炭素鋼の溶接：説明

1.炭素鋼の溶接

鉄（Fe）を主成分とし、合金元素として少量の炭素（C）を含む炭素鋼は、"炭素鋼 "と呼ぶことができる。炭素鋼はさまざまな方法で分類することができる。

炭素含有量により、低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼に分類される。品質により、普通炭素鋼、高級炭素鋼、高級高級炭素構造用鋼に分類される。

用途によって構造用鋼と工具鋼に分けられる。特定の産業における特定の要件や用途に応じて、圧力容器用炭素鋼、ボイラー用炭素鋼、造船用炭素構造鋼などの特殊鋼がある。

炭素鋼の溶接性は、主に炭素含有量によって決まる。炭素含有量が増加するにつれて、溶接性は 徐々に低下する。炭素鋼に含まれるマンガン(Mn)とケイ素(Si)も 溶接性に影響を与え、炭素ほど顕著ではないが、 含有量の増加は溶接性を悪くする。

等価炭素含有量は炭素当量（Ceq）として知られ、鋼中の合金元素の含有量を等価炭素含有量に換算して算出される。これは鋼の溶接性を評価するための参考指標となる。

このようにして、炭素（C）、マンガン（Mn）、ケイ素（Si）が溶接性に及ぼす影響を、炭素鋼に適した炭素当量（Ceq）式にまとめることができる。

Ceqの値が大きくなるにつれて、冷間割れに対する感受性が高くなり、溶接性が悪くなる。一般的に、Ceq値が0.4%未満の場合、鋼 は硬化傾向がほとんどなく、予熱の必要なく良好 な溶接性を示す。Ceq値が0.4%から0.6%の間 の場合、鋼材は硬化傾向が著しく、低温割れに対 する感受性が高まり、溶接性は中程度になる。

このような場合、溶接時に予熱などの追加措置が必 要となる。Ceq値が0.6%を超えると、溶接性が非常に悪くなる。

炭素鋼中の不純物(S、P、O、Nなど)や微量元素(Cr、Mo、V、Cuなど)は、炭素鋼の割れ感受性や機械的特性に大きな影響を与える。 溶接継手.実際、溶接性は合金元素の含有量だけでなく、溶接継手の冷却速度によっても決まる。

特に、低炭素鋼や高炭素鋼の場合、特定の条件下で 溶接熱 サイクルでは、冷却速度が速 くなり、溶接部および熱影響部にマルテンサイトが 形成される。

もっと マルテンサイト が存在するほど硬度が高くなり、その結果、 溶接性が悪くなり、割れが発生しやすくなる。そのため、溶接時の冷却速度の制御が極めて重要になる。

予熱、層間温度制御、後加熱、あるいは大入熱溶接を採用することで、溶接継手の冷却速度を低下させることができ、その結果、ミクロ組織と硬さを制御し、低温割れの可能性を最小限に抑えることができる。

炭素鋼の溶接性に影響する上記の要因に加えて、 母材の溶接前の熱処理状態も溶接性に大きな影響を 与えるため、炭素鋼の溶接では見過ごせない。

2.低炭素鋼の溶接

1.低炭素鋼の溶接特性

低炭素鋼は、通常0.25%未満の炭素と最 少量のマンガン(Mn)およびシリコン(Si)を含み、その 組成により優れた溶接性を示す。この鋼種は一般的に、溶接中に激しい硬化や焼入れ組織を形成しないため、様々な接合工程に非常に適している。

優れた塑性と衝撃靭性など、低炭素鋼固有の特性 は、溶接継手にもよく反映される。これらの特性は、母材と溶接部の両方で、変形や突発的な衝撃に耐える材料の能力に貢献しています。

低炭素鋼溶接の主な利点のひとつは、溶接 工程が単純化されることである。標準的な条件下では、通常、溶接は不要である：

1. 予熱
2. 層間温度制御
3. 溶接後加熱
4. 組織改善のための溶接後熱処理（PWHT）

この合理化されたアプローチは、関節の完全性を維持しながら、処理時間とコストを大幅に削減する。

しかし、状況によっては、低炭素鋼の溶接が困難になる場合があることに注意する必要があります。このようなケースは、まれではあるが、以下のような原因で発生する可能性がある：

1. 仕様から逸脱した母材組成
2. 硫黄（S）、リン（P）、酸素（O）などの不純物が過剰に含まれている。
3. 不適切な溶接方法またはパラメータの実施

最適な溶接品質を確保するためには、鋼材の成分を確認し、適切な溶接プロセスとパラメーターを選択することが不可欠である。

低炭素鋼の多用途性は、適用可能な溶接方法の幅の広さからも明らかであり、それぞれが高品質の接合部を作り出すことができる。現在の業界標準技術には以下が含まれる：

1. 被覆アーク溶接（SMAW）
2. CO2シールドによるガスメタルアーク溶接（GMAW）
3. ガス・タングステン・アーク溶接（GTAW）
4. サブマージアーク溶接（SAW）
5. エレクトロスラグ溶接 (ESW)
6. 酸素燃料溶接（OFW）
7. 抵抗溶接（RW）

各溶接方法には、用途、継手設計、生産要件に 応じた特有の利点がある。例えば、CO2シールドを使用するGMAWは、溶着速度が速く自動化に適しているため好まれることが多く、GTAWは薄肉断面溶接やルートパスの精度の高さで選ばれる。

結論として、低炭素鋼は一般的に最も溶接しやすい鋼種であるが、潜在的な問題に対する認識を維持し、ベスト・プラクティスを遵守することで、様々な用途で一貫した高品質の溶接継手を実現することができる。

2.溶接方法と溶接材料の選択

(1) シールド金属アーク溶接

被覆アーク溶接(SMAW)は、低炭素鋼部品の接合に多用途で広く採用されている技術である。低炭素鋼溶接の電極選定の基礎となるのは、溶接金属の機械的特性が母材と密接に一致するか、わずかに上回るようにする等強度の原則である。

E43xxシリーズの電極は、低炭素鋼の機械的特性との適合性により、この用途で主に利用されています。低炭素鋼は通常、約417.5MPaの平均引張強さを示しますが、E43xxシリーズ電極は、最低420MPaの引張強さの析出金属を生成します。このわずかなオーバーマッチングにより、構造体全体の性能を損なうことなく、強固な接合部を実現します。

E43xxシリーズは、多様なタイプの電極と商 品ブランドを網羅しており、溶接士は、特定の母 材組成、継手構成、および負荷条件に基づいて、 電極の選択を微調整することができる。溶接位置、要求される延性、衝撃靭性などの要 因も、電極選択時に考慮すべきである。

重要な構造用途や複雑な荷重シナリオにさらされる部品には、低水素電極(例えば、E7018)を強く推奨します。これらの電極は、特に厚い 部位や拘束の強い接合部において、水素に よる割れのリスクを最小限に抑える。表5-1に、様々な溶接シナリオにおける電極選 択の包括的な指針を示す。

その他の鋼種を溶接する場合は、JB/T 4709-2007のような業界固有の規格や、関連する国家規格を参照することが不可欠です。これらの資料には、鋼組成、機械的特性要件、使用条件などの要素を考慮した、詳細な電極選択基準が記載されています。

