溶接割れの種類:原因と検出方法

溶接割れは、溶接接合部の構造的完全性と性能を損なう可能性のある欠陥です。溶接割れの種類、その原因、検出方法を理解することは、溶接構造物の品質と信頼性を確保する上で非常に重要です。この記事では、さまざまな種類の溶接割れ、その根本的な原因、およびそれらを検出するための手法について詳しく説明します。

溶接部にひび割れが生じるのはなぜですか?

溶接部の亀裂

溶接部の亀裂の発生は複雑な現象で、通常は内部応力が溶接材料の強度を超えることによって発生します。不適切な熱処理、溶接形状、応力集中、材料特性など、いくつかの要因がこの応力増加に寄与します。

応力の役割をさらに深く掘り下げていくと、溶接割れの発生と伝播には物理的負荷と残留応力の両方が重要な役割を果たしていることがわかります。溶接中の材料の膨張と収縮から生じることが多い残留応力は、本質的に溶接接合部を弱めます。一方、極端な振動、張力、圧縮、曲げなどの物理的負荷は溶接部に直接作用し、割れを引き起こします。

特に残留応力は、材料が熱膨張し、その後収縮する溶接プロセス中に発生します。溶接材料またはベース材料がこれらの力に耐えるほど十分に頑丈でない場合は、内部に亀裂が生じる可能性があります。時間の経過とともに、溶接ジョイントが劣化し、繰り返し極端な負荷を受けると、物理的応力に耐える能力が低下します。

溶接割れの種類

溶接割れは、大きく分けて高温割れと低温割れの 2 つのカテゴリに分類できます。これらのカテゴリは、割れが発生する温度範囲に基づいています。

1. ホットクラック

高温割れは、溶接金属の凝固中に高温で発生します。通常、溶接プールが凝固して収縮するときに発生します。高温割れは一般に粒界割れで、粒界に沿って発生します。高温割れにはいくつかのサブタイプがあります。

溶接高温割れの種類

中心線割れ(偏析割れまたはビード形状割れ)

中心線亀裂は、偏析亀裂またはビード形状亀裂とも呼ばれ、溶接ビードの中心線に沿って発生します。中心線亀裂は、溶融した溶接金属が冷却され収縮し始める溶接の凝固段階で形成されます。

目的
  • 分離: 硫黄、リン、鉛などの低融点不純物が存在すると、粒界での偏析が発生する可能性があります。これらの不純物は溶接を弱め、割れを引き起こす可能性があります。
  • 不適切な溶接形状: 凹状の溶接ビードや過剰な溶接補強材があると、冷却と凝固が不均一になり、中心線に割れが生じる可能性が高くなります。
  • 高い溶接速度: 溶接速度が速すぎると、溶接プールが狭く深くなり、偏析や中心線の割れが促進される可能性があります。

クレーターの亀裂

クレーター クラックは溶接ビードの端に発生し、通常は溶接アークが終了したときに形成されます。溶接アークによって残されたクレーターに小さな亀裂または割れ目として現れます。

目的
  • 急速冷却: 熱入力が突然停止すると、溶接金属が急速に冷却されて収縮し、クレーター割れが発生する可能性があります。
  • 不適切な終了: 溶接プロセスを停止する前にクレーターを適切に埋めないと、弱い部分が残り、ひび割れが発生しやすくなります。
  • 汚染物質: 溶接プールに汚染物質や不純物が存在すると、クレーター割れが悪化する可能性があります。

縦方向の亀裂

縦方向の亀裂は溶接ビードと平行に走り、溶接金属と熱影響部 (HAZ) の両方で発生する可能性があります。これは凝固中または残留応力によって形成される高温亀裂の一種です。

目的
  • 高い残留応力: 加熱と冷却が不均一だと、溶接部に高い残留応力が生じ、縦方向の亀裂が生じる可能性があります。
  • 不適切なジョイント設計: ジョイントの設計や取り付けが適切でないと、応力が集中し、縦方向の亀裂が生じる可能性があります。
  • 材料特性: 熱膨張係数が高い材料や溶接性が悪い材料は、縦方向の亀裂が発生しやすくなります。

