現場で電卓を叩いていた、あの入熱計算から解放される

溶接の品質は「見えない熱」で決まる。電流と電圧と速度――3つの数値から導かれる入熱量が、鋼材の強度や靭性を左右する。にもかかわらず、多くの現場では溶接機のメーターを読み取って、手元の電卓で割り算して、紙のWPSと見比べて……という作業を繰り返しているのが現実だ。

SM490なら50kJ/mm以下、SUS304なら25kJ/mm以下。鋼種ごとに異なる許容入熱量の上限を頭に入れておくのは、ベテランでも負担が大きい。ましてや現場監理で複数の鋼種・溶接法が混在する状況では、確認漏れが起きやすい。

このツールは、溶接法と鋼種を選ぶだけで熱効率とパス間温度上限が自動セットされ、電流・電圧・速度を入力すればグロス・ネット両方の入熱量と合否判定が一瞬で出る。WPS作成時の机上検討から、現場での施工中チェックまで、入熱管理の手間を一気に減らせる仕組みだ。

なぜ作ったのか――WPSの入熱計算を現場でサクッとやりたかった

鉄骨ファブの品質管理を担当していた頃、溶接施工要領書（WPS）の作成で毎回同じ苦労をしていた。電流250A、電圧28V、速度250mm/min――この条件で入熱量はいくつになるのか。電卓を叩いて1.68kJ/mm。SM490の上限50kJ/mmには余裕があるが、ネット入熱量は? 熱効率80%を掛けて1.34kJ/mm。下限の0.5kJ/mmもクリア。この単純な掛け算・割り算を、鋼種が変わるたびに繰り返す。

既存のツールにも不満があった。Excelで入熱計算シートを作っている現場は多いが、鋼種別の許容範囲が埋め込まれていないものがほとんどだ。計算結果を出した後、別の資料で許容値を調べて照合する二度手間が発生する。しかもAWS D1.1はグロス入熱量を基準にし、EN 1011-1はネット入熱量を基準にする。どちらの規格に従うかで参照する数値が変わるのに、両方を一覧表示してくれるツールが見当たらなかった。

「溶接法を選んだら熱効率が自動で入って、鋼種を選んだらパス間温度上限と入熱許容範囲が自動で出て、計算結果が合否判定まで一気に表示される」――そんなツールが欲しかった。特に現場監理で複数の継手をチェックするとき、電卓とにらめっこする時間がゼロになるだけで、品質確認の速度と確実性がまるで違う。

結局、自分で作るのが一番早かった。JIS Z 3312やAWS D1.1の入熱量算定式をベースに、鋼種別のプリセットデータを組み込んで、判定ロジックまで一体化したのがこのツールだ。

溶接入熱量とは何か――鋼を溶かす「熱の密度」を数値化する

入熱量（kJ/mm）の基本概念

溶接における入熱量とは、溶接線1mmあたりに投入されるエネルギー量のことだ。単位はkJ/mm（キロジュール毎ミリメートル）。

日常に例えると、ホットケーキをフライパンで焼く場面を想像してみて。火力（電流×電圧）が同じでも、フライパンをゆっくり動かせば生地の一箇所に長く熱が加わる。逆に素早く動かせば熱は分散する。溶接も同じで、アークの出力が大きいほど、そして溶接速度が遅いほど、母材の一点に集中する熱量が増える。これが「入熱量が大きい」状態だ。

計算式はシンプルで、以下の通り:

入熱量 H = (I × V × 60) / (v × 1000)  [kJ/mm]

I: 溶接電流 [A]
V: アーク電圧 [V]
v: 溶接速度 [mm/min]
60: 分→秒変換
1000: J→kJ変換

電流250A、電圧28Vで溶接速度250mm/minなら、H = (250 × 28 × 60) / (250 × 1000) = 1.68 kJ/mm。この値が「グロス入熱量」と呼ばれる。

グロス入熱量とネット入熱量の違い

溶接アークが発生させたエネルギーのすべてが母材に伝わるわけではない。輻射や対流で失われる分がある。この損失を考慮したのが「ネット入熱量」だ。

ネット入熱量 = グロス入熱量 × η（熱効率）

熱効率ηは溶接法によって異なる。JIS Z 3001（溶接用語）やEN 1011-1で規定された代表的な値は以下の通り:

