

についても高い安全性・信頼性が要求される．具体的には，溶接欠陥や低温割れ等が発生しにくく施工が容易ではじめにあること，および溶接継手としての強度，靭性，その他本稿は，金属材料と溶接性の第４回目として，溶接構の使用性能を満足することが必要である．

造用鋼の用途，要求特性，種類，製造方法等について概さらに，用途に応じて，疲労強度，耐遅れ破壊特性，説するとともに，近年の製造技術の進歩と，それを利用高温強度，極低温靭性，耐食性など，様々な環境におけして開発された新製品についても併せて紹介する．

る耐久性が求められることになるが，いずれの場合も前提となるのは，基本特性である強度，靭性，溶接特性の確保である．

溶接構造用鋼の概要

種類 ，

 規格において， 材と呼ばれる一般構造用鋼（用途

溶接構造用鋼とは，読んで字のごとく，溶接構造物に

 3101）では，不純物元素である  と  以外の化学成分用いられる鋼材のことであり，製品分類では厚板に該当の規定はないが，溶接構造用鋼では溶接部の特性を確保するものが量的に多く，重要性も高い．用途は船舶，橋するために， 量をはじめとする化学成分や靭性値が規梁，建築物，建設・産業機械，タンク，海洋構造物，パ定されている．例えば， 材と呼ばれる一般用途向けイプライン，発電プラント等多岐にわたり，社会インフの 溶 接 構 造 用 圧 延 鋼 材 （  3106）で は ，ラそのものを構成する材料として広く使われている．こ02,!22（以下と表記）以下に制限されるほか，) -

れらの構造物のトラブルは，人命や地球環境に直接影響やを及ぼすため，安全性・信頼性の確保は最重要事項であ

上位グレード（ る．

撃吸収エネルギー値が規定されている．

%0が約   が規定される場合もある．靭性要求の厳しい種）では 0℃におけるシャルピー衝

また， 材と呼ばれる建築構造用圧延鋼材（ 要求特性

溶接構造用鋼に要求される特性としては，第一に構造3136）では，耐震性を高めるために，降伏比（降伏強度／物を維持するための強度が挙げられる．実際に使用され引張強度； ともいう）の上限や板厚方向引張試験の絞ている鋼材の強度は，普通鋼のような引張強度 400,,2り値等が規定される場合がある．（  材の規格につ級（以下 400 級などと表記）のものから，特殊な用途いては，本連載の第２章 2−13，4を参照）に使われる 1000 級以上のものまである．第二の特性として，鋼材が使用される環境下での安全性を確保するた

そのほか，橋梁用として大気中での耐錆性を高めるた
めに 4 )1 等を添加した耐候性溶接構造用鋼（めに，粘り強く壊れにくい性質（靱性）も要求される．

 3114），建築用として 600℃近辺の降伏強度低下を抑制

さらに，鋼材は溶接をした状態で使われるため，溶接部するために .

1 " 等を添加した耐火鋼などがある．

表１ に種々の溶接構造用鋼の化学成分と機械的性質の例
5を示す．
特殊な環境で使用される鋼材としては，中高温域で使用するために 1 . 等を添加したボイラー・圧力容器用


溶接接合教室−基礎を学ぶ−

白幡：溶接構造用鋼

表１

種々の溶接構造用鋼の成分と特性 5)

表２ NK 規格船体用圧延鋼材 7)（a）種類，脱酸形式および化学成分（b）機械的性質

鋼，  など液化ガスの貯蔵タンク用に ) を添

３分野が多い．ここでは，この３分野での使用鋼材規格，加した低温用鋼などがある．

強度グレード別分類の一端を示す．

以上は用途により分類した溶接構造用鋼の種類である

各分野の使用鋼材としては，橋梁では  の  材，が，強度レベルで区分する場合も多い．引張強度 400

建築では  および  材，造船分野では船級協会規格

級鋼を軟鋼というのに対し，490 級以上の高強度鋼を高（日本では日本海事協会：）の 〜 グレードなどで張力鋼（ハイテン）と呼び，慣習的に 490 などと表記ある．これらはいずれも高性能鋼であるほど，靭性値がする．1000 級以上の鋼については超高張力鋼と呼ぶ場

厳格に規定されている．例えば，  の高グレード合もある．

材では温度を 0℃に固定して吸収エネルギー値が規定さ

主要分野における適用動向



溶接構造用鋼の使用量としては，橋梁，建築，造船のれており，船級規格では，表２7に示すように，エネルギ
ー値を強度レベルに応じて変化させ，さらに靭性グレー
溶接学会誌 第 78 巻（2009）第３号





