銅・銅合金の溶接技術完全ガイド:JIS規格に基づく溶接棒選定と母材適合性評価
鋼材商社や部品調達の現場において、銅および銅合金の溶接は、その圧倒的な熱伝導率と電気伝導性の高さから、鉄鋼材料とは異なる高度な冶金学的アプローチが求められる難易度の高い工程です。 本稿では、JIS Z 3331(銅及び銅合金溶加棒)およびJIS Z 3232(銅及び銅合金被覆アーク溶接棒)の規格を軸に、母材との適合性評価、具体的な溶接施工条件、現場で直面するトラブルのメカニズムと対策を徹底解説する。1. 基礎知識:銅・銅合金の冶金学的特性と溶接の難しさ
銅材料の溶接における最大の障壁は、その高熱伝導性と高温酸化性にある。主要な物理特性の比較
- 純銅(C1100等): 熱伝導率 約 390 W/(m·K) (※SS400の約7倍)
- 黄銅(C2801等): 熱伝導率 約 110 〜 130 W/(m·K)
- リン青銅(C5191等): 熱伝導率 約 75 W/(m·K)
2. JIS規格に基づく溶接材料(溶接棒・溶加棒)の分類と選定
銅および銅合金の溶接には、母材の化学成分や機械的性質に合わせた適切なJIS規格材料の選定が不可欠である。主なJIS規格と対象材料
- JIS Z 3331: 銅及び銅合金ガス溶接棒・TIG溶加棒
- JIS Z 3232: 銅及び銅合金被覆アーク溶接棒
# 1. 銅(Copper)用:SCu(純銅系)
- JIS記号例: SCu(またはSCuP)
- 用途: 電気・電子部品、化学プラント用純銅母材(C1100, C1020など)の溶接。
- 特性: 脱酸剤としてリン(P)やケイ素(Si)、チタン(Ti)が添加されており、溶接金属のブローホールを防ぐ。
# 2. 黄銅(Brass)用:SCuZ(黄銅系)
- JIS記号例: SCuZ(CZn系)
- 用途: 黄銅板・管(C2801, C2600など)の溶接および肉盛り。
- 特性: 亜鉛(Zn)の蒸発による気孔を防ぐため、ケイ素等を含有する特殊黄銅棒が用いられる。
# 3. 青銅(Bronze)・リン青銅用:SCuSn(青銅系)
- JIS記号例: SCuSn-A, SCuSn-C
- 用途: リン青銅(C5191等)の溶接、および鋼材等への耐摩耗・耐食肉盛り。
# 4. 洋白・キュプロニッケル用:SCuNi(白銅系)
- JIS記号例: SCuNi
- 用途: 海水配管用白銅(C7060, C7150)の溶接。耐海水性に優れる。
3. 母材と溶接材料の適合性マトリクス
異種金属溶接や肉盛り溶接における適切な組み合わせを以下に体系化する。| 母材の種類 | 推奨されるJIS溶接材料(TIG/MIG) | 被覆アーク溶接棒 | 留意すべき冶金学的注意点 |
|---|
タフピッチ銅 (C1100) | SCu (純銅・脱酸銅) / SCuAg | ECu | 水素脆化防止のため、酸化被膜の徹底除去とシールドガス(Ar100%)の高純度化が必要。 | | 快削黄銅 (C3604)
黄銅 (C2801) | SCuZ (黄銅) / SCuSi (硅黄銅) | ECuZn | 亜鉛の沸点(約907℃)が低いため、アーク熱による亜鉛蒸発(ヒューム)とそれに伴うピットに注意。 | | リン青銅 (C5191) | SCuSn-A (リン青銅) | ECuSn-A | 凝固温度範囲が広いため、高温割れ(収縮割れ)に注意し、入熱を低めに抑える。 | | アルミニウム青銅 (C6161等) | SCuAl-C (アルミ青銅) | ECuAl-C | 表面に強固なアルミナ($Al_2O_3$)が形成されるため、逆極性(DCEP)またはACTIGでの清浄作用が必須。 | | キュプロニッケル (C7060) | SCuNi (白銅) | ECuNi | 応力腐食割れに対する感受性が低く健全な継手が得られるが、硫黄・鉛の混入による高温割れに注意。 |
4. 現場での実践・トラブル対策と施工条件
① 予熱(Preheating)の重要性
前述の通り、銅は熱伝導率が極めて高いため、常温のまま溶接を開始すると、アーク熱が逃げてしまいアークが不安定になり、融け込み不良を起こす。- 板厚 3mm未満: 予熱不要、または100〜150℃の軽度な予熱。
- 板厚 3mm〜10mm: 200〜300℃の予熱。
- 板厚 10mm超: 400〜500℃の高温度予熱が必要な場合もある(※純銅の場合)。
② TIG溶接の施工条件目安(参考値:純銅・板厚5mmの突合せ)
- 溶接方法: 直流TIG溶接(DCEN:タングステン側がマイナス)
- シールドガス: 純Ar(アルゴン) 15〜20 L/min (※裏波側もバックシールド必須)
- タングステン電極: 2%セリウム入りタングステン(径 2.4mm)
- 溶接電流: 180A 〜 220A (※高熱伝導に対応するため、同厚の鉄に比べ1.3〜1.5倍の大電流を要する)
- アーク電圧: 12V 〜 15V
③ 頻発するトラブルと対策
- ブローホール(ピンホール)の発生
- *原因*: 母材表面の油分・水分、および溶接中の水素ガス巻き込み。銅は高温時に水素を多量に溶解し、凝固時に放出するため。
- *対策*: ワイヤブラシ(ステンレス製)や化学洗浄による徹底的な酸化被膜・汚れの除去。低水分環境の保持。
- 高温割れ(収縮割れ)
- *原因*: 凝固温度範囲の広い合金(青銅系など)において、結晶粒界の低融点共晶が引き裂かれる現象。
- *対策*: 入熱のコントロール(過剰な入熱を避ける)、拘束度の軽減、適切な脱酸元素(Si, P)を含む溶加棒の選定。
- 亜鉛の気化によるポラス(黄銅溶接時)
- *原因*: アーク熱による亜鉛の沸騰蒸発。
- *対策*: 溶接速度をやや速くし、アーク長を短く維持する。換気の徹底と防毒マスクの着用。