金属材料の溶接性に影響を与える要因は何ですか?

金属材料の溶接性に影響を与える要因は数多くあり、主に金属材料、構造設計、工程対策、使用環境の 4 つの側面に影響します。溶接性とは、母材や溶接金属の化学成分、溶接構造、溶接継手の構造、溶接方法、溶接工程などを含む総合的な性能のことです。

重要な要因

材料要因には、木材自体と溶接材料が含まれます。組織状態や機械的性質だけでなく、材料の化学組成、製錬・圧延の状態、熱処理条件なども含まれます。

例えば、アーク溶接に使用される溶接棒、サブマージアーク溶接に使用される溶接ワイヤやフラックス、パッケージアーク溶接やその他の溶接材料の吊り上げに使用される溶接ワイヤやシールドガスなどです。溶接プロセス中、木材と上記の溶接材料は溶融池または溶融ゾーンの間の冶金反応に直接関与し、溶接性と溶接品質に重要な影響を与えます。母材や溶接材料の選択が適切でないと、溶接部の組成が要求を満たさなくなり、機械的性質などが低下し、さらには割れ、気孔、スラグ介在などの溶接欠陥が発生し、溶接作業が悪化します。このため、正しい選択を行う必要があります。

基材の場合、化学組成が最も大きな影響を与えます。固溶強化を達成するために合金元素に依存する鋼のような状況では、通常、溶接プロセス中に溶接金属、熱影響部、母材間の優れたマッチング特性を促進するのは簡単です。鋼が比較的複雑な合金系に属し、熱処理や変形加工などにより強化される場合、母材と完全に一致する溶接金属を得ることが難しく、溶接継手全体の一致さえも困難になります。鋼の場合、溶接性に影響を与える元素のうち、C、P、H、S、O、Nなどの影響が大きくなります。合金元素の中で、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V、Nb、Cu、B などはすべて、程度は異なりますが、溶接継手の硬化傾向と亀裂感受性を増加させる可能性があります。一般に、鋼の溶接性は炭素含有量や合金元素含有量が増加すると低下します。

溶解方法は溶接性に影響し、圧延加工は溶接性に影響し、熱処理の状態も溶接性に影響し、程度の差はあります。現在では、耐割れ性鋼であるCF鋼やZ方向鋼、制御圧延鋼であるTMCP鋼などがあり、精錬・精製方法や圧延工程を制御することで溶接性を向上させています。

構造的要因

構造要因には、溶接構造や溶接継手の形状、剛性、応力状態などが含まれます。

これらは接合部の機械的特性に影響を与え、溶接欠陥を引き起こします。

体積と重量の要件がある溶接構造の場合、体積と重量を削減するために、設計時に軽合金材料などの比強度の高い材料を選択する必要があります。体積や重量に特別な要件がない溶接構造の場合、高い強度レベルの材料を選択することも技術的および経済的に意味があります。構造物の重量を軽減し、母材や溶接材料を節約し、大型構造物の吊り上げや輸送の困難を回避し、耐荷重能力を向上させることができます。

まず、溶接継手の構造設計は応力状態にある程度の影響を及ぼし、それが溶接性に影響を及ぼします。そして、構造を設計する際には、接合部の応力がより小さい状態で、自由に収縮できる状態にする必要があります。なぜこんなことを言うのでしょうか？そうすることで応力集中を軽減し、溶接割れを防ぐことができるからです。次に、急激な断面変化を含む接合部の隙間や過度の高さ、十字溶接など、応力集中を起こしやすいものを避ける必要があります。また、必要以上に母材の厚みや溶接部の体積が大きくなり、多方向の応力が発生することも避けなければなりません。

溶接熱源の特性、出力密度、線形エネルギー、その他のプロセス パラメーターは、接合部の温度場と熱サイクルを直接決定します。これらは、溶接部、熱影響部のサイズ、構造変化、欠陥に対する感度に大きな影響を与えます。たとえば、溶接前の予熱と溶接後の徐冷を使用すると、接合部の冷却速度が低下し、接合部の硬化傾向が減少し、低温亀裂の発生しやすさが減少します。合理的な溶接順序を選択すると、構造上の制約と収益性を向上させることができます。アルゴンアーク溶接などの溶接方法を使用すると、溶接領域をより強固に保護し、合金元素の燃焼損失を低減し、満足のいく接合性能を得ることができます。

プロセス要因

プロセス要因には、建設プロセスで使用される溶接方法、溶接入熱、予熱、溶接順序、溶接後の熱処理などの溶接プロセス仕様が含まれます。

同じ母材でも溶接方法や加工対策が異なると溶接性が大きく異なります。たとえば、ガス溶接を使用してアルミニウムとその合金を溶接するのは困難ですが、アルゴン アーク溶接では優れた結果を達成できます。チタン合金はO、H、Nに非常に敏感で、ガス溶接や電極アーク溶接では良好な溶接ができませんが、アルゴンアーク溶接や電子ビーム溶接では比較的容易に溶接できます。したがって、新しい溶接方法と新しいプロセスを開発することは、プロセス溶接性を向上させるための重要な方法です。

溶接方法が溶接性に与える影響は、まず溶接熱源のエネルギー密度、温度、入熱に反映されます。次に、溶融池や継手付近の保護方法として、スラグ保護、ガス保護、スラグ・ガス複合保護、真空溶接などが挙げられます。過熱に弱い高張力鋼の場合、過熱回避の観点から、ナローギャップガスシールド溶接、パルスアーク溶接、プラズマアーク溶接などにより溶接性を向上させることができます。

最も一般的なプロセス対策は、溶接前の予熱、徐冷、溶接後の熱処理です。これらのプロセス対策は、熱影響部の硬化や脆化を防ぐ効果的な手段、溶接応力を軽減する効果的な手段、および水素冷却割れを回避する効果的な手段となります。溶接順序を適切に配置することで、応力や変形を軽減することもできます。原則として、溶接されるワークピースは、溶接プロセス全体を通じて拘束されておらず、自由に伸縮できる状態にある必要があります。溶接後の熱処理により残留応力を除去し、水素を逃がすことができるため、遅延割れを防止できます。また、金属材料の溶接前のガス切断工程、冷間加工工程、組立工程等は、材料自体の特性に合わせて行う必要があります。そうしないと、局所的な硬化、脆化、応力集中が生じ、溶接割れなどの欠陥が多発します。

環境要因

環境要因には、溶接構造の動作温度、負荷の種類、動作モード、速度などの負荷条件、作動媒体などが含まれます。

溶接構造はさまざまな環境で使用されます。高温環境で動作する溶接構造には、十分に高い高温強度、優れた化学的安定性と構造的安定性、高いクリープ強度など、材料に対する多くの要件があります。常温条件下で動作する溶接構造には、材料が自然環境において良好な機械的特性を備えていることが必要です。動作温度が低い場合、または衝撃荷重を受ける場合は、最低周囲温度での材料の性能、特に衝撃靱性について特別な注意を払う必要があります。これは低温脆性破壊を防ぐためです。動的荷重に耐えるコンポーネントの場合、材料には良好な動的破壊靱性と振動吸収特性が求められます。作動媒体が腐食性の場合、溶接部分には耐食性が必要です。核放射線環境で作業する溶接構造の場合、中性子放射線の影響により、材料の降伏点が上昇し、可塑性が低下し、脆化転移温度が上昇し、靭性が低下するため、材料は放射線により脆くなっているように見えます。