異種ニッケル合金継手用の溶接材料: 溶加材選択マトリックス

ほとんどの異種ニッケル合金継手の場合、ERNiCrMo-3 (AWS A5.14、インコネル 625 フィラーとして販売) がデフォルトのフィラー金属です。これは、ニッケル、クロム、モリブデンの含有量が高く、炭素鋼からの希釈に耐えられるためです。ステンレス鋼、または二相母材を耐亀裂性や腐食性能を損なうことなく使用できます。

ERNiCrMo-4 や ERNiCrMo-14 などの高級合金フィラーは、ハステロイ C-276 や C-22 などの高モリブデン合金を含む継手用に予約されており、亀裂耐性だけでなく、それに見合った耐食性が必要とされます。正しい選択は常に、より高価なベースメタルを名前だけで一致させるのではなく、シェフラーまたは WRC-1992 ダイアグラムを使用して希釈を計算することに依存します。

異種ニッケル合金接合にはどのような溶加材を使用する必要がありますか?

ERNiCrMo-3 (インコネル 625- タイプのフィラー) は、耐クラック性と耐腐食性の溶接溶着物を維持しながら、炭素鋼、ステンレス鋼、二相鋼、およびその他のほとんどのニッケル合金で適切に希釈されるため、圧倒的多数の異種ニッケル合金継手の安全なデフォルトです。

2 つの異なる合金を 1 つの接合部で接合する異種金属溶接は、ニッケル合金の製造では一般的です。炭素鋼シェルに溶接された 625- クラッド リアクター ノズル、ステンレス鋼管板に溶接されたハステロイ チューブ、または銅 - ニッケル パイプに溶接されたモネル バルブ本体です。いずれの場合も、溶加材は、単にどちらかの母材を適合させるのではなく、両方の母材を混合することによって生じる溶接池の化学的性質に適応するように選択されます。

ERNiCrMo-3 がデフォルトになっているのは、その基本化学組成 (およそ 62% ニッケル、21.5% クロム、9% モリブデン、3.6% ニオブ) に、炭素鋼またはステンレス鋼の母材から鉄が付着した場合でも延性と耐亀裂性を維持するのに十分なニッケルと、希釈後に意味のある耐食性を維持するのに十分なクロムとモリブデンが含まれているためです。ニオブはさらに、凝固中の高温割れを抑制します。これは、高度に拘束された異種接合部を溶接する場合に重要です。

異種ニッケル合金溶接ではなぜ希釈制御がより重要なのでしょうか?

希釈は最終的な溶接金属の化学的性質を決定し、異種接合では溶着物が安全な組成範囲外に引っ張られる可能性があり、その変化を緩衝する溶加材を選択しない限り、高温割れやマルテンサイトの形成を引き起こす可能性があります。

希釈率は、フィラー ワイヤや電極からではなく、溶けた母材から得られる完成した溶接金属の割合です。同様の-金属接合では、両側が同じ化学的性質を共有しているため、希釈しても結果はほとんど変わりません。異種接合では、希釈により溶接金属が状態図上でかなりの距離まで引っ張られる可能性があります。

ニッケル合金を炭素鋼に溶接:炭素鋼側からの鉄のピックアップにより、溶接池のニッケル含有量が薄れます。充填材がそれを補うのに十分なニッケルを担持していない場合、その結果生じる堆積物によって溶融ゾーンに脆いマルテンサイトが形成される可能性があります。

ニッケル合金をオーステナイト系ステンレス鋼に溶接:希釈は穏やかですが、クロムとモリブデンのレベルは、使用環境での完全な耐食性に必要な閾値を下回る可能性があります。

ニッケル合金を溶接する二相ステンレス鋼: 希釈によって溶融ゾーンのフェライト{0​​}}オーステナイトのバランスが崩れる可能性があるため、フィラーの選択では、耐食性だけではなく、希釈の化学的性質と相バランスの両方を考慮する必要があります。

溶接技術者は、シェフラー図、または高ニッケル フィラーの場合はより正確には WRC- 1992 年図を使用してこの結果を予測します。この図では、ニッケル当量に対するクロム当量をプロットして、溶接を開始する前に、希釈された溶接付着物が耐亀裂性、延性領域に到達することを確認します。

一般的な異種ジョイント用のフィラー金属選択マトリックスとは何ですか?

ERNiCrMo-3 は、インコネル 625、718、または 825 を含むほとんどの異種ジョイントをカバーします。 ERNiCrMo-4 または ERNiCrMo-14 は、ハステロイ C-276 または C-22 母材が接合部全体で完全な耐食性を維持する必要がある場合に必要です。

このマトリックスは出発点であり、認定された WPS/PQR の代替となるものではありません。酸性ガス含有量や極低温への曝露などの要因が一般的な推奨事項を無効にする可能性があるため、実際のフィラーの選択は、ASME セクション IX 認定、特定のベースメタルの厚さ、および使用環境に照らして常に確認する必要があります。

ERNiCrMo-3 がほとんどの異種ニッケル ジョイントのデフォルトの選択であるのはなぜですか?

