異材溶接におけるガルバニック腐食抑制：WPS・PQR策定の実践的ガイド
炭素鋼（CS）とステンレス鋼（SS）の異材溶接は、化学プラント、発電設備、建築構造物において避けて通れない接合形態である。しかし、この接合部には「電位差による電食（ガルバニック腐食）」および「希釈による組織脆化」という二重のリスクが潜む。本稿では、溶接管理技術者の視点から、これらを制御するためのWPS（溶接施工要領書）の作成指針を詳説する。
1. 異材溶接における冶金学的課題とメカニズム
電位差とガルバニック腐食の原理
異種金属が電解質溶液中で接触すると、卑な電位を持つ金属（炭素鋼）がアノードとなり優先的に腐食する。溶接部においては、溶着金属の成分が希釈により化学組成が変化し、局所的な電位差が生じることで、溶接止端部や熱影響部（HAZ）における激しい腐食（選択的腐食）を誘発する。
希釈率（Dilution）の制御
異材溶接では、母材（CSおよびSS）が溶融池に混入する「希釈」が発生する。特に炭素鋼側の鉄（Fe）成分が多量に溶け込むと、溶着金属中のクロム（Cr）やニッケル（Ni）濃度が低下し、本来の耐食性が損なわれる。
- リスク: 希釈により溶接金属が「マルテンサイト組織」となり、硬化・脆化および応力腐食割れ（SCC）感受性が著しく増大する。
2. WPS策定における技術的制限事項
WPSを作成する際は、希釈率を最小化し、かつ適切なフェライト量を確保する設計が求められる。
① 溶接材料（溶加材）の選定
通常、炭素鋼とオーステナイト系ステンレスの接合には、高合金系の溶加材を使用する。
- 推奨材料: JIS Z 3321 Y309L / Y309LSi
- 理由: 炭素鋼側の希釈を考慮し、あらかじめCr・Ni成分を高めた「309系」を用いることで、希釈後もオーステナイト＋フェライトの二相組織を維持し、耐食性と割れ感受性を抑制する。
- 制限事項: 308系（SS同士の溶接用）は使用禁止とする。希釈により組織がマルテンサイト化し、溶接割れのリスクが極めて高いためである。
② ルートパスの施工条件（希釈制御の要諦）
希釈率は溶込み深さに直結する。以下のパラメータ管理が必須となる。
- 入熱量（Heat Input）の制限: 過大な入熱は母材の溶融量を増大させる。低電流・高速度の「細いビード」を意識する。
- 溶接姿勢とアーク長: 炭素鋼側にアークを向けすぎない「ステンレス側への偏心」を指示書に明記する。炭素鋼側の溶融量を意図的に減らすテクニックである。
- 開先形状: U形よりもV形の方が溶込み制御が容易な場合が多いが、ルートギャップ管理は厳格に行う（ルートギャップが広いと希釈率が不安定化する）。
3. 実務における品質保証と評価（PQR）
JIS Z 3411（ISO 15614-1）に基づく確認
異材溶接は、PQRにおいて「異なる材料グループ間の溶接」として認定範囲（Range of Qualification）を確認する必要がある。
- 引張試験: 異材溶接では強度の低い方の母材（通常は炭素鋼）で破断することを確認する。
- 曲げ試験: 溶接金属の延性を評価する。希釈によるマルテンサイト生成がある場合、曲げ試験で割れが発生する。
- マクロ組織試験: 断面のマクロエッチングを行い、溶込み形状および希釈状況を視覚的に確認する。
- 硬さ試験（ビッカース硬さ）:
- 許容基準: 溶接金属およびHAZにおいて、一般的にHV350以下（環境によりHV250以下）を目標とする。これを超える場合は、溶接条件（入熱）の見直しまたは予熱・パス間温度管理を再設定する。
4. 現場でのトラブル対策：チェックリスト
現場での施工管理において、以下の項目が遵守されているかを確認する。
| 項目 | 管理指針 | 理由 |
| :— | :— | :— |
| 開先清浄 | 油分・錆・湿気の完全除去 | 水素誘起割れおよび溶接欠陥の防止 |
| 予熱管理 | 炭素鋼側の厚みに応じて設定 | 急冷による硬化防止（※ただし過予熱は希釈を助長するため注意） |
| パス間温度 | 150℃以下を厳守 | 熱履歴による鋭敏化および組織脆化の抑制 |
| ルートパスのパス数 | 可能な限り多層盛り | 第1層目の希釈を後続の層で希釈（再溶融）させないための工夫 |
5. 冶金学的な裏付け：シェフラーの状態図の活用
WPSを作成する際、溶接エンジニアはシェフラーの組織図（Schaeffler Diagram）を必ず参照すること。
1. クロム当量・ニッケル当量の算出: 母材と溶加材の化学成分から、希釈率（仮に20〜30%を想定）を乗じ、溶着金属の組成をプロットする。
2. フェライト量（FN）の予測: 組織図上で「オーステナイト＋フェライト」の領域（通常フェライト量5〜15%）に入ることを確認する。
3. 判定: この領域から外れる場合、溶加材の変更（より高ニッケルなものへ）または希釈率を抑える溶接条件への変更を即座に行う。
異材溶接における品質は、施工時の「希釈の物理的制御」と「溶着金属の化学的設計」のバランスで決定される。規格（ISO/ASME/JIS）はあくまで最低基準であり、実務ではこれら冶金学的な裏付けを基にした、余裕を持った工程設計こそが、経年劣化を防ぐ唯一の手段である。