専門家のアドバイスステンレス鋼溶接における変形の修正
ステンレス鋼の溶接変形は、金属加工において重大な問題を引き起こす可能性がある。この記事では、銅板の使用、水...など、これらの変形を制御し修正するさまざまな方法を探る。
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り、潜在的な亀裂につながるなど、この材料に関連する独特の難しさについて掘り下げます。必要とされる特殊な溶接技術と、構造の完全性を確保するために必要な予防措置について学びます。高炭素鋼で溶接を成功させるために、溶接性の問題をどのように管理し、どのような予防措置を講じることができるかをご覧ください。これらの重要な溶接上の注意点をより深く理解するために、ぜひご一読ください。
高炭素鋼は0.6%を超える炭素含有量を特徴とし、その冶金的特性や製造工程に大きな影響を与えます。この鋼種は中炭素鋼に比べて硬化しやすく、冷間割れを起こしやすい高炭素マルテンサイト組織を形成します。
溶接中、高炭素鋼の熱影響部(HAZ)は急速な変態を 起こし、マルテンサイトが形成される。この組織は、非常に硬い反面、本質的に脆い。その結果、溶接継手の塑性と靭性が大幅に損なわ れ、全体的な溶接性が低下する。継手の完全性と性能を維持するには、特殊な 溶接技術と手順を採用しなければならない。
このような溶接上の課題があるため、高炭素鋼は一般的に溶接構造用途には好まれません。しかし、その卓越した硬度と耐摩耗性は、回転シャフト、大型ギヤ、カップリングなどの特定の機械部品には非常に貴重です。これらの部品は、材料の使用量を最適化し、製造工程を合理化するために、溶接による接合が必要となることが多い。
重機製造では、高炭素鋼部品の溶接が避けられない場合がある。このような用途の溶接方法を開発する場合、潜在 的な溶接欠陥を包括的に分析することが極めて重 要である。この分析は、以下を含む適切な溶接工程パラメ ーターの実施に役立つはずである：
1.1 溶接方法
卓越した硬度と耐摩耗性で珍重される高炭素鋼の 溶接には、被覆アーク溶接 (SMAW)、ガス・メタル・ アーク溶接 (GMAW)、またはサブマージアーク 溶接 (SAW) が主に使用される。各溶接方法には、特定の用途や環境条件によって異なる利点があります。
1.2 溶接消耗品
高炭素鋼用の溶接材料の選択は非常に重要であ り、必ずしも継手の強度を母材に合わせる必要は ない。
SMAWでは、低水素電極が好ましい：
溶接金属と母材間の強度マッチングが必要な 場合は、適切な強度グレードの低水素電極を選 択する。逆に、強度のマッチングが必須でない 場合は、母材より若干低い強度の低水素電極を選 択する。溶接割れの可能性を防ぐため、母材より強 度が高い電極を避けることが重要である。
予熱が不可能な場合には、オーステナイト系 ステンレス鋼電極を使用できる。これらの電極は、優れた塑性性と耐割れ性を持つ オーステナイト系溶接組織を生成し、熱影響部 (HAZ)における低温割れのリスクを効果的に軽減する。
1.3 ジョイントの準備
溶接金属中のカーボンの希釈を最小限に抑えるた めには、融合比率を下げることが不可欠である。これを達成するために、U字型またはV字型の開先設計が一般的に実施される。適切な表面処理が重要である。溶接前に、 溝の両側の半径20mm以内に残留する油分や錆を 徹底的に除去すること。
1.4 予熱
構造用鋼電極を使用する場合、予熱は必須 であり、溶接前に行わなければならない。最適な予熱温度範囲は、鋼の炭素含有量と断面厚さにもよるが、通常250℃～350℃である。
1.5 インターパス・マネジメント
多層およびマルチパス溶接作業用：
1.6 溶接後熱処理（PWHT）
溶接直後に、被加工材に応力除去焼鈍を施す：
高炭素鋼は硬化する性質が強く、以下の両方の影響を受けやすい。 ホットクラック と溶接中のコールド・クラックがある。
(1) 溶接化学組成の管理
硫黄とリンの含有量は、熱間割れ感受性 を著しく高めるため、厳格に管理することが重 要である。同時に、マンガン含有量を規定範囲内 に高めることで、溶接組織を改善し、延性を高 め、偏析傾向を抑えることができる。高強度鋼の場合、結晶粒組織を微細化し耐クラック 性を向上させるために、ニオブやバナジウムの ような微細合金元素を検討する。
