電気溶渣溶接における冶金的特性と溶接品質管理

1. 電気溶渣溶接の冶金的原理
電気溶渣溶接（ESW）の冶金的挙動は、溶接品質を根本的に決定し、化学組成、微細組織、および機械的特性に直接影響を与えます。

1.1 スラグ－金属相互作用
導電性スラグプール（例：CaF2-Al2O3系フラックス）は、1,700-2,000℃の安定した温度を生成し、二つの役割を果たします：
精製: スラグは酸化物（例：SiO2, MnO）や硫化物（例：FeS）を吸収し、不純物を減少させます。
合金調整: CaOやTiO2などの成分は、ケイ素/マンガン含有量を調整し、靭性を向上させます。
事例: HJ360フラックス（8-12% MnO含有）は、室温で低炭素鋼溶接部のシャーピー衝撃靭性を≥80Jに増加させます。

1.2 要素移動と分布
電極（ワイヤーやプレート）が合金元素を供給します。長時間の溶融プール滞在（数分まで）により、Ni/Crなどの元素の移行効率は95%を超えます。重要な考慮点：
炭素損失: これを補うために、ワイヤーに炭素を添加します（例：H08Mn2SiA、0.10-0.15% C含有）。
水素管理: スラグ中のフッ化物（CaF2）は、水素をHFガスとして結合し、クラックリスクを最小限に抑えます。

1.3 微細組織の進化
柱状結晶: 粗い垂直方向の粒成長が必要なため、溶接後の正規化が要求されます。
熱影響 zona (HAZ)：幅10〜20mmのベイナイト主体のゾーンで、割れを防ぐために制御された冷却が必要です。

溶接品質管理のための重要な要因
品質保証は、パラメータの最適化、材料の適合性、および設備の信頼性に依存します。

2.1 パラメータの最適化
電流 (400-1,000A)：堆積速度を支配します。過剰な値は乱流や気孔を引き起こします。
電圧 (35-55V)：溶接幅に影響を与えます。5V増加すると、幅が2〜3mm広がります。
移動速度 (0.5-1.5m/h)：遅い速度では過熱し、高い速度では不完全な融着のリスクがあります。
最適化例：三峡プロジェクトにおける300mm厚鋼板では、800A/45V/0.8m/hが貫通と幅のバランスを取っていました。

2.2 フラックスと電極の適合性
フラックス選択：
HJ170: 高い伝導率だが脱離性が悪い。スラグの開始に理想的。
HJ431: 低炭素／低合金鋼用で、優れたスラグ除去性能を持つ。
電極材料：
H10Mn2ワイヤー: Q345鋼の溶接に適した1.5-1.8% Mn含有量。
Q295ノズルプレート: 基材金属の組成と一致し、界面応力を最小限に抑える。

2.3 設備および運用基準
水冷シューズのメンテナンス: 漏れを防ぐために冷却水流≥10L／分を確保する。
フラックスの再利用: 不純物の蓄積を避けるために>95％の再使用を達成する。

3. デfect分析および緩和策

3.1 空孔およびスラグ混入
原因: 不完全なスラグ被覆または水分混入フラックス（>0.1% H2O）。
解決策:
事前乾燥フラックス（300℃×2h）。
ガス放出のためにスラグプールの深さを40-60mmに増やします。

3.2 裂け目（熱／冷）
ホットクラック: 低融点共晶（例: FeS）によって引き起こされる；Mn/S比>40で抑制する。
コールドクラック: 水素誘発；フラックスの水分（<0.05%）を管理し、徐冷を行う。

3.3 フュージョン不足とアンダーカット
フュージョン不足: 電流が不十分またはギャップが狭い（<28mm）；パラメータを調整またはギャップを広げる。
アンダーカット: 流動性が悪い；ワイヤー振動（2-3Hz）を使用する。

4. 工業品質管理手法

4.1 風力タービン塔の製造
課題: EN 1011-2規格に適合する60-150mmのプレート。
溶液:
ツインワイヤESW（IK-ESW5000）が堆積効率を50%向上させる。
溶接後の正火処理（920℃×2時間）でHAZ粒界をASTM 5-6に精製する。

4.2 原子炉圧力容器
標準: ASME第III部では超音波検査の合格率99.5%以上を要求している。
対策:
超高純度フラックス（S/P <0.015%）。
リアルタイムのスラグプール監視（±10℃の精度）でセグレゲーションを防止する。

5. 新しいトレンド

スマートモニタリング: 実時化学分析および熱分析用のIoTセンサー。
環境にやさしいフラックス: 環境への影響を減らすための低フッ化物配合（F <5%）。

結論

ESWの冶金原則と品質管理戦略を掌握することで、産業をまたいで一貫した高性能な溶接が可能になります。精密なパラメータ調整、材料のシナジー、および先進的な設備を通じて、このプロセスは実験室の精度と工業規模での信頼性を結びつけます。