溶接欠陥

金属加工において、溶接欠陥とは溶接部の有用性を損なう欠陥のことである。溶接欠陥にはさまざまな種類があり、ISO 6520 ^[1]に従って分類されているが、溶接の許容限度はISO 5817 ^[2]およびISO 10042 ^{[3]に規定されている。}

アメリカ機械学会（ASME）によると、溶接欠陥の原因は次のように分類できます。41%はプロセス条件の悪さ、32%は作業者のミス、12%は誤った技術の使用、10%は不適切な消耗品、5%は溶接溝の不良です。^[4]

溶接による加熱とその後の冷却によって生じる残留応力の大きさは、次のように概算することができます。^[5]

${\displaystyle E\alpha \Delta T}$

ここで、はヤング率、は熱膨張係数、 は温度変化です。これは、鋼鉄の場合、およそ 3.5 GPa (510,000 psi) になります。 ${\displaystyle E}$${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \デルタT}$

アークストライクは、アークによって生じる不連続性で、局所的に再溶解した金属、熱の影響を受けた金属、または金属物体の表面形状の変化によって生じます。^[6] アークストライクにより、母材の局所的な加熱と急速な冷却が起こります。アークストライクが溶接予定領域外にある場合、硬化や局所的な亀裂が生じ、その後の破損の原因となる可能性があります。静的荷重を受ける構造物では、契約書類で除去が要求されていない限り、アークストライクを除去する必要はありません。ただし、周期的に荷重を受ける構造物では、アークストライクによって応力集中が生じ、構造物の耐用性に悪影響を与える可能性があるため、アークストライクは研磨して滑らかにし、亀裂がないか目視検査する必要があります。^[7]

冷間割れは、遅延割れ、水素アシスト割れ（HAC）、または水素誘起割れ（HIC）とも呼ばれ、溶接部の凝固後に温度が約190°C（375°F）から低下し始めると発生することが多い欠陥の一種です。この現象は室温で発生することが多く、完全に冷却した後でも現れるまでに最大24時間かかることがあります。^[8]一部の規格では、溶接プロセスの48時間後に溶接物のテストを要求しています。このタイプの亀裂は通常、熱影響部（HAZ）で見られ、特に硬化性が限られている炭素鋼で多く見られます。硬化性が高い他の合金鋼の場合、冷間割れは溶接金属とHAZの両方で発生する可能性があります。この亀裂メカニズムは、粒子間および粒子を貫通して伝播することもあります。^[9] 冷間割れの発生に寄与する要因は次のとおりです。^[10]

• 溶接金属中に溶解した水素（H2）の量：

溶接金属に溶解した水素は水素脆化に関係しています。水素を含まない溶接材料を使用することで、水素含有量を減らすことができます。大気にさらされる溶接フィラー（特にシールドメタルアーク溶接（SMAW））の場合は、フラックスから水分を除去するために適切な電極ベーキングが推奨されます。母材の予熱も、作業対象物から水素を放出するために使用される技術の1つです。

• 残留引張応力:

残留引張応力は、応力がかかっていない状態でも亀裂の伝播を引き起こす可能性があります。これは、母材を予熱することで回避できます。母材を予熱すると、溶接金属の冷却速度に影響を与える異なる熱膨張係数が低減します。残留応力の大きさが金属の降伏強度σに等しくなる可能性があるため、降伏強度の低いフィラー金属を使用することも望ましいです。したがって、延性があるため、オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケルベースのフィラーの使用を検討できます。また、溶接後熱処理（PWHT）により、溶接ジョイントの残留応力が解放されます。

• 溶接金属と熱影響部（HAZ）の硬度：

硬度は材料の脆さと相関関係にあります。過度の硬度を下げるには、物体に予熱とPWHTを適用します。硬度値が350 VHN未満の場合は、割れる傾向が低くなります。^[10]

• 溶接金属とHAZの構造：

鋼の冷間割れは、溶接部が冷えるときにマルテンサイトが形成されることに関連しています。マルテンサイトにおける水素の溶解度は非常に低いため、注意しないとガスが溶接部内に閉じ込められる可能性があります。溶接プロセス中の冷却速度を遅くすると、マルテンサイトの形成を防ぐのに役立ちます。さらに、冷却速度が遅いということは、高温での時間が長くなるため、より多くの水素が逃げることになります。冷却速度を遅くするには、高い熱入力を使用し、溶接中にそれを維持します。

母材の合金組成も、冷間割れの発生確率に重要な役割を果たします。これは、組成が材料の硬化性に関係するためです。冷却速度が速いと、溶接金属と HAZ に硬くて脆い構造が形成されるリスクが高くなります。材料の硬化性は、通常、炭素含有量で表されますが、他の要素を考慮する場合は炭素当量(CE) 値で表されます。

${\displaystyle {\ce {CE_{IIW}= C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15}}$^[8]（濃度は重量パーセントで表示）

そして、炭素含有量（炭素当量指数に影響を与える追加元素を含む）に応じて、鋼はグラヴィル図に示すように、冷間割れ挙動から3つのゾーンに分類できます。^[11]

