パイプ加工：接合部品を溶接する上での考慮すべき現象

はじめに

前回の技術コラムでは、「回転引き曲げの基本メカニズムと加工用語・判定基準」について解説させていただきました。
本編では「接合部品を溶接する上での考慮すべき現象」について解説させていただきます。
まだ、「回転引き曲げの基本メカニズムと加工用語・判定基準」について、ご覧になっていない方は下記リンクよりご確認ください。

前回のコラムはこちらから！

【目次】

⑤粒界粒界腐食について（鋭敏化）

パイプ部品の接続(部品)方法

パイプ部品をエンジンや機械設備に取付け場合には、パイプ端の端末加工や、フランジやベンド等の部品を取付け接続します。パイプ部品の設計時には、おおよそ下図のような項目が検討され、流体の種類(水、オイル、薬品等)と、流量、流速に応じた管径・板厚の設計がされます、特に板厚の設計時には、流体による圧力や摩耗による減肉（腐れ代と呼ぶ）が考慮されます。また、油圧配管の様に高圧の液体が流れる場合には、圧力に耐える材質が指定されます。
腐食環境下で使用される場合には「電蝕（ガルバニック腐食）」「応力腐食割れ」「粒界腐食」などを考慮した材質・工法の選定も行われ、パイプ材の材質と接続に用いるフランジやベンドの材質が異なる場合も発生してきます。
同種類の接合であれば、問題なく加工できますが、異種金属での接合の場合には、接合方法の検討から、溶加材の材質の選定、シールド方法など、多岐にわたる検討が必要となってきますので、紹介していきたいと思います。

腐食環境下で発生する腐食現象について

パイプ部品は板金部品と異なり、「腐食」を考慮した配慮がとられます。例えば、船舶用エンジンの場合には「海水冷却」か「清水冷却」のいずれかの方式でエンジンが冷却されます。どちらも海水を冷却に用いますが、エンジン内に直接、海水を循環させる海水冷却と、エンジン内は清水を循環させて、海水と清水の熱交換で冷却させる清水冷却では、エンジンに与えるダメージは前者が大きく、近年では清水冷却方式をとられることが多いそうです。どちらも海水を冷却に活用するため、金属への腐食が発生しやすい環境となり、材質や接合方法でも設計的な配慮がとられます。
本題の部品接合を説明する前に、腐食環境下や接合に起因する不具合である「電蝕」「応力腐食割れ」「粒界腐食」について、先に説明をしたいと思います。

電蝕（ガルバニック腐食）について

産業機械や、船舶用船外機などでは、QCDを考慮して構成部品の材質も選定していきます。船舶用エンジンも過去には鋳鉄ブロックを使用し、排気マフラーにはステンレス鋼板を使用したものが活用されていました。軽量化や構成部品点数を削減するためアルミダイキャスト等に変更したものが出来てきています。排気ガスは腐食性の高いガスを含んだものもあり、対策としてステンレス材を用いる設計が行われると、使用される材質の異なる組合せが発生します。
下図に示すのは電蝕（ガルバニック腐食）の発生メカニズムですが、4つの要因が重なることで低電位側の材料で腐食が発生します。対策としては、4つの条件のうち何かを無くすことで防止する事が出来ます。具体的には①の異種金属の接触では、電位差の小さい組合せの材料を選定する、②の電解質の存在について、部品の表面処理を施すことで「水分」「塩分」が母材に直接触れないようにすることが出来ます。いずれも製品や部品の設計を行う時点で実施する対策になりますが、「溶接・接合」に関するところについては、最適な溶接工法の選定や工法に合わせた溶加材の選定が必要となります。

応力腐食割れについて

応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking、SCC）は、「溶接加工」や「塑性加工」を行うことで加工部に引張応力のかかった状態の部位が腐食性環境下（高温・塩化物・酸素・酸・アルカリ等）の雰囲気に曝され、且つ引張応力が加わることで亀裂が発生・進展する現象です。この現象では、母材が腐食により減肉するなどの現象が発生する事は無く「脆性破壊」の形態となり、予兆なしに破断する事が有ります。
応力腐食割れは、下図の3つの要因が重なることで発生する現象であり、3つのうち1つでも外すことが出来れば発生しない不具合でもあります。材料面ではSCC感受性の低い材料の選定やステンレス材を使用する場合には固溶化熱処理を行い、鋭敏化組織を消す方法が有ります。環境面では腐食環境下にさらされない様に表面処理を施す方法が有ります。応力除去については溶接や塑性加工時の残留応力を最小化するため熱処理を行う等の方法が有ります。
この現象を目視や耐圧試験で検出する事が難しく、「超音波探傷」「磁粉探傷」「浸透探傷」等の非破壊検査による検出を行うことが必要となります。

粒界腐食について（鋭敏化）

粒界腐食は溶接や熱処理による腐食で、金属は加熱される温度帯により内部組織が変化します。この組織の変化を応用したのが熱処理になるわけですが、ステンレス鋼については溶接や熱間加工により500～850℃の温度帯で長時間さらされると、クロムと炭素が結びつくことでクロム炭化物が生成されます。ステンレス鋼が錆びない理由は、クロムにより材料表面に不導体皮膜を生成し酸化を防止するわけですが、不導体皮膜を生成するために必要なクロムが不足することで、不導体皮膜が生成されず、そこから腐食が発生します。この現象は、ステンレス組織の粒界（組織と組織の境界）に沿って発生するため、「粒界腐食」と呼ばれます。
粒界腐食(鋭敏化された組織)の対策には、固溶化熱処理が有ります。ワーク（加工済みの部品）を1000℃以上に加熱し急冷する事で鋭敏化を解消し耐食性を復元する事が出来ます。また、材料に含まれる炭素量の少ない材料（例えばSUS316“Ｌ”で表記されるLow Carbon材）を選定する事や、Ti、Nbの成分を含んだ材料を選定するなどの対策が有ります。
鋭敏化の発生部位は、溶接のHAZ部（熱影響部）に発生する事が多い事象でもあります。下図に鋭敏化発生のメカニズムと粒界腐食の原理を示します。

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今回はパイプの接合部品を溶接する上での考慮すべき現象について解説しました。
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