鋼管溶接時のひび割れの種類と予防対策

溶接応力とその他の脆化要因の複合的な影響により、溶接鋼管継手部の局所領域における金属原子間の結合力が破壊され、新たな界面によって生じた隙間を溶接割れと呼びます。この割れは、鋭いノッチと大きなアスペクト比を特徴としています。

（１）熱亀裂欠陥の特徴：鋼管の溶接工程において、溶接部の金属と熱影響部が固相線付近の高温部まで冷却されることによって発生する亀裂が熱亀裂である。
原因：これは、溶融池の冷却・結晶化過程における低融点共晶相によって形成される液層と、引張応力による凝固との複合効果の結果です。いずれかの側面の効果が増大すると、熱割れの形成が促進される可能性があります。
予防策：鋼管溶接部における有害不純物の含有量、すなわち炭素、硫黄、リンの含有量を制御し、溶融池における低融点共晶の形成を低減する。溶接鋼管の金属中の硫黄およびリンの含有量は、通常0.03％未満である。溶接ワイヤ中の炭素の質量分率は0.12％を超えない。重要な部品の溶接には、基本的な溶接棒またはフラックスを使用する必要があります。溶接パラメータを制御し、鋼管の溶接形状係数を適切に高め、深く狭い溶接を避けます。多層多パス溶接を採用し、溶接前の予熱と溶接後の徐冷を行い、溶接継手の形状を適切に選択し、溶接順序を合理的に配置し、対称溶接を採用するように努めます。アーク閉止板を使用してアークピットを溶接部の外側に誘導することで、アークピット割れが発生しても溶接部自体に影響を与えないようにします。

（２）冷間割れ欠陥の特徴：溶接鋼管の継手部がより低い温度（鋼の場合200～300℃）に冷却されるときに発生する溶接割れを冷間割れといいます。
原因：冷間割れ欠陥は主に中炭素鋼、低合金鋼、中合金高強度鋼で発生します。その理由は、溶接材料自体の硬化傾向が強いこと、溶接溶融池に多量の水素が溶解していること、そして溶接継手が溶接プロセス中に大きな拘束応力を発生することなどです。
予防策：溶接前に、溶接棒とフラックスを規定に従って十分に乾燥させ、水素発生源を低減します。開先部および両側の汚れ、水分、錆を徹底的に除去し、周囲温度を管理します。高品質の低水素溶接材料とその溶接プロセスを選択します。焼入性の強い低合金高強度鋼を溶接する場合は、オーステナイト系ステンレス鋼の電極を使用します。溶接パラメータ、予熱、徐冷、後加熱、溶接後熱処理を適切に選択します。溶接内部応力を低減するために、適切な溶接シーケンスを選択します。溶接電流を適切に増加させ、溶接速度を遅くすることで、熱影響部の冷却速度を遅くし、硬化組織の形成を防ぎます。

（３）再加熱割れ欠陥特性：溶接後、溶接部を一定の温度範囲で再加熱することにより発生する割れ（応力除去熱処理や多層溶接など）を再加熱割れといいます。
原因：再加熱割れは、一般的に融点線付近の1200～1350℃の領域で発生します。低合金高張力鋼の再加熱割れの加熱温度は約580～650℃です。鋼中にクロム、モリブデン、トロンビンなどの合金元素が多く含まれるほど、再加熱割れが発生しやすくなります。
予防策：鋼管および溶接金属の化学成分を管理し、再熱割れへの影響が大きい元素（クロム、バナジウム、ホウ素など）の含有量を適切に調整します。継手の剛性と応力集中を低減し、溶接部および母材との界面を滑らかに研磨します。溶接には高い入熱を使用します。予熱および後熱温度を高めます。溶接中の溶接応力を低減するプロセス対策を講じます。例えば、小径電極の使用、小さな溶接パラメータでの溶接、溶接中の電極の揺動禁止などです。応力除去焼戻しを行う際は、再熱割れが発生する敏感な温度域を避けます。敏感な温度は鋼種によって異なります。