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構造用鋼の製造では、溶接の品質が最終構造の強度、耐久性、安全性に直接影響します。重要な構造部品、合金鋼、厚鋼板、および高度に拘束された溶接継手の場合、 溶接前の適切な予熱 および 溶接後熱処理 (PWHT) は、亀裂の制御、残留応力の軽減、溶接継手の全体的な性能の向上に重要な役割を果たします。
予熱とは、溶接を開始する前に溶接領域の周囲の母材を指定の温度に加熱することを指します。必要な予熱温度は、鋼種、炭素当量、材料の厚さ、溶接消耗品、接合拘束、溶接プロセス、周囲温度などの要因によって異なります。
予熱の主な利点は次のとおりです。
予熱により、溶接部および熱影響部 (HAZ) の冷却速度が遅くなります。これにより、拡散性水素が溶接接合部から逃げる時間が長くなり、硬くて脆い微細構造の形成が減少します。
その結果、水素誘起割れや低温割れのリスクを大幅に軽減できます。
溶接中、溶接部付近の鋼材は急速に加熱されますが、周囲の材料は比較的冷たいままです。この温度差により、熱勾配、変形、残留応力が発生します。
適切な予熱により、溶接領域と周囲の鋼材との温度差が減少し、溶接継手がより徐々に均一に冷却されます。
これにより、溶接応力が軽減され、亀裂や歪みの可能性が最小限に抑えられます。
拘束度の高い溶接継手は、冷却中の収縮が自由に起こらないため、亀裂が発生しやすくなります。
予熱は熱収縮の程度を軽減することができ、特に厚いプレート、複雑な接合部、拘束力の高い接合部に役立ちます。
多くの場合、適切な予熱温度を上げると、溶接割れの可能性を減らすことができます。
予熱温度とパス間温度の選択は、材料の厚さのみに基づいて行うべきではありません。
次のようないくつかの要素を考慮する必要があります。
鋼種と化学組成
炭素当量
板厚
溶接消耗品
溶接工程
ジョイント構成
構造的拘束
周囲温度
入熱
適用可能な溶接コードとプロジェクト仕様
均一な加熱も同様に重要です。
予熱温度は、鋼の厚さ全体および溶接領域に沿って適度に均一である必要があります。加熱が不均一になると、熱応力が軽減されるどころか、追加の熱応力が生じる可能性があります。
局所的な予熱の場合、安定した均一な温度分布を確保するために、加熱領域が溶接部の両側を十分に超えて広がる必要があります。
正確な加熱幅と温度は、常に該当する溶接手順仕様 ( WPS )、エンジニアリング要件、および関連する溶接規格に従う必要があります。
溶接後熱処理は、残留応力を制御し、水素含有量を低減し、溶接継手の微細構造と機械的特性を改善するために溶接後に実行されます。
鋼のグレード、厚さ、使用条件、溶接仕様に応じて、溶接後の熱処理によりいくつかの利点が得られる場合があります。
溶接後、溶接金属や熱影響部に拡散性水素が残留する場合があります。
特定の鋼および重要な溶接継手の場合、溶接直後に制御された低温水素除去処理が適用される場合があります。
溶接継手を指定された期間加熱すると、水素の拡散と放出が促進され、遅延水素亀裂のリスクが軽減されます。
実際の温度と保持時間は、鋼種、溶接手順、継手の厚さ、および適用される規格に従って決定する必要があります。
溶接により、高度に局所的な加熱と冷却が発生します。溶接されたコンポーネントは周囲の材料と接合部の形状によって拘束されるため、溶接後の構造には残留応力が残ります。
過剰な残留応力は次の原因となる可能性があります。
溶接変形
応力集中
疲労性能の低下
ひび割れリスクの増加
寸法不安定性
応力除去熱処理は、溶接されたコンポーネントを制御された温度まで加熱し、指定された期間保持して、内部応力を再分散して緩和します。
コンポーネントのサイズとプロジェクトの要件に応じて、熱処理はコンポーネント全体または溶接接合部の周囲で局所的に実行されます。
一部の合金鋼および高張力鋼では、溶接後の熱影響部に硬化または脆化した微細構造が生じる場合があります。
これらの微細構造が高い残留応力と水素と一緒に残ると、溶接継手が亀裂や脆性破壊を起こしやすくなる可能性があります。
適切な熱処理は、溶接継手の冶金的構造を改善するのに役立ち、以下の機能を向上させる可能性があります。
靭性
延性
寸法安定性
耐クラック性
全体的な機械的性能
一般的な溶接品質管理プロセスには次のものが含まれます。
材料の特定 → 溶接手順のレビュー → 予熱 → 温度検査 → 溶接 → パス間温度制御 → 溶接検査 → 必要に応じて水素除去または PWHT → 最終検査
適切な測定機器を使用して、溶接プロセス全体を通じて温度制御を監視する必要があります。
重要な鉄骨構造プロジェクトの場合、溶接手順、予熱温度、パス間温度、溶接後処理の要件は、承認された WPS およびプロジェクト品質文書で明確に定義される必要があります。
いいえ。
すべての溶接鋼構造が予熱または溶接後の熱処理を必要とするわけではありません。
これらのプロセスが必要かどうかは、次のような要因によって決まります。
鋼材グレード
炭素当量
板厚
構造上の重要性
関節拘束
溶接工程
使用条件
適用される国際規格
プロジェクト固有のエンジニアリング要件
比較的薄いセクションと低い接合拘束を備えた通常の炭素鋼コンポーネントの場合、大規模な熱処理は必要ない場合があります。
ただし、厚い板、高張力鋼、合金鋼、重要な耐荷重部材、または高度に拘束された溶接継手の場合、温度制御がより重要になります。
予熱および溶接後の熱処理は、単なる追加の溶接手順ではありません。材料、継手の設計、溶接手順、またはエンジニアリング仕様で必要な場合、これらは構造用鋼の溶接継手の信頼性を向上させるための重要な品質管理手段です。
適切な温度制御は、水素による亀裂の低減、冷却速度の制御、残留応力の低減、歪みの最小化、溶接接続部の靱性と全体的な性能の向上に役立ちます。
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