鋼材溶接熱影響部の冶金学

1. 熱影響部とは何か、また何ではないか

融合部および未影響母材との関係における定義

熱影響部（HAZ）とは、溶接熱によって微細組織、特性、またはその両方が変化したものの、溶融はしていない母材の部分をいう。熱影響部は、融合境界と未影響母材の間に位置する。融合部はこれとは異なり、液体となり、溶融した母材の一部と混合した後に凝固した溶接金属である。その組織は主として、凝固条件、希釈、溶接金属の組成、およびその後の冷却によって決まる。

この境界は、単に外観上のものではなく、冶金学的な境界である。エッチングによって融合線が現れることはあるが、熱が板、管、または継手の内部へ伝わるため、熱影響部はその線を越えて広がっている。融合境界のすぐ外側にある金属は、上部臨界温度域を超える温度に達し、冷却前に完全にオーステナイトへ変態した可能性がある。さらに離れた位置では、ピーク温度が既存結晶粒を微細化するのに十分であっただけの場合や、組織を部分的に変態させた場合、マルテンサイトを焼戻しした場合、または炭化物を粗大化させた場合がある。さらに外側では、温度が低すぎて測定可能な変化を生じないこともある。

したがって、熱影響部は溶接金属でも、未影響の母材でもない。熱によって変化した、元の位置にある母材である。その化学組成は一般に母材鋼の組成を維持しているが、融合境界付近では、局所的な溶融、偏析、酸化、炭素移動、または被覆との相互作用によって、この説明が複雑になることがある。

熱影響部が単一の材料ではなく、熱履歴の地図である理由

熱サイクル変数

ピーク温度: 溶融、完全オーステナイト化、部分変態または焼戻しが生じ得るかどうかを決定する。
加熱速度: 拡散、炭化物の溶解およびオーステナイト形成に利用できる時間を変化させる。
冷却速度: フェライト、パーライト、ベイナイトおよびマルテンサイトの形成競合を制御する。
再加熱履歴: 後続パスにおける焼戻し、微細化、部分的再オーステナイト化または過焼戻しを付加する。

一般的な図では、熱影響部を溶接部の隣にある狭く均一な帯状領域として示すことが多い。この表現は位置を特定するうえでは有用だが、冶金学的な説明としては誤解を招く。熱影響部の各位置には、それぞれ異なる温度–時間サイクルが記録されている。ピーク温度、高温に保持された時間、加熱速度、冷却速度、および熱サイクルの回数によって、生じ得る反応が決まる。

従来のフェライト鋼の熱影響部下位領域を説明するために用いられる関連用語。
TWIの用語	NISTのパイプライン鋼用語	熱サイクルによる分類
粗粒化	粗粒	Ac3を超え、オーステナイト結晶粒が大幅に成長した領域
細粒化	細粒	Ac3を超えるが、同程度の結晶粒成長を伴わない領域
部分変態または二相域	二相域	Ac1とAc3の間；部分的なオーステナイト化
焼戻し	過焼戻し	Ac1未満；軟化、または析出物および炭化物の粗大化

TWIは、従来型鋼の熱影響部を、ピーク温度と溶接部からの距離に基づき、粗粒域、細粒域、部分変態域、および焼戻し域に分類している。National Institute of Standards and Technologyの報告書におけるパイプライン鋼の分類では、これに近い用語として、粗粒域、細粒域、二相域、および過焼戻し域が用いられている。これらは層状に堆積した別個の合金ではない。同じ元の鋼の内部に存在する勾配である。

粗粒熱影響部では、ピーク温度がオーステナイト結晶粒を大幅に成長させるのに十分な高さに達する。冷却時には、組成および冷却条件によっては、このような旧オーステナイト結晶粒が、へき開破壊に対する抵抗性の低下した粗大な変態組織を生じさせることがある。細粒域、すなわち結晶粒微細化熱影響部では、オーステナイト化は生じるものの、ピーク温度がより低いか、実効保持時間がより短い。そのため、同程度の結晶粒成長を伴わずに、再結晶またはオーステナイト形成が起こる。

部分変態熱影響部、または二相域熱影響部では、下部臨界変態温度と上部臨界変態温度の間の温度に達する。元の組織の一部だけがオーステナイトになる。冷却中、このオーステナイトは新たなフェライト、ベイナイト、またはマルテンサイトを形成する可能性がある一方、未変態領域は以前の状態を保持し、場合によってはその状態を変化させる。焼戻し域または過焼戻し域では、ピーク温度は完全なオーステナイト化温度未満にとどまるが、強化析出物や炭化物を軟化または粗大化させるには十分な高さとなる。この領域は、特に焼入れ焼戻し鋼およびクリープ抵抗合金において重要である。

フェライト鋼の熱影響部の微細組織および硬さは、主として変態温度域を通過する冷却速度、鋼の化学成分と焼入性、ならびに旧オーステナイト結晶粒径に依存する。 Strong evidence

重要なのは、ピーク温度だけではない。TWIは、フェライト鋼の熱影響部の微細組織と硬さは、主として変態域を通過する際の冷却速度、鋼の組成と焼入性、および旧オーステナイト結晶粒径に依存すると述べている。十分な炭素量と焼入性を有する低合金鋼は、急冷時に硬質ベイナイトまたはマルテンサイトを形成する可能性がある。一方、同じ熱サイクルでも、焼入性の低い鋼ではフェライトとパーライトが形成されることがある。呼び鋼種は変わっていないが、局所的な組織と特性は変化している。

このため、熱影響部の硬さ、靭性、残留応力、および割れ感受性を、単一の鋼種記号だけから決めることはできない。溶接電流、アーク電圧、溶接速度、継手形状、板厚、予熱、パス間温度、拘束、および多層溶接の順序は、いずれも熱サイクルを変化させる。EN 1011-2がフェライト系ステンレス鋼を除くフェライト鋼のアーク溶接に関する指針を示しているのは、このような変数を付随的な設定として扱うのではなく、鋼の組成および溶接性との関係で管理する必要があるためである。

熱影響部を形作る段階を示す、簡略化した熱履歴の順序。

冷却は、しばしばΔt8/5によって表される。これは、ある位置が800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間である。この区間は、オーステナイトからフェライト、ベイナイト、またはマルテンサイトへの変態域の主要部分を含むため、多くのフェライト鋼にとって実用的な指標となる。NISTのパイプライン報告書は、Δt8/5を入熱、化学組成、溶接部からの距離、および肉厚と関連付けている。ただし、これは有用な記述子であって、熱影響部の完全な識別情報ではない。2つの位置はΔt8/5の値が近くても、ピーク温度、旧オーステナイト結晶粒径、または再加熱サイクルの回数が異なる可能性がある。

溶接ビードから鋼板内部へ広がり、熱影響部の下位領域を定める、入れ子状の温度等高線 — Distance from the weld corresponds to falling peak temperature, but the boundaries shift with the procedure.

ピーク温度と溶接部からの距離によって領域が定まる仕組み

熱源からの距離が増すにつれて温度は低下するが、その低下は瞬間的でも完全に均一でもない。融合境界は、その位置の局所的なピーク温度が液相線温度に達した場所を示す。そのすぐ外側では、ピーク温度は粗粒熱影響部を形成するのに十分な高さを保っている。外側へ移動するにつれて、ピーク温度は結晶粒微細化域および二相域を通過し、その後、鋼に検出可能な変化を生じさせるには低すぎる温度になる前に、焼戻し域へ達する。

溶接変数は、単に目視上の幅を変えるのではなく、局所的な熱影響部の熱サイクルを変化させる。
施工変数	典型的な熱的影響	起こり得る熱影響部への影響
入熱量の増加	熱領域の拡大と曝露時間の延長	結晶粒成長の増大と冷却時間の延長
予熱	開始温度の上昇と温度勾配の低下	通常、冷却時間が長くなり、水素の放出が増加する
板厚の増加	三次元的な熱流の変化	薄い材料と比較した冷却応答の変化
多層溶接の順序	重なり合う追加の熱サイクル	焼戻し、微細化、部分的再オーステナイト化または過焼戻し

これらの境界は、溶接施工法が変わると移動する。一般に、入熱が大きいほど熱場が広がり、結晶粒成長および変態に利用できる時間が長くなる。予熱は開始温度を上昇させ、通常は冷却時間を長くする。厚肉部は薄肉部とは異なる方法で熱を伝導して逃がす。後続パスは先行する熱影響部を再加熱し、最初の熱サイクルの内部またはその隣接部に、新たな細粒域または二相域を形成することがある。その後、溶接後熱処理（PWHT）によって、複数の領域にわたってマルテンサイトを焼戻しし、応力を緩和し、析出物を変化させることができる。

位置別の破損機構

水素誘起割れ 通常、拡散性水素と引張応力の作用下で、割れ感受性の高い硬化した熱影響部に生じる。
液化割れ 局所的に溶融した熱影響部の結晶粒界または偏析領域に生じる。
凝固割れ 主として未溶融の熱影響部ではなく、凝固中の溶接金属に生じる。
ラメラテア 板厚方向のひずみおよび介在物に敏感な鋼板に関連する。
再熱割れ 割れ感受性の高い合金において、後続加熱中または高温使用中に発生する。

[1] Grade 91 Type IV cracking and simulated HAZ thermal cycles. ASM International, Electric Power Research Institute. ASM International and EPRI proceedings, 2016.

影響は一様でなくても深刻になり得る。Grade 91鋼は、クリープ抵抗性を有するマルテンサイト系合金であり、母材熱影響部、特に細粒域および二相域でType IV割れが生じやすい。ASM InternationalとEPRIは、2016年にこの感受性を報告した。また、模擬熱サイクルによって、二相域熱影響部におけるフェライト形成が高温引張強さを低下させる可能性も示された。したがって、脆弱な位置は単純に「溶接部」なのではなく、母材の特定の変態領域である。

熱影響部の冶金学は、破壊以外の劣化も左右する。水素誘起割れ、液化割れ、ラメラテア、および再熱割れは、それぞれ原因と発生位置が異なる。凝固割れは主として凝固中の融合部に関係するものであり、自動的に熱影響部に生じるものではない。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性上の問題として、熱影響部の液化割れ、水素誘起割れ、および再熱割れを挙げている。あらゆる溶接不連続を「熱影響部割れ」と呼ぶと、その発生機構が隠れてしまう。[2] Supermartensitic stainless-steel weld HAZ microstructures and environmental cracking. TWI. TWI study, 2002.

腐食挙動も同じ空間的な論理に従う。2002年にTWIが実施したスーパーマルテンサイト系ステンレス鋼溶接部の研究では、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱、およびPWHTとの関係で、熱影響部の微細組織が調査された。局所的な焼戻し、新たに形成されたマルテンサイト、析出物の変化、および組成上の影響により、隣接する熱影響部の各領域が、使用中に異なる挙動を示すことがある。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度、および予熱維持温度の測定を規定しているが、PWHT温度の測定は対象外としている。この区別は重要である。溶接と、その後の再加熱の両方が、熱影響部の熱履歴の地図に寄与するためである。

2. 熱サイクル：ピーク温度、加熱速度および冷却時間

熱履歴は、HAZの冶金学的挙動を整理する基本原理である。溶接では、隣接する母材のすべてが、同じ温度に同じ時間さらされるわけではない。各位置は、急速加熱、ピーク温度への到達、臨界変態温度を上回る時間、そして時間とともに連続的に変化する速度での冷却という、それぞれ固有のサイクルをたどる。したがって、HAZは均一な帯状領域ではなく、空間的に段階的な領域である。その局所的な組織は、ピーク温度、加熱速度、冷却速度、鋼の化学成分、旧オーステナイト粒径、拘束およびその後の再加熱が組み合わさった影響によって決まる。

一般的な鋼について、TWIは、ピーク温度および溶接部からの距離に基づき、粗粒域、細粒域、部分変態域または二相域、ならびに焼戻し域を区分している。NISTのパイプライン鋼に関する報告書では、これに関連する名称として、粗粒域、細粒域、二相域および過焼戻し域を用いている。これらの境界は冶金学的な記述であり、すべての溶接に適用できる固定距離ではない。アークエネルギー、継手形状、板厚または溶接速度が変化すれば、それらの境界も移動する。

HAZ全体におけるピーク温度勾配

最高ピーク温度は、溶融境界の直外側で生じる。粗粒HAZでは、金属はオーステナイトを形成し、冷却時の変態に先立ってオーステナイト粒が著しく成長するのに十分な高温に達する。粗大な旧オーステナイト粒組織は、冷却中に生成する組織を変化させる可能性があり、溶接金属自体が規定の要求事項を満たしている場合でも、局所的な靭性を低下させることがある。

溶融境界からさらに離れると、ピーク温度は低下する。細粒HAZはオーステナイト変態域を超えて加熱されるが、粗粒域と同じ時間、同じ温度にさらされるわけではないため、再結晶したオーステナイト粒はより小さいままとなる。二相HAZでは、元のフェライト・パーライト組織、ベイナイト組織または焼戻し組織の一部だけがオーステナイトに変態する。未変態領域は新たに形成されたオーステナイトと隣接し、冷却時にはその後、異なる構成相を獲得する。さらに離れた領域では、ピーク温度が下部臨界変態温度を下回る場合がある。この場合、金属は変態するのではなく焼戻しまたは過焼戻しを受け、焼入れ・焼戻し鋼では硬さと強度が低下する可能性がある。

温度勾配は、同時に時間勾配でもある。溶融境界に近い位置は、より高いピーク温度に速く到達し、より遠い位置よりもオーステナイト開始温度またはオーステナイト終了温度を上回る時間が長くなる可能性がある。変態速度論はピーク温度だけでは決まらないため、加熱速度が重要となる。急速加熱では、拡散律速反応が遅れ、短時間の温度履歴中に変態する材料の量が変化する可能性がある。より緩やかなサイクルでは、炭素の再分配、炭化物の固溶および粒成長がさらに進行する。

このため、ピーク温度が類似している2つの位置でも、異なるミクロ組織が形成されることがある。TWIは、HAZのミクロ組織と硬さは、主として変態域を通過する際の冷却速度、鋼の組成と焼入れ性、および旧オーステナイト粒径に依存すると述べている。急速冷却によってマルテンサイトまたは硬質ベイナイトが生成する場所では硬さが上昇する可能性がある一方、粗大粒、脆性構成相または局所的な炭素濃化によって靭性が低下する可能性がある。反対に、緩やかなサイクルでは、より軟質なフェライト・パーライト組織または焼戻し組織が生成する可能性があるが、過度の軟化によって、より硬い領域に隣接する強度の最低点が形成されることがある。

Δt8/5の意味と限界

Δt8/5（しばしばΔt8/5またはt8/5とも表記される）という表記は、800 °Cから500 °Cまでの冷却経過時間を示す。これは、この温度範囲がフェライト系鋼における重要なオーステナイト分解反応と重なることが多いため、実用的な溶接パラメータである。短いΔt8/5は一般に急速冷却を示し、変態しやすい組成ではマルテンサイトまたは硬質ベイナイト構成相が生成する可能性を高める。長いΔt8/5は一般に、より多くの拡散変態を可能にし、より軟質なフェライト組織またはベイナイト組織となる傾向を示す。ただし、実際の結果は依然として鋼種に依存する。

パイプライン鋼に関するNISTの報告書は、Δt8/5を入熱、化学成分、溶接部からの距離および肉厚と明確に関連付けている。この関係は重要である。入熱は温度場を変化させ、化学成分は変態速度論を変化させ、距離は局所的なピーク温度と熱流を変化させ、肉厚は継手から熱が逃げる経路を変化させる。厚い断面は薄板とは異なる形で熱を放散する可能性があり、拘束された継手、裏当ての配置または近傍の溶接ビードも熱境界条件を変化させることがある。

Δt8/5は、熱履歴全体を表すものではない。これは冷却曲線を1つの時間区間に圧縮した指標であり、加熱速度、正確なピーク温度、オーステナイト終了温度を上回る時間、または800 °C未満までの冷却についてはほとんど示さない。2つのサイクルが同じΔt8/5を示していても、ピーク温度や旧オーステナイト粒径が異なる場合がある。そのため、マルテンサイト、ベイナイト、フェライトまたはパーライトの生成割合も異なり得る。また、オーステナイト化に達しない領域、変態挙動が炭素マンガン鋼と異なる一部のステンレス鋼、ならびに過去の組織がすでに変化している再加熱領域に対しては、このパラメータの意味は限定的である。

