JP5107492B2 - アルゴンおよび二酸化炭素を基礎とするシールドガスを使用するニッケルおよびニッケル合金のｍｉｇ溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率的にニッケル合金を溶接するためのＭＩＧ（金属イナートガス）溶接方法およびそのような方法のために意図された特別なガス混合物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＩＧ溶接において、溶接ガスの第一の機能は、アーク中を移行し、溶融性電極ワイヤの末端の溶融により生ずる溶融金属を、溶着金属および母材金属からなる溶融池（ｗｅｌｄ ｐｕｄｄｌｅ）とともに、保護することである。アルゴンは、この目的でしばしば使用されるイナートガスである。
【０００３】
しかしながら、鋼鉄のＭＩＧ溶接にとって、アルゴン単独では、この方法を最適化するためには不十分であることが知られている。これは、アルゴン単独の下では、アークおよびアーク中の金属の移行が、不安定なためである。
【０００４】
この問題を取り除くために、アークの基底部、すなわち、陰極輝点を安定させる効果を有する酸化性ガスをアルゴンに添加するのが、通常である。なぜならば、酸素の存在により生ずるわずかな表面酸化は、その後、溶接される材料をより放出的にさせるからである。こうして、より安定でスパッタのない溶接およびより均一な溶接ビードが得られる。
【０００５】
酸化性ガスまたは安定化元素として、酸素または二酸化炭素を使用することができる。安定化元素の性質および含有量は、溶接される材料の等級または組成にしたがい異なる。
【０００６】
たとえば、炭素鋼の場合、二酸化炭素（ＣＯ_２）の含有量は、体積で数％から１００％、より普通には、５から６０体積％で異なる。
【０００７】
対照的に、ステンレス鋼の場合、材料の表面酸化および溶着金属の炭素含有量を制限する必要があるために、二酸化炭素の含有量は、利用される移行モードに依存して、一般的に、１から３体積％の間である。しかしながら、酸化性元素が酸素であるならば、その酸化力は、二酸化炭素よりも大きいため、添加される量は、この値よりも少なくてよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在、ニッケルおよびニッケル合金のＭＩＧ溶接の場合において、問題が生じてきている。
【０００９】
ニッケルおよびその合金は、それらが化学の、石油化学の、原子力学の、航空学のおよび宇宙の分野で使用される理由となる２つの主な特性を有する、すなわち、
−非常にさまざまな媒体におけるすぐれた耐腐食性。ステンレス鋼の場合と同様、合金にその耐腐食性を与えるのは、クロムの添加であり、この特性は、クロムおよびモリブデンの存在により高めることができる；および、
−すぐれた高温耐性（酸化性媒体中での高温耐性を含む）。
【００１０】
溶接の金属学を無視し、作業側面、言い換えれば、ワイヤを溶解することおよび溶融金属を保護することにだけ焦点を合わせると、ステンレス鋼に比べて、ニッケルおよびその合金を溶接するときには、溶融金属は、溶融池の表面張力へのニッケルおよびモリブデンの影響のために、高い粘性を有するという特別な特徴があり、高温にある溶融金属を酸化から保護することはより困難である。
【００１１】
このことは、一般に、半球化され、不規則であり得る溶接ビードによって明らかにされ、これらは乏しいぬれを示す金属および不安定なアークに特有のものであり、低過ぎ、さほど分配されないエネルギー密度を生じさせる。
【００１２】
利用されるガス状のシールド手段が不十分であるならば、溶接ビードはまた、除去するのが困難である黒味がかった粘着性の着色を有する点にまで高度に酸化され得る。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、実質的に減少された表面酸化をもって、全長にわたり正確で連続的な表面ぬれを有する溶接継手を製造することを可能にするニッケルおよびその合金のＭＩＧ溶接方法を提供することである。
【００１４】