溶接法	熱効率η	特徴
SAW（サブマージアーク）	0.95	フラックスで覆われ放熱が少ない
FCAW（フラックスコアード）	0.85	フラックス入りワイヤで効率良好
SMAW（被覆アーク）/ GMAW	0.80	標準的な溶接法
GTAW（TIG）	0.60	シールドガスのみで放熱が多い

AWS D1.1（米国規格）はグロス入熱量を基準にし、EN 1011-1（欧州規格）はネット入熱量を基準にする。日本の鉄骨製作では、発注者やゼネコンの仕様書によってどちらを採用するかが異なるため、両方を把握しておく必要がある。

パス間温度とは――多層盛り溶接のもう一つの制約

厚板の溶接では1パスで溶け込み深さが足りないため、何層にも重ねて溶接する（多層盛り溶接）。このとき、次のパスを置く前に母材が冷えきっていなければ、連続して熱が蓄積されてしまう。

「パス間温度」とは、次のパスを開始する直前に母材表面で測定した温度のこと。この値が高すぎると、HAZ（溶接熱影響部）が広がりすぎて靭性が低下する。鋼種ごとにパス間温度の上限が決められており、たとえばSM490なら300℃、SUS304なら150℃が一般的な上限だ。

入熱量が大きいほど母材に蓄積される熱量が多く、パス間温度が上がりやすい。つまり入熱量とパス間温度は表裏一体の関係にあり、どちらか一方だけ管理しても不十分。このツールが両方をセットで扱う理由はここにある。

入熱管理を怠ると何が起きるか――HAZ軟化・靭性低下・溶接割れの実害

過大入熱がもたらすリスク

入熱量が許容上限を超えると、溶接熱影響部（HAZ）の結晶粒が粗大化し、靭性（衝撃吸収エネルギー）が著しく低下する。SM570クラスの高張力鋼では、入熱量30kJ/mmを超えるとシャルピー衝撃値が規格値を下回るケースが報告されている。靭性が不足した鋼材は、低温環境や地震時の衝撃荷重で脆性破壊を起こすリスクがある。

過大入熱はHAZ軟化も引き起こす。母材の引張強さが保証されているのは適正な熱処理状態での話であり、過大な熱サイクルを受けると焼き戻し軟化が進行して、継手強度が母材強度を下回る「アンダーマッチング」状態になる。

過小入熱のリスクも見逃せない

逆に入熱量が小さすぎると、溶け込み不足による融合不良が起きやすい。特にHT780のような超高張力鋼では、予熱と合わせて最低入熱量1.5kJ/mm以上を確保しないと、HAZに水素が残留して低温割れ（遅れ割れ）を引き起こす恐れがある。

規格が求める入熱管理

建築基準法施行令第67条は溶接継手の品質確保を求めており、JASS 6（鉄骨工事）では入熱量とパス間温度の管理を明確に規定している。鉄骨製作工場の性能評価（Hグレード以上）でも、WPSに入熱量の管理範囲が記載されていることが審査対象になる。

AWS D1.1 Section 4では、予熱・パス間温度・入熱量の3つを組み合わせた管理を要求しており、WPS（Welding Procedure Specification）に記載が必須だ。現場で入熱量の逸脱が発覚した場合、手直し溶接やUT再検査のコスト増は避けられない。

鋼種によって許容入熱量が大きく異なる点も重要だ。SS400の上限70kJ/mmに対し、HT780はわずか20kJ/mm。同じ溶接条件でもSS400なら余裕で合格、HT780では大幅な超過――こうした差を現場で即座に判断できなければ、品質事故につながりかねない。

入熱量管理ツールが力を発揮する3つの場面

WPS（溶接施工要領書）の作成・検討

新規の鉄骨製作案件でWPSを起こすとき、設計図に指定された鋼種に対して溶接条件が許容範囲に収まるかを事前検討する。電流・電圧・速度の組み合わせを何パターンも試して、最適な施工条件を絞り込む作業が格段に速くなる。「SM570で入熱量30kJ/mm以下」という制約の中で、溶接速度をどこまで落とせるかを即座に確認できる。

