現場監督の手引き発熱溶接の失敗— 5つのプロセス原因、診断手順、そして切断作業を行う前に実行できる対話型の溶接不良診断ツール。

先月、私の作業台の上に2つの断面が置かれていた。どちらも33kV変電所の接地グリッドのもので、同じリングライトの下、同じ10倍の倍率で撮影されていた。試運転報告書を読む若手技術者にとっては、それらは同じ溶接部だった。試験シートに署名する購買担当者にとっても、それらは同じ溶接部だった。しかし、それらは同じ溶接部ではなかった。

片方は28マイクロオームで初回検査に合格。もう片方は640マイクロオームで同日午後に不合格となった。金型ファミリーも、粉末供給元も、作業員2人による交代制も同じだった。両方の接合部のビードは肉眼でもサーマルカメラでも正しく見えた。違いは、一方の作業員が糸くずの出ないイソプロピルパッドで拭き、もう一方の作業員が新しい革手袋で拭いた6ミリメートルの導体部分にあった。

このガイドの真髄は、まさにそのギャップにあります。発熱反応は、ある特定の点においては非常に正直で、あらゆるミスが断面に痕跡を残す一方で、別の点においては非常に不正直です。つまり、下の痕跡が致命的であっても、上のビードはほとんどの場合、問題なく見えるのです。以下に挙げる5つの原因は、私が作業台でよく目にする痕跡であり、試運転報告書に誤りがあった場合に、購入者に説明する順番で示しています。

過去3年間で、私はこうした問い合わせに約200回対応してきました。できれば次の200回は来ない方がいいと思っています。次の注文の前に、この記事を一度読んでみてください。再注文よりも安上がりですし、私が直接お伝えする回答と同じです。

断面を読むことは、ビーズを読むことよりも優れている

私の机に届く試運転報告書はどれも、失敗について同じことを言っている。見た注湯当日に正しく施工されました。目視検査も合格。熱画像検査も合格。断面も真実を物語っていました。これが私が皆さんに採用していただきたい方法論であり、この記事の下部にある診断ウィジェットもこの方法論に基づいて構築されています。

私は2024年半ばに、このことを身をもって痛感しました。あるヨーロッパの電力会社から、110kV変電所の接地グリッドから取り外した23個のジョイントが送られてきたのですが、それらはすべて3ヶ月前に試運転に合格しており、ビード形状、熱スキャン、ミリオーム抵抗値もすべて正常値でした。私たちはそれらをたった1日の午後に切断しました。23個のうち17個は断面に目に見える微細な欠陥を示した。9箇所に酸化層形成、5箇所に気泡、3箇所に充填不足が見られた。いずれも通常の目視検査では発見できなかっただろう。電力会社は長年、静かに劣化が進んでいた継手を承認していたが、それに気づいていなかったのだ。

最初の質問から始めましょう。3番目の質問から始めるのではありません。請負業者から「溶接不良」の連絡があった場合、私はまず最初に次の質問をします。その接合部は抵抗試験に合格したことがありますか？それとも、初めて測定された試運転時に不合格でしたか？その答えによって全てが変わる。なぜなら、使用中に劣化した継手と、打設当初から欠陥があった継手は、根本原因が全く異なる、全く別の問題だからだ。

米国の電力会社が参照する埋設電気接続に関する老朽化管理文献によると（NUREG-1800、一般的な老化に関する教訓レポート（数十年にわたるプラント寿命延長を正当化するために使用されてきた）埋設接合部の劣化メカニズムとして文書化されているのは、熱サイクル、オーム加熱、振動、腐食であり、報告書ではこれらが界面に作用するメカニズムであると明記されている。発熱溶接には経年劣化の界面がないなぜなら、反応中に導体と溶融銅が一体となって連続した金属塊となるからです。そのため、適切に注湯された発熱接合部が使用中に破損した場合、破損箇所は溶接金属自体ではなく、溶接が実際には到達しなかった導体部分、あるいは注湯時の粉末充填量が間違っていたために溶接が残した熱サイクルによる微小な隙間であることがほとんどです。