したがって、Δt8/5は、金属組織学的検査、硬さ分布の測定、および適切な連続冷却変態解析または溶接熱サイクルシミュレーションを補助するために用いるべきであり、それらに取って代わるものではない。これは制御変数であって、普遍的なミクロ組織予測因子ではない。

入熱、板厚、拘束および多層溶接時の再加熱

公称入熱は通常、溶接電流、電圧および溶接速度から計算され、適切な場合には効率係数が適用される。これは単位長さ当たりに供給されるエネルギーを示すが、局所的なHAZ熱サイクルを一意に決定するものではない。同じ公称値であっても、拘束された厚板継手、薄板、大きなヒートシンクを有するパイプ、または予熱された継手では、異なる温度場が生じ得る。ビード形状、アーク効率、パス間温度、開先形状、ならびにクランプまたは裏当てへの熱伝達も重要である。

化学成分は、所定の熱サイクルに対する応答を変化させる。炭素当量、合金元素の添加および焼入れ性は、冷却中にオーステナイトがマルテンサイトまたはベイナイトへどの程度容易に変態するかを決定する。同じ測定Δt8/5であっても、焼入れ性の低い鋼より低合金鋼の方が、より硬いHAZを形成する可能性がある。過去の熱曝露も重要である。焼戻しマルテンサイト、規準化されたフェライト・パーライト、およびベイナイト系パイプライン鋼は、同じミクロ組織状態から新たなサイクルを開始するわけではない。

板厚または肉厚は、三次元的な熱流を変化させる。薄い材料は表面を通じて急速に熱を失う可能性がある一方、厚い断面はより多くの熱を蓄え、溶接の進行に伴って異なる冷却挙動を示すことがある。予熱は温度勾配を小さくし、通常は冷却時間を長くする。拘束は単に温度を変化させるだけではなく、HAZが収縮する際、また水素が硬く、潜在的に脆い領域を拡散する際に作用する応力を増大させる。したがって、水素誘起割れは、溶接金属における凝固割れ、板厚方向ひずみおよび介在物に関連するラメラテアリング、部分溶融した粒界付近で生じる液化割れ、ならびにその後の加熱中に生じる再熱割れとは区別される。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性上の問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れおよび再熱割れを挙げている。

多層溶接では、継手が最終状態まで冷却する前に、新たな熱サイクルが加わる。後続のパスは、先行パスによって形成されたHAZを焼戻し、細粒化、部分的な再オーステナイト化、または過焼戻しする可能性がある。そのピーク温度は、先行するビードおよびHAZ全体で異なるため、ある位置では軟化が生じる一方、別の位置では新たな粒成長または二相変態が生じることがある。Grade 91はその結果を示す例である。ASM InternationalおよびEPRIは2016年、Type IV割れが母材HAZ、特に細粒域および二相域と関連していることを報告した。シミュレーションした熱サイクルでは、二相HAZにおけるフェライト生成が高温引張強さを低下させる可能性も示された。

ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度の測定を対象とするが、溶接後熱処理温度の測定は対象外とする。 Strong evidence

同じ原理は、強度や割れ以外の特性にも及ぶ。TWIによる2002年の超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部の研究では、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱および溶接後熱処理（PWHT）との関係においてHAZ組織を調査した。したがって、温度管理は想定するのではなく、測定しなければならない。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱保持温度の測定を規定しているが、PWHT温度の測定は対象外としている。EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト系鋼のアーク溶接を対象としている。総合すると、溶接手順、局所的な組織および使用時の挙動を有意義に結び付けるのは、公称入熱だけではなく、熱サイクルそのものである。

3. オーステナイト化と従来型HAZの各領域

フェライト鋼の主要な熱影響部領域間における冶金学的な相違。
熱影響部下位領域	オーステナイト化状態	起こり得る変態または特性への影響
粗粒熱影響部	結晶粒成長が生じるほど高いピーク温度でAc3を超える領域	粗大な旧オーステナイト結晶粒；靭性低下の可能性
細粒熱影響部	顕著な結晶粒成長を伴わずAc3を超える領域	より微細な変態組織。ただし硬さは化学成分に依存する
二相域熱影響部	Ac1とAc3の間	変態組織と未変態組織の混在；局所的軟化の可能性
過焼戻し熱影響部	Ac1未満	焼戻し、炭化物の粗大化、硬さまたは強度の低下

フェライト鋼のHAZにおける従来の区分は、溶接時に到達した最高温度に基づくものであり、溶融境界から測定した固定距離に基づくものではない。溶接部に近い位置では、上部臨界温度 $A_{c 3}$ を超えて加熱され、冷却前に完全にオーステナイトへ変態することがある。より遠い位置では、 $A_{c 1}$ と $A_{c 3}$ の間の二相域のみを通過する場合があり、さらに別の位置では $A_{c 1}$ 未満にとどまり、焼戻しサイクルだけを受けることがある。したがって、これらの境界は明瞭な冶金学的境界線ではなく、熱的な等温線である。

TWIは、従来型鋼のHAZを、溶接部からの距離とピーク温度によって分類される、粗粒域、細粒域、部分変態域および焼戻し域として説明している。NISTは、パイプライン鋼について、これに近い用語として粗粒域、細粒域、二相域および過焼戻し域を用いている。同一の溶接部にこれらすべての領域が含まれることもあるが、それぞれの幅は、アークエネルギー、走行速度、板または管壁の厚さ、継手形状、予熱、および鋼の熱伝導率によって変化する。

オーステナイト化は、HAZの高温側で起こる中心的な現象である。 $A_{c 1}$ を通過して加熱されると、フェライトと、存在する場合にはパーライト、ベイナイトまたは焼戻しマルテンサイトがオーステナイトへの変態を開始する。 $A_{c 3}$ を超えると、低炭素の亜共析鋼は名目上オーステナイト組織となるが、その変態がどの程度完全に進行するかは、加熱速度、合金元素の偏析、未溶解炭化物および初期組織の影響を受ける。その後の結晶粒成長は、温度と時間の両方に依存する。溶接サイクルが短くても、溶融境界付近の温度は極めて高くなるため、わずか数秒の加熱で著しい結晶粒粗大化が生じることがある。

粗粒域または結晶粒粗大化HAZ

粗粒HAZ（CGHAZ）は、従来型のフェライト鋼では溶融境界の直外側に位置する。そのピーク温度は $A_{c 3}$ を超え、オーステナイト結晶粒の急速な成長を活性化するのに十分な高さとなる。多くの記述では、固相線に近い温度域まで広がるとされるが、依然として固相であり、溶融域の一部ではない。オーステナイトは元のフェライト母相全体に形成され、元のフェライト結晶粒界は、変態後の組織を規定する境界ではなくなる。冷却時には、組成と冷却速度に応じて、粗大化した旧オーステナイト結晶粒内にフェライト、パーライト、ベイナイトまたはマルテンサイトが形成される。

大きな旧オーステナイト結晶粒は、変態時の核生成に利用できる総粒界面積を減少させる。その結果、拡散変態によるフェライトの形成が遅れ、局所的な熱サイクルにおける焼入れ性が高まることがある。したがって、十分に速い冷却が生じると、未影響部の板材がフェライト・パーライト組織であっても、低合金鋼のCGHAZにはベイナイトまたはマルテンサイトが形成される可能性がある。炭素、マンガン、クロム、モリブデン、ニッケル、マイクロアロイ元素の添加量、およびホウ素は、いずれもこの応答に影響を与える。チタン、ニオブおよびバナジウムの炭窒化物は、安定な状態で残存する場合にはオーステナイトの成長を抑制できるが、高温で過度に溶解すると、そのピン止め効果は失われる。

粗大な旧オーステナイト結晶粒は衝撃靭性を低下させ得る一方、冷却条件は、より硬いベイナイトまたはマルテンサイト生成物が形成されるかどうかを決定する。 Strong evidence

その結果は、単純に「より硬いHAZ」となるわけではない。粗大な旧オーステナイト結晶粒は、有効なへき開面の大きさを増大させ、好ましくない変態生成物の形成を許すことによって、衝撃靭性を低下させる可能性がある。また、拡散性水素、引張残留応力、および十分にき裂感受性の高い組織が同時に存在すると、硬いCGHAZは水素誘起割れを受けやすくなることがある。冷却速度は依然として決定的な要因である。TWIは、HAZの組織と硬さを支配する主要因として、変態温度域を通過する際の冷却速度、組成と焼入れ性、および旧オーステナイト結晶粒径を挙げている。

パイプライン鋼では、実用上の冷却指標として $Δ t_{8 / 5}$ が用いられることが多い。これは、ある位置が800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間である。短い $Δ t_{8 / 5}$ は、一般に速い冷却と、ベイナイトまたはマルテンサイト生成物が形成される傾向の増大を示す。一方、長い値では、より多くの拡散変態と焼戻しが可能になる。この関係は普遍的でも一次元的でもない。NISTのパイプライン鋼に関する報告書では、 $Δ t_{8 / 5}$ は入熱、化学組成、溶接部からの距離および管壁厚さに依存すると述べられている。したがって、溶接部からの名目上の距離が同じ2点であっても、異なる管形状や溶接施工条件では、異なる冷却履歴を受ける可能性がある。

細粒域または結晶粒微細化HAZ

細粒HAZ（FGHAZ）のピーク温度は $A_{c 3}$ を超えるため、組織は大幅に、または完全にオーステナイト化される。しかし、そのピーク温度は、オーステナイト結晶粒の顕著な粗大化を引き起こす温度域未満である。オーステナイト結晶粒はCGHAZのものより小さいまま維持される。冷却時には、このより微細な旧オーステナイト組織が、より多くの核生成サイトを提供し、通常はより微細なフェライト・ベイナイト組織またはマルテンサイト組織の形成を促す。

「細粒」であることは、低硬さまたは高靭性を保証するものではない。焼入れ性の高い鋼で熱サイクルが速い場合には、硬いベイナイトまたはマルテンサイトが形成されることがある。逆に、熱サイクルが遅い場合には、より軟らかいフェライトとパーライトが形成される可能性がある。FGHAZは、変態生成相がより微細であるため、CGHAZと比較して機械的に有利なことが多い。しかし、局所的な靭性は、実際に形成された生成物、炭素含有量、介在物、偏析および再加熱履歴に依存する。

複数回の溶接パスは、この状況を複雑にする。後続パスによって、すでに形成されたCGHAZの一部が細粒オーステナイト域、または二相域まで加熱されることがあり、その結果、元のCGHAZとも未影響の母材とも異なる組織を持つ狭い帯状領域が形成される。したがって、HAZの名称は特定の熱サイクルを記述するものであり、固定された鋼の一部分に恒久的に付与されるラベルではない。

二相域、部分変態域および過焼戻し域

二相HAZ（ICHAZ）のピーク温度は、 $A_{c 1}$ と $A_{c 3}$ の間にある。元の組織の一部だけがオーステナイトへ変態する。フェライト・パーライト鋼では、パーライトまたは炭素濃化した構成相、および特定のフェライト領域が優先的に変態する一方、一部のフェライトは未変態のまま残る。冷却時には、新たに形成されたオーステナイトがフェライト、ベイナイトまたはマルテンサイトへ変態する可能性があるのに対し、未変態フェライトは別個の熱履歴を保持する。この混合組織により、ごく短い距離の範囲で、硬さと変形抵抗に局所的な大きな差が生じることがある。

ICHAZは、クリープ抵抗性を有するGrade 91鋼において特に重要である。この鋼は、EN 10088-1では公称上X10CrWMoVNb9-2と指定され、工学分野では一般にGrade 91またはP91として識別されている。ASM InternationalとEPRIは2016年、Grade 91が母材HAZにおけるType IV割れ、特に細粒域および二相域での割れを起こしやすいと報告した。熱サイクルシミュレーションでも、二相HAZにおけるフェライト形成が高温引張強さを低下させる可能性が示されている。したがって、Type IV割れは通常の水素割れと同じものではない。これは、長期使用中に軟化し、組織が変化したHAZに関連するクリープ損傷の問題である。

$A_{c 1}$ 未満では、バルクのオーステナイト化は起こらないが、それでも大きな変化が生じる可能性がある。焼ならし処理を施したフェライト鋼では、この領域は亜臨界HAZと呼ばれることがある。焼入れ焼戻し鋼では、溶接熱サイクルによってマルテンサイトが焼戻され、炭化物が粗大化し、硬さが低下することがある。ピーク温度と保持時間が十分に高い場合、この領域は焼戻し域または過焼戻し域と表現される。新たなオーステナイトが形成されなくても、その強度は低下する可能性がある。析出強化鋼またはクリープ抵抗鋼では、フェライト変態よりも、強化相の溶解、粗大化または再分配の方が重要になることがある。

後続パスによる再加熱は、この複雑性をさらに増大させる。以前に硬化した領域は後続パスによって焼戻されることがあり、以前に焼戻された領域は部分的に再オーステナイト化されることがある。また、二相域の帯状領域が再び異なる変態温度域まで加熱される場合もある。スーパーマルテンサイト系ステンレス鋼の溶接部は、HAZを単なる強度勾配として扱うことができない理由を示している。2002年のTWIの研究では、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱、および溶接後熱処理（PWHT）との関連で、これらのHAZ組織が検討された。熱サイクルは、クロム分布、マルテンサイトの焼戻しおよび残留オーステナイトを変化させ、機械的応答と腐食挙動の両方を変える可能性がある。

EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト鋼のアーク溶接に関する指針を示している。一方、ISO 13916:2025は、溶融溶接時の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度の測定を規定しているが、PWHT温度の測定は対象としていない。このような管理が重要なのは、従来の各領域が熱履歴の結果として生じるためである。これらの領域を距離だけに基づいて確実に定義することはできない。

4. 変態生成物とHAZ組織

熱影響部（HAZ）が均一な単一組織になることはない。溶融境界に隣接する各位置は、それぞれ異なるピーク温度、臨界温度を超えている時間、およびオーステナイトからフェライトへの変態温度域を通過する冷却経路を経験する。従来型鋼では、TWIはピーク温度と溶接部からの距離に基づき、HAZを粗粒域、細粒域、部分変態域および焼戻し域に区分している。パイプライン鋼に関する記述では、同じ空間的な推移に対して、一般に粗粒域、細粒域、二相域および過焼戻し域という用語が用いられる。

これらのラベルは熱履歴を示すものであり、特定の特性を保証するものではありません。微細粒域は隣接する粗粒域よりも靭性が高い場合がありますが、その硬さは依然として組成と冷却速度に左右されます。マルテンサイト組織と記述された領域は高硬度を示す可能性がありますが、割れ感受性は炭素含有量、水素、拘束、焼戻し状態および局所応力に依存します。相の名称は必要ですが、それだけで特性を予測できるわけではありません。

フェライト・パーライトからベイナイトおよびラス・マルテンサイトへ遷移する腐食鋼組織 — Cooling rate and steel chemistry determine which transformation products form from austenite.

