海水環境下におけるアルミニウム青銅溶接部の選択腐食（脱アルミニウム）防止策

海水環境下におけるアルミニウム青銅溶接部の選択腐食（脱アルミニウム）防止策

海水環境下におけるアルミニウム青銅溶接部の選択腐食（脱アルミニウム）防止策

アルミニウム青銅（洋銀系・アルブロンズ）は、その優れた機械的強度、耐海水性、耐摩耗性から、造船、海洋構造物、海水配管、熱交換器のチューブシートなどに不可欠な材料である。しかし、海洋環境やプラント配管という過酷な現場において、アルミニウム青銅の溶接部から発生する選択腐食（脱アルミニウム現象）は、プラントの寿命を縮める重大なトラブルの温床となる。本稿では、溶接金属中のアルミニウム（Al）含有率が腐食電位に与える影響の冶金学的メカニズムを解き明かし、現場の調達・製造部門が直面するトラブルを防ぐための溶接材料の選定基準、および入熱管理（極間電圧・電流・速度）による希釈率の最適化について、実務データに基づき徹底的に解説する。

1. 基礎知識：アルミニウム青銅の特性と脱アルミニウムのメカニズム

アルミニウム青銅の組織と分類

アルミニウム青銅は、銅（Cu）にアルミニウム（Al）を主合金元素（通常4〜11mass%）として添加した銅合金である。さらに、強度や耐食性を向上させるために鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、マンガン（Mn）が添加されることが多い。 JIS規格における代表的な材料としては、以下が挙げられる。

JIS CC401K（旧CAC701）: 鋳物用アルミニウム青銅鋳物（Al: 9.0〜11.0%）
JIS C6161 / C6191: 鍛造用・板用のアルミニウム青銅

組織学的には、Al含有量や熱履歴により$\alpha$相（固溶体）、$\beta$相（高温相）、およびAlに富んだ硬くて脆い$\gamma_2$相（$\text{Cu}_9\text{Al}_4$）が析出する。特に $\gamma_2$ 相の存在が、耐食性における最大のリスクファクターとなる。

脱アルミニウム（Dealuminification）の電気化学的メカニズム

海水環境下において、アルミニウム青銅の溶接部に発生する選択腐食は「脱アルミニウム」と呼ばれる。これは亜鉛合金における「脱亜鉛現象」と類似のメカニズムで進行する。 1. 腐食電位の不均一性: 組織内の $\alpha$ 相と $\gamma_2$ 相（または $\beta’$ 相）の間には電位差が存在する。特にAl含有量の高い $\gamma_2$ 相は、$\alpha$ 相に対して卑（アノード）な電位を示す。 2. 選択溶解: 海水（電解質溶液）中では、卑な $\gamma_2$ 相が優先的に溶解し、アルミニウムがイオンとして溶出する（$\text{Al} \to \text{Al}^{3+} + 3e^-$）。 3. 多孔質銅層の残留: アルミニウムが溶出した後には、スポンジ状の脆弱な純銅（または銅リッチな）の多孔質層が残留する。 4. 構造的崩壊: この多孔質層には機械的強度が全くなく、海水流動によるエロージョンやわずかな応力によって容易に剥離・崩壊し、漏水や破断事故を引き起こす。

2. 冶金学的アプローチ：Al含有率と腐食電位の相関

溶接金属におけるAl含有率のクリティカルライン

耐海水性を維持するためのアルミニウム青銅のAl含有率は、母材および溶接金属ともに 8.5% 以下 に制御することが冶金学的な鉄則である。

Al < 8.0%: 単相 $\alpha$ 組織となりやすく、選択腐食の起点となる $\gamma_2$ 相の析出が抑制されるため、耐食性が極めて高い。
Al > 9.5%: 組織中に $\gamma_2$ 相やマルテンサイト状の $\beta’$ 相が顕著に現れ、海水中の酸素や塩素イオンによる選択腐食の速度が飛躍的に増大する。

溶接における組織変化と希釈（Dilution）の罠

母材のAl含有率が適正（例: 8.0%）であっても、溶接時に不適切な溶接材料の選定や過大入熱を行うと、母材が過度に溶け込み（希釈）、溶接金属全体の化学組成バランスが崩れる。特に多層盛溶接においては、熱サイクルによって再加熱された部位に $\gamma_2$ 相が選択的に析出する「感化組織（Sensitized zone）」が形成され、これが耐食性の弱いパス間割れや溝状腐食（Weld decay）の原因となる。