表３

各分野における強度区分別鋼材の割合（％）6)に及ぼす悪影響が小さい．そのため，溶接性や低温靭性が要求される場合にはを低減した分 - を増加することが多い．通常 05〜2％程度である．
  は靭性や溶接性を低下させる不純物元素であるため，製鋼工程で必要なレベルまで低減される．
4 は強度を高めるとともに耐候性にも効果があるため
02〜05％添加される．約 1％以上添加すると析出強化により大幅に強度が上昇するが，過剰であると熱間加工割れが生じることがある．
) は強化元素であるとともに，地の靭性を向上させてドによって試験温度も変化させている．
表３6に示した強度別割合を見ると，橋梁が比較的多く脆性破壊を起きにくくする元素である．極低温用途の鋼の高強度鋼を使用しているのに対し，造船では半分が材には最大 9％まで添加される．また，耐食性にも効果400 級である．しかしながら，近年大型船舶用を中心にがあり，耐候性鋼やステンレス鋼に添加される．

高強度鋼の適用率は高まる傾向にあり，例えばコンテナ

1 は強度，耐候性，耐食性，耐酸化性，耐熱性の向上

船用としては 390 級鋼の適用が進み，さらに 460に有効である．耐候性鋼などでは通常 1％以下であるが，級鋼の適用も始まっている 8．建築では 325 の 500ステンレス鋼，高温用鋼では多量に添加される．
. は常温だけでなく中・高温域までの強度を上昇さ級鋼が７割を占めており，他鋼種の割合は少ない．

せる元素であり，高温ボイラー用鋼では 05〜1％添加される．

溶接構造用鋼の製造技術

" は後述する加工熱処理において組織微細化の観点か強度，靭性，溶接特性の３つの特性を満たす鋼材を製造するためには，適切な化学成分設計と製造方法の組みら重要な役割を果たすとともに，析出強化元素であるため 0005〜005％の範囲で添加される．
 は  生成によりフェライト（α）変態を促進して合わせが必要である．溶接構造用鋼は要求特性に応じて圧延まま，焼ならし，加工熱処理，焼入れ・焼戻しによって製造されるが，本節では特に加工熱処理に焦点を当も寄与する．通常 002〜01％添加される．て，金属組織制御の観点から，成分設計と製造プロセスについて紹介する．


靭性を向上させるとともに，

析出により強化に) は弱脱酸元素であり，) や ) を生成して 
靭性向上に寄与するため 001〜002％の範囲で添加される．また )

化学成分設計

製鋼段階では，不純物としての   やガス成分としてによる析出強化を活用する目的で，01％近く添加する場合もある．

含有される    等を適正レベルまで除去すると同時+ は重要な脱酸元素であるとともに， + 生成によりに，要求特性に応じて様々な合金元素を添加して，そのオーステナイト（γ）粒成長を抑制する効果があるため後の製造工程で金属組織と材質をつくり込むための環境

01％以下の範囲で添加される．

を整える．高強度鋼では，  ) - に加えて， 4 )
1 . などの合金元素や，" ) などの微量元素はγ粒界に偏析して焼入れ性を高める強化元素であるため 600 級以上の高強度鋼に添加される場合が多い．

（マイクロアロイ）を添加する．後者は通常 01％以下のまた，  等の析出物を形成し 添加により，鋼中で微細な析出物を形成し，加熱・圧延・があるため，大入熱溶接用鋼に添加する場合がある．通冷却の各工程において組織制御に活用される．微妙な合常 0002％以下で十分な効果を発揮する．のα変態促進に効果

金元素のバランスが材質に大きく影響するため，製鋼段! は板厚方向の引張特性を低下させる延伸 - の生

階での適正な成分設計なくして，その後の工程は成立し成を抑える（代わりに球状の ! を生成させる），あるいは微細酸化物・硫化物を生成させて ない．
ここでは，各合金元素の役割と標準的な添加量の範囲

 は )

について簡単に述べる．
鋼の性質を決める最も重要な合金元素がである．

はパーライトやベイナイト等の硬い相の割合を増加させ+等とともに 組織制御に活用されるが，過剰の固溶  は靭性を顕著に低下させるため通常0006％以下とする．

る安価な強化元素である一方で，添加量の増大にともない，延性，靭性，溶接性を低下させるため，最大でも 02％以下に抑えられる．のγ粒を微細に保つ目的で 0002％以下添加される．

