チタンの溶接方法：プロセスとテクニック

チタンは、軽量で強度が高く、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、これまで、適切なチタン溶接は密閉されたチャンバー内でのみ行うことが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ありません。溶接中に適切なガスシールドを維持する必要があるだけで、残りは他の種類の金属の溶接と非常によく似ています。

チタンの溶接

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。抵抗溶接、プラズマアーク溶接、電子ビーム溶接、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、特定の状況で利点を提供します。

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作られた溶接部は延性があり、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、不適切な溶接は脆くなり、母材に比べて耐食性が低下する可能性があります。

チタンの溶接に使用される技術と設備は、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とされるものと同様です。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、温度が 800°F (427°C) を下回るまで、高温の熱影響部とチタン溶接の根元側を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、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、シールドメタルアーク、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、チタンはほとんどの他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できません。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。

講じる必要がある予防措置にもかかわらず、多くの製造業者は日常的かつ経済的にチタンを溶接しており、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。

商用純チタンを溶接することの重要な利点の 1 つは、純度 99% 以上のチタンであり、偏析の心配がないことです。同じことが商用純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定的に実施されています。現場溶接が一般的です。溶接がどこで行われる場合でも、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、塗装などの汚れの発生する作業から隔離する必要があります。さらに、溶接エリアには空気の通風がなく、湿度を制御する必要があります。

溶接準備

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、または汚れを取り除きます。チタン専用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ればなるほど、作成された溶接はより強力に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。
小型の熱風機を使用して、表面に湿気が残らないようにします。ただし、可燃性の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。
チタンには塩素ベースの洗浄液を使用しないでください。
手も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ので、代わりにプラスチックまたは綿の手袋を選んでください。
通常は引火点が低いため、アークを発生させる前に、表面のクリーニング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。

シールドガスの選択

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、最終的に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、プロセスに純度 99.999% 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だけが大気から最適な保護を提供します.

溶接プロジェクト用のシールドガスを購入するときは、信頼できる供給業者からのみこのガスを入手してください。アルゴンの純度が必要以上に低い場合でも、変色する可能性があります。最終的には黄色がかった溶接になりますが、これは望ましくありません。不純なガスや不完全なカバレッジも、青みがかった色やまだらの原因となる可能性があります。

チタンは、表だけでなく裏も大気から守ら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。

小さい部品の場合、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。パージモニターと組み合わせて、特製のポリエチレンパージガスチャンバーを使用することもできます。それらを使用すると、最適な保護を提供するのに十分なアルゴンがチャンバーに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得たい場合は、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、溶融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的な水冷トーチを使用できます。最適な範囲をカバーするために、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、熱の影響を受けるすべての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。溶接トーチにあらかじめ適合す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フィラーメタルを選択するときは、基本的に母材と同じ特性を保持するフィラーワイヤを選択することをお勧めします。また、母材より 1 グレード下の強度レベルに分類されたワイヤを選択することもできます。場合によっては、溶接工が別のカテゴリのフィラーワイヤーを一緒に使用することさえあります。

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:

強度の高い純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、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、酸素、窒素、水素、炭素、およびその他の合金成分の割合がベースメタルよりも低いフィラーメタルです。

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) タングステンイナートガス溶接
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)
ガス金属アーク溶接 (GMAW) または (MIG) 金属不活性ガス
摩擦圧接 (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、激しい熱が発生します。 2枚のプレートが溶けて融合し、固い接合部を形成します。航空宇宙および航空機製造産業は、製造された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。

電子ビーム溶接手順は、6mm から 76mm 以上の範囲のプレートに使用できます。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、電流を溶接アークに伝達する非消耗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、溶接が弱く低品質になる可能性があります。このプロセスでは、溶接ジョイント用のフィラーメタルまたはワイヤが必要です。

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 2.5 mm までのベースメタルの角突合せ溝ジョイントには、フィラー材なしで TIG を使用できます。より厚いシートの場合、溶接接合部の耐久性を確保するために、フィラーメタルを使用する必要があります。

3. 抵抗溶接 (RW)

抵抗溶接は熱電法です。制御された期間、制御された電流をプレートに流すことにより、2 つの金属片を接合します。手順にもかなりの量の圧力を使用するのが一般的です。この方法では、接合する必要がある領域に厳密に熱が制限されます。

抵抗溶接を使用して、スポットまたは連続溶接用のチタンとその合金を接合できます。チタンを炭素鋼やステンレス鋼の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、2 つの金属片をレーザーで接合する別の融接プロセスです。 2 枚のプレートが溶けて結合し、ジョイントを形成する交差点を加熱します。溶融した溶接パドルが冷えて固まると、しっかりとした耐久性のある溶接になります。

真空チャンバーが不要になるため、チタンのレーザービーム溶接がますます好まれるようになりました。ただし、汚染のリスクが残るため、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どちらも溶融溶接手順ですが、前者の範囲はより制限されています。厚さが 13mm を超えるチタン板では、このプロセスを効率的に使用できません。

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ため、TIG に似ています。ほとんどすべてのチタン分類での使用に適しており、より厚い金属板でも良好に機能します。鍵穴技法を使用すると、厚さ 13 mm までのワンパスプレートにも使用できます。

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フィラーメタルワイヤが使用されます。このプロセスでは、シールドガスを使用して溶接パドルを汚染から保護する必要があります。多くの溶接工は、金属溶着率と生産性が高いことから GMAW を好んで使用しています。

厚さ 3mm を超える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、高品質の溶接を行うことができます。この方法は、特に 13mm を超える厚さのチタンプレートに使用する場合、他の方法よりも安価である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、この方法は摩擦を使用して 2 つの金属片を接合します。これは、結果として得られるジョイントがベースと同じくらい強力な固相溶接プロセスです。さまざまな産業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。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効果を発揮します。詳細については、摩擦圧接とは?

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