フェライト、パーライト、ベイナイトおよびマルテンサイトの形成

フェライト鋼を上部臨界温度以上に加熱すると、元のフェライトおよびパーライトはオーステナイトへ変態します。ピーク温度は、形成されるオーステナイトの量と、オーステナイト結晶粒の成長程度を決定します。その後の冷却中に、このオーステナイトは競合する変態反応によって分解します。冷却速度は、材料が800 °Cから500 °Cまで冷却される経過時間であるΔt8/5によって表されることが多くあります。この時間間隔は実用的な溶接パラメータです。というのも、炭素鋼および低合金鋼におけるオーステナイトの変態の多くが、この範囲内またはその近傍で生じるためです。

異なる冷却および再加熱条件で生成し得る変態生成物。
冷却条件	主に生成し得る組織	典型的な特性傾向
比較的遅い	多角形フェライトおよびパーライト	低硬さ；軟化の可能性
中間	上部、下部または粒状ベイナイト	形態および化学成分に応じて中程度から高い硬さ
急速	マルテンサイト、多くの場合ベイナイトまたはフェライトを伴う	高硬さおよび水素割れへの懸念の増大
亜臨界再加熱	焼戻しマルテンサイトまたはベイナイト	焼戻しによる硬さと強度の低下

比較的遅い冷却では、拡散変態によって多角形フェライトが形成され、その後にパーライトが形成されることがよくあります。成長するフェライトから排出された炭素は残りのオーステナイトを濃化させ、フェライトとセメンタイトがパーライトとして同時に形成されることを可能にします。しかしHAZでは、オーステナイト結晶粒界と温度勾配が核生成および成長に影響を及ぼすため、フェライトは配向した形態、ウィドマンシュテッテン形態、またはその他の非等軸形態を示す場合があります。形成された形態は重要です。どちらもフェライト・パーライト組織と同定される2つの領域であっても、結晶粒径、セメンタイトの分布および衝撃靭性が大きく異なる可能性があります。

中間的な冷却速度では、ベイナイト変態がフェライト・パーライト反応の大部分に取って代わることがあります。ベイナイトは、通常の多角形フェライトおよびパーライトが支配的となる温度範囲より低く、拡散を伴わないせん断変態によってマルテンサイトが形成される温度範囲より高い温度で形成されます。上部ベイナイトと下部ベイナイトは互換的な記述ではありません。両者ではフェライトの形態および炭化物の配列が異なり、一般に下部ベイナイトの方が炭化物の分散が微細です。溶接金属組織学では、粒状ベイナイトまたはベイナイト・フェライトと同定される場合もあります。これらの用語は、単一の普遍的な組織というよりも、形態およびエッチング時の応答を反映したものです。

急冷すると炭素の拡散移動が抑制され、オーステナイトがマルテンサイトへ変態することがあります。マルテンサイトは、拡散を伴わない変態によって形成される、過飽和でひずんだフェライトです。低炭素構造用鋼ではラス・マルテンサイトとして現れることがあり、ベイナイトまたはフェライトと混在する場合もあります。一方、炭素含有量の高い材料では、より硬く、より脆いマルテンサイト領域が形成される可能性があります。生成直後で焼戻しされていないマルテンサイトは、水素誘起割れにおいて特に重要です。高硬度、引張残留応力および拡散性水素が相乗的に作用し得るためです。予熱および入熱の制御は冷却時間を長くしますが、それだけでマルテンサイトの形成が回避されたことを証明するものではありません。

後続の溶接パスは、これらの生成組織のいずれをも変化させる可能性があります。再加熱によって、マルテンサイトが焼戻しされたり、先行するHAZが微細化または部分的に再オーステナイト化されたり、未変態フェライトと新たに形成されたオーステナイトが共存する二相域が生じたりすることがあります。溶接後熱処理はマルテンサイトを焼戻しし、残留応力を低減できますが、過度の加熱は焼戻し領域を軟化させ、炭化物の分布を変化させる可能性があります。したがって、最終断面は初回パスの冷却現象だけでなく、重なり合う熱サイクルの記録です。

NISTは、パイプライン鋼におけるΔt8/5が、入熱、溶接部からの距離および肉厚に依存すると報告しています。この依存性は重要です。同じ公称溶接施工要領であっても、溶融境界、粗粒HAZの端部、ならびに板内部のより遠い位置では、異なる組織が形成される可能性があります。入熱は完全な熱履歴ではありません。アーク効率、継手形状、拘束およびパス間温度も局所的な熱サイクルに影響を及ぼすためです。

旧オーステナイト結晶粒径と焼入性

旧オーステナイト結晶粒径とは、冷却中に変態が始まる直前に存在するオーステナイト結晶粒の大きさです。最終的なフェライト結晶粒径と同じものではありません。粗粒HAZでは、ピーク温度が高く、オーステナイト結晶粒が粗大化する温度範囲に長時間さらされることで、結晶粒が成長します。その結果、結晶粒界が拡散型フェライトの核生成サイトを提供する数が少なくなり、変態がより低い温度まで遅延する可能性があります。変態温度の低下と核生成数の減少は、鋼が十分な焼入性を有する場合に、ベイナイトまたはマルテンサイトの形成を促進することがあります。

焼入性とは、特定の冷却条件下で鋼がマルテンサイトを形成できる深さまたは範囲を示すものであり、到達可能な最大硬さと同じではありません。マンガン、クロム、モリブデンおよびニッケルなどの合金元素は、一般にフェライトおよびパーライト反応を遅延させ、連続冷却変態図上で変態をより長時間側へ移動させます。ホウ素は、オーステナイト結晶粒界に正しい状態で保持される場合、焼入性を大幅に高めることがあります。炭素はマルテンサイト硬さを高めるとともに焼入性にも影響しますが、その効果を他の化学成分の影響から切り離して考えることはできません。

結晶粒径はこの均衡を変化させます。粗大な旧オーステナイト結晶粒は、フェライトおよびパーライトの核生成に利用できる総結晶粒界面積を減少させるため、焼入性を高めることがよくあります。一方で、最終変態組織におけるパケットまたはへき開有効単位を大型化させ、靭性を低下させる可能性もあります。微細な旧オーステナイト結晶粒は、通常、より早い拡散変態を促進し、変態後の組織を微細化します。ただし、冷却速度と合金含有量が十分であれば、微細粒域であっても硬化する可能性があります。

このためTWIは、HAZの組織および硬さを支配する主要因として、冷却速度、鋼の組成と焼入性、および旧オーステナイト結晶粒径を挙げています。同じ硬さの値であっても、マルテンサイト、ベイナイトおよびフェライトの異なる混合比によって生じる可能性があり、破壊挙動も異なります。逆に、マルテンサイト分率が等しいからといって、靭性が等しいとは限りません。パケットサイズ、炭素含有量、介在物および焼戻し状態が異なる可能性があるためです。

Grade 91は、HAZを単一のマルテンサイト帯として扱うことの危険性を示しています。ASM InternationalおよびEPRIが2016年に報告したように、Grade 91は母材HAZ、特に細粒域および二相域において、Type IV割れを起こしやすい鋼種です。これらの領域は、溶接部で単純に最も硬い部分というわけではありません。長期クリープ損傷は、熱サイクルと、その後の焼戻しまたは部分変態によって局所的に弱い組織が形成される箇所に集中します。模擬熱サイクルによっても、二相域HAZにおけるフェライト形成が高温引張強さを低下させ得ることが示されています。

炭素当量と組成に依存する変態

IIW炭素当量

式: CEIIW = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
基礎: 質量百分率
解釈: 一般に、値が高いほど焼入性および熱影響部硬化リスクが大きいことを示す
限界: スクリーニング指標であり、熱サイクル解析の代替にはならない

炭素当量式は、複数の合金元素の影響を1つの溶接性指標に集約したものです。一般に次式で表されるIIW炭素当量は、

{CE}_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}

質量百分率を用います。値が高いほど、一般に焼入性が高く、特定の冷却サイクル下で硬質なHAZ構成相が形成される可能性が高いことを示します。CETおよびPcmの式は、特定の低合金鋼の範囲や溶接評価に用いられる代替的な炭素当量体系です。これらは、規格または手順書で指定されている体系を考慮せずに相互置換することはできません。

したがって炭素当量はスクリーニングパラメータであり、熱サイクル解析の代替にはなりません。CEIIWが類似している2種類の鋼であっても、合金元素がフェライト、ベイナイトおよびマルテンサイトの反応に異なる影響を及ぼすため、変態挙動が異なる可能性があります。Ni、Cr、Mo、Mn、V、Nb、TiおよびBは、析出、オーステナイト結晶粒成長ならびに焼戻し応答にも影響します。実際のHAZは、全体の化学成分だけでなく、ピーク温度、Δt8/5、旧オーステナイト結晶粒径および再加熱履歴にも依存します。

EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト鋼のアーク溶接を対象とし、水素割れリスクの管理指針として組成および溶接条件を用いています。温度測定には別途注意が必要です。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱保持温度の測定を規定していますが、溶接後熱処理温度の測定は対象外としています。炭素当量の値だけでも、パス間温度の測定値だけでも、最終的な相混合状態を単独で特定することはできません。

組成に依存するという原則は、炭素鋼および低合金構造用鋼に限られません。TWIによる2002年の超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部に関する検討では、HAZの組織を腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱および溶接後熱処理（PWHT）との関連で扱っています。このような鋼では、オーステナイトの再形成、マルテンサイトの焼戻し、ならびに残留または逆変態オーステナイトが、強度だけでなく腐食応答も変化させる可能性があります。したがって、HAZの金属組織学は硬さだけでなく、局所靭性、クリープ強度、水素に対する応答および腐食挙動も支配し得ます。

5. HAZ全体における硬さ、靭性および強度

熱影響部（HAZ）は、単一の硬さや単一の機械的応答を示す領域ではない。そこには、異なる最高到達温度と冷却経路によって形成された一連の領域が含まれる。すなわち、粗粒域、細粒域、部分変態域または二相域、焼戻し域または過焼戻し域である。TWIは、これらの領域を、最高到達温度および溶融境界からの距離に基づく、通常鋼における細分領域として説明している。National Institute of Standards and Technology（NIST）によるパイプライン用鋼の説明では、これらに密接に関連する用語として、粗粒HAZ、細粒HAZ、二相域HAZおよび過焼戻しHAZが用いられている。

各領域は、それぞれ固有の旧オーステナイト粒径、変態生成物、残留応力および後続の熱サイクルに対する応答を有する。したがって、硬さ分布測定は、「HAZ」という単一特性ではなく、空間的な勾配を記録する。硬さは溶融境界の近傍で上昇し、二相域で低下し、母材が完全に再オーステナイト化されることなく焼戻しを受けた領域で再び変化することがある。引張強さ、靭性および延性も関連した傾向を示すが、その変化は同一ではない。

冷却速度によって硬さが変化する理由

TWIが示す中心的な関係は、冷却速度、鋼の化学組成、焼入れ性および旧オーステナイト粒径の間にある。これらの変数によって、オーステナイトが変態域を通過して冷却する際にどの変態が生じるかが決まる。急速な熱サイクルでは、拡散によるフェライトおよびパーライトの生成が抑制され、ベイナイトまたはマルテンサイトが残ることがある。より緩やかな熱サイクルでは、炭素および合金元素が拡散する時間が長くなり、より軟らかいフェライト組織またはパーライト組織が形成されることが多い。その結果、硬さは高くなったり低くなったりするが、硬さが他のすべての機械的特性を直接示すわけではない。

溶接熱サイクルは、800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間であるΔt8/5を用いて説明されることが多い。この温度範囲は、オーステナイト変態の多くがその範囲内またはその近傍で生じるため、フェライト系鋼にとって実用的な指標となる。NISTは、Δt8/5が入熱、化学組成、溶接部からの距離および板厚に依存すると述べている。これは普遍的な材料定数ではない。同様の溶接条件であっても、厚い部材は熱を保持し、薄い部材よりも緩やかに冷却されることがある。予熱およびパス間温度も同様の影響を及ぼす。

組成によって、所定の冷却時間に対する応答は変化する。炭素はマルテンサイト形成能を高め、一方、マンガン、クロム、モリブデンおよびニッケルなどの合金添加元素は、焼入れ性および変態速度論を変化させる。旧オーステナイト粒径も重要である。粗大なオーステナイト粒は、拡散生成物の核生成サイトを少なくし、特定の冷却サイクルにおいて、より硬い変態生成物の形成を促進することがある。したがって、同じ公称Δt8/5であっても、二つの鋼種間で、あるいは最高到達温度と結晶粒組織が異なる同一部材内の二つのHAZ領域間で、異なる硬さが生じる可能性がある。

硬いHAZは、一般にマルテンサイト、ベイナイト、またはその他の変態硬化組織の存在を示す。この観察結果は重要であるが、硬さだけで特定の相の存在が証明されるわけではない。その解釈には、金属組織学的検査、炭素含有量、溶接施工法および冷却履歴が必要である。拡散性水素と引張拘束も存在する場合、高い硬さは靭性の低下および水素誘起割れ感受性の増大を伴うことがある。すべての硬い領域を割れと呼ぶことも、溶接部のそばにあるすべての割れを「HAZ割れ」と呼ぶことも正しくない。ESDEPは、HAZ液化割れ、水素誘起割れおよび再熱割れを、互いに別個の溶接性上の問題として特定している。凝固割れおよびラメラテアも、さらに別の機構である。

予熱およびパス間温度の管理は、冷却経路と水素の放出に影響する。EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト系鋼のアーク溶接を対象とし、溶接熱条件および割れリスクの管理に関連する指針を示している。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度の測定を規定しているが、溶接後熱処理温度の測定は対象としていない。硬さの結果を認定済みの溶接施工法と比較する場合、これらの区別は重要である。

粗粒域における靭性低下

粗粒HAZ（CGHAZ）は、鋼を再オーステナイト化し、旧オーステナイト粒を成長させるのに十分な温度に達する。結晶粒の成長は、へき開破壊に対する有効な障壁の数を減少させ、組成および冷却速度に応じて、大きなベイナイトパケットまたはマルテンサイトパケットを形成させることがある。そのため、CGHAZでは、引張強さが高い場合でも、シャルピー衝撃エネルギーが低下したり、延性・脆性遷移温度が上昇したりすることがある。

硬さと靭性を同一の特性として扱ってはならない。硬い組織は、より高い降伏強さおよび引張強さを示す一方で、破断前に吸収できる衝撃エネルギーが少ない場合がある。逆に、中程度の硬さを有する領域でも、結晶粒径、介在物、局所偏析、または容易なき裂経路を形成するマルテンサイト–オーステナイト組織によって、靭性が低くなることがある。粗粒域は、低温破壊の評価において重要な位置となることが多いが、実際に最も弱い領域となる位置は、鋼種および熱サイクルによって異なる。

第2の溶接パスは、第1のパスによって加熱された材料を部分的に変態させたり、焼戻したりすることがある。この再加熱によって、一部の組織は細粒化または焼戻しを受ける一方、隣接する粗大結晶粒は変化せずに残ることがある。したがって、多層溶接では、HAZは単一のパス境界ではなく、複数の熱履歴が重なり合った領域となる。溶接後熱処理は、残留応力を低減し、マルテンサイト構成相を焼戻すことができるが、元の細粒母材組織を再現するものではない。

Grade 91は、局所的な靭性と高温強度を別々に注意して評価する必要がある理由を示している。ASM InternationalおよびEPRIによる2016年の報告では、母材HAZ、特に細粒域および二相域におけるType IV割れへの感受性が報告されている。シミュレーションした熱サイクルでは、二相域HAZにおけるフェライト形成が高温引張強さを低下させる可能性が示された。したがって、脆弱な領域は必ずしも溶接部で最も硬い部分、または最も粗大な部分とは限らない。クリープ使用条件下では、比較的軟らかい細粒帯がひずみと損傷を蓄積し、より強い材料のそばで損傷が進行することがある。

軟化、局所延性および特性勾配

二相域HAZは、下部臨界変態温度を超えるものの、組織全体をオーステナイトに変態させるほど高くない温度まで加熱される。組織の一部だけが再オーステナイト化する。冷却時には、新たに形成された変態生成物が、その熱サイクルを生き残ったフェライトまたは焼戻し構成相の隣に形成される。このような混合組織は、特に元の鋼が調質処理または析出強化を受けていた場合、隣接するCGHAZよりも低い硬さを示すことがある。

過焼戻し域は、亜臨界熱サイクルを受ける。この領域は再オーステナイト化しないが、炭化物が粗大化し、析出物の強化効果が失われ、以前に硬化した構成相がさらに焼戻されることがある。その結果、局所的な硬さおよび降伏強さが低下する場合がある。この軟化帯は、引張荷重、曲げまたは使用中のクリープを受けた際に、優先的な変形部位となることがある。局所延性が高いからといって、継手が自動的に安全になるわけではない。隣接する領域の方が強いため、そこにひずみが集中し、蓄積した変形がType IV損傷、疲労き裂の発生、または冶金学的境界における破壊を促進する可能性がある。

引張強さは、引張試験で到達する最大の工学的応力を表す。降伏強さは、大きな塑性変形が始まる応力を表す。硬さは、押込みに対する局所的な抵抗であり、強度の迅速な指標として用いられることが多いが、引張試験に代わるものではない。延性は、破断までの塑性ひずみまたは伸びを表す。靭性は、規定された試験条件下でのエネルギー吸収能力およびき裂進展に対する抵抗を表す。これらの特性は、同一のHAZ内で異なる方向に変化することがある。

