金属材料の溶接性とは、溶接方法、溶接材料、溶接仕様、溶接構造形状などの特定の溶接プロセスを使用して、金属材料が優れた溶接継手を得る能力を指します。より一般的で簡単な溶接プロセスを使用して金属が優れた溶接接合を得ることができれば、その金属は良好な溶接性能を備えていると考えられます。金属材料の溶接性は、一般に「加工溶接性」と「塗布溶接性」の2つに分けられます。
プロセス溶接性: 特定の溶接プロセス条件下で、欠陥のない優れた溶接継手を得る能力を指します。これは金属固有の特性ではなく、特定の溶接方法と使用される特定のプロセス手段に基づいて評価されます。したがって、金属材料の加工溶接性は溶接加工と密接に関係しています。
サービス溶接性：溶接継手または構造全体が製品の技術条件で指定された使用性能を満たしている度合いを指します。性能は溶接構造の作業条件と設計で提示された技術要件によって異なります。通常、機械的特性、低温靱性耐性、脆性破壊耐性、高温クリープ、疲労特性、持続強度、耐食性、耐摩耗性などが含まれます。たとえば、一般的に使用される S30403 および S31603 ステンレス鋼は優れた耐食性を持ち、16MnDRおよび 09MnNiDR 低温鋼も、優れた低温靱性耐性を備えています。
金属材料の溶接性能に影響を与える要因
1.重要な要素
材質は母材、溶接材などがあります。同じ溶接条件下での母材の溶接性を決定する主な要因は、母材の物理的性質と化学組成です。
物理的特性の面では、金属の融点、熱伝導率、線膨張係数、密度、熱容量などの要素はすべて、熱サイクル、溶融、結晶化、相変化などのプロセスに影響を与えます。となり、溶接性に影響を及ぼします。ステンレス鋼などの熱伝導率が低い材料は、温度勾配が大きく、残留応力が高く、溶接時の変形が大きくなります。さらに、高温での滞留時間が長いため、熱影響部の粒子が成長し、接合性能に悪影響を及ぼします。オーステナイト系ステンレス鋼は、線膨張係数が大きく、接合部の変形や応力が大きい。
化学組成の点で最も影響力のある元素は炭素です。これは、金属の炭素含有量がその溶接性を決定することを意味します。鋼に含まれる他の合金元素のほとんどは溶接に役立ちませんが、その影響は一般に炭素の影響よりもはるかに小さいです。鋼中の炭素含有量が増加すると、硬化傾向が増し、塑性が低下し、溶接割れが発生しやすくなります。通常、材料の溶接性を評価するための主な指標として、溶接中の金属材料の亀裂の発生しやすさと溶接継手部分の機械的特性の変化が使用されます。したがって、炭素含有量が多くなると溶接性が悪くなります。炭素含有量が0.25％未満の低炭素鋼および低合金鋼は、塑性および衝撃靱性に優れており、溶接後の溶接継手の塑性および衝撃靱性も非常に良好です。溶接時の予熱や溶接後の熱処理が不要で、溶接工程の制御が容易なため、溶接性が良好です。
また、鋼の製錬・圧延状態、熱処理状態、組織状態等も溶接性に多かれ少なかれ影響を与えます。鋼の溶接性は、結晶粒を精製または精製し、圧延プロセスを制御することによって改善できます。
溶接材料は、溶接プロセス中の一連の化学冶金反応に直接関与し、溶接金属の組成、構造、特性、欠陥形成を決定します。溶接材料の選択が不適切で母材と適合しない場合、使用要件を満たす継手が得られないだけでなく、亀裂や構造特性の変化などの欠陥が発生します。したがって、溶接材料を正しく選択することは、高品質の溶接継手を確保するための重要な要素です。
2. プロセス要因
プロセス要因には、溶接方法、溶接プロセスパラメータ、溶接シーケンス、予熱、後加熱、溶接後の熱処理などが含まれます。溶接方法は、主に熱源特性と保護条件の 2 つの側面で溶接性に大きな影響を与えます。
