溶接割れの原因の見分け方——高温割れ・低温割れ・ラメラテアを時期と場所で分ける

「いつ」と「どこで」を記録してから原因を考える

「溶接部に割れが出た」という報告だけでは、どの対策を打てばよいかが決まらない。溶接学会誌の解説（細井・原）は、溶接割れの原因を冶金的な因子（材料の成分、凝固条件、熱影響による延性低下、過飽和水素による脆化、有害な不純物）と力学的な因子（加熱・冷却で生じる収縮応力などの熱応力、変態応力、継手の拘束度）に分けている^[1]。どちらの系統かを絞り込む手がかりが、割れた時期と場所である。

表の時期と場所は、同じ解説と溶接学会誌の連載講義・実用講座に書かれている内容をまとめたものである^[1][2][3][5]。同じ解説は、後熱処理の時に生じる割れ（SR 割れ）と、使用中に生じる割れも発生時期の分類として挙げている^[1]。応力除去焼なましの指定については応力除去焼なまし・溶接後熱処理の指定で扱っているので、この記事では溶接中から溶接後の割れに絞る。

記録に残すことは四つある。割れを見つけた日時と、溶接を終えた日時（時間差が低温割れの手がかりになる）、割れの位置（溶接金属か熱影響部か、ルートか止端か）、割れの向き（溶接線に沿う縦割れか、直交する横割れか、板の表面に平行か）、そして同じ条件で溶接した他の部品に出ているかどうかである。

高温割れ——凝固の最後に粒の境界が開く

連載講義「溶接高温割れ」（本間）は、凝固割れを、凝固の過程で成長した柱状晶の境界面に残った液相が、凝固が終わる直前に収縮ひずみに耐えられず開口して生じるもの、と説明している^[3]。残った液相の融点や量、固相とのぬれ性が割れやすさを大きく左右し、一般に高温割れといえばこの割れを指すことが多い^[3]。

細井・原の解説は、凝固割れが起きやすい場合として次の四つを挙げている^[1]。

1. 高電流・高速で溶接した場合。サブマージアーク溶接やマグ溶接の高速溶接では溶融池が涙滴形になり、柱状晶が発達して最終凝固部の偏析が大きくなる。溶接速度を下げると溶融池が楕円形になり、偏析が軽くなって凝固割れが防がれる^[1]。

2. 凝固温度の幅を広げる元素が多い場合。少量で凝固温度の幅を大きく広げる元素として S・B・C・P が知られ、S と P は低融点の化合物を作ってさらに融点を下げる。鋼材と溶接材料の S・P を減らすことが有効な対策とされている^[1]。

3. 凝固の初めの結晶がオーステナイト主体の場合。液相に S・P が多く残り、粒界に偏析しやすい。解説は、C がおよそ 0.15 % 以上の鋼材（溶接金属中の C としておよそ 0.1 % 以上）や Ni がおよそ 3 % 以上の鋼材では、高電流・高速溶接を避けて低電流・低速で溶接するのが実際の施工だと書いている^[1]。

4. 凝固の時に引張りの応力が大きい場合。大入熱のサブマージアーク溶接では、終端部の回転変形の応力が凝固直前・直後の溶接金属に働いて割れる。仮付けの方法やタブ板の工夫で、この割れは大きく減らせるとされている^[1]。終端の割れは表面から見えないことも多いと同じ解説は注意している^[1]。

液化割れは、熱影響部の粗い粒の境界が低融点の化合物や偏析で局部的に溶け、収縮のときに開いて生じる。多層盛りでは、次の層の溶接熱で前の層が加熱されて起きることもある^[3]。高温割れは微細なものが多く、表面の目視では見落としやすい。

低温割れ——水素・硬さ・拘束がそろったとき

連載講義「低温割れ」（荒木）は、低温割れの主な要因を溶接部の水素量、硬化組織、拘束応力の三つとし、割れは溶接の直後には生じておらず、約 300 ℃以下に冷えてからある時間をおいて認められることから遅れ割れとも呼ばれる、と説明している^[2]。細井・原の解説も、特殊な環境では溶接終了後数十時間を経て発生する場合があるとしている^[1]。溶接の直後に検査して割れがなかったことは、低温割れがないことの証明にならない。

