは熱膨張です。ニッケル合金はステンレス鋼よりも熱膨張係数が低く、歪みの制御方法は実際には炭素鋼に採用する方法と似ています。

ニッケル合金は、鍛接とオキシアセチレン溶接を除いて、すべてのタイプ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下で溶接できます。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（固溶強化）鍛造ニッケル合金を溶接するために最も広く使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）、および被覆アーク溶接（SMAW）です。 ）。サブマージアーク溶接（SAW）と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。析出硬化性合金の溶接にはGTAWプロセスが推奨されますが、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、溶体化処理された条件で溶接されます。高い残留応力を導入する操作を行った場合は、溶接前に析出ハードイネーブル（PH）合金を焼きなまし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ときに発生する最も一般的で深刻な問題は、熱間割れです。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が最も一般的に影響を受ける領域です。

通常、合金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、オイル、グリース、汚れ、およびその他の汚染物質が完全に除去されていることが不可欠です。溶接フィラーまたは母材に過剰な硫黄が含まれていると、問題が発生する可能性があります。

材料を準備するには、脱脂した後、完全なステンレス鋼または機械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、クリーニングから8時間以内に溶接が行われるようにしてください。

熱処理は、真空または不活性環境で、電気炉または硫黄を含まない燃料でのみ実行する必要があります。

材料がすでに使用されているか、修理中の場合は、溶接修理エリア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、粉砕または機械加工する必要があります。

多孔性も問題であり、特に酸素または水素が溶接プール内の空気の閉じ込めという形で表面汚染を引き起こす場合に問題になります。これに対抗するには、溶接部の面側とルート側に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。溶接領域も、いかなる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、溶接の準備は不可欠です。設計の最も重要な側面は、溶接トーチへの十分なアクセスを確保することであり、必要に応じて完全な溶け込みを実現できることです。

最良の突合せ継手の設計は正方形の突合せですが、継手を貫通できないため、これは厚さによって制限されます。したがって、浸透とその後の充填パスを可能にするために、10mmの厚さで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、溶接プールの流動性が向上するため、便利な場合があります。

凝縮を除去する必要がない限り、ニッケル合金溶接に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250°Cが必要ですが、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。場合によっては、この溶接後の残留物を除去するには、ワイヤーブラシでは不十分なことがあります。

溶接後処理

耐食性を維持または回復するために、熱的または化学的いずれの溶接後処理も必要ありませんが、場合によっては、完全な溶体化処理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での溶接部の劣化硬化または応力腐食割れ（SCC）を回避するために、製造された構造の応力緩和などの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。溶接によって中程度から高い残留応力が発生する場合、PH合金は、溶接後および時効前に応力除去焼鈍が必要になります。

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。これらの材料は、グリース、オイル、塗料、クレヨンやインクのマーキング、潤滑剤の形成、切削液、工場の汚れ、化学薬品の処理に存在する可能性があります。

ワークピースは、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、蒸気脱脂するか、アセトンまたは別の無毒な溶剤で拭くことで取り除くことができます。

脱脂溶剤に溶けない塗料やその他の材料は、塩化メチレン、アルカリ性クリーナー、または特別な独自の化合物の使用を必要とする場合があります。炭酸ナトリウムを含むアルカリ性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取り外す必要があります。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。マーキングインクは通常、アルコールで取り除くことができます。

被削材に埋め込まれた加工材は、研削、研磨ブラスト、10％HCl溶液でのスワブ、その後の徹底的な水洗により除去できます。主に酸化物と母材の融点の違いのために、溶接作業に関係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、研磨ブラスト、または酸洗いによって除去されます。

鋳造および鍛造の両方で、固溶体強化または析出硬化可能なニッケル合金は、GTAWプロセスで溶接できます。通常、フィラーの追加をお勧めします。手動溶接と機械溶接の両方に、直流電極ネガティブ（DCEN）をお勧めします。

シールドガス

ニッケルとニッケル合金を溶接するためのシールドガスとして、アルゴンまたはヘリウム、あるいはその2つの混合物が使用されます。アルゴンガスに酸素、二酸化炭素、または窒素を加えると、通常、電極の多孔性または侵食が発生します。少量の水素（通常は5％）を含むアルゴンを使用でき、純ニッケルの多孔性を回避するのに役立つだけでなく、溶接中の酸化物の形成を減らすのにも役立ちます。

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プロセスで接合できます。最適な結果を得るには、溶接前に鋳造を溶体化処理して、鋳造応力の一部を緩和し、鋳造構造をある程度均質化する必要があります。

最初のパスの後に凝固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亀裂が減少します。後続のパスのピーニングは、たとえあったとしても、ほとんどメリットがありません。溶接後の応力緩和も望ましいです。