オーステナイト系ステンレス鋼通常、室温では純粋なオーステナイトからなる微細構造を持ちます。ただし、一部のバージョンには、高温割れの防止に役立つ少量のフェライトが含まれています。オーステナイト系ステンレス鋼は溶接性に優れているため、化学処理や石油分野の圧力容器の製造などの産業で広く利用されています。それにもかかわらず、溶接作業が不適切に行われると、オーステナイト系ステンレス鋼は粒界腐食、高温割れ、応力腐食割れ、溶接ビード形成不良などのさまざまな問題を引き起こしやすくなります。
オーステナイト系ステンレス鋼に関連する溶接の問題にはどのようなものがありますか?
I. 粒界腐食
ａ．粒界腐食の原因
粒界腐食は粒界で発生します。したがって、それは粒界腐食と呼ばれます。これは、オーステナイト系ステンレス鋼の最も危険な劣化形態の 1 つです。結晶粒界に沿って金属に深く浸透する腐食が特徴で、その結果、金属の機械的特性と耐食性の両方が低下します。
オーステナイト系ステンレス鋼を450度～850度の温度範囲で一定時間保持すると、粒界にクロム炭化物（Cr23C6）が析出します。この沈殿に必要なクロムは主に粒子の表層から抽出されます。粒子内部からのクロムがこれらの表面層を補充するのに十分な速さで外部に拡散できない場合、粒子境界-特に粒子の表面層-のクロム含有量が低下し、「クロム欠乏ゾーン」が形成されます。-攻撃的な腐食媒体の影響下では、粒界にあるこれらのクロム欠乏ゾーンが攻撃を受けやすくなり、粒界腐食が発生します。粒界腐食の影響を受けたステンレス鋼は、表面に目に見える変化が見られない場合があります。しかし、応力を受けると結晶粒界に沿って破壊され、構造強度がほぼ完全に失われます。
b.粒界腐食防止対策
超低炭素含有量（C 0.03% 以下）のステンレス鋼溶接電極、またはチタンやニオブなどの安定化元素を含む溶接電極を選択してください。{0}
「低-入熱-」溶接パラメータを採用します。目的は、臨界温度範囲 (450 度 ～ 850 度) 内での滞留時間を最小限に抑えることです。これは、低い溶接電流、高い移動速度、短いアーク長を利用し、横方向のウィービング動作を回避することによって実現されます。溶接継手の冷却速度を加速し、熱影響部 (HAZ) のサイズを縮小するために、強制冷却方法 (銅製のバッキング プレートまたは水冷の使用など) を溶接シームに適用する場合があります。
マルチパス溶接では、パス間温度を厳密に制御する必要があります。{{1}次のパスを溶着する前に、前の溶接ビードを 60 度未満に冷却する必要があります。腐食性媒体と接触するコンポーネント側の溶接シームは最後に溶接する必要があります。溶接後の溶体化処理を実行する必要があります。-ワークピースは 1050 度から 1150 度の温度に加熱され、その後焼き入れされます。このプロセスにより、結晶粒界の Cr23C6 析出物が結晶粒内部に再溶解し、それによって均一なオーステナイト微細構造が復元されます。
II.ホットクラッキング
高温割れの原因
液相線と固相線の間の温度間隔が広いと、{0}凝固プロセス中の温度範囲が広くなる-ため、低{2}}融点-不純物の深刻な偏析が生じ、粒界に集中する傾向があります。さらに、熱膨張係数が高いため、冷却および収縮中に大きな応力が発生します。
熱間割れ抑制対策
溶接金属の微細構造を制御します。理想的には、溶接金属は二相構造を示し、フェライト含有量が 3% ～ 5% 以下に維持される必要があります。これは、フェライトが硫黄 (S) やリン (P) などの有害な不純物を大量に溶解する能力があるためです。化学組成を制御します。溶接金属中のニッケル、炭素、硫黄、リンの含有量を減らし-、同時にクロム、モリブデン、シリコン、マンガンなどの元素のレベルを増やすと-、高温割れの発生を効果的に最小限に抑えることができます。
