高炭素鋼とは、w(C)が0.6%を超える炭素鋼を指します。中炭素鋼よりも硬化しやすく、低温亀裂の形成を受けやすい高炭素マルテンサイトを形成する傾向があります。同時に、溶接熱影響部に形成されるマルテンサイト組織は硬くて脆くなり、継手の塑性と靭性が大幅に低下します。したがって、高炭素鋼の溶接性は非常に悪く、継手の性能を確保するには特殊な溶接プロセスを採用する必要があります。。したがって、一般に溶接構造ではほとんど使用されません。高炭素鋼は、主に回転軸、大型歯車、カップリングなど、高い硬度と耐摩耗性が要求される機械部品に使用されます[1]。鋼材の節約と加工技術の簡素化のため、これらの機械部品は溶接構造と組み合わされることがよくあります。重機の製造では、高炭素鋼コンポーネントの溶接の問題も発生します。高炭素鋼溶接物の溶接プロセスを策定する際には、考えられるさまざまな溶接欠陥を包括的に分析し、対応する溶接プロセス対策を講じる必要があります。
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1 高炭素鋼の溶接性
1.1 溶接方法
高炭素鋼は主に高硬度で耐摩耗性の高い構造物に使用されるため、溶接方法としては電極アーク溶接、ろう付け、サブマージアーク溶接が主に行われます。
1.2 溶接材料
高炭素鋼の溶接では一般に、接合部と母材との間に同等の強度は必要ありません。アーク溶接では、硫黄除去能力が高く、溶着金属中の拡散性水素含有量が低く、靭性に優れた低水素電極が一般的に使用されます。溶接金属と母材の強度を同等にする必要がある場合には、対応するグレードの低水素溶接棒を選択する必要があります。溶接金属および母材の強度を必要としない場合には、母材より強度の低い低水素溶接棒を選定してください。母材より強度の高い溶接棒は選択できませんのでご注意ください。溶接中に母材を予熱できない場合、熱影響部の低温割れを防ぐために、オーステナイト系ステンレス鋼の電極を使用すると、良好な塑性と強い耐割れ性を備えたオーステナイト組織が得られます。
1.3 ベベルの準備
溶接金属中の炭素の質量分率を抑えるためには溶融率を下げる必要があるため、溶接時には一般にU字開先やV字開先が使用され、開先の清掃や油汚れに注意が必要です。溝の両側20mm以内に錆等がないこと。
1.4 予熱
構造用鋼の電極を使用して溶接する場合、溶接前に予熱する必要があり、予熱温度は 250°C ～ 350°C の間に制御されます。
1.5 中間層処理
多層および複数パスを溶接する場合、最初のパスでは小径の電極と低電流が使用されます。一般的には、ワークを半立設したり、溶接棒を横振りさせて溶接することにより、短時間で母材熱影響部全体を加熱し、予熱・保温効果を得ることができます。
1.6 溶接後の熱処理
溶接直後にワークを加熱炉に入れ、650℃に保持して歪取焼鈍を行います[3]。
2 高炭素鋼の溶接欠陥とその防止策
高炭素鋼は硬化傾向が強いため、溶接時に高温割れや低温割れが発生しやすくなります。
2.1 サーマルクラックの予防対策
1) 溶接部の化学組成を制御し、硫黄とリンの含有量を厳密に制御し、マンガン含有量を適切に増加して溶接構造を改善し、偏析を低減します。
2) 溶接の断面形状を制御し、幅と深さの比をわずかに大きくして、溶接中心の偏析を回避します。
3) 剛性溶接の場合、適切な溶接パラメータ、適切な溶接順序および方向を選択する必要があります。
4) 熱亀裂の発生を防ぐため、必要に応じて予熱、徐冷措置を講じてください。
5) 溶接棒またはフラックスのアルカリ度を高めて、溶接部の不純物含有量を減らし、偏析の程度を改善します。
2.2 コールドクラックの予防策[4]
1) 溶接前の予熱と溶接後の徐冷は、熱影響部の硬さと脆性を軽減するだけでなく、溶接部内の水素の外方拡散を促進します。
2) 適切な溶接対策を選択してください。
3) 溶接継手の拘束応力を軽減し、溶接部の応力状態を改善するために、適切な組立順序と溶接順序を採用します。
4) 適切な溶接材料を選択し、溶接前に電極とフラックスを乾燥させ、すぐに使用できるように保管してください。
5) 溶接前に、溶接部の拡散性水素の含有量を減らすために、開先周囲の基礎金属表面上の水、錆、およびその他の汚染物質を注意深く除去する必要があります。
6) 溶接直前に脱水素処理を実施し、溶接部から水素を十分に逃がしてください。
7) 溶接部の水素の外方拡散を促進するために、溶接直後に歪取り焼鈍処理を行う必要があります。
3 結論
高炭素鋼は炭素含有量が高く、焼入れ性が高く、溶接性が悪いため、溶接時に高炭素マルテンサイト組織や溶接割れが発生しやすいです。したがって、高炭素鋼を溶接する場合は、溶接プロセスを合理的に選択する必要があります。また、溶接割れの発生を軽減し、溶接継手の性能を向上させるために、適切な措置をタイムリーに講じます。
投稿日時: 2024 年 5 月 27 日
