ステンレス鋼を溶接するには、冶金組成とそれに伴う物理的・機械的特性を維持するためにシールド ガスを選択する必要があります。ステンレス鋼の一般的なシールド ガス要素には、アルゴン、ヘリウム、酸素、二酸化炭素、窒素、水素などがあります (図 1 を参照)。これらのガスは、さまざまな供給モード、ワイヤ タイプ、ベース合金、必要なビード プロファイル、移動速度のニーズに合わせて、さまざまな比率で組み合わせられます。
ステンレス鋼の熱伝導率の低さと、短絡移行ガスメタルアーク溶接 (GMAW) の比較的「冷たい」性質のため、このプロセスでは、85% ～ 90% のヘリウム (He)、最大 10% のアルゴン (Ar)、および 2% ～ 5% の二酸化炭素 (CO2) で構成される「トリブレンド」ガスが必要です。一般的なトリブレンド混合物には、90% の He、7-1/2% の Ar、および 2-1/2% の CO2 が含まれます。ヘリウムはイオン化ポテンシャルが高いため、短絡後にアーク放電が促進されます。また、高い熱伝導率と相まって、He を使用すると溶融池の流動性が向上します。トリミックスの Ar 成分は溶接パドルを全体的にシールドし、CO2 はアークを安定させる反応成分として機能します (さまざまなシールドガスが溶接ビード プロファイルにどのように影響するかについては、図 2 を参照してください)。
一部の三成分混合物では安定剤として酸素が使用される一方、他の三成分混合物では同じ効果を得るために He/CO2/N2 混合物が使用されます。一部のガス販売業者は、約束された利点を提供する独自のガス混合物を持っています。ディーラーは、同じ効果を持つ他のトランスミッション モードにもこれらの混合物の使用を推奨しています。
メーカーが犯す最大の間違いは、通常、追加のシリンダーを管理したくないという理由で、軟鋼と同じガス混合物 (75 Ar/25 CO2) を使用して GMAW ステンレス鋼を短絡しようとすることです。この混合物には炭素が多すぎます。実際、ソリッドワイヤに使用するシールド ガスには、最大 5% の二酸化炭素を含める必要があります。これより多く使用すると、L グレード合金とはみなされない冶金になります (L グレードは炭素含有量が 0.03% 未満です)。シールド ガスに過剰な炭素があると、炭化クロムが形成され、耐食性および機械的特性が低下します。また、溶接面にすすが発生することもあります。
補足として、300 シリーズ ベース合金 (308、309、316、347) のショート GMAW 用の金属を選択する場合、メーカーは LSi グレードを選択する必要があります。LSi フィラーは炭素含有量が低い (0.02%) ため、粒界腐食の危険がある場合に特に推奨されます。シリコン含有量が多いと、濡れなどの溶接特性が向上し、溶接部のクラウンが平らになり、先端での融合が促進されます。
製造業者は、短絡移行プロセスを使用する場合は注意が必要です。アークの消滅により不完全な融合が発生する可能性があり、このプロセスは重要な用途には適していません。大量生産の場合、材料が熱入力に耐えられる場合（パルス スプレー モードで溶接される最も薄い材料はおよそ 1/16 インチ以上）、パルス スプレー移行がより良い選択となります。材料の厚さと溶接位置がそれをサポートする場合、より一貫した融合が得られるスプレー移行 GMAW が好まれます。
これらの高熱伝達モードでは、He シールド ガスは必要ありません。300 シリーズの合金のスプレー移行溶接では、98% の Ar と 2% の反応性元素 (CO2 または O2 など) が一般的に選択されます。一部のガス混合物には、少量の N2 が含まれることもあります。N2 はイオン化ポテンシャルと熱伝導率が高く、濡れを促進して移動速度を速めたり、透過性を改善したりします。また、歪みも軽減します。
パルススプレー移行 GMAW の場合、100% Ar が適切な選択肢となる場合があります。パルス電流によってアークが安定するため、ガスには必ずしも活性要素が必要というわけではありません。