言い換えれば、本発明の目的は、該方法により通常得られるよりも、より大きなアーク安定性、より高いエネルギー密度および溶接ビードのより優れたぬれを確実なものとするシールドガス混合物を使用するニッケルおよびその合金のＭＩＧ溶接方法を提供することである。
【００１５】
これは、一方では、より安定で、より集中したアークは、溶け込み（深さ）を増加させ、それゆえ、一定の厚さについては、溶接速度を増加させることを可能にし、他方では、受け入れられる程度のまま溶接ビードの表面酸化を非常に有意に減少させることにより、マルチパス溶接または溶接ビードの仕上げをするときに、研削またはブラシがけといった通常必要な作業を省くことを可能にするためである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
それゆえ、本発明は、溶接領域の少なくとも一部にガスシールドを用いてニッケルおよびニッケル合金をＭＩＧ溶接するための方法であって、該ガスシールドがＣＯ_２を体積で０．０５％から０．５％含有し、残部がアルゴンであるガス混合物であることを特徴とするＭＩＧ溶接方法に関する。
【００１７】
場合により、本発明の方法は、１つまたはそれ以上の以下に挙げる特徴を含み得る。
【００１８】
−ガス混合物がさらに、ヘリウムを体積で１５％から５０％、好ましくは１７％から３０％、より好ましくは２５％未満含有する、
−ガス混合物がさらに、水素を体積で０．１％から１０％、好ましくは１％から７％含有する、
−ガス混合物が、ＣＯ_２を０．１％から０．５％、好ましくは０．１％から０．４％、より好ましくは０．１％から０．３％含有する、
−ガス混合物が、体積で０．１％から０．５％のＣＯ_２、１６％から１９％のヘリウムおよび残部アルゴンからなり、好ましくは約０．３％のＣＯ_２、約１８％のヘリウムおよび残部アルゴンからなる、
−ガス混合物が、体積で０．１％から０．３％のＣＯ_２および残部アルゴンからなる、
−ガス混合物が、体積で０．１％から０．３％のＣＯ_２、１５％から５０％のヘリウムおよび残部アルゴンからなる、
−ガス混合物が、体積で０．１％から０．３％のＣＯ_２、１％から５％の水素および残部アルゴンからなり、好ましくは０．１％から０．３％のＣＯ_２、３％から５％の水素および残部アルゴンからなる、
−当該合金に依存して、言い換えれば、溶接されるニッケル合金に依存して等級（ｇｒａｄｅ）が選択される中実（ｓｏｌｉｄ）またはフラックス入りの溶融性ワイヤが使用される、
−該方法が、使用されるワイヤの性質（中実またはフラックス入り）に依存して、短アーク（ｓｈｏｒｔ−ａｒｃ）、パルス化（ｐｕｌｓｅｄ）または軸方向スプレー移行モード（ａｘｉａｌ ｓｐｒａｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅ）で行われる。
【００１９】
本発明はまた、体積で０．１％から０．３％のＣＯ_２、１％から５％の水素および残部アルゴンからなり、好ましくは０．１％から０．３％のＣＯ_２、３％から５％の水素および残部アルゴンからなるガス混合物に関する。
【００２０】
加えて、本発明はまた、体積で０．１％から０．３％のＣＯ_２、１５％から５０％のヘリウムおよび残部アルゴンからなるガス混合物、体積で０．１％から０．３％のＣＯ_２および残部アルゴンからなるガス混合物および体積でＣＯ_２を０．０５％から５％含有し、残部がアルゴンであり、好ましくはＣＯ_２を０．１％から４％含有し、残部がアルゴンであり、より好ましくはＣＯ_２を０．１％から１．５％含有し、残部がアルゴンであるガス混合物に関する。
【００２１】
その上、本発明はまた、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケルまたはニッケル合金で作られた少なくとも１つの金属加工品、好ましくはニッケルまたはニッケル合金で作られた加工品上にニッケルまたはニッケル合金で作られたコーティングを形成するための、上記ガス混合物のいずれか１つの使用に関する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
発明の説明例
