溶接欠陥における気孔：種類、原因、許容レベル

溶接の分野では、気孔は溶接接合部の品質と性能に重大な影響を与える可能性のある一般的な欠陥です。気孔の種類、原因、許容レベルを理解することは、溶接構造の完全性と信頼性を確保する上で非常に重要です。

溶接ポロシティとは何ですか?

溶接多孔性とは、溶接ビード内または溶接接合部の溶接ビード間に空洞またはボイドが存在することを指します。これらのボイドは、小さなピンホールから大きな空洞まで、サイズと形状がさまざまであり、通常はガス (水素、窒素、酸素など) で満たされますが、液化多孔性の場合には液体金属で満たされることもあります。

気孔は溶接接合部を弱め、機械的強度を低下させ、割れが生じやすくし、溶接構造全体の完全性を損なう可能性があるため、溶接欠陥と見なされます。

溶接における気孔の種類と原因

溶接における気孔はいくつかの異なる形で現れ、それぞれに特定の特性と原因があり、溶接の品質と完全性に影響を及ぼします。

表面の気孔率

溶接における表面多孔性とは、溶接ビードの外側の表面に目に見える小さな空隙または穴が形成されることを指します。これらの欠陥は通常、肉眼で簡単に検出でき、その大きさや分布は根本的な原因によって異なります。

目的

• シールドガスの問題: 適切なシールドがないと、酸素や窒素などのガスが溶融金属と反応してガスポケットが形成され、冷却時に空隙に固まります。これにより、溶接ビードの完全性が損なわれ、機械的強度と耐腐食性が低下する可能性があります。
• 卑金属汚染: 汚染物質は溶接中に蒸発または反応し、ガスを放出して溶接金属に閉じ込められます。この汚染物質により、フィラー金属と母材金属の適切な融合が妨げられ、表面に多孔性が生じます。汚染の程度によっては、溶接部の機械的強度と耐腐食性が著しく損なわれる可能性があります。
• 溶接技術: 不適切な技術は、不規則または不安定な溶接パドル、不十分なフィラー金属の堆積、または不適切なシールドガスの適用範囲につながる可能性があります。これらの要因は、表面の多孔性など、溶接ビード表面に凹凸を形成する一因となります。欠陥のない健全な溶接を実現するには、一貫性があり制御された溶接パラメータが不可欠です。

予防と管理

溶接時の表面の多孔性を軽減するには:

• 適切なシールドガスを確保する: 溶接プールを効果的に保護するために、適切な流量と適切なガス混合物を維持します。
• ベースメタルの事前洗浄: 溶接する前に、ベース金属表面から錆、油、塗料などの汚染物質を除去します。
• 溶接技術の最適化: 安定した溶接パドルと一貫したフィラー金属の堆積を確保するために、アークの長さ、移動速度、電極の操作に関する推奨手順に従うように溶接工をトレーニングします。

クレーター

クレーター形成とは、溶接ビードの終点に小さなクレーター状の空隙または陥没が形成されることです。これらの空隙は溶接の表面に見え、目視検査で簡単に識別できます。クレーター形成は通常、溶接アークが消えるか溶接電極が引き抜かれる溶接パスの完了時に発生します。

目的

• 突然の終了: 溶接アークが突然停止すると、十分な溶加材が堆積して空洞を埋める前に、クレーター領域の溶融溶接金属が凝固する可能性があります。これにより、溶接構造を弱める窪みが残ります。これらのクレーターの周囲に応力集中点が形成される可能性があり、負荷がかかったときに溶接が割れたり破損したりする可能性が高くなります。
• 充填材が不足しています: 充填材が不十分だとクレーターが完全に充填されず、応力集中や潜在的な欠陥が発生しやすくなります。これにより、溶接接合部の全体的な強度と完全性が損なわれます。
• 溶接技術: 不適切なクレーター充填手順や溶接パラメータ（アーク電圧や移動速度など）の不適切な制御などの溶接技術の悪さは、クレーターの形成につながります。一貫性のないクレーター充填技術は、溶接プロファイルの不均一や品質の低下につながる可能性があります。 溶接不良 品質。

予防と管理

クレーターを防止し、高品質の溶接を確保するには:

• 適切なクレーター埋め技術: クレーターを適切に埋めるために、溶接パスの終了時にバックステップや電極のウィービングなどの適切なクレーター埋め技術を実装します。
• 制御された終了: 溶接の終わりに向かって溶接電流とフィラー金属の堆積速度を徐々に減らし、クレーターをスムーズに埋めて突然の終了を回避します。
• 最適化された溶接パラメータ: アーク電圧、電流、移動速度、電極操作技術など、溶接プロセス全体を通じて一貫した溶接パラメータを維持します。
• オペレータートレーニング： 欠陥を最小限に抑え、均一な溶接品質を確保するために、適切な溶接技術とクレーター充填手順について溶接工をトレーニングします。

ワームホール

ワームホールは、溶接金属を縦方向に貫く細長いトンネル状の空隙を特徴とする特定のタイプの溶接欠陥です。これらの空隙は通常、溶接部の表面では見えず、正確な検出には放射線検査などの高度な検査方法が必要になることがよくあります。ワームホールは溶接部内でサイズや分布が異なり、溶接継手の構造的完全性に影響を与えます。

目的

• ガス供給不足: ガスの被覆が不十分だと、大気中のガス（酸素や窒素など）が溶接プールに浸透し、ガスポケットが形成されます。これらのポケットは、溶接金属が冷えると細長い空隙に固まり、ワームホール欠陥を生じます。これにより、溶接部の冶金学的完全性が損なわれ、機械的特性が低下します。
• 溶接パラメータ制御: 溶接パラメータが不適切だと、アーク状態が不安定になったり、溶接プールのダイナミクスが一定でなくなることがあります。この不安定さにより、溶接部内の熱分布が不規則になり、ワームホールの形成が促進されます。溶接パラメータを正確に制御することは、均一な溶接品質を実現し、欠陥を最小限に抑えるために不可欠です。
• 環境要因： 環境汚染物質は溶融溶接金属と反応して、ワームホール形成の原因となるガスを放出することがあります。特に水分は溶接中に急速に蒸発し、凝固する溶接金属内に閉じ込められるガス泡を生成します。汚染による欠陥を防ぐには、溶接面の適切な洗浄と準備、および環境条件の制御が不可欠です。

予防と管理

溶接時のワームホールの発生を最小限に抑えるには:

• シールドガスの適用範囲を最適化: 大気汚染を防ぐために、溶接部周囲にシールドガスが十分かつ均一に分散されていることを確認します。
• 溶接パラメータの制御: 安定したアーク状態と一貫した熱入力を実現するために、溶接パラメータを正確に制御します。
• 環境管理: 適切な保管、取り扱い、清掃手順により、溶接環境における湿気、汚れ、その他の汚染物質への露出を最小限に抑えます。
• 品質保証： 定期的な NDT を含む厳格な検査プロトコルを実装して、溶接プロセスの早い段階でワームホール欠陥を検出し、軽減します。

地下の多孔性

表面下の気孔とは、溶接ビードの目に見える表面の下にある空洞またはボイドの存在を指します。これらの欠陥は、標準的な目視検査では容易に検出できず、正確に検出するには通常、放射線透過試験や超音波検査などの高度な検査技術が必要です。表面下の気孔は、溶接部内でサイズと分布が変化する可能性があり、溶接継手の機械的特性と構造的完全性を損なう可能性があります。

目的

• ガスシールドの問題: シールドガスのカバー範囲が不十分な場合、大気中のガス (酸素、窒素など) が溶接プールに入り込み、ガスポケットが形成され、溶接金属が冷却するにつれて表面下の空隙に固まります。シールドガスの流量の変動やガス混合比の不適切さによってこの問題が悪化し、溶接品質の一貫性がなくなり、気孔が増加する可能性があります。
• 溶接パラメータ: 溶接パラメータが一定でないと、溶接アークと溶融溶融池の安定性に影響する可能性があります。入熱量やアーク特性の変動により、フィラー金属と母材の融合が不規則になり、溶接部内に隙間や空隙が生じる可能性があります。溶接パラメータを適切に制御し、最適化することは、均一な溶接品質を実現し、表面下の気孔欠陥を最小限に抑えるために不可欠です。
• 材料汚染: 汚染物質は溶接中に蒸発または反応してガスを放出し、凝固する溶接金属内に閉じ込められます。この汚染物質は、フィラー金属と母材金属間の適切な融合と結合を妨げ、表面下の空隙の形成につながります。溶接面を適切に洗浄および準備し、材料の純度を確保することは、表面下の気孔のリスクを軽減するために重要です。