ラメラ引き裂き

ラメラ割れは、溶接の溶融線と平行に母材に発生する割れの一種で、非金属介在物の存在により金属層が分離する特徴があります。

目的
  • 非金属介在物: 金属内に硫化物、酸化物、またはその他の介在物が存在すると、応力集中部として作用し、層状の裂け目が発生する可能性があります。
  • 横方向の応力: 特に厚い板の場合、横方向の応力が高くなると、層状の裂け目が生じる可能性があります。
  • 溶接方向: 母材の圧延方向に対する溶接部の向きは、ラメラの裂け目が発生する可能性に影響を与える可能性があります。

凝固亀裂

凝固割れは、溶接の凝固段階で溶接金属に発生します。通常、溶接ビードの中心線に沿って現れ、金属が最後に凝固する部分です。

目的
  • 低融点不純物: 硫黄、リン、鉛などの不純物が存在すると、凝固中に粒界に偏析し、割れが発生しやすい弱い部分が生じる可能性があります。
  • 高い溶接速度: 溶接速度が速すぎると、溶接プールが狭く深くなり、急速な冷却と収縮によって凝固割れが発生する可能性が高くなります。
  • 不適切な溶接継手設計: 拘束度が高かったり、充填材が不十分なジョイント設計では、収縮が不均一になり、応力が集中して、ひび割れの形成が促進される可能性があります。

液化亀裂

液化割れは、母材の熱影響部 (HAZ) で発生します。これらの割れは、溶接プールに隣接する母材が部分的に溶融し、冷却時に適切に凝固しないことで発生します。

目的
  • 部分溶解: 溶接プール付近の母材が部分的に溶融すると、融点の低い局所領域が形成されます。急速冷却すると、この領域が均一に凝固せず、割れが生じる可能性があります。
  • 急速冷却: 冷却速度が速いと、HAZ 内の溶融材料が適切に凝固できず、ひび割れが発生する可能性があります。
  • 不純物: 凝固亀裂と同様に、不純物の存在により、局所的な領域で母材金属の融点が低下し、液化亀裂の形成が悪化する可能性があります。

2. コールドクラック

低温割れ、または遅延割れとも呼ばれる冷間割れは、溶接部が室温まで冷却された後に発生します。冷間割れは通常は粒界割れであり、溶接金属と HAZ の両方に発生する可能性があります。冷間割れの主なサブタイプは次のとおりです。

溶接冷間割れの種類

水素誘起亀裂(HIC)

水素脆化割れとしても知られる水素誘起割れ (HIC) は、溶接プロセス中に水素が溶接金属に吸収され、その後、高応力領域に拡散して割れを引き起こすときに発生します。

目的
  • 水素源: 母材または溶接消耗品上の水分、油、グリース、またはその他の汚染物質により、溶接プールに水素が導入される可能性があります。
  • 高い残留応力: 急速な冷却と高い残留応力により、応力集中点への水素の拡散が促進され、亀裂が発生する可能性があります。
  • 低温溶接: 低温で溶接すると、溶接金属内の水素の溶解度が増加し、問題が悪化する可能性があります。

熱影響部(HAZ)割れ

HAZ 割れは、溶接金属に隣接する領域で発生します。この領域では、母材金属は熱の影響を受けていますが、溶融していません。これらの割れは、多くの場合、冶金構造の変化や残留応力と関連しています。

目的
  • 急速冷却: 急速な冷却速度は HAZ の微細構造を脆くし、割れが発生しやすくなります。
  • 高い残留応力: 加熱と冷却が不均一だと、HAZ に高い残留応力が生じ、ひび割れにつながる可能性があります。
  • 材料特性: 高強度鋼などの一部の材料は、冶金特性により HAZ 割れが発生しやすくなります。