実際の現場検証で「注湯時の欠陥」がどのような状態になっているか

セブ島の200個のジョイントから、私がこれまで歩いてきたほぼすべての多関節破損事例に共通するパターンを一つ学びました。破損したジョイントを切り開いて断面を研磨すると、5つの繰り返し現れる微細構造のうちの1つが見られ、それぞれがこの記事の残りの部分で説明する5つのプロセス原因の1つに明確に対応しています。

この5つの特徴を読み取る方法を習得すれば、トラブルシューティングはもはや推測に頼るものではなくなります。このガイドの残りの部分では、現場で調査する順序でそれぞれの原因を解説し、ジョイントを1つも切断する前にそれを検証する手順を示します。

テルミット溶接が失敗する真の原因は湿気なのか？

私が最初に挙げる失敗原因は湿気です。なぜなら、湿気は最も一般的で、言い訳しやすいものだからです。発熱反応で溶けた銅は約1,083℃（銅の融点）にあり、水に触れた瞬間に水は瞬時に沸騰して蒸気となり、体積は約1,700倍に膨張します。蒸気はまだ溶けている溶接金属を通り抜け、気泡の跡を残し、接合部は冷える前に損傷を受けてしまいます。OSHA基準29 CFR 1910.252（溶接、切断、ろう付け－一般要件）この単一のメカニズムは、他のどの発熱反応におけるエラーよりも多くの発火による負傷や乗組員の火傷を引き起こしている。

この故障が静かに進行する理由は、湿気が隠れる場所が3箇所あり、そのうち目に見えるのは1箇所だけだからです。当社が実施した312件の故障監査では、湿気による故障は、抵抗値に特徴的な変化を示しました。通常30～50マイクロオームの同一の導体ペアで、試運転時の抵抗値が580～940マイクロオームの範囲に集中していました。これは15～25倍の変動であり、熱スキャンでは検出されませんが、断面切断では検出されません。

• 湿った粉末。バルク不良の最も一般的な原因。粉末は密封缶で出荷されるのには理由があります。缶を開封すると、内容物は吸湿性があり、沿岸部の気候では数時間以内に周囲の湿気を吸収します。「乾燥しているように見える」カートリッジでも、実際には乾燥していません。
• 湿った導体。銅線と銅被覆鋼線はどちらも、撚り線の隙間に水分を保持します。雨天時に現場で覆いをせずに保管されたケーブルは、外側が乾いて見えても内部は濡れており、トーチで乾燥させた表面も、湿度の高い空気中では数分以内に水分を再吸収します。
• 冷間成形時の結露。18℃の空調完備の倉庫から32℃、湿度85%の朝の屋外に引き出された黒鉛鋳型は、作業員が導体を設置する前に、鋳型の壁に水の膜が凝縮する。そして、注湯によってその水の膜が鋳型の壁と溶融金属の間に閉じ込められてしまう。

セブの検死結果を3行で表す

セブでの接合部が失敗したのは、粉末が雨で濡れた桟橋に置かれたままで、作業員が注湯当日の朝に缶を開けてしまったためだった。粉末は乾いているように見えたため、そのまま使用したのだが、失敗した接合部すべてにおいて、ビードの裏側には湿気による蒸気が残す典型的な気泡の集まりが見られた。注湯前に3つのサンプルカートリッジで20分間乾燥剤のチェックを行っていれば、バッチ全体に問題が見つかり、作業員は残りの粉末を隔離することができたはずだ。

お使いのグラファイト鋳型は、本来の耐用年数を過ぎて摩耗していませんか？

これは、サプライヤーが最も対処しにくい原因です。なぜなら、故障モードは買い手には見えず、サイクルカウントはサプライヤーだけが知っている情報だからです。nVent ERICO社のCadweld製品資料グラファイト金型の耐用サイクル数を約50～100サイクルと評価しており、当社のラインではテルミット溶接金型通常の現場使用では、50～100サイクルで80～100箇所の接合部を接合する。その後、キャビティが十分に侵食され、タップ穴から溶融金属が接合部に正確に注入されなくなる。

