溶接熱変色および変色：受入基準と清掃方法（AWS D18.2）

溶接熱変色とは、ステンレス鋼の溶接部近傍に生じる目に見える酸化膜による変色であり、その色は保護用クロム酸化被膜がどれだけ熱と酸素によって損なわれたかを直接示します。AWS D18.2では、許容範囲内の薄い麦わら色から、不許容となる濃い青色・灰色・黒色まで、変色の色調を段階的に示したサンプルチャートが提供されており、製造業者が衛生的・耐食性が特に重要な溶接部の品質を客観的に評価できるようになっています。色が濃くなるほど、酸化膜下でのクロムの枯渇が進行し、耐食性が低下します。したがって、受入基準の設定および適切な清掃は、溶接そのものと同等に重要です。浙江温強ステンレス鋼有限公司では、溶接後の状態を単なる外観上の配慮ではなく、納品物の一部として扱っています。

熱変色が生じる理由と、各色が意味するもの
ステンレス鋼は、薄く自己修復するクロム酸化物の不動態皮膜によって腐食に耐えます。溶接部を酸素雰囲気中で加熱すると、この皮膜が厚くなり、干渉酸化膜（干渉色を呈する酸化膜）へと変化します。その色は加熱温度や酸素への暴露量に応じて変わり、炭素鋼の焼き色と似た性質を持ちます。淡い麦わら色や薄い金色は、比較的低温で形成された薄い酸化膜を示し、クロムの損失もわずかです。より濃い青色、さらに灰色や黒色へと移行していくことは、より高温・強酸化雰囲気下での加熱を意味し、酸化膜も厚くなります。
問題は、色の下に存在するものです。厚い酸化皮膜を形成するには、表面が直下の金属からクロムを引き寄せることになり、その結果、クロム濃度が低下した層が残ります。耐食性は、不動態皮膜中に約10.5％以上（重量比）のクロムを維持することに依存しており、そのため、暗色の熱変色部の直下に形成されたクロム貧化層は、はるかに容易に腐食します。現場での経験および実験室での研究の両方から、変色が濃くなるほど点食および隙間腐食に対する耐性が低下することが確認されています。このため、衛生機器、医薬品製造設備、および塩化物に曝されるシステムでは、変色を厳しく制御しています。

AWS D18.2 の概念
AWS D18.2は、オーステナイト系管およびパイプの内面溶接部における変色を物理的なサンプルチャートに基づいて視覚的に評価するための受入基準です。このチャートには、無着色から徐々に濃くなる変色レベルを段階的に示した一連のサンプルが掲載されており、それぞれに数値が割り当てられています。製造業者または検査担当者は、規定された照明条件下で実際の溶接部とチャートを比較し、該当するレベルを記録します。数値が大きいほど変色が濃く、耐食性の低下も大きくなります。
このチャートは、内面が製品に直接接触する衛生配管において特に有効です。また、裏面パージの品質が仕上がりを左右する場合にも有用です。本チャートの価値は、「どれだけ濃い変色まで許容されるか」という主観的な判断を、仕様書に明記でき、納入時に再現・確認可能な客観的な評価レベルへと変換することにあります。

許容するレベルは、適用される規格および使用環境の腐食性によって異なります。たとえば、飲料水配管では、高純度または高塩素系システムに比べて、やや濃い色調まで許容されることがあります。

バックパージングおよび熱管理による予防
熱変色を制御する最も効果的な方法は、溶接および冷却中に溶接部周辺への酸素の侵入を防ぐことです。パイプ内面をアルゴンガスでバックパージし、外面も適切にシールドすれば、重い酸化皮膜が形成されるレベルより酸素濃度を低く保つことができ、良好にパージされた溶接部は明るい仕上がり、あるいはわずかにわら色がかった程度で仕上がります。また、金属が酸化を起こす温度域を下回るまでパージを継続してください。高温状態で空気にさらされている間は、熱変色が進行し続けるためです。
熱入力、溶接速度、パス間温度を制御することで、全体的な酸化量および影響を受けた領域の幅を制限できます。過剰な熱は、より広く濃い色調を生じさせ、デュプレックス系ステンレス鋼では、それに加えて冶金学的な損傷を引き起こすリスクがあります。また、適切な組立精度と一貫した溶接技術により、再加熱による手直し作業を大幅に削減できます。

