溶接継手の組織と性能を解説：一読で理解できる

溶接継手は、以下の図に示すように、溶接部（OA）、溶合部（AB）、熱影響部（BC）の3つの部分から構成されています。

一、溶接継手の構成

1. 溶接部

溶接されたワークピースの接合部分は「溶接ビード」と呼ばれ、通常は溶融した母材と溶接材料で構成されていますが、場合によっては完全に溶融した母材のみで構成されることもあります。

2. 溶着部

溶融現象が発生する領域とは、溶接作業の際に形成される接合部の範囲内において、溶接ビードと母材が接合する部分で、移行の役割を果たす特定の領域であり、これはまさに、融点と凝固温度という二つの温度範囲の間に位置する部分である。

3. 熱影響部

溶接熱影響部とは、溶接工程において、材料が熱の影響を受け（ただし溶融はしていない）、その結果、金属組織や機械的特性に変化が生じた領域を指す。熱影響部の幅は、溶接方法、線エネルギー密度、板厚、および溶接プロセスに関連しており、低炭素鋼を異なる溶接方法で溶接した場合の熱影響部の平均寸法は、下表の通りである。

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2. 溶接継手の組織と特性

溶接継手内部では、溶接金属は高温の液状から常温の固状へと冷却される過程で、2回の結晶化過程を経ます。具体的には、1回目の結晶化過程は液相から固相への相転移であり、さらに2回目の結晶化過程が存在します。この2回目の結晶化過程は、固相の状態において組織転移が生じるものです。

溶接金属の展開一次結晶過程は以下の通りである。結晶化は、まず溶融池の中で温度が最も低い溶合線部分で発生する。溶融池の温度が低下し続けるにつれて、結晶は徐々に成長していく。その成長過程において、隣接する結晶による阻害のため、それらの結晶は溶融池の中心方向へとしか成長できず、その結果、柱状結晶が形成される。柱状結晶が互いに接触するまで成長すると、一次結晶化プロセスは終了する。

一次結晶過程においては、冷却速度が比較的速いため、溶接金属中の元素が十分に拡散する時間がなく、その結果、化学成分の分布に不均一が生じることがあります。このような状態を「偏析」と呼びます。偏析が存在すると、溶接部の機械的特性や耐食性が不均一になる可能性があり、さらに欠陥が生じる可能性もあります。例えば、熱割れの発生は偏析と関連しています。

溶接金属の二次結晶組織は、溶接部の化学成分に関係しており、溶接金属の二次結晶の特性も、溶接部の化学成分に関係している。溶接金属の二次結晶の組織および特性は、冷却速度に関係するほか、溶接後の熱処理にも関係している。低炭素鋼の平衡状態における二次結晶組織はフェライトに少量のパーライトが混在するものであり、低合金鋼の平衡状態における二次結晶組織も同様にフェライトに少量のパーライトが混在するものである。冷却速度が速くなるにつれて、パーライトの含有量が増加し、フェライトが減少する。 溶接部の強度は向上し、硬度も多少向上するが、塑性は低下し、靭性も低下する。合金元素の含有量は少なく、その中にはクロムが含まれる。

合金元素を多く含む耐熱鋼については、 ここでの合金元素であるクロム含有量が5%から9%の範囲にある場合、溶接材料が母材と近似しているときは、溶接前の予熱および溶接後の緩冷といった条件下において、溶接部は通常ベイナイト組織を示すが、マルテンサイト組織が現れる可能性もある。高温焼戻しを行うと、焼戻しソーマイト組織が得られる。一方、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接材料を使用する場合、溶接部の組織は主にオーステナイトとなる。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部の組織は、一般的にオーステナイトに少量のフェライトが混在したものである。

溶接金属の化学組成が比較的適正な状態にあるため、二次結晶の結晶粒は微細な状態を示しており、その結果、溶接部の金属は良好な機械的特性を備えている。また、溶接ビードの高さにより溶接部の応力を受ける断面積が増大するため、溶接継手の脆弱な部分は溶接部そのものではなく、溶込み部および熱影響部に位置している。

はっきり言っておくと、溶接ビードの高さを増やしても、溶接継手全体の強度を高めることはできない。その理由は、ビードの高さを増やしても溶接ビードの断面積は大きくなるだけで、溶合部や熱影響部の断面積は大きくならないからである。逆に言えば、溶込み高の存在は、溶込み部や熱影響部の粗結晶領域において構造的不連続性を生じさせ、ひいては応力集中を引き起こし、溶接継手の疲労強度を低下させることになる。

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3. 溶合部および熱影響部の組織と特性

溶接の際、熱影響部は幅方向の各点で加熱されますが、到達する温度は場所によって異なります。そのため、溶接後の組織や特性も異なります。熱影響部には、加熱によって到達する最高温度がある特定の点があり、その最高温度で保持される時間およびその後の冷却速度が、その点の組織状態を決定することになります。

構造用鋼の溶接時の熱処理特性という観点から見ると、これらは2つのカテゴリーに分類することができる。そのうち、一般的な溶接条件下で焼入れ傾向が比較的低いものがあり、低炭素鋼や合金元素の含有量が極めて少ない低合金鋼などがこれに該当し、「難焼入れ鋼」と呼ばれている。一方、もう一方は、炭素含有量が高い、あるいは合金元素の含有量が多いもので、一般的な溶接条件下で焼入れ傾向が比較的大きく、「焼入れしやすい鋼」と呼ばれている。また、これら2種類の鋼材は、溶接過程で生じる熱影響部における組織も互いに異なっている。