溶接の品質と効率を最適化するため、最新の SMAWプロセスには、パルス電源、アーク安定 性を向上させる特殊な電極コーティング、および高度 な混合シールド・ガスが多く採用されている。これらの技術革新により、溶け込みが向上し、スパッ ターが減少し、特に定位置でない溶接用途では、 溶接全体の美観が改善される。

(2) ガスメタルアーク溶接 (GMAW)

二酸化炭素(CO2)シールド・ガスを使用するガス金属アーク溶接 (GMAW)は、その汎用性、効率、費用対効果により、低炭素鋼の溶接に近年大きな人気を博している。このプロセスでは、ソリッドワイヤとフラックス入りワイヤの2種類の主要な溶接ワイヤを使用し、それぞれ特定の用途に適した明確な利点があります。

低炭素鋼用溶接ワイヤの選択は、溶接金属の 機械的特性が母材とほぼ一致するか、わずかに上 回るようにする等強度の原則に従う。この原則は、構造物の完全性を維持するた めに極めて重要であり、母材の特性に基づくワ イヤ選択の包括的なガイドを表5-1に示す。

CO2ガス金属アーク溶接用の溶接ワイヤ・オプションには、以下のものがある：

1. ソリッド・ワイヤー：通常、あらゆる位置でスパッタのないきれいな 溶接に使用される。ER70S-3およびER70S-6が一般的。
2. フラックス入りワイヤー：成膜速度が高く、屋外用途に最適。E71T-1とE71T-11が一般的。

詳細な仕様と性能特性については、GB/T 8110-1995「ガス・シールド溶接用炭素鋼および低合金鋼溶接ワイヤ」などの国家規格、またはソリッド・ワイヤについてはAWS A5.18、フラックス入りワイヤについてはAWS A5.20などの国際同等規格を参照のこと。

最適な溶接品質を達成するためには、シールド・ ガスの品質が最も重要である。溶接に使用されるCO2 ガスは、汚染を防ぎ、適切なアーク安定性を確保す るために、最低99.5%の純度が必要である。加工業者の中には、溶接特性をさらに改善し、スパッタを低減するために、75%アルゴン/25% CO2などの混合ガスを選択する者もいる。

CO2シールドによるGMAWを実施する際には、以下のベストプラクティスを考慮してください：

1. 材料の厚さに応じて、ワイヤーの送り速度と電圧設定を適切に保つ。
2. 適切なガス流量を確保してください。ほとんどの用途では、通常20～25 CFH（9.4～11.8 L/min）です。
3. 最適な溶け込みとビード・プロファイルを得るため に、溶接ガンの押し付け角度を10～15度に保つ。
4. アークが不安定になったり、気孔ができたりするのを防ぐため、コンタクトチップとガスノズルは定期的に清掃してください。

これらのガイドラインを遵守し、適切な溶接ワイヤーを選択することで、加工業者はCO2ガス金属アーク溶接を使用して、低炭素鋼の高品質で効率的な溶接を実現することができる。

(3) サブマージアーク溶接（SAW）

サブマージアーク溶接(SAW)は、特に中・厚板用途の低炭素鋼の接合に広く採用されている、高効率で汎用性の高いプロセスである。この方法は、溶け込みが深く、機械的特性に優れた高品質の溶接部を製造するのに優れている。低炭素鋼SAWでは、化学組成が一定で送給 性に優れるH08AやH08MnAなどのソリッドワ イヤが頻繁に選択される。

これらのワイヤーは通常、HJ430、HJ431、 HJ433などの高マンガン、高シリコン、低フッ化物フラックスと組み合わされる。この 組み合わせは、アークの安定性を最適化し、スラ グの剥離性を高め、微細な溶接金属組織の 形成を促進する。フラックス中の高マンガン含有量は、溶接中のマ ンガン損失を補い、シリコンは脱酸と機械的特性を向 上させる。フッ素含有量が低いため、水素に起因する割れのリ スクが最小限に抑えられ、有害なヒュームの発 生も抑えられる。

業界では、化学組成と溶接特性の制御を強化する焼結フラックスの使用傾向が高まっている。先進的な焼結フラックスの中には、鉄粉を組み 込んだものもあり、両面形成片面溶接と呼ばれる画 期的な技術を可能にしている。この革新的な手法では、特別に設計された裏当 て材が使用されるため、両側から溶接されたかの ような美的外観を持つ溶接部が得られる。この技法は、見た目の美しさを向上させるだけでなく、再位置決めや複数パスの必要性を減らすことにより、溶接効率を大幅に向上させる。

低炭素鋼のサブマージ・アーク溶接に一般的に使 用される溶接材料の概要（ワイヤー・フラックスの組み合 わせと具体的な用途を含む）については、以下の 表5-1を参照のこと。この表は、板厚、継手設計、希望する機械的 特性などの要因に基づき、最適な溶接材料を選 択するための貴重な指針を提供するものである。

(4) 手動タングステンイナートガス（TIG）溶接

重要な構造用途、特に低炭素鋼管の突合せ継 手溶接では、完全溶け込み溶接構造を達成するこ とが最も重要である。多くの工業施設では、ルート・パスに手動のTIG溶接を採用し、その後、被覆アーク溶接(SMAW)とTIG溶接を組み合わせて充填とキャッピングを行います。また、全工程を手動のTIG溶接のみに頼っている事業所もあり、正確な制御と高品質の結果を保証しています。

低炭素鋼のTIG溶接を行う場合、化学成分 のばらつきを最小限に抑え、溶接部の一貫した 機械的特性を保証するために、専用の溶接フィ ラー・ワイヤーを利用することが不可欠であ る。20、20g、20Rなどの鋼材には、強度と延 性の最適なバランスを提供するH08Mn2SiA 溶加材が一般的に適している。TIG溶接で使用されるシールド・ガス、通 常アルゴン（Ar）は、汚染を防ぎ溶接の完全 性を確保するため、最低99.99%の純度を維持 しなければならない。

TIG溶接は低炭素鋼の用途に非常に効果的であるが、特定のプロジェクト要件に基づいて、他のいくつかの溶接方法を採用することができる：

1. ナローギャップ・サブマージアーク溶接（SAW）：肉厚部品に最適で、高い溶着速度と優れた機械的特性を提供します。
2. 酸素燃料溶接：薄肉材料や補修作業に適しており、現場での用途に柔軟に対応できる。
3. エレクトロスラグ溶接：非常に厚い材料、特に垂直な溶接位置で効率的。

ボイラーと圧力容器の製造では、幅広い溶接技法とその組み合わせが利用される。これらの手法の選択は、材料の厚さ、接合部の構成、アクセス性、生産量、特定の規格要件などの要因に基づいて行われる。高度な技術には次のようなものがある：

• 正確で再現性の高いパイプ継手のための自動オービタルTIG溶接
• フラックス入りアーク溶接(FCAW) 位置決めなし溶接で高い溶着率を実現
• 最小限の入熱を必要とする薄物材料のレーザービーム溶接
• 特定の低炭素鋼種の固体接合用摩擦攪拌接合

溶接方法の選択は、ボイラーおよび圧力容器製造において、構造的完全性を確保し、規制基準を満たし、生産効率を最適化する上で極めて重要である。

表5-1：低炭素鋼溶接によく使用される溶接材料の例

3.溶接プロセスのポイント

(1) 溶接前の準備

溶接前の準備には以下のような側面がある：

1) 溝の準備

溝の加工は冷間加工法で行うべきだが、熱間加工法も使用できる。また 溶接溝 亀裂、剥離、スラグの混入などの欠陥がなく、平坦に保たれていること。

寸法は図面または溶接工程の仕様に従うこと。開先（溶接電極アーク溶接の場合は10mm、サブマージアーク溶接の場合は20mm）の表面および両側は、水、さび、油、スラグおよびその他の有害な不純物を十分に除去してください。

2) 溶接電極およびフラックスは、規定に従って乾燥させ、保温する。溶接ワイヤは、油、錆、その他の不純物を除去する必要がある。

3) 予熱

一般に、低い。 炭素鋼溶接 は、特別な工程措置を必要としない。しかし、冬の寒冷地では 溶接継手 は急速に冷却され、ひび割れの傾向が強まる。このことは、特に大きな 溶接厚さ.

