機械構造用炭素鋼鋼材(S45C)や機械構造用合金鋼鋼材(SCM435)等を使用した機械部品加工をしていますが、溶接も自社で手掛けることになりました。溶接材料の選定と溶接施工上の注意点を教えてください。溶接Q&A 技術情報

技術情報溶接Q&A

Q058機械構造用炭素鋼鋼材(S45C)や機械構造用合金鋼鋼材(SCM435)等を使用した機械部品加工をしていますが、溶接も自社で手掛けることになりました。
溶接材料の選定と溶接施工上の注意点を教えてください。

炭素鋼は炭素量（C量）によって表1のように低炭素鋼、中炭素鋼および高炭素鋼に分類されます。炭素鋼に特殊元素が入って特殊な性質を示すようになったものを特殊鋼といいます。この特殊鋼のうち、調質（焼入・焼戻処理）して使用するものを合金鋼、工具として使用するものを工具鋼、特殊用途に使用するものを特殊用途鋼といい図1のように分類でき、JISに規格化されている主なものを表2に示します。

これらの鋼材の中には、C量の多い中・高炭素鋼は、もともと溶接を想定しないで設計製造されている鋼材であり、溶接による急熱急冷によって熱影響部が著しく硬化し、溶接部の伸びが少なくなり、溶接割れなどの欠陥が生じ易くなるため、溶接の際には溶接材料の選定、溶接施工要領に十分注意する必要があります。

機械構造用鋼は、C量の含有量が高く低温割れが発生しやすいため、その防止のため溶接に際しては予熱・後熱が必須になります。また、これらの鋼材に対して、同一化学成分の溶接材料はなく溶接部に要求される性能によって溶接材料を選定します。

まず、ただ単に接合する場合は、低強度で耐割れ性の良好な低水素系溶接材料やステンレス鋼と炭素鋼の異材溶接などに使用する309系オーステナイト系ステンレスの溶接材料を選定します。一例を表3に示します。また、突合せ継手のように母材に近い強度が必要なときには耐割れ性を考慮しながら強度レベルの近い溶接材料を選定します。一例を表4に示します。この場合に溶接施工上で注意すべき事項の最も重要な点は、低温割れの防止対策です。これらの鋼材は含有するC量が多く、溶接すると母材の熱影響部が硬くなり溶接金属に含まれる水素が硬くなった熱影響部に拡散し水素脆化を起こし、ビード止端部やルート部などの熱影響部に割れが発生する危険があります。これらを防止するには、低水素系の溶接材料を使用し母材熱影響部の硬化防止と溶接金属中の水素を放出させるために、予熱や後熱をすることが重要です。予熱温度の目安は、鋼材の炭素当量より最適温度を設定し、溶接線を中心として100mmの範囲がまんべんなく設定温度になるまで加熱してください。脱水素を目的に行う直後熱は、溶接終了と同時に溶接部の温度が下がる前に300℃以上で1時間程度保持することが望ましく、その後、できるだけ徐冷します。600～650℃の後熱処理は、焼戻し熱処理であり、熱処理までに時間が掛かる場合や焼戻し熱処理ができない場合は、必ず300～350℃の直後熱を施してください。

次に注意すべき点は、マグ溶接で施工する場合の高温割れです。中・高炭素鋼を高電流で溶接すると母材溶込みが過大となり、母材炭素の希釈による高温割れの危険性が挙げられます。その対策としては、母材溶込みを最小にするために低電流の施工条件とすることや、母材希釈の大きい1～2層は被覆アーク溶接にて施工し、残りをマグ溶接で行うなどの工夫も必要です。

ご質問のS45CやSCM435等を溶接する場合は、表3や表4を参考にして上記に記載した施工上の注意点を守って施工してください。

表1 炭素鋼の分類

種別	炭素量（%）	鋼材の一例
低炭素鋼	＜0.30	SS400、SM400、SM490
中炭素鋼	0.30～0.45	S35C、S45C
高炭素鋼	0.45～2.00	S55C

