4140鋼の溶接：予熱、溶加材および溶接後処理の実務

4140に注意が必要な理由

4140（42CrMo4、SCM440）は中炭素のクロムモリブデン鋼であり、炭素当量は通常およそ0.75–0.85で、溶接部が冷却する際に熱影響部（HAZ）に硬くて脆いマルテンサイトが容易に生成するほど高い値です。4140の溶接不良のほぼすべては、予熱不足、溶着金属中の水素、溶接後処理の欠如という三つの原因のいずれかに帰着します。

予熱：CEVと板厚で決める

予熱により冷却速度が遅くなり、HAZは水素割れが発生する硬さの範囲未満に保たれます。実務で用いられる目安は次のとおりです。

合計板厚	標準的な予熱
~12 mm未満	150–200 °C
12–25 mm	200–250 °C
25–50 mm	250–300 °C
50 mm超	300–350 °C

厚く拘束の大きい継手ほど、各範囲の上限寄りに設定します。継手全域、すなわち継ぎ目の両側およそ75 mmを予熱し、色ではなく温度チョークまたは放射温度計で確認してください。温度は継手全体を通して維持し、溶接を中断した場合は断熱材の下でゆっくり冷却させ、再開前に予熱を再確立してください。

溶接材料と溶接技法

• 低水素系のプロセスと溶接棒を使用してください（適切に乾燥した塩基性被覆アーク溶接棒、または乾燥した清浄なソリッドワイヤによるガスメタルアーク溶接）。セルロース系溶接棒の出番はここにはありません。
• 溶加材の強度は設計上の選択です。整合溶加材（例えば110–120 ksi級、または中程度の強度向けのER80S-D2タイプ）は構造補修に適し、一方で309タイプのオーステナイト系やニッケル基溶加材のような柔らかく延性のある溶着金属は、継手強度を犠牲にする代わりに、肉盛りや割れに強い補修のために選択されることがあります。
• 入熱は中程度に保ってください。入熱が非常に小さいと割れのリスクが高まり、非常に大きいと軟化域と硬化域が広がり靭性が損なわれます。
• クレータや急なスタート・ストップを避けてください。クレータ割れは4140の典型的な欠陥です。

テンパービードとPWHT

完全な炉内サイクルが現実的でない補修では、テンパービードの手順、すなわち各パスがその下のパスを焼戻しし、最後に後で研削除去する焼戻し層で仕上げる方法で部分的に代替できますが、即興ではなく認定された手順でなければなりません。

原則として、溶接した4140には溶接後熱処理を行うべきであり、応力除去焼戻しはおよそ550 °Cから母材本来の焼戻し温度までの間（それを超えてはならず、超えると強度が失われます）で行います。多くの工場では、溶接後、室温まで完全に冷まさずに短時間で焼戻しを行い、待ち時間中の水素割れを抑制します。

実務チェックリスト

1. 光輝面まで清掃し、油分、スケールおよび割れのある材料を完全に除去してください。割れは研削除去し、溶接前に浸透探傷で確認してください。
2. 予熱を確立して保持し、層間温度を監視してください。
3. 低水素系溶接材料を用い、入熱は控えめにし、過度なウィービングは避けてください。
4. 断熱材の下で徐冷し、その後にPWHTまたは焼戻しを行ってください。
5. 重要な作業では最終割れ検査まで少なくとも48時間待ってください。水素割れは遅れて発生することがあります。