【プラント設計の基礎】これでわかる！溶接欠陥とその対策！設計にも必要な知識！

溶接は、金属同士を接合するための重要な技術です。プラント機器や機械製作の際にも、必ずと言っていいほど溶接で加工する部分が発生します。

溶接工程で発生する欠陥は、製品の品質や安全性に大きな影響を与えまず。特に高圧ガスなどを扱うプラント機器では、その欠陥から大事故につながる可能性があります。また、機械においても溶接血管部分を起因とする割れ、疲労破壊などで作業者に危険が及ぶ可能性があります。

これらの欠陥を予防し、適切に対処することがプラント機器や機械の安全性確保のために不可欠です。また、溶接欠陥は補修が難しい場合もあるので、事前に対策をすることは製作時間の短縮にもつながります。

本記事では、溶接欠陥の主な種類やその原因、防止策について詳しく解説し、プラント設計や機械設計、製造業や建設業に携わる技術者に向けた実践的な知識を提供します。

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溶接欠陥の分類

溶接欠陥は、大きく分けて「寸法・外観的な欠陥」と「内部に存在する欠陥」の2つに分類されます。それぞれの欠陥は、溶接部の見た目や構造的な強度に関わるもので、適切な検査方法を用いて確認する必要があります。

寸法・外観的な欠陥

寸法・外観的な欠陥は、溶接部の形状や外見に関する問題です。以下は主な外部欠陥の例です。

これらの欠陥は、目視や外観検査で容易に確認することができるため、製造過程での初期段階で発見されることが望ましいです。

内部に存在する欠陥

内部に存在する欠陥は、外観では確認できないため、X線検査や超音波検査などの非破壊検査（NDT）によって検出されます。代表的な内部欠陥には、以下のものがあります。

内部欠陥は構造の強度に直接的な影響を及ぼし、検査や管理が難しいため、溶接プロセス全体の精密な管理が求められます。

各種割れの種類とその対策

溶接部に多く発生する欠陥が割れです。割れは多くの種類がありそれぞれ原因と対策が異なります。

ビード割れ

溶接ビードの途中または終端部分に発生する割れです。表面に現れることが多いです。原因としては 溶接時の熱応力や冷却速度の不均一、溶接金属の収縮などが原因となります。特に、溶接中に急激に冷却されたり、熱が偏る場合に発生しやすいです。

クレーター割れ

溶接ビードの終端部分で発生する割れ。クレーターと呼ばれる凹み部分に発生しやすいです。原因としては溶接の終了時に適切な溶融池の充填が行われず、急激な冷却によりクレーター部分に応力が集中して割れが発生します。

ビードルート割れ

溶接ビードの根元部分（ルート）に発生する割れです。特に、突合せ溶接や隅肉溶接で問題となります。原因としてはルート部分が適切に溶け込まずに不完全な溶接が行われた場合や、応力が集中する形状で割れが発生します。また、過大な熱応力や不適切な溶接条件も影響します。

サブマージアーク溶接の凝固割れ

サブマージアーク溶接時に、溶融金属が冷却・凝固する過程で発生する割れです。原因として溶融金属が急速に凝固する際に、金属内部に引張応力が生じ、これが臨界値を超えると割れが発生します。特に合金元素が多い場合や、過度な溶接条件が凝固割れを促進します。

隅肉ビードルート割れ

隅肉溶接で、溶接ビードのルート部分に発生する割れです。特に、応力が集中するコーナー部分で発生しやすいです。原因として溶接部位の形状や溶接金属の不適切な溶け込みによる応力集中が主な原因です。また、熱応力や冷却速度の不均一も影響します。

低温割れ

溶接部が低温状態で割れる現象で、通常は溶接後の冷却過程で発生します。水素脆性やマルテンサイト変態などが関与する場合が多いです。原因として溶接時に侵入した水素が、冷却中の金属の中で脆化を引き起こし、割れを発生させます。また、急速な冷却によって発生するマルテンサイト組織も脆性を引き起こすことがあります。

