ステンレス鋼箔の溶接: プロセス、パラメータ、および品質管理

ステンレス鋼フォイルは、要求の厳しい溶接の命題です。シート溶接では電流と移動速度の小さな変動が許容されますが、厚さ 0.05 ～ 0.2 mm の箔は数アンペアの範囲内で焼き切れたり、溶融できなかったりする可能性があります。したがって、信頼性の高い生産は、低入熱プロセスの選択、接合部のフィットアップとヒートシンクの制御、量産前にすべての厚さと接合部の組み合わせを評価するという 3 つのことにかかっています。このガイドでは、フォイルに適用するプロセス、開発の開始パラメータ、薄ゲージ アセンブリの漏れ防止と耐腐食性を維持するための洗浄と検査の手順について説明します。

ステンレス箔とは何か

フォイルは一般に、厚さ 0.2 mm 未満の平圧延ステンレス鋼として定義され、数ミリメートルから最大約 600 mm の幅で、コイル、スプール、またはカット長で供給されます。薄い部分により溶接の物理的特性が変化します。熱はシートよりもはるかに速く伝導され、溶融池には剛性がほとんどなく、重力ではなく表面張力によって溶接が保持されます。歪みや座屈は入熱が非常に低い場合に発生するため、クランプとバッキングの設計はプロセスの選択と同じくらい重要です。

一般的な箔グレードは、シート製品と同じ基準に従います。

304 および 304L汎用および軽度の腐食性サービスについては、ASTM A240 または EN 1.4301 / EN 1.4307 に準拠しています。

316L塩化物含有媒体、海洋大気、またはプロセス化学物質が存在する場合は、ASTM A240 または EN 1.4404 に準拠します。

321と347安定化されていないオーステナイト箔が敏感になる使用温度に適した安定化グレード。

430ASTM A240に準拠した装飾用、磁気用、または熱伝達用のフェライト箔。

図面中でSUSの呼称を示す場合はJIS G4304 / JIS G4305を使用します。

キャンバーとバリの高さは溶接ギャップの制御に直接影響するため、公差、表面仕上げ、およびエッジの状態は ASTM A480 または EN 10088-2 に同意する必要があります。

箔に適した溶接プロセス

フォイルに通常使用されるプロセスは、すべて低エネルギーで安定性の高いアーク溶接、ビーム溶接、抵抗溶接です。一般的なステンレス溶接のガイダンスに記載されている被覆電極と従来の金属の不活性ガス溶接は、ここでは適していません。被覆電極溶接のアーク力とスラグは約 1.5 ～ 2 mm の断面を必要とし、ショート アークのガスメタル アーク溶接でも約 0.8 mm 以下では困難です。

プロセス	実用的なフォイル範囲	強み	主な制限事項
パルスマイクロTIG(GTAW)	0.05 - 0.5 mm	低電流でも安定したアーク、良好なビード外観、自然に動作するか、0.4 - 0.8 mm フィラー ワイヤで動作します	正確なアーク長制御とパルス電源が必要
マイクロプラズマアーク溶接（PAW）	0.10 - 1.0 mm	集中した非常に安定したアークと優れた溶け込み制御	装置コストが高く、ノズルと電極の消耗品がかかる
レーザービーム溶接（LBW）	0.05 - 1.0 mm	最低の入熱、高速、狭い熱影響ゾーン、最小限の歪み	ギャップ許容差が厳しく、資本コストが高く、反射面には注意が必要
抵抗シームとスポット溶接	0.03 - 0.5 mm	フィラーを使用せず、非常に高速で、重ね接合やフォイルとフォイルの接合に最適です。	重ね継ぎのみ、電極摩耗、表面マーキング
電子ビーム溶接（EBW）	0.10 - 1.0 mm	熱影響が非常に少ない深く狭い溶接	真空チャンバーにより部品サイズが制限される