溶接部のそばにおける硬さの最低値は、過焼戻しまたは二相域軟化を示している可能性があり、一方、硬さの最高値は、マルテンサイト変態および水素割れリスクを示している可能性がある。しかし、いずれの結果も、それだけで局所的な破壊靭性、疲労寿命または使用中の強度を確定するものではない。硬さ分布は、マクロ組織、ミクロ組織、引張試験または曲げ試験、必要に応じた衝撃試験、ならびに想定される使用温度および荷重様式と併せて解釈すべきである。

後続パスによる再加熱およびPWHTは、これらの勾配をさらに変化させる。TWIが2002年に実施した超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部の研究では、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱およびPWHTとの関連で、HAZのミクロ組織が検討された。この例は、機械的特性のマッピングを環境性能から切り離して考えることができないことを示している。軟化または変態した帯は、腐食電位、不動態皮膜の安定性および水素吸収性も異なる可能性がある。したがって、HAZは機械的および化学的特性が段階的に変化する領域であり、支配的なリスクは、局所組織と、その組織に作用する使用条件によって決まる。

6. 炭素鋼および低合金鋼におけるHAZ割れの機構

溶接部近傍の割れは、単一の冶金学的事象ではない。ASM InternationalおよびEuropean Steel Design Education Programme（ESDEP）は、溶接割れを、その位置、発生時期および駆動力によって分類している。すなわち、溶接後に固相状態のHAZで形成されるもの、溶接金属または局所的に溶融した母材が凝固する際に形成されるもの、さらに再加熱時または使用中にのみ現れるものがある。この区別は重要である。溶融境界のそばにある割れは、水素、結晶粒界の液化、凝固収縮、クリープ損傷、または板厚方向の延性喪失によって生じる可能性があるためである。

HAZは単一の構造ではなく、熱勾配を有しています。一般的な鋼の領域は、通常、粗粒域、細粒域、部分変態域またはインタークリティカル域、ならびに焼戻し域または過焼戻し域として説明されます。パイプライン用鋼に関するNISTの分類では、粗粒域、細粒域、インタークリティカル域、過焼戻し域が用いられています。各位置では、異なるピーク温度と冷却経路が生じます。実用的な冷却指標であるΔt8/5、すなわち800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間は、熱サイクルと変態生成物を関連付けるのに役立ちますが、その適用性は鋼種と溶接プロセスによって異なります。NISTのあるパイプライン報告書では、入熱、化学成分、溶接部からの距離、板厚がΔt8/5に影響する因子として挙げられています。

冷却速度、組成、焼入れ性、旧オーステナイト粒径が、生成するHAZのミクロ組織と硬さを支配します。短い冷却時間は、焼入れ性を有する炭素鋼または低合金鋼にマルテンサイトまたはベイナイトを生成させる可能性があります。一方、冷却時間が長い場合には、フェライト、パーライト、または焼戻しを受けた変態生成物が形成されることがあります。生成した組織によって、き裂が発生し得るか、き裂が伝播し得るか、また拘束によってき裂を開口状態に保つのに十分な引張応力が生じるかどうかが決まります。予熱およびパス間温度の管理は熱サイクルを変化させますが、鋼の化学成分、継手拘束、水素管理を評価する必要性をなくすものではありません。EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト系鋼のアーク溶接を対象としています。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱保持温度の測定方法を規定していますが、溶接後熱処理温度の測定方法は規定していません。

水素誘起割れまたは低温割れ

水素誘起割れは、低温割れまたは遅れ割れとも呼ばれ、溶接金属が凝固し、隣接するHAZが冷却した後に発生します。したがって、その発生時期は高温割れとは異なりますが、溶接から数時間後にき裂が発見されることもあります。ASMの議論では、一般にこの機構には、拡散性水素、割れ感受性の高い硬質または脆性のミクロ組織、引張応力という三つの相互作用する条件が関与するとされています。拘束および溶接変態応力が局所的な応力場を形成し、外部から加えられた荷重がゼロであっても、残留応力が高い状態で残ることがあります。

水素は、水分、汚染物質、フラックス被覆、潤滑剤、その他の工程上の供給源から溶融池に侵入します。凝固後、原子状水素は溶接金属およびHAZ中を拡散します。水素は、介在物、旧オーステナイト粒界、マルテンサイト界面、転位、その他の局所応力が高い領域に集積する可能性があります。具体的な破壊過程は鋼種、ミクロ組織、荷重条件によって異なるため、単一の普遍的な水素限界値を設定すべきではありません。水素は、硬く応力を受けたミクロ組織の割れに対する許容性を低下させますが、拘束または冶金学的な割れ感受性とは独立して作用するものではありません。

最も脆弱なHAZは、急速冷却中に焼戻しを受けていないマルテンサイト、または硬質のベイナイト組織へ変態する粗粒域やその他の領域であることが多いです。粗大な旧オーステナイト粒は靭性を低下させ、き裂成長のより容易な経路を提供する可能性があります。細粒域およびインタークリティカル域も、局所硬さ、残留応力、または使用中の荷重条件が不利な場合には影響を受けることがあります。したがって、溶接部には、溶融境界からの距離によって異なる水素割れリスクが存在する可能性があります。

き裂の方向は、応力場と形状を反映します。縦割れまたは横割れは溶接金属中に発生することがあり、HAZのき裂は溶融境界に平行に進展したり、止端部から硬化した母材中へ伸びたりすることがあります。ルート部、溶接の開始部および終了部、アンダーカット、継手拘束の急激な変化は、応力を集中させます。遅れて実施した検査だけで水素機構の発生を証明することはできませんが、遅れてき裂が現れることは有用な警告兆候です。

対策は因果関係の連鎖に沿って行います。すなわち、拡散性水素を低減し、過度なHAZ硬さを避け、引張拘束および残留応力を低減または管理します。乾燥した溶接材料と清浄な継手表面は、水素の侵入を抑制します。予熱は冷却を遅らせ、HAZが高応力かつ低温の状態に達する前に水素が逃散することを可能にします。溶接施工要領で規定されている場合、後熱は水素除去を助けることがあります。また、溶接後熱処理は、割れ感受性のある組織を焼戻しし、残留応力を低減できます。これらの対策は鋼種と板厚に応じて選択しなければならず、一般化した温度規則で代替することはできません。

液化割れ、凝固割れおよび再熱割れ

液化割れはHAZに生じる高温割れであり、通常、溶接熱サイクルによって局所的に溶融したものの、主な溶融域の外側にある領域の粒界に沿って発生します。この薄い液膜が冷却および収縮の過程で引き伸ばされると、き裂が形成されます。偏析した不純物、低融点の共晶構成物、介在物、または合金元素に富む粒界領域は、局所的な融点を低下させる可能性があります。したがって、母材全体が溶融していなくても、HAZにき裂が発生することがあります。

この機構は、溶融域における凝固割れとは異なります。凝固割れでは、溶融域の液状溶接金属が、成長するデンドライトの間で凝固します。溶質偏析と溶融金属の供給不足によって、液相を含む弱い境界ネットワークが残り、溶接金属の収縮によってデンドライト間領域が開口します。その位置は、未溶融のHAZではなく、堆積または溶融した溶接金属の内部です。溶融境界に沿うき裂については、両方の可能性を検討する必要があります。局所的に溶融したHAZ材料が認められる場合は液化割れを示し、溶接金属中をデンドライト間経路に沿って進む場合は凝固割れを示します。溶融境界とHAZの熱影響域が重なる場所では、複合的なき裂が生じることもあります。

ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性の問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れ、再熱割れを挙げています。液化割れ感受性は、母材の化学成分、偏析、粒径、ピーク温度、熱ひずみの影響を受けます。粗大粒は長い粒界経路を形成し、繰り返し熱サイクルは、過去に加熱された領域を再溶融または弱化させる可能性があります。ここで重要な駆動力は、高温冷却中の引張ひずみであり、凝固後に蓄積した拡散性水素ではありません。

再熱割れは、通常、応力除去熱処理または高温での使用など、後続の熱曝露中に発生します。このき裂は、以前に溶接されたHAZまたは溶接部に生じる、固相状態での、しばしば粒界に沿った破壊です。析出と回復によって結晶粒内部が強化される一方、粒界は相対的に弱い状態に保たれることがあります。その後、残留応力の緩和とクリープ変形によって、これらの粒界にひずみが集中します。感受性は特定の合金系や不純物または析出物の状態と関連するため、溶接部が存在することや室温硬さだけから判断することはできません。

Grade 91は、HAZを複数のミクロ組織領域として扱わなければならない理由を示しています。ASM InternationalとEPRIは2016年、Grade 91が母材HAZ、特に細粒域およびインタークリティカル域においてType IV割れの感受性を有すると報告しました。Type IV損傷は、通常の水素による低温割れではなく、使用温度におけるクリープ破壊です。模擬熱サイクルによって、インタークリティカルHAZでのフェライト形成が高温引張強さを低下させる可能性が示されました。その後のパスによる再加熱とPWHTは、析出物、焼戻し状態、局所強度をさらに変化させるため、最終的な割れ感受性は溶接熱履歴全体に依存します。

ラメラテアおよび板厚方向の割れ感受性

ラメラテアは、圧延板の表面に垂直な方向に作用する引張ひずみに関連する母材の割れ機構です。通常、拘束された溶接部の下で発生し、特にT継手、角継手、大型取付部など、溶接収縮によって板が板厚方向に引っ張られる箇所で生じます。き裂経路は一般に階段状またはテラス状であり、伸長した介在物を通って進展し、それらを延性せん断領域によって連結します。

決定的な材料特性は、単純な横方向引張強さやHAZ硬さではなく、板厚方向の延性です。圧延板には非金属介在物が含まれています。これには、従来から知られる硫化マンガンのほか、製鋼方法によっては酸化物またはケイ酸塩介在物も含まれます。これらは圧延中に扁平化され、圧延方向に配向します。板が短横方向にひずみを受けると、これらの介在物はボイド発生の起点として作用します。介在物列が少ない、またはその程度が軽い清浄鋼は感受性が低くなります。一方、高い拘束、厚板、大きな溶接金属量、不利な継手設計は、板厚方向に作用するひずみを増大させます。

ラメラテアはHAZ下方の母材で発生することがあり、き裂が溶接部の近傍に位置するため、HAZ割れと誤認されることがあります。その駆動力は、板厚方向に作用する溶接収縮ひずみと拘束であり、水素は決定的な必要条件ではありません。また、硬質なマルテンサイトHAZも必須ではありません。金属組織学的な位置、き裂形態、介在物の配向、作用ひずみの方向を調べることにより、水素誘起割れや液化割れと区別できます。

設計および施工要領を変更することで、ひずみを低減できます。具体的には、板厚方向に引っ張ることを避けるように継手を配置すること、過大な溶接金属量を減らすこと、適切な継手詳細を採用すること、拘束を管理すること、また規定されている場合には板厚方向特性が確認された鋼板を選択することです。表面に現れた指示だけを除去する溶接補修では、内部の介在物に関連したき裂を見逃す可能性があります。検査では、溶融線だけでなく、取付部周辺の板内部全体を対象としなければなりません。

7. 予熱、パス間温度管理および溶接施工変数

予熱の冶金学的目的

予熱は熱的制御であり、HAZの問題を普遍的に解決するものではない。アーク熱を加える前に継手の温度を上昇させることで、溶融池と周囲の鋼との温度勾配を小さくする。その直接的な結果として、変態温度域を通過する際の冷却が遅くなる。フェライト系鋼では、化学成分、焼入れ性、旧オーステナイト粒径および実際の熱サイクルによっては、この変化により、HAZが過度に硬いマルテンサイトまたはベイナイトになるのを防止できる。

有用な指標としてΔt8/5がある。これは、溶接部内のある点が800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間である。この時間間隔は、多くの鋼におけるオーステナイト分解の重要な部分を含むが、すべての合金または溶接条件を完全に記述するものではない。一般に、短いΔt8/5は急速冷却と、硬く脆い変態生成物が形成されるリスクの増大を示す。より長い時間間隔では、拡散変態および焼戻し効果がより進行しやすい。National Institute of Standards and Technology（NIST）は、パイプライン用鋼のΔt8/5が、入熱、化学成分、溶接部からの距離および肉厚に依存すると報告している。予熱は初期温度と母材への熱流を変化させることで、この関係を変える。

予熱は水素管理にも寄与する。水分、表面汚染、溶接材料またはシールドガスの問題によって導入された水素は、鋼が低温に達する前に、オーステナイト領域または硬化したHAZから拡散して離れることができる。これにより、引張残留応力および影響を受けやすい微細組織と結合できる水素濃度が低下する。ただし、その効果には条件がある。予熱によって、湿った電極、汚染された継手面、過大な拘束、または施工要領によって許容できない硬さが生じる鋼を補うことはできない。水素誘起割れは固有のメカニズムであり、溶接部付近に生じるあらゆる割れを指す名称ではない。

したがって、必要な温度は、鋼の化学成分、製品の厚さ、拘束、水素管理、溶接プロセスおよび施工要領の認証結果に基づいて選定する。過度な予熱には固有の弊害もある。冷却時間が過度に長くなり、結晶粒の粗大化、局部強度の低下、焼戻し鋼における過度な軟化、ならびに高温にさらされる領域の拡大を引き起こす可能性がある。焼入れ焼戻し鋼では、過度に高温のサイクルによって母材側のHAZが焼戻されることがある。析出強化鋼またはクリープ抵抗鋼種では、意図した析出物分布が乱される可能性がある。

HAZは、予熱温度が単一の指定値であっても、空間的に段階的な組織を保つ。溶融境界に最も近い領域では、一般的な鋼の場合、高いピーク温度にさらされた後、粗粒域が形成されることがある。より遠い位置では、細粒域、二相域および焼戻し域または過焼戻し域が、それぞれ異なるピーク温度と変態経路を経験する。TWIは、ピーク温度と溶接部からの距離に基づき、一般的な鋼におけるこれら4つの区分を示している。予熱は各領域の冷却履歴を変えるが、それらを冶金学的に同一にするものではない。

パス間温度と熱の蓄積

同義語として扱ってはならない温度用語。
温度用語	適用される場合	目的
予熱温度	溶接または指定された溶接区間を開始する前	初期の熱的状態を設定する
パス間温度	次のパスを施工する直前	パス間の熱蓄積を制御する
予熱維持温度	中断中または作業間	継手が指定された最低温度を下回るのを防ぐ
溶接後熱処理温度	後続の溶接後熱処理中	個別の測定と制御が必要

予熱温度とは、溶接開始前、または指定された溶接区間の開始前に、継手に確立される最低温度である。パス間温度とは、次のパスを施工する直前における溶接部の温度である。予熱維持温度とは、溶接を中断した場合、または作業間で継手を高温に保つ必要がある場合に維持しなければならない最低温度である。これらの用語は同義語として扱ってはならない。

パス間温度の管理は、熱の蓄積を左右する。多層溶接では、2パス目以降のパスが先行する溶接金属と隣接するHAZを再加熱する。パス間温度が高いと、次の熱サイクルがより高温の初期状態から始まるため、通常は冷却が遅くなり、Δt8/5が短縮される。また、先行パスが繰り返し焼戻しを受けたり、部分的に再オーステナイト化したりする可能性もある。その結果、わずか数ミリメートルしか離れていない位置に、硬さと靭性の異なる狭い帯状領域を含む微細組織が形成されることがある。

最大パス間温度の上限は、最低予熱温度の要件と同じくらい重要な場合が多い。上限を超えると、蓄積した熱によって、特に焼入れ焼戻し鋼およびクリープ抵抗鋼において、過度の結晶粒成長、軟化または靭性低下が生じる可能性がある。温度が指定された最低値を下回ると、急速冷却および水素割れのリスクが再び高まる可能性がある。適切な値は施工要領ごとに定めるものであり、溶接プロセスに固有の固定値ではない。

Grade 91は、単純な温度規則が通用しない理由を示している。ASM InternationalおよびEPRIによる2016年の研究では、特に細粒域および二相域において、母材HAZにおけるType IV割れが説明されている。これらの領域は、単純化された図でしばしば示される粗粒帯ではない。模擬熱サイクルによって、二相HAZにおけるフェライト生成が高温引張強度を低下させる可能性も示された。パスの繰り返し再加熱によって、一部のマルテンサイトが焼戻される一方、別の場所には新たな二相組織が形成される可能性がある。したがって、パス間温度の測定値が規定を満たしているだけでは、Type IV損傷に対する抵抗性を示すことはできない。

