ステンレス鋼管とパイプの溶接方法の 5 つのヒント

ステンレス鋼は必ずしも加工が難しいわけではありませんが、ステンレス鋼の溶接には細部まで細心の注意が必要です。軟鋼やアルミニウムほど熱を放散することがなく、過度の熱が加えられると耐食性が一部失われる可能性があります。ベストプラクティスは耐食性の維持に貢献します。画像: ミラー・エレクトリック

ステンレス鋼は耐食性があるため、高純度の食品や飲料、医薬品、圧力容器、石油化学用途など、多くの重要なチューブやパイプの用途にとって魅力的な選択肢となっています。ただし、この材料は軟鋼やアルミニウムほど熱を放散せず、溶接方法が不十分だと耐腐食性が低下する可能性があります。過剰な熱入力と間違った溶加材の使用が 2 つの原因となります。

ステンレス鋼溶接のベストプラクティスに従うと、結果が向上し、金属の耐食性が確実に維持されるようになります。さらに、溶接プロセスをアップグレードすることで、品質に影響を与えることなく生産性の向上を実現できます。

ステンレス鋼の溶接では、炭素レベルを制御するために溶加材の選択が重要です。ステンレス鋼の管やパイプの溶接に使用される溶加材は、溶接特性を向上させ、用途の要件を満たす必要があります。

ER308L などの「L」指定のフィラーメタルを探してください。これらは最大炭素含有量が低く、低炭素ステンレス合金の耐食性を維持するのに役立ちます。低炭素母材を標準の溶加材で溶接すると、溶接継手の炭素含有量が増加し、腐食のリスクが高まる可能性があります。「H」指定のフィラーメタルは、高温でより大きな強度を必要とする用途向けに設計された炭素含有量が高いため、避けてください。

ステンレス鋼を溶接する場合は、微量元素 (混入とも呼ばれます) が少ない溶加材を選択することも重要です。これらは、フィラーメタルの製造に使用される原材料に含まれるアンチモン、ヒ素、リン、硫黄などの残留元素です。これらは材料の耐食性に大きな影響を与える可能性があります。

ステンレス鋼は入熱に非常に敏感であるため、接合部の準備と適切な取り付けが熱を制御して材料の特性を維持する上で重要な役割を果たします。部品間に隙間や不均一な嵌合があると、トーチはより長く 1 つの場所に留まる必要があり、それらの隙間を埋めるためにより多くの溶加材が必要になります。これにより、影響を受ける領域に熱が蓄積し、部品が過熱する可能性があります。また、はめ合いが不十分であると、隙間を埋めて必要な溶接の溶け込みを得ることが困難になる可能性があります。ステンレス鋼では、部品の取り付けが可能な限り完璧に近づくように注意してください。

この素材では清潔さも非常に重要です。溶接接合部に微量の汚染物質や汚れがあると、最終製品の強度や耐食性を低下させる欠陥が発生する可能性があります。溶接前の母材の洗浄には、炭素鋼やアルミには使用されていないステンレス鋼専用のブラシを使用してください。

ステンレス鋼では、鋭敏化が耐食性の低下の主な原因です。これは、溶接温度と冷却速度の変動が大きくなり、材料の微細構造が変化した場合に発生することがあります。

このステンレス鋼パイプ上の OD 溶接は、ルートパスのバックパージなしで GMAW および規制金属蒸着 (RMD) を使用して溶接されており、バックパージを使用して GTAW で作成された溶接と外観と品質が似ています。

ステンレス鋼の耐食性の重要な部分は酸化クロムです。しかし、溶接部の炭素レベルが高すぎると、炭化クロムが形成されます。これらはクロムを結びつけ、ステンレス鋼に耐食性を与える必要な酸化クロムの形成を防ぎます。十分な酸化クロムがないと、材料は望ましい特性を持たず、腐食が始まる可能性があります。

鋭敏化を防ぐには、溶加材の選択と入熱の制御が必要になります。前述したように、ステンレス鋼溶接には低炭素フィラー金属を選択することが重要です。ただし、特定の用途に強度を与えるためにカーボンが必要になる場合があります。低炭素フィラーメタルを選択できない場合、熱の制御が特に重要です。

