炭素鋼の溶接 - プロセス、方法、課題

溶接というと、ステンレス鋼、炭素鋼、アルミニウムなどの材料を思い浮かべます。

炭素鋼は、強度が高いだけでなく、手頃な価格で多用途に使用できるため、溶接で頻繁に使用される材料の一つです。この材料は、パイプラインから建設機械、家庭用機械まで、様々な産業で使用されています。しかし、炭素鋼の溶接にはいくつかの課題もあります。高品質と耐久性を確保するには、適切な取り扱いが必要です。

炭素鋼には様々な種類があり、それぞれに熱に対する反応が異なります。例えば、低炭素鋼は高炭素鋼に比べて溶接が容易です。適切な溶接技術、熱処理、そして溶加材を選択することで、溶接の課題に対処することができます。

そのため、炭素鋼の様々な特性を理解することが重要です。ここでは、炭素鋼の溶接方法、その種類、課題、適切な溶接技術などについて解説します。

炭素鋼とは何ですか?

炭素鋼は基本的に鉄と炭素の合金で、硫黄、マンガン、シリコンが少量含まれています。これらの合金に含まれる炭素の量によって、硬度と強度が決まります。高炭素鋼は炭素含有量が多いため、強度と硬度が高くなりますが、延性が低いため溶接が困難になります。

炭素鋼は、組成、特に炭素含有量に基づいて3つの主要なカテゴリーに分類されます。高炭素鋼、中炭素鋼、低炭素鋼（炭素含有量がそれぞれ0.60%～1.50%、0.30%～0.60%、最大0.30%の軟炭素鋼）です。

炭素鋼の炭素含有量が少ないほど、溶接性は向上します。また、低炭素鋼は割れや気孔などの溶接欠陥が発生しにくいという利点もあります。しかし、炭素鋼の溶接にはいくつかの特性が影響します。

炭素鋼の溶接に影響を与える特性

したがって、炭素鋼の溶接は、組成、熱応答、機械的特性といった要因に依存します。ひび割れ、気孔、歪みなどの欠陥を最小限に抑えるためには、これらの要因を理解し、適切な溶接技術を選択することが重要です。

1.強度、延性、硬度

強度とは、材料が破砕したり破損したりすることなく、力に耐える能力のことです。強度は炭素含有量を増やすことで向上します。

しかし、延性は低下します。延性とは、金属が破損することなく伸びたり変形したりする能力のことです。炭素含有量が少ないと延性が向上し、炭素鋼は溶接しやすくなります。

一方、硬度は摩耗やへこみに対する耐性を表します。高炭素鋼は非常に硬いため、溶接時に割れが発生しやすくなります。

2.炭素含有量が溶接に与える影響

前述のように、炭素含有量は炭素鋼の効率と溶接の容易さを決定する上で大きな役割を果たします。

低炭素鋼は炭素含有量が最小限であるため、炭素鋼の中で最も溶接が容易です。ひび割れや硬化のリスクが低減され、溶接前後の加熱処理を必要とせずに溶接できます。

中炭素鋼は炭素含有量が多く、割れが発生しやすい傾向があります。材料を予熱し、入熱量を制御することで、高品質の溶接を実現できます。強度を維持するには、適切な溶接材料を選択することが重要です。

名前が示すように、高炭素鋼は炭素含有量が最も高く、割れやすい鋼種です。

そのため、脆さを最小限に抑え、残留応力を軽減するために、徐冷、溶接前加熱、溶接後加熱処理（場合によっては）を実行する必要があります。

3.不純物と合金元素

炭素は、材料の溶接性を決定する最も重要な要素であることは間違いありません。しかし、炭素鋼に含まれる他の合金元素も、ある程度の影響を与えます。

たとえば、マンガンは脆さを軽減し、靭性を高めるので、溶接の耐久性が非常に高まります。

シリコンは溶接中の酸化を防ぎ、強度を向上させます。リンと硫黄は優れた特性をもたらしますが、割れが発生しやすくなります。一方、窒素と酸素は気孔の発生につながります。

