金属加工において、溶接欠陥（ようせつけっかん、）とは、溶接部の有用性を損なうあらゆる欠陥を指す。溶接欠陥にはさまざまな種類があり、ISO 6520に基づいて分類されるBS EN ISO 6520-1: "Welding and allied processes — Classification of geometric imperfections in metallic materials — Part 1: Fusion welding"(2007)。一方、溶接部に許容される欠陥の限界値は、ISO 5817BS EN ISO 5817: "Welding — Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding excluded) — Quality levels for imperfections" (2007)およびISO 10042で規定されているBS EN ISO 10042: "Welding. Arc-welded joints in aluminium and its alloys. Quality levels for imperfections" (2005)。
主な原因 アメリカ機械学会（ASME）によると、溶接欠陥の原因は、工程条件の不良が41%、作業者のミスが32%、不適切な技法の使用が12%、不適切な溶接材料の使用が10%、溶接開先の不良が5%に分類される。
水素脆化
残留応力
溶接による加熱とその後の冷却によって生じる残留応力の大きさは、次の式で概算できる。
ここで、はヤング率、は熱膨張係数、は温度変化を表す。この式によると、鋼の場合、応力は約となる。
種類 亀裂
アークストライク アークストライク（）とは、アークによって生じる不連続部であり、金属の局所的な再溶融、熱影響を受けた金属、または金属物体の表面形状の変化などを伴うものであるAWS A3.0: 2020 – Standard Welding Terms and Definitions。
アークストライクが生じると、母材が局所的に加熱され、その後、非常に急速に冷却される。意図された溶接領域の外側に発生した場合、硬化や局所的な亀裂を引き起こすことがあり、その後の破断の起点となる可能性がある。静的荷重を受ける構造物では、契約書類で除去が要求されていない限り、アークストライクを除去する必要はない。しかし、繰返し荷重を受ける構造物では、アークストライクが応力集中を引き起こし、構造物の使用性能に悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、アークストライクは研削して滑らかにし、目視検査によって亀裂の有無を確認する必要があるaisc.org/steel-solutions-center/engineering-faqs/8.5.-repairs。
低温割れ 低温割れ（）は、遅れ割れ、水素助長割れ（HAC）、水素誘起割れ（HIC）とも呼ばれる。溶接金属の凝固後、温度が約190 °C（375 °F）から低下し始めると発生することが多い欠陥である。この現象は室温で発生することも多く、完全に冷却された後であっても、亀裂が現れるまでに最大24時間かかる場合がある。一部の規格では、溶接工程の終了から48時間後に溶接物を検査することが求められている。
この種の亀裂は、特に焼入れ性が限られる炭素鋼の熱影響部（HAZ）でよく見られる。焼入れ性の高いその他の合金鋼では、溶接金属と熱影響部の両方で低温割れが発生する可能性がある。この亀裂は、結晶粒界に沿って、または結晶粒内を進展することもある。
低温割れの発生に影響する要因には、次のものがある。
溶接金属に溶解している水素（H2）の量 溶接金属に溶解した水素は、水素脆化と関係している。水素を含まない溶接材料を使用することで、水素含有量を低減できる。溶接棒を用いる溶接、特に被覆アーク溶接（SMAW）では、大気にさらされた溶接棒を適切に乾燥させ、フラックス中の水分を除去することが推奨される。また、母材を予熱することも、被加工物から水素を放出させる方法の一つである。 残留引張応力 残留引張応力は、外部から応力が加わっていなくても亀裂を進展させることがある。母材を予熱することで、冷却速度に影響する熱膨張の差を小さくし、これを防ぐことができる。また、降伏強度の低い溶加材を使用することも望ましい。残留応力の大きさは、金属の降伏応力に達することがあるためである。そのため、延性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基の溶加材の使用が検討される。また、溶接後熱処理（PWHT）によって、溶接継手に残留する応力を解放できる。 溶接金属および熱影響部（HAZ）の硬さ 硬さは材料の脆さと関係している。過度な硬化を抑えるには、被加工物の予熱や溶接後熱処理を行うことができる。ビッカース硬さ（VHN）が350未満の材料では、亀裂が発生する傾向が低い。 溶接金属および熱影響部の組織 鋼の低温割れは、溶接部の冷却に伴うマルテンサイトの形成と関係している。マルテンサイト中では水素の溶解度が非常に低いため、適切な対策を講じなければ、水素が溶接部内に閉じ込められる可能性がある。溶接中の冷却速度を遅くすると、マルテンサイトの形成を抑えられる。また、冷却速度を遅くすることで高温に保たれる時間が長くなり、水素が外部に放出されやすくなる。冷却速度は、入熱量を大きくし、溶接中にその状態を維持することで遅くできる。
