溶接入熱量 計算ツール｜V×I×60÷速度×ηで高強度鋼HAZ管理・JIS Z 3040完全ガイド
電流・電圧・溶接速度・熱効率から入熱量Q(kJ/cm)を即算出。入熱は溶接部の冷却速度・組織・機械的性質を決める最重要パラメータで、高強度鋼(HT590/780)・ステンレスでは厳格な上限管理が求められます。熱影響部(HAZ)の靭性・脆性・鋭敏化、被覆アーク/MAG/TIG/サブマージの熱効率、多層盛り管理、JIS Z 3040・WES 3003・ASME Sec IXの規格対応、鉄骨・圧力容器・造船・原子力の実務事例までを網羅解説します。
溶接入熱量(V×I×60÷速度)ツール
計算式と前提
基本式
Q(kJ/cm) = V × I × 60 / (v × 1000) × η
V:電圧(V)、I:電流(A)、v:溶接速度(cm/min)、η:熱効率(0.6-0.9)。例:V=22V・I=200A・v=30cm/min・η=0.75なら、Q = 22×200×60/(30×1000)×0.75 = 6.6 kJ/cm。単位換算では1 kJ/cm = 100 J/mm = 100 kJ/m です。
入熱と冷却速度の関係
入熱量が大きいと溶融池が広がり、周囲への熱伝導で母材温度が上昇し冷却速度が遅くなります。冷却が遅ければマルテンサイト変態を回避しやすいが、逆に粒粗大化・軟化が進行。入熱量は冷却速度と組織を決める最重要因子です。
t8/5(800→500℃冷却時間)
t8/5 ∝ Q² / (板厚 × 熱伝導率)
800℃から500℃までの冷却時間で、鋼組織のオーステナイト→フェライト・パーライト・ベイナイト・マルテンサイト変態が起こる温度域。この時間で最終組織が決まります。高強度鋼では最適 t8/5 が規定され、入熱管理が鋼材メーカーの推奨WPSに反映されます。
溶接法別 熱効率η
入熱計算式のη(熱効率)は、電力→溶融エネルギーの変換率で、溶接法により大きく異なります。日本溶接協会(JWES)推奨値。
| 溶接法 | 熱効率η | 特徴 |
|---|---|---|
| サブマージアーク(SAW) | 0.90-0.99 | フラックス被覆でロス最小、大電流大入熱の造船・重工向け |
| 被覆アーク溶接(SMAW) | 0.65-0.85 | 手溶接の標準、被覆材の役割で熱ロスあり |
| ガスシールドアーク(MAG/MIG) | 0.65-0.85 | CO2・Ar混合ガス、鉄骨・造船・車両で主流 |
| TIG溶接(GTAW) | 0.55-0.75 | 不活性ガス、非消耗電極、精密溶接向け |
| プラズマアーク(PAW) | 0.60-0.80 | 高エネルギー密度、薄板溶接 |
| レーザー溶接 | 0.50-0.90 | ビーム焦点で高密度、変動幅大 |
| 電子ビーム溶接 | 0.85-0.95 | 真空環境、最高精度 |
実務では中央値(SMAW/MAG=0.75、TIG=0.6、SAW=0.9)を使うのが典型。設計計算・WPS作成では低めの効率で保守的見積りを行います。
鋼種別 推奨入熱量
日本溶接協会規格(WES)および鉄骨・圧力容器等の材料メーカー推奨値。
| 鋼種 | 推奨入熱 kJ/cm | 備考 |
|---|---|---|
| SS400 一般構造用鋼 | 10-40(制限緩) | 建築・機械・雑用途 |
| SM400/490 溶接構造用 | 10-40 | 橋梁・建築鉄骨 |
| SN400/490 建築構造用 | 10-30 | 建築主要構造(柱・梁) |
| SM570 高降伏点鋼 | 5-30 | 大型橋梁・高層建築 |
| HT590 高張力鋼(590N) | 5-20 | 造船・重機・鉄骨 |