亀裂の発生を避けるため、 溶接前の予熱また、溶接中の層間温度の維持や、加熱後の対策も講じることができる。その 予熱温度 は、試験結果および関連規格に基づいて決定することができる。予熱温度は、表5-2および表5-3に示すように、製品によって異なる場合がある。

表5-2：一般的な低炭素鋼剛性構造の予熱温度

表5-3：低炭素の予熱温度 鉄鋼溶接 低温環境下

4) 溶接の位置決め

位置決め溶接とは、溶接部品上の様々な部品の位置を組立て、固定するために行われる溶接を指す。出来上がった溶接部は位置決め溶接と呼ばれる。位置決め溶接には、溶接継ぎ目と同じ溶接材料を使用し、同じ溶接プロセスを適用する必要がある。

位置決め溶接部には亀裂がないことが望ましく、そうでない場合は取り外して再溶接しなければならない。永久溶接部に溶け込む位置決め溶接の端部は、溶接が容易でなければならない。 弧を打つ.空隙やスラグの混入がある場合は、それらを除去する必要がある。

(2) 溶接の要件

溶接条件は以下の通り：

1) 溶接工は、図面、工程書類、技術基準の要求事項に従って溶接を行わなければならない。

2) アーク放電はバッキング・プレート上または溝内で行い、溶接部以外でのアーク放電は禁止する。アークを消すときは、クレーターを埋める。

3) 溶接中の層間温度は規定範囲内に制御する。ワークが予熱されている場合、層間温度は予熱温度より低くてはならない。

4) 各溶接は1回の連続作業で完了させ、中断はできるだけ避ける。

5) 溶接面の形状、寸法および外観の要件は、関連規格を 満たさなければならない。

6) 溶接表面には、亀裂、ポロシティ、クレーター、 目に見えるスラグ介在物がないこと。溶接部上のスラグおよび両側のスパッタは除去さ れなければならない。溶接部と母材との間の移行は滑らかでなければ ならない。溶接面のアンダーカットは、関連規格の要件を 超えてはならない。

3.中炭素鋼の溶接。

1.中炭素鋼の溶接特性

炭素含有量が0.30%から0.60%の中 炭素鋼は、様々な溶接特性を示す。この範囲の下限(wC≈0.30%)で、マンガン含有量が中程度の場合、この鋼は良好な溶接性を示す。しかし、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。

炭素含有量が0.50%に近い鋼の場合、標 準的な低炭素鋼溶接プロセスを採用すると、 熱影響部(HAZ)に脆いマルテンサイト組織が 形成され、割れの危険性が著しく高まる。溶接 パラメーターと溶加材の選択が注意深く管理さ れなければ、この感受性は溶接金属そのものに も及ぶ。溶接中、母材は大幅に希釈され、不純物レベルが 上昇し、特に硫黄含有量が厳しく規制されていない 場合、凝固（高温）割れの可能性が高まる。このような高温割れは、溶接クレーター部 分に最も多く発生する。

中炭素鋼の溶接欠陥の発生傾向は、割れに 限定されない。炭素含有量が増加するにつれて、鋼 は気孔が形成されやすくなり、溶接パラメーターと シールド・ガスの純度を厳しく管理する必要が ある。

中炭素鋼は、高強度構造部品と耐摩耗性機械部品および工具の両方に用途がある。機械部品に使用される場合、多くの場合、強度の最大化よりも最適な硬度と耐摩耗性の達成に重点が置かれる。いずれの場合も、慎重に設計された熱処理工程を経て、望ましい特性が達成されるのが一般的である。

熱処理部品の溶接には、独特の課題がある。予熱、パス間温度の管理、溶接材料の適切な選 択など、亀裂の発生を緩和するための予防措置を 実施しなければならない。溶接による入熱は、HAZの局所的な軟化を招き、部品の 性能を損なう可能性があることを認識することが極め て重要である。HAZの機械的特性を回復し、溶接継手全体の均一 な性能を確保するために、溶接後熱処理（PWHT） が必要な場合が多い。

中炭素鋼の溶接を成功させるには、以下を含む包括的なアプローチが必要である：

1. プリヒート温度とインターパス温度の精密制御
2. 適切なフィラーメタルの選択（多くの場合、母材よりも炭素含有量が低い
3. 低水素溶接プロセスの導入
4. HAZサイズと熱影響を最小化するための厳密な入熱制御
5. 機械的特性を最適化し、残留応力を緩和するための溶接後熱処理の検討

これらの要因を注意深く管理することで、中 炭素鋼でも所望の機械的特性と部品の構造的完全 性を維持した高品質の溶接部を製造することが可 能になる。

2.溶接方法と溶接材料の選択

(1) 中炭素鋼の被覆アーク溶接(SMAW)

被覆アーク溶接(SMAW)は、中炭素鋼の溶接方法とし て主流であるが、その本質的な溶接性は低い。主に機械部品製造に使用されるこの鋼種は、継手の完全性と性能を確保するために特殊な溶接技術を必要とする。

中炭素鋼のSMAWでは、電極の選択が極めて重 要である。溶接金属の強度を母材と一致させなけれ ばならない場合には、同等グレードの電極が 不可欠である。しかし、完全な強度一致が必要でない 場合は、より低強度の電極を使用すること ができ、溶接設計の柔軟性とコスト削減の可能 性がある。

低水素電極は、その優れた特性により、中炭素鋼SMAW用途に強く推奨されます：

1. 優れた脱硫能力
2. 析出金属の塑性と靭性の向上
3. 拡散性水素の含有量が低い
4. 高温割れと水素誘起低温割れ（HICC）の両方に対する高い耐性

これらの特性は、溶接品質を大幅に改善し、中炭素鋼継手の欠陥リスクを低減する。

特定のシナリオでは、チタン鉄またはチタンカルシウムタイプの電極を採用することができる。しかし、これらの使用には厳格なプロセス管理が必要である：

• 正確な予熱温度管理
• 溶接部の炭素含有量を減らすために、溶融深さを 最小限に抑える。
• 入熱量と冷却速度を慎重にコントロール

特殊な用途では、クロム-ニッケル・オーステナ イト系ステンレス鋼電極は、中炭素鋼を 溶接する際にユニークな利点を提供する：

• 予熱の必要性の排除
• 優れた溶接金属の塑性加工性により、溶接継手への応力を低減。
• 熱影響部(HAZ)の低温割れリスクの軽減

適切な電極（表5-4に例を示す）の選択は、特 定の用途、機械的特性要件、および溶接条件に基 づくべきである。継手設計、板厚、使用環境などの要素も、 溶接プロセスを最適化し、溶接構造の寿命と信 頼性を確保するために考慮しなければならない。

