溶接前に母材を予熱することがよくありますが、具体的にはどのような理由があるのでしょうか？
結論から始めましょう: 主な理由は 2 つあります。
1 つ目は溶接部の残留応力を低減することです。2 つ目は溶接部の硬化構造の形成を減らし、それによって溶接中の冷間割れの発生を減らすことです。
この結論をどう理解すればよいのでしょうか?
例を挙げてみましょう。運動する前には、通常、ウォーミングアップを行います。これは主に筋肉や関節をストレッチして、運動中に筋肉を痛める可能性を減らすためです。
実は、当社の鋼材も溶接前にウォーミングアップが必要です。予熱は良いウォーミングアップになります。
鋼材は通常、工場出荷前に適切な熱処理を受けます。しかし、熱処理後も鋼材には残留応力が残ります。そのため、溶接前に鋼材を予熱することで、この残留応力を最小限に抑えることができます。
この残留応力は工学では拘束応力と呼ばれ、本質的には同じものです。
溶接冷間割れには、拘束応力、硬化組織、拡散性水素含有量という 3 つの主な要因があります。
拘束応力は影響要因の 1 つです。
2 番目の側面は、先ほど説明したように、硬化構造の形成を減らすことです。
マルテンサイトは典型的な硬化組織であり、α-Fe中のCの過飽和固溶体です。マルテンサイトはラスマルテンサイトと針状マルテンサイトにも分けられます。
一般的に、ラスマルテンサイトは比較的優れた特性を持ち、針状マルテンサイトは劣ります。しかし、ここでは詳しく説明しません。マルテンサイトについては、機会があれば後で議論しましょう。
しかし、溶接の場合、溶接部でのマルテンサイトの形成を避けるようにする必要があります。
上の画像をご覧ください。この画像は共析鋼の典型的な等温変態曲線図です。
実際には、溶接におけるCCT曲線ははるかに複雑です。理解を容易にするために、この図を用いてマルテンサイトの形成過程を説明します。
上の図では、V1からV5までの5本の線が異なる冷却速度を表しています。V1は傾きが最も小さいため、冷却速度が最も遅くなります。V5は冷却速度が最も速くなります。この図の下部には、MsとMfという2つの曲線があります。Msはマルテンサイト変態が始まる温度曲線を表し、通常は約230℃です。Mfはマルテンサイト変態が終了する温度曲線を表します。
マルテンサイト形成の確率は冷却速度によって異なります。V5は最も速い冷却速度を表し、マルテンサイトが生成される可能性が最も高くなります。
したがって、溶接前に鋼を予熱すると、溶接温度が上昇します。これにより溶接継手の冷却時間が長くなり、冷却速度が低下し、結果としてマルテンサイトの形成確率が低下します。
これが、溶接前に予熱が必要な主な理由の 1 つです。
では、予熱温度は高いほど良いのでしょうか？もちろん違います！
予熱温度が高すぎると、溶接部の冷却時間が長くなります。特に800℃から500℃の温度範囲では、冷却時間が長すぎると結晶粒成長がより顕著になります。
溶接部の強度と硬度は著しく低下します。そのため、予熱温度は高くしすぎないようにしてください。