本発明の発明者は、多くの試験を行い、これにより、通常ステンレス鋼の溶接に供されるある種のシールドガスまたはガス類が、ステンレス鋼とニッケル合金の性質は全く異なるものであるけれども、酸化性元素の含有量、すなわちこの場合ＣＯ_２の含有量を制限すれば、ニッケル合金の効率的な溶接にも好適なものであり得ることを立証した。
【００２３】
このように、本質的にはアルゴンから成り、これにヘリウムが１８％およびＣＯ_２が１％（体積で１００％に達するまで）添加された三成分の混合物は、特に、溶接物が、溶接の間および後にわずかに酸化される溶接部における化学的な酸洗い／不動態化作業または機械的洗浄作業のような仕上げ作業を溶接後に受けるならば、ニッケル合金の溶接に完全に適している。
【００２４】
しかしながら、同じ作業条件下で、溶接物が、溶接されたままの状態を維持するならば、ガスシールドの性質は、アーク安定性と溶接ビードの表面酸化を制限することとの間に良い妥協点が得られるように作られる必要がある。
【００２５】
行われた試験から、ニッケル合金を溶接するために使用され得るガス混合物の３つの主な族が明らかになった、すなわち、
−アーク安定性を確保するために好ましくは約０．１％より多く、溶着金属の酸化を制限するために１％未満の、好ましくは０．３％未満のＣＯ_２含有量を有する二成分のアルゴン／ＣＯ_２ガス混合物、
−溶接ビードのぬれを改善することを可能にする、上記混合物と全く同じＣＯ_２含有量および１５％から５０％のヘリウム含有量（残部はアルゴンである）の三成分のアルゴン／ＣＯ_２／ヘリウムガス混合物、
−さらにぬれを改善し、水素の還元性質により溶接ビードの表面酸化を制限することを可能にする、上記混合物と全く同じＣＯ_２含有量および１％から５％の水素含有量（残部はアルゴンである）を有するアルゴン／ＣＯ_２／水素（Ｈ_２）混合物。
【００２６】
図１は、純粋なアルゴンからなるシールドガス（図１（Ａ））およびその比較として本発明にしたがい０．１１％のＣＯ_２が添加されたアルゴン（図１（Ｂ））を使用するＭＩＧ溶接で得られた時間（秒）の関数としての電圧（ボルト）のグラフを示している。
【００２７】
これらのグラフは、２１ｃｍ／ｍｉｎの溶接速度および４．５ｍ／ｍｉｎのワイヤ速度で、６２５−等級のニッケル合金で作られた材料のフルシート（ｆｕｌｌ−ｓｈｅｅｔ）溶着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）および同じ等級の溶加材（ワイヤ）を使用してパルス化電流（ｐｕｌｓｅｄ−ｃｕｒｒｅｎｔ）ＭＩＧ溶接作業を行うことにより得た。
【００２８】
パルス化モードにおける０．１１％のＣＯ_２の添加は、電弧を安定させるのに十分であることがはっきりとわかるであろう（図１（Ｂ））。これは、最大電圧変化率（ｐｅａｋ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ）（ΔＵ_ｃ）および溶融金属の小滴の分離の瞬間における電圧変化率（ΔＵ_ｄ）の減少があるためである。
【００２９】
また、類似の方法において、水素を約５％含有するアルゴンベースに０．１１％のＣＯ_２が添加されたとき（図２（Ｂ））、同じ割合のアルゴンおよび水素のみからなる対照ガス混合物（図２（Ａ））と比較して、同様の効果が見いだされた。これは、アーク集中（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）、すなわち、エネルギー密度の増加、および溶接ビードの表面酸化の減少に対する水素とＣＯ_２の有益な累積効果により説明される。
【００３０】
加えて、ヘリウムを約１８％から２０％含有するアルゴンベースに０．１１％のＣＯ_２を添加することにより（図３（Ｂ））、同じ割合のアルゴンおよびヘリウムのみからなる対照ガス混合物（図３（Ａ））と比較して、同様の結果が得られた。
【００３１】
さらに、ＩＮＣＯ６２５ニッケル合金の３ｍｍの厚さの金属板に対して行われたさまざまな試験において得られた溶接結果は、下の表１で与えられる。これは、ＭＩＧ方法でさまざまなガス混合物が、シールドガスとして使用されるときに、純粋なアルゴン（これを基準１とする）と比べて、本発明にしたがうさまざまなガス混合物で観察される金属移行中の溶接速度の増加およびアーク安定性の改善を示している。
