ステンレス鋼と炭素鋼の溶接は可能ですか？はい。ステンレス鋼は、正しい消耗品、 溶接手順、腐食防止策を用いれば、確実に 炭素鋼 (軟鋼) に溶接できます。日常的な業界慣行は、遷移金属溶加材 (通常ER309/309L系、過酷な用途ではインコ ネルもある)の使用、希釈と入熱の管理、適用規格 (ASME/ASME IX、AWS D1.6、または構造物の管理規格) に従った溶接手順の認定、組立レベルでの 電解腐食防止を計画することである。これらの手順が守られた場合、異種溶接 部は許容可能な機械的性能と長寿命を実現する。

ステンレスとカーボンの溶接が必要な理由

• 上流または下流に炭素鋼配管が続き、接液部にステンレスの耐食性が要求される場合、フランジ付きトランジションピースとレデューサーを使用する。

• 排気装置、熱交換器の接続部、ジャケットは、高温での酸化や腐食に耐えるものでなければならない。

• ステンレスの装飾／加工部品が炭素鋼フレームに取り付けられる構造接続部。

• 既存のカーボン構造を除去することが不経済である場合の補修・改修作業。

このような用途は、発電、石油化学、食品加工、建築サービスなどで一般的である。異種金属を溶接するという技術的決定は、通常、コスト、耐食性、加工の単純さの妥協点である。

冶金学的背景 - 何がこのケースを特別なものにしているのか？

覚えておくべき主な違い

• 化学だ： オーステナイト系ステンレ ス鋼 (304/316など)は、かなりのクロムおよびニッ ケルを含有する；炭素鋼は、Cr/Niをほとんど含 まない。溶接は、溶接金属を卑 金属で希釈する原因となる。最終的な溶接の 化学的性質は、腐食挙動と微細構造を決定 する。

• 相転移： ほとんどのオーステナイト系ステンレ ス鋼は非硬化性であり、予熱を必要としない。このため 予熱と後熱の競合 これは、手技の設計において解決されなければならない。

• 熱膨張と残留応力： ステンレス合金は、炭素鋼よりも熱膨張係 数が大きいことが多く、溶接部には異なるひず みが発生する。このひずみに対応しなければ、 脆いフィラー部や溶接部に亀裂が入る可能 性がある。

• ガルバニック電位差： ステンレス鋼はより高貴である。湿潤環境では、ステンレス鋼と炭素鋼のアセンブリがガルバニック腐食を引き起こす可能性があり、正しく設計されていない場合、炭素鋼が優先的に腐食することになる。

溶接できるか？

しかし、溶接金属は次のように選ばなければならない：

1. 過剰な希釈に耐え、炭素鋼側近傍に硬くて脆い混合組織が形成されないよう、十分な合金成分（Cr、Ni、Mo）を含んでいる。

2. これは、より弱い母材と機械的特性の一致（またはわずかなオーバーマッチ）をもたらす。

3. 溶接手順では、予熱、パス間温度、溶接技師の資格など、最も制約の多い母材を扱う。

これが、以下のようなフィラーメタルの理由である。 er309 / er309l / er312 は、オーステナイト系ステンレス鋼と 炭素鋼の接合に一般的に推奨される。これらのフィラーは、溶接金属が割れ や希釈の問題に耐えられるように、より多 くのクロムとニッケルを導入する。機械的または熱的サイクルの要求が高い場 合、ニッケル基フィラー（インコネル系など） が移行層として使用されることがある。

一般的な溶接プロセスと異種継手の比較

実践的なルール： 入熱と溶接プールの混合を制御できるプロセスを使 うことで、移行フィラーの希釈を最小限に抑え、カーボ ン鋼側での許容できない微細構造を避けることができ る。

フィラーメタルの選択 - 標準オプションとその理由

推奨フィラー（代表的な用途）

• ER309 / ER309L (オーステナイト系ステンレス鋼)： 一般的なオーステナイト系ステンレス鋼(304/316)と炭素鋼を接合するための標準的な「第一選択」です。高いCr/Niを供給して希釈に抵抗し、炭素側に近いマルテンサイト/硬度のリスクを低減します。ほとんどの使用条件に適している。

