銅溶接のエキスパートガイド：技術、ヒント、ベストプラクティス

銅の溶接方法

銅溶接は難しくありません。このタイプの溶接に必要な熱は、同厚の鋼に必要な熱の約2倍です。銅は高い熱伝導率を持っています。この熱損失を相殺するため、鋼用より1〜2サイズ大きいチップの使用を推奨します。

大型の厚肉セクションを溶接する場合、補助加熱が推奨されます。このプロセスでは気孔の少ない溶接が生成されます。

銅は溶融金属が炎によって形成される酸化物で保護されるため、わずかに酸化性炎で溶接可能です。フラックスを使用して溶融金属を保護する場合、炎は中性であるべきです。ガス溶接組立には酸素含有銅ではなく無酸素銅（脱酸銅ロッド）を使用すべきです。ロッドは母材と同組成であるべきです。

銅とは？

銅は柔らかい非鉄金属で、いくつかの溶接プロセスを用いて容易に曲げ、切断、成形、接合できます。装飾的な家庭用品や建築物の製作によく使用されますが、電気と熱の優れた導体でもあり、電気産業で広く使用されています。また銅管、バルブ、その他継手は配管で一般的に使用されます。

延性と展延性が高いため、銅は黄銅、青銅、ニッケル銅など数百種類の異なる合金の主要元素としても使用されます。銅合金に最も一般的に使用される合金元素はアルミニウム、ニッケル、亜鉛、スズ、シリコンです。

純銅は展延性が高すぎて機械加工に適さないため、少量の他元素を様々な合金に添加して機械加工性向上、脱酸化、耐食性向上、機械的特性改善、熱処理反応改善を図っています。商業的に300種類以上の銅合金が利用可能です。

銅溶接のさまざまな方法

銅はいくつかの方法で溶接可能です。しかし、この銅溶接指導記事では最も一般的な技術のみを説明します。これにはガスメタルアーク溶接（GMAW）、ガスタングステンアーク溶接（GTAW）、手溶接アーク溶接（MMAW）が含まれます。以下に各説明を示します。

ガスメタルアーク溶接（GMAW）

MIG溶接とも呼ばれ、ガスメタルアーク溶接（GMAW）は溶接にSMAWシステムを採用しています。つまり、この溶接技術で使用されるフィラー材は電極です。

しかし、2つの方法には違いがあります。SMAWが一連の短いロッドを消耗電極として使用するのに対し、GMAWはユーザー定義速度で連続「ワイヤ」を溶接トーチに自動供給します。また、シールドガス供給の調整設定もあります。

GMAW法で銅を溶接する場合、ERCu銅電極の使用を推奨します。アウフハウザー脱酸銅の使用も推奨されます。これは純度98.5％の銅合金またはフィラー材です。

溶接が必要な銅セクションの厚さが必要なガス混合物を決定します。一般的に、6mmまでの厚さにはアルゴンを使用。これを超える厚さにはヘリウムとアルゴンの混合ガスを使用します。銅溶接のGMAW法では、狭いウィーブまたはストリンガービードでフィラー金属を堆積させる必要があり、これはスプレートランスファーで実行可能です。

ガスタングステンアーク溶接（GTAW）

TIG溶接とも呼ばれ、ガスタングステンアーク溶接（GTAW）はほとんどのアーク溶接プロセスと同様に銅を溶接します。つまり、GTAWは電気アークを用いて銅ピースとフィラー材の両方を加熱溶融します。

溶融溶接プールが冷却固化すると、トーチ先端でアルゴンやヘリウムなどのシールドガスを導入することで大気影響から保護されます。GTAWは多くのアーク溶接プロセスと類似していますが、消耗電極で電気アークを銅に伝えるアーク溶接法のようには溶接しません。

代わりに、GTAWは非消耗電極を使用してワークピース間に溶接継手を作り、フィラー材あり/なし両方で可能です。また、多くの他のアーク溶接法ではフィラー材が銅に電気アークを伝える電極として使用されます。

