2025.10.15

機械設計者のための溶接ガイド:専門編

ichimatsu

はじめに：見えないリスクを設計で回避する

【実務応用編】までで、溶接構造の基本的な設計手法はマスターできたはずです。しかし、高機能材料の使用や、極めて高い信頼性が求められる製品の設計においては、さらに一歩踏み込んだ知識が必要となります。それは、材料が溶接熱によってどのように変化するのかという材料科学的な視点と、完成した製品の健全性をいかにして保証するかという品質保証の視点です。

この記事は、溶接設計のエキスパートを目指す技術者のための超専門的編です。炭素鋼の「溶接割れ」、ステンレス鋼の「鋭敏化」、アルミニウムの「酸化皮膜」といった、材料ごとの特有の課題と、それらを設計段階で回避する方法を解説します。さらに、完成品に潜む欠陥を見つけ出すための「非破壊検査」の種類と適切な選定方法についても深掘りします。目に見えないリスクを理解し、真に信頼性の高い設計を実現しましょう。

第1章：材料の「溶接性」を理解する

「溶接性」とは、ある材料がどのくらい問題なく溶接できるかを示す指標です。ここでは、主要な工業材料で特に注意すべき点を見ていきます。

1.1 炭素鋼：割れの鍵を握る「炭素当量」

炭素鋼は溶接しやすい材料ですが、炭素や合金元素が多く含まれる高張力鋼などでは、「低温割れ」のリスクが高まります。溶接の熱影響部は、急激な加熱・冷却により、マルテンサイトという非常に硬く脆い組織に変態しやすく、これが割れの原因となります。

この「硬化しやすさ」を評価する指標が「炭素当量 (Ceq)」です。炭素(C)だけでなく、マンガン(Mn)やクロム(Cr)といった他の合金元素の影響も炭素量に換算して総合的に評価します。

Ceq (%) = C + Mn/6 + Si/24 + …

一般的に、Ceqが0.44%を超えると割れやすくなるとされ、溶接前に母材を温める「予熱」などの特別な対策が必要になります。強度が高い鋼材を選定する際は、必ず材料の仕様書でCeqを確認し、溶接施工上の注意点を検討する必要があります。

1.2 ステンレス鋼：耐食性を損なう「鋭敏化」

ステンレス鋼の命である耐食性は、表面の「不動態皮膜」によって保たれています。しかし、溶接熱によってこの皮膜が破壊される「鋭敏化」という現象が起きることがあります。

SUS304などを溶接すると、熱影響部で鋼中の炭素とクロムが結合し、クロムが結晶粒界に固定されてしまいます。その結果、皮膜を作るためのクロムが不足し、その部分の耐食性が著しく低下。特定の環境下で粒界腐食を引き起こします。

設計上の対策：

低炭素鋼（Lグレード）の採用: 炭素量を抑えたSUS304LやSUS316Lを使用する。最も一般的で効果的な対策です。
安定化ステンレス鋼の採用: チタン(Ti)やニオブ(Nb)を添加したSUS321やSUS347を使用する。炭素がクロムより先にTiやNbと結合するため、鋭敏化を防ぎます。

1.3 アルミニウム合金：酸化皮膜との戦い

軽量なアルミニウムは溶接が非常に難しい材料です。その主な理由は以下の通りです。

強固な酸化皮膜: 表面にできる酸化皮膜(Al₂O₃)は融点が約2000℃と非常に高く、母材（融点約660℃）の溶融を妨げます。
高い熱伝導率: 熱がすぐに逃げてしまうため、溶け込ませるには大入力の熱が必要。しかし、そのせいで歪みが非常に大きくなります。
ブローホールの発生: 溶けたアルミは水素を吸い込みやすく、これが冷える際にガスとなって内部に残り、巣（ブローホール）を作る原因となります。

このため、アルミの溶接では、酸化皮膜を除去する作用のある交流TIG溶接や、専用のMIG溶接が用いられます。設計者は、溶接前の徹底した脱脂洗浄やワイヤブラシがけを仕様として明確に指示することが重要です。

第2章：品質を守る「非破壊検査」の選定

溶接部の欠陥、特に内部に潜むものは、製品の寿命や安全性に致命的な影響を与えます。そこで、製品を壊さずに内部の状態を調べる「非破壊検査(NDT)」が不可欠です。設計者は、製品の重要度に応じて適切な検査方法を指示する責任があります。

検査方法	略称	原理	何が見えるか	適した用途
浸透探傷試験	PT	色の付いた液体を染み込ませて可視化	表面に開いた微細な割れ	ステンレスやアルミの表面欠陥検出
磁粉探傷試験	MT	磁石にして鉄粉を付着させ可視化	表面～表面直下の割れ	鉄鋼材料の表面疲労割れの検出に高感度
超音波探傷試験	UT	超音波の反射（エコー）を捉える	内部の割れ、融合不良	厚板の内部欠陥の検出、深さの特定に優れる
放射線透過試験	RT	X線（レントゲン）で内部を撮影	内部の空洞（ブローホール）	欠陥を画像として記録でき、客観性が高い

例えば、疲労が懸念される箇所の表面クラックを見つけたいならPTやMT、圧力容器の内部の健全性を保証したいならUTやRTが適しています。コストとリスクを天秤にかけ、合理的な検査計画を立てることが重要です。これらの検査指示も、溶接記号に付記することができます。

まとめ：シリーズを通じて

全3回にわたる溶接ガイドを通じて、私たちは溶接の基礎から、実用的な設計手法、そして専門的な材料と品質保証の世界までを旅してきました。

【入門編】では、溶接の「なぜ？」と「なに？」を学びました。
【実務応用編】では、強度と変形をコントロールする「どうやって？」を習得しました。
そして今回の【専門編】では、材料と品質の「より深く」を掘り下げました。

溶接は、設計と製造が一体となって初めて最高のパフォーマンスを発揮する、奥深い技術です。優れた設計者とは、単に形を描く人ではなく、その形がどのような物理現象を経て、どのようなリスクを乗り越えて実現されるのかを洞察できる人物です。このシリーズが、あなたの設計者としての成長の一助となれば、これほど嬉しいことはありません。

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