鋼とニッケルおよびニッケル合金の溶接に関するFAQ

導入

化学機器や石油機器を製造する際には、高価なニッケルを節約するために、鋼鉄をニッケルや合金に溶接することがよくあります。

溶接の主な問題

溶接において、溶接部の主成分は鉄とニッケルであり、これらは無限の相互溶解性を有し、金属間化合物を形成しません。一般的に、溶接部中のニッケル含有量は比較的高いため、溶接継手の溶融部には拡散層は形成されません。溶接における主な問題は、溶接部に気孔や高温割れが生じやすいことです。

1.多孔性

鋼とニッケルおよびその合金を溶接する場合、溶接部の気孔の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す。

① 酸素の影響。溶接において、溶融金属はより多くの酸素を溶解する可能性があります。酸素は高温でニッケルを酸化してNiOを形成します。NiOは溶融金属中の水素および炭素と反応し、水蒸気と一酸化炭素を溶融池で凝固させる際に逃げ遅れ、溶接部に残留して気孔を形成します。純ニッケルおよびQ235-Aサブマージアーク溶接における鉄ニッケル溶接では、窒素および水素含有量にあまり変化がない場合、溶接部中の酸素含有量が高いほど、溶接部中の気孔の数が多くなります。

②ニッケルの影響。鉄-ニッケル溶接部において、鉄とニッケルの酸素の溶解度は異なり、液体ニッケルの酸素の溶解度は液体鉄のそれよりも大きく、固体ニッケルの酸素の溶解度は固体鉄のそれよりも小さいため、ニッケルの急変結晶中の酸素の溶解度は、鉄の急変結晶中の酸素の溶解度よりも顕著である。そのため、溶接部における気孔率の傾向は、Ni含有量が15％～30％の場合に小さく、Ni含有量が多い場合は、気孔率の傾向がさらに増加し​​て60％～90％になり、溶解鋼の量が減少し、気孔率の形成傾向が大きくなる。

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、あるいは合金化に伴う元素が含まれている場合、溶接部の耐気孔性が向上することがあります。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性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は、ニッケルとQ235-A鋼の溶接部よりも耐気孔性が高くなっています。アルミニウムとチタンは窒素を安定した化合物に固定できるため、これも溶接部の耐気孔性を向上させることができます。

2. 熱分解

鋼とニッケルおよびその合金の溶接部における熱割れの主な原因は、高ニッケル溶接部が樹枝状組織を呈していることです。この組織では、粗大な結晶粒の縁部に多数の低融点共結晶が集中し、結晶粒間の結合が弱まり、溶接金属の耐割れ性が低下します。さらに、溶接金属中のニッケル含有量が高すぎると、鉄ニッケル溶接において熱割れが発生しやすくなり、酸素、硫黄、リンなどの不純物も溶接部の熱割れ発生に大きな影響を与えます。

無酸素フラックスを使用すると、溶接部における酸素、硫黄、リンなどの有害不純物の質の低下、特に酸素含有量の低下により、割れの発生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℃に達します。また、酸素は硫黄の有害作用を強める可能性があります。そのため、溶接部における酸素含有量が高いほど、熱割れが発生しやすくなります。

Mn、Cr、Mo、Ti、Nbなどの合金元素は、溶接金属の耐割れ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、その結晶化の方向を乱すことができます。Al、Tiは強力な脱酸剤でもあり、溶接部の酸素量を減らすことができます。MnはS、MnSと難溶性化合物を形成し、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、充填金属材料と溶接パラメータに関係しています。純ニッケルと低炭素鋼を溶接する場合、溶接部中のNi当量が30%未満になると、溶接部の急速冷却によりマルテンサイト組織が出現し、継手の塑性および靭性が急激に低下します。したがって、継手の塑性および靭性を向上させるには、鉄-ニッケル溶接部のNi当量を30%以上にする必要があります。