同じ原則はステンレス鋼にも適用される。TWIによる2002年の超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部の研究では、腐食、応力腐食割れおよび硫化物応力割れとの関係に加え、後続パスによる再加熱および溶接後熱処理（PWHT）との関係でHAZの微細組織が検討された。局部的な再加熱は、クロム分布、マルテンサイトの焼戻しおよび腐食挙動を変化させる可能性がある。したがって、HAZ管理は、硬さや割れだけでなく、供用中の劣化にも関わる。

EN 1011-2およびISO 13916:2025

EN 1011-2は、フェライト系鋼のアーク溶接に関する推奨事項を示している。その適用範囲はフェライト系鋼であり、フェライト系ステンレス鋼は除外される。この文書は、水素管理、入熱、予熱および冷却条件などの溶接施工要因を扱い、技術者がHAZの硬さと低温割れリスクを評価するのに役立つ。これは溶接施工要領を選定・管理するための指針であり、認証結果または鋼種固有の要求事項に代わるものではない。

ISO 13916:2025は、施工要領の冶金学的設計全体ではなく、測定を扱う規格である。この規格は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度を測定するための要求事項を規定している。PWHT温度の測定は対象としていない。この除外は重要である。溶接パス前に記録された温度は、その後の応力除去処理または焼戻し処理が指定された温度または均一性に達したことの証拠にはならない。

測定位置と測定時期は、単に測定しやすい最も高温の表面ではなく、溶接部の熱サイクルを支配する材料を代表するものでなければならない。特に、拘束された部分、取付部および厚肉部品では、厚さ方向および継手周辺で温度が変化する可能性がある。施工要領には、いつ、どこで測定するか、ならびに許容される最低値または最高値を明記する必要がある。

入熱とパス順序は、さらに別の管理要素となる。アークエネルギーは一般に、電流、電圧および溶接速度との関係で表されるが、実際に母材へ伝達される熱量には、プロセス効率とビード形状も影響する。一般に、入熱が大きいほど加熱領域は広くなり、冷却時間は長くなるが、継手形状、板厚および拘束によっては、単純な予測と逆の結果になることもある。ストリンガービード法、広いウィービング、両側の交互施工、または計画的なパス間休止によって、どの領域がいつ再加熱されるかが変化する。そのため、公称予熱温度が同じ2つの溶接部でも、HAZの結晶粒径、硬さ、靭性および割れ感受性が異なる可能性がある。溶接施工要領は、1回の温度測定値ではなく、熱履歴全体を管理しなければならない。

8. 多層溶接：再加熱、焼戻し、熱影響部（HAZ）の重なり

多層溶接では、溶融境界の脇に一つの固定されたHAZが形成されるわけではない。各パスが新たな熱サイクルを加え、そのパスによる温度場が、先行パスによって変化した材料と重なり合う。かつて粗粒HAZであった領域が、その後、下限臨界温度未満に再加熱されて焼戻しを受けることがある。また、別の領域は二相域まで加熱され、そこでは一部のフェライトがオーステナイトに変態する。さらに、後続パスの溶融境界に近い材料は、完全に再オーステナイト化され、冷却時に再び変態する可能性がある。

したがって、最終断面には単一の事象ではなく、一連の履歴が記録される。最高到達温度、その温度に保持された時間、変態温度域を通過する際の冷却、ならびに再加熱サイクルの回数と間隔のすべてが重要である。TWIは、従来型鋼のHAZを、最高到達温度と溶接部からの距離に応じて、粗粒域、細粒域、部分変態域、焼戻し域として説明している。多層継手では、これらの名称は複数のパスに対する局所的な応答を示すものであり、必ずしも4本の恒久的で平行な帯状領域を意味するわけではない。

後続の溶接パスによって再加熱されたHAZ帯が重なっている多層溶接断面 — Later passes can temper, refine or partially reaustenitize material altered by earlier passes.

後続パスによる先行HAZ領域の再加熱

後続パス再加熱の影響

焼戻し 低温側のサイクルにより、マルテンサイト硬さと残留応力を低減できる。
微細化 後続のオーステナイト化サイクルにより、新たな、より微細なオーステナイト結晶粒を形成できる。
部分的再オーステナイト化 二相域サイクルでは、直前の組織の一部だけが変態する。
過焼戻し 繰り返しの亜臨界曝露により、炭化物または析出物が粗大化し、強度が低下する可能性がある。

後続のビードは、先行する溶接金属と、先行HAZの一部を再加熱する。その範囲は、ビード寸法、走行速度、アークエネルギー、継手形状、板厚または壁厚、パス間温度、ならびにパスの位置によって決まる。入熱と熱伝導率は周囲の金属が所定の温度に到達する速さを左右し、新しい溶融境界からの距離は最高到達温度を決定する。同じ点が、あるパスでは高温サイクルを、次のパスでは低温の焼戻しサイクルを経験することもある。

実用上の冷却パラメータΔt8/5は、材料が800 °Cから500 °Cまで冷却される間の経過時間を表す。この温度範囲で鋼がオーステナイト分解を起こす場合には有用であるが、多層溶接の熱履歴を完全に記述するものではない。National Institute of Standards and Technologyのパイプライン報告書は、Δt8/5を入熱、化学成分、溶接部からの距離、壁厚と関連付けている。しかし、継手内のすべての点が共通の冷却時間を持つことを意味するものではない。隣接する点ではサイクルが大きく異なる可能性があり、後続パスが最初のサイクルによって形成された組織を変化させることもある。

低合金フェライト鋼では、初回パスによって溶融境界の近傍に粗大な旧オーステナイト粒が形成されることがある。最高到達温度がオーステナイト域に入る後続パスでは、局所的な最高到達温度とサイクルの継続時間に応じて、新しいオーステナイト粒を形成することにより、その組織が細粒化される可能性がある。後続パスの最高到達温度が二相域にとどまる場合、元のフェライトの一部がオーステナイトに変態する。冷却時には、その一部が新たなベイナイト、マルテンサイト、またはその他の変態生成物になる一方、未変態の母相には先行組織の特徴が一部残る。低温サイクルでは鋼が再オーステナイト化しない場合もあるが、マルテンサイトを焼戻したり、以前に硬化した領域を軟化させたりすることがある。

このため、溶接施工の管理を公称アークエネルギーだけに還元することはできない。パス間温度は各パス開始時の温度を変化させ、実効的な冷却時間を短縮する可能性がある。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度、予熱維持温度の測定を規定しているが、溶接後熱処理温度の測定は明確に対象外としている。EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト鋼のアーク溶接を扱い、該当するフェライト系鋼種における溶接条件の管理に関する指針を示している。

焼戻し組織と過焼戻し組織

下限臨界変態温度未満での再加熱は、新たなオーステナイト域を形成することなく、マルテンサイトまたはベイナイトHAZを焼戻すことがある。炭素が再分配され、遷移炭化物が生成または変化し、残留応力が低下し、硬さは通常低下する。得られた組織は、焼入れ直後のマルテンサイト領域よりも水素誘起割れに対する抵抗性が高くなる可能性があるが、その変化によって強度が低下することもある。結果は、元の構成相、再加熱温度、保持時間、サイクル数によって異なる。

したがって、「焼戻しHAZ」は単一の金属組織を指すものではない。短時間の比較的低温のサイクルでは焼戻しが限定的となる一方、より高温または反復的なサイクルでは、炭化物の著しい粗大化と析出強化の低下が生じる可能性がある。「過焼戻し」は、熱曝露によって特性が意図した焼戻し状態を超えて低下したことを示す。焼入れ焼戻し鋼では、この軟化域が局所的な強度の最小部となることがある。クリープ抵抗鋼では、再加熱によって、長期強度を支える析出物の慎重に制御された分布が乱される可能性がある。

Grade 91は、軟化を自動的に有益なものとみなすことの危険性を示している。ASM InternationalとEPRIは2016年、Grade 91が母材HAZ、特に細粒域および二相域においてType IV割れを起こしやすいことを報告した。熱サイクルシミュレーションでは、二相域HAZにおけるフェライトの形成が、高温引張強度を低下させる可能性が示された。重要な位置は、目視で粗大に見える領域だけではない。二相域を繰り返し通過することで、クリープ変形および損傷挙動に不利な、細粒で部分変態した組織が形成されることがある。後続の溶接パスは、一部のマルテンサイトを焼戻すと同時に、この脆弱な領域を形成または拡大する可能性がある。

溶接後熱処理は、継手全体に別の制御された熱サイクルを加える。硬質な変態生成物を焼戻し、残留応力を低減できる一方、炭化物または析出物の変化を促進し、硬さ分布を変化させ、再加熱された領域をさらなる劣化にさらす可能性もある。したがって、PWHTは、HAZの差異を消去するものと仮定するのではなく、鋼種、板厚、溶接施工法、使用条件に応じて規定しなければならない。

スーパーマルテンサイト系ステンレス鋼は、腐食の影響を加えることで同じ点を示している。TWIの2002年の研究では、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱、ならびにPWHTとの関連において、これらの鋼のHAZ組織が検討された。後続パスは、生成したばかりのマルテンサイトを焼戻し、先行領域を部分的に再オーステナイト化し、または狭い再加熱帯全体に混合組織を生じさせることがある。これらの変化は、クロムの分配、炭化物の形成、硬さ、残留応力、ならびに表面の電気化学的挙動に影響する。硬さの低下によってある種の割れ傾向は抑制される可能性がある一方、局所的な組成変化または相変化によって耐食性が損なわれたり、水素を含む使用環境下で脆化しやすい経路が形成されたりすることがある。

溶接断面に重なり合う熱履歴が存在する理由

多層継手の断面は、熱ピークと冷却経路の地図として読み取るべきである。あるパスの近傍では、金属が溶融したり、完全に再オーステナイト化したりすることがある。より離れた位置では、粒成長域、粒微細化域、二相域、または単に焼戻し温度に達している可能性がある。次のパスによってこれらの境界が移動し、別の領域群が重ね合わされる。それらは、整然と積層されたものではなく、湾曲し、位置がずれ、一部が一致している。

この重なりによって、複数のスケールで特性の不均一性が生じる。急冷によってマルテンサイトが形成される場所では硬さが上昇し、マルテンサイトが焼戻される場所では低下し、さらに後続サイクルによって未焼戻しの新たな変態生成物が形成される場所では再び変化する可能性がある。靭性は、粒径、相のバランス、変態した部分における炭素含有量、局所残留応力に左右され、溶接部からの距離だけから推定することはできない。割れ感受性も同様に点ごとに変化する。ESDEPは、HAZ液化割れ、水素誘起割れ、再熱割れを、鋼構造物の溶接性に関する別個の問題として挙げている。一方、凝固割れは溶接金属内で発生し、ラメラテアリングは板厚方向の延性に関連する。再加熱によって、これらの機構が同一のものになるわけではない。

このような空間的な特性勾配は、ステンレス鋼溶接部の腐食および使用中の割れも支配する。再加熱帯は、隣接する金属とは、硬さ、不動態皮膜の安定性、析出物の分布、引張応力の点で異なる可能性がある。したがって、金属組織観察および硬さ分布測定は、実際のビード順序を考慮して位置を決めるべきである。溶融境界での単一の測定では、軟化した二相域帯、再加熱されたマルテンサイト帯、または破損を支配する過焼戻し領域を見落とす可能性がある。

9. グレード91およびType IV割れ

Grade 91の熱影響部領域と、それらに関する主な冶金学的懸念。
Grade 91の熱影響部領域	熱履歴	報告されている懸念
粗粒	結晶粒成長を伴う高温での完全オーステナイト化	粗大な変態組織と靭性低下の可能性
細粒	顕著な結晶粒成長を伴わない完全または大部分のオーステナイト化	Type IV割れ感受性を有する母材熱影響部の一部
二相域	Ac1とAc3の間での部分変態	フェライト形成と高温引張強度の低下
過焼戻し	亜臨界再加熱	軟化と析出物状態の変化

Grade 91は、溶接性の問題が目視可能な溶融境界に限られないことを示す有用な事例である。この鋼は、焼戻しマルテンサイト系の耐クリープ合金であり、一般に、Grade 91、配管用にはP91、ボイラー管用にはT91と呼ばれる。約9%のクロムに加え、モリブデン、バナジウム、ニオブ、窒素などが添加されている。高温での強度は、安定した析出物、特に長時間の焼戻しに伴って形成される炭窒化物およびクロムに富む炭化物群を含む、微細に焼戻されたマルテンサイト組織に依存している。

溶接によって、この入念に形成された組織は局所的な熱サイクルの連続へと置き換えられる。溶融線の直近では、完全にオーステナイト化され、粗大なマルテンサイトへ変態する場合がある。そこから少し離れた位置では、ピーク温度によってオーステナイトが微細化されるものの、同じような結晶粒成長は生じない。さらに離れると、元のミクロ組織の一部だけが変態することがある。その結果、形成されるのは均一な帯状領域ではなく、段階的に変化するHAZである。

2016年に発表されたASM-EPRI Grade 91研究では、特に細粒域およびインタークリティカル域を含む母材HAZにおいて、Type IV割れに対する感受性が確認された。この区別は重要である。破面が溶接部の近傍に存在していても、溶接部に近いというだけで、溶融境界が支配的な冶金学的位置になるわけではない。

粗粒域、細粒域およびインタークリティカル域を示すGrade 91のHAZミクロ組織 — In Grade 91, Type IV damage is associated especially with fine-grained and intercritical base-metal HAZ regions.

Grade 91における細粒HAZ域およびインタークリティカルHAZ域

細粒HAZは、ピーク温度がオーステナイト変態域を上回るものの、粗粒HAZで見られる旧オーステナイト粒の成長を生じさせるほど高温ではない、またはその温度が十分な時間継続しない領域に形成される。溶接によって一部の析出物が溶解または再分配され、その後の急冷によって新たなマルテンサイトが形成される。旧オーステナイト粒は粗粒域よりも小さいため、変態後のパケット構造およびブロック構造も異なる。製作時および使用中の焼戻しは、元の析出物分布と結晶粒形状がすでに乱された領域に作用することになる。

インタークリティカルHAZは、より低いピーク温度域に位置する。溶接熱サイクル中に材料の一部だけがオーステナイト域に入り、残りの部分は焼戻しされたGrade 91組織を保持する。冷却時には、新たに形成されたオーステナイトが、未変態または部分的に焼戻された材料の隣で変態する。その結果、硬さ、炭素分布、析出物の状態、耐クリープ性が局所的に異なる混合ミクロ組織が形成される。したがって、インタークリティカル域は、その硬さがHAZ内で最も目立つ部分であることを示さない場合でも、機械的に弱くなる可能性がある。

TWIは、従来型鋼のHAZ内の部分領域を、ピーク温度および溶接部からの距離に基づき、粗粒化域、細粒化域、部分変態域、焼戻し域として説明している。NISTは、パイプライン鋼のHAZについて、これに関連する用語として粗粒域、細粒域、インタークリティカル域、過焼戻し域を用いている。これらの名称は、すべての合金系で互換的に使用できるわけではないが、Grade 91にも当てはまる基本的な点は、各位置が異なる熱履歴を記録しているということである。

冷却も同様に重要である。実用上のパラメータであるΔt8/5は、溶接領域が800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間を表す。NISTの取り扱いでは、Δt8/5を入熱、鋼の化学成分、溶接部からの距離、肉厚と関連付けている。これらの変数は、変態速度論および溶接によって加えられる焼戻しの程度を変化させる。Grade 91のHAZは、ピーク温度だけから評価することはできない。

TWIは、HAZのミクロ組織および硬さが、主として変態域を通過する冷却速度、化学成分と焼入性、ならびに旧オーステナイト粒径に依存すると述べている。Grade 91では、これらと同じ変数が、局所領域に硬く新生のマルテンサイトが形成されるか、追加の焼戻しが生じるか、またはインタークリティカル域特有の混合組織が発達するかを決定する。硬さ分布測定は有用であるが、クリープ損傷またはType IV割れ感受性の完全な分布図となるものではない。

フェライト形成と高温強度

ASM-EPRI研究では、Grade 91の溶接熱サイクルを模擬して検討も行われ、インタークリティカルHAZにおけるフェライト形成が高温引張強度を低下させ得ることが報告された。この知見により、Type IVの問題は、溶接によって「HAZが弱くなる」という一般的な説明よりも、具体的な冶金学的根拠に基づいて理解できる。