• ER312： 強度が高く、フェライトのバランスが異なる。

• ER316Lファミリー： 309に比べCr/Niが低いため、トランジション・フィラーとしては不向き。

• ニッケル基フィラー（Inconel 82/182、Inconel 625ファミリーなど）： 過酷な温度環境や腐食環境、あるいは熱膨張の不一致やクラックのリスクが許容できない場合に使用される。耐腐食性、耐クラック性の緩衝材となり、サーモウェルやボイラー用途で一般的です。

選考の原則

1. 低い方の機械的要件に一致するか、わずかに上回る (溶接金属は、少なくとも弱い方の親金属と同程度の強度／靭性を持つべきである）。

2. 十分な合金化を行う 脆性相を防ぎ、予想される使用環境において耐食性を持たせるため。

フィットアップ、準備、ジョイント設計

• 突合せ溶接 圧力密閉の用途には、適度なベベルが好ましい。

• バッキング層またはバター層： 難しい組み合わせの場合、まず炭素鋼の上にニッ ケル基フィラーまたはER309のバター層を析出 させ、勾配をつけた移行部を形成する。こうすることで、最終溶接金属が炭素 ベースで希釈されるのを抑えることができる。

• クラッディング： 設計によっては、融着継手ではなく、炭素鋼部品 をステンレス・オーバーレイで被覆する方が賢明 な場合もある。

• 清潔さ： 酸化被膜は、適切な溶融を妨げ、欠陥を助長す る。ステンレスの表面は、軟鋼工具からの汚染を 避けるように取り扱わなければならない。

熱制御 - 予熱、パス間温度、溶接後熱処理（PWHT）

これが最も厄介な部分である。 予熱の効果 しかし、ステンレス鋼は高温によっ て損傷を受けることがあり（鋭敏化）、一般的に は予熱の必要はない。

対立を解決する方法

1. 最も制限の厳しい要件に従う 割れ防止のため、通常は炭素鋼側を使用する。炭素鋼の予熱が必要な場合は、炭素鋼側 のみに局所的な予熱を注意深く制御し、ステンレ ス鋼側の温度は最小限に抑える（チルバー、局部 加熱法、バターの使用）。

2. 限界通過間温度 を、ステンレス側の鋭敏化を避けるレ ベルまで下げる(オーステナイトの場合、必 要であれば450～850℃の範囲での長時間照射 は避ける)。低熱プロセス(レーザー、パルスTIG)を 使用し、鋭敏化領域での滞留を最小限に抑 える。

3. PWHTオーステナイト系ステンレ スでは一般的だが、低合金鋼では必要な場 合もある。炭素鋼にPWHTが必要な場合は、PWHTサイク ルに耐える適合フィラーと設計を選択する 必要がある。必ず準拠法令を確認すること。

腐食とガルバニック制御戦略

問題だ： ステンレス鋼は、炭素鋼よりも高貴である。電解質（湿潤）環境では、ガルバニ電池が接合部付近の炭素鋼を、時には積極的に腐食させる。

緩和アプローチ：

• コーティング： 直接の電気的接触を断つため、炭素鋼に塗装ま たはコーティングを施す。炭素鋼は、陽極/陰極面積比を良好に保つた めに必要な部分のみコーティングする。

• 孤立している： ファスナーやボルト接合部には、非導電性のガスケット、スリーブ、誘電体ブッシングを使用してください。

• 面積比を考慮した設計： ガルバニックアタックを遅らせるため、カー ボンの面積をステンレスに比べて大きく保つ (大きな陽極と小さな陰極)。

• 排水と換気： 溶接部の隙間や水トラップを避け、液体を排出し、乾 燥できるように細部を設計する。

• 素材の選択と犠牲的保護： システムによっては、犠牲陽極を追加したり、局所的な陽極エレメントの日常点検／交換を受け入れたりする。

注： 表面仕上げと溶接プロファイルは重要である。水 分を捕捉する粗い溶接部は、局部的な腐食 を促進する。接合部から少し離れた位置（一般的には25～40 mmが推奨される）でカーボン側を塗装または被覆することは、簡単な緩和策である。

