ステンレス鋼の溶接におけるフィラーメタルの選び方

温州天宇電子有限公司のこの記事では、ステンレス鋼の溶接に使用するフィラー金属を指定する際に考慮すべき事項について説明します。

ステンレス鋼の魅力である、機械的特性や耐腐食性、耐酸化性を自在に調整できるという特性は、溶接に適したフィラーメタルの選定を複雑化させます。母材の組み合わせによっては、コスト、使用条件、求められる機械的特性、そして溶接に関連する様々な問題に応じて、複数の種類の電極のいずれかが適切な場合があります。

この記事では、読者の皆様にこのテーマの複雑さを理解していただくために必要な技術的背景を説明し、フィラーメタルサプライヤーに寄せられるよくある質問にお答えします。適切なステンレス鋼フィラーメタルの選定に関する一般的なガイドラインを確立し、さらにそれらのガイドラインの例外事項についても解説します。溶接手順については別の記事で取り上げるため、本記事では触れません。

4つのグレード、多数の合金元素

ステンレス鋼には主に 4 つのカテゴリがあります。

オーステナイト系
マルテンサイト
フェライト系
デュプレックス

これらの名称は、室温で通常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、鋼の原子は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へと再配置されます。冷却すると、原子は元のフェライト構造に戻ります。高温構造である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が低く、延性は高くなります。

鋼に16%以上のクロムを添加すると、常温結晶構造であるフェライトが安定化し、鋼はあらゆる温度においてフェライト状態を維持します。そのため、この合金ベースはフェライト系ステンレス鋼と呼ばれます。また、鋼に17%以上のクロムと7%以上のニッケルを添加すると、鋼の高温結晶構造であるオーステナイトが安定化し、極低温からほぼ融点まであらゆる温度でその状態を維持します。

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」型と呼ばれ、マルテンサイト系およびフェライト系鋼は一般に「ストレートクロム」型と呼ばれます。ステンレス鋼および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、また他の合金元素はフェライト安定剤として作用します。最も重要なオーステナイト安定元素は、ニッケル、炭素、マンガン、窒素です。フェライト安定元素は、クロム、ケイ素、モリブデン、ニオブです。合金元素のバランスを調整することで、溶接金属中のフェライト量を制御できます。

オーステナイト系ステンレス鋼は、ニッケル含有量が5%未満のステンレス鋼よりも溶接が容易で、良好な溶接性を示します。オーステナイト系ステンレス鋼で作られた溶接継手は、溶接直後の状態でも強度、延性、靭性を備えています。通常、予熱や溶接後の熱処理は必要ありません。オーステナイト系ステンレス鋼は溶接されるステンレス鋼の約80%を占めており、この入門記事では主にオーステナイト系ステンレス鋼に焦点を当てています。

表 1: ステンレス鋼の種類と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{デュプレックス|18 - 28%|4 - 8%|2205}

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適切なステンレスフィラーメタルの選び方

両方のプレートのベース材質が同じ場合、従来の指針では「まずベース材質を一致させる」とされていました。この方法は場合によっては有効ですが、タイプ 310 または 316 を接合する場合は、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場合は、「合金化度の高い材料に合ったフィラーを選択する」という指針に従ってください。304 と 316 を接合する場合は、316 フィラーを選択してください。

残念ながら、「適合ルール」には多くの例外があるため、より良い原則は「フィラーメタル選択表を参照すること」です。例えば、最も一般的なステンレス鋼ベース材料はタイプ304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。

304型電極を使わずに304型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 フィラーを使用します。タイプ 308 の追加の合金元素により、溶接領域がより安定します。

ただし、308Lもフィラーとして使用できます。タイプ名の後に「L」が付いているものは、炭素含有量が低いことを意味します。タイプ3XXLステンレスの炭素含有量は0.03%以下ですが、標準的なタイプ3XXステンレスの最大炭素含有量は0.08%です。

タイプLフィラーは非L製品と同じ分類に属するため、炭素含有量が低いほど粒界腐食のリスクが低減するため、製造業者はタイプLフィラーの使用を強く検討すべきです。実際、著者らは、製造業者が手順を更新するだけで、タイプLフィラーはより広く使用されるようになると主張しています。

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濡れ性が向上するため、タイプ3XXSiフィラーの使用も検討すると良いでしょう。溶接部のクラウンが高く、または粗い場合、あるいはすみ肉継手や重ね継手の先端部で溶接パドルがうまく接合しない場合は、SiタイプのGMAW電極を使用することで、溶接ビードを滑らかにし、より良好な溶融を促進することができます。

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 フィラーの使用を検討してください。

ステンレス鋼と炭素鋼の溶接方法

この状況は、構造物の一部に耐食性のある外面を炭素鋼構造要素に接合してコストを削減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と合金元素を含む母材を接合する場合は、溶接金属内の希釈度がステンレス鋼母材と釣り合うか、またはステンレス鋼母材よりも合金度が高くなるように、過剰合金化フィラーを使用してください。

炭素鋼と304または316鋼の接合、および異種ステンレス鋼の接合には、ほとんどの用途で309L型電極をご検討ください。より高いCr含有量が必要な場合は、312型電極をご検討ください。

注意点として、オーステナイト系ステンレス鋼の熱膨張率は炭素鋼よりも約50%高くなります。適切な電極と溶接手順を用いないと、接合時に熱膨張率の違いにより内部応力による割れ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する

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、汚れを除去します。その後、ステンレス溶接の準備における基本ルールは、「腐食を防ぐため、炭素鋼からの汚染を避ける」ことです。交差汚染を防ぐため、「ステンレス工場」と「炭素鋼工場」を別々の建物で分けている企業もあります。