| HT780 高張力鋼(780N) | 3-10 | 油圧機器・超高層 |
| HT980 超高張力鋼 | 3-7 | 建設機械・特殊用途 |
| SUS304 オーステナイト系 | 10-25 | 粒界腐食注意 |
| SUS316L 低炭素 | 15-30 | 耐食性優先、L材で鋭敏化抑制 |
| SUS410 マルテンサイト系 | 5-15 | 予熱・後熱必須 |
| SUS430 フェライト系 | 5-15 | 粒粗大化・靭性低下注意 |
| SUS329J 二相系 | 10-25 | フェライト/オーステナイト比維持 |
| 低温用鋼(SL9%Ni等) | 3-15 | LNGタンク・極低温用途 |
熱影響部(HAZ)と冷却時間t8/5
溶接部周辺で母材が高温履歴を受け組織変化する領域を熱影響部(HAZ: Heat Affected Zone)と呼び、機械的性質が最も劣化しやすい重要域です。
粗粒域(Coarse Grain HAZ)
溶接金属直近の高温域で、旧オーステナイト粒が粗大化。冷却で低靭性のマルテンサイトやベイナイトが生成しやすく、脆性破壊の起点になりやすい最危険域です。
細粒域(Fine Grain HAZ)
粗粒域外側のやや低温域で、再結晶+微細粒生成で母材より靭性が高い。入熱過大では粗粒域が広がり細粒域が狭くなります。
部分変態域
Ac1-Ac3温度域(700-830℃)で部分的にオーステナイト化。混粒組織で機械的性質不均一。多層盛り再熱処理の重要ゾーン。
t8/5(800→500℃冷却時間)
HAZ組織を決める最重要パラメータで、入熱量・板厚・予熱温度・熱伝導率の関数。鋼種別に推奨t8/5範囲が規定(HT780で10-30秒等)。この範囲外では靭性・強度不足を招きます。
SUSの鋭敏化(Sensitization)
SUS304で500-800℃長時間保持でCr炭化物が粒界析出→周囲Cr欠乏→粒界腐食。入熱過大でHAZに鋭敏化領域が広がり耐食性低下。SUS316L(低炭素材)で予防します。
予熱・後熱の役割
予熱で母材温度を上げて冷却速度を緩和(t8/5延長)、水素拡散促進で低温割れ予防。後熱(後熱処理PWHT)で残留応力除去+HAZ焼戻し。高強度鋼・厚板で必須プロセス。
多層盛り溶接の入熱管理
厚板・大型構造では1層で施工できず、複数層を重ねて溶接します(多層盛り)。この場合、各パスの入熱を個別に管理する必要があります。
| 層 | 役割 | 入熱の考え方 |
|---|---|---|
| 初層(Root) | 裏波形成・貫通確保 | やや低入熱で溶落ち防止 |
| ホット層(Hot pass) | 初層溶接不良の焼き入れ | 中入熱で欠陥再溶融 |
| フィル層(Fill) | 断面充填 | 鋼種別上限内で最大化(生産性) |
| 仕上げ層(Cap) | 外観・形状 | 中入熱で余盛管理 |
パス間温度(interpass temperature)も入熱と同等に重要で、前パスの余熱が冷める前に次パスを施工すると累積熱で組織劣化。鋼種別にパス間温度上限(炭素鋼250℃、高強度鋼150℃、SUS150℃等)が規定されます。
入熱不良で発生する主要欠陥
入熱管理を誤ると、以下の溶接欠陥が発生します。非破壊検査(UT・RT・MT・PT)で検出し、原因の入熱・パス間温度・棒選定を見直します。
| 欠陥 | 原因 | 予防・対策 |
|---|---|---|
| 低温割れ(冷間割れ) | 低入熱+高水素+高拘束 | 予熱・後熱、低水素棒、入熱適正化 |
| 高温割れ(凝固割れ) | 高入熱+高不純物 | 入熱低減、母材純度確認 |
| 再熱割れ | PWHT時の応力集中 | 形状・寸法適正化、鋼種見直し |
| ラメラティア | 板厚方向応力 | 厚板でZ規格材使用、開先形状 |