4.熱影響部（HAZ）

溶接部の周囲の領域は極度の熱の影響を受け、熱影響部 (HAZ) と呼ばれます。

この領域は顕著な温度変化を受け、材料の特性を変化させます。高炭素鋼および中炭素鋼では、過剰な熱が加熱、変形、残留応力につながるため、この領域は非常に重要です。

これらはすべて、ひび割れや構造的破損を引き起こし、鋼鉄をより脆くします。

5.ひび割れや歪みの抑制

溶接工は、割れ、歪み、その他の溶接欠陥を制御するために複数の技術を使用します。最も一般的な技術は、予熱、溶接後の加熱処理、そしてパス間温度制御です。

予熱は、硬度を下げるための冷却速度を遅くするだけでなく、割れのリスクを軽減するのにも役立ちます。

溶接後の熱処理は残留応力を軽減し、材料の高炭素組織を改善します。一方、パス間温度制御は熱影響部と作業場の冷却を制御し、結果として応力の蓄積を最小限に抑えます。

炭素鋼の種類とその課題

炭素鋼には、炭素含有量に基づいて3つの種類があります。これらの種類はすべて同じではありません。

溶接方法／技術も同様です。これらの鋼種では、炭素含有量が増えると延性が低下し、硬度が上昇するため、溶接の難易度が増します。

各タイプについて詳しく説明し、溶接でどのような課題に直面しているかを見ていきます。

1.低炭素鋼の溶接

低炭素鋼は軟鋼とも呼ばれ、 最大0.30%カーボン炭素含有量が低いため、溶接が最も容易な鋼種です。延性が高く、硬度も低いため、パイプラインや自動車製造など、様々な構造用途に使用されています。

低炭素鋼は溶接工程で硬化しすぎないため、予熱処理は必要ありません。低炭素鋼の溶接に最も一般的に使用される3つの溶接技術は、スティック溶接、MIG溶接、TIG溶接です。

しかし、一つ注意すべき課題があります。それは、溶接部の強度を著しく低下させる汚染物質の混入を避けることです。そのためには、材料の表面を清掃し、ほこり、汚れ、錆を取り除き、接合部の強度低下や気孔の発生を防ぐ必要があります。

過度の歪みを避けるため、入熱量を制御することも推奨されます。これは特に薄い金属板の場合に重要です。軟鋼は溶接しやすいですが、作業者の不注意により溶接欠陥が生じる可能性があります。

2.溶接中炭素鋼

中炭素鋼の炭素含有量は 0.30%から0.60%低炭素鋼に比べて強度と硬度が高いため、取り扱いを誤ると割れなどの溶接欠陥が発生しやすくなります。

このタイプの炭素鋼は、耐摩耗性と強度がこれらの業界では非常に重要であるため、ギア、車軸、機械の製造においてさまざまな用途に使用されています。

軟鋼とは異なり、この炭素鋼は予熱と冷却速度を慎重に管理する必要があります。予熱処理により冷却速度が遅くなり、熱影響部における割れの発生リスクが低減します。

予熱温度は、材料の厚さと炭素含有量に応じて設定され、通常は250°F（約113℃）から500°F（約243℃）の範囲です。

中炭素鋼を急速に冷却すると、溶接中にすぐに硬い微細構造が形成され、脆さが増して溶接不良が発生します。

この問題に対処するため、靭性を高め、残留応力を軽減するために、溶接後熱処理（PWHT）が行われます。また、構造的完全性を維持し、母材との適合性を持つ適切な充填材を選択することも非常に重要です。

3.高炭素鋼の溶接

名前の通り、最も多くの炭素を含有しています。高炭素鋼の炭素含有量は 0.60%から1.50%中炭素鋼よりもさらに硬度と強度が向上します。

最も強度の高い鋼種ですが、その硬度ゆえに溶接は最も困難です。高炭素鋼は、極めて高い耐久性が求められる高強度部品、バネ、切削工具など、様々な用途に用いられています。

溶接における課題の中でも、急速冷却による割れは大きな懸念事項です。そのため、予熱はこの問題の解決に効果的な選択肢となります。500°F（約230℃）から800°F（約360℃）の温度で予熱することで、溶接部と母材の温度差が小さくなり、結果として内部応力が低減します。

もう一つ考慮すべき点は、適切な充填材の選択です。低炭素充填材は溶接が容易で、熱影響部の過熱を大幅に防ぐため、低炭素充填材の使用をお勧めします。

また、冷却を制御する必要もあります。そのためには、溶接部全体を断熱材で覆い、冷却速度を遅くする必要があります。断熱ブランケットや砂などを使うこともできます。

延性をある程度回復し、硬化した部分を柔らかくするには、溶接後加熱処理 (PWHT) が必要です。

この工程は焼き戻しまたは応力緩和と呼ばれます。溶接部分を再び低温で加熱し、その後しばらく待ってゆっくりと冷却する工程です。

このステップを省略すると、材料が脆くなる可能性が高まり、ストレス下で破損する可能性があります。

炭素鋼に最適な溶接方法

炭素鋼の用途は多岐にわたるため、溶接工は耐久性があるだけでなく欠陥のない高品質の溶接を保証する溶接技術を選択する必要があります。

カーボン溶接に用いられる溶接方法の種類は以下のとおりです。

スティック溶接

スティック溶接

スティック溶接または シールドメタルアーク溶接（SMAW） は、施工が簡単で汎用性が高いため、最も多く使用されている溶接方法の一つです。このプロセスでは、フラックスを塗布した電極が使用され、トーチによって溶融するとシールドガスが発生します。シールドガスは、溶接部を外部の汚染物質から保護します。