【００３２】
【表１】

さらに、図４から７は、前と同じ作業条件下での、さまざまなガス混合物、すなわち、純粋なアルゴンまたは本発明にしたがう混合物、言い換えれば、アルゴンに０．１１％のＣＯ_２を添加して、加えて、場合により２０％のヘリウム、約１．５％の水素または約５％の水素を含むガス混合物を使用したフルシートＭＩＧ溶接により製造された溶接ビードの寸法を示している。
【００３３】
これら図４から７は、各々、試験されたガスまたはガス混合物で得られる溶接溶け込み（Ｐ）（図４）、得られる溶接ビード幅（ｌ）（図５）、得られるアップセット（ｓ）（図６）、得られるぬれ角度（α）（図７）を示している。これらのさまざまな測定パラメータおよびそれらの位置は、図８に図解されている。
【００３４】
これらの結果は、純粋なアルゴンに、一方では、ＣＯ_２ガスを、他方では、ヘリウムまたは水素ガスを添加する利点を、はっきりと示し、そのような添加は、次のような結果となる、
−溶け込みＰの増加、
−ぬれ角度の増加と共に、より優れた広がり、すなわち、より大きな溶接ビード幅（ｌ）およびアップセット（ｓ）の減少の結果として生じるぬれの改善、および
−約４から５％の水素の補足的な添加による溶接ビードの表面酸化の十分な減少。
【００３５】
この溶接ビードの形態の評価はまた、特に、許容不可能な多孔性水準だけでなく、不適切な低温度じん性値につながり得る溶融金属への水素の過剰な溶解度による、溶接継手への損害の可能性について判断を下すことができるようにするために、対応する溶接継手の特徴づけ、すなわち、コンパクトさおよび機械的特性により補足された。
【００３６】
下の表２で与えられる、ＩＮＣＯ６００およびＩＮＣＯ６２５タイプのニッケル合金で作られた溶接物での本発明にしたがうＭＩＧ方法およびＴＩＧまたはプラズマ方法により得られた比較結果は、次のことを示す、
−温度−１９６℃における継手係数および固有じん性値は、Ａｒ／Ｈ_２タイプのシールドガスを用いるＴＩＧ（タングステンイナートガス）およびプラズマ溶接方法で得られるものに匹敵する、
−マルチパス溶接における全水素含有量は、試験された材料については、２つの前述の方法の間、すなわち、プラズマ溶接の６ｐｐｍおよびＴＩＧ溶接の１４ｐｐｍの間にある約８ｐｐｍである。
【００３７】
【表２】

したがって、溶融金属の水素汚染物質は、ＴＩＧまたはプラズマ溶接におけるほど重要ではなく、溶接物の固有の特性の有意の劣化を伴わない。
【００３８】
加えて、そのようなガスの添加は、溶接速度の増加により生産性を改善し得る。このことは、図９で示されるように、純粋なアルゴンと比較して、同じ溶け込みまたは同じ溶接ビード幅については、溶接速度を非常に増加させることが可能であるからである。図９では、Ａｒ＋Ｈ_２＋ＣＯ_２より成るガス混合物は、場合により約＋２６％にまで至り得るほどの溶接速度の増加につながることを示している。
【００３９】
その上、溶接ビードの表面外観の試験は、自動式の溶接においても、手動式の溶接においても、表面酸化を最小限にするためにＣＯ_２含有量を制限することの利点を保証した。
【００４０】
したがって、実際に、本発明にしたがう添加を行うことは、溶接作業（２つまたはそれ以上の成分を接着させること）または上塗り作業に利益を与える。両場合において、溶接後の仕上げ作業は、限定され、溶接物の耐腐食性作用は、それらの機械的な特性を損なうことなく改善される。
【００４１】
本発明にしたがうＭＩＧ方法により溶接されたニッケルおよびニッケル合金構造は、たとえば、
−合成繊維およびソーダ化学のためのパイプ、ポンプ、交換機およびボイラー（純粋なＮｉ族）、
−フッ化水素酸化学、海水の脱塩化プラント、沖合いの装置（ＮｉＣｕ族）、原子炉、海岸のまたは船の装置（ＮｉＣｒ族）のためのカラム、リアクター、熱交換機、貯蔵タンク、
−石油化学工業の接触分解およびリホーミングのための炉および多岐管（ＮｉＣｒＦｅ族）、
