溶接鋼101：なぜ低炭素鋼は溶接可能で、高炭素鋼は溶接できないのか？

化学成分によって、鋼は炭素鋼と合金鋼の2種類に大別される。

炭素鋼はさらに次のように分類される：

(i) 低炭素鋼：炭素含有量 < 0.25%
(ii) 中炭素鋼：炭素含有量0.25～0.60%
(iii) 高炭素鋼：炭素含有量 > 0.60%

低炭素鋼は軟鋼とも呼ばれ、炭素含有量が 0.25%未満である。比較的低い強度、硬度、延性を特徴とする。このカテゴリーには、ほとんどの普通炭素構造用鋼と一部の高級炭素構造用鋼が含まれます。軟鋼は一般的に、熱処理を必要としない構造部品や、浸炭処理などの表面硬化処理によって耐摩耗性が必要とされる機械部品に使用される。

炭素含有量0.25%から0.60%の中炭素鋼は、熱間加工性と機械加工性は良いが、溶接性は悪い。低炭素鋼に比べ強度と硬度は高いが、塑性と靭性は低い。中炭素鋼は冷間圧延や冷間引抜の形で直接、または熱処理後に追加加工なしで使用することができます。

中炭素鋼は、適切に焼入れ・焼戻しを行うと、優れた機械的特性を発揮します。最大硬度は約HRC55（HB538に相当）、引張強度は600～1100MPaに達する。これらの特性により、中炭素鋼は中強度用途の中で最も広く利用されている材料となっている。建築や様々な機械部品の製造に幅広く使用されている。

0.60%から1.70%の炭素を含む高炭素鋼で、工具鋼としても知られている。焼入れと焼戻しに適していますが、溶接性は劣ります。炭素含有量は特定の用途に合わせて調整されます：

• 0.75%炭素鋼：ハンマーやバールのような衝撃工具に使用される。
• 0.90%～1.00%の炭素鋼：ドリル、タップ、リーマなどの切削工具に使用。

それぞれの炭素鋼鋼種はユニークな特性を持ち、強度、硬度、延性、機械加工性などの要素をバランスさせながら、アプリケーションの特定の要件に基づいて選択されます。

比較 溶接特性 低炭素鋼と高炭素鋼の

低炭素鋼と高炭素鋼の溶接特性の比較

鋼の溶接性は、主にその化学成分によって支配 され、炭素含有量が最も重要な要素である。他の合金元素も溶接性に影響 を与えるが、一般的にその影響は炭素に比べ て小さい。

低炭素鋼(通常<0.25% C)は優れた溶接性を示し、特別な 注意を必要としないことが多い。しかし、低温環境、厚板、高性能用途での 溶接には、基本電極の使用と予熱が必要な場 合がある。炭素と硫黄の含有量が低炭素鋼の上限に 近づいた場合、熱割れを防止するための追加 的な対策を講じる必要がある。これには、高品質の低水素溶接材料の使用、 溶接前後の熱処理、継手設計の最適化などが含 まれる。

中炭素鋼(0.25-0.60% C)は、特に炭素含有量が増 えると、溶接による割れの影響を受けやすくなる。これは、熱影響部 (HAZ)の硬化性が高いためで、冷間割れのリ スクを高め、全体的な溶接性を低下させる。さらに、溶接金属の炭素含有量は、母材に比例 して増加し、割れのリスクをさらに悪化させる。

中炭素鋼に硫黄が含まれていると、溶接中に熱間 割れが発生する可能性が著しく高くなる。こうしたリスクを軽減するためには、耐割れ 性に優れた基本電極を選択することが極めて重 要である。また、溶接前後の適切な熱処理を実施する ことで、熱応力と組織変化を管理し、割れの傾向 を効果的に低減することができる。

高炭素鋼(>0.60% C)は、炭素含有量が高いため、 最も困難な溶接特性を示す。その結果、溶接応力が高くなり、HAZの熱間および冷間割れのリスクが大幅に増加する。高炭素鋼の溶接部は、中炭素鋼に比べ て特に高温割れを起こしやすい。そのため、高炭素鋼は一般的な溶接加工に はほとんど使用されず、主に補修溶接や耐摩耗性部 品の硬化処理などの特殊な用途に限定されてい る。

溶接後の熱処理、特に焼き戻しは、すべての 炭素鋼、特に中炭素鋼および高炭素鋼の溶接 部に不可欠である。この処理は、残留応力を緩和し、組織を 安定させ、遅れ割れのリスクを大幅に低減す る。適切な焼き戻しによって、溶接継手の機械的特性、靭性、および全体的な性能が劇的に改善されます。

炭素鋼の溶接で最適な結果を得るには、予熱お よび通過間温度、入熱管理、適切な溶加材の選択、およ び溶接後の熱処理パラメーターなどの要素を 考慮することが極めて重要である。これらの変数 は、望ましい機械的特性を持つ高品質で欠陥のな い溶接部を実現するために、特定の炭素含有量 と用途要件に合わせて慎重に調整されなければな らない。