鋼とニッケルおよびニッケル合金の溶接に関するよくある質問

導入

化学・石油関連機器の製造において、高価なニッケルを節約するために、鋼鉄をニッケルやその合金に溶接することがしばしば行われる。

溶接の主な問題点

溶接時、溶接部の主成分は鉄とニッケルであり、これらは相互に無限に溶解し、金属間化合物を形成しない。一般的に、溶接部のニッケル含有量は比較的高いため、溶接部の溶融部には拡散層が形成されない。溶接における主な問題点は、溶接部に気孔や高温割れが発生しやすいことである。

1.多孔性

鋼とニッケルおよびその合金を溶接する際、溶接部の気孔形成に影響を与える主な要因は、酸素、ニッケル、およびその他の合金元素である。

① 酸素の影響。溶接では、溶融金属に酸素が溶け込むことがあり、高温では酸素とニッケルが酸化してNiOが形成されます。NiOは溶融金属中の水素や炭素と反応して、溶融池の凝固中に水蒸気や一酸化炭素を生成します。これらが十分に逃げ出せない場合、溶接部に気孔が形成されます。純ニッケルやQ235-Aサブマージアーク溶接による鉄とニッケルの溶接では、窒素や水素の含有量はあまり変化しませんが、溶接部の酸素含有量が高いほど、溶接部の気孔の数が多くなります。

②ニッケルの影響。鉄ニッケル溶接では、鉄とニッケルにおける酸素の溶解度が異なり、液状ニッケルにおける酸素の溶解度は液状鉄における溶解度よりも大きい一方、固体ニッケルにおける酸素の溶解度は固体鉄における溶解度よりも小さい。したがって、急激な変化を起こすニッケル結晶における酸素の溶解度は、急激な変化を起こす鉄結晶における酸素の溶解度よりも顕著である。そのため、Ni含有量が15%～30%の場合、溶接部の気孔発生傾向は小さいが、Ni含有量が増加すると、気孔発生傾向はさらに増加し​​、60%～90%に達する。溶解する鋼の量は必然的に減少するため、気孔発生傾向が大きくなる。

③ 他の合金元素の影響。鉄ニッケル溶接部にマンガン、クロム、モリブデン、アルミニウム、チタンなどの合金元素が含まれている場合、または合金化が順調に進んでいる場合、溶接部の耐気孔性を向上させることができます。これは、マンガン、チタン、アルミニウムなどが脱酸素作用を持ち、クロムとモリブデンが固体金属への溶接部の溶解度を向上させるためです。そのため、ニッケルと1Cr18Ni9Tiステンレス鋼の溶接部の耐気孔性は、ニッケルとQ235-A鋼の溶接部よりも優れています。アルミニウムとチタンは窒素を安定化合物に固定することもできるため、溶接部の耐気孔性を向上させることができます。

2. 熱によるひび割れ

鋼とニッケルおよびその合金の溶接において、熱割れが発生する主な原因は、ニッケル含有量が高く樹枝状組織を持つ溶接部において、粗大粒の端部に低融点の共結晶が多数集中し、粒間の結合が弱まり、溶接金属の耐割れ性が低下することである。また、溶接金属中のニッケル含有量が高すぎると、溶接金属に熱割れが発生しやすくなる。鉄ニッケル溶接においては、酸素、硫黄、リンなどの不純物も溶接部の熱割れ傾向に大きな影響を与える。

無酸素フラックスを使用すると、溶接部中の酸素、硫黄、リンなどの有害不純物の質が低下し、特に酸素含有量が減少するため、割れの量が大幅に減少します。溶融池の結晶化により、酸素とニッケルはNi + NiO共晶を形成し、共晶温度は1438℃です。また、酸素は硫黄の有害作用を強めることもあります。そのため、溶接部の酸素含有量が高いほど、熱割れの傾向が大きくなりやすくなります。

Mn、Cr、Mo、Ti、Nbなどの合金元素は、溶接金属の耐亀裂性を向上させることができます。Mn、Cr、Mo、Ti、Nbは変成剤であり、溶接組織を微細化し、結晶化の方向を乱すことができます。Al、Tiも強力な脱酸剤であり、溶接部の酸素量を減らすことができます。MnはSと耐火化合物MnSを形成し、硫黄の有害な影響を軽減します。

溶接継手の機械的特性

鉄ニッケル溶接継手の機械的特性は、溶加材と溶接パラメータに関係する。純ニッケルと低炭素鋼を溶接する場合、溶接部のニッケル当量（Ni）が30%未満だと、溶接部の急速冷却時にマルテンサイト組織が現れ、継手の塑性および靭性が著しく低下する。したがって、継手の塑性および靭性を向上させるためには、鉄ニッケル溶接部のニッケル当量（Ni）は30%以上であるべきである。