−航空工業におけるジェットエンジンおよびガスタービン（ＮｉＣｒＦｅＮｂ等級）、および
−溶接にはＮｉＣｒまたはＮｉＣｒＭｏ等級で作られた溶加材を必要とする５．５または９％のＮｉを含有する鋼鉄で作られた固定されたまたは輸送可能な液化ガス貯蔵タンクである。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、実質的に減少された表面酸化をもって、全長にわたり正確で連続的な表面ぬれを有する溶接継手を製造することを可能にする、すなわち、通常得られるよりも、より大きなアーク安定性、より高いエネルギー密度および溶接ビードのより優れたぬれを確実なものとするシールドガス混合物を使用するニッケルおよびその合金のＭＩＧ溶接方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】２１ｃｍ／ｍｉｎの溶接速度および４．５ｍ／ｍｉｎのワイヤ速度で、６２５−等級のニッケル合金で作られた材料のフルシート溶着および同じ等級の溶接材料（ワイヤ）を使用したパルス化電流ＭＩＧ溶接作業を行うことにより得られる時間（秒）の関数としての電圧（ボルト）を示すグラフ図（（Ａ）は、シールドガスが純粋なアルゴンの場合、および（Ｂ）は、その比較として本発明にしたがいアルゴンに０．１１％のＣＯ_２が添加された場合。）。
【図２】図１と同じ方法で得られた時間（秒）の関数としての電圧（ボルト）を示すグラフ図（（Ａ）は、水素を約５％含有するアルゴンの場合、および（Ｂ）は、水素を約５％含有するアルゴンに０．１１％のＣＯ_２が添加された場合。）。
【図３】図１と同じ方法で得られた時間（秒）の関数としての電圧（ボルト）を示すグラフ図（（Ａ）は、ヘリウムを約１８％から２０％含有するアルゴンの場合、および（Ｂ）は、ヘリウムを約１８％から２０％含有するアルゴンベースに０．１１％のＣＯ_２が添加された場合。）。
【図４】図１と同じ作業条件下、純粋なアルゴンおよび種々の本発明にしたがうガス混合物を使用したフルシートＭＩＧ溶接により製造された溶接ビードの溶接溶け込み（Ｐ）のグラフ図。
【図５】図４に対応する溶接ビード幅（ｌ）のグラフ図。
【図６】図４に対応するアップセット（ｓ）のグラフ図。
【図７】図４に対応するぬれ角度（α）のグラフ図。
【図８】図４から７の測定パラメータおよびそれらの位置を示す模式図。
【図９】アルゴンのみ、アルゴンに０．１１％のＣＯ_２が添加された、およびアルゴンに０．１１％のＣＯ_２および２０％のヘリウムが添加されたガス混合物を使用した本発明にしたがう溶接方法における溶接速度のグラフ図。

Claims (6)

1. 溶接領域の少なくとも一部にガスシールドを用いてＭＩＧ溶接するための方法であって、前記方法は前記ガスシールドが体積で０．１１から０．４％のＣＯ_２、０．１から１０％の水素、および残部がアルゴンからなるガス混合物であり、ニッケルおよびニッケル合金の溶接継手を製造することを特徴とするＭＩＧ溶接方法。
2. 前記水素は、１から７体積％であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ＣＯ_２は、０．１１から０．３体積％であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. ガス混合物が、体積で０．１１から０．３％のＣＯ_２、１から５％の水素、および残部がアルゴンからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. ガス混合物が、体積で０．１１から０．３％のＣＯ_２、３から５％の水素、および残部がアルゴンからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
6. 溶接されるニッケル合金に依存して等級が選択されるソリッドまたはフラックス入りの溶融性ワイヤが使用されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。

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