A36、S355、A514：鋼種は溶接構造物の価格をどう変えるか
材料費は溶接構造物の見積の中で最も読み取りやすい項目で、バイヤーが最も重視しすぎる項目でもあります。鋼板の価格は目に見えます。鋼種が溶接、予熱、ひずみ、機械加工に与える影響は目に見えず、たいていはそちらのほうが大きいのです。
鋼種の系統
一般構造用軟鋼：ASTM A36、EN S235JR。 標準的な選択です。安価で、どこでも手に入り、溶接しやすく、通常の断面では予熱も不要です。降伏点は約235から250 MPa。圧延のままの平面度は粗いので、取り代を残してください。
高張力構造用鋼：ASTM A572 Grade 50、EN S355J2。 わずかな価格上昇で降伏強さがおよそ50パーセント高くなります。同じ溶接法で溶接でき、厚い断面では入熱により注意を払います。S355J2 にはマイナス20 °Cでの衝撃試験が規定されており、図面や用途で靭性が求められる場合に意味を持ちます。マシンフレームや重量構造物の主力となる鋼種です。
調質鋼：ASTM A514、EN S690QL。 降伏強さは約690 MPa。吊り上げ構造物、ブーム、移動式機械など、重量が重要な場合に選ばれます。溶接には実際の要件が伴います。予熱温度とパス間温度は管理必須で任意ではなく、溶接材料は母材に合わせて水素管理されたものを使い、入熱は上下両方に制限があります。少なすぎると継手が急冷され、多すぎると熱影響部が軟化するからです。溶接後熱処理は調質効果を失わせることがあるため、応力除去の計画は鋼種を踏まえて決める必要があります。
耐摩耗鋼：Hardox 400 および 450、AR400。 強度ではなく摩耗寿命のために選ばれます。鋼板メーカーが公表している入熱と予熱の制限を守って溶接します。制限を超えると、お金を払って手に入れた継手部の硬さが失われるからです。通常は部品全体ではなく、軟鋼構造物の摩耗面として使われます。
ステンレス 304L および 316L。 まったく別の話で、ステンレス溶接構造物のガイドで扱っています。
アルミニウム 6061 および 5083。 こちらも別の話で、熱影響部の問題はこちらで解説しています。
強度と剛性：避けるべき誤り
これは実際にお金がかかる誤りです。
構造用鋼の縦弾性係数は、どれも実質的に同じで約200 GPaです。降伏強さは上記の鋼種の間で3倍の差がありますが、弾性的な剛性はまったく変わりません。
したがって次のようになります。
- 部品が強度で決まる場合は、上位の鋼種にすれば板を薄くでき、重量、溶着金属、機械加工を減らせます。
- 部品が剛性やたわみで決まる場合は、上位の鋼種にしても何も得られません。高張力鋼で板を薄くすると、たわみは小さくなるどころか大きくなります。必要なのはより良い鋼種ではなく、断面の高さと形状です。
マシンベース、ガントリー、荷重下での精度が重要なものは、通常は剛性で決まります。吊り上げ構造物や荷重を受ける部材は、通常は強度で決まります。これを取り違えると、重くて高い部品か、たわむフレームのどちらかが出来上がります。
鋼種が後工程に与える影響
| 鋼種の系統 | 溶接 | ひずみ | 機械加工 |
|---|---|---|---|
| A36, S235 | 簡単。通常の断面では予熱不要 | 中程度 | 容易。ただしミルスケールは研磨性が高い |
| A572 Gr 50, S355 | 同じ溶接法、入熱管理はより厳しい | 軟鋼と同程度 | 同程度、やや硬い |
| A514, S690QL | 予熱とパス間温度の管理、適合する溶接材料、水素管理 | 同程度。ただし補修の制約が多い | 硬く遅い。工具摩耗が多い |
| Hardox, AR400 | 入熱の制限、鋼板メーカーの予熱条件 | 中程度 | 硬い。フライス加工より研削が多い |
実務上のポイントは、A36 から A514 に変えても、鋼板が30パーセント高いから仕事全体が30パーセント高くなる、というわけではないことです。予熱の時間、管理の手間、溶接材料費、遅い機械加工、そしてより制約の多い補修手順が加わります。
意図的に鋼種を組み合わせる
これは一般的で、たいていは正しい方法です。軟鋼の構造物に耐摩耗鋼の摩耗面を付ける、S355 のフレームに A36 のカバーやブラケットを付けるといった形で、高価な材料を働いている場所だけに使います。
ただし、どの部分がどの鋼種か、そしてそれらの間の継手にどの施工要領を適用するかを図面で明確にする必要があります。異種材の継手は、それ自体が独立した認定の対象だからです。
鋼板の平面度と板厚公差
意外と見落とされる2つの事実があります。
熱間圧延鋼板の平面度公差は、機械加工で求める精度と比べるとかなり緩いものです。この公差は溶接を一つもしないうちから部品に含まれており、取り代が省略できない理由の一つです。
板厚にも公差があります。ある面に正確な厚さが必要な設計なら、その面は機械加工します。公称の板厚を完成寸法として指定するのは、よくある図面上の誤りです。
簡単な選定基準
- 剛性で決まり、サイズに制約がない： A36 または S355 で、断面の高さを増やす。
- 強度で決まり、重量が重要： S355、または軽量化が溶接コストに見合うなら A514。
- 摩耗面： 軟鋼の構造物に耐摩耗鋼の面を付ける。
- 耐食性が重要： 316L。ステンレスに伴う要素を予算に入れる。
- 低温での靭性が指定されている： S355J2 のように衝撃試験が規定された鋼種を選び、図面に明記する。
鋼種を明記した図面をお送りください。その溶接に対応できる資格を持つ工場をご紹介します。
よくある質問
高張力鋼は全体として常に高くつきますか？
必ずしもそうではありません。A514 の鋼板はキログラムあたりの価格が高いものの、断面を薄くできれば、総重量、溶着量、加工時間、輸送費がすべて下がることがあります。不利になりやすいのは、強度ではなく剛性で決まる部品です。鋼の縦弾性係数は鋼種によらずほぼ同じだからです。
軽量化のために A36 を S355 に置き換えられますか？
強度で決まる部品であれば、多くの場合は可能です。剛性で決まる部品では不可です。たわみは縦弾性係数と断面形状で決まり、縦弾性係数は構造用鋼ならどれもほぼ同じなので、高張力鋼で板を薄くするとたわみは大きくなります。
鋼種によって溶接コストは変わりますか？
はい。高張力鋼や調質鋼では、予熱、パス間温度の管理、溶接材料の選定、場合によっては水素の管理が必要になります。溶接が遅くなり管理の手間も増え、それが工数に表れます。