溶接部と熱影響部が高温 (一般的に 500 ～ 800 ℃) に保たれる時間を最小限に抑えます。この範囲で溶接に費やす時間が短いほど、蓄積される熱は少なくなります。用途に応じた溶接手順ではパス間温度を常に確認し、遵守してください。

別のオプションは、炭化クロムの形成を防ぐチタンやニオブなどの合金成分で設計された溶加材を使用することです。これらの成分は強度と靱性にも影響するため、これらの溶加材はすべての用途に使用できるわけではありません。

ルートパスにガスタングステンアーク溶接 (GTAW) を使用するのは、ステンレス鋼の管やパイプを溶接する伝統的な方法です。これには通常、溶接部の裏側の酸化を防ぐためにアルゴンガスのバックパージが必要です。しかし、ステンレス鋼管やパイプではワイヤ溶接プロセスの使用がより一般的になりつつあります。これらの用途では、さまざまなシールドガスが材料の耐食性にどのような影響を与えるかを理解することが重要です。

ガスメタルアーク溶接 (GMAW) プロセスでステンレス鋼を溶接する場合、アルゴンと二酸化炭素、アルゴンと酸素、または 3 つのガスの混合物 (ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素) の混合物が伝統的に使用されてきました。多くの場合、これらの混合物には主にアルゴンまたはヘリウムが含まれ、二酸化炭素は 5% 未満しか含まれていません。二酸化炭素は溶接池に炭素を与え、鋭敏化のリスクを高める可能性があるためです。純粋なアルゴンはステンレス上の GMAW には推奨されません。

ステンレス鋼用フラックス入りワイヤは、アルゴン 75% と二酸化炭素 25% の従来の混合物で動作するように設計されています。フラックスには、シールドガス中の炭素による溶接部の汚染を防ぐように設計された成分が含まれています。

GMAW プロセスが進化するにつれて、ステンレス鋼のチューブとパイプの溶接が簡素化されました。一部のアプリケーションでは依然として GTAW プロセスが必要な場合がありますが、高度なワイヤプロセスでは、多くのステンレスアプリケーションで同等の品質とはるかに優れた生産性を提供できます。

GMAW RMD を使用して作成されたステンレス鋼の ID 溶接は、対応する OD 溶接と品質および外観が似ています。

Miller の Regulated Metal Deposition (RMD) などの修正された短絡 GMAW プロセスをルートパスに使用すると、特定のオーステナイト系ステンレス鋼の用途でバックパージが不要になります。 RMD ルートパスの後には、パルス GMAW またはフラックス入りアーク溶接のフィルおよびキャップパスを続けることができます。これにより、特に大型パイプでバックパージを伴う GTAW を使用する場合と比較して、時間と費用が節約されます。

RMD は、正確に制御された短絡金属移動を使用して、静かで安定したアークと溶接溜まりを生成します。これにより、コールドラップや溶融の欠如が発生する可能性が減り、スパッタが減少し、パイプ上のルートパスの品質が向上します。また、正確に制御された金属転写により、均一な液滴の堆積が実現され、液だまりの制御が容易になり、ひいては入熱と溶接速度の制御が容易になります。

従来とは異なるプロセスにより、溶接の生産性が向上します。 RMD を使用する場合、溶接速度は 6 ～ 12 インチ/分です。このプロセスでは部品に追加の熱を加えることなく生産性を向上できるため、ステンレス鋼の特性と耐食性を維持するのに役立ちます。プロセスの入熱が減少することにより、基材の歪みを制御することもできます。

このパルス式 GMAW プロセスは、従来のスプレーパルス伝達と比較して、アーク長が短く、アークコーンが狭く、入熱量が少なくなります。このプロセスは閉ループであるため、アークのふらつきやチップからワークまでの距離の変動は事実上排除されます。これにより、インポジション溶接およびアウトオブポジション溶接のパドル制御が容易になります。最後に、フィルおよびキャップパスのパルス GMAW とルートパスの RMD を結合することにより、1 本のワイヤと 1 つのガスで溶接手順が可能になり、プロセス切り替え時間を排除できます。