多層盛りにおける層間温度管理とビード形状の平滑化テクニック

多層盛りにおける層間温度管理とビード形状の平滑化テクニック

多層盛りにおける層間温度管理とビード形状の平滑化テクニック

厚板溶接や高強度鋼の施工において、多層盛り（マルチパス）溶接は避けて通れない技術である。しかし、単にパスを重ねるだけでは、スラグ巻き込み、ポロシティ、ブローホール、そして最悪の場合は著しい靭性低下や溶接割れを引き起こす。

本記事では、次のパスを重ねる前に前層のビード形状をどう整えるか、そして冶金学的・実務的な観点から層間温度をいかに制御すべきか、現場の最前線で培った実践的ノウハウを網羅的に解説する。

1. 基礎知識：多層盛りにおけるメカニズムとリスク

層間温度（Interpass Temperature）の定義と重要性

層間温度とは、多層盛り溶接において、次のパスを置き始める直前の母材（または直前の溶接金属）の温度を指す。

温度が高すぎる場合（過熱状態）： 溶接熱影響部（HAZ）の結晶粒が粗大化し、衝撃値（靭性）が著しく低下する。また、高温割れ（凝固割れ）の危険性が跳ね上がる。
温度が低すぎる場合（冷却不足・予熱不足状態）： 尤其是高張力鋼（HT590〜780級）や低合金耐熱鋼において、急冷によるマルテンサイト変態が促進され、水素誘起割れ（遅れ割れ）の原因となる。

ビード形状の乱れが引き起こす物理的欠陥

多層盛りで最も恐れるべきは、「溶け込み不良」と「スラグ巻き込み（アンダカット部の隠蔽）」である。
前層のビード表面が波立っていたり、極端な凸形状（ロージング）を描いていたり、あるいはアンダカットが深く刻まれていると、次パスの溶融金属がその隙間にスムーズに行き渡らない。結果として、微細なスラグやガスが閉じ込められ、非破壊検査（RTやUT）で確実に弾かれる致命傷となる。

2. 現場での実践：ビード平滑化とグラインダー処理の極意

美しい積層と健全な溶接部を作るための第一歩は、「前層のプロファイル（形状）修正」にある。

グラインダー処理の基本原則

「グラインダーをかければかけるほど良い」というのは素人の発想である。過剰な削り込みは母材の断面積を減らし、溝（グルーブ）の形状を狂わせる。

使用する砥石の選択： 荒削りにはオフセット砥石（粒度#36〜#46）、形状の微調整やスラグ・酸化皮膜の除去にはディスクペーパー（ジルコニア系、粒度#60〜#80）を使用する。
削るべき箇所：
ビード端部（トウ部）の急峻な段差。
スラグの噛み込みが疑われる窪み。
前層で発生したハンモック状の極端な凹凸。
プロファイルの整形： 溝の底面は、次パスの溶極（TIGのワイヤ、MAG/CO2のワイヤ、被覆アークの棒）が確実に底まで届くよう、緩やかなU字またはV字の谷を形成する。鋭角なV溝の底は絶対に避ける。

運棒（ウィービング・ストリンガー）のコントロール

次層を置く際の運棒技術が、グラインダーの手間を最小限にする。

ストリンガービード（直線運棒）の活用： 多層盛りの基本はストリンガーである。ウィービング（振幅）を大きくしすぎると、ビード中央が盛り上がり、両端がアンダカット気味になるため、層間形状が悪化する。
ステップダウン・マルチパスの狙い位置：
2層目以降は、前層のビードの「肩（ショルダー）」部分にアークを集中させる意識を持つ。
パスを重ねるごとに中心を少しずつずらす（千鳥配置）ことで、全体としての平滑性を保つ。

3. 施工パラメータと管理基準

現場で直ちに適用すべき具体的な数値データを以下に示す。

典型的な溶接条件の目安（軟鋼・50キロ級高張力鋼 / 下向き・水平姿勢）

層間温度の管理手法

測定器の指定： 接触式温度計（熱電対式）または放射温度計を使用する。チョーク式の温度指示材（サーモクレヨン）は油分汚染の原因になるため、重要構造物では使用を避ける。
管理幅の例（JIS Z 3700 / ISO 13916準拠）：
一般構造用鋼 (SS400等): 上限 250℃〜300℃（極端な加熱を避ける程度）
高張力鋼 (HT780等): 下限 100℃以上 / 上限 175℃〜200℃厳守（靭性維持のため）
冷却管理： 温度が上限を超えた場合は、空冷または強制空冷（圧縮エア等。水冷は急冷による割れを誘発するため厳禁）を行い、規定温度まで下げてから次のパスを開始する。

4. 専門的知見：冶金学的アプローチと規格の要求事項

組織制御（リファイニング効果）

多層盛り溶接の最大のメリットは、「後続パスの熱による前層（溶接金属およびHAZ）の焼なまし（リファイニング・再結晶）」にある。

1. 柱状晶の破壊： 1パス目で凝固した粗大な柱状晶組織は、2パス目のアーク熱によってオーステナイト化温度（$A_c3$点以上）に加熱され、冷却時に細粒のフェライト・パーライト（またはベイナイト）組織へと変態する。
2. 硬さの均一化： 急冷によって硬化したゾーンが焼戻され、延性と靭性が回復する。この冶金学的な恩恵を最大限に受けるためには、各パスの溶け込み深さと重なり幅（オーバーラップ率：通常30〜50%）を均一に保つ必要がある。

5. トラブルシューティング：現場で起きる不具合と即効対策

症状A：ビード中央の極端な盛り上がり（ロージング）により、次パスでスラグが噛み込む

原因： 電流が低すぎる、またはウィービングの際に両端での停滞時間が短く中央で溜まっている。
対策：

1. 電流を10〜15%上げ、アークの掘り込み（ペネトレーション）を広げる。
2. 運棒をストリンガー（直進）基調に変更するか、両端で少しウェルト（揺らし）を入れるように修正する。
3. すでに盛り上がった部分は、必ずグラインダーで平滑にフラット化してから次パスへ進む。

症状B：多層盛りの途中でポロシティ（巣）が連続発生する

原因： 前層のグラインダー処理時に残った削りかす（金属粉）や、表面に付着した油分・水分が閉じ込められている。あるいは、層間温度が高すぎてシールドガスが熱対流で乱れている。
対策：

1. グラインダー処理後は、アセトンや専用クリーナーで完全に脱脂・清掃を行う（エアブローの水分・油分混入にも注意）。
2. 層間温度が高すぎる場合は、規定温度まで十分に冷却時間を取る。
3. シールドガスの流量（MAG/CO2の場合は20〜25 L/min）を確認し、風の影響（ドラフト）がないか遮光カーテン等で養生する。