フェライトは、Grade 91の高温強度をもたらす焼戻しマルテンサイト母相よりも軟らかく、耐クリープ性に劣る。その形成には、局所的な炭素および合金元素の再分配、析出物の安定性の変化、ならびに精密に制御されていたラス・マルテンサイト組織の消失が伴う場合がある。持続荷重下では、この変化した領域に変形が集中する可能性がある。その場合、周囲の溶接金属、影響を受けていない母材、より硬いHAZ領域が拘束を与え、細粒域またはインタークリティカル域に作用する局所的な応力およびひずみの要求が増大する。

したがって、結果は単なる硬さの不一致ではない。高温引張挙動は、ミクロ組織の塑性流動およびクリープに対する抵抗、析出物の変化、結晶粒およびサブグレイン構造、ならびに溶接継手全体における変形分布に依存する。測定された硬さが中程度の領域であっても、部分変態またはフェライト形成によって耐クリープ性が低下していれば、長期強度に乏しい場合がある。

この知見を、普遍的な寿命推定へと置き換えてはならない。溶接されたGrade 91部材の挙動は、応力、温度、形状、溶接施工法、拘束、溶接後熱処理、使用履歴、ならびにHAZミクロ組織の実際の分布に依存する。熱サイクルのシミュレーションは、機構を明らかにし、脆弱な領域を特定するものであるが、それだけで特定の容器、管または配管がいつ破損するかを示すものではない。

予熱、パス間温度の管理、溶接入熱は、熱サイクルおよび変態挙動に影響するため、引き続き重要である。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度、予熱維持温度の測定を規定しているが、溶接後熱処理温度の測定は明確に対象外としている。この区別はGrade 91の施工において重要である。溶接温度の管理とPWHTは関連する作業ではあるが、同一の測定要求事項ではない。

Type IV破損が母材HAZの問題である理由

Type IV割れは、一般に、細粒域およびインタークリティカル域の母材HAZにおけるクリープ損傷と関連している。したがって、これを一般的な「溶接割れ」現象として説明したり、その原因を自動的に溶融境界にあると特定したりするのは誤解を招く。溶接は熱的な擾乱と継手形状をもたらす可能性があるが、感受性を有するミクロ組織は通常、隣接する母材内に形成される。

長期使用中には、弱化したHAZの粒界に沿って空洞が核生成し、成長することがある。局所的なひずみの蓄積、粒界すべり、析出物の変化が損傷の進展に寄与する。割れは、変化したHAZ材料と、隣接するより強い領域との境界にほぼ沿って進展する場合があるが、正確な経路は応力状態、ミクロ組織、製作履歴によって異なる。したがって、検査は溶接金属と溶融線だけでなく、母材HAZも対象としなければならない。

この機構は、水素誘起割れ、凝固割れ、ラメラテア、液化割れ、再熱割れとは異なる。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れ、再熱割れを挙げているが、これらの機構は異なる冶金学的条件および荷重条件で発生する。Type IV損傷は、主として、Grade 91の脆弱なHAZにおける使用温度下のクリープ問題である。

したがって、適切な評価には、溶接施工記録、PWHT履歴、熱サイクル情報、硬さ測定およびミクロ組織観察に加え、使用中の応力および温度データを組み合わせる必要がある。フェライト形成と高温引張強度低下に関するASM-EPRIの知見は、細粒域およびインタークリティカル域に重点的な注意を払うべき理由を説明するものである。しかし、すべてのGrade 91溶接部が同程度に損傷を受けやすいとみなす根拠にはならず、部材固有の証拠なしに固定的な許容使用期間を支持するものでもない。

再加熱は、さらに別の要因を加える。後続の溶接パスによって、それ以前に形成されたHAZが焼戻し、部分変態、その他の変化を受けることがあり、PWHTによって硬さが低下する一方、析出物およびサブストラクチャーの状態も変化する可能性がある。同様の空間的影響は他の合金にも生じる。TWIによる2002年の超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部に関する検討では、HAZミクロ組織を、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱、PWHTと関連付けている。材料固有の破損機構は変化するが、支配的な原則は変わらない。すなわち、HAZは局所的な熱履歴の集合であり、その使用中の挙動は領域ごとに評価しなければならない。

10. HAZの腐食および環境助長割れ

熱影響部（HAZ）も腐食を左右する変数である。硬さ調査によって著しく硬化した帯状領域を特定することはできるが、クロムに富む析出物が形成されているか、保護性を持つ合金元素が偏析しているか、局所的なフェライトとマルテンサイトのバランスが取れているか、あるいは溶接によって引張残留応力が生じているかを示すことはできない。これらの詳細が、腐食および環境助長割れを支配する。

したがって、HAZは使用環境に照らして評価しなければならない。塩化物を含む水、二酸化炭素、硫化水素、溶存酸素、酸性凝縮液および高温蒸気は、それぞれ異なる要求を課す。同じ熱サイクルであっても、乾燥した大気曝露では許容できる一方、水素の吸収と引張応力が、感受性のある微細組織と組み合わさり得るサワー生産環境では、安全でない場合がある。

腐食を左右する微細組織

HAZの微細組織は、単一の明瞭な界面で急激に変化するのではなく、溶融境界からの距離に応じて連続的に変化する。TWIは、従来型鋼の領域を、粗粒域、細粒域、部分変態域および焼戻し域として説明しており、これらは溶接部からの距離とピーク温度によって分類される。National Institute of Standards and Technology（NIST）によるパイプライン鋼の取り扱いでは、これに近い用語として、粗粒域、細粒域、二相域および過焼戻し域が用いられている。

各領域は、異なる腐食挙動を示す可能性がある。結晶粒の粗大化は、粒界の密度および性状を変化させる。二相域での加熱は元の組織を部分的に変態させ、冷却後に硬く炭素に富むマルテンサイトの島状組織を生じさせることがある。焼戻しは、強化相を固溶または粗大化させ、局所的な電気化学的挙動を変化させ得る。ステンレス鋼では、重要な変化として、クロムに富む炭化物の隣接部におけるクロム欠乏、金属間化合物相の析出、デルタフェライトの生成または溶解、ならびにマルテンサイトとオーステナイトの割合および化学組成の変化などが挙げられる。

支配的な熱履歴を単に「溶接温度」と表すことはできない。変態温度域を通過する冷却が重要であり、Δt8/5、すなわち800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間は、これらの温度が該当する変態区間を表す場合に、有用な溶接パラメータとなる。NISTは、Δt8/5が入熱、化学成分、溶接部からの距離および肉厚に依存すると述べている。したがって、拘束条件、肉厚または熱流が異なれば、溶接部からの公称距離が同じ2箇所であっても、同じ組織が形成されるとは限らない。

フェライト鋼では、TWIは、HAZの微細組織および硬さを支配する主な要因として、変態温度域を通過する冷却速度、組成と焼入れ性、ならびに旧オーステナイト結晶粒径を挙げている。腐食評価では、これらに局所的な化学組成、相の分布および析出物の状態を加えなければならない。硬いマルテンサイト領域は水素助長割れに対して脆弱である可能性がある一方、より軟らかい過焼戻し領域には、電気化学的に異なる構成相が存在する場合や、析出物の形成によって耐食性が失われている場合がある。いずれの状態も、硬さだけから信頼性をもって推定することはできない。

腐食と割れを区別することは重要である。一般的な金属減肉、孔食、粒界腐食およびガルバニック腐食は、それぞれ異なる微細組織上の特徴部から発生する可能性がある。さらに、溶接キャップ、ルート、オーバーラップまたは隙間は、HAZ全体の硬さとは無関係に電解質を濃縮させることがある。したがって、表面状態、酸化皮膜、溶接スラグの除去および溶接後の洗浄についても、冶金学的検査と併せて確認しなければならない。

応力腐食割れおよび硫化物応力割れ

応力腐食割れ（SCC）には、感受性のある材料、適切な環境および引張応力が必要である。溶接は残留応力によって最後の条件をもたらし得る一方、局所的な変態生成物および析出物が最初の条件をもたらす。作用荷重は大きい必要がない。溶接部近傍に閉じ込められた引張応力は、部材が寸法的に安定しているように見えた後も、無視できない大きさで残存する可能性がある。

塩化物SCCは、温度、塩化物活量、電位および局所的な不動態皮膜の安定性に特に敏感である。クロム欠乏領域を有するステンレス鋼HAZでは、特定の境界における再不動態化が十分に進まず、局部腐食がき裂発生起点となる可能性がある。この影響は空間的に選択的であるため、外観上は均一なHAZを示す研磨断面であっても、熱勾配全体にわたる感受性の著しい違いを隠していることがある。

硫化物応力割れ（SSC）は、含水硫化水素環境に関連する水素助長破壊機構である。腐食中に生成した水素が鋼中に侵入し、引張応力によって、感受性のある微細組織内でのき裂の発生および成長が促進される。多くのサワーサービス評価において、高硬さは認識すべき警告兆候であるが、硬さはスクリーニング指標であって、機構を完全に説明するものではない。き裂感受性は、強度、介在物、旧オーステナイト結晶粒組織、変態生成物、残留応力および実際のH₂S含有環境にも依存する。

2002年にTWIが発表した超マルテンサイト系ステンレス鋼の研究は、HAZの冶金学を腐食と割れが組み合わさった問題として扱っている点で有用である。この研究は、HAZ微細組織を腐食、SCC、SSC、後続の溶接パスによる再加熱および溶接後熱処理（PWHT）と関連付けている。超マルテンサイト系鋼種は、クロムなどの合金元素を添加した低炭素マルテンサイト母相を基本として設計されているが、溶接によって、マルテンサイトの焼戻し、残留または逆変態オーステナイト、フェライトおよび析出物の分布に局所的な変化が生じる可能性がある。これらの変化は、不動態皮膜による腐食挙動と水素助長割れに対する応答の双方を変化させる。

したがって、溶接施工法を承認する前に、供用適格性評価では環境による破損機構を特定すべきである。ISO 15156は、H₂Sを含む環境下での石油・ガス生産に適用される場合、材料選定および割れ抵抗性を扱っている。生産溶接部の評価では、実際の使用媒体中での試験が必要となる場合もある。硬さマップだけではSSC抵抗性を確立できず、影響を受けていない母材で実施した腐食試験によってHAZを代表することもできない。

Grade 91は、高温における同じ原則を示す例であるが、主な懸念は含水環境中のSSCではなく、クリープ損傷である。ASM InternationalおよびEPRIは2016年に、Grade 91が母材HAZ、特に細粒域および二相域でType IV割れを起こしやすいと報告した。模擬熱サイクルにより、二相HAZでのフェライト形成が高温引張強度を低下させ得ることが示された。この例は、より広範な原則を裏付けている。すなわち、溶接金属と影響を受けていない母材がそれぞれの要求事項を満たしていても、狭い範囲の機械的に弱い部分領域が破損を支配する可能性がある。

ステンレス鋼における再加熱およびPWHTの影響

後続の溶接パスは、単に金属を付加するだけではない。その熱サイクルによって、先行するHAZが再加熱される。再加熱域は、焼戻し、部分的な再オーステナイト化、溶体化処理を受けることがあり、あるいは炭化物、窒化物または金属間化合物の析出を促進する温度域に曝されることもある。最終的な状態は、ピーク温度、保持時間、冷却速度ならびに後続パスの数と間隔に依存する。

超マルテンサイト系ステンレス鋼では、再加熱によって硬いマルテンサイトが焼戻され、局所的に軟らかい領域が形成されることがある。一方、より高い再加熱ピーク温度では、冷却時に新たな未焼戻しマルテンサイトが生成する可能性がある。その結果生じる帯状領域は、1パス目のHAZおよび母材の双方とは、腐食電位、硬さおよび水素感受性が異なる場合がある。繰り返しパスによってオーステナイトの安定性と相バランスも変化し得るため、最終的な微細組織を最初の熱サイクルだけから予測することはできない。

PWHTは、さらに別の意図的な熱履歴を加える。焼戻しによって残留応力が低減し、未焼戻しマルテンサイトが軟化することで、割れ感受性の一因が低下する可能性がある。一方で、析出またはクロムの再分配を促進し、不動態皮膜および局部腐食挙動を変化させることもある。したがって、過度な処理や管理の不十分な処理は、あるリスクを別のリスクと引き換えにする可能性がある。適切な熱処理サイクルは鋼種ごとに異なり、施工法認定、金属組織学的検査および、使用環境が要求する場合には環境試験によって検証しなければならない。

温度測定に関する要求事項とPWHTの管理を混同してはならない。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度の測定を規定しているが、溶接後熱処理温度の測定は対象外としている。PWHTには、独自の計装、温度記録および合否判定基準が必要である。ステンレス鋼HAZの評価では、これらの記録を相バランス、析出物、残留応力および該当する腐食または割れ試験と関連付ける証拠を提示すべきであり、硬さ分布の測定だけで終わらせてはならない。

11. HAZの検査および特性評価

空間的に段階変化する熱影響部を特性評価するための相補的手法。
検査方法	明らかにできる事項	重要な限界
マクロエッチング	溶接形状、溶融境界およびおおよその熱影響領域	相同定の方法ではない
光学顕微鏡観察	フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイトおよび結晶粒径の変化	微細な析出物を分解して観察できない場合がある
硬さマッピング	局所的な硬化、軟化および特性勾配	靭性または使用寿命を明らかにするものではない
走査電子顕微鏡または電子線後方散乱回折	微細形態、破面特徴および結晶学的情報	目的に沿ったサンプリングと解釈が必要
クリープまたは環境試験	使用環境に関連する損傷応答	実際の機構および環境に適合させる必要がある

信頼性のあるHAZ検査は、硬さの数値からではなく、溶接部断面から始める。HAZは、溶融することなく溶接熱によって変化した母材であるため、その境界が単一の明瞭な線として形成されることはほとんどない。最高到達温度は溶融境界から離れるにつれて低下する一方、冷却速度も、位置、板厚、継手拘束、入熱およびパス間温度によって変化する。その結果、組織は空間的に連続して変化する。

熱影響部の診断手順

記録鋼種、板厚、溶接形状、パス順序、予熱、パス間温度、入熱量および溶接後熱処理を記録する。
可視化 代表的な横断面とマクロエッチングを用いて、溶融境界と変化した領域の位置を特定する。
同定適切な顕微鏡観察により、相、結晶粒径、析出物およびき裂形態を判定する。
マッピング 未影響母材、熱影響部、溶融境界および溶接金属を横断して硬さを測定する。
試験疑われる破損機構に基づき、靭性、引張、クリープ、疲労、腐食または割れの試験を選択する。

したがって、検査は次の順序で進めるべきである。まず、溶接部の形状および溶接条件を記録し、溶融境界と熱影響領域を明らかにする。次に、相、結晶粒径および変態生成物を同定し、溶接部全体の硬さをマッピングしたうえで、疑われる供用中の破損に対応する機械試験またはき裂試験を選定する。破断、漏洩または予定外の早期停止にHAZが関与している可能性はあるが、き裂経路とその機構が明らかになるまでは、「HAZき裂」と表示すべきではない。

金属組織観察および微小硬さ測定装置を用いて検査されているエッチング済み溶接部断面 — HAZ diagnosis combines cross-sectional structure, hardness mapping and tests matched to the suspected failure.

