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は何ですか ベース材料 溶接に使用されますか?

母材とは、溶接、接合、または表面処理の対象となる元の材料のことです。金属溶接においては、母材金属または親金属とも呼ばれます。鋼板、ステンレス鋼管、アルミニウム板などがその例です。母材の正確なグレードと状態は、溶接プロセス、溶加材の選択、熱制御、そして完成した接合部の特性を決定する上で重要な役割を果たします。

溶接用語を比較する
水中溶接機で鋼板を接合し、接合部の母材を接合する
この特殊な水中溶接の例では、鋼板が母材となっています。写真: ブレイク・ミッドナイト / アメリカ海軍、パブリック ドメイン。

母材、溶加材、溶接金属の違いは何ですか?

この文脈では、母材と母金属は同じ意味です。溶加材は溶接時に添加される金属です。溶接金属とは、溶融溶接において溶融後に凝固した部分のことです。これらの名称は、異なる役割を表しており、品質レベルの違いを示すものではありません。

例えば、2枚の鋼板をMIG溶接する場合、鋼板が母材、供給されるワイヤが溶加材となります。鋼板の一部が溶融し、ワイヤと混ざり合います。この凝固した混合物が溶接金属となります。CWBの溶加材と溶接金属の説明では、完成した溶着物が単に変化していないワイヤではない理由が説明されています。

契約期間平易な言葉での意味溶融溶接継手において
ベースメタル/母材オリジナルの金属加工部品。接合される板、管、シート、またはその他の部品。
溶加材接合部を作るために追加の金属材料が供給された。工程で電極を使用する場合は、ワイヤー、ロッド、または消耗電極を指す。
溶接金属溶接中に溶けて固まった金属。溶融したベースメタルに、必要に応じて充填剤を添加したもの。
熱影響部(HAZ)周囲の卑金属は、溶融することなく熱によって変化した。溶融ゾーンの隣接領域であり、堆積したビーズ自体ではない。

画面が狭い場合は、表を左右にスクロールしてください。上記の溶接金属の説明は、溶融溶接に適用されます。

溶接の際、母材は必ず溶けるのでしょうか?

いいえ。従来のアーク溶接やレーザー溶接などの溶融溶接プロセスでは、接合部で金属が局所的に溶融します。固相溶接では溶融池は必要ありません。摩擦攪拌溶接では、回転する工具がワークピースを加熱、軟化させ、機械的に混合しますが、ワークピースは固体のままです。TWIの摩擦攪拌溶接の説明を参照してください。

溶加材はすべての溶接に必須というわけではありません。溶加材を添加せずに溶接された溶融溶接は、自溶溶接と呼ばれます。自溶溶接にも、溶融した被溶接材から形成された溶接金属が含まれています。TWIはこの区別を溶接方法の選択とは別に定義しています。

溶接によって、溶けない母材を変化させることはできるのか?

はい。加熱と冷却のサイクルによって、溶接部周辺の金属の内部構造が変化する可能性があります。そのため、溶接ビードが滑らかに見えても、熱影響部は重要なのです。

合金の種類や初期状態によっては、この部分はより硬くなったり、より柔らかくなったり、靭性が低下したり、耐食性が低下したりする可能性があります。したがって、溶接部が健全に見えても、周囲の材料が元の特性を維持しているとは限りません。

溶融溶接では、溶融境界が溶融した領域と固体のまま残った金属を隔てる境界となる。その先には熱影響部(HAZ)があり、さらにその先には影響を受けていない母材が続く。

目に見える熱による色の変化は、熱影響部(HAZ)を正確に把握するための指標にはなりません。表面の酸化や遮蔽によって色が変化するため、下地の材質の変化については適切な検査や試験が必要です。この点については、TWIのHAZガイドで詳しく説明されています。

レーザー特有の影響については、レーザー溶接における熱影響部に関する項を参照してください。

溶接された金属板の断面。表面下の接合部を示している。
切断面を見ると、上部のビード部分だけよりも接合部がより多く見えます。この図は、合金の種類や機械的特性を示すものではありません。写真: マイク・マンゾーニ, CC BY-SA 3.0.