しかし、ガスタングステンアーク溶接法では別個のフィラーワイヤが使用されます。また、GTAW法で銅を溶接する際にフィラー材導入は全く必須ではありません。

GTAW法は最大16mm厚までの銅ピースを正常に溶接可能です。この方法で推奨されるフィラーワイヤは母材と類似組成の金属です。アルゴンシールドガスは1.6mmまでの厚さの銅セクションに好まれます。この厚さを超えるワークピースにはヘリウムとアルゴンの混合ガスを使用します。

アルゴンと比較して、ヘリウムとアルゴンの混合は同等溶接電流でより高い移動速度と深い溶け込みを可能にします。銅ピースにヘリウムの良好な溶け込み特性とアルゴンのアーク安定性を両立させるため、一般的に25%Ar/75%Heの混合が使用されます。最後に、狭いウィーブまたはストリンガービードでこの方法を銅ピースに実施する際は、順手溶接が推奨されます。

手溶接アーク溶接（MMAW）

この方法は主に銅と銅合金の修理・メンテナンス溶接に使用されます。この方法で推奨されるフィラー材はECuSn-C電極です。もう一つの推奨はストリンガービード技法での直流電極正極（DC+）使用です。このフィラー材使用時、MMAW法は以下で役立ちます：

• 銅を他の金属に溶接
• 薄い銅片の小さな修理
• アクセス制限のある溶接継手

これらは銅溶接に使用される3つの最も一般的な方法です。各方法の基本情報を得たので、自分のニーズと実施作業に最も適した技術/方法を選択できます。しかし、どの方法を選んでも、効果的な溶接を生み出すためにいくつかの基本ステップを守る必要があります。次のセクションでこれらのステップを説明します。

銅溶接の重要ステップ

自分で銅を溶接する場合、銅を効果的に溶接するための重要ステップを知る必要があります。DIY銅溶接には11のステップが関与します。以下の順序でこれらのステップを実行することで、非常に耐久性の高い銅溶接を生み出せます。

#1. 安全確保

自分で銅を溶接しようとする際、最初にすることは安全確保です。どの金属を溶接する場合も、溶接開始前に適切な予防措置を講じる必要があります。これを怠ると怪我のリスクがあります。

では、銅溶接開始前に取れる予防措置は何でしょうか？安全装備を着用し、周囲に可燃物がないことを確認し、清潔なエリアまたは異物のないエリアで作業します。

安全対策は特に銅溶接で重要です。銅は電気の極めて優れた導体であり、裸手で金属を扱うと感電する可能性があるためです。

感電リスクに加えて、銅溶接は有毒ガスにさらす可能性があります。したがって、銅溶接時の安全確保で革手袋と安全衣類だけで止めてはいけません。代わりに、防塵マスクと眼保護も安全装備に含めるべきです。

#2. 表面準備

銅溶接の表面準備とは、溶接開始前に溶接エリアをグリース、油、塗料、汚れ、その他異物から自由に保つことです。なぜこれらの粒子から溶接エリアを自由に保つ必要があるのでしょうか？これらが金属に混入すると溶接が割れる可能性があるためです。また、硫黄、リン、鉛などの有害化学物質を含む可能性があります。

溶接エリアに加えて、溶接開始前に銅自体も清掃すべきです。溶接エリアと銅をどう清掃するか？青銅ワイヤブラシと適切な洗浄剤で。まずワイヤブラシでこすり、次に洗浄剤で脱脂します。また、各溶接パス堆積後にワイヤブラシで溶接中に形成される酸化皮膜を除去することも忘れずに。

#3. 予熱

なぜ銅溶接前に予熱が重要なのでしょうか？この金属は高い熱伝導率を持っているためです。これは銅金属の厚さが0.01インチ（約0.25mm）以上の場合特に重要です。溶接が必要なすべてのセグメントを均一に予熱すべきです。

銅は溶接継手から周囲の母材へ熱を急速に伝導するため、厚肉銅セクションの溶接には高い予熱が必要です。温度は金属厚さに依存し、50〜752°F（約10〜400℃）の範囲になります。

