チタン溶接のマスター：実証済みプロセスと技術

チタンは低重量、良好な強度、耐食性によりエキゾチックメタル（特殊金属）と見なされます。しかし過去には、適切なチタン溶接は密閉チャンバーでのみ実行可能と信じられていました。

大気ガスで汚染されやすい反応性金属です。しかし、チタン溶接は多くの溶接工が思うほど困難ではありません。溶接中適切なガスシールドを維持すれば、あとは他の金属溶接と非常に似ています。

チタン溶接

チタンとその合金は、ガスタングステンアーク（GTAまたはTIG）とガスメタルアーク（GMAまたはMIG）溶接プロセスで最もよく溶接されます。抵抗溶接、プラズマアーク、電子ビーム、摩擦溶接もチタンに限定的に使用されます。これらすべてのプロセスが特定状況で利点を提供します。

チタンとほとんどのチタン合金はいくつかの溶接プロセスで容易に溶接可能です。適切に作られた溶接は溶接後状態で延性があり、ほとんどの環境で母材と同等の耐食性を持ちます。一方、不適切な溶接は脆化し、母材より耐食性が低下する可能性があります。

チタン溶接に使用される技術と機器は、ステンレス鋼やニッケルベース合金など他の高性能材料に必要なものと類似しています。しかしチタンは、これら材料以上に清浄度と補助不活性ガスシールドの使用により多くの注意を要求します。

溶融チタン溶接金属は大気汚染から完全に保護されなければなりません。また、高温熱影響部とチタン溶接のルート側は、温度が800°F（427℃）以下に下がるまでシールドし続ける必要があります。

チタンは空気、水分、グリース、汚れ、耐火物、ほとんどの他金属と容易に反応し脆性化合物を形成します。チタンのガスとフラックスとの反応により、ガス溶接、シールドメタルアーク、フラックスコアードアーク、サブマージアーク溶接など一般的な溶接プロセスは不適切です。

同様に、チタンをほとんどの異種金属に溶接することは実現不可能です。チタンがほとんどの他金属と脆性化合物を形成するためです。しかし、チタンはジルコニウム、タンタル、ニオブには溶接可能です。

注意事項が必要にもかかわらず、多くのファブリケーターが日常的かつ経済的にチタンを溶接し、多くの他の高性能材料と同等のレートで健全で延性のある溶接を作っています。

市販純グレードチタン溶接の重要な利点の一つは、99%以上が純チタンであり偏析の懸念がないことです。溶接ワイヤやロッドの市販純グレードでも同様です。

溶接環境

現在ほとんどのチタン溶接はオープンなファブリケーションショップで行われますが、チャンバー溶接も限定的に実践されています。フィールド溶接も一般的です。どこで溶接するにせよ、チタン溶接には清潔な環境が必要です。

チタン溶接専用に設けられた別エリアは品質溶接作成を助けます。このエリアは清潔に保ち、研削、トーチ切断、塗装など粉塵発生作業から隔離すべきです。さらに、溶接エリアはエアドラフトフリーで湿度管理されているべきです。

溶接準備

品質チタン溶接を決定する最も重要な要因の一つは溶接の適切な準備です。

• チタン表面を清掃し、不純物を除去し、油、グリース、汚れを取り除きます。チタン専用に設計された化学薬品使用が最適です。チタンがきれいであるほど、作成される溶接は強力になります。
• 汚染物質除去にはスチームクリーナーまたは水酸化ナトリウム希釈液を使用できます。
• 小型熱風ブロワーで表面に水分が残っていないことを確認。ただし、可燃性溶剤には使用しないでください。
• すべての溶接部品も清潔で乾燥していることを確認。
• チタンに塩素系洗浄液を決して使用しないでください。
• 手も汚染源になり得ます。ただしゴム手袋は塩素を含む可能性があるため、代わりにプラスチックまたは綿手袋を選択してください。
• アーク打撃前、表面清掃に使用した溶剤が完全に蒸発していることを確認。通常引火点が低いためです。

適切なシールドガス選定

チタンは空気、油、汚れ、水分、他金属と容易に反応し脆性化合物を形成するため、強力な溶接を得るために適切なシールドガス使用が不可欠です。通常、ほとんどの溶接工は99.999%純度のアルゴンを使用します。本当に純粋なアルゴンとヘリウムのみが大気からの最適な保護を提供します。

溶接プロジェクト用シールドガス購入時、信頼できるサプライヤーからのみ入手してください。アルゴンがわずかに必要純度未満でも変色を引き起こします。黄色みを帯びた溶接になり、望ましくありません。不純ガスや不完全なカバレッジは青色変色とムラも引き起こします。

チタンでは、前面だけでなく背面も大気から保護されることを確認する必要があります。熱影響を受けるあらゆる領域が酸素と接触すれば悪影響を受けます。

小型部品には、シールドガス充填グローブボックス製の密閉コンパートメントを使用できます。パージモニター付き特製ポリエチレンパージガスチャンバーも使用可能。これらでチャンバーに最適保護のため十分なアルゴンがあるか検証できます。