摩耗した鋳型を示す明らかな兆候は、目に見える亀裂ではなく、溶接ビードが枕のような形状を失い、中央部が内側に凹み始めることです。新品の鋳型では、粉末の充填量がキャビティをわずかに上回り、余剰分がライザーに溶着するため、ビードは導体の上に緩やかにドーム状に盛り上がります。摩耗した鋳型では、キャビティが十分に拡大したため、同じ量の粉末ではドーム状に盛り上がる余剰分がなくなり、充填量が不足します。作業員は粉末を追加することでこれを補いますが、その結果、キャビティが過熱し、摩耗が加速します。この悪循環により、鋳型が完全に破損するには、約20回の不良注湯が必要となります。

弊社以外から購入された金型の評価方法

2023年、ある買い手が倒産したサプライヤーから47個の金型を引き継ぎ、次の鋳造前にそれらの品質評価を依頼してきました。私たちは各金型を定格開始重量と比較して計量し、30グラム以上重量が不足している金型については5箇所の断面検査を実施しました。47人のうち11人が50グラム以上減量していた―正規のサービス提供期間をはるかに過ぎていた―そして、それら11個の金型はすべて、ビード表面が凹んだ接合部となり、3回の注湯で断面試験に不合格となりました。私たちはそれら11個を交換し、サイクルログをリセットしたところ、そのプロジェクトにおける購入者の不良率は、約5個に1個から50個に1個未満にまで低下しました。これが、ログを記録していない金型が引き起こす問題の典型的な例です。

別のサプライヤーから金型を引き継いだ場合は、同じ形状の既知の良品金型と比較して重量を測定してください。グラファイト金型は、熱侵食と洗浄により、1サイクルあたり約3～8グラムの重量減少が生じます。初期重量より50グラム軽い金型は、定格を超えるサイクル数で使用されていることを意味します。次に、過去5回の注湯における溶接ビードの形状を確認してください。いずれかのビードが内側に凹んでいる場合は、金型が本来の使用範囲を超えていることを意味します。IEEE Std 837-2014恒久的な変電所接地接続の認定フレームワークでは、溶接キャビティの形状が認定証拠の一部となっているため、摩耗した金型は単なる品質リスクではなく、接合部が指定された規格に対する適合リスクにもなります。

火薬量が不足していると、溶接部の強度を密かに損なっている可能性がありますか？

火薬が標準化されたカートリッジサイズになっているのには理由がある。粉末と銅の質量比は、反応によって導体の断面を完全に溶かすのに十分な熱が発生するかどうかを決定する変数であるため、カートリッジのサイズが小さすぎると、外側は固く溶けるものの、導体との接合部では溶融不足となる接合部が生じる。ビードは見た目には問題ない。抵抗値が真実を物語るのは、6か月後、最初の故障電流によって接合部が発熱したときだ。

西アフリカで2024年に発生した事例で、まさにこのことが記録されました。請負業者が66kV変電所の接地グリッド用に600個の発熱接合部を注文し、導体の組み合わせを確認せずに#115カートリッジの価格見積もりを受け入れました。実際には、#150を必要とする95mm² / 95mm²のケーブルペアでした。供給業者は#115を出荷しました。すべての接合部はきれいに溶融しました。すべての接合部は、健全に見える60～90マイクロオームで試運転に合格しました。6か月後、テストされた最初の200個の接合部のうち38個が、負荷がかかった状態で800マイクロオームを超えていました。購入者が不良サンプルを送ってきて、それを切断するまでカートリッジの不一致に気づきませんでした。ビードは教科書通りでしたが、導体と溶接部の界面に、幅約0.2mmの連続した微小ギャップが見られました。ビーズは正しかったが、カートリッジが間違っていた。購入者は再注入と保証訪問でその代償を支払った。この不具合には、乗務員の正直な交代と供給業者の不正な交代という2つの形態が存在し、どちらも最終的には同じ結果に至ります。それは、美しいビード、導体に隠れた微小な隙間、そして年々上昇していく抵抗値です。