溶接方法が異なれば、電力、エネルギー密度、最大加熱温度などの点で熱源が大きく異なります。異なる熱源で溶接された金属は、異なる溶接特性を示します。たとえば、エレクトロスラグ溶接の出力は非常に高いですが、エネルギー密度は非常に低く、最高加熱温度は高くありません。溶接中の加熱が遅く、高温滞留時間が長いため、熱影響部の結晶粒が粗大化し、衝撃靱性が大幅に低下するため、これを正規化する必要があります。改善するために。対照的に、電子ビーム溶接、レーザー溶接などの方法は、出力は低いですが、エネルギー密度が高く、急速に加熱されます。高温滞留時間は短く、熱影響部は非常に狭く、粒成長の危険性がありません。
溶接プロセスパラメータを調整し、予熱、後加熱、多層溶接、層間温度の制御などの他のプロセス手段を採用することにより、溶接の熱サイクルを調整および制御することができ、それによって金属の溶接性が変化します。溶接前の予熱や溶接後の熱処理などの対策を講じれば、要求性能を満たす割れ欠陥のない溶接継手を得ることが十分に可能です。
3. 構造的要因
主に溶接構造および溶接継手の設計形状を指し、構造形状、サイズ、厚さ、継手溝形状、溶接配置およびその断面形状などが溶接性に及ぼす影響などを指します。その影響は主に熱の伝達と力の状態に反映されます。板厚や接合部の形状や溝の形状が異なると、熱伝達速度の方向や速度が異なり、溶融池の結晶化方向や粒成長に影響を与えます。構造スイッチ、プレートの厚さ、溶接の配置によって、ジョイントの剛性と拘束が決まり、ジョイントの応力状態に影響します。不良な結晶形態、深刻な応力集中、および過度の溶接応力は、溶接亀裂の形成の基本的な条件です。設計においては、溶接性を向上させるために、継手の剛性を下げること、十字溶接を減らすこと、および応力集中を引き起こすさまざまな要因を減らすことがすべて重要な対策となります。
4. 利用条件
これは、溶接構造の使用期間中の動作温度、負荷条件、および作動媒体を指します。これらの作業環境や運転条件では、溶接構造物にも相応の性能が求められます。たとえば、低温で動作する溶接構造は耐脆性破壊性を備えていなければなりません。高温で動作する構造にはクリープ耐性がなければなりません。交互荷重の下で動作する構造は、優れた耐疲労性を備えていなければなりません。酸、アルカリ、または塩の媒体中で使用される構造物 溶接された容器は高い耐食性などを備えている必要があります。つまり、使用条件が厳しいほど溶接継手の品質要求が高くなり、材料の溶接性を確保することが難しくなります。
金属材料の溶接性の識別と評価指標
溶接プロセス中、製品は溶接熱プロセス、冶金反応、溶接応力や変形を受け、その結果、化学組成、金属組織、サイズ、形状が変化し、溶接継手の性能が通常の溶接継手の性能とは異なることがよくあります。基材の材質によっては、使用要件を満たせない場合もあります。多くの反応性金属や高融点金属の場合、高品質の接合部を得るには、電子ビーム溶接やレーザー溶接などの特別な溶接方法を使用する必要があります。材料から良好な溶接継手を作成するために必要な設備条件や難易度が低いほど、材料の溶接性は向上します。逆に、複雑で高価な溶接方法、特殊な溶接材料、加工手段が必要な場合は、その材料の溶接性が劣っていることを意味します。
製品を製造する際には、まず使用する材料の溶接性を評価し、選択した構造材料、溶接材料、溶接方法が適切であるかを判断する必要があります。材料の溶接性を評価する方法は数多くあります。各方法では、溶接性の特定の側面しか説明できません。したがって、溶接性を完全に判断するには試験が必要です。試験方法はシミュレーション型と実験型に分けられます。前者は溶接の加熱および冷却特性をシミュレートします。後者は実際の溶接条件に基づいてテストします。試験内容は主に母材および溶接金属の化学組成、金属組織、機械的性質、溶接欠陥の有無を検出し、低温性能、高温性能、耐食性、耐食性を判定するものです。溶接継手の亀裂耐性。
一般的に使用される金属材料の溶接特性
1. 炭素鋼の溶接
(1) 低炭素鋼の溶接
低炭素鋼は、炭素含有量、マンガン、シリコン含有量が低いです。通常の状況下では、溶接による重大な構造硬化や焼入れ組織が発生することはありません。この種の鋼は、塑性と衝撃靱性に優れており、溶接継手の塑性と靱性も非常に優れています。通常、溶接中に予熱および後加熱は必要なく、満足のいく品質の溶接継手を得るために特別なプロセス措置を必要としません。したがって、低炭素鋼は溶接性に優れており、鋼の中で最も溶接性が良い鋼です。。