製造方法 −
圧延まま（ ）溶接構造用鋼の中で軟鋼の大部分，および 500 級の) は脱酸元素であるとともに，固溶強化元素としても高張力鋼の一部が圧延まま（ 2 .++： ）で製造され活用するため，05％以下の範囲で添加される．一方，溶ている．これは，スラブを再加熱して所定のサイズに圧&&%#3%$ .-%：

延した後放冷するプロセスであり，製造上の制約が少な

接熱影響部（%!3）において 混合物（!13%-2)3% 423%-)3% #.-23)34%-3）と呼ばれる

く，生産性が高い．基本的に組織制御を意図したプロセ

硬質相を形成させやすくするために，添加量を制限する

スではないため，高強度化のためには合金元素を添加す場合もある．

るしかなく，組織は成分系と板厚から決まる比較的粗大

- は固溶強化元素であるが，溶接接合教室−基礎を学ぶ−と比べて延性，靭性
白幡：溶接構造用鋼なαとパーライトから構成される．



図１

製造プロセスとミクロ組織の変化 12)

焼ならし（）高張力鋼の製造方法として加工熱処理が普及する以前は，焼ならし熱処理（.1,!+)5)-'：）により製造されることが多かった．これは， #3 変態温度直上に加熱して微細γ組織としてから，空冷過程で均一かつ微細なα粒組織を得るプロセスである．この方法も合金添加と空冷時のα変態を活用するため細粒化には限度があり，大幅な特性向上は困難である．


加工熱処理（ ）

従来の製造方法と比べて，金属組織の制御範囲を大きく広げ，結晶粒の顕著な微細化を可能とした技術が加工熱処理（(%1,.%#(!-)#!+

図２

圧延工程で生じるミクロ組織の変化 14).-31.+ 1.#%22： ）である．そのキーテクノロジーは，｢適切な温度・圧下量の圧延によってγ中に変態の核生成サイトを大量に導入下げて実施される．３つの温度域での圧延の特徴は，以した後，適切な条件で冷却することにより，金属組織を下のように要約される．

微細化する｣ことである．前段の圧延工程を制御圧延①は圧延のパス間でγが容易に再結晶を起こす温度域（ .-31.++%$ .++)-'： ），後段の冷却工程を加速冷却である．この温度域での圧延の目的は，再結晶の繰り返（または制御冷却）（ ##%+%1!3%$しによりγ粒を微細化することである．しかし，到達し..+)-'：）という．
図１12に鋼材製造プロセス全体観の例と各工程で生じる冶金現象，典型的なミクロ組織を示す．

うるγ粒径には限界があり，通常は 30μ, 程度である．
②は圧延パス間では再結晶が十分進行しない温度域であり，この温度域での圧延により，γ粒が偏平化すると最初のステップである加熱工程では，変形抵抗を下げともにγ粒内に転位や変形帯などの加工組織が導入され，て圧延しやすくするほか，凝固組織をなくして均一なγ組いわゆる加工硬化状態となる．この状態の達成こそが 織とし，圧延以降の工程で活用する "  等のマイクロの冶金的な意義であり，その後の冷却過程においてγ粒アロイをγ中に固溶させるために 1000〜1250℃程度に加界や加工組織から微細なα粒の生成が促進され，大幅に熱する．このときγ粒径が小さいほど最終的な組織微細組織が微細化されることになる．①と②の境界の温度は，化に有利であるため，加熱温度をできるだけ低くする，

特に " 量に大きく依存し，" 無添加では 800℃くらいあるいは，) によるピン止め効果を利用してγ粒の粗であるのに対し，005％程度 " を含む場合には 900℃を大化を抑制する対策が取られることが多い．) 無添加の超える．そのため  の温度待ち時間が短縮され，生産鋼では 200〜500μ, のγ粒となるが，) および " を適性向上に寄与する．このとき " は微細な炭窒化物を形量添加すると 50μ, 程度まで細粒化できる．
次の圧延工程は，図２13，14に示すように，①再結晶γ成し，再結晶粒の粒界移動をピン止めすることで，再結晶の進行を抑制する役割を果たす．