| HAZ靭性低下 | 入熱過大+高冷却速度 | 入熱・冷却速度の適正管理 |
| 粒界腐食(SUS) | 500-800℃長期保持 | 低炭素材採用、入熱抑制 |
| ブローホール | ガス巻込み(水分・油分) | 清掃・乾燥、ガスシールド適正化 |
| アンダーカット | 電流過大・速度過大 | 電流・速度の適正化、棒角度 |
業界・現場での使い方
建築鉄骨(SN490・HT590)
建築物の柱・梁の完全溶込み溶接。SN490B/Cは10-30 kJ/cm、HT590は5-20 kJ/cm範囲での施工が標準。建築基準法・国土交通省告示に基づく品質管理と超音波探傷(UT)検査が必須です。
橋梁(SM570・SBHS)
長スパン橋梁ではSM570・SBHS500/700等の高強度鋼を使用。国土交通省・日本道路協会の道路橋示方書に準拠した入熱・パス間温度管理を実施。溶接技術者(JIS Z 3801)資格必須。
圧力容器・タンク
ボイラー・圧力容器構造規格(告示第196号)・ASME Section VIIIに基づく溶接施工要領書(WPS)・作業標準(PQR)で入熱範囲を厳密規定。厚板SM/SB系での多層盛り管理が主。
造船(SM490・SMA490)
船殻構造でサブマージアーク大電流溶接が主。高効率・大入熱溶接で生産性重視だが、板厚・鋼種に応じたt8/5管理が寒冷海域の靭性確保に必須。日本海事協会(NK)規格対応。
原子力・LNGタンク
極低温靭性要求で低入熱維持。9%Ni鋼・SUS304L・ハステロイ等の特殊材料で、入熱厳格制限(3-15 kJ/cm)。原子力機器技術基準・日本高圧ガス保安協会規格対応。
自動車ボディ・車両
薄板高強度鋼(590MPa以上)の抵抗スポット溶接・レーザー溶接が主流。従来アーク溶接から高エネルギー密度短時間溶接へシフトし、入熱最小化+高精度品質が実現されています。
よくある間違い・注意点
- 効率η=1で計算 — 実際のアーク熱効率は0.6-0.9で、η=1では過大評価。特にTIG(η=0.6)でηを1とすると実入熱は6割程度なのに過大に見積もり、逆に大入熱設定してしまう危険があります。
- 多層盛りで各パス個別評価せず — 全層合計だけでは各パスの実入熱を管理できない。粗粒HAZの生成は初層・ホット層で決まるため、パスごとの入熱記録が不可欠です。
- 高強度鋼で通常入熱 — HT780に20 kJ/cm入熱→HAZ脆化+靭性低下+低温割れリスク。鋼種別上限厳守が原則で、材料メーカーの推奨WPSに従います。
- パス間温度管理を怠る — 入熱同様に重要。前パスが冷え切らないうちに次パス施工で累積熱→組織劣化。放射温度計でパス間温度を実測管理します。
- 予熱・後熱の省略 — 高強度鋼・厚板・低温環境では予熱必須。CE(炭素当量)0.4以上の鋼材ではJIS Z 3158の水素割れ試験に基づく予熱温度規定を守ります。
- SUS高入熱で鋭敏化促進 — SUS304で入熱過大→HAZの500-800℃保持時間が長期化→Cr炭化物析出→粒界腐食。低炭素材SUS304L/316Lで予防。
- 低入熱で低温割れ — 逆に入熱が過小だと冷却速度速すぎ→水素拡散不足で低温割れ発生。適正範囲の中央付近を狙うのが安全です。
関連する規格・法令
- JIS Z 3040 溶接施工方法の確認試験方法 ― 溶接施工方法の性能確認試験・要領書(WPS)・確認記録(PQR)の日本産業規格。溶接品質管理の根本規格。
- WES 3003 鋼構造溶接部の非破壊試験 ― 日本溶接協会規格。UT・RT・MT等の非破壊検査基準。
- JIS Z 3801/3841/3805/3811 溶接技術者資格 ― 手溶接・半自動溶接技能者・ステンレス鋼溶接・チタン溶接の国家資格試験規格。
