高張力鋼板の積層溶接における『パス間温度』管理と熱負荷評価の最適化
高張力鋼（HT鋼）の溶接において、単なる「入熱管理」だけでは品質は担保できない。特に厚板の多層盛り溶接では、先行するパスによる熱履歴が次層の熱影響部（HAZ）に累積し、組織の粗大化と靭性低下を招く。本稿では、炭素当量による感受性評価とパス間温度の連動性を、冶金学的な裏付けを持って解説する。
1. 基礎知識：炭素当量（Ceq/Pcm）が意味するもの
溶接性の評価には、鋼材の化学成分から算出される「炭素当量」を用いる。これは、溶接時に生じる焼入れ硬化性や割れ感受性を炭素量に換算して評価する指標である。
炭素当量計算式
- Ceq (JIS規格等で一般的): $Ceq = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Si}{24} + \frac{Ni}{40} + \frac{Cr}{5} + \frac{Mo}{4} + \frac{V}{14}$
- 主として硬化性と低温割れ感受性を評価する。
- Pcm (低炭素鋼・高張力鋼で重要): $Pcm = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn}{20} + \frac{Cu}{20} + \frac{Ni}{60} + \frac{Cr}{20} + \frac{Mo}{15} + \frac{V}{10} + 5B$
- 炭素含有量が0.18%以下の低炭素系高張力鋼において、溶接割れ感受性をより精密に予測する。
【技術的要諦】
Ceqが高いほど、冷却過程でマルテンサイト組織が生成しやすく、硬化による「低温割れ」のリスクが増大する。一方、Pcmは溶接部の水素割れ感受性に直結するため、高張力鋼の溶接施工要領書（WPS）作成時には、まずPcmを確認し、予熱・パス間温度を決定するのが鉄則である。
2. 冶金学的メカニズム：熱負荷がHAZ靭性に与える影響
多層盛り溶接では、先行する溶接ビードが後続のビードによって「再加熱」を受ける。この際、以下の二つの相反する現象がHAZで発生する。
1. 組織の粗大化（脆化要因）:
高温域（1,100℃以上）に長時間さらされると、オーステナイト粒が粗大化し、冷却後に靭性の低い粗大なフェライト・パーライト組織やベイナイトが生じる。
2. 焼き戻し効果（改善要因）:
後続パスの熱が先行パスのHAZを「焼き戻し」することで、硬化した組織が軟化し、靭性が向上する場合がある。
【課題】
累積熱負荷が過大になると、焼き戻し効果よりも組織粗大化の悪影響が勝り、破壊靭性値（CTOD値等）が急激に低下する。これを防ぐための制御パラメータが「パス間温度」である。
3. 現場での実践：パス間温度管理の最適化
パス間温度（Interpass Temperature）は、溶接施工において「過度な予熱」と「冷却速度」のバランスを決定する最も重要な管理項目である。
パス間温度管理の具体的アプローチ
- 上限管理の徹底: 高張力鋼（特にTMCP鋼）では、過度な入熱と高いパス間温度は、HAZ軟化を招き、継手強度の低下を招く。一般的に200℃〜250℃以下に抑えるのが推奨される。
- 温度測定ポイント: 溶接線から板厚の2倍、または25mm以上離れた位置で測定する。多層盛りの場合、常に最終層の溶接直前、かつ溶接線近傍の温度を測定することが必須である。
- 冷却管理: 厚板では予熱を必須とするが、冷却が遅すぎるとHAZの粗大化を助長する。適正な入熱量（kJ/cm）とパス間温度をセットで管理し、「冷却速度の制御」を行うことが重要である。
推奨施工パラメータの考え方
| 鋼種 | 炭素当量(Pcm) | 推奨予熱温度 | 推奨パス間温度 |
| :— | :— | :— | :— |
| 490MPa級 | < 0.18 | 50℃〜 | 100〜200℃ |
| 590MPa級 | 0.18 - 0.22 | 100℃〜 | 150〜200℃ |
| 780MPa級 | > 0.22 | 150℃〜 | 150〜200℃ |
4. トラブル対策：現場で直面する課題と解決策
ケースA：HAZの硬度上昇による割れ
- 原因: 冷却速度が速すぎる（入熱不足、またはパス間温度の未確保）。
- 対策: 予熱温度を上げ、パス間温度の下限値を引き上げる。また、低水素系溶接材料の使用と、管理された乾燥状態（250〜300℃で1〜2時間）を遵守する。
ケースB：HAZの靭性不足（衝撃値の低下）
- 原因: 入熱過多、または高いパス間温度での長時間保持による組織粗大化。
- 対策:
- パス数の増加: 1パスあたりの入熱を抑え、パス数を増やす（多層盛り化）。
- ウィービングの制限: ストリンガー（直線）溶接を基本とし、熱集中を避ける。
- パス間温度の上限管理: 測定を厳格化し、必要に応じて強制空冷（※急冷は不可）を行い温度を下げる。
5. 規格・基準の解釈（JIS Z 3106 / ISO 17660等）
溶接施工における温度管理は、JIS Z 3106（鋼溶接構造物の試験方法）やISO規格に基づき、WPS（溶接施工要領書）として文書化しなければならない。
- PQR（溶接施工法確認試験）の重要性: 実際の施工で用いる「最大入熱」および「最大パス間温度」条件で試験を行い、靭性（シャルピー吸収エネルギー）を確保できることを証明しなければならない。
- 累積熱負荷の評価: 近年では、入熱とパス間温度を積算した「熱入力パラメータ」による管理が主流となっている。特に合金元素を多く含む高張力鋼では、焼き戻し脆化や組織変化を考慮し、パス間温度の上限値をPQRの範囲内に厳格に収める必要がある。
【技術アドバイザーの視点】
現場では「温度計を当てるだけ」の形骸化した管理が散見される。しかし、鋼材の成分（Ceq）がロットごとに変動する可能性があることを念頭に置くべきである。ミルシートを確認し、Ceqが高いロットについては、パス間温度の下限を上げ、上限を厳しく管理するという「成分に応じた柔軟な運用」こそが、トップレベルの調達・加工管理である。