資格、コード、NDT

• 重要な仕事には資格が必須である。 ASME Section IX (圧力/容器加工用)またはAWS構造 規程を適用する(AWS D1.6はステンレス構造 規程であり、ステンレス溶接の認定に適用され る。炭素とステンレスの接合は通常、異種溶接規 則に該当し、認定を受けなければならない)。

• テストクーポン は、母材と溶加材を正確に使用し、同じ 溶接プロセス、生産に見合った溶接パラメー ターを使用しなければならない。

• 一般的なNDT手法： 目視、表面クラックの染料浸透探傷剤、 炭素鋼側の磁性粒子(オーステナイト系ステンレ スは不可)、体積欠陥のX線検査、超音波検査 (音響特性の違いに注意)。化学分析/腐食試験片は、サービス検証 に使用されることがある。

• 冶金学的検査 重要な異種溶接部では、炭素側近傍に低靭性微小 ゾーンが存在しないようにする必要がある場合があ る。

典型的な問題と対策

実践的なステップ・バイ・ステップの溶接手順

1. ベースメタルとサービス環境を特定する。

2. フィラーを選択 (ER309Lが一般的。極端な使用にはニッケルベースを考慮すること)。

3. プロセスの決定 (GTAWルート＋GMAWフィルが生産バランスでは一般的）。

4. ジョイントの準備洗浄、面取り、はめ込み。スケール/汚れを除去する。可能な限り、ステンレスをCS工具の汚染から隔離する。

5. バターまたはクラッド 苛酷なサービスのために必要であれば、カーボン側。

6. 予熱/インターパスの制限を定義し、記録する 最も制限的な資料（WPSの文書）による。

7. 手続きを認定する PQRと、規定に基づいて義務付けられている破壊試験。

8. 生産溶接を行う オペレーターが同じPQRパラメーターに適合している。

9. 検査 目視および必要なNDTを実施し、腐食保護対策を行う。

10. ドキュメント トレーサビリティのためのWPS/PQRと検査記録。

表 - クイックリファレンス

表 A - 一般的なフィラーの選択と典型的な用途

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表B - プロセスと遮蔽（実践的ガイダンス）

検査、試験、受入基準

• 機械試験 低温または動的な負荷が予想される場合は、一般的に引張試験や曲げ試験、マクロエッチング、CV/衝撃試験などが行われる。

• ラジオグラフィー 体積欠陥は特定できるが、異種界面近傍の平面的な融着 欠損を見逃す可能性がある。

• メタログラフィー 代表的なサンプルの採取は、重要なサービスにおいて望ましくない相や希釈プロファイルをチェックする唯一の決定的な方法である。

溶接しない場合 - 考慮すべき代替案

• クラッディング (耐食性が局部的である場合は、炭素にステンレ スを肉盛溶接する）。

• 機械的接合 (フランジ、カップリング）は、差動熱膨張またはガルバニック問題が支配的な場合。

• 爆発接合または拡散接合 特殊な用途で

• カーボン部分をステンレスに交換 腐食リスクやメンテナンスコストが正当化される場合。

実例とケースポイント

• 配管とフランジの切り替え： 一般的な解決策は、溶接部にER309Lフィラーを使用し、ガルバニック結合を防ぐために誘電体ガスケットを使用して、カーボンフランジに溶接された短いステンレススプールである。

• サーモウェルとボイラー貫通部： 多くの場合、熱応力と腐食応力を相殺するためにニッケルベースのフィラーが使用される。歴史的に、非常に繰返し性の高い熱環境で309のみを使用した場合に不具合が生じる。

• 現場での修理： 309Lロッドを使用したSMAWは、工場での完全な突き合わせ 溶接が現実的でない小さな接合部に対して、現場 で頻繁に使用される。圧力システムには、資格のある手順と溶接工が必 要である。

よくあるご質問

1.ER309Lは、ステンレスとカーボンの 溶接に常に適した溶加材ですか。
ER309Lは、希釈の問題が生じにくい合金を含ん でいるため、最も一般的で経済的な第一候補である。しかし、過酷な熱サイクル、高温サービ ス、腐食性の強い環境では、ニッケル基フィ ラー（インコネル系）やより特殊な合金が必要にな る場合がある。フィラーは、常にサービスおよび規格要件に適合させること。

