ニッケル合金溶接のマスター：エキスパート技術とヒント

ニッケル合金は、その優れた汎用性、耐食性、高温下での性能により選ばれることが多く、航空機タービン、蒸気タービン、原子力発電所、石油化学・化学産業などの極限環境での使用に最適な材料です。

極限環境で使用されるため、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。これが完成品が過酷な環境に耐える唯一の方法です。また、溶接品質が高く、欠陥が極めて少ないことも重要です。欠陥も過酷な環境下での性能に影響を与える可能性があるためです。

ニッケル合金とは？

ニッケル合金は一般的に、汎用性の高い元素であるニッケルを主成分とする合金と定義されます。歴史的にはニッケル含有量50％以上のものをニッケル合金と定義していましたが、現在使用されているニッケル合金は一般的に50％以上のニッケルを含みます。例えば：

• インコネル718：19Cr 3Mo 0.9Ti 5.1Cb 0.5Al 18Fe バランスNi
• ハステロイX：22Cr 1.5Co 9Mo 0.6W 18.5Fe バランスNi

ニッケル溶接

ニッケル溶接は、様々なニッケル合金を用いて行われます。アーク溶接（スティック、MIG、TIGプロセス）が使用可能です。特にスティック溶接を使用すると、母材より強い溶接部が得られます。ニッケルMIG溶接では、シールドガスにヘリウムとアルゴンの50/50混合を使用します。

すべての従来の溶接プロセスが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低い熱膨張係数を持ち、歪み制御方法は実は炭素鋼で用いるものと類似しています。

ニッケル合金は、鍛造溶接と酸素アセチレン溶接を除くすべてのタイプの溶接プロセスや方法で確実に接合可能です。圧延ニッケル合金は、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いられる条件と類似した条件で溶接できます。特に高シリコン含有量の鋳造ニッケル合金は、溶接に困難を伴います。

非時効硬化型（固溶強化型）圧延ニッケル合金の溶接に最も広く用いられるプロセスは、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）、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）とエレクトロスラグ溶接（ESW）は限定的な適用性があり、プラズマアーク溶接（PAW）も同様です。時効硬化型（PH）合金の溶接にはGTAWプロセスが好まれますが、GMAWとSMAWプロセスも使用されます。

ニッケル合金は通常、固溶処理状態で溶接されます。高残留応力を導入する作業が行われた場合、PH合金は溶接前に焼鈍する必要があります。

ニッケル合金溶接時の一般的な問題

ニッケル合金溶接で最も一般的かつ深刻な問題はホットクラッキング（凝固割れ）です。これは融合線、HAZ、または溶接金属（融合ゾーン）のいずれかで発生しますが、融合線が最も影響を受けやすい領域です。

通常、合金中または表面の硫黄がこのクラッキングを引き起こしますが、ビスマス、鉛、リン、ホウ素も悪影響を及ぼす可能性があります。これを防ぐには、HAZと溶接金属の両方が油、グリース、汚れ、その他の汚染物質から完全に清浄であることが不可欠です。溶接フィラー材や母材中の過剰な硫黄も問題を引き起こす可能性があります。

材料準備として、脱脂 followed by 徹底的なステンレス鋼ブラシまたは機械ワイヤブラシによる清掃が必要です。ニッケル合金専用の溶剤を使用し、清掃後8時間以内に溶接を行って後続の汚染を防ぐ必要があります。

熱処理は、電気炉または硫黄フリー燃料を使用し、真空または不活性環境でのみ実施すべきです。

すでに使用済みの材料や修理対象の場合、溶接修理部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、研削または機械加工を行う必要があります。

気孔も問題となります。特に酸素や水素が溶融池内のエアトラップとして表面汚染を引き起こす場合です。これを防ぐには、溶接部の表面側と裏側の両方で効率的なガスパージとシールドが必要で、すべてのガスホースは完全な状態でなければなりません。溶接エリアはドラフトからも遮断する必要があります。