母材の合金組成も、低温割れの発生しやすさに重要な役割を果たす。合金組成は材料の焼入れ性に関係するためである。冷却速度が高い場合、溶接金属や熱影響部に硬く脆い組織が形成される危険性が高くなる。材料の焼入れ性は、通常、炭素含有量、または他の元素も考慮した炭素当量（CE）によって表される。
CE_{IIW} = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15（濃度は質量百分率で示す）
炭素含有量と、炭素当量に影響するその他の元素に応じて、鋼は低温割れの挙動から3つの領域に分類される。この分類はグラビル図によって示される。
領域Iは、炭素含有量が0.10%未満の低炭素鋼および低合金鋼を含む。この領域に属する材料は、割れ感受性がないとみなされる。 領域IIは、炭素含有量が0.10%を超える大部分の炭素鋼を含む。この領域の鋼では低温割れが発生しやすい場合がある。この場合、水素含有量の少ない溶加材を使用し、溶接中の冷却速度を遅くすることが望ましい。 領域IIIは、炭素含有量が0.10%を超え、炭素当量が高い合金鋼を含む。この領域の材料は、冷却を制御してもマルテンサイトの形成を避けられないため、溶接が難しいとみなされる。そのため、溶接中には予熱や溶接後熱処理などの追加工程が必要となる。
クレータ割れ クレータ割れは、溶接アークが途切れた際に発生する。アークによって生じたくぼみを満たすのに十分な溶融金属がある場合、クレータが形成される.。
ハットクラック
ハットクラックは、溶接断面が溶接表面側で広がり、帽子のような形状になることに由来する。亀裂は溶融境界から始まり、溶接金属の内部へと伸びる。通常、電圧が高すぎるか、溶接速度が不十分な場合に発生する。
高温割れ 高温割れ（）は凝固割れとも呼ばれ、あらゆる金属で発生する可能性があり、溶接部の溶融領域で生じる。この種の割れの発生確率を低下させるには、材料の過度な拘束を避け、適切な溶加材を使用する必要がある.。その他の原因として、溶接電流が高すぎること、熱を十分に拡散できない不適切な継手設計、硫黄やリンなどの不純物、予熱、溶接速度が速すぎること、アーク長が長すぎることが挙げられる。
ビード下割れ ビード下割れ（）は、熱影響部割れ（HAZ crack）とも呼ばれ。、溶融境界から少し離れた位置に発生する。低合金鋼および高合金鋼で生じる。この種の亀裂の正確な原因は完全には解明されていないが、溶解した水素が存在する必要があることは知られている。その他の要因として、母材と溶接金属の収縮量の違い、母材の拘束、マルテンサイトの形成による応力、金属から水素が析出する際に生じる応力などの内部応力がある.。
縦割れ 縦割れは、溶接ビードの長手方向に沿って発生する。これには、検査割れ（）、ルート割れ（）、中心線全長割れ（）の3種類がある。検査割れは表面から確認でき、溶接部の内部へ部分的に伸びる。特に最終パスで生じる大きな収縮応力、または高温割れの機構によって発生することが多い。ルート割れはルートから始まり、溶接部の途中まで伸びる。最初の溶接ビードは小さいため、これが最も一般的な縦割れである。この種の亀裂に対処しないと、後続の溶接パスへと進展することが多く、ルートから表面まで伸びる全長割れが形成される。
再熱割れ 再熱割れは、高張力低合金鋼（HSLA鋼）、特にクロム鋼、モリブデン鋼、バナジウム鋼で、溶接後の加熱中に発生する割れである。この現象はオーステナイト系ステンレス鋼でも確認されている。熱影響部のクリープ延性が低いことが、こうした亀裂の原因となる。既存の欠陥や切欠きは、亀裂の形成を促進する。再熱割れの防止に役立つ条件には、低温での保持を伴う予備熱処理、その後の急速な高温加熱、溶接止端の研削またはピーニング、熱影響部の結晶粒組織を微細化する二層溶接法の使用がある。
ルート割れおよび止端割れ ルート割れは、開先のルート部分に形成される短いビードに関連する欠陥であり、溶接開始時の電流が低いことや、不適切な溶加材の使用によって発生する。主な原因は水素脆化である。溶接開始時の電流を高くし、適切な溶加材を使用することで、これらの欠陥を除去できる。
止端割れは、溶接部に水分が含まれることによって発生する。表面に生じる亀裂であるため、容易に検出できる。この種の欠陥を防止するには、予熱と適切な継手の形成が必要である。