2.316ステンレスと軟鋼の接合に、標準的な316フィラーを使用できますか？
推奨されない。316フィラーは309フィラーより合金含有率が低 く、希釈しやすい。このため、炭素側近傍に脆 弱相が生じるリスクが高くなり、溶接金属の耐食 性が悪化する。316を支持する冶金学的研究がない限り、異種 接合には309系を使用すること。

3.ステンレス鋼と炭素鋼を溶接する際、予熱は必要ですか。
炭素鋼の焼入れ性と板厚による。炭素鋼の水素割れを防ぐために、予熱が必 要な場合がある。溶接手順は、予熱を文書化し、ステンレ ス側を過熱しないよう温度管理しなければな らない。

4.接合部の電解腐食を防ぐには？
炭素鋼へのコーティング、誘電体絶縁、適切な面積比設計、クラッディング、犠牲陽極などの選択肢がある。炭素鋼へのコーティングは、接合部から短い距離（25～40mm）で行うのが一般的です。

5.どの規格が異種溶接の認定を規定しているか？
設計者は、プロジェク トに適用される規格を確認し、その規格に基づ いて正確な異材の組み合わせを認定しなければな らない。

6.クラッディングの方が長期的な選択肢として優れているか？
過酷な腐食環境ではよく使用される。クラッディングは、連続的な電解接触経路を回避し、重要な融着継手の数を減らすことができますが、コストが高くなる可能性があり、適切な手順が必要になります。

7.これらの接合部にはどのようなNDTが最適か？
目視＋浸透探傷剤（表面クラック）、X線検査または超音波検査（体積）、必要に応じて微細構造検査用の金属組織検査を組み合わせて使用する。磁性粒子は炭素鋼ゾーンにのみ有効です。

8.溶加材なし(自生)で、オーステナイト系ステンレ スとカーボンを溶接できますか？
母材が希釈されると、合金不足の溶接部（炭素側） ができ、腐食や機械的性能が低下するため、異種金属 の組み合わせには推奨されない。トランジション・フィラーを使用する。

9.シールドガスの選択はどのくらい重要ですか？
GMAW/TIGに不可欠：オーステナイト用のアルゴンが豊富なガスは、酸化と気孔率を減少させる。CO₂またはO₂の少量の添加は、移送モードを変えるが、適用を誤ると表面仕上げや耐食性を損なう可能性がある。

10.ステンレス鋼と炭素鋼の溶接で、最も大きな不 良の原因は何か？
適切な手順認定の欠如と、電解腐食および予熱／インターパスの競合に対処していないこと。実際には、計画の不備が冶金学を主な原因としている。

まとめ - 溶接前のエンジニアリング・チェックリスト

1. コードと資格パス（ASME、AWS、顧客仕様）を特定する。

2. フィラーを選択する（デフォルトはER309L、必要に応じてニッケル）。

3. 腐食防止のための設計（コーティング、隔離、面積比）。

4. WPSで予熱/PWHTの競合を解決する。

5. 完全なPQRと溶接士資格 - 正確な材料でテスト。

ショップでの実践から得た最後のヒント

• 本番稼動前には、必ず小規模な模擬溶接と破壊試験をクーポンで実施する。

• トレーサビリティのため、フィラーの各バッチの化学分析（工場証明書）を記録する。

• 現場溶接では、電極とワイヤーが乾燥した状態に保たれ、作業者がPQRパラメーターを厳守していることを確認してください。

• 薄い部分や熱に弱い部分を接合する場合は、バター層を考慮する。

• 安全または圧力システムについて疑問がある場合は、溶接技師に相談し、管理規定の正確な版を参照してください。

権威ある参考文献

• ニッケル協会 - 異種金属溶接ガイドライン（技術指針PDF）
• リンカーン・エレクトリック - ER309 / ER309Lフィラーメタル製品と使用データ
• AWS D1.6 - 構造溶接コード - ステンレス鋼 (コードの概要と要件)
• ニッケル協会 - ガルバニック腐食の管理（予防と緩和の実践）