ステンレス鋼を溶接するための溶加材の選び方

Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd.のこの記事では、ステンレス鋼を溶接するための溶加材を指定する際に考慮すべき点について説明します。

ステンレス鋼を非常に魅力的なものにしている機能、つまりその機械的特性と耐腐食性および耐酸化性を調整できる機能により、溶接に適切な溶加材の選択も複雑になります。特定の母材の組み合わせについては、コストの問題、使用条件、望ましい機械的特性、および溶接関連の多くの問題に応じて、いくつかのタイプの電極のいずれか 1 つが適切な場合があります。

この記事では、このトピックの複雑さを読者に理解してもらうために必要な技術的背景を提供し、次に溶加材サプライヤーから寄せられる最も一般的な質問のいくつかに答えます。適切なステンレス鋼溶加材を選択するための一般的なガイドラインを確立し、それらのガイドラインに対する例外をすべて説明します。溶接手順については別の記事で説明するため、この記事では取り上げていません。

4 つのグレード、多数の合金元素

ステンレス鋼には 4 つの主要なカテゴリがあります。

オーステナイト系
マルテンサイト系
フェライト系
デュプレックス

この名前は、通常室温で見られる鋼の結晶構造に由来しています。低炭素鋼を912℃以上に加熱すると、鋼の原子が室温でフェライトと呼ばれる構造からオーステナイトと呼ばれる結晶構造に再配列されます。冷却すると、原子は元の構造であるフェライトに戻ります。高温構造のオーステナイトは非磁性で可塑性があり、室温のフェライトよりも強度は低く、延性が高くなります。

16% を超えるクロムを鋼に添加すると、室温の結晶構造であるフェライトが安定化し、鋼はすべての温度でフェライト状態を維持します。したがって、フェライト系ステンレス鋼という名前がこの合金ベースに適用されます。17% 以上のクロムと 7% を超えるニッケルを鋼に添加すると、鋼の高温結晶構造であるオーステナイトが安定化し、最低温度からほぼ溶融に至るまでのすべての温度で持続します。

オーステナイト系ステンレス鋼は一般に「クロムニッケル」タイプと呼ばれ、マルテンサイト鋼およびフェライト鋼は一般に「ストレートクロム」タイプと呼ばれます。ステンレス鋼や溶接金属に使用される特定の合金元素はオーステナイト安定剤として機能し、その他の合金元素はフェライト安定剤として機能します。最も重要なオーステナイト安定剤は、ニッケル、炭素、マンガン、窒素です。フェライト安定剤はクロム、シリコン、モリブデン、ニオブです。合金元素のバランスをとることで、溶接金属中のフェライトの量を制御します。

オーステナイトグレードは、ニッケル含有量が 5% 未満のものよりも容易かつ満足のいく溶接が可能です。オーステナイト系ステンレス鋼で製造された溶接継手は、溶接されたままの状態では強度があり、延性があり、靭性があります。通常、予熱や溶接後の熱処理は必要ありません。オーステナイト系グレードは溶接ステンレス鋼の約 80% を占めており、この入門記事ではオーステナイト系グレードに重点を置きます。

表 1: ステンレス鋼の種類とそのクロムおよびニッケル含有量。

tstart{c,80%}

thead{タイプ|% クロム|% ニッケル|タイプ}

tdata{オーステナイト|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}

tdata{マルテンサイト|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}

tdata{フェライト|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}

tdata{二重|18 - 28%|4 - 8%|2205}

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正しいステンレスフィラーメタルの選び方

両プレートの母材が同じ場合、「まずは母材を合わせる」が本来の指針でした。これは場合によってはうまく機能します。タイプ 310 または 316 を結合するには、対応するフィラー タイプを選択します。

異なる材料を接合するには、「より合金化された材料に適合するフィラーを選択する」という基本原則に従ってください。304 を 316 に結合するには、316 フィラーを選択します。

残念ながら、「適合ルール」には例外が非常に多いため、溶加材選択表を参照することをお勧めします。たとえば、タイプ 304 は最も一般的なステンレス鋼のベース材料ですが、タイプ 304 の電極を提供しているところはありません。

