溶接熱処理：溶接前から溶接後の必須事項

溶接は金属の熱処理方法の一つである。特に、一般的な低合金構造用鋼や炭素含有量の高い厚板を溶接する場合、高温加熱と冷却の溶接熱サイクルによって局部金属が影響を受け、金属の内部構造にさまざまな変化が生じ、溶接継手の機械的性質に直接影響する。

さらに、溶接の冶金学的条件や、異なる加熱速度と 冷却速度の影響により、溶接部および熱影響部の 構造は不均一になり、このことも溶接継手の機械的 特性に間接的・直接的な影響を与える。したがって、溶接前、溶接中、溶接後の加熱、保温、冷却速度の局所的または全体的な制御によって、溶接継手の機械的特性を変更または改善することが非常に必要である。

 I.溶接前の予熱

 1.予熱の役割

1) 予熱は、低温割れ、高温割れ、熱影響部の硬化組織 形成を防止する有効な手段である。高炭素鋼、低合金鋼、耐熱鋼、および剛性の高い通常の低炭素鋼部品を溶接する場合、溶接部の冷却速度が速いため、溶接部および熱影響部に硬化組織が形成されやすく、ひび割れの原因となる。そのため、溶接部の予熱が必要である。予熱は、冷却速度を遅くし、溶接部での亀裂 の発生を防ぐという目的を達成することができる。

2) いつ 溶接継手 拘束力が強い場合、急冷と急加熱は接合部に収縮 応力を引き起こし、ひび割れにつながる。溶接前に接合部を予熱することで、収縮応力を低減し、亀裂の発生を防ぐことができる。

3) 寒冷地で溶接する場合、亀裂の発生を防ぐため、厚さ20mを超える低炭素鋼でも予熱が必要である。

4) 予熱はまた、油分、水分、および溶接品質に影響す るその他の要因を除去することができ、溶接部の水素 の放出を促進することができるため、気孔などの欠陥 を防止し、亀裂の発生を防止する上で相応の役割を果た す。

 予熱温度

被加工材を適切に予熱するためには、主に、異なる金属材料に応じて異なる予熱温度を決定する必要がある。例えば、炭素鋼の場合、予熱温度は一般的に炭素含有量に基づいて決定される。炭素の質量分率が0.2%より大きい場合、予熱温度は100～200℃である。炭素の含有量が増加するにつれて、予熱温度も比例して増加するはずである。その他の材料も、材料によって予熱温度が異なる。

 一般的に使用される鋼種の溶接予熱温度を表 2-30に示す。

 表2-30 いくつかの鋼種の溶接予熱温度

予熱方法

予熱方法には、火炎加熱、電力周波数誘導加熱、遠赤外線加熱、炉加熱などがある。予熱方法は、加熱範囲に基づいて選択する必要があります。現在、遠赤外線ヒーターが広く使われており、加熱効果がよく、加熱範囲が広い。

一般に、溶接継手の両側の予熱幅は板厚の5倍以上とし、開先の両側で75～100mmの均一な加熱ゾーンを維持する必要がある。最終的な予熱温度は、プロセス・テストを通じて決定されなければならない。

層間絶縁

溶接施工、特に多層溶接では、ある種の鋼は、層間温 度と呼ばれる各層の溶接中に特定の温度を維持する 必要がある。層間温度の役割は予熱に似ており、溶接部および熱影響部の水素の拡散と逃散を促進し、低温割れを防止する役割を果たす。

炭素鋼、低合金鋼、耐熱鋼の場合、層間温度の下限は一般に溶接部の予熱温度であり、上限は一般に350～400℃である。オーステナイト系ステンレス鋼の場合、層間温度は一般に低く制御され、通常は250℃未満である。

予熱温度と層間温度は高すぎるべきではなく、そうでなければ一部の鋼溶接継手の組織と特性に変化を引き起こすことに注意すべきである。

溶接後の熱処理

溶接直後の溶接物を直ちに石綿灰、熱砂（石灰） の中に入れるか、炉で冷却して溶接継手を徐冷する ことで、内部応力を低減し、変形を最小限に抑え、 割れを防止する。焼入れ傾向が強く、剛性の高い溶接物の場合、 溶接後の冷却は、溶接品質を確保するための重 要な技術的手段である。

加熱後の水素放出処理

「後加熱」とは、すべての溶接作業が終了した 後、一定期間、溶接継手を層間温度と同じかそれ以 上の温度に維持することである。後加熱」の加熱温度と時間は、溶接物の厚さ、 接合部の種類、溶接部の初期水素含有量、および 水素割れに対する鋼の感受性によって決まる。

