チタンの溶接方法：プロセスと技術

チタンは、軽量、強度、耐食性に優れているため、エキゾチックな金属と見なされています。しかし、過去には、適切なチタン溶接は密閉されたチャンバー内でのみ実行できると考えられていました。

これは、大気ガスによって汚染される可能性のある反応性金属です。しかし、チタンの溶接は、実際には多くの溶接工が考えるほど難しくはありません。溶接中は適切なガスシールドを維持する必要があります。残りは他の種類の金属の溶接と非常に似ています。

溶接チタン

チタンとその合金は、ほとんどの場合、ガスタングステンアーク（GTAまたはTIG）およびガスメタルアーク（GMAまたはMIG）溶接プロセスで溶接されます。抵抗、プラズマアーク、電子ビーム、および摩擦溶接も、限られた範囲でチタンに使用されます。これらのプロセスはすべて、特定の状況にメリットをもたらします。

チタンおよびほとんどのチタン合金は、いくつかの溶接プロセスを使用して容易に溶接できます。溶接されたままの状態で適切に行われた溶接は延性があり、ほとんどの環境で母材と同じくらい耐食性があります。一方、不適切な溶接は、母材に比べて脆く、耐食性が低い可能性があります。

チタンの溶接に使用される技術と装置は、ステンレス鋼やニッケル基合金などの他の高性能材料に必要なものと同様です。ただし、チタンは、これらの材料よりも清浄度と補助的な不活性ガスシールドの使用に大きな注意を払う必要があります。

溶融チタン溶接金属は、空気による汚染から完全に保護する必要があります。また、高温の熱の影響を受けるゾーンとチタン溶接部のルート側は、温度が800°F（427°C）を下回るまでシールドする必要があります。

チタンは、空気、湿気、グリース、汚れ、耐火物、およびその他のほとんどの金属と容易に反応して、脆い化合物を形成します。チタンとガスおよびフラックスとの反応により、ガス溶接、被覆アーク溶接、フラックス入りアーク、サブマージアーク溶接などの一般的な溶接プロセスは不適切になります。

同様に、チタンは他のほとんどの金属と脆い化合物を形成するため、ほとんどの異種金属にチタンを溶接することは不可能です。ただし、チタンはジルコニウム、タンタル、ニオブに溶接できます。

予防措置を講じる必要があるにもかかわらず、多くの製造業者は日常的かつ経済的にチタンを溶接し、他の多くの高性能材料に匹敵する速度で健全で延性のある溶接を行っています。

商業的に純粋なグレードのチタンを溶接することの重要な利点の1つは、99％以上の純粋なチタンであり、偏析の心配がないことです。同じことが、商業的に純粋なグレードの溶接ワイヤまたはロッドにも当てはまります。

溶接環境

今日のほとんどのチタン溶接はオープンファブリケーションショップで行われていますが、チャンバー溶接はまだ限られた基準で行われています。フィールド溶接が一般的です。溶接が行われる場所はどこでも、チタンを溶接するためのクリーンな環境が必要です。

チタンの溶接用に特別に確保された別の領域は、高品質の溶接を行うのに役立ちます。この領域は清潔に保ち、研削、トーチ切断、塗装などの汚れを発生させる作業から隔離する必要があります。さらに、溶接領域には空気の流れがなく、湿度を制御する必要があります。

溶接の準備

高品質のチタン溶接を決定する上で最も重要な要素の1つは、溶接の適切な準備です。

チタンの表面をきれいにして不純物を取り除き、油、グリース、汚れを取り除きます。チタン用に特別に設計された化学薬品を使用するのが最善です。チタンがきれいになるほど、作成した溶接部は強くなることを忘れないでください。
汚染物質を除去するには、スチームクリーナーまたは水酸化ナトリウムの希釈溶液を使用できます。
小さな熱風ブロワーを使用して、表面に湿気が残っていないことを確認します。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してください。
チタンに塩素ベースの洗浄液を使用しないでください。
あなたの手でさえ汚染源になる可能性があります。ただし、ゴム手袋には塩素が含まれている可能性があるため、代わりにプラスチックまたは綿の手袋を選択してください。
アークを発生させる前に、表面の洗浄に使用していた溶剤が完全に蒸発していることを確認してください。通常、引火点が低いためです。

シールドガスを選択

チタンは空気、油、汚れ、湿気、その他の金属と容易に反応して脆い化合物を形成するため、強力な溶接を確実に行うには、適切なシールドガスを使用することが不可欠です。通常、ほとんどの溶接工は、プロセスに99.999％純粋な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だけが、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にシールドガスを購入するときは、信頼できるサプライヤーからのみこのガスを入手するようにしてください。アルゴンの純度が必要以上に低くても、変色する可能性があります。黄色がかった溶接になりますが、これはあなたが望んでいることではありません。不純なガスや不完全な被覆も、青い色合いやまだらを引き起こす可能性があります。

チタンでは、前面だけでなく背面も大気から保護されていることを確認する必要があります。熱の影響を受ける領域は、酸素と接触すると悪影響を及ぼします。

小さな部品の場合は、シールドガスで満たされたグローブボックスで作られた密閉されたコンパートメントを使用できます。特別に作られたポリエチレン製のパージガスチャンバーをパージモニターと組み合わせて使用することもできます。それらを使用すると、チャンバーに最適な保護を提供するのに十分なアルゴンがあることを確認できます。

