ERW 債券ラインとは何ですか?

X 線回折装置は、チューブ溶接部の周囲の材料の構造を分析および測定するのに役立ちます。

電気抵抗溶接 (ERW) (高周波抵抗溶接とも呼ばれます) で代表的な溶接部分を断面化するとき、エンジニアは、溶接部の中心に、形状、幅、向き、色合いが異なる線に遭遇することがあります。使用される鋼の種類とエッチング技術 (図 1 を参照)。

Thermatool Corp. の研究者は、この接合ラインがフェライト、ベイナイト、および非焼き戻しマルテンサイトの混合物で構成されているため、SAE 4130 材料の周囲の溶接部よりも高い硬度を示すことを発見しました。 Battelle の研究によれば、通常、この接合線の硬度の上昇は溶接部の靱性の損失に関連している可能性があり、溶接後の熱処理をアニーリングすることで改善できるとのことです。 他のケースでは、特に SAE 1010 などの低炭素鋼グレードやステンレス鋼の ERW 溶接部では、ボンド ラインが周囲の溶接部よりも柔らかい場合があります。

ボンド ラインは微細構造の均一性の欠如を表すため、特に酸化物介在物などの真の不連続性が溶接中心線の同じ位置に閉じ込められる可能性があるため、溶接欠陥を引き起こすのではないかと疑われていました。

ボンド ラインが実際には何なのか、そしてそれが溶接の完全性にとってどれほど危険であるかを判断するには、研究を詳しく調べる価値があります。

ERW 溶接ボンド ラインを理解するには、プロセス自体、つまりジュール (抵抗) 加熱を使用して冶金的ボンドを生成するソリッドステート接合技術について説明する必要があります。

プロセスの最終鍛造段階では、非金属粒子や介在物が可塑化された金属と一緒に界面から排出されます。 外径および場合によっては内径上のこの余分な金属は、溶接直後のスカーフィングによって除去できます。 ERW プロセスは主に、管状製品の長手方向シーム溶接の連続自動アプリケーションに使用されます。 管状製品の連続シーム溶接における誘導溶接プロセスの概略図を図 2a に示します。 図 2b は接触高周波 (HF) 溶接を示しています。この溶接では、滑り接触を使用して電流が接合部に伝達されます。

本質的に、接合されるエッジの非常に小さな断面のジュール（抵抗）加熱が溶接の熱源となるため、ERW プロセスは抵抗溶接の一種として分類されます。

トルノー大学の研究によると、主な ERW プロセス変数には、電力、周波数、溶接速度、V 角度、インピーダー位置、溶接ロール圧力、鍛造中の総据え込み量が含まれます。 プロセス中にエッジが溶けてはいけないこと、およびプロセスの不安定性や隣接するエッジ間でのアーク放電が発生する可能性があることに注意してください。 最終的な溶接部が固体状態の接合部を維持できるように、局所的な溶融生成物はすべてフラッシュ内に排出される必要があります。

表皮効果（導体の表面に高周波電流が流れる能力）を利用することは、接合されるエッジの加熱効率にとって非常に重要であることに注意することが重要です。 周波数が増加すると、同じ溶接電流でも抵抗が増加するため、導電性スキンの深さが減少し、より高い温度が発生します。 通常、100 ～ 900 kHz の周波数が使用されますが、鋼管の溶接には 100 ～ 300 kHz が最も一般的です。

ERW における 2 番目の重要な効果は近接効果です。これは、2 つの平行な導体間のギャップの関数として、それらの間の電流の集中に関係します。 図 2b に示す鋼の 2 つのエッジ間のギャップまたは近接が最適化されている場合、発熱は小さな (おそらく 2 ～ 4 度の) V 角度で最適化されます。

図 1. 製造用 ERW 溶接部のこの断面図は、典型的な結合線 (黄色の線) と熱機械加工ゾーン (TMPZ) (青色の線) を示しています。 ERW 溶接は、肉厚 9.5 mm で Nital エッチングを施した SAE 4130 鋼で作成されました。

広範な溶接データベースの批判的なレビューは、Thermatool Corp. によって可能になりました。そこでは、製造工場のパラメータと欠陥形成の観点から、長年にわたる製造溶接断面サンプルが検査されました。 公開されている研究開発出版物との比較分析により、主に結合線の微細構造、形状、形態に基づいて研究のこの段階が完了しました。

LeTourneau 大学の研究者らは、Gleeble 1500 熱機械システムと、100 ～ 900 kHz の範囲で溶接を生成できる 100 kVA 可変周波数産業用電力システムを組み合わせた状況で、シミュレーションされたボンド ラインを調査しました。

この組み合わせの目的は、ERW 加工中の熱影響を機械的影響から切り離し、エッジ間のギャップ、周波数、出力を鍛造とは独立して調整できる現実的な設定を提供することでした。 15 ～ 75 kW の電力レベルが使用され、溶接周波数は 250、300、および 400 kHz に設定されました。

金属組織検査および硬度試験を使用して、Gleeble でシミュレートされた溶接の品質と生産用の ERW 溶接の品質を相関させました。 この良好な相関パラメータは、キャロウェイ ガーデンズで開催された溶接研究に関する会議で発表されました。そこでは、タグチ法を使用して実験計画法 (DOE) マトリックスを構築し、シミュレートされた溶接の品質と形状に対する各熱入力と機械入力の重みがランク付けされました。 動的再結晶に対する全アプセットとひずみ速度の影響を研究した。 圧縮試験は、0.5 インチ/インチ/秒と 0.5 インチ/インチ/秒の間のさまざまな圧縮ひずみ速度で実行されました。 ～ 40 インチ/インチ/秒および異なる一定のピーク温度。

