ステンレス鋼溶接における8つの重要な注意事項

1.クロムステンレス鋼

クロムステンレス鋼は、卓越した耐食性、特に酸化性酸、有機酸、キャビテーション侵食に対する耐食性で有名であり、優れた耐熱性と耐摩耗性も示します。これらの特性は、主に鋼の表面に不動態クロム酸化物層が形成され、様々な腐食環境から保護バリアを提供することに起因する。

この汎用性の高い合金は、発電プラント、化学処理施設、石油精製所、様々な高性能機器や材料など、重要な産業分野で幅広い用途があります。過酷な使用条件に耐える能力により、腐食性媒体や高温にさらされる熱交換器、圧力容器、配管システムなどの部品に不可欠です。

しかし、クロム・ステンレス鋼は、特に 溶接性の点で加工上の課題がある。高クロム含有は、耐食性には有益だが、 溶接中の鋭敏化や高温割れなどの問題を 引き起こす可能性がある。これらの問題を軽減するためには、正確な 溶接手順と注意深く制御された熱処理レジメ ントを実施することが極めて重要である。主な考慮事項は以下の通り：

1. 母材に適合する適切な充填材の選択
2. 低入熱溶接技術を利用し、熱影響部を最小限に抑える。
3. 炭化物の析出を防ぎ、耐食性を回復するための適切な溶接前熱処理および溶接後熱処理プロトコルの実施
4. 溶接プールを大気汚染から保護するため、シールド・ ガスを使用する。

2.クロム 13 ステンレススチール

タイプ410またはEN 1.4006としても知られるクロム13ステンレ ス鋼は、溶接後に高い焼入れ性を示し、マル テンサイト組織のため割れやすい。この材 料は、熱影響部 (HAZ)硬化に敏感であるため、 構造の完全性を維持するためには、慎重な 溶接手順が必要である。

割れのリスクを軽減するため、以下の溶接方法を推奨 する：

1. フィラーメタルの選択：

• 望ましい選択肢：G202やG207のようなクロム13ステンレス鋼電極 (AWS E410またはE410NiMoなど)を使用する。これらは、組成の適合性と最適な機械的 特性を提供する。
• 代替オプション：溶接後熱処理(PWHT)が不可能な場合は、A107 やA207などのオーステナイト系ステンレス鋼電極 (AWS E309またはE308Lなど)を使用する。オーステナイト組織は、延性が高いため、 耐亀裂性に優れている。

1. 予熱：

• 溶接前に、最低300°C (572°F)までの予熱を行な う。これにより、冷却速度が低下し、熱応力が最小化 されるため、低温割れのリスクが低下する。

1. インターパス温度制御：

• 過度の硬化を防ぎ、溶接部全体の機械的特性を一定 に保つため、パス間温度は300℃～350℃の間に 維持すること。

1. 溶接後熱処理（PWHT）：

• 可能な場合は、溶接後に約700℃の徐冷処理を行 う。焼き戻しとして知られるこの処理 は、残留応力を緩和し、熱影響部の延性を向上 させる。
• 未焼戻しマルテンサイトの生成を防ぐため、室温までの冷却速度は約50℃/時間（90°F/時間）に制御する必要がある。

1. 溶接技術：

• ストリンガービードや細い織りパターンなど、低入熱技術を採用し、熱影響部を最小限に抑え、ひび割れのリスクを低減する。
• 熱膨張と熱収縮を考慮し、溶接部品の過度な拘束は避ける。

3.クロム17ステンレス鋼

タイプ430フェライト系ステンレス鋼としても知られ るクロム17ステンレス鋼は、チタン (Ti)、ニオブ (Nb)、モリブデン (Mo) などの安定化元素を戦略的に添加することで強化される。これらの合金元素は、特に塩化物を含む環境での耐食性を大幅に改善し、溶接性を向上させる。改善された金属組織は、特に粒界腐食や応力腐食割れに対する耐性において、クロム13ステンレス鋼と比較して優れた性能を発揮する。