ニッケル合金の溶接準備

ニッケル合金溶接では溶接準備が不可欠です。設計で最も重要な点は、溶接トーチの十分なアクセスを確保し、必要な場合は完全溶け込みが達成できるようにすることです。

最適な突合せ継手設計はスクエアバットですが、溶け込み不能のため板厚によって制限されます。したがって、10mm厚で30°〜40°の角度を持つU溝またはV溝準備がよく用いられ、溶け込みとその後の充填パスを可能にします。

ガス準備については、不活性ガス混合物に最大10％の水素を添加すると、溶融池の流動性が向上するため有用です。

ニッケル合金溶接では、結露除去の要件がない限り予熱は不要です。ニッケル溶接では通常、最大層間温度250℃が必要ですが、特定の合金では最大100℃のみとする必要があります。

溶接後、溶融池表面に形成される付着性酸化物層を除去するために研削が必要な場合があります。ワイヤブラシだけではこの溶接後残渣を除去できないことがあります。

溶接後処理

耐食性を維持または回復するために、熱的または化学的な溶接後処理は不要ですが、場合によっては完全固溶焼鈍が耐食性を向上させます。

熱処理は、仕様要求を満たすために必要な場合があります。例えば、加工構造物の応力除去による時効硬化防止、またはフッ化水素蒸気や苛性ソーダ中での溶接部の応力腐食割れ（SCC）防止などです。溶接により中程度〜高レベルの残留応力が誘発される場合、PH合金は溶接後および時効処理前に応力除去焼鈍を必要とします。

ニッケルおよびニッケル合金は、鉛、硫黄、リン、その他の低融点元素によって脆化しやすい材料です。これらの物質はグリース、油、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、処理化学薬品などに存在する可能性があります。

ワークピースは、加熱または溶接前に異物から完全に解放されている必要があります。工場の汚れ、油、グリースは、蒸気脱脂またはアセトンやその他の無毒溶剤での拭き取りで除去できます。

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、または特殊な専用化合物の使用が必要な場合があります。炭酸ナトリウムを含むアルカリ洗浄剤を使用する場合、溶接前に洗浄剤自体を除去する必要があります。熱水でのスプレーまたはスクラブが推奨されます。マーキングインクは通常アルコールで除去できます。

ワークメタルに埋め込まれた処理材料は、研削、研磨ブラスト、10％塩酸溶液での拭き取り、その後の徹底的な水洗いで除去できます。酸化物も溶接部から除去する必要があります。主に酸化物と母材の融点の差があるためです。酸化物は通常、研削、機械加工、研磨ブラスト、または酸洗で除去されます。

ニッケル合金は、鋳造・圧延を問わず、固溶強化型・時効硬化型のいずれもGTAWプロセスで溶接可能です。フィラー材の添加は通常推奨されます。手動・機械溶接ともに直流電極負極（DCEN）が推奨されます。

シールドガス

アルゴン、ヘリウム、またはこれらの混合ガスがニッケルおよびニッケル合金溶接のシールドガスとして使用されます。アルゴンガスへの酸素、二酸化炭素、窒素の添加は通常、気孔や電極の浸食を引き起こします。少量の水素（典型的に5％）を含むアルゴンは使用可能で、純ニッケルの気孔防止や溶接中の酸化物生成低減に役立つ場合があります。

鋳造ニッケル合金の溶接

鋳造ニッケル合金は、GTAW、GMAW、SMAWプロセスで接合可能です。最適な結果を得るには、溶接前に鋳物を固溶焼鈍して鋳造応力を一部除去し、鋳造組織の均質化を図るべきです。

初パス後の凝固金属の軽いピーニングは応力を緩和し、溶接金属と鋳造金属の接合部でのクラッキングを低減します。2パス目以降のピーニングはほとんど、あるいは全く効果がありません。溶接後の応力除去も望ましいです。