つま先のひび割れ

先端割れは、溶接金属と母材の接合部、多くの場合は溶接ビードの先端で発生します。これらの割れは通常は表面割れですが、溶接部または母材に広がる可能性があります。

目的
  • 高い残留応力: 溶接の先端に応力が集中すると、割れが発生する可能性があります。
  • 溶接技術の不備: 不適切な溶接角度や過剰な熱入力などの不適切な溶接方法は、つま先の割れにつながる可能性があります。
  • 材料特性: 一部の素材は、冶金特性によりつま先が割れやすい傾向があります。

根の亀裂

ルート割れは、溶接金属が溶接継手の裏側で母材と接合する溶接ルートで発生します。これらの割れは内部または外部に発生し、多くの場合、不十分な溶け込みやその他の原因で発生します。 溶接欠陥.

目的
  • 不十分な浸透: 溶接の溶け込みが不十分だと、ルート部分に空隙や弱い部分ができ、ひび割れの原因になります。これは、入熱量が低い、溶接技術が適切でない、接合部の設計が間違っているなどの理由で発生します。
  • 高い残留応力: 溶接の根元に応力が集中すると、亀裂が生じる可能性があります。これらの応力は、冷却中の熱収縮、不適切な取り付け、溶接の順序などによって発生することがよくあります。
  • 汚染物質: 溶接の根元に水分、油、汚れなどの汚染物質が存在すると、接合部が弱くなり、ひび割れが生じる可能性があります。汚染物質は、不潔な母材、溶接環境、または溶接消耗品の不適切な保管によって持ち込まれる可能性があります。

残留応力亀裂

残留応力亀裂は、溶接プロセス中に発生する残留応力によって発生します。これらの亀裂は、溶接金属と熱影響部 (HAZ) の両方に発生する可能性があります。

目的

  • 高熱入力: 溶接中に過剰な熱が入ると、溶接部が冷えて収縮する際に残留応力が高くなる可能性があります。高熱により結晶粒が大きく成長し、冷却速度が異なる領域が形成される可能性があります。
  • 不適切な溶接シーケンス: 熱分布を適切に制御しない溶接シーケンスは、残留応力の蓄積や亀裂につながる可能性があります。これには、溶接パスの計画が不十分であることや、予熱や溶接後の熱処理が不十分であることが含まれます。
  • 材料特性: 高強度鋼などの残留応力感受性の高い材料は、割れが発生しやすくなります。これらの材料は、延性が低いか、残留応力の影響を受けやすい特定の冶金特性を持っている可能性があります。

横方向および融合線亀裂

横方向の亀裂は、溶接ビードの方向に対して垂直に走る亀裂です。これらの亀裂は溶接金属または熱影響部 (HAZ) で発生する可能性があり、通常は高い残留応力または溶接に対して垂直に作用する外部荷重に関連します。

溶融線亀裂は、溶接金属と母材金属の境界面である溶融線に沿って発生します。これらの亀裂は、溶接プロセス中の不十分な溶融によって発生し、応力や熱サイクルによって亀裂が生じやすい弱い部分につながります。

目的
  • 高い残留応力: 溶接ビードに対して垂直な応力集中は、横方向の割れにつながる可能性があります。これらの応力は、不均一な冷却、収縮、または外部荷重によって発生する可能性があります。
  • 溶接の融合不良: 溶接金属と母材金属の融合が不十分な場合、溶融線割れが発生する可能性があります。これは、不十分な入熱、不適切な溶接技術、または不適切な接合部の準備が原因である可能性があります。
  • 材料特性: 硬度が高い材料や延性が低い材料など、一部の材料は、冶金特性により、横割れや溶融線割れが発生しやすくなります。

溶接割れの原因と対策

溶接割れのさまざまな種類と製造原因を理解し、適切な対策を講じることが、これらの欠陥を防ぐために不可欠です。以下では、さまざまな溶接割れを軽減するための対策を示します。

材料の選択

金属や合金は、降伏強度、延性、その他の材料特性に応じて、割れに対する感受性が異なります。2 種類の異なる金属を溶接する場合、それらの相対的な強度を理解し、適切な充填材と溶接技術を選択して強固な接合を実現することが不可欠です。