• ゾーン Iには、炭素含有量が 0.10% 未満の低炭素鋼および低合金鋼が含まれます。この領域にある材料は、割れが発生しにくいと考えられています。

• ゾーン IIには、炭素含有量が 0.10% を超えるほとんどの炭素鋼が含まれます。このゾーンの鋼は冷間割れが発生しやすくなります。この場合、低水素フィラーを使用し、溶接プロセス中の冷却速度を遅くすることが望ましいです。

• ゾーン IIIには、炭素含有量が 0.10% を超え、炭素当量指数が高い合金鋼が含まれます。このゾーンの材料は、制御された冷却下でもマルテンサイトの形成が避けられないため、溶接が難しいと考えられています。そのため、溶接プロセス中に予熱や PWHT などの追加手順が必要になります。

クレーター亀裂は溶接アークが切断されたときに発生し、アークキャビティを満たすのに十分な溶融金属があればクレーターが形成されます。^[12]

ハットクラックは溶接断面の形状からその名前が付けられており、溶接面が広がっているためです。クラックは溶融線から始まり、溶接部まで広がります。通常、電圧が高すぎるか速度が不十分な場合に発生します。^[12]

高温割れは凝固割れとも呼ばれ、あらゆる金属で発生する可能性があり、溶接部の溶融部で発生します。この種の割れの可能性を減らすには、材料の使用を過度に制限することを避け、適切な充填材を使用する必要があります。^[13]その他の原因としては、溶接電流が高すぎる、熱を拡散しない不適切な接合部設計、不純物（硫黄やリンなど）、予熱、溶接速度が速すぎる、アークが長いなどが挙げられます。^[14]

ビード下割れは熱影響部（HAZ）割れとも呼ばれ、^[15]溶融線から少し離れたところに形成され、低合金鋼と高合金鋼で発生します。このタイプの割れの正確な原因は完全には解明されていませんが、溶解した水素が存在する必要があることはわかっています。このタイプの割れに影響を与える他の要因は、母材と溶接金属の不均等な収縮、母材の拘束、マルテンサイトの形成による応力、金属からの水素の析出によるハイライトから生じる内部応力です。 ^[16]

縦方向の亀裂は、溶接ビードの長さに沿って走ります。チェッククラック、ルートクラック、フルセンターラインクラックの3種類があります。チェッククラックは表面から見え、部分的に溶接部にまで伸びています。これらは通常、特に最終パスでの高収縮応力、または高温割れメカニズムによって引き起こされます。ルートクラックはルートから始まり、溶接の途中まで伸びます。最初の溶接ビードのサイズが小さいため、ルートクラックは最も一般的なタイプの縦方向クラックです。このタイプのクラックに対処しないと、通常は後続の溶接パスに広がり、これがフルクラック（ルートから表面までのクラック）の形成方法です。^[12]

再熱割れは、 HSLA鋼、特にクロム、モリブデン、バナジウム鋼で後加熱中に発生する割れの一種です。この現象はオーステナイト系ステンレス鋼でも観察されています。熱影響部のクリープ延性が低いために、このような割れが発生します。欠陥やノッチが存在すると、割れの形成が悪化します。再熱割れを防ぐのに役立つ条件には、低温で均熱した後、高温まで急速加熱する予備熱処理、溶接止端の研磨またはピーニング、およびHAZ結晶構造を微細化するための2層溶接技術の使用などがあります。^{[17] [18]}

ルートクラックは、溶接開始時、溶接開始時の電流値が低く、フィラー材が不適切な場合に、ルート（エッジ処理）のビードが短いために発生します。このタイプのクラックが発生する主な原因は、水素脆化です。この欠陥は、開始時の電流値が高く、フィラー材が適切であれば解消できます。溶接端部のクラックは、溶接部分の水分含有量によって発生します。表面クラックであるため、簡単に検出できます。このタイプの欠陥を解消するには、予熱と適切な接合部形成が不可欠です。

横方向の亀裂は溶接方向に対して垂直です。これは通常、低延性の溶接金属に作用する縦方向の収縮応力の結果です。クレーター亀裂は、溶接アークが早期に終了するとクレーター内に発生します。クレーター亀裂は一般的に浅い高温亀裂で、通常は単一亀裂または星型亀裂を形成します。これらの亀裂は通常、クレーター パイプから始まり、クレーター内で縦方向に伸びます。ただし、溶接の残りの部分で縦方向の溶接亀裂に広がる場合があります。

接合部で金属を溶かす溶接方法では、加熱された金属が冷えると必然的に収縮する傾向があります。収縮により残留応力と歪みが生じます。最終製品が希望の形状にならないため、歪みは大きな問題となる可能性があります。特定の種類の歪みを軽減するために、ワークピースをオフセットして、溶接後に製品が正しい形状になるようにすることができます。^[19]次の図は、さまざまなタイプの溶接歪みを示しています。^[20]