研究者らは、一連の物理シミュレーションで見つかった他の多数の結果から、熱機械加工ゾーン (TMPZ) 幅に関連する結果を選択しました (図 3 を参照)。

異なる電力レベルと周波数で 30 を超えるシミュレートされた HF 溶接が行われました。シミュレートされた接合ラインは真っ直ぐで、20 ～ 40 ミクロンのほぼ同じ幅のままでした。 ただし、平均 TMPZ 幅は、特に溶接頻度によって変化しました (図 4 を参照)。

DOE は、TMPZ 幅に影響を与える要因の相対的なランキングを示しました。

興味深いことに、グリーブル内で同じ熱サイクルを使用して中実棒を加熱および圧縮することによって、つまり、突き合わせた 2 つの部品を使用して HF 溶接を行うことなく、結合線が再現されました (図 5 を参照)。

固体棒に高い温度勾配とひずみ速度を与えることで、固体棒の結合線に似た微細構造を生成できるこの能力は、結合線が ERW 中に隣接する 2 つのエッジの微細構造の残骸である必要がないことを証明しています。

2 つの異なる実際の HF 溶接をランダムに比較して、母材とボンド ラインの間の硬度と粒径の違いを相関させました。 図 6 に示すように、ベース金属と比較して、SAE 1010 および 4130 鋼の結合ラインではかなりの結晶粒粗大化が見られました。 したがって、溶接中心線の硬度は 1010 鋼では低く (すべてデルタ フェライト)、4130 鋼では高かった (ベイナイト 40% + マルテンサイト 40% + デルタ フェライト 20%)。 混合物は、X 線回折 (XRD) 分析を使用して決定されました。

図 2. ここでは、ERW プロセスを概略図 (ID 側のインペーダーと熱が発生する V に注目 [赤い矢印]) および滑り接触シューを使用した高周波溶接の上面図で示しています。 (図面は AWS の溶接ハンドブック、第 7 版から取得した画像に基づいています。)

光学的金属組織学を使用して測定した、結合線での平均粒径を図 7 に示します。

電子後方散乱スペクトル回折 (EBDS) 分析は、SAE 1010 および 4130 溶接部の接合ラインで実行されました (図 8 を参照)。 どちらの鋼の結合線にも明らかな結晶方位の違いは見られず、ここでも結合線が周囲とそれほど変わらないことが示されました。

この分析では、走査型電子顕微鏡で収集された後方散乱電子回折エネルギー ピークを使用します。 結果は、高倍率での結晶方位と結晶粒界を示します。 これは、粒界を攻撃して光学的なコントラストを生み出す化学エッチングとは異なります。 したがって、EBSD はエッチングよりも正確であり、結合線での結晶方位に大きな変化は見られませんでした。

両方の鋼の接着線での硬度を測定すると、まったく異なる結果が得られました (図 9 を参照)。

炭素鋼では、両方の溶接部の熱影響部で硬度の増加が見られました。 グレード 4130 では、マルテンサイト微細構造は結合線の周囲で約 750 HV 0.05 でしたが、SAE 1010 では硬度が低い領域がありました。 1010 および 4130 グレードの溶接部の硬度プロファイルでは、わずかな低下により微細構造におけるデルタ フェライトの形成が確認されました。 XRD からも、この位置ではフェライトのみが明らかになりました (図 10 を参照)。

適切にエッチングすると、接着線に鋭いエッジが現れることがあります。 また、それらの幅、位置、方向も適切に文書化できます。

一方、接合線のエッジの平行度の欠如 (特に広がり) は、局所的な絞り出しが不十分であり、溶接部に介在物が閉じ込められたままになっていることを示しています。

この分析は、ERW 溶接の品質の指標としてボンド ラインの形状と方向が重要であることを示しています。 健全な接合ラインに起因する溶接破損は見られませんでしたが、その形状と配向は、溶接部の他の場所に溶接欠陥が存在する可能性があることを示していました (ひいては、それが破損の原因となる可能性があります)。

不適切なエッジの表現により、ERW 溶接部でも幾何学的欠陥が発生する可能性があり、その結果、初期肉厚に比べて溶接部が薄くなり、早期破損が発生する可能性があります。

図 3. この HF 溶接シミュレーションは、2 つの直径 10 mm の溶接を使用して Gleeble セットアップで作成されました。 SAE 4130 丸棒、最初は 1 mm の隙間で配置されています。 真っ直ぐな結合線とは対照的に、TMPZ の砂時計の形状に注目してください。

アルバータ大学教授の Leijun Li 博士は、同じ鋼において、波長分散分光法分析では接合ラインでの顕著な炭素減少が示されなかったため、Gleeble でシミュレーションした HF 溶接接合ラインが脱炭されていないことを発見しました。 彼は、より柔らかい中心線領域が溶接中心線に閉じ込められたデルタフェライト線で構成されていることを発見し、それを説明するもっともらしいシナリオを提案しました。 彼の回路図は、液体金属が界面から排出され、デルタ フェライトが最終溶接部に保持されることを示しています (冷却するとオーステナイトがパーライトに変化します)。 実際、XRD テストでは、この領域ではデルタ フェライトのみが明らかになりました (「X70 パイプライン鋼の抵抗溶接のための結合形成メカニズム」、Welding Journal、2020 年 8 月を参照)。

実際のERW解析と高度な解析技術によって強化された物理シミュレーションに基づいて、研究者らは次の結論を下しました。