ステンレス鋼溶接部の高温割れ：原因、検出、予防

高温割れ-凝固割れとも呼ばれる-は、ステンレス鋼の製造において最も一般的な溶接欠陥であり、オーステナイト系ステンレス鋼のすべての溶接欠陥の約 60-70% を占めます。この現象は、凝固中に液膜または低融点相が粒界に閉じ込められ、冷却による熱収縮応力に耐えられない弱い経路が形成されるときに発生します。根本的な原因は、不適切な溶接形状または過剰な入熱と組み合わされた過剰な不純物偏析 (硫黄、リン、シリコン) です。

この記事では、5 つの主要なステンレス鋼ファミリーにわたる高温割れのメカニズム、検出方法、防止戦略について、証拠に基づいた包括的な分析を紹介します。{0}

ホットクラッキングとは何ですか?

高温割れは、金属が部分的に液体で部分的に固体である溶接凝固の最終段階で発生します。溶けたチョコレートと固体の中間のチョコレートを想像してみてください。-チョコレートは弱く、簡単に割れてしまいます。同様に、この段階のステンレス鋼には、低融点不純物（硫黄やリンなど）が成長中の結晶の端に押しやられるため、弱い粒界が存在します。{3}溶接部が冷えて収縮すると、これらの弱い境界が割れて開きます。亀裂は通常、溶接中心線から 0.1 ～ 10 mm 以内に発生し、顕微鏡で確認できる場合もあれば、肉眼で確認できる場合もあります。

3種類の熱間割れ

凝固割れ: 初期溶接中に溶融池が凝固するときに発生します (最も一般的、ケースの 80%)

液状割れ: 溶接中に既存の粒子が部分的に溶けたときに熱影響部（HAZ）で発生します-

延性-ディップ割れ: 脆性相の析出により金属が延性を失うときに 800 ～ 1000 度で発生します。

凝固亀裂は現場での故障の大部分を占め、製造業者が制御できる溶接手順の変数に直接影響されるため、この記事の主な焦点は凝固亀裂です。

硫黄とリンが主な原因

直接的な証拠:硫黄 (S) とリン (P) は、ステンレス鋼の溶接部に高温割れを引き起こす 2 つの最も有害な不純物です。硫黄の場合は 0.015% (150 ppm)、リンの場合は 0.020% (200 ppm) 以上存在すると、これらの元素は低融点化合物を形成し、周囲の金属が凝固した後も液体のままになります。-硫黄化合物（硫化マンガン、MnS）は 1,615 度で融解しますが、鉄やクロムと結合すると、融点はステンレス鋼の凝固温度 1,400 ～ 1,450 度よりもはるかに低い 950-1,050 度に下がります。これにより、収縮応力に耐えられない粒界に液体膜が形成されます。

テーブル。高温-亀裂-耐性のあるステンレス鋼の硫黄およびリン含有量の制限

出典: ASTM A240/A240M-22「クロムおよびクロムニッケルステンレス鋼板、シート、およびストリップの標準仕様」; AWS A5.9/A5.9M-22「裸ステンレス鋼溶接電極および棒の仕様」; IIW (国際溶接学会) 文書 IX-2202-18「オーステナイト系ステンレス鋼溶接部の高温割れ防止ガイドライン」。

重要なポイント: 「L-」鋼（低炭素、0.030% C 以下）を使用するだけでは、耐高温亀裂性は保証されません。-重要な不純物は硫黄とリンであり、炭素ではありません。低炭素グレードは、感作リスクを軽減しますが、凝固亀裂に対する影響は最小限です。耐亀裂性溶接の場合-、S が 0.015% 以下、P が 0.020% 以下の鋼を指定してください。

オーステナイト系ステンレス鋼は最も影響を受けやすい

オーステナイト系ステンレス鋼(300-シリーズ: 304、316、321、347) は、フェライト系ステンレス鋼や二相ステンレス鋼よりも 5- 10 倍熱間割れを起こしやすくなっています。これは、オーステナイト系（面心立方晶、FCC）結晶はフェライト系（体心立方晶、BCC）結晶よりも不純物の溶解度が高く、凝固中により多くの硫黄とリンが粒界に偏析するためです。二相鋼 (22% Cr、5% Ni、3% Mo) は、連続液膜を遮断するオーステナイトとフェライトの混合構造を持ち、完全オーステナイト鋼と比較して亀裂感受性を 70 ～ 80% 低減します。