タイプ 304 電極を使用せずにタイプ 304 ステンレスを溶接する方法

タイプ 304 ステンレスを溶接するには、タイプ 308 の追加合金元素が溶接領域をより安定させるため、タイプ 308 フィラーを使用します。

ただし、308L も許容可能なフィラーです。タイプの後ろにある「L」の記号は、炭素含有量が低いことを示します。タイプ 3XXL ステンレスの炭素含有量は 0.03% 以下ですが、標準のタイプ 3XX ステンレスの炭素含有量は最大 0.08% です。

タイプ L フィラーは非 L 製品と同じ分類に該当するため、炭素含有量が低いほど粒界腐食の問題のリスクが軽減されるため、製造業者はタイプ L フィラーの使用を強く検討することができます。実際、著者らは、製造業者が手順を更新するだけであれば、タイプ L フィラーはさらに広く使用されるだろうと主張しています。

GMAW プロセスを使用する製造業者は、シリコンの添加によりウェットアウトが改善されるため、タイプ 3XXSi フィラーの使用を検討することもできます。溶接のクラウンが高い、または粗い場合、または溶接だまりがフィレットまたは重ね継手の先端でうまく結びつかない場合、Si タイプ GMAW 電極を使用すると、溶接ビードを滑らかにし、より良好な融合を促進できます。

炭化物の析出が懸念される場合は、少量のニオブを含むタイプ 347 フィラーを検討してください。

ステンレス鋼を炭素鋼に溶接する方法

この状況は、コストを削減するために構造の一部に炭素鋼の構造要素に耐食性の外面を接合する必要がある用途で発生します。合金元素を含まない母材を合金元素を含む母材に接合する場合は、溶接金属内の希釈が平衡するか、ステンレス母材よりも高度に合金化されるように、過合金フィラーを使用します。

炭素鋼をタイプ 304 または 316 に接合する場合や、異なるステンレス鋼を接合する場合は、ほとんどの用途にタイプ 309L 電極を検討してください。より高い Cr 含有量が必要な場合は、タイプ 312 を検討してください。

注意事項として、オーステナイト系ステンレス鋼は炭素鋼よりも約 50% 大きい膨張率を示します。適切な電極と溶接手順を使用しないと、接合時に膨張率の違いにより内部応力により亀裂が発生する可能性があります。

正しい溶接準備洗浄手順を使用してください。

他の金属と同様に、まず非塩素系溶剤で油、グリース、マーキング、汚れを取り除きます。その後、ステンレス溶接準備の第一のルールは、「腐食を防ぐために炭素鋼からの汚染を避ける」ことです。一部の企業では、相互汚染を防ぐために「ステンレス ショップ」と「カーボン ショップ」を別の建物に使用しています。

溶接用のエッジを準備する場合は、砥石とステンレスブラシを「ステンレスのみ」として指定してください。手順によっては、接合部から 2 インチ奥の部分を掃除する必要がある場合があります。電極操作の不一致を補正するのは炭素鋼よりも難しいため、接合の準備もより重要です。

錆を防ぐために溶接後の正しい洗浄手順を使用してください。

まず、ステンレス鋼がステンレスになる理由を思い出してください。クロムと酸素が反応して材料の表面に酸化クロムの保護層を形成することです。ステンレスが錆びるのは、炭化物の析出（下記参照）と、溶接プロセスで溶接金属が溶接表面にフェライト酸化物が形成されるほど加熱されるためです。溶接したままの状態で放置すると、完全に健全な溶接でも 24 時間以内に熱影響部の境界に「ワゴンの錆び跡」が現れる可能性があります。

純粋な酸化クロムの新しい層が適切に再形成されるように、ステンレス鋼は研磨、酸洗い、研削、またはブラシによる溶接後の洗浄が必要です。繰り返しますが、作業専用のグラインダーとブラシを使用してください。

ステンレス溶接ワイヤはなぜ磁性があるのですか?