一般的に、後加熱の温度は250～350℃、保持時間は溶接部の厚さによって異なり、通常1～3時間である。一部の低合金高強度鋼厚肉容器の場合、300～350℃で1時間の後加熱を使用すると、遅れ割れを完全に回避でき、予熱温度を50℃下げることができる。後加熱は、水素の拡散と放出を促進することができるため、"水素放出処理 "とも呼ばれる。

後加熱の主な目的は、水素の拡散と脱出を促進し、遅れ割れの発生を回避することである。予熱、層間温度、その他の対策では遅 延割れを最終的に除去できない場合、後加熱は簡 単で実行可能かつ効果的な方法である。後加熱は主に高強度低合金鋼の溶接構造物に使用される。

後加熱は、溶接後熱処理と類似点が多いが、 一般に後加熱は溶接後熱処理に取って代わるこ とはできない。溶接後熱処理が必要で、溶接後直ちに溶接後熱処 理が可能な溶接品については、後熱処理を省略 することができる。溶接後すぐに溶接後熱処理ができず、適時に脱水 素処理を行なう必要がある場合は、後加熱を 省略することはできない。

例えば、溶接後の探傷検査に合格した大型高圧容器があるが、溶接後の熱処理が間に合わず、水素除去処理も行わなかったため、保管中に遅れ割れが発生した。この容器を熱処理して静水圧試験を実施したところ、試験圧力が設計使用圧力に達せず、激しい脆性破壊事故に見舞われ、容器ごと廃棄処分となった。

後加熱の加熱方法、加熱ゾーン幅、温度測定位置の要件は、予熱と同じである。局所的な後加熱も、予熱と同様、開先の両側に75～100mmの均一な加熱ゾーンを維持すべきである。焼入れ・焼戻し鋼は、焼戻し温度を超える局部過熱を防ぐ必要がある。

溶接後の熱処理

熱処理は、固体の内部構造を改善するプロセスである。 金属 加熱、保持、冷却を経て、所望の特性を得る。溶接継手の溶接後熱処理は、溶接継手の構造および 特性を改善するため、または残留応力を除去す るために行なわれる。一般的な溶接後熱処理には、応力除去焼鈍、 焼ならし、焼ならし＋焼戻し、焼入れ＋焼戻し （焼戻し処理）などがある。

溶接後熱処理の主な目的は、残留応力を低減し、構造安定性を高め、硬化部を軟化させ、水素の抜けを促進し、耐応力腐食性を高め、継手の塑性、靭性、高温機械的特性を改善することである。応力除去が溶接後熱処理の主な機能であるため、一般に溶接後熱処理と呼ばれる。

溶接後熱処理は、一般に、重要な製品に特別な状況下で のみ必要とされる。一部の溶接製品では、溶接後の残留応力が大きくない 場合、またはある程度の残留応力を保持する必要があ る場合（多層容器巻き板の溶接後の残留応力など）は、 溶接後熱処理は必要ない。硬化組織がない、または少量しかない場合でも、一定の塑性と靭性が維持され、使用中に悪影響を及ぼさない場合は、溶接後熱処理も必要ない。

ストレス・リリーフ・アニール

応力除去焼鈍の加熱温度範囲は高温焼戻しと同じで、一般に溶接部の全体または一部を550～650℃に加熱した後、十分な保持と徐冷を行う。一般鋼の保持時間は、板厚1mmにつき2.5分として計算されるが、15分以上でなければならない。50mmを超える厚さの場合は、25mm増すごとに15分を追加する。

 全体的な熱処理

溶接部を加熱炉に入れて全体的な熱処理を行うこと で、満足のいく結果を得ることができる。加熱炉に入る時と出る時の溶接部の温度は、 300℃以下でなければならない。加熱と冷却の速度は板厚に関係し、以下の要件を 満たす必要がある：

式中、Uは冷却速度（℃/h）、δは板厚（mm）。

厚肉容器の場合、加熱・冷却速度は50~150℃/hで、熱処理全体の炉内最高温度差は50℃を超えないようにする。溶接部が長すぎて2回に分けて熱処理する必要がある場合は、重なる加熱部を1.5m以上にする必要があります。

局所熱処理

全体的な熱処理には長すぎるが、規則的な形状の単純な容器やパイプの場合は、局部加熱処理を行うことができる。局部加熱処理では、溶接部の両側に十分な加熱幅を確保する。円筒の加熱幅は円筒半径と肉厚に関係し、次式で計算できる：