鋼、ステンレス鋼、アルミニウムは最も一般的に溶接される材料ですが、それぞれに固有の課題があります。 鋼とステンレス鋼 水素が溶接部に拡散し、材料の延性を超える内部応力が生じると、水素誘起割れが発生しやすくなります。一方、アルミニウムは、熱伝導率が高く、スプリングバックしやすいため、高温割れが発生しやすくなります。

割れを防ぐには、フィラー金属選択チャートを参照して、母材の化学組成と機械的特性に一致するフィラー金属を選択することが重要です。さらに、低水素溶接電極やガスシールド溶接プロセスなど、水素の導入を最小限に抑える溶接技術を使用すると、水素による割れのリスクを軽減できます。

温度変化

溶接中の温度変化は、割れの大きな原因です。溶接接合部が加熱されると、熱膨張により膨張します。しかし、溶接部が冷えて固まると、収縮または縮みが生じ、材料の延性を超える内部応力が生じ、割れにつながる可能性があります。

温度変化による割れのリスクを軽減するには、いくつかの戦略を採用できます。パルス溶接やショートアーク溶接など、熱入力を最小限に抑える溶接技術を使用すると、溶接領域に導入される熱の量を減らすことができます。さらに、溶接前に母材を予熱すると、温度勾配が減り、冷却中に発生する内部応力を最小限に抑えることができます。

クランプと固定具を使用して溶接部を拘束し、冷却中に過度に収縮するのを防ぐこともできます。残留応力を最小限に抑えるために特定の順序で溶接を行う溶接マッピング技術も効果的です。最後に、溶接後の熱処理を適用して残留応力を軽減し、溶接部の割れに対する耐性を向上させることができます。

高硫黄鋼と特定のビーズを避ける

高温割れが発生しやすいため、硫黄含有量の高い鋼の溶接は避ける必要があります。華氏約 239 度で沸騰する硫黄は、液化中に溶接の中心線に向かって蓄積する傾向があり、凝固時に割れが発生します。

さらに、極端に凹んだまたは凸状の溶接ビードは避けてください。凹状のビードはフィラー金属を適切に堆積しない可能性があり、不十分な補強による亀裂につながる可能性があります。逆に、凸状のビードに過剰なフィラーが入ると、金属の膨張時に内部応力によって亀裂が生じることもあります。代わりに、わずかに凸状または凹状の通常のビードを選択すると、より良い結果が得られます。 良好な溶接 誠実さと信頼性。

残留応力または適用応力

溶接割れは、不適切な接合部の準備、汚染物質、タングステン含有物などの応力集中源から発生することがよくあります。断続溶接を過度に使用すると、停止と開始のたびに割れが生じる可能性があるため、リスクが高まります。予防には、厳格なプロセス、清潔な作業スペース、細心の注意が必要であり、これらは熟練した溶接の特徴です。

修復には、影響を受けた部分を削り取って健全な金属にし、新しい溶接を施す作業が含まれますが、これは手間とコストがかかります。再発する障害を回避し、溶接の完全性を確保するには、根本原因に対処することが重要です。

ケミカルメイク

母材とフィラー材料の化学組成は、溶接割れに重要な役割を果たします。たとえば、ステンレス鋼にはクロムが含まれており、腐食に抵抗する保護酸化層の形成に役立ちます。ただし、クロムは溶接中に水素と反応し、溶接金属内に割れやすい脆い相を形成することもあります。

一方、アルミニウムは熱伝導率が高く、融点が低いため、高温割れが発生しやすくなります。湿度や汚染などの環境要因も、亀裂形成を促進する不純物を導入することで、アルミニウムの溶接性に影響を与える可能性があります。

化学組成による溶接割れの影響を軽減するには、不純物レベルの低い材料を選択し、溶接プロセスを最適化して有害な元素の混入を最小限に抑えることが重要です。さらに、母材金属と互換性のある溶接消耗品を使用すると、割れが発生するリスクを軽減できます。