予防と管理

溶接時の表面下気孔の発生を最小限に抑えるには:

• ガスシールドを最適化: 大気汚染やガスの閉じ込めを防ぐために、溶接部周囲にシールドガスが一貫して十分に行き渡るようにします。
• 溶接パラメータの制御: 電圧、電流、アーク長、移動速度などの溶接パラメータを正確に制御し、安定したアーク状態と均一な熱分布を実現します。
• 材料の準備: ガス生成や多孔性の原因となる可能性のある汚染物質を除去するために、溶接面を徹底的に洗浄して準備します。
• 品質保証： 放射線検査や超音波検査を使用した定期的な非破壊検査を含む包括的な検査プロトコルを実装して、溶接プロセスの早い段階で表面下の多孔性欠陥を検出し、軽減します。

さまざまな溶接材料における多孔性に寄与する要因は何ですか?

溶接時の気孔は、溶接する材料の種類によって大きく左右されます。材料によって、気孔の原因となるさまざまなガスの影響を受けやすいためです。以下の表は、一般的に使用される材料で気孔の原因となる主なガスと、これらの問題を軽減するための推奨される洗浄方法を示しています。

多孔性を引き起こす主なガスと推奨される洗浄方法

材料	主なガス	推奨される洗浄方法
C-Mn鋼	水素、窒素、酸素	スケールコーティングを除去するために研磨する
ステンレス鋼	水素	脱脂 + ワイヤーブラシ + 脱脂
アルミニウムおよび合金	水素	化学洗浄 + ワイヤーブラシ + 脱脂 + 削り取り
銅および合金	水素、窒素	脱脂 + ワイヤーブラシ + 脱脂
ニッケルおよび合金	窒素	脱脂 + ワイヤーブラシ + 脱脂
チタンおよび合金	水素、窒素、酸素	化学洗浄 + ワイヤーブラシ + 脱脂 + 徹底的に乾燥
マグネシウムおよび合金	水素	化学洗浄 + ワイヤーブラシ + 脱脂 + 予熱

溶接欠陥における気孔の許容レベル

溶接継手の気孔の許容レベルは、特定の用途と、関連する規格または仕様の要件によって異なります。一般的に、目に見えるマクロ気孔の存在は許容できないとみなされ、溶接の修理または拒否が必要になります。ただし、ミクロ気孔の場合、許容レベルは、材料、溶接の厚さ、および溶接構造の目的に応じて異なる場合があります。

多くの溶接規格や仕様では、許容可能な微細気孔率の水準に関するガイドラインが定められています。これらのガイドラインでは通常、特定の材料と溶接厚さに対して許容できると考えられる最大の気孔サイズ、気孔密度、気孔分布が指定されています。特定の用途における許容可能な気孔率の水準を判断するには、適切な規格や仕様を参照することが重要です。

さまざまな方法で溶接材料の気孔を検出するにはどうすればよいでしょうか?

溶接材料の気孔は溶接の完全性と強度を損なう可能性があるため、品質と安全性を確保するには気孔の検出が不可欠です。気孔を識別する方法はいくつかあり、それぞれがさまざまなタイプの気孔とさまざまなレベルの複雑さに適しています。

目視検査：多孔性の検出には十分ですか?

目視検査は、表面の気孔を識別する最も簡単で経済的な方法です。この技術では、十分な照明条件下で完成した溶接部を注意深く検査します。溶接工と検査員は、気孔が発生しやすい溶接パスの開始と終了部分に特に注意を払います。

溶接部の表面にある小さな空隙や穴は、多くの場合、特殊な機器を必要とせずに検出できます。目視検査は簡単ですが、表面の欠陥に限定され、表面下の多孔性を明らかにすることはできません。

多孔性の検出において破壊試験はどのような役割を果たすのでしょうか?