式の中で、

• Bはシリンダーの加熱幅（mm）；
• Rはシリンダー半径、mm；
• δはシリンダー肉厚、mm。

例えば、直径1200mm、肉厚24mmの円筒溶接部の場合、溶接部を中心とした加熱幅は上式で計算される。すなわち、この円筒溶接部の局部熱処理では、溶接部を中心とした600mの範囲を規定の熱処理温度まで加熱する必要がある。

局所熱処理の一般的な方法には、火炎加熱、赤外線加熱、工業用周波数誘導加熱などがある。

応力除去焼鈍処理を考慮すべき状況は、次の通り である：高強度グレードの母材、一般的な低合金 鋼で割れが遅れがちなもの、低温条件下で使用され る圧力容器およびその他の溶接構造物、特に脆 性遷移温度以下で使用されるもの、疲労強度が必 要な交番荷重を受ける部品、大型圧力容器、耐応 力腐食性および溶接後の寸法安定性が必要な 溶接構造物。

応力除去焼鈍は一般に加熱炉で行われ、80%以上の残留応力を除去することができる。局所的な応力除去焼鈍は、基本的に全体的な応力除去焼鈍と同じ効果を得ることができます。

 この熱処理は結晶構造の変化を伴わない。

 2.焼ならしまたは焼ならし＋焼戻し

この溶接後熱処理は、接合部の構造と性能を向上させるため、一般にエレクトロスラグ溶接構造物に適している。

ノーマライジングは、鋼を Ac₃ 保持時間は厚さ1mmにつき2分、ただし30分以上とし、炉を出た後、空気中で冷却する。再結晶プロセスであるため、より微細な結晶粒組織を得ることができ、機械的特性を向上させることができる。

焼ならし＋焼戻しは、焼ならし後の焼戻しである。焼戻しの目的は、焼ならしの冷却過程で生じる構造応力を除去し、鋼や溶接継手の総合的な性能をさらに向上させることである。

 3.焼入れ・焼戻し処理

この溶接後熱処理は、溶接後の焼入れ・焼戻し処理を必要とする焼入れ・焼戻し鋼またはその他の溶接構造物に適している。焼入れ・焼戻し後、鋼または溶接継手は、包括的な機械的特性における強度と靭性の良好な組み合わせを達成することができます。

焼き入れとは、鋼を臨界点まで加熱することである。₁ または Ac₃ プラス30～50℃で一定時間保持した後、水または油中で急冷して高硬度組織を得る。

 溶接後熱処理における注意点

溶体化処理では、溶接継手を1000～1050℃に加熱 し、溶接中に粒界に析出した炭化物をオーステナイト に再溶解させた後、急冷してオーステナイト組織を固 定する。安定化処理では、溶接継手を850～900℃に加熱し、2時間保持した後、空冷し、オーステナイト粒内のクロムを徐々に粒界に拡散させ、粒界のクロム欠乏層を除去することで、耐粒界腐食性を向上させる。

溶体化処理も安定化処理も、オーステナイト系 ステンレス鋼溶接継手の耐粒界腐食性を向上させるこ とを目的としている。

 溶接後の熱処理で注意すべき点は以下の通りである。

• V、Ti、またはNbを一定量含む低合金鋼の場合、600℃前後での長時間の保持は避ける必要がある。これは、材料強度が上昇する一方で塑性と靭性が著しく低下する調質脆性につながる可能性があるためである。
• 溶接後の応力除去焼鈍は、一般に母材 の焼戻し温度より30～60℃低くすべきである。
• Cr、Mo、V、Ti、Nbなどの元素を含む一部の低合金鋼溶接構造物では、応力除去焼鈍時に再熱割れを防止するために注意を払う必要がある。
•  熱処理中は、構造的な変形を防ぐために注意を払わなければならない。

表2-31～2-34に、一般的に使用される溶接後熱処理仕様の主なパラメーターを示す。

表2-31 溶接後熱処理（400℃以上）の加熱および冷却速度

表2-32 特定の鋼種で溶接後に応力除去焼鈍を必要とする板厚範囲

 表2-33 指定鋼種の溶接後応力除去焼鈍温度

 表2-34 一般的な低合金鋼の溶接後熱処理温度

さまざまな溶接構造物の溶接後熱処理は、関連する製品製造技術条件に従って実施されるべきである。