適切なタイプの電極コーティングを選択します。低-水素-タイプのコーティング電極を使用すると、溶接金属の結晶粒微細化が促進され、不純物の偏析が減少し、耐亀裂性が向上します。逆に、酸性-タイプのコーティングされた電極は強い酸化特性を備えているため、合金元素が大幅に燃焼し、その結果として耐亀裂性が低下します。-さらに、粒子構造が粗くなり、溶接部が高温割れを非常に起こしやすくなります。{6}}適切な溶接パラメータと冷却速度を採用します。 「冷間」溶接パラメータ-特に低電流と高速移動速度-を利用して、溶接池の過熱を防ぎ、急速な冷却を促進します。これにより偏析が最小限に抑えられ、耐クラック性が向上します。マルチパス溶接ではパス間温度を厳密に管理してください。次のビードを溶着する前に、前の溶接ビードが 60 度まで冷却されていることを確認してください。
Ⅲ．応力腐食割れ
応力腐食割れの原因
応力腐食割れ (SCC) は、特定の腐食環境内で引張応力を受けたときに溶接継手に発生する遅延亀裂の現象です。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手では、SCC は特に深刻な破損モードを表し、巨視的な塑性変形を伴わない脆性破壊として現れます。
応力腐食割れ対策
適切な成形、加工、組み立て手順を確立して、冷却による変形を可能な限り最小限に抑えます。{0}強制的な組み立ては避けてください。組み立てプロセス中にさまざまな表面欠陥が発生するのを防ぎます（組み立てに関連したさまざまな傷やアークストライクが SCC の亀裂開始点として機能し、腐食ピットに発展する傾向があるため）。-溶接消耗品は慎重に選択してください。溶接金属と母材は、-結晶粒の粗大化や硬くて脆いマルテンサイトなどの望ましくない微細構造の形成を防ぐために、適切に適合している必要があります-。適切な溶接プロセスを採用してください。溶接ビードが良好な形態を示し、応力集中やピッチング (アンダーカットなど) を引き起こす可能性のある欠陥がないことを確認します。さらに、合理的な溶接順序を採用して残留溶接応力を最小限に抑えます。ストレスを軽減する治療を実施します。-これには通常、完全焼きなましや焼きなましなどの溶接後の熱処理が含まれます。-熱処理の実行が難しい場合は、溶接後のピーニングやショットブラストなどの代替方法-が使用される場合もあります。-
IV.不十分な溶接ビード形成
ａ．溶接ビード形成不良の原因
オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する場合、溶接金属内の合金元素の含有量が高いため、溶接池の流動性が低下し、溶接ビード表面の形成不良が発生することがよくあります。これは主に、ルートパスの裏側の地層の劣化とキャップパスの表面仕上げの粗さとして現れます。表面形成不良が溶接の性能に及ぼす影響は、周囲温度または高温の動作条件では特に明らかではありませんが、低温の条件では、そのような欠陥によって引き起こされる応力集中が、溶接の内部欠陥と同じくらい重大な影響を与える可能性があります。-
b.溶接ビード形成不良への対策
溶接ビードの形成不良に関する問題{0}や、熱影響部（HAZ）-内の粒界腐食の問題-は、溶接プロセスを最適化することで効果的に解決できます。具体的には、ルートパスにガスタングステンアーク溶接 (GTAW) を採用し、低い溶接入熱の使用と組み合わせることで、HAZ が鋭敏化温度範囲にさらされる程度を効果的に制御できます。
結論
オーステナイト系ステンレス鋼は、化学および石油化学産業で広く使用されている材料です。ただし、その溶接では、{0}粒界腐食や高温割れなどの 4 つの主要なタイプの欠陥-が発生しやすく、その根本原因は主に温度制御、元素偏析、残留応力に関連しています。これらの問題は、せいぜい溶接の形態を損なうだけです。最悪の場合、材料の性能を大幅に低下させたり、脆性破壊を引き起こしたりすることもあります。したがって、効果的な予防および制御戦略には、電極の選択、溶接パラメータの最適化、-溶接後の処理-を含む複数の段階にわたる包括的な管理が必要であり、入熱を正確に制御することが重要な焦点となります。