(2)中炭素鋼の溶接
中炭素鋼は炭素含有量が高く、低炭素鋼よりも溶接性が悪くなります。ＣＥが下限値（０．２５％）に近いと溶接性が良好となる。炭素含有量が増加すると硬化傾向が増し、熱影響部に低塑性マルテンサイト組織が生成しやすくなります。溶接部が比較的硬い場合、または溶接材料とプロセスパラメータが不適切に選択された場合、低温亀裂が発生する可能性があります。多層溶接の一層目を溶接する場合、溶接部に溶け込む母材の割合が多いため、炭素量、硫黄量、リン量が増加し、高温割れが発生しやすくなります。さらに、炭素含有量が高い場合、気孔の感受性も増加します。
(3) 高炭素鋼の溶接
CE が 0.6% を超える高炭素鋼は焼入性が高く、硬くて脆い高炭素マルテンサイトが生成しやすいです。溶接部や熱影響部には亀裂が発生しやすく、溶接が困難になります。したがって、このタイプの鋼は通常、溶接構造の製造には使用されませんが、高硬度または耐摩耗性を備えたコンポーネントや部品の製造に使用されます。彼らの溶接のほとんどは、損傷した部品を修復するために行われます。これらの部品やコンポーネントは、溶接亀裂を減らすために溶接修復前に焼きなまし、溶接後に再度熱処理する必要があります。
2. 低合金高張力鋼の溶接
低合金高張力鋼の炭素含有量は通常 0.20% を超えず、合金元素の合計は通常 5% を超えません。低合金高張力鋼は、ある程度の合金元素を含むため、炭素鋼とは溶接性が若干異なります。その溶接特性は次のとおりです。
(1) 溶接継手の溶接割れ
冷間割れ低合金高張力鋼には、C、Mn、V、Nbなどの鋼を強化する元素が含まれているため、溶接時に硬化しやすい鋼です。これらの硬化した構造は非常に敏感です。したがって、剛性が大きい場合や拘束応力が高い場合、溶接工程が不適切な場合には冷間割れが発生しやすくなります。さらに、このタイプの亀裂にはある程度の遅れがあり、非常に有害です。
再加熱 (SR) 亀裂 再熱亀裂は、溶接後の応力除去熱処理または長期の高温運転中に融解線近くの粗粒領域に発生する粒界亀裂です。これは一般に、溶接の高温により、HAZ 付近の V、Nb、Cr、Mo およびその他の炭化物がオーステナイト中に固溶するために発生すると考えられています。これらは溶接後の冷却中に析出する時間がありませんが、PWHT中に分散および析出し、結晶構造が強化されます。内部では、応力緩和中のクリープ変形が粒界に集中します。
16MnR、15MnVR などの低合金高張力鋼の溶接継手は、一般に再熱亀裂が発生しにくいです。ただし、Mn-Mo-Nb および Mn-Mo-V シリーズの低合金高張力鋼の場合、 07MnCrMoVR は、Nb、V、Mo が再熱割れを起こしやすい元素であるため、この種の鋼は溶接後の熱処理時に処理する必要があります。再熱亀裂の発生を防ぐために、再熱亀裂の敏感な温度領域を避けるように注意する必要があります。
(2) 溶接継手の脆化・軟化
ひずみ時効脆化 溶接継手は、溶接前にさまざまな冷間加工（ブランクシャーリング、バレルローリングなど）を受ける必要があります。鋼は塑性変形を起こします。さらに200～450℃まで加熱するとひずみ時効が発生します。。ひずみ時効脆化は鋼の可塑性を低下させ、脆性転移温度を上昇させ、その結果、機器の脆性破壊が発生します。溶接後の熱処理により、溶接構造のこのような歪み時効を除去し、靭性を回復することができます。