フルオーステナイト系ステンレス鋼は非磁性です。ただし、溶接温度により微細構造に比較的大きな結晶粒が生成され、その結果、溶接部に亀裂が生じやすくなります。高温割れに対する感受性を軽減するために、電極メーカーはフェライトなどの合金元素を追加します。フェライト相によりオーステナイト粒子がより細かくなるため、溶接部の亀裂耐性がさらに高まります。

オーステナイト系ステンレスフィラーのスプールに磁石はくっつきませんが、フェライトが保持されているため、磁石を持つ人はわずかな引っ張りを感じることがあります。残念なことに、これにより、一部のユーザーは、自分の製品にラベルが間違っているか、間違った金属フィラーを使用していると考えることになります (特に、ラベルをワイヤー バスケットから剥がした場合)。

電極内のフェライトの適切な量は、用途の使用温度によって異なります。たとえば、フェライトが多すぎると、低温で溶接部の靭性が失われます。したがって、LNG 配管用途のタイプ 308 フィラーのフェライト数は 3 ～ 6 ですが、標準的なタイプ 308 フィラーのフェライト数は 8 です。つまり、溶加材は一見同じように見えるかもしれませんが、組成の小さな違いが重要です。

二相ステンレス鋼を溶接する簡単な方法はありますか?

通常、二相ステンレス鋼は、約 50% のフェライトと 50% のオーステナイトからなる微細構造を持っています。簡単に言うと、フェライトは高い強度と応力腐食割れに対するある程度の耐性を提供し、オーステナイトは良好な靭性を提供します。2 つの相の組み合わせにより、二相鋼に魅力的な特性が与えられます。幅広い二相ステンレス鋼が利用可能ですが、最も一般的なのはタイプ 2205 です。これには、クロム 22%、ニッケル 5%、モリブデン 3%、窒素 0.15% が含まれています。

二相ステンレス鋼を溶接する場合、溶接金属にフェライトが多すぎると問題が発生することがあります (アークからの熱により原子がフェライト マトリックス内に配置されます)。これを補うために、溶加材は合金含有量を高くしてオーステナイト構造を促進する必要があり、通常はベース金属よりもニッケルを 2 ～ 4% 多く含みます。たとえば、タイプ 2205 の溶接用フラックス入りワイヤには 8.85% のニッケルが含まれている場合があります。

望ましいフェライト含有量は、溶接後に 25 ～ 55% の範囲になります (ただし、それより高くなる場合もあります)。冷却速度は、オーステナイトが再形成できるほど遅くなければなりませんが、金属間化合物相が生成するほど遅すぎたり、熱影響部に過剰なフェライトが生成されるほど速すぎたりしないように注意してください。溶接プロセスと選択した溶加材に関してメーカーが推奨する手順に従ってください。

ステンレス鋼を溶接する際のパラメータの調整

ステンレス鋼を溶接する際にパラメーター (電圧、アンペア数、アーク長、インダクタンス、パルス幅など) を常に調整する製造業者にとって、典型的な原因は、一貫性のない溶加材組成です。合金元素の重要性を考慮すると、化学組成のロット間のばらつきは、濡れの悪さやスラグの放出の困難など、溶接の性能に顕著な影響を与える可能性があります。電極の直径、表面の清浄度、キャストおよびヘリックスの変動も、GMAW および FCAW アプリケーションの性能に影響します。

オーステナイト系ステンレス鋼中の制御炭化物析出の制御

426 ～ 871 ℃の範囲の温度では、0.02% を超える炭素含有量がオーステナイト構造の粒界に移動し、そこでクロムと反応して炭化クロムを形成します。クロムが炭素と結合すると、耐食性が得られません。腐食環境にさらされると粒界腐食が起こり、粒界が侵食されます。

炭化物の析出を制御するには、低炭素電極を使用して溶接し、炭素含有量をできるだけ低く保ちます (最大 0.04%)。炭素は、クロムよりも炭素との親和性が強いニオブ（以前のコロンビウム）やチタンによって結合することもできます。タイプ 347 電極はこの目的のために作られています。

溶加材の選択に関する話し合いの準備方法

少なくとも、使用環境 (特に動作温度、腐食性要素への曝露、予想される耐食性の程度) や望ましい耐用年数など、溶接部品の最終用途に関する情報を収集します。強度、靱性、延性、疲労など、動作条件で必要な機械的特性に関する情報は非常に役立ちます。

主要な電極メーカーのほとんどは、フィラー金属の選択に関するガイドブックを提供しており、著者はこの点をいくら強調してもしすぎることはありません。フィラー金属アプリケーション ガイドを参照するか、メーカーの技術専門家に問い合わせてください。これらは、正しいステンレス鋼電極の選択に役立ちます。

TYUE のステンレス鋼溶加材の詳細について、また同社の専門家にアドバイスを求めたい場合は、www.tyuelec.com をご覧ください。