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、溶接には細心の注意が必要です。軟鋼やアルミニウムのように熱を放散しないため、過度の熱を加えると耐食性が低下する可能性があります。適切な作業方法を守ることで、耐食性を維持できます。画像：ミラー・エレクトリック
ステンレス鋼の耐食性は、高純度食品・飲料、医薬品、圧力容器、石油化学用途など、多くの重要な配管用途において魅力的な選択肢となっています。しかし、この材料は軟鋼やアルミニウムのように熱を放散しないため、不適切な溶接は耐食性を低下させる可能性があります。過度の熱入力と不適切な溶加材の使用が、その2つの原因です。
ステンレス鋼の溶接におけるいくつかのベストプラクティスに従うことで、結果を改善し、金属の耐食性を維持することができます。さらに、溶接プロセスを改良することで、品質を損なうことなく生産性の向上を図ることができます。
ステンレス鋼の溶接において、溶加材の選択は炭素含有量を制御する上で非常に重要です。ステンレス鋼管の溶接に使用される溶加材は、溶接性能を向上させ、用途の要件を満たすものでなければなりません。
ER308L のように「L」の記号が付いた溶加材を探してください。これらの溶加材は最大炭素含有量が低く、低炭素ステンレス鋼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、溶接部の炭素含有量が増加し、腐食のリスクが高まります。「H」の記号が付いた溶加材は炭素含有量が高く、高温でより高い強度を必要とする用途向けに設計されているため、使用を避けてください。
ステンレス鋼を溶接する際には、微量元素（不純物とも呼ばれる）の含有量が少ない溶加材を選ぶことも重要です。微量元素とは、溶加材の製造に使用される原材料に残留する元素で、アンチモン、ヒ素、リン、硫黄などが含まれます。これらの元素は、材料の耐食性に大きな影響を与える可能性があります。
ステンレス鋼は熱入力に非常に敏感であるため、接合部の準備と適切な組み立ては、材料特性を維持するために熱を制御する上で重要な役割を果たします。部品間の隙間や不均一な嵌合により、トーチを同じ場所に長く留めておく必要があり、こ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され、部品が過熱する可能性があります。嵌合不良は、隙間を埋めて必要な溶接浸透を得ることをより困難にする可能性もあります。部品がステンレス鋼にできるだけ完璧に嵌合するように注意してください。
この材料の清浄度も非常に重要です。溶接部にわずかな汚染物質や汚れが付着するだけでも、最終製品の強度や耐食性を低下させる欠陥が生じる可能性があります。溶接前に基材を清掃するには、炭素鋼やアルミニウムに使用されていないステンレス鋼製の特殊ブラシを使用してください。
ステンレス鋼において、鋭敏化は耐食性低下の主な原因である。これは、溶接温度と冷却速度が大きく変動し、材料の微細構造が変化した場合に発生する。
このステンレス鋼管の外径溶接は、ルートパスのバックフラッシュを行わずにGMAWと制御金属堆積（RMD）を使用して溶接されており、外観と品質はバックフラッシュGTAWで行われた溶接と類似している。
ステンレス鋼の耐食性の重要な要素は酸化クロムです。しかし、溶接部の炭素含有量が高すぎると、炭化クロムが形成されます。これらはクロムと結合し、ステンレス鋼の耐食性に不可欠な酸化クロムの形成を妨げます。一方、酸化クロムが不足すると、材料は望ましい特性を持たず、腐食が発生します。
鋭敏化を防ぐには、溶加材の選択と入熱量の制御が重要です。前述のように、ステンレス鋼の溶接には低炭素溶加材を選択することが重要です。ただし、用途によっては強度を確保するために炭素が必要になる場合もあります。低炭素溶加材が使用できない場合は、入熱量の制御が特に重要になります。
溶接部および熱影響部が高温（一般的に華氏950～1500度、摂氏500～800度）に留まる時間を最小限に抑えてください。はんだ付けがこの温度範囲で過ごす時間が短いほど、発生する熱量も少なくなります。はんだ付け作業中は、必ず層間温度を確認し、監視してください。
別の選択肢としては、チタンやニオブなどの合金成分を用いてクロム炭化物の形成を防ぐように設計された溶加材を使用する方法がある。しかし、これらの成分は強度や靭性にも影響を与えるため、これらの溶加材はすべての用途に使用できるわけではない。
ステンレス鋼管の溶接では、ルートパスにガスタングステンアーク溶接（GTAW）を用いるのが従来の方法です。通常、溶接部の裏側の酸化を防ぐためにアルゴンのバックフラッシュが必要となります。しかし、ステンレス鋼管の溶接にはワイヤ溶接がますます一般的になっています。このような用途では、様々なシールドガスが材料の耐食性にどのように影響するかを理解することが重要になります。
ガス金属アーク溶接（GMAW）法を用いてステンレス鋼を溶接する場合、従来はアルゴンと二酸化炭素、アルゴンと酸素の混合ガス、または3種類のガス（ヘリウム、アルゴン、二酸化炭素）の混合ガスが用いられてきました。これらの混合ガスは、通常、アルゴンまたはヘリウムを主成分とし、二酸化炭素は5%未満です。二酸化炭素は溶融池に炭素を供給し、鋭敏化のリスクを高めるためです。ステンレス鋼のGMAW溶接には、純粋なアルゴンは推奨されません。
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％の混合ガスを使用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が溶接部を汚染するのを防ぐための成分が含まれています。
GMAWプロセスが進化するにつれて、ステンレス鋼管の溶接が簡素化されました。一部の用途では依然としてGTAWプロセスが必要となる場合もありますが、高度なワイヤ溶接プロセスは、多くのステンレス鋼用途において同等の品質とより高い生産性を提供できます。
GMAW RMDを用いて作製されたステンレス鋼の内径溶接は、対応する外径溶接と品質および外観において類似している。
ミラーのRMD（Regulated Metal Deposition）などの改良型短絡GMAWプロセスを使用したルートパスは、一部のオーステナイト系ステンレス鋼用途でバックフラッシングを不要にします。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によるフィラーおよびキャップパスを行うことができます。これは、特に大径パイプの場合、バックパージを使用したGTAWと比較して時間とコストを節約できる変更です。
RMDは、精密に制御された短絡金属移行を利用して、穏やかで安定したアークと溶融池を生成します。これにより、溶融不良や溶融不良の発生が減り、スパッタも少なくなり、パイプのルートパスの品質が向上します。また、精密に制御された金属移行により、液滴の均一な堆積が可能になり、溶融池の制御が容易になるため、入熱量と溶接速度の制御も容易になります。
従来とは異なるプロセスを用いることで、溶接の生産性を向上させることができます。RMDを使用する場合、溶接速度は毎分6～12インチになります。このプロセスは部品に追加の加熱を加えることなく生産性を向上させるため、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。また、このプロセスの熱入力が少ないため、基材の変形を抑制するのにも役立ちます。
このパルスGMAWプロセスは、従来のスプレーパルス転送に比べて、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。プロセスがクローズドループであるため、アークドリフトやチップとワークピース間の距離の変動はほぼ完全に排除されます。これにより、インプレース溶接とアウトオブプレース溶接の両方で溶融池の制御が容易になります。最後に、フィラービードとキャップビードにパルスGMAWを、ルートビードにRMDを組み合わせることで、1本のワイヤと1種類のガスを使用して溶接手順を実行できるため、プロセス切り替え時間をなくすことができます。
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