一般的に卑金属として使用される材料は何ですか?

鋼、ステンレス鋼、アルミニウムはよく知られた例ですが、銅合金、ニッケル合金、チタン、鋳鉄なども基材として使用できます。「基材」とは、特定の合金ではなく、その材料が用途において果たす役割を指します。

姓は有用な出発点ではありますが、パラメータを選択したり修理を承認したりするには十分ではありません。「鋼」というと、低炭素鋼板を指す場合もあれば、熱処理された合金鋼のシャフトを指す場合もあり、溶接の必要性は大きく異なります。

材料ファミリー典型的な加工物まず最初に何を確立すべきか
炭素鋼および低合金鋼板材、フレーム、パイプ、または機械部品。正確なグレード、炭素/合金含有量、および納品状態。
ステンレス鋼容器、配管、シンク、および囲い。グレードおよびステンレス鋼の種類、要求される耐食性能。
アルミニウム合金板材、押出成形品、および加工済みフレーム。単に「アルミニウム」とだけ表記するのではなく、合金番号と熱処理状態を示す必要がある。
銅、ニッケル、チタン合金電気部品、プロセス部品、または特殊部品。実際の合金仕様と、合金に適した手順。
鋳鉄鋳造ハウジングおよび修理部品。鉄の種類、部品の履歴、溶接修理が適切かどうか。

例示は材料の種類を示すものであり、記載されているすべてのグレードがすべての溶接プロセスに適していることを意味するものではありません。

炭素鋼と合金鋼では、異なる熱管理が必要となる。

高炭素鋼や一部の低合金鋼は、硬く割れやすい熱影響部(HAZ)を形成することがあります。水素、拘束、断面厚さ、溶接熱サイクルなどがそのリスクに影響します。軟鋼板に適した設定が、必ずしも焼入れ鋼管に適しているとは限りません。

予熱やその他の温度制御は、実際の材料と手順の要件に基づいて行う必要があります。「鋼材」に安全な普遍的な予熱温度は存在しません。TWIの鋼材溶接性に関するガイダンスでは、これらの相互に関連する要因について説明しています。

ステンレス鋼は、単一の溶接特性ではなく、様々な溶接特性を持つファミリーである。

オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、および二相ステンレス鋼は、熱に対する反応がそれぞれ異なります。マルテンサイト系ステンレス鋼は硬化して割れる可能性があり、フェライト系ステンレス鋼は結晶粒成長によって靭性が低下する可能性があります。二相ステンレス鋼は溶接後に適切な相バランスが必要となります。オーステナイト系ステンレス鋼も、割れや腐食に対する性能管理が必要です。

実用的な手順としては、別のステンレス鋼のレシピをコピーする前に、グレードを特定することです。TWIはこれらのステンレス鋼ファミリーを比較しています。

アルミニウム基材の状態が重要なのはなぜですか?

合金番号は組成を示し、熱処理状態は加工条件を表します。これらは別々の情報です。熱処理された6061部品は、「アルミニウム」という単語だけでは判断できません。

溶融溶接は、接合部付近の熱処理による強化効果を低下させる可能性がある。また、加工硬化したアルミニウムは軟化することもある。結果は、合金の種類、溶接開始時の状態、溶接サイクル、およびその後の処理によって左右される。

例:6061-T6製ブラケット。元の素材はT6の要件を満たしているかもしれませんが、溶接部の隣接部分はより軟らかくなっている可能性があります。設計においては、適切な溶接継手の特性を考慮する必要があり、完成した継手のすべての部分に元の素材のT6強度をそのまま適用すべきではありません。

これは材料挙動の例であり、強度試験の結果ではありません。TWIのアルミニウムに関するガイダンスでは、熱影響部(HAZ)の軟化について説明しています。6061合金に関するガイドも併せてご覧ください。

6061アルミニウムに施された実験的なTIG溶接ビードのクローズアップ画像
6061アルミニウムに対する実験的なTIG溶接。写真は外観を示しており、溶接後の焼き戻し状態や測定された強度を示すものではありません。写真: WSイェラズニス、パブリック ドメイン。

溶接前に母材をどのように識別しますか?