表5-4：中炭素鋼電極の例

(2) その他の溶接方法

中炭素鋼には、設計仕様、材料特性、およ びプロジェクト要件によって主に選択される、 様々な溶接技術を採用することができる。ガス・メタル・アーク溶接 (GMAW)は、一般にCO2ガス・シールド溶接として知られ、高い生産性と優れた溶接品質を提供する汎用性の高いオプションである。

CO2ガス・シールド溶接を中炭素鋼に使用する場合、溶加材の選択は非常に重要である。グレード30および35の鋼線が頻繁に使用され、H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA、H04MnSiAlTiAなどの特定の合金が一般的な選択肢です。これらのワイヤーは、最適な機械的特性と中炭素鋼との化学組成の適合性を提供するように設計されています。

適切な溶接ワイヤーを選ぶには、いくつかの 要素を考慮する必要がある：

1. 望ましい溶接特性：強度、延性、衝撃靭性の要件を考慮する。
2. 基材の組成：希釈の影響を最小限にするため、適合性を確保する。
3. 溶接位置：ワイヤによっては、特定の位置（平ら、垂直、頭上など）でより優れた性能を発揮するものもある。
4. 溶接パラメータ：電流、電圧、移動速度はワイヤの選択に影響する。
5. 環境条件：温度や湿度などの要因を考慮する。
6. 溶接後の熱処理要件：特定の熱処理工程に適したワイヤーもある。

最適な溶接ワイヤーを選択する際には、溶接の 専門家、メーカーの推奨、および関連する溶接 規準（例えば、構造用鋼の場合はAWS D1.1）を参 考にすることが不可欠である。さらに、溶接手順確認試験を行な うことで、特定の用途のために選択したワイヤ ーおよび溶接パラメーターを検証することができ る。

3.溶接プロセスのポイント

(1) 溶接前の準備

以下の準備は、高品質の溶接結果を確保するために極めて重要である：

1) 電極の調整：溶接電極は、使用前に適切に乾燥させ、指定さ れた温度に維持しなければならない。電極調整として知られるこの工程は、 水分を除去し、溶接部の水素脆化を防ぐ。

2) 表面処理：溶接部を徹底的に清掃し、すべての欠陥、錆、油分、 湿気およびその他の汚染物質を除去する。鋲溶接の場合は、継手の完全性を維持するた めに、適切な溶接継目の寸法を確保する。適切な表面処理は、強固な冶金学的接合を実 現し、溶接欠陥を最小限に抑えるために不可欠であ る。

3) 熱管理：
a) 予熱：中炭素鋼の場合、一般的に予熱が必要である。この工程は、溶接部および熱影響部 (HAZ)の冷却速度を低下させ、マルテンサイト 形成を防ぎ、接合部の延性を改善し、残留応力を 最小限に抑える。

b) インターパス温度管理：マルチパス溶接では、パス間温度を初期予熱温 度以上に維持する。これによ り、溶接工程全体を通して一貫した温度状態が保た れる。

予熱温度はいくつかの要因によって決定される：

• 炭素当量（CE）
• ベースメタルの厚さ
• 構造剛性
• 電極の種類と水素電位
• 溶接プロセスパラメータ

一般的なガイドラインとして：

• 35等級および45等級鋼の場合、予熱温度は通常150℃から250℃の範囲である。
• CEが高く、厚みが増し、構造上の制約が大きい材料の場合、予熱温度は250℃から400℃の範囲になることがある。
• 局部予熱を使用する場合は、溶接開先の両側150 ～200mmに加熱ゾーンを広げる。

予熱温度は、炭素当量の増加、継手厚さの増加、 あるいは水素ポテンシャルの高い電極を使用す る場合に増加させる必要がある。予熱の正確な要件については、常に材料別の 溶接手順および規格を参照のこと。

(2) 溶接の要件

中炭素鋼を溶接する場合、接合部の完全性と機 械特性を最適化するために、特定の技術を採用す ることが極めて重要である。推奨される方法は、ガス・メタル・アーク溶接 (GMAW)またはショート・アーク溶接法において、狭い溶接ビードと短絡 転送モードを利用することである。多層溶接の場合は、戦略的な積層プロセスが 不可欠である。

初期層は、小径の電極（通常0.8-1.0 mm）と低 溶接電流（約100-150 A）を用いて析出させ、完全 な溶け込みを確保しつつ、入熱を最小限に抑え、母 材の溶け込み深さを浅くする必要がある。この技法は、熱影響部 (HAZ)を制御し、水素に起因する割れのリ スクを軽減するのに役立つ。

中間層では、より高いワイヤーエネルギーを適用することで、成膜速度を上げ、効率を向上させることができる。これには、材料の厚みや接合部の構成にもよるが、電流を180～250Aまで増加させる必要がある。ただし、過度の発熱を防ぐため、適切なインターパス温度（通常は150～200℃）を維持するように注意しなければならない。

最終パスまたは複数のパスは、先に析出した 溶接金属との完全な融合を達成する必要があ る。この作業には2つの目的がある。それは、構造 的完全性を確保することと、溶接部の熱影響部、 特に融合線に隣接する母材に、その場で焼き戻 し処理を施すことである。

この焼戻し効果は、脆いマルテンサイトから延 性の高い焼戻しマルテンサイトまたはベイナイト への変態を促進することで、HAZの硬度と脆性を 低減するのに役立つため、極めて重要である。その結果、このプロセスは、溶接後熱処理 (PWHT)の前に、低温割れ感受性を著しく低下 させ、溶接継手の全体的な靭性を向上させる。

溶接品質をさらに向上させるには、予熱 (通常、中炭素鋼では150-250℃)の実施と、適切な パス間温度管理による冷却速度の制御を考慮する 必要がある。これらの方法を、説明した重ね合わせ技法と 組み合わせることで、残留応力を最小化し、中 炭素鋼溶接部の機械的特性を最適化する強固な 溶接手順が生まれる。

(3) 溶接後の熱処理

溶接後熱処理(PWHT)は、特に高強度鋼や複雑な構 造物の溶接加工において重要なプロセスである。応力除去熱処理は、特に厚い断面 の部品、剛性の高い構造物、および動荷重や衝 撃荷重のような過酷な使用条件にさらされる組 立物に対して、溶接直後に実施することが望 ましい。応力除去熱処理の最適温度範囲は、一般的に 600℃～650℃（1112°F～1202°F）であり、具体的な温度 は材料組成と溶接パラメーターに依存する。

操業上の制約から、即座の応力除去が不可能な場 合でも、溶接金属および熱影響部（HAZ）からの水素 拡散を促進するために、後加熱を行うべきである。水素ベークアウトとして知られるこの プロセスは、水素誘起割れ (HIC) のリスクを軽減 するのに役立つ。水素除去のための加熱後温度は、予熱温度とは異 なり、材料の厚さ、水素含有量、環境条件などの 要因に基づいて決定する必要がある。一般的に、ほとんどの鋼材では200℃～400℃ (392°F～752°F)の温度が水素拡散に効果的である。

