AWS D1.9 — 構造溶接コード for Titanium
AWS D1.9は、チタンおよびチタン合金の構造溶接基準です。本基準は、溶接中のトレーリングシールド、バックパージガス、完全な不活性雰囲気保護を含む厳格な汚染管理要件を伴う構造用チタン部品の手順資格、溶接士試験、製作、および検査を規定しています。
重要な相違点: D1.1に基づく鋼の溶接では水素が主な脅威であるのに対し、チタン溶接は酸素と窒素の汚染管理によって規定されます。チタンは、約500°F（AWS G2.4ガイダンスによる）を超えるとこれらの元素を吸収し、不可逆的な脆化を引き起こします。D1.9では、シールド方法を重要変数として扱っており、トレーリングシールドの削除にはWPSの再認定が必要です。
AWS D1.9とは
AWS D1.9はチタンの構造溶接を規定しています。主な懸念事項は雰囲気汚染です。チタンは、約500°F（AWS G2.4ガイダンスによる）を超えると酸素および窒素と反応し、溶接割れの原因となる脆い化合物を形成します。D1.9では、シールドガス方法をWPS認定の重要変数として扱っています。
AWS D1.9/D1.9M — 構造溶接基準 — チタン — は、構造用チタンおよびチタン合金部品の溶接を対象としています。現行版はAWS D1.9:2015です。これは、海洋構造物、化学処理装置の支持構造物、建築用途、および高強度対重量比と耐食性の組み合わせによりチタンの材料コストが正当化される特殊な産業構造物など、設計応力にさらされるチタン構造物に適用されます。D1.9は、航空宇宙構造物（セクション1.2）を明示的に除外しており、これらは別途航空宇宙材料仕様によって規定されていることに注意してください。
チタン溶接は、高温での雰囲気ガスに対するチタンの極めて高い反応性のため、他の構造金属の溶接とは根本的に異なります。約500°F（260°C）を超えると、チタンは周囲の雰囲気から酸素、窒素、水素を急速に吸収します。酸素と窒素は、侵入型固溶体化合物と表面酸化物（TiO2）および窒化物（TiN）を形成し、深刻な脆化を引き起こします。これにより、延性および破壊靭性が許容できないレベルまで低下します。この反応性のため、継手準備から溶接後冷却までの溶接作業のあらゆる側面において、汚染閾値温度を超えるすべてのチタン表面の周囲に不活性雰囲気を維持する必要があります。
本基準は、最も一般的に使用されるプロセスとしてティグ溶接 (GTAW) を対象とし、ガスメタルアーク溶接、プラズマアーク溶接、EBW（電子ビーム溶接）、およびLBW（レーザービーム溶接）の規定を含んでいます。SMAWおよびFCAWは、チタンが必要とする汚染のない環境を提供できないフラックスベースのシールドシステムを使用するため、許可されていません。粒状フラックスブランケットを使用するSAWでさえ、フラックスの化学的性質が潜在的な汚染源となるため、除外されています。
予熱および熱要件
D1.9は、溶接継手への湿気凝縮を防ぐために、60 degrees Fの最小予熱を規定しています。D1.1とは異なり、板厚や組成に基づく予熱表はありません。チタンにおける熱に関する懸念は、水素割れではなく汚染防止です。パス間温度は脆化を防ぐ必要があります。
AWS D1.9は、最小予熱温度を60°F (16°C)とし、周囲温度以下ではないことを要求しています。これは、割れ防止のための冶金学的要件（鋼の場合など）ではなく、母材が露点以上であり、気孔や水素汚染の原因となる表面水分がないことを保証するための環境管理です。最大予熱温度は認定されたWPSによって決定され、過度の酸素および窒素の取り込みを防ぐために管理されなければなりません。
鋼の溶接では、一般的に高い予熱が有益である（冷却を遅らせて水素割れを防ぐ）のに対し、チタン溶接では高い予熱は汚染感受性温度を超える金属の領域を拡大させ、シールドをより困難にし、雰囲気汚染のリスクを高めます。チタンの溶接アプローチは、冷却速度の熱操作ではなく、包括的な不活性ガス被覆による制御された適度な入熱を重視します。
チタン溶接におけるパス間温度は、基準で義務付けられた最大値ではなく、主にWPSによって管理されます。実用上の制約は、500°Fを超えるすべての金属が不活性ガスシールド下になければならないことです。パス間温度が高いほど、シールドが必要な領域が拡大し、適切な被覆を維持することが困難になります。ほとんどのチタン溶接手順では、適切な溶融（高温）とシールド要件（低温）のバランスをとるパス間温度が指定されています。
汚染管理要件
D1.9では、トレーリングシールド、バッキングガス、およびパージガスを重要変数として扱っています。WPS認定時にこれらが使用された場合、それらを削除するには再認定が必要です（Table 3.3）。実際には、約500°Fを超えるすべてのチタン表面（AWS G2.4による）は、酸素と窒素から保護されなければなりません。溶接部、熱影響部、および継手の裏側は、通常、不活性ガス（アルゴンまたはヘリウム）でシールドされます。表面の変色は汚染を示します。