溶接部と熱影響部の脆化 溶接は不均一な加熱と冷却のプロセスであり、その結果、不均一な構造が生じます。溶接部 (WM) と熱影響部 (HAZ) の脆性転移温度は母材の温度より高く、接合部の弱い部分となります。溶接線のエネルギーは、低合金高張力鋼の WM および HAZ の特性に重要な影響を与えます。低合金高張力鋼は焼き入れが容易です。線エネルギーが小さすぎると、HAZ にマルテンサイトが現れ、亀裂の原因となります。ラインエネルギーが大きすぎると、WM や HAZ の粒が粗大化します。関節がもろくなる原因となります。熱間圧延および焼ならし鋼と比較して、低炭素焼入れ焼き戻し鋼は、過剰な線形エネルギーによって引き起こされる HAZ 脆化のより深刻な傾向があります。したがって、溶接の際には、ラインエネルギーを一定の範囲に制限する必要があります。
溶接継手の熱影響部の軟化 溶接熱の作用により、低炭素焼入れ焼戻し鋼の熱影響部（HAZ）の外側、特に Ac1 付近が焼き戻し温度以上に加熱されます。これにより、強度が低下した軟化ゾーンが生成されます。HAZ 部の組織軟化は溶接線エネルギーおよび予熱温度の上昇に伴って増加しますが、一般に軟化部の引張強さは母材の規格値の下限値よりも高いため、熱影響部はこのタイプの鋼は軟化します。作業が適切である限り、この問題は接合部の性能には影響しません。
3. ステンレス鋼の溶接
ステンレス鋼は、その鋼構造の違いにより、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト・フェライト系二相ステンレス鋼の4つに分類されます。以下では主にオーステナイト系ステンレス鋼と二方向性ステンレス鋼の溶接特性を解析します。
(1) オーステナイト系ステンレス鋼の溶接
オーステナイト系ステンレス鋼は他のステンレス鋼に比べて溶接が容易です。どの温度でも相変態は起こらず、水素脆化の影響を受けません。オーステナイト系ステンレス鋼の接合部は、溶接状態でも優れた可塑性と靭性を備えています。溶接の主な問題点としては、溶接熱間割れ、脆化、粒界腐食、応力腐食などが挙げられます。また、熱伝導率が悪く、線膨張係数が大きいため、溶接応力や変形が大きくなります。溶接の際は、溶接入熱をできるだけ小さくし、予熱を行わず、層間温度を下げる必要があります。中間層の温度は 60°C 未満に制御し、溶接接合部を交互に配置する必要があります。入熱を抑えるには、溶接速度を上げすぎず、溶接電流を適度に下げる必要があります。
(2) オーステナイト系・フェライト系二方向ステンレス鋼の溶接
オーステナイト・フェライト二相ステンレス鋼は、オーステナイトとフェライトの2相からなる二相ステンレス鋼です。オーステナイト鋼とフェライト鋼の長所を併せ持つため、高強度、良好な耐食性、溶接が容易という特徴を持っています。現在、二相ステンレス鋼には主に Cr18、Cr21、Cr25 の 3 種類があります。このタイプの鋼溶接の主な特徴は、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して熱傾向が低いことです。純フェライト系ステンレス鋼に比べ溶接後の脆化傾向が低く、溶接熱影響部のフェライト粗大化度も低いため、溶接性が良好です。
この種の鋼は溶接性に優れているため、溶接時の予熱や後熱は必要ありません。薄板はTIG溶接、中厚板はアーク溶接で溶接可能です。アーク溶接で溶接する場合は、母材と同様の組成を持つ特殊な溶接棒、または炭素含有量の少ないオーステナイト系溶接棒を使用する必要があります。ニッケル基合金電極はCr25系二相鋼にも使用できます。
二相鋼はフェライトの割合が大きく、475℃での脆性、σ相析出脆化、結晶粒の粗大化などのフェライト鋼固有の脆化傾向は、オーステナイトが存在するという理由だけで依然として存在します。バランス効果によりある程度の緩和は得られますが、溶接時には注意が必要です。Niフリーまたは低Ni二相ステンレス鋼を溶接する場合、熱影響部のフェライトが単相となり結晶粒が粗大化する傾向があります。この際、溶接入熱の管理に注意し、小電流、高速溶接、狭チャンネル溶接を心がけてください。また、熱影響部の結晶粒粗大化や単相フェライト化を防ぐためのマルチパス溶接も行っています。層間温度が高すぎてはなりません。冷却後に次のパスを溶接するのが最善です。
投稿日時: 2023 年 9 月 11 日