横割れ 横割れは、溶接方向に対して垂直に発生する亀裂である。一般に、延性の低い溶接金属に縦方向の収縮応力が作用することによって生じる。
溶接アークを早期に終了すると、クレータ内にクレータ割れが発生する。クレータ割れは通常、浅い高温割れであり、単一の亀裂または星形の亀裂として形成される。これらの亀裂はクレータの管状空洞から始まり、クレータ内を縦方向に伸びることが多い。ただし、溶接部の残りの部分に生じた縦割れへと進展することもある。
変形 継手部分の金属を溶融させる溶接法では、加熱された金属が冷却する際に収縮が生じる。その結果、残留応力と変形が発生する。変形によって最終製品が所定の形状にならない場合、大きな問題となる。変形の種類によっては、溶接前に工作物の位置や形状をあらかじめ調整しておくことで、溶接後に製品が正しい形状となるようにできる。。以下の図は、さまざまな溶接変形を示している。
ガス巻込み ガス巻込み（凝固した溶接金属内へのガスの閉じ込め）は、気孔、ブローホール、パイプ（またはウォームホール）など、さまざまな欠陥として現れる。ガスが発生する原因には、被加工物または電極の硫黄含有量が高いこと、電極または被加工物に過剰な水分が含まれること、アーク長が短すぎること、溶接電流またはが不適切であることなどがある。
その他の介在物 介在物には、線状介在物と孤立介在物の2種類がある。線状介在物は、溶接部にスラグまたはフラックスが残留することで発生する。スラグはフラックスの使用によって生じるため、この欠陥は被覆アーク溶接、フラックス入りワイヤアーク溶接、サブマージアーク溶接など、フラックスを使用する溶接法でよく発生する。ただし、ガスメタルアーク溶接でも発生することがある。
この欠陥は、複数回の溶接パスを必要とする溶接で、各パスの重なりが不十分な場合によく発生する。重なりが不十分だと、前のパスで生じたスラグが再溶融して新しい溶接ビードの上部へ浮上することができない。また、前のパスにアンダーカットや不均一な表面形状が残っている場合にも発生する。スラグ介在物を防ぐには、各パスの間に研削、ワイヤブラシ、またはチッピングによって溶接ビードからスラグを除去する必要がある。
孤立介在物は、母材に錆またはミルスケールが存在する場合に発生する。
融合不良および溶込み不良 融合不良（）とは、溶接ビードと母材との接合が不十分な状態である。溶込み不良（）とは、溶接ビードが溶接開先のルートまで達しておらず、ルート部分に溝や隙間が残る状態である。こうした欠陥は、腐食性物質が溜まる可能性があるため、配管では深刻な問題を引き起こす。
これらの欠陥は、溶接手順が遵守されない場合に発生する。原因として、電流設定、アーク長、電極角度、電極の操作方法などが挙げられる.。
欠陥はさまざまな形態をとり、重大な欠陥と重大でない欠陥に分類できる。溶接部の気孔（気泡）は、決して許容されない。スラグ介在物やアンダーカットは、一定の溶接長さの範囲内で合計1/8インチまで通常は許容される。目視できる気孔、亀裂、スラグ介在物の一部については、許容可能かどうかを判断するために、さらなる検査が必要となる。
浸透探傷試験（染色探傷）によって、軽微な欠陥を確認できる。磁粉探傷試験では、表面直下のスラグ介在物や亀裂を検出できる。より深い位置にある欠陥は、放射線透過試験（X線）や超音波探傷試験によって検出できる。
ラメラテア ラメラテア（）は、圧延された鋼板を、板面に垂直な収縮力が生じるように溶接した場合に発生する溶接欠陥であり、主に材料中の硫黄を含む介在物が原因となる。1970年代以降、製造工程の変更によって硫黄の使用量が制限されたため、この問題の発生頻度は大幅に減少した。
その他の原因として、合金中の過剰な水素が挙げられる。鋼合金中の硫黄含有量を0.005%未満に保つことで、この欠陥を軽減できる。また、希土類元素、ジルコニウム、カルシウムを合金に添加し、金属格子内における硫黄介在物の形態を制御することによっても、問題を軽減できる。
溶接部品の代わりに鋳造部品や鍛造部品を使用するよう製造工程を変更すれば、この問題を回避できる。ラメラテアは溶接部品でのみ発生するためである。
アンダーカット
アンダーカットとは、溶接によって母材の断面厚さが減少することであり、溶接部および工作物の強度を低下させる。この欠陥の原因の一つは、電流が過大であることである。これにより継手の縁が溶融して溶接部へ流れ込み、溶接線に沿って溝状のくぼみが残る。
別の原因として、溶接部の縁に十分な溶加材が供給されない不適切な技法がある。また、不適切な溶加材を使用すると、溶接部の中央と縁の間に大きな温度勾配が生じることがある。その他の原因には、電極角度が小さすぎること、電極が湿っていること、アーク長が長すぎること、溶接速度が遅すぎることが挙げられる.。
脚注
参考文献
外部リンク Understanding Hydrogen Failures Radiograph Interpretation – Welds