溶接割れはその性質により、高温割れ、再熱割れ、低温割れ、ラメラ裂などに分類されます。ここでは、各種割れの原因や特徴、防止方法について詳しく説明します。
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熱い亀裂
溶接時の高温で発生するためホットクラックと呼ばれます。元のオーステナイト粒界に沿って亀裂が発生するのが特徴です。溶接される金属の材質（低合金高張力鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、アルミニウム合金、一部の特殊金属など）に応じて、熱割れの形状、温度範囲、主な原因も異なります。現在、熱亀裂は結晶亀裂、液状化亀裂、多面亀裂の 3 つのカテゴリに分類されます。
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(1) 結晶クラック
これは主に、より多くの不純物（S、P、C、Siを多く含む）を含む炭素鋼および低合金鋼の溶接部、単相オーステナイト鋼、ニッケル基合金および一部のアルミニウム合金の溶接部で発生します。この種の亀裂は、固相線付近の溶接結晶化プロセス中に発生します。凝固した金属の収縮により、残留する液体金属が不足し、充填が間に合わなくなります。応力の作用下で粒界亀裂が発生します。
予防策と抑制策は次のとおりです。冶金学的要因の観点から、溶接金属の組成を適切に調整し、脆性温度領域の範囲を短縮し、溶接部内の硫黄、リン、炭素などの有害な不純物の含有量を制御します。溶接金属の一次粒子を微細化する。つまり、Mo、V、Ti、Nb、その他の元素を適切に添加する。技術的には、溶接前の予熱、ラインエネルギーの制御、接合拘束の軽減などにより防止できます。
(2) 継ぎ目付近の液状化亀裂
オーステナイト粒界に沿って亀裂が生じる一種の微小亀裂です。そのサイズは非常に小さく、継ぎ目付近の HAZ または層の間に発生します。その形成は一般に、溶接中のシーム近くの領域の金属または溶接シーム間の金属が、これらの領域のオーステナイト粒界上の低融点共晶組成を高温で再溶融させるという事実によるものです。引張応力の作用下では、低融点共晶組成のオーステナイト粒界亀裂が液状亀裂を形成します。
この種のクラックの予防および抑制対策は、基本的には結晶クラックの場合と同様です。特に冶金では、硫黄、リン、シリコン、ホウ素などの低融点共晶元素の含有量をできる限り減らすことが非常に効果的です。技術的には、ラインエネルギーを削減し、溶融池内の融解ラインの凹面を減らすことができます。
(3) 多角形の亀裂
これは、多角形の形成時に高温での可塑性が低下することが原因で発生します。この種の亀裂は一般的ではありません。その防止および抑制対策には、溶接部に Mo、W、Ti などの元素を添加して多面励起エネルギーを増加させることが含まれます。
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再加熱亀裂
これは通常、特定の鋼種および析出強化元素を含む高温合金（低合金高張力鋼、パーライト耐熱鋼、析出強化型高温合金、一部のオーステナイト系ステンレス鋼など）で発生します。溶接後に亀裂は見当たりませんでした。その代わり、熱処理の過程でクラックが発生しました。再熱割れは溶接熱影響部の過熱された粗粒部で発生し、その方向は溶融線のオーステナイト粗粒界に沿って拡大する方向に進む。
再熱割れを防ぐための材料選択の観点からは、細粒鋼が使用できます。技術面では、より小さな線形エネルギーを使用し、より高い予熱温度とその後の加熱手段を使用し、応力集中を避けるために低マッチングの溶接材料を使用します。
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コールドクラック
冷間亀裂は主に、高および中炭素鋼、低および中合金鋼の溶接熱影響部で発生しますが、一部の超高張力鋼、チタンおよびチタン合金などの一部の金属の溶接部でも発生する場合があります。一般に、高張力鋼の溶接時に低温割れが発生する主な要因は、鋼種の硬化傾向、溶接継手の水素含有量と分布、継手の拘束応力状態の3つです。水素元素と引張応力の作用により、溶接後に形成されたマルテンサイト組織は低温割れを形成します。その形成は一般に粒内または粒間です。コールド亀裂は一般に、溶接止端亀裂、溶接ビード亀裂、およびルート亀裂に分類されます。
低温割れの防止と制御は、ワークピースの化学組成、溶接材料の選択、およびプロセス対策の 3 つの側面から始めることができます。可能な限り炭素当量の低い材料を使用する必要があります。溶接材料としては低水素電極を使用し、溶接には低強度のマッチングを使用する必要があります。オーステナイト系溶接材料は、低温割れ傾向が高い材料にも使用できます。線形エネルギー、予熱および後加熱は合理的に制御する必要があります。熱処理は低温割れを防止するための工程措置です。
