溶接時の低温割れの原因

低温割れは、溶接製造においてより一般的なタイプの割れであり、低合金高張力鋼の場合、溶接部がマルテンサイト変態温度付近の低温に冷却されたときに発生します。低温亀裂形成の 3 つの要素は、鋼の硬化傾向、溶接部の水素含有量とその分布、溶接継手の応力状態です。

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I. 硬化傾向

鋼の硬化傾向は主にその化学組成と冷却条件に依存します。鋼の硬化傾向が大きいほど、溶接時に低温割れが発生しやすくなります。硬化傾向が大きいほど、加熱時に溶接部でより多くのマルテンサイト組織が生成されることを意味し、マルテンサイトの変形能力が低く、脆性破壊を起こしやすいためです。溶接継手の硬化傾向は、化学組成、冷却条件に加えて、溶接プロセス、板厚の構造にも影響されます。

このうち、鋼の硬化傾向に及ぼす化学組成の影響は、炭素当量法[2]を用いて次のように概算することができる。

CE (IIW) = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15

たとえば、厚さ 20 mm 未満の鋼板の場合、CE < 0.4% の場合、硬化傾向は顕著ではありません。

硬化傾向の大きな金属は、熱的不均衡の条件下では多数の格子欠陥を形成し、応力と熱的不均衡の条件下では亀裂の発生源となり、さらには拡大してマクロ亀裂を形成します。

溶接部や熱影響部に水素が存在すると、靭性が低下し、水素脆化が生じます。高炭素マルテンサイト硬化組織は、水素脆化および低温割れに対して非常に敏感です。熱影響部の最大硬度は、特定の高張力鋼の硬化傾向を評価するために溶接で一般的に使用されます。

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２つ目は水素です

水素は、高張力鋼の溶接における冷間割れの形成を引き起こす重要な要因の 1 つであり、この冷間割れに遅延特性を持たせます。通常、「水素割れ」または「水素誘起割れ」と呼ばれる水素誘起遅延割れです。 「遅れ」の理由は、水素が鋼内に拡散し、微細な欠陥に集まり、応力が発生し、亀裂が生じるまでに一定の時間がかかるためです。

高張力鋼の溶接継手中の水素含有量が多いほど割れが発生しやすくなり、水素含有量がある臨界値を超えると割れが発生し始めますが、臨界値の大きさは場合によって異なります。

溶接熱影響部の水素濃度が十分に高いと、マルテンサイト組織 (存在する場合) がさらに脆化し、亀裂が形成されます。

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第三に、ストレス状態

高張力鋼溶接の冷間割れは、鋼の硬化傾向や水素の悪影響だけでなく、溶接継手の応力状態にも依存し、場合によっては応力状態が決定的な役割を果たすこともあります。拘束力は、熱応力（不均一な加熱と冷却）、相変化応力（相変化中の組織の体積変化）、溶接継手の構造の形状、溶接順序などによって形成されます。

冷間割れの形成に関する上記の 3 つの要素は、それぞれ独自の固有法則を持っていますが、相互に影響を及ぼします。一般に、溶接金属の熱影響部と硬化傾向は亀裂の固有の要因ですが、水素は鋼に硬化した組織が形成されている場合にのみ、亀裂を誘発するという有害な役割を果たす可能性があります。