しかし、銅合金を溶接する場合、この場合熱拡散率が銅よりはるかに低いため、このセクションをスキップできます。銅合金ではなく銅を溶接する場合、アプリケーションに適した予熱を選択する必要があります。銅の母材厚さ、溶接プロセス、溶接部全体の質量に特別な注意を払う必要があります。

上記に加えて、熱をできるだけ局所的な領域に制限することも重要です。これにより材料の過度な部分が延性喪失につながる温度範囲に入らないよう確保できます。

さらに、継手が溶接されるまで予熱温度を維持すべきです。溶接開始後、予熱された銅の熱が放散し始め、これによりクラックリスクが低下します。

#4. 継手設計の考慮

銅を効果的に溶接するもう一つの重要ステップは継手設計の考慮です。これは何を意味するのでしょうか？まず、継手間の距離を考慮する必要があります。理想的には、この距離を母材と使用ブレージング合金に基づく特定公差内で制御すべきです。しかし、継手の最適ギャップは0.04〜0.20mmです。

もう一つの重要な考慮事項は継手オーバーラップです。理想的な継手オーバーラップは、接合が必要な最薄部分の少なくとも3倍の厚さです。望ましい強度達成のため、可能な限り少ない材料を使用すべきです。

#5. 炎の調整

効果的な銅溶接を生み出すには、炎を適切に調整する必要があります。ここで最善なのは中性炎を使用することです。中性炎とは？アセチレンと酸素が同じ速度で同じ量混合するように調整された炎です。もう一つ重要なのは、白色内側コーンを明確に定義し、ヘイズがないことを確認することです。

#6. フラックス除去

フラックスが使用された場合、以下のいずれかの方法で残渣を除去しなければなりません：

• ワイヤブラシとスチーム
• ワイヤブラシと熱湯すすぎ
• 熱苛性ソーダ浸漬で希釈

フラックスを完全に除去しなければ、継手の弱体化さらには破綻を招く可能性があります。

フィラー材選定

適切なフィラー材選定は、銅を効果的に溶接するための最も重要なステップの一つです。正しいフィラー材選定は母材より強い銅ピース溶接に役立ちます。銅溶接に最適なフィラー材は、金属の耐食性、継手に必要な強度、使用温度、コストによって決まります。

最良の結果を得るには、脱酸剤として働くシリコン（Si）またはマンガン（Mn）含有のフィラー金属を選択すべきです。これはGMAW、GTAW、MMAWのいずれの方法で銅を溶接する場合でも同様です。

銅溶接用フィラー材として最も推奨され一般的に使用されるのはErCuとErCuSi-Aです。前者はSn（スズ）も含みSiとMnを両方含有するため流動性を促進します。一方、P脱酸銅を溶接する場合や、SiとMnを脱酸剤として含むタフピッチ銅溶接にはErCuSi-Aフィラー材が適しています。

銅半田付け

金属接合に使用された最も初期の方法の一つである半田付けは、フィラー金属（フィラーワイヤ形で）を加熱して溶かし、継手を埋めるものです。ソフト半田付けは最もシンプルなプロセスで、家庭内外の小さな金属アイテム修理に一般的に使用されます。配管工が銅管と銅継手の接合・修理に使用する方法でもあります。

ソフト半田付けには安価な半田ゴテまたは適切なフラックス付きブロートーチを使用できます。ハード半田付けはフィラー材をはるかに高温で加熱するため、他の半田付け継手よりはるかに強力な継手になります。

フィラー材は異なり、通常銀を含むため、この技術はしばしば銀ブレージングと呼ばれます。しかし、真のブレージングはさらに高温で実行されます。

銅ブレージング

ブレージングは本質的に半田付けと類似した技術で、半田付けと同じ種類のフィラー材（ワイヤまたはブレージングロッド）を使用します。継手は非常に密接でなければならず、毛管現象でフィラー金属が接合される銅片間に引き込まれます。

使用温度は半田付けよりかなり高くなければなりませんが、母材を融点まで加熱してはいけません。

配管工事で広く使用され、異種金属や異なる厚さの金属ワークピースの接合にも使用されます。