溶接製造では、使用される鋼種や溶接材料の違い、構造の種類や剛性、特定の施工条件などにより、さまざまな形の低温亀裂が発生する可能性があります。ただし、遅延亀裂は主に生産中に発生します。
遅延クラッキングには 3 つの形式があります。
(1) 溶接止端亀裂 - このタイプの亀裂は母材と溶接部の界面から発生し、明らかな応力集中箇所があります。亀裂の方向は溶接ビードと平行であることが多く、通常は溶接止端の表面から始まり母材の深さまで広がります。
(2) 溶接ビード下のき裂 ・この種のき裂は、硬化傾向が大きく水素含有量が多い溶接熱影響部に多く発生します。一般に、亀裂の方向は融解線と平行です。
(3) ルート亀裂 - このタイプの亀裂は遅延亀裂の一般的な形態であり、主に水素含有量が高く、予熱温度が不十分な場合に発生します。このタイプの亀裂は溶接止端亀裂に似ており、応力集中が最大となる溶接部の根元から発生します。ルート亀裂は、熱影響部の粗粒部分または溶接金属で発生する可能性があります。
高張力鋼の溶接時に低温割れが発生する主な要因は、鋼種の硬化傾向、溶接継手の水素含有量と分布、継手の拘束応力状態の3つです。これら 3 つの要素は相互に関連しており、特定の条件下では相互に強化されます。
鋼種の硬化傾向は主に化学成分、板厚、溶接プロセス、冷却条件によって決まります。溶接の際、硬化傾向が強い鋼種ほど割れが発生しやすくなります。鋼はなぜ硬化後に亀裂が入るのでしょうか？それは次の 2 つの側面に要約できます。
(1) 脆くて硬いマルテンサイト組織の形成 - マルテンサイトは、鉄中の炭素の過飽和固溶体です。結晶格子中に炭素原子が格子間原子として存在し、鉄原子が平衡位置からずれて結晶格子が変化します。歪みが大きいと組織が硬化した状態になります。特に溶接条件下ではシーム付近の加熱温度が非常に高くなり、オーステナイト粒の成長が著しくなります。急冷すると、粗大なオーステナイトは粗大なマルテンサイトに変化します。金属の強度理論から、マルテンサイトは脆くて硬い構造であり、破壊時のエネルギー消費が少ないことが知られています。そのため、溶接継手にマルテンサイトが存在すると、亀裂が発生しやすくなり、亀裂が拡大しやすくなります。
(2) 硬化により、より多くの格子欠陥が形成されます。金属は、熱的不均衡条件下で多数の格子欠陥を形成します。これらの格子欠陥は主に空孔と転位です。溶接熱影響部の熱ひずみが増加すると、応力と熱不均衡の条件下で空孔と転位が移動し、集合します。それらの濃度が特定の臨界値に達すると、亀裂の発生源が形成されます。応力が継続的に作用すると、巨視的な亀裂は拡大し、形成され続けます。
水素は高張力鋼の溶接において低温割れを引き起こす重要な要因の一つであり、遅れ特性を持っています。したがって、水素によって引き起こされる遅延亀裂は、多くの文献で「水素誘起亀裂」と呼ばれています。実験研究により、高張力鋼の溶接継手の水素含有量が高くなるほど、亀裂に対する感受性が高くなることが証明されています。局所的な領域の水素含有量が特定の臨界値に達すると、亀裂が発生し始めます。この値を亀裂発生限界値といいます。水素含有量[H]cr。
さまざまな鋼の冷間割れの [H]cr 値は異なり、鋼の化学組成、鋼強度、予熱温度、冷却条件に関係します。
(1) 溶接時の溶接材料中の水分、溶接部の錆、開先部の油汚れ、環境湿度はすべて水素リッチ溶接の原因となります。通常、母材や溶接ワイヤ中の水素量は微量ですが、電極皮膜中の水分や空気中の水分が無視できず、水素化の主な発生源となります。
(2) 異なる金属構造における水素の溶解および拡散能力は異なります。オーステナイト中の水素の溶解度は、フェライト中の水素の溶解度よりもはるかに大きい。したがって、溶接中のオーステナイトからフェライトへの転移中に、水素の溶解度が急激に減少します。同時に、水素の拡散速度はその逆で、オーステナイトからフェライトに変態するときに急激に増加します。
溶接中の高温の作用により、大量の水素が溶融池に溶解します。その後の冷却固化の過程で、溶解度が急激に低下するため、水素は可能な限り逃げようとしますが、急速に冷却されるため、水素が逃げる暇がありません。溶接金属中に残留して拡散水素を形成します。
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ラメラ断裂
