チタンおよびチタン合金の前処理と溶接方法

チタンおよびチタン合金の溶接では、まず接合部の酸化物、油分、水分などの汚染物質を除去し、酸化するおそれのある高温の金属部をすべて保護します。本記事ではTIG溶接とMIG溶接を取り上げ、継手形状と母材の厚さに応じたシールド方法を解説します。

溶接のためのチタンおよびチタン合金の前処理

チタンまたはチタン合金を溶接する前に、接合部とその周辺を丁寧に洗浄して、油分、汚れ、錆、スケールを除去し、表面を乾燥した状態に保つ必要があります。

1. 酸化スケールを除去する。 酸化スケールは、ステンレス製のワイヤーブラシやヤスリ、スチームブラストやショットブラスト、あるいは炭化ケイ素ホイールによる研削によって除去することができます。表面から酸化物やグリースを確実に除去するためには、スケール除去後、直ちに酸洗いを施す必要があります。
2. 表面の油分を取り除いてください。 スケールが付着している場合は、脱脂の前にそれを除去してください。スケールが付着していない場合は、脱脂だけで十分です。油で汚染された表面には、適切な溶剤を使用することができます。一般的に使用される洗浄液の一つには、体積比で3%のフッ化水素酸と35%の硝酸が含まれています。 被加工物を室温で約10分間浸漬し、残留溶液を洗い流して乾燥させます。応力腐食割れを起こしやすい被加工物は、酸洗い後に水道水ではなく塩化物を含まない水で洗浄する必要があります。ゴム手袋を使用すると、被加工物に可塑剤が残留し、その結果、溶接孔食を引き起こす可能性があります。 切断したばかりの鋼板の端部についても、この酸洗い処理が必要です。これは、切断時に生じた金属片や微細な亀裂が、溶接時の気孔の原因となる可能性があるためです。

洗浄した部品は、直ちに溶接してください。保管が必要な場合は、乾燥剤を入れた容器、または湿度管理された部屋に部品を保管してください。それ以外の場合は、溶接前に再度、軽い酸洗い処理を行ってください。

溶接方法の選定

チタンは、400°C以上の溶接部で容易に酸化します。したがって、この温度を超えるすべての領域では、溶接中に不活性ガスによる保護が必要です。酸素アセチレン溶接、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、およびエレクトロスラグ溶接は、チタンおよびチタン合金には適していません。

TIG溶接（ガスタングステンアーク溶接）

ガスタンタルクアーク溶接（GTAWまたはTIG）には、手動式と自動式があります。溶接環境によって、開放溶接とチャンバー溶接に分類されます。

1. 開放溶接。 従来の構成では、大口径のトーチノズル、トレーリングシールド、およびバッキングガス装置が使用される。トレーリングシールドとバッキングガス装置は、400°C以上の溶接金属をアルゴンまたはアルゴン・窒素混合ガスで保護し、酸化を防ぐ。
2. チャンバー溶接。 400°Cを超えると、複雑な溶接組立品を効果的にシールドすることが困難になる場合があるため、剛性または柔軟性のあるチャンバー内で溶接を行うことがあります。
   1. 剛性チャンバー。 溶接を行う前に、チャンバーを1.3～13 Paまで排気し、その後アルゴンまたはアルゴン・ヘリウム混合ガスで充填します。トーチは比較的シンプルなものでよく、トレーリングシールドは不要であり、溶接中に追加のシールドガスを流す必要もありません。
   2. 柔軟なチャンバー。 空気の除去は、溶接前にチャンバー内の空気を排気するか、あるいはチャンバーを繰り返し折りたたんでアルゴンガスでパージすることで行うことができる。フレキシブルチャンバーではシールドガスの純度が低いため、依然として従来のトーチが使用され、溶接中はシールドガスの供給を継続しなければならない。

MIG溶接（ガスメタルアーク溶接）

ガスメタルアーク溶接（GMAWまたはMIG）は、中厚から厚板の製品に広く用いられています。短絡転送は薄肉ワークに適しているのに対し、スプレー転送は中厚から厚肉部材に適しています。

GTAWと比較して、GMAWは入熱量が大きくなります。溶加ワイヤの堆積量が多いため、通常はより大きな溝角が必要となります。厚さ15～25 mmの被溶体には、一般的に90°のシングルV溝、あるいは1～2 mmのギャップを持つI溝が用いられ、両面に1パスずつ溶接が行われます。 GMAWは、溶接層数を減らし、気孔を低減し、生産コストを削減することができます。ただし、トーチ後方のシールドは依然として必要です。400°C以上の溶接部がGTAWよりも長くなるため、後方シールドもより長く、水冷式である必要があります。主な欠点は、溶接スパッタが多くなることです。