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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

1-3 溶接の接合メカニズム

1. 金属を加熱することで発生する変化

金属を加熱すると、材料は熱膨張で長くなります。こうした現象は、

(1)常温の金属では原子間の結合力が強く、しっかりと結びついています。

(2)加熱により金属に熱を与えると、原子間の引き合う力が徐々に弱まり、その弱まった分だけ原子間の距離が広がります(これが金属の熱膨張で、加熱することで結合力が弱まることは、常温では曲がらない金属棒も加熱すると容易に曲がるようになることからもわかります)。

(3)さらに加熱を続けある温度以上になると、原子間の引き合う力が弱まり、原子は自由に動き回る液体の状態になります。

2. 溶接で金属が接合されるメカニズム

では、溶接によって金属が接合されるメカニズムは、どうなっているのでしょう。それは、

(1)接合しようとする2つの材料の接合部を加熱し液体状態にします(このことで、それぞれの材料の原子が自由に動き回り、混じり合います)。

(2)(1)の状態から冷却し凝固温度になると、原子間の引き合う力が戻り始めます。この温度状態なると、母材の溶け止まったボンド面の原子は(この原子は内側の母材の原子とは結合状態が得られています)、近づいてきた動き回る原子との間で結合状態が得られるようになります。

(3)さらに、この結合した原子が核になり、混じり合った互いの原子が引き合う新たな結晶がつくられ接合状態が得られるようになります。

3. ろう付けで金属が接合されるメカニズム

銅線をハンダ付けしようとする場合、接合しようとする銅線は溶かさず、銅線の間に低い温度で溶けるハンダを溶かし液体状態にして流し込むことで接合できます。こうした接合法を、ろう付けと呼びます(ろう付けによる接合メカニズムは、固体金属側の接合面を溶接におけるボンド面、溶融しているろう材をプール内の溶融金属と考えれば、溶接と同じです)。

4. 圧接で金属が接合されるメカニズム

圧接は、図3-1に示すように接合しようとする材料の面を重ねた状態で加熱し、それぞれの材料が変形しやすい温度状態まで加熱した時点で強い力を加えます。これにより、酸化されるなどして結合力を失っている接合面材料は接合部周囲に押し出され、内部の活性な原子が接合面に現れます。この互いの材料表面に出てきた活性な原子は、動きやすい高温の状態にあることから結合力の発揮できる距離まで近づき、接合できるようになるのです。こうした接合法が圧接法で、鉄筋などをガス炎で加熱するガス圧接や機械部品などを接触させて回転させ摩擦熱で接合する摩擦圧接などの方法があります。

図3-1 圧接における接合メカニズム

図3-1 圧接における接合メカニズム

5. 電気抵抗スポット溶接の接合メカニズム

電気抵抗を利用したスポット溶接は、重ねた2枚の金属板の接合部を加圧して通電し、接合部を抵抗発熱で溶融させることで通常の溶接と同じメカニズムで接合します(接合面の金属が溶け合うような抵抗発熱が得られる接触状態となる加圧力、電流、通電時間の設定が必要となります)。図3-2がアルミニウム合金板の電気抵抗スポット溶接部の溶接状態で、外観や溶融ナゲットは良好に形成されているものの、接合部には割れやブローホールなどの欠陥を発生しています(特に、アルミニウム合金板の電気抵抗スポット溶接では、接合面の処理や電極先端の清浄、溶接条件の適正設定が必要となります)。

図3-2 アルミニウム合金の電気抵抗スポット溶接結果例

図3-2 アルミニウム合金の電気抵抗スポット溶接結果例

6. 摩擦攪拌溶接(FSW)の接合メカニズム

図3-3が、溶接を利用するものづくり分野で、近年特に注目されている摩擦攪拌溶接(FSW)の概要とその溶接結果です。この方法は、その接合のメカニズムからして従来の発想を全く変えるもので、その概要は、

(1)図3-3(a)のツール先端ピンを溶接線に強く押し付けて回転、発生する摩擦熱で母材溶接部を加熱します。

(2)加熱されたことで母材内の原子間の結合力が弱まりピンの回転力で結晶格子が攪拌されて交じり合い、接合部の結合力が得られるようになります。このように突合せや重ね、すみ肉、スポットなど各種継手で、「母材を溶融させることなく接合できる本溶接法は、割れやブローホールのなど欠陥発生の少ない溶接が可能となります(図3-3 (b)がFSWによる溶接状態で、組織が攪拌により渦状になるとともに回転方向に偏るなど、その特徴が良く現れています)。

図3-3 摩擦攪拌溶接(FSW)による溶接状態

図3-3 摩擦攪拌溶接(FSW)による溶接状態

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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