マクロエッチング、金属組織観察および領域の同定

まず、溶接部を横断する代表的な断面を採取し、両側の未影響母材を含める。板または部材の厚さ、開先形状、パス数とその順序、溶接サイズ、溶接進行方向、予熱、パス間温度、入熱および溶接後熱処理（PWHT）の有無を記録する。これらの情報は、断面を解釈するために必要な熱的背景を与える。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度の測定を規定しているが、PWHT温度の測定は対象としていない。

切断、埋込みおよび研磨の後、マクロエッチングによって、溶接金属、溶融境界、溶込み形状、融合不良、アークストライクおよび熱的に変化した材料のおおよその幅を明らかにできる。エッチャントは、合金と検査目的に適合させなければならない。マクロ組織写真は地図であって、相同定の手法ではない。エッチングによるコントラストは、狭い領域を誇張したり隠したりする可能性があり、単一の断面では、トーチ角度、多層溶接による再加熱または近傍の幾何学的拘束によって生じた非対称性を見落とすことがある。

TWIが説明しているように、一般的な鋼では、最高到達温度と溶接部からの距離に基づき、通常、粗粒域、細粒域、部分変態域または二相域、ならびに焼戻し域または過焼戻し域に分けられる。NISTによるパイプライン用鋼の記述では、粗粒域、細粒域、二相域および過焼戻し域という区分が用いられている。これらの名称は有用であるが、普遍的な物理的境界を示すものではない。粗粒域では、オーステナイト粒成長が生じるのに十分な程度まで上部変態温度域を超えている。細粒域では、より低い温度でオーステナイト化している。二相域では、部分的な変態が生じている。過焼戻し域では、変態温度域未満にとどまり、既存のマルテンサイトまたはベイナイトが軟化している。

その後、金属組織観察は、溶融境界から外側へ、既知の距離ごとに進めるべきである。光学顕微鏡によって、フェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、介在物および目視可能な結晶粒径の変化を確認できる。破面形態、炭化物分布および微細な析出物の観察には、走査電子顕微鏡が必要となることが多い。電子後方散乱回折によって、結晶学的集合組織、適切な合金における旧オーステナイトの再構築、ならびに変形または変態に関連する局所方位差を測定できる。析出物の粗大化が強度を支配する場合、Grade 91のように、透過電子顕微鏡が必要となることがある。

熱履歴は、領域の名称だけの場合よりも重要である。TWIが述べているように、フェライト系鋼のHAZの金属組織と硬さは、主として、変態温度域を通過する際の冷却速度、組成と焼入れ性、および旧オーステナイト粒径に依存する。Δt8/5、すなわち800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間は、これらの温度が適切な場合に実用的な指標となる。NISTのパイプライン報告書は、Δt8/5を入熱、化学成分、溶接部からの距離および肉厚と関連付けている。Δt8/5は、他の材料にもそのまま適用できる材料定数ではない。同じ名称の領域に分類された2点であっても、冷却経路が異なれば、変態生成物が異なる可能性がある。

検査では、機構も区別すべきである。水素誘起割れは、一般に、引張拘束下で、拡散性水素が存在する場合に、割れ感受性の高い硬質なHAZ組織に発生する。凝固割れは、溶接金属が凝固する際に溶接金属中で発生する。ラメラテアリングは、板厚方向の組織と介在物の影響を受けやすい板に沿って進展する一方、液化割れは、結晶粒界または介在物の近傍で局所的な溶融が生じることによって発生する。再熱割れは、応力除去または供用中の加熱時に、感受性のある合金で発生する。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れおよび再熱割れを挙げているが、この一覧だけを根拠に、すべての溶接不連続をHAZき裂とみなすことはできない。

硬さマッピングおよび機械試験

硬さマッピングは、測定方法と測定間隔が報告されていれば、目視可能な組織と局所的な応答を関連付けることができる。未影響母材からHAZ、溶融境界および溶接金属を横断するように圧痕を付け、溶接部が非対称または多層溶接である場合には、追加の測定線を設ける。細粒域または二相域の狭い領域を分解できるよう、十分に小さい荷重と間隔を使用する一方、隣接する圧痕同士の相互作用と端部効果は避ける。Vickers HV0.5またはHV1の測定は、実験室でのマップに適していることが多い。ただし、異なる荷重で得られた値は自動的に互換できないため、使用した硬さスケールを明記しなければならない。

硬さ測定線によって、過焼戻しによる軟化帯、硬質なマルテンサイト域、軟化した二相域または異常な局所的ピークを特定できる。また、初層のHAZと後続パスによって再加熱された領域との違いを明らかにできる場合もある。しかし、硬さは指標であって、特性評価のすべてではない。硬質なHAZは水素割れ抵抗性に乏しい可能性があるが、硬さだけでは、破壊靭性、シャルピー衝撃靭性、疲労き裂進展、応力腐食割れ抵抗性または供用寿命を確定できない。逆に、軟化した領域はクリープ強度を失う可能性があるが、水素割れの発生源となりやすいとは限らない。

機械試験は、懸念される破損に応じて実施しなければならない。シャルピーVノッチ試験は、規定温度における切欠き靭性を評価するが、その吸収エネルギーは平面ひずみ破壊靭性と同等ではない。CTまたはSEN(B)破壊靭性試験片は、規定された拘束条件下でのき裂発生と進展を評価できる。引張試験片によって、降伏強さ、延性および強度の不整合を明らかにできるが、通常の試験片では複数のHAZ領域が平均化される可能性がある。曲げ試験では、重大な融合不良、割れおよび延性上の問題を顕在化させることができる。繰返し荷重、高温長時間使用または環境割れが性能を支配する場合には、疲労試験、クリープ試験および持続荷重割れ試験が必要となる。

Grade 91は、焼戻しマルテンサイト系の耐クリープ鋼であり、Type IV割れは母材側HAZ、特に細粒域および二相域に関連している。ASM InternationalとEPRIによる2016年の報告は、この感受性を明らかにしている。局所的な弱化は、バルク引張試験や、狭い軟化領域を分解できない硬さ測定では見落とされる可能性がある。検査には、旧オーステナイト粒組織、マルテンサイトラスの状態、炭化物およびMX析出物の分布、PWHTの状態、ならびにクリープボイドまたはき裂の位置を含めるべきである。

腐食評価にも、硬さ以上の検討が必要である。TWIによる2002年の超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部に関する検討では、腐食、応力腐食割れおよび硫化物応力割れとの関連においてHAZ組織を調査しており、後続パスによる再加熱とPWHTも含めて検討している。このような合金では、局所的な相バランス、クロムに富む不動態皮膜の安定性、残留応力、水素曝露および焼戻し履歴が性能を支配する可能性がある。

模擬HAZ熱サイクル実験の解釈

模擬HAZ試験片は、通常、Gleeble型熱機械シミュレータなどを用いて、別個の鋼片に制御された熱サイクルを付与することによって作製される。この方法により、実際の溶接に存在する空間的な重なりの影響を受けずに、最高到達温度、加熱速度、Δt8/5、後続パスによる再加熱または付加ひずみなどの変数を、一度に一つずつ研究できる。得られた金属組織は、顕微鏡観察、硬さ試験、引張試験、衝撃試験、クリープ試験または割れ試験によって評価できる。

その価値は、実際の溶接とどの程度一致しているかに左右される。単一の最高到達温度とΔt8/5だけでは、実際の溶接における完全な熱勾配、多軸拘束、水素分布、溶接金属による希釈または再加熱サイクルの順序を再現できない。試験片の寸法も熱流を変化させる。そのため、模擬材料はHAZ全体ではなく、HAZ内のある一点を表している可能性がある。

Grade 91は、この限界を明確に示している。模擬サイクルによって、二相HAZにおけるフェライト生成が高温引張強さを低下させる可能性が示されており、Type IV損傷がその領域に集中する理由の説明に役立っている。この結果は一つの機構を裏付けるものであるが、それだけで溶接圧力部品の供用寿命を予測するものではない。実際の溶接には、残留応力、局所形状、化学偏析、過去の熱履歴およびPWHTのばらつきが加わる。

最も信頼性の高い解釈は、模擬試験と実溶接部の証拠を比較することで得られる。すなわち、測定または計算された熱サイクルを再現し、金属組織と硬さを確認したうえで、疑われる破損に関連する特性を試験する。硬さが一致することは有用な確認となるが、靭性、き裂抵抗、腐食挙動または長期供用性能まで一致することの証明にはならない。

12. 溶接規格および施工要領認定の読み方

溶接規格は、すべて同じ問いに答えるものではありません。技術指針文書は、予熱、パス間温度、入熱、または水素管理対策を推奨することがあります。温度測定規格は、これらの温度をどのように取得し、記録するかを定める場合があります。施工要領認定規格は、提案された溶接施工要領が、規定された範囲内で許容可能な特性を実証したかどうかを判断します。これらの機能を混同すると、推奨された熱管理または測定された温度を、特定のHAZ微細組織の証明として扱うという、よくある誤りにつながります。

HAZは均一な帯状領域ではなく、空間的に段階的に変化する領域です。TWIは、通常の鋼材におけるHAZの下位領域として、粗粒域、細粒域、部分変態域および焼戻し域を挙げ、これらをピーク温度と溶融境界からの距離によって分類しています。NISTによるパイプライン鋼の取扱いでは、これに関連する用語として、粗粒域、細粒域、二相域および過焼戻し域が用いられています。それぞれの位置では、異なるピーク温度、最大オーステナイト粒径、変態経路および冷却速度を経験する可能性があります。

EN 1011-2が規定する事項

EN 1011-2、溶接 — 金属材料の溶接に関する推奨事項 — 第2部：フェライト系鋼のアーク溶接は、フェライト系鋼における溶接性リスクを管理するための指針です。その適用範囲は文言どおりに解釈しなければなりません。すなわち、フェライト系鋼のアーク溶接を対象とし、フェライト系ステンレス鋼は除外しています。したがって、あらゆる鋼種、溶接プロセス、またはステンレス鋼のHAZに適用できる普遍的な規則集ではありません。

この文書は、鋼の化学成分、厚さ、拘束、水素の状態、入熱および予熱を、望ましくない溶接部およびHAZの状態が生じるリスクと関連付けています。その方法は、予熱およびパス間温度に関する判断、ならびに水素誘起割れに関連する冷却挙動の管理を支援します。炭素当量による手法は、焼入れ性および割れ感受性を示すことができますが、認定済みの施工要領や、溶接継手の直接的な検査に置き換わるものではありません。炭素当量の値が類似した2種類の鋼であっても、合金元素のバランス、従前の加工履歴、粒径および変態速度論が異なるため、異なるHAZ組織を形成する可能性があります。

EN 1011-2の実用的な価値は、冶金学を溶接管理へと結び付ける点にあります。予熱温度を高くすると、一般に冷却が遅くなります。入熱が変化すると熱サイクルが変わります。水素管理により、割れに関与し得る拡散性水素の量が減少します。ただし、これらの記述のいずれも、局所ごとのすべての構成相を予測するものではありません。板厚、継手形状、アーク効率、溶接姿勢、または溶接部からの距離が変われば、同じ公称入熱であっても異なるΔt8/5値が生じる可能性があります。

Δt8/5とは、対象とする鋼および変態に対してその温度範囲を適用できる場合における、800 °Cから500 °Cまでの冷却時間です。NISTのパイプライン報告書は、これを入熱、化学成分、溶接部からの距離および管壁厚さと関連付けています。この関係は、WPSの変数とHAZ冶金を結び付ける有用な橋渡しとなりますが、普遍的な換算式ではありません。測定または計算された冷却時間は、鋼種および熱サイクルを考慮して解釈しなければなりません。

また、この指針を、靭性、硬さまたは供用寿命に対する直接的な合否試験として読むことはできません。TWIが説明しているように、フェライト系鋼のHAZ微細組織および硬さは、主として変態域を通過する冷却速度、鋼の化学成分および焼入れ性、ならびに旧オーステナイト粒径に依存します。焼入れ性の高い鋼では、冷却が速いほど、硬質のマルテンサイトまたはベイナイト生成物が増加する可能性があります。冷却が遅い場合は、より軟質の変態生成物が生じやすくなりますが、同時に結晶粒が粗大化したり、強度が変化したりする可能性もあります。許容されるバランスは、設計仕様および供用条件によって決まります。

ISO 13916:2025が測定する事項

ISO 13916:2025の機能は、より限定的かつ明確です。この規格は、融接中に予熱温度、パス間温度および予熱保持温度を測定するための要求事項を規定しています。溶接後熱処理温度の測定は対象としていません。この除外は重要です。予熱管理について認められた熱電対の配置または赤外線測定値によって、PWHTサイクルが要求温度、保持時間または板厚方向の均一性を満たしたことを、自動的に証明することはできません。

この規格は、どの温度を測定しているのか、また溶接中に測定をどのように適用するのかを扱うことにより、温度記録の比較可能性を高めます。施工要領認定においては、溶接士または溶接オペレータが規定された熱管理に従ったことを示す証拠となります。しかし、HAZ硬さを測定したり、粗粒域を特定したり、すべての継手でΔt8/5を直接求めたり、供用中にType IV割れが発生するかどうかを明らかにしたりするものではありません。

したがって、測定位置は工学的判断の一部です。溶融境界から離れた表面温度は、狭いHAZ領域の熱履歴を代表しない可能性があります。同様に、パス間温度の測定値は次のパスの前の状態を記録するものであり、そのパスによって生じたピーク温度の完全な履歴を示すものではありません。後続パスによる再加熱は、先行するHAZ材料を焼戻し、細粒化し、または部分的に変態させる可能性があります。TWIによる2002年の超マルテンサイト系ステンレス鋼溶接部の研究では、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱およびPWHTとの関連で、HAZ微細組織が調査されました。熱記録と金属組織学的結果には関連がありますが、両者は互換的なものではありません。

施工要領の変数とHAZの合否判定を結び付ける

異なる認証記録と試験は、熱影響部に関する異なる種類の証拠を提供する。
証拠の種類	回答できる問い	それだけでは証明できない事項
溶接施工記録	どのような熱的制御と必須変数が用いられたか。	熱影響部の各位置における正確な相混合状態
温度記録	予熱およびパス間温度の限界値は守られたか。	溶接後熱処理の要求事項が満たされたこと
硬さ走査	硬い帯域と軟らかい帯域はどこにあるか。	靭性、クリープ寿命または耐食性
マクロおよびミクロ観察	どの領域、相および欠陥が存在するか。	長期使用性能
機械的または環境試験	継手は関連する特性要求を満たすか。	その他すべての使用中の機構が制御されていること

施工要領認定は、管理可能な変数と、実証された継手特性を結び付けます。WPSには、鋼種、板厚範囲、継手形状、プロセス、溶接材料、予熱、パス間温度、入熱または溶接速度の限界、シールド条件、およびPWHTの有無が示されます。その後、認定記録には実際に使用した値と実施した試験が記録されます。ISO 15614-1のような溶接施工要領試験の該当する認定システムでは、許容範囲外の変更があった場合、HAZが同等のままであると非公式に仮定するのではなく、再認定が必要になることがあります。

合否判定は、管理対象となる破損メカニズムに結び付けなければなりません。硬さ試験は過度に硬いHAZを特定し、水素割れの管理を支援できますが、硬さだけで十分な破壊靭性を証明することはできません。引張試験と曲げ試験は、継手性能の異なる側面を評価します。シャルピー衝撃試験は、規定された位置および温度の試料を評価するものであり、すべてのHAZ下位領域を代表するものではありません。マクロ試験は、溶込み、形状および目視可能な欠陥を明らかにできます。一方、非破壊試験は、金属組織学的には見えない可能性のある不連続部を対象とします。

割れのメカニズムを区別することは不可欠です。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れおよび再熱割れを挙げています。一方、凝固割れは溶接金属中に発生し、ラメラテアリングは板厚方向の変形および介在物に敏感な母材と関連します。あらゆる指示を「HAZ割れ」と呼ぶと、関連する管理方法が不明確になります。水素誘起割れには、水素、焼入れ性、拘束および冷却への注意が必要です。再熱割れは、応力除去または供用中の曝露時に生じる、割れ感受性のある微細組織に関係します。液化割れは、HAZにおける局所的な溶融を伴います。

Grade 91は、認定を公称予熱値だけで終わらせることができない理由を示しています。ASM InternationalおよびEPRIは2016年、Grade 91が母材HAZ、特に細粒域および二相域におけるType IV割れの影響を受けやすいことを報告しました。模擬熱サイクルによっても、二相HAZにおけるフェライトの生成が高温引張強さを低下させ得ることが示されました。施工要領が温度および外観に関する要求事項を満たしていても、適用される仕様でこのリスクが特定されている場合には、対象を絞った硬さ、靭性、金属組織またはクリープ供用に関する評価がなお必要になることがあります。

したがって、正しい読み方は段階的なものです。EN 1011-2はフェライト系鋼の溶接に関する推奨事項を示し、ISO 13916:2025は融接中に規定された温度測定を管理し、認定規格は必須変数の範囲内で実証された合否を定義します。いずれも適用範囲を超えて引用してはなりません。適切な認定では、測定された熱管理を証拠として用い、そのうえで実際のHAZ、製作プロセスおよび供用条件にとって重要な特性を試験します。