内部低温亀裂です。母材や厚板の溶接熱影響部に限定されており、主に「L」「T」「+」タイプの継手で発生します。圧延した厚鋼板の板厚方向の塑性がこの方向の溶接収縮ひずみに耐えられず、母材に発生する階段状の冷割れと定義されます。一般に、厚鋼板の圧延工程において、鋼中の非金属介在物の一部が圧延方向と平行な帯状介在物に圧延されるためである。これらの介在物は、鋼板の機械的特性に異方性導電性を引き起こします。ラメラの裂けを防ぐには、材料の選択に精製鋼を使用します。つまり、Z 方向の性能が高い鋼板を使用します。また、接合部の設計を改善して、片面溶接を回避したり、Z 方向の応力がかかる側に溝を作成したりすることもできます。
ラメラ引き裂きは低温亀裂とは異なります。その発生は鋼種の強度レベルとは関係なく、主に鋼中の介在量と分布形状に関係します。一般に、層状の裂け目は、低炭素鋼、低合金高張力鋼、さらにはアルミニウム合金板などの圧延された厚鋼板で発生する可能性があります。ラメラ断裂は、その位置に応じて大きく 3 つのカテゴリに分類できます。
1 つ目のタイプは、溶接熱影響部の溶接止端または溶接ルートの低温亀裂によって引き起こされる層状の裂けです。
2 番目のタイプは、溶接熱影響部に沿った介在物亀裂であり、エンジニアリングにおいて最も一般的なラメラ裂です。
熱影響部から離れた母材金属における 3 番目のタイプの介在物亀裂は、一般に、MnS フレーク介在物が多い厚板構造で発生します。
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ラメラ引き裂きの形態は、介在物の種類、形状、分布、位置と密接に関係しています。圧延方向に沿って薄片状のMnS介在物が主体の場合にはラメラ裂は明確な階段状となり、珪酸塩系介在物が主体の場合は直線状となり、Al介在物が主体の場合は不規則となる。段差がついた。
厚板構造物、特にT字継手やコーナー継手を剛拘束下で溶接すると、溶接収縮により母材の厚さ方向に大きな引張応力とひずみが発生します。ひずみが母材の塑性を超えると、変形能力が発生し、介在物と金属マトリックスが分離し、マイクロクラックが発生します。応力が継続的に作用すると、亀裂の先端は介在物が存在する平面に沿って拡大し、いわゆる「プラットフォーム」を形成します。
層状断裂に影響を与える要因は数多くありますが、主に次の側面が含まれます。
(1) 非金属介在物の種類、量、分布形態はラメラ裂けの本質的な原因です。これが鋼の異方性と機械的特性の根本的な理由です。
(2) Z方向拘束応力
厚肉の溶接構造は、溶接プロセス中にさまざまな Z 方向の拘束応力、溶接後の残留応力、および荷重に耐えます。これらは、ラメラ引き裂きを引き起こす機械的条件です。
(3) 水素の影響
一般に、水素は熱影響部付近の低温亀裂によって引き起こされる層状の裂け目に重要な影響を与える因子であると考えられています。
ラメラ引き裂きは大きな影響を及ぼし、危険が非常に深刻であるため、建設前に鋼材のラメラ引き裂きに対する感受性を判断する必要があります。
一般的に使用される評価方法には、Z 方向引張面積収縮法やピン Z 方向臨界応力法などがあります。ラメラの破れを防ぐために、面積の収縮は 15% 以上である必要があります。一般的には15～20％程度と予想されます。 ２５％であれば、ラメラ耐引裂性が優れていると考えられる。
ラメラ破れを防止するには、主に以下の点から対策を講じる必要があります。
(1) 精錬鋼
溶鉄の早期脱硫と真空脱ガスの方法は、硫黄含有量がわずか {{1}}.003~0.005%、断面収縮率 (Z) の極低硫黄鋼の製錬に広く使用できます。方向）は23〜25％に達する可能性があります。
(2) 硫化物系介在物の形態制御
MnSを他の元素の硫化物にして熱間圧延時に伸びにくくし、異方性を低減します。現在広く使用されている添加元素はカルシウムと希土類元素です。上記のように処理された鋼は、Z 方向の面積収縮が 50 ～ 70% の層状耐引裂性鋼板を製造できます。
(3) ラメラ裂け防止の観点から、主に Z 方向応力および応力集中を避ける設計・施工となります。具体的な対策は以下のとおりです。
1) 片側溶接は可能な限り避けてください。代わりに両側溶接を使用すると、溶接のルート ゾーンの応力状態を緩和し、応力集中を防ぐことができます。
2) 過剰な応力を避けるために、溶接量が多い完全溶け込み溶接ではなく、溶接量が少ない対称すみ肉溶接を使用してください。
3) Z 方向の応力がかかる側に面取りを行ってください。
4) T 形継手の場合、低強度溶接材料の層を水平プレート上に予備溶接することで、溶接ルート割れを防止し、溶接歪みを緩和することもできます。
5) 低温割れによるラメラ裂けを防止するために、水素量の低減、予熱の適切な増加、層間温度の制御など、低温割れを可能な限り防止するための対策を講じる必要があります。