ガスメタルアーク溶接

ガスメタルアーク溶接

別名 ミグこの方法は非常に効率的で、自動化も可能です。電極として連続ワイヤ供給方式を採用し、汚染物質からの保護のため外部シールドガスを使用します。スラグの発生を最小限に抑え、より迅速な方法です。

ガスタングステンアーク溶接

ガスタングステンアーク溶接

この方法は、高品質の溶接が求められる箇所で精度の高い溶接を行うのに非常に有効です。TIG溶接では、非消耗性のタングステン電極を用いたシールドが使用されます。入熱をより細かく制御できるため、よりクリーンで制御性の高い溶接が可能になります。最大の利点は、フィラー材の有無にかかわらず溶接を行えることです。

フラックス入りアーク溶接

フラックス入りアーク溶接

フラックス入りアーク溶接はガスメタルアーク溶接に似ています。ただし、フラックスを充填した管状のワイヤ電極を使用し、独自のシールドガスを生成します。そのため、屋外での作業や高負荷の用途に最適です。厚い炭素鋼に非常によく機能し、より深い溶け込みが得られます。

酸素燃料溶接

簡易ガス溶接とも呼ばれます。アセチレンと酸素を燃焼させて発生した炎で炭素鋼を溶かし、溶融させます。現在ではあまり使用されていませんが、用途は限られています。電流を必要とせず、持ち運びも可能です。

溶接品質は良くありません。また、厚い材料には適していません。

炭素鋼を溶接するには？

炭素鋼の溶接

炭素鋼の溶接は段階的な作業であり、すべての工程を慎重に行う必要があります。溶接欠陥を最小限に抑え、溶接品質を維持するためには、適切な施工が重要です。

1. 金属表面の準備

金属の表面処理は、高品質な溶接を実現します。油、グリース、塗料、汚れ、錆を取り除かないと、多孔質の原因となります。まずはワイヤーブラシ、化学洗浄剤、グラインダーなどを使って表面をきれいにしましょう。

厚い炭素鋼の断面を準備します。溶接方法に応じて、ベベル角度は30～45度にする必要があります。

ずれが生じないように、タック溶接またはクランプを使用してワークピースを正確に配置して固定します。

2. 適切な電極またはフィラーを選択する

低炭素鋼では、シールドアーク溶接にE6010およびE7018電極を使用します。一方、MIG溶接にはER70S-6が適しています。中炭素鋼では、溶接前後の加熱処理が必要です。

一方、電極にはE7018またはER80S-D2を使用します。一方、高炭素鋼は脆く硬いため、割れを抑制するためにニッケル系電極またはステンレス鋼電極を使用します。このタイプの電極では、徐冷と予熱も必要です。

3. 適切なパラメータを設定する

炭素鋼の種類ごとに、精密溶接を行うための特定のパラメータがあります。例えば、棒溶接は75～200アンペアの電流で、電極角度は10～15度で行われます。アンダーカットを防ぐには、均一な速度を維持する必要があります。

MIG溶接の電圧は18～24V、ワイヤ送給速度は毎分250～500インチ（約600～1200mm）です。TIG溶接の場合は、電流は50～200アンペアに抑えてください。TIG溶接では、シールドガスとして100%アルゴンガスを使用し、よりきれいな溶接を実現します。一方、FCAW溶接では、電圧は18～26V、ワイヤ送給速度は毎分200～450インチ（約600～1200mm）です。

炭素鋼は熱に触れると膨張・収縮する傾向があるため、熱入力と変形を制御する必要があります。中炭素鋼を250°F～500°Fで予熱すると、割れを軽減できます。

4.溶接を行う

スティック溶接の場合は、マッチ棒のように電極を叩いてアークを適切に始動させます。一方、TIG溶接やMIG溶接の場合は、アーク長を一定に保ちます。

ビードのサイズが一定であることを確認してください。必要に応じて、または厚い材料の場合は、複数回のパスを実行してください。

炭素鋼とステンレス鋼の溶接

炭素鋼とステンレス鋼の溶接は、両方の種類の鋼の組成にかなりの差があるため、多くの課題に直面します。

組成だけでなく、熱伝導率や耐腐食性のレベルも異なります。

これら両方の材料は、ステンレス鋼の耐性特性と炭素鋼の強度が必要な分野を中心に、さまざまな用途で産業界で広く使用されています。

このような用途としては、化学処理装置、過酷な条件下で動作する構造部品、パイプラインなどがあります。

炭素鋼とステンレス鋼の違い

ステンレス鋼と炭素鋼の主な違いは、その組成にあります。炭素鋼は鉄と炭素に加え、マンガン、硫黄、シリコンなどの合金元素で構成されています。非常に強度が高いものの、水分や湿度にさらされると錆びやすくなります。