効果的な応力緩和と水素除去には、後加熱保温の時間が重要である。一般的なガイドラインは、材料厚さ10mm (0.4インチ) あたり約1時間、後加熱温度を維持することである。しかし、この時間 は、特定の合金、溶接プロセス、および接合部 の形状によって調整が必要な場合がある。複雑な形状またはマルチパス溶接の場合、 溶接構造全体に均一な温度分布と最適な応力除去を 確保するために、より長い保持時間または段階的 な冷却工程が必要になる場合がある。

PWHT後の冷却速度は、新たな残留応力の発生を防ぐため、通常、厚肉部では1時間当たり150℃（302°F）を超えないよう、慎重に制御する必要があることに留意することが重要です。さらに、時間-温度プロファイルを含むPWHTプロセスの適切な文書化は、品質保証とASME BPVC Section IXやAWS D1.1などの業界規格への準拠のために不可欠です。

4.高炭素鋼の溶接

1.高炭素鋼の溶接特性

高炭素鋼は、炭素含有量(wC)が0.6%を超える鋼と定義され、高炭素構造用鋼、高炭素鋳鋼、炭素工具鋼を含む。中炭素鋼に比べて炭素含有量が高いため、溶接工程で硬くて脆い高炭素マルテンサイトが形成されやすくなります。

この特性は、急冷割れや全体的な割れ感受性 を高め、溶接性を著しく損なう。そのため、高炭素鋼が溶接構造物に使用され ることはほとんどない。その代わりに、高硬度や耐摩耗性を必要とする部品、特殊工具、特定の鋳造用途に主に使用される。

一般に工具鋼または鋳鋼と呼ばれるこれらの材料は、加工よりも補修目的で溶接されることが多い。所望の高硬度と耐摩耗性を達成するために、高炭素鋼部品は通常、熱処理工程、特に焼き入れと焼き戻しを受けます。

溶接中の割れのリスクを軽減するために、2 段階の熱処理がしばしば採用される：

1. 溶接前の焼きなまし：この工程は、内部応力を低減し、材 料を軟化させることで、溶接中の割れの可能性を 低減する。
2. 溶接後熱処理（PWHT）：溶接後、慎重に制御された加熱と冷却のサイクルを経て、高硬度と耐摩耗性を回復または強化する。

高炭素鋼を溶接する場合は、さらなる注意が必要である：

• ワークピースを予熱して冷却速度を下げ、マルテンサイトの形成を最小限に抑える。
• 水素誘起割れのリスクを低減するため、低水素電極またはプロセスを使用する。
• 熱入力と冷却速度を管理するためにパス間温度を制御する。
• 溶接後の徐冷技術を導入し、ひび割れリスクをさらに低減する。

このような特殊な溶接手順と熱処理プロトコルを遵守することで、高炭素鋼溶接特有の課題を効果的に管理することができ、材料の望ましい機械的特性を維持しながら補修作業を成功させることができます。

2.溶接方法と溶接材料の選択

高炭素鋼は、溶接性が悪いという特徴があ り、主に特殊な部品、コンポーネント、工具な ど、高い硬度や耐摩耗性が要求される用途で使 用される。高炭素鋼の最も一般的な溶接技術は、特 定の溶接電極を使用する被覆アーク溶接 (SMAW) である。

溶接材料の選択は、鋼材の炭素含有量、ワークの 設計、作業上の要件など、いくつかの要因に左右 される。母材と同じ溶接継手特性を達成することは 困難であることに注意することが重要であ る。高炭素鋼は通常、675 MPaを超える引張強さを 示す。

溶接材料を選択する際、製品設計仕様が重要な 役割を果たす。高強度を必要とする用途では、E7015-D2 (J707)またはE6015-D2 (J607)のような電極が一般的に採用される。これらの電極は、高炭素鋼の強度と 溶接性のバランスが良い。

高強度を重視しない場合には、E5016 (J506)またはE5015 (J507)電極を使用することができる。あるいは、同等の強度等級を持つ低合金鋼 電極または金属フィラーを選択することも できる。具体的な選択 にかかわらず、高炭素鋼溶接で一般的な問題 である水素誘起割れのリスクを最小化するた め、すべての溶接材料は低水素タイプである べきである。

特殊な用途や、特に厳しい溶接条件の場合は、 クロム・ニッケル系オーステナイト系ステンレス鋼 電極を使用することができる。これには、E308-16 (A102)、E308-15 (A107)、 E309-16(A302)、E309-15 (A307)などがある。これらの電極を使用する場合、一般的に予熱は必 要ではないが、剛性の高い材料には、割れのリスクを 低減し、溶接品質全体を向上させるために、予熱 を推奨する。

高炭素鋼の溶接工程では、残留応力を管理し、 望みの機械的特性を維持するために、冷却速度の 制御や溶接後の熱処理など、さらなる配慮が 必要になることが多い。低水素含有量と最適な溶接性能を確保するた めには、電極の適切な保管と取り扱いも重要で ある。

3.溶接工程のポイント

(1) 溶接前の準備：

高炭素鋼を溶接する前に、以下の準備が重要である：

1) 高炭素鋼の焼鈍は、内部応力を低減し溶接性を向 上させるために、溶接前に不可欠である。

2) 構造用鋼電極を使用する場合、予熱は必須である。推奨される予熱温度範囲は250～350℃である。熱衝撃を防ぎ、割れのリスクを低減するた め、溶接工程を通してこの温度をパス間温度と して維持する。

3) 適切な電極コンディショニングが重要である。電極はメーカーの仕様に従って乾燥させ、水素脆化の原因となる吸湿を防ぐため、温度管理された環境（保温箱または保温管）で保管する。

4) 被加工物の表面を徹底的に清掃し、水分、油分、さび、 スケール、その他の汚れがないことを確認する。この段階は、高品質の溶接を実現し、欠陥を防 ぐために極めて重要である。

(2) 溶接要件：

溶接工程では、以下の対策を実施すること：

1) 中炭素鋼に使用されるのと同様の特殊技術を採用する：

• 熱影響部を減らすために融解率を最小にする。
• 熱入力を制御するために低いアンペア数設定を使用する
• 熱の集中を抑えるため、より速い走行速度を採用
• コールド・スタートや潜在的な欠陥を防止するため、溶接を中断することなく継続できるようにする。

2) プレ・パイル法の活用：本溶接のパスを進める前に、 溶接金属の薄い層を溝に堆積させる。この技法は、冷却速度を制御し、割れのリ スクを軽減するのに役立つ。

3) 高剛性で厚い断面の溶接部には、応力低減技術を実施する：

• 溶接ビードの順序と配置の最適化
• セグメント溶接またはバックステップ溶接を適用する。
• 圧縮応力を誘発するために、溶接ビードの溶接 後ピーニングを検討する。

(3) 溶接後の熱処理：

溶接直後、被加工材に応力除去熱処理を施す：

• 溶接部品を精密な温度制御が可能な炉に入れる。
• 650℃まで加熱し、材料の厚さと溶接の複雑さに基 づく時間、この温度で保持する（通常、厚さ 25mmにつき1時間）。
• 応力緩和を最大限にし、ひび割れのリスクを最小限にするため、室温までゆっくりと冷却する。

注記: 高炭素鋼の正確な成分組成、被加工材の厚さ、特 定の溶接用途により、予熱、溶接、溶接後の熱処 理の具体的なパラメーターを調整する必要がある場 合がある。正確な要件については、関連する溶接 規準および規格を常に参照すること。

