フィラー材が溶接強度に与える影響とは？

例えば、フラックス入りワイヤーは、ソリッドワイヤーよりも30%まで速く金属を析出させることができるため、重いフレームや屋外溶接に最適です。しかし、ソリッドワイヤーは、外観と清潔さが優先される薄肉溶接や目に見える溶接には、依然として最適な選択肢です。

フィラー組成とベースメタルのマッチング

強力な溶接は、化学的適合性から始まる。フィラー組成を母材に適合させることで、適切な融合、バランスの取れた微細構造、および長期的な耐久性が保証されます。

化学的適合性と金属接合

フィラーの組成が母材に近ければ近いほど、冶金的な結合は良くなる。主要な合金元素が違いすぎると、融合部が脆くなったり、クラックが入りやすくなったりする。

• のために 軟鋼ER70S-6のようなフィラーは、約70ksi（480MPa）の引張強度を提供し、低炭素鋼板と密接に一致する。
• のために ステンレス304ER308Lなどのフィラーは、溶接後の耐食性を維持するクロムとニッケルのバランスを維持する。
• のために 異種金属また、遷移合金（ニッケル系フィラーなど）を使用することで、ガルバニック腐食や熱不整合割れを防ぐことができる。

エンジニアが意図的に選択することもある。 アンダーマッチング - は、母材よりわずかに強度が低い。こうすることで、溶接部に突然亀裂が入 ることなく、応力下でたわむことができる。圧力容器や耐荷重フレームには、オーバーマッ チング・フィラー（母材より高い引張強度）を使用す ることで、過酷な条件下での安全性が確保される。

微細構造と結晶粒制御

溶接部が冷えると、溶加材の合金元素が結晶の 成長と凝固に影響を与える。微細で均一な結晶粒構造は、溶接部に高い 靭性と耐疲労性を与える。

• ニッケルまたはモリブデンの添加 は、粒径を微細化し、衝撃靭性を30%まで高めることができる。
• ケイ素とマンガン 酸素を除去して気孔を減らし、より緻密な溶接金属を確保する。
• 制御された冷却 特に急速に冷却される薄板素材では、硬い部分や脆い部分を最小限に抑えることができます。

例えば、ステンレス鋼製エンクロージャーでは、クロムとニッケルのバランスが取れたフィラーが滑らかで耐食性のある微細構造を形成し、熱サイクル下でも安定した状態を保つ。

強度と耐久性

適切な充填材は、溶接が曲がるか、壊れるか、耐 えられるかを決定する。その強度、靭性、耐疲労性はすべて、長期的な性能を形成する。

引張強さと降伏強さの寄与

溶加材の引張強度と降伏強度は、溶接継手 が変形または破壊する前に、どれだけの応力に耐 えられるかを決定する。溶加材の強度が母材と密接に一致すれ ば、溶接部は構造物の真の連続体となる。

例えば、ER70S-6軟鋼フィラーの引張強 度は約70ksi（≒480MPa）で、フレームやブラ ケットに使用されるほとんどの低炭素鋼に 適している。この場合、より弱いフィラーを使用すると、ソフトゾーンが形成され、荷重下で接合部が伸びたり亀裂が生じたりする。

しかし、強度が高ければ良いというものでもない。強すぎるフィラーは接合部を脆くし、衝撃や振動で割れやすくなります。そのため、多くのエンジニアは、HVACハウジングや電子筐体のようなフレキシブルなシートメタル製品に、わずかにマッチングが劣るフィラーを選択します - これらは破壊する代わりに応力を吸収します。

デザインのヒント

強度の異なる金属を接合する場合は、常に弱い材 料に溶加材を合わせる。こうすることで、接合部の過度なこわばりを防ぎ、溶接部全体に均一な応力分布を確保することができる。

疲労および繰り返し荷重に対する耐性

溶接部の破損の多くは、一度に大きな力が加わ るよりも、小さな荷重が何千回も繰り返された後に 発生する。疲労割れの防止には、フィラーの組成と溶接部の清浄 性が大きな役割を果たす。

細粒で気孔率の低い溶接部は、応力を均等に分散する。マンガンやシリコンを含む充填材は、酸素の除去に 役立ち、亀裂の起点となる可能性のある介在物を 最小限に抑える。機械フレームや輸送機器など、振動を受けやす い組立部品では、延性充填材を使用することで、 高硬度の代替品と比較して疲労寿命を最大40 %延ばすことができる。

例えば、ある板金製取付金具の生産では、高強度オーバーマッチングフィラーから延性フィラーに変更することで、試験中の200,000回の振動サイクル後に発生するマイクロクラックが減少しました。この小さな変更により、信頼性と顧客満足度の両方が向上した。

耐食性と耐環境性

金属フィラーの選択は、異なる環境下での溶接の 性能も制御する。水分、塩分、温度変動に曝される継手 は、酸化や孔食に耐える必要がある。

• のために ステンレス鋼溶接部また、18% Cr + 8% Niのフィラーは、錆を防ぐ保護不動態層を維持する。
• のために 船舶用または屋外用部品モリブデン（Mo）を含むフィラーは、孔食や隙間腐食に対する耐性を高める。
• のために 塗装またはコーティングされたエンクロージャークリーンでスパッタの少ないフィラーを選択することで、表面欠陥を減らし、コーティングの密着性を向上させることができます。

フィラーの選択を誤ると、耐用年数が大幅に短 縮する可能性がある。例えば、ステンレス部品に炭素鋼フィラーを使用すると、湿度の高い環境では数ヶ月以内にガルバニック腐食が発生する可能性があります。フィラーの化学的性質を環境暴露条件に適合させることで、構造的完全性と外観品質の両方が維持される。

溶接プロセス適合性

各溶接プロセスでは、特定のフィラー特性が要求 される。溶加材の種類、シールド・ガス、および溶接技術を適合させることで、安定したアーク、きれいなビード、一貫した結果が得られる。

溶接方法別のフィラー選択

溶接技術の違いにより、溶加材には独特の熱的・ 操作的要求が生じる：