表2 JISによる鉄鋼材料の分類

大別	中別	小別	JIS記号例
鋼	炭素鋼	圧延鋼材	SS、SB、SV、SM
	特殊鋼	構造用合金鋼鋼材	S__C、H、SCr、SMn、SMnC、SCM、SNC、SNCM、SACM、SGV、SBV、SQV
		工具鋼鋼材	SK、SKS、SKD、SKT、SKH
		特殊用途鋼鋼材	SUS、SUH、SUJ、SUP、SUM
	鋳鋼	炭素鋼鋳鋼品	SC、SCW
		構造用合金鋼鋳鋼品	SCC、SCMn、SCSiMn、SCMnCr、SCMnM、SCCrM、SCMnCrM、SCNCrM
		特殊用途鋼鋳鋼品	SCS、SCH、SCMnH
	鍛鋼	炭素鋼鍛鋼品	SF
	鍛鋼	構造用合金鋼鍛鋼品	SFVA、SFVC、SFVQ、SFCM、SFNCM
鉄	鋳鉄	ねずみ鋳鉄品	FC
		球状黒鉛鋳鉄品	FCD
		可鍛鋳鉄品	FCMB、FCMW、FCMP

表3 中・高炭素鋼を単に接合する場合の溶接材料例

母材の炭素当量（Ceq %）	低炭素鋼用溶接材料					ステンレス鋼用溶接材料^（※）
	SMAW	GMAW	FCAW	GTAW	予熱温度（℃）	SMAW	GMAW	FCAW	GTAW
0.40～0.49	L-43LH S-16LH	YM-26 YM-28	SF-1	YT-28	150以上	S-309・R	YM-309	SF-309L	YT-309
0.50～0.59					200以上
0.60～0.69					250以上
0.70～0.79					300以上
0.80以上					350以上

※ 100℃以下の若干の予熱。

表4 中・高炭素鋼を母材に近い性能を望む場合の溶接材料例

鋼種		引張強さ^※ （MPa）	硬さ^※ （HB）	母材の炭素当量（Ceq %）	予熱温度（℃）	後熱温度（℃）	溶接材料
鋼種		引張強さ^※ （MPa）	硬さ^※ （HB）	母材の炭素当量（Ceq %）	予熱温度（℃）	後熱温度（℃）	SMAW	GMAW	GTAW
機械構造用炭素鋼鋼材	S30C	≧540	152～212	0.44	≧100	－	L-55M	YM-55C	YT-60
	S35C	≧570	167～235	0.49	≧150	－	L-60	YM-60C	YT-60
	S40C	≧610	179～255	0.54	≧150	－	L-62	YM-60C	YT-60
	S45C	≧690	201～269	0.59	≧200	300℃ 1hr	L-70	YM-70C	YT-70
	S50C	≧740	212～277	0.64	≧200	300℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-70
	S55C	≧780	229～285	0.69	≧250	300℃ 1hr	L-70	YM-70C	YT-80
炭素鋼鍛造品	SF540A	≧540	≧152	0.47	≧150	－	L-55M	YM-55C	YT-60
炭素鋼鍛造品	SF590A	≧590	≧167	0.52	≧150	－	L-62	YM-60C	YT-60
構造用高張力炭素鋼および低合金鋼鋳鋼品	SCC5	≧690	≧201	0.58	≧200	300℃ 1hr	L-70	YM-70C	YT-70
	SCMn5	≧740	≧212	0.69	≧250	300℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-70
	SCMnCr4	≧740	≧223	0.77	≧350	600℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-70
	SCCrM3	≧740	≧217	0.74	≧300	600℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-80A
	SCMnCrM3	≧830	≧223	0.75	≧350	600℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-70
	SCNCrM2	≧880	≧269	0.83	≧350	650℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-80A
機械構造用合金鋼鋼材	SCM430	≧830	≧241	0.81	≧350	650℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-80A
機械構造用合金鋼鋼材	SCM435	≧930	≧269	0.85	≧350	650℃ 1hr	L-80	YM-80C	YT-80A

※ 焼入れ焼戻しの場合。

図1 鋼の分類

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