• 
  横方向の収縮
• 
  角度の歪み
• 
  縦方向の収縮
• 
  フィレット歪み
• 
  中立軸の歪み

ガスの封じ込め（凝固した溶接部内にガスが閉じ込められること）は、多孔性、ブローホール、パイプ（またはワームホール）など、さまざまな欠陥として現れます。ガスの発生は、ワークピースまたは電極の硫黄含有量が高い、電極またはワークピースからの水分が多すぎる、アークが短すぎる、溶接電流または極性が間違っているなど、次のいずれかの原因によって発生します。^[15]

介在物には他に線状介在物と孤立介在物の 2 種類がある。線状介在物は、溶接部にスラグまたはフラックスがある場合に発生する。スラグはフラックスの使用により形成されるため、このタイプの欠陥は通常、シールドメタルアーク溶接、フラックス入りアーク溶接、サブマージアーク溶接などのフラックスを使用する溶接プロセスで発生するが、ガスメタルアーク溶接でも発生する可能性がある。この欠陥は通常、溶接部間の重なりが不十分な場合に、複数のパスを必要とする溶接で発生する。重なりが不十分な場合、前の溶接からのスラグが溶けて新しい溶接ビードの上部に上がることができない。また、前の溶接でアンダーカットや不均一な表面プロファイルが残っている場合にも発生する可能性がある。スラグ介在物を防ぐには、パス間でグラインディング、ワイヤーブラッシング、またはチッピングによって溶接ビードからスラグを除去する必要がある。^[21]

孤立した介在物は、ベースメタル上に錆やミルスケールが存在する場合に発生します。 ^[22]

融合不足とは、溶接ビードと母材の密着性が悪いことです。不完全な溶け込みとは、溶接ビードが溶接溝の根元から始まっておらず、溶接の根元に溝や割れ目が残ることです。腐食性物質がこれらの領域に定着する可能性があるため、配管では深刻​​な問題を引き起こします。これらのタイプの欠陥は、溶接手順が順守されていない場合に発生します。考えられる原因には、電流設定、アーク長、電極角度、電極操作などがあります。^[23]欠陥は多様であり、重大または非重大に分類できます。溶接部の気孔（気泡）は通常、ある程度まで許容されます。スラグ介在物、アンダーカット、および亀裂は通常許容されません。一部の気孔、亀裂、およびスラグ介在物は目に見えるため、除去を要求するためにさらに検査する必要がない場合があります。浸透探傷試験（染料チェック）では、軽微な欠陥を確認できます。磁粉探傷検査では、表面のすぐ下のスラグ介在物や亀裂を発見できます。より深い欠陥は、放射線（X 線）や超音波（音波）検査技術を使用して検出できます。

ラメラ割れは、鋼板を溶接して 板面に対して垂直方向に収縮力を発生させる方法で溶接した場合に発生する溶接欠陥であり、主に材料中の硫黄含有物によって引き起こされます。 ^[24] 1970年代以降、製造方法の変更により硫黄の使用量を制限することで、この問題の発生率が大幅に減少しました。^[25]

その他の原因としては、合金中の水素過剰が挙げられます。この欠陥は、鋼合金中の硫黄量を0.005%未満に保つことで軽減できます。 ^{[25]合金に}希土類元素、ジルコニウム、カルシウムを添加して、金属格子全体の硫黄介在物の配置を制御することでも、この問題を軽減できます。^[26]

ラメラの裂け目は溶接部でのみ発生するため、溶接部の代わりに鋳造または鍛造部品を使用するように製造工程を変更すると、この問題を排除できます。 ^[24]

アンダーカットとは、溶接によって母材の断面の厚さが減り、溶接部とワークピースの強度が低下することです。このタイプの欠陥の原因の 1 つは、過度の電流です。過度の電流により、接合部の端が溶けて溶接部に流れ込み、溶接部の長さに沿って流れ穴のような跡が残ります。もう 1 つの原因は、溶接部の端に十分なフィラー メタルを堆積させない不適切な技術です。3 つ目の原因は、不適切なフィラー メタルの使用です。これにより、溶接部の中心と端の間に大きな温度勾配が生じます。その他の原因としては、電極角度が小さすぎる、電極が減衰している、アーク長が長すぎる、溶接速度が遅いなどがあります。^[27]

• ケアリー、ハワード B.; ヘルツァー、スコット C. (2005)、現代の溶接技術、アッパーサドルリバー、ニュージャージー：ピアソンエデュケーション、ISBN 0-13-113029-3。
• ラージ、バルデフ。ジャヤクマール、T. Thavasimuthu, M. (2002)、実践的な非破壊検査 (第 2 版)、Woodhead Publishing、ISBN 978-1-85573-600-9。
• ランポール、フーバサール（2003）、パイプ溶接手順（第2版）、インダストリアルプレス、ISBN 978-0-8311-3141-8。
• Moreno、Preto (2013)、溶接欠陥 (第 1 版)、Aracne、ISBN 978-88-548-5854-1、2017年5月19日オリジナルからアーカイブ、2017年4月26日閲覧。
• ウィーマン、クラス（2003）、溶接プロセスハンドブック、ニューヨーク、NY：CRCプレス、ISBN 0-8493-1773-8。

• 水素の故障を理解する
• 放射線写真の解釈 – 溶接 アーカイブ 2014-02-16 at the Wayback Machine