一方、ステンレス鋼にはクロム（少なくとも10.5%）が含まれており、材料の表面の外側に保護酸化皮膜を形成し、腐食や錆を防ぎます。また、ニッケルなどの合金が含まれているため、耐熱性も備えています。

しかし、ステンレス鋼は炭素鋼に比べて熱伝導率が低く、熱にさらされると大きく膨張します。そのため、溶接時に曲がったり、ねじれたり、歪んだりする可能性が高くなります。

さらに、両者は希釈度においても異なります。溶接中に溶融金属が混ざり合って溶接部を形成すると、ステンレス鋼は溶接部の特性を変化させます。適切に管理しないと、脆性や腐食を引き起こす可能性があります。

炭素鋼とステンレス鋼の溶接における問題

これらは互いに似ていないため、溶接では融点の違い、熱膨張の不一致、炭素の移動、腐食の懸念など、特定の課題に直面します。

炭素鋼はステンレス鋼よりも加熱時の融点が低いため、ステンレス鋼は脆くなり、割れやすくなります。

ステンレス鋼は炭素鋼に比べて熱膨張が大きいため、溶接部の歪みや残留応力が増加します。

この溶融では炭素の移動もよく見られます。溶融の過程で、炭素鋼からステンレス鋼に炭素が移行し、拡散するため、ステンレス鋼材は割れやすくなります。

最後に、間違った充填材を使用すると、溶接部分がすぐに腐食してしまう可能性が高くなります。

適切な溶接技術を選択する

炭素鋼とステンレス鋼の溶接には、適切な方法を選択することが重要です。標準的な溶接と同様に、このタイプの溶接にはより適した溶接技術がいくつかあります。

これらには、シールドメタルアーク溶接（スティック溶接）、ガスタングステンアーク溶接（GTAW）、ガスメタルアーク溶接（GMAW）、フラックス入りアーク溶接（FCAW）が含まれます。

スティック溶接（SMAW）は手頃な価格の溶接方法ですが、炭素鋼からステンレス鋼への炭素の移動を防ぐため、電極材料を慎重に選択する必要があります。ガスタングステンアーク溶接（GTAW）はより高い精度と品質を提供するため、重要な用途に適しています。

ガスメタルアーク溶接（GMAW）は大規模な用途に最適です。ただし、酸化を最小限に抑えるために適切なシールドガスを選択する必要があります。フラックス入りアーク溶接（FCAW）は、2種類の異なる金属を扱うために特定のフラックス組成を必要としますが、屋外での作業に非常に適しています。

適切なフィラーを選択する

適切な充填材を選択すれば、異物や腐食のない溶接部を実現できます。炭素の移動を防ぎ、両方の金属の完全性を維持できます。

炭素鋼とステンレス鋼の溶接に使用される一般的なフィラー材料には、次のようなものがあります。

• 312 ステンレス鋼フィラーはニッケルとクロムを含み、耐亀裂性が向上します。
• 309ステンレス鋼フィラーは、耐食性と強度の完璧なバランスを実現します。そのため、最も頻繁に使用されるフィラーです。
• ニッケルベースのフィラーは、高温での溶接時に優れた耐熱性を発揮します。このようなフィラーの一例としては、インコネル625が挙げられます。

結論

炭素鋼の溶接は、金属加工、自動車、工業用途、建設など、様々な用途に用いられる重要な技術です。低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼のいずれであっても、適切な溶接技術を選択することが重要です。

炭素鋼の溶接に使用される主な 4 種類の技術は、シールドメタルアーク溶接、ガスメタルアーク溶接、ガスタングステンアーク溶接、およびフラックス入りメタルアーク溶接です。

しかし、表面洗浄から溶接後の加熱処理まで、溶接のすべての工程を適切に実行する必要があります。特に中炭素鋼および高炭素鋼の場合、より強固な接合を確保するには、入熱を制御し、溶接前後の処理を実施することが不可欠です。

溶接工がすべての溶接手順を慎重に実行し、ベストプラクティスを適用すれば、応力、温度、圧力に耐えられるだけでなく、欠陥が最小限または全くない高品質の溶接を保証できます。