適合する溶加材 (G302およびG307に相当するER430ま たはE430電極など) を使用してクロム17ステンレ ス鋼を溶接する場合、適切な熱管理技術を実施 することが極めて重要である。最低200℃ (392°F)までの予熱は、低温割れのリ スクを最小限に抑えるために強く推奨される。溶接後熱処理(PWHT)は、応力除去のため、また所 望の微細構造を回復させるために、約800℃ (1472°F)で行う必要がある。この焼戻し処理は、残留応力を低減しなが ら延性と靭性を向上させるのに役立つ。

実際的な制約や設備の限界により、溶接後の 熱処理が不可能な場合、オーステナイト系クロ ム・ニッケル・ステンレス鋼電極 (ER308Lまたは E308Lなど、A107、A207に相当) を利用する方法がある。この異種金属溶接技法は、低温割れのリ スクを軽減し、PWHTを必要とせずに全体的な 溶接品質を向上させるのに役立つ。しかし、この方法は、溶接金属と母材間の耐食性 に若干の不一致をもたらす可能性があることに 注意することが重要で、これは溶接部品の設計お よび使用条件において考慮されるべきである。

4.クロム・ニッケル・ステンレス鋼

クロム・ニッケル系ステンレス鋼を溶接する際、 加熱サイクルを繰り返すと、鋭敏化として知られ る現象である粒界炭化物の析出が誘発される。このプロセスは、材 料の耐食性、特に粒界腐食に対する耐性を 著しく損ない、延性や靭性などの機械的特性に悪影 響を与える。

これらの問題を軽減するために、いくつかの戦略を採用することができる：

1. 入熱を制御する：低入熱溶接技術を利用し、溶接パス数を制限 して、臨界温度範囲（450-850℃）にいる時間を最 小限にする。
2. 安定化鋼種を使用する：チタンやニオブのような元素を含む安定化ステンレ ス鋼種（321や347など）を選ぶと、炭化物が優 先的に形成され、クロムは溶液中に残る。
3. 固溶化熱処理：溶接後に1000℃以上の温度で熱処理を行い、その後急冷することで、炭化物を溶解し、耐食性を回復させることができる。
4. 低炭素鋼種：炭化物形成に利用できる炭素量を減らすた め、低炭素 (<0.03%)ステンレス鋼種 (304L、316Lなど)を選択する。
5. 最新の溶接技術：パルス・アーク溶接、またはレーザー溶接や電子ビーム溶接のような高エネルギー密度の溶接を採用し、熱影響部の幅を最小限に抑え、感作リスクを低減する。

5.クロムニッケルステンレス電極

クロムニッケルステンレス鋼電極は、その卓越した耐食性と耐酸化性で有名であり、需要の多い様々な産業用途に不可欠です。これらの電極は、通常18-20%のクロムと8-12%のニッケルを含み、表面に不動態酸化層を形成し、過酷な環境に対して優れた保護を提供します。

その使用範囲は複数のセクターにまたがっている：

1. 化学産業：腐食性化学物質を扱う反応器、貯蔵タンク、配管システムに使用される。
2. 化学肥料製造：窒素系化合物やリン酸にさらされる装置で使用される。
3. 石油精製：原油蒸留装置、接触分解装置、貯蔵設備に使用される。
4. 医療機械製造：生体適合性と滅菌の容易さから、手術器具、インプラント、診断機器の製造に不可欠。
5. 食品加工：タンク、ミキサー、コンベアシステムなど、衛生性と耐食性が最も重要な場所で使用される。

これらの電極は、優れた溶接性を示し、通常800℃ (1472°F)までの高温でも機械的特性を維持します。また、極低温でも優れた延性と衝撃強度を発揮します。

6.クロムニッケル・ステンレスコーティング

クロム・ニッケル・ステンレス鋼コーティングは、通常、チタン安定化電極と低水素溶接電極の2つの主要なタイプを使用して施される。チタン安定化電極は、交流および直流電源の両方に対応する汎用性がある。しかし、交流溶接を使用する場合、溶け込み深さが制限され、熱割れのリスクが高まることに注意することが重要です。最適な結果を得るには、直流溶接、特に DC+（逆極性）を強く推奨する。