5.炭素鋼溶接の一般的な例

1.低炭素鋼溶接の代表例

(1)被覆アーク溶接による低炭素鋼の溶接例

ある化学機械製造会社で、板厚8mmの20R炭素鋼を用いて二酸化硫黄製造用コンデンサーを製作した。円筒体の長手方向の溶接継ぎ目はV字形の開先を持つ突合せ継ぎ目で、溶接法は被覆アーク溶接であった。溶接手順は表5-5を参照されたい。

表5-5：電極アーク溶接継手の溶接プロセスカード

溶接仕様パラメータ

(2)低炭素鋼の例では、底部閉鎖は手動TIG溶接、充填とカバー溶接は電極アーク溶接

上記と同じ装置を使用して、直径わずかφ616mmのシリンダー本体の閉め継ぎ目は、完全に貫通した継ぎ目を必要とする。

工場では、表5-6の溶接工程に示すように、底部閉鎖にTIG溶接、充填とカバーに電極アーク溶接を採用した。

溶接仕様パラメータ

(3) 低炭素鋼のCO2ガスシールド溶接例：Q235鋼の水車支持カバーをCO2ガスシールドウェルダー溶接で製作した。使用した溶接ワイヤはER49-1（H08Mn2SiA）で、直径は1.6mmである。溶接プロセスを表5-7に示す。

表5-7 二酸化炭素ガスシールド溶接継手の溶接プロセスカード

ジョイント溶接プロセスカード			番号
	ベース素材	Q235	Q235
	基材の厚さ	30mm	50mm
	溶接位置	フラット溶接
	溶接技術	ストレート溶接ビード
	予熱温度	室温
	層間温度	≤ 150 ℃
	ノズル径	Φ20mm Φ25mm	保護ガス	CO2
	ガス流量 L/分	フロント	20-25
		バック

溶接仕様パラメータ

2.中炭素鋼の典型的な溶接例

(1) 電極アーク溶接による中炭素鋼の溶接例

某造船所にて35#鋼製シャフトをフランジに溶接する。表5-8の溶接工程を参照してください。

ジョイント溶接プロセスカード			番号
関節のスケッチ：	ベースとなる素材	35	35
	基材の厚さ：	50mm	50mm
	溶接の位置	垂直溶接
	溶接技術：	ストレート溶接ビード
	予熱温度：	150~200℃
	インターパス温度：	150~200℃

溶接仕様パラメータ

(2) 炭素鋼の例 被覆アーク溶接による機械部品の修理

某工場のエアハンマーのピストンロッド（直径280mm）に亀裂が入った。シールドアーク溶接で補修。

まず、ひび割れ部にU字溝を形成し、ひび割れ部を十分に洗浄した。溶接部の予熱温度を150℃に上げ、溶接には直径φ3.2mmのJ507溶接棒を用い、溶接電流は100～120Aとした。

変形を防ぐため、対称交互溶接が採用された。溶接直後、火炎を使用して局部焼戻しを行 い、溶接部と隣接部を暗赤色に加熱した後、空冷 した。一定期間の使用後、溶接結果は非常に良好であった。

低合金鋼は、炭素鋼に様々な合金元素を添加した鋼の一種で、その総質量分率は5%以下である。これらの合金元素は、鋼の強度、塑性、靭性、耐食性、耐熱性、その他の特殊な特性を向上させるために添加される。

これらの鋼種は、船舶、橋梁、ボイラー、圧力容器、パイプライン、従来型および原子力発電設備、各種車両、重機、海洋、建設産業などで広く使用されてきた。現在では、大型溶接構造物の最も重要な構造材料となっている。

溶接製造に使用されるいくつかの一般的な低合金鋼は、その性能と用途を考慮した結果、大きく2つのカテゴリーに分けることができる。第一のカテゴリーは高強度鋼で、通常の条件下で静的および動的荷重に耐える必要がある機械部品やエンジニアリング構造物に主に使用される。

第二のカテゴリーは特殊鋼で、主に特殊な条件下で使用される機械部品やエンジニアリング構造物に使用される。高強度鋼の範囲は広範に及び、以下の条件を満たす鋼はすべて高強度鋼である。 降伏強度 σs≧295MPa、引張強さσb≧395MPaを高強度鋼と呼ぶ。

この分類の中では、降伏強度レベルと熱処理状態に基づき、一般的に熱間圧延鋼と焼ならし鋼、低炭素低合金鋼、低炭素低合金鋼、低炭素低合金鋼、低炭素低合金鋼、低炭素低合金鋼の3種類に分類される。 焼き入れと焼き戻し 鋼、および中炭素焼入れ焼戻し鋼である。

6.熱間圧延鋼と焼ならし鋼の溶接

1.熱間圧延鋼と焼ならし鋼の溶接特性

熱間圧延または焼ならし状態で供給・使用される鋼は、熱間圧延鋼と焼ならし鋼を含めて熱間圧延・焼ならし鋼と呼ばれる。降伏強度が295-490MPaのこの種の鋼には、GB/T 1591-2008「低合金高強度構造用鋼」のQ295-Q460鋼が主に含まれる。

降伏強度が295-390MPaの低合金鋼は、ほとんどが熱間圧延鋼で、合金元素であるマンガンの固溶強化効果によって高強度を実現している。

中でもQ345は中国で最も広く使用されている高強度鋼である。Q345はさらに5つの品質等級に分けられ、Q345Aは旧呼称の16Mnに相当し、Q345Cはボイラーや圧力容器に使用される16Mngおよび16MnR鋼に相当する。

降伏強度が390MPaを超える低合金鋼は、一般にQ420のような焼ならしまたは焼ならし焼戻し状態で使用される。焼ならし後、炭素と窒化化合物が固溶体から微粒子の形で析出する。これは鋼の強度を高めるだけでなく、一定量の合金元素や微量合金元素を確実に含有させます。

熱間圧延鋼と焼ならし鋼、および炭素鋼の 溶接性の違いは、主に溶接入熱により敏感 な熱影響部の組織と特性の変化にある。熱影響部の硬化傾向が強まり、水素誘起割 れの影響を受けやすくなる。

炭素や窒化物形成元素を含む熱延鋼や焼なら し鋼にも、再加熱割れのリスクがある。しかし、全体的には溶接性は 比較的良好である。正しい溶接手順を開発し、溶接性を確保するた めには、さまざまな種類の熱延鋼および焼なら し鋼の溶接性の特徴とパターンを理解する必 要がある。 溶接品質.

