溶接は金属同士を接合するために欠かせない技術ですが、その過程で生じる「熱影響部（HAZ：Heat Affected Zone）」は、母材の機械的性質や構造物の信頼性に大きな影響を与えます。中でも、粗粒熱影響部（CGHAZ：Coarse-Grained Heat Affected Zone）は、熱影響部の中で最も高温にさらされ、かつ組織の変化が顕著な領域であり、溶接品質において特に重要な位置づけとなります。
🔶 粗粒熱影響部（CGHAZ）とは？
粗粒域とは、溶接金属（溶融部）に最も近く、加熱温度が高温（およそ1100～1350℃以上）に達する母材領域です。この温度範囲では、鋼材の結晶組織が完全にオーステナイトに変態し、結晶粒（オーステナイト粒）が粗大化します。高温保持時間が長い、または急激な加熱が行われると、粒成長は著しくなり、結晶粒が大きくなりすぎることで、さまざまな不具合の原因となります。
🔶 粗粒域の組織変化
- 加熱時の粒成長
粗粒域では、母材のフェライトやパーライトが加熱によりオーステナイトに変態します。通常、鋼中には粒の成長を抑える炭化物や微細析出物がありますが、高温になるとこれらが溶解し、粒の成長を抑える効果が失われます。 - 冷却時の組織形成
急冷されると、粗大化したオーステナイト粒内でマルテンサイトやベイナイトなどの硬くて脆い組織が生成されることがあります。これらの組織は硬度は高いが、靭性（粘り強さ）が低いため、脆性破壊や割れの原因になります。
🔶 粗粒域の性質と問題点
粗粒域は他のHAZ領域と比べて以下のような特徴と課題があります：
◆ 靭性の低下
粗粒化により、結晶粒界が粗くなると、破壊進展が容易になり、低温での脆性破壊の危険性が高まります。特に衝撃荷重や繰返し荷重を受ける構造物では致命的な弱点となります。
◆ 冷却割れ（硬化割れ）のリスク
急冷によって形成されたマルテンサイトなどの高硬度組織は、内部応力により割れやすくなるため、冷却過程での割れ（遅れ割れ）に注意が必要です。
◆ 溶接欠陥の発生
粗粒域は、水素割れや再熱割れの発生源になりやすく、溶接施工後の健全性を損なう可能性があります。
◆ 疲労強度の低下
粗大な粒組織は応力集中を引き起こしやすく、繰返し荷重に対する耐性が弱くなる傾向にあります。
🔶 粗粒域の抑制・改善方法
粗粒域の形成や悪影響を最小限に抑えるためには、次のような技術的対策が有効です。
1. 熱入力の適正化
高すぎる熱入力は粗粒域を拡大させる原因になります。溶接電流、電圧、速度を最適化し、適正な溶接熱量を管理することが重要です。
2. 予熱・後熱処理の実施
溶接前の予熱によって、冷却速度を緩やかにし、マルテンサイトの形成を抑制します。また、溶接後の熱処理（PWHT）により、応力除去と組織の均一化が期待できます。
3. 粒成長抑制鋼の使用
微量元素（例：Nb, V, Tiなど）を添加した粒成長抑制型鋼材では、高温下でも析出物が粒の成長を抑制するため、粗粒化を防ぐことが可能です。
4. 多層多道溶接
1パスでの深溶け込みを避け、複数層・複数回に分けて溶接することで、熱影響を小さく分散できます。
🔶 粗粒域の評価方法
粗粒域の評価は、次のような方法で行われます。
- 金属組織観察（光学顕微鏡、SEMなど）：粒径や組織構成を直接確認。
- シャルピー衝撃試験：靭性の確認。
- 硬さ試験（マイクロビッカースなど）：局所的な硬さ分布を測定し、硬化の有無を評価。
🔶 まとめ
粗粒熱影響部（CGHAZ）は、溶接時に最も高温にさらされる母材の一部であり、粒の粗大化と硬化組織の生成による機械的性質の低下が問題となります。この領域の制御は、溶接構造物の健全性・信頼性を左右する重要な課題です。熱入力の管理、予熱・後熱、材料選定など、設計・施工・材料工学の観点から総合的な対策が求められます。
粗粒域を理解し、適切に制御することは、高品質かつ長寿命な溶接構造物を実現するうえで欠かせない知識と技術です。