破壊試験法では、材料を物理的に破壊または切断することで、溶接部の内部構造をより深く理解できます。これらの方法は、溶接工と溶接手順の適格性を判断するのに特に役立ちます。一般的な破壊試験の 1 つに、ノッチ付きストラップ試験片に破断するまで引張力をかけるニック ブレーク試験があります。

得られた断面は、内部の気孔の有無が検査されます。別の方法としては、すみ肉溶接の試験片を準備し、のこぎりで切断し、切断面を研磨し、酸性溶液を塗布して溶接部内の気孔の視認性を高める方法があります。破壊試験では内部欠陥に関する詳細な情報が得られますが、試験片が破壊されることになります。

多孔性検出における非破壊検査はどの程度効果的ですか?

非破壊検査 (NDT) 法は、損傷を与えることなく溶接部を検査するために不可欠であり、表面と表面下の両方の気孔の検出に適しています。たとえば、放射線検査はパイプ溶接で広く使用されており、溶接部の包括的なビューを提供し、すべての溶接パスの気孔を強調表示します。この技術は、表面では見えない内部の気孔を検出するのに非常に効果的です。

浸透探傷検査は、表面およびわずかに表面下の空隙を検出するために使用される別の非破壊検査方法です。このプロセスでは、溶接面に染料を塗布し、亀裂や空隙を貫通させます。紫外線にさらされると、これらの領域が見えるようになります。

同様に、磁性粒子検査では、溶接部に磁性粒子を塗布して表面および表面付近の空隙を検出します。欠陥があると粒子が集まり、空隙の存在が示されます。

どの方法を使用すべきでしょうか?

以下は、多孔性検出のためのさまざまな NDT 方法の利点と考慮事項を強調した比較表です。

NDT法	Advantages	考慮事項
外観検査	シンプルでコスト効率に優れています。表面の多孔性を即時に検出します。	表面の欠陥に限定されます。表面下または内部の欠陥には適していません。
X線検査	溶接の詳細な内部ビューを提供します。すべての溶接パスに有効です。	放射線安全対策が必要です。コストが高く、特殊な装置が必要です。
浸透探傷検査	表面および表面付近の多孔性を検出します。欠陥に対する感度が高くなります。	溶接面の清掃と準備が必要です。アクセス可能な領域に制限があります。
磁性粒子検査	表面および表面付近の欠陥を検出します。強磁性材料に適しています。	磁場と粒子の適用が必要です。表面の準備が必要です。
超音波検査	全厚評価を提供します。内部欠陥を正確に検出します。	解釈には熟練したオペレーターが必要です。表面の状態が結果に影響します。

シールドガスは溶接品質と気孔防止にどのような影響を与えますか?

シールドガス管理は、気孔やその他の欠陥のない完璧な溶接を実現するために、溶接作業において極めて重要です。ここでは、適切なガスの選択、ガスの流量の調整、適切な機器のセットアップが溶接の完全性を維持するためにいかに重要であるかを詳しく説明します。

• 適切なシールドガスの選択: たとえば、アルゴンなどの不活性ガスは、その安定性と溶接プールとの相互作用が最小限であることから、非鉄金属に適しています。一方、CO2 を含むガス混合物は炭素鋼の溶接に効果的で、アーク安定性と溶接の浸透性を高めます。
• シールドガス流量の調整: ガス流量が不十分だと、カバー範囲が狭くなり、大気中の汚染物質が溶融金属に浸透して多孔性が生じます。逆に、ガス流量が多すぎると、溶接プールのダイナミクスが乱れ、乱流や潜在的な溶接不良につながる可能性があります。 溶接欠陥特定の溶接条件に応じて、通常 25 ～ 35 立方フィート/時 (CFH) の流量を維持することで、適切なシールドと操作効率のバランスが保たれます。
• ガス ホースとトーチの構成: ガス ホースの直径は、制限や圧力損失のない一貫したガスの流れを可能にする必要があります。ホースが小さすぎるとガスの供給が妨げられ、シールドの有効性が損なわれ、多孔性のリスクが高まります。逆に、ホースが大きすぎると、不必要な圧力降下が発生し、シールドの効率が低下し、消耗品が無駄になります。

合金元素は溶接時の多孔性にどのように影響しますか?