現場施工中のリアルタイムチェック

溶接作業者が実際に使っている電流・電圧・速度をスマホに入力するだけで、入熱量がOKかNGかが瞬時に判定される。監理技術者が現場を巡回する際、目の前の溶接条件がWPSの範囲内かを電卓なしで確認できる。鋼種が混在する現場では特に有効だ。

品質監査・第三者検査の対応

品質監査やJIS適合性検査で「入熱量の管理記録を見せてほしい」と求められたとき、計算根拠を明確に示せる。グロス・ネット両方の入熱量、適用規格、パス間温度上限がひとまとめで記録されていれば、監査対応の準備時間を大幅に短縮できる。

入熱量を3ステップで算出する

ステップ1: 溶接法と鋼種を選択

プルダウンから溶接法（GMAW、SAW、TIGなど6種類）と鋼種（SS400、SM490、SUS304など9種類）を選ぶ。選んだ瞬間に熱効率とパス間温度上限が自動でセットされる。カスタム設定で任意の値を手入力することも可能だ。

ステップ2: 溶接パラメータを入力

溶接電流（A）、アーク電圧（V）、溶接速度（mm/min）の3つを入力する。溶接機のデジタル表示やWPSの記載値をそのまま打ち込めばいい。

ステップ3: 入熱量と判定結果を確認

入力と同時にグロス入熱量・ネット入熱量・アーク出力が表示される。鋼種別の許容範囲と照合した合否判定（適正/注意/超過）がステータスカードで一目瞭然。許容入熱範囲やパス間温度上限もあわせて確認できる。

鋼種・溶接法別の入熱量を検証する――6つの具体ケース

ケース1: GMAW + SM490（工場溶接の標準条件）

入力: CO2/MAGソリッドワイヤ、SM490、250A / 28V / 250mm/min、η=80%
結果: アーク出力 7.0kW、グロス入熱量 1.68kJ/mm、ネット入熱量 1.34kJ/mm
解釈: SM490の許容範囲は0.5〜50kJ/mm。ネット入熱量1.34kJ/mmは許容範囲の中央よりはるかに低く、余裕たっぷりの「適正」判定。鉄骨ファブの標準的な半自動溶接条件で、最も頻繁に遭遇するパターンだ。

ケース2: SAW + SM570（大入熱の厚板自動溶接）

入力: サブマージアーク溶接、SM570、500A / 32V / 400mm/min、η=95%
結果: アーク出力 16.0kW、グロス入熱量 2.40kJ/mm、ネット入熱量 2.28kJ/mm
解釈: SM570の許容上限は30kJ/mm。ネット入熱量2.28kJ/mmで余裕はあるが、SAWは大電流・高効率で入熱量が跳ね上がりやすい。溶接速度を300mm/minに落とすだけでグロス入熱量は3.20kJ/mmに上昇するため、速度管理が肝になる。

ケース3: TIG + SUS304（ステンレスの精密溶接）

入力: TIG溶接、SUS304、150A / 12V / 100mm/min、η=60%
結果: アーク出力 1.8kW、グロス入熱量 1.08kJ/mm、ネット入熱量 0.65kJ/mm
解釈: SUS304の許容上限は25kJ/mmだが、ステンレス鋼では鋭敏化防止のために低入熱が求められる。ネット入熱量0.65kJ/mmは下限0.3kJ/mmを上回りつつ十分に低い値で、粒界腐食リスクを抑えた適正条件だ。パス間温度は150℃以下を厳守する必要がある。

ケース4: SMAW + SS400（現場手溶接の汎用条件）

入力: 被覆アーク溶接、SS400、150A / 24V / 150mm/min、η=80%
結果: アーク出力 3.6kW、グロス入熱量 1.44kJ/mm、ネット入熱量 1.15kJ/mm
解釈: SS400の許容上限は70kJ/mmと非常に緩い。ネット入熱量1.15kJ/mmはまったく問題ない。SS400は一般構造用圧延鋼材で炭素当量（Ceq）が低く、入熱制限が寛容な鋼種の典型例。現場の手溶接で入熱超過になることはほぼない。