- JIS Z 3158 y形溶接割れ試験方法 ― 高強度鋼の低温割れ感受性評価。予熱温度決定の根拠。
- ASME Section IX Welding, Brazing, and Fusing Qualifications ― 米国機械学会 溶接資格規格。国際的圧力容器プロジェクトで参照。
- ASME Section VIII Boilers & Pressure Vessels ― 圧力容器の設計・製造・検査規格。海外プラント案件で必須。
- AWS D1.1 Structural Welding Code (Steel) ― 米国溶接学会 鋼構造溶接規格。北米向け建設プロジェクトで参照。
- ISO 15614 溶接施工要領及びその承認 ― 溶接施工要領承認の国際規格。EU向け輸出案件で参照。
- 労働安全衛生法・特別教育規則 ― アーク溶接作業者の特別教育義務。事業者責任。
- 建築基準法(告示第2464号等) ― 鉄骨造建築物の溶接品質要求。建築主要構造部の溶接規制。
参考文献・公的資料
溶接技術・入熱管理・規格対応の詳細は、以下の公的機関・学会・業界団体の資料を参照してください。
- 日本溶接協会(JWES) ― 日本の溶接技術の中核団体。WES規格制定・溶接技術者資格認証・研究開発。技術資料多数公開。
- 日本溶接学会 ― 溶接工学の学術団体。学会誌「溶接学会論文集」で最新研究発表。
- 日本産業標準調査会(JISC) ― JIS Z 3040・Z 3801等の溶接関連JIS規格の公式索引。
- 日本鉄鋼連盟 ― 高強度鋼・特殊鋼の物性データ・溶接性資料を公開する業界団体。
- ASME Codes & Standards ― 米国機械学会規格。Section IX・Section VIII等、国際圧力容器プロジェクトで必須参照。
- American Welding Society (AWS) ― 米国溶接学会。AWS D1.1等の北米標準規格・技術情報。
- 国際溶接学会(IIW) ― 溶接技術の国際的な学術・標準化団体。IIW推奨t8/5式などの根拠。
- 日本海事協会(NK) ― 船舶構造の検査・鋼材承認・溶接施工承認機関。造船案件で必須。
- 日本高圧ガス保安協会(KHK) ― 高圧ガス保安法に基づく圧力容器・LNGタンク等の溶接施工基準。
- 国土交通省 道路橋示方書 ― 橋梁の設計・施工基準。溶接品質・入熱管理の公式ガイドライン。
よくある質問（FAQ）
入熱量kJ/cmとJ/mmの関係は？
1 kJ/cm = 100 J/mm = 100 kJ/m。単なる単位換算のみ。国内WPSでは kJ/cm、海外規格では J/mm や kJ/m 表記が混在するため、換算漏れに注意します。
高強度鋼で入熱上限は？
HT590で15-20 kJ/cm、HT780で10 kJ/cm、超高強度(HT980)で5 kJ/cm以下が目安。ただし鋼材メーカー毎にWPSが異なるため、鋼材承認書と適合するWPSに従います。上限超過はHAZ靭性大幅低下+脆性破壊リスクを招きます。
入熱を下げるには？
電流減・電圧減・溶接速度増・多層盛り分割の4つの選択肢。高強度鋼では速度増と多層盛りの組合わせが一般的で、パス数増でトータル管理します。溶接電源のパルス制御機能を活用する方法もあります。
効率ηの値は？
被覆アーク0.7-0.8、MAG/MIG 0.75-0.85、TIG 0.55-0.75、サブマージ0.9-0.99が典型。設計計算では保守的に低めの値を採用します。JIS Z 3040やIIW推奨値を根拠にできます。
予熱はなぜ必要？
(1)冷却速度緩和で低温割れ防止、(2)水素拡散促進、(3)HAZ靭性維持、(4)残留応力低減、の4大効果。高強度鋼・厚板・低温環境で必須。CE(炭素当量)0.4以上または板厚25mm超で目安。予熱温度はJIS Z 3158の割れ試験結果に基づき決定します。