域，②未再結晶γ域，③γα二相域という，３つの温度③は 13 変態点以下でαが生成してくる温度域である．

域での圧延に分けることができる．  プロセスにおけ

ここでの圧延は，未変態のγにさらに加工歪を蓄積させる圧延は，通常①の温度域で終了するが，  では概ねるとともに，変態により生じたαに亜粒界を導入し，最②の温度域，場合によっては③の温度域まで圧延温度を終的な組織をさらに微細化させる．ただし，圧延温度が溶接学会誌 第 78 巻（2009）第３号



低すぎると，αの加工硬化により靭性が低下し始め，生ことで，過剰に導入された転位を減少させて靭性を回復産性低下や圧延負荷増大といった問題も生じるため，実させ，ある場合には .  等の合金炭化物を析出させて用上は 13 点よりも 40℃程度低い温度範囲に限られる．

強度を高めることを目的に行われる．

圧延に引き続き行われる冷却工程も，  の中で重焼入れ処理には，古くから行われていた再加熱焼入れ要な役割を果たす．この工程は空冷の場合もあるが，多（%(%!3 4%-#()-'：），圧延後そのまま焼入れするが行われ，適切な冷却速度で適切な温度まで水直接焼入れ（ )1%#3 4%-#()-'： ）がある．後者に冷される．冷却速度が大きくなると，変態の駆動力が高ついては  と組み合わせることもあって，  に含まることで， 13 点よりも低い温度域において多数のα粒めることが多い．

くはが発生し，顕著な微細組織が得られる．α粒径としては，以上，溶接構造用鋼の代表的な製造方法について述べ従来の  法では 10μ, 程度が限界であったが，水冷型てきた．図４17にこれらの加工熱履歴を示す．なお，  適用により 5μ, 程度にまで細粒化が可能となった．

（ ともいう）プロセスは，焼戻しの前に二相域から急冷する処理（!,%++!1)5)-'；）を行うこ  の最大の効果は金属組織制御によって母材強とにより，例えばαとベイナイト等の二相組織とするも度・靭性を飛躍的に向上させるとともに，図３15，16に示す

ので，建築用低  鋼の製造に適用されている．図５にように  や  で製造する場合よりも合金添加量（は    （ %0））， で製造した鋼のを減らせることである．その結果，溶接性が顕著に向上

ミクロ組織の例を示す．それぞれの製造法でミクロ組織し，構造物の施工能率向上や安全性・信頼性の確保に大が随分異なることがわかる．

きく貢献している．
焼入れ・焼戻し（）

一般に引張強度 600 級以上の鋼材については，焼入れ・焼戻し（4%-#()-' %,/%1)-'；）処理によって製造される．このような鋼材を調質鋼と呼び，それ以外の鋼材を非調質鋼と呼ぶ場合がある．
焼入れは通常よりも大きな冷却速度で低温域まで冷却する．これはベイナイトやマルテンサイト等の低温変態相を生成させて，強度を高めることを目的としている．焼戻しは #1 変態点以下の温度域に加熱する処理の

図３

TMCP，N 鋼の Ceq と強度との関係 16)

図４


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図５

代表的製造プロセスの加工熱履歴 17)

白幡：溶接構造用鋼

製造法別の鋼材ミクロ組織

図７ TiO 鋼のミクロ組織と IGF 観察例 25)

図６

表層超細粒鋼の金属組織 16)

最近の   の進歩

近年需要家からの要求は，ますます高度化，厳格化，多様化する傾向にあり，それに対応するべく   も年々進歩を遂げつつある．以下，トピックス的に示す．

図８

超大入熱溶接時のγ組織比較 25)

その一例が超細粒鋼の実用化に関するもので，表層超細粒鋼の製造法として開発されたプロセスである 18．これは圧延工程の途中で水冷を行い，表層部のみを冷却しことが多い．一方で，前述のように近年では船舶の大型た後，内部の顕熱を利用して表層部が復熱する過程で圧化，建築物の高層化にともない，高張力鋼の適用が増え延を実施することにより，図６16に示すように表層部に 1ている．一般に，高強度であるほど添加される合金元素〜3μ, 程度の微細α粒を生成させるものである．この鋼の影響で 板の特徴は，万一脆性破壊が発生した場合でも，表層がうな硬質第二相（塑性変形することで，き裂の進展を防ぐことができる点