ケース5: FCAW + SM520（フラックスコアードの中板溶接）

入力: フラックスコアードアーク溶接、SM520、300A / 28V / 300mm/min、η=85%
結果: アーク出力 8.4kW、グロス入熱量 1.68kJ/mm、ネット入熱量 1.43kJ/mm
解釈: SM520の許容範囲は0.7〜40kJ/mm。ネット入熱量1.43kJ/mmは適正範囲に余裕で収まる。FCAWはη=85%とGMAW（80%）より高いため、同じグロス入熱量でもネット値が大きくなる点に注意。SM520はSM490より入熱制限がやや厳しく、下限も0.7kJ/mmとやや高い。

ケース6: GMAW + HT780（超高張力鋼の厳格管理）

入力: CO2/MAGソリッドワイヤ、HT780、200A / 26V / 350mm/min、η=80%
結果: アーク出力 5.2kW、グロス入熱量 0.89kJ/mm、ネット入熱量 0.71kJ/mm
解釈: HT780の許容範囲は1.5〜20kJ/mmで、下限が1.5kJ/mmと高い。ネット入熱量0.71kJ/mmは下限を下回っている。このまま施工すると融合不良や低温割れのリスクがある。溶接速度を200mm/minに落とす（グロス1.56kJ/mm、ネット1.25kJ/mm）か、電流を上げて入熱量を確保する必要がある。HT780のように「上も下もダメ」という鋼種では、このツールの下限チェックが特に価値を発揮する。

入熱量計算の仕組み――AWS方式とEN方式の両立

候補手法: 単純電力式 vs 瞬時積分式

溶接入熱量の計算には大きく2つのアプローチがある。

1つ目は単純電力式。定常状態の電流・電圧・速度から入熱量を算出する方法で、AWS D1.1やJIS Z 3001が採用している。計算が簡単で、溶接機のメーター読み値から直接求められる。WPSの事前検討や現場管理に向いている。

2つ目は瞬時積分式。溶接中の電流・電圧を高速サンプリングし、時間積分してエネルギー量を求める方法だ。パルス溶接やCMT溶接など、電流波形が大きく変動する溶接法ではより正確な値が得られる。ただし専用のデータロガーが必要で、リアルタイム計算には向かない。

本ツールは単純電力式を採用した。現場でのWPS検討・施工管理という用途では、溶接機の設定値（定常状態の電流・電圧・速度）がそのまま入力になるため、即座に結果を得られる実用性を優先した。

実装の計算フロー

1. アーク出力 P = I × V / 1000 [kW]

2. グロス入熱量 Hgross = (I × V × 60) / (v × 1000) [kJ/mm]
   = P × 60 / v [kJ/mm]

3. ネット入熱量 Hnet = Hgross × η [kJ/mm]

4. 判定: Hnet を鋼種プリセットの heatInputMin / heatInputMax と照合
   - Hnet > heatInputMax → 入熱量超過（danger）
   - Hnet > heatInputMax × 0.8 → 上限に近い（caution）
   - Hnet < heatInputMin → 入熱不足の可能性（caution）
   - それ以外 → 適正範囲（safe）

AWS D1.1ではグロス入熱量Hgrossを管理基準に使い、EN 1011-1（欧州規格）ではネット入熱量Hnetを使う。本ツールは両方を表示することで、どちらの規格体系にも対応できるようにしている。

計算例: SAW + SM570のステップバイステップ

具体的な数値を追ってみよう。SAWでSM570を溶接する条件: I=500A, V=32V, v=400mm/min, η=0.95。

Step 1: アーク出力
  P = 500 × 32 / 1000 = 16.0 kW

Step 2: グロス入熱量
  Hgross = (500 × 32 × 60) / (400 × 1000)
         = 960,000 / 400,000
         = 2.40 kJ/mm

Step 3: ネット入熱量
  Hnet = 2.40 × 0.95 = 2.28 kJ/mm

Step 4: 判定（SM570: 上限30, 下限1.0 kJ/mm）
  1.0 ≤ 2.28 ≤ 30 → 適正範囲
  2.28 / 30 = 0.076 → 上限比7.6%、十分な余裕

