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溶接の基礎講座
ものづくりにおける接合方法の1つに、「溶接」があります。
本連載では「溶接」について、金属が接合するメカニズムから溶接の種類、また溶接の仕方まで、現場で使える知識をご紹介していきます。
第1章 溶接の基礎

1-1 接合方法の種類について

ものづくりにおける組み立て手段としての接合方法には、締結部品であるボルトやリベットなどを利用して接合される機械的接合法、溶接やろう付けなどの金属材料の持つ特性を利用して接合する冶金的接合法、そして各種接着剤を利用する接着剤接合法があります。接合を利用して効率的なものづくりを行いたい場合、「どの接合法を選択するか」、「どの接合法を組み合わせると効果的か」などを考える上で、それぞれ接合法の利点、欠点を熟知しておくことが非常に重要となります。

1. 機械的接合法による接合

エジプトのピラミッドから発掘された王冠では、装飾品を鎖状につなげたり、鎖の輪の始端終端をつなげるなどの接合手法が利用されていました。

さらに、2枚の重ねた板に貫通する穴をあけ、この穴に同種もしくは異種の金属棒を通して両端をつぶして接合するリベット的な方法も利用されています。その後、リベット的な締結部品にネジの機能を付加したボルトナット接合など機械的接合法と呼ばれる接合法が広く利用されています。

この機械的接合法の利点と欠点をまとめると表1-1のようになります。

表1-1 機械的接合法の利点と欠点

機械的接合方法の特徴 利点 1.簡便な工具で容易に組み立て解体することができる
2. 信頼性の高い接合ができる
3. 破断が生じたとしても接合部で進展が防げる
欠点 1.信頼性の高い接合を得るには多数の部品や加工が必要となり、工数が多くなり製作日数やコストがかかる
2. 継手が重ね継手ちなることや接合部品により製品重量が重くなる
2. 冶金的接合法による接合

人類が金属を使い始めたメソポタミア時代から、部材と部品の間に溶けた金属を流し込んで接合するハンダ付けと同様の手法で立体的な金属装飾品を作り上げていました。また、我が国においても、日本刀や包丁など刃物の製作では、薄い2枚の板状材料の間に刃となる固い金属を挟み込んで加熱し、ハンマーで叩いて一体の材料にする鍛接(圧接)と呼ばれる接合手法などでも使われています。さらに、接合する金属を局部的に溶かして接合する溶接のような方法も利用されています。

これらの接合法は、次の項に示す「金属の成り立ち」そのものを利用することから冶金的接合法と呼ばれ、その利点と欠点をまとまると表1-2のようになります。

表1-2 冶金的接合法の利点と欠点

冶金的接合法の特徴 利点 1. 継手の形状が簡単でしかも自由度が高い
2. 短時間で固定でき、極めて簡便に接合できる
3. 継手効率が高く、気密・水密性が容易に得られる
4. 製品重量が低減でき、組み立ての工数も減らせる
欠点 1. ひずみや残留応力を発生し、寸法精度の維持がむつかしい
2. 溶接による特有の欠陥を発生することがある
3. 解体がむつかしく、破断が生じると止めることがむつかしい
4. 製品全体からみると、機械的性質や形状の不連続を発生する
3. 接着剤接合法による接合

家庭などで広く利用されている接着剤を用いる接合法も、最近では高強度接着剤の開発などにより工業製品の接合にも広く利用されるようになっています。特に、表1-3中に示した金属と非金属の組み合わせ接合や機密性が得られやすい特徴を活かしたシールをかねた接合に効果的に用いられています。ただ、接合状態が得られるのに時間がかかるなどの欠点もあります(接合部の加熱処理や2剤の混合による反応熱の利用、さらには後に示すスポット溶接との複合接合の利用などで改善されています)。

表1-3 接着剤接合法の利点と欠点

接着剤接合法の特徴 利点 1. ほとんどの材料ならびにそれらの異材で接合ができる
2. 素材の性質や形状を変化させない
3. 気密・水密性が得られやすく、製品の外観品質も良い
4. 電気的・熱的な絶縁効果が得られやすい
欠点 1. 固定するのに時間がかかる
2. 継手の耐熱性に限界がある
3. 継手の信頼性や耐用年数に関するデータが少ない
4. 各接合法の適材適所へ利用

図1-1は、板金製品での各部材の組み立て状態を示すもので、絶対的な固定が必要な部分には溶接が、組み立て中に調整が必要な部分はボルトナット接合が使用されています。こうした接合法の使い分けの明確な事例の1つが、「簡単な方法で容易に解体できる」といった機械的接合法の大きな利点に着目したリサイクル性に配慮したものづくりです。この場合、同質材の組み合わせ部品などは溶接で一体化したとしても部品あるいは素材としてのリサイクル性は確保できます。一方、異材組み合わせの部品を溶接で一体化してしまうと、部品としてのリサイクルは可能ですが素材リサイクルの面では不都合となり、こうした場合には機械的接合が有効となります。

図1-1 板金製品での各部材の組み立て状態

図1-1 板金製品での各部材の組み立て状態

5. 複合接合

複合接合とは、1つの接合部に複数の接合法を利用する方法で、@機械的なボルト接合での「ゆるみ止め」のため、接着剤や溶接で止める手法、Aスポット溶接や機械的接合による接合部の気密性を得るため、シール材として接着剤も使用する手法、B接合状態が得られるのに時間がかかる接着剤接合に、瞬間的に固定できるスポット溶接を併用する手法、などの考え方です。こうした複合接合の手法では、目的とする接合結果が得られやすくなるとともに、接合部強度が、最終的な製品強度はスポット溶接部や機械的接合部品によって決まるものの、これらの部分が破断し始めるまでは接着材接合部で食い止められることで疲労強度の改善できることが確認されています。

このように、「1つの材料や技術、加工方法で目的とする製品の機能が得られない場合、互いの長所を活かし欠点を補い合う複数の材料や技術、加工方法を組み合わせて利用する複合化」の考え方は、日々のものづくり現場で、「ちょっとした発想の転換や工夫」で活用でき、思わぬ効果が得られことがあります。このような複合化の工夫は、複合接合法で示したように「各接合法の長所欠点といった基本事項を良く認識し、活用できるようにしておくこと」が非常に重要となるのです。

執筆: 溶接道場 安田 克彦

『溶接の基礎講座』の目次

第1章 溶接の基礎

第2章 溶接方法と溶接材料

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