高炭素鋼溶接の課題を探る
高炭素鋼の溶接はなぜ難しいのか？この記事では、脆いマルテンサイトを形成する傾向があるなど、この材料に関連する独特の難しさについて掘り下げている。
炭素鋼の溶接は、一般的な手法でありながら複雑な課題でもあります。このガイドでは、炭素鋼の溶接の複雑な世界を探求し、炭素鋼の種類、その溶接性、および強力で信頼性の高い接合部を確保するための具体的な技術について説明します。読者は、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼の溶接の違いや、一般的な溶接欠陥を避けるために必要な注意事項について学ぶことができます。炭素鋼溶接を成功させるための重要なステップとベスト・プラクティスを理解してください。
1.炭素鋼とは？
鉄鋼は、その化学成分によって炭素鋼と合金鋼の2種類に大別される。炭素鋼は炭素含有量によってさらに3種類に分類される：
低炭素鋼は軟鋼としても知られ、炭素含有量は0.25%未満である。その特徴は以下の通り：
用途は以下の通り：
低炭素鋼の中には、特定の機械的用途向けに耐摩耗性を高めるために浸炭処理やその他の表面硬化処理を施すものもある。
2.中炭素鋼
炭素含有量0.25%～0.60%の中炭素鋼：
主な特徴
アプリケーション
3.高炭素鋼
高炭素鋼は工具鋼とも呼ばれ、0.60%から1.70%の炭素を含む。その特徴は以下の通り：
炭素含有量に基づく用途：
高炭素鋼は通常、熱処理（焼入れ・焼戻し）を施し、用途に応じた最適な機械的特性を実現する。
鋼の溶接性は、主にその化学組成に影響され、 炭素含有量が最も重要な要素である。鋼材に含まれる他の合金元素も溶接に 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25 mm)、低い周囲温度 (<5°C)、または機械的要求の高 い用途では、基本電極を使用し、十分な予熱 (150-200°C)を行なうことが推奨される。炭素と硫黄の含有量が上限（C～0.25%、S＞0.05%）付近の低炭素鋼の場合は、さらに注意が必要です：
中炭素鋼(0.25-0.60% C)は、溶接中に冷間割れ を起こしやすい。炭素含有量が増加するにつれて、HAZの硬化 性が上昇し、低温割れの可能性が高くなり、 溶接性が低下する。母材中の炭素含有量の増加は、溶接金属中の 炭素含有量も増加させ、硫黄分と相まって熱間 割れを促進する可能性がある。中炭素鋼を溶接する際に、これらの問題を 軽減する：
高炭素鋼(>0.60% C)は、炭素含有量が高いため、 溶接に最も大きな問題をもたらす。溶接中、かなりの熱応力が発生し、HAZ は硬化と冷間割れの影響を強く受けやすく、 溶接金属は熱間割れを起こしやすい。その結果、高炭素鋼の溶接性は、3 種類の中で最も劣る。高炭素鋼の溶接構造物への使用は一般に 避けられ、補修溶接や耐摩耗部品の硬化肉盛に 限定される。高炭素鋼の溶接が必要な場合
中炭素鋼とは、炭素含有量が0.25%～0.60%の炭素鋼のことで、高品質炭素を含む。 構造用鋼種 30、35、45、50、55、およびZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640などの鋳造炭素鋼鋼種。
中 炭素鋼は低炭素鋼に比べて炭素含有量が多いため、 溶接性は劣る。炭素の質量分率が0.30%に近く、マンガン含有量が高くない場合は、溶接性はまだ良好であるが、炭素含有量が増加するにつれて、溶接性は徐々に悪化する。
炭素の質量分率が0.50%程度になると、溶接性は著しく悪化する。
中炭素鋼の溶接で起こりうる問題は以下の通りである：
鋼の炭素含有量が高いため、熱影響部は硬く脆くなりやすい。 マルテンサイト組織 溶接中にコールド・クラックが発生する。
不適切な溶接材料を使用した場合、または 溶接工程 の配合が適切でない場合、溶接部に冷間亀裂 が発生しやすくなる。