溶接中に理想的なカバレッジレベルを得るには、以下3ステップを実行する必要があります：

• 一次シールド — 通常溶接トーチに内蔵され、溶融溶接プール保護に必要な一次カバレッジを提供。セラミックカップとガスレンズ装備の標準水冷トーチ使用可能。より広いカップのトーチ選択を推奨します。
• 二次シールド — トレーリングシールドが二次保護を提供。ほとんどの溶接トーチ末端に取り付けられ、すべての熱影響領域が汚染から守られることを保証。
• バックアップシールド — これらデバイスはトレーリングシールドと類似し、ほぼ同じ機能を果たします。手持ちデバイスまたはテープで固定。溶接トーチにプリフィットされることは稀です。

適切なフィラーワイヤ選定

チタンとその合金溶接用フィラー金属選定時、母材と主要特性が同じフィラーワイヤ選択を推奨します。母材より1グレード低い強度レベルに分類されるワイヤ選択も可能。状況によっては全く異なるカテゴリのフィラーワイヤを使用することもあります。

フィラーワイヤ選択は継手の特性と組み合わせに依存します。継手延性向上のため：

• 高強度非合金チタン溶接時、母材より低い降伏強度のフィラー金属を使用
• Ti-5Al-2.5SnおよびTi-6Al-4V分類チタン溶接時、非合金フィラー材使用可能
• 母材より酸素、窒素、水素、炭素、その他合金含有量が低いフィラー金属も選択肢

使用可能な溶接プロセス

チタンとチタン合金溶接では以下の溶接手順が使用可能です：

• 電子ビーム溶接（EBW）
• ガスタングステンアーク溶接（GTAW）または（TIG）タングステン不活性ガス溶接
• 抵抗溶接（RW）
• レーザービーム溶接（LBW）
• プラズマアーク溶接（PAW）
• ガスメタルアーク溶接（GMAW）または（MIG）メタル不活性ガス
• 摩擦溶接（FRW）

1. 電子ビーム溶接

高速電子ビームを利用して2つの金属を接合する融合プロセスです。ビームが金属片に接触すると激しい熱を生成。2枚のプレートが溶融融合し固体継手を形成。航空宇宙・航空機製造産業が継手耐久性のため電子ビーム溶接を活用。

6mm〜76mm以上のプレート範囲で電子ビーム溶接手順使用可能。高真空雰囲気でプロセス実施されるため高品質溶接、低汚染レベルを生成。

2. タングステン不活性ガス/GTAW

TIGまたはGTA溶接プロセスは非消耗タングステン電極を使用し、溶接アークに電流を伝達。シールドガスで溶接プールを外部汚染から保護、これにより弱く低品質溶接を防止。プロセスで溶接継手用フィラー金属またはワイヤが必要。

チタンとその合金溶接に広く使用されるプロセスです。2.5mmまでの母材厚でスクエアバットグルーブ継手ならフィラー材なしでTIG使用可能。厚板では結果として得られる溶接継手が耐久性を持つようフィラー金属使用が必要。

3. 抵抗溶接（RW）

抵抗溶接は熱電プロセスです。制御電流を制御期間プレートを通過させ2つの金属片を接合。手順で相当な圧力使用も一般的。この方法では熱が接合必要領域に厳密に制限されます。

スポットまたは連続溶接でチタンとその合金接合に抵抗溶接使用可能。炭素鋼やステンレス鋼プレートとのチタン溶接時に特に有用。

4. レーザービーム溶接（LBW）

レーザーで2つの金属片を接合するもう一つの融合溶接プロセス。2枚プレートの交差部を加熱、溶融融合して継手形成。溶融溶接プール冷却固化後、堅固耐久溶接が結果。

溶接工は真空チャンバー不要になるためチタンにレーザービーム溶接をますます好んでいます。しかしシールドガス使用は依然必須で、汚染リスクは残存します。

レーザービームと電子ビームは両方融合溶接手順ですが、前者のスコープはより制限的。13mm超のチタンプレートでは効率的にプロセス使用不可。

5. プラズマアーク溶接（PAW）

プラズマアーク溶接はタングステン電極とワークピース間のアークを使用する点でTIGと類似。ほぼすべてのチタン分類で使用可能で、厚肉シートでも良好に機能。キーホール技術使用で13mmまでのワンパスプレートにも使用可能。

6. メタル不活性ガス（MIG）/ ガスメタルアーク溶接（GMAW）

MIG溶接は固体フィラーメタルワイヤを継続的に加熱し溶接ガンで供給。プロセスは溶接プール汚染防止のためシールドガス使用を保証。多くの溶接工が高金属堆積率と生産性でGMAWを好む。

3mm超のプレートでチタン溶接にプロセス使用可能。パルス電流技術使用で高品質溶接生成可能。13mm超厚チタンプレート使用時特に他工法より低コスト。

7. 摩擦溶接（FRW）

名前通り摩擦で2つの金属片を接合。結果として得られる継手が母材と同等強度の固相溶接プロセス。様々な産業で広く使用され、パイプ、チューブ、ロッド接合に有用。追加保護手段なしで継手清浄性達成可能な状況で特に良好に機能。詳細：「摩擦溶接とは？」