ERNiCrMo-3 は、他のほぼすべてのニッケル フィラーよりも広い希釈範囲に耐える一方で、WRC-1992 の図の耐亀裂-耐食性-ゾーンに収まっており、炭素鋼、ステンレス鋼、二相鋼の組み合わせ全体で最もリスクの低いデフォルトとなっています。

異種接合用途におけるその優位性は、次の 3 つの特性によって説明されます。

広い希釈許容度:その基本組成にはすでに多量のニッケルと適度なクロムとモリブデンが含まれているため、鉄-ベースの金属からの 20 ～ 30% の希釈を吸収し、許容可能な延性と耐食性を維持できます。

ニオブによる高温亀裂耐性:{0}}ニオブは、凝固中に亀裂の経路を遮断する安定した炭化物とラーベス相を形成します。これは、残留応力が上昇する高度に拘束された異種接合部で最も重要です。

幅広いコードの受け入れ:ERNiCrMo-3 (GTAW/GMAW) および ENiCrMo-3 (SMAW) は、ASME セクション IX、AWS A5.14 および A5.11 に基づいて認定されており、EPC 溶接仕様で広く事前承認されているため、手順の認定時間と調達リードタイムが短縮されます。

ERNiCrMo-3 の代わりに ERNiCrMo-4 または ERNiCrMo-14 を使用する必要があるのはどのような場合ですか?

接合部にハステロイ C-276 または C-22 母材が含まれており、使用環境で溶接金属が母材の孔食、すきま腐食、または酸化性/還元性酸の優れた耐性に適合する必要がある場合は、ERNiCrMo-4 または ERNiCrMo-14 を使用してください。これは、ERNiCrMo-3 には、希釈後にこれらの合金に匹敵する十分なモリブデンが含まれていないためです。

ERNiCrMo-4 (ハステロイ C-276 フィラー):母材が C-276 で、塩化物含有量の高いサワーガスなどのサービスで、希釈された 625 タイプの堆積物の低い PREN ではなく、母合金の完全な耐孔食性等価数 (PREN) が要求される場合に選択されます。

ERNiCrMo-14 (ハステロイ C-22 フィラー):酸化条件と還元条件の両方に対する C-22 のバランスの取れた耐性を溶接部で維持する必要がある混合酸環境 (硝酸、塩酸、硫酸の組み合わせ) における C-22 母材として選択されます。

実際には、C-276 継手に ERNiCrMo-3 を使用することは、一般的でコストのかかる仕様ミスです。継手は多くの場合、標準的な機械試験に合格しますが、環境が希釈溶接金属のモリブデン含有量の低下を悪用するほど厳しい場合には、使用中に早期に故障する可能性があります。フィラーの選択は、溶接性やコストだけでなく、常に腐食環境を考慮して行う必要があります。

ニッケル合金を炭素鋼または低合金鋼に溶接するにはどうすればよいですか?{0}

ニッケル-と-鋼の接合では、最終組み立ての前に鋼側にニッケル合金フィラーのバタリング層を設けるか、鉄のピックアップが溶融部で脆性マルテンサイトを形成するのを防ぐために、制御された低希釈技術で高濃度ニッケル フィラーを適用する必要があります。{{2}

炭素鋼と低合金鋼は、その厚さに比べて多量の鉄を溶接池に寄与しており、ステンレス鋼とは異なり、その影響を和らげるためのクロムやニッケルを含んでいません。結果を制御する 2 つの実践方法:

バタリング:ERNiCrMo-3 (またはそれに適合する合金) の層が鋼の表面に堆積され、冷却されてから平らに研磨されます。その後、ニッケルが豊富な 2 つの表面間に最終的な接合溶接が行われます。これにより、本質的に、異なる接合部がほぼ同様の接合部に変換され、希釈リスクが劇的に軽減されます。

低熱入力、ストリンガー-ビード技術:バタリングが現実的でない場合は、入熱を最小限に抑え、単一の大きなウィーブパスではなく複数のストリンガーパスを使用することで、鋼がどのくらい深く溶け、どのくらいの量の鉄が溶接池に入るかを制限します。

バタリングは、最終的な現場溶接を誰が行うかに関係なく、予測可能でコードに適格な希釈が得られるため、リアクター ノズル-や-溶接部など、厚いセクション、高圧-、または周期的サービス ジョイント-に強く推奨されます。

ニッケル合金を二相ステンレス鋼または超二相ステンレス鋼にどのように溶接しますか?

ERNiCrMo-3 は、二相ステンレス鋼の強度と耐食性が依存するフェライトとオーステナイトの相バランスを乱すのを防ぐため、ニッケル-合金-と-の接合部の標準フィラーでもあります。

二相ステンレス鋼と超二相ステンレス鋼は、およそ 50/50 のフェライト-オーステナイトの微細構造に依存しています。二相マッチングフィラーを使用してこれらをニッケル合金に溶接すると、ニッケル-合金の希釈によってバランスが予期せず変化するため、溶融ゾーンが過剰なフェライトに向かう可能性があります。 ERNiCrMo-3 などの完全にオーステナイト系の高ニッケル フィラーを使用すると、この問題が回避されます。得られる溶接金属は溶融境界の両側がオーステナイトであり、フェライト制御の問題を完全に回避しながら、ほとんどの用途で二相母材を超える耐食性を提供します。

異種金属溶接におけるバタリングはどのような役割を果たしますか?