汚染管理はD1.9の決定的な特徴であり、チタン溶接を他のどの構造金属の溶接よりもはるかに要求の厳しいものにしている要因です。D1.9は多層シールドアプローチを確立しています。
- 一次シールド（トーチ）
- 標準的なティグ溶接トーチは、溶融池をアルゴンでシールドします。チタンの場合、トーチカップのサイズは、より広い被覆領域を提供するために、鋼やステンレス鋼の溶接よりも通常大きくなります。層流ガス流を生成し、乱流ではなく、より一貫性のある効果的なシールドを提供するために、ガスレンズコレットボディが必要です。アルゴンの純度は、構造用チタン溶接に関するAWS A5.32の要件を満たす必要があります。
- トレーリングシールド
- トレーリングシールドは、トーチの後方に伸びる補助ガス供給装置であり、凝固中の溶接ビードと熱影響部が冷却される間、アルゴン被覆を維持します。トレーリングシールドは、500°Fを超えるすべての金属を覆うのに十分な長さでトーチの後方に伸びる必要があります。高入熱での多層溶接の場合、トレーリングシールドはアークの後方6〜12インチ（150〜300 mm）まで伸びる必要がある場合があります。トレーリングシールドは、冷却ゾーンにアルゴンの層流を供給します。
- バックパージ
- 溶接のルート側と溶接トーチの反対側のすべてのチタン表面は、裏側からの雰囲気汚染を防ぐためにアルゴンでパージする必要があります。パイプおよびチューブ溶接の場合、これは溶接開始前に内部容積を密閉し、アルゴンで満たすことを必要とします。プレート溶接の場合、パージダムまたはアルゴン供給付きのバッキング治具がルート側を保護します。パージ雰囲気中の酸素含有量は、溶接開始前に50 ppm未満に低減され、酸素分析計によって確認されなければなりません。
- エンクロージャ溶接（グローブボックス）
- 最高品質のチタン溶接のためには、溶接作業全体がアルゴンで満たされた密閉されたエンクロージャ（グローブボックスまたは溶接チャンバー）内で行われます。エンクロージャ溶接は、あらゆる方向からの完全な雰囲気保護を提供し、トレーリングシールドや個別のバックパージシステムの必要性を排除します。エンクロージャ雰囲気は、通常、酸素10 ppm未満、水分20 ppm未満に維持されます。
溶接色認定
D1.9では、手順開発の一部として溶接色認定を要求しています。許容される溶接色は、明るい銀色から薄い麦わら色までです。濃い青色、灰色、または白色の酸化物は汚染を示し、不合格の原因となります。色の受入基準は手順認定中に確立され、すべての生産溶接に適用されます。
チタン溶接の品質は、冷却中の雰囲気汚染の程度を示す表面色によって部分的に評価できます。D1.9には、外観検査要件の一部として溶接色の受入基準が含まれています。明るい銀色の溶接表面は、最小限の汚染でクリーンなシールドを示します。薄い麦わら色または金色は、通常許容される軽微な表面酸化を示します。濃い青色、紫色、または灰色は、重大な酸素汚染を示し、除去と再溶接が必要になる場合があります。溶接表面の白色の粉状酸化物は、深刻な汚染を示し、常に完全な除去が必要です。
D1.9 Table 5.3の色の受入基準は、許容される色、技術的評価が必要な色、および自動的に不合格となる色を規定しています。色の評価は、酸化層を除去する機械的清掃や化学処理を行う前に、溶接のままの表面で実施する必要があります。生産検査時には、管理された条件下で作成された色標準または参照クーポンが比較のために使用されます。
チタン合金の種類
D1.9は、純チタン（CP）グレード（グレード1-4）およびチタン合金を対象としています。CPグレードは耐食性用途に使用されます。Ti-6Al-4V（グレード5）は、高強度対重量比を提供する最も一般的な構造用合金です。溶接パラメータは、CPグレードと合金グレードの間で大きく異なります。
純チタン（CPチタン）
CP titanium grades per ASTM B265 (Grades 1, 2, and 3 — referenced in D1.9 Table 4.1; Grade 4 exists in ASTM B265 but is not listed in D1.9 Table 4.1) are unalloyed titanium with varying levels of oxygen and iron that determine 強度. Grade 1 has the lowest strength and highest ductility; Grade 2 is the most commonly used CP grade in D1.9 applications. CP titanium is used in structural applications where corrosion resistance is the primary driver, such as chemical processing supports and marine structures. CP titanium is the most weldable titanium family, with excellent tolerance for minor 入熱 variation and straightforward 溶加材 selection (matching grade or one grade lower).