熱効率の根拠

各溶接法の熱効率は、EN 1011-1 Annex BおよびAWS Welding Handbookで規定された推奨値に基づいている。SAW（η=0.95）が最も高いのは、フラックスが溶融池を覆って輻射損失を最小化するためだ。TIG（η=0.60）が最も低いのは、シールドガスのアルゴンが熱を奪い、かつアークが広がりやすいため。これらの値はプリセットとして組み込んでいるが、特殊条件（狭開先溶接、ホットワイヤTIGなど）では手動で調整できるようにしている。

他の入熱量ツールとの違い

ネットで「溶接入熱量計算」と検索すると、いくつかの計算フォームがヒットする。だが、大半は「電流 × 電圧 × 60 / 速度」を吐き出して終わりだ。グロス入熱だけ表示して、熱効率をかけたネット入熱には触れないものも多い。

このツールが差別化されるポイントは3つある。

1. 鋼種別の自動判定 SS400からHT780まで10種の鋼種プリセットを内蔵し、選択した瞬間にパス間温度上限と許容入熱範囲がセットされる。計算結果が許容範囲に収まっているかどうかをStatusCardで即座に判定するので、JIS規格書を横に開いて照合する手間がない。

2. AWS D1.1とEN 1011-1の両対応 AWSはグロス入熱量、ENはネット入熱量を基準にする。本ツールは両方の値を並列表示するため、適用規格がどちらであっても対応できる。国内のJIS基準はネット入熱を採用するケースが多いが、外資案件ではAWS基準を求められることもある。

3. 溶接3兄弟との連携 入熱量の計算結果をもとに、予熱温度の算出や溶接継手の強度照査、さらには疲労設計まで一気通貫で進められる。WPS作成時に別々のツールを行き来する必要がない。

入熱量管理にまつわる豆知識

「入熱」の概念はいつ生まれたのか

溶接の入熱量管理が体系化されたのは、1940年代の造船業界がきっかけだ。第二次世界大戦中に大量建造されたリバティ船で脆性破壊事故が頻発し、溶接部のHAZ（熱影響部）の靭性低下が原因と特定された。この教訓から、入熱量とパス間温度を数値で管理する手法が確立されていった。リバティ船の脆性破壊に関する解説（Wikipedia）は、溶接品質管理の原点を知る上で一読の価値がある。

t8/5冷却時間という考え方

入熱量と密接に関連する概念に「t8/5（ティーハチゴ）」がある。これは溶接部が800℃から500℃まで冷却するのにかかる時間のことで、この冷却速度がHAZの組織（マルテンサイト生成量）を決定する。入熱量が大きいほどt8/5は長くなり、HAZが軟化する。逆に入熱が小さすぎると急冷されてマルテンサイトが過剰に生成し、低温割れのリスクが上がる。入熱量の上限と下限が設けられている理由は、まさにこのt8/5を適正範囲に収めるためだ。

熱効率はなぜ溶接法で異なるのか

TIG溶接の熱効率が0.60と低い一方、サブマージアーク溶接（SAW）は0.95と高い。この差はアークの遮蔽方法に起因する。TIGはアークが大気中に露出しているため放射や対流で熱が逃げやすい。SAWはフラックスの粉末がアークを完全に覆い、熱損失を最小限に抑える。被覆アーク溶接（SMAW）やCO2/MAG溶接は0.80前後で、フラックスやシールドガスによる部分的な遮蔽が熱効率に反映されている。AWS Welding Handbookにはプロセスごとの詳細な熱効率データが掲載されている。

入熱量管理を効率化するTips

1. 現場での入熱量の暗算法

「電流 × 電圧 × 60 / 速度 / 1000」の計算は桁が大きくて面倒だ。簡易的には「電流 × 電圧 / 速度 × 0.06」と覚えると暗算しやすい。例えば250A × 28V / 250mm/min × 0.06 = 1.68 kJ/mm。さらに熱効率0.8をかけて約1.34 kJ/mm。溶接機の設定値をそのまま突っ込めるので、WPS記載値との照合がその場でできる。