溶接のエッジ処理をする際は、研削砥石とステンレスブラシを「ステンレス専用」と指定してください。一部の手順では、接合部から5cmほど離れた箇所を洗浄する必要があります。また、電極操作によるばらつきの補正は炭素鋼の場合よりも難しいため、接合部の準備はより重要です。

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、ステンレス鋼がなぜ錆びないのかを思い出してください。それは、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、溶接工程で溶接金属が加熱され、溶接部の表面にフェライト酸化物が形成されるためです。溶接したままの状態では、完全に健全な溶接部であっても、24時間以内に熱影響部の境界に「錆の跡」が現れることがあります。

ステンレス鋼は、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、溶接後の洗浄（研磨、酸洗、研削、ブラッシング）が必要です。この場合も、専用のグラインダーとブラシを使用してください。

ステンレス鋼の溶接ワイヤはなぜ磁性を持っているのでしょうか?

完全オーステナイト系ステンレス鋼は非磁性です。しかし、溶接温度によってミクロ組織中の結晶粒が比較的大きくなり、溶接部は割れやすくなってしまいます。高温割れに対する感受性を軽減するため、電極メーカーはフェライトなどの合金元素を添加します。フェライト相はオーステナイト結晶粒を微細化するため、溶接部の割れ耐性が向上します。

磁石はオーステナイト系ステンレスフィラーのスプールにはくっつきませんが、残留フェライトのため、磁石を持つとわずかに引っ張られるような感覚を覚えることがあります。残念ながら、このため、製品のラベル表示が間違っている、あるいは間違ったフィラーメタルを使用している（特にワイヤーバスケットのラベルを剥がした場合）と考えるユーザーもいます。

電極に含まれるフェライトの適正量は、用途の使用温度によって異なります。例えば、フェライト量が多すぎると、低温下での溶接部の靭性が低下します。そのため、LNG配管用の308系フィラーのフェライト価は3～6ですが、標準的な308系フィラーのフェライト価は8です。つまり、フィラーメタルは一見似ているように見えますが、組成のわずかな違いが重要なのです。

二相ステンレス鋼を溶接する簡単な方法はありますか?

一般的に、二相ステンレス鋼は、約50%のフェライトと約50%のオーステナイトからなる微細構造を有します。簡単に言えば、フェライトは高い強度とある程度の応力腐食割れ耐性を提供し、オーステナイトは優れた靭性を提供します。この2つの相の組み合わせが、二相鋼に魅力的な特性を与えています。二相ステンレス鋼には幅広い種類があり、最も一般的なのはタイプ2205です。これは、クロム22%、ニッケル5%、モリブデン3%、窒素0.15%を含みます。

二相ステンレス鋼を溶接する際、溶接金属のフェライト含有量が多すぎると問題が発生する可能性があります（アーク熱によって原子がフェライトマトリックス内に配列するため）。これを補うために、フィラーメタルはオーステナイト組織を促進するために合金含有量を増やす必要があり、通常は母材よりも2～4%多いニッケル含有量が必要です。例えば、Type 2205溶接用のフラックス入りワイヤには、ニッケル含有量が8.85%含まれている場合があります。

溶接後のフェライト含有量は25～55%の範囲で望ましい値となります（ただし、それ以上の値は許容されます）。冷却速度は、オーステナイトが再形成するのに十分な遅さである必要がありますが、金属間化合物相を生成するほど遅くても、熱影響部に過剰なフェライトを生成するほど速くてもいけません。溶接プロセスと選択したフィラーメタルに応じて、メーカーの推奨手順に従ってください。

ステンレス鋼の溶接時のパラメータ調整

ステンレス鋼の溶接において、電圧、電流、アーク長、インダクタンス、パルス幅などのパラメータを常に調整する製造業者にとって、典型的な原因はフィラーメタルの組成の不均一性です。合金元素の重要性を考えると、ロット間の化学組成のばらつきは、ウェットアウトの悪化やスラグの剥離の困難など、溶接性能に顕著な影響を及ぼす可能性があります。電極径、表面清浄度、鋳型、螺旋形状のばらつきも、GMAWおよびFCAWアプリケーションにおける性能に影響を与えます。

オーステナイト系ステンレス鋼における炭化物析出の制御

426～871℃の温度範囲では、0.02%を超える炭素含有量がオーステナイト組織の粒界に移動し、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、耐食性には役立ちません。腐食環境にさらされると、粒界腐食が発生し、粒界が侵食されます。

炭化物の析出を抑制するには、低炭素電極を用いて溶接を行い、炭素含有量を可能な限り低く（最大0.04%）保つ必要があります。炭素は、クロムよりも炭素との親和性が強いニオブ（旧称コロンビウム）やチタンによっても結合される可能性があります。この目的のために、タイプ347電極が製造されています。

フィラーメタルの選択に関する議論の準備方法

少なくとも、溶接部品の最終用途に関する情報（使用環境（特に動作温度、腐食性物質への曝露、期待される耐食性）と希望する耐用年数など）を収集する必要があります。強度、靭性、延性、疲労強度など、動作条件における必要な機械的特性に関する情報も非常に役立ちます。

大手電極メーカーのほとんどは、フィラーメタルの選定に関するガイドブックを提供しています。この点は、筆者も強調しすぎることはありません。フィラーメタルの適用ガイドを参照するか、メーカーの技術専門家にご相談ください。適切なステンレス鋼電極の選定をサポートいたします。

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