まず追跡可能な記録から始め、適切な試験によって不明確な点を解消してください。色、磁気反応、供給業者のニックネーム、または火花パターンだけでは、完全な材料仕様を確立することはできません。

  1. 図面と購入仕様書をよく読んでください。 接合部の両側について、材料規格、等級、製品形状、および要求条件を記録してください。見た目が似ている部品でも、要求事項が異なる場合があります。
  2. 書類と実際の部品を照合してください。 材料試験報告書または証明書と照合して、刻印、加熱ロット番号、またはロット番号を確認してください。別のロットの証明書では、作業台上の部品を特定することはできません。
  3. 状態と製造履歴を確認してください。 必要に応じて、焼き戻し、熱処理、または冷間加工の状態を確認してください。修理の場合は、過去の溶接箇所、使用状況、および損傷を調査してください。
  4. 未解決の疑問に答えられるようなテストを使用してください。 正式物質識別(PMI)は組成の確認に利用できます。必要な元素と精度に応じて分析方法を選択してください。すべての分析装置がすべてのグレードを検証できるとは限りません。
  5. 結果を記録し、不一致を解消する。 特定の作業や安全に関わる作業については、作業者の身元や状態が不明確な場合は作業を保留してください。必要な証拠については、担当の溶接専門家または材料専門家に判断を委ねてください。

XRF測定で304Lが確認できない理由

携帯型の蛍光X線分析装置(XRF)は合金の種類を特定するのに役立ちますが、炭素量を測定することはできません。そのため、クロムとニッケルの含有量が一致するだけでは、304Lのような低炭素合金であることを確認することはできません。

その区別が重要な場合は、光放出分光法や実験室分析など、炭素測定に適した方法を使用してください。サーモフィッシャー社のステンレス鋼識別に関する注記には、測定上の制限事項が記載されています。

化学分析だけでは、証明書のすべてを証明するものではありません。元素分析の結果だけでは、熱処理、機械的特性、図面に記載されたすべての要件への適合性を証明することはできません。

溶加材は母材と同じ材質でなければならないのでしょうか?

必ずしもそうとは限りません。適切な充填材は、化学組成が同一である必要はなく、強度、靭性、耐食性、耐亀裂性などを向上させるために選択される場合もあります。「適合」とは、必ずしも合金組成が同じである必要はなく、強度などの特性を指すこともあります。

溶加材を用いた溶融溶接では、溶融した母材が溶着物の組成を変化させます。この変化は希釈と呼ばれます。希釈効果は、母材、溶加材、そしてそれぞれの溶着量によって左右されます。そのため、ラベル表示だけで溶接ワイヤを選ぶと、溶接化学の重要な部分を見落としてしまう可能性があります。CWBは希釈とその影響について解説しています。

ワイヤを除去しても、材料評価の必要性はなくなるわけではありません。自己溶接では、組成を調整するための充填材は添加されません。接合部の設計とプロセスは、母材自体に合わせて設計する必要があります。

詳細な選定については、溶加材の特性、または6061合金に対する4043、5356、4643の比較表を参照してください。一般的なファミリー名やワイヤの推奨は、該当する手順に代わるものではありません。

異なる種類の母材金属を溶接することは可能でしょうか?

場合によっては可能ですが、正確な組み合わせが重要です。類似の鋼材2種類に対する手順が、ステンレス鋼、アルミニウム、または他の合金の代替として有効であることを証明するものではありません。異種材料の溶融溶接では、混合によって、どちらの出発材料とも異なる特性を持つ溶着物が生じる可能性があります。

両方のグレードを特定し、接合部が耐えなければならない強度を決定し、提案された組み合わせとプロセスを評価します。適合性が不明確な場合は、専門家が移行層または別の接合方法を検討する必要があるかもしれません。きれいにビードを仕上げるだけでは、その問題は解決しません。

溶接のために母材をどのように準備すべきでしょうか?