α合金およびニアα合金
α合金およびニアαチタン合金は、周囲温度で六方最密充填結晶構造を維持します。グレード6（Ti-5Al-2.5Sn）はASTM B265に存在しますが、D1.9 Table 4.1には記載されていません。これらは良好な溶接性と高温強度を提供します。Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Moのようなニアα合金は、クリープ抵抗を必要とする航空宇宙構造用途で使用されます。これらの合金は、同等またはほぼ同等の溶加材で溶接可能ですが、拘束の強い継手での遅延割れを防ぐために溶接後熱処理が必要になる場合があります。
α-β合金
Ti-6Al-4V（グレード5）は、最も広く使用されているチタン合金であり、全チタン生産の50%以上を占めています。これは、強度、延性、および疲労抵抗の優れたバランスを提供する二相（α-β）合金です。Ti-6Al-4Vは溶接可能ですが、溶融池および熱影響部での過度のβ相変態を避けるために冷却速度を慎重に制御する必要があり、これにより延性が低下する可能性があります。Ti-6Al-4Vの溶接のままの特性は、通常、母材特性の85〜95%であり、溶接後熱処理によって完全な回復が可能です。
D1.9と他のAWS構造基準との比較
D1.9は、汚染管理（トレーリングシールド、パージガス）を主要な懸念事項としてチタンを規定しています。D1.2は、高温割れ防止を目的としてアルミニウムを規定しています。どちらもティグ溶接 (GTAW) を主要なプロセスとして使用します。D1.9は溶接色認定を要求しますが、D1.2は要求しません。D1.9の最小予熱は60 degrees F（湿気防止）であり、D1.2は予熱を最大250 degrees Fに制限しています。
D1.9とD1.2（アルミニウム）の比較
Both D1.2 (aluminum) and D1.9 (titanium) require careful atmosphere control during 溶接, but at vastly different levels of stringency. Aluminum requires clean, dry surfaces and adequate シールドガス coverage to prevent 気孔, but brief atmospheric exposure during welding does not cause catastrophic property loss. Titanium requires complete inert gas protection on all surfaces above 500°F — any atmospheric exposure 原因 irreversible embrittlement. Both codes prohibit SMAW. D1.2 uses GMAW as a primary process; D1.9 most commonly uses GTAW. Neither code provides 事前認定WPS procedures.
D1.9とD1.1（鋼）の比較
D1.1 addresses 水素誘起割れ through preheat tables and 低水素 processes. D1.9 addresses oxygen and nitrogen contamination through multi-layered inert gas shielding systems. The thermal control philosophies are fundamentally different — D1.1 adds heat (preheat) to slow cooling; D1.9 minimizes heat input and shields all hot surfaces. D1.1 provides 事前認定 WPS options; D1.9 requires all procedures to be qualified by 試験 with contamination control verification.