であり，船舶の安全性向上に大きく寄与するものと考え入熱対応が可能な鋼材の開発が強く求められてきた．

が硬化するとともに，破壊の起点となるよ等）が増大し，大入熱溶接時の靭性が低下しやすくなる．そのため，高強度かつ大  鋼では強度・靭性を確保するための合金元素のられている．
次の例は，オンライン熱処理プロセス（：%!3
31%!3,%-3 -+)-% 1.#%22）19である．これは，水冷設量は従来鋼に比べて少なくてすむため，大入熱溶接に対しても有利である．しかしながら，大入熱 

靭性を確

備の後に誘導加熱方式の熱処理設備を配置することで，保するためには，硬質第二相の低減だけでなく，大入熱600 級以上の鋼板の生産効率を高めるものである．金属



学的には，冷却と加熱の組み合わせにより，多様な変態，になる．そのため，単純な成分調整だけでなく，組織制析出制御が可能である点が特徴的であり，建築，ライン御の観点からの改善が必要である 23．に特有のミクロ組織の粗大化を抑制することが必要

大入熱 

パイプ用の高張力鋼の開発・製造に活用されている．

におけるミクロ組織の粗大化を抑制するた

これに対して，焼戻し処理を付与することなく，めには，①高温に長時間さらされる場合でもγ粒の粗大ままで 600 級鋼を効率的に製造できるプロセスも開発化を抑制する，②γ粒内からのα生成を促進しγ粒を分されている 20，21．これは，未再結晶γ域での圧下量確保断する，といった手段が必要である．これらはどちらもにより，水冷時に微細ベイナイトを生成させて靭性を顕著に向上させることや，水冷停止後の空冷過程における利用した " 等の析出活用により，停止温度によらず安定的に強度を確保できるようにした点に特徴がある．

組織の微細化を狙ったものであり，様々なシーズを靭性向上技術が確立されてきた．

歴史的に最初に実用化されたのが ) 鋼である．これは，) 粒子によってγ粒を微細に保つとともに，αの最後に残留応力制御型  22の例を示す．  鋼

変態核としても活用するものである．しかし，) は板では不均一冷却に起因した残留応力分布により，鋼板1200℃以上の温度では溶解し始めるため，大入熱溶接用を切断，溶接する段階で変形が生じて，施工能率を大きとしては適用に限界があった．

く低下させることがある．こうした問題を解決するため，それを補うために実用化されたのが，粒内α（-31!

残留応力制御型   が提案された．これは，加熱・圧1!-4+!1 %11)3%：）を活用した鋼材である．すなわ

延・冷却工程での形状制御，オンラインでの残留応力予ち ) と - の複合析出物や，より高温でも安定な )測に基づく形状評価や出荷判定，後工程での残留応力低の酸化物（)）等を変態核として利用し，γ粒の内部減を組み合わせた総合的な残留応力制御技術である．造からもαを生成させることで，実質的な組織単位を微細船分野で高い工作精度が要求される直線ブロック組立等化した鋼材である．図７25は ) 粒子から生成した の生産性向上に有効であることが確認されている．の観察例である．
しかし，さらに溶接入熱が大きくなると，このような溶接構造用鋼の HAZ 靭性向上技術

23, 24)

方法でも効果が薄くなり，γ粒の粗大化を強力に抑制する必要性が生じた．そのため ! や ' 等の酸化粒・硫

造船・建築の分野では，溶接施工効率化のため，板厚化物を微細かつ高密度に分散させることにより，ピン止の厚い鋼材を１パスで溶接する大入熱溶接が実施される

め効果をさらに強化した鋼材が開発された．図８25は板厚溶接学会誌 第 78 巻（2009）第３号



図９

HAZ 組織制御の概念 26)

60,, の建築用 500 級鋼を 1000*#, 程度の入熱で溶接した際のγ組織を開発鋼（ 鋼）と従来鋼（)鋼）とで比較したものである．このような超大入熱溶接時でも開発鋼のγ粒径は微細に保たれ，0℃におけるシャルピー衝撃吸収エネルギーが 70 以上という良好な靭性を示す．
図９26に上述した 示す．こうした高 

靭性向上技術の概念を模式的に靭性鋼は，造船，建築分野を中心に適用が進みつつある．

おわりに
本稿では溶接構造用鋼の中でも汎用的に使用される
600 級以下の鋼を対象として，特に鋼材を製造する際に活用されている金属組織制御技術に重点をおいて，極力平易な解説を試みた．詳細な事柄については，各節の見出しに示した参考文献を参照していただきたい．

参考文献
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白幡：溶接構造用鋼

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