水素はどこから入るか

荒木の講義は、水素の源として大気中の湿気、被覆剤やフラックス中の水分・結晶水、開先に付いた油脂を挙げ、水素を減らす方法として、水素の少ない溶接方法の採用、被覆剤・フラックスの適正な乾燥、開先の清浄を挙げている^[2]。溶接棒やフラックスは吸湿を防ぐため、取扱い・乾燥・保管に厳重な管理が要るとも書いている^[2]。割れが雨の日や湿度の高い季節に集中していないか、溶接棒の乾燥の記録が残っているかを、最初に確かめる。

鋼材の割れやすさ——炭素当量

鋼材ごとの低温割れのしやすさは、成分から計算する炭素当量で表す。細井・原の解説は、国内でよく使われる溶接割れ感受性組成 P_CM と、国際溶接学会の炭素当量 CE(IIW) を次のように示している^[1]。

P_CM ＝ C ＋ Si/30 ＋ (Mn＋Cr＋Cu)/20 ＋ Ni/60 ＋ Mo/15 ＋ V/10 ＋ 5B（%）
CE(IIW) ＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cu＋Ni)/15 ＋ (Cr＋Mo)/5（%）

二つの式で合金元素の係数が違う理由について、糟谷の解説は、C の影響が Mn・Cr・Mo より大きい低炭素の鋼では合金元素の係数を小さくした P_CM が合い、C の多い鋼では CE(IIW) が合うという背景を説明し、C の量で使い分ける考え方を紹介している^[4]。仕入先と炭素当量の値を話し合うときは、どちらの式の値かを必ず確かめる。同じ鋼材でも式によって値が違ってくる^[4]。

割れの場所ごとの原因と対策

細井・原の解説は、ルート割れと止端割れが起きやすい場合として、溶接金属の拡散性水素が多い、鋼材の炭素当量や P_CM が大きい、溶接時の冷却が速い、溶接金属の強度が高い、継手の拘束度が大きい、の五つを挙げている^[1]。継手の拘束度を下げることは難しいので、対策は水素を減らす、鋼材の炭素当量を下げる、予熱を採用する、溶接金属の強度を適正にする、の四つになる^[1]。予熱とパス間温度の維持は、水素が動きやすい高い温度に溶接部を長く置いて水素を逃がし、遅れ割れを防ぐ施工法だと説明されている^[1]。

多層盛りの溶接金属の横割れは、溶接部の表面直下、つまり板厚方向で残留応力と水素の濃度が高まる位置に多く生じ、溶接線にほぼ直交して板厚方向に伸びる^[1]。表面から見えないまま内在していることがあるので、表面の検査だけで判断しない。

ラメラテア——板厚方向の応力と介在物

実用講座「ラメラテア」（井上）は、ラメラテアを鋼板の板厚方向に大きな拘束応力が働く継手で起きる溶接割れの一種とし、特徴として次を挙げている^[5]。超音波探傷試験などで健全と判断された鋼材にも発生する。圧延で長く伸ばされた非金属介在物に沿って亀裂が進み、全体として階段状になる。溶接時の板厚方向の収縮応力で発生し、亀裂は熱影響部かその近くにある。溶接がかなり進んだ段階で見つかることが多く、水素による低温割れのように予熱温度を上げるといった的確な防止方法がないため、一度発生すると補修に思いがけない被害が出ることがある^[5]。

介在物は MnS 系が主体のことが多いが、SiO₂ 系や Al₂O₃ 系のこともある^[5]。対策は三つある。継手の形や溶接の順序で板厚方向の拘束を減らす^[5]、板厚方向の特性（板厚方向の絞り値など）を保証した鋼材を選ぶ^[5]、低水素系の溶接材料や予熱と直後熱処理の併用で水素を減らす^[1]。ただし井上の講座の試験では、予熱や後熱で割れを防げたのは一部の鋼種で、割れ感受性の高い鋼では防げなかった^[5]。同じ講座は、板厚方向の応力と介在物の影響が特に大きく、水素脆化などは割れを促進する要因と考えられるとしている^[5]。施工だけで解決しようとせず、十字継手や T 継手で受ける側の板が厚い構造なら、発注の段階で鋼材の指定を見直す。SM490 の発注での指定はSM490 の発注での指定で扱っている。

社内でできる確かめと対策

割れが見つかったら、すぐに削って補修したくなるが、原因調べに使う部品は補修する前に残す。破面が残っていないと、凝固割れか低温割れかを見分ける材料がなくなる。そのうえで、社内では次を確かめる。