D1.9とD1.6（ステンレス鋼）の比較
D1.6 controls パス間温度 to prevent sensitization in austenitic grades. D1.9 controls contamination by requiring complete inert gas coverage. Both codes recognize that excessive heat is detrimental (sensitization in stainless, contamination zone expansion in titanium). ステンレス鋼 can tolerate brief atmospheric exposure during welding with only surface discoloration; titanium cannot. D1.6 uses ferrite number control for 高温割れ 予防; D1.9 has no equivalent concern because titanium alloys have different solidification behavior.
| Aspect | D1.9 (Titanium) | D1.2 (Aluminum) |
|---|---|---|
| Primary concern | O₂/N₂ contamination | Hot cracking |
| Shielding | Primary + trailing + backup gas | Primary gas only |
| Preheat | Min 60°F (no moisture) | Max 250°F |
| Primary process | GTAW | GMAW, GTAW |
| Weld color test | Required (qualification) | Not required |
| Purge gas | Mandatory (back purge) | Not required |
関連規格ガイド
よくある質問
AWS D1.9では、最小予熱温度を60°F（16°C）と規定しています。最大予熱温度はWPSによって決定され、許容できない汚染や冶金学的劣化を引き起こす温度を超えてはなりません。D1.1に基づく鋼の溶接では、高い予熱が水素割れを防ぐのに対し、チタンの予熱は主に母材が露点以上であることを保証し、水分関連の気孔を防ぐことを目的としています。過度の予熱は、酸素と窒素の取り込み速度を増加させ、チタンにとって有害です。
チタンは、高温で酸素と窒素に対して極めて高い親和性を持っています。約500°F（260°C）を超えると、チタンは雰囲気からこれらの元素を急速に吸収し、深刻な脆化を引き起こす酸化チタンおよび窒化チタン化合物を形成します。わずかな汚染、例えば酸素が0.1%増加するだけでも、延性および破壊靭性を劇的に低下させる可能性があります。このため、D1.9ではシールド方法を重要変数として扱っています。WPS認定時にトレーリングシールドまたはバックパージが使用された場合、それらを削除するにはTable 3.3に従って再認定が必要です。実際には、約500°Fを超えるすべてのチタン表面（AWS G2.4ガイダンスによる）で不活性ガスシールドが維持されます。
AWS D1.9は、構造用チタンに対してティグ溶接 (GTAW)、ガスメタルアーク溶接、プラズマアーク溶接、EBW（電子ビーム溶接）、およびLBW（レーザービーム溶接）を対象としています。ティグ溶接 (GTAW) は、チタンを雰囲気汚染から保護するために必要な精密な熱制御と優れたシールドガス被覆を提供するため、最も一般的に使用されます。SMAWおよびFCAWは、チタンが必要とする汚染のない環境を提供できないフラックスシステムを使用するため、許可されていません。
トレーリングシールドは、主溶接トーチの後方に伸びる補助不活性ガス供給装置であり、溶接ビードと熱影響部が冷却される間、アルゴンシールドを維持します。チタンは、約500°F（260°C）以下に冷却されるまで酸素と窒素に反応し続けます。標準的なティグ溶接トーチは、直接の溶融池のみをシールドします。トレーリングシールドがない場合、トーチの後ろの凝固中の溶接部と熱影響部は、汚染温度をまだ超えている間に大気にさらされます。トレーリングシールドは、この冷却ゾーンにアルゴンの層流を供給し、変色と脆化を防ぎます。
D1.9（チタン）とD1.2（アルミニウム）の両方で、溶接中の厳密な雰囲気制御が要求されますが、その理由は異なり、厳格さのレベルも異なります。アルミニウムは、水素や酸化物介在物による気孔を防ぐために清潔で乾燥した表面を必要としますが、溶接中の雰囲気暴露は壊滅的ではありません。チタンは、500°Fを超えるすべての表面で完全な不活性ガスシールドを必要とし、いかなる雰囲気暴露も不可逆的な脆化を引き起こします。D1.2はガスメタルアーク溶接を主要なプロセスとして許可していますが、D1.9は最も一般的にティグ溶接 (GTAW) を使用します。両方の基準でSMAWは禁止されています。どちらの基準も事前認定WPS手順を提供していません。