冷却プロセスを遅くする

溶接割れを最小限に抑えるには、冷却速度を遅くすることが重要です。冷却速度を遅くすると水素の拡散が促進され、溶接金属から水素が逃げやすくなるため、割れのリスクが軽減されます。

これを実現する効果的な方法の 1 つは、ヒート ブランケットを使用することです。ヒート ブランケットは、溶接部分に均一かつ制御された熱を提供し、冷却プロセスを遅くします。溶接オーブンは別のソリューションで、溶接されたコンポーネント全体をオーブン内に配置し、均一かつ徐々に冷却します。一部の溶接工は誘導加熱も採用しています。このプロセスでは、電磁誘導を使用して金属を加熱し、冷却速度を正確に制御できます。

溶接割れの検出方法

溶接亀裂の検出は、溶接構造の完全性を確保するために不可欠です。溶接部の亀裂を特定するには、さまざまな非破壊検査 (NDT) 方法が採用されています。最も一般的な方法は次のとおりです。

  1. 目視検査: 目視検査は、表面のひび割れを検出する最も簡単で広く使用されている方法です。肉眼または拡大鏡を使用して溶接面を徹底的に検査します。目視検査では表面のひび割れを特定できますが、表面下の欠陥を検出するには効果的ではありません。
  2. 浸透探傷試験 (DPT): 浸透探傷試験は、表面破壊亀裂を検出するために使用される方法です。この試験では、溶接面に液体染料を塗布し、亀裂に浸透させてから余分な染料を除去します。次に現像液を塗布して亀裂から染料を引き出すと、紫外線または通常の光の下で亀裂が見えるようになります。
  3. 磁性粒子試験 (MPT): 磁性粒子試験は、強磁性材料の表面および表面近くの亀裂を検出するために使用されます。溶接部を磁化し、表面に磁性粒子を塗布します。亀裂により磁場が乱され、粒子が欠陥部位に蓄積されます。この粒子は適切な照明条件下では目視できます。
  4. 超音波検査 (UT): 超音波検査では、高周波音波を使用して内部の亀裂を検出します。トランスデューサーが溶接部に音波を放射し、不連続部分があれば音波がトランスデューサーに反射します。反射された音波を分析して、亀裂の存在と位置を特定します。
  5. 放射線検査 (RT): 放射線検査では、X 線またはガンマ線を使用して溶接部の画像を作成します。亀裂やその他の欠陥は、放射線写真上で暗い点として現れます。RT は、内部亀裂やその他の表面下の欠陥を検出するのに効果的です。
  6. 渦電流検査 (ECT): 渦電流検査は、導電性材料の表面および表面近くの亀裂を検出するために使用されます。コイルに交流電流を流すと、材料に渦電流が発生します。亀裂があると渦電流の流れが妨げられ、これを検出して分析することで欠陥を特定します。

溶接亀裂は欠陥ですか、それとも単なる不連続性ですか?

溶接では、欠陥と不連続性を区別することが重要です。不連続性は、必ずしも溶接の完全性を損なうわけではない欠陥です。特定のコード要件または社内の品質基準に違反し、修理が必要となる場合にのみ、欠陥となります。

欠陥は常に不連続性として分類されますが、すべての不連続性が欠陥であるとは限りません。亀裂や著しい多孔性などの欠陥は、故障の原因となる可能性があるため、修正が必要です。軽微な表面の凹凸などの不連続性は、関連する基準を満たしていれば許容される可能性があります。

資格のある検査員が目視検査、超音波検査、放射線検査などの方法を使用して不連続性を評価し、その影響を判断します。不連続性がコード基準を満たしている場合でも、最高の品質と安全性を確保するために、顧客の仕様により修復が必要になる場合があります。

溶接割れ防止の責任は誰にあるのでしょうか?

