二相鋼管溶接における熱入力制御：HAZにおけるシグマ相脆化の防止

二相ステンレス鋼（DSS／SDSS）を溶接する場合、綱渡りのような作業になります。温度が低すぎるとフェライト量が過剰になり、靭性が低下します。逆に高すぎると、二相溶接の「静かな殺し屋」である： 熱影響部（HAZ）におけるシグマ（σ）相脆化。

シグマ相は、溶接部を脆化させ、耐食性を著しく損なう金属間化合物です。この相は、不適切な熱処理により母材中に生成されることがありますが、溶接においては、不適切な熱管理の直接的な結果として生じます。 熱入力制御 .

本稿では、デュプレックス鋼管の溶接時にシグマ相の析出を防ぐための熱入力の最適化手法について、技術的に詳細に解説します。これにより、機械的強度および耐孔食性が確保されます。

問題点：HAZ内にシグマ相が析出する理由

シグマ相の析出は、溶接熱影響部（HAZ）が約 600°C～950°C の温度範囲で長時間保持された場合に発生します。 デュプレックス組織において、シグマ相は主にフェライト／オーステナイト界面で核生成します。シグマ相は、クロム（Cr）およびモリブデン（Mo）を豊富に含むフェライト（δ）を消費して成長します。これらの元素こそが、デュプレックス鋼の耐食性を付与するものです。 .

その析出機構はユーテクトイド反応であり、 δ → σ + γ₂（二次オーステナイト） という反応式で表されます。シグマ相が析出すると、周囲の母材からCrおよびMoが選択的に奪われます。一度析出したシグマ相を除去するには、完全な固溶化焼鈍処理（1050–1100°C）が必要ですが、これは大型パイプスプールに対しては実施が困難です。 溶接後の状態（as-welded condition）では、シグマ相は硬く脆い相であり、衝撃靭性および耐孔食性を著しく低下させます。

主要変数：熱入力および冷却速度（t12/8）

化学組成が極めて重要である一方で、熱サイクルがその引き金となります。この熱サイクルを測定する業界標準は、 1200°Cから800°Cへの冷却時間（t12/8） です。この温度範囲は、オーステナイトの生成およびシグマ相析出の両方にとって重要な領域をカバーしています。

シグマ相の析出を回避しつつ、フェーズバランスを維持するためには、一般的にt12/8を 8～15秒 程度にする必要があります。t12/8が約15秒を超えると（これは高熱入力時に発生します）、シグマ相の析出リスクが高まります。 .

22％Cr二相ステンレス鋼（例：UNS S32205／2205）の場合、パイプ溶接における推奨熱入力は、通常、壁厚10～15mmに対して 0.5 kJ/mm～2.5 kJ/mm の範囲です。 しかし、最近の研究では、これらの限界値は固定されておらず、壁厚および継手形状に応じて変化することが示唆されています。

新たな視点：板厚が規則を変える

最近の研究は、「高熱入力は常に悪い」という従来の仮定に疑問を投げかけています。2025年の厚板デュプレックス鋼溶接に関する研究では、板厚が10mmを超える場合、熱入力の上限値が著しく増加することが実証されました。 .

• 薄肉パイプ（<10mm）の場合： 熱の放散が遅いため、熱影響部（HAZ）が高温のまま維持されます。貫通や過熱を回避するためには、標準的な熱入力計算を厳密に適用することが不可欠です。

• 厚肉パイプ（>14mm）の場合： パイプの質量が巨大な熱シンクとして機能し、熱を急速に吸収・拡散します。このような場合、適切な溶融およびオーステナイト形成を達成するためには、より高い熱入力が必要となります。この研究では、20mm厚の板材において、 5 kJ/mmおよび7 kJ/mm の熱入力を用いても、熱影響部（HAZ）にシグマ相析出が一切認められなかったことが確認されました。 .