(2) 溶接部形状の最適化
溶接のアスペクト比（深さと幅の比）は注意深く 制御する必要があり、通常0.8から1.2の間の値 を維持する。この範囲は、十分な溶け込みを確保しながら、中心 線の偏析を最小限に抑えるのに役立つ。厚肉部については、最適なアスペクト比を達成 し、残留応力を低減するために、ナロー・ギャッ プ溶接技術の使用を検討すべきである。
(3) ウェルドメントの剛性管理
高剛性の溶接物には、包括的な溶接戦略を実施 する：
(4) 熱管理技術
的を絞った熱管理を実施する：
(5) 電極とフラックス組成の最適化
電極またはフラックスの塩基度指数を通常1.5以上にする。これは
(1) 予熱と制御冷却
溶接前に母材を予熱し、溶接後に制御冷却を行 うことは、低温割れを軽減するための重要な 戦略である。予熱は冷却速度を低下させ、熱影響部 (HAZ)での脆性微細構造の形成を最小化する。制御された冷却は、多くの場合サーマルブランケッ トまたは加熱炉の使用によって達成され、温度を緩 やかに下げ、溶接金属およびHAZからの水素拡散 を促進する。最適な予熱温度と冷却速度は、材料成分、断面 厚さ、消耗品の水素含有量などの要因によって異な る。
(2) 適切な溶接パラメータの選択
冷間亀裂の防止には、適切な溶接パラメーターの選 択が極めて重要である。これには、適切な溶接電流、電圧、移動速度、入 熱の選択が含まれる。入熱量が低いと、一般に冷却速度が速くなり、 冷間割れのリスクが高まる。逆に、過剰に高い入熱は、結晶粒の粗大 化と靭性の低下につながる。パルス溶接技術は、入熱および冷却速度の 制御において、特にデリケートな素材に利点を もたらす。
(3) 適切な組み立てと溶接順序の実施
適切に設計された組立および溶接順序は、 溶接継手の拘束応力を大幅に減少させ、溶接 部の全体的な応力状態を改善する。バックステップ溶接、スキップ溶接、または バランスの取れた溶接順序の使用などの技 術は、熱をより均等に分散させ、歪みを最小限に 抑えることができる。3Dモデリングおよび溶接シミュレーション・ソフトウエアは、複雑な構造物の溶接順序を最適化するための貴重なツールとなる。
(4) 溶接材料の適切な選択と取り扱い
溶接材料の選択は、低温亀裂防止に重要な役 割を果たす。影響を受けやすい材 料には、低水素電極（例えば、鋼材用のE7018） が望ましい。消耗品の適切な保管、取り扱い、準備も同様に重 要である。溶接棒およびフラックスは、管理された 環境で保管し、吸湿を最小限に抑えるため に、使用直前にメーカーの仕様に従ってベーキングす べきである。フラックス入りワイヤおよびメタル・コア・ワイヤの場合、適切なシールド・ガス混合物の選択も極めて重要である。
(5) 徹底した表面処理
低温割れのリスクを減らすには、入念な表面処理が不可欠です。これには、水、錆、油のような目に見える汚染物質を取り除くだけでなく、ミルスケール、塗料、有機残留物のような目立たない水素発生源も除去する必要がある。研削、ワイヤーブラシ、研磨ブラストなどの技術を採用し、必要に応じて適切な溶剤で洗浄する。重要な用途の場合は、破水試験などの方法で表面の清浄度を確認することができる。
(6) 脱水素処理
溶接部の水素含有量を減らすには、溶接直前に脱水 素処理を施すのが効果的である。これには、長時間の予熱や、誘導加熱な どの特殊な加熱技術を使用することができる。母 材の微細構造に悪影響を与えることなく、効果的な 水素除去を確実にするため、処理温度と時間は、材 料特性および板厚に基づいて注意深く制御され なければならない。
(7) 溶接後熱処理 (PWHT)
応力除去焼鈍を含む溶接後熱処理は、遅れ低温割れを 防止するための重要なステップである。PWHTは、残留応力を低減し、溶接部からの 水素拡散を促進し、HAZおよび溶接金属の微細構 造を改善することができる。具体的なPWHTパラメーター（温度、保 持時間、冷却速度）は、材料および溶接継手の要 件に合わせて調整する必要がある。大型構造物では、完全な炉処理が現実的でない 場合、誘導加熱または抵抗加熱を使用した局所 的なPWHT技術が採用される。
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