  • 溶接工の責任: 溶接工は、技能レベルや溶接技術に起因する欠陥の責任を負います。不完全な融合、過度に凹んだまたは凸状のビード輪郭、不適切な溶接サイズなどの問題は、多くの場合、技術の低さ、不適切な移動速度、不適切な電極操作、または不適切なパラメータ設定から生じます。さらに、溶接工は、作業中に遭遇した問題を監督者に通知する必要があります。
  • 監督者の責任: 監督者は、溶接工が効果的に作業を行うために必要なツールとリソースを備えていることを確認する必要があります。これには、OSHA 規制に準拠した安全な作業環境の維持、適切な母材とフィラー金属の提供、適切な溶接手順のテストの実施、機能的な溶接機器の提供が含まれます。効果的なトレーニング プログラムと、適切に設計されたアクセス可能な溶接ジョイントも重要です。
  • 設計と管理に関する考慮事項: 溶接工と監督者だけでなく、製造性を考慮した設計の問題も溶接品質に影響します。設計者は、溶接工がツールを正しく配置して操作できるように、ジョイントへのアクセス性を確保する必要があります。設計によって溶接領域へのアクセスが困難になると、欠陥のリスクが高まります。

アンダーカット欠陥が溶接亀裂につながるのはなぜですか?

アンダーカット欠陥溶接界面で母材の厚さが薄くなると、応力伝達が妨げられ、特に高応力条件下では亀裂を引き起こす可能性のある応力集中点が発生する可能性があります。

これらの欠陥を防ぐには、非パルス GMAW やフラックス入りアーク溶接などの定電圧プロセスでは、電圧を手動で調整できます。GTAW や SMAW などの定電流プロセスでは、アークの長さに応じて電圧が変化するため、注意深い管理が必要です。正しい電極角度と移動速度の低下も、効果的な溶接堆積を保証し、アンダーカットを最小限に抑えるのに役立ち、時間の経過とともに溶接亀裂が発生するリスクを軽減します。

冷間ラッピングは溶接割れにつながりますか?

冷間重ね合わせ、つまりオーバーラップは、溶接作業において重大なリスクをもたらします。溶接の先端が母材と融合できずに不連続性が生じると、溶接接合部を通じた応力伝達が損なわれます。この連続性の欠如は応力集中の原因となり、動作負荷によって亀裂が生じる可能性があります。

冷間ラッピングを防止するには、母材間の電極操作を均一にすることが重要です。不均一な分布は不十分な融合と重なりにつながる可能性があり、特に接合部が明確に見えない状態で溶接を行うシナリオでは問題となります。

AWS 規格によれば、溶接先端部でのスムーズな移行を実現することが最も重要です。この方法により、応力が均等に分散され、有害な亀裂の形成が軽減されるため、溶接構造の全体的な完全性と耐久性が確保されます。

まとめ

溶接割れの種類、原因、検出方法を理解することは、高品質の溶接を保証するために重要です。適切な溶接技術を採用し、清潔な材料を使用し、適切な予熱および溶接後の熱処理を実施することで、溶接割れのリスクを最小限に抑えることができます。

BOYI 精密部品製造サービス

Q&A

溶接割れとは何ですか?なぜ発生するのですか?

溶接亀裂とは、溶接接合部の不連続性または破損のことです。高い残留応力、不適切な溶接技術、材料の欠陥などの要因により発生します。これらの亀裂により、溶接部品の構造的完全性が損なわれる可能性があります。

溶接亀裂はどうやって検出できるのでしょうか?

溶接亀裂は、超音波検査、磁粉探傷検査、浸透探傷試験などのさまざまな非破壊検査方法によって検出できます。これらの技術は、肉眼では見えない亀裂を特定し、溶接継手の品質と信頼性を確保するのに役に立ちます。

溶接亀裂が検出されない場合、どのような結果になるのでしょうか?

溶接亀裂が検出されないと、稼働条件下で溶接部品が壊滅的な故障を起こす可能性があります。これらの亀裂は時間の経過とともに広がり、溶接構造の構造的完全性と安全性を損なう可能性があります。潜在的な事故を防ぎ、長期的な信頼性を確保するには、定期的な検査と亀裂のある溶接部の適時の修理または交換が不可欠です。


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