導体準備の手抜きが、高抵抗接合部の隠れた原因なのか？

私は、作業員たちが銅線の目に見える部分を20分かけて洗浄し、金型内部に入る部分を省略するのを見てきました。なぜなら、仕様書には「光沢のある金属になるまで洗浄する」と書いてあるだけで、具体的な洗浄方法が指定されていないからです。接合部は、注湯時に空洞内部にある導体表面で形成されるため、空洞下の汚染された部分では、外側は冶金的に連続した接合部が形成され、内側は酸化物層状構造となる。

法医学的な分解調査で最もよく見られる汚染は、汚れではなく指紋です。作業員が鋳型内部に入る導体部分を扱う際、皮膚から薄い油膜が付着し、溶融銅がその油膜を透過して母材と融合することができません。その結果、溶接金属と導体の間に連続した酸化層が形成され、この酸化層こそが、NUREG-1800が熱サイクル下での劣化経路として記録しているまさにそのタイプの界面なのです。

昨年、あるバイヤーの再研修を行った際、3つ目の変電所で試運転時に800マイクロオームを超える接合部が連続して発生した。毎回同じ原因、つまり導体軸に平行な酸化物層がキャビティの外側からは見えないという現象が見られたのだ。作業員たちは、手袋をはめた手で導体の見える部分を清掃した後、型を所定の位置に設置するのにかかる30分間、その導体を埃っぽいケーブルドラムの上に置いていた。そこで3つの変更を加えたところ、問題は解決した。導体材料ごとに専用の鋭利なブラシを使用すること、糸くずの出ない布でイソプロピルアルコールを拭き取る、そして清掃した部分はブラシから直接キャビティに入れるというルールを設けること（皮膚に触れたり、ドラムに再び置いたりしないこと）である。その結果、高抵抗率は次の200回の注湯で接合部の約12%から1%未満にまで低下し、残りの1%は新しい手順をまだ習得していなかった2人の作業員が原因だったことが判明した。

私がこれらの変更点を具体的に挙げた理由は、それら全てが既に文書化された手順書に記載されていたからです。しかし、これまで誰も手袋が原因で故障が発生したと突き止めたことがなく、仕様書にもその関連性が明確に示されていなかったため、手順書は無視されていました。接合部は、注湯時にキャビティ内部にある導体表面で形成されるため、洗浄手順全体が重要となるのは、実際にキャビティ内に入る30～50ミリメートルの部分のみである。そして、まさにその部分が、作業員が手順を省略する可能性が最も高い部分でもある。目に見える導体の200mmがきれいであっても、キャビティ内部の最後の40mmに、注湯前の60秒の間に酸化膜や指紋が付着していたら、何の意味もありません。

冷間成形時の点火タイミングが、朝のシフトにおける故障の原因となっているのでしょうか？

これは、工程上のエラーというよりはオペレーターのミスのように聞こえるため、誰も文書化しない原因です。実際には、発熱反応は特定の温度範囲に合わせて調整されており、点火時に約25℃以下の温度の鋳型は、予熱された鋳型とは異なる挙動を示します。出発粉末が点火し、反応前線が装入物全体に伝播しますが、溶融銅は反応によって熱が補充されるよりも速く冷たい黒鉛に熱を奪われ、金属は融点以下の温度で導体空洞に到達します。それでもビードは形成されます。溶融は不完全です。

これは、温帯または寒冷地の現場では圧倒的に午前シフトの問題であり、熱帯の現場では圧倒的に午後シフトの問題です。熱帯の現場では、作業員が金型を「保存」するために空調付き倉庫で予冷します。どちらの習慣でも同じ故障パターンが発生します。2 つの金属前面が接触したが、完全に融合しなかったコールドシャットラインで、断面では空洞壁に平行な結晶構造の鋭い不連続として見えます。2024 年のシンガポールのデータセンタープロジェクトでは、作業員はグラファイトの酸化を遅らせるために、グラファイト金型を注湯の合間に 19 °C の空調付き倉庫に保管しました。注湯現場自体は 31 °C、湿度 78% でした。午前シフトの 12 箇所で、着火時の金型表面温度を測定しました。12 箇所のうち 8 箇所は 22 °C 未満で倉庫から出され、その 8 箇所のうち 6 箇所で断面にコールドシャット故障が発生しました。解決策は、空調室ではなく常温のキャビネットに一晩保管するという、たった一つの運用上の変更だった。すると、翌週の午前中のシフトにおける故障率はゼロにまで低下した。計算は容赦ない。発火時の金型温度が25℃を下回るごとに、5℃ごとに低温停止率が著しく上昇し、20℃を下回ると低温停止が主要な故障モードとなる。

