チタンとその合金の溶接方法は？

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    チタンは、軽量、高強度、耐高温・耐低温、優れた耐クラック性、湿式塩素ガス中での耐食性など、その比類なき長所から、様々な分野で使用されています。チタンの溶接は、金属そのものがほとんどの産業分野にとってかなり目新しいものであるため、多くの溶接工にとって特に大きな挑戦となります。溶接に使用できる材料は数多くありますが、チタンのような耐久性、柔軟性、強度を兼ね備えた材料はありません。このような特性の組み合わせは、この素材を扱うことを非常に難しくし、溶接の訓練と経験を積んだ熟練工にとっても、特に難しい課題となります。これが、チタン溶接の難しさです。ここでは、チタンとその合金の溶接について説明します。

    目次 匿う
    1 溶接性解析
    2 溶接技術
    3 溶接検査

    溶接性解析

    • 格子間元素の汚染による脆化

    チタンは高温で活性な化学元素である。チタンは300℃以上では水素を、600℃以上では酸素を、700℃以上では窒素を急速に吸収することができます。溶接や溶接後の冷却工程で有効な保護が得られないと、可塑性が低下し、脆性が増大する。チタン材料の炭素は、溶解度を超えると網目状に分布する硬くて脆いTiCを生成し、クラックを発生しやすくなるため、一般に0.1%以下に制御されることが多い。

    • ホットクラック

    チタンとチタンのため、合金不純物の含有量が少なく、ホットクラックを発生させることは容易ではなく、そのため高品質の要求があります。 溶接線溶接ワイヤを使用すると、クラック、層間およびその他の欠陥が発生し、多数の不純物が溶接ホットクラックの原因となる可能性があります。

    • HEATの影響を受けたゾーンで遅延クラックが発生する可能性がある

    溶接中、プールや低温部の母材に含まれる水素が熱影響部に拡散し、熱影響部に水素が蓄積され、不利な応力条件下で亀裂が発生します。

    • ポロシティ

    チタンおよびチタン合金の溶接で最も一般的な欠陥はポロシティである。一般的には溶接部の気孔と融合線の気孔があり、気孔は一般的に溶接線のエネルギーが大きい場合は融合線付近に位置しますが、特に溶接面が水や油で汚れている場合は主に溶接部に発生します。

    溶接技術

    • 溶接方法

    GTAW溶接法、直流接続、高周波アークの点火とアーク消火装置の減衰を使用する溶接機。

    • 溶接材料

    溶接ワイヤの選択は、溶接継ぎ目の引張強さが焼鈍母材の標準引張強さの下限より低くないこと、溶接状態後の溶接継ぎ目の可塑性と耐食性が焼鈍母材より低くないか母材と同様であること、溶接性が良いことを確認します。

    の化学的組成を持つ。 ER Ti-2線 は下表のとおりです。

    溶接線ティフェCNH O
    ERTi-2バランス0.30.10.050.0150.25
    表1
    • シールドガスと溶接色の選択

    溶接用アルゴンの純度は99.99%以下、水分は50mL /m³以下、露点は-40℃以下が望ましい。ボトルアルゴンの圧力が 0.981MPa 未満の場合は使用しない。溶接プールおよび溶接継手の内外面温度が400℃を超える領域は、アルゴンガスで保護する。

    溶接部の色シルバー ライトイエローダークイエローパープル（メタリックな輝き）ブルー（メタリック光沢）オフホワイト、イエローホワイト
    アルゴンガス純度99.99%98.7%97.8%97.5%97%96%
    溶接の品質高品質良い 有資格者有資格者無資格 無資格
    表2
    • 溶接の準備

    溶接工程で鉄とチタンが相互に溶解しないようにする、現場を清潔に保つ、鉄の工具を使用しないなどの有効な対策が必要である。

    溝の加工です。チタンパイプを切断した後、グラインダーで溝を研磨します。溝の角度は片側30°±2.5°、鈍角は0.5～1.5mmです。溝の加工は、母材に過熱変色を生じさせないようにする。溝の内外面および25mm以内の側面は、次の手順で清掃する：研磨機による研磨-サンドペーパーホイールによる研磨-アセトンによる清掃。溶接ワイヤーはアセトンを浸したスポンジで洗浄し、母材溝と溶接ワイヤー付近の割れや層間の有無をよく確認し、溝の乾燥終了を待って作業する。溶接が間に合わない場合は、自己粘着テープやプラスチックシートで溝を保護する。洗浄から溶接までの時間は2時間以上ではありませんが、溶接機の手袋は、使用前に無水エタノール（またはアセトン）で洗浄する必要があり、溶接機の表面に付着した綿繊維を避けるために、きれいにする必要があります。

    • 溶接工程パラメータ

    肉厚

    ウエルディング層

    タングステン電極の直径

    溶接電流

    ワイヤー径

    アルゴンガス流量

    ノズル径

    溶接用ハンドル

    ドラグカバー

    チューブ

    3-4

    2

    2.4

    75-95

    2.5

    11-13

    20-22

    11-22

    12

    5-6

    3

    2.4

    90-120

    2.5

    12-15

    20-22

    11-22

    18

    7-8

    3-4

    3.0

    120-160

    3.0

    12-15

    20-22

    11-22

    18

    なお、良好な溶接部形成を確保する条件として、できるだけ小線エネルギー溶接を選択し、高温で粒が長く成長しないように、層間温度は200℃を超えないようにすることが望ましい。溶接工程はアルゴンの保護下で行う。溶接トーチのノズルは溶融池の保護に、溶接トーチのドラッグカバーは高温の溶接部と接合部付近の外面の保護に、パイプは溶接シームと接合部付近の内面の保護のためにアルゴンを充満させなければならない。大口径のチタンパイプを溶接する場合、溶接士はガスマスクと手持ちの保護カバーを使用して、溶接プールの背面を保護するものとする。

    小口径や固定オリフィスの管を溶接する場合は、管内の過大な圧力によってシール用ソリュブルペーパーが破損しないように、チタン管の表面が溝から150～300mm離れた場所（操作性により大きな値をとる）で使用し、その後アルゴンガスを充填して管内の空気を排出させる必要があります。アルゴンは溶接前に十分にプリチャージし、溶接後は高温部を十分に冷却し、表面の酸化を防ぐためにアルゴンを遅らせる必要があります。

    溶接検査

    溶接工は、ビード面を良好な外観に清掃しなければならない。

    幅は、溝の端から2mmオーバーとする。隅肉溶接のつま先の高さは設計条件を満たし、その形状は滑らかでなければならない。表面品質は次の要件を満たすものとする：端部の噛み込み、割れ、不融合、気孔、スラグの混入、飛散などの欠陥は認められない；溶接残留高さ：肉厚が5mm未満の場合、0〜1.5mm；肉厚が5mm以上の場合、1〜2mm；c溶接の表面の千鳥状縁量は肉厚に対して10%以下、1mm以下でなければならない。

    底部溶接部は、浸透探傷検査を行い、亀裂やその他の表面欠陥がないものとする。各溶接部の表面の色を確認する。これは、温度の違いによる表面の酸化皮膜の色の変化を示し、その機械的性質は同じではない。(表3参照）注：低温酸化と高温酸化を区別するために、酸洗法を用いること。