溶接中、高炭素の母材は溶けて溶接部に炭素を導入 し、溶接部の炭素含有量を増加させる。炭素は、金属中の硫黄とリンの影響を強め、熱間 割れを引き起こす可能性がある。
そのため、中炭素鋼の溶接では、溶接部に熱間 割れが発生しやすい。これは、母材中の硫黄とリンの含有量が高い 場合、または母材中の硫黄とリンの含有量が低い 場合に、特に顕著である。 溶接材料 が厳密に管理されていないため、ホットクラックが発生しやすくなっている。
さらに、鋼の炭素含有量が高いと、溶接部に COガス・ポアが発生しやすくなる。
中炭素鋼は、溶接時に低温亀裂や熱間亀裂 などの欠陥が生じやすいため、溶接を成功させ るためには特別な技術的対策が必要である。
アーク溶接には様々な方法がある。 スチール溶接.中炭素鋼は、大規模な溶接構造物よりもむしろ機械部品製造に一般的に使用されるため、シールド金属 アーク溶接 が最もよく使われている。
溶接部での低温および高温亀裂の発生を防止するた め、低水素電極は通常、シールド溶接で使用され る。 メタルアーク 溶接に使用される。これらの電極は、溶接部の水素含有量を低く 維持するだけでなく、脱硫および脱リン効果を 発揮し、溶接部の塑性と靭性を高める。
鋼材の炭素含有量が低く、接合部の剛性が低い場合は、ルチルまたは塩基性電極を使用することができる。ただし、融着率の最小化、被加工物の予熱の徹底、層間温度の管理など、厳密な技術的対策を実施する必要がある。
予熱が不可能な場合は、E308L-16 (A102), E308L-15 (A107), E309-16 (A302), E309-15 (A307), E310-16 (A402), E310-15 (A407)などのオーステナイト系 ステンレス鋼電極を使用できる。
予熱は、中炭素鋼の溶接時に割れを防止する 最も効果的な手法である。予熱は、継手の冷却速度を低下させ、マル テンサイトの形成を防ぐだけでなく、溶接応力を 低減し、水素の拡散を促進する。
ほとんどの場合、予熱と層間温度の維持が必要である。
予熱温度と層間温度の選択は、鋼の炭素当量、母材の厚さ、構造の剛性、電極の種類に依存する。
予熱温度は、溶接試験を通じて、または経験式 T0=550(C-0.12)+0.4δによって決定できる。この式で、T0は予熱温度(℃)を表し、Cは溶接母材中の 炭素の質量分率(%)を表し、δは母材の板厚を表す。 鋼板 (mm）。
30、35、45の鋼材を溶接する際の予熱温度と層間温度は、表1を参照されたい。
表1 カーボンの予熱温度と溶接後の焼戻し温度 スチール溶接
| 鋼種 | 溶接厚さ /mm | 運営プロセス | 溶接棒 カテゴリー | 注 | |
| 予熱層間温度 /℃ | 応力除去焼戻し温度 /℃ | ||||
| 30 | -25 | >50 | 600-650 | 非低水素系溶接棒 | 1.局所予熱のための溝両側の加熱範囲は150～200mm。 2.溶接プロセス中、ハンマリングは溶接を減少させるために使用できる。 残留応力. |
| 低水素系溶接棒 | |||||
| 35 | 25-50 | >100 | 低水素タイプ | ||
| >150 | 非低水素タイプ | ||||
| 50-100 | >150 | 低水素タイプ | |||
| 45 | -100 | >200 | 低水素タイプ | ||
母材が溶接部に溶け込む割合を減らすため、被加工材 には理想的にU字型またはV字型の溝を付けるべきである。鋳物の欠陥を補修する場合、溶接部に溶け込む母 材の量を最小限に抑えるため、掘削溝は滑らかな外 面を持つべきである。
溶接には直流逆極性電源を使用する。多層溶接の場合は、小径電極、低電流、低速溶接が必要である。 溶接速度 溶接の第一層に溶け込む母材の比率は、30% に達することがあるため、30% を使用すべきである。