鑑識チェックリスト：ジョイントが試運転に失敗した場合の対処法

購入者から不具合のあるジョイントについて連絡があった場合、私が最初に尋ねる質問は、その後の内覧全体を左右する重要な質問です。その接合部は抵抗試験に合格したことがありますか？それとも、初めて測定された試運転時に不合格でしたか？その回答によって、次に実施する5つのチェック項目のうち、どれをどの順番で実行するかが決まります。以下は、電話やビデオ通話で実際に私が実行する手順です。これは一般的なテンプレートではなく、証拠が通常明らかになる順番です。

試運転時にジョイントが故障した場合：私は粉末バッチから始めます。試運転日の不具合のおよそ10件中4件は、注湯日に誰も気づかなかった水分が原因であり、これは確認または除外するのに最も迅速な原因です。現場監督と5分間電話で話し、サンプルカートリッジで簡単な乾燥剤テストを行うだけで、バッチ全体を隔離する必要があるかどうかがわかります。粉末がクリアであれば、金型ログに移り、疑わしい金型を初期重量と比較します。両方ともクリアであれば、バンドソーでジョイントを1つ切断し、断面を確認します。これは5分間の作業で、残りの4つの原因のうちさらに30%のケースを解決します。セブの調査では、WhatsAppでバイヤーにチェックリストを説明してから2時間以内に、「200個のジョイントが不合格」から「疑わしい出荷品のすべての缶が湿っている」にたどり着くことができました。

ジョイントが試運転に合格したが、現在使用中に不具合が生じている場合：私は粉末検査を完全に省略し、回収したサンプルの断面を直接調べます。試運転に合格した接合部は、ほとんどの場合、溶接金属自体ではなく導体側に欠陥があり、断面を調べることで、抵抗試験で見逃された原因4の導体準備ミスなのか、それとも原因2の金型摩耗によってビードがわずかに充填不足になり、長年にわたって土壌化学物質が微細な隙間に入り込んだのかが分かります。

これが実際の手順です。私はすべての不具合に対して5つのチェック項目すべてを実行するわけではありません。なぜなら、80%のケースでは1つか2つのチェックで問題が解決するからです。また、試運転報告書の不備を目の当たりにした購入者が必要としているのはチェックリストではなく、作業手順なのです。

粉体と金型の除去、断面の清掃という2つの検査で不具合が解消された場合、問題はほぼ間違いなく環境要因（土壌の化学組成、迷走電流、溶接痕跡に生じたガルバニック腐食など）によるものであり、議論は工程から設計へと移行する必要がある。その議論については、別の記事で詳しく述べる。

再注型時の注意点：再溶接ではなく、削り取りを行う

接合部が破損した場合、唯一正しい修復方法は、熱影響部を超えて切断し、導体を最初から再準備することです。破損した接合部に新しい溶接金属を流し込んでも、新しい金属と古い金属が確実に融合することはありません。なぜなら、元の界面は既に独自の冶金構造を形成しており、閉じ込められた気孔は次の破損の核生成サイトとなるからです。切断は、元の接合部の両側に少なくとも50mmのきれいな導体を残す必要があり、新しいモールドは使用回数制限内である必要があり、粉末は開封したばかりで乾燥が確認された缶から取り出す必要があります。

