PWHTソリューション – 溶接構造物の強度と完全性を確保する

溶接後熱処理（PWHT）は、溶接構造物において歪みや亀裂の原因となり得る残留応力を低減するほか、これらの材料における脆性破壊、応力腐食割れ、および疲労の発生を防止します。 PWHTでは、溶接金属を特定の温度まで長時間加熱した後、過度の軟化、焼戻し脆化、および割れを回避するようこのプロセスを制御します。.

溶接および熱処理

溶接は鉄骨構造物を製作する上で不可欠な工程ですが、その残留応力が構造物の崩壊につながる可能性があります。このリスクに対処するため、溶接後には溶接後熱処理（PWHT）を施し、構造物内部の応力レベルを低減させ、その健全性を維持する必要があります。.

PWHTソリューションには、溶接された金属を特定の温度まで長時間加熱し、その後時間をかけて徐々に冷却する熱処理プロセスが含まれます。これにより、溶接部に残留応力を緩和すると同時に、機械的特性を向上させ、微細組織を微細化することができます。.

PWHTの要件は、合金、断面厚さ、およびその他のプロジェクトの条件によって異なります。ただし、一般的に、厚肉鋼材は、制約条件により亀裂が生じやすく、脆性破壊を引き起こす可能性のある脆弱な表面が多くなるため、PWHTをより頻繁に必要とする傾向があります。.

PWHTは、溶接熱影響部（HAZ）を焼戻しすることで、この取り組みを支援し、使用中の脆性破壊による破損を防止するとともに、溶接部の強度を高めることができます。.

残留応力

残留応力とは、不均一な同時加熱・冷却速度、溶接部の各部分における収縮率の局所的なばらつき、金属の相変態に伴うひずみ、あるいは溶接完了後も残る外部荷重によって生じる、部材内の自己平衡状態にある内部ひずみである。 これらの残留応力が外部から加えられた荷重と相まって増大すると、構造物の重要な箇所における引張応力レベルが高まり、応力緩和の重要な箇所で高い引張応力が生じます。その結果、重要な箇所での引張応力がさらに高まる一方で、他の箇所では圧縮ひずみが減少します。 溶接では、不均一な同時加熱・冷却サイクル、部品間の局所的なばらつき、部品間の冷却速度の違い、溶接工程の各段階における相変態に伴うひずみ、あるいは溶接部品間の不均一な同時加熱・冷却条件に起因する相変態に伴うひずみによって、残留応力が生じることがあります。 各部における冷却速度の違いによる収縮の局所的なばらつき、あるいは溶接処理中の温度差に起因する相変化に伴うひずみなどにより、最終的に構造物に外力が加わることで構造的破損を引き起こす。.

溶接によって生じる残留応力は、変形、亀裂、脆性破壊など、甚大な結果をもたらす可能性があります。材料の降伏強度を超える残留応力集中が生じると、溶接部自体または構造物の隣接部分に、一軸引張亀裂または一軸圧縮亀裂が発生する恐れがあります。.

溶接された部材や構造物における残留応力は、溶接継手の形状、溶接工程で使用される材料、採用された製造・補修プロセス、完成後に施される溶接後熱処理、荷重条件、および使用履歴など、数多くの要因によって左右される。.

測定方法の精度が不十分であることや、構造物のライフサイクル全体に関する資料が十分に整備されていないことから、残留応力の多くは依然として不明であるか、過小評価されている。こうした応力を予測・軽減するには、構造部材が製造過程や運用履歴においてどのように相互作用するかをより深く理解し、モデル化するとともに、こうした相互作用がいつ発生した可能性があるかをより正確に把握する必要がある。.

微細構造の変化

溶接工程の一環として、溶融した溶接金属は高い温度勾配にさらされ、その結果、微細組織の変化が生じ、延性や靭性といった機械的特性が低下する可能性があります。これにより、使用中の破断や応力腐食割れといった破損モードが発生するリスクが生じます。このため、この工程を用いて溶接された構造物は、破断のリスクにさらされます。.

溶接後熱処理（PWHT）は、構造物の強度を高めつつ、溶接に関連する多くの問題を解決できる不可欠な工程です。 PWHTから最適な結果を得るためには、効果的な方法の選定、適切な加熱・冷却温度の設定、処理工程における品質管理、および溶接後検査工程における品質保証といったベストプラクティスに従うことが極めて重要です。これらのルールを遵守することで、構造物は時間の経過とともに、より強固で信頼性の高いものとなります。.

PWHTは残留応力の低減や再配分につながるが、より高い温度で行うPWHTには、さらなる利点もある可能性がある。焼き戻しや析出処理を行うことで、硬さを低下させつつ延性を向上させることができる。.

選択する焼鈍の種類は、材料とその合金系によって異なります。炭素含有量や厚さが増加するにつれて、PWHT焼鈍が必要となる可能性が高まります。多くの規格では、溶接部の厚さが一定の厚さを超える場合、PWHT処理が義務付けられています。その他の要件としては、化学成分や応力腐食割れへの感受性などが挙げられます。.

最適化

鋼製部材の溶接性は、溶接プロセスや材料特性などの要因に左右されます。構造設計技術者は、早期破損につながる応力集中を招く構造を設計しないよう、設計する部材の溶接性に留意する必要があります。.

溶接工程によって生じる残留応力や微細組織の変化に対処するため、PWHT処理が必要となる場合があります。PWHTとは、材料を所定の温度で長時間加熱し、これらの応力を組織全体により均一に再配分すると同時に、硬度を下げ、延性および靭性を向上させ、設計仕様を満たすようにする処理です。.

PWHTの温度は材料の金属学的特性に依存するため、その決定には、溶接性や使用条件などの諸要因を総合的に考慮する必要があります。例えば、衝撃耐性が求められる低炭素軟鋼やクロムモリブデン鋼を用いた溶接手順では、通常、板厚に応じて最低予熱温度およびパス間温度が規定されます。.

圧力容器や配管などの大型部品において、過度な変形や焼戻し脆化を防ぐためには、PWHTの温度管理を慎重に行う必要があり、各部品に合わせて特別に設計された架台による支持が求められます。この工程において熱を均一に分散させるためには、十分な支持力を確保できるよう、これらの架台を等間隔に配置する必要があります。.