溶接後、加工材は直ちに応力除去熱処理を受けること が理想的である。これは、板厚の大きい溶接部、剛性の高 い構造物、動荷重や衝撃荷重を受ける溶接部に おいて特に重要である。
ストレス緩和のための温度 アニール は一般的に摂氏600度から650度の間である。
溶接直後に応力除去熱処理を行えない場合は、後加熱を行う。 予熱温度保持時間は厚さ10mmにつき約1時間。
(I) 35 鋼および ZG270-500 鋳炭素鋼
35鋼の炭素質量分率は0.32%～0.39%で、ZG270-500鋳鋼の炭素質量分率は0.31%～0.40%である。炭素当量は約0.45%である。 鋼種 は受け入れられる。
しかし、溶接時の熱影響部では、硬くて脆い マルテンサイト組織 が形成される可能性があり、亀裂が入りやすい。したがって、この種の鋼を溶接する際には、一定の技術的措置を講じる必要がある。
電極アーク溶接を使用する場合 溶接継ぎ目 母材と同等の強度が必要な場合は、E5016 (J506) またはE5015 (J507) 溶接棒を使用することができる。母材と同等の強度の溶接シームが必要でない 場合は、E4316(J426)、E4315(J427)、E4303 (J422)、E4310(J423)などの溶接棒を選 択することができる。
サブマージアーク溶接では、HJ430またはHJ431フラックスとH08MnAまたはH10Mn2ワイヤーを選択できる。
スラグ溶接では、HJ430、HJ431、HJ360フラックスとH10Mn2、H08Mn2Si、H08Mn2SiAワイヤを選択できる。
35鋼とZG270-500鋳鋼を溶接する場合、一般的な溶接部の予熱温度と層間温度は150℃前後です。溶接部の剛性が比較的大きい場合は、予熱温度と層間温度を200～250℃に上げる必要があります。
局所予熱の加熱範囲は、溝の両側で150～200mm。
板厚が厚い溶接部品、剛性が高い溶接部品、動荷重や衝撃荷重を受ける溶接部品は、溶接直後に応力除去焼鈍を行なう必要がある。焼鈍温度は一般に600～650℃である。
一般的な板厚の溶接部品の場合、水素の拡散を逃がすために後加熱を行うことができる。
後加熱温度は一般に200～350℃、保持時間は溶接部の厚さにもよるが2～6時間である。
(II) 45 鋼および ZG310-570 鋳炭素鋼
45鋼の炭素の質量分率は0.42%～0.5%で、ZG310-570鋳鋼のそれは0.41%～0.50%である。炭素当量は約0.56%です。この鋼は硬化傾向が大きく、割れやすいため、溶接性は比較的悪い。
電極アーク溶接には、低水素溶接棒を選ぶべ きである。母材と同等の強度の溶接シームが必要な 場合は、E5516-G (J556)またはE5515-G (J557)溶接棒を使用できる。
母材と同等の強度の溶接継ぎ目を必要としない 場合は、E4316 (J426), E4315 (J427), E5016 (J506), E5015 (J507), E4303 (J422), E4301 (J423) などの溶接棒を選 択することができる。
サブマージアーク溶接では、HJ350またはSJ101フラックスとH08MnMoAワイヤーを選択できる。
45鋼とZG310-570鋳炭素鋼を溶接する場合、 溶接シームの溶融率を下げ、母材から溶接シーム への炭素移行量を減らすために、より小さい溶接 電流を選択すべきである。
この種の鋼材を溶接する場合は、全体を200℃以上に予熱するのがよい。
Tジョイントの場合、バットジョイントに比べて放熱方向が多いため、冷却速度が速くなる。 溶接継手 が増加し、コールド・クラックが発生しやすくなる。
従って、予熱温度は溶接部の厚さにもよるが、250～400℃まで適切に上昇させる必要がある。
層間温度は予熱温度より低くてはならない。
溶接後、直ちに応力除去焼鈍を行う。焼鈍温度は600～650℃である。
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