バタリングにより、最終的な製造溶接部がより希釈されやすい母材との直接接触から分離され、断面の厚さや現場条件に関係なく、予測可能な低希釈化学反応で接合部を認定し、溶接することができます。-

バタリングは 3 つのシナリオで特に価値があります。1 つは希釈が深刻な厚い炭素鋼セクション、管理された工場条件下でバタリングが可能であり、最終的な現場溶接が同様のニッケルに富んだ表面のみを接合する工場と現場の接合部、および元の母材の組成が不確かな補修溶接です。{0}-また、バター接合は、より変化しやすい直接異種溶接ではなく、十分に特徴付けられたニッケル対ニッケルの最終溶接に基づいて PQR を行うことができるため、ASME セクション IX での認定も容易です。-

異種ニッケル接合用のフィラー金属の選択はどのような規格と基準に基づいて行われますか?

AWS A5.11 および A5.14 は溶加材自体を分類し、ASME セクション IX は継手の手順認定を管理し、NACE MR0175/ISO 15156 はサービスに酸性（H2S）条件が含まれる場合の硬度と腐食-のテスト要件を追加します。

AWS A5.14 (ニッケルおよびニッケル合金の裸溶接棒および電極):ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4、ERNiCrMo-14 などの GTAW および GMAW フィラー ワイヤを化学組成によって分類します。

AWS A5.11 (ニッケルおよびニッケル合金被覆電極):同じ合金ファミリーの ENiCrMo-3 や ENiCrMo-4 などの SMAW 電極を分類します。

ASME セクション IX:異種継手の WPS/PQR 認定を管理し、溶加材の F{0}} 番号または A- 番号の変化、または母材の P- 番号の変化を、再認定を必要とする必須の変数として扱います。

NACE MR0175 / ISO 15156:サワーオイルおよびガスサービスで使用される異種ニッケル合金溶接部に対する硬度制限と腐食試験要件（ASTM G48 など）を追加します。{0}

よくある質問

309L ステンレスフィラーを使用してインコネル 625 を炭素鋼に接合できますか?

推奨されません。. 309L には、厚い炭素鋼部分からの鉄の希釈を確実に緩衝するためのニッケル含有量が不足しており、625 の耐食性や高温亀裂耐性に匹敵するのに必要なモリブデンやニオブが含まれていません。-理想的にはバタージョイントを備えた ERNiCrMo-3 が正しい選択です。

ERNiCrMo-3 フィラーはインコネル 625 ベースメタルと同じですか?

密接に関連していますが、同一ではありません。 ERNiCrMo-3 フィラー ワイヤは、溶接金属の冷却および凝固の仕方が鍛錬または鋳造母材とは異なるため、特に凝固中の高温割れに耐えるために、標準の 625 母材よりもわずかに高いニオブ含有量で配合されています。

異種ジョイントの両面にバターを塗る必要がありますか、それともスチール面のみに塗る必要がありますか?

通常、バターリングが必要なのは炭素鋼または低合金鋼の面のみです。{0}ニッケル合金またはステンレス鋼の側はすでに互換性のある化学特性を備えており、有害な元素で溶接池を大幅に薄めることはありません。

異種ニッケル接合に間違った溶加材を使用するとどうなりますか?

接合部は初期の機械的試験には合格しても、高温亀裂、マルテンサイトの形成、または局所的な腐食により使用中に早期に失敗する可能性があります。これは、標準の引張試験や曲げ試験では限界希釈化学反応や長期腐食感受性が常に明らかになるとは限らないためです。-

ASME セクション IX では、溶加材の選択は必須の変数として考慮されますか?

はい。溶加材の F- 番号または A- 番号の変更は必須の変数です。つまり、変更を実稼働環境で使用するには、WPS が新しい PQR で再認定される必要があることを意味します。

結論

異種ニッケル合金接合に適切なフィラー金属を選択するということは、単純に母材金属の 1 つと同じ名前のフィラーを選択することではなく、希釈溶接の化学的性質を予測し、使用環境に適合させることを意味します。

異種ニッケル合金接合は冶金学と腐食工学の交差点にあります。溶加材はうまく溶接し、希釈下での亀裂に抵抗し、実際の使用環境に適した腐食性能を提供する必要があり、場合によっては 2 つの母材のより要求が厳しい場合もあります。

Schaeffler または WRC-1992 ダイアグラムを使用して希釈を計算し、必要に応じてバタリングを指定し、ASME セクション IX に従って手順を認定する製造業者は、溶加材の選択を単純な検索として扱うことから生じる早期の失敗を常に回避しています。インコネル、ハステロイ、またはモネル システムの重要な異種接合の場合、適合する溶加材の全範囲を在庫し、WPS/PQR 開発をサポートできるサプライヤーと協力することで、製造リスクと長期メンテナンス コストの両方が大幅に削減されます。