JIS規格に基づく銅および銅合金溶接棒の選定と母材との適合性評価

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

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)

熱伝導率が極めて高いため、アーク熱が瞬時に母材逃げ、通常の鉄鋼用条件では十分な溶け込みが得られず、「融け不良」や「冷間割れ」の原因となる。また、溶融状態の銅は酸素や水素との親和性が非常に高く、ピンホール（ブローホール）や水素脆化を引き起こしやすい。

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

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。

5. 異種金属溶接（銅と鉄、銅とステンレス）の冶金学的評価

プラントや熱交換器の調達において、「銅とステンレス（SUS304）」や「銅と炭素鋼（SS400）」の異種金属接合が要求されるケースが多い。しかし、銅と鉄は固溶限が極めて小さく、直接溶接すると強度の著しい低下および重大な割れ（脆化）を引き起こす。

解決策：ニッケル（Ni）またはニッケル基合金インサート材の使用

直接接合が不可能なため、中間層（バッファー層）としてニッケル（純Ni）またはニッケル基合金（インコネル系溶接棒：JIS Z 3334 規定のENiCr-3等）を用いて肉盛り・接合を行う。 1. 鉄・ステンレス側への下地肉盛り: 鉄側にニッケル基溶接材料でバッファー層を形成する。 2. 銅側との接合: 銅とニッケル、およびニッケルと鉄は比較的良好な固溶体または合金層を形成するため、割れのない健全な異種金属継手が成立する。 3. 推奨選定: 銅配管とフランジ（SS400/SUS304）の接続においては、銀ろう付け（BAg系）や摩擦圧力接合、あるいは上記ニッケル基溶加材を用いたTIG溶接が実務上のスタンダードとなる。