ほとんどの生産作業では、短納期や混合接合タイプの場合はパルス マイクロ TIG、連続大量ストリップの場合はレーザーまたは抵抗シーム溶接、さまざまなギャップ全体での浸透の一貫性を保証する必要がある場合はマイクロ プラズマに選択肢が減ります。

ジョイントの設計、フィットアップ、バッキング

フォイルジョイントはほとんどの場合スクエアバットまたはラップ構成であり、準備の品質によってプロセスが機能するかどうかが決まります。

スクエアバットジョイント面取りなし。レーザー溶接の場合はギャップ0.05mm以下、マイクロTIGの場合は0.1mm以下のギャップを目安にしてください。

ラップジョイント箔厚の 3 ～ 5 倍のオーバーラップを伴う抵抗溶接用。

せん断エッジのバリ取りそして細片を取り除きます。バリや丸まったエッジにより、厚い部分から薄い部分への移行が生じ、融合が失敗するか焼き戻されます。

銅またはアルミニウムのバッキングバージョイントの下に浅い溝のあるチャネルがあり、熱を逃がし、プールをサポートします。

押さえる指または、クランプ バーを溶接線の 2 ～ 3 mm 以内に配置して、アークの前で座屈を停止します。

仮付け溶接電流を減らして 5 ～ 15 mm ピッチで加工し、停止/始動不良を避けるために可能な限り 1 回の連続パスで継ぎ目を閉じます。

フォイルでは、接合部全体の厚さが 10 パーセントでも不一致であると重大な問題となるため、溶接治具を完成させる前に、入ってくるコイルの厚さのばらつきとクラウンをチェックする必要があります。

溶接パラメータとシールドガス

以下の表は、焼きなまし状態での完全オーステナイト箔の一般的な開始範囲を示しています。これらは手順の認定のための開発ポイントであり、固定設定ではありません。グレード、厚さ、接合タイプのすべての組み合わせはテストによって証明される必要があります。

箔の厚さ	プロセス	ピーク電流/パルス電流	移動速度	シールドガス
0.05 - 0.08 mm	パルスマイクロTIG	2 - 8 A	150 - 300 mm/分	アルゴン 99.99 %、6 - 10 L/分
0.08 - 0.15 mm	マイクロTIGまたはマイクロプラズマ	6 - 18 A	200 - 400 mm/分	アルゴン 99.99 %、8 - 12 L/分
0.15 - 0.20 mm	マイクロプラズマまたはレーザー	15 - 30 A または 100 - 300 W	300 - 600 mm/分	アルゴン 99.99%
0.20 - 0.50 mm	TIGまたはレーザー	25 - 60 A または 300 - 800 W	400 - 900 mm/分	アルゴン 99.99%

単一の数値よりも溶接の品質を決定するポイント:

ガスの純度。純粋なアルゴンが標準的な選択肢であり、純度がビーズの色を直接制御します。 99.99% 以上を使用してください。供給中の水分と酸素により、灰色または黒色の酸化物が生成されます。

バックとトレーリングガス。下側を 5 ～ 10 L/min でパージし、レーザーおよびプラズマ溶接用のトレーリング シールドを追加して、ホット ビードがトーチの後ろで酸化しないようにします。

脈打つ。30 ～ 50 パーセントのデューティで数ヘルツから数百ヘルツのパルス周波数を使用すると、パルス間で溶接部が冷却され、歪みや粒子の成長が制限されます。

電極。20 ～ 30 度のテーパーに接地された 1.0 ～ 1.6 mm のセリウム化タングステン電極により、安定した低電流アークが得られます。

プリフローとポストフロー。おおよそ 0.5 ～ 1 秒のプレフローと 3 ～ 5 秒のポストフローでスタートとクレーターを保護します。

フィラーメタル。自己溶接は薄箔に適しています。追加の補強が必要な場合は、ER308L や ER316L などの 0.4 ～ 0.8 mm の適合するフィラーを使用し、電流を上げずにワイヤを溶かすのに十分な移動速度を維持します。