3. 実践的対策1：最適溶接材料の選定基準

脱アルミニウムを防止するための第一歩は、適切な溶加材（溶接棒・ワイヤ）の選定である。JIS規格およびAWS（米国溶接協会）規格に準拠した選定を行う必要がある。

推奨される溶加材

海水配管や造船分野におけるアルミニウム青銅のTIG溶接（GTAW）またはMIG溶接（GMAW）では、以下の組成を持つ溶加材が選択される。

JIS Z 3233 該当品 / AWS A5.7 ERCuAl-A2 （または ERCuNiAl）
特徴: NiおよびFeを適量（通常、Ni: 4.0〜5.5%、Fe: 3.0〜5.0%）含有するタイプ。
選定理由: ニッケルを加えることで $\gamma_2$ 相の析出を遅延・抑制し、組織を微細化する。また、強靭な保護皮膜（酸化被膜）を形成するため、海水流速に対する耐エロージョン・コロージョン性が飛躍的に向上する。

規格（AWS）	化学成分の目安（%）	適用母材	主な用途

:— | :— | :— | | ERCuAl-A2 | Al: 9.0-11.0, Fe: 1.5ﾏﾃﾞ | C61300, C61400 等 | 一般耐食・耐摩耗部 | | ERCuNiAl | Cu-Al9-Ni5-Fe4 | C63200, C95800 等 | 海水環境・船舶用（推奨） |

4. 実践的対策2：溶接条件の制御による希釈率の最適化

現場の施工において、母材からの成分移行（希釈率）をコントロールすることは、溶接部の耐食性を担保する上で極めて重要である。希釈率は以下の式で表される。 $$\text{希釈率（\%）} = \frac{\text{母材の溶け込み断面積}}{\text{溶接金属の総断面積}} \times 100$$ 耐海水性溶接部を得るためには、希釈率を 20% 〜 30% 以下 に抑えることが求められる。

溶接施工パラメータの具体例（TIG溶接の場合）

母材厚さ 10mm のアルミニウム青銅板（JIS C6161）を多層盛で突き合わせ溶接する場合の推奨条件を以下に示す。過大入熱は $\gamma_2$ 相の粗大化と析出を促進するため厳禁である。

溶接方法: 自動/半自動 TIG溶接（ACまたはDCEP、一般には安定した酸化被膜破壊作用を持つ交流高周波重畳が多用されるが、直流パルスも有効）
シールドガス: 100%アルゴン（Ar）、またはアルゴン＋ヘリウム（He）混合ガス（流量: 15〜20 L/min）。バックガスの封入も裏面側の酸化を防ぐために必須。
パス間温度（Interpass Temperature）: 150℃以下 に厳守する。
*理由*: パス間温度が高すぎると、冷却速度が遅くなり、脆く腐食に弱い $\gamma_2$ 相が析出する温度域（500〜700℃付近）に滞留する時間が長くなるため。
電流・電圧の目安（ルートパス）:
電流: 140A 〜 170A
極間電圧: 12V 〜 15V
溶接速度: 100mm/min 〜 150mm/min
ウィービング幅: ビード幅の過度な拡大は避ける（ストリンガービードの推奨）。幅広のウィービングは入熱量を増大させ、母材の過剰な溶け込み（希釈）を招く。

5. 検査・品質保証と規格の確認

調達担当者および品質管理エンジニアが、納入前・施工後に確認すべきJIS/ISO規格および非破壊検査のポイントを整理する。

品質確認のための非破壊検査（NDT）と腐食試験

1. 浸透探傷試験（PT）: 溶接部の表面割れ、特に熱影響部に発生する微細な割れの検出。 2. X線透過試験（RT）: 内部欠陥（ブローホール、融合不良）の確認。アルミニウム青銅は溶融時に水素ガスを巻き込みやすいため、ブローホールが発生しやすい。 3. 耐食性確認試験（加速腐食試験）:

実機環境が極めてシビアな場合、ASTM G66（アルミニウム合金の exfoliation 腐食テストに準ずる試験）や、塩水噴霧試験（JIS Z 2371）、あるいは電位差測定による不動態皮膜の安定性評価を実施し、選択腐食に対する抵抗性を定量的に評価する。

現場の要点まとめ

海水環境におけるアルミニウム青銅溶接の最大の敵は、電位差により生じる脱アルミニウム現象（$\gamma_2$相の選択溶解）である。
溶接金属のAl含有率は 8.5%以下 を目標とし、NiおよびFeを含有する ERCuNiAl系溶加材 を選定する。
希釈率を抑制し、有害な相の析出を防ぐため、パス間温度を150℃以下に管理し、低入熱・ストリンガービードによる施工を徹底する。