施工の記録：溶接方法、電流・電圧・速度、入熱、予熱とパス間温度、溶接棒・フラックスの乾燥と保管、開先の清掃。割れた部品と割れていない部品で、どこが違ったかを並べる。材料の記録：鋼材と溶接材料のミルシートの成分（C・S・P と炭素当量）、ロットの切り替わり。継手の形：拘束の強い位置か、板厚方向に引っ張られる継手か、終端にタブ板を付けているか。検査の時期：溶接後どれくらいの時間をおいて検査したか。

溶接を外に任せている場合は、施工要領と溶接技能者の資格、検査の方法・範囲・時期を発注の段階で決めておく。その指定の仕方は溶接を含む部品の発注で指定することで、溶接材料の記号の読み方は溶接棒・溶接ワイヤの規格でまとめている。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

施工の記録を並べても原因の系統が決まらない、割れが再発する、構造上の重要部位で原因を確定させたい、という段階になったら、破面と断面の観察を専門の会社に頼む。破面の様子（粒界か、粒内か、凝固の組織が見えるか）、断面の割れの経路（溶接金属を通るか、熱影響部を通るか、介在物に沿うか）、割れの近くの硬さの分布は、社内のルーペでは決めきれないことが多い。細井・原の解説も、高温割れは粒界で起こることが多く、低温割れの破面は水素による擬へき開破面を示すとしている^[1]。

原因の候補が絞れたら、条件を変えた試験片を溶接して割れの再現と防止条件を確かめる段階に進む。糟谷の解説は、拡散性水素量・炭素当量・拘束度・予熱温度の関係を使って予熱の条件を決める考え方を紹介している^[4]。施工条件の見直しまで含めて頼むかどうかは、観察の結果を見てから決めればよい。残留応力の測り方は残留応力の測定で、故障の解析全般の頼み方は故障解析を頼むときでまとめている。

割れた部品と施工の記録がそろっていれば → 観察の段取りから相談する

よくある質問

溶接直後の検査で異常がなかった部品が、出荷後に割れました

低温割れは約 300 ℃以下に冷えたあと、時間をおいて発生する^[2]。溶接直後の検査では見つからないことがあるので、溶接から検査までの時間を仕入先と取り決める。割れの位置がルート・止端・ビード下なら、水素と硬さと拘束の記録を先に確かめる。

予熱の温度を上げれば、どの割れも防げますか

予熱が確実に効くのは水素による低温割れである^[1]。凝固割れは溶接条件と成分と終端の応力で起きるので、予熱で防ぐ割れではない。ラメラテアは板厚方向の応力と介在物が主因で、予熱や後熱は鋼種によっては効くが、割れやすい鋼では防げなかった^[5]。割れの種類を決めてから対策を選ぶ。

超音波探傷で合格した鋼板なのに割れました

ラメラテアは超音波探傷試験などで健全と判断された鋼材にも発生する^[5]。T 継手・十字継手で鋼板表面に平行な割れなら、継手の形と鋼材の板厚方向の特性を見直す。

まとめ

溶接割れは、いつ・どこで・どの向きに割れたかで系統が分かれる。溶接中に溶接金属の中心や終端で割れたなら凝固割れを疑い、溶接条件と S・P・C と終端の応力を見る。冷えてから時間をおいてルートや止端で割れたなら低温割れを疑い、水素・炭素当量・拘束と予熱の記録を見る。板厚方向に引っ張られる継手で階段状なら、ラメラテアとして継手と鋼材を見直し、水素を減らす施工（低水素系の材料、予熱と直後熱処理）を補助に使う。原因が決まらないときは、補修する前の部品を残して、破面と断面の観察を専門の会社に頼む。

同じく不具合の原因を扱う記事として、金属の腐食の型の見分け方と対策、はんだクラックの原因の見分け方、接着はがれの原因の切り分け方も参照してほしい。

出典・参考資料

1. 2－5　溶接割れについて（細井宏一・原則行／溶接学会誌 78 巻 6 号・溶接学会／2009 年）
2. 溶接割れとその防止　4．低温割れ（荒木孝雄／溶接学会誌 57 巻 8 号・溶接学会／1988 年）
3. 溶接割れとその防止　3　溶接高温割れ（本間弘之／溶接学会誌 57 巻 7 号・溶接学会／1988 年）
4. 溶接部の低温割れ感受性と防止（糟谷正／溶接学会誌 70 巻 6 号・溶接学会／2001 年）
5. ラメラテア（井上尚志／溶接学会誌 73 巻 2 号・溶接学会／2004 年）

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