溶接ワイヤの金属元素：溶接品質への影響を解説

溶接ワイヤに含まれるSi、Mn、S、P、Cr、AI、Ti、Mo、Vなどの合金元素について、これらの合金元素が溶接性能に及ぼす影響について教えてください。以下に各元素について説明する：

シリコン（Si)

シリコンは、溶接ワイヤに最もよく使用される脱酸元素である。鉄が酸素と結合するのを防ぎ、溶融プール中のFeOを還元することができる。

しかし、脱酸にケイ素を単独で使用すると、得られるSiO₂ は融点が高く（約1710℃）、生成される粒子は小さ く、溶融池から浮上しにくい。このため、溶接金属中にスラグが巻き込まれる可能性がある。

マンガン (Mn)

マンガンの機能はケイ素と似ているが、脱酸能力はケイ素よりやや劣る。マンガンを単独で脱酸に使用した場合、得られるMnOは密度が高く（15.11g/cm³)で、溶けたプールから浮き上がるのも難しい。

脱酸機能に加えて、溶接ワイヤ中のマンガンは硫黄と結合して硫化マンガン（MnS）を形成することができ、これを除去（脱硫）することで、硫黄に起因する高温割れの傾向を低減することができる。

脱酸にケイ素やマンガンを単独で用いると脱酸生成物の除去が困難なため、ケイ素とマンガンを組み合わせてケイ酸塩の複合体（MnO-SiO₂)を脱酸する。

MnO-SiO₂ は融点が低く（約1270℃）、密度も低い（約3.6g/cm³).大きなスラグの塊に凝固して溶融池から浮き上がり、良好な脱酸効果を得ることができる。

マンガンもまた重要である。 合金元素 鋼の重要な焼入れ性要素である。溶接金属の靭性に大きな影響を与える。

Mn含有量が0.05%未満の場合、溶接金属は高い靭性を持つ。Mnが3%を超えると、溶接金属は脆くなる。Mn含有量が0.6%～1.8%の場合、溶接金属 は高い強度と靭性を持つ。

硫黄（S）

鋼中の硫黄は硫化鉄の形で存在することが多いが、これは粒界に沿って網目状に分布し、鋼の靭性を著しく低下させる。共晶 鉄の温度 と硫化鉄は比較的低い（985℃）。

そのため、熱間加工では、加工開始温度が一般に1150～1200℃であるため、鉄と硫化鉄の共晶がすでに溶融しており、加工中に割れが発生する。

この現象は "硫黄熱間脆性 "として知られている。硫黄の特性により、鋼は溶接中に熱間割れを起こしやすい。

そのため、鋼中の硫黄含有量は厳しく管理されている。普通炭素鋼、高級炭素鋼、高度高級鋼の主な違いは、硫黄とリンの含有量である。

前述したように、マンガンは硫黄とともに高融点（1600℃）の硫化マンガン（MnS）を形成し、粒の中に粒状に分布するため、脱硫効果がある。

熱間加工中、硫化マンガンは硫黄の有害な影響を排除するのに十分な可塑性を持っている。したがって、鋼中のマンガン含有量を一定に保つことは有益である。

リン (P)

リンは完全に溶解する。 鋼中のフェライト.鋼の強化効果は炭素に次ぐもので、鋼の強度を高める。 強度と硬度 鋼鉄の。

リンは鋼の耐食性も向上させるが、延性と靭性を著しく低下させる。この影響は特に低温で深刻で、「リン冷脆性」現象として知られている。

そのため、溶接に悪影響を及ぼし、鋼の割れ感受性を高める。不純物として、鋼中のリンの含有量も制限されなければならない。

クロム（Cr）

クロムは強度を高め 鋼の硬度 一方、延性と靭性はあまり低下しない。クロムは強力な耐食性と耐酸性を持つため、オーステナイト系ステンレス鋼には一般的に13%以上のクロムが含まれる。

クロムはまた、強い耐酸化性と耐熱性を持つ。そのため、クロムは12CrMo、15CrMo、5CrMoなどの耐熱鋼にも広く使用されている。クロムは鋼中に一定量含まれている。

クロムはオーステナイト鋼の重要な成分であり、フェライトの構成成分でもある。の耐酸化性と機械的性質を向上させることができる。 合金鋼 が高温で発生する。オーステナイト系ステンレス鋼では、クロムとニッケルの合計量が40%で、Cr/Ni比が1の場合、高温割れが発生する傾向がある。

しかし、Cr/Ni比が2.7の場合、熱間割れの傾向は見られない。

したがって、一般に18-8系鋼においてCr/Ni比が2.2～2.3程度になると、クロムは合金鋼中で炭化物を形成しやすくなり、熱伝導率を低下させ、クロム酸化物の形成により溶接が困難になる。

アルミニウム（AI）

アルミニウムは強力な脱酸元素の一つである。そのため、脱酸剤としてアルミニウムを使用することで、FeOの生成を抑えるだけでなく、FeOを還元しやすくし、溶融池で発生するCOガスの化学反応を効果的に抑制し、COポロシティに対する耐性を向上させることができる。

さらに、アルミニウムは窒素と結合して窒素固定効果を形成し、窒素の多孔性を低下させることもできる。

しかし、脱酸にアルミニウムを使用すると、高融点AI₂O₃ (約2050℃）は、溶融プール中で固体状態で存在し、溶接金属中にスラグを巻き込みやすい。

同時に、アルミニウム含有溶接ワイヤーはスパッタが発生しやすく、過剰なアルミニウム含有は溶接金属の耐熱亀裂性を低下させる。

したがって、溶接ワイヤのアルミニウム含有量は厳密に管理されなければならず、高すぎてはならない。溶接ワイヤのアルミニウム含有量が適切に管理されれば、溶接金属の硬度、降伏点、引張強さがわずかに改善される。

チタン（TI）

チタン は強力な脱酸元素でもあり、窒素と結合してTiN を形成し、窒素固定の役割を果たし、溶接金属の窒素ポロシ ティに対する耐性を向上させる。

適切な量のチタンとホウ素（B）が溶接金属の組織に存在すれば、溶接金属の組織を微細化することができる。

モリブデン (Mo)

モリブデンは、合金鋼の強度と硬度を高め、結晶粒を微細化し、焼戻し脆性と過熱傾向を防止し、高温強度、クリープ強度、耐久性を向上させることができる。

モリブデンの含有量が0.6%未満の場合、延性を向上させ、割れ傾向を抑え、衝撃靭性を高めることができる。また、モリブデンは黒鉛化を促進する傾向がある。

そのため、16Mo、12CrMo、15CrMoなどの耐熱鋼のモリブデン含有量は、一般的に0.5%程度である。

合金鋼中のモリブデン含有量が0.6%から1.0%の場合、モリブデンは合金鋼の塑性と靭性を低下させ、焼入れ傾向を増加させる。

バナジウム (V)

バナジウムは鋼の強度を高め、結晶粒を微細化し、粒成長の傾向を抑え、焼入れ性を向上させる。

バナジウムは比較的強い炭化物形成元素であり、形成される炭化物は650℃以下では安定である。

また、時効硬化効果もある。バナジウム炭化物は高温安定性があり、鋼の高温硬度を向上させることができる。バナジウムは鋼中の炭化物の分布を変えることもできるが、耐火性酸化物を形成しやすく、溶接や切断を困難にする。

一般に、溶接金属中のバナジウム含有量が0.11%程度であれば、窒素固定に一役買い、不利な状況を有利な状況に変えることができる。