SS400の溶接性｜規格が保証しない理由とSM材・SN材の使い分け
ichimatsu
How to 機械設計
材料の溶接性と設計指示｜SUS304の落とし穴と非破壊検査の指定
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設計図面の材質欄に「SS400」「SUS304」「A5052」と書く。溶接記号も付ける。それで指示は完結したつもりでも、現場では割れる、腐る、巣が出る。
設計者の責任は、材料名と溶接記号で終わりではない。溶接性と検査方法を「設計指示として」明文化することまで含む。本稿はその境界を整理する。
実務応用編までで強度と歪みの実務は押さえた。ここから先は、材料側の特性と品質保証側の選定が主役になる。
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設計図面で「材質指示」だけでは事故が起きる
「SUS304で溶接構造」と書いて発注。立ち上がりは問題なし。半年後、海水近接の屋外用途で粒界腐食。Lグレードに切り替えるだけで解消したが、原因究明と再製作で工数を失った。
ありがちなパターンだ。材料記号だけで指示を済ませると、溶接熱影響部（HAZ）で起きる材料変化が抜け落ちる。設計図面に必要なのは、母材記号＋溶接性に対する追加指示の二段構えである。
炭素鋼：炭素当量 Ceq で予熱要否が決まる
炭素鋼は溶接しやすい。ただしハイテン材（高張力鋼）に近づくほど、HAZ がマルテンサイトに変態しやすい。これが低温割れの正体。
評価指標は 炭素当量 Ceq。炭素以外の合金元素を C 量に換算して足し合わせる。
Ceq (%) = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14
目安は Ceq 0.44% 超で予熱が必要。SS400 や SM490A 程度なら通常は無対策で溶接可能だが、HT780 級になると 100〜150℃ の予熱、HT980 級では 150〜200℃ が一般的だ。
設計者がやるべきこと
- 材料仕様書のミルシート例で Ceq を確認する
- 必要なら図面に「予熱温度○○℃以上、層間温度○○℃以下」と明記
- 高張力鋼の場合、溶接後熱処理（PWHT）の要否も判断する
ステンレス鋼：鋭敏化を Lグレードで殺す
SUS304 や SUS316 は溶接できる。だが「溶接できる」と「溶接後も耐食性が維持される」は別の話。
HAZ で鋼中の C が結晶粒界の Cr と結合（Cr 炭化物の析出）。粒界周辺の Cr が枯渇し、ここから粒界腐食が始まる。これが鋭敏化。発生温度域は概ね 500〜800℃で、まさに溶接 HAZ が通る温度帯と一致する。
対策は二択。
| 対策 | 材料 | 特徴 |
|---|---|---|
| L グレード採用 | SUS304L / SUS316L | C 含有量 0.030% 以下に抑制。最も一般的 |
| 安定化ステンレス採用 | SUS321（Ti添加）/ SUS347（Nb添加） | C が Ti/Nb と優先結合し Cr を守る。高温用途で有利 |
設計図面では「SUS304」と書かない。腐食環境に置く溶接構造は SUS304L で指定する。コスト差は小さく、後工程の不良ロス回避効果が大きい。
アルミニウム合金：酸化皮膜と水素ガス
アルミは難材料だ。理由は三つある。
- 酸化皮膜の融点が母材より高い：Al₂O₃ は約 2000℃、母材は約 660℃。皮膜が溶けず、母材の溶け込みを阻害する
- 熱伝導率が高い：鉄の約 3 倍。熱が逃げるため大入熱が必要で、その分歪みが大きい
- 水素を吸い込みやすい：溶融プールに水素が溶け込み、凝固時にガスとして残留 → ブローホール
設計指示として書くべきこと。
- 溶接法の指定：交流 TIG または専用 MIG（皮膜除去作用がある方式）
- 前処理仕様：脱脂、ワイヤブラシによる酸化皮膜の機械除去（数時間以内に溶接実施）
- 受け入れ品質：X 線写真でブローホール許容数を規定
「アルミだから TIG でやって」では指示が浅い。前処理タイミングと検査基準まで設計側が決める。
非破壊検査（NDT）：4種の検出範囲が違う
溶接欠陥は内部に潜む。表面から見えない割れ、融合不良、ブローホール。これらを完成品で見つけるのが非破壊検査（NDT）。
4種の使い分けを誤ると、「検査したのに見つからなかった」事故になる。
| 検査 | 略号 | 検出範囲 | 代表用途 |
|---|---|---|---|
| 浸透探傷 | PT | 表面に開いた割れのみ | SUS・アルミの表面割れ。鉄鋼以外で使える |
| 磁粉探傷 | MT | 表面〜表面直下（数 mm まで） | 鉄鋼の表面疲労割れ。SUS・アルミでは使えない |
| 超音波探傷 | UT | 板厚内部全域 | 厚板の内部割れ、融合不良。深さと位置が分かる |
| 放射線透過 | RT | 板厚内部全域 | ブローホール、画像で記録が残せる。立体把握は不利 |
選定の考え方。
- 疲労が懸念される溶接止端部の割れ → MT（鉄鋼）または PT（SUS・アルミ）
- 圧力容器・配管の内部健全性 → UT または RT
- 厚板の融合不良 → UT（RTでは線状欠陥が見えにくい）
設計図面の溶接記号に、検査方法を併記する。「すみ肉 6mm」だけでなく「すみ肉 6mm／MT 100%」と書く。検査範囲（100%／抜き取り）も指定する。
まとめ
設計者の溶接指示は、材質記号と溶接記号で完結しない。
- 炭素鋼：Ceq を確認し、予熱・PWHT の要否を判断する
- ステンレス鋼：腐食環境では L グレードで指定する
- アルミ：溶接法・前処理・検査基準まで図面で押さえる
- NDT：欠陥の場所と材質で 4 種を使い分け、検査範囲も明記する
材料側の特性を理解せずに「溶接記号を付けたから設計責任は果たした」とする思考が、量産で事故を起こす。指示書に何を書かないと現場が困るかで図面の完成度を測る。
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ABOUT ME
大学院(機械工学専攻)修了後、製造業で機械設計に従事。20年以上、動力機器の設計開発に携わっています。現場の知見から「考えるための情報」を発信しています。