テーブル。ステンレス鋼の種類別の高温割れ感受性

出典: IIW 文書 IX-2202-18「オーステナイト系ステンレス鋼溶接部の高温割れ防止ガイドライン」。 AWS 溶接ハンドブック、第 10 版、Vol. 4「材料とアプリケーション」(2020); Norsok M-601「配管の溶接と検査」(改訂. 6、2022);コベルコ溶接社『ステンレス溶接ガイド』（2019年）。

重要な洞察: オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の高温割れを防ぐ最も効果的な方法は、溶接金属中に 3 ～ 8% のフェライト (FN 3 ～ 8) を生成する溶加材を使用することです。フェライトは連続的なオーステナイト粒界を遮断し、不純物が再分布する経路を提供します。これが、ER308L (304 用) および ER316L (316 用) フィラーが FN 3 ～ 8 を生成するように配合されている一方で、母材自体をフィラー (自己溶接) として使用すると、ほとんどの場合亀裂が発生する理由です。

適切な溶加材の選択によりひび割れの 80% を防止

適切な溶加材を使用すると、{0}母材と比較してクロムとニッケルが全体的に合金化されたもの-で、高温割れの発生を約 80% 防ぐことができます。フィラーは、溶接されたままの状態で 3-8% のフェライト価 (FN) を生成するように配合する必要があります。たとえば、304 ステンレス鋼 (18% Cr、8% Ni) を溶接する場合は、3 ～ 8 FN の溶接金属を生成する ER308L フィラー (20% Cr、10% Ni) を使用します。

追加のクロムとニッケルはフェライトの形成を促進し、連続的なオーステナイト粒界を遮断し、不純物偏析の代替経路を提供します。適合する組成のフィラー (例: 304 卑金属の ER304) は決して使用しないでください。-これにより、0 ～ 2 の FN が生成され、ほとんどの場合亀裂が発生します。

テーブル。クラックフリーのオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に推奨される溶加材-

出典: AWS A5.9/A5.9M-22「裸ステンレス鋼溶接電極および棒の仕様」; AWS A5.4/A5.4M-22「被覆金属アーク溶接用ステンレス鋼電極の仕様」; IIW 文書 IX-2202-18;コベルコ建機『ステンレス溶接ガイド』(2019);リンカーン エレクトリックの「ステンレス鋼溶接製品カタログ」(2023)。

重要な警告: ステンレス鋼の溶接には炭素鋼や低合金鋼フィラーを決して使用しないでください。{0}たとえ少量の炭素鋼の汚染（溶接トーチ/機器の以前の使用によるもの）でも、炭化物の析出を促進し、耐食性を低下させるカーボンピックアップが発生する可能性があります。溶接前に必ず専用のステンレス鋼ワイヤーブラシを使用し、接合部を光沢のある金属まで清掃してください。

入熱とパス間温度の制御が重要

過剰な入熱（薄い部分では 1.5 kJ/mm、厚い部分では 2.5 kJ/mm 以上）では、溶接金属が脆弱な「どろどろゾーン」（部分的に液体状態）に滞在する時間が長くなり、不純物の偏析が増加し、高温割れのリスクが増加します。

逆に、入熱が低すぎる（0.5 kJ/mm 未満）と、拘束力の高い狭くて深い溶接ビードが形成され、亀裂も発生します。-ほとんどのオーステナイト系ステンレス鋼の溶接では、最適な入熱範囲は 0.8-1.5 kJ/mm です。パス間温度は最大 100 ～ 150 度の間に制御する必要があります。150 度を超えると過剰な粒子成長が発生し、亀裂の感受性が 3 ～ 5 倍増加します。

テーブル。クラックのないステンレス鋼溶接部の入熱とパス間温度のガイドライン-

出典: AWS D1.6/D1.6M-22「構造溶接規定 - ステンレス鋼」; ASME BPVC セクション IX (2023) 「溶接手順仕様 (WPS) 要件」; Norsok M-601 (改訂. 6、2022) 「配管の溶接と検査」; IIW 文書 IX-2202-18。