洗浄、不動態化および検査

フォイル溶接は形状だけでなく清浄度も重視して判断されます。溶接部の変色は耐食性を低下させるクロムが枯渇した酸化物であり、表面に残った遊離鉄は 316L であっても錆びます。

溶接前にアセトンまたはアルカリ性クリーナーで脱脂し、乾燥させてください。油分や水分は気孔やアークのふらつきの原因となります。

溶接後の熱着色をペーストの酸洗、電解溶接洗浄、機械仕上げなどにより除去し、十分に洗い流してください。

洗浄した表面を不動態化して酸化クロム膜を再構築します。化学的不動態化は ASTM A967 に従い、ASTM A380 に従って洗浄とスケール除去が実施されます。

専用のステンレス製ブラシ、ヤスリ、砥石を使用してください。炭素鋼の工具は遊離鉄を転写し、後に錆斑として現れます。

目視検査: 薄い箔上の淡い麦わら色は一般に許容されますが、灰色、青黒色、またはすす状の堆積物は過剰な入熱またはシールド損失を示します。

シーリング用途向けの浸漬気泡試験またはヘリウム質量分析によるリーク試験に加え、初回サンプルの溶接断面検査も行います。

ASTM A262 に準拠した粒界腐食試験（感作のリスクがある場合）。低炭素グレードまたは安定化グレードは、まずそのリスクを軽減します。

ISO 15614-1 または ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション IX に準拠した手順の資格、および EN ISO 9606-1 または ASME セクション IX に準拠した溶接機の資格は、量産前に取得する必要があります。

よくある質問

Q: フィラーワイヤーなしでステンレス箔を溶接できますか?
はい。約 0.05 mm までのフォイルの角突き合わせ接合は、通常、マイクロ TIG、プラズマ、またはレーザープロセスで自己溶接されます。フィラーは、ジョイントを十分に密着させることができない場合、または追加の補強が必要な場合にのみ追加されます。フィラーは、0.4 ～ 0.8 mm のワイヤと一致する必要があります。

Q: ステンレス鋼箔に最良の結果をもたらす溶接プロセスはどれですか?
単一の答えはありません。パルスマイクロ TIG は混合接合や短距離溶接に最も柔軟性があり、レーザー溶接は高速での歪みが最も低く、マイクロプラズマは不均一なギャップを適切に処理し、抵抗シーム溶接は長いストリップの重ね接合の最速ルートです。

Q: フォイルの溶接部分が青または黒になるのはなぜですか?
色は、溶銑が酸素に触れることにより形成される酸化皮膜です。青または黒は、通常、シールド ガスの流量、純度、またはトレーリング カバレッジが不十分であるか、入熱が高すぎることを意味します。酸洗いによって色合いを除去し、その後不動態を回復します。

Q: 溶接可能なステンレス箔の中で最も薄いものは何ですか?
抵抗シームとスポット溶接は約 0.03 mm までは実用的ですが、約 0.05 mm 未満ではプールの剛性がほとんどなく、焼き付きのリスクが急激に高まるため、アークとレーザーのプロセスは困難になります。

Q: 溶接アセンブリには 304 または 316L フォイルを使用する必要がありますか?
モリブデン含有量が耐孔食性を高めるため、塩化物、海洋大気、またはプロセス化学物質が存在する場合は 316L を選択してください。一般および軽度の腐食性サービスには 304 または 304L を使用してください。溶接継手の使用温度が上昇する場合には、低炭素グレードが好まれます。

Q: 溶接するとステンレス箔が磁性を帯びますか?
焼きなましされたオーステナイト箔は本質的に非磁性ですが、冷間加工や、程度は低いですが溶接固化により軽い磁性が発生する可能性があります。これは 304 および 316L では正常であり、それ自体が欠陥を示すものではありませんが、強い強磁性は間違ったグレードを示している可能性があります。