材料が特定されたら、選択した手順に合わせて表面と接合部の形状の両方を準備してください。溶接出力を上げるだけでは、適切な準備の代わりにはなりません。

  • コーティングや汚染物質を特定する。 洗浄方法を選択する前に、塗料、メッキ、油、酸化物、または工程残留物の種類を特定してください。
  • 承認された清掃手順を使用してください。 新たな汚染物質を混入させたり、必要な表面を損傷したりすることなく、許容できない残留物を除去します。溶接するまで、準備した接合部を清潔に保ってください。
  • 接合部の寸法を確認してください。 図面または手順書と照らし合わせて、厚み、エッジの準備、ルートギャップ、位置合わせ、およびアクセス性を確認してください。
  • 温度および取り扱いに関する要件を確認してください。 該当する場合は、指定された予熱、層間加熱、消耗品の保管、および遮蔽に関する要件に従ってください。

コーティングも安全性の評価に影響を与えます。母材、溶加材、表面コーティングを加熱すると、有害な排出物が発生する可能性があります。評価が完了し、適切な管理措置が講じられるまでは、未知のコーティングを溶接したり、焼き切ったりしないでください。OSHAは、これらの溶接ヒュームの発生源について説明しています。目に見える表面を清掃しても、すべての溶接の危険がなくなるわけではありません。

溶接手順には、どのような基材の詳細を含めるべきでしょうか?

溶接手順仕様書(WPS)は、承認された範囲内で溶接を行う方法を文書化したものです。母材と溶加材は別々に記載されます。材料の説明は、ワークピースがその範囲に該当することを示すのに十分な詳細さでなければなりません。

記録または確認有用な情報重要性
物質的アイデンティティ両部品の仕様および等級、適用材料グループ。この手順が対象とする材料の組み合わせを定義します。
状態とトレーサビリティ必要な温度または納入条件。関連する加熱/ロット記録。手順と図面を実際の加工対象物に結びつける。
厚みと接合部適用可能な厚さ範囲、形状、ギャップ、および裏打ち材。合金名だけでなく、物理的な接合部を定義する。
プロセスと制御プロセス、充填剤の使用、洗浄、遮蔽、および熱制御。材料の組み合わせがどのように溶接されるかを説明する。
必要な結果適用図面、サービス要件、検査、および受入基準。外見以外にどのような証拠が必要かを定義する。

この表は計画チェックリストであり、完全なWPSではありません。ASME QW-482の公式推奨様式では、母材と溶加材の項目が別々に示されており、さらに接合部とプロセス変数も記載されています。

P番号は材料等級と同じですか?

いいえ。ASME P番号は、手順認定の目的で基材をグループ化するものです。材料のグループ化は、完全な購入仕​​様書や任意のグレードへの代替許可を意味するものではありません。適用される規格、手順認定、および使用要件が依然として優先されます。TWIは、材料のグループ化の目的と限界について説明しています。

レーザー溶接部品の場合、まず同じ材料の記録から始めます。次に、実際の接合部、嵌合状態、表面状態、および要求される結果を評価します。機械の定格出力は、未確認のワークピースの溶接性を保証するものではありません。

参考文献およびさらなる技術資料

  1. CWBグループ ― 溶接金属および溶加材消耗品の追加、混合、希釈。
  2. TWI — 溶接金属とは何ですか?溶融溶接の用語と自溶接。
  3. TWI — 熱影響帯:未溶解の母材金属の変化。
  4. TWI ― 炭素鋼および低合金鋼; ステンレス鋼; アルミニウム合金:材料固有の溶接挙動。
  5. サーモフィッシャー — ステンレス鋼のグレード識別炭素測定と携帯型XRFの限界。
  6. ASME - 推奨WPSフォーマット、QW-482これは、完成した手順書ではなく、材料およびプロセスに関する文書の一例です。