まとめ: 熱入力は材料の板厚に対して算出する必要があります。パイプが厚いほど、「安全な」熱入力値を高く設定できます。これは、冷却速度が十分に速く保たれ、TTT曲線におけるシグマ相析出領域（シグマ・ノーズ）を回避できるためです。

スーパー・デュプレックス鋼の課題（25Cr系）

スーパー・デュプレックス鋼（例：2507、ゼロン100）の溶接では、許容誤差の幅が狭まります。これらの高合金鋼は、シグマ相の析出を促進する駆動力がより大きくなります。

• 根元パスの感度： パイプ溶接において、根元パスは特に脆弱です。研究によると、根元パスは、その後の最初の数パスと比較して、 より高い やや高い熱入力（1.0 kJ/mm超）で施行すべきです。その理由は、根元パスでの低熱入力により、再加熱が不十分となり、内面にクロム窒化物が析出する可能性があるためです。 .

• 使用目的適合性： 仕様書ではしばしばゼロ・シグマが要求されるが、産業現場の現実（特に英国ノース・シーのプロジェクト）では、低温熱影響部（HAZ：溶融線から2～5mm）において限定的なシグマ相が許容される場合がある。 体積分率2.5％ までのシグマ相がHAZに存在しても、CTOD（亀裂先端開口変位）による破壊靭性試験およびASTM G48腐食試験を合格すれば認められる。 ただし、これは資格認定上の限界値であり、生産時の目標値ではない。

溶接技術者のための実践的ガイドライン

二相ステンレス鋼パイプの溶接部におけるシグマ相析出を防止するには、「低熱入力」という一般的なルールを超えて、以下の制御措置を実施する必要がある。

1. パス間温度の管理

シグマ相は累積的に析出する。パスを重ねるにつれて、既存のパスの熱影響部が再加熱され、危険温度帯（700～900℃）にさらされる。したがって、パス間温度を厳密に制限しなければならない。スーパー二相鋼（25％Cr）の場合、一般的なパス間温度の上限は 150°C  である。標準的な22％Cr二相鋼では、通常200℃が上限となる。 .

2. 「多数の小パス」の落とし穴を避ける

直感に反するようですが、低熱入力の多数のパスを用いることは、少数の大きなパスを用いるよりも危険である場合があります。各小さなパスは、前の熱影響部（HAZ）を再加熱し、実質的に材料を劣化させ、シグマ相およびカイ（χ）相を析出させます。 .

• 戦略: HAZの特定領域に加わる熱サイクル数を最小限に抑える溶接順序を採用してください。

3. フェライト数のバランスを取る

シグマ相はフェライト中でより容易に形成されます。もしHAZ中のフェライト含有量が70–75％を超えると、不安定なフェライトの量が増えるため、シグマ相析出のリスクが急激に高まります。

• シールドガスおよび溶接材が十分なオーステナイト再形成を促進することを確認してください。ニッケル系溶接材は有効ですが、注意が必要です：ニッケル含有量が高いほど、シグマ相形成温度範囲が広がります。 .

4. 有効熱入力を算出する

経験則（「感覚」）に頼らないでください。以下の式を用いて計算してください。

$$\text{熱入力 (kJ/mm)}=\frac{\text{電圧 (V)}\times \text{電流 (A)}\times 60}{\text{移動速度（mm／分）}\times 1000}$$

GTAW（TIG）プロセスでは、TIGの場合の熱効率係数（η）（通常約0.6）を考慮することを忘れないでください。 .

結論

シグマ相脆化は予防可能な破損モードです。これは、溶接部が長時間にわたり過剰な熱を受けていたことを示すものであり、全体的に（薄肉パイプにおける高熱入力）あるいは局所的に（小ビードによる複数回の再加熱）起こります。

二相ステンレス鋼パイプの現代的な溶接では、「WPSに従う」から「 熱履歴 」を理解することへの考え方の転換が求められます。t12/8冷却時間を制御し、パス間温度制限を遵守し、実際のパイプ壁厚に応じて熱入力を調整することで、シグマ相を含まず、靭性と耐食性に優れたHAZ組織を形成できます。