(1) 溶接熱影響部の組織と特性の変化

溶接熱影響部で達するピーク温度に基づいて、 溶融部、粗粒部、細粒部、不完全変態部、焼戻し 部に分けることができる。熱影響部の異なる領域における微細組織と特性は、鋼の化学組成と溶接中の加熱および冷却速度に依存する。

溶接の冷却速度が適切に制御されないと、 熱影響部の局所的な領域が焼き入れを起こしたり、 脆性組織が発達したりして、耐割れ性や靭性が 低下する可能性がある。粗粒ゾーンと不完全変態ゾーンは、溶接継手 の2つの弱点である。

熱延鋼を溶接する場合、溶接入熱が高すぎると、粗粒 域で結晶粒の著しい成長またはウィドマンシュテッ テン組織が発生し、靭性が低下する。逆に、溶接入熱が低すぎる場合、粗粒 部のマルテンサイトの割合が増加し、靭性が 低下する可能性がある。

焼ならし鋼を溶接する場合、粗粒ゾーンの 性能は溶接入熱により大きく影響される。溶接入熱が大きいと、粗粒ゾーンに粗いラス状ベイナイトまたは上部ベイナイトが形成され、靭性が著しく低下する。

溶接熱影響部の不完全変態部は、溶接加熱中に脆 化する。脆いマルテンサイトが形成されないように 溶接の冷却速度を制御することが、不完全変態部 の脆化を防止する対策である。

(2) 熱ひずみ脆化

熱ひずみ脆化とは、熱とひずみの複合作用下で溶接中に発生するひずみ老化の一種である。溶存窒素の存在によって起こり、200～400℃の温度で最も顕著である。主に溶存窒素を含む低炭素鋼や強度の低い低合金鋼で発生する。

熱ひずみ脆化を解消する有効な手段は、溶接後の熱処理である。600℃程度で応力除去焼鈍を行うと、靭性は元のレベルに回復する。例えば、Q345、Q420(15MnVN)は共に溶接後熱ひずみ脆化しやすい。しかし、600℃で1時間焼鈍処理すると、靭性は正常レベルに回復する。

(3) 溶接クラック

1) 水素誘起クラッキング：

溶接における水素誘起割れは、一般に冷間割れま たは遅れ割れとして知られている。最も深刻なプロセス欠陥であり、しばしば溶接構造物の破損や破壊の主原因となる。熱間圧延鋼や焼ならし鋼の溶接における水素誘起割れは、主に溶接熱影響部に発生し、時には溶接金属にも発生する。

冷間き裂の形成に寄与する3つの要因のうち、材料に関連するものは硬化組織の存在である。熱間圧延鋼や焼ならし鋼では、合金元素の添加により、低炭素鋼に比べて硬化傾向が強まる。例えば、Q345やQ390鋼を溶接する場合、急冷することで硬化マルテンサイト組織が形成され、冷間割れが発生しやすくなる。

しかし、熱延鋼板の炭素当量は比較的低いため、通常、冷間割れの傾向は大きくない。しかし、低温環境や厚鋼板では、冷間 割れの発生を防止する対策を講じる必要がある。合金元素含有量の高い焼なら し鋼では、溶接熱影響部での硬化傾向が強 まる。

強度レベルと炭素当量が低い焼なら し鋼では、低温割れの傾向は大きくない。しかし、強度レベルと板厚が増加するにつれて、硬化性と冷間割れ傾向も増加する。冷間割れの発生を防止するためには、溶接入熱の制御、水素含有量の低減、予熱、適時の溶接後熱処理が必要である。

2) ホットクラッキング：

炭素鋼に比べ、熱延鋼や調質鋼は炭素 (wC)および硫黄 (wS)含有量が低く、マンガン (wMn)含有量が高いため、熱間割れの傾向が低い。しかし、厚肉圧力容器の製造では、マルチパス・ サブマージ・アーク溶接のルートや、開先近傍の高 希釈溶接のように、溶接金属に高温割れが発生するこ とがある。

MnおよびSi含有量の高い溶接材料の使用、 溶接入熱の低減、溶接部の母材融解率の低減、およ び溶接形状係数（溶接部の幅と高さの比）の増加 は、溶接金属の高温割れの防止に役立つ。

4) ラメラ裂傷

海洋工学、原子炉、船舶などの大型厚板構造物の溶接では、鋼材が板厚方向に大きな引張応力を受けると、鋼材の圧延方向に沿ってラメラ状の裂け目が発生することがある。この種の亀裂は、完全な貫通が必要なコーナー・ジョイントやTジョイントでしばしば発生する。

ラメラ・テアリングを防ぐには、ラメラ・テアリングを起こしにくい鋼材を選択すること、接合部の厚み方向の応力やひずみを低減するよう接合部の設計を改善することが重要である。 鋼板.さらに、低強度溶接材料の使用や、エッジ準備のための低強度溶接消耗品の採用、予熱や水素低減措置の実施はすべて、製品が要求仕様を満たすことを保証しながら、ラメラの破れを防ぐのに役立つ。

2.溶接方法の選択

熱間圧延鋼および焼ならし鋼は、被覆アーク溶接、 ガス・メタル・アーク溶接、サブマージ・アーク 溶接、タングステン・イナート・アーク溶接など、 一般的に使用されている方法で溶接できる。 ガス溶接およびフラックス入りアーク溶接。

溶接方法の具体的な選択は、溶接製品の構造、 板厚、要求性能、生産条件によって決まる。被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接、ソリッドワイヤおよびフラックス入りワイヤCO2ガスシールド溶接が、一般的に使用される溶接方法である。

3.溶接材料の選択

熱間圧延鋼および焼ならし鋼の溶接材料を選 択する際には、溶接金属の強度、塑性率、靭性 が製品の技術要件を満たしていることを第一に考 慮すべきである。

さらに、耐クラック性や溶接の生産効率といった要素も考慮に入れる必要がある。

1) 溶接の性能要件に基づく溶接材料の選択

熱間圧延鋼や焼ならし鋼を溶接する場合、一般 に母材と同等の強度を持つ溶接材料を選ぶこ とを推奨する。溶接金属の靭性、塑性および強度を総合的に考 慮すべきである。溶接部または溶接継手の実際の強度が、 製品要件より低くない限り、許容できる。

2) 溶接材料の選択時に、プロセス条件の影響を考慮する。

溶接材料を選択する際には、開先や継手の設計、 溶接後の加工技術、その他の加工条件などの要 因も考慮する必要がある。

(2)溶接材料を選択する際には、開先や継手の設計、溶接後の処理技術などのプロセス条件の影響も考慮する必要がある。

1) 溝とジョイントの設計の影響

同じ鋼材を同じ溶接材料で溶接する場合、開先 設計によって溶接性能が異なる場合がある。例えば、開先がないQ345鋼のサブマージアーク 溶接にHJ431フラックスを使用する場合、溶接金属 に溶け込む母材量が多くなる。この場合、合金含有量の低いH08Aワイヤ ーとHJ431フラックスを使用することで、溶接の 機械的性能要件を満たすことができる。

しかし、開先加工を施したQ345鋼の厚板を 溶接する場合、同じH08A-HJ431の組み合わせ で溶接すると、母材の融合率が小さくなるため、 溶接強度が低下する可能性がある。そのような 場合は、H08MnAやH10Mn2のような合金含有量の 高いワイヤとJ431フラックスの組み合わせを 推奨する。

2) 溶接後の加工技術の影響

溶接継手に熱間圧延または熱処理を施す場合、 高温熱処理が溶接金属の特性に及ぼす影響を 考慮することが重要である。溶接金属は、熱処理後も必要な強度、塑性、 靭性を有していなければならない。

このような場合、合金含有量の高い溶接材料を選ぶべきである。一方、その後の冷間圧延や冷間スタンピングを受ける溶接継手の場合、溶接金属にはより高い塑性が要求される。

(3) 厚板、拘束力の強い構造物、低温割れが発生しやすい構造物には、耐割れ性を向上させ、予熱温度を下げるために、超低水素溶接材料を使用することを推奨する。

厚板や拘束力の強い溶接物の場合、溶接部の第一層が最も割れやすい。このような場合、低水素または超低水素 タイプのような、強度はやや低いが塑性加工性 と靭性に優れた溶接材料を選ぶことができる。