溶接部に存在する合金元素は、その存在と濃度に応じて多孔性欠陥を軽減したり悪化させたりして、溶接品質に大きな影響を与える可能性があります。

多孔性形成における窒素の役割

窒素は、シールドガスのカバーが不十分なために意図せず混入することが多く、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接において重大なリスクとなります。窒素が存在すると、溶接プール内にガス空隙が形成され、それが凝固して多孔性になります。窒素の浸入を防ぎ、溶接の完全性を確保するには、シールドガスを適切に管理することが重要です。

酸素とその多孔性への影響

酸素は溶接におけるもう 1 つの有害な要素であり、強風や通風、不十分なシールド ガスの適用などの環境要因により溶接プールに侵入する可能性があることで知られています。酸素が存在すると溶融金属内にガス ポケットが形成され、凝固時に気孔として現れます。溶接環境を効果的に制御し、シールド ガスを慎重に適用することが、酸素による気孔を軽減するために不可欠です。

水素の多孔性への寄与

水素は、母材やフィラー金属の水分、油やその他の汚染物質を通じて溶接部に侵入し、気孔形成の一般的な原因となります。溶融溶接金属では、水素が溶解してガスポケットを形成し、凝固時に気孔が発生します。適切な材料洗浄と乾燥、および溶接パラメータの制御は、水素による気孔を最小限に抑えるために不可欠です。

多孔性合金の見分け方

特定の合金は、その固有の特性と組成により、多孔性に対する感受性が高くなります。

• アルミニウム： アルミニウムは多孔質であることで知られており、グリースや油などの汚染物質を容易に吸収します。溶接中に多孔質になるのを防ぐには、効果的な洗浄手順が不可欠です。
• 鋳鉄： 鋳鉄の炭素含有量が高いと、溶接凝固時に一酸化炭素ガスが発生し、気孔が発生しやすくなります。鋳鉄溶接における気孔リスクを軽減するには、予熱とフィラー金属の慎重な選択が効果的な戦略です。

予熱を利用して気孔率を低減

溶接前に金属を予熱することは、水素と潜在的な気孔の大きな発生源となる水分を除去するための予防策として役立ちます。金属の温度を所定のレベルまで上げることで、予熱により溶接部の水素吸収とそれに続く気孔形成のリスクが軽減されます。

気孔が発生しやすい溶接プロセスの特定

特定の溶接プロセスは本質的に気孔の影響を受けやすいため、欠陥を防ぐために慎重な管理が必要です。

• デュアルシールドフラックスコア溶接: この方法は、風や通風などの環境の影響から適切に保護されていない場合、特に多孔性になりやすいです。 ワイヤー MIG ガンのノズルからの「突き出し」距離は、表面と地下の両方に現れる可能性のあるワームホール型の多孔性を回避するために重要です。

溶接後の熱処理オプションの検討

溶接後の熱処理は、溶接金属に閉じ込められたガスの拡散と放出を促進し、気孔率を減らす潜在的な解決策となります。ただし、熱処理によって既存の気孔率が悪化したり、新たな欠陥が生じたりする可能性もあるため、注意が必要です。特定の溶接用途に対する溶接後の熱処理の適合性とパラメータを判断するには、溶接コード、エンジニア、または冶金の専門家に相談することをお勧めします。

溶接のポロシティによる害は何ですか?

多孔性は、溶接金属内にガスポケットまたは空隙が存在することで特徴付けられ、溶接継手の構造強度と信頼性を低下させます。これらのガスポケットは応力集中部として機能し、溶接部の耐荷重能力と、張力や圧縮などの機械的力に対する抵抗力を低下させます。

さらに、気孔があると溶接部の美観が損なわれ、見た目が重要となる用途では美観上の問題につながる可能性があります。航空宇宙、自動車、建設などの重要な産業では、安全性と性能のために溶接の完全性が何よりも重要であり、気孔が少しでも存在すると、運用上のストレスにより壊滅的な故障につながる可能性があります。

まとめ

気孔は溶接プロセスにおいて依然として大きな課題であり、構造の完全性と性能に影響を及ぼします。気孔の種類、原因、許容限度を理解することで、溶接工は効果的な緩和戦略を実施し、欠陥を最小限に抑え、さまざまな産業用途で高品質の溶接物を確保できます。

Q＆A

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カタログ： 板金製作ガイド