ストリンガービーズ vs. ウィーブビーズ

幅の広い織りビードではなく、ストリンガー ビード (幅が狭い溶接ビード、幅がワイヤ直径の 3 倍以下) を使用します。ウィーブビーズは入熱を増加させ、どろどろのゾーンを広げ、ひび割れのリスクを高めます。 GTAW (TIG) 溶接の場合、ビード幅は 10 mm 以下にしてください。 GMAW (MIG) の場合、ビード幅を 12 mm 以下に保ちます。広い溶接が必要な場合は、単一の幅広の織りビードではなく、複数のストリンガーパスを使用します。

最新の NDT 手法で整備前に亀裂を検出

長さ 0.5 mm、深さ 0.1 mm ほどの高温亀裂は、溶接部品が使用に入る前に最新の非破壊検査 (NDT) 方法を使用して検出できます。-高温亀裂の検出に最も効果的な NDT 方法は次の 3 つです。(1) 液体浸透探傷試験 (PT) - は、0.5 mm を超える表面-の破壊亀裂を検出します。 (2) 磁粉試験 (MT) - は、強磁性鋼の 1.0 mm を超える表面および表面付近の亀裂を検出します- (オーステナイト系ステンレスには適用されません)。 (3) X 線検査 (RT) - により、壁厚の 2% を超える内部亀裂が検出されます。 (4) 超音波検査 (UT) - は、適切な斜角ビーム技術を使用して 1.5 mm を超える内部亀裂を検出します。-。重要なアプリケーションの場合は、PT と UT を組み合わせて使用​​し、95% 以上の検出信頼性を達成します。

テーブル。ステンレス鋼溶接部の熱割れ検出における NDT 法の比較

出典: ASME BPVC セクション V「非破壊検査」(2023 年版)。 ASTM E165/E165M-21「液体浸透試験の標準実施」; ASTM E709-21「磁性粒子検査の標準ガイド」; ASTM E1032-21「放射線検査の標準試験方法」; ASTM E164-21「溶接部の超音波検査の標準慣行」; IIW 委員会 V「溶接の NDT」ガイドライン (2020)。

重要な点: オーステナイト系ステンレス鋼は非強磁性であるため、磁粉試験 (MT) は機能しません。-（オーステナイトは FCC であり、室温では非磁性です）-。多くの製造業者は、ステンレス鋼の溶接に MT を誤って指定しています-これは無駄な労力です。オーステナイト系ステンレス鋼の表面亀裂には必ず PT を使用し、内部亀裂には UT/PAUT を使用します。

低-不純物「L-」鋼はリスクを大幅に軽減します

超-低-不純物ステンレス鋼（S 0.010% 以下、P 0.020% 以下）を指定すると、標準の商用グレード（S 0.030% 以下、P 0.045% 以下）と比較して高温割れ感受性が 60-80% 減少します。いくつかの製鉄所は現在、不純物レベルを厳密に管理した「溶接グレード」または「耐亀裂-」タイプを提供しています。たとえば、Outokumpu の「Supra」グレードと Aperam の「Uranus」グレードは、S が 0.005% 以下、P が 0.015% 以下であり、適切な溶加材と溶接手順を組み合わせれば高温割れを事実上排除します。追加の材料コストは 10 ～ 20% ですが、溶接修理のコスト (通常は元の溶接コストの 5 ～ 10 倍の費用がかかります) が回避されるため、非常に費用対効果の高い投資になります。

テーブル。低-不純物「亀裂-に強い」ステンレス鋼のオプション

出典: Outokumpu「スープラ製品ファミリー データシート」(2023); Aperam「Uranus ステンレス鋼 - 溶接ガイド」(2022);サンドビック「溶接用サニクロステンレス鋼」(2021);日本製鉄「NSSCシリーズステンレス鋼」（2022年） IIW 文書 IX-2202-18。

ステンレス鋼ファミリーと亀裂の感受性

テーブル。包括的な比較 - ステンレス鋼ファミリー間の高温割れの感受性と防止

出典: IIW 文書 IX-2202-18「オーステナイト系ステンレス鋼溶接部の高温割れ防止ガイドライン」。 AWS D1.6/D1.6M-22; Norsok M-601 (Rev. 6、2022);コベルコ建機『ステンレス溶接ガイド』(2019); JN アロイの内部溶接欠陥データベース (2024)。