熱変色の除去
変色が許容範囲を超えた場合、その変色部およびその下層にあるクロム欠乏層をすべて除去し、表面を再不動態化する必要があります。使用する方法は、作業場所へのアクセス性や使用条件によって異なります。
ピッキングペースト（硝酸およびフッ化水素酸のゲル）を溶接部に塗布し、酸化皮膜およびクロム欠乏層を化学的に溶解した後、十分にすすぎます。これにより耐食性が回復しますが、取り扱いには注意が必要であり、廃液の中和も必須です。電解研磨は、電気化学的に表面のごく薄い層を除去し、明るく滑らかなクロム富化仕上げ面を形成します。高純度システムではこの仕上げが好まれます。ステンレス鋼製ワイヤーブラシによる機械的研磨、清浄な媒体を用いたアブレーシブブラスト、または研削といった機械的手法でも着色を物理的に除去できますが、炭素鋼の鉄分が混入しないよう、工具はすべてステンレス鋼製でなければならず、単独で行うと耐食性が低下する可能性があるため、その後にパッシベーション処理を行う必要があります。
着色の除去後は、硝酸またはクエン酸によるパッシベーション処理を行い、熱変色によって失われた耐食性を回復させるために、清潔でクロムを豊富に含む酸化被膜を再形成します。

着色が許容される場合
着色の痕跡をすべて除去する必要はありません。軽微なわら色の変色が、適切にパージされた溶接部に見られる場合でも、通常は規格要件を満たし、耐食性も実質的に損なわれません。適用される規格および使用環境によって判断してください。衛生的・高純度・塩化物を含む用途では、ほぼ鏡面状の溶接部が求められますが、それほど過酷でない用途では、清掃せずにD18.2レベルが低くても許容されることがあります。重要なのは、事前に許容される着色レベルを明確に定め、それを基準として検証することであり、基準なしに目視で判断することではありません。

実用ガイド
サービスに応じたAWS D18.2準拠の最大許容変色レベルを明確に定義し、背面パージおよび熱管理を厳密に実施して着色を防止します。また、この限界を超えた溶接部はすべて除去・再パスベーション処理を行います。機械的清掃にはステンレス専用工具のみを使用し、鉄分混入を防ぎます。酸洗処理後の表面は十分に水洗いします。ウェンチアン社では、制御された背面パージと溶接後清掃を実施したステンレス鋼製配管・チューブを製造しており、自社内の試験室で溶接品質および表面状態を検証することで、納入製品がお客様の用途に求められる変色制限および耐食性要件を確実に満たすよう保証しています。

よく 聞かれる 質問
Q：溶接熱変色は本当に耐食性を低下させますか？
A：はい。濃い熱変色は、表面直下の金属からクロムを奪うことで形成され、その結果、クロムが枯渇した層が残ります。この層はピッティング腐食や隙間腐食を起こしやすくなるため、AWS D18.2では熱変色を等級分けしており、厳しい使用条件ではその量が厳しく制限されています。
Q：溶接変色を防止する最も効果的な方法は何ですか？
A：アルゴンガスによる内面パージと外面のシールドにより、溶接および冷却中の酸素を遮断し、溶接部を明るい状態またはわずかにわら色がかった状態に保ちます。熱入力の制御および溶接部がさらに冷却されるまでパージを継続することで、変色をさらに抑制します。

制御されたパージ条件下で溶接されたステンレス鋼パイプ、溶接後の清掃、および検証済みの溶接品質について、浙江温強ステンレス鋼有限公司（電話番号：+86 577 8922 2595）へお問い合わせください。 https://www.chinawqsteel.com/