2. パス間温度の計測タイミング

パス間温度は「次のパスを溶接する直前」に計測するのが原則だ。ただし計測位置は溶接線から25mm以内の母材表面（JIS Z 3703準拠）。ビード上で測ると表面温度が不均一なため、正確な値が得られない。接触式温度計（サーモカップル）を使う場合は、プローブが母材に密着していることを確認してから読み取ろう。

3. 入熱量を下げたいときの優先順位

入熱量が上限を超えた場合、調整パラメータの優先順位は「溶接速度 > 電流 > 電圧」だ。速度を上げるのが最もシンプルで、溶接品質への悪影響が少ない。電流を下げると溶け込み不足になりやすく、電圧を下げるとアーク安定性が悪化する。まず速度で調整し、それでも足りなければ電流を微調整するのが実務的なアプローチだ。

4. マルチパス溶接での入熱管理

厚板のマルチパス溶接では、パスごとに入熱量が異なることがある。1層目（ルートパス）は溶け込み確保のために低速・低電流にし、中間パスで効率を上げ、仕上げパスで再び抑えるのが一般的だ。WPSにはパスごとの許容入熱範囲を記載しておくと、現場での判断が迅速になる。

よくある質問（FAQ）

Q: グロス入熱量とネット入熱量、どちらを管理すればよい?

適用する規格によって異なる。JIS Z 3312やEN 1011-1ではネット入熱量（熱効率を乗じた値）を基準にするのが一般的だ。一方、AWS D1.1ではグロス入熱量（熱効率を考慮しない値）で管理する。本ツールは両方を同時に表示するので、WPS（溶接施工要領書）に記載された基準値と照合してほしい。迷ったら、発注者や監理技術者に適用規格を確認するのが確実だ。

Q: 鋼種プリセットにない鋼材を使いたい場合は?

「カスタム（手入力）」を選択すれば、パス間温度上限と許容入熱範囲を任意に設定できる。鋼材メーカーの技術資料やミルシートに記載された推奨値を入力しよう。特にTMCP鋼（熱加工制御鋼）やLPG用低温鋼などは、通常のJIS鋼種とは入熱制限が異なることがあるため、メーカー推奨値を優先するのが安全だ。

Q: 溶接速度はどうやって実測するのか?

半自動溶接の場合、溶接ビードの長さをストップウォッチで計った時間で割るのが最も確実だ。例えば、30cmのビードを7.2秒で溶接したなら、300mm / (7.2/60)min = 2500mm/min。ロボット溶接ならティーチングの設定速度をそのまま使える。手動溶接は個人差が大きいので、複数回計測して平均値をとることを推奨する。

Q: 計算結果のデータは外部に送信されている?

入力値も計算結果も、すべてブラウザ内で処理が完結する。サーバーへのデータ送信は一切行っていない。WPSに記載する品質データを扱うツールとして、情報漏洩のリスクがゼロになるよう設計した。計算結果は「結果をコピー」ボタンでクリップボードに取得し、社内帳票に貼り付けて使ってほしい。

Q: 入熱量が「入熱不足の可能性」と表示されたが、問題があるのか?

入熱量が鋼種の下限値を下回ると、母材への入熱が不十分で融合不良が発生するリスクがある。また、冷却速度が速すぎてHAZにマルテンサイトが過剰生成し、低温割れ（遅れ割れ）の原因になることもある。特にSM570やHT780のような高張力鋼では、最低入熱量を確保することが極めて重要だ。溶接速度を下げるか、予熱温度を上げて対処しよう。

まとめ

溶接入熱量・パス間温度管理ツールは、溶接電流・電圧・速度から入熱量をワンタップで算出し、鋼種別の許容範囲と自動照合する。グロスとネットの両方を表示するため、AWS・EN・JISどの規格基準でも対応可能だ。

入熱量の計算と合わせて、溶接品質管理をさらに深めたい場合は以下のツールも活用してみて。

溶接予熱温度計算ツール — Ceq・板厚から適正予熱温度を算出
溶接強度計算シミュレーター — 溶接継手の引張・せん断強度を照査
溶接継手疲労設計シミュレーター — 繰返し荷重に対する疲労寿命を評価

不具合や改善要望があれば、X (@MahiroMemo)から気軽に教えて。