フェライト系ステンレス鋼および二相ステンレス鋼（フェライトとオーステナイトの比率が 50/50）では、溶融池の速度は遅くなります。これらの合金では、約 70% Ar/約 30% He/2% CO2 などのガス混合物により、濡れ性が高まり、移動速度が向上します（図 3 を参照）。同様の混合物はニッケル合金の溶接にも使用できますが、溶接面にニッケル酸化物が形成されます（たとえば、2% CO2 または O2 を追加するだけで酸化物含有量が増加するため、メーカーはそれらを避けるか、それらに多くの時間を費やす覚悟をする必要があります）。これらの酸化物は非常に硬いため、通常はワイヤーブラシでは除去できないため、研磨剤となります。
メーカーは、フラックス入りステンレス鋼ワイヤを現場外溶接に使用します。これは、これらのワイヤ内のスラグ システムが、凝固時に溶接プールを支える「棚」を提供するためです。フラックスの組成によって CO2 の影響が緩和されるため、フラックス入りステンレス鋼ワイヤは、75% Ar/25% CO2 および/または 100% CO2 ガス混合物で使用するように設計されています。フラックス入りワイヤは 1 ポンドあたりのコストが高くなる可能性がありますが、全姿勢溶接速度と堆積速度が速いため、全体的な溶接コストが削減される可能性があることに留意してください。さらに、フラックス入りワイヤは従来の定電圧 DC 出力を使用するため、基本的な溶接システムは、パルス GMAW システムよりもコストが低く、複雑さも軽減されます。
300 および 400 シリーズの合金の場合、ガス タングステン アーク溶接 (GTAW) では 100% Ar が依然として標準的な選択肢です。一部のニッケル合金の GTAW 中、特に機械化されたプロセスでは、移動速度を上げるために少量の水素 (最大 5%) が添加される場合があります (炭素鋼とは異なり、ニッケル合金は水素割れが発生しにくいことに注意してください)。
スーパーデュプレックス鋼およびスーパー二相ステンレス鋼の溶接には、それぞれ 98% Ar/2% N2 および 98% Ar/3% N2 が適しています。ヘリウムを添加すると、濡れ性が約 30% 向上します。スーパーデュプレックス鋼またはスーパー二相ステンレス鋼を溶接する場合、約 50% フェライトと 50% オーステナイトのバランスの取れたミクロ組織を持つ接合部を生成することが目標です。ミクロ組織の形成は冷却速度に依存し、TIG 溶接プールは急速に冷却するため、100% Ar を使用すると過剰なフェライトが残ります。N2 を含むガス混合物を使用すると、N2 が溶融プールにかき混ぜられ、オーステナイトの形成が促進されます。
ステンレス鋼は、最大限の耐腐食性を備えた溶接を完成させるために、接合部の両側を保護する必要があります。裏面を保護しないと、「糖化」または過度の酸化が発生し、はんだ付け不良につながる可能性があります。
常に優れたフィット感を備えたタイトバット継手、または継手後部のタイトな封じ込めには、サポートガスが必要ない場合があります。ここでの主な問題は、酸化物の蓄積による熱影響部の過度の変色を防ぐことです。この変色により、機械的な除去が必要になります。技術的には、裏面の温度が華氏 500 度を超える場合、シールドガスが必要です。ただし、より保守的なアプローチは、しきい値として華氏 300 度を使用することです。理想的には、裏側の O2 は 30 PPM 未満である必要があります。例外は、完全な溶け込み溶接を実現するために、溶接の裏側を削り、研磨して溶接する場合です。
選択するべきサポートガスは、N2（最も安価）と Ar（より高価）の 2 つです。アセンブリが小さい場合や、Ar ソースが容易に入手できる場合は、このガスを使用する方が便利で、N2 の節約に見合う価値がない可能性があります。酸化を減らすために、最大 5% の水素を追加できます。さまざまな市販のオプションが利用可能ですが、自家製のサポートと精製ダムが一般的です。
ステンレス鋼にステンレスの特性を与えるのは、10.5% 以上のクロムを加えることです。これらの特性を維持するには、適切な溶接シールド ガスを選択し、接合部の裏側を保護する優れた技術が必要です。ステンレス鋼は高価ですが、それを使用する十分な理由があります。シールド ガスやこれに使用するフィラー メタルの選択に関して、手抜きをしても意味がありません。したがって、ステンレス鋼の溶接に使用するガスとフィラー メタルを選択する際には、知識のあるガス販売業者やフィラー メタルの専門家と協力することが常に賢明です。
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