溶接中に理想的なレベルのカバレッジを求めている場合は、次の3つの手順に従う必要があります。

プライマリシールド –通常、溶接トーチに組み込まれており、溶融した溶接パドルを保護するために必要な一次被覆を提供します。セラミックカップとガスレンズを備えた標準の水冷トーチを使用できます。最高のカバレッジを得るには、カップの幅が広いトーチを選択することをお勧めします。
二次シールド –トレーリングシールドは二次保護を提供します。それらはほとんどの溶接トーチの端に取り付けられており、すべての熱の影響を受ける領域が汚染から安全に保たれることを保証します。
バックアップシールド –これらのデバイスは、トレーリングシールドに似ており、実質的に同じ機能を果たします。それらはハンドヘルドデバイスであるか、所定の位置にテープで固定されています。溶接トーチに事前に取り付けられることはめったにありません。

適切なフィラーワイヤーの選択

チタンとその合金を溶接するための溶加材を選択するときは、主に母材と同じ特性を保持する溶加材を選択することをお勧めします。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ーを選択することもできます。状況によっては、溶接工がまった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。

フィラーワイヤーの選択は、ジョイントの特性と組み合わせによって異なります。関節の延性を改善するには：

強度の高い非合金チタンを溶接する場合は、ベースの降伏強度が低い溶加材を使用してください。
Ti-5A1-2.5SnおよびTi-6A1-4V分類のチタンを溶接する場合は、非合金フィラー材料を使用できます。
もう1つのオプションは、卑金属よりも酸素、窒素、水素、炭素、およびその他の合金含有量の割合が低い溶加材です。

使用可能な溶接プロセス

チタンおよびチタン合金を溶接する場合、次の溶接手順のいずれかを使用できます。

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）メタルイナートガス
摩擦溶接（FRW）

1。電子ビーム溶接

これは、高速電子ビームを利用して2つの金属を結合する核融合プロセスです。ビームが金属片に接触すると、激しい熱が発生します。 2つのプレートが溶けて融合し、強固な接合部を形成します。航空宇宙および航空機の製造業界では、製造される接合部の耐久性のために電子ビーム溶接を利用しています。

6mmから76mm以上のプレートに電子ビーム溶接手順を使用できます。このプロセスは高真空雰囲気で行われるため、汚染レベルの低い高品質の溶接が生成されます。

2。タングステン不活性ガス/GTAW

TIGまたはGTA溶接プロセスでは、溶接アークに電流を転送する非消耗性のタングステン電極を使用します。シールドガスは、溶接パドルを外部汚染から保護するために使用されます。これにより、溶接が弱くなり、品質が低下する可能性があります。その過程で、溶接継手用の溶加材またはワイヤーが必要です。

これは、チタンとその合金を溶接するために広く使用されているプロセスです。厚さ2.5mmまでの母材の四角突合せ溝継手には、フィラー材料なしでTIGを使用できます。より厚いシートの場合、結果として得られる溶接継手の耐久性を保証するために溶加材を使用する必要があります。

3。抵抗溶接（RW）

抵抗溶接は熱電手順です。制御された電流を制御された期間プレートに流すことにより、2つの金属片を結合します。手順にもかなりの圧力をかけるのが一般的です。この方法では、熱は結合する必要のある領域に厳密に制限されます。

抵抗溶接を使用して、チタンとその合金をスポット溶接または連続溶接に接合できます。チタンを炭素鋼やステンレス鋼プレートなどの他の金属と溶接する場合に特に便利です。

4。レーザービーム溶接（LBW）

これは、レーザーを介して2つの金属片を結合するもう1つの融接プロセスです。それは、溶けて融合し、接合部を形成する2つのプレート間の交差点を加熱します。溶融した溶接水たまりが冷えて固化すると、しっかりとした耐久性のある溶接になります。

溶接工は、真空チャンバーの必要性を排除するため、チタンのレーザービーム溶接をますます好むようになりました。ただし、汚染のリスクが残っているため、シールドガスの使用は依然として必須です。

レーザービームと電子ビームは両方とも融接手順ですが、前者の範囲はより制限されています。厚さが13mmを超えるチタンプレートでは、このプロセスを効率的に使用することはできません。

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の間にアークを使用するという点でTIGに似ています。ほぼすべてのチタン分類での使用に適しており、より厚い金属シートでも良好に機能します。鍵穴技術を使用すると、最大13mmの厚さのワンパスプレートでも使用できます。

6。金属不活性ガス（MIG）/ガス-金属アーク溶接（GMAW）

MIG溶接では、溶接ガンを介して連続的に加熱および供給される固体溶加材ワイヤを使用します。このプロセスでは、溶接パドルを汚染から保護するためにシールドガスを使用する必要があります。多くの溶接工は、高い金属堆積と生産性のためにGMAWを好みます。

3mm以上の厚さのプレートのチタン溶接にもこのプロセスを使用できます。パルス電流技術を使用すると、高品質の溶接を作成できます。この方法は、特に13mmを超える厚さのチタンプレートで使用する場合に、他の方法よりもコストがかからないことが証明されています。

7。摩擦圧接（FRW）

名前が示すように、この方法では摩擦を使用して2つの金属片を結合します。これは、結果として得られる接合部がベースと同じくらい強力なソリッドステート溶接プロセスです。さまざまな業界で広く使用されており、パイプ、チューブ、またはロッドの接合に役立ちます。これは、追加の保護手段を使用せずに関節の清浄度を達成できる状況で特に良好に機能します。詳細については、「摩擦溶接とは」をクリックしてください。