高温割れ

溶接金属が高温のままで割れる現象です。通常は溶接中やすぐ後に発生します。原因としては溶接中の高温で金属が脆くなることに加え、溶接金属の不均一な冷却によって内部応力が発生し、これが原因で割れが生じます。特に、高温脆化しやすい合金で発生しやすいです。

これらの割れは、それぞれ異なる原因で発生するため、対策も異なりますが、共通して言えるのは、溶接条件の最適化と、適切な予熱・後熱処理、適切な溶接材料の選定が重要であるということです。

溶接欠陥の原因

溶接欠陥が発生する原因は複数の要因に分けられます。ここでは、技術的要因、材料的要因、環境的要因に分けて解説します。

技術的要因

不適切な溶接技術は、最も一般的な欠陥の原因となります。以下は主な技術的要因です。

材料的要因

材料そのものの性質や管理不良も溶接欠陥の原因となります。

環境的要因

溶接作業が行われる環境も、欠陥の発生に大きな影響を与えます。

溶接欠陥の防止策

溶接欠陥を未然に防ぐためには、適切な管理と準備が必要です。以下に主な防止策を紹介します。

適切な溶接技術の使用

溶接速度、電流、電圧などのパラメータは、溶接される材料や作業環境に応じて慎重に設定されるべきです。また、溶接者は十分なトレーニングを受け、品質管理のための定期的なスキル向上が求められます。

材料の適切な準備

溶接に使用する材料は、事前に適切な準備がなされるべきです。特に、材料の表面は清潔に保ち、油や汚れを徹底的に取り除くことが重要です。さらに、必要に応じて前加熱を行い、材料の内部応力を緩和することで、割れの発生リスクを低減します。

溶接後の処理

溶接が完了した後、適切な熱処理を施すことで、溶接部の残留応力を軽減し、割れの発生リスクを抑えることができます。特に、熱影響部の金属組織を安定化させることが目的です。

環境の制御

作業環境は、欠陥の発生を防ぐために重要です。風や湿気の多い環境では、シールドガスの供給が安定するように工夫し、シールドガスが外部に流れ出さないように管理します。また、温度管理も重要で、特に低温環境では適切な加熱処理を施すことで、低温割れを防ぐことができます。

使用中に発生する溶接欠陥

溶接欠陥は、製造時だけでなく、使用中に発生する場合もあります。例えば、圧力や温度の変動が繰り返し起こる環境では、溶接部が疲労することで「疲労割れ」が発生しやすくなります。また、ステンレス鋼などの材料は、長期間の使用によって「粒界腐食」が進行しやすく、これが溶接部に欠陥を引き起こすことがあります。

溶接部の欠陥の検査

溶接部の欠陥の検査は基本的には非破壊検査で行われます。溶接方法の有効性や強度試験に関しては曲げや引っ張り試験を行いますが、製作した製品を破壊するわけにはいきません。

そのため、目視検査や浸透探傷試験などの非破壊検査を行います。非破壊検査に関しては「【壊さずに検査】非破壊検査の概要とその種類について解説！」を参考にしてください。

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各種欠陥に対しての検査方法は以下の画像のようになります。間違った方法だと欠陥を検出することができないので、注意しましょう。

まとめ

溶接欠陥は、プラント機器や機械設備の性能や安全性に大きな影響を与える重要な課題です。欠陥には外観的なものから内部に隠れたものまでさまざまな種類が存在し、その原因も多岐にわたります。技術的、材料的、環境的な要因が重なり合って欠陥を引き起こすため、溶接作業には細心の注意が必要です。

欠陥の発生を防止するためには、適切な溶接技術の使用、材料の準備、環境の管理、そして製造後の検査や熱処理が不可欠です。また、使用中に発生する欠陥にも十分な対策が必要であり、定期的なメンテナンスや検査によって製品の寿命を延ばすことが求められます。

溶接は高度な技術であり、その品質管理が製品の信頼性を大きく左右します。溶接欠陥のリスクを最小限に抑え、より高品質な製品を提供するために、技術者や製造業者は常に最新の技術と知識を習得し、実践していくことが求められます。

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