電極の選択は、溶接位置と継手の構成に依存する。直径4.0mm以下の電極は、全姿勢溶接に適し ており、複雑な形状や位置外作業に対して優れた柔 軟性を提供する。平坦な隅肉溶接および水平隅肉溶接には、より高 い溶着速度と効率の向上を可能にするため、直径 の大きい電極（5.0mm以上）が好まれる。

クロム・ニッケル・ステンレス・コーティングを施す 際には、材料の耐食性と機械的特性を維持するため に、適切なパス間温度(通常150℃以下)を維持するこ とが極めて重要である。さらに、適切なシールド・ガス (GTAWではAr/2-3% N2など)を使用すること で、溶接品質を高め、クロムの酸化を最小限に 抑えることができる。

7.溶接棒

適切な電極の取り扱いと準備は、高品質の 溶接を保証するために極めて重要である。使用中の電極の乾燥状態を維持することは、溶接の欠陥を防ぎ、最適な性能を確保するために最も重要である。

電極の種類によって、特定の乾燥手順が必要です：

• チタンカルシウム電極：150℃（302°F）で1時間乾燥
• 低水素電極：200～250℃で1時間乾燥

乾燥サイクルを繰り返すことは、ひび割れや剥離を含む皮膜の劣化につながるため、推奨されないことに注意することが肝要である。この劣化は、電極の完全性と溶接 性能を損なう可能性がある。

適切な電極の保管と乾燥の第一の目的は、吸湿と汚染を防ぐことです。油、汚れ、またはその他の汚染物質に曝されると、 電極の被覆に悪影響を与える可能性がある。これらの不純物は、溶接プールに好ま しくない成分を持ち込み、溶接金属の炭素含有 量を増加させる可能性がある。炭素含有量の増加は、溶接物の機械的特性お よび全体的品質に悪影響を及ぼし、延性の 低下、硬度の上昇、亀裂の入りやすさなどの問 題につながる。

電極の品質を維持し、安定した溶接結果を得るた めには、以下のベスト・プラクティスを実施する：

1. 電極は、湿度が管理された清潔で乾燥した環境で保管してください。
2. 最適な水分レベルを維持するように設計された電極オーブンまたは保管容器を使用する。
3. 必要な数の電極は、使用直前に保管場所から取り出してください。
4. 電極の長期保管を防ぐため、先入れ先出し（FIFO）在庫システムを導入する。
5. 使用前に、電極に損傷や汚染の兆候がないか定期的に点検する。

8.溶接電流

ステンレス鋼を溶接する場合、材料の劣化を 防ぎ、最適な溶接品質を確保するためには、 溶接電流を正確に制御することが極めて重 要である。クロム炭化物の析出とそれに続く粒界腐食のリ スクを軽減するには、炭素鋼電極に通常使用され る電流値より約 20% 低い溶接電流を使用するこ とが不可欠である。この電流の低減は、入熱を最 小化し、鋭敏化温度範囲 (450-850°C) で費 やす時間を制限するのに役立つ。

アーク長を短く維持することも同様に重要であ る。これは、熱集中を促進し、熱影響部（HAZ） を減少させるためである。この方法は、溶接溶け込みを改善するだけで なく、歪みと残留応力の抑制にも役立つ。

ステンレス鋼溶接では、中間層の急速冷却が 重要である。これは、以下の方法で達成できる：

1. 適切なヒートシンク技術の導入
2. バッキングバーの使用
3. 断続的な冷却を可能にするパルス溶接技術の採用

最適な結果を得るには、幅の狭い溶接ビードが 好ましい。この方法には、いくつかの利点がある：

• 入熱コントロールの向上
• 母材の希釈の低減
• 溶接部の機械的特性の向上
• 歪みと残留応力の最小化