13. HAZ診断のための実践的な冶金学的枠組み

材料、溶接プロセス、熱履歴から始める

適切なHAZ診断は、顕微鏡観察の前に始まる。まず、製品仕様、鋼種、ヒート番号、厚さ、納入状態、ならびに過去の溶接または熱処理の有無を確認する。「炭素鋼」という情報だけでは不十分である。ASTM A516 Grade 70、API 5L X65、EN 10025-2 S355J2、ASTM A387 Grade 91、焼入れ焼戻し合金鋼では、同じアーク条件下でも大きく異なるHAZ組織が形成される可能性がある。鋼板または鋼管の方向性、偏析の影響を受けやすい領域、成形履歴、および元の材料が焼ならし、焼入れ焼戻し、熱加工制御、または製作後の焼戻しのいずれの状態にあったかを記録する。

次に、溶接記録を再構築する。SMAW、GMAW、FCAW、GTAW、SAWなどの溶接プロセスを特定し、溶接材料の分類、極性、電流、電圧、溶接速度、ビード寸法、アーク効率、継手形状、パス順序、パス間温度を記録する。予熱、パス間の熱処理、拘束状態、環境への曝露も同じ記録に含める。EN 1011-2はフェライト系鋼のアーク溶接に関する指針を示しているが、その適用範囲にはフェライト系ステンレス鋼が含まれない。したがって、適用可能性を確認せずに、その推奨事項をこれらの材料へ適用してはならない。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度、予熱維持温度の測定を規定しているが、溶接後熱処理温度の測定は規定していない。

中心となる問いは、溶接部が単にどれほど高温になったかではなく、それぞれの位置がどのような熱サイクルを経験したかである。HAZとは、溶融することなく溶接熱によって変化した固体金属の領域である。融合境界の近傍では、ピーク温度によって粗大な旧オーステナイト粒組織が形成される可能性がある。そこから離れるにつれて、より低いピーク温度により、結晶粒が微細化したり、元の組織が部分的に変態したり、すでに硬化または焼入れ焼戻しされた状態が焼戻されたりすることがある。TWIは、従来型鋼のHAZの下位領域を、ピーク温度と溶接部からの距離に応じて、結晶粒粗大化域、結晶粒微細化域、部分変態域または二相域、ならびに焼戻し域として説明している。NISTは、パイプライン鋼のHAZ領域について、これらに近い用語として粗粒域、細粒域、二相域、過焼戻し域を用いている。

距離だけから推定するのではなく、冷却履歴を推定する。適用可能な場合、Δt8/5、すなわち800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間は、溶接部間および位置間を比較するための実用的な指標となる。NISTのパイプラインに関する報告書は、Δt8/5を入熱、鋼の化学成分、溶接部からの距離、肉厚と関連付けている。短い冷却時間は、焼入れ性を有する鋼においてマルテンサイトまたはベイナイトの形成を促進し得る。一方、長い冷却時間では、フェライト、パーライト、または焼戻し反応が進行し得る。したがって、同じ公称入熱であっても、薄板、厚肉管、拘束された継手では異なる組織が形成される可能性がある。

き裂、軟化、硬化、腐食の証拠を分けて評価する

破壊機構を特定する前に、影響を受けた領域をマッピングする。マクロエッチングした断面を用いて融合境界とおおよそのHAZ幅を特定し、次に、き裂、隣接する未影響母材、溶接金属、および必要に応じて複数のパスを通る研磨・エッチング断面を観察する。硬さ分布測定は、融合境界を横切るように、複数の距離および方向で実施する。硬さの最大値は、マルテンサイト域またはベイナイト域を示す可能性があるが、それだけで水素誘起割れの存在が証明されるわけではない。反対に、軟化帯は、二相変態、焼戻し、または過焼戻しを示す可能性があるものの、それが破壊の起点であるとは限らない。

TWIによれば、HAZの組織と硬さは、主として変態温度域を通過する冷却速度、化学成分および焼入れ性、ならびに旧オーステナイト粒径に依存する。これらの変数は総合的に評価しなければならない。粗粒域は、硬さが中程度であっても靭性が低い可能性がある。細粒域または二相域は、より軟質であっても、クリープ荷重下で脆弱になる可能性がある。Grade 91については、2016年に発表されたASM InternationalおよびEPRIの研究が、特に細粒域および二相域における母材HAZのType IV割れを特定している。シミュレーションした熱サイクルにより、二相HAZにおけるフェライト形成が高温引張強さを低下させ得ることが示された。硬さ分布だけでは、この機構を見落とすことになる。

き裂は、位置、形態、発生時期、荷重に基づいて分類する。凝固割れは、最後に残った液相が凝固する際に溶接金属内で発生するものであり、自動的にHAZき裂となるわけではない。液化割れは、融合境界上またはその近傍の局所的な構成相が、溶接または再加熱中に部分的に液化することで形成される。水素誘起割れには通常、拡散性水素、影響を受けやすい硬質組織、引張応力または拘束が必要であり、しばしば遅れき裂として発生する。ラメラテアは、一般的な「硬いHAZ」ではなく、母材中の伸長した介在物に起因する板厚方向のひずみと低い延性に関連する。再熱割れは、影響を受けやすい合金鋼において、溶接後の加熱または使用中の曝露時に発生する。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れ、再熱割れを挙げている。

腐食に関する証拠は、別途検討する必要がある。電解質、温度、電位、汚染物質、カソード防食の状態、残留応力または負荷応力を特定する。狭いHAZ帯では、溶接金属および母材の双方とは異なる相のバランス、炭化物分布、硬さ、または不動態皮膜の応答を示す可能性がある。スーパーマルテンサイト系ステンレス鋼溶接部について、TWIの2002年の研究は、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱、ならびにPWHTとの関係においてHAZ組織を検討した。後続パスの熱サイクルは、先行するHAZを焼戻し、再オーステナイト化し、またはその他の形で変化させる可能性がある。PWHTは、炭化物の析出と局所的な腐食応答を変化させながら、硬さを低下させることがある。

観察された領域から、十分に裏付けられた機構へ

観察結果から機構へ、明確な段階を踏んで進める。第一に、測定した断面上で、き裂、孔食、軟化帯、または破面の起点を示す。第二に、その位置をピーク温度に基づく下位領域および硬さと関連付ける。第三に、光学顕微鏡、SEM、必要に応じてEBSD、X線回折、透過電子顕微鏡により相を同定する。Grade 91およびその他の耐クリープ鋼における炭化物を調べるには、カーボン抽出レプリカまたは分析手法が必要になる場合がある。破面解析では、破壊がへき開、準へき開、延性微小空洞合体、粒界破壊、または環境助長型のいずれであるかを明らかにする必要がある。

次に、関連する寄与条件を検証する。水素を仮説とする場合は、溶接材料の乾燥状態、拡散性水素、予熱、遅れき裂の発生時間、拘束、硬さを測定または記録する。水素チャージ試験または管理された遅れき裂試験により、比較データを得ることもできる。液化割れまたは凝固割れについては、部分溶融した結晶粒界と偏析した構成相を調べる。ラメラテアについては、介在物の形態と板厚方向の延性を検査する。再熱割れまたはType IV割れについては、熱曝露と使用応力を再現し、未影響材料とクリープ特性または応力破断特性を比較する。

最後に、提案した説明を否定し得る試験を用いる。硬さ分布測定を繰り返し、微小化学分析を実施し、対応する試験片を使用環境に曝露し、または管理されたΔt8/5と再加熱を伴う溶接熱サイクルを再現する。目に見えるき裂が証明するのは不連続性であって、原因ではない。硬さのピークが証明するのは局所的な応答であって、破壊モードではない。十分に裏付けられた診断とは、材料の状態、熱履歴、空間的な組織、荷重、環境を結び付け、さらに目的を絞った試験によって検証に耐える診断である。

14. 総括：HAZの冶金学が溶接鋼の性能を左右する理由

空間的に変化する材料としてのHAZ

熱影響部（HAZ）は、予測可能な単一の組織をもつ一つの帯状領域ではない。これは、溶融することなく溶接熱によって変化した母材の部分であり、溶融境界からの距離に応じて、その状態が連続的に変化する。ピーク温度、温度保持時間、冷却速度、溶接前のミクロ組織および再加熱によって、それぞれの微小体積が受ける熱履歴は決まる。そのため、わずか数ミリメートルしか離れていない2つの位置でも、異なる相、結晶粒径および残留応力を有する場合がある。

通常の鋼では、TWIはピーク温度と溶接部からの距離に基づき、HAZを粗粒域、細粒域、部分変態域および焼戻し域に分類している。粗粒域は溶融境界に最も近く、オーステナイト結晶粒の成長を生じさせるのに十分な高温に達する。その粗大な旧オーステナイト結晶粒は、不利な変態生成物の形成を促進し、特に冷却が十分に速く、硬質ベイナイトまたはマルテンサイトが形成される場合には、衝撃靭性を低下させる可能性がある。より遠方に位置する細粒域では、より低いピーク温度でオーステナイト化が起こり、通常はより微細な旧オーステナイト結晶粒が形成される。この微細化は靭性を改善し得るが、化学成分や冷却速度の影響を取り除くものではない。

インタークリティカル域、すなわち部分変態域は、下限臨界温度と上限臨界温度の間で加熱される。元の組織の一部だけがオーステナイトになる。冷却時には、変態した部分が周囲の材料より硬くなる可能性がある一方、未変態フェライトまたは焼戻し組織は、異なる強度と延性を保持する。溶接部からさらに離れた位置にある焼戻し域または過焼戻し域では、完全なオーステナイト化に至らないまま、軟化、析出物の粗大化、または析出強化の低下が生じることがある。

National Institute of Standards and Technologyによるパイプライン用鋼の記述では、これに関連する用語として、粗粒域、細粒域、インタークリティカル域および過焼戻し域が用いられている。これらの名称は熱履歴の位置を特定するのに役立つが、性能の分類ではない。支配的な変数は完全な熱サイクル、特に変態温度域を通過する際の冷却である。TWIは、HAZのミクロ組織と硬さは、主としてその温度域を通過する冷却速度、鋼の化学成分と焼入性、および旧オーステナイト結晶粒径に依存すると述べている。実用上のパラメータであるΔt8/5、すなわち800 °Cから500 °Cまで冷却するのに要する時間は、フェライト系鋼ではこの熱サイクルの部分を表すことが多い。NISTは、Δt8/5が入熱量、化学成分、溶接部からの距離および板厚に依存することに注意を促している。これは有用な記述子ではあるが、熱サイクル測定に代わる普遍的な指標ではない。

強度、靭性、延性および耐食性のトレードオフ

溶接継手は引張強さの要求を満たしていても、破壊を支配するHAZを含んでいる可能性がある。急速冷却によってマルテンサイトまたは硬質ベイナイト組織が形成されると、局所強度は増加するが、拡散性水素と拘束が存在する場合には、水素誘起割れに対する感受性も高まる。冷却を遅くすれば硬さと水素割れのリスクを低減できるが、過大な入熱または高温への長時間の曝露によって、結晶粒が粗大化し、HAZが軟化し、または靭性が低下する可能性がある。予熱は冷却サイクルを変化させるが、それだけで安全なミクロ組織が保証されるわけではない。

強度と靭性は、結晶粒径および変態生成物を介して相互に競合する。一般に微細結晶粒は脆性破壊に対する優れた抵抗性をもたらす一方、粗大結晶粒は延性・脆性遷移温度を上昇させる可能性がある。軟質なインタークリティカル域または過焼戻し域は、局所的に大きな延性によってひずみを吸収できるが、引張荷重または繰返し変形の下では最も弱い部分になり得る。クリープ耐性鋼では、析出物の分布やサブグレイン構造のわずかな変化が長期強度を支配し得るため、この問題はさらに深刻になる。

Grade 91は、「HAZは硬い」という一般的な説明が不十分である理由を示している。ASM InternationalおよびEPRIが2016年にまとめた会議録では、特に細粒域およびインタークリティカル域における母材HAZのType IV割れが特定されている。シミュレーションした熱サイクルにより、インタークリティカルHAZにおけるフェライト形成が高温引張強さを低下させ得ることが示された。したがって、破壊位置は単に最も高温になった領域に関連するのではなく、部分変態、弱化したクリープ組織、応力および使用温度の特定の組合せに関連している。

割れの機構も区別して扱わなければならない。ESDEPは、構造用鋼における主要な溶接性の問題として、HAZ液化割れ、水素誘起割れおよび再熱割れを挙げている。凝固割れは溶接金属が凝固する際に発生するが、隣接するHAZの液化では、低融点成分または析出物に富む粒界が関与することがある。ラメラテアリングは、主として、伸長した介在物を含む感受性のある鋼板に板厚方向のひずみが作用することで生じるものであり、水素割れと同一視することはできない。再熱割れは、感受性のあるミクロ組織と残留応力が相互作用する際に、応力除去処理中または使用中の曝露によって発生する。すべての溶接不連続を「HAZ割れ」と呼ぶと、必要な防止方法が不明確になる。

腐食はさらに別の要因を加える。HAZの変態によって、局所的なガルバニック差、クロム欠乏領域または析出物の影響を受けた領域、硬さ勾配、および残留引張応力が生じることがある。スーパーマルテンサイト系ステンレス鋼の溶接部について、TWIの2002年の研究は、腐食、応力腐食割れ、硫化物応力割れ、後続パスによる再加熱および溶接後熱処理（PWHT）との関連でHAZのミクロ組織を検討した。後続の溶接パスは、ある領域を焼戻す一方で、別の領域をインタークリティカル状態まで再加熱する可能性がある。PWHTは残留応力を低減し、硬質組織を焼戻すことができるが、析出挙動や腐食応答を変化させることもある。塩化物、サワー環境の生産流体、水素、温度および作用応力から成る使用環境が、どの弱点が決定的になるかを左右する。

妥当なHAZ評価が答えるべき問い

信頼できる評価は、一般的なHAZ幅ではなく、実際の溶接施工要領から始めなければならない。EN 1011-2は、フェライト系ステンレス鋼を除くフェライト系鋼のアーク溶接を対象とし、入熱量、予熱および水素管理に関する指針を示している。ISO 13916:2025は、融接中の予熱温度、パス間温度および予熱維持温度の測定を規定しているが、PWHT温度の測定は対象としていない。これらの範囲が重要なのは、記録された温度管理と実際のPWHTが別個の証拠だからである。

金属組織学的検査では、溶融境界を特定し、各熱サブ領域、結晶粒径および変態生成物を同定すべきである。硬さ分布測定では、HAZの値を1つ報告するのではなく、溶接金属、粗粒域、細粒域、インタークリティカル域および過焼戻し域を横断すべきである。靭性試験は重要位置と使用温度を代表するものでなければならず、引張試験、クリープ試験または曲げ試験では、軟化域と板の異方性を考慮すべきである。熱サイクルの推定では、入熱量、板厚、化学成分、拘束およびΔt8/5の前提条件を明示すべきである。

最終的な判断では、組織を破壊機構および環境と結び付けなければならない。次の点を確認すべきである。

評価対象となっているHAZの領域はどこであり、溶融境界に対してどの位置にあるか。
最初の熱サイクルおよび再加熱中に、どのような変態が生じたか。
硬さ分布は、マルテンサイト、ベイナイト、焼戻し、軟化、または局所的な不均一を示しているか。
指定された使用温度および負荷速度において、靭性は十分か。
どの割れ機構が妥当か。水素誘起割れ、液化割れ、凝固割れ、ラメラテアリング、再熱割れ、またはType IV割れのいずれか。
HAZには、どのような腐食、水素、塩化物または硫化物への曝露が作用するか。
受入れを規定する適用規格、施工要領承認および測定方法はどれか。

HAZの挙動は、化学成分、溶接前のミクロ組織、熱サイクル、拘束、再加熱および使用環境の複合的な結果である。単一のHAZ名称だけで、溶接鋼の性能を予測することはできない。

参考文献

[1]ASM International, Electric Power Research Institute. Grade 91 Type IV cracking and simulated HAZ thermal cycles. ASM International and EPRI proceedings, 2016. https://www.asminternational.org/
[2]TWI. Supermartensitic stainless-steel weld HAZ microstructures and environmental cracking. TWI study, 2002. https://www.twi-global.com/