後熱処理(PWHT)とは？
溶接後に構造物全体または局部を高温加熱(炭素鋼で600-650℃)して残留応力除去+HAZ焼戻し。JIS B 8265(圧力容器構造)・ASME Section VIIIで規定。厚板・高強度鋼・応力集中部で必須の場合が多くあります。
ステンレスで気をつけることは？
(1)鋭敏化(500-800℃保持で粒界腐食)、(2)粒界腐食予防のSUS304L/316L(低炭素材)採用、(3)入熱抑制でパス間温度150℃以下、(4)酸化スケール除去、が主要ポイント。フェライト系(SUS430)は粒粗大化・靭性低下にも注意します。
パス間温度とは？
多層盛りで次パス施工開始時の前パス温度。入熱同様に組織を左右する重要パラメータ。放射温度計で実測管理し、炭素鋼250℃・高強度鋼150℃・SUS150℃等の上限を守ります。上限超過で組織劣化が進行します。
t8/5とは？計算方法は？
800℃→500℃までの冷却時間で、HAZ組織を決める指標。厚板の場合 t8/5 = (Q²/λρc) × f(T0) の式で計算(λ:熱伝導率、ρ:密度、c:比熱、T0:予熱温度、f:形状因子)。IIWまたはSEW 088の計算式が実務標準です。
WPSとPQRの違いは？
WPS(Welding Procedure Specification)は溶接施工要領書で、設計者が定める指示書。PQR(Procedure Qualification Record)は施工方法確認記録で、WPS通り施工した試験片の性能試験結果。PQRでWPSの妥当性を証明します。
入熱管理の記録はどう残す？
各パスごとに電流・電圧・速度・入熱・パス間温度・使用棒径を作業記録(溶接記録簿)に記入。ISO 9001/ASME/AWS認証工場では第三者検査対応で必須。デジタル溶接電源による自動記録システムが導入されつつあります。
アーク溶接の特別教育とは？
労働安全衛生法・特別教育規則に基づき、アーク溶接作業者に事業者が義務付ける学科11時間+実技10時間の教育。感電・アーク光傷害・ヒューム吸入対策等を学習。無資格作業は労安法違反となります。
計算例：HT780大梁溶接
ケース1 建築鉄骨SN490B(MAG半自動):
V=28V、I=280A、v=35cm/min、η=0.8 → Q = 28×280×60/(35×1000)×0.8 = 10.75 kJ/cm。SN490は10-30 kJ/cmの推奨範囲内で適正、標準的な鉄骨大梁の完全溶込み溶接に対応します。
ケース2 HT780高強度鋼(TIG精密溶接):
V=15V、I=180A、v=25cm/min、η=0.65 → Q = 15×180×60/(25×1000)×0.65 = 4.21 kJ/cm。HT780の上限10 kJ/cm内で保守的な設定、多層盛りでの厚板対応。パス間温度150℃以下+予熱150℃で低温割れ予防。
ケース3 SUS316L圧力容器(サブマージアーク):
V=32V、I=400A、v=40cm/min、η=0.95 → Q = 32×400×60/(40×1000)×0.95 = 18.24 kJ/cm。SUS316L推奨範囲15-30 kJ/cmの下限側で、鋭敏化抑制優先の保守設定。ASME Section VIII WPS対応。
ケース4 9%Ni鋼LNGタンク(被覆アーク):
V=24V、I=150A、v=30cm/min、η=0.75 → Q = 24×150×60/(30×1000)×0.75 = 5.4 kJ/cm。極低温靭性要求で上限15 kJ/cmの1/3程度、多層薄積みで管理。KHK規格対応。