ここではコストの捉え方が重要です。なぜなら、接合部が破損した場合、最も安上がりな解決策はそのまま放置して祈ることだからです。再注入には半日分の作業員の人件費、新しい金型サイクル、新しい粉末カートリッジの費用がかかりますが、これらは変電所の予算ではさほど大きな負担ではありません。破損した接合部をそのまま放置すると、請負業者は保証請求、再試運転訪問、そして次回の入札における買い手の信頼喪失という損失を被ります。大規模な送電網では、送電網の一部交換と試運転の数か月の遅延につながる可能性があります。計算上は、半日の再注入がほぼ常に有利であり、破損の原因が摩耗であれば、2回目の注入時に金型をアップグレードするのが自然な流れです。発熱溶接金型購入者がプロジェクト全体を通して各金型の履歴を追跡できるよう、シリアル番号付きのサイクルログが付属している必要があり、同じログは拠点間を移動する金型にも必ず添付されるべきです。管理できない金型は、信頼できない金型です。

誰をも侮辱することなく現在のサプライヤーを監査する方法

この件に関して私が受ける電話のほとんどは、失敗から始まるわけではありません。新規サプライヤーの選定を依頼されたばかりのバイヤーや、自分が設計したわけではないプロセスを引き継いだエンジニアが、次の失敗が起こる前にどのような質問をすべきかを知りたいというケースがほとんどです。正直なところ、ほとんどすべてのサプライヤーは、注湯当日に問題なく使える金型を出荷できます。より難しいのは、なぜ製品がうまくいったのかを文書化できるかどうか、そして、もし製品がうまくいかなかった場合に、その責任を負えるかどうかです。

この特定の問題セットにおいて、真の供給業者と価格割引業者を区別する3つの質問があり、私はすべての購入者にこの順番でそれらの質問について説明します。

1. 「金型サイクルログのテンプレートを見せてください。」サイクルカウントを管理しているサプライヤーは、金型が摩耗することを理解しているサプライヤーです。そうでないサプライヤーは、たった一度の不良な注型で、あなたの問題が彼らの問題に発展する可能性があります。
2. 「御社の粉末原料のバッチごとのトレーサビリティはどの程度ですか？」すべての缶には、ロット番号、製造日、および密封容器を示す表示が必要です。粉末状の製品をラベルのない缶に詰め替える供給業者は、缶内の湿気リスクを高めることになります。
3. 「小型カートリッジへの代替使用について、あなたの立場はどのようなものですか？」正直な答えは「導体のサイズを確認していただくまで、ご注文をお断りします」です。危険な答えは「今日中に小型の缶を発送できます」です。

私はこれらの質問のそれぞれによって、少なくとも一度はサプライヤーが不適格と判断されるのを見てきました。質問1は昨年、ある商社との関係を終わらせました。彼らは工場にサイクルログのテンプレートを依頼したことがなかったため、テンプレートを作成できず、依頼しても工場側も作成できませんでした。質問2は2023年に再包装作業を発見しました。国内の卸売業者が粉末をキログラム単位で大量に購入し、ブランド名のないミニ缶に詰め替えて輸出していました。缶にはバッチ番号も密封容器の表示もありませんでした。私たちはその週に注文を取り下げました。質問3は私が最も強く求める質問です。なぜなら、サプライヤーが調達スケジュールよりも貴社の誠実さを優先するかどうかを測るものであり、その答えは今後5年間の取引について知るべきことのほぼすべてを教えてくれるからです。

私たちが輸出関連書類を作成するにあたり、これら3つの質問を中心に据えたのは、自社の失敗調査で常に立ち返る疑問点がこれらだったからです。また、もし私が買い手だったら、間違いなくこれらの質問を自社に尋ねるでしょう。

溶接不良診断 ― 現場で見られる症状を選択してください

継ぎ目を一つでも切り取る前に、この診断を実行してください。現場で実際に確認している症状（視覚的、電気的、またはタイミングパターン）に一致するものを選択すると、ツールが上記の5つの原因のうち最も可能性の高いものにマッピングし、信頼度を表示し、次の打設前に取るべき手順を一覧表示します。これは、不具合の連絡を受けた際に、私が電話でバイヤーに説明するのと同じ意思決定ツリーです。

発熱溶接の失敗に関するよくある質問

ジェーン・ヤン・新昌市邦新材料有限公司 営業部長
雷保護および接地に関する12年の海外貿易実績、そして17年の工場生産実績に裏打ちされたあらゆる推奨事項。
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