(4) 重要な場合 溶接アプリケーション海洋石油プラットフォーム、圧力容器、船舶な ど、安全性が最も重要視される分野では、溶接 部は優れた低温衝撃靭性と破壊靭性を持たなけれ ばならない。高塩基度フラックス、高靭性ワイヤ、電極、高純度シールド・ガス、Ar+CO2混合シールド・ガスの使用など、高靭性溶接材料を選択する必要がある。

(5) 生産性を向上させるために、高効率の鉄粉電極、 重力電極、高溶着速度のフラックス入りワイヤ、 高速フラックスなどを使用できる。垂直アップ溶接では、下向き溶接電極を使用できる。

(6) 風通しの悪い場所（船室、圧力容器など）での溶接作業では、衛生状態を改善するため、低発塵・低毒性の溶接電極を使用することが望ましい。

表5-9：一般的に使用される溶接の例 材料選択 熱間圧延鋼および焼ならし鋼用

4.溶接プロセスのポイント

 (1) 溶接前の準備

 溶接前の準備には、主に開先の準備、溶接材料の乾燥処理、予熱とパス間温度管理、位置決め溶接が含まれる。

 1) 面取りの準備。

 熱間圧延鋼や焼ならし鋼の場合、開先加工は冷間加工やシャーリングなどの熱切断法で行うことができる、 ガス切断カーボン・アーク切断、プラズマ切断など。高強度鋼の場合、熱切断時にエッジに硬化層が形成されることがあるが、その後の溶接時に溶接品質に影響を与えることなく溶接シームに溶け込ませることができる。

したがって、一般に切断前の予熱は不要であり、機械的処理を必要とせず、切断後に直接溶接を行うことができる。

2) 溶接材料は規定に従って乾燥させる必要がある。

3) 予熱とインターパス温度。

予熱は、溶接冷却速度を制御し、熱影響部 における硬化マルテンサイトの形成を低減または 回避し、熱影響部の硬度を下げ、溶接応力を低減 することができる。また、溶接継手から水素を除去するのにも役 立つ。

したがって、予熱は溶接水素による割れを防止する有効な手段である。しかし、予熱は作業条件を悪化させ、製造工程を 複雑にすることが多い。不適切または過度に高い予熱と 溶接部 温度もまた、溶接継手の性能を損なう可能性がある。

したがって、溶接前に予熱が必要かどうか、また妥当な予熱温度を選択するかどうかは、慎重に検討するか、試験を通じて決定する必要がある。

予熱温度に影響を与える主な要因は、鋼の成分（炭素当量）、板厚、形状、拘束力である。 溶接構造環境温度、使用する溶接材料の水素含有量。

表5-10に、異なる強度レベルの熱間圧延および 焼ならし低合金高張力鋼の推奨予熱温度を示す。厚板マルチパス溶接の場合、溶接部からの水素 の抜けを促進し、溶接プロセス中の水素誘起割 れの発生を防止するため、パス間温度を予熱温 度以下に制御し、必要な中間水素除去熱処理を行 う必要がある。

表5-10：熱延鋼および焼ならし鋼の推奨予熱温度および溶接後熱処理パラメータ

4) 溶接の位置決め。

位置決め溶接では、正式な溶接と同じ溶接棒を使 用し、溶接手順の仕様に厳密に従わなければな らない。位置決め 溶接の長さ、断面積、間隔も指定する必要があり、必 要に応じて予熱が必要な場合もある。

位置決め溶接後、入念な検査を行い、亀裂が見つかれば除去して再溶接すべきである。応力を軽減し、位置決め溶接部の割れを防止するため、無理な組み立てはできるだけ避けるべきである。

(2) 溶接入熱の測定

溶接入熱の変動は溶接冷却速度を変化させ、そ れによって溶接金属と熱影響部の組成に影響を与え、 最終的には溶接継手の機械的特性と耐割れ性に影 響を与える。

したがって、溶接金属の靭性を確保するために は、過度の溶接入熱は避けるべきである。溶接中は、横揺れや飛ばし溶接を最小限に抑え、代わりにマルチパス細幅溶接ビード溶接を使用することを推奨する。

熱間圧延鋼は、より大きな溶接入熱に耐える ことができる。低炭素熱延鋼(09Mn2、09MnNbなど)や低炭素16Mn鋼は、熱影響部での脆化や低温割れの感受性が低いため、溶接入熱に厳しい制限はない。

しかし、高炭素16Mn鋼を溶接する場合、硬化傾向 を抑え、低温亀裂の発生を防止するため、溶接入 熱をやや高めにする必要がある。V、Nb、Tiのような微細合金元素を含む鋼の 場合、熱影響部の粗粒域の脆化を抑え、優れた 低温靭性を確保するために、溶接入熱は小さめ を選ぶべきである。

高炭素の焼ならし鋼の場合 合金元素 18MnMoNbのように、含有量が高く、降伏強 度が490MPaの場合、入熱の選択は、鋼の焼入れ性 と熱影響部の粗粒ゾーンにおける過熱傾向の 両方を考慮する必要がある。

一般的に、熱影響部の靭性を確保するため には、より小さな入熱を選択すべきである。さらに、低水素溶接法を、適切な予熱または適時 の溶接後の水素除去処理とともに使用し、 溶接継手の低温亀裂の形成を防ぐべきである。

(3) 溶接後の熱処理と水素除去処理

1) 溶接後の熱処理と水素除去処理。

溶接後熱処理とは、溶接部品または溶接部を直ちに150～250℃の温度範囲に加熱し、一定時間保持することである。一方、水素除去処理とは、部品または溶接部を300～400℃の温度範囲で一定時間保持することである。

どちらの処理も、溶接継手からの水素の拡散と排出を促進することが目的であり、水素除去処理は溶接後の熱処理よりも効果的である。

特に14MnMoVや18MnMoNbのような水素誘起割れの影響を受けやすい厚板溶接継手では、溶接後の適時熱処理と水素除去処理が、溶接継手の低温割れ防止に有効な対策となる。

このプロセスは、予熱温度を下げ、溶接工の労力を軽減するだけでなく、溶接入熱を低くすることができ、その結果、全体的に優れた機械的特性を持つ溶接継手が得られる。

厚さが100mmを超える厚肉圧力容器およびその他の重要な構造部品については、水素の蓄積と水素に起因する潜在的な割れを防止するため、マルチパス溶接工程中に少なくとも2～3回の中間水素除去処理を行うことが推奨される。

2) 溶接後の熱処理。

熱間圧延鋼、制御圧延鋼、焼ならし鋼は一般に、 溶接後の熱処理を必要としない。しかし、結晶粒が粗くなりがちなサブマージアーク溶接の溶接部や熱影響部では、結晶粒組織を微細化するために溶接後の焼ならし処理が必要である。

厚肉の高圧容器、耐応力腐食性が要求される容器、寸法安定性が要求される溶接構造物では、溶接後に残留応力を除去するための応力除去処理が必要となる。

さらに、冷間割れ感受性の高い高強度鋼では、 溶接後の適時な応力除去処理も必要である。各種低合金高張力鋼の溶接後熱処理の推奨パラメー タを表5-10に示す。